KR20110014392A - 무선 이중 대역 수신 장치 - Google Patents

무선 이중 대역 수신 장치 Download PDF

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KR20110014392A
KR20110014392A KR1020090072034A KR20090072034A KR20110014392A KR 20110014392 A KR20110014392 A KR 20110014392A KR 1020090072034 A KR1020090072034 A KR 1020090072034A KR 20090072034 A KR20090072034 A KR 20090072034A KR 20110014392 A KR20110014392 A KR 20110014392A
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Abstract

본 발명에서는 2개의 주파수 대역을 동시에 수신할 수 있는 수신기로서, 상기 2개의 주파수 대역에서 공진하여 공기 중의 전자기파를 전기 신호로 변환하는 이중 대역 공진 안테나와, 적층형 LC 공진회로를 포함하고, 상기 이중 대역 공진 안테나를 통해 수신된 신호를 상기 2개의 주파수 대역에서 동시에 증폭하는 적층형 LC 공진 저잡음 증폭기(low noise amplifier, LNA)와, 상기 저잡음 증폭기에서 증폭된 상기 2개의 주파수 대역을 각각 제1 기저대역 및 제2 기저대역으로 주파수 하향 변환하는 주파수 혼합기(mixer)와, 상기 주파수 혼합기가 상기 2개의 주파수 대역을 상기 제1 및 제2 기저대역으로 주파수 하향 변환할 수 있도록 제1 국소 발진 신호(local oscillating signal)와 제2 국소 발진 신호를 합성하여 상기 주파수 혼합기에 제공하는 주파수 합성기와, 상기 주파수 혼합기의 출력에서 상기 제1 및 제2 기저대역 이외 대역 신호를 필터링하고 상기 제1 및 제2 기저대역 신호를 통과시키는 기저대역 필터를 포함하는 수신기가 제공된다.
수신기, 이중 대역(dual band), 전류 재사용 혼합기,

Description

무선 이중 대역 수신 장치{WIRELESS DUAL-BAND RECEIVER}
본 발명은 무선 통신의 수신 장치에 관한 것이다.
최근에는 대부분의 휴대용 전자 기기들이 복수의 무선 통신 서비스를 지원한다. 가장 널리 사용되고 있는 휴대기기인 셀룰러(cellular) 전화기만 보더라도 음성 및 영상 통화의 기본이 되는 WCDMA 수신기 이외에 단거리 무선 통신을 위한 블루투스(Bluetooth), FM 수신기, DMB(Digital Media Broadcasting) 등을 위한 여러 개의 무선 수신기를 포함하고 있다. 대부분의 자동차 네비게이션 시스템도 GPS 수신기 이외에 DMB 수신기를 기본으로 내장하고 있다. 이처럼 하나의 전자 장치에 내장되는 무선 수신기의 개수가 늘어남에 따라 이들이 전체 시스템 크기와 에너지 소모에 미치는 영향이 커지고 있다.
2 개의 무선 통신 규약을 지원하는 수신 장치의 설계는 기존에도 널리 연구되었다. 도 1은 이중 대역을 수신할 수 있는 종래의 수신기(100)를 나타낸 도면이다. 수신기(100)는 안테나(110), 미약한 고주파 신호를 20dB 이상의 전압 이득으로 증폭시키는 저잡음 증폭기(low noise amplifier, LNA, 120), 고주파 신호를 기저 대역으로 낮추는 주파수 혼합기(Mixer, 131, 132), 주파수 혼합기(131, 132)에 주파수 혼합을 위한 주파수 신호를 제공하는 주파수 합성기(140), 주파수 혼합기(131)의 출력에서 제1 기저대역 신호만을 통과시키는 제1 기저대역 필터(151), 주파수 혼합기(132)의 출력에서 제2 기저대역 신호만을 통과시키는 제2 기저대역 필터(152), 디지털 콘트롤러(digital controller, 160)를 포함한다. 디지털 콘트롤러(160)는 주파수 합성장치(140)의 합성 주파수를 제어하고, 주파수 합성장치(140)에서 합성된 주파수 신호가 주파수 혼합기(131, 132) 중 어디로 제공될 지와, 주파수 혼합기(131)에서 제1 기저대역 필터(151)로 신호 전송 여부, 주파수 혼합기(132)에서 제2 기저대역 필터(152)로 신호 전송 여부를 제어한다. 디지털 콘트롤러(160)에 의해 저잡음 증폭기(120), 주파수 혼합기(131, 132)와 같은 구성 회로 내 수동 소자, 예를 들어 저항, 인덕터, 캐패시터들의 소자값들을 동작 대역에 따라 바꾸어 줌으로써 2개 대역에서의 동작을 최적화시킨다. 기존 설계 방식은 2개의 수신기가 수행하던 통신 기능을 하나의 수신기에 통합함으로써 시스템의 집적도를 높이는 데에 기여한다. 그러나 수신기가 소모하는 에너지는 2개의 수신기를 따로 두고 동작시킬 때와 비교해 전혀 감소되지 않는다.
