2.4 GHz ZigBee 응용을 위한 CMOS LNA 설계 최적화 = Optimization of CMOS LNA Design for 2.4 GHz ZigBee Application

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 2.4 GHz ZigBee 응용을 위한 저전력 CMOS LNA 설계에 대하여 두 가지 방법과 결과를 소개하고 최적화 방안을 제시하였다. 첫째는 ZigBee가 요구하는 저전력 소모를 만족하기 위해서 전류 재사용 기법을 이용한 LNA 구조를 채택하여 특성을 확인하였다. Cadence Spectre를 이용하여 모의실험 해 본 결과, 전류 재사용 구조는 저전력 소모를 하고 비교적 낮은 잡음 지수를 가지는 것을 확인할 수 있었으며 기존에 발표된 ZigBee 응용을 위한 LNA에 비해 40 % 이상 전력 소모를 감소시킬 수 있음을 알 수 있었다. 하지만 저전력 소모를 하기 위해 선형 특성이 저하되는 결과를 보였다. 둘째로는, LNA 특성들의 트레이드-오프 관계를 고려하여 전력 소모와 이득, 잡음 지수, 선형 특성을 최적화하기 위한 구조를 제시하고 모의실험을 통하여 분석하였다. 그 결과 전류 재사용 기법을 사용한 LNA보다 전류 소모는 9.4 % 높지만 최적화를 통하여 주어진 설계 사양을 모두 만족하는 결과를 얻을 수 있었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this paper, two approaches of low-power CMOS LNA design for 2.4 GHz ZigBee applications and the optimization procedures are presented.
In the first approach, a current-reuse technique is adopted to the architecture of LNA to satisfy low-power dissipation required in the ZigBee standards. The simulation results using Cadence Spectre show that current-reuse architecture has low-power dissipation and low noise figure. By analysis of the designed LNA, it was found that the use of the current-reuse technique leads to 40 % decrease of power dissipation, while linearity characteristics are deteriorated. In the second approach, various design parameters such as power dissipation, gain, noise figure and linearity characteristics are optimized considering trade-off relationships. Simulation results of the optimized LNA are satisfied with all of the design specifications while the power dissipation is only 9.4 % higher than that of current-reuse architecture.

목차 (Table of Contents)

• 목차
• 표목차 = ⅰ
• 그림목차 = ⅱ
• 기초 및 약어 설명 = ⅳ
• 국문요약 = ⅴ
• Ⅰ. 서론 = 1
• 1.1 연구 배경 및 내용 = 1
• 1.2 논문의 구성 = 2
• Ⅱ. LNA 개요 및 연구 방향 = 3
• 2.1 수신기 구조 = 3
• 2.1.1 수신기의 전단부 = 4
• 2.1.2 전체 시스템에서의 LNA 블록 = 6
• 2.2 트레이드-오프 관계 = 6
• 2.3 잡음의 정의 및 종류 = 7
• 2.3.1 산탄 잡음 = 8
• 2.3.2 열 잡음 = 8
• 2.3.3 플리커 잡음 = 9
• 2.3.4 버스트 잡음 = 9
• 2.3.5 애벌런치 잡음 = 9
• 2.4 잡음 지수의 정의 및 특성 = 11
• 2.5 LNA의 기본적인 이론 = 13
• 2.5.1 안정도 = 13
• 2.5.1.1 안정조건 = 13
• 2.5.2 정합의 두 가지 형태 = 16
• 2.5.2.1 일정 이득원 : 단방향성인 경우 = 16
• 2.5.2.2 Simultaneous Conjugate 정합 : 양방향성인 경우 = 19
• 2.5.3 이득 = 21
• 2.5.3.1 동작 전력 이득원 = 21
• 2.5.3.2 가용 전력 이득원 = 23
• 2.5.4 잡음 = 24
• 2.5.4.1 잡음이 있는 경우의 2단 회로망 = 24
• 2.5.4.2 일정 잡음 지수원 = 27
• 2.5.5 선형 특성 = 29
• 2.6 슈퍼헤테로다인 수신기에서 LNA의 특성 = 31
• 2.7 ZigBee가 요구하는 조건 = 32
• 2.8 LNA 전력 소모 감소를 위한 연구 = 32
• 2.8.1 연구 내용 및 방법 = 33
• 2.8.2 전류 재사용 기법을 사용한 LNA = 33
• 2.8.3 파라미터 트레이드-오프 관계를 고려한 LNA 최적화 = 34
• Ⅲ. 전류 재사용 기법을 이용한 저전력 CMOS LNA = 35
• 3.1 LNA 구조 = 35
• 3.1.1 캐스코드 구조 = 36
• 3.1.2 전류 재사용단 = 38
• 3.1.3 Degeneration 인덕터 = 39
• 3.1.4 PCSNIM 기법 사용한 추가 캐패시터 = 40
• 3.1.5 임피던스 정합 = 40
• 3.1.6 소자 파라미터 = 41
• 3.2 모의실험 및 검증 = 42
• 3.2.1 전력 소모 특성 = 42
• 3.2.2 산란 파라미터 특성 = 43
• 3.2.3 잡음 지수 특성 = 44
• 3.2.4 선형 특성 = 45
• 3.3 선형 특성 향상 위한 방법 = 46
• 3.3.1 MOSFET 채널 폭 비율 변화 = 47
• 3.3.2 입력 반사 손실 변화 = 48
• 3.3.3 선형 특성 향상에 따른 모의실험 결과 = 48
• 3.3.3.1 산란 파라미터 특성 = 49
• 3.3.3.2 IIP3 특성 = 50
• 3.4 소결론 = 50
• Ⅳ. 캐스코드 구조를 이용하여 최적화한 LNA = 53
• 4.1 최적화 설계 목표 = 53
• 4.2 LNA 구조 = 54
• 4.2.1 소자 파라미터 = 55
• 4.3 모의실험 및 검증 = 56
• 4.3.1 전력 소모 특성 = 56
• 4.3.2 산란 파라미터 특성 = 56
• 4.3.3 잡음 지수 특성 = 57
• 4.3.4 선형 특성 = 58
• 4.4 소결론 = 59
• Ⅴ. 결론 = 61
• 참고문헌 = 63
• ABSTRACT = 65