KR100374350B1 - 이동통신 단말기의 저잡음 증폭장치 - Google Patents

이동통신 단말기의 저잡음 증폭장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이동통신 단말기에 관한 것으로서, 특히 수신신호를 증폭하는 저잡음 증폭장치에 관한 것이다.
본 발명은 이동통신 단말기의 수신기에 있어서, 모뎀으로부터 수신되는 신호의 신호대 잡음비를 수신하고, 수신 전계 강도 검출부로부터 수신 전계 강도에 관한 정보를 수신하며, 상기 수신 전계 강도가 증가할 때 상기 신호대 잡음비가 증가하지 않을 경우 제어신호를 출력하는 저잡음 증폭기 제어부와, 상기 저잡음 증폭기 제어부에서 출력하는 제어신호에 상응하게 바이어스 전류를 증가시키는 바이어스부와, 상기 바이어스부에서 발생한 바이어스 전류에 따라 상기 수신 신호를 해당 신호 레벨로 증폭하는 저잡음 증폭기를 포함한다.

Description

이동통신 단말기의 저잡음 증폭장치{LOW NOISE AMPLIFIER FOR MOBILE TELECOMMUNICATION TERMINAL}
본 발명은 이동통신 단말기에 관한 것으로서, 특히 수신신호를 증폭하는 저잡음 증폭장치에 관한 것이다.
도 1은 종래의 이동통신 단말기의 수신기 내부 구성을 도시한 블록도이다.
먼저, 공중의 수신신호가 수신전계 강도 검출부(310)로 입력되면, 상기 수신전계 강도 검출부(310)는 상기 수신신호의 수신 전계강도(Field Strength)를 검출하여 그 검출한 수신 전계강도에 대한 정보를 AGC(Auto Gain Control: 자동 이득 제어) 증폭기 제어부(320)로 출력한다. 상기 AGC 증폭기 제어부(320)는 상기 수신 전계강도 검출부(310)에서 출력한 수신 전계 강도에 대한 정보를 입력하여 미리 설정된 수신 전계강도 이하의 수신전계 강도일 경우 수신신호를 증폭하기 위하여 AGC 증폭기(360) 및 저잡음 증폭기 제어부(330)로 수신신호를 증폭 정보를 출력한다.
이에 상기 저잡음 증폭기 제어부(330)는 저잡음 증폭기(LNA: Low Noise Amplifier)(100)를 동작시키기 위해 바이어스부(150)로 설정된 전압을 제공한다. 상기 저잡음 증폭기 제어부(330)에서 제공한 설정 전압에 따라 상기 바이어스부(150)는 바이어스(Bias) 전압을 발생하여 BJT(Bipolar Junction Transistor)(140)의 베이스(Base) 단자로 제공한다. 이에 상기 BJT(140)는 턴온(Turn On)되고 상기 BJT(140)를 통해 흐르는 전류는 증폭되어 입력단 매칭부(120)와 출력단 매칭부(130)를 통해 매칭되어 하향주파수변환기(340)로 제공된다. 상기 하향주파수변환기(340)는 국부발진기(350)로부터 제공되는 국부발진 주파수와 상기 저잡음 증폭기(100)를 통해 증폭된 수신신호를 믹싱하여 상기 AGC증폭기(360)로 출력한다. 상기 AGC증폭기(360)는 상기 하향주파수변환기(340)에서 출력된 신호를 입력하여 미리 설정되어 있는 일정레벨로 증폭한 후 중간주파수(IF:Intermediate Frequency)로 출력한다.
