Low Noise Amplifiers and High-Q Bandpass Filter for Subsampling Direct Conversion Receivers

Abstract

본 논문에서는 0.18-um CMOS 공정을 이용하여 subsampling 기법을 이용한 direct-conversion 수신단에 이용될 수 있는 저잡음 증폭기(Low Noise Amplifier)와 높은 Q 값을 가지는 대역 통과 필터(Bandpass Filter)를 설계하였다. 광대역을 갖는 저잡음 증폭기는 inverter-type TIA 의 구성을 이용하여 bandwidth를 늘리는 효과를 얻었고, 측정 결과 5.35 GHz의 3-dB 대역폭과 12dB의 이득을 얻었고 noise figure는 6.9 ~ 10.8 dB의 값을 갖는다. 대역 내에서 S11은 -10 dB 이하로 input impedance가 50Ω으로 matching 되었음을 알 수 있다. 또한 Bluetooth 규격에서 동작하도록 2.4GHz를 선택하는 BPF 의 Q값은75로 선택도가 매우 높다. RF 신호가 안테나를 통해서 광대역 LNA와 BPF를 통과한 후의 frequency response를 살펴보면, 18.8-dB의 이득과 31-MHz의 대역폭을 가지고, 64.8mW의 전력을 소모하는 칩을 1X1mm2 면적에 구현하였다. 또한 5.8-GHz 대역에서 동작하는 WLAN용 narrowband LNA을 구현하였다. 이는 cascode common-source 구성을 이용하여 Miller effect를 제거하여 입력과 출력의 임피던스가 매칭될 때, 13.4-dB의 이득과 3.3-dB noise figure를 갖는다. 이 narrowband LNA는 1.8-V 전압에서 4.8-mW의 전력을 소모한다.;In this thesis, a low-noise amplifier (LNA) and a high-Q bandpass filter(BPF) in cascade have been realized in cascade by using a 0.18-um CMOS technology. The chip targets to the applications of a subsampling wideband direct-conversion receiver. The wideband LNA exploits the inverter-type transimpedance configuration with a 3rd order Chebyshev filter at the input. Its measured results demonstrate the -3dB bandwidth of 5.35GHz, the power gain (S21) of 12dB, the noise figure (NF) of 6.9~10.8dB, and the broadband input matching of less than -10 dB within the bandwidth. Meanwhile, the high-Q BPF is designed to select a 2.33-GHz RF signal, which is particularly intended for Bluetooth receivers. As the RF signal from the antenna passes through the LNA and BPF circuit, the output signal provides 18.8 -dB gain with 31-MHz bandwidth, corresponding the quality factor of 75. The whole circuit dissipates 64.8mW from a single 1.8-V supply. The LNA and BPF chip occupies the area of 1X 1mm2. Also, a narrowband LNA centered at 5.8GHz has been designed for the applications of wireless LAN. The narrowband LNA incorporates the cascode common-source configuration so as to avoid the Miller effect. The simulation results of the LNA exhibit 13.4-dB gain, 3.3-dB noise figure with good input matching (S11=-11dB) and output matching (S22=-16dB). The designed LNA consumes only 4.8mW from a 1.8-V supply voltage.