THIẾT kế và mô PHỎNG MẠCH KHUẾCH đại NHIỄU THẤP (LOW NOISE AMPLIFIER – LNA) (có sơ đồ mạch)

50 912 6
THIẾT kế và mô PHỎNG MẠCH KHUẾCH đại NHIỄU THẤP (LOW NOISE AMPLIFIER – LNA) (có sơ đồ mạch)

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

Thông tin tài liệu

THIẾT kế và mô PHỎNG MẠCH KHUẾCH đại NHIỄU THẤP (LOW NOISE AMPLIFIER – LNA) (có sơ đồ mạch) THIẾT kế và mô PHỎNG MẠCH KHUẾCH đại NHIỄU THẤP (LOW NOISE AMPLIFIER – LNA) (có sơ đồ mạch) THIẾT kế và mô PHỎNG MẠCH KHUẾCH đại NHIỄU THẤP (LOW NOISE AMPLIFIER – LNA) (có sơ đồ mạch) THIẾT kế và mô PHỎNG MẠCH KHUẾCH đại NHIỄU THẤP (LOW NOISE AMPLIFIER – LNA) (có sơ đồ mạch)

THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG MẠCH KHUẾCH ĐẠI NHIỄU THẤP (LOW NOISE AMPLIFIER – LNA) MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT AC Alternating Current CMOS Complementary Metal – Oxide – Semiconductor CG Common Gate CS Common Source DC Direct Current FET Field – Effect Transistor LOS Line Of Sight LNA Low Noise Amplifier MOSFET Metal – Oxide Semiconductor Field – Effect Transistor NLOS Non Line Of Sight OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing IC Integrated Circuit WIMAX Worldwide Interoperability For Microwave Access Trang 5/47 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ MẠCH KHUẾCH ĐẠI 1.1 Giới thiệu Mạch khuếch đại thuật toán thiết kế để thực tính tốn cách sử dụng điện áp giá trị tương tự để mơ đại lượng khác Nó đặt tên “Mạch khuếch đại thuật toán” Đậy thành phần máy tính tương tự, mạch khuếch đại thuật tán thực thuật tốn cộng, trừ, tích phân vi phân Tuy nhiên, mạch khuếch đại thuật toán đa năng, với nhiều ứng dụng khác ứng dụng thuật toán Mạch khuếch đại thuật toán thực nghiệm lắp ráp transistor, đèn điện tử chân khơng linh kiện khuếch đại trình bày dạng mạch linh kiện rời rạc mạch tích hợp tỏ tương ứng với linh kiện thực Trong mạch khuếch đại thuật toán phát triển đèn điện tử chân không, thường sản xuất dạng mạch tích hợp (ICs) phiên lắp ráp linh kiện rời rạc sử dụng cần tiện ích vượt tầm IC 1.1.1 Lịch sử Các mạch khuếch đại thuật tốn tích hợp ứng dụng rộng rãi cuối thập niên 1960 mạch sử dụng transistor lưỡng cực hãng Fairchild Bob Widlar thiết kế năm 1965 Những thiết kế tốt giới thiệu số dựa transistor hiệu ứng trường FET (cuối thập niên 1970) transistor hiệu ứng trường có cổng cách điện MOSFET (đầu thập niên 1980) Các mạch khuếch đại thuật tốn thường có thơng số nằm giới hạn định có vỏ tiêu chuẩn với nguồn điện cung cấp tiêu chuẩn 1.1.2 Hệ thống mạch khuếch đại  Mạch khuếch đại nhiễu thấp: Thiết Kế Và Mô Phỏng Mạch khuếch Đại Nhiễu Thấp (Low Noise Amplifier – LNA) Trang 6/47 - Mạch khuếch đại nhiễu thấp mạch khuếch đại điện tử sử dụng để khuếch đại tín hiệu có biên độ nhỏ dễ bị ảnh hưởng nhiễu tín hiệu nhận ang-ten Mạch khuếch đại nhiễu thấp thành phần quan trọng đặt ngõ vào mạch thu sóng - Mạch khuếch đại nhiễu thấp có thơng số quan trọng là: độ lợi, hệ số nhiễu, tuyến tính, phối hợp trở kháng, băng thơng  Mạch khuếch đại lớp A: - Mạch khuếch đại lớp A làm cho khuếch đại không bị méo cách giữ cho dạng sóng tín hiệu khỏi vùng 0V khoảng 0.6V nơi mà đặc tính đầu vào transistor khơng tuyến tính - Ưu điểm: • Khuếch đại khơng bị méo tín hiệu vùng 0V-0.6V • Khơng có miền tuyến tính - Nhược điểm: • Hiệu suất thấp khoảng 30% • Tổn hao điện  Mạch khuếch đại công suất lớp B: - Mạch khuếch đại công suất lớp B