본 논문에서는 $0.13{\mu}m$CMOS 공정을 사용하여 800MHz~5.8GHz 대역 내 다양한 무선통신 표준을 포함하는 광대역저잡음 증폭기(wideband-LNA)를 구현하였다. 저잡음 특성을 개선하기 위하여 제작한 LNA는 두 단으로 구성되었으며, 입력캐스코드 단 및 잡음신호만을 상쇄시키는 출력 버퍼단으로 구성하였다. 또한, 피드백 저항을 이용함으로써, 광대역 임피던스 매칭 효과 및 넓은 대역폭을 구현하였다. 측정결과, 811MHz~5.8GHz의 주파수 응답과 대역폭 내에서 최대 11.7dB의 전력이득 및 2.58~5.11dB의 잡음지수(NF)를 얻었다. 제작한 칩은 $0.7{\times}0.9mm^2$의 면적을 가지며 1.2V의 전원전압에서 12mW의 낮은 전력을 소모 한다.
본 논문에서는 $0.13{\mu}m$ CMOS 공정을 사용하여 800MHz~5.8GHz 대역 내 다양한 무선통신 표준을 포함하는 광대역 저잡음 증폭기(wideband-LNA)를 구현하였다. 저잡음 특성을 개선하기 위하여 제작한 LNA는 두 단으로 구성되었으며, 입력캐스코드 단 및 잡음신호만을 상쇄시키는 출력 버퍼단으로 구성하였다. 또한, 피드백 저항을 이용함으로써, 광대역 임피던스 매칭 효과 및 넓은 대역폭을 구현하였다. 측정결과, 811MHz~5.8GHz의 주파수 응답과 대역폭 내에서 최대 11.7dB의 전력이득 및 2.58~5.11dB의 잡음지수(NF)를 얻었다. 제작한 칩은 $0.7{\times}0.9mm^2$의 면적을 가지며 1.2V의 전원전압에서 12mW의 낮은 전력을 소모 한다.
This paper presents a wideband low-noise amplifier (LNA) covering 800MHz~5.8GHz for various wireless communication standards by utilizing in a 0.13um CMOS technology. Particularly, the LNA consists of two stages to improve the low-noise characteristics, that is, a cascode input stage and an output b...
This paper presents a wideband low-noise amplifier (LNA) covering 800MHz~5.8GHz for various wireless communication standards by utilizing in a 0.13um CMOS technology. Particularly, the LNA consists of two stages to improve the low-noise characteristics, that is, a cascode input stage and an output buffer with noise cancellation technique. Also, a feedback resistor is exploited to help achieve wideband impedance matching and wide bandwidth. Measure results demonstrate the bandwidth of 811MHz~5.8GHz, the maximum gain of 11.7dB within the bandwidth, the noise figure of 2.58~5.11dB. The chip occupies the area of $0.7{\times}0.9mm^2$, including pads. DC measurements reveal the power consumption of 12mW from a single 1.2V supply.
This paper presents a wideband low-noise amplifier (LNA) covering 800MHz~5.8GHz for various wireless communication standards by utilizing in a 0.13um CMOS technology. Particularly, the LNA consists of two stages to improve the low-noise characteristics, that is, a cascode input stage and an output buffer with noise cancellation technique. Also, a feedback resistor is exploited to help achieve wideband impedance matching and wide bandwidth. Measure results demonstrate the bandwidth of 811MHz~5.8GHz, the maximum gain of 11.7dB within the bandwidth, the noise figure of 2.58~5.11dB. The chip occupies the area of $0.7{\times}0.9mm^2$, including pads. DC measurements reveal the power consumption of 12mW from a single 1.2V supply.
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문제 정의
본 논문에서는 0.13㎛ CMOS 공정을 이용하여 다양한 무선통신 표준을 포함하는 광대역 LNA를 구현하였다. 이 증폭기는 저항 피드백 구조를 사용하여 광대역 입력 임피던스 매칭을 하게 하였고, 구조적 단점인 나쁜 잡음특성을 개선할 수 있도록 입력단 트랜지스터의 채널 열잡음을 버퍼를 통해 상쇄시키는 피드포워드 기법을 사용하였다.
가설 설정
[1] 그러나 전력소비에 비해서 잡음특성이 높고 전압이득은 낮은 단점을 갖는다. 따라서 본 논문에서는 이 저항 피드백 구조를 사용하여 넓은 대역폭을 얻는 동시에, 낮은 전력소모에도 회로 내에서 발생하는 잡음이 상쇄될 수 있는 기법을 또한 사용하였다.
이를 위해, 먼저 캐스코드 입력단 M1의 채널 열잡음으로 인해 입력단에서 발생한 잡음전류를 In이라고 가정하자. 이 In으로 인하여 노드 A 및 B에 두 종류의 전압이 생성되는데, 이 두 노드 A, B에서 잡음전압의 위상은 같다.
