Polar transmitters are expected to be very popular owing to their many advantages over conventional Cartesian transmitters, especially in GSM and EDGE systems. Accordingly, their power amplifiers based on GaAs HBTs are being studied intensively. However, few works have focused on CMOS power amplifiers for polar transmitters. Although CMOS power amplifiers are expected to be cheaper than GaAs HBT power amplifiers and easier to integrate with other circuits, they are not considered as a useful RF power amplifier with a watt-level output power. Recently, the possibility of a CMOS power amplifier has been successfully demonstrated using a distributed active transformer (DAT). The DAT has been considered as lending possible improvements to the performance of a CMOS power amplifier. In this thesis, several CMOS power amplifiers for polar transmitter applications are designed.
At first, the power transistor and transmission line transformer for the CMOS power amplifiers are studied. The power transistor for the amplifier is the key component for the high efficiency and output power. The design of the power transistor is therefore one of the most important steps for the design of the power amplifier. A power transistor with interdigitated body-contact is proposed. The junction breakdown voltage of the proposed power transistor is improved by approximately 0.5 V. The transmission line transformer is also the key component of the designed CMOS power amplifier. The transmission line transformer is investigated.
There are two important specifications of power amplifiers for polar transmitters. The first is the output dynamic range. It is crucial to obtain enough dynamic range with a given supply voltage range. The second specification is related to efficiency at a low output power. In general, a power efficiency close to the maximum output power is fairly high. A power amplifier only achieves its peak efficiency at a maximum output power. The efficiency usually degrades seriously at low output power. Since, statistically, the transmitted power in a wireless system is below the maximum for the most of transmission times, the average power efficiency is far below its maximum. It is, therefore, essential to maintain a high efficiency over a wide rage of output power to enhance the average power efficiency. One of the key issues to do this is to improve the efficiency in the low output power region. Accordingly, methods to improve the efficiency in the low power region are being studied intensively.
A power amplifier with a switched gain stage bypasses an output transistor in low power operation with the aid of additional switches which are located at the input and output sides of the output power transistor. As a result, the driver transistor alone generates output power with increased efficiency in the low power mode. However, the loss induced by the additional switches degrades the efficiency improvement in the low output power region. Another method to improve the efficiency in the low output power region is to vary the output load. In the low power mode, the load impedance of the amplifier is increased. A stage-convertible power amplifier using a variable load method is proposed as a means of increasing the dynamic range of the power amplifiers and improving the efficiency at a low output power.
Several stage-convertible power amplifiers with various transformers are proposed to increase the output power and efficiency. A 3-port asymmetric transmission line transformer, multi-primary transformer and differential line inductor are proposed for the stage-convertible structure. The transformers and differential line inductor are used as low power matching component and power combiner.
Finally, the tournament shaped power combiner is proposed. The distributed active transformer is considered to have the potential to improve the performance of a CMOS power amplifier. In previous works, a transformer that combines power serially is used. A power combiner has several advantages for use in CMOS power amplifiers, including a boost of the impedance level and a reduction of circuit loss on the conductive Silicon substrate. However, a power amplifier that utilizes a distributed active transformer may experience problems. The first of these is with the distributed active transformer to feed-line coupling. The coupling can eradicate both amplifier stability and asymmetry in the differential input [4]. Additionally, the gate directions of the power transistors must be different in a power amplifier using a distributed active transformer. However, to reduce the asymmetry in this situation, all of the gate directions of the power transistor must be alike. In this study, both the feed-line isolation from the magnetic coupling and the difference in the gate direction of the power transistor are removed using the proposed tournament-shaped transformer, and the benefits of its use are maintained.
현재 무선통신 부품의 대부분은 CMOS 반도체 공정을 이용하여 개발 되고 있다. 하지만, 전력 증폭기의 경우는 CMOS의 나쁜 선형성 특성과, 낮은 항복전압 특성 및 실리콘 기판의 큰 손실 특성 때문에 화합물 반도체 기반의 공정을 이용하고 있다. 만약 전력 증폭기가 CMOS로 개발 된다면, 기타 아날로그 회로와 디지털 회로등과 함께 집적화가 가능해 지기 때문에 무선통신 부품의 가격 경쟁력 및 회로 기능의 향상을 기대 할 수 있다.
