KR100295678B1 - 선형 이득제어 증폭기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이득의 선형성과 넓은 이득가변범위를 확보할 수 있는 선형 이득 제어증폭기이다. 본 발명은 자동 이득제어신호(AGC)를 입력받아 지수함수에 근사화된 보상신호를 출력하는 보상회로와, 보상신호에 따라 입력신호를 증폭하는 제1,제2증폭기와, 제1,제2증폭기사이에 접속된 주파수보상회로와, 제2증폭기의 출력단자에 접속된 탱크회로로 구성된다. 상기 보상회로는 표준 CMOS공정에서 구현되며 단일전원을 사용하며, 주파수보상회로는 MOSFET로 구성된 하이패스필터로서 IC집적화가 가능하다.

Description

선형 이득제어 증폭기{LINEAR GAIN CONTROL AMPLIFIER}

본 발명은 고주파 증폭기에 관한 것으로서, 특히 이득의 선형성과 넓은 이득가변범위를 확보할 수 있는 선형 이득 제어증폭기에 관한 것이다.

통신시스템에서, 입력 RF(Radio Frequency)신호는 2개의 증폭기에 의해 증폭되어 출력 RF신호로 출력된다. 이 경우, 상기 입력 RF신호는 수신기의 입장에서는 넓은 이득범위를 갖는 신호이고, 송신기의 입장에서는 송신되어질 정보를 포함하고 있는 신호이다. 또한, 상기 출력 RF신호는 수신기의 입장에서는 다음 단에서 필요로 하는 정보를 가진 신호이고, 송신기의 입장에서는 넓은 이득범위를 갖는 신호로서, 입력 RF신호를 원하는 거리까지 보내기 위해 적절히 증폭된 신호이다.

따라서,이동통신시스템에서는 다양한 수신전력을 일정하게 수신하고, 수신된 전력을 거리에 따라 다양한 전력으로 송신하기 위하여, 넓은 이득범위를 갖는 가변 이득증폭기가 필요하다. 그리고, 가변 이득증폭기는 이득이 제어전압에 대하여 선형적으로 변하는 특징을 가지고 있어야 한다.

그런데, 일반적으로 가변 이득증폭기는 MOSFET로 구성되며, 이득이 제어전압에 대하여 비선형적인 특징을 가지고 있다. 그 이유는 제어전압이 입력전압에 대한 출력전압을 선형적으로 제어하며, 이득은 출력신호의 로그값이기 때문에, 결국 이득은 제어전압에 대하여 로그특성을 가질 수밖에 없기 때문이다.

도 1에는 종래의 선형 이득제어 증폭기가 도시되어 있다.

종래의 선형 이득제어 증폭기는 넓은 이득가변범위를 확보하기 위하여 두단의 제1,제2증폭기(12),(16)를 사용하며, 제1,제2증폭기(12),(16)는 전형적인 이중 게이트(Dual gate) MOSFET로 구성된 가변 이득증폭기로서, 이득이 제어전압에 대하여 비선형적인 특징을 갖는다.

또한, 종래의 선형 이득제어 증폭기는 제1,제2증폭기(12),(16)의 제어전압이 지수함수적인 특성을 갖도록 하는 보상회로(10)를 구비한다.

보상회로(10)는 자동 이득제어(AGC)회로(미도시)에서 출력된 이득 제어신호(AGCin)를 보상하여, 제1,제2증폭기(12),(16)의 비선형성을 보상하기 위한 보상신호를 출력한다. 이때, 보상신호는 지수함수적인 특성을 갖으며, 보상신호가 지수함수적인 특성을 가지게 되면 제1,제2증폭기(12),(16)의 이득특성은 선형성을 가지게 된다.

도 2에는 상기 보상회로(10)의 상세 구성도가 도시되어 있다.

오피앰프(OP)의 반전단자는 저항(R1)을 통하여 이득 제어신호(AGCin)를 입력받는 동시에 가변저항(R3)과 병렬접속된 저항(R2)과 다이오드(D1)를 통하여 오피앰프(OP)의 출력단자에 접속된다. 또한, 오피앰프(OP)의 비반전단자는 저항(R4)을 통하여 공급전압(-VCC)단자에 접속되는 한편 역방향 다이오드를 통하여 접지된다. 이때, 상기 저항(R1),(R2),(R4)은 동일한 저항값(e.g.,10KΩ)을 갖으며, 가변저항(R3)은 큰 저항값(e.g.,50KΩ)을 제공한다. 또한, 다이오드(D1),(D2)는 온도변화에 대하여 피드백역할을 수행할 수 있도록 동일한 타입으로 구성되며, 다이오드(D2)는 써어미스터(thermistor)와 같은 소자로 대체될 수 있다.