상기 도 1에 도시되어 있는 바와 같이 Si BJT를 사용하는 수신기는 턴온(turn-on) 전압 등으로 인해 많은 전류 소모를 초래한다. 특히 상기 Si BJT가 저잡음 증폭기(LNA: Low Noise Amplifier)로 사용될 경우 잡음지수(NF: Noise Factor) 특성이 열화한다. 그리고, 상기 Si BJT는 전류에 따른 이득 변화가 크며 선형성을 유지하기 위해 GaAs MESFET(Metal Semiconductor Field-Effect Transistor, 금속 반도체 전계 효과 트랜지스터)에 비해 비교적 많은 전류를 소모하게 되며, 동일한 출력 억압 전력을 위해서 상기 Si BJT는 상기 GaAs MESFET에 비해 비교적 많은 전력 소모를 하게 된다. 특히, PCS(Personal Communication System)이나 IMT-2000시스템과 같은 고주파 대역(일 예로 2GHz) 이동통신 서비스의 경우 일반적으로 2단 증폭 저잡음 증폭기를 사용하며, 상기 저잡음 증폭기를 다수개로 구성하여 사용하는 경우에 있어 전류소모가 상기 Si BJT 사용의 증가로 인해 증가하여 수신단 전력 소모에 부담을 준다는 문제점이 있었다.
도 2는 종래의 이동통신 단말기의 또 다른 수신기 내부 구성을 도시한 블록도이다.
먼저, 수신신호는 입력단 매칭부(120)로 입력되고, 상기 입력단 매칭부(120)에서 매칭된 신호는 셀프바이어스 저항(Self-Bias Resistor)(200)을 통한 후 MESFET(230)의 게이트(Gate) 단자로 입력된다. 여기서, 상기 MESFET(230)의 게이트 단자는 셀프 바이어스 저항(200)에 연결된다. 그리고, 소스 바이어스(Source-Bias) 저항(220)은 선형성을 유지하기 위한 특정 저항값으로 세팅되어 있다.캐패시터(260)는 상기 MESFET(230)의 소스 단자에 연결되며, 캐패시터(240)는 상기 MESFET(230)의 드레인 단자에 연결되어 각각 바이패스(Bypass) 캐패시터로 동작한다. 상기 MESFET(230)의 드레인(Drain) 단자는 인덕터(250)와 연결되어 전원 Vdd와 연결된다. 상기 MESFET(230)의 소스(Source) 단자는 출력단 매칭부(130)를 통해 매칭된다.
그런데, 일반적으로 MESFET을 사용하는 수신기는 바이어스 전압으로 상기 MESFET의 게이트(gate) 단자에 음전원을 공급하여야만 하기 때문에, 음전원 공급을 위해 별도의 음전원발생기(Negative Voltage Generator)를 내장하여야만 한다. 그래서, 상기 도 2에서 설명한 바와 같이 소스 바이어스 저항(220)을 통해 셀프 바이어스 방식으로 소스 단자에 공급되는 양전압을 게이트 바이어스에 사용하게 된다. 그러나, 상기 소스 바이어스 저항(220)을 사용하여 게이트 전압을 제어하는 경우 상기 소스 바이어스 저항(220)이 고정되어 있기 때문에 전류 제어에 한계가 있다는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 전류소모를 최소화시킨 저잡음 증폭장치를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 최소의 전류소모로 선형성을 유지하는 저잡음 증폭장치를 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 이동통신 단말기의 수신기에 있어서, 모뎀으로부터 수신되는 신호의 신호대 잡음비를 수신하고, 수신 전계 강도 검출부로부터 수신 전계 강도에 관한 정보를 수신하며, 상기 수신 전계 강도가 증가할 때 상기 신호대 잡음비가 증가하지 않을 경우 제어신호를 출력하는 저잡음 증폭기 제어부와, 상기 저잡음 증폭기 제어부에서 출력하는 제어신호에 상응하게 바이어스 전류를 증가시키는 바이어스부와, 상기 바이어스부에서 발생한 바이어스 전류에 따라 상기 수신 신호를 해당 신호 레벨로 증폭하는 저잡음 증폭기를 포함함을 특징으로 한다.
