피드백 저항 제어에 의한 무선랜용 가변이득 저전압구동 저잡음 증폭기 MMIC A Variable-Gain Low-Voltage LNA MMIC Based on Control of Feedback Resistance for Wireless LAN Applications원문보기
본 논문에서 ETRI 0.5$\mu\textrm{m}$ MESFET 라이브러리 공정을 이용하여 동작 주파수 5GHz대 저전압구동 가변이득 저잡음 증폭기 MMIC를 설계 및 제작하였다. 이 저잡음 증폭기는 HIPERLAN/2의 Adaptive Antenna Arrays와 함께 사용할 수 있도록 이득조절이 가능하도록 설계하였다. 가변이득 저잡음 증폭기는 2단 캐스케이드 구조이며, 게이트전압에 따라 채널저항이 제어되는 증가형 MESFET과 저항으로 구성된 부귀환 회로를 제안하였다. 제작된 가변이득 저잡음 증폭기의 측정값은 $V_{DD}$ =1.5V, $V_{GG1}$=0.4V, $V_{GG2}$=0.5V일때 5.5GHz의 중심 주파수, 14.7dB의 소신호 이득, 10.6dB의 입력 반사손실, 10.7dB의 출력 반사손실, 14.4dB의 가변이득, 그리고 잡음지수 2.98dB이다. 또한, 가변이득 저잡음 증폭기는 -19.7dBm의 입력 PldB, -10dBm의 IIP3, 52.6dB의 SFBR, 그리고 9.5mW의 전력을 소비한다.다.다.
본 논문에서 ETRI 0.5$\mu\textrm{m}$ MESFET 라이브러리 공정을 이용하여 동작 주파수 5GHz대 저전압구동 가변이득 저잡음 증폭기 MMIC를 설계 및 제작하였다. 이 저잡음 증폭기는 HIPERLAN/2의 Adaptive Antenna Arrays와 함께 사용할 수 있도록 이득조절이 가능하도록 설계하였다. 가변이득 저잡음 증폭기는 2단 캐스케이드 구조이며, 게이트전압에 따라 채널저항이 제어되는 증가형 MESFET과 저항으로 구성된 부귀환 회로를 제안하였다. 제작된 가변이득 저잡음 증폭기의 측정값은 $V_{DD}$ =1.5V, $V_{GG1}$=0.4V, $V_{GG2}$=0.5V일때 5.5GHz의 중심 주파수, 14.7dB의 소신호 이득, 10.6dB의 입력 반사손실, 10.7dB의 출력 반사손실, 14.4dB의 가변이득, 그리고 잡음지수 2.98dB이다. 또한, 가변이득 저잡음 증폭기는 -19.7dBm의 입력 PldB, -10dBm의 IIP3, 52.6dB의 SFBR, 그리고 9.5mW의 전력을 소비한다.다.다.
A variable-gain low-voltage low noise amplifier MMIC operating at 5GHz frequency band is designed and implemented using the ETRI 0.5$\mu\textrm{m}$ GaAs MESFET library process. This low noise amplifier is designed to have the variable gain for adaptive antenna array combined in HIPERLAN/2...
A variable-gain low-voltage low noise amplifier MMIC operating at 5GHz frequency band is designed and implemented using the ETRI 0.5$\mu\textrm{m}$ GaAs MESFET library process. This low noise amplifier is designed to have the variable gain for adaptive antenna array combined in HIPERLAN/2. The feedback circuit of a resistor and channel resistance controlled by the gate voltage of enhancement MESFET is proposed for the variable-gain low noise amplifier consisted of cascaded two stages. The fabricated variable gain amplifier exhibits 5.5GHz center frequency, 14.7dB small signal gain, 10.6dB input return loss, 10.7dB output return loss, 14.4dB variable gain, and 2.98dB noise figure at V$\_$DD/=1.5V, V$\_$GGl/=0.4V, and V$\_$GG2/=0.5V. This low noise amplifier also shows-19.7dBm input PldB, -10dBm IIP3, 52.6dB SFDR, and 9.5mW power consumption.
