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SmithChart (스미스차트)

SMITH CHART1. The birth of Smith Chart.1939년 미국의 Bell Telephone Labrotary의 P.Smith라는 공학도에 의해 처음 만들어졌다.2. What is the Smith Chart?간단히 말하면, 복소좌표계를 log scale로 나타내면서, 복소좌표점을 하나의 원 안에 완벽하게 표현할 수 있는 좌표계이다.설명을 덧 붙이자면, 정규화된 Impedance를 반사계수의 복소수 평면 위에 그래프로 그린 것이다. 즉, 그래프 상의 한 점에서 정규화된 임피던스 값과 반사계수 값을 동시에 읽을 수 있다는 것이다. 참고로 정규화된 임피던스 값과 반사계수 값을 포함해서 Smith Chart상에 있는 모든 값은 단위가 없다. 정규화된 임피던스 값과 반사계수 값과의 수식적 관계를 보면,정리해보면, (수식1) 와 같다.또한 이렇게 간주된다.여기서 실수부는 normalized resistance이고, 허수부는 normalized reactance이다.3. Why use the Smith Chart?위의 식들에서 알 수 있듯이, 반사계수를 알고 임피던스를 알고 싶으면, 복소수 식으로 되어 있는 것을 계산해야 하는 번거로움이 있다. 하지만 Smith Chart를 이용하면그래프 상에서 직접 임피던스를 구할 수 있다.하나의 원 안에 어떠한 임피던스 점도 완벽하게 plot할 수 있다.현재 나타난 임피던스 점이 어떤 R, L, C 등의 특성을 나타내고 있는지 한눈에 쉽게 알 수 있다.4. How to draw the Smith Chart?로 두고 수식1에 대입을 하면 이 된다.또한, 수학적 항등조건에서 다음과 같은 두 개의 식을 유도할 수 있다.------------------- constant resistance circle------------------- constant reactance circle여기서 주의할 것은, 반사계수의 복수평면은, 물리적으로 절대값 1이하이기 때문에, 반경이 1보다 작은 영역만이 유효하다. 이렇게 그린 것이 그림 1이다.5. Composed of Smith Chart & How to get information.원주는 전송선로의 normalized electrical length를 의미한다. 길이는 파장에 의해 정규화 되어있다. 원주 한 바퀴의 길이는 반 파장을 의미한다.반사계수는 복소평면의 직각좌표계로 나타나있다. 수평축은 반사계수의 실수값을 그리고 수직축은 반사계수의 허수값을 나타낸다. Smith Chart 아래에 그려져 있는 눈금자를 통해서 반사계수의 크기를 직접 읽을 수 있다.복소수 평면위에 나타나는 반사계수를 극좌표로 표시할 수 있다.여기서 반사계수의 절대치는 눈금자에서 구할 수 있고, 각도는 원주를 따라서 각도단위로 표기되어 있기 때문에 직접 읽을 수 있다.어드미턴스는 임피던스의 역으로 정의한다. 따라서, Smith Chart의 중앙을 기준으로 정규화 된 임피던스의 반대점이 정규화된 어드미턴스값이다.부하가 개방(open)일 때, 임피던스는 무한대이므로 Smith Chart 상에서 오른쪽 끝 점을 가리킨다. 반대로 부하가 단락(short)인 경우는, 임피던스가 0이 되고 Chart 상에서 왼쪽 끝점에 해당된다. Smith Chart를 admittance circle로 볼 때는 반대가 된다.2011년 3월 7일 실습 DATA (Low Pass Filter)MATCHING1. What is the Impedence Matching?간단히 말해 전원과 부하 또는 2개의 회로를 접속할 경우, 반사 손실이 없도록 양자의 임피던스를 같게 하는 것이다.일반적으로 초고주파 발진기에서 발생된 전자파가 전송선로를 따라서 진행하다가, 전송선로 끝에 있는 부하에 도달하면 부하에 모두 전달되는 것이 아니라 일부는 반사된다. 예를 들면 초고주파 발진기에서 발생된 2GHz 전파를 50Ω의 동축선으로 연결된 안테나를 통해서 공기중으로 전파시키고자 한다. 일반적으로 초고주파 발진기는 내부임피던스가 50Ω으로 만들어져 있기 때문에 초고주파 발진기와 전송선로간에는 반사파가 없지만, 50Ω의 전송선로와 복소수부하 임피던스 값을 가지는 안테나 간에는 서로 임피던스가 다르기 때문에 반사파가 생기고 결과적으로 전파의 전송효율이 떨어진다. 이러한 반사파를 제거하기 위해서, 임피던스 정합회로를 전송선로와 안테나 사이에 삽입한다. ( 그림4 참조 )정합회로는 capacitive element와 inductive element로 구성되는데, 이러한 성분들은 일반적인 capacitor, inductor가 될 수 있고, 전송선로 자체가 가지는 capacitor 및 inductive 특성을 이용하는 전송선의 스터브(stub)로 구성될 수도 있다.정합(matching)한다는 말은 수학적으로 표현하면, 그림5)에서 보듯이 Zin=Z0 이고, 이 때 전송선로와 정합회로가 만나는 점에서 반사계수가 0이 된다.2. Why we must do Impedence Matching?정합이 안된 경우에는 반사에 의해 급전선상에 정재파(Standing Wave)가 실려 전력 손실이 커진다. 부정합시 급전선의 손실이 발생하고, 때로는 절연되기도 한다. 또한 송신기의 동작이 불안정해지거나 FM 방송의 경우 왜율이 발생하며 TV의 경우 ghost라 불리는 이중상이 발생하기도 한다. 그리하여 matching 작업은 선택이 아니라 필수의 조건이 된다.3. Kinds, pros & cons of Impedence Matching.협대역(단일주파수)L-네트워크낮은 주파수, 작은 집적회로에 사용단일 스터브허수 값의 임피던스를 갖는 부하에 적용 불가이중 스터브정합회로를 구현할 수 없는 영역 존재Quarterwave transformer실수 임피던스를 가지는 부하에 적용광대역Binomial transformerMaximally flat responseChevysheve transformerEqual-ripple responseTapered line임피던스가 연속적으로 바뀜4. Judgement of Impedence Matching or Non-Matching.급전선에서 임피던스 정합이 잘 이루어졌는지를 나타내는데 전압 정재파비와 반사계수가 많이 사용된다. (참고, VSWR : Voltage Standing Wave Ratio란 정재파 전압의 최소값과 최대값의 비)참고문헌 )[마이크로파 공학] 96~104page, David M.Pozar 著, 전석희 외 3인 譯, 대영사[초고주파 공학의 이해1], 125~136page, 최진주 著, 학술정보[마이크로파 공학의 기초] 107~131page, 진연강 著, 청문각Web Site : www.rfdh.com전자공학과 12051457 황성태전자응용실험 및 설계 1 (박동화 조교님)