도 2는 종래의 수신기의 전력 소모 방식을 나타낸 그래프이다. 종래의 수신 장치는 시간에 따라 동작 상태를 바꾸어가며 2개의 무선 통신 규약을 지원한다. DMB와 GPS의 경우를 예로 들면, 기존의 이중 대역 수신 장치는 시간 1 구간에서는 400MHz 대역의 DMB 신호를 수신하고, 시간 2 구간에서는 5GHz에서 GPS 신호를 수신한다. 따라서 수신기가 소모하는 전체 에너지는 두 개의 수신기를 따로 두고 시간 에 따라 번갈아가며 각각의 수신기를 동작시킬 경우 소모되는 에너지와 동일하다. 게다가 자동차 네비게이션 시스템에서는 DMB 신호의 수신과 GPS 신호의 수신을 동시에 요구하는 경우가 많은데, 기존의 수신 장치로는 이와 같은 동시 수신 기능을 지원할 수 없다. 비단, 네비게이션뿐 아니라 대부분의 휴대용 기기들도 동시에 다른 무선 서비스 신호의 수신을 필요로 하는 경우가 많다.
본 발명은 종래의 이중 대역 수신 장치가 수신기의 에너지 소모를 감소시키지 못하는 단점을 개선하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 하나의 수신 장치가 2 종류의 무선 통신 서비스를 동시에 지원하도록 함으로써 휴대용 전자기기 내에 들어가는 수신 장치의 개수와 에너지 소모를 각각의 수신 장치의 전력 소모의 합보다 줄이는 것을 목적으로 한다.
청구항 제1항 발명은, 2개의 주파수 대역을 동시에 수신할 수 있는 수신기로서, 상기 2개의 주파수 대역에서 공진하여 공기 중의 전자기파를 전기 신호로 변환하는 이중 대역 공진 안테나; 적층형 LC 공진회로를 포함하고, 상기 이중 대역 공진 안테나를 통해 수신된 신호를 상기 2개의 주파수 대역에서 동시에 증폭하는 적층형 LC 공진 저잡음 증폭기; 상기 저잡음 증폭기에서 증폭된 상기 2개의 주파수 대역을 각각 제1 기저대역 및 제2 기저대역으로 주파수 하향 변환하는 주파수 혼합기; 상기 주파수 혼합기가 상기 2개의 주파수 대역을 상기 제1 및 제2 기저대역으로 주파수 하향 변환할 수 있도록 제1 국소 발진 신호(local oscillating signal)와 제2 국소 발진 신호를 합성하여 상기 주파수 혼합기에 제공하는 주파수 합성기; 및 상기 주파수 혼합기의 출력에서 상기 제1 및 제2 기저대역 이외 대역 신호를 필터링하고 상기 제1 및 제2 기저대역 신호를 통과시키는 기저대역 필터를 포함하는, 수신기에 관한 것이다.
청구항 제2항 발명에서는, 상기 저잡음 증폭기는, 게이트에 바이어스 전압이 인가되는 증폭 트랜지스터; 상기 증폭 트랜지스터의 소스에 접속되는 인덕터; 서로 병렬 접속된 제1 인덕터와 제1 캐패시터를 포함하는 제1 LC 공진회로; 및 서로 병렬 접속된 제2 인덕터와 제2 캐패시터를 포함하는 제2 LC 공진회로를 포함하고, 상기 제1 LC 공진회로 및 상기 제2 LC 공진회로는 상기 증폭 트랜지스터의 드레인과 전원전압 사이에 직렬 접속되며, 상기 안테나를 통해 수신된 신호가 상기 증폭 트랜지스터의 상기 소스에 입력되고, 상기 저잡음 증폭기에 의해 증폭된 신호가 상기 증폭 트랜지스터의 상기 드레인에서 출력되는 것을 특징으로 한다.
