Circuito de carga shunt-peaking modificado para mantener constante la magnitud de la ganancia de LNAs integrados sobre anchos de banda grandes.

La presente invención hace referencia a una modificación en el circuito de carga de un amplificador de bajo ruido LNA con entrada adaptada en banda ancha.

El objeto de la invención es un circuito derivado a partir de un circuito de carga "shunt-peaking", al cuál se le introduce un capacitor adicional CC que desacopla este circuito de carga de la etapa de cascodo. Esta configuración permite utilizar valores de RL mayores que con la topología convencional "shunt-peaking", consiguiendo que la ganancia sea constante en la banda de operación del sistema. De esta forma se resuelve el problema de ganancia variable en buena parte de la banda de interés, característico de los circuitos de carga "shunt-peaking".

Esta invención es aplicable en sistemas de radiofrecuencia que operen en banda ancha, como los basados en el sistema UWB

Circuito de carga shunt-peaking modificado para mantener constante la magnitud de la ganancia de LNAs integrados sobre anchos de banda grandes.

Sector de la técnica

La invención se encuadra en el sector técnico de la ingeniería electrónica y las comunicaciones, más concretamente en el transporte de flujos multimedia sobre enlaces inalámbricos.

Estado de la técnica

La comunicación en banda ultra-ancha (UWB por Ultra Wide Band) se está configurando como un estándar de comunicaciones con un enorme potencial de aplicaciones que permite un uso más eficiente del espectro.

Esta tecnología permite fabricar sistemas de comunicaciones de menor complejidad y a menor coste. Además aporta una gran flexibilidad, puesto que permite posicionar los sistemas de comunicación en prácticamente cualquier parte del espectro de radiofrecuencia RF.

El amplificador de bajo ruido LNA es uno de los bloques fundamentales de los sistemas de comunicación de banda ultra-ancha (UWB), debido a que es el primer elemento que se encuentra la señal en el receptor después de la antena, por ello debe tener una alta ganancia y un bajo nivel de ruido para toda la banda de frecuencias de operación.

Este tipo de circuitos expande el uso del típico amplificador de banda estrecha ensamblando la red de entrada del dispositivo que actúa como amplificador en una red reactiva de tal manera que la reactancia de entrada resuene en un ancho de banda mayor. De este modo se consigue una adaptación de entrada de banda ancha y, al mismo tiempo, una disminución del ruido en dicha banda.

En cuanto a la carga, para aumentar el ancho de banda de amplificadores integrados de bajo ruido existen actualmente en el mercado varias topologías como son: carga RC simple, carga "series-peaking", carga "shunt-peaking" y carga "shunt-series-peaking".

Estos tipos de cargas marcan los límites máximos de ganancia e independencia de la respuesta con la frecuencia. Para resolver este problema se propone una modificación en la topología del circuito de carga "shunt peaking".

Descripción detallada de la invención

El amplificador de bajo ruido LNA con entrada adaptada en banda ancha, que se muestra en la figura 1, corresponde a la topología más usada. Esta configuración presenta el inconveniente de que la ganancia es variable en buena parte de la banda de interés debido a las propiedades de los circuitos de carga basados en la topología "shunt-peaking", según se muestra en la figura 2.

El circuito mostrado en la figura 1, está compuesto por una conexión de entrada en banda ancha, una etapa de ganancia tipo cascodo y una carga genérica de salida de banda ancha. Generalmente a la salida se suele insertar un seguidor de emisor para adaptar la salida a una resistencia de 50 O. Este seguidor de emisor no se inserta cuando el LNA forma parte de un receptor integrado de UWB. La entrada del circuito está formada por un filtro ensamblado con la impedancia de entrada del transistor. La etapa de ganancia está compuesta por dos transistores en configuración cascodo los cuales aumentan el aislamiento y disminuyen la capacidad equivalente de Miller. Tanto el dimensionado de los transistores como la polarización de los mismos se optimizan para minimizar el ruido y el consumo de potencia. Finalmente, con el fin de conseguir una respuesta de banda ancha, la carga resonante típica de los circuitos de banda estrecha es sustituida por una resistencia "shunt peaking".

