KR101408946B1 - Method for plaaning and apparatus circuits for transconductor - Google Patents
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Abstract
본 발명은 트랜스컨덕터 회로 장치 및 그 설계 방법에 관한 것으로서, 게이트로 AC와 DC 전압을 입력받고 드레인이 전류 출력단과 연결되며 소스가 접지와 연결되는 제 1 MOS(Metal Oxide Semi-conductor) 트랜지스터와, 게이트로 상기 제 1 MOS 트랜지스터와 동일한 AC와 DC 전압을 입력받고 드레인이 제 3 MOS 트랜지스터의 소스와 연결되며 소스가 접지와 연결되는 제 2 MOS 트랜지스터와, 게이트로 상기 DC 전압을 입력받고 드레인이 상기 전류 출력단과 연결되며 소스가 상기 제 2 트랜지스터의 드레인과 연결되는 제 3 MOS 트랜지스터를 포함하여, 커플링 캐패시턴스를 사용하지 않고 2차와 3차 IMD 전류 성분을 상쇄시킬 수 있으며, 기저대역 신호를 입력받는 업 믹서에 활용하여 선형성을 높일 수 있다.The present invention relates to a transconductor circuit device and a method of designing the same. The transconductor circuit device includes a first MOS (Metal Oxide Semiconductor) transistor having a gate receiving AC and DC voltages, a drain connected to a current output terminal, A second MOS transistor having a gate receiving the same AC and DC voltage as the first MOS transistor, a drain connected to the source of the third MOS transistor, and a source connected to the ground, And a third MOS transistor connected to a current output terminal and having a source connected to a drain of the second transistor, wherein the second and third IMD current components can be canceled without using a coupling capacitance, It can be used in up mixer to improve linearity.
트랜스컨덕터(transconductor), 업 믹서(Up Mixer), MOS(Metal Oxide Semiconductor) A transconductor, an up mixer, a metal oxide semiconductor (MOS)
Description
본 발명은 트랜스컨덕터(transconductor) 회로에 관한 것으로서, 특히 CMOS(Complementary Metal Oxide Semi-conductor) 고주파 집적회로(Radio Frequency IC: RFIC) 송신단에 사용되는 무선통신용 소자의 선형성을 향상시키기 위한 고선형 트랜스컨덕터의 회로 및 설계 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
일반적으로, 도 1에 도시된 바와 같은 무선통신 기기에서 CMOS(complementary metaloxide semi-conductor) RFIC(Radio Frequency IC)(101)는 기저대역 모뎀(Baseband Modem)(103)으로부터의 신호를 고주파 처리하여 안테나(105)를 통해 송신하고, 상기 안테나(105)를 통해 수신되는 고주파 신호를 왜곡 없이 기저대역 신호로 변환 처리하여 상기 기저대역 모뎀(103)으로 전달해주는 역할을 수행한다. 1, a CMOS (complementary metal oxide semi-conductor) RFIC (Radio Frequency IC) 101 processes a signal from a
종래에는 상기 신호의 왜곡 방지를 위해 상기 고주파 집적회로(RFIC)의 선형 성을 향상시키기 위한 기법들을 연구하고 있다. 특히, 상기 고주파 집적회로의 저잡음 증폭기(Low Noise Amplifier: LNA)(111, 113) 혹은 업 믹서(Up Mixer)(115) 및 다운 믹서(Down Mixer)(117)에서 사용되는 트랜스컨덕터의 트랜스컨덕턴스(transconductance; gm)단이 선형적으로 동작하도록 설계하여 상기 신호 왜곡을 방지하기 위한 기법들을 연구하고 있다. Conventionally, techniques for improving the linearity of the high-frequency integrated circuit (RFIC) have been studied to prevent the signal distortion. Particularly, the transconductance of the transconductors used in the low noise amplifiers (LNA) 111 and 113 or the up
상기 트랜스컨덕터는 전기적인 신호를 처리하기 위한 회로로서, 입력되는 전압을 전류로 변환시켜 출력한다. 일반적으로, 이상적인 트랜스컨덕터의 트랜스컨덕턴스(gm)는 입력되는 전압의 크기에 관계없이 항상 일정한 값을 유지해야한다. 그러나, 도 2에 도시된 바와 같이 구성된 실제 트랜스컨덕터는 MOS 트랜지스터(M)(203)로 입력되는 소정의 입력 전압(Vin)(201)에 의해 트랜스컨덕턴스(gm)값이 변화되어 결국에는 출력 전류(Iout)(205)를 왜곡시키는 문제점을 가진다. The transconductor is a circuit for processing an electrical signal, which converts an input voltage into a current and outputs it. In general, the transconductance (g m ) of an ideal transconductor should always be constant regardless of the magnitude of the input voltage. However, in the actual transconductor configured as shown in FIG. 2, the transconductance (g m ) value is changed by a predetermined input voltage (Vin) 201 input to the MOS transistor (M) 203, The current Iout 205 is distorted.
