KR20030027770A - 혼합 회로, 신호 처리 장치 및 전기 통신 또는 무선 통신시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 제 1 신호 RF를 제 2 신호 LO와 혼합하기 위한 혼합 회로에 관한 것으로서, 이 혼합 회로는 제 1 신호 RF를 전류로 변환하는 변환 스테이지 T3과, 상기 전류를 제 2 신호 LO와 혼합하는 혼합 코어 T1 및 T2를 포함하며, 상기 혼합 코어는 적어도 하나의 부하 소자 ZC를 통해 로딩된다. 혼합 회로는 부하 소자 또는 소자들 ZC의, 출력 신호에 존재하는 주파수에 반비례하는 잡음에 대한 기여를 고려하는 잡음 최적화 수단을 포함한다. 특히, 부하 소자는 유도성 저항기(inductive resistor) 또는 실리콘 저항기로부터 선택되거나, 주파수에 반비례하는 잡음을 최적화하도록 선택된 크기의 저항기에 의해 구성될 수 있다.
본 발명은 저항기 형성의 간단한 마이크로전자 프로세스를 통해 저주파수에서 매우 양호한 성능을 갖는 혼합기를 생성할 수 있도록 한다.
Description
본 발명은 제 1 신호를 제 2 신호와 혼합하기 위한 혼합 회로에 관한 것으로서, 이 혼합 회로는 제 1 신호를 전류로 변환하는 변환 스테이지(conversion stage)와, 상기 전류를 제 2 신호와 혼합하는 혼합 코어(mixing core)를 포함하고,상기 혼합 코어는 적어도 하나의 부하 저항기(load resistor)를 통해 제어되며, 상기 혼합 회로는 잡음 최적화를 위한 수단을 포함한다.
본 발명은 전반적으로 신호 처리를 위한 아날로그 회로의 영역에 관한 것으로, 특히 전기 통신(telecommunication) 및 무선 통신(radio communications)에 관한 것이다.
그러한 혼합 회로는 유럽 특허 EP0232560으로부터 알려져 있다. 이 회로는 부하 저항기 및 전력에서 전류로의(from power to current) 변환 회로에 연결된 2개의 트랜지스터를 포함하고, 변환 회로로부터의 출력은 트랜지스터 에미터에 연결된다. 잡음 최적화 수단은 일실시예에서의 저항기에 의해 생성된 션트 통로(shunt passage)를 포함한다. 이 션트 통로는 저항기에서의 잡음 부분의 흡수에 의해, 잡음이 최소화되도록 한다.
본 발명은 현 기술 수준에서의 회로는 출력 신호에 존재하는 주파수에 반비례하는 높은 잡음(이하에서는, 1/f 잡음으로 지칭함), 즉 출력 신호의 주파수가 낮을 때 문제가 되는 잡음을 갖는다는 사실을 고려한 것이다. 이것은 신호가 단일의 혼합 회로 등에 의해 기저 대역으로 직접 변환될 때, 신호의 증폭이 주로 혼합 이후에 수행될 때, 특히 파괴적이다. 또한, 좁은 변조 대역을 이용하는 시스템에서 문제가 나타날 수 있다.
발명의 개요
따라서, 본 발명의 하나의 목적은 1/f 주파수를 선택적으로 최소화하는 것이다. 사실상, 서론 단락에 따른 회로는, 잡음 최적화 수단이 부하 소자 또는 소자들의 1/f 잡음에 대한 기여(contribution)를 고려한다는 점에서, 본 발명에 따라 특징지워진다.
바람직한 실시예에서, 상기 잡음 최적화 수단은 부하 소자, 또는 적용가능한 경우 소자들내에 구현된, 1/f 잡음 감소를 위한 수단을 포함한다.
바람직한 제 1 실시예에서, 부하 소자는 실리콘 저항기 및 유도성 저항기에 의해 구성된 그룹의 소자들로부터 선택된다.
