KR102562839B1 - Subharmonic single-balanced radio frequency receiving circuit - Google Patents

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Abstract

본 발명은 저조파(subharmonic) 단일 평형(single-balanced) RF(radio frequency) 수신 회로에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 저조파 단일 평형 RF 수신 회로는 RF 수신 신호를 저잡음 증폭하는 저잡음 증폭기; 및 상기 저잡음 증폭기의 하단에 적층(stacked)되며, 단일 평형(single-balanced) 저조파(subharmonic) 믹서 및 국부발진기(local oscillator)로 동작하는 차동 전압 제어 발진기를 포함할 수 있다.The present invention relates to a subharmonic single-balanced radio frequency (RF) receiver circuit. A low-harmonic single-balanced RF receiving circuit according to an embodiment of the present invention includes a low-noise amplifier for low-noise amplifying an RF received signal; and a differential voltage controlled oscillator stacked at a lower end of the low noise amplifier and operating as a single-balanced subharmonic mixer and a local oscillator.

Description

저조파 단일 평형 RF 수신 회로{SUBHARMONIC SINGLE-BALANCED RADIO FREQUENCY RECEIVING CIRCUIT}Subharmonic single balanced RF receiving circuit {SUBHARMONIC SINGLE-BALANCED RADIO FREQUENCY RECEIVING CIRCUIT}

본 발명은 저조파 단일 평형 RF(radio frequency) 수신 회로에 관한 것이다.The present invention relates to a subharmonic single balanced radio frequency (RF) receive circuit.

휴대용 전자 장치들의 발전과 함께, 집적회로(intergrated circuit)의 저전력(low power) 및/또는 고집적화(high integration)에 대한 관심이 증가하고 있다. 예를 들어, 전자 장치에 포함되는 무선 통신 회로는 믹서와 발진기를 결합하여 고집적화 및 저전력을 제공하는 단일 스테이지(single-stage) 방식이 적용되고 있다. 또한, 상기 집적회로의 저전력 및 고집적화를 위해, 일반적으로 다양한 기능 블록들간에 전류를 재사용하는 기술이 제안되고 있다. 예를 들어, 저잡음 증폭기(low noise amplifier: LNA)의 입력단의 상단(top of input stage)에 믹서(mixer)를 캐스코딩(cascoding)할 수 있다. 다른 예(선행 1)로, 전류 재사용 토폴로지(topology)를 이용하여 발진기(예: VCO(voltage controlled osillator))의 상단에 이중 평형 믹서(double balanced mixer)를 적층(stacking)할 수 있다. 이때, 무선 주파수(radio frequency: RF) 입력 신호(또는 주파수)는 이중 평형 믹서의 입력에 인가되고 발진기 신호는 이중 평형 믹서의 소스 노드에 인가된다. 하지만, 발진기는 RF 트랜지스터의 소스에 연결되어 있기 때문에 LC 탱크의 임피던스가 상당히 낮고, 낮은 전력 소비로 발진을 실행하는 것이 어렵다는 문제점이 있다. 또한, 상기 구조는 발진기에 별도의 직류 바이어스를 적용해야 한다.BACKGROUND With the development of portable electronic devices, interest in low power and/or high integration of integrated circuits is increasing. For example, a single-stage method for providing high integration and low power by combining a mixer and an oscillator is applied to a wireless communication circuit included in an electronic device. In addition, in order to achieve low power consumption and high integration of the integrated circuit, a technique of reusing current between various functional blocks is generally proposed. For example, a mixer may be cascoded at the top of an input stage of a low noise amplifier (LNA). As another example (preceding 1), a double balanced mixer may be stacked on top of an oscillator (eg, a voltage controlled oscillator (VCO)) using a current reuse topology. At this time, a radio frequency (RF) input signal (or frequency) is applied to the input of the double balanced mixer and an oscillator signal is applied to the source node of the double balanced mixer. However, since the oscillator is connected to the source of the RF transistor, the impedance of the LC tank is considerably low, and it is difficult to perform oscillation with low power consumption. In addition, the above structure requires a separate DC bias to be applied to the oscillator.

또 다른 예(선행 2)로, 무선 통신 회로(예: RF 전단부)는 단일 스테이지에서 저잡음 증폭기(LNA), 믹서(mixer) 및 발진기(VCO)를 병합(이하, LMV)할 수 있다. 이러한 토폴로지는 발진기가 믹서의 상단에 적층된다. 믹서의 전류 소스는 인덕터 축퇴(degeneration)을 가지는 저잡음 증폭기로 수정된다. 이 토폴로지는 RF 전단부의 모든 블록 간에 동일한 바이어스 전류 및 동일한 장치를 공유하면서 RF 증폭, 믹싱 및 국부 발진(local osillation: LO) 신호의 생성을 수행하여 저전력 및 작은 면적의 칩 솔루션을 제공할 수 있다. 하지만, 중간 주파수(IF)의 출력이 전압발진기(VCO)의 소스 노드에 연결되기 때문에 소스 노드의 낮은 임피던스로 인해 전압 이득이 제한되는 문제점이 있다. 또한, 이러한 토폴로지는 스위칭 트랜지스터의 기생 커패시턴스를 통해 IF 출력으로 국부발진 신호가 누설되는 문제점이 있다. As another example (preceding 2), a radio communication circuit (eg, RF front end) may combine a low noise amplifier (LNA), a mixer, and an oscillator (VCO) in a single stage (hereafter referred to as LMV). In this topology, the oscillator is stacked on top of the mixer. The mixer's current source is modified with a low-noise amplifier with inductor degeneration. This topology can perform RF amplification, mixing, and local oscillation (LO) signal generation while sharing the same bias current and the same devices among all blocks in the RF front end, providing a low-power, small-area chip solution. However, since the output of the intermediate frequency (IF) is connected to the source node of the voltage oscillator (VCO), the voltage gain is limited due to the low impedance of the source node. In addition, this topology has a problem in that the local oscillation signal leaks to the IF output through the parasitic capacitance of the switching transistor.