청구항 제3항 발명에서는, 상기 주파수 혼합기는, 상기 저잡음 증폭기에서 증폭된 상기 2개의 주파수 대역 중 하나를 상기 제1 기저대역으로 주파수 하향 변환하는 제1 주파수 혼합부; 및 상기 저잡음 증폭기에서 증폭된 상기 2개의 주파수 대역 중 다른 하나를 상기 제2 기저대역으로 주파수 하향 변환하는 제2 주파수 혼합부를 포함하며, 상기 제1 주파수 혼합부와 상기 제2 주파수 혼합부는 바이어스 전류의 일부를 서로 공유하는 것을 특징으로 한다.
청구항 제4항 발명에서는, 상기 제1 주파수 혼합부는, 게이트로 입력된 전압 입력 신호를 전류 신호로 변환하면서 증폭하는 제1 트랜지스터, 상기 제1 트랜지스터의 드레인에 소스가 접속되고 게이트에 제1 국부 발진 신호가 입력되는 제2 트랜지스터, 및 상기 제1 트랜지스터의 드레인에 소스가 접속되고 게이트에 상기 제1 발진 신호의 반전 신호가 입력되는 제3 트랜지스터를 포함하고, 상기 제2 트랜지스터의 드레인과 상기 제3 트랜지스터의 드레인 사이에서 상기 제1 기저대역신호가 출력되며, 상기 제2 주파수 혼합부는, 상기 전압 입력 신호를 차동 신호로 변환하는 단일-차동 변환 증폭기와 상기 제2 국부 발진 신호에 따라 상기 단일-차동 변환 증폭기의 출력의 방향을 전환하는 스위칭 트랜지스터단을 포함하며, 상기 단일-차동 변환 증폭기의 바이어스 전류가 상기 제1 주파수 혼합부의 바이어스 전류의 일부로 재사용되는 것을 특징으로 한다.
청구항 제5항 발명에서는, 상기 수신기는 상기 단일-차동 변환 증폭기와 상기 제1 주파수 혼합부 사이에 접속된 1차 필터를 더 포함하고, 상기 단일-차동 변환 증폭기의 바이어스 전류가 상기 1차 필터를 통해 상기 제1 주파수 혼합부로 유입되거나 상기 제1 주파수 혼합부로부터 추출되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 대부분의 휴대 기기 내에 들어가는 다수의 무선 통신용 수신 장치의 개수와 수신 부의 에너지 소모를 절반으로 줄이는 효과를 갖는다. 그 뿐 아니라 추가 전력의 소모 없이 2 종류의 무선 신호를 동시에 수신할 수 있도록 함으로써 DMB 기능이 내장된 자동차 네비게이션 시스템, 휴대폰, PMP 등에 유용하게 이용될 수 있다.
보다 구체적으로 청구항 제1항 발명은 2개의 주파수 대역을 동시에 수신할 수 있는 효과를 갖는다.
또한 청구항 제2항 발명에 의하면, 저잡음 증폭기가 2개의 주파수 대역을 동시에 증폭할 수 있다.
또한 청구항 제3항 발명에 의하면, 하나의 주파수 혼합기가 2개의 개별적인 신호를 동시에 주파수 하향 변환할 수 있다.
또한 청구항 제4항 발명에 의하면, 하나의 주파수 혼합기에 포함된 2개의 주파수 혼합부가 바이어스 전류를 공유함으로써 소모 전류를 줄일 수 있고, 제1 주파수 혼합부의 스위칭 속도를 증가시킬 수 있다.
또한 청구항 제5항 발명에 의하면, 제1 주파수 혼합부와 제2 주파수 혼합부 사이에 국부 발진 신호가 서로 간섭되는 것을 방지할 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 본 명세서에서 수신기, 수신 장치는 동일한 의미로 사용된다. 본 발명의 요지를 흐리지 않기 위하여 종래 공지된 구성요소의 구체적인 구성 및 동작은 설명을 생략한다. 이렇게 하더라도 당업자는 본 발명을 명확하게 이해하고 용이하게 재현할 수 있을 것이다.
도 3은 종래기술에 관한 도면인 도 2에 대비되는 도면으로서, 본 발명에 따른 수신기의 전력 소모 방식을 나타낸다. 도 3을 참조하면 본 발명에 따른 수신기는 동시에 두 가지 통신 표준, 예를 들어 DMB와 GPS를 동시에 지원할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 2개 주파수 대역을 동시에 수신할 수 있는 수신기(400)의 블록도이다. 수신기(400)는 이중 대역 공진 안테나(410), 적층형 LC 공진 저잡음 증폭기(420), 전류 재사용 주파수 혼합기(430), 주파수 합성기(441, 442), 및 제1 및 제2 기저대역 필터(451, 452)를 포함한다.