A variable-gain low-voltage low noise amplifier MMIC operating at 5GHz frequency band is designed and implemented using the ETRI 0.5$\mu\textrm{m}$ GaAs MESFET library process. This low noise amplifier is designed to have the variable gain for adaptive antenna array combined in HIPERLAN/2. The feedback circuit of a resistor and channel resistance controlled by the gate voltage of enhancement MESFET is proposed for the variable-gain low noise amplifier consisted of cascaded two stages. The fabricated variable gain amplifier exhibits 5.5GHz center frequency, 14.7dB small signal gain, 10.6dB input return loss, 10.7dB output return loss, 14.4dB variable gain, and 2.98dB noise figure at V$\_$DD/=1.5V, V$\_$GGl/=0.4V, and V$\_$GG2/=0.5V. This low noise amplifier also shows-19.7dBm input PldB, -10dBm IIP3, 52.6dB SFDR, and 9.5mW power consumption.
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제안 방법
구조를 제안하였다. HIPERLAN/2의 규격을 고려하여 도출한 저잡음 증폭기의 설계규격I기은 이득이 16dB 이상, 가변이득은 15dB 이상, 입력 반사손실 15dB 이상, 출력 반사손실 15 dB 이상, 잡음지수 2.5dB 이호卜, IIP3는 -10dBm 이상, 입력 PldB는 -20dBm 이상, 소비전력은 10mW 이하, SFDR(Spurious Free Dynamic Range)은 50dB °] 상으로 하였다. 따라서, 선형성, 저전압 구동, 가변이득 범위을 고려하여 MESFET의 크기를 최적화하여 잡음특성이 우수한 0.
둘째단 증폭기는 선형성을 고려하여 2x50/m 증가형 MESFEI、의 50% Idss점인 VDd=1.5V, Vgg2=O.5V를 바이어스 점으로 정하고, 부귀환 회로는 10x50側 증가형 MESFET과 12kQ으로 설계하여 둘째단 증폭기가 무조건적인 안정과 11.1&IB의 최대이득을 얻었다. 1.
둘째단의 입력 DC 블록 커패시터는 6pF, 출력 DC 블록 커패시터로 5pF을 사용하였고, RF 초크는 4.25 회전 마이크로스트립 나선형 인덕터를 이용하였다. 입력 정합은 L-타입의 구조이며, 출력 정합은 JI-구조로 설계하였다.
따라서, 본 논문에서는 그림 1과 같은 저전압 구동이 가능하도록 캐스코드 구조 대신에 캐스케이드 구조를 사용하였으며, 안정도를 보장하기 위하여 드레인 단자와 게이트 단자 사이에 부귀환(negative feedback) 회로를 사용하였다. 그림 1에서 점선 사각 형안의 부귀환 회로에 능동소자인 MESFET을 사용함으로 MESFET의 게이트 전압에 따라 채널 저항값의 변화를 이용하여 증폭기의 이득조절이 가능하여 이득 가변을 위한 별도의 회로가 필요하지 않은 이점이 있다.
5dB 이호卜, IIP3는 -10dBm 이상, 입력 PldB는 -20dBm 이상, 소비전력은 10mW 이하, SFDR(Spurious Free Dynamic Range)은 50dB °] 상으로 하였다. 따라서, 선형성, 저전압 구동, 가변이득 범위을 고려하여 MESFET의 크기를 최적화하여 잡음특성이 우수한 0.5伽 GaAs MESFET로 ETRI7} 지원하는 IDEC MPW 공정으로 제작하였다.
또한, 첫째단과 둘째단을 인터스테이지 정합으로 수동소자를 최소화하였으며 출력 정합은 it-구조로 설계하였다. 설계된 2단 증폭기의 첫째단 부귀환 증가형 MESEET의 게이트 제어전압(Wei)이 0.
