KR101682375B1 - 구동 증폭기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 구동 증폭기에 있어서,제 1 및 제 2 차동(differential) 무선 주파수(radio frequency: RF) 전압이 각각 입력되는 게이트를 포함하는 제 1 및 제 2 트랜지스터와, 상기 제 2 트랜지스터의 드레인에 연결되는 드레인과, 상기 제 1 트렌지스터의 게이트에 연결되는 소스를 포함하며, 상기 제 2 차동 RF 전압의 증가에 따라 드레인-소스 전류가 증가하는 제 3 트랜지스터와, 상기 제 1 트랜지스터의 드레인에 연결되는 드레인과, 상기 제 2 트랜지스터의 게이트에 연결되는 소스를 포함하며, 상기 제 1 차동 RF 전압의 증가에 따라 드레인-소스 전류가 증가하는 제 4 트랜지스터를 포함한다.

Description

구동 증폭기{DRIVE AMPLIFIER}
본 발명은 무선 통신 시스템에 관한 것으로, 특히 무선 통신 시스템의 송신단에 적용되는 구동 증폭기에 관한 것이다.
일반적으로 CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 공정을 이용하여 제작된 RFIC(radio frequency integrated circuit)는 그 성능이 BJT(Bipolar Junction Transistor) 계열에 비해 열세하여 WCDMA(Wideband Code Division Multiple Access)나 LTE(Long Term Evolution) 방식과 같이 높은 선형성이 요구되는 통신 방식에서는 적합하지 않은 것으로 알려져 있었다. 그러나, 최근 들어 CMOS 트랜지스터의 게이트 길이의 감소로 인해 CMOS 공정을 이용한 RFIC의 가격 경쟁력이 우수해지고, 다양한 토폴로지 적용으로 인한 성능 향상으로 인하여 CMOS RFIC의 시장 점유율이 점점 높아지고 있다.
이러한, CMOS RFIC는 기저대역 모뎀(baseband modem)으로부터 수신되는 신호를 고주파 대역으로 변환하여 안테나를 통해 송신하고, 안테나를 통해 수신되는 고주파 신호를 기저대역 신호로 변환하여 기저대역 모뎀으로 전달해주는 역할을 한다.
한편, RFIC의 송신 회로의 성능은 전송하고자 하는 데이터의 왜곡 정도에 따라 좌우된다. 따라서 RFIC의 송신 회로에 있어서, 출력단 회로의 선형성, LO(Local Oscillation) 신호의 위상 잡음, IQ 채널의 불균형(imbalance) 양 및 IQ origin offset 양(DC offset) 등이 주요 사양으로 간주되고 있다. 이러한 사양들이 Error Vector Magnitude (EVM) 값으로 정의가 될 수 있으며, 이는 WCDMA/HSPA, Mobile WiMax 및 LTE 등에서 공통적으로 중요시 되고 있는 송신 성능 지표이다.
한편, 출력단 회로의 선형성은 ACLR(Adjacent Channel Leakage Ratio) 특성과 밀접한 관계가 있으므로 고선형 회로의 개발은 송신단 성능 향상에 필수적이라고 할 수 있다.
한편, 근래의 이동 통신 단말에서 중요시 되고 있는 성능 지표는 소모 전류량이다. 소모 전류량이 적을 수록 배터리 사용 시간을 늘릴 수 있기 때문에 저전력 특성 또한 RFIC의 성능을 평가하는 요소가 된다.
도 1은 통신 시스템의 송신단에 적용되는 일반적인 구동 증폭기를 나타낸 회로도이다.
도 1에는 common source 구조 및 차동 입출력 구조를 가진 구동 증폭기를 도시하였다. 특히, 도 1에 도시된 구동 증폭기는 pseudo 차동 구조가 적용된 것인데, pseudo 차동 구조는 완전 차동(fully differential) 구조에 비해 3차 비선형성 성분이 적은 이점이 있다. 로드(load)로는 인덕터(70,80)가 적용된 것을 도시하였는데, 로드로 인덕터(70,80)를 적용하는 경우, 전압 여유(voltage headroom) 문제가 해결된다. MOS(metal oxide semiconductor) 트랜지스터(10,20)에는 AC 커플링 커패시터(50,60)를 통과한 RF 신호가 인가되고, 바이어스 전압(Vg)은 저항을 통해 인가된다. 그리고, 출력 Vout+, Vout-은 RFIC 외부의 SAW(surface acoustic wave) 필터에 연결이 되어 싱글 엔디드(single ended)로 변환이 된다.
