KR101627790B1 - 트랜스포머 기반 기생 캐패시터 보상 증폭기 - Google Patents

Abstract

트랜스포머 기반 기생 캐패시터 보상 증폭기가 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 증폭기는, 트랜스포머가 커패시터를 통해 트랜지스터의 드레인을 게이트로 피드백하는 구조이다. 이에 의해, 추가적인 파워 소모와 노이즈 증가 없이 고이득, 고 선형성 증폭기를 설계할 수 있고, 고주파 증폭기 설계에 있어서 유용한 효과를 나타낼 수 있다.

Description

트랜스포머 기반 기생 캐패시터 보상 증폭기{Amplifier for Parasitic Capacitance Compensation based on Transformer}

본 발명은 전력 증폭기, 저잡음 증폭기와 같은 증폭기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 RF 신호와 밀리미터(millimeter) 웨이브 신호를 증폭하기 위한 증폭기에 관한 것이다.

증폭기 설계에서는 이득과 선형성이 중요한 설계 파라미터가 된다. 증폭기 설계에서는 밀러 캐패시터라고 부르는 기생 커패시터(Gate Drain Capacitor : Cgd)가 이득과 선형성 특성을 제약하는 중요한 요소로 인식되고 있다.

특히, RF 및 밀리미터 웨이브 등 동작 주파수가 점점 높아지는 현재 추세로는 밀러 캐패시터의 부정적 효과는 더 두드러진다. 이를 제거하기 위해 기존 기술들은 차동 증폭기(differential amplifier)와 교차 결합 커패시터(cross coupled Capacitor)를 사용하여 밀러 캐패스터를 상쇄하곤 했다.

도 1에는 밀러 캐패시터를 제거하기 위한 차동 교차 결합 구조의 증폭기를 예시하였다.

하지만, 이 방법은 차동 구조를 취함으로써 파워가 두 배로 늘어난다는 문제점 및 노이즈 또한 증가한다는 단점을 가지고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, RF 증폭기 설계나 밀리미터 웨이브 증폭기 설계에 있어서 증폭기의 이득을 증가시키면서도 잡음은 감소시키는 방법 및 이에 의해 설계된 증폭기를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 증폭기는, 트랜지스터; 및 상기 트랜지스터의 드레인에 연결된 트랜스포머;를 포함한다.

그리고, 상기 트랜스포머의 2차 코일이 상기 트랜지스터의 드레인에 연결될 수 있다.

또한, 상기 트랜스포머의 1차 코일은 상기 트랜지스터의 게이트에 피드백 될 수 있다.

그리고, 상기 1차 코일의 음극 출력이 상기 트랜지스터의 게이트에 피드백 될 수 있다.

그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 증폭기는, 상기 트랜스포머의 1차 코일과 상기 트랜지스터의 게이트 사이에 마련된 커패시터;를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 트랜스포머와 상기 커패시터에 의해, Cgd 효과가 감소될 수 있다.

그리고, 상기 트랜스포머와 상기 커패시터에 의해, Cgs가 감소될 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 종래의 기술과 다르게 밀러 캐패시터를 제거하기 위한 방법으로 차동 신호를 만들어 주는 트랜스포머를 사용해서 밀러 캐패시터를 제거하였기 때문에, 추가적인 파워 소모와 노이즈 증가 없이 고이득, 고 선형성 증폭기를 설계할 수 있다는 장점이 있다.

특히, 최근 통신 표준에서 증폭기의 동작 주파수가 올라가고 있는 추세인데, 이런 고주파 증폭기 설계에 있어서 본 발명의 실시예들에 따른 저전력 저잡음 고성능 제공 특성은 향후 증폭기 설계에 중요한 효과를 나타낼 수 있다.

도 1에는 밀러 캐패시터를 제거하기 위한 차동 교차 결합 구조의 증폭기의 회로도,
도 2는 공통 소스 증폭기의 회로도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 증폭기의 회로도,
도 4는 Cm과 이득의 관계를 시뮬레이션한 결과를 나타낸 그래프, 그리고,
도 5는 Cm과 위상 왜곡의 관계를 시뮬레이션한 결과를 나타낸 그래프이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

증폭기에서 트랜지스터는 게이트(Gate)나 소스(Source)에 입력을 넣고 드레인(Drain)에서 출력을 뽑아내어 신호를 증폭하는 소자이다.

일반적으로 소스 측에 입력을 넣기보다는 입력 게이트가 플로팅(floating) 상태라 바이어스 하기 좋은 게이트에 입력을 가하는 구조인 공통 소스(Common Source) 증폭기가 많이 사용되고 있다.

도 2는 공통 소스 증폭기의 회로도이다. 구체적으로, 도 2의 (a)에는 공통 소스 증폭기의 구조를 나타낸 회로도를 나타내었고, 도 2의 (b)에는 그 소신호 등가 모델을 나타내었다.

도 2의 (b)에 나타난 소신호 등가회로로부터 증폭기 이득에 관한 수학식을 아래의 수학식 1로 유도하였다.

여기에 사용된 Gm은 수학식 2에 나타난 바와 같이, 동작주파수와 사이즈가 Cgs 및 Cgd의 함수로 되어있는 파라미터이다.

수학식 1과 수학식 2에 나타난 바와 같이, 주파수가 올라가고 사이즈가 커짐에 따라 Cgs와 Cgd에 의한 이득 감소 현상이 심각해질 것임을 짐작할 수 있다.

한편, 선형성과 관계가 깊은 위상 왜곡(phase distortion)을 수학식 3에 나타내었다.

