KR101618502B1 - Ｒｆ 필터가 내장된 바이어스 전류를 재사용한 저전력 수신기 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 저전력 수신기 장치에 관한 것으로서, 본 발명은 무선 주파수(Radio Frequency) 신호를 수신하는 저전력 수신기 장치에서, 입력된 전압 신호를 증폭하여 출력하기 위한 저잡음 증폭기인 LNA(Low-noise amplifier), 상기 LNA에서 출력된 전압 신호를 이용하여 주파수를 변환하기 위한 전압 모드 수동 믹서(Voltage-mode passive mixer), 상기 전압 모드 수동 믹서에서 주파수가 변환된 전압 신호에 대해 차단 주파수(Cutoff frequency)보다 낮은 주파수의 전압 신호를 통과시키고, 차단 주파수보다 높은 주파수의 전압 신호를 차단시키기 위한 베이스밴드 LPF(Baseband low pass filter) 및 상기 베이스밴드 LPF에서 출력되는 전압 신호를 증폭하여 출력하기 위한 TIA(Transimpedance amplifier)를 포함한다. 본 발명에 의하면 LNA 출력에서의 주파수 선택성(selectivity) 특성이 개선되어 아웃 어브 밴드 블로커 리젝션(out-of-band blocker rejection) 성능이 향상됨으로써, 수신기의 선형성이 증가하는 효과가 있다.

Description

ＲＦ 필터가 내장된 바이어스 전류를 재사용한 저전력 수신기 장치 {Power-efficient RX apparatus employing bias-current-shared RF embedded frequency-translated RF bandpass filter}
본 발명은 저전력 수신기 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 High-Q RF 필터가 내장된 바이어스 전류를 재사용한 저전력 수신기 구조에 관한 것이다.
다이렉스-변환 아키텍처는 높은 집적도와 저비용으로 인해 무선통신시스템에 유리하다. 호모다인, 싱크로다인 또는 제로-IF 수신기로도 알려진 다이렉트-변환 수신기(DCR)는, 원하는 신호의 캐리어에 대해 주파수 동기화된 국부 발진기 신호와 인입하는 신호를 믹싱함으로써 인입하는 신호들을 복조하는 무선 수신기 설계이다. 이와 같이, 추가적인 검출을 하지 않고, 믹서 출력을 저역통과 필터링함으로써 즉시 원하는 복조 신호를 얻을 수 있다. 이러한 수신기는 고 선택성의 이점을 가지며, 내재적으로 정확한 복조기라고 할 수 있다.
휴대폰, 스마트 폰, 태블릿 PC, 헬스 케어 등의 무선 통신 장치에서 무선 주파수를 수신하는 수신기는 다음과 같은 호로 구조를 갖는다.
도 1은 종래 수신기 구조를 보여주는 회로도이다.
도 1을 참조하면, 무선 통신을 위한 종래 수신기에서 LNGM(Low-noise transconductor)(10), 전류 모드 수동 믹서(current-mode passive mixer(20) 및 TIA(transimpedance amplifier)(30)로 구성된 리시버 RF 프론트-엔드(receiver RF front-end) 구조가 많이 사용된다. 하지만 이 구조는 독립된 세 개의 블록이 각각 전력을 소모하기 때문에 저전력을 요구하는 응용분야에는 적합하지 않다는 문제점이 있다.
대한민국 공개특허 10-2006-0063305
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 전력 소모를 줄이고, 선형성을 향상시킬 수 있는 저전력 수신기 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 무선 주파수(Radio Frequency) 신호를 수신하는 저전력 수신기 장치에서, 입력된 전압 신호를 증폭하여 출력하기 위한 저잡음 증폭기인 LNA(Low-noise amplifier), 상기 LNA에서 출력된 전압 신호를 이용하여 주파수를 변환하기 위한 전압 모드 수동 믹서(Voltage-mode passive mixer), 상기 전압 모드 수동 믹서에서 주파수가 변환된 전압 신호에 대해 차단 주파수(Cutoff frequency)보다 낮은 주파수의 전압 신호를 통과시키고, 차단 주파수보다 높은 주파수의 전압 신호를 차단시키기 위한 베이스밴드 LPF(Baseband low pass filter) 및 상기 베이스밴드 LPF에서 출력되는 전류 신호를 증폭하여 출력하기 위한 TIA(Transimpedance amplifier)를 포함한다.