제안 방법
[1] 그러나 전력소비에 비해서 잡음특성이 높고 전압이득은 낮은 단점을 갖는다. 따라서 본 논문에서는 이 저항 피드백 구조를 사용하여 넓은 대역폭을 얻는 동시에, 낮은 전력소모에도 회로 내에서 발생하는 잡음이 상쇄될 수 있는 기법을 또한 사용하였다.[2]
또한, M1의 게이트-소스 사이에 커패시터 Cgs를 추가함으로써 광대역의 입력 임피던스 매칭이 좀 더 수월하도록 하였다.
최근 다양한 무선통신 표준대역을 포괄적으로 포함하는 송·수신기의 개발이 이루어지고 있다. 본 논문에서는 800MHz～5.8GHz의 주파수 대역 내에 있는 표준(예: GSM, GPS, WCDMA, WiBro, Bluetooth, WLAN 등, 그림 1 참조)을 포함하는 광대역 저잡음 증폭기(LNA)를 구현한다.
본 절에서는 광대역 LNA의 잡음지수를 분석한다. 일반적으로 커패시터 및 인덕터 소자에서 발생하는 잡음성분과 캐스코드단의 트랜지스터인 M2의 잡음성분은 전체 회로의 잡음지수에서 차지하는 비중이 매우 작다.
구체적으로 본 논문에서 구현한 그림 2 회로의 경우, 입력노드에 직접 연결된 트랜지스터(M1)의 채널 열잡음 (channel thermal noise)이 회로의 잡음지수에서 가장 유효하게 작용한다. 이처럼 전체 수신기 잡음지수에 가장 큰 영향을 주는 채널 열잡음을 출력노드에서 상쇄시켜 전체 잡음지수를 현저하게 줄이는 잡음상쇄 기법을 사용하도록 한다. 출력노드에서의 잡음상쇄를 위해서는 추가적인 회로가 필요하지 않고, 바로 다음 단인 버퍼단 M3의 게이트를 입력노드에 연결함으로써 잡음을 상쇄하는 구조이므로, 칩 면적 혹은 전력소모를 늘리지 않아도 되는 장점을 갖는다.
그림 2는 본 논문에서 구현한 광대역 LNA의 회로도를 보여준다. 캐스코드 구조의 입력단을 통해 M1의 Cgd(게이트-드레인 커패시턴스)로 인한 영향을 줄이도록 하였고, 출력버퍼단 내에 피드포워드 기법을 사용함으로써 잡음신호를 추출하여 저잡음 특성을 갖도록 하였다. 피드백 저항(Rf)은 입력 임피던스 50Ω 매칭을 돕는 역할을 하되, 피드백 저항 값은 입력 임피던스 매칭 및 전압이득 사이의 설계 tradeoff를 고려하여 정하였다.
커패시터(Cf)는 피드백 저항(Rf)과 직렬로 연결함으로써 입력단 및 출력단의 바이어스 전압이 각각 독립되도록 한다. 캐스코드 입력단 내 로드 저항(Rd)과 직렬로 인덕터(Ld)를 연결하는 인덕티브 피킹 기법을 이용함으로써 넓은 대역폭을 얻도록 하였다. 출력단의 커패시터(C2) 값은 전체 대역폭의 저주파 차단 주파수가 800MHz가 되도록 정하였다.
캐스코드 구조의 입력단을 통해 M1의 Cgd(게이트-드레인 커패시턴스)로 인한 영향을 줄이도록 하였고, 출력버퍼단 내에 피드포워드 기법을 사용함으로써 잡음신호를 추출하여 저잡음 특성을 갖도록 하였다. 피드백 저항(Rf)은 입력 임피던스 50Ω 매칭을 돕는 역할을 하되, 피드백 저항 값은 입력 임피던스 매칭 및 전압이득 사이의 설계 tradeoff를 고려하여 정하였다. 커패시터(Cf)는 피드백 저항(Rf)과 직렬로 연결함으로써 입력단 및 출력단의 바이어스 전압이 각각 독립되도록 한다.
이론/모형
13㎛ CMOS 공정을 이용하여 다양한 무선통신 표준을 포함하는 광대역 LNA를 구현하였다. 이 증폭기는 저항 피드백 구조를 사용하여 광대역 입력 임피던스 매칭을 하게 하였고, 구조적 단점인 나쁜 잡음특성을 개선할 수 있도록 입력단 트랜지스터의 채널 열잡음을 버퍼를 통해 상쇄시키는 피드포워드 기법을 사용하였다. 구현한 증폭기를 통해 광대역 증폭기를 저전력으로 구동할 수 있는 가능성을 보였으며, 잡음지수를 낮춤으로 향후 다양한 표준 주파수에 사용할 수 있는 가능성을 선보였다.
