KR101382438B1 - Q팩터 강화 회로를 이용한 rf 필터 시스템 - Google Patents

Q팩터 강화 회로를 이용한 rf 필터 시스템 Download PDF

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Abstract

Ｑ 팩터 강화 회로를 이용한 ＲＦ 필터 시스템이 제공되며, 일정 주파수 대역만을 통과시키는 RF 필터, 및 RF 필터와 연결되고, RF 필터의 단자 전압에 기초하여 RF 필터에서 발생된 저항 성분에 의한 누설 전류를 보상하는 트랜스컨덕턴스(Transconductance)부, 트랜스 컨덕턴스부의 출력 전압을 미러링하여 전류의 역류를 방지하는 전류 미러(Current Mirror)부, 및 출력단에서 피드백되는 출력전압을 버퍼링(Buffering)하여 전압 역류를 방지하는 버퍼부를 포함하는 Q 팩터 강화 회로를 포함한다. 이때, RF 필터와 Q 팩터 강화 회로는 복수로 구비되고, RF 필터는 기준 RF 필터 및 적어도 하나의 제어 RF 필터를 포함하고, 복수의 Q 팩터 강화 회로는 기준 RF 필터 및 적어도 하나의 제어 RF 필터와 대응되도록 연결되는 것을 특징으로 한다.

Description

Q팩터 강화 회로를 이용한 RF 필터 시스템{SYSTEM FOR RADIO FREQUENCY FILTER USING CIRCUIT FOR INTENSIFYING QUALITY FACTOR}
본 발명은 Ｑ 팩터 강화 회로를 이용한 ＲＦ 필터 시스템에 관한 것이다.
최근 통신 기술의 발전에 따라, LTE나 4G 이동 통신의 개발 및 이용이 활발히 이루어지고 있으며, 스마트폰이나 이동통신 단말뿐만 아니라 기지국도 초소형화가 진행되고 있는 추세이다.
이때, RF 필터는 GPS 수신 VLSI(Very Large Scale Integration)와 같은 형태로 구현될 수 있으며, 일부 단말기 분야에 소형화 RF 필터가 적용되고 있다. 소형화 및 누설 전류를 방지할 수 있는 RF 필터와 관련하여, 선행기술인 한국공개특허 제2005-0052215호에는 LC 회로를 적용하여 집중 소자수를 최소화하고, 누설 전류를 억제하여 주파수 대역 신호가 상호 간섭이 없도록 하는 방법이 개시되어 있다.
다만, GPS 수신 VLSI 등에만 제한적으로 적용될 수 있는 RF 필터가 개시되어 있을 뿐, 초소형 기지국을 구현할 수 있는 RF 필터 및 이를 VLSI 칩으로 구현하는 방법은 개시되어 있지 않다. 또한, LTE, 4G 이동통신분야에서 RF 필터의 Q 팩터(Quality Factor)의 특성을 강화시키기 위한 구성도 개시되어 있지 않다.
본 발명의 일 실시예는, 초소형 기지국을 구현할 수 있도록, 트랜스컨덕턴스(Transconductacne)에 기초하여 인덕터의 누설 전류를 보상하고, 보상된 전류에 기초하여 주파수 스펙트럼의 에너지 집중도(Q Factor)를 강화할 수 있는 Ｑ 팩터 강화 회로를 이용한 ＲＦ 필터 시스템을 제공할 수 있다. 다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일 실시예는, 일정 주파수 대역만을 통과시키는 RF 필터, 및 RF 필터와 연결되고, RF 필터의 단자 전압에 기초하여 RF 필터에서 발생된 저항 성분에 의한 누설 전류를 보상하는 트랜스컨덕턴스(Transconductance)부, 트랜스 컨덕턴스부의 출력 전압을 미러링하여 전류의 역류를 방지하는 전류 미러(Current Mirror)부, 및 출력단에서 피드백되는 출력전압을 버퍼링(Buffering)하여 전압 역류를 방지하는 버퍼부를 포함하는 Q 팩터 강화 회로를 포함한다. 이때, RF 필터와 Q 팩터 강화 회로는 복수로 구비되고, RF 필터는 기준 RF 필터 및 적어도 하나의 제어 RF 필터를 포함하고, 복수의 Q 팩터 강화 회로는 기준 RF 필터 및 적어도 하나의 제어 RF 필터와 대응되도록 연결되는 것을 특징으로 한다.
전술한 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 초소형 기지국을 구현할 수 있도록, 트랜스컨덕턴스(Transconductacne)에 기초하여 인덕터의 누설 전류를 보상하고, 보상된 전류에 기초하여 주파수 스펙트럼의 에너지 집중도(Q Factor)를 강화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 Ｑ 팩터 강화 회로를 이용한 ＲＦ 필터 시스템을 설명하기 위한 회로도이다.
도 2는 도 1에 도시된 ＲＦ 필터와 Ｑ 팩터 강화 회로를 설명하기 위한 회로도이다.