공학/기술| 2011.04.17| 5페이지| 2,500원| 조회(371)

스미스차트, Smithchart

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LNA 총정리

목 차제 1 장 LNA의 정의제 2 장 LNA 설계 이론정합 (Matching)안정성 (Stability)잡음 (Noise)이득 (Gain)선형성 (Linearity)제 3 장 LNA의 설계3.1 BJT, FET의 장단점 (BJT, FET Pros & Cons)3.2 설계 주파수 대역 (Design Frequency Bandwidth)3.3 안정성 향상법 (Improvement of Stability)3.4 바이어스 회로 (Bias Circuit)3.5 설계 순서도 (LNA Design Flow Chart)제 1 장 LNA의 정의수신기 전체의 잡음 지수를 낮출 목적으로 만들어진 저잡음 고주파 증폭기.RF 수신단에서 수신된 전력은 감쇄 및 잡음의 영향으로 인해 매우 낮은 전력레벨을 갖고 있다, 그렇기 때문에 반드시 증폭이 필요한데, 이미 외부에서 많은 잡음을 포함해서 날아온 신호이기 때문에 무엇보다도 잡음을 최소화하는 증폭기능이 필요하다.그림 SEQ 그림 * ARABIC 1) Part of Receiver안테나를 통해 신호를 수신 받고, 원하는 대역의 신호만을 BAND PASS FILTER를 이용해 걸러냅니다. 이 때 안테나로 들어온 신호는 수 마이크로 볼트의 매우 약한 신호이며, 원치 않는 잡음들이 함께 공존하기 때문에 신호의 크기를 키우는 동시에 잡음이 적게 추가 되도록 하는 증폭기가 필요합니다. 이것이 바로 LNA이다.그림 SEQ 그림 * ARABIC 2) LNA 유무 비교제 2 장 LNA 설계 이론2.1 정합 (Matching)전원과 부하 또는 2개의 회로를 접속할 경우, 반사 손실이 없도록 양자의 Impedance를 같게 하는 것이다..LNA를 설계함에 있어서 정합회로는 매우 중요하다. 그 이유는 바이어스 회로를 적절하게 설계하였다고 하더라도 입·출력 정합회로가 알맞게 설계되지 않았다면, 잡음 특성과 이득 특성은 그 만큼 나빠지기 때문이다. LNA를 설계한다면, 보통 입력단의 정합회로는 최소 잡음지수 정합을 위해서 최적 잡음지수 Γopt에 정합시키고 안정도 해석은 넓은 주파수 범위에서 가능한 모든 종단과 전력 레벨에 대해서도 이루어져야 한다. 운용 주파수 대역 내에서 안정도가 확보 되었을지라도 그 외의 주파수대역에서의 불안정은 회로 상에서의 발진 가능성을 높여 주므로 되도록 넓은 주파수 대역에 대한 안정도 해석이 이루어져야 하며 특히 저주파대역에서의 안정도는 소홀히 하기 쉬우므로 이로 인한 발진 가능성도 고려해야만 한다. 또한 회로 상에서의 잘못된 접지상태 등으로 인한 기생발진도 신중히 고려되어야 한다.그림4)를 살펴봤을 때 여기서 Γs와 ΓL은 각각 능동 소자에서 소스와 부하를 보았을 때의 반사계수이고, Γin와 Γout은 소스와 부하에서 능동소자를 보았을 때의 반사계수이다.그림 SEQ 그림 * ARABIC 4) Stability밑의 수식 3개는 절대적 안정의 조건을 나타낸다. 수식 3가지를 모두 만족해야 절대적 안정, 혹은 무조건 안정이라고 말한다.이것을 만족하지 않을 경우는 조건 안정이라고 하며, 회로가 발진할 수도 있기 때문에 안정도를 좀 더 알아봐야 합니다.(1.1)을 만족하는 반사계수가 (1.2), (1.3)을 만족하면 만족하면 무조건 안정한 경우가 된다.