KR20100067934A - 피드백 저항을 이용하여 성능을 조절하는 광대역 저잡음 증폭기 - Google Patents

피드백 저항을 이용하여 성능을 조절하는 광대역 저잡음 증폭기 Download PDF

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KR20100067934A
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Abstract

본 발명은 광대역 저잡음 증폭기에 관한 것으로 본 발명에 따른 광대역 저잡음 증폭기는, 적어도 하나의 전류원과 제1능동소자를 포함하여 구성되며, 상기 제1능동소자에 흐르는 제1전류에 비례하는 제2전류를 반사하기 위한 전류 미러부; 상기 제1능동소자에 정합된 제2능동소자와, 이에 캐스코드 방식으로 연결된 제3능동소자로 구성되며, 상기 제2능동소자에 인가된 바이어스에 따라 상기 제3능동소자에 흐르는 전류를 조절하도록 하는 캐스코드 증폭부; 상기 캐스코드 증폭부를 통하여 상기 제2능동소자에 일정한 전압을 인가하기 위한 바이어스부; 및 상기 캐스코드 증폭부를 통해 입력신호를 소정의 출력신호로 증폭하도록 조절하기 위한 피드백 조절부를 포함하여 구성된다.
광대역, 증폭기, 피드백 저항, 잡음지수, 저잡음, 이득, 선형성

Description

피드백 저항을 이용하여 성능을 조절하는 광대역 저잡음 증폭기{Broadband Low Noise Amplifier for Regulating capabilities using feedback resistors}
본 발명은 광대역 저잡음 증폭기에 관한 것으로, 보다 자세하게는 광대역 매칭을 위해 사용되는 다수의 피드백 저항을 이용하여 입력매칭 특성을 가변하고, 피드백되는 신호의 양을 조절하여 추가적인 전류소모 없이 자동이득제어(Automatic Gain Control: AGC) 시스템 상에서 무선주파수 저잡음 증폭기(Radio Frequency Low Noise Amplifier: RF LNA)가 최적의 잡음지수(Noise Figure: NF)와 이득(Gain)으로 동작하도록 상기 무선주파수 저잡음 증폭기의 성능을 조절하기 위한 광대역 저잡음 증폭기에 관한 것이다.
최근의 방송통신을 위한 무선주파수 집적회로(Radio Frequency Integrated Circuit: RFIC)의 주요 의제(issue)는 다중 표준(Multi Standard), 저전력, 및 선형성을 지원하는 것이라 할 수 있다. 특히 전력용량이 제한된 모바일(mobile) 환경에서의 무선주파수 집적회로(RFIC)에 있어 저전력은 매우 중요한 문제가 된다.
수신용 무선주파수 집적회로(RFIC)의 자동이득제어(AGC) 시스템은 대개의 경 우 자동이득제어(AGC) 시스템의 레지스터(register) 조절을 통하여 입력신호에 따라 서브 블록의 이득 등의 특성을 조절하고 일정 레벨 이상의 신호대잡음비(Signal to Noise Ratio: SNR)를 갖는 신호가 기저 대역(Base Band: BB)에 전달되도록 하는데, 이때 레지스터는 각 서브 블록의 이득 및 특성을 전류를 통하여 조절하게 된다. 특히, 가장 앞 단에 위치함으로 충분한 이득과 저잡음 특성을 나타내야 하는 무선주파수 저잡음 증폭기(RF LNA)의 경우는 무선주파수(RF) 입력신호가 작다면 많은 전류를 소모하여 충분한 이득으로 저잡음 증폭기를 동작시켜야 하는데, 이때 이것은 당연히 전체 전력소모에 있어 많은 부담으로 작용하게 된다.
