KR20190041896A - 빔포밍 기능을 지원하기 위한 저잡음 증폭기 및 이를 포함하는 수신기 - Google Patents

빔포밍 기능을 지원하기 위한 저잡음 증폭기 및 이를 포함하는 수신기 Download PDF

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KR20190041896A
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Abstract

본 개시의 기술적 사상의 일측면에서 따른 복수의 안테나들을 통해 빔포밍 신호를 수신하고, 상기 빔포밍 신호를 증폭하기 위한 제1 증폭 블록이 구비된 수신기에 있어서, 상기 제1 증폭 블록은, 상기 빔포밍 신호를 수신하고, 상기 빔포밍 신호를 증폭하여 제1 출력신호로 출력하는 제1 트랜지스터가 구비된 제1 증폭 회로 및 상기 제1 출력신호를 증폭하여 제2 출력신호로 출력하는 제2 트랜지스터 및 상기 제2 출력신호의 위상을 선택적으로 변경하기 위한 가변 커패시턴스 회로를 구비하고, 상기 제1 증폭 회로와 연결된 제2 증폭 회로를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

빔포밍 기능을 지원하기 위한 저잡음 증폭기 및 이를 포함하는 수신기{A low noise amplifier supporting beam-forming function and a receiver including the same}
본 개시의 기술적 사상은 빔포밍 기능을 지원하기 위한 저잡음 증폭기에 관한 것으로, 신호를 증폭하고, 신호의 위상을 변경할 수 있는 저잡음 증폭기 및 이를 포함하는 수신기에 관한 발명이다.
수동 소자들로 구성된 위상 천이기는 직류 전력을 소비하지 않고, 선형성을 유지한 상태로 신호의 위상을 변경할 수 있었다. 다만, 위상 천이기는 수동 소자들의 구성으로 인해 삽입 손실(insertion loss)이 크게 발생하여 이러한 손실을 보상해주기 위한 저잡음 증폭기가 요구되며, 수동 소자들의 사이즈가 커서 칩 형태의 집적된 위상 배열 시스템(integrated phased array system)에 종래의 위상 천이기를 적용하기에는 문제가 있었다.
한편, 능동 소자들로 구성된 위상 천이기는 괜찮은(decent) 이득과 정확도를 갖는 동시에 높은 집적도(integration level)를 가지나, 이상적인 빔포밍 시스템에서는 상기 위상 천이기 외에 추가적인 다수의 저잡음 증폭기들이 필요한 결과 소모되는 전력이 증가하는 문제가 있었다.
본 개시의 기술적 사상이 해결하려는 과제는 빔포밍 기능을 지원하는 저잡음 증폭기의 삽입 손실, 증폭 이득 변화량을 최소화하고, 저잡음 증폭기가 구비된 RF 칩 사이즈를 줄일 수 있는 저잡음 증폭기 및 이를 포함하는 수신기를 제공하는 데에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 개시의 기술적 사상의 일측면에서 따른 복수의 안테나들을 통해 빔포밍 신호를 수신하고, 상기 빔포밍 신호를 증폭하기 위한 제1 증폭 블록이 구비된 수신기에 있어서, 상기 제1 증폭 블록은, 상기 빔포밍 신호를 수신하고, 상기 빔포밍 신호를 증폭하여 제1 출력신호로 출력하는 제1 트랜지스터가 구비된 제1 증폭 회로 및 상기 제1 출력신호를 증폭하여 제2 출력신호로 출력하는 제2 트랜지스터 및 상기 제2 출력신호의 위상을 선택적으로 변경하기 위한 가변 커패시턴스 회로를 구비하고, 상기 제1 증폭 회로와 연결된 제2 증폭 회로를 포함하는 것을 특징으로 한다.
다른 측면에 따른 빔포밍 기능을 지원하기 위한 저잡음 증폭기는, 입력 신호를 게이트 단자를 통해 수신하고, 상기 입력 신호를 증폭하여 드레인 단자를 통해 제1 출력신호를 출력하는 제1 트랜지스터, 상기 제1 트랜지스터의 드레인 단자와 소스 단자를 통해 연결되고, 상기 제1 출력신호를 증폭하여 드레인 단자를 통해 제2 출력신호를 출력하는 제2 트랜지스터 및 상기 제2 트랜지스터의 게이트 단자와 연결되고, 상기 빔포밍 관련 정보에 따른 커패시턴스 제어신호를 기반으로 상기 제2 출력신호의 위상을 선택적으로 변경하기 위한 가변 커패시턴스 회로를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 다른 측면에 따른 빔포밍 기능을 지원하는 무선 통신 장치는, 외부로부터 수신한 빔포밍 신호를 증폭하여 출력 신호로서 출력하고, 상기 출력 신호의 위상을 선택적으로 변경하기 위한 가변 커패시턴스 회로가 구비된 저잡음 증폭기, 상기 저잡음 증폭기의 출력단 또는 입력단 중 어느 하나와 연결되고, 상기 출력 신호 또는 상기 빔포밍 신호의 위상을 변경하기 위한 위상 천이기 및 외부로부터 수신된 빔포밍 관련 정보를 기반으로 상기 가변 커패시턴스 회로의 커패시턴스 제어신호 및 상기 위상 천이기에 대한 제어신호를 생성하는 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 개시의 기술적 사상에 따른 저잡음 증폭기는 신호에 대한 증폭 동작과 함께 빔포밍에 따른 신호의 위상을 선택적으로 변경하는 동작을 수행할 수 있도록 구현됨으로써, 삽입 손실을 최소화하고, 저잡음 증폭기가 포함되고 빔포밍 기능을 지원하는 RF 칩 사이즈를 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 개시의 기술적 사상에 따른 저잡음 증폭기는 이득 고정 회로를 더 포함함으로써, 위상 변경 동작시에 발생할 수 있는 저잡음 증폭기의 증폭 이득 변화를 최소화함으로써 신호에 대한 선택적인 위상 변경 동작과 동시에 안정적인 증폭 동작을 수행할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 무선 통신 동작을 수행하는 무선 통신 장치 및 이를 포함하는 무선 통신 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 트랜시버를 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 수신기를 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 수신기의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 신호 위상을 선택적으로 변경 가능한 저잡음 증폭기를 나타내는 회로도이다
도 6a 및 도 6b는 도 5의 가변 커패시턴스 회로의 구현 예를 나타내는 회로도이다.
도 7은 도 5의 제2 트랜지스터의 위상 특성을 설명하기 위하여 도 5의 저잡음 증폭기의 등가회로를 나타내는 회로도이다.
도 8은 본 개시의 일 실시예에 따른 증폭 이득의 변화를 최소화할 수 있는 저잡음 증폭기를 나타내는 회로도이다.
도 9a 및 도 9b는 도 8의 이득 고정 회로에 의한 증폭 이득에 대한 효과를 설명하기 위한 그래프이다.
도 10은 본 개시의 일 실시예에 따른 스위치 소자가 구비된 저잡음 증폭기를 나타내는 회로도이고, 도 11a 및 도 11b는 스위치 소자의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 본 개시의 일 실시예에 따른 2 스테이지(stage)로 구현된 저잡음 증폭기를 나타내는 회로도이다.
도 13은 본 개시의 일 실시예에 따른 빔포밍 기능이 포함된 통신 기능을 지원하는 전자 장치를 나타내는 블록도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 무선 통신 동작을 수행하는 무선 통신 장치 및 이를 포함하는 무선 통신 시스템을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 무선 통신 시스템(1)은 LTE(Long Term Evolution) 시스템, CDMA(Code Division Multiple) 시스템, GSM 시스템(Global System for Mobile Communication), WLAN(Wireless Local Area Network) 시스템 등 중 어느 하나일 수 있다. 또한, CDMA 시스템은 광대역 CDMA(WCDMA), 시간 분할 동기화 CDMA(TD-SCDMA), cdma2000 등의 다양한 CDMA 버전으로 구현될 수 있다.
