KR101138997B1 - 주파수 트래킹 필터를 포함하는 필터 및 그 구동 방법 - Google Patents

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Abstract

무선 주파수 신호 중에서 중심 주파수를 가변시키면서 일정 주파수 대역의 신호를 출력하는 주파수 트래킹 필터로서, 제1 트랜스컨덕턴스 값으로 입력 신호를 증폭하여 출력하는 제1 트랜스컨덕턴스부, 제1 트랜스컨덕턴스부의 출력 단자에 연결되어 있으면서 제2 트랜스컨덕턴스 값으로 입력 신호를 증폭하여 출력하는 제2 트랜스컨덕턴스부, 제2 회로의 출력 단자에 연결되어 있으면서 제3 트랜스컨덕턴스 값으로 입력 신호를 증폭하여 출력하는 제3 트랜스컨덕턴스부 그리고 제1 트랜스컨덕턴스부 및 제 2 트랜스컨덕턴스부의 출력 단자에 연결되어 있는 제1 및 제2 커패시터를 포함한다. 그리고 제2 트랜스컨덕턴스부와 제3 트랜스컨덕턴스부는 부성 저항 부하를 포함한다.

Description

주파수 트래킹 필터를 포함하는 필터 및 그 구동 방법{FILTER INCLUDING FREQUENCY TRACKING FILTER AND DRIVING METHOD THEREOF}
본 발명은 필터에 관한 것으로, 특히 디지털 방송 수신을 위한 튜너에 적용되는 무선 주파수(radio frequency, RF) 트래킹 필터에 관한 것이다.
본 발명은 교육과학기술부 주관의 중견연구자지원사업(도약연구)의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2009-0083059, 과제명: Digital Tuner Single Chip 개발].
디지털 텔레비전(Digital Television, DTV)의 수신단은 광대역 주파수(48~860MHz)를 갖는 무선 주파수 신호(Radio Frequency, RF)를 수신한 뒤에 기저 대역(baseband)의 신호로 하향 주파수 변환하는데, 디지털 방송을 수신하여 원하는 채널을 선택하기 위한 튜너(tuner)를 내장하고 있다. 이러한 DTV용 튜너를 단일 칩(single chip) 기반으로 구현하는 경우, 저전력의 소형 칩으로 개발하는 이슈가 있고, 또한 광대역 주파수로 인하여 고조파 제거(harmonic rejection), 이미지 제거, 동작 영역(dynamic range) 확보 그리고 선형성(linearity) 향상을 위한 개발이 진행되고 있다. 특히 복수의 강한 간섭이 존재하는 TV 방송 환경에서 DTV 튜너의 채널 선택성을 높이기 위해 선형성을 향상시키는 것이 중요하다.
DTV 튜너는 협대역 RF 수신기와는 달리, 낮은 주파수 밴드의 채널을 수신하면, 발진기(oscillator)의 고조파가 동일한 DTV 밴드에 나타날 수 있고 소자의 비선형성으로 인해, 고조파 주파수 혼합과 혼변조 왜곡(InterModulation Distortion, IMD) 현상이 발생한다. 그리고 수신한 무선 주파수 신호에는 다수의 채널이 포함되어 있기 때문에 원하는 주파수 채널에 인접해 있는 채널들이 원하는 주파수 채널에 유입되어 신호 대 잡음비(Signal to Noise Ratio, SNR)를 나쁘게 한다. 따라서 튜너에서는 원하지 않는 채널과 고조파 성분을 제거하는 것이 중요하다.
다수의 채널이 인접해 있는 디지털 방송 채널에서는 원하는 대역의 주파수를 선택하기 위해 주파수 트래킹 필터(RF tracking filter)를 이용하며, 이 필터는 튜너에서 저잡음 증폭기(Low Noise Amplifier, LNA)와 주파수 혼합기(Mixer) 사이에 위치한다. DTV용 튜너는 디지털 방송 대역(48-860MHz)에서 동작하여야 하므로, 주파수 튜닝(tunning) 범위가 넓으면서도 원하는 채널을 간섭 없이 선택할 수 있도록 품질 지수(Q factor)가 큰 대역 통과 필터가 요구된다.
주파수 트래킹 필터는 저항(R)과 커패시터(C)를 이용한 능동 RC 타입이나 트랜스컨덕턴스(transconductance, Gm)와 커패시터(C)를 이용한 Gm-C 타입으로 구현할 수 있다. RC 필터는 닫힌 루프(closed-loop)로 동작하는 증폭기로서 높은 선형성을 얻을 수 있다. 그러나 대역폭에 한계가 있으므로 넓은 대역에서 동작하는 필터를 구현하기 위해서는 전력이 많이 요구되어 DTV 튜너에 적용하기는 어렵다. 따라서 열린 루프(open-loop)로 동작하는 Gm-C 타입의 필터를 넓은 동작 범위가 요구되는 DTV 튜너에 이용할 수 있다.
