KR20100062444A - Mixer - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 주파수 혼합기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 직접 변환 방식의 RF 수신기에서 사용되는 주파수 혼합기에 관한 것이다.The present invention relates to a frequency mixer, and more particularly, to a frequency mixer used in a direct conversion RF receiver.
일반적으로 주파수 혼합기는 입력되는 신호를 원하는 주파수 대역의 신호로 변환하는 회로를 말한다. 이러한 주파수 혼합기는 통신시스템의 송신기 및 수신기 등에서 사용되고 있을 뿐만 아니라 기타 다른 영역들에서도 광범위하게 적용되고 있다.In general, the frequency mixer refers to a circuit for converting an input signal into a signal of a desired frequency band. Such frequency mixers are not only used in transmitters and receivers in communication systems, but also widely applied in other areas.
일반적인 수신기에서의 주파수 혼합기는 입력되는 신호를 하향변환한다. 하향 변환 방식에는 헤테로다인 방식과 직접 변환 방식이 있다. 헤테로다인 방식은 RF 신호를 IF 신호를 변환한 후, 다시 IF 신호를 기저대역 신호로 변환하는 방식이고, 직접 변환 방식은 RF 신호를 직접 기저대역 신호로 변환하는 방식이다. 양 방식은 각각의 장단점이 있으나, 헤테로다인 방식은 RF 신호를 IF 신호로 변환한 후, IF 신호를 기저대역 신호로 변환하는 각 과정에서 필터의 사용이 필수적이다. 여기 서 일반적으로 사용되는 필터는 표면탄성파(Surface Acoustic Wave, SAW) 필터나 세라믹 필터이다. 이러한 SAW 필터나 세라믹 필터는 오프-칩(off-chip) 형태로 제작된다. 따라서 수신기의 집적화에 많은 제약요인이 되고 있다. 따라서 헤테로다인 방식보다는 직접 변환 방식을 많이 사용하고 있다.In a typical receiver, the frequency mixer downconverts the incoming signal. There are two types of downconversion methods: heterodyne and direct conversion. The heterodyne method converts an RF signal into an IF signal and then converts an IF signal into a baseband signal, and a direct conversion method converts an RF signal directly into a baseband signal. Although both methods have advantages and disadvantages, the heterodyne method requires the use of a filter in each process of converting an RF signal into an IF signal and then converting the IF signal into a baseband signal. Commonly used filters are surface acoustic wave (SAW) filters or ceramic filters. These SAW filters or ceramic filters are manufactured in off-chip form. Therefore, there are many constraints on integration of the receiver. Therefore, the direct conversion method is used more than the heterodyne method.
그러면, 직접 변환 방식의 수신의 구조를 도 1을 참조하여 살펴보기로 한다.Then, the structure of the reception of the direct conversion method will be described with reference to FIG.
도 1은 일반적인 직접 변환 방식의 수신기를 설명하기 위한 도면이다.1 is a diagram illustrating a receiver of a general direct conversion method.
도 1 을 참조하면, 안테나(110)를 통해 하나 이상의 RF 신호들을 수신하면, 수신된 RF 신호들은 대역통과필터(120)를 통과한다. 대역통과필터(120)를 통과한 RF 신호들은 저잡음 증폭기(130)로 제공되고, 저잡음 증폭기(130)는 RF 신호들을 증폭한다. 증폭된 RF 신호들은 주파수 혼합기(140)로 제공되고, 주파수 혼합기(140)는 국부 발진기(150)에서 제공된 LO 신호와 저잡음 증폭기(130)를 통과한 RF 신호를 혼합하여 기저대역(Baseband, BB) 신호를 출력한다. 출력된 기저대역 신호는 최종적으로 저역통과필터(160)를 통과하게 된다. 여기서, 주파수 혼합기(130)는 상보형 금속산화물 반도체(Complementary Metal-Oxide Semiconductor; 이하 "CMOS"라 칭함)로 구현되는 것이 일반적이다.Referring to FIG. 1, when receiving one or more RF signals through the
