KR20090071867A - 공통 부궤환 인덕터를 이용한 다중 밴드 저잡음 증폭기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다중 밴드 저잡음 증폭기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 휴대용 TV 수신기 등의 무선기기에서 다중 밴드를 소화하기 위해 공통 소스 구조로 이루어진 다수 개의 밴드별 협대역 저잡음 증폭기에 부궤환 인덕터를 공통으로 연결하고, 각 밴드별 협대역 저잡음 증폭기에 구비된 게이트 인덕터와 가변캐패시터의 값을 조절하여 밴드특성을 구현함으로써, 저잡음 증폭기의 특성 변화를 최소화하면서 인덕터의 개수를 감소시켜 반도체 칩을 소형화 할 수 있게 한 공통 부궤환 인덕터를 이용한 다중 밴드 저잡음 증폭기에 관한 것이다.

저잡음 증폭기, LNA, 다중 밴드 증폭기, 인덕터

Description

공통 부궤환 인덕터를 이용한 다중 밴드 저잡음 증폭기{A MULTI-BAND LOW NOISE AMPLIFIER WITH COMMON NEGATIVE FEEDBACK INDUCTOR}

본 발명은 다중 밴드 저잡음 증폭기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 휴대용 TV 수신기 등의 무선기기에서 다중 밴드를 소화하기 위해 공통 소스 구조로 이루어진 다수 개의 밴드별 협대역 저잡음 증폭기에 부궤환 인덕터를 공통으로 연결하고, 각 밴드별 협대역 저잡음 증폭기에 구비된 게이트 인덕터와 가변캐패시터의 값을 조절하여 밴드특성을 구현함으로써, 저잡음 증폭기의 특성 변화를 최소화하면서 인덕터의 개수를 감소시켜 반도체 칩을 소형화 할 수 있게 한 공통 부궤환 인덕터를 이용한 다중 밴드 저잡음 증폭기에 관한 것이다.

일반적으로 저잡음 증폭기는 휴대용 TV와 같은 무선기기의 안테나를 통해 수신한 미약한 신호를 잡음의 영향을 최소화하면서 원하는 주파수 대역만을 선별하고 증폭시키기 위해 이용된다. 특히 최근에는 각국의 휴대용 TV 표준이 다양한 주파수 밴드를 채택하면서 여러 밴드에 공통적으로 사용할 수 있는 형태의 저잡음 증폭기(LNA: Low Noise Amplifier)가 요청되고 있다.

이러한 저잡음 증폭기는 잡음 특성이 수신기 전체의 성능을 좌우하므로 저잡 음 증폭기의 잡음과 신호왜곡 등을 최대한 억제하고, 최대한의 신호전달을 위해서 증폭기의 입력단과 출력단의 임피던스 정합을 이용하는 것이 일반적이다.

종래에는 광대역 특성에 적합한 저잡음 증폭기의 형태로 저항 부궤환 공통 게이트 형태가 이용되었으나, 잡음 특성과 증폭 특성 면에서 협대역 특성의 공통 소스 부궤환 인덕터(common source negative feedback inductor)를 이용한 저잡음 증폭기에 비해 그 성능이 열악하였다. 그에 따라, 근래에는 잡음 특성, 증폭 특성, 및 밴드 특성을 모두 만족하기 위하여 공통 소스 부궤환 인덕터를 이용한 저잡음 증폭기를 밴드 별로 사용하고 있다.

이와 같이 근래에 사용되는 공통 소스 부궤환 인덕터를 이용한 저잡음 증폭기는 도 3에 도시된 바와 같이, 신호를 수신하는 안테나(Ant)에 일 측이 연결된 게이트 인덕터(Lg)와, 상기 게이트 인덕터(Lg)가 게이트에 연결되어 입력되는 신호를 증폭한 후 드레인으로 출력하는 제1트랜지스터(MN1)와, 상기 제1트랜지스터(MN1)의 소스와 게이트 간에 연결된 캐패시터(Cgs), 및 상기 제1트랜지스터(MN1)의 소스와 접지전압 간에 연결된 부궤환 인덕터(Ls)를 포함하여 구성된다.

