KR100644818B1 - 큐-부스팅 회로 - Google Patents

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KR100644818B1 KR1020050089713A KR20050089713A KR100644818B1 KR 100644818 B1 KR100644818 B1 KR 100644818B1 KR 1020050089713 A KR1020050089713 A KR 1020050089713A KR 20050089713 A KR20050089713 A KR 20050089713A KR 100644818 B1 KR100644818 B1 KR 100644818B1
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이영재
유현규
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한국전자통신연구원
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Abstract

본 발명은 인덕터를 대체하여 트랜스포머를 사용하는 반도체 소자의 고주파(RF) 집적회로에서 공진도(quality factor; Q)를 향상시키기 위한 큐-부스팅 회로에 관한 것으로, 트랜스포머의 한 쌍의 단자에 음저항 회로(negative conductance(gm) circuit)를 연결하여 트랜스포머의 저항 성분을 감소시킴으로써 상호 인덕턴스 성분이 증가되도록 한다. 인덕턴스와 저항 성분의 조절을 통해 종래보다 향상된 공진도(Q)를 얻을 수 있으며, 주파수 범위에 따라 수십 내지 수백 정도의 넓은 범위의 공진도(Q)를 얻을 수 있다.
인덕터, 공진도, 트랜스포머, 음저항 회로, 상호 인덕턴스

Description

큐-부스팅 회로 {Q-Boosting circuit}
도 1은 트랜스포머를 이용한 종래의 전압조정발진기를 설명하기 위한 회로도.
도 2는 트랜스포머를 이용한 종래의 저잡음 증폭기를 설명하기 위한 회로도.
도 3은 본 발명에 따른 큐-부스팅 회로를 설명하기 위한 회로도.
도 4는 본 발명의 큐-부스팅 회로를 전압조정발진기에 적용한 예를 설명하기 위한 회로도.
도 5는 본 발명의 큐-부스팅 회로를 저잡음증폭기(330)에 적용한 예를 설명하기 위한 회로도.
도 6은 본 발명의 큐-부스팅 회로에 전체 자속밀도(flux)를 조절하기 위해 스위칭 수단을 부가한 예를 설명하기 위한 회로도.
도 7 및 도 8은 본 발명에 따른 큐-부스팅 회로를 전압조정발진기에 적용하여 얻은 특성 측정 결과를 도시한 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
11, 21, 110, 210, 310, 410: 트랜스포머
12: LC 탱크
22, 23: 출력부
120, 220, 320, 420: 음저항 회로
130: 외부회로
230: 전압조정발진기
330: 저잡음 증폭기
430: 스위칭 수단
본 발명은 인덕터를 대체하여 트랜스포머를 사용하는 반도체 소자의 고주파(RF) 집적회로에 관한 것으로, 보다 상세하게는 공진도(quality factor; Q)를 향상시킬 수 있는 큐-부스팅 회로에 관한 것이다.
최근들어 이동통신 서비스가 크게 확대되고, 단말기의 크기가 감소됨에 따라 전압조정발진기(Voltage Control Oscillator; VCO) 등과 같은 고주파(Radio frequency) 집적회로에 사용되는 LC 공진기의 크기 감소가 요구되고 있다.
인덕터를 집적화할 경우 인덕터의 공진도(Q)가 매우 저하된다. 그래서 이를 극복하기 위해 트랜스포머를 이용하여 인덕터를 구현하는 방법이 개발되었다.
도 1은 트랜스포머를 이용한 종래 전압조정발진기의 일 예를 설명하기 위한 회로도로서, 두 쌍의 단자를 갖는 트랜스포머(11)에 전압조정발진기의 코어부가 연결된다.
상기 트랜스포머(11)의 두 쌍의 단자 사이에 발진주파수를 튜닝(tuning)하기 위한 바랙터 다이오드(varactor diode)(C1 및 2, C3 및 C4)가 각각 연결되어 구성된 LC-탱크(LC tank)(12)와, 트랜지스터(Q11 내지 Q15)로 이루어지며 게이트와 드레인이 상기 트랜스포머(11)의 두 쌍의 단자에 연결된 코어부로 구성된다.
