Tunable Balun Low-Noise Amplifier in 65nm CMOS Technology

The presented paper includes the design and implementation of a 65 nm CMOS low-noise amplifier (LNA) based on inductive source degeneration. The amplifier is realized with an active balun enabling a single-ended input which is an important requirement for low-cost system on chip implementations. The LNA has a tunable bandpass characteristics from 4.7 GHz up to 5.6 GHz and a continuously tunable gain from 22 dB down to 0 dB, which enables the required flexibility for multi-standard, multi-band receiver architectures. The gain and band tuning is realized with an optimized tunable active resistor in parallel to a tunable L-C tank amplifier load. The amplifier achieves an IIP3 linearity of -8dBm and a noise figure of 2.7 dB at the highest gain and frequency setting with a low power consumption of 10 mW. The high flexibility of the proposed LNA structure together with the overall good performance makes it well suited for future multi-standard low-cost receiver front-ends

Low-power CMOS front-ends for wireless personal area networks

The potential of implementing subthreshold radio frequency circuits in deep sub-micron CMOS technology was investigated for developing low-power front-ends for wireless personal area network (WPAN) applications. It was found that the higher transconductance to bias current ratio in weak inversion could be exploited in developing low-power wireless front-ends, if circuit techniques are employed to mitigate the higher device noise in subthreshold region. The first fully integrated subthreshold low noise amplifier was demonstrated in the GHz frequency range requiring only 260 μW of power consumption. Novel subthreshold variable gain stages and down-conversion mixers were developed. A 2.4 GHz receiver, consuming 540 μW of power, was implemented using a new subthreshold mixer by replacing the conventional active low noise amplifier by a series-resonant passive network that provides both input matching and voltage amplification. The first fully monolithic subthreshold CMOS receiver was also implemented with integrated subthreshold quadrature LO (Local Oscillator) chain for 2.4 GHz WPAN applications. Subthreshold operation, passive voltage amplification, and various low-power circuit techniques such as current reuse, stacking, and differential cross coupling were combined to lower the total power consumption to 2.6 mW. Extremely compact resistive feedback CMOS low noise amplifiers were presented as a cost-effective alternative to narrow band LNAs using high-Q inductors. Techniques to improve linearity and reduce power consumption were presented. The combination of high linearity, low noise figure, high broadband gain, extremely small die area and low power consumption made the proposed LNA architecture a compelling choice for many wireless applications.Ph.D.Committee Chair: Laskar, Joy; Committee Member: Chakraborty, Sudipto; Committee Member: Chang, Jae Joon; Committee Member: Divan, Deepakraj; Committee Member: Kornegay, Kevin; Committee Member: Tentzeris, Emmanoui

Phased Array Systems in Silicon

Phased array systems, a special case of MIMO systems, take advantage of spatial directivity and array gain to increase spectral efficiency. Implementing a phased array system at high frequency in a commercial silicon process technology presents several challenges. This article focuses on the architectural and circuit-level trade-offs involved in the design of the first silicon-based fully integrated phased array system operating at 24 GHz. The details of some of the important circuit building blocks are also discussed. The measured results demonstrate the feasibility of using integrated phased arrays for wireless communication and vehicular radar applications at 24 GHz

High frequency of low noise amplifier architecture for WiMAX application: A review

The low noise amplifier (LNA) circuit is exceptionally imperative as it promotes and initializes general execution performance and quality of the mobile communication system. LNA's design in radio frequency (R.F.) circuit requires the trade-off numerous imperative features' including gain, noise figure (N.F.), bandwidth, stability, sensitivity, power consumption, and complexity. Improvements to the LNA's overall performance should be made to fulfil the worldwide interoperability for microwave access (WiMAX) specifications' prerequisites. The development of front-end receiver, particularly the LNA, is genuinely pivotal for long-distance communications up to 50 km for a particular system with particular requirements. The LNA architecture has recently been designed to concentrate on a single transistor, cascode, or cascade constrained in gain, bandwidth, and noise figure