또한, 이러한 종래의 공통 소스 부궤환 인덕터를 이용한 저잡음 증폭기를 여러 밴드에 공통으로 사용하기 위해서는 도 4에 도시된 바와 같이, 다중 밴드의 신호를 수신할 수 있도록 밴드별로 협대역 저잡음 증폭기가 구비되어야 하였으며, 이때, 각 밴드별 저잡음 증폭기마다 반도체의 칩 사이즈에 큰 비중을 차지하는 인덕터가 3개 이상씩 필요하였다.

그러나, 반도체 공정 기술의 발달로 반도체 칩이 계속하여 소형화되면서 반 도체 소자의 수가 증가하고 고집적화 됨에 따라 칩 내에서 단위소자들이 차지하는 비중이 커지는 근래의 기술적 경향에 의할 때, 이와 같이 칩에 구비되는 나선형 인덕터 등을 구현하기 위해서는 다른 소자에 비해 상대적으로 큰 면적이 필요하게 되므로 칩 크기의 소형화에 반하게 되는 문제점이 있었다.

따라서, 이러한 반도체 공정 기술을 적용하여 종래의 공통 소스 부궤환 인덕터를 이용한 저잡음 증폭기를 밴드 별로 제작할 경우, 각 밴드마다 부궤환 인덕터가 요구되어 인덕터의 개수가 증가하게 되고, 그에 따라 반도체 칩의 소형화를 저해하게 되는 문제점이 있었다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 다중 밴드에 공통으로 사용되기 위해 연결된 다수 개의 밴드별 저잡음 증폭기에 구비된 증폭트랜지스터의 일 단자에 공통 부궤환 인덕터를 공통으로 연결하여, 반도체 칩 설계시 큰 면적이 요구되는 인덕터의 개수를 줄임으로써, 반도체 칩의 면적을 줄일 수 있는 공통 부궤환 인덕터를 이용한 다중 밴드 저잡음 증폭기를 제공함에 있다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 공통 부궤환 인덕터를 이용한 다중 밴드 저잡음 증폭기는, 공통 소스 구조를 이용한 협대역 다중 밴드 저잡음 증폭기에 있어서, 안테나에 일 측이 연결된 게이트 인덕터와, 게이트에 상기 게이트 인덕터가 연결되어 안테나에서 수신한 신호를 증폭하는 증폭트랜지스터와, 상기 증폭트랜지스터의 소스와 게이트 간에 연결된 가변캐패시터가 구비된 다수 개의 밴드별 저잡음 증폭기; 및 상기 다수 개의 밴드별 저잡음 증폭기를 이루는 각 증폭트랜지스터의 일 단자에 공통으로 연결된 공통 부궤환 인덕터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 밴드별 저잡음 증폭기가 공통 부궤환 인덕터의 값을 고정시키고, 증폭하고자 하는 대역의 밴드마다 게이트 인덕터와 가변캐패시터의 값을 조절하여 입력 임피던스를 결정하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 다중 밴드를 소화하기 위해 공통 소스 구조로 이루어진 다수 개의 밴드별 저잡음 증폭기에 하나 또는 상기 밴드별 저잡음 증폭기의 수보다 적은 수의 부궤환 인덕터를 공통으로 연결하고, 각 밴드별 저잡음 증폭기에 구비된 게이트 인덕터와 가변캐패시터의 값을 조절하여 밴드특성을 구현함으로써, 다중 밴드 증폭기에서 전체적으로 요구되는 전체 인덕터의 개수를 감소시켜 반도체 칩을 소형화 할 수 있는 장점이 있다.

