KR100709326B1 - 가변이득증폭기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 가변이득증폭기에 관한 것으로서, 증폭소자, 증폭소자로부터의 트랜스컨덕턴스를 조절하는 로드 임피던스가 생성되는 부하소자, 부하소자의 게이트와 드레인 사이에 장착되어 부하소자의 로드 임피던스를 조절하는 이득조절부를 포함한다. 이에 의해, DC바이어스의 전압강하를 방지함으로써, 가변 이득범위가 확장되고, 선형성이 향상될 뿐만 아니라, 소비전압이 낮아지고 크기를 소형화할 수 있다.
가변, 이득, 증폭기, VGA, DC바이어스, 로드 임피던스, 전압 헤드룸, 전압강하

Description

가변이득증폭기{VARIABLE GAIN AMPLIFIER}
도 1은 종래의 가변이득증폭기의 이득 제어방법을 나타낸 블럭도,
도 2는 도 1에 도시된 각 제어회로 중 로드 제어회로를 표시한 가변이득증폭기의 회로도,
도 3은 본 발명에 따른 가변이득증폭기의 회로도,
도 4는 도 3의 가변이득증폭기의 등가회로도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
110 : 증폭소자 120 : 이득가변회로
125 : 부하소자 130 : 이득조절부
본 발명은 가변이득증폭기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, DC바이어스의 전압강하를 방지함으로써, 가변 이득범위의 확대, NF 개선, 선형성 보장, 저전력 소비를 달성할 수 있는 가변이득증폭기에 관한 것이다.
일반적으로 무선통신시스템에서 무선신호를 송수신할 때, 무선신호의 크기는 송신기와 수신기의 거리 및 주위환경에 따라 변화폭이 크다. 이에 따라, 송신기에 서 송신되는 무선신호의 크기를 일정하게 유지시키거나, 수신기에서 수신된 무선신호의 크기를 조절하기 위해 가변이득증폭기(VGA:Variable Gain Amplifier)가 사용된다. 가변이득증폭기는, 입출력되는 무선신호의 레벨에 따라 그 이득을 조절함으로써, 무선신호가 원하는 레벨을 유지하도록 한다.
도 1은 종래의 가변이득증폭기의 이득 제어방법을 나타낸 블럭도이다.
가변이득증폭기는, 바이어스 제어(Bias Control), 로드 제어(Load Control), 피드백 제어(Feedback Control), 네가티브 피드백 제어(Negative Feedback Control) 등의 다양한 제어방법을 이용하여 이득을 가변시킬 수 있으며, 도 1에는 증폭소자(10)와, 각 제어방법에 따른 회로가 배치되는 위치를 표시하고 있다. 여기서, 각 제어방법은 한꺼번에 사용되는 것이 아니라, 선택적으로 하나만 사용된다.
로드 제어방법이 사용되는 경우, 로드 제어회로(1)는 증폭소자(10)의 소스와 DC바이어스(VDD)와의 사이에 배치되고, 피드백 제어방법이 사용되는 경우, 피드백 제어회로(2)는 증폭소자(10)의 드레인과 게이트 사이에 배치된다. 바이어스 제어의 경우, 증폭소자(10)의 게이트와 입력단 사이에 바이어스되어 바이어스 제어회로(3)가 배치되며, 네가티브 피드백 제어의 경우, 증폭소자(10)의 소스에 네가티브 제어회로(4)가 배치된다. 여기서, 각 제어회로는 그 위치만이 상이할 뿐 그 구성은 거의 동일하다.
도 2는 도 1에 도시된 각 제어회로 중 로드 제어회로를 표시한 가변이득증폭 기의 회로도이다.
로드 제어회로(1)는, 증폭소자(10)의 드레인과 DC바이어스(VDD) 사이에 배치되며, 상호 병렬로 배치된 복수의 이득조절부(20)를 갖는다. 각 이득조절부(20)는, 상호 병렬로 배치된 복수의 저항(R'0~R'n)과, 각 저항(R'0~R'n)에 직렬로 배치되어 저항(R'0~R'n)이 연결된 전원라인을 턴온 또는 턴오프하는 스위칭소자(M0~Mn)를 포함한다. 여기서, 스위칭소자(M0~Mn)는 MOS 트랜지스터로 형성된다.
