본 논문에서는 802.11a 무선 근거리 통신망 (wireless LAN)에서 사용 가능한 5.25㎓ SiGe 저잡음 증폭기(LNA)를 제안한다. 본 저잡음 증폭기는 2단 구조로 1V의 공급전압에서 동작하며, 0.18$\mu\textrm{m}$ SiGe 공정으로 제작되었다. 이 저잡음 증폭기의 경우 5.25㎓의 동작주파수에서 17㏈의 전압이득, 2.7㏈의 잡음지수, -l5㏈의 반사계수, -5㏈md의 IIP3 및 -14㏈m의 1㏈ compression point와 같은 우수한 동작특성을 보였으며, 바이어스 회로에서 소모되는 0,5㎽를 포함하여 전체회로에서 소모되는 총 전력은 7㎽이다.
본 논문에서는 802.11a 무선 근거리 통신망 (wireless LAN)에서 사용 가능한 5.25㎓ SiGe 저잡음 증폭기(LNA)를 제안한다. 본 저잡음 증폭기는 2단 구조로 1V의 공급전압에서 동작하며, 0.18$\mu\textrm{m}$ SiGe 공정으로 제작되었다. 이 저잡음 증폭기의 경우 5.25㎓의 동작주파수에서 17㏈의 전압이득, 2.7㏈의 잡음지수, -l5㏈의 반사계수, -5㏈md의 IIP3 및 -14㏈m의 1㏈ compression point와 같은 우수한 동작특성을 보였으며, 바이어스 회로에서 소모되는 0,5㎽를 포함하여 전체회로에서 소모되는 총 전력은 7㎽이다.
This paper describes the design of a two stage 1V power supply SiGe Low Noise Amplifier operating at 5.25㎓ for 802.lla wireless LAN application. The achieved performance includes a gain of 17㏈, noise figure of 2.7㏈, reflection coefficient of 15㏈, IIP3 of -5㏈m, and 1-㏈ compression point of -14㏈m. The...
This paper describes the design of a two stage 1V power supply SiGe Low Noise Amplifier operating at 5.25㎓ for 802.lla wireless LAN application. The achieved performance includes a gain of 17㏈, noise figure of 2.7㏈, reflection coefficient of 15㏈, IIP3 of -5㏈m, and 1-㏈ compression point of -14㏈m. The total power consumption of the circuit was 7㎽ including 0.5㎽ for the bias circuit.
This paper describes the design of a two stage 1V power supply SiGe Low Noise Amplifier operating at 5.25㎓ for 802.lla wireless LAN application. The achieved performance includes a gain of 17㏈, noise figure of 2.7㏈, reflection coefficient of 15㏈, IIP3 of -5㏈m, and 1-㏈ compression point of -14㏈m. The total power consumption of the circuit was 7㎽ including 0.5㎽ for the bias circuit.
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문제 정의
본 연구에서는 기존의 토폴로지들이 가진 단점을 보완하고, 이득을 최대화하기 위해서 첫째 단과 다음 단간에 교류 결합 특성을 가진 2단 구조의 CE-CE (공통 에미터-공통 에미터) 토폴로지를 이용하고자 한다. 이러한 구조는 입출력 회로간에 좋은 정합이 이루어질 경우 기존의 다른 구조에 비해이득이 높고 잡음지수가 낮은 장점을 가진다.
[8]. 본 연구에서는 이득을 증가시키고 잡음지수를 감소시키기 위해 입력단에서 잡음과 전력 정합특성을 가지는 증폭기를 설계하고자 하였다. 본 연구에서는 그림 2에 나타나 있듯이 50Q에 더 가까운 Γopt를 얻기 위해 트랜지스터 Q1의 에미터 면적을 적절히 조절하였으며 [9], 12.
본 연구에서는 저전압, 저전력 특성을 지닌 무선통신 연구의한 접근 방법으로 802.11a 무선 근거리 통신망에 사용할 5.25GHz SiGe 저잡음 증폭기 (LNA)의 설계를 제안하고자 한다. 본 연구에서 제안하는 저잡음 증폭기는 IV의 매우 낮은 공급전압에서 동작하고, 2단 구조를 가지며, 0.
