KR100823687B1 - 가변이득 증폭기 및 그 이득제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가변이득 증폭기 및 그 이득제어방법에 관한 것으로, 상기 가변이이득 증폭기는, 다수의 VGA 단위셀을 포함하고, 각 VGA 단위셀의 이득이 소정 순서에 따라 제어되는 것으로서 캐스캐이드로 연결된 다수의 VGA 단위셀; 상기 VGA 단위셀의 이득을 제어하기 위해 인가된 콘트롤 전압을 전류로 변환하는 제 1 컨버터; 각 VGA 단위셀이 소정 순서에 따라 그 이득이 제어되도록 상기 제 1 컨버터에 의해 변환된 전류를 분배하는 전류 분배부; 및 상기 분배된 전류를 전압으로 변환하여 각 VGA 단위셀의 이득을 제어하는 제 2 컨버터;를 포함하며, 상기 다수의 VGA 단위셀 중 두번째 VGA 단위셀의 이득이 먼저 제어되고, 그 다음 첫번째 VGA 단위셀의 이득이 제어된 후에 나머지 VGA 단위셀의 이득이 제어되는 것을 특징으로 한다. 이러한 본 발명은, 다수의 VGA 단위셀 이득을 동시에 제어하지 않고 소정 순서에 따라 제어함으로써 노이즈 특성을 향상시키고 그에 따라 수신성능도 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

가변이득 증폭기, VGA 단위셀, 이득제어, NF, 수신성능 향상

Description

가변이득 증폭기 및 그 이득제어방법{VARIABLE GAIN AMPLIFIER AND GAIN-CONTROLLING METHOD FOR THE VARIABLE GAIN AMPLIFIER}

도 1은 다수의 VGA 단위셀을 포함하는 일반적인 수신기의 구조를 나타낸 도면,

도 2는 종래기술에 의한 가변이득 증폭기의 블록 구성도,

도 3은 콘트롤 전압에 따른 종래 기술의 NF를 나타낸 그래프,

도 4는 본 발명의 실시예 1에 따른 가변이득 증폭기의 블록 구성도,

도 5는 콘트롤 전압에 따른 실시예 1의 NF를 나타낸 그래프,

도 6은 본 발명의 실시예 2에 따른 가변이득 증폭기의 블록 구성도,

도 7은 콘트롤 전압에 따른 실시예 2의 NF를 나타낸 그래프,

도 8은 본 발명에 따른 이득제어방법을 나타낸 흐름도.

*도면의 주요 부호에 대한 설명*

41 : VGA 단위셀 42 : 제 1 컨버터

43 : 전류 분배부 44 : 제 2 컨버터

Vcontrol : 콘트롤 전압

본 발명은 무선통신 시스템에 사용되는 가변이득 증폭기 및 그 이득제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다수의 VGA 단위셀 이득을 동시에 제어하지 않고 소정 순서에 따라 제어함으로써 노이즈 특성을 향상시키고 그에 따라 수신성능도 향상시킬 수 있는 가변이득 증폭기(Variable Gain Amplifier ; 이하 'VGA'라 함) 및 그 이득제어방법에 관한 것이다.

무선 수신 환경 하에서 수신된 RF 신호는 신호의 복조를 위하여 기저대역(baseband)으로 변환된다. 또한 수신기에서 RF 블록의 역할은 잡음을 최소화하면서 신호를 증폭시키는 것이다.

그러나, 주파수 환경에서는 수신 신호의 세기가 일정하지 않기 때문에 출력 신호를 일정하게 하기 위하여 이득을 제어할 필요가 있다. 이러한 이득 제어기능은 기저대역 뿐 아니라 RF 블록도 구비하고 있어야 하는데, 이는 수신 신호의 세기가 큰 경우 그 이득을 제어하지 않으면 RF 이후 신호의 선형성을 만족하기 어렵기 때문이다.

이득 제어의 범위가 수 데시벨(decibel; dB)인 경우에 가변이득 증폭기는 1개의 VGA 단위셀로도 구성될 수 있으나, 수십 dB의 이득 제어가 필요한 시스템의 경우에는 다수의 VGA 단위셀로 구성된 가변이득 증폭기가 필요하다.

