KR20070094206A

KR20070094206A - 광대역 저잡음 증폭기의 입력 매칭 회로

Info

Publication number: KR20070094206A
Application number: KR1020060024536A
Authority: KR
Inventors: 박봉혁; 이승식; 최상성; 박광로; 이형진; 하동삼
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2006-03-16
Filing date: 2006-03-16
Publication date: 2007-09-20
Also published as: KR100789918B1

Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야

본 발명은 광대역 저잡음 증폭기의 입력 매칭 회로에 관한 것임.

2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제

본 발명은 밀러 효과에 의한 커패시터가 고주파에서 작은 커패시턴스를 형성하고 저주파에서 큰 커패시턴스를 형성하는 것을 이용하여 등가 인덕터가 병렬로 연결된 회로로 보고 입력단 회로를 최소의 수동소자를 이용하여 입력 매칭 회로를 구현하는, 광대역 저잡음 증폭기의 입력 매칭 회로를 제공하는데 그 목적이 있음.

3. 발명의 해결방법의 요지

본 발명은 무선 주파수 신호를 수신하는 광대역 저잡음 증폭기의 입력 매칭 회로에 있어서, 무선 주파수 신호를 입력받는 입력단과; 상기 입력단이 게이트에 연결되고, 제2 트랜지스터의 소스가 드레인에 연결되며, 소스에 제1 인덕터가 연결된 제1 트랜지스터로 구성된 증폭단과; 상기 제2 트랜지스터의 드레인에 연결되는 출력 로드단; 및 상기 제1 트랜지스터의 드레인이 소스에 연결되고, 상기 출력 로드단이 드레인과 게이트에 연결된 상기 제2 트랜지스터;를 포함하되, 상기 제1 트랜지스터와 제2 트랜지스터의 밀러 효과에 의해 발생되는 인덕터와 커패시터와 상기 입력단과 상기 제1 트랜지스터의 등가회로에 의해 3차 대역통과 필터링 기능을 갖는 것을 특징으로 하는 광대역 저잡음 증폭기의 입력 매칭 회로를 포함함.

4. 발명의 중요한 용도

본 발명은 광대역 저잡음 증폭기의 입력 매칭 회로등에 이용됨.

입력 매칭 회로, 캐스코드, 밀러 효과, 광대역 저잡음 증폭기

Description

광대역 저잡음 증폭기의 입력 매칭 회로{Input matching circuit for ultra-wideband low noise amplifier}

도 1은 종래의 광대역 저잡음 증폭기의 입력 매칭 회로에 대한 일실시예 회로도,

도 2는 본 발명에 따른 광대역 저잡음 증폭기의 입력 매칭 회로에 대한 일실시예 회로도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명

10; 입력단

20; 증폭단

30; 캐스코드(cascode)단

40; 출력 로드(load)단

본 발명은 광대역 저잡음 증폭기의 입력 매칭 회로에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 밀러 효과에 의한 커패시터가 고주파에서 작은 커패시턴스를 형성하고 저주파에서 큰 커패시턴스를 형성하는 것을 이용하여 등가 인덕터가 병렬로 연결된 회로로 보고 입력단 회로를 최소의 수동소자를 이용하여 입력 매칭 회로를 구현하는, 광대역 저잡음 증폭기의 입력 매칭 회로에 관한 것이다.

최근 들어, 수 GHz대의 주파수 대역폭을 활용하는 각종 휴대용 통신기술 즉, 광대역(UWB; Ultra-WideBand) 무선기술의 비약적인 발전에 따라 무선 주파수(RF; Radio Frequency) 소자 및 회로의 개발은 점점 중요해지고 있다.

상기 광대역 무선기술은 단거리 구간에서 낮은 전력을 사용하는 특징이 있다. 상기와 같은 특징으로 무선 주파수 수신기의 입력단에는 안테나를 통해 아주 미약한 신호가 수신되면 잡음의 영향을 최대한 줄여 원하는 주파수 대역만을 선별하고 증폭시키기 위한 회로 즉, 저잡음 증폭기(Low Noise Amplifier; LNA)가 구비된다.

