Design Of Tunable Single Band And Concurrent Low Noise Amplifier

Eshghabadi, Hamidreza Ameri (2015) Design Of Tunable Single Band And Concurrent Low Noise Amplifier. Masters thesis, Universiti Sains Malaysia.

Preview

PDF - Submitted Version Download (289kB) | Preview

Abstract

Penguat hingar rendah (LNA) merupakan kunci utama binaan blok rantaian penerimaan kerana ia bertujuan untuk menguatkan isyarat sambil menambah hingar seminima yang mungkin. Sehubungan itu, beberapa jenis teknik bagi meminimumkan hingar LNA diperkenalkan. PCSNIM (kuasa terhad dengan hingar dan input sepadan serempak) dilihat antara teknik yang banyak diberikan perhatian. Namun, berdasarkan kepada kajian sebelum ini, ia menghadkan keupayaan gandaan LNA. Bagi menyelesaikan permasalahan ini dan menyokong keperluan pelbagai jalur, tesis ini mempersembahkan empat jenis rekaan LNA (LNA1 hingga LNA4) berdasarkan sumber induktif merosot (ISD) untuk meliputi jalur tunggal (contoh: IEEE802.11.b/g, Bluetooth) dan serempak (contoh: WIFI). LNA1 disasar untuk menyelesaikan isu gandaan yang rendah bagi jalur tunggal LNA dengan penambahbaikan pada keluarannya. Bagi mendapatkan penerimaan serempak untuk dua jalur frekuensi (24.5/5.2 GHz piawaian WIFI), LNA3 direka berasaskan topologi yang sama untuk LNA1. LNA ini dilaksanakan dalam struktur penuh-bersepadu untuk menyahkan penggunaan komponen luaran cip. Rekaan LNA2 dan LNA4 terhasil daripada masalah anjakan frekuensi selepas proses fabrikasi LNA1 dan LNA3. Bagi menangani isu ini, struktur boleh tala menggunakan varaktor digunakan pada padanan masukan/keluaran LNA2 dan sistem baru GPAPU (unit analog boleh program kegunaan umum) diperkenal dan dilaksana kepada struktur penguat boleh tala-serempak (LNA4). Kesemua kaedah dibuktikan secara simulasi dan pengukuran. LNA1, LNA2 dan LNA3 difabrikasi menggunakan teknologi 0.13 μm CMOS manakala LNA4 direka hanya pada tahap pra susun atur simulasi. Untuk LNA1, pengukuran gandaan hadapan dan hingar memberikan nilai 19.84 dB dan 2.59 dB. Bagi masukan/keluaran sepadan, nilai diperolehi adalah -9.39 dB dan -39.23 dB. LNA1 menggunakan arus terus 4 mA daripada bekalan kuasa 1.2 V. Sementara itu, terdapat anjakan frekuensi sebanyak 260 MHz pada keluaran LNA1. Ini disebabkan proses toleransi semasa fabrikasi. Nilai pengukuran bagi gandaan hadapan dan hingar bagi LNA2 adalah 14.62 dB dan 3.73 dB dengan kuasa arus terus 5 mW. Untuk julat talaan, 140 MHz pada masukan dan 50 MHz pada keluaran berjaya dicapai untuk padanan masukan/keluaran. Berdasarkan kepada struktur talaan varaktor pada masukan dan keluaran LNA2, nilai dapatan (terutamanya NF) berubah-ubah bergantung kepada padanan masukan/keluaran. Ini bertujuan untuk mencapai fungsi boleh tala jika dibandingkan dengan LNA1. Nilai pengukuran yang diperoleh bagi gandaan hadapan LNA3 ialah 17.11 dB pada 2.45 GHz dan 10.42 dB pada 5.2 GHz dengan kuasa arus terus 4.8 mW. Nilai pengukuran bagi padanan masukan dan keluaran pula adalah -19.48 dB dan -39.23 dB bagi jalur rendah manakala -25.51 dB dan -10.46 dB bagi jalur tinggi. Nilai hingar yang diukur untuk LNA3 ialah 4.09 dB pada jalur rendah dan 10.47 dB untuk jalur tinggi. Nilai yang diperoleh bagi bacaan gandaan dan nilai hingar berbeza daripada jangkaan awal. Ini kerana, terlihatkan anjakan frekuensi sebanyak 1 GHz pada jalur atas yang dipengaruhi oleh proses perubahan semasa fabrikasi. Daripada hasil simulasi, LNA4 menunjukkan gandaan hadapan yang dicapai bagi jalur rendah ialah 21 dB dan jalur tinggi 18 dB. Untuk nilai hingar, 2.53 dB diperolehi bagi jalur rendah dan 2.96 dB bagi jalur tinggi dengan kuasa arus terus 5.5 mW. Bagi rangkaian keluaran untuk LNA4, julat nilai boleh tala yang diperolehi ialah 300 MHz. Kesimpulannya, kaedah penambahbaikan gandaan yang digunakan bagi LNA1 berfungsi dengan jayanya dan isu nilai gandaan yang rendah berasaskan teknik PCSNIM dapat diselesaikan. Begitu juga masalah anjakan frekuensi dalam penguat jalur tunggal diatasi menggunakan struktur boleh tala LNA2. Tambahan pula, penguat PCSNIM serempak penuh-bersepadu (LNA3) yang direka dan dilaksanakan berjaya menerima frekuensi-frekuensi bagi piawaian WIFI secara serempak. Akhir sekali, struktur boleh tala yang baru (GPAPU) diperkenalkan dan terbukti berfungsi berdasarkan kepada keputusan simulasi LNA4. ________________________________________________________________________________________________________________________ Low noise amplifier (LNA) is one of the key building blocks in receiving chain as