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KR101457559B1 - 저잡음 증폭기 - Google Patents

저잡음 증폭기 Download PDF

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KR101457559B1
KR101457559B1 KR1020130043593A KR20130043593A KR101457559B1 KR 101457559 B1 KR101457559 B1 KR 101457559B1 KR 1020130043593 A KR1020130043593 A KR 1020130043593A KR 20130043593 A KR20130043593 A KR 20130043593A KR 101457559 B1 KR101457559 B1 KR 101457559B1
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signal
gate
inverting
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장준영
한홍걸
김태욱
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연세대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 저잡음 증폭기에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 저잡음 증폭기는, 신호를 입력받아 증폭시키는 입력측 트랜지스터; 상기 입력측 트랜지스터에 의해 증폭된 신호를 증폭시키는 출력측 트랜지스터; 및 상기 입력측 트랜지스터에 의해 증폭된 신호를 반전시켜 상기 출력측 트랜지스터의 게이트에 인가하는 반전부;를 포함할 수 있다.

Description

저잡음 증폭기{LOW NOISE AMPLIFIER}
본 발명은 저잡음 증폭기에 관한 것이다.
저잡음 증폭기는 잡음을 억제시키면서 신호를 증폭시키는 회로이다. 상기 저잡음 증폭기는 수신기에서 안테나가 수신한 신호를 왜곡 없이 증폭시켜 수신기 전체의 잡음 지수를 낮추기 위해 사용될 수 있다.
이와 같이, 왜곡 없이 신호를 증폭시키기 위해서는 저잡음 증폭기의 높은 선형성이 요구된다. 하지만, 회로의 집적화를 위해 트랜지스터의 사이즈가 미세화되고 있으며, 그에 따라 트랜지스터의 전원 전압의 크기가 줄어들고 있다. 그 결과, 저잡음 증폭기의 비선형성에 영향을 미치는 3차 드레인 컨덕턴스 gd3가 증가하여 종래의 저잡음 증폭기로는 높은 선형성을 유지하기 어려운 문제가 발생한다.
본 발명의 실시예는, 높은 선형성을 갖는 저잡음 증폭기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예는, 낮은 전원 전압에서도 높은 선형성을 갖는 저잡음 증폭기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예는, 소비전력이 낮으면서 높은 선형성을 갖는 저잡음 증폭기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 저잡음 증폭기는, 신호를 입력받아 증폭시키는 입력측 트랜지스터; 상기 입력측 트랜지스터에 의해 증폭된 신호를 증폭시키는 출력측 트랜지스터; 및 상기 입력측 트랜지스터에 의해 증폭된 신호를 반전시켜 상기 출력측 트랜지스터의 게이트에 인가하는 반전부;를 포함할 수 있다.
상기 입력측 트랜지스터와 상기 출력측 트랜지스터는 캐스코드(cascode) 구조로 연결될 수 있다.
상기 입력측 트랜지스터와 상기 출력측 트랜지스터는 폴디드 캐스코드(folded cascode) 구조로 연결될 수 있다.
상기 반전부는: 상기 입력측 트랜지스터에 의해 증폭된 신호를 게이트로 입력받아 반전 증폭시켜 드레인으로 출력하는 반전 증폭 트랜지스터를 포함할 수 있다.
상기 반전 증폭 트랜지스터는: 게이트가 커패시터를 통해 상기 입력측 트랜지스터의 출력단에 연결되고, 드레인이 상기 출력측 트랜지스터의 게이트에 연결될 수 있다.
상기 입력측 트랜지스터는, 차동 입력 신호를 입력받아 증폭시키는 제 1 및 제 2 트랜지스터를 포함하고, 상기 출력측 트랜지스터는, 상기 제 1 및 제 2 트랜지스터에 의해 증폭된 신호를 증폭시키는 제 3 및 제 4 트랜지스터를 포함할 수 있다.
