KR100985473B1 - 가변 용량 다이오드를 이용한 저잡음 증폭기 및 이의 구동 방법 - Google Patents

가변 용량 다이오드를 이용한 저잡음 증폭기 및 이의 구동 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR100985473B1
KR100985473B1 KR1020080086930A KR20080086930A KR100985473B1 KR 100985473 B1 KR100985473 B1 KR 100985473B1 KR 1020080086930 A KR1020080086930 A KR 1020080086930A KR 20080086930 A KR20080086930 A KR 20080086930A KR 100985473 B1 KR100985473 B1 KR 100985473B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
variable
capacitor
diodes
terminal
low noise
Prior art date
Application number
KR1020080086930A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20100027847A (ko
Inventor
이재용
신현철
이성구
Original Assignee
연세대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 연세대학교 산학협력단 filed Critical 연세대학교 산학협력단
Priority to KR1020080086930A priority Critical patent/KR100985473B1/ko
Publication of KR20100027847A publication Critical patent/KR20100027847A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100985473B1 publication Critical patent/KR100985473B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F1/00—Details of amplifiers with only discharge tubes, only semiconductor devices or only unspecified devices as amplifying elements
    • H03F1/26—Modifications of amplifiers to reduce influence of noise generated by amplifying elements
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F1/00—Details of amplifiers with only discharge tubes, only semiconductor devices or only unspecified devices as amplifying elements
    • H03F1/56—Modifications of input or output impedances, not otherwise provided for
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/04—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements with semiconductor devices only
    • H03F3/10—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements with semiconductor devices only with diodes
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F1/00—Details of amplifiers with only discharge tubes, only semiconductor devices or only unspecified devices as amplifying elements
    • H03F1/08—Modifications of amplifiers to reduce detrimental influences of internal impedances of amplifying elements
    • H03F1/22—Modifications of amplifiers to reduce detrimental influences of internal impedances of amplifying elements by use of cascode coupling, i.e. earthed cathode or emitter stage followed by earthed grid or base stage respectively
    • H03F1/223—Modifications of amplifiers to reduce detrimental influences of internal impedances of amplifying elements by use of cascode coupling, i.e. earthed cathode or emitter stage followed by earthed grid or base stage respectively with MOSFET's

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Amplifiers (AREA)

Abstract

본 발명은 가변 용량 다이오드를 이용한 저잡음 증폭기 및 이의 구동 방법을 개시한다. 본 발명은 입력 신호를 저잡음으로 증폭하는 증폭기에 있어서, 상기 입력 신호를 입력 받는 입력단, 게이트단이 상기 입력단으로 연결되며, 소스단이 접지에 연결되는 제1 트랜지스터 및 상기 게이트단 및 상기 소스단 사이에 연결되는 적어도 둘 이상의 가변 용량 다이오드를 구비하는 커패시터 가변부를 포함한다. 본 발명에 따르면 간단한 구성으로 광대역에서 높은 이득 특성 및 낮은 잡음지수를 갖는 저잡음 증폭이 가능한 장점이 있다.
저잡음, 증폭기, 스위치드 커패시터, 가변 용량 다이오드, 트랜지스터

