개요: 이 애플리케이션 노트에서는 통합 RF와 수동 믹서 솔루션의 특징을 비교한다. 또한 두 솔루션의 주요 특징에 대해 살펴보면서 통합 솔루션이 수동 솔루션에 비해 갖는 주요 장점을 설명한다.
과거에 RF 설계자는 고성능 수신기 설계에서 최고의 전체 선형성과 스퓨리어스 성능을 얻기 위해 수동 다운컨버전 믹서를 사용했다. 그러나 이러한 설계에 개별 수동 믹서를 사용하는 경우 몇 가지 단점이 있다.
수동 믹서는 삽입 손실을 가지므로 원하는 수신기 전체 잡음 지수 성능을 얻기 위해서는 RF 또는 IF 이득 단에서 보상을 필요로 한다. 이러한 수동 믹서에서 사용자는 통합 믹서와 성능을 비교하여 3차 입력 인터셉트 포인트(IIP3)를 고려해야 할 뿐 아니라 출력 3차 인터셉트 포인트(OIP3)까지 고려해야 한다. 수동 믹서는 통합 평형 믹서 설계와 같은 우수한 2차 선형성 성능을 거의 갖지 못한다. 이 성능은 중요한 수신기 half-IF 스퓨리어스 고려사항이다. 믹서의 선형성 성능은 LO 구동전력 레벨과 직접 관련되므로 오히려 큰 LO 주입 신호를 생성한 다음 이를 PC 보드상에서 수동 믹서의 LO 포트에 라우팅해야 한다. 외부 RF 단은 이러한 신호를 증폭해야 할 필요가 있는데, 이는 전체 설계가 LO 방사와 픽업에 민감해지는 원인이 된다. 마지막으로 수동 믹서는 일반적으로 개별 부품 간 허용오차로 인해 모든 개별 설계에서 비용이 늘어나고 PC 보드 공간을 증가시키며 성능 편차가 커진다.
통합 (또는 능동) 믹서 설계는 수동 믹서 솔루션에 필적하는 성능을 제공하므로 더욱 많이 사용되고 있다. 통합 믹서는 IF 증폭기 단을 갖는 완전 평형 (Gilbert Cell) 설계 또는 수동 믹서로 구성되는데, 이로 인해 손실 대신 이득을 발생시킨다. 통합 믹서가 이득을 갖기 때문에 수동 믹서를 사용할 경우 외부 IF 증폭기 단은 손실을 보상할 필요가 없다. Maxim의 MAX9993, MAX9981, MAX9982와 같은 탁월한 잡음 지수 성능을 갖는 통합 믹서의 경우 믹서 단 앞에 보다 작은 RF 이득이 필요하며, 이는 보다 우수한 전체 수신기 선형성 성능으로 전환된다. 다시 말하면 더욱 많은 이득이 믹서 앞에 추가되어 캐스케이드 잡음 지수를 최소화하므로 믹서의 선형성 성능이 증가하여 전체 수신기 선형성을 유지한다. 추가적인 장점으로 MAX9993, MAX9981, MAX9982 믹서에는 LO 구동 회로가 포함되어 있다.
그림 1에 보이는 다음과 같은 기능을 갖는 Maxim의 MAX9993 고선형성 다운컨버전 믹서를 고려해 보자.
그림 1. MAX9993 등가 회로
PCS 및 UMTS 주파수 대역에서 MAX9993의 일반 규격은 다음과 같다.
변환 이득 = 8.5dB
잡음 지수 = 9.5dB
IIP3 = +23.5dBm
OIP3 = +32dBm
IIP2 = +60dBm
OIP2 = +68.5dBm
낮은 LO 구동전력 레벨: 0 ~ +6dBm
GSM 애플리케이션을 위한 스위치로 선택 가능한 (SPDT) LO 입력 2개 (LO 스위치는 cdma2000®과 같은 비스위칭 애플리케이션을 위해 스태틱 가능)
그림 2는 수동 믹서, IF 증폭기 및 LO 증폭기를 사용하는 개별 솔루션을 보여준다. 이 그림은 단일 종단 부품을 사용한다고 가정한 것으로, 이로 인해 2차 선형성 성능은 Maxim의 통합 믹서 제품군에 비해 떨어진다. RF 회로 설계자는 통합 RF 주파수 믹서 데이터 시트를 검토하면서 Maxim의 통합 믹서와의 공평한 비교를 위해 수동 설계에서 개별 소자 단의 등가 캐스케이드 응답을 고려해야 한다. 예를 들어 설계자는 수동 믹서의 3차 입력 인터셉트 포인트뿐 아니라 3차 출력 인터셉트 성능 및 연결되는 IF 증폭기 단(들)을 포함하여 전체 캐스케이드 응답도 고려해야 한다. 이 밖에도 설계자는 수동 믹서 솔루션의 등가 이득과 잡음 지수를 계산하고 그 결과를 통합 믹서 규격과 비교해야 한다.
