KR101020169B1 - 고주파 리미터 회로 - Google Patents

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마이클 지. 아들러슈타인
존 씨. 트렘블레이
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레이티언 캄파니
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Abstract

리미터 회로(10)는 상기 리미터 회로의 입력측에 연결되어 소정의 평균 레벨의 전압을 생성하는 정류 회로(14)를 포함한다. 상기 레벨은 리미터 회로(10)의 입력측(16)에 인가되는 입력신호(RFIN)의 함수이다. 분압 회로(20)는 정류 회로(14)에 연결되어 입력신호(RFIN)에 비례하는 레벨의 출력전압을 생성한다. 인핸스먼트형 전계 효과 트랜지스터(Z1)는 분압 회로(20)의 출력전압이 인가되는 게이트 전극을 갖는다. 상기 트랜지스터는 리미터 회로의 출력측에 연결되는 드레인 전극 및 기준전위에 연결되는 소스 전극을 갖는다. 전송선(22)은 상기 리미터 회로의 입력측과 리미터 회로의 출력측 사이를 연결한다. 전송선(22)은 nλ/4의 전기길이를 갖는데, 여기서 λ는 상기 리미터 회로의 공칭 동작 파장이고 n은 홀수의 정수이다.
리미터, 저잡음 증폭기, 인핸스먼트형 전계 효과 트랜지스터, MMIC

Description

고주파 리미터 회로 {RADIO FREQUENCY LIMITER CIRCUIT}
본 발명은 고주파 리미터 회로에 관한 것으로서, 특히 고주파 증폭기에 사용되는 리미터에 관한 것이다.
고주파(radio frequency, r.f.) 증폭기(amplifier)가 광범위하게 사용된다는 사실은 널리 알려져 있다. 대개의 마이크로파나 밀리미터파(mm-wave) 솔리드스테이트(solid state) 리시버 증폭기(receiver amplifier)의 입력단은 미약한 레벨의 신호를 수신하도록 설계된 작고 민감한 트랜지스터를 포함한다는 사실 또한 널리 알려져 있다. 이러한 증폭기를 저잡음 증폭기(low noise amplifier, LNA) 라고도 한다.
상기 작고 민감한 트랜지스터는 수신 대역에서 강한 입력신호에 노출되어 손상되기 쉽다는 사실 또한 잘 알려져 있다. 이러한 손상을 피하기 위해서, 리미터 회로가(limiter circuit) 저잡음 입력단 앞쪽에 도입된다. 리미터 회로의 바람직한 특성으로는 (1) 비제한 상태에서의 저 손실 (2) 비제한 상태에서의 고 정합(match) (3) 제한 상태에서의 고 반사 (4) 신속한 반응 및 회복 (5) 열 소모(burn out)에 대한 내성 (6) 솔리드스테이트 모듈 또는 단일칩 고주파 집적회로(monolithic microwave integrated circuits, MMIC)에 사용된 기술과의 호환성 등 을 들 수 있다.
종래의 리미터는 PIN(positive-intrinsic-negative) 다이오드를 사용한다. 그러나, PIN 다이오드와 여러 GaAs MMIC 제조 공정 사이에는 일반적으로 호환성이 부족하다. 쇼트키(Schottky) 다이오드를 이용하는 리미터도 있으나, 쇼트키 다이오드 리미터는 요구되는 전력 레벨을 다룰 수 있도록 크기가 커야 한다. 다이오드는 공핍형 고전자 이동도 트랜지스터(depletion mode high electron mobility transistors, depletion mode HEMTs)와 함께 사용될 수 있으나, 정상 작동을 위해서는 상대적으로 복잡한 바이어스 회로(bias circuit)가 사용되어야 한다.
본 발명에 따르면, 리미터 회로는 상기 리미터 회로의 입력측에 연결되는 정류 회로를 포함한다. 정류 회로는 소정의 평균 레벨의 전압을 생성한다. 상기 레벨은 리미터 회로의 입력측에 인가되는 입력신호의 함수이다. 분압 회로(voltage divider)는 정류 회로에 연결되어 입력신호(RFIN)에 비례하는 레벨의 출력전압을 생성한다. 인핸스먼트형 전계 효과 트랜지스터(enhancement mode field effect transistor)는 분압 회로의 출력전압이 인가되는 게이트 전극을 갖는다. 상기 트랜지스터는 리미터 회로의 출력측에 연결되는 드레인 전극(drain electrode) 및 기준전위에 연결되는 소스 전극(source electrode)을 갖는다. 전송선은 리미터 회로의 입력측과 리미터 회로의 출력측 사이를 연결한다. 전송선은 nλ/4의 전기길이(electrical length)를 가지며, 이때 λ는 리미터 회로의 공칭 동작 파장(nominal operating wavelength)이고 n은 홀수의 정수이다.
