KR20040033047A - 능동 동조 필터 회로, 이를 포함하는 모듈 및 무선 통신장치 - Google Patents

능동 동조 필터 회로, 이를 포함하는 모듈 및 무선 통신장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 무선 이동 장치 내로 집적가능한 능동 필터로서 사용되는 능동 동조 필터 회로에 관한 것이며, 이 회로는 제 1 동조가능 소자(L1)를 포함하는 반응성 피드백 네트워크를 포함하며 원하는 입력 신호를 증폭시켜 통과시키는 능동 증폭기 회로(A)와, 상기 능동 증폭기 회로에 접속되며 유도성 소자(LFB,L3 또는 L4) 및 동작 시에 상기 원하는 신호의 고조파에서 상기 유도성 소자와 함께 공진하는 전극간 캐패시터를 갖는 수동 반도체 소자(FET,FET3 또는 FET4)를 포함하는 수동 공진 회로(P)를 포함한다. 일 실례(도 1)에서 이 회로는 증폭 기능을 갖는 대역 통과 필터를 포함하며 다른 실례(도 6, 도시되지 않음)에서 이 회로는 증폭 기능을 갖는 고조파 노치 필터를 포함한다.

Description

능동 동조 필터 회로, 이를 포함하는 모듈 및 무선 통신 장치{ACTIVE TUNABLE FILTER CIRCUIT}
GSM 및 DCS와 같은 다중 대역 이동 무선 시스템이 도입되면서, 적어도 두 개의 개별 시스템 상에서 동작할 수 있는 핸드셋이 필요하게 되었다. 서브 시스템 성능을 개선하기 위해 핸드셋에서 사용되는 회로를 기술적으로 발전시키는 노력은 RF 서브 시스템의 개선된 효율 및 감소된 전력 소모를 낳는 임피던스 매칭 기술 및 효율적인 전력 증폭기 설계에 초점을 두고 있다. 임피던스 매칭 기술은 다중 대역 통신 시스템 내부의 각 개별 주파수 대역에 대해 다수의 RF 필터를 필요로 한다. 필터링 애플리케이션을 위한 동조 소자를 구현하는 두 개의 상이한 방식, 즉 수동 동조 구성 요소 설계와 능동 인덕터 및 캐패시터 설계가 존재한다. 수동 동조 구성 요소 설계의 단점은 이 방식이 지금도 개발중에 있으며 현재 요구되고 있는 넓은 동조 범위를 성취할 수 없다는 점이다. 능동 인덕터 및 캐패시터 설계기술이 개발되었지만, 이 기술은 높은 기생 특성(high parasitics)을 갖고 있기 때문에 낮은 Q 설계 특성을 초래하며 이로써 수 많은 구성 요소 설계 시에 기본적인 성능이 제한된다. 이 때문에, 개별 주파수 대역을 구별하는 개별 필터링 체인이 다중 대역 이동 무선 시스템에서 사용되어 왔다. 이동 핸드셋의 경우에, 개별 RF 필터 체인은 SAW 기술을 사용하여 구현된다. 이러한 기술은 고비용일 뿐만 아니라 이러한 필터 모듈은 SAW 필터가 RF 서브 어셈블리의 전력 증폭기와 같은 다른 부분과 함께 집적되게 하는 특정 집적 기술을 필요로 한다. 개별 RF 필터 체인을 갖는 이러한 통상적인 RF 모듈 설계는 높은 전력 소모 및 상대적으로 큰 규모를 갖는 상대적으로 고비용이 드는 방식이다.
발명의 개요
본 발명의 목적은 상술된 필터 설계 단점들을 극복하는 것이다.
