[논문]단일 칩 X-band 달링톤-캐스코드 증폭기

김영기; 두석주

단일 칩 X-band 달링톤-캐스코드 증폭기
An MMIC X-band Darlington-Cascade Amplifier 원문보기

電子工學會論文誌. Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea. TC, 통신, v.46 no.12=no.390, 2009년, pp.37 - 43

김영기 (안양대학교 정보통신공학과) , 두석주 (육군3사관학교 전자공학과)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 증폭특성이 우수한 달링톤-캐스코드(Darlington-Cascode) 증폭기 구조를 제안하였다. 전통적으로 고주파 증폭 특성이 우수하다고 알려진 기존의 캐스코드 증폭기 회로와의 비교를 위해 본 논문에서는 제안된 달링톤-캐스코드 구조와 기존의 캐스코드 구조의 증폭기를 동일 칩 상에 인접하도록 설계하였다. 이 회로들은 45 GHz의 $f_T$를 가진 $0.35-{\mu}m$ SiGe 기반의 초고주파 단일 칩(MMIC; Monolithic Microwave Integrated Circuit)으로 제작되어 동일 조건 하에서 X-band 대역의 고주파 증폭특성들이 측정, 비교 및 분석되었다. 성능 측정결과 제안된 달링톤-캐스코드 증폭기는 11.5 dBm의 P1dB와 19.5 dB의 선형 증폭도를 보여주었으며, 기존 캐스코드 증폭기와 비교시 PldB는 5.2 dB, 이득면에서는 2.5 dB의 향상된 결과를 나타내었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper describes a monolithic Darlington-cascade amplifier (DCA) operating at X-band, realized with a 0.35-micron SiGe bipolar process, which provides 45 GHz $f_T$. A conventional cascade amplifier was also designed on the same process and tested to establish a reference. Compared to the reference cascade amplifier, the proposed monolithic amplifier circuit exhibits an improved gain of 2.5 dB and improved output power 1-dB compression point of 5.2 dB with 72% wider bandwidth. Measurement results show 19.5 dB gain, 11.2 dBm 1-dB compression power, and 3.1 GHz bandwidth. These results demonstrate that the Darlington-cascade cell is an advantageous substitute to the conventional cascade amplifier.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 이러한 두 개 구조의 장점을 융합한달링톤-캐스코드(Darlingtom-Cascode) 구조의 초고 주파 증폭기 회로를 제안하고자 한다. 제안되는 달링 톤-캐스코드 구조는 참고문헌 [8~9]에서 제시된 기존의 구조에 비해 부하저항을 공통으로 연결함으로써 고주파 신호의 증폭 경로 차이를 최소화함과 동시에 초고주파 증폭 특성을 추구하는 구조로 구별된다.
본 논문에서는 증폭 특성이 우수한 달링 톤-캐스코드증폭기 구조를 제안하였다. 고주파 증폭 특성이 우수한 것으로 알려진 기존의 캐스코드 증폭기 회로와 본 논문에서 제시한 증폭기를 동일 칩 상에 인접하게 45 GHz 의 Ft를 가진 0.

제안 방법

구조를 제안하였다. 고주파 증폭 특성이 우수한 것으로 알려진 기존의 캐스코드 증폭기 회로와 본 논문에서 제시한 증폭기를 동일 칩 상에 인접하게 45 GHz 의 Ft를 가진 0.35-皿 SiGe 기반의 단일 칩으로 설계 및 제작하여 동일한 조건 하에서 X-band 대역의 고주파 증폭특성을 측정, 비교 및 분석하였다.
일반적으로 증폭기 회로의 초고주파증폭 특성은 기생 커패시터, 트랜지스터의 크기, 정합회로 특성, 바이어스, 기판의 누설 정도 등 다양한 파라미터들에 영향을 받는다. 따라서 이러한 파라미터들을 고려하여 X-band 주파수에서 최대의 소 신호 증폭 도를 갖도록 최적화된 달링톤-캐스코드 증폭기가 설계되었다.
5 V의 직류 전원 전압으로 21 mA의 직류 전류를 소모하도록 동일한 바이어스 조건이 적용되었다. 입력과 출력 정합의 상태가 회로의 고주파 증폭 특성에 미치는 영향을 최소화하기 위하여 해당 주파수에서 50 옴에 정합 되도록 단일 칩 내부에 정합회로를 내장하였다. 그림 5는 두 회로에 대한 S-파라미터 측정결과를보여준다.
회로를 제안하고자 한다. 제안되는 달링 톤-캐스코드 구조는 참고문헌 [8~9]에서 제시된 기존의 구조에 비해 부하저항을 공통으로 연결함으로써 고주파 신호의 증폭 경로 차이를 최소화함과 동시에 초고주파 증폭 특성을 추구하는 구조로 구별된다.
초고주파수 신효에 대하여 우수한 선형성과 우수한 증폭 특성이 갖기 때문에 제안된 달링 톤-캐스코드 증폭기 구조는 HBT, HEMT, BJT 등 모든 종류의 트랜지스터를 이용한 초고주파 증폭기 회로에 적용이 가능하다.

