A Cmos Continuous Variable Gain Low-noise Amplifier(lna) For Wlan Applications

In order to attend the exponential growth of wireless communication in portable device market, a demand for flexible RF transceivers has become a major research interest, including those with the ability of communicating in an unpredictable environment, from very weak to highly powered signal levels without losing its functionality. In this paper we present a CMOS Continuous Variable Gain Low-Noise Amplifier (CVG-LNA) 2.4GHz ISM band with minimum NF of 1.2dB at highest gain mode, ICP of -6dBm at lowest gain mode, and voltage gain variation of 30dB, from 34dB to 4dB, while consuming 12mW under 1.8V power supply. © 2011 ACM.59Brazilian Computer Society (SBC),SB,IEEE Circuits and Systems Society (CAS),Special Interest Group on Design Automation (acm sigda)Aoki, Y., Fujii, M., Ohkubo, S., Yoshida, S., Niwa, T., Miyoshi, Y., Dodo, H., Hida, H., A 1.4-db-nf variable-gain lna with continuous control for 2-ghz-band mobile phones using ingap emitter hbts (2001) IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig., pp. 289-292Goo, J., (2001) High Frequency Noise in CMOS Low Noise Amplifiers, , Palo Alto, California, AugGray, P.R., Hurst, P.J., Lewis, S.H., Meyer, R.G., Analysis and Design of Analog Integrated Circuits, , John Wiley & Sons, 5th editionKobayashi, K., Oki, A.K., Tran, L., Streit, D.C., A novel baseband-1.5 ghz monolithic hbt variable gain amplifier with pin diode gain control (1995) IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig., p. 201. , MayPoint, R., Mendes, M., Foley, W., A differential 2.4ghz switched-gain cmos lna for 802.11b and bluetooth (2002) IEEE Radio and Wireless Conf., pp. 221-224. , AugRajashekharaiah, M., Upadhyaya, P., Heo, D., A compact 5.6ghz low noise amplifier with new on-chip gain controllable active balun (2004) IEEE Workshop on Microelectronics and Electron Devices, pp. 131-132Shaeffer, D.K., Lee, T.H., A 1.5-v, 1.5-ghz cmos low noise amplifier (1997) IEEE Journal of Solid-State Circuits, 32, pp. 745-759Wang, J., Wang, J., Shen, Y.H.W., Yi, X., Hong, Z., A direct conversion wlan receiver 6th International Conference on ASIC, 200

Integrated Low-Noise Amplifier and Mixer for Wireless Communication for 50MHz - 5GHz Band

