KR101934646B1 - 새로운 다이나믹 커런트 블리딩 기법을 사용한 주파수 혼합기 - Google Patents

새로운 다이나믹 커런트 블리딩 기법을 사용한 주파수 혼합기 Download PDF

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윤태열
이지영
최수영
김영운
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한양대학교 산학협력단
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Abstract

플리커 잡음을 제거하면서 변환 이득을 증가시키는 주파수 혼합기가 개시된다. 상기 주파수 혼합기는 RF 신호를 입력받는 입력부, LO+ 신호, LO- 신호 및 상기 RF 신호를 입력받아 주파수 신호를 생성하는 스위칭부, 상기 스위칭부에 의해 생성된 주파수 신호를 출력하는 출력부 및 전류 블리딩 기능을 수행하도록 2개의 트랜지스터들을 가지는 커런트 블리딩부를 포함한다. 상기 트랜지스터들 중 제 1 트랜지스터는 상기 출력부의 출력단들 중 제 1 출력단에 연결되고, 상기 트랜지스터들 중 제 2 트랜지스터는 상기 출력단들 중 제 2 출력단에 연결된다. 여기서, 상기 LO+ 신호와 상기 LO- 신호는 180도 위상차를 가지고, 상기 LO+ 신호와 상기 LO-신호가 교차하는 시간을 제외한 구간에서는 상기 제 1 트랜지스터와 상기 제 2 트랜지스터 중 하나만이 온되고 다른 하나는 오프되며, 상기 LO+ 신호와 상기 LO-신호가 교차하는 시간에서는 상기 제 1 트랜지스터와 상기 제 2 트랜지스터가 모두 온된다.

Description

새로운 다이나믹 커런트 블리딩 기법을 사용한 주파수 혼합기{FREQUENCY MIXER USING NEW DYNAMIC DURRENT BLEEDING TECHNIQUE}
본 발명은 LO단에서 발생하는 플리커 잡음을 감소시키면서 변환 이득을 향상시키는 주파수 혼합기에 관한 것이다.
주파수 혼합기는 신호가 가지고 있는 정보를 그대로 유지한 채, 주파수를 변환하는 기능을 수행하는 회로로서, 각종 통신 송수신 시스템에 널리 활용되고 있다.
도 1은 종래의 제 1 주파수 혼합기의 회로를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래의 제 1 주파수 혼합기는 전류 블리딩 기능을 수행하는 스태틱 커런트 블리딩부(100)를 포함한다.
스태틱 커런트 블리딩부(100)는 하나의 트랜지스터(M4)로 이루어지며, 트랜지스터(M4)의 게이트로 바이어스 전압(Vb)이 인가된다.
스태틱 커런트 블리딩부(100)가 전류를 블리딩하므로, 스위칭부로 흐르는 전류가 줄어들게 되며, 그 결과 LO단에서 발생하는 직접 잠음이 감소할 수 있다.
그러나, 차동 LO 신호가 교차하는 시점에 LO단에 전류가 여전히 흐르기 때문에, LO단에서 발생한 직접 잡음이 출력단에 나타나게 된다.
또한, DC 관점에서 출력단의 전압이 출력 저항(부하 저항)과 출력 전류의 곱에 의존하므로, 공정, 전압, 온도에 의해 스태틱 커런트 블리딩부(100)의 전류가 변화하면 출력 전류가 변화하게 된다. 이 때, 큰 출력 저항을 사용한다면 출력단에서 전압의 변화가 클 수밖에 없다. 상기 출력단의 전압 변화는 주파수 혼합기의 동작 영역을 변화시키므로, 비정상적인 동작을 초래하며, 그 결과 칩의 수율을 떨어뜨리고 온도 변화가 매우 큰 환경에서 회로 동작의 신뢰성을 저하시킬 수 있다.
도 2는 종래의 제 2 주파수 혼합기의 회로를 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 종래의 제 2 주파수 혼합기는 다이나믹 커런트 블리딩부(200)를 포함한다.
다이나믹 커런트 블리딩부(200)는 도 1의 구조에 트랜지스터 하나를 직렬로 추가한 회로를 가지며, LO단에서 발생하는 직접 잠음을 제거할 수 있다.
그러나, 차동 LO 신호가 교차하는 시간 외의 구간에서 다이나믹 커런트 블리딩부(200)가 비활성화되므로, 제 2 주파수 혼합기의 모든 전류가 출력단에 흐르게 되어 이득을 증가시킬 수가 없다. 또한, 큰 LO 전력을 필요로 하는 문제점이 있다.
KR 10-1279986 B
본 발명은 플리커 잡음을 제거하면서 변환 이득을 증가시키는 주파수 혼합기를 제공하는 것이다.
