TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol. 12, No. 12, Decembe r   2014, pp. 82 5 7  ~ 826 7   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i12.67 11          8257     Re cei v ed  Jul y  23, 201 4; Revi sed O c tob e r 18, 201 4; Acce pted No vem ber 1 0 , 2014   New LNA Architecture Topology Using Inductive Drain  Feedback Tech nique for Wireless Applications      Pongot  K 1,2 , Othman  A.R 2 , Zakaria Z 2 , Suaidi M.K 2 , Hamidon  A. H 2   1 Bahag ian S u mber Man u sia,  Majlis Ama n a h  Rak y at (MAR A ),  T i ngkat 17 & 18 Ibu Peja bat  MARA, Jalan  Raja  Laut, 50 6 09 Kua l a L u mp ur, Mala ysi a   2 Centre of T e lecommunic a tio n  and Inn o vatio n  (CET RI),  F a cult y   of Electron ics and C o mpu t er Engin eeri n g ,   Univers i ti T e knikal Mal a ysi a  Melak a  (UT e M), Hang T uah Ja ya 76 10 0, Du rian T ungg al, Melak a , Mala ysia   Corresp on din g  author, e-mai l : kamilp ong ot @ y a h o o .com.sg, rani@ u tem.ed u.m y ,  zahril ad ha@ utem.edu.m y , ka dim@ utem. edu .m y ,  hamid @ut e m.edu.m y       A b st r a ct  T h is p aper  pr esents  a  desi gn  of a s i n g le  LNA  casca de d w i th d o u b le  stage  casc od ed  L N A   amplifi e rs usi n g an i n d u ctive  drain fe ed bac k techni que. T he a m p lifi e r is  imple m ente d  usin g sup e rHE M T   F H X76LP  tran sistor dev ices.  T he d e si gne d  circuit  is si mulate d w i th An soft Desi gner   SV. T he L N A  is   desi gne d by us ing  an i n d u ctive drai n feed ba ck, inductive g ener ation to  th e source, an d the T - netw o rk as  a   match i n g  tech niq ue w h ich is  w h ich is  used at the  inp u t and o u tput ter m i nals. T he l o w  noise a m pl ifie r   (LNA) pr ovi des  a  gai n (S 21 ) of  68.9 4  dB  a nd  the n o ise  fig u r e  (NF )  of  0.64   dB. T he r e turn  loss (S 12 ) out p u t  reflection (S 22 ) and i n p u t refle c tion (S 11 ) are -88.39,-1 7.37  and  –15.7 7  dB   respective ly. T he meas ure m en t   show s a 3- dB  ban dw idth of  1 . 72 GH z   a nd s t ability  ar e  4.5 4   more  than  1  has  bee n  ach i eve d . The i n p u t   sensitivity is -9 2 dB m excee d ed t he stan dar ds requ ired  by IEEE 802.16.     Ke y w ords :  RF front-end, IEEE 802.16, casc ade d an d casc ode d LNA, in d u ctive dra i n fee dback, top o lo g y     Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion   3G technol og ies that a r e a v ailable rece ntly  have a si gnifica ntly higher  bit rate t han 2 G   techn o logy, but the bit rate is not ade quate to  su stain the high deman d from  consume r s f o r  wirel e ss broa dban d, multi-megabit thro ughp ut  and lowe r laten c y (delay between re que sti n g   data and g e tting a re sp onse). To acco m m odate the  hi gh  con s u m er demand, the  introdu ction  of  WiMAX tech nology for  conne ctivity to  the new  g e neratio n co n s ume r  devi c es to the lat e st  appli c ation s   available in t he market  su ch a s  (GSM, WiFi, Blueto o th, ZigBee, UWB  Hipe rL AN  etc...) for 3G  and 4G net works [1]. WiM AX is a tr ademark for a family of wirel e ss  com m uni cation  proto c ol that provide s  both  fixed and mobile intern et access. WiMA X is the  internet Protocol (IP)  based, broad band  wirele ss a c cess te ch nology that  p r ovides  perfo rmance si mila r to 802.1 1 /WiFi  netwo rk  with coverage a n d  quality of service (QoS ) of cellula r networks [1]. Figu re 1 sh ows th e   latest stan dards for mo bile  and data  com m unication s.          