Amplificador de baixo ruído de banda estreita para aplicações em IoT

Abstract

Este trabalho objetiva o desenvolvimento do projeto de um amplificador de baixo ruído, de baixa potência, em conformidade com o protocolo IEEE 802.11 ah (ou Wi-Fi Ha- Low),lançado em 2017, com banda de 863 MHz a 930 MHz, voltado para aplicações em internet das coisas. Implementado em processo da IBM de 130 nm, com 1, 2 V de alimentação. O projeto é efetuado primeiramente com cálculos à mão considerando inversão forte, e através de simulações iterativas no software Cadence® Virtuoso® , o nível de inversão é enfraquecido para reduzir consumo de energia. O desempenho do amplificador respeitou os requisitos de sintonia na banda, figura de ruído menor que 4, 75 dB, ganho de tensão maior que 14, 6 dB, produto de intermodulação de terceira ordem na entrada (IP3) em 3, 20 dBm, coeficiente de reflexão do casamento de impedância menor que −17, 6 dB, consumo de corrente de 833 μA e potência abaixo de 1 mW. Atingiu-se um limite de desempenho com a topologia cascode utilizada, e a fim de atingir consumo em sub-mW o ganho de potência teve de ser sacrificado, causando sua especificação a não ser atendida. Isso não é necessariamente um problema, um vez que o protocolo não especifica ganho de potência. No entanto, se um ganho maior for necessário, o baixo ganho de potência do amplificador pode ser compensado pelos estágios seguintes do receptor de radio-frequência. O ganho de potência ficou em 7, 83 dB no pior caso, com 9, 4 dB de pico, abaixo da especificação de 15 dB. O único jeito de aumentar o ganho é elevando o consumo de energia, que já está no limite para operação em sub-mW.

This work aims to develop a low power low noise amplifier project in accordance with the wireless protocol IEEE 802.11 ah (or Wi-Fi HaLow) published in 2017, with band ranging from 863 MHz to 930 MHz, targeting internet of things applications. Implemented on IBM 130 nm process, with 1, 2 V voltage supply. The project is primarily realized by hand calculations considering strong inversion, and through iterative simulations on Cadence® Virtuoso® the inversion is weakened in order to reduce power consumption. The amplifier’s performance met the specifications of band tuning, noise figure less than 4, 75 dB, voltage gain greater than 14, 6 dB, third order intercept point at 3, 20 dBm, reflection coefficient of input impedance match less than −17, 6 dB, current of 833 μA and power consumption less than 1 mW. A performance limit was reached with the cascode topology employed, and in order to achieve sub-mW consumption the power gain had to be sacrificed, causing its specification not to be met. It is not necessarily a problem, as the protocol doesn’t specify power gain. Nonetheless, if a greater gain is necessary, the amplifier’s low power gain can be compensated by further circuit blocks in the radio-frequency receiver chain. The achieved power gain was of 7, 83 dB at the worst case and 9, 4 dB at its peak, lower than the specification of 15 dB. The only way to further increase the power gain is by raising the power consumption, which is at the limit for sub-mW operation.