대상 데이터

제안한 달링 톤-캐스코드 증폭기 회로와 캐스코드 증폭기 회로들이 0.35-皿 SiGe 바이폴라 단일 칩 공정을 이용하여 동일 웨이퍼 상에서 인접하게 제작되었다.

이론/모형

단일 칩 회로 연결선 및 기판의 특성으로 생기는 초고주파 기생성분은 참고문헌 [10] 에서 제시한 GSML (Ground Sliield Microstrip Line) 기법을 적용하여 고려되었다. 입력과 출력 정합회로가 포함된 이 두 증폭기 회로가 그림 3에 나타나 있다.

성능/효과

각 증폭기 회로의 회로 파라미터들은 최대의 전력이득을 위하여 최적화되었기 때문에 잡음 지수는 대체적으로 약간 높게 측정되었다. 달링 톤-캐스코드 증폭기 회로의 최소잡음지수는 8.6 GHz에서 6.5 dB이었으며, 이는 8.7 G田에서 5.2 dB의 최소 잡음지수를 보인 캐스코드 증폭기 회로보다 약간 높으나, 이는 피드백 저항 %] 이갖는 저항 성분의 영향에 기인하는 것으로 해석될 수 있다.
1 dB의 대역만이 가능하였다. 달링톤-캐스코드 증폭기 회로의 3 dB 대역 주파수 구간도 3.1 GHz인데 반하여, 캐스코드 증폭기의 경우는 1.8 GHz밖에 되지 않음으로써, 달링 톤-캐스코드 증폭기의 광대역 증폭 특성은 캐스코드 증폭기 회로에 비하여 72 %의 향상을 보였다.
그림 5는 두 회로에 대한 S-파라미터 측정결과를보여준다. 달링톤-캐스코드 증폭기 회로의 증폭도는 19.5 dB, 입력 정합은 -11.7 dB, 출력 정합은 -12.3 dB로 각각 측정되었으며, 반면 캐스코드 증폭기 회로의 증폭도 는 17.0 dB, 입력 정합은 -13.2 dB, 출력정합은 -15.3 dB로 각각 측정되어, 달링 톤-캐스코드 증폭기 회로가 캐스코드 증폭기 회로보다 2.5 dB 더 우수한 증폭 특성을 보여 주었다.
이러한 저주파 신호의 증폭 특성에 대한 분석 비교 결과로부터 달링톤-캐스코드 증폭기 회로의 고주파 증폭 성능도 캐스코드 증폭기 회로보다 우수하다고 예측 가능하다. 일반적으로 증폭기 회로의 초고주파증폭 특성은 기생 커패시터, 트랜지스터의 크기, 정합회로 특성, 바이어스, 기판의 누설 정도 등 다양한 파라미터들에 영향을 받는다.
이렇게 최대전력에 도달한 이후에는 증폭기 회로의 성능이 저하되어 다시 입력 전력을 줄여도 최대 전력에 다시 도달하지 못하는 현상이 나타났다. 제안된 달링톤-캐스코드 증폭기 회로의 PldB는 11.2 dBm으로 측정되었으며, 이는 5.6 dBm으로 측정된 캐스코드 증폭기 회로에 비하여 5.6 dB 만큼 우수한 선형성을 보여 주었다.
첫 번째 트랜지스터의 피드백 저항이 광대역 정합을 용이하게 하는 역할을 수행함으로써, 달링 톤-캐스코드 증폭기 회로의 이 6.4 GHz의 광대역 주파수대역에서 10 dB 이상이 되도록 유지할 수 있었으나, 캐스코드 증폭기의 경우는 단지 3.1 dB의 대역만이 가능하였다. 달링톤-캐스코드 증폭기 회로의 3 dB 대역 주파수 구간도 3.
표 1과 2에 요약된 측정 주요 결과에서 볼 수 있듯이 달링 톤-캐스코드 증폭기 회로구조는 캐스코드 증폭기 회로 구조에 비하여 PldB는 11.2 dBm으로 5.6 dB 만큼 향상되었고, 선형 증폭도 는 19.5 dB로 25 dB만큼 향상되었다.

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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