일 실시예에 따르면, 상기 정류 회로는 한 쌍의 일방향성 전도 소자와 한 쌍의 콘덴서를 포함한다. 콘덴서 중의 하나는 리미터 회로의 입력측과 제1 접점 사이에 연결된다. 일방향성 전도 소자 중의 하나는 제1 접점과 기준전위 사이에 연결된다. 일방향성 전도 소자 중의 다른 하나는 상기 제1 접점과 제2 접점에 위치한 분압 회로의 입력측 사이에 연결된다. 상기 콘덴서 중의 다른 하나는 분압 회로의 입력측과 소정의 기준전위 사이에 연결된다.
일 실시예에 따르면, 일방향성 소자는 다이오드이다.
일 실시예에 따르면, 일방향성 소자는 다이오드 연결형 트랜지스터이다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 정류 회로는 전압 증배 회로(voltage multiplier circuit)이다.
본 발명의 여러 실시예에 대한 자세한 사항이 첨부된 도면과 후속 설명에 나타나 있다. 본 발명의 다른 특징, 목적 및 효과들은 명세서, 도면 및 청구범위로부터 분명해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 저잡음 증폭기와 결합된 리미터 회로의 개략도이고;
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 저잡음 증폭기와 결합된 리미터 회로의 개략도이고;
도 3은 도 1 또는 도 2에 나타난 리미터 회로를 위상 어레이 소자(phased array element)에 사용한 것을 보여주는 다이어그램이다.
도면들에서, 동일한 참조 부호들은 동일한 요소들을 가리킨다.
도 1을 참조하면, 증폭기(12) (여기서는 저잡음 증폭기, LNA)에 입력되는 전압을 제한하는 리미터 회로(10)가 나타나 있다. 리미터 회로(10)는 전압 증배 회로(voltage multiplier circuit)(14) (여기서는 전압 체배기(doubler) 회로)를 포함한다. 특히, 여기서 전압 증배 회로는 상기 리미터 회로의 입력측에 연결되는 정류 회로이다. 정류 회로(14)는 소정의 평균 레벨을 갖는 전압을 산출하는데, 이 전압은 리미터 회로(10)의 입력측에 인가되는 입력신호의 함수이다. 정류 회로(14)는 복수의 일방향성 전도 소자 (여기서는 한 쌍의 다이오드(D1, D2) 및 한 쌍의 콘덴서(Cl, C2))를 포함한다. 콘덴서(Cl)는 리미터 회로(10)의 입력측(16)과 접점(J1) 사이에 연결된다. 특히, 다이오드(D1)의 양극은 그라운드에 연결되고, 음극은 접점(J1)에 연결된다. 도시된 바와 같이, 다이오드(D2)의 양극은 접점(J1)에 연결되고, 음극은 접점(J2)에 연결된다.
다이오드(D1)는 접점(J1)과 기준전위 (여기서는 그라운드) 사이에 연결된다. 다이오드(D2)는 접점(J1)과 제2 접점(J2)에 위치한 분압 회로(20)의 입력측 사이에 연결된다. 콘덴서(C2)는 분압 회로(20)의 입력측(J2)과 소정의 기준전위 사이에 연결된다.
분압 회로(20)는 정류 회로(14)와 연결되어 입력측(16)의 입력신호에 비례하는 레벨을 갖는 출력전압을 생성한다. 분압 회로(20)의 출력 (즉, 접점(J3))은 인핸스먼트형 pHEMT(Z1)의 게이트 전극에 연결된다.
따라서, 콘덴서(C1)와 다이오드(D1)로 이루어진 분기는 상기 다이오드의 음 극이 전도시의 그라운드 전위와 비전도시의 양의 어떤 값 사이를 전환하도록 하여 입력측(16)에 인가되는 입력신호를 정류한다. 다이오드(D1)는 입력측(16)에서 r.f. 입력신호의 극성이 그라운드에 대해 음(negative) 일 때 순방향으로 바이어스 된다(biased). 정상 상태(steady state)에서, 콘덴서(C1)는 그라운드에 대해 -V0로 충전되는데, 여기서 r.f. 입력전압은 V0sin(ωt)로 주어진다. 상기 다이오드에 걸리는 피크 전압은 r.f. 선(line)의 전위가 V0일 때 나타난다. 그러므로, 다이오드에 걸리는 피크 전압은, Vp = 입력측(16)에서의 전압 레벨 - 상기 콘덴서에 걸리는 전위 변화 = V0 - (-V0) = 2V0. 따라서, 콘덴서(C2)는 다이오드(D2)를 통해 2V0로 충전된다. 접점(J2)에서의 (즉, 전압 체배기의 출력측에서) 상기 전압의 일부가 인핸스먼트형 pHEMT(Z1)의 게이트 전극에 나타난다. 만약 전압이 충분하다면, 트랜지스터(Z1)는 켜지고 전도된다. 이는 LNA(12)의 입력측에 있는 r.f. 선을 그라운드에 합선시킨다.