여기서, 상기 저잡음 증폭기는 잡음지수(NF; Noise Figure)가 수신기 전체의 성능을 좌우하기 때문에 저잡음 증폭기의 잡음과 신호왜곡 등을 최대한 억제하고, 최대한의 신호전달을 위해서 입력단과 출력단의 임피던스 매칭(impedance matching)을 이용한다.

이하, 종래의 광대역 저잡음 증폭기의 입력 매칭 회로를 설명한다.

도 1은 종래의 광대역 저잡음 증폭기의 입력 매칭 회로에 대한 일실시예 회 로도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래에는 공통 게이트(common gate) 입력단에서 광대역 입력 매칭을 제공하고, 공통 소스(common source) 증폭단 및 캐스코드(cascode)단에서 입력신호를 증폭한다. 여기서, 증폭이득의 평탄화는 캐스코드단의 출력 로드(load)를 저항 로드로 하여 다단의 공통 소스 증폭단을 추가하여 조절한다. 이때, 상기 다단의 공통 소스 증폭단에서 결합 매칭(conjugate matching)을 이용한다.

종래의 방식은 상기 공통 게이트 입력단이 잡음 특성에서 한계가 있어 전체 잡음 지수(NF)가 증가된다. 또한, 종래의 방식은 다단의 공통 소스 증폭단을 사용함으로써 전력 소모가 큰 문제점이 있다.

한편, 광대역 저잡음 증폭기는 광대역 시스템에서 요구되는 광대역 특성, 증폭이득의 평탄화 특성, 저잡음 특성이 요구된다. 특히, 상기 광대역 저잡음 증폭기는 증폭이득을 최대화하여 이후에 위치하는 단위소자들에 의한 잡음지수 증가를 억제할 필요가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고 상기와 같은 요구에 부응하기 위하여 제안된 것으로, 밀러 효과에 의한 커패시터가 고주파에서 작은 커패시턴스를 형성하고 저주파에서 큰 커패시턴스를 형성하는 것을 이용하여 등가 인덕터가 병렬로 연결된 회로로 보고 입력단 회로를 최소의 수동소자를 이용하여 입력 매칭 회로 를 구현하는, 광대역 저잡음 증폭기의 입력 매칭 회로를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 더욱 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 무선 주파수 신호를 수신하는 광대역 저잡음 증폭기의 입력 매칭 회로에 있어서, 무선 주파수 신호를 입력받는 입력단과; 상기 입력단이 게이트에 연결되고, 제2 트랜지스터의 소스가 드레인에 연결되며, 소스에 제1 인덕터가 연결된 제1 트랜지스터로 구성된 증폭단과; 상기 제2 트랜지스터의 드레인에 연결되는 출력 로드단; 및 상기 제1 트랜지스터의 드레인이 소스에 연결되고, 상기 출력 로드단이 드레인과 게이트에 연결된 상기 제2 트랜지스터;를 포함하되, 상기 제1 트랜지스터와 제2 트랜지스터의 밀러 효과에 의해 발생되는 인덕터와 커패시터와 상기 입력단과 상기 제1 트랜지스터의 등가회로에 의해 3차 대역통과 필터링 기능을 갖는 것을 특징으로 하는 광대역 저잡음 증폭기의 입력 매칭 회로를 포함한다.

상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 광대역 저잡음 증폭기의 입력 매칭 회로에 대한 일실시예 회로도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 광대역 저잡음 증폭기의 입력 매칭 회로는, 입력단(10), 증폭단(20), 캐스코드(cascode)단인 제2 트랜지스터(30), 출력 로드(load)단(40)을 포함한다.

입력단(10)은 제1 커패시터(capacitor, 11)와 제1 인덕터(inductor, 12)로 구성된다.

