[논문]직접변환 수신기용 가변 차단주파수특성을 갖는 CMOS Gm-C 저역통과필터 설계

방준호

문제 정의

0아의 정현파를 인가했을 때, 양호한 출력 파형을 얻어낼 숙 있었고 저지 대역 주파수인 35MHz를 인가한 경우인데 그 출력이 5mV이내로 파형 값이 제거됨을 확인할 수 있어서 비교적 우수한 차단특성 결과를 얻었다. 본 논 문에서 수행된 결과를 바탕으로 단일칩화, 다중대역화 되고 있는 직접변환용 수신기의 필터 설계에 활용하며 연구해 나 가고자 한다.
본 논문에서는 W-CDMA와 같은 직접변화 수신단의 기 저대역에서 사용할 수 있는 2.5MHz의 차단특성을 갖는 가 변 주파수특성을 갖는 연속시간 CMOS 차동 Gm-C 필터를 설계하고자 한다.
본 논문에서는 위와 같은 연구 경향에 따라 다중모드 및 다중 대역 직접변환방식 수신단에 적용하기 위한 테스트 칩 의 제작을 목적으로 차단주파수의 조정 특성을 갖는 연속시간 5차 일립틱 Gm-C 저역통과 필터를 설계하고 레이아웃 하였다. 필터 설계의 기본블록인 트랜스컨덕터(Gm)는 1단 캐스코드 증폭기 구조를 활용하여 완전 차동구조로 입출력 단 회로로 구성하고 CMFB 회로를 추가하여 잡음에 대응하고 입출력 동작전압이 안정화 되도록 하였다.

