In this thesis, a novel power amplifier for wireless handheld terminals is proposed to enable a statistically efficient operation under a time-varying RF power for a WCDMA reverse link. A systematic design approach using the nonlinear large-signal models of heterojunction bipolar transistors is adopted to achieve a first-pass design success. The validity of the large-signal model is thus confirmed by analyzing the measurement results of the fabricated power amplifier.
As a first step of design, a new extraction procedure for large-signal model of heterojunction bipolar transistor is described. To characterize the thermal behavior of the device, the pulsed measurement system is extensively used to extract the thermal resistance and the time constant of the device. The physical relationship between the thermal resistance and the active area of the device is explored to reveal that the value scales inversely with the area. Moreover, the parameter extraction procedure of Gummel-Poon large-signal model using isothermal measurements is developed for high power devices operating under high current density. The temperature-dependent characteristics of HBT, which are self-heating and ambient temperature effects, are successfully incorporated into the large-signal model by exploring a physical relationship between the device current and the temperature dependence of the built-in potential. As an example, the large-signal model for an in-situ output device from a two-stage power amplifier circuit is extracted for an accurate simulation of temperature effects and nonlinear behaviors under various conditions.
With the extracted large-signal models, the asymmetrical behaviors of intermodulation distortion (IMD) in HBTs are analyzed when the terminating impedance at baseband frequency contains a reactive component. This phenomenon sometimes induces misunderstanding of distortion performance unless the baseband impedance effects are properly accounted for. The distortion asymmetry appears in not only small-signal regime but also large-signal regime. Therefore, a unified approach which can predict IMD asymmetry over a broad range of output power levels is in critical demand. In this context, the usefulness of nonlinear large-signal model is addressed when predicting IMD asymmetries. As a result, it is found that the zero crossings of asymmetry are observed at each resonance frequency where the reactive part of baseband termination changes its sign rapidly. It is also found that the asymmetry is enhanced at a specific small bias current where the dominance of the 3rd order nonlinearity is greatly reduced by cancellation with the 2nd order nonlinearity. Extensive measurement results are compared to simulation results to demonstrate the usefulness of the method.
Finally, a novel architecture of power amplifier for improved efficiency at low power region is introduced. This has been verified with the fabricated InGaP/GaAs HBT MMIC power amplifier. Efficiency improvement over a broad power range was achieved with a maximum improvement occurring at a Pout of 2.7 dBm. This is very beneficial in maximizing the average efficiency since the probability density characteristics of output power is also maximum around that value. As a result, the average power usage efficiency is increased by a factor of 2.22x, which would be expected to increase the overall functionality time of CDMA system dramatically. The design issues related to the interstage and the output matching circuits were discussed. The fabricated amplifier was characterized under WCDMA excitation and it showed a good spectral response. The measured characteristics are very similar to the simulated results using the nonlinear large-signal models within an acceptable amount of error hence confirming the validity of the large-signal model. It is concluded that the proposed architecture is very attractive in mobile communication system such as handheld phone terminals.
본 논문을 통해 WCDMA 이동 통신 시스템의 단말기에 사용될 수 있도록 저전력 동작 모드에서 효율 상승이 가능한 RF 전력 증폭기의 새로운 구조를 제안하였다. CDMA 환경에서 사용되는 전력 증폭기의 출력 신호는 시간에 따라 변하기 때문에 넓은 영역에서 고효율 특성을 나타내는 것이 전체 시스템의 효율을 증대하는데 유리하다. 회로 설계는 이종접합 바이폴라 트랜지스터의 (HBT) 대신호 모델을 사용한 체계적인 방법을 통해 수행하여 반복 설계를 최소화하였다.
