A novel CMOS Variable Gain Amplifier (VGA) having high frequency and high dynamic range combined with a mixer is proposed. In order to have variable gain, it uses the principle of "Transconductance of a MOS device varies with Vds" and to increase bandwidth, it also uses cascode structure. So its main structure is very similar to a conventional cascode amplifier. This VGA has a controllable gain range of -45dB to +45dB by external control voltage as well as enhanced operating frequency range over than 200MHz. It is fabricated in 0.35μm CMOS technology with the core area of 580μm x 660μm. It consumes only 10.8mA at 3.3V supply voltage. Also new mixer has been proposed to increase bandwidth of VGA. It has a cascode structure with the VGA. Since this scheme can reduce the output loading effect of VGA, we can easily extend its operating range more than 400MHz.
본 논문은 IMT-2000 단말기에 적용 가능한 VGA 와 mixer에 관한 내용이다. 기존의 200MHz 급 VGA 는 BiCMOS 기술을 이용하여 설계를 하였기 때문에 국내 제작기술에 적용하기에는 어려움이 많았다. 따라서 국내 사정에 적합한 CMOS 기술을 이용한 VGA 를 설계하였다. 가변이득 원리는 CMOS에서 Vds의 전압이 바뀌면 Gm이 변화하는 원리를 이용하였다. 그러나 이때 Id도 같이 변화하여 주파수 특성이 열화되므로 이를 방지하기 위한 바이어스 회로를 새로이 고안하였다. 한편 주파수 특성을 수백 MHz까지 연장하기 위하여 cascode 구조를 이용하고, 이 칩의 적용분야가 수만개의 소자가 소요되고 디지털 기능까지 포함되어 있는 회로로서 common mode noise가 크다고 보아 이를 감소시키기 위하여 differential 구조를 사용하였다. 한편 외부 조정 전압에 대한 이득의 특성이 exponential 이 되어야 하므로 이 특성을 갖는 내부 콘트롤 전압 발생회로를 새로이 고안하였다. 이는 CMOS에서 기생적으로 얻을 수 있는 바이폴라 소자와 수개의 OP Amp를 이용하여 만들었다. 이렇게 설계된 VGA자체의 주파수 특성은 400MHz에 이르나 VGA 뒷단에 큰 입력 capacitance를 가지는 기존의mixer가 연결되기 때문에 이것이 부하로 작용하여 주파수 특성을 200MHz이하로 저하시키는 결과를 가져왔다. 따라서 이를 감소시키기 위하여 새로운 VGA+mixer 구조를 제안하였다. 이 결과 500MHz 이상에서 동작이 가능한 회로를 설계할 수 있었고 전체 소비전류 등의 특성도 오히려 기존 보다 우수한 특성을 얻을 수 있었다. VGA 이득 범위는 -45~+45dB이며, 주파수 특성은 200MHz 이상, VGA 자체의 소비전류는 10.8mA이었다.
