KR101102344B1 - 노치필터를 이용한 저잡음 증폭기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 노치필터를 이용한 저잡음 증폭기에 관한 것으로, 다수의 표준을 지원하기 위하여 여러 단의 임피던스 매칭 회로 및 여러 개의 저잡음 증폭기를 이용하는 종래의 방법과는 다르게 하나의 캐스코드단과 출력 버퍼단, 노치필터를 이용하여 광대역에서의 고성능을 가능하게 하며, 원하지 않는 주파수에서의 이득을 감쇄시켜 잡음을 줄이고 주파수 대역을 최적화하고, 입력단의 커패시터와 인덕터를 이용하여 광대역에서의 입력 임피던스 매칭이 가능하며, 노치필터를 로드가 아닌 캐스코드 구조 사이에 삽입하여 노치필터의 임피던스가 그 다음 단에 미치는 영향을 줄이는 이점이 있다.

노치필터, 캐스코드 구조, 소스 디제네레이션 구조

Description

노치필터를 이용한 저잡음 증폭기{LOW NOISE AMPLIFIER USING NOTCH FILTER}

본 발명은 노치필터를 이용한 저잡음 증폭기(Low Noise Amplifier : LNA)에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 다양한 표준에서 요구되는 주파수 대역을 선택적으로 이득을 높여 잡음을 없애고 불필요한 주파수 대역에서의 이득을 낮춘 노치필터를 이용한 저잡음 증폭기에 관한 것이다.

최근에는 통신의 발전에 따라 다양한 국제 표준들이 제정되고 있으며, 많이 사용되는 주파수 대역들을 모두 지원할 수 있는 다중 대역 수신기에 대한 수요가 늘고 있다. RF 프론트 앤드(front-end) 기술은 이러한 다중 대역 수신기를 구현할 수 있도록 하는 중요한 요소이다.

종래 기술에 따라 다중 대역 RF 프론트 앤드를 구성하는 방법으로는 다수의 표준을 지원하기 위하여 각 표준에 맞는 각각의 저잡음 증폭기 및 믹서를 병렬로 구성하는 방법과 하나의 저잡음 증폭기와 믹서를 사용하는 방법이 있다.

각 표준에 맞는 여러 개의 저잡음 증폭기를 이용하는 방법은 도 1a와 같이 각 표준에서 쓰이는 주파수에 맞게 입력 및 출력 임피던스를 정합시키고, 각 주파 수에서의 이득과 잡음이 최소가 되게 설계를 한 뒤, 각각의 저잡음 증폭기를 병렬로 두어 입력신호의 주파수에 따라 알맞은 저잡음 증폭기가 작동하게끔 한다.

다른 방법인 하나의 저잡음 증폭기로 다수의 표준을 지원하는 방식은 다수의 표준에 포함되는 모든 주파수 대역에서의 입력 및 출력 임피던스를 정합시키고, 광대역의 특성을 갖는 이득과 낮은 잡음 지수를 만족시키도록 하는 방법이다.

그런데, RF 프론트 앤드는 그 특성상 넓은 주파수 대역에서 낮은 잡음지수와 선형성 및 높은 이득을 모두 만족시키는 것이 매우 어렵다.

따라서, 종래의 기술에서는 도 1b와 같이 하나의 저잡음 증폭기와 여러 단의 입력 정합회로와 전류원, 증폭단을 두어 넓은 대역에서의 임피던스 정합과 낮은 잡음 지수를 만족시킨다.

한편, 종래 기술에 따라 노치필터를 구현하는 방법으로는 신호가 들어오는 입력단에 인덕터와 커패시터로 구성된 병렬 공진탱크를 삽입하여 인덕터와 커패시터의 공진주파수에서의 입력신호를 차단하는 도 2a와 같은 방법과 저잡음 증폭기의 로드에 인덕터와 커패시터의 직렬 및 병렬 공진 탱크를 이용하여 원하지 않는 주파수에서의 이득을 제거시키는 도 2b에서의 방법을 사용하였다. 인덕터와 커패시터로 이루어진 수동 노치필터는 온칩(on-chip)에서의 인덕터에 의해 노치필터의 Q값이 영향을 많이 받기 때문에 능동 노치필터로 추가적인 트랜지스터를 사용하는 방법도 있다.

