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CMOS Low-Noise-Amplifier (LNA)
Roland Pfeiffer
11. Vorlesung
Störer
"Interferers"
f1
gewünschter Kanal
BPF
LNA
f2 f f1 f2 f
2f2-f1 2f1-f2
Design eines LNAs
Ihr Chef stellt Ihnen die Aufgabe, eine Low-Noise-Amplifier (LNA) als
erste Stufe im Empfängerpfad zu designen.
Ihre Aufgabe:
-Rauschen, Zweitor-Rauschtheorie
-Aufgaben des LNA
-Meßgrößen des LNA
-verschiedene LNA-Architekturen
aus Veröffentlichungen
Design eines LNAs
Aufgaben eines LNAs
TX
/RX
Verstärker
LNA Down-conv.
Mixer
Sender
PA
zu RX DSP
von TX DSP Up-conv.
Mixer
LO-
Signalerzeug.
LO-
Signalerzeug. Station
Der LNA steht als 1. Stufe des Hochfrequenz-Empfängers dar.
Aufgaben und Meßgrößen eines LNAs
LNA als 1. Stufe des Hochfrequenz-Empfängers soll
das Signal genügend verstärken, um das Rauschen nachfolgender
Stufen (z.B. Mixer) vernachlässigbar zu machen
Meßgröße: power gain oder voltage gain
Rauschfaktor bei Kaskadierung von Stufen (Frijs Formel):
...11
21
3
1
21
GG
F
G
FFFGesamt mit G Leistungs-
verstärkung
F1, G1 F2, G2 F3, G3 FGesamt ?
LNA
Aufgaben und Meßgrößen eines LNAs
Problem: Dynamikbereich des zu empfangenden Signals
Station
wünschenswert: einstellbare Verstärkung („Variable Gain Amplifier“ VGA)
f
A VGA Verstärker
LNA
VGA
Aufgaben und Meßgrößen eines LNAs
LNA als 1. Stufe des Hochfrequenz-Empfängers soll
das Signal genügend verstärken, um das Rauschen nachfolgender
Stufen (z.B. Mixer) vernachlässigbar zu machen
Meßgröße: power gain oder voltage gain
selbst minimal rauschen (Name Low-Noise-Amplifier !)
Meßgröße: Noise factor, Noise figure
Aufgaben eines LNAs
Aufgabe: Was für ein Frequenzverhalten wäre für den Low-Noise Amplifier
wünschenswert ?
Antwort: ??
Verstärker
LNA Down-conv.
Mixer
Sender
PA
zu RX
DSP
von TX
DSP
Up-conv.
Mixer
LO-
Signalerzeug.
LO-
Signalerzeug.
RX
TX
Station
Aufgaben eines LNAs
Aufgabe: Was für ein Frequenzverhalten wäre für den Low-Noise Amplifier
wünschenswert ?
Antwort: LNA nur RX-Frequenzbereich verstärken, thermisches Rauschen
frequenzmäßig gleich verteilt Bandpaßverhalten des LNA !!
Down-conv.
Mixer
Sender
PA
zu RX
DSP
von TX
DSP
Up-conv.
Mixer
LO-
Signalerzeug.
LO-
Signalerzeug.
RX
TX
Station
Bandpaß LNA
Schmalbandverstärker
(Narrowband amplifier)
Zweitor-Rauschtheorie Meßgröße: Rauschfaktor („Noise factor“) F: „Noise figure“ NF
Ein
gan
g
F gesamte Ausgangsrauschleistung
Ausgangsrauschleistung
verursacht durch Eingangsrauschleistung
NF F 10 log( )
damit:
Maß für den Einfluß des Zweitores (=Vierpoles) auf das Rauschen
rauschendes
Zweitor I 2 S
Y S
Au
sgan
g
Zusammenfassung der Zweitor-Rauschtheorie klassische Zweitor-Rauschtheorie:
- rauschender Zweitor rauschfreies Zweitor + 2 Rauschquellen
- Rauschquellen komplexer Rauschwiderstand/Rauschleitwert
aber bei LNA: Ys = 1/50 =0,02 S !!
- Abhängigkeit Quell-Leitwert Ys auf Rauschleistung
optimales Ys: YOPT für niedrigste Rauschleistung
YS
F
YOPT
YOPT rauschfreies
Zweitor G U
Y C Y S
R N
LNA-Design mit Zweitor-Rauschtheorie LNA-Design mit Zweitor-Rauschtheorie:
aber bei LNA: Ys = 1/50 =0,02 S !!
