[논문]초 저전력 CMOS 2.4 GHz 저잡음 증폭기 설계

장요한; 최재훈

doi:10.5515/kjkiees.2010.21.9.1045

초 저전력 CMOS 2.4 GHz 저잡음 증폭기 설계
Design of an Ultra Low Power CMOS 2.4 GHz LNA 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.21 no.9, 2010년, pp.1045 - 1049

장요한 (한양대학교 전자공학과) , 최재훈 (한양대학교 전자공학과)

초록
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본 논문에서는 2.4 GHz 대역에 적용할 수 있는 초 저전력 저잡음 증폭기를 TSMC 0.18 ${\mu}m$ RF CMOS 공정을 이용하여 설계하였다. 높은 이득과 낮은 전력 소모를 만족하기 위해서 전류 재사용 기법을 사용하였으며, subthreshold 영역에서 문턱 전압보다 낮은 바어이스 전압을 인가함으로써 초 저전력 특성을 구현하였다. 설계된 저잡음 증폭기는 2.4 GHz에서 13.8 dB의 전압 이득과 3.4 dB의 잡음 지수 특성을 나타냈으며, 0.9 V의 공급 전압으로 0.7 mA의 전류를 소모하여 0.63 mW의 초 저전력을 소모하는 결과를 얻었다. 칩 면적은 $1.1\;mm{\times}0.8\;mm$이다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we proposed an ultra-low power low noise amplifier(LNA) using a TSMC 0.18 ${\mu}m$ RF CMOS process. To satisfy the low power consumption with high gain, a current-reused technique is utilized. In addition, a low bias voltage in the subthreshold region is utilized to achieve ultra low power characteristic. The designed LNA has the voltage gain of 13.8 dB and noise figure(NF) of 3.4 dB at 2.4 GHz. The total power consumption of the designed LNA is only 0.63 mW from 0.9 V supply voltage and chip occupies $1.1\;mm{\times}0.8\;mm$ area.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 논문에서는 동일한 전류 재사용 공통 소스 구조와 문턱 전압(Threshold voltage: VT) 이하의 VGS를 인가하여 μW급의 초 저전력 LNA의 설계를 제안하였다.

제안 방법

본 논문에서는 2.4 GHz 대역 초 저전력 저잡음 증폭기를 TSMC 0.18 μm RF CMOS 공정을 사용하여 설계하였다.
MOSFET M₁, M₂에 동일한 바이어스 전류를 공유함으로써 전류 재사용 증폭기의 전체 전력 소모를 감소시킬 수 있었다. 일반적인 캐스케이드 구조의 LNA보다 높은 전압 이득과 저 전력 소모를 유지하면서 트랜스 컨덕턴스를 높이기 위해 M₁, M₂의 게이트 폭과 바이어스 전류의 값을 적절하게 선택하였다. 그리고 낮은 잡음 지수와 입력 정합을 동시에 얻기 위해 LNA의 소스단에 degeneration 인덕터를 사용하였으며, 이런 경우 높은 값의 C_gs가 필요하여 MOSFET의 게이트 폭을 늘려야 하나, 게이트 폭을 늘리면 전류 소모가 커지므로 저전력 구조에서 적합하지 못한 설계가 된다.

데이터처리

제안된 LNA는 Cadence SpectreRF 툴을 사용하여 시뮬레이션 결과를 얻었다. 그림 4에서 보듯이 제안된 LNA의 레이아웃은 온 칩 스파이럴 인덕터의 개수와 크기에 따라 전체 레이아웃의 면적이 좌우됨을 확인할 수 있으며, 전체 칩면적은 측정 패드를 포함하여 1.

성능/효과

5 V)을 인가함으로 낮은 전류 소모의 특성을 얻을 수 있었다. MOSFET M₁, M₂에 동일한 바이어스 전류를 공유함으로써 전류 재사용 증폭기의 전체 전력 소모를 감소시킬 수 있었다. 일반적인 캐스케이드 구조의 LNA보다 높은 전압 이득과 저 전력 소모를 유지하면서 트랜스 컨덕턴스를 높이기 위해 M₁, M₂의 게이트 폭과 바이어스 전류의 값을 적절하게 선택하였다.
MOSFET의 I－V 특성에서 대부분 MOSFET가 VGS>VT인 상태로 동작하지만, subthreshold 영역에는 열 전압 VT보다 작은 VGS 값이 존재함을 확인할 수 있다.
그림 4에서 보듯이 제안된 LNA의 레이아웃은 온 칩 스파이럴 인덕터의 개수와 크기에 따라 전체 레이아웃의 면적이 좌우됨을 확인할 수 있으며, 전체 칩면적은 측정 패드를 포함하여 1.1 mm×0.8 mm이다.
7 mW 이하의 초 저전력 설계를 만족 시켰다. 동작 주파수 2.4 GHz에서 입출력 반사계수는 10 dB 이상의 결과를 얻었으며, 전압 이득은 13.8 dB의 결과를 얻었다. 잡음 지수는 3.
본 논문에서 구현된 LNA는 낮은 공급 전압과 저전력 소모의 특성을 만족시키기 위하여 전류 재사용 기법과 weak inversion 영역에서 문턱 전압 이하의 바이어스 전압(0.5 V)을 인가함으로 낮은 전류 소모의 특성을 얻을 수 있었다. MOSFET M₁, M₂에 동일한 바이어스 전류를 공유함으로써 전류 재사용 증폭기의 전체 전력 소모를 감소시킬 수 있었다.
4 dB를 나타냈다. 저전력 소모와 비교적 높은 전압 이득을 동시에 만족시켰지만, IIP3는 －9 dBm으로 선형성이 감소하는 단점을 보였다. 선형성 특성을 개선하기 위해서는 트랜스 컨덕턴스(g m) 값을 크게 해줘야 하지만 그에 따른 전력 소모가 커지는 단점을 보였다.
그림 5는 설계된 LNA의 S-parameters와 잡음 지수 특성의 시뮬레이션 결과이다. 저전압, 저전력의 결과를 얻기 위하여 공급 전압은 0.9 V를 인가하였으며, 전류 소모는 0.7 mA의 결과를 얻어서 0.7 mW 이하의 초 저전력 설계를 만족 시켰다. 동작 주파수 2.
18 μm RF CMOS 공정을 사용하여 설계하였다. 저전압, 저전력의 특성을 위하여 전류 재사용 기법과 문턱 전압 이하의 바이어스 전압을 사용하여 0.9 V의 공급 전원에서 0.7 mA의 전류를 소모하며, 13 dB 이상의 고이득의 결과를 보였다. 향후 subthreshold 동작을 이용한 저전력 설계로 인하여 높아진 잡음 지수의 특성과 선형성을 개선할 수 있는 지속적인 연구가 필요하다.

