KR20070114229A - 저잡음 증폭기 기반의 차동 인덕터 - Google Patents
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Abstract
저잡음 증폭기는 각 캐스코드(cascode) 트랜지스터들(M3, M4)에 접속된 드레인들을 가진 한 쌍의 차동 증폭기 트랜지스터들(M1, M2)을 포함한다. 증폭기 트랜지스터들(M1, M2)의 게이트가 RF 입력 신호를 수신하기 위한 입력 차동 인덕터(L1)에 접속되는 반면, 증폭기 트랜지스터들(M1, M2)의 소스들은 소스 차동 인덕터(L2)에 접속된다. 캐스코드 트랜지스터들(M3, M4)의 드레인들은 부하 차동 인덕터(L3) 및 두 개의 소스 팔로우어들(followers)(M01, M02)을 포함하는 버퍼 회로(260)의 입력들에 접속된다. 차동 증폭기의 테일 전류(tail current)는 전류 미러(current mirror, M5, M6)를 통해 전류 소스(72)에 의해 제공된다.
차동 인덕터, 저잡음 증폭기, 증폭기 트랜지스터, 캐스코드 트랜지스터
Description
본 발명의 실시예들은 반도체 분야, 더 구체적으로, 저잡음 증폭기(low noise amplifier)들에 관한 것이다.
무선 주파수(RF) 수신기의 전단(front end)은 전형적으로 저잡음 증폭기(low noise amplifier, LNA), 믹서, 및 몇몇 필터들을 갖는다. LNA는 수신기의 첫단계이기 때문에, 그 성능은 수신기 성능을 자주 제한한다. 보통, LNA는 안테나에 50Ω 입력 임피던스(impedance)를 나타내어, 전력 전달을 최대화한다. 인덕터들을 갖는 차동 LNA들은 입력 매칭과 같은 것을 제공하는데 이용될 수 있다.
그러나, 전통적인 차동 LNA들은 일부 결점들을 가질 수 있다. 전형적인 차동 LNA는 일반적으로 6개의 단일-종단(single-ended) 인덕터들을 필요로 하여 약 2배의 실리콘 영역을 점유하고, 3개의 단일-종단 인덕터들을 이용한 단일-종단 LNA에 비해 많은 전력을 소비한다. 반면, 단일-종단 LNA들은 차동 LNA들보다 더 안좋은 공통-모드 제거(common-mode rejection) 및 짝수차 왜곡(even-order distortion)을 갖는다.
본 발명의 실시예들은 다음의 설명에 대한 언급에 의해 및 본 발명의 실시예들을 도시하는데 이용된 첨부하는 도면들에 의해 가장 잘 이해될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예가 행해질 수 있는 시스템을 도시하는 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 저잡음 증폭기(LNA)를 도시하는 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 LNA의 레이아웃을 도시하는 도면.
다음의 설명에서, 다수의 특정 상세들이 설명된다. 그러나, 본 발명의 실시예들이 이러한 특정 상세들 없이도 구현될 수 있는 것이 이해될 것이다. 다른 예들에서, 주지의 회로들, 구조들, 및 기술들은 이 명세서에 대한 이해를 애매하게 하는 것을 피하기 위해 나타내지 않는다.
