Recently, the Analog TV is quickly replaced to the Digital TV in all around world since the Digital TV support better resolution and sound quality. In addition, the Digital TV supports internet-based services such as banking, shopping, and interactive broadcasting on TV. However, the Digital TV has many issues due to using same frequency range with the Analog TV. First, the intermodulation between undesired channels can affect the desired channel due to low and wideband, 48-860 MHz. Amplitude difference is another issue due to saturation of the Digital TV tuner. Both are critically related with the channel selectivity of the Digital TV tuner and can be expressed as specifications of harmonic mixing, linearity and dynamic range. In order to solve above issues, the off-chip RF tracking filter is adopted
in the early Digital TV tuner. However, it increases price of tuner and needs a tuning for deciding the frequency range of the off-chip RF tracking filter. Therefore, the research of the single chip tuner is grown with increasing market of the Digital TV tuner for cheap price.
This dissertation proposed several techniques in the low noise amplifier (LNA), a first block in the Digital TV Tuner. First, the LNA for the Digital TV adopts the resistor load instead of inductor load due to its low and wide frequency range of 40-860 MHz. However, input matching in the wideband LNA depends on the transconductance of the input matching transistor different with the narrow band LNA. Therefore, the gain and noise figure (NF) have trade-off relationship in the wideband LNA. Normally, NF characteristic of the wideband LNA is high. In order to solve high NF issue, the noise cancelling technique,
cancel the noise source of the matching transistors, was proposed and many papers of the wideband LNA adopted this novel technique. This dissertation also adopts this noise cancelling technique. Second, a limitation of the noise cancelling technique is analyzed in the view of linearity characteristic due to its low linearity performance. Basically, the noise cancelling technique is analyzed by the view of reducing NF and the linearity performance can not satisfied in requirement of high linearity in the Digital TV tuner. Therefore, this dissertation analyzes the nonlinear characteristic by Taylor and Volterra series and proposes a ways to satisfy both NF and high linearity performances in the wideband LNA. Based on this analysis, two methods are proposed and implemented by single and differential amplifiers in this dissertation. Both have high linear and NF performances compare with other recently state-of-the-arts in the wideband LNA. In addition, the technique to reduce the power consumption of the noise cancelling technique is proposed and shows 35 percent power reduction compare with the previous noise cancelling
technique.
최근 디지털 TV는 아날로그 TV보다 더 나은 화질과 사운드 품질을 제공하기 때문에 전 세계적으로 아날로그 TV가 디지털 TV로 바뀌고 있다. 또한, 디지털 TV는 디지털 처리 방식을 기본으로 하기 때문에, 기존의 아날로그가 제공하던 서비스보다 나은 인터넷 기반의 서비스를 TV에서도 제공하는 장점도 존재한다. 하지만, 기존의 아날로그 TV 채널 환경을 그대로 사용한 디지털 TV 환경은 많은 문제점이 존재하게 된다. 기본적으로 48-860 MHz의 광대역을 사용하기 때문에, 신호간의 간섭이 다른 채널에 많은 영향을 미치게 된다. 또한, 수 많은 채널의 크기가 다르다는 점 역시 큰 문제가 된다. 이는 근본적으로 원하는 신호만 선택할 수 있는 selectivity에 영향을 미치기 때문에, Digital TV Tuner의 경우 하모닉 믹싱과 선형성이 가장 큰 이슈가 될 수 있다. 초기의 Digital TV Tuner의 경우 off-chip 필터를 이용하여, 하모닉 믹싱의 문제를 해결하였으나, 최근 추세는 모든 블록들을 on-chip화 시키고 있기 때문에, on-chip으로 Digital TV Tuner를 구현하기 위해 많은 연구가 진행되고 있다.
본 박사 학위 논문에서는 Digtal TV Tuner에서 가장 첫 단에 위치한 저잡음 증폭기에 대한 설계 기법들이 제안되었다. 첫 째로, Digital TV용 저잡음 증폭기는 48-860 MHz 의 광대역 및 낮은 주파수 범위를 가지기 때문에, 인덕터보다는 저항을 이용한 설계가 훨씬 유리하다고 볼 수 있다. 하지만, 광대역 매칭의 경우 협대역 매칭과 다르게 트랜지스터의 트랜스컨덕턴스를 이용하여 매칭을 하기 때문에, 이득과 잡음 특성은 서로 트레이드 오프 관계에 있다. 따라서, 대부분의 광대역 매칭 회로의 경우 잡음 특성이 높게 나타나게 된다. 이를 해결하기 위한 방법으로, 광대역 매칭에 사용된 트랜지스터의 잡음을 제거할 수 있는 기술이 제안되었고, 이는 현재에도 많은 광대역 회로에서 사용되고 있다. 본 논문에서도 기본적으로 높은 잡음 특성을 해결하기 위해서 이 기술을 사용하였다. 두 번째로, 위의 기술이 가지는 선형적인 한계점에 대해서 분석을 하였다. 기본적으로, 잡음 제거 기술은 잡음의 관점에서 회로를 분석하기 때문에, Digital TV Tuner에서 원하는 광대역에서의 고선형 특성을 만족시키지 못했다. 따라서, 이 비선형 특성을 테일러와 볼테라 시리즈로 분석을 함으로써, 기존의 회로의 단점이라고 볼 수 있는 고선형과 저잡음 특성을 가지는 광대역 저잡음 증폭기를 설계할 수 있는 길을 제시하였다. 이를 바탕으로 제안된 두 가지 방법은 각각 differential과 single 증폭기 형태로 구현을 하였고, 이는 각각 최근 논문들과 비교를 하여도 광대역에서 낮은 잡음 특성과 높은 선형특성을 가지는 것을 볼 수 있다. 또한, 세 번째로는 잡음 제거 특성이 가지는 전력소모를 줄이기 위한 방법을 제안하였고, 이는 기존의 회로보다 35 퍼센트 정도 전력 소모가 감소되는 것을 볼 수 있다.
