KR100423400B1 - Ｃｍｏｓ 소자를 이용한 직접변환방식 튜너 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고주파대역의 방송신호를 베이스밴드의 I,Q신호로 변환하는 회로부를 CMOS공정에 의해 하나의 칩으로 구성하여, 제조비용을 현저히 저감시켜 가격경쟁력을 확보할 수 있는 ＣＭＯＳ 소자를 이용한 직접변환방식 튜너를 제공하기 위한 것으로서, 본 발명은 고주파방송신호를 베이스밴드의 I/Q신호로 변환출력하는 튜너에 있어서, 고주파방송신호를 베이스밴드의 I/Q신호로 각각 변환하는 제1,2믹싱회로와, 상기 제1,2믹싱회로로부터 출력된 신호에서 선택된 주파수대역신호만을 통과시키는 제1,2가변통과필터와, 상기 제1,2믹싱회로에 발진신호를 인가하는 전압제어발진회로와, 상기 전압제어발진회로의 발진주파수를 조정하는 PLL이 CMOS로 단일 칩화되어 형성되는 것이다.

Description

ＣＭＯＳ 소자를 이용한 직접변환방식 튜너{DIRECT CONVERSION TYPE TUNER FOR FABRICATING BY CMOS}

본 발명은 고주파대역의 방송신호를 베이스밴드의 I,Q신호로 변환하는 튜너에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 고주파 방송신호를 베이스밴드의 I,Q신호로 변환하는 회로부를 CMOS공정에 의해 하나의 칩으로 구성하여 제조공정 및 비용을 줄일 수 있는 ＣＭＯＳ공정으로 제작된 직접변환방식 튜너에 관한 것이다.

현재, 튜너에서 사용되는 변환방식은, 이중변환(double conversion)방식과 직접변환(direct conversion)방식 두가지 방법이 주로 쓰이고 있다.

이중에서 이중변환방식은 고주파(RF)방식신호를 해당 고주파신호대역보다 낮은 중간주파수(1차중간주파수)로 주파수변환을 한후, 다시 2차중간주파수로 주파수변환하는 것으로서, 이에 고주파방송신호를 베이스밴드신호로 낮추어 처리하게 된다. 이런 이중변환방식 튜너는 지금까지 실리콘(silicon)기판 위에 1차주파수변환부, 2차주파수변환부를 각각 하나의 IC로 구현하여, 2칩 2패키지로 구성하고 있으나, 점차적으로 1칩 1패키지화하여 구성을 간략하게 하고 있다.

그러나, 이 방법은 앞서 설명한 바와 같이 두단의 변조과정을 거치기 때문에 회로를 구성하는 소자의 수가 기본적으로 많고, 그에 따라서 부가되는 응용회로가 복잡해지는 단점이 있다.

또 다른 방식인 직접변환방식은 한번의 변조과정을 통해 고주파신호가 바로 베이스밴드신호로 변환되는 것으로서, 도 1에 그 구성을 보인다.

도시된 바와 같이, 종래의 직접변환방식 튜너는 커넥터(200)를 통해 입력된 광대역(broadband)의 고주파방송신호중 신호대역보다 높은 주파수의 잡음신호를 제거하는 저역통과필터(201)와, 수신강도의 세기에 따라서 상기 저역통과필터(201)를 통과한 고주파방송신호의 이득을 조절하는 자동이득조절기(202)와, 상기 자동이득조절기(202)로부터 출력되는 이득조절된 고주파방송신호를 소정 레벨로 증폭시키는 고주파증폭기(203)와, 상기 고주파증폭기(203)로부터 인가된 고주파방송신호를 중간주파신호와 혼합하여 베이스밴드신호로 변환하는 주파수변환기(210)와, 상기 주파수변환기(210)의 전압제어발진회로를 동작시키기 위한 PLL회로(220)와, 상기 주파수변환기(210)의 출력신호중 베이스밴드의 주파수변환신호를 통과시키는 필터(230)와, 주파수변환된 베이스밴드신호의 이득을 조절하는 중간주파이득조절기(207)로 이루어진다.