도 1은 다수의 VGA 단위셀을 포함하는 일반적인 수신기의 구조를 도시한 것으로, 도 1에서 도시한 바와 같이, 수십 dB의 이득 제어가 필요한 시스템에서의 수신기는 일반적으로 RFVGA(1), IFVGA(3, 5), 다운 믹서(2), 필터(4), 전압제어발진기(VCO), PLL 루프(PLL)로 구성되어 있다.

이러한 수신기의 신호 세기는 수신환경에 따라 수십 dB의 차이가 있기 때문에, 수신기에서는 그 출력을 일정한 레벨로 맞추기 위하여 RFVGA(1)와 IFVGA(3, 5)를 통해 이득을 제어한다.

이때, RFVGA(1)와 IFVGA(3, 5)는 시스템에서 원하는 이득을 조절하기 위하여 다수의 VGA 단위셀을 케스케이드 연결하여 구성될 수 있다.

도 2는 종래기술에 의한 가변이득 증폭기의 블록 구성도를 나타낸 것이다.

도 2를 참조하면, 종래기술에 의한 가변이득 증폭기(10)는 캐스캐이드(cascade) 연결된 다수의 VGA 단위셀(61~63)과 VGA 단위셀(61~63)의 로그(log)이득이 콘트롤 전압(Vctrl)에 대해 선형성을 갖도록 지수함수의 제어전압을 발생하는 지수함수 발생부(exponential function generator ; 8)와, 상기 지수함수 발생부(8)에서 발생된 제어전압의 공정특성을 보상하기 위한 상호 콘덕턴스-저항보상부(Gm-R compensation ; 9)와, 콘트롤 전압(Vctrl)과 제어전압(Vc)에 따라서 상기 VGA 단위셀(61~63)의 저항을 가변시켜주기 위한 가변저항 발생기(Variable Load Generator ; 7)을 구비한다.

도 2에서 도시한 바와 같이, 종래기술에 의한 가변이득 증폭기(10)는 동일한 VGA 단위셀을 케스케이드 연결하여 구성하고 있다.

이때, 도 2의 가변이득 증폭기(10)는 상호 콘덕턴스-저항보상부(9)와 가변저항 발생기(7)를 이용하여 이득을 제어한다. 즉, 이득제어를 위하여 전압을 변화시키면 각각의 VGA 단위셀(61~63)의 상호컨덕턴스와 저항이 동시에 변하게 되므로 그에 따라 이득을 동시에 제어할 수 있게 된다.

그러나, 종래와 같이 모든 VGA 단위셀의 이득을 동시에 제어하게 되면, 이득이 감소할 경우 도 3과 같이 NF(Noise Figure)는 바로 증가하게 된다.

그 이유는 하기의 수학식 1에서 언급하는 프리스(Friss) 수식을 통해 알 수 있는데, 이를 살펴보면 다음과 같다.

이때, Fn은 n번째 증폭기의 NF이고, Apn은 n번째 증폭기의 이득이다. 상기 수학식 1을 통해 알 수 있는 바와 같이, 전체 NF는, 첫번째 VGA 단위셀의 NF가 그대로 포함되고 두번째 이하의 VGA 단위셀의 NF는 그 앞단의 이득으로 나누어지게 되므로, 다수의 VGA 단위셀의 이득제어를 동시에 진행할 경우 이득이 감소하게 되면 NF는 증가하게 되어 노이즈 특성이 열화되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 다수의 VGA 단위셀 이득을 동시에 제어하지 않고 소정 순서에 따라 제어함으로써 노이즈 특성을 향상시키고 그에 따라 수신성능도 향상시킬 수 있는 가변이득 증폭기 및 그 이득제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 가변이득 증폭기는, 다수의 VGA 단위셀을 포함하고, 각 VGA 단위셀의 이득이 소정 순서에 따라 제어되는 가변이득 증폭기로서, 캐스캐이드로 연결된 다수의 VGA 단위셀; VGA 단위셀의 이득을 제어하기 위해 인가된 콘트롤 전압을 전류로 변환하는 제 1 컨버터; 각 VGA 단위셀이 소정 순서에 따라 그 이득이 제어되도록 제 1 컨버터에 의해 변환된 전류를 분배하는 전류 분배부; 및 상기 분배된 전류를 전압으로 변환하여 각 VGA 단위셀의 이득을 제어하는 제 2 컨버터;를 포함한다.

