광대역 기저대역 가변 이득 증폭기와 필터, 그리고 재구성 저잡음 증폭기

Abstract

본 논문에서는 광대역 무선통신의 새로운 적용 분야로 각광받고 있는 초광대역 (ultra-wideband, UWB) 시스템용 가변 이득 증폭기와 저역통과필터, 그리고 하나의 시스템에서 선택적으로 원하는 서비스 대역을 만족시킬 수 있는 재구성 (reconfigurable) 시스템용 저잡음 증폭기를 제안하였다. 첫 번째, 제안된 UWB용 가변 이득 증폭기는 넓은 대역폭을 얻기 위해 대역 확장 부하단과 캐스코드 (cascode) 입력단이 이용되었으며, 캐스코드 MOS 트랜지스터와 tail 전류원의 MOS 트랜지스터를 조정 전압으로 0.8 ～ 1.6 V까지 0.1 V의 간격으로 일정하게 조정함으로써 선형적으로 이득 변화를 가져올 수 있는 장점을 가진다. 모의실험 결과는 1.8 V 전원 전압 하에 6.12 mW의 전력을 소비하며, 3 dB 대역폭과 이득 범위는 각각 1.3 GHz, 그리고 54 dB이다. 두 번째로는 UWB용 저역통과필터는 active-RC 구조의 3차 Chebyshev 필터로 구현되었으며, 520 MHz의 3 dB 대역폭을 가진다. 제안된 필터는 leapfrog 형태로 3개의 증폭기 회로와 저항과 커패시터들에 의해서 구성된다. 모의실험 결과는 1.8 V 전원 전압 하에 3.19 mW의 전력을 소비하며, 차단대역 감쇄는 40 dB, 그리고 잡음 지수는 9 nV/sqrt(Hz)이다. 마지막으로, WCDMA, bluetooth/WLAN, 그리고 S-DMB 대역을 선택할 수 있는 재구성 저잡음 증폭기를 설계하였다. RF 스위칭단을 포함한 단일 캐스코드단과 측정을 위해 설계된 버퍼단으로 구성되었다. 제안된 저잡음 증폭기는 저전력 잡음 임피던스 동시 정합 (power constrained simultaneous noise and input matching, PCSNIM) 기법을 이용하여 잡음과 입력 정합을 동시에 만족시켰으며, 원하는 주파수 대역에서 높은 Q-factor을 가지는 인덕터를 이용하여 이득과 잡음을 향상시켰다. 측정된 결과는 전 대역에서 이득이 15.2 ～ 16.5 dB, 그리고 잡음 지수는 2.5 ～3.1 dB이다. 전체 전력 소모는 1.5 V 전원 전압 하에 2.85 mW이다.; In recent years, as wireless communication systems have been radically developed, the study to use novel wireless communication service bands and previous frequency bands effectively is being proceed. UWB and reconfigurable systems are solutions for the occupied and limited frequency sources. UWB system has the benefit of high data rate with broad spectrum frequency in a short range. Reconfigurable system enables a customer to utilize diverse services with a terminal unit which has low power and size. In this thesis, an ultra-wideband (UWB) variable gain amplifier (VGA) is described using bandwidth-extension and linear gain variation techniques. The proposed VGA composes of cascode input and tail current stages, and bandwidth-extension load stage to obtain linear gain variation and wide bandwidth, respectively. The gain variation range of VGA is 54 dB from -27.5 to +26.5 dB. In addition, the extended 3 dB bandwidth is 1.3 GHz, and the current dissipation of the proposed VGA is 3.4 mA from 1.8 V supply voltage. A UWB low-pass filter (LPF) is designed with third order Chevyshev filter utilizing active-RC type. The proposed LPF composes three operational amplifiers, resistors, and capacitors with a type of leapfrog. Simulation results show 3 dB bandwidth of 520 MHz, cutoff-band attenuation of 40 dB, and noise figure of 9 nV/sqrt(Hz). The power consumption is 3.19 mW from 1.8 V supply voltage. In addition, this thesis proposes a band-selectable low-noise amplifier (LNA) with a high gain utilizing optimized Q-factor inductors in 0.25-μm RF CMOS technology. The reconfigurable LNA proposed employs three techniques a power constrained simultaneous noise and input matching (PCSNIM) on a single-stage cascode structure, a switched capacitance, and optimized spiral inductors. Gain and noise figure of LNA are improved by using optimized Q-factor inductors which are designed as type of octagon inductor model having peak Q-factor at desired frequency bands and confirmed by analysis, simulation, and measurement. The reconfigurable LNA operates over three bands, i.e., WCDMA, bluetooth/WLAN, and Korea satellite-DMB, chosen by switching capacitor. Measurement results show a gain from 15.2 to 16.5 dB and a noise figure from 2.6 to 3.1 dB. In addition, the amplifier performs P1dB of -19.8 dBm and IIP3 of -12.4 dBm with a low power-dissipation of 2.85 mW from 1.9 mA and 1.5 V.