KR19990079946A

KR19990079946A - 고주파용 차동 신호 출력 버퍼

Info

Publication number: KR19990079946A
Application number: KR1019980012861A
Authority: KR
Inventors: 고진수
Original assignee: 윤종용; 삼성전자 주식회사
Priority date: 1998-04-10
Filing date: 1998-04-10
Publication date: 1999-11-05

Abstract

고주파용 차동 신호 출력 버퍼가 개시된다. 국부 발진신호를 입력하여 고주파용 믹서를 스위칭하는 스위칭 신호를 출력하는 국부 발진기의 버퍼에 이용되는 본 발명에 의한 고주파용 차동 신호 출력 버퍼에 있어서, 입력되는 국부 발진 신호와 입력 임피던스 정합을 이루도록 하고, 국부 발진 신호와 동일한 위상을 갖으며, 고주파용 믹서를 스위칭하는 제1 스위칭 신호를 출력하는 제1 스위칭 신호 발생 수단, 국부 발진신호를 입력하고, 국부 발진신호 및 제1 스위칭 신호와 역위상을 갖으며, 고주파용 믹서를 스위칭하는 제2 스위칭 신호를 출력하는 제2 스위칭 신호 발생 수단 및 제1 스위칭 신호 발생 수단 및 제2 스위칭 신호 발생 수단으로 직류 바이어스 전류를 공급하는 바이어스 전류 발생 수단을 구비하는 것을 특징으로 하고, 길버트 마이크로 믹서의 고주파 입력단을 이용하여 별도의 임피던스 정합용 저항을 사용하지 않고도 50Ω의 입력 정합을 이루므로 입력단에서 전류 소모를 줄이면서 우수한 선형 특성을 얻을 수 있으며, 바이패스 커패시터를 통해 180°에 근접한 위상차를 갖는 스위칭 신호들을 얻을 수 있는 효과가 있다.

Description

고주파용 차동 신호 출력 버퍼

본 발명은 휴대용 통신 장치등에서 사용되는 고주파 믹서에 관한 것으로, 특히, 고주파용 믹서(MIXER)를 스위칭하는 국부 발진기의 버퍼로 이용되는 고주파용 차동 신호 출력 버퍼에 관한 것이다.

일반적으로, 국부 발진기의 버퍼로 이용되는 고주파용 차동 신호 출력 버퍼는 국부 발진기로부터 발생되는 -10 ~ 0 dBm의 고주파 신호를 입력하여 서로 180°의 위상차를 갖는 제1 및 제2 차동 신호를 발생하여 고주파용 믹서를 스위칭하는 역할을 한다.

이하, 종래의 고주파용 차동 신호 출력 버퍼를 첨부한 도면을 참조하여 다음과 같이 설명한다.

도 1은 종래의 고주파용 차동 신호 출력 버퍼를 설명하기 위한 회로도로서, 직류 전류원(I), 제1 모스 트랜지스터(MN1) 및 제2 모스 트랜지스터(MN2)으로 구성된 전류원부(110), 제3 모스 트랜지스터(MN3), 제4 모스 트랜지스터(MN4), 교류 접지 커패시터(Cd), 제1 저항(R1) 및 제2 저항(R2)로 구성된 차동 신호 발생부(120) 및 임피던스 정합 저항(Rz)으로 구성된다.

도 1에 도시된 장치는 국부 발진기(미도시)에서 발생되는 고주파수를 갖는 발진 신호(Vi)를 입력단자 IN으로 입력한다. 임피던스 정합 저항(Rz)은 고주파용 차동 신호 출력 버퍼의 입력 임피던스를 50Ω으로 정합하기 위한 저항으로서, 75Ω정도의 저항을 사용한다. 직류 전류원(I)으로부터 발생된 전류는 제1 모스 트랜지스터(MN1)와 제2 모스 트랜지스터(MN2)에 의해 전류 미러되어 차동 신호 발생부(120)로 전류를 공급하게 된다.