본 발명은 공통 모드 피드백 구조를 가지며, 그 결과 공정과 전압 및 온도의 변화에 대한 안정성을 향상시킬 수 있다의 변화에 대한 안정성을 향상시킬 수 있는 주파수 혼합기를 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수 혼합기는 RF 신호를 입력받는 입력부; LO+ 신호, LO- 신호 및 상기 RF 신호를 입력받아 주파수 신호를 생성하는 스위칭부; 상기 스위칭부에 의해 생성된 주파수 신호를 출력하는 출력부; 및 전류 블리딩 기능을 수행하도록 2개의 트랜지스터들을 가지는 커런트 블리딩부를 포함한다. 상기 트랜지스터들 중 제 1 트랜지스터는 상기 출력부의 출력단들 중 제 1 출력단에 연결되고, 상기 트랜지스터들 중 제 2 트랜지스터는 상기 출력단들 중 제 2 출력단에 연결된다. 여기서, 상기 LO+ 신호와 상기 LO- 신호는 180도 위상차를 가지고, 상기 LO+ 신호와 상기 LO-신호가 교차하는 시간을 제외한 구간에서는 상기 제 1 트랜지스터와 상기 제 2 트랜지스터 중 하나만이 온되고 다른 하나는 오프되며, 상기 LO+ 신호와 상기 LO-신호가 교차하는 시간에서는 상기 제 1 트랜지스터와 상기 제 2 트랜지스터가 모두 온된다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 주파수 혼합기는 RF 신호를 입력받는 입력부; LO+ 신호, LO- 신호 및 상기 RF 신호를 입력받아 주파수 신호를 생성하는 스위칭부; 상기 스위칭부에 의해 생성된 주파수 신호를 출력하는 출력부; 및 전류 블리딩 기능을 수행하며, 상기 LO+ 신호 및 상기 LO- 신호에 의해 동작하는 적어도 하나의 스위치를 가지는 커런트 블리딩부를 포함한다. 여기서, 상기 LO+ 신호와 상기 LO- 신호가 교차하는 시간에서 상기 커런트 블리딩부를 통하여 흐르는 전류는 상기 LO+ 신호와 상기 LO- 신호가 교차하는 시간을 제외한 구간에서 상기 커런트 블리딩부를 통하여 흐르는 전류보다 크다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 주파수 혼합기는 RF 신호를 입력받는 입력부; LO+ 신호, LO- 신호 및 상기 RF 신호를 입력받아 주파수 신호를 생성하는 스위칭부; 상기 스위칭부에 의해 생성된 주파수 신호를 출력하는 출력부; 및 전류 블리딩 기능을 수행하며, 2개의 전류 경로들을 가지는 커런트 블리딩부를 포함한다. 여기서, 상기 LO+ 신호와 상기 LO- 신호가 교차하는 시간에서는 상기 2개의 전류 경로들이 모두 활성화되며, 상기 LO+ 신호와 상기 LO- 신호가 교차하는 시간을 제외한 구간에서는 상기 전류 경로들 중 하나만이 활성화된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 주파수 혼합기는 RF 신호를 입력받는 입력부; LO+ 신호, LO- 신호 및 상기 RF 신호를 입력받아 주파수 신호를 생성하는 스위칭부; 상기 스위칭부에 의해 생성된 주파수 신호를 출력하는 출력부; 및 전류 블리딩 기능을 수행하도록 2개의 트랜지스터들을 가지는 커런트 블리딩부를 포함한다. 상기 트랜지스터들 중 제 1 트랜지스터는 제 1 저항 및 제 2 저항을 통하여 상기 출력부의 출력단들에 각기 연결되고, 상기 트랜지스터들 중 제 2 트랜지스터는 제 3 저항 및 제 4 저항을 통하여 상기 출력단들에 각기 연결되며, 상기 제 1 트랜지스터와 상기 제 2 트랜지스터가 전원부에 해당하는 노드를 기준으로 병렬로 연결된다. 여기서, 상기 제 1 트랜지스터의 게이트로 상기 LO+ 신호가 입력되고, 상기 제 2 트랜지스터의 게이트로 상기 LO- 신호가 입력된다.
본 발명에 따른 주파수 혼합기는 차동 LO 신호가 교차하는 시점에서 커런트 블리딩부의 두 트랜지스터들을 모두 온시키고 상기 차동 LO 신호가 교차하는 서점을 제외한 구간에서는 상기 트랜지스터들 중 하나만을 온시키며, 따라서 플리커 잡음을 제거하면서도 변환 이득을 증가시킬 수 있다.
또한, 상기 주파수 혼합기는 커런트 블리딩부의 트랜지스터의 게이트를 출력단에 연결시키는 공통 모드 피드백 구조를 사용하므로, 공정,전압 및 온도의 변화에 대한 안정성을 향상시킬 수 있다
도 1은 종래의 제 1 주파수 혼합기의 회로를 도시한 도면이다.
