KR100648379B1

KR100648379B1 - 가변이득 증폭기 및 가변이득 증폭 모듈

Info

Publication number: KR100648379B1
Application number: KR1020050118073A
Authority: KR
Inventors: 김영호; 박문양; 유현규
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2005-12-06
Filing date: 2005-12-06
Publication date: 2006-11-24
Also published as: US20070126501A1; US7391260B2

Abstract

본 발명은 이동통신 시스템의 신호크기를 조절하는 아날로그 가변이득 증폭기(VGA: Variable Gain Amplifier)에 관한 것이다. 특히, 본 발명에서는 넓은 선형입출력 범위를 가지는 트랜스컨덕터를 이용한 가변이득증폭기 (VGA: Variable Gain Amplifier)설계에 관한 내용이다.

본 발명의 가변이득 증폭기는, 두개의 이중차동쌍 트랜스컨덕터와 되먹임(feedback)저항들로 구성된다. 첫째 이중차동쌍 트랜스컨덕터의 제1 차동입력은 앞단의 입력신호를 받으며 제2 차동입력은 차동출력과 수동저항을 통해 직렬로 음의 되먹임(negative feedback)이 된 연결구조의 첫째 블럭단과 두번째 이중차동쌍 트랜스컨덕터의 제1 차동입력과 제2 차동입력이 연결된 입력은 첫째 블록단의 출력신호를 받으며 이 출력은 외부의 조절전압에 의해 저항값이 지수함수적으로 변하는 가변저항을 통해 직렬로 음의 되먹임이 된 구조이다.

상기 구성과 같은 본 발명의 가변이득 증폭기를 실시함에 따라, 보다 간단한 구성으로, 조절 전압에 대해서 지수함수적인 선형이득특성을 제공할 수 있는 효과가 있다. 또한, 트랜스컨덕터가 코어회로로 사용된 기존 트랜스컨덕터를 구비한 저역필터와 연계설계가 가능하며 회로구조가 단순해서 고집적화 및 저전력설계가 용이해 단말기칩등에 적합한 효과도 있다.

가변이득증폭기, 선형성, 트랜스컨덕터, 지수함수, OTA

Description

가변이득 증폭기 및 가변이득 증폭 모듈{Variable Gain Amplifier and Variable Gain Amplifying Module}

도 1은 일반적인 통신시스템의 송신블록 구성도.

도 2a는 본 발명의 가변이득 증폭기내 이득증폭부회로.

도 2b는 도 2a의 회로의 음의 되먹임저항R_L의 변화에 대한 dB이득을 도시한 그래프.

도 3a는 도 2a의 R_L을 대치하기 위한 MOS 능동 저항 소자를 나타낸 회로도.

도 3b는 도 3a의 MOS저항 회로의 CV전압에 대한 저항값 특성을 도시한 그래프.

도 3c는 제어부 블록내 VC전압에 대한 CV전압 생성 회로를 나타낸 회로도.

도 3d는 도 3c의 VC전압에 대한 CV전압 생성 회로의 특성 그래프.

도 4a는 본 발명의 가변이득증폭기 회로도내 주파수보상 입력부의 회로도.

도 4b는 도 4a의 주파수보상 입력부의 R_F저항값에 대한 주파수 특성 그래프.

도 5a는 본 발명 일실시예에 따른 가변이득 증폭 모듈의 회로도.

도 5b는 도 5a의 가변이득 증폭 모듈의 VC전압 변화에 대한 이득 주파수 특 성 그래프.

도 5c는 VC전압에 대한 dB이득 특성 그래프

＜도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명＞

110 : 주파수 보상 입력부 111 : 제2 OTA

112 : 제1 고정 저항 113 : 제2 고정 저항

114 : 제1 입력단 커패시터 115 : 제2 입력단 커패시터

116 : 병렬 저항 117 : 병렬 커패시터

120 : 가변이득 증폭부 121 : 제1 OTA

122 : 제1 가변 저항 123 : 제2 가변 저항

132 : 모드 선택부 134 : 가변 이득 제어부

140 : 자동 튜닝 회로

본 발명은 반도체 회로기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이동통신 시스템의 신호크기를 조절하는 아날로그 가변이득 증폭기(VGA: Variable Gain Amplifier)에 관한 것이다. 특히, 본 발명에서는 넓은 선형입출력 범위를 가지는 트랜스컨덕터를 이용한 가변이득증폭기 (VGA: Variable Gain Amplifier)설계에 관한 내용이다.

