KR100298207B1 - 단일밸런스능동혼합기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 단일신호를 상보적인 신호로 만들거나 상보적인 신호를 단일 신호로 묶는 역할을 하는 발룬회로를 사용하지 않아, 칩의 소비 전력을 줄이고 칩의 면적을 줄여 저 가격화를 이룰수 있는 단일밸런스능동혼합기 회로를 제공하고자 하는 것으로 이를 위한 본 발명의 단일밸런스능동혼합기 회로는, 고주파신호 입력단; 발진자신호 입력단; 상기 고주파신호 및 상기 발진자신호에 응답된 중간주파수신호를 출력하는 출력단; 상기 출력단으로부터 제1전원전압단으로 채널이 직렬 접속되고, 게이트단이 각기 상기 발진자신호 입력단 및 상기 고주파신호 입력단에 연결된 제1 및 제2 트랜지스터; 상기 출력단과 상기 발진자신호 입력단 사이에 채널이 접속되고 게이트단이 제2전원전압단에 연결된 제3트랜지스터; 및 상기 발진자신호 입력단과 상기 고주파신호 입력단 사이에 채널이 접속되고, 게이트단이 제3전원전압단에 연결된 제4트랜지스터를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

단일밸런스능동혼합기{SINGLE BALANCED ACTIVE MIXER}

본 발명은 크기가 작은 고주파신호(Radio Frequency, 이하 "RF 신호")를 신호 크기가 큰 국부발진자신호(Local Oscillation signal, 이하 "LO 신호")와 변조(modulate) 또는 혼합(mix)하여 새로운 주파수 성분을 가지는 신호로 변환하는 주파수 혼합기(frequency mixer)에 관한 것으로, 특히 단일밸런스능동혼합기(single balanced active mixer)에 관한 것이다.

잘 알려진 바와 같이, MMIC(Microwave Monolithic Integrated Circuit)는 동일 반도체기판 위에 능동 및 수동 소자들이 함께 집적된 회로이다. 그러므로, 개별 단위 소자들을 사용하여 회로를 구성할 때보다 회로를 MMIC화하는 경우 소자 간의 간격이 줄어들어 회로의 크기와 무게를 크게 줄일 수 있으며, 또한 단위 소자의 패키징(packaging)에 기인한 기생 성분들을 원천적으로 제거할 수 있음으로 주파수 대역폭의 성능을 크게 향상시킬 수 있다. 현재 요구되는 경소단박(輕小短經)한 무선/이동 통신기기(일예로, 이동 통신 단말기)를 값싸고, 재현성을 가지고 대량생산 할 수 있도록 하기 위하여 최근 무선/이동 통신기기의 고주파 부품을 MMIC화하는 추세이다. MMIC의 제작 단가가 주로 그 크기에 비례하여 높아지므로, MMIC화에서 MMIC의 크기를 줄이는 것이 가장 큰 과제로 대두되고 있다.

한편, 마이크로 웨이브 주파수 혼합기는 송, 수신 단말기의 RF 부품 중에서 가장 효용성이 많은 부품으로, 크기가 작은 RF 신호를 신호 크기가 큰 LO 신호로 변조 또는 혼합하여 RF 신호와 LO 신호 주파수간의 합 및 차, 즉중간주파신호(Intermediate Frequency, 이하 "IF 신호") 또는 곱의 주파수 성분들을 가지는 신호로 변환하는 장치이다. 주로 수신단에서는 RF 신호를 IF 신호로 변환하는 하향변환혼합기(down conversion mixer)를 사용하고, 송신단에서는 IF 신호를 RF 신호로 변환시키는 상향변환혼합기(up conversion mixer)를 사용한다.

일반적으로 수신단에 사용되는 마이크로웨이브 주파수 혼합기의 요구특성은 1) 저 잡음 특성, 2) 높은 이득, 3) 낮은 혼변조(cross modulation) 왜곡과 낮은 상호 변조(intermodulation) 왜곡 등으로 나타내는 우수한 선형성, 4) 혼합기의 입력과 출력단자들간의 우수한 신호 분리성(signal isolation), 5) 낮은 제작 단가와 작은 크기, 6) 낮은 소비 전력 등으로 나타내어진다. 이와 같은 특성의 요구는 이동 단말기 무게를 줄이기 위하여 적은 용량의 축전기가 사용되므로 낮은 소비전력으로 동작하는 부품을 사용하는 것이 이동 전화기의 사용 시간을 늘리는데 필수적인 것이 되었고, 값싸고 경소단박(輕小短薄)한 단말기를 제조하기 위해서는 사용되는 부품의 크기를 줄이는 것이 필연적이다. 또한, 이동전화 가입자수가 증가함에 따라 더 우수한 송, 수신특성(특히 저 잡음 특성과 높은 선형성)을 가지는 단말기를 요구하게 되었기 때문이다.