본 발명에 따라, 능동 동조 필터 회로가 제공되는데, 이 회로는 동조 소자를 포함하는 반응성 피드백 네트워크(a reactive feedback network)를 가지며 입력 신호를 증폭하는 증폭 소자와, 유도성 소자 및 상기 입력 신호의 고조파(a harmonic)에 필터링을 제공하도록 동작 시에 상기 유도성 소자와 함께 공진하는 수동 반도체 디바이스(an inactive semiconductor device)의 전극간 캐패시터(interelectrode capacitance)를 포함하는 공진 회로를 포함한다.
본 발명은 가령 FET 트랜지스터와 같은 반도체 능동 소자의 기생 특성을 사용하는 높은 Q 반응성 피드백을 사용하여 낮은 잡음 수치의 증폭형필터링(amplification-like filtering)을 갖는 능동 동조 필터 회로를 제조하여 900 MHz 이상의 주파수의 고조파에서 공진할 수 있는 회로를 제공하도록 매우 낮은 값의 캐패시터를 제공할 수 있다는 사상을 기초로 하고 있다.
본 발명은 첨부 도면을 참조하여 예시적으로 이제 기술될 것이다.
전체 도면에서 동일한 참조 부호는 대응하는 특징부를 표시한다.
본 발명은 다중 대역 이동 무선 통신 애플리케이션 내의 능동 동조 필터 회로(an active tunable filter circuit)에 관한 것이다.
도 1은 다중 대역 이동 무선 통신을 위한 능동 동조 필터의 제 1 실시예의 회로도,
도 2는 상기 능동 동조 필터의 제 1 실시예로 획득될 수 있는 대역통과 응답을 도시하는 그래프,
도 3은 FET 트랜지스터의 경우에 오직 기생 특성만을 갖는 도 1에 도시된 피드백 회로의 도면,
도 4는 반응성 피드백의 S12시뮬레이션 결과를 도시한 도면,
도 5는 반응성 피드백의 S21시뮬레이션 결과를 도시한 도면,
도 6은 다중 대역 이동 무선 통신을 위한 능동 동조 필터의 제 1 실시예의 회로도,
도 7은 상기 능동 동조 필터의 제 2 실시예의 주파수 응답의 그래프.
도 1에서, 도시된 능동 동조 필터는 능동 증폭 및 필터링 부분(A) 및 고조파 필터링을 제공하는 수동 공진기 부분(P)을 포함한다.
능동 부분(A)은 FET1와 같은 능동 반도체 증폭 디바이스를 포함한다. 입력 단자(10)는 캐패시터(12)에 의해서 FET1의 게이트 전극에 인가된 RF 입력 신호를 수신한다. FET1의 소스 전극은 접지에 접속되며 그의 드레인 전극은 캐패시터(14)에 의해서 RF 출력 단자(16)에 접속된다. 드레인 바이어스 전압의 소스(도시되지 않음)는 단자(18)에 접속되며 이 단자는 FET1의 드레인에 바로 접속된다.
반응성 피드백 회로(RFC1)는 FET1의 드레인 전극과 게이트 전극 간에 접속된다. 반응성 피드백 회로(RFC1)는 FET1의 드레인 전극과 게이트 전극 사이에서 서로 직렬로 접속된 저항(R1), 가변 인덕터(L1) 및 DC 차단 캐패시터(C1)를 포함한다. 캐패시터(C2)는 이 직렬 접속부와 병렬로 접속된다. 단자(20) 상의 주파수 제어 전압(VFC)의 소스(도시되지 않음)는 직렬 저항(R2)에 의해 가변 인덕터(L1)의 제어 전극에 인가된다. 가변 인덕터(L1)는 입력 단자(10) 상에 존재하는 원하는 RF 신호를 통과하도록 설정된다.
