[기고] 0dBm LO 구동으로 동작하는 광대역 3GHz ~ 20GHz 고성능 통합형 믹서 설계하기
  • 2021-07-08
  • 글 / 아나로그디바이스 수동 왕 RFIC 설계 엔지니어, 빌 벡위스 RFIC 설계 엔지니어, 톰 쉴츠, 웨스턴 사피어, 마이클 벡웰 RFIC 설계 엔지니어


이 글에서는 0dBm LO 구동으로 동작하는 광대역 3GHz ~ 20GHz SiGe 수동 믹서를 소개한다. 이 믹서는 혁신적인 바룬(balun) 구조 덕분에 폭 넓은 RF 대역폭 지원이 가능하다. IF에도 동일한 바룬 토폴로지를 사용해서 300MHz ~ 9GHz의 넓은 IF 대역폭 지원이 가능하게 할 수 있다.

이 고성능 더블 밸런스드 믹서를 사용해서 상향변환을 하거나 하향변환을 할 수 있다. 이 믹서는 크기가 매우 작은 2mm×3mm 12핀 QFN 패키지로 제공되며, 23dBm IIP3과 14dBm P1dB를 특징으로 한다. 또한 3.3V 전원으로 132mA를 소모한다.




광대역 믹서는 다기능 무선 트랜시버, 마이크로파 트랜시버, 마이크로파 백홀, 레이더, 테스트 장비 같은 다양한 애플리케이션에 사용된다. 믹서가 대역폭이 넓으면 무선 아키텍처에 단일 믹서를 사용해서 다양한 무선 파라미터를 즉각적으로 프로그램할 수 있게 할 수 있다.

CMOS나 BiCMOS 같이 향상된 실리콘 기반 기술들은 비교적 협대역 애플리케이션에서 고성능 믹서 제품들을 위한 특성을 보여주었다. 그런데 점점 더 발전하는 IC 제조 기법이나 공정 노드들과 호환되는 집중 소자(lumped elements)나 그 밖에 다른 구조들을 사용해 광대역 믹서를 만들 수 있다면 이는 여러 면에서 유리하다. 밸런스드 믹서가 일반적으로 선호되는 토폴로지인데, 이는 선형성, 잡음 지수, 포트-대-포트 격리 등의 측면에서 비교했을 때 전반적인 성능이 밸런스드 믹서가 그렇지 않은 믹서보다 더 우수하기 때문이다.

바룬은 밸런싱과 언밸런싱 구성 사이에서 RF, LO, IF 신호를 변환하기 위해 싱글 밸런스드 믹서나 더블 밸런스드 믹서에 사용되는 핵심적인 소자이다. 광대역 통합 믹서를 생산할 수 있도록 표준 IC 파운드리 공정에 바룬을 통합하는 것이 매우 중요하다.
이 글에서는 실리콘, GaAs, 그 밖에 다른 공정에 손쉽게 통합할 수 있는 혁신적인 바룬 구조를 소개한다. 이 바룬 토폴로지는 기존의 바룬 구조에 비해 훨씬 더 넓은 대역폭 지원이 가능하다. 이 광대역 바룬을 적용해서 0.18μm SiGe BiCMOS 공정으로 3GHz~20GHz 고성능 믹서를 설계했다.

광대역 바룬

믹서에서 중요한 성능 파라미터는 변환 이득, 선형성, 잡음 지수, 동작 대역폭이다. 믹서에 통합되는 바룬은 믹서의 이 모든 성능 파라미터에 상당한 영향을 미친다. 통합된 바룬의 핵심적인 성능 파라미터에는 동작 주파수 범위, 삽입 손실, 진폭/위상 평형, 공통 모드 제거비(CMRR), 물리적 크기 등이 포함된다.

IC에 통합하기 위해서 주로 사용되는 두 가지 바룬 구조는 전통적인 평면형 트랜스포머 바룬1,2과 마르샹(Marchand) 바룬이다3,4. 두 가지 바룬 구조 모두 협대역 애플리케이션에서 우수한 성능을 달성한다. 평면형 트랜스포머 바룬은 긴밀하게 결합된 2개의 트랜스포머로 이루어진다. 인덕터의 자기 인덕턴스와 공진 주파수가 대역폭을 제한하는 두 가지 주된 요인이다. 자기 인덕턴스(self-inductance)는 저주파수 쪽에서 대역폭을 제한하고, 밸런싱 단자와 언밸런싱 단자 상의 비대칭 종단과 기생 커패시턴스는 고주파수 쪽에서 대역폭을 제한한다.

