KR20090090928A - 저잡음 증폭기 - Google Patents

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KR20090090928A
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박진수
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김영일
전상윤
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김범만
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Abstract

본 발명은 저잡음 증폭기에 관한 것으로, 본 발명의 저잡음 증폭기는 입력 신호를 증폭시키는 저잡음 증폭부; 상기 저잡음 증폭부의 입력단에 위치하며, 상기 저잡음 증폭부에서 발생되는 입력 신호에 대한 혼변조 왜곡 신호 및 열 잡음 신호를 보상하기 위한 보상 신호를 발생시키는 하모닉 및 잡음 발생부; 및 상기 저잡음 증폭부에서 증폭된 신호를 출력하는 로드부를 포함하여, 선형성이 개선되고 열 잡음을 제거하는 저잡음 증폭기를 제공할 수 있다.
저잡음 증폭기, IMD 신호, 트랜스컨덕턴스, 열 잡음, 선형성

Description

저잡음 증폭기{Low noise amplifier}
본 발명은 저잡음 증폭기에 관한 것으로, 더 상세하게는 선형성 개선을 위한 저잡음 증폭기에 관한 것이다.
RF 수신기가 안테나로 입력되는 신호의 크기에 따라 적정한 이득을 주기 위해 저잡음 증폭기가 이용된다. 저잡음 증폭기는 무선 시스템에서 안테나를 통하여 수신한 미약한 RF 신호를 증폭하는 증폭기로서, 잡음을 적게 발생시키면서 원하는 RF 신호를 증폭시킨다. 현재 이동통신 시스템은 한 이동통신 기기에서 블루투스, PCS(Personal Communication Services), GPS 등의 다양한 이동통신 서비스를 한 개의 RF-IC 칩으로 제공하고자 하는 SDR(software defined radio)를 요구한다. 이를 위해 기존의 협대역에서 동작되는 저잡음 증폭기와 다른 광대역 저잡음 증폭기가 필요하다.
본 발명은 선형성 및 잡음 지수의 개선을 위한 저잡음 증폭기를 제안한다.
본 발명의 일 양상에 따른 저잡음 증폭기는 입력 신호를 증폭시키는 저잡음 증폭부; 저잡음 증폭부의 입력단에 위치하며, 저잡음 증폭부에서 발생되는 입력 신호에 대한 혼변조 왜곡 신호 및 열 잡음 신호를 보상하기 위한 보상 신호를 발생시키는 하모닉 및 잡음 발생부; 및 저잡음 증폭부에서 증폭된 신호를 출력하는 로드부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 하모닉 및 잡음 발생부와 저잡음 증폭부는 직렬 연결된다. 하모닉 및 잡음 발생부는 저잡음 증폭부에서 발생되는 혼변조 왜곡 신호와 180도 반대 위상을 가지는 혼변조 왜곡 보상 신호를 발생시킬 수 있다. 또한, 하모닉 및 잡음 발생부는 광대역 저잡음 증폭부에서 발생되는 열 잡음과 180도 반대 위상을 가지는 열 잡음 보상 신호를 발생시킬 수 있다.
저잡음 증폭부는 FET를 포함하여 구성되는 공통 게이트 차동 증폭기일 수 있다.
하모닉 및 잡음 발생부는, FET를 포함하여 구성되며 저잡음 증폭부와 동일한 입력 신호를 수신하는 공통 소스 차동 증폭기이고, 하나의 FET의 드레인은 차동 입력 신호를 수신하는 다른 하나의 FET의 게이트에 연결되고, 상기 광대역 저잡음 증폭부의 입력에 직렬 연결될 수 있다.
로드부는 저항 및 저항과 직렬 연결된 인덕터를 포함하고, 저항과 인덕터 사이에서 발생된 신호를 출력할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 저잡음 증폭기를 나타내는 블록도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 저잡음 증폭기는 선형성 및 열 잡음을 개선하기 위한 것으로, 저잡음 증폭부(110), 하모닉 및 잡음 발생부(120) 및 로드부(130)를 포함한다.
