KR20090022260A - 가변 캐패시터를 이용한 광대역 저잡음 증폭기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가변 캐패시터를 이용한 광대역 저잡음 증폭기에 관한 것으로서, 안테나를 통해 수신된 무선 신호를 증폭시키고 피드백 경로를 통해 상기 증폭된 신호의 일부를 입력 받는 커먼 소스(Common source) 구조의 저잡음 증폭 회로와, 저항 소자를 보상하는 가변 캐패시터(capacitor)를 포함하여 상기 피드백 경로로 입력되는 신호로 광대역을 입력 매칭하는 피드백 회로를 포함함으로써 주파수 터닝 레인지(Turnning Range)를 증가시키고 광대역을 위한 션트 피드백 저항의 공정 오차를 교정할 수 있다. 또한, 피드백되는 캐패시터로 인하여 동작주파수에서 인덕터 값을 감소시킴으로써 입력저항을 줄이고 NF(Noise Figure)를 개선할 수 있다.

저잡음 증폭기, 가변 캐패시터, 입력매칭, LNA

Description

가변 캐패시터를 이용한 광대역 저잡음 증폭기{BROADBAND LOW NOISE AMPLIFIER USING VARIABLE CAPACITOR}

본 발명은 가변 캐패시터를 이용한 광대역 저잡음 증폭기에 관한 것으로, 특히, 피드백 단에 가변 캐패시터를 이용하여 입력 매칭을 조절하는 회로에 관한 것이다.

무선 전화기와 같은 무선 통신 장비에는 무선 매체를 통해 신호를 송수신하기 위한 많은 전자 부품들이 이용되며, 실제로 무선 전화기의 송수신기에서 신호의 송수신이 이루어진다.

이러한 송수신기의 신호경로 상 무선 인터페이스에 가장 가까이 위치하는 부분을 송수신기 전단이라 한다. 상기 송수신기 전단에는 안테나를 비롯해 전력 증폭기(Power Amplifier), 아이솔레이터(isolator), 저잡음 증폭기(low noise amplifire:LNA), 다중화기(multiplexer) 등의 여러 가지 부품들이 배열된다. 이들 중 상기 전력증폭기 혹은 저잡음 증폭기는 능동 소자와 입출력 저항을 조절하기 위 한 내부 입출력 매칭 회로를 포함한다.

상기 매칭 회로는 신호 전송 과정에서 전력 손실을 피하거나 줄이기 위해 부품들 사이의 임피던스를 매칭시켜 사용된다. 특히, 상기 저잡음 증폭기에 있어서 임피던스 전달 회로는 입력 신호원(input signal source)과 상기 저잡음 증폭기를 위해 선택된 능동 소자 사이의 최적의 잡음 임피던스 매칭을 유지하기 위해 사용된다.

통상의 무선 수신단에서는 멀티 밴드 수신기를 구현하기 위하여 광대역 저잡음 증폭기가 필요하고 그에 대한 방법으로 커먼 소스(Common Source)구조의 션트 피드백 레지스터(Shunt Feedback Registor)사용이 보편화 되어 있다.

도 1은 종래기술에 따른 커먼 소스구조의 션트 피드백 레지스터 회로를 도시하고 있다.

상기 커먼 소스구조의 션트 피드백 레지스터 회로는 저잡음 증폭기 설계에 가장 기본적인 토폴로지(Topology)로 안테나로부터 수신되는 기저대역 신호가 입력부(101)를 통해 입력되면 트랜지스터(103, 105)를 통해 증폭시키고, 상기 증폭된 신호를 출력단의 피드백 경로로 되돌려 상기 피드백 경로의 캐패시터(107)를 통해 DC를 블로킹(blocking)하여 DC성분을 없애고 저항(109)을 통해 신호의 주파수를 감쇄한다.

상기 커먼 소스구조의 션트 피드백 레지스터 회로는 NF(Noise Figure) 및 광대역 입력 매칭의 장점이 있으나, 상기 입력 매칭이 특정 주파수에 고정되고, 상기 주파수의 대역이 일정 값으로 한계가 있다. 또한, 상기 고정된 매칭 소자 값에 의 해서 각 협소밴드(Narrow band)에 최적화된 매칭을 기대할 수 없는 문제점이 있다.

도 2는 종래기술에 따른 캐패시터와 연결되는 가변 캐패시터를 이용하여 입력 매칭을 조절하는 회로를 도시하고 있다.

