This thesis presents a new wideband and high dynamic range CMOS VGA at low supply voltage for wireless applications. To achieve conflicting performances such as high linearity and low noise figure (NF) with constraints of low power dissipation, it is necessary for VGA to have an accurate gain control function and a wideband gain cell (VGA cell) with high gain at low voltage. This CMOS VGA employing a new gain stage cell with an active load for wideband operation is presented workable at low supply voltage such as under 1.8V. It employs multistage architecture and combines three gain stages with both temperature and process compensated gain control circuit to satisfy the specifications of wireless communications.
New VGA cell is proposed to achieve both high dynamic range and wideband at low supply voltage. A new current sharing bias scheme improves the dynamic range and linearity. With its smaller bias current, higher linearity due to better IP3 in low gain control range is acquired for high dynamic range. Wideband operation is also achieved using novel active load with gain boosting. There is an improvement of -3 dB band-width over 31 % owing to gain boosting technique.
In a proposed exponential function generator with control voltage scaler (CVS), it is possible to compensate some deviations of its slope against temperature variations. Due to both process and temperature compensation of exponential function, total gain error is reduced by about 10 dB at 85℃.
VGA IC is fabricated using 0.18㎛ CMOS technology. The active area of VGA is 440㎛×440㎛. It consumes under 3 mA at 1.8 V supply voltage. The gain in dB has a linear function of external control voltage $(V_c)$ with gain control range of 84 dB(from -42 dB to +42 dB). Its operating bandwidth shows up to 350 MHz. IIP3 varies from -22 dBm at +42 dB $(V_c = 1.8V)$ to +20 dBm at -42 dB $(V_c = 0.0V)$. Minimum NF is under +7 dB at +42 dB of gain.
The suggested VGA in this thesis is thought to be suitable for an IF amplifier in highly integrated radio transceivers.
본 논문은 CDMA(code division multiple access) 통신방식의 슈퍼헤테로다인(super-heterodyne) 구조를 채택한 3세대 휴대용 단말기의 중간주파수(IF : intermediate frequency) 신호 처리부에서 저전력, 고선형 및 광대역 특성을 지닌 저전압 CMOS VGA(variable gain amplifier) 집적회로의 설계, 제작 및 성능시험에 대한 내용이다.
휴대용 이동단말기 가입자가 급증함에 따라 종래의 주파수분할(Frequency division) 및 시간분할(time division) 다중접속(multiple access) 방식으로는 사용자의 수요을 충족하지 못한다. 따라서 코드분할 다중접속 (CDMA: code division multiple access) 방식을 사용하여 음성 및 문자 서비스를 하고 있다. 그러나 보다 다양한 서비스를 요구하는 인간욕구는 화상 서비스 등 멀티미디어 서비스를 요구하고 있다. 이를 위해서는 고속 (high speed) 및 고전송율(high data rate)의 통신서비스 방식이 필요하다. 3세대 CDMA 기술은 이러한 서비스가 가능하며 그 구조 중 슈퍼페테로다인 구조는 송수신 신호의 선택도(selectivity)나 신호감도(sensitivity)에서 그 장점을 가지고 있다. 슈퍼헤테로다인 구조는 안테나를 통해 받는 GHz 급의 고주파(RF : radio frequency) 신호를 수백 MHz 대역의 중간 주파수(imtermediate frequency : IF) 로 변환한 후 기저대역(baseband) 신호처리를 한다. 이러한 휴대용 이동단말기는 근래에 기저대역(baseband) 신호처리를 한다. 이러한 휴대용 이동단말기는 근래에 단락 전류 이득의 크기가 1인 주파수 $(f_r)$ 가 증가한 CMOS 집적회로 기술을 이용함으로써 그 크기와 소비전력이 작아지고 사용되는 배터리 수명은 길어지게 되었다. 또, 디지털 통신방식의 일반화에 따라 회로 구현상 종래의 많은 아날로그부분이 디지털화하였고, 송수신부의 안테나 인터페이스 부분만 CMOS 및 bipolar 소자기술에 근거한 아날로그 회로를 채택하고 있다.
CDMA 휴대단말기의 송수신부의 주요 기능 블럭인 IF 증폭기로서 VGA는 IF 대역 수신신호의 크기 일정하게 하거나 송신신호의 크기를 조절하는 역할을 한다. 즉, VGA는 80 데시벨 (dB : decibel) 이상의 넓은 이득조절범위와 IF 주파수 대역 필터(filter)의 원할한 동작을 위해 수백 MHz 이상의 동작주파수를 가져야 한다.
본 논문에서는 CMOS 기술을 이용한 새로운 저전압 고이득/광대역 특성을 가지는 VGA를 설계하였다. 주파수 특성을 수백 MHz 까지 연장하기 위하여 cascode 구조를 이용하고, 디지털 회로부분의 common mode noise 를 감소시키기 위하여 differential 회로 구조를 채택하였다. 고주파 영역에서 이득 및 주파수 특성 보상이 가능한 새로운 능동부하(active load) 회로를 가진 VGA cell 회로와 외부 이득조절 전압(gain control voltage : Vc)에 대한 exponential 이득특성을 가지며 온도보상이 가능한 내무 콘트롤 전압 발생회로를 제안하였다. 이를 토대로 1.8V 이하의 저 공급전원(supply voltage)에서도 고 이득을 특성을 지니는 CMOS VGA를 설계하였다. 이 구조는 기존의 CMOS VGA에 비하여 상대적으로 낮은 공급전원을 사용하더라도 성능 저하가 없이 저 소비전력 특성을 지니는 장점을 가지고 있다.
설계된 VGA는 0.18 ㎛ CMOS 1-poly/6=-metal 공정기술을 사용하여 IC로 구현하였으며 그 크기는 0.44mm × 0.44mm 이다. 소비전력은 1.8V 공급전원이 인가되었을때 약 3mA이다. 가변이득, 범위는 84 dB(-42 DB ~ +42 dB$ 이고 그 동작 주파수 대역폭은 350MHz 까지 가능하다. 제작된 VGA IC를 측정을 통해 그 성능을 규명한 결과 설계 결과와 일치하고 있으며, 3 세대의 휴대단말기의 응용이 충분한 결과를 얻었다.
본 논문의 구성은 제1장에서는 연구의 배경과 논문 구성에 대해 기술하였으며, 제2장에서 기존의 CMOS VGA에 대해서 살펴보았고, 제3장에서는 새로운 CMOS VGA의 회로구조 및 동작원리에 대해 설명하였다. 제4장에서 VGA 설계 결과를 기술하였고, 제5장에서는 설계 제작된 IC에 대한 실험 결과를 기술하였으며, 제6장에서 본 연구의 결론을 맺었다.
