KR20080076947A - 저 노이즈 증폭기 - Google Patents

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KR20080076947A
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Abstract

본 발명의 고주파 신호용 증폭기는 제 1 주파수 범위 내의 신호를 증폭하기 위한 회로를 포함하고, 상기 회로는 제 2 주파수 범위 내의 신호를 동시에 감쇠시키는 것을 특징으로 한다.

Description

저 노이즈 증폭기{ENHANCED LOW NOISE AMPLIFIER}
본 발명은 고주파 신호용 증폭기에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 저 노이즈 증폭기(low noise amplifier) 및 대응하는 수신기(receiver)에 관한 것이다.
종래부터 고주파 신호는 소위 아날로그 전단(analog front end)을 통해 수신 및 처리되었으며, 이러한 처리는 저 노이즈 증폭기들에 의해 고주파 신호를 증폭하는 것을 포함한다.
그러나, 주파수 대역은 항상 더 점유되고 신호들은 주파수 내에서 서로 근접해지려는 경향이 있다. 예를 들면, 디지털 텔레비전 신호는 750MHz까지 확장되는 반면GSM 신호는 900MHz에서 시작한다. 피할 수 없는 비선형성 때문에 수신기는 근접한 주파수 범위로부터 원하지 않는 신호를 처리하게 되는 일이 발생한다.
이들 원하지 않는 신호는 특정 주파수 범위를 차단하기 위해 채택된 노치 필터(notch filter)의 사용에 의해 통상적으로 차단된다. 이들 필터는 통상적으로 저 노이즈 증폭기의 하류측에 배치된다.
따라서, 원하지 않는 신호들이 차단되기 전에 여전히 증폭된다. 이로 인해 이들 원하지 않는 신호의 에너지가 증폭될 때 차선(sub-optimal)의 증폭이 유도된 다. 이것은 또한 신호의 증폭을 저하시켜 증폭기가 포화되지 않도록 하기 때문에 시스템에 대한 노이즈를 높인다.
노치 필터의 하류에 저 노이즈 증폭기를 배치하기 위해 이들 컴포넌트의 순서를 바꾸면 유용한 신호가 손실되고, 이 때 그 유용한 신호는 필터에 의해 감소되는 반면 노이즈는 동일 레벨에 있게 된다.
따라서, 종래의 수신기는 유용한 신호의 손실과 차선의 증폭이 균형을 이루도록 설계되어야 한다.
EP 1054510에 기재된 바와 같은 일부 장치는 특히 증폭용으로 설계되었고, 어떠한 선택(selectivity)도 없이 부수적인 효과로서 약간의 감쇠를 가지게 된다.
본 발명의 목적은 향상된 저 노이즈 증폭기와 그에 대응하는 수신기를 제공함으로써 이러한 문제점을 해소하기 위한 것이다.
이러한 취지로 본 발명은 청구항 1에 기재된 바와 같은 증폭기와 청구항 11에 기재된 바와 같은 수신기에 관한 것이다.
결정된 주파수 범위의 증폭과 별도의 다른 주파수의 범위가 동일한 회로에 의해 동시에 수행된다는 사실 때문에 증폭되는 신호들은 결코 감쇠되지 않는다. 이와 유사하게, 감쇠되는 신호는 결코 증폭되지 않는다.
본 발명의 다른 특징 및 이점은 다음의 도면에 의해 예시된 발명의 상세한 설명으로부터 더욱 명확해 질 것이다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 증폭기의 회로도;
도 2는 도 1의 증폭기 회로의 전달함수를 나타낸 도면;
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 2개의 다른 실시예를 나타낸 회로도;
도 5는 본 발명의 안정된 실시예에 따른 회로도.
도 1은 DVB-H, DVB-T 전송에서의 MPEG2포맷을 이용한 디지털 텔레비전 신호와 같은 고주파 신호를 안테나(4)를 통해 수신하는 수신기(2)를 도시한 도면이다.
아날로그 전단(6)은 안테나(4)의 하류측에 접속된다. 아날로그 전단(6)의 출력은 복조부(8)에 공급된다. 이 복조부(8)는 수신기(2)가 관련된 다른 처리회로에 공급되는 정보신호(S)를 추출하기 위해 관련 복조 또는 균등화 처리를 제공한다.
