KR100410553B1 - 가변이득 증폭기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무선통신 시스템에서 넓은 동작영역의 이득을 가변시켜 안정된 신호처리특성을 갖도록 하는 가변이득증폭기에 관한 것이다. 본 발명의 일 측면에 따르면, 캐스케이드 연결된 다수의 VGA 단위셀 -각 VGA 단위셀은 가변부하부를 구비함-; 콘트롤전압에 대한 상기 VGA 단위셀의 로그이득이 선형성을 가지도록 지수함수의 제어전압을 발생하기 위한 지수함수 발생부; 상기 지수함수 발생부로부터 출력된 제어전압에 대하여 공정특성에 의한 상기 VGA 단위셀의 상호콘덕턴스 및 저항 값의 변화를 보상하기 위한 상호콘덕턴스-저항 보상부; 상기 상호콘덕턴스-저항 보상부로부터 출력된 제어전압에 응답하여 상기 VGA 단위셀의 상기 가변부하부의 부하저항값을 변화시키기 위한 가변부하 발생부를 구비하는 가변이득 증폭기가 제공된다.

Description

가변이득 증폭기{Wide Dynamic Range Variable gain Amplifier}

본 발명은 무선통신 시스템에 사용되는 가변이득 증폭기에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 넓은 동작영역의 이득을 가변시켜 안정된 신호처리 특성을 갖도록 하는 가변이득증폭기(wide dynamic range variable gain amplifier)에 관한 것이다.

도 1은 일반적인 무선통신 시스템에 있어서, 수신기(receiver)의 구조를 도시한 것이다. 도 1에서, 1은 로우 노이즈(low noise) 증폭기, 2는 다운 믹서(down mixer), 3은 가변이득 증폭기, 4는 필터, 5는 아날로그 디지탈 변환기를 각각 나타낸다.

상기한 바와같은 무선통신 시스템에 있어서, 무선환경은 낮은 파워와 잡음, 그리고 간섭기(interferer) 때문에 잡음 특성이 매우 중요한 요소가 된다. 또한, 파워는 거리의 함수가 되므로, 수신되는 신호는 그 크기가 매우 넓은 범위를 가지므로, 왜곡(distortion) 특성도 매우 중요한 특성이 된다.

그러므로, 상기 무선 통신 시스템의 수신기가 좋은 잡음특성을 가지려면 로우 노이즈 증폭기(1)와 다운 믹서(2)가 가능한 큰 이득을 가져야 한다. 그러나, 로누 노이즈 증폭기(1)와 다운 믹서(2)가 높은 이득을 갖고, CDMA 의 경우 수신되는 신호가 90dB의 넓은 다이나믹 레인지를 가지므로, 신호패스의 왜곡은 심해지게 된다.

이를 해결하기 위해서, 종래의 수신기는 가변이득 증폭기(3)를 사용하여 넓은 다이나믹 레인지를 일정한 크기로 제어하였다. 상기 가변이득 증폭기(3)는 잡음특성을 위하여 가장 첫단의 이득을 가능한 높이게 되는데, 만약 수신되는 신호로 최대신호가 들어오는 경우에는 가변이득 증폭기(3)의 초단이득이 더해져 신호왜곡이 발생하는 문제점이 있었다.

도 2는 도 1의 무선통신 시스템에 사용된 종래의 가변이득 증폭기의 가변이득 셀의 회로도이다.

도 2를 참조하면, 종래의 가변이득 셀은 접지전원에 접속되며 차동입력신호 V_in+ 및 V_in-를 게이트 입력으로 하는 NMOS 트랜지스터 M1 및 M2와, NMOS 트랜지스터 M1 및 M2과 출력단 사이에 각각 접속되며 제어전압(Vc)을 게이트 입력으로 하는 NMOS 트랜지스터 M5 및 M6와, 출력단과 전원전압 사이에 접속된 두 개의 부하저항(R_L)으로 구성된다. 종래의 가변이득 증폭기로 도 2에서와 같은 기본적인 가변이득 셀을 사용하는 경우, 상기 가변이득 셀의 전원전압이 낮으며, 부하저항(R_L)이 크고, 전류량이 많기 때문에 출력단(Vout)에서의 다이나믹 레인지는 매우 좁아지게 된다. 그러므로, 반드시 초단 증폭기는 넓은 이득과 넓은 가변이득범위를 가져야 한다.

