KR100689614B1 - 초광대역 무선 통신 시스템의 수신 장치 및 이를 이용한신호 변환 방법 - Google Patents

초광대역 무선 통신 시스템의 수신 장치 및 이를 이용한신호 변환 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초광대역 무선 통신 시스템에 관한 것으로, 이를 위하여 본 발명은, 초광대역 무선 통신 시스템에서 저잡음 증폭기의 다음 단에 차동 증폭기 회로를 구성하여 단일 위상의 초광대역 RF 신호를 차동 신호로 변환하는 종래와는 달리, 단일 위상의 초광대역 RF 신호를 수신하는 초광대역 무선 통신 시스템에서 Shunt-Peaking 부하를 통해 수신된 초광대역 RF 신호를 소정 대역폭에서 일정 전압이득을 유지하며 증폭하며, 초광대역 RF 신호를 전류 신호로 변환하고, 전류 형태로 변환된 초광대역 RF 신호를 하향 주파수로 변환하며, 하향 주파수로 변환된 초광대역 RF 신호를 차동 신호로 출력함으로써, 초광대역 무선 통신 시스템에서 개선된 발룬 회로를 구현하여 단일 위상의 초광대역 RF 신호를 차동 신호로 변환할 수 있는 것이다.

Description

초광대역 무선 통신 시스템의 수신 장치 및 이를 이용한 신호 변환 방법{ULTRA-WIDEBAND FRONT-END RECEIVER APPARATUS AND METHOD FOR TRANSFORMING SIGNALS BY USING IT}
도 1은 종래에 일반적인 무선 통신 시스템의 수신단의 블록구성도,
도 2는 종래에 따른 단일 위상의 협대역 신호를 협대역 차동 신호로 변환하는 수신 장치를 나타낸 회로도,
도 3은 다른 종래에 따른 단일 위상의 협대역 신호를 차동 신호로 변환하는 수신 장치를 나타낸 회로도,
도 4는 또 다른 종래에 따라 단일 위상의 초광대역 신호를 차동 신호로 변화하는 수신 장치를 나타낸 회로도,
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일 위상의 초광대역 RF 신호를 차동 신호로 변환하는 수신 장치를 나타낸 회로도,
도 6은 본 발명에 따른 수신 장치에서 저잡음 증폭기의 부하부를 소신호 등가 모델로 나타낸 회로도,
도 7은 본 발명에 따라 저잡음 증폭기의 부하부에 따른 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면,
도 8은 본 발명에 따른 초광대역 무선 통신 시스템의 수신 장치를 이용하여 초광대역 RF 신호를 차동 신호로 변환하는 과정을 나타낸 플로우차트.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
502 : 저잡음 증폭기 502a : Shunt-Peaking 부하
504 : 하향 주파수 변환기
본 발명은 채널 대역폭이 500 MHz 이상인 초광대역 무선 통신 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 초광대역 무선 통신 시스템에서 초광대역 안테너로부터 수신되는 단일 위상의 초광대역 RF 신호를 차동신호로 변환하는데 적합한 무선 통신 시스템의 수신 장치 및 이를 이용한 신호 변환 방법에 관한 것이다.
잘 알려진 바와 같이, 무선 통신 시스템의 수신 장치는 안테너로부터 수신되는 미약한 RF 신호를 밴드-패스-필터(Band Pass Filter, 이하 BFP라 함)를 통해 선택하고, 저잡음 증폭기를 통해 원하는 신호만 증폭하며, 증폭된 RF 신호는 하향 주파수 변환기를 통해 기저 대역으로 주파수가 변환된다. 이러한 신호는 아날로그 디지털 회로에 의해 디지털 신호로 변환된다.
일 예로서, 도 1은 일반적인 무선 통신 시스템의 수신 장치를 나타낸 블록구성도로서, 이러한 도면을 통해 무선 통신 시스템의 수신 장치에 대해 설명한다.
