Дифференциальный КМОП малошумящий усилитель
для DRM совместимого радио тюнера
,
АННОТАЦИЯ
В статье рассмотрен дифференциальный КМОП малошумящий усилитель (МШУ) для DRМ (Digital Radio Mondiale) совместимого радио тюнера, спроектированный по стандартной радиочастотной субмикронной КМОП технологии c топологическими нормами 0.18 мкм. Достигнут компромисс между согласованием по входу и ростом коэффициента шума, за счет использования метода шумоподавления, без ущерба линейности и коэффициента усиления. При разработке использовался принцип подавления теплового шума, который позволил добиться низкого значения коэффициента шума в широком диапазоне частот. Характеристики дифференциального МШУ удовлетворяют требованиям по применению в DRM радио тюнере: минимальное значение коэффициента шума NF 2.3 дБ; коэффициент усиления до 14.5 дБ; потребляемая мощность не более 99 мВт. Спроектированный МШУ может широко применяться при проектировании различных радиочастотных схем в составе СБИС типа «система на кристалле».
Ключевые слова:
радиовещание, DRM, КМОП малошумящий усилитель, шумоподавление,
Differential CMOS low noise amplifier for DRM compatible radio tuner.
Shlemin D. L. Chernov A. S.
Abstract
Differential CMOS low noise amplifier (LNA) for DRM compatible radio tuner has been designed with standard RF 0.18 um CMOS technology process. Using noise canceling technique and without prejudice for linearity and gaining, source impedance matching and noise figure (NF) increasing tradeoff has been achieved. Thermal noise canceling technique used in design, allowed a low noise figure to be achieved in wide frequency band. Parameters for the use in DRM radio tuner are the following: minimum NF is 2.3 dB, maximum gain is 14.5 dB, it consumes less 99 mW under 3.3V supply. Designed LNA can be used at front-end of radio frequency system on chip ULSI.
Index Terms – broadband, low noise amplifier (LNA), DRM, noise canceling
ВВЕДЕНИЕ
Благодаря широкому распространению идеологии сверхбольших интегральных схем (СБИС) типа «система на кристалле» (СнК) при проектировании радиоэлектронной аппаратуры различного назначения, резко возрастает актуальность создания радиочастотных элементов, совместимых с современными субмикронными технологическими процессами. Неотъемлемым элементом практически любого радиотракта является малошумящий усилитель (МШУ). К параметрам МШУ предъявляются разнонаправленные требования: с одной стороны, - низкое энергопотребление, с другой, - высокая линейность и малый уровень собственных шумов. В данной статье рассмотрен МШУ, разработанный по стандартной КМОП технологии 0.18 мкм для радио тюнера радиовещательного приемника цифровых сигналов формата DRM. Малошумящий усилитель должен иметь хорошую линейность и коэффициент усиления во всем рабочем диапазоне, а также достаточно низкий коэффициент шума (NF) порядка единиц дБ; согласование по входу и выходу порядка 50 Ом.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Рассмотрим на примере DRM радио тюнера входную часть приемного радиотракта, см. рис.1. Входной сигнал, принятый антенной, поступает на внешний (по отношению к СБИС) преселектор, в котором происходит предварительная частотная селекция принимаемого сигнала. С выхода преселектора входной сигнал поступает на вход МШУ.
Качество работы DRM радио тюнера во многом определяется характеристиками МШУ. Усиление МШУ определяет в значительной степени чувствительность, динамический диапазон и шумовые характеристики всего тюнера. Так как МШУ является входным каскадом, его шумовые характеристики вносят существенный вклад в соотношение сигнал-шум и динамический диапазон всей системы. Кроме того, МШУ должен иметь хорошую линейность в принимаемых диапазонах частот: 0.1 - 30 МГц для АМ и 65 – 108 МГц для FM форматов радиовещания (включая радиовещание в формате DRM+).
| |
Рис.1 Архитектура DRM радио тюнера |
По результатам схемотехнического моделирования схемы, показанной на рис. 1, были получены параметры, удовлетворяющие требованиям работы устройства в указанных диапазонах, см. табл. 1.
