KR100868817B1 - 고 주파수 수신기, 통신 장치 및 저 잡음 증폭기 - Google Patents

고 주파수 수신기, 통신 장치 및 저 잡음 증폭기 Download PDF

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Abstract

프론트 엔드와 이 프론트 엔드가 구비된 고 주파수 수신기(1)가 개시되는데, 이 때 프론트 엔드는 저 잡음 증폭기로서 직교 저 잡음 증폭기(2-1, 2-2)를 포함한다. 이로써 국부 발진기(6-1, 6-2)와 직교 믹서(3-1, 3-2) 사이에는 높은 분리도가 달성되어, 믹서 출력(7, 8)에서 DC 오프셋을 줄여준다. 직교 저 잡음 증폭기는 MOST 혹은 FET 반도체(15)의 차동 AB급 캐스코드 배열로 구현될 수 있다. 결과적으로 고 선형성을 갖는 저 왜곡 수신기(1)가 달성된다.

Description

고 주파수 수신기, 통신 장치 및 저 잡음 증폭기{FRONT END AND HIGH FREQUENCY RECEIVER HAVING QUADRATURE LOW NOISE AMPLIFIER}
본 발명은 고 주파수 수신기용 프론트 엔드(front end)에 관한 것으로, 이 프론트 엔드는 저 잡음 증폭기(low noise amplifier)를 포함한다,
그리고 본 발명은 저 잡음 증폭기를 포함하는 전술한 프론트 엔드와, 이 저 잡음 증폭기에 접속된 직교 믹서(quadrature mixers)를 구비하는 고 주파수 수신기(high frequency receiver)에 관한 것이기도 하며, 고 주파수 수신기에 적용하기 위한 직교 저 잡음 증폭기(quadrature low noise amplifier)에 관한 것이기도 하다.
또한 본 발명은 고 주파수 수신기를 구비하는 통신 장치, 예를 들면 무선 수신기나, 송수신기나, 혹은 이동 또는 무선 전화기같은 전화기에 관한 것이기도 하다.
이러한 수신기는 J.C.Rudell 등이 IEEE Jounal of Solid-State Circuit( vol.32, No.12, December 1997, pages 2071-2088)에 발표한 논문 'A 1.9-GHz Wide-Band IF Double Conversion CMOS Receiver for Cordless Telephone Applications'에 공지되어 있다. 몇몇의 가능한 수신기 구조가 이 논문에 기재되어 있으며, 수신기의 높은 무선 주파수(RF) 프론트 엔드는 연속해서 안테나, RF 필터, 저 잡음 증폭기, IF 및 믹서 스테이지(mixer stages)를 차례로 포함한다. 하나 이상의 국부 발진기(LO)가 RF 신호를 IF 주파수와 믹싱하기 위해 이용되는데, 이 IF 주파수는 0이거나 거의 0인 주파수 신호일 수도 있다. 믹서 입력에 대한 국부 발진기 신호 누설, 적당한 LO 분리 및 셀프-믹싱(self-mixing)과 관련된 문제는, 불필요하면서 가변하기까지 하는 DC 오프셋을 여러 가지 믹서의 출력에 초래하는 것으로 알려져 있다. DC 오프셋은 결국 수신기의 동적 범위의 축소를 생기게 하여, 추가의 기술적 대책을 필요로 하게 되고, 이것은 한정된 칩 면적에 집적하는 것을 어렵게 만들어, 전력 소모와 함께 비용을 증가시킨다.
발명의 개요
그러므로, 본 발명의 목적은, 감소된 DC 오프셋을 발생하면서 감소된 비용으로 한정된 칩 면적에 완전히 집적될 수 있는 RF 프론트 엔드와 RF 수신기를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 프론트 엔드 및 고 주파수 수신기는 저 잡음 증폭기(LNA) 회로가 직교 LNA 회로인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 프론트 엔드 및 HF 수신기의 이점은 직교 LNA 회로를 직교 믹서의 프론트에 도입함으로써 믹서의 입력이 직교 LNA에 의해 분리되는 것이다. 그로 인해, 믹서 입력에 대한 직교 국부 발진기 신호의 누설이 효과적으로 방지되므로, 믹서의 출력에서 DC 오프셋을 감소시킨다. 또한, 이러한 감소는 본 발명에 따른 고 주파수 수신기의 동적 범위를 증가시킨다. 더 나아가, 직교 LNAs가 특정 응용과 관련해서도 거의 1이거나 그 보다 작은 적당한 증폭율을 가짐이 발견되었고, 이로써 간단한 직교 임피던스 트랜스포머(transformer)가 초래된다. 이것은 LNA 트랜스포머의 전력 소모를 줄이고, 그들이 차지하는 IC 칩 면적을 감소시킨다.