또 다른 예로, 무선 통신 회로는, 도 7에 도시된 바와 같이. 저잡음 증폭기(710)의 상단에 차동 전압 제어 발진기(720)가 적층될 수 있다. 상기 차동 전압 제어 발진기(720)는 S-QVCO 또는 P-QVCO 토폴로지를 이용하여 직교 결합된(quadrature coupled) 2 개의 VCO(721, 722)를 포함할 수 있다. 이때, 중간 주파수는 각 발진기의 인덕터(L)의 중앙 탭에서 직접 감지할 수 있다. 하지만, S-QVCO 토폴로지를 이용하는 경우 스위칭 트랜지스터(MSW)와 커플링 트랜지스터(Mcpl)는 캐스코딩 방식으로 연결되어 출력 임피던스가 증가하게 된다. 한편, P-QVCO 토폴로지를 이용하는 경우 스위칭 트랜지스터와 커플링 트랜지스터는 병렬로 연결되어 탱크의 기생 커패시턴스가 커지고(누설 전류가 증가) 국부 발진(LO) 신호의 스윙이 감소하는 문제가 있다.As another example, a wireless communication circuit, as shown in FIG. 7 . A differential voltage controlled oscillator 720 may be stacked on top of the low noise amplifier 710 . The differential voltage controlled oscillator 720 may include two VCOs 721 and 722 quadrature coupled using an S-QVCO or P-QVCO topology. At this time, the intermediate frequency can be directly sensed from the center tap of the inductor (L) of each oscillator. However, when using the S-QVCO topology, the switching transistor (M SW ) and the coupling transistor (M cpl ) are connected in a cascoding manner, so that the output impedance increases. On the other hand, when the P-QVCO topology is used, the switching transistor and the coupling transistor are connected in parallel, so there is a problem in that the parasitic capacitance of the tank increases (leakage current increases) and the swing of the local oscillation (LO) signal decreases.

선행 1. T.-P. Wang, C.-C. Chang, R.-C. Liu, et al., A low-power oscillator mixer in 0.18-μm CMOS technology, IEEE Trans. Microw. Theor. Tech. 54 (2006) 88-95.preceding 1. T. -P. Wang, C.-C. Chang, R.-C. Liu, et al., A low-power oscillator mixer in 0.18-μm CMOS technology, IEEE Trans. Microw. Theor. Tech. 54 (2006) 88-95. 선행 2. A. Liscidini, A. Mazzanti, R. Tonietto, L. Vandi, P. Andreani, R. Castello, Single-stage low-power quadrature RF receiver front-end: the LMV cell, IEEE J. Solid State Circ. 41 (2006) 2832-2841.2. A. Liscidini, A. Mazzanti, R. Tonietto, L. Vandi, P. Andreani, R. Castello, Single-stage low-power quadrature RF receiver front-end: the LMV cell, IEEE J. Solid State Circ . 41 (2006) 2832-2841.

본 발명은, 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 국부 발진(LO) 신호의 누설을 방지(감소)할 수 있는 저조파 단일 평형 RF 수신 회로를 제공할 수 있다.The present invention, to solve the above problem, can provide a low-harmonic single balanced RF receiving circuit that can prevent (reduce) leakage of a local oscillation (LO) signal.

또한, 본 발명은 필요한 부품의 수를 최소화하여 칩 사이즈를 감소할 수 있는 저조파 단일 평형 RF 수신 회로를 제공할 수 있다.In addition, the present invention can provide a low-harmonic single balanced RF receiving circuit capable of reducing the chip size by minimizing the number of required components.

본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problems to be solved by the present invention are not limited to the above-mentioned problems, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

본 발명의 일 실시예에 따른 저조파 단일 평형 RF 수신 회로는 RF 수신 신호를 저잡음 증폭하는 저잡음 증폭기; 및 상기 저잡음 증폭기의 하단에 적층(stacked)되며, 단일 평형(single-balanced) 저조파(subharmonic) 믹서 및 국부발진기(local oscillator)로 동작하는 차동 전압 제어 발진기를 포함할 수 있다.A low-harmonic single-balanced RF receiving circuit according to an embodiment of the present invention includes a low-noise amplifier for low-noise amplifying an RF received signal; and a differential voltage controlled oscillator stacked at a lower end of the low noise amplifier and operating as a single-balanced subharmonic mixer and a local oscillator.

상기 차동 전압 제어 발진기는 고정된 직류(direct current: DC) 바이어스를 가지며, 캐패시터들을 통해 크로스 커플(cross-coupled)되는 스위칭 트랜지스터들을 포함할 수 있다.The differential voltage controlled oscillator may include switching transistors having a fixed direct current (DC) bias and cross-coupled through capacitors.

상기 저잡음 증폭기는 한 쌍의 RF 트랜지스터; 각 RF 트랜지스터의 게이트에 연결되고, 대칭되는 한 쌍의 제1 인덕터; 각 RF 트랜지스터(MRF)의 소스에 연결되고, 대칭되는 한 쌍의 제2 인덕터; 및 각 RF 트랜지스터(MRF)의 드레인에 연결되는 출력 저항 및 중간 주파수 출력단들을 포함할 수 있다.The low noise amplifier includes a pair of RF transistors; a pair of symmetrical first inductors connected to the gates of each RF transistor; a pair of second inductors connected to the source of each RF transistor (M RF ) and symmetrical; and output resistors and intermediate frequency output terminals connected to the drain of each RF transistor M RF .

