KR100998758B1 - Wide-band low noise amplifier - Google Patents

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KR100998758B1
KR100998758B1 KR1020080110569A KR20080110569A KR100998758B1 KR 100998758 B1 KR100998758 B1 KR 100998758B1 KR 1020080110569 A KR1020080110569 A KR 1020080110569A KR 20080110569 A KR20080110569 A KR 20080110569A KR 100998758 B1 KR100998758 B1 KR 100998758B1
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Abstract

광대역 저잡음 증폭기는 공통 게이트 증폭기, 캐스코드 증폭기, 그리고 신호 감쇄를 줄이기 위한 소스 추종 버퍼를 포함한다. 공통 게이트 증폭기는 트랜스포머를 이용하여 잡음 지수를 감소시키며, 부하단에 저주파 대역과 고주파 대역에서 각각 공진을 이용하여 입력 신호를 증폭시켜 캐스코드 증폭기로 출력한다. 캐스코드 증폭기는 캐스코드 형태로 연결된 두 트랜지스터를 이용하여 공통 게이트 증폭기의 출력 신호를 증폭하여 소스 추종 버퍼를 통해 출력한다.

Figure R1020080110569

저잡음 증폭기(low noise amplifier), 캐스코드, 공통 게이트

The broadband low noise amplifier includes a common gate amplifier, cascode amplifier, and a source following buffer to reduce signal attenuation. The common gate amplifier reduces the noise figure by using a transformer, and amplifies the input signal using resonance in the low frequency band and the high frequency band at the load stage and outputs the cascode amplifier to the cascode amplifier. The cascode amplifier amplifies the output signal of the common gate amplifier by using two transistors connected in cascode form and outputs it through the source following buffer.

Figure R1020080110569

Low noise amplifier, cascode, common gate

Description

광대역 저잡음 증폭기{WIDE-BAND LOW NOISE AMPLIFIER}Wideband Low Noise Amplifiers {WIDE-BAND LOW NOISE AMPLIFIER}

본 발명은 광대역 저잡음 증폭기에 관한 것이다.The present invention relates to a wideband low noise amplifier.

본 발명은 지식경제부 및 정보통신연구진흥원의 IT성장동력기술개발의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2006-S-071-03, 과제명: 초고속 멀티미디어 전송 UWB 솔루션 개발]. The present invention is derived from the research conducted as part of the IT growth engine technology development of the Ministry of Knowledge Economy and the Ministry of Information and Communication Research and Development. [Task management number: 2006-S-071-03, Task name: Development of ultra-fast multimedia transmission UWB solution]

수신 장치에서 안테나를 통해 수신된 신호는 감쇄 및 잡음의 영향으로 인해 매우 낮은 전력 레벨을 갖고 있다. 따라서, 수신 장치에서는 안테나를 통해 수신된 신호의 증폭이 필요한데, 안테나를 통해 수신된 신호는 이미 많은 잡음을 포함해서 수신된 신호이므로, 잡음을 최소화하면서 증폭을 시켜주는 기능이 필수적이다. 따라서, 수신 장치에는 잡음을 최소화하면서 안테나를 통해 수신된 신호를 증폭하기 위한 저잡음 증폭기가 필수적이다.The signal received through the antenna at the receiving device has a very low power level due to the effects of attenuation and noise. Therefore, in the receiving apparatus, amplification of the signal received through the antenna is required. Since the signal received through the antenna is a signal that already contains a lot of noise, a function of amplifying while minimizing noise is essential. Therefore, a low noise amplifier for amplifying a signal received through an antenna is essential to the receiving device while minimizing noise.

또한, 수신 장치의 잡음 지수는 저잡음 증폭기의 잡음 지수와 이득에 의해 결정되므로, 낮은 잡음 지수의 수신기를 구성하기 위해서는 낮은 잡음 지수와 높은 이득을 가지는 저잡음 증폭기가 필요하다.In addition, since the noise figure of the receiving device is determined by the noise figure and gain of the low noise amplifier, a low noise amplifier having a low noise figure and a high gain is required to construct a receiver having a low noise figure.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 낮은 잡음 지수와 높은 이득을 가지는 저잡음 증폭기를 제공하는 것이다.The technical problem to be solved by the present invention is to provide a low noise amplifier having a low noise figure and a high gain.

본 발명의 한 실시 예에 따르면, 입력 전압을 증폭하여 출력하는 광대역 저잡음 증폭기가 제공된다. 광대역 저잡음 증폭기는 트랜스포머, 제1 내지 제4 트랜지스터, 그리고 소스 추종 버퍼를 포함한다. 트랜스포머는 상기 입력 전압을 설정된 권선비에 따라 변환하여 출력하고, 제1 트랜지스터는 제1단, 접지단에 연결되어 있는 제2단 및 상기 트랜스포머의 출력 전압을 입력받는 제어단을 가지며, 제2 트랜지스터는 제1 부하단에 연결되어 있는 제1단, 상기 제1 트랜지스터의 제1단에 연결되어 있는 제2단 및 제1 바이어스 전압을 입력받는 제어단을 가진다. 제3 트랜지스터는 제1단, 상기 접지단에 연결되어 있는 제2단 및 상기 제2 트랜지스터의 제1단의 전압이 입력되는 제어단을 가지며, 제4 트랜지스터는 제2 부하단에 연결되어 있는 제1단, 상기 제3 트랜지스터의 제1단에 연결되어 있는 제2단 및 제2 바이어스 전압을 입력받는 제어단을 가진다. 그리고 소스 추종 버퍼는 입력단으로 입력된 상기 제4 트랜지스터의 제1단의 전압을 출력단으로 출력한다.According to one embodiment of the present invention, a wideband low noise amplifier for amplifying and outputting an input voltage is provided. The broadband low noise amplifier includes a transformer, first to fourth transistors, and a source following buffer. The transformer converts the input voltage according to the set turns ratio and outputs the first voltage. The first transistor has a first stage, a second stage connected to a ground terminal, and a control terminal receiving the output voltage of the transformer. And a first stage connected to a first load stage, a second stage connected to a first stage of the first transistor, and a control stage receiving a first bias voltage. The third transistor has a first stage, a second stage connected to the ground terminal, and a control terminal to which the voltage of the first stage of the second transistor is input, and the fourth transistor is connected to the second load terminal. The first stage includes a second stage connected to the first stage of the third transistor and a control stage configured to receive a second bias voltage. The source follower buffer outputs the voltage of the first terminal of the fourth transistor input to the input terminal to the output terminal.

