This thesis presents a hybrid switching amplitude modulator for class-E2 EDGE polar transmitters. To achieve both high efficiency and high speed, it consists of a wideband buffered linear amplifier as a voltage source and a PWM switching amplifier with a 2MHz switching frequency as a dependent current source. The linear amplifier with a novel class-AB topology has a high current-driving capability of approximately 300mA with a bandwidth wider than 10MHz. It can also operate on four quadrants with very low output impedance of about 200mΩ at the switching frequency attenuating the output ripple voltage less than $12mV_{pp}$. A feedforward path, a PWM control and a third-order ripple filter are used to reduce the current burden of the linear amplifier. The output voltage of the hybrid modulator ranges from 0.4V to 3V for a 3.5V supply. It can drive an RF power amplifier with an equivalent impedance of 4Ω up to a maximum output power of 2.25W with a maximum efficiency of 88.3%. The chip is fabricated in a 0.35um CMOS process and occupies an area of 4.7㎟. Through a prototype of a polar transmitter made out of a commercial RF power amplifier and a DSP for the function of predistortion, it is demonstrated that this amplitude modulator satisfies the requirements of the output power, the EVM and the spectral mask margin.
본 논문에서는 차세대 이동통신 시스템의 전력 소모를 줄이기 위해 최근에 각광받고 있는 폴라 송신기(polar transmitter)의 효율을 더욱 개선시키고자, 기존의 비효율적인 선형 진폭 변조기를 스위칭 변조기로 대체하기 위한 방법을 다루고 있다.
스위칭 증폭기는 대역폭이 스위칭 주파수에 의해 결정되는데, 광대역 특성을 얻기 위해 스위칭 주파수를 높이면 스위칭 손실이 증가해 효율이 나빠지게 된다. 이러한 단점을 보완하기 위해 선형 증폭기의 광대역 특성과 스위칭 증폭기의 고효율 특성을 주종 관계로 결합한 혼합형 증폭기 구조가, 폴라 변조 방식에 비해 좁은 대역폭을 요구하는 오디오 증폭기나 envelope tracking 방식을 이용한 송신기 구조에 적용이 되어 왔었다. 고속의 선형 증폭기가 정전압원으로서 출력 전압을 제어하고, 고효율의 스위칭 증폭기가 종속 전류원으로서 선형 증폭기의 출력 전류를 증폭해 출력에서 필요로 하는 대부분의 전류를 공급해 주기 때문에 혼합형 증폭기는 고속 고효율 특성을 동시에 얻을 수 있는 장점이 있다. 하지만, 출력 전압을 최종적으로 제어해 주는 선형 증폭기의 특성이 전체 시스템의 성능을 좌우하기 때문에 설계가 까다롭다는 어려움이 있다.
혼합형 증폭기에 사용되는 선형 증폭기가 가져야 할 중요한 특성은 다음과 같다. 첫째, 고속의 입력 신호에 대해 출력 전압을 제어해야 하기 때문에 광대역이어야 한다. 둘째, 출력 리플 전압이 스위칭 증폭기로부터 발생된 리플 전류와 선형 증폭기의 출력 임피던스의 곱으로 표현되므로 스위칭 주파수 이상에서 아주 낮은 출력 임피던스를 가져야 한다. 셋째, 임의의 출력 전압 레벨에 대해서 리플 전류를 공급 혹은 흡수할 수 있어야 하기 때문에 4사분면 동작이 가능해야 한다. 넷째, 대역폭이 좁은 스위칭 증폭기가 공급하지 못하는 신호 전류와 리플 전류를 공급하기 위해 대전류 구동 능력을 가져야 한다. AMS 0.35um CMOS 공정을 이용해서 구현한 결과, 3.5V 전원에서 10MHz 이상의 소신호 대역폭과 200mohm 이하의 출력 임피던스, 300mA 이상의 전류 구동 능력을 가지면서 4사분면 동작을 하는 선형 증폭기를 얻을 수 있었다.
선형 증폭기의 전류 부담과 리플 전류로 인한 전력 손실을 줄이기 위해 스위칭 증폭기에 다음과 같은 방법을 적용하였다. 첫째, 기존의 혼합형 증폭기에서 사용되던 히스테리시스 제어 대신 펄스폭 변조 (Pulse Width Modulation) 방식을 사용하였다. PWM 제어는 스위칭 주파수가 가변되는 전자에 비해 리플 전류가 작고 EMI로부터 좀더 자유로울 수 있다는 장점이 있다. 둘째, 입력 신호로부터 직접 스위칭 증폭기를 제어할 수 있는 feedforward 경로를 추가해 스위칭 증폭기의 유효 대역폭 (effective bandwidth)을 증가시켰다. 즉, 선형 증폭기의 출력 전류를 감지해 전류 이득만큼 증폭해서 공급해주는 전류 피드백 루프는 대역폭이 좁기 때문에 고주파 입력 신호에 대해 선형 증폭기의 신호 전류 부담이 증가할 수 있는데, 좀더 빠른 feedforward 경로를 추가함으로써 이러한 전류 부담을 줄여줄 수 있다. 셋째, 스위칭 증폭기로부터 발생되는 리플 전류를 줄이기 위해 3차의 L-C-L 필터를 사용하고 그로 인한 전류 피드백 루프의 불안정성을 피하기 위해 내부에 다시 전류 피드백을 걸었다. 4uH 인덕터 하나만을 사용하면 2MHz 스위칭 주파수에서 리플 전류가 최대 $110mA_{pp}$ 가 되어 선형 증폭기의 설계가 어려워지고 그로 인해 전력 소모도 증가되지만, 고차 필터와 전류 피드백을 사용하면 $40mA_{pp}$ 정도로 리플 전류를 줄일 수 있다.
설계된 혼합형 증폭기는 0.4V ~ 3V의 출력 전압과 $12mV_{pp}$ 이하의 리플 전압을 갖는다. 그리고 4Ω 부하에 최대 88.3%의 효율로 2.25W의 전력을 공급할 수 있다. 이 진폭 변조기를 RFMD사의 RF3146 칩 내에 있는 RF 전력 증폭기와 결합해 폴라 송신기를 구성하고, class-E2 EDGE 표준을 만족할 수 있음을 검증하였다. 진폭 경로와 위상 경로의 부정합으로 인해 생기는 AM-AM, AM-PM distortion 및 진폭 변조기의 delay를 보상하기 위해 DSP를 이용한 predistortion 기능을 추가하였다.
본 논문에서 제안된 혼합형 증폭기를 이용해 구현된 폴라 송신기는 EDGE 표준을 만족시킬 뿐만 아니라 선형 증폭기를 이용한 기존 송신기 구조에 비해 효율을 2배 정도 개선시킬 수 있어, 차세대 이동통신 시스템에서 선형성과 함께 효율을 개선시킬 수 있는 가능성을 제공했다는 점에서 의의를 찾을 수 있다.