Veränderung des komplexen Rauschwiderstands/Rauschleitwerts
durch W/L-Änderung und Bias-Änderung
aber: bei reiner Rauschanpassung: W/L zu groß, zu großer Strombedarf
Rauschanpassung mit Berücksichtigung der Leistungsaufnahme
W/L und Bias-Werte für endgültiges Design der LNA
Ys = 1/50 rauschfreies
Zweitor G U
Y C Y S
R N
Aufgaben und Meßgrößen eines LNAs
LNA als 1. Stufe des Hochfrequenz-Empfängers soll
das Signal genügend verstärken, um das Rauschen nachfolgender
Stufen (z.B. Mixer) vernachlässigbar zu machen
Meßgröße: power gain oder voltage gain
selbst minimal rauschen (Name Low-Noise-Amplifier !) Meßgröße: Noise factor, Noise figure
geringe Leistungsaufnahme aufweisen (insbesondere bei
batteriebetriebenen Geräten wie Handys)
einen Eingangswiderstand von 50 Ohm haben
Aufgaben eines LNAs
LNA als 1. Stufe des Hochfrequenz-Empfängers:
Leistungsanpassung am Eingang
Verstärker
LNA Down-conv.
Mixer
Sender
PA
zu RX DSP
von TX DSP Up-conv.
Mixer
LO-
Signalerzeug.
LO-
Signalerzeug.
RX
TX
SAW-Filter
off-chip
50
Antenne
=
50
Station Eingangs-
widerstand
LNA = 50
Aufgaben und Meßgrößen eines LNAs
LNA als 1. Stufe des Hochfrequenz-Empfängers soll
das Signal genügend verstärken, um das Rauschen nachfolgender
Stufen (z.B. Mixer) vernachlässigbar zu machen
Meßgröße: power gain oder voltage gain
selbst minimal rauschen (Name Low-Noise-Amplifier !) Meßgröße: Noise factor, Noise figure
geringe Leistungsaufnahme aufweisen (insbesondere bei
batteriebetriebenen Geräten wie Handys)
einen Eingangswiderstand von 50 Ohm haben
eine weiten “input dynamic range“ aufweisen, d.h. gute Linearität
und „Trennschärfe“ besitzen
Meßgröße: 1dB-compression point, third-order intercept point
Linearität eines LNAs
Meßgröße: „1dB compression point“:
Ursache für begrenzte Linearität: Nichtlinearitäten zum Beispiel in der
Transistorkennlinie
Eingangsleistung (dBm)
Ausgangsle
istu
ng (
dB
m)
compressed
linear
Linearität: Ausgangssignal = k1·Eingangssignal
Nichtlinearität: Ausgangssignal = k1·Eingangssignal +
k2·Eingangssignal2+
k3·Eingangssignal3+......
Linearität eines LNAs
„1dB compression point“: Angabe der Eingangsleistung, bei der die
Leistungsverstärkung um 1dB abgesunken ist gegenüber der
Kleinsignalleistungsverstärkung (Verstärkung in der „linear region“)
Eingangsleistung (dBm)
falsch
Ausgangsle
istu
ng (
dB
m)
linear
compressed
Eingangsleistung (dBm)
Leis
tungsvers
tärk
ung
(dB
)
1 dB
compression
point
1 dB
Ausgangsleistung(dBm)/
Eingangsleitung (dBm)
=
Leistungsverstärkung(dB)
kennzeichnet die Linearität eines Verstärkers
„je höher der Wert, desto besser ist die Linearität“
Trennschärfe: der Verstärker soll ein schwaches Signal auch dann linear
verstärken, wenn zwei starke Signale mit ungefähr derselben Frequenz
vorhanden ist (sonst: „blocking“, „cross-modulation“).
Trennschärfe eines LNAs
Achtung:
nur „out-of-band“, nicht aber „in-band“, aber „out-of-channel“ werden
durch den RX-Duplexer unterdrückt
wichtig für LNA !!
RX Duplexer
BPF
LNA
f
f RX
Band
RX
Band
gewünschter Kanal
Trennschärfe: der Verstärker soll ein schwaches Signal auch dann linear
verstärken, wenn zwei starke Signale mit ungefähr derselben Frequenz
vorhanden ist (sonst: „blocking“, „cross-modulation“).