바람직한 제 2 실시예에서, 혼합 코어의 적어도 하나의 부하 소자는 1/f 잡음을 감소하도록 계산된 크기를 갖는 저항기이다.
특히, 부하 저항기의 크기는 길이 대 폭(length-to-width) 비율이 일정하도록 바람직하게 계산될 수 있다.
실제로, 본 발명은 부하 저항기가 요구되는 소정의 신호 혼합기에 관한 것이다. 특히, 트랜지스터를 사용하는 모든 혼합기가 관련된다. 사실상, 그러한 혼합기는 트랜지스터를 동작 영역에 놓고, 혼합기 출력에서 전류-전압 변환을 수행하기 위해 부하 저항기를 필요로 한다. 특히, 차동 구조(differential structure)를 갖는 혼합기가 본 발명에 의해 커버되는데, 예컨대, 길버트 셀(Gilbert cell) 등이 있다. 혼합기는 주파수 변환이 수행되는 신호 처리 장치, 예컨대, 코드 없는 전화기(cordless phone), DECT형 전화기, 모바일 전화기, 위성 수신기 등에 사용된다. 또한, 본 발명은 신호 처리가 신호의 수신시에, 송신시에 또는 필요한 경우 언제라도 수행될 수 있는 그러한 신호 처리 장치에 관한 것이다.
본 발명의 이들 및 다른 양상은 이하에 기술된 실시예를 참조함으로써 명백하게 밝혀질 것이다.
도 1은 본 발명이 바람직하게 이용될 수 있는 현 기술 수준에 따른 혼합 회로의 도면,
도 2는 본 발명이 매우 바람직한 것으로 입증한 차동 구조를 갖는 특정 혼합 회로의 도면,
도 3은 본 발명이 1/f 잡음에 미치는 영향을 도시한 도면,
도 4는 중간 주파수 수신기의 도면,
도 5는 0(zero) 중간 주파수를 갖는 수신기의 동작을 도시한 도면.
저주파수 잡음에서 낮은 성능을 갖는 혼합기는, 신호에 잡음을 부가함으로써 때때로 시스템의 감도를 저하시킨다. 이 잡음은 본질적으로 1/f 잡음이다. 이 잡음은 모든 능동 구성 요소(active component) 및 소정의 수동(passive) 구성 요소에 존재한다. 이 잡음의 원인은 여러 가지가 있지만, 주로 오염(contamination) 및 결정 결함(crystal defects)과 관련된 트랩(traps)에 의한 것이다. 일반적으로, 이러한 잡음은 종래의 혼합 구조에서는 고려되지 않는다. 그것은 그러한 잡음이 불가피한 능동 구성 요소를 사실상 포함하는 구조 자체에서 고유한 것으로 간주된다. 본 발명은, 주요 기여자는 부하 소자일 수 있고, 특히 트랜지스터 로딩(loading)을 위해 현재 사용되는 저항기일 수 있다는 발견에 근거한다. 사실상, 본 발명에 따른 잡음 최적화 수단은 부하 소자, 또는 적용가능한 경우 소자들의 1/f 잡음에 대한 기여를 고려한다.
도 1 및 2는 공통으로 사용된 혼합 회로의 도면이다. 도 1은 출력(O1, O2)에서 신호 LO의 대부분을 갖는 단점을 갖는 간단한 회로를 도시한다. 도 2는 첫 번째 구조의 단점을 완화시키는 차동 구조를 갖고 있으며, 회로의 차동 구조 때문에 LO 신호의 영향이 억제된다. 도 2의 혼합 구조는 길버트 셀로서 잘 알려져 있다. 본 발명은 바람직한 실시예에 따른 이들 두 어셈블리 각각에서 바람직하게 이용되며, 여기서 잡음 최적화 수단은 부하 소자 또는 소자들내의 1/f 잡음을 감소시키는 수단을 포함한다. 이제, 이들 어셈블리에 대해 기술할 것이다.