상기 한 쌍의 RF 트랜지스터와 상기 스위칭 트랜지스터들은 캐스코드 방식으로 연결될 수 있다.The pair of RF transistors and the switching transistors may be connected in a cascode manner.

상기 저잡음 증폭기는 상기 한 쌍의 RF 트랜지스터의 드레인 사이에 위치하는 능동부하(active load)를 더 포함할 수 있다.The low noise amplifier may further include an active load positioned between drains of the pair of RF transistors.

상기 저잡음 증폭기는 상기 중간 주파수 출력단들 사이에 위치하는 캐패시터를 포함할 수 있다.The low noise amplifier may include a capacitor positioned between the intermediate frequency output terminals.

본 발명의 일 실시 예에 따른 저조파 단일 평형 RF 수신 회로는 로컬 발진 신호의 누설(예: 국부발진기와 중간 주파수 출력단 사이, 및/또는 국부발진기와 RF 출력단 사이의 로컬 발진 신호의 누설)을 방지(감소)할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 저조파 단일 평형 RF 수신 회로는 차동 전압 오실레이터가 하나의 인던터만을 필요로함에 따라 칩 사이즈를 감소시킬 수 있다.A low-harmonic single balanced RF receiving circuit according to an embodiment of the present invention prevents leakage of a local oscillation signal (eg, leakage of a local oscillation signal between a local oscillator and an intermediate frequency output terminal, and/or between a local oscillator and an RF output terminal). (decrease) can. In addition, since the low-harmonic single balanced RF receiving circuit according to an embodiment of the present invention requires only one indenter for the differential voltage oscillator, the chip size can be reduced.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 저조파 단일 평형 RF 수신 회로를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 저조파 단일 평형 RF 수신 회로를 구성하는 저잡음 증폭기의 등가회로를 도시한 도면이다.
도 3은 종래의 저조파 단일 평형 RF 수신 회로 및 본 발명의 일 실시예에 따른 저조파 단일 평형 RF 수신 회로의 IF 출력 스펙트럼을 도시한 도면이다.
도 4는 종래의 저조파 단일 평형 RF 수신 회로 및 본 발명의 일 실시예에 따른 저조파 단일 평형 RF 수신 회로의 RF 입려과 IF 출력의 신호 스윙(swing)을 도시한 도면이다.
도 5는 종래의 저조파 단일 평형 RF 수신 회로 및 본 발명의 일 실시예에 따른 저조파 단일 평형 RF 수신 회로의 노이즈 성능을 도시한 도면이다.
도 6은 종래의 저조파 단일 평형 RF 수신 회로 및 본 발명의 일 실시 예에 따른 저조파 단일 평형 RF 수신 회로의 성능을 비교한 그래프이다.
도 7은 종래의 저조파 단일 평형 RF 수신 회로를 도시한 도면이다.
1 is a diagram illustrating a subharmonic single balanced RF receiving circuit according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram showing an equivalent circuit of a low noise amplifier constituting a low harmonic single balanced RF receiving circuit according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram showing IF output spectra of a conventional low-harmonic single balanced RF receiving circuit and a low-harmonic single balanced RF receiving circuit according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram illustrating signal swings of RF input and IF output of a conventional low-harmonic single balanced RF receiving circuit and a low-harmonic single balanced RF receiving circuit according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram illustrating noise performance of a conventional low-harmonic single balanced RF receiving circuit and a low-harmonic single balanced RF receiving circuit according to an embodiment of the present invention.
6 is a graph comparing performance of a conventional low-harmonic single balanced RF receiving circuit and a low-harmonic single balanced RF receiving circuit according to an embodiment of the present invention.
7 is a diagram showing a conventional low-harmonic single balanced RF receiving circuit.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Advantages and features of the present invention, and methods of achieving them, will become clear with reference to the detailed description of the following embodiments taken in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in various different forms, only these embodiments make the disclosure of the present invention complete, and common knowledge in the art to which the present invention belongs. It is provided to fully inform the holder of the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numbers designate like elements throughout the specification.

비록 제1, 제2 등이 다양한 소자, 구성요소 및/또는 섹션들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 소자, 구성요소 및/또는 섹션들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 소자, 구성요소 또는 섹션들을 다른 소자, 구성요소 또는 섹션들과 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 소자, 제1 구성요소 또는 제1 섹션은 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 소자, 제2 구성요소 또는 제2 섹션일 수도 있음은 물론이다.Although first, second, etc. are used to describe various elements, components and/or sections, it is needless to say that these elements, components and/or sections are not limited by these terms. These terms are only used to distinguish one element, component or section from another element, component or section. Accordingly, it goes without saying that the first element, first element, or first section referred to below may also be a second element, second element, or second section within the spirit of the present invention.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "이루어지다(made of)"는 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.Terminology used herein is for describing the embodiments and is not intended to limit the present invention. In this specification, singular forms also include plural forms unless specifically stated otherwise in a phrase. As used in the specification, a referenced component, step, operation and/or element to "comprises" and/or "made of" refers to one or more other components, steps, operations and/or elements. Existence or additions are not excluded.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다. Unless otherwise defined, all terms (including technical and scientific terms) used in this specification may be used in a meaning commonly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. In addition, terms defined in commonly used dictionaries are not interpreted ideally or excessively unless explicitly specifically defined.

