The implementation of multi-band systems is a very important issue for the next generation wireless communication. The number of mobile and wireless users has been increasing year by year and the many kinds of digital wireless handsets such as GSM, EDGE, CDMA, WCDMA, WLAN and WiMAX have been used in many applications. All of these handsets commonly require a low-cost low-operation-voltage small-chip-size power amplifier. In response to the increased demand for wireless services and the need for greater capacity, wireless networks have been expanded to provide services over higher frequencies. To address these demands, operators and handset manufacturers are introducing multi-mode, multi-band handsets that enable automatic roaming across different operating systems and operating frequencies. While the base-band and analogue circuits can be integrated for the multi-mode and multi-band functions without significant problems using ULSI technologies, the integration of RF circuits, especially the power amplifier (PA), needs serious circuit researches because of the difficulties in optimum power matching and harmonic elimination for each band. The general techniques for multi-band PA are use of parallel PA’s structure or parallel matching circuit for each band, and use of switchable circuit for tunability. In this thesis, we propose a reconfigurable multi-band power amplifier with single input/output port and single-chain structure.
Firstly, we propose two different Class AB single power amplifier structures and demonstrate for multi-band mobile terminals applications. An MMIC single power amplifier with dual input (SPDI) has been devised for cellular/PCS/W-CDMA triple band applications, and an MMIC single power amplifier with single input (SPSI) has been devised for cellular/PCS dual-band application. These multi-band single power amplifiers can achieve a small chip and module size and operate with single operation voltage. Moreover, the SPSI structure can be applied for the power amplifier of single ended intelligent radio or software defined radio system. These structures have been applied to MMIC power amplifiers for mobile terminals with InGaP/GaAs HBT technology.
Secondly, we proposed the high-efficient GaAs HBT Class E power amplifier by tuning out the input parasitic capacitance (CIN) of the power HBT with shunt inductance. In order to obtain high output power, the PA needs the large emitter size of a transistor. The larger the emitter size, the higher the parasitic capacitance should be. In particular, the parasitic CIN affects the distortion of the voltage signal at the base node and changes the duty cycle to decrease the PA`s efficiency. Using an LC resonance circuit, we obtain remarkable efficiency improvement of as much as 7%. This PA exhibits output power of 29dBm and collector efficiency of 71% at 1.9GHz.
Thirdly, we demonstrate a high-dynamic range GaAs HBT Class E power amplifier for a WCDMA envelope elimination and restoration (EER) transmitter using dual-mode amplification. An impedance optimization can operate the lossless high-power Class E mode and lossless low-power Class AB mode. This PA has a high dynamic range of -50 dBm to 27 dBm and obtains a remarkably improved efficiency of 9% and 27% power-added efficiency (PAE) at output powers of 0 dBm and 10 dBm, respectively, for low-power mode, and 40% and 48% PAE at 20 dBm and 27 dBm, respectively, for high-power mode.
Finally, we propose a new design technique for a reconfigurable CMOS Class E power amplifier by selectively activating the transistor cells in the array of power transistors. The activated transistors will be used for amplification and the non-activated transistors will be used for input/output matching and switching capacitance for Class E operation. The quad-band PA for 1.9/2.3/2.6/3.5GHz has been implemented in a 0.18-um CMOS technology using the technique without any switch or tunable circuit. This PA obtains output powers of 24.2/23.8/23.4/20.5dBm and efficiency of 48.2/44.3/40.9/35.6% at 1.9/2.3/2.6/3.5GHz. The total MMIC chip size is as small as 0.92 mm X 1.75 mm for the reconfigurable quad-band operation. The linearity of this quad-band Class E power amplifier is measured using the hybrid-EER transmitter with wide-band envelope modulator. The adjacent channel leakage ratios (ACLR) are -36dBc/-39dBc at 5MHz offset frequency of 15dBm/11dBm output power for WCDMA 1.9GHz and 3.5GHz, and -36dBc/-36dBc at 5.3MHz offset frequency of 7dBm/8dBm output power for WiMAX 2.3GHz and 2.6GHz, respectively. The design principle of this PA can be applied for arbitrary frequencies for other wireless applications.
