KR100741387B1 - 무선 주파수 집적 회로 - Google Patents

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이경호
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Abstract

본 발명은 무선 주파수 집적 회로RFIC에 관한 발명으로서, 보다 구체적으로 고정된 전압을 출력하는 PMIC로부터 입력되는 전압을 강하하여 내부의 RF 송수신부로 전달하되 높은 효율성을 가지고 낮은 노이즈를 발생하는 RFIC에 관한 발명이다.
본 발명은 RF 송신 및 수신을 수행하는 RF 송수신부; PMIC로부터 전달되는 전압을 강하하여 출력하는 DC-DC 변환기; 및 상기 DC-DC 변환기에서 출력되는 전압을 입력받아 상기 RF 송수신부에서 사용되는 전압으로 고정된 전압을 상기 RF 송수신부로 출력하는 LDO 레귤레이터를 포함하는 RFIC를 제공한다.

Description

무선 주파수 집적 회로{RADIO FREQUENCY INTEGRATED CIRCUIT}
도 1은 종래기술에 의한 PMIC 및 RFIC를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 RFIC를 나타내는 도면이다.
도 3은 LDO 레귤레이터만을 사용한 RFIC(a)와 본 발명에 의한 RFIC(b)의 전력소모를 비교하기 위한 도면이다.
*도면의 주요 부분에 부호의 설명*
11 : PMIC(power management integrated circuit)
12, 12', 12" : RFIC(radio frequency integrated circuit)
13 : RF 송수신부 16, 16' : DC-DC 변환기
17 : LDO 레귤레이터(low dropout regulator)
본 발명은 무선 주파수 집적 회로(radio frequency integrated circuit, 이하 간략히 RFIC라 함)에 관한 발명으로서, 보다 구체적으로 고정된 전압을 출력하 는 전력 관리 집적 회로(power management integrated circuit, 이하 간략히 PMIC라 함)로부터 입력되는 전압을 강하하여 내부의 RF 송수신부(radio frquency transceiver)로 전달하되 높은 효율성을 가지고 낮은 노이즈를 발생하는 RFIC에 관한 발명이다.
도 1은 종래기술에 의한 PMIC 및 RFIC를 나타내는 도면으로서, 특히 휴대 전화기 등에 사용될 수 있는 PMIC 및 RFIC를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, PMIC(11)는 일례로 도면과 같이 리튬 이온 전지(lithium ion battery)로부터 4.2V의 전압을 입력받아 RFIC(12)로 2.8V의 전압을 출력한다. PMIC(11)는 RFIC(12) 등에 전원을 공급 및 제어할 수 있는 적어도 하나의 레귤레이터와 레귤레이터 제어회로가 내장되어 있는 집적 회로를 의미한다. PMIC는 전력 회로로서 RFIC(12)에 사용되는 표준 CMOS 공정이 아닌 고전압 공정을 사용하여 제작된다.
표준 CMOS 공정이라 함은 3.3V 이하의 전압에서 동작하는 소자들만을 가지는 CMOS 공정을 의미한다. 일례로, 0.13um CMOS 표준 공정의 경우, 내부 코아(core) 회로로는 0.13um의 최소 선폭을 지니는 트랜지스터들이 사용되고, I/O를 위한 회로로는 0.13um 선폭의 소자 외에 최소 선폭이 0.25um나 0.35um인 트랜지스터들이 사용되기도 한다. 0.25um의 최소 선폭을 가지는 트랜지스터의 경우 공급 전압은 2.5V를 넘지 않아야 하며, 0.35um의 최소 선폭을 가지는 트랜지스터의 경우 공급 전압은 3.3V를 넘지 않는 경우가 대부분이다. 휴대폰 등에서 많이 사용되는 배터리의 출력 전원은 4.2V로 과충전시 5V까지도 올라갈 수 있으며, 이에 따라 배터리에서 전원을 공급받는 경우 5V 이상의 고전압을 견딜 수 있는 소자들을 사용하여야 한다. 표준 CMOS 공정에 4V 내지 5V 정도의 전압을 견딜 수 있는 소자들을 집적화하고자 할 경우 공정상의 복잡도 및 비용이 증가하므로, 거의 모든 표준 CMOS에서는 고전압 소자들을 제공하지 않는다. 또한, 배터리로부터 공급전압을 직접 받는 경우는 내부 회로와 배터리의 과열 등을 막기 위해 단락 회로(short circuit) 방지 회로, 과열 차단(thermal shutdown)과 같은 기능을 지니는 전압 변환기(LDO 레귤레이터 또는 DC-DC 변환기) 등을 사용하여야 한다. PMIC(11)를 사용하는 이유는 이러한 고전압 요구 조건과 앞서 설명한 기능을 지니는 전압 변환기 등을 하나의 고전압 지원이 가능한 특수 공정을 사용해서 만들고, 이를 사용함으로써 내부 RFIC(12)의 구현을 단순화하고자 함이 있다.