즉, Γs와 ΓL 평면 위에 나타난 스미스 차트의 단위 원 내부의 모든 점이 식 (1.2)과 (1.3)를 만족하면 무조건 안정한 상태이고 그렇지 않으면 잠재적으로 불안정한 상태이다. 즉, 반경 Γin=1, Γout=1을 경계로 하여 안정 영역과 불안정 영역을 구분할 수 있다.그림 SEQ 그림 * ARABIC 5) Stability안정도를 알아 보는 방법은 크게 안정원을 이용하는 방법과 k인자와 u인자를 통해 알아보는 방법이 있다.좌측에 보이는 큰 원이 스미스 차트이고, 작은 원이 출력 안정원 수식 1.5를 나타낸다. (무조건 안정적 그림)우측에 보이는 큰 원이 스미스 차트, 작은 원이 입력 안정원 입니다. 수식 1.4를 나타낸다. (무조건 안정적 그림)이들은 각각 떨어져 있으며 이때 무조건 안정적, 혹은 절대적 안정이라고 합니다.하지만 다 나은 안정도를 가진다고 할 수 있다.2.3 잡음 (Noise)어떤 원하지 않은 전기적인 방해 또는 가짜 신호.이러한 원하지 않는 신호들은 내부적으로는 자연계에서의 존재하는 임의의 신호들이며, 또한 외부적으로는 전자파 방사의 충돌을 통해서 생겨난 것을 말한다. 종류에 상관없이, 잡음의 존재로 인해 최소 수신신호에 영향을 주며, 시스템의 잡음 레벨은 시스템 성능에 커다란 영향을 준다. 그러므로 우수한 증폭기 성능을 얻기 위해 소자내의 잡음 신호 생성을 최소화하거나 외부의 잡음 신호의 영향을 줄이는 것은 설계에 있어서 중요하다.그림 SEQ 그림 * ARABIC 6) Noise Factor그림 SEQ 그림 * ARABIC 7) Noise Figure잡음지수라는 것은 신호가 회로를 통과하면서 잡음이 얼마나 커졌느냐를 나타내는 것이다. Pn,in은 입력되는 잡음 전력을 나타내며, pn,out은 출력되는 잡음 전력을 나타낸다.즉, 잡음지수가 낮다는 것은 입력잡음에 비해 출력되는 총 잡음의 전력이 낮다는 것을 의미한다. 잡음지수는 또한 아래와 같이 신호대 잡음비로 나타낼 수도 있다. 가장 밑에 (2.5)식은 2단 증폭기의 잡음 지수를 나타내며 이 식을 통해서 왜 LNA가 RF 수신단의 가장 첫 증폭기로 쓰이는 지 알 수 있다. 2번 째 단 증폭기의 잡음 지수의 경우 첫 번째 전력 이득 값으로 나누어 지므로 전체 잡음지수에 큰 영향을 끼치지 않아 첫 번째 잡음 지수가 대부분을 차지함을 알 수 있습니다.2.4 이득 (Gain)이득은 증폭기의 입력 단에 들어오는 신호가 왜곡 없이 증폭하고 부하를 통해서 최대한 전력을 전달할 수 있는 역할이다.그림 SEQ 그림 * ARABIC 8) Gain위의 그림은 2포트 회로망의 구성도이다.동작전력이득은 소스단에서 회로 입력쪽으로 들어가는 전력 대 부하에 걸리는 전력을 의미하며,가용전력은 소스로부터 유효한 전력이 회로의 출력단에 얼마나 전달되는지 나타내는 이득이다.Input과 Output Matching이 이루어지면 동작전력과 가용전력이를 방해하는 왜곡요소로서 IMD (Intermodulation Distortion) 혼변조가 발생합니다. 왼쪽 그림에서 실제 원하는 신호이고 좌, 우측에 보이는 신호들은 비선형성으로 생겨난 신호들이다.사실 해당주파수만 걸러내는 BPF(Bandpass filter)를 통해 걸러버릴 수 있다. 하지만 BPF로 분명히 two-tone 신호의 하모닉들을 제거해도 BPF의 통과대역 내에 3rd IMD (IM3) (3차 혼변조왜곡)가 남아있다. 원래 신호와 너무 가까이 붙어 있어서 잘 제거가 되지 않습니다. 