Low Noise Amplifier (LNA) 설계
- 이예지
- 인천대학교
- 작품구분일반형
- 공개여부비공개
- 카테고리전자, 전자
- 등록일2021-09-13
- 팀원(공동개발자)이예지, 조현욱
- 출품 경진대회미신청
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상세설명
1. 수행 배경
1) 이동통신 시스템의 급속한 성장으로 인한 고성능 RF회로에 대한 요구
최근 이동통신 시스템의 급속한 성장과 더불어 고성능 RF회로에 관한 요구가 증가하고 있다.
무선 단말기 수신단의 저잡음 증폭기(LNA)는 잡음지수(NF), 입력전압 정재파비(VSWR)를 결정하며,
전체 수신시스템의 3차 인터셉트 포인트(IP3)에 큰 영향을 준다. 특히 CDMA 및 W-CDMA용 수신단에
서는 높은 직선성이 요구되어지는데, 이 때 직선성을 향상시키기 위하여 소비전류를 크게 하는
경우, 잡음지수 성능이 떨어지고 시스템의 소비전력은 증가하는 Trad-Off 관계를 가진다.
휴대용 단말기의 저소비전력 특성은 아주 중요한 설계 요구 사항이다. 이러한 이유로 인하여
우리는 저소비전력을 요구하는 LNA를 설계하였다.
2) Length가 작아짐에 따라 supply voltage 대비 noise의 비율이 커지는 추세
위의 그래프를 보면 알 수 있듯이 공정이 미세화되고, Length의 길이가 줄어듦에 따라 supply voltage의 전압 범위가 크게 줄었다. 또한, 휴대용 단말기의 저소비전력 특성으로 인해 공급 전압이 크게 줄었다. 따라서 supply voltage 대비 noise의 비율이 크게 나타나게 된다. 이를 해결하고 잡음을 최소화기 위한 LNA에 대한 연구가 필수적이다.
3) 다양한 시스템에 필수적으로 들어가는 LNA 회로
LNA는 Wireline Interface와 Wireless Interface 등 다양한 분야에서 사용된다.
Amp의 noise가 높으면 RAM, CPU, 통신 등 System의 비정상적인 동작을 야기한다.
따라서 정상 동작을 위해 LNA에 대한 연구가 필요하다.
2. 수행 기간
3. 개발 작품 설명
RF Architecture의 front - end 단에 들어가는 DDC LNA 설계
LNA 회로에 선형성을 높이기 위한 Current Mirror 추가
1) Differential Dual CS Low-Noise Amplifier (DDC LNA)
: Inductor 6EA, N-type MOSFET 8EA로 구성
- 기본적인 Differrntial 구조에서 Cascode를 적용하여 회로를 제작
- Input Port와 2단의 Mosfet Drain Port 그리고 1단과 2단 사이 Inductor를 배치
- Current source 단은 Layout 과정의 효율성을 위해 한 개의 nmos에서 두 개의
Nmos Differential 구조로 변경
Differential Amplifier의 경우, 외부로부터 들어온 잡음이나 간섭에 대해서
common mode 동작을 통해 제거할 수 있을 뿐 아니라, 짝수 차 고조파(harmonics)
제거와 같은 추가적인 이점을 취할 수 있는 장점이 있다.
2) Current Mirror
: idc 외부전류원 1EA, N-type MOSFET 2EA로 구성
- Current Mirror는 idc 통해 외부에서 전류를 흘려보냄.
- 하단에 있는 왼쪽 nmos의 gate를 VBN를 연결하여 DDC LNA의 Current source단에 연결
- Current sourc단의 mosfet의 size로 조정 하여 원하는 전류를 흘림
칩 제작후 기존의 LNA(저잡음증폭기)에는 바이어싱을 각각의 mos로 잡기때문에 잡음이 생긴다.
하지만 Current Mirror(전류거울)를 사용하면 각 MOSFET의 게이트단에 동시에 바이어스를 거는
방법으로 잡음을 줄일 수 있다.
따라서 기존의 LNA회로 보다 선형성을 증가 시킬 수 있는 장점을 가지고 있다.
4. 활용 방안
- 사용 주파수 대역의 확장을 기대할 수 있다.
- RF 회로 소형화 및 비용 절감을 기대할 수 있다.
- 잡음지수의 개선을 기대할 수 있다.
- RF 수신단에서 첫 단의 잡음이 전체 회로의 잡음을 결정하게 되므로 첫 단 LNA의 성능을 향상시켜서
전체 회로의 성능을 향상시킬 수 있다.
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