차동 신호 발생부(120)의 제3 모스 트랜지스터(MN3)의 게이트는 입력단자 IN으로 입력되는 발진 신호(Vi)와 연결되어, 발진 신호(Vi)와 역위상을 갖는 제1 차동 신호를 출력단자 OUT1으로 출력한다. 또한, 게이트가 교류 접지 커패시터(Cd)를 통해 기준 전위와 연결된 제4 모스 트랜지스터(MN4)는 발진 신호(Vi)와 동위상을 갖는 제2 차동 신호를 출력단자 OUT2로 출력한다. 상기한 바와 같이, 제1 차동 신호 및 제2 차동 신호는 고주파용 믹서를 스위칭하기 위한 신호들이다.

한편, 종래의 고주파용 차동 신호 출력 버퍼는 입력 임피던스 정합을 위해 발진 신호(Vi) 입력단에 임피던스 정합 저항(Rz)을 병렬로 연결하게 되는데, 이로 인해 이득 손실이 많아 전류 소모가 커지는 문제점이 발생한다. 또한, 차동 신호 출력부(120)에서 출력되는 제1 및 제2 차동 신호가 180°의 위상차를 갖도록 하기 위해, 전류원부(110)는 임피던스가 무한대에 가까운 고임피던스가 되어야한다. 그러나, 고주파수 영역에서는 전류원부(110)가 고임피던스로 되지 않아 180°의 위상차를 갖는 차동 신호를 발생하기가 어려운 문제점이 발생한다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 고주파 입력신호와 임피던스 정합을 하면서 전류 소모가 적고, 180°에 가까운 위상차를 갖는 차동 신호를 발생하여 미싱 코아를 스위칭하는 국부 발진기의 버퍼에 이용되는 고주파용 차동 신호 출력 버퍼를 제공하는 데 있다.

도 1은 종래의 고주파용 차동 신호 출력 버퍼를 설명하기 위한 회로도이다.

도 2는 본 발명에 의한 고주파용 차동 신호 출력 버퍼를 설명하기 위한 회로도이다.

도 3a 내지 도 3b는 표 1에 유도된 위상식에 따라 위상 특성을 도시한 그래프이다.

상기 과제를 이루기 위해, 국부 발진신호를 입력하여 고주파용 믹서를 스위칭하는 스위칭 신호를 출력하는 국부 발진기의 버퍼에 이용되는 본 발명에 의한 고주파용 차동 신호 출력 버퍼에 있어서, 입력되는 국부 발진 신호와 입력 임피던스 정합을 이루도록 하고, 국부 발진 신호와 동일한 위상을 갖으며, 고주파용 믹서를 스위칭하는 제1 스위칭 신호를 출력하는 제1 스위칭 신호 발생 수단, 국부 발진신호를 입력하고, 국부 발진신호 및 제1 스위칭 신호와 역위상을 갖으며, 고주파용 믹서를 스위칭하는 제2 스위칭 신호를 출력하는 제2 스위칭 신호 발생 수단 및 제1 스위칭 신호 발생 수단 및 제2 스위칭 신호 발생 수단으로 직류 바이어스 전류를 공급하는 바이어스 전류 발생 수단으로 구성되는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명에 의한 고주파용 차동 신호 출력 버퍼를 첨부한 도면들을 참조하여 다음과 같이 설명한다.

도 2는 국부 발진기의 버퍼로 이용되는 본 발명에 의한 고주파용 차동 신호 출력 버퍼를 설명하기 위한 회로도이다. 본 발명에 의한 고주파용 차동 신호 출력 버퍼는 제1저항(R1), 제2 저항(R2), 제1 모스 트랜지스터(MN1), 제4 저항(R4), 교류 접지 커패시터(Cd) 및 제3 모스 트랜지스터(MN3)로 구성된 제1 스위칭 신호 발생부(300)와 제3 저항(R3) 및 제2 모스 트랜지스터(MN2)로 구성된 제2 스위칭 신호 발생부(310) 및 직류 전류원(I), 제4 모스 트랜지스터(MN4), 제5 모스 트랜지스터(MN5), 제5 저항(R5) 및 제6 저항(R6)으로 구성된 바이어스 전류 발생부(330)를 포함하다.

