KR100801872B1 - 선형성이 개선된 저잡음 증폭기 - Google Patents

선형성이 개선된 저잡음 증폭기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 저잡음 증폭기(low noise amplifier)에 관한 발명으로서, 보다 구체적으로 잡음 지수(noise figure)의 희생을 줄이면서도 선형성(linearity)을 증가시킬 수 있는 저잡음 증폭기에 관한 발명이다.
본 발명은 입력 신호가 게이트에 인가되는 제1 MOSFET; 소스가 상기 제1 MOSFET의 드레인에 접속된 제2 MOSFET; 상기 입력 신호의 평균 신호 전력에 대응하는 신호를 출력하는 포락선 검출부; 및 상기 포락선 검출부에서 출력되는 신호를 증폭하여 상기 제2 MOSFET의 게이트에 인가하는 포락선 증폭기를 포함하는 저잡음 증폭기를 제공한다.

Description

선형성이 개선된 저잡음 증폭기{LOW NOISE AMPLIFIER WITH IMPROVED LINEARITY}
도 1은 일반적인 송수신 회로를 간략히 표현한 도면이다.
도 2는 종래기술에 의한 증폭기 및 그 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 증폭기를 나타내는 도면이다.
*도면의 주요 부분에 부호의 설명*
12: DAC 14: 상향 변환 믹서
16: 전력 증폭기 18: 듀플렉서
20: 안테나 22: 저잡음 증폭기
24: 상향 변환 믹서 26: 가변 이득 증폭기
28: 필터 30: ADC
32,46: 포락선 검출부 34: 트랜지스터
42: 공통 소스 증폭기(제1 MOSFET) 44: 공통 게이트 증폭기(제2 MOSFET)
48: 포락선 증폭기 50, 52: 인덕터
54: 다이오드 56: 저대역 통과 필터
본 발명은 저잡음 증폭기(low noise amplifier)에 관한 발명으로서, 보다 구체적으로 잡음 지수(noise figure)의 희생을 줄이면서도 선형성(linearity)을 증가시킬 수 있는 저잡음 증폭기에 관한 발명이다.
도 1은 일반적인 송수신 회로를 간략히 표현한 도면이다. 도 1을 참조하면, 송수신 회로는 기저대역 처리부(10), DAC(digital-to-analog converter, 12), 상향 변환 믹서(up-conversion mixer, 14), 전력 증폭기(power amplifier, 16), 듀플렉서(duplexer, 18), 안테나(20), 저잡음 증폭기(22), 하향 변환 믹서(down-conversion mixer, 24), 가변 증폭기(variable gain amplifier, 26), 필터(28), ADC(analog-to-digital converter, 30) 및 국부 발진기(local oscillator, 32)를 포함한다.
도면에서 저잡음 증폭기(22)는 수신 경로의 첫 증폭기이므로, 저잡음 증폭기(22)의 잡음 지수는 수신 경로 전체의 잡음 지수에 바로 합산된다. 따라서, 수신 경로에 있는 여러 증폭기들(22,26) 중에서, 저잡음 증폭기(22)가 수신 경로 전체의 잡음 지수에 가장 큰 영향을 끼친다. 따라서, 저잡음 증폭기는 특히 작은 잡음 지수를 갖도록 신중하게 설계되어야 한다.
