고효율 LINC CMOS RF 전력 증폭기

Abstract

최신의 mobile 기기에서는 다중 standard 를 지원하는 하드웨어 구성을 작은 사이즈로 구성하고, 제한된 배터리 용량을 효율적으로 사용하며, 복잡한 modulation 방식들을 지원하기 위한 전력증폭기가 요구되고 있다. 이를 위해 single-chip integration이 용이한 CMOS 공정을 이용한 고효율, 고선형성의 전력증폭기의 설계가 주목받고 있다 . 본 논문에서는 이런 전력증폭기를 LINC 구조를 기반으로 설계하였다. LINC 의 동작원리는 outphasing concept을 기반으로 하며 변화하는 envelope의 정보를 두vector의 phase difference로 변환하여 이를 vector-sum 함으로서 선형적인 출력을 얻는 것이다. 각각의 power amp를 고효율의 switching amp로 구성할 수 있지만 ,back-off 영역에서의 효율특헝이 급감하는 단점을 가진다. 본 논문에서는 이러한 LINC구조를 다른 종ㅍㅡㄱ방식들과 혼합하여 줌으로서 각각의 방식이 가지는 단점을 서로 보완해주는 방법에 대해 연구를 보인다. 첫째로 , 일반적으로 사용하는 linear 동작과 LINC동작을 결합한 Multi-mod LINC구조를 CMOS로 구현하였다. Multi-mode LINC 구조는 LINC 동작의 추가를 통해 증폭기의 saturation power 까지를 모두 선형적으로 사용함 과 동시에 기존의 LINC 에서 발생하는 back-off 효율 특성을 개선하기 위해 제안된 concept 이다. 입력의 크기에 따라 각각의 동작모드가 결정되어 dynamic 하게 변화하며 신호를 증폭하게 된다 . 이러한 구조를 TSMC 0.18um CMOS공정을 이용한 PA chip과 IPD combiner를 이용하여 구현하였으며, WCDMA를 targer으로한 결과를 보였다. 여기서 사용된 combinder 는 CMOS PA에서 많이 사용하는 TLT를 이용하여 구성되었으며, outphasing 동작에 있어입력되는 각도 차에 관계없이 항상 일정한 impedance 특성이 각가의 증폭단에서 보여질 수 있도록 dissipation impedance를 삽입하여 제안되었다. 이를 통해 제작된 증폭기는 linear 동작만을 사용할 경우 WCDMA ACLR 조건을 만족하는 최대 출력이 25.6dBm/28.1%를 보였고 ,여기에 Multi-mode LINC 동작을통해 2.6dB의 outpower와 9%의 효율 개선효과를 보였다. 결과적으로 제안된 combiner 와 더불어 multi-mode LINC 동작을 통해 고효율, 고선형성의 CMOS LINC PA 를 구현 할 수 있었다. 두번째로 본 논문에서 polar 구조와 LINC 구조를 혼합한 Hybrid polar-LINC 구조를 다룬다. Nonlinear PA를 기반으로 한 또 다른 대표적인 증폭방식인 polar 구조는 출력하고자 하는 envelope 정보를 bias control을 통해 표현하며, 이는 modulation 의 bandwidth 부담을 심각하게 가져와 그 구현에 있어 문제가 된다. 이를 해결하기 위해 LINC 구조를 혼합하여, 출력하고자 하는 envelope정보를 나누어 각각의 구조에서 분담하여 중폭시켜, 각각의 단점을 해소 할 수 있다. 이때, polar 경로에서 담당하는 정보는 원 신호의 envelope에 대해 bandwidth를 줄인 신호가 되어 modulator의 부담을 경감시키며, 반대로 LINC 의 관젬에서는 결합하는 vector의 size를 출력의 크기에 따라 조절해주는 polar의 역할로 인해 back-off 효율의 개선을 가져오게 된다. 이러한 구조의 구현을 CMOS supply modulator 와 PA를 이용하여 보았다. Hybrid polar-LINC의 사용으로 인해 기존의 LINC 구조에 대비하여 약 6%정도의 효율개선이 나타나 최종적으로 28.5dBm/29.6%의 WCDMA 출력특성을 얻었다. 본 수치는 PA와 supply modulator 모두의 전력소모를 고려한 것이며, 추가적인pre-distortion 이 전혀 사용되...