KR100966767B1

KR100966767B1 - Ｇｂｗ 최적화를 이용하여 전력소모를 감소시키는전류조절부가 구비된 수신기

Info

Publication number: KR100966767B1
Application number: KR1020080013267A
Authority: KR
Inventors: 정성헌; 백승호; 황명운
Original assignee: (주)에프씨아이
Priority date: 2008-02-14
Filing date: 2008-02-14
Publication date: 2010-06-29
Also published as: US8208883B2; CN101510786B; KR20090087990A; TWI388131B; TW200935768A; US20090209221A1; CN101510786A

Abstract

본 발명은 통신시스템의 수신기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가변이득증폭기(PGA)에 구비된 OP AMP(Operational Amplifier)에 공급되는 전류를 자동이득제어기에서 자동으로 제어되는 가변이득증폭기의 이득에 따라 상이하게 조절하여 OP AMP의 GBW(Gain-Bandwidth Product)를 최적화함으로써 전력소모를 최소화할 수 있게 한 전류조절부가 구비된 수신기에 관한 것이다.

수신기, 가변이득증폭기, 중간주파수 자동이득제어기, GBW

Description

ＧＢＷ 최적화를 이용하여 전력소모를 감소시키는 전류조절부가 구비된 수신기{RECEIVER INCLUDING CURRENT CONTROLLER FOR REDUCING POWER CONSUMPTION USING OPTIMIZATION OF GBW}

가변이득증폭기(PGA : Programmable Gain Amplifier)가 주로 사용되는 종래의 수신기(100)는 도 1에 도시된 바와 같이, 안테나(101), 저잡음 증폭기(LNA : Low Noise Amplifier)(102), 주파수 변환기(103), 채널선택필터(CSF : Channel Selection Filter)(104), 가변이득증폭기(PGA : Programmable Gain Amplifier)(105)가 구비된다.

이러한 종래의 수신기(100)는 초고주파 신호를 안테나(101)를 통해 수신하여 저잡음 증폭기(LNA)(102)에서 증폭한 후, 주파수 변환기(103)에서 신호의 주파수를 낮추게 된다. 그리고, 채널선택필터(CSF)(104)에서 원하지 않는 방해신호를 필터링한 후, 가변이득증폭기(PGA)(105)에서 증폭하여 출력단(106)으로 일정한 크기의 출력을 내보내도록 구성된다.

또한, 상기 저잡음 증폭기와 주파수 변환기에서의 이득을 자동으로 조절하여 채널선택필터 이전의 초고주파 신호의 크기를 일정하게 유지하는 고주파 자동이득제어기(RF AGC : Radio Frequency Automatic Gain Control)(107)와, 상기 채널선택필터와 가변이득증폭기에서의 이득을 자동으로 조절하여 채널선택필터 이후 출력단에서 신호의 크기를 일정하게 유지하는 중간주파수 자동이득제어기(IF AGC : Intermediate AGC)(108)가 더 포함되어 구성된다.

이때, 상기 가변이득증폭기(PGA)는 중간주파수 자동이득제어기(IF AGC)에서 인가되는 제어신호에 의해, 가변이득증폭기에 작은 신호가 들어오면 높은 이득(gain)으로 조절하고, 큰 신호가 들어오면 작은 이득(gain)으로 조절하여 출력의 크기를 일정하게 유지하게 된다.

일반적으로, 가변이득증폭기(PGA)(105)는 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 OP AMP(Operational Amplifier)(201, 202)와 저항(R201, R202, R203, R204)을 포함하여 구성되며, 이러한 통상의 가변이득증폭기의 전달함수는 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.

즉, 가변이득증폭기(PGA)는 통신시스템에서 입력신호에 반비례하는 이득을 자동으로 매핑(mapping)함으로써 입력신호의 크고 적음에 관계없이 출력신호가 일정한 크기를 유지하게 하며, 통신시스템에서 원하는 성능인 대역폭(BW : Bandwidth), 잡음 특성, OP1dB(1dB Output Gain Compression Point), OIP3(3rd Output Intercept Point) 등을 얻을 수 있도록 설계하게 된다.