저잡음 증폭부(110)는 차동 입력 신호를 증폭시키는 공통 게이트 증폭기로 구성될 수 있다. 하모닉 및 잡음 발생부(120)는 저잡음 증폭부(110)의 입력단에 위치하여, 공통 게이트 증폭기의 전류 소스의 역할을 한다.
이득(Gain)은 Gm×RL으로 나타낸다. 여기에서 Gm은 트랜스컨덕턴스이고, RL은 로드의 출력 저항을 나타낸다.
Gm값을 결정하게 되는 것이 전류 소스이다. 따라서, 전류는 회로의 이득과 관련이 있으며, 어떠한 전류를 선택하느냐에 따라서 저잡음 증폭부(110)에서 사용되는 트랜지스터와 바이어스 값들이 결정된다. 바이어스 값들에 따라서 왜곡 성분 의 크기들이 결정되기 때문에 선형성이 결정되고 전류값에 의해서 트랜지스터는 열잡음을 발생하기 때문에 잡음 지수(NF)가 결정된다.
즉, 하모닉 및 잡음 발생부(120)는 전류 소스를 통해 저잡음 증폭부(110) 단 전체의 전류를 조절하게 되고 그 전류를 통해 이득과 선형성 및 잡음 지수를 정의하게 된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 하모닉 및 잡음 발생부(120)는 저잡음 증폭부(110)에서 발생되는 입력 신호에 대한 혼변조 왜곡(Intermodulation Distortion; IMD) 신호 및 열 잡음 신호를 포함하는 잡음 신호를 보상하기 위한 보상 신호를 발생시킨다.
혼변조는 다이오드나 트랜지스터와 같은 비선형 소자를 통한 RF 신호 처리 과정에서, 두 개의 다른 주파수 신호의 하모닉 주파수들끼리의 합과 차로 조합된 출력 주파수 성분이 나오는 현상을 말한다. 즉, 2개 이상의 주파수 신호가 동시에 처리될 때 나타나는 현상이다. 이러한 현상은 원래 신호에 방해되는 왜곡 요소로서, 그 결과물을 혼변조 왜곡이라 부른다.
열 잡음은 높은 주파수에서 동작하는 회로에서 트랜지스터 내부에서 발생됨으로써 전달되는 신호에 섞여 원하는 신호에 영향을 미치게 되는 고주파 잡음을 의미한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 하모닉 및 잡음 발생부(120)는 저잡음 증폭부(110)에서 발생되는 혼변조 왜곡 신호와 180° 반대 위상을 가지는 혼변조 왜곡보상 신호를 발생시킨다. 또한, 하모닉 및 잡음 발생부(120)는 저잡음 증폭 부(110)에서 발생되는 열 잡음(thermal noise)과 180° 반대 위상을 가지는 열 잡음 보상 신호를 발생시킨다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 하모닉 및 잡음 발생부(120)는 저잡음 증폭부(110)와 직렬로 연결된다. 즉, 하모닉 잡음 발생부(120)의 결합기 회로 없이 보상 신호와 차동 입력 신호가 결합되어 저잡음 증폭부(110)로 입력된다. 따라서, 잡음 발생부(120)를 위한 추가적인 전류 소모가 없게 된다.
로드부(130)는 저잡음 증폭부(110)에서 증폭된 신호를 출력한다. 저잡음 증폭부(110)에 입력된 신호는 증폭되어 전류 신호로 출력되고, 출력된 전류 신호는 로드부(130)에 입력되어 전압 이득으로 변환되어 출력된다.
도 2는 도 1에 도시된 저잡음 증폭기를 상세하게 나타내는 회로도이다.
저잡음 증폭부(110)는 FET(M3) 및 FET(M4)로 차동 입력을 받는 공통 게이트(CG) 증폭기로 구성될 수 있다. 하모닉 및 잡음 발생부(120)는 저잡음 증폭부(110)의 입력단에 직렬로 연결된다.
하모닉 및 잡음 발생부(120)는 저잡음 증폭부(110)와 동일한 입력 신호를 수신하며, FET (M1) 및 FET(M2)를 포함하여 구성된 공통 소스(CS) 증폭기이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 2의 회로에서 FET(M1), FET(M2), FET(M3) 및 FET(M4)는 같은 형태 및 크기를 가지는 NMOSFET로 구성될 수 있다.