종래 기술에 따라 각 표준에 맞는 저잡음 증폭기를 여러 개 이용하는 방식은, 구조가 복잡해지고 많은 부품이 필요하며, 전력소비가 커져 많은 비용과 자원 을 소비하게 된다.

또한, 종래 기술에 따라 하나의 저잡음 증폭기로 다수의 표준을 지원하는 방식은, 넓은 주파수 대역과 선형성, 높은 이득과 잡음지수를 모두 만족하기에 어려움이 있으며, 이 문제를 해결하기 위하여 여러 단의 입력 정합회로와 전류원, 증폭단을 쓰는 경우는 많은 비용과 자원의 소비 문제가 발생하게 된다.

광대역을 지원하는 저잡음 증폭기의 경우에 쓰이지 않는 주파수 대역에서의 잡음 또한 무시할 수 없다. 저잡음 증폭기는 수신기의 제일 첫 번째 단에 위치하기 때문에 잡음과 신호 왜곡을 최대한 억제하고 입력 및 출력 임피던스를 정합시켜야 한다.

종래의 기술에서 입력 임피던스 정합을 위하여 직접 저항을 연결하는 방법, 공통 게이트 구조를 이용하는 방법, 병렬-직렬 귀환 구조를 이용하는 방법, 인덕티브 디제네레이션를 이용하는 방법이 있다.

직접 저항을 연결하는 경우에는 광대역 정합이 가능하나 저항의 열잡음이 발생하여 잡음 지수가 좋지 않다. 공통 게이트 구조를 이용하는 방법은 트랜스컨덕턴스를 조절하여 입력 임피던스 정합이 가능하지만 채널이 짧아지면 회로의 잡음지수가 나빠진다. 저항을 이용한 병렬-직렬 귀환 구조 또한 저항에서 발생되는 열잡음으로 잡음지수가 좋지 않다. 인덕티브 디제네레이션은 잡음지수도 좋고 입력 임피던스 정합에도 좋지만 협대역에 맞는 특성을 가진다.

노치필터를 구현하는 방법에 있어서도, 입력단에 인덕터와 커패시터로 구성된 병렬 공진탱크를 삽입하여 인덕터와 커패시터의 공진주파수에서의 입력신호를 차단하는 방법은 공진주파수를 중심으로 근접한 주파수에서의 이득이 매우 낮아 높은 Q값을 갖는 노치필터를 구현하기에 어려움이 있으며, 높은 이득을 만족시키기 어렵다.

저잡음 증폭기의 로드에 인덕터와 커패시터로 구성된 직렬 및 병렬 공진 탱크를 이용하는 방법은 로드의 노치필터가 출력 임피던스뿐만이 아니라 입력 임피던스에도 영향을 미쳐서 임피던스 정합에 어려움이 있다.

능동 노치필터를 구현하기 위해 추가적인 트랜지스터를 쓰면 추가적인 전력소모가 발생하는 문제가 있다. 또한 기존의 노치필터 구조로는 이득이 감쇄되는 주파수를 중심으로 대칭적인 주파수 대역을 만족시키기 어렵다.

본 발명에서는 다양한 표준에서 요구되는 주파수 대역에서의 이득을 높이고, 불필요한 주파수 대역에서의 이득을 낮춘 저잡음 증폭기를 제공한다.

본 발명에서는 노치필터를 이용하여 하나의 저잡음 증폭기와 버퍼로 다수의 표준을 지원 가능하게 하여 RF 수신기의 구조를 간단히 하고 부피를 감소시키며 전력 손실을 줄일 수 있도록 한다.

본 발명에서는 인덕터와 커패시터의 공진기를 기본으로 한 4차 노치필터를 이용하여 대칭적인 이득을 갖고 높은 감쇄를 구현할 수 있도록 하며, 캐스코드(cascode) 구조에서 두 트랜지스터 사이에 노치필터를 배치하여 저항성분의 출력 임피던스를 통해 넓은 대역에서 이득을 높이고 노치필터로 불필요한 주파수대역의 이득을 감쇄시킬 수 있도록 한다.

