KR20050122113A - 저전력 초광대역 수신기를 위한 저잡음 증폭기 - Google Patents

저전력 초광대역 수신기를 위한 저잡음 증폭기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 저전력 초광대역 수신기를 위한 저잡음 증폭기에 관한 것이다. 각 증폭단으로부터 분리된 각 패드 접지부와 패키지 접지부로 구비된 접지부; 각 MOSFET 소자로 된 증폭단의 드레인 단자에 바이어스 전압을 제공하는 바이어스부; 1V 이하의 낮은 전원 전압으로 동작할 수 있도록 수신 신호를 증폭하는 공통 에미터 MOSFET 구조의 2단 증폭단으로 구성된 증폭부; 및 입력 임피던스 정합부, 2단으로 구성된 상기 증폭부 사이에서 안정도를 개선하기 위한 단간 임피던스 정합부, 및 출력 임피던스 정합부로 구비된 임피던스 정합부로 구성된다. 따라서, 공통 에미터 구조로 저잡음 증폭기를 설계하고 분할된 접지부와 임피던스 정합회로를 이용하여 발진을 방지하여, 종래의 캐스코드 구조의 저잡음 증폭기에 비하여 2배 가까이 낮은 전원 전압을 사용할 수 있으며, 전원 전압이 1V 이하인 고속 디지털 회로와 단일칩으로 제작가능하며, 저전력으로 동작하면서 큰 전압이득을 얻을 수 있다.

Description

저전력 초광대역 수신기를 위한 저잡음 증폭기{A Low Noise Amplifier for Low-Power Ultra-Wideband Receivers}
본 발명은 저전력 초광대역(UWB) 수신기를 위한 저잡음 증폭기(LNA)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 종래의 캐스코드 구조의 저잡음 증폭기에 비해 저전력으로 동작하면서 큰 전압이득을 얻을 수 있고 수신 신호를 증폭하는 저전력 초광대역(UWB) 수신기를 위한 저잡음 증폭기(LNA)에 관한 것이다.
도 1은 종래의 초광대역(UWB) 수신기의 내부 구성을 도시한 블록도이다. 먼저 공중의 무선신호는 안테나(210)로 수신되고, 대역통과필터(220)에서 밴드가 선택된 신호는 저잡음증폭기(230)에서 증폭되며, 주파수 합성기(240)의 출력 주파수와 하향 주파수 변환기(250)에서 믹싱되어 중간 주파수 신호로 변환된다.
도 2는 도 1의 저잡음 증폭기(230)에 대한 종래의 일반적인 회로 구현을 보여주는 도면이다. A. Bevilacqua와 A. Niknejad가 "IEEE International Solid-State Circuit Conference Digest of Technical Papers" 에 출간한 논문 "An Ultra-Wideband CMOS LNA for 3.1 to 10.6 GHz Wireless Receivers" 에 설명된 바와 같이 광대역 임피던스 정합회로와 캐스코드 구조를 그 특징으로 한다.
MOSFET 소자를 이용하여 구현되는 캐스코드 구조의 저잡음 증폭기는 입력과 출력사이의 커플링을 줄이며, 트랜지스터(232)가 가지는 게이트 단자와 드레인 단자 사이의 기생 커패시턴스가 밀러 효과에 의하여 크게 보이는 효과를 줄여주는 장점이 있다.
그러나, 트랜지스터(231)와 캐스코딩 트랜지스터(232)가 직렬 연결되므로, 각각의 트랜지스터를 포화영역에서 동작시키기 위한 최소 전원전압이 적어도 게이트-소스 턴온(turn on) 전압의 2배 이상이라야 하므로, MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor FET) 소자의 특성과 바이어스 안정성을 고려할 때, 1V 이하의 전원 전압을 사용하기 어렵다는 단점이 있다. 이는 저전압 고속 디지털 회로와 단일 전원을 사용하여 원 칩으로 제작하기 어려우며, 동일한 바이어스 전류에 대한 소비 전력의 증가를 가져온다는 문제점이 있다.
