KR20060090525A - 이미지 신호의 제거특성과 이득제어 특성을 가지는 저잡음증폭기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 캐스코드 증폭기를 기본 구조로 하는 저잡음 증폭기에 있어서, 캐스코드 구조에서 공통소스(CS)의 드레인과 공통게이트(CG)의 소스의 연결부위에 이미지 신호 대역에서는 직렬공진을 수행하고, 원하는 신호대역에서는 병렬공진을 수행하는 LC 공진회로부와 상기 공진회로부와 전기적으로 접속하여 출력신호의 이득을 제어하는 전류조향회로부를 포함하는 것을 특징으로 하는 저잡음 증폭기를 제공한다. 상기 구성의 저잡음 증폭기는 이미지 신호의 제거특성과 이득제어 특성을 하나의 증폭기내에 구현한다.

저잡음증폭기, 캐스코드, 이미지, 이득

Description

이미지 신호의 제거특성과 이득제어 특성을 가지는 저잡음 증폭기{Low Noise Amplifier Having the Properties of Image Signals Eliminating and Gain-Controlling}

도 1은 종래의 캐스코드 구조의 저잡음 증폭기의 회로구성도

도 2는 종래의 캐스코드 구조의 저잡음 증폭기의 회로에 이득제에 회로가 부가된 저잡음 증폭기의 회로구성도

도 3은 본 발명에 따른 캐스코드 구조의 저잡음 증폭기의 회로구성도

도 4는 종래의 캐스코드 구조의 저잡음 증폭기의 회로구성도에 따른 이득특성도

도 5는 본 발명에 따른 캐스코드 구조의 저잡음 증폭기의 회로구성도에 따른 이득특성도

본 발명은 캐스코드 증폭기를 기본 구조로 하는 저잡음 증폭기에 관한 것으 로, 보다 상세하게는 이미지 신호의 제거특성과 이득제어 특성을 하나의 증폭기내에 구현할 수 있는 새로운 저잡음 증폭기에 관한 것이다.

최근 들어 무선통신용 수신기를 설계함에 있어 대기 중에 존재하는 수 많은 고주파 성분들 중에 원하는 신호를 남기고 주파수를 믹싱하는 과정에서 생겨날 수 있는 이미지 신호를 제거하는 구조가 연구 및 이용되어지고 있다.

또한 이득제어 특성은 대기 중의 다양한 파워레벨의 신호를 증폭해서 아날로그-디지털 변환기(Analog Digital Converter, ADC)에 일정한 신호를 전달하기 위하여 수신기 시스템에 반드시 필요한 것이다. 따라서 수신기 시스템을 구성하는 저잡음 증폭기의 기술분야에서도 종래부터 시스템의 이득제어특성을 만족시키기 위한 노력들이 계속되어지고 있다.

종래 많이 사용되고 있는 저잡음 증폭기의 구조로서 캐스코드 구조를 갖는 저잡음 증폭기와 이에 이득제어 특성를 부여한 저잡음 증폭기가 각각 도 1 및 도 2에 도시되어 있다.

종래에는 주로 도 1에 기재된 형태의 단순한 캐스코드 구조의 저잡음 증폭기가 사용되었다. 이러한 캐스코드 구조 방식에서는 소스 공통 (CS) 트랜지스터의 드레인과 게이트 공통 (CG) 트랜지스터의 소스의 연결부위에서 발생하는 기생 캐패시터 성분에 의해 노이즈 특성이 저하되는 문제가 있다.

또한, 수신기 시스템을 구현함에 있어 요구되는 다이나믹 레인지를 맞추기 위하여 자동이득제어(AGC)를 비롯한 여러 회로 블락들이 복잡하게 이루어 짐에 따라 고주파 회로의 앞단 회로인 저잡음 증폭기에도 이득제어 증폭기만의 특성이었던 이득제어 특성을 적용하는 사례가 늘어나고 있다.

도 2는 이득제어 특성을 개선할 목적으로 전류를 제어함으로써 이득을 제어하는 저잡음 증폭기를 보여주고 있다. 하지만, 이러한 구조의 저잡음 증폭기는 이미지 신호를 제거하기 어려워 후단에 이어지는 회로들의 이미지 밴드 제거 특성을 완화하는데 적당하지 않은 문제가 있을 뿐만 아니라, 기생 캐패시터 성분에 의한 노이즈 특성이 저하되는 문제를 마찬가지로 안고 있다.

