CMOS 공정을 이용한 다중밴드 저조파 혼합기 설계

Abstract

본 논문에서 다중밴드 무선 통신 수신기에서 사용할 수 있는 RF 직접 변환 저조파 혼합기를 설계하였다. 설계한 직접 변환 저조파 혼합기는 TSMC 0.18㎛ CMOS 공정을 사용하였으며 주파수 대역은 SDR(Software Defined Radio)에 응용 가능한 CDMA 2000 1x , WCDMA, WiBro 세가지 대역이다. 직접 변환 저조파 혼합기는 직접 변환 혼합기와 마찬가지로 기본 구조는 능동 소자로 이루어진 이중 평형 구조(Double Balanced)의 혼합기이며 길버트 셀(Gilbert cell) 구조라고도 한다. 이중 평형 구조의 혼합기는 단일 평형 구조의 혼합기에 비해 포트간 높은 격리도(Isolation) 특성을 가지며, 이차 혼변조 왜곡(IMD2)이 작아서 IIP2값을 높게 가질 수 있는 것이 특징이다. 또한, 이득단의 비선형성, 스위칭단의 비선형성과 이상적이지 못한 스위칭 및 출력 드레인 단의 저항의 부정합으로 인해 2차 혼변조 왜곡 및 DC-offset이 발생한다. 이를 바탕으로 소자간의 부정합 및 선형성을 높이기 위해 MGTR(Multiple Gated Transistors)을 사용하였고, 드레인 저항의 부정합으로 인한 이차 혼변조 왜곡의 영향을 줄이기 위해 저항 보상기를 사용하였다. 추가적으로 저조파 혼합기의 LO 신호 생성을 위해 주파수 체배기를 사용하였으며 잡음 지수(Noise Figure)를 줄이고, 증폭도(Gain), 선형성(Linearity) 향상을 위해 전류 주입(Current-Injection)회로를 사용하였다. 전원 1.8V를 공급하였을 때 총 직류 바이어스 전류는 15mA이다. 설계된 직접 변환 저조파 혼합기의 특성은 변환이득 7.5dB, NF 21.5dB, P1dB -19 dBm, IIP3 -13.5 dBm을 얻었다.; An RF direct conversion sub-harmonic mixer for multi-band mobile communication system is described in this thesis. The designed sub-harmonic mixer used TSMC CMOS 0.18um library and operates on cdma2000 1x, WCDMA, and WiBro. It is designed for SDR(Software Defined Radio) system. The structure of direct conversion sub-harmonic mixer is a double balanced mixer which is consist of active elements called Gillbert cell. It has better isolation characteristic than single balanced mixer, and also has high IIP2 because of its low IMD2. There are the second inter-modulation distortion and DC-offset from non-linearity of gain stage and switching stage, and resistance of output drain. MGTR(Multiple Gated Transistors) which can improve linearity and matching characteristic of elements is used to reduce those problem. A resistor compensator is used to decrease the second inter-modulation distortion. Frequency multiplier is used to make LO signal of mixer. To reduce noise figure and improve gain and linearity, current injection circuit is employed. The result of this design, which uses double-balanced sub-harmonic structure, was 7.5dB of conversion gain, 21.5 dB of Noise Figure and -19dBm of P1dB and -13.5dBm of IIP3.