성능/효과
DC 측정결과, 구현한 광대역 LNA 회로에 흐르는 전체 DC 전류는 1.2V 전원전압으로부터 10mA이며, 즉 12mW의 낮은 전력소모 성능을 보여준다.
이 외에도 구현한 광대역 LNA 회로의 선형성을 몇가지 표준별로 측정하였고, 그 결과 P1dB (1dB compression point)의 경우, 각 주파수 900MHz, 1.5GHz, 2.4GHz, 5.8GHz에 대해 -10.8dBm, -10.3dBm, -10.6dBm, -12.9dBm으로 측정되었다. 특히, 2.
표 1은 구현한 칩의 성능을 요약하며, 표 2는 최근 발표된 CMOS 광대역 LNA와의 성능비교를 보여준다. 이로써, 본 논문에서 구현한 LNA는 저전력 저잡음 광대역 증폭기로서 다양한 무선통신 표준에 적용할 수 있는 가능성을 보였다고 할 수 있다.
후속연구
이 증폭기는 저항 피드백 구조를 사용하여 광대역 입력 임피던스 매칭을 하게 하였고, 구조적 단점인 나쁜 잡음특성을 개선할 수 있도록 입력단 트랜지스터의 채널 열잡음을 버퍼를 통해 상쇄시키는 피드포워드 기법을 사용하였다. 구현한 증폭기를 통해 광대역 증폭기를 저전력으로 구동할 수 있는 가능성을 보였으며, 잡음지수를 낮춤으로 향후 다양한 표준 주파수에 사용할 수 있는 가능성을 선보였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
무선통신 시스템의 수신기 첫 째단 회로는 무엇인가?
일반적으로, 무선통신 시스템 수신기의 안테나에 입력되는 신호는 매우 미약하므로, 수신단 회로의 잡음특성은 매우 중요한 성능요소이다. 특히, 수신기 첫 째단 회로인 LNA는 수신기의 전체 잡음특성을 결정하는 가장 중요한 역할을 한다. 하지만, 다양한 무선통신 표준 대역을 포함하는 광대역 LNA 회로 자체가 기본적으로 넓은 대역폭을 갖기 때문에 높은 열잡음 특성이 있으며 이로 인해 여러 표준에 적용할 수 있는 저잡음 특성을 얻기는 매우 힘들다.
저항 피드백 LNA 의 장점은?
저항 피드백(resistive feedback) LNA는 기존의 광대역 LNA로 자주 사용되는 구조인데, 입력 임피던스 매칭이 수월하고, 대역폭이 넓으며, 전압이득이 다른 구조에 비해서 일정하게 나오는 장점이 있다.[1] 그러나 전력소비에 비해서 잡음특성이 높고 전압이득은 낮은 단점을 갖는다.
저항 피드백 LNA의 단점은?
저항 피드백(resistive feedback) LNA는 기존의 광대역 LNA로 자주 사용되는 구조인데, 입력 임피던스 매칭이 수월하고, 대역폭이 넓으며, 전압이득이 다른 구조에 비해서 일정하게 나오는 장점이 있다.[1] 그러나 전력소비에 비해서 잡음특성이 높고 전압이득은 낮은 단점을 갖는다. 따라서 본 논문에서는 이 저항 피드백 구조를 사용하여 넓은 대역폭을 얻는 동시에, 낮은 전력소모에도 회로 내에서 발생하는 잡음이 상쇄될 수 있는 기법을 또한 사용하였다.
참고문헌 (8)
C. -W. Kim et al., "An ultra-wideband CMOS low noise amplifier for 3.5-GHz UWB system," IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 40, no. 2, pp. 544-547, Feb. 2005.
F. Bruccoleri, E. A. M. Klumperink, and B. Nauta."Wide-band CMOS low-noise amplifier exploiting thermal noise canceling," IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 39, no. 2, pp. 275.282, Feb. 2002.
T. Lee, 'The Design of CMOS Radio-Frequency Integrated Circuits', Cambridge University Press, 2004.
T. -K. Nguyen et al., "CMOS low noise amplifier design optimization techniques," IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 52, no. 5, pp. 1433-1442, May 2004.
C. -F. Liao and S. -I. Liu. "A broadband noise-canceling CMOS LNA for 3.1-10.6-GHz UWB receivers" IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 42, no. 2, pp. 329-339, Feb. 2007.
박정민 et al., "서브샘플링 직접변환 수신기용 5.3GHz 광대역 저잡음 증폭기", 전자공학회 논문지, 제44권 SD편, 제12호, 77-84쪽, 2007년 12월.
서미경 et al., "노치필터를 이용한 CMOS Selective 피드백 저잡음 증폭기", 전자공학회논문지, 제46권 SD편, 제11호, 79-85쪽, 2009년 11월.
R. Gharpurey, "A broadband low-noise front-end amplifier for ultra wideband in 0.13um CMOS," in Proc. IEEE Custom Integrated Circuits Conf., pp. 605-608, Oct. 2004.
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