An x-band RFIC active phase shifter

Abstract— An active RFIC X-band phase shifter is implemented using IHP SiGe HBT 0.25 μm SGB25V technology with an improved vector sum method. The chip is formed by a three way Wilkinson power divider, three phase delays for 0-120-240 degrees, three similar RFIC LNAs and a final three way Wilkinson power combiner on the same chip and occupies an area of 4x1.8 mm2. The circuit provides both phase and amplitude control without the need of any additional digital circuitry. Phase shifting is simply based on the weighted vector sum of three vectors which are separated by 120º from each other. All 0-360 degree phase can be scanned simply by this method with the addition of amplitude control. The RFIC LNA circuit is fabricated and measurement results show that LNA has a gain of 10 - 13 dB with in the band of 6-9 GHz and 2-3 dB NF within the same band. The simulation results show that the phase can be scanned from 0-360 degrees with average 7 degree resolution for a 2 dB amplifier gain change. The gain of the overall active phase shifter circuit is 12-13 dB with output gain flatness is 1 dB and the circuit consumes 15.36 mW power. The circuit combines the amplifier with phase shifter and can be used for X-band applications

Realization of a single-chip, SiGe:C-based power amplifier for multi-band WiMAX applications

A fully-integrated Multi-Band PA using 0.25 μm SiGe:C process with an output power of above 25 dBm is presented. The behaviour of the amplifier has been optimized for multi-band operation covering, 2.4 GHz, 3.6 GHz and 5.4 GHz (UWB-WiMAX) frequency bands for higher 1-dB compression point and efficiency. Multi-band operation is achieved using multi-stage topology. Parasitic components of active devices are also used as matching components, in turn decreasing the number of matching component. Measurement results of the PA provided the following performance parameters: 1-dB compression point of 20.5 dBm, gain value of 23 dB and efficiency value of %7 operation for the 2.4 GHz band; 1-dB compression point of 25.5 dBm, gain value of 31.5 dB and efficiency value of %17.5 for the 3.6 GHz band; 1-dB compression point of 22.4 dBm, gain value of 24.4 dB and efficiency value of %9.5 for the 5.4 GHz band. Measurement results show that using multi-stage topologies and implementing each parasitic as part of the matching network component has provided a wider-band operation with higher output power levels, above 25 dBm, with SiGe:C process

A 5-Gb/s 66 dB CMOS variable-gain amplifier with reconfigurable DC-offset cancellation for multi-standard applications

This paper proposes a variable gain amplifier (VGA) with reconfigurable DC-offset cancellation (DCOC) for multi-standard applications. In this design, a cell-based design method and some bandwidth extension technologies are adopted to achieve a high data rate and a wide gain control range simultaneously. In addition, the DCOC having a tunable lower-cutoff frequency can make an optimum compromise between BER and SNR according to the specified baseband standard. The measurements show that the VGA achieves a gain control range from −6 dB to 60 dB, a bandwidth beyond 3 GHz, and a tunable lower-cutoff frequency from 0 to 300 kHz. When entering a 2 23 −1 pseudo-random bit sequence signal at 5 Gb/s, the VGA consumes 17 mW from a 1.2-V supply and the output data peak-to-peak jitter is less than 40 ps. The VGA is fabricated in a 90-nm CMOS process with a chip size (including all pads) of 0.52×0.5 mm 2

Timed array antenna system : application to wideband and ultra-wideband beamforming receivers