상기 전압조정발진기는 상기 트랜스포머(11)의 두 쌍의 단자 사이에 각각 연결된 바랙터 다이오드(C1 및 2, C3 및 C4)에 의해 발진 주파수가 튜닝(tuning)되고, 상호 인덕턴스가 증가되어 향상된 공진도(Q)를 가진다.
도 2는 트랜스포머를 이용한 종래 저잡음 증폭기(Low Noise Amplifier; LNA)의 일 예를 설명하기 위한 회로도로서, 트랜스포머(21)의 한 쌍의 단자를 통해 입력되는 하나의 입력(single input)을 차동입력(differential input)으로 변환하는 차동 구조를 가진다.
상기 트랜스포머(21)의 한 쌍의 입력측 단자를 통해 고주파 신호(RF signal)를 입력받고, 한 쌍의 출력측 단자는 직렬 연결된 두 개의 트랜지스터(Q21 및 Q22, Q23 및 Q24)로 이루어진 출력부(22 및 23)에 각각 연결된다.
상기 저잡음 증폭기는 상호 인덕턴스가 감소하기 때문에 각 단자에서의 인덕턴스를 정확하게 예측하여 매칭을 조절해야 한다.
일반적으로 인덕터의 공진도(Q)는 하기의 수학식 1과 같이 표현된다.
Figure 112005054065818-pat00001
여기서, L은 인덕턴스이고, R은 저항값이다.
따라서 인덕터의 공진도(Q)는 인덕턴스(L)와 저항값(R)에 의해 결정되는데, 상기와 같이 트랜스포머를 이용하는 종래의 기술에서는 상호 인덕턴스만을 증가시켜 공진도(Q)를 향상시키기 때문에 공진도는 향상되지만, 트랜스포머 자체의 등가저항 성분은 그대로 유지되어 공진도(Q)의 증가량이 크기 않으며, 공진도(Q)의 향상 범위가 제한된다.
본 발명은 음저항 회로를 이용하여 트랜스포머의 등가저항 성분을 감소시킴으로써 상기한 단점을 해소할 수 있는 큐-부스팅 회로를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 인덕턴스를 제공하며, 적어도 세 쌍의 단자를 구비하는 트랜스포머, 상기 트랜스포머의 저항 성분을 감소시키기 위해 상기 적어도 세 쌍의 단자 중 한 쌍의 단자에 연결된 음저항 회로를 포함하며, 나머지 쌍의 단자 중 적어도 한 쌍의 단자에 외부회로가 연결되는 것을 특징으로 한다.
상기 음저항 회로는 상기 한 쌍의 단자에 각각의 드레인이 연결되며, 각각의 게이트가 상기 드레인에 크로스 커플된 제 1 및 제 2 트랜지스터, 상기 제 1 및 제 2 트랜지스터의 소오스와 접지 간에 연결되며, 게이트를 통해 바이어스 전압을 공급받는 제 3 트랜지스터로 이루어진 것을 특징으로 한다.
전체 자속밀도를 증가시키기 위해 상기 적어도 세 쌍의 단자 중 다른 한 쌍의 단자에 연결된 스위칭 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 CMOS 등의 반도체 소자에서 인덕터를 대체하여 트랜스포머를 사용하는 고주파(RF) 집적회로에 적용된다. 본 발명은 적어도 세 쌍의 단자를 구비하는 트랜스포머의 한 쌍의 단자에 음저항 회로(negative conductance(gm) circuit)를 연결하여 트랜스포머의 저항 성분을 감소시킴으로써 상호 인덕턴스 성분과 저항 성분의 조절을 통해 종래보다 향상된 공진도(Q)를 얻을 수 있으며, 주파수 범위에 따라 수십 내지 수백 정도의 넓은 범위의 공진도(Q)를 얻는다.