제안 방법

또한 M23~M30까지는 공통모드 궤환회로를 구성하는데 이는 차동전압의 DC공통모드 전압을 일정하게 유지하여 주는 역할을 한다. 그리고 외부전압의 조정을 통하여 트랜스컨덕 턴스 값을 일정한 범위 내에서 원하는 값으로 변환할 수 있도록 설계함으로써 필터 차단주파수의 변형에 대처할 수 있도록 하기 위하여 그림 5의 트랜스컨덕터의 외부 조정전압 인 Vcl을 활용하여 트랜스컨덕턴스 값을 조절할 수 있도록 하였다. 아울러 본 연구에서는 차동입력단 사이에 트랜지스 터 Me를 연결하고 Me의 게이트 전압, Vc2를 추가적으로 조정함으로써 트랜스컨덕턴스를 조정폭이 확대될 수 있도록 하였다.
본 논문에서는 직접변환방식 수신단의 아날로그 핵심회로 언 저역필터를 WCDMA 기저대역용 사양에 맞도록 설계하 였으며 테스트 칩으로 제작하기 위하여 레이아웃 하였다. 또한 수신단의 다중대역화 추세에 맞도록 가능한 차단주파 수가 일정한 범위내에서 조정이 될 수 있는 가변주파수 특성을 갖는 필터를 설계하였다. 필터설계 시, 필터를 구성하기 위한 트랜스컨덕터를 설계함에 있어서 제어전압으로 트 랜스컨덕턴스 값의 변화가 가능하도록 설계하였는데 HSPICE 시뮬레이션 결과, L대~3, 5M의 차단주파수의 조 정이 가능하였고 이득은 -2.
필터 설계의 기본블록인 트랜스컨덕터(Gm)는 1단 캐스코드 증폭기 구조를 활용하여 완전 차동구조로 입출력 단 회로로 구성하고 CMFB 회로를 추가하여 잡음에 대응하고 입출력 동작전압이 안정화 되도록 하였다. 또한 트랜스 컨덕터의 트랜스컨덕턴스 값이 외부 전압으로 조정되고 이를 통하여 필터의 주파수 대역이 가변될 수 있도록 구성하였다. 설계된 회로들은 HSPICE로 시뮬레이션을 수행하고 CMOS 2.
트랜스컨덕터의 출력 전위를 일정한 값으로 유지하기 위한 공통모드 궤환 회로는 다음과 같은 방법으로 설계하였다. 먼저 M23=M24=M25=M26 이며 M27=M28, M29=M30 로 결정하여 동일한 레벨의 트랜지스터들의 크기를 같도록 설 정하고, # 23=gm24=gM5=gm26 으로 결정하였다. 이때 입력공 통모드 전 압, V*을 및 궤환전압, VCMFB구하기 위하여 입력 측에 인 가되는 전 압에 따른 공통모드 궤환 회 로의 특성을 조사하였다.
본 논문에서는 직접변환방식 수신단의 아날로그 핵심회로 언 저역필터를 WCDMA 기저대역용 사양에 맞도록 설계하 였으며 테스트 칩으로 제작하기 위하여 레이아웃 하였다. 또한 수신단의 다중대역화 추세에 맞도록 가능한 차단주파 수가 일정한 범위내에서 조정이 될 수 있는 가변주파수 특성을 갖는 필터를 설계하였다.
또한 트랜스 컨덕터의 트랜스컨덕턴스 값이 외부 전압으로 조정되고 이를 통하여 필터의 주파수 대역이 가변될 수 있도록 구성하였다. 설계된 회로들은 HSPICE로 시뮬레이션을 수행하고 CMOS 2.5V-0.25 공정을 통하여 칩으로 제작할 수 있도록 Layout을 하였다.
표 1의 설계 사양에 맞는 필터를 설계하기 위한 첫 단계 로써 낮은 감도 특성을 유지할 수 있는 장점을 가지고 있는 제자형 복종단 LC회로를 기본 수동회로로 설계하였다. 수동 필터를 능동필터로 변환하기 위한 변환법으로는 자이레이터 를 이용한 직 접모의법, 2차 단위 블록을 캐스캐 이드 형태로 연결하는 바이쿼드법, 수동 LC 제자형 회로를 신호흐름선도 를 이용하는 신호흐름선도법을 이용하여 필터를 설계하는 방법 등이 있으나 본 논문에서는 이들 중 설계가 비교적 간 단하면서도 정확한 능동필터의 특성 값을 얻어내기에 유리 한 자이레이터 직접변환법을 이웅하였다.
그리고 외부전압의 조정을 통하여 트랜스컨덕 턴스 값을 일정한 범위 내에서 원하는 값으로 변환할 수 있도록 설계함으로써 필터 차단주파수의 변형에 대처할 수 있도록 하기 위하여 그림 5의 트랜스컨덕터의 외부 조정전압 인 Vcl을 활용하여 트랜스컨덕턴스 값을 조절할 수 있도록 하였다. 아울러 본 연구에서는 차동입력단 사이에 트랜지스 터 Me를 연결하고 Me의 게이트 전압, Vc2를 추가적으로 조정함으로써 트랜스컨덕턴스를 조정폭이 확대될 수 있도록 하였다.
75MHz에서 40dB이상으로 설정하였다. 앞서 언 급한 것처럼 공정과정에서 나타나는 주파수 변형을 보상할 수 있고 주파수 크기의 조정이 가능하도록 함으로써 다중대 역으로의 활용을 고려하여 설계사양을 설정하였다. 이때 주파수 대역의 조정 특성은 필터를 구성하는 트랜스컨덕터 설 계에서 고려하였디.
위와 같은 설계 사양을 만족하기 위한 트랜스컨덕터의 구 조는 1단 이득단을 갖는 폴디드 캐스코드 구조가 적합하기 때문에 본 논문에서는 기존에 연산증폭기의 설계에 많이 활 용되고 있는 1단 이득단을 갖는 폴디드 캐스코드 구조를 트 랜스컨덕터로써 활용될 수 있도록 설계하고 그림 5에 나타내었다.
먼저 M23=M24=M25=M26 이며 M27=M28, M29=M30 로 결정하여 동일한 레벨의 트랜지스터들의 크기를 같도록 설 정하고, # 23=gm24=gM5=gm26 으로 결정하였다. 이때 입력공 통모드 전 압, V*을 및 궤환전압, VCMFB구하기 위하여 입력 측에 인 가되는 전 압에 따른 공통모드 궤환 회 로의 특성을 조사하였다. 먼저 공통모드 궤환회로의 입력단자에 트 랜스컨덕터의 출력전압이 VCM 과 같은 크기의 DC 전압이 v-n=vCM, #=#와 같이 인가될 때 궤환 전압, VcMFB는 식 (1)과 같이 된다
이 절에서는 그림 4의 5차 Gm-C 능동 타원 필터를 구 성하는 내부 트랜스컨덕터를 설계하고자 한다. 트랜스컨덕 터의 설계 사양을 표 3에 나타내었으며, 단위이득 대역폭은 15MHz, 위상마진은 60도 이상으로 설정하였고 슬루율은 5Vzs 그리고 출력 저항과 부하 캐패시터는 각각 10#과 10 pF으로 설정하였다.
표 1의 설계 사양에 맞는 필터를 설계하기 위한 첫 단계 로써 낮은 감도 특성을 유지할 수 있는 장점을 가지고 있는 제자형 복종단 LC회로를 기본 수동회로로 설계하였다. 수동 필터를 능동필터로 변환하기 위한 변환법으로는 자이레이터 를 이용한 직 접모의법, 2차 단위 블록을 캐스캐 이드 형태로 연결하는 바이쿼드법, 수동 LC 제자형 회로를 신호흐름선도 를 이용하는 신호흐름선도법을 이용하여 필터를 설계하는 방법 등이 있으나 본 논문에서는 이들 중 설계가 비교적 간 단하면서도 정확한 능동필터의 특성 값을 얻어내기에 유리 한 자이레이터 직접변환법을 이웅하였다.
본 논문에서는 위와 같은 연구 경향에 따라 다중모드 및 다중 대역 직접변환방식 수신단에 적용하기 위한 테스트 칩 의 제작을 목적으로 차단주파수의 조정 특성을 갖는 연속시간 5차 일립틱 Gm-C 저역통과 필터를 설계하고 레이아웃 하였다. 필터 설계의 기본블록인 트랜스컨덕터(Gm)는 1단 캐스코드 증폭기 구조를 활용하여 완전 차동구조로 입출력 단 회로로 구성하고 CMFB 회로를 추가하여 잡음에 대응하고 입출력 동작전압이 안정화 되도록 하였다. 또한 트랜스 컨덕터의 트랜스컨덕턴스 값이 외부 전압으로 조정되고 이를 통하여 필터의 주파수 대역이 가변될 수 있도록 구성하였다.