하기 수학식 1은 일반적인 트랜스컨덕터에서 드레인-소스 전류를 나타낸다.
여기서, 상기 iDS는 드레인-소스 전류를 나타내며, Idc는 DC 전류를 나타내며, gm은 트랜스컨덕턴스를 나타내고, vgs는 게이트-소스 전압을 나타낸다.Here, i DS represents a drain-source current, Idc represents a DC current, g m represents a transconductance, and v gs represents a gate-source voltage.
상기 수학식 1에 나타낸 바와 같이, 상기 드레인-소스 전류는 2차 및 3차 혼 변조 왜곡(Intermodulation Distortion ; 이하 'IMD'라 칭함) 성분에 의한 비선형성으로 인해 왜곡되며, 인접 채널의 간섭을 받게 된다. 이에 따라, 종래에는 상기 3차 IMD 성분, 즉, 상기 gm" 성분을 제거하여 상기 믹서의 선형성을 증가시키기 위한 회로들이 제공되고 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같은 이전 왜곡(pre-distortion) 기법을 이용한 트랜스컨덕터 선형화 회로와 도 4에 도시된 바와 같은 다중 게이트 트랜지스터(Multiple gated transistors) 회로가 제공되고 있다.As shown in Equation (1), the drain-source current is distorted due to the non-linearity due to the secondary and tertiary IMD components, do. Thus, conventionally, circuits are provided to remove the third IMD component, i.e., the g m "component, to increase the linearity of the mixer. For example, -distortion technique and a multiple gated transistor circuit as shown in FIG. 4 are provided.
상기 도 3에 도시된 바와 같이 이전 왜곡 기법을 이용하는 트랜스컨덕터 회로에서는 트랜스컨덕턴스(gm)단에서 발생되는 왜곡과 반대의 특성을 가지는 왜곡을 입력 전압에 가한 후, 상기 트랜스컨덕턴스(gm)단으로 전달함으로써, 상기 트랜스컨덕턴스(gm)단에서 발생되는 왜곡을 보상한다. The transconductor circuit with a Previous distortion techniques as described above, illustrated in Figure 3 was added to the distortion with the distortion and the characteristics of the reverse generated in the transconductance (g m) stage to an input voltage, the transconductance (g m) stage Thereby compensating for the distortion occurring in the transconductance (g m ) stage.
하지만, 상기 이전 왜곡 회로 기법을 이용한 트랜스컨덕터 회로는 상기 이전 왜곡을 위한 부가적인 전원을 필요로 하며, 궁극적으로 소비 전류를 증가시켜 모바일 환경에서 배터리 수명을 감소시키는 문제점을 가진다. 또한, 상기 이전 왜곡으로 인한 비선형성 보상을 위해서는 상기 트랜스컨덕턴스(gm)단의 비선형 특성과 정확히 반대되는 특성을 가지도록 상기 이전 왜곡을 수행해야하지만, 상기 도 3과 같은 구조에서는 상기 이전 왜곡이 특정 입력 전압 구간에 대해서만 상기 반대 특성을 갖도록 수행되기 때문에, 상기 특정 입력 전압 구간에서만 비선형성이 보상되고, 나머지 구간에서는 비선형성이 보상되지 않아 IIP3(3rd Input Intercept Point) 혹은 OIP3(3rd Output Intercept Point)값이 크게 향상되지 않는 단점이 있다.However, the transconductor circuit using the previous distortion circuit technique requires an additional power source for the previous distortion, and ultimately has a problem of reducing battery life in a mobile environment by increasing current consumption. In order to compensate for the non-linearity due to the previous distortion, the previous distortion should be performed so as to have a characteristic exactly opposite to that of the non-linear characteristic of the transconductance (g m ). However, Since the nonlinearity is compensated only in the specific input voltage section and the nonlinearity is not compensated in the remaining period, the third input intercept point (IIP3) or the third output intercept point (OIP3) ) Value is not greatly improved.
반면, 상기 다중 게이트 트랜지스터(Multiple gated transistors) 회로에서는 도 4(a)에 도시된 바와 같이, 상기 3차 트랜스컨덕턴스(gm")를 상쇄시키기 위해 보조 모스 전계 효과 트랜지스터(MOS Filed Effect Transistor; 이하 'MOSFET'이라 칭함)의 게이트 바이어스(gate bias)를 약 반전(weak inversion) 영역에서 동작시킨다. 그 결과 도 4(b)에 도시된 바와 같이, 상기 메인 MOSFET에서 음(niegative)의 값을 갖는 3차 트랜스컨덕턴스(gm")와 상기 보조 MOSFET에서 양(positive)의 값을 갖는 3차 트랜스컨덕턴스(gm")가 서로 상쇄되어 도 4(c)에 도시된 바와 같이, 상기 3차 항에 해당하는 비선형적인 전류가 제거됨으로써, 선형성이 향상된다.On the other hand, in the multi gated transistor circuit, as shown in FIG. 4 (a), a MOS filed effect transistor (hereinafter referred to as " MOS FET ") is used to cancel the tertiary transconductance g m " The gate bias of the MOSFET is operated in a weak inversion region as shown in Figure 4 (b). As a result, as shown in Figure 4 (b), the gate bias of the MOSFET having a niegative value third transconductance (g m "), as shown in 4 (c) also the offset each other and third-order transconductance (g m has a positive value (positive) in the sub-MOSFET"), the third section And the linearity is improved.
