This thesis describes the design and implementation of variable gain amplifier (VGA) circuits for WCDMA, DSRC, and UWB applications. The focus is on the development of a design methodology for a VGA design in CMOS and BiCMOS technologies with temperature-independent linear-in-dB gain control characteristics. Research approach to design a VGA is different according to a process technology and its communication system. Therefore, we design each VGA cell suitable for its process technology and VGA requirements for WCDMA, DSRC, and UWB applications. Prior to VGA design, we propose a control signal conversion circuit, as it is called a voltage-to-current converter (VIC), including a temperature and supply-voltage compensation method for applying to three VGAs.
At first, we describe a SiGe BiCMOS transmitter IC for WCDMA applications. It consists of an up-conversion mixer and a variable gain driver amplifier (RF VGA). To satisfy the VGA requirements with RF performance and VGA performance, we propose and demonstrate a current steering structure VGA. The mixer (UP-MIX), based on the MICROMIXER, utilized an IF transconductance stage with a cross-coupled type to improve the balancing property and linearity and uses a double balanced-type switching stage to isolate LO and IF signals at the output. The proposed Tx IC is achieved greater than 30 dB of a gain control range and has a highly linear characteristic with an output IP3 of 25 dBm, successfully operates in an accurate linear-in-dB up to the maximum gain and achieves a gain error less than ±1.2 dB over 25 ~ 80 ℃ and 2.7 ~ 3.3 V supply voltage using the temperature and supply voltage compensation techniques for gain variations.
Next, we present a transmitter IC for 5.8-GHz DSRC applications. It consists of a baseband variable gain amplifier, an ASK modulator, and a LO signal source. To satisfy the VGA requirements with high linearity, we propose and demonstrate a triode transconductor with an exponential current control in the baseband VGA. In the process of obtaining the exponential current, the proposed VIC with PVT compensation circuits is utilized. The ASK modulator adopts a BiCMOS Gilbert-cell for a fast-switching operation and for linearity. This IC was implemented in a 0.18 μm SiGe BiCMOS technology. It shows a gain control range of 21.9 dB with a linear-in-dB manner. The output P1dB is +2 ~ +4 dBm over the entire control voltage ranges and an ACP ratio lower than -45 dBc was obtained. Temperature stability was confirmed from +25 ℃ to 80 ℃, and supply-voltage independence was also verified over a supply voltage of 3.0 V to 3.6 V. This IC has a frequency source operating at 5.8-GHz with phase noise of -104 dBc/Hz. To supply a differential LO signal into the ASK modulator, a VCO and a frequency divider (/4) are implemented in the IC.
At last, we introduce a wideband high dynamic-range CMOS VGA. The proposed VGA utilizes an exponential function generator with PVT compensation circuits using VIC block. In addition, to satisfy the VGA requirements with wide bandwidth, we propose and demonstrate the differential cascode topology with an active inductive load. A current bleeding technique in the load network was also used to improve the linearity. The VGA has a 94.1 dB (-38.8 ~ 55.3 dB) gain control range and, particularly, 79.4 dB linear-in-dB gain characteristics. Furthermore, the VGA operates up to a -3 dB frequency of 900 MHz. Temperature compensated performance was confirmed between 25 ℃ and 80 ℃.
휴대폰이 대중화되면서 무선이동 통신의 수요가 폭발적으로 증가해 오고 있습니다. 앞으로도 휴대폰 뿐만 아니라 근거리 통신을 위한 다양한 무선통신이 개발되고 있고, 서비스될 예정입니다. 이런 무선통신시스템은 mobile unit의 위치한 지역이나 기지국과의 거리, 날씨 등 여러가지 환경요인에 인하여 송수신 신호 레벨이 달라지게 됩니다. 이런 환경에서 원활한 통신을 유지하기 위해서 다양한 송수신 레벨을 처리할 수 있는 부분이 필요하게 됩니다. 바로 이런 기능을 하는 부분이 가변이득증폭기입니다. 특히, CDMA 시스템의 경우에는 베이스밴드에서의 수신전력레벨이 일정하게 유지되어야만 기지국의 용량을 극대화할 수 있습니다.
현재 무선통신 칩은 여러 개의 개별 칩으로 구성되어 있는데 소형화와 저가격화로 인해서 하나의 칩 (System on a Chip; SoC) 형태로 진화하고 있습니다. 하나의 칩 형태로 집적이 가능한 공정으로는 BiCMOS와 CMOS 공정기술이 있습니다. PCS, WCDMA 등의 high-end 응용분야에서는 SiGe BiCMOS 기술을 중심으로 상업화가 이루어지고 있고, 반면, WLAN, Bluetooth 등과 같은 low-end 응용분야에서는 CMOS기술이 주도하는 경향을 보이고 있습니다. CMOS 공정이 시간이 갈수록 발전하면서 CMOS의 범주가 더 커지고 있습니다. 제가 연구하고자 하는 응용분야는 3세대 이동통신인 WCDMA 시스템, 근거리통신을 위한 5.8GHz DSRC 시스템, 그리고 UWB 시스템입니다. 각 응용분야에 대해서 하나의 칩 형태가 가능한 공정기술을 사용하였습니다. 즉, WCDMA용 송신부 RF 가변이득증폭기와 5.8GHz DSRC용 송신부 baseband 가변이득증폭기는 BiCMOS 공정기술로, UWB 용 가변이득증폭기는 CMOS 공정기술을 이용하였습니다.
