KR100652207B1 - 다중 모드 및 다중 대역 무선 통신 수신기를 위한 전압부귀환 저잡음 증폭기 - Google Patents

다중 모드 및 다중 대역 무선 통신 수신기를 위한 전압부귀환 저잡음 증폭기 Download PDF

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김용훈
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한양대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 저잡음 증폭기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다중 모드 및 다중 대역에서의 무선 통신이 가능한 수신기를 위한 전압 부귀환(negative feedback) 저잡음 증폭기에 관한 것이다. 전압 부귀환 저잡음 증폭기는 상기 저잡음 증폭기를 동작시키는 전류원과, 상기 입력 신호를 입력받는 입력 단자와, 상기 입력 신호의 입력 주파수와 동일한 출력 주파수를 선택하는 출력 정합 회로와, 상기 출력 정합 회로의 출력 임피던스의 a배를 입력 임피던스로 가지는 입력 정합 회로-여기서, a는 0보다 큰 실수임-와, 상기 입력 신호를 증폭하여 상기 출력 주파수를 가지는 출력 신호를 생성하는 증폭단을 포함한다. 다중 모드/다중 대역의 무선 통신 수신기에 적합하고 광대역 정합 특성이 좋으면서 적은 수의 인덕터를 사용함으로써 회로의 집적화가 좋은 효과가 있다.
저잡음 증폭기, 전압 부귀환, 다중 모드, 다중 대역, 수신기

Description

다중 모드 및 다중 대역 무선 통신 수신기를 위한 전압 부귀환 저잡음 증폭기{Voltage negative feedback low noise amplifier for multi-mode and multi-band RF receiver}
도 1a 내지 1d는 저잡음 증폭기의 입력단에서 50옴 정합을 위한 구조의 예시도.
도 2는 본 발명에 따른 다중 모드 및 다중 대역의 무선 통신 수신기의 구성도.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 전압 부귀환 저잡음 증폭기의 등가회로도.
도 4는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 전압 부귀환 저잡음 증폭기의 회로도.
도 5는 2.3 ~ 2.4G㎐의 주파수 대역에서 사용될 수 있는 일반적인 공통 게이트 구조의 저잡음 증폭기의 시뮬레이션 결과와, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 부귀환 저잡음 증폭기의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면.
도 6은 다중 모드 및 다중 대역 무선 통신에서 사용가능한 복수의 주파수 대역에 따른 전압 부귀환 저전압 증폭기의 전압 이득, 잡음지수, 입력 임피던스 정합 정도를 나타낸 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
250 : 전압 부귀환 저잡음 증폭기
310 : 출력 정합 회로
320 : 입력 정합 회로
330 : 트랜지스터
340 : 입력 단자
350 : 전류원
본 발명은 저잡음 증폭기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다중 모드 및 다중 대역에서의 무선 통신이 가능한 수신기를 위한 전압 부귀환(negative feedback) 저잡음 증폭기에 관한 것이다.
차세대 이동 통신은 여러 무선 통신 시스템의 통합이 요구되는 상황이다. 이를 구현하기 위하여 SDR(Software Defined Radio)을 지원하는 다중 모드/다중 대역 무선 통신 송수신기에 대한 연구가 활발히 진행중이다.
SDR은 기존에 서로 다른 기기를 사용해야 했던 다양한 방식의 무선 통신 서비스를 하드웨어가 아니라 소프트웨어의 변경만으로 통합 수용할 수 있는 기술이 다. 다시 말하면, SDR은 유한한 주파수 자원의 사용 효율성을 높이기 위하여, 무선주파수 방출에 영향을 주는 주파수 동작범위, 변조방식, 최대 출력 등 동작 파라미터들을 하드웨어 구성요소의 교체없이 소프트웨어의 변경만으로 가능케 하는 무선기술로 정의할 수 있다. 즉, SDR은 앞서 언급한 바와 같이 기존의 2세대 통신과 3세대 통신을 통합하고, 나아가서는 다양한 통신수단을 하나의 단말기에서 구현할 수 있는 통신기술이다. 따라서, SDR이 실용화 되면 핸드폰, PCS, 무선랜 등 여러 기기를 구입해야만 가능했던 서비스들을 SDR 단말기에서 소프트웨어의 변경만으로 필요한 서비스를 받을 수 있게 된다.
하지만, SDR을 지원하기 위해서는 모든 주파수 대역에서 사용 가능한 송수신기가 필요하게 되며, 주파수에 민감한 무선 통신 전단(RF front-end)의 특성상 이는 현실적으로 구현이 불가능하다.
