KR19990028695U - 저잡음 증폭기 - Google Patents

Abstract

본 고안은 무선 통신 시스템에서 요구되는 저잡음 증폭기에 관한 것으로, 입력 신호를 임피던스 매칭하는 입력 임피던스 매칭부, 상기 입력 임피던스 매칭부의 커패시턴스를 조절하기 위한 전압을 인가하는 전압 조절 수단, 입력 임피던스 매칭된 신호를 증폭하는 증폭부, 및 증폭된 신호를 임피던스 매칭하여 출력하고 광대역에서 정재파비를 일정하게 하는 출력 임피던스 매칭부를 포함하되, 상기 입력 임피던스 매칭부는 저잡음 증폭기가 듀얼 주파수 밴드에서 동작하도록 상기 전압 조절 수단에 의해 인가되는 역바이어스 조절 전압에 따라 커패시턴스가 변화되는 가변 용량 다이오드(Varactor)를 포함하는 것을 특징으로 하여 저잡음 증폭기가 듀얼(dual) 주파수 밴드에서 동작하도록 하는 효과가 있다.

Description

저잡음 증폭기

본 고안은 무선 통신 시스템에서 요구되는 저잡음을 실현하는 저잡음 증폭기에 관한 것으로, 특히 듀얼 주파수 밴드 또는 듀얼 모드에서 동작하도록 성능을 개선한 저잡음 증폭기에 관한 것이다.

통신 시스템에서 사용되는 저잡음 증폭기는 발생하는 잡음이 적어지게 배려된 증폭기를 말하며, 잡음을 감소시키기 위해서는 진공관이나 트랜지스터 등 부품의 선택에 주의하여 설계한다.

특히 마이크로파용의 저잡음 증폭기로서는 에사끼 다이오드 증폭기, 파라메트릭 증폭기, 및 메이저 증폭기 등이 있다.

종래의 통신 시스템에서 사용되는 저잡음 증폭기는 일반적으로 입력 임피던스 매칭부, 증폭부, 및 출력 임피던스 매칭부로 구성되어, 입력 임피던스 매칭부가 입력 신호의 임피던스 매칭을 하고, 증폭부가 잡음을 최소화하며 신호를 증폭하고, 출력 임피던스 매칭부가 증폭된 신호를 다음 단에 임피던스 매칭을 시켜 출력한다.

따라서 종래의 기술에 따른 저잡음 증폭기의 목적은 신호를 증폭하는 것 외에도 신호의 반사를 작게하고 증폭기 내부 및 외부에서 발생되는 잡음을 줄이는 데 있다.

그러나 종래의 기술에 따른 저잡음 증폭기는 한 개의 주파수 대역에서만 동작하기 때문에 만일 통신 시스템에서 2개 이상의 주파수 대역에서 동작할 수 있는 통신용 저잡음 증폭기 장치가 요구된다면 상기 종래의 기술에 따른 저잡음 증폭기를 동작 주파수 대역 별로 필요한 수 만큼 통신 장치에 포함시켜야 하는 문제점이 발생한다.

그러면 저잡음 증폭기의 수가 늘어난 만큼 통신 시스템 회로망이 복잡해지고 회로 소자가 더 많이 필요해져서 소형, 경량화 되어가는 현재의 전자 장치 설계 추세에 역행하게 된다.

특히, 종래의 저잡음 증폭기를 단일 집적회로(Monolithic Integrated Circuit)로 구현하고자 한다면 집적해야할 회로 소자가 많아지는 등 상기 문제점은 더욱 커진다.

본 고안의 목적은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 저잡음 증폭기의 입력 임피던스를 변화하게 하는 회로 소자 및 전압 조절 수단을 구비하게 함으로써 듀얼 주파수 밴드 또는 듀얼 모드에서 동작이 가능한 저잡음 증폭기를 제공하는 데 있다.

도 1은 본 고안에 의한 저잡음 증폭기의 블록도.

도 2는 본 고안에 의한 저잡음 증폭기의 구성을 나타내는 회로도.

도 3은 본 고안에 의한 저잡음 증폭기의 입력 임피던스 매칭을 나타내는 어드미턴스 스미스(Smith) 도표.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

10: 입력 임피던스 매칭부 11: 인덕터

12: 가변 용량 다이오드 13: 커패시터

20: 전압 조절 수단 30: 증폭부

40: 출력 임피던스 매칭부 41: 전계 효과 트랜지스터

42: 소오스단 저항

상기 목적을 해결하기 위한 수단으로, 본 고안에 의한 저잡음 증폭기는 입력 신호를 임피던스 매칭하는 입력 임피던스 매칭부, 상기 입력 임피던스 매칭부의 커패시턴스를 조절하기 위한 전압을 인가하는 전압 조절 수단, 입력 임피던스 매칭된 신호를 증폭하는 증폭부, 및 증폭된 신호를 임피던스 매칭하여 출력하고 광대역에서 정재파비를 일정하게 하는 출력 임피던스 매칭부를 포함한다.