도 1의 혼합 회로는 전력 신호 RF를 전류로 변환하는 트랜지스터 T3과, 트랜지스터 T3에 의해 공급된 전류와 트랜지스터 T1 및 T2의 각각에 대해 구별되는 방법으로 공급된 신호 LO+ 및 LO-를 혼합하는 두 개의 트랜지스터 T1 및 T2를 포함한다. 통상적으로, 2 개의 트랜지스터는 1/f 잡음에 대해 최적화되지 않은 2 개의 임피던스 ZC에 의해 로딩된다. 상기 임피던스는 트랜지스터 로딩을 허용하는 고정 전압 VCC에 연결된다. 도 1의 회로가 낮은 출력 주파수에서 동작해야 하는 경우, 신호는 출력에서의 1/f 잡음에 민감하게 될 수 있으며, 그것은 혼합 회로의 성능을 저하시킨다. 두 번째로, 트랜지스터의 분극화(polarization)는 회로가 혼합기의 동작의 선형 필드에 유지되도록 허용하지 않으므로, 이 회로는 높은 전력에서 잘 기능하지 못한다. 혼합 분야에서의 관례에 따르면, 임피던스 ZE는 트랜지스터 T3의 유도성 쇠퇴(inductive degeneration)를 달성하기 위한 단순한 저항기 또는 유도성 저항기일 수 있다.
도 2의 혼합 회로는 도 1에서 기술된 바와 같은 2 개의 셀을 병렬로 포함한다. 이러한 차동 구조는 높은 전력에서 도 1의 회로가 갖는 문제점을 해결한다. 사실상, 이것은 높은 전력이 두 회로측의 기능을 손상시키는 경우에도 회로의 한쪽 또는 다른쪽으로부터 신호가 복원될 수 있도록 한다. 이러한 차동 구조에서, 2 개의 상보형 신호 RF+ 및 RF-의 형태의 두 입력에 의해 전력 신호가 혼합 회로에 공급된다. 이들 신호는 트랜지스터 TRP1 및 TRP2의 두 쌍을 이용하여 신호 LO+ 및 LO-로 혼합된다. 트랜지스터 쌍 TRP1 및 TRP2는 2 개의 부하 소자 ZC 및 전압 VCC를 통해 로딩된다. 도 2의 회로가 낮은 출력 주파수에서 기능해야 하는 경우, 신호는 출력에서의 1/f 주파수에 민감하게 될 수 있으며, 그것은 혼합 회로의 성능을 저하시킨다. 트랜지스트가 1/f 잡음을 발생하는 것으로 알려져 있다. 본 발명은 이러한 불가피한 잡음과 관련되지 않고, 부하 소자에 의해 생성된 1/f 잡음에 관련되며, 잡음에 대한 이들 부하 소자의 기여가 크다는 발견과 관련된다.
도 3은 본 발명이 1/f 잡음에 미치는 영향을 도시한다. 제공된 그래프는 혼합기의 출력 주파수 N의 함수로서 잡음 지수(noise factor) NF를 dB로 도시한다. 곡선 SR은 표준 부하 소자를 이용하여 수행된 로딩에 대응한다. 그 후, 이들 부하 소자는 부하 소자의 크기 및 성질의 전통적인 기준의 함수로서 선택된다. 일반적으로, 구성 요소의 크기를 선택하는 규칙은 다음과 같다. 트랜지스터의 경우, 입력 신호의 주파수에 따른 최상의 주파수 변화가 가능하도록 크기가 선택된다. 저항기의 경우, 그들 사이에 최상의 페어링(pairing)을 제공하도록 크기가 결정된다. 곡선 SR상의 잡음 패턴은 2 가지의 특징적인 주요 영역을 갖는데, 즉 고주파수에 대해 열 잡음으로부터 발생된 최소 잡음 영역 HF와, 주파수가 감소함에 따라 증가되며 분배 또는 재조합의 잡음인 1/f 잡음의 영역 LF를 갖는다. 곡선 SR의 경우, 1/f 잡음이 상당히 크다. 이러한 잡음은 트랜지스터 및 (본 발명이 이용하도록 제안하는 무시할 수 없는 비율에 대한) 부하 소자의 특성으로부터 발생된다. 제 2 곡선 ER은 본 발명의 다양한 실시예에 대한 설명에서 이하에 기술된 바람직한 제 2실시예에 따른 회로에 대해 획득된다. 본 발명이 1/f 잡음에 미치는 영향은 상당함을 알아야 한다. 본 발명은 부하 소자가 이들 곡선에 미치는 영향의 발견에 근거한다. 이러한 영향은 특히 폴리실리콘, 금속 등의 통상적인 저항기의 입상(granular) 구조로 인한 것이다.