도 1에 도시된 이동통신 단말기에서 송신기는 다른 단말기와의 과도한 간섭을 피하기 위하여 송신파워를 제어해야 한다. 이러한 파워제어는 자동이득 제어(AGC : Automatic Gain Control)회로를 통해 전체시스템의 다이나믹 범위(Dynamic Range)를 극대화 한다. 이 자동이득 제어 회로의 핵심 셀이 바로 제어 전압에 비례하여 이득을 제공하는 가변이득 증폭기(VGA)이다. 무선통신 시스템뿐만 아니라 디스크 드라이브, 보청기, 광 수신기등과 같은 다양한 응용분야에서 광범위하게 사용이 된다.

상기 가변이득 증폭기(VGA)는 BBP에서 제어되는 AGC신호에 지수적인 전압이득을 제공함으로써 제어전압에 선형적으로 비례하는 데시벨(dB) 단위의 전압이득을 제공하게 된다. 이를 위해 기존에 지수함수 특성을 지니는 BJT소자가 주로 이용되어왔다. 그러나, CMOS 단일칩(SoC)에 대한 요구와 많은 회로기술개발 덕분으로 현재는 CMOS 소자로도 지수함수적으로 선형적인 이득특성을 가지는 많은 VGA가 구현되고 있다. 그러나, 이러한 CMOS VGA들은 CMOS소자의 특성을 극복하고 지수함수적인 선형이득특성을 얻기 위해 많은 블록들이 사용되므로 구조가 복잡해지고 전류를 과다하게 소모하는 결과를 초래한다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 보다 단순한 구조를 가지며, 지수함수적으로 선형적인 가변이득 특성을 가지는 가변이득 증폭기를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 상기 기능의 가변이득 증폭기를 제공함과 동시에 단말기 핵심칩에 적용하기 위한 저전력/저면적의 회로구조를 제공하는데 다른 목적이 있다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위하여 제안된 본 발명은 VGA의 기본블럭이며 그 구성을 보면, 주파수보상 입력부, 이득 증폭부와 제어부로 이루어져 있다. 이득조절영역(dynamic range)을 넓히기 위하여 VGA 기본 블럭은 여러단을 배열하여 사용할 수가 있다.

이에 따라, 본 발명의 가변이득 증폭 모듈은, 제1 트랜스컨덕터; 상기 제1 트랜스컨덕터의 비반전 입력단과 반전 출력단 사이에 연결되며, 외부의 조절 전압에 의해 저항값이 지수함수적으로 변하는 제1 가변 저항; 및 상기 제1 트랜스컨덕터의 반전 입력단과 비반전 출력단 사이에 연결되며, 외부의 조절 전압에 의해 저항값이 지수함수적으로 변하는 제2 가변 저항; 상기 제1 트랜스컨덕터의 입력단에 연결되는 2 트랜스컨덕터; 상기 제2 트랜스컨덕터의 비반전 입력단과 반전 출력단 사이에 연결되는 제1 고정 저항; 및 상기 제2 트랜스컨덕터의 반전 입력단과 비반전 출력단 사이에 연결되는 제2 고정 저항을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 가변이득 증폭기는, 차동 이득 증폭기; 상기 차동 이득 증폭기의 비반전 입력단과 반전 출력단 사이에 연결되며, 외부의 조절 전압에 의해 저항값이 지수함수적으로 변하는 제1 가변 저항; 및 상기 차동 이득 증폭기의 반전 입력단과 비반전 출력단 사이에 연결되며, 외부의 조절 전압에 의해 저항값이 지수함수적으로 변하는 제2 가변 저항을 포함하는 것을 특징으로 한다.