본 발명의 일 실시예는 보통 흐름 챠트, 흐름도, 구성도, 또는 블록도로서 표현되는 프로세스로서 설명될 수 있다. 흐름챠트가 연속적 프로세스로서의 작동들을 설명할 수 있다 하더라도, 많은 작동들은 병렬로 또는 동시적으로 수행될 수 있다. 부가적으로, 작동들의 순서가 재배열될 수 있다. 프로세스는 그 작동들이 완료되었을때 종료된다. 프로세스는 방법, 프로그램, 절차, 제조 또는 조립 방법에 해당할 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 3개의 차동 인덕터들을 이용하여 차동 LNA를 디자인하는 기술이다. 이 디자인은 6개의 단일-종단 인덕터들을 이용하는 전통적 차동 LNA에 비해 실리콘 영역의 약 반을 차지한다. 모든 차동 인덕터들을 이용함으로써, 결과적인 차동 LNA는 차동 인덕터 구조의 대칭성 때문에 단일-종단 LNA들에 비 해 더 나은 공통-모드 제거 및 더 적은 2차 왜곡을 달성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예가 구현될 수 있는 시스템(100)을 도시한 도이다. 시스템(100)은 안테나(110), 무선 주파수(RF) 필터(120), 저잡음 증폭기(LNA, 130), 이미지 제거 필터(140), 믹서(150), 국부 발진기(local oscillator, LO, 160), 및 중간 주파수(intermediate frequency, IF) 필터(170)를 포함한다.
안테나(110)는 통신 시스템의 일부로서 RF 신호를 수신한다. RF 신호는 모바일 장치들, 휴대전화들 등과 같은 임의의 적합한 소스들로부터 생성될 수 있다. RF 필터(210)는 임의의 원하지 않는 잡음 컴포넌트들을 소거하기 위해 수신된 RF 신호를 필터링한다. 일 실시예에서, RF 신호는 4에서 6 기가헤르츠(GHz)까지의 주파수 범위내에 있다.
LNA(130)는 필터링된 RF 입력 신호에 대해 증폭을 제공한다. 입력 신호에 가능한 한 적은 잡음을 도입하면서 연속 단계들에서 생성된 잡음들을 감소시키기 위해서 LNA는 충분한 게인(gain)을 제공한다. LNA(130)는 바람직하게 저잡음 수치(NF), 충분한 선형성을 가진 게인, 및 적절한 입력 매칭을 갖는다. 입력 매칭은 전형적으로 단일-종단 LNA들에 대해 50Ω 및 차동 LNA들에 대해 100Ω이다. 일 실시예에서, LNA(130)는 차동 LNA이다. 차동 LNA들은 전형적으로 간섭들에 대해 좋은 공통-모드 제거를 갖고, 이론적으로 단일-종단 LNA들에 비해 2차 고조파(second order harmonics)의 완전한 소거를 갖는다. LNA(130)는 효율적인 실리콘 영역 활용, 비용 저감을 제공하고, 및 잡음 수치를 향상하기 위해 차동 인덕터들을 이용한다.
이미지 제거 필터(140)는 원하는 RF 신호들과 동일한 중간 주파수(IF)대역으로 다운 변환된 이미지 신호들을 감쇠하여, 본래의 원하는 RF 신호들을 손상시킨다. 믹서(150)는 필터링된 입력 신호를 국부 발진기(160)로부터의 발진기 신호와 믹스한다. 발진기 신호는 원하는 주파수에서의 신호 프로세싱을 위한 것이다. IF 필터(170)는 믹스된 신호들로부터 원하지 않는 신호 컴포넌트들을 필터링하고, 다음 프로세싱을 위해, IF 주파수에서 원하는 신호 컴포넌트들을 유지한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 저잡음 증폭기(LNA, 130)를 도시한 도이다. LNA(130)는 입력 전단(front-end) 회로(210), 입력 매칭 회로(220), 차동 증폭기 회로(230), 캐스코드(cascode) 회로(240), 튜닝 회로(250), 출력 회로(260), 및 전류 바이어스 회로(270)를 포함한다. LNA(130)는 입력(205)과 출력(295)을 갖는다. 입력(205)과 출력(295)은 각각 차동 입력 단자들 및 차동 출력 단자들이다.
