KR20070052782A - 증폭 방법, 증폭기 및 증폭 회로 - Google Patents

Abstract

캐스코드 LNA 회로는 조정된 유도성 부하를 구비한다. 그 회로는 넓은 주파수 범위에 걸쳐 균일한 응답을 나타낸다.

Description

증폭 방법, 증폭기 및 증폭 회로{TUNABLE CASCODE LNA WITH FLAT GAIN RESPONSE OVER A WIDE FREQUENCY RANGE}

본 발명은 넓은 주파수 범위에 걸쳐 균일한 이득 응답을 가진 조정 가능 캐스코드 LNA(tunable cascode LNA)에 관한 것이다.

오늘날 많은 무선 시스템은 수신기 체인에서 캐스코드 LNA(Low Noise Amplifier)를 이용한다. 그러한 구조의 장점은 잘 알려진 바와 같이 단일 트랜지스터 스테이지에 비해, 리버스 아이솔레이션(reverse isolation)이 양호하여, 입력 임피던스 매칭 네트워크(input impedence matching network)가 LNA 부하에 거의 무관하게 되고 LO(Local Oscillator)로부터의 누설을 크게 감소시킨다는 점이다. 점점 더 많은 무선 시스템들이 넓은 주파수 대역에 걸쳐 동작하고 있는데, 802.11a의 경우, 동작 주파수는 4.9GHz 내지 6.0GHz이고, UWB의 경우, 동작 대역은 수 GHz를 커버한다. LNA는 수신기 체인의 제 1 스테이지(안테나 및 전단 필터 이후에 존재함)로서, 동작 주파수에 걸쳐 높은 이득과 낮은 잡음 특성을 제공할 필요가 있다.

도 1은 전형적인 캐스코드 LNA의 간략화된 회로도이다.

도 2는 넓은 동작 주파수에 걸쳐 유도성 부하를 가진 캐스코드 LNA의 전형적인 주파수 응답을 나타내는 도면이다.

도 3은 조정 가능 유도성 부하를 가진 캐스코드 LNA의 간략화된 회로도이다.

도 4는 조정된 LNA의 이상적인 주파수 응답을 나타낸 도면이다.

도 5는 전형적인 입력 매칭 네트워크 및 그들의 주파수 응답을 나타낸 도면이다.

도 6은 조정된 유도성 부하와, 그의 매칭 네트워크 주파수 응답 형태를 취하는 주파수 응답을 가진 캐스코드 LNA를 나타낸 도면이다.

도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 조정된 유도성 부하 및 조정된 유도성 에미터 축퇴(emiter degeneration)를 가진 캐스코드 LNA의 간략화된 회로도이다.

도 8은 조정된 매칭 네트워크 및 다른 조정값에 대한 조정된 유도성 에미터 축퇴와 그의 주파수 응답을 가진 트랜스-컨덕터 스테이지를 나타낸 도면이다.

도 9는 유도성 부하 및 유도성 축퇴가 조정되는 경우에 도 7의 캐스코드 LNA의 주파수 응답을 나타낸 도면이다.

도 10은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 조정된 유도성 부하 및 조정된 에미터 축퇴를 가진 CMOS 캐스코드 LNA의 간략화된 회로도이다.

이하의 참조 문헌은 본 기술 분야의 상황을 예시한 것이다.

[1] "A 3 to 10GHz LNA using wideband LC-Ladder Matching Network", A. Ismail, A. Abidi, ISSCC 2004 회의.

[2] "An ultra-wideband CMOS LNA for 3.1 to 10.6GHz Wireless Receivers", Andrea Bevilacqua, Ali M Niknejad, ISSCC 2004 회의.

[3] "A single-chip dual-band tri-mode CMOS transceivers for IEEE 802.11a/b/g WLAN" Masoud Zargari and al, ISSCC 2004 회의.

[4] "A 2.5dB NF direct-conversion receiver front-end for HiperLAN2/IEEE802.11a" Paola Rossi, Antonio Liscidini, Massimo Brandolini, Francesco Svelto, ISSCC 2004 회의.