Trennschärfe eines LNAs
Meßgröße: „Input-referred third-order intercept point (IIP3)“
Ursache für begrenzte Trennschärfe: Nichtlinearitäten zum Beispiel in der
Transistorkennlinie
Störer
"Interferers"
f1
gewünschter Kanal
BPF
LNA
f2 f f1 f2 f
2f2-f1 2f1-f2
Trennschärfe eines LNAs
Ausgangssignal darstellbar als (schwache Nichtlinearität)
...)(3
,3
2
,2,1,, INACINACINACINACOUTAC PkPkPkPP
k1, k2,k3... abhängig vom Verstärker
Linearität Nichtlinearität
)2cos(, tfAP INAC
f f
PIN
AC-Eingangssignal:
PAC,IN PAC,OUT Einführung zu Meßbedingungen:
LNA
Trennschärfe eines LNAs
P P k P k P k PAC OUT AC IN AC IN AC IN AC IN, , , , ,( ) ... 1 2
2
3
3
P A f tAC IN, cos( ) 2 PAC,IN PAC,OUT
cos2 2 2 f t f t =1/ 2 (1+cos(2 ))
Beachte Rechenregeln für Sinusfunktionen z.Bsp.
PAC IN,
2 PAC IN,
3
„Harmonische 2. und 3. Ordung“
(Hochzahl PIN,AC=Harmonische) f f
POUT
2·f 3·f
LNA
Meßbedingungen IIP3:
Trennschärfe eines LNAs
f f1 f2
21
2
1
,
mit
2cos
2cos
ff
tf
tfAP INAC
2 Signale gleicher Amplitude annähernd gleicher Frequenz
AC-Eingangssignal (Meßsignal):
PIN
Schmalbandverstärker
(LNA kombiniert mit Bandpaß)
f
P
Ausgangssignal darstellbar als (schwache Nichtlinearität)
...)(3
,3
2
,2,1,, INACINACINACINACOUTAC PkPkPkPP
Trennschärfe eines LNAs
P A f t f t f fAC IN, cos cos 2 21 2 1 2 mit
P P k P k P k PAC OUT AC IN AC IN AC IN AC IN, , , , ,( ) ... 1 2
2
3
3
welche Signalanteile tauchen im Ausgangssignal des
Schmalbandverstärkers auf ??
f
POUT
??
Meßdurchführung: PAC,IN PAC,OUT
und Rechenregeln für Sinusfunktionen
LNA
2 2 f f f f1 2 2 1Differenztöne 3.Ordnung
Messung IIMP3:
Frage: welche Signalanteile tauchen im Ausgangs-
signal des Schmalbandverstärkers auf ?
Trennschärfe eines LNAs
f f1 2Grundwelle
2 2 21 ff Harmonische 2.Ordung
21 3 3 ff Harmonische 3.Ordnung
f f f f1 2 1 2 Differenztöne 2. Ordnung
f
POUT
??
f1 f2
2 2 f f f f1 2 2 1
2·f1-f2 2·f2-f1
Trennschärfe: der Verstärker soll ein schwaches Signal auch dann linear
verstärken, wenn zwei starke Signale mit ungefähr derselben Frequenz
vorhanden ist (sonst: „blocking“, „cross-modulation“).
Trennschärfe eines LNAs
Meßgröße: „Input-referred third-order intercept point (IIP3)“
Ursache für begrenzte Trennschärfe: Nichtlinearitäten zum Beispiel in der
Transistorkennlinie
Störer
"Interferers"
f1
gewünschter Kanal
BPF
LNA
f2 f f1 f2 f
2f2-f1 2f1-f2
IP3
Messung IIP3
Trennschärfe eines LNAs
Bemerkungen zu Eingangs-/Ausgangsleistungs-Diagramm:
- dB-Darstellung: dreifache Steigung der Differenztöne 3. Ordnung
gegenüber Grundwelle erzwungener Schnittpunkt !!