RFIC(12)는 RF 송수신부(13)를 포함한다. RF 송수신부(13)는 RF 송신 및 수신에 사용되는 회로로서, 일례로 상향 변환 믹서(up-conversion mixer), 파워 증폭기(power amplifier), 저잡음 증폭기(low noise amplifier), 하향 변환 믹서(down-conversion mixer) 및 필터 등을 포함할 수 있다. RFIC(12)에 포함된 RF 송수신부(13)는 PMIC(11)로부터 공급받는 2.8V의 전압을 사용한다. RFIC(12)는 PMIC(11)에 사용되는 고전압 공정을 사용하지 아니하고, 표준 CMOS 공정을 사용하여 제작된다.
종래기술에 의한 RFIC(12)는 상술한 바와 같이 PMIC(11)에서 공급된 전압을 사용한다. 그러나, 실제 제품 개발에 있어서, 이와 다른 요구들이 발생하고 있다. 보다 구체적으로, 휴대 전화기 등의 개발에 있어서, 이미 검증된 PMIC는 변경되지 아니하고, RFIC를 여러 회사로부터 공급을 받거나 한 회사로부터 다양한 버전(version)의 RFIC를 공급받아 사용함으로써 사용되는 RFIC를 변경되는 경우가 흔히 발생한다. 이 경우, PMIC가 공급하는 전압과 RFIC의 RF 송수신부가 사용하는 전압이 서로 다른 경우가 발생할 수 있다. 일례로 초기 버전의 RFIC는 PMIC에서 공급되는 2.8V의 전압을 그대로 사용하였으나, 이후의 개선된 버전의 RFIC는 0.13um 공정으로 사용하므로 1.2V의 전압을 입력받아야 할 필요가 있는 경우가 발생할 수 있다. 이 경우, 기존의 PMIC를 1.2V의 전압을 출력하는 PMIC로 대체하면 전혀 문제가 없을 것이나, 1.2V의 전압을 출력하는 새로운 PMIC를 검증하고 휴대 전화기에 적용하는데 많은 시간과 비용이 소요될 수 있으므로, 무선 전화기 등을 개발하는 회사는 기존의 검증된 PMIC를 그대로 사용하기를 원할 것이다. 따라서, RFIC가 RF 송수신부에서 사용되는 전압보다 높은 전압을 PMIC로부터 입력받아 입력받은 전압을 RF 송수신부에서 사용되는 전압으로 강하해야 할 필요성이 발생하고 있으며, 상술한 종래기술에 의한 RFIC는 이러한 필요성에 부응하지 못한다는 문제점이 있다. 보다 구체적으로, 종래기술에 의한 RFIC는 PMIC에서 제공되는 전압을 입력받아 이를 바로 내부 회로의 공급 전압으로 사용하는 반면에, PMIC에서 제공되는 전압보다 내부 사용전압이 낮은 RFIC는 외부 혹은 내부에 입력 PMIC에서 제공되는 전원을 낮추는 회로가 필요하게 된다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기한 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 입력되는 전압을 내부에서 강하할 수 있는 RFIC를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 전력 소모에 매우 민감한 휴대 전화기 등의 휴대용 무선 단말기에 적용될 수 있도록, RFIC 내부에서 수행되는 전압 강하에 소모되는 전력을 줄인 RFIC를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 잡음에 민감한 RF 송수신부를 보호하기 위하여, RFIC 내부에서 수행되는 전압 강하에 의하여 얻어진 전압에 잡음이 적게 발생하도록 구성된 RFIC를 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 제 1 측면은 RF 송신 및 수신을 수행하는 RF 송수신부; PMIC로부터 전달된 전압을 강하하여 출력하는 DC-DC 변환기; 및 상기 DC-DC 변환기에서 출력되는 전압을 입력받아 상기 RF 송수신부에서 사용되는 전압으로 고정된 전압을 상기 RF 송수신부로 출력하는 LDO 레귤레이터를 포함하는 RFIC를 제공한다.