도 2는 종래의 제 2 주파수 혼합기의 회로를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수 혼합기의 회로를 도시한 도면이다.
도 4는 종래의 주파수 혼합기와 본 발명의 존파수 혼합기에서 커런트 블리딩부와 LO단으로 흐르는 전류 그래프를 도시한 타이밍다이어그램이다.
도 5는 본 발명의 주파수 혼합기와 종래의 주파수 혼합기들의 잡음 지수 그래프를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 주파수 혼합기와 종래의 주파수 혼합기들을 사용하였을 때 공정, 전압 및 온도의 변화에 따른 변환 이득 그래프를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 주파수 혼합기와 종래의 주파수 혼합기들을 사용하였을 때 공정, 전압 및 온도의 변화에 대한 선형 지수 그래프를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 주파수 혼합기의 회로를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 주파수 혼합기와 종래의 주파수 혼합기들의 잡음 지수를 비교한 그래프를 도시한 도면이다.
본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
본 발명은 주파수 혼합기에 관한 것으로서, 새로운 구조의 다이나믹 커런트 블리딩 회로를 이용하여 LO단에서 발생하는 플리커 잡음을 감소시키면서 변환 이득을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 주파수 혼합기는 공통 모드 피드백 구조를 가지며, 그 결과 공정, 전압 및 온도의 변화에 대한 안정성을 향상시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 다양한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상술하겠다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수 혼합기의 회로를 도시한 도면이고, 도 4는 종래의 주파수 혼합기와 본 발명의 존파수 혼합기에서 커런트 블리딩부와 LO단으로 흐르는 전류 그래프를 도시한 타이밍다이어그램이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예의 주파수 혼합기는 입력부(100), 스위칭부(102), 출력부(104) 및 커런트 블리딩부(Current bleeding unit, 106)를 포함한다.
입력부(100)는 예를 들어 안테나를 통하여 특정 주파수를 가지는 RF 신호를 입력받는 부분으로서, 제 1 트랜지스터(M1), 예를 들어 엔-모스 트랜지스터(N-MOS Transistor)를 포함한다.
상기 RF 신호는 제 1 트랜지스터(M1)의 게이트단으로 입력되며, 제 1 트랜지스터(M1)에 의해 상기 주파수 혼합기의 이득이 부스팅될 수 있다.
스위칭부(102)는 발진 신호인 LO 신호를 입력받아 중간 주파수(Intermediate frequency, IF) 신호를 생성하는 역할을 수행하며, 전원부(VDD)에 상호 병렬로 연결된 제 2 트랜지스터(M2) 및 제 3 트랜지스터(M3)를 포함한다. 여기서, LO+ 신호는 제 2 트랜지스터(M2)의 게이트로 입력되고, LO- 신호는 제 3 트랜지스터(M3)의 게이트로 입력된다.
제 2 트랜지스터(M2)의 소스, 제 3 트랜지스터(M3)의 소스 및 제 1 트랜지스터(M1)의 드레인이 노드(n4)에서 상호 연결된다. 구체적으로는, 노드(n4)를 기준으로 제 2 트랜지스터(M2), 제 3 트랜지스터(M3) 및 제 1 트랜지스터(M1)가 상호 병렬로 연결된다.
다른 실시예에 따르면, LO+ 신호 및 LO- 신호가 트랜지스터들(M2 및 M3)의 벌크로 입력될 수도 있다.
출력부(104)는 스위칭부(102)의 트랜지스터들(M2 및 M3)과 각기 연결된 부하 저항들(출력 저항, RL)을 포함하며, 스위칭부(102)에 의해 생성된 IF+ 신호 및 IF- 신호를 출력시킨다. 여기서, IF+ 신호 및 IF- 신호는 RF 신호에 해당하는 제 1 주파수와 LO 신호에 해당하는 제 2 주파수 사이의 제 3 주파수를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 주파수 혼합기는 제 1 주파수의 RF 신호를 변환하여 상기 제 1 주파수보다 낮은 제 3 주파수의 IF 신호를 출력시킬 수 있다. 다만, 상기 IF 신호는 상기 RF 신호와 동일한 정보를 포함한다.
커런트 블리딩부(106)는 제 1 트랜지스터(M1)의 드레인단과 만나는 노드(n4)와 부하 저항들(RL)과 전원부(VDD)가 만나는 노드(n3) 사이에 연결된다. 결과적으로, 전원부(VDD)로부터 출력된 전류가 노드(n3)에서 제 2 트랜지스터(M2), 커런트 블리딩부(106) 및 제 3 트랜지스터(M3)로 분기된다.