이하, 본 발명에 대하여 첨부된 도면에 따라 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 저조파 단일 평형 RF 수신 회로를 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 저조파 단일 평형 RF 수신 회로를 구성하는 저잡음 증폭기의 등가회로를 도시한 도면이다.1 is a diagram showing a low harmonic single balanced RF receiving circuit according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an equivalent circuit of a low noise amplifier constituting a low harmonic single balanced RF receiving circuit according to an embodiment of the present invention. It is a drawing showing

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 저조파 단일 평형 RF 수신 회로(100)는 저잡음 증폭기(low noise amplifier: LNA)(110) 및 차동 전압 제어 발진기(differential VCO(voltage controlled osillator))(120)를 포함할 수 있다.1 and 2, a low-harmonic single balanced RF receiving circuit 100 according to an embodiment of the present invention includes a low noise amplifier (LNA) 110 and a differential voltage controlled oscillator (voltage VCO (voltage) controlled oscillator)) (120).

차동 전압 제어 발진기(120)는 저잡음 증폭기(110)의 하단에 적층(stacked)될 수 있다. 차동 전압 제어 발진기(120)는, C급 전압제어발진기와 유사하게, 고정된 직류(direct current: DC) 바이어스를 가지며, 스위칭 소자들(MSW)의 게이트와 드레인이 캐패시터(121)를 통해 크로스 커플(cross-coupled)될 수 있다. 차동 전압 제어 발진기(120)는 단일 평형(single-balanced) 저조파 믹서 및 국부발진기(local oscillator)로 동작할 수 있다. 예를 들어, 차동 전압 제어 발진기(120)는 병렬 연결된 가변 캐패시터(Cvar)와 인덕터(122)의 공진 주파수에 기초하여 로컬 발진(LO) 신호(또는 주파수)(fLO)를 생성할 수 있다. 또한, 차동 전압 제어 발진기(120)는, 저잡음 증폭기(110)를 통해 RF 신호(VRF+, VRF-)가 입력되면, 크로스 커플된 2개의 스위칭 트랜지스터들(MSW)을 이용하여 RF 신호(VRF+, VRF-)와 로컬 발진(LO) 신호(fLO)의 2배 신호(2fLO)를 믹싱하는 믹서로 동작한다. 상기 2배 신호(2fLO)는 비교적 작은 값의 캐패시터(CIF)에 의해 중간 주파수 출력으로의 누설이 억제(suppress)(또는, 방지 또는 감소)될 수 있다. 또한, 국부 발진(LO) 신호(fLO)의 누설은 스위칭 트랜지스터들(MSW)이 RF 트랜지스터(MRF)와 캐스코드 방식으로 연결되어 국부 발진 신호와 중간 주파수 신호의 기생 커플링이 감소됨에 따라 억제될 수 있다.The differential voltage controlled oscillator 120 may be stacked at the bottom of the low noise amplifier 110 . The differential voltage controlled oscillator 120, similar to the class C voltage controlled oscillator, has a fixed direct current (DC) bias, and the gate and drain of the switching elements M SW cross through the capacitor 121. can be cross-coupled. The differential voltage controlled oscillator 120 may operate as a single-balanced subharmonic mixer and local oscillator. For example, the differential voltage controlled oscillator 120 may generate a local oscillation (LO) signal (or frequency) (f LO ) based on a resonant frequency of a variable capacitor (Cvar) and the inductor 122 connected in parallel. In addition, the differential voltage controlled oscillator 120, when the RF signals V RF+ and V RF- are input through the low noise amplifier 110, the RF signal ( It operates as a mixer that mixes V RF+ , V RF- ) and a signal twice (2f LO ) of the local oscillation (LO) signal (f LO ). The leakage of the double signal 2f LO to the intermediate frequency output can be suppressed (or prevented or reduced) by a relatively small capacitor C IF . In addition, the leakage of the local oscillation (LO) signal (f LO ) is reduced because the switching transistors (M SW ) are connected to the RF transistor (M RF ) in a cascode manner to reduce the parasitic coupling between the local oscillation signal and the intermediate frequency signal. can be suppressed accordingly.

저잡음 증폭기(110)는 수신된 RF 신호를 저잡음 증폭할 수 있다. 상기 저잡음 증폭된 신호는 차동 전압 제어 발진기(120)로 입력되어, 기저대역 신호로 변환될 수 있다. 저잡음 증폭기(110)는 차동 전압 제어 발진기(120)의 상단(top)에 적층될 수 있다. 저잡음 증폭기(110)는 도 2에 도시된 등가 회로로 표현될 수 있다. 여기서, 저잡음 증폭기(110)에 포함된 인덕터들(Lg, Ls)의 크기(용량)은 신호 소스의 임피던스(예: 50 옴) 매칭를 위한 SNIM(simultaneous noise and input matching) 기술에 기반하여 선택될 수 있다. 예를 들어, 저잡음 증폭기(110)의 입력 임피던스(Zin)는 아래의 <식 1>과 같다. <식 1>에서 "gm"은 트랜지스터 "MRF"의 트랜스컨덕턴스이다. The low noise amplifier 110 may amplify the received RF signal with low noise. The low-noise amplified signal may be input to the differential voltage controlled oscillator 120 and converted into a baseband signal. A low noise amplifier 110 may be stacked on top of the differential voltage controlled oscillator 120 . The low noise amplifier 110 may be expressed as an equivalent circuit shown in FIG. 2 . Here, the size (capacitance) of the inductors (Lg, Ls) included in the low noise amplifier 110 may be selected based on simultaneous noise and input matching (SNIM) technology for matching the impedance (eg, 50 ohms) of a signal source. there is. For example, the input impedance Zin of the low noise amplifier 110 is as shown in Equation 1 below. In <Equation 1>, "g m " is the transconductance of the transistor "M RF ".