또한, FET(M1)의 드레인(D1)과 차동 입력을 받는 다른 FET(M2)의 게이트(G2)는 서로 연결되며, FET(M2)의 드레인(D2)과 FET(M1)의 게이트(G1)가 서로 연결된다. 또한, 하모닉 및 잡음 발생부(120)는 저잡음 증폭부(110)를 구성하는 FET(M3) 와 FET(M4)의 소스(S3, S4)에 직렬로 연결된다.
로드부(130)는 저항과 인덕터로 구성되며, 증폭된 전류 신호를 로드 임피던스를 통해 전압 신호로 변환된다. 출력 신호는 출력부(130)에서 저항과 인덕터가 연결되는 연결부위에서 출력된다. 출력부(130)에서 출력 임피던스는 FET(M3) 및 FET(M4)에서 발생하는 기생 캐패시턴스(Cdg)와 함께 발생된다
따라서, 로드부(130)는 인덕터, 캐패시터 및 저항으로 구성된 래더 필터(ladder filter) 형태를 가지고 있어 광대역 임피던스를 가지는 특성을 지닌다. 따라서, 광대역이면서 플랫한 전압 이득을 얻을 수 있다.
SDR은 다양한 서비스를 한 칩에서 동작시키기 위한 것이다. 이를 위해서는 다양한 대역의 신호를 증폭시켜 주는 광대역 저잡음 증폭기가 필요하다. 이러한 광대역 저잡음 증폭기는 광대역 매칭을 원하는 모든 대역의 신호를 받아들이고 이를 일정한 크기로 증폭해야 한다. 광대역 저잡음 증폭기는 광대역 매칭을 통해 원하는 대역의 신호를 받아들이고, 로드부의 임피던스는 원하는 모든 대역에서 일정한 임피던스를 가져야 일정한 증폭이 이루어진다. 따라서, 로드부는 원하는 광대역에서 동일한(flat) 임피던스가 필요하다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 로드부(130)의 구성을 포함하는 저잡음 증폭기는 SDR에 이용되는 광대역 저잡음 증폭기로 이용될 수 있다.
도 3은 공통 게이트와 공통 소스의 gm3 위치를 표기한 도면이다.
RF 회로의 비선형 특성 중에서 3차 인터모듈레이션(3rd order intermodulation)이 선형성 성능에 가장 큰 문제가 되는데, 이는 IMD3를 통해 출력 신호 바로 옆에 IMD 신호가 같이 생성되고, 생성된 신호는 쉽게 필터로 제거할 수 없기 때문이다.
도 3은 공통 게이트와 공통 소스의 gm3위치를 0 내지 1.2V 범위의 Vgs에서 나타낸 것이다. gm3가 0에 가까운 값을 가지면 IIP3(Third Order Intercept Point의 입력 전력)가 증가하며, IIP3가 증가하면 선형성이 증가한다는 점이 알려져 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 공통 게이트의 gm3는 음(-) 값을 가지며, 공통 소스의 gm3는 양(+)의 값을 가진다는 것을 나타낸다. 따라서, 도 3에 도시된 바와 같이, CG 회로와 CS 회로에 적절한 Vgs 바이어스 전압을 선택하면, 서로 상쇄할 수 있는 gm 값을 알 수 있다.
따라서, 도 2의 저잡음 증폭부(110)의 gm3를 상쇄할 수 있는 gm3 값을 가지도록 하모닉 및 잡음 발생부(120)가 설계된다. 즉, 하모닉 및 잡음 발생부(120)는 저잡음 증폭부(110)에서 필요한 전류를 공급하면서 저잡음 증폭부(110)의 gm3을 상쇄하기 위한 트랜지스터 크기와 바이어스 전압을 갖도록 설계될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 로드부의 회로 구성에 대한 등가 회로를 나타내는 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 로드부는 도 2에 도시된 바와 같이 인덕터와 저항을 포함한다. 도 4에서 기생 캐패시턴스(C1 및 C2)는 회로에 구현하지 않아도 생기는 캐패시턴스이다. 기생 캐패시턴스(C1)는 트랜지스터(M3 및 M4)로부터 발생되며, 기생 캐패시턴스(C2)는 저잡음 증폭부(110)의 출력단에서 생겨난다.