giải pháp hiệu vấn đề liên quan đến lớp A - Ưu điểm: • Hiệu suất khoảng 50% cao lớp A • Nhiệt lượng cao lớp A - Nhược điểm: • Có độ méo lớn  Mạch khuếch đại công suất lớp AB: - Mạch khuếch đại công suất lớp AB kết hợp lớp A lớp B để khác phục nhược điểm lớp A lớp B - Ưu điểm: Thiết Kế Và Mô Phỏng Mạch khuếch Đại Nhiễu Thấp (Low Noise Amplifier – LNA) Trang 7/47 • Hiệu suất khoảng 50% đến 60% • Tuyến tính cao  Mạch khuếch đại cơng suất lớp C: - Mạch khuếch đại công suất lớp C mạch có hiệu suất cao khoảng 80% tuyến tính nhỏ so với lớp A, lớp B, lớp AB  Mạch khuếch đại vi sai: - Mạch khuếch đại vi sai mạch khuếch đại thực khuếch đại tín hiệu điện theo khác biệt hai điện áp ngõ vào ngăn chặn điện áp chung tồn hai ngõ vào  Mạch khuếch đại âm thanh: - Mạch khuếch đại âm (còn gọi amply) mạch khuếch đại điện tử, khuếch đại tín hiệu âm cơng suất thấp (có tần số khoảng 20 – 20000 Hz, khoảng mà người nghe được) lên mức thích hợp từ xuất loa  Mạch khuếch đại phân bố: - Mạch khuếch đại phân bố thiết kế mạch kết hợp lý thuyết đường truyền vào thiết kế mạch khuếch đại truyền thơng để có sản phẩm độ lợi, băng thơng lớn thực mạch truyền thông 1.2 Wimax Wimax (Worldwide Interoperability For Microwave Access) công nghệ mạng không dây băng thông rộng, hỗ trợ khả kết nối băng thông rộng tốc độ cao cho mạng cố định lẫn mạng không dây Lợi Wimax triển khai nhanh, tính chuyển đổi cao, chi phí thấp, Wimax góp phần giải vấn đề nghẽn Các chuẩn Wimax: - Chuẩn IEEE 802.16-2001 hoàn thành vào tháng 10/2001 phân bố vào tháng 4/2002, định nghĩa đặc tả kỹ thuật giao diện không gian WirelessMANTM cho vùng đô thị Giao diện không gian cho hệ Thiết Kế Và Mô Phỏng Mạch khuếch Đại Nhiễu Thấp (Low Noise Amplifier – LNA) Trang 8/47 thống truy cập không dây băng thông cố định hoạt động dải tần số 10 - 66 GHz, cần thỏa mãn tầm nhìn thẳng Chuẩn IEEE 802.16a khó khăn triển khai chuẩn IEEE 802.16, hướng vào việc sử dụng tần số từ 10 - 66 GHz, dự án sửa đổi có tên IEEE 802.16a hồn thành vào tháng 11/2002 cơng bố vào tháng 4/2003 Chuẩn mở rộng hỗ trợ giao diện không gian cho tần số băng tần 2-11 GHz, bao gồm phổ cấp phép không cấp phép không cần thỏa mãn điều kiện tầm nhìn - thẳng Chuẩn IEEE 802.16-2004 hồn thành vào tháng 7/2004, đucợ gọi chuẩn IEEE 802.16-2004 hay IEEE 802.16d Kết hợp chuẩn IEEE 802.16-2001 IEEE 802.16a, ứng dụng LOS dải tần số 10 – 66 GHz NLOS dải tần số – 11 GHz Khả vô tuyến bổ sun - “beam forming” kênh OFDM Chuẩn IEEE 802.16e vào đầu năm 2005, chuẩn không dây băng thông rộng 802.16e với tên gọi Mobile Wimax phê chuẩn, cho phép trạm gốc kết nối tới thiết bị di chuyển Chuẩn giúp cho thiết bị từ nhà sản xuất làm việc, tương thích tốt với thiết bị từ nhà sản xuất khác Chuẩn IEEE 802.16e hoạt động băng tần nhỏ GHz 1.3 Công nghệ CMOS Đây NMOS có ba chân: gate (G), Source (S), Drain (D) Khi hoạt động công tắc, VG mức cáo lên nguồn VG mức thấp xuống đất 1.1.3 Cấu trúc MOSFET Thiết Kế Và Mô Phỏng Mạch khuếch Đại Nhiễu Thấp (Low Noise Amplifier – LNA) Trang 9/47 Cấu trúc đơn giản n-type MOS (NMOS) Chế tạo bề mặt p-type, thiết bị gồm có hai vùng n tạo thành đầu cuối source drain, phần polysilicon (thường gọi poly) hoạt động cổng lớp silic dioxide mỏng cách điện cổng từ chất Lưu ý cấu trúc đỗi xứng S D Hình 1-1: Cấu trúc MOSFET Kích thước cổng dọc theo đường dẫn source-drain gọi chiều dài “L” vng góc với chiều dài gọi chiều rộng “W” Khi