Indonesi an  Journa l  of El ect ri cal Engineer ing  an d  Comp ut er  Scie nce   Vo l.   9 , No .   3 ,  Ma rch   201 8 ,  p p.   685 ~ 689   IS S N:  25 02 - 4752 ,  DOI: 10 .11 591/ ijeecs . v9.i 3 . pp 685 - 689           685       Journ al h om e page :  http: // ia es core.c om/j ourn als/i ndex. ph p/ij eecs   Des i gn o f Low P owe r Low Noi se A mp lifier u sing Gm - boost ed  Tec hn iqu e       Ma iz an   Muha mad 1   N orhayati  So in 2 ,  H arikrishna n  Ram iah 3   1 Facul t y   of  El e ctrical  Eng ineeri n g,   Univer si ti Te k nologi   MA RA,   Shah   Alam,  Se langor,  Mal a y sia   2 ,3 Facul t y   of  Eng ine er ing, Unive r sit y   of  Ma lay a ,   Kuala   Lumpur, M al a y s ia       Art ic le  In f o     ABSTR A CT    Art ic le  history:   Re cei ved   Sep   1 9 , 201 7   Re vised  Dec   3 0 , 2 01 7   Accepte d  Ja n   1 7 , 2 01 8       Thi s  pape r  pre se nts  the   deve lop m ent   of  low  noi se  amplifi er  int e gra te d  c irc ui t   using  130nm   RF CMOS  te chnolog y .   Th e  low  n oise  amplifier  f unct ion  is  to   amplif y   ex tre m e l y   low  no ise  amplifi e r  withou t  a dding  noise   and   pre serving   re quire d  sign al   to  a  noise  ra ti o .   A  det ai l ed  m ethodolog y   and  a naly s is  tha t   le ads  to  a  low   power  LNA  are   bei ng  discus sed  throughout  thi s  pape r.   Induc ti v ely   deg ene ra te d  and  G m - boosted  topol og y   ar e  used  to  design  the  ci rc u it .   Design  spec ifica t ions  ar e  foc used  fo r  8 02. 11b/g/ n  I EEE  W ire l ess  LAN   Standa rds  with  ce nt er  fr eque nc y   of  2 . 4   GH z.   The   bes t  low  noise  amplifi er  prov id es  a  power  ga in (S 21)  of  19. 841  dB wi th  noise  fi gure   (NF )  of  1. 497  dB  using  t he  gm - boosted  t opolog y   while   t he  best  low  pow er  amplifier   dra wing  4. 19m W   power  from   a  1. 2V  vol ta g e  suppl y   using  th e  inductiv ely   dege ner ated.   Ke yw or d s :   CM OS   In te gr at ed   c irc uits   LNA   No ise   f ig ure     Copyright   ©   201 8   Instit ut e  o f Ad vanc ed   Engi n ee r ing  and  S cienc e .    Al l   rights re serv ed .   Corres pond in g  Aut h or :   Ma iz an  Mu ha m ad ,    Faculty  of Elec tric al  Engineer ing ,     Un i ver sit i Te knol og i M ARA ,  Sh a h Alam ,    Sela ngor, Mal a ysi a .   Em a il :  m ai zan@salam .u itm .e du.m y       1.   INTROD U CTION   The  fast  gro w th  of   wireless   com m un ic at i on   syst em   has  m ade  rad io  f reque ncy  integ rated  ci rc uit,  CM OS - base d  te chnolo gy,  a n  at tract ive  pac ka ge  f or  ra dio   tr ansceive r  f r on t - en d  ci rc uits  in   nu m erous  wir el ess  com m un ic at ion   syst em s.  In   t he  c omm un ic at ion   syst em ,  Low  noise   am plifie r  is  the   first   blo c k  of  recei ver  [ 1].  This  am plifie r  is  on e  of   a n  el ect ronic  am pli fier  tha t  us e d  to  am plify  ver y  weak   si gn al s.  Mob il e  ha ndphones   and   wireless  local   area  netw ork  ( WL AN)  com m un ic at ion   are  bec om ing   a  par t  of   our  da il y  li ves.   Design   of   LNA  in vo l ves  m any  trade - off s  betwee n  between   it s  requir e m ents.  Thiese   involve  getti ng  sim ultaneou s   high   gain,   l ow   noise   figure,  good   input  an d  out pu t  m at ching   and   unco ndit ion al   sta bili ty   at  the  lowest  possible   current  dr a w  f ro m   the  a m plifie r.   