they aimed to amplify the signal while adding minimum possible noise to it. Thus, several noise optimization techniques were proposed by researchers to minimize the noise of LNAs. Among these techniques, the PCSNIM (power constrained simultaneous noise and input matching) is found to be a popular approach; however, it limits the gain of the LNA according to literature. Therefore, to tackle the mentioned issue and to support the requirement for multi-band, this thesis presents the design of four LNAs (LNA1 to LNA4) based on inductive source degenerated (ISD) to cover single-band (e.g. IEEE 802.11.b/g, Bluetooth) and concurrent (e.g. WIFI) applications. LNA1 is targeted to solve the reduced-gain issue of single-band LNA by utilizing a gain-enhancer at the output of LNA. To obtain the concurrent reception of two frequency bands (2.45/ 5.2 GHz in WIFI standard), LNA3 is designed based on the same topology of LNA1. This LNA is implemented in fully-integrated structure to eliminate the off-chip components. Meanwhile, the design of LNA2 and LNA4 are resulted from the problem of frequency shift that occurred after the fabrication of LNA1 and LNA3. Hence, to tackle the issue, a tunable structure using varactors is used at the input/output matching of LNA2 and a new system (GPAPU-general purpose analog programmable unit) is introduced and implemented to the concurrent structure to obtain the tunable-concurrent amplifier (LNA4). For this work, LNA1, LNA2, and LNA3 were fabricated in 0.13 μm CMOS technology while LNA4 was designed only up to pre-layout simulation level. The measured forward gain and noise figure (NF) values for LNA1 are 19.84 dB and 2.59 dB respectively, while achieving the input/output return losses of -9.39 dB and -39.23 dB. LNA1 consumes 4 mA of dc current from 1.2 V supply. Meanwhile, 260 MHz frequency-shift was observed at the output of LNA1 due to the process tolerances during fabrication. The measured forward gain and NF values of LNA2 are 14.62 dB and 3.73 dB respectively, while consuming 5 mW of dc power. Moreover, the tuning ranges of 140 MHz at the input and 50 MHz at output are accomplished by LNA2 for the input/output matching. Due to the varactor-based tuning structure at the input and output of LNA2, the gain (and respectively NF) was traded-off with input/output matching to achieve tunable function comparing to LNA1. LNA3 is measured with the forward gain values of 17.11 and 10.42 dB at 2.45 and 5.2 GHz frequencies respectively, while consuming 4.8 mW of dc power. Also, the obtained values for input and output return losses are -19.48 and -39.23 dB respectively at the lower band and -25.51 and -10.64 dB respectively at upper band. The measured NF of this LNA3 is 4.09 dB at the lower-band and 10.47 dB at the upper band. The achieved gain and NF are different from the expected simulation results due to the observed 1 GHz frequency-shift at upper-band due to process variation during fabrication. From the simulation results of LNA4, the forward gain values obtained for lower and upper bands are 21 and 18 dB respectively. Also, the achieved NF values are 2.53 and 2.96 dB respectively in the mentioned bands while consuming 5.5 mW of dc power. In addition, the output network of the LNA4 can be tuned in range of 300 MHz. In conclusion, the implemented method of gain-enhancer in LNA1 works perfectly and the reduced-gain issue of PCSNIM technique is solved. Also, the problem of frequency-shift in single-band amplifier was tackled using the tunable structure of LNA2. Furthermore, a fully-integrated concurrent PCSNIM amplifier (LNA3) is designed and implemented successfully to receive simultaneous frequency bands of WIFI standard. Finally, a new tunable structure (GPAPU) was introduced and theoretically proved to be functional based on the simulation results of LNA4.

Item Type:	Thesis (Masters)
Additional Information:	Full text is available at http://irplus.eng.usm.my:8080/ir_plus/institutionalPublicationPublicView.action?institutionalItemId=3124
Subjects:	T Technology T Technology > TK Electrical Engineering. Electronics. Nuclear Engineering > TK7800-8360 Electronics
Divisions:	Kampus Kejuruteraan (Engineering Campus) > Pusat Pengajian Kejuruteraaan Elektrik & Elektronik (School of Electrical & Electronic Engineering) > Thesis
Depositing User:	Mr Mohd Jasnizam Mohd Salleh
Date Deposited:	03 Sep 2018 07:39
Last Modified:	03 Sep 2018 07:39
URI:	http://eprints.usm.my/id/eprint/41651

Actions (login required)

View Item