입력 전단 회로(210)는 캐패시터들 C1(272), C2(274), 및 C5(286), 저항들 R1(282), R2(284), 및 바이어스 전압 소스(285)를 포함한다. 캐패시터들 C1(272), C2(274)은 LNA(130)의 입력(205)에 존재한다. 그 캐패시터들은 다른 회로 단계들로부터의 상이한 바이어스 전압들을 차단하기 위해, 그리고 대역외 간섭(out-of-band interferences)들 및 LNA 비-선형성으로 인한 짝수차 왜곡을 줄이기 위해 이용되는 교류(AC) 커플링 캐패시터들이다. 캐패시터 C5(286)와 저항들 R1(282), R2(284)은 바이어스 전압 소스(285)로부터 입력 매칭 회로(220)로의 잡음 커플링을 차단하기 위해 이용된다.
입력 매칭 회로(220)는 매칭 능력을 제공한다. 일 실시예에서, 이 매칭 입력 저항은 100Ω이다. 입력 매칭 회로는 제1 및 제2 차동 인더터들인 L1(222) 및 L2(224)를 갖는다. 제1 차동 인덕터 L1(222)는 입력(205)의 차동 입력들과 차동 증폭기 회로(230)에 접속된다. 제2 차동 인덕터 L2(224)는 차동 증폭기 회로(230)와 전류 바이어스 회로(270) 사이에 접속된다.
차동 증폭기 회로(230)는 입력 전압을 입력 전류로 변환하기 위해 입력 매칭 회로(220)에 연결된다. 차동 증폭기 회로(230)는 M1(222) 및 M2(224)를 포함한다. 이 두 트랜지스터들의 게이트들은 제1 차동 인덕터(222)의 두 차동 단자들에 접속된다. 이 두 트랜지스터들의 소스들은 차동 인덕터 L2(224)의 두 단자들에 접속된다. 이 두 트랜지스터들의 드레인들은 캐스코드 회로(240)에 접속된다. 종합하면, 트랜지스터 M1(222) 및 M2(224)는 차동 입력 전압을 차동 입력 전류로 변환한다.
캐스코드 회로(240)는 차동 증폭기 회로(230)와 출력 회로(260) 사이의 차단(isolation)을 증가시키기 위해 차동 증폭기 회로(230) 및 출력 회로(260)에 연결된다. 캐스코드 회로는 트랜지스터들 M3(242) 및 M4(244)를 포함한다. 이 두 트랜지스터들의 게이트들은 공급 전압 VDD에 접속된다. 그 트랜지스터들의 소스들은 차동 증폭기 회로(230)의 트랜지스터들 M1(222) 및 M2(224)의 드레인들에 접속된다. 그 트랜지스터들의 드레인들은 튜닝 회로(250) 및 차동 증폭기 회로(230)에 접속된다.
튜닝 회로(250)는 작동 주파수에서 캐스코드 회로(240) 및 출력 회로(260)로부터 발생된 기생 캐패시턴스들과 공진하도록 필수적으로 이용되는 제3 차동 인덕터 L3(252)를 포함한다. 일 실시예에서, 작동 주파수는 4GHz에서 6GHz 범위를 갖는다.
출력 회로(260)는 출력 전압 버퍼에 저출력 임피던스를 제공하여 다음 단계를 종용한다. 출력 회로(260)는 제1, 제2, 제3, 및 제4 출력 트랜지스터들 MO1(232), MO2(234), MO3(236), 및 MO4(238) 및 두 캐패시터들 C3(276), C4(278)을 포함한다. 제1 및 제2 출력 트랜지스터들 MO1(232), MO2(234)은 튜닝 회로(250)의 제3 차동 인덕터 L3(252)에 접속된 게이트들, 공급 전압 VDD에 접속된 드레인들, 및 캐패시터들 C3(276), C4(278)을 통해 출력(295)을 제공하는 소스들을 갖는다. 캐패시터들 C3(276), C4(278)은 대역외 간섭들 및 LNA 비-선형성으로 인한 짝수차 왜곡을 감소하도록 돕는 AC 커플링 캐패시터들이다. 제3 및 제4 출력 트랜지스터들 MO3(236), MO4(238)은 제1 및 제2 출력 트랜지스터들 MO1(232), MO2(234)의 소스들에 연결된 드레인들, 제2 바이어스 전압(275)에 접속된 게이트들, 및 접지 전압에 접속된 소스들을 갖는다.
