KR20030089644A

KR20030089644A - 증폭기 및 무선 주파수 튜너

Info

Publication number: KR20030089644A
Application number: KR10-2003-0031314A
Authority: KR
Inventors: 코울레이니콜라스폴; 로리아프란코
Original assignee: 자알링크 세미컨덕터 리미티드
Priority date: 2002-05-16
Filing date: 2003-05-16
Publication date: 2003-11-22
Also published as: TW595092B; GB0211174D0; EP1369992A2; EP1369992A3; TW200308141A; JP2003338717A; US20030214356A1

Abstract

예를 들어 무선 주파수 튜너의 LNA로서 사용되는 증폭기는 AGC 코어가 제공된 차동 증폭 스테이지를 포함한다. 출력 신호들은 차동 출력들에서 부하 저항기들에 걸쳐 형성된다. 보상 스테이지들은 차동 출력들에서 신호들을 합산하고 2차 왜곡 생성물을 포함하는 공통 모드 신호들을 상쇄하도록 결과물인 합산 신호를 출력 신호들로부터 감산한다.

Description

증폭기 및 무선 주파수 튜너{AMPLIFIER AND RADIO FREQUENCY TUNER}

본 발명은 무선 주파수 튜너용 증폭기 및 이러한 증폭기를 포함한 무선 주파수 튜너에 관한 것이다. 이러한 튜너들은 예를 들어 케이블 셋톱 박스들과 같은 광대역 어플리케이션에 사용될 수 있다.

예를 들면, 육상 안테나들, 케이블 분배 시스템들 및 위성 안테나 시스템들로부터의 광대역 신호들을 수신하는 무선 주파수 튜너들은 자동 이득 제어(AGC) 기능을 포함하는 저잡음 증폭기(LNA)의 형태의 입력 스테이지를 갖는다. 종종 이러한 LNA 앞에는 필터링이 거의 또는 전혀 없기 때문에, 실제 채널 선택이 LNA의 하류에서 행해짐으로써 수신에 이용가능한 채널들의 전체 스펙트럼을 수신한다.

첨부 도면중 도 1은 AGC 기능을 포함한 일반적인 차동 LNA를 나타낸다. LNA는 베이스들이 차동 입력들 IN+ 및 IN-에 접속되어 있는 롱 테일 쌍(long tail pair)의 NPN 바이폴라 접합 트랜지스터들(1 및 2)을 포함한다. 트랜지스터들(1 및 2)의 에미터들은 정전류 소스(5)의 제1 단자에 에미터 디제너레이션 저항기들(degeneration resistors)(3 및 4)을 통해 접속되고, 제2 단자는 그라운드 gnd에 접속된다. 트랜지스터들(1 및 2)의 콜렉터들은 NPN 바이폴라 접합 트랜지스터들(6 내지 9)을 포함하는 "AGC 코어"에 접속된다. 트랜지스터들(6 및 7)의 에미터들은 트랜지스터(1)의 콜렉터에 접속되고 트랜지스터들(8 및 9)의 에미터들은 트랜지스터(2)의 콜렉터에 접속된다. 트랜지스터들(6 및 9)의 베이스들은 제1 이득 제어 입력 vagc+에 접속되고 트랜지스터들(7 및 8)의 베이스들은 제2 이득 제어 입력 vagc-에 접속된다. 트랜지스터들(6 및 9)의 콜렉터들은 차동 출력들 OUT+ 및 OUT-에 각각 접속되고, 부하 저항기들(10 및 11)을 통해 전원 라인 vcc에 각각 접속된다. 트랜지스터들(7 및 8)의 콜렉터들은 전원 라인 vcc에 접속된다.

예를 들어 튜너의 제1 스테이지로서 사용될 때, 입력들 IN+ 및 IN-는 예를 들어 케이블 분배 시스템으로부터의 광대역 신호들을 수신하기 위해 접속되고, 이득 제어 입력들 vagc+ 및 vagc-는 증폭기의 이득을 제어하기 위한 제어 전압을 수신한다. 롱 테일 쌍은 차동 입력 전압을 차동 콜렉터 전류들로 변환하며, 이 전류들은 튜너의 다음 스테이지에 비교적 일정한 전력 레벨을 나타내도록 예를 들어 신호 레벨 검출로부터 도출되는 제어 전압에 따라 부하 저항기들(10 및 11)을 통해 조정된다. 차동 출력 신호들은 부하 저항기들(10 및 11)에 걸쳐 발생되고 차동 출력들 OUT+ 및 OUT-에 공급된다.