도 1을 참조하면, 무선 통신 시스템의 수신 장치에서 적용되는 모든 회로 블록(즉, 저잡음 증폭기(102), 하향 주파수 변환기(103), 능동 필터(도시 생략됨) 등 )은 단일 위상(single-ended) 구조 또는 차동(differential) 구조로 구현될 수 있다. 이러한 차동 구조의 회로는 단일 위상 구조보다 실리콘 기판과 본딩 와이어(bonding wire)의 기생 인덕턴스 성분에 의한 공통 모드(common-mode) 노이즈들로부터 높은 면역 특성을 가지고 있기 때문에 많이 적용되고 있다.
또한, 하향 주파수 변환기(103)에서는 국부 발진기의 신호가 하향 주파수 변환기(103)의 출력에 누설 신호로 나타나서 수신 장치의 선형성을 악화시키기 때문에 국부 발진 신호의 누설을 최소화하기 위해 더블 밸런스(Double-balanced) 주파수 변환기 구조를 많이 사용한다. 여기에서, 더블 밸런스 주파수 변환기는 입력 신호에 대한 차동 신호 형태를 필요로 한다.
그러나, 수신 장치에서 안테너(100)와 BPF(101)의 신호 라인은 단위 위상 RF 입력 신호를 처리할 수 있기 때문에 실리콘 칩 내부 또는 외부에 단일 위상 신호를 차동 신호로 변환시키는 발룬(Balun) 회로를 필요로 한다.
여기에서, 칩 외부 발룬 회로는 주로 BPF(101)와 저잡음 증폭기(102) 사이에 위치하는데 발룬 회로의 삽입 손실 때문에 수신단 전체의 노이즈 특성을 상당히 저하시킨다. 그리고, 현재 상용화된 수동 발룬 회로는 협대역에서만 사용이 가능하고, 광대역에서 일정한 삽입 손실값을 유지하면서 차동 출력으로 공급하기 어려운 문제점이 있었다.
또한, 발룬 회로가 실리콘 칩 상에서 능동 소자로 온-칩(on-chip)으로 구현될 경우에도 도 1에서 단일 위상 구조의 저잡음 증폭기(102) 앞부분 또는 저잡음 증폭기(102)와 하향 주파수 변환기(103) 사이에 위치하게 된다. 하지만, 실리콘 칩 상에서 능동 소자를 이용하여 발룬 회로를 구현하더라도 추가 회로로 인한 수신 장치의 전류 소모를 증가시키고, 수신단의 노이즈(noise) 특성과 선형 특성을 악화시키는 문제점이 있었다.
도 2는 종래에 따른 단일 위상의 협대역 신호를 협대역 차동 신호로 변환하는 수신장치를 나타낸 회로도로서, 이러한 도면을 통해 종래의 신호 변환 방법에 대해 설명한다.
도 2를 참조하면, 단일 위상 신호를 차동 신호로 변환하기 위해 발룬 회로(204)가 저잡음 증폭기(202) 다음 단에 위치하여 저잡음 증폭기(202)에서 증폭된 RF 신호가 발룬 회로(204)의 입력 트랜지스터 M5의 게이트에 인가되고, M4에 의해 위상이 반전된 RF 신호는 Cr을 통해 트랜지스터 M5의 게이트에 다시 입력된다.
따라서, 비록 저잡음 증폭기(202)의 출력 신호가 발룬 회로(204)의 입력 트랜지스터 M4에 단일 위상 신호 형태로 연결되어 있으나, 발룬 회로(204)의 입력부에 있는 트랜지스터 M4 및 M5에 차동신호가 인가되는 효과가 발생하고, 발룬 회로(204)의 최종 출력단 X 및 Y에서는 차동 신호가 출력된다. 발룬 회로(204)에서 M4와 M5의 공통 소스에 연결된 LC 탱크는 협대역 동작 주파수에서 공진되도록 구성된다. 이는 동작 주파수에서 높은 임피던스를 제공하여 발룬 회로(204)의 CMRR(Common-Mode Rejection Ratio)특성을 개선시켜 발룬 회로(204)가 출력단 X 및 Y에서 더욱 개선된 차동 신호를 만들도록 한다.