상기 반전부는: 상기 제 1 및 제 2 트랜지스터에 의해 증폭된 신호를 반전 증폭시켜 상기 제 3 및 제 4 트랜지스터의 게이트에 인가하는 제 5 및 제 6 트랜지스터를 포함할 수 있다.
상기 제 5 및 제 6 트랜지스터는, 공통 소스 증폭기(common source amplifiers)를 구성할 수 있다.
상기 반전부는: 상기 제 3 트랜지스터와 상기 제 4 트랜지스터를 크로스-커플(cross-couple) 구조로 연결하는 출력측 크로스-커플부를 포함할 수 있다.
상기 출력측 크로스-커플부는: 상기 제 1 트랜지스터에 의해 증폭된 신호를 상기 제 4 트랜지스터의 게이트에 인가하고, 상기 제 2 트랜지스터에 의해 증폭된 신호를 상기 제 3 트랜지스터의 게이트에 인가할 수 있다.
상기 출력측 크로스-커플부는: 상기 제 1 트랜지스터의 출력단을 커패시터를 통해 상기 제 4 트랜지스터의 게이트에 연결하고, 상기 제 2 트랜지스터의 출력단을 커패시터를 통해 상기 제 3 트랜지스터의 게이트에 연결할 수 있다.
상기 저잡음 증폭기는, 상기 제 1 트랜지스터와 상기 제 2 트랜지스터를 크로스-커플 구조로 연결하는 입력측 크로스-커플부를 더 포함할 수 있다.
상기 입력측 크로스-커플부는: 상기 제 1 트랜지스터에 입력되는 신호를 상기 제 2 트랜지스터의 게이트에 인가하고, 상기 제 2 트랜지스터에 입력되는 신호를 상기 제 1 트랜지스터의 게이트에 인가할 수 있다.
상기 입력측 크로스-커플부는: 상기 제 1 트랜지스터의 입력단을 커패시터를 통해 상기 제 2 트랜지스터의 게이트에 연결하고, 상기 제 2 트랜지스터의 입력단을 커패시터를 통해 상기 제 1 트랜지스터의 게이트에 연결할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 저잡음 증폭기의 선형성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 저잡음 증폭기가 낮은 전원 전압으로 구동하여도 높은 선형성을 유지할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 저잡음 증폭기의 소비전력을 최소화하면서 높은 선형성을 구현할 수 있다.
도 1은 트랜지스터의 드레인-소스 전압 VDS과 3차 드레인 컨덕턴스 gd3 간의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 저잡음 증폭기의 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 저잡음 증폭기의 회로도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 저잡음 증폭기의 회로도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 저잡음 증폭기의 회로도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 저잡음 증폭기의 회로도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 저잡음 증폭기의 회로도이다.
본 발명의 다른 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술 되는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
만일 정의되지 않더라도, 여기서 사용되는 모든 용어들(기술 혹은 과학 용어들을 포함)은 이 발명이 속한 종래 기술에서 보편적 기술에 의해 일반적으로 수용되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적인 사전들에 의해 정의된 용어들은 관련된 기술 그리고/혹은 본 출원의 본문에 의미하는 것과 동일한 의미를 갖는 것으로 해석될 수 있고, 그리고 여기서 명확하게 정의된 표현이 아니더라도 개념화되거나 혹은 과도하게 형식적으로 해석되지 않을 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다' 및/또는 이 동사의 다양한 활용형들 예를 들어, '포함', '포함하는', '포함하고', '포함하며' 등은 언급된 조성, 성분, 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 조성, 성분, 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 본 명세서에서 '및/또는' 이라는 용어는 나열된 구성들 각각 또는 이들의 다양한 조합을 가리킨다.
이하, 본 명세서에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 트랜지스터의 드레인-소스 전압 VDS과 3차 드레인 컨덕턴스 gd3 간의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 트랜지스터에 인가되는 드레인-소스 전압 VDS이 줄어들면, 트랜지스터의 3차 드레인 컨덕턴스 gd3가 증가하게 된다. 예를 들어, 드레인-소스 전압 VDS이 1.2 V에서 0.6 V로 줄어들면, 3차 드레인 컨덕턴스 gd3는 약 10배 증가하게 된다.