이때, 가변이득 증폭기는, 두번째 VGA 단위셀의 이득이 먼저 제어되고, 그 다음 첫번째 VGA 단위셀의 이득이 제어된 후에 나머지 VGA 단위셀의 이득이 제어되는 것을 특징으로 한다.

또한, 가변이득 증폭기는, 두번째 VGA 단위셀의 이득이 먼저 제어되고, 그 다음 나머지 VGA 단위셀의 이득이 동시에 제어될 수도 있다.

한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이득제어방법은, 캐스캐이드로 연결된 다수의 VGA 단위셀을 포함한 가변이득 증폭기의 이득을 소정 순서에 따라 제어하는 방법으로서, a) 다수의 VGA 단위셀의 이득을 제어하기 위해 인가된 콘트롤 전압을 전류로 변환하는 단계; b) 각 VGA 단위셀이 소정 순서에 따라 제어되도록 상기 a) 단계에 의해 변환된 전류를 분배하는 단계; 및 c) 상기 b) 단계에서 분배된 전류를 전압으로 변환하여 각 VGA 단위셀의 이득을 제어하는 단계;를 포함한다.

이때, 이득제어방법은, 두번째 VGA 단위셀의 이득이 먼저 제어되고, 그 다음 첫번째 VGA 단위셀의 이득이 제어된 후에 나머지 VGA 단위셀의 이득이 제어되는 것을 특징으로 한다.

또한, 이득제어방법은, 두번째 VGA 단위셀의 이득이 먼저 제어되고, 그 다음 나머지 VGA 단위셀의 이득이 동시에 제어될 수도 있다.

상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련된 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다.

또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체 적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.

본 발명은 다수의 VGA 단위셀을 포함하고, 각 VGA 단위셀의 이득이 소정 순서에 따라 제어되는 가변이득 증폭기에 관한 것으로서, 이하 3개의 VGA 단위셀을 포함하는 실시예 1 및 실시예 2를 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

실시예 1

도 4는 본 발명의 실시예 1에 따른 가변이득 증폭기의 블록 구성도를 나타내고, 도 5는 콘트롤 전압에 따른 실시예 1의 NF를 나타낸 그래프이다.

먼저 도 4에서 도시한 바와 같이, 실시예 1은 캐스캐이드로 연결된 3개의 VGA 단위셀(41), 제 1 컨버터(42), 전류 분배부(43), 제 2 컨버터(44)를 포함하고 있다.

이때, 제 1 컨버터(42)는 3개의 VGA 단위셀(41)의 이득을 제어하기 위해 인가된 콘트롤 전압(Vcontrol)을 전류로 변환한다.

또한, 전류 분배부(43)는 두번째 VGA 단위셀(41b)의 이득이 먼저 제어(①)되고, 그 다음 첫번째 VGA 단위셀(41a)의 이득이 제어(②)된 후에 세번째 VGA 단위 셀(41c)의 이득이 제어(③)되도록 제 1 컨버터(42)에 의해 변환된 전류를 분배한다.

이때, 제 2 컨버터(44)는 제 1 컨버터(42)에 의해 분배된 전류를 전압으로 변환하여 각 VGA 단위셀(41a, 41b, 41c)의 이득을 제어하게 된다.

즉, 실시예 1의 이득제어는 두번째 VGA 단위셀(41b), 첫번째 VGA 단위셀(41a), 세번째 VGA 단위셀(41c)의 순서로 이루어지는데, 이때의 이득제어는 도 5를 참고로 하여 다음과 같이 세개의 구간으로 나누어 설명할 수 있다.

제 1 구간:

도 5의 제 1 구간은 전체 콘트롤 전압을 0~3V라고 가정할 경우, 콘트롤 전압을 0V에서 1V로 증가시킬 때 이에 해당하는 전체 NF를 앞서 언급한 수학식 1에 대입하여 구한 값을 나타낸 것으로, 이 구간은 두번째 VGA 단위셀(41b)이 동작하는 구간이다.

