An Integrated 24-40 GHz Low-Noise Amplifier for a 5G Receiver

Abstract

In the recent years, several technical advances have been introduced to communication systems along the fifth generation (5G) communication network. The most prominent trends with integrated radio transceivers are adoption of higher frequencies, 24.24-43.5 GHz according to the recently published 5G NR standard for FR2, incorporation of radio-based sensing systems, and utilization of CMOS technology. Our research group has answered to these challenges by designing and implementing an integrated transceiver operating at 5G NR FR2 bands. The radio receiver provides dual-mode heterodyne reception with receiver and radar modes at the input frequency band 24-40 GHz and output IF-signal of 7-8 GHz. The two transmitters implement a 2-element beam-former with homodyne transmission and class-D amplification at 16-33 GHz. The LO-signal is distributed to the receiver and transmitters with wideband phase-tuning by a mixed signal delay tuning approach.

In this thesis, the focus is on the design of the first stages of the receiver, the single-to-differential-transformer and low-noise amplifier (LNA). With the transformer design, losses were essential to minimize due to the direct contribution to the total noise figure (NF). In this case, strongest coupling and consequently lowest losses were achieved with a stacked structure. The LNA was required to provide simultaneously wideband input matching, gain response, and low noise figure with an addition of sufficient linearity. Flexible biasing was also implemented with an IDAC, so the LNA could be turned off in the radar mode by setting the bias current to zero.

Low NF was achieved with a gm-boosted common gate (CG)-structure by capacitive cross-coupling (CC). According to the post-layout simulations with the transformer and LNA, NF of 6.4-9.1 dB was achieved at 24-40 GHz. The input matching frequency range and bandwidth are dominated by the reactive elements at the LNA input, and with CC-CG topology S11 is less than -7 dB at 24-40 GHz. The wideband gain response with gain of 7.1-15.4 dB was realized with a shunt-peaked load. Additionally, the LNA offers low DC-power consumption of 4.5 mW and sufficient linearity with IIP3 and ICP of 1.0 dBm and -8 dBm, respectively. Digitally configurable bias current enables adjustable performance, so trade-offs between S11, gain, and NF can be accomplished.

Viime vuosien aikana on esitelty monia teknisiä edistyksiä kommunikaatiosysteemeihin viidennen sukupolven kommunikaatioverkon mukana. Merkittävimpiä trendejä integroitujen lähetinvastaanottimien kannalta ovat korkeampien taajuuksien käyttöönotto, 24.24-43.5 GHz äskettäin julkaistun 5G NR standardin mukaan FR2:lle, radiopohjaisten havaintosysteemien sisällyttäminen, ja CMOS teknologian käyttö. Tutkimusryhmämme on vastannut näihin haasteisiin suunnittelemalla ja implementoimalla 5G NR FR2:lla toimivan integroidun lähetinvastaanottimen edistyneellä 22-nm CMOS teknologialla. Vastaanotin tarjoaa kaksoistila heterodynevastaanottoa vastaanotin- ja tutkatilalla sisääntulotaajuuskaistalla 24-40 GHz ja ulostulovälitaajuuksilla 7-8 GHz. Kaksi lähetintä toteuttaa kaksielementtisen keilanmuodostuksen homodynelähetyksellä ja D-luokan vahvistuksella taajuuksilla 16-33 GHz. Paikallisoskillaattorisignaalin jakoketju tarjoaa laajakaistaista vaihesäätöä ja pulssin generoimista.

Tässä työssä keskitytään vastaanottimen ensimmäisten lohkojen, muuntajan ja matalakohinaisen vahvistimen, suunnitteluun. Muuntaja tarvitaan yksipuolisen tulosignaalin muuntamiseksi differentiaaliseksi, ja suunnittelun kannalta tärkeintä oli minimoida häviöt. Tässä tapauksessa vahvin kytkeytyminen ja seurauksena matalimmat häviöt saavutettiin päällekkäin asetetuilla ensiö- ja toisiopuolella. Vahvistimen täytyy toteuttaa samanaikaisesti laajakaistainen sisääntulosovitus, vahvistusvaste, ja matala kohinakerroin, kuten myös riittävä lineaarisuus. Säädettävä biasointi toteutettiin digitaalisella virransäädöllä, jotta vahvistin voidaan sammuttaa tutkatilassa.

Matala kohinakerroin saavutettiin yhteisporttivahvistimen siirtokonduktanssin kasvattamisella kapasitiivisesti ristiinkytketyllä rakenteella. Muuntajan ja vahvistimen simulaatiotulosten mukaan kohinakerroin on 6.4-9.1 dB taajuuskaistalla 24-40 GHz. Sisääntulosovituksen taajuuskaistaa ja -leveyttä dominoivat reaktiiviset elementit vahvistimen sisääntulossa, ja vahvistimen kapasitiivisesti ristiinkytketyn rakenteen avulla saavutettiin matalampi S11 kuin -7 dB. Laajakaistainen vahvistusvaste 7.1-15.4 dB:n vahvistuksella toteutettiin kaistanleveyttä kasvattavalla kuormalla, jossa kela ja vastus on kytkettynä sarjaan. Lisäksi vahvistimen tehonkulutus on 4.5 mW, ja lineaarisuus on tyydyttävä 1.0 dBm IIP3:lla ja -8 dBm 1-dB kompressiopisteellä. Digitaalisesti säädettävä biasointi mahdollistaa mukautettavan suorituskyvyn, eli vaihtokauppa on mahdollista S11, vahvistuksen, ja kohinakertoimen välillä.