Currently, there are two demands in RF front-end design such as multi-standard application and low power consumption. However, it is difficult to satisfy these demands simultaneously. Therefore, two design techniques are explained in this paper, respectively.
In this paper, two RF circuits, a variable gain LNA and low power folded RF frontend, are designed. At first, a variable gain LNA (VG-LNA) is designed to achieve a flexible gain control of LNA. The proposed VG-LNA is implemented in TSMC 0.18 um CMOS process. This is composed of two stage amplifier, and its gain is controlled by the shunt feedback loop made up of a gain control transistor (GCT) and a coupling capacitor in second stage. The channel resistance of GCT in the shunt feedback loop influences the input and output stages of a second stage by the Miller effect. Total gain control of the proposed VG-LNA is implemented by two factors, the load impedance reduction and the interstage mismatch by controlling the channel resistance of the GCT. Consequently, by adding a shunt feedback with a gain control transistor, this proposed VG-LNA achieves both wide gain tuning range of 37 dB and a continuous gain control simultaneously.
Secondly, 2.4 GHz low power folded RF front-end is designed for low power consumption. The proposed RF front-end is implemented in TSMC 0.25 um CMOS process for low power applications such as Bluetooth or ZigBee. The designed low power folded RF front-end applies for the folded and current reuse techniques. By using these techniques, the proposed RF front-end consumes 13.8 mW from 1.7 V supply voltage, while 5.2 dB NF and 27.5 dB conversion gain are achieved. In addition, by PMOS switch used in the switching stage of the folded mixer, a low flicker noise of 7 dB at 10 kHz is also achieved. Therefore, the proposed RF front-end can be used in DCR architecture for a narrow bandwidth system.
빠르게 발전하고 있는 무선 통신 기술과 더불어 다양한 무선 통신 표준이 계속 해서 제안되고 있다. 이와 같은 다양한 무선 통신 기술의 발전에 따라서 RF 부문 역시 크게 여러 종류의 무선 통신 표준을 수용할 수 있는 유연성을 구현하는 것과 WPAN 과 같은 저전력 소모 기술 등 2 가지 종류의 기술로 나눠지고 있다. 본 논문에서는 이 두 가지 기술에 대해서 각각 저잡음 증폭기와 저전력 RF front-end 를 구현하였다.
먼저 여러 종류의 무선 통신 기술을 수용하기 위해서는 크게 동작 주파수의 변환과 각 표준에 따른 수신기 이득이 변화가 가능해야 한다. 그러나 RF수신기의 동작 주파수를 변화 시키는 것은 어렵다. 따라서 본 논문에서는 이득을 변화시키는 것에 초점을 맞추어 유연성을 가진 저잡음 증폭기를 설계하였다. 설계된 저잡음 증폭기는 0.18um CMOS 공정으로 설계되었으며, 12dB~-26.5 dB 까지 총 38.5 dB 의 동작 범위를 가지고 있다. 측정된 잡음지 수는 약 4 dB 이며, 약 13.5 mW 의 파워를 소모 하였다. 잡음 지수의 경우 일반적인 저잡음 증폭기보다 높게 나타났지만, 다른 유사한 기술에 비해 훨씬 큰 동작 범위를 가지는 저잡음 증폭기가 구현 되었다.
저전력 RF front-end 의 경우 ZigBee/Bluetooth 와 같은 좁은 대역에서 동작하는 표준에 적용하기 위해서 설계되었다. ZigBee/Bluetooth 같은 1 MHz 의 좁은 대역을 가지는 표준의 경우 크게 높은 1/f 잡음과 DC offset 같은 의해서 직접 변환 방법을 적용하기 힘들다. 이 중에서 현재 DC offset 을 없애는 방법은 많이 연구되고 있지만, 1/f 잡음의 경우 없애는 방법에 한계를 보이고 있다. 본 논문에서는 Folding 방법과 current reuse 방법을 적용하여 저전력 RF front-end 를 구현 하였으며, mixer 의 스위칭 단에 PMOS 를 사용함으로써 1/f 잡음을 줄였다. 설계된 저전력 RF front-end 의 경우 0.25 um CMOS 공정으로 설계 되었으며, 전체 파워 소모는 13.8 mW 이다. 이것은 일반적인 0.25 um 공정으로 설계된 RF front-end 보다 30 %의 전력 소모를 줄인 것이며, 또한 10 kHz 에서 7 dB 의 적은 1/f 잡음을 보여주고 있다. 이득의 경우 25.6 dB 이며, 잡음 지수는 5.2 dB 다. 잡음 지수의 경우 약간은 높지만, 저전력 표준의 경우 약 20 dB 의 높은 잡음 지수를 요구하기 때문에, 이것은 크게 문제가 되지 않는다.
본 논문에서는 RF 부분에 있어서 유연성과 저전력 소모라는 2 가지 설계 방향에 대해 연구하였으며, 각 방향에 적합한 RF 설계 기술을 제시하였다.
