KR100456238B1 - Frequency up conversion mixer of CMOS device - Google Patents
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Abstract
본 발명은 통신 시스템에서 사용되는 CMOS 소자의 주파수 상향 변환 믹서에 관한 것으로, 주파수 상향 변환 믹서의 신호 입력부에 음의 피드백 회로를 연결하여 입력부의 선형성을 향상시켰으며, 저전압 구조에 적합하고 DC 옵셋을 보상하는 기능을 가지는 저전력과 고선형성을 갖는 CMOS 소자의 주파수 상향 변환 믹서를 제시한다.The present invention relates to a frequency up-conversion mixer of a CMOS device used in a communication system. The negative feedback circuit is connected to a signal input part of a frequency up-conversion mixer to improve linearity of the input part. We present a frequency upconversion mixer for CMOS devices with low power and high linearity.
Description
본 발명은 CMOS 소자의 주파수 상향 변환 믹서에 관한 것으로, 특히 저전압에서 선형성을 높일 수 있는 CMOS 소자의 주파수 상향 변환 믹서에 관한 것이다.The present invention relates to a frequency upconversion mixer of a CMOS device, and more particularly, to a frequency upconversion mixer of a CMOS device capable of increasing linearity at low voltage.
도 1은 일반적인 슈퍼-헤테로다인(Super-Heterodyne) 구조의 W-CDMA 시스템 송신부의 블록도이다.1 is a block diagram of a W-CDMA system transmitter having a general super-heterodyne structure.
도 1을 참조하면, W-CDMA 시스템의 송신부는 일반적으로 컨버터부(100), I/Q 변조부(200), 가변 이득증폭부(Variable gain amplifier; VGA)(300), RF 변조부(400) 및 송수신 안테나(500)로 구성된다.Referring to FIG. 1, a transmitter of a W-CDMA system generally includes a converter unit 100, an I / Q modulator 200, a variable gain amplifier (VGA) 300, and an RF modulator 400. And a transmit / receive antenna 500.
상기 컨버터부(100)는 소정의 데이터 신호(DATA)를 입력받아 아날로그 신호로 변환하기 위한 D/A 컨버터(Digital to Analog converter; 110)와, 상기 D/A 컨버터(110)에 의해 변환된 아날로그 신호의 스위칭 잡음(Switching noise)을 필터링하기 위한 기저대역 필터(Low pass filter; LPF)(120)로 구성된다.The converter unit 100 receives a predetermined data signal DATA and converts it into an analog signal (Digital to Analog converter; 110), and the analog converted by the D / A converter (110) And a low pass filter (LPF) 120 for filtering the switching noise of the signal.
상기 I/Q 변조부(200)는 인페이즈(In-phase)와 쿼드리처페이즈(Quadrature-Phase)를 발생하기 위한 I/Q 발진기(220)와, 상기 I/Q 발진기(220)로부터 발생된 인페이즈와 쿼드리처페이즈를 이용하여 기저대역(baseband) 신호를 중간주파수(Intermediate Frequency ; IF)로 주파수 상향 변환하기 위한 주파수 상향 변환 믹서(210)로 구성된다.The I / Q modulator 200 generates an I / Q oscillator 220 and an I / Q oscillator 220 for generating an in-phase and quadrature phase. A frequency up-conversion mixer 210 is used to up-convert a baseband signal to an intermediate frequency (IF) using an in-phase and quadrature phase.
RF 변조부(400)는 상기 가변 이득증폭부(300)의 출력신호에 포함된 불필요한 신호를 필터링하기 위한 IF 필터(410)와, RF(Radio Frequency) 신호를 발생하기 위한 RF 발진기(430)와, 상기 IF 필터(410)의 출력신호와 상기 RF 발진기(430)의 출력신호를 믹싱하기 위한 RF 믹서(420)와, 송수신 안테나(500)에 전력을 공급하기 위한 전력 증폭기(440)와, 상기 송수신 안테나(500)를 송신과 수신에 공동으로 사용하기 위하여 송신할 때에는 송신 출력으로부터 수신기를 보호하고 수신할 때에는 반향(echo) 신호를 수신기에 공급하기 위한 송수신 전환기(450)로 구성된다.The RF modulator 400 includes an IF filter 410 for filtering out unnecessary signals included in the output signal of the variable gain amplifier 300, an RF oscillator 430 for generating an RF signal, and an RF filter 430. An RF mixer 420 for mixing the output signal of the IF filter 410 and the output signal of the RF oscillator 430, a power amplifier 440 for supplying power to the transmit / receive antenna 500, and the The transmit / receive antenna 500 comprises a transmit / receive switch 450 for protecting the receiver from a transmission output when transmitting and receiving the echo signal 500 and transmitting an echo signal to the receiver when receiving.
상기와 같이, I/Q 변조부(200)를 구성하는 주파수 상향 변환 믹서(210)는 일반적으로 D/A 컨버터(110)와 기저대역 필터(120)로 구성되는 컨버터부(100)의 후단에 위치됨에 따라 상기 컨버터부(100)로부터 큰 입력신호를 입력받게 된다. 따라서, 상기 주파수 상향 변환 믹서(210)는 필수적으로 넓은 선형성(Wide linearity)을 갖도록 구성되어야 한다.As described above, the frequency up-conversion mixer 210 constituting the I / Q modulator 200 generally includes a D / A converter 110 and a baseband filter 120 at the rear end of the converter unit 100. As it is positioned, a large input signal is received from the converter unit 100. Therefore, the frequency up-conversion mixer 210 must be configured to have a wide linearity.
최근, 이러한 주파수 상향 변환 믹서의 선형성을 개선하기 위한 방안으로는 2001. 6. 5일 등록된 미국 특허 제 6,242,963호 "Differential Mixer With Improved Linearity"와, 2000. 7. 25일 등록된 미국 특허 제 6,094,571호 "Differential Class AB Mixer Circuit" 및 2000, 9, 19일 등록된 미국 특허 제 6,121,818호 "Mixer Using Replica Voltage-Current Converter"가 제시되고 있다. 여기서는 미국 특허 제 6,242,963호(이하 '종래 기술'이라 함)에 대해서만 언급하기로 한다.Recently, to improve the linearity of such a frequency up-conversion mixer, US Patent No. 6,242,963, registered on June 5, 2001, and "Differential Mixer With Improved Linearity", and US Patent No. 6,094,571, registered on July 25, 2000 "Differential Class AB Mixer Circuit" and US Patent No. 6,121,818, "Mixer Using Replica Voltage-Current Converter," registered on September 9, 2000, are presented. Reference is made here only to US Pat. No. 6,242,963 (hereinafter referred to as 'prior art').
상기 종래 기술은 가장 보편적으로 널리 이용되고 있는 길버트(Gilbert) 믹서 구조를 기본으로 하여 출력 부하를 다이오드와 선형영역의 트랜지스터로 구성하여 출력 능동 부하의 비선형성을 개선하므로써 원하는 신호범위에서 선형특성을 향상시킬 수 있는 방안을 제시하고 있다. 이를 도 2를 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.The conventional technology is based on the most widely used Gilbert mixer structure, and the output load is composed of a diode and a transistor in a linear region to improve the nonlinearity of the output active load, thereby improving linear characteristics in a desired signal range. It suggests a way to make it possible. This will be described in detail with reference to FIG. 2 as follows.
도 2는 종래 기술의 주파수 상향 변환 믹서를 도시한 상세 회로도로서, 믹싱부(211), 공통 모드 출력부(212), 제 1 및 제 2 선형 부하부(213 및 214)로 이루어진다.FIG. 2 is a detailed circuit diagram showing a frequency up-conversion mixer of the prior art, which includes a mixing unit 211, a common mode output unit 212, and first and second linear load units 213 and 214.