이를 극복하기 위해 최근 많이 사용되고 있는 주파수 대역에 대해서 지원하는 수신기의 개발이 필요하다. 다시 말해 WCDMA, CDMA2000, WIBRO, 블루투스(Bluetooth), Zigbee, WLAN 등과 같은 최근의 무선 표준들이 1.8 ~ 2.5 G㎐의 대역을 사용하고 있으므로, 이 주파수 대역을 지원하는 수신기의 개발을 위한 저잡음 증폭기(LNA; Low Noise Amplifier)가 필요하다.
다중 모드/다중 대역 무선 통신 전단(RF front-end)을 구성하는 방법이 다수 제안되고 있다. 첫번째 방법은 병렬 무선 통신 전단(parallel RF front-end) 방식으로 지원하는 표준의 개수만큼 저잡음 증폭기 및 믹서(mixer)를 사용하는 방법이다. 이는 저잡음 증폭기 및 믹서의 수가 많아 부품이 많이 필요하고 가격이 높으며 크기가 커지는 단점이 있다. 두번째 방법은 재구성가능한 믹서(reconfigurable mixer) 방식으로 하나의 믹서와 여러 개의 저잡음 증폭기를 이용한다. 세번째 방법은 첫번째 방법과 두번째 방법을 혼용하는 것으로, 두번째 방법에 비하여 매우 넓은 주파수 대역을 지원할 수 있는 특징이 있지만 첫번째 방법과 마찬가지로 가격과 크기 문제가 여전히 존재한다. 마지막으로 단일 경로 무선 통신 전단(single path RF front-end) 방식으로 하나의 저잡음 증폭기와 믹서를 이용하는 방법으로 가장 간단하면서도 이상적인 방법이지만 넓은 주파수 대역과 높은 성능을 동시에 만족시키기는 힘든 방식이다.
무선 통신 시스템에서 저잡음 증폭기(LNA)는 수신기의 안테나로부터 수신한 아무 미약한 신호를 잡음 없이 증폭하는 회로이다. 저잡음 증폭기는 수신기의 제일 첫단에 위치하며, 저잡음 증폭기의 잡음지수(NF; Noise Figure)가 수신기 전체의 성능을 좌우하기 때문에 저잡음 증폭기의 잡음과 신호 왜곡을 최대한으로 억제할 필요가 있다. 또한, 최대한의 신호 전달을 위해 입력단과 출력단의 임피던스 정합 또한 요구된다.
특히 입력 임피던스 정합은 저잡음 증폭기에서 매우 중요한 바, 입력단에서 50옴(Ω; ohm) 정합을 위한 구조가 도 1a 내지 1d에 도시되어 있다.
도 1a는 직접 저항을 연결하는 저항 터미네이션(resistive termination) 구조를 도시하고 있으며, 광대역 정합이 가능하나 저항 자체의 열잡음(thermal noise)이 발생하여 잡음지수에 있어서 불리한 단점이 있다.
도 1b는 공통 게이트(common gate) 구조를 도시하고 있으며, 여기서의 입력 임피던스는 Zin은 하기의 수학식 1과 같다.
Figure 112006001995138-pat00001
트랜지스터의 크기비인
Figure 112006001995138-pat00002
과 바이어스 전류(ID)를 조절하여 50옴의 입력 임피던스 정합이 가능하다. 하지만, 회로의 구조상 잡음지수는 트랜지스터가 긴 채널(long channel)인 경우에는 최소 2.2dB 이상이 되고, 트랜지스터가 짧은 채널(short channel)인 경우에는 더욱더 회로의 잡음지수는 올라가게 된다.
도 1c는 저항을 이용한 병렬-직렬 귀환(shunt-series feedback) 구조를 도시하고 있으며, 회로의 정합 대역폭은 넓어지지만 회로에 사용된 저항이 도 1a에 도시된 것과 마찬가지로 이유로 인해 잡음지수를 증가시킨다.
도 1d는 인덕터를 이용한 소스 디제네레이션(source degeneration) 구조를 도시하고 있으며, 트랜지스터의 게이트 단자와 소스 단자에 인덕터를 연결함으로 인해 잡음지수 특성은 좋아진다. 하지만, 광대역 정합이 용이하지 않으며 인덕터를 사용함에 따라 회로 전체의 크기가 훨씬 커지게 되는 단점이 있다.
상술한 바와 같이 다중 대역을 만족하는 저잡음 증폭기와 믹서를 설계하는 것은 어렵다. 이는 서로 다른 주파수에서의 입력 임피던스 정합과, 명세(specification), 저 잡음지수(NF), 높은 이득 및 좋은 선형성(linearity)을 만족하기 어렵기 때문이다.
