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A Low Power and High Linearity Up Down Converter for Wireless Repeater
A Low Power and High Linearity Up Down Converter for Wireless Repeater
The Transactions of The Korean Institute of Electrical Engineers. 2015. Mar, 64(3): 433-437
Copyright © 2015, The Korean Institute of Electrical Engineers
This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/)which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
  • Received : December 09, 2014
  • Accepted : February 26, 2015
  • Published : March 01, 2015
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About the Authors
남 표 홍
School of Electrical and Electronics Engineering, Chung-Ang University, Korea.
광 진 김
School of Electrical and Electronics Engineering, Chung-Ang University, Korea.
종 은 장
EPIC Solution Co., LTd., Korea.
영 완 최
Corresponding Author : School of Electrical and Electronics Engineering, Chung-Ang University, Korea. E-mail:ychoi@cau.ac.kr

Abstract
We have designed and fabricated a low power and high linearity up down convertor for wireless repeaters using 0.35 ㎛ SiGe Bipolar CMOS technology. Repeater is composed of a wideband up/down converting mixer, programmable gain amplifiers (PGA), input buffer, LO buffer, filter driver amplifier and integer-N phase locked loop (PLL). As of the measurement results, OIP3 of the down conversion mixer and up conversion mixer are 32 dBm and 17.8 dBm, respectively. The total dynamic gain range is 31 dB with 1 dB gain step resolution. The adjacent channel leakage ratio (ACLR) is 59.9 dBc. The total power consumption is 240 mA at 3.3 V
Keywords
1. 서 론
최근 수십 년 동안 다양한 통신 기술 방식인 LTE, GSM, CDMA, WCDMA 등의 표준화, 통신 시스템 기술 개발 및 연구가 진행되고 있다. 무선 통신 서비스 요구가 증대됨에 따라 통신 시스템이 복잡해지고 통신 대역이 증가하게 되면서 서로의 무선 통신 대역에 영향을 끼칠 수 있게 된다. 또한, 통신 신호 품질은 빌딩, 건물 등의 다양한 환경적인 요소로 인하여 도심 지역에서는 크게 저하되는 요인으로 발생된다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 실생활 주변에 많은 중계기들을 설치함으로써 보다 높은 신호 감도와 통화 품질을 얻을 수 있다. 중계기 시스템은 원하는 신호의 대역만을 선택하고 증폭해주는 역할을 한다. 이는 주변의 신호 간섭을 제거하고 원하는 신호 대역만을 선택하기 위해서는 Q-factor가 매우 높은 band pass filter (BPF)가 요구되어지며 이를 해결하기 위해 RF (Radio Frequency)를 IF (Intermediate Frequency)로 전환하여 매우 높은 Q-factor IF SAW 필터를 이용하여 원하지 않는 신호의 대역을 제거하는 방법으로 그림 1 에 보여준다. 이를 위해서는 매우 높은 선형성을 갖는 증폭기와 mixer가 요구되어 진다. 또한 최근에 이슈로 떠오르는 그린 IT 분야에서 요구되는 전력 소비도 고려되어야할 사항이다.
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무선 중계기용 up down converter 블록 다이어그램 Fig. 1 Up down converter block diagram
본 논문에서는 중계기용 저전력, 높은 선형성을 갖는 up down convertor (UDC)를 제안하였다. UDC는 DC~3 GHz up/down mixer, Tx buffer, programmable gain amplifier (PGA), 구동 증폭기와 integer-N phase locked loop (PLL)로 구성되어 on-chip으로 구현하였다. Wideband 입력 주파수 대역을 커버함으로써 다양한 통신 시스템에 적용할 수 있으며, RF와 IF를 자유롭게 선택할 수 있는 programmable wide range PLL 그리고 1 dB씩 변하는 PGA를 이용함으로써 중계기의 이득을 자동적으로 제어할 수 있는 특징을 갖는다.
2. 본 론
- 2.1 무선 중계기 시스템 구조
일반적인 무선 중계기는 두 개의 path로 구성되어 있다. 중계기와 baseband station으로 연결된 up link path와 중계기와 모바일 기기와 연결된 down link path로 이루어졌다. 무선 중계기는 LNA, up/down mixer, Rx/Tx PGA, IF SAW filter 구동 증폭기, drive amplifier, power amplifier로 구성되어 있다. 본 논문에서는 중계기용 up down converter와 integer-N PLL를 on-chip화로 구현하였으며, 그림 1 과 같이 구성되어 있다.
중계기 시스템에서는 isolation이 매우 중요한 factor로 작용한다. 첫 번째로 down mixer와 up mixer간의 격리도로 55 dB 이상이 요구되어 진다. 이는 IF SAW가 down 변환되고 증폭된 원하지 않는 신호를 55 dB 억제할 수 있어 이보다 더 높은 격리도를 갖도록 설계해야 한다. 두 번째로 PLL 디지털 노이즈와 up converting mixer 출력 신호 간의 격리도이다. 일반적으로 무선 중계기들의 스퓨리어스 (spurious)는 약 −105 dBm 미만이 되어야 하며, 3.3 V 디지털 회로의 경우는 약 −120 dB 이상의 격리도가 요구되어 진다.