다중모드/대역 기술에 대한 연구는 최근 수년 동안 무선통신산업에서 중요한 이슈로 떠오르고 있다. 무선통신 단말기의 사용자는 매년 증가되고 있으며, GSM, EDGE, CDMA, WCDMA, WLAN, WiMAX 등 많은 응용분야의 디지털 무선 단말기가 개발되어 사용되고 있다. 이러한 모든 단말기들은 일반적으로 저비용, 저전압 모드, 초소형 칩과 모듈크기의 전력증폭기 생산을 지향하게 되며, 지금까지 이를 위한 많은 노력이 이루어졌다. 무선 통신 서비스의 다양화와 국가간의 로밍의 필요성 등에 의해 단말기의 동작 주파수와 동작 모드는 계속 다양화되며 증가되고 있다. 이러한 다양화된 주파수와 동작 모드를 자동적으로 커버하기 위해 다중대역 다중모드 단말기 송수신 시스템 기술은 계속적으로 발전되어 왔다. Base-band 와 아날로그 회로의 경우 ULSI 기술 등의 이용을 통해 큰 문제없이 다중대역 다중모드 회로를 집적화 시킬 수가 있었지만, RF 회로의 집적화 특히 전력증폭기의 경우에는 다중대역과 다중모드의 서로 다른 성능 규격을 만족시키기가 어렵기 때문에 지금까지도 큰 문제점들을 가지고 있다. 다중대역 전력증폭기 상품의 경우 아직까지 원하는 주파수마다 병렬적으로 여러 개의 증폭기를 연결시켜 사용하는 구조가 대부분이며, 최근에는 스위치 혹은 MEMS, varactor 등을 이용하여 하나의 정합회로로 다중대역을 만족시키는 연구 결과 등이 발표되고 있다. 하지만, 이러한 스위치 회로들의 경우 삽입손실이 불가피하게 되어 주파수에 따라 최적화된 성능을 만족시키기 어려운 단점이 존재한다.
첫번째로, 기존에 연구된 다중대역 전력증폭기들의 문제점을 해결하는 방법으로써, 전력증폭기 MMIC 에서 가장 많은 면적을 차지하는 출력단 트랜지스터를 공통으로 사용하는 cellular/PCS/W-CDMA 삼중대역 전력증폭기를 제안하였다. 각각의 주파수 대역에 따라 2개의 입력/출력 포트가 구성되며, 드라이브단 출력포트에서 하나로 이어지는 공통의 출력단이 존재하며, 출력정합회로는 각각의 대역에서 최대의 출력전력과 효율을 얻을 수 있도록 개별 정합회로를 사용하였다. 또 다른 개선된 구조로써, 드라이브단과 출력단의 트랜지스터를 공통으로 사용하고, 각 대역에서 최적화된 입력/출력 정합을 통해 MMIC 면적을 최소화하는 단일입력(Single-Input) 단일경로(Single-Chain) cellular/PCS 양대역 전력증폭기를 구현하였다. 손실(loss)를 갖는 어떠한 대역선택 스위치를 입력회로에 부가하지 않고서도 하나의 정합회로를 이용하여 양대역의 규격을 만족시킬 수 있는 회로로 구현할 수 있다.
두번째로, 차세대 고효율 고선형 송신기 시스템인 EER 에 사용될 수 있는 고효율 Class E 전력증폭기를 제안하였다. 트랜지스터의 입력 기생커패시턴스를 병력 인덕턴스를 통해 보상하여 효율을 높이는 방법으로 WCDMA 1.9GHz 주파수를 목적으로 하여 GaAs HBT 로 제작하였다. 일반적으로 고출력 전력을 확보하기 위해 전력증폭기는 매우 큰 emitter 면적을 필요로 하게 되는데, 이 면적이 커지면 커질수록 트랜지스터의 기생 캐패시턴스 또한 선형적으로 증가하게 된다. 이 기생 capacitance ($C_{IN}$) 는 base 노드에서 보이는 입력 전압 신호의 왜곡을 초래하게 되며 Class E 모드의 동작에 중요한 요소인 duty cycle 의 변화를 가져오게 되며, 이로 인해 높은 출력전력에서 효율의 감소를 보이게 된다. 이러한 입력 기생 캐패시턴스의 효과를 보상시키기 위해 병력 인덕턴스를 첨가하게 되고, 이 인덕턴스와 기생 캐패시턴스는 shunt LC 필터로 동작하게 되어 원하는 주파수 1.9GHz 에서 높은 임피던스를 보이게 된다. 이를 통해 효율의 감소현상을 막을 수 있다. 제안된 MMIC Class E 전력증폭기를 통해 29dBm 의 출력과 71% 의 효율을 얻을 수 있었다.
