5G 이동통신 시스템을 위한 CMOS RF 선형 전력 증폭기의 설계

Abstract

최근, 통신 시스템의 포화로 인하여, 다음 세대인 5G 이동 통신 시스템에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 수 많은 단말기들과의 통신을 지원하기 위하여 높은 데이터 전송 비율과 많은 트래픽을 지원해야만 하는데 이 때문에 5G 모바일 이동통신 시스템은 밀리미터 웨이브 대역의 주파수를 사용하며 다중입출력 기술이 적용된, 분화된 작은 셀 기반의 시스템이 될 것이다. 지금보다 복잡한 이러한 시스템은 각각 의 기지국과 단말기에 사용 될 많은 RF 회로를 요구한다. 따라서 적은 생산비용과 집적이 쉬운 장점을 가진 CMOS 전력 증폭기가 5G 이동통신 시스템에 적합하다고 할 수 있다. 기존의 CMOS 전력 증폭기의 가장 큰 단점으로 생각되던 낮은 항복전압은 단일 전력증폭기에 요구하는 출력이 낮은 5G 시스템에서는 더 이상 문제가 되지 않는다. 이 논문은 5G 이동통신 시스템을 위한 두 가지의 CMOS 선형 전력증폭기의 설계에 대하여 다루고 있다. 첫 번째는 소형셀 통신망을 위한 28GHz 대역의 PA이고 다른 하나는 무선 백홀 시스템을 위한 5GHz 대역의 PA 이다. 28GHz CMOS 선형 전력증폭기는 출력단의 임피던스 매칭을 위한 중간단 매칭 인덕터와, 전력 이득의 확보를 위한 cross coupled 캐패시터, 그리고 stability와 AM-AM 왜곡의 개선을 위하여 CG의 gate에 보이는 parasitic 인덕턴스를 상쇄 시키는 bypass 캐패시터로 구성되어있다. 5GHz CMOS 선형 전력 증폭기는 적응형 피드백(AFB)과 바디가 분리된 적응형 파워셀(APC)로 구성되어 있다. 적응형 피드백은 큰 출력 파워 구간에서 피드백을 줄여주어 AM-AM 왜곡을 개선한다. 적응형 파워셀은 분리된 CG 트랜지스터들의 동작점을 나눠줌으로써 AM-PM 왜곡을 개선한다. 특히 이 논문에서는 바디를 분리하여 동작점을 다르게하는 것으로 기존 방식의 APC보다 덜 민감하며 layout상에서 gate의 parasitic 인덕턴스를 줄일 수 있도록 적응형 파워셀을 제안하였다. 추가로, 5-6GHz의 주파수 밴드를 만족 시킬 수 있도록 shunt cap과 TLT를 이용한 wide band 매칭 네트워크를 구성하였다.