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문제 정의
- 본 논문에서는 디지털 제어방식으로 중심주파수를 가변할 수 있는 새로운 구조의 주파수 가변형 협대역 DQ-IRM 를 제안하였다.
제안 방법
- 이런 단점을 보완하기 위해 제안한 새로운 DQ-IRM 구조는 광대역 RF 신호를 한꺼번에 Quadrature 로 변환시키지 않고 수신하고자 하는 채널을 중심으로 1-2채널에 해당하는 협대역 RF 신호만을 Quadrature 신호로 변환시킨대";.
- 범위는 0~+61 dB가 된다. 그러나 패키징과 매칭회로 또는 RF 필터 등에 의한 경로손실을 고려해야 하기 때문에 제안된 RF 튜너 칩에서는 이러한 경로손실을 고려하여 RF Front-End 의 이득을 -10~+95 dB(RF: 35dB, IF: &)dB)로 설계하였다.
- 그리고 ADC 입력레벨을 일정하게 유지시키기 위한 자동이득제어회로는 rf단과 IF단에서 각각 이득을 제어하는 dual AGC(Automatic Gain Control) 구조로 설계하였다.
- 더불어 필요한 외장 부품 수를 최소화하기 위해 PLL의 루프 필터도 on-chip으로 집적하였으며 루프필터 집적화에 따른 리스크를 줄이기 위해 이 중 경로 (Dual path) 루프 필터 구조로 설계하였다间.
- 또한 VCO 신호를 2 분주하기 위한 분주회로에서 발생할 수 있는 duty ratio 편차를 줄이기 위해 Duty correction 회로를 채용하였다.
- 본 논문에서는 하드웨어 복잡도를 줄이면서 동시에 높은 이미지신호 제거 성능과 경로손실을 줄인 주파수가 변형 협대역 DQ.IRM(Double Quadrature Image Reject Mixer)를 제안하였으며, 제안한 DQ-IRM을 이용하여 Band-Ⅲ(174-240 MHz) 지상파 디지털 멀티미디어방송(Terrestrial Digital Multimedia Broadcasting, T-DMB) 서비스용 저전력 CMOS Low-IF RF 튜너 칩을 설계하고 그 성능을 검증하였다.
- 이런 단점을 개선하기 위해 제안한 새로운 구조의 DQ-IRM는 그림 6과 같이 디지털방식으로 중심주파수를 가변하는 협대역 RF PPF 를 사용한다. 즉 그림 7의 왼쪽 그래프와 같이 174-240 MHz 광대역의 모든 RF 신호를 한꺼번에 Quadrature 신호로 변환시키지 않고 2~3채널에 해당하는 대역의 RF 신호만을 Quadrature 신호로 변환하기 때문에 기존 구조보다 적은 단으로 보다 정밀한 Quadrature 신호를 생성할 수 있다.
- 제안한 구조는 광대역의 모든 RF 신호를 한꺼번에 Quadrature 신호로 변환시키지 않고 2 ~ 3 채널에 해당하는 대역의 RF 신호만을 선택적으로 Quadrature 신호로 변환시킨다. 따라서 기존 구조보다 적은 차수의 RF PPF 구성으로도 동등한 성능을 구현할 수 있는 장점을 가지고 있다
- 채널선택필터는 공정변화에 덜 민감하고 우수한 선형특성이 요구되므로 필터의 Stop-band 감쇠특성, In-band 이득평탄도 및 군지연(Group delay) 특성 등을 고려하여 Active-RC 구조의 Chebyshev(Type-I) 대역통과필터를 채택하였고 필터 구현은 R-C 소자 값과 OPA(Operational Amplifier) 특성 변화에 따른 Pole의 위치 변화가 Cascaded biquad 방식보다 우수한 leap-frog 방식으로 필터를 설계했다.
- 칩 면적을 줄이기 위해 LC-VCO는 2배 LO (340-480 MHz) 신호를 생성하도록 설계되었으며 인덕터의 기생저항 값을 줄이기 위하여 다층 메탈 레이어를 병렬로 연결하여 사용하였다.