도 1은 종래의 이동통신 단말기의 수신기 내부 구성을 도시한 블록도
도 2는 종래의 이동통신 단말기의 또 다른 수신기 내부 구성을 도시한 블록도
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이동통신 단말기의 수신기 내부 구성을 도시한 블록도
도 4는 도 3의 이동통신 단말기의 수신기 내부 구성을 구현한 일 실시예에 따른 도면
도 5는 도 3의 이동통신 단말기의 수신기 내부 구성을 구현한 또 다른 실시예에 따른 도면
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이동통신 단말기의 수신기 내부 구성을 도시한 블록도이다.
먼저, 공중의 수신신호가 수신전계 강도 검출부(310)로 입력되면, 상기 수신전계 강도 검출부(310)는 상기 수신신호의 수신 전계강도(Field Strength)를 검출하여 그 검출한 수신 전계강도에 대한 정보를 AGC(Auto Gain Control: 자동 이득 제어) 증폭기 제어부(320) 및 저잡음 증폭기 제어부(332)로 출력한다. 상기 AGC 증폭기 제어부(320)는 상기 수신 전계강도 검출부(310)에서 출력한 수신 전계 강도에대한 정보를 입력하여 미리 설정된 수신 전계강도 이하의 수신전계 강도일 경우 수신신호를 증폭하기 위하여 AGC 증폭기(360)로 수신신호를 증폭 정보를 출력한다. 이와 반대로, 상기 수신 신호의 수신 전계강도가 설정 레벨 이상일 경우에는 상기 AGC 증폭기 제어부(320)는 상기 AGC 증폭기(360)의 증폭률을 감소시키도록 증폭 정보를 출력한다. 그래서, 시간에 따라 변화되는 무선 주파수 신호의 세기에 상관없이 복조된 수신신호의 레벨은 일정값을 가지게 되는 것이며, 또한 요구되는 신호대 잡음비 역시 유지하게 되는 것이다. 상기 신호대 잡음비는 모뎀(MODEM, 도시하지 않음)으로부터 측정되며, 상기 저잡음 증폭기 제어부(332)로 제공된다.
여기서, CDMA 방식의 경우 송신부(송신대역 주파수) 출력 전력의 일부가 수신부(송신 대역 주파수)에서 감지된다. 그래서, 인접채널에 설정 세기 이상의 큰 세기의 방해파가 존재할 경우 이 방해파와 상기 수신부의 송신대역 신호는 상호변조에 의해 사용 채널의 잡음으로서 작용한다. 그래서, 상기 AGC 이득 조절과는 상관없이 신호대 잡음비(SNR: Signal to Noise Ratio)가 악화되어 복조된 수신신호에 오류발생을 초래하고, 비트에러율(BER: Bit Error Rate) 특성이 악화된다. 이러한 상호변조는 저잡음 증폭기의 입력억압전력을 증가시켜 선형성을 개선하여 해결 가능하다. 그래서, 상기 저잡음 증폭기의 전류 제어를 통해 상기 선형성을 개선하게 되는 것이다. 그런데, 인접 레벨에 설정레벨 이상의 방해파가 존재하여 상기에서 설명한 바와 같이 저잡음 증폭기의 상호변조로 인해 수신신호의 잡음 레벨이 증가한다면, 상기 AGC 증폭기(360)의 증폭 이득이 증가하여 수신신호의 수신 강도 레벨이 증가할지라도 신호대 잡음비는 개선되지 않는다.
