전자 - LNA 설계 보고서

소개글

전자 - LNA 설계 보고서에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 개요

2. 개발 내용
　가. 애플리케이션
　　1) WCDMA 란
　　2) 주파수 대역 조사
　나. TR선정
　　1) 트랜지스터의 선택
　다. 바이어스 회로
　　1)　바이어스 회로
　라. 목표 설계 사양

3. 개발 일정 및 역할 분담

4. 결과 및 고찰
　가. 설계스펙
　　1) S-parameter
　　2) Noise
　　3) Stability
　나. 최종 회로도
　　1) 설계 회로 스펙
　다. 결과 그래프
　　1) S-parameter
　　2) Noise
　　3) Stability
　　4) Linearity

5. 고찰

본문내용

치 않는 DC 신호들을 차단하고 AC 신호만 흘려보 낼 수 있도록 설계하였다. 값이 좀 클 수도 있는데 여러 자료들을 참고한 결과 1000pF의 값이 적절하겠단 판단하에 설계하였다. 전압원과 Emitter 단자에 Bypass Capacitor를 병렬로 연결하였다. 이것은 쓸데없는 AC 신호를 그라운드로 흘려버리 는 역할을 한다. 원래 1000pF으로 설정하였는데 조교님이 수정해주신 값으로 바꾸 었다.
Emitter 단자를 보면 Inductor 2개가 병렬로 연결되있는 것을 볼 수 있는데 기존 회로는 Emitter를 그대로 그라운드로 빼내었다. 그런데 회로에 불안정하였고 Noise 값도 상당히 높아서 자료를 찾아보니까 Emitter에 Inductor를 달아주게 되면 이 불 안요소들을 잡을 수 있다는 사실을 알게 되었다. 2개를 병렬로 연결한 이유는 Inductor의 값이 작으면 작을수록 Gain과 Noise특성이 좋아지는 것을 확인할 수 있 었다. 그러나 조교님이 나눠준 자료에 의한 L의 최소값이 2.2nH여서 이렇게 2개를 병렬로 연결하여 임의로 떨어뜨리게 되었다. 더 달고 싶었지만 설계상 문제가 되기 에 목표설계사양을 채우는데 만족하였다.
라) 설계 회로도
마) 매칭회로
① 입력단
② 출력단
다. 결과 그래프
1) S-parameter
원래는 정확하게 2.1GHz에서 모든 S-parameter값이 최대가 되었다. 그러나 그렇게 되면 Noise에서 상당한 문제점을 노출하게 되었다(2.0dB 이상). LNA의 목적이 수신단 첫머리에서 Noise를 제거하는데 있기에 Noise를 먼저 안정시켜놓고 나머지를 튜닝하 는 식으로 순서를 바꾸었다. 그래서 현재의 모습이 되었다. 원하는 동작 대역에서 값들 이 산출되는 것으로 만족하였다.
2) Noise
Ideal 소자로 설계했을 땐 잘 나오면 1.0dB 밑으로 떨어지기도 했었는데 Real 소자 를 적용하니 상당히 많이 튀어올랐다. 초반에 시간을 많이 잡아먹지 않았다면 좀 더 내려볼 수 있을텐데 좀 아쉬움이 남는 Part이다. 1.5dB 밑으로 떨어뜨리는데 성공한 것 에 만족하였다.
3) Stability
자료들을 찾아본 결과 K, MU factor는 1 이상, B1 factor는 0 이상이면 무조건 안정 이라는 것을 알 수 있었다. 다음 그래프를 보면 이 조건들을 만족하는 것을 볼 수 있다.
4) Linearity
선형성 역시 무난한 값들이 나옴을 확인하였다.
5. 고찰
3월초부터 시작된 졸업캡스톤1 수업이 어느덧 마무리 되고 있다. ‘LNA가 뭐야’ 면서 헤매던 때가 엊그제 같은데(물론 지금도..) 벌써 최종 보고서를 쓰고 있다. 되돌아보면 재미있었지만 아쉬움도 많이 남는 수업이었다. 정확하게 알아보지도 않고 그냥 맨땅에 헤딩하는 식으로 LNA 설계를 다가가서 초반에 시간을 많이 허비하면서 목표 설계 사양을 채운 뒤 더욱 더 스펙을 키우면서 최적의 LNA를 만드는 과정을 밟아보지 못한 것이 너무 아쉽다.