본 발명에서는 인덕티브 디제네레이션에 추가적인 커패시터를 사용하여 광대역에서의 입력 임피던스 정합을 가능하게 한다.

본 발명의 제 1 관점으로서 노치필터를 이용한 저잡음 증폭기는, 복수의 트랜지스터를 캐스코드 구조로 접속한 캐스코드 입력부와, 상기 캐스코드 입력부를 통해 입력되는 신호에 대해 원하는 주파수 대역은 지원하고 원하지 않는 주파수 대역의 이득을 감쇄시킬 수 있는 노치필터부와, 출력 임피던스를 정합하여 상기 노치필터부에 의해 이득이 조정된 신호를 출력할 수 있는 출력 버퍼부를 포함한다.

여기서, 상기 캐스코드 입력부는, 입력 임피턴스의 정합을 위한 가변형 커패시턴스와 가변형 디제네레이션 인덕턴스를 포함하는 소스 디제네레이션 구조를 가진다.

상기 노치필터부는, 한쪽 끝을 상기 복수의 트랜지스터가 상호 접속하는 접속단에 연결하고, 다른 쪽 끝을 바이어스 전압에 연결한다.

상기 출력 버퍼부는, 버퍼단에 바이어스를 주기 위한 피드백저항을 포함한다.

본 발명에 의하면, 다수의 표준을 지원하기 위하여 여러 단의 임피던스 매칭 회로 및 여러 개의 저잡음 증폭기를 이용하는 종래의 방법과는 다르게 하나의 캐스코드단과 출력 버퍼단, 노치필터를 이용하여 광대역에서의 고성능을 가능하게 한다. 또한 원하지 않는 주파수에서의 이득을 감쇄시켜 잡음을 줄이고 주파수 대역을 최적화한다. 입력단의 커패시터와 인덕터를 이용하여 광대역에서의 입력 임피던스 매칭이 가능하며, 노치필터를 로드가 아닌 캐스코드 구조 사이에 삽입하여 노치필터의 임피던스가 그 다음 단에 미치는 영향을 줄이는 효과가 있다.

이하, 본 발명의 일부 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 아울러 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

도 3은 본 발명에서 지원하는 다수의 표준 주파수의 대역도이다.

이에 나타낸 바와 같이 각 표준 주파수 대역을 살펴보면, DSN(824∼894MHz), GSM(880∼960MHz), GPS(1.57∼1.58MHz), DCS(1.71∼1.88GHz), PCS(1.85∼1.99GHz), CDMA 2000 또는 WCDMA(2.11∼2.17GHz), WiBro(2.3∼2.4GHz), Bluetooth(2.4∼2.4835GHz) 등과 같다. 본 발명에서는 이처럼 다양한 표준에 맞는 주파수 대역을 지원하기 위하여 노치필터를 이용하여 960MHz∼1.57GHz의 주로 쓰이지 않는 주파수 대역에서의 이득을 감쇄시킴으로써 주파수 대역을 최적화하고 잡음을 줄인다.

도 4는 본 발명에서 이용한 노치필터의 회로도이며, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 노치필터를 이용한 저잡음 증폭기의 회로도이다.

이에 나타낸 바와 같이 본 발명의 저잡음 증폭기는, 두 개의 MOSFET(M₁, M₂)를 캐스코드 구조로 접속한 캐스코드 입력부(110)와, MOSFET들(M₁, M₂) 사이에 접속하여 캐스코드 입력부(110)를 통해 입력되는 신호에 대해 원하는 주파수 대역은 지원하고 원하지 않는 주파수 대역의 이득을 감쇄시키는 노치필터부(120)와, 출력 임피던스를 정합하여 노치필터부(120)에 의해 이득이 조정된 신호를 출력하는 출력 버퍼부(130) 등을 포함한다.

캐스코드 입력부(110)는 입력 임피턴스의 정합을 위한 가변형 커패시턴스(C_ex)와 가변형 디제네레이션 인덕턴스(L_s)를 포함하는 소스 디제네레이션 구조를 사용한다.

출력 버퍼부(130)는 버퍼단에 바이어스를 주기 위한 피드백저항(R_b)을 포함한다.