본 발명이 해결하려는 과제는 주파수 트래킹 필터에서 원하지 않는 채널 신호와 고조파 성분을 제거할 수 있도록 품질 지수를 높이고 전력 소모를 줄이는 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 적어도 하나의 주파수 트래킹 필터를 포함하는 필터로서, 각 주파수 트래킹 필터는, 제1 트랜스컨덕턴스 값으로 입력 신호를 증폭하여 출력하는 제1 트랜스컨덕턴스부, 상기 제1 트랜스컨덕턴스부의 출력 단자에 입력 단자가 연결되어 있고, 제2 트랜스컨덕턴스 값으로 입력 신호를 증폭하여 출력하는 제2 트랜스컨덕턴스부, 입력 단자가 상기 제2 트랜스컨덕턴스부의 출력 단자에 연결되어 있고, 출력 단자가 상기 제2 트랜스컨덕턴스부의 입력 단자에 연결되어 있으며, 제3 트랜스컨덕턴스 값으로 입력 신호를 증폭하여 출력하는 제3 트랜스컨덕턴스부, 상기 제1 트랜스컨덕턴스부의 출력 단자와 상기 제2 트랜스컨덕턴스부의 입력 단자의 접점에 연결되어 있는 제1 커패시터, 그리고 상기 제2 트랜스컨덕턴스부의 출력 단자와 상기 제3 트랜스컨덕턴스부의 입력 단자의 접점에 연결되어 있는 제2 커패시터를 포함하며, 상기 제2 트랜스컨덕턴스부와 상기 제3 트랜스컨덕턴스부 중 적어도 하나는 부성 저항 부하부를 포함한다.
상기 제1 커패시터와 상기 제2 커패시터 중 적어도 하나는 가변 커패시턴스를 가진다.
상기 제2 및 제3 트랜스컨덕턴스부의 입력 단자는 각각 양의 입력 단자와 음의 입력 단자를 포함하고, 상기 제2 및 제3 트랜스컨덕턴스의 출력 단자는 각각 양의 출력 단자와 음의 출력 단자를 포함하며, 상기 제2 트랜스컨덕턴스부의 양의 입력 단자와 상기 제3 트랜스컨덕턴스부의 양의 출력 단자가 연결되어 있고, 상기 제2 트랜스컨덕턴스부의 음의 입력 단자와 상기 제3 트랜스컨덕턴스부의 음의 출력 단자가 연결되어 있다.
상기 적어도 하나의 주파수 트래킹 필터는 직렬로 연결되어 있는 복수의 주파수 트래킹 필터를 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 주파수 트래킹 필터는 병렬로 연결되어 있는 복수의 주파수 트래킹 필터를 포함할 수 있다. 각 주파수 트래킹 필터는, 상기 제1 트랜스컨덕턴스부의 입력 단자와 상기 필터의 입력 단자 사이에 연결되어 있는 제1 스위치, 그리고 상기 제3 트랜스컨덕턴스부의 출력 단자와 상기 필터의 출력 단자 사이에 연결되어 있는 제2 스위치를 더 포함하며, 상기 복수의 주파수 트래킹 필터의 제1 및 제2 스위치는 상기 필터의 입력 신호의 주파수 범위에 따라 온오프된다.
본 발명의 한 실시예에 따른 무선 주파수 신호 중에서 중심 주파수를 가변시키면서 일정 주파수 대역의 신호를 출력하는 주파수 트래킹 필터로서, 소정의 트랜스컨덕턴스 값을 가지며, 직렬로 연결되어 있는 복수의 트랜스컨덕턴스부, 그리고 상기 복수의 트랜스컨덕턴스부의 출력 전류에 대응하는 전압을 제공하는 복수의 커패시터를 포함하고, 상기 복수의 트랜스컨덕턴스부 중 적어도 하나는 차동 입력 전압을 상기 트랜스컨덕턴스 값으로 증폭하여 상기 출력 전류를 출력하는 입출력부, 그리고 상기 입출력부의 출력 단자에 연결된 부성 저항 부하부를 포함한다.
상기 입출력부는 차동 쌍의 구조를 갖는 제1 트랜지스터와 제2 트랜지스터를 포함할 수 있다.
상기 입출력부는 상기 제1 트랜지스터의 소스 전극에 드레인 전극이 연결된 제3 및 제4 트랜지스터와 상기 제2 트랜지스터의 소스 전극에 드레인 전극이 연결된 제5 및 제6 트랜지스터를 포함하며, 상기 제3 및 제5 트랜지스터의 게이트 전극은 상기 제1 트랜지스터의 게이트 전극에 연결되고, 상기 제4 및 제6 트랜지스터의 게이트 전극은 상기 제2 트랜지스터의 게이트 전극에 연결될 수 있다.
상기 부성 저항 부하부는 게이트 전극과 드레인 전극이 서로 교차되어 연결되는 제7 트랜지스터와 제8 트랜지스터를 포함하고, 상기 교차하여 연결되는 접점이 상기 제1 트랜지스터 및 제2 트랜지스터의 드레인 전극에 연결될 수 있다.
상기 제7 및 제8 트랜지스터는 P타입의 트랜지스터일 수 있다.