주파수 혼합기는 크게 단일 출력(single ended)의 혼합기와 밸런스(balanced) 구조의 혼합기로 분류되고, 밸런스 구조의 혼합기는 다시 단일밸런스혼합기와 이중 밸런스혼합기로 구분된다. 밸런스 구조의 혼합기에 대해 구체적으로 살펴보면, 주파수의 변환에 사용되는 큰 LO 신호가 혼합기의 출력단으로 누설될 경우 혼합기의 뒤에 접속된 증폭기회로의 정상적인 동작을 방해하게 된다. 하향변환혼합기 회로의 경우는 LO 신호의 주파수와 출력신호의 주파수가 큰 차이를 가지고 있어 여파기 구조로 LO 신호만을 제거할 수도 있으나, 상향변환혼합기의 경우에는 LO 신호 주파수가 출력신호 주파수와 근접해 있어 여파기 구조로 LO 신호를 제거하기가 어렵다. 이러한 경우에, 상보적인 신호 사이의 상쇄 현상을 이용한 밸런스 구조를 흔히 사용한다.

그런데 이러한 밸런스 구조에서는 상보적인 신호를 발생시키거나 상보적인 신호를 묶어 주는 여러개의 발룬(BALUN)회로가 필요하게 되어 소비전력이 커지고 칩의 면적이 커져 가격이 비싸지는 단점이 있다.

도1은 종래기술에 의한 캐스코드 구조를 이용한 단일밸런스혼합기의 회로도로서, 그 구성과 동작 원리를 다음에 설명한다. RF 신호 입력단자 101로 입력된 RF 신호는 입력발룬 102를 거치면서 양의 위상을 가지는 RF 신호(이하 "RF+ 신호")와 음의 위상을 가지는 RF 신호(이하 "RF- 신호")로 나누어진다. 상기 입력발룬 102로부터 출력된 RF+ 신호는 전계효과트랜지스터 103의 게이트단으로 입력되어 증폭된 후 그 드레인단에서 RF- 신호로 출력되어 전계효과트랜지스터 106의 소오스단으로 전달되고, 상기 입력발룬 102에서 나온 RF- 신호는 전계효과트랜지스터 104의 게이트단으로 입력되어 증폭된 후 그 드레인단에서 RF+ 신호로 출력되어 전계효과트랜지스터 107의 소오스단으로 입력된다. 발진자신호 입력단자 105에서 입력된 LO 신호는 상기 전계효과트랜지스터 106 및 107의 게이트단으로 입력되어 그 소오스단에 연결된 상기 전계효과트랜지스터 103 및 104의 동작점을 변화시킨다. 전계효과트랜지스터 106의 게이트단으로 양의 주기를 갖는 LO 신호(이하 "LO+ 신호")가입력되는 경우 전계효과트랜지스터 103의 동작점이 트랜스컨덕턴스가 큰 포화영역으로 움직여 입력된 RF+ 신호를 크게 증폭하게 되고, 전계효과트랜지스터 106의 게이트단으로 음의 위상을 갖는 LO 신호(이하 "LO- 신호")가 입력되는 경우 전계효과트랜지스터 103의 동작점이 트랜스컨덕턴스가 작은 선형영역으로 움직여 입력된 RF+ 신호를 작게 증폭하게 되어 RF+ 신호가 LO 신호와 혼합된다. 마찬가지로 전계효과트랜지스터 107의 게이트단으로 LO+ 신호가 입력되는 경우 전계효과트랜지스터 104의 동작점이 트랜스컨덕턴스가 큰 포화영역으로 움직여 입력된 RF- 신호를 크게 증폭하게 되고, 전계효과트랜지스터 107의 게이트단으로 LO- 신호가 입력되는 경우 전계효과트랜지스터 104의 동작점이 트랜스컨덕턴스가 작은 선형영역으로 움직여 입력된 RF- 신호를 작게 증폭하게 되어 RF- 신호가 LO 신호와 혼합된다. 그런데 전계효과트랜지스터 103 및 104의 게이트단으로 입력되는 RF 신호는 그 위상이 반대이고 전계효과트랜지스터 106, 107의 게이트단으로 입력되는 LO 신호는 그 위상이 같아서 전계효과트랜지스터 106, 107의 드레인단으로 나오는 신호들 중 RF 신호와 LO 신호의 곱 성분으로 결정되는 IF 신호는 서로 위상이 반대이고 LO 신호는 위상이 같게 된다. 전계효과트랜지스터 106, 107의 드레인단에서 출력된 신호를 출력단 발룬 108을 이용하여 위상차가 180°나도록 묶으면 출력단 109에서 LO 신호를 제거한 IF 신호를 얻을 수 있다.