필터(14)는 밴드패스필터기능을 갖는 SAW(Surface Acoustic Wave)필터로 구성되어,제1증폭기(12)의 출력에서 원하지 않는 주파수성분을 제거한다.

이와같이 구성된 종래의 선형 이득제어 증폭기의 동작은 다음과 같다.

외부의 AGC회로(미도시)로부터 이득 제어신호(AGCin)가 입력되면, 보상회로(10)는 상기 이득 제어신호(AGCin)를 보상하여 제1,제2증폭기(12),(16)로 지수함수적인 특성을 갖는 보상신호를 출력한다.

즉, 도 2에 도시된 바와같이, 이득 제어신호(AGCin)가 오피앰프(OP)의 비반전단자에 나타나는 기준전압(Vref)보다 크면(AGCin ＞ Vref), 보상신호의 제1기울기는 근사적으로 (R3∥R2)/R1이 된다. 반면에, 이득 제어신호(AGCin)신호가 기준전압(Vref)보다 작으면(AGCin ＜ Vref), 보상신호의 제2기울기는 근사적으로 R3∥R1이 된다. 이때, 보상신호의 제2기울기는 제1기울기보다 상대적으로 크다. 그 결과, 일종의 가산기로 동작되는 오피앰프(OP)에 의해, 보상회로(10)로부터 제1,제2기울기를 갖는 보상신호가 출력됨으로써 보상신호를 지수함수에 근사화시킬 수 있게 된다.

따라서, 제1,제2증폭기(12),(16)는 보상신호에 의해 결정된 이득레벨에서 입력신호(RFin)를 증폭하여 출력신호(RFout)를 발생하며, 제1,제2증폭기(12),(16)의 이득은 지수함수적인 특성을 갖는 보상신호에 의해 선형성을 가지게 된다.

그리고, 필터(14) 즉 밴드패스특성을 가진 SAW필터는 제1증폭기(12)의 출력을 대역통과시켜 원하지 않는 주파수성분을 제거한다. 이때, SAW필터를 삽입할 경우는 필연적으로 삽입손실(insertion loss)이 발생하기 때문에(약 20dB). 제1증폭기(12)의 출력과 필터(14)의 입력을 임피던스매칭시켜 삽입손실을 최소화한다.

상술한 바와같이, 종래의 선형 이득제어 증폭기는 제1,제2증폭기(12),(16)를 이용하여 넓은 이득가변범위를 확보하고, 보상회로(10)에 의해 이득 제어신호(AGCin)를 지수함수적으로 보상하여 제1,제2증폭기(12),(16)의 이득특성이 제어전압에 대하여 선형적을 가지게 된다.

그러나, 종래의 선형 이득제어 증폭기는 다음과 같은 단점이 있다.

첫째, 상기 보상회로는 2개의 전원전압(+VCC,-VCC)을 사용하여 구현되기 때문에 시스템의 구성이 복잡해진다.

둘째, 다이오드를 사용하여 보상회로를 구현할 경우, 바이폴라(Bipolar)공정에서는 현이 가능하지만, 표준 CMOS공정에서는 다이오드의 구현이 어려울 뿐만아니라 별도의 공정이 추가되어야 한다.

첫째, SAW필터는 IC화하기가 곤란하기 때문에 하나의 IC로 집적화할 수 없는 단점이 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 이동통신 단말기에서 요구되는 이득의 선형성과 넓은 이득가변범위를 확보할 수 있는 선형 이득 제어증폭기를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 표준 CMOS공정으로 구현이 용이하고 IC화가 가능한 선형 이득 제어증폭기를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 단일전원을 사용함에 의해 시스템의 구성이 용이한 선형 이득 제어증폭기를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 이득 제어신호를 입력받아 지수함수에 근사화된 보상신호를 출력하는 보상회로와, 보상신호에 따라 입력신호를 증폭하는 제1,제2증폭기와, 제1,제2증폭기사이에 접속되어 제1증폭기의 출력을 필터링하고 제1증폭기의 위상시프트를 보상하는 주파수보상회로와, 제2증폭기의 출력단자에 접속되어 제2증폭기의 출력을 효율적으로 전달하는 탱크회로를 포함한다.