The  L N A  desig n  in  this  pap e r  use d  i nductivel y  deg e ne rated  to polo gy   with  Gm - boos te d  te chn i qu e  to  m ini m iz e the n o ise  f ig ur e  and  re duce the  po wer  consum ption  at  the sam e tim e.       2.   RESEA R CH MET HO D     Figure  1  pr es ents  the  ty pic al   inducti vely   de gen e rated  CM OS   L NA   topolo gy.T he  inducti vely   deg e ne rated  C MOS  L N A  ar e  ch os e n  be ca us e  it   is  widel y  us ed   an d  it s   low  noise   perform ance   [2 - 3] .  It  is   nowa days  us e d  bo t h  in  si ng le   and   m ulti - sta ndar d  tra ns cei ve rs  beca us e  of   t he  bette r  NF   a nd   t he  lo wer   powe r   consum ption   with  res pect  to  ot her   to polo gies  f or   narrow  ba nd  ap plica ti on s  [ 3 - 5].  I nductivel y  de ge ner at e d  casco de  L NA   consi sts  of  an  inpu t  sig nal  source  R Fin.  Th e  source  resist ance  Rs  of   50 Ω,  an  i nducta nc e  gate,   Lg,   s ource  i nducto r,   Ls ,  loa d  inducto r  L d,   add it io nal  cap aci tor  Ce xt.  L g  an d  Ls  are  us e d  to  m at ch  input   i m ped ance  wh i le   Ld  is  us e d  to  m at ch  ou tp ut  i m ped ance.  T he  LN A  desig ned   i n  thi s  pa pe r  us es  a  Gm - bo os t e d  te chn iq ue  str uc ture  with  inte r - sta ge  inducto rs  as  show n  in   Fig ure   2.   In   t his  ci rcu it   M1,   M2  are  the  casca de   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2502 - 4752   Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci,   Vol .  9 ,  No.  3 ,  Ma rc h   201 8   :   685   –   689   686   transisto rs,  M3   is  us e d  t o  buil d  the   bias   f or  t he  L N A,   L g  a nd  Ls  a re  us e d  f or   t he  i nput  m at ching .   Wh i le   Ld,   Lg  a nd Cext  ar e  the inte r - sta ge  co m po ne nts.           Figure  1.   Ci rcui t t op ol og y  of i nductivel y  degenerate d  L NA     In   t his  LN A  de sign,  the  s uitab le   value  of  in duct or,  L s   is  ch os e n.   T hen   t he   value  of   gm   a nd   C gs   are  cal c ulate d  to g i ve req uire d  Z in  [ 6]                                                   (1)                                                                   (2)     Deg e ne rati on  I nducto r  L s   ca n  be   f ound  by  usi ng  eq uatio n  2.   The n  the  op tim a l  Q  facto r  of  in du ct or  L s   can  be   cal culat ed by u sing eq uatio n 3 .                                  (3)     Op ti m al  Q  o f  Inducto r ,                               (4)                                        The val ue  of i nduct or Lg can   be  fou nd b y  usi ng  e quat io n 5.                                       (5)     Af te r  obta inin g  the g at e - s our ce  Ca pacit ance   and   t hen   t he  width, W  o f  t he   transisto r  can   be  f ound  by usi ng   t he  equ at io n bel ow;                                           (6)   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci     IS S N:  25 02 - 4752       Desig n of L ow  Power  Lo w  N oi se Ampli fi er usi ng Gm - boos t ed  Tec hniq ue   ( Maizan  Mu ha mad )   687                                        (7)     Wh e re,                                    an d                                       The n.  