Antenna array systems have a broad range of applications in radio frequency (RF) and ultra-wideband (UWB) communications to receive/transmit electromagnetic waves from/to the sky. They can enhance the amplitude of the input signals, steer beams electronically, and reject interferences thanks to beamforming technique. In an antenna array beamforming system, delay cells with the tunable capability of delay amount compensate the relative delay of signals received by antennas. In fact, each antenna almost acts individually depending upon time delaying effects on the input signals. As a result, the delay cells are the basic elements of the beamforming systems. For this purpose, novel active true time delay (TTD) cells suitable for RF antenna arrays have been presented in this thesis. These active delay cells are based on 1st- and 2nd-order all-pass filters (APFs) and achieve quite a flat gain and delay within up to 10-GHz frequency range. Various techniques such as phase linearity and delay tunability have been accomplished to improve the design and performance. The 1st-order APF has been designed for a frequency range of 5 GHz, showing desirable frequency responses and linearity which is comparable with the state-of-the-art. This 1st-order APF is able to convert into a 2nd-order APF via adding a grounded capacitor. A compact 2nd-order APF using an active inductor has been also designed and simulated for frequencies up to 10 GHz. The active inductor has been utilized to tune the amount of delay and to reduce the on-chip size of the filter. In order to validate the performance of the delay cells, two UWB four-channel timed array beamforming receivers realized by the active TTD cells have been proposed. Each antenna channel exploits digitally controllable gain and delay on the input signal and demonstrates desirable gain and delay resolutions. The beamforming receivers have been designed for different UWB applications depending on their operating frequency ranges (that is, 3-5 and 3.1-10.6 GHz), and thus they have different system requirements and specifications. All the circuits and topologies presented in this dissertation have been designed in standard 180-nm CMOS technologies, featuring a unity gain frequency ( ft) up to 60 GHz.Els sistemes matricials d’antenes tenen una àmplia gamma d’aplicacions en radiofreqüència (RF) i comunicacions de banda ultraampla (UWB) per rebre i transmetre ones electromagnètics. Poden millorar l’amplitud dels senyals d’entrada rebuts, dirigir els feixos electrònicament i rebutjar les interferències gràcies a la tècnica de formació de feixos (beamforming). En un sistema beamforming de matriu d’antenes, les cèl·lules de retard amb capacitat ajustable del retard, compensen aquest retard relatiu dels senyals rebuts per les diferents antenes. De fet, cada antena gairebé actua individualment depenent dels efectes de retard de temps sobre el senyals d’entrada. Com a resultat, les cel·les de retard són els elements bàsics en el disseny dels actuals sistemes beamforming. Amb aquest propòsit, en aquesta tesi es presenten noves cèl·lules actives de retard en temps real (TTD, true time delay) adequades per a matrius d’antenes de RF. Aquestes cèl·lules de retard actives es basen en cèl·lules de primer i segon ordre passa-tot (APF), i aconsegueixen un guany i un retard força plans, en el rang de freqüència de fins a 10 GHz. Diverses tècniques com ara la linealitat de fase i la sintonització del retard s’han aconseguit per millorar el disseny i el rendiment. La cèl·lula APF de primer ordre s’ha dissenyat per a un rang de freqüències de fins a 5 GHz, mostrant unes respostes freqüencials i linealitat que són comparables amb l’estat de l’art actual. Aquestes cèl·lules APF de primer ordre es poden convertir en un APF de segon ordre afegint un condensador més connectat a massa. També s’ha dissenyat un APF compacte de segon ordre que utilitza una emulació d’inductor actiu per a freqüències de treball de fins a 10 GHz. S’ha utilitzat l'inductor actiu per ajustar la quantitat de retard introduït i reduir les dimensions del filtre al xip. Per validar les prestacions de les cel·les de retard propostes, s’han proposat dos receptors beamforming basats en matrius d’antenes de 4 canals, realitzats por cèl·lules TTD actives. Cada canal d’antena aprofita el guany i el retard controlables digitalment aplicats al senyal d’entrada, i demostra resolucions de guany i retard desitjables. Els receptors beamforming s’han dissenyat per a diferents aplicacions UWB segons els seus rangs de freqüències de funcionament (en aquest cas, 3-5 i 3,1-10,6 GHz) i, per tant, tenen diferents requisits i especificacions de disseny del sistema. Tots els circuits i topologies presentats en aquesta tesi s’han dissenyat en tecnologies CMOS estàndards de 180 nm, amb una freqüència de guany unitari (ft) de fins a 60 GHz.Postprint (published version

Design And Implementation Of Up-Conversion Mixer And Lc-Quadrature Oscillator For IEEE 802.11a WLAN Transmitter Application Utilizing 0.18 Pm CMOS Technology [TK7871.99.M44 H279 2008 f rb].

