[논문]잡음 지수 향상을 위한 W대역 저잡음 증폭기 연구

김기철; 김병재; 박경열

doi:10.7471/ikeee.2023.27.2.172

잡음 지수 향상을 위한 W대역 저잡음 증폭기 연구
Study of W-band Low Noise Amplifier for Enhancing Noise Figure 원문보기

전기전자학회논문지 = Journal of IKEEE, v.27 no.2, 2023년, pp.172 - 179

김기철 (Space Technology Center, Advanced Defense Science & Technology Research Institute (ADSTRI), Agency for Defense Development (ADD)) , 김병재 (Space Technology Center, Advanced Defense Science & Technology Research Institute (ADSTRI), Agency for Defense Development (ADD)) , 박경열 (Space Technology Center, Advanced Defense Science & Technology Research Institute (ADSTRI), Agency for Defense Development (ADD))

초록
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본 논문은 송신 신호가 수신단으로 누설될 때 저잡음 증폭기의 잡음 지수 향상을 위한 최적 구조 연구에 관한 내용이다. 저잡음 증폭기 성능 향상을 위하여 작은 트랜지스터들로 분리하여 결합하는 복합 구조를 새롭게 제안하였다. 입력 최대 파워 향상을 위한 저잡음 증폭기 일반적인 구조(큰 게이트 폭의 단일 트랜지스터)에 비하여 동일한 게이트 폭 대비 잡음 지수 향상이 가능함을 확인하였다. 4단 저잡음 증폭기 설계에 있어서 1단 및 2단 증폭기에서는 본 논문에서 새롭게 제안하는 복합 구조를 적용하였고 3단 및 4단 증폭기는 트랜지스터 단일구조를 사용하였다. 제안한 복합 구조를 적용한 4단 저잡음 증폭기는 WIN Semiconductor사에서 제공하는 0.1-㎛ InGaAs pHEMT 공정(PP1011 process)을 활용하여 설계하였고, 2,100 × 1,280 ㎛²의 면적을 가진다. LNA의 EM 특성을 반영하여 새롭게 설계한 저잡음 증폭기는 80GHz 대역에서 17.6 dB의 이득, 4.0 dB의 잡음 지수 및 -5.7 dBm의 IP1dB 시뮬레이션 특성을 가진다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents the optimal structure for enhancing the noise figure of a low noise amplifier(LNA) in situations where transmitted signals leak into the receiving parts. For improving performance of an LNA, a novel composite structure which incorporates the smaller transistors is newly proposed. It was confirmed that, when the transistor size being held constant, the proposed composite structure exhibited better noise figure performance compared to a general LNA structure (i.e., a single-unit transistor with a large gate width) which aims to maximized input power. We incorporated the proposed composite structure into the 1st and 2nd stages of the 4-stage LNA, while employing the general structure with a single-unit transistor for the 3rd and 4th stages. This 4-stage LNA was designed using WIN Semiconductor's 0.1-㎛ InGaAs pHEMT process (PP1011 process), and its resulting layout size is 2,100 × 1,280 ㎛2. The simulation results for the newly designed LNA, which considered its eletro-magnetic (EM) characteristics, demonstrated a gain of 17.0 dB, a noise figure of 4.0 dB, and an input 1dB gain compression point (IP1dB) of -5.7 dBm at the 80 GHz band.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. Transceiver front end structure for W-band long range communications. 그림 1. W대역 장거리 통신용 송수신 전단부 구조
그림 Fig. 2. Combined structure of a low noise amplifier for improving noise figure. 그림 2. 잡음 지수 향상을 위한 저잡음 증폭기 복합 구조
그림 Fig. 3. Comparison of the noise figure versus the transistor gate width variation in 0.1-μm InGaAs pHEMT process (PP1011) of WIN Semiconductor (@80GHz). 그림 3. WIN Semiconductor사 0.1-μm InGaAs pHEMT 공정 (PP1011) 내 트랜지스터 게이트 폭 변화에 따른 NF 특성 비교 (@80GHz)
그림 Fig. 4. (1) Comparison of IP1dB versus transistor gate width variation in 0.1-μm InGaAs pHEMT process (PP1011) of WIN Semiconductor (@80GHz), (2) Noise figure of gate width variations according to input power. 그림 4. (1) WIN Semiconductor사 0.1-μm InGaAs pHEMT 공정 (PP1011) 내 트랜지스터 게이트 폭 변화에 따른 IP1dB 특성 (@80GHz), (2) 입력파워 변화에 따른 게 이트 폭별 잡음지수 변화 (@80GHz)
그림 Fig. 5. In complex structure, (1) signal flow of low input power, (2) signal flow of high input power, (3) power dividing rates vs. input power, (4) transistor input impedance variations according to input power. 그림 5. 복합구조에서 (1)낮은 입력파워의 신호 흐름도, (2)높은 입력파워의 신호 흐름도, (3)입력파워 변화에 따른 신호 전달비, (4) 입력파워 변화에 따른 트랜지스터 입력 임피던스의 변화
표 Table 1. Comparison of total noise figure in 4-stage LNA with or without complex structure. 표 1. 복합구조의 적용 유ㆍ무에 따른 4단 저잡음 증폭기 전체 잡음지수의 비교
그림 Fig. 6. (1) Information of EM simulation set-up (2) Port set-up for EM simulation in LNA layout. 그림 6. (1) EM 시뮬레이션 설정 정보, (2) LNA 레이아웃에서 EM 시뮬레이션용 포트 설정
그림 Fig. 8. Simulated S-parameter and NF of the 4-stage LNA. 그림 8. 4-stage LNA의 S-파라미터 및 NF 시뮬레이션 결과
그림 Fig. 7. Schematic and layout for 4-stage low noise amplifier with proposed structure. 그림 7. 제안하는 구조를 적용하여 설계한 4단 저잡음 증폭기 회로도 및 레이아웃
그림 Fig. 9. Simulated gain of the 4-stage LNA. 그림 9. 4-stage LNA 이득 시뮬레이션 결과
표 Table 2. Comparison of W-band low noise amplifier. 표 2. W대역 저잡음 증폭기 성능 비교

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상세보기
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