KR100884159B1 - 자동정합 커패시터를 이용한 다중 주파수 대역 임피던스정합회로 - Google Patents

자동정합 커패시터를 이용한 다중 주파수 대역 임피던스정합회로 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자동정합 커패시터를 이용한 다중 주파수 대역 임피던스 정합회로에 관한 것으로, 외부 신호를 입력받아 입력 임피던스 정합을 위한 정합소자와, 상기 정합소자와 직렬 연결되어 DC 신호를 차단하는 DC 방지용 커패시터와, 상기 정합소자와 DC 방지용 커패시터를 통해 전달된 상기 외부 신호의 증폭을 위한 입력 트랜지스터와, 상기 DC 방지용 커패시터와 상기 입력 트랜지스터의 게이트 단자 사이에 연결되어 입력 임피던스 정합을 위한 게이트 인덕터와, 상기 입력 트랜지스터의 소스 단자와 외부 접지 전압의 사이에 연결되어 입력 임피던스 정합을 위한 소스 인덕터와, 상기 입력 트랜지스터의 소스 단자와 상기 DC 방지용 커패시터의 출력단의 사이에 연결되어 다양한 주파수 대역에서 일정한 임피던스를 유지시키기 위한 자동정합 커패시터를 포함함으로써, RF 회로에서 정합의 편리성과 효율성을 향상시킬 수 있으며, 여러 주파수 대역에서 회로의 성능을 최적화시켜 줄 수 있는 효과가 있다.
다중모드, 정합, 증폭기, RF, 임피던스, 커패시터, 인덕터

Description

자동정합 커패시터를 이용한 다중 주파수 대역 임피던스 정합회로{MULTIBAND IMPEDANCE MATCHING CIRCUIT USING SELF-MATCHED CAPACITOR}
본 발명은 다중 주파수 대역 임피던스 정합회로에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하나의 회로만을 이용하여 다양한 주파수 대역에서 임피던스나 노이즈를 정합하여 RF(Radio Frequency) 회로의 성능을 최적화시켜 줄 수 있으며, 자동정합 커패시터를 삽입하여 다양한 주파수 대역에서 일정한 임피던스를 유지시켜 RF 회로에서 정합의 편리성과 효율성을 높일 수 있도록 한 자동정합 커패시터를 이용한 다중 주파수 대역 임피던스 정합회로에 관한 것이다.
일반적으로, RF(Radio Frequency)칩의 수신단에서의 외부로부터 수신된 신호를 증폭하기 위해 잡음(Noise)특성이 좋은 저잡음 증폭기가 사용된다. 이러한 저잡음 증폭기에는 외부와의 임피던스 정합을 위해 입력 임피던스 정합회로를 포함한다.
한편, 가장 이상적인 다중 주파수 대역용 송수신기는 하나의 패스로 소프트 웨어 환경에 의해 모든 표준을 수용하는 시스템이지만, 이러한 시스템은 현재의 기술뿐 아니라 가까운 미래의 기술로도 구현이 어려운 실정이다.
종래 대부분의 다중 표준 송수신기는 병렬 패스 송수신기의 형태로, 표준별로 송수신기를 병렬로 연결하여 사용하였다. 이러한 종래의 방식은 사용하는 표준의 수가 증가할수록 비용과 크기가 증가하는 단점을 가지고 있기 때문에 휴대용 단말기에 적용하기에는 어려움이 많다.
이러한 다중 표준 송수신기는 단일 표준 송수신기와 비교할 때 크기, 비용, 그리고 성능이 떨어지지 않아야 한다. 이런 이유로, 다중 주파수 대역용 송수신기의 형태는 병렬 패스 송수신기의 형태에서 단일 패스 송수신기의 형태로 바뀌어 가고 있다.
도 1은 종래 기술의 다중 모드를 위한 임피던스 정합회로를 개략적으로 나타낸 회로도로서, 3개의 주파수 대역을 수용하기 위하여 3개의 서로 다른 패스를 만든 것으로 각각의 주파수에서 임피던스 정합을 위하여 3개의 인덕터를 사용하였다.