도 3은 도 2의 다른 실시예에 따른 회로도이다.
도 4는 도 1에 도시된 Ｑ 팩터 강화 회로를 설명하기 위한 회로도이다.
도 5는 도 1에 도시된 Ｑ 팩터 강화 회로를 이용한 ＲＦ 필터 시스템의 출력 특성을 도시한 그래프이다.
도 6은 도 1에 도시된 Ｑ 팩터 강화 회로를 이용한 ＲＦ 필터 시스템의 다른 실시예이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 Ｑ 팩터 강화 회로를 이용한 ＲＦ 필터 시스템을 설명하기 위한 회로도이다.
도 8은 도 7에 도시된 Ｑ 팩터 강화 회로를 이용한 ＲＦ 필터 시스템의 출력 특성을 도시한 그래프이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 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 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 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 의미하며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 Ｑ 팩터 강화 회로를 이용한 ＲＦ 필터 시스템을 설명하기 위한 회로도이고, 도 2는 도 1에 도시된 ＲＦ 필터와 Ｑ 팩터 강화 회로를 설명하기 위한 회로도이고, 도 3은 도 2의 다른 실시예에 따른 회로도이고, 도 4는 도 1에 도시된 Ｑ 팩터 강화 회로를 설명하기 위한 회로도이고, 도 5는 도 1에 도시된 Ｑ 팩터 강화 회로를 이용한 ＲＦ 필터 시스템의 출력 특성을 도시한 그래프이고, 도 6은 도 1에 도시된 Ｑ 팩터 강화 회로를 이용한 ＲＦ 필터 시스템의 다른 실시예이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 Ｑ 팩터 강화 회로를 이용한 ＲＦ 필터 시스템(1)은 제 1 입력 전원(110), 제 2 입력 전원(120), 제 3 입력 전원(130), 기준 RF 필터(200), 제 1 제어 RF 필터(210), 제 2 제어 RF 필터(220), 제 1 Q 팩터 강화 회로(310), 제 2 Q 팩터 강화 회로(320), 제 3 Q 팩터 강화 회로(330), 제 4 Q 팩터 강화 회로(340), 제 5 Q 팩터 강화 회로(350)를 포함할 수 있다. 다만, 이러한 도 1의 Ｑ 팩터 강화 회로를 이용한 ＲＦ 필터 시스템(1)은 본 발명의 일 실시예에 불과하므로 도 1을 통해 본 발명이 한정 해석되는 것은 아니다.
이때, 도 1의 Ｑ 팩터 강화 회로를 이용한 ＲＦ 필터 시스템(1)을 포함하는 단말 또는 기지국은 일반적으로 네트워크(network)를 통해 단말 또는 기지국과 연결될 수 있다. 여기서, 네트워크는 단말들 및 기지국들과 같은 각각의 노드 상호 간에 정보 교환이 가능한 연결 구조를 의미하는 것으로, 이러한 네트워크의 일 예는, Wireless LAN(Wireless Local Area Network), 3G, 4G, LTE 등이 포함되나 이에 한정되지는 않는다. 또한, Ｑ 팩터 강화 회로를 이용한 ＲＦ 필터 시스템(1)을 포함하는 단말은, 예를 들어, 휴대성과 이동성이 보장되는 무선 통신 장치로서, 스마트폰(smartphone), 스마트 패드(smartpad), 타블렛 PC(Tablet PC) 등과 같은 모든 종류의 핸드헬드(Handheld) 기반의 무선 통신 장치를 포함할 수 있고, 기지국은 3G, 4G, LTE 망의 데이터 송수신을 담당하는 모든 종류의 기지국을 포함할 수 있다.
도 2를 참조하면, RF 필터(100)는 일정 주파수 대역만을 통과시키고, Q 팩터 강화 회로(300)는 RF 필터(100)와 연결되고, RF 필터(100)의 단자 전압에 기초하여 RF 필터(100)에서 발생된 저항 성분에 의한 누설 전류를 보상하는 트랜스컨덕턴스(Transconductance)부, 트랜스 컨덕턴스부의 출력 전압을 미러링하여 전류의 역류를 방지하는 전류 미러(Current Mirror)부, 및 출력단에서 피드백되는 출력전압을 버퍼링(Buffering)하여 전압 역류를 방지하는 버퍼부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 Ｑ 팩터 강화 회로를 이용한 ＲＦ 필터 시스템(1)을 설명하기 전에, Q 팩터의 개념을 이하에서 먼저 설명한다.
인덕터와 같은 코일(Coil)은 외부로부터 온 에너지를 저장할 수 있다. 하지만, 저장된 에너지는 코일 자체의 저항 성분에 의해 시간이 흐르면서 소멸되는데, 이때 발생되는 손실의 정도를 규정하기 위하여 도입되는 개념이 바로 Q 팩터(Quality Factor)이다. Q 팩터는 리액턴스(Reactance)/레지스턴스(Resistance)로 정의된다. 이때, 리액턴스는 코일의 인덕턴스에 의한 저항 성분이며, 레지스턴스는 Ohmic 저항 성분을 의미한다. 즉, Q 팩터(Quality Factor)는 일종의 품질을 의미하는 값이며, 실제로 Q 팩터로 불리우는 값은 아래 두 가지로 많이 사용된다.