커런트 블리딩부(106)가 존재할 경우와 존재하지 않을 경우를 비교하면, 커런트 블리딩부(106)가 존재하는 경우 트랜지스터들(M2 및 M3)로 흐르는 전류의 양이 커런트 블리딩부(106)가 존재하지 않을 경우보다 작아진다. 따라서, 커런트 블리딩부(106)가 존재하는 경우 부하 저항(RL)을 커런트 블리딩부(106)가 존재하지 않을 경우의 부하 저항(RL)보다 크게 설정할 수 있다.
여기서, 주파수 혼합기의 이득은 부하 저항(RL)의 값에 비례하므로, 커런트 블리딩부(106)가 존재하는 경우의 주파수 혼합기의 이득이 커런트 블리딩부(106)가 존재하지 않는 경우의 주파수 혼합기의 이득보다 높을 수 있다. 즉, 본 실시예의 주파수 혼합기는 커런트 블리딩부(106)를 사용하여 전체 변환 이득을 향상시킬 수 있다.
이하, 커런트 블리딩부(106)의 구체적인 회로 구조 및 동작을 살펴보겠다.
일 실시예에 따르면, 커런트 블리딩부(106)는 새로운 다이나믹 커런트 블리딩 구조를 가질 수 있다.
구체적으로는, 커런트 블리딩부(106)는 노드(n3) 또는 노드(n4)를 기준으로 하여 상호 병렬로 연결되는 제 4 트랜지스터(M4) 및 제 5 트랜지스터(M5)를 포함할 수 있다.
제 4 트랜지스터(M4)는 PMOS 트랜지스터일 수 있다. 제 4 트랜지스터(M4)의 게이트는 제 1 출력단(IF+ 단)에 연결되고, 소스는 노드(n3)에 연결되며, 드레인은 노드(n4)에 연결될 수 있다. 또한, 제 4 트랜지스터(M4)의 소스는 제 5 트랜지스터(M5)의 소스에 연결된다.
제 5 트랜지스터(M5)는 PMOS 트랜지스터일 수 있다. 제 5 트랜지스터(M5)의 게이트는 제 2 출력단(IF- 단)에 연결되고, 소스는 노드(n3)에 연결되며, 드레인은 노드(n4)에 연결될 수 있다.
즉, 제 4 트랜지스터(M4)의 소스가 제 5 트랜지스터(M5)의 소스에 연결되고, 제 4 트랜지스터(M4)의 드레인이 제 5 트랜지스터(M5)의 드레인과 연결될 수 있다. 결과적으로, 커런트 블리딩부(106)로 입력되는 전류가 흐를 수 있는 2개의 전류 경로들이 형성될 수 있다.
동작 측면에서 살펴보면, 제 4 트랜지스터(M4)의 게이트가 IF+ 단에 연결되고 제 5 트랜지스터(M5)의 게이트가 IF- 단에 연결된다. 결과적으로, 제 4 트랜지스터(M4)는 LO+ 신호에 의해 동작이 결정되고, 제 5 트랜지스터(M5)는 LO- 신호에 의해 동작이 결정된다.
여기서, LO+ 신호와 LO- 신호가 도 4의 상단 그래프에서 보이는 바와 같이 180도 위상차를 가지므로, 트랜지스터들(M4 및 M5)은 차동 LO 신호(LO+ 신호와 LO- 신호)가 교차하는 시간(C)을 제외하고는 상보적으로 동작한다.
구체적으로는, LO+ 신호가 LO- 신호보다 큰 값을 가지는 구간(A)에서는 트랜지스터(M5)는 온되고 트랜지스터(M4)는 오프된다. 결과적으로, 커런트 블리딩부(106)로 입력되는 전류(IDCB)는 트랜지스터(M5)를 통하여 흐른다. 물론, 이 경우 트랜지스터(M2)는 온되고 트랜지스터(M3)는 오프된다.
LO+ 신호가 LO- 신호보다 작은 값을 가지는 구간(B)에서는 트랜지스터(M5)는 오프되고 트랜지스터(M4)는 온된다. 결과적으로, 커런트 블리딩부(106)로 입력되는 전류(IDCB)는 트랜지스터(M4)를 통하여 흐른다. 물론, 이 경우 트랜지스터(M2)는 오프되고 트랜지스터(M3)는 온된다.
즉, LO+ 신호와 LO- 신호가 교차하는 시간(C)을 제외한 구간에서는, 커런트 블리딩부(106)로 입력되는 전류(IDCB)가 트랜지스터들(M4 및 M5) 중 하나의 트랜지스터만을 통하여 흐른다.