따라서, 본 발명의 자동이득제어(AGC) 시스템에서, 잡음지수, 이득, 선형성을 위해 가장 중요한 역할을 하는 무선주파수 저잡음 증폭기(RF LNA)의 성능 조절 방법에 있어 기존의 전류 가변 방식이 아닌, 무선주파수 저잡음 증폭기(RF LNA)의 피드백(feedback) 저항을 가변하여 입력 매칭 및 피드백 신호의 양을 조절함으로써 전류량은 일정하게 유지하면서 SNR(Signal to Noise Ratio)을 만족하도록 적절한 수준의 잡음지수, 이득, 선형성을 얻을 수 있는 광대역 저잡음 증폭기를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 광대역 저잡음 증폭기는, 적어도 하나의 전류원과 제1능동소자를 포함하여 구성되며, 상기 제1능동소자에 흐르는 제1전류에 비례하는 제2전류를 반사하기 위한 전류 미러부와, 상기 제1능동소자에 정합된 제2능동소자와, 이에 캐스코드 방식으로 연결된 제3능동소자로 구성되며, 상기 제2능동소자에 인가된 바이어스에 따라 상기 제3능동소자에 흐르는 전류를 조절하도록 하는 캐스코드 증폭부와, 상기 캐스코드 증폭부를 통하여 상기 제2능동소자에 일정한 전압을 인가하기 위한 바이어스부와, 그리고 상기 캐스코드 증폭부를 통해 입력신호를 소정의 출력신호로 증폭하도록 조절하기 위한 피드백 조절부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 광대역 저잡음 증폭기의 상기 전류 미러부는 잡음을 줄이기 위해 상기 제1 능동소자와 캐스코드 증폭부의 제2 능동소자 사이에 직렬로 연결된 제1저항을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 광대역 저잡음 증폭기의 상기 제1, 제2, 및 제3 능동소자는 트랜지스터로서 MOS 트랜지스터와 BJT 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 광대역 저잡음 증폭기의 상기 피드백 조절부는 적어도 하나의 고정된 피드백 저항과, 다수의 피드백 저항이 병렬로 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 다수의 피드백 저항에 스위칭 소자가 각각 직렬로 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 각각의 스위칭 소자는 MOS 스위치인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 광대역 저잡음 증폭기는 전체 유효 피드백 저항의 크기를 조절하기 위해 상기 각각의 스위칭 소자를 온/오프시키는 자동이득제어(AGC) 시스템을 더 포함하는 하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 피드백 저항의 크기를 가변함으로써 입력신호 세기에 따라 동일한 전류로 동작이 가능하게 되어, 기존의 무선주파수 저잡음 증폭기(RF LNA)에서 입력신호에 따라 전류를 가변하는 구조에서의 문제점이었던 전력소모를 개선하는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 피드백 저항의 적절한 배열을 통해 입력신호의 세기에 맞도록 이득을 가변함으로써 강전계에서의 선형성 저하를 막을 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 기존의 전류 또는 트랜스 컨덕턴스(transconductance)를 조절하는 방식과 병행하여 사용함으로써 보다 넓은 대역폭(Bandwidth)과 동작범위(Dynamic range)를 사용할 수 있는 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 광대역 저잡음 증폭기에 대해 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명이 적용되는 광대역 자동이득제어(AGC) 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 상기 광대역 자동이득제어(AGC) 시스템(10)은, 저잡음 증폭기(LNA)(11), 믹서(Mixer)(12), 저역필터(LPF)(13), 및 베이스밴드 자동이득제어기(BB AGC)(14) 등으로 구성되며, 각 서브-블록은 무선주파수(RF) 입력신호에 따른 적절한 출력레벨을 만들어 내도록 피드백 루프(Feedback Loop)를 통해 동작하게 된다.
특히, 상기 시스템의 잡음특성은 첫 단의 저잡음 증폭기(11)가 지배적인 영향을 미치게 되는데 기존의 방식에서는 저잡음 증폭기(11)의 잡음지수(NF), 이득(Gain), 및 선형성(Linearity)을 적절하게 유지하기 위해 전류를 조절하게 된다.
따라서, 일정수준 이하의 무선주파수(RF) 입력신호에 대해서 종래의 무선주파수 저잡음 증폭기(RF LNA)(11)는 전류를 늘려 이득을 증가시켜야 한다. 그러나, 전류를 늘려 이득을 증가시키는 방법은 전류가 증가함에 따라 원하지 않는 전력소모 또한 증가하기 때문에 소모전력에 민감한 모바일 환경에서는 적합하지 않다.