Description

가변 용량 다이오드를 이용한 저잡음 증폭기 및 이의 구동 방법{Low Noise Amplifier using Varator Diode and Method of Driving the Same}
본 발명은 가변 용량 다이오드를 이용한 저잡음 증폭기 및 이의 구동 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 간단하면서도 성능이 우수한 입력 정합 회로를 구비하는 저잡음 증폭기 및 이의 구동 방법에 관한 것이다.
일반적인 무선 통신 시스템은 외부에서 입력된 RF 신호를 증폭하기 위한 증폭기를 구비한다. 근래에는 WCDMA, CDMA2000, WIBRO, 블루투스(Bluetooth), Zigbee, WLAN, WiMAX 등과 같은 최근의 무선 표준들이 1.8 ~ 2.6 G㎐와 같은 광대역을 사용하고 있으므로, 이와 같이 다양한 주파수 대역을 지원하는 수신기에서 높은 전력 이득 및 낮은 잡음지수로 RF 신호를 증폭하기 위한 저잡음 증폭기(LNA; Low Noise Amplifier)가 필요하다.
무선 통신 시스템에서 저잡음 증폭기는 안테나로부터 수신한 미약한 RF 신호를 잡음 없이 증폭하는 회로이다. 저잡음 증폭기는 수신기의 앞단에 위치하며, 저잡음 증폭기의 잡음지수(NF; Noise Figure)가 수신기 전체의 성능을 좌우하기 때문에 신호의 왜곡 없이 수신된 RF 신호의 잡음을 제거하면서 최대한의 신호 전달을 위해 입력단과 출력단의 임피던스 정합이 요구된다.
이러한 저잡음 증폭기에서 주요 특성인 이득 및 잡음지수는 입력 정합 회로에 의해 대부분 결정된다. 따라서 광대역 저잡음 증폭기를 구현하기 위해서는 최적의 입력 정합 회로를 구현하는 것이 필수적이다.
도 1은 종래기술에 따른 저잡음 증폭기의 입력 정합 회로를 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래에 광대역 입력 정합 회로를 구현하는 가장 일반적인 방식은 다수의 커패시터를 스위치를 통해 개방 또는 단락시키는 스위치드 커패시터 배열(Switched Capacitor Array)을 이용하여 입력 커패시턴스를 조절하는 방식이다.
이러한 입력 정합 회로에서 광대역 특성, 높은 이득과 낮은 전력소모, 그리고 낮은 잡음지수를 동시에 얻기 위해 입력단의 모스 트랜지스터(M1)의 게이트단 및 소스단 사이에 외부 커패시터(Cex)를 스위치드 커패시터 배열 형태로 연결한다.
여기서, 스위치드 커패시터 배열에 포함된 다수의 고정된 커패시터(Cex1 내지 Cexn)를 이에 상응하는 스위치(SW1 내지 SWn)를 통해 단락 또는 개방함으로써 전체 커패시턴스 Cex가 가변된다.
스위치는 소정 제어 신호(Control Signal)에 의해 단락 또는 개방될 수 있다.
이처럼 Cex를 조정하면, 하기의 수학식 1·과 같이 입력 정합 회로 부분의 공진 주파수가 변하게 되어 원하는 주파수에서 저잡음 증폭기의 성능을 최적화할 수 있다.
Figure 112008062809366-pat00001
여기서, CGS는 모스 트랜지스터(M1)의 게이트-소스간 커패시턴스이고, LG와 LS는 입력 정합 회로에 사용한 인덕턴스를 나타낸다.
한편, 도 2는 이와 같이 스위치드 커패시터 배열을 적용한 저잡음 증폭기의 주파수에 따른 이득과 잡음지수의 일반적인 특성을 나타낸 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이, Cex를 조정함에 따라 증폭기의 중심주파수가 f1에서 fn으로 변하고, 이에 따라 각 주파수에서 최고의 이득과 최저의 잡음지수를 제공함을 알 수 있다.
수학식 2는 스위치드 커패시터 배열에 의해 커패시턴스가 가변될 경우 저잡음 증폭기의 입력 임피던스를 표현한 식이다.
Figure 112008062809366-pat00002
수학식 2를 통해 Cex가 조정됨에 따라 입력 임피던스가 가변되는 것을 알 수 있으며, 광대역 동작에서의 임피던스 정합과 최소의 잡음지수를 얻기 위해 Cex의 적절한 조정이 필요하다는 점을 확인할 수 있다.
전술한 바와 같이, Cex를 조절하기 위해 스위치드 커패시터 배열을 다수의 커패시터 및 스위치로 구성하는데, 스위치 소자로 사용되는 모스 트랜지스터의 기생 저항성분이 전체 커패시턴스의 Q-값에 영향을 주게 된다. 이에 따라 기생 저항성분을 작게 하려면 스위치로 사용되는 모스 트랜지스터 소자의 게이트 폭을 크게 해야 하는데, 이 경우 사용되는 스위치 소자의 면적이 커지고 기생 커패시턴스가 증가하여 전체 커패시턴스가 부정확해지는 문제점이 있다.
또한, 광대역 특성을 위해 많은 수의 커패시터와 모스 트랜지스터 스위치를 함께 배치해야 하므로 레이아웃(Layout)이 복잡해지는 문제점이 있다.
나아가 종래기술에 따르면 스위치드 커패시터 배열을 사용하는 경우 도 2에 도시된 바와 같이 전체 커패시턴스가 불연속적으로 변화하기 때문에 입력 임피던스의 정합 역시 불연속적으로 최적화되는 문제점이 있다.
