Κεφάλαιο 5 -Ενισχυτές

Transcript

1 Κεφάλαιο 5 Ενισχυτές Χαµηλού Θορύβου (LNA) Χαµηλού Θορύβου 1

2 Βασικές παρέµετροι των Ενισχυτών Χαµηλού Θορύβου. Τυπικά χαρακτηριστικά των LNA για ετερόδυνες αρχιτεκτονικές NF (εικόνα θορύβου) db I I P 3-10 dbm Απολαβή 15 db Εµπέδηση εισόδου και εξόδου 50 Ω Απώλειες επιστροφής εισόδου και εξόδου -15 db Ανάστροφη Αποµόνωση 0 db Παράγοντας σταθεροποίησης > 1 Χαµηλού Θορύβου

3 Εικόνα Θορύβου ΙΙΡ3 Προσαρµογή Ισχύος S παράµετροι Απώλειες επιστροφής Χαµηλού Θορύβου 3

4 Παράγοντας Σταθεροποίησης K = 1+ S S 1 11 S 1 S Όπου =S 11 S -S 1 S 1. Το κύκλωµα είναι σταθερό χωρίς περιορισµούς, αν Κ>1 και <1. Κυκλώµατα µείωσης της ανάδρασης. Χαµηλού Θορύβου 4

5 Προσαρµογή Εισόδου. Βαθµίδα κοινής πηγής. Παραλείποντας την C GS υπολογίζουµε: F + g mr L ( CL + CF ) L ( CL + CF ) ω + 1 ( CL + CF ) ω + 1+ g ( C + C ) ω + 1 C R{ Yin} = R LCFω R I { Υ } ιν = R ω C L L CF R L L F Αν g m R L >>1, C L >> C F, και ω=1/(r L C L ), γράφουµε: gmcf R{ Yin} = CL g I = ω + mr Yin} CF 1 { L Μειονέκτηµα: Χαµηλή απολαβή σε Υ.Σ. m R L Με κατάλληλη επιλογή των στοιχείων µπορούµε να επιτύχουµεαντίστασηεισόδου 50Ω. Χρησιµοποιώντας ωµική αντισταση R in =50Ωκαιεξωτερικό πηνίο για αντιστάθµιση της χωρητικότητας εισόδου, προσθέτουµεθόρυβο. Πράγµατι: R NF = 1+ R S in ΗοποίαγιαR in =R S δίνει NF=3dB Χαµηλού Θορύβου 5

6 Κύκλωµα µε αρνητική ανατροφοδότηση. Μπορούµε ναεπιτύχουµε χαµηλή σύνθετη αντίσταση εισόδου, µε πραγµατικό µέρος 50Ω. Προβλήµατα: - Το σήµα που έρχεται από την έξοδο περιέχει σηµαντικό ποσοστό θορύβου. - Η ολική ολίσθηση της φάσης εξαρτάται από τη συχνότητα και µπορεί να οδηγήσει σε ταλάντωση. Χαµηλού Θορύβου 6

7 Βαθµίδα κοινής πύλης. Μπορεί να σχεδιαστεί ώστε να εµφανίζει R in =1/(g m +g mb )=50Ω. Η χωρητικότητα εισόδου µπορεί να αντισταθµιστεί από εξωτερικό πηνίο. Μειονέκτηµα: Η διαγωγιµότητα του τρανζίστορ δεν µπορεί να είναι όσοδήποτε µεγάλη, πράγµα που θέτει κατώτατο όριο στο NF. Αν λάβουµε υπόψηµόνο το θερµικόθόρυβοτουκαναλιούτουμ1: όπου γ=/3 I n = 4kTγg m NF = 1+ γ Για γ=/3 => NF=5/3=.dB. Αντίστοιχα στη συνδεσµολογία κοινής βάσης υπολογίζεται NF=1.77dB. Σε υποµικρονικές τεχνολογίες γ>>/3. Χαµηλού Θορύβου 7