바람직하게, 상기 LDO 레귤레이터의 강하 전압은 DC-DC 변환기의 강하 전압보다 작고 0보다 크다. 또한, 바람직하게, 상기 PMIC는 고전압 공정에 의하여 제작되는 반면에, 상기 RF 송수신부, 상기 DC-DC 변환기 및 상기 LDO 레귤레이터는 표준 CMOS 공정에 의하여 제작된다. 또한, 바람직하게, 상기 DC-DC 변환기는 인덕터 가 없는 DC-DC 변환기이며, 상기 DC-DC 변환기의 입력 전압과 출력 전압의 비는 0.5이다. 또한, 바람직하게, 상기 PMIC로부터 상기 DC-DC 변환기로 전달되는 전압은 2.4V 이상 3.3V 이하이며, 일례로 2.8V이다. 또한, 바람직하게 상기 PMIC와 상기 RFIC는 별도의 칩 또는 다이에 제작된다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 여러가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인하여 한정되는 식으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 실시예들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 RFIC를 나타내는 도면이다. 도 2를 참조하면 RFIC는 DC-DC 변환기(16), 저전압 강하 레귤레이터(low dropout regulator, 이하 간략히 LDO 레귤레이터라 함, 17) 및 RF 송수신부(13)를 포함한다.
DC-DC 변환기(16)는 PMIC(11)로부터 전달된 입력 전압을 강하하여 LDO 레귤레이터(17)로 출력하는 기능을 수행한다. DC-DC 변환기(16)는 일반적으로 스위치, 인덕터 및 캐패시터를 구비하며, DC-DC 변환기로서 일례로 벅 변환기(buck converter)가 사용될 수 있다. 또한, DC-DC 변환기(16)로서 인덕터를 구비하지 아니한 인덕터가 없는 DC-DC 변환기가 사용될 수도 있다. 이 경우 인덕터가 없으므로, EMI(electromagnetic interference) 문제가 발생하지 아니할 수 있다는 장점이 있다. 인덕터가 없는 DC-DC 변환기는 입력 전압과 출력전압의 비가 일례로 1/n(여기에서 n은 2 이상의 정수)에 해당한다. 따라서, n은 PMIC(11)로부터 전달되는 전압 및 RF 송수신부(13)가 사용하는 전압을 고려하여 결정되어야 하며, 대게의 경우 PMIC(일례로 2.8V 출력, 11)에서 출력되는 전압이 RF 송수신부(일례로 1.3um 또는 0.9um 표준 CMOS 공정 사용, 13)에서 사용되는 전압보다 2배 이상인 경우가 많을 것이므로, n은 2인 것이 바람직하다.
LDO 레귤레이터(17)는 DC-DC 변환기(16)에서 출력되는 전압을 입력받아 RF 송수신부(13)에서 사용되는 소정 전압으로 고정된 전압을 출력하는 기능을 수행한다. LDO 레귤레이터(17)는 선형 레귤레이터로서, 출력 전압을 허용 한도 내에 머물도록 하는 기능을 수행한다.
RF 송수신부(13)는 LDO 레귤레이터(17)에서 출력되는 전압을 입력받으며, RF 송신 및 수신을 수행한다. 이를 위하여 일례로 상향 변환 믹서, 전력 증폭기, 저잡음 증폭기 및 하향 변환 믹서 등을 포함할 수 있다.
LDO 레귤레이터(17)는 일종의 선형 레귤레이터이므로, LDO 레귤레이터(17)에서도 전압 강하가 발생한다. 따라서, DC-DC 변환기(16)를 사용하지 아니하고, LDO 레귤레이터(17)만을 사용하여 PMIC(11)로부터 전달된 전압을 RF 송수신부(13)에 사용되는 전압으로 강하하는 것도 고려될 수 있을 것이다. 그러나, DC-DC 변환기(16) 및 LDO 레귤레이터(17)를 사용하는 본 발명과 달리, LDO 레귤레이터(17)만을 사용하여 전압 강하를 수행할 경우 LDO 레귤레이터(17)에서 상대적으로 많은 전력 손실이 발생한다는 문제점이 발생한다. 보다 구체적으로, DC-DC 변환기(16)는 높은 효 율성을 가지므로 전압 강하에도 불구하고 전력 손실이 낮은 반면에, LDO 레귤레이터(17)는 강하 전압(LDO 레귤레이터의 입력 전압과 출력 전압의 차)과 전류의 곱에 해당하는 높은 전력 손실이 발생한다. 만일 RF 송수신부(13)에서 사용되는 전압보다 LDO 레귤레이터(17) 강하 전압이 더 큰 경우, RF 송수신부(13)보다 LDO 레귤레이터(17)에서 더 많은 전력 손실이 발생한다. LDO 레귤레이터(17)만을 사용하는 RFIC(12')는 이와 같이 많은 전력 손실이 발생하므로 저전력 소모를 요구하는 휴대용 통신 단말기에 적합하지 아니하고, 발열이 많으므로 안정적인 동작을 요구하는 RF 송수신부(13)와 함께 사용되지 않는 것이 바람직하다. 따라서, LDO 레귤레이터(17)의 전력 손실을 줄이기 위해서는 LDO 레귤레이터(17)에 의하여 강하되는 전압을 줄여야 하며, 그러기 위해서는 제안된 발명과 같이 RFIC(12')가 DC-DC 변환기(16) 및 LDO 레귤레이터(17)를 포함하여야 한다. LDO 레귤레이터(17)의 강하 전압은 DC-DC 변환기(16)의 강하 전압(DC-DC 변환기의 입력 전압과 출력 전압의 차)보다 작은 것 즉 LDO 레귤레이터(17)의 강하 전압은 0 초과 DC-DC 변환기의 강하 전압 미만인 것이 바람직하다.