그림 2. 개별 믹서/IF 증폭기
각 단에서 다음의 표기가 사용된다.
G = 변환 전력 이득
NF = 잡음 지수
IIP3 = 입력 3차 인터셉트 포인트
OIP3 = 출력 3차 인터셉트 포인트
예:
그림 2를 참조한다. 이득, 잡음 지수 및 3차 인터셉트 포인트에 대해 MAX9993 성능과 동일한 전체 캐스케이드 응답을 얻는 데 필요한 IF 증폭기 규격을 계산한다. PCS 및 UMTS 주파수 대역에서 다음과 같은 일반 규격을 갖는 Mini-Circuits® HJK-19MH 수동 믹서를 사용한다고 가정한다.
PCS 및 UMTS 주파수 대역에서 일반 시스템 파라미터로 다음과 같은 MAX9993 일반 규격을 사용한다.
Gsys = 전체 시스템 이득 = +8.5dB
NFsys = 전체 시스템 잡음 지수 = 9.5dB
IIP3sys = 전체 시스템 입력 3차 인터셉트 포인트 = +23.5dBm
OIP3sys = 전체 시스템 출력 3차 인터셉트 포인트 = +32dBm
필요한 IF 증폭기 이득
다음으로부터 필요한 IF 증폭기 이득을 결정한다.
Gsys = 8.5dB
필요한 IF 증폭기 잡음 지수
9.5dB의 캐스케이드 잡음 지수 성능을 얻으려면, 수동 믹서 잡음 지수가 7.5dB라고 가정하고, 잘 알려진 캐스케이드 잡음 계수 수식을 사용하여 필요한 IF 증폭기 잡음 지수를 결정한다. 이 수식에서 잡음 지수(dB)는 10 * log(잡음 계수)와 같다. 여기서 잡음 계수는 숫자이다.
NFsys = 9.5dB
= 10 * log (시스템 잡음 계수)
= 10 * log (Fsys)
= 10 * log (F1 + (F2 - 1) / G1)
다음과 같이 NF2의 값을 구한다.
NF2 = 10 * log ((Fsys - F1) * G1 + 1)
이 IIP32 값에서 다음과 같이 증폭기에 대한 3차 출력 인터셉트 포인트를 구할 수 있다.
OIP32 (dBm)= OIP32 + G2
= +17.5dBm + 16dB
= +33.5dBm
캐스케이드 결과
등가 캐스케이드 파라미터는 아래의 그림 3에 요약되어 있다.
그림 3. 원하는 캐스케이드 응답을 위한 수동 믹서 및 IF 증폭기 값
계산된 IF 증폭기 규격으로부터 16dB의 이득과 2dB 잡음 지수가 결합된 IF 증폭기를 찾는 것은 어려울 뿐 아니라 MAX9993의 탁월한 2차 선형성 성능은 이러한 개별 솔루션을 사용하여 구현할 수 없다는 것을 알 수 있다. 이 밖에도 Mini-Circuits HJK-19MH 믹서를 구동하는 데 필요한 +13dBm LO 구동전력 레벨을 발생시키려면 최소한 1개와 아마도 2개의 외부 LO 증폭기가 필요할 것이다.
결론
신중한 수신기 회로 설계자는 개별 솔루션의 등가 캐스케이드 성능을 먼저 계산하고 이를 Maxim의 통합 믹서와 비교한 후 통합 믹서 솔루션을 사용할 것이다. 앞에서도 보았지만 개별 믹서 솔루션에 비해 통합 믹서 솔루션을 사용하는 장점은 명백하다. 이들 두 솔루션을 비교할 때 고려해야 할 가장 중요한 파라미터는 변환 이득, 잡음 지수, 선형성(주로 2차 및 3차)이며 이러한 캐스케이드 파라미터를 계산하는 적절한 방법은 이 애플리케이션 노트에서 설명되었다.
참고 자료
Radio Concepts Analog by Ralph S. Carson, published by Wiley, 1990.
RF Design Guide Systems, Circuits, and Equations by Peter Vizmuller, published by Artech House, 1995.
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