Geri Dön

A design of sub-mW-power 2.4 GHz CMOS cascode low noise amplifier with high linearity

Yüksek doğrusallığa sahip mW altı güç ile çalışan 2.4 GHz CMOS kaskod düşük gürültülü kuvvetlendirici

PDF İndir

  1. Tez No: 688897
  2. Yazar: DİDEM EROL AS
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. MUSTAFA BERKE YELTEN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2021
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 84

Özet

Radyo frekansı (RF) iletişim sistemleri telekomünikasyon endüstrisinde hızla büyümektedir. Günümüzde kablosuz teknoloji sağlık uygulamaları, nesnelerin interneti (IoT), Bluetooth düşük enerji uygulamaları için de kullanılmaktadır. Bu uygulamalar, düşük güçlü cihazların tasarımını gerektirir. Tüm bu durumlar dikkate alındığında, CMOS RF ön uç devreleri araştırmaları, düşük maliyetli ancak yüksek performanslı kablosuz ön uç talebi ile artmaktadır. Vücuda yerleştirilebilir tıbbi cihazlar, fizyolojik bilgilerin izlenmesini, hastalıkların teşhis edilmesini ve hastalara tedavi verilmesini sağlar. Kablosuz alıcı-vericiler ve implante edilebilir antenler gibi bu tıbbi cihazların ultra düşük güçte çalışması gerekir. Günümüzde teknolojideki önemli gelişmelere rağmen, doğrusal olmayan cihazlar nedeniyle kablosuz sistemlerin ve cihazların performansı hala kısıtlıdır. Radyo alıcılarının tasarımında, doğrusal olmama, radyoların güçlü sinyallerin yanı sıra zayıf sinyalleri de alma kapasitesini sınırlar. Radyo vericilerinde doğrusal olmama sorunu, iletilen sinyalin diğer kullanıcı sinyalleriyle etkileşime girmesine ve komşu frekans kanallarına yayılmasına neden olur. Bu durumlar sistemlerde bozulmaların meydana gelmesine neden olur. Bahsedilen bozulmaları azaltmak için sistemlere uygulanan bazı doğrusallaştırma teknikleri vardır. CMOS düşük gürültülü yükselteçlerde lineerleştirme teknikleri 8 kategoriye ayrılmıştır. Bu teknikler; geri besleme, harmonik sonlandırma, optimum sapma, ileri besleme, türev süperpozisyonu (TS), ikinci dereceden intermodülasyon (IM2) enjeksiyonu, gürültü/bozulma iptali ve bozulma sonrasıdır. Türev süperpozisyonu, IM2 enjeksiyonu ve gürültü/bozulma iptali, geri besleme tekniğinin özel durumlarıdır. Türev süperpozisyonu transistörlerin farklı bölgelerde çalışmasına dayanan bir tekniktir. Türev süperpozisyon olarak adlandırılmasının nedeni, distorsiyonu ortadan kaldırmak için ana ve yardımcı transistörün savak akımlarının üçüncü türevinin (g_3) eklenmesidir. g_3'ün işareti, orta ve güçlü inversiyon bölgesinde değişir. Geleneksel türev süperpozisyonu gibi bu teknikler, üçüncü dereceden bozulmayı iyileştirirken, genellikle ikinci dereceden bozulmayı kötüleştirir.“Tamamlayıcı türev süperpozisyon tekniği”, ikinci dereceden kesişme noktasının (IIP2) değerini düşürmeden IIP3'ü iyileştirmek için NMOS/PMOS çiftini kullanır. Bu teknikte, zayıf evirme bölgesindeki transistör yüksek frekanslarda etkin bir şekilde çalışmayabilir. Ayrıca büyük sinyalleri işleyemeyebilir. Zayıf inversiyonda çalışan transistör modelleri, simülasyon ve ölçüm sonuçları arasındaki önemli tutarsızlıktan dolayı problemli olabilir. Farklı bölgelerde çalışan transistörler nedeniyle, doğrusallık iyileştirmeleri, proses gerilim sıcaklığı değişimleri ile değişir. Düşük gürültü kuvvetlendiricisi, filtrelenmiş RF sinyalini fazla gürültü ve bozulma eklemeden yükseltmeyi amaçlayan alıcıların ilk aşamasıdır. Bir süperheterodin alıcı 5 ana bloktan oluşur: bir anten, bir RF filtresi, bir düşük gürültülü kuvvetlendirici, bir karıştırıcı ve bir gerilim kontrollü osilatör. Antenden alınan filtrelenmiş RF sinyali, bir RF alıcı zincirinde bir yerel osilatör ile karıştırılarak karıştırıcı ile dönüştürülmeden