KR19990053981A - 저잡음 증폭기의 이득 제어 회로 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 저잡음 증폭기의 이득 제어 회로에 관한 것이다.
이득 제어회로는 휴대 전화기와 같은 셀룰러 방식의 무선 통신 시스템에서 기지국과 가입자 간의 거리 및 전파 환경에 따라 입력되는 신호의 세기 변화에 따른 선형성을 개선시키기 위한 회로이다. 종래의 이득 제어 회로는 높은 신호가 입력될 때 단순히 이득 제어 전압에 의해 신호를 감쇄시켜 이득이 낮아지도록 동작시키는 구조이다. 그러나 이러한 이득 제어 회로는 신호 감쇄에 의한 이득 조절은 가능하지만 고조파 성분의 보상 효과가 없기 때문에 저잡음 증폭기의 선형성을 개선시킬 수 없는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에서는 입력되는 신호의 세기에 따라 입력 신호가 낮은 경우에는 이득을 높이고, 입력 신호가 높아지면 저잡음 증폭기의 이득을 낮추어 선형성을 개선시킬 수 있는 저잡음 증폭기의 이득 제어 회로가 제시된다.

Description

저잡음 증폭기의 이득 제어 회로
본 발명은 저잡음 증폭기의 이득 제어 회로에 대한 것으로, 특히 입력 신호의 변화에도 선형성을 유지할 수 있는 저잡음 증폭기의 이득 제어 회로에 관한 것이다.
휴대 전화기와 같은 셀룰러 방식의 무선 통신 시스템에서 기지국과 가입자 간의 거리 및 전파 환경에 따라 신호의 세기가 변하게 되며, 이에 따라 이득 제어 회로가 필요하다. 즉, 가입자 단말기에 입력되는 신호의 세기가 커지게 되면 저잡음 증폭기, 믹서, 중간 주파수 증폭기로 구성되는 수신 회로가 포화되어 선형성이 갑격히 나빠지게 되며, 이러한 선형성의 저하를 방지하기 위해서 이득을 낮출 수 있는 회로가 필요하다. 또한 신호의 세기가 높아질수록 회로의 선형성은 급격히 나빠지게 되므로 높은 신호가 입력될 때 선형성을 개선시킬 수 있는 이득 제어 회로는 필수적이다.
종래의 이득 제어 회로는 높은 신호가 입력될 때 단순히 이득 제어 전압에 의해 신호를 감쇄시켜 이득이 낮아지도록 동작시키는 구조로 되어 있다. 이러한 이득 제어 회로는 신호 감쇄에 의한 이득 조절은 가능하지만 고조파 성분의 보상 효과가 없기 때문에 저잡음 증폭기의 선형성을 개선시킬 수 없는 문제점이 있다.
도 1은 종래의 이득 제어 기능을 갖는 저잡음 증폭기의 구조도이다.
일반적인 저잡음 증폭기에서 입력단은 잡음 정합을 위하여 임피던스 정합을 하게 되며, 이를 위해 입력단에는 잡음 정합 회로(11)를 갖고 중간 및 출력단에 임피던스 정합 회로(12, 13)를 갖는다. 이득 제어 회로(14)는 입력단 및 출력단의 잡음 정합 및 임피던스 정합 특성에 영향을 작게 주기 위해 중간단에 삽입되며, 높은 신호가 입력될 때에는 단순히 이득제어 전압에 의해 신호가 감쇄되어 이득이 낮아지도록 동작한다. 이 경우 신호 감쇄에 의한 이득 조절이 가능하지만 고조파 성분의 보상 효과가 없기 때문에 저잡음 증폭기의 선형성은 개선되지 않는다.
일반적으로 증폭기의 선형성은 입력 신호가 높아져 회로가 포화되기 시작할수록 급격하게 나빠지는 특성을 나타낸다. 신호의 세기가 같고 주파수만 약간 다른 2개의 신호를 인가할 때 저잡음 증폭기의 비선형 특성으로 인하여 고조파(Harmonics) 성분 및 상호 변조파(Intermodulation) 성분이 발생된다.
