As expanding the wireless communication industries and increasing the available frequency band, various standards are introduced. The market demands for wireless communication systems also are increasing. Among these demands, low power and high integration requirements and multi standard operation requirement have been increasing remarkably. For meeting these two demands, the low power RF front-end and multiband reconfigurable LNA are proposed, respectively.
With an increment of portable system, battery life is important issue for system design. The first part of the thesis, I proposed folded RF front-end with low power techniques. The low power RF front-end is designed in TSMC 0.18 um process for 2.4 GHz ISM band direct conversion. Folded mixer, fully differential low noise amplifier (LNA), and inter-stage matching network constitute the proposed RF front-end. Gilbert-cell mixers using the folded technique and current reused LNA have been designed for low power consumption. The proposed RF front-end consumes 7.34 mW from 1.2 V supply voltage, while conversion gain of 23 dB is achieved.
In the second part, the reconfigurable LNA with LC series network and capacitor array is proposed to achieve multiband operation. In the input matching network, selection of the operation frequency mode is obtained by switching bias condition of drive stage of LNA and using capacitor array. In output matching network switched inductor and capacitor arrays make the LNA operate in multiband. As a result, the designed LNA operates in triple band: 2.4 GHz, 5.25 GHz, and 5.75 GHz. The reconfigurable LNA is implemented in TSMC 0.18um CMOS process. Within its operation frequency, gains are more than 12 dB while NFs are kept less than 2.3 dB.
무선 통신 기술이 다양해 지고 빠르게 발전함에 따라 그에 맞추어 다양한 무선 통신 표준이 제안되고 있다. 이에 따라 무선 통신 설계 연구 방향은 크게 저전력 소모 기술에 대한 연구와 단일 경로의 다중 대역 송수신기 개발로 나뉠 수 있다. 본 논문에서는 고집적률과 저전력 소모의 요구를 만족시키기 위한 저전력 기술에 대한 연구와 이를 적용한 RF Front-end를 설계하였고, 단일 패스로 다중 대역을 지원 가능한 매칭 방식을 연구하여 저 잡음 증폭기를 설계하였다.
2장에서는 저전력 소모 기술을 적용한 RF front-end의 기본 원리, 설계, 그리고 측정 결과를 보였다. CMOS 공정 기술이 deep submicron으로 발전해 감에 따라 시스템의 공급 가능한 최대 전원 전압은 점차 낮아진다. 제안된 RF front-end는 저전력 소모를 위해 주파수 변환기엔 Folding 방식을 적용하여 전원 전압을 낮추고, 저 잡음 증폭기는 믹서의 전류를 재사용하는 current reused 방법을 적용하였으며 그 결과 7.2 m의 전력을 소모를 얻을 수 있었다. 또한 고집적률을 요구하는 시스템 설계 요건을 만족시키기 위해 직접 변환 방식이 적용 가능한 방안에 대해 연구하였다. 직접 변환기의 문제점 중 하나는 높은 1/f 잡음을 들 수 있다. 제안된 front-end는 효과적으로 1/f 잡음을 줄이는 방법으로 PMOS 소자를 mixer 스위칭 단에 사용하였고, mixer의 스위칭 단과 transconductance 단의 전류 흐름을 분리 시킴으로써 1/f 잡음을 줄일 수 있었다. 제작된 회로를 측정결과와 시뮬레이션 측정 결과를 비교해 보았을 때 기생성분들에 의해 성능이 약간 저하된 것을 확인할 수 있었지만, Bluetooth나 ZigBee의 요구 조건에서 크게 벗어나지 않으므로 제안된 RF front-end 의 타당성을 입증할 수 있다.
3장에서는 다중 대역을 지원하는 재구성 가능한 저 잡음 증폭기의 이론, 설계 및 그 성능을 요약하였다. 단일 경로를 이용하여 다중 대역에서 동작하는 저 잡음 증폭기의 설계를 위하여 스위칭 가능한 인덕터와 캐패시터를 이용하였고, 또한 증폭기의 게이트 전압을 스위칭 함으로써 효과적인 다중대역 동작 특성을 가능하게 하고, 입력단에 병렬로 연결된 LC 공진회로에 의해 필터링 효과를 얻어 외부의 간섭 신호를 제거할 수 있다는 장점이 있다. 2 GHz 대역과 비교하여 상대적으로 넓은 동작 주파수 범위를 갖는 5 GHz 대역을 소화하기 위해서는 주파수 미세조정을 위한 방식이 요구된다. 제안된 저 잡음 증폭기는 이를 위해 capacitor 열을 사용 함으로써 5.15~5.75 GHz대역에서 각각에 최적화된 성능으로 동작한다.
본 논문에서는 RF 송수신기 설계 부분에 있어서 저전력 소모 및 고집적률을 위한 설계 방향과 다중 대역을 지원하는 재구성 가능한 RF 회로 설계의 기술에 대해 연구하였다.
