본 논문은 802.113 무선 근거리 통신망 (wireless LAN)용 5.25GHz SiGe 저잡음 증폭기 (LNA)의 설계에 대해 다루고 있다. 이러한 저잡음 증폭기는 2단 구조를 가지고, 1V의 공급전압에서 동작하며, 0.18$\mu\textrm{m}$ SiGe 공정으로 제작되어 있다. 이는 5.25GHz의 동작주파수에서 17㏈의 전압이득, 2.7㏈의 잡음지수, -l5㏈의 반사계수, -5㏈m의 IIP3 및 -14㏈m의 1㏈ compression point와 같은 우수한 동작특성을 보였다. 바이어스 회로에서 소모되는 0.5mW를 포함하여 전체회로에서 소모되는 총전력은 7mW였다.
본 논문은 802.113 무선 근거리 통신망 (wireless LAN)용 5.25GHz SiGe 저잡음 증폭기 (LNA)의 설계에 대해 다루고 있다. 이러한 저잡음 증폭기는 2단 구조를 가지고, 1V의 공급전압에서 동작하며, 0.18$\mu\textrm{m}$ SiGe 공정으로 제작되어 있다. 이는 5.25GHz의 동작주파수에서 17㏈의 전압이득, 2.7㏈의 잡음지수, -l5㏈의 반사계수, -5㏈m의 IIP3 및 -14㏈m의 1㏈ compression point와 같은 우수한 동작특성을 보였다. 바이어스 회로에서 소모되는 0.5mW를 포함하여 전체회로에서 소모되는 총전력은 7mW였다.
This paper describes the design of a two stage 1V power supply SiGe Low Noise Amplifier operating at 5.25 GHa for 802.lla wireless LAN application. The achieved performance includes a gain of 17 ㏈, noise figure of 2.7㏈, reflection coefficient of 15 ㏈, IIP3 of -5 ㏈m, a...
This paper describes the design of a two stage 1V power supply SiGe Low Noise Amplifier operating at 5.25 GHa for 802.lla wireless LAN application. The achieved performance includes a gain of 17 ㏈, noise figure of 2.7㏈, reflection coefficient of 15 ㏈, IIP3 of -5 ㏈m, and 1-㏈ compression point of -14㏈m. The total power consumption of the circuit was 7 mW including 0.5mW for the bias circuit.
This paper describes the design of a two stage 1V power supply SiGe Low Noise Amplifier operating at 5.25 GHa for 802.lla wireless LAN application. The achieved performance includes a gain of 17 ㏈, noise figure of 2.7㏈, reflection coefficient of 15 ㏈, IIP3 of -5 ㏈m, and 1-㏈ compression point of -14㏈m. The total power consumption of the circuit was 7 mW including 0.5mW for the bias circuit.
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문제 정의
본 연구에서는 기존에 연구된 토폴로지들이 가진 단점을 보완하고, 이득을 최대화하기 위해 첫째 단과 다음 단 간에 교류 결합 특성을 가진 2단 구조의 CE-CE (공통 에미터-공통 에미터) 토 폴로 지를 이용하고자 한다. 이러한 구조는 입출력 회 로간에 좋은 정합이 이루어질 경우 다른 구조에 비해 이득이 높고 잡음지수가 낮은 장점을 가진 다.
앞에서도 언급했둣이 2단 구조의 증폭기에 대해 이득을 증가시키고 잡음지수를 감소시키기 위해서는 입출력 회로 간에 좋은 임피던스 정합이 필요하다 [8]. 본 연구에서는 이득을 증가시키고 잡음지수를 감소시키기 위해 입력단에서 잡음과 전력 정합 특성을 가지는 중폭기를 설계하고자 하였다. 본 연구에서는 그림 2에 나타나 있듯이 53에 더 가까운「中를 얻기 위해 트랜지스터 Q; 의 에미터 면적을 적절히 조절하였으며 [9], 12.