상기 TIA는 소스가 전원에 연결되고, 드레인이 상기 LNA와 연결되는 제1 PMOS(P channel Metal Oxide Semiconductor) 트랜지스터, 소스가 전원에 연결되고, 드레인이 상기 LNA와 연결되는 제2 PMOS 트랜지스터, 상기 제1 PMOS 트랜지스터와 상기 제2 PMOS 트랜지스터의 사이에 연결되는 제1 커패시터, 일측이 상기 제1 PMOS 트랜지스터의 드레인에 연결되고, 타측이 상기 제1 커패시터의 일측과 상기 베이스밴드 LPF에 연결되는 제1 저항 및 일측이 상기 제2 PMOS 트랜지스터의 드레인에 연결되고, 타측이 상기 제1 커패시터의 타측과 상기 베이스밴드 LPF에 연결되는 제2 저항을 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 베이스밴드 LPF는 상기 제1 저항과 상기 전압 모드 수동 믹서 사이에 연결되는 제3 저항, 상기 제3 저항에 병렬로 연결되는 제2 커패시터, 상기 제2 저항과 상기 전압 모드 수동 믹서 사이에 연결되는 제4 저항 및 상기 제4 저항에 병렬로 연결되는 제4 커패시터를 포함하여 이루어질 수 있다.
본 발명에 의하면 LNA 출력에서의 주파수 선택성(Selectivity) 특성이 개선되어 아웃 어브 밴드 블로커 리젝션(out-of-band blocker rejection) 성능이 향상됨으로써, 수신기의 선형성이 증가하는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면 RF 블록과 베이스밴드(baseband) TIA가 동일한 바이어스 전류를 사용함으로써 저전력 설계가 가능하다는 장점이 있다.
도 1은 종래 수신기 구조를 보여주는 회로도이다.
도 2는 도 1의 수신기 구조를 개선한 수신기 구조의 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 저전력 수신기 장치의 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 저전력 수신기 장치에서의 LNA 출력을 도시한 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 갖는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 2는 도 1의 수신기 구조를 개선한 수신기 구조의 회로도이다.
도 2를 참조하면, 수신기는 LNGM(Low noise transconductor)(40), 전류 모드 수동 믹서(current-mode passive mixer)(50), TIA(Transimpedance amplifier)(60)로 이루어진다.
도 2에서 보는 바와 같이, RF 블록인 LNGM(40), 전류 모드 수동 믹서(50)와, 베이스밴드(baseband) 블록인 TIA(60)가 하나의 바이어스 전류를 공유함으로써 전력소모를 줄이는 수신기 구조이다. 하지만 이 수신기 구조는 LNA 출력에서 필터링 효과가 없기 때문에 RF 도메인(domain)에서 강한 블록커(blocker)가 존재할 경우에 비선형성에 의한 성능 열화가 발생하게 된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 저전력 수신기 장치의 회로도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 다른 저전력 수신기 장치는 무선 주파수(Radio Frequency) 신호를 수신하는 저전력 수신기 장치로서, LNA(Low-noise amplifier)(110), 전압 모드 수동 믹서(Voltage-mode passive mixer)(120), 베이스밴드 LPF(Baseband low pass filter)(130) 및 TIA(Transimpedance amplifier)(140)를 포함한다.
LNA(110)는 입력된 전압 신호를 증폭하여 출력하기 위한 저잡음 증폭기이다.
전압 모드 수동 믹서(120)는 LNA(110)에서 출력된 전압 신호를 이용하여 주파수를 변환하는 역할을 한다.