Orientador: Jacobus Willibrodus SwartDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoResumo: O aumento no número de usuários, assim como a demanda por maior taxa de transferência de dados, está impulsionando o desenvolvimento de novas tecnologias, uma vez que o padrão clássico de comunicação está atingindo sua saturação. Vídeos em alta definição, chamadas em vídeo-conferência e downloads em alta velocidade deixaram de ser uma particularidade para se tornarem básicos, oferecendo constantes desafios em todos os níveis de projeto de um dispositivo. Atualmente, a maneira adotada para se criar um canal de comunicação sem fio (wireless) baseia se na modulação da informação de interesse em torno de uma freqüência muito mais alta, chamada portadora. Para cada protocolo tem-se reservada uma banda do espectro, porém, dependendo da região e do número de usuários dividindo a banda, tende-se a ter esta banda saturada, reduzindo a capacidade de comunicação para cada usuário. Freqüentemente, observam-se cenários onde algumas bandas de freqüência estão extremamente ocupadas e regiões vizinhas no espectro completamente vazias. De modo a operar o espectro com maior inteligência, surgiram conceitos com o de Rádios Cognitivos (CR - Cognitive Radios), onde algoritmos monitoram o espectro de modo a utilizar um canal somente quando este estiver livre, mudando de banda se necessário. Isto requer circuitos susceptíveis à operação em banda larga. Sendo assim, este projeto propõe a realização de um amplificador de banda larga empregando um novo método de cancelamento de ruído, além do projeto de um misturador de baixo ruído utilizando técnicas recentes exploradas na literatura, de modo a obter uma cadeia de recepção para uso em banda larga. O LNA apresenta casamento de impedância e ganho de potência de 12dB na banda de 50 MHz até 5 GHz, com NF variando de 1,4 - 2,4 dB, enquanto consome 15 mW de potência sob tensão de alimentação de 1,5 V. O desempenho em NF, quando levado em consideração a potência consumida e o nó tecnológico, é o melhor comparado aos recentes projetos que o autor tem conhecimento. O cancelamento de ruído é obtido através de uma condição específica do circuito, requerendo uma corrente extra de polarização, já inclusa na potência total do circuito. Para compor a cadeia de recepção e, consecutivamente, a conversão do sinal em banda base de modo homodyne, projetou-se um par de Misturadores de modo a re-utilizar a corrente extra requerida pelo LNA no cancelamento do ruído. Desta maneira, obteve-se na cadeia de recepção o ganho de tensão de 26 dB na saída de cada Misturador, em Fase (I) e Quadratura (Q), para uma banda de 50 MHz até 6,5 GHz, com SSB NF variando de 6,1 - 9,2 (3,1 - 6,2 dB para DSB), consumindo os mesmos 15 mW e tendo a banda estendida pelos Misturadores. Os circuitos foram fabricados na tecnologia UMC 0,13'mu'm Mixed/RF CMOS e algumas medidas preliminares foram obtidas e serão mostradas nesta dissertação. O LNA apresentou ganho, casamento de impedância e potência próximos aos valores obtidos nas simulações, mostrando boa confiabilidade dos valores projetadosAbstract: The increase in the number of users as well as the demand for higher data transfer rate is driving development of new technologies, since the classical communication is reaching its saturation. Videos in high definition, video-conference calls and high-speed downloads are no longer a special feature to become basic, offering constant challenges at all levels in the design of a device. Currently, the way adopted to create a wireless communication channel is based on the modulation of interesting information about a much higher frequency, called carrier. For each protocol, a reserved bandwidth of the spectrum has been assigned, however, depending on the region and the number of users sharing the band, it tends to have saturated the band, reducing the communication ability of each user. Often, there are scenarios where some bands are extremely busy and neighboring regions in the spectrum are completely empty. In order to operate the spectrum with higher intelligence emerged with the concept of Cognitive Radio (CR), where algorithms monitor the channel in order to use them only when it is free, and changing band if necessary. This requires circuits to be susceptible for broadband operation. Therefore, this project proposes a broadband amplifier using a new method for noise cancellation, and the design of a low noise mixer using techniques explored in the recent literature, in order to get broadband receiver chain. The LNA provides impedance matching and power gain of 12dB from 50MHz to 5GHz band with NF ranging from 1.4 - 2.4 dB, while consuming 15mW of power under a supply voltage of 1.5 V. Its NF performance, when taken into consideration the power consumption and technology node, is the best compared to recent projects that the author is aware of. The noise cancellation is achieved by a specific condition of the circuit, requiring an extra biasing current, already included in the total circuit power. To compose the chain of reception and, consecutively, the conversion of the baseband signal in homodyne mode, a pair of Mixers were designed, re-using the extra current required by the LNA for noise cancellation. Thus, it was achieved at receiver chain a voltage gain of 26dB at the output of each Mixer, at Phase (I) and Quadrature (Q), for bandwidth of 50MHz to 6.5 GHz with SSB NF ranging from 6.1 - 9.2 (3.1 - 6.2dB for DSB), also consuming the same 15mW and having a band enhancement provided by the Mixers. The circuits were fabricated in UMC technology 0.13'mu'm Mixed/RF CMOS and some preliminary measurements were obtained and are shown in this dissertation. The LNA presented gain, impedance matching and power close to the values obtained in the simulations, showing good reliability on the projected valuesMestradoEletrônica, Microeletrônica e OptoeletrônicaMeste em Engenharia Elétric