본 발명의 다른 한 실시 예에 따르면, 입력 신호을 증폭하여 출력하는 광대역 저잡음 증폭기가 제공된다. 광대역 저잡음 증폭기는 공통 게이트 증폭기, 캐스코드 증폭기, 그리고 소스 추종 버퍼를 포함한다. 공통 게이트 증폭기는 제1 입력단으로 입력되는 입력 신호를 증폭하여 제1 출력단으로 출력하며, 캐스코드 증폭기 는 제2 입력단으로 입력된 상기 공통 게이트 증폭기의 출력 신호를 증폭하여 제2 출력단으로 출력한다. 그리고 소스 추종 버퍼는 제3 입력단으로 입력된 상기 캐스코드 증폭기의 출력 신호를 출력한다. 이때, 상기 공통 게이트 증폭기는, 상기 입력 신호가 제1단에 인가되며 제1 부하단에 연결되어 있는 제2단을 가지는 제1 트랜지스터, 그리고 상기 제1 입력단에 연결되어 있는 1차 코일과 상기 제1 트랜지스터의 제어단에 연결되어 있는 2차 코일을 포함하는 트랜스포머를 포함한다.According to another embodiment of the present invention, a wideband low noise amplifier for amplifying and outputting an input signal is provided. The wideband low noise amplifier includes a common gate amplifier, cascode amplifier, and source tracking buffer. The common gate amplifier amplifies an input signal input to the first input terminal and outputs the output signal to the first output terminal, and the cascode amplifier amplifies the output signal of the common gate amplifier input to the second input terminal and outputs the output signal to the second output terminal. The source following buffer outputs the output signal of the cascode amplifier input to the third input terminal. In this case, the common gate amplifier may include: a first transistor having a second end applied with the input signal to a first end and connected to a first load end; and a primary coil connected to the first input end and the first transistor; It includes a transformer including a secondary coil connected to the control terminal of the first transistor.

본 발명의 실시 예에 의하면, 초광대역 입력 정합을 용이하게 할 수 있고, 잡음 지수를 감소시킴으로써, 광대역 저잡음 증폭기의 잡음 특성을 향상시킬 수 있다. 또한, 부하단에 저주파 대역과 고주파 대역에서 각각 공진을 형성함으로써, 광대역 특성이 나타나며, 캐소코드로 구성함으로써 이득을 향상시킬 수 있으며, 출력에 의한 신호 간섭을 최소화할 수 있다.According to the embodiment of the present invention, it is possible to facilitate the ultra-wideband input matching, and to reduce the noise figure, thereby improving the noise characteristics of the broadband low noise amplifier. In addition, by forming the resonance at the low frequency band and the high frequency band at the load stage, the broadband characteristics are shown, and by configuring the cathode code can improve the gain, it is possible to minimize the signal interference by the output.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention. In the drawings, parts irrelevant to the description are omitted in order to clearly describe the present invention, and like reference numerals designate like parts throughout the specification.

명세서 및 청구범위 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈", "블록" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.Throughout the specification and claims, when a part is said to "include" a certain component, it means that it can further include other components, without excluding other components unless specifically stated otherwise. In addition, the terms “… unit”, “… unit”, “module”, “block”, etc. described in the specification mean a unit that processes at least one function or operation, which is hardware or software or a combination of hardware and software. It can be implemented as.

이제 본 발명의 실시 예에 따른 광대역 저잡음 증폭기에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.Now, a broadband low noise amplifier according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 광대역 저잡음 증폭기의 개략적인 블록도이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 광대역 저잡음 증폭기의 세부 회로도이다.1 is a schematic block diagram of a wideband low noise amplifier according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a detailed circuit diagram of a wideband low noise amplifier according to an embodiment of the present invention.

도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명의 실시 예에 따른 광대역 저잡음 증폭기(100)는 공통 게이트 증폭기(110), 캐스코드 증폭기(120) 및 소스 추종 버퍼(130)를 포함한다.1 and 2, the broadband low noise amplifier 100 according to an exemplary embodiment of the present invention includes a common gate amplifier 110, a cascode amplifier 120, and a source following buffer 130.

공통 게이트 증폭기(110)는 입력단과 출력단을 가지며, 입력단으로 입력된 입력 신호를 증폭하여 출력단으로 출력한다. The common gate amplifier 110 has an input terminal and an output terminal, and amplifies an input signal input to the input terminal and outputs the amplified input signal to the output terminal.

이러한 공통 게이트 증폭기(110)는 커패시터(C1), 트랜스포머(TX), 인덕터(L1-L3), 트랜지스터(M1, M2), 저항(R1, R2)을 포함한다. 트랜스포머(TX)는 1차 코일과 2차 코일을 포함한다. 도 2에서는 트랜지스터(M1, M2)를 NMOS(n-channel metal oxide semiconductor) 트랜지스터로 도시하였으나, NMOS 트랜지스터 대신에 유사한 기능을 하는 다른 스위치가 사용될 수도 있다. The common gate amplifier 110 includes a capacitor C1, a transformer TX, an inductor L1-L3, transistors M1, M2, and resistors R1, R2. The transformer TX includes a primary coil and a secondary coil. In FIG. 2, the transistors M1 and M2 are illustrated as n-channel metal oxide semiconductor (NMOS) transistors, but other switches having similar functions may be used instead of the NMOS transistors.