일반적으로, 가변이득증폭기(PGA)는 높은 이득(high gain)에서는 큰 GBW(Gain Bandwidth Product)을 갖는 OP AMP가 필요하지만, 낮은 이득(low gain)에서는 낮은 GBW를 갖는 OP AMP로 충분한 대역폭(BW : bandwidth)을 만족하게 된다. 이는 가변이득증폭기에서의 이득에 따른 대역폭의 변화를 나타내는 도 5의 그래프에 의해 알 수 있으며, 이러한 이득(Gain)과 대역폭(BW)의 변화 관계는 수학식 2에서와 같이 반비례관계로 표현될 수 있다. 여기서, 작은 신호, 작은 이득 및 작은 GBW란 기 설정된 기준 값에 비해 작은 신호, 작은 이득 및 작은 GBW를 말한다. 또한 큰 신호, 큰 이득 및 큰 GBW란 기 설정된 기준 값에 비해 큰 신호, 큰 이득 및 큰 GBW를 말한다.

이와 같이, 동일한 OP AMP를 사용할 경우 가변이득증폭기(PGA)는 이득이 커질수록 대역폭(BW)은 점점 줄어들게 되며, 그에 따라 종래의 가변이득증폭기(PGA)에서는 통신시스템의 성능, 특히 대역폭을 만족할 수 있도록 워스트(worst) 조건의 경우를 가정하고, 가변이득증폭기(PGA)가 높은 이득(high gain)일 때를 기준으로 하여 OP AMP의 GBW를 결정하도록 설계하였다.

이처럼 가변이득증폭기(PGA)가 높은 이득일 때를 기준으로 하여 높은 GBW를 얻을 수 있도록 OP AMP에 전류를 공급함으로써, 가변이득증폭기(PGA)에서 낮은 이득이 요구되는 경우나, 출력신호가 일정한 크기를 유지하는 경우에도 일괄적으로 OP AMP에 많은 전류가 공급되어 불필요하게 전력을 소비하게 되는 문제점이 있었다.

또한, 입력신호가 아주 미약하여 가변이득증폭기가 높은 이득을 갖고 동작하는 경우는 그렇게 흔하지 않음에도 불구하고 높은 GBW를 유지하기 위해 많은 전류를 공급하며, 더욱이 가변이득증폭기의 이득 범위에 일정한 여지(margin)를 갖도록 설계하는 경향에 의할 때 실제 동작영역에서 필요로 하는 전류보다 훨씬 더 많은 전류가 OP AMP로 공급되어 불필요하게 많은 전력이 소비되는 문제점이 있었다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 자동이득제어기에서 조절되는 가변이득증폭기의 이득제어 신호에 의해 가변이득증폭기의 이득에 최적화된 GBW만을 달성할 수 있는 전류를 조절하여 인가함으로써, 과도한 GBW를 달성하기 위해 고정적으로 많은 전류를 인가함에 인하여 야기되던 불필요한 전류와 전력의 소모를 최소화할 수 있게 한 GBW 최적화를 이용하여 전력소모를 감소시키는 전류조절부가 구비된 수신기를 제공함에 있다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 GBW 최적화를 이용하여 전력소모를 감소시키는 전류조절부가 구비된 수신기는, 안테나에서 수신한 초고주파 신호를 증폭하는 저잡음 증폭기와, 초고주파의 주파수를 낮추는 주파수 변환기와, 방해신호를 필터링하는 채널선택필터와, 필터링된 신호를 증폭하여 일정한 크기로 출력하는 가변이득증폭기와, 입력신호에 따라 가변이득증폭기의 이득을 자동으로 조절하는 중간주파수 자동이득제어기(IF AGC)가 구비된 수신기에 있어서, 상기 중간주파수 자동이득제어기(IF AGC)와 가변이득증폭기에 연결되어 이득제어 신호인 IF AGC정보를 수신하고, 상기 IF AGC정보에 따라 이득에 최적화된 GBW를 결정하여 상기 가변이득증폭기에 공급되는 전류를 조절하는 전류조절부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 전류조절부가, 상기 중간주파수 자동이득제어기(IF AGC)에 연결되어 가변이득증폭기의 입력신호에 따라 조절되는 이득제어 신호를 수 신하는 IF AGC정보 수신부; 수신한 IF AGC정보에 의해 상기 가변이득증폭기를 이루는 OP AMP의 GBW를 결정하는 GBW매핑부; 및 최적화된 GBW를 구현하기 위한 기준전류를 상기 가변이득증폭기에 공급하는 기준전류제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 IF AGC정보에 의해 상기 가변이득증폭기가 큰 이득을 갖는 경우에는, 상기 GBW매핑부에서 큰 값의 GBW를 매핑하고 상기 기준전류제어부에서 큰 값을 갖는 전류를 기준전류로 공급하도록 제어하는 것을 특징으로 하며, 상기 IF AGC정보에 의해 상기 가변이득증폭기가 작은 이득을 갖는 경우에는, 상기 GBW매핑부에서 작은 값의 GBW를 매핑하고 상기 기준전류제어부에서 작은 값을 갖는 전류를 기준전류로 공급하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 기준전류제어부에서 공급되는 기준전류가 상기 가변이득증폭기를 이루는 2단 증폭기 중 첫 번째 단의 기준전류로 공급되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 입력신호의 크기에 따라 자동이득제어기에서 조절되는 가변이득증폭기의 이득제어 신호에 의해 각 이득에 최적화된 GBW를 구현할 수 있는 정도의 전류만을 조절하여 가변이득증폭기로 인가함으로써, 이득이 높은 경우를 대비하여 높은 GBW를 달성하기 위해 고정적으로 많은 전류를 공급하여 불필요하게 소모되던 수신기 전체의 전력을 현저히 감소시킬 수 있는 장점이 있다.