하지만, 이러한 방법은 능동 발룬 회로(204)가 저잡음 증폭기(202) 다음 단에 위치하여 단일 위상의 협대역 신호를 차동 신호로 변환하는데, 능동 발룬 회로(204)가 수신단에 추가로 적용되면서 추가 전류 소모 및 노이즈 발생이 상승된다. 따라서, 저잡음 증폭기(202)는 설계 시에 많은 전류 소모를 통해 노이즈 및 전압 이득 향상이 필요하게 된다, 또한 능동 발룬 회로(204)가 기본적인 차동 증폭기 형태를 이용하기 때문에 구조적으로 수신단 전체 선형 특성을 저하시키는 문제점이 있었다.
그리고, 차동 증폭기 구조를 이용한 능동 발룬 회로는 고주파 대역에서 CMRR 특성이 저하되어 단일 위상 신호를 차동 신호로 변환하는 능력이 감소하기 때문에 추가의 차동 증폭기 회로들을 필요로 하여 전류 소모, 노이즈 및 선형성 문제가 더욱 악화되는 요인이 되고 있다. 또한, 이러한 방법은 협대역 무선 통신 수신단에서만 사용되고, 일정한 대역폭에 대하여 일정한 이득을 유지하면서 단일 위상 신호를 차동 신호로 변환시켜야 하는 초광대역 통신 수신단에서는 사용할 수 없다. 게다가, 광대역 특성을 갖도록 저잡음 증폭기(202)와 발룬 회로(204)가 개선된다 하더라도 수신단에서의 소모 전력, 노이즈 및 선형 특성은 여전히 나쁘다는 문제점이 있었다.
다음에, 도 3은 다른 종래에 따른 단일 위상의 협대역 신호를 차동 신호로 변환하는 수신 장치를 나타낸 회로도로서, 이러한 도면을 통해 종래의 신호 변환 방법을 설명한다.
도 3을 참조하면, 실리콘 칩 상에서 center-tap에 있는 협대역 트랜스포머 (transformer)를 이용한 협대역 특성의 발룬 회로(304)를 구성하여 저잡음 증폭기(302)의 단일 위상의 협대역 신호를 공진 주파수(resonant frequency)에서 협대역 차동 신호로 변환시키는 방법으로서, 발룬 회로로 트랜스포머를 사용하기 때문에 추가의 DC 전력 소모가 없으며, 원하는 공진 주파수에서 비교적 완전한 차동 신호로 변환이 가능하다는 장점이 있다.
그리고, center-tap 트랜스포머는 단일 위상 구조의 저잡음 증폭기(302)의 공진 부하로 사용되면서, 저잡음 증폭기(302)의 단일 위상 출력 신호를 차동 신호로 변환시켜 더블 밸런스 하향 주파수 변환기(306)의 두 개의 입력 트랜지스터(M3 및 M4)의 게이트에 공급한다. 여기에서, 발룬 회로(304)는 트랜스포머의 center-tap을 이용하여 별도 바이어스(Bias) 회로없이 더블 밸런스 하향 주파수 변환기(306)의 입력 트랜지스터(M3 및 M4)의 게이트 전압을 바이어싱(biasing)할 수 있다.
하지만, 이러한 방법은 협대역 트랜스포머를 이용한 간단하고 저전력 구조로 단일 위상의 협대역 신호를 협대역의 차동 신호로 변환 가능한 구조를 제시하지만, 트랜스포머의 특성이 협대역이기 때문에 초광대역 신호에 대해서는 전압 이득/손실이 일정한 차동 신호로 변환시킬 수 없는 문제점이 있었다.
다음에, 도 4는 또 다른 종래에 따라 단일 위상의 초광대역 신호를 차동 신호로 변환하는 수신 장치를 나타낸 회로도로서, 이러한 도면을 통해 종래의 신호 변환 방법을 설명한다.
도 4를 참조하면, 저잡음 증폭기(402)는 두 단(2-stage)으로 이루어져 있고, 저잡음 증폭기(402)의 불완전한 차동 신호를 완전한 차동 신호롤 만들기 위해 별도의 차동 증폭기(404)가 포함되어 구성된다. 이러한 저잡음 증폭기(402)와 차동 증폭기(404)의 광대역 주파수 특성을 얻기 위해 인덕터와 저항이 직렬로 연결된 Shunt-peaking 부하(L1, RI1, L2, RI2, L3, RI4, L4 및 RI5)를 사용한다.