입력 신호에 대응하는 입력 전압(Vin)이 공통 게이트 증폭기(110)의 입력단 을 형성하는 커패시터(C1)의 제1단으로 입력되며, 커패시터(C1)의 제2단과 접지단 사이에 트랜스포머(TX)의 1차 코일이 연결되어 있으며, 트랜스포머(TX)의 2차 코일이 바이어스 전압(Vb1)과 트랜지스터(M1)의 게이트 사이에 연결되어 있다. 이때, 수학식 1과 같이, 트랜스포머(TX)의 입력 전압(Vin)과 트랜스포머(TX)의 권선비(n)에 따라 트랜지스터(M1)의 게이트 전압(Vin')이 결정된다. An input voltage Vin corresponding to the input signal is input to the first end of the capacitor C1 forming the input end of the common gate amplifier 110, and the transformer TX is disposed between the second end and the ground end of the capacitor C1. The primary coil of is connected, and the secondary coil of the transformer TX is connected between the bias voltage Vb1 and the gate of the transistor M1. At this time, as shown in Equation 1, the gate voltage Vin 'of the transistor M1 is determined according to the input voltage Vin of the transformer TX and the turns ratio n of the transformer TX.

Figure 112008077335973-pat00001
Figure 112008077335973-pat00001

이러한 공통 게이트 증폭기(110)의 트랜스포머(TX)는 광대역 저잡음 증폭기(100)의 잡음 지수(F)를 줄이는 역할을 한다. 예를 들어, 입력 전압(Vin)이 50Ω에 정합된 것으로 가정할 경우, 잡음 지수(F)는 수학식 2와 같이 결정될 수 있다.The transformer TX of the common gate amplifier 110 serves to reduce the noise figure F of the broadband low noise amplifier 100. For example, assuming that the input voltage Vin is matched to 50 mA, the noise figure F may be determined as in Equation 2.

Figure 112008077335973-pat00002
Figure 112008077335973-pat00002

여기서,

Figure 112008077335973-pat00003
이다. 또한, k는 트랜스포머(TX)의 겹합 계수(coupling coefficient)이고, n은 트랜스포머(TX)의 권선비(turns ratio)이며,
Figure 112008077335973-pat00004
는 채널 열잡음 계수이고, gm은 트랜지스터(M1)의 트랜스컨덕턴스(transconductance)이며, RS는 입력 저항이고,
Figure 112008077335973-pat00005
는 트랜지스터(M1)의 트랜스컨덕턴스(transconductance)와 트랜지스터(M1)의 드레인과 소스 사이의 전압(VDS)가 0일 때의 채널 컨덕턴스의 비율이다.here,
Figure 112008077335973-pat00003
to be. In addition, k is the coupling coefficient of the transformer (TX), n is the turns ratio of the transformer (TX),
Figure 112008077335973-pat00004
Is the channel thermal noise coefficient, g m is the transconductance of transistor M1, R S is the input resistance,
Figure 112008077335973-pat00005
Is the ratio of the transconductance of the transistor M1 and the channel conductance when the voltage V DS between the drain and the source of the transistor M1 is zero.

즉, 트랜스포머(TX)의 권선비(n)를 제어하면, 광대역 저잡음 증폭기(100)의 잡음 지수(F)를 감소시킬 수 있다. That is, by controlling the winding ratio n of the transformer TX, the noise figure F of the broadband low noise amplifier 100 may be reduced.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 광대역 저잡음 증폭기(100)의 잡음 지수(F)를 나타낸 도면이다. 3 is a diagram illustrating a noise figure F of the broadband low noise amplifier 100 according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 3을 참고하면, 본 발명의 실시 예에 따른 광대역 저잡음 증폭기(100)은 2-4dB 정도의 작은 잡음 지수(F)를 가짐을 알 수 있으며, 특히 4G 주파수 대역에서 가장 작은 잡음 지수를 가짐을 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 3, it can be seen that the broadband low noise amplifier 100 according to the embodiment of the present invention has a small noise figure F of about 2-4 dB, and particularly has the smallest noise figure in the 4G frequency band. It can be seen that.

또한, 커패시터(C1)의 제2단은 트랜지스터(M1)의 소스에 연결되어 있다. 두 트랜지스터(M1, M2)는 캐스코드 형태의 공통 게이트 트랜지스터로 구성되어 있다. 즉, 트랜지스터(M2)의 드레인이 직류 전원(VDD)에 연결되어 있고, 트랜지스터(M2)의 소스가 트랜지스터(M1)의 드레인에 연결되어 있으며, 트랜지스터(M1)의 소스가 접지단에 연결되어 있다. 또한, 트랜지스터(M2)의 게이트로는 바이어스 전압(Vb2)이 입력된다. 또한, 트랜지스터(M1)의 소스와 접지단 사이에 인덕터(L1)가 연결될 수 있다. 이때, 인덕터(L1)의 인덕턴스의 값을 크게 설정한다. 이렇게 하면, 저주파 대역의 신호가 접지단으로 빠져나가는 것을 방지할 수 있다. In addition, the second end of the capacitor C1 is connected to the source of the transistor M1. The two transistors M1 and M2 are composed of a cascode type common gate transistor. That is, the drain of the transistor M2 is connected to the DC power supply VDD, the source of the transistor M2 is connected to the drain of the transistor M1, and the source of the transistor M1 is connected to the ground terminal. . In addition, a bias voltage Vb2 is input to the gate of the transistor M2. Also, an inductor L1 may be connected between the source of the transistor M1 and the ground terminal. At this time, the value of the inductance of the inductor L1 is set to be large. In this way, the low frequency band signal can be prevented from escaping to the ground terminal.

