LNA ADC Galileo RFIC ADS Assignment

Desain Cascade Low Noise Amplifier dan Sigma Delta

ADC pada Reciever Satelit Galileo

Muhammad Husni Santriaji, Aji Widhi Wibowo

Institut Teknologi Bandung

[email protected], [email protected]

Abstract— In this paper the Cascade Low

Noise Amplifier (LNA) and Delta-Sigma

Analog Digital Converter (ADC) operating

with a center frequency of 1.200 GHz is

designed using ADS 2009. The LNA provides

a Gain of 29.434 dB with a noise figure of 1.8.

I. Pendahuluan.

Satelit Galileo merupakan satelit navigasi

yang dibuat oleh Uni Eropa dan European

Space Agency (ESA) [1]. Tujuan pembuatan

Galileo adalah untuk menyediakan layanan

navigasi yang akurat dan presisi untuk negara-

negara Uni Eropa. Independen sebagai

antisipasi kemungkinan terjadinya konflik

dengan negara penyedia layanan navigasi

lainnya. Satelit Galileo bekerja pada frekuensi

band E5 yakni antara 1.164 GHz sampai 1.215

GHz seperti digambarkan pada gambar 1.

Gambar 1. Frekuensi Kerja Satelit Galileo [2].

Sebuah satelit memiliki beberapa subsistem,

salah satunya ialah subsistem reciever. Low

noise amplifier (LNA) dan analog to digital

converter (ADC) merupakan salah satu bagian

terpenting dalam reciever. Keberhasilan sebuah

reciever diukur dari beberapa parameter, antara

lain gain, koefisien refleksi output dan noise

figure. Pada kesempatan kali ini dirancang LNA

yang bekerja pada aplikasi reciever satelit

Galileo.

II. Dasar Teori.

Gambar 2. Blok Diagram Reciever Satelit

GNSS.

1. Reciever Satelit Galileo.

Sistem reciever pada satelit Galileo dapat

dijabarkan pada gambar 2. Sub sistem ini terdiri

dari sebuah antena, sebuah filter, LNA, analog

to digital processing (ADC) dan (digital signal

processing) DSP. Antena berfungsi untuk

menangkap sinyal data yang masuk pada satelit,

filter berfungsi untuk memfilter noise, LNA

berfungsi untuk amplifier sinyal data, ADC

berfungsi untuk mengubah sinyal analog dari

LNA menjadi sinyal digital dan DSP berfungsi

untuk memproses sinyal digital.

2. Stabilitas LNA.

Kestabilan merupakan hal yang sangat

penting dalam LNA. Apabila sebuah LNA tidak

stabil, maka LNA akan bekerja sebagai sebuah

oscilator biasa [4]. Cara utama untuk

mengetahui kestabilan suatu LNA ialah dengan

menghitung nilai K, koefisien kestabilan dari s-

parameter pada frekuensi yang diinginkan.

| |

(1)

| <1 (2)

K dan |∆| memberikan indikasi apakah suatu

device stabil atau tidak. Suatu devais yang stabil

akan memberikan nilai K > 1 dan |∆| < 1.

3. Impedansi Matching LNA.

Sebuah LNA dapat dilakukan matching

untuk optimasi menyesuaikan dengan spec yang

ada. Sebuah LNA dapat dirancang untuk

mengutamakan power gain atau mengutamakan

aspek low noise [3].

a. Optimum Noise Match.

Matching untuk mendapatkan nilai noise yang

minimal dapat dilakukan dengan menambahkan

impedansi source pada input transistor.

Optimasi noise ( dapat didapatkan nilainya

dengan menurunkan persamaan di bawah ini.

(

)

b. Optimum Power Match.

Matching untuk mendapatkan nilai gain

yang maksimum dapat dilakukan dengan

menurunkan fungsi di bawah ini.

Unilateral case :

(4)

(5)

Bilateral case :

√

(6)

√

(7)

4. Noise Figure.

Total noise power terdiri dari gain noise

input yang masuk pada amplifier dan noise yang

dihasilkan oleh amplifier itu sendiri. Total noise

band width dapat dihitung dengan

menggunakan persamaan berikut ini.