3차 드레인 컨덕턴스 gd3는 트랜지스터의 비선형성에 영향을 주는 요인으로, 상기 3차 드레인 컨덕턴스 gd3가 높아질수록 트랜지스터의 비선형성은 증가하게 된다. 따라서, 트랜지스터에 공급되는 전원 전압이 낮아질수록 상기 트랜지스터의 비선형성이 증가하게 되어 트랜지스터를 사용하는 회로로부터 원하는 성능을 얻기 어려워진다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 저잡음 증폭기의 회로도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 저잡음 증폭기(100)는 입력측 트랜지스터(N), 출력측 트랜지스터(P) 및 반전부(110)를 포함할 수 있다.
상기 입력측 트랜지스터(N)는 신호를 입력받아 증폭시킬 수 있다. 상기 출력측 트랜지스터(P)는 상기 입력측 트랜지스터(N)에 의해 증폭된 신호를 증폭시킬 수 있다. 상기 반전부(110)는 상기 입력측 트랜지스터(N)에 의해 증폭된 신호를 반전시켜 상기 출력측 트랜지스터(P)의 게이트에 인가할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 입력측 트랜지스터(N)와 상기 출력측 트랜지스터(P)는 캐스코드(cascode) 구조로 연결될 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 입력측 트랜지스터(N)와 상기 출력측 트랜지스터(P)는 폴디드 캐스코드(folded cascode) 구조로 연결될 수 있다.
이 경우, 상기 입력측 트랜지스터(N)는 NMOS 트랜지스터이고, 상기 출력측 트랜지스터(P)는 PMOS 트랜지스터일 수 있으나, 트랜지스터의 종류는 이에 제한되지 않는다.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 입력측 트랜지스터(N)는 소스에서 신호를 입력받아 드레인에서 증폭 신호를 출력할 수 있다. 상기 입력측 트랜지스터(N)는 게이트에 바이어스 전압 Vb을 인가받을 수 있다.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 출력측 트랜지스터(P)는 소스에서 신호를 입력받아 드레인에서 증폭 신호를 출력할 수 있다. 상기 출력측 트랜지스터(P)의 게이트에는 상기 입력측 트랜지스터(N)에 의해 증폭된 신호를 반전시킨 반전 신호가 인가될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 반전부(110)는 -A 배의 이득을 가질 수 있으며, 여기서 A는 1 이상의 값일 수 있다. A가 1보다 큰 경우, 상기 반전부(110)는 입력측 트랜지스터(N)에 의해 증폭된 신호를 반전 증폭시켜 출력측 트랜지스터(P)의 게이트에 인가한다.
그 결과, 출력측 트랜지스터(P)의 Gm = (1 + A)gm으로 증가하게 되고, 입력측 트랜지스터(N)의 구동 임피던스가 1/(1 + A)gm으로 감소하게 되어, 저잡음 증폭기(100)의 선형성이 향상될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 저잡음 증폭기(200)의 회로도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 저잡음 증폭기(200)의 반전부(110)는 입력측 트랜지스터(N)에 의해 증폭된 신호를 게이트로 입력받아 반전 증폭시켜 드레인으로 출력하는 반전 증폭 트랜지스터(M)를 포함할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 반전 증폭 트랜지스터(M)는 게이트가 커패시터를 통해 상기 입력측 트랜지스터(N)의 출력단에 연결되고, 드레인이 상기 출력측 트랜지스터(P)의 게이트에 연결되도록 구성될 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 저잡음 증폭기(300)의 회로도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 저잡음 증폭기(300)의 입력측 트랜지스터는 차동 입력 신호를 입력받아 증폭시키는 제 1 트랜지스터(M1) 및 제 2 트랜지스터(M2)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 저잡음 증폭기(300)의 출력측 트랜지스터는 상기 제 1 트랜지스터(M1)에 의해 증폭된 신호를 증폭시키는 제 3 트랜지스터(M3), 및 상기 제 2 트랜지스터(M2)에 의해 증폭된 신호를 증폭시키는 제 4 트랜지스터(M4)를 포함할 수 있다.