하지만, 상기 다중 게이트 트랜지스터를 이용한 방법은 보조 MOSFET이 양의 값을 가지도록 게이트 전압을 쉬프트(shift)하여 바이어스로 인가해주어야 함에 따라 메인 MOSFET과 보조 MOSFET에 바이어스를 각각 따로 공급해주어야 하는 단점이 있다. 또한, 상기 바이어스를 따로 공급하기 위해 커플링 캐패시터(coupling Capacitor)가 사용되는데, 일반적으로 수신단의 저잡음 증폭(Low Noise Amplifier; LNA) 혹은 다운 믹서(Down Mixer)에서는 고주파 대역의 신호를 입력받기 때문에 상기 커플링 캐패시터의 사용이 가능 하지만, 송신단의 업 믹서(Up Mixer)와 같이 기저대역 신호를 입력받을 경우에는 상기 커플링 캐패시터의 크기가 증가하게 되므로 소형 크기가 중요시되는 이동 통신기기에서 사용하기 어려운 단점이 있다.However, in the method using the multi-gate transistor, since the gate voltage must be shifted by biasing so that the auxiliary MOSFET has a positive value, the bias must be separately supplied to the main MOSFET and the auxiliary MOSFET. In addition, a coupling capacitor is used to separately supply the bias. In general, a low noise amplifier (LNA) or a down mixer of a receiving end receives a signal of a high frequency band, It is possible to use a coupling capacitor. However, when receiving a baseband signal as in an up mixer of a transmitting terminal, the size of the coupling capacitor increases, which makes it difficult to use in a mobile communication device .
또한, 상기 보조 FET를 약 반전 영역에서 동작시킬 경우, 상기 도 1에 도시된 바와 같은 종래 기술에서는 2차 IMD 성분을 결정하는 gm'값이 상쇄되지 않고 증가할 수도 있다. 이에 따라, 상기 2차 IMD 성분이 중요한 직접 변환(Direct Conversion) 방식을 사용하는 통신 시스템의 경우에는 상기와 같은 종래 기술을 사용할 수 없게 된다. 또한, 개선효과를 높이기 위하여 고차항 터미네이션을 LC 공진구조로 하게 되는데, 이때 인덕터로 인하여 전체 회로의 크기가 증가하게 되는 문제점이 있다.Further, in the case to operate the auxiliary FET at about inversion region, in the prior art as shown in FIG. 1 may be increased without yi g m 'value for determining a second IMD components are canceled out. Accordingly, in the case of a communication system using the direct conversion method in which the second IMD component is important, the above-described conventional technique can not be used. Further, in order to improve the improvement effect, the high-order termination is made into an LC resonance structure. In this case, the size of the entire circuit is increased due to the inductor.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로서, 본 발명의 목적은 트랜스컨덕터(Transconductor) 회로 장치 및 설계 방법을 제공함에 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a transconductor circuit device and a method of designing the same.
본 발명의 다른 목적은 업 믹서(Up Mixer)의 선형성을 향상시키기 위한 트랜스컨덕터 회로 장치 및 설계 방법을 제공함에 있다.It is another object of the present invention to provide a transconductor circuit device and a design method for improving the linearity of an upmixer.
본 발명의 또 다른 목적은 2차 및 3차 IMD 전류 성분을 제거하는 선형 트랜스컨덕터 회로 장치 및 설계 방법을 제공함에 있다. It is still another object of the present invention to provide a linear transconductor circuit device and a design method for eliminating secondary and tertiary IMD current components.
본 발명의 또 다른 목적은 기존의 트랜스컨덕터에 캐스코드(cascode) 구조로 구성된 두 개의 모스 트랜지스터를 병렬로 연결하여 선형성이 향상된 트랜스컨덕터를 제공함에 있다.It is another object of the present invention to provide a transconductor having improved linearity by connecting two MOS transistors in a cascode structure in parallel to an existing transconductor.