NBW = ∫

(8)

Persebaran w dibatasi oleh komponen lain

dalam sistem, atau oleh gain respon dari

amplifier [4]. Noise figure dapat dihitung

menggunakan persamaan berikut.

F =

(9)

Total equivalent input current noise

merupakan jumlah dari kontribusi refleksi drain

noise dan noise pada induksi gate current.

Minimum noise figure dapat dihitung

menggunakan persamaan berikut.

(10)

Apabila tidak ada gate current noise, maka

minimum noise figure akan bernilai 0 dB.

5. Delta Sigma ADC.

Oversampling pada sigma-delta merupakan

teknik pengambilan cuplikan pada suatu

frekuensi yang lebih tinggi daripada sinyal yang

sedang diukur. Gambar 3 menunjukkan

Oversampling pada delta-sigma yang

dipergunakan untuk memindahkan derau/noise

hasil kuantisasi di luar frekuensi sinyal yang

diinginkan [5]. Bila noise telah dipisahkan dari

sinyal data, bandpass filter digunakan untuk

melewatkan frekuensi sinyal yang diinginkan

saja dengan demikian sinyal akan lebih mudah

dibersihkan.

Gambar 3. Perkiraan kuantisasi derau (noise)

pada Sigma-delta berada menjauh dari sinyal

berisi data.

Noise transfer function (NTF)

dipergunakan sebagai alat bantu menghitung

kuantisasi derau/noise yang dipindahkan. NTF

untuk Sigma-delta orde 1 adalah

nilai NTF ini akan naik secara kuadrat

dengan bertambahnya orde.

III. Metode Penelitian.

Simulasi dilakukan menggunakan software

ADS 2009. ADS 2009 merupakan suatu

software simulator yang berfungsi untuk

mendisain dan mensimulasi rangkaian RF dan

mixed sinyal. Software ini memudahkan

desainer untuk melakukan desain dan

penghitungan melalui fungsi-fungsi yang ada

serta simulasi s-parameter. Pada ADS2009

terdapat fungsi sopt yang berfungsi untuk

mendapatkan nilai optimal untuk penghitungan

optimum noise dan optimum gain.

IV. Hasil Eksperimen.

1. Menentukan spesifikasi LNA.

Spesifikasi untuk LNA diambil dari

spesifikasi reciever satelit Galileo, dimana

frekuensi kerja pada band e5a dan e5b yakni

pada frekuensi 1.164 GHz-1.215GHz yang

berarti memiliki bandwidth sebesar 51 MHz.

Gain pada LNA yang dibutuhkan oleh reciever

ialah 25 dB. Noise Figure yang dibutuhkan

haruslah dibawah 2.5 dB [6].

2. Menentukan transistor.

Transistor yang digunakan ialah AT 31033

[7]. Vce = 1v, Ic = 1 mA. Transistor ini

termasuk transistor BJT. Alasan pemilihan

transistor ini ialah frekuensi kerjanya pada 0-5

GHz dengan performa puncak pada 900MHz,

dekat dengan frekuensi kerja yang diinginkan

yakni pada frekuensi band 1.164 GHz dan 1.215

GHz, dengan frekuensi tengah 1.207 GHz.

AT31033 memiliki gain sebesar 15 dB yang

tidak mencapai gain minimal untuk sebuah

reciever satelit Galileo. Untuk menambah gain,

dirancang rangkaian cascade menggunakan

rangkaian ini sehingga memilik gain lebih dari

25 dB.

3. Verifikasi model.

Verifikasi model dilakukan untuk

membandingkan nilai s-parameter asli dari

datasheet dengan simulasi. Dari simulasi ini

dapat diketahui apakah transistor yang dipakai

sesuai dengan datasheet yang diberikan oleh

vendor.

Gambar 4. Simulasi Verifikasi Transistor.

Gambar 4 merupakan uji coba untuk

mendapatkan s-parameter Gambar 5

menunjukkan hasil plot nilai s-parameter pada

smithchart untuk frekuensi 0-5 GHz. Hasil uji

coba menunjukkan bahwa nilai s-parameter

antara komponen pada ADS dan datasheet

memiliki nilai yang sama.

