SiGe HBT를 利用한 IMT-2000 端末機用 可變利得 增幅器 設計 및 製作
IMT-2000 RF 송신단의 특징은 기존 서비스(Cellular, PCS)에 비해 2 GHz의 주파수대를 이용하면서 더 큰 선형성을 요구하며, 효율적인 주파수 할당을 위한 다중대역폭의 구현이 필요하다는 것이다. 즉, Voice, Data, Image 전송에 적합한 대역폭 선택기능이 필요하므로 IMT-2000 RF 송신단 주파수 대역인 1.92 GHz에서 1.98 GHz 까지 일정한 특성을 갖는 회로를 구성하여야 한다. 이러한 IMT-2000 통신 시스템 회로에서의 많은 회로들은 신호 레벨을 제어하기 위한 장치들을 필요로 하며, 출력신호의 크기를 변화시키는 가변이득 증폭기는 이러한 목적을 위하여 꼭 필요한 회로라 할 수 있다. IMT-2000 시스템을 위한 가변이득 증폭기는 출력전력이 변화하는 동안 넓은 동적 범위, 높은 선형성을 갖는 가변이득 범위 그리고, 낮은 왜곡 특성을 필요로 한다. 더욱이 낮은 전압동작은 단말기의 크기를 줄이기 위해 필요한 요소가 된다.
기존에 GaAs MESFET(MEtal-Semiconductor Field Effect Transistor)를 사용한 가변이득 증폭기와 가변 감쇄기의 좋은 특성들이 보고된바 있으나 이러한 결과들은 위에서 언급한 네 가지 특징을 동시에 만족하지 못하고 있다.
따라서 본 논문에서는 높은 선형성을 갖는 Siemens 社의 SiGe HBT를 이용하여 IMT-2000 단말기의 송신단에 들어가는 가변이득 증폭기를 1.92 GHz ∼ 1.98 GHz 대역 사이에서 2.7 V 의 전압에서 동작하도록 HMIC(Hybrid Microwave Integrated Circuit)형태로 설계 및 제작하였으며, 이때의 조절전압은 0.65 V에서 0.85 V 사이의 값을 갖는다. 최초의 조절전압은 0 V ∼ 2.7 V 의 범위였으나 제작의 신뢰성을 위해서 전체회로에서 이득조절을 담당하는 회로중 일부분을 제외하고 제작 및 측정을 하였다. 따라서 실질적으로 이득조절을 담당하는 트랜지스터의 베이스로 인가되는 전압은 0.65 V ∼ 0.85 V 의 전압을 인가하게 된다. 입력 VSWR은 조절전압이 변했을 때 최대 1.46 의 값을 갖으며, 출력 VSWR은 1.8 의 값을 갖는다. 조절전압이 0.65 V 일 때 선형이득은 -5.8 dB 의 값을 갖으며, 0.85 V 일 때 28 dB 의 값을 갖는다. 따라서 선형이득의 값에서 볼 때 가변이득 범위는 34 dB를 갖는다. 출력전력은 0.65 V 일 때 -26 dBm 의 값을 갖으며, 0.85 V 일 때 10.4 dBm 의 값을 갖는다. 회로에서 소비되는 전류는 23 mA ∼ 33 mA 의 범위를 갖는다. 제작시 기판은 유전율 4.7, 유전체 두께 0.812 8 mm, 도체 두께 0.0356 mm를 갖는 FR4 기판을 사용하였다.
본 논문의 전체적인 구성은 제 2 장에서 SiGe 이종접합 바이폴라 트랜지스터에 대한 이론, 제 3 장에서 트랜지스터 증폭기 설계이론, 제 4 장에서 IMT-2000 단말기용 가변이득 증폭기의 설계, 제 5 장에서 가변이득 증폭기의 제작 및 측정결과, 제 6 장 결론으로 구성되어 있다.
A SiGe HBT variable-gain amplifier has been developed for IMT-2000 handsets. The amplifier exhibits a 28 dB maximum gain and over 34 dB of gain-control range in a 1.92 ∼ 1.98 GHz band. The amplifier was designed for a 1.95 GHz radio-frequency transceiver for the IMT-2000 Handset System applications. Based on a bias dependency of the transistor's transconductance, the power gain is waried with controlling the base current of the transistor, i.e. changing the device gm. This has an advantage of being able to obtain low dc power dissipations. The amplifier has an input VSWR of 1.46, output VSWR of 1.80 , 1-dB gain compression output power of 10.4 dBm at 1.95 GHz. The gain varies linearly as the gain-control voltage varies from 0.65 to 0.85 V which is insensitive to supply variations for a given gain-control setting.
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