이러한 직접 변환 방식의 수신기는 헤테로다인 방식에서 필요로 하는 오프-칩 소자들을 제거할 수 있기 때문에, 수신기의 집적화가 용이하다는 장점이 있다. 하지만, 직접 변환 방식은 디씨 오프셋(DC offset), IM2(second order distortion), 셀프 믹싱(self mixing), 플리커 잡음(flicker noise) 등의 문제점을 가지고 있다. 이러한 문제점 중에서 플리커 잡음(flicker noise)은 능동소자가 안 고 있는 고유의 잡음으로서, 특히 저주파 영역에서 크게 영향을 미친다. 그리고 이러한 플리커 잡음은 BJT(Bipolar Junction Transistor) 소자보다 CMOS 소자에서 더 큰 문제로 여겨지고 있다. 왜냐하면, 플리커 잡음은 반도체 소자의 물성에 의한 것으로서, CMOS 트랜지스터의 드레인과 소스사이에 형성되는 채널을 이동하는 전자들을 움직이지 못하게 함으로써 생기는 잡음이기 때문이다. 이러한 플리커 잡음은 전자가 채널에서 움직이지 못하는 시간이 랜덤으로 분포하므로, 플리커 잡음 특성을 일반화시켜 예측하는 것은 불가능하다. 다만, CMOS 트랜지스터의 포화영역에서 플리커 잡음에 의한 전류 밀도()는 아래의 <수학식 1>과 같이 예측할 수 있다.The direct conversion receiver can eliminate off-chip elements required by the heterodyne scheme, and thus, the receiver can be easily integrated. However, the direct conversion method has problems such as DC offset, second order distortion (IM2), self mixing, and flicker noise. Among these problems, flicker noise is inherent in active devices, especially in the low frequency region. This flicker noise is seen as a bigger problem for CMOS devices than for Bipolar Junction Transistor (BJT) devices. This is because the flicker noise is due to the physical properties of the semiconductor device and is a noise generated by immobilizing electrons moving through the channel formed between the drain and the source of the CMOS transistor. Since the flicker noise is randomly distributed in the time when the electron does not move in the channel, it is impossible to generalize and predict the flicker noise characteristic. However, current density due to flicker noise in the saturation region of CMOS transistor ) Can be predicted as in Equation 1 below.
<수학식 1>에서, 는 CMOS 트랜지스터의 포화영역에서의 플리커 잡음에 의한 전류 밀도이고, 는 CMOS 트랜지스터의 옥사이드 트랩의 밀도이고, 는 동작 주파수이다. 여기서, 는 CMOS 트랜지스터의 게이트 단자에 인가되는 전압에 비례하므로, 는 CMOS 트랜지스터의 게이트 단자에 인가되는 전압에 비례한다.In Equation 1, Is the current density due to flicker noise in the saturated region of the CMOS transistor, Is the density of the oxide traps in the CMOS transistors, Is the operating frequency. here, Is proportional to the voltage applied to the gate terminal of the CMOS transistor, Is proportional to the voltage applied to the gate terminal of the CMOS transistor.
이와 같이, CMOS 트랜지스터를 사용하는 주파수 혼합기의 잡음 특성은 주로 플리커 잡음 특성에 의해 영향을 받는데, 그 영향은 크게 직접 메커니즘과 간접 메커니즘에 의한 영향으로 나눌 수 있다. 이러한 직접 메커니즘과 간접 메커니즘에 의한 영향을 구체적으로 설명하기 위해, 일반적으로 사용되는 주파수 혼합기를 살펴보기로 한다.As such, the noise characteristics of the frequency mixer using the CMOS transistor are mainly influenced by the flicker noise characteristics, which can be divided into the effects of the direct mechanism and the indirect mechanism. In order to specifically explain the effects of these direct and indirect mechanisms, we will look at commonly used frequency mixers.
도 2는 일반적인 주파수 혼합기의 회로도이다.2 is a circuit diagram of a general frequency mixer.