이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 공통 부궤환 인덕터를 이용한 다중 밴드 저잡음 증폭기는 도 1에 도시된 바와 같이, 안테나(Ant)에서 수신한 신호를 증폭하는 다수 개의 밴드별 저잡음 증폭기(LNA)(100)와, 상기 밴드별 저잡음 증폭기의 각 안테나에서 수신한 신호를 증폭하는 증폭트랜지스터(M1, M3, M5)의 일 단자에 공통으로 연결된 공통 부궤환 인덕터(Ls)(200)를 포함하여 구성된다.

이때, 상기 각 밴드별 저잡음 증폭기(100)는 안테나(Ant)에 일 측이 연결된 게이트 인덕터(Lg1, Lg2, Lg3)와, 게이트에 상기 게이트 인덕터가 연결되고 소스에 공통 부궤환 인덕터(Ls)가 공동으로 연결되며 상기 안테나에서 수신한 신호를 증폭하는 증폭트랜지스터(M1, M3, M5)와, 상기 증폭트랜지스터의 소스와 게이트 간에 연결된 캐패시터부(Cgs1, Cgs2, Cgs3)를 포함하는 통상적인 협대역 저잡음 증폭기가 밴드별로 이루어져 구성된다.

또한, 상기 각 밴드별 저잡음 증폭기(100)는 상기 증폭트랜지스터(M1, M3, M5)의 드레인에 일 단자가 연결되고 바이어스 전압이 게이트에 인가되는 캐스코드 트랜지스터(M2, M4, M6)가 구비되고, 상기 캐스코드 트랜지스터의 다른 일 단자에는 전압원에 연결된 드레인 인덕터(Ld1, Ld2, Ld3)와, 출력단에 연결된 출력캐패시터(Cd1, Cd2, Cd3)가 함께 연결되어 구성된다.

상기 공통 부궤환 인덕터(Ls)(200)는 일단이 상기 각 밴드별 저잡음 증폭기의 증폭트랜지스터(M2, M3, M5) 소스에 공통으로 연결되고, 타단이 접지전원에 연결되어, 본 발명에 다른 다중 밴드 저잡음 증폭기 전체의 면적을 최소화 하도록 구성된다.

또한, 상기 공통 부궤환 인덕터(Ls)는 특정 밴드에 적합하게 선택되지 않아 증폭하고자 하는 각 밴드에서 최적의 밴드 특성을 구현할 수 없으므로, 원하는 밴드에서 최적화된 잡음 특성과 증폭 특성, 및 밴드 특성을 구현하기 위해 상기 증폭트랜지스터(M1, M3, M5)에 연결된 캐패시터부(Cgs1, Cgs2, Cgs3)는 그 용량을 변화시키며 입력임피던스를 조절하여 입력 매칭할 수 있게 한 가변캐패시터로 구성된다.

이때, 상기 가변캐패시터(Cgs1, Cgs2, Cgs3)는 도 2에 도시된 바와 같이, 제어신호에 의해 스위칭되는 모스트랜지스터로 이루어진 다수 개의 모스스위치와, 상기 각 모스스위치의 일 단자에 연결된 캐패시터로 구성되는 것이 바람직하다.

이때, 상기 각 밴드별 저잡음 증폭기를 입력 매칭하면서 최대 전력 전송과 최소 신호 왜곡을 가능하게 하는 값으로 입력 임피던스(impedance)를 50Ω으로 설정하면, 입력단에서의 전압 Vin은 수학식 1과 같이 표현된다.

이때, 상기 g_m은 증폭트랜지스터의 컨덕턴스 성분이다. 상기 수학식 1에서 jω를 복소 주파수 s로 바꾸고,

의 관계를 이용하여 정리하면 입력 임피던스는 수학식 2와 같이 된다.

이때, 상기 입력 임피던스를 50Ω으로 매칭하므로, 허수부는 0이 되고 실수부 항만 50이 되어야 입력단에서 정재파의 최소값과 최대값의 비인 VSWR(Voltage Standing Wave Ratio)이 1이 되어 최상의 값을 갖게 된다.

