KR20100079080A

KR20100079080A - 길버트 셀 타입 믹서

Info

Publication number: KR20100079080A
Application number: KR1020080137491A
Authority: KR
Inventors: 신창현
Original assignee: 주식회사 동부하이텍
Priority date: 2008-12-30
Filing date: 2008-12-30
Publication date: 2010-07-08

Abstract

본 발명은 길버트 셀 타입 믹서를 제공하는 데 있다. 소스 축퇴를 채용한 길버트 셀 타입 믹서는, 무선 주파수(RF) 신호를 받는 RF 단과, 로컬 발진(LO) 신호를 받는 LO 단과, RF 신호와 LO 신호가 믹싱된 결과인 중간 주파수(IF) 신호를 출력하는 출력단 및 RF 신호와 LO 신호가 믹싱될 때 필요한 바이어스 전류를 공급하는 수동 소자 전류원을 구비하는 것을 특징으로 한다. 그러므로, 선형성의 확보를 위애 소스 축퇴(Source Degeneration) 기법을 적용함으로서 낮아진 변환 이득(Conversion Gain)을 LC 공진 회로를 이용하여 특정 주파수에서 보정할 수 있고, 능동형 전류원을 채택한 기존의 믹서에 대비하여, 전류원을 수동 소자로 구성하기 때문에, 선형성과 분리(Isolation) 특성을 더욱 확보할 수 있는 효과를 갖는다.

길버트 셀 타입(Gillbert Cell type), 믹서(mixer), 선형성, 변환 이득

Description

길버트 셀 타입 믹서{Gillbert Cell type mixer}

본 발명은 믹서(mixer)에 관한 것으로서, 특히 길버트 셀 타입(Gillbert Cell type) 믹서에 관한 것이다.

믹서는 중간 주파수(RF:Radio Frequency) 신호의 주파수가 너무 높기 때문에, 주파수를 낮추기 위한 역할을 한다. 이를 위해, 믹서는 RF 신호를 로컬 발진(LO:Local Oscaillation) 신호에 승산하고, 승산된 결과를 중간 주파수(IF:Intermediate Frequency) 신호로서 출력한다. 여기서, IF 신호는 RF 신호나 LO 신호와는 다른 주파수를 가지며 일정한 변환 이득(Conversion Gain)을 갖는다. 여기서, 변환 이득이란, RF 신호에 대한 IF 신호의 이득(Gain)을 의미한다. IF 신호는 데시벨(dB)적으로 보다 높은 값을 가져야 하며, IF 신호의 진폭은 RF 신호와 LO 신호의 진폭에 비례한다. 어느 한 신호에서 다른 신호로 변조할 때, 기대하지 않은 변이가 믹서와 증폭기 양쪽에서 비 선형성 상호 작용에 의해 발생할 수 있다. 이런 결과를 크로스 변조(Cross-modulation)라 한다.

도 1은 일반적인 다이오드 이중 균형 쿼드 믹서(Diode Double-Balanced Quad Mixer)를 나타낸 회로도이고, 도 2는 일반적인 전계 효과 트랜지스터(FET:Field Effect Transistor)-링(ring) 믹서의 회로도이고, 도 3은 길버트 셀 타입 믹서(Gilbert Cell type)의 회로도이다.

일반적으로 변환 이득은 높을수록 좋다. 그러나, 도 1 및 도 2에 도시된 믹서는 낮은 변환 이득을 갖는다. 이로 인해 높은 변환 이득을 갖는 능동형 믹서인 길버트 셀 타입 믹서가 사용된다.

일반적인 길버트 셀 타입 믹서는 RF 신호를 변조 또는 복조하는 분야에 많이 사용되며, 충분한 변환 이득과 왜곡 특성에 좋은 성능을 제공하면서 저 전류 설계에 적합하다. 그러나, 일반적인 길버트 셀 타입의 믹서는 높은 변환 이득을 확보할 수 있지만, 반대로 선형성은 떨어지는 단점을 갖는다. 즉, 일반적인 길버트 셀 타입 믹서의 경우, 하모닉(Harmonics) 성분이 발생되며, 이러한 하모닉 성분은 상호 변조곱(IMD)를 높이게 되어, 필요한 선형성의 확보가 방해되는 문제점이 있다. 따라서, 길버트 타입 셀 믹서의 선형성을 개선시키기 위해, 도 3에 도시된 바와 같이, 소스(source) 또는 이미터(Emitter)에 인덕터(L1 및 L2)를 연결하는 축퇴(degeneration)란 기법이 적용된다. 그러나, 도 4에 도시된 믹서의 경우에도 변환 이득이 줄어드는 문제점을 갖는다.