본 발명은 길버트(Gilbert) 마이크로 믹서(이에 관한 내용은 1997년 9월에 발간된 IEEE 논문 제32권 9호에서, "The MICROMIXER: A Highiy Linear Variant of the Gilbert Mixer Using a Bisymmetric Class-AB Input Stage"라는 제목의 논문을 참조한다.)에서, 고주파(RF:Radio Frequency) 입력단을 국부 발진기의 버퍼로 응용한 것이다.

즉, 고주파(RF) 입력에 대해 50Ω으로 임피던스 매칭이 된 고주파수 입력단을 이용하므로, 종래에 50Ω 입력 임피던스 매칭을 위해 입력단에 75Ω 정도의 병렬 저항을 사용하지 않게 된다. 따라서, 병렬 저항으로 인한 전류 소모를 줄일 수 있고, 선형 특성도 좋아져 고조파(harmonics) 발생을 줄일 수 있다.

도 2에 도시된 장치의 구성을 설명하면, 제1 스위칭 신호 발생부(300)는 교류 접지 커패시터(Cd)를 통해 제3 모스 트랜지스터(MN3)의 게이트가 기준 전위(Vss)와 연결되는 게이트 공통 회로를 구성하며, 입력단자 IN으로 입력되는 고주파(RF)와 50Ω으로 임피던스 매칭을 이룬다. 제1 스위칭 신호 발생부(300)는 고주파용 마이크로 믹서에서 고주파용 믹서(미도시)를 스위칭하기 위한 제1 스위칭 신호를 출력단자 OUT1으로 출력한다.

또한, 제2 스위칭 신호 발생부(310)는 제3 저항(R3)을 통해 제2 모스 트랜지스터(MN2)의 소오스가 기준 전위(Vss)와 연결되는 소오스 공통 회로를 구성한다. 제2 스위칭 신호 발생부(310)는 고주파용 마이크로 믹서에서 고주파용 믹서(미도시)를 스위칭하기 위한 제2 스위칭 신호를 출력단자 OUT2로 출력한다. 바이어스 전류 발생부(330)는 제1 스위칭 신호 발생부(300)와 제2 스위칭 신호 발생부(310)에 직류 바이어스 전류를 공급한다.

이제, 도 2를 참조하여 본 발명에 의한 고주파용 차동 신호 출력 버퍼의 동작을 설명한다.

입력단자 IN으로 국부 발진기(미도시)로부터 출력되는 -10dBm ~ 0dBm 정도의 높은 레벨과 고주파수를 갖는 국부 발진 신호가 입력된다. 이때, 제1 스위칭 신호 발생부(300)는 고주파수를 갖는 국부 발진 신호가 효과적으로 입력되도록, 입력단자 IN과 50Ω으로 입력 임피던스 정합이 이루어지도록 한다. 입력단자 IN으로 입력되는 국부 발진신호는 제4 저항(R4)을 통해 제3 모스 트랜지스터(MN3)의 소오스로 입력되며, 제3 모스 트랜지스(MN3)의 드레인과 연결된 출력단자 OUT1로 국부 발진신호와 동위상을 갖는 제1 스위칭 신호를 출력한다.

입력단자 IN으로 입력되는 국부 발진신호는 제2 모스 트랜지스터(MN2)의 게이트로 입력되며, 제2 모스 트랜지스터(MN2)의 드레인과 연결된 출력단자 OUT2로 국부 발진신호 및 제1 스위칭 신호와 역위상을 갖는 제2 스위칭 신호를 출력한다.