제 2 구간:

도 5의 제 2 구간은 콘트롤 전압을 1V에서 2V로 증가시킬 때 이에 해당하는 전체 NF를 앞서 언급한 수학식 1에 대입하여 구한 값을 나타낸 것으로, 이 구간은 첫번째 VGA 단위셀(41a)이 동작하게 되며, 두번째 및 세번째 VGA 단위셀(41b, 41c)은 일정한 값의 NF를 가지게 된다.

제 3 구간:

도 5의 제 3 구간은 콘트롤 전압을 2V에서 3V로 증가시킬 때 이에 해당하는 전체 NF를 앞서 언급한 수학식 1에 대입하여 구한 값을 나타낸 것으로, 이 구간은 세번째 VGA 단위셀(41c)가 동작하며, 첫번째 및 두번째 VGA 단위셀(41a, 41b)은 일정한 값의 NF를 가지게 된다.

실시예 2

도 6은 본 발명의 실시예 2에 따른 가변이득 증폭기의 블록 구성도를 나타내고, 도 7은 콘트롤 전압에 따른 실시예 2의 NF를 나타낸 그래프이다.

도 6에서 도시한 바와 같이, 실시예 2는 실시예 1과 마찬가지로 캐스캐이드(cascade)로 연결된 3개의 VGA 단위셀(41), 제 1 컨버터(42), 전류 분배부(43), 제 2 컨버터(44)를 포함하고 있다.

이때, 제 1 컨버터(42)는 3개의 VGA 단위셀(41)의 이득을 제어하기 위해 인가된 콘트롤 전압(Vcontrol)을 전류로 변환한다.

한편, 이때의 전류 분배부(43)는, 실시예 1과는 달리 두번째 VGA 단위셀(41b)의 이득이 먼저 제어(①)되고, 그 다음 첫번째 및 세번째 VGA 단위셀(41a, 41c)의 이득이 동시에 제어(②)되도록 제 1 컨버터(42)에 의해 변환된 전류를 분배한다.

이때, 제 2 컨버터(44)는 제 1 컨버터(42)에 의해 분배된 전류를 전압으로 변환하여 각 VGA 단위셀(41a, 41b, 41c)의 이득을 제어하게 된다.

즉, 실시예 2의 이득제어는 두번째 VGA 단위셀(41b)을 먼저 제어하고 그 후에 첫번째 및 세번째 VGA 단위셀(41a,41c)을 동시에 제어하는데, 이때의 이득제어는 도 7을 참고로 하여 다음과 같이 구간을 나누어 설명할 수 있다.

제 1 구간:

도 7의 제 1 구간은 전체 콘트롤 전압을 0~3V라고 가정할 경우, 콘트롤 전압을 0V에서 1V로 증가시킬 때 이에 해당하는 전체 NF를 앞서 언급한 수학식 1에 대입하여 구한 값을 나타낸 것으로, 이 구간은 두번째 VGA 단위셀(41b)이 동작하는 구간이다.

제 2 구간 및 제 3 구간:

도 7의 제 2 구간 및 제 3 구간은 콘트롤 전압을 1V에서 3V로 증가시킬 때 이에 해당하는 전체 NF를 앞서 언급한 수학식 1에 대입하여 구한 값을 나타낸 것으로, 이 구간은 첫번째 및 세번째 VGA 단위셀(41a, 41c)이 동시에 동작하며, 두번째 VGA 단위셀(41b)은 일정한 값의 NF를 가진다.

즉 도 5 및 도 7에서 도시한 바와 같이, 실시예 1 및 실시예 2는 각 구간별로 VGA 단위셀을 달리하여 이득을 제어함으로써, 종래방식에 비해 전체적으로 작은 값의 NF를 가지고 있음을 확인할 수 있으며, 이를 통해 수신성능도 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.

한편, 도 8은 본 발명에 따른 이득제어방법을 나타낸 흐름도이다.

