KR100204597B1

KR100204597B1 - 주파수 혼합기 구조

Info

Publication number: KR100204597B1
Application number: KR1019960064135A
Authority: KR
Inventors: 조한진
Original assignee: 정선종; 한국전자통신연구원
Priority date: 1996-12-11
Filing date: 1996-12-11
Publication date: 1999-06-15
Also published as: KR19980045890A

Abstract

본 발명은 주파수 혼합기의 출력 단에 LC 병렬 공진 회로를 연결하여 저역 통과 필터의 필요성을 제거하고, 동시에 전력 이득을 극대화 하고자 하는 저역 통과 필터를 내장한 고성능 주파수 혼합기에 관한 것이다.

LC 병렬 공진회로는 공진 주파수에서 무한대의 임피던스를 갖고 그 이외의 주파수 대역에서는 적은 임피던스를 갖는 특성을 가지고 있다. 따라서, 본 발명의 주파수 혼합기에 연결된 LC 병렬 공진회로가 원하는 주파수 대역에서는 큰 임피던스를 갖고 나머지 대역에서는 적은 임피던스를 갖게 설계하면 혼합된 주파수 대역에서는 큰 전력 이득을 가지며 나머지 주파수 대역의 신호들은 크게 감소하게 된다. 그러므로 기존에 주파수 혼합기 출력에 필요하던 저역 통과 필터는 불필요하게 된다.

Description

주파수 혼합기 구조

본 발명은 주파수 혼합기의 출력 단에 LC 병렬 공진회로를 연결하여 저역 통과 필터의 필요성을 제거하고, 동시에 전력 이득을 극대화 하고자 하는 저역 통과 필터를 내장한 고성능 주파수 혼합기에 관한 것이다.

주파수 혼합기는 통신용 회로에서 서로 다른 주파수의 합이나 차에 해당하는 주파수 대역의 신호를 추출하는데 사용한다. 일반적으로 주파수 혼합기의 출력은 원하는 주파수 대역 이외의 다른 주파수의 신호를 포함한다. 종래 기술의 주파수 혼합기는 저역 통과 필터나 밴드 통과 필터를 사용하여 필요한 주파수 대역만을 추출한다.

통신용 회로의 주파수 혼합기에서 출력되는 혼합된 신호는 다음 단의 저역 통과 필터를 통해 원하는 주파수 대역의 신호만이 통과된다. 이때 사용되는 저역 통과 필터는 고성능의 필터 특성을 가져야 하므로 집적회로화 하기에 어려움이 있다.

또한, 종래 기술의 주파수 혼합기를 사용할 경우 필터를 불가피하게 사용하여야 하는데 이 필터는 고성능을 요구하므로 집적회로화 할 수 없다. 현대의 통신 상품의 발전에는 통신 회로의 집적화가 필수적이므로 필터가 필요 없는 주파수 혼합기의 발명이 필요하다.

따라서, 본 발명은 주파수 혼합기의 출력 단에 LC 병렬 공진회로를 연결하여 저역 통과 필터의 필요성을 제거하고, 동시에 전력 이득을 극대화 하고자 하는 저역 통과 필터를 내장한 고성능 주파수 혼합기를 제공하는데 그 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 게이트가 어느 하나의 주파수 입력단에 접속되고, 드레인이 출력단에 접속된 제1트랜지스터, 상기 제1트랜지스터의 소스에 드레인이 접속되고, 게이트가 또 다른 주파수 입력단에 연결되며, 소스가 접지된 제2트랜지스터로 구성된 혼합기와, 전원공급원 및 상기 혼합기의 출력단 사이에 접속되는 LC 병렬 공진회로를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명은 필터가 필요 없는 주파수 혼합기를 개발하기 위한 필요한 주파수 대역에서는 큰 이득을 가지고 나머지 주파수 대역에서는 신호를 감소시키는 주파수 혼합기에 관한 것이다. 주파수 혼합기의 이득은 주파수 혼합기의 출력단의 출력 임피던스와 회로의 전류 이득의 곱으로 정하여진다. 따라서 원하는 주파수 대역에서 큰 출력 저항을 가지고 나머지 주파수 대역에서는 작은 출력 저항을 갖는 회로가 출력단에 필요하다. LC 병렬 공진회로는 공진 주파수에는 무한대의 저항을 가지고 나머지 주파수 대역에서는 작은 저항을 갖는 특성의 회로이다. 따라서 주파수 혼합기의 출력단에 공진회로의 공진 주파수를 원하는 혼합 주파수로 하는(인덕터(indictor)와 커패시터(capacitor)의 값으로 결정) LC 병렬 공진회로를 갖는 주파수 혼합기는 위의 문제를 해결할 수 있다.