사용하였다. 바이어스 점은 선형성을 고려하여 50% Idss 지점인 VDS=1.5V, VGS= 0.5V, IDS= 3.8mA로 정하였다.
본 논문에서 0.5伽 GaAs MESEET으로 5GHz대 무선랜에 사용 가능한 가변이득 저잡음증폭기를 MMIC 로 설계 및 제작하였다. 이 저잡음증폭기는 저전압으로 구동하기 위하여 2단 캐스케이드 구조이며, 증가형 MESEET과 직렬저항을 드레인 단자와 게이트 단자 사이에 귀환회로로 사용하였다.
본 논문에서 제작하고자 하는 저잡음 증폭기는 작은 전력을 소비하면서도 높은 이득과 선형성이 우수하며, HIPERLAN/2의 고속 데이터 전송율과심벌간 간섭 효과를 최소화하기 위해 사용되는 Adaptive Antenna Array 와 함께 사용할 수 있도록 이득 조정이 필요하다卩羽] 그러므로 저전압으로 구동되는 가변이득 저전압 증폭기를 구현하기 위하여 캐스코드(cascode) 구조'勺를 사용하는 대신에 피드백 저항 제어에 의한 이득조절이 가능한 캐스케이드(cascade) 구조를 제안하였다. HIPERLAN/2의 규격을 고려하여 도출한 저잡음 증폭기의 설계규격I기은 이득이 16dB 이상, 가변이득은 15dB 이상, 입력 반사손실 15dB 이상, 출력 반사손실 15 dB 이상, 잡음지수 2.
4V의 변화에 대하여 채널 저항이 약 lkQ에서 50Q 정도 변하는 것을 알 수 있다. 부귀환 MESFET의 게이트 단자는 MESFET 의 채널저항 값을 바꾸어 증폭기의 이득을 가변 시켜주는 이득 조절 단자로 사용되었으며, 전력 소모를 최소로 하기 위하여 MESFET과 직렬로 연결된 저항 값을 조정하여 MESFET의 드레인-소오스간의전류가 100/zA 이내가 되도록 정하였다. 이때 소모되는 전력은 수십 UW로 부귀환 MESFET에 의한 전력 소모를 최소화하였다.
4V를 바이어스점으로 정하였다. 부귀환 회로는 안정도와 전력소비를 고려하여 4x50伽 증가형 MESEET과 8kQ으로 설계하여 첫째단 증폭기가 무조건적인 안정과 11.1&1B의 최대 이득을 갖도록 하였다.
5dB에서 12dB까지 변하였다. 부귀환 회로에 흐르는 전류를 고려하여 8kW의 저항과 부귀환 MESFET을 직렬로 연결하였으며, 부귀환 MESFET의 크기는 안정도를 고려하여 4x50 伽 증가형 MESFET을 사용하여 최대이득 11.6dB 를 얻었다.
25 회전 마이크로 스트립 나선형 인덕터를 사용하였다. 입력 정합 수동 소자의 수를 최소화 하기 위하여 3.75 회전 나선형 인덕터만을 사용하였으며, 출력 정합은『구조로 설계하였다. 부귀환 증가형 MESFET 게이트 제어 전압 Vci을 0.
25 회전 마이크로스트립 나선형 인덕터를 이용하였다. 입력 정합은 L-타입의 구조이며, 출력 정합은 JI-구조로 설계하였다. 부귀환 증가형 MESFET 게이트 제어전압 Va가 0.
입력단 DC 블록으로 6pF 커패시터를 사용하였고 RF 초크는 잡음 특성의 향상을 위해 4.25 회전 마이크로 스트립 나선형 인덕터를 사용하였다. 입력 정합 수동 소자의 수를 최소화 하기 위하여 3.
첫째단 증폭기는 잡음 지수를 최소로 하며, 낮은 소비 전력을 고려하여 2x50/zm 증가형 MESFET의 Vdd=1.5V, Vggi=0.4V를 바이어스점으로 정하였다. 부귀환 회로는 안정도와 전력소비를 고려하여 4x50伽 증가형 MESEET과 8kQ으로 설계하여 첫째단 증폭기가 무조건적인 안정과 11.