첫 번째로는, 인덕터의 경우, 허수부/실수부의 비로 정의되며, 자기장으로 에너지를 축적하는 경우, 손실의 정도를 나타낼 수 있다. 이때, 인덕터가 아니더라도, 회로의 Q 값으로 표현되기도 하는데, 정의는 동일하다. 이러한 경우, Loaded Q와 Unloaded Q로 분류되기도 한다. 두 번째로, BPF(Band Pass Filter)나 공진기, 발진기와 같이, 특정 주파수 스펙트럼에서 샤프하게 에너지가 뜨는 경우, 그 파형의 에너지 집중도를 표현할 때에도 Q 팩터라는 지표를 사용할 수 있다. 이 경우, Q 팩터는 중심 주파수/3dB 대역폭으로 정의된다. 이때, 3dB 대역폭이란, 에너지가 가장 높은 주파수에서 양쪽으로 3dB씩 떨어지는, 즉 1/2가 되는 지점의 주파수 대역폭(Bandwidth)을 의미한다. 즉, Q 값이 높다는 것은 에너지가 샤프하게 집중된다는 의미이다.
따라서, Q 팩터가 클수록 손실(Loss)은 적다. 또한, 위의 두 가지 의미는 전혀 다른 것처럼 보일 수 있지만, 같은 의미이고 이는 기존의 수식을 통하여 증명 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 Q 팩터 강화 회로(300)는 이러한 개념들을 이용하여 인덕터에서 발생하는 저항 성분에 의해 누설되는 전류를 보상하고, 주파수 스펙트럼의 출력 주파수 파형에서 에너지를 집중시킬 수 있다. Q 팩터 강화 회로(300)를 설명하기 앞서, RF 필터(200)의 개념을 도 2를 참조하여 이상적인(Ideal) RF 필터의 경우와 실제적인(Practical) RF 필터의 경우를 나누어 설명한다.
우선, 이상적인 RF 필터는, 인덕터(L)와 커패시터(C)가 병렬로 연결되어 공진(Resonance)을 일으킨다. 이때, 공진이란, 특정 주파수에 에너지가 집중되어, 해당 주파수만을 골라내거나 걸러내는 주파수 선택 특성이 나타나는 것을 의미한다. 또한, 공진이란 에너지의 관점에서 볼 때, L 성분과 C 성분이 동시에 공존하면서 평형 상태를 이루고 있는 지점을 의미하며, 특정 주파수를 선택하는 필터에 이용된다. 그 다음으로 실제적인 RF 필터는, 실제적으로 인덕터에서 발생하는 저항을 포함하는 실제적인 공진 회로를 도시한다. 즉, 이상적으로 RF 필터를 구성하더라도, 상술한 바와 같이, 인덕터에 의해 저항 성분이 발생할 수 있으므로, 발생되는 저항 성분을 등가 회로로 표현한 것이다. 이때, 저항 성분은 컨덕턴스(G)로 표현될 수 있으며, 어드미턴스(Y)의 실수부를 의미하고, 컨덕턴스는 G=1/R로 표현될 수 있다.
이러한 개념에 기반하면, 실질적으로 RF 필터의 공진 회로의 등가 모델에는 저항성 성분에 의한 전류 손실이 발생하기 때문에, 인덕터의 저항성 성분으로 인한 전류 손실을 상쇄하는 전류를 외부에서 공급해야 한다. 즉, 인덕터의 저항성 성분을 상쇄하는 전류를 외부에서 공급해야 하므로, 본 발명의 일 실시예에 따른 Q 팩터 강화 회로(300)는 제어 전압이 변할 때마다 적응적으로 저항값을 변경할 수 있어야 한다. 이에 따라, Q 팩터 강화 회로(300)는 부(Negative)저항과 같은 동작을 구현하며, 인덕터의 Q 팩터를 낮추는 저항값을 부저항으로 상쇄하여 보상할 수 있다.
한편, Q 팩터를 강화하기 위한 일 실시예로서, 도 3을 참조하면, Q 팩터 강화 회로(300)를 반복적으로 확장하여 적용한 실시예를 도시한다. 즉, Q 팩터 강화 회로(300)를 복수로 구비함으로써 RF 필터(200)에서 출력되는 주파수 스펙트럼의 집중도(Q Factor)를 증가시킬 수 있다.
이러한 Q 팩터 강화 회로(300)의 구성을 도 2 및 도 4를 참조하여 상세하게 설명하도록 한다. Q 팩터 강화 회로(300)는 제 1 Q 팩터 강화부(360)와 제 2 Q 팩터 강화부(370)를 포함한다. 또한, 제 1 Q 팩터 강화부(360)는 제 1 트랜스 컨덕턴스부(361), 제 1 전류 미러부(363), 제 1 버퍼부(365)를 포함하고, 제 2 Q 팩터 강화부(370)는 제 2 트랜스 컨덕턴스부(371), 제 2 전류 미러부(373), 제2 버퍼부(375)를 포함한다.
