5GHz WLAN RF 수신단을 위한 CMOS 이미지 제거 저잡음 증폭기 및 30-MHz 64-dB 가변 이득 증폭기 설계

Abstract

IEEE 802.11n은 기존 2.4GHz 대역의 802.11g와 5GHz 대역의 802.11a Wireless Local Area Network(WLAN) 표준을 혼합하여 다중의 안테나를 이용한 multi-in multi-out(MIMO)의 구조로 구성된다. MIMO 방식은 기존 WLAN transceiver가 하나의 수신기와 송신기로 구성되었던 것과는 달리 다수의 수신, 송신 구조가 하나의 칩에 집적화(SoC)화 되어야 한다. 이것은 기존 RF SoC가 높은 Q factor의 외부 수동 소자를 silicon device로 환원하거나 각 부분들을 소형화 했던 것보다 더 고집적의 RF IC 설계 기술이 필요하다. 본 논문에서는 5GHz WLAN 수신기를 구성하기 위한 핵심 요소인 low noise amplifier(LNA-저잡음 증폭기)와 20MHz channel 대역폭 baseband에서 동작하는 variable gain amplifier(VGA-가변이득 증폭기)를 설계하였다. 저전력 구조에서 notch filter를 추가하여 전체 설계 면적을 줄이는 방안을 제시하였다. LNA는 LC tank load와 source degeneration 인덕터를 이용한 cascade common-source(CS) amplifier 구조로 구현하였다. LNA에 notch filter를 추가하여 heterodyne 구조의 수신단에서 필요한 image-rejection filter의 성능 요구 사항에 대한 기준을 낮추어 높은 Q factor의 외부 수동 소자 없이 SoC화 할 수 있도록 하였다. Pad와 package, layout에서 발생할 수 있는 기생적인 reactance를 고려하여 입력 임피던스 정합을 하였고, 설계-공정 오차를 보상하기 위해 출력단에 tuning 캐패시터를 구성하였다. 기존의 VGA는 각각 2배의 증폭 크기를 가지는 4개의 증폭단이 cascade로 연결하여 구현된다. 따라서 마지막 단이 첫 번째 단보다 8배가 큰 이득을 증폭이 하여야 하기 때문에 가장 큰 증폭을 하는 앰프의 대역폭에 따라 전체 VGA의 대역폭이 결정되는 단점이 있었다. 본 논문에서는 간단한 구조의 로직만을 추가하여 VGA의 전체 이득을 균등하게 분배할 수 있게 하였다. 마지막 단의 이득 및 대역폭의 요구 사항을 줄였기 때문에 전체 VGA의 동작 대역폭를 넓힐 수 있었다. 또한 신호 전류가 이득제어를 위해 필요한 스위치에 흐르지 않게 하는 방식을 이용하여 NF를 높였다.