따라서, 본 발명은 다중 모드/다중 대역의 무선 통신 수신기에 적합하고 광대역 정합 특성이 좋으면서 적은 수의 인덕터를 사용함으로써 회로의 집적화가 좋은 공통 게이트 구조의 저잡음 증폭기를 제공한다.
또한, 본 발명은 잡음지수가 개선되고 이로 인해 발생할 수 있는 입력 임피던스의 부정합이 해결된 저잡음 증폭기를 제공한다.
또한, 본 발명은 출력 임피던스를 입력 임피던스 정합을 위해 활용함으로써 전압의 부귀환(negative feedback) 특성을 가지는 전압 부귀환 저잡음 증폭기를 제공한다.
본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 입력 신호의 잡음을 억제하고 증폭시키는 저잡음 증폭기(low noise amplifier)에 있어서, 상기 저잡음 증폭기를 동작시키는 전류원(current source); 상기 입력 신호를 입력받는 입력 단자; 상기 입력 신호의 입력 주파수와 동일한 출력 주파수를 선택하는 출력 정합 회로; 상기 출력 정합 회로의 출력 임피던스의 a배를 입력 임피던스로 가지는 입력 정합 회로-여기서, a는 0보다 큰 실수임-; 및 상기 입력 신호를 증폭하여 상 기 출력 주파수를 가지는 출력 신호를 생성하는 증폭단을 포함하는 전압 부귀환 저잡음 증폭기가 제공될 수 있다.
바람직하게는, 상기 입력 단자는 복수 개 있고, 상기 각 입력 단자마다 상응하는 입력 신호의 입력 주파수가 미리 정해져 있되, 상기 전류원, 상기 입력 정합 회로 및 상기 증폭단의 개수는 상기 입력 단자와 동(同)수이며, 상응하는 상기 입력 단자에 각각 연결될 수 있다.
또한, 상기 출력 정합 회로는 병렬로 연결되는 저항, 커패시터 및 인덕터를 포함하되, 상기 출력 주파수를 가지도록 상기 커패시터와 상기 인덕터의 값을 조절할 수 있다. 여기서, 상기 커패시터는 복수개가 있으며, 상기 복수개의 커패시터 중 어느 하나 또는 이들의 결합이 선택되고 상기 인덕터와의 조합을 통해 상기 출력 주파수를 가지도록 할 수 있다.
그리고 상기 출력 임피던스는 상기 저항에 의해 결정될 수 있다.
바람직하게는, 상기 증폭단은 소스 단자에 상기 입력 단자 및 상기 전류원이 연결되며 드레인 단자에 상기 출력 정합 회로가 연결되는 공통 게이트(common gate) 구조의 트랜지스터이고, 상기 입력 정합 회로는 상기 트랜지스터의 게이트 단자와 상기 출력 정합 회로 사이에 연결될 수 있다.
여기서, 상기 입력 정합 회로는 이득이 a인 증폭기일 수 있다. 또는 상기 입력 정합 회로는 2개의 이득 커패시터로 구성되고, 상기 이득 커패시터간의 크기 비율이 a일 수 있다.
또한, 상기 트랜지스터의 크기비(
Figure 112006001995138-pat00003
), 바이어스 전류 및 이들의 결합 중 어느 하나를 조절하여 잡음지수(NF)를 임계값 이하로 만들 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 전압 부귀환 저잡음 증폭기의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제1, 제2 등)는 동일 또는 유사한 개체를 순차적으로 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.
도 2는 본 발명에 따른 다중 모드 및 다중 대역의 무선 통신 수신기의 구성도이다.
도 2를 참조하면, 다중 모드 및 다중 대역의 무선 통신 수신기는 다중 대역 안테나(210), 스위치플렉서(220), 먹스(225), 하나 이상의 RF 필터(230a, 230b, 230c), 하나 이상의 발룬(240a, 240b, 240c), 전압 부귀환 저잡음 증폭기(250) 및 믹서(260a, 260b)를 포함한다. 다중 모드 및 다중 대역의 무선 통신 수신기는 재구성가능한 믹서 방식에 따르되, 무선 통신 수신기가 지원하는 무선 통신 표준의 수만큼의 저잡음 증폭기를 사용하지 않고 하나의 전압 부귀환 저잡음 증폭기(250)를 사용한다. 전압 부귀환 저잡음 증폭기(250)는 전력 소모를 줄이고 전체 크기를 줄 이기 위해 각 무선 통신 표준마다 입력 단자는 다르지만 하나의 바이어스 회로를 사용한다.