그러면 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이하의 실시예는 이 기술 분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서, 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 3은 본 발명에 따른 큐-부스팅 회로를 설명하기 위한 회로도로서, 소정의 인덕턴스(L)를 제공하기 위한 트랜스포머(110)와 상기 트랜스포머(110)의 저항 성분을 감소시키기 위한 음저항 회로(120)를 포함한다.
상기 트랜스포머(110)는 적어도 세 쌍의 단자(A1 및 A2, B1 및 B2, C1 및 C2)를 구비하며, 상기 단자(A1 및 A2, B1 및 B2, C1 및 C2) 사이에 각각 연결된 코일의 감긴 수에 따라 소정의 인덕턴스(L)가 제공된다. 대칭 구조를 갖는 평면형(planar type) 또는 적층형(stack type)의 트랜스포머(110)가 사용될 수 있다.
상기 음저항 회로(120)는 상기 트랜스포머(110)의 저항 성분을 감소시키기 위해 상기 한 쌍의 단자(B1 및 B2)에 연결되는데, 상기 한 쌍의 단자(B1 및 B2)에 각각의 드레인이 연결되고, 각각의 게이트가 상기 드레인에 크로스 커플된 제 1 및 제 2 트랜지스터(N1 및 N2)와, 상기 제 1 및 제 2 트랜지스터(N1 및 N2)의 소오스와 접지 간에 연결되며 게이트를 통해 공급되는 바이어스 전압(Vbias)에 따라 동작되는 제 3 트랜지스터(N3)로 구성된다. 상기 음저항 회로(120)는
Figure 112005054065818-pat00002
의 음 저항값(R)을 가지며, 상기 제 3 트랜지스터(N3)의 게이트를 통해 공급되는 바이어스 전압(Vbias)에 따라 상기 음 저항값(R)이 조절된다. 상기 음저항 회로(120)의 동작을 위해 상기 트랜스포머(110)의 코일을 통해 전원전압(Vdd)이 제공된다.
상기 수학식 1을 통해 알 수 있듯이, 인덕터의 공진도(Q)를 향상시키기 위해서는 인덕턴스(L)를 증가시키거나 저항값(R)을 감소시켜야 한다. 따라서 본 발명은 상기 트랜스포머(110)의 한 쌍의 단자(B1 및 B2)에 음저항 회로(120)를 연결하고 바이어스 조절을 통해 상기 트랜스포머(110)의 저항 성분을 감소시켜 상호 인덕턴스 성분이 증가되도록 한다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 큐-부스팅 회로는 다른 한 쌍의 단자(C1 및 C2)를 통해 외부회로(130)와 연결될 수 있다.
도 4는 본 발명의 큐-부스팅 회로를 전압조정발진기(230)에 적용한 예를 설명하기 위한 회로도로서, 네 쌍의 단자(A1 및 A2, B1 및 B2, C1 및 C2, D1 및 D2)를 구비하는 트랜스포머(210)가 사용되었다.
상기 전압조정발진기(230)는 전원전압(Vdd) 및 출력단자(Out P 및 Out N) 사이에 각각 접속된 트랜지스터(P11 및 P12), 상기 출력단자(Out P 및 Out N)에 각각 연결된 트랜지스터(N11 및 N12), 상기 트랜지스터(N11 및 N12)와 접지 사이에 연결되며 바이어스 전압(Vbias)에 따라 동작되는 트랜지스터(N13) 및 상기 출력단자(Out P 및 Out N) 사이에 연결되며 제어전압(Vcon)을 제공받는 바랙터 다이오드(C11 및 C12)로 구성된다.
상기 트랜스포머(210)의 단자(B1 및 B2)에는 음저항 회로(220)가 연결된다. 그리고 상기 트랜스포머(210)의 단자(C1 및 C2)는 상기 전압조정발진기(230)의 트랜지스터(P11 및 P12)의 게이트에 각각 연결되고, 상기 트랜스포머(210)의 단자(D1 및 D2)는 상기 전압조정발진기(230)의 트랜지스터(N11 및 N12)의 게이트에 각각 연결되며, 상기 트랜스포머(210)의 단자(A1 및 A2)는 상기 전압조정발진기(230)의 출력단자(Out P 및 Out N)에 각각 연결된다. 이 때 상기 단자(C1 및 C2, D1 및 D2)에 연결된 코일을 통해 전압(V1 및 V2)이 각각 인가된다.