Perlumbaan implementasi litar terkamil radio, dengan kos yang rendah telah menggalakkan penggunaan teknologi CMOS. The drive for cost reduction has led to the use of CMOS technology for highly integrated radios

Design of CMOS transimpedance amplifiers for remote antenna units in fiber-wireless systems.

La memoria de la tesis doctoral: Diseño de Amplificadores de Transimpedancia para Unidades de Antena Remota en Sistemas Fibra-Inalámbrico, se presenta en la modalidad de compendio de Publicaciones. A continuación, se expone un resumen del contexto, motivation y objetivos de la tesis.A lo largo de las últimas décadas, los avances tecnológicos y el esfuerzo por desarrollar nuevos sistemas de comunicaciones han crecido al ritmo que la demanda de información aumentaba a nivel mundial. Desde la aparición de Internet, el tráfico global de datos ha incrementado de forma exponencial y se han creado infinidad de aplicaciones y contenidos desde entonces.Con la llegada de la fibra óptica se produjo un avance muy significativo en el campo de las comunicaciones, ya que la fibra de vidrio y sus características fueron la clave para crear redes de largo alcance y alta velocidad. Por otro lado, los avances en las tecnologías de fabricación de circuitos integrados y de dispositivos fotónicos de alta velocidad han encabezado el desarrollo de los sistemas de comunicaciones ópticos, logrando incrementar la tasa de transmisión de datos hasta prácticamente alcanzar el ancho de banda de la fibra óptica.Para conseguir una mayor eficiencia en las comunicaciones y aumentar la tasa de transferencia, se necesitan métodos de modulación complejos que aprovechen mejor el ancho de banda disponible. No obstante, esta mayor complejidad de la modulación de los datos requiere sistemas con mejores prestaciones en cuanto a rango dinámico y linealidad. Estos esquemas de modulación se emplean desde hace tiempo en los sistemas de comunicaciones inalámbricos, donde el ancho de banda del canal, el aire, es extremadamente limitado y codiciado.Actualmente, los sistemas inalámbricos se enfrentan a una saturación del espectro que supone un límite a la tasa de transmisión de datos. Pese a los esfuerzos por extender el rango frecuencial a bandas superiores para aumentar el ancho de banda disponible, se espera un enorme aumento tanto en el número de dispositivos, como en la cantidad de datos demandados por usuario.Ante esta situación se han planteado distintas soluciones para superar estas limitaciones y mejorar las prestaciones de los sistemas actuales. Entre estas alternativas están los sistemas mixtos fibra-inalámbrico utilizando sistemas de antenas distribuidas (DAS). Estos sistemas prometen ser una solución económica y muy efectiva para mejorar la accesibilidad de los dispositivos inalámbricos, aumentando la cobertura y la tasa de transferencia de las redes a la vez que disminuyen las interferencias. El despliegue de los DAS tendrá un gran efecto en escenarios tales como edificios densamente poblados, hospitales, aeropuertos o edificios de oficinas, así como en áreas residenciales, donde un gran número de dispositivos requieren una cada vez mayor interconectividad.Dependiendo del modo de transmisión de los datos a través de la fibra, los sistemas mixtos fibra-inalámbrico se pueden categorizar de tres formas distintas: Banda base sobre fibra (BBoF), radiofrecuencia sobre fibra (RFoF) y frecuencia intermedia sobre fibra (IFoF). Actualmente, el esquema BBoF es el más utilizado para transmisiones de larga y media distancia. No obstante, utilizar este esquema en un DAS requiere unidades de antena remota (RAU) complejas y costosas, por lo que no está claro que esta configuración pueda ser viable en aplicaciones de bajo coste que requieran de un gran número de RAUs. Los sistemas RFoF e IFoF presentan esquemas más simples, sin necesidad de integrar un modulador/demodulador, puesto que la señal se procesa en una estación base y no en las propias RAUs.El desarrollo de esta tesis se enmarca en el estudio de los distintos esquemas de DAS. A lo largo de esta tesis se presentan varias propuestas de amplificadores de