LO+ 신호와 LO- 신호가 교차하는 시간(C)을 살펴보면, 트랜지스터들(M4 및 M5)이 모두 온된다. 결과적으로, 커런트 블리딩부(106)로 입력되는 전류(IDCB)가 트랜지스터들(M4 및 M5) 모두를 통하여 흐르게 된다. 따라서, LO+ 신호와 LO- 신호가 교차하는 시간(C)에서 커런트 블리딩부(106)를 통하여 흐르는 전류는 LO+ 신호와 LO- 신호가 교차하는 시간(C)을 제외한 구간에서 커런트 블리딩부(106)를 통하여 흐르는 전류의 약 2배가 된다.
이 경우, 트랜지스터들(M4 및 M5)이 모두 온되었을 때 커런트 블리딩부(106)를 통하여 흐르는 전류를 주파수 혼합기의 전체 전류와 비슷하게 설계하면, 차동 LO 신호가 교차하는 시간에서는 LO단에 흐르는 전류가 거의 없게 된다. 결과적으로, LO단에서 발생할 수 있는 직접 잡음(플리커 잡음)의 거의 존재하지 않게 된다.
차동 LO 신호가 교차하는 시간이 아닌 구간에서 LO단에 흐르는 전류는 종래의 주파수 혼합기에서 LO단에 흐르는 전류보다 더 작으므로, 큰 부하 저항(RL)을 사용할 수가 있어서 상기 주파수 혼합기의 변환 이득을 향상시킬 수가 있다.
또한, 커런트 블리딩부(106)의 트랜지스터들(M4 및 M5)로 LO 신호가 간접적으로 인가되기 때문에, 커런트 블리딩부(106)는 출력단(IF단)에서의 LO 신호가 트랜지스터들(M2 및 M3)의 스위칭에 요구되는 최소 LO 신호 크기 이상이면 동작한다. 결과적으로, 본 발명의 주파수 혼합기는 종래의 다이나믹 커런트 블리딩부를 사용하는 주파수 혼합기에 비하여 낮은 LO 전력으로 동작할 수 있다. 이는 도 4의 하단 그래프에서 확인된다.
정리하면, 본 실시예의 주파수 혼합기는 차동 LO 신호가 교차하는 시간에서는 커런트 블리딩부(106)의 트랜지스터들(M4 및 M5)을 모두 활성화시키고 차동 LO 신호가 교차하는 시간을 제외한 구간에서는 트랜지스터들(M4 및 M5) 중 하나만을 활성화시켜서 플리커 잡음을 감소시키고 변환 이득을 향상시킬 수 있다.
다만, 도 3의 커런트 블리딩부(106)의 회로 구조는 일 실시예이며, 차동 LO 신호가 교차하는 시간에서 커런트 블리딩부(106)를 통하여 흐르는 전류가 차동 LO 신호가 교차하는 시간을 제외한 구간에서 커런트 블리딩부(106)를 통하여 흐르는 전류보다 크는 한, 본 발명의 커런트 블리딩부(106)의 회로 구조는 다양하게 변형될 수 있다.
특히, 차동 LO 신호가 교차하는 시간에서 커런트 블리딩부(106)를 통하여 흐르는 전류가 상기 주파수 혼합기의 전체 전류와 유사하다면, LO단에서 직접 잡음이 거의 발생하지 않을 수 있다.
경로 관점에서 살펴보면, 커런트 블리딩부(106)가 복수의 경로들을 포함할 수 있다. 이 경우, 차동 LO 신호가 교차하는 시간에서 활성화되는 경로의 수가 차동 LO 신호가 교차하는 시간을 제외한 구간에서 활성화되는 경로의 수보다 크는 한, 본 발명의 커런트 블리딩부(106)의 회로 구조는 다양하게 변형될 수 있다.
DC 관점에서 살펴보면, 커런트 블리딩부(106)가 공통 모드 피드백 구조를 가지기 때문에, 공정, 전압 또는 온도에 민감하지 않아서 출력 전압이 안정적이며, 따라서 상기 주파수 혼합기의 동작 신뢰성과 칩 수율이 향상될 수 있다.
예를 들어, 공정, 전압 또는 온도의 영향으로 인하여 커런트 블리딩부(106)를 통하여 흐르는 전류가 감소하면, 출력단의 전류가 증가하게 되고 출력단의 전압이 감소하게 된다. 이 경우, 트랜지스터들(M4 및 M5)의 게이트들이 출력단에 각기 연결되어 공통 모드 피드백 구조를 형상하므로, 커런트 블리딩부(106)를 통하여 흐르는 전류가 증가할 수 있다. 즉, 커런트 블리딩부(106)를 통하여 흐르는 전류가 증가적으로 보상된다.