본 연구에서는 저전압, 저전력 특성을 지닌 무선 통신 연구의 한 접근 방법으로 802.11a 무선 근거리 통신망에 사용할 5.25GHz SiGe 저잡음 중폭기 (LNA) 의 설계를 제안하고자 한다. 본 연구에서 제 안 하는 저잡음 증폭기는 IV의 매우 낮은 공급전압에서 동작하고, 2단 구조를 가지며, 0.
제안 방법
그러나 HBT Q; 과 Qz의 출력 저항값(5와 3)은 다른 값에 비해 매우 큰 값을 가지므로 무시되었다. 고주파에서 HBT Q:과 Qz에 의한 커패시터 성 리액턴스 C"과 Cz의 영향을 제거하고 동작 주파수를 적절히 조절하기 위해 베이스 인덕터 爲를 사용하였다.
식 (2) 에서도 알 수 있듯이 전압이득을 증가 시 키기 위해 訓을 증가시키기거나 인덕터의 Q 및 인덕턴스 값을 증가시킬 수 있다. 그러나 본 연구에서는 증폭기가 5GHz의 적절한 동작 범위에서 공진 특성을 유지하기 위해서 2nH 이하의 인덕턴 스 값을 가지도록 설계하였고, 전체 칩 면적과 잡음 특성을 고려하여 첫째 단은 약 10dB, 둘째 단 은 약 7dB의 전압이득을 갖도록 하였다. 식 (3.
접지선들은 접지 쪽으로 낮은 임피던스 경로를 제공하기 위해 넓게 하였다. 기판으로부터 발생되는 잡음을 최소로 하기 위해 각각의 인덕터와 트랜지스터 주위를 접지 보호 링 (guard rings)하여 기판과 연결하였다. 사용된 커패시터는 높은 선택도를 가진 MIM (Metal-Insulator- Metal) 구조이 며, Tantalum nitride 박막형 저항을 사용하였다.
설계된 저잡음 릉폭기는 최소 잡옴에서 동작하도록 적절한 전류밀도에서 바이어스되어있다. 또한 잡음지수롤 최소화하기 위해 잡음 정합을 고려하였다. 이러한 값은 전류밀도 대 잡옴지수 특성곡 선으로부터 얻을 수 있다.
또한 좋은 임피던스 정합 조건으로, 입력 임피던스의 실수부를 50Q으로 만들고 허수부를 0으로 만들기 위해 트랜지스터 Qi과 Qz의 에미터 단자에 에미터 degeneration 용 인덕터 膈과 Le를 각각 첨가하였다. 그림 3은 설계된 증폭기의 고주파 동작을 분석하기 위한 하이브리드 파이 소 신호 둥가 희로를 나타낸 것으로, 고주파에서 실제 인덕터에 존재하는 기생 직렬저항 (parasitic series resistances)의 영향이 고려되어 员다.
증폭기를 설계하고 레이아웃한 후에 Assura RCX 툴을 이용하여 기생성분 추출(parasitic extr- action)을 수행하였고, 추출된 결과를 토대로 포스트 레이아웃 시뮬레이션을 수행하였다. 레이아웃 전과 후의 시뮬레이션 결과들은 거의 비슷한 특성을 보였다.
대상 데이터
25GHz SiGe 저잡음 중폭기 (LNA) 의 설계를 제안하고자 한다. 본 연구에서 제 안 하는 저잡음 증폭기는 IV의 매우 낮은 공급전압에서 동작하고, 2단 구조를 가지며, 0.18pm SiGe 공정으로 제작되어 있다. 저전압, 저전력 특성을 지닌 저잡음 증폭기의 설계를 위해 밴드 갭 참조 구 조 (band-gap reference)의 바이어스 회로를 적용하였다.
기판으로부터 발생되는 잡음을 최소로 하기 위해 각각의 인덕터와 트랜지스터 주위를 접지 보호 링 (guard rings)하여 기판과 연결하였다. 사용된 커패시터는 높은 선택도를 가진 MIM (Metal-Insulator- Metal) 구조이 며, Tantalum nitride 박막형 저항을 사용하였다.
