Pienikohinaisen vahvistimen suunnittelu GNSS-järjestelmiä varten

Abstract

Tässä työssä suunniteltiin pienikohinainen vahvistin, joka voidaan asentaa koaksiaalikaapelin sisälle. Vahvistimessa tuli olla vain neljä nastaa, joten käyttöjännite tuli tuoda RF-ulostulon kautta piirille. Työssä myös tutkittiin, onko pienemmästä CMOS-valmistusprosessista hyötyä vahvistimen suorituskyvylle. Lisäksi tutkittiin käyttövirran ja tulokelan Q-arvon vaikutusta vahvistimen kohinalukuun.

Työssä perehdyttiin pienikohinaisen vahvistimen suunnitteluun ja suunniteltiin kaksi pienikohinaista vahvistinta satelliittipaikannusjärjestelmille, joiden käyttötaajuus on 1575 MHz. Vahvistimet perustuvat lähdedegeneroituun kaskadikytkentään. Vahvistimet pyrittiin suunnittelemaan suorituskykyvaatimusten mukaisesti. Vahvistimien komponentit integroitiin IC-piirille, jotta ulkoisia komponentteja ei tarvittaisi. Suunnittelussa pyrittiin huomioimaan mahdollisimman paljon parasiittisiä komponentteja, jotta simulaatio- ja mittaustulokset vastaisivat toisiaan. Ensimmäinen vahvistin valmistettiin 180 nm:n ja toinen 110 nm:n CMOS ZeroCap -prosessilla.

Ensimmäisen vahvistimen käyttötaajuudeksi mitattiin 1470 MHz. Vahvistimen vahvistukseksi mitattiin 16,4 dB ja kohinaluvuksi 1,04 dB, kun käyttöjännite oli 2 V ja käyttövirta 6 mA. Toisen vahvistimen vahvistukseksi simuloitiin 17,3 dB ja kohinaluvuksi 0,77 dB, kun käyttöjännite oli 1,9 V ja käyttövirta 5,5 mA. Vahvistimen kohinaluvuksi simuloitiin 0,44–0,6 dB, kun käytössä oli ulkoinen tulokela, jonka Q-arvo oli 90–38.

Mittaustulosten perusteella ensimmäisestä vahvistimesta pitäisi tehdä toinen versio, jotta käyttötaajuus saataisiin oikealle taajuudelle ja suorituskyky mahdollisesti voisi parantua. Mittaustuloksia toisesta vahvistimesta ei tässä työssä esitellä aikataulullisista syistä, mutta oletus on, että vahvistimen suorituskyky on parempi kuin ensimmäisen. Kohinaluvun parantamiseksi olisi myös järkevää siirtyä käyttämään ulkoista kelaa, ellei sisäisen kelan Q-arvoa saada parannettua.

The main objective of this thesis was to design a low noise amplifier which can be installed inside a coaxial cable. The specifications for this low noise amplifier are that the supply voltage should bring through RF output to the circuit because the amplifier can have only four pins. The second objective of this thesis was to discover whether the amplifier performance benefits from a smaller CMOS manufacturing process. The final objective was to study the effect of operation current and input coil Q value on the noise figure of the amplifier.

The theoretical part of this thesis introduces and discusses low noise amplifier design was studied. In the practical part of this thesis, two low noise amplifiers for 1575 MHz were designed for Global Navigation Satellite Systems. The amplifiers were based on source degenerated cascade circuits and were designed on specification. The amplifier components were integrated to the IC circuit so that any external components would not be necessary. Parasitic components were designed in such a way that simulation and measurement results would match. The two amplifiers were manufactured with the 180 nm and the 110 nm CMOS ZeroCap process respectively.

The first amplifier was measured at the 1470 MHz frequency. The measured gain of the first amplifier was 16,4 dB and the noise figure was 1,04 dB when the operation voltage was 2 V and the current 6 mA. The simulated gain of the second amplifier was 17,3 dB and the noise figure was 0,77 dB when the operation voltage was 1,9 V and the current 5,5 mA. The simulated noise figure of second amplifier was 0,44–0,6 dB with an external coil whose Q value was 90–38.

The second version of the first amplifier should be designed and manufactured based on the measured results in order to improve its performance. Based on the simulation results, the assumption is that the second amplifier’s performance is better than that of the first amplifier. Using an external coil with high Q value should be considered for lower noise figures if the Q value of the internal coil cannot be improved.