마르샹 바룬은 4개의 1/4 파장 트랜스미션 라인으로 이루어지고, 대체로 칩 상에서 넓은 면적을 필요로 한다. IC에 인터리브 트랜스포머 레이어를 사용하여 구현한 미니어처 마르샹 바룬도 소개되고 있다. 마르샹 바룬의 대역폭은 각 라인 세그먼트에서 필요로 하는 전기적 길이에 따라서 제한된다. 이 전기적 길이가, 요구되는 1/4 파장과 차이가 클수록 진폭 및 위상 평형이 저하된다. 일반적으로 잘 설계된 트랜스포머 바룬이나 마르샹 바룬은 적정 성능을 유지하면서 최대 대 최소 주파수 비가 3~4배인 주파수 범위를 지원할 수 있다.

루스로프(Ruthroff) 바룬은 매우 넓은 대역폭 지원이 가능한 것으로 잘 알려져 있으며5,6,7, 루스로프 구조를 적용한 많은 디스크리트 소자들이 개발되었다. 하지만 마이크로파 IC에 비슷한 구조를 적용한 제품은 찾아보기 어렵다.

그림 1a는 루스로프 방식 광대역 바룬 회로를 보여주는 것으로서, 이 바룬 구조는 평면형 반도체 공정에 3개의 인덕터를 사용해서 손쉽게 구현할 수 있다. 그림 1b는 한 가지 레이아웃을 예시한 것이다. 이 레이아웃은 2개의 금속 레이어만을 필요로 한다. 후막(thick) 금속 레이어는 3개의 저손실 인덕터를 위한 것이고, 하단 금속 레이어는 배선 접속을 위한 것이다. 여기에 후막 금속 레이어를 하나 더 추가로 사용하면 L1과 L3을 수직으로 결합함으로써 크기를 축소할 수 있으며, 이들 인덕터 사이에 더 우수한 자기 결합을 달성할 수 있다.



광대역 기능은 구조를 단순화하고 기생 커패시턴스를 줄일 수 있게 해준다. 싱글 엔디드(single ended) 신호는 전압을 L1 및 L2로 나눈 것이다. 따라서 바룬의 양(+)의 포트는 싱글 엔디드 신호 전압의 정확히 절반이면서 동일한 위상이다. 바룬의 음(-)의 포트는 싱글 엔디드 신호 전압의 절반이면서 L1과 L3의 음의 결합으로 인해서 180° 위상차를 갖는다.

이 바룬 구조는 매우 넓은 대역폭에 걸쳐서 뛰어난 진폭 및 위상 평형을 달성한다. 그림 2는 시뮬레이션을 통해서 측정된 광대역 바룬 구조의 성능을 보여준다. 진폭 불평형은 S21과 S31 사이의 차이고, 위상 오차는 원하는 180°에 대한 S21과 S31의 위상차다.



이 그림에 적용된 바룬은 3GHz~20GHz까지 진폭 평형이 매우 우수하고 위상차가 180°에 가깝다. 공통 모드 제거비는 밸런싱 믹서와 푸시풀(push-pull) 증폭기 같은 다양한 애플리케이션에 바룬을 사용할 때 중요하다. 그림 5b의 시뮬레이션 결과를 보면, 이 3-인덕터 바룬은 3GHz~20GHz 범위에서 CMRR이 20dB 이상이라는 것을 알 수 있다.



트랜스포머 바룬 토폴로지와 마찬가지로 이 3-인덕터 바룬의 대역폭은 저주파수 쪽에서 인덕턴스와 고주파수 쪽에서 기생 커패시턴스에 의해서 제한된다. 인덕턴스가 낮으면, 부하 임피던스는 3번 포트를 위한 L1과 L2 사이의 전압 분할과 2번 포트를 위한 변환 전압에 좀더 영향을 미친다. 저주파 대역에서 진폭 평형과 위상차가 허용 가능한 수준이라 하더라도 삽입 손실이 증가한다. 그러므로 단자 임피던스가 낮거나 인덕턴스가 높으면 저주파 성능에 유리하다.