상기 복수의 트랜스컨덕턴스부 중 적어도 하나는 공통 모드 피드백을 제공하는 복수의 트랜지스터를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 직렬로 연결되어 있는 제1 내지 제3 트랜스컨덕턴스부, 상기 제1 트랜스컨덕턴스부의 출력 단자에 연결된 제1 커패시터 및 상기 제2 트랜스컨덕턴스부의 출력 단자에 연결된 제2 커패시터를 포함하는 주파수 트래킹 필터의 구동 방법으로서, 상기 제1 트랜스컨덕턴스부에 차동 전압을 입력하는 단계, 상기 차동 전압을 상기 제1 트랜스컨덕턴스부의 트랜스컨덕턴스 값으로 증폭하여 전류를 출력하는 단계, 상기 제1 및 제3 트랜스컨덕턴스부의 출력 저항 성분, 상기 제2 및 제3 트랜스컨덕턴스와 상기 제2 커패시터에 의해 형성되는 인덕턴스 성분 및 상기 제1 커패시터를 이용하여 공진하는 단계, 그리고 상기 제1 커패시터의 전압을 출력하는 단계를 포함하며, 상기 제2 및 제3 트랜스컨덕턴스부 중 적어도 하나는 부성 저항 성분을 포함한다.
상기 인덕턴스 성분은 상기 제2 트랜스컨덕턴스부의 입력 단자와 상기 제3 트랜스컨덕턴스부의 출력 단자를 연결한 상기 제2 트랜스컨덕턴스부 및 상기 제3 트랜스컨덕턴스부의 트랜스컨덕턴스 값과 상기 제2 커패시터에 의해 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면 광대역의 DTV 주파수 대역에서 높은 품질 지수(Q)를 얻을 수 있어 튜너의 성능을 향상시키고 전력 소모를 줄일 수 있다.
도 1는 본 발명의 한 실시예에 따른 주파수 트래킹 필터의 기본 블록을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 주파수 트래킹 필터를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 주파수 트래킹 필터를 나타내는 도면이다.
도 4a와 도 4b는 본 발명의 한 실시예에 따른 트랜스컨덕턴스부의 구조를 나타내는 블록도이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 트랜스컨덕턴스부의 입출력부와 소스 궤환부를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 트랜스컨덕턴스부의 부성 저항 부하부를 나타내는 회로이다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 트랜스컨덕턴스부의 소신호 모델을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 트랜스컨덕턴스부를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 한 실시예에 따른 주파수 트래킹 필터를 포함하는 DTV 수신단을 나타내는 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이제 도면을 참고하여 본 발명의 한 실시예에 따른 주파수 트래킹 필터에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 주파수 트래킹 필터의 기본 블록을 나타내는 도면이며, 도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 주파수 트래킹 필터를 나타내는 도면이다.
도 1을 참고하면, 주파수 트래킹 필터는 적어도 하나의 기본 블록을 가지며, 기본 블록은 소정의 트랜스컨덕턴스 값(transconductance, Gm)을 갖는 트랜스컨덕턴스부(100)와 트랜스컨덕턴스부의 부하에 연결된 커패시터(10)를 포함하는 회로이다. 트랜스컨덕턴스부(100)는 입력 전압(Vi)에 따라 전류(Io)를 출력하며, 입력 전압(Vi)에 대한 출력 전류(Io)의 비가 트랜스컨덕턴스 값(Gm)이 된다. 즉, 트랜스컨덕턴스부(100)는 입력 전압(Vi)을 트랜스컨덕턴스 값(Gm)으로 증폭한 전류(Io)를 출력한다. 그리고 커패시터(10)는 트랜스컨덕턴스부(100)의 출력 전류(Io)를 충전 또는 방전하여, 출력 전류(Io)와 자신의 커패시턴스(C)에 의해 결정되는 전압(Vo)을 제공한다.
도 2를 참고하면, 주파수 트래킹 필터는 복수의 기본 블록, 예를 들면 4개의 기본 블록을 포함하여서 대역 통과 필터로 동작한다. 즉, 주파수 트래킹 필터는 복수의 트랜스컨덕턴스부(210-240)와 복수의 커패시터(21-24)를 포함한다.
복수의 트랜스컨덕턴스부(210-240)는 직렬로 연결되어 있으며, 전단 트랜스컨덕턴스부의 양의 출력 단자와 음의 출력 단자가 각각 후단 트랜스컨덕턴스부의 음의 입력 단자와 양의 입력 단자에 연결되어 있다. 두 커패시터(21, 22)가 각각 트랜스컨덕턴스부(220)의 두 출력 단자[즉, 트랜스컨덕턴스부(230)의 두 입력 단자]에 연결되어 있으며, 두 커패시터(23, 24)가 각각 트랜스컨덕턴스부(230)의 두 출력 단자[즉, 트랜스컨덕턴스부(240)의 두 입력 단자]에 연결되어 있다.