상술한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제 1 견지에 따르면, 트랜스컨덕터 회로 장치는, 게이트로 AC와 DC 전압을 입력받고 드레인이 전류 출력단과 연결되며 소스가 접지와 연결되는 제 1 MOS(Metal Oxide Semi-conductor) 트랜지스터와, 게이트로 상기 제 1 MOS 트랜지스터와 동일한 AC와 DC 전압을 입력받고 드레인이 제 3 MOS 트랜지스터의 소스와 연결되며 소스가 접지와 연결되는 제 2 MOS 트랜지스터와, 게이트로 상기 DC 전압을 입력받고 드레인이 상기 전류 출력단과 연결되 며 소스가 상기 제 2 트랜지스터의 드레인과 연결되는 제 3 MOS 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to a first aspect of the present invention, there is provided a transconductor circuit device including a first MOS (Metal Oxide) device having a gate receiving AC and DC voltages, a drain connected to a current output terminal, A second MOS transistor having a gate receiving the same AC and DC voltages as the first MOS transistor and having a drain connected to the source of the third MOS transistor and a source connected to the ground, And a third MOS transistor receiving a voltage and having a drain connected to the current output terminal and a source connected to a drain of the second transistor.
상술한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제 2 견지에 따르면, 무선통신 기기에서 믹서(Up Mixer) 장치는, 두 개의 트랜스컨덕터로부터 제공되는 출력 전류를 국부 발진 신호에 따라 스위칭하는 스위칭 회로부와, 상기 스위칭 회로부에 연결되어 출력 전류를 제공하는 상기 두 개의 트랜스컨덕터를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to a second aspect of the present invention, a mixer (Up Mixer) in a wireless communication device includes a switching circuit for switching an output current provided from two transconductors according to a local oscillation signal, And the two transconductors connected to the switching circuitry to provide an output current.
본 발명에서는 기존의 트랜스컨덕터에 캐스코드 구조로 구성된 두 개의 모스 트랜지스터를 병렬로 연결하는 트랜스컨덕터 회로 장치를 제공함으로써, 커플링 캐패시턴스를 사용하지 않고 2차와 3차 IMD 전류 성분을 상쇄시킬 수 있으며, 기저대역 신호를 입력받는 업 믹서에 활용하여 선형성을 높일 수 있는 효과가 있다. 또한, 상기 커플링 캐패시턴스가 사용되지 않음으로써, 상기 업 믹서에 활용할 경우 종래에 비해 크기를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.In the present invention, by providing a transconductor circuit device that connects two MOS transistors configured in a cascode structure to a conventional transconductor in parallel, it is possible to cancel the secondary and tertiary IMD current components without using a coupling capacitance And an upmixer for receiving a baseband signal, thereby improving the linearity. In addition, since the coupling capacitance is not used, it is possible to reduce the size of the upmixer when compared with the conventional one.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생 략한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.
이하 본 발명에서는 기존의 트랜스컨덕터(transconductor)에 캐스코드(cascode) 구조로 구성된 두 개의 모스 트랜지스터(MOS transistor)를 병렬로 연결하여 커플링 캐패시턴스(Coupling capacitance)를 사용하지 않고 2차와 3차 IMD성분을 제거하는 트랜스컨덕터 회로 장치 및 그 설계 방법에 대해 설명할 것이다.In the present invention, two MOS transistors, each having a cascode structure, are connected in parallel to a conventional transconductor so that a second and a third IMDs (not shown) are used without coupling capacitance, A transconductor circuit device for removing components and a method of designing the same will be described.
일반적으로, 2차 및 3차 IMD 성분은 상기 수학식 1에 나타낸 바와 같이, 트랜스컨덕턴스(gm)의 1차 미분항(gm')과 2차 미분항(gm")의 크기에 의해 결정됨을 알 수 있다. 여기서, 상기 트랜스컨덕턴스는 입력 전압에 따른 출력 전류의 변화량을 의미한다. 이에 따라, 1차 미분항(gm')과 2차 미분항(gm")의 크기가 작도록 하기 위해서 궁극적으로 상기 입력 전압과 출력 전류의 관계를 선형적으로 만들어야 한다.In general, secondary and tertiary IMD components by the magnitude of the first derivative, wherein (g m ') and the second derivative term (g m "), the transconductance (g m) as shown in Equation (1) it can be seen determined. here, the transconductance means a change amount of the output current corresponding to the input voltage. in this way, the magnitude of the first derivative, wherein (g m ') and the second derivative term (g m ") is less The relationship between the input voltage and the output current must be linearized.
그러나, Vgs가 Vth보다 큰 값을 가진다는 가정하에서 종래의 트랜스컨덕터는 하기 수학식 2와 같이 입력 전압과 출력 전류와의 관계가 비선형적이게 되므로, 이에 따라 1차 미분항과 2차 미분항이 0이 아닌 값을 갖게 된다.However, under the assumption that Vgs has a value larger than Vth, in the conventional transconductor, since the relationship between the input voltage and the output current becomes non-linear as shown in the
여기서, 상기 Iout은 출력 전류를 의미하며, Vin은 입력 전압을 의미하며, Vth는 임계 전압을 나타내고, Vds는 드레인-소스 전압을 의미한다. 그리고, μ는 이동도(mobility)이고, Cox는 MOS 트랜지스터의 게이트 산화막 커패시턴스이고, W 상기 트랜지스터의 폭(Width)을 의미하고, 상기 L은 길이(Length)를 의미한다.Here, Iout denotes an output current, Vin denotes an input voltage, Vth denotes a threshold voltage, and Vds denotes a drain-source voltage. Μ is the mobility, Cox is the gate oxide capacitance of the MOS transistor, W is the width of the transistor, and L is the length.