베이스밴드 LPF(130)는 전압 모드 수동 믹서(120)에서 주파수가 변환된 전압 신호에 대해 차단 주파수(Cutoff frequency)보다 낮은 주파수의 전압 신호를 통과시키고, 차단 주파수보다 높은 주파수의 전압 신호를 차단시키는 역할을 한다.
TIA(140)는 베이스밴드 LPF(130)에서 출력되는 전압 신호를 증폭하여 출력하는 역할을 한다.
도 3에서 베이스밴드 LPF(130)에 의해서 전압 모드 수동 믹서(120)의 동작 모드가 전압 모드(voltage-mode)로 바뀌게 된다.
그리고, 전압 모드 수동 믹서(120)의 트랜스패런트(transparent)한 특성에 의해서 베이스밴드 LPF(130)가 주파수 변이(freqeuency-translated)되어 LNA(110) 출력에서 RF 밴드패스 필터(bandpass filter) 특성을 갖게 된다. 이러한 특성에 의해서 LNA(110) 출력에서 아웃 어브 밴드 리젝션(out-of-band rejection) 성능이 향상되어 선형성이 향상된다.
도 3에서 LNA(110)는 접지에 연결되는 제1 전류원(IB), 접지에 연결되는 제2 전류원(IB), 소스가 제1 전류원(IB)에 연결되고, 드레인이 전압 모드 수동 믹서(120)와 TIA(140)에 연결되는 제1 NMOS(N channel Metal Oxide Semiconductor) 트랜지스터(transistor)(MN1) 및 소스가 제2 전류원(IB)에 연결되고, 드레인이 전압 모드 수동 믹서(120)와 TIA(140)에 연결되고, 게이트가 제1 NMOS 트랜지스터(MN1)의 게이트와 연결되는 제2 NMOS 트랜지스터(MN2)를 포함하여 이루어진다.
제1 NMOS 트랜지스터(MN1)의 게이트와 제2 NMOS 트랜지스터(MN2)의 게이트 사이에 입력전압(VRFM, VRFP)이 병렬로 연결된다.
TIA(140)는 소스가 전원에 연결되고, 드레인이 제1 NMOS 트랜지스터(MN1)의 드레인과 연결되는 제1 PMOS(P channel Metal Oxide Semiconductor) 트랜지스터(MP1), 소스가 전원에 연결되고, 드레인이 제2 NMOS 트랜지스터(MN2)의 드레인과 연결되는 제2 PMOS 트랜지스터(MP2), 제1 PMOS 트랜지스터(MP1)와 제2 PMOS 트랜지스터(MP2)의 사이에 연결되는 제1 커패시터(CRF), 일측이 제1 PMOS 트랜지스터(MP1)의 드레인에 연결되고, 타측이 제1 커패시터(CRF)의 일측과 베이스밴드 LPF(130)에 연결되는 제1 저항 및 일측이 제2 PMOS 트랜지스터(MP2)의 드레인에 연결되고, 타측이 제1 커패시터(CRF)의 타측과 베이스밴드 LPF(130)에 연결되는 제2 저항을 포함하여 이루어진다.
베이스밴드 LPF(130)는 제1 저항과 전압 모드 수동 믹서(120) 사이에 연결되는 제3 저항, 제3 저항에 병렬로 연결되는 제2 커패시터, 제2 저항과 전압 모드 수동 믹서(120) 사이에 연결되는 제4 저항 및 제4 저항에 병렬로 연결되는 제4 커패시터를 포함하여 이루어진다.
제1 NMOS 트랜지스터(MN1)의 드레인과 제1 PMOS 트랜지스터(MP1)의 드레인 사이에 출력단이 있고, 제2 NMOS 트랜지스터(MN2)의 드레인과 제2 PMOS 트랜지스터(MP2)의 드레인 사이에 출력단이 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 저전력 수신기 장치에서의 LNA 출력을 도시한 그래프이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 저전력 수신기 장치에서 RF 주파수에 따른 LNA 이득(gain)이 도시되어 있다.
도 4에서 보는 바와 같이, 본 발명의 저전력 수신기 장치에서는 LNA 출력에서의 주파수 특성이 개선되기 때문에, 아웃 어브 밴드 블로커 리젝션(Out-of-band blocker rejection) 성능이 향상되어 저전력 수신기 장치의 선형성을 증가시킬 수 있다.