본 발명은 상기한 바와같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 넓은 다이나믹 레인지를 확보할 수 있는 가변이득 증폭기를 제공하는 데 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 무선통신 시스템의 블록 구성도,

도 2는 종래의 무선통신 시스템에 있어서, 가변이득 증폭기의 단위셀을 나타낸 도면,

도 3은 본 발명의 실시예에 가변이득 증폭기의 블록구성도,

도 4는 도 3의 본 발명의 가변이득 증폭기의 단위셀을 나타낸 도면,

도 5는 도 3의 본 발명의 가변이득 증폭기에 있어서, 가변부하발생기의 구성도,

도 6은 도 5의 가변부하발생기를 사용한 경우, 본 발명의 가변이득 증폭기의 단위셀의 이득을 나타낸 도면,

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1 : 로우 노이즈 증폭기 2 : 다운 믹서

3, 10 : 가변이득 증폭기 4 : 필터

5 : 아날로그 디지탈 변환기 61-63 : 가변이득 증폭기 단위셀

7 : 가변부하 발생기 8 : 지수함수 발생기

9 : 상호콘덕턴스-저항 보상부 71, 72, A : 연산증폭기

73 : 전압-전류 변환기 I2, I3 : 모니터링전류

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 캐스케이드 연결된 다수의 VGA 단위셀 -각 VGA 단위셀은 가변부하부를 구비함-; 콘트롤전압에 대한 상기 VGA 단위셀의 로그이득이 선형성을 가지도록 지수함수의 제어전압을 발생하기 위한 지수함수 발생부; 상기 지수함수 발생부로부터 출력된 제어전압에 대하여 공정특성에 의한 상기 VGA 단위셀의 상호콘덕턴스 및 저항 값의 변화를 보상하기 위한 상호콘덕턴스-저항 보상부; 상기 상호콘덕턴스-저항 보상부로부터 출력된 제어전압에 응답하여 상기 VGA 단위셀의 상기 가변부하부의 부하저항값을 변화시키기 위한 가변부하 발생부를 구비하는 가변이득 증폭기가 제공된다.

이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 본 발명에 따른 실시예를 첨부 도면을 참조하면서 보다 상세하게 설명하고자 한다.

도 3는 본 발명의 실시예에 따른 가변이득 증폭기의 회로 구성도를 도시한 것이다.

도 3를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 가변이득 증폭기(10)는 캐스캐이드(cascade) 연결된 다수의 가변이득증폭기 단위셀(VGA unit cell, 61-63)과, VGA 단위셀(61-63)의 로그(log) 이득이 콘트롤전압(Vctrl)에 대해 선형성을 갖도록 지수함수의 제어전압을 발생하는 지수함수 발생부(exponential function generator)(8)와, 상기 지수함수 발생부(8)에서 발생된 제어전압의 공정특성을 보상하기 위한 상호콘덕턴스-저항 보상부(Gm-R compensation)(9)와, 콘트롤전압(Vctrl)과 제어전압(Vc)에 따라서 상기 VGA 단위셀(61-62)의 저항을 가변시켜주기 위한 가변저항 발생기(Variable Load Generator)(7)를 구비한다.

상기한 바와같은 본 발명의 가변이득 증폭기(10)의 동작을 설명한다.

본 발명에서는 CDMA 휴대전화기와 같이 90dB의 넓은 가변이득 범위를 가지기 위해서 VGA 단위셀의 가변범위가 한정되므로 VGA 단위셀(61-63)을 캐스케이드 연결구성하는데, 이때 VGA 단위셀은 90dB의 이득가변범위를 만족하도록 그의 수가 결정된다.