transimpedancia (TIA) adecuadas para su implementación en cada uno de los tres tipos de RAU existentes. La versatilidad y el amplio campo de aplicación de este circuito integrado, tanto en comunicaciones como en otros ámbitos, han motivado el estudio de la implementación de este bloque específico en las diferentes arquitecturas de RAU y en otros sistemas, tales como un receptor de televisión por cable (CATV) o una interfaz de un microsensor inercial capacitivo.La memoria de tesis se ha dividido en tres capítulos. El Capítulo 1 se ha empleado para introducir el concepto de los DAS, proporcionando el contexto y la motivación del diseño de las RAU, partiendo desde los principios básicos de operación de los dispositivos fotónicos y electrónicos y presentando las distintas arquitecturas de RAU. El Capítulo 2 supone el núcleo principal de la tesis. En este capítulo se presenta el estudio y diseño de los diferentes TIAs, que han sido optimizados respectivamente para cada una de las configuraciones de RAU, así como para otras aplicaciones. En un tercer capítulo se recogen los resultados más relevantes y se exponen las conclusiones de este trabajo.Tras llevar a cabo la descripción y comparación de las topologías existentes de TIA, se ha llegado a las siguientes conclusiones, las cuales nos llevan a elegir la topología shunt-feedback como la más adecuada para el diseño: - El compromiso entre ancho de banda, transimpedancia, consumo de potencia y ruido es menos restrictivo en los TIAs de lazo cerrado. - Los TIAs de lazo cerrado tienen un mayor número de grados de libertad para acometer su diseño. - Esta topología presenta una mejor linealidad gracias al lazo de realimentación. Si la respuesta frecuencial del núcleo del amplificador se ajusta de manera adecuada, el TIA shunt-feedback puede presentar una respuesta frecuencial plana y estable.En esta tesis, se ha propuesto una nueva técnica de reducción de ruido, aplicable en receptores ópticos con fotodiodos con un área activa grande (~1mm2). Esta estrategia, que se ha llamado la técnica del fotodiodo troceado, consiste en la fabricación del fotodiodo, no como una estructura única, sino como un array de N sub-fotodiodos, que ocuparían la misma área activa que el original. Las principales conclusiones tras hacer un estudio teórico y realizar un estudio de su aplicación en una de las topologías de TIA propuestas son: - El ruido equivalente a la entrada es menor cuanto mayor es el número de sub-fotodiodos, dado que la contribución al ruido que depende con el cuadrado de la frecuencia (f^2) decrece con una dependencia proporcional a N. - Con una aplicación simple de la técnica, replicando el amplificador de tensión del TIA N veces y utilizando N resistencias de realimentación, cada una con un valor N veces el original, la sensibilidad del receptor aumenta aproximadamente en un factor √N y la estabilidad del sistema no se ve afectada. - Al dividir el fotodiodo en N sub-fotodiodos, la capacidad parásita de cada uno de ellos es N veces menor a la original. Con esta nueva capacidad parásita, el diseño del TIA se puede optimizar, consiguiendo una sensibilidad mucho mejor que con un único fotodiodo para el mismo valor de consumo de potencia.Las principales conclusiones respecto a los diseños de los distintos TIAs para comunicaciones son las siguientes: TIA para BBoF: - El TIA propuesto, alcanza, con un consumo de tan solo 2.9 mW, un ancho de banda de 1 GHz y una sensibilidad de -11 dBm, superando las características de trabajos anteriores en condiciones similares (capacidad del fotodiodo, tecnología y tasa de transmisión). - La técnica del fotodiodo troceado se ha aplicado a este circuito, consiguiendo una mejora de hasta 7.9 dBm en la sensibilidad para un diseño optimizado de 16 sub-fotodiodos, demostrando, en una simulación a nivel de transistor, que la técnica propuesta funciona correctamente. TIA para RFoF: - El diseño propuesto logra una figura de mérito superior a la de trabajos previos, gracias a la combinación de su bajo consumo de potencia y su mayor transimpedancia. - Además, mientras que en la mayoría de trabajos previos