KR20230061225A - 전류 공유 회로를 포함하는 고전자 이동 트랜지스터 기반의 다단 저잡음 증폭기 및 그의 설계 방법 - Google Patents

Abstract

전류 공유 회로를 포함하는 GaN HEMT(High Electron Mobility Transister) 소자 기반의 다단 저잡음 증폭기가 개시된다. GaN HEMT 소자 기반의 캐스케이드(Cascade) 다단 저잡음 증폭기는 신호를 증폭하는 제1 고전자 이동 트랜지스터(HEMT) 소자; 입력된 신호를 상기 제1 HEMT 소자에 정합시키는 입력 정합 회로; 상기 제1 HEMT 소자에 연결되는 전류 공유 회로; 상기 전류 공유 회로로부터 출력된 신호를 정합하여 출력하는 출력 정합 회로를 포함하되, 상기 전류 공유 회로는 유도성 부하 및 신호를 증폭하는 제2 HEMT 소자를 포함하고, 상기 제1 및 제2 HEMT 소자는 바이어스 전류를 공유할 수 있다.

Description

전류 공유 회로를 포함하는 고전자 이동 트랜지스터 기반의 다단 저잡음 증폭기 및 그의 설계 방법{MULTISTAGE LOW NOISE AMPLIFIER BASED ON HIGH ELECTRON MOBILITY TRANSISTER WITH CURRENT SHARING CIRCUIT AND METHOD FOR DESIGN THE SAME}

본 개시는 GaN HEMT(High Electron Mobility Transister) 소자 기반의 다단 저잡음 증폭기 및 그의 동작 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 전류 공유 회로를 포함하는 GaN HEMT 기반의 다단 저잡음 증폭기 및 그의 설계 방법에 관한 것이다.

GaN HEMT(High Electron Mobility Transister) 소자는 GaAs 기반의 소자에 비해 소자에 비해 넓은 에너지 밴드 갭, 높은 항복 전압, 높은 전자 포화 속도 및 고전자 이동도를 지니는 재료적 특성으로 인하여 초고주파 대역에서 고출력 전력 증폭 소자로 사용된다. 또한, GaN HEMT 소자의 공정 기술이 발달함에 따라 고출력 전력 반도체로서의 특성뿐만 아니라 무선 주파수(RF, Radio Frequency)에서의 저잡음 특성도 가지게 되면서, GaN HEMT 소자는 밀리미터파 대역에서의 저잡음 증폭기 설계 시에도 활용된다.

본 개시의 목적은 전류 공유 회로(Current Sharing Circuit)를 GaN HEMT(High Electron Mobility Transister) 소자 기반의 다단 증폭기 설계에 적용하여, GaN HEMT 소자 기반의 다단 증폭기를 저전력으로 구동하고, 높은 이득을 가지는 GaN HEMT 소자 기반의 다단 증폭기를 제공하는 것이다.

본 개시의 일 실시 예에 따른 전류 공유 회로를 포함하는 GaN HEMT(High Electron Mobility Transister) 소자 기반의 캐스케이드(Cascade) 다단 저잡음 증폭기는, 신호를 증폭하는 제1 고전자 이동 트랜지스터(HEMT) 소자; 입력된 신호를 상기 제1 HEMT 소자에 정합시키는 입력 정합 회로; 상기 제1 HEMT 소자에 연결되는 전류 공유 회로; 상기 전류 공유 회로로부터 출력된 신호를 정합하여 출력하는 출력 정합 회로를 포함하되, 상기 전류 공유 회로는 유도성 부하 및 신호를 증폭하는 제2 HEMT 소자를 포함하고, 상기 제1 및 제2 HEMT 소자는 바이어스 전류를 공유할 수 있다.

본 개시의 일 실시 예에 따른 GaN HEMT(High Electron Mobility Transister) 소자 기반의 다단 증폭기를 이용하여, 증폭기의 단수를 늘리지 않고도 높은 이득을 내고 저전력으로 구동되는 증폭기를 설계할 수 있다.