또한, 트랜지스터(M2)의 드레인과 공통 게이트 증폭기(110)의 출력단을 형성하는 노드(N1) 사이에 저항(R1) 및 인덕터(L2)가 직렬로 연결되어 있으며, 노드(N1)와 직류 전원(VDD) 사이에 인덕터(L3) 및 저항(R3)이 직렬로 연결되어 있다. 인덕터(L2, L3) 및 저항(R1, R2)은 부하단을 형성한다. 이때, 두 인덕터(L2, L3) 중 하나는 저주파 대역에서 입력 전압(Vin)을 증폭시키고, 나머지 하나는 고주파 대역에서 입력 전압(Vin)을 증폭시킬 수 있도록 두 인덕터(L2, L3)의 인덕턴스 값이 설정될 수 있다. 예를 들어, 인덕터(L2)의 인덕턴스 값을 1.8nH로 설정하고 인덕터(L3)의 인덕턴스 값을 6.5nH로 설정할 수 있다. 이와 같이 인덕터(L2, L3)의 인덕턴스 값을 설정하면, 인덕터(L2)에 의해 고주파 대역에서 공진이 형성되며, 인덕터(L3)에 의해 저주파 대역에서 공진이 형성되면서 이중 공진이 형성된다. 이로 인해, 광대역 저잡음 증폭기(100)는 광대역 특성을 확보할 수 있게 된다.In addition, a resistor R1 and an inductor L2 are connected in series between the drain of the transistor M2 and the node N1 forming the output terminal of the common gate amplifier 110, and the node N1 and the direct current power source ( An inductor L3 and a resistor R3 are connected in series between VDD. Inductors L2 and L3 and resistors R1 and R2 form a load stage. In this case, one of the two inductors L2 and L3 amplifies the input voltage Vin in the low frequency band, and the other inductance values of the two inductors L2 and L3 so as to amplify the input voltage Vin in the high frequency band. Can be set. For example, the inductance value of the inductor L2 may be set to 1.8 nH, and the inductance value of the inductor L3 may be set to 6.5 nH. When the inductance values of the inductors L2 and L3 are set as described above, resonance is formed in the high frequency band by the inductor L2, and double resonance is formed while the resonance is formed in the low frequency band by the inductor L3. As a result, the wideband low noise amplifier 100 can secure wideband characteristics.

한편, 도 2에서는 두 트랜지스터(M1, M2)를 도시하였지만, 하나 또는 둘 이상의 트랜지스터가 커패시터(C1)와 부하단 사이에 연결될 수도 있다.Meanwhile, although two transistors M1 and M2 are illustrated in FIG. 2, one or more transistors may be connected between the capacitor C1 and the load terminal.

캐스코드 증폭기(120)는 입력단과 출력단을 가지며, 입력단으로 입력된 공통 게이트 증폭기(110)의 출력 전압(Vout1)을 증폭하여 출력단으로 출력한다.The cascode amplifier 120 has an input terminal and an output terminal, and amplifies the output voltage Vout1 of the common gate amplifier 110 input to the input terminal and outputs the amplified output terminal to the output terminal.

이러한 캐스코드 증폭기(120)는 커패시터(C2), 트랜지스터(M3, M4), 인덕터(L4) 및 저항(R3, R4)을 포함한다. 도 2에서는 트랜지스터(M3, M4)를 NMOS(n-channel metal oxide semiconductor) 트랜지스터로 도시하였으나, NMOS 트랜지스터 대신에 유사한 기능을 하는 다른 스위치가 사용될 수도 있다.The cascode amplifier 120 includes a capacitor C2, transistors M3 and M4, an inductor L4, and resistors R3 and R4. In FIG. 2, the transistors M3 and M4 are illustrated as n-channel metal oxide semiconductor (NMOS) transistors, but other switches having similar functions may be used instead of the NMOS transistors.

공통 게이트 증폭기(110)의 출력 전압(Vout1)은 캐스코드 증폭기(120)의 입력단을 형성하는 커패시터(C2)를 통해 트랜지스터(M3)의 게이트로 입력되며, 저항(R3)을 통해 트랜지스터(M4)의 게이트로 바이어스 전압(Vb4)이 입력된다. 두 트랜지스터(M3, M4)는 직류 전원(VDD)과 접지단 사이에 캐스코드 형태로 연결되어 있다. 즉, 캐스코드 증폭기(120)의 출력단을 형성하는 트랜지스터(M4)의 드레인이 직류 전원(VDD)에 연결되어 있고 트랜지스터(M4)의 소스가 트랜지스터(M3)의 드레인 에 연결되어 있다. 따라서, 트랜지스터(M4)의 드레인 전압이 캐스코드 증폭기(120)의 출력 전압(Vout2)이 된다. 이와 같이, 두 트랜지스터(M3, M4)를 캐스코드로 연결하면, 광대역 저잡음 증폭기(100)의 증폭 이득을 향상시킬 수 있으며, 출력에 의한 신호 간섭을 최소화시킬 수도 있다. The output voltage Vout1 of the common gate amplifier 110 is input to the gate of the transistor M3 through the capacitor C2 forming the input terminal of the cascode amplifier 120, and the transistor M4 through the resistor R3. The bias voltage Vb4 is input to the gate of. The two transistors M3 and M4 are connected in cascode form between the DC power supply VDD and the ground terminal. That is, the drain of the transistor M4 forming the output terminal of the cascode amplifier 120 is connected to the DC power supply VDD, and the source of the transistor M4 is connected to the drain of the transistor M3. Therefore, the drain voltage of the transistor M4 becomes the output voltage Vout2 of the cascode amplifier 120. As such, when the two transistors M3 and M4 are connected by cascode, the amplification gain of the broadband low noise amplifier 100 may be improved and signal interference by the output may be minimized.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 광대역 저잡음 증폭기의 이득 특성을 나타낸 도면이다. 4 is a diagram illustrating gain characteristics of a wideband low noise amplifier according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 4를 참고하면, 본 발명의 실시 예에 따른 광대역 저잡음 증폭기(100)는 17-20dB 정도의 고 이득을 가짐을 알 수 있다.Referring to FIG. 4, it can be seen that the broadband low noise amplifier 100 according to the embodiment of the present invention has a high gain of about 17-20 dB.