무선 통신 시스템(1)은 적어도 두개의 기지국(11, 12; Base Station) 및 시스템 컨트롤러(15)를 포함할 수 있다. 한편, 이는 예시적 실시예로 이에 국한되지 않으며, 무선 통신 시스템(1)은 다수의 기지국들 및 다수의 네트워크 엔티티들(Network entities)을 포함할 수 있다. 무선 통신 장치(10)는 UE(User Equipment), MS(Mobile Station), MT(Mobile Terminal), UT(User Terminal), SS(Subscribe Station), 휴대 장치 등으로 지칭될 수 있다. 기지국(11, 12)은 무선 통신 장치(10) 및/또는 다른 기지국과 통신하는 고정된 지점(fixed station)을 지칭할 수 있고, 무선 통신 장치(10) 및/또는 다른 기지국과 통신하여 데이터 신호 및/또는 제어 정보를 포함하는 RF(Radio Frequency) 신호를 송수신할 수 있다. 기지국(11, 12)은 Node B, eNB(evolved-Node B), BTS(Base Transceiver System) 및 AP(Access Point) 등으로 지칭될 수도 있다.
무선 통신 장치(10)는 무선 통신 시스템(1)과 통신할 수 있으며, 브로드캐스트 스테이션(14)으로부터 신호들을 수신할 수 있다. 더 나아가, 무선 통신 장치(10)는 글로벌 네비게이션 위성 시스템(Global Navigation Satellite System, GNSS)의 위성(13)으로부터 신호를 수신할 수 있다. 무선 통신 장치(10)는 무선 통신(예를 들면, LTE, cdma2000, WCDMA, TD-SCDMA, GSM, 802.11 등)을 위한 라디오(radio) 기술을 지원할 수 있다.
무선 통신 장치(10)는 복수의 안테나들을 포함할 수 있으며, 빔포밍 기능을 지원할 수 있다. 일 예로, 무선 통신 장치(10)는 빔포밍 신호(또는, 빔포밍된 RF 신호)를 수신하여 빔포밍 신호에 관한 정보를 기반으로 빔포밍 신호의 위상을 변경할 수 있다. 또한, 무선 통신 장치(10)는 기저대역의 데이터 신호를 RF 신호로 주파수 상향 변환하고, RF 신호의 위상을 변경하는 빔포밍 동작을 수행하여 빔포밍 신호를 안테나들을 통해 방사할 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따른 무선 통신 장치(10)의 저잡음 증폭기는 수신한 빔포밍 신호를 증폭하여 출력 신호로 출력하는 동시에 빔포밍 신호에 관한 정보에 따라 출력 신호의 위상을 선택적으로 변경할 수 있다. 또한, 무선 통신 장치(10)의 저잡음 증폭기는 증폭 이득을 일정하게 유지할 수 있는 구성을 더 포함할 수 있으며, 증폭 이득을 향상시키기 위하여 멀티-스테이지 회로로 구현될 수 있다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 트랜시버(transceiver)를 개략적으로 나타낸 블록도이다. 도 2에 도시된 트랜시버(100)는 도 1의 무선 통신 장치(10)에 포함된 구성이며, 빔포밍 기능을 지원할 수 있다. 도 2의 트랜시버(100)는 RF(Radio frequency) 대역에서 빔포밍을 수행할 수 있다.
도 2를 참조하면, 트랜시버(100)는 안테나들(AT_1~AT_n), 컴바이너(101), 디바이더(102), 믹서들(103_1, 103_2), 가변 이득 증폭기들(104_1~104_n), 저잡음 증폭기들(또는, 위상 천이-저잡음 증폭기)(105_1~105_n), 전력 증폭기들(또는, 위상 천이-전력 증폭기)(106_1~106_n), 위상 천이기들(phase shifters)(107_1a~107_na, 107_1b~107_nb) 및 송수신 선택 스위치들(108_1~108_n)을 포함할 수 있다. 한편, 트랜시버(100)는 각각의 안테나들(AT_1~AT_n)과 연결되는 복수의 밴드 패스 필터들(미도시)를 더 포함할 수 있다. 일 실시예로, 트랜시버(100)는 하나의 주파수 변환기를 사용하여 RF 신호를 기저대역(baseband) 신호로 직접 변환하거나 기저대역 신호를 RF 신호로 직접 변환하는 직접 변환(direct conversion) 구조가 적용될 수 있다. 본 개시에서는 상기 직접 변환은 믹서들(103_1, 103_2)에 의해서 수행될 수 있다. 믹서들(103_1, 103_2)에는 주파수 대역 변환에 필요한 소정의 주파수를 갖는 신호가 인가될 수 있다. 또한, 트랜시버(100)는 컴바이너(101)와 디바이더(102)를 이용하여 멀티 체인(multi-chain) RF 신호들을 병합하거나 분할하며, 저잡음 증폭기들(105_1~105_n), 전력 증폭기들(106_1~106_n) 및 위상 천이기들(107_1a~107_na, 107_1b~107_nb)이 이용되는 멀티 체인 빔포밍 트랜시버일 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따른 트랜시버(100)는 다음과 같이 수신기로서 수신 동작을 수행할 수 있다. 트랜시버(100)는 복수의 안테나들(AT_1~AT_n)을 통해 수신된 빔포밍 신호들(또는, RF 신호들)은 송수신 선택 스위치들(108_1~108_n)과 저잡음 증폭기들(105_1~105_n), 위상 천이기들(107_1a~107_na) 및 가변 이득 증폭기들(104_1~104_n)을 거쳐 컴바이너(101)를 통해 하나의 신호로 병합될 수 있다. 병합된 신호는 믹서(103_1)에서 소정의 주파수를 갖는 신호(예를 들면, 로컬 오실레이터(미도시)로부터 생성된 신호)와 다운 믹싱되어 기저대역 신호로 변환되고, 변환된 신호는 모뎀(102)으로 입력될 수 있다. 일 실시예로, 제1 저잡음 증폭기(105_1)는 빔포밍 신호를 소정의 증폭 이득만큼 증폭시키고, 출력신호로서 출력할 수 있다. 이와 동시에, 제1 저잡음 증폭기(105_1)는 빔포밍 신호에 대한 정보(또는, 빔포밍 관련 정보)에 따라 선택적으로 출력신호의 위상을 변경할 수 있다.
일 예로, 모뎀(102)은 빔포밍 신호에 대한 정보를 PDCCH(Physical Downlink Control Channel)를 통해 기지국으로부터 수신할 수 있으며, 모뎀(102)은 빔포밍 신호에 대한 정보를 처리하여 RF 컨트롤러(109)에 처리된 빔포밍 신호에 대한 정보를 제공할 수 있다. 빔포밍 신호에 대한 정보는 빔포밍 방식을 나타내는 정보, 빔포밍에 의한 위상 천이 정보를 포함할 수 있으며, 하향링크 스케줄링을 위한 DCI(Downlink Control Information) 포맷으로 빔포밍 신호에 대한 정보가 정의될 수 있다. RF 컨트롤러(109)는 처리된 빔포밍 신호에 대한 정보를 기반으로 출력신호의 선택적인 위상 변경을 위한 제1 제어신호를 제1 저잡음 증폭기(105_1)에 제공할 수 있다. 도 2에서는 트랜시버(100) 내에 RF 컨트롤러(109)가 포함되는 것으로 도시되어 있으나, 이에 국한되지 않고, RF 컨트롤러(109)는 모뎀(102)에 포함되도록 구현될 수 있다.