노치필터를 이용하여 저잡음 증폭기를 구현할 때에 노치필터를 입력단에 삽입하거나 로드에 배치하면, 노치필터를 입력단에 삽입하는 경우는 이득의 감소와 낮은 Q값의 문제가 발생하며, 노치필터를 로드에 배치하는 경우에는 노치필터의 임피던스가 입력 및 출력 임피던스에 큰 영향을 미치게 되어 임피던스 정합에 어려움이 발생한다. 또한 로드에 노치필터를 배치하고 출력 임피던스 정합을 위해 버퍼단을 연결하였을 때에 앞단의 노치필터 임피던스의 영향을 바로 받기 때문에 원하는 주파수 대역을 만족시키기 어렵다. 본 발명에서는 노치필터부(120)의 한쪽 끝은 MOSFET(M₁)의 드레인, 즉 MOSFET(M₁)와 MOSFET(M₂)가 상호 접속하는 접속단과 연결하고 다른 쪽 끝은 바이어스 전압과 연결하여 출력 임피던스 정합 문제를 출력 버퍼부(130)의 추가를 통해 해결할 수 있다.

캐스코드 입력부(110)를 구성하는 MOSFET(M₁)의 드레인에 노치필터부(120)를 연결하여 출력 임피던스(Z_out)가 아래의 수학식 1과 같이 보이게 되어 노치필터부(120)의 직렬 공진 주파수에서 임피던스와 이득이 감쇄되고, 직렬 공진 주파수를 중심으로 대칭적인 높은 이득을 가지는 주파수 대역을 가지게 된다.

수학식 1에서, g_m은 트랜스컨덕턴스(transconductance)이며, g_m2는 MOSFET(M₂)에서 발생하는 트랜스컨덕턴스를 의미한다. r_o1는 MOSFET(M₁)의 출력저항(output resistance)이며, r_o2는 MOSFET(M₂)의 출력저항이다. Z_노치는 노치필터부(120)의 임피던스이다.

노치필터부(120)의 L₁과 L₂의 비율, C₁과 C₂의 비율을 조절하면 이득의 감쇄되는 정도와 감쇄되는 주파수를 조절할 수 있다. 첫 번째 단의 출력 임피던스(Z_out)는 위 수학식 1과 같으므로, 직렬 공진 주파수가 될 때 출력 저항은 매우 낮아지고 이득이 감쇄된다. 가변형 커패시턴스(C_ex)와 가변형 디제네레이션 인덕턴스(L_s)는 입력 임피던스를 특정값, 예컨대 50Ω에 맞추기 위해 쓰인다. 밀러효과를 무시했을 때에 입력 임피던스(Z_in)는 아래의 수학식 2와 같다.

수학식 2에서, g_m1은 MOSFET(M₁)에서 발생하는 트랜스컨덕턴스를 의미한다.

수학식 2에서 C_ex와 L_s값을 조절하면 광대역에서 입력 임피던스 정합이 가능하나, 입력 임피던스 정합은 이득과 잡음지수와 상충관계에 있다. 본 발명에서는 출력 버퍼부(130)를 이용함으로써 이득을 높이고 출력 임피던스 정합을 만족시킬 수 있다.

본 발명에서 이용하는 노치필터부(120)는 두 개의 병렬 공진 주파수와 하나의 직렬 공진 주파수를 갖는 공진기로 이루어져있다. 노치필터부(120)의 임피던스(Z_노치, Z_notch)는 아래의 수학식 3과 같다.

수학식 3에서, s는 임피던스를 라플라스 변환(laplace transform)하여 구한 성분으로써 복소각주파수(s=jω)를 의미한다.

위 수학식 3과 같은 임피던스 식을 통해 이득이 감쇄되는 주파수와 이득의 첨두 주파수를 아래의 수학식 4a, 수학식 4b, 수학식 4c를 통해 알 수 있다.

수학식 4a 내지 수학식 4c에서의 기호의 정의는 다음과 같다. 노치필터를 구현하게 되면 M형태의 주파수 대역이 나오게 되어 이 중에서 가장 높은 이득이 나오는 부분, 즉 첨두값이 두 곳에서 발생하는데, 이때의 주파수를 첨두 주파수(

)라 하여

과

라 하며, 그 가운데에 있는 정지 대역(stop band)의 중심주파수를

이라 한 것이다.