특히, 저항(R2, R1)은 리미터(10)의 문턱 전압(threshold voltage)을 설정하도록 하고 입력측(16)에서 r. f. 입력전압이 중단될 때 콘덴서(Cl, C2)가 방전되도록 한다. 저항(R1)은 입력측(16)에서 높은 레벨의 입력신호가 없을 경우 인핸스먼트형 pHEMT(EpHEMT)의 게이트에 제로(zero)에 가까운 바이어스가 걸리도록 보증한다. 이러한 조건에서는 EpHEMT가 전도하지 않고 상기 회로는 LNA로의 전력을 제한하지 않는다.
전송선(22)은 리미터(10)의 입력측(16)과 LNA의 입력측 (즉, 리미터(10)의 출력측(18)) 사이를 연결한다. 전송선(22)은 nλ/4 전기길이(electrical length)를 갖는데, 여기서 λ는 상기 증폭기의 공칭 동작 파장(nominal operating wavelength) 이고 n은 홀수인 정수이다. 따라서, 입력측(16)에서의 입력 전압이 과도하여 트랜지스터(Z1)가 전도 상태로 바이어스 되면, 리미터(10)의 출력측(18)에 있는 단락회로는 리미터(10)의 입력측(16)에서 개방회로(즉, 고 임피던스)로 나타나고; 과도한 전압이 없으면, 트랜지스터(Z1)는 오프로 바이어스(biased off) 되고 입력신호는 리미터를 통과하여 LNA의 입력측으로 인가된다.
이하, 도 2를 참조하면, 리미터 회로(10')의 다른 실시예가 나타나 있다. 여기서 다이오드(D1)는 다이오드 연결형 트랜지스터(diode connected transistor)(Z3)로 대체되고, 다이오드(D2)는 다이오드 연결형 트랜지스터(Z4)로 대체된다. 따라서, 트랜지스터(Z3)의 소스 및 드레인 전극은 접점(J1)에 연결되고 게이트 전극은 그라운드에 연결된다. 트랜지스터(Z4)의 게이트 전극은 접점(J1)에 연결되고 소스 및 드레인 전극은 접점(J2)에 연결된다.
여기서, 리미터 회로(10')에 한 쌍의 콘덴서(C3, C4)가 추가된다. 또한, 단지 하나의 트랜지스터(Z1)가 사용된 이전의 리미터(10)와 달리, 본 실시예에서는 한 쌍의 EpHEMT 트랜지스터(Z1, Z2)가 사용된다. 분압 회로(20)의 출력전압 (즉, 접점(J3)에서의 전압)이 두 트랜지스터(Z1, Z2)의 게이트 전극들에 인가된다. 도시된 바와 같이, 두 트랜지스터(Z1, Z2)의 드레인 전극들은 각각 해당하는 콘덴서(C3, C4)를 통하여 LNA(12)의 입력측으로 연결된다. 트랜지스터(Z1, Z2)의 소스 전극들은 그라운드에 연결된다. 이러한 구성을 통해, 상기 리미터가 입력측(16)에 서의 과도한 입력 전압에 반응할 때, 트랜지스터(Z1, Z2)는 요구되는 전력의 반(half)만을 다루면 된다.
상기 리미터(10) 및 리미터(10')에 있어서, 1/4 파장의 홀수배인 전송선(22)은 비제한(non-limiting state) 상태에서도 입력측(16)에서의 반사와 출력측(18)에서의 반사를 서로 상쇄시키는 효과를 가진다는 것에 주목하여야 한다.
트랜지스터(Z1, Z2)에 인핸스먼트형 트랜지스터를 사용하는 경우의 장점은 이러한 트랜지스터는 제로 바이어스에서 오프(비전도)이고 양의 전압이 인가될 때에 온(turn on) 된다는 것이다. 이것은 종래의 공핍형 트랜지스터를 사용하여 r.f. 선을 클램프 하는 경우에 비해 바이어스 회로를 훨씬 단순하게 한다.