따라서 상기 트랜스포머(210)의 단자(C1 및 C2, D1 및 D2)에 각각 연결된 코일이 상기 전압조정발진기(230)의 인덕터로 이용되며, 상기 음저항 회로(220)의 음 저항값(R)에 의해 상기 인덕터의 공진도(Q)가 향상된다. 즉, 상기 음저항 회로(220)에 의해 상기 트랜스포머(210)의 저항 성분이 감소되고, 이에 의해 상호 인덕턴스 성분이 증가되어 공진도(Q)가 향상된다. 예를 들어, 상기 음저항 회로(220)의 바이어스 전압(Vbias)을 조절하여 저항 성분을 소정의 값으로 감소시키면, 이에 따라 전류가 증가하여 공진도(Q)가 향상된다. 즉, 직류(DC) 전류를 증가시키지 않아도 출력 파형이 커지고 위상 노이즈(phase noise) 특성이 향상될 수 있다.
도 5는 본 발명의 큐-부스팅 회로를 저잡음증폭기(330)에 적용한 예를 설명 하기 위한 회로도로서, 네 쌍의 단자(A1 및 A2, B1 및 B2, C1 및 C2, D1 및 D2)를 구비하는 트랜스포머(310)가 사용되었다.
상기 저잡음증폭기(330)는 접지에 각각 연결된 트랜지스터(N22 및 N24)와, 상기 트랜지스터(N22 및 N24)에 각각 연결되며 게이트가 접지된 트랜지스터(N21 및 N23)로 구성된다.
상기 트랜스포머(310)의 단자(A1 및 A2)를 통해 고주파(RF) 신호가 입력되고, 상기 트랜스포머(310)의 단자(B1 및 B2)에는 음저항 회로(320)가 연결된다. 또한, 상기 트랜스포머(310)의 단자(C1 및 C2)는 상기 저잡음증폭기(330)의 트랜지스터(N21 및 N23)의 드레인에 각각 연결되고, 상기 트랜스포머(310)의 단자(D1 및 D2)는 상기 저잡음증폭기(330)의 트랜지스터(N22 및 N24)의 게이트에 각각 연결된다.
상기 트랜스포머(310)의 단자(A1 및 A2)를 통해 입력된 고주파(RF) 신호는 다른 단자(C1 및 C2, D1 및 D2)로 전달되면서 차동 입력으로 변화된다. 이 때 출력측의 단자(C1 및 C2)에는 입력된 고주파(RF) 신호와 반대 방향의 전류가 흐르기 때문에 입력측 단자(D1 및 D2)의 코일에 상호 인덕턴스 성분이 더해진다. 따라서 상호 인덕턴스 증가와 음저항 회로(320)에 의한 등가저항 감소의 효과를 얻을 수 있으며, 상기 음저항 회로(320)가 서로 다른 단자(B1 및 B2)에 연결됨으로써 입력에서 발생하는 손실이 감소된다.
도 6은 본 발명의 큐-부스팅 회로에 전체 자속밀도(flux)를 조절하기 위해 스위칭 수단(430)을 부가한 예를 설명하기 위한 회로도로서, 네 쌍의 단자(A1 및 A2, B1 및 B2, C1 및 C2, D1 및 D2)를 구비하는 트랜스포머(410)의 단자(B1 및 B2)에 음저항 회로(420)가 연결되고, 단자(D1 및 D2)에 제어전압(Vcon)에 따라 동작되는 스위칭 수단(430)이 연결된다. 상기 스위칭 수단(430)은 NMOS 트랜지스터로 구성할 수 있다.