Gambar 5. Plot nilai s-parameter pada

frekuensi 0 - 5GHz.

4. Plot Stabilitas.

Gambar 6. Simulasi plot kestabilan.

Gambar 6 menunjukkan simulasi untuk

mendapatkan plot stabilitas komponen

transistor. Gambar 7 menunjukkan nilai

komponen stabilitas pada transistor.

Tabel 1. Nilai K untuk frekuensi 0.1-1.7 GHz.

Nilai K masih di bawah 1 untuk frekuensi

1.2 GHz, oleh karena itu diperlukan rangkaian

stabilitas untuk mengeluarkan lingkaran

stabilitas menjadi di luar smith chart. Gambar 7

sebelah kiri menunjukkan bahwa pada frekuensi

1.2 GHz, lingkaran kestabilan masih

berpotongan dengan smith chart. Penambahan

stabilitas LNA dapat dilakukan dengan dua

cara, yakni dengan menambahkan resistor dan

menambahkan rangkaian induktor pada output

LNA. Penambahan rangkaian ini walaupun

mampu menggeser lingkaran ketidakstabilan

dari dalam smithchart menuju ke luar smith

chart, akan tetapi juga memiliki trade-off yakni

menurunkan nilai gain LNA. Pada LNA ini

ditambahkan resistor sebesar 33 ohm dan

induktor sebesar 22 nH. Dapat Gambar 7

sebelah kanan menunjukkan bahwa lingkaran

ketidakstabilan keluar dari smith chart setelah

diberi rangkaian tambahan berupa resistor dan

induktor.

Gambar 7. Lingkaran kestabilan sebelum diberi

rangkaian kestabilan (kiri), setelah diberi

rangkaian kestabilan (kanan).

5. Matching Rangkaian LNA.

Koefisien refleksi yang minimal pada

output dan gain yang maksimal pada LNA

didapat dengan impedance matching pada

rangkaian LNA. Titik awal pencarian nilai

rangkaian impedance matching dapat dilakukan

dengan mudah melalui pemanggilan fungsi sopt

pada ADS 2009.

Gambar 8. Plot sopt smith chart.

Gambar 8 menunjukkan hasil simulasi

untuk mendapatkan nilai sopt yang optimal pada

frekuensi 1.2 GHz. Dapat dilihat bahwa

diperoleh nilai sopt sebesar 0.7367 + j41.33.

Nilai ini dimasukkan pada design match 1,

yakni untuk mencari nilai induktor yang sesuai

pada impedansi input LNA. Untuk mencari nilai

induktor yang sesuai, dilakukan simulasi

menggunakan rangkaian pada gambar 9.

Gambar 9. Rangkaian pencari nilai induktansi

input.

Rangkaian terdiri dari sebuah terminal input

yakni terminal 1, sebuah induktor yang nilainya

divariasikan berdasarkan nilai sopt yang didapat

dari simulasi sebelumnya.

Gambar 10. Plot variasi nilai induktansi input.

Pada plot induktansi gambar 10, dipilih

nilai induktansi yang paling dekat dengan titik

pusat dan lingkaran Z0. Dalam hal ini, dipilih

nilai induktansi sebesar 24 nH. Kemudian

impedance matching dilanjutkan dengan

memilih nilai kapasitansi dengan percobaan

pada gambar 11.

Gambar 11. Simulasi untuk mencari nilai C.

Dari percobaan di atas, dihasilkan plot pada

gambar 12. Kemudian dipilih nilai kapasitansi

yang paling mendekati titik tengah smith chart

yakni nilai kapasitansi sebesar 4.25 pF.

Gambar 12. Plot variasi nilai kapasitansi.

Impedansi matching dilanjutkan dengan

impedansi pada output dengan metode yang

sama dengan impedansi matching. Nilai yang

didapat dari impedansi matching ini ialah C = 2

pF dan induktor dengan nilai 10 nH.

freq (1.200GHz to 1.200GHz)

Mat

ch1.

.S(1

,1)

L_value=1.000

L_value=2.000

L_value=3.000L_value=4.000L_value=5.000

L_value=6.000

L_value=7.000

L_value=8.000

L_value=9.000L_value=10.000L_value=11.000L_value=12.000L_value=13.000L_value=14.000L_value=15.000L_value=16.000L_value=17.000L_value=18.000L_value=19.000L_value=20.000

freq (1.200GHz to 1.200GHz)

Mat

ch1.

