Синтез и реализация интегральных КМОП малошумящих усилителей диапазона УВЧ и СВЧ

• Автор: Балашов, Евгений Владимирович
• Шифр специальности: 05.12.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 225 с. : ил.

Содержание
Введение
Микроэлектронные малошумящие КМОП-усилители радиочастотного диапазона: применение, схемотехника тенденции развития
Малошумящий усилитель в радиочастотном тракте КМОП-интегрального приемника
Основные характеристики МШУ
Особенности реализации и моделирования элементов КМОП-технологии в радиочастотном диапазоне
Функционирование и представление модели МОП-транзистора в радиочастотном диапазоне Планарная индуктивность
Основные проблемы синтеза и базовые схемы КМОП МШУ в радиочастотном диапазоне
Узкополосные КМОП МШУ радиочастотного диапазона МШУ с общим истоком
МШУ с общим истоком и отрицательной последовательной индуктивной обратной связью по току МШУ с общим затвором
Широкополосные КМОП МШУ радиочастотного диапазона МШУ с распределенным усилением МШУ с сосредоточенным усилением
Методика компенсации шумов при построении широкополосных МШУ
Основные этапы процедуры синтеза МШУ и программные средства
моделирования электронных схем
Процедура синтеза МШУ
Программные средства синтеза МШУ
Цели и задачи работы
Синтез узкополосного малошумящего усилителя с малым потреблением мощности
Особенности функционирования МОП-транзисторов в различных режимах инверсии канала
Моделирование МОП-транзистора в различных режимах инверсии канала Модель МОП-транзистора по постоянному току

2.2.2 Малосигнальная модель МОП-транзистора
2.2.3 Шумовая модель МОП-транзистора в режиме средней инверсии
2.3 Построение модели малошумящего усилителя
2.3.1 Малосигнальная модель МШУ
2.3.2 Шумовая модель и коэффициент шума МШУ
2.4 Параметрическая оптимизация и моделирование малошумящего усилителя
использованием 0.18 мкм КМОП технологии компании ТЙМС
2.4.1 Оптимизация малошумящего усилителя по критерию минимума коэффициента
шума при заданной потребляемой мощности
2.4.2 Реализация и моделирование МШУ
2.5 Параметрическая оптимизация и моделирование малошумящего усилителя
использованием 0.18 мкм КМОП технологии компании иМС
2.6 Выводы
3 Анализ малошумящнх усилителей в «слабо» нелинейном режиме
3.1 Основные положения теории анализа нелинейных параметров методом рядов
Вольтерра
3.2 Определение нелинейных передаточных функций методом нелинейного тока
3.3 Точка пересечения с тоном перекрестной модуляции динамической
характеристики малошумящего усилителя
3.4 Амплитуда спектральной составляющей на частоте интермодуляционных
искажений третьего порядка обобщенной цепи с двумя нелинейными ИТУН
3.5 Анализ интермодуляционных искажений малошумящего усилителя с
отрицательной индуктивной последовательной ОС по току
3.6 Рекомендации по уменьшению уровня интермодуляционных нелинейных
искажений
3.7 Выводы
4 Синтез широкополосных малошумящнх усилителей
4.1 Обобщенное представление широкополосного малошумящего усилителя
4.1.1 Особенности синтеза широкополосных М ШУ
4.1.2 Структурная схема и входной импеданс обобщенной схемы МШУ
4.2 Синтез безындуктивиых широкополосных малошумящих усилителей с
частотно независимой обратной связью
4.2.1 Алгоритм синтеза МШУ
4.2.2 Моделирование и сопоставительный анализ МШУ

4.3 Синтез широкополосных малошумящих усилителей с индуктивными
элементами
4.3.1 Анализ входного импеданса МШУ с индуктивными элементами и выбор схемы однокаскадного МШУ
4.3.2 Методика расширения полосы частот согласования
4.3.3 Методика расширения полосы частот усиления
4.4 Синтез широкополосных малошумящих усилителей с частотно-независимой
отрицательной параллельной обратной связью по напряжению и частотнозависимой отрицательной последовательной обратной связью по току
4.4.1 Б-параметры усилителя
4.4.2 Импеданс нагрузки усилителя
4.4.3 Эквивалентная передаточная проводимость и входной импеданс транскондуктивного широкополосного усилителя с частотно-зависимой отрицательной последовательной обратной связью по току
4.4.4 Шумовая модель и коэффициент шума усилителя
4.4.5 Оптимизация усилителя
4.4.6 Реализация и моделирование усилителя
4.5 Выводы
5 Экспериментальные исследования МШУ
5.1 Автоматизация измерений параметров нелинейных искажений
5.1.1 Измерительная установка
5.1.2 Методика вычисления точки сжатия на 1 дБ
5.1.3 Методика вычисления значения точки пересечения с тоном перекрестной модуляции
5.2 Компоновка схемы усилителя на кристалле и моделирование с учетом
особенностей компоновки кристалла
5.2.1 Компоновка кристалла усилителя
5.2.2 Результаты моделирования усилителя с учетом паразитных элементов 199 компоновки кристалла
5.3 Экспериментальные исследования усилителя
5.3.1 Измерительная установка
5.3.2 Результаты экспериментальных исследований
5.4 Выводы
Заключение

одновременно и минимизация коэффициента шума, и максимизация коэффициента усиления. Необходимо выбирать между реализацией схемы или с минимальным коэффициентом шума, или с максимальным коэффициентом усиления, или искать компромиссное между этими вариантами решение (оптимальное решение).
Рис. 1.15. а) МШУ с общим истоком, б) диаграмма Смита с изображением оптимальных нагрузок с точки зрения минимизации коэффициента шума и усиления.
Поэтому структура с общим истоком используется в современных КМОП приемниках сравнительно редко. В качестве примера, поясняющего процедуру поиска оптимального решения, на рис.1.156 приведена иллюстрация с использованием диаграммы Вольперта-Смита. На диаграмме изображены линии уровней постоянного коэффициента шума /' (сплошная линия) и постоянного коэффициента усиления по мощности (пунктирная линия) на плоскости нормированного внутреннего полного импеданса источника сигнала 7,,. Линии
уровней представляют семейства окружностей с центрами в точках 2аор1 и (я°) . С удалением от центра окружностей коэффициент шума увеличивается, а коэффициент усиления падает. Для нахождения оптимального значения импеданса выбирается точка
на отрезке соединяющая точки Х°„, и (л,°) . Данный тип МШУ используется в работах
[36,37]. Например, МШУ с общим истоком, реализованный по 0.18 мкм КМОП технологии, представленный в работе [36], работает на частоте 2.4 ГГц. Все согласующие элементы располагаются на кристалле. Спиральные индуктивности реализованы с использованием экрана, уменьшающего вносимые в индуктивность потери со стороны подложки. Данный МШУ обладает коэффициентом шума 4.5 дБ, коэффициентом усиления 7.5 дБ, коэффициентами отражения на входе и на выходе -10 дБ и -16 дБ соответственно и потребляет 14.4 мВт от источника напряжения 1.8 В.
Область нагрузок, позволяющих достичь компромисса между минимальным
коэффициентом шума и коэффициентом усиления