도 1은 본 개시의 일 실시 예에 따라, GaN HEMT 소자 기반의 단일 저잡음 증폭기를 나타내는 회로도를 도시한다.
도 2는 본 개시의 일 실시 예에 따라, GaN HEMT 소자 기반의 캐스케이드 2단 저잡음 증폭기를 나타내는 회로도를 도시한다.
도 3a 및 3b는 본 개시의 일 실시 예에 따라, 도 2의 GaN HEMT 소자 기반의 캐스케이드 2단 저잡음 증폭기에 서로 다른 저항값을 가지는 저항을 연결했을 때의 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프를 도시한다.
도 4는 본 개시의 일 실시 예에 따라, 전류 공유 회로를 포함하는 GaN HEMT 소자 기반의 캐스케이드 2단 저잡음 증폭기의 회로도를 도시한다.
도 5a 및 5b는 본 개시의 일 실시 예에 따라, 도 4의 GaN HEMT 소자 기반의 캐스케이드 2단 저잡음 증폭기의 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프를 도시한다.
도 6은 본 개시의 일 실시 예에 따라, 전류 공유 회로를 포함하는 GaN HEMT 소자 기반의 캐스케이드 3단 저잡음 증폭기의 회로도를 도시한다.
도 7은 본 개시의 일 실시 예에 따라, 도 6의 전류 공유 회로를 포함하는 GaN HEMT 소자 기반의 캐스케이드 3단 저잡음 증폭기의 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프를 도시한다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 개시의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 개시를 용이하게 실시할 수 있을 정도로, 본 발명의 실시 예들이 명확하고 상세하게 기재될 것이다.

본 발명의 다양한 실시 예들에서, 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 회로들, 영역들 등을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 회로들, 영역들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 소정 회로 또는 영역을 다른 회로 또는 영역과 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에서의 제1 HEMT 소자로 언급된 HEMT 소자가 다른 실시 예에서는 제2 HEMT 소자로 언급될 수 있다.

GaN HEMT(High Electron Mobility Transister) 소자 기반의 단일 저잡음 증폭기는 안정성 및 높은 이득을 고려하여 설계된다. 도 1은 GaN HEMT 소자 기반의 단일 저잡음 증폭기를 나타내는 회로도를 도시한다. 도 1을 참조하면, GaN HEMT 소자 기반의 단일 저잡음 증폭기는 HEMT 소자, 인덕터(L) 및 저항(R)을 포함하는 공통 소스 증폭기(Common Source Amplifier) 구조로 설계된다.

도 2는 GaN HEMT 소자 기반의 캐스케이드(Cascade) 2단 저잡음 증폭기를 나타내는 회로도를 도시한다. 도 2를 참조하면, GaN HEMT 소자 기반의 캐스케이드(Cascade) 2단 저잡음 증폭기(2000)는 입력단 및 게이트 전압단을 포함하는 제1 정합 회로(210), 드레인 전압단 및 게이트 전압단을 포함하는 제2 정합 회로(220), 드레인 전압단 및 출력단을 포함하는 제3 정합 회로(230), GaN HEMT 소자(240)들, 인덕터들을 포함할 수 있다. 이때, 제1 내지 제3 정합 회로들(210, 220, 230) 각각은 입력 정합 회로, 중간 정합 회로 및 출력 정합 회로일 수 있다. GaN HEMT 소자 기반의 캐스케이드(Cascade) 2단 저잡음 증폭기(2000)는 유도성 소스 축퇴 부하인 인덕터를 포함하는 GaN HEMT 소자를 캐스케이드(Cascade) 방식으로 연결하여, 단일 HEMT 소자를 이용한 증폭기의 이득의 한계를 극복할 수 있다. 유도성 소스 축퇴 부하인 인덕터는 낮은 잡음을 얻기 위한 노이즈 매칭(Noise Matching) 및 높은 이득과 반사 손실을 가지기 위한 컨쥬게이트 매칭(Conjugate Matching)을 만족시키는 기능을 수행할 수 있다.

한편, 캐스케이드(Cascade) 방식을 이용한 GaN HEMT 소자 기반의 다단 증폭기는 초고주파 대역에서 높은 선형성 및 저잡음 특성을 가지나, 증폭기의 구동을 위해 높은 입력 전압이 요구된다. 그러나 증폭기에 과도한 입력 전압이 인가되면 과도한 출력 전력이 발생되므로, 증폭기 뒷단의 수동 소자들을 보호하기 위해 출력 전력을 제한할 필요가 있다. 이를 제어하기 위해 출력단에 저항을 연결하여 저항값을 높이는 방법이 있으나, 이는 증폭기의 이득을 감소시키는 문제가 있다. 또한, 해당 저항은 뒷단의 입력 저항으로 작용하기 때문에 뒷단의 잡음 지수가 높아지므로, 출력단에 저항을 연결하는 방법은 권장되지 않는다.

도 3a 및 3b 각각은, 도 2의 GaN HEMT 소자 기반의 캐스케이드(Cascade) 2단 증폭기에 서로 다른 저항값을 가지는 저항을 연결했을 때의 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프를 도시한다. 이때, 사용된 소자는 0.15 um GaN HEMT 소자이고, 드레인 전압은 5V이다. 도 2, 도 3a 및 3b 를 참조하면, 중간 정합 회로인 제2 정합 회로(220)의 저항값이 증가할수록 최소 잡음지수가 증가하고, 최대 이득이 감소하는 것을 알 수 있다.