이 경우, 트랜스컨덕턴스부(210)는 신호를 입력받는 입력부에 해당하고, 트랜스컨덕턴스부(220)는 양의 출력 단자가 음의 입력 단자에 연결되고 음의 출력 단자가 양의 입력 단자에 연결되어서 저항 성분(R)을 형성한다. 트랜스컨덕턴스부(230, 240)는 트랜스컨턱턴스부(240)의 양의 및 음의 출력 단자가 각각 트랜스컨덕턴스부(230)의 양의 및 음의 입력 단자에 연결되어서 커패시터(23, 24)와 함께 인덕턴스 성분(L)을 형성한다. 이에 따라 주파수 트래킹 필터는 RLC 공진에 의해 동작하며, 그 전달 함수를 구하면 수학식 1과 같다.
Figure 112010036463692-pat00001
여기서, Gm1, Gm2, Gm3, Gm4는 각각 트랜스컨덕턴스부(210-240)의 트랜스컨덕턴스 값이고, V1 및 V2는 각각 주파수 트래킹 필터의 입력 전압 및 출력 전압이며, C1은 커패시터(21, 22)의 커패시턴스의 1/2에 해당하는 값이며, C2는 커패시터(23, 24)의 커패시턴스의 1/2에 해당하는 값이다. ωo와 Q는 각각 주파수 트래킹 필터의 중심 주파수와 품질 지수로서, 수학식 2 및 3과 같이 주어진다. 주파수 트래킹 필터의 대역폭(B)은 수학식 4와 같이 트랜스컨덕턴스부(220)의 트랜스컨덕턴스 값(Gm2)에 영향을 받는다.
Figure 112010036463692-pat00002
Figure 112010036463692-pat00003
Figure 112010036463692-pat00004
도 2의 주파수 트래킹 필터에서 원하지 않는 채널과 고조파를 제거하기 위해서는 주파수 선택도, 즉 품질 지수(Q)가 커야 한다. 수학식 3에서 트랜스컨덕턴스 값(Gm3, Gm4)을 증가시키면 품질 지수를 높일 수 있지만. 이를 위해서는 트랜스컨덕턴스부(230, 240)에서의 전력 소비가 증가하게 된다. 게다가 동일한 중심 주파수를 유지하기 위해서는 트랜스컨덕턴스 값(Gm3, Gm4)이 증가함에 따라 커패시터 값(C1, C2)이 증가해야 하므로 칩 크기가 증가하게 된다. 따라서 광대역의 주파수 범위에서 동작하면서 소비 전력을 줄일 수 있는 주파수 트래킹 필터에 대해 도 3 내지 도 8을 참고하여 상세히 살펴본다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 주파수 트래킹 필터를 나타내는 도면이다.
도 3을 참고하면, 주파수 트래킹 필터(300)는 트랜스컨덕턴스 값(Gm5-Gm7)을 갖는 복수의 트랜스컨덕턴스부(310-330)와 복수의 커패시터(31-34)를 포함한다. 이러한 주파수 트래킹 필터(300)는 2차 대역 통과 필터인 바이쿼드(biquad) 필터로 동작할 수 있다. 커패시터(31-34) 중 적어도 하나는 가변 커패시터로 구현되어, 가변 커패시터의 커패시턴스를 조정하여서 주파수 트래킹 필터의 중심 주파수를 결정할 수 있다. 트랜스컨덕턴스부(310-330)는 직렬로 연결되어 있으며, 각 트랜스컨덕턴스부(310-330)는 차동 전압을 수신하는 두 입력 단자와 차동 전류를 출력하는 두 출력 단자를 가진다. 인접한 두 트랜스컨덕턴스부에서 전단 트랜스컨덕턴스부(310/320)의 음의 출력 단자에 후단 트랜스컨덕턴스부(320/330)의 양의 입력 단자가 연결되어 있고, 전단 트랜스컨덕턴스부(310/320)의 양의 출력 단자에 후단 트랜스컨덕턴스부(320/330)의 음의 입력 단자가 연결되어 있다. 그리고 트랜스컨덕턴스부(320)의 양의 입력 단자 및 음의 입력 단자가 각각 트랜스컨덕턴스부(330)의 양의 출력 단자 및 음의 출력 단자에 연결되어서 피드백 회로를 형성한다.
커패시터(31, 32)는 한 단자가 각각 트랜스컨덕턴스부(310)의 양의 출력 단자와 음의 출력 단자, 즉 트랜스컨덕턴스부(320)의 양의 입력 단자와 음의 입력 단자에 연결되고, 다른 단자가 그라운드에 연결되어 있다. 커패시터(33, 34)는 한 단자가 각각 트랜스컨덕턴스부(320)의 양의 출력 단자와 음의 출력 단자, 즉 트랜스컨덕턴스부(320)의 양의 입력 단자와 음의 입력 단자에 연결되고, 다른 단자가 그라운드에 연결되어 있다.
이러한 주파수 트래킹 필터(300)는 도 2의 주파수 트래킹 필터에서 저항으로 동작하는 트랜스컨덕턴스부(220) 대신에 트랜스컨덕턴스부(310,330)의 출력 저항을 이용하므로, 전력 소비를 줄일 수 있다. 그리고 트랜스컨덕턴스부(320, 330)는 입력 전압을 트랜스컨덕턴스 값에 따라 증폭하여서 전류를 출력하는 기능 외에, 부성 저항 부하(Negative Resistance Load, NRL)를 포함하여서 품질 지수(Q)를 높일 수 있다.