도 2(a) 및 2(b)는 신호의 비선형성으로 인한 고조파 스펙트럼 및 상호변조 성분의 입출력 전력 특성을 나타낸 그래프로서, 2w1, 2w2, 3w1, 3w2등의 고조파 성분, w2-w1, 2w1-w2, 2w2-w1, w1+w2, 2w1+w2, 2w2+w1등의 상호 변조파 성분을 나타낸다. 이때, 기본파 전력과 3차 상호 변조파인 2w1-w2또는 2w2-w1의 전력 차이를 IMD3로 정의하고 기본파의 전력과 3차 상호 변조파의 전력을 외삽법(extrapolation)하여 만나는 전력값을 IP3로 정의하며 선형성의 척도로 사용한다.
선형성에 있어서 3차 상호 변조파 성분은 매우 중요한데, 그 이유는 3차 상호 변조파는 기본파에 아주 인접해 있어서 선택성이 우수한 필터를 사용하더라도 제거하기가 어려원 기본파에 간섭을 일으키기 때문이다.
저잡음 증폭기가 완전히 포화영역으로 가지 않고 왜곡의 정도가 약한 상태일 때, 볼테라 급수(Volterra Series)를 이용하여 다음의 [수학식 1]과 같이 선형성을 예측할 수 있다.
여기에서, wd=w1-w2이다. [수학식 1]에서 저잡음 증폭기의 IMD3특성은 고조파 성분의 크기와 밀접한 관계가 있음을 알 수 있으며, 선형성을 좋게 하기 위해서는 고조파 성분에 대한 보상 회로가 필요하다.
따라서, 본 발명은 입력 신호의 세기에 따라 입력 신호가 낮을 경우에는 이득을 높이고, 입력 신호가 높아지면 저잡음 증폭기의 이득을 낮추어 선형성을 개선시킬 수 있는 저잡음 증폭기의 이득 제어 회로를 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 저잡음 증폭기의 이득 제어 회로는 입력단 잡음 정합 회로, 중간 임피던스 정합 회로, 이득 제어 회로 및 출력단 임피던스 정합 회로로 구성된 2단 저잡음 증폭기에 있어서, 상기 이득 제어 회로는 2단 저잡음 증폭기의 둘째 단의 트랜지스터에 연결되어 첫째 단과 둘째 단을 통해 증폭된 신호를 검출하고 스위치 회로를 통해 신호를 궤환시키는 궤환 회로부와, 입력 신호의 고주파 성분을 보상하기 위한 감쇄 회로부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
도 1은 종래의 이득 제어 기능을 갖는 저잡음 증폭기의 구조도.
도 2(a) 및 2(b)는 신호의 비선형성으로 인한 고조파 스펙트럼 및 상호변조 성분의 입출력 전력 특성을 나타낸 그래프.
도 3은 본 발명에 따른 이득 제어 회로를 갖는 저잡음 증폭기의 구조도.
도 4는 입력 전력 변화에 따른 3차 상호 변조파의 변화를 나타내는 그래프.
도 5는 제어 전압 변화에 대한 이득의 변화 및 3차 상호 변조 특성을 나타낸 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>
30 : 이득 제어 회로 31 : 입력단 잡음 정합 회로
32 : 중간 임피던스 정합 회로 33 : 출력단 임피던스 정합 회로
301 : 궤환 회로부 302 : 감쇄 회로부
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명에 따른 이득 제어 회로를 갖는 저잡음 증폭기의 구조도로서, 2단 증폭부, 궤환 회로부(301) 및 감쇄 회로부(302)로 이루어진 이득 제어기(30)로 구성되다.