이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 GBW 최적화를 이용하여 전력소모를 감소시키는 전류조절부가 구비된 수신기(600)는 도 6에 도시된 바와 같이, 통상적인 수신기와 마찬가지로 안테나(601), 저잡음 증폭기(LNA)(602), 주파수 변환기(603), 채널선택필터(CSF)(604), 가변이득증폭기(PGA)(605), 고주파 자동이득제어기(RF AGC)(607), 및 중간주파수 자동이득제어기(IF AGC)(608)가 구비되며, 상기 중간주파수 자동이득제어기(IF AGC)(608)와 가변이득증폭기(PGA)(605)에 연결되어 IF AGC정보를 수신하고 이러한 IF AGC정보에 따라 상기 가변이득증폭기에 공급되는 전류를 조절하는 전류조절부(700)가 더 포함되어 구성된다.

상기 전류조절부(700)는 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 중간주파수 자동이득제어기(IF AGC)에 연결되어 가변이득증폭기의 입력신호에 따라 자동으로 조절되는 이득제어 신호를 수신하는 IF AGC정보 수신부(710)와, 수신한 IF AGC의 정보에 의해 가변이득증폭기를 이루는 OP AMP의 GBW를 최적화시키는 GBW매핑부(720)와, 최적화된 GBW에 적합한 기준전류를 가변이득증폭기에 공급하는 기준전류제어부(730)를 포함하여 구성된다.

이때, 상기 안테나(601)에서 초고주파 신호를 수신하여 저잡음 증폭기(602)에서 잡음특성을 향상시키며 증폭하고 주파수 변환기(603)에서 초고주파의 주파수를 낮추며, 채널선택필터(604)에서 방해신호를 제거한 후 가변이득증폭기(605)에서 일정한 크기로 증폭하여 출력(606)하고, 고주파 자동이득제어기(607)와 중간주파수 자동이득제어기(608)에서 입력신호에 따라 이득을 자동으로 제어하도록 구성되는 것은 통상의 수신기와 동일하다.

그에 따라, 일반적인 가변이득증폭기(PGA)를 이루는 통상의 제1 및 제2 OP AMP(201, 202) 각각은 도 3에 도시된 바와 같이, 통상적인 2단 증폭기(2Stage OP AMP)로 구성된다. 이때, 상기 2단 증폭기는 입력신호(Vip, Vim)가 1차적으로 인가되는 첫 번째 단(1st stage)과, 커패시터(C301)와 저항(R301)의 피드백회로가 구비되고 출력신호(Vop, Vom)가 나오는 두 번째 단(2nd stage)으로 구성된다. 또한, 상기 첫 번째 단에는 제1기준전류(iref1)가 인가되고, 두 번째 단에는 제2기준전류(iref2)가 인가된다.