Figure 1. The  latest stand a r ds fo r mobile  and data co mmuni cation s [1]  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 12, Decem ber 20 14 :  8257 – 82 67   8258 WiMAX i s  a  n e w t r ade mark and  sta nda rd for group  te chn o logie s  of  telecommu ni cation s   proto c ol s that  provide fixed  and mo bile I n ternet  a c ce ss. As  WiMAX has  high t r a n sfer data  rat e s  (70 Mb ps)  and long er rea c h (5 0km), it can p r ovide h i gh ban dwidt h  voice an d d a ta for re side ntial  and  enterpri s e  [2].  WiMAX is  a repla c e m ent te chnol ogy for cellul a r p hon e te chnolo g ies  su ch a s   UMTS and G S M  and, or can b e  used to incre a se  capa city of th e cu stome r  [3]. To suppo rt a  new trade ma rk at T e le com m unication p r otocol  and all o w it to ope ra te multiple ap plicatio ns o n   a  singl e device,  RF front end  receiver i s  essential a nd in evitable in de mand.   The  de sign  o f  the  RF f r ont -end  receiver t hat compli e s  with  th e  n e w  stand ards WiMAX  meet seve ral chall enge s a nd com p licated. Thus , the  best desi gn  on the front-e nd re ceiversh ave   been  develo ped to o b tai n  a hig h  ove r all gai n, low noise figure ,  and sufficie n t band width  to   accomm odat e the need s  of new tra d e m ark and  wi reless sta nda rd (WiMAX ) . A propo se d new  architectu re  for the  re ceiv er front-e nd  should  be  i n trodu ced to  en sure hi gh  performan ce  sig nal   reception according to the IEEE 802.16 standard.  The overall  gain for the f r ont-end  recei v er   sho u ld intro d u ce m o re th an 65 dB compa r ed to  32 until 50  dB repo rted  from previo us  resea r cher b y  taking co n s ide r ation to  cover t he ext ensi on of co mmuni cation  distan ce for t h e   system up to 50km [4]. In   the WiMAX standard,  the system is d e s ign ed to accommod a te up to   200 cha nnel sub s crib ers while  th e  ba n d width of  the  system  de sig ned i s  bet we en 16 00 to  1 700  MHz,  which  i s  tri p le   than  the  stand ard   20 M H z for 2 00  sub - carrie rs. In  ad dition , the noi se  fig u re  proposed  by  the IEEE 802.16 (WiMAX)   for the RF rec e iver front-e nd architec ture mus t  be les s   than 3 dB. The input sen s itivity  of the system sh ould  cover the  mi nimum sen s itivity of -80 dBm  [4].   In this paper,  a  new topolo g y for WiMAX front  end architecture  usi ng an indu cti v e drain   feedba ck is u s ed to achiev e a gain more than 65 dB, noise figure  less than 3 d B  and mainta in   band width  m o re th an  1  GHz i s  p r op ose d  for Wi MAX appli c at ion. Figu re  2  sh ows th e  new  architectu re    for dire ct co nversi on  RF front-end  re ce iver WiMAX a t  5.8 GHz  i s  introdu ce d. The   developm ent of combin atio n LNA at the front -end of th e receiver  will  be focu sed.                           Figure 2. The  new archite c ture for di rect  conv ersio n  RF front-e nd re ceiver  WiMA X at 5.8 GHz      This  config uration co nsi s t s  of dou ble   stage s cascod ed L N A usin g indu cti v e drain   feedba ck co mbined  with  sou r ce in du ctive dege ne ra t i on, indu ctive  RF  ch oke  pl ace d  bet wee n  the  two LNA am plifier and th e T matchin g  network at  the input and  output port s . Adding ind u ctive   drain  feed ba ck at th e  ca scoded  topolo g y  has imp r oved the  gain  o f  the L N A an d will  suita b le  at  matchin g  out put that it also help s  in increa sing  the b and width. Wh ile the additio n  of an induct i ve   sou r ce  gene ration at  cascoded  L N A to pology  enh an ced  ba nd widt h, stability  an d imp r ove i n p u t- output m a tchi ng  cap abilitie s. Th e u s e  of  T-m a tchi ng  on a  do uble  stage  ca scode d L N A al so  h a s  helpe d red u ce the reverse  isolatio n and  noise figure.       