상기 믹싱부(211)는 출력단(OUT+및 OUT-)과 제 1 노드(B1) 사이에 접속되어 캐리어 신호(LO+및 LO-)에 따라 동작되는 제 1 및 제 2 NMOS 트랜지스터(N1 및 N2)와, 출력단(OUT+및 OUT-)과 제 2 노드(B2) 사이에 접속되어 캐리어 신호(LO+및 LO-)에 따라 동작되는 제 3 및 제 4 NMOS 트랜지스터(N3 및 N4)와, 제 1 노드(B1), 제 2 노드(B2)와 상기 제 3 노드(B3) 사이에 접속되어 RF 신호(RF+및 RF-)에 따라 동작되는 제 5 및 제 6 NMOS 트랜지스터(N5 및 N6)와, 제 3 노드(B3)와 접지원(Vss) 사이에 접속되어 게이트전압(Vg)에 따라 동작되는 제 7 NMOS 트랜지스터(N7)로 구성된다.The mixing unit 211 is connected between the output terminals OUT + and OUT − and the first node B1 to operate the first and second NMOS transistors N1 and N2 operated according to the carrier signals LO + and LO − . ), and an output terminal (OUT + and OUT -) and a second node (B2) is connected between the carrier signal (LO + and LO -) third and 4 NMOS transistor (N3 and N4 which operates in accordance with), a a first node (B1), a second node (B2) and the third node (B3) connected between the RF signal (RF + and RF -) of claim 5 and claim 6 NMOS transistors (N5 and N6) which is operated in accordance with the And a seventh NMOS transistor N7 connected between the third node B3 and the ground source Vss and operated according to the gate voltage Vg.
상기 공통 모드 출력부(212)는 출력단(OUT+및 OUT-) 사이에 직렬로 접속되어 레플리커 바이어스부(Replica bias circuit; 215)의 출력신호에 따라 동작되는 제 5 및 제 6 PMOS 트랜지스터(P5 및 P6)로 구성된다.The common mode output unit 212 is connected in series between the output terminals OUT + and OUT − to operate the fifth and sixth PMOS transistors P5 operated according to an output signal of a replica bias circuit 215. And P6).
상기 제 1 선형 부하부(213)는 전압원(Vcc)과 출력단(OUT+) 사이에 다이오드 형태로 접속되는 제 1 PMOS 트랜지스터(P1)와, 상기 전압원(Vcc)과 상기 출력단(OUT+) 사이에 트라이오드(Triode) 형태로 접속되어 기준 제어전압(VC)에 따라 동작되는 제 2 PMOS 트랜지스터(P2)로 구성된다.Between the first linear load unit 213 is a voltage source (Vcc) and an output terminal a first PMOS transistor (P1) and the voltage source (Vcc) and said output terminal (OUT +) connected in a diode form between (OUT +), It is composed of a second PMOS transistor P2 connected in the form of a triode and operated according to a reference control voltage VC.
상기 제 2 선형 부하부(214)는 전압원(Vcc)과 출력단(OUT-) 사이에 다이오드 형태로 접속되는 제 3 PMOS 트랜지스터(P3)와, 상기 전압원(Vcc)과 상기 출력단(OUT-) 사이에 트라이오드(Triode) 형태로 접속되어 기준 제어전압(VC)에 따라 동작되는 제 4 PMOS 트랜지스터(P4)로 구성된다.Between the second linear load unit 214 is a voltage source (Vcc) and an output terminal (OUT - -), the third being connected to a diode between the PMOS transistor (P3) and the voltage source (Vcc) and said output terminal (OUT) A fourth PMOS transistor P4 connected in the form of a triode and operated according to the reference control voltage VC is formed.
상기와 같이, 종래 기술의 믹서는 능동 부하로 동작되는 제 1 및 제 2 선형부하부(213 및 214)와, 캐리어 신호(LO+및 LO-)와 RF 신호(RF+및 RF-)를 입력받아 믹싱하기 위한 믹싱부(211)로 구성되며, 상기 제 1 및 제 2 선형 부하부(213 및 214)는 다이오드 접속된 제 1 및 제 3 PMOS 트랜지스터(P1 및 P3)와, 트라이오드 형태로 접속되어 선형영역에서 동작하는 제 2 및 제 4 PMOS 트랜지스터(P2 및 P4)가 병렬로 접속되어 구성되므로써 일정 영역에서 이상적인 선형 로드의 특성을 갖는다. 즉, 종래 기술의 믹서는 일반적인 능동 부하가 아닌 선형 능동 부하를 이용하므로써 비교적 넓은 선형 영역을 얻을 수 있다.As described above, the first and second linear load section (213 and 214) and a carrier signal which is operated as a mixer is the active load of the prior art, type (LO + and LO - -) and the RF signal (RF + and RF) And a mixing unit 211 for receiving and mixing, wherein the first and second linear load units 213 and 214 are connected to diode-connected first and third PMOS transistors P1 and P3 in a triode form. And the second and fourth PMOS transistors P2 and P4 operating in the linear region are connected in parallel to have ideal linear load characteristics in a certain region. That is, the mixer of the prior art can obtain a relatively large linear region by using a linear active load rather than a general active load.
그러나, 종래 기술의 믹서는 전류원으로 동작되는 제 7 NMOS 트랜지스터(N7), RF 신호(RF+및 RF-)가 입력되는 제 5 및 제 6 NMOS 트랜지스터(N5 및 N6), 캐리어 신호(LO+및 LO-)가 입력되는 제 1 내지 제 4 NMOS 트랜지스터(N1 내지 N4), 제 1 및 제 2 선형 부하부(213 및 214)의 제 1 내지 제 4 PMOS 트랜지스터(P1 내지 P4)가 스택구조(Stack architecture)로 구성되어 있기 때문에 각 트랜지스터의 문턱전압(Threshold voltage; Vth)을 고려할 경우 구조상 3V 이하의 저전압 구조에서 넓은 선형영역을 얻기에 적합하지 않다. 즉, 상기와 같은 스택구조의 경우 전류를 증가시켜도 그 구조상 선형성에 한계가 있으며, 대부분 선형영역의 제곱에 비례하여 전류량을 증가시켜야 하는 문제점이 있다. 따라서, 상기와 같은 문제점은 최근 휴대용 단말기의 소형화 추세에 맞는 송수신기의 저전력 설계에 문제가 되고 있다.However, the mixer of the prior art has a seventh NMOS transistor N7 operated as a current source, fifth and sixth NMOS transistors N5 and N6 to which RF signals RF + and RF − are input, carrier signals LO + and The first to fourth NMOS transistors N1 to N4 and the first to fourth PMOS transistors P1 to P4 of the first and second linear load units 213 and 214 to which LO − are input are stacked. Because of the architecture, considering the threshold voltage (V th ) of each transistor, it is not suitable to obtain a wide linear region in a low voltage structure of less than 3V. That is, in the case of the stack structure as described above, there is a limit in the linearity of the structure even if the current is increased, and there is a problem in that the current amount must be increased in proportion to the square of the linear region. Therefore, the above problem is a problem in the low power design of the transceiver to meet the trend of miniaturization of the portable terminal in recent years.
