[논문]공핍형 SOI MOSFET를 이용한 5GHz대역 저잡음증폭기

김규철

doi:10.6109/jkiice.2009.13.10.2045

공핍형 SOI MOSFET를 이용한 5GHz대역 저잡음증폭기
A 5GHz-Band Low Noise Amplifier Using Depletion-type SOI MOSFET 원문보기

한국해양정보통신학회논문지 = The journal of the Korea Institute of Maritime Information & Communication Sciences, v.13 no.10, 2009년, pp.2045 - 2051

김규철 (목포대학교 해양전자통신공학부)

초록
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SOI MOSFET를 이용하여 5GHz대역 저잡음 증폭기를 설계하였다. 잡음특성을 향상시키기 위해 공핍형 SOI-MOSFET를 사용하였고, 저전압에서 동작시키기 위해 소스접지와 게이트접지 증폭기를 연결한 2단형으로 설계 하였다. 제작된 LNA는 5.5GHz에서 이득이 21dB, S11이 -10dB이하, 소비전력 8.3mW의 결과를 얻었으며 잡음지수는 공핍형 저잡음 증폭기가 1.7dB로 일반형보다 0.3dB 개선된 결과를 얻을 수 있었다. 이 같은 결과로 공핍형 SOI MOSFET를 사용함으로써 보다 잡음특성이 우수한 CMOS LNA를 설계 할 수 있음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

A 5-GHz band Low Noise Amplifier(LNA) using SOI MOSFET is designed. To improve the noise performance, depletion-type SOI MOSFET is adopted, and it is designed by the two-stage topology consisting of common-source and common-gate stages for low-voltage operation. The fabricated LNA achieved an S11 of less than -10dB, voltage gain of 21dB with a power consumption of 8.3mW at 5.5GHz, and a noise figure of 1.7dB indicated that the depletion-type LNA improved the noise figure by 0.3dB compared with conventional type. These results show the feasibility of a CMOS LNA employing depletion-type SOI MOSFET for low-noise application.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 공핍형 SOI MOSFET를 이용하여 5GHz대역에서 동작하는2단형 저잡음 증폭기를 설계하였다. 저잡음증폭기 의 잡음지수는 디 바이스의 최소잡음지수에 의존하므로, 보다 잡음특성이 좋은 디바이스를 사용하는게 우선시 되어진다.
따라서 회 로의 구성 등에 따라개선 시킬 수 있는 이득 및 선형특성에 비해 저잡음증폭기의 잡음지수를 낮추는 것은 대단히 어려운 문제이다. 본 논문에서는 기존의 SOI MOSFET를 이용한 저 잡음 증폭기[6, 기의 잡음특성을 개선하기 위해 공핍형의 SOI MOSFET를 이용해 5GHz대역에서 동작하는 저잡음 증폭기를 설계하였다. 먼저 공핍형모드와 기존의 SOI MOSFET의 고주파특성을 측정하고 비교한 후, 각각의디바이스를 이용하여 저 잡음증폭기를 설계하고 측정하여 공핍 모드 SOI-MOSFET를 이용한 저 잡음증폭기 의 잡음특성 이 우수함을 입증한다.

제안 방법

gml/Cgsl과 같다. Lg는 주로 와이 어 본딩 을 사용하기 때문에 본 논문에서는 제작공정의 오차를 줄이기 위하여 계산치를 사용하여 입력매칭회로를 구성하였다. LNA 출력단의 임피던스는 그 후단에 이어지는 필터나 혼합기와의 임피던스매칭에 의해서 결정된다.
저잡음증폭기 의 잡음지수는 디 바이스의 최소잡음지수에 의존하므로, 보다 잡음특성이 좋은 디바이스를 사용하는게 우선시 되어진다. 공핍형 SOI MOSFET 의 고주파특성을 일반적인 SOI MOSFET와 비교해본 결과, 전달이득이 높고 잡음 특성이 우수함을 확인할 수 있어 LNA에 적용하였다. 저전압에서 동작하도록 소스 접지와 게이트접지증폭기를 이용한 2단형 저잡음 증폭기를 두 가지 SOI MOSFET를 이용하여 설계해 본 결과 소비 전류 8.
두 MOSFET의 문턱 전압은 상이 하지만 卽을 같은 조건에서 비교하기 위하여 소비전류가 같은 Vgs-Vm인 경우의 gm 을 확인하였다.gm 은 다음의 드레 인전류 (Idi) 식으로부터 계산되어진다[3].
본 논문에서는 기존의 SOI MOSFET를 이용한 저 잡음 증폭기[6, 기의 잡음특성을 개선하기 위해 공핍형의 SOI MOSFET를 이용해 5GHz대역에서 동작하는 저잡음 증폭기를 설계하였다. 먼저 공핍형모드와 기존의 SOI MOSFET의 고주파특성을 측정하고 비교한 후, 각각의디바이스를 이용하여 저 잡음증폭기를 설계하고 측정하여 공핍 모드 SOI-MOSFET를 이용한 저 잡음증폭기 의 잡음특성 이 우수함을 입증한다.
저 전압에서 동작하기 위한 2단형 LNA를 공핍 형 SOI MOSFET를 이용해 설계한다. CMOSLNA의 회로 구성으로서 그림 5(a)의 캐스코드 타입 의 LNA가 주로 사용되어지고 있다[9].
게이트폭을 긴 상태에서 사용하게 되면 게이트 전극저항이 커지기 때문에 5x48로 분할한 멀티핑거형태의 레이아웃을 사용하였다. 측정에는 NMOS와 D-NMOS가 사용되어졌으며 특성을 비교하기 위해 두 MOSFET는 같은 구성으로 레이아웃하였다. 그림 2는 두 MOSFET의 Vgs- L특성을 나타낸다.