도 2를 참조하면, 일반적인 주파수 혼합기는 트랜스컨덕턴스부(210), 스위칭부(220), 출력부(230)로 구성된다.Referring to FIG. 2, a general frequency mixer includes a
트랜스컨덕턴스부(210) 한 쌍의 증폭소자 M1, M2로 구성되며, M1의 게이트 단자로 입력되는 RF+ 신호를 증폭하고, M2의 게이트 단자로 입력되는 RF- 신호를 증폭한다. 여기서, RF+ 신호와 RF- 신호는 180도의 위상차를 갖고, M1, M2는 n채널 MOSFET 소자로 구현된다.The
스위칭부(220)는 M1의 출력전류를 스위칭하기 위한 한 쌍의 M3과 M4, M2의 출력전류를 스위칭하기 위한 한 쌍의 M5와 M6을 포함한다. M3과 M6의 게이트에 단자에는 국부 발진기로부터 LO+ 신호가 입력되고, M4와 M5의 공통 게이트 단자에는 LO- 신호가 입력된다. 여기서, LO+ 신호와 LO- 신호는 180도의 위상차를 갖는다. 한편, M4의 드레인 단자와 M6의 드레인 단자는 상호 연결되고, M3의 드레인 단자와 M5의 드레인 단자는 상호 연결된다. 스위칭부(220)에서는 M1, M2에 의해 증폭된 RF 신호와 LO 신호를 혼합하여 두 신호의 주파수의 차에 해당하는 BB 신호를 출력한다. 여기서, M3, M4, M5, M6은 n채널 MOSFET 소자로 구현된다.The
출력부(230)는 스위칭부(220)에서 출력된 IF 신호를 출력한다.The
이러한 주파수 혼합기는, 트랜스컨덕턴스부(210)로 차동 입력된 RF+ 신호와 RF- 신호를 증폭시키고, 증폭된 RF+ 신호와 RF- 신호를 스위칭부(220)로 차동 입력된 LO+ 신호와 LO- 신호와 각각 혼합하여 출력부(230)로 차동의 BB+ 신호와 BB- 신호를 출력한다.The frequency mixer amplifies the RF + signal and the RF- signal differentially input to the
그러면, 도 2에 도시된 일반적인 주파수 혼합기를 참조하여, 플리커 잡음의 직접 잡음 메커니즘과 간접 잡음 메커니즘을 설명하기로 한다.Next, the direct noise mechanism and the indirect noise mechanism of the flicker noise will be described with reference to the general frequency mixer shown in FIG. 2.
직접 잡음 메커니즘은 스위칭부(220)의 트랜지스터들(M3, M4, M5, M6)의 스위칭 시간에 기인한다. 구체적으로 설명하면, 도 2에 도시된 일반적인 주파수 혼합기에서, 트랜지스터들(M3, M4, M5, M6)의 스위칭은 이상적으로 매우 짧은 시간에 이루어져야 한다. 하지만, 국부 발진기에서 주파수 혼합기로 입력되는 LO 신호가 일반적으로 이상적인 구형파가 아니므로, 입력되는 LO 신호의 전압과 트랜지스터들(M3, M4, M5, M6)의 출력 전류간의 비는 유한값을 가지게 된다. 만약, LO 신호의 전압과 트랜지스터들(M3, M4, M5, M6)의 출력 전류간의 비가 무한대가 되면, 트랜지스터들(M3, M4, M5, M6)은 스위칭 시간 없이 온/오프(on/off) 동작을 하는 이상적인 스위치로써 동작한다. 따라서 스위칭 시간이 빠를수록 직접 잡음 메커니즘을 최소한으로 할 수 있으므로, 트랜지스터들(M3, M4, M5, M6)을 온(on)시키기 위한 과도전압(overdrive voltage, Vgs-Vth)을 최소로 하는 것이 바람직하다. 이러한 직접 잡음 메커니즘에 의한 출력 잡음 전류()는 <수학식 2>와 같다.The direct noise mechanism is due to the switching time of the transistors M3, M4, M5, M6 of the
<수학식 2>에서,는 LO 신호의 주기()이고, 는 스위칭 시간()동안의 LO 신호의 전압 기울기()이다.In Equation 2, Is the period of the LO signal ( )ego, Is the switching time ( Slope of the LO signal during )to be.
따라서 이러한 직접 잡음 메커니즘에 의한 플리커 잡음을 개선하기 위해서는 LO 신호의 전압을 완전한 구형파로 형태로 하여 스위칭부(220)로 인가하면 된다. 하지만, 출력부(230)에서 출력되는 신호에는 플리커 잡음 특성이 여전히 나타나게 된다. 이는 주파수 혼합기의 간접 잡음 메커니즘에 의한 플리커 잡음으로서, 스위칭부(220)의 기생 커패시턴스가 그 원인이다.Therefore, in order to improve flicker noise by the direct noise mechanism, the voltage of the LO signal may be applied to the
따라서 본 발명에서는 잡음 특성이 개선된 주파수 혼합기를 제공한다.Accordingly, the present invention provides a frequency mixer with improved noise characteristics.
또한, 본 발명에서는 간접 잡음 메커니즘에 의한 플리커 잡음을 최소화할 수 있는 주파수 혼합기를 제공한다.In addition, the present invention provides a frequency mixer that can minimize the flicker noise by the indirect noise mechanism.