결국, 전술한 바와 같이, 선형성과 변환 이득은 서로 타협(trade-off) 해야 하는 관계에 있으므로, 선형성도 좋고 변환 이득도 높은 믹서에 대한 요구가 증가하고 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 변환 이득을 증가시키면서 선형성이 더욱 개선된 길버트 셀 타입 믹서를 제공하는 데 있다.

상기 과제를 이루기 위해, 소스 축퇴를 채용한 본 발명에 의한 길버트 셀 타입 믹서는, 무선 주파수(RF) 신호를 받는 RF 단과, 로컬 발진(LO) 신호를 받는 LO 단과, 상기 RF 신호와 상기 LO 신호가 믹싱된 결과인 중간 주파수(IF) 신호를 출력하는 출력단 및 상기 RF 신호와 상기 LO 신호가 믹싱될 때 필요한 바이어스 전류를 공급하는 수동 소자 전류원으로 구성되는 것이 바람직하다.

본 발명에 의한 길버트 셀 타입 믹서는

첫째, 선형성의 확보를 위애 소스 축퇴(Source Degeneration) 기법을 적용함으로서 낮아진 변환 이득(Conversion Gain)을 LC 공진 회로를 이용하여 특정 주파수에서 보정할 수 있고,

둘째, 능동형 전류원을 채택한 기존의 믹서에 대비하여, 전류원을 수동 소자로 구성하기 때문에, 선형성과 분리(Isolation) 특성을 더욱 확보할 수 있는 효과를 갖는다.

이하, 본 발명의 실시예에 의한 길버트 셀 타입(Gillbert Cell Type) 믹 서(mixer)를 첨부한 도면들을 참조하여 다음과 같이 설명한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 의한 길버트 셀 타입 믹서의 회로도를 나타낸다.

도 4에 도시된 본 발명에 의한 믹서는 소스 축퇴(source degeneration)를 채용한 길버트 셀 타입 믹서로서, 무선 주파수(RF:Radio Frequency) 단(10), 로컬 발진(LO:Local Oscillation) 단(20), 출력단(30) 및 수동 소자 전류원(40)으로 구성된다.

각 부의 동작 및 구성을 살펴보면 다음과 같다.

먼저, RF 단(10)는 바이어스 전류에 응답하여 동작하며, RF 신호를 받는 역할을 한다. 이를 위해, RF 단(10)은 제1 및 제2 인덕터들(L1 및 L2) 및 제1 및 제2 MOS 트랜지스터들(M1 및 M2)로 구성된다.

제1 인덕터(L1)는 수동 소자 전류원(40)과 연결되는 일측을 갖고, 제2 인덕터(L2) 역시 수동 소자 전류원(40)과 연결되는 일측을 갖는다. 수동 소자 전류원(40)와 연결되는 일측은 서로 연결되어 있다. 제1 및 제2 인덕터(L1 및 L2)는 축퇴의 기법에 따라 마련된 것으로서, 믹서의 선형성을 확보하기 위한 역할을 한다.

제1 MOS 트랜지스터(M1) 및 제2 트랜지스터(M2)의 게이트 단자들을 통해 RF 신호가 들어온다. 제1 및 제2 MOS 트랜지스터들(M1 및 M2) 각각은 LO 단(20)과 연결되는 드레인을 갖는다. 또한, 제1 MOS 트랜지스터(M1)는 제1 인덕터(L1)의 타단과 연결되는 소스를 갖는다. 제2 MOS 트랜지스터(M2)는 제2 인덕터(L2)의 타단과 연결되는 소스를 갖는다.

전술한 RF 단(10)에서는 제1 및 제2 MOS 트랜지스터들(M1 및 M2)이 NMOS 인 것으로 가정하였으나, 본 발명은 이에 국한되지 않는다. 즉, NMOS 트랜지스터들 대신에 PMOS 트랜지스터가 사용될 수도 있고 바이폴라 트랜지스터가 사용될 수 있다.

