KR100963816B1 - A narrow band multi-band low noise amplifier with common source structure - Google Patents
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Abstract
본 발명은 다중 밴드 저잡음 증폭기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 휴대용 TV 수신기 등의 무선기기에서 다중 밴드를 소화하기 위해 공통 소스 구조로 이루어진 다수 개의 밴드별 협대역 저잡음 증폭기에 부궤환 인덕터를 공통으로 연결하고, 각 밴드별 협대역 저잡음 증폭기에 구비된 게이트 인덕터와 가변캐패시터의 값을 조절하여 밴드특성을 구현함으로써, 저잡음 증폭기의 특성 변화를 최소화하면서 인덕터의 개수를 감소시켜 반도체 칩을 소형화 할 수 있게 한 공통 부궤환 인덕터를 이용한 다중 밴드 저잡음 증폭기에 관한 것이다.The present invention relates to a multi-band low noise amplifier, and more particularly, a negative feedback inductor is commonly connected to a plurality of band-specific narrow band low noise amplifiers having a common source structure for extinguishing multiple bands in a wireless device such as a portable TV receiver. In addition, by adjusting the values of the gate inductor and the variable capacitor of the narrowband low noise amplifier for each band, the band characteristics are realized, thereby minimizing the variation of the characteristics of the low noise amplifier, thereby reducing the number of inductors, thereby miniaturizing the semiconductor chip. A multiband low noise amplifier using a common negative feedback inductor.
저잡음 증폭기, LNA, 다중 밴드 증폭기, 인덕터 Low Noise Amplifiers, LNAs, Multi-Band Amplifiers, Inductors
Description
본 발명은 다중 밴드 저잡음 증폭기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 휴대용 TV 수신기 등의 무선기기에서 다중 밴드를 소화하기 위해 공통 소스 구조로 이루어진 다수 개의 밴드별 협대역 저잡음 증폭기에 부궤환 인덕터를 공통으로 연결하고, 각 밴드별 협대역 저잡음 증폭기에 구비된 게이트 인덕터와 가변캐패시터의 값을 조절하여 밴드특성을 구현함으로써, 저잡음 증폭기의 특성 변화를 최소화하면서 인덕터의 개수를 감소시켜 반도체 칩을 소형화 할 수 있게 한 공통 소스 구조를 이용한 협대역 다중 밴드 저잡음 증폭기에 관한 것이다.The present invention relates to a multi-band low noise amplifier, and more particularly, a negative feedback inductor is commonly connected to a plurality of band-specific narrow band low noise amplifiers having a common source structure for extinguishing multiple bands in a wireless device such as a portable TV receiver. In addition, by adjusting the values of the gate inductor and the variable capacitor of the narrowband low noise amplifier for each band, the band characteristics are realized, thereby minimizing the variation of the characteristics of the low noise amplifier, thereby reducing the number of inductors, thereby miniaturizing the semiconductor chip. A narrowband multiband low noise amplifier using a common source structure.
일반적으로 저잡음 증폭기는 휴대용 TV와 같은 무선기기의 안테나를 통해 수신한 미약한 신호를 잡음의 영향을 최소화하면서 원하는 주파수 대역만을 선별하고 증폭시키기 위해 이용된다. 특히 최근에는 각국의 휴대용 TV 표준이 다양한 주파수 밴드를 채택하면서 여러 밴드에 공통적으로 사용할 수 있는 형태의 저잡음 증폭기(LNA: Low Noise Amplifier)가 요청되고 있다.In general, a low noise amplifier is used to select and amplify only a desired frequency band while minimizing the influence of noise on a weak signal received through an antenna of a wireless device such as a portable TV. In particular, as the portable TV standards of various countries adopt various frequency bands, there is a demand for a low noise amplifier (LNA) that can be commonly used in various bands.