DC-DC 변환기(16)에서 주된 전압 강하가 발생하는 반면에 전력 손실은 작게 발생하므로, LDO 레귤레이터(17)를 사용하지 아니하고 DC-DC 변환기(16)만을 사용하여 전압 강하를 수행하는 것도 고려될 수 있을 것이다. 그러나, DC-DC 변환기(16) 및 LDO 레귤레이터(17)를 사용하는 본 발명과 달리, DC-DC 변환기(16)만을 사용하여 전압 강하를 수행할 경우 DC-DC 변환기(16)에서 출력되는 리플 전압이 RF 송수신부(13)에 잡음으로 작용하여 RF 송수신부(13)의 성능 저하가 발생한다는 문 제점이 있다. 보다 구체적으로, LDO 레귤레이터(17)는 선형 레귤레이터로서 내부에서 스위치 동작이 발생하지 아니하여 리플이 발생하지 아니하는 전압을 출력하는 반면에, DC-DC 변환기(16)는 내부의 스위치 동작에 의하여 강압이 수행되므로 리플이 있는 전압을 출력한다. 따라서, DC-DC 변환기(16)의 출력을 그대로 RF 송수신부(13)에 입력하는 경우, 전압 리플으로 인하여 RF 송수신부(13)의 성능이 저하된다는 문제점이 발생한다. 따라서, 제안된 발명과 같이 RFIC(12')가 DC-DC 변환기(16) 및 LDO 레귤레이터(17)를 포함하는 것이 바람직하다.
DC-DC 변환기(16) 및 LDO 레귤레이터(17)에 고전압 CMOS 공정이 사용되고, RF 송수신부(13)에 표준 CMOS 공정이 사용되는 경우, RFIC(12') 제작에 많은 비용이 발생할 수 있으므로, DC-DC 변환기(16), LDO 레귤레이터(17) 및 RF 송수신부(13) 모두에 표준 CMOS 공정이 사용됨이 바람직하다. 이를 위하여, RFIC(12')로 입력되는 전압은 표준 CMOS 공정이 가능한 소정 전압 이하(일례로 3.3V 이하)로 제한될 수도 있다. 표준 CMOS 공정을 사용하는 RFIC(12')와 고전압 공정을 사용하는 PMIC(11)는 별도의 칩 또는 별도의 다이(die)에 제작됨이 바람직하다.
또한, DC-DC 변환기(16)에서 출력되는 전압이 RF 송수신부(13)에서 사용되는 전압보다 낮은 경우, LDO 레귤레이터(17)가 RF 송수신부(13)에서 사용되는 전압보다 낮은 전압을 RF 송수신부(13)로 출력할 수 있다. 이는 원하는 동작이 아니므로, DC-DC 변환기(16)에서 출력되는 전압은 항상 RF 송수신부(13)에서 사용되는 전압보다 크도록 주의하여야 한다. 즉, DC-DC 변환기(16)의 출력 전압의 리플, PMIC(11)로부터 DC-DC 변환기(16)로 전달되는 전압의 오차 및 DC-DC 변환기(16)로 입력되는 전압이 일정하더라도 공정 조건의 변화 등에 따라서 DC-DC 변환기(16)의 출력에서 발생하는 오차 등을 고려하여 DC-DC 변환기(16)의 출력 전압이 RF 송수신부(13)에서 사용되는 전압보다 조금 높게 설정하는 것이 바람직하다.
도면에는 PMIC(11)로부터 RFIC(12')로 2.8V의 전압이 전달되고, DC-DC 변환기(16)가 2.8V를 대략 1.4V로 변환하고, LDO 레귤레이터(17)가 DC-DC 변환기(16)에서 출력되는 대략 1.4V의 전압을 1.2V로 고정하여 RF 송수신부(13)로 전달하는 예가 표현되어 있다.
