Projeto de um amplificador de baixo ruído em tecnologia CMOS 130nm para frequências de 50MHZ a 1GHz

Abstract

O presente trabalho tem por objetivo fornecer o embasamento teórico para o projeto de um amplificador de baixo ruído (LNA – Low Noise Amplifier) em tecnologia CMOS que opere em mais de uma faixa de frequência, de modo a permitir seu uso em receptores multibanda e de banda larga. A base teórica que este trabalho abrange desde a revisão bibliográfica do assunto em questão, passando pela análise dos modelos de transistores para alta-frequência, pelo estudo das especificações deste bloco e das métricas utilizadas em projetos de circuitos integrados de RF, bem como pela revisão de topologias clássicas existentes. Com os conhecimentos acima adquiridos, foi possível realizar o projeto de um LNA diferencial de banda larga utilizando tecnologia CMOS IBM 130nm, o qual pode ser aplicado ao padrão IEEE 802.22 para rádios cognitivos (CR). O projeto é baseado na técnica de cancelamento de ruído, sendo validado após apresentar efetiva redução de figura de ruído para banda de frequência desejada, com moderado consumo de potência e utilização moderada de área de silício, devido a solução sem o uso de indutores. O LNA banda larga opera em frequências de 50Mhz a 1GHz e apresenta uma figura de ruído abaixo de 4dB, em 90% da faixa, um ganho acima de 12dB, e perda de retorno na entrada e na saída maiores que 12dB. O IIP3 e a frequência de ocorrência de compressão a 1dB com a entrada em 580MHz estão acima de 0dBm e -10dBm respectivamente. Possui consumo de 46,5mWpara fonte de 1,5V e ocupa uma área ativa de apenas 0,28mm x 0,2mm.

This work presents the theoretical basis for the design of a low noise amplifier (LNA) in CMOS technology that operates in more than one frequency band, which enables its use in multi-band and wideband receivers. The theoretical basis that this work will address extends from the literature review on the subject, through the analysis of models of MOS transistors for high frequencies, study of specifications of this block and the metrics used in RF integrated circuit design, as well as the review of existing classical LNA topologies. Based on the knowledge acquired above, the design of a differential wideband LNA is developed using IBM 130nm RF CMOS process, which can be used in IEEE 802.22 Cognitive Radio (CR) applications. The design is based on the noise-canceling technique, with an indutctorless solution, showing that this technique effectively reduces the noise figure over the desired frequency range with moderate power consumption and a moderate utilization of silicon die area. The wideband LNA covers the frequency range from 50 MHz to 1 GHz, achieving a noise figure below 4dB in over 90% of the band of interest, a gain of 11dB to 12dB, and an input/output return loss higher than -12 dB. The input IIP3 and input P1dB at 580MHz are above 0dB and -10dB, respectively. It consumes 46.5mW from a 1.5V supply and occupies an active area of only 0.056mm2 (0.28mm x 0.2mm).