그러므로, 본 발명에서는 전류를 변화시키는 대신 피드백 저항값을 조절하여 전류는 일정하게 유지시키면서 종래의 무선주파수 저잡음 증폭기(RF LNA)(11)에서와 마찬가지로 잡음지수(NF), 이득(gain), 및 선형성(linearity)을 적절하게 유지할 수 있는 광대역 저잡음 증폭기를 구현하고자 한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 부귀환형 저잡음 증폭기(20)를 도시한 회로도이다.
도 2를 참조하면, 상기 부귀환형 저잡음 증폭기(20)는 전류 미러부(21), 바이어스부(22), 캐스코드 증폭부(23) 및 피드백 조절부(24)로 구성된다.
먼저, 상기 전류 미러부(21)는 하나의 정전류원(A), 드레인 단자에 상기 정전류원(A)이 연결되고, 상기 드레인 단자와 게이트 단자가 단락된 제1 MOSFET(Q1), 및 상기 제1 MOSFET(Q1)의 게이트 단자에 직렬로 연결된 저항(R1)으로 구성되며, 여기서 상기 제1 MOSFET(Q1)는 그의 게이트 단자가 후술될 제2 MOSFET(Q2)의 게이트 단자와 연결되고, 상기 제1 MOSFET(Q1)의 소스 단자가 상기 제2 MOSFET(Q2)의 소스 단자와 연결된다.
이러한 상기 전류 미러부(21)에서 제1 MOSFET(Q1)는 그의 드레인 단자와 게이트 단자가 단락되어 있으므로 전류원으로 동작한다. 또한, 상술한 바와 같이, 상기 제1 MOSFET(Q1)와 제2 MOSFET(Q2)는, 게이트 단자는 게이트 단자끼리 그리고 소스 단자는 소스 단자끼리 서로 연결되어 정합되어 있으므로 상기 제 1 MOSFET(Q1)의 게이트와 소스 사이의 전압(Vgs1)(미도시)과 상기 제2 MOSFET(Q2)의 게이트와 소스 사이의 전압(Vgs2)(미도시)은 동일하게 인가된다. 따라서, 상기 전류 미러부(21)의 정전류원(A)을 통한 출력전류(alpha*IREF=I1)에 비례하는 전류가 상기 제2 MOSFET(Q2)의 드레인 단자에 이어, 상기 제2 MOSFET(Q2)와 캐스코드 방식으로 연결된 제3 MOSFET(Q3)의 드레인 단자에 흐른다.
즉, 상기 전류 미러부(21)는 정전류원(A)의 출력전류(I1)를 상기 제 3 MOSFET(Q3)의 드레인 단자에 복제 또는 반사하는 전류 미러의 기능을 한다(이를 테면, I1=I2).
여기서 저항(R1)은 상기 제1 MOSFET(Q1)의 게이트 단자와 상기 제2 MOSFET (Q2)의 게이트 단자 사이에 연결한다. 이렇게 상기 저항(R1)을 연결하면 이를 통해 전류원의 잡음(noise)이 상기 제3 MOSFET(Q3)에 전달되는 것을 줄일 수 있다.
다음으로, 상기 바이어스부(22)는 후술될, 캐스코드 증폭부(23)를 구동하기 위해 일정한 전압을 인가하기 위한 것으로서, 저항(RL), 인덕터(L), 캐패시터(C) 및 캐패시터(C1)로 구성된다.
상기 저항(RL)과 캐패시터(C)는 구동전원(Vcc)과 접지 사이에 직렬로 연결되고, 상기 인덕터(L)는 상기 저항(RL) 및 캐패시터(C)와 병렬로 연결되도록 구동전원(Vcc)과 접지 사이에 연결된다. 그리고, 캐패시터(C1)는, 제3 MOSFET(Q3)의 드레인 단자와 상기 인덕터(L) 사이의 지점과 후술될 피드백 조절부(24) 사이에 직렬로 연결된다. 또한, 상기 트랜지스터(Q3)의 게이트 단자는 저항(RL)과 캐패시터(C) 사이에 연결된다.