도 1은 종래의 선형 이득제어 증폭기의 블럭도.

도 2는 도 1에서 보상회로의 상세 회로도.

도 3은 본 발명에 따른 선형 이득제어 증폭기의 블럭도.

도 4는 도 3에서 보상회로의 상세도.

도 5는 도 3에서 주파수보상회로의 상세도.

도 6은 도 3에서 AGC신호에 대한 보상신호의 기울기를 나타낸 그래프.

*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***

12 : 제1증폭기 16 : 제2증폭기

20 : 보상회로 22 : 주파수 보상회로

24 : 탱크회로 100 : 분압부

102 : 전압발생부

본 발명에 따른 선형 이득제어 증폭기는 도 3에 도시된 바와같이, 제1,제2증폭기(12),(16), 보상회로(20), 주파수보상회로(22) 및 탱크회로(24)로 구성된다.

제1,제2증폭기(12),(16)는 종래와 동일하며, 제1,제2증폭기(12),(16)의 이득을 제어하기 위한 보상회로(20)는 표준 CMOS공정에서 구현된다. 주파수보상회로(22)는 제1,제2증폭기(12),(16)사이에는 접속되어 제1증폭기(12)의 위상시프트(shift)를 보상하며 하이패스필터(HPF)로 동작된다. 또한, 제2증폭기(16)의 출력단자에는 인덕턴스(L)와 컨덴서(C)의 병렬동조회로인 탱크회로(24)가 접속되어 있다.

도 4에는 보상회로(20)의 상세 구성도가 도시되어 있다.

보상회로(20)는 하나의 전원전압(VDD)과 접지전압(VSS)을 사용하며, 이득 제어신호(AGCin)신호에 의해서 제1,제2전압(V1),(V_X)이 서로 다른 기울기를 갖도록 저항, 오피앰프(OP) 및 MOS트랜지스터로 구성하였다.

오피앰프(OP)의 반전단자는 저항(R1)을 통하여 전압발생부(102)의 제1전압(V1)을 입력받고 저항(R7)을 통하여 오피앰프(OP)의 출력단자에 접속되고, 오피앰프(OP)의비반전단자는 전압 분배부(100)에 접속되는 동시에 저항(R5)을 통하여 이득 제어신호(AGCin)를 입력받는다.

상기 전압 분배부(100)는 전원전압(VDD)을 일정 비율로 분배하는 동일한 2개의 저항(R)으로 구성되며, 두 저항의 공통접점은 오피앰프(OP)의 비반전단자에 접속된다. 상기 전압발생부(102)는 이득 제어신호(AGCin)를 분배하는 저항(R_A),(R_B)과, 전원전압(VDD)단자과 접지사이에 직렬 접속된 PMOS트랜지스터(PM1) 및 NMOS트랜지스터(NM1)로 구성된다. 이때, PMOS트랜지스터(PM1)의 게이트는 분배전압(Va)을 입력받고, NMOS트랜지스터(NM1)의 게이트는 드레인에 접속된다.

주파수보상회로(22)는 도 5에 도시된 바와같이 NMOS트랜지스터(NM2)로 구성된 하이패스필터이다.

이와같이 구성된 본 발명에 따른 선형 이득제어 증폭기의 동작을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

보상회로(20)는 AGC회로(미도시)로부터 입력된 이득 제어신호(AGCin)를 보상하여 지수함수적인 특성을 갖는 보상신호를 출력하고, 보상신호가 지수함수적인 특성을 가지게 되면 전술한 바와같이 제1,제2증폭기(12),(16)의 이득특성이 선형성을 가지게 된다. 이때, 로그함수의 특성은 작은 값에서는 급격히 변화하고 높은 값에서는 변화가 작기때문에, 제1,제2증폭기(12),(16)의 이득이 낮은 경우에는 보상신호의 기울기가 작고, 제1,제2증폭기(12),(16)의 이득이 높은 경우에는 보상신호의 기울기가 충분히 크도록 보상회로(20)가 구성되고 동작된다.