상기 도 2의 회로는 상기 도 1에 도시된 회로의 피드백 경로에 DC를 블로킹하는 캐패시터(201)의 값을 조절하기 위한 가변 캐패시터(203)를 추가로 연결하여 입력 매칭을 조절하며 제 2캐패시터(205)의 출력측에 연결된 회로(220)는 잡음 제거 회로로 역방향 아이솔레이션의 효과를 얻기 위해 선택적으로 설치된다.

하지만, 일반적으로 상기 직류 블록 캐패시터에는 요구되는 최소값이 존재하므로 가변 캐패시터의 캐패시터 값이 일정 크기 이상으로 설계되야 하는 문제점이 있다.

또한, 상술한 두 회로 모두 입력 임피던스가 피드백 저항값에 우세한 구조이지만 피드백 저항의 공정 변화 값을 보상할 수 없다. 통상의 CMOS공정에서 저항의 변화는 최대 20%의 오차 범위가 발생될 수 있고 이 부분에 대한 보정 회로가 요구된다.

본 발명의 목적은 가변 캐패시터를 이용한 광대역 저잡음 증폭기를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 피드백 단에 가변 캐패시터를 이용하여 입력 매칭을 조절하는 저잡음 증폭기 회로를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 저항에 병렬로 가변 캐패시터를 설치하여 저항소자를 보상하는 저잡음 증폭기 회로를 제공함에 있다.

상술한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 견지에 따르면, 안테나를 통해 수신된 무선 신호를 증폭시키고 피드백 경로를 통해 상기 증폭된 신호의 일부를 입력 받는 커먼 소스(Common source) 구조의 저잡음 증폭 회로와, 저항 소자를 보상하는 가변 캐패시터(capacitor)를 포함하여 상기 피드백 경로로 입력되는 신호로 광대역을 입력 매칭하는 피드백 회로를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이 본 발명은 저잡음 증폭기에서 피드백되는 저항에 병렬로 가변 캐패시터를 설치함으로써 주파수 터닝 레인지(Turnning Range)를 증가시키고 광대역을 위한 션트 피드백 저항의 공정 오차를 교정할 수 있다. 또한, 피드백되는 캐패시터로 인하여 동작주파수에서 인덕터 값을 감소시킴으로써 입력저항을 줄이고 NF(Noise Figure)를 개선할 수 있는 효과가 있다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면의 참조와 함께 상세히 설명한다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

이하 본 발명에서는 피드백 단에 가변 캐패시터를 이용하여 입력 매칭을 조절하는 회로에 관해 설명할 것이다.

도 3은 본 발명에 따른 가변 캐패시터를 이용한 광대역 저잡음 증폭기를 도시하고 있다.

도 3을 참조하면, 상기 광대역 저잡음 증폭기는 입력부(301), 입력 매칭을 위한 제 1인덕터(303), 신호를 증폭하기 위한 트랜지스터(311, 313), 출력 매칭을 위한 제 2인덕터(315)와 제 3인덕터 (317)를 포함하는 커먼 소스 구조의 저잡음 증폭부와, DC 성분을 블로킹하기 위한 캐패시터(305), 신호의 주파수를 감쇄시키기 위한 저항(307), 저항을 보상하기 위한 가변 캐패시터(309)를 포함하여 광대역 입력 매칭을 구성하는 피드백 회로로 구성된다.

또한, 상기 피드백 회로는 증폭기 트랜지스터의 드레인(drain)에서 게이 트(gate)로 연결된다.

상기 도 3을 참조하면, 먼저 안테나를 통해 수신된 신호는 입력부(301)로 입력되어 상기 트랜지스터(311, 313)을 통해 증폭되어 출력된다. 이때, 상기 출력된 신호 중 일부가 피드백 경로로 다시 입력된다.

이후, 상기 입력된 신호의 DC 성분을 캐패시터(305)를 통해 블로킹하고 저항(307)을 통해 신호의 주파수를 감쇄시키는데 이때, 상기 피드백경로의 저항(307)에 가변 캐패시터(309)를 병렬로 설치하여 저항소자를 보상한다.

하기 <수학식 1>은 도 2에 도시된 종래의 기술에 따른 입력 임피던스를 유도한 식이고, <수학식 2>는 도 3에 도시된 본 발명에 따른 입력 임피던스를 유도한 식이다.

상기 <수학식 1>과 <수학식 2>에서 R_input은 입력매칭을 R_F는 저항을 C_fix는 캐패시터를 C_var은 가변 캐패시터를 나타내며 ω는 2π와 승산되는 입력 신호의 주파수를 표시하며, j는 허수부이다.