따라서, 광대역 단일 위상 RF 입력 신호에 대해 광대역에 걸쳐 일정한 이득(gain)을 유지하면서 차동 신호롤 변환이 가능하고, 저잡음 증폭기(500)에서 RF 입력단은 케스코드 증폭기(M1, M3)이며, 광대역 50 Ω 입력 매칭을 위해 저항(Rf) 피드백 회로 기술이 적용된다.
또한, 두 번째 단(M2, M4)은 저잡음 증폭기(402)에서 단일 위상 신호를 차동 신호로 변환하기 위해 사용되고, 저잡음 증폭기(402)에서 단일 위상의 RF 입력 신호는 노드 X에서 M1에 의해 1.5배 증폭되며, 두 번째 단, M2의 입력으로 들어가서 저잡음 증폭기(402) 다음 단의 차동 증폭기(404)는 저잡음 증폭기(402)에 추가 이득을 제공한다. 이에 따라 CMRR 특성을 이용하여 저잡음 증폭기(402)에 출력 신호가 완전한 차동 신호가 아니기 때문에 더 개선된 차동 신호를 만들게 된다.
하지만, 이러한 방법은 차동 신호로 변환을 위해 필요한 소자들(M2, M4, RI2, L2 및 RI3)이 저잡음 증폭기(402) 회로에 추가되기 때문에 저잡음 증폭기(402)의 노이즈 특성이 악화되고, 추가 전력 소모를 발생시킨다. 또한, 저잡음 증폭기(402)의 출력 신호를 더 향상된 차동 신호로 만들기 위해 저잡음 증폭기(402) 다음 단에 차 동 증폭기 회로(404)가 적용되어 추가 전력 소모 및 수신단의 선형성이 매우 저하되는 문제점이 있을 뿐 아니라, 광대역에 걸쳐 단일 위상 신호를 차동 신호로 변환하기 위해 저잡음 증폭기(402)와 차동 증폭기(404)의 부하는 인덕터와 저항이 직렬로 연결된 Shunt-Peaking 부하로드를 사용하기 때문에 사용된 인덕터 수가 증가할수록 칩 면적이 증가되어 칩 가격 상승의 요인으로 작용하고 있는 실정이다.
따라서, 본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 500 MHz 이상의 채널 대역폭을 가지는 초광대역 무선 통신 시스템에서 단일 위상의 광대역 신호를 차동 신호로 변환하는 발룬 회로를 수신단의 노이드, 선형성과 같은 성능 저하없이 소형/저전력으로 구현할 수 있는 초광대역 무선 통신 시스템의 수신 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 500 MHz 이상의 채널 대역폭을 가지는 초광대역 무선 통신 시스템에서 단일 위상의 광대역 신호에 대해 광대역에 걸쳐 일정한 이득 또는 손실을 갖는 완전한 차동 신호로 변환시킬 수 있는 초광대역 무선 통신 시스템의 신호 변환 방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 수백 MHz의 채널 대역폭을 갖는 단일 위상의 초광대역 RF 신호를 수신하는 초광대역 무선 통신 시스템에서 차동 신호로 변환하는 수신 장치로서, 싱글 밸런스 구조로 Shunt-Peaking 부하를 포함하며, 상기 단일 위상의 초광대역 RF 신호를 소정 대역폭에서 일정 전압이득을 유지하며 증폭하는 저잡음 증폭기와, 더블 밸런스 구조의 믹서를 포함하며, 상기 증폭된 단일 위상의 초광대역 RF 신호를 하향 주파수로 변환하여 차동 신호로 출력하는 하향 주파수 변환기를 포함하며, 상기 더블 밸런스 구조는, 두 개의 입력 중 어느 하나의 입력은 상기 저잡음 증폭기의 출력단과 AC-커플링되고, 다른 입력은 AC-ground된 것을 특징으로 하는 초광대역 무선 통신 시스템의 수신 장치를 제공한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 수백 MHz의 채널 대역폭을 갖는 단일 위상의 초광대역 RF 신호를 수신하는 초광대역 무선 통신 시스템에서 차동 신호로 변환하는 방법으로서, Shunt-Peaking 부하를 통해 상기 수신된 초광대역 RF 신호를 소정 대역폭에서 일정 전압이득을 유지하며 증폭하는 과정과, 상기 증폭된 초광대역 RF 신호를 더블 밸런스 구조의 믹서를 통해 두 개의 입력 중 어느 하나의 입력은 상기 저잡음 증폭기의 출력단과 AC-커플링되고, 다른 입력은 AC-ground되어 전류 신호로 변환하는 과정과, 상기 전류 신호로 변환된 초광대역 RF 신호를 하향 주파수로 변환하는 과정과, 상기 하향 주파수로 변환된 초광대역 RF 신호를 차동 신호로 출력하는 과정을 포함하는 초광대역 무선 통신 시스템의 신호 변환 방법을 제공한다.