도 1을 참조하여 설명한 바와 같은 구동 증폭기에서 출력 신호의 선형성을 향상시키기 위해서는 입력 MOS 트랜지스터(10,20) 전압이 높아야 한다. 즉, 게이트 전압이 MOS 트랜지스터(10,20)의 임계 전압보다 최소한 입력 RF 전압 Vin+, Vin-의 크기만큼 커야 한다. 만약, 게이트 전압이 충분히 크지 않으면, MOS 트랜지스터(10,20) 전압이 순간적으로 임계 전압보다 낮아져서 포화(saturation) 영역에서 벗어나게 되어 신호의 왜곡이 일어날 수 있기 때문이다.
그러나, 게이트 전압 Vg가 상승하면 입력 MOS 트랜지스터(10,20)에 흐르는 전류가 많아지고, 이는 전체 회로에 흐르는 전류의 상승을 의미한다. 따라서, 게이트 전압 Vg가 너무 높아지면 송신단 전체의 소모 전류가 증가하고, 이는 급격한 배터리 소모를 유발한다.
따라서, 본 발명의 일 실시예는 선형성을 유지하면서도 소비 전력이 적은 구동 증폭기를 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 장치는; 구동 증폭기에 있어서,제 1 및 제 2 차동(differential) 무선 주파수(radio frequency: RF) 전압이 각각 입력되는 게이트를 포함하는 제 1 및 제 2 트랜지스터; 상기 제 2 트랜지스터의 드레인에 연결되는 드레인과, 상기 제 1 트렌지스터의 게이트에 연결되는 소스를 포함하며, 상기 제 2 차동 RF 전압의 증가에 따라 드레인-소스 전류가 증가하는 제 3 트랜지스터; 및 상기 제 1 트랜지스터의 드레인에 연결되는 드레인과, 상기 제 2 트랜지스터의 게이트에 연결되는 소스를 포함하며, 상기 제 1 차동 RF 전압의 증가에 따라 드레인-소스 전류가 증가하는 제 4 트랜지스터를 포함한다.
상술한 바와 같은, 본 발명에 따르면, 적은 소모 전류 특성을 가지면서도 선형성이 향상된 구동 증폭기를 제공할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 통신 시스템의 송신단에 적용되는 일반적인 구동 증폭기를 나타내는 회로도,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 구동 증폭기를 나타내는 회로도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 구동 증폭기에서 제1 트랜지스터에 흐르는 전류와 제4 트랜지스터에 흐르는 전류의 관계를 나타낸 그래프,
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 구동 증폭기의 전류 특성을 나타낸 그래프,
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 구동 증폭기의 출력 특성을 나타낸 그래프.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 동작 원리를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 사용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 구동 증폭기를 나타내는 회로도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 구동 증폭기는 차동 RF 전압 (Vin+, Vin-)이 입력되는 제 1 트랜지스터 M1(110) 및 제 2 트랜지스터 M2(120)와, 상기 M1(110) 및 M2(120) 각각에 캐스 코드 구조로 연결되는 제 3 트랜지스터 M3(130) 및 제 4 트랜지스터 M4(140)와, 상기 구동 증폭기 전체에 흐르는 전류를 결정하는, 즉 정 전류원으로서 동작하는 테일 전류 트랜지스터 MT(150)를 포함한다.
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M1(110)의 드레인 단자에는 전원 전압(VDD)이 인가되고, 게이트 단자에는 제 1 차동 RF 전압(Vin+)이 인가되며, 소스 단자는 MT(150)의 드레인 단자에 연결된다. 이 때 M1(110)에 흐르는 전류는 I1로 표현될 수 있다.
또한, M1(110)의 게이트 단자에는 바이어스 전압(Vg)이 인가되며, 일 실시 예에서 상기 바이어스 전압(Vg)은 오프 칩 인덕터(off chip inductor)를 경유하여 인가될 수 있다.
M2(120)의 드레인 단자에는 전원 전압(VDD)이 인가되고, 게이트 단자에는 제 2 차동 RF 전압(Vin-)이 인가되며, 소스 단자는 MT(150)의 드레인 단자에 연결된다. 이 때, 제 2 트랜지스터(M2, 120)에 흐르는 전류는 I2로 표현될 수 있다.
또한, M2(120)의 게이트 단자에는 바이어스 전압(Vg)이 인가되며, 일 실시 예에서 상기 바이어스 전압(Vg)은 오프 칩 인덕터(off chip inductor)를 경유하여 인가될 수 있다.