다중 대역 안테나(multiband antenna; 210)는 수신하고자 하는 무선 통신의 표준에 해당하는 하나 이상의 주파수 대역에서의 신호를 받아들인다.
스위치플렉서(switchplexer; 220)는 다중 대역 안테나(210)를 통해 입력된 다중 대역의 신호를 먹스(225)로부터 인가되는 제어 신호에 따라 무선 통신 수신기에서 사용하고자 하는 무선 통신 표준에 상응하는 송수신 주파수(Tx1 & Rx1, Tx2 & Rx2 또는 Tx3 & Rx3)로 분리한다.
스위치플렉서(220)에 의해 주파수 분리된 신호는 선택된 송수신 주파수에 상응하는 RF필터(230a, 230b 또는 230c, 이하 230으로 함)를 거치고, 차등 신호(differential signal) 구조인 경우에 발룬(balun; 240a, 240b 또는 240c, 이하 240으로 함)을 통해 전압 부귀환 저잡음 증폭기(250)의 입력 단자 중에 하나로 입력된다. 여기서, 발룬(240)은 Balanced-to-Unbalanced에서 유래된 합성어로, 밸런스(balance) 신호를 언밸런스(unbalance) 신호로, 그리고 언밸런스 신호를 밸런스 신호로 변환하는 역할을 하며, 정합 트랜스포머(matching transformer)를 의미한다.
전압 부귀환 저잡음 증폭기(250)는 하나 이상의 입력 단자 중 어느 하나로 입력된 미약한 신호를 기본 대역(baseband) 단에서 신호 처리가 가능하도록 일정한 크기의 신호로 증폭한다. 주파수 대역 선택 신호를 통해 신호가 입력되는 입력 단자를 설정하며, 이득 제어 신호를 통해 증폭되는 신호의 크기를 조정한다. 전압 부 귀환 저잡음 증폭기(250)에 관하여는 추후 도 3 이하 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
그리고 믹서(260a, 260b, 이하 260이라 함)는 사용하고자 하는 무선 통신 표준에 상응하는 기본 대역 단에서 처리할 수 있는 주파수 대역으로 증폭된 신호를 하향 주파수 변환을 시켜준다.
즉, 본 발명에 따른 다중 모드 및 다중 대역의 무선 통신 송수신기는 제어 신호에 의해 선택된 무선 통신 표준에 관한 송수신 주파수를 사용하도록 먹스(225)를 이용하여 스위치플렉서(220)를 제어한다. 그리고 다중 대역 안테나(210)를 통해 들어온 신호가 해당 송수신 주파수를 가지도록 RF 필터(230)를 통과시키고, 발룬(240)를 통해 전압 부귀환 저잡음 증폭기(250)의 입력 단자 중 하나에 입력되도록 한다. 전압 부귀환 저잡음 증폭기(250)에서 증폭된 신호는 믹서(260)를 통해 기본 대역 단에서 처리 가능한 주파수로 변환된다.
이하에서는 상술한 바와 같이 하나 이상의 입력 단자를 가지고 있으며, 주파수 대역 선택 신호 및 이득 제어 신호를 수신하여 선택된 주파수 대역의 신호를 증폭하는 전압 부귀환 저잡음 증폭기(250)에 관해 설명한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 전압 부귀환 저잡음 증폭기(250)의 등가회로도이다. 도 3을 참조하면, 전압 부귀환 저잡음 증폭기(250)는 다중 모드 및 다중 대역의 무선 통신에서 사용하기 위해 광대역 정합이 좋은 공통 게이트 구조를 가지는 트랜지스터를 사용한다. 다중 모드 및 다중 무선 통신 표준에 따른 출력 주파수의 정합은 스위치를 이용한 출력 정합 회로(310)를 사용함으로써 이루어진다. 그리고 전압의 부귀환 회로를 이용하여 출력 임피던스를 가지고 입력 임피던스 정합을 하는데 사용할 수 있도록 하는 구조를 가지고 있다. 커플링 커패시터(Cc)는 AC 커플링을 위한 커패시터이다.
전압 부귀환 저잡음 증폭기(250)는 출력 정합 회로(310), 입력 정합 회로(320), 증폭단(330), 입력 단자(340), 전류원(350)을 포함한다.
입력 단자(340)는 도 2에 도시된 것과 같이 전단에 위치한 발룬(240)으로부터 선택된 무선 통신 표준의 송수신 주파수를 입력 주파수로 가지는 입력 신호를 입력받는다. 입력받은 입력 신호는 도 3에 도시된 것과 같이 전압원(Vs) 과 입력 저항(Rs)의 등가회로로 표현되기도 한다.