따라서, 인덕턴스와 커패시턴스 값을 조절하여 이득을 감쇄시키고 싶은 주파수 구간인 960MHz∼1.57GHz의 중간 주파수인 1.25GHz가

이 되도록 맞추면 1.25GHz를 중심으로 대칭적인 주파수 대역을 구현할 수 있다. 도 4의 노치필터를 보면 병렬 공진기로 인한 주파수와 직렬 공진기로 인한 주파수가 같아지면 직렬 공 진 주파수를 중심으로 대칭적인 주파수 대역을 만들 수 있다. 여기서, 아래의 수학식 5를 만족시키게끔 인덕터와 커패시터를 조절하면 원하는 주파수 대역을 지원할 수 있게 된다.

수학식 5에서, π는 원주율이다.

위 수학식 5를 노치필터부(120)에서의 소자 값을 조절할 때의 편의를 도모하기 위하여 L₁은 Lk, L₂는 L(1-k), C₁은 C, C₂는 C/[k(1-k)]로 두면 노치필터부(120)의 임피던스(Z_노치, Z_notch)와 첨두 주파수를 아래의 수학식 6과 수학식 7과 같이 간단히 계산할 수 있으며, k의 값을 정하면 직렬 공진 주파수에서의 감쇄되는 정도를 조절할 수 있다.

한편, 소스 디제네레이션 구조를 사용하면 입력 임피던스 정합은 되나 광대 역 정합에는 용이하지 않다. 따라서 본 발명에서는 가변형 커패시턴스(C_ex)를 두어 값을 조절하여 광대역에서 입력 임피던스 정합을 구현할 수 있다. 하지만 커패시터의 값과 디제네레이션 인덕터의 값이 커질수록 입력 임피던스 정합은 잘되나 잡음 지수와 이득이 나빠지는 상충관계에 있다.

본 발명에서는 출력 임피던스 정합을 위하여 출력 버퍼부(130)를 두었으며, 출력 버퍼부(130)의 버퍼단에 바이어스를 주기 위해 피드백저항(R_b)을 사용하였다. 이러한 출력 버퍼부(130)를 통해 광대역에서의 출력 임피던스 정합이 가능하다.

지금까지 본 발명에 대하여 그 일부 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1a는 다수의 주파수 대역을 지원하기 위한 병렬로 구성된 예시적인 블록도,

도 1b는 입력 임피던스 정합을 위한 다수의 입력단 예시도,

도 2a는 입력단에 노치필터를 구현한 예시도,

도 2b는 로드에 노치필터를 구현한 예시도,

도 3은 본 발명에서 지원하는 다수의 표준 주파수의 대역도,

도 4는 본 발명에서 이용한 노치필터의 회로도,

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 노치필터를 이용한 저잡음 증폭기의 회로도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

110 : 캐스코드 입력부

120 : 노치필터부

130 : 출력 버퍼부

Claims (4)

1. 삭제
2. 복수의 트랜지스터를 캐스코드 구조로 접속한 캐스코드 입력부와,

   상기 캐스코드 입력부를 통해 입력되는 신호에 대해 원하는 주파수 대역은 지원하고 원하지 않는 주파수 대역의 이득을 감쇄시킬 수 있는 노치필터부와,

   출력 임피던스를 정합하여 상기 노치필터부에 의해 이득이 조정된 신호를 출력할 수 있는 출력 버퍼부를 포함하며,

   상기 노치필터부는, 한쪽 끝을 상기 복수의 트랜지스터가 상호 접속하는 접속단에 연결하고, 다른 쪽 끝을 바이어스 전압에 연결하며,

   상기 캐스코드 입력부는, 입력 임피턴스의 정합을 위한 가변형 커패시턴스와 가변형 디제네레이션 인덕턴스를 포함하는 소스 디제네레이션 구조를 가지는

   노치필터를 이용한 저잡음 증폭기.
3. 삭제
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 출력 버퍼부는, 버퍼단에 바이어스를 주기 위한 피드백저항

   을 포함하는 노치필터를 이용한 저잡음 증폭기.

Images