이러한 저잡음 증폭기는 잡음 특성이 수신기 전체의 성능을 좌우하므로 저잡 음 증폭기의 잡음과 신호왜곡 등을 최대한 억제하고, 최대한의 신호전달을 위해서 증폭기의 입력단과 출력단의 임피던스 정합을 이용하는 것이 일반적이다.Since the noise characteristics of the low noise amplifier dominate the performance of the receiver as a whole, it is common to suppress noise and signal distortion of the low noise amplifier as much as possible and to use the impedance matching of the input and output stages of the amplifier for the maximum signal transmission.
종래에는 광대역 특성에 적합한 저잡음 증폭기의 형태로 저항 부궤환 공통 게이트 형태가 이용되었으나, 잡음 특성과 증폭 특성 면에서 협대역 특성의 공통 소스 부궤환 인덕터(common source negative feedback inductor)를 이용한 저잡음 증폭기에 비해 그 성능이 열악하였다. 그에 따라, 근래에는 잡음 특성, 증폭 특성, 및 밴드 특성을 모두 만족하기 위하여 공통 소스 부궤환 인덕터를 이용한 저잡음 증폭기를 밴드 별로 사용하고 있다.Conventionally, a resistive negative feedback common gate type is used as a low noise amplifier suitable for broadband characteristics, but in comparison to a low noise amplifier using a common source negative feedback inductor having a narrow band characteristic in terms of noise characteristics and amplification characteristics, The performance was poor. Accordingly, in order to satisfy all of the noise characteristics, the amplification characteristics, and the band characteristics, a low noise amplifier using a common source negative feedback inductor has been used for each band.
이와 같이 근래에 사용되는 공통 소스 부궤환 인덕터를 이용한 저잡음 증폭기는 도 3에 도시된 바와 같이, 신호를 수신하는 안테나(Ant)에 일 측이 연결된 게이트 인덕터(Lg)와, 상기 게이트 인덕터(Lg)가 게이트에 연결되어 입력되는 신호를 증폭한 후 드레인으로 출력하는 제1트랜지스터(MN1)와, 상기 제1트랜지스터(MN1)의 소스와 게이트 간에 연결된 캐패시터(Cgs), 및 상기 제1트랜지스터(MN1)의 소스와 접지전압 간에 연결된 부궤환 인덕터(Ls)를 포함하여 구성된다.As described above, a low noise amplifier using a common source negative feedback inductor has a gate inductor Lg having one side connected to an antenna Ant receiving a signal, and the gate inductor Lg as shown in FIG. 3. Is connected to a gate and amplifies the input signal and outputs the first transistor (MN1), a capacitor (Cgs) connected between the source and the gate of the first transistor (MN1), and the first transistor (MN1) It includes a negative feedback inductor (Ls) connected between the source and the ground voltage of.
또한, 이러한 종래의 공통 소스 부궤환 인덕터를 이용한 저잡음 증폭기를 여러 밴드에 공통으로 사용하기 위해서는 도 4에 도시된 바와 같이, 다중 밴드의 신호를 수신할 수 있도록 밴드별로 협대역 저잡음 증폭기가 구비되어야 하였으며, 이때, 각 밴드별 저잡음 증폭기마다 반도체의 칩 사이즈에 큰 비중을 차지하는 인덕터가 3개 이상씩 필요하였다.In addition, in order to commonly use the conventional low noise amplifier using the common source negative feedback inductor in multiple bands, as shown in FIG. 4, a narrow band low noise amplifier should be provided for each band so as to receive signals of multiple bands. In this case, three or more inductors, which occupy a large portion of the chip size of the semiconductor, are required for each low-noise amplifier for each band.