본 발명에서는 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 간단한 구성으로 광대역 특성 및 낮은 잡음지수로 입력 임피던스 정합이 가능한 가변 용량 다이오드를 이용한 저잡음 증폭기 및 이의 구동 방법을 제안하고자 한다.
본 발명의 다른 목적은 연속적인 입력 임피던스 정합이 가능한 저잡음 증폭기 및 이의 구동 방법을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 입력 신호를 저잡음으로 증폭하는 증폭기에 있어서, 상기 입력 신호를 입력 받는 입력단; 게이트단이 상기 입력단으로 연결되며, 소스단이 접지에 연결되는 제1 트랜지스터; 상기 게이트단 및 상기 소스단 사이에 연결되며, 적어도 둘 이상의 가변 용량 다이오드를 구비하는 커패시터 가변부를 포함하는 저잡음 증폭기가 제공된다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 입력 신호를 저잡음으로 증폭하는 증폭기에 있어서, 제1 입력 신호를 입력 받는 제1 입력단; 게이트단이 상기 제1 입력단에 연결되며, 소스단이 접지에 연결되는 제1 트랜지스터; 상기 제1 트랜지스터의 게이트단 및 소스단 사이에 연결되며, 적어도 둘 이상의 가변 용량 다이오드를 구비하는 제1 커패시터 가변부; 제2 입력 신호를 입력 받는 제2 입력 단자; 게이트단이 상기 제2 입력단에 연결되며, 소스단이 상기 접지에 연결되는 제2 트랜지스터; 및 상기 제2 트랜지스터의 게이트단 및 소스단 사이에 연결되며, 적어도 둘 이상의 가 변 용량 다이오드를 구비하는 제2 커패시터 가변부를 포함하는 저잡음 증폭기가 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 적어도 둘 이상의 가변 용량 다이오드를 포함하는 커패시터 가변부를 포함하는 저잡음 증폭기를 구동하는 방법으로서, 상기 커패시터 가변부와 연결된 입력 단자를 통하여 제 1 알에프 신호(제 1 RF 신호)를 수신하는 단계; 소정 제어 신호에 따라 상기 가변 용량 다이오드에 가변 전압을 공급하여 상기 커패시터 가변부의 전체 커패시턴스를 연속적으로 가변시키는 단계; 및 상기 가변된 커패시턴스에 상응하는 주파수 대역에서 상기 제 1 RF 신호를 증폭함에 의해 생성된 제 2 RF 신호를 출력하는 단계를 포함하는 저잡음 증폭기 구동 방법이 제공된다.
본 발명에 따르면, 가변 용량 다이오드를 이용하기 때문에 가변 전압에 따라 연속적인 입력 임피던스 정합이 가능하다는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면 레이아웃이 복잡해지거나 입력 임피던스 정합 회로의 면적이 커지지 않으면서 광대역 특성이 보장된 입력 임피던스 정합이 가능한 장점이 있다.
나아가 본 발명에 따르면, 가변 용량 다이오드를 직렬로 연결하기 때문에 공급되는 가변 전압에 따라 전체 커패시턴스가 큰 범위 내에서 가변되고 이에 따라 광대역 특성을 보장할 수 있는 장점이 있다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르 게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면 번호에 상관없이 동일한 수단에 대해서는 동일한 참조 번호를 사용하기로 한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 무선 통신 시스템을 도시한 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이 무선 통신 시스템은 안테나(300), 대역 선택 필터(302), 저잡음 증폭기(304), 이미지 제거 필터(306), RF 다운 믹서(308), RF 국부 발진기(310), 위상 고정 루프(312), 채널 선택 필터(314), IF 증폭기(316), IF 다운 믹서(318) 및 IF 국부 발진기(320)를 포함할 수 있다.
안테나(300)는 공기 중의 전자기파(electromagnetic wave) 신호를 수신하여 도선 상의 전기적 신호로 변환하여 출력한다.
안테나(300)를 통해 수신된 신호는 잡음에 해당하는 주파수 성분을 다수 포함하고 있다. 대역 선택 필터(Band Select Filter, 302)는 원하는 주파수 대역만을 증폭시킬 수 있도록 대역 통과 필터링(Band pass filtering)을 수행한다.
만일 채널이 여러 개인 경우 대역 선택 필터(302)는 채널 전체(in-band)를 통과시키며, 이러한 경우 동일한 안테나(300)를 사용하면 듀플렉서가 대역 선택 필터 역할을 겸할 수 있다.
저잡음 증폭기(Low Noise Amplifier, 304)는 대역 통과 필터(302)에서 출력하는 신호를 증폭한다. 이때 저잡음 증폭기(304)는 잡음까지 증폭되는 것을 최대로 억제하면서 신호가 증폭되도록 한다.
본 발명에 따른 저잡음 증폭기(304)는 낮은 잡음지수 및 광대역 특성을 가질 수 있도록 가변 용량 다이오드를 포함하는 입력 정합 회로를 구비할 수 있다.