- aus Messungen extrapoliert
f f1 f2
POUT
(2·f1- f2) (2·f2- f1)
Eingangsleistung (dBm)
Ausgangsle
istu
ng (
dB
m)
- Wahl von f1 willkürlich (f2 dasselbe Ergebnis aufgrund Symmetrie)
IIP3
OIP3
Der Verstärker soll im nutzbaren Bereich linear verstärken
Nutzbarer Bereich eines LNAs
untere Grenze: Ausgangsrauschleistung
obere Grenze: durch Verzerrungen (Linearität, Trennschärfe) bedingt
Meßgröße: „spurios-free dynamic range“ (spurious=unerwünscht)
IP3
Größter nutzbarer Bereich:
Nutzbarer Bereich eines LNAs
Eingangsleistung (dBm)
Ausgangsle
istu
ng (
dB
m)
Ausgangsrauschleistung (dBm)
„Spurious-free
dynamic
range”
kennzeichnet den nutzbaren Bereich eines Verstärkers
„je größer der Wert, desto besser ist der nutzbare Bereich“
Aufgaben und Meßgrößen eines LNAs
LNA als 1. Stufe des Hochfrequenz-Empfängers soll
das Signal genügend verstärken, um das Rauschen nachfolgender
Stufen (z.B. Mixer) vernachlässigbar zu machen
Meßgröße: power gain oder voltage gain
selbst minimal rauschen (Name Low-Noise-Amplifier !) Meßgröße: Noise factor, Noise figure
geringe Leistungsaufnahme aufweisen (insbesondere bei
batteriebetriebenen Geräten wie Handys)
einen Eingangswiderstand von 50 Ohm haben
eine weiten “input dynamic range“ aufweisen, d.h. gute Linearität
und „Trennschärfe“ besitzen
Meßgröße: 1dB-compression point, third-order intercept point
eine Rückwärts-Isolation aufweisen
Meßgröße: S12
Aufgaben eines LNAs
Isolation zwischen den Eingang sowie dem Ausgang des LNA im
Rückwärtsbetrieb
LO-Signal
LNA
ein starkes LO-Signal kann bei ungenügender
LO/RF-Isolation im Mixer und ungenügender LNA-
Rückwärts-Isolation über die Antenne abstrahlen
Aufgaben und Meßgrößen eines LNAs
LNA als 1. Stufe des Hochfrequenz-Empfängers soll
das Signal genügend verstärken, um das Rauschen nachfolgender
Stufen (z.B. Mixer) vernachlässigbar zu machen
Meßgröße: power gain oder voltage gain
selbst minimal rauschen (Name Low-Noise-Amplifier !) Meßgröße: Noise factor, Noise figure
geringe Leistungsaufnahme aufweisen (insbesondere bei
batteriebetriebenen Geräten wie Handys)
einen Eingangswiderstand von 50 Ohm haben
eine weiten “input dynamic range“ aufweisen, d.h. gute Linearität
und „Trennschärfe“ besitzen
Meßgröße: 1dB-compression point, third-order intercept point
eine Rückwärts-Isolation aufweisen
Meßgröße: S12
Design eines LNAs
Ihr Chef stellt Ihnen die Aufgabe, eine Low-Noise-Amplifier (LNA) als
erste Stufe im Empfängerpfad zu designen.
Ihre Aufgabe:
-Rauschen, Zweitor-Rauschtheorie
-Aufgaben des LNA
-Meßgrößen des LNA
-verschiedene LNA-Architekturen
aus Veröffentlichungen
Design eines LNAs
Aufgaben und Meßgrößen eines LNAs
LNA als 1. Stufe des Hochfrequenz-Empfängers soll
das Signal genügend verstärken, um das Rauschen nachfolgender
Stufen (z.B. Mixer) vernachlässigbar zu machen
Meßgröße: power gain oder voltage gain
selbst minimal rauschen (Name Low-Noise-Amplifier !) Meßgröße: Noise factor, Noise figure
geringe Leistungsaufnahme aufweisen (insbesondere bei
batteriebetriebenen Geräten wie Handys)
einen Eingangswiderstand von 50 Ohm haben
eine weiten “input dynamic range“ aufweisen, d.h. gute Linearität
und „Trennschärfe“ besitzen
Meßgröße: 1dB-compression point, third-order intercept point
eine Rückwärts-Isolation aufweisen
Meßgröße: S12
zunächst betrachtet !!
Schaltungen für LNAs
zunächst nur betrachtet:
ZIN = 50 (Leistungsanpassung am Eingang) bei geringem Rauschen
Architekturen
„R-Termination amplifier“
„Shunt-Series Feedback amplifier“
„Common-gate amplifier“
„L-Degeneration amplifier“
R-Termination amplifier
R-Termination amplifier :
durch den Widerstand R1 = 50 Ohm wird ZIN = 50 Ohm
Aufgabe:
Wieso ist dieser „R-Termination amplifier“ für LNAs nur bedingt
geeignet ?
V S
R S
MN 50Ω
R L
R 1
V OUT
Z IN
R-Termination amplifier
R-Termination amplifier :
durch den Widerstand R1 = 50 Ohm wird ZIN = 50 Ohm
Antwort:
- Eingangsspannungsteiler nur die Hälfte des Signal wird
verstärkt! (-3dB Leistung am Gate)
- zusätzliche Rauschquelle R1 im Signalpfad
- Breitbandverstärker („broad-band amplifier“)
V S
R S
MN 50Ω
R L
R 1
V OUT
Z IN
aber:
Shunt-Series Feedback amplifier
Shunt-Series Feedback amplifier :
durch eine Kombination von Serienrückkopplung durch R1 und
Parallelrückkopplung durch R2 wird ZIN =R2/(1+RL/R1) = 50 Ohm
- zusätzliche Rauschquelle durch die Widerstände im Signalpfad!