본 발명의 상기 및 기타 목적과 여러 가지 장점은 이 기술분야에 숙련된 사람들에 의해 첨부된 도면을 참조하여 하기에 기술되는 본 발명의 바람직한 실시 예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 상세하게 설명한다.
본 발명의 핵심 기술요지는, 초광대역 무선 통신 시스템에서 저잡음 증폭기의 다음 단에 차동 증폭기 회로를 구성하여 단일 위상의 초광대역 RF 신호를 차동 신호로 변환하는 종래와는 달리, 단일 위상의 초광대역 RF 신호를 수신하는 초광대역 무선 통신 시스템에서 Shunt-Peaking 부하를 통해 수신된 초광대역 RF 신호를 소정 대역폭에서 일정 전압이득을 유지하며 증폭하며, 초광대역 RF 신호를 전류 신호로 변환하고, 트랜지스터의 스위칭 동작에 따라 하향 주파수로 변환하며, 하향 주파수 변환기의 출력단을 통해 차동 신호를 출력한다는 것으로, 이러한 기술적 수단을 통해 본 발명에서 목적으로 하는 바를 쉽게 달성할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일 위상의 초광대역 RF 신호를 차동 신호로 변환하는 수신 장치를 나타낸 회로도로서, shunt-peaking 부하(502a)를 포함하는 저잡음 증폭기(502)와 하향 주파수 변환기(504)로 구성된다.
도 5를 참조하면, 저잡음 증폭기(502)는 일반적인 단일 위상의 증폭기 구조로 구성된 것으로, 케스코드 구조(트랜지스터 1 및 2)를 채택하여 광대역 특성과 증폭기 입출력 사이에 격리(isolation)를 확보하고, on-chip spiral 인덕터(10)와 저항(9)이 직렬로 연결된 Shunt-Peaking 부하(502a)를 사용하여 초광대역 주파수 응답 특성을 획득한다.
그리고, 하향 주파수 변환기(504)는 더블 밸런스 구조를 채택하고 있으나, 두 개의 입력 트랜지스터(3 및 4) 중에 하나의 입력 트랜지스터(3)의 게이트에 저잡음 증폭기(502)의 출력단이 AC-coupling 커패시터(13)에 의해 연결되고, 다른 입력 트랜지스터(4)의 게이트는 바이패스 커패시터(14)에 의해 AC-ground 된 구조이므로, 싱글 밸런스(single-balanced) 주파수 변환기처럼 앞단의 저잡음 증폭기(502)로부터 단일 위상의 신호를 한 개의 입력 트랜지스터(3)로 입력된다. 여기에서, 하향 주파수로의 변환은 두 개의 입력 트랜지스터(3 및 4)와 국부 발진기(LO)에 각각 연결된 트랜지스터들(5, 6, 7 및 8)의 스위칭 동작에 따라 수행되고, 광대역 특성을 얻기 위해 저항(11 및 12)을 포함시켜 구성한다.