최근 개발된 분포형 능동 변압기(Distributed active transformer)는 전력 증폭기를 CMOS로 구현 하는데 걸림돌이 되었던 낮은 항복 전압 특성 및 실리콘 기판의 큰 손실 특성을 해결 해 줄 수 있는 방안으로 각광을 받고 있다. 이와 더불어, 차세대 송신단 구조로 현재 많은 연구가 되고 있는 폴라 송신단은 기존 송신단 구조에 비하여 전력 증폭기의 선형성 특성에 있어서, 비교적 완화된 조건을 요구 하고 있다. 이에 비선형 전력 증폭기가 폴라 송신단에 사용 될 수 있는 가능성이 매우 높다. 따라서, 선형성 특성이 나쁜 CMOS도 폴라 송신단용 전력 증폭기를 구현 하는데 사용 될 수 있다. 이에 본 논문은 분포형 능동 변압기를 형성하고 있는 전송선 변압기를 이용하여, 폴라 송신단용 CMOS 전력 증폭기에 대한 연구를 기술하고 있다.
먼저 전력 증폭기를 설계하기 위해서는 전력 증폭기의 핵심 부품인 전력 소자에 대한 연구가 선행 되어야 한다. 특히, CMOS를 이용한 전력 소자를 형성함에 있어 열화 될 수 있는 항복전압 특성을 개선하기 위하여, 바디-컨텍과 소스-컨텍이 서로 맞물려 있는 소자 배치 방법을 제안하였다. 이러한 방법으로 형성된 CMOS 전력 소자는 기존의 CMOS 전력 소자에 비하여 약 0.5 V 높은 항복전압 특성을 가짐을 확인 하였다. 이를 바탕으로 하여, 이후 개발된 전력 증폭기의 전력 소자를 최적화 하였다. 다음으로는 개발된 전력 증폭기의 또 다른 핵심 소자인 전송선 변압기에 대한 연구를 선행 하였다. 전송선 변압기의 1차측 및 2차측을 여러 갈래로 나누어 준 경우와 기존의 일반적인 전송선 변압기의 MAG(maximum available gain), 결합계수(k-factor) 및 기생 인덕턴스 등을 분석 하였다. 특히 전송선 변압기의 길이 및 동작 주파수 등을 변화 시켜 가면서 전송선 변압기의 여러 파라미터들을 확인 하였고, 이를 바탕으로 하여 이후 개발된 전력 증폭기의 전송선 변압기를 설계하였다. 이와 같은 선행 연구를 기반으로 하여 폴라 송신단용 CMOS 전력 증폭기를 설계하였다. 폴라 송신단에 적합한 전력 증폭기의 설계를 위하여, 폴라 송신단용 전력 증폭기에 있어서 요구되는 조건들과 문제점을 분석 하였다. 폴라 송신단은 일반적으로 높은 효율을 가진다고 알려져 있으나, 기존 전력 증폭기 구조를 사용한다면 낮은 출력 전력 영역에서는 기존 송신단 구조와 마찬가지로, 낮은 효율 특성을 가짐을 확인 하였다. 또한, 폴라 송신단용 전력 증폭기는 일반적으로 전력 증폭기의 전원 전압을 제어함으로서 동작영역을 확보하게 된다. 하지만, 일반적인 방법으로는 폴라 송신단에서 요구 되는 동작영역을 쉽게 확보하기가 힘들다. 이러한 문제점들을 해결하기 위하여, 부하저항 변환 기법을 변형한 stage-convertible 방법을 제안하고, 이를 이용하여 CMOS 전력 증폭기를 설계하였다.
Stage-convertible 기법은 기존 전력 증폭기 구조에서는 금기시 되던, 구동 증폭단의 출력과 전력 증폭단의 출력을 서로 결합 시켜 주는 것을 핵심으로 한다. 이러한 구조는 전력 증폭기의 발진 및 두 전력의 결합 시 발생하는 위상차등을 문제점이 있다. 하지만, 본 논문에서 개발된 전력 증폭기는 전원 전압의 변화에 따라 출력 전력이 가변 되며, 이상적으로 출력 전력은 입력 전력에 의해서는 가변 되지 않기 때문에 발진 문제는 쉽게 해결 가능하다. 즉, 특정 전력 이상의 입력 전력만 인가된다면, 발진 문제를 해결 하면서 전원 전압의 크기에 따라 원만하게 출력 전력의 제어가 가능해 진다. 또한 위상차 문제는 변압기의 기생 인덕턴스 및 캐패시터 등을 이용하여 해결하여 주었다.