이때, 도 2에 도시된 고주파용 차동 신호 출력 버퍼가 고주파용 믹서를 정확하게 스위칭하기 위해, 출력단자 OUT1 및 OUT2로 출력되는 제1 및 제2 스위칭 신호의 위상차는 180°이어야 한다. 두 스위칭 신호의 위상차가 180°를 벗어날수록 고주파용 믹서를 정확히 스위칭하지 못하며, 이로인해 믹서의 출력 이득과 선형 특성이 저하되게 된다. 따라서, 이득 및 선형 특성이 우수한 믹서를 얻기 위해 제1 및 제2 스위칭 신호간에 180°의 위상차를 얻는 것이 매우 중요하다.

상기한 바와 같이, 제1 스위칭 신호를 출력하는 제1 스위칭 신호 발생부(300)는 교류 접지 커패시터(Cd)를 통해 제3 모스 트랜지스터(MN3)의 게이트가 기준 전위(Vss)로 연결된 게이트 공통 회로이고, 제2 스위칭 신호를 출력하는 제2 스위칭 신호 발생부(310)는 제2 모스 트랜지스터(MN2)의 소오스가 제3 저항(R3)을 통해 기준 전위(Vss)로 연결된 소오스 공통 회로이다.

일반적으로 소오스 공통회로에 직렬궤환 저항을 연결하면, 출력 신호의 이득이 줄어들고, 게이트 공통회로에서 출력되는 신호와의 위상차는 180°보다 작아지게 된다. 즉, 도 2에 도시된 장치에서 소오스 공통 회로를 구성하는 제2 스위칭 신호 발생부(310)에서 제3 저항(R3)은 직렬궤환 저항으로 사용되었으며, 이로인해 제2 스위칭 신호의 이득은 줄게된다. 또한, 이때 출력되는 제2 스위칭 신호와 게이트 공통 회로를 구성하는 제1 스위칭 신호 발생부(300)에서 출력되는 제1 출력 신호와의 위상차는 180°보다 작아지게 된다. 즉, 도 2에서 게이트 공통부(320)와 소오스 공통부(310)의 위상차가 항상 180°보다 작게 된다.

이를 보완하기 위해, 도 3a, 도 3b에 도시된 제2 출력 신호 발생부(310)의 직렬궤환 저항인 제3 저항(R3)에 바이패스 커패시터(Cs)를 연결하여 단락시키면, 제2 스위칭 신호 발생부(310)에서 출력되는 제2 스위칭 신호는 제1 스위칭 신호 발생부(300)에서 출력되는 제1 스위칭 신호와 180°에 가까운 위상차를 얻을 수 있다.

다음 표 1에는 바이패스 커패시터를 갖는 소오스 공통회로(CS)의 출력 신호인 제1 신호, 바이패스가 없는 소오스 공통회로(CS_RS)의 출력 신호인 제2 신호 및 게이트 공통회로(CG)의 출력 신호인 제3 신호의 전압이득과 위상을 각각 나타내었다.

여기서, g_m은 전달 컨덕턴스이고, R_L은 출력단의 부하의 임피던스이고, R_i는 입력 임피던스이고, R_s는 소오스 공통회로의 궤환 저항이며, C_i는 입력단의 커패시턴스를 각각 나타낸다. 이때, C_i는 다음 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, f_t는 차단 주파수를 나타낸다.

도 3a 내지 도 3b는 표 1에 유도된 위상식에 따라 위상 특성을 도시한 그래프로서, 도 3a는 주파수에 따른 제1, 제2 및 제3 신호의 위상(40, 42 및 44)을 각각 도시하였고, 도 3b는 주파수에 따른 제1 신호와 제3 신호의 위상차(46)와 제2 신호와 제3 신호의 위상차(48)를 각각 도시하였다. 이때, 도 3a 내지 도 3b에 각각 도시된 그래프는 g_m을 10mS로, R_i는 50Ω으로, R_s는 100Ω으로 각각 입력하였을 때의 결과이다.

도 3a 내지 도 3b를 참조하면, 게이트 공통 회로(CG)의 출력 신호와 180°에 근접한 위상차를 얻기 위해, 소오스 공통 회로의 궤환 저항에 바이패스 커패시터를 병렬 연결하여야 함을 알 수 있다.