최근 들어, 상기의 문제점을 해결하기 위한 방안으로 송신기를 구성하는 믹서의 전단에 감쇠기(Attenuator)를 구성하여 입력되는 주파수 신호를 기저대역(Baseband)에 가까운 낮은 주파수 신호(이하 '입력신호'라 함)로 줄이는 방안이 제시되고 있다. 그러나, 송신기의 믹서에서 입력신호를 주파수 상향 변환 시킬 때, 이상적인 경우에는 입력신호와 캐리어(Carrier) 주파수의 합(+)과 차(-) 주파수만 출력되는데 반해, 입력신호에 DC 옵셋이 포함된 경우에는 DC 옵셋과 캐리어의 곱에 의한 캐리어 성분과 기생 캐패시터(Parasitic capacitor)의 피드-쓰루(Feed-through)에 의한 캐리어 성분이 출력된다. 이때, 입력신호가 기저대역신호에 근접함에 따라 캐리어 신호는 믹서의 출력신호 주파수(즉, 입력신호와 캐리어 신호의 합과 차)와 매우 근접하게 출력된다.Recently, in order to solve the above problems, a frequency signal input by configuring an attenuator in front of a mixer constituting a transmitter is a low frequency signal close to baseband (hereinafter referred to as an input signal). ) Is proposed. However, in the case of an up-conversion of the input signal in the mixer of the transmitter, in the ideal case, only the sum (+) and the difference (-) frequencies of the input signal and the carrier frequency are output, whereas the DC signal is included in the input signal. In this case, the carrier component by the product of the DC offset and the carrier and the carrier component by the feed-through of the parasitic capacitor are output. At this time, as the input signal approaches the baseband signal, the carrier signal is output very close to the output signal frequency of the mixer (that is, the sum and difference of the input signal and the carrier signal).
따라서, 상기 캐리어 신호는 필터에 의해 제거되지 않고 그대로 출력된다. 이때, 출력되는 캐리어 신호가 클 경우에는 믹서 후단에 위치하는 블록들의 비선형성(Non-linearity)에 의해 생기는 상호변조 왜곡(Inter-modulation distortion)에 의해 송신기의 잡음 특성이 매우 나빠지며 송신기의 출력신호 스펙트럼 규격을 만족할 수 없게 된다. 또한, 캐리어 신호가 낮을 경우에는 입력단의 DC 옵셋에 의해 발생하는 성분의 영향이 커져, 캐리어 신호가 높아질수록 기생 캐패시터로 인해 발생하는 캐리어 피드-쓰루 성분이 점점 증가하게 되므로써 더욱 심각한 문제를 초래하게 된다.Thus, the carrier signal is output as is without being removed by the filter. In this case, when the output carrier signal is large, the noise characteristic of the transmitter is very poor due to inter-modulation distortion caused by non-linearity of blocks located at the rear of the mixer. Spectrum specifications will not be satisfied. In addition, when the carrier signal is low, the influence of the component generated by the DC offset of the input terminal is increased, and as the carrier signal increases, the carrier feed-through component generated by the parasitic capacitor increases, which causes more serious problems. .
상기 DC 옵셋에 의한 영향은 입력신호 크기에 상대적인 값으로 출력단에 나타나기 때문에 입력신호의 크기를 키우면 그 만큼 감소하며, 커플링에 의한 성분도입력신호 크기를 키우면 상대적으로 감소하게 된다. 즉, 믹서의 입력 선형영역을 키워 가능한 입력신호의 크기를 키운다면 출력신호에 대한 캐리어 감쇠도를 향상시킬 수 있다. 그러나, 입력단이 CMOS 트랜지스터인 경우, 일반적으로 선형영역에 제약이 심하며 선형성을 키우기 위해서는 그에 따른 전력 소모가 커지는 문제가 있다.Since the effect of the DC offset is displayed at the output terminal as a value relative to the input signal size, increasing the size of the input signal is reduced by that amount, and the component by coupling is also relatively reduced when the input signal size is increased. In other words, if the size of the input signal is increased by increasing the input linear region of the mixer, the carrier attenuation of the output signal can be improved. However, in the case where the input terminal is a CMOS transistor, there is a problem in that the linear region is generally severely limited and power consumption is increased to increase linearity.
따라서, 본 발명은 상기의 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 주파수 상향 변환 믹서의 신호 입력부에 음의 피드백 회로를 구성하여 입력신호의 크기를 크게하고 선형성을 향상시킴으로써 캐리어 신호의 크기를 상대적으로 감소시켜 캐리어 감쇠도를 향상시키는 데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been made to solve the above problem, by forming a negative feedback circuit in the signal input portion of the frequency up-conversion mixer to increase the size of the input signal and improve the linearity to relatively reduce the size of the carrier signal The purpose is to improve carrier attenuation.
또한, 본 발명은 저전압 구조에 적합하고 DC 옵셋을 보상하는 기능을 가지며 구조가 간단한 CMOS 소자의 주파수 상향 변환 믹서를 제공하는 데 있다.In addition, the present invention provides a frequency up-conversion mixer for a CMOS device which is suitable for a low voltage structure, has a function of compensating for DC offset, and has a simple structure.
도 1은 일반적인 슈퍼-헤테로다인 구조의 W-CDMA 시스템 송신부를 설명하기 위한 블록도.1 is a block diagram illustrating a W-CDMA system transmitter of a general super-heterodyne structure.
도 2는 종래의 주파수 상향 변환 믹서를 설명하기 위한 상세 회로도.2 is a detailed circuit diagram for explaining a conventional frequency up-conversion mixer.
도 3은 본 발명에 따른 주파수 상향 변환 믹서를 설명하기 위한 상세 회로도.3 is a detailed circuit diagram illustrating a frequency up-conversion mixer according to the present invention.
도 4는 도 3에 도시된 출력부의 등가 회로도.4 is an equivalent circuit diagram of an output unit shown in FIG. 3.
도 5는 도 3에 도시된 주파수 상향 변환 믹서의 선형특성을 설명하기 위한 시뮬레이션 그래프.FIG. 5 is a simulation graph for explaining the linear characteristics of the frequency up-conversion mixer shown in FIG. 3. FIG.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
100 : 컨버터부 110 : D/A 컨버터100: converter 110: D / A converter
120 : 기저대역 필터 200 : I/Q 변조부120: baseband filter 200: I / Q modulator
210 : 주파수 상향 변환 믹서 211 : 믹싱부210: frequency up-conversion mixer 211: mixing unit
212 : 공통 모드 출력부 213 : 제 1 선형 부하부212: common mode output unit 213: first linear load unit
214 : 제 2 선형 부하부 215 : 레플리카 바이어스부214: second linear load portion 215: replica bias portion
216 : 제 1 입력부 217 : 제 2 입력부216: first input unit 217: second input unit
218 : 출력부 219 : 옵셋 보상회로부218: output section 219: offset compensation circuit section
220 : I/Q 발진기 300 : 가변이득증폭기220: I / Q oscillator 300: variable gain amplifier
400 : RF 변조부 410 : IF 필터400: RF modulator 410: IF filter
420 : RF 믹서 430 : RF 발진기420: RF Mixer 430: RF Oscillator
440 : 전력 증폭기 450 : 송수신 전환기440: power amplifier 450: transceiver switch
500 : 송수신 안테나500: transmit and receive antenna
본 발명은 음의 피드백 루프 방식으로 구성되어 양(+) 전위 입력신호의 선형성을 증가시키기 위한 제 1 수단; 음의 피드백 루프 방식으로 구성되어 음(-) 전위 입력신호의 선형성을 증가시키기 위한 제 2 수단; 및 상기 제 1 및 제 2 수단으로부터 출력되는 신호와 캐리어 신호를 믹싱하기 위한 믹싱부를 포함하여 이루어진다.The present invention comprises first means for increasing the linearity of a positive potential input signal in a negative feedback loop manner; Second means for increasing the linearity of the negative potential input signal, the second feedback loop being configured in a negative feedback loop manner; And a mixing unit for mixing the signal output from the first and second means with the carrier signal.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 CMOS 소자의 주파수 상향 변환 믹서를 설명하기 위해 도시한 상세 회로도이다.3 is a detailed circuit diagram illustrating a frequency up-conversion mixer of a CMOS device according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 본 발명의 CMOS 소자의 주파수 상향 변환 믹서는 외부로부터 입력신호(IN+)가 입력되는 양 신호 입력부(이하 '제 1 입력부'라 함)(216), 입력신호(IN-)가 입력되는 음 신호 입력부(이하 '제 2 입력부'라 함)(217) 및 상기 입력신호(IN+및 IN-)를 믹싱하여 출력하기 위한 출력부(218)로 이루어진다.Referring to FIG. 3, in the frequency up-conversion mixer of the CMOS device of the present invention, both signal input units (hereinafter referred to as 'first input units') 216 to which an input signal IN + is input from the outside, an input signal IN − It comprises a) an output unit 218 for outputting to the mixing -) input sound signal input unit (hereinafter referred to as "second input section" hereinafter) 217 and the input signal (iN + and iN is.