이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.
110 LNA
120 전압 모드 수동 믹서
130 베이스밴드 LPF
140 TIA

Claims (3)

  1. 무선 주파수(Radio Frequency) 신호를 수신하는 저전력 수신기 장치에서,
    입력된 전압 신호를 증폭하여 출력하기 위한 저잡음 증폭기인 LNA(Low-noise amplifier);
    상기 LNA에서 출력된 전압 신호를 이용하여 주파수를 변환하기 위한 전압 모드 수동 믹서(Voltage-mode passive mixer);
    상기 전압 모드 수동 믹서에서 주파수가 변환된 전압 신호에 대해 차단 주파수(Cutoff frequency)보다 낮은 주파수의 전압 신호를 통과시키고, 차단 주파수보다 높은 주파수의 전압 신호를 차단시키기 위한 베이스밴드 LPF(Baseband low pass filter); 및
    상기 베이스밴드 LPF에서 출력되는 전압 신호를 증폭하여 출력하기 위한 TIA(Transimpedance amplifier)를 포함하며,
    상기 LNA는 접지에 연결되는 제1 전류원, 접지에 연결되는 제2 전류원, 소스가 상기 제1 전류원에 연결되고, 드레인이 상기 전압 모드 수동 믹서와 상기 TIA에 연결되는 제1 NMOS(N channel Metal Oxide Semiconductor) 트랜지스터(transistor) 및 소스가 상기 제2 전류원에 연결되고, 드레인이 상기 전압 모드 수동 믹서와 상기 TIA에 연결되고, 게이트가 상기 제1 NMOS 트랜지스터의 게이트와 연결되는 제2 NMOS 트랜지스터를 포함하여 이루어지고,
    상기 TIA는 소스가 전원에 연결되고, 드레인이 상기 제1 NMOS 트랜지스터의 드레인과 연결되는 제1 PMOS(P channel Metal Oxide Semiconductor) 트랜지스터, 소스가 전원에 연결되고, 드레인이 상기 제2 NMOS 트랜지스터의 드레인과 연결되는 제2 PMOS 트랜지스터, 상기 제1 PMOS 트랜지스터와 상기 제2 PMOS 트랜지스터의 사이에 연결되는 제1 커패시터, 일측이 상기 제1 PMOS 트랜지스터의 드레인에 연결되고, 타측이 상기 제1 커패시터의 일측과 상기 베이스밴드 LPF에 연결되는 제1 저항 및 일측이 상기 제2 PMOS 트랜지스터의 드레인에 연결되고, 타측이 상기 제1 커패시터의 타측과 상기 베이스밴드 LPF에 연결되는 제2 저항을 포함하여 이루어지고,
    상기 베이스밴드 LPF는 상기 제1 저항과 상기 전압 모드 수동 믹서 사이에 연결되는 제3 저항, 상기 제3 저항에 병렬로 연결되는 제2 커패시터, 상기 제2 저항과 상기 전압 모드 수동 믹서 사이에 연결되는 제4 저항 및 상기 제4 저항에 병렬로 연결되는 제4 커패시터를 포함하여 이루어지고,
    상기 제1 NMOS 트랜지스터의 드레인과 상기 제1 PMOS 트랜지스터의 드레인 사이에 제1 출력단이 형성되어 있고, 상기 제2 NMOS 트랜지스터의 드레인과 상기 제2 PMOS 트랜지스터의 드레인 사이에 출력단이 형성되어 있으며,
    상기 전압 모드 수동 믹서의 트랜스패런트(transparent) 특성에 의해서 상기 베이스밴드 LPF가 주파수 변이(freqeuency-translated)되고, 상기 베이스밴드 LPF에서의 주파수 변이에 의해 상기 LNA에서 RF 밴드패스 필터(bandpass filter) 특성을 갖는 신호가 출력되는 것을 특징으로 하는 저전력 수신기 장치.
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