결국, 도 2에 도시된 장치에서 제1 스위칭 신호와 제2 스위칭 신호의 위상차를 180°에 근접하도록 하기 위해, 소오스 공통 회로 구성을 갖는 제2 출력 신호 발생부(310)의 제3 저항(R3)에 바이패스 커패시터(Cs)를 병렬 연결하여야 함을 알 수 있다.

실제로, 도 2의 제2 스위칭 신호 발생부(310)에 바이패스 커패시터(Cs)를 연결한 경우와 바이패스 커패시터(Cs)를 연결하지 않은 경우를 비교하기 위한 시뮬레이션을 하였다. 시뮬레이션 조건은 다음과 같다.

제1 스위칭 신호 발생부(300)와 제2 스위칭 신호 발생부(310)를 구성하는 모스 트랜지스터들은 바이어스 전류 공급부(330)를 구성하는 모스 트랜지스터들보다 게이트의 크기가 4배큰 모스 트랜지스터들을 사용하였다. 저항의 크기는 제1 저항(R1)은 200Ω, 제2, 제3 및 제4 저항(R2, R3 및 R4)는 각각 25Ω, 제6 및 제7 저항(R6 및 R7)은 각각 100Ω으로 하였고, 교류 접지 커패시터(Cd)와 바이패스 커패시터(Cs)는 각각 10pF으로 하였고, 직류 전류원(I)은 0.275mA의 전류를 공급한다.

위와 같이 도 2에 도시된 장치의 각 소자의 값을 셋팅한 후, 출력단자 OUT1과 OUT2로 1400Ω의 부하 저항을 연결하고 3.3V의 전원 전압을 인가하여 출력단자 OUT1과 OUT2로 출력되는 제1 및 제2 스위칭 신호의 위상차를 측정하였다.

이때, 제2 스위칭 신호 발생부(310)에 바이패스 커패시터(CS)를 연결한 경우, 1.9GHz에서 제1 스위칭 신호와 제2 출력 신호간에 약 178°위상차를 얻고, 제2 스위칭 신호 발생부(310)에 바이패스 커패시터(CS)를 연결하지 않은 경우, 1.9GHz에서 제1 스위칭 신호와 제2 스위칭 신호간에 약 167°의 위상차를 얻었다.

결과적으로, 제1 스위칭 신호와 제2 스위칭 신호간에 180°에 가까운 위상차를 얻기 위해, 바이패스 커패시터(Cs)를 병렬 연결하는 것이 유리함을 알 수 있다. 참고로, 종래에 입력 임피던스 정합을 위해 신호 입력단에 100Ω의 병렬저항을 사용하였을 경우에는 1.9GHz에서 165°의 위상차를 얻을 수 있었다.

한편, 도 2에 도시된 장치는 모스 트랜지스터들을 이용한 본 발명에 의한 일실시예이며, 모스 트랜지스터를 메스 트랜지스터(MES Transister) 또는 바이폴라 트랜지스터로 대체하여도 동일한 목적을 이룰 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 고주파용 차동 신호 출력 버퍼는 길버트 마이크로 믹서의 고주파 입력단을 이용하여 별도의 임피던스 정합용 저항을 사용하지 않고도 50Ω의 입력 정합을 이루므로 입력단에서 전류 소모를 줄이면서 우수한 선형 특성을 얻을 수 있으며, 바이패스 커패시터를 통해 180°에 근접한 위상차를 갖는 스위칭 신호들을 얻을 수 있는 효과가 있다.