또한, 본 발명은 현재 이동통신 단말기에 사용되는 독립적인 주파수 혼합기 구조에 관한 것으로, 수신부의 저잡은 증폭기(LNA: Low Noise Amplifier) 출력을 입력으로 하고, 단말기 내부의 지역 발진기(Local Oscillator)의 파형과 주파수를 혼합하여 뒷단의 아날로그 회로에서 처리할 수 있는 주파수 대역으로 바꾸어주는 기술이다.

제1도는 기존의 주파수 혼합기 구조도.

제2도는 본 발명의 주파수 혼합기로 출력 단에 LC 병렬 공진회로를 이용한 주파수 혼합기의 실시예.

제3도는 저주파(LO)와 조주파(RF) 포트의 아이솔레이션(isolation)을 높이기 위한 회로를 포함한 본 발명의 주파수 혼합기의 실시예.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 저역 통과 필터 21, 31, : LC 병렬 공진회로

32 : LC 직렬 공진회로

주파수 혼합기는 일반적으로 서로 다른 두개의 주파수의 신호들로부터 그 주파수들의 차 또는 합의 주파수 대역의 신호를 만들어 내는 회로이다. 이 주파수 혼합기는 주로 통신용 회로에 주로 사용되는데 안테나로부터 수신된 고주파 신호를 낮은 주파수로의 변환이나 또는 변조된 낮은 주파수의 신호를 고주파 신호로 변환하여 송신하는데 사용된다. 예전의 주파수 혼합기는 주로 수동 소자를 이용하여 만들어 졌다. 이때 수동 소자는 저항, 커패시터와 인덕터를 의미한다. 수동 소자로 이루어진 주파수 혼합기는 선형성은 우수하나 전력 이득을 얻지 못하므로 입력 신호의 전력이 작은 경우 사용하기가 어렵다. 또 일반적으로 수동 소자는 회로를 집적화 하는데 적합하지 않다. 이러한 단점들을 극복하기 위해 능동 소자를 이용한 주파수 혼합기가 개발되었다.

제1도는 기존의 능동 소자를 이용한 주파수 혼합기의 예이다. 외부에서 송신 된 신호는 안테나를 통해서 여러 가지 주파수 대역의 신호가 고주파(RF; Radio Frequency; 이하, RF라 함) 입력 포트를 통해 입력된다. 이 신호는 고주파이므로 낮은 주파수로 변조되어야만 기저 대역의 회로들이 수신 기능을 수행할 수 있다. 주파수 혼합기는 RF 입력 포트의 주파수를 낮추기 위해서 칩 내부에서 생성된 신호가 저주파(LO; Local Oscillator; 이하, LO라 함) 입력 포트로 입력된다. 이때 주파수 혼합기의 출력 주파수는 RF 입력 포트의 주파수와 LO 입력 포트에 입력된 주파수의 차이거나 합의 주파수이다. 주파수 혼합기의 전력 이득은 출력 임피던스와 회로의 전류 이득에 의해 결정되는데 기존에는 주로 인덕터를 출력단의 임피던스로 사용하였다. 출력단의 임피던스로 인덕터를 사용할 경우 직류(DC)에서는 인덕터(L1)의 임피던스가 0 이므로 제1 및 제2트랜지스터(NMOS 1 및 NMOS 2)에는 직류 전원 단자에서 가해준 전압이 그대로 인가된다. 따라서, 트랜지스터의 전류 증폭도가 증가하여 전력 이득이 증가한다. 그러나, 이때 원하는 주파수 대역의 신호만 증폭되는 것이 아니라 모든 주파수 대역의 신호가 증폭된다. 원하지 않는 주파수 대역의 신호들은 커패시터(CB)를 통해 저역 통과 필터(1)로 걸려져야 하므로 주파수 혼합기의 출력(IF)은 저역 통과 필터(1)를 거쳐야 한다. 이때 사용되는 저역 통과 필터(1)는 집적화 하기에 부적합하므로 칩의 외부에 존재하게 된다.