chế tạo đường nối S/D “khuếch tán” khoảng cách thực tế source drain nhỏ chiều dài “L” Để tránh nhầm lẫn, có cơng thức L eff=Ldrawn - 2LD Leff chiều dài hiệu dụng, Ldrawn tổng chiều dài, LD chiều dài khuếch tán Như thấy L độ dày oxide cổng đóng vai trò quan trọng việc thực mạch MOS Việc đẩy mạnh phát triển cơng nghệ MOS giảm hai kích thước từ hệ sang hệ mà không làm suy giảm thông số thiết bị 1.1.4 Ký hiệu MOS Hình 1-2: Ký hiệu MOS Thiết Kế Và Mô Phỏng Mạch khuếch Đại Nhiễu Thấp (Low Noise Amplifier – LNA) Trang 10/47 1.1.5 Điện áp ngưỡng Khi tăng VG làm chiều rộng vùng suy giảm điện áp bề mặt phân cách oxide silicon Cấu trúc giống hai tụ điện: tụ điện oxide cổng tụ điện oxide vùng Khi điện áp giao tiếp đạt đến giá trị tích cực đủ, điện tích theo source tới giao diện cuối tới drain Do đó, kênh mang điện hình thành oxide cổng S D, transistor “on” Mặt phân cách đảo ngược Giá trị VG cho điều xảy gọi điện áp ngưỡng “V TH” Nếu VG tăng lên điện tích vùng suy giảm tương đối nhỏ mật độ tích tụ kênh tiếp tục tăng, cung cấp dòng điện lớn từ S D Trong thực tế khó phân xác định điện áp ngưỡng V TH Trong vật lý bán dẫn VTH NFET thường định nghĩa điện áp cổng mà giao diện nhiều n-type chất p-type Nó chứng minh: (1.1) Trong đó: VTH: Điện áp ngưỡng Qdep: Vùng điện hao hụt Cox: Điện dung oxide cổng đơn vị điện tích ΦMS: khác chức làm việc cổng poly chất silcon ΦF = (kT/q) ln (Nsub/ni) Thiết Kế Và Mô Phỏng Mạch khuếch Đại Nhiễu Thấp (Low Noise Amplifier – LNA) Trang 36/47 Thiết Kế Và Mô Phỏng Mạch khuếch Đại Nhiễu Thấp (Low Noise Amplifier – LNA) Trang 37/47 Hình 4-11: Mạch mô độ lợi Cascode CG 1.11 Mạch khuếch đại nhiễu thấp Cascode CS Hình 4-12: Mạch khuếch đại nhiễu thấp Cascode CS Hình 4-13: Mạch mơ tham số transistor Cascode CS 1.1.21 Mạch mô tham số transistor Tính gm, chọn Rs = 50Ω Dùng phần mềm tìm gm, ID Hình 4-14: Dùng phần mềm lấy giá trị ID, gm Thiết Kế Và Mô Phỏng Mạch khuếch Đại Nhiễu Thấp (Low Noise Amplifier – LNA) Trang 38/47 1.1.22 Tìm giá trị Cpad Mơ chạy sóng tìm Cpad = 56.37 fF tần số f = 2.6 GHz Hình 4-15: Mạch mơ tìm giá trị Cpad Cascode CS 1.1.23 Tìm giá trị L2 Thiết Kế Và Mô Phỏng Mạch khuếch Đại Nhiễu Thấp (Low Noise Amplifier – LNA) Trang 39/47 Thiết Kế Và Mô Phỏng Mạch khuếch Đại Nhiễu Thấp (Low Noise Amplifier – LNA) Trang 40/47 Hình 4-16: Mạch mơ tìm giá trị L2 Cascode CS Hình 4-17: Dùng phần mềm lấy giá trị gm, Cgs Dùng phần mềm tìm Cgs gm Chọn L2 = nH 1.1.24 Tìm giá trị LG Thiết Kế Và Mơ Phỏng Mạch khuếch Đại Nhiễu Thấp (Low Noise Amplifier – LNA) Trang 41/47 Hình 4-18: Mạch mơ tìm giá trị L7 Cascode CS Chọn LG = 32.4 nH 1.1.25 Phân cực cho mạch Tìm IREF đối xứng với ID suy IDC = 9.63 mA Hình 4-20: Mạch mơ nguồn dòng lý tưởng Cascode CS Thiết Kế Và Mô Phỏng Mạch khuếch Đại Nhiễu Thấp (Low Noise Amplifier – LNA) Hình 4-19: Mạch mơ ngn dòng Cascode CS Trang 42/47 Mạch mạch đối xứng nên ID = IREF Hình 4-21: Dùng phần mềm lấy giá trị VGS Hình 4-22: Mạch mơ nhiểu Cascode CS 1.1.26 Mô nhiễu Thiết Kế Và Mô Phỏng Mạch khuếch Đại Nhiễu Thấp (Low Noise Amplifier – LNA) Trang 43/47 1.1.27 Mô độ lợi 1.1.28 Hệ số khuếch đại Hệ số khuếch đại Av = Vout/Vin Hình 4-24: Mạch mơ hệ số khuếch đại Cascode CS Hình 4-23: Mạch mơ độ lợi Cascode CS Thiết Kế Và Mô Phỏng Mạch khuếch Đại Nhiễu Thấp (Low Noise Amplifier – LNA) Trang 44/47 CHƯƠNG 1.12 KẾT QUẢ MƠ PHỎNG Kết mơ mạch khuếch đại nhiễu thấp Cascode CG 