한편, 도 2에서는 캐스코드로 연결된 두 트랜지스터(M3, M4)만을 도시하였지만, 그 이상의 트랜지스터가 캐스코드로 연결될 수도 있다.Meanwhile, although only two transistors M3 and M4 connected by cascode are shown in FIG. 2, more transistors may be connected by cascode.

또한, 직류 전원(VDD)과 트랜지스터(M4)의 드레인 사이에 저항(R4) 및 인덕터(L4)가 직렬로 연결되어 있다. 저항(R4)과 인덕터(L4)가 부하단을 형성하며, 이때, 중간 주파수 대역에서 공통 게이트 증폭기(110)의 출력 전압(Vout1)이 증폭될 수 있도록 인덕터(L4)의 인덕턴스 값이 설정될 수 있다. 즉, 인덕터(L4)의 인덕턴스 값은 인덕터(L2, L3)의 인덕턴스 값의 사이 값이 될 수 있다. 예를 들면, 인덕터(L2)의 인덕턴스 값이 1.8nH로 설정하고 인덕터(L3)의 인덕턴스 값이 6.5nH인 경우, 인덕터(L3)의 인덕턴스 값은 2.23nH로 설정될 수 있다. 이와 같이 하면, 인덕터(L4)에 의해 중간 주파수 대역에서 공진이 형성된다.In addition, a resistor R4 and an inductor L4 are connected in series between the DC power supply VDD and the drain of the transistor M4. The resistor R4 and the inductor L4 form a load stage. In this case, the inductance value of the inductor L4 may be set so that the output voltage Vout1 of the common gate amplifier 110 may be amplified in the intermediate frequency band. have. That is, the inductance value of the inductor L4 may be a value between the inductance values of the inductors L2 and L3. For example, when the inductance value of the inductor L2 is set to 1.8nH and the inductance value of the inductor L3 is 6.5nH, the inductance value of the inductor L3 may be set to 2.23nH. In this way, resonance is formed in the intermediate frequency band by the inductor L4.

다음, 소스 추종 버퍼(130)는 신호 감쇄를 줄이기 위한 것으로, 입력단과 출력단을 가지며, 입력단으로 입력된 캐스코드 증폭기(120)의 출력 전압(Vout2)을 출 력단을 통해 출력한다.Next, the source following buffer 130 is for reducing signal attenuation, and has an input terminal and an output terminal, and outputs an output voltage Vout2 of the cascode amplifier 120 inputted to the input terminal through the output terminal.

이러한 소스 추종 버퍼(130)는 커패시터(C3), 저항(R5), 트랜지스터(M5) 및 전류원(Is)을 포함한다. 도 2에서는 트랜지스터(M5)를 NMOS(n-channel metal oxide semiconductor) 트랜지스터로 도시하였으나, NMOS 트랜지스터 대신에 유사한 기능을 하는 다른 스위치가 사용될 수도 있다.The source following buffer 130 includes a capacitor C3, a resistor R5, a transistor M5, and a current source Is. In FIG. 2, the transistor M5 is illustrated as an n-channel metal oxide semiconductor (NMOS) transistor, but other switches having similar functions may be used instead of the NMOS transistor.

캐스코드 증폭기(120)의 출력 전압(Vout2)이 소스 추종 버퍼(130)의 입력단을 형성하는 커패시터(C3)를 통해 트랜지스터(M5)의 게이트로 입력된다. 트랜지스터(M5)의 드레인이 직류 전원(VDD)에 연결되어 있고, 소스 추종 버퍼(130)의 출력단을 형성하는 트랜지스터(M5)의 소스와 접지단 사이에 전류원(Is)이 연결되어 있으며, 직류 전원(VDD)과 트랜지스터(M5)의 게이트 사이에 저항(R5)이 연결되어 있다. 트랜지스터(M5)의 소스 전압이 커패시터(C4)를 통과하면서 광대역 저잡음 증폭기(100)의 출력 전압(Vout)이 된다. 이때, 트랜지스터(M5)는 소스 추종기(source follower)를 형성한다. 이러한 소스 추종기(source follower)는 게이트에 입력 전압이 입력되고 소스로 출력 전압이 출력되는 구조로서, 입·출력 전압이 동상이다. 따라서, 트랜지스터(M5)의 소스 전압이 트랜지스터(M5)의 게이트 전압과 동일하며, 그 위상 또한 동상이 된다. 즉, 트랜지스터(M5)의 게이트 전압이 대역 저잡음 증폭기(100)의 출력 전압(Vout)이 된다.The output voltage Vout2 of the cascode amplifier 120 is input to the gate of the transistor M5 through the capacitor C3 forming the input terminal of the source following buffer 130. The drain of the transistor M5 is connected to the DC power supply VDD, the current source Is is connected between the source and the ground terminal of the transistor M5 forming the output terminal of the source follow buffer 130, and the DC power supply. The resistor R5 is connected between the VDD and the gate of the transistor M5. The source voltage of the transistor M5 passes through the capacitor C4 to become the output voltage Vout of the broadband low noise amplifier 100. In this case, the transistor M5 forms a source follower. The source follower has a structure in which an input voltage is input to a gate and an output voltage is output to a source, and the input and output voltages are in phase. Therefore, the source voltage of the transistor M5 is equal to the gate voltage of the transistor M5, and its phase is also in phase. That is, the gate voltage of the transistor M5 becomes the output voltage Vout of the band low noise amplifier 100.