따라서, 이하 본 발명에서는 상기 Vgs가 Vth보다 큰 값을 가진다는 가정하에서 입력 전압과 출력 전류가 선형적인 관계를 가짐으로써, 상기 1차 미분항(gm')과 2차 미분항(gm")이 0 값을 갖게 되는 트랜스컨덕터 구조에 대해 설명할 것이다.Therefore, hereinafter in the present invention, as the Vgs is having an input voltage and an output current linearly related to the assumption has the value greater than the Vth, the first derivative, wherein (g m ') and the second derivative term (g m "≪ / RTI > will have a zero value will now be described.
도 5는 본 발명에 따른 트랜스컨덕터 회로를 도시하고 있다.Figure 5 shows a transconductor circuit according to the invention.
상기 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 트랜스컨덕터는 제 1, 제 2 및 제 3 MOS 트랜지스터(M1, M2, M3)(501, 503, 505)를 포함하여 구성된다.Referring to FIG. 5, the transconductor according to the present invention includes first, second and third MOS transistors M1, M2, and M3 (501, 503, and 505).
상기 제 1 MOS 트랜지스터(M1)(501)의 게이트는 Vin(511)과 연결되고 드레인은 전류 출력단과 연결되며, 소스는 접지와 연결된다. 여기서, 상기 제 1 MOS 트랜지스터(M1)(501)에 흐르는 전류가 기존 트랜스컨덕터에 흐르는 전류보다 작도록 상기 제 1 MOS 트랜지스터(M1)(501)의 크기를 작게 한다. The gate of the first MOS transistor (M1) 501 is connected to the Vin (511), the drain is connected to the current output terminal, and the source is connected to the ground. Here, the size of the first MOS transistor (M1) (501) is reduced such that the current flowing in the first MOS transistor (M1) (501) is smaller than the current flowing in the existing transconductor.
상기 제 2 MOS 트랜지스터(M2)(503)의 게이트는 상기 제 1 MOS 트랜지스터(M1)(501)와 같이 상기 Vin(511)과 연결되고 드레인은 상기 제 2 MOS 트랜지스터(M3)(505)의 소스와 연결되며, 소스는 접지와 연결된다. The gate of the second MOS transistor M2 and 503 is connected to the Vin 511 like the first MOS transistor M1 and the drain thereof is connected to the source of the second MOS transistor M3 505, And the source is connected to the ground.
상기 제 3 MOS 트랜지스터(M3)(505)의 게이트는 Vb(513)와 연결되고 드레인은 전류 출력단과 연결되며, 소스는 상기 제 2 MOS 트랜지스터(M3)의 드레인과 연결된다.The gate of the third MOS transistor M3 505 is connected to
상기 제 1 MOS 트랜지스터(M1)(501)는 전류 출력단을 통해 상기 제 2 및 제 3 MOS 트랜지스터(M2, M3)(503, 505)와 병렬로 연결된다. 즉, 상기 제 1 MOS 트랜지스터(M1)(501)의 드레인과 상기 제 3 MOS 트랜지스터(M3)(505)의 드레인은 병렬로 연결된다. The first MOS transistor (M1) 501 is connected in parallel with the second and third MOS transistors (M3, M3) 503, 505 through a current output terminal. That is, the drain of the first MOS transistor (M1) 501 and the drain of the third MOS transistor (M3) 505 are connected in parallel.
