This thesis presents a new amplitude modulator for polar transmitters. A common method for polar amplitude modulator is to use the low drop out regulator (LDO) which inherently suffers from low efficiency. The most efficient energy conversion from a battery is achieved by means of a switching power converter, though this approach results in a limited bandwidth due to the limitation imposed on the switching frequency. To achieve both high efficiency and wide bandwidth, Master-Slave Switching Amplitude Modulator (MS-SAM) and Parallel Switching Amplitude Modulator (P-SAM) are presented.
MS-SAM consists of a combination of two step-down modules with different switching frequencies and different switch sizes. Master module was designed for wide bandwidth and slave module for high efficiency. A new current-sensing circuit based on a sample and hold circuit operable under a high switching frequency (> 40 MHz) is also presented. The chip was fabricated in a standard 0.35 ㎛ CMOS process with an area of 6.45 ㎟. The MS-SAM could drive the amplifiers of up to 4 W RF power in the experiment. We obtained an efficiency of 89% and the converter’s bandwidth was wide enough to meet the EDGE spectral requirements.
P-SAM consists of a parallel combination of a step down converter and a pseudo step down converter. This modulator achieves the maximum efficiency of 87.5% and 5 MHz bandwidth with -71.5 dB ripple voltage satisfying EDGE spectral mask. The number of off-chip component is the same as the conventional step-down converter. It can drive up to 4 W and the chip area is 4.4 ㎟.
Two suggested methods are good candidate topologies for polar applications. These overcome the difficulties of designing high efficiency and wide bandwidth amplitude modulator.
오늘날 이동 통신의 급격한 발전은 사람들에게 많은 편리함과 생활의 다양성을 제공해주었다. 그러나, 통신기기에 사용되는 배터리는 그 발전에 있어서 한계가 있다. 따라서 주어진 배터리의 용량에 이동 통신 기기를 편리하게 오래 사용하기 위해서는 전력 효율이 좋은 회로를 사용해야 한다. 특히 이동 통신에서 가장 전력이 많이 소모되는 전력 증폭기가 중요한 요소가 된다.
더 많은 데이터의 송수신과 빠른 통신 규격을 사용함에 따라서 전력 효율이 좋으면서 통신의 질을 향상시킬 수 있는 여러 통신 회로들이 제안되었다. 그 중에서 주목할 만한 것이 폴라 송신기이다. 이 방식을 사용함으로써 송수신되는 데이터의 왜곡이 없으면서 전력 효율은 좋은 통신이 가능해졌다. 그러나 이 폴라 송신기를 설계함에 있어서 가장 어려운 부분이 기저대역의 포락선을 복원시켜주는 가변 전원 공급기이다. 이 가변 전압 공급기는 광대역이면서 고효율이어야 하는데, 이를 동시에 충족시켜주기가 어렵다.
본 논문에서는 광대역이면서 고효율을 얻을 수 있는 새로운 구조의 가변 전압 공급기를 제안하고자 한다. 그리고 본 논문에서 제안된 가변 전압 공급기는 IC화하여 이동 통신 기기에 직접 장착이 가능하도록 설계되었다.
본 논문은 초반부에서 폴라 송신기에 사용되는 기존 가변 전압기의 방식에 대해서 설명할 것이며, 기존의 DC-DC 컨버터를 설계하는데 있어서의 유의 사항에 대해서 점검해 보고 본론으로 들어갈 것이다. 본론에서는 두 가지 가변 전원 공급기를 제안할 것이며, 이들을 IC화하고 실험하여 목표로 하였던 성능을 달성했는지에 대한 검토를 할 것이다. 그리고 마지막으로 최근에 제시되었던 방식들과 성능을 비교하며 설계한 가변 전압 공급기의 성능을 요약하며 결론을 낼 것이다.
광대역이면서 고효율을 얻을 수 있는 가변 전압 공급기의 구조로써, Master Slave Switching Amplifier (MS-SAM)과 Parallel Switching Amplitude Modulator (P-SAM)을 제안 하였다.
MS-SAM은 서로 다른 스위칭 주파수와 스위치 사이즈를 가지는 두 가지의 step-down 컨버터를 결합하였다. Master module은 광대역을 위해서 설계되었으며, slave module은 고효율을 위해서 설계되었다. 그리고 본 구조를 구현함에 있어서 가장 힘든 부분인 새로운 구조의 전류 센싱 회로를 제안하였다. 이 회로는 Sample and hold 회로를 이용하여 구현한 것으로 실험 결과 만족한 결과를 얻을 수 있었다. MS-SAM은 standard 0.35 ㎛ CMOS 공정을 이용하여 IC화 하였으며 면적은 6.45 ㎟이다. 최대 4W까지 구동 가능하며 최대 효율은 89%를 얻을 수 있었다.
P-SAM은 고효율의 step-down converter와 새로운 구조의 광대역 스위칭 앰프를 결합하였다. 이 구조는 앞선 MS-SAM과는 달리 완전 병렬구조이며, MS-SAM의 단점들을 보완한 구조이다. 가장 큰 차이점으로는 인덕터를 하나만 사용하였으며, 출력 전압 리플 또한 MS-SAM보다 낮다. 그리고 최대 효율은 87.5%를 얻을 수 있었으며 5MHz의 대역으로 설계가 가능하였다. 마찬가지로 standard 0.35 ㎛ CMOS 공정을 이용하여 IC화 하였으며 면적은 4.4 ㎟이다. 최대 4W의 출력을 얻을 수 있도록 설계되었다.
제안된 두 가지 구조 모두 다 폴라 송신기의 가변 전압 공급기에 적합하며, 이 구조를 활용함으로써 더욱 더 향상된 성능의 가변 전압 공급기의 설계가 가능함을 보였다.