- Breitbandverstärker („broad-band amplifier“)
V S
R S
MN
R L R 2
V OUT
Z IN
R 1
50Ω
Common-gate amplifier
Common-gate amplifier:
Eingangswiderstand an Source ?
V S
M
R L
V OUT
Z IN
V Bias = R S
S D
50Ω
Common-gate amplifier
Common-gate amplifier:
Eingangswiderstand an Source ?
MINM
IN
IN
ININ
gVg
V
I
VZ
1
V S
MN
R L
V OUT
Z IN
V Bias = R S
S D
+ V GS _
g m GS V
G
S
D
r o 50Ω
Common-gate amplifier
Common-gate amplifier („1/gM amplifier“):
durch die Common-Gate-Struktur wird ZIN =1/gM = 50 Ohm
aber:
durch parasitäre Cs findet eine Parallelschaltung zu ZIN statt !!
Abhilfe ??
V S
MN
R L
V OUT
Z IN
V Bias = R S
50Ω
Common-gate amplifier
Common-gate amplifier („1/gM amplifier“):
durch die Common-Gate-Struktur wird ZIN =1/gM = 50 Ohm
Einfügen einer Spule: Schwingkreis um die empfangene Frequenz
Einfluß der Cs durch Parallelresonanz ausgeblendet
Schmalband-Verstärker („narrow-band amplifier“)
V S
MN
R L
V OUT
Z IN
V Bias =
R S
50Ω
fResonanz f
Z IN
L-Degeneration amplifier
L-Degeneration amplifier:
nur durch die LG und LS wird ZIN = 50 Ohm erzeugt !!
Vorteil:
- L und C: keine zusätzliche Rauschquelle im Signalpfad!
V S
R S
MN
R L
L G
V OUT
Z IN
L S
50Ω
js
sss
mit
C
LgLL
C
1
I
VZ
GS
SMSG
GSIN
ININ
ZIN = ?
L-Degeneration amplifier
GS
INMINSIN
GS
INGINC
1IgILI
C
1ILV
ss
ss
Resonanz
Schm alb and verst ärker 50
GS
INM
GSMOUT
CsIg
UgI
1
MN
L G
I OUT Z IN
L S
V IN C GS V S
R S
50Ω I IN
ZIN = 50 Ohm
L-Degeneration amplifier
gL
CM
S
GS
50 Ohm
GSSGRR
SGR
GSR
CLLjjs
LLsCs
1mit
1
1.Bedingung
2.Bedingung
Schmalbandverstärker („narrow-band amplifier“) !!
2. Bedingung: nur für eine Frequenz (Resonanzfrequenz des
Eingangskreises=Betriebsfrequenz) erfüllbar
„effektive Steilheit Gmeff“
G
I
V s C
g
s L Ls C
gL
CR
meff
OUT
S GS
M
G S
GS
M
S
GS
S
1
1
IV
Z
I Is C
gV
Z s Cg
S
S
IN
OUT S
GS
M
S
IN GS
M
*
*
1 1
S
OUT
meffV
IG
L-Degeneration amplifier
V S
MN
L G
I OUT Z * IN
L S
I S
C GS
R S
50Ω
„effektive Steilheit Gmeff“ an der Resonanzfrequenz:
L-Degeneration amplifier
S
GS
S
MGSR
M
RC
LgCs
g
G
I
V s C
g
s L Ls C
gL
CR
meff
OUT
S R GS
M
R G S
R GS
M
S
GS
S
1
1
Resonanz
GS
M
C
g=T
mit Grenzfrequenz des MOS-Transistors und Resonzfrequenz
GSSG CLL1/= R
„effektive Steilheit Gmeff“ an der Resonanzfrequenz:
L-Degeneration amplifier
G
L Rmeff
T
R T S S
abhängig von T / R und damit von der Technologie !!!
Ziel: Dimensionierung von MOS-Transistor
bisher Leistungsanpassung ZIN =50 Ohm
„effektive Steilheit Gmeff“ an der Resonanzfrequenz:
L-Degeneration amplifier
G
L Rmeff
T
R T S S
jetzt: Rauschanpassung !!
aus dieser Formel können keine Dimensionierungkritierien
(zum Beispiel W/L) für den MOS-Transistor abgeleitet werden !!