각 저항(R'0~R'n)은 상호 상이한 저항값을 가지며, 스위칭소자(M0~Mn)의 동작에 따라 선택적으로 동작한다. 스위칭소자(M0~Mn)가 턴온되면, DC바이어스(VDD)는 턴온된 스위칭소자(M0~Mn)에 연결된 저항(R'0~R'n)을 통해 흐르고, 저항값에 따라 로드 제어회로(1)의 임피던스가 변화한다. 그리고, 로드 제어회로(1)의 임피던스에 의해 증폭소자(10)로부터 제공된 입력신호의 전압레벨이 변화되어 출력된다.
그런데, 이러한 종래의 로드 제어방법은, DC바이어스(VDD)가 저항(R'0~R'n)을 통과하면서 전압강하가 발생하기 때문에 충분한 전압 헤드룸(Voltage Headroom)을 갖지 못하게 된다. 따라서, 로드 제어회로(1)에서 이득을 변화시킬 때, 전압강하가 이루어진 전압에 대해서는 이득을 가변시킬 수 없으므로, 가변할 수 있는 이득의 폭이 작아진다. 즉, 가변이득증폭기 성능의 중요한 요소인 이득 가변범위가 좁아지게 된다. 또한, DC바이어스(VDD)의 전압강하는 입력 임피던스와 출력 임피던스 에 영향을 미치게 됨에 따라, 가변이득증폭기의 선형성을 저하시키고, NF(Noise Figure)가 나빠진다.
한편, DC바이어스(VDD)의 전압강하를 보상하기 위해 DC바이어스(VDD)를 상승시킬 경우, 가변이득증폭기의 소비전력이 증가하게 된다.
이러한 문제점들은 로드 제어회로 뿐만 아니라, 바이어스 제어회로, 피드백 제어회로, 네가티브 제어회로의 사용시에도 공통적으로 발생되고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은, DC바이어스의 전압강하를 방지함으로써, 이득 가변범위의 확대, NF 개선, 선형성 보장, 저전력 소비를 달성할 수 있는 가변이득증폭기를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 증폭소자; 상기 증폭소자로부터의 트랜스컨덕턴스를 조절하는 로드 임피던스가 생성되는 부하소자; 및, 상기 부하소자의 게이트와 드레인 사이에 장착되어 상기 부하소자의 로드 임피던스를 조절하는 이득조절부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 이득조절부는, 상호 병렬로 배치된 복수의 저항소자와, 상기 각 저항소자와 직렬로 연결되어 상기 각 저항소자가 배치된 전원라인을 쇼트 또는 오픈하는 스위칭소자를 포함할 수 있다.
상기 각 저항소자는 상호 상이한 저항값을 가지며, 저항, 트랜지스터, MOSFET 중 어느 하나로 마련될 수 있다.
상기 각 스위칭소자는 외부의 제어에 따라 온오프되며, 상기 각 스위칭소자의 턴온시 턴온된 스위칭소자에 연결된 상기 저항소자를 통해 상기 부하소자의 게이트로 바이어스가 제공될 수 있다.
상기 각 스위칭소자는 N MOSFET로 형성되고, 상기 부하소자는 P MOSFET으로 형성될 수 있다.
상기 증폭소자는 트랜지스터, N MOSFET, P MOSFET 중 어느 하나로 마련될 수 있다.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 가변이득증폭기의 회로도이다.
본 가변이득증폭기는, 증폭소자(110), 이득가변회로(120)를 포함한다.
증폭소자(110)는, 트랜지스터, N MOSFET, P MOSFET 중 어느 하나로 형성되며, 도 3에는 일실시예로서 증폭소자(110)를 N MOSFET으로 구성하고 있다. 증폭소자(110)의 게이트에는 입력단자가 연결되어 있고, 게이트로 입력되는 입력신호에 따라 턴온된다. 입력단자와 증폭소자(110)의 게이트 사이에는 입력 임피던스를 매칭시키기 위한 커패시터(Cinput)가 배치되어 있다. 증폭소자(110)의 소스는 그라운드에 연결되어 있고, 입력단자를 통해 증폭소자(110)의 게이트로 제공된 입력신호는 전류로 변환되어 드레인으로 출력됨으로써, 트랜스컨덕턴스(Transconductance)를 형성한다.