다음 도 2와 도 3에 따른 주파수 트래킹 필터의 전달 함수를 비교해본다.
먼저 도 2에서 트랜스컨덕턴스부는 기생 커패시터를 포함하는 입력 커패시터(Ci)와 출력 커패시터(Co), 그리고 출력 컨덕턴스 값(go)을 갖고 있으므로 수학식 1의 sC1과 sC2를 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다. 수학식 1에 수학식 5를 대입하면 수학식 6과 같다.
Figure 112010036463692-pat00005
Figure 112010036463692-pat00006
그리고 변경된 중심 주파수(ωo)와 품질 지수(Q)는 수학식 7 및 수학식 8과 같다.
Figure 112010036463692-pat00007
Figure 112010036463692-pat00008
수학식 8을 살펴보면 트랜스컨덕턴스부가 이상적이더라도, 즉 컨덕턴스(go)가 0이더라도 품질 지수(Q)는 무한대가 될 수 없음을 알 수 있다.
도 3에서 트랜스컨덕턴스부의 입력 커패시터(Ci)와 출력 커패시터(Co), 그리고 출력 컨덕턴스 값(go)을 반영하면 수학식 1의 sC1과 sC2를 수학식 9와 같이 나타낼 수 있다. 그리고 전달 함수는 수학식 10과 같다. 이때 도 2와 도 3을 비교하기 위해 트랜스컨덕턴스 값(Gm5)은 트랜스컨덕턴스 값(Gm1)과 같고, 트랜스컨덕턴스 값(Gm6)은 트랜스컨덕턴스 값(Gm3)과 같으며, 트랜스컨덕턴스 값(Gm7)은 트랜스컨덕턴스 값(Gm4)와 같다고 가정하고, 커패시터(21-24)도 대응되는 커패시터(31-34)와 같은 커패시턴스를 갖는다고 가정한다.
Figure 112010036463692-pat00009
Figure 112010036463692-pat00010
그리고 중심주파수(ωo)와 품질 지수(Q)는 수학식 11 및 수학식 12와 같다.
Figure 112010036463692-pat00011
Figure 112010036463692-pat00012
수학식 8과 수학식 12를 비교하면, 트랜스컨덕턴스부(220)가 없는 주파수 트래킹 필터(300)의 품질 지수(Q)가 더 높은 것을 알 수 있다. 또한 트랜스컨덕턴스부가 이상적인 경우, 즉 컨덕턴스(go)가 0인 경우, 품질 지수(Q)가 무한대가 될 수 있다.
다음, 도 4a 내지 도 7을 참고로 하여 본 발명의 한 실시예에 따른 주파수 트래킹 필터의 트랜스컨덕턴스부 구조에 대해서 상세하게 설명한다.
도 4a 및 도 4b는 각각 본 발명의 한 실시예에 따른 트랜스컨덕턴스부를 나타내는 블록도이며, 도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 트랜스컨덕턴스부의 입출력부와 소스 궤환부를 나타내는 도면이고, 도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 트랜스컨덕턴스부의 부성 저항 부하부를 나타내는 도면이며, 도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 트랜스컨덕턴스부의 소신호 모델을 나타내는 도면이다.
도 4a를 참고하면, 도 3의 첫 번째 트랜스컨덕턴스부(310)는 입출력부(410), 소스 궤환부(source degeneration)(420) 및 공통 모드 피드백부(Common Mode Feedback Block, CMFB)(430)를 포함한다. 입출력부(410)는 차동 입력 신호(Vin+, Vin-)를 입력받아 차동 출력 신호(Io+, Io-)를 출력하고, 입출력부(410)에는 소스 궤환부(420)가 연결된다. 그리고 입출력부(410)의 출력 단자에는 공통 모드 피드백부(430)가 연결된다.
도 4b를 참고하면, 도 3의 두 번째 또는 세 번째 트랜스컨덕턴스부(320/330)는 입출력부(410), 소스 궤환부(420) 및 공통 모드 피드백부(430) 외에 부성 저항 부하부(440)를 더 포함한다. 입출력부(410)는 차동 입력 신호(Vin+, Vin-)를 입력받아 차동 출력 신호Vo+, Vo-)를 출력하고, 입출력부(410)에는 소스궤환부(420)가 연결된다. 그리고 입출력부(410)의 출력 단자에는 부성 저항 부하부(440)와 공통 모드 피드백부(430)가 연결된다.
도 5를 참고하면, 입출력부(410)는 차동 쌍, 두 트랜지스터(M1, M2)를 포함한다. 두 트랜지스터(M1, M2)의 게이트 전극은 트랜스컨덕턴스부의 입력 단자에 해당하며, 차동 신호, 즉 양의 전압(Vin+)과 음의 전압(Vin-)을 각각 입력받는다. 두 트랜지스터(M1, M2)의 드레인 전극은 트랜스컨덕턴스부의 출력 단자에 해당하며, 차동 신호를 각각 출력한다. 두 트랜지스터(M1, M2)의 소스 전극은 소스 궤환부(420)에 연결된다.
