KR20050057715A - 대역 가변이 가능한 저잡음 증폭기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고주파(RF) 신호의 증폭 대역을 가변시킬 수 있는 저잡음 증폭기에 관한 것으로, 입력포트에 접속되며 제 1 제어신호에 의해 변화되는 인덕턴스에 따라 소정의 캐패시턴스를 갖는 입력 매칭 네트워크, 상기 입력 매칭 네트워크의 출력단에 게이트가 연결된 제 1 트랜지스터, 상기 제 1 트랜지스터의 소스 및 접지 간에 접속되며, 제 2 제어신호에 따라 인덕턴스가 변화되는 소스 디제네레이션 인덕터, 상기 제 1 트랜지스터의 드레인에 소스가 접속되며, 게이트로 인가되는 바이어스에 의해 동작되는 제 2 트랜지스터, 전원전압 및 상기 제 2 트랜지스터의 드레인 간에 접속되며, 제 3 제어신호에 의해 변화되는 임피던스에 따라 공진 대역의 신호를 출력포트로 출력하는 출력 매칭 네트워크를 포함한다. 제어신호를 이용하여 가변 인덕터의 인덕턴스를 변화시키므로 입력 매칭과 출력 매칭을 조정하여 원하는 대역의 고주파 신호를 증폭하여 출력할 수 있다.

Description

대역 가변이 가능한 저잡음 증폭기 {Low noise amplifier with variable matching network}
본 발명은 저잡음 증폭기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고주파(RF) 신호의 증폭 대역을 가변시킬 수 있는 저잡음 증폭기에 관한 것이다.
일반적으로 저잡음 증폭기는 고주파 수신기 등에 사용되며, 안테나를 통해 입력되는 고주파(RF) 신호 중 원하는 대역의 신호를 잡음이 없이 증폭하는 역할을 한다.
종래의 저잡음 증폭기는 매칭회로(정합회로)가 특정 주파수 대역에 고정되도록 구성되기 때문에 증폭 대역이 고정된다. 매칭회로는 임피던스가 서로 다른 입력단자와 출력단자 간에서 반사에 의한 손실이 발생되지 않도록 고주파 신호를 전달하는 역할을 한다. 반도체 기술로 집적된 고주파 회로에서 매칭회로는 인덕터와 캐패시터로 구현된다.
종래의 저잡음 증폭기는 고정된 대역만을 증폭하도록 구성되기 때문에 다중 대역 수신기를 구현하기 위해서는 대역별로 다수개의 저잡음 증폭기를 병렬로 구성하고, 스위치를 사용하여 원하는 대역의 저잡음 증폭기를 선택적으로 구동시킨다. 그러므로 집적형 수신기를 구현하기 위해서는 다수의 증폭기를 사용해야 하기 때문에 전체 칩의 면적에서 많은 부분을 차지한다.
근래에는 입력 및 출력 측의 내부 또는 외부에 인덕터와 캐패시터로 매칭회로를 구성하여 주파수 매칭을 조정할 수 있도록 한 저잡음 증폭기가 개발되었으나, 별도의 소자가 추가되어야 하고, 조정이 필요하기 때문에 경제적으로 집적회로형 송수신기를 제작하기 어렵다.