전류원(current source; 350)은 전압 부귀환 저잡음 증폭기(250)를 동작시키는 역할을 담당한다. 일정한 방향으로 미리 결정된 일정 크기의 전류가 흐르도록 한다. 증폭단(330)을 구성하는 트랜지스터의 소스 단자에 연결되어 해당 트랜지스터의 바이어스 전류(ID)를 제어하는 역할을 담당한다.
출력 정합 회로(310)는 저항(Rp), 커패시터(Cp1, Cp2, …; 이하 Cp라 칭함), 인덕터(Lp)로 구성된다. 주파수 대역 선택 신호를 인가받고, 커패시터(Cp)와 인덕터(Lp)를 이용하여 하기의 수학식 2에 따라 전압 부귀환 저잡음 증폭기(250)를 통과하는 신호가 입력된 입력 신호의 입력 주파수와 동일한 출력 주파수를 가지도록 한다.
Figure 112006001995138-pat00004
커패시터(Cp)와 인덕터(Lp)의 값을 조절하여 원하는 공진 주파수를 생성하고,이를 출력 주파수로 설정한다. 인덕터보다는 커패시터의 제작이 용이한 바, 하나의 인덕터(Lp)를 구비하고 복수개의 커패시터(Cp1, Cp2, …)를 병렬로 연결한 후 스위치를 이용하여 필요로 하는 커패시터를 선택하는 방법에 의해 선택된 무선 통신 표준에 상응하는 입력 주파수와 동일한 출력 주파수가 공진 주파수가 되도록 한다.
커패시터(Cp)와 인덕터(Lp)가 상기 수학식 2에 의해 입력 주파수와 동일한 출력 주파수를 가지도록 설정되면, 전압 부귀환 저잡음 증폭기(250)의 출력 임피던스는 저항(Rp)에 의해서만 결정된다. 즉, 출력 정합 회로(310)의 저항을 이용하여 출력 임피던스를 결정하고, 후술할 방법에 의해 출력 임피던스가 입력 임피던스에 반영되도록 한다.
입력 정합 회로(320)는 출력 임피던스의 a배를 입력 임피던스로 가진다. 다시 말하면, 출력 임피던스가 a배만큼 입력 임피던스에 부귀환되어 보이도록 한다. 입력 임피던스의 정합을 위해 출력 임피던스(Rp) 및 a 라는 2개의 인자를 더함으로써 입력 임피던스의 정합에 있어서 유연성을 증가시킨다.
입력 정합 회로(320)로는 도 3에 도시된 것과 같이 전압 이득이 a인 증폭기 또는 전압 분배의 원리에 의한 2개의 이득 커패시터 및/또는 이득 저항을 가지는 회로가 가능하다. 2개의 이득 커패시터 및/또는 이득 저항을 가지는 회로는 추후 도 4를 참조하여 설명하기로 한다.
증폭단(330)은 입력 단자(340)를 통해 입력된 입력 신호를 증폭하여 출력 정합 회로(310)에서 정합시킨 출력 주파수를 가지는 출력 신호를 생성한다. 증폭단(330)은 전류원(350), 출력 정합 회로(310), 입력 정합 회로(320)가 연결되고, 공통 게이트 구조를 가지는 트랜지스터이다. 공통 게이트 구조라 함은 입력 신호가 소스 단자로 인가되고, 출력 신호가 드레인 단자로 출력되는 트랜지스터 구조를 의미한다. 이 구조는 다중 모드 및 다중 대역의 무선 통신에서 사용하기 위해 광대역 정합이 좋다. 소스 단자에는 입력 단자(340)가 연결되어 입력 신호가 인가되고, 또한 전류원(350)이 연결되어 트랜지스터(330)의 바이어스 전류 조절이 가능하도록 한다. 드레인 단자에는 출력 정합 회로(310) 및 입력 정합 회로(320)의 일측이 연결되어 있고, 드레인 단자를 통해 출력 신호가 후단으로 전달된다. 게이트 단자에는 입력 정합 회로(320)의 타측이 연결되어 있다. 다시 말하면, 입력 정합 회로(320)는 트랜지스터의 게이트 단자와 드레인 단자 사이에 연결되고, 드레인 단자에 연결된 출력 정합 회로(310)의 출력 임피던스가 게이트 단자로 부귀환되어 입력 임피던스에 보이도록 하는 역할을 담당한다.
이하에서는, 전압 부귀환 저잡음 증폭기(250)에서 잡음지수(NF)를 미리 정해진 임계값 이하로 낮추면서 입력 임피던스 정합을 이루는 방법에 대해 설명한다.