제1 위상 천이기(107_1a)는 제1 저잡음 증폭기(105_1)로부터 출력신호를 수신하고, 출력신호의 위상을 변경할 수 있다. RF 컨트롤러(109)는 제1 위상 천이기(107_1a)에 제2 제어신호를 제공하여 제1 위상 천이기(107_1a)의 출력신호에 대한 위상 변경 정도를 제어할 수 있다. 제1 위상 천이기(107_1a)는 제2 제어신호를 기반으로 출력신호의 위상을 빔포밍에 부합하도록 다양하게 변경할 수 있다. 제1 저잡음 증폭기(105_1) 및 제1 위상 천이기(107_1a)의 구현 예 및 동작은 제2 내지 제n 저잡음 증폭기(105_2~105_n) 및 제2 내지 제n 위상 천이기(107_2a~107_na)에 각각 적용될 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따른 트랜시버(100)는 다음과 같이 송신기로서 송신 동작을 수행할 수 있다. 모뎀(102)에서 출력된 기저대역 신호는 믹서(103_2)에서 소정의 주파수를 갖는 신호와 업 믹싱되어 RF 신호로 변환되고, 변환된 RF 신호는 디바이더(102)를 통해 n개의 RF 신호들로 분할될 수 있다. 이후, 각각의 RF 신호들은 위상 천이기들(107_1b~107_nb) 및 전력 증폭기들(106_1~106_n)을 통해 위상 변경 및 증폭되어 빔포밍 신호들로서 송수신 선택 스위치들(108_1~108_n) 및 안테나들(AT_1~AT_n)을 통해 공기 중으로 방사될 수 있다. 일 실시예에 따른 전력 증폭기(106_1~106_n)는 저잡음 증폭기(105_1~105_n)와 동일하게 신호에 대한 증폭 동작과 함께 선택적인 위상 변경 동작을 수행할 수 있으며, 전력 증폭기(106_1~106_n)의 구성은 저잡음 증폭기(105_1~105_n)의 구성과 동일 또는 유사할 수 있다.
한편, 도 2에 도시된 트랜시버(100)의 구성은 예시적 실시예에 불과한 바, 이에 국한되지 않으며, 증폭 및 선택적인 위상 변경이 가능한 저잡음 증폭기(105_1~105_n) 및 전력 증폭기(106_1~106_n)를 포함하는 것을 중심으로 다양한 구현이 가능하다. 더 나아가, 트랜시버(100)는 별도의 위상 천이기들(107_1a~107_na, 107_1b~107_nb)을 포함하지 않고, 저잡음 증폭기(105_1~105_n) 및 전력 증폭기(106_1~106_n)가 위상 천이기들(107_1a~107_na, 107_1b~107_nb)의 위상 변경 동작을 커버할 수 있도록 구현될 수 있다. 또한, 트랜시버(100) 내의 RF 경로의 수가 적어 트랜시버(100)를 포함하는 칩 사이즈에 문제가 없을 경우에, 트랜시버(100)는 송수신 선택 스위치들(108_1~108_n)을 포함하지 않도록 구현될 수 있으며, n개의 송신용 안테나와 n개의 수신용 안테나를 포함할 수 있다. 이하에서는, 트랜시버(100)의 수신기로서의 동작을 중심으로 서술하겠으나, 본 개시의 실시예들은 송신기에도 적용될 수 있음은 분명하다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 수신기를 개략적으로 나타내는 블록도이다. 도 3의 수신기(100')는 IF(Intermediate Freqency) 대역에서 빔포밍을 수행할 수 있다.
도 3을 참조하면, 수신기(100')는 안테나들(AT_1'~AT_n'), 컴바이너(101'), 믹서들(103_1'~103_n'), 저잡음 증폭기들(또는, 위상 천이-저잡음 증폭기)(105_1'~105_n'), 위상 천이기들(107_1'~107_n'), RF 컨트롤러(109') 및 로컬 오실레이터(LO)를 포함할 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따른 수신기(100)에서 복수의 안테나들(AT_1'~AT_n')을 통해 수신된 빔포밍 신호들(또는, RF 신호들)은 저잡음 증폭기들(105_1'~105_n')을 거쳐 증폭 신호로서 믹서들(103_1'~103_n')에 제공될 수 있다. 로컬 오실레이터(LO)에서 생성된 소정의 주파수를 갖는 신호는 위상 천이기들(107_1'~107_n')을 거쳐 기준 신호로서 믹서들(103_1'~103_n')에 제공될 수 있다. 증폭 신호들은 믹서들(103_1'~103_n')에서 기준 신호들과 다운 믹싱되어 기저대역 신호로 변환되고, 변환된 신호는 모뎀(102)으로 입력될 수 있다.
일 실시예로, 제1 저잡음 증폭기(105_1')는 증폭 이득이 가변되는 가변 이득 증폭기로 구현될 수 있으며, 빔포밍 신호를 소정의 증폭 이득만큼 증폭시키고, 출력신호로서 출력할 수 있다. 이와 동시에, 제1 저잡음 증폭기(105_1')는 빔포밍 신호에 대한 정보(또는, 빔포밍 관련 정보)에 따라 선택적으로 출력신호의 위상을 변경할 수 있다.
제1 위상 천이기(107_1')는 로컬 오실레이터(LO)로부터 생성된 LO 신호를 수신하여, LO 신호의 위상을 변경할 수 있다. RF 컨트롤러(109')는 제1 제어신호를 제1 저잡음 증폭기(105_1')에 제공하여, 출력신호의 선택적인 위상 변경을 제어할 수 있으며, 제1 위상 천이기(107_1')에 제2 제어신호를 제공하여 LO 신호에 대한 위상 변경 정도를 제어할 수 있다.
제1 저잡음 증폭기(105_1')는 출력신호를 믹서(103_1')에 출력하고, 제1 위상 천이기(107_1')는 위상이 변경된 LO 신호를 기준신호로서 믹서(103_1')에 출력할 수 있다. 믹서(103_1')에서 출력신호는 기준신호와 다운 믹싱되어 기저대역 신호로 변환되고, 변환된 신호는 컴바이너(101')에 제공될 수 있다. 제1 저잡음 증폭기(105_1') 및 제1 위상 천이기(107_1')의 구현 예 및 동작은 제2 내지 제n 저잡음 증폭기(105_2'~105_n') 및 제2 내지 제n 위상 천이기(107_2'~107_n')에 각각 적용될 수 있다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 수신기의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 수신기(200)는 저잡음 증폭기(210) 및 위상 천이기(220)를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따른 저잡음 증폭기(210)는 증폭 회로(212) 및 위상 천이 회로(214)를 포함할 수 있다. 증폭 회로(212)는 수신된 빔포밍 신호를 증폭하고, 위상 천이 회로(214)는 증폭 회로(212)와 연결되고, 증폭 회로(212)로터 증폭된 빔포밍 신호의 위상을 선택적으로 변경할 수 있다. 일 예로, 위상 천이 회로(214)는 증폭된 빔포밍 신호의 위상을 0도 또는 22.5도를 변경할 수 있다. 예를 들면, 위상 천이 회로(214)는 증폭된 빔포밍 신호의 위상을 변경하기 위하여 내부 커패시턴스 값이 가변되도록 구현될 수 있다.
위상 천이기(220)는 복수의 위상 천이 블록들(222~226)을 포함할 수 있다. 도 4에서는 위상 천이기(220)는 세 개의 위상 천이 블록들(222~226)을 포함하는 것으로 도시되어 있으나, 이에 국한되지 않고 다양한 개수의 위상 천이 블록들을 포함할 수 있다. 또한, 위상 천이 블록들(222~226)은 상이한 위상 천이 범위를 가질 수 있다. 예를 들면, 제1 위상 천이 블록(222)은 신호의 위상을 0도 또는 45도로 변경할 수 있고, 제2 위상 천이 블록(224)은 신호의 위상을 0도 또는 90도로 변경할 수 있으며, 제3 위상 천이 블록(226)은 신호의 위상을 0도 또는 180도로 변경할 수 있다. 수신기(200)는 저잡음 증폭기(210) 및 위상 천이기(220)를 통해 신호의 위상을 22.5도 단위로 0도에서 337.5도까지 위상이 변경되도록 함으로써 빔포밍 기능을 지원할 수 있다. 이와 같이, 본 개시의 일 실시예에 따른 저잡음 증폭기(210)는 위상 천이기(220)의 일부를 대체하여 신호에 대한 위상 변경 동작을 수행할 수 있기 때문에, 위상 천이기(220)는 종래보다 작게 설계될 수 있으며, 이에 따라, 수신기(200)가 집적된 RF 칩 사이즈를 줄일 수 있다.