따라서 본 발명은 가변 인덕터를 사용하여 매칭회로를 구성하고, 제어신호를 이용하여 가변 인덕터의 인덕턴스를 변화시켜 공진점이 변화되도록 함으로써 상기한 단점을 해소할 수 있는 대역 가변이 가능한 저잡음 증폭기를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 입력포트에 접속되며 제 1 제어신호에 의해 변화되는 인덕턴스에 따라 소정의 캐패시턴스를 갖는 입력 매칭 네트워크와, 상기 입력 매칭 네트워크의 출력단에 게이트가 연결된 제 1 트랜지스터와, 상기 제 1 트랜지스터의 소스 및 접지 간에 접속되며, 제 2 제어신호에 따라 인덕턴스가 변화되는 소스 디제네레이션 인덕터와, 상기 제 1 트랜지스터의 드레인에 소스가 접속되며, 게이트로 인가되는 바이어스에 의해 동작되는 제 2 트랜지스터와, 전원전압 및 상기 제 2 트랜지스터의 드레인 간에 접속되며, 제 3 제어신호에 의해 변화되는 임피던스에 따라 공진 대역의 신호를 출력포트로 출력하는 출력 매칭 네트워크를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 입력 매칭 네트워크는 상기 제 1 제어신호에 따라 인덕턴스가 변화되는 가변 인덕터와, 상기 가변 인덕터와 직렬 접속된 캐패시터로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 소스 디제네레이션 인덕터는 상기 제 2 제어신호에 따라 인덕턴스가 변화되는 가변 인덕터로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 출력 매칭 네트워크는 상기 제 3 제어신호에 따라 인덕턴스가 변화되는 가변 인덕터와, 상기 가변 인덕터와 직렬 접속된 캐패시터로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 가변 인덕터는 입력단자 및 출력단자 간에 직렬 접속된 제 1 및 제 2 인덕터와, 상기 제 1 및 제 2 인덕터의 접속점 및 상기 출력단자 간에 접속되며 상기 제 1, 제 2 또는 제 3 제어신호에 의해 동작되는 트랜지스터로 이루어진 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 대역 가변이 가능한 저잡음 증폭기를 설명하기 위한 회로도로서, 캐스코드(cascode) 형의 저잡음 증폭기를 도시한다.
입력포트(inport)에 접속된 입력 매칭 네트워크(10)는 제 1 제어신호(S1)에 의해 변화되는 인덕턴스에 따라 소정의 캐패시턴스를 갖는다. 제 1 트랜지스터(M1)는 상기 입력 매칭 네트워크(10)의 출력단에 게이트가 연결되며, 상기 제 1 트랜지스터(M1)의 소스 및 접지 간에는 소스 디제네레이션 인덕터(20)가 접속된다. 상기 소스 디제네레이션 인덕터(20)는 제 2 제어신호(S)에 의해 변화되는 인덕턴스에 따라 소정의 임피던스를 갖는다. 제 2 트랜지스터(M2)는 상기 제 1 트랜지스터(M)의 드레인에 소스가 접속되며, 게이트로 인가되는 바이어스(Vbias)에 의해 동작된다. 출력 매칭 네트워크(30)는 전원전압(Vcc) 및 상기 제 2 트랜지스터(M2)의 드레인 간에 접속되며, 제 3 제어신호(S3)에 의해 변화되는 임피던스에 따라 원하는 공진 대역의 신호를 출력포트(outport)로 출력한다.
상기 입력 매칭 네트워크(10)는 직렬 접속된 가변 인덕터(L11)와 캐패시터(C11)로 구성되며, 상기 가변 인덕터(L11)의 인덕턴스는 상기 제 1 제어신호(S1)에 따라 연속적으로 변화된다. 상기 소스 디제네레이션 인덕터(20)는 상기 제 2 제어신호(S2)에 의해 인덕턴스가 연속적으로 변화되는 가변 인덕터(L13)로 이루어진다. 상기 출력 매칭 네트워크(30)는 직렬 접속된 가변 인덕터(L12)와 캐패시터(C12)로 구성되며, 상기 가변 인덕터(L12)의 인덕턴스는 상기 제 3 제어신호(S3)에 따라 연속적으로 변화된다. 또한 상기 트랜지스터(M1 및 M2)는 MOSFET로 구성된다.
그러면 상기와 같이 구성된 본 발명의 저잡음 증폭기의 동작을 설명하면 다음과 같다.
안테나를 통해 수신된 고주파(RF) 신호는 입력포트(inport)를 통해 상기 입력 매칭 네트워크(10)로 입력된다. 이 때 입력 매칭 네트워크(10) 및 소스 디제네레이션 인덕터(20)의 인덕터(L11 및 L13)는 상기 제 1 및 제 2 제어신호(S1 및 S2)에 의해 상기 트랜지스터(M1)의 게이트에서 바라보는 캐패시턴스를 상쇄시키도록 소정의 값으로 조절되어 있으므로 상기 고주파(RF) 신호가 반사손실 없이 트랜지스터(M1)의 게이트로 전달된다.