önce LNA tarafından yükseltilir. Aşağı dönüştürülen sinyal demodüle edildikten sonra, bir analog-dijital dönüştürücü tarafından dijitalleştirilir. Tipik olarak alıcının ilk ve en önemli aşamalarından biri olan düşük gürültülü kuvvetlendiriciler, genel alıcı performansını büyük ölçüde etkiler. Bu nedenle, düşük gürültülü kuvvetlendiricilerin amacı, zayıf sinyali olabildiğince az gürültü ile yükseltmektir. Ek olarak, güç kazancı ve doğrusallık, düşük gürültülü kuvvetlendiricilerin önemli performans ölçütleridir. Ancak, güç tüketimi bu performans kriterlerini sınırlar. Bu yüzden ana amaç, güç tüketimi ve yüksek performans arasındaki ödünleşimi en aza indirmektir. Bu tez, düşük güçlü düşük gürültülü kuvvetlendiricilerin tasarımına odaklanmaktadır. Düşük gürültülü yükselteç sinyalinin çalışma frekansı 2,4 GHz Endüstriyel Bilimsel Tıp (ISM) bandında almalıdır. Düşük güçte çalışma, düşük akım seviyesinden dolayı gürültü ve gerilim kazancı için bir tasarım problemidir. Ayrıca, doğrusallık, gürültü rakamı ve gerilim kazancı ile bir ödünleşim içindedir. Bu nedenle, doğrusal, düşük güçlü LNA tasarımları ortaya çıkarmak için doğrusallık iyileştirme teknikleri kullanılmalıdır. 2.4 GHz'de mW altı güç tüketimi ile çalışan farklı düşük gürültülü kuvvetlendirici topolojileri, TSMC 40 nm teknolojisinde uygulanmıştır. Düşük güçlü kuvvetlendirici'nın özellikleri en az 10 dB gerilim kazancı ve 4 dB'den düşük gürültü değeri olarak belirlenmiştir. Giriş ve çıkış yansıma katsayılarının -10 dB'den düşük olması hedeflenir. Düşük gürültü kuvvetlendirici toplam 1 mW'tan daha az güç tüketirken IIP3 -1 dBm'den yüksek olması istenir. Kaskod ortak kaynaklı düşük gürültülü kuvvetlendirici 12.2 dB güç kazancına, 4.35 dB gürültü faktörüne ve 995.6 μW'de -12.68 dBm üçüncü dereceden giriş kesişme noktasına (IIP3) sahipken, önerilen doğrusallığı geliştirilmiş düşük gürültülü kuvvetlendirici 5.68 dB güç kazanca, 5.13 dB gürültü faktörüne ve -0.107 dBm IIP3'e sahiptir. Geliştirilmiş doğrusallık ve güç kazancından oluşan her iki nihai tasarım arasındaki fark, çipteki kapı endüktansının (L_g) konumundan kaynaklanmaktadır. Kapı endüktansı (L_g) çip içinde olacak şekilde tasarlanan düşük gürültülü kuvvetlendiricinin güç kazancı 11.1 dB, gürültü faktörü 4.27 dB ve IIP3 değeri -0.186 dBm'dir. Ayrıca, kapı endüktansı (L_g) çip dışında olacak şekilde tasarlanan düşük gürültülü kuvvetlendirici, 989.6 μW güç tüketiminde 10 dB güç kazancı, 3,87 dB gürültü faktörü ve 2.19 dBm IIP3'e sahiptir. Önerilen düşük güçlü düşük gürültülü kuvvetlendiriciler karşılaştırıldığında, kapı endüktansı (L_g) çip dışında olacak şekilde tasarlanan düşük gürültülü kuvvetlendirici en iyi performansa sahiptir. Bu çalışma, mW altı güçte geliştirilmiş doğrusallık değerleri elde etmeyi amaçlamaktadır. CMOS teknolojileri küçüldükçe, düşük güçlü kuvvetlendiricinin kazanç ve gürültü performansları düştü. Bunun yanı sıra, doğrusallık ve güç tüketimi arasındaki ödünleşim, ultra düşük güçlü LNA tasarımı için ana zorluklardan biridir. Derin mikron altı teknolojilerde tasarlanan düşük güçlü kuvvetlendiricilerin tıbbi uygulamalar gibi ultra düşük güçlü cihazlara entegrasyonu, geliştirilmesi gereken bir çalışma ve araştırma alanıdır. Kapı endüktansı (L_g) çip dışında olacak şekilde tasarlanan düşük gürültülü kuvvetlendiricinin performans metrikleri dört topoloji arasında en iyisi olmasına rağmen, çip dışı giriş eşleştirme devresi nedeniyle tıbbi cihazlar için uygun olmayabilir. Tam entegre Kapı endüktansı (L_g) çip içinde olacak şekilde tasarlanan düşük gürültülü kuvvetlendirici topolojisi, tıbbi uygulamalar için daha uygundur. Ancak, performans ölçütlerinin iyileştirilmesi gerekmektedir.