원하는 출력 신호는 출력 신호들이 서로 180° 위상차가 나는 출력들 OUT+ 및 OUT- 사이의 차동 신호로서 나타난다. 입력들에서의 또는 증폭기 내에서 발생된 임의의 공통 모드 신호들도 출력들 OUT+ 및 OUT-에서 나타나지만 서로 동위상이다. 예를 들면, 증폭기 내에서 발생된 짝수차 왜곡 컴포넌트들은 출력들 OUT+ 및 OUT-에서 서로 동위상으로 나타나는 반면 홀수차 컴포넌트들은 위상이 어긋난다.

증폭기가 접속된 다음 스테이지는 차동 증폭기, 주파수 변환기, 바룬(balun) 등와 같은 차동 입력들을 갖고, 다음 스테이지가 매우 높은 공통 모드 제거 비율(common mode rejection ratio)을 가지면, 짝수차 왜곡 컴포넌트들을 포함하는 공통 모드 신호들이 제거된다. 그러나, 광대역폭 시스템들에서, 공통 모드 제거 비율은 특히 비교적 높은 주파수들에서 충분하지 않은 것이 일반적이기 때문에, 증폭기에서 발생된 짝수차 왜곡 컴포넌트들의 적어도 일부는 남아 있고 튜너의 간섭의 잠재적인 소스이다.

증폭기가 접속되는 다음 스테이지가 출력들 OUT+ 및 OUT-의 단지 하나에만 접속된 싱글 엔디드 입력(single-ended input)을 가지면, 공통 모드 신호 및, 특히2차 왜곡 생성물의 제거가 없다. 따라서 이들 생성물들은 남아 있고, 간섭의 잠재적인 소스이다.

왜곡 성능을 개선시키고 양호한 잡음 지수를 달성하기 위해, 도 1에 도시된 증폭기는 비교적 많은 상비(standing) 또는 정지(quiescent) 전류로 동작될 수 있다. 그러나, 이는 비교적 많은 전력 요구로 이어지고 불리하다.

또한 AGC 코어가 존재하면 2차 왜곡 생성물들을 증가시킬 수 있는 것이 발견되었다. 특히, 증폭기의 이득이 감소됨에 따라 2차 왜곡 생성물들이 증가하는 것을 알았다.

본 발명의 제1 특징에 따르면, 차동 출력들을 갖는 차동 증폭기 스테이지를 포함하며, 상기 차동 출력들에서 출력 신호들을 합산하여 합산 신호를 형성하고 상기 차동 출력들 중 제1 출력에서 상기 출력 신호로부터 상기 합산 신호를 감산하기 위한 제1 보상 스테이지를 포함하는 무선 주파수 튜너용 증폭기가 제공된다.

증폭기는 차동 출력들 중 제2 출력에서 출력 신호로부터 합산 신호를 감산하기 위한 제2 보상 스테이지를 포함할 수 있다.

증폭기 스테이지는 제1 및 제2 증폭 장치들의 롱 테일 쌍(long tail pair)을 포함할 수 있다. 증폭기 스테이지는 정전류 테일 소스(tail source)를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 증폭 장치들의 각각은 제1 공통 단자 디제너레이션 저항을 가질 수 있다.

증폭기 스테이지는 차동 출력들에 접속된 가변 이득 스테이지를 포함할 수있다. 가변 이득 스테이지는 제3 내지 제6 증폭 장치들을 포함하며, 제3 및 제4 증폭 장치들은 제1 신호 입력에 접속된 공통 단자들을 갖고, 제5 및 제6 증폭 장치들은 제2 신호 입력에 접속된 공통 단자들을 갖고, 제3 및 제6 증폭 장치들은 제1 이득 제어 입력에 접속된 제어 단자들을 갖고, 제4 및 제5 증폭 장치들은 제2 이득 제어 입력에 접속된 제어 단자들을 가지며, 제3 및 제6 증폭 장치들은 차동 출력들에 접속된 출력 단자들을 갖는다. 제1 및 제2 신호 입력들은 제1 및 제2 증폭 장치들의 출력 단자들에 각각 접속될 수 있다.