소스 궤환부(420)는 복수의 트랜지스터, 예를 들면 2쌍의 차동 쌍을 이루는 4개의 트랜지스터(M3-M6)로 구성할 수 있으며, 각 차동 쌍의 트랜지스터의 게이트 전극에 차동 입력 신호(Vin+, Vin-)를 연결한다. 그리고 트랜지스터 쌍(M3, M4)의 드레인 전극은 연결되어 트랜지스터(M1)의 소스 전극에 연결되고, 트랜지스터 쌍(M5, M6)의 드레인 전극은 연결되어 트랜지스터(M2)의 소스 전극에 연결된다. 소스 궤환부(420)는 선형성을 높이기 위한 회로로서 입출력부(410)에 동적으로 변하는 소스 궤환 저항(source degeneration resistance)을 제공함으로써, 입출력부(410)에서 입력 신호(Vin)의 크기가 변하더라도 트랜지스터(M1, M2)가 거의 동일한 트랜스컨덕턴스 값을 유지하도록 한다. 그리고 입출력부(410)와 소스 궤환부(420)의 트랜지스터 크기의 비(ratio)를 조절하여 선형성을 최적화할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 입출력부(410)의 트랜지스터(M1)와 소스 궤환부(420)의 트랜지스터(M3, M4)의 크기의 비는 그 값이 2일 때 최적의 선형성을 확보할 수 있다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 부성 저항 부하부를 나타내는 도면이다.
도 6을 참고하면, 트랜스컨덕턴스부는 높은 DC 이득을 얻기 위해서 부성 저항 부하부(440)를 포함한다. 부하에 연결된 부성 저항은 이론적으로 무한의 DC 이득과 넓은 대역폭을 제공한다.
부성 저항 부하부(440)는 다양하게 구성될 수 있으나, 본 발명의 실시예에 따른 부성 저항 부하부(440)는 트랜지스터(M7-M10)로 구성되어 입출력부(410)의 출력 단자에 연결된다. 이때 트랜지스터(M7-M10)는 P타입의 트랜지스터일 수 있다.
트랜지스터(M7, M8)는 트랜지스터(M8)의 게이트 전극과 트랜지스터(M7)의 드레인 전극이 연결되어 트랜지스터(M1)의 드레인 전극에 연결된다. 그리고 트랜지스터(M7)의 게이트 전극과 트랜지스터(M8)의 드레인 전극이 연결되어 트랜지스터(M2)의 드레인 전극에 연결된다. 그리고 안정적 바이어스를 제공하기 위하여 트랜지스터(M9, M10)로 구성된 공통 모드 피드백 블록(Common Mode Feedback Block, CMFB)을 포함할 수 있다.
이와 같은 구성을 갖는 부성 저항 부하부(440)는 입출력부(410)의 차동 출력단 사이에 양의 피드백을 형성하여 마치 부성 저항이 있는 것처럼 동작한다. 이 부성 저항은 입출력부(410)의 출력단의 기생 저항(parasitic output resistance, Rp)을 상쇄하기 때문에 품질 지수(Q)를 향상시킬 수 있다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 트랜스컨덕턴스부의 소신호 모델을 차동 쌍의 한쪽에 대해 나타낸 회로이다.
도 7을 참고하면, 출력단에 부성 저항 부하부(440)가 연결된 트랜스컨덕턴스부의 등가회로는 입출력부(410)의 트랜지스터(M1)에 의한 기생 저항(Rp)과 기생 커패시터(Cp)가 존재하고, 부성 저항 부하부(440)의 부성 저항(Rn)이 병렬로 연결되며, 전류원을 포함하여 나타낼 수 있다. 전류원은 입력 신호(Vin)가 트랜지스터(M1)의 트랜스컨덕턴스 값(gm1)만큼 증폭된 크기를 갖는다.
도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 트랜스컨덕턴스부를 나타내는 회로이다.
트랜스컨덕턴스부(400)는 입출력부(410), 소스 궤환부(420), 공통모드 피드백 블록(430) 그리고 부성 저항 부하부(440)로 구성할 수 있다.
입출력부(410)는 차동 신호(Vin+, Vin-)를 입력받아 트랜스컨덕턴스 값으로 증폭된 전류를 출력한다. 입출력부(410)의 소스 전극에 선형성을 높이기 위한 소스 궤환부(420)를 연결한다. 그리고 입출력부(410)의 출력단에 부성 저항을 제공하는 부성 저항 부하부(440)를 연결하여 품질 지수(Q)를 향상시킬 수 있다. 그리고 바이어스를 안정화하기 위한 공통 모드 피드백 블록(430)을 추가할 수 있다.