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 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 본 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것은 아니고, 단지 예시로 제시된 것이다.

(실시예)

일반적으로 전압-전류 변환기의 특성을 가지고 있는 트랜스컨덕터(OTA; Operational Transconductance Amplifier)는 입출력 특성이 상당히 넓은 범위까지 선형적이어서 많은 회로블럭에 사용되고 있다. 특히, 대부분의 단말기에 사용하는 아날로그 저주파 필터는 이러한 트랜스컨덕터를 이용하여 설계되고 있다. 즉 바이쿼드(biqud) 형태의 필터나 자이레이터를 응용한 LC 레더(ladder) 형태의 필터들이 이러한 트랜스컨덕터의 응용예이다. 상기 트랜스컨덕터는 시스템 내 자동튜닝회로(Auto Tuning Circuit)에 의해 트랜스컨덕턴스(G_m)값이 안정적이고 정밀하게 제어된다.

가변이득 증폭기(VGA)도 이러한 트랜스컨덕터로 설계된다면 회로의 안정화를 확보함과 동시에 필터와 연계한 혼합(Mixed design)설계도 가능해져 시스템 전체의 노이즈와 선형성을 조절할 수 있을 뿐만 아니라 연속적인 트랜스컨덕터 배치를 통해 설계 면적을 효율적으로 줄일 수 있게 된다.

상기 기술에 따른 본 발명에서 제안하는 VGA의 기본 아이디어를 설명하자면 다음과 같다. 만일 이중차동입력쌍을 가진 트랜스컨덕터가 도 2a에 도시한 바와 같이, 반전 입력단이 서로 연결되고 비반전 입력단이 서로 연결된 싱글차동 입력구조의 트랜스컨덕터(121)에 가변저항(R_L)을 통해 음의 되먹임이, 상기 트랜스컨덕터의 비반전 입력단과 반전 출력단 사이에 연결되는 제1 가변 저항(122); 및 상기 트랜스컨덕터의 반전 입력단과 비반전 출력단 사이에 연결되는 제2 가변 저항(123)으로 이루어진다. 이 경우 G_m의 트랜스컨덕턴스 값을 가진 이 구조는 하기 수학식 1과 같은 전압이득을 가지게 된다.

예컨대, 상기 트랜스컨덕터가 이중 차동입력에 대해 80uA/V(단일인 경우 40uA/V)의 트랜스컨덕턴스(G_m)값을 가진다면 도 2a구조는 도 2b와 같은 이득특성을 보일 것이다. 즉, 가변저항(R_L)값이 0Ω일때는 단순히 전압이득이 1인 버퍼로 동작하고, 점점 증가해서 1/(2*G_m) 값이 될때까지는 음의 방향으로 전압이득이 감소하는 특성을 보이고 1/(2*G_m) 값 이상에서는 위상이 반전되면서 다시 양의 방향으로 증가하는 이득특성을 보인다. 도 2b의 결과에서 가변저항(R_L)값이 A지점 이상(6.25kΩ~ 수십 kΩ)에서만 변하도록 조절된다면 대략 -40dB에서 10dB의 이득변화를 얻을 수 있다. 물론 이 경우 가변저항(R_L)값이 조절전압에 대해 선형적으로 변한다면 dB이득특성은 상당히 비선형적일 것이다. 이를 해결하기 위해서는 하기 수학식 2처럼 제어전압(VC)에 의해 가변저항(R_L)값이 지수함수적으로 변하여야 한다.

