采用信号重用唤醒技术的低噪声放大器外文翻译资料

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采用信号重用唤醒技术的低噪声放大器

Jian-Yu Hsieh

Department of Electronic Engineering, National Ilan University, Yilan City, Yilan County 260, Taiwan

E-mail: jyhsieh@niu.edu.tw

摘要:本文介绍了一种采用90nm互补金属氧化物半导体技术实现的V波段低功耗信号重用低噪声放大器（SRLNA）。所提出的这种SRLNA使用零V_T和信号重用唤醒技术来提高唤醒灵敏度并降低功耗。可以根据射频信号功率的幅度自动激活或关闭SRLNA。分析零VT包络检波器和限幅放大器的时间延迟，以消除对最大数据速率的限制。 此外，本文还详细讨论了这种SRLNA的噪声系数（NF），功率增益（S21），输入和输出回波损耗（S11和S22）之间的关系，并为NF定义了质量因子Qnf、QI、Qin和QL ，S21，S11和S22参数派生。本文提出的这种SRLNA在激活和睡眠模式下分别消耗25和12毫瓦。它的灵敏度可达到约-50dBm。

1 介绍

V波段（50-75 GHz）因其7 GHz未授权带宽引起了极大的关注，该无需授权带宽由用于无线多千兆位通信的57.2至65.8 GHz之间的1.728 GHz 4个通道组成^[1]。该频带被安排用于短距离和高数据速率无线通信以及车辆碰撞避免系统。通常，高于3 Gb / s的数据速率能够实现未压缩的实时全高清音频和视频流^[2]。但是，这个应用程序消耗巨大的能量。通常，低噪声放大器（LNA）的功耗随着它们的信道长度在相同频率下运行而增加^[3,4]。而且，高频LNA ^[5-9]比相同频道长度技术的低频LNA消耗更多的功率。如何降低功耗已经成为无线V频段电路的一个关键问题，特别是其在生物医学和娱乐设备中的应用^[10]。例如，在无线传感器网络中，待机/唤醒操作对于能源效率至关重要^[11]。但是，该操作可能需要两个不同频率的接收机，一个用于数据接收，另一个用于唤醒命令读取。为了实现唤醒机制，开发了一种纠正技术^[12]。不幸的是，整流器的功率效率受到二极管压降的抑制，二极管的压降高度取决于阈值电压V_T ^[13]。此外，阈值电压V_T不仅会导致较低的功率效率，而且还限制了输入射频（RF）信号的最小幅度，这就是所谓的灵敏度。为了简化系统，提高唤醒灵敏度并同时降低功耗，信号重用（SR）唤醒和零V_T技术被应用于本文提到的LNA。

这种LNA可以根据接收到的射频信号功率自动激活或关闭，无需任何额外的数字控制电路或微控制单元。接收到的RF信号被SR电路重新使用并转换为数字控制信号，以确定LNA是否应该被激活。 该低噪声放大器适用于各种数字通信系统，如开关键控（OOK），频移键控，相移键控调制等。特别在OOK调制中，它不仅在空闲时间内实现自动，而且在传输零电（ZV）数据时也是如此。

简而言之，本文通过对V波段应用使用零V_T和SR唤醒技术，提出了一种低功耗SRLNA。本文描述了所提出的SRLNA的电路结构、理论分析、设计考虑和测量结果。

2 架构概述

图. 1  本文提出的SRLNA的框图

图1给出了由SR电路、放大器A₁和A₂组成的低功耗SRLNA的框图。A₁始终开启以放大接收到的RF信号，而A₂是否被激活取决于RF信号幅度。当RF信号幅度足够大时，A₂将被激活。在SR电路中采用整流器来实现唤醒机制。

2.1 互补金属氧化物半导体（CMOS）技术中的整流器

CMOS集成整流器可分为两组：无源和有源整流器。无源整流器具有几个V_T的电压降（也称为死区），这不适用于小输入信号。通常，有源整流器比无源整流器具有更好的电压和功率效率^[14]，但功耗更高^[15,16]。为了实现低功耗性能和减少死区，在包络检测器中采用了具有零V_T技术的无源整流器。

2.2 SR电路

为了将RF信号解调为数字控制信号，本文使用了由零V_T包络检波器、低通滤波器（LPF）和限幅放大器组成的SR电路，如图1所示。零V_T包络检波器将RF信号转换成包络信号。在LPF之后，包络信号被发送到限幅放大器，然后作为通电控制回到A₂。

尽管传统的无源包络检波器不需要电源电压^[13]，但其二极管D₁的死区只有一个V_T，不适用于低输入电压幅度。

图. 2 零VT包络检测器

（a）示意图 （b）等效电路 （c）充电 （d）放电

如图2a所示，为了减小死区，在零V_T包络检测器^[17,18]中使用电阻器R₁、电容器C_B和DC电源电压V_DD。二极管D₁和大电阻R₁与R₂提供了一个直流通路，用以在几乎接通的区域偏置D₁。因此，来自LPF的包络信号可以很容易地打开和关闭D₁，并实现零V_T包络检测器。图2b是零V_T包络检波器的等效电路，二极管D₁可视为与小导通电阻R_D串联的理想二极管D₀。图2c和d中描绘了零V_T包络检测器的充电和放电行为。在包络的正周期中，电容C通过一个小电阻R_D从P₁充电，如图2c所示。在此期间，点P₁和P₂之间的电压差几乎是恒定的（V_P1minus;thinsp;V_P2=V_T）。相反，如图2d所示，在负循环中，由于关断二极管D₁（V_P1minus;V_P2lt;V_T），点P₂处的电压在负循环中通过大电阻器R₂缓慢下降。充放电循环的时间常数R_DC和R₂C直接影响SRLNA的输出包络波形和数据速率中的纹波电压Delta;V_R。以前的论文中已经讨论过接收机的类似唤醒概念^[17,18]。功耗、噪声系数（NF）和唤醒灵敏度之间的权衡在LNA中更加严格。理论分析和设计考虑将在后面讨论。