Таблица.1 Спецификация схемы МШУ
S11, дБ | < -30 |
S12, дБ | < -50 |
S21, дБ | 15 |
S22, дБ | < -33 |
Pin-1dB, дБм | - 6.9 |
IIP3, дБм | 3.4 (f1 = 1 МГц f2=1.02 МГц) |
NF, дБ | 9.5 @ 1.8 МГц 8 @ 4 МГц 3.3 @ 28 МГц 2.5 @ 100 МГц |
Потребляемая мощность | 30 мА @ 3.3В |
Принцип подавления теплового шума и конструкция схемы
На рис. 2 представлен принцип подавления теплового шума предложенный в работе [1]. Шумовой ток, создаваемый МОП транзистором, создает в узлах X и Y схемы синфазные шумовые напряжения, в то время как источник входного сигнала создает в данных точках противофазное напряжение. Таким образом, проинвертировав напряжение в узле Х и, сложив с определенным весовым коэффициентом с напряжением в узле Y, мы получим, во-первых, подавление шума, во-вторых, дополнительное усиление входного сигнала.
|
Рис.2. Принцип подавления теплового шума, предложенный в [1]. |
Принципиальная схема МШУ, разработанная на основе данного принципа [1,2], приведена на рис. 3. Схема является полностью дифференциальной с целью снижения влияние помех, обусловленных функционированием цифровой части тюнера, проникающих по шинам питания и общую подложку, а также с целью улучшения линейности МШУ.
|
Рис.3 Принципиальная схема дифференциального МШУ |
Моделирование и Анализ МШУ
МШУ спроектирован по стандартной субмикронной радиочастотной КМОП технологии с шестислойной металлизацией; его топология показана на рис. 4. Размеры блока 0.37´0.30 мм2, площадь блока 0.11 мм2; схема потребляет порядка 30 мА при напряжении питания 3.3 В.
Для защиты от шумов по подложке, весь блок экранирован обратным p-n – переходом, выполненным тремя кольцами n-p-n типа. Шины земли и питания подведены в шестом слое металла. Приборы расположены так, что бы максимально добиться формы квадрата, что позволяет снизить влияние градиента температур на кристалле на характеристики МШУ. Каждый транзистор дополнительно помещен в отдельный изолированный карман. Структуры транзисторов n-типа дополнительно помещены в отдельный глубокий n – карман (DNWell). Для большей степени согласованности транзисторы имеют одинаковую ориентацию затворов. Из-за большой ширины затвора, все транзисторы выполнены составными. Из-за высоких требований к идентичности, транзисторы входной и выходной дифференциальных пар окружены фиктивными dummy элементами по периметру, остальные элементы МШУ окружены фиктивными dummy элементами только справа и слева по изображенной на рис.4 топологии.
|
Рис.4 Топология разработанного дифференциального МШУ. |
Блок симметрирован относительно центра, левая часть блока зеркальна относительно правой. Так как по большей части дорожек металлизации протекает постоянный ток порядка 20 мА, шины выполнены с учетом требований по электромиграции и продублированы в нескольких слоях металлической разводки. Для уменьшения влияния сопротивления контактных окон их количество увеличено. Поликремневые резисторы номиналом 500 кОм выполнены в виде 14-ти идентичных последовательно включенных элементов. Резисторы так же выполнены с добавлением фиктивных элементов. Входные 400-омные резисторы выполнены с точностью 0.003%. В разработке были использованы конденсаторы типа «Finger», предпочтительное применение которых ранее было отмечено в [3] (не используется дополнительный промежуточный, между пятым и шестым, слой металла, который применяют при изготовлении MIM конденсаторов). Конденсаторы этого типа обладают хорошей линейностью характеристик в рабочем диапазоне частот DRM. Для увеличения плотности компановки конденсаторы разбиты на 6 параллельно включенных конденсаторов.
На рис. 5 показаны результаты моделирования S параметров в диапазоне от 100 кГц до 100 МГц, S21 варьируется от 13 до 14.5 дБ. Согласование по входу определяется коэффициентом S11 < - 25дБ, а согласование по выходу определяется коэффициентом S22 < -27.5дБ. Коэффициент отражения от выхода ко входу S12 менее -50 дБ.
На рис. 6 изображен график зависимости коэффициента шума от частоты, без учета паразитных эффектов, и с их учетом. В диапазоне вещания DRM коэффициент шума имеет наименьшее значение, так как принцип шумоподавления имеет наибольший эффект на низких частотах. По результатам моделирования коэффициент шума имеет значения 2.3~2.4 в диапазоне частот от 10~200МГц, т. е. во всем DRM и DRM+ диапазонах. Коэффициент шума увеличивается с понижением частоты из-за влияния фликкер-шума входных транзисторов. На высоких частотах коэффициент шума будет расти с увеличением паразитной емкости входного инвертирующего каскада.