바람직한 제 1 실시예에서, 부하 소자는 실리콘 저항기 및 유도성 저항기로 이루어지는 그룹의 소자들로부터 선택된다. 이러한 해결책은, 회로에서 실리콘 저항기 또는 유도성 저항기를 이용하는 것이 가능할 때 고려되어야 한다. 그러나, 유도성 저항기를 이용하는 것이 항상 가능하지는 않으며, 실리콘 저항기는 기판과 혼합기와의 커플링(coupling)을 증가시키는 단점을 갖는다.
바람직한 제 2 실시예에서, 혼합기 코어의 적어도 하나의 부하 소자는 1/f 잡음을 감소시키도록 계산된 크기의 저항기이다. 사실상, 부하 저항기(들)의 크기를 증가시킴으로써, 1/f 잡음에 대한 부하 저항기의 동작을 향상시킬 수 있다. 이러한 해결책은 대부분 유도성 저항기보다 적은 공간을 요구하게 된다는 이점을 갖는다. 사실상, 혼합기 출력이 저주파수에 있을 때, 유도성 저항기는 이하 기술된 기술에 따른 확대된 저항기보다 많은 공간을 차지한다. 본 발명에 따르면, 부하 저항기의 크기는 이하의 새로운 설계 기준에 따라 선택된다. 이러한 기준은 트랜지스터의 기여와 관련하여 무시해도 좋은 1/f 잡음에 대한 기여를 허용하는 크기를 선택하는 것으로 이루어진다. 저항기의 동작은 등가의 잡음 전류 in을 제공하고,, 여기서 AF는 예컨대 2 일 수 있는 지수(exponent)이다.
W 및 L은 각각, 저항기의 폭 및 길이이다. 제 1 구성 요소는 1/f 잡음 및 제 2의 열 잡음을 나타낸다. 1/f 잡음을 감소시키기 위해, 치수 W 및 L을 증가시켜야 함을 알 수 있다. 반도체 회로 요건에 대해 너무 큰 크기와 1/f 잡음 사이의 절충안을 선택하기 위해,로서 표현되는 혼합기 코어의 트랜지스터 쌍에 의해 생성된 1/f 잡음과의 비교가 바람직하게 수행된다.
이러한 수학식은 트랜지스터 입력에서의 등가의 잡음 전류를 나타낸다. 트랜지스터 입력과 혼합기 출력 사이에 변환 함수를 적용함으로써(변환 함수는 신호 LO의 특성에 의존함), 2 개의 잡음 소스간의 직접적인 비교가 수행되어, 저항기에 대한 크기를 선택할 수 있다. 트랜지스터의 1/f 잡음에의 기여보다 작은, 저항기의 1/f 잡음에 대한 기여를 유지하도록 선택이 수행된다. 따라서, 1/f 잡음은 구성 요소 크기를 결정하는 방법을 이용하여 약하게 유지된다.
그러나, 저항기의 길이 대 폭 비율은 저항기의 값에 영향을 미친다는 것을 알아야 하며, 비율이 일정할 때, 그 값은 일정하게 유지된다. 사실상, 재료의 저항은 다음과 같은 규칙을 따른다.