다음에, 상술한 바와 같은 구성을 갖는 초광대역 무선 시스템의 수신 장치에서 저잡음 증폭기의 Shunt-Peaking 부하부에 대해 설명한다.
도 6은 본 발명에 따른 수신 장치에서 저잡음 증폭기의 부하부를 소신호 등가 모델로 나타낸 회로도이고, 도 7은 본 발명에 따라 저잡음 증폭기의 부하부에 따른 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면으로서, 이러한 도면들을 통해 저잡음 증폭기의 Shunt-Peaking 부하부에 대해 설명한다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 병렬 커패시터(30)는 저잡음 증폭기(502)의 케스코드 트랜지스터(2)의 드레인 노드의 기생 커패시턴스와 하향 주파수 변환기(504)의 입력 트랜지스터(3)의 입력 커패시턴스(Cgs)를 모두 포함한다. Shunt-Peaking 이론에 의해 부하 회로의 -3 dB 대역폭은, 인덕터(10), 저항(9), 커패시터(30)의 값 선정에 의해 일반 저항 부하만 사용한 경우보다 더욱 개선된다. 일 예로서 도 7에 도시한 바와 같다.
따라서, 500 MHz 이상의 채널폭을 가지는 초광대역 RF 신호는 저잡음 증폭기에서 하향 주파수 변환기로 넓은 대역폭에 걸쳐 일정한 이득을 유지하면서 전달된다.
다음에, 상술한 바와 같이 Shunt-peaking 부하를 갖는 저잡음 증폭기를 포함하는 초광대역 무선 통신 시스템의 수신 장치를 이용하여 단일 위상의 초광대역 RF 신호를 차동 신호로 변환되는 과정에 대해 설명한다.
도 8은 본 발명에 따른 초광대역 무선 통신 시스템의 수신 장치를 이용하여 초광대역 RF 신호를 차동 신호로 변환하는 과정을 나타낸 플로우차트이다. 이러한 도면을 통해 신호 변환 방법에 대해 설명한다.
도 8을 참조하면, 초광대역 무선 통신 시스템에서 단일 위상의 초광대역 RF 신호가 수신되면(단계802), 이러한 단일 위상의 초광대역 RF 신호의 광대역 특성과 저잡음 증폭기(502)의 입출력 사이의 격리를 확보한다(단계804). 여기에서, 격리의 확보는 케스코드 구조를 이용하여 수행된다.
그리고, 격리 확보된 단일 위상의 초광대역 RF 신호는 저항(9)과 인덕터(10)로 구성된 Shunt-Peaking 부하(502a)를 통해 초광대역 주파수 응답 특성을 획득한다(단계806). 즉, Shunt-Peaking 부하(502a)를 포함하는 저잡음 증폭기(502)를 통해 상기 수신된 초광대역 RF 신호를 소정 대역폭에서 일정 전압이득을 유지하며 증폭한다.
다음에, 저잡음 증폭기(502)의 출력단에 AC-커플링 커패시터(13)에 연결된 하향 주파수 변환기(504)의 두 개의 입력 트랜지스터 중 어느 하나의 입력 트랜지스터(3)를 통해 입력된는 단일 위상의 초광대역 RF 신호는 전류 형태(즉, 전류 신호)의 RF 신호로 변환된다(단계808). 여기에서, 다른 입력 트랜지스터(4)는 AC-ground 되어 있다. 즉, 하향 주파수 변환기(504)는 더블 밸런스 구조를 갖지만, 싱글 밸런스 구조와 같이 어느 하나의 입력 트랜지스터로 입력된다.
그리고, 하향 주파수 변환기(504)의 트랜지스터(5, 6, 7 및 8)에 의한 스위칭 동작에 따라 전류 형태(즉, 전류 신호)로 변환된 RF 신호는 하향 주파수로 변환된다(단계810). 여기에서, 하향 주파수로의 변환은 하향 주파수 변환기(504)의 트랜지스터들(5, 6, 7 및 8)의 스위칭 동작에 의해 수행된다.
이어서, 하향 주파수로 변환된 RF 신호는 하향 주파수 변환기(504)의 출력단 X 및 Y에서 차동 신호로 출력된다(단계812).
