O amplificador com baixo ruído (LNA) é o um dos componentes mais críticos no design de um Front-End. De acordo com a equação de Friis (ELLINGER, 2007), a figura de ruído de um receptor é primariamente estabelecida pelo seu primeiro estágio de ganho. Por isso, o LNA deve apresentar uma figura de ruído baixa e um ganho considerável.
Para implementar o ganho de 49 dB requerido pelo sistema, utiliza-se um LNA com vários estágios de amplificação. Uma arquitetura do tipo cascode é empregada em todos os estágios a fim de garantir uma boa isolação entre entrada e saída. Para assegurar a figura de ruído mais baixa possível e facilitar o casamento de impedância de entrada, o primeiro estágio do LNA utiliza uma indutância de degeneração e um tanque LC como carga. Para se atingir o restante do ganho necessário, os demais estágios do amplificador de entrada apresentam uma carga resistiva, que fornece um bom ganho com um ruído aceitável.
A seguir, as principais técnicas de design de um LNA indutivo são brevemente apresen- tadas e por fim uma topologia é escolhida para servir como referência do primeiro estágio do LNA. Após isso, o segundo estágio é detalhado e seu circuito definido. Finalmente, o conversor de entrada simples para diferencial é determinado.
4.1.1 Técnica CNM - Classical Noise Matching
Na técnica CNM, o LNA é projetado para exibir a mínima figura de ruído possível, apresentando-se ao amplificador uma impedância de ruído ótima Zopt (HAUS et al., 1960). Como exposto na Figura 11a, a impedância ótima pode ser alcançada com um circuito de casa- mento de impedância entre a entrada do amplificador (Zin) e a fonte de sinal (Zs). Apesar dessa técnica permitir alcançar a menor figura de ruído possível, o amplificador verifica ainda uma perda significativa de transferência de potência devido ao descasamento geralmente encontrado entre o Zopt e o Zin∗ (LEE, 2004).
4.1.2 Técnica SNIM - Simultaneous Noise and Input Matching
Felizmente, técnicas de realimentação, como a mostrada na Figura 11b, podem ser apli- cadas a fim de mover o Zopt para qualquer ponto desejado. Isso permite que o casamento de
ruído ocorra simultaneamente com o casamento de impedância de entrada, maximizando a transferência da potência e minimizando o NF. Entretanto, essa condição é satisfeita sob o custo de transistores de grande tamanho e alto consumo de energia (BONFIM, 2010).
(a) Técnica CNM (b) Técnica SNIM
Figura 11 – Técnicas de Projeto de LNA
4.1.3 Técnica PCNO - Power-Constrained Noise Optimization
Uma outra técnica permite que o SNIM seja realizado com um consumo de energia limitado. Foi mostrado em (LEE, 2004) que para uma dada corrente, existe um tamanho de transistor em que o NF do amplificador se aproxima do mínimo. Em outras palavras, é possível otimizar a figura de ruído em circuitos que apresentam uma potência limitada. Para tanto é necessário achar uma polarização que minimize o ruído a uma dada corrente.
4.1.4 LNA Indutivo Escolhido
As técnicas PCNO e SNIM apresentam desempenho de ruído semelhantes, mas con- sumo de energia diferentes. Apesar da PCNO ser mais econômica em potência, a SNIM é mais amplamente utilizada para aplicações narrowband e é a escolhida para o projeto do LNA cas- codecom degeneração e carga LC. No entanto, várias combinações de polarização serão testa- das até que um compromisso entre consumo e NF seja encontrada.
Dessa forma, a Figura 11b apresenta a topologia de LNA indutivo que mais se ajusta aos requisitos do projeto.
4.1.5 LNA Resistivo Escolhido
Para contemplar o ganho de 49 dB requerido para o FE, o LNA conta com vários es- tágios de amplificação. O primeiro deles, como visto na seção anterior, garante um NF baixo,
sendo que os demais devem assegurar o ganho restante. Esta seção se destina, portanto, a uma breve explanação sobre o LNA com carga puramente resistiva.
Uma topologia de carga resistiva apresenta uma série de desvantagens para a aplicação em questão: comportamento wideband inerente; redução na excursão de tensão entre a alimen- tação e o dreno do transistor cascode devido ao resistor de carga; inserção de ruído no sinal; e diminuição do ganho. Por outro lado, existem alguns incentivos característicos à utilização dessa carga: aumento da estabilidade do amplificador; aumento da linearidade; simplicidade de designe menor área ocupada em chip. Além disso, a utilização de resistores em circuitos inte- grados é muito menos problemática que a de indutores, que são componentes maiores e mais complexos (BONFIM, 2010).
Portanto, o LNA de carga resistiva (Figura 12) é escolhido para compor os demais es- tágios do amplificador do FE, graças à sua simplicidade, médio ganho e relativamente baixo consumo e ruído.
Figura 12 – Topologia Escolhida para os Estágios de Ganho do LNA.
4.1.6 Conversor de Entrada Simples para Saída Diferencial
Ainda como parte integrante do LNA, o conversor de entrada simples para saída dife- rencial, ou simplesmente conversor, é discutido a seguir. Poder-se-ia argumentar sobre a real necessidade de se utilizar um conversor desse tipo, mas para simplificar o design e eliminar o uso de um balun externo (o que adicionaria perda no desempenho) (KO et al., 2005), o LNA é mantido com entrada simples e somente os misturadores apresentam arquitetura diferencial (mais detalhes na Seção 4.2). Logo, há uma necessidade de se converter a entrada simples para uma saída diferencial.
A arquitetura escolhida para esse conversor é simples e utiliza uma compensação ca- pacitiva para fornecer o balanceamento em fase e amplitude (LAI et al., 2010). Na Figura 13,
é possível verificar que os ramos positivo (OUT4+) e negativo (OUT4−) são basicamente os amplificadores resistivos descritos na seção anterior, mas com o capacitor (Cp) promovendo o acoplamento AC entre eles.
Figura 13 – Conversor de Entrada Simples para Saída Diferencial.
Por último, apesar dessa topologia servir muito bem com um conversor simples para diferencial, ela não suprime não-linearidades de segunda ordem, como circuitos completamente balanceados o fazem (BAGHERI et al., 2006). Isso, contudo, não deve ser um problema, uma vez que essas distorções são mais comuns em receptores de arquitetura Zero-FI.