이중 대역 공진 안테나(410)는 2개 고주파 대역에서 공진하여 공기 중을 통해 전파되는 2 종류의 전자기파를 전기 신호로 변환해 저잡음 증폭기(420)로 전달 한다.
본 발명에서 저잡음 증폭기(420)는 적층형 LC 공진 저잡음 증폭기다. 저잡음 증폭기(420)는 미약한 고주파 신호를 2개의 주파수 대역에서 동시에 증폭시켜 주파수 혼합기(430)로 전달한다. 본 발명에 따른 저잡음 증폭기(420)는 2개 통신 서비스 대역에서 충분한 전압 이득을 제공할 수 있다. 적층형 LC 공진 저잡음 증폭기(420)의 구체적인 구성은 후술하도록 한다.
혼합기(430)는 저잡음 증폭기(420)에서 증폭된 신호를 제1 및 제2 기저대역 신호로 주파수 하향 변환(frequency down converting)한다. 혼합기(430)는 2개의 독립적인 주파수 혼합부(431, 432)를 포함한다. 주파수 혼합부(431, 432)는 바이어스 전류의 일부를 공유한다. 주파수 혼합기(430)의 구체적인 구성은 후술하도록 한다.
주파수 합성기(441, 442)는, 주파수 혼합기(430)가 저 잡음 증폭기(420)에서 증폭된 2개의 주파수 대역을 제1 및 제2 기저대역으로 주파수 하향 변환할 수 있도록, 미리 정해진 주파수를 갖는 국소 발진 신호(local oscillating signal)를 합성하여 주파수 혼합기(430)에 제공한다.
기저대역 필터(451, 452)는 제1 기저대역 필터(451) 및 제2 기저대역 필터(452)를 포함한다. 제1 기저대역 필터(451)는 주파수 혼합기(430)의 출력에서 제1 기저대역 이외 대역 신호를 필터링하고 제1 기저대역 신호를 통과시킨다. 제2 기저대역 필터(452)는 주파수 혼합기(430)의 출력에서 제2 기저대역 이외 대역 신호를 필터링하고 제2 기저대역 신호를 통과시킨다.
도 5는 본 발명에서 이용되는 적층형 LC 공진 저잡음 증폭기(420)의 회로도이다. 저잡음 증폭기(420)는 증폭 트랜지스터(M), 제1 LC 공진회로(L1, C1), 제2 LC 공진회로(L2, C2), 인덕터(L)를 포함한다. 증폭 트랜지스터(M)는 MOS 트랜지스터이고, 커먼-게이트(Common-gate) 형태로 구성되어 있다. 이는 넓은 주파수 대역에서 50Ω의 입력 임피던스를 제공함으로써 이중 대역 공진 안테나(410)와의 임피던스 매칭을 최대화시킨다. 증폭 트랜지스터(M)의 소스단자에 인덕터(L)의 일단이 접속된다. 인덕터(L)의 타단은 접지된다. 저잡음 증폭기(420)의 부하단에는 제1 LC 공진회로(L1, C1)와 제2 LC 공진회로(L2, C2)가 적층된다. 제1 LC 공진회로(L1, C1)는 서로 병렬 접속된 제1 인덕터(L1)와 제1 캐패시터(C1)를 포함하고, 제2 LC 공진회로(L2, C2)는 서로 병렬 접속된 제2 인덕터(L2)와 제2 캐패시터(C2)를 포함한다. 제1 및 제2 LC 공진회로가 저잡음 증폭기(420)의 부하단에 적층된다는 것은 저잡음 증폭기(420)의 부하단 즉 드레인 단자와 전원전압 사이에 제1 공진회로(L1, C1)와 제2 공진회로(L2, C2)가 직렬 접속되는 것을 의미한다. 증폭 트랜지스터(M1)의 부하단의 임피던스 Z(s)를 다음 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112009047931119-PAT00001
위 수학식에서 알 수 있듯이, 적층형 LC 공진 회로는
Figure 112009047931119-PAT00002
,
Figure 112009047931119-PAT00003
의 2개 주파수에서 공진한다. 따라서 L1, L2, C1, C2의 값을 적절히 선택해 수신기가 동작하는 2개 고주파에 공진 점들을 맞추면 20dB 이상의 전압 이득을 용이하게 얻 을 수 있다. 게다가 LC 회로는 DC에서 임피던스가 0이므로 저잡음 증폭기(420)를 동작시키기 위해 전원에서 접지단자(ground)로 흐르는 바이어스 전류가 LC 회로를 통과할 때에 전압 강하가 발생하지 않는다. 이는 전원 전압을 증가시키지 않고 앰프의 출력 범위를 넓혀주는 이점이 있다.
