Análise da técnica de cancelamento de ruído em circuitos analógicos

Abstract

O trabalho desenvolvido tem como objetivo realizar uma análise da técnica de cancelamento de ruído proposta por Bruccoleri (2003), empregada em Amplificadores de Baixo Ruído (LNA), utilizados como primeiro componente de um receptor de radiofrequência sem fio, logo após a antena. O circuito usa tecnologia CMOS de 130 nm, tem topologia diferencial e largura de banda de 50 MHz a 1 GHz. A técnica permite que haja cancelamento de ruído na saída do dispositivo de casamento, usando realimentação resistiva, sem que haja degradação na transferência do sinal. Utilizando-se a ferramenta de simulação de circuitos Ngspice, analisam-se diversos aspectos do circuito, como sua resposta em frequência, que apresenta ganho de aproximadamente 12 dB na frequência de 50 MHz, escolhida para os sinais de entrada nas simulações. Através dos valores de transcondutância dos transistores, é feito o cálculo do ruído térmico para cada dispositivo do circuito. A relevância da contribuição de cada transistor para o ruído na saída é investigada. A partir da modelagem do ruído de um MOSFET como uma fonte de tensão em série com a porta, aplica-se ruído térmico nos transistores do circuito e, posteriormente, aplica-se ruído flicker e térmico concomitantemente. Averigua-se que o emprego da técnica reduz a figura de ruído na saída do LNA. Uma simulação é realizada para verificar a crítica de Pospieszalski (2014) à técnica de redução de ruído, indicando que o ruído térmico induzido na porta não é cancelado através da técnica. Constata-se que a potência do ruído na saída do LNA é aproximadamente três vezes maior para o ruído de porta, se comparado ao ruído de dreno. A técnica de cancelamento de ruído se mostra eficiente, portanto, para reduzir o ruído de dreno, mas deve-se atentar para o ruído térmico induzido na porta, que pode ser significativo em circuitos operando em altas frequências.

This work aims to analyze the noise cancelling technique proposed by Bruccoleri (2003) applied to Low Noise Amplifiers (LNA), which are widely used as the first component of a wireless radiofrequency receptor, right after the antenna. The circuit has a diferential topology and uses 130 nm CMOS technology, covering the frequency range from 50 MHz to 1 GHz. The technique allows the noise cancelling on the output of the matching device, using a resistive feedback, without degrading the signal transference. Using the circuit simulation program Ngspice, many aspects of the circuit are analyzed, such as its frequency response, which shows a gain of approximatelly 12 dB on the frequency of 50 MHz, that was the frequency chosen for the input signals. The calculation of the thermal noise for each device of the circuit is performed using their respective transconductance. The relevance of the contribuition of each transistor to the output noise is investigated. Modelling a MOSFET noise as a voltage source in series with the gate, thermal noise is applied to the transistors and, after that, both flicker noise and thermal noise are applied concomitantly. It is revealed that the usage of the technique reduces the noise figure at the LNA output. A simulation is performed to verify the criticism of Pospieszalski (2014) to the noise reduction technique, which indicates that the thermal noise induced on the gate is not cancelled by the technique. It is revealed that the noise power on the output of the LNA is approximately three times bigger for the gate noise, compared with the drain noise. Therefore, the noise cancelling technique is efficient reducing the drain noise, but one must be aware of the induced gate noise in circuits operating at high frequencies.