그러나, 이러한 종래의 캐스코드 구조를 이용한 단일밸런스능동혼합기 회로는 출력단에서 LO 신호를 억제하기 위하여 두 개의 발룬회로가 필요하게 되며, 이에 의해 칩의 소비 전력과 면적이 커지고 가격이 비싸지는 단점이 있다.

본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 단일신호를 상보적인 신호로 만들거나 상보적인 신호를 단일 신호로 묶는 역할을 하는 발룬회로를 사용하지 않아, 칩의 소비 전력을 줄이고 칩의 면적을 줄여 저 가격화를 이룰수 있는 단일밸런스능동혼합기를 제공하는데 그 목적이 있다.

도1은 종래기술에 의해 캐스코드 구조를 이용한 단일밸런스능동혼합기 회로도,

도2는 본 발명에 의한 소오스-게이트 공통 전계효과트랜지스터를 이용한 단일밸런스능동혼합기 회로도,

도3은 종래기술과 본 발명 간에 대비되는 발진자신호 누설 전력 특성을 나타내는 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

201 : 고주파신호 입력단

205 : 발진자신호 입력단

209 : 출력단

202, 203, 206, 207 : 전계효과트랜지스터

204, 208 : 고주파접지용 커패시터

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 단일밸런스능동혼합기는, RF 신호 입력단; LO 신호 입력단; 상기 RF 신호 및 상기 LO 신호에 응답된 IF 신호를 출력하는 출력단; 상기 출력단으로부터 제1전원전압단으로 채널이 직렬 접속되고, 게이트단이 각기 상기 LO 신호 입력단 및 상기 RF 신호 입력단에 연결된 제1 및 제2 트랜지스터; 상기 출력단과 상기 LO 신호 입력단 사이에 채널이 접속되고 게이트단이 제2전원전압단에 연결된 제3트랜지스터; 및 상기 LO 신호 입력단과 상기 고주파신호 입력단 사이에 채널이 접속되고, 게이트단이 제3전원전압단에 연결된 제4트랜지스터를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기한 본 발명에서, 상기 제2전원전압단과 상기 제3트랜지스터의 게이트단 사이에 접속된 제1커패시터와, 상기 제3전원전압단과 상기 제4트랜지스터의 게이트단 사이에 접속된 제2커패시터를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 제1, 제2 및 제3 전원전압단은 각기 접지단임을 특징으로 하며, 상기 제1 내지 제4 트랜지스터는 각각 p 채널 전계효과트랜지스터 또는 n 채널 전계효과트랜지스터를 사용하거나, 바이폴라트랜지스터를 사용할 수 있다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도2는 본 발명에 의한 단일밸런스능동혼합기 회로도로서, 도2를 참조하면, 본 발명에 의한 단일밸런스능동혼합기 회로는, RF 신호를 인가받는 입력단 201과, 입력단 201이 게이트단에 연결되고 소오스단이 접지된 전계효과트랜지스터 202와, 소오스단이 전계효과트랜지스터 202의 게이트단과 입력단 201에 공통 연결되고 게이트단이 접지된 전계효과트랜지스터 203과, 소오스단이 전계효과트랜지스터 202의 드레인단에 연결되고 게이트단이 전계효과트랜지스터 203의 드레인단에 연결된 전계효과트랜지스터 206과, 전계효과트랜지스터 203의 드레인단과 전계효과트랜지스터 206의 게이트단에 공통 연결된 LO 신호 입력단 205와, 소오스단이 전계효과트랜지스터 203의 드레인단과 전계효과트랜지스터 206의 게이트단과 입력단 205에 공통 연결되고 게이트단이 접지된 전계효과트랜지스터 207과, 전계효과트랜지스터 206의 드레인단과 전계효과트랜지스터 207의 드레인단에 연결된 출력단 209로 구성된다. 그리고, 전계효과트랜지스터 207의 게이트단과 접지단 사이에는 커패시터 208이 접속되어 있고, 전계효과트랜지스터 203의 게이트단과 접지단 사이에 역시 커패시터204가 접속되어 있는바, 이 커패시터 204 및 208은 직류전류를 차단하고 고주파성분만을 통과시키는 소위 고주파접지용 커패시터들이다.

상기한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명은 게이트-소오스 공통 전계효과트랜지스터로 입력신호와 발진자신호를 받아들여 내부적으로 발룬의 역할을 담당하게 함으로써 부가적인 발룬회로 없이 동작하는 단일밸런스능동혼합기 회로를 구현한 것이다. 이러한 도2의 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.