이에 대해서는 하기의 도 4 내지 도 10을 이용하여 상세하게 설명한다.
이미지 제거 필터(Image Reject Filter, 306)는 저잡음 증폭기(304)에서 증폭된 신호 중에 치명적인 이미지 주파수가 하기의 믹서(308)로 전달되는 것을 방지하기 위해 대역 통과 필터링을 수행한다. 또한 이미지 제거 필터(306)는 불요 주파수(spurious frequency)를 제거하고 고주파수(RF)단과 중간 주파수(Intermediate Frequency: IF)단을 분리하여 수신 시스템의 안정성을 도모한다.
RF 다운 믹서(308)는 저잡음 증폭된 RF 신호를 IF 대역으로 주파수 하향 변환하는 기능을 수행한다. 이때 RF 국부 발진기(RF local oscillator, 310)는 RF 다운 믹서(308)의 주파수 합성을 위한 국부 발진(LO) 주파수를 공급한다. 채널 선택이 필요한 통신의 경우에 LO 주파수를 변화시켜 채널 선택을 할 수 있다.
위상 고정 루프(Phase Locked Loop: PLL, 312)는 RF 국부 발진기(310)의 출력 주파수가 흔들리지 않고 일정한 주파수에서 고정될 수 있도록 한다. 또한 제어 신호를 통해 RF 국부 발진기(310)에 사용되는 VCO(Voltage Controlled Oscillator, 전압 조정 발진기)의 전압을 정교하게 조절하여 RF 국부 발진기(310)의 출력 주파수를 원하는 주파수로 이동시켜 고정한다.
중간 주파수(IF)로 변환된 신호들은 여러 채널들을 모두 포함할 수 있다. 채널 선택 필터(Channel Select Filter, 314)는 이들 중에서 원하는 채널만을 대역 통과 필터링하여 선택한다.
RF 단의 저잡음 증폭기(304)로는 미약한 수신 신호를 충분히 증폭할 수 없어 IF 증폭기(316)는 채널 필터링을 거친 신호에 대해 신호 증폭을 수행할 수 있다.
IF 다운 믹서(318)는 하향 변환 믹싱을 통해 반송파 주파수를 제거하고 본래 신호가 담긴 주파수 대역인 기저대역(baseband)으로 변환한다.
IF 국부 발진기(320)는 IF 다운 믹서(318)에 중간 주파수를 기저대역 신호로 변환하기 위한 LO 주파수를 공급한다.
하기에서는 상기한 무선 통신 시스템에서 저잡음 증폭을 위해 사용되는 본 발명에 따른 저잡음 증폭기에 대해 상세하게 살펴본다.
도 4는 고정 커패시터와 가변 용량 다이오드를 직렬로 연결한 입력 정합 회로의 구조를 도시한 도면이고, 도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 두 개의 가변 용량 다이오드를 직렬로 연결한 입력 정합 회로의 구조를 도시한 도면이다.
우선, 도 4를 참조하면, 스위치드 커패시터 배열의 단점을 해결하기 위해 MIM(Metal Insulator Metal) 구조의 고정형 커패시터(C1)와 가변 용량 다이오드 (VAR1) 를 포함한 커패시터 가변부(400)를 포함하는 입력 정합 회로를 구현한다.
도 4에서, 커패시터 가변부(400)는 제1 트랜지스터(M1)의 게이트단 및 소스단 사이에 제공되며, Vtune 조정에 따라 커패시터 가변부(400)의 전체 커패시턴스가 조정될 수 있다.
그러나, 이러한 구조에서 C1이 고정된 값을 가지고, C1과 VAR1이 직렬로 연결되어 있기 때문에 커패시터 가변부(400)의 전체 커패시턴스 변화량은 VAR1의 본래 변화량보다 작아지는 문제점이 있다.
이를 해결하기 위해, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 도 5에 도시된 바와 같은 입력 정합 회로를 제공한다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 입력 정합 회로는 입력단(IN)에 게이트단이 연결되며, 소스단이 인덕터(Ls)를 통해 접지와 연결되는 제1 트랜지스터(M1) 및 상기한 제1 트랜지스터(M1)의 게이트단 및 소스단 사이에 제공되는 커패시터 가변부(500)를 포함한다.
본 발명에 따르면, 커패시터 가변부(500)는 도 5에 도시된 바와 같이, 두 개의 가변 용량 다이오드(VAR1 내지 VAR2) 및 제1 및 제2 가변 용량 다이오드 사이에서 가변 전압(Vtune)을 공급하는 가변 전압 공급부(502)를 더 포함할 수 있다.
바람직하게, 각 가변 용량 다이오드(VAR1 및 VAR2)는 축적모드형 버랙터 다이오드(Accumulation-mode MOS Varactor Diode)일 수 있으며, 이들은 서로 직렬로 연결된다.
상기와 같은 가변 전압 공급부(502)에서 인가되는 가변 전압(Vtune)에 따라 제1 및 제2 가변 용량 다이오드(VAR1 및 VAR2) 각각의 커패시턴스가 동시에 커지거나 또는 작아질 수 있도록 제1 가변 용량 다이오드(VAR1)의 캐소드 및 제2 가변 용량 다이오드(VAR2)의 캐소드가 서로 마주보는 방향으로 배치될 수 있다.
또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 가변 용량 다이오드의 애노드는 소스단에 연결되고, 제2 가변 용량 다이오드의 애노드는 게이트단에 연결된다. 여기서, 소스단은 접지에 연결되어 있으므로 소스단과 게이트단에는 서로 다른 바이어스 전압이 걸리게 된다.
