This thesis deals with two kinds of RF CMOS low noise amplifiers (LNA). The low power LNA and the image-reject LNA. The impact of gain, noise figure, and stability on RF CMOS image-reject LNA has been studied. Through this study, the fundamental properties of image-reject LNA can be understood by a simple but physical concept. A current-reuse RF CMOS source-degenerated cascode LNA is also presented, which adopts a combination of source-degenerated NMOS inverter and Cascode topology to improve gain and noise figure, the existent and well-studied technique from the design standpoint, makes optimization of the stage easy. A modification of the proposed architecture is also presented, which adopts internal filters to achieve the image rejection without additional image-reject filters that degrade both noise figure and power consumption. It will be a good candidate for low power implementation of CMOS RF-IC. Both circuits¡¦ parameters except noise figures are simulated using TSMC 0.25 um RF CMOS component models. The noise models considered here include induced gate noise, thermal noise and shot noise [5]. The current-reuse source-degenerated NMOS inverter LNA noise figure is 0.7 dB, forward gain is 16 dB, and IIP3 is -15 dBm. The low power image-reject LNA noise figure is 0.7 dB, forward gain is 16 dB, IIP3 is -16 dBm, and image rejection is 20 dB at 1.6 GHz. Both LNAs operate at 2.4 GHz and consume about 6 mA under a 2.5 V voltage supply.

Este trabalho apresenta o projeto de um bloco LNA-Misturador dentro de um mesmo circuito integrado para aplicações em um receptor Bluetooth 2;45GHz. Uma estratégia de projeto bem clara, concisa e com uma boa base física e matemática foi desenvolvida para auxiliar o processo de projeto de um bloco LNA-Misturador, composto por um LNA cascode em cascata com um misturador de chaveamento de corrente com entradas simples e degeneração indutiva nas fontes dos estágios de transcondutância. Esta estratégia foi adaptada de trabalhos apresentados na literatura. A estratégia de projeto proposta considera o compromisso entre ruído, linearidade, ganho, dissipação de potência, casamento de impedâncias e isolamento de portas, usando as dimensões dos dispositivos e condições de polarização como variáveis de projeto. Com base nesta estratégia se obteve um bloco LNA-Misturador que atinge algumas especificações propostas. Um bloco LNA-Misturador foi projetado e fabricado em uma tecnologia CMOS 0;35µm para validar a estratégia de projeto proposta. Além disso, para atingir os objetivos, durante o desenvolvimento deste trabalho foi dada atenção especial no projeto dos indutores. Foi projetado, fabricado e medido um chip de teste. Para tal fim foram aplicadas técnicas e estruturas de de-embedding nas medidas para conseguir resultados mais confiáveis. Os resultados experimentais obtidos para os indutores e os resultados preliminares do bloco LNA-Misturador s~ao satisfatórios de acordo com as especificações e os esperados das simulações. No entanto, os indutores integrados degradam significativamente o desempenho do bloco LNA-Misturador. Se forem usados processos de fabricação nos quais os indutores apresentem melhor desempenho, os resultados do bloco LNA-Misturador aplicando a estratégia de projeto desenvolvida neste trabalho podem ser melhorados. Finalmente, é importante ressaltar que a estratégia de projeto proposta neste trabalho já está sendo usada e adaptada em outros projetos com o propósito de melhorar os resultados obtidos, e conseguir auxiliar o processo de projeto deste tipo de blocos. / This work presents a fully integrated LNA-Mixer design for a Bluetooth receiver application at 2:45GHz. A concise design strategy with good physics and mathematics basis was developed to assist the design process of a LNA-Mixer block, formed by a cascode LNA in cascade to a single balanced current commutation Mixer with inductive degeneration. This strategy was adapted from literature and considers the trade-offs between noise, linearity, gain, power dissipation, impedance matching and ports isolation, using the device dimensions and bias conditions as design variables. Based on this strategy, the proposed LNA-Mixer design specifications were achieved. To validate the proposed design strategy, the LNA-Mixer were fabricated in a 0:35µm CMOS process. Furthermore, to achieve the specifications, during the development of this work a special attention to the RF CMOS inductors was given. A test chip was designed, fabricated and measured applying de-embedding structures to obtain more reliable results. The experimental results obtained for the inductors and the preliminary results for the LNA-Mixer are satisfactory compared to the specifications and as expected from simulations. However, the integrated inductors degrade the performance of the block significantly and if a manufacturing process in which the inductor has better performance is used, the resulting LNA-Mixer design applying the strategy developed in this work can be improved. Finally, it is important to highlight that the design strategy proposed in this work is already being used and adapted in other designs in order to improve the results, and to assist the design process of such blocks.