본 발명에 따른 장치는, 주파수 혼합기로서, 입력되는 RF(Radio Frequency) 신호들을 증폭하는 트랜스컨덕턴스부와, 증폭된 RF 신호들을 입력되는 LO(Local Oscillator) 신호에 따라 시간적으로 스위칭하여 BB(Baseband) 신호들을 생성하는 스위칭부와, 생성된 BB 신호들을 출력하는 출력부를 포함하되, 트랜스컨덕턴스부와 스위칭부 사이에 전기적으로 연결된 인덕터를 포함한다.The apparatus according to the present invention, as a frequency mixer, is a transconductance unit for amplifying the input RF (Radio Frequency) signals, and amplified RF signals by switching in time according to the local oscillator (LO) signal is input to the baseband (BB) And a switching unit for generating signals and an output unit for outputting the generated BB signals, and an inductor electrically connected between the transconductance unit and the switching unit.
또한, 본 발명에 따른 주파수 혼합기의 인덕터는, 길이에 따라 인덕턴스 값을 달리하는 본딩 와이어로 구현되는 것이 바람직하다.In addition, the inductor of the frequency mixer according to the present invention is preferably implemented by bonding wires having different inductance values depending on the length.
또한, 본 발명에 따른 주파수 혼합기의 인덕터는, 선택적으로 인덕턴스 값을 조정할 수 있는 가변 인덕터로 구현되는 것이 바람직하다.In addition, the inductor of the frequency mixer according to the present invention is preferably implemented as a variable inductor that can selectively adjust the inductance value.
본 발명은 잡음 특성이 개선된 주파수 혼합기를 제공하는 이점이 있다. 또한, 본 발명은 간접 잡음 메커니즘에 의한 플리커 잡음을 최소화할 수 있는 주파수 혼합기를 제공하는 이점이 있다.The present invention has the advantage of providing a frequency mixer with improved noise characteristics. In addition, the present invention has the advantage of providing a frequency mixer that can minimize the flicker noise by the indirect noise mechanism.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어 당업자에게 자명한 부분에 대하여는 본 발명의 요지를 흩뜨리지 않도록 생략하기로 한다. 또한 이하에서 설명되는 각 용어들은 본 발명의 이해를 돕기 위해 사용된 것일 뿐이며, 각 제조 회사 또는 연구 그룹에서는 동일한 용도임에도 불구하고 서로 다른 용어로 사용될 수 있음에 유의해야 한다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In the following description of the present invention, a part obvious to those skilled in the art will be omitted so as not to disturb the gist of the present invention. In addition, it is to be noted that each of the terms described below are only used to help the understanding of the present invention, and may be used in different terms despite the same purpose in each manufacturing company or research group.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 주파수 혼합기의 회로도이다. 이러한 도 3에 도시된 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 주파수 혼합기는 이중 평형 구조를 이용하여 구현되었다. 이중 평형 구조는 주파수 혼합기로 입력되는 LO 신호와 RF 신호간의 신호 격리도를 좋게 하고, 출력부(330)에 LO 신호가 유입되는 것을 막아줄 수 있다. 여기서 본 발명의 주파수 혼합기는 이중 평형 구조에 의해 구현되었지만, 단일 평형 구조의 주파수 혼합기에도 본 발명의 사상이 적용될 수 있음에 유의해야 한다.3 is a circuit diagram of a frequency mixer according to a preferred embodiment of the present invention. The frequency mixer according to the preferred embodiment of the present invention shown in FIG. 3 is implemented using a double balance structure. The dual balance structure improves signal isolation between the LO signal and the RF signal input to the frequency mixer, and prevents the LO signal from flowing into the output unit 330. Here, although the frequency mixer of the present invention is implemented by the dual balanced structure, it should be noted that the idea of the present invention can be applied to the frequency mixer of the single balanced structure.