LNA 설계를 하면서 많은 문제점이 있었는데 그것을 차근차근 짚어보면,
첫 번째, 바이어스 회로를 정하는데 시간이 많이 걸렸다.
처음으로 선정했던 회로가 전압분배 바이어스 회로였다. 원래 전자회로 시간때도 배웠던(유일하게 기억났다) 것이고 DC 동작점을 계산하는 방법도 알고 있어서 그냥 그것을 선택했는데 실제로 적용을 해보니 저항이 많이 달려있다보니까 생각보다 전압강하가 많이 일어났었다. 그러면서 에 원하는 Voltage를 걸어주는데 상당한 에러를 겪어야 했다. 휴대용 단말기에 적용하려 했는데 저전압 구동으로 이 회로는 적절하지 않았다. 그래서 다른 여러 회로들을 검토했는데 그 중 Collector Feedback Bias 회로가 설계하기도 간단하고 원하는 DC 동작점을 맞추는데도 용이해서 선택하게 되었다.
두 번째, 선택된 바이어스 회로에 맞는 DC 동작점을 구하는 과정을 생략하였다.
선정된 TR로 설계된 바이어스 회로에 맞는 최적의 DC 동작점을 구하기 위해 회로 DC 분석과정을 거쳐야 했는데 원래 설정했던 값을 그대로 적용하여 설계를 해버렸다. 초반에 DC 동작점을 거의 확정 지어놓고 차근차근 튜닝해나가야 했는데 이런 과정들을 생략해서 설계하는 과정중 DC 동작점을 수정해야 하는 일이 상당히 많이 발생하였다. 마지막에도 설계회로 S-parameter 값을 안정시켜 놨지만 최대이득과 Noise에서 문제가 발생하였다. 원래 설정했던 DC 동작점이 이 8mA였는데 좀더 이득을 높여보고자 20mA까지 올려봤다. 이득도 20dB를 찍었고 NF도 1.0~1.1dB 수준이었고 상당히 좋은 결과가 나와서 그대로 실소자에 적용하였는데(이때가 첫 번째 중간발표를 하고난 후) 결과가 완벽하게 깨져버렸다. 갖은 튜닝 끝에 회로의 안정은 찾았지만 이득이 15dB 아래에 머물렀고 Noise도 2dB를 육박했다. 원인을 찾아본 결과 DC 동작점에서 전류 에 문제가 있었음을 발견하였다. 그래서 값을 차례로 변화시키면서 S-parameter, Noise, Stability 값을 관찰한 결과 지금 결과와 같은 값에서 trade-off가 가장 잘된 모습을 찾아낸 것이다.
세 번째, S-parameter 그래프에서 최대이득이 형성된 지점이 다른 주파수 대역이었다.
원래 목표로 했던 중심주파수가 2.1GHz(동작범위 : 2.03~2.17GHz)였는데 물론 이 지점에서 15dB가 넘긴 했지만 0.8~0.9GHz 대역에서 가장 최대 이득을 내었다. 그리고 그 지점에서의 S11값을 확인 하니까 0dB가 넘어있었다. 원하는 값들을 채웠지만 회로 자체가 불안정한 상태여서 다시 설계할 수 밖에 없었다. 원인은 찾지 못했으나 다시 처음부터 차근차근 설계해서 매칭을 하고 튜닝을 실시하니 회로가 정상적인 모습을 찾았다.
물론 설계된 회로가 완벽한 회로는 절대 아니지만 수 많은 실패를 반복하고 조합해보고 시도하면서 설계되었기에 참 의미있었던 시간이었다. 단순히 LNA를 알았고 Ansys 프로그램을 돌려봤다에 끝나지 않고 여러모로 많은 점을 배울 수 있었던 시간이었다.
그 동안 수고 많았던 우리 6조원들, 그리고 아낌없이 도와주신 조교님들께 감사하단 말을 전하고 싶다.

키워드

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