가설 설정
이러한 값은 전류밀도 대 잡음지수 특성곡선으로부터 얻을 수 있다. [2], 설계된 저잡음 증폭기의 각 단을 통해 흐르는 전류는 0.2mA/u m2xl2.25(m2 = 2.45µmA 이다.
제안 방법
각 단은 출력 부하가 5GHz 주파수 근처에서 공진 특성을 가지도록 설계되었다. 공진특성에서 각단의 이득은 우선적으로 인덕터의 선택도(quality factor) Q에 달려있다.
값을 증가시킬 수 있다. 그러나 본 연구에서는 증폭기가 5GHz의 적절한 동작 범위에서 공진 특성을 유지하기 위해서 2nH 이하의 인덕턴스 값을 가지도록 설계하였고, 전체 칩 면적과 잡음 특성을 고려하여 첫째 단은 약 10dB, 둘째 단은 약 7dB의 전압이득을 갖도록 하였다. 식(4.
또한 접지선들은 접지쪽으로 낮은 임피던스 경로를 제공하기 위해 넓게 하였다. 기판으로부터 발생되는잡음을 최소로 하기위해 각각의 인덕터와 트랜지스터 주위를 접지 보호 링 (guard rings)하여 기판과 연결하였다. 사용된 커패시터는 높은 선택도를 가진 MIM(Metal-Insulator-Metal) 구조이며, Tantalum nitride 박막형 저항을 사용하였다.
그러나 HBT Q1 과 Q2의 출력 저항 값 (rol와 ro2)은 다른 값들에 비해 매우 큰 값을 가지므로 무시하였다. 또한 고주파에서 HBT Q1과 Q2에 의한 커패시터성 리액턴스 Cnl과 02의 영향을 제거하고 동작 주파수를 적절히 조절하기 위해 베이스 인덕터 Lb를 사용하였다. 식(1.
또한 잡음지수를 최소화하기 위해 잡음 정합을 고려하였다. 이러한 값은 전류밀도 대 잡음지수 특성곡선으로부터 얻을 수 있다.
25GHz SiGe 저잡음 증폭기 (LNA)의 설계를 제안하고자 한다. 본 연구에서 제안하는 저잡음 증폭기는 IV의 매우 낮은 공급전압에서 동작하고, 2단 구조를 가지며, 0.18um SiGe 공정으로 설계되었다. 저전압, 저전력 특성을 지닌 저잡음 증폭기의 설계를 위해 밴드갭 참조 구조 (band-gap reference)의 바이어스 회로를 적용하였다.
증폭기를 설계하고 레이아웃한 후에 Assura RCX 툴을 이용하여 기생성분 추출 (parasitic extraction)을 수행하였고, 추출된 결과를 토대로 포스트 레이아웃 시뮬레이션을 수행하였다. 레이아웃 전과 후의 시뮬레이션 결과들은 각각 거의 비슷한 특성을 보였다.
대상 데이터
본 연구에서는 이득을 증가시키고 잡음지수를 감소시키기 위해 입력단에서 잡음과 전력 정합특성을 가지는 증폭기를 설계하고자 하였다. 본 연구에서는 그림 2에 나타나 있듯이 50Q에 더 가까운 Γopt를 얻기 위해 트랜지스터 Q1의 에미터 면적을 적절히 조절하였으며 [9], 12.25um2의 에미터 면적 (5개의 에미터 구조)을 선택하였다.
기판으로부터 발생되는잡음을 최소로 하기위해 각각의 인덕터와 트랜지스터 주위를 접지 보호 링 (guard rings)하여 기판과 연결하였다. 사용된 커패시터는 높은 선택도를 가진 MIM(Metal-Insulator-Metal) 구조이며, Tantalum nitride 박막형 저항을 사용하였다.