일반적인 공통 게이트 구조의 저잡음 증폭기에서 입력 임피던스 Zin과 잡음지수 NF는 하기의 수학식 3과 같다.
Figure 112006001995138-pat00005
수학식 3에 의하면, 입력 임피던스 Zin은 주파수와 무관한 함수이다. 따라서, 별도로 인덕를 부가하지 않고서도 입력 임피던스의 정합이 가능하게 된다. 하지만, 입력 임피던스의 정합을 위해서는 하기의 수학식 4를 만족해야 한다.
Figure 112006001995138-pat00006
여기서, 일반적으로 Rs가 50옴이므로 최대 전력 전달을 위한 입력 임피던스는 50옴 정합을 필요로 하게 된다. 상기의 수학식 1에 의할 때 증폭단(330)의 트랜지스터의 크기비인
Figure 112006001995138-pat00007
과 바이어스 전류(ID)를 조절하여 50옴의 입력 임피던스 정합이 가능하다.
이에 따른 잡음지수는 하기의 수학식 5와 같다.
Figure 112006001995138-pat00008
증폭단(330)의 트랜지스터가 긴 채널(long channel)인 경우
Figure 112006001995138-pat00009
가 되어 잡음지수는 2.2 dB 이상이 되고, 트랜지스터가 짧은 채널(short channel)인 경우
Figure 112006001995138-pat00010
가 되어 잡음지수는 3 dB 이상이 되어 전압 부귀환 저잡음 증폭기(250)의 잡음지수가 증가하게 된다.
하지만, 대부분의 무선 통신 표준에서 요구하는 저잡음 증폭기의 잡음지수는 2 dB 이하(이 값이 본 발명에서의 잡음지수의 임계값이 된다)가 되어야 하므로, 본 발명에서는 상기의 수학식 1에 의할 때 증폭단(330)의 트랜지스터의 크기비인
Figure 112006001995138-pat00011
과 바이어스 전류(ID)를 조절하여 수학식 3에서의
Figure 112006001995138-pat00012
의 값을 크게 함으로써 전체적인 잡음지수를 임계값(예를 들어, 2 dB) 이하로 감소시킨다. 여기서,
Figure 112006001995138-pat00013
의 값을 크게 하면
Figure 112006001995138-pat00014
이 되어 입력 임피던스 정합이 틀어지게 된다.
이를 정합하기 위해 도 3에 도시된 바와 같이 트랜지스터(330)의 게이트 단자에 전압 이득이 a인 입력 정합 회로(320)를 연결한다. 여기서, a는 0보다 큰 실수인 것이 바람직하다. 전압 부귀환(negative feedback) 구조를 통해 출력 주파수의 정합을 위해 사용된 출력 정합 회로(310)의 출력 임피던스인 저항(Rp)을 사용하여 입력 임피던스를 Rs에 정합시키게 되고, 이에 따라 전압원(Vs)에서 바라보는 임피던스 Zs는 하기의 수학식 6을 만족시킨다.
Figure 112006001995138-pat00015
Rs는 50옴의 값을 가지고 있으며,
Figure 112006001995138-pat00016
은 잡음지수를 소정의 임계값 이하로 낮추기 위한 값을 가지고 있게 된다. 따라서, a 및/또는 출력 임피던스(Zload)인 저항(Rp)의 값을 변화시킴으로써 입력 임피던스의 정합이 가능하게 된다.
도 4는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 전압 부귀환 저잡음 증폭기의 회로도이다.
도 4를 참조하면, 전압 부귀환 저잡음 증폭기는 주파수 선택부(410), 이득 제어부(415), 입력 정합 회로(420a, 420b, 420c, …), 증폭단(430a, 430b, 430c, …), 입력 단자(340a, 340b, 340c, …), 전류원(450a, 450b, 450c, …)을 포함한다.
출력 정합 회로(410)는 주파수 대역 선택 신호에 따라 전압 부귀환 저잡음 증폭기에서 지원가능한 무선 통신 표준의 송수신 주파수 중에서 현재 선택된 무선 통신 표준의 송수신 주파수에 따라 출력 주파수를 결정하고, 결정된 출력 주파수와 동일한 공진 주파수를 가지도록 한다.
이득 제어부(415)는 이득 제어 신호에 따라 전압 부귀환 저잡음 증폭기(250)에서 출력되어 믹서(260)로 전달되는 출력 신호의 최종적인 신호 이득을 결정한다. 전압 부귀환 저잡음 증폭기(250)에서 증폭된 신호는 그 크기가 크기 때문에 믹서(260)에서 사용가능하도록 크기를 줄이게 된다.