또한, 상기 제 2 MOS 트랜지스터(M2)(503)와 제 3 MOS 트랜지스터(M3)(505)는 캐스코드(cascode) 구조로 연결된다. 즉, 상기 제 2 MOS 트랜지스터(M2)의 드레인과 상기 제 3 MOS 트랜지스터(M3)의 소스가 연결되는 구조를 가진다. 여기서, 상기 캐스코드 구조는 일반적으로, 상기 제 2 및 제 3 MOS 트랜지스터를 포화 영역(saturation region)에서 동작시키기 위해 입력 전압 Vb(513)를 VDD와 연결하는데 비하여 본 발명에서는 상기 Vb(513)를 상기 Vin(511)과 같은 DC 전압으로 공급한다. 이는, 본 발명에 따라 상기 제 2 MOS 트랜지스터(503)는 딥 트라이오드 영역에서 동작시켜야하고, 상기 제 3 MOS 트랜지스터(505)는 상기 포화 영역에서 동작시켜야 하는데, 상기 Vb(513)가 VDD와 연결하게 되면, 제 3 MOS 트랜지스터(505) 뿐만이 아니라 상기 제 2 MOS 트랜지스터(503)까지 상기 포화 영역에서 동작하게 되기 때문에 이를 방지하기 위함이다. 즉, 본 발명에서는 상기 Vb(513)를 상기 제 2 MOS 트랜지스터(503)를 딥 트라이오드(deep triode) 영역에서 동작시킬 수 있는 값으로 설정한다.Also, the second MOS transistor (M2) 503 and the third MOS transistor (M3) 505 are connected in a cascode structure. That is, the drain of the second MOS transistor M2 is connected to the source of the third MOS transistor M3. In this case, the cascode structure generally connects the
또한, 본 발명에서는 Vd(515)를 상기 제 1 MOS 트랜지스터(501)를 포화 영역에서 동작시키기 위한 값으로 설정한다. 이에 따라 상기 제 2 및 제 3 MOS 트랜지스터(503, 505)가 능동 상태(turn on)로 전이되기 위하여 상기 제 2 MOS 트랜지스터(503)의 드레인 전압이 낮아져 상기 제 2 MOS 트랜지스터(503)가 딥 트라이오 드(deep triode) 영역에서 동작하게 되고, 상기 Vin(511)에 따라 비선형적으로 변하는 전압에 의해 제어되는 저항 특성을 보이게 된다. 다시 말해, 입력 전압인 상기 Vin(511)에 따라 상기 제 2 MOS 트랜지스터(503)의 등가 저항이 비선형적으로 변하게 되고, 그 결과 상기 Vin(511)과 I2(521)의 특성 또한 비선형적인 특성을 보이게 된다.In the present invention,
즉, 본 발명에서는 상기 제 2 및 제 3 MOS 트랜지스터(M2, M3)(503, 505)에 흐르는 전류가 상기 제 1 MOS 트랜지스터(M1)(501)에 흐르는 전류의 비선형성을 보상하도록 비선형적으로 동작하여 전체 입력 전압과 출력 전류의 관계를 선형적으로 만들 수 있다.That is, in the present invention, the current flowing in the second and third MOS transistors (M2, M3) 503, 505 is non-linearly adjusted to compensate for the nonlinearity of the current flowing in the first MOS transistor The relationship between the total input voltage and the output current can be made linear.
그러면, 상기 도 5의 구성을 참조하여 입력 전압과 출력 전류의 특성을 살펴보기로 한다.The characteristics of the input voltage and the output current will now be described with reference to the configuration of FIG.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 트랜스컨덕터에서 입력 전압에 따른 출력 전류의 특성을 도시하고 있다. 여기서, 가로축은 입력 전압을 나타내며, 세로축은 출력 전류를 나타낸다.6 shows characteristics of an output current according to an input voltage in a transconductor according to an embodiment of the present invention. Here, the horizontal axis represents the input voltage and the vertical axis represents the output current.
상기 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따라 제 1 MOS 트랜지스터(501)에 의한 출력 전류인 I1(519)과 제 2 및 제 3 MOS 트랜지스터(503, 505)에 의한 출력 전류인 I2(521)는 각각 비선형적인 특성을 가지며, 상기 I1(519)의 비선형 특성과 상기 I2(521)의 비선형 특성이 더해진 총 출력 전류인 Iout(517)은 선형 특성을 갖게 된다.6, an output current I1 (519) generated by the
도 7은 본 발명의 실시 예에 따라 트랜스컨덕터의 설계 절차를 도시하고 있다.Figure 7 illustrates a design procedure for a transconductor in accordance with an embodiment of the present invention.
상기 도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 트랜스컨덕터 설계를 위해, 먼저 설계자는 701단계에서 출력하고자 하는 총 DC 전류인 Iout(517)을 결정하고, 703단계에서 제 1 MOS 트랜지스터(501)의 크기, 즉 넓이와 길이의 비(W1/L1)를 결정한다. 여기서, 상기 제 1 MOS 트랜지스터(501)의 크기(W1/L1)는 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 트랜스컨덕터를 구성하는 MOS 트랜지스터의 크기(W/L)보다 작게 설정한다. 이는, 상기 제1 MOS 트랜지스터(501)에 흐르는 전류가 상기 존래의 트랜스컨덕터에 흐르는 전류보다 작도록 하기 위함이다.Referring to FIG. 7, in order to design a transconductor according to the present invention, the designer first determines the total DC
이후, 상기 설계자는 705단계에서 딥 트라이오드 영역에서 동작시키기 위한 제 2 MOS 트랜지스터(503)의 크기(W2/L2)와 포화 영역에서 동작시키기 위한 제 3 MOS 트랜지스터(505)의 크기를 결정한다.Then, in
이후, 상기 설계자는 707단계에서 제 1 MOS 트랜지스터(501)에 의한 출력 전류인 I1(519)과 상기 제 2 및 제 3 MOS 트랜지스터(503, 505)에 의한 출력 전류인 I2(521)의 합이 상기 701단계에서 설정된 총 출력 전류인 Iout(517)과 같은지 검사한다.Then, in
상기 I1(519)과 I2(521)의 합이 상기 Iout(517)과 같지 않을 시, 상기 설계자는 상기 705단계로 되돌아가 상기 제 2 및 제 3 MOS 트랜지스터(503, 505)의 크기를 조정한다. 반면, 상기 I1(519)과 I2(521)의 합이 상기 Iout(517)과 같을 시, 상기 설계자는 709단계로 진행하여 특정 범위 내의 입력 전압에 대해 트랜스컨덕턴 스(gm)값이 일정한지 검사한다.If the sum of
상기 설계자는 상기 특정 범위 내의 입력 전압에 대해 상기 트랜스컨덕턴스(gm)값이 일정하지 않을 시, 상기 705단계로 되돌아가 이하 단계를 재수행하고, 상기 특정 범위 내의 입력 전압에 대해 상기 트랜스컨덕턴스(gm)값이 일정할 시, 본 발명에 따른 트랜스컨덕터의 설계를 완료하여 알고리즘을 종료한다.If the transconductance (g m ) value is not constant for the input voltage within the specific range, the designer returns to step 705 and executes the following steps. If the transconductance g m ) is constant, the design of the transconductor according to the present invention is completed and the algorithm is terminated.