세번째로, 듀얼 모드 증폭구조의 WCDMA EER 송신기용 high dynamic range Class E 전력증폭기를 제안하였다. Class E 전력증폭기의 경우 입력이 일정하고 Vdd 에 의해 출력이 결정되게 되어 출력의 dynamic range 는 일반적인 Vdd 전압영역(0.5V~3.3V) 에서 최대로 얻을 수 있는 값은 약 20dB 이하가 된다. 그러므로 60dB 이상의 dynamic range 를 요구하는 WCDMA 송신기에 곧바로 사용이 불가능하며, 듀얼 모드와 같은 구조상의 변화가 필요하게 된다. 제안된 듀얼 모드 전력증폭기는 -50dBm에서 10dBm 구간은 저전력 Class AB 모드를 사용하며, 10dBm에서 27dBm 구간은 고효율 Class E 모드를 사용하게 된다. 특히 출력 포트가 하나로 구성되었을 때, 임피던스 최적화를 통해 저손실 Class E 모드와 Class AB 모드를 모두 동작시킬 수 있도록 구성할 수 있다. GaAs HBT 를 이용하여 제작된 MMIC 전력증폭기는 -50dBm 에서 27dBm 구간의 high dynamic range 를 갖게 되며, 출력 0dBm 과 10dBm 에서 각각 9% 와 27% 의 전력부가효율(PAE)을 얻었으며, 20dBm 과 27dBm 에서 각각 40% 와 48% 의 전력부가효율을 얻게 되었다.
마지막으로 위에서 연구한 Class E 전력증폭기를 바탕으로 CMOS 를 이용한 다중대역 Class E 전력증폭기를 제안하였다. 트랜지스터 셀들의 바이어스 on 과 off 를 이용하여 주파수 가변특성을 확보하는 새로운 기술로 스위치를 이용한 회로 없이 바이어스 회로의 조절을 통해 하나의 입력과 출력 매칭 회로를 이용해 다중대역 주파수를 만족시킬 수 있다. 켜진 트랜지스터와 꺼진 트랜지스터의 기생 커패시턴스는 각각 다른 값들을 갖게 되며, 특히 Class E 모드를 위한 스위칭 캐패시턴스와 LC 필터의 캐패시턴스의 주파수 가변특성을 바로 이 기생 커패시턴스의 변화를 통해 만족시킬 수 있었다. WCDMA, Wibro, WiMAX 를 기반으로한 1.9/2.3/2.6/3.5GHz 의 4중대역 Class E 전력증폭기를 0.18um CMOS 공정을 통해 구현하였으며, 전력손실을 가져올 수 있는 어떠한 스위치도 사용하지 않고 트랜지스터들의 on과 off를 이용해 4중대역 각각의 출력전력과 효율을 만족시킬 수 있었다. 또한 이 Class E 전력증폭기의 선형성을 테스트하기 위해 hybrid-EER 구조의 선형성 테스트 벤치를 제작하였다. 변조된 신호는 envelope detector 를 통해 envelope 신호만 감지하게 되고, envelope modulator 를 통해 envelope 신호를 Vdd 에 맞게 증폭시킬 수 있으며, 최종 신호의 근접채널누설비 (ACLR) 를 통해 선형성을 측정할 수 있다. 변조된 신호를 이용하여 최종적으로 측정된 ACLR 은 WCDMA 1.9GHz/3.5GHz 에서 각각 15dBm/11dBm 출력전력에서 -36dBc/-39dBc 값을 얻었으며, WiMAX 2.3GHz/2.6GHz 에서 각각 7dBm/8dBm 출력전력에서 -36dBc/-36dBc 값을 얻게 되었다. 이러한 다중대역 기술은 고정된 주파수뿐만 아니라, 원하는 임의의 주파수에 따라 트랜지스터 셀들의 개수를 조절하여 만족시킬 수 있으므로, 다른 여러 무선 통신용 송신기 시스템에 적용될 수 있을 것이다.