V S
V S
R S
MN
R L
L G V OUT
Z IN
L S
50Ω
Rauschanpassung L-Degeneration amplifier
damit minimaler Rauschfaktores Fmin
F cMIN
T
R
12
51
2
abhängig von T / R und damit von der Technologie !!!
Rauschanpassung L-Degeneration amplifier
minimaler Rauschfaktor Fmin über T / R (Annahme: =2, =4):
T
R
MIN MINF NF dB
1,122 0,5
15 1,148 0,6
10 1,230 0,9
5 1,445 1,6
( )
20
F cMIN
T
R
12
51
2
„Reinen“ Rauschanpassung:
Rauschanpassung L-Degeneration amplifier
Rauschanpassung unter Berücksichtigung der Leistungsaufnahme
Methode:
YOPTCGS W/L von MOS-Transistor
aber:
Dimensionierung von MOS-Transistor W/L 10000 (technologie- und
spannungsabhängig) hoher Ruhestrombedarf !!
widerspricht Forderung nach
geringer Leistungsaufnahme !
Ys = 1/50 rauschfreies
Zweitor G U
Y C Y S
R N
Rauschen durch Widerstand RL!!
Betrieb nur im Bereich der Resonanzfrequenz des Eingangskreises:
L-Degeneration amplifier
V S
R S
MN
R L
L G V OUT
L S
C L
50Ω
Aufgabe: Was tun Sie gegen das Rauschen des Widerstandes RL ?
Antwort: ??
Rauschen durch Widerstand RL!!
L-Degeneration amplifier
V S
R S
MN
R L
L G V OUT
L S
C L
50Ω
L-Degeneration amplifier
Aufgabe: Was tun Sie gegen das Rauschen des Widerstandes RL ?
Antwort: Einfügen eines Schwingkreises im Ausgangskreis
Resonanz D LL C
zusätzlich Ausgangskreis:
V S
R S
MN
L D
L G V OUT
L S
C L
50Ω
Aufgaben und Meßgrößen eines LNAs
LNA als 1. Stufe des Hochfrequenz-Empfängers soll
das Signal genügend verstärken, um das Rauschen nachfolgender
Stufen (z.B. Mixer) vernachlässigbar zu machen
Meßgröße: power gain oder voltage gain
selbst minimal rauschen (Name Low-Noise-Amplifier !) Meßgröße: Noise factor, Noise figure
geringe Leistungsaufnahme aufweisen (insbesondere bei
batteriebetriebenen Geräten wie Handys)
einen Eingangswiderstand von 50 Ohm haben
eine weiten “input dynamic range“ aufweisen, d.h. gute Linearität
und „Trennschärfe“ besitzen
Meßgröße: 1dB-compression point, third-order intercept point
eine Rückwärts-Isolation aufweisen
Meßgröße: S12
L-Degeneration amplifier
LO-Signal
LNA
schlechte „Isolation“ („Rückwirkungsfreiheit“) des Verstärkers über CGD !!
Aufgabe: Abhilfe ??
V S
R S
MN
L D
L G V OUT
L S
C L
50Ω
L-Degeneration amplifier
Nachteil: Versorgungsspannungsbedarf !
Kaskodierung „common-gate zusätzlich“
schlechte „Isolation“ („Rückwirkungsfreiheit“) des Verstärkers
V S
R S
M1
L D
L G
V OUT
L S
C L
V Bias =
M2
50Ω
L-Degeneration amplifier
Nachteil: Versorgungsspannungsbedarf !
