It is found that if we want to design power amplifier for EDGE polar transmitter without feedback, we need dynamic range enhanced power amplifier. Additionally, if we can increase minimum supply voltage with dynamic range enhanced power amplifier, we can also reduce spurious output generated from DC-DC converter ripple voltage. If DC-DC converter can be used instead of LDO, the efficiency of transmitter can be greatly improved.
Current power amplifier is composed of many different materials. Near future, it will converge to single chip CMOS IC. For better performance, shorter gate length process is preferred for CMOS power amplifier design.
CMOS power transistor characteristics are mainly from interconnection effect. Interconnection inductance makes lower the power amplifier input impedance which makes the input matching difficult. The thermal effect is not dominant for CMOS power transistor. So, even if we don’t measure and model power transistor, we can predict power transistor characteristics with EM(electro-magnetic) simulation. The optimum power transistor size for high efficiency is decided by the turn-on resistance and required input power. These two parameters have trade off relation and the optimum value for efficiency changes according to the operating frequency.
The transformer ratio switching to change the power amplifier load impedance can increase the dynamic range and average power efficiency. Additionally, the cascade structure of the power amplifier endured high breakdown voltage also increased the dynamic range. To save the chip area, the power transistors was located inside the transformer without degrading the performance.
The optimum transformer parameter such as width and inductance was solved analytically with the suggested transformer model.
In the high-power mode, when the operating frequency was 2.1 GHz and the supply voltage was 3.0 V, as in fig. 4.5.1, the saturated output power of the power amplifier was 30.7 dBm, the maximum efficiency was 38 percent, and the small signal gain was 21 dB. The second and third harmonics were about 30 dBc for both power modes.
With our switchable transformer, we can increase the dynamic range by 5 dB and the low-power efficiency by 40 percent at 16 dBm. Moreover, we need no components or chip areas in addition to those found in other variable load power amplifiers. We also found that if varactors are used to ensure the drain capacitors are changed to meet the ZVS conditions, the low-power efficiency can be increased considerably. However, even if a varactor is not used, the benefits of using a switchable transformer are exemplified by the dynamic range and the efficiency.
We designed fully integrated CMOS power amplifier for 1.9 GHz band EDGE system with TSMC 0.18 um process. The EDGE dynamic range is 18dB higher than GSM. With two step transformer ratio switching, the dynamic range is increased by 10 dB to meet the EDGE requirement. The proposed double side coupling transformer structure is high efficient and small size compare to the single side coupling transformer.
EDGE시스템용 폴라 송신기에 사용될 전력증폭기를 귀환회로 없이 설계하기 위해서 전력증폭기에 출력범위(dynamic range)를 증가시키는 기능이 필요하다. 또한 전원전압을 가변하여 출력을 조절하는 GSM/EDGE용 증폭기에서 가변전압의 최소전압이 클수록 전원제어 회로의 부담을 줄여줄 수 있다. 더불어 최소전압이 클수록 DC-DC 변환기의 잡음에 강하게 되고, LDO를 이용할 경우에는 효울이 크게 향상되게 된다.
현재의 전력증폭기는 많은 서로 다른 물질로 설계된 부품들로 구성되어 있다. 가까운 미래에는 이 모든 것이 CMOS 단일 칩으로 이루어질 것이다. 더 좋은 성능을 내는 CMOS 전력증폭기 설계를 위해서는 게이트 길이가 짧을수록 유리하다.
CMOS 파워 트랜지스터의 특성은 주로 작은 트랜지스터를 연결하기 위한 도체의 영향에 의해 결정된다. 열효과는 CMOS 파워 트랜지스터에 큰 영향을 미치지 못하므로 무시할 수 있다. 따라서 파워 트랜지스터를 측정하고 모델링하지 않고 연결도체의 전자기적 성질만을 묘사하여도 파워 트랜지스터의 특성을 예측할 수 있다. 파워 트랜지스터의 효율을 향상시키기 위한 최적의 크기는 파워 트랜지스터가 켜졌을 때의 드레인과 소스 사이의 저항과 파워 트랜지스터를 동작시키기 위하여 필요한 입력 전력의 양에 의해서 결정된다. 이 두 변수는 상호 절충관계(trade off)에 있다. 입력 전력의 크기는 주파수에 반비례하므로 최적 파워트랜지스터 크기는 주파수가 높아질수록 작아진다.
변압기의 변압비 변경 방법은 전력 증폭기의 출력범위와 평균 효율을 향상시킨다. 전력증폭기 설계에 있어 캐스코드 구조는 높은 항복전압을 견디게 하고 출력범위를 증가시킨다. 전력증폭기의 면적을 줄이기 위해서 파워 트랜지스터를 변압기의 안쪽에 배치하였다.
변압기의 최적설계를 위한 해석을 위해 제안된 변압기를 모델링하여 폭과 길이에 따른 최적의 파라미터값을 수식적으로 유도하였다.
설계된 전력증폭기의 출력은 30.6 dBm이고, 이 때의 효율은 38 %이다. 변압기의 변압비 조정을 통하여 출력범위를 5 dB 향상시켰고, 소출력인 16 dBm에서의 효율을 40 % 향상시켰다. 더불어 이러한 변압비 조정을 위해서 추가적인 회로나 칩 면적을 사용하지 않았다. 만일 배랙터 다이오우드를 이용하여 ZVS 조건을 만족한다면 저출력에서의 효율을 훨씬 개선될 수 있다. 그러나 이러한 배랙터 다이오우드를 사용하지 않고도 부하 변경을 함에 따라 출력 범위와 효율에 있어서 많은 잇점을 얻을 수 있다.
위의 변압비 조정 변압기를 이용하여 1.9GHz 대역의 EDGE용 전력증폭기를 TSMC 0.18um 공정을 이용하여 설계하였다. 2 단계의 변압비 변경을 통해 출력범위를 10 dB 늘려 EDGE의 출력범위를 만족하도록 하였다. 제안된 양방향 결합 변압기는 단방향 결합 변압기에 비해 효율이 높고, 크기가 작다.