Q 팩터 강화 회로(300)는 제 1 Q 팩터 강화부(360)와 제 2 Q 팩터 강화부(370)가 직렬 또는 병렬로 배치되어 RF 필터(200)의 인덕터에 의한 누설 전류를 보상하도록 구성된다.
제 1 트랜스 컨덕턴스부(361)와 제 2 트랜스 컨덕턴스부(371)는 RF 필터(200)와 연결되고, RF 필터(200)의 단자 전압에 기초하여 RF 필터(200)에서 발생한 저항 성분에 의한 누설 전류를 보상할 수 있다. 이때, RF 필터(200)는 인덕터와 커패시터가 병렬 연결된 회로일 수 있다. 제 1 트랜스 컨덕턴스부(361)와 제 2 트랜스 컨덕턴스부(371)는 저항 성분으로 인하여 강하된 전압을 전류로 변환하여 전류원으로 입력받을 수 있다. 또한, 제 1 트랜스 컨덕턴스부(361)와 제 2 트랜스 컨덕턴스부(371)는 저항 성분으로 강하된 전압을 보상하기 위하여, 누설 전류에 기초하여 산출된 증폭 이득을 가질 수 있다.
이때, 제 1 트랜스 컨덕턴스부(361)의 M1, M2로 인가되는 전류를 ID1, ID2라고 가정하면, 각각의 전류 ID1 및 ID2는 하기 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112013029137785-pat00001
Figure 112013029137785-pat00002
Figure 112013029137785-pat00003
이때, VGS는 M1의 게이트와 소스 간에 걸리는 전압이고, VTH는 임계값이며, VDS는 M1의 드레인과 소스 간에 걸리는 전압이고, VBIAS는 M3에 의해 다이오드와 같은 구동을 위한 바이어스값을 가진다. 상기 수학식 1을 참조하면, 트랜스 컨덕턴스부는 전압값에 따라 저항 성분이 변하는 것을 알 수 있고, 이를 이용하여 인덕터에서 발생하는 전압 강하 및 전류 누설을 보상할 수 있다.
제 1 전류 미러부(363) 및 제 2 전류 미러부(373)는 제 1 트랜스 컨덕턴스부(361)와 제 2 트랜스 컨덕턴스부(371)의 출력 전압을 출력단으로 미러링하고, 출력단의 전압 변동으로 인하여 입력단 측에서 영향을 받는 것을 방지할 수 있다. 또한, 제 1 전류 미러부(363) 및 제 2 전류 미러부(373)는 전류의 역류를 방지하며, 입력단의 전류의 크기에 따라 전류를 미러링하는 트랜지스터 스위치의 채널 크기를 가변할 수 있다. 또한, 제 1 전류 미러부(363) 및 제 2 전류 미러부(373)는 입력 전류의 변화에 따라 발생할 수 있는 출력 전류의 상승 시간의 증가 또는 정착 시간의 증가를 방지할 수 있다. 따라서, 제 1 전류 미러부(363) 및 제 2 전류 미러부(373)는 입력 전류의 변화에 관계없이 안정적으로 출력 전류를 구동할 수 있다.
제 1 버퍼부(365) 및 제 2 버퍼부(375)는 제 1 트랜스 컨덕턴스부(361) 및 제 2 트랜스 컨덕턴스부(371)에서 출력된 전압을 변환하여 버퍼링할 수 있다. 이때, 제 1 버퍼부(365) 및 제 2 버퍼부(375)는 제 1 트랜스 컨덕턴스부(361) 및 제 2 트랜스 컨덕턴스부(371)의 출력단에서 인덕터로부터 피드백되는 전압이 전류 출력 특성에 영향을 주지 않도록 버퍼링할 수 있다.
또한, 제 1 버퍼부(365) 및 제 2 버퍼부(375)는 입력단의 출력 전압을 유지 또는 증폭하여 출력단으로 출력하며, 출력단의 전압 변동에 의해 입력단이 영향을 받는 것을 방지하거나 전압 출력을 지연시키는 역할을 할 수 있다. 이때, 제 1 버퍼부(365) 및 제 2 버퍼부(375)는 입력 신호의 전압과 기준 전압의 레벨을 비교하고, 비교 신호를 생성할 수 있다. 예를 들어, 입력 신호의 전압 레벨이 기준 전압의 레벨보다 높은 경우, 제 1 비교 신호를 제 2 비교 신호보다 낮게 생성할 수 있다. 또는, 입력 신호의 전압 레벨이 기준 전압의 레벨보다 낮은 경우에는 제 1 비교 신호를 제 2 비교 신호의 레벨보다 높게 생성할 수 있다.