이득가변회로(120)는, 증폭소자(110)에 제공되는 DC바이어스(VDD)를 조절하며, DC바이어스(VDD)와 증폭소자(110)의 드레인 사이에 장착된다. 이득가변회로(120)는, 부하소자(125)와 이득조절부(130)를 포함한다.
부하소자(125)는, DC바이어스(VDD)와 증폭소자(110) 사이에 장착되며, 로드 임피던스(Load Impedance)를 형성한다. 부하소자(125)는 P MOSFET으로 형성되며, 부하소자(125)의 소스는 DC바이어스(VDD)에 연결되어 있고, 게이트에는 이득조절부(130)가 연결되어 있으며, 드레인은 증폭소자(110)의 드레인과 연결되어 있다.
부하소자(125)는 DC바이어스(VDD)에 의해 턴온되며, 부하소자(125)의 게이트에는 이득조절부(130)를 통해 바이어스(VDD)가 제공된다. 이러한 부하소자(125)는 게이트와 드레인 사이에 배치된 이득조절부(130)에 의해 로드 임피던스가 변화한다.
한편, 부하소자(125)의 드레인과 증폭소자(110)의 드레인 사이에는 출력단자가 연결되어 있다. 출력단자와 각 드레인의 사이에는 출력 임피던스를 매칭시키기 위한 커패시터(Coutput)가 장착되어 있다.
이득조절부(130)는, 부하소자(125)의 게이트와 드레인 사이에 병렬로 배치된 복수의 저항소자와, 각 저항소자와 직렬로 배치된 복수의 스위칭소자(MN0~MNn)를 포함한다.
각 저항소자는, 저항, 트랜지스터, MOSFET 중 하나로 구성되며, 도 3에는 일 실시예로서 각 저항소자로 저항(R0~Rn)을 사용하고 있다. 각 저항(R0~Rn)은 부하소자(125)와 병렬연결되므로, 스위칭소자(MN0~MNn)의 턴온시 해당 스위칭소자(MN0~MNn)에 연결된 저항(R0~Rn)으로 바이어스가 제공되어 로드 임피던스를 변화시킨다. 이 때, 각 스위칭소자(MN0~MNn)는 원하는 로드 임피던스에 따라, 하나씩 턴온될 수도 있고, 복수개가 한꺼번에 턴온될 수도 있다.
각 스위칭소자(MN0~MNn)는, 저항(R0~Rn)이 배치된 전원라인에 장착되며, 해당 전원라인을 쇼트 또는 오픈하여 저항(R0~Rn)으로 제공되는 바이어스를 단속한다. 각 스위칭소자(MN0~MNn)는 외부로부터의 제어에 따라 턴온 또는 턴오프되며, 적어도 하나가 항상 턴온상태에 있다. 이에 따라, 증폭소자(110) 측으로부터의 바이어스가 턴온된 저항을 통해 부하소자(125)로 제공되므로, 부하소자(125)가 턴온될 수 있다. 각 스위칭소자(MN0~MNn)는 트랜지스터, P MOSFET, N MOSFET 중 하나를 사용할 수 있으며, 본 실시예에서는 스위칭소자(MN0~MNn)로 N MOSFET을 사용하고 있다.
한편, 가변이득증폭기의 출력은, 로드 임피던스와 트랜스컨덕턴스의 곱에 따라 결정되며, 부하소자(125)의 드레인과 증폭소자(110)의 드레인 및 출력단자가 만나는 지점에서 로드 임피던스에 의해 트랜스컨덕턴스가 변화하여 출력단자로 출력된다. 이 때, 로드 임피던스에 따라 출력단자로 출력되는 출력신호의 전압레벨이 변화하며, 출력신호의 전압레벨은 부하소자(125)의 사이즈와 증폭소자(110)와 DC바 이어스(VDD)에 의해 조절될 수 있다.