한편, LO 단(20)은 로컬 발진(LO) 신호를 받는 역할을 한다. 이를 위해 LO 단(20)은 제3 내지 제6 MOS 트랜지스터들(M3 내지 M6)로 구성된다.

제3 내지 제6 MOS 트랜지스터들(M3 내지 M6) 각각은, LO 신호와 연결되는 게이트를 갖는다. 즉, 사인파 형태의 LO 신호는 제3 및 제4 MOS 트랜지스터들(M3 및 M4)의 게이트를 통해 들어오고, 제5 및 제6 MOS 트랜지스터들(M5 및 M6)의 게이트를 통해 들어온다. 또한, 제3 MOS 트랜지스터(M3)는 제1 MOS 트랜지스터(M1)의 드레인과 연결되는 소스를 갖고, 출력단(30)의 제1 출력단자(N1)와 연결되는 드레인을 갖는다. 제4 MOS 트랜지스터(M4)는 제1 MOS 트랜지스터(M1)의 드레인과 연결되는 소스를 갖고, 출력단(30)의 제2 출력단자(N2)와 연결되는 드레인을 갖는다. 제5 MOS 트랜지스터(M5)는 제2 MOS 트랜지스터(M2)의 드레인과 연결되는 소스를 갖고, 출력단(30)의 제1 출력단자(N1)와 연결되는 드레인을 갖는다. 제6 MOS 트랜지스터(M6)는 제2 MOS 트랜지스터(M2)의 드레인과 연결되는 소스를 갖고, 출력단(30)의 제2 출력단자(N2)와 연결되는 드레인을 갖는다.

또한, 출력단(30)은 RF 신호와 LO 신호가 믹싱된 결과인 중간 주파수(IF) 신호를 출력하는 역할을 한다. 이를 위해, 출력단(30)은 제1 및 제2 출력단자들(N1 및 N2)과 제1 및 제2 부하 저항들(R1 및 R2)로 구성된다.

제1 출력단자(N1)는 제3 및 제5 MOS 트랜지스터(M3 및 M5)의 드레인과 연결되고, 제2 출력단자(N2)는 제4 및 제6 MOS 트랜지스터(M4 및 M6)의 드레인과 연결 된다. 제1 부하 저항(R1)은 공급 전압(VDD)과 제1 출력 단자(N1) 사이에 연결되고, 제2 부하 저항(R2)은 공급 전압(VDD)과 제2 출력 단자(N2) 사이에 연결된다. 본 발명의 이해를 돕기 위해, 편의상 저항들(R1 및 R2)이 연결되는 것으로 가정하였지만, 공급 전압(VDD)과 제1 및 제2 출력단자들(N1 및 N2) 사이에는 저항 이외에 부하가 될 수 있는 어느 소자 예를 들면 트랜지스터가 채용되어도 무방하다.

예컨대, 출력단자(30)은 제1 및 제2 출력단자들(N1 및 N2)를 통해 IF 신호를 출력하는 역할을 한다.

한편, 수동 소자 전류원(40)은 RF 신호와 LO 신호가 믹싱될 때 필요한 바이어스 전류를 공급하는 역할을 한다. 이를 위해, 수동 소자 전류원(40)은 저항, 인덕터 및 커패시터와 같은 수동 소자들로 구현될 수 있다.

본 발명에 의하면, 수동 소자 전류원(40)은 서로 공진하는 수동 소자들을 가질 수도 있다. 예를 들어, 수동 소자 전류원(40)은 커패시터(C)와 제3 인덕터(L3)로 구현될 수도 있다. 제3 인덕터(L2) 및 커패시터(C)는 제1 및 제2 인덕터(L1 및 L2)의 일단과 기준 전위인 접지 사이에서, 서로 병렬 연결된다.

전술한 구성을 갖는 본 발명에 의한 길버트 셀 타입 믹서의 경우, 선형성을 개선하기 위해 소스 축퇴 기법이 적용된 일반적인 길버트 셀 타입의 믹서에서 전류원을 수동 소자들(L3 및 C)로 구성하기 때문에 도 3에 도시된 믹서보다 선형성을 더욱 개선시킬 수 있다.