도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 주파수 혼합기는 트랜스컨덕턴스부(310), 스위칭부(320), 출력부(330)를 포함한다.Referring to FIG. 3, a frequency mixer according to a preferred embodiment of the present invention includes a
트랜스컨덕턴스부(310)는 한 쌍의 M1, M2와 제 1 공진 인덕터(L1)와 제 2 공진 인덕터(L2)를 포함한다. 도 3에서는 2개의 캐패시터들(Cp1, Cp2)이 도시되어 있으나, 이 캐패시터들은 실제적으로 회로상에 구현되는 캐패시터들이 아니라 회로상에 기생하는 기생 캐패시턴스라는 사실에 유의할 필요가 있다. M1과 M2의 소스 단자들은 서로 전기적으로 연결되고, M1의 드레인 단자는 스위칭부(320)의 M3과 M4의 공통 소스 단자와 전기적으로 연결된다. 그리고 M2의 드레인 단자는 스위칭부(320)의 M5와 M6의 공통 소스 단자와 전기적으로 연결된다. 제 1 공진 인덕터(L1)의 일단은 M1의 드레인 단자와 M3, M4의 공통 소스단자 사이에 전기적으로 연결되고, 타단은 접지 단자와 전기적으로 연결된다. 제 2 공진 인덕터(L2)의 일단은 M2의 드레인 단자와 M5, M6의 공통 소스 단자 사이에 전기적으로 연결되고, 타단은 접지 단 자와 전기적으로 연결된다. 여기서, 제 1 공진 인덕터(L1)와 제 2 공진 인덕터(L2)는 본딩 와이어 기법으로 연결되는 것이 바람직하다. The
이러한 트랜스컨덕턴스부(310)는 M1의 게이트 단자로 입력되는 RF+ 신호를 증폭하고, M2의 게이트 단자로 입력되는 RF- 신호를 증폭한다. 여기서, RF+ 신호와 RF- 신호는 180도의 위상차를 갖고, M1, M2는 n채널 MOSFET 소자로 구현된다. 제 1 공진 인덕터(L1)는 M3, M4의 공통 소스 단자와 M1의 드레인 단자 사이에 존재 하는 제 1 기생 커패시턴스(Cp1)를 제거한다. 제 2 공진 인덕터(L2)도 마찬가지로 M5, M6의 공통 소스 단자와 M2의 드레인 단자 사이에 존재 하는 제 2 기생 커패시턴스(Cp2)를 제거한다.The
스위칭부(320)는 M1의 출력전류를 스위칭하기 위한 한 쌍의 M3과 M4, M2의 출력전류를 스위칭하기 위한 한 쌍의 M5와 M6을 포함한다. M3과 M6의 게이트에 단자에는 국부 발진기로부터 LO+ 신호가 입력되고, M4와 M5의 공통 게이트 단자에는 LO- 신호가 입력된다. 여기서, LO+ 신호와 LO- 신호는 180도의 위상차를 갖는다. 여기서, M3, M4, M5, M6은 n채널 MOSFET 소자로 구현된다. The
이러한 스위칭부(320)에서는 M1에 의해 증폭된 RF+ 신호와, RF+ 신호의 반송파 주파수와 동일한 주파수를 갖는 LO+ 신호를 혼합하여 두 신호의 주파수의 차에 해당하는 BB+ 신호를 출력한다. 또한, M2에 의해 증폭된 RF- 신호와, RF- 신호의 반송파 주파수와 동일한 주파수를 갖는 LO- 신호를 혼합하여 두 신호의 주파수의 차에 해당하는 BB- 신호를 출력한다.The
출력단(330)은 스위칭부(320)에서 출력된 BB+ 신호와 BB- 신호를 출력한다.The output terminal 330 outputs the BB + signal and the BB- signal output from the
이와 같이, 도 3에 도시된 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 주파수 혼합기를 도 2에 도시된 일반적인 길버트 셀 주파수 혼합기와 비교하면, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 주파수 혼합기는 기생 캐패시턴스를 제거하기 위한 제 1 공진 인덕터(L1)와 제 2 공진 인덕터(L2)를 더 포함한다.As such, when the frequency mixer according to the preferred embodiment of the present invention shown in FIG. 3 is compared with the general Gilbert cell frequency mixer shown in FIG. 2, the frequency mixer according to the preferred embodiment of the present invention is used to remove parasitic capacitance. The apparatus further includes a first resonant inductor L1 and a second resonant inductor L2.
이러한 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 주파수 혼합기는 플리커 잡음 특성을 효과적으로 개선할 수 있는데, 그 이유를 이하에서 살펴보기로 한다.The frequency mixer according to the preferred embodiment of the present invention can effectively improve the flicker noise characteristic, and the reason thereof will be described below.
