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문제 정의
- 그러나 이러한 방법들 중 degeneration 방식을 제외한 방법들은 회로의 복잡성과 칩 크기의 제약에 기인한 집적화의 어려움 및 낮은 격리도 등의 단점을 가지고 있다. 따라서 본 논문에서는, 변환 이득과 단자간 격리도에서 우수한 특성을 지닌 gilbert-cell 구조이를 이용하여 상향 주파수 혼합기의 degeneration 저항에 의한 선형성 개선 효과를 비교하였다. 이를 위해 시뮬레이션을 통해 emitter degeneration 저항값을 최적화 시켰으며, degeneration 저항의 유 .
제안 방법
- <그림 1>에 나타낸 바와 같이 이 중 평형 형 상향 주파수 혼합기는 차동형 구조의 IF balun과 LO balun 및 gilbert-cell 구조의 코어 부분으로 구성되어 있다. 단일 입력 신호를 역위상을 갖는 두 신호로 만들기 위한 LO balun 설계 시에는 윌킨슨 전류 원으로 구성된 차동증폭기 형태의 active balun 을 사용하였으며, IF balun 설계시에는 LO balun의 윌킨슨 전류원을 저항으로 대체하여 설계하였다.
- 으로" emitter degeneration 은 inductive degeneration의 효과가 noise 및 이득 특성을 비롯한 여러 측면에서 우수하다고 알려져 있으나, degeneration inductor의 크기로 인해 그 사용이 제한적이다. 따라서 본 논문에서는 inductor가 아닌 resistor를 사용하여 degeneration 효과를 극대화 시켰다. 또한, resistor의 사용으로 인한 변환 이득의 감소는 IF balun의 이득을 이용하여 보상할 수 있도록 설계하였다.
- 따라서 본 논문에서는 inductor가 아닌 resistor를 사용하여 degeneration 효과를 극대화 시켰다. 또한, resistor의 사용으로 인한 변환 이득의 감소는 IF balun의 이득을 이용하여 보상할 수 있도록 설계하였다. 이때 사용된 degeneration 저항값은 simulation을 통하여 출력 전력과 변환 이득을 동시에 고려한 최적화 된 저항 값을 사용하였다.
- 이를 위해 시뮬레이션을 통해 emitter degeneration 저항값을 최적화 시켰으며, degeneration 저항의 유 . 무에 따른 두 가지 형태의 8-GHz 대역 이 중 평형형 상향 주파수 혼합기를 설계 및 제작하였다.
- 설계된 이 중 평형형 상향 주파수 혼합기를 0.35 um Si-BiCMOS 공정을 이용하여 제작하였다 에 emitter degeneration 저항을 사용하지 않은 상향 주파수 혼합기와 emitter degeneration 저항을 사용하여 제작한 상향 주파수 혼합기를 각각 나타내었다.
- <그림 1>에 나타낸 이 중 평형형 상향 주파수 혼합기의 core 부분은 다소 전력 소모는 있더라도 변환이득(conversion gain)을 갖고 낮은 LO 전력을 필요로 하며, 뛰어난 단자간 격리도(port isolation), 고 선형이득 굉대역 DR(Dynamic Range) 및 찍수 차수 고조파(even-order harmonic) 성분을 줄여줄 수 있는 장점을 가지고 있는 이 중 평형형(double-balanced type) 인 gilbert-cell 구조를 이용하여 설계하였다. <그림 1>에 나타낸 상향 주파수 혼합기의 core 부분은 크게 차동씽■의 drive stage(Qb Q2) 와 switching stage(Q3, Q4, Q5, Qo)로 구성되어 있다.
- <그림 7>에 제작된 두 가지 형태의 상향 주파수 혼합기에 대한 IF 입력에 따른 RF 출력 전력 및 IF to RF의 변환 이득에 대한 측정 결과를 비교하여 나타내었다.
- <그림 8>에 제작된 두 가지 형태의 이 중 평형형 상향 주파수 혼합기에 IFi = 100 MHz, IF2=140 MHz의 두 신호 입력시, 3차 상호 변조 성분(IMD》 과 선형성의 지표인 IP3 특성에 대한 측정 결과를 비교하여 나타내었다.<그림 8>에 나타낸 바와 같이 degeneration 저항을 사용하지 않은 이 중 평형형 상향 주파수 혼합기는 약 3.
- 1>에 제작된 두 가지 형태의 이 중 평형형 상향 주파수 혼합기에 대한 주요 측정 결과를 비교하여 나타내었다.
- 또한, resistor의 사용으로 인한 변환 이득의 감소는 IF balun의 이득을 이용하여 보상할 수 있도록 설계하였다. 이때 사용된 degeneration 저항값은 simulation을 통하여 출력 전력과 변환 이득을 동시에 고려한 최적화 된 저항 값을 사용하였다. <그림 4>에 최적화된 degeneration 저항을 구하기 위한 시뮬레이션 결과를 나타내었다.