또한 상기 종래 저잡음 증폭기의 기술분야에서 문제시되는 이미지신호의 제거 특성과 이득제어 특성을 개선할 목적으로 각각 별도의 장치를 외적으로 부가하는 경우에는 칩사이즈가 커지고 생산단가를 높이게 되는 문제가 있다.

상기한 바와 같이 본 발명은 상기 종래 기술이 가지는 한계를 극복하기 위해 제시된 것으로, 이미지 신호의 제거 특성과 이득 제어 특성을 하나의 증폭기내에 구현할 수 있어, 후단에 이어지는 회로들에게서 요구되어지는 이미지 제거 특성과 이득 제어 특성을 부여할 수 있는 저잡음 증폭기를 제공함에 있다. 이득 제어 특성을 부여하는 경우 전체 수신기 시스템의 다이나믹 레인지를 줄일 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 다른 목적은 기생 캐패시터의 영향을 최소화하여 노이즈 특성을 개선시킬 수 있는 구조의 저잡음 증폭기를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 요구되는 필터수를 절감하고 회로도의 구성을 단 순화하여 전체 칩사이즈의 감소 및 생산단가를 절감할 수 있는 구조의 저잡음 증폭기를 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 캐스코드 증폭기를 기본 구조로 하는 저잡음 증폭기에 있어서, 캐스코드 구조에서 공통소스(CS)의 드레인과 공통게이트(CG)의 소스의 연결부위에 이미지 신호 대역에서는 직렬공진을 수행하고, 원하는 신호대역에서는 병렬공진을 수행하는 LC 공진회로부와 상기 공진회로부와 전기적으로 접속하여 출력신호의 이득을 제어하는 전류조향회로부를 포함하는 것을 특징으로 하는 저잡음 증폭기를 제공한다.

본 발명에 의하면 상기에서 전류조향회로부는 바람직하게는 MOS 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 저잡음 증폭기를 제공한다.

본 발명에 의하면 제어전압에 따른 이득을 선형적으로 변화시키기 위한 선형 이득 제어부가 상기 MOS 트랜지스터의 게이트 단에 더 접속되어짐을 특징으로 하는 저잡음 증폭기를 제공한다.

본 발명에 의하면 상기 선형 이득 제어부는 트랜지스터의 게이트 전압과 드레인/소스간 전류의 비선형 함수특성을 이용하고, 이들 비선형 함수의 역함수 관계를 이용하여 이득을 선형적으로 제어하는 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 저잡음 증폭기를 제공한다.

이하, 본 발명의 내용을 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같 다.

본 발명의 저잡음 증폭기는 캐스코드 증폭기의 구조를 기본으로 하고 있다. 도 3은 본 발명에 따른 저잡음 증폭기의 회로구성도로서, 캐스코드 구조의 증폭기와, 상기 캐스코드 증폭기를 구성하는 소스 공통회로(CS)의 드레인과 게이트 공통회로(CG)의 소스의 연결부위에 LC 공진회로부(기생패캐시터, L_im, C_im)와, 상기 LC 공진회로부와 전기적으로 접속하는 전류조향회로부(current steering circuit)를 포함하고 있다. 상기 구성의 저잡음 증폭기는 이득제어회로부를 더 포함할 수 있다.

LC 공진회로부는 소스 공통회로(CS)의 드레인과 게이트 공통회로(CG)의 소스의 연결부위에 발생하는 기생 캐패시터 성분과, 이와 병렬연결되는 인덕터(L_im) 및 캐패시터(C_im) 성분을 포함한다.

상기 기생캐패시터 성분과 인덕터(L_im) 및 캐패시터(C_im) 성분으로 구성되는 LC 공진회로부는 각 성분에 적절한 값을 부여하는 경우 이미지 신호 대역에서는 직렬공진을 수행하고, 원하는 신호대역에서는 병렬공진을 수행하도록 조절되어질 수 있다. 이때 이득제어를 위해 사용된 회로 방향을 보이는 기생 캐패시터도 고려되어야 한다.

전류조향회로부(current steering circuit)는 상기 LC 공진회로부와 전기적으로 접속하여, 전류의 흐름을 제어한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서 상기 전류조향 회로부는 MOS 트랜지스터(M3)로 구현되고 있으며, 드레인과 소스단이 LC 공 진회로부의 캐패시터 C_im의 양단과 병렬접속되어 있다.

전류조향회로부는 게이트로 공급되는 제어전압(V_cont: 본 발명의 실시예에서는 이 제어전압은 선형성을 부여하기 위해 이득제어회로부를 거치도록 구현되고 있다)의 공급에 따라 전류를 조향하는 기능을 수행한다.