Este trabalho apresenta o projeto de um bloco LNA-Misturador dentro de um mesmo circuito integrado para aplicações em um receptor Bluetooth 2;45GHz. Uma estratégia de projeto bem clara, concisa e com uma boa base física e matemática foi desenvolvida para auxiliar o processo de projeto de um bloco LNA-Misturador, composto por um LNA cascode em cascata com um misturador de chaveamento de corrente com entradas simples e degeneração indutiva nas fontes dos estágios de transcondutância. Esta estratégia foi adaptada de trabalhos apresentados na literatura. A estratégia de projeto proposta considera o compromisso entre ruído, linearidade, ganho, dissipação de potência, casamento de impedâncias e isolamento de portas, usando as dimensões dos dispositivos e condições de polarização como variáveis de projeto. Com base nesta estratégia se obteve um bloco LNA-Misturador que atinge algumas especificações propostas. Um bloco LNA-Misturador foi projetado e fabricado em uma tecnologia CMOS 0;35µm para validar a estratégia de projeto proposta. Além disso, para atingir os objetivos, durante o desenvolvimento deste trabalho foi dada atenção especial no projeto dos indutores. Foi projetado, fabricado e medido um chip de teste. Para tal fim foram aplicadas técnicas e estruturas de de-embedding nas medidas para conseguir resultados mais confiáveis. Os resultados experimentais obtidos para os indutores e os resultados preliminares do bloco LNA-Misturador s~ao satisfatórios de acordo com as especificações e os esperados das simulações. No entanto, os indutores integrados degradam significativamente o desempenho do bloco LNA-Misturador. Se forem usados processos de fabricação nos quais os indutores apresentem melhor desempenho, os resultados do bloco LNA-Misturador aplicando a estratégia de projeto desenvolvida neste trabalho podem ser melhorados. Finalmente, é importante ressaltar que a estratégia de projeto proposta neste trabalho já está sendo usada e adaptada em outros projetos com o propósito de melhorar os resultados obtidos, e conseguir auxiliar o processo de projeto deste tipo de blocos. / This work presents a fully integrated LNA-Mixer design for a Bluetooth receiver application at 2:45GHz. A concise design strategy with good physics and mathematics basis was developed to assist the design process of a LNA-Mixer block, formed by a cascode LNA in cascade to a single balanced current commutation Mixer with inductive degeneration. This strategy was adapted from literature and considers the trade-offs between noise, linearity, gain, power dissipation, impedance matching and ports isolation, using the device dimensions and bias conditions as design variables. Based on this strategy, the proposed LNA-Mixer design specifications were achieved. To validate the proposed design strategy, the LNA-Mixer were fabricated in a 0:35µm CMOS process. Furthermore, to achieve the specifications, during the development of this work a special attention to the RF CMOS inductors was given. A test chip was designed, fabricated and measured applying de-embedding structures to obtain more reliable results. The experimental results obtained for the inductors and the preliminary results for the LNA-Mixer are satisfactory compared to the specifications and as expected from simulations. However, the integrated inductors degrade the performance of the block significantly and if a manufacturing process in which the inductor has better performance is used, the resulting LNA-Mixer design applying the strategy developed in this work can be improved. Finally, it is important to highlight that the design strategy proposed in this work is already being used and adapted in other designs in order to improve the results, and to assist the design process of such blocks.

No / 5th Generation mobile networks (5G) and mobile communications technologies beyond 2020 will need to be energy aware so as to support services that are likely to be intelligent and bandwidth hungry, as well as to support multi-mode operation (LTE, LTE+, HSDPA, 3G among others) in a HetNet environment. This imposes stringent design requirements on the RF transceiver, a key consumer of power in networks today. This chapter will investigate the key RF subsystems forming part of the 5G RF transceiver, where energy efficiency and full radio flexibility are at the forefront of system design. In particular, we target advanced designs on antenna systems, RF power amplifiers and the challenges facing cross-talk in MIMO architectures.