본 발명에 따른 고 주파수 수신기의 일 실시예는 직교 저 잡음 증폭기의 직교 경로가 차동으로 구현되는 것을 특징으로 한다. 이것은 2차 왜곡 효과를 바람직하게 감소시킨다. 또한, 기판 바운싱(substrate bouncing)에 대한 감도(sensitivity)도 감소되는데, 이것은 다시 한번 더 신호 왜곡이 최소로 유지됨을 의미한다.
본 발명에 따른 고 주파수 수신기의 다른 실시예는 차동 직교 저 잡음 증폭기가 AB급 동작 회로로서 구성되는 것을 특징으로 한다.
이러한 실시예는 고 선형성을 갖는데, 이것은 상호 변조 왜곡을 줄이면서, 이 AB급 동작 회로에 접속된 추가 회로를 구동하기 위한 충분한 출력 전류를 제공할 수 있다.
본 발명에 따라 고 주파수 수신기를 실현하는 성분의 개수가 감소되어 구현이 용이한 또 다른 실시예는 직교 저 잡음 증폭기가 반도체의 캐스코드 배열(cascode arrangement of semiconductors)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
적절한 바람직한 반도체는 NMOST나 PMOST같은 MOST 종류이거나, 또는 MESFET같은 FET 종류 등이다..
본 발명에 따른 고 주파수 수신기의 또다른 실시예는 반도체의 캐스코드 배 열 양단에 캐패시터가 연결되는 것을 특징으로 한다.
유리하게도 이러한 캐패시터는 반도체의 캐스코드 배열에 대해 국부 배터리처럼 동작하고, 또한 3차 고조파 왜곡을 약 10dB만큼 감소시켜 준다.
직교 LNAs 사이의 이득 부정합(gain mismatch)을 상쇄시킴으로써 선형성을 개선하기 때문에 바람직한 본 발명에 따른 고 주파수 수신기의 일 실시예는 고 주파수 수신기가 직교 저 잡음 증폭기의 각 출력과 직교 믹서의 각 입력 사이에 접속되는 2개의 직교 초퍼(quadrature choppers)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고 주파수 수신기의 또다른 실시예가 직교 초퍼와 직교 믹서가 수동 직교 초퍼/믹서(passive quadrature choppers/mixers)로 조합되는 것을 특징으로 한다면, 전력 소모의 추가 감소가 실현될 수 있을 것이고, 이것은 1개의 칩 수신기를 향한 개발과 관련하여 매우 중요하다.
유사한 이점들과 유리한 결과들은 이러한 고 주파수 수신기를 구비하는 통신 장치, 예컨대 무선 수신기나, 송수신기나, 혹은 이동 또는 무선 전화기같은 전화기와 관련하여 언급될 수 있다.
본 발명에 따른 고 주파수 수신기는 첨부 도면을 참조하면서 추가 이점들과 함께 설명될 것이며, 이 때 유사한 성분에 대해서는 동일한 참조 부호를 부여할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 고 주파수 수신기의 단순화된 블록도이다.
도 2는 도 1의 고 주파수 수신기에 적용하기 위한 수동 직교 초퍼의 가능한 실시예를 도시한다.
도 3은 직교 저 잡음 증폭기중 하나를 구현하고 있는 반도체의 차동 캐스코드 배열의 수동 실시예를 도시한다.
도 1은 고 주파수 수신기(1)의 블록도를 도시하는데, 특히 수신기의 프론트 엔드라고 불리우는 것을 도시하는 블록도이다. 수신기(1)는 프론트 엔드에 직교 저 잡음 증폭기(2-1 및 2-2)의 형태로 저 잡음 증폭기(2)를 포함하는데, 이 저 잡음 증폭기를 이후부터 LNAs(2)로 표시할 것이며, LNAs(2)는 '입력(input)'으로 표시된 단자와 대역 통과 필터 및/또는 안테나 스위치(둘다 도시 안됨)를 통해 안테나(마찬가지로 도시 안됨)로 접속된다. 수신기(1)는 또한 I-믹서(3-1) 및 Q-믹서(3-2)를 포함하는데, 이들은 일 실시예로서 각기 I 및 Q LNAs(2-1 및 2-2)의 출력 단자(4 및 5)에 곧장 접속될 수도 있다. 