만일 트랜지스터 M3가 온(ON)이 되는 경우 LC 공진회로부와 전류조향회로부를 구성하는 제어회로부에서의 전체 임피던스는 낮아지고, 결국 캐스코드에서의 신호 출력(Vout)의 크기를 감소시킨다. 이에 따라 저잡음 증폭기의 전체 이득은 감소하게 된다.

반대로 M3가 오프(OFF)되는 경우에는 제어회로부에서의 임피던스는 높아지고, 결국 이는 캐스코드 회로에서의 전류의 흐름을 증가시켜 신호 출력(Vout)의 크기를 증가시킨다. 이에 따라 저잡음 증폭기의 전체 이득은 증가하게 된다.

이와 같은 원리를 이용하면, 인덕터(L_im) 및 캐패시터(C_im) 성분의 값을 적절하게 선택하고, 제어전압 Vcont를 변경하는 것에 의해 이미지 제거특성과 이득제어특성을 동시에 실현할 수 있게 된다.

이러한 특성의 차이는 도 4및 도 5를 참조하여 설명하면 더욱 명확하다.

도 4는 종래의 캐스코드 구조의 저잡음 증폭기의 회로구성도에 따른 이득특성도로서, 이득(G)은 자체 내장된 이득제어 회로를 통해 원하는 주파수에서 증가시킬 수 있지만, 이미지 신호는 제거되고 있지 못함을 알 수 있다.

반면, 도 5는 본 발명에 따른 캐스코드 구조의 저잡음 증폭기의 회로구성도 에 따른 이득특성 비교도로서, 이를 참조하면 이미지 신호대역(f_im)에서 직렬공진을 수행하여 이를 제거할 수 있고, 원하는 신호대역(f_want)에서는 병렬공진을 수행하여 잡음특성을 개선하고 있으며, 뿐만 아니라 전류조향회로부에서의 게이트 전압(제어전압)의 조절을 통해 전체 이득(Vout/Pin)을 제어할 수 있음을 확인할 수 있다.

또한, 본 발명의 바람직한 실시예는 상기 구조의 저잡음 증폭기에 내적으로 부가하여 별도의 선형 이득 제어부를 부가할 수 있다. 선형 이득 제어부는 전류조향회로부를 구성하는 게이트 전압 즉, 제어전압과 드레인 소스간에 흐르는 전류특성이 비선형적으로 변화하고, 이에 따라 전체 이득이 비선형적으로 되는 것을 보다 이득제어를 원활하게 수행하기 위해 이를 선형적으로 보간하기 위한 것이다.

선형 이득 제어부는 제어전압 Vcont에 대해 선형적으로 일정하게 이득이 제어되어지도록 설계되어져야 하며, 트랜지스터의 게이트 전압과 드레인/소스간 전류의 비선형 함수 특성을 이용하여 이의 역함수 관계를 이용하여 설계하면 제어전압 Vcont에 대해 선형적인 이득제어를 할 수 있다.

상기한 바와 같이 본 발명에 따른 저잡음 증폭기는 이미지 신호의 제거특성과 이득제어 특성을 하나의 증폭기내에 구현할 수 있다. 이로 인해 후단에 이어지는 회로들에게서 요구되어지는 이미지 제거특성과 이득제어 특성을 부여할 수 있게 된다. 또한, 하나의 회로에 두가지 특성을 발휘하게 함으로써 칩사이즈 및 시스템 생산 단가를 줄일 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (4)

1. 캐스코드 증폭기를 기본 구조로 하는 저잡음 증폭기에 있어서, 캐스코드 구조에서 공통소스(CS)의 드레인과 공통게이트(CG)의 소스의 연결부위에 이미지 신호 대역에서는 직렬공진을 수행하고, 원하는 신호대역에서는 병렬공진을 수행하는 LC 공진회로부와 상기 공진회로부와 전기적으로 접속하여 출력신호의 이득을 제어하는 전류조향회로부를 포함하는 것을 특징으로 하는 저잡음 증폭기
2. 제 1항에 있어서, 전류조향회로부는 MOS 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 저잡음 증폭기
3. 제 2항에 있어서, 제어전압에 따른 이득을 선형적으로 변화시키기 위한 선형 이득 제어부가 상기 MOS 트랜지스터의 게이트 단에 더 접속되어짐을 특징으로 하는 저잡음 증폭기
4. 제 3항에 있어서, 선형 이득 제어부는 트랜지스터의 게이트 전압과 드레인/소스간 전류의 비선형 함수특성을 이용하고, 이들 비선형 함수의 역함수 관계를 이용하여 이득을 선형적으로 제어하는 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 저잡음 증폭기

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