…………… <식 1> … … … … … <Equation 1>

임피던스 매칭을 위한 SNIM은 아래 <식 2>의 조건을 충족해야 한다. <식 2>에서 "Zopt"는 최적 노이즈 임피던스이다.SNIM for impedance matching must satisfy the condition of <Equation 2> below. In <Equation 2>, "Zopt" is the optimal noise impedance.

…………… <식 2> … … … … … <Equation 2>

소스 축퇴 인덕터(source degeneration inductor) "Ls"는 아래의 <식 3>과 같이 근사될 수 있다. <식 3>에서 "α"는 1보다 작다고 가정하면, "δ/τ"는 약 2이고, 숏 채널 트랜지스터(short channel transistor)에 대하여, "|c|=0.395"이고, "ωT"는 컷오프 주파수이며, "gm/Cgs"와 동일할 수 있다.The source degeneration inductor “Ls” can be approximated as shown in Equation 3 below. Assuming that "α" in <Equation 3> is less than 1, "δ/τ" is about 2, and for a short channel transistor, "|c|=0.395" and "ω T " is It is the cutoff frequency, and may be equal to "g m /C gs ".

…………… <식 3> … … … … … <Equation 3>

저잡음 증폭기(110)는 한 쌍의 RF 트랜지스터(MRF), 각 RF 트랜지스터(MRF)의 게이트에 연결되는 한 쌍의 제1 인덕터(Lg), 각 RF 트랜지스터(MRF)의 소스에 연결되는 한 쌍의 제2 인덕터(Ls), 및 각 RF 트랜지스터(MRF)의 드레인에 연결되는 출력 저항 및 중간 주파수 출력단들(VIF+, VIF-)을 포함할 수 있다. 상기 한 쌍의 인덕터들(Lg, Ls)은 대칭 구조를 가지며, 위상 잡음 성능을 향상시키기 위하여 높은 Q(higher quality) 팩터를 가진다. The low noise amplifier 110 includes a pair of RF transistors (M RF ), a pair of first inductors (Lg) connected to the gates of each RF transistor (M RF ), and a source connected to the source of each RF transistor (M RF ). It may include a pair of second inductors Ls, and output resistors and intermediate frequency output terminals V IF+ and V IF- connected to drains of each RF transistor M RF . The pair of inductors Lg and Ls have a symmetrical structure and have a higher quality (Q) factor to improve phase noise performance.

저잡음 증폭기(110)는 한 쌍의 RF 트랜지스터(MRF)의 드레인 사이에 위치되며, 전압 변환 이득을 개선(향상)시키기 위해 부성저항(negative resistance)을 갖는 능동 부하(active load)(111)를 더 포함할 수 있다. 다른 실시 예에 따르면, 저잡음 증폭기(110)는 부성 저항을 갖는 능동부하(active load)(111)를 포함하지 않을 수도 있다.The low noise amplifier 110 is located between the drains of a pair of RF transistors M RF and uses an active load 111 with negative resistance to improve (enhance) the voltage conversion gain. can include more. According to another embodiment, the low noise amplifier 110 may not include an active load 111 having a negative resistance.

이상에서 상술한 본 발명의 일 실예에 따른 저조파 단일 평형 RF 수신 회로(100)는 스위칭 트랜지스터(MSW)가 RF 트랜지스터(MRF)와 캐스코드 방식으로 연결됨에 따라 국부 발진 신호의 누설을 방지(감소)할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실예에 따른 저조파 단일 평형 RF 수신 회로(100)는 하나의 발진기(차동 VCO)를 포함함에 따라 하나의 인덕터(122)만을 포함한다. 이로 인하여, 본 발명의 일 실예에 따른 저조파 단일 평형 RF 수신 회로(100)는, 도 7의 저조파 단일 평형 RF 수신 회로와 비교하여, 동일한 직류 전력 소모에 대하여, 더 큰 국부 발진 스윙을 제공할 수 있다. 즉, 종래의 저조파 단일 평형 RF 수신 회로는 각각 인덕터를 가지는 2개의 발진기(VCO)를 포함함에 따라, 직류 전력이 2개의 발진기로 분할되어 국부 발진 스윙의 감소를 초래한다. 또한, 본 발명의 일 실예에 따른 저조파 단일 평형 RF 수신 회로(100)는 하나의 인덕터를 포함함에 따라 전체 칩 사이즈를 감소할 수 있다.The low-harmonic single balanced RF receiving circuit 100 according to one embodiment of the present invention described above prevents leakage of a local oscillation signal as the switching transistor (M SW ) is connected to the RF transistor (M RF ) in a cascode manner. (decrease) can. In addition, the low-harmonic single balanced RF receiving circuit 100 according to one embodiment of the present invention includes only one inductor 122 as it includes one oscillator (differential VCO). Due to this, the low harmonic single balanced RF receiving circuit 100 according to one embodiment of the present invention provides a larger local oscillation swing for the same DC power consumption as compared to the low harmonic single balanced RF receiving circuit of FIG. can do. That is, as a conventional low-harmonic single balanced RF receiver circuit includes two oscillators (VCOs) each having an inductor, DC power is divided into two oscillators, resulting in a decrease in local oscillation swing. In addition, since the low-harmonic single balanced RF receiving circuit 100 according to one embodiment of the present invention includes one inductor, the overall chip size can be reduced.