M3(130)의 드레인 단자는 M2(120)의 드레인 단자에 연결되고(즉, M3(130)의 드레인 단자와 M2(120)의 드레인 단자는 교차 결합(cross coupling)된다), M3(130)의 소스 단자는 M1(110)의 게이트 단자에 연결되며, M3(130)의 게이트 단자에는 바이어스 전압(Vb)이 인가된다. 이 때, M3(130)에 흐르는 전류는 I3로 표현될 수 있다.
또한, M3(130)의 드레인 단자에는 전원 전압(VDD)이 인가되며, 일 실시 예에서 상기 전원 전압은 인덕터 또는 저항을 경유하여 인가될 수 있다. 도 2에는 인덕터를 경유하여 인가되는 경우를 도시하였다.
M4(140)의 드레인 단자는 M1(110)의 드레인 단자와 연결되고(즉, M4(140)의 드레인 단자와 M1(110)의 드레인 단자는 교차 결합(cross coupling)된다), M4(140)의 소스 단자는 M2(120)의 게이트 단자에 연결되며, M4(140)의 게이트 단자에는 바이어스 전압(Vb)이 인가된다. 이 때, M4(140)에 흐르는 전류는 I4으로 표현될 수 있다.
또한, M4(140)의 드레인 단자에는 전원 전압(VDD)이 인가되며, 일 실시 예에서 상기 전원 전압은 인덕터 또는 저항을 경유하여 인가될 수 있다. 도 2에는 인덕터를 경유하여 인가되는 경우를 도시하였다.
한편, M3(130)와 M4(140)는 공통 게이트 구조와 유사하게 동작될 수 있다.
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도 2에 도시된 바와 같은 구조를 갖는 구동 증폭기에서, 제 1 RF 입력 전압(Vin+)과 제 2 RF 입력 전압(Vin-)은 차동 관계에 있기 때문에, 차동 전압(Vdiff)이 양(+)의 방향으로 증가하는 경우, 즉 M1(110)의 게이트 단자의 전압이 양(+)의 방향으로 증가하는 경우, M2(120)의 게이트 단자의 전압은 음(-)의 방향으로 증가한다. M1(110)와 M2(120)의 게이트 단자에서의 전압은 아래 수학식 1로 표현된다.
Figure 112015066865629-pat00010
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상기 수학식 1에서 Vcm은 공통 모드(common mode) DC 전압, 즉 Vg를 나타내며, Vdiff는 두 입력 전압(Vin+, Vin-) 간의 차동 전압((Vin+)-(Vin-))을 나타낸다.
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한편, 제 1 RF 입력 전압(Vin+)이 양(+)의 방향으로 증가하면(즉, 차동 전압(Vdiff)이 양(+)의 방향으로 증가하면), M1(110)의 게이트 전압은 증가한다. 따라서, M1(110)에 흐르는 전류(I1)가 증가한다.
그러나, 차동 전압(Vdiff)이 양(+)의 방향으로 계속 증가하더라도 MT(150)의 드레인 단자에 인가되는 테일 전류(It)보다는 커질 수 없으므로, MT(150) 에 흐르는 전류(I1)는 테일 전류(It)에 의해 제한된다.
한편, 제 1 RF 입력 전압(Vin+)이 양(+)의 방향으로 증가하는 것은 제 2 RF 입력 전압(Vin-)이 음(-)의 방향으로 증가하는 것이므로, M2(120)의 게이트 전압과 M4(140)의 소스 전압은 감소한다.
이 때, M4(140)의 게이트 단자에 인가되는 바이어스 전압은 Vb로 고정되어 있기 때문에, M4(140)에 흐르는 전류(I4)는 증가한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 구동 증폭기에서 제1 트랜지스터에 흐르는 전류와 제4 트랜지스터에 흐르는 전류의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 3을 참조하면, 제 1 트랜지스터 M1(110)에 흐르는 전류 I1이 증가할 수록 제 4 트랜지스터 M4(140)에 흐르는 전류 I4도 증가함을 알 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 구동 증폭기의 전류 특성을 나타낸 그래프이다.
도 4를 참조하면, 제 1 트랜지스터 M1(110)와 제 4 트랜지스터 M4(140)의 상보적인 전류 특성과 제 2 트랜지스터 M2(120)와 제 3 트랜지스터 M3(130)의 상보적인 전류 특성으로 인하여, 차동 출력 전류((I1+I4)-(I2+I3))가 선형적으로 나타남을 알 수 있다. 즉, 도 4에 도시된 바에 의하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 구동 증폭기가 향상된 선형성을 가짐을 알 수 있다.