2단 증폭부는 입력단 잡음 정합 회로(31), 중간 임피던스 정합 회로(32) 및 출력단 임피던스 정합 회로(33)로 구성된다. 궤환 회로부(301)는 공통 드레인 회로와 스위치로 구성되는데, 공통 드레인 회로는 C4, FET T3, R6 및 R7로 구성되며, 둘째 단 FET T2의 드레인에 연결되어 첫째 단과 둘째 단을 통해 증폭된 신호를 검출하여 스위치 회로를 통해 궤환시키는 역할을 한다. 스위치 회로는 FET T4, T5와 C2, C3, R1, R2, R3, R4, R5로 구성된다. 감쇄 회로부(302)는 FET T1과 C1, R8, R9로 구성되며, 고주파 성분을 보상해 주는 부분이다.
일반적으로 증폭기의 선형성은 신호의 세기가 낮을 때에는 선형성이 우수한 반면, 신호의 세기가 높아질수록 선형성이 급격히 나빠지게 된다. 이러한 특성을 도 4에 나타내었다. 도 4는 입력 전력 변화에 따른 3차 상호 변조파의 변화를 나타내는 그래프이다. 입력 전력이 낮을 때에는 3차 상호 변조파의 값이 낮아 선형성이 좋은 특성을 보이는 반면, 입력 전력이 증가하면 기본 주파수의 출력 전력이 1차로 비례하여 높아진다. 하편, 3차 상호 변조파는 3차로 비례하여 급격히 증가하여 선형성이 나빠짐을 알 수 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명에서는 낮은 신호세기에서는 제어 전압을 낮추어 궤환 회로부(도 3의 301)와 감쇄 회로부(도 3의 302)를 동작시키지 않으므로써 증폭기의 이득을 높였으며, 신호 세기가 높아지면 제어 전압이 높아져 궤환 회로부(도 3의 301)와 감쇄 회로부(도 3의 302)가 동작하여 회로의 선형성이 개선되도록 하였다.
도 5는 제어 전압 변화에 대한 이득의 변화 및 3차 상호 변조 특성을 나타낸 그래프로서, 입력 전력이 -40dBm, 주파수가 1.8GHz일 때 제어 전압의 변화에 대하여 이득 특성의 변화와 선형성을 나타내는 척도인 3차 상호 변조파의 개선된 특성을 나타낸다. 제어 전압이 0V에서 3.0V로 높아질 때 이득은 13dB에서 1dB로 낮아져, 다음 단에 연결되는 수신단 믹서가 포화되지 않도록 하는 역할을 한다. 3차 상호 변조파 특성은 종래의 회로와 비교할 때 제어 전압이 3V 높아지면 약 16dB이 개선되는 특성을 나타낸다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면 신호의 세기에 따라 입력 신호가 낮을 때에는 이득을 높이고, 입력 신호가 높아지면 저잡음 증폭기의 이득을 낮추므로써, 제어 전압이 0V에서 3.0V로 높아질 때 이득은 13dB에서 1dB로 낮아져, 12dB 범위의 조절이 가능하고 다음 단에 연결되는 수신단 믹서가 포화되는 것을 방지할 수 있다. 또한 선형성을 나타내는 3차 상호 변조파 특성이 종래의 저잡음 증폭기와 비교할 때 약 16dB 개선되는 효과가 있다.

Claims (2)

  1. 입력단 잡음 정합 회로, 중간 임피던스 정합 회로, 이득 제어 회로 및 출력단 임피던스 정합 회로로 구성된 2단 저잡음 증폭기에 있어서, 상기 이득 제어 회로는 2단 저잡음 증폭기의 둘째 단의 트랜지스터에 연결되어 첫째 단과 둘째 단을 통해 증폭된 신호를 검출하고 스위치 회로를 통해 신호를 궤환시키는 궤환 회로부와,
    입력 신호의 고주파 성분을 보상하기 위한 감쇄 회로부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 저잡음 증폭기의 이득 제어 회로.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 궤환 회로부는 공통 드레인 회로와 스위치 회로를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 저잡음 증폭기의 이득 제어 회로.
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