대상 데이터

그림 2의 5차 일립 틱 저 역통과 필터 설 계사양은 표 1과 같다. 필터의 응용시스템은 WCDMA로 결정하고 이에 따라 기본 차단주파수는 2.5MHz로 설정하였고 저지대역에서의 감쇄도는 3.75MHz에서 40dB이상으로 설정하였다. 앞서 언 급한 것처럼 공정과정에서 나타나는 주파수 변형을 보상할 수 있고 주파수 크기의 조정이 가능하도록 함으로써 다중대 역으로의 활용을 고려하여 설계사양을 설정하였다.

데이터처리

설계된 그림 5의 트랜스컨덕터를 그림 4의 5차 Gm-C 능 동 타원필터의 블록에 연결하여 최종적으로 필터를 완성하 고, 주파수 및 시간응답 해석을 수행하였으며 그 결과를 그림 7에 나타내었다.

성능/효과

7%의 이득이 감쇠하게 되어야 하는 데에 비하여 오차가 발생하기는 했으나 주파수 조정이 가능한 필터의 동작특성에는 문제가 없는 결과이다. 그림 8(c)은 저지대역 주파수인 3.5MHz를 인가한 경우인데 그 출력이 5mV이내로 파형 값이 제거됨을 확인할 수 있어서 비교적 우수한 차단특성 결과를 얻었다. 이상과 같이 얻어진 설계된 필터의 특성을 표 4에 정리하였다.
이상과 같이 얻어진 설계된 필터의 특성을 표 4에 정리하였다. 결과적으로 본 논문에서 설계된 5차 Gm-C 능동필터가 설계사양을 만족하였고 WCDMA의 기저 대역용 저역필터로써 사용할 수 있는 가능성을 확인하였다.
그림 7(a)에서 보는 바와 같이 필터의 통과대역에는 복종 단 필터회로의 특성 때문에 나타나는 6dB의 이득 감쇠는 그림 4의 필터회로 블록 중 gmRi값의 조정에 의하여 OdB까지 보상하였다. 그리고 5차 타원필터의 특성에 맞는 감쇠진동파 장(Ripple)을 얻을 수 있었으며 차단주파수(Cutoff frequency) 는 2.5MHz로써 설계 전 설정하였던 표 1의 설계사양에 만족 하는 특성을 얻을 수 있었다. 하지만 저지대역(Stop band)의 감쇠이득은 3.
시간응답의 경우, 필터의 입력에 통과대역 신호인 최대 값 200MV, 1.0아의 정현파를 인가했을 때, 양호한 출력 파형을 얻어낼 숙 있었고 저지 대역 주파수인 35MHz를 인가한 경우인데 그 출력이 5mV이내로 파형 값이 제거됨을 확인할 수 있어서 비교적 우수한 차단특성 결과를 얻었다. 본 논 문에서 수행된 결과를 바탕으로 단일칩화, 다중대역화 되고 있는 직접변환용 수신기의 필터 설계에 활용하며 연구해 나 가고자 한다.
8dB~26dB으로의 조정이 가능 하였다. 이러한 특성은 설계된 필터를 WCDMA용으로 뿐만 아니라 해당 주파수 범위내에서 다른 수신단에도 동시에 활 용할 수 있다는 가능성을 확인해주었다.
또한 수신단의 다중대역화 추세에 맞도록 가능한 차단주파 수가 일정한 범위내에서 조정이 될 수 있는 가변주파수 특성을 갖는 필터를 설계하였다. 필터설계 시, 필터를 구성하기 위한 트랜스컨덕터를 설계함에 있어서 제어전압으로 트 랜스컨덕턴스 값의 변화가 가능하도록 설계하였는데 HSPICE 시뮬레이션 결과, L대~3, 5M의 차단주파수의 조 정이 가능하였고 이득은 -2.8dB~26dB으로의 조정이 가능 하였다. 이러한 특성은 설계된 필터를 WCDMA용으로 뿐만 아니라 해당 주파수 범위내에서 다른 수신단에도 동시에 활 용할 수 있다는 가능성을 확인해주었다.

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