상기 제 1 입력부(216)는 전원전압원(Vcc)과 제 1 노드(B11) 사이에 접속되어 제 2 노드(B12)의 전위에 따라 동작되는 제 1 NMOS 트랜지스터(N11)와, 상기 제 1 노드(B11)와 접지전압원(Vss) 사이에 접속되어 제 1 신호(Vb1)에 따라 동작되는 제 2 NMOS 트랜지스터(N12)와, 전원전압원(Vcc)과 상기 제 2 노드(B12) 사이에 접속되어 제 2 신호(Vb2)에 따라 동작되는 제 1 PMOS 트랜지스터(P11)와, 상기 제 2 노드(B12)와 제 3 노드(B13) 사이에 접속되어 입력신호(IN+)에 따라 소스 팔로워(Source follower)로 동작되는 제 3 NMOS 트랜지스터(N13)와, 상기 제 3 노드(B13)와 접지전압원(Vss) 사이에 접속되어 상기 제 1 노드(B11)의 전위에 따라 동작되는 제 4 NMOS 트랜지스터(N14)로 구성된다. 여기서, 상기 제 1, 제 3 및 제 4 NMOS 트랜지스터(N11, N13 및 N14)는 음의 피드백 루프(Negative feedback loop)를 형성하므로써 상기 제 3 NMOS 트랜지스터(N13)의 드레인 전류를 일정하게 유지시킨다.The first input unit 216 is connected between the power supply voltage source Vcc and the first node B11 to operate according to the potential of the second node B12 and the first node (N11). A second NMOS transistor N12 connected between B11 and the ground voltage source Vss and operated according to the first signal Vb1, and connected between a power supply voltage source Vcc and the second node B12 and connected to the second node. The first PMOS transistor P11 operated according to the signal Vb2 and the second node B12 and the third node B13 are connected to the source follower according to the input signal IN + . A third NMOS transistor N13 operated and a fourth NMOS transistor N14 connected between the third node B13 and the ground voltage source Vss and operated according to the potential of the first node B11. do. Here, the first, third and fourth NMOS transistors N11, N13, and N14 form a negative feedback loop to maintain the drain current of the third NMOS transistor N13 constant.
상기 제 2 입력부(217)는 전원전압원(Vcc)과 제 4 노드(B14) 사이에 접속되어 제 5 노드(B15)의 전위에 따라 동작되는 제 5 NMOS 트랜지스터(N15)와, 상기 제 4 노드(N14)와 접지전압원(Vss) 사이에 접속되어 상기 제 1 신호(Vb1)에 따라 동작되는 제 6 NMOS 트랜지스터(N16)와, 전원전압원(Vcc)과 상기 제 5 노드(B15) 사이에 접속되어 상기 제 2 신호(Vb2)에 따라 동작되는 제 2 PMOS 트랜지스터(P12)와, 상기 제 5 노드(B15)와 제 6 노드(B16) 사이에 접속되어 입력신호(IN-)에 따라 소스 팔로워로 동작되는 제 7 NMOS 트랜지스터(N17)와, 상기 제 6 노드(B16)와 접지전압원(Vss) 사이에 접속되어 상기 제 4 노드(B14)의 전위에 따라 동작되는 제 8 NMOS 트랜지스터(N18)로 구성된다. 여기서, 상기 제 5, 제 7 및 제 8 NMOS 트랜지스터(N15, N17 및 N18)는 음의 피드백 루프를 형성하므로써 상기 제 7 NMOS 트랜지스터(N17)의 드레인 전류를 일정하게 유지시킨다.The second input unit 217 is connected between the power source voltage source Vcc and the fourth node B14 to operate according to the potential of the fifth node B15, and the fourth node (N15). A sixth NMOS transistor N16 connected between N14 and a ground voltage source Vss and operated according to the first signal Vb1, a power source voltage Vcc, and a fifth node B15, and The second PMOS transistor P12 operated according to the second signal Vb2 and the fifth node B15 and the sixth node B16 are connected to the source follower according to the input signal IN − . And a seventh NMOS transistor N17 and an eighth NMOS transistor N18 connected between the sixth node B16 and the ground voltage source Vss and operated according to the potential of the fourth node B14. Here, the fifth, seventh, and eighth NMOS transistors N15, N17, and N18 form a negative feedback loop, thereby maintaining a constant drain current of the seventh NMOS transistor N17.
상기 출력부(218)는 전원전압원(Vcc)과 출력단(OUT-) 사이에 접속되는 제 1 저항(R1)과, 전원전압원(Vcc)과 출력단(OUT+) 사이에 접속되는 제 2 저항(R2)과, 상기 제 1 저항(R1)과 제 7 노드(B17) 사이에 접속되어 캐리어 신호(LO+)에 따라 동작되는 제 9 NMOS 트랜지스터(N19)와, 상기 제 7 노드(B17)와 접지전압원(Vss) 사이에 접속되어 상기 제 1 노드(B11)의 전위에 따라 동작되는 제 13 NMOS 트랜지스터(N23)와, 상기 제 2 저항(R2)과 상기 제 7 노드(B17) 사이에 접속되어 캐리어 신호(LO-)에 따라 동작되는 제 10 NMOS 트랜지스터(N20)와, 상기 제 1 저항(R1)과 제 8 노드(B18) 사이에 접속되어 캐리어 신호(L0-)에 따라 동작되는 제 11 NMOS 트랜지스터(N21)와, 상기 제 2 저항(R2)과 상기 제 8 노드(B18) 사이에 접속되어 캐리어 신호(LO+)에 따라 동작되는 제 12 NMOS 트랜지스터(N22)와, 상기 제 8 노드(N18)와 접지전압원(Vss) 사이에 접속되어 상기 제 4 노드(B14)의 전위에 따라 동작되는 제 14 NMOS 트랜지스터(N24)로 구성된다.The output unit 218 includes a first resistor R1 connected between the power supply voltage source Vcc and the output terminal OUT − , and a second resistor R2 connected between the power supply voltage source Vcc and the output terminal OUT + . ), A ninth NMOS transistor N19 connected between the first resistor R1 and the seventh node B17 and operated according to a carrier signal LO + , the seventh node B17 and a ground voltage source. A carrier signal connected between the thirteenth NMOS transistor N23 and the second resistor R2 and the seventh node B17 that are connected between the first and second nodes B11 and operated according to the potential of the first node B11. An eleventh NMOS transistor N20 operated according to (LO − ) and an eleventh NMOS transistor (N20) connected between the first resistor R1 and an eighth node B18 and operated according to a carrier signal L0 − . the eighth N21) and to the second resistor (R2) and the eighth node (12 first NMOS transistor (N22) is connected between B18) which operates in accordance with the carrier signal (LO +), Is connected to the side-(N18) and a ground voltage source (Vss) is composed of the 14 NMOS transistor (N24) is operated in accordance with the potential of the fourth node (B14).
상기와 같이 구성된 본 발명의 CMOS 주파수 상향 변환 믹서의 동작특성을 설명하면 다음과 같다.Referring to the operation characteristics of the CMOS frequency up-conversion mixer of the present invention configured as described above are as follows.