입력 정합 회로(420a, 420b, 420c, …), 증폭단(430a, 430b, 430c, …), 입력 단자(340a, 340b, 340c, …) 및 전류원(450a, 450b, 450c, …)은 각각의 알파벳 문자(a, b, c, …)에 따라 처리하는 무선 통신 표준이 다름을 표시한다. 즉, 각각에 입력되는 입력 신호의 입력 주파수 및 출력되는 출력 신호의 출력 주파수가 각각 다르다. 다중 모드 및 다중 대역의 무선 통신 수신기에 사용될 전압 부귀환 저잡음 증폭기의 특성에 맞도록 사용하고자 하는 무선 통신 표준의 수에 맞춰 입력 정합 회로(420a, 420b, 420c, …), 증폭단(430a, 430b, 430c, …), 입력 단자(340a, 340b, 340c, …) 및 전류원(450a, 450b, 450c, …)이 요구된다. 이하에서는 a 식별자를 가지는 회로에 대해 대표적으로 설명하지만, 다른 회로에 대해서도 동일한 내용이 적용 가능함은 물론이다.
입력 정합 회로(420a)는 출력 정합 회로(410)와 증폭단(430a) 사이에 연결된다. 도 4에서는 제1 및 제2 이득 커패시터(Ca1, Ca2)를 사용하지만, 도 3에 도시된 것과 같이 전압 이득이 a인 증폭기를 사용하여도 된다.
제1 및 제2 이득 커패시터(Ca1, Ca2)를 사용하는 경우에 하기의 수학식 7에 의해 트랜지스터(430a)의 드레인 단자의 전압(V1)을 이용하여 게이트 단자의 전압(V2)을 조절하게 되고, 이를 부귀환 구조라 한다.
Figure 112006001995138-pat00017
여기서,
Figure 112006001995138-pat00018
가 전압이득 a가 되므로, 제1 및 제2 이득 커패시터(Ca1, Ca2) 간의 크기 비율을 조절하여 a 값을 변화시키게 된다.
제1 이득 커패시터(Ca1)는 트랜지스터(430a)의 게이트 단자와 드레인 단자 사이에 연결되고, 제2 이득 커패시터(Ca2)는 트랜지스터(430a)의 게이트 단자와 그라운드 사이에 연결되며, 트랜지스터(430a)의 게이트 단자는 제1 스위치(Va1)를 통해 그라운드에 연결된다. 제1 스위치(Va1)는 기본적으로 닫혀 있는 상태이다. 해당 무선 통신 표준이 선택되면 주파수 대역 선택 신호에 의해 제1 스위치(Va1)가 열리게 되고, 트랜지스터(430a)의 게이트 단자는 그라운드와의 연결이 끊어짐에 따라 트랜지스터(430a)는 턴온되고 상술한 동작을 수행하게 된다.
전류원 트랜지스터(450a)는 드레인 단자가 입력 단자(440a) 및 트랜지스터(430a)의 소스 단자에 연결되고, 소스 단자는 전류원 인덕터(Ls)에 연결된다. 게이트 단자는 제2 스위치(Va2)에 연결되어 있다. 제2 스위치(Va2)는 제1 스위치(Va1)과 마찬가지로 기본적으로 닫혀 있는 상태이다. 해당 무선 통신 표준이 선택되면 주파수 대역 선택 신호에 의해 제2 스위치(Va2)가 열리게 되고, 전류원 트랜지스터(450a)의 게이트 단자는 그라운드와의 연결이 끊어짐에 따라 전류원 트랜지스터(450a)는 턴온되고 전류원으로서 동작한다.
도 5는 2.3 ~ 2.4G㎐의 주파수 대역에서 사용될 수 있는 일반적인 공통 게이트 구조의 저잡음 증폭기의 시뮬레이션 결과와, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 부귀환 저잡음 증폭기의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다. 여기서, Voltage_gain은 증폭기에서의 전압 이득을, Noise Figure은 잡음지수를, dB(S(1,1))은 입력 임피던스 정합 정도를 나타낸다. dB(S(1,1))는 그 값이 작을수록 입력 임피던스의 정합이 잘 이루어지고 있음을 의미한다.
도 5의(a)를 참조하면, 일반적인 공통 게이트 구조의 저잡음 증폭기의 경우에 해당 주파수 대역(2.3 ~ 2.4G㎐)에서 입력 임피던스 정합과 충분한 전압 이득을 가졌을 때에도 잡음지수가 2.9 ~ 3 dB 정도가 됨을 알 수 있다.