- 따라서 본 논문에서는, 변환 이득과 단자간 격리도에서 우수한 특성을 지닌 gilbert-cell 구조이를 이용하여 상향 주파수 혼합기의 degeneration 저항에 의한 선형성 개선 효과를 비교하였다. 이를 위해 시뮬레이션을 통해 emitter degeneration 저항값을 최적화 시켰으며, degeneration 저항의 유 . 무에 따른 두 가지 형태의 8-GHz 대역 이 중 평형형 상향 주파수 혼합기를 설계 및 제작하였다.
- 특흐L degeneration 저항의 사용으로 인한 상향 주파수 혼합기의 변환 이득의 감소는 IF balun 의 이득을 이용하여 보상할 수 있도록 설계하였다.
대상 데이터
- 상향 주파수 혼합기 는 Agilent社의 ADS (Advanced Design System)를 이용하여 설계하였으며, 이를 0.35 四 Si-BiCMOS 공정을 이용하여 제작하였다.
성능/효과
- <그림 6>의 (a)로부터 degeneration 저항을 사용하지 않은 이 중 평형형 상향 주파수 혼합기는 8.0 GHz의 -5 dBm LO 신호와 100 MHz 의 -28 dBm IF 신호 입력에 대하여, 7.9 GHz의 주파수에서 -13.1 dBm의 RF 출력 전력과 36.8 曲의 LO-RF 단자간 격리도를 나타내었다. 이때, 상향 주파수 혼합기에 가해진 바이어스 조건은 Vcc = 3.
- 5 V, Inc = 50 mA 이다. 또한<그림 6>의 (b)로부터 degeneration 저항을 사용한 이 중 평형형 상향 주파수 혼합기는 8.0 GHz의 -5 dBm LO 신호와 100 MHz의 -18 dBm IF 신호 입력에 대하여, 7.9 GHz 의 주파수에서 -10 dBm의 RF 출력 전력과 32.6 曲의 LO-RF 단자간 격리도를 나타내었다. 이때, 상향 주파수 혼합기에 가해진 바이어스 조건은 Vcc = 3.
- 응용할 수 있는 두 가지 형태의 SiGe HBT 이 중 평형형 상향 주파수 혼합기를 설계 및 제작하였다 주파수 혼합기의 core 부분은 선형 이득과 넓은 dynamic range 및 우수한 단자간 격리도 특성을 갖는 gilbert-cell 구조를 이용하였으며, emitter degeneration 저항을 사용하여 선형성 개선 효과를 비교하였다 제작 및 측정 결과, emitter degeneration 저항을 사용하지 않은 상향 주파수 혼합기는 8.0 GHz의 -5 dBm LO 신호 및 100 MHz의 -28 dBm IF 신호 입력에 대하여, -13.1 dBm의 Peb와 15.5 dB의 IF to RF 선형 변환 이득 및 3.7 dBm의 OIP3 특성을 나타내었으며, emitter degeneration 저항을 사용하여 제작된 상향 주파수 혼합기는 8.0 GHz의 -5 dBm LO 신호 및 100 MHz의 -18 dBm IF 신호 입력에 대하여, -10 dBm의 Peb와 9 dB의 IF to RF 선형변환 이득 및 8.7 dBm의 OIP3특성을 각각 나타내었다. 따라서 emitter degeneration 저항을 사용함으로써, OIP3 측면에서 5 dBm의 선형성 개선 효과를 나타내었다.
- 7 dBm의 0此 특성을 각각 나타내었다. 따라서 degeneration 저항을 사용한 상향 주파수 혼합기가 degeneration 저항을 사용하지 않은 상향 주파수 혼합기 보다 OIP3 측면에서 5 dBm의 선형성이 개선되었음을 확인할 수 있다.
- 7 dBm의 OIP3특성을 각각 나타내었다. 따라서 emitter degeneration 저항을 사용함으로써, OIP3 측면에서 5 dBm의 선형성 개선 효과를 나타내었다.
- <그림 7>로부터 degeneration 저항을 사용하지 않은 이 중 평형형 상향 주파수 혼합기는 8.0 GHz 의 -5 dBm LO 신호 및 100 MHz의 -28 dBm IF 신호 입력에 대하여, -13.1 dBm의 Peb와 15.5 dB 의 IF to RF 선형 변환 이득을 나타내었으며, degeneration 저항을 사용한 이 중 평형형 상향 주파수 혼합기는 8.0 GHz의 -5 dBm LO 신호 및 100 MHz의 -18 dBm IF 신호 입력에 대하여, -10 dBm 의 Peb와 9 曲의 IF to RF 선형 변환 이득을 나타내었다.
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