저잡음 증폭기(22)에 있어서, 선형성(linearity)도 상당히 중요한 고려 대상 중 하나이다. 왜냐하면, 비선형성으로 인하여 단일-톤 감도 억압(single-tone desensitization) 및 혼변조 간섭(cross modulation interference) 등이 발생할 수 있기 때문이다. 일례로, 원하는 신호인 CDMA(Code Division Multiple Access) 수신 채널에 인접하여(일례로 900KHz 이격된 위치에) 높은 신호 레벨의 AMPS(Advanced Mobile Phone System) 채널이 있는 경우에, AMPS 채널이 CDMA 수신 채널에 대하여 단일-톤 간섭자로서 작용한다. 저잡음 증폭기(22)에 비선형성이 있는 경우에, 단일-톤 간섭자인 AMPS 채널의 신호에 의하여, 원하는 신호인 CDMA 수신 채널 신호에 대한 감도가 낮아진다(즉 이득이 낮아진다). 이를 단일-톤 감도 억압이라 한다. 또한, CDMA 송신 채널 신호가 듀플렉서(18)에서 저잡음 증폭기(22)로 누설되는 경우에, CDMA 송신 채널 신호와 단일 톤 간섭자와의 혼변조 간섭이 발생한다. 혼변조 간섭은 단일 톤 간섭자를 중심으로 CDMA 송신 채널의 대역폭에 해당하는 대역폭을 가진다. 따라서, 혼변조 간섭은 단일 톤 간섭자에 인접한 CDMA 수신 채널 신호에 간섭을 야기한다.
상술한 바와 같은 단일-톤 감도 억압 및 혼변조 간섭을 억제하기 위해서는 저잡음 증폭기(22)의 선형성을 개선하여야 한다. 증폭기의 선형성을 개선하는 가장 손쉬운 방법은 바이어스 전류(bias current)를 증가시키는 것이다. 그러나 바이어스 전류를 증가시키는 경우, 전력 소모가 증가하여, 모바일 장치의 배터리 수명을 단축시킨다. 따라서, 선형성을 개선하면서도, 전력 소모를 최소화할 수 있는 방안이 요구된다.
이러한 방안의 일례로서, 입력 신호가 작은 경우에는 바이어스 전류를 최소 화하여 전력 소모를 줄이며, 입력 신호가 큰 경우에는 바이어스 전류를 증가시켜 높은 선형성을 확보하는 방안이 논문 "Vincent W. Leung, Junxiong Deng, Prasad S. Gudem, and Lawrence E. Larson, Analysis of Envelope Signal Injection for Improvement of RF Amplifier Intermodulation Distortion, IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 40, No. 9, Sep. 2005, pp. 1888-1894"에 개시되어 있다. 상기 논문에 표현된 증폭기를 간략히 표시한 도면 및 상기 증폭기의 동작을 설명하기 위한 도면이 도 2의 (a) 및 (b)에 각각 표현되어 있다.
도 2의 (a)를 참조하면, 상기 증폭기는 기존의 방식에 비하여 포락선 검출부(envelope detector, 32)를 추가적으로 포함한다. 포락선 검출부(32)는 입력 신호의 평균 신호 전력을 감지하고, 감지된 평균 신호 전력에 따라 트랜지스터(34)의 바이어스 전류를 조절한다. 입력 신호의 전력이 증가하면, 트랜지스터의 바이어스 전류가 증가하며, 부하선(loadline)이 도 2(b)에 표현된 바와 같이 변경된다. 결과적으로, 입력 신호 전력이 작으면 작은 바이어스 전류를 이용하여 증폭하고, 입력 신호 전력이 크면 큰 바이어스 전류를 이용하여 증폭하게 된다. 따라서, 평균적인 전력 소모가 감소하게 된다.
그러나, 상술한 증폭기는 높은 선형성과 낮은 전력 소모를 획득한 반면에 잡음 지수가 커지는 큰 단점을 가진다. 보다 구체적으로, 포락선 검출부(32)의 출력이 트랜지스터(34)의 입력단에 연결되어 있으므로, 포락선 검출부(32)에 의하여 추가된 잡음 일례로 열 잡음(thermal noise)이 트랜지스터(34)에 의하여 증폭되어 출력되며, 이는 증폭기의 잡음 지수에 상당히 영향을 끼친다. 이러한 문제점으로 인 하여 상기 증폭기는 잡음 지수가 상대적으로 중요하지 아니한 전력 증폭기(16) 등에 주로 사용된다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기한 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 높은 선형성, 작은 전력 소모 및 낮은 잡음 지수를 획득할 수 있는 증폭기를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 저잡음 증폭기로서 사용되기에 적합한 증폭기를 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 제 1 측면은 입력 신호가 게이트에 인가되는 제1 MOSFET; 소스가 상기 제1 MOSFET의 드레인에 접속된 제2 MOSFET; 상기 입력 신호의 평균 신호 전력에 대응하는 신호를 출력하는 포락선 검출부; 및 상기 포락선 검출부에서 출력되는 신호를 증폭하여 상기 제2 MOSFET의 게이트에 인가하는 포락선 증폭기를 포함하는 저잡음 증폭기를 제공한다.
