KR100667303B1 - Ｕｗｂ용 ｌｎａ - Google Patents

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Abstract

본 발명은, UWB용 LNA에 관한 것으로서, 동일한 RF신호를 입력받아 상호 상이한 주파수 대역에서 증폭하며 상호 병렬 연결된 적어도 한 쌍의 협대역 LNA, 상기 각 협대역 LNA에 회로 전체의 부하 임피던스를 증가시키기 위한 부하회로를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 본 광대역 LNA는 RF신호를 광대역으로 증폭할 수 있을 뿐만 아니라, 종래에 협대역 LNA의 장점인 저잡음, 고이득 특성도 획득할 수 있다.
UWB, LNA, 협대역, 광대역, 커플링, 증폭소자

Description

ＵＷＢ용 ＬＮＡ{LOW NOISE AMPLIFIER FOR ULTRA-WIDE BAND}
도 1은 종래의 무선단말기의 개략적 구성 블럭도,
도 2는 종래의 무선통신시스템에 사용되는 광대역 LNA의 회로도,
도 3은 종래의 공통 게이트 입력을 이용한 광대역 LNA의 회로도,
도 4는 종래의 협대역 LNA의 개략적 회로도,
도 5는 본 발명에 따른 광대역 LNA의 개략적 회로도,
도 6은 도 5의 광대역 LNA에 의해 증폭된 RF신호의 주파수 특성 그래프이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
110 : 제1증폭부 120 : 제2증폭부
본 발명은 UWB용 LNA에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 협대역 LNA를 커플링하여 광대역으로 신호가 증폭되도록 함으로써, 협대역 LNA의 특성인 높은 이득과 낮은 NF를 달성할 수 있도록 하는 UWB용 LNA에 관한 것이다.
최근 인터넷의 보급과 멀티미디어 자료의 급격한 증가에 따라 초고속 통신망에 대한 수요가 늘어가고 있다. 이중 LAN은 1980년대 후반부터 도입되어 초기에 1~4Mbps 정도였던 전송량이 현재는 100Mbps로 증가하였고, 휴대용 컴퓨터 및 PDA의 보급이 확산됨에 따라 장소에 상관없이 네트워크 망에 접속하고자 하는 요구가 늘어나면서 무선통신기술에 대한 관심이 급증하고 있다.
이에 따라, 새로운 주파수 자원 확보를 넘어 기존 무선통신 서비스와 함께 고속 광대역의 무선 통신이 가능한 초광대역통신기술, 즉 UWB(Ultra-Wide Band)가 최근 새롭게 각광받고 있으며 연구 또한 활발히 이루어지고 있다. UWB는 기존 협대역 시스템 및 3G 셀룰러 기술로 설명되는 광대역 시스템과 구분하기 위해 중심 주파수의 25% 이상 점유 대역폭을 차지하는 시스템 혹은 1.5GHz 이상 점유 대역폭을 차지하는 무선 전송기술로 정의된다. 일반적으로 UWB는 3.1 ~ 10.6GHz대의 주파수 대역을 사용하며, 전송거리가 10m ~100m에 이른다.
이러한 무선통신에 사용되는 무선단말기는, 도 1에 도시된 바와 같이, 수신블럭(10), 송신블럭(20), 제어부(30), 모뎀(40), 국부발진기(50)를 포함한다.
수신블럭(10)은, LNA(11)(Low Noise Amplifier:저잡음 증폭기), 믹서(13), 필터(15)를 포함한다. 안테나로 수신된 고주파 신호인 RF신호는 감쇄 및 잡음의 영향으로 매우 낮은 전력레벨을 갖고 있으며, LNA(11)는 이러한 고주파 신호의 잡음을 제거하고 증폭시킨다. 믹서(13)는 LNA(11)에서 증폭된 고주파 신호를 중간주파수인 IF신호로 변환하고, 필터(15)에서는 IF신호 중 필요한 부분만을 선별하여 모뎀(40)으로 제공한다.