우선, 제 1 입력부(216)에서는, 일정 크기를 갖는 제 1 신호(Vb1)와 제 2 신호(Vb1 및 Vb2)에 의해 제 1 PMOS 트랜지스터(P11)와 제 2 NMOS 트랜지스터(N12)를 흐르는 전류가 일정하게 유지된다. 따라서, 제 1 PMOS 트랜지스터(P11) 및 제 2 NMOS 트랜지스터(N12)는 전류원으로 동작한다.First, in the first input unit 216, a current flowing through the first PMOS transistor P11 and the second NMOS transistor N12 is generated by the first signal Vb1 and the second signals Vb1 and Vb2 having a predetermined magnitude. Stays constant. Thus, the first PMOS transistor P11 and the second NMOS transistor N12 operate as current sources.
이런 상태에서, 소정 기준전위보다 낮은 전위를 가진 입력신호(IN+)가 소스 팔로워로 동작하는 제 3 NMOS 트랜지스터(N13)의 게이트로 입력되면, 상기 제 3 NMOS 트랜지스터(N13)의 드레인 전압이 상승하므로써 제 2 노드(B12)의 전위가 상승하게 된다. 상기 제 2 노드(B12)의 전위가 상승함에 따라 상기 제 1 NMOS 트랜지스터(N11)의 게이트 전압이 상승함과 아울러 상기 제 1 NMOS 트랜지스터(N11)의 소스 전압이 상승하므로써 제 1 노드(B11)의 전위가 상승하게 된다. 또한, 상기 제 1 노드(B11)의 전위가 상승함에 따라 제 4 NMOS 트랜지스터(N14)의 게이트 전압이 상승한다. 이로 인해, 상기 제 4 NMOS 트랜지스터(N14)의 드레인 전압이 하강하므로써 상기 제 3 노드(B13) 상의 전위가 하강하게 되고, 따라서 제 3 NMOS 트랜지스터(N13)의 드레인 전압이 하강하는 음의 피드백 루프가 형성된다.In this state, when the input signal IN + having a potential lower than a predetermined reference potential is input to the gate of the third NMOS transistor N13 operating as a source follower, the drain voltage of the third NMOS transistor N13 increases. As a result, the potential of the second node B12 is increased. As the potential of the second node B12 increases, the gate voltage of the first NMOS transistor N11 increases and the source voltage of the first NMOS transistor N11 increases, thereby increasing the potential of the first node B11. The potential rises. In addition, as the potential of the first node B11 increases, the gate voltage of the fourth NMOS transistor N14 increases. As a result, the potential on the third node B13 drops as the drain voltage of the fourth NMOS transistor N14 falls, so that a negative feedback loop in which the drain voltage of the third NMOS transistor N13 falls Is formed.
반대로, 소정 기준전위보다 높은 전위를 가진 입력신호(IN+)가 소스 팔로워로 동작하는 제 3 NMOS 트랜지스터(N13)의 게이트로 입력되면, 상기 제 3 NMOS 트랜지스터(N13)의 드레인 전압이 하강하므로써 제 2 노드(B12)의 전위가 하강하게 된다. 상기 제 2 노드(B12)의 전위가 하강함에 따라 상기 제 1 NMOS 트랜지스터(N11)의 게이트 전압이 하강함과 아울러 상기 제 1 NMOS 트랜지스터(N11)의 소스 전압이 하강하므로써 제 1 노드(B11)의 전위가 하강하게 된다. 또한, 상기 제 1 노드(B11)의 전위가 하강함에 따라 제 4 NMOS 트랜지스터(N14)의 게이트 전압이 하강한다. 이로 인해, 상기 제 4 NMOS 트랜지스터(N14)의 드레인 전압이 상승하므로써 상기 제 3 노드(B13)의 전위가 상승하게 되고, 따라서, 제 3 NMOS 트랜지스터(N13)의 드레인 전압이 상승하는 음의 피드백 루프가 형성된다.On the contrary, when the input signal IN + having a potential higher than a predetermined reference potential is input to the gate of the third NMOS transistor N13 that operates as a source follower, the drain voltage of the third NMOS transistor N13 is lowered so that The potential of the two nodes B12 is lowered. As the potential of the second node B12 drops, the gate voltage of the first NMOS transistor N11 decreases and the source voltage of the first NMOS transistor N11 falls, thereby decreasing the voltage of the first node B11. The potential drops. In addition, as the potential of the first node B11 drops, the gate voltage of the fourth NMOS transistor N14 decreases. As a result, as the drain voltage of the fourth NMOS transistor N14 rises, the potential of the third node B13 rises, so that the negative feedback loop in which the drain voltage of the third NMOS transistor N13 rises. Is formed.
즉, 상기 제 1, 제 3 및 제 4 NMOS 트랜지스터(N11, N13 및 N14)를 경유하는 음의 피드백 루프를 통해 상기 동작을 반복하므로써 전류원으로 동작하는 제 1 PMOS 트랜지스터(P11)의 드레인 전압이 일정하게 되므로 상기 제 3 NMOS 트랜지스터(N13)의 전류는 항상 일정하게 유지된다. 따라서, 소스 팔로워로 동작하는 상기 제 3 NMOS 트랜지스터(N13)는 거의 이상적인 선형특성을 가지며, 그 때의 전압 이득은 약 '1'정도이다.That is, the drain voltage of the first PMOS transistor P11 operating as a current source is constant by repeating the operation through the negative feedback loop via the first, third and fourth NMOS transistors N11, N13, and N14. Therefore, the current of the third NMOS transistor N13 is always kept constant. Therefore, the third NMOS transistor N13, which operates as a source follower, has an almost ideal linear characteristic, and the voltage gain at that time is about '1'.
한편, 제 2 입력부(217)에서는, 상기 제 1 입력부(216)와 마찬가지로, 일정 크기를 갖는 제 1 신호(Vb1)와 제 2 신호(Vb1 및 Vb2)에 의해 제 2 PMOS 트랜지스터(P12) 및 제 6 NMOS 트랜지스터(N16)는 전류원으로 동작한다.On the other hand, in the second input unit 217, similar to the first input unit 216, the second PMOS transistor P12 and the second by the first signal (Vb1) and the second signal (Vb1 and Vb2) having a predetermined magnitude. The 6 NMOS transistor N16 operates as a current source.
이런 상태에서, 소정 기준전위보다 낮은 전위를 가진 입력신호(IN-)가 소스 팔로워로 동작하는 제 7 NMOS 트랜지스터(N17)의 게이트로 입력되면, 상기 제 7 NMOS 트랜지스터(N17)의 드레인 전압이 상승하므로써 제 5 노드(B15)의 전위가 상승하게 된다. 상기 제 5 노드(B15)의 전위가 상승함에 따라 상기 제 5 NMOS 트랜지스터(N15)의 게이트 전압이 상승함과 아울러 상기 제 5 NMOS 트랜지스터(N15)의 소스 전압이 상승하므로써 제 4 노드(B14)의 전위가 상승하게 된다. 또한, 상기 제 4 노드(B14)의 전위가 상승함에 따라 제 8 NMOS 트랜지스터(N18)의 게이트 전압이 상승한다. 이로 인해, 상기 제 8 NMOS 트랜지스터(N18)의 드레인 전압이 하강하므로써 상기 제 6 노드(B16) 상의 전위가 하강하게 되고, 따라서 제 7 NMOS 트랜지스터(N17)의 드레인 전압이 하강하는 음의 피드백 루프가 형성된다.In this state, when an input signal IN − having a potential lower than a predetermined reference potential is input to the gate of the seventh NMOS transistor N17 operating as a source follower, the drain voltage of the seventh NMOS transistor N17 increases. As a result, the potential of the fifth node B15 increases. As the potential of the fifth node B15 increases, the gate voltage of the fifth NMOS transistor N15 increases and the source voltage of the fifth NMOS transistor N15 increases, thereby increasing the potential of the fourth node B14. The potential rises. In addition, as the potential of the fourth node B14 increases, the gate voltage of the eighth NMOS transistor N18 increases. As a result, the potential on the sixth node B16 drops as the drain voltage of the eighth NMOS transistor N18 falls, so that a negative feedback loop in which the drain voltage of the seventh NMOS transistor N17 falls is obtained. Is formed.