본 발명에 따르면, 커패시터 가변부(500)의 가변 용량 다이오드에 가해지는 전압 크기에 따라 제1 및 제2 가변 용량 다이오드 각각의 커패시턴스가 동일한 방향으로 변화기 때문에, 전체 커패시턴스가 큰 폭으로 변화하며, 이에 따라 입력단을 통해 입력된 다양한 주파수 대역의 RF 신호에 대해 임피던스 정합을 수행할 수 있게 된다.
도 6은 도 4 및 도 5에 도시된 각 입력 정합 회로의 커패시턴스 변화를 비교한 도면으로서, 도 4 및 도 5에 도시된 각 입력 정합 회로에 대해 0.13㎛ CMOS 공정 변수를 이용하여 모의 실험한 것이다.
도 6을 참조하면, 본 발명과 같이 두 개의 가변 용량 다이오드의 캐소드를 마주보도록 연결하는 경우(Type 2), Vtune을 변화시킴에 따라 도 4(Type 1)에 비해 전체 커패시턴스의 변화가 크다는 점을 확인할 수 있다.
즉, 광대역 저잡음 증폭기를 위해서는 둘 이상의 가변 용량 다이오드를 이용하는 것이 효과적이라는 점을 확인할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 입력 정합 회로를 제공하는 경우 연속적인 입력 임피던스 정합이 가능해진다.
도 7은 종래의 스위치드 커패시터 배열을 이용한 정합과 본 발명에 따른 입력 임피던스 정합 특성을 비교한 도면이다.
도 7을 참조하면, 스위치드 커패시터 배열을 이용하여 광대역 동작을 구현하는 경우, 디지털 제어 신호에 의해 각 커패시터가 개방 또는 단락되기 때문에, 전체 커패시턴스가 불연속적으로 변화하며, 이에 따라 입력 임피던스 정합 역시 불연속적으로 최적화된다.
따라서, 제어 신호에 따라 정합되는 주파수 f1과 f2의 중간 주파수인 fx에서는 상대적으로 이득과 잡음특성이 열화된다.
그러나, 도 5에 도시된 바와 같은 입력 정합 회로를 이용하는 경우에는 가변 용량 다이오드의 특성 상 전체 커패시턴스가 연속적으로 변화하게 되며, 동일한 fx에 대해서도 우수한 이득과 잡음특성을 얻을 수 있다.
한편, 상기에서는 두 개의 가변 용량 다이오드만이 직렬로 연결되는 것만을 설명하였으나, 커패시터 가변부(500)가 더 많은 수의 가변 용량 다이오드를 포함할 수도 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 커패시터 가변부(800)는 각 캐소드가 마주보도록 연결되는 제1 및 제2 가변 용량 다이오드(VAR1 및 VAR2)와 상기한 제1 및 제2 가변 용량 다이오드 사이에서 가변 전압(Vtune1)을 공급하는 제1 가변 전압 공급부(802), 그리고 각 캐소드가 마주보도록 연결되는 제3 및 제4 가변 용량 다이오드(VAR3 및 VAR4) 및 상기한 제3 및 제4 가변 용량 다이오드 사이에서 가변 전압(Vtune2)을 공급하는 제2 가변 전압 공급부(804)를 포함할 수 있다.
여기서, 제1 및 제2 가변 용량 다이오드와 제3 및 제4 가변 용량 다이오드는 바이어스 전압에 따른 중간 노드(806)를 기준으로 직렬로 연결된다.
도 8에서, 제1 및 제2 가변 용량 다이오드는 제1 가변 전압 공급부(802)를 통해 인가되는 가변 전압, 제3 및 제4 가변 용량 다이오드는 제2 가변 전압 공급부(804)를 통해 인가되는 가변 전압에 따라 커패시턴스가 동일한 방향으로 커지거나 또는 작아지게 된다.
일반적으로 입력 정합 회로에는 트랜지스터의 게이트 온/오프를 위한 직류 전압이 입력단으로 인가되는 것을 방지하기 위해 도 4와 같이 고정 커패시터(C1)가 제공될 수 있는데, 도 8과 같이, 고정 커패시터(C1)를 직렬로 연결되는 가변 용량 다이오드로 대체하고, 다른 일측에도 각 캐소드가 마주보도록 연결되는 가변 용량 다이오드를 제공하는 경우, 고정 커패시터를 제공하는 것에 비해 전체 커패시턴스의 변화 폭을 크게 하여 저잡음 증폭기가 광대역 특성을 가지도록 할 수 있다 .
도 9는 본 발명에 따른 입력 정합 회로를 갖는 저잡음 증폭기의 등가 회로도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명에 따른 저잡음 증폭기는 충분히 높은 이득과 낮은 잡음지수를 동시에 얻기 위해 차동 캐스코드(Differential Cascode) 구조로 2단 구조로 구성될 수 있다.
첫 번째 단(900)은 낮은 잡음지수를 얻기 위해 최적화하고, 두 번째 단(902)에서 충분한 이득을 얻을 수 있도록 구현된다.
첫 번째 단(900)은 제1 입력 신호를 입력 받는 제1 입력 단자(IN_P), 게이트단이 제1 입력 단자에 연결되며, 소스단이 접지에 연결되는 제1 트랜지스터(M1)와, 제1 트랜지스터(M1)의 게이트단 및 소스단 사이에 연결되며, 적어도 둘 이상의 가변 용량 다이오드(VAR1 및 VAR2)를 구비하는 제1 커패시터 가변부(904)를 포함할 수 있다.