여기서, 상기 저항(RL)과 인덕터(L)는 바이어스를 제공하기 위한 소자이다. 그리고 상기 캐패시터들(C1 및 C)은 바이패스 캐패시터(bypass capacitor)로서, DC 성분은 차단하고 AC 성분만 통과시키며, 잡음(noise)을 줄여서 상기 캐스코드 증폭부(23)에 흐르는 바이어스 전류를 일정하게 유지시켜 주는 역할을 한다.
다음으로, 상기 캐스코드 증폭부(23)는 두 개의 MOSFET(Q2 및 Q3)로 구성되며, 상기 제2 MOSFET(Q2)의 드레인 단자와 상기 제3 MOSFET(Q3)의 소스 단자가 서로 연결되어 구현된다.
이러한 캐스코드 증폭부(23)는 공통 소스 증폭기와 공통 게이트 증폭기의 장점들을 결합시킨 특징을 갖는다.
보다 자세하게는, 상기 캐스코드 증폭부(23)에서, 상기 제2 MOSFET(Q2)는 공통 소스 구성으로 연결되어 있으므로, 신호 전원에 대해 비교적 높은 입력 저항을 갖는다. 그리고 상기 제3 MOSFET(Q3)는 공통 게이트 구성으로 연결되어 있으며, 상기 제2 MOSFET(Q2)의 드레인 신호 전류가 상기 제3 MOSFET(Q3)의 소스 단자로 공급된다.
상기 피드백 조절부(24)는 상기 전류미러부(21)의 저항(R1)과 상기 캐스코드 증폭부(23)의 제2 MOSFET(Q2)의 게이트 단자 사이에 입력단(1)과의 교차점(N1)과, 상기 캐스코드 증폭부(23)의 제3 MOSFET(Q3)의 드레인 단자와 인덕터(L) 사이에 출력단(2)과의 교차점(N2) 사이에 연결되어 부귀환 회로를 형성한다.
한편, 광대역 저잡음 증폭기 설계에 있어 피드백 저항(RF)을 사용하여 회로의 품질계수(Quality Factor)와 피드백 신호의 양을 조절하는 방법으로 광대역 매칭을 수행하기도 하는데, 상기 피드백 저항(RF)의 크기에 따라 잡음지수와 이득은 비례하고 선형성은 반비례하는 특성을 나타내게 된다. 이를 수식으로 표현하면 다음과 같다:
Figure 112008085703498-PAT00001
(1)
Figure 112008085703498-PAT00002
(2)
Figure 112008085703498-PAT00003
(3)
상기 수식(1), (2), (3)은 각각 상기 광대역 저잡음 증폭기(20)의 입력 임피던스(Zin), 잡음지수(F), 이득(Av)을 나타낸다.
여기서, gm은 트랜스컨덕턴스(transconductance), Rs는 입력단에서 바라본 소스 저항, ZL은 부하 임피던스, RF는 피드백 저항을 나타낸다.
상기 수식(1)-(3)을 참조하면, 피드백 저항(RF)의 크기가 커지면 잡음지수는 작아지는 반면 이득은 커지고, 반대로 피드백 저항(RF)의 크기가 작아지면 잡음지수는 커지는 반면 이득은 작아진다는 것을 알 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 도 2에 도시된 증폭기(20)의 상기 피드백 조절부(23)는 하나의 고정된 피드백 저항(Rfix)에 다수의 피드백 저항(Rf1-Rf4)이 병렬로 추가로 연결되고, 상기 다수의 피드백 저항(Rf1-Rf4)에는 또한 각각의 스위칭 소자(SW1-SW4)가 직렬로 각각 연결되도록 구성한다.
또한 상기 다수의 피드백 저항(Rf1-Rf4)에 각각 직렬로 연결된 상기 스위칭 소자(SW1-SW4)는, 예를 들면, MOS 스위치로 구성할 수 있으며, 본 발명의 자동이득제어(AGC) 시스템과 연동하여 온/오프 되도록 동작한다.