대상 데이터

141皿이고게이트폭(W)은 240pm이다. 게이트폭을 긴 상태에서 사용하게 되면 게이트 전극저항이 커지기 때문에 5x48로 분할한 멀티핑거형태의 레이아웃을 사용하였다. 측정에는 NMOS와 D-NMOS가 사용되어졌으며 특성을 비교하기 위해 두 MOSFET는 같은 구성으로 레이아웃하였다.
일반적인 트랜지스터는 게이트-소스간 전압을 문턱전압이상으로 인가하여야 채널이 형성되어지지만, 공핍형 트랜지스터에서는 이미 공핍층이 형성되어 있기 때문에 문턱전압을 0이하로 만들 수가 있다. 본 연구에서 사용된 MOS FET* 0.15pmFD-SOI CMOS공정 으로 제 작하였다. 측정한 MOSFET의 게이트길이(L)는 0.
폴리저항, MIM(Metal-Insulator-Metal)캐패시터가 사용가능한 0.15pm FD-SOI CMOS공정 으로 2단형LNA를제작하였다.

성능/효과

설계조건이 같으므로 동작주파수 5.5GHz에서 S21 이 21dB, Sll< -10MB의 거의 동일한 결과를 얻을 수 있었다. LNA의 S22특성은 출력단 버퍼의 출력임피던스에 의해서 대부분 결정된다.
이와 같은 결과로 공핍 형 SOI MOSFET를 사용함으로써 일 반적 인 SOI MOSFET 보다 잡음특성이 우수한 저 잡음 증폭기를 설계할 수 있음을 확인하였다.
공핍형 SOI MOSFET 의 고주파특성을 일반적인 SOI MOSFET와 비교해본 결과, 전달이득이 높고 잡음 특성이 우수함을 확인할 수 있어 LNA에 적용하였다. 저전압에서 동작하도록 소스 접지와 게이트접지증폭기를 이용한 2단형 저잡음 증폭기를 두 가지 SOI MOSFET를 이용하여 설계해 본 결과 소비 전류 8.3mA, S21= 21dB, Sll>-10dB이 하로 거의 유사한 결과를 얻을 수 있었으며 잡음특성 측정 결과 공핍 형 SOI MOSFET를 이용한 LNA가 1.7dB로 일반형보다 0.3dB 개선되 었음을 확인할 수 있었다.
45mm이고, 전원 전압은 IV이다. 제 작된 LNA는 D-NMOS와 NMOS 두 가지형 태로 제작하였고, 레이아웃 및 설계조건등 MOSFET 이외에는 모두 같은 조건이었으므로 소비전류도 같은 결과를 얻을 수 있었다.
그림 11은 측정된 LNA의 잡음지수를 나타낸다. 측정결과 NMOS를 사용한 LNA의 NF는 5.5GHz에서 2.0dB, D-NMOS# 사용한 LNA는 L7dB로, D-NMOS를 사용한 LNA의 잡음지수가 0.3dB 낮은 결과를 얻을 수 있었다. 측정결과에서 알 수 있듯이 측정한 주파수 대역내에서 전체적으로 낮은 결과를 얻을 수 있어, D-NMOS를 이용하여 LNA를 설계하면 잡음특성에서 더 좋은 성능을 낼 수 있음을 확인할 수 있었다.
3dB 낮은 결과를 얻을 수 있었다. 측정결과에서 알 수 있듯이 측정한 주파수 대역내에서 전체적으로 낮은 결과를 얻을 수 있어, D-NMOS를 이용하여 LNA를 설계하면 잡음특성에서 더 좋은 성능을 낼 수 있음을 확인할 수 있었다.

참고문헌 (12)

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