본 발명의 제 2 측면은 공통 소스 증폭기 및 공통 게이트 증폭기를 구비하며, 입력 신호를 입력받는 캐스코드 증폭기; 및 상기 입력 신호의 평균 신호 전력에 대응하는 신호를 상기 공통 게이트 증폭기의 게이트에 인가하는 포락선 검출부를 포함하는 증폭기를 제공한다.
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 3은 본 발명의 실시예에 의한 증폭기를 나타내는 도면이다. 도 3에서, 증폭기는 공통 소스 증폭기(common source amplifier, 42), 공통 게이트 증폭기(common gate amplifier, 44), 포락선 검출부(46) 및 포락선 증폭기(48)를 포함한다. 또한, 증폭기는 제1 인덕터(50) 및 제2 인덕터(52)를 더 포함할 수 있다.
공통 소스 증폭기(42) 및 공통 게이트 증폭기(44)는 상호 연결되어 캐스코드 증폭기(cascode amplifier)를 형성한다. 공통 소스 증폭기(42)의 게이트에 입력 신호가 인가되며, 출력 신호는 공통 게이트 증폭기(44)의 드레인에서 출력된다.
포락선 검출부(46)는 입력 신호의 평균 신호 전력을 측정하고, 측정된 평균 신호 전력에 대응하는 신호를 출력한다. 포락선 검출부(46)는 간단히 다이오드(54) 및 저대역 통과 필터(56)로 구현될 수도 있다.
포락선 증폭기(48)는 포락선 검출부(46)에서 출력되는 신호를 증폭하여 출력하는 기능을 수행한다. 포락선 증폭기(48)에서 "포락선"이란 용어는 포락선 검출부(46)에서 출력되는 신호를 증폭한다는 의미에서 사용된 것이지, 특별히 다른 의미가 있는 것이 아니다. 즉, 포락선 증폭기(48)로서 일반적인 증폭기가 사용되어도 무방하다. 포락선 증폭기(48)는 반전 증폭기일 수도 있으며, 비반전 증폭기일 수도 있다. 포락선 증폭기(48)의 이득은 이후에 설명될 포락선 경로의 이득(β)이 이후에 설명될 수학식 3을 만족하도록 설정되는 것이 바람직하다. 이를 위하여 포락선 증폭기(48)는 가변 이득 증폭기(variable gain amplifier)일 수도 있다.
제1 인덕터(50)는 출력 임피던스 매칭(output impedance matching)을 위하여 사용되며, 공통 게이트 증폭기(44)의 드레인 및 제1 전원(Vdd)에 접속된다.
제2 인덕터(52)는 잡음 매칭 및 입력 임피던스 매칭 등을 위하여 사용되며, 공통 소스 증폭기(42)의 소스 및 제2 전원(Vss)에 접속된다.
이하 수학식을 이용하여 상기 증폭기의 동작을 살펴보도록 한다. 공통 소스 증폭기(42)의 대신호 방정식은 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112006078675812-pat00001
상기 수학식에서 IDS는 공통 소스 증폭기(42)의 드레인 전류, μn은 전자의 이동도(mobility), COX는 단위 면적당 산화막의 캐패시턴스, W는 폭, L은 길이, λ는 채널 길이 변조(channel length modulation) 계수, VDS는 공통 소스 증폭기(42)의 드레인 소스 간 전압, VGS는 공통 소스 증폭기(42)의 게이트 소스 간 전압, VTH는 공통 소스 증폭기(42)의 문턱 전압을 의미한다.