λ/4 전송선을 추가함으로써 리미터들(10, 10')의 동작이 향상된다. 트랜지스터(Z1, Z2)가 전도되면, LNA 입력측에서의 단락회로는 리미터(10, 10') 입력측에서의 입력 임피던스를 여기서의 50 ohm 임피던스로부터 높은 값까지 증가시킨다. 이것은 다이오드(D1)나 다이오드 연결형 트랜지스터(Z3)에 걸리는 전압을 증가시켜 제한 동작에 대한 양의(positive) 피드백을 형성한다.
도 2의 회로 구성(10')을 이용하여, 1/4 파장 전송선은 오프 상태에서 리미터의 정합(match)을 향상시키는데 유용하게 사용될 수 있다. 여기서, 다이오드 연결형 트랜지스터(Z3, Z4)는 EpHEMT 게이트들을 이용하여 형성된다. 클램핑 트랜지스터(Z1, Z2) 및 드레인의 규모나 결합 콘덴서(C3, C4)는 정류 회로(14')가 제공하는 것과 같은 분기(shunt) 임피던스를 제공하도록 선택된다. 따라서, 좁은 동작 대역폭(operating bandwidth)을 통해, 정류 회로(14')에 의한 반사는 클램프 분기 (즉, 트랜지스터(Zl, Z2) 및 콘덴서(C3, C4))에 의한 반사와 상쇄된다. 리미터(10')의 크기는 인덕터와 콘덴서로 구성되는 합성 전송선(22)을 사용하여 최소화할 수 있다.
리미터(10, 10')의 바람직한 구현에 인핸스먼트형 pHEMT가 사용된다고 강조하였다. 이러한 EpHEMT는 저잡음 증폭기에 자주 사용되는 변성(metamorphic) 고전자 이동도 트랜지스터(mHEMT)에 비해 높은 파괴 전압(breakdown voltage)를 갖는다. 따라서 이러한 EpHEMT는 더 높은 전력을 다룰 수 있다. EpHEMT는 많은 시스템에서 저잡음 증폭기와 함께 동작하는 칩의 형태로 이용가능 하다. 이러한 구성이 위상 어레이(phased array) 소자에 사용된 예가 도 3에 나타나있다. 이 응용에서, 입력신호가 리미터(10, 10')를 포함하는 EpHEMT 칩으로 인가된다. 리미터(10, 10')의 출력은 낮은 잡음 지수(noise figure)와 이득을 위해 최적화된 저잡음 증폭기 MMIC에 인가된다. EmHEMT가 사용된 시스템에서는 설명된 리미터(10, 10')가 LNA MMIC에 직접 포함될 수도 있을 것이다.
지금까지 본 발명의 여러 실시예에 대하여 설명하였지만, 이 외에도 본 발명의 취지와 범위를 벗어남이 없이 다른 변형이 가능하다는 것을 이해하여야 할 것이다. 따라서, 다른 실시예 또한 첨부된 청구범위의 권리범위에 포함된다.

Claims (12)

  1. 리미터 회로에 있어서,
    상기 리미터 회로의 입력측에 연결되어 상기 리미터 회로의 입력측에 인가되는 입력신호의 함수인 소정의 평균 레벨의 전압을 산출하는 정류 회로;
    상기 정류 회로에 연결되어 상기 입력신호에 비례하는 레벨의 출력전압을 산출하는 분압 회로;
    상기 분압 회로의 상기 출력전압이 인가되는 게이트 전극과, 드레인 전극 및 소스 전극을 포함하며, 상기 드레인 전극 및 소스 전극 중의 하나는 상기 리미터 회로의 출력측에 연결되고 상기 드레인 전극 및 소스 전극 중의 다른 하나는 기준전위에 연결되는 인핸스먼트형 전계 효과 트랜지스터; 및
    상기 리미터 회로의 입력측과 상기 리미터 회로의 출력측 사이를 연결하고 nλ/4의 전기길이 (단, λ는 상기 리미터 회로의 공칭 동작 파장, n은 홀수의 정수) 를 갖는 전송선을 포함하고,
    상기 정류 회로는,
    한 쌍의 일방향성 전도 소자 및 한 쌍의 콘덴서를 포함하되,
    상기 콘덴서 중의 하나는 상기 리미터 회로의 입력측과 제1 접점 사이에 연결되며,
    상기 일방향성 전도 소자 중의 하나는 상기 제1 접점과 상기 기준전위 사이에 연결되며,
    상기 일방향성 전도 소자 중의 다른 하나는 상기 제1 접점과 제2 접점에 위치한 상기 분압 회로의 입력측 사이에 연결되며,
    상기 콘덴서 중의 다른 하나는 상기 분압 회로의 입력측과 상기 소정의 기준전위 사이에 연결되는 것을 특징으로 하는 리미터 회로.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서, 상기 일방향성 소자는 다이오드인 것을 특징으로 하는 리미터 회로.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 일방향성 소자는 다이오드 연결형 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 리미터 회로.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 분압 회로는 한 쌍의 저항을 포함하며, 상기 저항 중 하나는 상기 제2 접점, 상기 트랜지스터의 게이트 전극 및 상기 소정의 기준전위 사이에 연결되는 것을 특징으로 하는 리미터 회로.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 일방향성 소자는 다이오드인 것을 특징으로 하는 리미터 회로.