아날로그 전단(6)은 다른 컴포넌트와 함께 본 발명에 따르는 향상된 저 노이즈 증폭기(10)를 포함한다.
저 노이즈 증폭기(10)는 결정된 범위의 주파수를 증폭함과 동시에 다른 별도 범위의 주파수를 감쇠시키는 단일 회로이다. 이 저 노이즈 증폭기는 증폭기의 입력부(IN)와 접지(GND)의 출력부(OUT) 사이에 접속되는 제1 입력 스테이지(12)를 포함한다.
입력 스테이지(12)는 종래의 것이며, 예컨대 도 1에 도시된 바와 같이 입출력부 및 접지 사이에 접속되는 단일 CMOS 또는 바이폴라 트랜지스터를 포함할 수 있다. 입력 스테이지(12)는 또한 증폭 트랜지스터, 캐스코드 접속된 트랜지스터(cascode connected transistor) 및 인덕터 또는 다른 바이어스 회로(biasing circuit) 또는 공지의 다른 입력회로들을 포함한다.
입력 스테이지(12)의 출력부(OUT)는 증폭을 실행하고 출력신호에 대한 전류를 공급하는 제2 스테이지(13)를 통해 직류 전압원(V)에 접속된다.
제 1 실시예에서 제 2 스테이지(13)는 증폭을 실행하기 위하여 직류 전류경로를 제공하는 2개의 직렬접속된 인덕터(14, 16)를 포함한다. 캐패시터(18)는 직류 전압원(V)에 접속된 인덕터(16)와 병렬로 접속된다.
다른 캐패시터(19)는 출력부와 직류 전압원 사이에서 2개의 인덕터(14, 16)와 병렬로 접속된다.
캐패시터(18, 19)는 모두 가변적인 컴포넌트들(tunable components)인 반면 인덕터(14, 16)는 결정된 값들을 갖는다.
제 1 실시예에서는 인덕터(14)가 10nH, 인덕터(16)가 4nH, 캐패시터(18)가 12pF, 캐패시터(19)가 1pF의 값을 각각 갖는다.
이 회로(10)는 결정된 주파수 범위의 증폭과 다른 주파수 범위의 감쇠를 동시에 수행한다.
보다 구체적으로, 인덕터(14)와 캐패시터(18)는 신호를 감쇠시키기 위해 직렬 공진된다. 동시에 인덕터(14, 16)에 의해 형성되는 모든 인덕터와 캐패시터(19) 는 신호를 증폭하기 위해 병렬 공진된다.
제 1 실시예에서는 캐패시터(19)의 값을 조정함으로써 증폭된 주파수 범위의 중간값을 설정할 수 있다. 또한, 캐패시터(18)의 값을 조정함으로써 감쇠된 주파수 범위의 중간값을 설정할 수도 있다.
본 발명의 저 노이즈 증폭기의 전달함수(transfer function)를 도 2를 참조하여 설명한다.
이 전달함수는 예컨대 약 650MHz로 설정된 증폭된 주파수 범위의 중간값에 대응하는 피크값을 갖는다. 또한, 이 전달함수는 예컨대 약 850MHz로 설정된 감쇠된 주파수 범위의 중간값에 대응하는 노치(notch)를 갖는다.
따라서, 본 발명의 저 노이즈 증폭기(10)는 750MHz까지의 신호를 수신하고 증폭시킬 수 있는 동시에 그 보다 높은 주파수의 신호, 특히 824MHz~915MHz 사이의 GSM신호를 감쇠시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 저 노이즈 증폭기의 회로도이다.
제 2 실시예에서, 제 2 스테이지(13)는 도 1을 참조로 설명한 제 2 스테이지와 동일하다. 제 2 스테이지는 직류 전압원(V)과 출력부 사이에 직렬 접속된 2개의 인덕터(20, 22), 출력부에 접속된 인덕터(20)와 병렬로 접속된 제1 가변 캐패시터(24), 및 직류 전압원과 출력부 사이에 병렬로 접속된 제 2 가변 캐패시터(26)를 포함한다.