T he o ptim u m  N oise Figure ca n be est i m at ed  as b el ow:                                                                                    (8)       Gain - bo os ti ng  is  a  well - est a bl ished   te ch niqu e  that  us es  a nd   am plifie r  in  place  of  A( s )  t o  increase   the  dc   gai n  of   a  casca de  sta ge  [ 7 - 10 ] .  A  gm - boos te d  M OS   casca de  wi th  enh a nce d  ba ndwidt h  as  show n  in  F ig ure  2  ca n  increase t he  tra ns c onduct ance  of M2  by fa c to r of   [ 1  +  A( s )],                                               Figure  2. A  Gm - bo os te d Tec hn i qu e  Ci rcu it     Figure  3. I nduc ti vely  d ege ner a te d  L NA w it h  Gm - boos te d  Ci rcu it       In  orde r   t o  re du ce   the   eve n - orde r  ha rm on ic s  of  the   rec ei ver ,   the   LN A  is  nee ded  t o  act   as   a  sin gle - to - diff e re ntial   con ve rsion  as  we ll   [8 ] .  The  c ros s  connecti on  c an  be  us e d  in  a   fu ll y - di ff e ren t ia l  ci rcu it   to  prov i de   the  po la rity   of  the  feedback .   The  first  orde r  of   h ig h  pas s  respo ns e  can  be   prov i ded   by  us in g  a  sim ple   CR - sect ion   for  t he c ro ss  c onnecti on.                                       (9)     The fo rm ula f or fre qu e ncy  de pende nt tra ns c onduct ance  ca n be  ob ta in  b y  su bst it uting  e quat ion ( 2) int o (1).                                                 (10)     Th us ,                    w he n                     or  at   lo w  f reque ncy.  Wh i le   at   high  fr e quency                     ,                     .   T he  sc hem at i c  as  s how n  i n  Figure  3  is  the   com bin at ion  t echn i qu e   betw een  i nductivel y  de gen e rated   and   gm - boos te d.   B oth   te c hn i qu e s  are   us e d  in  one  ci rc uit  to  opti m iz e  the  resu lt   of   t he   gain  ba ndwidt h  an d  no ise  f act or.       3.          RESU L TS  A ND AN A LYSIS   Table  2  com par es  the   Scat te rin g  pa ram et er  gr a phs  ob ta i ne d  f r om   the  sim ula ti on   of  L NA  ci rcu it   desig n  util iz ing   inducti vely   de gen e rated  to polo gy  and  G m - boos te d  te chn i qu e s.  Wh at   sta nd s o ut  in  the  ta ble  is   that,  by  us i ng  Gm - boos te d  te chn i qu e   to  t he  inducti vely   de gen e rated   to polog y  the   gai n  obta ined   hi gh e r  wh ic h  is 1 9.841 dB .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2502 - 4752   Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci,   Vol .  9 ,  No.  3 ,  Ma rc h   201 8   :   685   –   689   688   Table  2. 1   Gr a ph C om par ison  of LNA  pe rform ance u si ng Gm - bo os te d t ech nique   Para m eter   Ind u ctiv ely  deg en erate d  top o lo g y  on ly   W ith  G m - b o o sted             S 11    an d  S 22                   S 21    an d  S 12                     No ise Fig u re  (NF)           The  outp ut  m a tc hin g  ci rc uit  does  not  cha ng e   the  bias  of   the   act ive  dev ic e.  It  is  ver y  easy   to  achieve   the  re quired   outp ut  m at ching   without  a ny  filt er  netw ork   at   the  outp ut  s ince  the  LN A  has  ver y  l ow  ou t pu t   i m ped ance .  Th e  gr ap h  of  S22   il lustrate s  the  induct ively   deg ene rated  L N A  m anag e  to  get  - 26 . 329  dB  instea d  of   t he  gm - boost ed  val ue  is  - 12. 260  dB.  