상기 또는 각 보상 스테이지는 추가의 증폭 장치를 포함할 수 있다. 추가의 증폭 장치는 제1 및 제2 저항들을 통해 차동 출력들에 접속된 제어 단자를 가질 수 있다. 추가의 증폭 장치는 제2 공통 단자 디제너레이션 저항을 가질 수 있다. 제2 디제너레이션 저항의 값은 제1 디제너레이션 저항의 값과 실질적으로 동일할 수 있다. 추가의 장치 및 증폭기 스테이지는 공통 부하 저항을 가질 수 있다. 각 증폭 장치는 바이폴라 접합 트랜지스터 또는 전계 효과 트랜지스터 등의 트랜지스터를 포함할 수 있다. 증폭 장치들을 지칭할 때, "제어 단자"는 "공통" 과 "출력" 단자들 사이의 전류의 흐름을 제어하는 장치의 단자를 지칭하며, 출력 단자에서의 신호는 제어 단자에서의 신호에 대하여 반전된다.

증폭기는 저잡음 증폭기를 포함할 수 있다.

본 발명의 제2 특징에 따르면, 전술한 특징들 중 어느 하나에 기재된 바와 같은 적어도 하나의 증폭기를 포함하는 무선 주파수 튜너가 제공된다. 예를 들면, 튜너는 본 발명의 제1 특징에 따라 구현된 LNA 및/또는 중간 주파수 증폭기를 포함할 수 있다.

이에 의해, 무선 주파수 튜너에서 사용하기에 적합하고 왜곡 성능이 개선된 증폭기를 제공할 수 있다. 특히, 2차 왜곡 특성이 실질적으로 개선될 수 있어 증폭기는 신호 대 노이즈 플러스 왜곡(signal-to-noise-plus-distortion)이 개선된 출력 신호를 제공한다. 이는 증폭기의 대전력 소비를 요구하지 않고 달성될 수 있다.

도 1은 공지된 타입의 LNA의 회로도.

도 2는 본 발명의 실시예를 구성하는 LNA의 부분적인 개략 회로도.

도 3은 도 2의 LNA의 회로도.

도 4는 도 2 및 도 3에 예시된 바와 같이 구현된 2개의 스테이지를 포함하는 무선 주파수 튜너의 개략적인 블록도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1, 2 : NPN 바이폴라 접합 트랜지스터

3, 4 : 에미터 디제너레이션 저항기(emitter degeneration resistor)

5 : 정전류 소스

10, 11 : 부하 저항기들

도면들에 걸쳐 동일한 참조 부호들은 동일한 부분들을 지칭한다.

도 2에 도시된 증폭기는 도 1에 도시된 증폭기와 동일한 타입이며, AGC 코어(6-9)에 접속된 차동 또는 롱 테일 쌍 증폭 스테이지(1-5)를 포함한다. 그러나, 도 2의 증폭기는 2차 왜곡 생성물들을 감소시키기 위해 제1 및 제2 보상 스테이지들(15 및 16)이 제공되는 점에서 도 1의 증폭기와 상이하다. 각각의 스테이지들(15 및 16)은 차동 출력들에 접속된 2개의 합산 입력들 및 차동 출력들 OUT+ 및 OUT-에도 접속된 출력을 갖는 반전 합산 증폭기를 포함한다. 스테이지들(15 및 16)은 차동 출력 신호들의 산술적인 합들을 형성한다. 원하는 신호들은 차동 출력들에서 180°위상차가 나기 때문에 실질적으로 서로 상쇄된다. 2차 왜곡 생성물들을 포함하는 공통 모드 신호들은 차동 출력들에서 동위상이기 때문에 함께 가산된다. 결과로서의 합산 신호는 스테이지들(15 및 16)에 의해 위상 반전되고 차동 신호들에 "가산되어", 2차 왜곡 생성물들을 포함하는 공통 모드 신호들은 실질적으로 차동 출력들 OUT+ 및 OUT-에서 상쇄된다. 따라서, 2차 왜곡 컴포넌트들은 실질적으로 제거되거나 레벨이 급감하는 반면 원하는 신호는 실질적으로 영향을 받지 않는다.

도 3은 보상 스테이지들(15 및 16)의 특정예를 나타낸다. 이들 스테이지들 은 양쪽 베이스들이 저항기들(19 및 20)에 의해 출력들 OUT+ 및 OUT-에 접속되는 NPN 바이폴라 접합 트랜지스터들(17 및 18)을 포함한다. 트랜지스터들(17 및 18)의 콜렉터들은 출력들 OUT+ 및 OUT-에 접속되고, (AGC 코어(6-9)를 통해) 트랜지스터들(1 및 2)과 부하 저항기들(10 및 11)을 공유한다. 트랜지스터들(17 및 18)의 에미터들은 정전류 소스들(21 및 22)을 통해 그라운드 gnd에 각각 접속되며, 에미터 디제너레이션 저항기들(23 및 24)이 각각 제공된다. 저항기들(23 및 24)은 DC 블록킹 커패시터들(25 및 26)을 통해 그라운드 gnd에 각각 접속된다.

