[논문]자동 변환 임피던스 매칭 네트워크를 갖는 CMOS FM 수신기 프론트엔드 구현

김연보; 문현원

doi:10.9723/jksiis.2014.19.4.017

자동 변환 임피던스 매칭 네트워크를 갖는 CMOS FM 수신기 프론트엔드 구현
Implementation of a CMOS FM RX front-end with an automatic tunable input matching network 원문보기

한국산업정보학회논문지 = Journal of the Korea Industrial Information Systems Research, v.19 no.4, 2014년, pp.17 - 24

김연보 (대구대학교 전자전기공학부) , 문현원 (대구대학교 전자전기공학부)

초록
AI-Helper

본 논문에서 2개의 다른 특성을 갖는 FM 안테나들을 사용할 수 있도록 자동 변환 매칭 네트워크를 갖는 CMOS FM 수신기 프론트엔드 구조를 제안하였고 이를 65nm CMOS 공정을 이용하여 설계하였다. 제안된 FM 수신기는 높은 주파수 선택 특성을 갖는 임베디드 안테나를 사용 시 FM 전체 주파수 밴드에서 일정한 수신감도를 유지하기 위해서 저 잡음 증폭기의 입력 매칭 회로의 공진 주파수를 채널 주파수에 따라 가변이 가능하도록 구현하였다. 구현된 FM 프론트엔드의 시뮬레이션 결과는 약 38dB 전압이득, 2.5dB 이하의 잡음 지수 특성, -15.5dBm의 IIP3 선형성 특성을 보이고 1.8V 전원에 3.5mA 전류를 소모한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we propose a CMOS FM RX front-end structure with an automatic tunable input matching network and implement it using a 65nm CMOS technology. The proposed FM RX front-end is designed to change the resonance frequency of the input matching network at the low noise amplifier (LNA) according to the channel frequency selected by a phase-locked loop (PLL) for maintaining almost constant sensitivity level when an embedded antenna type with high frequency selectivity characteristic is used for FM receiver. The simulation results of implemented FM front-end show about 38dB of voltage gain, below 2.5dB of noise figure, and -15.5dBm of input referred intercept point (IIP3) respectively, while drawing only 3.5mA from 1.8V supply voltage including an LO buffer.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

모바일 기기의 사용이 확대됨에 따라 기존에 널리 사용되는 긴 길이를 갖는 FM 안테나뿐만 아니라 집적화하 가능한 구조의 임베디드 안테나의 사용이 필요하게 되었다. 따라서 본 논문에서는 서로 다른 특성을 갖는 2개의 안테나에 동시에 적용이 가능한 FM front-end 수신기 구조를 제안하였고 이를 65nm CMOS 공정을 이용하여 회로를 설계 하였고 그 특성을 시뮬레이션을 통해 검증하였다. 특히 임베디드 안테나를 사용하는 경우 높은 주파수 선택 특성으로 발생되는 문제를 제안된 자동 조절 입력 임피던스 매칭 회로를 이용하여 전체 FM 주파수 대역에서 고른 수신감도 특성을 얻을 수 있었다.
이를 위해 사용되는 안테나 특성에 맞추어 FM 수신 프론트엔드의 입력 임피던스를 조절 가능하여 각각의 안테나에 최적화된 FM 수신기를 구현하고자 한다. 또한 임베디드 형태의 안테나의 높은 특성 임피던스로 인해 갖게 되는 좁은 주파수 특성을 보정하기 위한 자동 조정 입력 매칭 회로를 제안한다. 제안된 자동 조절 입력 매칭 회로를 통하여 FM 전 방송대역에서 수신기의 특성을 최적화된 형태로 사용이 가능하다.
따라서 TIA의 전류소모가 커지는 문제가 발생한다. 본 논문에서는 25% duty LO의 사용으로 저 전력 TIA의 구현을 하였고 TIA의 노이즈가 증폭되는 정도를 줄이기 위해 mixer의 스위칭 트랜지스터의 사이즈를 선형성 특성에 크게 영향을 주지 않는 범위에서 최소로 하였다. [Fig.
본 논문에서는 이어폰 안테나와 같은 긴 안테나와 임베디드 형태의 소형 안테나를 하나의 FM 수신기로 이용하여 동시에 사용할 수 있는 수신 프론트엔드의 구현을 목표로 한다. 이를 위해 사용되는 안테나 특성에 맞추어 FM 수신 프론트엔드의 입력 임피던스를 조절 가능하여 각각의 안테나에 최적화된 FM 수신기를 구현하고자 한다.