그러나, 반도체 공정 기술의 발달로 반도체 칩이 계속하여 소형화되면서 반 도체 소자의 수가 증가하고 고집적화 됨에 따라 칩 내에서 단위소자들이 차지하는 비중이 커지는 근래의 기술적 경향에 의할 때, 이와 같이 칩에 구비되는 나선형 인덕터 등을 구현하기 위해서는 다른 소자에 비해 상대적으로 큰 면적이 필요하게 되므로 칩 크기의 소형화에 반하게 되는 문제점이 있었다.However, when the semiconductor chip continues to miniaturize due to the development of semiconductor processing technology, the number of semiconductor devices increases and the degree of integration increases, and according to the recent technical trend that the share of unit devices in the chip increases. In order to implement a spiral inductor, etc., a large area is required compared to other devices, and thus there is a problem in that the size of the chip is reduced.
따라서, 이러한 반도체 공정 기술을 적용하여 종래의 공통 소스 부궤환 인덕터를 이용한 저잡음 증폭기를 밴드 별로 제작할 경우, 각 밴드마다 부궤환 인덕터가 요구되어 인덕터의 개수가 증가하게 되고, 그에 따라 반도체 칩의 소형화를 저해하게 되는 문제점이 있었다.Accordingly, when a low noise amplifier using a conventional common source negative feedback inductor is manufactured for each band by applying the semiconductor process technology, the negative feedback inductor is required for each band, thereby increasing the number of inductors, thereby miniaturizing the semiconductor chip. There was a problem that inhibited.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 다중 밴드에 공통으로 사용되기 위해 연결된 다수 개의 밴드별 저잡음 증폭기에 구비된 증폭트랜지스터의 일 단자에 공통 부궤환 인덕터를 공통으로 연결하여, 반도체 칩 설계시 큰 면적이 요구되는 인덕터의 개수를 줄임으로써, 반도체 칩의 면적을 줄일 수 있는 공통 소스 구조를 이용한 협대역 다중 밴드 저잡음 증폭기를 제공함에 있다.The technical problem to be solved by the present invention is to connect a common negative feedback inductor to one terminal of the amplifying transistor provided in a plurality of band-specific low-noise amplifiers to be used in common in multiple bands, a large area when designing a semiconductor chip By reducing the number of inductors required, a narrowband multiband low noise amplifier using a common source structure capable of reducing the area of a semiconductor chip is provided.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 공통 소스 구조를 이용한 협대역 다중 밴드 저잡음 증폭기는, 공통 소스 구조를 이용한 협대역 다중 밴드 저잡음 증폭기에 있어서, 안테나에 일 측이 연결된 게이트 인덕터와, 게이트에 상기 게이트 인덕터가 연결되어 안테나에서 수신한 신호를 증폭하는 증폭트랜지스터와, 상기 증폭트랜지스터의 소스와 게이트 간에 연결된 가변캐패시터가 구비된 다수 개의 밴드별 저잡음 증폭기; 및 상기 다수 개의 밴드별 저잡음 증폭기를 이루는 각 증폭트랜지스터의 일 단자에 공통으로 연결된 공통 부궤환 인덕터를 포함하는 것을 특징으로 한다.In a narrowband multiband low noise amplifier using a common source structure, a narrowband multiband low noise amplifier using a common source structure includes: a gate inductor connected at one side to an antenna and a gate inductor connected to a gate; A plurality of band-specific low noise amplifiers having an amplifying transistor for amplifying a signal received from an antenna, and a variable capacitor connected between a source and a gate of the amplifying transistor; And a common negative feedback inductor commonly connected to one terminal of each amplifying transistor constituting the plurality of band-specific low noise amplifiers.
또한, 본 발명은 상기 밴드별 저잡음 증폭기가 공통 부궤환 인덕터의 값을 고정시키고, 증폭하고자 하는 대역의 밴드마다 게이트 인덕터와 가변캐패시터의 값을 조절하여 입력 임피던스를 결정하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.In another aspect, the present invention is characterized in that the low noise amplifier for each band is configured to fix the value of the common negative feedback inductor, and to determine the input impedance by adjusting the values of the gate inductor and the variable capacitor for each band of the band to be amplified.