하지만, 도 5의 (b)를 참조하면, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 전압 부귀환 저잡음 증폭기의 경우에 트랜지스터의 크기비(
Figure 112006001995138-pat00019
)와 바이어스 전류를 조절하여 gm의 값을 크게 함으로써, 잡음지수를 1.6 ~ 1.7 dB로 낮추고, 또한 출력 임피던스의 부귀환을 이용하여 입력 임피던스 정합도 잘 이루어지고 있음을 알 수 있다.
도 6은 다중 모드 및 다중 대역 무선 통신에서 사용가능한 복수의 주파수 대역에 따른 전압 부귀환 저전압 증폭기(250)의 전압 이득, 잡음지수, 입력 임피던스 정합 정도를 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 선택된 무선 통신 표준의 출력 주파수에 따라 출력 정합 회로(310)에서 인덕터(Lp) 및/또는 커패시터(Cp)의 값을 조절하여 상기 수학식 2에 따르는, 출력 주파수와 동일한 공진 주파수를 가지도록 하면서도, 충분한 전압 이득을 가지고, 임계값 이하의 잡음지수를 가지며, 입력 임피던스의 정합도 가능함을 보여주고 있다. 또한, 본 발명에 따른 전압 부귀환 저전압 증폭기(250)는 1.5 ~ 3.0 G㎐의 송수신 주파수를 가지는 무선 통신 표준에 대하여 적용가능함을 보여준다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 전압 부귀환 저잡음 증폭기는 다중 모드/다중 대역의 무선 통신 수신기에 적합하고 광대역 정합 특성이 좋으면서 적은 수의 인덕터를 사용함으로써 회로의 집적화가 좋은 효과가 있다.
또한, 잡음지수가 개선되고 이로 인해 발생할 수 있는 입력 임피던스의 부정합이 해결된다. 그리고 출력 임피던스를 입력 임피던스 정합을 위해 활용함으로써 전압의 부귀환 특성을 가진다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (9)

  1. 입력 신호의 잡음을 억제하고 증폭시키는 저잡음 증폭기(low noise amplifier)에 있어서,
    상기 저잡음 증폭기를 동작시키는 전류원(current source);
    상기 입력 신호를 입력받는 입력 단자;
    상기 입력 신호의 입력 주파수와 동일한 출력 주파수를 선택하는 출력 정합 회로;
    상기 출력 정합 회로의 출력 임피던스의 a배를 입력 임피던스로 가지는 입력 정합 회로-여기서, a는 0보다 큰 실수임-; 및
    상기 입력 신호를 증폭하여 상기 출력 주파수를 가지는 출력 신호를 생성하는 증폭단
    을 포함하는 전압 부귀환 저잡음 증폭기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 입력 단자는 복수 개 있고, 상기 각 입력 단자마다 상응하는 입력 신호의 입력 주파수가 미리 정해져 있되,
    상기 전류원, 상기 입력 정합 회로 및 상기 증폭단의 개수는 상기 입력 단자와 동(同)수이며, 상응하는 상기 입력 단자에 각각 연결되는 전압 부귀환 저잡음 증폭기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 출력 정합 회로는 병렬로 연결되는 저항, 커패시터 및 인덕터를 포함하되,
    상기 출력 주파수를 가지도록 상기 커패시터와 상기 인덕터의 값을 조절하는 전압 부귀환 저잡음 증폭기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 커패시터는 복수개가 있으며, 상기 복수개의 커패시터 중 어느 하나 또는 이들의 결합이 선택되고 상기 인덕터와의 조합을 통해 상기 출력 주파수를 가지도록 하는 전압 부귀환 저잡음 증폭기.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 출력 임피던스는 상기 저항에 의해 결정되는 전압 부귀환 저잡음 증폭기.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 증폭단은 소스 단자에 상기 입력 단자 및 상기 전류원이 연결되며 드레인 단자에 상기 출력 정합 회로가 연결되는 공통 게이트(common gate) 구조의 트랜지스터이고,
    상기 입력 정합 회로는 상기 트랜지스터의 게이트 단자와 상기 출력 정합 회로 사이에 연결되는 전압 부귀환 저잡음 증폭기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 입력 정합 회로는 이득이 a인 증폭기인 전압 부귀환 저잡음 증폭기.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 입력 정합 회로는 2개의 이득 커패시터로 구성되고, 상기 이득 커패시터간의 크기 비율이 a인 전압 부귀환 저잡음 증폭기.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 트랜지스터의 크기비(
    Figure 112006001995138-pat00020
    ), 바이어스 전류 및 이들의 결합 중 어느 하나를 조절하여 잡음지수(NF)를 임계값 이하로 만드는 전압 부귀환 저잡음 증폭기.
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