도 2a의 가변저항(R_L)은 도 3a처럼 연속적인 특성을 얻기 위해 능동저항으로 대체할 수 있다. 이 능동저항은 PMOS 소자가 이용되며 바디(body) 전압에 의해 저항값이 조절되도록 하였다. 일반적으로 사용하는 MOS 저항처럼 게이트전압(V_G1)을 통해 저항값을 조절하지 않은 이유는 게이트 전압(V_G1)이 변할 경우 큰 입출신호에 의해 트랜스컨덕터의 입출력에 연결된 트라이오드(triode region) MOS저항의 |V_GS|가 |V_DS+V_thp| 보다 작아져 쉽게 세츄레이션(saturation) 상태에 빠져 능동저항으로서 기능을 상실하기 때문이다. 따라서 게이트 전압(V_G1)이 커질수록 이득조절범위(dynamic range)는 감소하게 된다. 게이트 전압(V_G1)은 신호스윙 범위를 고려해 깊은 트라이오드 상태(deep-triode region)를 유지 할 수 있도록 접지(gnd)에 가까운 값으로 설정한다. 즉 |V_GS|-|V_thp|>>|V_DS| 그리고 바디(body)전압, V_B을 조절하여 하기 수학식 3처럼 저항값을 조절하면 도 3b와 같은 시뮬레이션 결과를 얻을 수 있 다. 도 3b의 시뮬레이션 결과를 보면 MOS 저항값이 바디(body)전압에 대해 로그(Log) 함수적으로 선형적임을 알 수 있다. 따라서 R_MOS를 상기 수학식 2에 대입하면 VC에 근사적인 선형특성을 얻을 수 있다.

바디(body) 조절전압(CV)에 의해 조절되는 저항값은 1V에서 전원전압(Vdd)까지만 한정적으로 조절되기 때문에 전 범위(gnd ~ V_dd)에서 조절이 가능하도록 제어부에 선형 데이벨(dB-linear) 이득조절 회로을 따로 두어 도 3c 및 3d처럼 바디 조절 전압(CV)이 조절되도록 구현하는 것이 보다 넓은 이득조절 영역을 얻을 수 있어 바람직하다.

한편, 도시한 바와 같이 제1 가변저항 및 제2 가변저항을 하나의 모스트랜지스터로 구현하면, 과도한 드레인 소스 전압 변화에 의해 파형왜곡이 발생할 수 있다. 따라서, 드레인 소스 전압 변화에 의한 모스 가변저항의 변화를 막아 파형왜곡을 피하기 위해, 상기 제1 가변저항 및 제2 가변저항을 여러 개의 모스트랜지스터 저항이 직렬로 연결된 형태로 구현할 수 있다. 이 경우 도시한 구조를 가진 모스트랜지스터 저항 소자들이 소스-드레인이 반복되는 구조로 연결되며, 각 모스트랜지스터 저항 소자의 게이트들에는 동일한 전압이 인가되며, 바디들에도 동일한 전압이 인가된다.

도 4a는 도 3a회로가 앞단의 임피던스값에 의해 영향을 받지 않도록 하기 위해 추가된 전압버퍼 형태의 하이 임피던스의 주파수 보상 입력부(110)이다. 아울러 이 회로는 주파수보상을 통해 대역폭도 넓혀준다. 두 차동입력쌍 중 한쪽 차동입력은 앞단에서 바로 입력되고 나머지 다른입력은 저항(RF)을 통해 출력에 음의 되먹임 되도록 구성되어 있다. 이 구조는 하기 수학식 4와 같은 2개의 폴(pole)과 1개의 제로(zero)를 가지는 2차 전달함수 특성을 가지고 있다.

상기 수학식에서 C_in, C_out, R_out은 각각 설계된 트랜스컨덕터의 기생 입출력 커패시터 및 출력저항을 뜻한다. 도 4B의 시뮬레이션 결과는 G_m= 40uA/V, C_in=120fF, C_out=220fF, R_out=12.8MΩ일때의 각 R_F값에 대한 전달함수 특성이다. 이 경우 R_F=26.5kΩ일 때 가장 평평하고 넓은 대역폭을 얻을 수가 있다.

상기 주파수보상 입력부(110)는, 가변이득 증폭모듈 이전단의 임피던스값에 의한 영향을 차단하고 주파수 특성을 개선하기 위해 추가된 하이 임피던스 입력부로서 상기 도 4a의 구조를 가질 수 있다. 즉, 상기 제1 트랜스컨덕터의 입력단에 연결되는 제2 트랜스컨덕터(111); 상기 제2 트랜스컨덕터(111)의 비반전 입력단과 반전 출력단 사이에 연결되는 제1 고정 저항(112); 및 상기 제2 트랜스컨덕터(111)의 반전 입력단과 비반전 출력단 사이에 연결되는 제2 고정 저항(113)을 구비한다.