본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로써, 본 발명의 목적은 초광대역(UWB) 수신기의 저잡음 증폭기는 종래의 캐스코드 구조의 저잡음 증폭기를 사용하는데 1V 이하의 낮은 전원전압을 사용하기 어려운 것에 비하여, 본 발명의 저전력 초광대역(UWB) 수신기를 위한 저잡음 증폭기(LNA)는 0.7V 이하의 전원전압을 사용할 수 있으며, 종래의 캐스코드 구조의 저잡음 증폭기에 비하여, 저전력으로 동작하면서 보다 큰 전압이득을 얻을 수 있는 저전력 초광대역(UWB) 수신기를 위한 저잡음 증폭기(LNA)를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 저잡음 증폭기는, 종래의 캐스코드 구조의 저잡음 증폭기에 비하여, 낮은 전원 전압으로 동작할 수 있는 공통 에미터 구조의 2단 증폭단으로 구성되고, 입력과 출력 사이의 커플링을 줄이기 위하여, 각 증폭단이 분리된 패드 접지부와 패키지 접지부를 포함하며, 2단으로 이루어지는 증폭단의 안정도를 개선하기위한 단간(inter-stage) 임피던스 정합회로를 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 초광대역(UWB) 무선 수신기의 저잡음 증폭기에 있어서: 각 증폭단으로부터 분리된 각 패드 접지부와 패키지 접지부로 구비된 접지부; 각 MOSFET 소자로 된 증폭단의 드레인 단자에 바이어스 전압을 제공하는 바이어스부; 1V 이하의 낮은 전원 전압으로 동작할 수 있도록 수신 신호를 증폭하는 공통 에미터 MOSFET 구조의 2단 증폭단으로 구성된 증폭부; 및 입력 임피던스 정합부, 2단으로 구성된 상기 증폭부 사이에서 안정도를 개선하기 위한 단간(inter-stage) 임피던스 정합부, 및 출력 임피던스 정합부로 구비된 임피던스 정합부로 구성되는 것을 특징으로 하는 저전력 초광대역(UWB) 수신기를 위한 저잡음 증폭기(LNA)를 제공한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 도면들 중 참조번호들 및 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호들 및 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 의한 저잡음 증폭기(LNA: Low Noise Amplifier)의 내부 시스템은 MOSFET 소자로 구현되는 공통 에미터 구조의 증폭단이 격리효과가 떨어져서 발진 가능성이 커지게 되는 문제를 개선하고 입력과 출력 사이의 커플링을 줄이기 위하여 각 증폭단이 분리된 각 패드 접지부(140)와 패키지 접지부(150)로 구비된 접지부; 각 MOSFET 소자로 된 증폭단의 드레인 단자에 바이어스 전압을 인가하는 바이어스부(160); 1V 이하의 낮은 전원 전압으로 동작할 수 있도록 수신 신호를 증폭하는 공통 에미터 MOSFET 구조의 2단 증폭단으로 구성된 증폭부; 및 입력 임피던스 정합부(110), 2단으로 구성된 상기 증폭부 사이에서 안정도를 개선하기 위한 단간(inter-stage) 임피던스 정합부(120), 및 출력 임피던스 정합부(130)로 구비된 임피던스 정합부를 포함한다.
본 발명에 따른 저전력 초광대역(UWB) 수신기를 위한 저잡음 증폭기(LNA)는전원 전압을 낮추기 위하여 2단으로 이루어지는 공통 에미터 구조의 증폭단을 사용하며, 여기에서 파생되는 입력과 출력사이의 분리 특성이 열화되는 것을 보상하기 위하여 분할된 상기 접지부와 상기 단간 임피던스 정합부(120)를 구성하는 것이다.
상기 구조에서는 상기 입력 임피던스 정합부(110)의 접지부와 각 단의 공통 에미터 구조의 증폭단에 사용되는 트랜지스터의 소스(Source) 단자에 연결되는 접지부가 MOSFET 기판(substrate) 상의 레이아웃(layout)에서 분할된 패드 패턴을 가진다.