상기 제어신호(Vcon)를 이용하여 상기 스위칭 수단(430)을 온-오프(on-off)시키면 인덕턴스가 가변되어 자속밀도가 변화됨으로써 공진도(Q)를 변화시킬 수 있다. 즉, 상기 스위칭 수단(430)을 온-오프시켜 상기 단자(A1 및 A2, C1 및 C2)를 통해 흐르는 전류의 방향을 조절함으로써 전체 자속밀도가 증가되어 전체 회로의 성능이 향상되도록 한다. 그러나 전류가 역방향으로 흐르면 자력선의 방향이 반대가 되므로 전체 인덕턴스가 감소되어 전체 회로의 성능이 저하될 수 있다.
도 7 및 도 8은 본 발명에 따른 큐-부스팅 회로를 전압조정발진기에 적용하여 얻은 특성 측정 결과를 도시한 그래프로서, 도 7은 제어전압(Vcon)에 따른 공진도(Q)와 등가 인덕턴스의 변화를 나타내며, 도 8은 트랜스포머의 커플링을 순방향과 역방향으로 할 경우 발진 주파수와 출력 파형의 크기를 나타낸다. 도 7 및 도 8을 통해 본 발명의 큐-부스팅 회로를 적용하여 성능이 향상된 회로를 구현할 수 있음을 알 수 있다.
이상에서와 같이 상세한 설명과 도면을 통해 본 발명의 최적 실시예를 개시하였다. 용어들은 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명은 적어도 세 쌍의 단자를 구비하는 트랜스포머의 한 쌍의 단자에 음저항 회로를 연결하고 바이어스 조절을 통해 상기 트랜스포머의 저항 성분을 감소시킴으로써 상호 인덕턴스 성분이 증가되도록 한다. 종래에는 공진도(Q)의 향상 범위가 제한되었으나, 본 발명은 인덕턴스와 저항 성분의 조절을 통해 종래보다 향상된 공진도(Q)를 얻을 수 있으며, 주파수 범위에 따라 수십 내지 수백 정도의 넓은 범위의 공진도(Q)를 얻을 수 있다. 본 발명의 큐-부스팅 회로를 저잡음 증폭기나 전압조정발진기 등에 적용하면 공진도(Q)의 향상에 따라 전체 회로의 성능이 향상될 수 있다.

Claims (6)

  1. 인덕턴스를 제공하며, 적어도 세 쌍의 단자를 구비하는 트랜스포머,
    상기 트랜스포머의 저항 성분을 감소시키기 위해 상기 적어도 세 쌍의 단자 중 한 쌍의 단자에 연결된 음저항 회로를 포함하며,
    나머지 쌍의 단자 중 적어도 한 쌍의 단자에 외부회로가 연결되는 것을 특징으로 하는 큐-부스팅 회로.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 음저항 회로에 바이어스 전압을 공급하기 위해 상기 트랜스포머에 전원전압이 제공되는 것을 특징으로 하는 큐-부스팅 회로.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 음저항 회로는 상기 한 쌍의 단자에 각각의 드레인이 연결되며, 각각의 게이트가 상기 드레인에 크로스 커플된 제 1 및 제 2 트랜지스터,
    상기 제 1 및 제 2 트랜지스터의 소오스와 접지 간에 연결되며, 게이트를 통해 바이어스 전압을 공급받는 제 3 트랜지스터로 이루어진 것을 특징으로 하는 큐-부스팅 회로.
  4. 제 1 항에 있어서, 전체 자속밀도를 증가시키기 위해 상기 적어도 세 쌍의 단자 중 다른 한 쌍의 단자에 연결된 스위칭 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하 는 큐-부스팅 회로.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 스위칭 수단은 소오스 및 드레인이 상기 한 쌍의 단자에 연결되고, 게이트를 통해 제어전압이 제공되는 것을 특징으로 하는 큐-부스팅 회로.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 외부회로는 전압조정발진기 또는 저잡음 증폭기인 것을 특징으로 하는 큐-부스팅 회로.
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