또한, 첫 번째 단(900)은 제2 입력 신호를 입력 받는 제2 입력 단자(IN_N), 게이트단이 제2 입력 단자에 연결되며, 소스단이 상기 접지에 연결되는 제2 트랜지스터(M2)와, 제2 트랜지스터(M2)의 게이트단 및 소스단 사이에 연결되며, 적어도 둘 이상의 가변 용량 다이오드(VAR3 및 VAR4)를 구비하는 제2 커패시터 가변부(906)를 포함할 수 있다.
제1 및 제2 트랜지스터(M1 및 M2)는 직류 전압(VG1)을 바이어스 전압으로 하여 구동한다.
여기서, 제1 커패시터 가변부(904)는, 각 캐소드가 마주보도록 연결되는 제1 및 제2 가변 용량 다이오드(VAR1 및 VAR2) 및 제1 및 제2 가변 용량 다이오드 사이에서 가변 전압(Vtune)을 공급하는 제1 가변 전압 공급부(908)를 포함하며, 제2 커패시터 가변부(906)는 각 캐소드가 마주보도록 연결되는 제3 및 제4 가변 용량 다이오드(VAR3 및 VAR4) 및 제3 및 제4 가변 용량 다이오드 사이에서 가변 전압(Vtune)을 공급하는 제2 가변 전압 공급부(910)를 포함한다.
이때, 제1 가변 전압 공급부와 제2 가변 전압 공급부에서 인가되는 가변 전압은 동일하게 적용될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따르면, 제1 커패시터 가변부(904)에 속하는 하나의 가변 용량 다이오드(VAR1) 및 제2 커패시터 가변부(906)에 속하는 하나의 가변 용량 다이오드(VAR4)는 인턱터(LS1)를 통해 전기적으로 연결된다.
이와 같은 차동 캐스코드 구조에서 Vtune이 낮아질 경우, 두 개의 가변 용량 다이오드를 갖는 커패시터 가변부(904,906)의 전체 커패시턴스가 커짐에 따라 낮은 주파수에서 입력 임피던스 정합이 가능해진다. 반면 Vtune이 높아질 경우, 커패시터 가변부(904,906)의 전체 커패시턴스가 작아져 높은 주파수에서 입력 임피던스 정합이 가능해진다.
이때, 첫 번째 단(900)의 출력 부분(즉, 제1 및 제2 트랜지스터의 출력부)에 이득을 조절하기 위한 가변 저항부(RD1)가 삽입되며, 각 단의 출력 정합을 위해 스 위치드 커패시터 배열(CD1, CD2)이 사용될 수 있다.
그밖에 차동 캐스코드 회로 구성에 대해서는 당업자에게 이미 공지된 사항이므로 이에 대한 상세한 설명을 생략한다.
도 10의 (a) 내지 (c)는 도 9와 같은 저잡음 증폭기에서의 입력반사계수(S11), 전력 이득(S21) 및 잡음지수(Noise Feature: NF)에 대한 모의실험 결과를 나타낸 도면이다.
여기서 도 9의 회로 설계에 대해 0,13㎛ RF CMOS 공정 변수를 이용하였으며 2.3GHz부터 2.7GHz 범위의 입력 주파수를 사용하였다. 또한, 1.2V의 공급 전압에서 14.8mA의 전류를 사용하였다.
본 발명에 따른 구조를 Cadence Tool을 이용하여 모의 실험한 결과, Vtune이 0 내지 1.2V로 가변될 때, 전체 커패시턴스는 394fF에서 155fF까지 변화하여 이에 따라 광대역 입력 신호에 대해 입력 임피던스 정합이 가능하다는 점을 확인할 수 있다.
또한, 0,47V 내지 0.98V 범위를 갖는 Vtune에 따른 S11, S21, NF를 살펴본 결과, 본 발명에 따른 저잡음 증폭기가 2.3GHz 내지 2.7GHz에서 낮은 입력 반사계수, 26dB 이상의 전력 이득과 0.98dB의 잡음지수를 갖는 것을 확인할 수 있었다.
따라서, 본 발명에 따른 저잡음 증폭기는 광대역 특성을 갖는 RF 수신기에 적용될 수 있으며, 특히 2.4GHz의 WLAN과 2.6GHz WiMAX 표준에서의 저잡음 증폭기에 적절한 구조라는 것을 확인할 수 있다.
상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
도 1은 종래기술에 따른 저잡음 증폭기의 입력 정합 회로를 도시한 도면.
도 2는 스위치드 커패시터 배열을 적용한 저잡음 증폭기의 주파수에 따른 이득과 잡음지수의 일반적인 특성을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 무선 통신 시스템을 도시한 도면.
도 4는 고정 커패시터와 가변 용량 다이오드를 직렬로 연결한 입력 정합 회로의 구조를 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 두 개의 가변 용량 다이오드를 직렬로 연결한 입력 정합 회로의 구조를 도시한 도면.
도 6은 도 4 및 도 5에 도시된 각 입력 정합 회로의 커패시턴스 변화를 비교한 도면.
도 7은 종래의 스위치드 커패시터 배열을 이용한 정합과 본 발명에 따른 입력 임피던스 정합 특성을 비교한 도면.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 입력 정합 회로의 구조를 도시한 도면.
도 9는 본 발명에 따른 입력 정합 회로를 갖는 저잡음 증폭기의 일실시예 회로도.
도 10a 내지10c는 도 9와 같은 저잡음 증폭기에서의 입력반사계수(S11),전력 이득(S21) 및 잡음지수(Noise Feature: NF)에 대한 모의실험 결과를 나타낸 도면.