그래서, 상기 신호대 잡음비를 개선하기 위해 상기 저잡음 증폭기 제어부(332)는 제어신호를 발생하여 바이어스부(307)로 출력하여 FET의 전류를 증가시켜 저잡음 증폭기 선형성을 개선하게 되는 것이다. 상기 저잡음 증폭기 제어부(332)는 상기 수신 전계 강도 검출부(310)에서 출력한 전계 강도 정보를 비교한다. 상기 저잡음 증폭기 제어부(332)는 상기 모뎀으로부터 신호대 잡음비를 수신하고, 상기 전계 강도가 증가함에도 불구하고 상기 신호대 잡음비가 개선되지 않을 경우 바이어스 제어 신호를 출력한다. 상기 저잡음 증폭기 제어부(332)는 저잡음 증폭기(300)의 선형성을 개선시키기 위해 제어 전압을 상기 바이어스부(307)로 제공한다. 상기 저잡음 증폭기 제어부(332)로부터 제어 전압이 제공됨에 따라 상기 바이어스부(307)는 바이어스(Bias) 전압을 발생하여 증폭기(AMP: AMPlifier)(303)로 제공한다. 상기 증폭기(303)는 상기 바이어스 전압에 따라 턴온(Turn On)되고 상기 증폭기(303)를 통해 흐르는 전류는 증폭된 후 상기 입력단 매칭부(301)와 출력단 매칭부(305)를 통해 매칭된다. 하향주파수변환기(340)는 국부발진기(350)로부터 제공되는 국부발진 주파수와 상기 저잡음 증폭기(300)를 통해 증폭된 수신신호를 믹싱하여 상기 AGC증폭기(360)로 출력한다. 상기 AGC증폭기(360)는 상기 하향주파수변환기(340)에서 출력된 신호를 입력하여 미리 설정되어 있는 일정레벨로 증폭한 후 중간주파수(IF: Intermediate Frequency)로 출력한다.
도 4는 도 3의 이동통신 단말기의 수신기 내부 구성을 구현한 일 실시예에 따른 도면이다.
먼저, 저항(401)은 게이트 단자에 그라운드 전위를 제공하는 저항이며,저항(403) 및 (407)은 MESFET(Metal Semiconductor Field-Effect Transistor, 금속 반도체 전계 효과 트랜지스터)(400)의 소스 단자에 직렬 연결된다. 상기 저항(403) 및 (407)은 소스 셀프 바이어스(self bias) 저항으로서, 음 게이트 전압을 세팅함으로써 상기 MESFET(400)의 드레인으로 입력되는 전류 흐름을 제어한다. 또한 캐패시터(411) 및 (413)은 바이패스 캐패시터이다. 상기 MESFET(400)의 드레인 단자는 인덕터(409)를 통해 제공되는 전력 전압 Vdd와 연결된다.
모뎀(MODEM, 도시하지 않음)에서 측정된 신호대 잡음비와 상기 수신신호의 전계강도에 따라 제어 트랜지스터 BJT(405)의 베이스로 제어 전압 Vctnl이 제공된다. 상기 제어 트랜지스터 BJT(405)가 상기 제어 전압 Vctnl에 의해 턴온되면, 상기 BJT(405)의 특성 저항값이 감소되고, 그래서 상기 BJT(405)를 통해 흐르는 전류가 증가된다. 상기 전류의 증가는 상기 저잡음 증폭기의 선형성을 개선시키게 되는 것이다.
상기 도 4에서는 상기 저항 (403) 및 (407)을 스위칭하기 위한 소자로서, BJT를 사용하는 경우를 일예로 한정하여 설명하였지만 스위칭 기능을 수행할 수 있는 소자일 경우 상기 BJT와 대체 가능하다. 예를 들어 제너 다이오드(Zener Diode) 혹은 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 스위치, MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit) 스위치와 같이 상기 저항(403) 및 (407)을 스위칭할 수 있는 소자일 경우 상기 BJT를 대신하여 사용가능하다.
도 5는 도 3의 이동통신 단말기의 수신기 내부 구성을 구현한 또 다른 실시예에 따른 도면이다.
먼저, 저항(401)은 게이트 단자에 그라운드 전위를 제공하는 저항이며, 저항(500) 및 (510)은 MESFET(Metal Semiconductor Field-Effect Transistor, 금속 반도체 전계 효과 트랜지스터)(400)의 소스 단자에 병렬 연결된다. 상기 저항(500) 및 (510)은 소스 셀프 바이어스(self bias) 저항으로서, 음 게이트 전압을 세팅함으로써 상기 MESFET(400)의 드레인으로 입력되는 전류 흐름을 제어한다. 또한 캐패시터(411) 및 (530)은 바이패스 캐패시터이다. 상기 MESFET(400)의 드레인 단자는 인덕터(409)를 통해 제공되는 전력 전압 Vdd과 연결된다.