게다가, 수동 소자들로 구성된 전류원(40)에 LC 공진 회로를 채택하여, 도 3에 도시된 회로보다 변환 이득을 개선시킬 수 있다. 예를 들어, RF 신호의 진폭이 A인 경우, 2A만큼 진폭을 향상시킬 수 있다. 이에 대해 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

공진 주파수(f)는 일반적으로 다음 수학식 1과 같이 표현된다.

여기서, L은 제3 인덕터(L3)의 인덕턴스를 나타내고, C는 커패시터의 커패시턴스를 나타내고, w는 2πf이다. 수학식 1을 주파수(f)로 표현하면 다음 수학식 2와 같다.

이때, 커패시터(C)의 양단 전압(Vc)과 제3 인덕터(L3)의 양단 전압(VL)은 동일하므로, 다음 수학식 3과 같은 관계식이 얻어질 수 있다.

여기서, i(i)는 공진 전류로서, 수학식 3은 다음 수학식 4로 귀결될 수 있다.

이때, 초기 조건을 고려하여 A와 B 풀 수 있다. 초기 조건에 의해 A=B일 때, 오일러 공식에 의해, 수학식 4는 다음 수학식 5와 같이 된다.

초기 조건에 만족하기 위해, i(t=0)는 2A가 된다. 결론적으로 수동 소자 전류원(40)을 LC 탱크(Tank) 회로에 의해 구현하기 때문에, 2A의 증폭 효과를 봄을 알 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.

도 1은 일반적인 다이오드 이중 균형 쿼드 믹서의 회로도이다,

도 2는 일반적인 전계 효과 트랜지스터-링 믹서의 회로도이다.

도 3은 길버트 셀 타입 믹서의 회로도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : RF단 20 : LO단

30 : 출력단 40 : 수동 소자 전류원

Claims

소스 축퇴를 채용한 길버트 셀 타입 믹서에 있어서,

무선 주파수(RF) 신호를 받는 RF 단;

로컬 발진(LO) 신호를 받는 LO 단;

상기 RF 신호와 상기 LO 신호가 믹싱된 결과인 중간 주파수(IF) 신호를 출력하는 출력단; 및

상기 RF 신호와 상기 LO 신호가 믹싱될 때 필요한 바이어스 전류를 공급하는 수동 소자 전류원을 구비하는 것을 특징으로 하는 길버트 셀 타입 믹서.
제1 항에 있어서, 상기 수동 소자 전류원은 서로 공진하는 수동 소자를 갖는 것을 특징으로 하는 길버트 셀 타입 믹서.
제1 항에 있어서, 상기 RF 단은

각각은, 상기 수동 소자 전류원과 연결되는 일측을 갖는 제1 및 제2 인덕터들; 및

각각은, 상기 RF 신호와 연결되는 게이트를 갖고 상기 LO단과 연결되는 드레인을 갖고, 상기 제1 및 상기 제2 인덕터들의 타단과 연결되는 소스를 갖는 제1 및 제2 MOS 트랜지스터들을 구비하는 것을 특징으로 하는 길버트 셀 타입 믹서.
제3 항에 있어서, 상기 LO 단은

각각은, 상기 LO 신호와 연결되는 게이트를 갖고 상기 제1 및 상기 제2 MOS 트랜지스터의 드레인과 각각 연결되는 소스를 갖고, 상기 출력단과 연결되는 드레인을 갖는 제3 내지 제6 MOS 트랜지스터들을 구비하는 것을 특징으로 하는 길버트 셀 타입 믹서.
제4 항에 있어서, 상기 출력단은

상기 제3 및 상기 제5 MOS 트랜지스터의 드레인과 연결되는 제1 출력단자;

상기 제4 및 상기 제6 MOS 트랜지스터의 드레인과 연결되는 제2 출력단자;

공급 전압과 상기 제1 출력 단자 사이에 연결되는 제1 부하 저항; 및

상기 공급 전압과 상기 제2 출력 단자 사이에 연결되는 제2 부하 저항을 구비하고,

상기 제1 및 상기 제2 출력단자를 통해 상기 IF 신호가 출력되는 것을 특징으로 하는 길버트 셀 타입 믹서.
제5 항에 있어서, 상기 수동 소자 전류원은

상기 제1 및 상기 제2 인덕터의 일단과 기준 전위 사이에서, 서로 병렬 연결되는 제3 인덕터 및 커패시터를 구비하는 것을 특징으로 하는 길버트 셀 타입 믹서.