제안 방법

LNA로부터 증폭되어진 RF 신호는 200kHz의 IF 신호로 passive 형태의 down-conversion mixer를 통해 주파수 변환이 이루어진다. passive mixer를 통해 IF 주파수로 변환된 전류 신호를 전압 신호로 바꾸어주기 위하여 트랜스 임피던스 증폭기(trans-impedance amplifier, TIA) 사용하였다. 200kHz의 IF 주파수는 1/f 잡음 특성의 영향을 거의 받지 않아 잡음 특성이 우수하고 baseband 회로의 전력소모를 최소화 할 수 있는 최적의 IF 주파수이다.
구현된 FM 프론트엔드 수신기의 특성은 [Table 1]에 요약하였다. 따라서 저 전력 소모의 일반적인 FM 안테나와 집적화가 가능한 임베디드 안테나를 동시에 만족하는 FM 프론트엔드를 65nm CMOS 공정을 이용하여 구현하였다.
200kHz의 IF 주파수는 1/f 잡음 특성의 영향을 거의 받지 않아 잡음 특성이 우수하고 baseband 회로의 전력소모를 최소화 할 수 있는 최적의 IF 주파수이다. 또한 매우 높은 dynamic 영역을 갖는 저 전력 시그마-텔타 ADC를 이용하여 아날로그 필터 사용을 최소화하였다.
FM 수신기의 전체 자동 이득 조절기능(AGC)은 LNA, 아날로그 전압이득제어 증폭기 (VGA), 디지털 프로그램어블 이득 증폭기(PGA)를 통하여 전체 1dB 단계로 이루어진다. 또한 앞서 언급한바와 같이 임베디드 안테나를 지원하기 위해서 LNA의 입력단에 입력 매칭 주파수 특성을 변화할 수 있도록 [Fig. 5]에서 알 수 있듯이 가변 capacitor 어레이 셀(C_tune)을 사용하였다. 따라서 선택된 채널 주파수에 맞추어 입력 공진 특성이 변경이 되어 전체 FM 밴드 주파수 영역에서 수신 감도 특성에 문제가 발생하지 않는다.
9]와 같다. 매우 높은 선형성 특성과 낮은 1/f 노이즈특성을 갖는 전류 모드 passive 형태의 스위칭 셀을 사용하였고 낮은 잡음 특성을 위해 25% duty LO 신호를 적용하였다. 또한 IF 주파수로 변환된 전류 신호를 전압 신호로 바꾸어주는 역할을 하는 TIA를 mixer의 load로 사용하였다.
제안된 FM 수신기 구조는 완전 집적화와 저 전력 소모를 위해 digital low-IF 이미지 수신기 구조를 선택하였다 [4]. 사용되는 안테나에 따라 특성이 최적화 되는 LNA를 이용하여 안테나로부터 최대의 전압을 전달 받아 증폭한다. LNA를 통해 증폭된 FM 신호를 차동 신호처리를 위하여 LNA 다음 단에 single-to-differential 변환기를 사용한다.
5]는 두 개의 다른 안테나 특성에 모두 적응할 수 있도록 제안된 LNA의 회로도이다. 설계된 LNA는 일반적인 인버터 형태의 CMOS 증폭기 구조를 선택하였으며 피드백 저항 R_F로 입력과 출력 전압이 고정되는 형태로 구현하였다. 매우 큰 interference 가 입력될 때에도 수신 감도특성을 유지하기 위해 LNA는 높은 이득과 낮은 이득 2개의 이득 모드를 지원한다.
본 논문에서는 이어폰 안테나와 같은 긴 안테나와 임베디드 형태의 소형 안테나를 하나의 FM 수신기로 이용하여 동시에 사용할 수 있는 수신 프론트엔드의 구현을 목표로 한다. 이를 위해 사용되는 안테나 특성에 맞추어 FM 수신 프론트엔드의 입력 임피던스를 조절 가능하여 각각의 안테나에 최적화된 FM 수신기를 구현하고자 한다. 또한 임베디드 형태의 안테나의 높은 특성 임피던스로 인해 갖게 되는 좁은 주파수 특성을 보정하기 위한 자동 조정 입력 매칭 회로를 제안한다.
4]는 FM 수신기에 사용되는 전통적인 헤드폰 안테나와 포터블 전자기기에 적합한 임베디드 형태의 소형 안테나를 동시에 사용 가능하도록 제안된 FM 프론트엔드 수신기 구조이다. 제안된 FM 수신기 구조는 완전 집적화와 저 전력 소모를 위해 digital low-IF 이미지 수신기 구조를 선택하였다 [4]. 사용되는 안테나에 따라 특성이 최적화 되는 LNA를 이용하여 안테나로부터 최대의 전압을 전달 받아 증폭한다.
제안된 자동 조절 입력 매칭 회로를 통하여 FM 전 방송대역에서 수신기의 특성을 최적화된 형태로 사용이 가능하다. 제안된 FM 수신기 프론트엔드 구조를 65nm CMOS 공정을 이용하여 설계하였고 시뮬레이션을 통하여 그 특성을 검증하였다.