도 4는 본 개시의 일 실시 예에 따라, 전류 공유 회로(Current Sharing Circuit)를 포함하는 GaN HEMT 소자 기반의 캐스케이드(Cascade) 2단 저잡음 증폭기의 회로도를 도시한다. 도 4를 참조하면, GaN HEMT 소자 기반의 캐스케이드(Cascade) 2단 저잡음 증폭기(4000)는 입력단 및 게이트 전압단을 포함하는 제1 정합 회로(410), 게이트 전압단을 포함하는 제2 정합 회로(420), 드레인 전압단 및 출력단을 포함하는 제3 정합 회로(430), 제1 및 제2 HEMT 소자(440, 450), 커패시터들 및 인덕터를 포함할 수 있다. 이때, 제1 내지 제3 정합 회로들(410, 420, 430)은 각각 입력 정합 회로, 중간 정합 회로 및 출력 정합 회로일 수 있다. 커패시터들 각각은 서로 다른 커패시터값을 가질 수 있고, 직루(DC) 신호를 차단하는 기능을 수행할 수 있다. 제1 및 제2 HEMT 소자(440, 450)는 같은 GaN HEMT 소자일 수 있다.

GaN HEMT 소자 기반의 캐스케이드(Cascade) 2단 저잡음 증폭기(4000)는 전류 공유 회로(40)를 포함할 수 있다. 예를 들어, GaN HEMT 소자 기반의 캐스케이드(Cascade) 2단 저잡음 증폭기(4000)는 제2 HEMT 소자(450)의 소스단 및 제1 HEMT 소자(440)의 드레인단이 연결되는 전류 공유 회로(40)를 포함하고, 이를 통해 제2 HEMT 소자(450)의 드레인 전류는 제1 HEMT 소자(440)로 공유될 수 있다. 이때, 전류 공유 회로(40)는 제2 HEMT 소자(450)의 소스단 및 제1 HEMT 소자(440)의 드레인단 사이에 유도성 소스 축퇴 부하인 인덕터를 포함할 수 있다. 유도성 소스 축퇴 부하인 인덕터는 낮은 잡음을 얻기 위한 노이즈 매칭(Noise Matching) 및 높은 이득과 반사 손실을 가지기 위한 컨쥬게이트 매칭(Conjugate Matching)을 만족시키는 기능을 수행할 수 있다. 따라서, GaN HEMT 소자 기반의 캐스케이드(Cascade) 2단 저잡음 증폭기(4000)는 전류 공유 회로(40)를 통해 높은 안정성을 가지고, 낮은 구동 전압으로도 높은 이득을 낼 수 있다.

도 5a 및 5b는 본 개시의 일 실시 예에 따라, 도 4의 GaN HEMT 소자 기반의 캐스케이드(Cascade) 2단 저잡음 증폭기의 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프를 도시한다. 도 1, 도 4 및 5a를 참조하면, 제1 내지 제3 결과들은 각각 도 1의 GaN HEMT 소자 기반의 단일 저잡음 증폭기(1000)에 5V의 드레인 전압을 인가한 결과, 도 1의 GaN HEMT 소자 기반의 단일 저잡음 증폭기(1000)에 10V의 드레인 전압을 인가한 결과 및 GaN HEMT 소자 기반의 캐스케이드(Cascade) 2단 저잡음 증폭기(4000)에 5V의 드레인 전압을 인가한 결과를 나타낸다. 전류 공유 회로(40)를 포함하는 GaN HEMT 소자 기반의 캐스케이드(Cascade) 2단 저잡음 증폭기(4000)에 5V의 드레인 전압을 인가한 경우, GaN HEMT 소자 기반의 단일 저잡음 증폭기(1000)에 각각 5V 및 10V의 드레인 전압을 인가한 경우보다 높은 안정성을 가진다.

도 2, 도 4 및 5b를 참조하면, 제4 내지 제6 결과들은 각각 GaN HEMT 소자 기반의 캐스케이드(Cascade) 2단 저잡음 증폭기(2000)에 5V의 드레인 전압을 인가한 결과, GaN HEMT 소자 기반의 캐스케이드(Cascade) 2단 저잡음 증폭기(2000)에 10V의 드레인 전압을 인가한 결과 및 전류 공유 회로(40)를 포함하는 GaN HEMT 소자 기반의 캐스케이드(Cascade) 2단 저잡음 증폭기(4000)에 5V의 드레인 전압을 인가한 결과를 나타낸다. 전류 공유 회로(40)를 포함하는 GaN HEMT 소자 기반의 캐스케이드(Cascade) 2단 저잡음 증폭기(4000)에 5V의 드레인 전압을 인가한 경우, GaN HEMT 소자 기반의 캐스케이드(Cascade) 2단 저잡음 증폭기(2000)에 각각 5V 및 10V의 드레인 전압을 인가한 경우보다 높은 이득을 가진다.