.S(1

,1)

freq (1.200GHz to 1.200GHz)

Matc

h2..S

(1,1

)

C_value=3.250

C_value=3.500

C_value=3.750

C_value=4.000

C_value=4.250

C_value=4.500

C_value=4.750

C_value=5.000

freq (1.200GHz to 1.000GHz)

Matc

h2..S

(1,1

)

Gambar 13. Rangkaian LNA first stage.

Gambar 13 menunjukkan rangkaian LNA

first order. Rangkaian ini memiliki nilai gain

sebesar 14.481 dB seperti ditunjukkan pada

gambar 13. Nilai gain ini masih berada di

bawah requirement sistem dimana gain yang

diinginkan ialah 25 dB. Oleh karena itu,

rangkaian ini ditambahkan dengan sebuah

transistor lagi secara cascade.

Gambar 14. Grafik Gain pada rangkaian

LNA first order.

Rangkaian cascade ditambahkan dengan

rangkaian kestabilan yang baru agar menjaga

lingkaran ketidakstabilan rangkaian LNA tetap

berada di luar smithchart. Selanjutnya ialah

menambahkan inductor secara parallel untuk

impedansi output. Proses impedansi output

rangkaian pada gambar 15 sama dengan proses

matching output pada rangkaian sebelumnya.

Gambar 15. Rangkaian simulasi matching

output induktor.

Hasil simulasi ditunjukkan pada gambar 16,

selanjutnya dipilih nilai induktansi yang paling

dekat dengan lingkaran pusat. Kali ini dipilih

nilai induktansi sebesar 18nH.

Gambar 16. Hasil simulasi matching

induktansi.

Langkah terakhir ialah matching output

dengan kapasitor yang dirangkai seri seperti

diperlihatkan pada gambar 17.

m3freq=dB(S(2,1))=14.481

1.200GHz

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.00.0 3.5

-30

-20

-10

0

10

-40

20

freq, GHz

dB

(S(2

,1))

Readout

m3m3freq=dB(S(2,1))=14.481

1.200GHz

Gambar 17. Rangkaian simulasi matching

output kapasitor.

Seperti pada matching sebelumnya, kali ini

dipilih plot nilai kapasitor yang paling dekat

dengan pusat smithchart. Nilai yang paling

sesuai ialah 1.75 pF seperti ditunjukkan pada

gambar 18.

Gambar 18. Hasil simulasi matching output

kapasitor.

Gambar 19. Rangkaian LNA cascade 2 order.

Gambar 20. Nilai koefisien refleksi input

(merah) dan output (biru).

Gambar 21. Grafik noise figure.

m2freq=dB(S(1,1))=-9.634

1.200GHz

m1freq=dB(S(2,2))=-38.707

1.200GHz

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.00.0 3.5

-30

-20

-10

-40

0

freq, GHz

dB(S

(1,1

))

Readout

m2

dB(S

(2,2

))

Readout

m1 m2freq=dB(S(1,1))=-9.634

1.200GHz

m1freq=dB(S(2,2))=-38.707

1.200GHz

Gambar 22. Grafik Gain Rangkaian Cascade.

Hasil akhir rangkaian LNA cascade 2 stage

ditunjukkan pada gambar 19. Pada gambar 20,

terlihat nilai koefisien refleksi pada desain

rangkaian setelah dilakukan cascade. Pada LNA

first stage, koefisien regleksi bernilai -19,649

dB setelah dilakukan cascade menjadi -38,707

dB. Nilai koefisien refleksi untuk output pada

rangkaian cascade lebih rendah. Rendahnya

nilai refleksi output ini berarti bahwa amplitudo

gelombang yang dipantulkan oleh rangkaian

rendah sehingga rangkaian lebih efisien dan

power gain lebih besar.