예를 들면, 주파수 변환기(504)는 하나의 입력 트랜지스터(3)로만 저잡음 증폭기(502)로부터 출력 신호를 받기 때문에 입력 신호에 대한 출력 차동 신호의 컨버전 이득(2/π·gm·RL)은 싱글 밸런스 주파수 변환기와 동일한 값을 가진다. 여기에서, RL은 주파수 변환기(504)의 부하(11 또는12) 임피던스 값이고, gm은 입력 트랜지스터(3)의 트랜스 컨덕턴스 값이다. 또한, 출력 노드(X 및 Y)에서 스위칭 트랜지스터(5, 6, 7 및 8)들의 연결에 의해 국부 발진기(LO) 신호를 상당히 억제할 수 있다.
그리고, 저잡음 증폭기(502)의 출력으로부터 하향 주파수 변환기(504) 입력으로 들어오는 단일 위상의 초광대역 RF 신호를 VRF·cosωRFt, 국부 발진기의 입력 신호를 cosωLOt라고 표현할 때, 초광대역 RF 신호는 하향 주파수 변환기(504)의 입력 트랜지스터(3)에 의해 전압 형태에서 전류 형태로 변환되며, 전류로 변환된 RF 신호(gm·VRF·cosωRFt)는 하향 주파수 변환기(504)의 스위칭 동작에 의해 수학식 1과 같이 하향 주파수로 변환되면서 출력 단자(X 및 Y)에서 +gm/π·VRF·cos(ωRF-ωLO)t 및 -gm/π·VRF·cos(ωRF-ωLO)t로 각각 완전한 차동 신호 형태로 나타난다.
Figure 112005029516002-pat00001
상기 수학식 1에서와 같이 하향 주파수 변환기(504)의 출력 노드 X 및 Y에서는 국부 발진기의 누설 신호(LO)가 발생하지 않고, 미약한 RF 신호만이 동일 위상으로 각 출력 단자에 존재한다. 여기에서, 동일 위상의 RF 신호는 차동 구조의 회로에서는 쉽게 제거될 수 있는 동 위상 신호로 문제되지 않는다.
따라서, 초광대역 RF 신호는 단일 위상 구조의 저잡음 증폭기(502)에서 하향 주파수 변환기(501)의 입력 트랜지스터(3)까지 단일 위상 신호 형태로 전달되고, 초광대역 RF 신호는 하향 주파수 변환기(504)의 입력 트랜지스터(3)의 입력 커패시터 성분(Cgs)을 포함한 저잡음 증폭기(502)의 광대역 부하 회로에 의해 넓은 대역폭에서 일정한 전압 이득을 유지하면서 전달된다. 또한, 하향 주파수 변환기(504)로 전달된 RF 신호는 하향 주파수 변환기(504)에 의해 출력단(X 및 Y)에서 하향 주파수 변환된 완전한 차동 신호 형태로 나타난다.
한편, 상술한 본 발명에 따른 초광대역 무선 통신 시스템의 수신 장치는 NMOS 또는 PMOS 형태로 구현 가능할 뿐 아니라, CMOS, BiCMOS, 바이폴라, 화합물 공정 등을 이용한 회로로 구성 가능함도 물론이다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명은, 초광대역 무선 통신 시스템에서 저잡음 증폭기의 다음 단에 차동 증폭기 회로를 구성하여 단일 위상의 초광대역 RF 신호를 차동 신호로 변환하는 종래와는 달리, 단일 위상의 초광대역 RF 신호를 수신하는 초광대역 무선 통신 시스템에서 Shunt-Peaking 부하를 통해 수신된 초광대역 RF 신호를 소정 대역폭에서 일정 전압이득을 유지하며 증폭하고, 초광대역 RF 신호를 전류 형태로 변환하고, 전류 신호로 변환된 초광대역 RF 신호를 하향 주파수로 변환하며, 하향 주파수로 변환된 초광대역 RF 신호를 차동 신호로 출력함으로써, 초광대역 무선 통신 시스템에서 개선된 발룬 회로를 구현하여 단일 위상의 초광대역 RF 신호를 차동 신호로 변환할 수 있다.