최근에, 캐스코드 LNA 회로는 많은 논문 [1],[2],[3]에서 볼 수 있다. 도 1을 참조하면, 802.11a 및 UWB(또는 임의의 다른 무선 시스템)에 대한 전형적인 바이폴라 캐스코드 LNA는 이하의 구조, 즉, 입력 매칭 네트워크(N1), 트랜스-컨덕턴스 스테이지(T1), 유도성 에미터 축퇴(L1), 공통 베이스(T2) 및 유도성 부하(L2)를 가지며, 선택적으로 부품(C2,R2)을 가진다. 트랜지스터(T1)에 대한 바이어싱 회로는 도면의 간략성을 위해 도 1에 상세하게 도시하지는 않았다.

또한 대응하는 구조는 CMOS 기술에 의해 실현될 수 있다.

도 2를 참조하면, 도 1의 유도성 부하를 가진 캐스코드 구조의 큰 단점은 동작 주파수 대역 Fstop-Fstart에 걸쳐서의 이득 변동이다. 전형적으로 Fstop- Fstart>1GHz이다.

넓은 주파수 범위에 걸쳐 캐스코드 LNA 이득을 균일하게 하는 한가지 방식은 [1] 및 [2]에서처럼 개선된 입력 매칭 네트워크를 이용하는 것이다. 그러나, 초광대역 LNA는 (Fstart와 Fstop 사이의) 주파수 Fwanted에서의 원하는 수신 신호를 증폭시키지만, Fwanted와는 다른 주파수에서의 임의의 다른 간섭자(interferer)(Finterferer이 Fwanted와는 멀리 떨어져 있다 하여도)를 또한 증폭시킨다는 주요한 단점이 있다. 간섭자를 증폭시키는 것은 허용될 수 없는데 그 이유는 수신기 체인에서 추가적인 동적 범위 및 추가적인 필터링을 필요로 하여 (안테나 전단에 추가적인 수동 필터를 부가하는 경우에) 전류 소모 및 원가를 증가시키기 때문이다.

(대역외 간섭자까지도 증폭시키는) 초광대역 LNA의 문제점을 해결하기 위한 한가지 방법은 협대역 LNA를 주파수 조정하는 것이다. 도 3을 참조하면, 이것은 가변 커패시터로 유도성 부하를 조정함에 의해 쉽게 달성된다. 협대역 LNA를 주파수 조정함에 의해, 넓은 범위의 동작 주파수를 커버하는 것이 가능하게 된다. 이러한 개념은 이미 [4]에서 구현되고 공개되었다. 그러나, 이 논문에서 제안된 회로는 여러 단점을 가진다. 즉, LNA는 캐스코드가 아니라 약한 LO 누설을 가진 공통 베이스 스테이지이고, 주파수 응답은 균일하지 않으며, 안출된 논문 [4]은 약 1dB의 이득 변동을 나타낸다.

도 4에는 조정 가능 유도성 부하를 가진 캐스코드 LNA의 이상적인 원하는 응답이 도시된다. 그러나, 상술한 이득 변동 때문에, 실제 회로는 도 4에 도시된 바 와 같은 이상적인 응답을 갖지 못한다. 그 보다는, 조정 주파수 Ftune1,2,3...에서의 이득값이 달라진다. 트랜스-컨덕턴스 스테이지(T1)의 입력에서 LNA 출력으로의 주파수 응답은 도 4에 도시된 것에 아주 가깝다(도 1 참조). 그럼에도, 도 5를 참조하면, 입력 매칭 네트워크(도 1)의 주파수 응답은 넓은 대역에 걸쳐 균일하지 않다. 결과적으로, 도 3에 도시된 전체 LNA 응답은 입력 매칭 네트워크 주파수 응답의 형태를 취한다(도 6 참조).

도 6으로부터, 유도성 부하 조정된 캐스코드 LNA 회로가 무선 시스템에서 원하는 동작 주파수 범위 Fstop-Fstart에 걸쳐서 균일 응답을 갖지 못함을 알 것이다(도 4 참조).

본 발명은, 전반적으로, 조정된 유도성 부하를 가진 캐스코드 LNA 회로를 제공한다. 그 회로는 넓은 주파수 범위에 걸쳐 균일한 응답을 나타낸다.