저잡음 증폭기(210) 및 위상 천이기(220)의 위상 변경 정도는 도 2의 RF 컨트롤러(109)에 의하여 제어될 수 있다. 예를 들어, 빔포밍 관련 정보에 따라 수신 신호의 위상이 22.5도 변경이 필요한 경우에는, RF 컨트롤러(109)는 저잡음 증폭기(210) 및 위상 천이기(220)에 각각 제어신호를 제공하여 위상 천이 회로(214)의 22.5도 위상 천이 동작만이 수행되도록 제어할 수 있다. 또한, 빔포밍 관련 정보에 따라 수신 신호의 위상이 45도 변경이 필요한 경우에는, RF 컨트롤러(109)는 저잡음 증폭기(210) 및 위상 천이기(220)에 각각 제어신호를 제공하여 제1 위상 천이 블록(222)의 45도 위상 천이 동작만이 수행되도록 제어할 수 있다.
한편, 도 4에 도시된 수신기(200)의 구성은 예시적인 실시예에 불과한 바, 다양한 위상 변경 단위로 위상을 변경하여 빔포밍 기능을 지원할 수 있도록 구현될 수 있다. 더 나아가, 위상 천이 회로(214)는 다양한 정도로 위상이 변경될 수 있도록 구현될 수 있다. 예를 들어, 위상 천이 회로(214)는 0도, 22.5도 및 45도 중 어느 하나로 위상을 변경할 수 있도록 구현될 수 있으며, 위상 천이기(220)는 위상 천이 회로(214)의 구현 예에 부합할 수 있는 다양한 구성을 가질 수 있다.
도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 신호 위상을 선택적으로 변경 가능한 저잡음 증폭기를 나타내는 회로도이다.
도 5를 참조하면, 저잡음 증폭기(210a)는 증폭 회로(212) 및 위상 천이 회로(214)를 포함할 수 있다. 이하에서는, 위상 천이 회로(214)는 가변 커패시턴스 회로로 지칭한다. 증폭 회로(212)는 제1 트랜지스터(MA), 제2 트랜지스터(MB), 저항 소자들(R1, R2) 및 인덕터 소자(L)를 포함할 수 있다. 제1 트랜지스터(MA)의 게이트 단자는 제1 저항 소자(R1)와 연결되고, 제1 트랜지스터(MA)는 게이트 단자를 통해 빔포밍 신호를 수신할 수 있다. 제1 트랜지스터(MA)의 소스 단자는 인덕터 소자(L)와 연결될 수 있다. 인덕터 소자(L)는 제1 트랜지스터(MA)의 소스 단자와 그라운드 사이에 연결되는 소스 디제너레이션 인덕터(source degeneration inductor)일 수 있다.
제2 트랜지스터(MB)의 소스 단자는 제1 트랜지스터(MA)의 드레인 단자와 연결될 수 있으며, 제2 트랜지스터(MB)의 소스 단자와 제1 트랜지스터(MA)의 드레인 단자가 접하는 노드는 'X' 노드로 지칭될 수 있다. 제2 트랜지스터(MB)의 게이트 단자는 가변 커패시턴스 회로(214)의 일단 및 제2 저항 소자(R2)와 연결될 수 있고, 제2 트랜지스터(MB)는 게이트 단자를 통해 바이어스 전압(VGG1)을 수신할 수 있다. 가변 커패시턴스 회로(214)의 타단은 그라운드와 연결될 수 있다. 제1 트랜지스터(MA)는 저잡음 증폭기(210a)의 입력단으로서 공통 소스 증폭기(common source amplifier)로 동작하고, 제2 트랜지스터(MB)는 저잡음 증폭기(210a)의 출력단으로서 공통 게이트 증폭기(common gate amplifier)로 동작할 수 있으며, 제1 트랜지스터(MA) 및 제2 트랜지스터(MB)는 캐스케이드(cascade) 증폭기로서 구현될 수 있다.
가변 커패시턴스 회로(214)는 가변 커패시터 소자(CK)를 포함할 수 있으며, 구체적인 실시예는 도 6a 및 도 6b에서 서술하겠다. 가변 커패시턴스 회로(214)는 도 2의 RF 컨트롤러(109)로부터 커패시턴스 제어신호(CSCAP)를 수신할 수 있으며, 커패시턴스 제어신호(CSCAP)를 기반으로 가변 커패시턴스 회로(214)의 커패시턴스가 변경될 수 있다. 가변 커패시턴스 회로(214)의 일단이 제2 트랜지스터(MB)의 게이트 단자와 연결됨으로써, 가변 커패시턴스 회로(214)의 커패시턴스 값은 제2 트랜지스터(MB)에 의한 공통 게이트 증폭기의 위상 특성(phase characteristic)에 영향을 줄 수 있으며, 이러한 구조를 이용하여 제2 트랜지스터(MB)가 출력하는 신호의 위상을 변경할 수 있다. 이에 대한 구체적인 내용은 도 7에서 서술한다. 이하에서는 저잡음 증폭기(210)의 동작을 서술한다.
제1 트랜지스터(MA)는 게이트 단자를 통해 빔포밍 신호를 수신할 수 있다. 빔포밍 신호는 도 2에서와 같이 송수신 선택 스위치(108_1~108_n) 및 소정의 밴드 패스 필터를 통과한 RF 신호일 수 있다. 제1 트랜지스터(MA)는 빔포밍 신호를 증폭하여 드레인 단자를 통해 제1 출력신호로 출력할 수 있다. 제2 트랜지스터(MB)는 제1 출력신호를 증폭하여 제2 출력신호로 드레인 단자를 통해 출력할 수 있으며, 가변 커패시턴스 회로(214)는 제2 출력신호의 위상을 선택적으로 변경할 수 있다. 예를 들어, 도 4에서와 같이, 제2 출력신호에 대하여 22.5도 만큼의 위상 변경이 필요한 때에는 가변 커패시턴스 회로(214)는 제1 커패시턴스 값을 가질 수 있으며, 제2 출력신호에 대하여 0도 만큼의 위상 변경(또는, 위상 고정)이 필요한 때에는 가변 커패시턴스 회로(214)는 제2 커패시턴스 값을 가질 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따른 저잡음 증폭기(210a)는 신호에 대한 증폭 동작과 함께 빔포밍에 따른 신호의 위상을 선택적으로 변경하는 동작을 수행할 수 있도록 구현됨으로써, 삽입 손실을 최소화하고, 저잡음 증폭기(210a)가 포함되고 빔포밍 기능을 지원하는 RF 칩 사이즈를 줄일 수 있는 효과가 있다.
한편, 도 5에 도시된 저잡음 증폭기(210a)는 예시적인 실시예에 불과 한 바, 이에 국한되지 않으며, 다양하게 구현될 수 있으며, 특히, 증폭 동작과 함께 선택적인 위상 변경 동작을 수행할 수 있는 다양한 구조로 구현될 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 도 5의 가변 커패시턴스 회로의 구현 예를 나타내는 회로도이다.
도 6a를 참조하면, 가변 커패시턴스 회로(214a)는 복수의 스위치 소자들(SW1~SWm) 및 복수의 커패시터 소자들(C1~Cm)을 포함할 수 있다. 스위치 소자들(SW1~SWm)은 m 비트 데이터에 해당하는 커패시턴스 제어신호(CSCAPa)를 기반으로 각각의 커패시터 소자들(C1~Cm)과 선택적으로 연결될 수 있다. 이와 같은 구조를 통해 가변 커패시턴스 회로(214a)의 커패시턴스는 가변될 수 있다.