이러한 상기 스위칭 소자(SW1-SW4)는 상기 스위칭 소자(SW1-SW4) 중 어느 하 나만 온(ON)되거나, 아니면 동시에 다수의 스위칭 소자가 온(ON)될 수 있다. 따라서, 각 스위칭 소자의 온/오프 동작에 따라 전체 유효 피드백 저항(RF)의 크기를 조절할 수 있다.
예를 들어, 상기 스위칭 소자(SW1-SW4)가 모두 온(ON) 상태일 경우, 전체 유효 피드백 저항(RF)=1/Rfix +1/(Rf1+Ron1) + 1/(R f2+Ron2) + 1/(R f3+Ron3) + 1/(R f4+Ron4)이다. 여기서, Ron1-Ron4(미도시)는 상기 스위칭 소자(SW1-SW4)의 각각의 온(ON) 저항으로서, 각 스위칭 소자(SW1-SW4)가 온(ON)되었을 경우 존재하는 저항이다.
상기 전체 유효 피드백 저항(RF)이 증가하면 네가티브 피드백 신호의 양이 줄어들어 이득이 증가하게 되고, 상기 전체 유효 피드백 저항(RF)이 감소하면 네가티브 피드백 신호의 양이 늘어나 이득이 감소하게 된다.
따라서, 도 2에 도시된 바와 같은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 저잡음 증폭기가 무선주파수 자동이득제어(AGC) 시스템과 연동하여 사용될 때, 강전계 입력신호의 경우 각 피드백 저항(Rf1-Rf4)의 스위치(SW1-SW4)를 적절히 온/오프하여 네가티브 피드백을 줄임으로써 저잡음 증폭기의 이득과 특성들을 가변할 수 있으며, 약전계 입력신호의 경우에도 각 피드백 저항(Rf1-Rf4)의 스위치(SW1-SW4)를 적절히 온/오프하여 네가티브 피드백을 늘임으로써 저잡음 증폭기의 이득과 특성들을 가변할 수 있게 된다.
상술한 바와 같이 상황에 따라 원하는 수준의 잡음지수, 이득, 및 선형성을 갖는 증폭기를 구현하기 위해 피드백 저항(Rf1-Rf4)의 크기를 조절할 수 있으며, 이는 하기의 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같은 다양한 크기의 전체 유효 피드백 저항(RF)에 따른 잡음지수, 이득, 및 선형성에 대한 그래프를 참조하면 더욱 잘 이해할 수 있을 것이다.
또한, 도 2에 도시된 본 발명에 따른 광대역 저잡음 증폭기에 있어, 다수의 MOSFET(Q1-Q3)를 사용하여 구현하였으나 이에 제한되는 것은 아니며, 상기 다수의 MOSFET 대신 다수의 BJT를 사용하여 구현할 수 있음은 물론이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에서 다양한 크기의 전체 유효 피드백 저항(RF)에 따른 잡음지수와 이득을 나타내는 그래프이다.
도 3을 참조하면, x축에는 전체 유효 피드백 저항(RF)[Ω]을 나타내고, y축에는 왼쪽에 잡음지수(NF)[dB]를, 오른쪽에 전력 이득(Power Gain)[dB]을 나타내었다.
도 3에 도시된 바와 같이, 전체 유효 피드백 저항(RF)이 증가할수록 네가티브 피드백 신호의 양이 줄어 이득이 증가되고, 반대로 전체 유효 피드백 저항(RF)이 감소할수록 네거티브 피드백 신호의 양이 증가하여 이득이 감소된다. 반면에, 잡음지수(NF)는 전체 유효 피드백 저항(RF)에 반비례함을 알 수 있으며, 따라서 전체 유 효 피드백 저항(RF)이 증가할수록 잡음지수(NF)는 감소함을 알 수 있다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에서 다양한 크기의 전체 유효 피드백 저항(RF)에 따른 선형성을 나타내는 그래프이다. 도 4를 참조하면, x축에는 피드백 저항값(RF)[Ω]을 나타내고, y축에는 왼쪽에 출력 P1dB(Output 1dB Compression Point: 1dB 이득압축점의 출력)[dBm]를, 오른쪽에 OIP3(Output 3rd Order Intercept Point: 3차 교차점의 출력)[dBm]를 나타내었다.
