한국정보통신설비학회는 최근 ‘2014 정보통신설비 학술대회’를 개최했다. 이번 학술대회에서 발표된 주요 논문을 요약해 소개한다.
RF 송수신기용 고선형 CMOS 가변 이득 증폭기 설계
유동균, 윤상구, 허용기, 남규현, 이지훈, 정원재, 박준석(교수) 국민대학교 보안-스마트 전기자동차학과
□ 서론 = Programmable Gain Amplifier(PGA)는 다이나믹레인지(dynamic range) 시스템에서 필요로 하는 이득을 가변적으로 제공하기 위해 사용된다.PGA는 오디오, 디스크 드라이브, 보청기, 광 수신기, 센서 시스템 및 무선통신 시스템 등에서 이득 가변을 위해 사용된다.
특히, 시스템의 일부 또는 전체 이득을 결정하기 위해 RF 송수신기에 적용된다. 기존의 PGA는 이득을 얻기 위한 FET(Field Effect Transistor) 코어 및 이득 제어부로 구성된다. 특히 RF 송수신기의 전력 소모를 줄이기 위해 PGA의 저전력 설계 및 채널 간 간섭을 줄이기 위한 연구가 진행돼 왔다.하지만, FET 코어는 선형성, 대역폭을 유지하며 충분한 이득을 얻기 어렵다. RF 송수신기용 고선형 CMOS 가변 이득 증폭기는 BJT 코어 기반 2-stage 고선형 PGA를 제안한다.
RF 송수신기용 고선형 CMOS 가변 이득 증폭기는 IF 대역통과필터와 주파수 합성기 사이의 PGA를 설명한다.2-stage 고선형 PGA는 BJT 코어를 통해 이득을 생성하고, 두 개의 PGA 캐스케이드 구조를 통해 높은 선형성을 유지한다.
2-stage 고선형 PGA의 가변 이득 범위는 0dB~15dB(1dB step)이다. 또한 전제 이득 범위에서 22.0dBm 이상의 OIP3를 갖는다. 2-stage 고선형 PGA는 매그나/하이닉스 0.18?m 공정을 통해 설계 및 구현했다.
□ 고선형 CMOS PGA 회로설계 = 기본적으로 PGA의 설계에서 저잡음, 저전력, 고선형성 및 높은 이득 특성이 중요하다. 이득조절은 소스(source) 축퇴(degeneration) 저항과 FET 스위치를 사용하는 방법, 입력 gm 조절 방법과 원하는 이득을 갖는 증폭기를 병렬로 연결하는 방식 등이 있다.
2-stage 고선형 PGA는 <그림-1>과 같이 두 개의 PGA를 사용해 다단회로로 구성된다. 또한 전류 구동부, 이득 증폭부 및 이득 제어부로 구성되며, BJT 코어 기반 이득 증폭부를 사용한다.
이득 증폭부의 BJT 코어는 공통이미터(commom emitter) 구조로 설계했다. 이득 증폭부의 소신호 등가회로를 통해 전체 이득은 컬렉터 저항과 이미터 저항의 비율로 나타낸다. 공통이미터의 출력은 최종 증폭단인 공통컬렉터(common collector)로 입력된다.따라서 공통이미터와 공통컬렉터로 구성된 PGA의 전체이득은 공통이미터의 이득으로 표현할 수 있다. 또한, PGA의 전체 이득은 PGA의 컬렉터와 이미터 저항을 통해 제어할 수 있다.
이득 증폭부의 BJT 코어 이득은 콜렉터 저항을 통해 제어할 수 있다. 16개의 이득 스텝(step)을 위해 제안하는 PGA의 이득 제어부는 8개의 직렬 저항 및 직렬 저항비를 제어하는 3개의 패스게이트(pass gate)로 구성된다. 또한, 각각의 PGA는 2비트의 제어를 통해 0dB∼15dB의 이득범위에서 1dB 스텝을 갖도록 설계했다.첫 번째 PGA는 0dB, 4dB, 8dB, 12dB로 4dB 스텝을 갖고, 두 번째 PGA는 0dB, 1dB, 2dB, 3dB로 1dB 스텝을 갖는다. 또한, 전체 PGA는 1dB 스텝으로 인해 이득 제어가 가능하며, 다양한 입력 신호 레벨에 일정한 출력제어가 가능하다.
□ 측정 결과 = 주파수에 따른 2-stage 고선형 PGA의 전체 이득 측정 그래프를 통해, 이득 범위는 cut-off 주파수 350MHz 내에서 0dB∼15dB이다. 또한 각 이득별 차이는 1dB 이다. 선형성 특성 확인을 위해 two-tone실험을 진행했다.
cut-off 주파수에 가까운 300MHz에서 500kHz 스페이싱(spacing) two-tone을 입력했다. PGA의 이득이 0dB일 때 OIP3는 22.23dBm, 3dB일 때 24.02dBm, 15dB 일 때 25.73dBm이다.
□ 결론 = RF 송수신기용 고선형 CMOS 가변 이득 증폭기는 무선통신시스템 단말기의 채널 간 간섭에 높은 선형성 특성을 가진 PGA이다. FET를 사용하는 기존의 PGA와는 달리 BJT를 사용해 높은 선형성 특성을 가지는 PGA를 설계했다.gain 스텝을 1dB를 유지하며, 0dB∼15dB 이득 범위 내에서 주파수에 비례해 이득이 커짐에 따라 OIP3가 커져서 선형성이 향상됐다.