공통 모드 피드백 블록(430)은 복수의 트랜지스터, 예를 들면 4개의 트랜지스터(Mcf1-Mcf4)로 구성할 수 있다. 입출력부(410)의 차동 출력단(Vo+, Vo-) 사이에 두 저항(Rs)을 직렬로 연결하고, 두 저항(Rs)이 연결된 접점에 공통 모드 피드백 블록(430)을 연결한다. 이러한 공통 모드 피드백 블록(430)은 저항(Rc)을 추가하여 충분한 위상 마진과 높은 선형성을 제공할 수 있다.
도 9는 본 발명의 한 실시예에 따른 주파수 트래킹 필터를 포함하는 DTV 수신단을 나타내는 도면이다.
도 9를 참고하면, 주파수 트래킹 필터부(500)는 DTV 수신단에서 수신 신호를 증폭하는 저잡음 증폭기(Low Noise Amplifier, LNA, 600)와 주파수를 하향 변환하는 주파수 혼합기(Mixer, 700)의 사이에 위치한다.
주파수 트래킹 필터부(500)는 DTV 수신을 위해 광대역의 주파수 범위에서 동작해야 한다. 따라서 성능을 최적화하기 위해서는 주파수 대역에 따라 구분된 복수의 필터를 사용할 수 있다. 복수의 주파수 트래킹 필터를 병렬로 연결하고, 입력 신호의 주파수에 따라 복수의 주파수 트래킹 필터 중에서 하나의 필터를 동작시킨다. 본 발명의 한 실시예에 따른 주파수 트래킹 필터부(500)는 2개의 주파수 대역 필터(510, 520)와 상보적으로 온오프되는 스위치(51-54)를 포함한다. 제1 주파수 대역 필터(510)는 저주파 대역, 예를 들면 48-350MHz 범위에서 동작하도록 트랜스컨덕턴스 값(Gm)과 가변 커패시터 값을 설정하고, 제2 주파수 대역 필터(520)는 고주파 대역, 예를 들면 300-860MHz 범위에서 동작하도록 회로를 구성한다. 이와 같이 두 필터(510, 520)는 일정 주파수 범위가 겹치도록 설계할 수 있다.
수신한 주파수가 제1 주파수 대역 필터(510)의 동작 범위의 신호이면 스위치(51, 52)를 온시키고, 스위치(53, 54)를 오프시킨다. 수신한 주파수가 제2 주파수 대역 필터(520)의 동작 범위이면 스위치(53, 54)를 온시키고, 스위치(51, 52)를 오프시킨다.
각 주파수 대역 필터(510, 520)는 도 3과 같은 바이쿼드 필터(300)로 구성할 수 있고, 바이쿼드 필터(300)를 순차로 연결하여 더 높은 차수의 대역 통과 필터, 예를 들면 바이쿼드 필터(300) 2개를 순차로 연결하여 4차 버터워스(Butterworth) 대역 통과 필터를 구현할 수 있다.
이상 살펴본 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 주파수 트래킹 필터는 부성 저항 부하부를 갖는 트랜스컨덕턴스부(320, 330)를 이용하여 높은 품질 지수(Q)를 제공함으로써 원하지 않는 채널 신호와 고조파의 제거가 가능하고, 전력 소모를 줄일 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (14)

  1. 적어도 하나의 주파수 트래킹 필터를 포함하는 필터로서,
    각 주파수 트래킹 필터는,
    제1 트랜스컨덕턴스 값으로 입력 신호를 증폭하여 출력하는 제1 트랜스컨덕턴스부,
    상기 제1 트랜스컨덕턴스부의 출력 단자에 입력 단자가 연결되어 있고, 제2 트랜스컨덕턴스 값으로 입력 신호를 증폭하여 출력하는 제2 트랜스컨덕턴스부,
    입력 단자가 상기 제2 트랜스컨덕턴스부의 출력 단자에 연결되어 있고, 출력 단자가 상기 제2 트랜스컨덕턴스부의 입력 단자에 연결되어 있으며, 제3 트랜스컨덕턴스 값으로 입력 신호를 증폭하여 출력하는 제3 트랜스컨덕턴스부,
    상기 제1 트랜스컨덕턴스부의 출력 단자와 상기 제2 트랜스컨덕턴스부의 입력 단자의 접점에 연결되어 있는 제1 커패시터, 그리고
    상기 제2 트랜스컨덕턴스부의 출력 단자와 상기 제3 트랜스컨덕턴스부의 입력 단자의 접점에 연결되어 있는 제2 커패시터
    를 포함하며,
    상기 제2 트랜스컨덕턴스부와 상기 제3 트랜스컨덕턴스부 중 적어도 하나는 부성 저항 부하부를 포함하고, 상기 적어도 하나의 주파수 트래킹 필터는 병렬로 연결되어 있는 복수의 주파수 트래킹 필터를 포함하는, 필터.
  2. 제1항에서,
    상기 제1 커패시터와 상기 제2 커패시터 중 적어도 하나는 가변 커패시턴스를 가지는 필터.