플리커 잡음 특성의 직접 잡음 메커니즘은, 스위칭부(320)로 이상적인 구형파에 가까운 LO 신호를 입력하면 해결된다. 이렇게, M3, M4, M5, M6의 각 게이트 단자에 완전한 구형파에 가까운 LO 신호로 인가되면, 구형파의 반주기 동안 M3, M4, M5, M6은 온/오프(on/off) 동작을 반복하게 된다.The direct noise mechanism of the flicker noise characteristic is solved by inputting the LO signal close to the ideal square wave to the
하지만, 간접 잡음 메커니즘은 앞서 설명한 바와 같이, 기생 커패시턴스(Cp1, Cp2)에 의한 것이므로, 이러한 기생 커패시턴스를 없애기 위해 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 주파수 혼합기는 제 1 공진 인덕터(L1)와 제 2 공진 인덕터(L2)를 더 포함한다. 이를 구체적으로 설명하기 위해 도 4 및 도 5를 참조한다.However, since the indirect noise mechanism is due to parasitic capacitances Cp1 and Cp2 as described above, in order to eliminate such parasitic capacitances, the frequency mixer according to the preferred embodiment of the present invention has a first resonance inductor L1 and a second resonance. It further includes an inductor L2. To describe this in detail, reference is made to FIGS. 4 and 5.
도 4 및 도 5는 일반적인 길버트 셀 주파수 혼합기의 스위칭부에서 발생하는 플리커 잡음을 설명하기 위한 회로도이다.4 and 5 are circuit diagrams for describing flicker noise generated in a switching unit of a general Gilbert cell frequency mixer.
도 4 및 도 5와 도시된 바와 같이, 도 2에 도시된 일반적인 길버트 셀 주파수 혼합기의 스위칭부(220)의 트랜지스터들(M3, M4, M5, M6) 각각의 플리커 잡음은 Vn+와 Vn-로 모델링할 수 있다. 여기서, 설명의 편의상 스위칭부(220)의 M3과 M6을 도 4에 도시된 바와 같이 M+로 표현하고, M4와 M5를 도 5에 도시된 바와 같이 M-로 표현하여 설명하도록 한다. M+의 게이트 단자에 인가된 LO+ 신호의 온/오프(on/off) 동작에 따라, 반주기 동안 M+의 Vn+는 기생 커패시턴스(Cp)를 충전시키고, 다음 반주기 동안 기생커패시턴스(Cp)를 방전시킨다. 이는 기생커패시턴스 전류(+icp)를 야기한다. 마찬가지로 M-의 게이트 단자에 인가된 LO- 신호의 온/오프(on/off) 동작에 따라, 반주기 동안 M-의 Vn-는 기생 커패시턴스(Cp)를 충전시키고, 다음 반주기 동안 기생커패시턴스(Cp)를 방전시킨다. 이는 기생커패시턴스 전류(-icp)를 야기한다.As shown in FIGS. 4 and 5, the flicker noise of each of the transistors M3, M4, M5, and M6 of the
그러면, 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이 플리커 잡음(Vn+, Vn-)으로부터 야기된 기생 커패시턴스 전류는 도 6의 (b)와 같이 +icp, -icp로 나타낼 수 있으며, 따라서 일반적인 길버트 셀 주파수 혼합기의 차동출력은 도 3의 (c)와 같다. 이러한 일반적인 길버트 셀 주파수 혼합기에서 스위칭부(220) M3, M4, M5, M6 각각의 간접 잡음 메커니즘에 따른 플리커 잡음에 의한 출력 전류()를 수식화하면 <수학식 3>과 같다.Then, as shown in FIG. 6A, parasitic capacitance currents generated from flicker noises Vn + and Vn- may be represented by + icp and -icp as shown in FIG. 6B, and thus a general Gilbert cell. The differential output of the frequency mixer is shown in FIG. In this general Gilbert cell frequency mixer, the output current due to flicker noise according to the indirect noise mechanism of each of the switching
그러면, 일반적인 길버트 셀 주파수 혼합기의 직접 잡음 메커니즘과 간접 잡음 메커니즘에 의한 전체 플리커 잡음에 의한 출력 전류는 <수학식 4>와 같다.Then, the output current due to the total flicker noise by the direct noise mechanism and the indirect noise mechanism of the general Gilbert cell frequency mixer is expressed by Equation 4.