반대로, 소정 기준전위보다 높은 전위를 가진 입력신호(IN-)가 소스 팔로워로 동작하는 제 5 NMOS 트랜지스터(N15)의 게이트로 입력되면, 상기 제 5 NMOS 트랜지스터(N15)의 드레인 전압이 하강하므로써 제 5 노드(B15)의 전위가 하강하게된다. 상기 제 5 노드(B15)의 전위가 하강함에 따라 상기 제 5 NMOS 트랜지스터(N15)의 게이트 전압이 하강함과 아울러 상기 제 5 NMOS 트랜지스터(N15)의 소스 전압이 하강하므로써 제 4 노드(B14)의 전위가 하강하게 된다. 또한, 상기 제 4 노드(B14)의 전위가 하강함에 따라 제 8 NMOS 트랜지스터(N18)의 게이트 전압이 하강한다. 이로 인해, 상기 제 8 NMOS 트랜지스터(N18)의 드레인 전압이 상승하므로써 상기 제 6 노드(B16)의 전위가 상승하게 되고, 따라서 제 7 NMOS 트랜지스터(N17)의 드레인 전압이 상승하는 음의 피드백 루프가 형성된다.On the contrary, when an input signal IN − having a potential higher than a predetermined reference potential is input to the gate of the fifth NMOS transistor N15 that operates as a source follower, the drain voltage of the fifth NMOS transistor N15 is lowered to decrease the first voltage. The potential of the five nodes B15 is lowered. As the potential of the fifth node B15 drops, the gate voltage of the fifth NMOS transistor N15 decreases, and the source voltage of the fifth NMOS transistor N15 falls, thereby reducing the potential of the fourth node B14. The potential drops. In addition, as the potential of the fourth node B14 decreases, the gate voltage of the eighth NMOS transistor N18 drops. As a result, as the drain voltage of the eighth NMOS transistor N18 increases, the potential of the sixth node B16 increases, so that a negative feedback loop in which the drain voltage of the seventh NMOS transistor N17 increases. Is formed.
즉, 제 2 입력부(217)는 상기 제 1 입력부(216)의 동작특성과 동일하게 상기 제 5, 제 6 및 제 7 NMOS 트랜지스터(N15, N16 및 N17)를 경유하는 음의 피드백 루프를 통해 상기 동작을 반복하므로써 상기 제 7 NMOS 트랜지스터(N17)의 전류는 항상 일정하게 유지된다. 따라서, 소스 팔로워로 동작하는 상기 제 7 NMOS 트랜지스터(N17)는 거의 이상적인 선형특성을 가지며, 그 때의 전압 이득은 약 '1'정도가 된다.That is, the second input unit 217 passes through the negative feedback loop through the fifth, sixth and seventh NMOS transistors N15, N16, and N17 in the same manner as the operating characteristics of the first input unit 216. By repeating the operation, the current of the seventh NMOS transistor N17 is always kept constant. Therefore, the seventh NMOS transistor N17, which operates as a source follower, has an almost ideal linear characteristic, and the voltage gain at that time is about '1'.
상기와 같이 동작되는 제 1 입력부(216)의 제 3 노드(B13) 상의 전위를 'VB13', 제 2 입력부(217)의 제 6 노드(B16)의 전위를 'VB16', 제 3 및 제 7 NMOS 트랜지스터(N13 및 N17)의 소스 팔로워의 이득을 'K1'라고 하면, 'VB13= K1×(IN+), VB16= K1×(IN-)'가 된다.The potential on the third node B13 of the first input unit 216 operated as described above is 'V B13 ', and the potential of the sixth node B16 of the second input unit 217 is 'V B16 ', the third and the like. When the gain of the source follower of the seventh NMOS transistors N13 and N17 is 'K 1 ', it becomes 'V B13 = K 1 × (IN + ), V B16 = K 1 × (IN − )'.
즉, 'VB13'과 'VB16'의 선형특성은 거의 이상적이므로 제 3 저항(R3)에 의해 상기 제 4 및 제 8 NMOS 트랜지스터(N14 및 N18)를 흐르는 전류의 차(lo1)는 하기의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.That is, since the linear characteristics of 'V B13 ' and 'V B16 ' are almost ideal, the difference lo1 of the current flowing through the fourth and eighth NMOS transistors N14 and N18 by the third resistor R3 is as follows. It may be represented as in Equation 1.
여기서, Rin은 제 3 저항(R3)의 저항값이고, Vin = (IN+)-(IN-)이다.Here, the Rin is the resistance value of the third resistor (R3), Vin = (IN +) - a - (IN).
한편, 도 4에 도시된 바와 같이 출력부(218)의 제 13 및 제 14 NMOS 트랜지스터(N23 및 N24)는 전류원(lo2p, lo2n)으로 동작하는데, 그 동작특성은 다음과 같다.Meanwhile, as shown in FIG. 4, the thirteenth and fourteenth NMOS transistors N23 and N24 of the output unit 218 operate as current sources lo2p and lo2n, and their operating characteristics are as follows.
상기 제 13 NMOS 트랜지스터(N23)는 상기 제 1 입력부(216)의 제 4 NMOS 트랜지스터(N14)와 동일하게 상기 제 1 노드(B11)의 전위에 따라 동작되므로써 상기 제 13 NMOS 트랜지스터(N23)에는 상기 제 4 NMOS 트랜지스터(N14)와 동일한 전류가 흐른다. 또한, 상기 제 14 NMOS 트랜지스터(N24) 역시 상기 제 2 입력부(217)의 제 8 NMOS 트랜지스터(N18)와 동일하게 상기 제 4 노드(B14)의 전위에 따라 동작되므로써 상기 제 14 NMOS 트랜지스터(N24)에는 상기 제 8 NMOS 트랜지스터(N18)와 동일한 전류가 흐른다.The thirteenth NMOS transistor N23 is operated in the same manner as the fourth NMOS transistor N14 of the first input unit 216 according to the potential of the first node B11, so that the thirteenth NMOS transistor N23 The same current flows as the fourth NMOS transistor N14. In addition, the fourteenth NMOS transistor N24 may also operate in accordance with the potential of the fourth node B14 in the same manner as the eighth NMOS transistor N18 of the second input unit 217, thereby allowing the fourteenth NMOS transistor N24 to operate. The same current flows through the eighth NMOS transistor N18.
이때, 상기 제 4 및 제 8 NMOS 트랜지스터(N14 및 N18)와 상기 제 13 및 제 14 NMOS 트랜지스터(N23 및 N24)의 크기가 서로 다를 경우, 그 크기의 차에 비례하여 전류가 흐르게 된다.In this case, when the sizes of the fourth and eighth NMOS transistors N14 and N18 and the thirteenth and fourteenth NMOS transistors N23 and N24 are different from each other, current flows in proportion to the difference between the sizes.