차동 출력들 OUT+ 및 OUT-에서 나타나는 신호들은 트랜지스터들(17 및 18)의 베이스들에서 저항기들(19 및 20)을 통해 합산된다. 결과로서의 합산 신호는 역위상을 갖는 대응하는 전류들로 변환되고 이들은 트랜지스터들(6 및 9)을 통해 트랜지스터들(1 및 2)의 출력 전류들로부터 효과적으로 감산되어, 2차 왜곡 생성물들을 포함하는 공통 모드 신호들은 각각의 차동 출력들 OUT+ 및 OUT-에서 진폭이 급감하거나 효과적으로 상쇄된다. 보상 스테이지들은 예를 들어 차동 신호보다 30dB 이상 낮은 비교적 저레벨의 공통 모드 신호들을 처리하는데 필요하기 때문에 도 3에 도시된 바와 같이 비교적 간단하게 구현될 수 있다. 따라서, 공지된 증폭기들에 비해 복잡성이 거의 증가하지 않고, 스테이지들에 의해 요구되는 추가 전력 소비는 상대적으로 작다. 따라서, 성능의 실질적인 개선은 증폭기의 성능의 어떤 특징도실질적으로 저하시키지 않으면서 최소의 추가 비용, 전력 소비 및 불편함으로 달성될 수 있다.

도 4는 일반적인 무선 주파수 튜너 구성의 예로서 나타낸다. 튜너는 예를 들면 육상 안테나, 케이블 분배 시스템 또는 위상 안테나 시스템과의 접속을 위해, 가변 이득 셀의 형태로 AGC 구성을 포함하는 LNA(31)에 접속된 입력(30)을 갖는다. LNA(31)의 출력은 믹서(32)에 접속되고, 출력이 LNA(31)의 이득을 제어하는 레벨 검출기(33)의 입력에 접속된다. 믹서는 PLL(phase locked loop) 합성기(35)에 의해 제어되는 국부 발진기(34)에 접속되고, 제1 중간 주파수에 대한 수신을 위해 선택되는 채널의 주파수 변환을 수행한다. 믹서(32)의 출력은 중간 주파수(IF) 필터(36)에 공급되며, 이 필터는 밴드패스 타입이고 선택된 채널 및 인접한 채널들을 통과시키면서 다른 채널들은 실질적으로 제거한다. 필터(36)의 출력은 또 다른 PLL 합성기(39)에 의해 제어되는 또 다른 국부 발진기(38)에 접속된 제2 믹서(27)에 공급된다. 믹서(37)는 선택된 채널을 제2 중간 주파수로 변환하고 변환된 신호는 AGC 기능을 갖는 IF 증폭기(40)에 공급된다. 증폭기(40)의 출력은 제2 IF 필터(42)에 접속되며, 이 필터는 제2 중간 주파수에서 선택된 채널을 통과시키고 증폭기(40)로부터의 신호에 있는 다른 남은 채널들을 실질적으로 제거한다. 필터링된 신호는 튜너 출력(43)을 통해 복조기(도시하지 않음)에 공급된다. 복조기는 제어 신호들을 AGC 제어 입력(44)에 공급하며, 이들은 증폭기(40)의 이득을 제어하는데 사용된다.

LNA(31)는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같은 증폭기를 포함한다. LNA(31)에의해 처리되어야 하는 넓은 범위의 입력 신호들 때문에, 양호한 왜곡 성능을 가질 필요가 있다. 도 2 및 도 3의 증폭기는 믹서(32)가 차동 또는 싱글 엔디드 입력들을 갖느냐에 관계없이 그리고 전자의 경우에, 믹서(32)의 공통 모드 제거 비율에 관계 없이 양호한 2차 왜곡 성능을 보장한다. 도시된 예에서, LNA(31)는 믹서(32)의 입력에 비교적 일정한 신호 레벨을 공급하는데 사용된다. 레벨 검출기(33)는 비교적 일정한 신호 레벨을 달성하기 위해, 신호 레벨을 감시하고 이득을 가변시키도록 제어 입력들 vagc+ 및 vagc-에 제어 신호들을 공급한다.

IF 증폭기(40)는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같은 증폭기를 포함할 수도 있다. 증폭기(40)의 AGC 기능은 복조 조건에 따라 복조기에 의해 제어될 수 있는 것으로서 도시된다. 그러나, 증폭기(31 및 40)에 의해 수행되는 AGC 기능은 임의의 원하는 방식으로 제어될 수 있다.