8 Κύκλωµα κοινήςπηγήςµε εκφυλισµό τηςπηγής. Παραλείποντας τις χωρητικότητες πύλης-εκροής και πηγής-υποστρώµατος, έχουµε: Επιλέγοντας κατάλληλα τα g m, L S, και C GS µπορούµε ναέχουτµε τοπραγµατικό µέρος=50ω (χωρίς θερµικό θόρυβο). Στην πραγµατικότητα το φανταστικό µέρος µπορεί να µην είναι µηδέν στη συχνότητα λειτουργίας. Το πηνίο εκφυλισµού υποβιβάζει την ισοδύναµη διαγωγιµότητα και κάνει πιο σηµαντικο το θόρυβο της επόµενης βαθµίδας. Χαµηλού Θορύβου 8

9 Κύκλωµα κοινήςπηγήςµε εκφυλισµό τηςπηγής(συνέχεια). Η L 1 δίνει πρόσθετο βαθµόελευθερίας. Χαµηλού Θορύβου 9

10 Υπολογισµός της εικόνας θορύβου. Χαµηλού Θορύβου 10

11 Χαµηλού Θορύβου 11

12 Κυκλώµατα LNA σε τεχνολογία CMOS. τις υποµικρονικές τεχνολογίες, µε κατάλληλη πόλωση, µπορεί να επιτευχθεί αποδεκτή στάθµη θπρύβουτωνmosfet. τις εφαρµογές RF τα MOSFET είναι δυνατόν να εµφανίζουν καλύτερη γραµµικότητα από τα διπολικά. Βασικές τοπολογίες κοινής πηγής. όγω της χαµηλής ιαγωγιµότητας των MOSFET, απολαβή τάσης ειναι σχετικά ικρή, οπότε κυριαρχεί ο όρυβος της R D και της πόµενης βαθµίδας. Αντικαθιστούµετοφόρτοαπό πηγή ρεύµατος, Μ. Αν η αντίσταση εξόδου του Μ είναι αρκετά µεγάλη, η απολαβή του κυκλώµατος γίνεται: ~g m1 /jωc 1. Ηπηγήρεύµατος συνεισφέρει επίσης θόρυβο. ολικόςανηγµένος στην ίσοδο θόρυβος µειώνεται αν αι το Μ κάνει ενίσχυση του ήµατος. Το κύκλωµα ανατροφοδότησης χρησιµοποιείται για τη σταθεροποίηση του ρεύµατος πόλωσης. Ηολικήδιαγωγιµότητα γίνεται: g m1 +g m, αλλά το κύκλωµα εµφανίζει µεγάλη αντίσταση εισόδου. Θα πρέπει να προστεθεί µία βαθµίδα εξόδου για να επιτύχουµε αντίσταση εξόδου =50Ω. Η τοπολογία ακολουθητή πηγής επιτυγχάνει πολύ µικρότερη απολαβή τάσης από την τοπολογία κοινής πηγής. Χαµηλού Θορύβου 1

13 Τοπολογία κοινής πηγής µε εκφυλισµό τηςπηγής. Το τρανζίστορ κοινής πύλης Μ αυξάνει την ανάστροφη αποµόνωση του LNA και έτσι: µειώνει τη διαρροή του τοπικού ταλαντωτή που προέρχεται από τον µίκτη που ακολουθεί σταθεροποιεί το κύκλωµαεµποδίζοντας την ανάδραση από την έξοδο στην είσοδο. Χρειάζεται ακόµη µία βαθµίδα για προσαρµογή της εξόδου στα 50Ω. Τοπολογία κοινής πηγής δύο βαθµίδων. Το Μ1 και το Μ λειτουργούν σαν διατάξεις κοινής πηγής, που πολώνονται µετοίδιορεύµα. Το σήµα που ενισχύεται από το Μ1 φτάνει στην πύλη του Μ µέσω του C 1, ενώ η πηγή του Μ γειώνεται µέσω του C. Μειωµένη κατανάλωση ισχύος λόγω της επαναχρησιµοποιήσης του ρεύµατος πόλωσης. Μείωση της απολαβής ΥΣ στα Χ και Υ λόγω παρασιτικών χωρητικοτήτων της C 1. Χαµηλού Θορύβου 13

14 Χαµηλού Θορύβου 14

15 πολογισµός της απολαβής. πολογισµός της ισχύος. Χαµηλού Θορύβου 15