상기 트랜지스터(M2)는 게이트로 인가되는 소정의 바이어스(Vbias)에 의해 입력포트(inport)와 출력포트(outport)를 분리(isolation)시키고, 출력포트(outport) 쪽의 임피던스를 크게 만들어 신호의 전달이 잘 이루어지도록 한다. 그러므로 상기 트랜지스터(M2)가 동작되는 상태에서 상기 트랜지스터(M1)의 동작에 의해 증폭이 이루어지며, 상기 출력 매칭 네트워크(30)는 원하는 대역에서 공진이 일어나도록 하여 에너지를 효과적으로 출력포트(outport)로 전달하므로 공진 대역의 증폭된 고주파(RF) 신호가 출력포트(outport)를 통해 출력된다. 상기 출력 매칭 네트워크(30)는 상기 제 3 제어신호(S3)에 의해 조정된 인덕턴스와 캐패시터(C12)의 캐패시턴스에 따라 원하는 대역에서 공진을 일으키며, 공진 주파수에서 신호가 출력되도록 한다.
도 2a는 인덕터(L)와 캐패시터(C)가 직렬로 연결된 형태의 매칭회로를 도시하며, 도 2b는 인덕터(L)와 캐패시터(C)가 병렬로 연결된 매칭회로를 도시한다.
제어신호(S)를 이용하여 인덕터(L)의 인덕턴스를 가변시키면 임피던스가 변화되어 원하는 대역의 신호만을 선택적으로 통과시킨다.
도 3은 도 1의 매칭회로에 사용된 가변 인덕터의 일 실시예를 도시한 개략도로서, 평면 형태로 구성한 가변 인덕터를 도시한다.
입력단자(in) 및 출력단자(out) 간에 인덕터(L1 및 L2)가 직렬 접속되며, 상기 인덕터(L1 및 L2)의 접속점은 제어신호(S1, S2 또는 S3)에 의해 동작되는 트랜지스터(Q)를 통해 상기 출력단자(out)로 연결된다. 즉, 상기 트랜지스터(Q)는 상기 인덕터(L2)를 거치지 않고 상기 인덕터(L1)와 출력단자(out)를 연결하는 경로(path)를 제공한다.
상기 인덕터(L1 및 L2)는 반도체 기판의 동일 평면 상에 형성되며, 평판 형태의 금속층을 나선(spiral) 형태로 형상화하여 형성할 수 있다.
상기 인덕터(L1 및 L2)의 임피던스는 상기 제어신호(S1, S2 또는 S3)에 따라 변화된다. 상기 제어신호(S1, S2 또는 S3)를 이용하여 MOSFET 등으로 구성되는 상기 트랜지스터(Q)의 게이트 전압 레벨을 0V에서 MOSFET의 전원전압까지 변화시키면 인덕터(L1)만의 인덕턴스로부터 인덕터(L1)와 인덕터(L2)의 직렬 인덕턴스까지 인덕턴스가 연속적으로 변하게 된다.
도 4는 도 1의 매칭회로에 사용된 가변 인덕터의 다른 실시예를 도시한 개략도로서, 적층된 구조의 가변 인덕터를 도시한다.
상기 인덕터(L1 및 L2)는 반도체 기판의 다른 평면 상에 각각 형성되며, 평판 형태의 금속층을 나선(spiral) 형태로 패터닝하여 형성할 수 있다. 즉, 반도체 기판 상에 인덕터(L1)가 형성되고, 상기 인덕터(L1) 상에 인덕터(L2)가 적층된 구조로 형성된다. 상기 인덕터(L1 및 L2)는 서로 직렬로 연결되며, 상기 인덕터(L1 및 L2)의 접속점은 제어신호(S1, S2 또는 S3)에 의해 동작되는 트랜지스터(Q)를 통해 상기 출력단자(out)로 연결된다.
상기 인덕터(L1 및 L2)의 임피던스는 상기 제어신호(S1, S2 또는 S3)에 따라 변화된다. 상기 제어신호(S1, S2 또는 S3)를 이용하여 MOSFET 등으로 구성되는 상기 트랜지스터(Q)의 게이트 전압 레벨을 0V에서 MOSFET의 전원전압까지 변화시키면 인덕터(L1)만의 인덕턴스로부터 인덕터(L1)와 인덕터(L2)의 직렬 인덕턴스까지 인덕턴스가 연속적으로 변하게 된다.
상기한 본 발명의 실시예에서는 두 개의 인덕터를 예로 들어 설명하였으나, 다수의 인덕터를 동일 평면 상에 형성하거나, 적층 구조로 형성하여 본 발명의 가변 인덕터를 구성할 수도 있다.
상술한 바와 같이 본 발명은 가변 인덕터 및 캐패시터로 매칭회로를 구성하고, 제어신호를 이용하여 가변 인덕터의 인덕턴스를 변화시켜 공진점이 변화되도록 함으로써 원하는 대역의 고주파 신호를 증폭하여 출력할 수 있다. 본 발명에 사용되는 가변 인덕터는 입력단자와 출력단자 사이에 직렬로 연결된 두개의 인덕터와 상기 인덕터의 접속점과 출력단자 사이에 연결된 트랜지스터로 구성된다. 그러므로 인덕턴스를 변화시키면 증폭 대역을 가변시킬 수 있다. 상기 증폭 대역은 다수개의 대역 모드 중 하나의 모드를 의미하는 것이 아니며, 넓은 대역에서 임의의 하나의 대역을 의미한다. 따라서 본발명의 저잡음 증폭기는 제어신호에 따라 증폭 대역을 선택할 수 있으므로 하나의 저잡음 증폭기만을 사용하여 경제적으로 집적회로 수신기를 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 대역 가변이 가능한 저잡음 증폭기를 설명하기 위한 회로도.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 매칭회로를 설명하기 위한 회로도.
도 3은 본 발명에 따른 가변 인덕터의 일 실시예를 도시한 개략도.
도 4는 본 발명에 따른 가변 인덕터의 다른 실시예를 도시한 개략도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 입력 매칭 네트워크
20: 소스 디제네레이션 인덕터
30: 출력 매칭 네트워크

Claims (5)

  1. 입력포트에 접속되며 제 1 제어신호에 의해 변화되는 인덕턴스에 따라 소정의 캐패시턴스를 갖는 입력 매칭 네트워크와,
    상기 입력 매칭 네트워크의 출력단에 게이트가 연결된 제 1 트랜지스터와,
    상기 제 1 트랜지스터의 소스 및 접지 간에 접속되며, 제 2 제어신호에 따라 인덕턴스가 변화되는 소스 디제네레이션 인덕터와,
    상기 제 1 트랜지스터의 드레인에 소스가 접속되며, 게이트로 인가되는 바이어스에 의해 동작되는 제 2 트랜지스터와,
    전원전압 및 상기 제 2 트랜지스터의 드레인 간에 접속되며, 제 3 제어신호에 의해 변화되는 임피던스에 따라 공진 대역의 신호를 출력포트로 출력하는 출력 매칭 네트워크를 포함하는 것을 특징으로 하는 대역 가변이 가능한 저잡음 증폭기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 입력 매칭 네트워크는 상기 제 1 제어신호에 따라 인덕턴스가 변화되는 가변 인덕터와,
    상기 가변 인덕터와 직렬 접속된 캐패시터로 이루어진 것을 특징으로 하는 대역 가변이 가능한 저잡음 증폭기.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 소스 디제네레이션 인덕터는 상기 제 2 제어신호에 따라 인덕턴스가 변화되는 가변 인덕터로 이루어진 것을 특징으로 하는 대역 가변이 가능한 저잡음 증폭기.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 출력 매칭 네트워크는 상기 제 3 제어신호에 따라 인덕턴스가 변화되는 가변 인덕터와,
    상기 가변 인덕터와 직렬 접속된 캐패시터로 이루어진 것을 특징으로 하는 대역 가변이 가능한 저잡음 증폭기.
  5. 제 2 항, 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 가변 인덕터는 입력단자 및 출력단자 간에 직렬 접속된 제 1 및 제 2 인덕터와,
    상기 제 1 및 제 2 인덕터의 접속점 및 상기 출력단자 간에 접속되며 상기 제 1, 제 2 또는 제 3 제어신호에 의해 동작되는 트랜지스터로 이루어진 것을 특징으로 하는 대역 가변이 가능한 저잡음 증폭기.
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