수동 공진기 부분(P)은 반응성 피드백 네트워크(RFC2)를 구비한 비도전성 반도체 디바이스(FET2)를 포함하며 상기 반응성 피드백 네트워크(RFC2)는 FET2의 드레인 전극과 소스 전극 간에서 서로 직렬로 접속된 저항(RFB), 가변 인덕터(LFB), DC차단 캐패시터(CFB)를 포함한다. 캐패시터(C3)가 상기 직렬 접속부와 병렬로 접속된다. FET2의 게이트는 캐패시터(C4)에 의해 접지에 접속되며 어떠한 드레인 바이어스 전압에 의해서도 구동되지 않는다. 따라서, FET2는 수동 모드로 존재한다. 가변 인덕터(LFB)의 제어 전극은 저항(R2)에 의해 단자(20)에 접속된다.
동작 시에 드레인 바이어스 전압이 단자(18)에 인가되며 주파수 제어 전압(VFC)은 단자(20)에 인가된다. 단자(10) 상의 RF 입력 신호는 대역통과 필터링되며 필터링된 신호는 단자(16) 상에 나타난다.
수동 부분(P)의 반응성 피드백 회로(RFC2)는 능동 부분(A)의 반응성 피드백 회로(RFC1)를 효과적으로 션트시키며(shunt) 원하는 주파수에서 무한대 임피던스를 제공한다. 이는 도 2에 도시되어 있다. 필터의 공진 주파수는 비도전성 FET2의 게이트 대 드레인 기생 캐패시터(Cgd)와 함께 공진하는 피드백 인덕터(LFB)에 의해 결정된다. 피드백 저항(RFB)은 안정성을 제공하는 작은 값을 가진다. 가변 인덕터(LFB)와 기생 캐패시터(Cgd)에 의해 형성된 공진 회로가 입력 단자(10) 상에 존재하는 신호의 2 배의 고조파 또는 보다 높은 배수의 고조파에서 공진하도록 가변 인덕터(LFB)는 가변 인덕터(L1)의 값과 크게 다른 값을 갖는다.
도 3에서, 공진 회로의 동작이 설명된다. 저항(RFB)이 작은 값을 가지면, 피드백 임피던스는 피드백 리액턴스 값(feedback reactance value)에 의해 완전히 좌우되며 이로써 공진 회로는 반응성 피드백 모드로 동작한다. 이로써, 피드백인덕터(LFB)는 본 경우에는 FET2인 트랜지스터의 기생 특성과 상호 작용한다. 반응성 모드에 대한 이해를 돕기 위해서, 해석적 표현식은 FET2의 오직 고유한 파라미터만을 고려한다. 이로써, 피드백 회로는 도 3에 도시된 바와 같이 표현된다.
두 개의 포트 네트워크 파라미터(port network parameter)들 간의 잘 알려진 변환 공식 및 최대 안정 이득(MSG)에 대한 표현식을 사용하면, MSG는 다음과 같이 표현된다.
여기서, gm은 도 3의 FET2의 등가 회로의 트랜스컨덕턴스이며 Zgd는 FET2의 게이트 대 드레인 임피던스이고 ZFB는 반응성 피드백 네트워크(RFC2)의 임피던스이다. 여기서, ((1/Zgd) + (1/ZFB))의 절대값이 제로이면, MSG 값은 무한대가 된다.
여기서, 피드백 루프의 모든 가능한 리액턴스 성분이 고려되었으며, CFB, LFB및 RFB는 각기 피드백 캐패시턴스 값, 피드백 인덕턴스 값 및 피드백 저항 값이다. RFB가 제로일 경우(반응성 피드백) 또는 RFB가 wLFB의 절대값보다 매우 작을 경우에 다음과 같은 식이 성립된다.
(임계값 RK아래의) 낮은 RFB값이 선택되면, 피드백 인덕터(LFB)는 w2CFBLFB가 1일 경우에 CFB와 함께 공진하여 무조건적 안정성을 갖는 매우 높은 이득을 생성한다. 1O 개의 서로 다른 RFB값이 두 개의 상이한 LFB값에 대해 적용되었을 때, 시뮬레이션은 이러한 초고 이득 설계 원리(ultra high gain design principle)를 확증하였다.