본 발명에 따른 이득제어방법은 캐스캐이드로 연결된 다수의 VGA 단위셀의 이득을 소정 순서에 따라 제어하는 방법으로서 크게 3단계로 나눌 수 있다.

먼저, 다수의 VGA 단위셀의 이득을 제어하기 위해 인가된 콘트롤 전압을 전류로 변환한다(S81).

그 다음, 각 VGA 단위셀이 소정 순서에 따라 제어되도록 S81 단계에 의해 변환된 전류를 분배한다(S82).

마지막으로 S82 단계에서 분배된 전류를 전압으로 변환하여 각 VGA 단위셀의 이득을 제어한다(S83).

이때, 이득제어방법은 앞서 실시예 1에서 언급한 바와 같이 두번째 VGA 단위셀의 이득이 먼저 제어되고, 그 다음 첫번째 VGA 단위셀의 이득이 제어된 후에 나머지 VGA 단위셀의 이득이 제어되는 순서로 수행될 수 있으며, 또한 앞서 실시예 2에서 언급한 바와 같이 두번째 VGA 단위셀의 이득이 먼저 제어되고, 그 다음 나머지 VGA 단위셀의 이득이 동시에 제어되는 순서로 수행될 수도 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 바람직한 일실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이러한 치환, 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 가변이득 증폭기 및 그 이득제어방법은, 다수의 VGA 단위셀 이득을 동시에 제어하지 않고 소정 순서에 따라 제어함으로써 노이즈 특성을 향상시키고 그에 따라 수신성능도 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (6)

1. 다수의 VGA 단위셀을 포함하고, 각 VGA 단위셀의 이득이 소정 순서에 따라 제어되는 가변이득 증폭기에 있어서,

   상기 가변이득 증폭기는,

   캐스캐이드로 연결된 다수의 VGA 단위셀;

   상기 VGA 단위셀의 이득을 제어하기 위해 인가된 콘트롤 전압을 전류로 변환하는 제 1 컨버터;

   각 VGA 단위셀이 소정 순서에 따라 그 이득이 제어되도록 상기 제 1 컨버터에 의해 변환된 전류를 분배하는 전류 분배부; 및

   상기 분배된 전류를 전압으로 변환하여 각 VGA 단위셀의 이득을 제어하는 제 2 컨버터;를 포함하며,

   상기 다수의 VGA 단위셀 중 두번째 VGA 단위셀의 이득이 먼저 제어되고, 그 다음 첫번째 VGA 단위셀의 이득이 제어된 후에 나머지 VGA 단위셀의 이득이 제어되는 것을 특징으로 하는 가변이득 증폭기.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서, 상기 가변이득 증폭기는,

   두번째 VGA 단위셀의 이득이 먼저 제어되고, 그 다음 나머지 VGA 단위셀의 이득이 동시에 제어되는 것을 특징으로 하는 가변이득 증폭기.
4. 캐스캐이드로 연결된 다수의 VGA 단위셀을 포함한 가변이득 증폭기의 이득을 소정 순서에 따라 제어하는 방법에 있어서,

   상기 이득제어방법은,

   a) 다수의 VGA 단위셀의 이득을 제어하기 위해 인가된 콘트롤 전압을 전류로 변환하는 단계;

   b) 각 VGA 단위셀이 소정 순서에 따라 제어되도록 상기 a) 단계에 의해 변환된 전류를 분배하는 단계; 및

   c) 상기 b) 단계에서 분배된 전류를 전압으로 변환하여 각 VGA 단위셀의 이득을 제어하는 단계;를 포함하며,

   상기 다수의 VGA 단위셀 중 두번째 VGA 단위셀의 이득이 먼저 제어되고, 그 다음 첫번째 VGA 단위셀의 이득이 제어된 후에 나머지 VGA 단위셀의 이득이 제어되는 것을 특징으로 하는 이득제어방법.
5. 삭제
6. 제 4항에 있어서, 상기 이득제어방법은,

   두번째 VGA 단위셀의 이득이 먼저 제어되고, 그 다음 나머지 VGA 단위셀의 이득이 동시에 제어되는 것을 특징으로 하는 이득제어방법.

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