도 4에 도시된 바와 같은 회로에서 임피던스를 고려하면 대역통과 필터의 역할을 하게 된다. 즉, 특정 주파수에서 평평한(flat) 임피던스를 갖게 되고, 따라서 기존의 인덕터와 저항을 사용하는 것보다 특정 주파수에서 더 평평한 임피던스를 얻을 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 각각 공통 게이트와 공통 소스의 파형의 변화를 나타내는 도면이다.
도 5a에 도시된 바와 같이 입력에 들어가는 신호는 위상이 변하지 않고 그대로 나온다. 그러나, 공통 게이트(CG) 증폭기의 gm3 성분으로서 혼변조 왜곡 신호는 입력 신호와는 180°위상이 바뀌어 출력된다.
한편, 도 5b에 도시된 바와 같이, 공통 소스(CS) 증폭기는 원래 신호(fundamental signal) 출력 위상이 180°바뀌어 출력된다(Vout = -gmRL). 공통 소스(CS) 증폭기의 경우, gm3 성분이 양(+)의 값으로 원래 위상과 동일 위상을 갖고 출력된다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 저잡음 증폭기에서 선형성이 개선되는 것을 나타내는 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 노드 A를 보면, 노드 A는 (+) 입력이 CG인 저잡음 증폭부(110)에 입력되며, 이는 CS인 하모닉 및 잡음 발생부(120)에서 출력된 성분과 더해서 입력된다. 도 6에서 신호(601 내지 605)에서 가로축은 주파수이고, 세로축은 신호의 크기를 나타낸다.
구체적으로는 안테나를 통과한 신호는 저잡음 증폭부(110)에 신호(601)과 신호(602)와 같이 차동으로 입력이 된다. 차동 입력 신호 중 신호(602)는 하모닉 및 잡음 발생부(120)의 FET(M1)를 통과한 후, 기본 신호와 하모닉 신호가 신호(603)과 같이 출력된다.
신호(601)과 출력 신호(603)이 같이 합쳐져 신호(604)의 형태로 저잡음 증폭부(110)의 FET(M3)로 입력된다. 입력된 신호(604)는 저잡음 증폭부(110)의 FET(M3)를 거쳐 혼변조 왜곡 신호가 상쇄되어 신호(605)처럼 출력이 된다. 신호(605)를 다시 나타내면 신호(606)와 같이 표시되고, 이를 통해서 선형성이 개선이 된다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 저잡음 증폭기에서 열 잡음 신호가 제거되는 과정을 나타내는 도면이다.
도 7a 및 도 7b에서는 공통 게이트 회로인 저잡음 증폭부(110) 및 공통 소스 회로로 구성되는 하모닉 및 잡음 발생부(120)에서 발생되는 열 잡음을 나타낸다. 도 7a 및 도 7b에서 열잡음(701 내지 705)에서 가로축은 시간이고 세로축은 잡음 전압을 나타낸다.
트랜지스터(M2)에서 발생에서 발생된 열 잡음(701)은 저잡음 증폭부(110)인 CG단의 트랜지스터(M3)를 거쳐 위상이 180°변화되어 열 잡음(702)의 형태를 가지게 된다. 한편, 트랜지스터(M1)에서 발생된 열잡음(703)는 저잡음 증폭부(110)인 CG단의 트랜지스터(M4)를 거쳐 위상이 180°변화되어 열 잡음(704)이 된다.
따라서, 서로 반대 위상을 가지는 열잡음(702 및 704)이 합해지면 서로 상쇄 되어 열 잡음이 줄어들게 된다.