본 발명은 다중 밴드를 소화하기 위해 공통 소스 구조로 이루어진 다수 개의 밴드별 저잡음 증폭기에 하나 또는 상기 밴드별 저잡음 증폭기의 수보다 적은 수의 부궤환 인덕터를 공통으로 연결하고, 각 밴드별 저잡음 증폭기에 구비된 게이트 인덕터와 가변캐패시터의 값을 조절하여 밴드특성을 구현함으로써, 다중 밴드 증폭기에서 전체적으로 요구되는 전체 인덕터의 개수를 감소시켜 반도체 칩을 소형화 할 수 있는 장점이 있다.The present invention is connected to a plurality of band-specific low noise amplifiers having a common source structure in order to extinguish multiple bands, or a plurality of negative feedback inductors less than the number of low-noise amplifiers per band in common, and provided in each band low noise amplifier By implementing the band characteristics by adjusting the values of the gate inductor and the variable capacitor, the semiconductor chip can be miniaturized by reducing the total number of inductors required in the multi-band amplifier.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명의 일 실시예에 따른 공통 소스 구조를 이용한 협대역 다중 밴드 저잡음 증폭기는 도 1에 도시된 바와 같이, 안테나(Ant)에서 수신한 신호를 증폭하는 다수 개의 밴드별 저잡음 증폭기(LNA)(100)와, 상기 밴드별 저잡음 증폭기의 각 안테나에서 수신한 신호를 증폭하는 증폭트랜지스터(M1, M3, M5)의 일 단자에 공통으로 연결된 공통 부궤환 인덕터(Ls)(200)를 포함하여 구성된다.As shown in FIG. 1, a narrowband multiband low noise amplifier using a common source structure according to an embodiment of the present invention includes a plurality of band-specific low noise amplifiers (LNAs) 100 for amplifying a signal received from an antenna Ant. And a common negative feedback inductor (Ls) 200 commonly connected to one terminal of the amplifying transistors M1, M3, and M5 for amplifying a signal received by each antenna of the band-specific low noise amplifier.
이때, 상기 각 밴드별 저잡음 증폭기(100)는 안테나(Ant)에 일 측이 연결된 게이트 인덕터(Lg1, Lg2, Lg3)와, 게이트에 상기 게이트 인덕터가 연결되고 소스에 공통 부궤환 인덕터(Ls)가 공동으로 연결되며 상기 안테나에서 수신한 신호를 증폭하는 증폭트랜지스터(M1, M3, M5)와, 상기 증폭트랜지스터의 소스와 게이트 간에 연결된 캐패시터부(Cgs1, Cgs2, Cgs3)를 포함하는 통상적인 협대역 저잡음 증폭기가 밴드별로 이루어져 구성된다.In this case, the
또한, 상기 각 밴드별 저잡음 증폭기(100)는 상기 증폭트랜지스터(M1, M3, M5)의 드레인에 일 단자가 연결되고 바이어스 전압이 게이트에 인가되는 캐스코드 트랜지스터(M2, M4, M6)가 구비되고, 상기 캐스코드 트랜지스터의 다른 일 단자에는 전압원에 연결된 드레인 인덕터(Ld1, Ld2, Ld3)와, 출력단에 연결된 출력캐패시터(Cd1, Cd2, Cd3)가 함께 연결되어 구성된다.In addition, the
상기 공통 부궤환 인덕터(Ls)(200)는 일단이 상기 각 밴드별 저잡음 증폭기의 증폭트랜지스터(M1, M3, M5) 소스에 공통으로 연결되고, 타단이 접지전원에 연결되어, 본 발명에 따른 다중 밴드 저잡음 증폭기 전체의 면적을 최소화 하도록 구성된다.One end of the common negative feedback inductor (Ls) 200 is commonly connected to the amplification transistors M1, M3, and M5 of the low noise amplifier of each band, and the other end is connected to a ground power source. It is configured to minimize the area of the entire band low noise amplifier.