또한, 상기의 구조에서는 부귀환(negative feedback)에 의한 안정도 문제와 커플링을 감소시키기 위하여, 상기 단간 임피던스 정합부(120)의 접지가 독립된 레이아웃 접지 패턴을 가지거나, 패키지의 핀 수를 줄이기 위하여 첫 번째 증폭단에 사용된 트랜지스터의 소스(source) 단자에 연결되는 접지 패턴을 공유한다.
또한, 상기 단간(inter-stage) 임피던스 정합부(120) 회로는 종래의 다단 저잡음 증폭기 설계와 달리 최적 노이즈 임피던스를 정합하기 위하여 설계되지 않는다. 상기 단간 임피던스 정합부(120)는 전압 이득(voltage gain)-노이즈 지수(noise figure)-안정도의 세 가지 파라미터가 설계 사양을 만족하도록 설계된다.
따라서, 종래의 캐스코드 구조의 저잡음 증폭기가 2개의 트랜지스터를 직렬로 연결함으로 낮은 전원 전압을 사용할 수 없었던 문제를 공통 에미터 증폭단과 분할된 접지부 및 단간 임피던스 정합회로를 이용하여 해결하는 것이 본 발명의 특징이다.
상기 입력 임피던스 정합부(110)는 트랜지스터 입력의 최적 노이즈 임피던스와 50 옴 정합을 위하여 사용되며 대역 통과 필터로서의 기능도 수행한다.
상기 단간 임피던스 정합부(120)는 저잡음 증폭기의 주파수 대역 내에서 일정한 전압 이득을 얻고, 동시에 설계 사양의 노이즈 지수를 만족하며, 출력이 발진하지 않는 안정도 수준을 얻기 위하여 사용된다.
상기 출력 임피던스 정합부(130)는 출력단에 연결되는 하향 주파수 혼합기(230)의 입력 임피던스와 복소 정합(conjugate matching)을 위하여 사용된다.
상기 바이어스부(160)는 트랜지스터의 드레인 전압을 유지함과 동시에 각 단의 출력 전압이득이 얻어지도록 고주파에서 높은 임피던스를 제공하기 위하여 사용된다.
상기 증폭부는 각 증폭단의 트랜지스터 소스(source) 단자는 분할된 패드 접지부(140)를 기판(substrate) 상에 가지며, 패키지 접지부(150)에서 공통 접지 단자로 접합 연결된다.
< 실시예 >
도 4는 상기 도 3에 도시된 본 발명의 일실시예에 따른 접지부를 제외한 저잡음 증폭기 회로도이다.
먼저, 커패시터(400)와 인덕터(401)로 이루어지는 병렬 공진 회로를 이용하여 구성된 광대역 임피던스 정합회로를 통하여 50 옴 임피던스를 가지는 입력신호원은 트랜지스터(410)의 최적 노이즈 임피던스와 광대역 정합이 이루어진다. 커패시터(402)는 상기 인덕터(401)에 의하여 바이어스 점을 유지하기 위하여 사용된다.
인덕터(403)와 패드 접지부2의 기생 인덕턴스는 상기 트랜지스터(410)의 게이트 단자와 소스 단자 사이의 기생 커패시턴스와 같이 직렬 공진 회로를 형성하며, 상기 커패시터(400)와 상기 인덕터(401)로 이루어지는 병렬 공진 회로와 같이 임피던스 정합에 사용 됨과 동시에 통과 대역 필터로 동작한다.
첫 번째 공통 임피던스 증폭단에서 트랜지스터(410) 드레인 단자에 연결된 인덕터(411)와 저항(412)은 첫 번째 증폭단의 출력 임피던스를 제공하기 위하여 사용된다. 두 번째 증폭단에서 트랜지스터(420) 드레인 단자에 연결된 인덕터(421)와 저항(422)은 저잡음 증폭기 두 번째 증폭단의 출력 임피던스를 제공하기 위하여 사용된다.
