Σχεδίαση LNA και ενεργού μίκτη υποβιβασμού συχνότητας για εφαρμογή στην ISM μπάντα συχνοτήτων στην τεχνολογία ΤSMC90nm

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία περιλαμβάνει το θεωρητικό υπόβαθρο και την μεθοδολογία σχεδιασμού ενός ενισχυτή χαμηλού θορύβου (LNA) και ενός διπλά ισορροπημένου ενεργού μίκτη υποβιβασμού συχνότητας (Down Conversion Gilbert Mixer) στην ISM μπάντα συχνοτήτων. Ο συνδυασμός των δύο κυκλωμάτων συνθέτουν τον πυρήνα της αρχιτεκτονικής ενός δέκτη και αποσκοπεί στη λήψη του υψίσυχνου σήματος από την κεραία και τον υποβιβασμό του στο πεδίο συχνοτήτων βασικής ζώνης. Παρουσιάζεται επίσης η τοπολογία ενός LNA υψηλής γραμμικότητας για εφαρμογή σε αρχιτεκτονική πομποδέκτη. Στο θεωρητικό μέρος παρουσιάζονται οι μαθηματικές σχέσεις που διέπουν την λειτουργία των κυκλωμάτων καθώς και τα χαρακτηριστικά που αντιπροσωπούν την επίδοσή τους. Στο πρακτικό μέρος της εργασίας αναλύεται η διαδικασία σχεδίασης των επιμέρους κυκλωμάτων ( LNA και Down Conversion Gilbert Mixer) και παρουσιάζεται η απόδοσή τους. Στη συνέχεια ακολουθεί ο συνδυασμός των δύο επιμέρους κυκλωμάτων και παρουσιάζεται η απόδοση της αλυσίδας. Σημειώνεται ότι με την ολοκλήρωση της σχεδία σης σε επίπεδο σχηματικού ακολουθεί ο φυσικός σχεδιασμός των κυκλωμάτων (layout) και γίνεται ποιοτική σύγκριση των αποτελεσμάτων. Ο LNA υψηλής γραμμικότητας σχεδιάζεται σε επίπεδο σχηματικού και παρουσιάζεται η βελτιστοποίησή του ως προς την γραμμικότητα με χρήση ενός εργαλείου βελτιστοποίησης κυκλωμάτων συμβατό με τον προσομοιωτή Cadence Spectre. Η σχεδίαση έγινε στην τεχνολογία 90nm της TSMC και χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό προσομοίωσης της Cadence. Η συνολική αλυσίδα του LNA και του μίκτη σε extracted προσομοίωση έχει κέρδος μετατροπής 31dB, εικόνα θορύβου 1.71dB ενώ ως προς την γραμμική συμπεριφορά της αλυσίδας το σημείο 1dB συμπίεσης του κέρδους είναι -17.7dBm και το σημείο παρεμβολής 3ης τάξης είναι -9.47dBm. Ο LNA υψηλής γραμμικότητας έχει 16dB κέρδος, 1.11dB εικόνα θορύβου και το σημείο παρεμβολής 3ης τάξης είναι 23.67dBm.