  7. 제 5항에 있어서, 상기 일방향성 소자는 다이오드 연결형 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 리미터 회로.
  8. 리미터 회로에 있어서,
    상기 리미터 회로의 입력측에 연결되며, 상기 리미터 회로의 입력측에 인가되는 입력신호의 함수인 소정의 평균 레벨의 전압을 산출하는 정류 회로;
    상기 정류 회로에 연결되고 상기 입력신호에 비례하는 레벨의 출력전압을 산출하는 분압 회로;
    복수개의 결합된 콘덴서;
    상기 분압 회로의 상기 출력전압이 인가되는 게이트 전극, 드레인 전극 및 소스 전극을 포함하며, 상기 드레인 전극 및 소스 전극 중의 하나는 상기 결합 콘덴서 중의 해당 콘덴서를 통하여 상기 리미터 회로의 출력측에 연결되고 상기 드레인 전극 및 소스 전극 중의 다른 하나는 소정의 기준전위에 연결되는 복수의 인핸스먼트형 전계 효과 트랜지스터; 및
    상기 리미터 회로의 입력측과 상기 리미터 회로의 출력측 사이를 연결하고 nλ/4의 전기길이 (단, λ는 상기 리미터 회로의 공칭 동작 파장, n은 홀수의 정수) 를 갖는 전송선을 포함하며, 상기 정류 회로는
    복수의 일방향성 전도 소자 및 한 쌍의 콘덴서를 포함하되,
    상기 콘덴서 중의 하나는 상기 리미터 회로의 입력측과 제1 접점 사이에 연결되며,
    상기 일방향성 전도 소자 중의 하나는 상기 제1 접점과 상기 기준전위 사이에 연결되며,
    상기 일방향성 전도 소자 중의 다른 하나는 상기 제1 접점과 제2 접점 사이에 연결되며,
    상기 콘덴서 중의 다른 하나는 상기 분압 회로의 입력측과 상기 기준전위 사이에 연결되는 것을 특징으로 하는 리미터 회로.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 일방향성 소자는 트랜지스터이고, 상기 트랜지스터 중의 하나는 상기 제1 접점에 연결되는 소스 및 드레인 전극과 상기 소정의 기준전위에 연결되는 게이트 전극을 갖고 상기 트랜지스터 중의 다른 하나는 상기 제1 접점에 연결되는 게이트 전극과 제2 접점에 연결되는 소스 및 드레인 전극을 갖는 것을 특징으로 하는 리미터 회로.
  10. 리미터 회로에 있어서,
    상기 리미터 회로의 입력측에 연결되고, 상기 리미터 회로의 입력측에 인가되는 입력신호의 함수인 소정의 평균 레벨의 전압을 산출하는 전압 증배 회로;
    상기 전압 증배 회로에 연결되고 상기 입력신호에 비례하는 레벨의 출력전압을 생성하는 분압 회로;
    상기 분압 회로의 상기 출력전압이 인가되는 게이트 전극과, 드레인 전극 및 소스 전극을 포함하며, 상기 드레인 전극 및 소스 전극 중의 하나는 상기 리미터 회로의 출력측에 연결되고 상기 드레인 전극 및 소스 전극 중의 다른 하나는 기준전위에 연결되는 인핸스먼트형 전계 효과 트랜지스터; 및
    상기 리미터 회로의 입력측과 상기 리미터 회로의 출력측 사이를 연결하고 nλ/4의 전기길이 (단, λ는 상기 리미터 회로의 공칭 동작 파장, n은 홀수의 정수) 를 갖는 전송선을 포함하는 리미터 회로.
  11. 제1항에 있어서, 상기 정류 회로는 상기 입력측과 상기 기준전위 사이에 연결되고, 상기 분압 회로는 상기 정류 회로의 출력과 상기 기준 전위 사이에 연결된 것을 특징으로 하는 리미터 회로.
  12. 제1항에 있어서, 상기 트랜지스터는 전도 조건과 비전도 조건 사이를 스위칭하는 것을 특징으로 하는 리미터 회로.
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