상술한 절차에 따라 상기 제 1, 제 2 및 제 3 MOS 트랜지스터(501, 503, 505)의 크기를 결정할 경우, 상기 각 MOS 트랜지스터의 크기는 하기 표 1과 같이 결정할 수 있다.When the sizes of the first, second, and
즉, 상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 제 1 MOS 트랜지스터(501)의 넓이(W1)와 길이(L1)는 각각 50um와 0.25um으로 결정하고, 제 2 MOS 트랜지스터(503)의 넓이(W2)와 길이(L2)는 각각 150um와 0.25um으로 결정하며, 제 3 MOS 트랜지스터(505)의 넓이(W3)와 길이(L3)는 각각 275um와 0.25um으로 결정할 수 있다.That is, as shown in Table 1, the width W1 and the length L1 of the
상술한 바와 같이 제 1, 제 2 및 제 3 MOS 트랜지스터(501, 503, 505)의 크기가 결정되면, 트랜스컨덕턴스(gm, gm', gm")를 구하여 DC 동작점 부근에서 선형화 특성을 구할 수 있다. The first, the second and the 3 MOS transistor when the crystal size of (501, 503, 505), a transconductance (g m, g m ', g m ") linearized characteristic in the vicinity of the DC operating point is obtained a as described above Can be obtained.
상기와 같이, 본 발명에서 제안한 선형 트랜스컨덕터 회로는 도 8에 도시된 바와 같이, 통신용 집적회로에서 송신단의 업 믹서(Tx Up Mixer)에 사용될 수 있다. 이때, 상기 송신단의 업 믹서는 두 개의 트랜스컨덕터를 포함하게 되며, 상기 두 개의 트랜스컨덕터 각각의 전류 출력단은 상기 업 믹서의 스위칭 회로(811) 내에 포함된 FET들(813, 815, 817, 818)의 소스단과 연결된다. 이에 따라, 상기 두 개의 트랜스컨덕터(801, 803)로부터 출력되는 전류는 국부 발진 신호(821, 823)에 의해 스위칭되어 임피던스 ZL(825, 827)에 전송된다.As described above, the linear transconductor circuit proposed by the present invention can be used in a communication-use integrated circuit as shown in FIG. 8 for a transmitter-side up mixer (Tx Up Mixer). The upmixer of the transmitting stage includes two transconductors, and the current output terminals of the two transconductors are connected to the
상기 도 8에 도시된 바와 같이 구성된 업 믹서는 차동(Differential) 구조로 동작하기 때문에 각각의 트랜스컨덕터(801, 803)에 흐르는 차동 전류의 트랜스컨덕턴스(gm)를 구하면, 도 9에 도시된 바와 같이 DC 동작점 부근(901)에서 상기 트랜스컨덕턴스(gm)값이 일정한 것을 알 수 있다. 즉, 2차 비선형성을 결정하는 트랜스컨덕턴스의 1차 미분항(gm')은 상기 트랜스컨덕턴스 값이 일정한 동작점 부근(901)에서 0이되므로, 2차 IMD 성분이 감소하게 된다. 또한, 3차 비선형성을 결정하는 트랜스컨덕턴스의 2차 미분항(gm") 역시 상기 트랜스컨덕턴스 값이 일정한 동작점에서 0이 되므로, 3차 IMD 성분이 감소하게 된다. 즉, 종래의 트랜스컨덕터에 비해 상기 2차 및 3차 IMD 성분이 크게 감소하여 선형성이 개선됨을 알 수 있다.Up mixer configured as described above, illustrated in Figure 8 includes a differential (Differential) because it operates in a structure Obtaining a transconductance (g m) of the differential current flowing to the respective transconductors (801, 803), shown in Figure 9 Similarly, the transconductance (g m ) value is constant at the vicinity of the DC operating point (901). That is, the second first derivative, wherein (g m ') of the transconductance of determining the non-linearity is therefore zero in the vicinity of 901, the value of the transconductance constant operating point, thereby reducing the second IMD components. In addition, since the third-order zero at the non-linearity of the second order derivative, wherein (g m ") also operates said transconductance value certain point of the transconductance for determining a, decreases the third IMD component, that is, a conventional transconductor The second and third IMD components are greatly reduced and the linearity is improved.