R=ρL/S(S=exW, ρ는 저항성, L은 길이, W는 폭, e는 두께임). 마이크로 전자공학에서, 저항을 달성하도록 소정 두께의 층이 증착되며, 따라서 ρ 및 e는 일정하다. 그 다음, R은 L/W에 정비례한다. 길이 대 폭 비율이 일정하게 유지되도록, 이러한 저항기의 치수를 수정하는 것이 바람직할 수 있다. 이 경우, 저항기의 값은 변경되지 않는다. 따라서, 저항기의 크기가 수정되고, 일정한 길이 대 폭 비율이 유지될 때, 저항기의 값에 의존하는 열 잡음은 일정하게 유지된다.
1/f 잡음은 I/(W.L.f)에 비례한다. 혼합기는 저항 및 전류의 값을 설정하는 소정의 선형 이득을 가져야 한다. 따라서, 값 W 및 L 만이 수정될 수 있다. 바람직하게, 이들 두 값 W 및 L은 그에 따라 동시에, 동일한 비율로 증가되어, R은 수정되지 않고, 1/f 잡음은 감소되도록 한다. 도 3에 도시된 예는 다음과 같은 저항 값으로 달성된다.
그러한 저항기는 크기가 커서 눈에 쉽게 띄기 때문에, 집적 회로상에서 쉽게 식별될 수 있음을 주지한다면 흥미로울 것이다. 그러한 저항기 크기를 생성하기 위한 프로세스는 저항기를 형성하기 위한 종래의 마이크로전자 프로세스와 공통적이다. 그러나, 이러한 공간 손실의 단점은 회로의 매우 양호한 기능에 의해 보상될 수 있다. 1/f 잡음은 소정의 어셈블리에서는 커다란 핸디캡일 수 있으며, 이러한 방법에 의해 쉽게 해결된다.
이것은, 예컨대 혼합이 단일의 혼합기에서 직접 수행되며, 도 4에 도시된 바와 같은 2 개의 연속적인 혼합기에서 수행되지 않는다는 점에서 종래의 혼합 회로와는 상이한 직접 혼합 회로의 경우에 그러하다. 도 4의 혼합기는 예컨대, 도 2를 참조하여 기술된 것과 유사한 2 개의 혼합 스테이지 M1 및 M2로 구성되는 전형적인 혼합 회로이다. 따라서, 주파수 변환이 2회 수행되는데, 즉 주파수 RF가 RF로부터IF로 먼저 변환된 후, IF로부터 기저 대역 BB∼0Hz로 변환된다. 혼합기는 신호 LO1=RF-IF 및 LO2=IF를 이용한다. 이러한 이중 혼합은 가능한한 1/f 잡음의 문제를 회피한다. 혼합기 M2는 그의 출력이 기저 대역 BB에 있으므로 1/f 잡음에 민감한 것으로 나타날 수 있다. 그러나, 이러한 혼합기는 IF, 즉 중간 주파수(intermediate frequency)에서의 입력을 가지며, 따라서 보다 적은 전류를 필요로 한다. 그 후, 1/f 잡음은 I/(W.L.f)에서의 수학식에 따라 무시해도 좋다. 도 5에 도시된 직접 혼합 회로는 단일의 혼합기로, 주파수 신호 LO=RF를 이용하여 주파수 신호 F=RF를 주파수 신호 F=BB로 직접 변환한다. 여기서, 강도는 높으며, 입력 주파수에 의해 설정된다. 여기서, 강한 1/f 잡음이 관측되며, 일반적으로 이 잡음에서는 신호가 억제된다. 본 발명은 이러한 경우에 매우 유용한 것으로 입증된다. 저항기 크기의 역할이 사실상 드러나게 되며, 그것이 이용된다. 본 발명은 점점 더 사용되고 있는 직접 혼합 회로의 향상과 관련하여 많은 관심이 있다. 사실상, 이들 회로는 보다 적은 하나의 혼합기를 가지며, 그에 따라 복잡도가 감소된다는 이점을 갖는다.