이 실시예에서는, 인덕터(20)가 4nH, 인덕터(22)가 10nH, 캐패시터(24)가 12pF, 캐패시터(26)가 2pF의 값을 각각 갖는다.
인덕터(22)는 캐패시터(24)와 직렬 공진되며, 인덕터(22, 20)는 캐패시터(26)와 병렬 공진된다.
이 회로 또한 도 2에 도시된 바와 유사한 전달함수를 나타낸다.
제 1 실시예에서 처럼, 제 1 가변 캐패시터(24) 및 제 2 가변 캐패시터(26)의 값들을 각각 설정함으로써 증폭된 주파수 범위의 중간값과 감쇠된 주파수 범위의 중간값을 별도로 설정할 수 있다.
도 4에 도시된 본 발명의 제 3 실시예에서는 제 2 스테이지(13)가 직류 전압원(V)과 출력부 사이에 접속되어 직류 전류경로를 제공하는 제 1 인덕터(30)를 포함한다. 제 2 스테이지는 또한 직류 전압원과 출력부 사이에 직렬 접속된 제 2 인덕터(32)와 제 1 가변 캐패시터(34) 및 제 2 인덕터(30)와 병렬로 접속된 제 2 가변 캐패시터(36)를 포함한다.
이 회로에서, 제 2 인덕터(32)와 제 1 가변 캐패시터(34)는 직렬 공진되며, 제 1 인덕터(30)와 제 2 가변 캐패시터(36)는 병렬공진된다. 이 회로는 이전에 설명된 것들과 동일한 기능을 수행하지만, 어떠한 직류전류도 제 2 인덕터(32)를 통해 흐르지 않기 때문에 설계상의 제약이 줄어들게 된다.
제 3 실시예에서는, 제 1 인덕터(30)가 4nH, 제 2 인덕터(32)가 7nH, 제 1 가변 캐패시터(34)가 5pF, 제 2 가변 캐패시터(36)가 2pF의 값을 각각 갖는다.
제 1, 제2 실시예에서 이미 설명한 바와 같이, 제 3 실시예는 감쇠 주파수 범위 및 증폭된 주파수 범위의 각각에 대한 중간값을 설정할 수 있다.
도 5에 도시된 제 4 실시예에서는 장치가 안정된 신호(balanced signal)를 이용한다.
따라서, 제 1 입력 스테이지(12)는 양의 입력부(IN+)와 음의 입력부(IN-) 사이에 접속되어 2개의 신호를 공급한다. 이 입력 스테이지는 일반적인 것이며 도 1을 참조로 하여 설명한 것과 동일한 종류의 회로를 포함한다.
제 1 입력 스테이지(12)의 각 출력은 동일한 직류 전압원(V)에 접속된 각각의 제 2 스테이지(13)에 공급된다. 이들 제 2 스테이지(13)는 동일하며, 이전의 실시에에서 설명한 것 중의 어느 것이어도 좋다. 제 4 실시예에서, 이들 제 2 스테이지는 도 1을 참고로 하여 설명한 것과 유사하다. 제 2 스테이지의 각각은 2개의 직렬 접속된 인덕터(40, 42)를 구비한다. 가변 캐패시터(44)는 직류 전압원에 접속된 인덕터(42)와 병렬로 접속되고, 다른 가변 캐패시터(46)는 2개의 인덕터와 병렬로 접속된다.
또한, 이 장치는 제 1 입력 스테이지와 하나의 제 2 입력 스테이지 사이의 양의 출력부(OUT+)와, 제 1 입력 스테이지와 다른 제 2의 입력 스테이지 사이의 음의 출력부(OUT-)를 구비한다.
각각의 인덕터(40)는 대응하는 캐패시터(44)와 직렬 공진되며, 인덕터(40, 42)로 형성된 전체 인덕터의 각각은 대응하는 캐패시터(46)와 병렬 공진된다. 제 4 실시예의 장치 또한 도 1을 참조로 하여 설명한 것과 유사한 전달함수를 갖는다. 그러나, 안정된 신호의 사용은 양의 신호 및 음의 신호의 짝수 고조파(even harmonics)가 서로 상보적일 때 더욱 선형성을 가지게 한다.