모뎀(40)에서는 필터(15)로부터 입력된 IF신호를 기저대역신호(Rx)로 변환시키거나, 후술할 송신블럭(20)의 필터(25)로 제공될 기저대역신호(Tx)를 IF신호로 변환시킨다. 국부발진기(50)는 제어신호를 입력받아 모뎀(40)과 각 필터(25)로 제공되는 국부발진신호를 발생시킨다.
송신블럭(20)은, 필터(25), 믹서(23), 파워엠프(21)를 포함하며, 필터(25)는 발신될 IF신호 중 필요한 부분만을 선별하고, 믹서(23)는 수신블럭(10)과는 반대로 IF신호를 RF신호로 변환한다. 그리고 파워엠프(21)에서는 RF신호가 송신기까지 도달할 수 있도록 출력크기를 증폭시킨다.
이러한 무선단말기의 감도는 NF(Noise Figure:잡음특성)에 직접적으로 의존하며, 수신단의 잡음은 사실상 LNA(11)에 의해 결정된다. 이에 따라, LNA(11)의 설계시 적정의 선형성과 이득을 유지하면서 잡음을 최소화하는 것이 가장 중요한 설계 이슈이며, 종래에는 주로 사용되던 협대역에서는 이러한 조건을 만족시키는 LNA(11)의 설계가 가능하였다.
한편, UWB의 연구가 활발해짐에 따라, UWB에 사용할 수 있는 LNA를 구현하기 위해, 다음과 같이 LNA의 설계가 이루어졌다.
미국 특허출원 US6735421호(이하, 선행기술1이라 함) "Receiver including low noise amplifier and frequency down-converter for a wireless telecommunication system"에 따르면, 도 2에 도시된 바와 같이, 종래의 협대역 LNA는 FET(field effect transistor)를 가지며, FET의 게이트 터미널과 드레인 터미널 사이에 네거티브 피드백(negative feedback)용 저항(R3)과 콘덴서(C1)를 병렬로 설치하고 있다. 여기서, 저항(R3)과 콘덴서(C1)는 저주파에서 이득을 감소시키는 역할을 하고, 저주파에서 증폭기가 높은 이득을 얻는 것을 방해한다. 즉, RC 피드백 구조는 LNA의 입력에 대한 출력을 상승시키고, 이득이 감소시키는 대신 대역폭을 증가시키도록 한다. 따라서, 광대역의 LNA를 구현할 수 있으나, 선행기술1의 LNA는 NF가 높고, 이득이 낮다는 문제점이 있다.
미국 특허출원 US6806777호(이하, 선행기술2이라 함) "Ultra wide band low noise amplifier and method"는, 공통 게이트 입력을 이용한 광대역 LNA로서, 도 3에 도시된 바와 같이 구성되어 있다. 선행기술2의 LNA는, LT(load tracking)네트워크(104)를 포함하는 캐스코드(cascode)(102)와, 커먼 게이트 파트(106)을 포함한다. 커먼 게이트 파트(106)의 증폭소자(M1)는 소스로 RF신호가 입력되고, 게이트는 AC 그라운드가 되므로, 공통 게이트 증폭기 구조이다. 따라서, RFin단자는 광대역 임피던스 매칭이 가능하므로 광대역 증폭기의 설계가 가능해진다. 그러나 이러한 선행기술2의 LNA는 임피던스 문제로 높은 이득을 얻기는 어렵고, 소스로 RF신호를 입력함에 따라 NF가 높다는 단점이 있다.
이에 따라, UWB용 LNA의 설계시, 협대역 LNA를 이용하여 구성함으로써, 협대역 LNA의 장점인 고이득과 저잡음 특성을 가지며, UWB에서 사용할 수 있는 LNA를 설계할 필요가 있다.