본 발명에 의하면, 무선 주파수 튜너에서 사용하기에 적합하고 왜곡 성능이 개선된 증폭기가 제공된다. 특히, 2차 왜곡 특성이 실질적으로 개선될 수 있어 증폭기는 신호 대 노이즈 플러스 왜곡(signal-to-noise-plus-distortion)이 개선된 출력 신호가 제공된다. 이는 증폭기의 대전력 소비를 요구하지 않고 달성될 수 있다.

Claims

무선 주파수 튜너용 증폭기에 있어서,

차동 출력들을 갖는 차동 증폭기 스테이지; 및

상기 차동 출력들에서 출력 신호들을 합산하여 합산 신호를 형성하고 상기 차동 출력들 중 제1 출력에서 상기 출력 신호로부터 상기 합산 신호를 감산하기 위한 제1 보상 스테이지

를 포함하는 증폭기.
제1항에 있어서,

상기 차동 출력들 중 제2 출력에서 상기 출력 신호로부터 상기 합산 신호를 감산하기 위한 제2 보상 스테이지를 포함하는 증폭기.
제1항에 있어서,

상기 증폭기 스테이지는 제1 및 제2 증폭 장치들의 롱 테일 쌍(long tail pair)을 포함하는 증폭기.
제3항에 있어서,

상기 증폭기 스테이지는 정전류 테일 소스(tail source)를 포함하는 증폭기.
제3항에 있어서,

상기 제1 및 제2 증폭 장치들의 각각은 제1 공통 단자 디제너레이션(degeneration) 저항을 갖는 증폭기.
제1항에 있어서,

상기 증폭기 스테이지는 상기 차동 출력들에 접속된 가변 이득 스테이지를 포함하는 증폭기.
제6항에 있어서,

상기 가변 이득 스테이지는 제1 및 제2 신호 입력들, 제1 및 제2 이득 제어 입력들, 및 제3 내지 제6 증폭 장치들을 포함하며, 상기 제3 및 제4 증폭 장치들은 상기 제1 신호 입력에 접속된 공통 단자들을 갖고, 상기 제5 및 제6 증폭 장치들은 상기 제2 신호 입력에 접속된 공통 단자들을 갖고, 상기 제3 및 제6 증폭 장치들은 상기 제1 이득 제어 입력에 접속된 제어 단자들을 갖고, 상기 제4 및 제5 증폭 장치들은 상기 제2 이득 제어 입력에 접속된 제어 단자들을 가지며, 상기 제3 및 제6 증폭 장치들은 상기 차동 출력들에 접속된 출력 단자들을 갖는 증폭기.
제7항에 있어서,

상기 증폭기 스테이지는 출력 단자들을 갖는 제1 및 제2 증폭 장치들의 롱 테일 쌍을 포함하고, 상기 제1 및 제2 신호 입력들은 상기 제1 및 제2 증폭 장치들의 상기 출력 단자들에 각각 접속되는 증폭기.
제1항에 있어서,

상기 보상 스테이지는 추가의 증폭 장치를 포함하는 증폭기.
제9항에 있어서,

제1 및 제2 저항들을 포함하며, 상기 추가의 증폭 장치는 상기 제1 및 제2 저항들을 통해 상기 차동 출력들에 접속된 제어 단자를 갖는 증폭기.
제9항에 있어서,

상기 추가의 증폭 장치는 제2 공통 단자 디제너레이션 저항을 갖는 증폭기.
제11항에 있어서,

상기 증폭기 스테이지는 제1 및 제2 증폭 장치들의 롱 테일 쌍을 포함하며, 그 각각은 값을 갖는 제1 공통 단자 디제너레이션 저항을 갖고, 상기 제2 디제너레이션 저항은 상기 제1 디제너레이션 저항의 상기 값과 실질적으로 동일한 값을 갖는 증폭기.
제9항에 있어서,

상기 추가의 증폭 장치 및 상기 증폭기 스테이지는 공통 부하 저항을 갖는증폭기.
제1항에 있어서,

저잡음 증폭기를 포함하는 증폭기.
적어도 하나의 무선 주파수 튜너용 증폭기를 갖는 무선 주파수 튜너에 있어서,

차동 출력들을 갖는 차동 증폭 스테이지; 및

상기 차동 출력들에서 출력 신호들을 합산하여 합산 신호를 형성하고 상기 차동 출력들의 제1 출력에서 상기 출력 신호로부터 상기 합산 신호를 감산하기 위한 제1 보상 스테이지

를 포함하는 무선 주파수 튜너.