KR20050094880A - 고선형성 저잡음 증폭기 - Google Patents

고선형성 저잡음 증폭기 Download PDF

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Abstract

저잡음 증폭기(LNA)의 선형성을 향상시키는데 피드포워드 비선형성 상쇄 기법이 사용된다. LNA는 동일한 입력을 수신하도록 결합된 메인 증폭기 및 보조 증폭기를 통합하고 있다. 메인 증폭기 및 보조 증폭기의 출력 또한 결합된다. 보조 증폭기는 매우 낮은 선형성을 갖는 매우 낮은 전력 보조 증폭기로서 구현될 수 있다. 보조 증폭기의 출력은 메인 증폭기의 3차 상호 변조(IM3) 곱과 비슷한 진폭을 갖지만 위상이 반대인 IM3 곱을 포함한다. 메인 증폭기 및 보조 증폭기의 출력이 결합하여, 이들 각각의 IM3 곱이 합산되고 효과적으로 서로 상쇄된다. 그 결과, LNA의 출력은 실질적으로 IM3 곱을 포함하지 않고, LNA의 선형성이 실질적으로 향상된다.

Description

고선형성 저잡음 증폭기{HIGH LINEARITY LOW NOISE AMPLIFIER}
본 발명은 일반적으로 무선 통신에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 무선 통신 디바이스용 저잡음 증폭기(LNA)에 관한 것이다.
무선 통신 시스템에서, 다수의 무선 통신 디바이스(WCD)는 셀로 알려진 영역 내의 하나 이상의 기지국과 통신한다. 무선 통신 시스템은 예를 들어 개인 휴대 단말(PDA) 및 랩탑 컴퓨터용 모뎀과 같이 무선 통신 능력을 갖는 무선 전화 및 디바이스를 포함하여, 다양한 종류의 WCD를 포함할 수 있다. 자동차와 같이 다른 종류의 디바이스에 무선 통신 기능이 통합될 수도 있다. 자동차 설계에 통합된 무선 능력에 의해, 운전자는 실시간 위치 기반 교통, 날씨, 네비게이션 정보는 물론, 노상 지원 및 차량 상태 경보를 얻을 수 있다.
각 셀 내에서 몇몇의 WCD는 단일 주파수 대역을 이용하여 동시에 기지국과 통신할 수 있다. 주파수 대역의 공유는 다양한 어떤 다중 액세스 기술에 의해서도 이루어질 수 있다. 예를 들어, 어떤 무선 통신 시스템들은 WCD들이 할당된 타임 슬롯 동안 통신하는 시분할 다중 액세스(TDMA) 또는 글로벌 이동 통신 시스템(GSM) 기술을 이용한다. 또 어떤 무선 통신 시스템들은 예를 들어 주파수 분할 다중 액세스(FDMA), 진폭 압신 단측대역(ACSSB) 및 다른 진폭 변조(AM) 기법을 포함하는 다른 다중 액세스 기술을 이용한다.
급속도로 성장하고 있는 하나의 기술은 코드 분할 다중 액세스(CDMA)이다. CDMA 시스템에서는 음성 또는 데이터가 디지털 형식으로 변환되어 무선 신호로 전송된다. 각각의 호는 고유 코드로 구별된다. 특히, 각각의 WCD는 고유의 확산 코드를 사용하여 송신 신호를 변조하고 수신 신호를 복조한다. 이 코드는 정보 데이터, 예를 들어 음성 데이터에 부가되고 반송파에 의해 변조된다. 수신기에는 식별 코드가 사용되어 코드와 반송파를 상관시키는데 사용된다. 상관 처리는 코드에 매치하는 데이터만을 통과시킨다. 따라서, 무효 신호, 예를 들어 다른 사용자들로부터의 신호들은 디코드되지 않고 잡음으로 나타난다. 그 결과, WCD들간 최소 간섭이 달성된다. 이에 따라, 몇몇의 WCD들이 단일 주파수 대역을 공유할 수 있다. CDMA 시스템에 관한 추가 정보는 공지된 IS-95 표준에 개시되어 있다.
무선 전화와 같은 많은 WCD들은 배터리식이다. 이러한 WCD에 대해서는 전력 소모가 중요한 설계 고려 대상이다. 즉, 다른 설계 고려 대상과 가능한 일치하는 정도까지 전력 소모를 감소시키는 것이 바람직하다. 예를 들어, 흔히 작동 환경은 송수신을 동시에 하는 RF 프런트 엔드에 대해, 특히 CDMA 시스템에 대해 높은 성능을 지시한다. 송신 채널이 최대 전력 출력에 접근할 때 간섭 신호의 존재는 일반적으로 송신 신호 포락선의 상호 변조를 일으키기 때문에 RF 프런트 엔드에 대한 고성능이 중요하다. 이는 수신 채널에 "대역 내(in-band)" 간섭을 일으킨다. 이러한 대역 내 간섭은 수신 신호 품질을 열화시켜 잠재적으로 호를 단절시킨다.