2. LNA  T h eory   Low  noi se  a m plifiers (LNA) play a  si g n ificant   role i n  incre a si ng t he pe rforman c e  of the  RF front-end  receiver. LNA at the WiMAX receiver   appli c ation re quire s suffici ent sen s itivity to   enabl e the re ceiver  distin g u ish  sig nal from the su rro undin g  noi se  and inte rfere n ce to  en sure  tha t   it can take a n  information  signal sent by the tran smitter. There are f i ve essential  cha r a c teri stics   in the d e si gn  of LNA i s   un der th e  control of a  sp eci a list L N A de signer for  use  in RF  front -e nd  receiver that affect dire ctly to  the receiver se nsitivity  is noise  figure, gain, band width, linea rity,  Antena   Ca sco d ed    LNA   BPF Mixer   VCO   Ca sco d ed    LNA   Sin g le    LNA   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Ne w LNA Architecture Top o log y  Using I ndu ctive  Drai n Feedb ack T e ch niqu e for… (Pong ot  K)  8259 and  dynami c  ran ge. Even  so  to contro l su ch fe atures  req u ire s   a de ep u nde rstan d ing  of  the  device am plifiers, a c tive and pa ssive  compon ent s,  and fabri c ati on detail s  to ensu r e the  LNA  amplifiers b u ilt to achi eve optimal  p e rfor m a n c e  and o n ly a  slight t r ade off betwee n  the  c h arac teris t ic [5].   Figure 3  sho w s the  usual  variabl es th at affect the   perfo rman ce   of LNA  eithe r  on th e   device  an d  ci rcuit  de sign.  Ho wever, i n  t h is  re sea r ch  we  only fo cu s o n  va riable s   su ch  as ga in,  noise figure,  stability, ban dwidth, topol ogy, and  inpu t and output  matchin g  for  best pe rform ance   of LNA amplif iers.                                       Figure 3. LNA Performan c e Variabl e       The  ta rgete d  S-paramete r  spe c ification  f o r  the   si ngle LNA ca scade d  with dou ble   stag es  ca scode d LNA amplifier is  sho w n in Ta b l e 1.      Table 1. Ta rg eted S-Para meters for a  a singl e LNA  ca scade d wit h  doubl e stag es casco ded  LNA  amplifier  S-  paramet er   Single LNA cascaded  w i th double   stages cascoded LNA  Input reflection S 11 (dB)   < -10 dB   Return L o ss S12 (dB)    < -10 dB   For w a r d T r ansfer  S21 (dB)   >+ 65 dB  Output  Reflection loss S22 (dB )   <-10 dB   Noise Figure ( d B  )  < 3 dB  Stability  ( K )  K > 1  Band w i dth (MHz)   >1000      2.1.  Stabilit y ,  Noise Figure and Po w e r Gai n   Stability is one of the important c haracteri stics i n  desi gnin g  LNA   amplifiers.  Determination of stab ility is  essential to  avoid osc ill ation occurs at the operati ng  freque ncy.  T he o scill ation  is po ssible if  either  of in p u t or outp u t p o rt impe dan ce ha s produ ce a   negative  real  pa rt. Thi s   woul d imply   that  Γ in  (i npu t refle c tion  coefficient)  >1  or  Γ out  (out put  reflectio n  coe fficient) >1. This be ca use  Γ in  and  Γ out  depen d on the  sou r ce and t he load m a tching   network. However,  the st abilit y of the amplifier  depends on  Γ s  (the  refle c tion coeffici ent  of the  s o ur ce )  an d   Γ L   (the refle c tion coeffici en t of the load) as p r e s ented  as mat c hin g  netwo rk.   