도 4에 도시된 바와같이, 이득 제어신호(AGCin)가 입력되면 전압 분배부(100)는 전원전압(VDD)을 분배 하여 1/2VDD를 출력하고, 전압 발생부(102)는 저항(R_A),(R_B)에 의해 분배된 분압전압(Va)으로 PMOS트랜지스터(PM1)를 제어하여 제1전압(V1)을 발생한다. 이때, 전압 분배부(100) 및 전압발생부(102)의 출력전압은 여러가기 형태로 가변될 수 있다. 예를들어, 전압 분배부(100)는 2개의 저항을 다르게 구성하여 출력전압을 가변시키고, 전압발생부(102)는 분배전압(Va) 및 PMOS트랜지스터(PM1)와 NMOS트랜지스터(NM1)의 사이즈비를 변화시켜 제1전압(V1)을 가변시킨다.

보상회로(20)는 제1,제2전압(V1),(V_X)을 가산하는 일종의 가산기로서 동작된다. 이때, 제1,제2전압(V1),(V_X)을 이득 제어신호(AGCin)의 함수로 표현하면 다음과 같이 나타낼 수 있다.

----------------식(1)

----------식(2)

여기서,이고, Vtn,Vtp은 각각 엔모스트랜지스터(NM1)와 피모스트랜지스터(PM1)의 문턱전압이며, (W/L)_PM1, (W/L)_NM1은 각각 피모스트랜지스터(PM1)와 엔모스트랜지스터(NM1)의 사이즈이다.

그런데, 피모스트랜지스터(PM1)는 분배전압(Va)에 따라 선형영역, 포화영역 및 컷오프영역에서 동작된다. 선형영역에서는 피모스트랜지스터(PM1)의 전압강하가 거의없기 때문에 제1전압(V1)은 근사적으로 전원전압(VDD)이 되고, 컷오프영역의 경우는 저항(R_A),(R_B)의 비율을 적절히 조절하여 피할 수 있게 된다. 또한, 포화영역에서의 제1전압(V1)은 식(2)에 도시된 바와같다.

만약, 제1전압(V1)이 오피앰프(OP)의 비반전단자에 나타나는 제2전압(V_X)보다 작으면(V1 ＜ V_X), 보상신호의 제1기울기는 도 6의 (A)와 같으며, 제1전압(V1)이 오피앰프(OP)의 비반전단자에 나타나는 제2전압(V_X)보다 크면,(V1 ＞ V_X), 보상전압의 제2기울기는 도 6의 (B)와 같다. 이때, 제2기울기는 PMOS트랜지스터의 포화영역에서, 분배전압(Va)과 피모스트랜지스터(PM1)와 엔모스트랜지스터(NM1)의 사이즈비에 의해 가변된다.

따라서, 오피앰프(OP)는 이득 제어신호(AGC신호)에 따라 변하는 제1,제2전압(V1,V_X)을 적절히 가산함으로써 도 6에 도시된 바와같이 지수함수에 근사화된 보상신호가 출력된다. 도 5에 도시된 바와같이, 주파수보상회로(22)는 제1,제2증폭기(12),(16)를 서로 분리시키며, 제1증폭기(12)의 위상시프트를 RC공진주파수에 동조시켜 보상한다. 또한, 주파수보상회로(22)는 하이패스필터(이득=1)로 동작되어 저주파수대역의 원치않는 주파수성분 및 잡음성분을 제거한다.

본 발명은 제2증폭기(16)의 출력단자를 개방 드레인(open drain)으로 형성한 후, 개방드레인에 LC병렬 동조회로인 탱크회로(24)를 접속하여 제2증폭기(16)의 출력효율을 향상시킨다.

그리고, 본 발명에서 선행된 실시예들은 단지 한 예로서 청구범위를 한정하지 않으며, 여러가지의 대안, 수정 및 변경들이 통상의 지식을 갖춘자에게 자명한 것이 될 것이다.