<수학식 4>에서 는 스위칭부(220) M3, M4, M5, M5 각각의 트랜스컨덕턴스이고, 는 스위칭부(220) M3, M4, M5, M5 각각의 게이트 단자에 인가되는 LO 신호의 주파수이다.In <Equation 4> Is the transconductance of each of the
<수학식 3>에서 보여주는 바와 같이, 일반적인 길버트 셀 주파수 혼합기의 플리커 잡음에 의한 출력 전류는 기생 커패시턴스(Cp)와 LO 신호의 주파수()에 크게 영향을 받는다.As shown in Equation 3, the output current due to flicker noise of a typical Gilbert cell frequency mixer is determined by the parasitic capacitance (Cp) and the frequency of the LO signal. ) Is greatly affected.
그러면, 플리커 잡음(Vn)을 모델링 하면 <수학식 5>와 같다.Then, modeling the flicker noise (Vn) is shown in equation (5).
<수학식 5>에서, 는 M3, M4, M5, M6 각각의 유효 채널 폭이고, 는 M3, M4, M5, M6 각각의 유효 길이이고, 는 옥사이드 커패시턴스이고, 는 주파수이고, 는 일반 상수이다.In Equation 5, Is the effective channel width of each of M3, M4, M5, and M6, Is the effective length of each of M3, M4, M5, M6, Is the oxide capacitance, Is the frequency, Is a general constant.
<수학식 5>에 따르면, 플리커 잡음(Vn)은 M3, M4, M5, M6 각각의 게이트 단자의 면적에 반비례한다. 따라서 플리커 잡음을 최소화하기 위해서 M3, M4, M5, M6 각각의 게이트 단자의 면적을 크게 하여야 한다. 하지만, M3, M4, M5, M6 각각의 게이트 단자의 면적이 커지면, 플리커 잡음의 원인이 되는 기생 커패시턴스가 커지게 된다. 이는 간접 잡음 메커니즘에 의한 플리커 잡음을 증폭시키므로, M3, M4, M5, M6 각각의 유효 채널 폭과 채널의 유효길이를 조절해서는 잡음지수를 높일 수 없다. According to Equation 5, the flicker noise Vn is inversely proportional to the area of the gate terminal of each of M3, M4, M5, and M6. Therefore, in order to minimize flicker noise, the area of the gate terminal of each of M3, M4, M5, and M6 should be increased. However, when the area of the gate terminal of each of the M3, M4, M5, and M6 increases, the parasitic capacitance that causes flicker noise increases. Since this amplifies the flicker noise by the indirect noise mechanism, the noise figure cannot be increased by adjusting the effective channel width and effective length of each of the M3, M4, M5, and M6.
따라서 도 3에 도시된 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 주파수 혼합기는 제 1 공진 인덕터(L1)와 제 2 공진 인덕터(L2)의 일단을 트랜스컨덕턴스부(310)와 스위칭부(320) 사이에 연결하고, 타단을 접지 단자와 연결시킴으로써, 기생 커패시턴스를 최소화할 수 있다.Accordingly, the frequency mixer according to the preferred embodiment of the present invention shown in FIG. 3 connects one end of the first resonant inductor L1 and the second resonant inductor L2 between the
한편, 도 3에 도시된 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 주파수 혼합기를 집적회로로 구현시킬 경우에, 제 1 공진 인덕터(L1)와 제 2 공진 인덕터(L2)를 칩(Chip) 인덕터로 구현하기는 어렵다. 왜냐하면, 일반적으로 칩 인덕터는 제작시 특정 값으로 고정되고, 주파수 혼합기의 스위칭부에서 발생하는 기생 커패시턴스 값은 랜덤으로 발생되기 때문이다. 따라서, 제 1 공진 인덕터(L1)와 제 2 공진 인덕터(L2)를 칩 인덕터로 구현하려면, 주파수 혼합기의 집적회로 제작 후에 인덕턴스 값의 조절이 가능하는바, 이러한 조절을 위해 제 1 인덕터(L1)와 제 2 인덕터(L2)는 본딩 와이어에 의하여 제작되는 것이 바람직하다. 이렇게 제 1 인덕터(L1)와 제 2 인덕터(L2)가 본딩 와이어에 의하여 제작되면, 본딩 와이어는 일반 적으로 1mm 당 0.8[nH]의 인덕턴스 값을 가지므로, 본딩 와이어의 길이를 적절히 조절하면 기생 커패시턴스를 최소화 할 수 있는 제 1 인덕터(L1)와 제 2 인덕터(L2)의 인덕턴스 값을 조절할 수 있다. Meanwhile, when the frequency mixer according to the preferred embodiment of the present invention illustrated in FIG. 3 is implemented as an integrated circuit, the first resonant inductor L1 and the second resonant inductor L2 may be implemented as chip inductors. Is difficult. This is because, in general, the chip inductor is fixed to a specific value during fabrication, and the parasitic capacitance value generated in the switching part of the frequency mixer is randomly generated. Accordingly, in order to implement the first resonant inductor L1 and the second resonant inductor L2 as chip inductors, the inductance value may be adjusted after fabrication of the integrated circuit of the frequency mixer, and the first inductor L1 may be adjusted for such adjustment. And the second inductor L2 are preferably manufactured by a bonding wire. When the first inductor L1 and the second inductor L2 are manufactured by the bonding wires, the bonding wires generally have an inductance value of 0.8 [nH] per 1 mm. The inductance values of the first inductor L1 and the second inductor L2 may be adjusted to minimize the capacitance.