결국 이 IMD 신호들은 원래 신호를 교란하고 통신을 방해하기 때문에 주요 제거 대상이 된다. 또한 선형성이 크다는 말은 원신호에 비해 IMD3의 크기가 작음을 나타낸다.그렇다면 선형성을 알아보는 척도에 대해 알아보면, IIP3는 RF 수신단의 선형성을 판별하는 지표이며 의미를 살펴보면, 원신호(fundamental)은 입력전력이 증가할수록 출력전력이 증가하다가 어느 순간 포화가 되며 이때, 포화 전력의 -1db지점을 1db이득 억압점이라고 부릅니다. 또한 포화가 되지 않고 계속해서 증가한다고 가정할 때 그래프는 이렇게 계속해서 증가할 것이다. 한편 IMD3는 신호의 3승 항에 해당하므로 로그스케일로 바꾸면 원신호의 기울기의 3배가 됩니다. 따라서 다음과 같은 그래프 특성이 나타난다. 이때 두 신호의 교차점이 바로 IIP3이며, 시스템의 선형성이 증가할수록 IIP3는 커지게 된다. IIP3가 크다는 말은 IMD3가 원신호에 비하여 작았다는 것을 의미하기 때문이다.제 3 장 LNA의 설계3.1 BJT, FET의 장단점 (BJT, FET Pros & Cons)BJT는 Bipolar Junction Transistor 라고 하며, 전자와 정공이 전류 흐름에 관여한다고 하여 바이폴라를 불린다. 유니폴라(Unipolar)는 전자 혹은 정공 중 하나만 전류흐름에 관여하는 것이다. NPN과 PNP의 두 가지의 타입이 있고, 베이스, 이미터, 콜렉터 3개의 단자로 이루어져 있다. 면 되는데, MOSFET의 구조상 문턱전압이상의 전압이 걸려야 채널이 형성되고 소스와 드레인이 연결되어 전류가 흐르게 된다.3.2 설계 주파수 대역 (Design Frequency Bandwidth)3.3 안정성 향상법 (Improvement of Stability)(b) (c) (d)안정도 회로를 구성하는 방법으로 저하성 부하를 사용할 수 있다. 크게 위의 회로처럼 4가지가 있다. 저항을 이용하는 방법은 넓은 주파수 대역에 걸쳐서 안정도를 개선시키지만, 잡음지수와 효율을 악화시키므로 주의해야 한다.(a),(b)와 같은 경우는 능동소자 입력단에 삽입되어 출력 단에서 보면 잡음에 크게 영향을 미치기 때문에 (c),(d)와 같은 회로를 저잡음 증폭기의 안정화 회로로 널리 사용한다.3.4 바이어스 회로 (Bias Circuit)바이어스란 진공관, 트랜지스터 등의 증폭 회로에서 동작점(Q점)을 주기 위해 전압/전류를 일정한 레벨로 정해주는 것이다. 바이어스가 중요한 이유는 트랜지스터는 온도에 따라 증폭 특성에 영향을 미치기 때문이다. 그래서 Bias 안정화에 대한 충분한 고려가 반영되어야 한다.그림 SEQ 그림 * ARABIC 11) Bias Circuit바이어스 회로, 동시에 입출력 정합 회로로 사용저항을 이용, 증폭기의 안정도 높임사용자 주파수가 높은 경우에 용이단일전원 이용, 음전원이 불필요, 동작전류는 R을 이용DC block(C) : C는 직류를 통과시키지 못하므로 DC를 막기 위한 목적으로 사용, TR을 구동시키기 위한 바이어스용으로 들어온 직류전원이 TR에 인가, 다른 곳으로 새어나가지 않게 입출력 단에 반드시 필요.RF choke(L) : TR을 구동하기 위한 DC 전원 선으로 RF 교류신호가 유입되면 에너지 손실 및 저주파 발진 발생, 직류전원이 들어갈 때 Inductor로 교류신호를 막음, L소자 직류 통과 교류 차단하기 때문에 적당히 높은 L값의 inductor는 choke역할을 시켜 줌.3.5 설계 순서도 (LNA Design Flow Char인한다.