따라서, 본 발명의 목적은, 협대역 LNA를 이용하여 고이득, 저잡음 특성을 얻을 수 있는 UWB용 LNA을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 동일한 RF신호를 입력받아 상호 상이한 주파수 대역에서 증폭하며, 상호 병렬 연결된 적어도 한 쌍의 협대역 LNA; 상기 각 협대역 LNA에 회로 전체의 부하 임피던스를 증가시키기 위한 부하회로를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 각 협대역 LNA는, 하나의 증폭소자와, 상기 증폭소자의 소스와 게이트에 각각 연결된 한 쌍의 인덕터를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 각 협대역 LNA의 각 증폭소자에는, 상기 각 증폭소자와 캐스코드 엠프를 형성하는 공통 게이트 증폭소자가 각각 연결되며, 상기 각 공통 게이트 증폭소자는 상호 공통의 게이트 입력을 갖는 것이 바람직하다.
상기 부하회로는, 상기 각 공통 게이트 증폭소자에 사이에 형성되며, 상호 병렬 연결된 부하저항, 인덕터, 커패시터를 포함할 수 있다.
게이트와 드레인 사이에 상기 부하회로가 배치된 버퍼 증폭소자를 더 포함하며, 상기 버퍼 증폭소자는 상기 부하회로의 임피던스에 대한 외부 영향을 최소화할 수 있다.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
일반적으로 협대역용 LNA는, 도 4에 도시된 바와 같이, 증폭소자의 소스와 게이트에 인덕터를 채용하고 있으며, 이렇게 증폭소자의 소스와 게이트에 인덕터를 채용함에 따라, LNA에 입력되어야 하는 입력 임피던스를 50Ω 정도의 수준까지 발생시킬 수 있게 된다.
본 UWB용 LNA는 이러한 협대역 LNA를 병렬로 커플링하여 형성한다.
도 5는 본 발명에 따른 광대역 LNA의 개략적 회로도이다. 도시된 바와 같 이, 본 UWB용 LNA는 병렬로 배치된 한 쌍의 협대역 증폭부인 제1 및 제2증폭부(110, 120)를 포함한다.
제1 및 제2증폭부(110, 120)는 각각 하나의 증폭소자(M1, M2)와, 증폭소자(M1, M2)의 게이트와 소스측에 각각 배치된 한 쌍의 인덕터로 구성되며, 제1증폭부(110)는 증폭소자 M1과, 한 쌍의 인덕터(Lg₁, Ls₁)를 포함하고, 제2증폭부(120)는 증폭소자 M2와, 한 쌍의 인턱터(Lg₂, Ls₂)를 포함한다.
제1 및 제2증폭부(110, 120)의 각 증폭소자 M1과 M2는 안테나를 통해 입력된 RF신호를 증폭시키며, 각 증폭소자가 상호 병렬로 연결되어 있으므로, 입력된 RF신호는 분배되어 제1 및 제2증폭부(110, 120)에서 각각 증폭과정을 거치게 된다. 여기서, 제1증폭부(110)의 증폭소자 M1과 제2증폭부(120)의 증폭소자 M2는 상이한 사이즈로 형성되며, 따라서, 제1증폭부(110)와 제2증폭부(120)는 동일한 RF신호를 입력받지만 증폭된 RF신호의 주파수는 서로 상이하다.
한편, 제1 및 제2증폭부(110, 120)는 협대역 LNA이며, 협대역 LNA에는 입력단에 50Ω의 임피던스가 입력되어야 한다. 이에, 증폭소자 M1에 연결된 인덕터 Lg₁, Ls₁의 인덕턴스는 제1증폭부(110)에 50Ω의 임피던스가 입력되도록 설정되고, 증폭소자 M2에 연결된 인덕터 Lg₂, Ls₂의 인덕턴스는 제2증폭부(120)에 50Ω의 임피던스가 입력되도록 설정됨으로써, 임피던스 매칭을 위해 사용된다. 즉, 각 인덕터의 인덕턴스는 상이한 사이즈를 갖는 증폭소자 M1과 M2에서 증폭된 RF신호의 주파수가 각기 설정된 제1증폭부(110) 및 제2증폭부(120)의 입력 매칭 주파수에 일치하거나 근접하도록 증폭소자 M1과, M2의 사이즈에 맞게 설정되어 있다.