도 6b를 참조하면, 가변 커패시턴스 회로(214b)는 커패시터 소자(C), 저항 소자(R3) 및 버랙터(varactor) 소자(VRT)를 포함할 수 있다. 버랙터 소자(VRT)는 전압에 따라 커패시턴스 값을 가변할 수 있는 가변 용량 다이오드로서 버랙터 소자(VRT)의 일단은 커패시터 소자(C)와 연결되고, 버랙터 소자(VRT)의 타단은 저항 소자(R3)와 연결될 수 있다.
버랙터 소자(VRT)의 일단과 커패시터 소자(C) 사이의 제1 노드(N1)에는 버랙터 소자(VRT)의 커패시턴스 값을 제어하기 위한 소정의 전압 레벨을 갖는 커패시턴스 제어신호(CSCAPb)가 인가될 수 있다. 버랙터 소자(VRT)는 커패시턴스 제어신호(CSCAPb)의 전압 레벨에 따라 다양한 커패시턴스 값을 가질 수 있다. 버랙터 소자(VRT)의 타단과 저항 소자(R3) 사이의 제2 노드(N2)는 도 5의 제2 트랜지스터(M-B)의 게이트 단자(G_MB)와 연결될 수 있다.
이와 같이, 가변 커패시턴스 회로(214a, 214b)는 커패시턴스 제어신호(CSCAPa, CSCAPb)를 기반으로 커패시턴스 값을 변경할 수 있고, 변경된 커패시턴스 값을 제2 트랜지스터(MB)에 제공하여, 도 5의 제2 트랜지스터(MB)의 위상 특성을 변경함으로써 저잡음 증폭기(210a)가 출력하는 신호에 대하여 빔포밍에 필요한 위상 변경을 수행할 수 있다.
한편, 도 6a 및 도 6b는 가변 커패시턴스 회로(214a, 214b)의 예시적인 실시예에 불과한 바, 이에 국한되지 않고, 커패시턴스 값이 제어신호에 의하여 변경될 수 있는 다양한 회로들로 구현될 수 있다.
도 7은 도 5의 제2 트랜지스터의 출력신호에 대한 위상 특성을 설명하기 위하여 도 5의 저잡음 증폭기의 등가회로를 나타내는 회로도이다. 도 7에서는 제2 트랜지스터를 중심으로 한 저잡음 증폭기 회로의 등가회로를 나타낸다.
도 5 및 도 7을 참조하면, 저잡음 증폭기(210a)의 등가회로(CKT_eq)는 가변 커패시터 소자(CK), 게이트-소스 커패시터 소자(Cgs), 전류 소스(CS), 제1 로드 컨덕턴스(gds) 및 전압 소스(VX)을 포함할 수 있다. 가변 커패시터 소자(CK)는 제1 가변 커패시턴스 회로(214)와 대응되고, 게이트-소스 커패시터 소자(Cgs)는 제2 트랜지스터(MB)의 게이트 단자(또는, 게이트 단자)와 소스 단자 사이의 커패시턴스 성분(component)과 대응되며, 전류 소스(CS)는 제2 트랜지스터(MB)의 전달 컨덕턴스(gm)에 제2 트랜지스터(MB)의 게이트-소스 전압(Vgs)이 곱해진 값을 가질 수 있다. 게이트-소스 전압(Vgs)는 게이트-소스 커패시터 소자(Cgs)의 양단에 걸리는 전압일 수 있다. 전압 소스(VX)는 'X' 노드에 걸리는 전압 성분과 대응될 수 있다. 제1 로드 컨덕턴스(gds)는 제2 트랜지스터(MB)의 드레인 단자와 소스 단자 사이의 저항(resistance) 성분 및 커패시턴스 성분을 포함할 수 있다. 한편, 제2 로드 컨덕턴스(gL)는 저잡음 증폭기(210a)의 등가회로(CKT_eq)의 출력 임피던스(Impout)와 임피던스 매칭을 위한 성분을 포함할 수 있다.
등가회로(CKT_eq)를 이용하여 저잡음 증폭기(210a)의 증폭 이득(AV) 및 저잡음 증폭기(210a)의 위상 특성(arg(AV))을 구하면 다음과 같은 수식(1) 및 수식(2)로 정리할 수 있다.
Figure pat00001
Figure pat00002
변수 'K'는 가변 커패시터 소자(CK)의 커패시터 값과 게이트-소스 커패시터 소자(Cgs)의 커패시터 값의 관계로 정의될 수 있다. 즉, 변수 'K'는 가변 커패시터 소자(CK)의 커패시터 값의 변화에 따라 변화하기 때문에 저잡음 증폭기(210a)의 증폭 이득(AV) 변화에 영향을 줄 수 있다. 변수 'K'의 저잡음 증폭기(210a)의 증폭 이득(AV) 변화에 대한 영향을 살펴보기 위해 증폭 이득(AV)을 변수 'K'로 미분한 수식(3)은 다음과 같다.
Figure pat00003
저잡음 증폭기(210a)의 구조의 특성상 등가회로(CKT_eq)의 출력 임피던스(Impout)는 큰 값을 갖기 때문에 임피던스 매칭을 위한 제2 로드 컨덕턴스(gL)는 출력 임피던스(Impout)의 역수에 해당하는 작은 컨덕턴스 값을 가질 수 있다. 수식(3)을 참조하면, 제2 트랜지스터(MB)의 전달 컨덕턴스(gm) 및 제1 로드 컨덕턴스(gds)는 제2 트랜지스터(MB)의 특성에 따라 결정된 고유의 값이기 때문에 저잡음 증폭기(210a)의 증폭 이득(AV)의 변화를 최소화하기 위해서는, 제2 로드 컨덕턴스(gL)의 컨덕턴스 값을 제2 트랜지스터(gm)의 전달 컨덕턴스(gm) 및 제1 로드 컨덕턴스(gds)의 컨덕턴스 값과 비교하여 크게 조정하여야 한다. 일 실시예에 따른 저잡음 증폭기(210a)는 제2 로드 컨덕턴스(gL)의 컨덕턴스 값을 크게 조정하기 위하여 출력 임피던스(Impout)를 낮추기 위한 회로를 더 포함할 수 있으며, 이에 대한 실시예는 도 8에서 구체적으로 서술한다.
도 8은 본 개시의 일 실시예에 따른 증폭 이득의 변화를 최소화할 수 있는 저잡음 증폭기를 나타내는 회로도이다.
도 8에서는 도 5의 저잡음 증폭기(210a)와 비교하여 추가된 구성을 중심으로 서술하며, 중복되는 구성에 대해서는 도 5에서 구체적으로 서술한 바 생략한다.
도 8을 참조하면, 저잡음 증폭기(210b)는 도 5의 저잡음 증폭기(210a)와 비교하여 증폭 이득의 변화를 최소화하기 위한 이득 고정 회로(215)를 더 포함할 수 있다. 이득 고정 회로(215)는 제3 트랜지스터(MC), 제3 저항 소자(R3) 및 커패시터 소자(CL)을 포함할 수 있다.
제3 트랜지스터(MC)의 소스 단자는 제2 트랜지스터(MB)의 드레인 단자와 연결될 수 있으며, 제3 트랜지스터(MC)의 소스 단자와 제2 트랜지스터(MB)의 드레인 단자가 접하는 노드는 'Y' 노드로 지칭될 수 있다. 제3 트랜지스터(MC)의 게이트 단자는 커패시터 소자(CL)의 일단 및 제3 저항 소자(R3)와 연결될 수 있고, 제3 트랜지스터(MC)는 게이트 단자를 통해 바이어스 전압(VGG2)을 수신할 수 있다. 커패시터 소자(CL)의 타단은 그라운드와 연결될 수 있으며, 커패시터 소자(CL)는 고정된 커패시턴스 값을 가질 수 있다.
