The implementation of multi-band/multi-mode is very important issue for the next generation wireless communication. Lately, many kinds of wireless communication such as GSM, EDGE, WCDMA, WLAN and WiMAX are included by one device. So that the PAs for smart mobile phones have become a very challenging area because the PA should handle voice, data, and broadcast with global roaming capability. Therefore, the PAs should have a multi-mode/multi-band capability with good linearity and high efficiency. The efficiency enhancement techniques while maintaining the linearity are EER (Envelope Elimination and Restoration), ET(Envelope Tracking), H-EER(Hybrid- Envelope Elimination and Restoration) and so on.
This thesis research the hybrid-EER based the hybrid envelope amplifier and the power amplifier for wireless communication system. First, the hybrid envelope amplifiers are implemented by using discrete components and CMOS process. The measurements of the hybrid envelope amplifier demonstrate multi-mode capability with high efficiency. Also, we present the proposed level sensing hybrid envelope amplifier. Fabricated in a 0.35-um CMOS process, the proposed envelope amplifier improved the efficiency due to reducing the switch loss. The proposed envelope amplifier simulates 4% efficiency improvement over the conventional hybrid envelope amplifier.
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 the hybrid-EER transmitter, which has been demonstrated in 0.18-μm 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 saturated output power was 27.28dBm and 27.3dBm with DE of 30.62% and 31.54% at 1.9GHz and 2.6GHz, respectively.
Third, the hybrid EER transmitter has been evaluated with a single-carrier EDGE, WCDMA and WiMAX signal using combination of the hybrid envelope amplifier and the dual-band power amplifier. The hybrid envelope amplifier provides multi-mode operation and the PA provides dual-band operation. Therefore, dual-band/ multi-mode of the hybrid-EER transmitters are demonstrated.
최근 이슈화되고 있는 스마트폰은 여러 통신 표준을 하나의 핸드폰에 사용되고 있으며, 이것은 앞으로 다중대역/다중모드가 가능한 송수신기가 필요하다는 의미이다. 본 논문에서는 송신기에 중점을 둔 다중대역/다중모드 송신기에 관한 것이다. 통신 시스템의 발달에 따라 더욱 더 높은 효율 및 선형성이 요구되면서, 두 가지의 특성을 최대화하기 위한 구조로써 효율 향상 기법 및 선형성 향상 기법의 결합된 구조가 대두되기 시작하였다. 이를 위한 후보로써 가장 선행 기술로 각광받고 있는 Hybrid-EER 전력 송신기를 소개한다.
Hybrid-EER 전력 송신기를 구현하기 위하여, 포락선 증폭기(Envelope Amplifier)와 전력 증폭기(Power Amplifier)가 필요하다. 포락선 증폭기는 선형 증폭기를 이용하는 경우와 스위칭 증폭기를 이용하는 경우로 분류가 된다. 최근 포락선 증폭기는 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 주종관계로 결합한 혼합형 증폭기 구조에 대한 연구가 송신기 구조에 연구되어 왔다. 고속의 선형 증폭기가 정전압원으로 출력 전압을 제어하고, 고효율의 스위칭 증폭기가 종속 전류원으로서 선형 증폭기의 출력 전류를 증폭해 출력에서 필요로 하는 대부분의 전류를 공급해 주기 때문에 하이브리드 포락선 증폭기는 고속 고효율 특성을 동시에 얻을수 있는 장점이 있다. 이러한 특성을 검증하기 위하여 상용칩을 이용하여 하이브리드 포락선 증폭기를 구현해보았고, 0.13-um CMOS 공정을 이용하여 온칩화 해보았다. 또한 레벨 센싱(Level Sensing) 기법을 이용한 새로운 구조의 하이브리드 포락선 증폭기를 제안한다. 레벨 센싱 기법은 스위칭단의 사이즈를 조절하고, 턴온(Turn-on)시간을 조절하면서 스위칭단의 전력 손실을 감소시키는 방법이다. 시뮬레이션 결과 기존 구조에서의 효율보다 약 4% 정도의 효율 향상을 보였다.
전력 증폭기는 0.18-μm CMOS 공정을 이용하여 1.9GHz, 2.6GHz를 만족하는 이중대역 전력증폭기를 설계하였다. 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 전력 증폭기의 크기는 1.5mm x 1.85mm으로 모든 패드와 함께 출력 transformer를 포함한 크기이다. 또한, 출력 정합 회로의 간소화하고, 높은 효율을 얻기 위해서 class-E 형태의 전력증폭기가 되도록 설계되었다. 제작된 전력 증폭기는 1.9GHz에서 27.28dBm의 포화전력과 30.62%의 드레인 효율(drain efficiency)을 갖고, 2.6GHz에서 27.3dBm의 포화전력과 31.54%의 드레인 효율(drain efficiency)을 갖는다는 것을 확인할 수 있었다.
하이브리드 포락선 증폭기와 전력 증폭기를 결합하여, Hybrid-EER 전력 송신기를 구현해보았다. 1.9GHz 대역에서는 EDGE와 WCDMA신호를 적용하고, 2.6GHz에서는 WiMAX 신호를 적용하여 측정하였다. 하이브리드 포락선 증폭기가 다중모드를 지원하고, 전력 증폭기가 이중대역을 지원하므로 이를 결합한 Hybrid-EER 전력 송신기는 이중대역/다중모드로 동작함을 확인 할 수 있었다.