- 필요한 차수는 모의검증을 통해 시스템 요구규격을 만족하는 5차로 설계하였고, PVT(Process, Voltage and Temperature) 등 동작환경의 변화를 고려하여 대역폭과 이득을 미세하게 조정할 수 있도록 트리밍 (Trimming) 회로도 추가하였다.
대상 데이터
- 제안된 DQ-IRM의 RF PPF 동작주파수는 기저 대역에서 선택한 채널과 동기 되어야 하는데 필요한 채널 정보는 I2C로부터 주파수합성기의 채널정보를 제공받는다.
- 제안한 T-DMB용 RF 튜너 칩과 연동되는 베이스밴드 신호처리부는 8.192 MS/s 10비트 아날로그-디지털변환기를 사용한다. 따라서 10비트 아날로그-디지털변환기의 S/N비는 약 62 dB이다.
데이터처리
- T-DMB용 CMOS Low-IF RF 튜너 칩을 설계하여 제안한 DQ-IRM의 성능을 검증하였다.
- 제안한 주파수 가변형 협대역 3차 DQ-IRM을 채용한 T* -DMB Low-IF RF 튜너 칩을 CMOS 0.18um 테크놀로지로 설계하고 그 성능을 케이던스 툴로 검증하였다.
이론/모형
- 선형특성을 개선하기 위해 RF PGA는 비대칭 크기를 갖는 트랜스컨덕턴스 MOS 짝(Pair)을 서로 coupl©d”paii로 연결시킨 Bipolar Schmoocke technique 을 응용하였다^히.
성능/효과
- 그림 10은 174-240 MHz Band-Ill 대역에서 기존 5차 DQ-IRM과 제안된 주파수 가변형 협대역 3차 DQ-IRM를 채택한 Low-IF RF 튜너 칩의 잡음특성을 비교한 결과이며 제안한 DQ-IRM# 채택한 RF 튜너칩의 수신부 전체 잡음지수가 약 1.26 曲로서 기존 DQ-IRM 대비 약 0.33 dB 개선되었다.
- 그림 8은 설계된 Low-IF RF 튜너 칩의 이미지 제거 성능을 모의검증 결과이며 제안한 3차 DQ-IRM만으로도 기존 5차 DQ-n应과 동일한 약 51 dB의 이미지제거 성능을 보이고 있으며 최종 2.048 MHz IF 출력신호 레벨 또한 기존 DQ-IRM에서 -15.7 dB인 반면 제안된 협대역 DQ-IRM에서는 -6.5 dB로 우수한 경로손실 특성(약 9.2 dB 개서을 보이고 있다.
- 모의검증 결과 3차 RF PPF로 구성된 제안한 DQ-IRM의 이미지 제거 성능은 약 51 dB 이상으로 5차 RF PPF 채용한 기존의 DQ-IRM과 동등한 성능을 보였다.
- 모의검증 결과 제안한 주파수 가변형 3차 DQ-IRM 으로도 기존 5차 구조와 동일한 51 dB 이미지제거 성능을 얻었으며 경로손실은 약 9.21 dB 개선되었다.
- 설계된 채널선택필터의 In-band 이득 평탄도는 약 1.2 dB이며 감쇠특성은 1.7 MHz offset 주파수에서 약 48 dB의 특성을 갖고 있다
- 설계된 칩 사이즈는 3.0 X 1.8 mm2이며, 수신부 전체 소모전력은 동작전압 1.8 V에서 55.8 mW로 매우 우수한 전력소모 특성을 보이고 있다.
- 제안된 RF VGA 회로에서 트랜스컨덕턴스 MOS pair의 소자 비 (Device ratio) 에 따른 선형특성을 분석하였으며 1.0mA 의 전류원 (Is) 과 기본소자 크기 40um/0.18um 조건에서 비대칭 소자 비가 1:6일 때 이득은 약 2.53 dB 정도 감소한 반면 IM3는 그림 5와 같이 약 32.48 dB 정도 크게 개선되었다.
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