This thesis presents CMOS VGA with wide dynamic range and accurate dB-linear characteristics at low supply voltage for WCDMA Direct conversion Receiver applications. To achieve conflicting performances such as high linearity and wide dynamic range with constraints of low power dissipation, it is necessary for VGA to have an accurate gain control characteristic and a wideband gain cell (VGA cell) with high gain at low voltage.
The proposed VGA comprises a gain stage block with offset canceller, an exponential voltage function generator, and a dB-linear gain controller. New VGA cell is proposed to achieve both high dynamic range and wideband at low supply voltage. Wideband operation is also achieved using novel active load with gain boosting. In a proposed exponential voltage function generator, 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 for temperature and process.
According to external control voltage, the VGA has gain control range of 75dB with linear function in dB scale. Its operating bandwidth shows up to 150㎒. This circuit is implemented in 0.18㎛ CMOS transistor available in Samsung.
본 논문은 WCDMA(Wideband code division multiple access) 통신 방식의 직접 변환(Direct conversion receiver)구조를 채택한 RF 수신 단에서 저전력, 고선형 및 광대역 특성을 지닌 저전압 CMOS 가변이득 증폭기(Variable Gain Amplifier; VGA)를 제안하였다. 보다 상세하게는 무선이동통신 시스템에 적합하게 사용할 수 있도록 외부온도가 변화해도 제어전압에 따른 가변이득 증폭기의 이득이 일정하도록 할 뿐만 아니라 전력이득을 조절하는 제어저압과 전력이득의 특성곡선이 지수함수적으로 선형적으로 변환되도록 함으로써 넓은 동작영역과 정확한 특성곡선을 지니도록 한 보상회로를 갖는 가변이득 증폭기를 설계하였다. 본 논문에서 설계된 가변이득 증폭기는 주파수 특성을 수백 ㎒까지 연장하기 위하여 Cascode 구조를 이용하였고, 디지털 회로부분의 Common mode noise를 감소시키기 위하여 차동(Differential)회로 구조를 채택하였다. 고주파 영역에서 이득 및 주파수 특성 보상이 가능한 새로운 능동부하(Active load) 회로를 가진 VGA cell 회로와 외부 이득 제어전압(Gain control voltage: Vc)에 대한 Exponential 이득특성을 가지며 온도보상이 가능한 내부 제어전압 발생회로를 제안하였다. 이를 토대로 1.8V 이하의 저 공급전원(supply voltage)에서도 고 이득특성을 지니는 CMOS VGA를 설계하였다. 이 구조는 기존의 CMOS VGA에 비하여 상대적으로 낮은 공급전원을 사용하더라도 성능 저하가 없이 저 소비전력 특성을 지니는 장점을 가지고 있다.