표1에서 보는 바와 같이 첫째단과 둘째단의 이득과 전력 소비는 각 단의 이득과 전력 소비를 적절히 분배하여 최상의 동작이 되도록 설계하였다. 첫째단과 둘째 단의 전력소비는 각 단의 이득을 먼저 정하고 설계규격의 입력 Pl dB인 -20dBm으로부터 유추하여 첫째 단의 소비전력을 3mW로 둘째단의 소비전력을 6mW로 분배하여 전체 소비전력이 9mW로 설계규격을 만족하도록 하였다. 이 경우 예상되는 각 단의 증폭기 효율과 줄력 PldB는 첫째단의 증폭기를 A 급 증폭기로 가정할 때 각각 3.
5GHz 대역에서 이득 16dB 는 하나의 MESFET으로 구현하기에는 큰 이득이므로 전체 증폭기를 2단 증폭기로 구성하였다. 표1에서 보는 바와 같이 첫째단과 둘째단의 이득과 전력 소비는 각 단의 이득과 전력 소비를 적절히 분배하여 최상의 동작이 되도록 설계하였다. 첫째단과 둘째 단의 전력소비는 각 단의 이득을 먼저 정하고 설계규격의 입력 Pl dB인 -20dBm으로부터 유추하여 첫째 단의 소비전력을 3mW로 둘째단의 소비전력을 6mW로 분배하여 전체 소비전력이 9mW로 설계규격을 만족하도록 하였다.
대상 데이터
부귀환에 사용된 MESFET 은 증가형 GaAs MESFET으로 MESFET의 드레인-소오스간의 채널 저항을 피드백 저항으로 이용하였다. 그림 1에 보이는 바와 같이 증폭기 MESFET의 드레인 단자와 게이트 단자 사이에 저항과 직렬로 부귀환 MESFET 의 드레인 단자와 소오스 단자를 연결하였다.
전체 증폭기의 설계규격에서 둘째단 증폭기의 특성을 유추할 수 있으며, 표 1에 보이는 바와 같이소비전력 6mW, 이득 6dB, 가변이득 10dB이다 증폭기의 구조는 첫째단 증폭기와 같으며 MESFET의 크기도 첫째단 증폭기에서와 같이 2x50例 증가형 MESFET을 사용하였다. 바이어스 점은 선형성을 고려하여 50% Idss 지점인 VDS=1.
첫째단에 사용된 MESFET은 3mW의 소비전력를고려한 바이어스 점인 VDS=1.5V, VGS=0.4V, IDS=2.1mA에서 최소 잡음 지수를 주는 게이트 길이 0.5/zm 게이트 폭 2x50 伽인 증가형 GaAs MESFET으로 결정하였다. 이득 가변이 되더라도 증폭기의 안정도가 보장되어야 하므로 그림 3과 그림 4에 피드백 저항 값에 따른 안정도와 증폭기의 이득을 각각 시뮬레이션하여 나타내었다.
성능/효과
1&IB의 최대이득을 얻었다. 1.4xl.2mm2 크기로 제작된 2단 저잡음 증폭기는 VDd=1.5V, Vggi=O.4V, Vci=O.5V, Vqg2=0.5V, Vca=0.6V 에서 중심 주파수 5.5GHz, 이득은 14.7dB, 입력 반사 계수는 10.6dB, 반사 계수는 10.7dB, 가변 이득은 14.44B, 입력 PldB는 -19.7dBm, UP3는 -lOdBm, SFDR은 52.6JB, 그리고 소비 전력은 9.5mW이다. 제작된 저잡음 증폭기의 측정결과와 설계한 저잡음 증폭기에서 최대이득이 얻어지는 중심 주파수와 입출력 반사계수가 이동한 원인은 수동소자의 변화에 민감한 정합희로구조에 기인한 것으로 판단된다.