- 2.2 Up down converter 구현
Gilbert-cell 구조의 mixer에 여러 가지 기법들을 추가하여 선형성과 전력 소비를 향상시켰다. 그림 2 는 capacitor cross-coupling (CCC) 기법, PMOS 스위치를 이용하여 전류를 인가하는 current bleeding 기법과 multi-gate transistor (MGTR)를 적용한 mixer이다. 두 개의 병렬 트랜지스터 M1과 M3 (M2와 M4)는 서로 다른 전압과 트랜지스터의 width의 차이를 통해 DC 전달함수와 3차 미분 성분을 “0”에 가깝게 만들어 줌으로써 비선형 성분을 억제해준다 [1] . 트랜지스터 M1과 M2는 strong inversion 영역 그리고 M3와 M4는 weak inversion 영역에서 동작할 수 있도록 서로 다른 DC bias 전압을 인가한다. 이로 인해 M1과 M2에서 발생되는 3차 비선형 성분을 상쇄시켜 높은 선형성을 얻을 수 있는 방법이다 [2] .
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CCC와 MGTR를 적용한 up/down mixer Fig. 2 Up/down mixer of CCC and MGTR method
그림 3 는 높은 이득과 넓은 대역을 갖는 PGA를 설계하였다. PGA의 이득은
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으로 gain control logic을 이용하여 Rdeg 저항 값을 선택적적으로 바꿀 수 있으며 서로 다른 PGA의 이득을 얻을 수 있다. PGA의 이득을 얻는데 있어서 2가지의 중요한 다른 요소가 존재한다 [4] . 첫 번째로 PGA가 서로 다른 이득을 갖더라도 동일한 PGA gain bandwidth를 갖아야 한다. 이는 저항 Rdeg의 변화에 따라서 gain bandwidth도 따라서 변화게 되는데 이는 PGA가 최대 이득을 갖을 때, 넓은 gain bandwidth를 갖는 것이 쉽지 않기 때문이다. 게다가 최대 이득일 때 가장 나쁜 노이즈 피겨를 갖게 된다. 이는 중계기 시스템에서 인접 채널에 영향을 줄 수 있는 요소로 최대 이득일 때 가장 좋은 노이즈 피겨를 갖도록 설계해야 하며 식 (2)와 같이 나타낼 수 있다 [3] .
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Degeneration PGA Fig. 3 Degeneration PGA
Degeneration 저항 Rdeg의 변화는 증폭기의 선형성을 향상시켜 줄 수 있으며, BJT의 출력 임피던스에 의해서 Rload 저항의 비선형성을 완화시킬 수 있다. Down link PGA (RXPGA) 이득은 2/6/10/14 dB로 증가하고, up link PGA (TXPGA) 이득은 2에서 33 dB까지 1 dB씩 증가한다.
IF SAW filter은 중계기 시스템에서 원하는 주파수 대역만 통과시키고 그 외의 주파수 대역은 제거해주는 역할을 한다. 다른 통신 시스템에서 발생되는 주파수 대역의 전력, OIP3 등의 사양은 SAW filter 이전에 매우 중요한 요소로 나타난다. OIP3 사양이 충족되지 못하면 인접 대역의 시스템에서 발생되는 삼차 고조파에 의해서 원하는 대역의 신호를 저하 시킬 수 있다. 50 Ω 구동을 하는 IF SAW filter의 경우 25 dBm 이상의 OIP3 스펙이 mixer로부터 요구되어지는데, 일반적인 mixer의 경우 쉽게 설계하기 어려운 문제점이 있다.
이를 위해 mixer와 IF SAW filter사이에 filter에서 요구되는 스펙을 구동할 수 있는 구동 증폭기가 요구된다. 그림 4 는 다일링톤 구조에 resistor 피드백을 이용하여 필터 구동 증폭기를 설계하였다. 이는 높은 입력 임피던스와 낮은 출력 임피던스를 갖는 버퍼 구조이다. 또한, 두 개의 BJT조합으로 인해 최대 트랜스 임피던스를 증가시키면서 높은 unit 전류 이득 차단 주파수를 갖는다 [5] .
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Darlington amplifier Fig. 4 Darlington amplifier
- 2.3 측정 결과
그림 5 는 0.35 μm SiGe Bipolar CMOS 공정을 이용하여 제작한 무선 중계기용 up down converter와 integer-N PLL을 하나로 구현한 마이크로 포토로 전체 칩 사이즈는 3200 μm × 2000 μm이다.
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Up down converter 마이크로 포토 Fig. 5 Microphotograph of up down converter
그림 6 은 up down converter의 two-tone 측정 결과이다. 1840 MHz로 up conversion 되었을 때 OIP3는 17.8 dBm이고, 70 MHz로 down conversion 되었을 때 OIP3는 32 dBm을 갖는다.