성능/효과

특히 임베디드 안테나를 사용하는 경우 높은 주파수 선택 특성으로 발생되는 문제를 제안된 자동 조절 입력 임피던스 매칭 회로를 이용하여 전체 FM 주파수 대역에서 고른 수신감도 특성을 얻을 수 있었다. 구현된 CMOS FM 프론트엔드의 특성은 1.8V 전원에서 3.5mA 전류를 소모하며 약 38dB의 전압 이득, 최대2.4dB의 잡음 지수, -15.5dBm의 IIP3 선형성 특성을 얻었다. 따라서 낮은 전력 소모로 구현되었으며 서로 다른 특성을 갖는 헤드폰 안테나 및 임베디드 안테나 사용에 최적화된 FM 수신기용 프론트엔드의 구현이 가능하여 모바일기기에 널리 사용될 것으로 기대한다.
C_tune이 선택된 후 RSSI에 측정된 수신 신호의 크기 값은 이후 수신기의 이득 제어 루프로 이득 조절하여 FM 수신기의 입력 신호에 맞는 최적의 수신 신호 감도를 유지한다. 또한 사용하는 안테나의 특성 임피던스 크기에 따라 LNA의 피드백 저항인 R_F를 크기를 맞추어 조정하여 안테나에서 LNA로 전달되는 전압 전달 특성을 최대로 하여 LNA의 이득 특성을 일정하게 유지하여 FM 수신기 프론트엔드 특성이 일정하게 유지될 수 있다. [Fig.
따라서 본 논문에서는 서로 다른 특성을 갖는 2개의 안테나에 동시에 적용이 가능한 FM front-end 수신기 구조를 제안하였고 이를 65nm CMOS 공정을 이용하여 회로를 설계 하였고 그 특성을 시뮬레이션을 통해 검증하였다. 특히 임베디드 안테나를 사용하는 경우 높은 주파수 선택 특성으로 발생되는 문제를 제안된 자동 조절 입력 임피던스 매칭 회로를 이용하여 전체 FM 주파수 대역에서 고른 수신감도 특성을 얻을 수 있었다. 구현된 CMOS FM 프론트엔드의 특성은 1.