도 6은 본 개시의 일 실시 예에 따라, 전류 공유 회로(60)를 포함하는 GaN HEMT 소자 기반의 캐스케이드(Cascade) 3단 저잡음 증폭기의 회로도를 도시한다. 도 6을 참조하면, GaN HEMT 소자 기반의 캐스케이드(Cascade) 3단 저잡음 증폭기(6000)는 입력단 및 게이트 전압단을 포함하는 제1 정합 회로, 게이트 전압단을 포함하는 제2 정합 회로, 드레인 전압단 및 게이트 전압단을 포함하는 제3 정합 회로, 드레인 전압단 및 출력단을 포함하는 제4 정합 회로, 제1 내지 제3 HEMT 소자들(650, 660, 670), 커패시터들 및 인덕터들을 포함할 수 있다. 이때, 제1 내지 제4 정합 회로들(610, 620, 630, 640) 각각은 입력 정합 회로, 제1 중간 정합 회로, 제2 중간 정합 회로 및 출력 정합 회로일 수 있다. 커패시터들 각각은 서로 다른 커패시터값을 가질 수 있고, DC 신호를 차단하는 기능을 수행할 수 있다. 제1 내지 제3 HEMT 소자들(650, 660, 670)은 같은 GaN HEMT 소자일 수 있다.

GaN HEMT 소자 기반의 캐스케이드(Cascade) 3단 저잡음 증폭기(6000)는 전류 공유 회로(60)를 포함할 수 있다. 예를 들어, GaN HEMT 소자 기반의 캐스케이드(Cascade) 3단 저잡음 증폭기(6000)는 제2 HEMT 소자(660)의 소스단 및 제1 HEMT 소자(650)의 드레인단이 연결된 전류 공유 회로(60)를 포함하고, 이를 통해 제2 HEMT 소자(660)의 드레인 전류는 제1 HEMT 소자(650)로 공유될 수 있다. 이때, 전류 공유 회로(60)는 제2 HEMT 소자(660)의 소스단 및 제1 HEMT 소자(650)의 드레인단 사이에 유도성 소스 축퇴 부하인 인덕터를 포함할 수 있다. 또한, 제3 HEMT 소자(670)는 인덕터와 연결되고, 도시하진 않았으나 제1 HEMT 소자(650)는 인덕터와 연결될 수 있다. 인덕터들은 낮은 잡음을 얻기 위한 노이즈 매칭(Noise Matching) 및 높은 이득과 반사 손실을 가지기 위한 컨쥬게이트 매칭(Conjugate Matching)을 만족시키는 기능을 수행할 수 있다. 인덕터들 각각은 서로 다른 인덕터값을 가질 수 있다.

도 7은 본 개시의 일 실시 예에 따라, 도 6의 전류 공유 회로(60)를 포함하는 GaN HEMT 소자 기반의 캐스케이드(Cascade) 3단 저잡음 증폭기(6000)의 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프를 도시한다. 도 6 및 7을 참조하면, 전류 공유 회로(60)를 포함하는 GaN HEMT 소자 기반의 캐스케이드(Cascade) 3단 저잡음 증폭기(6000)는 낮은 잡음지수 및 높은 이득을 낼 수 있다.

상술된 내용은 본 개시를 실시하기 위한 구체적인 실시 예들이다. 본 개시는 상술된 실시 예들뿐만 아니라, 단순하게 설계 변경되거나 용이하게 변경할 수 있는 실시 예들 또한 포함할 것이다. 또한, 본 개시는 실시 예들을 이용하여 용이하게 변형하여 실시할 수 있는 기술들도 포함될 것이다. 따라서, 본 개시의 범위는 상술된 실시 예들에 국한되어 정해져서는 안 되며 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 발명의 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 할 것이다.

1000: 단일 저잡음 증폭기
2000: 캐스케이드 2단 저잡음 증폭기
4000: 캐스케이드 2단 저잡음 증폭기
6000: 캐스케이드 3단 저잡음 증폭기

Claims (1)

1. 신호를 증폭하는 제1 고전자 이동 트랜지스터(HEMT) 소자;
   입력된 신호를 상기 제1 HEMT 소자에 정합시키는 입력 정합 회로;
   상기 제1 HEMT 소자에 연결되는 전류 공유 회로;
   상기 전류 공유 회로로부터 출력된 신호를 정합하여 출력하는 출력 정합 회로를 포함하되,
   상기 전류 공유 회로는 유도성 부하 및 신호를 증폭하는 제2 HEMT 소자를 포함하고,
   상기 제1 및 제2 HEMT 소자는 바이어스 전류를 공유하는 GaN HEMT 소자 기반의 캐스케이드(Cascade) 구조의 다단 저잡음 증폭기.

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