전류 바이어스 회로(270)는 전류 소스(272) 및 전류 미러 회로(274)를 포함 한다. 전류 소스(272)는 바이어스 전류를 제공한다. 전류 미러 회로(274)는 바이어스 전류를 제2 차동 인덕터 L2(224)를 통해 차동 증폭기 회로(230) 및 캐스코드 회로(240)에 미러링(mirroring)한다. 전류 미러 회로(274)는 전류 미러 구조에 접속된 두 트랜지스터들 M5(264), M6(266)을 포함한다.
상기 회로들의 인덕터들, 캐패시터들, 및 저항들에 대한 일반적 값들은 다음과 같다: C1=2picoFarads(pF), C2=2pF, C3=2pF, C4=2pF, C5=2pF, L1=5nanoHenry(nH), L2=0.8nH, L3=5nH, R1=R2=2㏀. 차동 인덕터들은 11보다 큰 품질 인자(Q)를 갖도록 디자인될 수 있다. 결과적인 LNA는 4GHz에서 6GHz의 작동 주파수 범위를 갖는다. 전체의 LNA는 GaAs(Gallium Arsenide), BiCMOS(Bipolar CMOS), 및 SiGe(silicon Germanium)과 같은, CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 프로세스 또는 임의의 다른 적당한 프로세스들을 이용하여 온칩으로(on-chip) 구현될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 LNA의 레이아웃(300)을 도시한 도이다. 레이아웃(300)은 입력/출력 패드들(312, 314, 316, 및 318), 제1, 제2, 및 제3 차동 인덕터들(322, 324,및 326), 및 다른 컴포넌트들 및 회로들(330)을 포함한다.
I/O 패드들(312, 314, 316, 및 318)은 LNA(130)의 입력들 및 출력들에 접속하는 패드들을 제공한다. 제1, 제2, 및 제3 차동 인덕터들(322, 324,및 326)은 각각 도 2에 나타낸, 제1, 제2, 및 제3 차동 인덕터들(222, 224, 및 252)에 대응한다. 그들 중 적어도 하나는 팔각의 나선형 배열을 갖는다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 3개 모두는 팔각의 나선형 배열을 갖고 차동 구조로 구성된다. 그러나, 차 동 인덕터의 형태는 원형, 사각 혹은 육각이 될 수도 있다. 레이아웃(322)은 2-포트 차동 구조에 대응할 수 있다. 레이아웃(324, 326)은 단일-포트 차동 구조에 대응할 수 있다. 다른 컴포넌트들 및 회로들(330)은 도 2에 나타낸 바와 같이 나머지 회로들 및 컴포넌트들에 대응한다.
차동 인덕터들의 대칭 구조 때문에, 결과적인 LNA는 단일-종단 인덕터들을 이용하는 필적하는 LNA에 비해 더 나은 공통 모드 제거 및 더 적은 2차 왜곡들을 갖는다. 부가적으로, 원형, 사각, 및 육각과 같은 팔각의 배열이외의 배열 또한 이용될 수 있다.
LNA에 대한 시뮬레이션은 다음의 결과들을 나타낸다. 잡음 수치(NF)는 1.8dB이고, S 파라미터들은 5GHz에서 S11=-24dB, S22=-24dB, S21=17dB, 및 S12=-43dB 이다. 전력 소실은 1.2V 전력 공급으로부터 14mW이다. 프로세스는 90nm RF CMOS 프로세스이다. 점유된 물리적 실리콘 영역은 0.4㎟이다. S 파라미터들의 조건에서 유사한 전기적 성능을 가진 6개의 단일-종단 인덕터들을 이용한 일반적 LNA와 비교하면, 이 레이아웃은 적어도 36%의 다이(die) 축소 영역을 나타내어 상당한 비용 저감을 이끌어낸다.