If low  noise amplifi e rs i s  not stable, it wou l d bec ome  usel ess si nce major p r o pertie s  incl u d ing  band width, g a in, noise, linearity, DC  power  con s u m ption an d impeda nce m a tchin g  ca n  be  signifi cantly degra ded. Fo r this desi gn, a  good st abilit y can be achi eved (un c o n d i tionally stabl e)  by employing  the signal fl ow theo ry an d S-pa rame t e r [6]. Alternatively, the amplifier will b e  in  good  stability , when the  stability factor (K) a nd  delta factor  ( ∆ ) follo wing  nece s sary  and  s u ffic i ent c o nditions  are met:  LNA  Per f orm a nce  Gain  Noise Fi g u re B a ndwidth Sta b ilit y   I nput and  Output  Matching   Cir c uit  Topolog y   Transistor   Technolo g y   Bi asi n g  and  Pow e r   Dissipation   Pow e r   Suppl y   EM shie lding  Process  Technolo g y   L a y out and  Grounding  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 12, Decem ber 20 14 :  8257 – 82 67   8260 ) 1 ( 1 2 1 21 12 2 2 22 2 11 S S S S K     And,     ) 2 ( 1 21 12 22 11 S S S S     (K > 1) a nd (|  ∆  | < 1) is  con d ition req u ire m ent for un co nditional  stabi lity (good sta b ility).  Noi s e optimi z ation is the  most critical st ep in the  L N A de sign p r oce dure. The  best way  to make the  b a lan c e optimi z ation of n o ise figure  a nd  gain u s ing  co nstant gai n ci rcle s a nd ci rcl e s  of co nsta nt  noise figu re.  2-port  tran si stor ha s  a  minimum  value of  the  no ise fig u re  at  the  spe c ified a d m ittance give n by the Equation (3 ), [7] :    ) 3 ( | | 2 min opt s S N Y Y G R F F     For lo w  noi se t r an sist o r s,  ma n u fact ure r s usuall y   provide F min , R N  and  Y opt  by  freque nci e s.  N define d  by the formula fo r desi r e d  noi se figure, sh o w n in Equatio n (4):     ) 4 ( | 1 | / 4 | | 1 | | 2 0 min 2 2 opt N S opt s Z R F F N     The  Powe r  gain of 2-po rt networks wi th  circuit imp edance  or lo ad impedan ce of the   power amplifier are represented with scattering coe ffi c i ent c l as s i fied into A v ailab l e Power Gain,  Power Transducer Gain a nd   Operatin g Power Gain [8].  Operating  po wer g a in  (G P ), is th e  ratio  b e twee n the  p o we r  delivere d  to th e lo ad   (P L ) a nd  the po we r i n put (P in ) to t he n e two r k.  The  Ope r atin g Po wer G a i n  can  be  sp ecified    as an   Equation (5),  [7]:    ) 5 ( 1 1 1 2 22 2 2 2 21 L in L in L P S S P P G      Available po wer g a in (G A ) is the ratio b e twee n the p o we r availabl e from the ne twork  (P av n )and the power availa ble from the source (P av s ) as sh own in Equation (6), [7]:    ) 6 ( | 1 | 1 | | | 1 | | | 1 2 22 2 21 2 11 2 L S S avs avn A S S S P P G     Tran sd ucer p o we r  gain  (G T ) is the  ratio  between  the  po we r d e livered  to the  lo ad  (P L )  and the po we r available fro m  the sou r ce (P in ) as  sho w n in Equation  (7), [7] :    ) 7 ( | ) ( ) 1 )( 1 ( | ) | | 1 )( | | 1 ( | | 2 21 12 22 11 2 2 2 21 L S L S L S in L T S S S S S P P G       2.  Design O f  Single LNA Ca scade d  With  Double Stag es Ca scod e d LNA  Figure 4 sh ows the co mplete sche matic si ngle  LNA ca sca ded with d o uble sta g e   ca scode d L N A usi ng i ndu ctive feedba ck. The    sele cti on   of  th e   transi s tor i s  im portant   in   th e   desi gn  of L N A. The d e si g n  of the  si ngl e L N A with  d ouble  sta g e s   ca scode d L N A is  based  on  the   spe c ification   in Table 1.  For rea s on ab le gai n a nd l o w noi se fig u r e at the req u ired frequ en c y   requi rem ent,  the tran si stor use d  for t h e  desi gn  of  L N A is P H EM T Tra n si stor   FHX76 L P. T h e   transi s to r p a rameter  at  f r eque ncy 5. 