그리고, 단일 위상의 초광대역 신호를 차동 신호로 변환하기 위한 어떠한 추가 능동/수동 소자의 추가없이 초광대역 저잡음 증폭기 및 더블 밸런스 하향 주파수 변환기만으로 단일 위상의 초광대역 신호를 차동 신호로 변환함으로써, 추가 회로에 의한 수신단에서의 노이즈 및 선형성에 대한 영향을 방지할 수 있다.
또한, 하향 주파수 변환기는 단일 위상 구조의 광대역 저잡음 증폭기의 단일 위상 출력 신호를 싱글 밸런스 주파수 변환기와 같이 단일 위상 신호로 입력되면서도, 더블 밸런스 구조에 따른 출력단에서 발생하는 국부 발진기의 누설량을 최소화할 수 있다.
그리고, 발룬 회로 구성을 위한 MOS와 같은 능동 소자나 실리콘 면적을 크게 차지하는 on-chip spiral 인덕터와 같은 수동 소자를 사용하지 않기 때문에 발룬 회로에 의한 전력 소모가 없으며, 실리콘 칩 사이즈도 줄일 수 있어 실리콘 칩의 제조에 소요되는 비용을 감소시켜 생산성을 크게 향상시킬 수 있다.
마지막으로, 본 발명에 따른 수신 장치는 직접 변환(direct-conversion) 및 헤테로다인 방식(heterodyne architecture) 수신단 구조에 모두 적용할 수 있으며, 멀티 밴드(multi-band) 및 멀티 모드(multi-mode) 무선 통신 시스템을 포함한 협대역 무선 통신 시스템에도 적용할 수 있다.

Claims (7)

  1. 수백 MHz의 채널 대역폭을 갖는 단일 위상의 초광대역 RF 신호를 수신하는 초광대역 무선 통신 시스템에서 차동 신호로 변환하는 수신 장치로서,
    싱글 밸런스 구조로 Shunt-Peaking 부하를 포함하며, 상기 단일 위상의 초광대역 RF 신호를 소정 대역폭에서 일정 전압이득을 유지하며 증폭하는 저잡음 증폭기와,
    더블 밸런스 구조의 믹서를 포함하며, 상기 증폭된 단일 위상의 초광대역 RF 신호를 하향 주파수로 변환하여 차동 신호로 출력하는 하향 주파수 변환기를 포함하며,
    상기 더블 밸런스 구조는, 두 개의 입력 중 어느 하나의 입력은 상기 저잡음 증폭기의 출력단과 AC-커플링되고, 다른 입력은 AC-ground된 것을 특징으로 하는 초광대역 무선 통신 시스템의 수신 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 Shunt-Peaking 부하는, 저항 및 인덕터로 구성되는 것을 특징으로 하는 초광대역 무선 통신 시스템의 수신 장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 수백 MHz의 채널 대역폭을 갖는 단일 위상의 초광대역 RF 신호를 수신하는 초광대역 무선 통신 시스템에서 차동 신호로 변환하는 방법으로서,
    Shunt-Peaking 부하를 통해 상기 수신된 초광대역 RF 신호를 소정 대역폭에서 일정 전압이득을 유지하며 증폭하는 과정과,
    상기 증폭된 초광대역 RF 신호를 더블 밸런스 구조의 믹서를 통해 두 개의 입력 중 어느 하나의 입력은 상기 저잡음 증폭기의 출력단과 AC-커플링되고, 다른 입력은 AC-ground되어 전류 신호로 변환하는 과정과,
    상기 전류 신호로 변환된 초광대역 RF 신호를 하향 주파수로 변환하는 과정과,
    상기 하향 주파수로 변환된 초광대역 RF 신호를 차동 신호로 출력하는 과정
    을 포함하는 초광대역 무선 통신 시스템의 신호 변환 방법.
  6. 삭제
  7. 상기 Shunt-Peaking 부하는, 저항 및 인덕터로 구성되는 것을 특징으로 하는 초광대역 무선 통신 시스템의 신호 변환 방법.
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