또한, 반도체 소자는 온도에 매우 민감하기 때문에 이에 대한 보상이 필요하며, 또한 외부 전압의 변화에 회로가 안정적으로 동작을 해야 합니다. 이런 점을 감안하여, 가변이득증폭기를 설계하는데 있어서 온도와 전원전압 보상회로를 제안하였습니다. 제안된 회로는 온도와 전원전압 보상을 위해서 두개의 곱셈기를 이용하였습니다. 하나는 외부제어신호에 의해 변환된 전류와 내부의 bandgap 회로를 통해서 얻어진 전류의 비를 일정하게 위해서, 또 하나는 앞에서 얻어진 전류를 절대온도에 선형적으로 변화하는 전류로 만들어 주기 위해서 사용하였습니다. 이와 같은 회로를 통해서 얻어진 보상된 전류는 온도에는 선형적으로 비례하고, 전원전압 10% 변화에는 둔감한 특성을 가집니다. 이와 같은 보상회로가 첨가된 전압-전류변환기를 각각의 가변이득증폭기 설계하는데 사용하였습니다.
첫번째로, WCDMA용 송신부 MMIC를 구현하였습니다. 송신부 MMIC는 상향주파수변환기와 RF 구동증폭기로 구성됩니다. WCDMA 시스템에서는 90dB 이상의 신호레벨범위를 가져야 합니다. 주로 baseband 나 IF 단에서 가변이득을 얻게 됩니다. 하지만 RF 단에서 가변이득을 얻게 된다면, baseband나 IF 단에서의 신호레벨범위를 완화시킬 수 있고, 또한 각 단을 최적의 동작점에서 설계할 수도 있습니다. 이런 특성을 가지도록 RF 구동증폭기를 가변이득증폭기로 구현하였습니다. 우선 상향주파수 변환기는 LO와 IF leakage 신호를 효과적을 줄일 수 있는 double-balanced 구조를 이용하였고, 선형성을 위해서 MICROMIXER에서 사용된 bisymmetric Class-AB 입력단을 이용하였습니다. 완벽한 대칭성을 가지도록 위의 입력단 2개를 cross-coupled된 구조를 제안하였으며, 이를 통해서 선형성을 개선하였습니다. 다음으로 RF 가변이득증폭기는 보상회로가 첨가된 전압-전류변환기, 제어신호 변환기, 이득조절 증폭기로 세분화하여 설계하였습니다. 앞서 언급한 전압-전류변환기를 통해서 외부제어신호가 온도와 전원전압 변화에 보상된 전류로, 이어서 제안된 제어신호 변환기를 통해서 Linear-in-dB 이득특성을 가지는 전압신호로 변환되어서 이득조절증폭기의 이득을 조절합니다. 이득조절증폭기는 고주파 성능이 우수한 bipolar전류분배 구조를 이용하였고, 제어신호에 의해서 RF 신호의 양을 조절함으로써 가변이득을 얻습니다. 전체적으로 외부제어신호에 따라 내부의 보상회로 및 변환회로를 통해서 RF 신호의 흐름을 조절하는 방식으로 가변이득증폭기를 구성하였습니다. SiGe BiCMOS 공정기술로 구현된 송신부 MMIC는 다음과 같은 특성을 가집니다. 제안된 송신부 MMIC는 30dB 이상의 가변이득범위를 가지며, 출력 IP3가 25dBm 값을 얻어 매우 선형적으로 동작하는 것을 확인하였으며, 제안한 보상회로와 변환회로를 통해서 최대이득까지 Linear-in-dB 이득특성을 유지하며, 온도변화(25 ~ 80 ℃)와 전원전압변화(2.7 ~ 3.3 V)에 대해서 ±1.2 dB 미만의 이득오차를 가집니다.