반면에, 공정, 전압 또는 온도의 영향으로 인하여 커런트 블리딩부(106)를 통하여 흐르는 전류가 증가하면, 출력단의 전류가 감소하게 되고 출력단의 전압이 증가하게 된다. 이 경우, 커런트 블리딩부(106)가 공통 모드 피드백 구조를 가지므로, 커런트 블리딩부(106)를 통하여 흐르는 전류가 감소할 수 있다. 즉, 커런트 블리딩부(106)를 통하여 흐르는 전류가 감소적으로 보상된다.
결과적으로, 공정, 전압 또는 온도에 상관없이, 출력단에서의 출력 전압은 일정할 수 있으며, 즉 안정화된다.
요컨대, 본 발명의 주파수 혼합기는 새로운 다이나믹 커런트 블리딩 구조를 제안하여 플리커 잡음을 감소시키면서 변환 이득을 증가시키고, 공통 모드 피드백 구조를 구현하여 공전, 전압 또는 온도에 상관없이 출력 전압을 안정화시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 주파수 혼합기와 종래의 주파수 혼합기들의 특성들을 비교하겠다.
도 5는 본 발명의 주파수 혼합기와 종래의 주파수 혼합기들의 잡음 지수 그래프를 도시한 도면이고, 도 6은 본 발명의 주파수 혼합기와 종래의 주파수 혼합기들을 사용하였을 때 공정, 전압 및 온도의 변화에 따른 변환 이득 그래프를 도시한 도면이고, 도 7은 본 발명의 주파수 혼합기와 종래의 주파수 혼합기들을 사용하였을 때 공정, 전압 및 온도의 변화에 대한 선형 지수 그래프를 도시한 도면이다.
도 1의 종래의 제 1 주파수 혼합기에 대한 파라미터는 SCB(Static current bleeding)로 표시하였고, 도 2의 종래의 제 2 주파수 혼합기에 대한 파라미터는 CDCB(Conventional dynamic current bleeding)로 표시하였으며, 본 발명의 주파수 혼합기에 대한 파라미터는 DCB(Dynamic current bleeding)로 표시하였다.
도 4를 참조하면, 제 1 주파수 혼합기에서는 거의 일정한 전류가 커런트 블리딩단과 LO단에 흐르다.
제 2 주파수 혼합기에서는 LO 신호가 교차할 때만 커런트 블리딩부에 거의 모든 전류가 흐르고 LO단에 전류가 거의 흐르지 않으며, LO 신호가 교차하는 시간을 제외한 구간에서는 LO단에 모든 전류가 흐른다. 즉, 제 2 주파수 혼합기는 LO 신호가 교차하는 시간에서는 플리커 잡음을 어느 정도 개선할 수 있지만 변환 이득을 향상시키지 못한다.
반면에, 본 발명의 주파수 혼합기에서는, LO 신호가 교차하는 시간에 두 트랜지스터들(M4 및 M5)이 모두 온되기 때문에 상기 제 2 주파수 혼합기에서와 비슷하게 동작하나, LO 신호가 교차하는 시간을 제외한 구간에서는 하나의 트랜지스터만 온되기 때문에 커런트 블리딩부(106)를 통하여 흐르는 전류가 전체 전류의 중간 정도이다. 즉, 본 발명의 주파수 혼합기는 클리커 잡음을 개선하면서도 변환 이득을 향상시킬 수 있다.
LO 신호가 교차하는 시간을 제외한 구간에서, 커런트 블리딩부(106)를 통하여 흐르는 전류 또는 LO단을 통하여 흐르는 전류의 크기는 종래의 제 1 주파수 혼합기와 종래의 제 2 주파수 혼합기 전류들의 크기 사이에 위치할 수 있다.
도 5를 참조하면, 저 주파수에서 나타나는 플리커 잡음은 본 발명의 주파수 혼합기와 제 2 주파수 혼합기가 제 1 주파수 혼합기에 비하여 낮은 값을 가짐을 확인할 수 있다.
또한, 고 주파수에서 나타나는 백색 잡음은 이득이 높을수록 낮게 나타나기 때문에, 백색 잡음은 큰 부하 저항으로 인해 이득이 높은 본 발명의 주파수 혼합기와 제 1 주파수 혼합기가 제 2 주파수 혼합기에 비하여 낮은 값을 갖는다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 공정은 세 가지 상황(typical-typical(TT), slow-slow(SS), fast-fast(FF))에 대하여 시뮬레이션 적용하였고, 공급 전압 변화는 TT 상태에서 세 가지 상황(1.1 V, 1.2 V, 1.3 V)에 대하여 시뮬레이션 적용하였다. 온도 변화에 대한 시뮬레이션은 40°C, 27°C, 90°C로 하였다.