또한, 상기 수학식 4의 폴 및 제로를 부여하기 위해, 상기 제2 트랜스컨덕터(111)의 되먹임 비반전입력단에 연결되는 제1 입력단 커패시터(114), 되먹임 반전입력단에 연결되는 제2 입력단 커패시터(115), 상기 제2 트랜스컨덕터(111)의 출력단자 사이에 연결되는 병렬 커패시터(117) 및 병렬 저항(116)을 더 구비할 수 있다.

도 5a는 본 발명에서 제안하는 가변이득 증폭기이다. 주파수보상 입력부(110), 증폭부(120), 제어부(130)로 가변이득증폭기의 기본블럭을 구성한다.

외부에서 제어전압(VC)을 통해 제어부(130)를 조정하여 증폭부(120)가 지수적인 전압이득 즉, 선형적으로 비례하는 데시벨(dB) 단위의 전압이득을 얻을 수 있다. 또한 제어부(130)에 입력되는 g_mode 신호는 제어부(130)를 거쳐 증폭부(120)내 가변 저항용 모스트랜지스터(122, 123)의 게이트 전압을 조절하게 된다. 게이트 전압이 바뀌면 모스트랜지스터 저항이 달라져서 바디전압에 따른 시작점이 바뀌게 되어 전체적으로 이득범위가 이동하게 된다. 물론 이러한 범위는 사용하는 전원전압, 입출력 DC전압(common-mode voltage), 신호의 크기에 따라 영향을 받는다. 이를 위해 상기 제어부(130)는 상기 가변이득 증폭 모듈의 가변이득 동작 레인지를 선택하도록, 상기 모스트랜지스터(122, 123)의 게이트에 인가되는 모드 신호 생성 하기 위한 모드 선택부(132); 및 상기 선택된 선형 가변이득 동작 레인지 내에서 적합한 상기 가변이득 증폭 모듈의 가변이득값을 조절하도록, 상기 모스트랜지스터(122, 123)의 바디에 인가되는 조절 전압을 생성하기 위한 가변이득 제어부(134) 및 트랜스컨덕터(111,121)의 트랜스컨덕턴스(G_m)값을 제어하는 자동튜닝회로 바이어스부(140)로 이루어질 수 있다.

상기 주파수보상 입력부(110)는, 가변이득 증폭모듈 이전단의 임피던스값에 의한 영향을 차단하고 주파수 특성을 개선하기 위해 추가된 하이 임피던스 입력부이다.

상기 주파수보상 입력부(110)와 증폭부(120)를 구성하는 각 트랜스컨덕터(111, 121)는 동일한 규격으로 설계되고, 동일한 자동튜닝회로에 의해 그 이득계수(G_m)가 조절되는 것이 구현의 용이성 및 동작의 최적화를 위해 바람직하다. 또한, 본 발명의 가변이득 증폭 모듈을 포함하는 IC칩 상의 다른 블록 내 트랜스컨덕터와 동일한 규격 설계를 가지고 동일한 자동튜닝회로의 제어를 받는 것이 보다 바람직하다.

도 5B는 외부 제어전압(VC)에 따라 변하는 전압이득에 대한 주파수 특성이다. 전반적으로 고른 주파수 특성을 보이고 있다. 도 5c는 대역폭내(In-band)에서 도 5b를 데시벨(dB) 단위로 변환하여 나타낸 제어전압 대 전압이득 특성 그래프이다. 상기 그래프에서 제어전압(VC)에 선형적인 데시벨(dB)이득을 제공함을 알 수 있다.

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

상기 구성과 같은 본 발명의 가변이득 증폭기를 실시함에 따라, 보다 간단한 저렴한 구성으로, 조절 전압에 대해서 지수함수적인 선형이득특성을 제공할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 전류를 적게 소모하는 트랜스컨덕터를 이용한 간단한 구성으로 필터와 연계하여 저전력소모/저면적화 및/또는 정밀한 이득제어의 효과가 있다.