본 발명에서 몇몇 실시예들을 설명하였지만, 본 기술분야의 통상의 당업자들은, 본 발명이 설명된 실시예들에 제한되지 않고, 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범위 내에서 수정 및 변경이 실현될 수 있음을 알 것이다. 따라서, 본 명세서는 제한하는 것이 아니라 예시적으로 간주되어야 한다.
Claims (20)
- 제1 및 제2 차동 인덕터들을 포함하여 입력 단자들을 갖는 입력에서 입력 저항을 매칭하는 입력 매칭 회로 - 상기 입력 매칭 회로는 입력 전압을 제공함 -;상기 입력 매칭 회로에 연결되어 상기 입력 전압을 전류로 변환하는 차동 증폭기 회로;출력 단자들을 갖는 출력에서 출력 전압 버퍼에 저출력 임피던스를 제공하는 출력 회로; 및상기 차동 증폭기에 연결되어 상기 입력 및 출력 단자들 사이의 차단(isolation)을 증가시키는 캐스코드(cascode) 회로를 포함하는 장치.
- 제1항에 있어서,상기 캐스코드 회로와 연결되어 작동 주파수에서 연관된 기생 캐패시턴스들과 공진하는 제3 차동 인덕터를 더 포함하는 장치.
- 제1항에 있어서,바이어스 전류를 제공하는 전류 소스; 및상기 전류 소스에 연결되어 상기 차동 증폭기 회로를 바이어스하는 바이어스 전류를 미러링(mirroring)하는 전류 미러 회로를 더 포함하는 장치.
- 제1항에 있어서,상기 입력 및 출력에서 이전 및 다음 단계들로부터 적어도 바이어스 전압을 분리하고, 대역외 간섭들과 저잡음 증폭기(low nosie amplifier, LNA) 비-선형성에 의한 짝수차 왜곡을 감소시키는 캐패시터들; 및제1 바이어스 전압 소스와 연결되어 상기 제1 바이어스 전압 소스로로부터 상기 입력 매칭 회로로의 잡음 커플링을 차단하는 저항 회로를 더 포함하는 장치.
- 제2항에 있어서,상기 차동 증폭기 회로는 상기 제1 차동 인덕터와 접속된 게이트들과 상기 제2 차동 인덕터와 접속된 소스들을 갖는 제1 및 제2 트랜지스터들을 포함하는 장치.
- 제5항에 있어서,상기 캐스코드 회로는 공급 전압에 접속된 게이트들, 상기 제1 및 제2 트랜지스터들의 드레인들에 접속된 소스들, 및 상기 제3 차동 인덕터에 접속된 드레인들을 갖는 제3 및 제4 트랜지스터들을 포함하는 장치.
- 제2항에 있어서,상기 출력 회로는,상기 제3 차동 인덕터에 접속된 게이트들, 공급 전압에 접속된 드레인들, 및 상기 출력을 제공하는 소스들을 갖는 제1 및 제2 출력 트랜지스터들; 및상기 제1 및 제2 출력 트랜지스터들의 소스들과 연결된 드레인들 및 제2 바이어스 전압에 접속된 게이트들을 갖는 제3 및 제4 출력 트랜지스터들을 포함하는 장치.
- 제2항에 있어서,상기 제1, 제2, 및 제3 차동 인덕터들 중 적어도 하나는 팔각의 나선형 배열을 갖는 장치.
- 제2항에 있어서,상기 작동 주파수는 약 4Ghz에서 6Ghz 사이의 범위에 있는 장치.