제 1 주파수 혼합기(A)가 큰 저항을 사용하므로 가장 변화율이 컸고, 제 2 주파수 혼합기(B)는 작은 저항의 사용으로 인하여 제 1 주파수 혼합기에 비하여 변화율이 적었다. 본 발명의 주파수 혼합기는 공통 모드 피드백 구조를 사용하므로, 가장 안정성이 높았다
이러한 주파수 혼합기들의 성능은 하기 표 1로 요약될 수 있다.
제 1 주파수 혼합기 제 2 주파수 혼합기 본발명의 주파수혼합기
RF 주파수 2.4GHz 2.4GHz 2.4GHz
변환 이득 21.2dB 12.4dB 21.2dB
잡음 at 10kHz 17.9dB 13.2dB 14.0dB
잡음 at 100MHz 5.01dB 7.25dB 4.63dB
LO 전력 -6dBm 1dBm -6dBm
출력 저항 930Ω 300Ω 930Ω
선형 특성 -17.1dBm -8.2dBm -17dBm
전력 소모 4mW 4mW 4mW
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 주파수 혼합기의 회로를 도시한 도면이고, 도 9는 본 발명의 주파수 혼합기와 종래의 주파수 혼합기들의 잡음 지수를 비교한 그래프를 도시한 도면이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 주파수 혼합기는 이중 평형 주파수 혼합기이며, 입력부(800), 스위칭부(802), 출력부(804), 커런트 블리딩부(806) 및 공통 모드 피드백부(808)를 포함한다.
이중 평형 주파수 혼합기의 구조라는 것을 제외한 입력부(800), 스위칭부(802), 출력부(804) 및 커런트 블리딩부(806)의 동작은 동일하므로, 공통 모드 피드백부(808)만을 살펴보겠다. 이중 평형 주파수 혼합기에서는 입력부(800), 스위칭부(802) 및 커런트 블리딩부(806)가 도 3에 비하여 2배의 엘리먼트를 포함한다.
공통 모드 피드백부(808)에서, 공통 모드 피드백 구조를 실현하기 위하여 출력단(IF+, IF-)과 해당 트랜지스터(M7, M8, M9, M10)의 게이트가 저항(RF)을 통하여 연결될 수 있다. 또한, 트랜지스터(M7, M8, M9, M10)의 게이트는 해당 캐패시터를 통하여 LO단에 연결될 수 있다.
구체적으로는, 트랜지스터(M7, M9)의 게이트가 캐패시터를 통하여 LO+단에 연결되며, 저항(RF)을 통하여 출력단들(IF+ 및 IF-)에 각기 연결되어 공통 모드 피드백 구조를 형성할 수 있다. 노드(n6)에서 보면, 트랜지스터(M7, M9), 저항들(RF) 및 캐패시터가 상호 병렬로 연결되며, 상기 캐패시터는 LO+단과 노드(n6) 사이에 연결된다. 여기서, 저항(RF)이 없어도 공통 모드 피드백 구조가 실현될 수 있지만, 저항(RF)이 없으면 트랜지스터들(M7 및 M8, 또는 M9 및 M10)이 단락되게 된다. 따라서, 노드(n6)와 출력단(IF+, IF-) 사이에 저항(RF)이 필수적으로 연결되어야 한다.
또한, 트랜지스터(M8, M10)의 게이트가 캐패시터를 통하여 LO-단에 연결되며, 저항(RF)을 통하여 출력단들(IF+ 및 IF-)에 각기 연결되어 공통 모드 피드백 구조를 형성할 수 있다. 노드(n7)에서 보면, 트랜지스터(M8, M10), 저항들(RF) 및 캐패시터가 상호 병렬로 연결되며, 상기 캐패시터는 LO-단과 노드(n7) 사이에 연결된다. 여기서, 저항(RF)이 없어도 공통 모드 피드백 구조가 실현될 수 있지만, 저항(RF)이 없으면 트랜지스터들(M7 및 M8, 또는 M9 및 M10)이 단락되게 된다. 따라서, 노드(n7)와 출력단(IF+, IF-) 사이에 저항(RF)이 필수적으로 연결되어야 한다.
결과적으로, 트랜지스터(M7)의 게이트로 LO+ 신호가 입력되고 트랜지스터(M8)의 게이트로 LO- 신호가 입력되므로, LO 신호들이 교차하는 시간을 제외한 나머지 구간에서는 트랜지스터들(M7 및 M8) 중 하나만이 온되며, 상기 LO 신호들이 교차하는 시간에서는 트랜지스터들(M7 및 M8)이 모두 온된다. 물론, 트랜지스터들(M7 및 M8)은 출력단(IF+, IF-)에 공통 모드 피드백 구조로 연결된다.