상호 변조의 허용 가능 레벨을 유지하기 위해, LNA 또는 믹서 채널의 IIP3 특성이 높은 값으로 조정될 수 있다. IIP3 특성은 이득 스테이지의 3차 왜곡 에너지의 전력이 기본 신호 에너지만큼 강한 신호 세기를 측정한다. 저잡음지수와 동시에 저잡음 증폭기(LNA)가 매우 높은 IIP3 특성 또한 가져야 하는 것을 알 수 있다. 예를 들어, V. Aparin, B. Butler, P. Draxler, "Cross Modulation Distortion in CDMA Receivers", IEEE International Microwave Symposium(2000년 6월, Boston)을 참조한다. 높은 IIP3 값의 사용은 LNA 또는 믹서 채널의 선형성을 증가시키지만, LNA 또는 믹서 채널에 대한 바이어스 전류 또한 증가시킨다. 바이폴라 트랜지스터 LNA 설계에서, IIP3 특성은 일반적으로 전류 소모의 증가에 따라 증가한다. 그러나 고전류에서는 잡음 지수 또한 증가한다. 그 결과, 일부 종래의 실시예에서는 높은 IIP3 특성에 의해 흔히 잡음 지수가 열등해지고 전류 소모가 과도해진다. 높은 전류 소모는 배터리 전력의 드레인을 높여, 무선 전화의 통화 및 대기 시간을 감소시킨다.
잡음 지수 또는 전류 소모의 희생 없이 더 높은 IIP3 특성을 얻기 위한 몇 가지 종래 기술이 제공되었다. 예를 들어, RF 주파수에서 IIP3 특성은 저주파 왜곡 곱의 존재에 크게 영향을 받는다. 예를 들어, V. Aparin, C. Persico, "Effect of Out-of-band Termination on Intermodulation Distortion in Common-Emitter Circuits", IEEE MTT-S Dig. vol. 3, pp. 977-980(1999년 6월)을 참조한다. 투톤(two-tone) 테스트에서 비선형성은 몇몇의 믹싱 곱 생성을 일으키게 된다. 주파수(f1, f2)가 다른 2개의 신호가 비선형 시스템에 인가되면, 출력은 통상적으로 입력 주파수(f1, f2)의 고조파가 아닌 일부 성분들을 나타내게 된다. 이러한 하나의 성분은 상호 변조(IM)로 알려진 현상에 기인한다.
상호 변조는 두 신호의 합이 1보다 큰 전력으로 상승할 때 두 신호의 믹싱 또는 곱의 결과로서 일어난다. 예를 들어, 주파수(f1-f2)에서 하나의 상호 변조 믹싱 곱이 일어난다. 이는 동작점의 저주파 변조로 간주될 수 있다. 외부 피드백은 물론, 트랜지스터 내의 피할 수 없는 내부 피드백으로 인해, (f1-f2) 곱이 f1 및 f2와 다시 믹싱하게 되어, IM3(3차 상호 변조) 주파수에서 대역 내 왜곡 곱을 생성한다((f1-f2) + f1 = 2*f1-f2, (f-f1) + f2 = 2*f2-f1). 이들 IM3 곱은 RF 시스템에서 특히 중요한 왜곡의 소스이다. 2개의 강한 간섭 소스에 의해 수반되는 약한 신호가 3차 비선형성을 가지면, 상호 변조 곱들 중 하나가 관심 대역 내에 있어, 원하는 성분을 훼손한다. 높은 IIP3 특성을 얻기 위해, IM3 곱에 확실히 낮은 임피던스가 나타나게 하는 것이 유리하다.
도 1은 실시예에 따른 무선 통신 시스템의 예를 설명하는 시스템도이다.
도 2는 다른 실시예에 따른 무선 통신 디바이스의 예를 설명하는 블록도이다.
도 3은 투톤 입력 예 및 대응하는 출력 예를 가진 저잡음 증폭기의 구현예를 설명하는 블록도이다.
도 4는 도 3에 나타낸 저잡음 증폭기의 구현예를 설명하는 개략도이다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 비선형성 상쇄를 설명하는 흐름도이다.
각종 실시예에 따르면, 저잡음 증폭기(LNA)의 선형성을 향상시키는데 피드포워드 비선형성 상쇄 기법이 사용된다. LNA는 메인 증폭기 및 보조 증폭기를 통합하고 있다. 보조 증폭기는 매우 낮은 선형성을 갖는 매우 낮은 전력 보조 증폭기로서 구현될 수 있다. 보조 증폭기는 메인 증폭기와 동일한 입력 신호를 수신하도록 결합된다. 메인 증폭기 및 보조 증폭기의 출력 또한 결합된다. 보조 증폭기의 출력은 메인 증폭기에 의해 발생한 3차 상호 변조(IM3) 곱과 비슷한 진폭을 갖지만 위상이 반대인 IM3 곱을 포함한다. 메인 증폭기 및 보조 증폭기의 출력이 결합하여, 이들 각각의 IM3 곱이 합산되고 효과적으로 서로 상쇄된다. 그 결과, LNA의 출력은 실질적으로 IM3 곱을 포함하지 않고, LNA의 선형성이 실질적으로 향상된다.
일 실시예에서, 저잡음 증폭기는 RF 입력 신호를 수신하도록 결합된 제 1 및 제 2 증폭기를 포함한다. 제 1 증폭기는 RF 입력 신호의 함수에 따라 제 1 출력 신호를 발생한다. 제 1 출력 신호는 제 1 상호 변조 성분을 갖는다. 제 1 증폭기에 결합된 제 2 증폭기는 RF 입력 신호의 함수에 따라 제 2 출력 신호를 발생한다. 제 2 출력 신호는 제 1 상호 변조 성분과 실질적으로 진폭이 비슷하고 실질적으로 위상이 반대인 제 2 상호 변조 성분을 갖는다. 제 1 및 제 2 증폭기는 제 1 및 제 2 출력 신호의 합의 함수에 따라 제 3 출력 신호를 발생하도록 배치, 예를 들어 AC 결합된다. 제 1 및 제 2 상호 변조 성분은 실질적으로 서로 상쇄된다.
