IEEE 802.11a Wlan Uygulamaları İçin Minimum Gürültülü Lna Tasarım Akışı

Abstract

Bu çalışmada, LNA (düşük gürültülü kuvvetlendirici) devrelerinin teorisi incelenmiş ve IEEE 802.11a WLAN uygulamaları için minimum gürültülü CMOS ve SiGe HBT prosesleri için LNA devrelerinin tasarımları ve analizleri tamamlanmıştır. Endüktans-dejenerasyonlu yapılar gürültü ve giriş uyumunun aynı anda sağlanmasına imkan tanımaktadır. Kaskod kuvvetlendirici devreler ise yüksek karalılık ve giriş-çıkış yalıtımı sağlama açısından bilinen en uygun yapılardır. Bu nedenlerle tezde endüktans-dejenerasyonlu kaskod yapılar üzerine odaklanılmıştır. LNA devrelerinin gürültü performanslarını arttırmak amacıyla giriş uyumlaştırma devrelerine harici baz-emetör (geçit-kaynak) kapasitesi Cex eklenmiştir. Bu harici kapasitenin etkilerini incelemek üzere SiGe HBT ve CMOS proseslerinde LNA devreleri Cex kapasitesiyle ve Cex olmadan tasarlanmıştır. Bu karşılaştırma sonucunda harici baz-emetör (geçit-kaynak) kapasitesinin SiGe HBT LNA devresinin gürültü performansını önemli ölçüde iyileştirdiği görülmüştür. Fakat verilen güç tüketimi kısıtı altında, Cex kapasitesinin CMOS LNA devresinin gürültü performansında aynı iyileşmeyi sağlamadığı gösterilmiştir. Lineer çıkış gücünü maksimize etmek amacıyla çıkış uyumlaştırma devresi olarak kademelendirilmiş edüktans dönüştürücü devre kullanılmıştır. Bu devre lineer çıkış gücünün maksimize edilmesinin yanında dönüştürücü devre gerçek bir direnç içermediğinden LNA devresinin gürültü performansının da iyileşmesi sağlanmıştır. Son olarak, Spectre-RF simülatörü kullanılarak, SiGe HBT ve CMOS prosesleri için IEEE 802.11a WLAN uygulamalarında kullanmak üzere 5.8 GHz frekansında çalışan iki tane LNA devresi tasarlanmış ve benzetimleri yapılmıştır.

In this study, the theory of the LNA circuits are examined and the designs and analyses of CMOS and SiGe HBT LNAs with minimum noise figure for IEEE 802.11a WLAN applications are completed. Thesis is focused on inductively-degenerated cascode architecture to take the advantage of both cascode amplifiers such as high stability, reverse isolation and inductive degeneration such as simultaneous noise and input matching. Input matching networks are modified by adding external base-emitter (or gate-source) capacitance Cex, to improve the noise performances of the LNAs. LNAs are designed with and without the capacitance Cex in order to observe the effects of this capacitance for each process, SiGe HBT and CMOS. As a result of this comparison, it has been shown that external base-emitter (or gate-source) capacitance improves the noise performance of the SiGe HBT LNA significantly while does not improve that of the CMOS LNA under the given power consumption budget. In order to maximize the linear output power, output matching is provided by the tapped-inductor matching network which also improves the noise performances of the designed LNAs due to not including any real noisy resistor. Finally, by using Spectre-RF simulator two LNAs were designed and simulated one of which is SiGe HBT and the other is CMOS, operate at 5.8 GHz, since they are intended for IEEE 802.11a WLAN applications.