상기에서, 주파수변환기(210)는 상기 고주파증폭기(203)로부터 인가되는 고주파방송신호를 증폭하는 저잡음증폭회로(211)와, 저잡음증폭회로(211)의 출력신호를 중간주파신호와 혼합하는 혼합회로(212)와, 방송신호의 넓은 대역폭을 만족시키기 위한 두개의 전압제어발진회로(215, 216)와, 상기 두 전압제어발진회로(215, 216)의 출력중 하나를 선택하여 혼합회로(212)에 인가하는 주파수분배기(213)로 이루어지며 하나의 IC로 구현된다.

그리고, 상기 PLL회로부(220)는 상기 주파수변환기(210)의 전압제어발진회로(215, 216)를 동작시키는 PLL(222)과 기준 주파수를 발진시키는 리퍼런스 발진기(221) 및 상기 리퍼런스발진기(221)에 연결된 크리스탈소자(206)로 이루어진 것으로, 상기 주파수변환기(210)와는 다른 하나의 IC로 구성된다.

더하여, 상기 구성중 필터부(230)가 별도의 외부 소자로 구성된다.

이때, 보통 상기 주파수변환기(210)는 BJT공정으로 제조하고, 필터부(23)는 BiCMOS로 제조하며, PLL회로부(220)는 BiCMOS 공정으로 제조된다.

따라서, 종래의 직접변환방식 튜너는 상술한 이중변환방식보다 회로 구성이 간단하지만, 상기와 같이 주파수변환부와 중간주파필터등이 서로 다른 칩들로 분리되어 있기 때문에, PCB 면적도 커지고, 제조비용도 증가하는 등 실제적으로 이중변환방식에 비하여 보다 개선된 효과를 얻을 수 없다는 문제점이 있다.

또한, 종래의 직접변환방식 튜너는 회로를 구현하기 위한 소자의 수가 많아지고 그에 따라 응용회로가 복잡하다는 단점이 있다.

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 그 목적은 고주파대역의 방송신호를 베이스밴드의 I,Q신호로 변환하는 회로부를 CMOS공정에 의해 하나의 칩으로 구성한 ＣＭＯＳ 소자를 이용한 직접변환방식 튜너를 제공하는데 있다.

또한, 본 발명은 튜너를 CMOS 공정에 의한 1칩으로 구현하여 가격경쟁력을 높힐 수 있는 ＣＭＯＳ 소자를 이용한 직접변환방식 튜너를 제공하는데 있다.

도 1은 종래의 직접변환방식 튜너를 도시한 블럭구성도이다.

도 2는 본 발명에 따른 직접변환방식 튜너를 도시한 블럭구성도이다.

도 3은 본 발명에 따른 튜너의 신호변환부에서 저잡음증폭회로부를 보인 구성도이다.

도 4는 본 발명에 따른 튜너의 신호변환부에서 믹싱회로부를 보인 구성도이다.

도 5는 본 발명에 따른 튜너의 신호변환부에서 발진회로를 보인 구성도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

311 : 저잡음증폭회로

312, 313 : 제1,2믹싱회로

314, 315 : 제1,2가변통과필터

316 : 전압제어발진회로

317 : PLL

본 발명은 상술한 목적을 달성하기 위한 구성수단으로서, 직접변환방식 튜너에 있어서,

고주파방송신호를 저역통과시켜 잡음을 제거하는 저역통과필터;

상기 저역통과필터를 통과한 고주파방송신호의 이득을 수신강도에 따라서 조절하는 자동이득조절기;

상기 자동이득조절기로부터 출력되는 일정한 레벨의 고주파방송신호를 소정 레벨로 증폭시키는 고주파증폭기;

상기 고주파증폭기로부터 인가되는 고주파방송신호를 내부 발진회로에서 발생된 국부발진주파수와 혼합하여 베이스밴드의 I/Q 신호로 변환하고, 변환된 I/Q신호를 선택된 주파수대역신호로 필터링하여 출력하는 주파수변환기;

상기 주파수변환기로부터 출력되는 I/Q신호의 이득을 조절하는 제1,2중간주파이득조절기; 및

상기 주파수변환기에 연결되어 기준신호를 제공하는 크리스탈소자로 구성되고, 상기주파수변환기는 CMOS공정에 의해 하나의 칩(IC)으로 제조하는 것을 특징으로 한다.

