In this dissertation, five new design schemes for achieving the simultaneous noise and input power matching with unconditional stability for monolithic microwave LNA's are proposed. Two different approaches are adopted, which are the parallel feedback approach and the series feedback approach. In the parallel feedback approach, three new schemes are proposed, which are the cascode resistive parallel feedback (CCPF), and the common-gate inductive parallel feedback (CGPF), and the cascode resistive parallel feedback with local inductive parallel feedback (CCPF+CGPF). In the series feedback approach, two new schemes are proposed. The first one is the cascode inductive series feedback (CCSF), and the second one is the cascode inductive series feedback with local inductive parallel feedback (CSSL+CGPF).
Then, we critically compared the various monolithic LNA circuit topologies using BiCMOS or MESFET technologies for RF and microwave applications, based on the following viewpoints such as noise figure, noise measure, power gain, easiness of input/output power matching, stability, and manufacturability. In addition to the conventional techniques, five newly proposed schemes have been extensively compared with each other at microwave frequencies. At L-band, CCSF and CSSL+CGPF seem to be the best choice when 0.5 μm MESFET is used while the CCPF seems to be the best one for L-band application using silicon npn BJT. At C- and X-bands, the topology which has the best noise measure performance with the simultaneous noise and input power matching and unconditional stability at 6 and 12 GHz is CGPF. Other than CGPF, the CSSL+CGPF seems to be the best at 6 GHz, and both CCPF+CGPF and CSSL+CGPF are recommended at 12 GHz.
Finally, the newly proposed schemes have been experimentally verified by fabricating several MMIC LNAs using GaAs MESFET technology. The measured responses of the fabricated LNA chips agree well with the simulated performances, which experimentally verifies the newly proposed schemes as well as the design approach of the simultaneous noise and input power matching.
일반적으로 공통소스접지 단일게이트 FET로 저잡음 증폭기를 설계할 경우 최소잡음지수를 얻기위해 잡음정합을 하면 높은 입력 정재파비을 초래하게 된다. 이것은 최소잡음지수를 얻기위한 입력측의 임피던스(최적잡음정합 입력반사계수)와 최대이득을 얻기위한 입력 임피던스 (전력정합 입력반사계수)가 매우 다르기 때문이다. 따라서, 일반적인 방법으로 저잡음 증폭기을 설계할 경우 잡음지수와 이득, 입력 정재파비의 절충이 요구된다. 그런데, 만약 우리가 두개의 임피던스를 같게 만들수 있다면 최소 잡음지수와 최대 전력이득, 그리고 낮은 입력 정재파비를 동시에 얻을 수 있다.
이 논문에서는 초고주파 저잡음 증폭기의 설계에 있어서 잡음과 입력전력의 동시 정합을 얻을 수 있는 다섯가지의 방법이 제안된다. 크게 두가지 다른 접근 방법으로 구성되는데 병렬 피드백과 직렬 피드백이 바로 그것이다. 병렬 피드백 구조에서는 세가지 새로운 구조가 제안 되었는데 첫번째가 캐스코드 저항성 병렬 피드백(CCPF) 구조이다. 두번째는 공통 게이트 접지 병렬 인덕티브 피드백(CGPF) 이고 세번째는 첫번째와 두번째의 혼합된 구조로써 부분적인 인덕티브 병력 피드백을 가진 캐스코드 저항성 병렬 피드백(CCPF+CGPF) 구조이다. 직렬 피드백 구조로서는 두가지 방법이 새롭게 제안되었는데 새롭게 제안된 네번째 구조로서 캐스코드 인덕티브 직렬 피드백(CCSF) 구조이고 다섯번째는 부분적인 인덕티브 피드백을 가지는 캐스코드 인덕티브 직렬 피드백 (CSSL+CGPF) 구조이다.
그리고, 제안한 구조들을 다른 일반적인 구조들과 함께 GaAs MESFET 과 BiCMOS BJT 를 이용하여 초고주파 대역에서 모의실험을 통하여 비교하였다. 고려한 관점으로는 잡음지수 혹은 잡음측정, 전력이득, 입력과 출력의 전력정합의 난이도, 안정도, 그리고 생산성이다. L 밴드에서는 0.5 ㎛ MESFET 를 이용할 경우 CCSF 와 CSSL+CGPF 가 가장 좋은 성능을 보이고 있고 실리콘 npn BJT 를 이용할 경우는 CCPF 가 가장 좋은 구조로 보인다. C 밴드나 X 밴드에서는 가장 좋은 잡음측정 특성을 보이고 있는 구조는 CGPF 구조이다. CGPF 외에는 CSSL+CGPF 가 6GHz 에서 가장 좋은 성능을 보이고 있고 12GHz 에서는 CCPF+CGPF 와 CSSL+CGPF 구조 모두 좋은 성능을 보여주고 있다.
이상에서 제안한 구조들을 실험적으로 증명하기 위하여 GaAs MESFET 기술을 이용하여 여섯개의 MMIC LNA 를 설계하여 외국의 MMIC 주문 제작사에 의뢰하여 제작하였다. 측정한 결과가 모의 실험한 결과와 잘 일치함을 확인 할 수 있었다. 따라서, 제안한 구조들이 실험적으로 구현 가능함을 보였고 이러한 잡음과 입력전력의 동시 정합이 LNA 설계에 있어서 매우 유용한 설계 방법이라는 것을 보였다.