4dB이다. 또한, 저잡음증폭기의 신호왜곡 및 선형 특성을 살펴보기 위하여 중심주파수 5.8G田에서 1-톤 및 1MHz 폭의 2-톤 하모닉밸런스 시뮬레이션결과로 -19.7dBm 의 입력 PldB와 -9.5dBm의 입력 IP3를 얻었으며 소비전력은 9.1mW이다
75 회전 나선형 인덕터만을 사용하였으며, 출력 정합은『구조로 설계하였다. 부귀환 증가형 MESFET 게이트 제어 전압 Vci을 0.55V~0.8V까지 변화할 때 가변이득 6dB이상을 확인하였다. Vds =L5V, Vos= 0.
입력 정합은 L-타입의 구조이며, 출력 정합은 JI-구조로 설계하였다. 부귀환 증가형 MESFET 게이트 제어전압 Va가 0.6V-0.83V까지 변화할 때 9.52dB의 가변 이득을 확인하였다. 둘째단 증폭기가 Vds= 1.
설계된 2단 증폭기의 첫째단 부귀환 증가형 MESEET의 게이트 제어전압(Wei)이 0.55V-0.9V, 둘째단 부귀환 증가형 MESEET의 게이트 제어 전압(V。)이 0.6V-0.85V로 변할 때 0dB~175dB의 이득변화를 확인하였다. 설계된 2단 증폭기의 소신호 특성은 Vds=1.
5dB까지 변하며, 안정도는 20GHz 까지 전 주파수 대역에서 만족된다. 시뮬레이션에 사용된 부귀환 저항 값은 부귀환 MESFET과 직렬저항으로 대치되었으며, 10x50例 증가형 MESFET 과 12k2의 저항을 사용햐여 최대이득 11.18 dB를 얻었다.
5mW이다. 제작된 저잡음 증폭기의 측정결과와 설계한 저잡음 증폭기에서 최대이득이 얻어지는 중심 주파수와 입출력 반사계수가 이동한 원인은 수동소자의 변화에 민감한 정합희로구조에 기인한 것으로 판단된다. 따라서, MMIC 저잡음 증폭기를 설계 시 여러 고려요건 중에서 특히 수동소자값의 변화에 대하여 영향이 적은 입출력 정합회로 등을 고려한다면 5GH五대역에서 선형성이 우수한 저전압으로 구동이 가능한 무선랜용 가변이득 저잡음증폭기의 MMIC 제작이 가능할 것으로 기대된다
첫째단 증폭기에서와 마찬가지로 부귀환 저항 값에 따른 이득과 안정도에 대한 시뮬레이션을 수행하였으며, 그림 6과 그림 7에 보이는 바와 같이 부귀환 저항 값이 20에서 16kQ까지 변할 때 이득은 약 8.2dB에서 11.5dB까지 변하며, 안정도는 20GHz 까지 전 주파수 대역에서 만족된다. 시뮬레이션에 사용된 부귀환 저항 값은 부귀환 MESFET과 직렬저항으로 대치되었으며, 10x50例 증가형 MESFET 과 12k2의 저항을 사용햐여 최대이득 11.
후속연구
제작된 저잡음 증폭기의 측정결과와 설계한 저잡음 증폭기에서 최대이득이 얻어지는 중심 주파수와 입출력 반사계수가 이동한 원인은 수동소자의 변화에 민감한 정합희로구조에 기인한 것으로 판단된다. 따라서, MMIC 저잡음 증폭기를 설계 시 여러 고려요건 중에서 특히 수동소자값의 변화에 대하여 영향이 적은 입출력 정합회로 등을 고려한다면 5GH五대역에서 선형성이 우수한 저전압으로 구동이 가능한 무선랜용 가변이득 저잡음증폭기의 MMIC 제작이 가능할 것으로 기대된다
참고문헌 (6)
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Kai Chang, Microwave Solid-State Circuits and Applications, Wiley-Interscience Pub. 1994
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