상기 본 발명에 의한 직접변환방식 튜너에서, 상기 주파수변환기는

상기 고주파증폭기로부터 인가되는 고주파방송신호를 입력받아 증폭하는 저잡음증폭회로;

상기 저잡음증폭회로로부터 인가된 고주파방송신호를 중간주파신호와 혼합하여 베이스밴드의 I신호를 추출하는 제1믹싱회로;

상기 저잡음증폭회로로부터 인가된 고주파방송신호를 중간주파신호와 혼합하여 베이스밴드의 Q신호를 추출하는 제2믹싱회로;

상기 제1,2믹싱회로로부터 출력되는 신호중 각각 선택된 주파수대역신호를 통과시키는 통과주파수대역이 가변되는 제1,2가변통과필터;

90도의 위상차가 있는 동일한 주파수의 두 중간주파신호를 발생시켜 상기 제1,2믹싱회로에 각각 인가하는 전압제어발진회로; 및

상기 전압제어발진회로의 발진주파수를 조정하는 PLL회로로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 ＣＭＯＳ 소자를 이용한 직접변환방식 튜너에 대하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명에 의한 ＣＭＯＳ 소자를 이용한 직접변환방식 튜너의 블럭구성도로서, 상기 튜너는 외부 안테나(도시생략)와 연결된 커넥터(300)로부터 입력되는 고주파방송신호를 저역통과시켜 잡음을 제거하는 저역통과필터(301)와, 상기 저역통과필터(302)를 통과한 고주파방송신호의 이득을 수신강도에 따라서 조절하는 자동이득조절기(302)와, 상기 자동이득조절기(302)로부터 출력되는 일정한 레벨의 고주파방송신호를 소정 레벨로 증폭시키는 고주파증폭기(303)와, 상기 고주파증폭기(303)로부터 인가되는 고주파방송신호를 내부 발진회로에서 발생된 국부발진주파수와 혼합하여 베이스밴드의 I/Q 신호로 변환후 필터링하여 출력하는 주파수변환기(310)와, 상기 주파수변환기(310)로부터 출력되는 I/Q신호의 이득을 조절하는 제1,2중간주파이득조절기(304,305)와, 상기 주파수변환기(310)에 연결되어 기준신호를 제공하는 크리스탈소자(306)로 구성된다.

상기에서, 주파수변환기(310)는 CMOS 공정에 의해 제작된 하나의 칩으로 구현된 것으로서, 그 내부에 상기 고주파증폭기(303)로부터 인가되는 고주파방송신호를 입력받아 증폭하는 저잡음증폭회로(311)와, 상기 저잡음증폭회로(311)로부터 인가된 고주파방송신호를 중간주파신호와 혼합하여 베이스밴드의 I신호를 추출하는 제1믹싱회로(312)와, 상기 저잡음증폭회로(311)로부터 인가된 고주파방송신호를 중간주파신호와 혼합하여 베이스밴드의 Q신호를 추출하는 제2믹싱회로(313)와, 상기 제1,2믹싱회로(312,313)로부터 출력되는 신호를 각각 필터링하는 제1,2가변통과필터(314, 315)와, 90도의 위상차가 있는 동일한 주파수의 두 중간주파신호를 발생시켜 상기 제1,2믹싱회로(312,313)에 인가하는 전압제어발진회로(316)와, 상기 전압제어발진회로(316)의 발진주파수를 조정하는 PLL회로(317)가 구비된다.