회로 설계의 첫번째 단계로써, HBT의 대신호 모델을 추출하는 새로운 방법을 제안하였다. 먼저 HBT의 열효과 특성을 관측하기 위해 새로운 펄스 측정 시스템을 제작하였다. 이를 사용하여 HBT의 열특성을 나타내는 파라미터인 열저항과 열효과 시정수를 추출하는 방법을 제안하였다. 추출된 열저항은 HBT의 에미터 면적과 반비례 관계가 있음을 확인하였다. 또한 펄스 측정을 이용해 Gummel-Poon 대신호 모델 파라미터를 추출하는 방법을 제안하여 전류 밀도가 높은 영역에서 동작하는 고전력 소자에 적용하였다. HBT의 대표적 열효과인 self-heating과 ambient temperature 효과를 소자의 에미터 전류와 built-in potential의 온도 특성 사이에 존재하는 물리적 특징을 이용하여 대신호 모델에 매우 용이하게 포함시키는 방법을 제안하였다. 제안된 대신호 모델의 예제로써 2단 전력 증폭기 내에 위치한 출력단 소자의 파라미터를 추출해서 다양한 동작 조건 하에서 열특성 및 비선형 특성을 정확히 예측하고 있음을 확인하였다.
회로 설계의 두번째 단계로써, 대신호 모델의 정확성을 검증하기 위해 베이스밴드 주파수 영역의 임피던스가 reactive 성분을 포함할 때 발생할 수 있는 상호변조왜곡신호 (IMD)의 비대칭 현상을 분석하였다. 이 현상은 소자 및 회로의 선형 특성을 나타내는 지표를 결정하는데 혼란을 야기할 수 있으므로, 베이스밴드 임피던스 효과를 정확히 고려해 줄 수 있는 방안을 마련하는 것이 매우 중요한 의미를 갖는다. 또한 이 현상은 소신호 뿐만 아니라 대신호 동작에서도 나타나기 때문에 기존의 Volterra-series 방법으로는 정확히 기술하기 어렵다. 따라서 넓은 출력 전력 범위에 걸쳐 사용될 수 있는 방법인 대신호 모델을 사용하여 비대칭 현상을 기술할 수 있는 방법을 마련하였다. 그 결과 베이스밴드 임피던스의 reactive 성분의 부호가 급격히 변하는 공진 주파수에서 IMD 비대칭 현상이 관찰되었다. 또한 3차 비선형 성분이 2차 비선형 성분과 상쇄되는 바이어스 전류 값에서 비대칭 현상이 증대하는 것으로 관찰되었다. 광범위한 측정 결과를 대신호 모델에서 얻은 시뮬레이션 결과와 비교함으로써 제안된 방법의 효율성 및 대신호 모델의 정확성을 증명하였다.
마지막으로, 저전력 영역에서 향상된 효율 특성을 보이는 새로운 전력 증폭기의 구조를 제안한 후 대신호 모델을 사용하여 설계하였다. 전력 증폭기는 InGaP/GaAs HBT 기술을 사용하여 MMIC 형태로 제작되었다. 넓은 출력 전력 영역에 걸쳐 효율 상승이 관찰되었으며 특히 2.7 dBm에서 상승도가 최대가 되었다. 이는 CDMA 환경에서 probability density 특성이 이 지점에서 역시 최대가 되기 때문에 평균 효율을 최대화하는데 더욱 유리하다. 그 결과, 평균 효율은 2.22배 상승하여 CDMA 시스템의 전체 동작 가능 시간을 급격히 상승시킬 것으로 기대된다. Interstage 및 output 매칭 회로에 관련된 설계 사항을 논의하였으며, 제작된 증폭기를 WCDMA 환경에서 측정한 결과 좋은 선형성을 나타냈다. 또한 측정된 결과는 대신호 모델 설계 결과와 허용 가능한 오차 범위 내에서 매우 유사하여, 본 논문에서 사용된 설계 기법의 유용성을 입증하였다. 결론적으로, 제안된 전력 증폭기 구조는 무선 단말기 등 이동 통신 시스템에 매우 유용할 것으로 기대된다.