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Two-tone 측정결과 Fig. 6 Two-tone measurement results
그림 7 은 adjacent channel leakage ratio (ACLR) 측정 결과이다. 1840 MHz일 때 59.9 dBc의 ACLR를 갖으며, 이는 일반적인 무선 중계기의 ACLR 스펙에 충족한다. 그림 8 은 integer-N PLL의 스퓨리어스의 측정 결과이다. In band 스퓨리어스는 maximum −94 dBm이고, out band 스퓨리어스는 −104 dBm의 성능으로 RF part와 PLL 디지털 노이즈 간에 isolation을 만족한다.
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ACLR 측정 결과 Fig. 7 ACLR measurement results
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PLL in/out band 스퓨리어스 측정 결과 Fig. 8 PLL in/out band spurious measurement results
그림 9 은 PGA의 gain control logic의 변화에 따라서 PGA의 이득과 이득 error에 대한 측정 결과이다. PGA 이득은 2에서 33 dB까지 1 dB씩 증가 되는 것을 확인 할 수 있었으며, 2 dB 부터 33 dB 까지 이득 변화에 따라 약 ± 0.2 dB의 오차를 갖는다. 제작된 up down converter의 측정 결과는 표 1 과 같이 정리하였다.
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Gain control logic에 따른 이득과 이득 에러 측정 결과 Fig. 9 Gain control word vs. voltage gain and gain error measurement results
Up down converter 측정 결과Table 1Up down converter measurement results
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Up down converter 측정 결과 Table 1 Up down converter measurement results
3. 결 론
본 논문은 무선 중계기에 적용할 수 있는 저전력과 높은 선형성을 갖는 up down converter을 제안하였다. Up down converter와 integer-N PLL를 on-chip화한 무선 중계기용 칩을 설계 및 구현하였다. Up down converter는 capacitor cross-coupling 기법과 multi-gate transistor 기법을 적용하여 저전력, 높은 선형성을 갖도록 설계하였다. 이는 DC ~ 3000 MHz까지 동작할 수 있으며 up conversion 시 17.8 dBm OIP3를 down conversion시 32 dBm OIP3을 갖는다. ACLR은 1840 MHz에서 59.9 dBc로 일반적인 중계기 시스템에서 요구하는 스펙을 만족하고, PLL에서의 스퓨리어스는 −104 dBm으로 PLL 디지털 노이즈와 up down converter간의 노이즈를 isolation 시킬 수 있다. 본 논문에서 제안한 up down converter는 저전력, 높은 선형성과 높은 격리도를 갖으며 다양한 무선 통신 시스템에 적용할 수 있는 장점이 있다.
Acknowledgements
본 연구는 2009년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업 (No. 2009-0093817)의 연구 및 한국연구재단을 통해 미래창조과학부의 미래유망 융합기술 파이오니아사업 (No. NRF-2014M3C1A3051969)의 지원을 받아 수행된 연구로서, 관계부처에 감사드립니다.
BIO
홍 남 표(Nam Pyo Hong)
2007년 중앙대학교 전자전기공학부 졸업
2007년~ 중앙대학교 대학원 전자전기공학부 (석·박 통합과정)
김 광 진(Kwang Jin Kim)
2007년 중앙대학교 전자전기공학부 졸업
2009년 중앙대학교 대학원 전자전기공학부 (공학석사)
2014년 중앙대학교 대학원 전자전기공학부 (공학박사)
장 종 은(Jong-Eun Jang)
1996년 University of California at LA, Dept. EE (공학학사)
1999년 University of California at LA, Dept. EE (공학석사)
2009년~ 현재 (주)에픽솔루션 대표이사
최 영 완(Young-Wan Chio)
1987년 SUNY at Buffalo Dept. of ECE (공학석사)
1992년 SUNY at Buffalo Dept. of ECE (공학박사)
1995년~ 현재 중앙대학교 전자전기공학부 교수
References
Zhuo W. , Embabi S. , de Gyvez J.P. , Sanchez-Sinencio E. 2000 “Using capacitive cross-coupling technique in RF low noise amplifiers and down-conversion mixer design” Proc. ESSCIRC 116 - 119
Liang K.-H. , Lin C.-S. , Chang H.-Y. , Chen Y.-J. 2008 “A new linearization technique for CMOS RF mixer using third-order transconductance cancellation” IEEE Microw. Wireless Compon. Lett. 18 (5) 350 - 352    DOI : 10.1109/LMWC.2008.922129
Behbahani F. , Karimi-Sanjaani A. , Tan W-G , Roithmeier A. , Leete J. C. , Hoshino K. , Abidi A. A. 2001 “Adaptive analog IF signal processor for a wide-band CMOS wireless receiver” IEEE Journal of Solid-State Circuits 36 (8) 1205 - 1217    DOI : 10.1109/4.938371
Razavi B. 1998 RF Microelectronics Prentice-Hall NJ
Weng S-H , Chang H-Y , Chiong C-C , Wang Y-C 2012 “Gain-Bandwidth Analysis of Broadband Darlington Amplifiers in HBT-HEMT Process” Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on 60 (11) 3458 - 3473    DOI : 10.1109/TMTT.2012.2215051
Heydari P. 2004 “Analysis of the PLL jitter due to power/ground and substrate noise” IEEE Trans. Circuits Syst. I: Regular Papers 51 (12) 2404 - 2416    DOI : 10.1109/TCSI.2004.838240