도 4에 도시된, 전체 유효 피드백 저항(RF)에 따른 선형성을 나타내는 그래프의 이해를 돕기 위해, y축의 출력P1dB(좌)와 OPI3(우)에 대해 하기에 보다 자세히 언급하기로 한다.
먼저, 증폭기에서 선형성(Linealrity)(Linearity)이란 회로의 이득이 유지되며 왜곡이 발생하지 않는 신호의 크기가 어느 정도인가를 나타내는 특성(spec)이다. 다시 말해, 입력신호전력이 작은 영역(이를 테면, 소신호 영역)에서 증폭기의 출력전력은 입력전력에 대해 1의 기울기로 일정한 이득을 갖는다. 이상적인 증폭기의 경우 완전히 선형적이지만, 실제 증폭기의 경우 일정한 범위에서 근사적으로 선형성을 유지한다. 그리고 입력전력 대 출력전력의 비율은 그대로 전력이득(G)이 된다.
그런데, 입력전력을 점점 더 크게 하면 비선형적(nonlinear) 특성이 나타나기 시작한다. 즉, 비선형으로 일그러짐이 생기며, 이러한 비선형 동작으로 인해 증폭된 출력신호에 왜곡이 발생된다.
따라서 증폭기 성능은 선형성이 좋을수록 우수하다고 할 수 있는데, 이렇게 증폭기의 선형성이 얼마나 좋은가를 나타내는 대표적인 선형 지표로서, 도 5에 도시된 '출력 P1dB' 및 'OIP3'이 사용되며, 이는 무선고주파회로에서 매우 중요한 특성(spec) 파라미터가 된다.
이상적인 증폭기에서는 입력을 증가시키면 출력이 이에 비례하여 무한대로 증폭되지만, 실제 모든 증폭기는 무한정의 전력을 출력할 수는 없다. 즉, 입력을 증가시켜도 출력이 증가하지 않는 어느 한계점에 도달하게 되며, 이때 선형 영역의 이득보다 1dB 떨어지는 지점의 출력전력 레벨을 '출력 P1dB점' 이라고 한다.
이 출력P1dB점을 넘어가면 이득이 급속히 떨어져서, 급기야 출력전력이 더 이상 늘지 않는 포화상태에 도달한다. 결국 이득이 떨어진다는 의미는 입력은 계속 증가하는데 출력이 그만큼 증가하지 못한다는 의미가 된다. 그래서 이 출력 P1dB점까지 선형성이 보장되므로 증폭기 성능에 있어 선형성을 판가름할 수 있는 지표가 된다.
또한, 증폭기의 선형성을 판가름 하는 또 다른 지표로 OIP3를 들 수 있다.
이 OIP3에 대한 이해를 돕기 위해, 먼저 상호변조(Intermodulation: IM)에 대하여 정의한다. 상기 상호변조(IM)이란 시스템 내에 존재하는 능동회로에 포함된 비선형소자(예, 트랜지스터, 다이오드 등)로 인해 발생하는 것으로서, 입력에는 없으나 출력에 나타나는 신호성분이다. 즉, 비선형 회로의 입력단에 한 주파수의 신호 성분이 들어가면 출력단에서는 그 비선형성(nonlinearity)으로 인해 y = a + bx + cx2 + dx3... 과 같이 하모닉 성격을 가진 비선형 출력들이 나오게 된다.
그런데, 만약 두 개의 주파수가 한 시스템을 통과할 경우 이것이 서로 혼합되어 하모닉들의 합과 차에 해당하는 주파수에너지 성분들이 출력되는데, 이러한 현상 자체 혹은 그 기생주파수성분들을 '상호변조'라 부르며, 이러한 상호변조에 의한 왜곡을 '상호변조왜곡(Intermodulation distortion: IMD)'이라 부른다. 즉, 상호변조왜곡(IMD)이란 상호변조(IM)로 인하여 신호의 왜곡(distortion)이 일어나는 정도를 의미한다.
