Low Noise Amplifier Design with Current Reuse Architecture and Pre-distortion Technique for Nanoelectronic Sensors Operating at 2.4 GHz

Abstract

У статті описується розробка різних конструкцій CMOS підсилювача з низьким рівнем шуму (LNA) для досягнення високої лінійності та низького рівня шуму в конструкціях нанодатчиків. Робоча частота становить 2,4 ГГц, а діапазон ISM підходить для додатків нанодатчиків. Новинка представлена структурою, що реконфігурується, з поточною архітектурою повторного використання для низького енергоспоживання, а метод попереднього спотворення використовується для досягнення хорошої лінійності без спотворень, що є кращим показником для конструкції підсилювача. Нанорозмірні конструкції отримано із збільшенням надійності. Пропонована конструкція LNA на основі CMOS має помірне підсилення з низьким коефіцієнтом шуму 2,6 дБ на частоті 2,4 ГГц та менше 2 дБ на частоті 5 ГГц. Хороша зворотна ізоляція досягається за рахунок коефіцієнту стоячої хвилі за напругою (VSWR), а оптимізований параметр S вхідних і вихідних коефіцієнтів відбиття становить менше – 10 дБ. Стабільність розробленого підсилювача та результати підсилення потужності сумісні з конструкцією наносенсора. Новизна, досягнута в конструкції, полягає у широкій смузі пропускання, хорошому показнику якості (FOM), малому розмірі, помірному підсиленні без спотворень, низькому рівні шуму та хорошій лінійності завдяки складній конструкції. Кім того, коефіцієнт підсилення потужності помірний, а сама конструкція займає невелику площу 0,5×0,2 мм2.

This paper describes the development of different CMOS Low Noise Amplifier (LNA) topologies for achieving high linearity and low noise for nanosensor designs. The frequency of operation is 2.4 GHz, the ISM band is suitable for nanosensor applications. The novelty is introduced with a reconfigurable structure with the current reuse architecture for low power consumption, and pre-distortion technique is utilized to achieve good linearity without distortions, which is a preferrable metric for amplifier design. Nanoscale designs are achieved with an increase in robustness. The proposed CMOS based LNA design has moderate gain with a low noise figure of 2.6 dB at 2.4 GHz and less than 2 dB at 5 GHz. Good reverse isolation is achieved by the Voltage Standing Wave Ratio (VSWR), and the optimized S parameter input and output reflection coefficients are less than – 10 dB. The stability of the designed amplifier and the power gain results are compatible with the nanosensor design. The novelty achieved in the design is the wide bandwidth, good Figure of Merit (FOM), small size, moderate gain without distortions, low noise and good linearity due to complex design. Also, the power gain is moderate, and the layout of the design occupies a small chip area of 0.5×0.2 mm2.