Wireless sensor network applications are being introduced to various fields and some applications intend to widen their coverage by extending communication range between sensor nodes. To satisfy these needs, trans-mitter is expected to perform with increased output power while still retaining high overall transmitter efficiency in order to prolong battery life. This dissertation provides insight on how to design power amplifier and pre-PA buffer that are optimal for such transmitter requirements. By using 65nm process and 0.6V low supply voltage, class-E power amplifier operating at 2.4GHz and with 10dBm output power is designed with adequate modifi-cations to maximize power efficiency. Key practices are adopting cascode structure to avoid transistor break-down and realizing LC filter which is required for harmonic suppression outside the chip. Two candidates for pre-PA buffer, which are inverter chain buffer and resonant buffer, are analyzed and compared giving useful insight on why resonant buffer outperforms its counterpart in many ways. Post-layout simulation results are included to show resonant buffer and class-E power amplifier satisfies target performance.
무선 센서 네트워크는 다양한 산업분야에 적용되고 있으며 특정 경우에는 넒은 지역에 걸쳐 사용될 수 있도록 센서 간의 통신 거리를 늘릴 필요가 있다. 이런 요구를 만족하기 위하여 송신기는 이전보다 더 높은 송신출력을 내면서도 전체 송신기의 전력효율을 높게 유지하여야 배터리로 구동되는 무선 센서 노드의 작동시간을 늘릴 수 있다. 이 논문은 이런 요구를 만족하기 위한 출력 증폭기와 출력 증폭기 입력단 증폭기 설계에 대해 다룬다. 65nm 공정과 0.6V라는 낮은 공급전압이라는 조건에서 2.4GHz에서 작동하며 10dBm의 출력을 내는 E급 출력 증폭기를 적절한 설계기법을 통하여 효율을 최대화하였다. 주요 설계기법은 캐스코드 구조를 통해 소자에 걸리는 고전압에 의한 소자파괴를 방지하고 칩 내부에서 LC 필터를 구현하지 않고 칩 외부에서 구현하는 것을 통해 배수 주파수 성분 제거를 실현하는 것이다. 출력 증폭기 입력신호 증폭기는 인버터 배열 증폭기와 공진형 증폭기 두 가지에 대해 비교분석함을 통해 공진형 증폭기가 더 적합하다는 것을 보였다. 두 가지 입력신호 증폭기에 대해 각각 레이아웃 설계를 마치고 포스트-레이아웃 시뮬레이션 결과를 분석하여 이 연구가 제시하는 E급 출력 증폭기와 공진형 입력신호 증폭기를 통해서 원하는 신호 출력과 송신기 효율을 얻을 수 있음을 확인하였다.
