This thesis describes a design of CMOS wideband low noise amplifier for DVB-H receiver, which can provide from 470MHz to 770MHz in channel bandwidth. In the thesis, the fundamentals of the design of RF circuits are introduced, and design techniques of wideband amplifier are intensively presented. Also, we will introduce the new dynamic bleeding mixer design based on TSMC 0.18 um technology.
First, wideband power constrained simultaneous noise and input matching technique is introduced. With 470~770 MHz wide band noise matching can lead to improve the noise performance compare to the previous arts. The noise figure of proposed PCSNIM LNA shows sufficient input matching, enough high gain and low noise performance. Proposed PCSNIM LNA is implemented by TSMC 0.18$\mum$ foundry. The measurement NF, 1.83~2.74dB, is similar with simulation result. The power consumption is 3mA from 1.8V supply, respectively.
Second, new dynamic current bleeding mixer is proposed with adapting cross-connected PMOS transistors. The advantage of the proposed mixer is analyzed and compared with conventional mixer in terms of voltage conversion gain and flicker noise. The measurement results show that voltage conversion gain is about 16.8dB and reduced the flicker noise 9.8 dB at 56 kHz compared with the conventional double balanced mixer. The new dynamic bleeding current mixer is implemented in 0.18um CMOS technology while dissipating only 2.2mA from 1.8V supply.
Finally, a proposed RF front-end DVB-H receiver, which consists of a low noise amplifier and the new dynamic bleeding current injected mixer, is implemented using $0.18\microm$ CMOS technology. The proposed RF front-end receiver supports VHF, UHF and L bands (170~240MHz, 470 ~ 770 MHz, 1452~1492MHz and 1670~1675MHz) as T-DMB/DVB-H dual mode receiver in RFIC tuner. The low noise amplifier, in the RF front-end receiver, provides not only sufficient high gain and 50 ohm wideband input matching but also low noise figure over whole frequency range. To achieve low noise figure, capacitor array input matching network is needed in front of the amplification stage and to get sufficient high gain, inductor boosting scheme is implemented in the load. The I,Q dynamic bleeding mixer, which is the main block of flicker noise contribution in direct conversion receiver, is focused on reducing flicker noise and get the high conversion gain. Additionally, down conversion mixer is the major block of nonlinearity contribution in the receiver. Therefore, the high linearity mode is implemented in the down conversion mixer which provides the high IIP3 of 5dBm.
The T-DMB/DVB-H dual mode receiver shows conversion gain of 38 dB and noise figure of 1.78 to 2.84dB for whole frequency bands. And IIP3 is -24.5 dBm for input two-tones with 5 MHz offset. The total receiver consumes 60 mA from a 1.8V supply, respectively.
본 학위 논문에서는 DVB-H 수신 신호를 위한 RF front-end receiver 구조의 구성 블록인 저잡음 증폭기와 하향 주파수 변환기 설계 내용을 소개한다. 저잡음 증폭기의 경우 해결되지 않은 광대역에 걸친 저 잡음 특성을 구현하기 위하여 광대역에서의 잡음과 정합을 동시에 얻을 수 있는 방법이 소개되었으며, 직접 변환 방식에서 문제가 되고 있는 플리커 잡음 및 선형성을 해결하는 하향 주파수 변환기의 새로운 구조를 제안하였다. 마지막으로 앞서 설명했던 광대역 PCSNIM 저잡음 증폭기와 직접 변환 하향 주파수 변환기를 집적하여 설계한 RF front-end receiver 는 DVB-H 수신기의 UHF 대역(470~770MHz)에 맞게 설계 되었다.
광대역 저잡음 증폭기는 입력 정합을 위해 캐패시터의 어레이 구조를 이용하여, 낮은 잡음 특성 및 광대역 입력 정합을 동시에 수행하였으며, SoC 구조로 가기 위해 외부 소자들을 줄이기 위하여 로드에 인덕터 부스팅 방법을 적용하여, 오직 입력 정합부분에 외부 인덕터 하나만을 사용하여, DVB-H 수신기의 UHF 밴드 대역인 470 에서 770MHz 까지 -10dB 이하의 입력 정합특성을 구현하였고, 잡음 특성은 최소 1.48dB 에서 최대 2.78dB 의 낮은 잡음 성능을 실현하였다.
하향 주파수 변환기는 직접 변환 방식의 수신기에서 중요시 되고 있는 플리커 잡음 특성을 줄이고, 또한 저잡음 증폭기에서의 이득에 대한 부담을 줄이기 위하여 충분한 이득을 얻게 하여 다이나믹 전류 유입 기법을 주파수 변환기에 적용하였다. 플리커 잡음 특성은 3dB 코너 주파수가 40KHz 로 나타나며, 이득은 16.8dB, 또한 선형성은 IIP3 가 5dBm 으로 높은 선형 특성을 갖는 하향 주파수 변환기를 구현하였다.
마지막으로 위에서 소개한 광대역 저잡음 증폭기, 하향 주파수 변환기등을 이용하여 RF 단 수신기를 설계하여 T-DMB/DVB-H 듀얼모드 RF 튜너 수신기를 설계하였다. 여기서 전체 시스템 잡음 특성은 저잡음 증폭기에 의해 거의 결정되며, 충분히 낮은 플리커 잡음특성을 이루었고 동시에 충분한 이득을 성취할 수 있었다. 이득은 83dB 의 특성이 나왔으며, 잡음 특성은 최소 1.87dB 에서 2.74dB 의 성능, 3dB 코너 주파수는 24Hz, 33HZ 로 1kHz 미만으로 나오는 것을 확인 할 수 있었다. 따라서 위의 광대역 저잡음 증폭기와 제안한 하향 주파수 변환기는 위의 이론대로 동작하여 DVB-H 수신기의 좋은 성능을 이루어 낸다는 것을 알 수 있다.