상기 <수학식 1>과 <수학식 2> 모두 입력 임피던스가 피드백 저항인 R_F에 의존하지만, <수학식 2>에서는 저항 R_F가 가변 캐패시터인 C_var에 의해서 보상이 되는것을 알 수 있다.

또한, 상기 <수학식 2>를 보면 상기 가변 캐패시터의 값은 주파수와 연계되어 그 값에 따라서 입력 매칭이 되는 주파수가 달라진다. 따라서, 외부에서 가변 캐패시터 값을 변화시켜서 넓은 주파수 대역에 최적화된 입력 매칭을 얻을 수 있다.

도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 가변 캐패시터 양단에 다른 전위를 가하는 회로를 도시하고 있다.

상기 도 4를 참조하면, 저항 소자를 보상하기 위한 가변 캐패시터를 추가할 시, 상기 가변 캐패시터의 값을 변화시키기 위해 가변 캐패시터의 양단에 다른 전위(401)를 가하는 회로를 제시하고 있다.

또한, 상기 가변 캐패시터의 양단에 다른 전위를 가할 시, 직류전원 블로킹(DC blocking)용 가변 캐패시터를 추가한다.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 가변 캐패시터 뱅크를 이용한 광대역 저잡음 증폭기를 도시하고 있다.

상기 도 5를 참조하면, 피드백되는 저항에 가변 캐패시터를 설치하여 저항 소자를 보상할 시, 값이 상이한 캐패시터를 여러개 추가하여 캐패시터 뱅크(capacitor bank)(501)를 구성하여 설치함으로써 좀 더 넓은 대역을 매칭 할 수 있는 회로를 제시하고 있다.

도 6은 동일한 가변 캐패시터를 이용하여 도 2에 도시된 종래에 따른 회로(도 6(a))와 도 3에 도시된 본 발명에 따른 회로(도 6(b))의 가변 대역을 비교한 시뮬레이션 결과 그래프이다. 상기 그래프를 비교하면 같은 가변 캐패시터의 사용으로 도 6(b)가 도 6(a)보다 높은 주파수의 넓은 대역에 동작됨을 확인할 수 있다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

도 1은 종래기술에 따른 커먼 소스구조의 션트 피드백 레지스터 회로를 도시하는 도면,

도 2는 종래기술에 따른 캐패시터와 연결되는 가변 캐패시터를 이용하여 입력 매칭을 조절하는 회로를 도시하는 도면,

도 3은 본 발명에 살시 예에 따른 가변 캐패시터를 이용한 광대역 저잡음 증폭기를 도시하는 도면,

도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 가변 캐패시터 양단에 다른 전위를 가하는 회로를 도시하는 도면,

도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 가변 캐패시터 뱅크를 이용한 광대역 저잡음 증폭기를 도시하는 도면, 및

도 6은 종래의 기술에 따른 방법과 본 발명에 따른 방법의 가변대역을 비교한 시뮬레이션 그래프를 도시하는 도면.

Claims (7)

1. 광대역 저잡음 증폭기 회로에 있어서,

   안테나를 통해 수신된 무선 신호를 증폭시키고 피드백 경로를 통해 상기 증폭된 신호의 일부를 입력 받는 커먼 소스(Common source) 구조의 저잡음 증폭 회로와,

   저항 소자를 보상하는 가변 캐패시터(capacitor)를 포함하여 상기 피드백 경로로 입력되는 신호로 광대역을 입력 매칭하는 피드백 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 회로.
2. 제 1항에 잇어서

   상기 가변 캐패시터는,

   상기 피드백 회로에 포함된 저항과 병렬 연결하는 것을 특징으로 하는 회로.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 저잡음 증폭부는,

   임의의 밴드에 입력 매칭을 위한 게이트-소스 인덕터를 포함하는 것을 특징으로 하는 회로.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 피드백 회로는,

   상기 저잡음 증폭 회로 트랜지스터의 드레인(Drain)에서 게이트(Gate)로 연결되는 것을 특징으로 하는 회로
5. 제 1항에 있어서,

   상기 가변 캐패시터는,

   값이 서로 다른 캐패시터를 이용하여 캐패시터 뱅크를 구성할 수 있는 것을 특징으로 하는 회로.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 가변 캐패시터의 양단에 다른 전위를 가할 수 있는 것을 특징으로 하는 회로.
7. 제 6항에 있어서,

   상기 가변 캐패시터의 양단에 다른 전위를 가할 시, 직류전원 블로킹(DC blocking)용 가변 캐패시터를 추가하는 것을 특징으로 하는 회로.

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