Digitally modulated CMOS power amplifiers (DPAs) for multiband and multimode RF polar transmitters are researched.
Firstly, a digital polar CMOS power amplifier (DPA) with a 102-dB power dynamic range using a digitally controlled bias generator is proposed. The proposed DPA achieves a wide output power range and digital transmit-power control (TPC) range of a DPA to sup-port multimode operation without additional components such as a variable gain amplifier (VGA) and a variable attenuator (VATT). To improve the local oscillator (LO) leakage, which limits the minimum output power of the DPA, the unit amplifier cell of the DPA em-ploys a balanced mixer-type LO canceller at the power stage and a virtual ground is intro-duced in the layout of the output-power combining networks. A high dynamic range of the output power is simply achieved by adjusting gate-bias voltage of a cascode transistor in each power amplifier cell using a digitally controlled bias generator. This architecture allows a few-mA drain current at a low Tx power level without degrading the linearity. The peak output power is 24.4 dBm with an overall efficiency of 43% at 800 MHz. The output power range is 102.8 dB. The DPA has linear output power of 22 dBm with an average efficiency of 35% for WCDMA using a simple static pre-distortion scheme. The Tx power control range is 49.7 dB with only digital TPC methods.
Secondly, a 0.7 GHz - 1.9 GHz dual band digital polar CMOS power amplifier with over 100-dB power dynamic range using an on-chip reconfigurable matching network is proposed. The proposed DPA for a dual band transmitter is implemented integrating the high dynamic range DPA core with a transmission line transformer (TLT)-based reconfigu-rable output matching network in 65nm CMOS. This DPA supports the frequency range of 0.75-1.9GHz by purely digital controls, ACW and BCW, without extra components such as a wideband VGA and a wideband VATT, while it provides power dynamic range of over 100dB at each frequency band. It delivers the power dynamic ranges of 105.5 and 100.5 dB, providing the 69.8 and 68.7 dB digital transmit power control ranges at 0.9 and 1.7GHz, respectively for WCDMA. As a result, the proposed DPA includes the functions of the conventional Tx blocks including a wideband PA with a driver-stage, baseband DACs, mixers, a wideband RF VGA for the wideband Tx system. Therefore, the complexity, area, and power consumption of the wideband Tx system can be substantially reduced by using this simple DPA architecture.
Finally, a triple power mode high dynamic range DPA for back-off efficiency enhance-ment is proposed. The proposed DPA for back-off efficiency enhancement is implemented integrating the high dynamic range DPA core with the switched transformer. Using the switched transformer with additional reduced duty ratio of square wave LO input signal at back-off power, triple-power-mode for efficiency improvement is accomplished. The PAE improvement of 14.2 % is achieved from 14.5 % to 28.7 % at 6.5 dB back-off output power from the peak output power of the DPA using the low power mode (LPM). The LPM of the DPA offers a 97% relative improvement in efficiency. The digital TPC range of 68.2 dB for WCDMA is accomplished with the sufficiently large margin.
언제 어디서나 온라인에 접속 가능한 모바일 디바이스가 급증하고 있는 가운데, 음성이나 간단한 텍스트 메시지뿐만 아니라 영상, 위치 정보 등 다양한 형태의 고속 데이터 통신이 가능한 단말기에 대한 요구가 늘어나고 있다. 또한 여러 국가 간의 글로벌 로밍 역시 필수적으로 지원해야 한다. 따라서 단말기의 경박 단소화 와 저비용 및 고효율 화를 위해 다중 밴드 및 다중 통신모드를 지원하는 CMOS 전력 증폭기에 대한 연구가 진행되고 있는 가운데 아날로그 RF 송신단 보다 더 높은 가변성과 재구성력을 가지는 차세대 디지털 폴라 RF 전력 증폭기에 대한 관심이 증가 하고 있다. 이 디지털 전력 증폭기는 구조적으로 기존 송신단을 구성하는 전력증폭기, DAC, 아날로그 저 대역 필터, up-믹서의 기능을 하나의 블록으로 포함할 수 있는 이점을 보일 뿐만 아니라, 스위칭 모드로 동작하여 deep sub-micron CMOS 공정발전에 유연하게 적용 가능할 수 있는 장점이 있다. 본 연구에서는 디지털 전력 증폭기가 가지고 있는 문제점들을 해결하고 다중밴드 다중모드 디지털 송신단을 위한 성능을 향상할 수 있는 방법들을 탐구 하였다.
