본문내용
1. 서론
1.1. LNA의 개념과 역할
LNA는 Low Noise Amplifier의 약자이며, RF 수신 단에서 수신된 매우 미약한 신호를 잡음 없이 증폭하는 회로이다. LNA의 가장 중요한 역할은 수신기 선단에 위치하여 안테나로부터 받는 약한 신호를 잡음 없이 증폭하는 것이다. 이득이 높은 LNA의 경우 이 단계에서의 잡음특성이 수신기 전체의 잡음특성을 좌우하게 된다. LNA 설계 시 고려해야 할 중요한 요소는 잡음지수, 이득, 선형성, 전력소모, 안정도 등이며, 이들 간의 트레이드오프 관계를 적절히 최적화해야 한다. LNA는 개인용 휴대폰, 고속 데이터 전송시스템, 위성통신, 이동통신기, 근거리 통신 등 다양한 분야에서 사용되고 있으며, 낮은 잡음지수를 요구하는 대부분의 RF 시스템의 초단 증폭기로 활용된다.
1.2. LNA의 이용 분야
LNA의 이용 분야는 매우 다양하다. 개인용 휴대폰, 고속 데이터 전송시스템, 위성통신, 이동통신기, 근거리 통신 등 많은 분야에서 활용되고 있다.
개인용 휴대폰의 경우 800MHz-900MHz, 1.8GHz 대역에서 LNA가 사용된다. 고속 데이터 전송시스템인 IMT-2000 CDMA에서는 1.23MHz 대역에서 LNA가 적용된다. 위성통신에서는 UHF대역과 Ku대역인 3GHz, 12.5GHz-18GHz 대역에서 LNA가 활용된다. 이동통신기의 경우 26MHz 대역에서 LNA가 사용되며, 근거리 통신인 UWB에서는 3.1~4.8GHz, 7.8~10.2GHz 대역에서 LNA가 적용된다.
이처럼 LNA는 높은 전송속도를 요구하면서 낮은 전송에러를 달성해야 하는 다양한 시스템에서 사용되며, 특히 낮은 잡음지수를 필요로 하는 대부분의 시스템에서 초단 증폭기로 활용된다. LNA는 통신 시스템의 성능과 품질에 매우 중요한 역할을 담당하고 있다.
1.3. LNA의 최근 동향
Bipolar, GaAs MOSFET 및 SiGe HBT로 선행된 RF소자는 CMOS 소자에 비해 개별 성능이 우수하지만, 저잡음 증폭기의 결과 값을 살펴보면 같은 소자를 이용한 경우에도 잡음지수, 이득 및 전력등과 같은 특성지표 결과 값의 범위가 넓은 단점이 있다. 이에 반해 CMOS소자는 개별 소자로서의 특성은 좋지 않지만 IF(중간주파수단)모듈을 함께 집적 시킬 수 있기 때문에 SOC RF집적회로에 많이 사용되는 추세이다. SOC구현을 위하여 CMOS 소자가 필수적이지만, 아직까지 CMOS 소자는 잡음에 대한 모델 특성이 충분하지 않을 뿐 아니라, 선형성을 향상시키는데 많은 어려움이 있다. 그리고 CMOS의 게이트 전류로 인한 잡음발생은 저잡음 증폭기의 잡음특성을 저해, 이득과 전력의 trade-off 특성 문제, 잡음과 전력 정합점이 많이 떨어져 있는 것들이 문제점으로 남아 있다. 이 문제점을 해결하기 위하여 캐스코드 구조에 캐스코드 구조와 공통 소스 증폭기를 공유하는 2단 캐스캐이드 구조를 추가하여 선형성을 향상 시키는 저잡음 증폭기, 저 전력을 만족하기 힘든 CMOS를 이용한 저잡음 증폭기에 소자의 채널 폭을 작게 함으로써 전력 소모를 감소시킨 저 잡음 증폭기, 단말기용 저잡음 증폭기, 광대역 저잡음 증폭기 및 초저전력 기술이 연구되고 다양한 형태의 CMOS 저잡음 증폭기가 발표되고 있으며 앞으로 지속적인 관심과 창의적인 도전이 필요할 것이다.
2. LNA 이론
2.1. 증폭기 등가회로
2.1.1. 구성요소
증폭기 등가회로의 구성요소는 다음과 같다.
증폭기 등가회로는 신호를 증폭시키는 역할을 하는 트랜지스터와 입출력단과 출력단에 각각 임피던스 정합 회로로 구성되어 있다. 트랜지스터에 DC 바이어스가 인가되면 2포트 회로망 특성인 산란행렬을 갖게 되어 증폭기를 2포트 회로망으로 간단히 해석할 수 있다. 산란행렬은 DC 바이어스 조건에 따라 특성이 달라지므로, 증폭기의 목적에 맞게 DC 바이어스 회로를 구성하여 설계한다.
2.1.2. 해석
트랜지스터에 DC바이어스가 인가되면 2포트 회로망 특성인 산란행렬을 갖게 되어 증폭기를 2포트 회로망으로 간단히 해석이 가능하다. 산란행렬은 DC바이어스 조건에 따라 특성이 달라진다. 증폭기의 목적에 맞춰 DC 바이어스 회로를 구성하여 설계한다.
2.1.3. 반사계수
GAMMA_a와 GAMMA_b는 각각 입출력 임피던스 정합회로를 포함하는 전체 입력단과 출력단의 반사계수로 증폭기의 입출력 임피던스 정합을 표현한다.
VSWR_IN = (1+|GAMMA_a|)/(1-|GAMMA_a|) 이다. 즉, 입력단의 전압 정재파비를 나타내는데, 입력 임피던스가 정합된 상태에서는 GAMMA_a가 작아지므로 VSWR_IN이 1에 가까워진다.
|GAMMA_a| = |(GAMMA_IN - GAMMA_s^*)/(1 - GAMMA_IN GAMMA_s)| 이다. 이는 입력 반사계수로, 입력임피던스와 소스 임피던스의 매칭 정도에 따라 그 크기가 달라진다.
VSWR_OUT = (1+|GAMMA_b|)/(1-|GAMMA_b|) 이다. 이는 출력단의 전압 정재파비를 나타내는데, 출력 임피던스가 정합된 상태에서는 GAMMA_b가 작아지므로 VSWR_OUT이 1에 가까워진다.
|GAMMA_b| = |(GAMMA_OUT - GAMMA_L^*)/(1 - GAMMA_OUT GAMMA_L)| 이다. 이는 출력 반사계수로, 출력 임피던스와 부하 임피던스의 매칭 정도에 따라 그 크기가 달라진다.
소스 반사계수 GAMMA_s와 부하 반사계수 GAMMA_L은 트랜지스터에 입출력 임피던스 정합 회로를 통해 소스단과 부하 단을 바라볼 때의 반사계수로 증폭기를 설계할 때 임피던스 정합을 위해 직접 선택하게 되는 값들이다.
입력 반사계수 GAMMA_IN과 출력 반사계수 GAMMA_OUT은 트랜지스터의 산란행렬 영향을 직접적으로 받고 있는 반사계수이다.
GAMMA_IN = S11 + (S...
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