그러나, RF 회로에서 인덕터가 차지하는 면적은 다른 소자들에 비해 월등히 크기 때문에, 도 1에 도시된 바와 같은 회로의 경우 매우 큰 칩 면적을 가지게 되며 가격 면에서도 불리하게 된다.
한편, 기존의 다중 주파수 대역용 단일 패스 수신기의 임피던스 정합 형태를 살펴보면, 크게 광대역 정합, 동시 정합, 그리고 가변 정합 이렇게 3가지로 구분할 수 있다.
상기 광대역 정합은 광대역 필터 설계 방법과 유사하며 제로와 폴을 적절하 게 결정하여 여러 대역(Band)을 넓게 지원하게 하는 정합 방법이다. 상기 동시 정합은 하나의 정합 회로망에 LC 공진 회로를 추가하여 동시에 2∼3개 대역의 신호를 동시에 수용하게 하는 정합 방법을 말한다.
상기의 두 가지 정합 방법은 추가적인 전력 소모와 조절 신호 없이도 여러 대역을 지원한다는 장점을 가지지만, 원하는 신호를 선택적으로 받아들이지 못하기 때문에 원치 않는 대역 신호들에 의한 스퓨리어스(spurious) 문제가 발생할 수 있다.
그리고, 상기 가변 정합은 조절 신호를 이용하여 때에 따라 다른 정합 조건을 주는 것으로 능동 가변 정합 방법과 수동 가변 정합 방법이 있다.
여기서, 능동 인덕터와 능동 커패시터를 이용하는 능동 가변 정합 방법은 최고의 유연성을 얻을 수 있다. 상기 능동 커패시터는 유연성 면에서는 유리하지만 가변 범위가 넓지 않기 때문에 가변 범위가 넓은 능동 인덕터와 같이 사용하여야 한다. 하지만, 능동 인덕터를 사용하게 되면 큰 추가 전력 소모가 발생하기 때문에 휴대용 단말기에 사용하기는 어렵다.
상기 가변 수동 정합 방법은 스위칭이 가능한 인덕터와 커패시터를 이용하여 필요에 따라 정합을 재구성하는 것으로 상기 능동 가변 정합 방법에 비해 다소 유연성은 떨어지지만, 추가적인 전력 소모가 없고 신호를 선택적으로 받아들이기 때문에 광대역 정합에 비해 스퓨리어스(spurious)에 강한 장점을 가진다.
하지만, 스위칭이 가능한 인덕터와 커패시터는 삽입 손실 및 노이즈를 유발하기 때문에 그 수가 최소화되어야 한다. 사용할 수 있는 스위치의 수는 제한되어 있지만 일반적인 RF 회로에서 주파수가 변함에 따라 임피던스의 허수부와 실수부가 모두 변하기 때문에 넓은 주파수 범위에서 다양한 대역을 수용하기에는 어려움이 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 하나의 회로만을 이용하여 다양한 주파수 대역에서 임피던스나 노이즈를 정합하여 RF 회로의 성능을 최적화시켜 줄 수 있으며, 자동정합 커패시터를 삽입하여 다양한 주파수 대역에서 일정한 임피던스를 유지시켜 RF 회로에서 정합의 편리성과 효율성을 높일 수 있도록 한 자동정합 커패시터를 이용한 다중 주파수 대역 임피던스 정합회로를 제공하는데 있다.
전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 측면은, 외부 신호를 입력받아 입력 임피던스 정합을 위한 정합소자; 상기 정합소자의 출력단과 직렬 연결되어 DC 신호를 차단하는 DC 방지용 커패시터; 상기 DC 방지용 커패시터를 통해 전달된 상기 외부 신호의 증폭을 위한 입력 트랜지스터; 상기 DC 방지용 커패시터와 상기 입력 트랜지스터의 게이트 단자 사이에 연결되어 입력 임피던스 정합을 위한 게이트 인덕터; 상기 입력 트랜지스터의 소스 단자와 외부 접지 전압의 사이에 연결되어 입력 임피던스 정합을 위한 소스 인덕터; 및 상기 입력 트랜지스터의 소스 단자와 상기 DC 방지용 커패시터의 출력단의 사이에 연결되어 다양한 주파수 대역에서 일정한 임피던스를 유지시키기 위한 자동정합 커패시터를 포함하는 자동정합 커패시터를 이용한 다중 주파수 대역 임피던스 정합회로를 제공하는 것이다.