후속연구

참고논문 [5]는 전류 소모는 비교적 낮으나 공급 전압이 높은 단점이 있다. 따라서 제안한 방법은 낮은 공급 전압으로 초 저전력 특성과 적절한 전압 이득의 장점을 살려 다양한 서비스를 제공하여 최소의 전압으로 저전력 소모를 요구하는 단말기에 응용할 수 있는 장점이 있다.
7 mA의 전류를 소모하며, 13 dB 이상의 고이득의 결과를 보였다. 향후 subthreshold 동작을 이용한 저전력 설계로 인하여 높아진 잡음 지수의 특성과 선형성을 개선할 수 있는 지속적인 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	CMOS RF 회로 설계에서 높은 전력 소모가 발생하는 이유는 무엇인가?	RF front-end 첫 단에 위치한 LNA는 저잡음 특성, 높은 이득, 저전력, 입출력 정합, 선형성을 반드시 만족해야 한다. CMOS RF 회로 설계에 있어 일반적으로 MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)의 본질적으로 낮은 트랜스 컨덕턴스 때문에 높은 전력 소모가 발생한다. 더우기, 일반적인 CMOS RF 회로는 공급 전원이 낮아지면 성능이 악화되는 단점이 있다.
	저전력 소모 기술으로 CMOS 공정을 적용한 단말기의 RF 수신단에서 가장 중요한 소자는 무엇인가?	또한, 단말기의 다중 대역 및 소형화 추세와 배터리 사용의 극대화를 위해서 저전력 소모 기술의 개발은 필수적이다. 이러한 요구 사항을 위해 저비용으로 저전력 및 칩면 적을 최소화할 수 CMOS 공정을 이용한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 이 공정을 적용한 단말기의 RF 수신단에서 가장 중요한 소자 중의 하나는 저잡음 증폭기(LNA: Low Noise Anplifier)이다. RF front-end 첫 단에 위치한 LNA는 저잡음 특성, 높은 이득, 저전력, 입출력 정합, 선형성을 반드시 만족해야 한다.
	전류 재사용 기법의 장점은 무엇인가?	전력 소모를 줄이기 위해서 낮은 전원 공급과 전류 재사용 기법을 이용한 설계 방법이 많이 쓰인다. 전류 재사용 기법은 상대적으로 낮은 전류 소모로 원하는 이득을 얻을 수 있으나, 여러 개의 트랜지스터를 사용하므로 높은 공급 전압이 필요하다. 공급 전압을 낮게 하기 위한 방법 으로 folded 구조가 제안되었다[1].

참고문헌 (8)

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상세보기
C.-P. Chang, J.-H. Chen, and Y.-H. Wang, "A fully integrated 5 GHz low-voltage LNA using forward body bias technology", IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol. 19, no. 3, pp. 176-178, 2009.

상세보기
D. J. Comer, D. T. Comer, "Operation of analog MOS circuits in the weak or moderate inversion region", IEEE Trans. Edu., 47, pp. 430-435, 2004.

상세보기
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상세보기
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상세보기
L. K. Meng, N. C. Yong, Y. K. Seng, and D. M. Anh, "A 2.4 GHz ultra low power subthreshold CMOS low-noise amplifier", Microwave Opt. Technol. Lett., vol. 49, pp. 743-744, 2007.

상세보기
Y. S. Wang, L.-H. Lu, "5.7 GHz low-power variable gain LNA in $0.18 {\mu}m$ CMOS", Electronics Letters, vol. 41, no. 2, pp. 66-68, 2005.

상세보기
B. G. Perumana, S. Chakraborty, C. H. Lee, and J. Laskar, "A fully monolithic 260 $\mu$ W, 1 GHz subthreshold low noise amplifier", IEEE Microwave Wireless Components Lett., vol. 155, pp. 428-430, 2005.

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