제2도는 본 발명이 제안한 주파수 혼합기의 구조이다. 본 발명의 주파수 혼합기는 전원공급원(VDD) 및 혼합기의 출력단 사이에 LC 병렬 공진회로(21)를 연결하여 저역 통과 필터의 필요성을 제거하고, 동시에 전력 이득을 극대화 하고자 하는 주파수 혼합기에 관한 것이다.

LC 병렬 공진회로(21)는 공진 주파수에서 무한대의 임피던스를 갖고, 그 이외의 주파수 대역에서는 적은 임피던스를 갖는 특성을 가지고 있다. 따라서, 주파수 혼합기에 연결된 LC 병렬 공진회로(21)가 원하는 주파수 대역에서는 큰 임피던스를 갖고, 나머지 대역에서는 적은 임피던스를 갖게 설계하면 중간주파수(IF; 이하, IF라 함)주파수 대역에서는 큰 전력 이득을 가지며 나머지 주파수 대역의 신호들은 크게 감소하게 된다. 그러므로 기존에 주파수 혼합기 출력에 필요하던 저역 통과 필터는 불필요하게 된다.

본 발명의 주파수 혼합기는 전력 이득을 IF 주파수 대역에서 극대화하므로 통신용 회로의 집적화에 큰 도움이 된다.

주파수 혼합기의 중요한 특성 중의 하나는 LO 입력의 신호가 RF 포트로 새는 것을 막는 정도이다. 일반적으로 LO 포트에 혼합의 효율을 높이기 위해 크기가 큰 신호가 입력된다. 제2도의 혼합기에서는 제1 N형 트랜지스터(NMOS 1)의 게이트에 입력된 큰 LO 신호가 제2 N형 트랜지스터(NMOS 2)의 드레인과 게이트 사이의 커패시터를 통해 RF 포트로의 손실 신호가 발생한다. 이 손실 신호는 안테나를 통해 입력된 적은 RF 입력을 변형시키므로 주파수 혼합의 효율을 저하시킨다.

제3도은 제2도의 손실 신호를 막기 위해 제1 및 제2 N형 트랜지스터(NMOS 1 및 NMOS 2) 사이에 제3 N형 트랜지스터(NMOS 3)을 삽입하고, 이 트랜지스터의 게이트 입력에 LC 직렬 공진회로(31)를 연결한 회로이다.

제3도의 회로에서는 제3 N형 트랜지스터(NMOS 3)의 드레인과 게이트 사이의 손실 신호는 LC 직렬 공진회로(31)를 통해 크게 감소하여 LO 포트로 부터 RF 포트로의 손실을 막는다. 이때의 LC 직렬 공진회로(31)는 LO 주파수에서 공진 주파수를 가지게 설계한다. LC 직렬 공진회로(31)는 공진 주파수에서 임피던스가 0 이므로 손실된 LO 신호를 흡수하여 RF 포트로의 손실을 방지한다.

상술한 바와 같이 본 발명은 별도의 바이어스 회로나 발진회로가 필요 없고, LC 공진회로가 전원공급원과 트랜지스터 사이에 연결되어 바이어스 티의 역할과 출력단의 출력저항 역할, 그리고 저역통과 필터(Low pass filter)등이 3가지 기능을 동시에 수행하는 효율적인 구조인 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명의 주파수 혼합기는 저역 통과 필터를 내장하여 통신용 회로의 집적화를 가능하게 할 수 있는 탁월한 효과가 있다.

Claims

게이트가 어느 하나의 주파수 입력단에 접속되고, 드레인이 출력단에 접속된 제1트랜지스터, 상기 제1트랜지스터의 소스에 드레인이 접속되고, 게이트가 또 다른 주파수 입력단에 연결되며, 소스가 접지된 제2트랜지스터로 구성된 혼합기와, 전원공급원 및 상기 혼합기의 출력단 사이에 접속되는 LC 병렬 공진회로를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 주파수 혼합기 구조.
제1항에 있어서, 상기 혼합기는 상기 제1트랜지스터의 소스와 상기 제2트랜지스터의 드레인 사이에 제3트랜지스터가 접속되고, 상기 제3트랜지스터의 게이트 및 접지단자간에는 직류 전압 소스 및 LC 직렬 공진회로가 병렬로 접속된 것을 특징으로 하는 주파수 혼합기 구조.