이때, Q 팩터 강화 회로(300)는 공진 주파수 대비 대역폭에 대한 Q 팩터를 강화하기 위한 것이다. 이는, 공진 주파수에서 출력을 높이는 회로 장치를 구성한 것으로,제 1 트랜스 컨덕턴스부(361) 및 제 2 트랜스 컨덕턴스부(371)에서 인덕터 단자 전압을 입력받아서 원하는 주파수에서 강화성 보상 출력을 만들도록 한다. 이를 위해, 추가의 주파수 선택 회로를 경유하고, 최종적으로 출력 트랜스 컨덕턴스를 통하여 강화 보상할 수 있다.
이와 같은 Q 팩터 강화 회로(300)는 복수개의 어레이(Array)로 결합되어 차동 트랜스컨덕턴스 증폭기를 구성할 수 있다. 즉, Q 팩터 강화 회로(300)는 차동 트랜스컨덕턴스 증폭기로 구비될 수 있고, 차동 트랜스컨덕턴스 증폭기는 BJT(Bipolar Junction Transistor), JFET(Junction Field-Effect Transistor), MOSFET(Metal-Oxide Semiconductor ield-Effect Transistor), GaAs MESFET(Metal Semiconductor FET) 중 적어도 하나 또는 적어도 하나의 조합으로 구성될 수 있다. 이때, 차동 트랜스컨덕턴스 증폭기를 이용하여 인덕터의 저항을 보상하는 회로의 예는 도 4에 한정되는 것은 아니며, 다양하게 변형된 회로의 구성이 가능하다.
따라서, Q 팩터 강화 회로(300)는 인덕터의 저항 성분을 보상할 수 있다. 이때, 원형 소자를 연결할 때, 트랜스 컨덕턴스의 출력 전류원 특성에 대한 영향을 최소화할 수 있다. 또한, Q 팩터 강화 회로(300)는 다양한 Q 팩터 특성을 갖는 회로로 확장 및 구성할 수 있고, Q 팩터 강화 회로(300)를 다병렬 다중 구조화로 정밀 제어하거나, 공진점에서 이론적 인덕턴스 소자의 Q 팩터보다 높은 주파수를 선택할 수 있는 인덕터의 구성도 가능하다.
덧붙여서, Q 팩터 강화 회로(300)에 포함된 적어도 하나의 트랜지스터의 N형 및 P형 채널 극성은 제한 요소가 아니며, N 채널 트랜지스터와 P 채널 트랜지스터는 대칭적으로 교환 구성될 수 있다. 또한, Q 팩터 강화 회로(300)의 입력단의 +/- 방향성도 교환될 수 있고, Q 팩터 강화 회로(300)를 추가하여 병렬로 구성하는 것도 가능하다. 본 발명의 일 실시예에 따른 Q 팩터 강화 회로(300)는 출력이 단일 출력인 것으로 가정하여 설명하지만, 이는 대칭 출력(Balanced Output)의 원리도 배제하지 않음은 자명하다 할 것이다. 이와 함께, Q 팩터 강화 회로(300)의 각각의 트랜지스터를 병렬 구조로 분산 소자화하는 것도 가능하다.
이상에서 도 2 내지 도 4를 통하여 본 발명의 일 실시예에 따른 Q 팩터 강화 회로를 이용한 RF 필터 시스템(1)에 포함된 각 구성 요소에 대하여 설명하였다. 이하에서는, 이러한 각 구성 요소가 포함된 Q 팩터 강화 회로를 이용한 RF 필터 시스템(1)을 도 1 및 도 6을 참조하여 설명한다. 여기서, 도 1은 입력 전원이 전압을 기준으로 표현된 도면이고, 도 6은 입력 전원이 전류를 기준으로 표현된 도면이나 동일한 회로를 의미한다.
이때, RF 필터와 Q 팩터 강화 회로는 복수로 구비될 수 있다. 이때, RF 필터는 기준 RF 필터(200) 및 적어도 하나의 제어 RF 필터(210, 220)를 포함하고, 복수의 Q 팩터 강화 회로(310 내지 350)는 기준 필터(200) 및 적어도 하나의 제어 RF 필터(210, 220)와 대응되도록 연결될 수 있다. 이때, 복수의 Q 팩터 강화 회로(310 내지 350) 중 제 1 Q 팩터 강화 회로(310), 제 2 Q 팩터 강화 회로(320), 제 4 Q 팩터 강화 회로(340)는 Negative의 트랜스 컨덕턴스를 가지고, 제 3 Q 팩터 강화 회로(330) 및 제 5 Q 팩터 강화 회로(350)는 Positive의 트랜스 컨덕턴스를 가진다. 이때, 제 3 Q 팩터 강화 회로(330) 및 제 5 Q 팩터 강화 회로(350)는 별도의 전압원(VC)으로부터 증폭을 위한 전원을 인가받을 수 있다.