Özet (Çeviri)

Radiofrequency (RF) communication systems are rapidly growing in the telecommunication industry. Nowadays, wireless technology is also used for health applications, Internet of things (IoT), Bluetooth low energy (BLE) applications. These applications require the design of low-power devices. Taking into these considerations, research studies of complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) RF front-end circuits increase with the demand for a low-cost but high-performance wireless front-end. The implantable medical devices enable monitoring of physiological information, diagnosing diseases, and providing treatment to patients. These medical devices, such as wireless transceivers and implantable antennas, need to operate ultra-low power. Linearity plays an important role in the performance of the receiver systems. The receiver performance is disrupted by interfering the unwanted components at the adjacent frequency channels to the transmitted signal. There are some linearization techniques aiming to cancel these distortions. Low noise amplifiers (LNA), which are typically first and one of the most important stages of the receiver, greatly influence the overall receiver performance. Therefore, LNAs aim to amplify the weak signal with as little noise as. Additionally, the voltage gain and linearity are significant performance metrics of LNAs. However, power consumption limits these performance criteria. Thus, the main goal is to minimize the tradeoff between power consumption and high performance. This thesis focuses on the design of low-power LNA with high linearity. Different LNA topologies operating with sub-mW power consumption at 2.4 GHz have been implemented in TSMC 40 nm technology. The cascode common source LNA (cascode CS LNA) has a voltage gain of 12.22 dB, a noise figure (NF) of 4.35 dB, and a third-order input intercept point (IIP3) of -12.68 dBm at 9995.6 μW while the proposed LNA with improved linearity has a 5.68 dB voltage gain, 5.13 dB NF, and a -0.107 dBm IIP3. The difference between both final designs, which consist of improved linearity and voltage gain, stems from the location of the gate inductance (L_g) in the chip. The proposed LNA with an on-chip (L_g) has a voltage gain of 11.1 dB, an NF of 4.27 dB, and an IIP3 of -0.816 dBm. Moreover, the post-layout results of the proposed LNA with an off-chip (L_g) are 10 dB voltage gain, 3.87 dB NF, and 2.19 dBm IIP3 at 989.6 μW . Comparing the LNAs, the proposed LNA with an off-chip (L_g) has the best figure-of-merit (FOM). This work aims to achieve improved linearity figures at sub-mW power. Although the performance metrics of LNA4 are the best among the four topologies, it may not be suitable for medical equipment due to the off-chip input matching circuit. The fully integrated LNA3 topology is more suitable for medical applications. However, its performance metrics are needed to be improved.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    139599

    Design and realization of a 2.4Gbps-3.2Gbps clock and data recovery circuit

    2.4Gbps-3.2Gbps saat ve veri yakalama devresinin tasarımı ve gerçeklenmesi

    ZAFER ÖZGÜR GÜRSOY

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2003

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolSabancı Üniversitesi

    Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. YAŞAR GÜRBÜZ

    YRD. DOÇ. DR. AYHAN BOZKURT

    PROF. DR. YUSUF LEBLEBİCİ

  2. Tez No

    650196

    Yüksek doğru gerilim (HVDC) iletim hatlarının korona karakteristikleri ve elektromanyetik etkileri

    DC corona characteristics and electromagnetic effects of HVDC transmission lines

    AYTUĞ FONT

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2020

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AYDOĞAN ÖZDEMİR

  3. Tez No

    521383

    Design of chitosan-based carriers for biomedical engineering applications

    Biyomedikal mühendisliği uygulamaları için kitosan bazlı taşıyıcıların tasarımı

    UĞUR BOZÜYÜK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    BiyolojiKoç Üniversitesi

    Kimya ve Biyoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. SEDA KIZILEL

  4. Tez No

    910197

    The design of an optically powered low voltage CMOS receiver for magnetic resonance imaging

    Manyetik rezonans görüntüleme için optik güçle çalışan düşük voltajlı CMOS alıcı tasarımı

    AHMED AKSU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiBoğaziçi Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. GÜNHAN DÜNDAR

    PROF. DR. ARDA DENİZ YALÇINKAYA

  5. Tez No

    563208

    EÜAŞ Ambarlı Doğalgaz Kombine Çevrim Santralinin enerji ve ekserji analizi

    EÜAŞ Ambarlı Natural Gas Combined Cycle Power Plant energy and exergy analysis

    SERDAR ÇİLOĞLU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Enerjiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ MURAT ÇAKAN

Geri Dön