Low Noise Amplifier(LNA) 이란, 대표 구조, 설계 방법

LNA 설계순서

엠프 자체의 노이즈가 최소한도로 유지된 상태에서 신호를 키워주는 역할을 하는게 LNA

 

무선 통신용 LNA

노이즈 최소화 + 선형성 강화

 

기지국이 멀면 신호가 약한디 => 노이즈 최소화

가까우면 신호가 너무 쎄 => 선형특성 문제가 생김

LNA 핵심 스펙!

1. Noise Figure : 1.5dB 낮을 수록 좋음

2. Gain : 높으면 뒷단이 감당을 못함(선형특성 땜시) 적절해야함 

3. Linearity : IIP3 등등

4. input 앞단 BPF => 50옴이라고 가정하고 설계

output 뒷단 

여튼간에 임피던스 매칭

5. Reverse Isolation

6. Unconditional stability

입출력에 뭘 달든 발진하지 않도록 설계하는

7. 소모전력

 

 

설계시 주의사항

1. DC Bias가 적절히 이뤄져야함

2. 발진하면 feedback path에서 phase가 180, 신호는 계속 증폭됨 => 회로가 미친거 => step 신호를 분석

 

LNA Topologies 실제 구현 방법

1. CS구조

-인덕터를 로드로(주로 :NF가 CG보다 낮음 voltage gain, current gain둘다 존재 (CG는 Voltage gain만 존재 power gain 낮음 CS보다 + current gain이 1이라 노이즈 측면에서도 불리, 장점은 임피던스가 1/gm이라 광대역 매칭이 자동으로 이뤄짐(CS는 협대역 매칭,,,)))

인덕터의 유무는 RF에서 중요함

저항부하를 잘 안 씀 (gain을 높이기 어려워서) => 1.2V DC로 흐름 (V swing 2.4V) LC공진(임피던스 키울수 있음 전류관계 상관 없이) => L이 면적이 큼 ㅠㅠ

-저항을 피드백으로

-캐스코드 구조 (제일 많이 쓰임)

2. CG구조

-캐스코드 구조 (CG구조에서도 주로 쓰임)

이유 : output 저항값이 피드백 때문에 아주 작은값으로 나타남 => cascode 노드의 임피던스가 아주작아지지 않고 훨씬 높은 output저항을 높일 수 있음

단점 : TR개수가 늘어서 노이즈 특성 구려지지만, 사실 노이즈가 출력에 잘 안나타나서 ㄱㅊ, cap도 증폭 안댐 ㄱㅊ

3. 광대역 구조

 

 

Minimum noise figure 차단주파수 전까지는 거의 일정 그담에 올라감 따라서 차단주파수가 결정함

Optimal Source admitance noise circle이 어디서 떨어지나

Optimal Source 임피던스는 낮을수록 좋음 Q값이 낮은 소자로 구현 가능 소자가 흔들려도 벗어나는 정도가 낮아짐

어드미턴스값이 주파수랑 Cgs함수인디 낮은 임피던스에서 이뤄지려면 TR사이즈가 커진다는거 => 소모전력 커짐 => 전류가 커짐

소모전력을 늘리면 기울기가 천천히~

 

Gain matching imaginary성분만 

Noise mathcing real + imaginary 성분

즉 둘이 절대 같을 수 없음

=> 피드백을 사용 인덕터를 활용한 negative feedback => smith chart에서 한점에 떨어지도록

인덕터 => real 성분생김 => 완벽한 matching 가능

실제 는 C쪽이 쎄서 L을 더달아야함 + 50을 맞춰주면 INA 설계 perfect!

 

LNA 설계순서

1. TR LC 무한대로

2. bias 바꾸면서 NFmin을 plot

3. design parameter : Ls, Cgs, Vgs

Vgs 먼저잡기

TR size정하기 (Cgs 정해서 50옴(smith chart circle) 지점 찾기 real 값 찾기)

Ls 정해서 두 식이 같아지게 (동시 매칭) = input 임피던스의 real값을 보는겨 (smith chart 50옴 지점)

 

 

여튼간에 Gain이랑 NF matching 하는게 핵심이다.

LNA는 계속 연재할 계획입니다.