A wideband noise-cancelling low-noise amplifier

Thumbnail Image

Files

master_Haveri_Mika_2025.pdf (1.47 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Electrical Engineering | Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2025-04-28

Department

Major/Subject

Microelectronic Circuit Design

Mcode

Degree programme

Master's Programme in Electronics and Nanotechnology

Language

en

Pages

64

Series

Abstract

The increasing data rate demands driven by the development toward sixth-generation wireless communication systems have placed strict requirements on receiver architectures. Wideband receivers have the potential to significantly boost data transfer rates, addressing the increasing demand for faster wireless communication. In wireless receivers, low-noise amplifiers (LNA) are typically the first stage on the receiver chip, and significantly impact the receiver’s total performance. Ultra-wideband LNAs have been successfully implemented but several trade-offs have shown the design process to be challenging. This thesis explores the design and implementation of a wideband LNA that achieves high gain, good input matching, and low noise figure across an ultra-wide bandwidth. The feasibility of wideband LNAs is investigated in two parts: first, a literature review on the state-of-the-art topologies is conducted, and then a wideband LNA is implemented. The literature review compares the recent wideband implementations found in literature, focusing on implementations that have shown wideband capabilities with good noise performance. The review finds several common techniques that enable the ultra-wideband operation while minimizing the circuit noise. As a result, a noise-cancelling topology is chosen due to its ability to provide wideband operation with good noise performance. The implemented low-noise amplifier is thoroughly simulated using The System Development Kit verification platform. The schematic and layout of the implemented low-noise amplifier are written as fully parameterized generators using Berkeley Analog Generator, which is a framework written in Python for programming layout and schematic generation. The design process contains several design iterations of the wideband LNA. Each iteration is analyzed and simulated to identify possible trade-offs. Each step identifies an issue with the current design, and the next step addresses this issue to improve the performance. By analyzing and simulating the topology, the thesis concludes that the implemented LNA is capable of wideband signal transmission. The implemented LNA shows good voltage gain, input matching, noise performance, and linearity throughout its operation band.

Kasvavat tiedonsiirtovaatimukset asettavat entistä tiukempia vaatimuksia langattomien arkkitehtuureille. Laajakaistaisten vastaanottimien kyky kasvattaa tiedonsiirtonopeuksia on lisännyt niiden suosiota vastauksena tarpeeseen entistä nopeammalle langattomalle viestinnälle. Vastaanottimen ensimmäinen piirilohko on tyypillisesti matalakohinainen vahvistin (LNA), joka vaikuttaa merkittävästi koko vastaanotinketjun suorituskykyyn. Vaikka ultralaajakaistaisia vahvistimia on kehitetty aiemminkin, laajakaistaisen impedanssisovituksen vaatimat kompromissit tekevät suunnitteluprosessista edelleen haastavan. Tämä diplomityö käsittelee laajakaistaisten LNA-vahvistimien suunnittelua ja toteutusta. Tavoitteena on saavuttaa korkea jännitevahvistus, hyvä sisääntulon impedanssisovitus ja matala kohinaluku laajalla taajuusalueella. Työ jakautuu kahteen osaan. Ensimmäisessä osassa tehdään kirjallisuuskatsaus, jossa tarkastellaan tekniikoita ja piiritopologioita, jotka soveltuvat matalakohinaisen laajakaistaisen signaalin vahvistamiseen. Katsauksen perusteella valitaan topologia, joka kykenee vähentämään sisäänmenotransistorin aiheuttamaa kohinaa ja siten parantamaan vastaanottimen kohinalukua. Toisessa osassa Valittu vahvistin suunnitellaan hyödyntäen Berkeley Analog Generator - piirikaaviogeneraattoria, ja sitä simuloidaan The System Development Kit -kehitys- ja verifiointityökalua hyödyntäen. Suunnitteluprosessi etenee iteratiivisesti: vahvistimen suorituskykyä arvioidaan eri vaiheissa ja rakenteeseen tehdään parannuksia havaittujen simulaatiotulosten perusteella. Vaiheittainen suunnitteluprosessi parantaa matalakohinaisen vahvistimen ominaisuuksia järjestelmällisesti kunnes haluttu suorituskyky on saavutettu. Lopullinen LNA saavuttaa simulointitulosten perusteella korkean jännitevahvistuksen, laajakaistaista sisääntulon impedanssisovituksen sekä alhaisen kohinaluvun suunnitellulla toimintakaistallaan. Työn tuloksena on matalakohinainen vahvistin, joka täyttää laajakaistaisen käytön asettamat suorituskykyvaatimukset.

Description

Supervisor

Kosunen, Marko

Thesis advisor

Lahtinen, Veeti

Keywords

low-noise amplifier, noise-cancelling, TheSyDeKick, Berkeley analog generator, RF receiver, LNA

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202505193851

Collections

[dipl] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC