KR100643768B1

KR100643768B1 - 믹서

Info

Publication number: KR100643768B1
Application number: KR1020050059159A
Authority: KR
Inventors: 권익진; 이흥배; 어윤성
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2005-07-01
Filing date: 2005-07-01
Publication date: 2006-11-10
Also published as: US7711347B2; US20070004369A1

Abstract

본 발명은, 적어도 하나의 증폭소자를 이용하여 입력된 신호를 증폭시키는 증폭부와, 증폭부로부터의 증폭된 신호와 로컬 오실레이터로부터의 국부발진신호를 혼합하는 혼합부를 포함하는 믹서에 관한 것으로서, 혼합부는 증폭소자를 스위칭하는 적어도 한 쌍의 스위칭소자를 포함하며, 각 스위칭소자는 게이트와 바디 단자에 각각 동일한 국부발진신호가 인가되는 MOSFET으로 형성된다. 이에 의해, 스위칭소자의 턴온시간이 단축되므로, 1/f노이즈가 감소하게 된다. 또한, 동일한 크기의 국부발진신호에 대해 오버드라이브 전압을 증가시킬 수 있으므로, 상대적으로 저전압 동작이 가능하게 된다.

RF 직접변환 수신기, 믹서, 혼합부, 스위칭소자, 게이트, 바디 단자, 국부발진신호, 1/f노이즈

Description

믹서{MIXER}

도 1은 종래의 RF 직접 변환 수신기에 사용되는 CMOS 길버트 셀(Gilbert cell)을 이용하여 구현한 믹서의 회로도,

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 길버트 셀 믹서의 회로도,

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 길버트 셀 믹서의 회로도,

도 4는 본 발명의 믹서를 이용하여 출력주파수에 따른 노이즈 변화를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

110, 210 : 혼합부 120, 220 : 증폭부

본 발명은 믹서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 스위칭소자의 턴온시간을 감소시킴으로써, 1/f노이즈를 감소시킬 수 있도록 하는 믹서에 관한 것이다.

현재 단일 칩을 구현하기 위한 수신기 구조 중의 하나로 직접 변환 수신기가 매우 활발히 연구되고 있다. 직접 변환 수신기는 필터 등 외부 소자를 줄일 수 있고, 디지털 신호 처리 부담을 줄일 수 있으므로 특히 디지털 회로 구현이 쉬운 CMOS 공정을 이용한 단일 칩 제작에 가장 적합한 구조이다. 직접 변환 수신기에는 RF(Radio frequency) 신호를 기저대역으로 변환하는 RF 직접 변환 수신기와, RF 신호를 특정 IF(Intermediate Frequency) 신호로 변환한 후 다시 이 IF 신호를 기저대역으로 변환하는 IF 직접 변환 수신기가 있다.

이러한 직접 변환 수신기에 사용되는 믹서는 무선 주파수 신호를 국부발진신호(LO)와 혼합함으로써 기저 대역 신호를 출력한다.

도 1은 RF 직접 변환 수신기에 사용되는 CMOS 길버트 셀(Gilbert cell)을 이용하여 구현한 전형적인 믹서의 회로도이다. 도시된 바와 같이, 믹서는 증폭부(20) 및 혼합부(10)로 구성된다.

증폭부(20)는 한 쌍의 증폭소자 MA1과 MA2로 구성되며, 입력된 신호를 증폭시켜 혼합부(10)로 제공한다.

혼합부(10)는 증폭소자 MA1의 출력전류를 스위칭하기 위한 제1 및 제2스위칭소자 MS1, MS2와, 증폭소자 MA2의 출력전류를 스위칭하기 위한 제3 및 제4스위칭소자 MS3, MS4를 포함한다. 제1스위칭소자(MS1)와 제4스위칭소자(MS4)의 게이트에는 로컬 오실레이터로부터의 국부발진신호(LO+)가 입력되며, 제2스위칭소자(MS2)와 제3스위칭소자(MS3)의 공통게이트에는 로컬 오실레이터로부터의 국부발진신호(LO-)가 입력된다. 여기서, 제1 및 제4스위칭소자(MS1,MS4)에 입력되는 국부발진신호(LO+)와 제2 및 제3스위칭소자(MS2,MS3)에 입력되는 국부발진신호(LO-)는 180도의 위상차를 갖는다. 한편, 제2스위칭소자(MS2)의 드레인과 제4스위칭소자(MS4)의 드레인이 상호 연결되어 있으며, 제3스위칭소자(MS3)의 드레인과 제1스위칭소자(MS1)의 드레인이 상호 연결되어 있다.

이러한 혼합부(10)에서는 증폭소자를 통해 증폭된 신호와 국부발진신호를 혼합하여 두 신호의 주파수의 차에 해당하는 신호를 출력한다. 이러한 믹서를 구성하는 증폭소자(MA1,MA2)와 제1 내지 제4스위칭소자(MS1,MS2,MS3,MS4)는 모두 n채널 MOSFET 소자로 구현된다.

그런데, 믹서에서 이러한 MOSFET을 사용할 경우, 제1 내지 제4스위칭소자(MS1,MS2,MS3,MS4)에 전류가 제공될 때, 제1 내지 제4스위칭소자(MS1,MS2,MS3,MS4)가 턴온된 후 목표전압에 도달할 때까지 소정의 턴온시간이 소요된다. 이러한 턴온시간에 의해 1/f노이즈가 증가하게 되며, 1/f노이즈에 의해 추가적인 DC 오프셋 문제 및 시스템의 잡음 특성(Noise Figure) 열화 문제가 있다. 특히,　1/f노이즈는 주파수가 고주파에서 저주파로 갈수록 증가하므로, 저주파 기저대역 신호를 출력하는 RF 직접변환 수신기에서 제1 내지 제4스위칭소자(MS1,MS2,MS3,MS4)는 이러한 문제를 일으키는 주요인이 된다.

한편, 믹서에서 출력되는 1/f노이즈를 나타내는 i_o,n은 다음의 수학식1과 같이 나타낼 수 있다.

이러한 수학식1에 따르면, 1/f노이즈를 감소시키기 위해서는 주기 T를 증가 시키거나, 공급되는 전류 I를 감소시키거나, 턴온시간인 Δt를 감소시키는 방법을 사용할 수 있다. 그러나, 주기 T를 증가시키기 위해서는 주파수를 낮추어야 하는데, 일반적으로 수신기와 송신기에서는 특정대역의 주파수를 사용하므로 주파수를 낮추는 것은 불가능하다. 그리고 전류 I를 감소시킬 경우에는 믹서의 성능이 나빠질 수 있으므로, Δt를 감소시키는 것이 가장 바람직하다.

이에 따라, RF 직접변환 수신기에서 1/f노이즈를 감소시키기 위해, 믹서의 Δt를 감소시키는 방법을 모색하여야 할 것이다.

따라서, 본 발명의 목적은, 스위칭소자의 턴온시간을 감소시킴으로써, 1/f노이즈를 감소시킬 수 있도록 하는 믹서를 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 적어도 하나의 증폭소자를 이용하여 입력된 신호를 증폭시키는 증폭부와, 상기 증폭부로부터의 증폭된 신호와 로컬 오실레이터로부터의 국부발진신호를 혼합하는 혼합부를 포함하는 믹서에 있어서, 상기 혼합부는 상기 증폭소자를 스위칭하는 적어도 한 쌍의 스위칭소자를 포함하며, 상기 각 스위칭소자는 게이트와 바디 단자에 각각 동일한 국부발진신호가 인가되는 MOSFET으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 한 쌍의 스위칭소자 중 하나는 게이트와 바디에 양의 국부발진신호(LO+)를 입력받고, 다른 하나의 게이트와 바디는 180도 위상차가 나는 음의 국부발진신호(LO-)를 입력받는 것이 바람직하다.

상기 각 스위칭소자는 게이트와 바디 단자가 상호 전기적으로 연결된 것이 바람직하다.

상기 각 스위칭소자는 n채널 MOSFET으로 형성되거나, p채널 MOSFET으로 형성될 수 있다.

상기 스위칭소자의 증폭소자에는 전류소스가 입력될 수 있다.

이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 길버트 셀 믹서의 회로도이다. 도시된 바와 같이, 믹서는 입력신호를 증폭하는 증폭부(120)와, 증폭부(120)로부터의 입력신호와 국부발진신호를 혼합하는 혼합부(110)를 포함한다.

증폭부(120)는 한 쌍의 증폭소자 MA11과 MA12로 구성되며, 입력된 신호를 증폭시켜 혼합부(110)로 제공한다. 여기서, 각 증폭소자 MA11과 MA12은 n채널 MOSFET으로 형성된다.

혼합부(110)는 증폭소자 MA11의 출력전류를 스위칭하기 위한 제1 및 제2스위칭소자 MS11, MS12와, 증폭소자 MA12의 출력전류를 스위칭하기 위한 제3 및 제4스위칭소자 MS13, MS14를 포함한다. 여기서, 각 스위칭소자는 n채널 MOSFET으로 형성된다.

제1스위칭소자(MS11)와 제4스위칭소자(MS14)의 게이트에는 로컬 오실레이터로부터의 국부발진신호(LO+)가 입력된다. 여기서, 제1스위칭소자(MS11)의 게이트는 제1스위칭소자(MS11)의 바디 단자와 연결되어 있으며, 이에 따라, 제1스위칭소자(MS11)의 바디 단자와 게이트에는 로컬 오실레이터로부터 동일한 국부발진신호 (LO+)가 동시에 입력된다. 제4스위칭소자(MS14)의 게이트는 제4스위칭소자(MS14)의 바디 단자와 연결되어 있으며, 이에 따라, 제4스위칭소자(MS14)의 바디 단자와 게이트에는 로컬 오실레이터로부터 동일한 국부발진신호(LO+)가 동시에 입력된다.

한편, 제2스위칭소자(MS12)와 제3스위칭소자(MS13)는 공통게이트를 사용하며, 공통게이트에는 로컬 오실레이터로부터 제1 및 제4스위칭소자(MS11,MS14)에 제공되는 국부발진신호(LO+)와 180도의 위상차를 갖는 국부발진신호(LO-)가 입력된다. 그리고 공통게이트는 제2스위칭소자(MS12)의 바디 단자와 연결되며, 이에 따라, 제2스위칭소자(MS12)의 바디 단자에도 공통게이트와 동일한 국부발진신호(LO-)가 동시에 입력된다. 공통게이트는 제3스위칭소자(MS13)의 바디 단자에도 연결되며, 이에 따라, 제3스위칭소자(MS13)의 바디 단자에도 공통게이트와 동일한 국부발진신호(LO-)가 동시에 입력된다.

이렇게 본 믹서에서는 제1스위칭소자(MS11)와 제4스위칭소자(MS14)의 게이트와 바디에 동일한 국부발진신호(LO+)가 입력되고, 제2스위칭소자(MS12)와 제3스위칭소자(MS13)의 게이트와 바디에 동일한 국부발진신호(LO-)가 입력된다.

일반적으로 MOSFET의 바디 단자는 소스에 접속되고, 이에 따라, 역바이어스로 유지되는 pn접합들을 효과적으로 차단하는 역할을 하였다. 그러나, 본 발명에서는 각 스위칭소자의 게이트와 바디를 연결하여 동일한 국부발진신호가 동시에 입력되도록 하고 있다. 이에 따라, 바디의 바이어스가 증가하게 되며, 각 스위칭소자의 임계전압인 V_TH가 감소한다. 한편, 각 스위칭소자를 턴온시키기 위한 오버드 라이브 전압(Overdrive Voltage)은 게이트-소스간 전압인 V_GS와 임계전압인 V_TH와의 차로 정의된다. 따라서, 임계전압인 V_TH가 감소하게 되면, 게이트-소스간 전압인 V_GS와 임계전압인 V_TH 간의 차이가 커지므로, 오버드라이브 전압이 증가하게 된다.

이렇게 오버드라이브 전압이 증가하게 되면, 동일한 크기의 국부발진신호에 대해 턴온 동작이 빨리 일어나게 되므로 수학식 1에서의 Δt가 감소하게 된다. 따라서, 턴온시간 Δt의 증가에 따라 발생하였던 1/f노이즈가 감소하게 된다. 또한, 동일한 크기의 국부발진신호에 대해 오버드라이브 전압을 증가시킬 수 있으므로, 상대적으로 저전압 동작이 가능하게 된다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 길버트 셀 믹서의 회로도이다. 본 실시예의 믹서는, 도 2에 도시된 믹서와 마찬가지로, 증폭부(220)와 혼합부(210)를 갖는다.

증폭부(220)는 한 쌍의 증폭소자 MA21과 MA22로 구성되고, 각 증폭소자 MA11과 MA12은 p채널 MOSFET으로 형성된다.

혼합부(210)는 증폭소자 MA21의 출력전류를 스위칭하기 위한 제1 및 제2스위칭소자 MS21, MS22와, 증폭소자 MA22의 출력전류를 스위칭하기 위한 제3 및 제4스위칭소자 MS23, MS24를 포함한다. 각 스위칭소자는 p채널 MOSFET으로 형성된다.

여기서, 제1스위칭소자(MS21)의 게이트와 바디 단자가 연결되어 로컬 오실레이터로부터 동일한 국부발진신호(LO+)가 동시에 입력된다. 마찬가지로 제4스위칭소자(MS24)의 게이트와 바디 단자가 연결되어 로컬 오실레이터로부터 동일한 국부 발진신호(LO+)가 동시에 입력된다.

한편, 제2스위칭소자(MS22)와 제3스위칭소자(MS23)는 공통게이트를 사용하며, 공통게이트는 각각 제2 및 제3스위칭소자(MS22,MS23)의 바디와 연결되어 로컬 오실레이터로부터 동일한 국부발진신호(LO-)가 동시에 입력된다.

본 실시예의 믹서는, p채널 MOSFET을 사용한다는 점만이 도 2에 도시된 믹서와 상이하므로, 도 2에 도시된 믹서와 동일한 효과를 갖는다. 즉, 본 실시예의 믹서도 턴온시간 Δt가 감소되어 1/f노이즈가 감소하며, 동일한 크기의 국부발진신호에 대해 오버드라이브 전압을 증가되어 상대적으로 저전압 동작이 가능하다.

이러한 도 2 및 도 3에 도시된 믹서를 채용하여 출력주파수에 따른 노이즈 변화를 측정한 결과가 도 4의 그래프에 도시되어 있다.

본 실험에서는 RF주파수를 0.5GHz로 하고, LO 주파수를 0.5 내지 0.510 GHz 구간에서 변화시키면서 출력주파수에 대한 노이즈를 측정하였다. 그 결과, 출력주파수가 10KHz 내지 10MHz일 때, 종래의 길버트 셀 믹서(Conventional Gilbert mixer)의 경우에는 도 4의 상단에 있는 곡선을 형성하고, 본 발명의 믹서(Proposed)의 경우에는 하단의 곡선을 형성한다. 이러한 그래프에서 각 곡선의 코너 주파수를 측정한 결과, 본 발명의 믹서는 종래의 믹서에 비해 1/f노이즈를 50% 정도 감소시킬 수 있는 것으로 나타났다.

이와 같이, 본 믹서는, 혼합부(210)를 형성하는 각 스위칭소자의 게이트와 바디 단자를 연결하여 공통의 국부발진신호를 인가함으로써, 바디의 바이어스가 증 가되어 임계전압인 V_TH가 감소한다. 이에 따라, 오버드라이브 전압이 증가하여 동일한 크기의 국부발진신호에 대해 턴온 동작이 빨리 일어나게 되므로, 1/f노이즈가 감소하게 된다. 또한, 동일한 크기의 국부발진신호에 대해 오버드라이브 전압을 증가시킬 수 있으므로, 상대적으로 저전압 동작이 가능하게 된다. 이러한 본 믹서는 RF 직접변환 수신기에서 가장 큰 효과를 발휘하나, IF 직접변환 수신기 및 송신기에도 사용할 수 있음은 물론이다.

한편, 상술한 실시예에서는 DBM(Double-balanced mixer)를 예로 들어 설명하였으나, 각 스위칭소자의 게이트와 바디노드에 국부발진신호를 함께 인가하는 구조는 SBM(Single-balanced mixer)에도 적용가능함은 물론이다.

한편, 상술한 도 2 및 도 3에 도시된 믹서에서는 전류소스를 사용하지 아니하였으나, 증폭부에 전류소스를 사용하는 구조에서도 각 스위칭소자의 게이트와 바디노드에 국부발진신호를 함께 인가하는 구조를 적용할 수 있음은 물론이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 스위칭소자의 턴온시간이 단축되므로, 1/f노이즈가 감소하게 된다. 또한, 동일한 크기의 국부발진신호에 대해 오버드라이브 전압을 증가시킬 수 있으므로, 상대적으로 저전압 동작이 가능하게 된다.

또한, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시형태에 관해 설명하였으나, 이는 예시적인 것으로 받아들여져야 하며, 본 발명의 기술적 사상에서 벗어나 지 않는 한도내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시 형태에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims

적어도 하나의 증폭소자를 이용하여 입력된 신호를 증폭시키는 증폭부와, 상기 증폭부로부터의 증폭된 신호와 로컬 오실레이터로부터의 국부발진신호를 혼합하는 혼합부를 포함하는 믹서에 있어서,

상기 혼합부는 상기 증폭소자를 스위칭하는 적어도 한 쌍의 스위칭소자를 포함하며, 상기 각 스위칭소자는 게이트와 바디 단자에 각각 동일한 국부발진신호가 인가되는 MOSFET으로 형성되는 것을 특징으로 하는 믹서.
제 1 항에 있어서,

상기 한 쌍의 스위칭소자 중 하나는 게이트와 바디에 양의 국부발진신호(LO+)를 입력받고, 다른 하나의 게이트와 바디는 180도 위상차가 나는 음의 국부발진신호(LO-)를 입력받는 것을 특징으로 하는 믹서.
제 2 항에 있어서,

상기 각 스위칭소자는 게이트와 바디 단자가 상호 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하는 믹서.
제 3 항에 있어서,

상기 각 스위칭소자는 n채널 MOSFET으로 형성된 것을 특징으로 하는 믹서.
제 3 항에 있어서,

상기 각 스위칭소자는 p채널 MOSFET으로 형성된 것을 특징으로 하는 믹서.
제 1 항 내지 제 5 항중 어느 한 항에 있어서,

상기 스위칭소자의 증폭소자에는 전류소스가 입력되는 것을 특징으로 하는 믹서.