In this thesis we present an image rejection and gain control enhancement technique for receiver system of mobile communication in CMOS technology. In order to improve image rejection characteristic of an amplifier, the proposed technique uses notch filter composed of spiral inductor and capacitor. The elements of filter should have high quality factor in order to make sharp bandwidth. So, using the spiral inductor with higher quality factor than another inductor and MIM (metal-insulator-metal) capacitor that are serviced at Fabrication Company, the notch filter with narrow bandwidth is achieved. Furthermore, since attaching the filter at cascode topology reduces leakage due to parasitic capacitance, the noise figure at interest frequency can be enhanced. In addition to gain control function, the input linearity of system is enhanced. Since the low noise amplifier (LNA) with only amplification function locate at stage going before mixer in conventional system, large signal to input of receiver can be saturated at following stage.
Finally, the proposed image rejection and gain control is successfully applied to the 5.8GHz frequency LNA implemented in $0.18mum$ CMOS technology. However, since the quality factor of spiral inductor fabricated is lower than expected value, image rejection reduces as compared with simulation. And noise performance became higher 0.2dB than expected result. The presented LNA has the 16dB power gain, 11.5dB image rejection, 1.6dB noise figure and 7.2mW power consumption at 1.8V supply voltage.
최근 무선통신 시장의 광범위한 성장과 함께 실리콘 (Si)은 낮은 가격과 고집적에 대한 시장의 요구를 충족시킬 수 있는 매력적인 물질로 인식되고 있다. MOS 트랜지스터 채널 길이의 계속적인 감소에 힘입어 현재 CMOS를 이용한 실리콘 공정은 수 GHz의 차단 주파수를 가지는 트랜지스터를 제공하고 있으며, 이것은 과거 바이폴라 소자와 같은 보다 비싼 공정으로 만들어 졌던 고주파 아날로그 회로를 CMOS를 이용해서도 설계할 수 있다는 가능성을 보여주고 있다. 또한 CMOS를 이용한 설계는 고속의 아날로그 회로와 거대한 디지털 회로를 동시에 하나의 칩으로 만들 수 있는 기회를 제공하므로 보다 높은 시스템 집적화와 낮은 가격을 가져오는 원인이 되기도 한다. 하지만, 고주파에서 동작하는 회로를 CMOS를 이용해서 설계하기 위해서는 보다 세심한 주의가 요구되는데, 이것은 주파수가 올라가면서 기생하고있던 캐패시턴스와 인덕턴스가 회로의 성능에 심각한 제약을 가져오기 때문이다.
이동통신에서는 superheterodyne 방식의 구조가 높고 안정된 성능을 제공할 수 있기 때문에 요즘 핸드세트에서 아주 널리 사용되고 있다. Superheterodyne방식의 수신기에서는 이미지 문제가 아주 중요하다. 이러한 문제를 해결하기 위해 superheterodyne방식의 수신기 Front-End가 여러가지 형태로 구성될 수 있다.
통상적으로 SAW (surface acoustic wave) 필터나 세라믹 필터 같은 외장형 수동필터가 이미지 성분을 제거하기 위하여 사용되어지고 있다. 이러한 외장형 필터는 쉽게 집적화하기 힘들기 때문에 radio 주파수용 회로에서 집적도를 높이는데 주요 장애물이 되고 있다. 그리고 이러한 필터를 이용한 시스템은 높은 비용과 큰 면적을 요구한다. 따라서 칩의 사이즈를 줄이고 비용을 절감하기 위해서 반도체적 설계방법이 연구되어지고 있다.
3GHz이하의 주파수를 갖는 시스템에서 위상을 제거를 함으로써 이미지 제거를 하는 믹서만으로 구현된 반도체 집적회로는 41dB이상의 이미지 제거 특성을 만족할 수 있다. 하지만 0.55ps의 시간 불일치로 인한 이득과 위상의 불일치때문에 5GHz대역 수신기의 이미지 제거율은 일반적으로 25-35dB 범위의 놓이게 된다. 그러나 실제 시스템은 더 높은 이미지제거율을 필요로 한다. 이미지제거용 믹서와 on-chip상의 이미지 제거용 필터를 함께 사용한다면 더욱 높은 on-chip상의 이미지제거가 얻어질 수 있다.
무선 통신 시스템에서 안테나에 큰 전력을 갖는 신호가 수신될 경우에 시스템은 이득이 변할 수 있는 단계가 필요하게 된다. 만약 이러한 기능이 저잡음 증폭기에 있다면 최소 신호에 대해서는 신호대 잡음율이 강화되고 최대 전력의 신호에 대해서는 이어지는 단계의 블락이 포화된지 않도록 한다. 뿐만 아니라 이러한 저잡음 증폭이의 이득 제어 기능은 이득제어증폭기의 요구되는 동작범위를 줄여줄 수 있다.
이 논문은 필터를 추가함으로써 이미지를 제거하고 동시에 이득을 제어하는 기능을 갖는 저잡음 증폭기를 소개한다. 또한 이러한 기능을 갖게 하는 필터는 저잡음 증폭기에 사용된 소자들의 잡음 영향을 줄여 준다. 그리고 이득 제어는 큰 신호에 대해 Front-End 회로의 입력단 선형성을 향상시켜준다.