수학식 1을 참조하면 적층형 LC 공진 회로(420)는
Figure 112009047931119-PAT00004
에서 1개의 공진 점을 추가로 가지는 것을 알 수 있다. 이는 인덕터(L1), 캐패시터(C1)로 이루어진 제1 LC 공진회로(L1, C1), 인덕터(L2), 캐패시터(C2)로 이루어진 제2 LC 공진회로(L2, C2) 각각이 이루는 병렬 공진과는 달리 직렬 공진이므로 공진 주파수에서 부하단의 임피던스가 0이 된다.
도 6은 적층형 LC 공진 회로에서 나타나는 3개 공진 점을 바탕으로 주파수에 따른 저잡음 증폭기(420)의 부하단 임피던스를 나타낸 그래프이다. 수학식 1에서 알 수 있는 바와 같이 2개의 병렬 공진 봉우리(peak)와 1개의 직렬 공진 골짜기(valley)가 나타나는 것을 알 수 있다. 직렬 공진 골짜기로 인해 수신기가 다루는 2개의 주파수 대역 사이에 들어오는 간섭 신호는 40dB 이상 제거된다.
도 5에 나타낸 주파수 혼합기(430) 회로에서, 증폭 트랜지스터(M)는 NMOS 트랜지스터이다. 그러나 이는 CMOS 트랜지스터 공정에서 회로의 동작을 위해 적절히 선택한 것에 불과하므로 당업자는 본 발명에 따른 회로들이 동작하는 범위 안에서 각 트랜지스터를 NMOS와 PMOS 중에서 적절히 선택하여 설계변경할 수 있을 것이다.
다음으로 수신기(400)의 주파수 혼합기(430)에 관하여 설명한다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 2개 주파수 대역을 동시에 수신할 수 있는 수신기(400)에서 이용되는 주파수 혼합기(430)의 회로도이다. 주파수 혼합기(430)는 저잡음 증폭기(420)를 통과해 들어오는 고주파 신호와 2개의 주파수 합성기(441, 442)에서 발생된 국소 발진 신호들(LO1, LO2)을 입력으로 받아들이고, 이들 간의 주파수 혼합을 거쳐 2개의 기저 대역 신호를 출력으로 내보낸다.
주파수 혼합기(430)는 제1 주파수 혼합부(431) 및 제2 주파수 혼합부(432)를 포함한다.
우선 제1 주파수 혼합부(431)에 관하여 설명한다. 제1 주파수 혼합부(431)는 일반적인 능동형 단일 균형 주파수 혼합기(Single-balanced active mixer)이다. 제1 주파수 혼합부(431)는 전압 입력 신호를 전류 신호로 변환하면서 증폭하는 제1 트랜지스터(M1)를 포함한다. 제1 트랜지스터(M1)의 게이트 즉 주파수 혼합기(430)의 입력단(in)이자 제1 주파수 혼합부(431)의 입력단(in)에 저잡음 증폭기(420)의 출력이 입력된다. 제1 트랜지스터(M1)의 드레인에 제2 트랜지스터(M2)의 소스와 제3 트랜지스터(M3)의 소스가 접속된다. 제2 트랜지스터(M2)의 게이트에 제1 발진 신호(
Figure 112009047931119-PAT00005
)가 입력되고, 제3 트랜지스터(M3)의 게이트에 제1 주파수 합성신호(
Figure 112009047931119-PAT00006
)의 반전 신호(
Figure 112009047931119-PAT00007
)가 입력된다. 입력단(in)을 통해 입력된 고주파 전압신호는 제1 트랜지스터(M1)를 거쳐 전류 신호로 바뀌며 동시에 증폭이 이루어진다. 제2 및 제3 트랜지스터(M2, M3)로 이루어진 스위칭 트랜지스터부는 제1 발진 신호(
Figure 112009047931119-PAT00008
)의 극성에 따라 제1 트랜지스터(M1)의 출력 전류 I를 흘려줄 방향을 결정한다. 제2 트랜지 스터(M2)의 드레인과 전원전압 사이에 제1 저항(R1)이 접속되고, 제3 트랜지스터(M3)의 드레인과 전원전압 사이에 제2 저항(R2)이 접속된다. 제1 저항(R1)과 제2 저항(R2)의 저항값은 동일한 것이 바람직하다. 제2 트랜지스터(M2)의 드레인과 제3 트랜지스터(M3)의 드레인 사이에서 제1 기저대역신호(VO1)가 출력된다. 이렇게 회로를 동작시켰을 경우 출력 단에서의 전압 신호 VO1를 수식으로 나타내면 다음 수학식 2와 같다.