상기 지수함수 발생기(8)는 지수함수의 제어전압을 발생하는데, VGA의 로그이득이 제어전압에 대해 선형성을 가져야 하므로 지수함수의 제어전압을 발생한다. 상기 상호콘덕턴스-저항 보상부(9)는 상기 지수함수 발생기(8)로부터 발생된 제어전압을 입력하여 VGA 단위셀(61-63)의 이득을 결정하는 상호 콘덕턴스(gm)과 부하저항(R_L)의 변화를 보상한다.

그러므로, 상기 상호콘덕턴스-저항 보상부(9)는 지수함수이고 이득의 변화를 보상할 수 있는 보상된 제어전압(Vc)을 상기 VGA 단위셀(61-63)로 출력한다. 이때, 상기 상호콘덕턴스-저항 보상부(9)는 공정변화, 온도변화, 전원전압의 변화 등에 대해 이득이 변화되는 것을 보상하여 줌으로써 상기와 같은 원하지 않는 요소들에 대한 변화를 최소화한다.

또한, 상기 상호콘덕턴스-저항 보상부(9)로부터 발생된 제어전압(Vc)은 가변부하 발생부(7)로 제공되어 VGA단위셀(61-63)의 부하저항을 가변할 수 있다.

도 4는 도 3의 가변이득 증폭기(10)에 있어서, VGA 단위셀(61-63)의 상세 회로를 도시한 것이다.

도 4를 참조하면, VGA 단위셀은 접지전원에 접속되며 차동입력신호 V_in+ 및 V_in-를 게이트 입력으로 하는 NMOS 트랜지스터 M1 및 M2와, 접지전원과 Vc1 노드 사이에 접속되며, 기준전압(Vref)을 게이트 입력으로 하는 NMOS 트랜지스터 M7과, Vc1 노드의 피드백 전압과 제어전압(Vc)를 입력으로 하는 연산증폭기와, 연산증폭기의 출력을 게이트 입력으로 하며 NMOS 트랜지스터 M1 및 M2과 두 출력단 사이에 각각 접속된 NMOS 트랜지스터 M5 및 M6와, 노드 Vc1에 접속되며 연산증폭기의 출력을 게이트 입력으로 하는 NMOS 트랜지스터(M8)와, 두 출력단 사이에 접속된 두 개의 부하저항(R_L)과, 두 출력단 사이에 접속된 부하 NMOS 트랜지스터(M3)를 구비한다. 여기서, 두 개의 부하저항(R_L)의 접속 노드는 노드 'A'에 연결되며, NMOS 트랜지스터(M3)의 게이트는 노드 'B'에 연결되어 있다.NMOS트랜지스터(M1, M2)는 상호 콘덕턴스(gm) 셀을 구성하며, 상기 상호 콘덕턴스(gm)는 상기 상호콘덕턴스-저항 보상부(9)에 의해 보상된 제어전압(Vc)에 의해 변화된다. 즉,

여기서, Reff 는 등가부하저항값이 되는데, 도 4의 노드 A, B의 전압 상태에 따라 달라지며, 노드 A, B의 전압 상태는 상기 도 3의 가변부하 발생기(7)에 의해 결정된다.

도 5는 상기 도 3의 가변부하 발생기(7)의 상세회로도이다. 도 5에 도시된 바와 같이 가변부하 발생기(7)는 연산증폭기(71, 72)와, NMOS 트랜지스터(M4)와, 저항(R)과, 전압-전류 변환기 변환기(73)를 구비한다.전압-전류 변환기(73)는 상기 상호 콘덕턴스-저항 보상부(9)를 통해 보상된 제어전압(Vc)을 밴드갭 전압(Vbgr)과 콘트롤전압(Vctrl)을 입력하여 전류값으로 변화하여 I2, I3을 발생한다.

따라서, 가변부하 발생기(7)와 VGA 단위셀(61-63)으로 구성된 일련의 피드백회로에 의해 형성된 등가부하저항(Reff)는 하기와 같다.