이러한 제1 및 제2증폭부(110, 120)의 증폭소자 M1과 M2의 드레인에 각각 연결된 증폭소자 M3와 M4는 상호 병렬로 연결되고 동일한 입력을 갖는 공통 게이트 증폭소자이며, NMOS 트랜지스터로 형성된다. 여기서, 증폭소자 M1과 M3는 캐스코드 엠프(CASCODE AMPLIFIER)를 형성하며, 증폭소자 M2와 M4도 캐스코드 엠프를 형성한다. 일반적으로 캐스코드 엠프를 구성할 경우, 증폭 특성이 좋아진다. 따라서, M3와 M4에 의해 제1증폭부(110)와 제2증폭부(120)의 이득이 증가하고, 대역폭이 넓어질 뿐만 아니라 노이즈가 작아지는 효과가 있다.
한편, 버퍼 증폭소자 M5의 게이트와 드레인 사이에는 부하 회로가 형성되어 있으며, 부하회로는 전체 회로의 임피던스를 높여 이득을 향상시키기 위해 사용된다. 본 부하회로는 저항(Ro), 인덕터(Lo), 커패시터(Co)가 상호 병렬연결되어 형성된다. 이러한 저항(Ro), 인덕터(Lo), 커패시터(Co)로 이루어진 부하회로는 제1증폭부(110)와 제2증폭부(120)에 대해 각각 하나씩 형성되어야 하나, 본 광대역 LNA에서는 저항(Ro), 인덕터(Lo), 커패시터(Co)가 공통 게이트 증폭소자인 M3와 M4에 의해 제1증폭부(110)와 제2증폭부(120)의 출력을 공유함으로써, 하나의 부하회로만이 형성된다.
이러한 부하회로에 연결된 버퍼 증폭소자 M5는 고 임피던스를 입력받아 저 임피던스를 출력하는 버퍼 증폭소자로서, 게이트로 입력된 전압을 소스로 보내는 역할을 한다. 이렇게 버퍼 증폭소자 M5에서 전압을 컨버젼함으로써, 부하회로에서 발생하는 임피던스가 외부 회로의 연결로 인한 특성변화가 광대역 LNA 전체의 특성에 미치는 영향을 최소화하며, 이에 따라, 광대역 LNA의 특성이 나빠지는 것을 방지할 수 있다.
이러한 버퍼 증폭소자에는 M5 전압에 무관하게 일정한 전류를 공급하는 아이디얼 커런트 소스(Ideal current source)인 Ib가 연결되어 있다.
이러한 구성에 의한 광대역 LNA에서 RF신호가 증폭되는 과정을 살펴보면 다음과 같다.
광대역 LNA의 RFin으로 광대역의 중심 주파수 f를 갖는 RF신호가 입력되면, RF신호는 각각 제1증폭부(110)와 제2증폭부(120)로 주파수가 배분되어 입력된다. 제1증폭부(110)와 제2증폭부(120)로 입력된 RF신호는 각기 상이한 사이즈를 갖는 증폭소자 M1과 M2를 통과하면서 증폭되며, 이 때, 제1증폭부(110)와 제2증폭부(120)에서는 입력 중심 주파수 f를 기준으로 인접한 중심 주파수 f₁과 f₂대역이 각각 증폭된다. 제1증폭부(110)와 제2증폭부(120)에서 각각 증폭된 중심 주파수 f₁과 f₂대역의 RF신호는 부하회로를 통과하면서 대역이 합쳐져서 전압이 증폭되고 버퍼 증폭소자M5를 통과하면서 버퍼링되어 RFout으로 출력된다.