모뎀(MODEM, 도시하지 않음)에서 측정된 신호대 잡음비와 상기 수신신호의 전계강도에 따라 제어 트랜지스터 BJT(520)의 베이스로 제어 전압 Vctnl이 제공된다. 상기 제어 트랜지스터 BJT(520)가 상기 제어 전압 Vctnl에 의해 턴온되면, 상기 BJT(520)의 특성 저항값이 감소되고, 그래서 상기 BJT(520)를 통해 흐르는 전류가 증가된다. 상기 전류의 증가는 상기 저잡음 증폭기의 선형성을 개선시키게 되는 것이다.
상기 도 5에서는 상기 저항 (500) 및 (510)을 스위칭하기 위한 소자로서, BJT를 사용하는 경우를 일예로 한정하여 설명하였지만 스위칭 기능을 수행할 수 있는 소자일 경우 상기 BJT와 대체 가능하다. 예를 들어 제너 다이오드(Zener Diode) 혹은 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 스위치, MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit) 스위치와 같이 상기 저항(500) 및 (510)을 스위칭할 수 있는소자일 경우 상기 BJT를 대신하여 사용가능하다.
그리고, 상기 저잡음 증폭기의 출력단을 전류 제어할 경우 저잡음 증폭기 특성 모의 실험 결과를 하기 표에 나타내었다.
LNA 전류(mA) LNA 출력단 전류(mA) 잡음지수(dB) 전력이득(dB) 출력억압전력(dBm) 입력억압전력(dBm)
9 4.5 1.08 17.5 4.5 -12
13 8.5 1.07 18 8.5 -8.5
14.5 10 1.07 18 9.5 -7.5
18.5 14 1.07 18.5 11 -5.5
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
상술한 바와 같은 본 발명은 이동통신 단말기의 수신단에서 저잡음 증폭기를 제어시, 전류 바이어스를 제어하여 수신신호의 선형성 및 전력이득, 잡음 지수 등의 특성을 유지하는 이점을 가진다.
또한, 전류 바이어스를 수신신호의 세기에 따라 조절함으로써 수신기에 제공되는 배터리 전류 소모를 감소시킨다는 이점을 가진다.

Claims (4)

  1. 이동통신 단말기의 수신기에 있어서,
    모뎀으로부터 수신되는 신호의 신호대 잡음비를 수신하고, 수신 전계 강도 검출부로부터 수신 전계 강도에 관한 정보를 수신하며, 상기 수신 전계 강도가 증가할 때 상기 신호대 잡음비가 증가하지 않을 경우 제어신호를 출력하는 저잡음 증폭기 제어부와,
    상기 저잡음 증폭기 제어부에서 출력하는 제어신호에 상응하게 바이어스 전류를 증가시키는 바이어스부와,
    상기 바이어스부에서 발생한 바이어스 전류에 따라 상기 수신 신호를 해당 신호 레벨로 증폭하는 저잡음 증폭기를 포함함을 특징으로 하는 상기 수신기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 저잡음 증폭기는 금속 반도체 전계 효과 트랜지스터로 구성됨을 특징으로 하는 상기 수신기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 바이어스부는 상기 제어신호를 수신하는 BJT와,
    상기 금속 반도체 전계 효과 트랜지스터의 소스 단자에 병렬로 연결되어 드레인 전류를 제어하는 두 개의 저항들을 포함함을 특징으로 하는 상기 수신기.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 바이어스부는 상기 제어신호를 수신하는 BJT와,
    상기 금속 반도체 전계 효과 트랜지스터의 소스 단자에 직렬로 연결되어 드레인 전류를 제어하는 두 개의 저항들을 포함함을 특징으로 하는 상기 수신기.
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