직교 믹서(3)는 일반적으로 하나의 국부 발진기(6)의 직교 출력 Io, Qo에 접속되고, 믹서 IF의 출력(7 및 8)은 직교 복조기(Demod)(9)에 접속되는데, 이것은 예를 들어 시그마-델타 복조기를 포함하거나 혹은 그 밖의 적당한 복조기를 포함할 수도 있다. 도시된 것처럼 I와 Q 경로를 갖는 이러한 수신기 체계는 예컨대 제로 IF(zero IF), 니어 제로 IF 수신기(near zero IF receiver) 등과 같은 IF 수신기(혹은 멀티스테이지 IF 수신기)에서 이용될 수 있다. 특히, 무선 수신기나, 송수신기나, 혹은 예컨대 이동 또는 무선 전화기 등의 전화기같은 통신 장치에는 고 주파수 수신기(1)가 구비된다. 직교 LNAs(2)를 수신기(1)에 포함함으로써, 발진기(6)로부터의 국부 발진기 출력 신호 Io 및 Qo가 크로스 믹싱(cross mixing) 혹은 셀프 믹싱(self mixing)되는 것이 방지되어, DC 오프셋이 차동 믹서 출력(differential mixer outputs)(7 및 8)에서 발생된다. 이것은 수신기(1)가 개선된 동적 범위를 갖도록 한다.
수신기(1)는 다른 실시예에서 직교 초퍼(10-1 및 10-2)를 포함할 수도 있다. 도 2는 고 주파수 수신기(1)에 적용 가능한 수동 직교 초퍼(10)의 일 실시예를 도시한다. 초퍼(10)는 수신기(1)의 직교 경로 I 및 Q에서 I와 Q 신호를 교환하여, LNAs(2-1 및 2-2) 사이에 있을 수 있는 이득 부정합을 상쇄시킴으로써 선형성을 개선한다. 초퍼(10)의 이러한 실시예는 이것이 조합된 초퍼 믹서 구조라는 점에서 바람직한데, 이것은 또한 수동형이어서, 결과적으로 감소된 전력 소모를 나타낸다. 수동 초퍼 믹서(10)는 아주 적당한 칩 면적을 갖는 하나의 칩으로 구현이 용이한 구조를 갖는다. 이것은 병렬 접속된 반도체(11-1 및 11-2)와, 차동 입력(13 및 14)을 연결하는 교차 접속된 반도체(12-1 및 12-2)로 구성된다. 반도체(11 및 12)가 국부 발진기 신호 LO나, 혹은 그 상위 스코어(upper score)를 갖는 반전 LO에 의해 각각의 게이트상에서 적절히 제어 및 시간 조정되기만 하면, 이 반도체는 수동형 저 전력 소모 구조를 갖는 것에 의한 동시 믹싱 및 초퍼 작동을 달성한다.
고 선형성 및 고 분리도(isolation)의 관점으로부터 I 또는 Q LNA(2)의 바람 직한 실시예가 도 3에 도시된다. 동 도면은 직교 저 잡음 증폭기를 구현하는 반도체(15-1,...,15-8)의 수동 저 전력 소비 차동 캐스코드 배열을 도시한다. 또한, 이전의 입력(4 및 5)에 해당하는 출력(17)은 이 경우에 차동 출력이고, 이 출력(17)은 반도체(15-2, 15-3, 15-6, 15-7)를 각기 분리시킴으로써 입력 제어 반도체(15-1, 15-4, 15-5, 15-8)로 부터 분리된다. 이것은 입력(16)과 출력(17) 사이에 높은 분리값을 초래하여, 입력(16)으로부터 잘 분리되도록 함으로써, 믹서(3)나 혹은 초퍼(10)에 접속되는 출력(17)에 존재할 수도 있는 국부 발진기 신호에 의한 셀프 믹싱을 줄여준다.
공급 전압 Vdd와 접지에 각기 접속되어 있는 회로 임피던스 Z1 및 Zs로부터 떨어져 있는 도 3의 LNA(2)는 또한 캐스코드 반도체(15) 양단에 도시된 것처럼 접속되어 있는 캐패시터 C를 구비한다. 이 캐패시터 C는 캐스코드 배열에 대해 배터리나 전압 공급원처럼 동작하여, LNA의 3차 왜곡을 감소시키고, 이 배열에 대해 개선된 선형성을 제공한다. 반도체(15)의 이 배열은 AB급 회로이고, 따라서 여기에 접속되는 다른 회로에 대해 유효 출력 전류가 차동 출력(17)에 의해 제공될 수도 있다. 일반적으로 반도체(15)는 NMOST나 PMOST같은 MOST 종류이거나, 혹은 MESFET같은 FET 종류 등일 수 있다.
전술한 내용이 필수적으로 바람직한 실시예와 가장 가능성있는 모드를 참조하여 설명되었더라도, 이 실시예들이 관련된 장치의 예들을 한정하는 것으로 해석되어서는 안됨이 이해될 것인데, 그 이유는 첨부된 청구 범위의 범주내에 속하는 다양한 수정안, 특징들 및 그 특징들의 조합이 당업자의 이해 범위내에 있기 때문 이다.