Kaskodierung „common-gate zusätzlich“
schlechte „Isolation“ („Rückwirkungsfreiheit“) des Verstärkers
V S
R S
M1
L D
L G
V OUT
L S
C L
V Bias =
M2
50Ω
Zusammenfassung
Low-Noise-Amplifier (LNA)
verschiedene Schaltungen für LNAs:
„R-Termination amplifier“
„Shunt-Series Feedback amplifier“
„Common-gate amplifier“
„L-Degeneration amplifier“
Optimierung einer Schaltung „L-Degeneration amplifier“
„effektive Steilheit Gmeff“
L-Degeneration amplifier
G
I
V s C
g
s L Ls C
gL
CR
meff
OUT
S GS
M
G S
GS
M
S
GS
S
1
1
IV
Z
I Is C
gV
Z s Cg
S
S
IN
OUT S
GS
M
S
IN GS
M
*
*
1 1
S
OUT
meffV
IG
V S
MN
L G
I OUT Z * IN
L S
I S
C GS
R S
50Ω
Serienschwingkreis
Andere Betrachtung: Eingangskreis als „RLC-Serienschaltung“
L-Degeneration amplifier
mit VC= UGS Steuergröße des MOS-Transistors
V S
I S
R + g S M GS
L S
C
G L + L S
GS C
V Test
L
V C C
V L
R
Wiederholung RLC-Serienschaltung:
Güte Q=gespeicherte Energie/durchschnittlich verbrauchte Energie
C als Energiespeicher: L als Energiespeicher:
L-Degeneration amplifier
Q =
|Z=
|C| |
R
j C
R
1 Q =
|Z=
|L| |
R
j L
R
V = Q VC Test V = Q VL Test
R = L C1 bei Resonanzfrequenz:
V Test
L
V C C
V L
R
!!!! QM
S
OUT
meffg
V
IG
L-Degeneration amplifier
„RLC-Serienschaltung“
je höher die Güte Q, desto höher die „effektive Steilheit“
bei der Resonanzfrequenz, desto besser die Verstärkung !!!
V Test
L
V C C
V L
R
V S
I S
R + g S M GS
L S
C
G L + L S
GS C
Q der RLC-Serienschaltung=Funktion von Q(R), Q(L) und Q(C) !!
Q(R): chipextern !
Q(C): Teil der MOS-Transistors !!
Q(L): beeinflußbar !!
Überblick über „on-chip“ Spulen
L-Degeneration amplifier
L-Degeneration amplifier
Möglichkeiten zur Integration von Spulen:
1. Bonddrähte:
L=1-5 nH, Q bei 2 GHz: 20-40
Nachteil: Pad-Parasitäten
2. „on-chip“ Spulen:
aktive Spulen
passive Spulen
aktive on-chip Spulen:
Prinzip: Spule wird nachgebildet durch einen Gyrator und eine Kapazität
On-chip Spulen
Gyrator C
Nachteil: Gyrator (MOS-Schaltung) aktive Bauelemente in den
Signalpfad gebracht niedriges Q
L V S
MN
L G
I OUT Z * IN
L S
I S
C GS
R S
50Ω
passive on-chip Spulen:
Prinzip: Spule wird gebildet durch rechteckige oder hexagonale
Strukturen in Metall-Ebenen
On-chip Spulen
Nachteil: parasitäre Elemente niedriges Q
Parasitäre Elemente von passiven on-chip Spulen:
On-chip Spulen
Gegenmaßnahme:
- Leitungs-Widerstand
- Substrat-Kapazitäten
- durch Magnetismus:
„Eddy“-Ströme (Wirbelströme)
im Substrat
Simulation von passiven on-chip Spulen
unter anderem: TU Athen „SISP“, Berkeley: „Asitics“
Prinzip:
Eingabe der geometrischen Maße der Spule,
On-chip Spulen
dann Kompakt-Modell für Spice etc., Berechnung von L, Q
dann Finite-Elemente
Modell,
außerdem: hoher Platzbedarf der passiven „on-chip“ Spulen:
On-chip Spulen
Schaltung
Prinzip:
Spule wird gebildet durch rechteckige oder hexagonale Strukturen in
Metall-Ebenen
Parasitäre Elemente:
-Leitung-Widerstand
-Substrat-Kapazität
-Eddy-Ströme
-hoher Platzbedarf
Zusammenfassung passive on-chip Spulen
trotzdem verwendet, da Eigenschaften ausreichend für Mobilfunk-
Anwendungen und keine Pad-Parasitäten
L=1-10 nH, Q bei 2 GHz: 4-8 !!