다른 실시예에서, 집적 회로는 RF 입력 신호를 수신하도록 결합된 제 1 및 제 2 증폭기를 포함한다. 제 1 증폭기는 RF 입력 신호의 함수에 따라 제 1 출력 신호를 발생한다. 제 1 출력 신호는 제 1 상호 변조 성분을 갖는다. 제 1 증폭기에 결합된 제 2 증폭기는 RF 입력 신호의 함수에 따라 제 2 출력 신호를 발생한다. 제 2 출력 신호는 제 1 상호 변조 성분과 실질적으로 진폭이 비슷하고 실질적으로 위상이 반대인 제 2 상호 변조 성분을 갖는다. 제 1 및 제 2 증폭기는 제 1 및 제 2 출력 신호의 합의 함수에 따라 제 3 출력 신호를 발생하도록 배치, 예를 들어 AC 결합된다. 제 1 및 제 2 상호 변조 성분은 실질적으로 서로 상쇄된다.
또 다른 실시예에서, 무선 통신 디바이스(WCD)는 RF 입력 신호를 수신하도록 배치된 안테나를 포함한다. 제 1 증폭기가 안테나에 작용하도록 결합되며, RF 신호의 함수에 따라 제 1 출력 신호를 발생한다. 제 1 출력 신호는 제 1 상호 변조 성분을 갖는다. 제 2 증폭기가 제 1 증폭기에 결합되어 RF 신호의 함수에 따라 제 2 출력 신호를 발생한다. 제 2 출력 신호는 제 1 상호 변조 성분과 실질적으로 진폭이 비슷하고 실질적으로 위상이 반대인 제 2 상호 변조 성분을 갖는다. 제 1 및 제 2 증폭기는 제 1 및 제 2 출력 신호의 합의 함수에 따라 제 3 출력 신호를 발생하도록 배치, 예를 들어 AC 결합된다. 제 1 및 제 2 상호 변조 성분은 실질적으로 서로 상쇄된다. 하향 변환 장치가 제 1 및 제 2 증폭기에 결합되며, 제 3 출력 신호의 함수에 따라 기저대역 신호를 발생한다. 복조기 장치가 하향 변환 장치에 결합되어 기저대역 신호를 복조한다.
또 다른 실시예에서, 증폭 신호를 발생하기 위한 방법은 RF 신호를 수신하는 단계를 포함한다. RF 신호의 함수에 따라 제 1 출력 신호가 발생한다. 제 1 출력 신호는 제 1 상호 변조 성분을 갖는다. RF 신호의 함수에 따라 제 2 출력 신호가 발생한다. 제 2 출력 신호는 제 1 상호 변조 성분과 실질적으로 진폭이 비슷하고 실질적으로 위상이 반대인 제 2 상호 변조 성분을 갖는다. 제 1 및 제 2 출력 신호의 합의 함수에 따라 증폭 신호가 발생한다. 제 1 및 제 2 상호 변조 성분은 실질적으로 서로 상쇄된다. 이 방법은 저전압 증폭기에서 구현될 수 있다.
본 발명에 대해 첨부 도면을 참조로 예를 들어 설명한다.
각종 실시예에 따르면, 저잡음 증폭기(LNA)는 선형성 향상을 위해 피드포워드 비선형성 상쇄 기법을 이용한다. LNA는 메인 증폭기 및 보조 증폭기를 통합하고 있다. 보조 증폭기는 매우 낮은 선형성을 갖는 매우 낮은 전력 보조 증폭기로서 구현될 수 있다. 예를 들어, 보조 증폭기의 IIP3 및 이득은 메인 증폭기에 비해 약 20배 정도 낮을 수도 있다. 보조 증폭기 및 메인 증폭기의 입력 및 출력 모두 AC 결합된다.
보조 증폭기 및 메인 증폭기는 2개의 주파수(f1, f2) 성분을 갖는 투톤 입력 신호를 수신할 수 있다. 이 입력 신호에 응하여, 메인 증폭기 및 보조 증폭기는 각각 2개의 주파수(f1, f2) 성분을 갖는 출력 신호를 발생한다. 이와 같이 발생한 출력 신호는 또한 주파수((2f1-f2), (2f2-f1))의 3차 상호 변조(IM3) 곱을 포함한다. 보조 증폭기의 이득은 메인 증폭기의 이득보다 훨씬 작다. 그 결과, 보조 증폭기에 의해 발생한 주파수(f1, f2) 성분은 메인 증폭기의 출력에 비해 무시할 수 있다. 한편, 보조 증폭기는 메인 증폭기보다 훨씬 더 비선형적이다. 따라서 보조 증폭기에 의해 발생한 IM3 곱은 메인 증폭기에 의해 발생한 IM3 곱과 비교하여 진폭은 비슷하지만 위상이 반대이다. 메인 증폭기 및 보조 증폭기의 출력이 결합하여, 이들 각각의 IM3 곱이 합산되고 효과적으로 서로 상쇄된다. 그 결과, LNA의 출력은 실질적으로 IM3 곱을 포함하지 않고, LNA의 선형성이 실질적으로 향상된다. LNA는 무선 통신 시스템의 일부를 형성할 수 있는 무선 통신 디바이스(WCD)의 부품으로서 통합될 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 무선 통신 시스템(100)의 예를 설명하는 시스템도이다. 특히, 무선 통신 시스템(100)은 무선 전화망으로 나타낸다. 그러나 당업자들은 수신된 무선 주파수(RF) 신호를 증폭하는데 LNA가 채용되는 무선 통신 시스템에 본원에 개시된 원리가 동일하게 적용될 수 있음을 인지할 것이다. 도 1에 나타낸 무선 전화망은 예를 들어 IS-95 표준, CDMA2000 표준 및 WCDMA 표준을 포함하는 다수의 표준 중 어떠한 표준에 따른 CDMA 통신용으로도 구성될 수 있다. 또한, 무선 통신 시스템(100)은 GSM 또는 GPRS 통신용으로 구성될 수도 있다.