8  GHz   are  S 11 =0. 7 1 2 ∟ -8 6.54, S 12 =   0. 0 6 5 ∟ 33.88, S 21 =  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Ne w LNA Architecture Top o log y  Using I ndu ctive  Drai n Feedb ack T e ch niqu e for… (Pong ot  K)  8261 8.994 ∟ 17 8.6 6  and S 22  = 0.237 ∟ -1 0.46,  where the param et ers we re obtain ed a t  V DD  = 2V and   I DS  = 10mA of bias set at PHEMT.   From the S-p a ram e ters, d e termini ng th e overall pe rf orma nce of LNA ca n be de termine d   by calcul atin g the input and output  standi ng wa ve ratios, VSWRI N and  VSWRO UT, the   transdu ce r g a in (GT)  and  the noi se figu re (NF ) . The  optimum ,   Γ opt     and  Γ L w e r e  ob ta in e d  as  Γ opt = 21 + j 48.02 and  Γ L  = 79.90-j7.2 99 for ca scod ed LNA. Whil e,  Γ opt = 18.41 + j50.12 a n d   Γ L = 79.9 13-j 7 .304 for  a si ngle L N A.        Figure  4. The compl e te schem atic si ng le LNA ca sca ded with d o u b le stag e ca scod ed L N A  usin g indu ctive feedba ck      In this  config uration, it  co mbine s   singl e L N A at the   first sta ge, th en u s e  ca sco ded  LNA   with indu ctive  feedba ck  at the  drai n on  the se con d  a nd third  stag e. The propo sed  singl e L N A  desi gn is ba sed on a so urce deg ene rat ed topology (L 10 ), inductive shunt pe aking at the drain   (L 15 ) and T - m a tchin g  network  at the inp u t and output  impedan ce  (i nput imped an ce mat c hing  at  L 11 , L 12 , C 11 , and  outp u t impe dan ce   matchin g   at  L 18 , L 19 , C 12 ). While  the   doubl e  stage s   ca scode d L N A topology  u s ing  late st te chni que s  co n s istin g  of i n d u ctive fee dba ck (L 26  and  L 36 )   are at d r ain  M2 and M 4 , indu ctive gen eration  so urce (L 20  and  L 30 ) con n e c ted  to the sou r ce  of  the M 3  and  M 5 . In Addition, there L 25  and L 35  in du ctive RF  ch o k e  we re  pl a c ed  between  the  sou r ce drain  on the M 2  and M 3 , and  the sou r ce  drain  on the  M 4  and M 5  r e spec tively. This  topology  also  used th e T - matchin g  n e twork  at  the i n put an d outp u t  impeda nce (input imp eda nce   matchin g  co mpone nt  at L 21 ,L22, L 31 , L 32 , C 21  a nd  C 31  and  output im p edan ce  matching   comp one nt at L 28 ,L 29 ,L 38 , L 39 , C 22  and C 32 ). By using A n soft Desi gn er SV, Smith Cha r t matchi ng  techni que, th e comp one nts for the ampl ifier  are sho w n in Tabl e 2 .     Table 2. Singl e LNA Ca sca ded with  Dou b le Stages  Cascod ed L N A Amplifier parameters   Components   1 s t   Stage  LNA  L 10 (n H)   L 11 (n H)   L 12 (n H)   L 13 (n H)   L 14 (n H)   L 15 (n H)   L 16 (n H)   L 17 (n H)   L 18 (n H)   L 19 (n H)   C 11 (p F)   C 12 (p F)   Value  0.078   1.346  1.371  0.449   0.439  1.271  0.445   1.366  1.195   1.368   0.264   0.010   2 n d   Stage   Cascod ed LNA   L 20 (n H)   L 21 (n H)   L 22 (n H)   L 23 (n H)   L 24 (n H)   L 25 (n H)   L 26 (n H)   L 27 (n H)   L 28 (n H)   L 29 (n H)   C 21 (p F)   C 22 (p F)   Value  0.064   1.346  1.016  0.698   0.367  1.159   9.000   1.367  0.658   1.369   0.100   0.600   3 r d   Cascod ed LNA   L 30 (n H)   L 31 (n H)   L 32 (n H)   L 33 (n H)   L 34 (n H)   L 35 (n H)   L 36 (n H)   L 37 (n H)   L 38 (n H)   L 39 (n H)   C 31 (p F)   C 32 (p F)   Value  0.084   1.318  1.278  0.658   0.283  1.139  9.560   1.368  0.658   0.228   0.500   0.750     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 12, Decem ber 20 14 :  8257 – 82 67   8262 Observation s  on proje c t s  implemente d  in these L N A are p a ssive elements at each   stage  com p o nent that wa s de sign ed to play an im por tant  role  in influen cing  the gain, no ise  figure, stabilit y and band width. Here, we  show  evid en ce on pa ssive comp one nt element s whi c h   at every stage LNA that will affe ct performance LNA  variables  as di scussed in the previous  se ct ion.   