이러한 광대역 저잡음 증폭기(100)의 동작에 대해 설명한다.The operation of the wideband low noise amplifier 100 will be described.

먼저, 입력 신호에 대응하는 입력 전압(Vin)이 입력되면, 트랜스포머(TX)는 입력 전압(Vin)을 권선비(n)에 따라 변환된 전압(Vin')을 트랜지스터(M1)의 게이트 로 출력한다. 그러면, 공통 게이트 증폭기(110)의 출력 전압(Vout1)은 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.First, when an input voltage Vin corresponding to the input signal is input, the transformer TX outputs the input voltage Vin to the gate of the transistor M1 by converting the input voltage Vin 'according to the turns ratio n. . Then, the output voltage Vout1 of the common gate amplifier 110 may be represented by Equation 3.

Figure 112008077335973-pat00006
Figure 112008077335973-pat00006

여기서, gm1 및 gm2는 각각 트랜지스터(M1, M2)의 트랜스컨덕턴스(transconductance)이고, ro는 트랜지스터(M1, M2)의 출력 저항이다. RD는 인덕터(L2, L3)의 저항 성분과 저항(R1, R2)의 저항 값의 합을 나타낸다. 여기서, ro는 RD에 비해 매우 큰 값이므로, 공통 게이트 증폭기(110)의 출력 전압(Vout1)은 수학식 4와 같이 표현할 수 있다.Here, g m1 and g m2 are transconductances of the transistors M1 and M2, respectively, and r o is an output resistance of the transistors M1 and M2. R D represents the sum of the resistance components of the inductors L2 and L3 and the resistance values of the resistors R1 and R2. Here, since r o is a much larger value than R D , the output voltage Vout1 of the common gate amplifier 110 may be expressed by Equation 4 below.

Figure 112008077335973-pat00007
Figure 112008077335973-pat00007

이때, 트랜지스터(M2)의 드레인과 소스 사이의 기생 커패시터(도면 미도시), 커패시터(C1) 및 트랜지스터(M3)의 게이트와 소스 사이의 기생 커패시터(도면 미도시)와 인덕터(L2)에 의해 고주파에서 공진이 발생하며, 커패시터(C1) 및 트랜지스터(M3)의 게이트와 소스 사이의 기생 커패시터(도면 미도시)와 인덕터(L3)에 의해 저주파에서 공진이 발생함으로써, 고주파 대역과 저주파 대역에서 공통 게이트 증폭기(110)의 출력 전압(Vout1)이 출력될 수 있다. At this time, the parasitic capacitor (not shown) between the drain and the source of the transistor M2, the capacitor C1 and the parasitic capacitor (not shown) and the inductor L2 between the gate and the source of the transistor M3 Resonance occurs at the low frequency by the parasitic capacitor (not shown) and the inductor L3 between the gate and the source of the capacitor C1 and the transistor M3 and the inductor L3, thereby generating a common gate in the high frequency band and the low frequency band. The output voltage Vout1 of the amplifier 110 may be output.

공통 게이트 증폭기(110)의 출력 전압(Vout1)은 트랜지스터(M3)의 게이트로 입력되며, 캐스코드 증폭기(120)의 출력 전압(Vout2)은 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.The output voltage Vout1 of the common gate amplifier 110 is input to the gate of the transistor M3, and the output voltage Vout2 of the cascode amplifier 120 may be represented by Equation 5.

Figure 112008077335973-pat00008
Figure 112008077335973-pat00008

이때, 트랜지스터(M4)의 드레인과 소스 사이의 기생 커패시터(도면 미도시), 커패시터(C2) 및 트랜지스터(M5)의 게이트와 소스 사이의 기생 커패시터(도면 미도시)와 인덕터(L4)에 의해 공진이 발생함으로써, 중간 주파수 대역에서 캐스코드 증폭기(120)의 출력 전압(Vout2)이 출력될 수 있다.At this time, the parasitic capacitor (not shown) between the drain and the source of the transistor M4, the capacitor C2 and the resonance between the parasitic capacitor (not shown) and the inductor L4 between the gate and the source of the transistor M5. By this occurrence, the output voltage Vout2 of the cascode amplifier 120 can be output in the intermediate frequency band.

캐스코드 증폭기(120)의 출력 전압(Vout2)은 트랜지스터(M5)의 게이트로 입력된다. 이때, 트랜지스터(M5)의 게이트 전압이 트랜지스터(M5)의 소스로 출력되며, 트랜지스터(M5)의 소스 전압이 광대역 저잡음 증폭기(100)의 출력 전압이 되므로, 캐스코드 증폭기(120)의 출력 전압(Vout2)이 광대역 저잡음 증폭기(100)의 출력 전압(Vout)으로 된다.The output voltage Vout2 of the cascode amplifier 120 is input to the gate of the transistor M5. At this time, the gate voltage of the transistor M5 is output to the source of the transistor M5, the source voltage of the transistor M5 becomes the output voltage of the broadband low noise amplifier 100, the output voltage of the cascode amplifier 120 ( Vout2) becomes the output voltage Vout of the broadband low noise amplifier 100.