Figure 112009047931119-PAT00009
위 수학식 2의 우변 첫 번째 항에 표현된 바와 같이 입력 신호의 주파수 대역이 제1 발진 신호(LO1)의 주파수(
Figure 112009047931119-PAT00010
)만큼 낮아진 것을 확인할 수 있다. 도 4에 나타낸 제1 기저 대역 필터(451)를 이용해 수학식 2의 우변의 첫 번째 항 이외의 고주파 성분들을 제거하면, 수신기에서 요구되는 제1 기저 대역 신호만이 출력된다.
도 7의 회로에서 제2 및 제3 트랜지스터(M2, M3)의 스위칭 동작을 최대한 빠르게 해야 출력 단으로 유입되는 잡음(noise)을 최소화할 수 있다. 이를 위해 스위칭 트랜지스터부(M2, M3)를 통과해 흐르는 바이어스 전류의 크기를 줄일 필요가 있으므로 외부 전류 전원(Ib)을 이용해 제1 트랜지스터(M1)에 흐르는 바이어스 전류의 일부를 축출한다. 축출된 바이어스 전류 Ib는 제2 주파수 혼합부(432)를 구동하는 데에 재사용된다. 도 7의 우측에 나타낸 바와 같이, 바이어스 전류 Ib는 제4 및 제5 트랜지스터(M4, M5)를 포함하는 단일-차동 변환 증폭기(Single-to-differential amplifier, 432-1)를 동작시킨 뒤 제1 트랜지스터(M1)로 유입된다.
단일-차동 변환 증폭기(432-1)는 서로 소스가 접속된 제4 및 제5 트랜지스터(M4, M5), 제4 및 제5 트랜지스터(M4, M5)의 소스로 전류를 공급하는 전류원(Ib), 제4 트랜지스터(M4)의 드레인에 일단이 접속된 제3 저항(R3), 제5 트랜지스터(M5)의 드레인에 일단이 접속된 제4 저항(R4)을 포함한다. 제3 저항(R3)과 제4 저항(R4)는 서로 타단이 접속되어 제1 주파수 혼합부(431)의 제1 트랜지스터(M1)에 커플링(직접 접속되거나 수동소자들을 통해 신호가 전달됨)된다. 저3 저항(R3)과 제4 저항(R4)의 저항값은 서로 동일한 것이 바람직하다. 제4 트랜지스터(M4)의 게이트에는 주파수 혼합기(420)의 출력이 입력되고, 제5 트랜지스터(M5)의 게이트에는 바이어스 전압이 입력된다. 제4 트랜지스터(M4)의 드레인과 제5 트랜지스터(M5)의 드레인 사이에서 단일-차동 변환 증폭기(432-1)의 출력이 얻어진다.
단일-차동 변환 증폭기(432-1)의 출력은 스위칭 트랜지스터단(432-2)으로 입력된다. 스위칭 트랜지스터단(432-2)은 제6, 제7, 제8, 제9 트랜지스터(M6, M7, M8, M9)를 포함한다. 제6 내지 제9 트랜지스터(M6, M7, M8, M9)는 게이트 입력 신호에 따라 드레인과 소스 사이가 도통되는지 여부가 결정되는 스위치 역할을 한다. 스위칭 트랜지스터단(432-2)의 출력(
Figure 112009047931119-PAT00011
)은 제1 출력단자(out1)와 제2 출력단자(out2) 사이에서 얻어진다. 제6 트랜지스터(M6)는 제4 트랜지스터(M4)의 드레인과 제1 출력단자(out1) 사이에 접속되고, 제7 트랜지스터(M7)는 제4 트랜지스터(M4)의 드레인과 제2 출력단자(out2) 사이에 접속되고, 제8 트랜지스터(M8)는 제 5 트랜지스터(M5)의 드레인과 제1 출력단자(out1) 사이에 접속되고, 제9 트랜지스터(M9)는 제5 트랜지스터(M5)의 드레인과 제2 출력단자(out1) 사이에 접속된다.