이러한 가변이득증폭기는, 이득조절부(130)가 부하소자(125)의 게이트와 드레인 사이에 배치되기 때문에, DC바이어스(VDD)가 제공되지 아니한다. 따라서, 부하소자(125)를 통해 흐르는 DC바이어스(VDD)는 전압강하가 발생하지 아니하므로, 충분한 전압 헤드룸(Voltage Headroom)을 갖게 된다. 이러한 충분한 전압 헤드룸에 따라, 가변이득증폭기의 이득 가변범위가 축소되지 아니하므로, 가변이득증폭기의 성능을 향상시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 전압강하의 방지에 따라, 입력 임피던스와 출력 임피던스를 유지시킬 수 있으므로, 출력신호가 찌그러지지 아니하고 선형적으로 나타나게 되고, 이에 따라, 가변이득증폭기의 선형성과 NF를 향상시킬 수 있다. 또한, 전압강하를 보상하기 위해 DC바이어스(VDD)를 상승시킬 필요가 없으므로, 가변이득증폭기의 소비전력을 감소시킬 수 있다.
도 4는 도 3의 가변이득증폭기의 등가회로도이다.
본 가변이득증폭기의 등가회로도는, 상호 병렬연결된 한 쌍의 저항 R 및 RA과, 저항 R과 직렬연결된 인덕터 L로 나타낼 수 있다. 저항 RA은 이득조절부(130)의 저항(R0~Rn)을 나타내고, Zin은 증폭소자(110) 측으로부터의 입력 임피던스를 나타낸다. 등가회로도에서 볼 수 있듯이, 본 가변이득증폭기는 회로상에 별도의 인덕터를 구비하고 있지 아니하나, 인덕터 성분을 가짐에 따라, 커패시턴스 성분을 상쇄시켜 대역폭을 향상시킬 수 있다. 또한, 종래에 실제 코일을 이용한 인덕터를 장착하여 사용하던 것에 비해, 가변이득증폭기의 크기를 획기적으로 감소시킬 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 가변이득증폭기는, DC바이어스(VDD)의 전압강하를 방지함으로써, 가변 이득범위가 확장되고, 선형성이 향상될 뿐만 아니라, 소비전압이 낮아지고 크기를 소형화할 수 있다. 이러한 본 가변이득증폭기의 특징은 소비전력을 낮추고 배터리의 수명을 연장함으로써, 최근 각광받고 있는 이동성 단말기의 이동성, 경량화, 신속성 등의 요구에도 부합된다.
또한, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시형태에 관해 설명하였으나, 이는 예시적인 것으로 받아들여져야 하며, 본 발명의 기술적 사상에서 벗어나지 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 (6)

  1. 증폭소자;
    상기 증폭소자로부터의 트랜스컨덕턴스를 조절하는 로드 임피던스가 생성되는 부하소자; 및,
    상기 부하소자의 게이트와 드레인 사이에 장착되어 상기 부하소자의 로드 임피던스를 조절하는 이득조절부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변이득증폭기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 이득조절부는, 상호 병렬로 배치된 복수의 저항소자와, 상기 각 저항소자와 직렬로 연결되어 상기 각 저항소자가 배치된 전원라인을 쇼트 또는 오픈하는 스위칭소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변이득증폭기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 각 저항소자는 상호 상이한 저항값을 가지며, 저항, 트랜지스터, MOSFET 중 어느 하나로 마련되는 것을 특징으로 하는 가변이득증폭기.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 각 스위칭소자는 외부의 제어에 따라 온오프되며, 상기 각 스위칭소자의 턴온시 턴온된 스위칭소자에 연결된 상기 저항소자를 통해 상기 부하소자의 게 이트로 바이어스가 제공되는 것을 특징으로 하는 가변이득증폭기.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 각 스위칭소자는 N MOSFET로 형성되고, 상기 부하소자는 P MOSFET으로 형성된 것을 특징으로 하는 가변이득증폭기.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 증폭소자는 트랜지스터, N MOSFET, P MOSFET 중 어느 하나로 마련된 것을 특징으로 하는 가변이득증폭기.
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