Küresel konumlandırma sistemi için düşük gürültülü kuvvetlendirici geliştirilmesi /
Yazar: İBRAHİM ONUR USLU
Danışman: PROF. DR. FİLİZ GÜNEŞ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2008
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Deri etkisi = Skin effect ; Düşük gürültülü yükselteç = Low noise amplifier ; GPS = Global Positioning System ; Gürültü = Noise

Özet:
Dar-bantlı uygulamalarda kullanılabilecek bir CMOS düşük-gürültülü-kuvvetlendirici (DGK) tasarım optimizasyonu geliştirilmiştir ve Küresel Konumlandırma Sistemi (KKS) çalışma frekansı 1.575 GHz'de uygulanmıştır. Endüktans dejenerasyonlu devre topolojisi için ayrıntılı gürültü analizi yapılmıştır. Geçitte endüklenen gürültünün, BSIM3 tranzistör gürültü modellerine katılması gerektiği simülasyonlarla gösterilmiştir. Tranzistörlerin serim aşamasında geçit parmak uzunluğunun kazanç-bandgenişliğini düşürmeyecek değeri simülasyonlar ile bulunmuştur. İstenilen doğrusallık başarımını sağlayacak tranzistör genişliğinin maksimum değeri uzun kanallı tranzistörler için bulunmuştur. Simülasyonlar sonucunda 10 mW güç tüketiminde 0.7 dB gürültü sayısı elde edilmiştir. KKS frekansında devre izolasyonu s12 = -43 dB, kazanç 25 dB ve s11 = -26 dB bulunmuştur. Devre -3.25 dB IIP3 değeri vermektedir.DGK tranzistörlerinin kanal sıcaklığının artması gürültü başarımını düşürmektedir. DGK düşük güçlü bir uygulama olması nedeniyle devreye az ısı yaymaktadır; dolayısıyla devrede sıcaklık artışı az olmakta ve gürültü başarımı etkilenmemektedir.Endüktans tasarımında deri ve yakınlaşma etkileri yüksek frekanslarda baskın hale gelmektedir. Endüktansların kalite faktörleri klasik yöntemlerle hesaplandığında yüksek frekans bölgesinde yanlış sonuçlar vermektedir. Kalite faktörünün yüksek frekans bölgesinde doğru olarak bulunabilmesi için endüktördeki metal ve taban kayıplarının ayrı ayrı belirlenmesi esasına dayalı uygulaması kolay ve daha hızlı sonuca ulaşılabilir bir yöntem önerilmiştir.

Abstract:
Design optimization of a CMOS low-noise-amplifier (LNA) for narrow-band applications was developped and applied to Global Positioning System (GPS) operating frequency at 1.575 GHz. Detailed noise analysis for inductance degenerated circuit topology is done. Need for adding gate induced noise source to the BSIM3 noise models of transistors is shown by simulations. Finger length of the transistors which will not degrade gain-bandwidth is found by simulations. Maximum transistor width that provides the desired linearity specification is determined for the long channel transistors. Final simulations resulted with 0.7 dB NF for 10 mW power consumption. Circuit isolation s12 =-43 dB, gain 25 dB and s11=-26 dB is found at the GPS frequency. Circuit provides -3.25 dB IIP3 value.Increase in channel temperature of LNA transistors degrades the noise performance. Since LNA is a low-power application, it emits less heat to the circuit so that increase in temperature is less which does not effect the noise performance.Skin and proximity effects are dominant at high frequencies when designing integrated inductors. Conventional calculation method of quality factor at high frequencies leads to wrong results. A new easily and rapidly applicable method which is based on extracting the metalization and substrate losses individually is suggested to find quality factor at high frequencies.