그에 따라, Zin의 실수부인 R_s는 수학식 3과 같이 되고, 허수부를 0으로 만드는 공진주파수는 수학식 4와 같이 된다.

즉, 실수부를 결정함에 있어 상기 공통 부궤환 인덕터(Ls)의 값과 증폭트랜지스터의 컨덕턴스(g_m) 값을 고정하고, 가변캐패시터(Cgs)의 값을 조절하여 구현할 수 있게 된다. 허수부가 0이 되기 위해서는 게이트 인덕터(Lg1, Lg2, Lg3)의 값을 적절하게 조절하여 원하는 입력 매칭을 구현할 수 있게 된다.

즉, 밴드 특성을 결정함에 있어 공통 부궤환 인덕터(Ls)를 고정하고 게이트 인덕터(Lg1, Lg2, Lg3)와 가변캐패시터(Cgs1, Cgs2, Cgs3)의 변화로 충분히 입력 매칭이 가능함을 확인할 수 있다.

따라서, 본 발명에 따라 부궤환 인덕터가 증폭기마다 개별적으로 구비되었던 경우와 동일한 입력 임피던스로 매칭함으로써, 저잡음 증폭기의 특성 변화 없이 반도체 칩 사이즈에 큰 비중을 차지하는 인덕터의 개수를 줄여서 칩의 면적을 감소시킬 수 있게 된다.

또한, 이와 같이 구성된 본 발명에서 상기 다수 개의 밴드별 저잡음 증폭기에 공통으로 사용되는 공통 부궤환 인덕터(Ls), 가변캐패시터(Cgs1, Cgs2, Cgs3), 또는 그 외의 수동소자 들을 반도체 칩의 내부뿐만 아니라 칩 외부에 구현함으로써, 반도체 칩의 면적을 보다 감소시키도록 구성될 수도 있다.

이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 이라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

도 1은 본 발명에 따른 공통 부궤환 인덕터를 이용한 다중 밴드 저잡음 증폭기의 회로 구성도,

도 2는 본 발명에 따른 가변저항부의 회로 구성도,

도 3은 종래의 공통 소스 부궤환 인덕터를 이용한 협대역 저잡음 증폭기의 회로 구성도,

도 4는 여러 밴드에 공통으로 사용되는 종래의 공통 소스 부궤환 인덕터를 이용한 협대역 저잡음 증폭기의 회로 구성도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 - 밴드별 저잡음 증폭기 200 - 공통 부궤환 인덕터

Claims (3)

1. 공통 소스 구조를 이용한 협대역 다중 밴드 저잡음 증폭기에 있어서,

   안테나에 일 측이 연결된 게이트 인덕터와, 게이트에 상기 게이트 인덕터가 연결되어 안테나에서 수신한 신호를 증폭하는 증폭트랜지스터와, 상기 증폭트랜지스터의 소스와 게이트 간에 연결된 가변캐패시터가 구비된 다수 개의 밴드별 저잡음 증폭기; 및

   상기 다수 개의 밴드별 저잡음 증폭기를 이루는 각 증폭트랜지스터의 일 단자에 공통으로 연결된 공통 부궤환 인덕터를 포함하는 것을 특징으로 하는 공통 부궤환 인덕터를 이용한 다중 밴드 저잡음 증폭기.
2. 제1항에 있어서,

   상기 밴드별 저잡음 증폭기는,

   상기 공통 부궤환 인덕터의 값을 고정시키고, 증폭하고자 하는 대역의 밴드마다 상기 게이트 인덕터와 가변캐패시터의 값을 조절하여 입력 임피던스를 결정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 공통 부궤환 인덕터를 이용한 다중 밴드 저잡음 증폭기.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 다수 개의 밴드별 저잡음 증폭기에 공통으로 사용되는 공통 부궤환 인 덕터가 반도체 칩의 외부에 구현되는 것을 특징으로 하는 공통 부궤환 인덕터를 이용한 다중 밴드 저잡음 증폭기.

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