고주파수입력단 201로 인가된 RF 신호는 둘로 나누어져 그 한 부분은 소오스 공통 전계효과트랜지스터 202의 게이트단으로 전달된 후 증폭되어 그 드레인단에서 RF- 신호로 출력되고, 나머지 부분은 게이트 공통 전계효과트랜지스터 203의 소오스단으로 전달된 후 증폭되어 그 드레인단에서 RF+ 신호로 출력된다. LO 신호 입력단 205로 입력된 LO 신호는 둘로 나누어져 그 한 부분은 전계효과트랜지스터 206의 게이트단으로 전달되고 그 나머지 부분은 게이트 공통 전계효과트랜지스터 207의 소오스단으로 전달된다. 전계효과트랜지스터 206의 게이트단으로 전달된 LO 신호의 주기가 양일 경우 전계효과트랜지스터 202의 동작점이 트랜스컨덕턴스가 큰 포화영역으로 움직여 입력된 RF 신호를 크게 증폭하게 되고, 전계효과트랜지스터 206의 게이트단으로 주기가 음인 LO- 신호가 입력되는 경우 전계효과트랜지스터 202의 동작점이 트랜스컨덕턴스가 작은 선형영역으로 움직여 입력된 RF 신호를 작게 증폭하게 되어 RF- 신호가 LO 신호와 혼합된다. 이와는 반대로 전계효과트랜지스터 207의 소오스단으로 양의 주기를 가지는 LO+ 신호가 입력될 경우 전계효과트랜지스터 207의 게이트와 소오스 사이의 전압이 작아져 전계효과트랜지스터 203의드레인단에서 전달된 RF+ 신호가 출력단으로 전달되는 것을 억제하게 되고, 전계효과트랜지스터 207의 소오스단으로 음의 주기를 가지는 LO- 신호가 입력될 경우 전계효과트랜지스터 207의 게이트와 소오스 사이의 전압이 커져 전계효과트랜지스터 203의 드레인단에서 전달된 RF+ 신호를 출력단으로 증폭하여 전달하게 된다. 이러한 동작 원리에 의하여 전계효과트랜지스터 206과 207의 드레인단에는 서로 위상이 같은 IF 신호와 서로 위상이 반대인 RF, LO 신호가 출력되어 별도의 출력 발룬 없이 두 드레인단을 묶을 경우 RF, LO 신호는 상쇄되고 IF 신호만을 얻을 수 있다.

도3은 종래의 캐스코드 구조를 이용한 단일밸런스능동혼합기 회로와 본 발명의 소오스-게이트 공통 전계효과트랜지스터를 이용한 단일밸런스능동혼합기 회로의 발진자신호 누설 전력 특성을 비교한 그래프로서, 본 발명의 회로가 부가적인 발룬회로 없이 동일한 수준의 발진자신호 누설 전력 특성을 나타내고 있음을 알 수 있다.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

본 발명은 별도의 발룬회로를 사용하지 않고, 소오스-게이트 공통 전계효과트랜지스터를 이용하여 단일밸런스능동혼합기 회로를 구현하는 것에 의해, 칩의 소비 전력을 줄이고 칩의 면적을 줄여 저 가격화를 이룰수 있는 탁월한 효과가 있다.

Claims (3)

1. 단일밸런스능동혼합기에 있어서,

   고주파 신호 입력단;

   발진자 신호 입력단;

   중간주파수 신호 출력단;

   제1전원전압단;

   제2전원전압단;

   제3전원전압단;

   게이트단이 상기 고주파 신호 입력단에 연결되고, 소오스단이 상기 제1전원전압단에 연결된 제1트랜지스터;

   게이트단이 상기 제2 전원전압단에 연결되고, 소오스단이 상기 고주파 신호 입력단에 연결되고, 드레인단이 상기 발진자 신호 입력단에 연결된 제2트랜지스터;

   게이트단이 상기 발진자 신호 입력단에 연결되고, 소오스단이 상기 제1트랜지스터의 드레인단에 연결되고 드레인단이 상기 중간주파수 신호 출력단에 연결된 제3트랜지스터; 및

   게이트단이 상기 제3전원전압단에 연결되고, 소오스단이 상기 발진자 신호 입력단에 연결되고, 드레인단이 상기 중간주파수 신호 출력단에 연결된 제4트랜지스터

   를 포함하여 이루어진 단일밸런스능동혼합기.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제2전원전압단과 상기 제3트랜지스터의 게이트단 사이에 접속된 제1커패시터와, 상기 제3전원전압단과 상기 제4트랜지스터의 게이트단 사이에 접속된 제2커패시터를 더 포함하여 이루어진 단일밸런스능동혼합기.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 제1, 제2 및 제3 전원전압단은 각기 접지단임을 특징으로 하는 단일밸런스능동혼합기.