고주파대역에서는 L1과 L2 사이의 기생 커패시턴스가 트랜스포머 성능을 저하하고, 그 결과 커다란 위상 오차를 일으킨다. 기생 커패시턴스를 줄이도록 신중하게 레이아웃 작업을 함으로써 바룬의 고주파 동작 범위를 확장할 수 있다.

통합되는 바룬의 물리적 크기는 대역폭의 저주파수 쪽을 제한한다. 저주파수 애플리케이션에서 이 바룬 구조의 타당성을 시험하기 위해, 0.5GHz~6GHz 바룬을 설계하여 기존의 트랜스포머 기반 바룬과 비교했다. 그림 3은 이 성능 결과를 보여준다.



통합형 광대역 RF/마이크로파 믹서

이 3-인덕터 바룬 구성을 사용해서 재즈 세미컨덕터(Jazz Semiconductor)의 SiGe 0.18μm 공정으로 광대역 더블 밸런스드 수동 믹서를 설계했다. 이 믹서의 RF, IF, LO 포트는 50Ω 싱글 엔디드이고, RF 포트와 IF 포트에 바룬을 통합했다. RF 바룬은 3GHz~20GHz RF 주파수 범위를 지원하고, IF 바룬은 매우 넓은 500MHz ~ 9GHz 주파수 범위를 지원한다.

싱글 엔디드 LO 신호를 능동 증폭기 회로를 사용해서 내부에서 차동 신호로 변환함으로써 칩 크기를 줄인다. 고속 NPN을 사용한 2스테이지 광대역 증폭기는 1GHz~20GHz 주파수 범위에서 0dBm 입력 전력만으로 수동 믹서의 MOSFET 게이트에 충분한 신호 전압 스윙을 제공한다.



이 믹서는 인터커넥션용으로 구리 기둥을 사용하는 2mm × 3mm 크기의 소형 플립칩 QFN 패키지이다. 구리 기둥 커넥션은 추가되는 기생성분이 매우 낮으므로 실리콘으로부터 광대역 성능을 보전할 수 있다. 이 믹서는 3.3V 전원을 사용해서 바이어스하며, 전류 소모는 실온에서 132mA이다.

그림 5에서는 변환 손실과 IIP3 성능을 보여준다.8 이 믹서의 RF, LO, IF 포트는 폭 넓은 동작 주파수 범위에 대해 잘 매칭(match)되었다. 그림 6은 이들 포트의 반사 손실(return loss)을 나타낸다. 이 그림을 통해, RF 반사 손실은 IF 포트 임피던스에 영향을 받는다는 것을 알 수 있다. 그림 6a의 결과는 0.9GHz의 IF 주파수를 사용해서 측정된 것이다.




시중의 다른 광대역 믹서와 비교해 보면, 3-인덕터 바룬을 사용해서 설계된 이 믹서는 RF와 IF 범위 모두에서 가장 넓은 대역폭을 달성한다. 또한 가장 높은 집적도에 대해 요구되는 LO 파워가 가장 낮다. 지금까지 발표된 어떤 광대역 믹서 제품보다도 전반적인 성능이 훨씬 우수하다는 것을 알 수 있다.
맺음말
이 글에서는 최신 반도체 공정의 평면적 구현과 잘 맞는 루스로프 방식 광대역 바룬 구조에 대해서 소개했다. 이 광대역 바룬을 사용한 고성능 더블 밸런스드 믹서를 설계하고 측정된 성능 결과를 살펴보았다.
 