상기 제 1 및 제 2 트랜지스터(M1, M2)는 게이트에 바이어스 전압 Vb이 인가될 수 있다.
이 실시예에 따르면, 상기 저잡음 증폭기(300)의 반전부(110)는, 상기 제 1 트랜지스터(M1)에 의해 증폭된 신호를 반전 증폭시켜 상기 제 3 트랜지스터(M3)의 게이트에 인가하는 제 5 트랜지스터(M5), 및 상기 제 2 트랜지스터(M2)에 의해 증폭된 신호를 반전 증폭시켜 상기 제 4 트랜지스터(M4)의 게이트에 인가하는 제 6 트랜지스터(M6)를 포함할 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 제 5 및 제 6 트랜지스터(M5, M6)는 공통 소스 증폭기(common source amplifiers)로 구성될 수 있다.
또한, 상기 제 5 트랜지스터(M5)의 게이트는 커패시터를 통해 상기 제 1 트랜지스터(M1)의 출력단에 연결되고, 상기 제 6 트랜지스터(M6)의 게이트는 커패시터를 통해 상기 제 2 트랜지스터(M2)의 출력단에 연결될 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 저잡음 증폭기(400)의 회로도이다.
도 4에 도시된 저잡음 증폭기(300)와 달리, 도 5에 도시된 저잡음 증폭기(400)는 제 1 트랜지스터(M1)와 제 2 트랜지스터(M2)를 크로스-커플(cross-couple) 구조로 연결하는 입력측 크로스-커플부(410)를 더 포함할 수 있다.
상기 입력측 크로스-커플부(410)는, 상기 제 1 트랜지스터(M1)에 입력되는 신호를 상기 제 2 트랜지스터(M2)의 게이트에 인가하고, 상기 제 2 트랜지스터(M2)에 입력되는 신호를 상기 제 1 트랜지스터(M1)의 게이트에 인가할 수 있다.
예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 입력측 크로스-커플부(410)는, 상기 제 1 트랜지스터(M1)의 입력단을 커패시터를 통해 상기 제 2 트랜지스터(M2)의 게이트에 연결하고, 상기 제 2 트랜지스터(M2)의 입력단을 커패시터를 통해 상기 제 1 트랜지스터(M1)의 게이트에 연결할 수 있다.
이 실시예와 같이 입력측 트랜지스터들을 크로스-커플 구조로 연결하는 경우, 저잡음 증폭기(400)의 소비전력이 감소할 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 저잡음 증폭기(500)의 회로도이다.
도 6을 참조하면, 상기 저잡음 증폭기(500)의 반전부(110)는 제 3 트랜지스터(M3)와 제 4 트랜지스터(M4)를 크로스-커플 구조로 연결하는 출력측 크로스-커플부(510)를 포함할 수 있다.
상기 출력측 크로스-커플부(510)는, 제 1 트랜지스터(M1)에 의해 증폭된 신호를 제 4 트랜지스터(M4)의 게이트에 인가하고, 제 2 트랜지스터(M2)에 의해 증폭된 신호를 제 3 트랜지스터(M3)의 게이트에 인가할 수 있다.
예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 출력측 크로스-커플부(510)는, 제 1 트랜지스터(M1)의 출력단을 커패시터를 통해 제 4 트랜지스터(M4)의 게이트에 연결하고, 제 2 트랜지스터(M2)의 출력단을 커패시터를 통해 제 3 트랜지스터(M3)의 게이트에 연결할 수 있다.
이 실시예와 같이 출력측 트랜지스터들을 크로스-커플 구조로 연결하는 경우 A = 1이 될 수 있으며, 추가적인 전력소비 없이 저잡음 증폭기(500)의 선형성을 향상시킬 수 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 저잡음 증폭기(600)의 회로도이다.