통신 표준들에서, 점점 높은 주파수의 동작을 원함에 따라, Cgd와 Cgs로 인하여 선형성과 이득이 감소하는 현상이 발생할 수 밖에 없다.

이를 극복하기 위한, 증폭기의 구조를 도 3에 도시하였다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 증폭기의 회로도이다. 구체적으로, 도 3의 (a)에는 본 발명의 일 실시예에 따른 공통 소스 증폭기의 구조를 나타낸 회로도를 나타내었고, 도 3의 (b)에는 그 소신호 등가 모델을 나타내었다.

본 발명의 일 실시예에 따른 증폭기는 공통 소스 증폭기로, 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 트랜스포머(Transformer)(Tf), 입력 저항(Ri), 커패시터(Cm) 및 트랜지스터(Tr)를 포함한다.

도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 트랜지스터(Tr)의 드레인에는 트랜스포머(Tf)가 연결된다. 즉, 공통 소스 증폭기의 로드(load)로 트랜스포머(Tf)가 사용된다.

보다 구체적으로는, 트랜스포머(Tf)의 2차 코일이 트랜지스터(Tr)의 드레인에 연결된다.

트랜스포머(Tf)의 1차 코일은 트랜지스터(Tr)의 게이트에 연결된다. 구체적으로, 트랜스포머(Tf)의 1차 코일에서 음극 출력 부분이 트랜지스터(Tr)의 게이트에 연결되어, 트랜지스터(Tr)의 출력이 입력에 피드백 된다.

한편, 피드백 경로에는 커패시터(Cm)가 위치한다. 즉, 트랜스포머(Tf)의 1차 코일과 트랜지스터(Tr)의 게이트 사이에 커패시터(Cm)가 마련된다.

트랜스포머(Tf)의 커패시터(Cm)를 이용한 트랜지스터(Tr)의 드레인-게이트 간 피드백에 의해 Cgd 효과를 완화시켜, 궁극적으로는 증폭기의 이득이 증가하게 된다.

또한, 트랜스포머(Tf)의 커패시터(Cm)를 이용한 피드백에 의해 Cgs가 감소되어, 궁극적으로 증폭기의 선형성이 증가하게 된다.

도 3의 (b)에 도시된 소신호 등가 모델을 통해 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 증폭기의 구조는 단일 Gm(Gm이 노이즈 소스)을 사용하고 있으므로 Cgd와 Cgs 효과를 극복할 수 있으면서 추가적인 전력 소모를 하지 않고 동시에 잡음 증가를 막을 수 있음을 짐작할 수 있다.

한편, 공통 소스 증폭기의 로드(load)로 사용되는 트랜스포머(Tf)는, 기존의 로드 인덕터(load inductor)와 크기가 거의 동일하기 때문에, 트랜스포머(Tf)에 의한 증폭기 사이즈가 커지게 된다고 볼 수 없다.

본 발명의 실시예에 따른 공통 소스 증폭기의 이득을, 아래의 수학식 4에 나타내었다.

여기서, f는 피드백 지수이다.

한편, 위 수학식 4에서 Cm과 이득의 관계를 시뮬레이션한 결과를 도 4에 나타내었다. 도 4에 도시된 바와 같이, Cm을 적정하게 튜닝하여 우수한 이득을 얻게 됨을 확인할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 공통 소스 증폭기의 위상 왜곡(phase distortion)을, 아래의 수학식 4에 나타내었다.

한편, 위 수학식 5에서 Cm과 위상 왜곡의 관계를 시뮬레이션한 결과를 도 5에 나타내었다. 도 5에 도시된 바와 같이, Cm을 적정하게 튜닝하여 위상 왜곡을 감소시킬 수 있게 됨을 확인할 수 있다.

지금까지, 트랜스포머 기반으로 기생 캐패시터 보상하는 증폭기에 대해 바람직한 실시예를 들어 상세히 설명하였다.

위 실시예에 따라 구현한 증폭기는, RF 신호와 밀리미터(millimeter) 웨이브에 대한 전력 증폭기 및 저잡음 증폭기로 사용가능하다. 하지만, 이는 예시적인 것에 불과하며, 이와 다른 신호와 다른 용도의 증폭기에도 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있음은 물론이다.

또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

Tf : 트랜스포머
Ri : 입력 저항
Cm : 커패시터
Tr : 트랜지스터

Claims (7)

1. 트랜지스터; 및
   상기 트랜지스터의 드레인에 연결된 트랜스포머;를 포함하고,
   상기 트랜스포머의 1차 코일의 양단은, 상기 트랜지스터의 드레인과 게이트에 각각 연결되고, 상기 트랜스포머의 2차 코일이 상기 트랜지스터의 드레인에 연결되어, 상기 트랜지스터의 출력을 상기 드레인으로부터 상기 게이트에 피드백 하고,
   상기 트랜스포머의 1차 코일과 상기 트랜지스터의 게이트 사이에 마련된 커패시터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 증폭기.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서,
   상기 1차 코일의 음극 출력이 상기 트랜지스터의 게이트에 피드백 되는 것을 특징으로 하는 증폭기.
   
5. 삭제
6. 제 1항에 있어서,
   상기 트랜스포머와 상기 커패시터에 의해, Cgd 효과가 감소되는 것을 특징으로 하는 증폭기.
   
7. 제 1항에 있어서,
   상기 트랜스포머와 상기 커패시터에 의해, Cgs가 감소되는 것을 특징으로 하는 증폭기.
   

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