그림 1에 본 연구에서 설계한 저잡음 증폭기 회로를 나타내었다. 전체 회로는 4개의 HBT (High Mobility Transistor; 고이동도 트랜지스터), 5개의 인덕터, 5 개의 커패시터, 6개의 저항으로 구성되어 있으며, 단일 칩내에 설계되었다. 그리고 저전압 밴드갭 참조 구조 (band-gap reference) 바이어스 회로가 각단에 바이어스 전류를 공급하기 위해 사용되었다 [7], 이러한 회로는 온도나 기타 다른 외부 영향에 대하여 상당히 안정 (stable)하며, 저전압 응용에 적합하다.
이론/모형
저 잡음 증폭기를 설계하고 시뮬레이션하기 위해 Cadence를 이용하였다. 저잡음 증폭기를 구성하는 각 요소들이 공정 파라미터의 미세변동으로 인해 최악의 공정조건(worst-case process)으로 제작될 경우를 대비하여 corner 시뮬레이션도 함께 수행하였으나, 정규 결과와 큰 편차를 보이지는 않았다.
18um SiGe 공정으로 설계되었다. 저전압, 저전력 특성을 지닌 저잡음 증폭기의 설계를 위해 밴드갭 참조 구조 (band-gap reference)의 바이어스 회로를 적용하였다.
성능/효과
15GHz를 각각 사용하였다. 그 결과 설계된 증폭기는 -5dBm의 IIP3 및 -14dBm의 IdB compression point를 보였다. 설계된 저잡음 증폭기는
25GHz 근처에서 우수한 특성을 보였다. 설계된 저잡음 증폭기는 5.25GHz의 동작 주파수에서 40.26Q의 입력 임피던스와 17.15dB의 전압이득, -25.28dB의 입력 반사손실, -23.46dB의 출력 반사손실, -3L29dB의 역 흐름 격리 특성 및 2.623 의 안정계수를 보였다. 또한 1.
144의 입력 VSWR과 출력 VSWR을 각각 보였다. 설계된 증폭기는 lGHz~10GHz의 주파수 범위에서 무조건적인 안정성을 보였다.
25GHz의 동작주파수 근처에서 최소 잡음지수(NF min)와 일치하였다. 이 결과는 설계된 저잡음 증폭기가 5.25GHz의 동작주파수 근처에서 최소 잡음으로 동작하도록 바이어스 되어있으며, 잡음 정합이 이루어져 있음을 의미한다. 설계된 저잡음 증폭기는 5.
11a 무선 근거리통신망(wireless L厶N)에 응용하기 위한 저잡음 증폭기는 2단 구조를 가지며, IV의 공급전압에서 동작한다. 이는 5.25GHz의 동작주파수에서 17dB의 전압이득, 2.7dB의 잡음지수, -15dB의 반사계수, -5dBm의 IIP3 및 -14dBm의 IdB compression point를 보였으며, 기존에 연구된 결과보다 더 우수한 동작특성을 보였다. 바이어스 회로에서 소모되는 0.
이러한 결과를 통해 전압이득과 안정계수, 입력 반사손실 (input return loss) 및 출력 반사손실 (output return loss), 그리고 역 흐름 격리 특성 (reverse isolation) 등을 확인할 수 있다.
이용하였다. 저잡음 증폭기를 구성하는 각 요소들이 공정 파라미터의 미세변동으로 인해 최악의 공정조건(worst-case process)으로 제작될 경우를 대비하여 corner 시뮬레이션도 함께 수행하였으나, 정규 결과와 큰 편차를 보이지는 않았다. 또한 설계된 저잡음 증폭기는 전원전압이 0.
표 2는 5GHz 동작주파수대의 응용분야에서 현재까지 연구된 결과와 본 연구결과를 비교를 한 것으로, 본 연구결과가 기존의 방법에 비해 우수한 특성을 보이고 있음을 알 수 있다.
후속연구
5mW를 포함하여 전체회로에서 소모되는 총 전력은 7mW이었다. 향후 프로브스테이션과 벡터 네트워크 분석기, 스펙트럼 분석기 등을 이용하여 제작된 저잡음 증폭기의 특성을 정밀하게 측정할 계획이다.
참고문헌 (12)
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