Overall  Noi s e  figure i s  he a v ily influence d  in  the first stage  LNA, e s pe cially in t he input  matchin g . Th erefo r e, the   sele ction  of t he a ppropri a te value  re qu ired i n  thi s  p a rt, to get th e  lowe st noise  figure for the LNA. Whil e at the  output matchin g  of the first  stage,  will  not  influen ce the  noise figure o f  the LNA.  Figure 5 sho w s the effect  of  inductive comp one nt elements in the  input T-matching  on   the first stage  that affect th e noise figure .  Changi ng th e value of ind u ctive L 11  from 1mm to 6 mm  have  cau s e d   the noi se  in creased from  0 . 63 dB to  0. 7 3  dB  while  th e value  de cre a se s to  0.53   d B   whe n  ch angi ng L 11 to the 12mm. Whil e  the inductiv e  value L 12   changes from 1mm to 6mm  cau s e  noi se f i gure  ch angi n g  from 0.6 3   dB to 0.60 d B , will increa se to 0.6 6  d B  when  indu ctive  L 12  to 12mm. Howeve r, the noise figu re  can be chan ged sig n ifica n tly in Figure  6 if change s are  made on the  cap a citive inp u t  T-matchin g . Chang e the cap a citive value C 11  from  0.1 pF to  1  pF  cau s e n o ise figure  risi ng fro m  0.59 dB to 1.22 dB.  However, after makin g  optimization in pa ssi ve  comp one nt a t  the input matchin g , sele cting the n o ise figu re of  0.64 dB is b e st for the  whole  sy st em.           Figure 5. Affect cha nge s value the L1 1 and  L12 to the overall noi se fig u re   Figure 6. Affect cha nge s value the C11  to the  overall noi se  figure       To co ntrol th e gain of the  whole  syste m ,  there are a few pa ssiv e  comp one nts at each  stage that sh ould be con s i dere d . The p a ssive com p onent is ind u c tive sou r ce dege neration  a t   every st age  o f  L 10 , L 20  and  L 30 . Gain s for the  whol e  system  ch ange d from  63  dB  to 69  dB if t h e   width (W) on the  L 10 , L 20 , L 30  chan ged  from 2mm  to 3 0  mm. Additi onally L 10  and  L 20  al so  hel p in  getting the  p u re  i m pe dan ce in put mat c hing, which e nable val ue o f  the  input  re flection S 11  less  than 10 dB. While the out put matchin g  L 30  helped to enable the  value of the output refle c tion  loss S 22  less than 10 dB. T h is can be  sh own in Fig u re  7. In addition, there are ot her comp one nts  in the amplifier LNA that  significantly affect  the overall gain,  whi c h is the  inductive drain   feedba ck (L 26  and L 36 )  whi c h pl aced on  ca scode d L N A topolo g y on second  a nd third  stag es of   LNA. This i s  sho w n in Fig u re 8, wh ich cha ngin g  the value of indu ctive L 26  from 1pF  to 10 pF wil l   increa se th e  gain from 6 0 .5 dB to 6 9 .2  dB. While  the  varying in du ctive L 36  from  1 pF to 10pF  will  be  rai s e  gain   from 5 3 .74  d B  gain  to 6 8 .2 dB.  Whe n  o p timization  was  mad e  o n  i ndu ctive L 10 , L 20 ,  L 30 , L 26  and L 36 , gain values obtain ed  was 68.9 6  dB.            Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Ne w LNA Architecture Top o log y  Using I ndu ctive  Drai n Feedb ack T e ch niqu e for… (Pong ot  K)  8263   Figure 7. Affect cha nge s value  the L 10 , L 20   and L 30  to the overall gain   Figure 8. Affect cha nge s value  the L 26 , L 36  to  the overall ga in      From here we  ca n see by  addin g  ca scoded  LNA i n  the second  stage  ha s re sulted i n   increa sed b a ndwi d th of LNA that is sh own in Fi g u re 9. Usin g the indu ctive compon ent at the  output matchi ng L 27  and L 29  in the secon d  stage, the desig ner  can control the de sired ba ndwi d th   up to a maximum of 1.83 GHz.           Figure 9.  Affect ch ang es  value  the L 27 and L 29  to the overall ban d w idth       3. Resul t s   The p r op ose d  LNA  LNA  a gain  of 68 .94  dB, 3-dB  band width   of 1.72 G H z, and  a  minimum  NF  of 0.64 dB ov er the  band i s  a c hieve d  i m pleme n ted.  The me asure d  input reflect i on  S 11  is – 15.7 7  dB while th e output  refle c tion lo ss S 22  is -17.37  dB, and th e return loss S 12  i s     - 88.39 dB. The stability factor obtaine d after matc hi n g  load is 4.5 4  at 5.8 GHz frequen cy. The  value of  stabi lity obtained   is g r e a ter th an 1, a nd  th e   LNA amplifie rs are current ly  in  a state of  uncondition all y  stable.  Thu s , the s e val u es  achieved  the d e si gn  sp ecificati on  as stated  in  Ta ble  2. Table 3  sho w s the s-pa ramete rs output fo r compa r ison o f  topology LNA. From t h is  comp ari s o n , we find  this t opolo g y ha s  resulted i n  i m prove d  pe rf orma nce in g a in, noi se fig u re,  and  band widt h. In a va riabl e gai n pe rformance im pr o v ements, the r e ha s b een  a  4-fold  in cre a s e   whe n  usi ng t he propo se d topology an d  just 2 ½  times  when  usi n g the se co nd   topology if both  topologi es   a r e  comp ared  with the  gai n re sult  at th e first to polo g y. Mean whil e, there  wa s a  signifi cant re ductio n  on n o ise figu re of  0.87 dB  to  0.64 dB and  an increa se  in on the 3-dB  band width  of  1.08 G H z to   1.72 G H z  wh en u s in g th e  prop osed   top o logy com pared  u s in g sing le  LNA topolo g y.      0. 00 0. 20 0. 40 0. 60 0. 80 1. 00 1. 20 1. 40 1. 60 1. 80 2. 00 0. 0 5 . 0 10. 0 15. 0 L27(GHz) L29(GHz) Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 12, Decem ber 20 14 :  8257 – 82 67   8264 Table 3. The  S-paramete r s output for co mpari s o n  of topolo g y LNA   S- paramet er   Topolog y  (1)    Single  LNA  (2)   Single LNA Cascaded  w i th  Cascoded LNA   (3)   Single LNA w i th  Double Stages  Cascoded LNA   Input Reflection  S 11   dB    -14.77     -10.48     -15.77   Output Reflection  S 22   dB     -14.69     -19.06     -17.37   For w a rd transfe r     S 21  dB      17.01     43.76     68.94   Return L o ss S 12  dB    -20.53   -52.40   -88.39   NF dB     0.87  0.7  0.64  BW MHz   1.08  1.24  1.72  Stability  ( K )  1  1.37  4.54      The output S - parameter, nois e figure and stability for si ngl e LNA  are shown in Figure  10(a ) . While,  the outp u t S-pa ramete r,  noise figu re  and  stability for  singl e L N A ca scade d  with   ca scode d LNA is sho w n F i gure 1 0 (b). The S-pa ram e ter for si ngl e LNA ca sca ded with d o u b le   stage s casco ded LNA  sh own by Figu re 10(c). Whil e noise figu re and stabilit y are sho w n  in   Figure 10(d)  and 10 (e ) re spectively. Table 4 sh ow s the com p a r iso n  of recently reporte d LNA.           Figure 10(a).  S-paramete r , Noi s e Figu re  and Stability for Single L N A          Figure 10(b).  