Моделирование точки компрессии первого порядка показано на рис. 7 в диапазоне до 100 МГц; точка компрессии (Pin-1dB) определена равной - 6.44 дБм.
Моделирование точки компрессии третьего порядка (IIP3) показано на рис. 8 в диапазоне до 100 МГц; она имеет значение 2.75 дБм.
На рис. 9 приведена сравнительная характеристика коэффициента шума и усиления с учетом паразитных эффектов топологии. Можно видеть, что коэффициенты шума и усиления во всем диапазоне имеют хорошую линейность.
|
Рис.5 S-параметры МШУ (см. табл. 1), смоделированные из начальной схемы (Schematic), из топологии (NoRC), и с учетом влияния паразитных элементов (RCCC). |
|
Рис.6 Зависимость коэффициента шума от частоты (расшифровка легенды на рис. 5). |
|
Рис.7 Амплитудная характеристика МШУ, иллюстрирующая значение точки компрессии (расшифровка легенды на рис. 5). |
|
Рис.8 Амплитудная характеристика МШУ, иллюстрирующая значение точки пересечения 3-го порядка. Красный цвет – моделирование разработанной схемы, синий цвет - с учетом топологии, зеленый – с учетом влияния паразитных элементов. (расшифровка легенды на рисунке 5). |
|
Рис.9 Сравнительная характеристика коэффициентов усиления и шума, с учетом влияния паразитных элементов. |
Данные моделирования схемы МШУ с учетом паразитных элементов топологии приведены в таблице 2. Применение правил проектирования топологии аналоговых блоков позволило снизить коэффициент шума. Результаты моделирования позволили достигнуть компромисса между согласованием по входу и ростом коэффициента шума за счет использования метода шумоподавления, без ущерба линейности и коэффициента усиления. Из результатов моделирования видно, что характеристики дифференциального МШУ удовлетворяют требованиям по применению в DRM радио тюнере.
Таблица.2 Спецификация схемы МШУ с учетом паразитных элементов топологии.
Рабочий диапазон | До 200МГц |
S11, дБ | < -25 |
S12, дБ | < -50 |
S21, дБ | >14.4 |
S22, дБ | < -27.5 |
Pin-1dB, дБм | - 6.4 |
IIP3, дБм | 2.76(f1=1МГц f2=1.02МГц) |
NF, дБ | 4.16 @ 1.8 МГц 3.16 @ 4 МГц 2.31 @ 28 МГц 2.31 @ 100 МГц |
Потребляемая мощность | 30мА @ 3.3В |
Площадь МШУ | 0.37×0.30 мм2 |
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В статье рассмотрен дифференциальный КМОП МШУ для DRМ совместимого радио тюнера, спроектированный по стандартной радиочастотной субмикронной КМОП технологии с топологическими нормами 0.18 мкм. Достигнут компромисс между согласованием по входу и ростом коэффициента шума за счет использования метода шумоподавления, без ущерба линейности и коэффициента усиления. Использование данной методики позволяет в схеме МШУ добиться низкого значения коэффициента шума на широком диапазоне частот, за счет подавления шума на основе показанного в статье принципа. Из результатов моделирования видно, что характеристики дифференциального МШУ удовлетворяют требованиям по применению в DRM радио тюнере. В перспективе возможно расширение рабочего частотного диапазона до 10-20 ГГц со снижением коэффициента шума с ростом коэффициента усиления.
Рассмотренный МШУ может широко применяться при проектировании различных радиочастотных схем в составе СБИС типа СнК.
Работа проводилась при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
[1] Federico Bruccoleri, Eric A. M. Klumperink, Member, IEEE, and Bram Nauta, Senior Member, IEEE, “Wide Band CMOS Low-Noise Amplifier Exploiting Thermal Noise Cancelling”, IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 39, NO. 2, February 2004.
[2] Wang Keping, Member, IEEE, Wang Zhigong, Member, IEEE, “148kHz~1.5GHz Broadband CMOS Differential LNA for DRM/DAB Tuner”, Circuits and Systems for Communications, 2008. ICCSC 2008.
[3] , , “Проектирование сложнофункциональных блоков смешанного сигнала на основе субмикронной технологии на примере микросхемы видеодекодера.”, Вестник СибГУТИ, №3 (15), 2011.
27.04.65
к. т.н., руководитель группы (630049, Новосибирск, ул. Красный проспект 220, корп.2, офис 300), член IEEE,
29.01.88
Инженер-конструктор (630049, Новосибирск, ул. Красный проспект 220, корп.2, офис 300), *****@***ru
