Текущая версия на 23:36, 23 ноября 2013

Разработка малошумящего усилителя и исследование его параметров

Введение

Беспроводные технологии быстро становятся общепринятым стандартом, который оказывает всестороннее влияние на нашу жизнь. К настоящему времени люди уже привыкли к

таким устройствам, как GPS-навигаторы, мобильные телефоны, беспроводные модемы и многие другие. Неотъемлемая часть любого устройства с беспроводной связью – приемник сигналов. Упрощенная блок-схема высокочастотного (ВЧ) приемника приведена на рисунке 1.

Рис.1. Упрощенная блок-схема ВЧ-приемника

Одним из блоков ВЧ-приемника является малошумящий усилитель (МШУ). Задачей МШУ является предварительное усиление сигнала, поступающего на антенну приемника, до

величины, необходимой для дальнейшей его обработки, с минимальным внесением в сигнал искажений и шумов. ^[1]

В данной работе описан процесс разработки малошумящего усилителя на МОП-транзисторах, изготовленных по технологии SMIC 0.18 мкм.Разрабатываемое устройство является

частью GPS-приемника, который работает в диапазоне частот 1550-1610 МГц. В данной полосе частот коэффициент усиления по мощности МШУ больше 20 дБ, коэффициент шума меньше 1 дБ. Потребляемая мощность усилителя менее 4 мВт.

Основные параметры малошумящего усилителя

К основным параметрам МШУ относятся:

• коэффициент усиления
• коэффициент шума
• параметры, определяющие линейность преобразования:

1. точка компрессии по входу МШУ
2. точка интермодуляции третьего порядка

• ток потребления

Коэффициент шума характеризует уровень искажений случайного характера, вносимых в сигнал при его прохождении через приемный тракт. Согласно формуле Фриза (1),

приведенной в работе ^[2], коэффициент шума всего приемного тракта определяется в первую очередь коэффициентом шума первого каскада, то есть малошумящего усилителя.

где – коэффициент шума приемного тракта, – коэффициент шума i-го каскада (i=1,2...), – коэффициент усиления по мощности i-го каскада. Из формулы (1) следуют два важных требования к МШУ — низкий коэффициент шума и высокий коэффициент усиления по мощности. В работе ^[3] выведена формула (2), из которой следует, что для повышения линейности преобразования сигнала необходимо уменьшать коэффициент усиления по мощности малошумящего усилителя.

где – точка интермодуляции по входу блока приемника, – коэффициент усиления по мощности i-го каскада. В формуле (2) и выражены в разах, а не в децибелах.

Физический смысл интермодуляционных составляющих третьего порядка виден на рисунке 2:

Рис. 2 Интермодуляционные составляющие (ИС) второго и третьего порядков, возникающие при подаче на вход приемника двух синусоидальных сигналов равного уровня с частотами f1 и f2 соответственно

Таким образом, при разработке МШУ возникает ряд противоречий:

1. Для увеличения коэффициента усиления необходимо увеличивать ток стока активного транзистора, что приводит к увеличению тока потребления устройства.
2. Увеличение коэффициента усиления приводит к уменьшению точки компрессии по входу усилителя, а, следовательно, к ухудшению линейности преобразования сигнала.
3. Для улучшения параметров линейности необходимо уменьшать коэффициент усиления, что приводит к увеличению коэффициента шума усилителя.

В связи с этим не существует универсального схемотехнического решения малошумящего усилителя и для каждого приемника необходимо разрабатывать схему МШУ,

соответствующую требованиям технического задания. В общем случае, процесс разработки малошумящего усилителя выглядит следующим образом:

Разработка малошумящего усилителя

Схема разработанного малошумящего усилителя приведена на рисунке 3.

Рис.3. Разработанная схема МШУ

Применение схемы с индуктивным истоковым ослаблением (элементы L1, L2, N2) позволяет достичь хорошего согласования входного импеданса усилителя с сопротивлением антенны

(коэффициент стоячей волны по напряжению или КСВН < 1.5) одновременно с низким коэффициентом шума (NF<2 дБ).^[4] Использование каскода (элементы N2, N3) уменьшает влияние эффекта Миллера на схему, а также увеличивает выходное сопротивление усилителя, в связи с чем, увеличивает коэффициент усиления по мощности. LC-контур (элементы L3, C2) в схеме, приведенной на рисунке 2, позволяет получить высокий коэффициент усиления по мощности в заданном диапазоне частот. Для этого необходимо подобрать величины индуктивности и емкости так, чтобы резонансная частота контура совпадала с центральной частотой данного диапазона. Согласование выходного импеданса МШУ с сопротивлением нагрузки выполнено с использованием простейшей цепи согласования, называемой Г-цепью (элементы L4, C3).

Заключение

В процессе выполнения работы, была разработана электрическая схема малошумящего усилителя на Si МОП-технологии SMIC 0.18 мкм. Сравнение параметров полученного

малошумящего усилителя и МШУ, представленного в работе NTLab Systems LNA for GPS applications приведено в таблице:

1. ↑ p.166-170 Behzad Razavi, «RF Microelectronics», Prentice Hall, NJ, 1998
2. ↑ p. 40-41 Matt Loy, «Understanding RF», Texas Instruments Incorporated, 1999
3. ↑ p. 5-7 H.J.Yoo, «Basic Concepts in RF Design», Information and Communications University Press, 2000
4. ↑ p.7 Edgar Sanchez-Sinencio, «Low Noise Amplifier», TAMU, 2010