도 6에 도시된 저잡음 증폭기(500)와 달리, 도 7에 도시된 저잡음 증폭기(600)는 제 1 트랜지스터(M1)와 제 2 트랜지스터(M2)를 크로스-커플 구조로 연결하는 입력측 크로스-커플부(410)를 더 포함할 수 있다.
도 7에 도시된 입력측 크로스-커플부(410)는 앞서 도 5를 참조하여 설명한 입력측 크로스-커플부(410)와 기능 및 구조가 동일하다.
이상, 입력측 트랜지스터에 의해 증폭된 신호를 반전(-A 배로 증폭, A ≥ 1)시켜 출력측 트랜지스터의 게이트에 인가하는 반전부를 포함하는 저잡음 증폭기가 설명되었다. 상기 저잡음 증폭기는 높은 선형성을 가질 수 있으며, 특히 낮은 전원 전압에 의한 선형성 저하를 개선할 수 있다.
100, 200, 300, 400, 500, 600: 저잡음 증폭기
110: 반전부
410: 입력측 크로스-커플부
510: 출력측 크로스-커플부
N: 입력측 트랜지스터
P: 출력측 트랜지스터
M: 반전 증폭 트랜지스터
M1: 제 1 트랜지스터
M2: 제 2 트랜지스터
M3: 제 3 트랜지스터
M4: 제 4 트랜지스터
M5: 제 5 트랜지스터
M6: 제 6 트랜지스터

Claims (14)

  1. 신호를 입력받아 증폭시키는 입력측 트랜지스터;
    상기 입력측 트랜지스터와 폴디드 캐스코드(folded cascode) 구조로 연결되어, 상기 입력측 트랜지스터에 의해 증폭된 신호를 증폭시키는 출력측 트랜지스터; 및
    상기 입력측 트랜지스터에 의해 증폭된 신호를 반전 증폭시켜 상기 출력측 트랜지스터의 게이트에 인가하는 반전부를 포함하며,
    상기 반전부는 상기 입력측 트랜지스터에 의해 증폭된 신호를 게이트로 입력받아 반전 증폭시켜 드레인으로 출력하는 반전 증폭 트랜지스터를 포함하며,
    상기 반전 증폭 트랜지스터는 게이트가 커패시터를 통해 상기 입력측 트랜지스터의 출력단에 연결되고, 드레인이 상기 출력측 트랜지스터의 게이트에 연결되는 저잡음 증폭기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 입력측 트랜지스터는, 차동 입력 신호를 입력받아 증폭시키는 제 1 및 제 2 트랜지스터를 포함하고,
    상기 출력측 트랜지스터는, 상기 제 1 및 제 2 트랜지스터에 의해 증폭된 신호를 증폭시키는 제 3 및 제 4 트랜지스터를 포함하는 저잡음 증폭기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 반전부는:
    상기 제 1 및 제 2 트랜지스터에 의해 증폭된 신호를 반전 증폭시켜 상기 제 3 및 제 4 트랜지스터의 게이트에 인가하는 제 5 및 제 6 트랜지스터를 포함하는 저잡음 증폭기.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 5 및 제 6 트랜지스터는, 공통 소스 증폭기(common source amplifiers)를 구성하는 저잡음 증폭기.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 트랜지스터와 상기 제 2 트랜지스터를 크로스-커플 구조로 연결하는 입력측 크로스-커플부를 더 포함하는 저잡음 증폭기.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 입력측 크로스-커플부는:
    상기 제 1 트랜지스터에 입력되는 신호를 상기 제 2 트랜지스터의 게이트에 인가하고,
    상기 제 2 트랜지스터에 입력되는 신호를 상기 제 1 트랜지스터의 게이트에 인가하는 저잡음 증폭기.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 입력측 크로스-커플부는:
    상기 제 1 트랜지스터의 입력단을 커패시터를 통해 상기 제 2 트랜지스터의 게이트에 연결하고,
    상기 제 2 트랜지스터의 입력단을 커패시터를 통해 상기 제 1 트랜지스터의 게이트에 연결하는 저잡음 증폭기.
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