1.1.29 Mô tham số transistor Hình 5-1: Kết mơ tham số transistor Cascode CG VDS = 1.2 V VGS = V ID = 0.010 A 1.1.30 Mô sóng tìm giá trị Cpad Tại tần số f = 2.6 GHz Cpad = 1.388E-15 F Hình 5-2: Kết mô giá trị Cpad Cascode CG 1.1.31 Mơ hệ số phản xạ tìm LB Thiết Kế Và Mô Phỏng Mạch khuếch Đại Nhiễu Thấp (Low Noise Amplifier – LNA) Trang 45/47 Hình 5-3: Kết mô hệ số phản xạ Cascode CG Tại tần số f = 2.6 GHz hệ số phản xạ S11 = -19.148 dB 1.1.32 Mô hệ số khuếch đại Hình 5-4: Kết mơ hệ số khuếch đại Cascode CG Hệ số khuếch đại Av = 39.553 dB tần số f = 2.6 GHz 1.1.33 Mô nhiễu Thiết Kế Và Mô Phỏng Mạch khuếch Đại Nhiễu Thấp (Low Noise Amplifier – LNA) Trang 46/47 Hình 5-5: Kết mơ nhiễu Cascode CG Hệ số nhiễu NFmin = 1.337 dB tần số f = 2.6 GHz Hệ số nhiễu ngõ NF(2) = 3.835 dB tần số f = 2.6 GHz 1.1.34 Mơ độ lợi Hình 5-6: Kết mô độ lợi Cascode CG Độ lợi Gain = 12.579 dB tần số f = 2.6 GHz 1.13 Kết mô mạch khuếch đại nhiễu thấp Cascode CS 1.1.35 Mô tham số transistor Thiết Kế Và Mô Phỏng Mạch khuếch Đại Nhiễu Thấp (Low Noise Amplifier – LNA) Trang 47/47 Hình 5-7: Kết mô tham số transistor Cascode CS VDS = 1.2 V VGS = V ID = 0.010 A 1.1.36 Mơ sóng tìm giá trị Cpad Tại tần số f = 2.6 GHz Cpad = 1.388E-15 F Hình 5-8: Kết mơ giá trị Cpad Cascode CS 1.1.37 Mô hệ số phản xạ Thiết Kế Và Mô Phỏng Mạch khuếch Đại Nhiễu Thấp (Low Noise Amplifier – LNA) Trang 48/47 Hình 5-9: Kết mô hệ số phản xạ Cascode CS Hệ số phản xạ S11 = -11.265 dB tần số f = 2.6 GHz 1.1.38 Mơ nhiễu Hình 5-10: Kết mô nhiễu Cascode CS Hệ số nhiễu NFmin = 0.719 dB tần số f = 2.6 GHz Hệ số nhiễu ngõ NF(2) = 2.292 dB tần số f = 2.6 GHz 1.1.39 Mô độ lợi Thiết Kế Và Mô Phỏng Mạch khuếch Đại Nhiễu Thấp (Low Noise Amplifier – LNA) Trang 49/47 Hình 5-11: Kết mơ độ lợi Cascode CS Độ lợi Gain = 20.757 dB tần số f = 2.6 GHz 1.1.40 Mô hệ số khuếch đại Hình 5-12: Kết mơ hệ số khuếch đại Cascode CS Hệ số khuếch đại Av = 37.955 dB tần số f = 2.6 GHz CHƯƠNG 1.14 KẾT LUẬN Kết luận Thiết Kế Và Mô Phỏng Mạch khuếch Đại Nhiễu Thấp (Low Noise Amplifier – LNA) Trang 50/47 Bảng 6- 1: Bảng so sánh thông số hai mạch khuếch đại nhiễu thấp Low Noise Amplifier Low Noise Amplifier (Cascode CG) (Cascode CS) Độ Lợi 12.579 dB 20.757 dB Nhiễu 3.835 dB 2.292 dB Hệ số khuếch đại 39.553 dB 37.955 dB S11 -19.148 dB -11.265 dB Mạch khuếch đại nhiễu thấp Cascode CS có độ lợi cao nhiễu thấp băng thông đầu vào nhỏ Mạch khuếch đại nhiễu thấp Cascode CG có độ lợi thấp nhiễu cao băng thơng đầu vào lớn Trong q trình mơ mạch chưa phối hợp trở kháng cho mạch khuếch đại nhiễu thấp 1.15 Hướng phát triển - Mạch phát triển hoạt động tần số lớn - Mạch phát triển dùng microstrip line để thiết kế mạch Thiết Kế Và Mô Phỏng Mạch khuếch Đại Nhiễu Thấp (Low Noise Amplifier – LNA) ... 12 đồng Thiết Kế Và Mô Phỏng Mạch khuếch Đại Nhiễu Thấp (Low Noise Amplifier – LNA) Trang 25/47 CHƯƠNG THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI NHIỄU THẤP 1.9 Giới thiệu Mạch khuếch đại nhiễu thấp (Low Noise Amplifier. .. phương nhiễu vng ft fh Thiết Kế Và Mô Phỏng Mạch khuếch Đại Nhiễu Thấp (Low Noise Amplifier – LNA) Trang 16/47 (1.8) 1.5 So sánh mạch khuếch đại nhiễu thấp mạch khuếch đại công suất Mạch khuếch đại. .. KẾ MẠCH Mạch khuếch đại nhiễu thấp Cascode CG Hình 4-1: Mạch khuếch đại nhiễu thấp Cascode CG 1.1.14 Mô tham số transistor Thiết Kế Và Mô Phỏng Mạch khuếch Đại Nhiễu Thấp (Low Noise Amplifier –