즉, 상기 제 4 및 제 8 NMOS 트랜지스터(N14 및 N18)의 크기를 'W1/L1'이고, 상기 제 13 및 제 14 NMOS 트랜지스터(N23 및 N24)의 크기를 'W2/L2'이라 할때, 출력부(218)의 전류원으로 동작하는 제 13 및 제 14 NMOS 트랜지스터(N23 및 N24)에 흐르는 전류의 차(lo2)는 하기의 수학식 2와 같다.That is, the sizes of the fourth and eighth NMOS transistors N14 and N18 are 'W 1 / L 1 ', and the sizes of the thirteenth and fourteenth NMOS transistors N23 and N24 are 'W 2 / L 2 '. In this case, the difference lo2 of the current flowing through the thirteenth and fourteenth NMOS transistors N23 and N24 operating as a current source of the output unit 218 is expressed by Equation 2 below.
이어서, 상기 제 13 및 제 14 NMOS 트랜지스터(N23 및 N24)에 흐르는 전류차(lo2)는 캐리어 신호(LO+, LO-)가 입력되는 제 9 내지 제 12 NMOS 트랜지스터(N19 내지 N22)에 의해 믹싱되어 제 1 및 제 2 저항(R1 및 R2)으로 전달된다.Subsequently, the current difference lo2 flowing through the thirteenth and fourteenth NMOS transistors N23 and N24 is mixed by the ninth through twelfth NMOS transistors N19 through N22 to which carrier signals LO + and LO - are input. To the first and second resistors R1 and R2.
이때, 출력부(218)의 제 1 및 제 2 저항(R1 및 R2)의 저항값을 'Rout'이라 하고, 상기 제 19 내지 제 22 NMOS 트랜지스터(N19 내지 N22)의 크기를 'W3/L3'이라 할 때, 상기 출력부(218)의 출력단(OUT+, OUT-)으로 출력되는 출력전압(Vout)은 하기의 수학식 3으로 유도할 수 있다.In this case, the resistance values of the first and second resistors R1 and R2 of the output unit 218 are referred to as 'Rout', and the size of the 19th to 22nd NMOS transistors N19 to N22 is 'W 3 / L'. 3, the output terminal (OUT +, OUT -) of the output unit 218 when referred to as "output voltage (Vout) to be outputted to a can lead to the expression (3) below.
여기서, 'I1'은 제 9 NMOS 트랜지스터(N19)의 드레인 전류, 'I2'는 제 10 NMOS 트랜지스터(N20)의 드레인 전류, 'I3'는 제 11 NMOS 트랜지스터(N21)의 드레인 전류, 'I4'는 제 12 NMOS 트랜지스터(N22)의 드레인 전류를 나타내며, 'I1-I2'와 'I3-I4'는 하기의 수학식 4와 같다.Here, 'I1' is a drain current of the ninth NMOS transistor N19, 'I2' is a drain current of the tenth NMOS transistor N20, and 'I3' is a drain current of the eleventh NMOS transistor N21, 'I4'. Represents a drain current of the twelfth NMOS transistor N22, and 'I1-I2' and 'I3-I4' are represented by Equation 4 below.
, ,
여기서, 'VB17'는 제 7 노드(B17)의 전위로서, 'VB17=△Vs/2+Vs'이며, 'VB18'는 제 8 노드(B18)의 전위로서, 'VB18=-△Vs/2+Vs'이다. 'Vth'는 제 9 내지 제 12 NMOS 트랜지스터(N19 내지 N22)의 문턱전압이고, ''은 MOS 소자의 상수값이다.Here, 'V B17 ' is the potential of the seventh node B17, 'V B17 = ΔV s / 2 + V s ', and' V B18 'is the potential of the eighth node B18,' V B18 = -ΔV s / 2 + V s '. 'V th ' is the threshold voltage of the ninth through twelfth NMOS transistors N19 through N22, and 'Is a constant value of the MOS device.
또한, DC 상태에서의 전류원(lo2p, lo2n)은 하기의 수학식 5와 같이 나타내며, 상기 전류원의 차(lo2p-lo2n)는 수학식 6과 같다.In addition, the current sources lo2p and lo2n in the DC state are represented by Equation 5 below, and the difference between the current sources lo2p-lo2n is shown in Equation 6.
즉, 상기 수학식 4와 수학식 6을 이용하면 'I1-I2+I3-I4'를 수학식 7과 같이 구할 수 있다.That is, by using Equations 4 and 6, 'I1-I2 + I3-I4' may be obtained as in Equation 7.
따라서, 상기 수학식 2와 수학식 7을 수학식 3에 대입하면, 본 발명의 믹서의 출력전압(Vout)을 하기의 수학식 8과 같이 구할 수 있다.Therefore, by substituting Equations 2 and 7 into Equation 3, the output voltage Vout of the mixer of the present invention can be obtained as Equation 8 below.
여기서, 'Vdc'와 'Vs'는 상수이므로 상기의 수학식 8에서 알 수 있듯이, 본 발명의 CMOS 소자의 주파수 상향 변환 믹서는 입력전압(Vin) 및 캐리어 전압(VLO)에 대해서 선형적인 특성을 가지며, 특히 입력전압(Vin)이 입력되는 제 1 및 제 2 입력부(216 및 217)의 소스 팔로워는 음의 피드백회로를 이용해 선형특성을 개선하였기 때문에 입력전압(Vin)에 대한 선형특성이 매우 좋다.Here, since 'V dc ' and 'V s ' are constants, as can be seen from Equation 8, the frequency upconversion mixer of the CMOS device of the present invention has an input voltage V in and a carrier voltage V LO . has a linear characteristic, particularly the input voltage (V in), the source follower of the first and the second input unit (216 and 217) is input is the input voltage (V in) because it improves linearity by using a feedback circuit the negative The linear characteristics are very good.
도 5는 도 3에 도시된 CMOS 소자의 주파수 상향 변환 믹서의 선형특성을 시뮬레이션한 그래프로서, 'VL0=0.25V, Vdc=2.2V(Vcc=3.0V, 온도=25℃)'의 조건으로 시뮬레이션한 그래프이다.FIG. 5 is a graph simulating the linear characteristics of the frequency up-conversion mixer of the CMOS device shown in FIG. 3, wherein V L0 = 0.25V, V dc = 2.2V (Vcc = 3.0V, temperature = 25 ° C.). This is a simulated graph.
여기서, X축은 입력전압(Vin)을 나타내고, Y축은 출력단(OUT+, OUT-)의 출력전압(Vout)를 나타내며, 그래프의 좌측에서 우측으로 상승하는 파형은 'OUT+' 단자의 출력전압(Vout) 파형을 나타내고, 좌측에서 우측으로 하강하는 파형은 'OUT-' 단자의출력전압(Vout) 파형을 나타낸다.Here, X-axis represents the input voltage (Vin), Y axis represents the output (OUT +, OUT -) output voltage (V out) to represent an output voltage of the waveform rising from left to right in the graph is 'OUT +' terminal of the (V out) shows the waveform, the waveform that drops from left to right are - indicates the output voltage (V out) waveform of the terminal 'OUT'.
도시된 바와 같이, 입력전압(Vin)에 대한 각 출력단(OUT+, OUT-)의 출력전압(Vout)이 거의 선형적으로 증가 또는 하강하는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 CMOS 주파수 상향 변환 믹서는 입력전압(Vin)에 대해 선형특성인 특성을 갖는 것을 알 수 있다.As shown, each output for an input voltage (V in) - it can be seen that the increasing or lowering the almost linear output voltage (V out) of (+ OUT, OUT). Therefore, it can be seen that the CMOS frequency up-conversion mixer of the present invention has a characteristic that is linear with respect to the input voltage V in .
또한, 본 발명의 CMOS 소자의 주파수 상향 변환 믹서는 일반적인 믹서에서 생길 수 있는 DC 옵셋 및 차동구조의 미스매치를 보상하기 위한 옵셋 보상회로부(219)가 구성된다.In addition, the frequency upconversion mixer of the CMOS device of the present invention includes an offset compensation circuit unit 219 for compensating for mismatches of DC offset and differential structure that may occur in a general mixer.
상기 옵셋 보상회로부(219)는 제 7 노드(B17)와 접지전압원(Vss) 사이에 접속되어 옵셋신호(OFF+)에 따라 동작되는 제 15 NMOS 트랜지스터(N25)와, 제 8 노드(B18)와 접지전압원(Vss) 사이에 접속되어 옵셋신호(OFF-)에 따라 동작되는 제 16 NMOS 트랜지스터(N26)가 구성되는 차동구조로 이루어진다.The offset compensation circuit 219 is a seventh node (B17) and a ground voltage source (Vss) and the 15 NMOS transistor (N25) is connected to be operated in accordance with the offset signal (OFF +) between the eighth node (B18) and The sixteenth NMOS transistor N26 is connected between the ground voltage source Vss and operated according to the offset signal OFF − .
상기 옵셋 보상회로부(219)는 평상시에는 오프(OFF)되어 있다가, 옵셋신호(OFF+, OFF-)를 발생시키는 외부의 DC 옵셋 제어회로(도시되지 않음)를 동작시키면 상기 DC 옵셋과 차동구조의 미스매치를 보상 할 수 있는 등가 전류를 공급하는 전류원으로 동작한다.The offset compensation circuit 219 is normal, the can is turned off (OFF), the offset signal (OFF +, OFF -) for generating an external DC offset control circuit when operated (not shown), the DC offset and differential structure It acts as a current source that supplies an equivalent current to compensate for mismatches
상기에서 설명한 본 발명의 CMOS 소자의 주파수 상향 변환 믹서를 구성하는 트랜지스터들은 모두 포화영역에서 동작하도록 설계하였는데, 그 이유를 설명하면 다음과 같다.The transistors constituting the frequency upconversion mixer of the CMOS device of the present invention described above are all designed to operate in a saturation region. The reason for this is as follows.
송신 믹서의 경우, 믹서의 출력에 캐리어 성분이 발생하는 주 원인은 DC 옵셋과 기생소자들에 의해 발생하는 캐리어 피드-쓰루와 차동구조에서의 미스매치이다. 상기 DC 옵셋에 의한 성분을 줄이기 위해서는 DC 옵셋이 신호 크기에 비해 충분히 작아지도록 믹서를 설계하여야 하며, 상기 미스매치에 의한 성분을 줄이기 위해서는 이득에 관련이 있는 트랜지스터의 크기를 미스매치에 민감하지 않도록 충분히 크게 하고 안정적인 영역에서 동작하도록 믹서를 설계해야 한다.In the case of a transmission mixer, the main cause of carrier components at the output of the mixer is the carrier offset and the mismatch in the differential structure caused by the DC offset and parasitic elements. In order to reduce the component caused by the DC offset, the mixer should be designed so that the DC offset is sufficiently small compared to the signal size. In order to reduce the component caused by the mismatch, the size of the transistor related to the gain is not sufficiently sensitive to the mismatch. Mixers must be designed to operate in large and stable areas.
또한, 믹서의 레이아웃(Layout)을 대칭적으로 설계하여야 하는데, 이는 캐리어 피드-쓰루의 경우 레이아웃의 대칭성이 매우 중요하기 때문이다. 이러한 캐리어 피드-쓰루 성분은 캐리어 신호 크기에 비례하므로 캐리어 신호의 크기를 줄임으로서 줄일 수 있다. 또한, 입력신호의 크기를 키워 캐리어 피드-쓰루 성분을 줄일 수 있는데, 이는 입력신호의 크기를 키우면 피드-쓰루에 의한 캐리어 신호는 일정한 반면, 출력 신호가 커지므로 상대적인 캐리어 피드-쓰루 성분을 줄일 수 있기 때문이다.In addition, the layout of the mixer should be designed symmetrically, because in the case of carrier feed-through, the symmetry of the layout is very important. Since the carrier feed-through component is proportional to the carrier signal size, it can be reduced by reducing the size of the carrier signal. In addition, it is possible to reduce the carrier feed-through component by increasing the size of the input signal. As the size of the input signal increases, the carrier signal by the feed-through is constant, while the output signal is larger, so that the relative carrier feed-through component can be reduced. Because there is.
특히, 출력부(218)의 상기 제 9 내지 제 12 NMOS 트랜지스터(N19 내지 N22)는 스위칭 영역에서 동작시키거나, 선형영역(Linear region) 또는 포화영역(Saturation region)에서 동작시킬 수 있다. 그러나, 스위칭 영역이 아닌 선형영역에서 동작시키는 경우에는 캐리어 신호 입력에 대한 선형성은 좋으나 트랜지스터의 크기가 너무 커지기 때문에 주파수 특성이 나빠지고, NMOS의 트랜스콘덕턴스(Transconductance; gm) 특성이 안정적이지 못하여 미스매치(Mismatch) 에러의 원인이 된다. 따라서, 상기 제 9 내지 제 12 NMOS 트랜지스터(N19 내지 N22)는 스위칭 영역으로 동작을 시키거나, 포화영역에서 동작시키는 것이 바람직하다.In particular, the ninth through twelfth NMOS transistors N19 through N22 of the output unit 218 may operate in a switching region, or operate in a linear region or a saturation region. However, when operating in the linear region instead of the switching region, the linearity of the carrier signal input is good, but the frequency characteristic is worsened because the transistor size becomes too large, and the transconductance (gm) characteristic of the NMOS is not stable. Cause a mismatch error. Accordingly, the ninth through twelfth NMOS transistors N19 through N22 may be operated in a switching region or in a saturation region.
따라서, 본 발명에서는 상기 제 9 내지 제 12 NMOS 트랜지스터(N19 내지 N22)를 스위칭 영역에서 동작을 시키기 위해 캐리어 신호 크기가 커야 하기 때문에 캐리어 피드-쓰루를 줄이기 위해서 상기 제 9 내지 제 12 NMOS 트랜지스터(N19 내지 N22)를 포화영역에서 동작시키고 캐리어 신호의 크기는 줄였다.Therefore, in the present invention, since the carrier signal size must be large to operate the ninth to twelfth NMOS transistors N19 to N22 in the switching region, the ninth to twelfth NMOS transistors N19 to reduce carrier feed-through are required. N22) is operated in the saturation region and the size of the carrier signal is reduced.
상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 입력신호가 입력되는 입력부에 음의 피드백 루프회로를 구성하여 상기 입력신호의 선형성을 향상시키므로써 상기 입력신호의 크기를 키우는 것이 가능하다. 따라서, 입력신호의 크기의 증가로 인해 믹서의 캐리어 감쇠도를 향상시킬 수 있다.As described above, the present invention can increase the magnitude of the input signal by forming a negative feedback loop circuit in the input portion to which the input signal is input, thereby improving the linearity of the input signal. Therefore, the carrier attenuation of the mixer can be improved due to the increase in the magnitude of the input signal.
또한, 본 발명은 상기 입력신호의 선형성이 향상되므로써 상호 변조 왜곡등으로 인한 잡음 특성을 향상시킬 수 있으며, 옵셋 보상회로를 이용하므로써 믹서의 선형특성과 캐리어 감쇠도를 향상시킬 수 있다.In addition, the present invention can improve the noise characteristics due to the intermodulation distortion, etc. by improving the linearity of the input signal, and can improve the linear characteristics and the carrier attenuation of the mixer by using the offset compensation circuit.
또한, 본 발명은 저전압 소자에 적합하고 DC 옵셋을 보상하는 기능을 가지며 구조가 간단한 주파수 상향 변환 믹서를 제공할 수 있다.In addition, the present invention can provide a frequency up-conversion mixer that is suitable for low voltage devices, has a function of compensating for DC offset, and is simple in structure.
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