PMIC(11)의 출력 전압은 2.4V 이상 3.3V 이하인 것이 바람직하다. 여기에서 3.3V는 1.3um CMOS 표준 공정 또는 0.9um CMOS 표준 공정을 사용한 RFIC(12')의 최대 허용 전압이다. 또한, 2.4V는 DC-DC 변환기(16)의 출력 전압이 입력 전압의 0.5배에 해당하고, 1.3um CMOS 표준 공정 또는 0.9um CMOS 표준 공정을 사용하는 RFIC(12')가 1.2V를 사용하는 경우에, DC-DC 변환기(16)가 RFIC(12')가 요구하는 1.2V 이상을 LDO 레귤레이터(17)로 공급하기 위한 최소 전압에 해당한다. PMIC(11)는 일례로 2.8V일 수 있다. 2.8V는 종래에 흔히 사용되던 SiGe RF 송수신부에 적합한 전압으로서, 현재 PMIC(11)의 출력 전압으로 널리 사용되고 있다. PMIC(11)는 주로 4 내지 5V의 전압을 배터리로부터 공급받으므로 고전압 공정을 사용하여 제작됨이 바람직하다.
제안하는 방식은 PMIC(11)로부터 오는 입력 전압이 높고 RFIC(12')의 RF 송수신부(13)의 사용 전압이 낮은 경우에 효과적이며, 이는 특히 0.13um 이하의 미세 공정에서 소모 전력을 줄이는 효율적인 방식이 된다.
도 3은 LDO 레귤레이터만을 사용한 RFIC(a)와 본 발명에 의한 RFIC(b)의 전력소모를 비교하기 위한 도면이다.
RFIC(12")의 소모 전류를 45mA라고 가정하였을 경우, LDO 레귤레이터(16')만을 사용한 RFIC(12", (a))는 45mA * 2.8V = 126mW의 전력을 소모한다.
이에 반하여, RFIC(12')의 소모 전류를 45mA라고 가정하고 DC-DC 변환기의 효율을 90%라고 가정하였을 경우, 본 발명에 의한 RFIC(12', (b))는 45mA * 1.4V / 0.9 = 70mW의 전력을 소모한다. 따라서, 본 발명에 의한 RFIC는 LDO 레귤레이터만을 사용한 RFIC에 비하여 높은 효율을 가짐을 알 수 있다.
본 발명에 의한 RFIC는 입력되는 전압을 내부에서 강하할 수 있으므로, PMIC에서 출력되는 전압이 소정 전압으로 고정되어 있고 RFIC에 포함된 RF 송수신부가 사용하는 전압이 상기 PMIC에서 출력되는 소정 전압보다 훨씬 낮은 경우에도 상기 PMIC에서 출력되는 전압을 입력 전압으로 사용할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 의한 RFIC는 내부에서 수행되는 전압 강하에 소모되는 전력을 줄임으로써, 전력 소모에 매우 민감한 이동 전화기 등의 휴대용 무선 단말기에 적용될 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 의한 RFIC는 내부에서 수행되는 전압 강하에 의한 잡음이 작게 발생하므로 잡음에 민감한 RF 송수신부를 보호할 수 있다는 장점이 있다.

Claims (9)

  1. RF 송신 및 수신을 수행하는 RF 송수신부;
    PMIC로부터 전달되는 전압을 강하하여 출력하는 DC-DC 변환기; 및
    상기 DC-DC 변환기에서 출력되는 전압을 입력받아 상기 RF 송수신부에서 사용되는 전압으로 고정된 전압을 상기 RF 송수신부로 출력하는 LDO 레귤레이터를 포함하는 RFIC.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 LDO 레귤레이터의 강하 전압은 DC-DC 변환기의 강하 전압보다 작고 0보다 큰 RFIC.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 PMIC는 고전압 공정에 의하여 제작된 반면에, 상기 RF 송수신부, 상기 DC-DC 변환기 및 상기 LDO 레귤레이터는 표준 CMOS 공정에 의하여 제작된 RFIC.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 DC-DC 변환기는 인덕터가 없는 DC-DC 변환기인 RFIC.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 DC-DC 변환기의 입력 전압과 출력 전압의 비는 0.5인 RFIC.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 PMIC로부터 상기 DC-DC 변환기로 전달되는 전압은 2.4V 이상 3.3V 이하인 RFIC.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 PMIC로부터 상기 DC-DC 변환기로 전달되는 전압은 2.8V인 RFIC.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 PMIC와 상기 RFIC는 별도의 칩에 제작된 RFIC.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 PMIC와 상기 RFIC는 별도의 다이에 제작된 RFIC.
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