도 4 및 도 5는 계산된 결과를 도시한다. 도 4는 역방향 이득 S12즉 이득 g(dB 단위) 대 주파수 f(Hz 단위) 대 피드백 임피던스 LFB(단위 헨리)를 나타내며 도 5는 순방향 이득 S21즉 이득 g(dB 단위) 대 주파수 f(Hz 단위) 대 피드백 저항 RFB(단위 옴)을 나타낸다. 도 4 및 도 5를 살펴보면, (S12가 제로가 되고 S21이 증가함에 따라) 공진으로 인해서 안정성을 갖는 매우 높은 이득이 획득된다. 이러한 계산은 반응성 피드백 증폭기가 매우 높은 이득을 생성할 수 있음을 분명하게 나타낸다.
도 6에서, FET3 및 FET4의 각각의 접합 캐패시터가 이들 각각의 FET의 외부에 존재하는 각각의 인덕터(L3,L4)와 함께 공진하기 때문에, 도시된 능동 필터는 고조파 노치 필터(a harmonic notch filter)로서 기능한다.
도시된 회로의 능동 부분(A)은 도 1를 참조하여 기술된 능동 부분과 유사하며 간략성을 위해서 오직 차이점만이 설명될 것이다. 직렬 저항(32)에 의해 인덕터(L1)의 제어 전극에 단자(30) 상의 동조 전압(Vf1)을 인가함으로써 상기 능동 부분은 원하는 RF 입력 신호에 동조된다.
수동 부분은 비도전성 FET3 및 FET4를 기반으로 하는 두 개의 회로(26,28)를 포함하며 이 회로들의 출력은 직렬 캐패시터(38)에 의해 FET1의 드레인 전극과 캐패시터(14)의 접합부에 접속된다.
회로(26,28)는 서로 동일한 구조를 가지며 간략성을 위해서 회로(26)만이 세부적으로 기술될 것이며 회로(28) 내의 대응하는 구성 요소들은 오른편에 괄호로 표시될 것이다.
동조 전압(Vf2)(Vf3)을 위한 입력 단자(33)(41)는 직렬 저항(34)(40)에 의해서 FET3(FET4)의 게이트 전극에 접속된다. 인덕터(L3)(L4)의 한 단부는 FET3(FET4)의 드레인 전극에 접속되고 나머지 단부는 캐패시터(38)에 접속된다. FET3(FET4)의 소스 전극은 접지에 접속된다. 캐패시터(C3)(C4)는 FET3(FET4)의 게이트 대 소스 캐패시터를 션트시킨다. 캐패시터(36)(42)는 저항(32)(40)과 접지 간에 접속된다.
동조 전압(Vf2)(Vf3)은 기본 주파수(f1)의 2 배의 고조파(f2) 및 3 배의 고조파(f3)에 대응한다. 전압(Vf1, Vf2, Vf3)이 각각의 입력 단자(30,33,41)에 인가될 때, 능동 동조 필터 회로는 도 7에 도시된 바와 같은 특성을 갖는 고조파 노치 필터처럼 동작한다.
피드백 증폭기의 잡음 파라미터는 다음과 같다.
여기서, Rn, Gn및 Ycor은 각기 피드백 네트워크(RFC2)가 없는 경우 FET2의 등가 잡음 저항, 등가 잡음 컨덕턴스 및 상관 어드미턴스(correlation admittance)를 나타낸다. RFB가 wLFB의 절대값과 같거나 아주 근사할 경우에 위의 등식들은 유효하다. 이는 삽입된 피드백 소자들이 추가 잡음(잡음 소스)을 생성하여 증폭기에 잡음을 부가함을 의미한다. 반응성 모드(RFB가 wLFB의 절대값보다 매우 작을 때)에서, 위의 파라미터들은 다음과 같이 간단하게 된다.
