[논문]진화된 위상보정 구조를 갖는 0.6~2.0 GHz 광대역 Active Balun 설계

박지안; 진호정; 조춘식

doi:10.5515/kjkiees.2014.25.3.289

초록
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본 논문에서는 진화된 위상보정 구조를 이용한 0.6~2.0 GHz에서 동작하는 Active Balun을 제안한다. 제안하는 회로는 서로 다른 구조 및 성능을 보이는 Active Balun 회로를 Cascode 구조와 더불어 구현하여 기존의 위상 보정구조를 갖는 회로보다 위상보정에 있어 높은 성능을 보인다. 제안하는 Active Balun은 0.6~2.0 GHz 대역에서 $10^{\circ}$의 위상 오차 및 2dB의 진폭오차를 가지며, 1.8 V DC에서 약 7 mW의 전력을 소모한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper a wideband active balun using advanced phase correction architecture is proposed. The proposed active balun is constructed with each different architecture of active balun combined with the cascode architecture to improve phase correction performance compared with conventional phase co...

In this paper a wideband active balun using advanced phase correction architecture is proposed. The proposed active balun is constructed with each different architecture of active balun combined with the cascode architecture to improve phase correction performance compared with conventional phase correction techniques. Operating over 0.6~2.0 GHz band, the proposed balun shows $10^{\circ}$ of phase error and 2 dB of gain error with 7 mW power consumption from 1.8 V supply voltage.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 진화된 위상 보정구조를 이용하여 기존의 위상 보정구조보다 위상보정에 있어 보다 최적화된 성능을 얻을 수 있는 0.6～2.0 GHz에서 동작하는 Active Balun을 제안하였다. 제안하는 Active Balun은 0.
Active Balun이 근본적으로 Passive Balun과 달리 소모 전력이 존재하여 많은 논문과 현재 사용되는 많은 Active Balun은 전압이득이 존재하게끔 설계가 되고 있다. 하지만 Active Balun의 전압이득은 크기가 크지 않아 큰 의미가 없으며, 부족한 전압이득은 잡음지수가 더욱 낮은 Low noise amplifier(LNA)에서 충분히 보상해 줄 수 있기 때문에 본 논문에서는 Balun의 본 목적인 single 신호를 differential로 나누는데 집중하여 위상에러를 줄이는데 집중하였다. 본 논문의 회로에서 사용한 위상 보정 구조는 한 개의 DC 전압에 전류 미러 회로까지 총 3개의 FET가 할당이 되어 있기 때문에 전압이득을 얻을 수 있는 FET의 gm과 선형성이 상대적으로 낮아 gm을 크게 보상해 줄 수 있는 BJT(혹은 성능이 좋은 HBT)나 좀 더 높은 DC 전압을 사용한다면 본 논문의 구조를 사용하여도 양수의 전압이득을 얻을 수 있을 것이다.

가설 설정

언급하는 위상 오차 α와 β는 기본적으로 양수를 나타내는 변수라 가정한다.

제안 방법

M₆, M₇ 그리고 M₈, M₉는 각각 그림 1에서 (c) 회로의 구조를 갖는 balun이며, 총 3개의 balun으로 전체 회로가 구성된다. M₆, M₇과 M₈, M₉는 같은 성능의 회로를 구성하므로 M₄와 M₅의 Balun에서 Common- Source 회로와 Common-Gate 회로의 전압 이득의 차이를 최대한 줄여 전체 회로의 진폭오차를 조정하였다.
모든 회로 시뮬레이션 결과는 Post-layout 시뮬레이션후 기생 커패시터 및 저항 값을 포함한 결과이며, 측정 결과는 칩은 추가적인 실험을 위하여 PCB 기판제작 후 측정을 하였다. PCB 기판과 Chip을 이어주는 Bonding wire에서 발생하는 기생 인덕턴스와 기판에서 발생하는 추가적인 기생 커패시터와 저항 값이 전체적인 측정 결과와 시뮬레이션 결과 간의 오차 발생 원인으로 예상되었다.
본 논문에서 제안하는 구조는 기본적인 Balun에서 불가피하게 발생하는 위상 및 진폭 에러를 반대 위상 신호에도 적용시킴으로써 두 신호의 차이가 180°를 유지할 수 있게 고안하였다.
제안하는 Active Balun은 0.18 μm CMOS 환경에서 설계되었으며, 대역 내에서 10° 이하의 위상 오차, 2 dB 이하의 진폭오차를 갖는다.
제안하는 Active Balun은 Balun 3에 해당하는 Balun을 기존 사용한 구조가 갖는 주파수가 커짐에 두 출력의 위상 오차가 180도보다 커지는 특성과 반대인 주파수가 커짐에 따라 두 위상 오차가 점점 180보다 작아지는 반대의 주파수 성능을 지니는 다른 구조를 사용하여 Balun 3의 두 출력 위상 차이는 그림 3과 같이 180-α가 되어 —α 의 위상 오차를 갖는다.