스위칭 트랜지스터단(432-2)은 단일-차동 변환 증폭기(432-1)의 차동 출력의 방향을 제2 국부 발진 신호(
Figure 112009047931119-PAT00012
)에 따라 바꾸어준다. 이를 위해 제6 트랜지스터(M6)와 제9 트랜지스터(M9)의 게이트에는 제2 국부 발진 신호(
Figure 112009047931119-PAT00013
)가 입력되고, 제7 트랜지스터(M7)와 제8 트랜지스터(M8)의 게이트에는 제2 국부 발진 신호(
Figure 112009047931119-PAT00014
)의 반전신호(
Figure 112009047931119-PAT00015
)가 입력된다. 제1 출력단자(out1)와 접지단자 사이에 제1 출력 캐패시터(CO1)가 접속되고, 제2 출력단자(out2)와 접지단자 사이에 제2 출력 캐패시터(CO2)가 접속된다.
제2 주파수 혼합부(432)의 출력 신호의 형태를 수식으로 나타내 보면 다음 수학식 3과 같다.
Figure 112009047931119-PAT00016
위 수학식 우변의 첫 번째 항에 표현된 바와 같이 입력 신호의 주파수 대역이 제2 국부 발진 신호(
Figure 112009047931119-PAT00017
)의 주파수(
Figure 112009047931119-PAT00018
)만큼 낮아진 것을 확인할 수 있다. 도 4의 제2 기저 대역 필터(452)를 이용해 수학식 3의 우변의 첫번째 항 이외의 고주파 성분들을 제거하면, 수신기에서 요구되는 제2 기저 대역 신호만이 출력된다.
도 7의 제1 주파수 혼합부(441)와 제2 주파수 혼합부(442) 사이에 위치한 저 항(RC)과 캐패시터(CC)로 이루어진 필터 회로(433)는 1차 저주파 통과 필터로써 두 주파수 혼합부(441, 442)의 동시 동작 시 고주파의 국소 발진 신호들이 서로의 주파수 혼합기로 유입되는 것을 막기 위한 것이다.
정리하면, 본 발명에 따른 주파수 혼합기(430)는 추가적인 전류 소모 없이 2개의 무선 통신 대역 신호를 기저 대역으로 동시에 주파수 변환할 수 있다.
다시 전체 수신 장치(400)로 돌아가면, 저잡음 증폭기(420)는 2개 주파수 대역에서 들어오는 서로 다른 고주파 신호를 동시에 증폭하고, 그 후단의 주파수 혼합기(430)는 이 2개의 고주파 신호를 동시에 기저 대역으로 주파수 변환한다. 동시에 2 종류의 고주파 신호에 대한 처리가 이루어지면서 추가 전류를 소모하지 않으므로 수신기의 집적도는 2배로 높이면서 에너지 소모는 절반으로 줄일 수 있다.
도 7에 나타낸 주파수 혼합기(430) 회로에서, 제1, 제2, 제3, 제6, 제7, 제8, 제9 트랜지스터(M1, M2, M3, M6, M7, M8, M9)는 NMOS 트랜지스터이고, 제4, 제5 트랜지스터(M4, M5)는 PMOS 트랜지스터이다. 그러나 이는 CMOS 트랜지스터 공정에서 회로의 동작을 위해 적절히 선택한 것에 불과하므로 당업자는 본 발명에 따른 회로들이 동작하는 범위 안에서 각 트랜지스터를 NMOS와 PMOS 중에서 적절히 선택하여 설계변경할 수 있을 것이다.
이상 본 발명의 일 실시예에 따른 수신기(400)의 구체적인 구성과 동작에 관하여 상세히 설명하였다. 그러나 이상 설명한 수신기(400)는 예시적인 것이지 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 이중 대역을 수신할 수 있는 종래의 수신기(100)를 나타낸 도면이다.
도 2는 종래의 수신기의 전력 소모 방식을 나타낸 그래프이다.
도 3은 종래기술에 관한 도면인 도 2에 대비되는 도면으로서, 본 발명에 따른 수신기의 전력 소모 방식을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 2개 주파수 대역을 동시에 수신할 수 있는 수신기(400)의 블록도이다.
도 5는 본 발명에서 이용되는 적층형 LC 공진 저잡음 증폭기(420)의 회로도이다.