Con esta configuración la ganancia resultante del amplificador debería ser plana en toda la banda de paso. La ganancia del amplificador se obtiene a través de la transconductancia del transistor y la magnitud de la impedancia de la carga "shunt-peaking", dada por:

En esta expresión C_out es la capacidad en el nodo de salida, incluyendo la capacidad de salida del transistor, carga debida a las interconexiones con las siguientes etapas y las capacidades parásitas del inductor. Esta expresión contiene un cero y dos polos complejos. El aumento del ancho de banda viene dado por el incremento de | Z(j?) | debido a los polos que aparecen debajo de la frecuencia de resonancia (?₀=1/L_LC_out) y al cero (?_Z=R_L/L_L).

Desafortunadamente esto conduce a la aparición de un máximo en la respuesta en frecuencia de la ganancia de tensión, degradándose la constancia de la misma en la banda de frecuencias intermedias. Una posible solución sería mantener ambas frecuencias (de polo y cero) fuera de la banda utilizando un valor bajo de L_L, que consecuentemente supondría una ganancia baja. Para obtener una ganancia alta se debería escoger una R_L lo suficientemente grande para mejorar la ganancia a frecuencias bajas. Sin embargo, la caída de tensión de la resistencia impone un límite superior a R_L y, como consecuencia, a la ganancia máxima y a la constancia de la magnitud de la ganancia. Para superar esta cuestión se propone la modificación en el circuito de carga "shunt-peaking" convencional, tal y como se muestra en la figura 3.

El circuito de carga de la figura 3, sobre el que se reivindica la patente, ofrece una solución al problema consiguiendo que la ganancia sea constante en la banda de operación del sistema. Se trata de un circuito derivado a partir del circuito de carga "shunt-peaking" de la figura 2, al cual se le introduce un capacitor adicional C_c, que desacopla este circuito de carga de la etapa cascodo. Esta configuración permite utilizar valores de R_L mayores que con la topología convencional de la figura 2, superando así la limitación impuesta por la tensión de alimentación. Como consecuencia se consigue una ganancia prácticamente constante.

Este circuito de carga resuelve el problema asociado al pequeño valor de la excursión de la tensión de salida y hace más plana la respuesta en frecuencia de la magnitud de la ganancia de tensión.

Para demostrar la viabilidad práctica de la topología propuesta en tecnología CMOS, la topología propuesta y la convencional mostrada en la figura 1, han sido aplicadas a un amplificador de banda ancha a 3,1 a 5,0 GHz basado en un proceso estándar CMOS de 0,35 µm.

Para obtener unos resultados lo más reales posibles se han incluido en la simulación los componentes parásitos como por ejemplo: (i) la resistencia de entrada distribuida de los dispositivos MOS de múltiples puertas, (ii) la capacidad distribuida en las resistencias de polisilicio, y (iii) las pérdidas resistivas en los conductores metálicos y el sustrato, así como la capacidad parásita en los inductores espirales integrados (analizado por medio del programa MOMENTUM). Todas las simulaciones han sido realizadas usando SpectreRF©.

La ganancia y las pérdidas de retorno a la entrada de los amplificadores se representa en la figura 4, donde se muestran los parámetros S₂₁ y S₁₁ simulados respectivamente a frecuencias que van de 2,0 a 6,0 GHz. Para la topología propuesta (línea continua) la ganancia es bastante estable alrededor de 10 dB para frecuencias que van de 3,1 a 5,0 GHz. Sin embargo no se puede decir lo mismo para la topología convencional (línea discontinua) donde se aprecia un máximo. Para estabilizar la ganancia de inserción la frecuencia del cero debería colocarse lo más cerca posible del extremo superior de la banda disminuyendo L_L. Sin embargo esto supone una reducción de la ganancia tal y como se muestra en la figura 5 donde S₂₁ se ha simulado para distintos valores de L_L. Como la inductancia disminuye la ganancia se hace más independiente de la frecuencia y el ancho de banda aumenta, pero la ganancia disminuye.

En ambas configuraciones del amplificador, las pérdidas de retorno a la entrada permanecen igual porque ambas tienen la misma red de adaptación de entrada. Debido a esto la gráfica que representa el ruido, según muestra la figura 6, es la misma en ambos casos.

Para concluir hemos de decir que se ha demostrado que la modificación propuesta en el circuito de carga "shunt-peaking" (ver figura 3) ofrece ventajas en las aplicaciones de banda ultra-ancha así como mayor estabilidad en la ganancia que el circuito de carga "shunt-peaking" convencional. Su implementación práctica en un proceso estándar...

1. Circuito de carga "shunt-peaking" modificado caracterizado porque se introduce un capacitor adicional C_c que desacopla este circuito de carga de la etapa de cascodo, permitiendo utilizar valores de R_L mayores que con la topología convencional.