참고문헌
1. Alberto Costantini, Ben Lawrence, Simon Mahon, James Harvey, Gerry McCulloch, and Alexandre Bessemoulin. “Broadband Active and Passive Balun Circuits: Functional Blocks for Modern Millimeter-Wave Radio Architectures.” 2006 European Microwave Integrated Circuits Conference, September 2006.
2. Tin Hao Chen, Kai Chang, Hongmei Wang, G. Samuel Dow, Lu Liu, Stacey Bui, and Tzer Shen Lin. “Broadband Monolithic Passive Baluns and Monolithic Double-Balanced Mixer.” IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 39, No. 12, December 1991.
3. Chien-Hsiang Huang, Chien-Hsun Chen, and Tzyy-Sheng Horng. “Design of Integrated Planar Marchand Balun Using Physical Transformer Model.” 2009 Asia Pacific Microwave Conference, December 2009.
4. Sheng-Che Tseng, Chinchun Meng, Chia-Hung Chang, Chih-Kai Wu, and Guo-Wei Huang. “Monolithic Broadband Gilbert Micromixer with an Integrated Marchand Balun Using Standard Silicon IC Process.” IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 54, No. 12, December 2006.
5. Clyde Ruthroff. “Some Broadband Transformers.” Proceedings of the IRE, Vol. 47, August 1959.
6. Richard H. Turrin. “Application of Broad-Band Balun Transformers.” QST, April 1969.
7. Shi-Lang Yang, Dhiren Bhatt, and Wei-Ping Zheng. U.S. patent US6133525. October 2000.
8. LTC5553 Data Sheet. Analog Devices, Inc., 2017.
9. Xudong Wang, William Beckwith, and Thomas Schiltz. U.S. patent US9312815. April 2016.


저자 소개
수동 왕(Xudong Wang)은 아나로그디바이스(콜로라도주 콜로라도 스프링스)의 RF/마이크로파 설계 엔지니어이다. 노스웨스턴 폴리테크니컬 대학에서 박사학위를 취득했으며, RF/마이크로파 설계 분야에서 29년 넘게 경험을 쌓고 있다. 관련 저널과 컨퍼런스에 50건 이상의 기술 논문을 발표했다. 미국 및 국제 특허 12건을 보유하고 있다. 문의: xudong.wang@analog.com

빌 벡위스(Bill Beckwith)는 아나로그디바이스(콜로라도주 콜로라도 스프링스)의 선임 RFIC 설계 엔지니어로서, 2017년부터 마이크로파/밀리미터파 증폭기 및 스위치 설계를 맡고 있다. 그 전에는 리니어 테크놀로지(Linear Technology)에서 고성능 SiGe 및 CMOS 믹서 설계를 맡았다. 그보다 전에는 모토로라 반도체(Motorola)에서 GaAs RF 스위치, 믹서, 증폭기, 광대역 수동 소자 설계를 담당했다. 1984년에 조지아 공과대학에서 BSEE 및 1990년에 애리조나 주립대학에서 MSEE를 취득했다. 문의: bill.beckwith@analog.com

톰 쉴츠(Tom Schiltz)는 아나로그디바이스(콜로라도주 콜로라도 스프링스)의 RFIC 설계 매니저이다. 네브래스카 대학과 애리조나 주립대학에서 BSEE 및 MSEE를 취득했다. 심우주 트랜스폰더에서부터 셀룰러 트랜시버에 이르기까지 RF/마이크로파 설계와 관련해서 32년 넘는 경험을 쌓고 있다. IEEE의 ISSCC RF 및 마이크로파 분과위원회에 7년 간 참여했다. 문의: tom.schiltz@analog.com

웨스턴 사피어(Weston Sapia)는 아나로그디바이스(콜로라도주 콜로라도 스프링스)의 선임 RF 애플리케이션 엔지니어이다. 그 전에는 리니어 테크놀로지에서 모든 RF 믹서 제품을 맡았다. ADI에 인수된 뒤에는 밀리미터파 이미징 제품을 주로 맡고 있다. 2010년에 캘리포니아 주립 폴리테크닉 대학(샌 루이스 오비스포)에서 전기공학 학사학위를 취득했으며, 아날로그와 RF를 전문 분야로 하고 있다. 문의: weston.sapia@analog.com

마이클 벡웰(Michael Bagwell)은 아나로그디바이스(콜로라도주 콜로라도 스프링스)의 RFIC 설계 엔지니어이다. 조지아 공과대학에서 MSECE를 취득했으며, RF와 아날로그 설계를 전문 분야로 하고 있다. 20년 넘게 반도체 업계에 종사하면서 블루투스, 무선LAN, GSM/EDGE/WCDMA 트랜시버, 그 밖에 다른 무선 통신 시스템용 LNA, 믹서, VCO, 낮은 위상 잡음 증폭기, 프로그래머블 베이스밴드 증폭기 설계와 캘리브레이션 회로 및 여타 지원 회로 관련 풍부한 경험을 쌓고 있다. 문의: michael.bagwell@analog.com

 

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