A highly efficient CMOS linear power amplifier (PA) for IEEE WLAN 802.11 b/g/n/ac application is presented. To achieve high linear output power and high efficiency, a large signal MGTR linearization method is proposed with a modified envelope injection common source gate bias circuit. A novel inter-stage matching transformer which functions as a power splitter is designed to implement this method. Moreover, to enhance linearity in CMOS power amplifier, adaptive power cell(APC) linearization method is proposed. Also, we proposed integrated bias circuits with reduced sensitivity to voltages. With proposed linearization schemes, we improved PA performances in terms of EVM, $IMD_3$, AM to PM, AM to AM and ACLR.
Furthermore, a fully integrated WLAN/WPAN multi-mode front-end module(FEM) scheme is proposed. The FEM contains dual mode CMOS PA for WLAN and Blue-tooth/Wi-Fi direct and shared low noise amplifier(LNA). The proposed FEM includes integrated switches for mode change. The proposed scheme can reduce the chip size of FEM significantly with minimizing its performance degradation.
근래, 스마트 기기들의 보급으로 인하여, 무선 데이터 전송을 송, 수신 칩 개발이 핵심분야로 대두 되고 있다. 하지만, 소자의 특성으로 인해 선형전력 증폭기는 화합물 반도체를 이용하여 제작 되고 있다. 따라서 본 논문에서 제안하는 기법을 적용하여 기존의 화합물 전력 증폭기에 버금가는 선형성과 효율을 얻을 수 있었다.
CMOS 소자의 낮은 항복 전압을 극복하기 위하여 CMOS 전력 증폭기에서 널리 사용되는 캐스코드 구조의 선형성 향상을 위하여, 커먼 소스단과 커먼 게이트 단의 성형성을 향상 시킬 수 있는 전력 증폭기 구조를 각각 제안하였다.
먼저, 공통 소스단은 일반적으로 하나의 트랜지스터 셀을 이용하고, 이를 차동 구조로 사용한다. 이를 작은 두개의 트랜지스터 셀로 나누고, 각각 다른 바이어스 전압을 인가하여 주어, $IMD_3$ 와 AM TO AM, AM TO PM, EVM 의 선형성을 크게 개선 할 수 있는 구조를 제안하였다. 또한 이를 구동하기 위해 최적화된 정합회로를 제안함으로, 구조를 완성 시켰다. 또한, 이전에 제안된 입력 전력에 따라 선택적으로 게이트 전압을 높임으로 선형성과 효율을 향상 시키는 방식과 함께 동작 시킴에 따라 선형성을 크게 향상 시킬 수 있었다. 제안된 전력 증폭기는 0.13 μm CMOS 공정을 이용하여 제작하였다. 802.11g 신호를 이용하여 시행한 -25 dB EVM 에서 측정결과는 19.5 dBm 의 최대 선형 출력 결과를 얻었으며, 이때 24.8% 의 효율을 가진다. 이 결과는 현재 사용되고 있는 화합물 기반의 상용 PA 들과 그 출력전력과 효율에서 비슷한 성능을 가진다.
두번째, 공통 게이트 단의 선형성 향상을 위하여, 일반적으로 하나의 트랜지스터 셀을 이용하여 구성되는 형태를, 세개의 트랜지스터로 나누고 각가 다른 바이어스 전압을 인가하여 선형성을 향상 시키는 방식을 제안하였다. 이를 이용하여 전력 증폭기의 $IMD_3$ 와 AM to PM 을 크게 향상 시킬 수 있으며 이는 결과적으로 EVM 을 향상 시킬 수 있다. 제안된 전력 증폭기는 0.13 μm CMOS 공정을 이용하여 제작하였다. 802.11g 신호를 이용하여 측정한 결과는, -25 dB EVM 을 갖는 지점에서, 20.5 dBm 의 선형 전력 출력을 보였으며 이때 20.5 % 의 효율을 가진다. 또한 32dB 의 Gain 을 가질 수 있도록 설계 하였다. 또한 이를 위한 바이어스 회로를 제안함으로, 다른 회로들과 집적하였을 때 안정적으로 동작 할 수 있도록 설계 하여 주었다.
마지막으로, 현재 많은 문제들로 인하여 CMOS 기술로 제작 되고 있지 않은, 스위치와 저잡음 증폭기와의 집적을 위하여, CMOS 기술로 FEM 을 제작 할 수 있는 방법을 제시 하였고, 이를 구현 하였다. 이 방식은 WLAN 과 WPAN 범용으로 사용할 수 있는 전력 증폭기와 스위치, 그리고 저잡음 증폭기를 포함하고 있으며 최초의 집적화된 형태를 보였다. WLAN 을 위한 전력증폭기는 802.11ac 신호를 실험하였으며 -34 dB EVM 수준에서 16.2 dBm 의 최대 선형 전력을 측정 하였으며, 이때 6.7% 의 효율을 보였다. WPAN 을 위한 전력 증폭기는 802.11g 신호를 이용하여 실험하였으며, -25 dBm EVM 수준에서 10.3 dBm 의 최대 선형 전력을 측정 하였으며, 6% 의 효율을 보였다.
또한 저잡음 증폭기는 14.8 dB 의 증폭률과 3.6 dB 의 노이즈 피겨를 나타내었다.
본 논문에서 소개된 기술을 통하여 CMOS 전력 증폭기와 CMOS FEM의 상용화 및 집적화 개발을 더욱 앞당길 수 있을 것으로 기대 된다.