제 4 실시예에서는, 인덕터(40)가 10nH, 인덕터(42)가 4nH, 캐패시터(44)가 12pF, 캐패시터(46)가 2pF의 값을 각각 갖는다.
모든 실시예에서, 감쇠된 주파수 범위의 중간값과 증폭된 주파수 범위의 중간값 사이의 차이는 컴포넌트들의 값에 의해 결정된다. 그리고, 주파수들을 높이거나 낮추기 위해 가변 컴포넌트들의 값을 설정함으로써 전체 전달함수를 중계할 수 있다.
그러나, 도 1 및 도 5를 참고로 하여 설명한 바와 같은 제 2 스테이지는 증폭된 주파수 범위와 감쇠된 주파수 범위를 설정함에 있어 더욱 독립적이 되도록 허용되며, 각각의 가변 컴포넌트는 하나의 범위에서만 동작한다.
본 발명의 1특징은 인덕터들 사이와 캐패시터들 사이의 미리 정해진 비율을 이용하는 것이다.
이 회로의 직류 전류경로에서의 제 1 인덕터의 값과 제 2 인덕터의 값은 이들 컴포넌트와 저 노이즈 증폭기의 나머지 컴포넌트들 사이의 정확한 공진을 보증하도록 설정된다.
정확하게 미리 정해진 비(ratio)에 의해 이 회로는 증폭용 병렬공진과 감쇠용 직렬공진을 모두 갖게 된다.
유익하게는, 제 2 인덕터의 값, 즉 인덕터(14, 22, 32, 40) 중 어느 하나의 인덕터의 값은 제 1 인덕터, 즉 인덕터(16, 20, 30, 42) 중 어느 하나의 인덕터의 값의 4배보다 크지 않도록 설정된다. 보다 바람직하게는 제 2 인덕터의 값은 제 1 인덕터의 값의 2.5배를 초과하지 않는다.
2개의 인덕터가 직류 전류경로 내에 있을 때 제 1 인덕터의 값은 10nH를 초 과해서는 안된다. 도 4에 대응하는 실시예에 있어서, 직류 전류경로가 단 하나의 제 1 인덕터만을 포함하면, 제 1 인덕터(30)는 0.3nH와 30nH 사이의 값으로 설정되어야 하며, 제 2 인덕터(32)는 100nH 미만의 값으로 설정되어야 한다.
유사하게, 캐패시터의 값은 또한 정확한 공진을 보증하도록 설정되어야 한다. 유익하게는 직류 전압원과 출력부 사이에 병렬 접속된 제 1 캐패시터의 값, 즉 캐패시터(19, 26, 36, 46) 중 어느 하나의 캐패시터의 값과 제 2 캐패시터의 값, 즉 캐패시터(18, 24, 34, 44) 중 어느 하나의 캐패시터의 값은 최대 1~10으로 되어야 한다. 따라서, 제 2 캐패시터의 값은 제 1 캐패시터 값의 10배를 초과해서는 안된다.
보다 바람직게는 제 2 캐패시터의 값은 제 1 캐패시터 값의 6배를 초과해서는 안된다.
2개의 인덕터가 직류 전류경로 내에 있을 때, 제 2 캐패시터의 값은 20pF을 초과해서는 안된다. 도 4에 대응하는 실시예에서, 직류 전류경로가 단 하나의 제 1 인덕터를 포함하는 경우 제 1 캐패시터(36)는 100pF미만이어야 하며, 제 2 캐패시터(34)는 1~100pF 이어야 한다.
이렇게 미리 결정된 비를 사용함으로써 증폭과 감쇠에 있어 약간의 선택성을 갖게 된다. 그리고, 다른 컴포넌트들의 값은 목적으로 하는 주파수 범위에 따라 설정될 것이며, 하나의 인덕터와 하나의 캐패시터의 각 쌍은 증폭된 주파수 범위 또는 감쇠된 주파수 범위에 대한 중간 주파수를 설정한다.