Claims (12)

  1. 입력 신호를 저잡음으로 증폭하는 증폭기에 있어서,
    상기 입력 신호를 입력 받는 입력단;
    게이트단이 상기 입력단으로 연결되며, 소스단이 접지에 연결되는 제1 트랜지스터-상기 게이트단 및 상기 소스단에는 서로 다른 바이어스 전압이 걸림-; 및
    상기 게이트단 및 상기 소스단 사이에 연결되며, 적어도 둘 이상의 가변 용량 다이오드를 구비하는 커패시터 가변부를 포함하되,
    상기 커패시터 가변부는 제1 및 제2 가변 용량 다이오드와 상기 제1 및 제2 가변 용량 다이오드 사이에서 가변 전압을 공급하는 가변 전압 공급부를 포함하고,
    상기 제1 가변 용량 다이오드의 캐소드 및 상기 제2 가변 용량 다이오드의 캐소드가 서로 마주 보는 방향으로 배치되며,
    상기 제1 가변 용량 다이오드의 애노드는 소스단에 연결되고, 상기 제2 가변 용량 다이오드의 애노드는 게이트단에 연결되는 저잡음 증폭기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 가변 용량 다이오드는 축적모드형 버랙터 다이오드(Accumulation-mode MOS Varactor Diode)인 저잡음 증폭기.
  5. 입력 신호를 저잡음으로 증폭하는 증폭기에 있어서,
    상기 입력 신호를 입력 받는 입력단;
    게이트단이 상기 입력단으로 연결되며, 소스단이 접지에 연결되는 제1 트랜지스터-상기 게이트단 및 상기 소스단에는 서로 다른 바이어스 전압이 걸림-; 및
    상기 게이트단 및 상기 소스단 사이에 연결되며, 적어도 둘 이상의 가변 용량 다이오드를 구비하는 커패시터 가변부를 포함하되,
    상기 커패시터 가변부는 캐소드가 마주보도록 연결되는 제1 및 제2 가변 용량 다이오드,
    상기 제1 및 제2 가변 용량 다이오드 사이에서 가변 전압을 공급하는 제1 가변 전압 공급부, 캐소드가 마주 보도록 연결되는 제3 및 제4 가변 용량 다이오드; 및 상기 제3 및 제4 가변 용량 다이오드 사이에서 가변 전압을 공급하는 제2 가변 전압 공급부를 포함하되,
    상기 제1 및 제2 가변 용량 다이오드와 상기 제3 및 제4 가변 용량 다이오드는 소정 노드를 기준으로 직렬로 연결되며,
    상기 제1 가변 용량 다이오드의 애노드는 상기 게이트단에 연결되며, 상기 제4 가변 용량 다이오드의 애노드는 소스단에 연결되는 저잡음 증폭기.
  6. 삭제
  7. 입력 신호를 저잡음으로 증폭하는 증폭기에 있어서,
    제1 입력 신호를 입력 받는 제1 입력단;
    게이트단이 상기 제1 입력단에 연결되며, 소스단이 접지에 연결되는 제1 트랜지스터-상기 게이트단 및 상기 소스단에는 서로 다른 바이어스 전압이 걸림-;
    상기 제1 트랜지스터의 게이트단 및 소스단 사이에 연결되며, 적어도 둘 이상의 가변 용량 다이오드를 구비하는 제1 커패시터 가변부;
    제2 입력 신호를 입력 받는 제2 입력 단자;
    게이트단이 상기 제2 입력단에 연결되며, 소스단이 상기 접지에 연결되는 제2 트랜지스터; 및
    상기 제2 트랜지스터의 게이트단 및 소스단 사이에 연결되며, 적어도 둘 이상의 가변 용량 다이오드를 구비하는 제2 커패시터 가변부를 포함하되,
    상기 제1 커패시터 가변부는, 서로 캐소드가 마주 보도록 연결되는 제1 및 제2 가변 용량 다이오드 및 상기 제1 및 제2 가변 용량 다이오드 사이에서 가변 전압을 공급하는 제1 가변 전압 공급부를 포함하며, 상기 제1 가변 용량 다이오드의 애노드는 상기 제1 트랜지스터의 소스단에 연결되고, 상기 제2 가변 용량 다이오드의 애노드는 상기 제1 트랜지스터의 게이트단에 연결되며,
    상기 제2 커패시터 가변부는 서로 캐소드가 마주 보도록 연결되는 제3 및 제4 가변 용량 다이오드 및 상기 제3 및 제4 가변 용량 다이오드 사이에서 가변 전압을 공급하는 제2 가변 전압 공급부를 포함하고, 상기 제3 가변 용량 다이오드의 애노드는 상기 제2 트랜지스터의 소스단에 연결되고, 상기 제4 가변 용량 다이오드의 애노드는 상기 제2 트랜지스터의 게이트단에 연결되는 저잡음 증폭기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 커패시터 가변부의 가변 용량 다이오드 중 적어도 하나 및 상기 제2 커패시터 가변부의 가변 용량 다이오드 중 적어도 하나는 인턱터를 통해 전기적으로 연결되는 저잡음 증폭기.
  9. 삭제
  10. 제7항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 트랜지스터의 출력부에는 이득을 조절하기 위한 가변 저항부가 삽입되는 저잡음 증폭기.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 트랜지스터의 출력부에는 출력 정합을 위한 스위치드 커패시터 배열이 제공되는 저잡음 증폭기.
  12. 삭제
KR1020080086930A 2008-09-03 2008-09-03 가변 용량 다이오드를 이용한 저잡음 증폭기 및 이의 구동 방법 KR100985473B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020080086930A KR100985473B1 (ko) 2008-09-03 2008-09-03 가변 용량 다이오드를 이용한 저잡음 증폭기 및 이의 구동 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020080086930A KR100985473B1 (ko) 2008-09-03 2008-09-03 가변 용량 다이오드를 이용한 저잡음 증폭기 및 이의 구동 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20100027847A KR20100027847A (ko) 2010-03-11
KR100985473B1 true KR100985473B1 (ko) 2010-10-05