또한, 상기 공통 부궤환 인덕터(Ls)는 특정 밴드에 적합하게 선택되지 않아 증폭하고자 하는 각 밴드에서 최적의 밴드 특성을 구현할 수 없으므로, 원하는 밴드에서 최적화된 잡음 특성과 증폭 특성, 및 밴드 특성을 구현하기 위해 상기 증폭트랜지스터(M1, M3, M5)에 연결된 캐패시터부(Cgs1, Cgs2, Cgs3)는 그 용량을 변화시키며 입력임피던스를 조절하여 입력 매칭할 수 있게 한 가변캐패시터로 구성된다.In addition, since the common negative feedback inductor Ls is not appropriately selected for a specific band and thus cannot implement an optimal band characteristic in each band to be amplified, the optimized noise characteristic, amplification characteristic, and band characteristic are implemented in a desired band. To this end, the capacitors Cgs1, Cgs2, and Cgs3 connected to the amplifying transistors M1, M3, and M5 are configured as variable capacitors that change their capacitance and adjust the input impedance to match the input.
이때, 상기 가변캐패시터(Cgs1, Cgs2, Cgs3)는 도 2에 도시된 바와 같이, 제어신호에 의해 스위칭되는 모스트랜지스터로 이루어진 다수 개의 모스스위치와, 상기 각 모스스위치의 일 단자에 연결된 캐패시터로 구성되는 것이 바람직하다.At this time, the variable capacitor (Cgs1, Cgs2, Cgs3), as shown in Figure 2, is composed of a plurality of MOS switch made of a MOS transistor switched by a control signal, and a capacitor connected to one terminal of each of the MOS switch It is preferable.
이때, 상기 각 밴드별 저잡음 증폭기를 입력 매칭하면서 최대 전력 전송과 최소 신호 왜곡을 가능하게 하는 값으로 입력 임피던스(impedance)를 50Ω으로 설정하면, 입력단에서의 전압 Vin은 수학식 1과 같이 표현된다.At this time, if the input impedance is set to 50 kHz with a value that enables maximum power transmission and minimum signal distortion while input matching the low noise amplifier for each band, the voltage Vin at the input terminal is expressed by Equation (1).
이때, 상기 gm은 증폭트랜지스터의 컨덕턴스 성분이다. 상기 수학식 1에서 jω를 복소 주파수 s로 바꾸고, 
이때, 상기 입력 임피던스를 50Ω으로 매칭하므로, 허수부는 0이 되고 실수부 항만 50이 되어야 입력단에서 정재파의 최소값과 최대값의 비인 VSWR(Voltage Standing Wave Ratio)이 1이 되어 최상의 값을 갖게 된다.At this time, since the input impedance is matched to 50 Ω, the imaginary part becomes 0 and only the real part term becomes 50, so that the VSWR (Voltage Standing Wave Ratio), which is the ratio between the minimum and maximum values of standing waves at the input terminal, becomes 1 to have the best value.
그에 따라, Zin의 실수부인 Rs는 수학식 3과 같이 되고, 허수부를 0으로 만드는 공진주파수는 수학식 4와 같이 된다.Accordingly, R s, which is the real part of Zin, becomes as in Equation 3, and the resonance frequency for making the imaginary part 0 becomes as in Equation 4.
즉, 실수부를 결정함에 있어 상기 공통 부궤환 인덕터(Ls)의 값과 증폭트랜지스터의 컨덕턴스(gm) 값을 고정하고, 가변캐패시터(Cgs)의 값을 조절하여 구현할 수 있게 된다. 허수부가 0이 되기 위해서는 게이트 인덕터(Lg1, Lg2, Lg3)의 값을 적절하게 조절하여 원하는 입력 매칭을 구현할 수 있게 된다.That is, in determining the real part, the value of the common negative feedback inductor Ls and the conductance g m of the amplifying transistor are fixed and the value of the variable capacitor Cgs can be adjusted. In order for the imaginary part to be 0, desired input matching can be realized by appropriately adjusting the values of the gate inductors Lg1, Lg2, and Lg3.
