The major research issue in this thesis is on the efficiency improvement of the power amplifiers while satisfying the linearity requirements for the mobile communications and wireless LAN terminals applications. The InGaP/GaAs HBT was implemented as the basic building block for the monolithic microwave integrated circuit (MMIC) power amplifier, because the InGaP/GaAs HBT is the most reliable device structure for high power operation and the HBT supports higher power density than any other RF devices. Both the smart function for W-CDMA/PCS power amplifiers and optimum quiescent current for high linear 5 GHz WLAN power amplifiers are devised with novel active bias circuits including a bias control circuit and on-chip linearizer and implemented to the MMICs using the InGaP/GaAs HBTs.
This thesis proposes a new integrated bias control circuit for the smart function and realizes an InGaP/GaAs HBT MMIC power amplifier satisfying both W-CDMA and PCS specifications for improved overall power efficiency. A factor of 1.7 improvement was achieved in average power usage efficiency by applying different quiescent currents according to the required output power levels below and above 16dBm. The implemented W-CDMA/PCS dual band MMIC power amplifier presents 8.8/8.2% power-added efficiency (PAE) and -39/-49 dBc adjacent channel (leakage) power ratio (ACLR/ACPR) at the low power mode of 16dBm while 39.4/36.1% PAE and -33/-46dBc ACLR/ACPR at the 28 dBm high power mode.
In addition, a 5 GHz linear InGaP/GaAs HBT MMIC power amplifier for wireless LAN applications is realized. The three-stage power amplifier operates with 103 mA - low quiescent current of Class AB mode using active bias circuit under a single supply of +3.3V. A total current of 196(194)mA is consumed with an output power of 18dBm and PAE of 9.7% at 5.25(5.15)GHz. The power amplifier exhibits a power gain of 19.6 (17.8/18.5) dB, 1-dB compression point ($P_(1)$dB) of 26(25/25)dBm, and PAE of 27.8(25.4/20)% at 5.25(5.15/5.85)GHz. Measured third-order IMD (intermodulation distortion) is less than -25 dBc at the power of 3 dB back-off and less than -30 dBc at the power of 5 dB back-off from$P_(1)$dB for the frequency range between 5.15 and 5.85 GHz.
본 논문의 주된 연구 주제는 이동통신 단말기 및 무선랜용 전력증폭기의 선형성을 만족시키는 동시에 효율을 향상 시키는 것이다. 고출력 동작과 높은 출력 밀도를 지원하기 위해 신뢰성이 뛰어난InGaP/GaAs 이중접합 트랜지스터(HBT)를 활용하여 설계되었다. 바이어스 제어회로 및 선형화기가 포함된 능동 바이어스 회로를 고안하여 W-CDMA/PCS 양대역 전력증폭기에 대해서는 smart 기능이 적용되었고, 5GHz 무선랜용 전력증폭기는 최적의 동작전류를 사용하여 효율을 향상 시켰다.
본 논문에서는 smart 기능의 새로운 바이어스 제어 회로를 제안하고, InGaP/GaAs MMIC 전력증폭기로 구현하였으며, 양대역에서 제시하는 specification을 만족하면서, 출력에 적합한 동작전류를 적용함으로써 평균 전력 사용 효율이 1.7배 향상 되었다. W-CDMA/PCS 양대역 전력증폭기는 낮은 출력모드인16dBm 출력에서 8.8/8.2% 전력부가효율을, -39/-49 dBc ACLR/ACPR 특성을 보이며, 고출력모드인 28dBm 출력에서는 39.4/36.1% 전력부가효율을, -33/-46 dBc ACLR/ACPR의 성능을 나타낸다.
부가적으로, 무선랜용 선형적인5GHz InGaP/GaAs HBT MMIC 전력증폭기가 구현되었다. 3단 전력증폭기는 능동 바이어스 회로를 사용하여 Class AB 모드의 낮은 동작 전류-103mA를 사용하고, 3.3V의 공급전압으로 구동 된다. 5.25/5.15 GHz의 18dBm 출력에서 9.7%의 전력부가효율과 이 때 소모된 dc 전류는 196/194mA이다. 전력증폭기는 5.25(5.15/5.85)GHz의 주파수 대역에서 19.6(17.8/18.5) dB 파워게인을, 26(25/25) dBm - $P_(1)dB$와 27.8(25.4/20)% 전력부가효율을 나타낸다. IMD값은 $P_(1)$dB에서 3dB 백오프된 출력에서 -25dBc이하를, 5dB 백오프에서 -30dBc 이하의 값이 측정되었다.