이렇게 제1증폭부(110)와 제2증폭부(120)에서 증폭된 RF신호는, 도 6에 도시된 바와 같이, 각각의 중심 주파수 f1과 f2 대역에서 각각 증폭됨에 따라, 종래의 협대역 LNA에 비해 2배 이상의 대역폭을 갖게 된다.
이와 같이, 본 광대역 LNA는, 협대역 LNA 한 쌍을 병렬로 설치하여 구성하고, 각 협대역 LNA의 증폭소자 M1과 M2를 상이한 사이즈로 구성함으로써, 동일한 RF신호에 대해 상이한 주파수 대역에서 증폭할 수 있도록 한다. 따라서, 본 광대역 LNA는 협대역 LNA를 커플링하여 간단한 구성으로 RF신호의 주파수 대역을 확장 하여 증폭할 수 있다. 이에 따라, 본 광대역 LNA는 종래에 협대역 LNA의 장점인 저잡음, 고이득 특성을 획득할 수 있다.
한편, 상술한 실시예에서는 협대역 증폭기인 제1증폭부(110) 및 제2증폭부(120)를 한 쌍으로 형성하였으나, 두 개 이상 복수개를 설치할 수도 있음은 물론이다. 이렇게 복수의 협대역 증폭기를 설치할 경우, 증폭된 RF신호의 주파수 대역을 더 확장할 수 있다.
한편, 상술한 실시예에서는 제1증폭부(110) 및 제2증폭부(120)를 각각 증폭소자와 한 쌍의 인덕터로 구성하였으나, 증폭소자와 저항 등의 다른 회로소자로 이루어진 협대역 증폭기로 구성할 수도 있음은 물론이다.
한편, 상술할 실시예에서 도 5에 도시된 바와 같이, 각 증폭소자(M1, M2)로 NMOS 트랜지스터를 사용하였으나, HEMT(High Electron Mobility Transistor)나 Bipolar 트랜지스터가 사용될 수도 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 각 협대역 LNA의 증폭소자 M1과 M2를 상이한 사이즈로 구성함으로써, 협대역 LNA를 커플링하여 간단한 구성으로 광대역 LNA를 구성할 수 있다. 따라서, 본 광대역 LNA는 RF신호를 광대역으로 증폭할 수 있을 뿐만 아니라, 종래에 협대역 LNA의 장점인 저잡음, 고이득 특성도 획득할 수 있다.
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 (5)

  1. 동일한 RF신호를 입력받아 상호 상이한 주파수 대역에서 증폭하며, 상호 병렬 연결된 적어도 한 쌍의 협대역 LNA;
    상기 각 협대역 LNA에 회로 전체의 부하 임피던스를 증가시키기 위한 부하회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 UWB용 LNA.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 각 협대역 LNA는, 하나의 증폭소자와, 상기 증폭소자의 소스와 게이트에 각각 연결된 한 쌍의 인덕터를 포함하는 것을 특징으로 하는 UWB용 LNA.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 각 협대역 LNA의 각 증폭소자에는, 상기 각 증폭소자와 캐스코드 엠프를 형성하는 공통 게이트 증폭소자가 각각 연결되며, 상기 각 공통 게이트 증폭소자는 상호 공통의 게이트 입력을 갖는 것을 특징으로 하는 UWB용 LNA.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 부하회로는, 상기 각 공통 게이트 증폭소자에 사이에 형성되며, 상호 병렬 연결된 부하저항, 인덕터, 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 UWB용 LNA.
  5. 제 4 항에 있어서,
    게이트와 드레인 사이에 상기 부하회로가 배치된 버퍼 증폭소자를 더 포함하며, 상기 버퍼 증폭소자는 상기 부하회로의 임피던스에 대한 외부 영향을 감소시키는 것을 특징으로 하는 UWB용 LNA.
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