- 두 개의 차동 인덕터들을 이용하여 입력 저항을 매칭하는 단계 - 상기 두 개의 차동 인덕터들은 입력 전압을 제공함 -;차동 증폭기 회로를 이용하여 상기 입력 전압을 전류로 변환하는 단계;출력 단자들을 갖는 출력에서 출력 전압 버퍼에 저출력 임피던스를 제공하는 단계; 및캐스코드 회로를 이용하여 상기 입력 및 출력 단자들 사이의 차단을 증가시키는 단계를 포함하는 방법.
- 제10항에 있어서,작동 주파수에서 제3 차동 인덕터를 이용하여 연관된 기생 캐패시턴스들과 공진하도록 제3 차동 인덕터를 제공하는 단계를 더 포함하는 방법.
- 제10항에 있어서,전류 소스를 이용하여 바이어스 전류를 제공하는 단계; 및상기 차동 증폭기 회로를 바이어스 하는 상기 바이어스 전류를 미러링하는 단계를 더 포함하는 방법.
- 제10항에 있어서,상기 입력 및 상기 출력에서 캐패시터들을 이용하여 대역외 간섭들에 의한 짝수차 왜곡을 감소시키는 단계;저항 회로를 이용하여 상기 입력 매칭 회로로부터 제1 바이어스 전압 소스를 차단하는 단계를 더 포함하는 방법.
- 제11항에 있어서,단일-포트 및 2-포트 구조들 중 하나에서 상기 제1, 제2, 및 제3 차동 인덕터들 중 적어도 하나를 팔각의 나선형 배열로 배치하는 단계를 더 포함하는 방법.
- 제11항에 있어서,상기 제공하는 단계는 약 4Ghz와 6Ghz 사이의 범위의 작동 주파수에서 공진하도록 상기 제3 차동 인덕터를 제공하는 단계를 포함하는 방법.
- RF(radio frequency) 입력 신호를 수신하는 안테나에 연결된 RF 필터;상기 RF 필터에 연결되어 상기 RF 입력 신호를 증폭하는 저잡음 증폭기(LNA) - 상기 LNA는,제1 및 제2 차동 인덕터들을 포함하여 입력 단자들을 갖는 입력에서 입력 저항을 매칭하는 입력 매칭 회로 - 상기 입력 매칭 회로는 입력 전압을 제공함 -,상기 입력 매칭 회로에 연결되어 상기 입력 전압을 전류로 변환하는 차동 증폭기 회로,출력 단자들을 갖는 출력에서 출력 전압 버퍼에 저출력 임피던스를 제공하는 출력 회로, 및상기 차동 증폭기 회로에 연결되어 상기 입력 및 출력 단자들 사이의 차단을 증가시키는 캐스코드 회로를 포함함 -;상기 LNA에 연결되어 이미지 신호를 감쇠하고, 상기 이미지 신호가 원하는 RF 신호를 손상시키는 것을 방지하는 이미지 제거 필터;상기 이미지 제거 필터에 연결되어 국부 발진기로부터의 발진기 신호와 상기 RF 신호를 믹스하는 믹서; 및상기 믹서에 연결되어 상기 믹스된 신호들로부터 원하는 IF 신호를 추출하는중간 주파수(IF) 필터를 포함하는 시스템.
- 제16항에 있어서,상기 LNA는 상기 캐스코드 회로에 연결되어 작동 주파수에서 연관된 기생 캐패시턴스들과 공진하는 제3 차동 인덕터를 더 포함하는 시스템.
- 제16항에 있어서,상기 LNA는,바이어스 전류를 제공하는 전류 소스; 및상기 전류 소스에 연결되어 상기 차동 증폭기 회로를 바이어스 하는 상기 바이어스 전류를 미러링하는 전류 미러 회로를 더 포함하는 시스템.
- 제17항에 있어서,상기 제1, 제2, 및 제3 차동 인덕터들 중 적어도 하나는 팔각의 나선형 배열을 갖는 시스템.
- 제17항에 있어서,상기 작동 주파수는 약 4Ghz에서 6Ghz의 범위에 있는 시스템.
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