The power amplifier has been one of the crucial components in wireless communication systems. Accordingly, to exhibit excellent performance, the power amplifier based on compound semiconductors is being studied intensively. However, power amplifier based on silicon semiconductors are expected to be cheaper than power amplifier based on compound semiconductors and easier to integrated with other circuits, especially digital control circuits. This thesis propose two kinds of silicon-substrate based MMIC(monolithic microwave integrated circuit) power amplifier for wireless communication system.
First power amplifier is a X-band linear single-stage cascode power amplifier using an active bias circuit with an on-chip linearizer, which is developed in $0.25-\microm$ SiGe HBT BiCMOS process. The chip size of a single stage SiGe HBT power amplifier is 0.9mm x 0.95mm, including an active bias circuit with an on-chip linearizer, an input matching network, and an output matching network. The linearizer increases the 1dB compression point to as much as 3.4dB with no additional dc power consumption. A circuit simulation shows an increase of 1-dB compression point as much as 3.4dB, and a measurement indicate a 1-dB compression point only 0.4dB less than the saturation power with the linearizer. The power amplifier exhibits excellent input and output return loss characteristics. The fabricated PA delivers output P1dB of 20.8dBm, with a PAE of 27.4% and a small signal gain of 12.2dB with a gain variation under 0.5dB at 3.3V DC power supply over the operating frequency of 8.5GHz to 10.5GHz.
Second power amplifier is a fully integrated compact Wideband Code Division Multiple Access(W-CDMA) and Worldwide Interoperability for Microwave Access(WiMAX) dual-band power amplifier for polar transmitter, which has been demonstrated in $0.18-\microm$ RF CMOS process. The proposed power amplifier is designed to satisfy the dual-band specification and reduce the chip size efficiently to share an input balun, drive amplifiers, and common-source transistor of cascode power stages. The chip size of a power amplifier is $1.5mm\times1.85mm$, including output transformer and all pads. Additionally, we designed the low loss output matching network using on-chip spiral type transformer for CMOS Class-E PA which has recently drawn great attention because of the design simplicity in load network and high efficiency switching operation. The saturated output power was 28.3dBm and 26.85dBm with DE of 29.9% and 22.7% at 1.6GHz and 2.75GHz, respectively.
전력증폭기는 모든 무선 송신 단에 사용되는 핵심 부품으로서 충분한 전력을 가진 신호를 내보낼 수 있도록 전력을 증폭하는 기능을 수행한다. 전력 증폭기는 아직까지 GaAs(Gallium-arsenide)를 비롯한 화합물 반도체를 이용한 증폭기 제작이 대다수를 차지하고 있다. 하지만, 만약 전력증폭기가 화합물이 아닌 실리콘을 이용한 전력 증폭기 제작은 기존 화합물 전력 증폭기에 비해 높은 가격 경쟁력을 확보할 수 있으며, On-chip으로 제작할 경우 제품의 크기 측면에서도 장점을 가질 수 있다. 이에 본 논문은 실리콘을 이용하여 무선 통신 시스템용 전력 증폭기에 대한 연구를 기술하고 있다.
기존의 연구되어 왔던 X대역 전력증폭기들의 선형성을 향상시키기 위한 방법으로, On-chip 선형화기를 사용하여 선형 cascode 전력증폭기를 연구하여 구현하였다. 제작된 전력증폭기의 크기는 0.9mm x 0.95mm 으로 $0.25-\microm$ SiGe 공정을 이용하여 선형화기를 포함한 능동 바이어스 회로와 입력 및 출력 정합회로를 포함한 모든 소자를 On-chip 으로 제작하여 기존의 전력 증폭기에 비해 크기를 줄였다. 전력 증폭기는 비선형 회로로써, 신호를 왜곡시키고 인접채널로의 전력을 방출하여 간섭 신호를 생성하기 때문에 선형성 또한 우수해야 한다. 제안된 회로의 선형화기는 역방향 다이오드와 바이패스 캐패시터를 이용하여 전력 트랜지스터의 전류 구동능력을 향상시키는 역할을 한다. On-chip 선형화기를 이용할 경우 부가적인 삽입 손실이 적으며, 모의 실험을 통해 P1dB를 3.4dB 향상시킴을 확인할 수 있었고, 측정 결과를 통하여 포화 출력과 P1dB가 0.4dB 미만으로 차이가 나는 것이 확인되었다. 또한, 제작된 전력증폭기는 손실이 없는 입력 및 출력 정합 특성을 보이는 것이 확인되었으며, 8.5GHz에서 10.5GHz 사이의 동작 주파수에서 20.8dBm 의 P1dB 와 27.4%의 전력부가효율(power added efficiency)를 갖으며, 12.2dB 의 이득(gain)을 갖는다.
또 다른 실리콘을 이용한 전력증폭기는 $0.18-\microm$ CMOS공정을 이용하여 폴라 송신단(Polar Transmitter)을 위한 Wideband Code Division Multiple Access(W-CDMA)와 Worldwide Interoperability for Microwave Access(WiMAX)를 만족하는 이중대역 전력증폭기를 연구하였다. 제안된 전력증폭기는 이중 대역의 요구조건을 만족하기 위해 설계되었고, 이중 대역에서 입력 balun, 구동증폭단, 그리고 출력 캐스코드 전력 트랜지스터의 공통 소스 트랜지스터를 공유함으로써 전력증폭기의 크기를 효율적으로 줄일 수 있었다. 제안된 전력증폭기의 크기는 1.5mm x 1.85mm 으로 모든 패드와 함께 출력 transformer를 포함한 크기이다. 또한, 출력 정합 회로의 간소화하고, 높은 효율을 얻기 위해서 class-E 형태의 전력증폭기가 되도록 설계되었다. 제작된 전력증폭기는 1.6GHz에서 28.3dBm의 포화전력과 29.9%의 드레인 효율(drain efficiency)을 갖고, 2.75GHz에서 26.85dBm의 포화전력과 22.7%의 드레인 효율(drain efficiency)을 갖는다는 것을 확인할 수 있었다.