또한, 본 발명은 트랜스컨덕터가 코어회로로 사용된 기존 트랜스컨덕터를 구비한 저역필터와 연계설계가 가능하며 회로구조가 단순해서 고집적화 및 저전력설계가 용이해 단말기칩등에 적합한 효과가 있다.

Claims

차동 이득 증폭기;

상기 차동 이득 증폭기의 비반전 입력단과 반전 출력단 사이에 연결되며, 외부의 조절 전압에 의해 저항값이 지수함수적으로 변하는 제1 가변 저항; 및

상기 차동 이득 증폭기의 반전 입력단과 비반전 출력단 사이에 연결되며, 외부의 조절 전압에 의해 저항값이 지수함수적으로 변하는 제2 가변 저항

을 포함하는 가변이득 증폭기.
제1항에 있어서, 상기 제1 가변 저항 및 제2 가변 저항은,

바디로 인가되는 상기 조절 전압에 따라 소스와 드레인간의 채널 저항이 변하는 모스트랜지스터인 것을 특징으로 하는 가변이득 증폭기.
제2항에 있어서, 상기 모스트랜지스터의 게이트에는,

선형 가변이득 동작 레인지를 선택하는 모드 신호가 인가되는 것을 특징으로 하는 가변이득 증폭기.
제1항에 있어서, 상기 차동 이득 증폭기는,

이중 차동입력쌍 트랜스컨덕터(Operational Transconductance Amplifier)인 것을 특징으로 하는 가변이득 증폭기.
제4항에 있어서, 상기 트랜스컨덕터 증폭기는,

상기 가변이득 증폭기를 포함하는 시스템 상에 형성되는 다른 트랜스컨덕터 증폭기와 동일한 규격으로 설계되어, 동일한 튜닝 신호를 인가받는 것을 특징으로 하는 가변이득 증폭기.
제1 트랜스컨덕터;

상기 제1 트랜스컨덕터의 비반전 입력단과 반전 출력단 사이에 연결되며, 외부의 조절 전압에 의해 저항값이 지수함수적으로 변하는 제1 가변 저항;

상기 제1 트랜스컨덕터의 반전 입력단과 비반전 출력단 사이에 연결되며, 외부의 조절 전압에 의해 저항값이 지수함수적으로 변하는 제2 가변 저항;

상기 제1 트랜스컨덕터의 입력단에 연결되는 2 트랜스컨덕터;

상기 제2 트랜스컨덕터의 비반전 입력단과 반전 출력단 사이에 연결되는 제1 고정 저항; 및

상기 제2 트랜스컨덕터의 반전 입력단과 비반전 출력단 사이에 연결되는 제2 고정 저항

을 포함하는 가변이득 증폭 모듈.
제6항에 있어서, 상기 제1 가변 저항 및 제2 가변 저항은,

바디로 인가되는 조절 전압에 따라 소스와 드레인간의 채널 저항이 변하는 모스트랜지스터인 것을 특징으로 하는 가변이득 증폭 모듈.
제7항에 있어서,

상기 가변이득 증폭 모듈의 가변이득 동작 레인지를 선택하도록, 상기 모스트랜지스터의 게이트에 인가되는 모드 신호 생성하기 위한 모드 선택부; 및

상기 선택된 선형 가변이득 동작 레인지 내에서 적합한 상기 가변이득 증폭 모듈의 가변이득값을 조절하도록, 상기 모스트랜지스터의 바디에 인가되는 조절 전압을 생성하기 위한 가변이득 제어부

를 더 포함하는 가변이득 증폭 모듈.
제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제1 트랜스컨덕터 및 제2 트랜스컨덕터의 트랜스컨덕턴스를 조절하기 위한 자동튜닝회로

를 더 포함하는 가변이득 증폭 모듈.
제7항 또는 제8항에 있어서,

상기 1 가변저항 및 제2 가변저항은, 다수개의 모스 트랜지스터 저항이 직렬로 연결된 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 가변이득 증폭 모듈.