제1 커패시터(11)는 제1 인덕터(12)와 직렬로 연결되고, 상기 제1 인덕터(12)는 제1 트랜지스터(22)의 게이트(gate)로 연결된다. 상기 입력단(10)은 무선 주파수 신호를 입력받는데, 상기 무선신호는 제1 커패시터(12)로 입력된다.

또한, 제1 커패시터(11)는 직류를 통과시키지 못하므로, 직류 전압 및 전류를 차단하는 기능을 수행한다. 이를 통해, 상기 제1 커패시터(11)는 트랜지스터를 구동시키기 위한 바이어스(bias)용 직류전원이 트랜지스터에만 인가되고, 다른 곳 으로 새어나가지 않도록 한다.

증폭단(20)은 제2 인덕터(21), 제1 트랜지스터(transistor, 22)로 구성된다.

제1 트랜지스터(22)의 게이트(gate)는 제1 인덕터(12)와 연결되고, 소스(source)는 제2 인덕터(21)와 연결되며, 드레인(drain)은 캐스코드단인 제2 트랜지스터(30)의 소스와 연결된다.

한편, 제1 트랜지스터(22)의 게이트 단에서 제2 트랜지스터(30)의 소스 단까지는 전압이득에 의해 밀러 효과(miller effect)가 발생한다. 이때, 상기 제1 트랜지스터(22)의 게이트 단에는 밀러 효과에 의해 커패시터 성분인 즉, 밀러 커패시터 "Cgd"가 증폭되어 나타난다.

특히, 상기 제1 트랜지스터(22)의 게이트 단에는 전압이득이 주파수에 따라 달라지면서 상기 밀러 커패시터가 나타날 뿐만 아니라 인덕터 성분이 함께 발생한다.

즉, 제2 트랜지스터(30)는 게이트 단과 소스 단 사이의 커패시터 성분으로 인해, 저주파에서 높은 전압이득을 가지고 고주파에서 낮은 전압이득을 갖는데, 제1 트랜지스터(22)도 밀러 효과에서 저주파에서 큰 커패시터를 형성하고 고주파에서 작은 커패시터를 형성한다. 이로 인해, 제1 트랜지스터(22)는 게이트 단에서 밀러효과에 의한 커패시터와 인덕터가 마치 병렬로 추가된 회로가 형성되는 효과가 발생한다.

그리하여, 제1 트랜지스터(22)는 상기 밀러 효과에 의해 효과적으로 발생한 커패시터와 인덕터의 병렬 회로 및 게이트 단에서 본 등가 회로(즉, 인덕터, 커패 시터, 저항의 직렬 연결)와 함께 대역 통과 필터(band pass filter)를 구성한다. 이때, 상기 제1 트랜지스터(22)는 입력단(10)을 추가함으로써, 3차 대역 통과 필터를 구성하여 매칭 성능을 높인다.

앞서 언급한 바와 같이, 상기 제1 트랜지스터(22)에서 바라본 입력 매칭 회로는 밀러 효과에 의해 효과적으로 발생한 커패시터와 인덕터의 병렬 회로, 제1 트랜지스터(22)에서 바라본 등가 회로 및 입력단(10)의 커패시터와 인덕터 직렬 회로에 의해 구현된다. 이때, 상기 입력 매칭 회로는 입력 임피던스(impedance)를 50Ω(옴)으로 설정함으로써, 최대 전력 전송과 최소 신호 왜곡을 가능하게 된다.

또한, 상기 입력 매칭 회로는 최소의 수동소자를 사용하여 발생하는 잡음을 최소로 억제할 수 있게 되어 잡음지수를 개선한다.

부가적으로, 밀러 효과에 의해 발생한 상기 인덕터 성분은 제2 트랜지스터(30)의 크기에 비례하므로, 필요한 인덕턴스(inductance)를 상기 제2 트랜지스터(30)의 크기를 조절하여 생성한다.