입력 소신호가 vin이고, 포락선 검출부(46) 및 공통 게이트 증폭기(44)에 의하여 공통 소스 증폭기(42)의 드레인에 포락선 신호 βv2 in이 인가되었을 때, 공통 소스 증폭기의 소신호 드레인 전류(iDS)는 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112006078675812-pat00002
Figure 112006078675812-pat00003
상기 수학식에서, k는 (1/2)μnCOX(W/L)이고, β는 포락선 경로(포락선 검출부(46)의 입력에서 공통 게이트 증폭기(44)의 소스까지의 경로)의 이득을 의미하며, g1, g2 및 g3는 각각, 공통 소스 증폭기(42)의 입력에 대한 출력의 비선형성을 다항식(polynomial)으로 표현할 때, 1차, 2차 및 3차 항(term)을 나타내는 계수이다.
본 발명에 의한 증폭기의 선형성을 개선하기 위해서는 3차 항(term)의 계수를 0으로 만들면 되므로 β가 수학식 3과 같도록 설정하면 된다.
Figure 112006078675812-pat00004
β가 상기 수학식을 만족하는 경우에, 본 발명에 의한 증폭기는 3차 항이 제 거되므로, 선형성이 최적으로 개선될 수 있다. g1 및 g3의 극성이 같으면, β가 음수이므로, 상기 포락선 증폭기(48)는 반전 증폭기여야 한다. g1 및 g3의 극성이 다르면, β가 양수이므로, 상기 포락선 증폭기(48)는 비반전 증폭기여야 한다. 일반적으로 N 채널 MOSFET(N channel metal-oxide semiconductor field effect transistor)의 경우, 보통 반전(moderate inversion) 영역에서는 g1 및 g3의 극성이 동일하며, 강 반전(strong inversion) 영역에서는 g1 및 g3의 극성이 서로 다르다.
상술한 도면에서, 출력 신호는 공통 게이트 증폭기(44)의 드레인에서 출력되나, 도면과 달리 공통 소스 증폭기(42)의 드레인에서 출력될 수도 있다. 당업자라면, 이 경우에도 상기 수학식 1 내지 3이 그대로 적용될 수 있다는 것을 쉽게 알 수 있을 것이다.
또한, 상술한 도면은 N 채널 MOSFET을 이용하여 공통 소스 증폭기(42) 및 공통 게이트 증폭기(44)를 구현하였으나, P 채널 MOSFET을 이용하여 공통 소스 증폭기(42) 및 공통 게이트 증폭기(44)를 구현하여도 무방하다.
본 발명에 의한 증폭기는 드레인 전류를 크게 증가시키지 않으면서도, 증폭기의 3차 항의 계수를 0으로 만들 수 있으므로, 높은 선형성과 낮은 전력 소모를 동시에 만족시킬 수 있다는 장점이 있다. 보다 구체적으로, 바이어스 전류를 증가 시키는 방식으로 선형성을 개선하는 경우에 3dB의 선형성을 개선하기 위해서는 대략 2배의 바이어스 전류를 공급하여야 한다. 그러나, 본 발명에 의한 증폭기는 바이어스 전류를 증가시키는 방식으로 선형성을 개선하지 아니하고, 3차 항 계수를 제거하는 방식으로 선형성을 개선하므로, 이러한 많은 전류 공급을 요구하지 아니한다.
또한, 본 발명에 의한 증폭기는 종래기술에 의한 증폭기와 달리 잡음 지수를 희생하지 아니한다는 장점이 있다. 보다 구체적으로, 도 2에 표현된 종래기술에 의한 증폭기에 있어서, 포락선 검출부에서 발생한 잡음이 증폭용 트랜지스터(34)의 입력단에 입력되어 증폭되므로, 포락선 검출부에 의하여 잡음 지수가 크게 증가한다는 문제점이 있었다. 그러나, 본 발명에 의한 증폭기에 있어서, 포락선 검출부의 출력은 증폭용 트랜지스터(42)의 입력단에 입력되지 아니하고, 증폭용 트랜지스터(42)의 드레인 전압을 조절하는데 사용되므로, 잡음 지수가 크게 증가하지 아니한다.