이때, 상기 2단 증폭기는 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 내지 제5트랜지스터(M1, M2, M3, M4, M5)가 커런트 미러(current mirror)를 이루고, 상기 제1트랜지스터(M1)와 제2트랜지스터(M2)의 공통단자에 바이어스 전압(Vbias)에 의해 제어되는 제5트랜지스터(M5)의 일 단자가 연결된다. 또한, 제2트랜지스터(M2) 다른 일 단자에 제6트랜지스터(M6)의 게이트가 연결되고, 상기 제6트랜지스터(M6)의 게이트와 일 단자간에 커패시터(Cc)가 연결되며, 상기 커패시터(Cc)의 일단에서 제6트랜지스터(M6)의 일 단자에 연결되고 상기 바이어스 전압(Vbias)이 게이트에 인가되는 제7트랜지스터(M7)가 포함되어 구성된다.

이와 같이 구성된 통상의 2단 증폭기(2stage OP AMP)의 GBW는 하기의 수학식 3에서 알 수 있는 바와 같이, 제1트랜지스터(M1)의 트랜스컨덕턴 스(transconductance) g_m에 비례하며, 상기 트랜스컨덕턴스 g_m은 하기의 수학식 4에서 알 수 있는 바와 같이, 제5트랜지스터(M5)에 흐르는 전류(I)에 스퀘어루트배로 비례한다.

따라서, 2단 증폭기의 GBW를 줄이면 OP AMP에 불필요하게 흐르는 전류를 줄일 수 있으며, 그에 따라 수신기에서 소비되는 전력도 줄일 수 있게 된다.

상기 2단 증폭기의 첫 번째 단(1st stage)의 GBW를 줄이면 증폭기의 전체 이득이 작아지지만, 상술한 수학식 1에서 알 수 있는 바와 같이, 가변이득증폭기(PGA)의 전달함수는 OP AMP의 이득과 상관없이 저항들의 비례식으로 표현되므로, 상기 가변이득증폭기(PGA)의 전체 성능에는 영향을 미치지 않으며 소비전력을 절감할 수 있게 된다.

상기 전류조절부에서 IF AGC정보를 이용하여 가변이득증폭기(PGA)에서 제어하는 이득에 따라 최적화된 GBW를 달성할 수 있도록 결정된 기준전류는 상기 가변이득증폭기를 이루는 2단 증폭기 중 첫 번째 단으로 공급되도록 구성된다. 이하에서 작은 신호, 작은 이득 및 작은 GBW란 기 설정된 기준 값에 비해 작은 신호, 작은 이득 및 작은 GBW를 말한다. 또한 큰 신호, 큰 이득 및 큰 GBW란 기 설정된 기준 값에 비해 큰 신호, 큰 이득 및 큰 GBW를 말한다.

이때, 상기 IF AGC정보 수신부(710)는 가변이득증폭기로 입력되는 신호의 크 기에 따라 일정한 출력을 내보내기 위해 제어되는 가변이득증폭기(PGA)의 이득(gain) 값을 포함하는 IF AGC정보를 수신한다. 즉, 입력신호가 작은 값을 갖는 경우에는 가변이득증폭기(PGA)가 큰 이득을 갖게 되며, 입력신호가 큰 값을 갖는 경우에는 가변이득증폭기(PGA)가 작은 이득을 갖게 되고, 입력신호 및 출력신호가 일정한 크기를 유지하는 경우에는 상기 중간주파수 자동이득제어기(IF AGC)가 동작하지 않아 가변이득증폭기는 일정한 이득에서 계속 동작하게 된다. 이와 같이, 입출력신호의 변화에 따라 큰 이득(high gain), 작은 이득(low gain), 또는 이득 유지와 같은 IF AGC정보를 수신한다.

상기 GBW매핑부(720)는 가변이득증폭기(PGA)에서 구현하고자 하는 이득에 따라 최적화된 GBW를 구현하도록 매핑(mapping)한다. 상기 IF AGC정보에 의해 상기 가변이득증폭기(PGA)가 큰 이득을 갖는 경우에는 큰 GBW를 구현하도록 매핑하고, 상기 가변이득증폭기(PGA)가 작은 이득을 갖는 경우에는 작은 GBW만으로도 충분하므로 그에 적합하게 매핑한다.

상기 기준전류제어부(730)는 상기 2단 증폭기의 첫 번째 단에 공급되는 기준전류를 제어하며, 상기 GBW매핑부에서 큰 GBW가 필요한 것으로 매핑된 경우에는 큰 전류, 즉 이득과 대역폭에 의해 연산되는 GBW를 충족시킬 수 있는 전류를 기준전류로 공급하도록 제어하고, 상기 GBW매핑부에서 작은 GBW가 필요한 것으로 매핑된 경우에는 작은 전류를 기준전류로 공급하도록 제어하게 된다.