제3 트랜지스터(MC)는 저잡음 증폭기(210b)의 출력단으로서 공통 게이트 증폭기로 동작할 수 있으며, 제1 트랜지스터(MA) 내지 제3 트랜지스터(MC)는 캐스케이드 증폭기로서 구현될 수 있다. 제3 트랜지스터(MC)는 제2 트랜지스터(MB)로부터 출력된 제2 출력신호를 증폭하여 제3 출력신호로서 출력할 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따른 이득 고정 회로(215)는 감소된 출력 임피던스를 저잡음 증폭기(210b)에 제공할 수 있다. 이를 통해, 저잡음 증폭기(210b)의 선택적인 위상 변경 동작에 따른 증폭 이득의 변화를 최소화함으로써 신호에 대한 선택적인 위상 변경 동작과 동시에 안정적인 증폭 동작을 수행할 수 있는 효과가 있다.
한편, 도 8에 도시된 저잡음 증폭기(210b)는 예시적인 실시예에 불과 한 바, 이에 국한되지 않으며, 다양하게 구현될 수 있으며, 특히, 이득 고정 회로(215)는 저잡음 증폭기(210b)의 출력 임피던스를 낮출 수 있는 다양한 구조로 구현될 수 있다.
도 9a 및 도 9b는 도 8의 이득 고정 회로에 의한 증폭 이득에 대한 효과를 설명하기 위한 그래프이다.
도 9a는 도 5의 저잡음 증폭기(210a)의 신호 증폭 동작을 수행할 때에 주파수 크기에 따른 증폭 이득(Gain)을 나타내는 그래프이며, 도 9b는 도 8의 저잡음 증폭기(210b)의 신호 증폭 동작을 수행할 때에 주파수 크기에 따른 증폭 이득(Gain)을 나타내는 그래프이다.
도 9a를 참조하면, 저잡음 증폭기(210a)는 신호의 증폭 동작과 함께 빔포밍에 따른 신호의 위상 변경 동작을 수행할 때에 가변 커패시턴스 회로(214)의 커패시턴스 값이 변경되기 때문에 증폭 이득(Gain)의 변화는
Figure pat00004
정도 발생될 수 있다. 도 9b를 참조하면, 도 9a와 동일한 조건에서 저잡음 증폭기(210b)는 신호의 증폭 동작과 함께 빔포밍에 따른 신호의 위상 변경 동작을 수행할 때에 가변 커패시턴스 회로(214)의 커패시턴스 값이 변경되나, 이득 고정 회로(215)에 의해 증폭 이득(Gain)의 변화는
Figure pat00005
정도 발생될 수 있다.
즉, 도 9b와 같이, 이득 고정 회로(215)를 포함하는 도 8의 저잡음 증폭기(210b)는 증폭 이득의 변화를 최소화하여 좀 더 안정적인 증폭 동작 수행이 가능할 수 있다.
도 10은 본 개시의 일 실시예에 따른 스위치 소자가 구비된 저잡음 증폭기를 나타내는 회로도이고, 도 11a 및 도 11b는 스위치 소자의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 10에서는 도 8의 저잡음 증폭기(210b)와 비교하여 추가된 구성을 중심으로 서술하며, 중복되는 구성에 대해서는 도 8에서 구체적으로 서술한 바 생략한다.
도 10을 참조하면, 저잡음 증폭기(210c)는 도 8의 저잡음 증폭기(210b)와 비교하여 전력을 효율적으로 사용하기 위한 스위치 소자(SW)를 더 포함할 수 있다. 스위치 소자(SW)는 제2 트랜지스터(MB)의 드레인 단자 및 제3 트랜지스터(MC)의 소스 단자가 접하는 'Y' 노드와 제3 트랜지스터(MC)의 드레인 단자(또는, 저잡음 증폭기(210c)의 출력단) 사이에 연결될 수 있다. 스위치 소자(SW)는 스위칭 제어신호(CSS)를 수신하고, 이를 기반으로 온/오프 될 수 있다. 일 실시예로, 도 2의 RF 컨트롤러(109)는 빔포밍 신호에 대한 정보(또는, 빔포밍 관련 정보)를 기반으로 스위칭 제어신호(CSS)를 생성하여 스위치 소자(SW)에 제공할 수 있다.
도 11a는 저잡음 증폭기(210c)가 제1 위상(θ1)을 갖는 RF 입력신호(RF_IN)에 대한 위상 변경이 필요할 때의 증폭 동작을 나타낸다. 도 11a를 참조하면, 빔포밍 관련 정보에 따라 저잡음 증폭기(210c)의 위상 변경 동작이 필요한 경우에 스위치 소자(SW)는 수신한 제1 스위칭 제어신호(CSS1)에 응답하여 오프될 수 있다. 가변 커패시턴스 회로(214)는 수신한 제1 커패시턴스 제어신호(CSCAP1)에 응답하여 제2 위상(θ2)만큼 RF 출력신호(RF_OUT)의 위상을 변경하기 위한 타겟 값을 갖도록 커패시턴스 값을 변경할 수 있다. 제2 위상(θ2)은 빔포밍을 위해 결정된 위상 변경 정도에 해당할 수 있다. 결과적으로, 저잡음 증폭기(210c)는 제1 트랜지스터(MA) 내지 제3 트랜지스터(MC)로 구성된 캐스케이드 증폭기 구조를 통해 RF 입력신호(RF_IN)를 증폭하고, 가변 커패시턴스 회로(214) 및 제2 트랜지스터(MB)를 포함하는 위상 천이 회로(214)를 통해 RF 출력신호(RF_OUT)의 위상을 제2 위상(θ2)만큼 변경시킬 수 있다. 또한, 위상 변경 동작에 따른 저잡음 증폭기(210c)의 증폭 이득의 변화는 이득 고정 회로(215)를 통해 억제할 수 있다. 저잡음 증폭기(210c)는 제2 위상(θ2)만큼 변경된 RF 출력신호(RF_OUT)를 위상 천이기(PS)로 출력할 수 있다.
도 11b는 저잡음 증폭기(210c)가 제1 위상(θ1)을 갖는 RF 입력신호(RF_IN)에 대한 위상 변경을 수행하지 않을 때의 증폭 동작을 나타낸다. 도 11b를 참조하면, 빔포밍 관련 정보에 따라 저잡음 증폭기(210c)의 위상 변경 동작이 불필요한 경우에 스위치 소자(SW)는 수신한 제2 스위칭 제어신호(CSS2)에 응답하여 온될 수 있다. 가변 커패시턴스 회로(214)는 수신한 제2 커패시턴스 제어신호(CSCAP1)에 응답하여 RF 출력신호(RF_OUT)의 위상을 고정하기 위한 타겟 값을 갖도록 커패시턴스 값을 변경할 수 있다. 결과적으로, 저잡음 증폭기(210c)는 제1 트랜지스터(MA) 및 제2 트랜지스터(MB)로 구성된 캐스케이드 증폭기 구조를 통해 RF 입력신호(RF_IN)를 증폭하여 RF 출력신호(RF_IN)를 위상을 변경하지 않은 상태로 위상 천이기(PS)로 출력할 수 있다. 또한, 저잡음 증폭기(210c)는 위상 변경 동작을 수행하지 않기 때문에 저잡음 증폭기(210c)의 증폭 이득은 비교적 일정할 수 있으며, 위상 변경 동작에 따른 저잡음 증폭기(210c)의 증폭 이득의 변화를 줄이기 위한 이득 고정 회로(215)의 역할은 불필요할 수 있다. 따라서, 이득 고정 회로(215)를 스위치 소자(SW)를 이용하여 비활성화시킴으로써, 이득 고정 회로(215)에서 소모되는 전력을 절약할 수 있다.
도 12는 본 개시의 일 실시예에 따른 2 스테이지(stage)로 구현된 저잡음 증폭기를 나타내는 회로도이다.