이러한 상호변조왜곡(IMD)에서 증폭기의 선형성에 영향을 주는 것은 3차항 성분이다. 이를 수식적으로 설명하면 입력신호가 증가함에 따라 상호변조왜곡(IMD)은 3제곱으로 늘어나기 때문에, 처음에는 상호변조왜곡(IMD)이 작더라도 입력신호가 계속 증가할 경우 원신호보다 훨씬 빠른 기울기로 증가함으로써 결국엔 원신호의 전력과 같아지는 지점에까지 도달하게 된다. 바로 이 지점을 'IP3점'이라 부르며, 상기 IP3점의 입력레벨을 IIP3(input IP3), 출력레벨을 OIP3(output IP3)라 부른다 (이하에서 설명하는 IP3는 OIP3를 칭함).
그러나, 실제로 전력은 이미 설명한 바와 같이 입력에 따라 계속 증가하는 것이 아니라 어느 한계점에 도달하면 포화하므로 IP3는 실제 전력값은 아니며, 원신호와 상호변조왜곡(IMD)이 포화되지 않고 선형적으로 계속 증가한다고 가정했을 시, 두 신호의 기울기가 다르므로 서로 만나게 되는 가상의 점이다. 상기 IP3가 클수록 상호변조왜곡(IMD)의 3차항 성분이 원신호에 비해 더욱 작다는 것을 의미하 며, 따라서 IP3값이 클수록 선형성이 좋다고 할 수 있다.
다시 도 5를 참조하면, 도시된 바와 같이 다양한 크기의 전체 유효 피드백 저항(RF)에 따른 선형성의 변화를 관찰하면 전체 유효 피드백 저항(RF)의 크기가 작을수록 OIP3(Output IP3)값은 커지므로 선형성이 향상된다. 반면에, 전체 유효 피드백 저항(RF)의 크기가 작을수록 P1dB 값은 커지므로 선형성이 향상된다.
상기 도 3과 도 4에 도시된 바와 같이, 전체 유효 피드백 저항(RF)의 크기에 따라 증폭기의 잡음지수, 이득, 선형성에 변화가 생기므로 전류 및 전압을 변화시키기 않고 전체 유효 피드백 저항(RF)의 크기를 적절히 조절함으로써 설계자는 그가 원하는 성능을 갖는 증폭기를 설계할 수 있다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 저잡음 증폭기에 있어 실제 전체 유효 피드백 저항(RF)의 크기가 다른 각 모드(모드1-모드4)에서의 주파수에 따른 가변이득(dB)을 나타낸다.
도 5를 참조하면, 모드 1은 전체 유효 피드백 저항(RF)이 가장 작은 경우이고, 모드 4는 전체 유효 피드백 저항(RF)이 가장 큰 경우를 도시한다. 도시된 바와 같이, 전체 유효 피드백 저항(RF)이 클수록 이득이 크다는 것을 알 수 있다. 또한, 각 모드에서는 주파수에 따른 이득이 대체로 일정함을 알 수 있다. 이는 저잡음 증폭기의 전류값 또는 전압값을 조절하지 않고, 단지 전체 유효 피드백 저항(RF)의 크 기만을 조절함으로써 이득을 제어할 수 있다는 것을 의미한다.