기준 RF 필터(200)는 제1단이 제 1 입력 전원(110)과 연결될 수 있고, 제2단이 복수의 Q 팩터 강화 회로(310 내지 350) 중 제 1 Q 팩터 강화 회로(310)의 출력단인 제3단과 연결될 수 있다. 이때, 기준 RF 필터(200)는 제 1 입력 전원(110)과 인덕터와 커패시터가 병렬로 연결되고, 인덕터에 의한 내부 저항(RL)도 병렬로 연결된 것으로 표시된다. 또한, 제 1 Q 팩터 강화 회로(310)는 출력단인 제3단이 기준 RF 필터(200)의 제2단과 연결되고, - 입력단인 제2단은 내부 저항(RL)의 제2단과 연결되고, + 입력단인 제1단은 출력단인 제3단과 연결된다.
적어도 하나의 제어 RF 필터(210, 220) 중 제 1 제어 RF 필터(210)는 제1단이 제 2 입력 전원(120)과 연결되고, 제2단이 복수의 Q 팩터 강화 회로(310 내지 350) 중 제 2 Q 팩터 강화 회로(320)의 제3단과 연결될 수 있다. 또한, 제 3 Q 팩터 강화 회로(330)는, - 입력단인 제2단이 제 2 Q 팩터 강화 회로(320)의 + 출력단인 제1단과 연결되고, 출력단인 제3단이 출력 노드(VOUT)와 연결될 수 있다.
제 2 제어 RF 필터(220)는 제1단이 제 3 입력 전원(130)과 연결되고, 제2단이 4 Q 팩터 강화 회로(340)의 제3단과 연결될 수 있다. 이때, 제 5 Q 팩터 강화 회로(350)는 제1단이 제 4 Q 팩터 강화 회로(340)의 제1단과 연결되고, 제3단이 출력 노드(VOUT)와 연결될 수 있다.
이렇게 구성된 Q 팩터 강화 회로를 이용한 RF 필터 시스템(1)의 주파수 특성을 도 5를 참조하여 설명한다. 도 5는 RF 필터의 대수(Log) 스케일의 전달 함수에서 대용폭의 제어 특성을 나타내는 그래프이다. (a)는 기준 RF 필터, (b)는 제 1 제어 RF 필터, (c)는 제 2 제어 RF 필터의 특성을 나타낸다.
이때, Q 팩터 강화 회로를 이용한 RF 필터 시스템(1)은 RF 필터의 통과 대역(Passband)의 폭을 제어함으로써 주파수의 대역폭을 제어하는 것을 알 수 있다. 또한 통과 대역(PassBand)과 저지 대역(Stop Band)의 기울기에 기초하여 분리 성능을 나타내는 Q 팩터도 손실이 없고 개선된 것을 알 수 있다. (a), (b), (c)를 보면 알 수 있듯이 기준 RF 필터와, 대역 제어용 필터인 제 1 제어 RF 필터, 제 2 제어 RF 필터는 각각 다른 공진 주파수에 대한 대역폭 중첩의 특성을 가진다.
또한, 기준 RF 필터는 제 1 제어 RF 필터 및 제 2 제어 RF 필터의 트랜스 컨덕턴스부와 연결되어 주파수 대역폭이 제어될 수 있다. 이때, 제 1 제어 RF 필터 및 제 2 제어 RF 필터는 다른 어레이 또는 회로에 영향을 받지 않는 대역폭 주파수 제어 회로일 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 Ｑ 팩터 강화 회로를 이용한 ＲＦ 필터 시스템을 설명하기 위한 회로도이고, 도 8은 도 7에 도시된 Ｑ 팩터 강화 회로를 이용한 ＲＦ 필터 시스템의 출력 특성을 도시한 그래프이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 Ｑ 팩터 강화 회로를 이용한 ＲＦ 필터 시스템(2)은 공통 입력 전원을 이용한다는 점에서 도 1의 Q 팩터 강화 회로를 이용한 RF 필터 시스템(1)과 다르다.
기준 RF 필터(200) 및 적어도 하나의 제어 RF 필터(210, 220)는, 하나의 공통 입력 전원(100)과 적어도 하나의 저항(410, 420, 430)을 통하여 연결될 수 있다. 여기서, 기준 RF 필터(200)에 주입된 전류원은, 적어도 하나의 저항(410, 420, 430)에 의해 적어도 하나의 RF 제어 필터(320 내지 350)로 궤환될 수 있다.
기준 RF 필터(200)는 제1단이 제 1 저항(410)을 통하여 공통 입력 전원(100)과 연결되고, 제2단이 제 1 Q 팩터 강화 회로(310)의 제3단과 연결될 수 있다.
제 1 제어 RF 필터(210)는 제1단이 제 2 저항(420)을 통하여 공통 입력 전원(100)과 연결되고, 제2단이 제 2 Q 팩터 강화 회로(320)의 제3단과 연결될 수 있고, 제 3 Q 팩터 강화 회로(330)는, 제2단이 제 2 Q 팩터 강화 회로(320)의 제1단과 연결되고, 제3단이 출력 노드(VOUT)와 연결될 수 있다.