상술한 바와같이, 본 발명에 따른 선형 이득제어 증폭기는 이동통신 단말기에서 요구되는 넓은 이득가변범위와 제어전압에 대한 이득의 선형성을 확보할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 선형 이득제어 증폭기는 종래의 단점을 크게 개선할 수 있는 효과가 있다. 즉, 종래의 SAW필터대신에 하이패스역활을 수행하면서 위상시프트를 보상할 수 있는 주파수보상회로를 구현하여 IC화가 가능하도록 하였다. 또한, 다이오드의 사용을 배제하여 표준 CMOS공정에서 구현이 용이하도록 하였으며, 단일전원을 사용하여 시스템을 용이하게 구성할 수 있도록 하였다.

Claims (10)

1. 이득 제어신호를 입력받아, 지수함수에 근사화된 보상신호를 출력하는 보상회로와;

   보상신호에 따라 입력신호를 증폭하는 제1증폭기와;

   제1증폭기의 출력을 필터링하여 위상시프트를 보상하는 주파수보상회로와;

   상기 보상신호에 따라 주파수보상회로의 출력을 증폭하는 제2증폭기와;

   상기 제2증폭기의 출력단자에 접속된 탱크회로로 구성된 것을 특징으로 하는 선형 이득제어 증폭기.
2. 제1항에 있어서, 상기 주파수보상회로는

   MOFET로 구성된 하이패스필터인 것을 특징으로 하는 선형 이득제어 증폭기.
3. 제1항에 있어서, 상기 제2증폭기의 출력단자는 오픈드레인인 것을 특징으로 하는 선형 이득제어 증폭기.
4. 제2항에 있어서, 상기 주파수보상회로는 전원전압단자와 접지사이에 직렬 접속된 엔모스트랜지스터 및 전류원과, 엔모스트랜지스터의 소스에 접속된 컨덴서 및 그 컨덴서와 병렬로 접속된 저항으로 구성된 것을 특징으로 하는 선형 이득제어 증폭기.
5. 제1항에 있어서, 상기 보상회로는

   이득 제어신호를 입력받아 제1전압을 발생하는 전압발생기와;

   전원전압을 분배하여 제2전압을 출력하는 전압 분배부와;

   반전단자를 통하여 제1전압을 입력받고, 비반전단자를 통하여 제2전압을 입력받아, 제1,제2기울기를 갖는 보상신호를 출력하는 오피앰프로 구성되어,

   상기 반전단자는 제1저항을 통하여 제1전압을 입력받는 한편 제2저항을 통하여 오피앰프의 출력단자에 접속되고, 비반전단자는 전압 분배부에 접속되는 한편 제3저항을 통하여 이득제어신호를 입력받는 것을 특징으로 하는 선형 이득제어 증폭기.
6. 제2항에 있어서, 상기 제1기울기는 제2전압에 근거하여 형성되고, 제2기울기는 제1전압에 근거하여 형성되며, 제2기울기는 제1기울기보다 상대적으로 큰 것을 특징으로 하는 선형 이득제어 증폭기.
7. 제5항에 있어서, 상기 전압발생기는 이득제어신호의 전압레벨을 분배하는 제4 및 제5저항과, 소스는 전원전압단자에 접속되고 게이트는 제4 및 제5저항의 분배전압을 입력받는 제1MOS트랜지스터와, 상기 제1MOS트랜지스터와 접지사이에 접속되어 게이트와 드레인이 공통 접속된 제2MOS트랜지스터로 구성되고, 상기 제1MOS트랜지스터와 제2MOS트랜지스터의 공통 드레인이 제1전압의 출력단자를 형성하는 것을 특징으로 하는 선형 이득제어 증폭기.
8. 제5항에 있어서, 상기 보상회로는 단일 전원전압을 사용하고, 전압 분배부는 동일한 2개의 저항으로 구성된 것을 특징으로 하는 선형 이득제어 증폭기.
9. 제7항에 있어서, 상기 제1MOS트랜지스터는 PMOS트랜지스터이고, 상기 제2 MOS트랜지스터는 NMOS트랜지스터이며, 상기 제1,제2저항은 서로 다른 것을 특징으로 하는 선형 이득제어 증폭기.
10. 제7항에 있어서, 상기 제1,제2저항의 분배전압에 따라 제1MOS트랜지스터는 포화영역에서 동작되고, 제1전압의 기울기는 제1MOS트랜지스터의 게이트로 입력되는 분배전압과 제1,제2MOS트랜지스터의 사이즈비에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 선형 이득제어 증폭기.