In this thesis, two monolithic microwave integrated circuits (MMIC's) approaches have been proposed for the realization of high-Q microwave active resonators: a transistor-based high-Q active inductor and a negative resistance techniques.
As an effort to realize a spiral-inductorless monolithic resonator, a new transistor-based tunable inductor was developed using a common-source cascode FET with an inductive and a resistive feedback. To achieve the tunability of inductance and a small chip size, a lossy common-source FET active inductor was utilized as the feedback elements. The impedance characteristics were experimentally investigated and the measured results agreed well with the predicted results. The fabricated active inductor is thought to have a wide frequency tuning capability because it has a wide tuning range of series resistance from positive to negative values as well as an inductance tunability. To demonstrate an application of this active inductor to MMIC's, a voltage-controlled oscillator, which incorporated the active inductor in the LC-tuned resonator of a conventional Colpitts-type oscillator, was fabricated. Measured results exhibited a frequency tuning range from 1.73 to 2.07 GHz with a output power from -9.3 to -6.3 dBm.
An alternative for the active inductor in realizing high-Q resonator is a negative resistance element. Because of its single-transistor structure which is generally composed of a transistor and a passive feedback element, the negative resistance circuit can operate at a lower supply voltage and is expected to have a lower noise and, as proved in a simulation, a better linearity performances compared with the transistor-based active inductor. For the negative resistance circuits, a common-drain FET and a common-gate FET, both of which have a series inductive feedback, were experimentally investigated. Both the circuits showed similar characteristics of output impedance in terms of the negative resistance tuning and frequency responses. Using the common-drain circuit as a negative resistance element to compensate for the loss of the passive elements in the resonator, a 5-GHz two-stage active bandpass filter was designed and fabricated. The filter showed the lowest dc power consumption of 22.2 mW and a medium power handling capability among the monolithic microwave active filters published until now.
Finally, as a consideration of the linearity of active bandpass filters, a simple and accurate expression for the P1dB estimation of multistage active bandpass filters were proposed and verified through a comparative study with simulation data. In the derivation of the equation, the nonlinear parallel conductances of the active resonators implemented in the filter were assumed to be the main cause of the gain compression with the input power increasing. Based on the equations, a solution for increasing P1dB was also proposed with some simulation data.
이 논문은 GaAs 기판에 집적이 가능한 마이크로파 공진기를 구현하는 두 가지 방법 즉, 능동 인덕터를 이용하는 기술과 음저항을 이용하는 기술 및 그 응용을 다루고 있다. 먼저, 새로운 구조의 가변 능동 인덕터가 인더턴스와 저항성 피드백을 갖는 공통 소스형 캐스코드 FET를 사용하여 구현되었다. 이 인덕터의 특성은 출력 인덕턴스의 가변성을 얻고 칩 사이즈를 줄이기 위해 피드백 성분들을 다시 가변 저항만의 피드백을 갖는 공통 소스 FET로 대체하였다는 것이다. 또한, 출력 인덕턴스를 변화시킬 수 있을 뿐만 아니라 출력 저항도 음에서 양으로 독립적으로 조절 가능하기 때문에 제안된 인덕터는 광대역 특성도 가지고 있다. 제작된 능동 인덕터의 측정 결과는 이론적인 예상 결과와 일치하였다. 이 인덕터를 발진기의 LC 공진기에 집적하여 완전한 형태의 단일칩 전압조정 발진기를 설계 제작하였다. 구현된 발진기는 1.73에서 2.07 GHz의 주파수 조정 대역에서 -9.3에서 -6.3 dBm의 마이크로파 신호를 출력하였다.
높은 Q를 갖는 집적형 공진기를 구현하는 다른 방법은 음저항을 이용하는 것이다. 음저항은 트랜지스터 하나에 수동 소자로 피드백을 주어 구성할 수 있기 때문에, 음저항을 이용한 공진기는 여러 개의 트랜지스터로 이루어진 능동 인덕터를 적용한 공진기 보다 저전압 동작이 가능하고, 잡음 성능과, 시물레이션을 통해 밝혀 졌듯이, 선형성이 더 우수하다. 공통 드레인과 공통 소스 FET를 사용하여 음저항 회로를 각각 설계 제작하고 측정을 통해서 성능을 분석 비교하였다. 두 회로는 게이트 전압에 의한 음저항 조정성과 주파수 반응 면에서 비슷한 특성을 보였다. 두 회로 중에서 공통 드레인 회로를 사용하여 저전력 소비형 5 GHz 2단 대역통과 필터를 설계 제작하였다. 제작된 필터는 220 MHz의 통과대역과 -0.75 dB 삽입손일, -15 dB 이하의 반사손실을 나타냈다. 발표된 능동 필터와 비교했을 때, 이 필터의 소비전력 22 mW는 가장 작은 값이며, -7 dBm의 P1dB는 중간 정도의 것이다.
마지막으로, 능동형 대역통과 필터의 P1dB를 예측하는 간단하면서도 정확한 식을 유도하였다. 능동 공진기의 병렬 저항의 입력 전력에 대한 비선형성을 표시하는 간단 식을 바탕으로 필터의 대역폭과 공진기 수를 변수로 포함하는 예측식이 유도되었으며, 이 식으로부터 얻은2단 및 3단 대역통과 필터의 P1dB 결과는 회로 시뮬레이터로부터 구한 값들과 일치 하였다. 회로 시뮬레이션시 수렴문제가 발생할 수 있는 협대역통과 필터나 다단 대역통과 필터의 입력전력 한계를 예측할 때 이 식이 유용하게 사용될 수 있을 것이다.