공학/기술| 2011.04.13| 11페이지| 2,500원| 조회(545)

BJT, fet, LNA, 정합, 저잡음증폭기

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LNA 기본개념 총정리

Low Noise Amplifier 3 조 졸업캡스톤설계LNA 란 무엇인가 ? 수신부 (RECEIVER) 수신기 전체의 잡음 지수를 낮출 목적으로 만들어진 저잡음 고주파 증폭기LNA 의 유무 차이점LNA 의 평가척도 Stability ( 안정성 ) 1 Noise ( 잡음 ) 2 Gain ( 이득 ) 3 Linearity ( 선형성 ) 4Matching ( 정합 ) 전원과 부하 또는 2 개의 회로를 접속할 경우 , 반사 손실이 없도록 양자의 Impedance 를 같게 하는 것1. Stability ( 안정성 ) 물리적 온도 , 신호 주파수 , 소스나 부하조건 같은 환경적인 변화에도 최소한의 특성을 나타낼 수 있는 동작을 유지하기 위한 증폭기의 능력 S-parameter 와 Matching Network 에 의해 결정됨1. Stability ( 안정성 ) ---- (1.1) ---- (1.2) ---- (1.3)1. Stability ( 안정성 ) ---- (1.4) ---- (1.5) 무조건 안정적 안정영역 불안정영역 ---- (1.6)2. Noise ( 잡음 ) 어떤 원하지 않은 전기적인 방해 또는 가짜 신호 잡음의 종류 열 잡음 산탄 잡음 플리커 잡음 플라즈마 잡음 양자화 잡음2. Noise Factor ( 잡음지수 ) ---- (2.1) : 이상적인 저항으로 바꾼 후의 잡음 전압 ---- (2.2) : 저항 R 에서 기인되는 Noise Power 잡음이 있는 저항 R 잡음이 없는 이상적인 저항 R2. Noise Factor ( 잡음지수 ) - Noise Figure 란 ? 크기를 나타내는 지수입력신호가 회로를 통과하면서 증가된 잡음 ---- (2.3) ---- (2.4) ---- (2.5)3. Gain ( 이득 ) 이득은 증폭기의 입력 단에 들어오는 신호가 왜곡 없이 증폭하고 부하를 통해서 최대한 전력을 전달할 수 있는 역할 이득의 종류 동작전력이득 가용전력이득3. Gain ( 이득 ) 1) 동작전력이득 2) 가용전력이득4. Linearity ( 선형성 ) 두 개의 다른 신호가 입력되었을 때 신호간에 어떤 상호 영향도 주지 않는다는 것을 의미4. Linearity ( 선형성 ) - 유무 차이점4. Linearity ( 선형성 ) IMD 신호 자체는 낮을수록 좋다 = 선형성이 좋다감사합니다 ^^ 인하대 파이팅 !!{nameOfApplication=Show}

공학/기술| 2011.03.24| 17페이지| 2,500원| 조회(644)

LNA, 저잡음증폭기, Low Noise Amplifier

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