no se integra un control de ganancia en el TIA, esta propuesta presenta una transimpedancia controlable desde 45 hasta 65 dBΩ. A través de un sistema de control simultáneo de la transimpedancia y de la ganancia en lazo abierto del amplificador de voltaje, se consigue garantizar una respuesta frecuencial plana y estable en todos los estados de transimpedancia, que le otorga al diseño una superior versatilidad y flexibilidad. TIA para CATV: - Se ha adaptado una versión del TIA para RFoF para demostrar la capacidad de adaptación de esta estructura en una implementación en un receptor CATV con un rango de control de transimpedancia de 18 dB. - Con la implementación del control de ganancia en el TIA, no es necesario el uso de un atenuador variable en el receptor, simplificando así el número de etapas del mismo. - Gracias al control de transimpedancia, el TIA logra rangos de entrada similares a los publicados en trabajos anteriores basados en una tecnología mucho menos accesible como GaAs PHEMT. TIA para IFoF Se ha fabricado un chip en una tecnología CMOS de 65 nm que opera a 1.2 V de tensión de alimentación y se ha realizado su caracterización eléctrica y óptica. - El TIA presenta una programabilidad de su transimpedancia con un control lineal en dB entre 60 y 76 dBΩ mediante un código termómetro de 4 bits. - El ancho de banda se mantiene casi constante en todo el rango de transimpedancia, entre 500 y 600 MHz.Como conclusión general tras comparar el funcionamiento de los TIAs para las distintas configuraciones de RAU, vale la pena mencionar que el TIA para IFoF consigue una figura de mérito muy superior a la de otros trabajos previos diseñados para RFoF. Esto se debe principalmente a la mayor transimpedancia y al muy bajo consumo de potencia del TIA para IFoF propuesto. Además, se consigue una mejor linealidad, ya que, para una transmisión de 54 Mb/s con el estándar 802.11a, se consigue un EVM menor de 2 % en un rango de entrada de 10 dB, comparado con los entre 3 y 5 dB reportados en trabajos previos. El esquema IFoF presenta un gran potencial y ventajas frente al RFoF, lo que lo coloca como una buena alternativa para disminuir los costes y mejorar el rendimiento de los sistemas de antenas distribuidas.Por último, cabe destacar que el diseño de TIA propuesto y fabricado para IFoF contribuye en gran medida al desarrollo y validación de una RAU completa. Se ha demostrado la capacidad de la estructura propuesta para alcanzar un bajo ruido, alta linealidad, simplicidad en la programabilidad de la transimpedancia y adaptabilidad de la topología para diferentes requisitos, lo cual es de un gran interés en el diseño de receptores ópticos.Por otra parte, una versión del TIA para su uso en una interfaz de sensores MEMS capacitivos se ha propuesto y estudiado. Consiste en un convertidor capacidad-voltaje basado en una versión del TIA para RFoF, con el objetivo de conseguir un menor ruido y proveer de una adaptabilidad para diferentes sensores capacitivos. Los resultados más significativos y las conclusiones de este diseño se resumen a continuación: - El TIA presenta un control de transimpedancia con un rango de 34 dB manteniendo el ancho de banda constante en 1.2 MHz. También presenta un control independiente del ancho de banda, desde 75 kHz hasta 1.2 MHz, manteniendo la transimpedancia fija en un valor máximo. - Con un consumo de potencia de tan solo 54 μW, el TIA alcanza una sensibilidad máxima de 1 mV/fF, que corresponde a una sensibilidad de 4.2 mV/g y presenta un ruido de entrada de tan solo 100 µg/√("Hz" ) a 50 kHz en la configuración de máxima transimpedancia.La principal conclusión que destaca de este diseño es su versatilidad y flexibilidad. El diseño propuesto permite adaptar fácilmente la respuesta de la interfaz a una amplia gama de dispositivos sensores, ya que se puede ajustar el ancho de banda para ajustarse a distintas frecuencias de operación, así como la transimpedancia puede ser modificada para conseguir distintas sensibilidades. Este doble control independiente de ancho de banda y transimpedancia le proporcionan una adaptabilidad completa al TIA.<br /