도 7b는 도 7a의 회로를 좀 더 간략화하여 나타낸 것이다. 즉, 공통 게이트 트랜지스터(M3 및 M4)와 공통 소스 트랜지스터(M1 및 M2)에서 발생되는 잡음 위상은 180° 차이가 생겨나게 되어 이 잡음 위상이 합해지면 공통 게이트 트랜지스터 즉 저잡음 증폭부(110)에서 발생되는 열 잡음이 제거될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 저잡음 증폭부의 입력단에 하모닉 및 잡음 발생부를 이용하여 저잡음 증폭기의 선형성을 개선할 수 있으며, 또한 저잡음 증폭부의 180°위상차이의 잡음 신호를 발생하여 잡음 신호를 감쇠시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 잡음 제거를 위한 하모닉 및 잡음 발생부를 광대역 증폭부와 직렬 연결하고 합셈기와 같은 소자없이 직접 연결하여 전력 소모를 줄이고 칩 면적을 줄일 수 있다. 따라서, 이로 인해 가격 경쟁력이 있으며 선형성을 개선하고 열잡음을 효율적으로 제거할 수 있는 저잡음 증폭기를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 로드 단에 저항 및 인덕터와 기생 커패시턴스로 구현된 필터 형태의 임피던스를 사용하여 광대역 매칭을 할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 일 실시예에 불과할 뿐, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 전술한 실시예에 한정되지 않고 특허 청구범위에 기재된 내용과 동등한 범위 내에 있는 다양한 실시 형태가 포함되도록 해석되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 저잡음 증폭기를 나타내는 블록도이고,
도 2는 도 1의 저잡음 증폭기를 나타내는 회로도이고,
도 3은 공통 게이트와 공통 소스의 gm3 위치를 표기한 도면이고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 로드부의 회로 구성에 대한 등가 회로를 나타내는 도면이고,
도 5a 및 도 5b는 각각 공통 게이트와 공통 소스의 파형의 변화를 나타내기 위한 도면이고,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 저잡음 증폭기에서 선형성이 개선되는 것을 나타내는 도면이고,
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 저잡음 증폭기에서 열 잡음 신호가 제거되는 과정을 나타내는 도면이다.

Claims (7)

  1. 입력 신호를 증폭시키는 저잡음 증폭부;
    상기 저잡음 증폭부의 입력단에 위치하며, 상기 저잡음 증폭부에서 발생되는 입력 신호에 대한 혼변조 왜곡 신호 및 열 잡음 신호를 보상하기 위한 보상 신호를 발생시키는 하모닉 및 잡음 발생부; 및
    상기 저잡음 증폭부에서 증폭된 신호를 출력하는 로드부를 포함하는 것을 특징으로 하는 저잡음 증폭기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하모닉 및 잡음 발생부와 상기 저잡음 증폭부는 직렬 연결되는 것을 특징으로 하는 저잡음 증폭기.
  3. 제1항에 있이서,
    상기 하모닉 및 잡음 발생부는 상기 저잡음 증폭부에서 발생되는 혼변조 왜곡 신호와 180도 반대 위상을 가지는 혼변조 왜곡 보상 신호를 발생시키는 것을 특징으로 하는 저잡음 증폭기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 하모닉 및 잡음 발생부는 상기 저잡음 증폭부에서 발생되는 열 잡음과 180도 반대 위상을 가지는 열 잡음 보상 신호를 발생시키는 것을 특징으로 하는 저잡음 증폭기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 저잡음 증폭부는
    FET를 포함하여 구성되는 공통 게이트 차동 증폭기인 것을 특징으로 하는 저잡음 증폭기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 하모닉 및 잡음 발생부는,
    FET를 포함하여 구성되며, 상기 저잡음 증폭부와 동일한 입력 신호를 수신하는 공통 소스 차동 증폭기이고,
    하나의 FET의 드레인은 상기 FET의 입력 신호 대한 차동 입력 신호를 수신하는 다른 하나의 FET의 게이트에 연결되고, 상기 저잡음 증폭부의 입력에 직렬 연결되는 것을 특징으로 하는 저잡음 증폭기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 로드부는 저항 및 상기 저항과 직렬 연결된 인덕터를 포함하고, 상기 저항과 상기 인덕터 사이에서 발생된 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 저잡음 증폭기.
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