여기서, 상기 정합소자는 상기 DC 방지용 커패시터의 출력단에서의 입력 임피던스의 허수 부분을 제거하기 위한 것으로 가변 인덕터와 커패시터로 이루어짐이 바람직하다.
바람직하게, 상기 정합소자는 스위칭이 가능한 인덕터와 커패시터의 조합으로 이루어질 수 있다.
바람직하게, 상기 자동정합 커패시터를 이용하여 상기 DC 방지용 커패시터의 출력단에서의 입력 임피던스의 실수 부분을 고정시킨 후, 상기 정합소자를 이용하여 상기 입력 임피던스의 허수 부분을 제거하여, 신호의 손실을 최소화한 채 상기 외부 신호를 전달하도록 이루어질 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 자동정합 커패시터를 이용한 다중 주파수 대역 임피던스 정합회로에 따르면, 하나의 회로만을 이용하여 다양한 주파수 대역에서 임피던스나 노이즈를 정합하여 RF 회로의 성능을 최적화시켜 줄 수 있을 뿐만 아니라 자동정합 커패시터를 삽입하여 다양한 주파수 대역에서 일정한 임피던스를 유지시켜 RF 회로에서 정합의 편리성과 효율성을 높일 수 있으며, 더 나아가 언제 어디서나 사용자에게 끊김 없는 데이터 전송 가능한 다중 표준 시스템 발전에 이바지할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 주파수가 변하더라도 입력 임피던스의 실수부를 일정하게 유지하여주기 때문에 스위칭 가능한 소자를 이용한 방법과 동시에 사용할 경우 스위치의 수를 줄일 수 있기 때문에 더 넓고 다양한 주파수 대역을 수용할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 자동정합 커패시터를 사용하여 하나의 회로만으로 여러 주파수 대역을 수용하는 것이 가능하기 때문에 작은 크기의 다중 주파수 대역용 RF 회로 제작이 가능하며 또 그 집적도를 높일 수 있고, 추가적인 전력 소모 및 칩 크기에 증가를 가져오지 않으며 여러 주파수 대역에서 회로의 성능을 최적화시켜줄 수 있는 이점이 있다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자동정합 커패시터를 이용한 다중 주파수 대역 임피던스 정합회로를 나타낸 회로도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동정합 커패시터를 이용한 다중 주파수 대역 임피던스 정합회로는, 정합소자(ME), DC 방지용 커패시터(C1), 게이트 인덕터(Lg), 입력 트랜지스터(M1), 소스 인덕터(Ls) 및 자동정합 커패시터(Cself)로 이루어진다.
여기서, 정합소자(ME)는 외부의 RF 신호를 입력받아 입력 임피던스(Zi)의 정합을 수행하기 위한 것으로서, 입력 임피던스(Zi)의 허수 부분을 제거해주는 역할을 수행한다.
이러한 정합소자(ME)는 가변 인덕터와 커패시터로 이루어질 수 있으며, 또한 스위칭이 가능한 인덕터와 커패시터의 조합으로 이루어질 수도 있다.
DC 방지용 커패시터(C1)는 정합소자(ME)의 출력단에 직렬로 연결되어 있으며, 입력 트랜지스터(M1)의 게이트 전압이 안테나 혹은 다른 소자에 영향을 미치지 않도록 DC 신호를 차단하는 역할을 수행한다.
입력 트랜지스터(M1)는 일반적으로 사용되는 RF 입력단의 트랜지스터로서, 정합소자(ME)와 DC 방지용 커패시터(C1)를 통해 전달된 외부의 RF 신호 증폭을 위한 완충(Buffering) 동작을 수행한다.
이러한 입력 트랜지스터(M1)의 드레인(Drain) 단자에는 다양한 종류의 부하 수단(Load, 미도시)이 연결되어 증폭기를 구성할 수 있다.
