Workshopband als PDF - Mpc.belwue.de

Tabelle 2: Aktuelle Vorverstärker in 0,25-µm-SiGe-BiCMOS für den Frequenzbereich bei 60 GHz (Auswahl).
Quelle Grujic et al. [5] Scheytt et al. [6] Sun et al. [7]
Topologie
Anpassnetzwerke erfolgen in Abschnitt 4. Der
Layoutentwurf wird in Abschnitt 5 besprochen. Simulationsergebnisse
der Gesamtsimulation werden im
sechsten Abschnitt erörtert. In Abschnitt 7 folgen eine
Zusammenfassung sowie ein abschließender Ausblick.
II. STAND DER TECHNIK UND SPEZIFIKATION
LNA bei 60 GHz für den oben beschriebenen Einsatzbereich
lassen sich mit Hilfe einer Kennzahl
(Figure-of-Merit - FoM) zusammenfassend vergleichen
[3]. Diese FoM wird für die Bewertung des
Standes der Technik und für die Definition der Spezifikation
herangezogen. Die in [3] beschriebene FoM
setzt sich aus dem linearen Wert der Verstärkung S21,
der 3-dB-Bandbreite B in GHz, dem linearen Wert der
Rauschzahl F und der Leistungsaufnahme PV in mW
des Verstärkers zusammen:
S21
⋅ B
FoM =
( F −1)
⋅ P
Die Parameter sind bewusst für einen breitbandigen,
rauscharmen Vorverstärker gewählt. Eine hohe Verstärkung
und eine geringe Rauschzahl sind am Beginn
einer Verstärkerkette besonders wichtig. Dadurch
haben die Rauschzahlen F2 bis Fn der nachfolgenden
Stufen einen geringeren Einfluss auf die Gesamtrauschzahl
Fges. Dies ist von Friis [4] mit der Gleichung
F2
- 1 F3
- 1 Fn
−1-
1
Fges = F1
+ + + +
G G ⋅G
G G G
1
1
2 x Diff.-
Kaskodeschaltung
2
V
1
2
n−1
beschrieben worden, wobei Gi die Verstärkung der iten
Stufe bezeichnet. Eine große Bandbreite sorgt
neben einer breiten Abdeckung für einen flachen Verstärkungsverlauf
über der Frequenz. Weiter wichtig ist
eine geringe Verlustleistung des Verstärkers. Im Folgenden
wird näher auf den Stand der Technik und die
Spezifikation eingegangen.
24
ENTWURF EINES RAUSCHARMEN VORVERSTÄRKERS
FÜR 60 GHZ IN SiGe:C 0,25 µm
Diff. Kaskode +
Emitterschaltung
A. Stand der Technik
Eine Auswahl von in der Literatur beschriebenen
Vorverstärkern ist in Tabelle 2 aufgelistet. Der Vorverstärker
nach Grujic [5] besteht aus einer zweifachen
differenziellen Kaskodeschaltung. Diese erreicht
durch die Kaskodeschaltung eine hohe Verstärkung
von 24,5 dB. Ihre Verlustleistung ist aber durch den
differenziellen Aufbau sehr hoch. In [6] wird dagegen
die Verlustleistung durch die Wiederverwendung des
Arbeitsstromes niedrig gehalten. Die Verstärkung
beträgt dabei nur ca. 15 dB. Die 3-dB-Bandbreiten der
Verstärker aus [5] und [6] sind deutlich kleiner als das
europäische Frequenzband (Tabelle 1). Dieses wird
mit dem dreistufigen Differenzverstärker nach [7]
abgedeckt. Die Verlustleistung ist, bedingt durch den
dreistufigen, differentiellen Aufbau mit 66 mW deutlich
oberhalb der angesetzten 40 mW. Das Rauschmaß
der Auswahl erreicht für den Frequenzbereich bei 60
GHz und die verwendeten Technologien typische
Werte von kleiner 7 dB. In der folgenden Spezifikation
werden die für die FoM wichtigen Parameter des
Vorverstärkers festgelegt.
B. Spezifikation
3 x Differenzverstärker
Verstärkung S21 24,5 dB 15,3 dB 18 dB
3-dB-Bandbreite B 5 GHz 7 GHz 22 GHz
Rauschmaß NF 5,95 dB 6,2 dB 6,8 dB
Verlustleistung PV 59,4 mW 9,9 mW 66 mW
Figure-of-Merit FoM 8 GHz/mW 7 GHz/mW 5,7 GHz/mW
Tabelle 3: Spezifikation für den Vorverstärker (VSupply = 3 V).
Verstärkung S21
≥ 20 dB
3-dB-Bandbreite B
≥ 11 GHz
(min. 56 bis 67 GHz)
Rauschmaß NF ≤ 7,5 dB
Verlustleistung PV
≤ 40 mW
Figure-of-Merit FoM ≥ 6 GHz/mW
Die Spezifikation für den Vorverstärker ist in Tabelle
3Tabelle zusammengefasst. Darin sind die geforderten
Wertebereiche für die Parameter S21, B, NF, PV
und die daraus resultierende FoM aufgelistet. Die
angestrebte Verstärkung soll größer 20 dB sein, damit