2.3信号重用低噪声放大器

图. 3  本文提出的SRLNA

（a）示意图 （b）激活和睡眠行为

图3a是SRLNA的示意图。它由一个五级共源共栅放大器（A₁和A₂）和一个SR电路组成。为了减少SR电路对NF引起的影响，SR电路在两个共源共栅级A₁(M_N1–M_N4)之后分配，它们总是处于导通状态。然而，仅当接收到非ZV（NZV）RF信号时，以下三个级联级A₂ (M_N5– M_N10)才由SR电路激活。SR电路由零VT包络检波器（M_N11, R₂,和C）、LPF（R_L和C_L）以及限幅放大器（M_N12–M_N13和M_P1–M_P2）组成。在零V_T包络检测器中，二极管D₁由二极管连接的晶体管M_N11构成。图3b解释了SRLNA的行为。当接收到NZV RF信号时，SR电路将向S_A发送高电压信号并激活A₂，这就是所谓的激活模式。相反，SR电路将向S_A发送低电压信号并在空闲时间关断A₂以节省功率，这就是所谓的睡眠模式。

在OOK调制中，SRLNA可以比其他调制节省更多功率，因为SRLNA不仅在空闲时间内休眠，也在ZV数据传输中休眠。然而，由于零thinsp;V_T包络检波器和限幅放大器的时间延迟，S_A响应迟于包络响应一段时间（T_D），如图3b所示。T_D的数据传输率受到限制。为了缩短T_D，应该减小限流放大器的充放电时间常数和级联级数。本文提出的SRLNA的设计参数如表1所示。

表1 本文提出的SRLNA的设计参数

3emsp;理论分析和设计考虑

3.1零VT包络检测器中的时间延迟

零thinsp;V_T包络检波器有助于延迟T_D并限制SRLNA的数据速率。图4示出了图2中的点P₁和P₂处的零thinsp;V_T包络检测器^[17,18]的充电和放电行为。可以如下导出纹波电压差Delta;V_R^[17,18]：

其中Delta;Q_R分别是充电和放电周期T期间C上的电荷差。根据公式（1），通过使用较高频率的RF信号或较大的R₂，可以减小纹波电压差Delta;V_R。然而，由于大的放电时间常数R₂C会严重增加SRLNA中的数据延迟，所以不能无限扩大R₂。在图4中，电压V_P2在脉动结束时的稳定时间支配包络检测器的时间延迟，因为R₂远大于R_D。零V_T包络检测器T_D，ED的时间延迟约为4.6R₂C（放电99％电容器存储电荷的时间）。为了传输数据速率大于3 Gb / s的调制射频信号，T_D，ED应小于0.3 ns。由于R2被设计成10kOmega;，C必须小于6.45 fF才能满足上述要求。

图4. 在点P1和P2处的零VT包络检测器的充电和放电行为

3.2 限幅放大器的时间延迟

零V_T包络检波器输出端的包络信号通过LPF并通过限幅放大器放大。零V_T包络检波器和限幅放大器均有助于时间延迟T_D。根据单级限幅放大器的充放电行为，可以认为限幅放大器的输出信号从低到高和从高到低的时间延迟是相同的。单级限幅放大器级中的时间延迟T_{D, LA}可以计算为^[17,18]：

其中mu;_N、W_N、和L_N为电子迁移率，沟道宽度和NMOS长度；C_OX是晶体管NMOS和PMOS的氧化物电容；A是与信道宽度W无关的常量参数；C_T包括来自连接导线的外部电容器和来自晶体管NMOS和PMOS的内部电容器。限幅放大器中单级的动态功耗P_D可表示为^[17,18]

其中f_ED是包络信号的频率。从公式（2）和（3）中可知，扩大通道宽度W_N或减小通道长度L_N可以缩短时间延迟T_{D, LA}。但是，扩大沟道宽度W_N也会增加动态功耗。这意味着在时间延迟T_{D, LA}和动态功耗P_D之间得进行权衡。 尽管具有更多级的限幅放大器可以更容易地激活A₂，但时间延迟T_D,ED也增加，这体现了灵敏度与时间延迟T_D,ED之间的折衷。当使用两级、四级和六级限幅放大器时，SRLNA的仿真灵敏度分别为-55，-68和-79 dBm。在两级、四级和六级限幅放大器中，总时延（T_D = T_D,ED T_D,LA）分别为0.23,0.25和0.32 ns。为了实现高数据速率传输，采用两级限幅放大器。

3.3 NF的频率响应

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