  3. 제1항에서,
    상기 제2 및 제3 트랜스컨덕턴스부의 입력 단자는 각각 양의 입력 단자와 음의 입력 단자를 포함하고,
    상기 제2 및 제3 트랜스컨덕턴스의 출력 단자는 각각 양의 출력 단자와 음의 출력 단자를 포함하며,
    상기 제2 트랜스컨덕턴스부의 양의 입력 단자와 상기 제3 트랜스컨덕턴스부의 양의 출력 단자가 연결되어 있고, 상기 제2 트랜스컨덕턴스부의 음의 입력 단자와 상기 제3 트랜스컨덕턴스부의 음의 출력 단자가 연결되어 있는 필터.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에서,
    각 주파수 트래킹 필터는,
    상기 제1 트랜스컨덕턴스부의 입력 단자와 상기 필터의 입력 단자 사이에 연결되어 있는 제1 스위치, 그리고
    상기 제3 트랜스컨덕턴스부의 출력 단자와 상기 필터의 출력 단자 사이에 연결되어 있는 제2 스위치
    를 더 포함하며,
    상기 복수의 주파수 트래킹 필터의 제1 및 제2 스위치는 상기 필터의 입력 신호의 주파수 범위에 따라 온오프되는 필터.
  7. 무선 주파수 신호 중에서 중심 주파수를 가변시키면서 일정 주파수 대역의 신호를 출력하는 주파수 트래킹 필터로서,
    소정의 트랜스컨덕턴스 값을 가지며, 직렬로 연결되어 있는 복수의 트랜스컨덕턴스부, 그리고
    상기 복수의 트랜스컨덕턴스부의 출력 전류에 대응하는 전압을 제공하는 복수의 커패시터를 포함하고,
    상기 복수의 트랜스컨덕턴스부 중 적어도 하나는
    차동 입력 전압을 상기 트랜스컨덕턴스 값으로 증폭하여 상기 출력 전류를 출력하는 입출력부, 그리고
    상기 입출력부의 출력 단자에 연결된 부성 저항 부하부
    를 포함하고,
    상기 입출력부는 차동 쌍의 구조를 갖는 제1 트랜지스터와 제2 트랜지스터를 포함하는 주파수 트래킹 필터.
  8. 삭제
  9. 제7항에서,
    상기 입출력부는 상기 제1 트랜지스터의 소스 전극에 드레인 전극이 연결된 제3 및 제4 트랜지스터와 상기 제2 트랜지스터의 소스 전극에 드레인 전극이 연결된 제5 및 제6 트랜지스터를 포함하며,
    상기 제3 및 제5 트랜지스터의 게이트 전극은 상기 제1 트랜지스터의 게이트 전극에 연결되고, 상기 제4 및 제6 트랜지스터의 게이트 전극은 상기 제2 트랜지스터의 게이트 전극에 연결되는 주파수 트래킹 필터.
  10. 제7항에서,
    상기 부성 저항 부하부는 게이트 전극과 드레인 전극이 서로 교차되어 연결되는 제7 트랜지스터와 제8 트랜지스터를 포함하고,
    상기 교차하여 연결되는 접점이 상기 제1 트랜지스터 및 제2 트랜지스터의 드레인 전극에 연결되는 주파수 트래킹 필터.
  11. 제10항에서,
    상기 제7 및 제8 트랜지스터는 P타입의 트랜지스터인 주파수 트래킹 필터.
  12. 제7항에서,
    상기 복수의 트랜스컨덕턴스부 중 적어도 하나는
    공통 모드 피드백을 제공하는 복수의 트랜지스터를 더 포함하는 주파수 트래킹 필터.
  13. 직렬로 연결되어 있는 제1 내지 제3 트랜스컨덕턴스부, 상기 제1 트랜스컨덕턴스부의 출력 단자에 연결된 제1 커패시터 및 상기 제2 트랜스컨덕턴스부의 출력 단자에 연결된 제2 커패시터를 포함하는 주파수 트래킹 필터의 구동 방법으로서,
    상기 제1 트랜스컨덕턴스부에 차동 전압을 입력하는 단계,
    상기 차동 전압을 상기 제1 트랜스컨덕턴스부의 트랜스컨덕턴스 값으로 증폭하여 전류를 출력하는 단계,
    상기 제1 및 제3 트랜스컨덕턴스부의 출력 저항 성분, 상기 제2 및 제3 트랜스컨덕턴스와 상기 제2 커패시터에 의해 형성되는 인덕턴스 성분 및 상기 제1 커패시터를 이용하여 공진하는 단계, 그리고
    상기 제1 커패시터의 전압을 출력하는 단계를 포함하며,
    상기 제2 및 제3 트랜스컨덕턴스부 중 적어도 하나는 부성 저항 성분을 포함하고,
    상기 인덕턴스 성분은
    상기 제2 트랜스컨덕턴스부의 입력 단자와 상기 제3 트랜스컨덕턴스부의 출력 단자를 연결한 상기 제2 트랜스컨덕턴스부 및 상기 제3 트랜스컨덕턴스부의 트랜스컨덕턴스 값과 상기 제2 커패시터에 의해 형성되는 주파수 트래킹 필터의 구동 방법.
  14. 삭제
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