이와 같이 개발된 stage-convertible 전력 증폭기는 본 논문을 통하여 새롭게 개발된 구조이기 때문에 현재 많은 연구가 이루어지지 않고 있다. 따라서, stage-convertible 구조에 적합한 여러 형태의 변압기와 이를 이용한 전력 증폭기를 개발 하였다. 먼저, 구동 증폭단의 출력과 전력 증폭단의 출력을 서로 변압기를 통하여 결합 해 줄 수 있는 3-포트 비대칭 전송선 변압기를 개발하였다. 이 변압기는 서로 다른 부하 임피던스 변환 비를 가지는 두개의 1차측을 포함하고 있기 때문에 stage-convertible 구조 및 부하 임피던스 변환 기법을 이용하는 전력 증폭기에 매우 적합한 구조이다. 더 나아가, 3-포트 비대칭 전송선 변압기에서 발생 할 수 있는 구동 증폭단 정합 회로에서의 손실을 개선하기 위하여 multi-primary 변압기를 개발하였다. 3-포트 비대칭 전송선 변압기는 변압기의 기생 성분을 이용하여 부하 임피던스를 변환 시켜 주는 반면, multi-primary 변압기는 변압기의 감은비를 좀더 적극적으로 활용해 줌으로서, 변압기에서 발생 할 수 있는 기생 저항 성분을 줄이고, 보다 효율적으로 임피던스를 변환 시켜 줄 수 있다.
다음으로는 변압기의 형태는 기존의 분포형 능동 변압기를 그대로 활용하고 구동 증폭단의 정합 회로 부분을 변형한 전력 증폭기를 개발 하였다. 이를 위하여 차동 라인 인덕터(differential line inductor)를 제안하였고, 이를 구동 증폭단의 정합 회로에 사용하였다. 차동 라인 인덕터는 차동 구조로 된 고주파 회로에서 신호선의 배치를 전류의 방향이 같도록 배치해 줌으로서, 전송선의 인덕턴스를 높여 주는 기법이다. 개발된 차동 라인 인덕터는 기존 전송선과 동일한 길이를 가지게 설계를 한다면, 기생 저항 성분은 동일하나, 인덕턴스 성분은 더 크기 때문에 높은 quality factor를 가진다. 여기서 개발된 차동 라인 인덕터는 stage-convertible 전력 증폭기뿐만 아니라 일반적인 고주파 회로에도 흔히 사용 될 가능성이 높다. 개발된 여러 종류의 stage-convertible 전력 증폭기는 측정 결과 성공적으로 저출력 전력 영역에서의 효율이 증대 되었다. 최고 출력 전력이 30 dBm을 넘는 전력 증폭기에서, 16 dBm 출력 전력에서의 효율은 현재 발표된 논문들과 비교하여 볼 때 최고 수치임이 확인 되었다.
마지막으로, 기존에 개발된 분포형 능동 변압기의 문제점을 해결하기 위하여 토너먼트 형태의 전력 결합기를 제안하였다. 분포형 능동 변압기는 신호선과 출력단의 변압기 서로 간섭을 일으켜, 선형 전력 증폭기의 개발시 발진의 문제를 일으킨다. 따라서, 향후 개발될 선형 CMOS 전력 증폭기의 선행 연구로서, 신호선과 변압기 간의 간섭이 없는 전송선 변압기를 이용하는 전력 증폭기를 위하여 토너먼트 형태의 전력 결합기를 개발하였다. 본 논문에서는 여러가지로 변형이 가능한 토너먼트 형태의 전력 결합기의 예시를 보였고, 이의 부하 저항 변환 과정을 분석하였다. 이를 바탕으로 실제 전력 증폭기를 구현하여, 토너먼트 형태의 전력 결합기의 가능성을 확인 하였다. 더불어, IPD(integrated passive device)를 이용한 CMOS 전력 증폭기도 토너먼트 형태의 전력 결합기를 이용하여 개발 하였다. 특히, IPD를 이용한 변압기는 IPD의 두꺼운 금속선을 사용하기 때문에 CMOS 공정상에서 형성된 변압기에 비하여 손실이 매우 적은 특성을 가진다. 따라서, IPD를 이용하여 개발된 전력 증폭기는 변압기가 CMOS공정상에서 개발된 전력 증폭기에 비하여 높은 효율을 가짐을 확인 하였다. 두 개의 칩을 이용하여 구현된 이 전력 증폭기는 fully on-chip 전력 증폭기의 개발에 징검다리 역할을 하리라 예상 된다. 개발된 토너먼트 형태의 전력 결합기는 특히 수십 GHz 의 동작 주파수를 가지는 회로에도 매우 적합한 전력 결합기 및 전력 분배기가 될 것이다.
