High performance LNA design for next generation wireless

Abstract

Günümüzde, telsiz iletişim sistemleri telekomünikasyon endüstrisinde en hızlı büyüyen alandır. Bu alana yeni standartlar getirildi ve desteklenmesi gereken frekans bantlarının sayısı hızlı bir şekilde arttı. İletişim sistemlerinin alıcı tarafı bir anahtar bileşene sahiptir; alçak gürültülü kuvvetlendirici (LNA). LNA birinci blok olarak alıcıda yerleştirilir. Radyo frekans sistemlerinde LNA'ların tasarımı en zorlayıcı durumlardan biridir. Kararlılık, doğrusallık ve geri dönüş kaybı diğerlerine örnekken LNA'nın performansını ölçen en önemli değişkenler verim ve gürültü faktörüdür. Günümüzde sorunun çözümünde alıcı-vericilerin, uyumlama devresinin ve LNA'ların sayısını arttıran desteklenmiş bantların sayısını arttırdığından güç tüketiminin ve alanın kısıtlanması LNA tasarımında iki ana engeldir. Çeşitlilik ve taşıyıcı toplama talebi arttıkça, LNA'lerin sayısı daha da artacaktır. Örneğin; birden fazla bant için çeşitlilikle 2G, 3G ve 4G standartlarını destekleyen bir alıcı çözümü 15 LNA'dan fazlasına sahiptir. Tek bir alıcıdaki LNA sayısındaki bu artış her bir LNA için güç ve alan tüketiminde bir düşüşü gerektirir. Bu tezde, en gelişmiş ortka kaynak tabanlı LNA tanımlamalarına uyumlu kalarak, yukarıda bahsedilen iki değişkeni azaltan yollar çalışıldı. İki tasarım tanıtıldı. Bir tanesi endüktif yük ve dejenerasyon ile kullanılan ortak kaynak LNA'dır. Diğeri ise yük endüktifi olmayan ortak geçit LNA'dır ve ilave olarak uyumlama devresine ihtiyaç yoktur. Bu tez iki ana kısıma ayrılmıştır. Birinci kısımda bazı tasarım durumları ve uygulanmış LNA'ların karşılaştırma çalışması anlatıldı. Tezin ikinci kısmında ise iki tane LNA tasarımı anlatıldı. Bir tanesi piyasada mevcut olan kablosuz iletişim çiplerinde daha çok tercih edilen endüktif yük ve dejenerasyonlu ortak kaynak tabanlı LNA'dır. Bu LNA 1.9 GHz frekansta çalışır ve 27 dB verime ulaşır ve 2.4 dB'ten daha az gürültü faktörü vardır. İkinci tasarımda ise birincise kıyasla daha iyi bir perdorman elde ederken alan ve güç tüketimi azaltan yeni bir yöntemdir. Bu tasarım, 2.4 GHz'de çalışır ve 22 dB'den fazla verim verir ve 2.3 dB gürültü faktörüne sahiptir. İki tasarım da UMC 65nm CMOS teknolojisinde uygulanmıştır.

Nowadays, wireless communication systems are the most growing field in telecommunicationsindustry. New standards have been introduced and the number of frequency bandsthat need to be supported increase enormously. The receiving end of any communicationsystem has a key component which is the Low Noise Amplifier (LNA). LNA is placed asthe first block in the receiver. The design of LNAs is one of the most challenging aspectsin radio frequency (RF) systems. The most important parameters to measure the performanceof LNA are gain and noise figure while stability, linearity, and return loss areexamples of others. Nowadays, the limitations on power consumption and area are twomajor bottlenecks in LNA design because of the increased number of supported bandsthat increases the number of LNAs, matching networks and duplexers in the solution.Furthermore, as the demand of diversity and carrier aggregation increase, the numberof LNAs increases further. For instance, a receiver solution that supports 2G, 3G and4G standards with diversity for multiple bands may easily have more than 15 LNAs.This increase in the number of LNA in a single receiver requires a decrease in the powerand area consumption of each LNA. In this thesis, we have studied the ways to decreasethose two parameters while still complying with the state-of-art common source basedLNA specifications. Two designs have been introduced, one of them is the widely usedcommon source LNA with inductive load and degeneration. The other one is our newapproach common gate LNA without any load inductors and it does not need a matchingnetwork as well. This thesis is divided into two main parts. The first part presents somedesign aspects and a comparative study for the implemented LNAs. The second part ofthis thesis presents two LNAs design, one of them is CS based LNA with load and sourceinductors which is often preferred and used in the wireless communication chips that isavailable in the market. This LNA operates at frequency 1.9 GHz and achieves 27 dBgain and noise figure less than 2.4 dB. The second design is a new approach to reducethe area and power consumption while still getting a good performance compared withthe first design. It operates at 2.4 GHz and achieves more than 22 dB gain and less than2.3 dB noise figure. Both designs are implemented in UMC 65nm CMOS technology.