대상 데이터

그림 6은 제안하는 Active Balun 회로의 Layout 사진이며, 1P6M 0.18 μm CMOS 공정으로 설계되었다.

성능/효과

그림 1은 기본적인 Active Balun의 구조들이며, 각 회로들은 각각 장점 및 단점들이 존재한다^[4]～[6]. 진폭 오차에 좀 더 나은 성능을 보이는 회로와 위상 오차에서 성능을 보이는 회로로 크게 나뉘는데, 본 논문에서 제안하는 회로는 그림 1에서 (c) 회로와 (d) 회로를 복층으로 병합한 구조를 가지며, 위상오차뿐만 아니라 진폭 오차에서도 뛰어난 성능을 보인다.
모든 회로 시뮬레이션 결과는 Post-layout 시뮬레이션후 기생 커패시터 및 저항 값을 포함한 결과이며, 측정 결과는 칩은 추가적인 실험을 위하여 PCB 기판제작 후 측정을 하였다. PCB 기판과 Chip을 이어주는 Bonding wire에서 발생하는 기생 인덕턴스와 기판에서 발생하는 추가적인 기생 커패시터와 저항 값이 전체적인 측정 결과와 시뮬레이션 결과 간의 오차 발생 원인으로 예상되었다. 그림 7은 S-parameter 시뮬레이션 결과 값으로 입력 반사 계수(S₁₁)의 그래프이다.
대역 내에서 50 Ω 정합 결과로 최대 —11 dB의 입력 손실 성능을 보여준다.
본 논문에서 제안하는 구조는 기본적인 Balun에서 불가피하게 발생하는 위상 및 진폭 에러를 반대 위상 신호에도 적용시킴으로써 두 신호의 차이가 180°를 유지할 수 있게 고안하였다. 또한 사용한 두 구성회로가 서로 보정을 할 수 있도록 반대되는 주파수 특성을 갖는 구조를 사용하여 보정 오차를 더욱 줄이는 방향으로 설계하여 기존의 위상보정 구조보다 위상보정에 있어 더욱 최적화된 성능을 얻어내었다.
제안하는 구조의 장점은 진폭 오차가 발생함에 따라 발생하는 위상 오차가 줄어드는데 있다. 위상 보정 구조는 그림 3에서 확인할 수 있듯이 Balun 4의 + 신호와 나머지 Balun 4의 -신호 출력이 합쳐져서 총 2개의 출력이 나오는데, 그림 4는 그림 2의 Balun 2와 그림 3의 Balun 4에서 나오는 출력 신호의 위상과 진폭 오차를 기존의 위상보정 구조와 제안하는 구조로 나누어 비교한 그래프이다.