게이트 인덕터(Lg)는 입력 임피던스 정합을 위한 소자로서, DC 방지용 커패 시터(C1)와 입력 트랜지스터(M1)의 게이트(Gate) 단자 사이에 연결되어 있다.
소스 인덕터(Ls)는 회로의 안정성을 가져다주며 입력 임피던스(Zi)의 실수 값을 결정하는 소자로서, 입력 트랜지스터(M1)의 소스(Source) 단자와 외부 접지 전압의 사이에 연결되어 입력 임피던스 정합을 수행한다.
즉, 이러한 소스 인덕터(Ls)는 입력 임피던스 정합에서 실수 부분을 약 50[Ωl으로 이동시키는데 사용된다.
자동정합 커패시터(Cself)는 입력 트랜지스터(M1)의 소스(Source) 단자와 DC 방지용 커패시터(C1)의 출력단의 사이에 연결되어 있으며, 다양한 주파수 대역에서 일정한 임피던스를 유지시키는 역할을 수행한다.
이러한 자동정합 커패시터(Cself)는 여러 주파수 대역에서 입력 임피던스(Zi)의 실수 값을 일정하게 유지시켜, 노이즈와 삽입 손실을 초래할 수 있는 스위칭 가능한 소자의 수를 최소화할 수 있게 하여 보다 다양한 주파수 대역에서 사용 가능하게 하며, 다중 주파수 대역용 RF 회로의 성능을 최적화할 수 있다.
전술한 바와 같은 DC 방지용 커패시터(C1), 게이트 인덕터(Lg), 소스 인덕터(Ls) 및 입력 트랜지스터(M1)의 기생 커패시터 값들의 조합으로 임피던스의 정합 여부가 결정되는데, 여러 주파수 대역에서의 정합을 이루기 위해서는 각각의 값들 이 모두 변해야 한다.
이를 위해서는 가변 소자를 사용하거나 스위칭이 가능한 소자들을 사용하여야 하지만, 노이즈(Noise)와 삽입 손실 등의 여러 문제를 가져올 수 있기 때문에 여러 제약이 따른다.
이러한 문제점을 극복하기 위하여 본 발명은 자동정합 커패시터(Cself)를 도입하고, 고정된 게이트 인덕터(Lg), 소스 인덕터(Ls) 및 DC 방지용 커패시터(C1) 값을 이용하여 다중 주파수 대역에서 임피던스 정합이 가능한 정합 방법이다.
즉, 본 발명의 자동정합 커패시터(Cself)를 이용하여 입력 임피던스(Zi)의 실수 부분을 고정시킨 후, 정합소자(ME)를 이용하여 입력 임피던스(Zi)의 허수 부분을 제거해주면 신호의 손실을 최소화한 채 RF 신호를 전달할 수 있다.
또한, 본 발명의 자동정합 커패시터(Cself)를 사용할 경우 가변 소자나 스위칭 소자의 수를 줄일 수 있기 때문에 경제적이고 고성능, 고집적 다중 주파수 대역용 송수신기를 용이하게 제작할 수 있다.
한편, 본 발명의 자동정합 커패시터(Cself)를 사용하지 않은 경우의 통상적인 RF 회로(증폭기)의 입력 임피던스(Zi)는 하기의 수학식 1과 같이 허수 부분과 실수 부분으로 표현된다.
Figure 112007075290330-pat00001
여기서, Cgs는 게이트와 소스 사이의 기생 커패시터이며, gm은 트랜스컨덕턴스이다. 허수 부분은 ω에 대해서 변하는 부분이므로 주파수가 변화함에 따라서 가변 소자나 스위칭 가능한 소자를 이용하여 없애주어야만 한다.
상기의 수학식 1의 실수 부분에는 ω에 대한 식은 없고, Ls와 Cgs 모두 고정된 값이지만, gm이 주파수가 커질수록 점점 줄어들게 되므로 입력 임피던스(Zi)의 실수 부분 또한 주파수에 따라서 변화하며, 도 3에 그 변화를 나타내었다.
그러나, 본 발명에서는 입력 임피던스(Zi)의 실수 부분이 여러 주파수 대역에서 변하지 않도록 하여 입력 임피던스(Zi)의 허수 부분만을 조정함으로써, 다중 주파수 대역에서 임피던스를 정합시키는 방법을 제안한다.