제 2 제어 RF 필터(220)는 제1단이 제 3 저항(430)을 통하여 공통 입력 전원(100)과 연결되고, 제2단이 제 4 Q 팩터 강화 회로(340)의 제3단과 연결될 수 있고, 제 5 Q 팩터 강화 회로(350)는 제1단이 제 4 Q 팩터 강화 회로(340)의 제1단과 연결되고, 제3단이 출력 노드(VOUT)와 연결될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 Ｑ 팩터 강화 회로를 이용한 ＲＦ 필터 시스템(2)은 주파수 대역폭을 제어하는 것에 의하여 부분적으로 영향을 받는 반면, 본 발명의 일 실시예에 따른 Q 팩터 강화 회로를 이용한 RF 필터 시스템(1)은 영향을 받지 않는다. 즉, 본 발명의 다른 실시예에 따른 Ｑ 팩터 강화 회로를 이용한 ＲＦ 필터 시스템(2)은 각각의 어레이에서 공통 입력 전원을 개별 저항을 통하여 연결하므로, 주파수 대역의 보상을 위하여 기준 필터에 주입된 전류원이, 미세하게 각각의 어레이로 궤환되는 연결 경로가 형성될 수 있다. 이와 같은 어레이 필터의 부차적인 신호원으로 역류 방지 기능이 생략될 수 있고, 용도에 따라 회로 장치를 단순화하는데 사용할 수 있으며, 궤환의 결과로 부차적인 효과를 가져올 수 있다. 이때, 어레이 필터는 제어 RF 필터와 동일한 필터이지만 표현의 다양성을 위하여 기재되었다.
도 8을 참조하면, (a)에서는 제 1 제어 RF 필터와 제 2 제어 RF 필터의 공진 주파수의 중심 주파수와, 기준 RF 필터의 공진 주파수의 중심 주파수의 차이가 있는 경우에는 궤환에 의한 효과가 크지 않은 것을 알 수 있다. (b)에서는, 제 1 제어 RF 필터와 제 2 제어 RF 필터의 공진 주파수가 유사한 경우, 도 3의 회로도와 유사한 출력을 가질 수 있다는 것을 알 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 4G와 LTE 산업 현장에서 요구하는 높은 Q 팩터를 만족시킬 수 있고, 다양한 대역폭을 구성하도록 인덕터의 Q 팩터를 단계별로 강화할 수 있으며, 1차적으로는 누설 전류를 보상하고, 2차적으로는 어레이 구조에 기초하여 주파수 특성을 제어하고 강화할 수 있다.
덧붙여서, 인덕터는 단순하게 구현될 수 있는 소자이지만, 물리적으로 고정된 인덕턴스의 크기를 가변하기 위한 프로그램을 개발하려는 연구가 지속되고 있는 분야이고, 불완전 도체의 특성으로 발생하는 에너지의 손실을 최소화하여 완벽한 성능을 구현하려는 연구가 계속되는 핵심적 회로 분야의 소자이다. 이러한 인덕터는 차세대 통신인 RF 시스템의 아날로그 전반부나, 무선 전력 전송 등의 새로운 사업 분야에 접목하는 경우, 방대한 확장 가능성을 가지고 있으나, 인덕터의 도전체 특성과 구조로 인하여 이상적인 물리적 도전체 특성을 구현하기 어려운 것이 현실이다. 따라서, 본 발명의 일 실시예는, 현실적으로 피하기 어려운 인덕턴스의 저항 성분을 제거하면서도, 필터 시스템에 적용되는 인덕터의 출력은 그대로 유지하도록 주파수 특성을 강화할 수 있으며, 이를 이용하여 주파수 대역끼리 밀집된 4G나 3G 통신 환경에서 Q 팩터 성능을 강화한 능동형 VLSI 필터를 구현할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (11)

  1. Q 팩터 강화 회로를 이용한 RF 필터 시스템에 있어서,
    일정 주파수 대역만을 통과시키는 RF 필터; 및
    상기 RF 필터와 연결되고, 상기 RF 필터의 단자 전압에 기초하여 상기 RF 필터에서 발생된 저항 성분에 의한 누설 전류를 보상하는 트랜스컨덕턴스(Transconductance)부, 상기 트랜스 컨덕턴스부의 출력 전압을 미러링하여 전류의 역류를 방지하는 전류 미러(Current Mirror)부, 및 출력단에서 피드백되는 출력전압을 버퍼링(Buffering)하여 전압 역류를 방지하는 버퍼부를 포함하는 Q 팩터 강화 회로를 포함하고,
    상기 RF 필터와 상기 Q 팩터 강화 회로는 복수로 구비되고,
    상기 RF 필터는 기준 RF 필터 및 적어도 하나의 제어 RF 필터를 포함하고, 상기 복수의 Q 팩터 강화 회로는 상기 기준 RF 필터 및 적어도 하나의 제어 RF 필터와 대응되도록 연결되는 것인, Q 팩터 강화 회로를 이용한 RF 필터 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기준 RF 필터는 제1단이 제 1 입력 전원과 연결되고, 제2단이 상기 복수의 Q 팩터 강화 회로 중 제 1 Q 팩터 강화 회로의 제3단과 연결되는 것인, Q 팩터 강화 회로를 이용한 RF 필터 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제어 RF 필터 중 제 1 제어 RF 필터는, 제1단이 제 2 입력 전원과 연결되고, 제2단이 상기 복수의 Q 팩터 강화 회로 중 제 2 Q 팩터 강화 회로의 제3단과 연결되고,