Veröffentlichung LNA
Low-Noise-Amplifier (LNA)
-„L-Degeneration amplifier“: andere Betrachtungsweise
Überblick über „on-chip“ Spulen
Veröffentlichung LNA
Zusammenfassung
Literaturhinweise
L-Degeneration amplifier in CMOS:
F. Gatta et al. „A 2-dB Noise Figure 900-MHz Differential CMOS LNA“
Journal of Solid-State Circuits, Oktober 2001
L-Degeneration amplifier
differentiell aufgebaut wegen Versorgungsspannungempfindlichkeit
L G
L S L S
R S
L G
I
W/L W/L
„Balun“
L-Degeneration amplifier in CMOS:
F. Gatta et al. „A 2-dB Noise Figure 900-MHz Differential CMOS LNA“
Journal of Solid-State Circuits, Oktober 2001
Verwendung von PMOS zum Stromsparen („current re-use“)
L-Degeneration amplifier
S
W, fT
L G
IDS L S
222
32
L
I
L
UUf DSTNGSN
TT
Transitfrequenz Sättigung:
L G
2 IDS L S
*
W,fT*>fT
Verdopplung
des Stroms
*
L G
W/2,fT*
IDS
2L S 2L *
IDS
L G
2L S
2L S
*
*
W/2,fT*
IDS
IDS
Annahme
fT PMOS=
fT NMOS
L-Degeneration amplifier in CMOS:
F. Gatta et al. „A 2-dB Noise Figure 900-MHz Differential CMOS LNA“
Journal of Solid-State Circuits, Oktober 2001
W/L-Verhältnisse über NF
L-Degeneration amplifier
NMOS PMOS
Optimales NF: PMOS 350 µm, NMOS 230 µm
L-Degeneration amplifier in CMOS:
F. Gatta et al. „A 2-dB Noise Figure 900-MHz Differential CMOS LNA“
Journal of Solid-State Circuits, Oktober 2001
Noise Figure und Verstärkung (S21)
L-Degeneration amplifier
L-Degeneration amplifier in CMOS:
F. Gatta et al. „A 2-dB Noise Figure 900-MHz Differential CMOS LNA“
Journal of Solid-State Circuits, Oktober 2001
IIP3-Punkt
L-Degeneration amplifier
L-Degeneration amplifier in CMOS:
F. Gatta et al. „A 2-dB Noise Figure 900-MHz Differential CMOS LNA“
Journal of Solid-State Circuits, Oktober 2001
Chip-Photo
L-Degeneration amplifier
Prinzip LNA
besser für Linearität:
so wenig Spannung/Strom und Strom/Spannung Umwandlung
wie möglich !!
Spannung VS Drain-Strom Spannung Vout
V S
R S
M1
L D
L G
V OUT
L S
C L
V Bias =
M2
50Ω
über Gm,eff über Zout
Zout Down-conv.
Mixer
mit
Spannung-
eingang
Prinzip Transceiver ohne SAW-Filter?
besser für Linearität:
so wenig Spannung/Strom und Strom/Spannung Umwandlung
wie möglich !!
Prinzip LNTA (Transconductance) "Gm-Amplifier"
Spannung VS Drain-Strom
über Gm,eff
eine Umwandlung gespart
wie möglich !!
V S
R S
M1
L D
L G
I OUT
L S
C K
V Bias =
M2
50Ω
Down-conv.
Mixer
mit Strom-
eingang
Koppel-C
Prinzip LNTA (Transconductance) "Gm-Amplifier"
eine Umwandlung gespart
wie möglich !!
Down-conv.
Mixer
mit Strom-
eingang
Design eines LNAs
Ihr Chef stellt Ihnen die Aufgabe, eine Low-Noise-Amplifier (LNA) als
erste Stufe im Empfängerpfad zu designen.
Ihre Aufgabe:
-Rauschen, Zweitor-Rauschtheorie
-Aufgaben des LNA
-Meßgrößen des LNA
-verschiedene LNA-Architekturen
aus Veröffentlichungen
Design eines LNAs
Zusammenfassung
Low-Noise-Amplifier (LNA)
-„L-Degeneration amplifier“: andere Betrachtungsweise
Überblick über „on-chip“ Spulen
Veröffentlichung LNA
Zusammenfassung
Literaturhinweise
Bücher:
-T.H.Lee, „The design of CMOS Radio-Frequency Integrated Circuits“,
Cambridge University Press, 1998, ISBN 0-521-63922
-B. Razavi, „RF Microelectronics“, Prentice Hall 1998, ISBN0-13-
887571-5
Veröffentlichungen:
-D.K. Shaeffer, T.H.Lee, „A 1.5-V, 1.5 GHz CMOS Low Noise Amplifier“,
IEEE Journal of Solid-State Circuits (JSSC), May 1997, S. 745-759
-A.N. Karanicolas, „A 2.7-V, 900 MHz CMOS LNA and Mixer“, JSSC,
December 1996, S. 1939-1944
-A. Rofougaran et al., „A 1 GHz CMOS RF Front-End IC for a Direct-
Conversion Wireless Receiver“, JSSC, July 1996, S. 880-889
-Darabi, H. et. al., „Highly Integrated and Tunable RF Front Ends for
Reconfigurable Multiband Transceivers: A Tutorial“, IEEE Transactions on
Circuits and Systems I: Regular Papers, September 2011,
S. 2038 - 2050
Literaturhinweise