즉, 밴드 특성을 결정함에 있어 공통 부궤환 인덕터(Ls)를 고정하고 게이트 인덕터(Lg1, Lg2, Lg3)와 가변캐패시터(Cgs1, Cgs2, Cgs3)의 변화로 충분히 입력 매칭이 가능함을 확인할 수 있다.That is, in determining the band characteristics, the common negative feedback inductor Ls may be fixed and input matching may be sufficiently performed by the change of the gate inductors Lg1, Lg2 and Lg3 and the variable capacitors Cgs1, Cgs2 and Cgs3.
따라서, 본 발명에 따라 부궤환 인덕터가 증폭기마다 개별적으로 구비되었던 경우와 동일한 입력 임피던스로 매칭함으로써, 저잡음 증폭기의 특성 변화 없이 반도체 칩 사이즈에 큰 비중을 차지하는 인덕터의 개수를 줄여서 칩의 면적을 감소시킬 수 있게 된다.Therefore, according to the present invention, by matching the same input impedance as the case where the negative feedback inductor is provided separately for each amplifier, it is possible to reduce the area of the chip by reducing the number of inductors occupying a large proportion of the semiconductor chip size without changing the characteristics of the low noise amplifier It becomes possible.
또한, 이와 같이 구성된 본 발명에서 상기 다수 개의 밴드별 저잡음 증폭기에 공통으로 사용되는 공통 부궤환 인덕터(Ls), 가변캐패시터(Cgs1, Cgs2, Cgs3), 또는 그 외의 수동소자 들을 반도체 칩의 내부뿐만 아니라 칩 외부에 구현함으로써, 반도체 칩의 면적을 보다 감소시키도록 구성될 수도 있다.In addition, in the present invention configured as described above, the common negative feedback inductor Ls, the variable capacitors Cgs1, Cgs2, Cgs3, or other passive elements commonly used in the plurality of band-specific low noise amplifiers may not only be used inside the semiconductor chip. By implementing outside the chip, it may be configured to further reduce the area of the semiconductor chip.
이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 이라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.The technical spirit of the present invention has been described above with reference to the accompanying drawings, but this is by way of example only and not by way of limitation to the present invention. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the scope of the present invention.
도 1은 본 발명에 따른 공통 소스 구조를 이용한 협대역 다중 밴드 저잡음 증폭기의 회로 구성도,1 is a circuit diagram of a narrowband multiband low noise amplifier using a common source structure according to the present invention;
도 2는 본 발명에 따른 가변저항부의 회로 구성도,2 is a circuit diagram of a variable resistor unit according to the present invention;
도 3은 종래의 공통 소스 부궤환 인덕터를 이용한 협대역 저잡음 증폭기의 회로 구성도,3 is a circuit diagram of a narrowband low noise amplifier using a conventional common source negative feedback inductor.
도 4는 여러 밴드에 공통으로 사용되는 종래의 공통 소스 부궤환 인덕터를 이용한 협대역 저잡음 증폭기의 회로 구성도.4 is a circuit diagram of a narrowband low noise amplifier using a conventional common source negative feedback inductor commonly used for several bands.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
100 - 밴드별 저잡음 증폭기 200 - 공통 부궤환 인덕터100-band-specific low noise amplifier 200-common negative feedback inductor
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| KR20060069915A (en) * | 2004-12-20 | 2006-06-23 | 인티그런트 테크놀로지즈(주) | Amplifier circuit using mgtr(multiple gated transistor) which is improved linearity and frequency band |
| KR20060070796A (en) * | 2004-12-21 | 2006-06-26 | 한국전자통신연구원 | Low noise amplifier of wide-band tunable matching |
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