이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 광대역 자동이득제어(AGC) 시스템을 나타내는 블록도.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 부귀환형 저잡음 증폭기를 도시한 회로도.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에서 다양한 크기의 전체 유효 피드백 저항에 따른 잡음지수와 이득을 나타내는 그래프.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에서 다양한 크기의 전체 유효 피드백 저항에 따른 선형성을 나타내는 그래프.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 각 모드에서의 주파수에 따른 가변이득(dB)을 나타내는 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 입력단(input) 2 : 출력단(output)
10: 광대역 자동이득제어(AGC) 시스템
20: 저잡음 증폭기(LNA) 21: 전류 미러부
22: 바이어스부 23: 캐스코드 증폭부
24: 피드백 조절부

Claims (7)

  1. 적어도 하나의 전류원과 제1능동소자를 포함하여 구성되며, 상기 제1능동소자에 흐르는 제1전류에 비례하는 제2전류를 반사하기 위한 전류 미러부;
    상기 제1능동소자에 정합된 제2능동소자와, 이에 캐스코드 방식으로 연결된 제3능동소자로 구성되며, 상기 제2능동소자에 인가된 바이어스에 따라 상기 제3능동소자에 흐르는 전류를 조절하도록 하는 캐스코드 증폭부;
    상기 캐스코드 증폭부를 통하여 상기 제2능동소자에 일정한 전압을 인가하기 위한 바이어스부; 및
    상기 캐스코드 증폭부를 통해 입력신호를 소정의 출력신호로 증폭하도록 조절하기 위한 피드백 조절부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광대역 저잡음 증폭기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전류 미러부는 잡음을 줄이기 위해 상기 제1 능동소자와 상기 캐스코드 증폭부의 제2능동소자 사이에 직렬로 연결된 제1저항을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광대역 저잡음 증폭기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1능동소자, 제2능동소자, 및 제3 능동소자는 트랜지스터로서 MOS 트랜지스터와 BJT 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 광대역 저잡음 증폭기.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 피드백 조절부는 적어도 하나의 고정된 피드백 저항과, 다수의 피드백 저항이 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 광대역 저잡음 증폭기.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 다수의 피드백 저항에 스위칭 소자가 각각 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 광대역 저잡음 증폭기.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 각각의 스위칭 소자는 MOS 스위치인 것을 특징으로 하는 광대역 저잡음 증폭기.
  7. 제 6 항에 있어서, 전체 유효 피드백 저항의 크기를 조절하기 위해 상기 각각의 스위칭 소자를 온/오프시키는 자동이득제어(AGC) 시스템을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광대역 저잡음 증폭기.
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Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102611395A (zh) * 2012-03-27 2012-07-25 常州安倍利电子科技有限公司 多模导航型射频芯片内的低噪声放大器
CN103117712A (zh) * 2013-01-29 2013-05-22 天津大学 一种cmos高增益宽带低噪声放大器
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KR20190127078A (ko) * 2018-05-03 2019-11-13 삼성전기주식회사 위상 보상 기능을 갖는 가변이득 저잡음 증폭장치
CN111884605A (zh) * 2020-08-10 2020-11-03 上海川土微电子有限公司 一种差分运算放大器
CN116505895A (zh) * 2023-03-24 2023-07-28 江苏卓胜微电子股份有限公司 一种电流和增益可调的低噪声放大器
CN117439549A (zh) * 2023-12-13 2024-01-23 深圳飞骧科技股份有限公司 增益可调的线性低噪声放大器
WO2024055759A1 (zh) * 2022-09-15 2024-03-21 深圳飞骧科技股份有限公司 低噪声放大器和射频芯片

Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102611395A (zh) * 2012-03-27 2012-07-25 常州安倍利电子科技有限公司 多模导航型射频芯片内的低噪声放大器
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CN103117712B (zh) * 2013-01-29 2015-06-24 天津大学 一种cmos高增益宽带低噪声放大器
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KR20190127078A (ko) * 2018-05-03 2019-11-13 삼성전기주식회사 위상 보상 기능을 갖는 가변이득 저잡음 증폭장치
US10826442B2 (en) 2018-05-03 2020-11-03 Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd. Variable gain low noise amplifier with phase compensation
CN111884605A (zh) * 2020-08-10 2020-11-03 上海川土微电子有限公司 一种差分运算放大器
CN111884605B (zh) * 2020-08-10 2024-05-17 上海川土微电子有限公司 一种差分运算放大器
WO2024055759A1 (zh) * 2022-09-15 2024-03-21 深圳飞骧科技股份有限公司 低噪声放大器和射频芯片
CN116505895A (zh) * 2023-03-24 2023-07-28 江苏卓胜微电子股份有限公司 一种电流和增益可调的低噪声放大器
CN116505895B (zh) * 2023-03-24 2024-03-19 江苏卓胜微电子股份有限公司 一种电流和增益可调的低噪声放大器
CN117439549A (zh) * 2023-12-13 2024-01-23 深圳飞骧科技股份有限公司 增益可调的线性低噪声放大器
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