Claims (11)

  1. 삭제
  2. 저 잡음 증폭기(2)와, 상기 저 잡음 증폭기(2)에 접속되는 직교 믹서(quadrature mixers)(3-1,3-2)를 구비하는 고 주파수 수신기(1)에 있어서,
    상기 저 잡음 증폭기는 직교 저 잡음 증폭기(2-1,2-2)이고,
    상기 고주파 수신기(1)는 상기 직교 저 잡음 증폭기(2-1, 2-2)의 각 출력(4, 5)과 상기 직교 믹서(3-1, 3-2)의 각 입력 사이에 접속되는 두 개의 직교 초퍼(quadrature choppers)(10-1, 10-2)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
    고 주파수 수신기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 직교 저 잡음 증폭기(2-1, 2-2)의 직교 경로(I, Q)가 차동으로 구현되는 것을 특징으로 하는
    고 주파수 수신기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 차동 직교 저 잡음 증폭기(2-1;2-2)가 AB급 동작 회로로서 구성되는 것을 특징으로 하는
    고 주파수 수신기.
  5. 제 2 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 직교 저 잡음 증폭기(2-1, 2-2)가 반도체(15)의 캐스코드 배열(cascode arrangement of semiconductors)을 포함하는 것을 특징으로 하는
    고 주파수 수신기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 반도체(15)는 MOST 종류 또는 FET 종류인 것을 특징으로 하는
    고 주파수 수신기.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 반도체(15)의 캐스코드 배열 양단에 캐패시터(C)가 접속되는 것을 특징으로 하는
    고 주파수 수신기.
  8. 삭제
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 직교 초퍼(10-1, 10-2)와 상기 직교 믹서(3-1, 3-2)는 수동 직교 초퍼/믹서(passive quadrature choppers/mixers)(도 2)에 결합되는 것을 특징으로 하는
    고 주파수 수신기.
  10. 청구항 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 따른 고 주파수 수신기(1)가 구비된 통신 장치.
  11. 청구항 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 따른 고 주파수 수신기(1)에 적용되는 직교 저 잡음 증폭기(2-1, 2-2).
KR1020027012491A 2001-01-24 2001-12-19 고 주파수 수신기, 통신 장치 및 저 잡음 증폭기 KR100868817B1 (ko)

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