이와 같이 입력신호에 따라 자동으로 제어되는 가변이득증폭기(PGA)의 이득에 따라 최적화된 OP AMP의 GBW를 결정하고, 결정된 GBW를 구현하기 위해 2단 증폭 기의 첫 번째 단에 인가되는 기준전류를 변경함으로써, 각각의 이득에 따라 충분한 GBW를 구현하면서도 불필요하게 소모되는 전류에 의한 전력소모를 현저히 절감할 수 있게 된다.

이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 이라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

도 1은 가변이득증폭기가 구비된 종래 수신기의 블록도,

도 2는 OP AMP를 이용한 종래의 가변이득증폭기 기본 블록도,

도 3은 가변이득증폭기를 이루는 2단 OP AMP의 블록도,

도 4는 2단 OP AMP의 회로도,

도 5는 가변이득증폭기의 이득과 대역폭의 관계를 나타내는 그래프,

도 6은 본 발명에 따른 전류조절부가 구비된 수신기의 블록도,

도 7은 본 발명에 따른 전류조절부의 구성도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

600 - 수신기 601 - 안테나

602 - 저잡음 증폭기 603 - 주파수 변환기

604 - 채널선택필터 605 - 가변이득증폭기

607 - 고주파 자동이득제어기 608 - 중간주파수 자동이득제어기

700 - 전류조절부 710 - IF AGC정보 수신부

720 - GBW매핑부 730 - 기준전류제어부

Claims

안테나에서 수신한 초고주파 신호를 증폭하는 저잡음 증폭기와, 초고주파의 주파수를 낮추는 주파수 변환기와, 방해신호를 필터링하는 채널선택필터와, 필터링된 신호를 증폭하여 일정한 크기로 출력하는 가변이득증폭기와, 입력신호에 따라 가변이득증폭기의 이득을 자동으로 조절하는 중간주파수 자동이득제어기(IF AGC)가 구비된 수신기에 있어서,

상기 중간주파수 자동이득제어기(IF AGC)와 가변이득증폭기에 연결되어 이득제어 신호인 IF AGC정보를 수신하고, 상기 IF AGC정보에 따라 GBW를 결정하여 상기 가변이득증폭기에 공급되는 전류를 조절하는 전류조절부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력소모를 감소시키는 전류조절부가 구비된 수신기.
제1항에 있어서,

상기 전류조절부는

상기 중간주파수 자동이득제어기(IF AGC)에 연결되어 가변이득증폭기의 입력신호에 따라 조절되는 이득제어 신호를 수신하는 IF AGC정보 수신부;

수신한 IF AGC정보에 의해 상기 가변이득증폭기를 이루는 OP AMP의 GBW를 결정하는 GBW매핑부; 및

최적화된 GBW를 구현하기 위한 기준전류를 상기 가변이득증폭기에 공급하는 기준전류제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전력소모를 감소시키는 전류조절부가 구비된 수신기.
제2항에 있어서,

상기 IF AGC정보에 의해 상기 가변이득증폭기가 기 설정된 기준값보다 큰 이득을 갖는 경우에는, 상기 GBW매핑부에서 기 설정된 기준값보다 큰 값의 GBW를 매핑하고, 상기 기준전류제어부에서 기 설정된 기준값보다 큰 값을 갖는 전류를 기준전류로 공급하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 전력소모를 감소시키는 전류조절부가 구비된 수신기.
제2항에 있어서,

상기 IF AGC정보에 의해 상기 가변이득증폭기가 기 설정된 기준값보다 작은 이득을 갖는 경우에는, 상기 GBW매핑부에서 기 설정된 기준값보다 작은 값의 GBW를 매핑하고, 상기 기준전류제어부에서 기 설정된 기준값보다 작은 값을 갖는 전류를 기준전류로 공급하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 전력소모를 감소시키는 전류조절부가 구비된 수신기.
제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 기준전류제어부에서 공급되는 기준전류는 상기 가변이득증폭기를 이루는 2단 증폭기 중 첫 번째 단의 기준전류로 공급되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전력소모를 감소시키는 전류조절부가 구비된 수신기.