도 10은 종래의 트랜스컨덕터를 적용한 업 믹서와 본 발명에 따른 트랜스컨덕터를 적용한 업 믹서에서 1차 및 3차 IMD항의 파워를 나타내고 있다. 여기서, 가로축은 입력 파워(Pin)를 나타내고, 세로축은 출력 파워(Pout)를 나타낸다.FIG. 10 shows the power of the first and third IMD terms in an upmixer using a conventional transconductor and an upmixer using a transconductor according to the present invention. Here, the horizontal axis represents the input power (Pin), and the vertical axis represents the output power (Pout).
상기 도 10에 도시된 바와 같이, 종래의 트랜스컨덕터를 적용한 업 믹서에 비해 본 발명에 따른 트랜스컨덕터를 적용한 업 믹서의 전압 이득은 2dB 감소하였으나, 3차 IMD 성분의 감소로 인해 OIP3는 -4.92dBm에서 4.45dBm로 9.4dB만큼 개선되었음을 알 수 있다.As shown in FIG. 10, the voltage gain of the upmixer using the transconductor according to the present invention is reduced by 2 dB as compared with the upmixer using the conventional transconductor. However, OIP3 is -4.92 dBm It is 4.45dBm, which is improved by 9.4dB.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 트랜스컨덕터는 커플링 캐패시터를 이용하지 않고 세 개의 MOS 트랜지스터를 이용하여 선형성을 향상시킴으로써, 작은 크기를 갖기 때문에 상기 도 11에 도시된 바와 같은, 이동통신 기기의 CMOS RFIC에서 송신단의 업 믹서(115)에도 적용할 수 있다. As described above, since the transconductor according to the present invention has a small size by improving the linearity by using three MOS transistors without using a coupling capacitor, the transconductor according to the present invention can be used as a CMOS The RFIC may be applied to the
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능하다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be the most practical and preferred embodiment, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments. Therefore, the scope of the present invention should not be limited by the illustrated embodiments, but should be determined by the scope of the appended claims and equivalents thereof.
도 1은 트랜스컨덕터가 적용되는 무선통신 기기의 블록 구성을 도시하는 도면.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Fig. 1 is a block diagram of a wireless communication device to which a transconductor is applied; Fig.
도 2는 종래 기술에 따른 트랜스컨덕터 회로를 도시하는 도면,Figure 2 shows a transconductor circuit according to the prior art,
도 3은 종래 기술에 따라 이전 왜곡을 이용한 트랜스컨덕터 선형화 회로를 도시하는 도면,3 shows a transconductor linearization circuit using prior distortion according to the prior art,
도 4는 종래 기술에 따라 다중 게이트 트랜지스터 기법을 이용한 트랜스컨덕터 선형화 회로를 도시하는 도면,Figure 4 illustrates a transconductor linearization circuit using a multi-gate transistor technique in accordance with the prior art;
도 5는 본 발명에 따른 트랜스컨덕터 회로를 도시하는 도면,Figure 5 shows a transconductor circuit according to the invention,
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 트랜스컨덕터에서 입력 전압에 따른 출력 전류의 특성을 도시하는 도면,6 is a graph showing the characteristics of an output current according to an input voltage in a transconductor according to an embodiment of the present invention;
도 7은 본 발명의 실시 예에 따라 트랜스컨덕터의 설계 절차를 도시하는 도면,Figure 7 illustrates a design procedure for a transconductor in accordance with an embodiment of the present invention;
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 트랜스컨덕터를 적용한 업 믹서를 도시하는 도면,8 is a diagram illustrating an upmixer to which a transconductor according to an embodiment of the present invention is applied,
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 트랜스컨덕터에서 트랜스컨덕턴스의 특성을 도시하는 도면, 및9 is a diagram showing the characteristics of transconductance in a transconductor according to an embodiment of the present invention, and Fig.
도 10은 종래의 트랜스컨덕터를 적용한 업 믹서와 본 발명에 따른 트랜스컨덕터를 적용한 업 믹서에서 1차 및 3차 IMD항의 파워를 나타내는 도면.10 is a diagram showing the power of the first and third IMD terms in an upmixer to which a conventional transconductor is applied and an upmixer to which a transconductor according to the present invention is applied;
Claims (9)
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KR20050064116A (en) * | 2003-12-23 | 2005-06-29 | 한국전자통신연구원 | Transconductor circuit composed of mos transistors |
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