Inductorless balun low-noise amplifier (LNA) for RF wideband application to IEEE 802.22

Abstract

A new 50 MHz - 1 GHz low-noise amplifier circuit with high linearity for IEEE 802.22 wireless regional area network (WRAN) is presented. It was implemented without any inductor and offers a differential output for balun use. Noise cancelling and linearity boosting techniques were used to improve the amplifier performance in a way they can be separately optimized. Linearity was improved using diode-connected transistors. The amplifier was implemented in a 130 nm CMOS process in a compact 136 m x 71 m area. Simulations are presented for post-layout schematics for two classes of design: one for best linearity, another for best noise figure (NF). When optimized for best linearity, simulation results achieve a voltage gain > 23.7 dB (power gain > 19.1 dB), a NF < 3.6 dB over the entire band (with 2.4 dB min figure), an input third-order intercept point (IIP3) > 3.3 dBm (7.6 dBm max.) and an input power reflection coefficient S11 < -16 dB. When optimized for best NF, it achieves a voltage gain > 24.7 dB (power gain > 19.8 dB), a NF < 2 dB over the entire band, an IIP3 > -0.3 dBm and an S11 < -11 dB. Monte Carlo simulation results confirm low sensitivity to process variations. Also a low sensitivity to temperature within the range -55 to 125 C was observed for Gain, NF and S11. Power consumption is 17.6 mA under a 1.2 V supply.

Um novo circuito amplificador de 50 MHz - 1 GHz com alta linearidade para o padrão IEEE 802.22 “wireless regional area” (WRAN) é apresentado. Ele foi implementado sem nenhum indutor e oferece uma saída diferencial para ser utilizada como balun. Técnicas de cancelamento de ruído e aumento de linearidade foram usadas para melhorar a performace do amplificador de modo que eles pudessem ser otimizados separadamente. A linearidade foi melhorada utilizando transistores conectados como diodo. O amplificador foi implementado em um processo CMOS 130 nm, em uma área compacta de 136 m x 71 m. As simulações são apresentadas para esquemáticos pós-leiaute para duas classes diferentes de projeto: um visando a melhor linearidade e o outro a melhor Figura de Ruído (FR). Quando otimizado para melhor linearidade, os resultados de simulação atingem um ganho de tensão > 23.7 dB (ganho de potência > 19.1 dB), uma figura de ruído < 3.6 dB na banda inteira (com 2.4 dB min), um ponto de intersecção de terceira ordem (IIP3) > 3.3 dBm (7.6 dBm max) e um coeficiente de reflexão de entrada S11 < -16 dB. Quando otimizado para melhor figura de ruído, ele atinge um ganho de tensão > 24.7 dB (ganho de potência > 19.8 dB), uma FR < 2 dB na banda inteira, um IIP3 > -0.3 dBm e um S11 < -11 dB. Resultados de simulação Monte Carlo confirmam baixa sensibilidade à variabilidade de processo. Além disso, uma baixa sensibilidade com a temperatura na faixa de -55 até 125 C foi observada para Ganho, FR e S11. Consumo de potência é 17.6 mA sob fonte de alimentação de 1.2 V.