도 6은 적층형 LC 공진 회로에서 나타나는 3개 공진 점을 바탕으로 주파수에 따른 저잡음 증폭기(420)의 부하단 임피던스를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 2개 주파수 대역을 동시에 수신할 수 있는 수신기(400)에서 이용되는 주파수 혼합기(430)의 회로도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
400: 2개 주파수 대역을 동시에 수신할 수 있는 수신기
410: 이중 대역 공진 안테나
420: 적층형 LC 공진 저잡음 증폭기
430: 전류 재사용 주파수 혼합기
441, 442: 주파수 합성기
451, 452: 기저대역 필터

Claims (5)

  1. 2개의 주파수 대역을 동시에 수신할 수 있는 수신기로서,
    상기 2개의 주파수 대역에서 공진하여 공기 중의 전자기파를 전기 신호로 변환하는 이중 대역 공진 안테나;
    적층형 LC 공진회로를 포함하고, 상기 이중 대역 공진 안테나를 통해 수신된 신호를 상기 2개의 주파수 대역에서 동시에 증폭하는 적층형 LC 공진 저잡음 증폭기(low noise amplifier, LNA);
    상기 저잡음 증폭기에서 증폭된 상기 2개의 주파수 대역을 각각 제1 기저대역 및 제2 기저대역으로 주파수 하향 변환하는 주파수 혼합기(mixer);
    상기 주파수 혼합기가 상기 2개의 주파수 대역을 상기 제1 및 제2 기저대역으로 주파수 하향 변환할 수 있도록 제1 국소 발진 신호(local oscillating signal)와 제2 국소 발진 신호를 합성하여 상기 주파수 혼합기에 제공하는 주파수 합성기; 및
    상기 주파수 혼합기의 출력에서 상기 제1 및 제2 기저대역 이외 대역 신호를 필터링하고 상기 제1 및 제2 기저대역 신호를 통과시키는 기저대역 필터;
    를 포함하는, 수신기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 저잡음 증폭기는,
    게이트에 바이어스 전압이 인가되는 증폭 트랜지스터;
    상기 증폭 트랜지스터의 소스에 접속되는 인덕터;
    서로 병렬 접속된 제1 인덕터와 제1 캐패시터를 포함하는 제1 LC 공진회로; 및
    서로 병렬 접속된 제2 인덕터와 제2 캐패시터를 포함하는 제2 LC 공진회로를 포함하고,
    상기 제1 LC 공진회로 및 상기 제2 LC 공진회로는 상기 증폭 트랜지스터의 드레인과 전원전압 사이에 직렬 접속되며,
    상기 안테나를 통해 수신된 신호가 상기 증폭 트랜지스터의 상기 소스에 입력되고, 상기 저잡음 증폭기에 의해 증폭된 신호가 상기 증폭 트랜지스터의 상기 드레인에서 출력되는, 수신기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 주파수 혼합기는,
    상기 저잡음 증폭기에서 증폭된 상기 2개의 주파수 대역 중 하나를 상기 제1 기저대역으로 주파수 하향 변환하는 제1 주파수 혼합부; 및
    상기 저잡음 증폭기에서 증폭된 상기 2개의 주파수 대역 중 다른 하나를 상기 제2 기저대역으로 주파수 하향 변환하는 제2 주파수 혼합부를 포함하며,
    상기 제1 주파수 혼합부와 상기 제2 주파수 혼합부는 바이어스 전류의 일부를 서로 공유하는, 수신기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 주파수 혼합부는, 게이트로 입력된 전압 입력 신호를 전류 신호로 변환하면서 증폭하는 제1 트랜지스터, 상기 제1 트랜지스터의 드레인에 소스가 접속되고 게이트에 제1 국부 발진 신호가 입력되는 제2 트랜지스터, 및 상기 제1 트랜지스터의 드레인에 소스가 접속되고 게이트에 상기 제1 발진 신호의 반전 신호가 입력되는 제3 트랜지스터를 포함하고, 상기 제2 트랜지스터의 드레인과 상기 제3 트랜지스터의 드레인 사이에서 상기 제1 기저대역신호가 출력되며,
    상기 제2 주파수 혼합부는, 상기 전압 입력 신호를 차동 신호로 변환하는 단일-차동 변환 증폭기와 상기 제2 국부 발진 신호에 따라 상기 단일-차동 변환 증폭기의 출력의 방향을 전환하는 스위칭 트랜지스터단을 포함하며,
    상기 단일-차동 변환 증폭기의 바이어스 전류가 상기 제1 주파수 혼합부의 바이어스 전류의 일부로 재사용되는 것을 특징으로 하는, 수신기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 수신기는 상기 단일-차동 변환 증폭기와 상기 제1 주파수 혼합부 사이에 접속된 1차 필터를 더 포함하고, 상기 단일-차동 변환 증폭기의 바이어스 전류가 상기 1차 필터를 통해 상기 제1 주파수 혼합부로 유입되거나 상기 제1 주파수 혼합부로부터 추출되는, 수신기.
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