The   ou t pu t  re ver se   isolat ion   is  ve r y  i m po rtant  c rite ria  to  e ns ure  bette r  sta bili ty   and   l ow e r  NF .   T he   sim ulate d  no i se  fig ures  of  the  L N A  to polog ie s   is  1.6 8  dB  f or  the   in duct ively   deg e ne rated   w hile  the  gm   boos te d  is  1.497   db.  T he   po wer  dissipati on  for  inducti vely   de gen e rated   to po log y  is   4.19   m W   w hile  for  gm - boos t ed  to po l og y  is  6.933  m W .  Ta ble  2  pr ese nts  the  com par iso n  of   L N A  desi gn  with   oth e r publi sh e d works.       Ta ble  2. 2   Pe rfor m ance co m par iso n wit h oth er  publishe d w orks   Ref erences   This  work     [ 9 ]   [ 1 0 ]   [ 1 1 ]   Ind u ctiv ely   d eg en erate d   Gm - b o o sted   Proces s tech n o lo g y   180nm   180nm   130nm   130nm   130nm   Frequ en cy  ( GHz )   1 .5 - 1 1 .7   1 .4 - 9 .5   1 .25 - 1 1 .34   2 .4 GHz   2 .4 GHz   Po wer  su p p ly   ( V)   1 .8   1 .8   1 .2   1 .2 V   1 .2 V   S 21  (dB )   1 2 .26   13   11   1 9 .16   1 9 .84   S 11   (dB )   - 8 .6   - 9 .5   - 11   - 1 8 .61   - 2 8 .02   S 2 2     (dB )   n .a   n .a   n .a   - 2 6 .32   - 1 2 .26   S 1 2     (dB )   - 26   n .a   - 35   - 3 7 .16   - 4 0 .00   No ise Facto r  (dB )   3 .74 - 4 .74   4 .3   2 .38 - 3 .4   1 .67   1 .49   Po wer  Diss ip atio n   ( m W )   1 0 .34   20   5 .8   4 .73   6 .19       Figure  4  s how s  the  la yout  design   of  the  c om bin at ion   be tween  in du ct iv el y  deg ene rated  an d  gm   boos te d  to po l ogy.  T he  siz e  of  this  la yout  is  693μm   x  723μ m .  All  the  com po nen t  c hose n  to  m ake  this  la yout   are  us in g  the  R FCM OS  tec hnology.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci     IS S N:  25 02 - 4752       Desig n of L ow  Power  Lo w  N oi se Ampli fi er usi ng Gm - boos t ed  Tec hniq ue   ( Maizan  Mu ha mad )   689       Figure  4. Lay out o f  L N A       4.          CONCL US IO N   The  desig n  of  low  powe r  L NA  we re  s uc cessf ully   i m pl e m ented  usi ng   Ind uctivel y  Deg e ne rate d  topolo gy  an d  gm - bo os te d  t opology.  The  L N A  desi gn   ac hieved   a  power   ga in  (S21)  of  19. 841  dB  with   no ise   fig ur e  ( NF )  of  1.497 dB  w hile al so  m anag e d l ow   powe r  at   4.1 9m W .         ACKN OWLE DGE MENT     This  w ork  is  f unde d  by  Mi ni stry  of   Higher   Ed ucati on   (M OH E )  under   t he  Re searc h  A ccult ur at io n  Coll aborati ve Eff or t  (RACE )  grant  N o.   600 - RM I/RACE 1 6/ 6/2 ( 2/20 15).       REFERE NCE S   [1]   A.  A  A m in,   M.  S.  Islam,  M.  A.  Masud,  M.  N.  H .   Khan.   Design  and  Per form anc e  Anal y sis  of  1. 8  GH z  Low  Noise   Am pli fie r  for  W ire l ess  Rec ei v er  Applic a ti on.   Ind onesian  Journal  of  El e ct rica l  En gine ering  and  C omputer  Sci ence .   Vol.   6 ,   No.   3,   June  2017,   pp.   656   ~ 662.   [2]   A.  N.  A .   Z .   B ad ri,   N .   M.   Noh,  S .   K.   Kunhi,   M.  A.  A.  Man af,  A.   Marz uki ,   M.   T .   Mus ta ffa .   Lay ou t  Eff ec ts   on  Hig h   Freque nc y   and  Noise  Para m et e rs  in  MO S FETs.   Indone sian  Jo urnal  of  El ectri cal   Engi n ee ring   and  Computer   Sci en ce.  Vol .   6 ,   No.  1,   April   201 7,   pp .   88   ~ 96   [3]   S.  Kum ar,   “ A  1 .   8V  and  2GH z In duct i ve l y  Deg en erate d  CMOS   Lo w  Noise Ampli f ie r,”   2012,   vol .   