단간 임피던스 정합회로는 상기 트랜지스터(410)의 드레인 단자와 소스 단자사이에 병렬 연결된 커패시터(413), 첫 번째와 두 번째 증폭단 사이에 직렬 연결된 인덕터(414)와 커패시터(415)로 이루어진다. 상기 커패시터(413) 및 인덕터(414)는 첫 번째 증폭단의 출력 임피던스와 두 번째 증폭단의 최적 노이즈 임피던스를 정합하기 위하여 사용되며, 상기 커패시터(415)는 두 번째 단의 게이트 단자의 바이어스 점을 유지하기 위하여 사용된다.
상기 도 4의 광대역 입력 임피던스 정합부, 첫 번째 공통 에미터 증폭단, 두 번째 공통 에미터 증폭단은 기판(substrate) 상에서 분할된 레이아웃(layout) 패턴으로 구현되는 패드(pad) 접지부를 가진다. 따라서, 공통 접지를 사용함으로 존재하는 첫 번째 증폭단의 출력이 첫 번째 증폭단의 입력으로 귀환되는 경로가 제거된다. 또한 두 번째 증폭단의 출력이 첫 번째 와 두 번째 증폭단의 입력으로 귀환되는 경로가 제거된다. 이로써, 공통 에미터 증폭단을 사용함으로 입력과 출력 사이의 격리 특성이 캐스코드 구조에 비하여 열화되어, 안정도 감소로 인한 발진을 방지하게 되는 것이다.
도 5는 상기 도 3에 도시된 본 발명의 일실시예에 따른 접지부를 구현한 등가 회로이다.
기판(substrate) 상의 패드 접지부1의 등가회로는 기판(substrate) 상의 패드 접지부 패턴과 패키지를 연결하는 본드 와이어(bond wire)의 기생 인덕턴스(510), 패드 접지부 패턴과 실제 접지사이의 기생 커패시턴스(511)와 기생 저항(512)으로 표현된다. 패드 접지부2와 패드 접지부3도 각각 기생 인덕턴스(510, 520, 530) 및 기생 커패시턴스(511, 521, 531) 및 기생저항(512, 522, 532)으로 표현된다. 패드 접지부1,2,3은 레이아웃 상에서 분리된 패턴과 분리된 본드 와이어를 사용하지만, 패키지 외부에서 또는 다운 본딩을 통해 하나의 접지로 연결된다. 패키지 외부의 접지 패턴 또는 다운 본딩을 통한 접지 패턴과 실제 접지 사이의 인덕턴스(500)는 상기 본드 와이어 기생 인덕턴스(510, 520, 530)에 비하여 매우 작은 값이므로, 패드 접지부1,2,3 사이의 귀환 경로는 효과적으로 제거되어, 저잡음 증폭기의 안정도가 개선된다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다.
예를 들면, 도 4에서 수동 소자들은 전압 이득-노이즈 지수-안정도가 주어진 소자 특성과 설계 사양을 만족시키는 다른 구성으로 설계될 수 있다. 또한, 도 5에 도시된 접지부 등가회로는 패키지의 인접한 핀들 간에 존재하는 상호 인덕턴스와 상호 커패시턴스를 포함하여 도시될 수 있다. 또 다른 예로써, 본 발명의 범위내에서, 정전기 방지용 다이오드의 접지부 또는 신호 손실을 줄이기 위한 각 패드 자체의 쉴딩에 사용되는 공통 접지 패드를 공통 에미터 증폭단과 광대역 임피던스 정합 회로의 접지부와 분할하여 저잡음 증폭기의 안정도를 향상시킬 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 저전력 초광대역(UWB) 수신기를 위한 저잡음 증폭기(LNA)는 종래의 초광대역(UWB) 수신기의 저잡음 증폭기는 일반적으로 캐스코드 구조를 사용하여, 1V 이하의 전원전압을 사용하기 어려운 것에 비하여, 본 발명에 따른 저전력 초광대역(UWB) 수신기를 위한 저잡음 증폭기(LNA)는 0.7V 이하의 전원전압을 사용할 수 있으며, 공통 에미터 구조로 저잡음 증폭기를 설계하고 분할된 접지부와 임피던스 정합회로를 이용하여 발진을 방지하여, 동일 공정에서 종래의 캐스코드 구조의 저잡음 증폭기에 비하여 2배 가까이 낮은 전원 전압을 사용할 수 있으며, 저전력으로 동작하면서 보다 큰 전압이득을 얻을 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의한 저잡음 증폭기(LNA)는 1V 이하의 단일 전원 전압을 이용하는 100 나노미터 이하의 CMOS 고속 디지털 회로와 직접화가 가능하다는 효과가 있다.