도 3은 상기 주파수변환기(310)의 CMOS로 구현된 저잡음증폭회로(311)의 일예를 도시한 것으로서, CMOS트랜지스터를 사용하여 구성된다. 이후, CMOS트랜지스터를 간단하게 트랜지스터라고 기재한다.

상기 CMOS 저잡음증폭회로(311)는 제1,2트랜지스터(Q1,Q2)의 게이트를 각각 매칭소자(5,8)을 통해 입력단(Vin, Vinb)에 연결하고, 상기 제1,2트랜지스터(Q1,Q2)의 소스단을 동시에 매칭소자(9)를 통해 전원단(Vss)에 연결하고, 또한 매칭소자(6,7)를 통해 각각 그 드레이단에 연결시킴과 동시에, 상기 드레인단은 매칭소자(2,3)를 통해 전원단(Vdd)에 연결하고, 제3,4트랜지스터(Q3, Q4)의 게이트를 각각 상기 제1,2트랜지스터(Q1,Q4)의 드레인단에 연결하며, 제3,4트랜지스터(Q3,Q4)의 드레인단은 각각의 매칭소자(1,4)를 통해 전원단(Vdd)에 연결함과 동시에 출력단(Vout, Voutb)에 연결되어 이루어진다.

즉, 상기 입력단(Vin),(Vinb)를 통해 입력된 고주파 방송신호는 제1,2트랜지스터(Q1,Q2) 및 제3,4트랜지스터(Q3,Q4)를 통해 증폭되어 출력단(Vout, Voutb)으로출력된다.

다음으로, 도 4는 상기 제1,2믹싱회로(312,313)의 CMOS 회로구성예를 보인 것으로서, 게이트로 입력신호(in1b, in1)가 인가되는 제5,6트랜지스터(Q5,Q6)의 소스단을 전류원(S1)에 연결하고, 상기 제5,6트랜지스터(Q5,Q6)의 드레인단은 각각 제7,8트랜지스터(Q7,Q8)의 소스/제9,10트랜지스터(Q9,Q10)의 소스에 동시에 연결되면, 상기 제8,9트랜지스터(Q8,Q9)의 게이트가 서로 연결되고, 상기 제7,10트랜지스터(Q7,Q10)의 게이트를 서로 연결하고, 또한, 상기 제7,9트랜지스터(Q7,Q9)의 소스는 동시에 소자(1)를 통해 전원단(Vdd)에 연결되고, 또한 제11트랜지스터(Q11)의 게이트에 연결된다. 마찬가지로, 상기 제8,10트랜지스터(Q8,Q10)의 의 소스단은 소자(2)를 통해 전원단(Vdd)에 연결됨과 동시에 제12트랜지스터(Q12)의 게이트단에 연결되고, 상기 제11,12트랜지스터(Q11,Q2)는 전원단(Vdd)과 전류원(S2,S3)사이에 직렬로 연결되며, 상기 제11,12트랜지스터(Q11, Q12)의 드레인단이 출력단(Vout, Voutb)이 되도록 구성된다.

상기 믹싱회로에서는 입력단(in1b,in1)으로 고주파방송신호가 입력되고, 다른 입력단(in2b, in2)로 전압제어발진회로(215, 216)의 국부발진신호가 입력되어, 각각 고주파신호와 합해지면서, 두 주파수의 합과 차에 해다하는 주파수성분이 발생되어 출력단(Vout, Voutb)를 통해 출력된다.

도 5는 CMOS로 구현된 전압제어발진회로(316)의 일예를 보인 것으로서, 도시된 바와 같이, 제13트랜지스터(Q13)의 게이트로 기준주파수신호가 인가되면, 이 신호를 4개의 딜레이셀(51)을 통과시켜 원하는 주파수의 신호를 발생시키는 것이다.

상기와 같이 구성된 튜너의 동작은 다음과 같이 이루어진다.