2,   no .   4 :   150 – 15 4.   [4]   K.  Pongot,  A.R   Othm an,   Z.  Z aka ri a  Z ,   M.K  Suaidi ,   A . H  Ham idon.   New  To polog y   LNA  Archi t ec tur e  usin g  Induc ti v e  Drai n  Feedba ck  Techn ique   for  W irele s s  Applic ation.   I ndonesia n  Journ al   of  E lectr i cal  Engi ne eri n g  and  Com pute r  Scie n ce .   Vol.   12,   No.   12,   De ce m ber   2 014,   pp .   8257 -   8 267   [5]   S.  Toofa n ,   A . R  Rahmati ,   A.  Abr ishamifar ,   G.R L ahi ji. Low powe r  and  h igh  g ai n   c urre nt  r euse   LNA     with  m odifi ed   in put  m at ch ing an d  inter - stageindu ct ors.  M ic roe le c t ronics  Journal .   2008. 39( 2):1534 - 1537.   [6]   S.  U.  shanka r  a nd  M.  D.  K.  dhas,   “ Design  and  Perform anc e  Mea sure  of  5. 4  G HZ  CMO S  Low   Noise  Am pli fier   Us ing  Curre nt  R euse   T ec hn ique   i n  0. 18μm   Techn olog y , ”   Proc edia Comput.   Sc i., vol.   47 ,   pp .   135 – 143,   2015 .   [7]   T.   Ngu y en,   C.   Kim ,   G.  Ih m ,   M .   Yang,   S .   Le e ,   and  A.  C.   N.  M.  Te chni qu e,   “ CMOS  Low - Noise   Ampli fi er  Desig n   Optimizati on  Te chni ques , ”  vo l. 5 2,   no .   5 ,   pp .   143 3 – 1442,   2004 .   [8]   A.  Dharm ik,   A .   Y.  Deshm ukh,   and  P.  S.   T embhurne,   “ Design  Me thodol og y  for   Induc t iv e ly  De gene rated   CMOS  Low   Noise  Ampl if ie r   for  2  . 47   GH z F reque nc y  at   0. 18μm   Techno l ogy  for T - Mat ch ing . , ”  pp .   37 – 42 ,   2014.   [9]   “ A  Design  Fl o w  for  Induc tive ly   Dege n erate d   LN A’  S  D.  Guerm andi,   E.  F ranchi,   A .   Gnu di  AR CES   -   DEIS  Unive rs it y   of   Bo logna  V ial e   R isorgimento  2 ,   401 26  Bologna,  I TALY, 2004, ”   pp .   6 15 – 61 8.   [10]   P.  Kav y ashre e  a nd  S.  S.   Yellam pal li,  “ The  Desi gn  of  Low   No ise   Amplifie rs   in   N anomete r  Techn ology   for  WiM A X  Appl ic a ti ons , ”  2 013,   vol .   3 ,   no .   1 0,   pp .   1 – 6.   [11]   M.  Hos sain,   A.  C.   Carusone ,   an d  I.   S. - S.   C.   Soc ie t y ,   “ A  19 - GH z  broadband  amplif i er  using  a  gm - booste d  casc od e   in  0. 18 - μm   CMO S , ”  I EEE  2006   C ust.  Int egr .   Cir cu it s Conf. CICC  2 006,   pp .   829 – 83 2.   [12]   H.  C.   Lee,  C.   S.  W ang,  and   C.   K.  W ang,   “ A  0 . 2 - 2. 6  GH z  wid e band  noise - r edu ct ion   Gm - boosted  LNA, ”  IE EE   Mic row.  W irel. Com ponent s Let t . ,   2012,   vol. 22,  no.   5 ,   pp .   269 – 2 71.   [13]   Y.  S.  Li n,   C.   Z.   Chen,   H.  Y.  Yang,   C.   C.   Chen,   J.  H.  Le e,   G.  W .   Huang,   and  S.  S.  Lu,   “ Anal y sis   and  design  of  a   CMO S  U W B  L NA   with  dual - RLC - bra nch  wid e band  input   m atc hing  net work, ”  I EE E  Tr ans.  Micr ow.  Theory  Tec h . ,   2010,   vol .   58 ,   no .   2 ,   pp .   287 – 296 , .   [14]   A.  Jam al khah  a nd  A.  Hakimi,   “ An  Ultra - W ide b and  Com m on  G at e  LNA  W it h  Gm - Boosted  and  Noise  Canc eli ng   Te chn ique s, ”  20 14,   vol .   2 ,   no .   2 ,   pp.   113 – 118 .   [15]   B  Guo  and  X  Li .   A  1. 6 – 9 . 7  GH z  CMO S  LN A  Li nea r iz ed  b y  Pos t  Distorti on  Te chn ique .   IEEE  Mic rowav e  a nd   Wirel ess  Compo nent s Let te rs .   20 13;  23(11):   608 - 610.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.