Family

ID=42178763

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020080086930A KR100985473B1 (ko) 2008-09-03 2008-09-03 가변 용량 다이오드를 이용한 저잡음 증폭기 및 이의 구동 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR100985473B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101853104B1 (ko) 2016-09-30 2018-04-27 주식회사동일기연 광학식 초미세먼지 측정 센서

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9319009B2 (en) 2013-07-31 2016-04-19 Futurewei Technologies, Inc. Tunable radio frequency low noise amplifier
US9876480B2 (en) 2013-10-22 2018-01-23 Infineon Technologies Ag System and method for a tunable capacitance circuit
CN109257041B (zh) * 2018-11-05 2024-05-10 上海艾为电子技术股份有限公司 控制电路及控制方法
CN109120236A (zh) * 2018-11-05 2019-01-01 上海艾为电子技术股份有限公司 增益电路
CN116526986A (zh) * 2023-04-25 2023-08-01 电子科技大学 一种自适应电容的抗辐照射频soi功放

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040108910A1 (en) * 2001-05-31 2004-06-10 Klaus-Jurgen Feilkas Voltage-controlled oscillator circuit
JP2006033664A (ja) 2004-07-21 2006-02-02 Renesas Technology Corp 可変インピーダンス素子を用いた増幅器及び無線通信装置
JP2006148443A (ja) 2004-11-18 2006-06-08 Toshiba Corp 高周波増幅器
KR100641186B1 (ko) * 2005-02-18 2006-11-06 엘지전자 주식회사 이동 통신 단말기의 송신 신호 정합 장치

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040108910A1 (en) * 2001-05-31 2004-06-10 Klaus-Jurgen Feilkas Voltage-controlled oscillator circuit
JP2006033664A (ja) 2004-07-21 2006-02-02 Renesas Technology Corp 可変インピーダンス素子を用いた増幅器及び無線通信装置
JP2006148443A (ja) 2004-11-18 2006-06-08 Toshiba Corp 高周波増幅器
KR100641186B1 (ko) * 2005-02-18 2006-11-06 엘지전자 주식회사 이동 통신 단말기의 송신 신호 정합 장치

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101853104B1 (ko) 2016-09-30 2018-04-27 주식회사동일기연 광학식 초미세먼지 측정 센서

Also Published As

Publication number Publication date
KR20100027847A (ko) 2010-03-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100548130B1 (ko) 광대역 튜너블 대역통과필터 및 이를 이용한 다중밴드광대역 튜너블 대역통과필터
US7714664B2 (en) Cascode circuit
US6850753B2 (en) Tunable low noise amplifier and current-reused mixer for a low power RF application
US20060132242A1 (en) Low noise amplifier for wideband tunable matching
KR100985473B1 (ko) 가변 용량 다이오드를 이용한 저잡음 증폭기 및 이의 구동 방법
US9219452B2 (en) Dual mode receiver with RF splitter using programmable passive components
US7626459B2 (en) High frequency amplifier circuit and mobile communication terminal using the same
US9954497B2 (en) Circuits for low noise amplifiers with interferer reflecting loops
Geis et al. A 0.045 mm 2 0.1–6GHz reconfigurable multi-band, multi-gain LNA for SDR
KR100679079B1 (ko) 이동통신 시스템에서 다중 대역 수신장치
US20090115525A1 (en) Frequency tunable low noise amplifier
CN106849881B (zh) 一种宽带单片集成低噪声放大器
US20220345098A1 (en) Power limiting system and method for a low noise amplifier of a front end interface of a radio frequency communication device
US6915121B2 (en) Integrated tunable filter for broadband tuner
US7340229B2 (en) High frequency amplification circuit and mobile communication terminal using the same
KR100828187B1 (ko) 공통 인덕터를 이용하는 증폭기
JP5109895B2 (ja) 増幅回路及び受信装置
US6801088B2 (en) Dual gate low noise amplifier
KR100652899B1 (ko) 직접 변환 ｒｆ 프론트-앤드 송수신기 및 그 구성요소들
CN101106354A (zh) 超宽频带信号发生器
US6871058B2 (en) Frequency conversion circuit
US7443243B2 (en) High frequency amplifier having an attenuator
US8279000B2 (en) Radio-frequency amplifier
CN111654247A (zh) 一种采用电流复用和电压合路的宽带低噪声放大器
KR20100078760A (ko) 저잡음 증폭기

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20130802

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20140618

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20150922

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160922

Year of fee payment: 7

LAPS Lapse due to unpaid annual fee