상기 입력 임피던스 매칭부는 저잡음 증폭기가 듀얼 주파수 밴드에서 동작하도록 상기 전압 조절 수단에 의해 인가되는 역바이어스 조절 전압에 따라 커패시턴스가 변화되는 가변 용량 다이오드를 포함한다.

상기 입력 임피던스 매칭부는 인덕턴스를 제공하고 입력 신호를 증폭부 입력단으로 전달하는 인덕터, 상기 증폭부 입력단 쪽으로 음극이 연결되고 접지 쪽으로 양극이 연결되어 역바이어스 조절 전압에 의해 입력 임피던스 매칭부의 커패시턴스를 변화시키는 가변 용량 다이오드, 및 상기 가변 용량 다이오드에 병렬로 연결되어 상기 가변 용량 다이오드와의 커패시턴스의 합이 일정 이상값을 갖도록 하는 커패시터를 포함할 수 있다.

상기 출력 임피던스 매칭부는 공통 드레인 FET 증폭기로 구성되고, 상기 공통 드레인 FET 증폭기의 소신호 출력 저항과 소오스단 저항에 의해 결정되는 상기 출력 임피던스 매칭부의 출력 임피던스는 50Ω 인 것이 바람직하다.

이하, 본 고안에 의한 저잡음 증폭기의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 고안에 의한 저잡음 증폭기의 블록도이고, 도 2는 본 고안에 의한 저잡음 증폭기의 구성을 나타내는 회로도이고, 도 3은 본 고안에 의한 저잡음 증폭기의 입력 임피던스 매칭을 나타내는 어드미턴스 스미스 도표이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 고안에 의한 저잡음 증폭기는 입력 신호를 임피던스 매칭하는 입력 임피던스 매칭부(10), 상기 입력 임피던스 매칭부(10)의 커패시턴스를 조절하기 위한 전압을 인가하는 전압 조절 수단(20), 입력 임피던스 매칭된 신호를 증폭하는 증폭부(30), 및 증폭된 신호를 임피던스 매칭하여 출력하고 광대역에서 정재파비를 일정하게 하는 출력 임피던스 매칭부(40)로 구성되어 있다.

상기 입력 임피던스 매칭부(10)는 저잡음 증폭기가 듀얼 주파수 밴드에서 동작하도록 상기 전압 조절 수단(20)에 의해 인가되는 역바이어스 조절 전압에 따라 커패시턴스가 변화되는 가변 용량 다이오드(12)를 포함한다.

이때 입력 임피던스 매칭부(10)의 인덕턴스와 커패시턴스는 저잡음 증폭기의 잡음 지수(NF; Noise Figure) 특성과 입력 정재파비(VSWR)에도 영향을 미친다.

상기 입력 임피던스 매칭부(10)는 신호를 증폭부(30)에 전달하는 인덕터(11), 상기 인덕터(11)를 거친 신호가 상기 증폭부(30) 입력단으로 들어가는 지점에서 접지(ground)로 분류(shunt)되고 저잡음 증폭기가 듀얼 주파수 밴드에서 동작하도록 상기 전압 조절 수단(20)에 의해 인가되는 역바이어스 조절 전압에 따라 커패시턴스가 변화되는 가변 용량 다이오드(12), 및 상기 가변 용량 다이오드(12)와 병렬로 연결된 커패시터(13)로 구성된다.

상기 가변 용량 다이오드(12)의 극성은 음극이 증폭부(30)의 입력단 쪽으로 양극이 접지 쪽으로 연결되어 조절 전압 V_t에 의해 역바이어스 되도록 한다.

상기와 같이 구성된 본 고안에 따른 저잡음 증폭기의 동작은 다음과 같다.

입력 신호는 증폭부(30)의 입력단으로 연결된 인덕터(11)의 인덕턴스와, 인덕터(11)를 거쳐 증폭부(30)의 입력단으로 들어가는 지점에서 분류되고 서로 병렬로 연결된 가변 용량 다이오드(12) 및 커패시터(13)의 커패시턴스에 의해 임피던스 매칭된다.

상기 가변 용량 다이오드(12)의 커패시턴스는 상기 전압 조절 수단(20)에 의해 인가되는 역바이어스 조절 전압 V_t에 의해 변화한다.

상기 인덕터(11)의 인덕턴스와 상기 커패시터(13)의 커패시턴스는 가변 용량 다이오드에 인가된 역바이어스 조절 전압이 V_t1일 때 주파수 대역 f_t1에서 입력 임피던스 매칭된 값이다.

도 3은 역바이어스 조절 전압이 V_t1일 때 주파수 대역 f_t1이 Γ=0 인 지점에 모여있는 것을 보여주고, 또다른 주파수 대역 f_t2는 Γ=0 인 지점에서 조금 떨어진 상태를 보여준다.

Γ=0 이라는 것은 임피던스 매칭되어 신호의 반사가 없다는 것을 의미한다.