동작중 무선 통신 디바이스들(WCD;102A-D)은 변조된 RF 신호를 이용하는 하나 이상의 기지국(104A-D)을 구비한 하나 이상의 RF 인터페이스를 개설함으로써 무선 통신을 수행한다. 도 1에서 WCD(102A-D)는 CDMA 프로토콜을 이용하여 통신하는 무선 전화로 나타낸다. 당업자들은 일부 또는 모든 WCD(102A-D)가 GSM 표준과 같은 다른 프로토콜을 이용하는 무선 전화로서 구현될 수 있는 것으로 이해할 것이다. 또한, 일부 또는 모든 WCD(102A-D)가 예를 들어 무선 통신 능력을 가진 개인 휴대 단말(PDA) 및 랩탑 컴퓨터용 무선 모뎀을 포함하는 다른 종류의 WCD로서 구현될 수도 있다. 자동차와 같이 다른 종류의 디바이스에 무선 통신 기능이 통합될 수도 있다.
기지국(104)과 WCD(102) 사이의 각 RF 인터페이스는 기지국(104)으로부터 WCD(102)로의 순방향 링크(106) 또는 다운 링크 및 WCD(102)로부터 기지국(104)으로의 역방향 링크(108) 또는 업링크를 포함한다. 이들 RF 인터페이스를 이용하여, 이동 전화 교환국(MTSO;110) 및 공중 전화 교환망(PSTN;112)을 통해 다른 사용자와의 통화가 이루어질 수 있다. 기지국(104), MTSO(110) 및 PSTN(112) 사이의 링크는 마이크로파 링크와 같은 무선 접속이나 유선 접속에 의해 형성될 수 있다.
상술한 바와 같이, 각각의 WCD(102)는 순방향 링크(106)를 통해 하나 이상의 기지국(104)으로부터 RF 신호를 수신한다. 이 RF 신호는 비교적 전력이 낮다. 따라서 WCD(102)의 일부를 형성하는 LNA는 WCD(102)가 수신된 RF 신호를 기저대역 신호, 예를 들어 CDMA용 동상(I) 및 직교(Q) 기저대역 신호로 하향 변환할 수 있도록 상기 수신된 RF 신호를 증폭한다. 이어서 기저대역 신호는 모뎀에 의해 복조되어 RF 신호에 의해 반송된 음성 또는 데이터 신호를 추출한다.
LNA를 포함하는 RF 프런트 엔드에 대한 고성능은 송신 신호 포락선의 상호 변조를 막아 결과적으로 수신 신호 품질의 열화를 막는데 중요하다. RF 프런트 엔드의 성능을 향상시키기 위해, WCD(102)는 높은 선형성을 갖는 LNA를 통합하고 있다. 특히, LNA는 피드포워드 비선형성 상쇄 기법을 이용한다. 도 3과 관련하여 후술하는 바와 같이, LNA는 메인 증폭기 및 보조 증폭기를 통합하고 있다. 보조 증폭기 및 메인 증폭기의 입력 및 출력 모두 AC 결합된다. 즉, 보조 증폭기의 입력은 메인 증폭기의 입력에 AC 결합되고, 보조 증폭기의 출력은 메인 증폭기의 출력에 AC 결합된다.
보조 증폭기는 매우 낮은 선형성을 갖는 매우 낮은 전력 보조 증폭기로서 구현될 수 있다. 보조 증폭기는 메인 증폭기보다 훨씬 더 비선형적이기 때문에, 보조 증폭기는 메인 증폭기에 의해 발생한 3차 상호 변조(IM3) 곱과 비교하여 진폭이 비슷한 IM3 곱을 생성한다. 그러나 보조 증폭기에 의해 발생한 IM3 곱은 메인 증폭기에 의해 발생한 IM3 곱과 실질적으로 위상이 반대이다. 그 결과, 메인 증폭기 및 보조 증폭기의 출력이 결합하여, 이들 각각의 IM3 곱이 합산되고 효과적으로 서로 상쇄된다. 따라서 LNA의 출력은 실질적으로 IM3 곱을 포함하지 않고, RF 프런트 엔드의 전체 성능과 같이 LNA의 선형성이 실질적으로 향상된다. 이와 같이 수신 신호 품질의 열화가 실질적으로 방지됨으로써, 호 단절의 발생률을 감소시킨다.