또한, 제 1 인덕터(L1)와 제 2 인덕터(L2)를 칩 인덕터로 제작하면 품질계수는 10 이하가 되지만, 제 1 인덕터(L1)와 제 2 인덕터(L2)를 본딩 와이어로 제작하면 품질계수는 20 이상 최대 80이상까지도 보장될 수 있다.In addition, when the first inductor L1 and the second inductor L2 are manufactured as chip inductors, the quality factor is 10 or less. However, when the first inductor L1 and the second inductor L2 are manufactured as bonding wires, the quality factor is used. Up to 20 and up to 80 can be guaranteed.
또한, 제 1 공진 인덕터(L1)와 제 2 공진 인덕터(L2)를 칩 인덕터로 구현하면, 칩 인덕터의 사이즈가 집적회로에 사용되는 소자들 중 가장 크다. 하지만, 본딩 와이어로 제 1 인덕터(L1)와 제 2 인덕터(L2)가 제작되면, 전체 칩 면적에 영향을 주지 않으면서 동시에 잡음 지수도 줄일 수 있다.In addition, when the first resonant inductor L1 and the second resonant inductor L2 are implemented as chip inductors, the size of the chip inductor is the largest among the devices used in the integrated circuit. However, when the first inductor L1 and the second inductor L2 are manufactured using the bonding wires, the noise figure may be reduced at the same time without affecting the entire chip area.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.The present invention described above is capable of various substitutions, modifications, and changes without departing from the technical spirit of the present invention for those skilled in the art to which the present invention pertains. It is not limited by the drawings.
도 1 은 본 발명에 따른 무선통신 시스템 직접변환 수신기의 간략한 구성도,1 is a simplified configuration diagram of a wireless communication system direct conversion receiver according to the present invention;
도 2 는 본 발명에 따른 무선통신 시스템 주파수 혼합기의 구성도,2 is a block diagram of a wireless communication system frequency mixer according to the present invention;
도 3 는 본 발명에 따른 주파수 혼합기 스위칭부 트랜지스터 잡음 전압 및 기생커패시턴스, 3 is a frequency mixer switching transistor noise voltage and parasitic capacitance according to the present invention,
도 4 및 도 5는 일반적인 길버트 셀 주파수 혼합기의 스위칭부에서 발생하는 플리커 잡음을 설명하기 위한 회로도,4 and 5 are circuit diagrams for explaining flicker noise generated in a switching unit of a general Gilbert cell frequency mixer.
도 6은 일반적인 길버트 셀 주파수 혼합기의 플리커 잡음(Vn+, Vn-), 기생 커패시턴스 전류 및 차동출력을 나타내는 그래프.6 is a graph showing flicker noise (Vn +, Vn−), parasitic capacitance current and differential output of a typical Gilbert cell frequency mixer.
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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KR1020080121086A KR20100062444A (en) | 2008-12-02 | 2008-12-02 | Mixer |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Publications (1)
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KR20100062444A true KR20100062444A (en) | 2010-06-10 |
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ID=42362707
Family Applications (1)
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KR1020080121086A KR20100062444A (en) | 2008-12-02 | 2008-12-02 | Mixer |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN109995328A (en) * | 2017-12-29 | 2019-07-09 | 华为技术有限公司 | Frequency mixer, transmitter, chip and relevant device |
-
2008
- 2008-12-02 KR KR1020080121086A patent/KR20100062444A/en not_active Application Discontinuation
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