또한, 제2 트랜지스터(30)는 공통 게이트 증폭기(common gate amplifier) 구조로서 무선 주파수 신호의 출력과 입력사이의 역방향 아이솔레이션(reverse-isolation)을 증가시킨다. 즉, 상기 제2 트랜지스터(30)는 광대역 저잡음 증폭기 뒤 단으로부터 LO(Local Oscillation) 신호가 들어오는 것을 최대한 억제하고, 출력에서 입력으로의 피드백(feedback)을 최소화함으로 회로의 안정도를 향상시킨다.

출력 로드단(40)은 제3 인덕터(41), 제1 저항(42), 제2 커패시터(43), 제3 커패시터(44), 제4 인덕터(45)을 이용하여 동조(tuning) 주파수를 약간씩 다르게 한 동조 회로(tuned circuit)로 구성한다. 이를 통해, 상기 출력 로드단(40)은 상기 소자들에 의해 구성된 동조 회로를 결합하는 엇갈림 동조(stagger-tuning)를 이용함으로써, 넓은 주파수 대역에 걸쳐 평탄한 증폭 특성이 생기도록 한다.

이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

상기와 같은 본 발명은 광대역 저잡음 증폭기에 있어서 밀러 효과와 최소의 수동소자를 이용하여 입력 매칭 문제를 해결할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 최소의 수동소자를 사용함으로써, 전체 광대역 저잡음 증폭기의 크기를 크게 줄일 수 있고, 잡음 성능을 개선하는 효과가 있다.

또한 본 발명은 밀러 효과와 최소의 수동소자를 이용하여 전력 소모를 줄이는 효과가 있다.

Claims

무선 주파수 신호를 수신하는 광대역 저잡음 증폭기의 입력 매칭 회로에 있어서,

무선 주파수 신호를 입력받는 입력단;

상기 입력단이 게이트에 연결되고, 제2 트랜지스터의 소스가 드레인에 연결되며, 소스에 제1 인덕터가 연결된 제1 트랜지스터로 구성된 증폭단;

상기 제2 트랜지스터의 드레인에 연결되는 출력 로드단; 및

상기 제1 트랜지스터의 드레인이 소스에 연결되고, 상기 출력 로드단이 드레인과 게이트에 연결된 상기 제2 트랜지스터;를 포함하되,

상기 제1 트랜지스터와 제2 트랜지스터의 밀러 효과에 의해 발생되는 인덕터와 커패시터와 상기 입력단과 상기 제1 트랜지스터의 등가회로에 의해 3차 대역통과 필터링 기능을 갖는 것을 특징으로 하는 광대역 저잡음 증폭기의 입력 매칭 회로.
제1 항에 있어서,

상기 입력단은 무선 주파수 신호를 입력받는 커패시터와 제1 트랜지스터의 게이트에 연결되는 인덕터가 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 광대역 저잡음 증폭기의 입력 매칭 회로.
제1 항에 있어서,

상기 제1 트랜지스터와 제2 트랜지스터의 밀러 효과에 의해 발생된 인덕터 성분은 제2 트랜지스터의 크기 조절을 통해 밀러 효과에 의해 발생되는 인덕턴스를 조절하는 것을 특징으로 하는 광대역 저잡음 증폭기의 입력 매칭 회로.
제1 항에 있어서,

상기 제2 트랜지스터는 공통 게이트 증폭기로 구성됨으로써, 무선 주파수 신호의 출력과 입력 사이의 역방향 아이솔레이션(isolation)이 증가되는 것을 특징으로 하는 광대역 저잡음 증폭기의 입력 매칭 회로.
제1 항에 있어서,

상기 출력 로드단은 저항, 커패시터, 인덕터가 동조 주파수를 다르게 한 동조회로로 구성됨으로써, 넓은 주파수 대역에 걸쳐 평탄한 증폭특성이 나타나도록 하는 것을 특징으로 하는 광대역 저잡음 증폭기의 입력 매칭 회로.