한편, 상기 도 1 및 도 2는 무선 신호를 중간 주파수(IF)를 이용하여 기저대역(baseband)로 변환하는 무선 수신 회로에 본 발명의 적용되는 예를 기초로 본 발명에 대하여 설명하였다. 하지만, 본 발명은 중간 주파수를 이용하지 않고, 무선 신호를 기저대역 신호로 바로 변환하는 무선 수신 회로에도 적용될 수 있다.Meanwhile, the present invention has been described in FIGS. 1 and 2 based on an example in which the present invention is applied to a wireless receiving circuit that converts a wireless signal into a baseband using an intermediate frequency (IF). However, the present invention can also be applied to a wireless receiving circuit that directly converts a wireless signal into a baseband signal without using an intermediate frequency.

도 3은 종래의 저조파 단일 평형 RF 수신 회로 및 본 발명의 일 실시예에 따른 저조파 단일 평형 RF 수신 회로의 IF 출력 스펙트럼을 도시한 도면이고, 도 4는 종래의 저조파 단일 평형 RF 수신 회로 및 본 발명의 일 실시예에 따른 저조파 단일 평형 RF 수신 회로의 RF 입려과 IF 출력의 신호 스윙(swing)을 도시한 도면이고, 도 5는 종래의 저조파 단일 평형 RF 수신 회로 및 본 발명의 일 실시예에 따른 저조파 단일 평형 RF 수신 회로의 노이즈 성능을 도시한 도면이며, 도 6은 종래의 저조파 단일 평형 RF 수신 회로 및 본 발명의 일 실시 예에 따른 저조파 단일 평형 RF 수신 회로의 성능을 비교한 그래프이다.3 is a diagram showing an IF output spectrum of a conventional low-harmonic single balanced RF receiving circuit and a low-harmonic single balanced RF receiving circuit according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a conventional low-harmonic single balanced RF receiving circuit. And a diagram showing the signal swing of the RF input and the IF output of the low-harmonic single balanced RF receiving circuit according to an embodiment of the present invention. FIG. It is a diagram showing noise performance of a low-harmonic single balanced RF receiving circuit according to an embodiment, and FIG. 6 is a conventional low-harmonic single balanced RF receiving circuit and a low-harmonic single balanced RF receiving circuit according to an embodiment of the present invention. Here is a graph comparing performance.

도 3을 참조하면, 식별 부호 310은 종래의 저조파 단일 평형 RF 수신 회로의 중간 주파수(intermediate frequency: IF) 출력 스펙트럼이고, 식별 부호 320은 본 발명의 일 실시예에 따른 저조파 단일 평형 RF 수신 회로의 중간 주파수 출력 스펙트럼이다. 식별 부호 310 및 320의 그래프를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 저조파 단일 평형 RF 수신 회로는, 종래의 저조파 단일 평형 RF 수신 회로에 비하여, 국부 발진(LO) 신호(fLO) 및 2배 신호(2fLO)를 더 억압(suppress)하고 있음을 알 수 있다. 하지만, 본 발명의 일 실시예에 따른 저조파 단일 평형 RF 수신 회로는 중간 주파수(IF) 출력을 포함하고 있다. 이때, 중간 주파수 출력단들(VIF+, VIF-) 사이에 작은 값의 캐패시터(예: 도 1의 CIF)를 배치하면 2배 주파수(2fLO)의 누설을 쉽게 억제할 수 있다.Referring to FIG. 3, identification code 310 is an intermediate frequency (IF) output spectrum of a conventional low-harmonic single balanced RF receiving circuit, and identification code 320 is low-harmonic single balanced RF reception according to an embodiment of the present invention. is the mid-frequency output spectrum of the circuit. Referring to the graphs of identification codes 310 and 320, the low harmonic single balanced RF receiving circuit according to an embodiment of the present invention, compared to the conventional low harmonic single balanced RF receiving circuit, a local oscillation (LO) signal (f LO ) And it can be seen that the double signal (2f LO ) is further suppressed. However, a subharmonic single balanced RF receiving circuit according to an embodiment of the present invention includes an intermediate frequency (IF) output. At this time, if a small capacitor (eg, C IF in FIG. 1 ) is placed between the intermediate frequency output terminals V IF+ and V IF- , leakage of the double frequency 2f LO can be easily suppressed.

도 4를 참조하면, 식별 부호 410은 종래의 저조파 단일 평형 RF 수신 회로에 60 dBm의 RF 입력 신호가 입력되었을 때, RF 입력과 IF 출력 사이의 신호 스윙을 나타내는 그래프이고, 식별 부호 420은 본 발명의 일 실시예에 따른 저조파 단일 평형 RF 수신 회로에 60 dBm의 RF 입력 신호가 입력되었을 때, RF 입력과 IF 출력 사이의 신호 스윙을 나타내는 그래프이다. Referring to FIG. 4, identification code 410 is a graph showing a signal swing between an RF input and an IF output when an RF input signal of 60 dBm is input to a conventional low-harmonic single balanced RF receiving circuit, and identification code 420 is this It is a graph showing the signal swing between the RF input and the IF output when an RF input signal of 60 dBm is input to the low-harmonic single balanced RF receiving circuit according to an embodiment of the present invention.