도 12를 참조하면, 저잡음 증폭기(310)는 제1 스테이지 회로(1st ST) 및 제2 스테이지 회로(2nd ST)를 포함할 수 있다. 스테이지 회로는 증폭 블록으로 지칭될 수 있다. 제1 스테이지 회로(1st ST)는 저잡음 증폭 버퍼 회로로 지칭될 수 있으며, 제2 스테이지 회로(2nd ST)는 저잡음 위상 천이 회로로 지칭될 수 있다. 제1 스테이지 회로(1st ST)는 수신한 신호를 1차적으로 증폭할 수 있으며, 제2 스테이지 회로(2nd ST)는 증폭된 신호를 2차적으로 증폭하고, 빔포밍에 따라 선택적으로 신호의 위상을 변경할 수 있다.
제1 스테이지 회로(1st ST)는 제1 및 제2 트랜지스터(MA1, MB2), 저항 소자들(R1, R2), 커패시터 소자들(CC1, CL1, CL2) 및 인덕터 소자들(L1~L3)을 포함할 수 있다. 제1 트랜지스터(MA1)는 제1 스테이지 회로(1st ST)의 입력단으로서 공통 소스 증폭기로 동작하고, 제2 트랜지스터(MB1)는 제1 스테이지 회로(1st ST)의 출력단으로서 공통 게이트 증폭기로 동작할 수 있으며, 제1 트랜지스터(MA1) 및 제2 트랜지스터(MB2)는 캐스케이드 증폭기로서 구현될 수 있다. 제1 스테이지 회로(1st ST)는 제1 트랜지스터(MA1)의 게이트 단자를 통해 신호를 수신하고, 제2 트랜지스터(MB2)의 게이트 단자를 통해 바이어스 전압(VGG1)을 수신하며, 'CL2' 커패시터 소자와 'L3' 커패시터 소자 사이의 노드를 통해 전원 전압(VDD1)을 수신할 수 있다.
제2 스테이지 회로(2nd ST)는 제3 내지 제5 트랜지스터(MA2, MB2, MC2), 저항 소자들(R4~R6), 가변 커패시터 소자(CK), 커패시터 소자들(CC2, CC3, CL3, CL4) 및 인덕터 소자들(L4~L7)을 포함할 수 있다. 제3 트랜지스터(MA2)는 제2 스테이지 회로(2nd ST)의 입력단으로서 공통 소스 증폭기로 동작하고, 제4 트랜지스터(MB2)는 공통 게이트 증폭기로 동작하며, 제5 트랜지스터(M-C2)는 제2 스테이지 회로(2nd ST)의 출력단으로서 공통 게이트 증폭기로 동작할 수 있다. 제3 트랜지스터(MA2) 내지 제5 트랜지스터(MC2)는 캐스케이드 증폭기로서 구현될 수 있다. 제2 스테이지 회로(2nd ST)는 제3 트랜지스터(MA2)의 게이트 단자를 통해 신호를 수신하고, 제4 트랜지스터(MB2)의 게이트 단자 및 제5 트랜지스터(MC2)의 게이트 단자를 통해 바이어스 전압(VGG21, VGG22)을 수신하며, 'L3' 인덕터 소자와 'CL4' 커패시터 소자 사이의 노드를 통해 전원 전압(VDD2)을 수신할 수 있다. 제2 스테이지 회로(2nd ST)는 전술한 바와 같이, 빔포밍에 따라 출력신호의 위상을 선택적으로 변경하기 위하여 가변 커패시터 소자(CK)의 커패시턴스가 변경될 수 있다. 제2 스테이지 회로(2nd ST)의 구성 및 동작은 도 5 및 도 8 등에서 상술한 바, 이하 구체적인 내용은 생략한다.
한편, 2 스테이지로 구현된 저잡음 증폭기(310)는 예시적인 실시예에 불과한 바, 이에 국한되지 않으며, 다양하게 구현될 수 있으며, 특히, 제2 스테이지 회로(2nd ST)는 증폭 동작과 함께 선택적인 위상 변경 동작을 수행할 수 있는 다양한 구조로 구현될 수 있다.
도 13은 본 개시의 일 실시예에 따른 빔포밍 기능이 포함된 통신 기능을 지원하는 전자 장치를 나타내는 블록도이다.
도 13을 참조하면, 전자 장치(1000)는 메모리(1010), 프로세서 유닛(Processor Unit)(1020), 입출력 제어부(1040), 표시부(1050), 입력 장치(1060) 및 통신 처리부(1090)를 포함할 수 있다. 여기서, 메모리(1010)는 다수 개 존재할 수도 있다. 각 구성요소에 대해 살펴보면 다음과 같다.
메모리(1010)는 전자 장치의 동작을 제어하기 위한 프로그램을 저장하는 프로그램 저장부(1011) 및 프로그램 수행 중에 발생되는 데이터를 저장하는 데이터 저장부(1012)를 포함할 수 있다. 데이터 저장부(1012)는 애플리케이션 프로그램(1013), 스위치 및 위상 관리 프로그램(1014)의 동작에 필요한 데이터를 저장할 수 있다. 프로그램 저장부(1011)는 애플리케이션 프로그램(1013), 스위치 및 위상 관리 프로그램(1014)을 포함할 수 있다. 여기서, 프로그램 저장부(1011)에 포함되는 프로그램은 명령어들의 집합으로 명령어 세트(instruction set)로 표현할 수도 있다.
애플리케이션 프로그램(1013)은 전자 장치에서 동작하는 애플리케이션 프로그램을 포함한다. 즉, 애플리케이션 프로그램(1013)은 프로세서(1022)에 의해 구동되는 애플리케이션의 명령어를 포함한다. 스위치 및 위상 관리 프로그램(1014)은 본 개시에 따른 저잡음 증폭기(PS_LNA)의 동작과 위상 천이기의 동작을 제어할 수 있다. 즉, 스위치 및 위상 관리 프로그램(1014)은 빔포밍을 위해 이동할 위상의 정도를 결정하여 이에 대한 정보를 모뎀의 메인 컨트롤러(또는, RF 컨트롤러)로 전송할 수 있다.
또한, 스위치 및 위상 관리 프로그램(1014)은 전자 장치(1000)가 송신 모드로 동작할지 또는 수신 모드로 동작할지를 결정하여 이에 대한 정보를 모뎀의 메인 컨트롤러로 전송한다. 메모리 인터페이스(1021)는 프로세서(1022) 또는 주변 장치 인터페이스(1023)와 같은 구성요소의 메모리(1010) 접근을 제어할 수 있다.
주변 장치 인터페이스(1023)는 기지국의 입출력 주변 장치와 프로세서(1022) 및 메모리 인터페이스(1021)의 연결을 제어할 수 있다. 프로세서(1022)는 적어도 하나의 소프트웨어 프로그램을 사용하여 기지국이 해당 서비스를 제공하도록 제어한다. 이때, 프로세서(1022)는 메모리(1010)에 저장되어 있는 적어도 하나의 프로그램을 실행하여 해당 프로그램에 대응하는 서비스를 제공할 수 있다.
입출력 제어부(1040)는 표시부(1050) 및 입력 장치(1060) 등의 입출력 장치와 주변 장치 인터페이스(1023) 사이에 인터페이스를 제공할 수 있다. 표시부(1050)는 상태 정보, 입력되는 문자, 동영상(moving picture) 및 정지 영상(still picture) 등을 표시한다. 예를 들어, 표시부(1050)는 프로세서(1022)에 의해 구동되는 응용프로그램 정보를 표시할 수 있다.
입력 장치(1060)는 전자 장치의 선택에 의해 발생하는 입력 데이터를 입출력 제어부(1040)를 통해 프로세서 유닛(1020)으로 제공할 수 있다. 이때, 입력 장치(1060)는 적어도 하나의 하드웨어 버튼을 포함하는 키패드 및 터치 정보를 감지하는 터치 패드 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 입력 장치(1060)는 터치 패드를 통해 감지한 터치, 터치 움직임, 터치 해제 등의 터치 정보를 입출력 제어부(1040)를 통해 프로세서(1022)로 제공할 수 있다.