후속연구

5dBm의 IIP3 선형성 특성을 얻었다. 따라서 낮은 전력 소모로 구현되었으며 서로 다른 특성을 갖는 헤드폰 안테나 및 임베디드 안테나 사용에 최적화된 FM 수신기용 프론트엔드의 구현이 가능하여 모바일기기에 널리 사용될 것으로 기대한다.
또한 임베디드 형태의 안테나의 높은 특성 임피던스로 인해 갖게 되는 좁은 주파수 특성을 보정하기 위한 자동 조정 입력 매칭 회로를 제안한다. 제안된 자동 조절 입력 매칭 회로를 통하여 FM 전 방송대역에서 수신기의 특성을 최적화된 형태로 사용이 가능하다. 제안된 FM 수신기 프론트엔드 구조를 65nm CMOS 공정을 이용하여 설계하였고 시뮬레이션을 통하여 그 특성을 검증하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	FM 방송 시스템이란 무엇인가?	FM 방송 시스템은 음성과 음악과 같은 오디오 신호를 FM 변조를 이용하여 무선 전송하는 방법으로 현재 세계적으로 가장 널리 사용되고 있는 무선 통신 시스템이다. 최근에 FM 방송 전파에 데이터를 중첩해 보내는 데이터 방송 표준인 RDS/RBSD (radio data system/radio broadcast data system) 서비스가 유럽과 미국에서 현재 널리 사용되고 있다.
	FM 수신기를 구현할 때 가장 중요한 특성은 무엇인가?	FM 수신기 구현할 때 가장 중요한 특성은 수신감도이다. 수신감도는 FM 수신기가 신호를 복조하는 필요한 신호 대 잡음비(Signal-to-Noise ratio, SNR) 특성을 확보하면서 수신할 수 있는 가장 작은 신호를 의미한다.
	제안된 자동 변환 매칭 네트워크를 갖는 CMOS FM 수신기 프론트엔드 구조의 FM 수신기는 어떻게 구현하였는가?	본 논문에서 2개의 다른 특성을 갖는 FM 안테나들을 사용할 수 있도록 자동 변환 매칭 네트워크를 갖는 CMOS FM 수신기 프론트엔드 구조를 제안하였고 이를 65nm CMOS 공정을 이용하여 설계하였다. 제안된 FM 수신기는 높은 주파수 선택 특성을 갖는 임베디드 안테나를 사용 시 FM 전체 주파수 밴드에서 일정한 수신감도를 유지하기 위해서 저 잡음 증폭기의 입력 매칭 회로의 공진 주파수를 채널 주파수에 따라 가변이 가능하도록 구현하였다. 구현된 FM 프론트엔드의 시뮬레이션 결과는 약 38dB 전압이득, 2.

참고문헌 (6)

J. T. Ryu, "Development of miniatured dual-frequency FM transmitter," Journal of the Korea Industrial Information System Research, Vol. 16, No. 5, pp. 31-55, 2011.
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Y.-M. Kim, M.-S. Park, J.-Y. Chyung, H.-M. Jung, and B.-C. Ahn, "Design of a PCB-embedded antenna for bluetooth applications," Journal of the Korea Industrial Information System Research, Vol. 11, No. 5, pp. 98-104, 2006.
H. Moon and J.-T. Ryu "A new image rejection receiver architecture using simultaneously high-side and low-side injected LO signals," Journal of the Korea Industrial Information System Research, Vol. 18, No. 2, pp. 35-40, 2013.

원문보기 상세보기
H. Moon, S.-C. Heo, H. Yu, J.-S. Chang, S.-I. Choi, S. Lee, W.-S. Choo, and B.-H. Park, "A 27mW 2.2dB NF GPS receiver using a capacitive cross-coupled structure in 65nm CMOS," September, September 19-22, 2010, San Diego, CA, USA, pp. 1-4, in Proc. IEEE CICC
E. Sacchi, I. Bietti, S. Erba, L. tee, P. Vilmercati, and R. Castello, "A 15mW, 70kHz 1/f corner direct conversion CMOS receiver" IEEE Custom Integrated Circuits Conference, Sep., pp. 459-462, 2003.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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