그리고

I₂=Vbgr/Rbgr, I₃=Vctrl/Rctrl

그러므로, 최종 출력되는 VGA단위셀의 이득은 제어전압에 의한 gm 값의 변화와 Reff로 표현되는 제어전압(Vc)에 의한 부하저항값의 변화로 나타나게 된다.

도 6은 가변부하저항을 사용하는 경우의 VGA 단위셀의 이득변화를 도식적으로 나타낸 것으로서, "a" 는 본 발명의 단위셀을 적용한 경우 콘트롤전압(Vctrl)에 대한 이득을 나타낸 것이고, "b"는 기본단위셀(도 2 참조)을 적용한 경우이다.

도 6을 참조하면, ±10dB 의 이득변화를 가지는 VGA 단위셀(종래기술)이 ±15dB 의 이득변화를 가지는 VGA 단위셀(본 발명)로 변화함을 알 수 있다. 이러한 이득변화는 우선 캐스케이드 연결된 VGA 단위셀의 수를 줄일 수 있으며, 이에 따라 전류소모도 감소시킬 수 있다. 특히, 초단의 이득을 충분히 크게하여 잡음 특성을 좋게 하면서도 큰 입력신호가 들어오는 경우 이득을 충분히 낮추어 줌으로써 신호의 왜곡특성을 향상시키게 된다.

상기한 바와같은 본 발명의 가변이득 증폭기에 따르면, 캐스케이드되는 VGA 단위셀의 수를 종래에 비하여 감소시킬 수 있으므로 전류소모를 감소시키고, 초단의 이득을 충분히 크게하여 잡음특성을 향상시키며, 큰신호 입력이 인가되는 경우 이득을 충분히 낮추어 줌으로써 신호의 왜곡특성도 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 이득을 변화시킬 수 있는 요소들에 대하여 보상을 하여 줌으로써 이들에 대한 변화를 최소화시켜 양산성을 크게 향상할 수 있다. 그리고 표준 CMOS 프로세스를 적용함으로써 주변블럭간의 집적도를 향상시킬 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (7)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 캐스케이드 연결된 다수의 VGA 단위셀 -각 VGA 단위셀은 가변부하부를 구비함-;

   콘트롤전압에 대한 상기 VGA 단위셀의 로그이득이 선형성을 가지도록 지수함수의 제어전압을 발생하기 위한 지수함수 발생부;

   상기 지수함수 발생부로부터 출력된 제어전압에 대하여 공정특성에 의한 상기 VGA 단위셀의 상호콘덕턴스 및 저항 값의 변화를 보상하기 위한 상호콘덕턴스-저항 보상부;

   상기 상호콘덕턴스-저항 보상부로부터 출력된 제어전압에 응답하여 상기 VGA 단위셀의 상기 가변부하부의 부하저항값을 변화시키기 위한 가변부하 발생부

   를 구비하는 가변이득 증폭기.
7. 제6항에 있어서,

   상기 다수의 VGA 단위셀은 각각,

   접지전원에 접속되며 차동입력신호를 게이트 입력으로 하는 제1 및 제2 NMOS 트랜지스터;

   접지전원과 피드백 노드 사이에 접속되며, 기준전압을 게이트 입력으로 하는 제3 NMOS 트랜지스터;

   상기 피드백 노드의 피드백 전압과 제어전압(Vc)를 입력으로 하는 연산증폭기;

   상기 연산증폭기의 출력을 게이트 입력으로 하며 상기 제1 및 제2 NMOS 트랜지스터와 두 출력단 사이에 각각 접속된 제4 및 제5 NMOS 트랜지스터;

   상기 피드백 노드에 접속되며 상기 연산증폭기의 출력을 게이트 입력으로 하는 제6 NMOS 트랜지스터;

   상기 두 출력단 사이에 접속된 두 개의 부하저항-상기 두 개의 부하저항의 접속 노드는 상기 가변부하 발생부의 제1 출력단에 접속됨-; 및

   상기 두 출력단 사이에 접속되며, 그 게이트는 상기 가변부하 발생부의 제2 출력단에 접속된 부하용 제7 NMOS 트랜지스터를 구비하는 것을 특징으로 하는 가변이득 증폭기.