또한, 트랜지스터(M9)의 게이트로 LO+ 신호가 입력되고 트랜지스터(M10)의 게이트로 LO- 신호가 입력되므로, LO 신호들이 교차하는 시간을 제외한 나머지 구간에서는 트랜지스터들(M9 및 M10) 중 하나만이 온되며, 상기 LO 신호들이 교차하는 시간에서는 트랜지스터들(M9 및 M10)이 모두 온된다. 물론, 트랜지스터들(M9 및 M10)은 출력단(IF+, IF-)에 공통 모드 피드백 구조로 연결된다.
위에서 설명하지 않았지만, 상기 캐패시터는 LO 신호들 중 DC 성분을 차단하여 RF 성분만이 트랜지스터들(M7, M8, M9 및 M10)으로 입력되도록 하는 역할을 수행한다.
이러한 이중 평형 주파수 혼합기의 잡음 지수를 살펴보면, 도 9에 도시된 바와 같이 본 발명의 이중 평형 주파수 혼합기가 종래의 이중 평형 주파수 혼합기보다 더 작은 잡음 지수를 가짐을 확인할 수 있다.
한편, 전술된 실시예의 구성 요소는 프로세스적인 관점에서 용이하게 파악될 수 있다. 즉, 각각의 구성 요소는 각각의 프로세스로 파악될 수 있다. 또한 전술된 실시예의 프로세스는 장치의 구성 요소 관점에서 용이하게 파악될 수 있다.
또한 앞서 설명한 기술적 내용들은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예들을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 하드웨어 장치는 실시예들의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
상기한 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
100, 800 : 입력부 102, 802 : 스위칭부
104, 804 : 출력부 106, 806 : 커런트 블리딩부
808 : 공통 모드 피드백부

Claims (14)

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  11. RF 신호를 입력받는 입력부;
    LO+ 신호, LO- 신호 및 상기 RF 신호를 입력받아 주파수 신호를 생성하는 스위칭부;
    상기 스위칭부에 의해 생성된 주파수 신호를 출력하는 출력부; 및
    전류 블리딩 기능을 수행하도록 2개의 트랜지스터들을 가지는 커런트 블리딩부를 포함하며,
    상기 트랜지스터들 중 제 1 트랜지스터는 제 1 저항 및 제 2 저항을 통하여 상기 출력부의 출력단들에 각기 연결되고, 상기 트랜지스터들 중 제 2 트랜지스터는 제 3 저항 및 제 4 저항을 통하여 상기 출력단들에 각기 연결되며, 상기 제 1 트랜지스터와 상기 제 2 트랜지스터가 전원부에 해당하는 노드를 기준으로 병렬로 연결되되,
    상기 제 1 트랜지스터의 게이트로 상기 LO+ 신호가 입력되고, 상기 제 2 트랜지스터의 게이트로 상기 LO- 신호가 입력되는 것을 특징으로 하는 주파수 혼합기.
  12. 제11항에 있어서, 상기 주파수 혼합기는 이중 평형 주파수 혼합기이되,
    상기 LO+ 신호와 상기 LO-신호가 교차하는 시간을 제외한 구간에서는 상기 제 1 트랜지스터와 상기 제 2 트랜지스터 중 하나만이 온되고 다른 하나는 오프되며, 상기 LO+ 신호와 상기 LO-신호가 교차하는 시간에서는 상기 제 1 트랜지스터와 상기 제 2 트랜지스터가 모두 온되는 것을 특징으로 하는 주파수 혼합기.
  13. 제11항에 있어서, 상기 LO+ 신호가 입력되는 LO+단과 상기 제 1 트랜지스터의 게이트 사이에는 제 1 캐패시터가 위치하고, 상기 LO- 신호가 입력되는 LO-단과 상기 제 2 트랜지스터의 게이트 사이에는 제 2 캐패시터가 연결되는 것을 특징으로 하는 주파수 혼합기.
  14. 제11항에 있어서, 상기 제 1 트랜지스터와 상기 제 2 트랜지스터는 각기 PMOS 트랜지스터이고, 상기 제 1 트랜지스터의 소스와 상기 제 2 트랜지스터의 소스가 연결되며, 상기 제 1 트랜지스터의 소스와 상기 제 2 트랜지스터의 소스가 만나는 노드가 상기 전원부에 연결되고,
    상기 제 1 트랜지스터의 드레인과 상기 제 2 트랜지스터의 드레인이 연결되며, 상기 제 1 트랜지스터의 드레인과 상기 제 2 트랜지스터의 드레인이 만나는 노드가 입력부에 연결되는 것을 특징으로 하는 주파수 혼합기.



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* Cited by examiner, † Cited by third party
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J.-Y. Lee 외, "A Dynamic Current-Bleeding Technique for a Low-Noise and High-Gain CMOS Mixer," Microwave and Optical Technology Letters, vol. 59, no. 6, pp. 1267-1271, 2017. 06.*

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