커넥터(300)로 입력된 고주파신호는 저역통과필터(301)를 통과하면서 수신대역이상의 주파수 성분이 제거되고, 상기 저역통과필터(301)를 통과한 신호는 고주파자동이득조절기(302)로 인가된다, 상기 고주파자동이득조절기(302)는 주파수변환기(310)의 후단에 연결되는 제1,2중간주파이득조절기(304,305)와 함께 튜너의 전체 이득(gain)을 조절한다. 상기 고주파자동이득조절기(302)를 통과한 신호는 고주파증폭기(303)를 통해 주파수변환기(310)로 인가되게 된다. 상기 주파수변환기(310)에서는 고주파증폭기(303)로부터 인가된 신호가 저잡음증폭회로(311)로 입력되고, 이는 다시 PLL(317)과 넓은 대역의 주파수신호를 발생시키는 전압제어발진회로(316)에서 만든 국부발진신호와 함께 제1,2믹싱회로(312,313)에 인가된다. 이때, 발생되는 국부발진신호(I, Q 신호용)로는 상기 전압제어발진회로(316) 내부에서 90도 위상차를 갖는 두 신호를 제공하기 때문에, 별도의 위상쉬프터(shifter)가 필요없다. 상기 국부발진신호는 PLL(317)에 의해서 조정되며, 리퍼런스 주파수는 외부에 구비되는 크리스탈소자(306)로부터 제공받는다. 상기 제1,2믹싱회로(312,313)을 통해서 직접변환된 신호는 다음 제1,2가변통과필터(314,315)에 의해서 사용대역별로 주파수 필터링되며, 상기 제1,2가변통과필터(314,315)는 용도에 따라서 여러개의 주파수를 필터링할 수 있는 가변주파수 선택구조를 가지고 있다. 상기 제1,2가변통과필터(314,315)를 통과한 신호(I,Q)는 제1,2중간주파이득조절기(304,305)에서 최종적으로 이득조절된 후 출력된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 다른 직접변환방식 튜너는 저잡음증폭회로, 주파수변환회로, 전압제어발진회로, PLL 및 필터회로가 동일한 실리콘기판위에 CMOS형태로 구성된 것으로, 종래에는 BiCOMS등으로 구현되어 디지털로직과 함께 사용할 경우 전원전압을 달리사용하여야 했으나, 본원 발명은 CMOS로 구현되어 디지털로직과 함께 구성되더라도 동일한 전원전압을 사용하여 구동될 수 있어, 향후 디지털과 아날로그의 1칩화를 도모하는데 유리하다.

또한, 종래에는 각각 다른 칩으로 구현된 필터, PLL, 주파수변환회로간의 인터페이스등에 많은 소자등이 필요하지만, 본 발명은 상술한 바와 같이, 필터, PLL, 주파수변환회로등이 하나의 IC안에 구성됨으로서 주변 소자들이 줄어들고, 그 결과 PCB면적도 줄어들며 제작단가도 낮아지게 된다. 또한, 본 발명은 I, Q신호를 만들어 내기 위하여 별도의 위상쉬프팅회로를 구비하지 않고, 전압제어발진회로 자체에서 90도 위상차가 나는 국부발진신호를 따로 만들어 I,Q신호가 각각 만들어지게 하였다.

또한, 튜너로부터 출력되는 중간주파신호를 후단의 아날로그디지탈변환기(ADC)로 보내기 위해서는 IF주파수 필터링을 거치게 되는데, 이 IF주파수는 사용자의 요구에 따라 조금씩 그 주파수 범위가 다를 수 있다. 본 발명은 상기와 같이 제1,2가변통과필터(314,315)에서 통과주파수대역을 사용자의 요구에 맞게 조정할 수 있음으로서, 외부에서 주파수대역 조정을 위한 별도의 회로구성이 불필요해진다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 튜너구성에 있어서 주파수변환 및 중간주파처리단의 회로를 하나의 실리콘 웨이퍼 칩안에 동시에 구성할 수 있도록 하여, 회로구성이 간단해지고, 튜너 응용회로가 단순화되어, 많은 주변 소자들과 특수한 기능을 수행하는 응용회로들을 모두 반도체 집적회로안에 구성할 수 있게 되고 그 결과 1칩화에 의하여 튜너제조비용이 현저히 저감되어 경쟁력을 확보할 수 있는 효과가 있으며, 특히 베이스밴드신호의 처리를 위한 저역통과필터를 주파수를 선택할 수 있는 가변구조로 구성함으로서, 여러 응용분야에 적용될 수 있는 우수한 효과가 있다.