도 2는 무선 통신 디바이스(WCD;102)의 예를 설명하는 블록도이다. WCD(102)는 송신 신호 경로 및 수신 신호 경로를 이용한다. 송신 신호 경로에서 모뎀(120)은 예를 들어 마이크나 키패드로부터의 사용자 입력을 인코드하는 인코더(도시 생략)로부터 입력 신호를 수신한다. 모뎀(120)은 직교 위상 편이 변조(QPSK)를 이용하여 WCD(102)에 대해 고유한 확산 코드로 사용자 입력을 변조한다. 변조 처리 결과, 모뎀(120)은 동상(I) 및 직교(Q) 기저대역 신호를 발생한다. 송신 프로세서(122)는 기저대역-대-RF 신호 처리를 행하여 WCD(102)에 의해 송신될 RF 신호를 생성한다. 특히, 송신 프로세서(122)는 기저대역 직교 신호를 CDMA 주파수 대역의 RF 신호로 상향 변환하고 기저 대역 직교 신호를 증폭하여 전력 증폭기(124)에 신호 구동 능력을 제공한다. 기저대역 직교 신호는 우선 CDMA 주파수 대역으로 상향 변환되기 전에 중간 주파수(IF)로 상향 변환된다. 혹은, 기저대역 직교 신호는 먼저 중간 주파수로 상향 변환되지 않고 CDMA 주파수 대역으로 직접 상향 변환될 수도 있다. 두 경우 모두, 전력 증폭기(124)는 RF 신호를 더 증폭하여 듀플렉서(126)에 증폭 신호를 제공한다. 듀플렉서(126)는 RF 신호를 송신하는 안테나(128)에 RF 신호를 제공한다.
수신 신호 경로에서 듀플렉서(126)는 RF 신호를 수신한다. RF 신호는 기저대역 신호에 비해 비교적 전력이 낮기 때문에 저잡음 증폭기(LNA;130)가 RF 신호를 증폭한다. 수신 프로세서(132)는 RF-대-기저대역 신호 처리를 행하여 모뎀(120)에 의해 변조될 기저대역 직교 신호를 생성한다. 특히, 수신 프로세서(132)는 RF 신호를 동상(I) 및 직교(Q) 기저대역 신호로 하향 변환한다. RF 신호는 우선 기저대역 주파수로 하향 변환되기 전에 중간 주파수(IF)로 하향 변환된다. 혹은, RF 신호는 먼저 중간 주파수로 하향 변환되지 않고 기저대역 주파수로 직접 하향 변환될 수도 있다. 두 경우 모두, 모뎀(120)은 기저대역 직교 신호를 복조하여, 디코드되어 출력 디바이스, 예를 들어 스피커 또는 디스플레이 스크린에 제공되는 출력 신호를 생성한다.
수신된 RF 신호가 낮은 전력을 가져, LNA(130)를 포함하는 RF 프런트 엔드가 고도의 선형성을 나타내는 점이 중요하다. 송신 신호 포락선의 상호 변조를 막고, 그 결과 수신 신호 품질의 열화를 막는데 고성능이 중요하다. 따라서 LNA(130)는 피드포워드 비선형성 상쇄 기법을 이용하여 선형성을 향상시킨다. 구체적으로, LNA(130)는 메인 증폭기 및 보조 증폭기를 통합하고 있다. 보조 증폭기는 메인 증폭기에 비해 매우 낮은 이득 및 매우 낮은 선형성을 갖는다. 예를 들어, 어떤 실시예에서는 보조 증폭기의 이득 및 선형성이 메인 증폭기에 비해 20배 낮을 수도 있다. 그 결과, 보조 증폭기는 메인 증폭기에 의해 생성된 3차 상호 변조(IM3) 곱과 비교하여 진폭이 비슷하지만 위상이 반대인 IM3 곱을 생성하도록 구성될 수 있다. 메인 증폭기 및 보조 증폭기의 출력이 결합하여, 이들 각각의 IM3 곱이 합산되고 서로 상쇄된다. 따라서 LNA(130)의 출력은 실질적으로 IM3 곱을 포함하지 않고, RF 프런트 엔드의 전체 성능과 같이 LNA(130)의 선형성이 실질적으로 향상된다. 보조 증폭기의 이득은 메인 증폭기의 이득보다 훨씬 낮기 때문에, 보조 증폭기에 의해 발생한 주파수(f1, f2) 성분은 메인 증폭기의 출력에 비해 무시할 수 있다.
도 3은 투톤 입력 예 및 대응하는 출력 예를 가진 저잡음 증폭기(LNA;130)의 구현예를 설명하는 블록도이다. LNA(130)는 메인 증폭기(140) 및 보조 증폭기(142)를 포함한다. 메인 증폭기(140) 및 보조 증폭기(142)의 입력이 AC 결합하여 메인 증폭기(140) 및 보조 증폭기(142)는 동일한 입력 신호를 수신한다. 또한, 메인 증폭기(140) 및 보조 증폭기(142)의 출력이 AC 결합하여 LNA(130)의 출력은 메인 증폭기(140) 및 보조 증폭기(142) 출력의 합이다.
CDMA 시스템에서는 LNA(130)가 높은 선형성을 나타내는 것이 중요하다. 선형성의 한 단위는 IIP3 특성이다. 실시예에 따르면, 메인 증폭기(140) 및 보조 증폭기(142)는 피드포워드 회로를 형성하여 LNA(130)의 IIP3 특성을 향상시키도록 배치된다. 구체적으로, 보조 증폭기(142)는 매우 낮은 선형성을 갖는 매우 낮은 전력 보조 증폭기로서 구현된다. 예를 들어, 보조 증폭기(142)의 IIP3 및 이득은 메인 증폭기(140)에 비해 약 20배 정도 낮을 수도 있다. 메인 증폭기(140)의 IIP3보다 훨씬 낮은 보조 증폭기(142)의 IIP3 및 이득에 의해, 보조 증폭기(142)에 의해 생성된 3차 상호 변조(IM3)는 메인 증폭기(140)에 의해 발생한 IM3 곱과 비교하여 실질적으로 진폭이 비슷하다. 메인 증폭기(140) 및 보조 증폭기(142)는 이들이 생성한 IM3 곱이 실질적으로 서로 180°위상 반전되도록 배치된다. 그 결과, 메인 증폭기(140) 및 보조 증폭기(142)의 출력이 합산되면, 이들 각각의 IM3 곱이 서로 상쇄된다. 따라서 LNA(130)의 출력은 IM3 곱을 거의 포함하지 않아 매우 선형적이다.
설명을 위해, 도 3에서 메인 증폭기(140) 및 보조 증폭기(142)는 2개의 주파수(f1, f2) 성분을 갖는 투톤 입력 신호를 수신하는 것으로 나타낸다. 이 투톤 입력 신호에 응하여, 메인 증폭기(140) 및 보조 증폭기(142)는 각각 2개의 주파수(f1, f2) 성분을 갖는 출력 신호를 발생한다. 이와 같이 발생한 출력 신호는 또한 주파수((2f1-f2), (2f2-f1))의 3차 상호 변조(IM3) 곱을 포함한다. 보조 증폭기(142)의 이득이 메인 증폭기(140)의 이득보다 훨씬 낮아, 보조 증폭기(142)에 의해 발생한 주파수(f1, f2) 성분은 메인 증폭기(140)의 출력에 비해 무시할 수 있다. 그러나 보조 증폭기(142)는 메인 증폭기(140)보다 훨씬 더 비선형적이기 때문에 보조 증폭기(142)는 메인 증폭기(140)에 의해 발생한 IM3 곱과 비슷한 진폭을 갖는 IM3 곱을 생성한다. 따라서 메인 증폭기(140)와 보조 증폭기(142)의 결합된 출력에서의 IM3 곱이 서로 상쇄되어 LNA(130)의 선형성을 향상시킨다.
일 실시예에서, 메인 증폭기(140)는 높은 선형성을 위해 유도 변성된 공통 이미터 증폭기이다. 반면, 보조 증폭기(142)는 메인 증폭기(140)보다 훨씬 더 선형적이며 메인 증폭기(140)보다 훨씬 작은 이득을 갖는 2-스테이지 공통 이미터로서 구현된다. 또한, 보조 증폭기(142)는 생성하는 IM3 곱이 메인 증폭기(140)에 의해 생성된 IM3 곱에 대해 확실히 180°위상 반전되도록 구성된다. 보조 증폭기(142)는 단지 몇 개의 트랜지스터 및 저항을 포함하기 때문에, LNA(130)의 디바이스 크기 및 전력 소모에 대한 보조 증폭기(142)의 영향력은 극미하다.
도 4는 도 3에 나타낸 LNA(130)의 구현예를 설명하는 개략도이다. LNA(130)는 주문형 집적 회로(ASIC)와 같은 집적 회로(IC) 상에 형성될 수 있다. 메인 증폭기(140)는 입력(150)에서 RF 신호를 수신한다. 커패시터(C2) 및 인덕터(L6)는 입력 결합망(152)을 형성한다. 인덕터(L7)는 RF 신호를 차단하고 DC 신호를 통과시켜 온-칩 기준을 제공하는 외부 RF 초크 역할을 한다. 저항(R0) 및 인덕터(L2, L4)는 외부 결합망(154)을 형성하며, 이를 통해 공급 전압(Vcc)이 공급된다. 메인 증폭기(140) 자체는 높은 IIP3 특성 및 높은 잡음 지수를 제공하는 단일 공통 이미터 스테이지 구조로 배치된 트랜지스터(Q0) 및 온-칩 변성 인덕터(L0)를 포함한다.
보조 증폭기(142)는 비선형성 상쇄를 제공하도록 메인 증폭기(140)에 병렬로 배치된 2-스테이지 공통 이미터 증폭기를 포함한다. 보조 증폭기(142)의 제 1 스테이지는 트랜지스터(Q1) 및 저항(R1, R3)에 의해 형성된다. 보조 증폭기(142)의 제 2 스테이지는 트랜지스터(Q2) 및 저항(R2, R4)에 의해 형성된다. 보조 증폭기(142)의 제 1 및 제 2 스테이지는 커패시터(C5)에 의해 AC 결합된다. 커패시터(C1, C4)는 보조 증폭기(142)에 의해 발생한 IM3 곱이 메인 증폭기(140)에 의해 발생한 IM3 곱에 대해 확실히 180°위상 반전될 수 있게 함으로써 공동으로 비선형성 상쇄를 제공한다. 도시하지 않았지만, 커패시터(C1)는 수동 RC 위상 천이기로 대체될 수도 있다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 비선형성 상쇄를 설명하는 흐름도이다. 메인 증폭기(140) 및 보조 증폭기(142)는 각각 출력 신호(160)를 발생한다. 상술한 바와 같이, 출력 신호들은 각각 3차 상호 변조(IM3) 곱을 포함한다. 메인 증폭기(140)에 비해 보조 증폭기(142)의 이득 및 선형성을 훨씬 낮기 때문에, 보조 증폭기(142)는 메인 증폭기(142)에 의해 생성된 IM3 곱과 진폭이 비교되는 IM3 곱을 생성한다. 도 4의 커패시터(C1, C4)는 보조 증폭기(142)에 의해 생성된 IM3 곱이 메인 증폭기(140)에 의해 생성된 IM3 곱에 대해 확실히 180°위상 반전될 수 있게 한다.
메인 증폭기(140) 및 보조 증폭기(142)의 출력이 AC 결합되어, 메인 증폭기(140) 및 보조 증폭기(142)에 의해 발생한 출력 신호가 합산된다(162). 메인 증폭기(140) 및 보조 증폭기(142)에 의해 생성된 IM3 곱은 진폭이 비슷하고 위상이 반대이므로, 이들은 출력 신호가 합산될 때 서로 상쇄된다. 이에 따라, LNA(130)의 출력으로부터 IM3 곱이 실질적으로 제거된다.
상기한 설명에 나타낸 바와 같이, 피드포워드 비선형성 상쇄 기법에 의해 LNA에 대한 선형성이 향상될 수 있다. 예를 들어, LNA의 IIP3는 전류 드로우의 사소한 증가에 의해 약 10㏈만큼 향상할 수 있다. 혹은, LNA는 상당히 낮은 전류 드로우를 갖는 종래 기술의 LNA와 비슷한 선형성을 실현할 수 있다. 또한, 상술한 보조 증폭기는 단지 몇 개의 트랜지스터 및 저항을 포함하므로 디바이스 크기에 최소한으로만 영향을 준다.
당업자들이 본 발명을 실행할 수 있도록 각종 실시예에 대한 상기 설명이 제공된다. 상기 실시예들에 대한 다양한 변형이 당업자들에게 명백하며, 본원에 기재된 일반적인 원리들은 발명적 능력을 사용하지 않고도 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 따라서 본 발명은 본원에 특별히 기재된 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 본원에 개시된 원리 및 새로운 특징에 상응하는 가장 넓은 범위에 일치하는 것이다.

Claims (29)

  1. 저잡음 증폭기로서,
    RF 입력 신호를 수신하도록 결합되며, 상기 RF 입력 신호의 함수에 따라 제 1 상호 변조 성분을 갖는 제 1 출력 신호를 발생하도록 구성된 제 1 증폭기; 및
    상기 제 1 증폭기에 결합되며, 상기 RF 입력 신호의 함수에 따라 상기 제 1 상호 변조 성분과 실질적으로 진폭이 비슷하고 실질적으로 위상이 반대인 제 2 상호 변조 성분을 갖는 제 2 출력 신호를 발생하도록 구성된 제 2 증폭기를 포함하며,
    상기 제 1 및 제 2 증폭기는 상기 제 1 및 제 2 출력 신호의 합의 함수에 따라 제 3 출력 신호를 발생하도록 배치되고, 상기 제 1 및 제 2 상호 변조 성분은 실질적으로 서로 상쇄되는 것을 특징으로 하는 저잡음 증폭기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 증폭기는 단일 공통 이미터 스테이지 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 저잡음 증폭기.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 증폭기는 2-스테이지 공통 이미터 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 저잡음 증폭기.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 상호 변조 성분은 3차 상호 변조(IM3) 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 저잡음 증폭기.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 증폭기의 이득은 상기 제 1 증폭기의 이득보다 낮은 것을 특징으로 하는 저잡음 증폭기.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 제 2 증폭기의 이득은 상기 제 1 증폭기의 이득보다 실질적으로 20배 낮은 것을 특징으로 하는 저잡음 증폭기.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 증폭기의 선형성 특성은 상기 제 1 증폭기의 선형성 특성보다 낮은 것을 특징으로 하는 저잡음 증폭기.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 제 2 증폭기의 선형성 특성은 상기 제 1 증폭기의 선형성 특성보다 실질적으로 20배 낮은 것을 특징으로 하는 저잡음 증폭기.
  9. 집적 회로로서,
    RF 입력 신호를 수신하도록 결합되며, 상기 RF 입력 신호의 함수에 따라 제 1 상호 변조 성분을 갖는 제 1 출력 신호를 발생하도록 구성된 제 1 증폭기; 및
    상기 제 1 증폭기에 결합되며, 상기 RF 입력 신호의 함수에 따라 상기 제 1 상호 변조 성분과 실질적으로 진폭이 비슷하고 실질적으로 위상이 반대인 제 2 상호 변조 성분을 갖는 제 2 출력 신호를 발생하도록 구성된 제 2 증폭기를 포함하며,
    상기 제 1 및 제 2 증폭기는 상기 제 1 및 제 2 출력 신호의 합의 함수에 따라 제 3 출력 신호를 발생하도록 배치되고, 상기 제 1 및 제 2 상호 변조 성분은 실질적으로 서로 상쇄되는 것을 특징으로 하는 집적 회로.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 제 1 증폭기는 단일 공통 이미터 스테이지 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 집적 회로.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 제 2 증폭기는 2-스테이지 공통 이미터 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 집적 회로.
  12. 제 9 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 상호 변조 성분은 3차 상호 변조(IM3) 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 집적 회로.
  13. 제 9 항에 있어서, 상기 제 2 증폭기의 이득은 상기 제 1 증폭기의 이득보다 낮은 것을 특징으로 하는 집적 회로.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 제 2 증폭기의 이득은 상기 제 1 증폭기의 이득보다 실질적으로 20배 낮은 것을 특징으로 하는 집적 회로.
  15. 제 9 항에 있어서, 상기 제 2 증폭기의 선형성 특성은 상기 제 1 증폭기의 선형성 특성보다 낮은 것을 특징으로 하는 집적 회로.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 제 2 증폭기의 선형성 특성은 상기 제 1 증폭기의 선형성 특성보다 실질적으로 20배 낮은 것을 특징으로 하는 집적 회로.
  17. 제 9 항에 있어서, 상기 집적 회로는 주문형 집적 회로(ASIC)를 포함하는 것을 특징으로 하는 집적 회로.
  18. 무선 통신 디바이스로서,
    RF 신호를 수신하도록 배치된 안테나;
    상기 안테나에 작용하도록 결합되며, 상기 RF 신호의 함수에 따라 제 1 상호 변조 성분을 갖는 제 1 출력 신호를 발생하도록 구성된 제 1 증폭기;
    상기 제 1 증폭기에 결합되며, 상기 RF 신호의 함수에 따라 상기 제 1 상호 변조 성분과 실질적으로 진폭이 비슷하고 실질적으로 위상이 반대인 제 2 상호 변조 성분을 갖는 제 2 출력 신호를 발생하도록 구성된 제 2 증폭기 - 상기 제 1 및 제 2 증폭기는 상기 제 1 및 제 2 출력 신호의 합의 함수에 따라 제 3 출력 신호를 발생하도록 배치되고, 상기 제 1 및 제 2 상호 변조 성분은 실질적으로 서로 상쇄됨 -;
    상기 제 1 및 제 2 증폭기에 결합되며, 상기 제 3 출력 신호의 함수에 따라 기저대역 신호를 발생하도록 구성된 하향 변환 장치; 및
    상기 하향 변환 장치에 결합되며, 상기 기저대역 신호를 복조하도록 구성된 복조기 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 디바이스.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 제 1 증폭기는 단일 공통 이미터 스테이지 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 디바이스.
  20. 제 18 항에 있어서, 상기 제 2 증폭기는 2-스테이지 공통 이미터 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 디바이스.
  21. 제 18 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 상호 변조 성분은 3차 상호 변조(IM3) 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 디바이스.
  22. 제 18 항에 있어서, 상기 제 2 증폭기의 이득은 상기 제 1 증폭기의 이득보다 낮은 것을 특징으로 하는 무선 통신 디바이스.
  23. 제 22 항에 있어서, 상기 제 2 증폭기의 이득은 상기 제 1 증폭기의 이득보다 실질적으로 20배 낮은 것을 특징으로 하는 무선 통신 디바이스.
  24. 제 18 항에 있어서, 상기 제 2 증폭기의 선형성 특성은 상기 제 1 증폭기의 선형성 특성보다 낮은 것을 특징으로 하는 무선 통신 디바이스.
  25. 제 24 항에 있어서, 상기 제 2 증폭기의 선형성 특성은 상기 제 1 증폭기의 선형성 특성보다 실질적으로 20배 낮은 것을 특징으로 하는 무선 통신 디바이스.
  26. 제 18 항에 있어서, 상기 기저대역 신호는 CDMA 직교 기저대역 신호인 것을 특징으로 하는 무선 통신 디바이스.
  27. 제 18 항에 있어서, 상기 무선 통신 디바이스는 무선 전화, 개인 휴대 단말(PDA), 무선 모뎀 및 자동차 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 디바이스.
  28. 증폭 신호를 발생하기 위한 방법으로서,
    RF 신호를 수신하는 단계;
    상기 RF 신호의 함수에 따라 제 1 상호 변조 성분을 갖는 제 1 출력 신호를 발생하는 단계;
    상기 RF 신호의 함수에 따라 상기 제 1 상호 변조 성분과 실질적으로 진폭이 비슷하고 실질적으로 위상이 반대인 제 2 상호 변조 성분을 갖는 제 2 출력 신호를 발생하는 단계; 및
    상기 제 1 및 제 2 출력 신호의 합의 함수에 따라 상기 증폭 신호를 발생하며, 상기 제 1 및 제 2 상호 변조 성분이 실질적으로 서로 상쇄되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 증폭 신호 발생 방법.
  29. 저잡음 증폭기로서,
    RF 신호를 수신하는 수단;
    상기 RF 신호의 함수에 따라 제 1 상호 변조 성분을 갖는 제 1 출력 신호를 발생하는 수단;
    상기 RF 신호의 함수에 따라 상기 제 1 상호 변조 성분과 실질적으로 진폭이 비슷하고 실질적으로 위상이 반대인 제 2 상호 변조 성분을 갖는 제 2 출력 신호를 발생하는 수단; 및
    상기 제 1 및 제 2 출력 신호의 합의 함수에 따라 상기 증폭 신호를 발생하며, 상기 제 1 및 제 2 상호 변조 성분을 실질적으로 서로 상쇄시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 저잡음 증폭기.
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