    상기 복수의 Q 팩터 강화 회로 중 제 3 Q 팩터 강화 회로는, 제2단이 상기 제 2 Q 팩터 강화 회로의 제1단과 연결되고, 제3단이 출력 노드와 연결되는 것인, Q 팩터 강화 회로를 이용한 RF 필터 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제어 RF 필터 중 제 2 제어 RF 필터는, 제1단이 제 3 입력 전원과 연결되고, 제2단이 상기 복수의 Q 팩터 강화 회로 중 제 4 Q 팩터 강화 회로의 제3단과 연결되고,
    상기 복수의 Q 팩터 강화 회로 중 제 5 Q 팩터 강화 회로는, 제1단이 상기 제 4 Q 팩터 강화 회로의 제1단과 연결되고, 제3단이 출력 노드와 연결되는 것인, Q 팩터 강화 회로를 이용한 RF 필터 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 기준 RF 필터 및 적어도 하나의 제어 RF 필터는, 하나의 공통 입력 전원과 적어도 하나의 저항을 통하여 연결되고,
    상기 기준 RF 필터에 주입된 전류원은, 상기 적어도 하나의 저항에 의해 상기 적어도 하나의 RF 제어 필터로 궤환되는 것인, Q 팩터 강화 회로를 이용한 RF 필터 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 기준 RF 필터는 제1단이 제 1 저항을 통하여 공통 입력 전원과 연결되고, 제2단이 상기 복수의 Q 팩터 강화 회로 중 제 1 Q 팩터 강화 회로의 제3단과 연결되는 것인, Q 팩터 강화 회로를 이용한 RF 필터 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제어 RF 필터 중 제 1 제어 RF 필터는, 제1단이 제 2 저항을 통하여 공통 입력 전원과 연결되고, 제2단이 상기 복수의 Q 팩터 강화 회로 중 제 2 Q 팩터 강화 회로의 제3단과 연결되고,
    상기 복수의 Q 팩터 강화 회로 중 제 3 Q 팩터 강화 회로는, 제2단이 상기 제 2 Q 팩터 강화 회로의 제1단과 연결되고, 제3단이 출력 노드와 연결되는 것인, Q 팩터 강화 회로를 이용한 RF 필터 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제어 RF 필터 중 제 2 제어 RF 필터는, 제1단이 제 3 저항을 통하여 공통 입력 전원과 연결되고, 제2단이 상기 복수의 Q 팩터 강화 회로 중 제 4 Q 팩터 강화 회로의 제3단과 연결되고,
    상기 복수의 Q 팩터 강화 회로 중 제 5 Q 팩터 강화 회로는, 제1단이 상기 제 4 Q 팩터 강화 회로의 제1단과 연결되고, 제3단이 출력 노드와 연결되는 것인, Q 팩터 강화 회로를 이용한 RF 필터 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 RF 필터는 인덕터와 커패시터가 병렬 연결되고,
    상기 트랜스 컨덕턴스부는, 상기 인덕터의 저항 성분으로 강하된 전압을 전류로 변환하여 상기 트랜스 컨덕턴스부의 전류원으로 입력받고, 상기 저항 성분으로 강하된 전압을 보상하기 위하여, 상기 누설 전류에 기초하여 산출된 증폭 이득을 가지는 것인, Q 팩터 강화 회로를 이용한 RF 필터 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    복수로 구비된 상기 RF 필터와 상기 Q 팩터 강화 회로는, 상기 RF 필터에서 출력되는 주파수 스펙트럼의 에너지 집중도(Q Factor)를 증가시키는 것인, Q 팩터 강화 회로를 이용한 RF 필터 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 Q 팩터 강화 회로는 차동 트랜스컨덕턴스 증폭기로 구비되고,
    상기 차동 트랜스컨덕턴스 증폭기는 BJT(Bipolar Junction Transistor), JFET(Junction Field-Effect Transistor), MOSFET(Metal-Oxide Semiconductor ield-Effect Transistor), GaAs MESFET(Metal Semiconductor FET) 중 적어도 하나 또는 적어도 하나의 조합으로 구성되는 것인, Q 팩터 강화 회로를 이용한 RF 필터 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100187200B1 (ko) * 1996-07-12 1999-04-15 김광호 트랜스 컨덕턴스를 이용한 차단 주파수 안정화 장치
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