Gain pada rangkaian cascade mencapai

29.434 dB, lebih besar daripada rangkaian LNA

first order. Nilai ini telah memenuhi

requirement dari receiver satelit Galileo. Nilai

noise figure pada rangkaian cascade ialah 1.814

juga telah memenuhi minimum requirement

yang sebesar 2.5. Tabel 2 menunjukkan

persebaran nilai K pada berbagai frekuensi.

Pada frekuensi tengah 1.2 GHz, K bernilai

1.519 yang berarti lebih dari 1. Hal ini

menunjukkan bahwa rangkaian dalam kondisi

stabil.

Tabel 2. Sebaran nilai kestabilan K pada

rangkaian Cascade.

6. Delta-sigma ADC Orde 3.

Rangkaian Delta-sigma orde 3

menghasilkan output tegangan yang ditunjukkan

pada gambar 23. Kuantisasi sinyal memiliki

resolusi yang lebih tinggi dengan semakin

besarnya orde dan semakin rendah dengan

semakin kecilnya orde.

Gambar 13. Persebaran teganagn keluaran

Sigma-delta ADC pada domain frekuensi.

freq

100.0 MHz200.0 MHz300.0 MHz400.0 MHz500.0 MHz600.0 MHz700.0 MHz800.0 MHz900.0 MHz1.000 GHz1.100 GHz1.200 GHz1.300 GHz1.400 GHz1.500 GHz1.600 GHz1.700 GHz1.800 GHz1.900 GHz2.000 GHz2.100 GHz2.200 GHz2.300 GHz2.400 GHz2.500 GHz2.600 GHz2.700 GHz2.800 GHz2.900 GHz3.000 GHz

StabFact1

16384.773890.282166.660

54.55826.753

9.8404.6922.9062.3051.7821.6161.5911.6401.7371.8771.8271.8021.7961.8681.9481.9261.9111.9021.8991.8741.8521.8331.8191.8081.801

Gambar 24. Rangkaian Delta-sigma orde 3.

7. Band-pass Filter

Setelah keluaran dari Sigma-delta ADC, sinyal

perlu disaring kembali dengan menggunakan band-

pas filter (BPF) untuk melewatkan frekuensi yang

diinginkan saja yaitu pada kisaran 1164MHz

hingga 1214MHz.

Gambar 25. Rangkaian band-pass filter. C1 = 0.1

pF; L1 = 0.31 uH; C2 = C3 = 62.4 pF

Gambar26. Output tegangan Sigma-delta orde 2

setelah melalui BPF.

Gambar 27. Output tegangan Sigma-delta orde 3

setelah melalui BPF.

V. Kesimpulan.

Telah dibuat rancangan LNA cascade second

order yang memenuhi requirement receiver satelit

Galileo. LNA cascade memiliki nilai gain lebih

besar dibanding LNA first order, serta memiliki

nilai koefisien refleksi lebih kecil. Namun

demikian pertambahan tersebut dibayar dengan

trade-off noise figure yang lebih besar. LNA

cascade memiliki karakteristik berupa gain 29,434

dB, noise figure sebesar 1,814 dan koefisien

refleksi output sebesar -38,707 dB.

VI. Daftar Pustaka.

1. What is Galileo? http://www.esa.int/

Our_Activities/Navigation/ The_future_-

_Galileo/ What_is_Galileo, diakses tanggal 29

Mei 2014.

2. Ucar, A., "A Subsampling Delta-Sigma

Modulator for Global Navigation Satellite

Systems." Wesminter Research, 2010.

3. Kumar, P.R., "Design of L‐Band Low Noise

Amplifier". 2010.

4. Gonzalez, G., "Microwave Transistor

Amplifiers: Analysis and Design", Prentice

Hall, 1984.

5. Baker, Bonnie. How delta-sigma ADCs work,

Part 1. Texas Instrument Online Article.

Diakses 26 Mei 2014.

6. Kumar R., Kumar M., and Srivastava V. M.,

"Design and Noise Optimization of RF Low

Noise Amplifier for IEEE Standard 802.11 A

WLAN", International Journal of VLSI design

& Communication Systems (VLSICS) Vol.3,

No.2, April 2012.

7. Avago Technology, "AT-31011, AT-31033

Low Current, High Performance NPN Silicon

Bipolar Transistor" Datasheet, Avago

Technology, 2009.