도 1은 종래의 초광대역(UWB) 수신기의 구성을 도시한 블록도.
도 2는 종래의 초광대역(UWB) 수신기의 저잡음 증폭기 구성도.
도 3은 본 발명에 의한 저잡음 증폭기를 구성한 블록도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 도 3의 저잡음 증폭기 회로부를 구현한 회로도.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 도 3의 저잡음 증폭기 접지부를 구현한 회로도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110 : 입력 임피던스 정합부 120 : 단간 임피던스 정합부
130 : 출력 입피던스 정합부 140 : 패드 접지부
150 : 패키지 접지부 160 : 바이어스부

Claims (5)

  1. 초광대역(UWB) 무선 수신기의 저잡음 증폭기에 있어서:
    각 증폭단으로부터 분리된 각 패드 접지부와 패키지 접지부로 구비된 접지부;
    각 MOSFET 소자로 된 증폭단의 드레인 단자에 바이어스 전압을 제공하는 바이어스부;
    1V 이하의 낮은 전원 전압으로 동작할 수 있도록 수신 신호를 증폭하는 공통 에미터 MOSFET 구조의 2단 증폭단으로 구성된 증폭부; 및
    입력 임피던스 정합부, 2단으로 구성된 상기 증폭부 사이에서 안정도를 개선하기 위한 단간(inter-stage) 임피던스 정합부, 및 출력 임피던스 정합부로 구비된 임피던스 정합부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 저전력 초광대역(UWB) 수신기를 위한 저잡음 증폭기(LNA).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 저잡음 증폭기의 상기 증폭부는 초광대역(UWB) 수신기에 있어서, 분할된 본드 와이어와 분할된 기판(substrate) 상 패드 접지부를 가지며, 전압이득-노이즈 지수-안정도를 동시에 고려하여 설계된 단간(inter-stage) 임피던스 정합회로를 이용하여, 다단으로 구성되는 공통 에미터 증폭단으로 신호를 증폭하는 것을 특징으로 하는 저전력 초광대역(UWB) 수신기를 위한 저잡음 증폭기(LNA).
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 단간 임피던스 정합부 회로는 트랜지스터의 드레인 단자와 소스 단자사이에 병렬 연결된 커패시터를 이용하여 전압이득-노이즈 지수-안정도에 대한 설계 사양을 동시에 만족하는 것을 특징으로 하는 저전력 초광대역(UWB) 수신기를 위한 저잡음 증폭기(LNA).
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 저잡음 증폭기는 기판(substrate)과 신호 패드(pad) 사이에 손실을 방지하기 위하여 사용되는 접지 패턴을 각 공통 에미터 증폭단의 접지부와 분할하여 안정도를 개선하고, 정전기 방지용 다이오드의 접지부를 각 공통 에미터 증폭단과 분할하여 안정도를 개선하는 것을 특징으로 하는 저전력 초광대역(UWB) 수신기를 위한 저잡음 증폭기(LNA).
  5. 제 1 항에 있어서,
    신호 손실을 줄이기 위한 각 패드 자체의 쉴딩에 사용되는 공통 접지 패드를 공통 에미터 증폭단과 광대역 임피던스 정합 회로의 접지부와 분할하여 안정도를 개선하는 것을 특징으로 하는 저전력 초광대역(UWB) 수신기를 위한 저잡음 증폭기(LNA).
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