그림 1에 본 연구에서 설계한 저잡음 증폭기 회로를 나타내었다. 전체 희로는 4개의 HBT (High Mobility Transistor; 고이 동도 트랜지스터), 5개의 인덕터, 5개의 커패시터 및 6개의 저항으로 구성되어 있으며, 단일 칩 내에 설계되어 있다. 그리고 저전압 밴드 갭 참조 구조 (band-gap reference) 바이어스 회로가 각 단에 바이어스 전류를 공급하기 위해 사용되어 있다.
이론/모형
저잡음 증폭기를 설계하고 시뮬레이션하기 위해 Cadence를 이용하였다. 저잡음 증폭기를 구성하는 각 요소들이 공정 파라미터의 미세변동으로 인해 최악의 공정 조건 (worst-case process) 으로 제작될 경우를 대비하여 corner 시뮬레이션도 함께 수행하였으나, 정규 결과와 그다지 큰 편차를 보이진 않았다.
18pm SiGe 공정으로 제작되어 있다. 저전압, 저전력 특성을 지닌 저잡음 증폭기의 설계를 위해 밴드 갭 참조 구 조 (band-gap reference)의 바이어스 회로를 적용하였다.
성능/효과
25GHz의 동작 주파수에서 40.26Q의 입력 임피던스와 :!7.15dB의 전압이득, -25.28dB의 입력 반사손실, -23.46dB의 출력 반사손실, -3L29dB의 역 흐름 격리 특성 및 2.623의 안정 계수를 보였다. 또한 1.
15GHz를 각각 사용하였다. 그 결과 설계된 증폭기는 -5dBm 의 IIP3 및 -14dBm의 ldB compression point를 보였다. 설계된 저잡음 증폭기는 IV의 저전압에서 동작하기 때문에 트랜지스터들이 포화영역으로 들 어가기 전에 허용할만한 출력 스윙 전압은 약 0.
115와 L144의 입력 VSWR 과 출력 VSWR을 각각 보였다. 설계된 증폭기는 1GHz~ 10GHz의 주파수 범위에서 무조건적인 안 정성을 보였다
11a 무선 근거리 통신망(wireless LAN)에 웅용하기 위해 제작된 이러한 저잡음 증폭기는 2단 구조를 가지고, IV의 공급전압에서 동작한다. 이는 5.25GHz의 동작 주파수 에서 T7dB의 전압이득, 2.7dB의 잡음지수, -15dB의 반사 계수, -5dBm 의 IIP3 및 ・14dBm 의 IdB compression point를 보였으며, 기존에 연구된 결과보다 우수한 동작 특성을 보였다. 바이어스 회로에서 소모되는 0.
그림 5는 S 파라미터 결과를 나타낸 것이다. 이러한 결과를 통해 전압이득과 안정 계수, 입력 반사 손실(input return loss) 및 출력 반사손실(output return loss), 그리고 역 흐름 격리 특성 (reverse isolation) 등을 확인할 수 있다. 그림 5에서 알 수 있듯이 5.
저잡음 증폭기를 설계하고 시뮬레이션하기 위해 Cadence를 이용하였다. 저잡음 증폭기를 구성하는 각 요소들이 공정 파라미터의 미세변동으로 인해 최악의 공정 조건 (worst-case process) 으로 제작될 경우를 대비하여 corner 시뮬레이션도 함께 수행하였으나, 정규 결과와 그다지 큰 편차를 보이진 않았다. 또한 설계된 저잡음 증폭기는 전원 전압이 0.
후속연구
5mW를 포함하여 전체 회로에서 소모되는 총 전력은 7mW였다. 향후에는 프로브 스테이션과 벡터 네트워크 분석기 및 스펙트럼 분 석기 등을 이용하여, 제작된 저잡음 증폭기의 특성을 측정할 계획이다.
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