또한, 본 발명에 의한 증폭기는 수신 회로에 포함된 저잡음 증폭기로서 사용되기에 적합하다는 장점이 있다.

Claims (11)

  1. 입력 신호가 게이트에 인가되는 제1 MOSFET;
    소스가 상기 제1 MOSFET의 드레인에 접속된 제2 MOSFET;
    상기 입력 신호의 평균 신호 전력에 대응하는 신호를 출력하는 포락선 검출부; 및
    상기 포락선 검출부에서 출력되는 신호를 증폭하여 상기 제2 MOSFET의 게이트에 인가하는 포락선 증폭기
    를 포함하는 저잡음 증폭기.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 포락선 검출부는
    상기 입력 신호를 입력받는 다이오드; 및
    상기 다이오드의 출력을 입력받는 저대역 통과 필터를 구비하는 저잡음 증폭기.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 포락선 증폭기의 이득은 포락선 경로의 이득 β가 아래의 수학식을 만족하도록 설정되며,
    Figure 112006078675812-pat00005
    상기 수학식에서 λ는 채널 길이 변조 계수를 의미하고, g1 및 g3은 각각, 상기 제1 MOSFET의 입력에 대한 출력의 비선형성을 다항식으로 표현할 때, 1차 및 3차 항의 계수를 의미하는 저잡음 증폭기.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 저잡음 증폭기의 출력 신호는 상기 제2 MOSFET의 드레인에서 출력되는 저잡음 증폭기.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 저잡음 증폭기의 출력 신호는 상기 제1 MOSFET의 드레인에서 출력되는 저잡음 증폭기.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 MOSFET의 드레인 및 제1 전원의 사이에 연결된 제1 인덕터를 더 포함하는 저잡음 증폭기.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 제1 MOSFET의 소스 및 제2 전원의 사이에 연결된 제2 인덕터를 더 포함하는 저잡음 증폭기.
  8. 공통 소스 증폭기 및 공통 게이트 증폭기를 구비하며, 입력 신호를 입력받는 캐스코드 증폭기; 및
    상기 입력 신호의 평균 신호 전력에 대응하는 신호를 상기 공통 게이트 증폭기의 게이트에 인가하는 포락선 검출부
    를 포함하는 증폭기.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 포락선 검출부는
    상기 입력 신호를 입력받는 다이오드; 및
    상기 다이오드의 출력을 입력받는 저대역 통과 필터를 구비하는 증폭기.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 포락선 검출부 및 상기 공통 게이트 증폭기의 상기 게이트 사이에 연결되어, 상기 포락선 검출부에서 출력되는 신호를 증폭하여 상기 공통 게이트 증폭기의 상기 게이트에 인가하는 포락선 증폭기를 더 포함하며,
    상기 포락선 증폭기의 이득은 포락선 경로의 이득 β가 아래의 수학식을 만족하도록 설정되며,
    Figure 112006078675812-pat00006
    상기 수학식에서 λ는 채널 길이 변조 계수를 의미하고, g1 및 g3은 각각, 상기 공통 게이트 증폭기의 입력에 대한 출력의 비선형성을 다항식으로 표현할 때, 1차 및 3차 항의 계수를 의미하는 증폭기.
  11. 저잡음 증폭기, 하향 변환 믹서, 가변 이득 증폭기, 필터 및 ADC를 포함하는 수신 회로에 있어서,
    상기 저잡음 증폭기는 제1 내지 제10 항 중 어느 한 항에 의한 저잡음 증폭기인 것을 특징으로 하는 수신 회로.
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