본 발명의 실시 예는 이상에서 설명한 장치 및/또는 방법을 통해서만 구현되는 것은 아니며, 본 발명의 실시 예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시 예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.An embodiment of the present invention is not implemented only through the above-described apparatus and / or method, but may be implemented through a program for realizing a function corresponding to the configuration of the embodiment of the present invention or a recording medium on which the program is recorded. Such an implementation can be easily implemented by those skilled in the art to which the present invention pertains based on the description of the above-described embodiments.

이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명 의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements of those skilled in the art using the basic concepts of the present invention defined in the following claims are also provided. It belongs to the scope of rights.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 광대역 저잡음 증폭기의 개략적인 블록도이고, 1 is a schematic block diagram of a wideband low noise amplifier according to an embodiment of the present invention;

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 광대역 저잡음 증폭기의 세부 회로도이고,2 is a detailed circuit diagram of a broadband low noise amplifier according to an embodiment of the present invention,

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 광대역 저잡음 증폭기의 잡음지수 특성을 나타낸 도면이고,3 is a diagram illustrating a noise figure of a broadband low noise amplifier according to an embodiment of the present invention;

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 광대역 저잡음 증폭기의 이득 특성을 나타낸 도면이다.4 is a diagram illustrating gain characteristics of a wideband low noise amplifier according to an exemplary embodiment of the present invention.

Claims (15)