두번째로, 5.8-GHz DSRC 용 가변이득 ASK modulator 집적회로를 구현하였습니다. 집적한 회로는 baseband 가변이득증폭기, ASK modulator, RF 구동증폭기, 5.8-GHz VCO으로 구성되었습니다. 선형성을 위해서 RF 구동증폭기는 Class-A의 동작점에서 구동하였으며, ASK modulator는 bipolar 소자보다 선형적인 MOSFET transconductance 단과 bipolar 스위칭 단으로 구성하였습니다. LO 신호를 생성하기 위해 complimentary LC 공진기를 이용해서 5.8-GHz VCO를 설계하였습니다. Baseband 가변이득증폭기도 선형적인 특성을 위해서 선형적인 특성을 지닌MOSFET triode transconductance를 이용하였습니다. 외부제어전압 신호가 앞서 제안한 보상회로가 첨가된 전압-전류변환기와 지수함수적 전류 변환기, 그리고 내부 제어신호 생성기를 통해서 내부제어 신호들을 baseband 가변이득증폭기에 전달합니다. 지수함수적인 전류를 통해서 triode 영역에서 동작하는 MOSFET의 transconductance (gm) 값을 조절하게 됩니다. 위의 방법을 통해서 얻어진 이득특성은 Linear-in-dB 형태를 가지게 됩니다. SiGe BiCMOS 공정기술로 구현된 5.8-GHz ASK modulator 집적회로는 다음과 같은 특성을 가집니다. 제안한 ASK modulator IC는 21.9 dB의 가변이득범위를 가지며, 제안한 제어신호 변환기와 보상회로를 통해서 Linear-in-dB 형태로 이득이 조절됩니다. 또한, 온도변화(25 ~ 80 ℃)와 전원전압변화(3.0 ~ 3.6 V)에 대해서 ±1.2 dB 미만의 이득오차를 가집니다. -45 dBc의 인접채널과의 간섭비를 유지하면서 모든 이득 레벨에서의 출력 P1dB는 +2 ~ +4 dBm 값을 가집니다. Modulator에 LO 신호를 공급하기 위해 설계된 VCO는 5.6 ~ 6.3-GHz 에서 동작하며, 5.8-GHz에서 -104 dBc/Hz값의 위상잡음(1MHz offset)을 가집니다.
마지막으로, 광대역으로 동작하는 CMOS 가변이득증폭기를 구현하였습니다. 구현한 회로는 DS-CDMA UWB 용으로 880-MHz 까지 동작을 해야 합니다. 이런 고주파 특성을 얻도록 여러가지 회로 설계기법을 사용하였습니다. 전체적인 가변이득증폭기 형태는 고주파 특성을 제한하는 Miller 효과를 줄일 수 있는 차동 cascode 구조입니다. 저전압 동작을 위해서 능동 로드를 사용하였습니다. 추가적인 고주파 특성을 얻기 위해서 능동 로드 부분에서 캐패시터를 상호 결합되는 형태로 연결함으로써 inductive peaking을 활용하였습니다. inductive peaking되는 점을 가변이득증폭기의 이득 3dB 점 근처에 위치써 동작 주파수를 늘일 수 있는 기법입니다. 또한 여러 개의 가변이득?V을 여러 개 바로 연결할 수 있도록 입력과 출력 DC 레벨을 같게 하였습니다. 이를 위해서 common-mode feedback과 브리딩 전류원을 사용하였습니다. 그리고 차동 cascode 구조에서 입력 트랜지스터는 공통 게이트 전압에 따라 triode 영역 또는 saturation 영역에서 동작합니다. 입력 트랜지스터가 triode 영역에서 동작하는 부분에서는 공통 게이트 전압에 따라 제한된 범위에서 cascode 구조의 transconductance (gm) 값이 지수함수적으로 변화하는 것을 보였습니다. 하지만, triode 영역에서 동작하면 전체 이득이 감소되기 때문에 경우에 따라서 Linear-in-dB 이득특성이 왜곡되는 saturation 영역으로도 동작하도록 하였습니다. 전체적으로 바로 연결된 3단의 가변이득 ?V과 출력단으로 신호가 흘러가도록 하였습니다. DC 오프셋을 제거하기 위한 DC 오프셋 제거기, 외부 제어신호 변환기 등으로 구성됩니다.
외부제어신호기에서는 앞에서 제안한 전압-전류 변환기를 통해서 온도와 전원전압 보상 특성을 지니게 됩니다. CMOS 공정으로 구현된 광대역 가변이득증폭기의 특성은 다음과 같습니다. 가변이득범위는 최대 94.1 dB (-38.8 ~ 55.3 dB)을 가지며, Linear-in-dB 이득특성을 가지는 가변이득범위는 79.4 dB로 제한됩니다. 이는 입력트랜지스터가 triode 영역에서 동작할 때 얻어지는 특성입니다. 앞서 설명한 회로기법을 통해서 가변이득증폭기가 900 MHz (3 dB 주파수)까지 동작합니다. 온도변화 (25 ~ 80 ℃)에 대해서 보상된 성능을 확인하였습니다.
위의 결과들은 제안된 보상회로가 첨가된 전압-전류변환기 회로가 여러 공정의 가변이득증폭기를 구현하는데 있어서 적합하며, 그 성능도 뛰어나다는 것을 입증합니다. 추가적으로 각 응용분야에 맞게 가변이득증폭기 구조를 제안하였고 이에 맞는 온도와 전원전압 보상회로를 지닌 제어신호 변환기 부분도 제안하였습니다. 위의 회로 설계 기법은 다양한 회로를 설계하는데 기본이 될 수 있습니다.