또한, 튜너를 CMOS로 설계하여 디지털단과의 함께 연결구성할 경우 하나의 전원전압을 사용할 수 있어 전원공급을 위한 별도의 로직 추가가 필요없게 되는 효과가 있다.

더하여, 출력되는 중간주파신호의 주파수대역을 조정할 수 있게 됨으로서 튜너자체에서 사용자요구에 맞게 조정가능하고, 그 결과 별도의 외부 조정회로가 불필요해지는 효과를 제공할 수 있다.

Claims (2)

1. 고주파 방송신호를 베이스밴드의 I/Q신호로 직접변환하여 출력하는 CMOS 소자를 이용한 직접변환방식 튜너에 있어서,

   게이트단이 각각 매칭소자(5,8)을 통해 입력단(Vin, Vinb)에 연결되고, 소스단이 매칭소자(9)를 통해 전원단(Vss)에 연결됨과 동시에 매칭소자(6,7)를 통해 각각의 드레이단에 연결되고, 드레인단이 매칭소자(2,3)를 통해 전원단(Vdd)에 연결된 제1,2트랜지스터(Q1,Q2)와, 게이트단이 각각 상기 제1,2트랜지스터(Q1,Q4)의 드레인단에 연결되고, 그 드레인단은 매칭소자(1,4)를 통해 각각 전원단(Vdd)에 연결됨과 동시에 출력단(Vout, Voutb)에 연결되는 제3,4트랜지스터(Q3, Q4)로 이루어져 고주파방송신호를 증폭하는 저잡음증폭회로;

   게이트단으로 고주파방송신호가 인가되고 소스단이 전류원(S1)에 연결되는 제5,6트랜지스터(Q5,Q6)와, 상기 제5,6트랜지스터(Q5,Q6)의 드레인단에 각각의 소스단이 동시에 연결된 제7~9트랜지스터(Q7~Q9)와, 전원단(Vdd)과 전류원(S2,S3)사이에 직렬로 각각 직렬로 연결되며 드레인단이 출력단(Vout, Voutb)에 연결되는 제11,12트랜지스터(Q11,Q2)를 구비하고, 상기 제8,9트랜지스터(Q8,Q9)의 게이트단으로 국부발진신호가 인가되고, 상기 제7,10트랜지스터(Q7,Q10)의 게이트단이 서로 연결되며, 상기 제7,9트랜지스터(Q7,Q9)의 소스단은 소자(1)를 통해 전원단(Vdd)에 연결됨과 동시에 제11트랜지스터(Q11)의 게이트단에 연결되며, 제8,10트랜지스터(Q8,Q10)의 의 소스단이 소자(2)를 통해 전원단(Vdd)에 연결됨과 동시에 제12트랜지스터(Q12)의 게이트단에 연결되도록 각각 구성되어, 상기 저잡음증폭회로로부터 인가된 고주파방송신호를 중간주파신호와 혼합하여 베이스밴드의 I,Q신호를 추출하는 제1,2믹싱회로;

   통과주파수대역을 가변가능하여, 상기 제1,2믹싱회로로부터 출력되는 신호중 선택된 주파수대역신호를 출력하는 제1,2가변통과필터;

   90도의 위상차가 있는 동일한 주파수의 두 중간주파신호를 발생시켜 상기 제1,2믹싱회로에 각각 인가하는 전압제어발진회로; 및

   상기 전압제어발진회로의 발진주파수를 조정하는 PLL회로가 CMOS를 이용하여 단일 칩으로 형성되어 구비되는 것을 특징으로 하는 ＣＭＯＳ 소자를 이용한 직접변환방식 튜너.
2. 삭제