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한편, 제 1 RF 입력 전압(Vin+)이 특정 값보다 큰 경우에는 제 3 트랜지스터 M3(130)에는 전류 I3가 흐르지 않고, 제 2 RF 입력 전압(Vin-)이 특정 값보다 큰 경우에는 제 4 트랜지스터 M4(140)에는 전류 I4가 흐르지 않으므로, 소모되는 전체 DC 전류를 줄일 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 구동 증폭기의 출력 특성을 나타낸 그래프이다.
도 5에는 도 1에 도시된 바와 같은 구동 증폭기와 도 2에 도시된 바와 같은 구동 증폭기의 전압 출력 특성을 일례로 나타내었다.
시뮬레이션 결과에 따르면, 도 2에 도시된 바와 같은 본 발명의 일 실시 예에 따른 구동 증폭기의 출력 P1dB는 6.82dBm 으로 나타났고, 도 1에 도시된 바와 같은 일반적인 구동 증폭기의 출력 P1dB는 6dBm 으로 나타났다. 즉, 본 발명의 일 실시 예에 따른 구동 증폭기의 출력 특성이 더 우수하게 나타났다.
한편, 상기 시뮬레이션 결과에서, 6dBm의 출력 P1dB 특성을 나타내는 일반적인 구동 증폭기에서는 26.96mA의 DC 전류가 소모된 반면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 구동 증폭기에서는 12.84mA 의 DC 전류가 소모되었다.

Claims (8)

  1. 구동 증폭기에 있어서,
    제 1 및 제 2 차동(differential) 무선 주파수(radio frequency: RF) 전압이 각각 입력되는 게이트를 포함하는 제 1 및 제 2 트랜지스터;
    상기 제 2 트랜지스터의 드레인에 연결되는 드레인과, 상기 제 1 트렌지스터의 게이트에 연결되는 소스를 포함하며, 상기 제 2 차동 RF 전압의 증가에 따라 드레인-소스 전류가 증가하는 제 3 트랜지스터; 및
    상기 제 1 트랜지스터의 드레인에 연결되는 드레인과, 상기 제 2 트랜지스터의 게이트에 연결되는 소스를 포함하며, 상기 제 1 차동 RF 전압의 증가에 따라 드레인-소스 전류가 증가하는 제 4 트랜지스터를 포함하는 구동 증폭기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 구동 증폭기에 흐르는 전류를 제어하기 위한 정 전류원을 더 포함하는 구동 증폭기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 정 전류원은, 상기 제 1 트랜지스터 및 상기 제 2 트랜지스터 각각의 소스에 연결되는 드레인을 포함하는 제 5 트랜지스터를 포함함을 특징으로 하는 구동 증폭기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 3 트랜지스터 및 상기 제 4 트랜지스터 각각의 게이트 단자에는 설정된 바이어스 전압이 인가됨을 특징으로 하는구동 증폭기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 트랜지스터의 게이트 단자와 상기 제 2 트랜지스터의 게이트 단자에 인가되는 바이어스 전압은 오프 칩 인덕터(Off chip inductor)를 경유하여 인가됨을 특징으로 하는 구동 증폭기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 차동 RF 입력 전압이 미리 결정된 값보다 큰 경우에 상기 제 3 트랜지스터에 전류가 흐르지 않음을 특징으로 하는 구동 증폭기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 차동 RF 입력 전압이 미리 결정된 값보다 큰 경우에 상기 제 4 트랜지스터에 전류가 흐르지 않음을 특징으로 하는 구동 증폭기.
  8. 구동 증폭기에 있어서,
    제 1 및 제 2 차동(differential) 무선 주파수(radio frequency: RF) 전압이 각각 입력되는 게이트를 포함하는 제 1 및 제 2 트랜지스터;
    상기 제 2 트랜지스터의 드레인에 연결되는 드레인과, 상기 제 1 트렌지스터의 게이트에 연결되는 소스를 포함하며, 상기 제 2 차동 RF 전압의 증가에 따라 드레인-소스 전류가 증가하는 제 3 트랜지스터; 및
    상기 제 1 트랜지스터의 드레인에 연결되는 드레인과, 상기 제 2 트랜지스터의 게이트에 연결되는 소스를 포함하며, 상기 제 1 차동 RF 전압의 증가에 따라 드레인-소스 전류가 증가하는 제 4 트랜지스터를 포함하며,
    상기 전압은 하기와 같이 결정됨을 특징으로 하는 구동 증폭기.
    Vin+ = Vcm + Vdiff/2
    Vin- = Vcm - Vdiff/2
    여기서 Vcm은 공통 모드(common mode) DC 전압안 Vg를 나타내고, Vdiff는 두 입력 전압(Vin+, Vin-) 간의 차동 전압((Vin+)-(Vin-))을 나타냄.
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