이로써, 증폭기 잡음은 감소되지만 리액턴스 성분은 여전히 잡음 소스로서 작용한다.
본 명세서의 서두에서 언급된 종래 기술 필터에 비해, 본 발명에 따른 능동 동조 필터 회로는 단일 회로가 이동 애플리케이션을 위해 억제된 의사 감쇠 및 소거된 고조파, 저잡음 수치, 동조가능한 주파수 및 이득을 갖는 공진기 타입 증폭을 제공하며 표준 주조 프로세스를 사용하여 집적 회로로서 제조될 수 있다는 것이다.
본 발명이 FET를 사용할 경우에 대해 서술되었지만, 접합 트랜지스터와 같은 다른 능동 반도체 디바이스가 사용될 수도 있다.
상술된 능동 동조 필터 회로의 주요한 응용은 무선 수신기 내의 RF 스테이지의 전방 단부로서이다. 그러나, 충분하게 튼튼한 능동 반도체 디바이스가 가용하다면, 본 발명에 따른 능동 동조 필터 회로는 전력 증폭기 내에서 사용되어 증폭기 회로에 필터링을 제공할 수 있다.
본 명세서 및 청구 범위에서, "하나의" 라는 용어는 이러한 구성 요소가 복수개 존재할 가능성을 배제하지 않는다. 또한, "포함한다"라는 용어는 나열된 소자 및 단계 이외의 소자 및 단계의 존재를 배제하지 않는다.
본 발명의 개시 내용으로부터, 수 많은 수정 및 변경이 본 기술 분야의 당업자에게 가능하다. 이러한 수정 및 변경은 능동 동조 필터 회로 및 이의 구성 요소 부분의 설계, 제조 및 사용 시에 이미 알려져 있으며 본 명세서에서 이미 서술된 특징부 대신에 또는 더불어 사용될 수 있는 다른 특징부를 포함할 수 있다.

Claims (9)

  1. 능동 동조 필터 회로(an active tunable filter circuit)에 있어서,
    동조가능 소자를 포함하는 반응성 피드백 네트워크(a reactive feedback network)를 가지며 입력 신호를 증폭하는 증폭 소자와,
    유도성 소자 및 상기 입력 신호의 고조파(a harmonic)에 필터링을 제공하도록 동작 시에 상기 유도성 소자와 함께 공진하는 수동 반도체 디바이스(an inactive semiconductor device)의 전극간 캐패시터(interelectrode capacitance)를 포함하는 공진 회로를 포함하는
    능동 동조 필터 회로.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 공진 회로는 상기 전극간 캐패시터를 션트(shunt)하는 캐패시터를 더 포함하는
    능동 동조 필터 회로.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 공진 회로는 상기 유도성 소자와 직렬로 접속된 저항 소자를 갖는
    능동 동조 필터 회로.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 동조가능 소자 및 상기 유도성 소자는 각각의 제어 전극을 가지며,
    상기 제어 전극은 주파수 제어 전압을 수신하는 입력단에 접속되는
    능동 동조 필터 회로.
  5. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 동조가능 소자는 가변 인덕터인
    능동 동조 필터 회로.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 공진 회로는 캐패시터와 직렬로 접속된 인덕터를 포함하는
    능동 동조 필터 회로.
  7. 제 1 항에 있어서,
    적어도 두 개의 공진 회로를 포함하되,
    상기 각 공진 회로는 각각의 주파수 제어 전압으로 접속되기 위해 입력 단자에 접속된 입력단 및 상기 반응성 피드백 네트워크의 출력단에 접속된 출력단을 갖는
    능동 동조 필터 회로.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 능동 동조 필터 회로를 포함하는 모듈.
  9. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 능동 동조 필터 회로를 포함하는 무선 통신 장치.
KR1020047003636A 2001-09-13 2002-09-03 능동 동조 필터 회로, 이를 포함하는 모듈 및 무선 통신장치 KR100880100B1 (ko)

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