후속연구

하지만 Active Balun의 전압이득은 크기가 크지 않아 큰 의미가 없으며, 부족한 전압이득은 잡음지수가 더욱 낮은 Low noise amplifier(LNA)에서 충분히 보상해 줄 수 있기 때문에 본 논문에서는 Balun의 본 목적인 single 신호를 differential로 나누는데 집중하여 위상에러를 줄이는데 집중하였다. 본 논문의 회로에서 사용한 위상 보정 구조는 한 개의 DC 전압에 전류 미러 회로까지 총 3개의 FET가 할당이 되어 있기 때문에 전압이득을 얻을 수 있는 FET의 gm과 선형성이 상대적으로 낮아 gm을 크게 보상해 줄 수 있는 BJT(혹은 성능이 좋은 HBT)나 좀 더 높은 DC 전압을 사용한다면 본 논문의 구조를 사용하여도 양수의 전압이득을 얻을 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	무선 통신 시스템에서 Differential 구조를 갖는 회로의 특징은?	무선 통신 시스템에서 Differential 구조를 갖는 회로들은 Even-order 왜곡과 Common-mode 잡음을 제거할 수 있는 장점이 있는 반면, 대부분의 안테나가 단일 포트 구조를 갖기 때문에 Balun 회로는 많은 RF front-end 시스템에서 필수적으로 요구되고 있다.
	S-parameter 시뮬레이션 결과와 전체적 측정 결과 간 오차가 발생한 이유는?	모든 회로 시뮬레이션 결과는 Post-layout 시뮬레이션후 기생 커패시터 및 저항 값을 포함한 결과이며, 측정 결과는 칩은 추가적인 실험을 위하여 PCB 기판제작 후 측정을 하였다. PCB 기판과 Chip을 이어주는 Bonding wire에서 발생하는 기생 인덕턴스와 기판에서 발생하는 추가적인 기생 커패시터와 저항 값이 전체적인 측정 결과와 시뮬레이션 결과 간의 오차 발생 원인으로 예상되었다. 그림 7은 S-parameter 시뮬레이션 결과 값으로 입력 반사 계수(S11)의 그래프이다.
	수동 회로 Balun의 특징은?	수동 회로 Balun의 경우, 초고주파에선 On-chip으로 구현할 수 있을 정도로 크기가 작아지기도 하지만[1], 신호의 손실과 Front-end에 설계될 시 전체 시스템의 잡음지수를 악화시키는 단점이 있어, 최근 몇 년간 이러한 단점을 보완하는 능동회로 Balun이 주목받고 연구가 되어 왔다[2],[3].

참고문헌 (7)

Bo-Jiun Huang, Bo-Jr Huang, Kun-You Lin, and Huei Wang, "A 2-40 GHz active balun using 0.13 $\mu{m}$ CMOS process", IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol. 19, no. 3, Mar. 2009.
Shou-Hsien Weng, Hong-Yeh Chang, and Chau-Ching Chiong, "A DC-21 GHz low imbalance active balun using Darlington cell technique for high speed data communications", IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol. 19, no. 11, Nov. 2009.

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Brian Welch, Kevin T. Kornegay, Hyun-Min Park, and Joy Laskar, "A 20-GHz low-noise amplifier with active balun in a 0.25-m SiGe BICMOS technology", IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 40, no. 10, Oct. 2005.
C. S. Lee, M. G. Kim, J. J. Lee, K. E. Pyun, and H. M. Park, "A low noise amplifier for a multi-band and multi- mode handset", in Proc. IEEE Radio Freq. Integr. Circuits (RFIC) Conf., pp. 47-50, 1998.
S. C. Blaakmeer, E. A. M. Klumperink, D. M. W. Leenaerts, and B. Nauta, "Wideband balun-LNA with simultaneous output balancing, noise-canceling and distortioncanceling", IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 43, no. 6, pp. 1341-1350, Jun. 2008.

상세보기
D. Mastantuono, D. Manstretta, "A low-noise active balun with IM2 cancellation for multiband portable DVB-H receivers", in IEEE Int. Solid-State Circuits Conf. (ISSCC) Dig. Tech. Papers, pp. 216-217, 217a, 2009.
Hsi-Han Chiang, Fu-Chien Huang, Chao-Shiun Wang, and Chorng-Kuang Wang, "A 90 nm CMOS V-band lownoise active balun with broadband phase-correction technique", IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 46, no. 11, Nov. 2011.

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