입력 전압을 증폭하여 출력하는 광대역 저잡음 증폭기에 있어서,A broadband low noise amplifier which amplifies and outputs an input voltage, 1차 코일 및 2차 코일을 포함하며, 상기 입력 전압을 상기 1차 코일과 상기 2차 코일간 권선비에 따라 변환하여 상기 2차 코일을 통해 출력하는 트랜스포머,Transformer comprising a primary coil and a secondary coil, and converts the input voltage according to the winding ratio between the primary coil and the secondary coil and outputs through the secondary coil, 제1단, 접지단에 연결되어 있는 제2단 및 상기 트랜스포머의 2차 코일을 통해 출력되는 전압을 입력받는 제어단을 가지며, 상기 트랜스포머로부터 출력되는 전압에 응답하여 온오프되는 제1 트랜지스터,A first transistor having a first stage, a second stage connected to a ground terminal, and a control terminal receiving a voltage output through the secondary coil of the transformer, the first transistor being turned on and off in response to the voltage output from the transformer; 제1 부하단에 연결되어 있는 제1단, 상기 제1 트랜지스터의 제1단에 연결되어 있는 제2단 및 제1 바이어스 전압을 입력받는 제어단을 가지는 제2 트랜지스터,A second transistor having a first end connected to a first load end, a second end connected to the first end of the first transistor, and a control terminal receiving a first bias voltage; 제1단, 상기 접지단에 연결되어 있는 제2단 및 상기 제2 트랜지스터의 제1단의 전압이 입력되는 제어단을 가지는 제3 트랜지스터,A third transistor having a first terminal, a second terminal connected to the ground terminal, and a control terminal to which a voltage of the first terminal of the second transistor is input; 제2 부하단에 연결되어 있는 제1단, 상기 제3 트랜지스터의 제1단에 연결되어 있는 제2단 및 제2 바이어스 전압을 입력받는 제어단을 가지는 제4 트랜지스터, 그리고A fourth transistor having a first end connected to a second load end, a second end connected to the first end of the third transistor, and a control terminal receiving a second bias voltage; and 입력단으로 입력된 상기 제4 트랜지스터의 제1단의 전압을 출력단으로 출력하는 소스 추종 버퍼A source follower buffer for outputting a voltage of a first terminal of the fourth transistor input to an input terminal to an output terminal 를 포함하는 광대역 저잡음 증폭기.Broadband low noise amplifier comprising a. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제1 트랜지스터의 제2단과 접지단 사이에 연결되어 있는 인덕터An inductor connected between the second terminal and the ground terminal of the first transistor 를 더 포함하는 광대역 저잡음 증폭기.Broadband low noise amplifier comprising more. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제1 부하단은,The first load end is, 상기 제1 트랜지스터의 제2단과 직류 전원 사이에 직렬로 연결되어 있는 제1 및 제2 인덕터를 포함하며,First and second inductors connected in series between a second end of the first transistor and a direct current power source; 상기 제1 및 제2 인덕터의 인덕턴스 값이 다른 광대역 저잡음 증폭기.And a wideband low noise amplifier having different inductance values of the first and second inductors. 제3항에 있어서,The method of claim 3, 상기 제2 부하단은,The second load end is, 상기 제4 트랜지스터의 제1단과 상기 직류 전원 사이에 연결되어 있는 제3 인덕터를 포함하며,A third inductor connected between the first terminal of the fourth transistor and the DC power supply; 상기 제3 인덕터의 인덕턴스 값은 상기 제1 및 제3 인덕터의 인덕턴스 값의 사이 값으로 설정되는 광대역 저잡음 증폭기.And the inductance value of the third inductor is set to a value between the inductance values of the first and third inductors. 제4항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 제1 및 제2 인덕터의 접점과 상기 제3 트랜지스터의 제어단 사이에 연결되어 있는 제1 커패시터, 그리고A first capacitor connected between the contacts of the first and second inductors and the control terminal of the third transistor, and 상기 제4 트랜지스터의 제1단과 상기 소스 추종 버퍼의 입력단 사이에 연결되어 있는 제2 커패시터A second capacitor connected between the first terminal of the fourth transistor and the input terminal of the source follow buffer 를 더 포함하는 광대역 저잡음 증폭기.Broadband low noise amplifier comprising more. 삭제delete 입력 신호을 증폭하여 출력하는 광대역 저잡음 증폭기에 있어서,A broadband low noise amplifier which amplifies and outputs an input signal, 제1 입력단으로 입력되는 입력 신호를 증폭하여 제1 출력단으로 출력하는 공통 게이트 증폭기,A common gate amplifier amplifying an input signal input to the first input terminal and outputting the amplified input signal to the first output terminal; 제2 입력단으로 입력된 상기 공통 게이트 증폭기의 출력 신호를 증폭하여 제2 출력단으로 출력하는 캐스코드 증폭기, 그리고A cascode amplifier for amplifying an output signal of the common gate amplifier input to a second input terminal and outputting the amplified output signal to a second output terminal; 제3 입력단으로 입력된 상기 캐스코드 증폭기의 출력 신호를 출력하는 소스 추종 버퍼A source follower buffer that outputs an output signal of the cascode amplifier input to a third input terminal 를 포함하며,Including; 상기 공통 게이트 증폭기는,The common gate amplifier, 온오프를 결정하는 제어 전압이 인가되는 제어단, 상기 입력 신호가 제1단에 인가되며, 제1 부하단에 연결되어 있는 제2단을 가지는 제1 트랜지스터, 그리고A control terminal to which a control voltage for determining on / off is applied, a first transistor having the second terminal connected to the first load terminal, the input signal being applied to the first terminal, and 상기 제1 입력단과 접지단 사이에 연결되어 있는 1차 코일과 제1 바이어스 전압을 공급하는 바이어스 전압원과 상기 제1 트랜지스터의 제어단 사이에 연결되어 있는 2차 코일을 포함하며, 상기 1차 코일과 상기 2차 코일을 이용하여 상기 제어 전압을 생성하는 트랜스포머를 포함하는 광대역 저잡음 증폭기.And a secondary coil connected between the primary coil connected between the first input terminal and the ground terminal, a bias voltage source supplying a first bias voltage, and a control terminal of the first transistor. And a transformer for generating the control voltage using the secondary coil. 삭제delete 삭제delete 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 공통 게이트 증폭기는,The common gate amplifier, 상기 제1 트랜지스터의 제2단에 연결되는 제1단과 상기 제1 부하단에 연결되는 제2단 및 제2 바이어스 전압이 인가되는 제어단을 가지는 제2 트랜지스터를 더 포함하는 광대역 저잡음 증폭기.And a second transistor having a first terminal connected to the second terminal of the first transistor, a second terminal connected to the first load terminal, and a control terminal to which a second bias voltage is applied. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 제1 부하단은,The first load end is, 상기 제1 트랜지스터의 제2단과 상기 제1 출력단을 형성하는 노드 사이에 직렬로 연결되어 있는 제1 저항 및 제1 인덕터, 그리고A first resistor and a first inductor connected in series between a second terminal of the first transistor and a node forming the first output terminal, and 상기 노드와 직류 전원 사이에 직렬로 연결되어 있는 제2 저항 및 제2 인덕터를 포함하며,A second resistor and a second inductor connected in series between the node and a direct current power source, 상기 제1 및 제2 인덕터의 인덕턴스 값이 다른 광대역 저잡음 증폭기.And a wideband low noise amplifier having different inductance values of the first and second inductors. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 캐스코드 증폭기는,The cascode amplifier, 제1단, 접지단에 연결되어 있는 제2단, 상기 공통 게이트 증폭기의 출력 신호를 입력받는 제어단을 가지는 제2 트랜지스터, 그리고A second transistor having a first stage, a second stage connected to a ground terminal, a control stage receiving an output signal of the common gate amplifier, and 상기 제2 트랜지스터의 제1단에 연결되어 있는 제1단, 제2 부하단에 연결되어 있는 제2단 및 제2 바이어스 전압을 입력받는 제어단을 가지는 제3 트랜지스터를 포함하는 광대역 저잡음 증폭기.And a third transistor having a first terminal connected to a first terminal of the second transistor, a second terminal connected to a second load terminal, and a control terminal configured to receive a second bias voltage. 삭제delete 제12항에 있어서,The method of claim 12, 상기 제1 부하단은,The first load end is, 상기 제1 트랜지스터의 제2단과 상기 제1 출력단을 형성하는 노드 사이에 직렬로 연결되어 있는 제1 저항 및 제1 인덕터, 그리고A first resistor and a first inductor connected in series between a second terminal of the first transistor and a node forming the first output terminal, and 상기 노드와 직류 전원 사이에 직렬로 연결되어 있는 제2 저항 및 제2 인덕터를 포함하며,A second resistor and a second inductor connected in series between the node and a direct current power source, 상기 제2 부하단은,The second load end is, 상기 제3 트랜지스터의 제2단과 상기 직류 전원 사이에 직렬로 연결되어 있는 제3 인덕터 및 제3 저항을 포함하며,A third inductor and a third resistor connected in series between the second terminal of the third transistor and the DC power supply; 상기 제1 및 제2 인덕터의 인덕턴스 값이 다르고, 상기 제3 인덕터의 인덕턴스 값이 상기 제1 및 제2 인덕터의 인덕턴스 값 사이의 값으로 설정되어 있는 광대역 저잡음 증폭기.And inductance values of the first and second inductors are different, and inductance values of the third inductors are set to values between inductance values of the first and second inductors. 제7항, 제10항, 제11항, 제12항 또는 제14항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 7, 10, 11, 12 or 14, 상기 소스 추종 버퍼는,The source following buffer, 게이트로 입력되는 상기 캐스코드 증폭기의 출력 신호를 소스로 출력하는 소스 추종기(source follower)를 형성하는 제4 트랜지스터, 그리고A fourth transistor forming a source follower for outputting the output signal of the cascode amplifier input to the gate as a source, and 상기 제4 트랜지스터의 소스에 연결되어 있는 전류원을 포함하는 광대역 저잡음 증폭기.And a current source coupled to the source of the fourth transistor.
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