자기바이어스 다중게이트 트랜지스터 기반 고선형 저노이즈 증폭기

초록

본 논문은 0.9 ~ 2.4 GHz 대역에서 동작하는 고선형 저노이즈 증폭기(LNA)를 제안한다. 자체 바이어싱(Self‑bias)과 다중게이트 트랜지스터(MGTR) 구조를 결합해 비선형성을 크게 억제하고, 13 dBm IIP3, 1.9 dB NF, 9 dB 이득을 7.9 mW 전력소비로 구현하였다. 기존 단일게이트 LNA와 비교해 선형성 및 잡음 성능이 현저히 향상된 것이 확인되었다.

상세 요약

제안된 LNA는 90 nm CMOS 공정 기반으로 설계되었으며, 핵심 회로는 자기바이어싱(Self‑bias) 방식으로 동작하는 다중게이트 트랜지스터(MGTR) 배열로 구성된다. MGTR 구조는 기본 트랜지스터와 보조 트랜지스터를 병렬로 배치하고, 보조 트랜지스터의 게이트 전압을 자동으로 조정함으로써 전류 흐름을 선형화한다. 이때 자기바이어싱 회로는 외부 바이어스 전압 없이도 각 트랜지스터의 작업점이 안정적으로 유지되도록 설계되어, 전력 소모를 최소화하면서도 온도·공정 변동에 대한 내성을 제공한다.

비선형성 억제 메커니즘을 구체적으로 살펴보면, MGTR의 보조 트랜지스터는 3차 전류 왜곡 성분을 반대 위상으로 생성한다. 두 전류 성분이 상쇄되면서 전체 회로의 IIP3가 크게 향상된다. 시뮬레이션 결과, 단일게이트 LNA 대비 약 4 dB 이상의 IIP3 개선이 관측되었으며, 이는 고주파 대역에서의 신호 왜곡을 현저히 감소시킨다. 또한, 저잡음 설계에서는 입력 매칭 네트워크와 MGTR의 저임피던스 특성을 활용해 입력 레퍼런스 임피던스를 50 Ω에 가깝게 맞추어 잡음 전송 계수를 최소화하였다. 결과적으로 1.9 dB의 낮은 NF를 달성했으며, 이는 동일 전력 예산 하에서 기존 설계보다 0.5 dB 이상 우수한 수치이다.

전력 효율 측면에서는, 자체 바이어싱 회로가 외부 바이어스 전압을 필요로 하지 않음으로써 전체 전력 소모를 7.9 mW(2 V 공급) 수준으로 제한한다. 이는 고선형·저노이즈 성능을 유지하면서도 모바일 및 IoT 디바이스에 적합한 전력 프로파일을 제공한다는 점에서 의미가 크다. 또한, 설계는 0.9 ~ 2.4 GHz의 넓은 대역폭을 커버하도록 입력 매칭과 출력 매칭을 다중‑스테이지로 구성했으며, 각 스테이지는 3 dB 이하의 이득 변동을 보인다.

요약하면, 자기바이어싱 MGTR 구조는 전류 비선형성을 효과적으로 상쇄하고, 바이어스 회로의 복잡성을 감소시키며, 전력·면적·성능 트레이드오프를 최적화한다. 이러한 설계 철학은 차세대 RF 프론트엔드 모듈에서 요구되는 고선형·저전력·저노이즈 특성을 동시에 만족시키는 실용적인 솔루션으로 평가될 수 있다.