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고효율 LINC CMOS RF 전력 증폭기 = Highly efficient LINC CMOS RF power amplifeir
서명 / 저자 고효율 LINC CMOS RF 전력 증폭기 = Highly efficient LINC CMOS RF power amplifeir / 이홍탁.
저자명 이홍탁 ; Lee, Hong-Tak
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2013].
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초록정보

For the highly efficiency LINC CMOS power amplifier , two efficiency enhancement techniques are applied. These are based on adding other amplification method to the LINC operation and used for efficiency enhancement with power back-off. Milti-mode LINC is a combination of operation modeswhich utilizes linear and LINC mode. IN this scheme, the operaion mode is dynamically determined by the magnitude of the input. When the magnitude of input is higher than certain threshold, LINC operation is applied to linearize the PAs up to saturation output power.In other way, linear operation is selected when the input is lower than the threshold, and rapid roll-off of back -off efficiency in LINC can be relieved.The CMOS PA for this scheme is implemented with compact combiner. A combiner based on transmission line transformer(TLT) with isolation ressistors can keep the operating condition of PAs intact regardless of the phase differences for LINC operation. As a result, 2.dB of the maximum linear power and 9 % of efficiency are improved comared to only linear mode operation. The implemetned hybrid polar-LINC architecture utilizes Polar and LINC operation. Each operation is accomplished with th division of envelope information. The division can be determined by several relations based on equation E(t)=E_polar(t) * E_Linc(t). The dividing methods can be varied with characteristic of supply modulator and input signal . The output is generated by phase modulation of LINC and Polar amplitude modulation simultaneously. With helping by Polar operation with supply modulator, signal dynamics in LINC operation is reduced .This results in efficiency enhancement with reducing unwanted power generation. By using reduced bandwidth envelope in the polar amplitude path, the burden of supply modulator can be effectively relieved.Back-off efficiency is improved compared to LINC . The designed PA incules Class -E amplifiers and the proposed output combiner .Hybrid polar-LINC scheme by using the CMOS PA and the supply modulator are demonstrated for the first time . The measurements show the possibility of the scheme .This allows a28.5DBm maximum linear power and 29.6% efficiency without pre-distortion.

최신의 mobile 기기에서는 다중 standard 를 지원하는 하드웨어 구성을 작은 사이즈로 구성하고, 제한된 배터리 용량을 효율적으로 사용하며, 복잡한 modulation 방식들을 지원하기 위한 전력증폭기가 요구되고 있다. 이를 위해 single-chip integration이 용이한 CMOS 공정을 이용한 고효율, 고선형성의 전력증폭기의 설계가 주목받고 있다 . 본 논문에서는 이런 전력증폭기를 LINC 구조를 기반으로 설계하였다. LINC 의 동작원리는 outphasing concept을 기반으로 하며 변화하는 envelope의 정보를 두vector의 phase difference로 변환하여 이를 vector-sum 함으로서 선형적인 출력을 얻는 것이다. 각각의 power amp를 고효율의 switching amp로 구성할 수 있지만 ,back-off 영역에서의 효율특헝이 급감하는 단점을 가진다. 본 논문에서는 이러한 LINC구조를 다른 종ㅍㅡㄱ방식들과 혼합하여 줌으로서 각각의 방식이 가지는 단점을 서로 보완해주는 방법에 대해 연구를 보인다. 첫째로 , 일반적으로 사용하는 linear 동작과 LINC동작을 결합한 Multi-mod LINC구조를 CMOS로 구현하였다. Multi-mode LINC 구조는 LINC 동작의 추가를 통해 증폭기의 saturation power 까지를 모두 선형적으로 사용함 과 동시에 기존의 LINC 에서 발생하는 back-off 효율 특성을 개선하기 위해 제안된 concept 이다. 입력의 크기에 따라 각각의 동작모드가 결정되어 dynamic 하게 변화하며 신호를 증폭하게 된다 . 이러한 구조를 TSMC 0.18um CMOS공정을 이용한 PA chip과 IPD combiner를 이용하여 구현하였으며, WCDMA를 targer으로한 결과를 보였다. 여기서 사용된 combinder 는 CMOS PA에서 많이 사용하는 TLT를 이용하여 구성되었으며, outphasing 동작에 있어입력되는 각도 차에 관계없이 항상 일정한 impedance 특성이 각가의 증폭단에서 보여질 수 있도록 dissipation impedance를 삽입하여 제안되었다. 이를 통해 제작된 증폭기는 linear 동작만을 사용할 경우 WCDMA ACLR 조건을 만족하는 최대 출력이 25.6dBm/28.1%를 보였고 ,여기에 Multi-mode LINC 동작을통해 2.6dB의 outpower와 9%의 효율 개선효과를 보였다. 결과적으로 제안된 combiner 와 더불어 multi-mode LINC 동작을 통해 고효율, 고선형성의 CMOS LINC PA 를 구현 할 수 있었다. 두번째로 본 논문에서 polar 구조와 LINC 구조를 혼합한 Hybrid polar-LINC 구조를 다룬다. Nonlinear PA를 기반으로 한 또 다른 대표적인 증폭방식인 polar 구조는 출력하고자 하는 envelope 정보를 bias control을 통해 표현하며, 이는 modulation 의 bandwidth 부담을 심각하게 가져와 그 구현에 있어 문제가 된다. 이를 해결하기 위해 LINC 구조를 혼합하여, 출력하고자 하는 envelope정보를 나누어 각각의 구조에서 분담하여 중폭시켜, 각각의 단점을 해소 할 수 있다. 이때, polar 경로에서 담당하는 정보는 원 신호의 envelope에 대해 bandwidth를 줄인 신호가 되어 modulator의 부담을 경감시키며, 반대로 LINC 의 관젬에서는 결합하는 vector의 size를 출력의 크기에 따라 조절해주는 polar의 역할로 인해 back-off 효율의 개선을 가져오게 된다. 이러한 구조의 구현을 CMOS supply modulator 와 PA를 이용하여 보았다. Hybrid polar-LINC의 사용으로 인해 기존의 LINC 구조에 대비하여 약 6%정도의 효율개선이 나타나 최종적으로 28.5dBm/29.6%의 WCDMA 출력특성을 얻었다. 본 수치는 PA와 supply modulator 모두의 전력소모를 고려한 것이며, 추가적인pre-distortion 이 전혀 사용되지 않았다. 본 논문을 통해 이러한 Hybrid polar -LINC 구조가 최초로 구현되었으며, 그 가능성을 확인하였다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DEE 13011
형태사항 iv, 82 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 한국어
일반주기 저자명의 영문표기 : Hong-Tak Lee
지도교수의 한글표기 : 홍성철
지도교수의 영문표기 : Song-Cheol Hong
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 전기및전자공학과,
서지주기 참고문헌 : p. 66-74
주제 선형성
전력증폭기
효율 향상
Outphasing
LINC
back-off
power amplifier
IPD
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