Integrated X-band Low-Noise Amplifiers

Thumbnail Image

Files

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Sähkötekniikan korkeakoulu | Bachelor's thesis
Electronic archive copy is available locally at the Harald Herlin Learning Centre. The staff of Aalto University has access to the electronic bachelor's theses by logging into Aaltodoc with their personal Aalto user ID. Read more about the availability of the bachelor's theses.
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

2025-05-27

Department

Major/Subject

Elektroniikka ja sähkötekniikka

Mcode

ELEC3013

Degree programme

Sähkötekniikan kandidaattiohjelma

Language

en

Pages

33

Series

Abstract

Fast and reliable radio communication is an essential part of a modern society and offers extensive commercial possibilities, for example in telecommunication, space technology and weather sensing applications. These applications require high performance from the radio receiver that must be able to receive high frequency signals over long distances. To process signals received by the antenna, the receiver utilizes a low-noise amplifier (LNA), which amplifies the signals sufficiently for subsequent stages while introducing a minimal noise. This thesis focuses on integrated LNA designs operating on X-band (8 – 12 GHz). X-band is currently an interesting topic, as there could be a substantial demand for integrated radio circuits in this frequency band, if 6G technology adopts it, as has been discussed lately. This thesis is a literature review of integrated X-band low-noise amplifiers. Before reviewing X-band LNA implementations, the most important design parameters and trade-offs in LNA design are discussed. Design parameters such as noise figure, gain, bandwidth, linearity and power consumption and also basic low-noise amplifier topologies are briefly introduced. In this thesis some state-of-the-art X-band LNAs are introduced and compared by their performance, semiconductor process and amplifier topology. The introduced LNA implementations are mainly CMOS processed, but alternative semiconductor LNAs are also introduced. Typical performance of the different amplifier topologies and semiconductor processes are analyzed and a comparison table is formed based on these results. From the comparison of different LNA implementations, it was noted that the utilized amplifier topology had a major impact on the achieved performance. In LNA design, trade-offs are made between different performance parameters. If one parameter is improved, another parameter is often traded-off. Based on the observations it can be concluded that LNA performance is mainly defined by the amplifier topology used, but semiconductor process and circuit modifications can affect the achieved performance. For most X-band applications, CMOS processed LNAs were found suitable and only few applications might require the use of alternative semiconductor process. For further research, required silicon area and integration factor in LNA implementations could be compared to form an even more comprehensive comparison.

Nopea ja luotettava radioviestintä on tärkeä osa modernia yhteiskuntaa ja avaa monia kaupallisia mahdollisuuksia esimerkiksi telekommunikaation, avaruustekniikan sekä puolustusteollisuuden aloilla. Nämä sovellukset edellyttävät korkeaa suorituskykyä radiovastaanottimelta, jonka täytyy pystyä vastaanottamaan korkeataajuuksisia signaaleja pitkillä etäisyyksillä. Jotta radiovastaanotin voi käsitellä antennin vastaanottamia heikkoja signaaleja, tulee sen esivahvistaa ne pienikohinaisella vahvistimella (engl. low-noise amplifier). Pienikohinaisen vahvistimen tarkoitus on vahvistaa antennin vastaanottamia signaaleja, siten että signaaliin lisätty kohina on minimaalinen sekä vahvistus on riittävä, jotta signaali on tarpeaksi suuri signaaliketjun seuraaville asteille. Tässä kandidaatintyössä vertaillaan X-alueelle (8 – 12 GHz) soveltuvia integroituja pienikohinavahvistintoteutuksia. X-alue on tällä hetkellä mielenkiintoinen aihe, sillä kyseisen taajuuskaistan integroiduille radiomikropiireille voi muodostua suuri tarve mikäli 6G teknologia ottaa X-alueen käyttöön. Tässä kandidaatintyössä esitellään kirjallisuuskatsaus X-alueen integroiduista pienikohinaisista vahvistimista. Työssä esitellään pienikohinaisten vahvistimien tärkeimpiä suorituskykyä kuvaavia parametrejä, sekä parametrien välisiä kompromisseja. Pienikohinaisen vahvistimen suorituskykyä kuvataan parametreillä kuten kohinaluku, vahvistus, kaistanleveys, lineaarisuus sekä tehonkulutus. Parametrien lisäksi myös pienikohinaisten vahvistimien peruskytkennät, sekä niille tyypilliset ominaisuudet esitellään. Tässä työssä esitellään ja vertaillaan parhaimpia viimeaikaisia X-alueelle soveltuvia integroituja pienikohinaisia vahvistintoteutuksia. Pääpaino tässä työssä on CMOS-prosessilla tehdyissä toteutuksissa, mutta myös vaihtoehtoisilla prosesseilla tehtyjä toteutuksia on käsitelty. Näitä toteutuksia vertaillaan niiden tuottaman suorituskyvyn, hyödyntämän vahvistintopologian sekä käytetyn puolijohdeprosessin perusteella. Eri vahvistintopologioiden sekä puolijohdeprosessien tuottamaa tyypillistä suorituskykyä analysoidaan sekä näiden havaintojen pohjalta on muodostettu vertailutaulukko. Tässä työssä esiteltyjen vahvistintoteutuksien pohjalta tehdyissä havainnoissa huomattiin, että käytetyllä vahvistintopologialla on suuri vaikutus saavutettuun suorituskykyyn. Eri puolijohdeprosesseilla tehtyjen toteutuksien välillä havaittiin myös eroavaisuuksia esimerkiksi kohinaluvussa sekä virrankulutuksessa. Pienikohinaisen vahvistimen suunnittelussa joudutaan tekemään kompromisseja, joilla on vaikutus vahvistimen suorituskykyyn. Mikäli halutaan parantaa jotain tiettyä parametriä, joudutaan usein tinkimään jostain toisesta parametristä. Vaikka vahvistintopologiolle voidaan muodostaa tyypillistä suorituskykyä kuvaavat parametrit, voidaan erilaisilla kytkennän muokkauksilla saavuttaa topologialle jopa täysin poikkeavaa suorituskykyä. Tehtyjen havaintojen perusteella voidaan todeta, että pienikohinaisten vahvistimien suorituskykyyn vaikuttaa pääosin vahvistintopologia, mutta puolijohdeprosessilla sekä erilaisilla piirimuokkauksilla voidaan vaikuttaa lopputulokseen. Jatkotutkimuksena voitaisiin vertailla peinikohinvahvistintoteutuksien tarvitsemaa piipinta-alaa sekä integrointiastetta muuhun vastaanotinpiiriin, jotta vertailu olisi entistä kattavampi.

Description

Supervisor

Turunen, Markus

Thesis advisor

Lahtinen, Veeti

Keywords

LNA, X-band, amplifier topology, semiconductor process, CMOS

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202506104387

Collections

[kand] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC