KR20050111639A - 디지털 무선 송수신기 - Google Patents

디지털 무선 송수신기 Download PDF

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KR20050111639A
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KR1020057019195A
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안드레즈 리트윈
스벤 에리크 매티슨
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텔레폰악티에볼라겟 엘엠 에릭슨(펍)
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Abstract

디지털 무선 송수신기 집적 회로는 디지털 회로에서 정상 임계 전압을 가지고, 아날로그 RF 구성요소의 적어도 일부에서 감소된 임계 전압을 가지는 MOS 트랜지스터를 포함한다. 이것은 성능을 저해할 필요없이 상기 송수신기의 크기 및 무게가 감소될 수 있게 한다.

Description

디지털 무선 송수신기{DIGITAL RADIO TRANSCEIVER}
본 발명은 무선 구조(radio architecture)에 관한 것으로서, 특히 디지털 무선 송수신기용 CMOS 구조에 관한 것이다.
디지털 이동 전화의 분야에서, 디지털 신호를 반송하는 무선 신호를 송신 및 수신하는 것이 필요하다. 더구나, 이동 송수신기는 가능한 한 작고 가벼워야 하고 저전력 요구를 가지는 것이 바람직하다. CMOS 제조 기술을 사용하여 디지털 신호 프로세서와 A/D 변환기 및 D/A 변환기와 같이 송수신기의 디지털 구성요소를 실현하는 것이 유리하다. 이것은 제조의 측면에서 동일한 CMOS 제조 기술을 사용하여 증폭기, 믹서 등과 같은 송수신기의 아날로그 구성요소를 실현하는 것도 또한 유리하다는 것을 의미한다. 이러한 형태의 구조는 1996년 국제 고체 상태 회로 협의회(International Solid-State Circuits Conference)에서 발표된 S. Sheng 등의 「확산 스펙트럼 통신용 저전력 CMOS 칩세트(A Low-Power CMOS Chipset for Spread-Spectrum Communications)」에 개시되어 있다.
그러나, CMOS 트랜지스터는 통상적으로 낮은 누설 전류를 가지는 스위치의 기능을 하도록 설계된다. 그 결과, 상기와 같은 트랜지스터는 아날로그 RF 회로에 사용하기에는 덜 적합하다. 예컨대, 이러한 트랜지스터는 일반적으로 특히 낮은 바이어스 전압에서 낮은 트랜스컨덕턴스를 가지므로, 낮은 이득 및 높은 (위상) 잡음을 초래한다.
미국 특허 제5,407,849호는 일부 트랜지스터(FET)의 임계 전압이 예컨대, 0 볼트에 근접하게 감소되는 CMOS 회로를 제조하는 방법을 개시하고 있다.
따라서, 종래 기술의 무선 구조는 회로 전체를 실현하는데 CMOS 공정들을 사용하도록 결정된 경우, 장치 성능의 손상을 수반한다. 반면에, 미국 특허 제5,407,849호는 CMOS 회로내의 일부 FET의 임계 전압을 감소시키는 것을 개시하고 있지만, 이것이 무선 구조에 어떻게 적용되는지에 대해서는 개시하고 있지 않다.
본 발명은 디지털 무선용 집적 회로의 상이한 부분에 각기 다른 임계 전압을 가지는 트랜지스터를 사용하는 것을 포함한다.
유리하게도, 본 발명은 디지털 신호를 처리하는 회로에 높거나 정상의 임계 전압을 가지는 트랜지스터와, 아날로그 신호를 처리하는 회로에 감소된 임계 전압을 가지는 트랜지스터를 사용하는 것을 포함한다.
또한, 본 발명은 높거나 정상의 임계 전압을 가지는 일부 트랜지스터와, 무선 송수신기의 프런트-엔드 회로에 감소된 임계 전압을 가지는 일부 트랜지스터를 사용하는 것을 또한 포함한다. 그러한 송수신기는 CMOS 장치일 수 있거나, NMOS 또는 PMOS 장치만을 사용할 수도 있다.
도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 이동 전화에 사용하는 무선 송수신기(2)는 무선 신호를 수신하기 위한 수신 안테나(4) 및 수신된 신호를 사용 가능 레벨로 복원하기 위한 저잡음 증폭기(6)를 가진다. 증폭된 신호는 믹서(8)로 전달되어, 여기서 그 신호들은 무선 주파수에서 더 낮은 중간 주파수로 변환된 후 필터(10)에서 필터링된다. 필터링된 신호는 신호를 디지털 형태로 변환하는 아날로그 디지털(A/D) 변환기(12)에 전달되어, 여기서 신호 프로세서(14)에 의해 처리될 수 있으며, 그 후 이 신호들은 라인(16)으로 출력된다.
송신용 신호들은 라인(18) 상에서 신호 프로세서(14)에 디지털 형태로 공급되고, 이어서 처리 이후에 디지털 아날로그(D/A) 변환기(20)에 공급된다. 아날로그 형태로 변환한 이후에, 상기 신호들은 무선 주파수로 변환하기 위해 변조기(22)에 송출된 후 전력 증폭기(24)에 송출되고, 무선 신호로서 송신하기 위해 송신 안테나(26)(수신 안테나(4)와 결합될 수 있음)에 송출된다.
전술한 바와 같은 송수신기의 일반적인 구조는 당업자에게 잘 알려져 있고, 여러 가지 변형 및 수정이 가능하다는 것이 명백하다.
더구나, 단일 칩내에 상기 회로들을 집적시키는 것이 유리한 것으로 제안된 바 있다.
본 발명자들에 의해, 도 1에 도시된 송수신기가 상이한 요구를 나타내는 두 개의 다른 유형의 회로를 포함한다는 것과, 이러한 상충하는 요구들이 각기 다른 유형의 회로에 상이한 임계 전압을 가진 트랜지스터를 사용함으로써 충족될 수 있다는 것이 인식되고 있다. 이것은 무선 회로가 전화의 크기 및 무게의 관점에서 이점을 가지는 단일 모놀리식 집적 회로에 형성되도록 하면서, 송수신기의 성능이 최적화되도록 한다.
특히, 회로의 디지털부, 예컨대, A/D 변환기 및 D/A 변환기는 예컨대, NMOS 장치에 대해서는 +1V 또는 PMOS 장치에 대해서는 -1V의 범위의 정상(본 명세서에서 종종 높은(high) 이라 함) 임계 전압을 가지는 CMOS 트랜지스터를 사용하여 유리하게 형성된다. 따라서, 각각의 경우에 임계 전압의 크기는 0.5V보다 크다. 대조적으로, 회로의 아날로그 RF부, 예컨대, 증폭기는 0.5V보다 작은 크기의 감소된 임계 전압을 가지는 CMOS 트랜지스터를 사용하여 유리하게 형성된다. 이것은 결과적으로 저전력 소비, 저잡음 및 고대역폭을 초래할 수 있다. 상기 임계 전압들은 0에 근접하게 또는 0을 초과하게 감소되는 것이 바람직하다. 그러므로, NMOS 트랜지스터는 작은 부(-)의 임계 전압을 가질 수 있는 반면에, PMOS 트랜지스터는 작은 정(+)의 임계 전압을 가질 수 있다.
도 1의 파선(28)은 회로의 현재 바람직한 하나의 분할을 도시한다. 라인(28)의 우측의 회로는 높은 임계 전압을 가지는 트랜지스터를 구비할 수 있는 반면에, 라인(28)의 좌측의 회로는 낮은 임계 전압을 가지는 트랜지스터를 구비한다. 그러나, 다른 분할도 가능하고, 더구나 동일한 회로의 상이한 부분에 각기 다른 임계 전압을 가지는 트랜지스터를 사용하는 것도 가능하다.
미국 특허 제5,407,849호에 개시되어 있는 바와 같이, 기존의 마스크를 사용함으로써, 또는 여분의 마스크를 추가함으로써, 반도체 장치의 선택된 부분에 임계 주입 용량을 변화시킴으로써 상이한 트랜지스터에 각기 다른 임계 전압을 달성하는 것이 가능하다.
따라서, 성능을 저하시킴 없이 단일 칩상에 집적될 수 있는 무선 구조가 개시되어 있다.
도 2는 본 발명에 따르는 무선 수신기 프런트 엔드 회로의 개략적인 회로도이다. 간략하게 상술된 바와 같이, 이 회로는 상이한 임계 전압을 가지는 트랜지스터를 포함한다. 도면에서, 명확성을 위해 트랜지스터들만 도시되어 있다. 도 2에서, 감소된 임계 전압을 가지는 트랜지스터들은 두꺼운 드레인 소스 채널을 가지는 것으로 도시되어 있다. 상술된 바와 같이, 이 장치들의 임계 전압은 유리하게는 0에 근접하게 또는 0 이하까지도 크게 감소될 수 있다. 0 이하의 임계값을 가지는 장치들은 공핍 장치라 칭한다. 나머지 회로들은 통상적인 것이며, 일반적인 회로 설계는 당업자에게 널리 공지되어 있다. 트랜지스터는 CMOS 장치일 수 있거나, PMOS 또는 NMOS 장치일 수 있다.
포괄적으로, 도 2의 수신기 회로는 입력 증폭기단(52), 국부 발진기 드라이버(54, 56) 및 한 쌍의 믹서(58, 60)를 포함한다. 상기 회로는 단일 평형 프런트 엔드를 형성한다. 상기 회로는 다른 동일한 회로와 결합되어 이중 평형 저잡음 증폭기 및 믹서를 형성할 수도 있다.
상기 증폭기단(52)은 접지와 전원 전압(Vdd)에 각각 접속되는 한 쌍의 입력 트랜지스터(M1, M4)를 포함한다. 입력 무선 주파수 신호(RFin)는 제1 입력 트랜지스터(M1)의 게이트에 공급되고, 제2 입력 트랜지스터(M4)에 반전되어 공급된다. 상기 증폭기단(52)은 또한, 자신의 게이트에서 분할된 전원 전압(Vdd/2)을 수신하며, (M3의 경우에 반전됨) 입력 트랜지스터(M1, M4)의 드레인 소스 채널에 접속되는 드레인 소스 채널을 가지는 한 쌍의 공통 게이트 트랜지스터(M2, M3)를 포함한다.
캐스코드된 공통 게이트 트랜지스터(M2, M3)는 낮은 임계값 장치임을 알 수 있다.
상기 증폭기단(52)으로부터의 출력은 트랜지스터(M5, M6)로 구성된 동상 믹서(58)와 트랜지스터(M7, M8)로 구성된 직교 믹서(60)에 공급된다.
동상 국부 발진기 신호(LOi)는 트랜지스터(M9)의 게이트에 공급되고, 트랜지스터(M10)의 게이트에 반전되어 공급되며, 상기 트랜지스터(M9, M10)는 전원 전압(Vdd)과 접지 사이에 접속되므로, M9 및 M10이 국부 발진기 드라이버(54)를 형성한다. 트랜지스터(M9, M10)로부터의 출력 신호는 트랜지스터(M8)의 게이트에 공급되고, 트랜지스터(M5)의 게이트에 반전되어 공급된다.
직교 국부 발진기 신호(LOq)는 트랜지스터(M11)의 게이트에 공급되고, 트랜지스터(M12)의 게이트에 반전되어 공급되며, 상기 트랜지스터(M11, M12)는 전원 전압(Vdd)과 접지 사이에 접속되므로, M11 및 M12는 국부 발진기 드라이버(56)를 형성한다. 트랜지스터(M11, M12)로부터의 출력 신호는 트랜지스터(M6)의 게이트에 공급되고, 트랜지스터(M7)의 게이트에 반전되어 공급된다.
동상 믹서(58)로부터의 출력은 동상 중간 주파수 신호(IFi)이고, 직교 믹서(60)로부터의 출력은 직교 중간 주파수 신호(IFq)이다.
상기 트랜지스터(M5, M6, M7, M8)는 낮은 임계값 장치인 반면, 국부 발진기 드라이버 트랜지스터(M9, M10, M11, M12)는 정규 임계값형임을 알 수 있다. 국부 발진기 드라이버 트랜지스터의 경우에, 오프 상태에서의 누설 전류가 최소화되는 것이 유리하여, 정규 임계값 트랜지스터를 사용하는 것이 바람직하다. 더구나, VCO에 높거나 정규 임계 전압을 가지는 트랜지스터를 사용하는 이점은, 이것이 공진기에 대해 '신호 스윙(signal swing)'을 보다 크게 하므로, (위상) 잡음을 더 낮게 한다는 것이다.
증폭기(52)에서와 같이, 캐스코드에 낮은 임계값 장치를 사용하는 이점은 도 3을 참조하여 설명할 것이다. 도 3은 각각 게이트 소스 전압(Vgs1, Vgs2)을 가지는 2개의 캐스코드된 트랜지스터(Q1, Q2)를 도시한다. 입력 신호는 Q1의 게이트에 공급되고, 출력 신호는 Q2의 드레인에서 얻어진다. 소스가 접지된 장치(Q1)의 게이트 소스 전압(Vgs1)은 임계 전압(Vth)과 비교하여 적어도 충분히 높게 되어야 한다(즉, Vgs1 - Vth = 1V). 그렇지 않으면, 상기 장치는 RF에서 동작하지 않는다. 유사한 가정이 Q2에 적용되며, 이것은 Q2의 게이트 전압이 적어도 약 2.8V로 설정되어야 한다는 것을 의미한다. 이것은 3V 공정에서 달성할 수 없으며, 대부분 더 낮은 전원 전압을 가지는 어떠한 공정에서 달성될 수 없다. 그러나, 임계 전압이 예컨대, 0으로 감소된다면, 2V의 게이트 전압은 Q2에 대해 충분하게 될 것이다.
그러므로, 도 2의 회로를 다시 참조하면, 캐스코드된 공통 게이트 트랜지스터(M2, M3)에 낮은 임계값 장치를 사용하면 회로의 동적 범위가 향상되거나, 더 낮은 전원 전압이 사용될 수 있다는 것을 알 수 있다.
낮은 임계값 장치의 사용에 따른 하나의 잠재적인 문제점은 이 임계값 장치가 자체의 게이트 소스 전압이 0일 때에도 (서브임계(sub-threshold) 전도로 인해) 전도된다는 것이다. 이러한 문제점은 입력 트랜지스터(M1, M4)가 낮은 누설 전류를 가지는 정규 임계값형인 도 2의 증폭기 회로(52)에서 극복된다. 상기 입력 트랜지스터(M1, M4)는 또한 감소된 임계값을 가질 수 있고, 이러한 경우 상기 증폭기를 스위치 오프하기 위해서는 전원 전류를 스위치 오프하는 것이 필요하다. 이 경우 또한, 상기 트랜지스터(M1, M4)를 입력에 AC 결합하고, 이들을 개별적으로 바이어스하는 것이 필요하다.
믹서(58, 60)에서와 같이, 송신 게이트에 낮은 임계값 장치를 사용하는 이점은 도 4를 참조하여 설명한다. 특히, 도 4는 2개의 트랜지스터로 구성된 송신 게이트를 도시하는데, 그 중 하나인 Q3은 전원 전압(Vdd)에 접속되는 게이트를 가지며, 다른 하나인 Q4는 접지에 접속되는 게이트를 가진다. 각 트랜지스터에 대해, 게이트 소스 전압은 Vdd/2이다. 임계 전압을 고려하고 역 바이어스 효과를 무시하면, 유효 게이트 전압은 Vdd/2 - Vth이다. 3V 공정에서(이 경우, 임계 전압은 0.8V임), 이것은 약 0.7V의 유효 게이트 전압을 제공한다. 유효 게이트 전압이 더 낮아질수록, 잡음으로 인해 문제점은 더 커진다. 더구나, 전원 전압이 감소된다면, 유효 게이트 전압은 게이트를 스위치 온 하기에 충분히 높아지지 않을 것이다. 임계 전압이 0으로 감소되는 경우, 유효 게이트 전압은 대략 Vdd/2와 동일하게 되는데, 즉, 정상 임계값 장치가 사용될 때의 값의 약 2배인 약 1.5V이다.
따라서, 도 2의 회로를 다시 참조하면, 트랜지스터(M5, M6, M7, M8)에 낮은 임계값 장치를 사용하면 잡음이 감소되고, 또한 온 상태에서 상기 장치의 저항이 감소되는 것을 알 수 있다. 더 낮은 전원 전압을 사용하는 것도 또한 가능하다.
낮은 임계값 장치의 사용에 따른 하나의 잠재적인 문제점은 이 임계값 장치가 자체의 게이트 소스 전압이 0일 때에도 (서브임계 전도로 인해) 전도한다는 것이다. 이러한 문제점은 트랜지스터들이 각각 동작 전압(Vdd/2)과 같고 반대인 부(-)의 게이트 소스 전압을 인가함으로써 적절하게 스위치 오프될 수 있는 도 2의 증폭기 회로(58, 60)에서 극복된다.
그러므로, 개시되어 있는 수신기 회로는 높은 누설 전류에 기인하는 문제점을 초래함 없이 낮은 전원 전압으로 효율적으로 동작될 수 있다.
본 발명에 의하면, 장치 성능을 저해할 필요없이 상기 송수신기의 크기 및 무게가 감소된다.
도 1은 본 발명에 따르는 무선 송수신기의 개략적인 블록도.
도 2는 본 발명에 따르는 프런트-엔드 회로의 개략적인 회로도.
도 3은 본 발명의 이점을 나타내기 위한 제1 종래 회로도.
도 4는 본 발명의 이점을 나타내기 위한 제2 종래 회로도.

Claims (14)

  1. 디지털 무선 송수신기로서,
    디지털 신호를 처리하는 회로에 높은 임계 전압을 가지는 제1 MOS 트랜지스터, 및 아날로그 신호를 처리하는 회로에 감소된 임계 전압을 가지는 제2 MOS 트랜지스터를 구비한 집적 회로를 포함하는 디지털 무선 송수신기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2 MOS 트랜지스터 중 NMOS 트랜지스터는 부(-)의 임계 전압을 가지고, 상기 제2 MOS 트랜지스터 중 PMOS 트랜지스터는 정(+)의 임계 전압을 가지는 것을 특징으로 하는 디지털 무선 송수신기.
  3. 높은 임계 전압을 가지는 제1 MOS 트랜지스터 및 감소된 임계 전압을 가지는 제2 MOS 트랜지스터를 구비한 제1항에 따른 디지털 무선 송수신기를 포함하는 이동 전화.
  4. 디지털 무선 송수신기로서,
    적어도 일부가 감소된 임계 전압을 가지는 MOS 트랜지스터를 포함하는 아날로그 장치, 및 적어도 일부가 높은 임계 전압을 가지는 MOS 트랜지스터를 포함하는 디지털 장치를 구비한 직접 회로를 포함하는 디지털 무선 송수신기.
  5. 디지털 무선 송수신기로서,
    MOS 트랜지스터를 각각 구비하는 아날로그 RF 수신기 및 송신기 구성요소와, 아날로그 디지털 변환기와, 디지털 아날로그 변환기를 포함하며,
    상기 아날로그 RF 수신기 및 송신기 구성요소와 아날로그 디지털 변환기 및 디지털 아날로그 변환기는 동일한 집적 회로의 일부를 형성하고,
    상기 아날로그 디지털 변환기 및 디지털 아날로그 변환기 내의 MOS 트랜지스터는 높은 임계 전압을 가지며, 상기 아날로그 구성요소 내의 MOS 트랜지스터의 적어도 일부는 낮은 임계 전압을 가지는 디지털 무선 송수신기.
  6. 제5항에 따른 송수신기를 포함하는 이동 전화.
  7. 디지털 무선 송수신기로서,
    MOS 트랜지스터를 각각 구비하는 아날로그 장치 및 디지털 장치를 포함하고,
    상기 디지털 장치 내의 MOS 트랜지스터는 높은 임계 전압을 가지고, 상기 아날로그 장치 내의 MOS 트랜지스터의 적어도 일부는 더 낮은 임계 전압을 가지는 디지털 무선 송수신기.
  8. 제7항에 있어서, 상기 아날로그 장치 및 디지털 장치는 동일한 집적 회로의 일부로서 형성되는 것을 특징으로 하는 디지털 무선 송수신기.
  9. 디지털 무선 송수신기로서,
    MOS 트랜지스터를 각각 구비하는 아날로그 구성요소 및 디지털 구성요소를 포함하고,
    상기 디지털 구성요소 내의 MOS 트랜지스터는 상기 아날로그 구성요소 내의 MOS 트랜지스터의 적어도 일부보다 더 높은 임계 전압을 가지는 디지털 무선 송수신기.
  10. 제9항에 있어서, 상기 아날로그 구성요소 내의 NMOS 트랜지스터는 부(-)의 임계 전압을 가지며, 상기 아날로그 구성요소 내의 PMOS 트랜지스터는 정(+)의 임계 전압을 가지는 것을 특징으로 하는 디지털 무선 송수신기.
  11. 디지털 무선 송수신기로서,
    MOS 트랜지스터를 각각 구비하는 아날로그 RF 수신기 및 송신기 구성요소와, 아날로그 디지털 변환기와, 디지털 아날로그 변환기를 포함하고,
    상기 아날로그 디지털 변환기 및 디지털 아날로그 변환기 내의 MOS 트랜지스터는 높은 임계 전압을 가지며, 상기 아날로그 구성요소 내의 MOS 트랜지스터는 낮은 임계 전압을 가지는 디지털 무선 송수신기.
  12. 제11항에 있어서, 상기 아날로그 RF 수신기 및 송신기 구성요소와, 상기 아날로그 디지털 변환기와 디지털 아날로그 변환기는 동일한 집적 회로의 일부로서 형성되는 것을 특징으로 하는 디지털 무선 송수신기.
  13. 제11항에 있어서, 상기 아날로그 RF 수신기 및 송신기 구성요소 내의 NMOS 트랜지스터는 부(-)의 임계 전압을 가지고, 상기 아날로그 RF 수신기 및 송신기 구성요소 내의 PMOS 트랜지스터는 정(+)의 임계 전압을 가지는 것을 특징으로 하는 디지털 무선 송수신기.
  14. MOS 트랜지스터를 각각 구비하는 아날로그 구성요소 및 디지털 구성요소를 포함하는 디지털 무선 송수신기 집적 회로를 제조하는 방법으로서,
    상기 디지털 구성요소 내의 MOS 트랜지스터가 높은 임계 전압을 가지고 상기 아날로그 구성요소 내의 MOS 트랜지스터의 적어도 일부가 더 낮은 임계 전압을 가지도록 임계 주입 용량을 변경하는 단계를 포함하는 디지털 무선 송수신기 집적 회로 제조 방법.
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