Claims

국부 발진신호를 입력하여 고주파용 믹서를 스위칭하는 스위칭 신호를 출력하는 국부 발진기의 버퍼에 이용되는 고주파용 차동 신호 출력 버퍼에 있어서,

입력되는 상기 국부 발진 신호와 입력 임피던스 정합을 이루도록 하고, 상기 국부 발진 신호와 동일한 위상을 갖으며, 상기 고주파용 믹서를 스위칭하는 제1 스위칭 신호를 출력하는 제1 스위칭 신호 발생 수단;

상기 국부 발진신호를 입력하고, 상기 국부 발진신호 및 상기 제1 스위칭 신호와 역위상을 갖으며, 상기 고주파용 믹서를 스위칭하는 제2 스위칭 신호를 출력하는 제2 스위칭 신호 발생 수단; 및

상기 제1 스위칭 신호 발생 수단 및 상기 제2 스위칭 신호 발생 수단으로 직류 바이어스 전류를 공급하는 바이어스 전류 발생 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 고주파용 차동 신호 출력 버퍼.
제1 항에 있어서, 상기 제1 스위칭 신호 발생 수단은

일측이 상기 국부 발진신호와 연결되는 제1 저항;

상기 국부 발진신호와 연결되는 드레인, 상기 제1 저항의 타측과 연결되는 게이트를 갖는 제1 모스 트랜지스터;

상기 제1 모스 트랜지스터의 소오스와 기준 전위 사이에 연결되는 제2 저항;

일측이 상기 제1 모스 트랜지스터의 드레인과 연결되는 제3 저항;

일측이 상기 기준 전위와 연결되는 교류 접지 커패시터;

상기 교류 접지 커패시터의 타측과 연결되고 상기 직류 바이어스 전류를 입력하는 게이트, 상기 제3 저항의 타측과 연결되는 소오스를 갖는 제2 모스 트랜지스터를 구비하고,

상기 제2 모스 트랜지스터의 드레인으로 상기 제1 스위칭 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 고주파용 차동 신호 출력 버퍼.
제2 항에 있어서, 상기 모스 트랜지스터 각각은 바이폴라 트랜지스터 또는 메스 트랜지스터로 대체할 수 있는 것을 특징으로 하는 고주파용 차동 신호 출력 버퍼.
제1 항에 있어서, 상기 제2 스위칭 신호 발생 수단은

일측이 상기 기준 전위와 연결되는 제4 저항 및

상기 국부 발진신호와 연결되는 게이트, 상기 제4 저항의 타측과 연결되는 소오스를 갖는 제3 모스트랜지스터를 구비하는 것을 특징으로 하고

상기 제3 모스 트랜지스터의 드레인으로 상기 제2 스위칭 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 고주파용 차동 신호 출력 버퍼.
제4 항에 있어서, 상기 모스 트랜지스터 각각은 바이폴라 트랜지스터 또는 메스 트랜지스터로 대체할 수 있는 것을 특징으로 하는 고주파용 차동 신호 출력 버퍼.
제4 항에 있어서, 상기 제1 스위칭 신호와 상기 제2 스위칭 신호간의 위상차를 180°에 근접하도록, 상기 제4 저항에 바이패스 커패시터를 병렬 연결하여 것을 특징으로 하는 고주파용 차동 신호 출력 버퍼.
제1 항에 있어서, 상기 바이어스 전류 발생 수단은

직류 전류를 공급하는 직류 전류원;

상기 직류 전류원과 연결되는 드레인 및 게이트를 갖는 제4모스 트랜지스터;

일측이 상기 제4 모스 트랜지스터의 드레인과 연결되는 제5 저항;

상기 제5 저항의 타측과 연결되는 드레인 및 게이트를 갖는 제5 모스 트랜지스터;

상기 제5 모스 트랜지스터의 소오스와 상기 기준 전위 사이에 연결되는 제6 저항을 구비하고,

상기 제4 모스 트랜지스터의 게이트로 상기 직류 바이어스 전류를 출력하는 것을 특징으로 하는 고주파용 차동 신호 출력 버퍼.
제7 항에 있어서, 상기 모스 트랜지스터 각각은 바이폴라 트랜지스터 또는 메스 트랜지스터로 대체 할 수 있는 것을 특징으로하는 고주파용 차동 신호 출력 버퍼.