Ngày đăng: 27/02/2018, 10:43

Từ khóa liên quan

Mục lục

  • DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

  • DANH MỤC BẢNG BIỂU

  • DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

  • CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MẠCH KHUẾCH ĐẠI

    • 1.1 Giới thiệu

      • 1.1.1 Lịch sử

      • 1.1.2 Hệ thống các mạch khuếch đại

      • 1.2 Wimax

      • 1.3 Công nghệ CMOS

        • 1.1.3 Cấu trúc MOSFET.

        • 1.1.4 Ký hiệu MOS

        • 1.1.5 Điện áp ngưỡng

        • 1.1.6 Đặc tuyến I/V của MOSFET

        • 1.4 Nhiễu

          • 1.1.7 Nhiễu nhiệt

          • 1.1.8 Nhiễu shot

          • 1.1.9 Nhiễu popcorn

          • 1.5 So sánh mạch khuếch đại nhiễu thấp và mạch khuếch đại công suất

          • CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ VI MẠCH BÁN DẪN

            • 1.6 Quá trình thiết kế CMOS

            • 1.7 Mô hình tụ điện

              • 1.1.10 Tụ MIM (Vertical)

              • 1.1.11 Tụ MIM (Lateral Flux)

              • 1.8 Mô hình cuộn cảm

              • CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI NHIỄU THẤP

                • 1.9 Giới thiệu

                  • 1.1.12 Biểu diễn các tham số nhiễu trên mạng hai cửa

                  • 1.1.13 Đo tham số nhiễu tại hai cổng.

Tài liệu cùng người dùng

Tài liệu liên quan