따라서, 본 발명은 혼합 후에 높은 게인 버지트(gain budget)를 갖는 시스템 및 저대역 변조 시스템에 관련하여 특히 관심이 있다. 사실상, 첫 번째로, 혼합 후에 높은 이득 할당을 갖는 시스템에서, 차후의 증폭을 위한 예비 스테이지인 혼합기로부터의 출력에서 양호한 잡음 지수를 필요로 한다. 두 번째로, 변조가 매우 낮은 대역(예컨대, 10kHz)일 때, 그것은 1/f 잡음에 매우 민감하다. 이러한 경우, (종래의 또는 직접) 혼합 회로의 구조가 어떠하든지, 혼합기 또는 혼합기들로부터의 1/f 잡음을 최적화할 필요가 있다.
실제로, 본 발명은 부하 저항기가 필요한 소정의 신호 혼합기에 관한 것이다. 특히, 마이크로전자 트랜지스터를 이용하는 모든 혼합기가 관련된다. 사실상, 그러한 혼합기는 트랜지스터를 동작 영역에 놓고, 전류-전압 변환을 수행하기 위해 부하 저항기를 필요로 한다. 특히, 차동 구조를 갖는 혼합기, 예컨대 길버트가 본 발명에 의해 커버된다. 혼합기는 주파수 변환이 수행되는 신호 처리 장치, 즉 코드 없는 전화기, DECT형 전화기, 모바일 전화기, 위성 수신기, TV 수신기 등에서 사용된다. 따라서, 본 발명은 신호의 처리가 신호의 수신시에, 송신시에 또는 필요한 경우 언제라도 수행될 수 있는 그러한 신호 처리 장치에도 또한 관련된다.
제공된 도면들은 본 발명의 특정 실시예에 관한 것이다. 비록, 본 발명은 제공된 실시예에 따라 기술되었지만, 당업자라면 제공된 실시예의 변형이 가능하며, 그러한 변형은 본 발명의 정신 및 영역내에 포함됨을 명확히 인식할 것이다. 본 발명을 실시하는 다양한 방법이 존재하며, 당업자라면 이하의 특허청구범위에 의해 정의된 정신 및 영역을 배제하지 않고서, 다양한 수정을 행할 수 있을 것이다.
Claims (9)
- 제 1 신호를 전류로 변환하는 변환 스테이지(conversion stage)와, 상기 전류를 제 2 신호와 혼합하되 적어도 하나의 부하 소자(load element)를 통해 로딩(loading)되는 혼합 코어(mixing core)를 포함하는 혼합 회로에 있어서,상기 회로는 잡음 최적화 수단을 포함하며,상기 잡음 최적화 수단은 상기 부하 소자 또는 소자들의, 출력 신호에 존재하는 주파수에 반비례하는 잡음에 대한 기여(contribution)를 고려하는혼합 회로.
- 제 1 항에 있어서,상기 잡음 최적화 수단은 상기 부하 소자 또는 소자들에서 구현된 주파수에 반비례하는 상기 잡음을 감소시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 혼합 회로.
- 제 2 항에 있어서,상기 부하 소자는 유도성 저항기(inductive resistor) 및 실리콘 저항기에 의해 구성된 그룹의 소자들로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 혼합 회로.
- 제 2 항에 있어서,상기 혼합 코어의 적어도 하나의 부하 소자는 주파수에 반비례하는 상기 잡음을 감소시키도록 계산된 크기를 갖는 저항기인 것을 특징으로 하는 혼합 회로.
- 제 4 항에 있어서,상기 부하 저항기는 길이 대 폭(length-to-width) 비율이 일정하도록 계산되는 것을 특징으로 하는 혼합 회로.
- 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제 1 신호의 주파수와 상기 제 2 신호의 주파수 사이의 차이가 없는 것을 특징으로 하는 혼합 회로.
- 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 혼합 회로는 차동 구조(differential structure)를 갖는 것을 특징으로 하는 혼합 회로.
- 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 기재된 바와 같은 신호 혼합 회로를 포함하는 신호 처리 장치.
- 제 8 항에 기재된 바와 같은 신호 처리 장치를 포함하는 전기 통신 또는 무선 통신 시스템.
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