주파수 대역 f_t1과 f_t2를정규화된 컨덕턴스가 일정한 원 상에서 Γ=0 인 지점으로 움직여서 입력 임피던스 매칭을 시킬려면 역바이어스 조절 전압 V_t를 조절하여 가변 용량 다이오드(12)의 커패시턴스 값을 변경시키면 된다.

즉, 상기 가변 용량 다이오드(12)는 주파수 동조기로 사용되는 것이다.

상기 방법으로 주파수 대역 f_t2에 대해서도 역바이어스 조절 전압 V_t2를 인가하여 임피던스 매칭을 실현할 수 있다.

따라서 듀얼 주파수 밴드 f_t1및 f_t2에서 입력 임피던스 매칭이 된다.

즉, 저잡음 증폭기는 주파수 밴드 f_t1에서 동작하는 제 1 모드, 주파수 밴드 f_t2에서 동작하는 제 2 모드로 구성된 듀얼 주파수 밴드 또는 듀얼 모드에서 동작한다.

여기서 언급하는 도 3의 스미스 도표는 입력측의 임피던스 매칭을 보여주는 도표이다.

증폭부(30)는 입력 임피던스 매칭된 신호를 증폭한다.

그러나, 주파수 밴드 f_t1, 및 f_t2에 따라 출력 임피던스를 매칭하기는 곤란하다.

그 이유는 산란 파라미터(Scattering Parameter) S 와 Γ_L(부하의 반사 계수)가 Γ_in(입력의 반사 계수) 에 영향을 미치기 때문이다.

이에 관한 공식은 하기의 수학식 1과 같다.

상기한 수학식 1에서 Γ_L이 “ 0 ”에 근접해 있으면 S_12,S₂₁만이 Γ_in에 영향을 미치게 된다.

상기 이유 때문에 출력 임피던스 매칭부(40)로서 공통 드레인(Common Drain) 전계 효과 트랜지스터(FET)(Q)(41) 증폭기가 사용된다.

소신호 해석을 하면 전압 이득은 Av = 1 이고, 출력 임피던스 매칭부(40)의 출력 임피던스는 공통 드레인 FET(Q)(41) 증폭기의 출력 임피던스와 소오스단 저항(Rs)(42)이 병렬로 연결되는 데에 따라 공통 드레인 FET(Q)(41) 증폭기의 출력 임피던스가 소오스단 저항(Rs)(42)에 비해 현저히 크므로 소오스단 저항(Rs)(42)에 의해 지배적으로 정해진다.

따라서 소오스단 저항(Rs)(42)을 50Ω으로 하면 일반적으로 사용되는 50Ω 전송선로와 쉽게 출력 임피던스 매칭이 된다.

종래의 기술에 따른 저잡음 증폭기가 하나의 일정 주파수 대역에서만 동작하는 것과 달리 본 고안에 의한 저잡음 증폭기는 듀얼 주파수 대역 f_t1및 f_t2에서 동작하도록 되어 있어서, 듀얼 주파수 대역에서의 동작이 요구되는 통신 시스템에 사용되면 그 회로 구성이 간단해지는 효과가 있다.

또한, 회로 구성 소자들이 분리(Discrete)되기 보다는 MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuit) 화하기 쉬운 성질을 갖는 것들이기 때문에 IC 화하여 제조되면 수율 증가로 인한 생산성의 향상 및 동작 오차가 적은 소자들이 함께 제조되는 데 따른 동작의 정확성 향상 등의 효과를 가져온다.

Claims (3)

1. 입력 신호를 임피던스 매칭하는 입력 임피던스 매칭부, 상기 입력 임피던스 매칭부의 커패시턴스를 조절하기 위한 전압을 인가하는 전압 조절 수단, 입력 임피던스 매칭된 신호를 증폭하는 증폭부, 및 증폭된 신호를 임피던스 매칭하여 출력하고 광대역에서 정재파비를 일정하게 하는 출력 임피던스 매칭부를 포함하되, 상기 입력 임피던스 매칭부는 저잡음 증폭기가 듀얼 주파수 밴드에서 동작하도록 상기 전압 조절 수단에 의해 인가되는 역바이어스 조절 전압에 따라 커패시턴스가 변화되는 가변 용량 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 저잡음 증폭기.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 입력 임피던스 매칭부는 인덕턴스를 제공하고 입력 신호를 증폭부 입력단으로 전달하는 인덕터, 상기 증폭부 입력단 쪽으로 음극이 연결되고 접지 쪽으로 양극이 연결되어 역바이어스 조절 전압에 의해 입력 임피던스 매칭부의 커패시턴스를 변화시키는 가변 용량 다이오드, 및 상기 가변 용량 다이오드에 병렬로 연결되어 상기 가변 용량 다이오드와의 커패시턴스의 합이 일정 이상값을 갖도록 하는 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 저잡음 증폭기.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 출력 임피던스 매칭부는 공통 드레인 FET 증폭기로 구성되고, 상기 공통 드레인 FET 증폭기의 소신호 출력 저항과 소오스단 저항에 의해 결정되는 상기 출력 임피던스 매칭부의 출력 임피던스는 50Ω 인 것을 특징으로 하는 저잡음 증폭기.