즉, 본 발명에서의 입력 임피던스(Zi)는 하기의 수학식 2와 같이 허수 부분과 실수 부분으로 표현된다.
Figure 112007075290330-pat00002
여기서, 입력 임피던스(Zi)의 실수 부분을 살펴보면, 분자에 gm이 주파수가 커짐에 따라 줄어들어 분모 전체가 주파수에 따라 줄어드는 모양이고, 분모의 경우 -ω2 항이 있기 때문에 분자 또한 주파수가 커짐에 따라서 줄어들게 된다.
이에 gm에 줄어드는 수치만큼 분자의 값도 줄어들도록 Cself, Cgs, Lg와 Ls 값 등을 조절하면, 입력 임피던스(Zi)의 실수 부분은 주파수 변화에 영향을 받지 않고 일정하게 유지될 수 있다.
전술한 바와 같이 구성된 본 발명은 다중 주파수 대역용 RF 회로에 적용 가능한 임피던스 정합회로로 하나의 선로를 이용하여 여러 주파수 대역의 여러 표준을 수용하는 것이 가능하기 때문에 크기나 비용 면에서 유리하다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 적용된 자동정합 커패시터를 삽입한 경우와 삽입하지 않은 경우의 임피던스 실수부 변화를 설명하기 위한 그래프로서, 본 발명의 입력 임피던스(Zi)가 여러 주파수에 대하여 일정하게 유지되는 것을 확인할 수 있다.
전술한 본 발명에 따른 자동정합 커패시터를 이용한 다중 주파수 대역 임피던스 정합회로에 대한 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명에 속한다.
도 1은 종래 기술의 다중 모드를 위한 임피던스 정합회로를 개략적으로 나타낸 회로도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자동정합 커패시터를 이용한 다중 주파수 대역 임피던스 정합회로를 나타낸 회로도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 적용된 자동정합 커패시터를 삽입한 경우와 삽입하지 않은 경우의 임피던스 실수부 변화를 설명하기 위한 그래프.

Claims (4)

  1. 외부 신호를 입력받아 입력 임피던스 정합을 위한 정합소자;
    상기 정합소자의 출력단과 직렬 연결되어 DC 신호를 차단하는 DC 방지용 커패시터;
    상기 DC 방지용 커패시터를 통해 전달된 상기 외부 신호의 증폭을 위한 입력 트랜지스터;
    상기 DC 방지용 커패시터와 상기 입력 트랜지스터의 게이트 단자 사이에 연결되어 입력 임피던스 정합을 위한 게이트 인덕터;
    상기 입력 트랜지스터의 소스 단자와 외부 접지 전압의 사이에 연결되어 입력 임피던스 정합을 위한 소스 인덕터; 및
    상기 입력 트랜지스터의 소스 단자와 상기 DC 방지용 커패시터의 출력단의 사이에 연결되어 다양한 주파수 대역에서 일정한 임피던스를 유지시키기 위한 자동정합 커패시터를 포함하는 자동정합 커패시터를 이용한 다중 주파수 대역 임피던스 정합회로.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 정합소자는 상기 DC 방지용 커패시터의 출력단에서의 입력 임피던스의 허수 부분을 제거하기 위한 것으로 가변 인덕터와 커패시터로 이루어진 것을 특징으로 하는 자동정합 커패시터를 이용한 다중 주파수 대역 임피던스 정합회로.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 정합소자는 스위칭이 가능한 인덕터와 커패시터의 조합으로 이루어진 것을 특징으로 하는 자동정합 커패시터를 이용한 다중 주파수 대역 임피던스 정합회로.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 자동정합 커패시터를 이용하여 상기 DC 방지용 커패시터의 출력단에서의 입력 임피던스의 실수 부분을 고정시킨 후, 상기 정합소자를 이용하여 상기 입력 임피던스의 허수 부분을 제거하여, 신호의 손실을 최소화한 채 상기 외부 신호를 전달하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 자동정합 커패시터를 이용한 다중 주파수 대역 임피던스 정합회로.
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