상기 식별 부호 410 및 식별 부호 420의 그래프들을 비교하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 저조파 단일 평형 RF 수신 회로의 신호 스윙이 종래의 저조파 단일 평형 RF 수신 회로에 비하여 크고(식별 부호 420에서 IF 출력을 나타내는 그래프(421, 422)의 진폭이 큼), 깨끗함(식별 부호 420에서 IF 출력을 나타내는 그래프(421, 422)의 선폭이 얇음)을 알 수 있다. 이는 본 발명의 일 실시예에 따른 저조파 단일 평형 RF 수신 회로가 중간 주파수 출력 노드에서 하이 임피던스를 초래하는 캐스코드 방식으로(cascode-like) 트랜지스터들(RF 트랜지스터(MRF) 및 스위칭 트랜지스터들(MSW))이 연결됨에 따라 낮은 국부 발진 누설(예: 국부발진기와 중간 주파수 출력단 사이, 및/또는 국부발진기와 RF 출력단 사이의 로컬 발진 신호의 누설)을 가지기 때문이다.Comparing the graphs of the identification code 410 and the identification code 420, the signal swing of the low harmonic single balanced RF receiving circuit according to an embodiment of the present invention is larger than that of the conventional low harmonic single balanced RF receiving circuit (in the identification code 420). It can be seen that the amplitudes of the graphs 421 and 422 representing the IF output are large) and clean (line width of the graphs 421 and 422 representing the IF output is thin at identification code 420). This is because the low-harmonic single balanced RF receiving circuit according to an embodiment of the present invention has cascode-like transistors (RF transistor M RF ) and switching transistors ( This is because it has low local oscillation leakage (eg, leakage of a local oscillation signal between the local oscillator and the intermediate frequency output terminal and/or between the local oscillator and the RF output terminal) as the M SW )) is connected.

도 5를 참조하면, 식별 부호 510은 종래의 저조파 단일 평형 RF 수신 회로 및 본 발명의 일 실시예에 따른 저조파 단일 평형 RF 수신 회로에 대한 위상 잡음 성능을 나타내는 그래프이고, 식별 부호 520은 종래의 저조파 단일 평형 RF 수신 회로 및 본 발명의 일 실시예에 따른 저조파 단일 평형 RF 수신 회로에 대한 더블 사이드밴드(double sideband: DSB) 잡음 지수(noise figure)를 나타내는 그래프이다.Referring to FIG. 5, identification code 510 is a graph showing phase noise performance of a conventional low-harmonic single balanced RF receiving circuit and a low-harmonic single balanced RF receiving circuit according to an embodiment of the present invention. It is a graph showing a double sideband (DSB) noise figure for a low-harmonic single balanced RF receiving circuit and a low-harmonic single balanced RF receiving circuit according to an embodiment of the present invention.

먼저, 식별 부호 510의 그래프를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 저조파 단일 평형 RF 수신 회로는 종래의 저조파 단일 평형 RF 수신 회로에 비하여, 위상 잡음 성능이 약 5 dB 개선되었음을 알 수 있다. 예를 들어, 종래의 저조파 단일 평형 RF 수신 회로의 위상 잡음은 10 kHz, 100 kHz, 및 1 MHz에서 각각 -57 dBc/Hz, -82 dBc/Hz, 및 -104.5 dBc/Hz 이고, 본 발명의 일 실시 예에 따른 저조파 단일 평형 RF 수신 회로의 위상 잡음은 10 kHz, 100 kHz, 및 1 MHz에서 각각 -62 dBc/Hz, -87 dBc/Hz, 및 -109 dBc/Hz 이다.First, referring to the graph of identification code 510, it can be seen that the low harmonic single balanced RF receiving circuit according to an embodiment of the present invention has improved phase noise performance by about 5 dB compared to the conventional low harmonic single balanced RF receiving circuit. there is. For example, the phase noise of a conventional low-harmonic single balanced RF receiving circuit is -57 dBc/Hz, -82 dBc/Hz, and -104.5 dBc/Hz at 10 kHz, 100 kHz, and 1 MHz, respectively, and the present invention The phase noise of the low-harmonic single balanced RF receiving circuit according to an embodiment of is -62 dBc / Hz, -87 dBc / Hz, and -109 dBc / Hz at 10 kHz, 100 kHz, and 1 MHz, respectively.

다음으로, 식별 부호 520의 그래프를 참조하면, 종래의 저조파 단일 평형 RF 수신 회로의 더블 사이드밴드 잡음 지수는 1 MHz 오프셋 주파수에서 14.5 dB이고, 본 발명의 일 실시 예에 따른 저조파 단일 평형 RF 수신 회로의 더블 사이드밴드 잡음 지수는 능동부하를 포함하는 경우 1 MHz 오프셋 주파수에서 9.5 dB이고, 능동부하를 포함하지 않는 경우 1 MHz 오프셋 주파수에서 8.9 dB이다.Next, referring to the graph of identification code 520, the double sideband noise figure of the conventional subharmonic single balanced RF receiving circuit is 14.5 dB at an offset frequency of 1 MHz, and the low harmonic single balanced RF according to an embodiment of the present invention The double sideband noise figure of the receive circuit is 9.5 dB at 1 MHz offset frequency with active load and 8.9 dB at 1 MHz offset frequency without active load.

