This thesis proposes a dual gain wideband LNA with high linearity for D-TV tuner application. Before explaining proposed LNA, the fundamental and general consideration of wideband LNA is reviewed. The explanation of issues and previous research of wideband LNA also included in the review.
The proposed LNA is designed by adopting linearization technique using PMOS transistor to a feed-forward noise cancelling structure and the LNA simultaneously achieved high linearity and low noise figure over a wide frequency band. In addition, the LNA offers two-step gain control to adjust the output power level.
For the frequency range of 48 to 860MHz, the post-layout simulation shows the power gain of 11~12dB, noise figure of less than 2.54dB and IIP3 of +7.1 to 13dBm. Designed in 65nm CMOS technology, the LNA consumes 19.4mA from 1.2V supply and the chip area is 0.56x0.62 $mm^2 $including pads.
Reconfigurability, Multi-mode Multi-band, Low cost 등의 기술적 동향으로 LNA의 연구도 기존의 Narrowband LNA에서 Wideband LNA로 확장해 진행되고 있다. Narrowband LNA가 단일 주파수만을 증폭시켰다면, Wideband LNA는 특정 주파수 범위의 모든 신호를 증폭시킨다는 데서 차이점이 있다. 이로 인해, Wideband LNA에서는 Matching, low noise figure 이외에 high linearity 의 이슈가 발생한다.
기존의 Wideband LNA의 연구는 주로 wideband matching에 중점을 맞춰져 진행되었고, 최근에는 Wideband matching에 noise-canceling technique을 적용함으로써 Wideband LNA에서 두 가지 중요한 issue인 matching과 low noise를 동시에 해결하였다. 하지만, wideband matching의 주로 사용되는 common source LNA와 common gate LNA 두 가지 간의 구조적 차이에서 발생하는 low noise 와 high linearity 간의 trade-off 때문에, 두 가지 issue를 동시에 해결하지는 못하였다.
따라서 제안한 LNA에서는 기존의 feed-forward noise-canceling LNA의 linearity를 높이는데 초점을 두었다. LNA의 nonlinearity는 transistor의 $g_m$에서 발생하는데, 제안한 LNA에서는 PMOS transistor를 추가적으로 달아줌으로써 이 성분을 줄여주었다. 이를 통해, 제안된 LNA의 IIP3는 기존의 LNA에 비해 약 10dBm 향상 되었고, 동시에 wideband LNA의 세 가지 중요한 issue, wideband matching, low noise figure, high linearity를 모두 만족 시켰다. 또한, two-step gain control을 가져감으로써 신호의 크기에 따라 뒷 단에서의 linearity burden을 완화시켜줄 수 있도록 설계하였다.
제안한 LNA는 65nm CMOS 공정으로 설계되었으며, 48-860MHz의 D-TV band 전체에서 input matching을 만족하였고, 12dB와 4dB 두 가지 mode의 gain을 가진다. Noise figure는 전체 band에서 2.54dB 이하로 설계되었고, IIP3는 전체 band 에서 7.1~13dBm의 성능을 나타냈다. 따라서, 기존의 다른 wideband LNA와 비교해볼 때, 제안한 LNA는 wideband LNA의 세 가지 issue를 만족함과 동시에 우수한 성능을 가짐을 알 수 있다.