S-paramete r , Noi s e Figu re  and Stab ility for Single L N A Cascad ed  with Ca scod e d   LNA   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Ne w LNA Architecture Top o log y  Using I ndu ctive  Drai n Feedb ack T e ch niqu e for… (Pong ot  K)  8265     Figure 10(c). S-paramete r  for Single L N A  Cascad ed  with Do uble  Stages Cascoded L N A           Figure 10(d).  Noi s e Figu re  for Single L N A Cascad ed  with Do uble  Stages Cascoded L N A           Figure 10(e).  Stability for Si ngle LNA Casc aded with  Double  Stages Cascoded LNA  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 12, Decem ber 20 14 :  8257 – 82 67   8266 Table 4. Co m pari s on of recently LNAs  S- paramet er   This w o rk   [9] [10]  Topolog y Single  LNA  Cascaded  w i th D ouble  Stages  Cascoded  LNA  CGLNA w i th   multiple  feedback  Differ ential  LNA  Input  Reflection S 11   dB       -15.77     <-10     -15.075   Output  Reflection S 22   dB     -17.37     <-10     -  Forw a rd  transf er   S 21   dB       68.94     23    25.07   Return L o ss  S 12  dB      -88.39    -    -  NF dB       0.64 2  1.07  BW G H z      1.72  1.76 -  Stability  ( K )  4.54  >1  1.12      Table 4 d epi cts the  comp arison of top o logy dou ble  stage s cascoded L N A u s ing a n   indu ctive drai n feedba ck combine d  with  sou r ce  indu ctive degene ra tion with a re cently re porte d   LNA. Fro m  th is compa r i s o n , we find thi s  topol ogy ha s re sulte d  in i m prove d  pe rforma nce in g a in,  noise figu re,  and b and widt h. Mean whil e ,  there  wa s a  signifi cant  redu ction   on  noise figu re  of  0.64 dB and  an increa se  in on the g a in to  68.24  dB when  u s ing the  pro posed topol o g y  comp ared u s i ng CG LNA wi th multiple f eedba cks  or d i fferential LNA topology.      4. Conclu sion   The n e w to p o logy u s ing i ndu ctive drai n  feedb ack  wa s succe ssfully develop ed an d  impleme n ted  in Supe rHEMT technolo g y com p liant  with the IE EE 802.16  st anda rd .  O b ta ined  from the prop ose d  topolo g y  allows th e desi gne r  to control L N A variabl es  perfo rman ce  su ch  as  gain, noise figure, ba nd wi dth and stab ility in  t he LNA circuit. Reco rde d  re su lt for amplifier  obtaine d the  gain  (S 21 ) o f  68.93 dB a nd the n o ise  figure  (NF)  of 0.64 dB.  While th e 3 - dB  band width  is  1.72 G H z a n d  sta b ility (K) to 4.54.  LNA  perfo rma n ce  ca n b e  furth e r e nha nced  by  stren g theni ng  input and o u tput impeda nce m a tc hi ng  of the input reflectio n  loss  (S 11 ), outp u t  reflec tion loss  (S 22 ) a nd  re turn lo ss   (S 12 ) of the resp ective value  are  -15.7 7  dB , -17.37  dB a nd  - 88.39 dB.   In  con c lu sio n , it  has be en  sh o w n th at by  using thi s  to pol ogy am plifier  can  imp r ove   on  the noise figure, gain, bandwidth and stability.      Ackn o w l e dg ements   The work d e s cribe d  in thi s  pa per  wa s fully supp ort ed by Centre  For  Re sea r ch And  Innovation  Manag eme n t (CRIM ) , Universiti Te knikal Mal a ysia Melaka (UTeM ) . Mel a ka,  Malaysia, under research  gr ant PJP/2013/FKEKK(11C)/S01182.       Referen ces   [1]  S Lo w e . Lte  vs  W i MAX”  in  Ho t T opics F o rum: LT E vs W i MAX  an d N e xt Ge nerati on Int e rn et.  Institutio n   of Engin eer ing  and T e ch no log y .  2007: 1 –3 8.  [2]  AR Othman, AB Ibrahim, MN  Husa in, AH H a mid on, Jsam  Hamid on. L o w  Nois e F i gur e  of Casca de d   LNA at 5. 8 GHz Usin g T -  Matchin g  Net w o r k for W i M A X A ppl icati o ns.  Internati o n a l Jo urna l of   Innovati on, Ma nag e m ent a nd  T e chno logy . 2 012; 3(6).     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.