도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 저조파 단일 평형 RF 수신 회로는 종래의 저조파 단일 평형 RF 수신 회로에 비하여, 직류 전력 소비(PDC), 국부발진 신호의 스윙(LO Swing), 위상잡음(PN), 더블 사이드밴드 노이즈 지수(DSB NF) 및 전압 변환 이득(Voltage gain)이 향상됨을 알 수 있다. 한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 저조파 단일 평형 RF 수신 회로는 능동 부하를 가지는 경우 더블 사이드밴드 잡음 지수가 약간 저하되지만, 전압 변환 이득이 크게 향상됨을 알 수 있다.Referring to FIG. 6, the low-harmonic single balanced RF receiving circuit according to an embodiment of the present invention has direct current power consumption (P DC ) and swing (LO Swing) of the local oscillation signal compared to the conventional low-harmonic single balanced RF receiving circuit. ), phase noise (PN), double sideband noise figure (DSB NF), and voltage conversion gain (Voltage gain) are improved. On the other hand, it can be seen that the low-harmonic single balanced RF receiving circuit according to an embodiment of the present invention has a slightly reduced double-sideband noise figure when an active load is present, but a greatly improved voltage conversion gain.

이상에서 상술한 본 발명의 일 실시 예에 따른 저조파 단일 평형 RF 수신 회로는 하나의 블록으로 통합되며 저전력으로 동작함에 따라, RF 신호를 중간 주파수를 거쳐 기저대역(baseband) 신호로 변환 방식 또는 RF 신호를 기저대역 신호로 바로 변환하는 직접 변환(direct conversion) 방식의 수신 회로를 포함하는 다양한 무선 통신 장치(예: 스마트 폰, 무선랜, GPS, 위성 통신 수신기, 의료 기기, 셋탑 박스 등)에 적용될 수 있다.The low-harmonic single balanced RF receiving circuit according to an embodiment of the present invention described above is integrated into one block and operates with low power, thereby converting an RF signal into a baseband signal through an intermediate frequency or RF It can be applied to various wireless communication devices (e.g., smart phones, wireless LANs, GPS, satellite communication receivers, medical devices, set-top boxes, etc.) can

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.Although the embodiments of the present invention have been described with reference to the accompanying drawings, those skilled in the art can realize that the present invention can be implemented in other specific forms without changing the technical spirit or essential features. you will be able to understand Therefore, the embodiments described above should be understood as illustrative in all respects and not limiting.

100: 저조파 단일 평형 RF 수신 회로
110: 저잡음 증폭기
111: 능동부하
120: 차동 전압 제어 발진기
100: subharmonic single balanced RF receiving circuit
110: low noise amplifier
111: active load
120: differential voltage controlled oscillator

Claims (6)

저조파(subhaminic) 단일 평형(single-balanced) RF(radio frequency) 수신 회로에 있어서,
RF 수신 신호를 저잡음 증폭하는 저잡음 증폭기; 및
상기 저잡음 증폭기의 하단에 적층(stacked)되며, 단일 평형(single-balanced) 저조파(subharmonic) 믹서 및 국부발진기(local oscillator)로 동작하는 차동 전압 제어 발진기를 포함하는 것을 특징으로 하는 저조파 단일 평형 RF 수신 회로.
In a subhaminic single-balanced radio frequency (RF) receiver circuit,
a low-noise amplifier for low-noise amplifying the RF received signal; and
Stacked at the bottom of the low noise amplifier and comprising a single-balanced subharmonic mixer and a differential voltage controlled oscillator operating as a local oscillator Subharmonic single balanced RF receiving circuit.
제 1 항에 있어서,
상기 차동 전압 제어 발진기는
고정된 직류(direct current: DC) 바이어스를 가지며, 캐패시터들을 통해 크로스 커플(cross-coupled)되는 스위칭 트랜지스터들을 포함하는 것을 특징으로 하는 저조파 단일 평형 RF 수신 회로.
According to claim 1,
The differential voltage controlled oscillator is
A low-harmonic single-balanced RF receiver circuit comprising switching transistors having a fixed direct current (DC) bias and cross-coupled through capacitors.
제 2 항에 있어서,
상기 저잡음 증폭기는
한 쌍의 RF 트랜지스터;
각 RF 트랜지스터의 게이트에 연결되고, 대칭되는 한 쌍의 제1 인덕터;
각 RF 트랜지스터(MRF)의 소스에 연결되고, 대칭되는 한 쌍의 제2 인덕터; 및
각 RF 트랜지스터(MRF)의 드레인에 연결되는 출력 저항 및 중간 주파수 출력단들을 포함하는 것을 특징으로 하는 저조파 단일 평형 RF 수신 회로.
According to claim 2,
The low noise amplifier
a pair of RF transistors;
a pair of symmetrical first inductors connected to the gates of each RF transistor;
a pair of second inductors connected to the source of each RF transistor (M RF ) and symmetrical; and
A low-harmonic single-balanced RF receiving circuit comprising an output resistor connected to a drain of each RF transistor (M RF ) and intermediate frequency output stages.
제 3 항에 있어서,
상기 한 쌍의 RF 트랜지스터와 상기 스위칭 트랜지스터들은 캐스코드 방식으로 연결되는 것을 특징으로 하는 저조파 단일 평형 RF 수신 회로.
According to claim 3,
The pair of RF transistors and the switching transistors are connected in a cascode manner.
제 3 항에 있어서,
상기 저잡음 증폭기는
상기 한 쌍의 RF 트랜지스터의 드레인 사이에 위치하는 능동부하(active load)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저조파 단일 평형 RF 수신 회로.
According to claim 3,
The low noise amplifier
Low harmonic single balanced RF receiving circuit, characterized in that it further comprises an active load (active load) located between the drains of the pair of RF transistors.
제 3 항에 있어서,
상기 저잡음 증폭기는
상기 중간 주파수 출력단들 사이에 위치하는 캐패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 저조파 단일 평형 RF 수신 회로.
According to claim 3,
The low noise amplifier
A low-harmonic single balanced RF receiver circuit, characterized in that it comprises a capacitor located between the intermediate frequency output stages.
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