전자 장치(1000)는 음성 통신 및 데이터 통신을 위한 통신 기능을 수행하는 통신 처리부(1090)를 포함하고, 통신 처리부(1090)은 도 2 등에서 전술한 빔포밍 기능을 지원할 수 있는 저잡음 증폭기(PS_LNA)을 포함하고, 저잡음 증폭기(PS_LNA)의 선택적인 위상 변경을 제어할 수 있는 RF 컨트롤러 또는 모뎀을 포함할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (20)

  1. 복수의 안테나들을 통해 빔포밍(beam forming) 신호를 수신하고, 상기 빔포밍 신호를 증폭하기 위한 제1 증폭 블록이 구비된 수신기에 있어서,
    상기 제1 증폭 블록은,
    상기 빔포밍 신호를 수신하고, 상기 빔포밍 신호를 증폭하여 제1 출력신호로 출력하는 제1 트랜지스터가 구비된 제1 증폭 회로; 및
    상기 제1 출력신호를 증폭하여 제2 출력신호로 출력하는 제2 트랜지스터 및 상기 제2 출력신호의 위상을 선택적으로 변경하기 위한 가변 커패시턴스 회로를 구비하는 제2 증폭 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 수신기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 트랜지스터는,
    상기 빔포밍 신호를 게이트 단자를 통해 수신하고, 상기 제1 출력신호를 드레인 단자를 통해 출력하고,
    상기 제2 트랜지스터는,
    상기 가변 커패시턴스 회로와 게이트 단자를 통해 연결되고, 상기 제1 트랜지스터의 드레인 단자와 소스 단자를 통해 연결되며, 상기 제2 출력신호를 드레인 단자를 통해 출력하는 것을 특징으로 하는 수신기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 트랜지스터 및 상기 제2 트랜지스터는 캐스케이드(cascade) 증폭기로 동작하는 것을 특징으로 하는 수신기.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 가변 커패시턴스 회로의 일단은, 상기 제2 트랜지스터의 게이트 단자와 연결되고, 상기 가변 커패시턴스 회로의 타단은, 그라운드와 연결된 것을 특징으로 하는 수신기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 가변 커패시턴스 회로는,
    외부로부터 상기 빔포밍 신호에 관한 정보를 기반으로 생성된 커패시턴스 제어신호를 수신하고, 상기 커패시턴스 제어신호를 기반으로 커패시턴스 값을 변경하는 것을 특징으로 하는 수신기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 가변 커패시턴스 회로는,
    복수의 커패시터 소자들 및 상기 커패시터 소자들 각각에 연결된 복수의 스위치 소자들을 포함하는 것을 특징으로 하는 수신기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 가변 커패시턴스 회로는,
    일단은 상기 제2 트랜지스터의 게이트 단자와 연결되고, 타단은 커패시턴스 제어 전압을 수신하는 버랙터(varactor) 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 수신기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 증폭 블록의 출력단은,
    상기 제2 출력신호의 위상을 추가적으로 변경하기 위한 위상 천이기와 연결된 것을 특징으로 하는 수신기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 증폭 블록은,
    상기 제2 출력신호를 수신하고, 상기 제2 출력신호를 증폭하여 제3 출력신호로 출력하는 제3 트랜지스터를 구비하는 제3 증폭 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수신기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 트랜지스터는,
    상기 신호를 게이트 단자를 통해 수신하고, 상기 제1 출력신호를 드레인 단자를 통해 출력하고,
    상기 제2 트랜지스터는,
    상기 가변 커패시턴스 회로와 게이트 단자를 통해 연결되고, 상기 제1 트랜지스터의 드레인 단자와 소스 단자를 통해 연결되며, 상기 제2 출력신호를 드레인 단자를 통해 출력하고,
    상기 제3 트랜지스터는,
    상기 제2 트랜지스터의 드레인 단자와 소스 단자를 통해 연결되며, 상기 제3 출력신호를 드레인 단자를 통해 출력하는 것을 특징으로 하는 수신기.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 트랜지스터, 상기 제2 트랜지스터 및 상기 제3 트랜지스터는 캐스케이드 증폭기로 동작하는 것을 특징으로 하는 수신기.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제3 증폭 회로는,
    상기 제2 트랜지스터의 드레인 단자 및 상기 제3 트랜지스터의 소스 단자가 접하는 노드와 상기 제3 트랜지스터의 드레인 단자 사이에 연결된 스위치 소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수신기.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 스위치 소자는,
    상기 제2 출력신호의 위상이 변경되는 때에, 오프되고, 상기 제2 출력신호의 위상이 고정되는 때에, 온되는 것을 특징으로 하는 수신기.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 수신기는,
    제2 증폭 블록을 더 포함하고,
    상기 제2 증폭 블록은,
    상기 빔포밍 신호를 수신하고, 상기 빔포밍 신호를 증폭하여 상기 제1 증폭 블록의 입력단에 출력하는 것을 특징으로 하는 수신기.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제2 증폭 블록은,
    제4 트랜지스터 및 제5 트랜지스터로 구성된 캐스케이드 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 수신기.
  16. 빔포밍 기능을 지원하기 위한 저잡음 증폭기에 있어서,
    입력 신호를 게이트 단자를 통해 수신하고, 상기 입력 신호를 증폭하여 드레인 단자를 통해 제1 출력신호를 출력하는 제1 트랜지스터;
    상기 제1 트랜지스터의 드레인 단자와 소스 단자를 통해 연결되고, 상기 제1 출력신호를 증폭하여 드레인 단자를 통해 제2 출력신호를 출력하는 제2 트랜지스터; 및
    상기 제2 트랜지스터의 게이트 단자와 연결되고, 상기 빔포밍 관련 정보에 따른 커패시턴스 제어신호를 기반으로 상기 제2 출력신호의 위상을 선택적으로 변경하기 위한 가변 커패시턴스 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 저잡음 증폭기.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제2 트랜지스터의 상기 드레인 단자와 소스 단자를 통해 연결되고, 상기 제2 출력신호를 증폭하여 드레인 단자를 통해 출력하는 제3 트랜지스터를 더 포함하는 저잡음 증폭기.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 저잡음 증폭기는, 상기 제1 트랜지스터의 게이트 단자와 연결되고, 외부로부터의 수신한 수신 신호를 증폭하여 상기 입력 신호로서 상기 제1 트랜지스터의 게이트 단자로 출력하는 증폭 버퍼 회로를 더 포함하고,
    상기 증폭 버퍼 회로는,
    상기 수신 신호를 게이트 단자를 통해 수신하는 제4 트랜지스터; 및
    상기 제4 트랜지스터의 드레인 단자와 소스 단자를 통해 연결되고, 상기 증폭된 수신 신호를 드레인 단자를 통해 출력하는 제5 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 저잡음 증폭기.
  19. 빔포밍 기능을 지원하는 무선 통신 장치에 있어서,
    외부로부터 수신한 빔포밍 신호를 증폭하여 출력 신호로서 출력하고, 상기 출력 신호의 위상을 선택적으로 변경하기 위한 가변 커패시턴스 회로가 구비된 저잡음 증폭기;
    상기 저잡음 증폭기의 출력단 또는 입력단 중 어느 하나와 연결되고, 상기 출력 신호 또는 상기 빔포밍 신호의 위상을 변경하기 위한 위상 천이기; 및
    외부로부터 수신된 빔포밍 관련 정보를 기반으로 상기 가변 커패시턴스 회로의 커패시턴스 제어신호 및 상기 위상 천이기에 대한 제어신호를 생성하는 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 장치.
  20. 제22항에 있어서,
    상기 저잡음 증폭기는,
    상기 빔포밍 신호를 게이트 단자를 통해 수신하고, 그라운드와 소스 단자를 통해 연결된 제1 트랜지스터; 및
    상기 제1 트랜지스터의 드레인 단자와 소스 단자를 통해 연결되며, 드레인 단자를 통해 상기 출력 신호를 출력하는 제2 트랜지스터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 장치.
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