물론, 본 발명의 다른 실시예들도 가능하다. 예를 들면, 하나의 실시예로, 가변 컴포넌트들이 수개의 컴포넌트들로 형성되고 그들의 각각은 트랜지스터에 의해 형성되는 스위치로 직렬접속된다. 컴포넌트들의 전체적인 값은 트랜지스터의 제어에 의해 결정되므로, 이들 가변 컴포넌트의 디지털 제어가 가능해진다.
증폭 및/또는 감쇠된 주파수 범위의 중간값을 설정하기 위해 가변 인덕터들을 함께 사용하거나 또는 가변 캐패시터를 대신 사용할 수 있다.

Claims (11)

  1. 입력부(IN; IN+, IN-), 접지(GND) 및 출력부(OUT; OUT+, OUT-) 사이에 접속되는 제 1 스테이지(12)와,
    상기 출력부와 직류 전압원(V) 사이에 접속되는 제 2 스테이지(13)를 포함하며,
    상기 제 2 스테이지는 제 1 인덕터(16; 20; 30; 42)와 함께 직류 전류경로를 제공하고, 상기 회로는 상기 직류 전류경로와 병렬 접속된 제 1 커패시터(19; 26; 36; 46) 및 제 2 캐패시터(18; 24; 34; 44)와 직렬 접속된 제 2 인덕터(14; 22; 32; 40)을 포함하며,
    상기 제 1 및 제 2 인덕터의 값과 상기 제 1 및 제 2 캐패시터의 값은 미리 정해진 비(ratio)를 갖도록 설정되어 제 1 주파수 범위 내의 신호를 증폭하는 동시에 제 2 주파수 범위 내의 신호를 감쇠시키는 것을 특징으로 하는 고주파 신호용 증폭기(10).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 직류 전류경로는 단 하나의 제 1 인덕터(30)를 포함하고, 상기 제 2 인덕터(32)와 제 2 캐패시터(34)는 상기 직류 전압원과 상기 출력부 사이에 직렬 접속되는 것을 특징으로 하는 증폭기
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 직류 전류경로는 상기 직류 전압원과 상기 출력부 사이에 직렬 접속된 상기 제 1 및 제 2 인덕터(14, 16; 20, 22; 40, 42)를 포함하고, 상기 제 2 캐패시터(18; 24; 44)는 상기 2개의 인덕터 중의 하나와 병렬 접속되는 것을 특징으로 하는 증폭기.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항의 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 인덕터의 값은 상기 제 1 인덕터의 값의 4배를 넘지 않는 것을 특징으로 하는 증폭기.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항의 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 캐패시터의 값은 상기 제 1 인덕터의 값의 10배를 넘지 않는 것을 특징으로 하는 증폭기.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항의 어느 한 항에 있어서,
    제 1 및 제 2 가변 컴포넌트(18, 19; 44, 46)를 포함하고, 상기 제 1 가변 컴포넌트(18; 46)의 값은 제 1 주파수 범위의 중간값을 결정하며, 상기 제 2 가변 컴포넌트(19; 46)의 값은 제 2 주파수 범위의 중간값을 결정하는 것을 특징으로 하는 증폭기.
  7. 제 1 항 내지 제 5 항의 어느 한 항에 있어서,
    제 1 및 제 2 가변 컴포넌트(24, 26)를 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 가변 컴포넌트의 값은 상기 제 1 및 제 2 주파수 범위의 2개의 중간값을 조합하여 결정하는 것을 특징으로 하는 증폭기.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    적어도 하나의 가변 컴포넌트는 수개의 기본 컴포넌트로 형성되며, 상기 기본 컴포넌트의 각각은 제어가능한 스위치와 직렬 접속되고, 상기 스위치의 제어는 상기 가변 컴포넌트의 전체값을 결정하는 것을 특징으로 하는 증폭기.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항의 어느 한 항에 있어서,
    상기 회로는 단일 입력신호를 수신하는 것을 특징으로 하는 증폭기.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항의 어느 한 항에 있어서,
    상기 회로는 안정된 입력신호(balanced input signal)를 수신하여 안정된 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 증폭기.
  11. 아날로그 전단(6)과 복조부(8)를 포함하는 디지털 텔레비전 신호용 수신기(2)로서,
    상기 아날로그 전단은 청구항 1 내지 10의 어느 하나에 따르는 적어도 하나의 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 수신기.
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