도 7을 참조하면, 조정된 유도성 부하가 조정된 에미터 축퇴 인덕터(L1)를 포함하는 캐스코드 LNA의 간략화된 회로도가 도시된다. 인덕터(L1)는 그 회로의 트랜스컨덕턴스를 선형화하는 작용을 한다. 레지스터(R2)는 이 회로에서 선택적인 사항이다.

커패시터(C1)에 의해 축퇴 인덕터(L1)를 조정함으로써, 도 8에 도시된 바와 같이 입력 매칭 네트워크를 주파수 보상하는 것이 쉬어진다. LNA 이득은 에미터 축퇴 인덕터 조정을 이용하여 조정 가능하게 된다.

도 9를 참조하면, LNA 이득은 C1 및 C2값(에미터 축퇴 인덕터 조정 커패시터와 부하 인덕터 조정 커패시터)의 적절한 조합에 의해 동작 주파수 대역 Fstop- Fstart에 걸쳐 균일하게 이루어질 수 있음(예시적인 실시 예에서 4.9GHz 내지 6GHz까지의 <1dB 변동)을 알 수 있을 것이다. C1 및 C2의 값은, 예를 들어, 다른 원하는 주파수에 대해 C1 및 C2 값을 제공하는 룩업 테이블을 포함하는 제어 회로를 이용하여 제어된다.

도 10을 참조하면, 조정된 유도성 부하가 조정된 에미터 축퇴 인덕터를 포함하는 CMOS 캐스코드 LNA의 간략화된 회로도가 도시된다.

당업자라면, 본 발명이 그의 사상 또는 필수적인 특성을 벗어나지 않고서도 다른 특정 형태로 구현될 수 있음을 알 것이다. 그러므로, 설명된 실시 예는 모든 측면에서 예시적인 것이지 제한적인 것은 아니다. 본 발명의 범주는 상술한 설명이 아닌 첨부된 청구범위에 의해 나타나며 취지 및 그의 등가 범주내의 모든 변경은 거기에 포함되는 것으로 간주된다.

Claims (6)

1. 협대역 증폭기를 사용하여, 넓은 주파수 범위에 걸쳐 실질적으로 일정한 이득을 가진 수신 입력 신호를 증폭하는 방법으로서,

   상기 협대역 증폭기를 조정하여 관심 신호에 대응하는 선택된 주파수 범위내에서 동작시키는 단계와,

   선택된 주파수 범위에 따라 상기 협대역 증폭기의 비 선형 이득 응답을 보상하는 단계를 포함하는

   증폭 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 조정하는 단계는 제 1 버렉터(varactor) 소자를 가변시키는 단계를 포함하고, 상기 보상하는 단계는 제 2 버렉터 소자를 가변시키는 단계를 포함하는

   증폭 방법.
3. 협대역 증폭기를 사용하여, 넓은 주파수 범위에 걸쳐 실질적으로 일정한 이득을 가진 수신 입력 신호를 증폭하는 증폭기로서,

   상기 협대역 증폭기를 조정하여 관심 신호에 대응하는 선택된 주파수 범위내 에서 동작시키는 수단과,

   선택된 주파수 범위에 따라 상기 협대역 증폭기의 비 선형 이득 응답을 보상하는 수단을 포함하는

   증폭기.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 조정하는 수단은, 제 1 버렉터(varactor) 소자를 가변시키는 수단을 포함하고, 상기 보상하는 수단은 제 2 버렉터 소자를 가변시키는 수단을 포함하는

   증폭기.
5. 증폭기 회로로서,

   전력 공급, 부하, 입력 신호 및 출력 신호에 결합된 트랜지스터,

   상기 트랜지스터에 결합되어, 상기 출력 신호가 주파수 의존 이득을 나타내도록 하는 매칭 네트워크,

   상기 트랜지스터에 결합된 트랜스컨덕턴스 선형화 소자,

   상기 증폭기 회로를 조정하는 제 1 버렉터, 및

   상기 트랜스컨덕턴스 선형화 소자에 결합되어 증폭기 회로의 이득을 가변시키는 제 2 버렉터를 포함하는

   증폭기 회로.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 주파수 의존 이득을 차감시키기 위해 코디네이트 방식(coordinated manner)으로 상기 제 1 버렉터와 제 2 버렉터를 조정하는 제어 회로를 더 포함하는

   증폭기 회로.

Images