IEEE 802.11a standard is established by the need of high data rate, which provides 54 Mbps or more. IEEE 802.11a are based on orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) for robustness against intersymbol interference originated from multi-path effect.
In this paper, two stages differential LNA of direct-conversion receiver for IEEE 802.11a is designed, implemented, measured, and analyzed. To design an LNA, 802.11a standard is analyzed, and system level specifications such as noise figure (NF), and $3^{rd}$ order intercept point (IIP3) are discussed. System level specifications are distributed to block level like band pass filter, LNA, mixer, and analog block. The results of block level design are used in circuit level design. Schematic simulation results of a differential LNA have 17.8dB of gain, -16dB of S11, -16dB of S22, -5dBm of IIP3, and 24mA of current with 2V of supply voltage.
After implementation, the performances of chip are measured. Because the results are degraded, the causes of the degradation are analyzed and found in this paper. Then, the LNA is redesigned. The post-layout simulation results of the redesigned LNA have 2.9dB of noise figure, 15.35dB of gain, -16dB of S11, -23dB of S22, -9.5dBm of IIP3, and 24mA of current consumption with 2V of supply voltage.
IEEE 802.11a 표준 규격은 빠른 데이터 전송속도의 필요에 의하여 제정되었다. IEEE 802.11a 표준은 multi-path 효과에 의한 intersymbol interference에 강한 OFDM (orthogonal frequency division multiplexing) 방식을 채택하며, 54 Mbps 이상의 전송속도를 갖는다.
본 논문에서는 IEEE 802.11a용 direction conversion receiver에 사용될 LNA를 설계, 제작, 측정 및 분석하였다. LNA를 설계하기 위하여 802.11a 통신표준을 분석하여, noise figure, IIP3와 같은 시스템레벨 specification을 도출하였다. 이 결과를 바탕으로 block level design을 행하여 band pass filter, LNA, mixer및 analog 회로의 각 블록에 스펙을 분배한다. 여기에서 만들어낸 LNA의 스펙을 이용하여 LNA를 설계한다.LNA는 높은 이득을 얻기 위하여 differential cascode 타입의 2 단구성으로 이루어져 있다. Cascode topology를 사용하면 LNA의 입출력 매칭이 용이하다.
LNA를 제작 후 성능을 측정하였으며, 그 결과를 분석하였다. 분석은 parasitic effect, 바이어스 전류, spiral inductor 및 bonding wire에 중점을 두었다. Parasitic 영향 및 바이어스 전류의 변화에 대하여 simulation을 실시하여 분석하였고 Spiral inductor의 정확한 측정을 위하여 open 및 short dummy structure를 이용하여 de-embedding을 하였다. 이러한 분석결과를 simulation을 이용하여 error를 재현시켜, 측정분석의 검증과정을 거쳤다.
측정분석 결과를 바탕으로 재 디자인한 후 post-layout simulation을 실시하였다. 그 결과 noise figure 2.9 dB, 이득 15.35dB, S11 -16dB, S22 -23dB, IIP3 -9.5dBm의 성능을 갖는다. 2V의 동작전압에 24mA의 전류를 소모한다.
본 논문에서 다루고 있는 802.11a의 통신표준분석, LNA 설계, 측정, 분석, 및 디버깅에 대한 절차는 향후 다른 블록의 제작, 측정 및 분석에 guideline을 줄 수 있을 것이다.