첫 번째로, 디지털적으로 제어가능한 바이어스 생성기를 이용한 102-dB 전력 범위를 가지는 디지털 CMOS 전력 증폭기를 제안하였다. 기존의 디지털 전력 증폭기는 넓은 전력범위를 확보하기 위해 외부 소자인 가변이득 증폭기(VGA)나 가변 감쇄기(VAttn)를 이용하여 LO 입력 신호의 전력 레벨을 조절하는 형식으로, 추가적인 소자로 아날로그 제어를 통해 달성하였다. 하지만 제안하는 디지털 전력 증폭기는 LO 누설 신호를 상쇄하는 구조를 전력 증폭기 어레이의 각 Sub 전력 증폭기 회로에 적용하고 또한 전력을 combining 하는 network의 layout에 적용하여 입력과 출력 사이의 LO 누설 신호 충분히 낮추었다. 이렇게 확보된 전력범위에 각 sub 전력 증폭기가 낼 수 있는 전력을 바이어스 워드를 통해 조절함으로써 전체 Tx (원하는 신호의 평균) 전력을 제어 할수 있게 하였다. 이를 통해 추가적인 외부 소자 없이 넓은 전력 범위를 Amplitude Control Word(ACW), 와 Bias Control Word(BCW) 두 디지털 제어 워드로 커버할 수 있다. 그 결과 출력 전력범위를 102.8dB 를 확보하여 기존 대비 약 45dB 이상의 향상을 달성 하였다. WCDMA 신호로 다이나믹 동작을 검증한 결과 49.7dB의 평균전력 범위를 디지털 제어로만 만족할 수 있었다.
두 번째로, 0.7 GHz 에서 1.9 GHz 를 위한 듀얼 밴드, 100 dB 이상의 출력 전력 범위를 가지는 다중 밴드 다중 모드를 위한 디지털 폴라 CMOS 전력 증폭기를 제안하였다. 기존 송신단은 다중밴드 다중모드를 위한 소신호 레벨의 신호 변조단과 여러 주파수 대역과 다중모드를 지원하기 위한 여러 개의 화합물 반도체 전력증폭기로 이뤄 졌지만, 최근 이를 하나 또는 두개의 CMOS 전력 증폭기로 커버하려는 노력이 이뤄지고 있다. 그렇지만 이 경우에도 역시 그 앞단에 다중모드 다중밴드를 지원하기 위한 소신호 신호변조단이 필요 하였다. 하지만, 앞에서 제안한 넓은 출력범위를 가지는 디지털 전력 증폭기와 0.9GHz-1.9GHz 를 커버하는 듀얼 밴드 온칩 재구성 가능한 정합 네트워크를 집적화 함으로써 하나의 블록으로 다중밴드, 다중모드 전력증폭기의 기능은 물론 소신호 레벨의 신호변조 기능까지 커버 할 수 있는 다중모드 다중밴드 디지털 RF 송신단을 제안하였다. 이 역시 추가적인 외부 부품없이, 또한 디지털 제어로만으로 가능하다. 그 결과 0.9GHz 와 1.7 GHz에서 각각 105.5 / 100.5 dB 의 출력 전력범위를 가질 수 있었고 WCDMA 신호 테스트 결과 0.9 GHz 와 1.7 GHz 에서 ALCR 선형선을 만족하고 충분한 EVM 마진을 달성하며 각각 69.8 dB / 68.7 dB Tx (원하는 신호의 평균) 전력 범위를 달성하였다.
세 번째로, Back-off 효율 향상을 위한 3단계로 이뤄진 전력모드를 가지는 넓은 다이나믹 범위를 가지는 디지털 전력 증폭기를 제안하였다. 디지털 전력 증폭기는 일반적으로 Class-B 의 효율 곡선을 가지고 있지만 여전히 Back-off (낮은) 출력 전력에서 낮은 효율을 보이고 있다. 3단계 전력 모드를 가지는 넓은 다이나믹 범위를 가지는 디지털 전력 증폭기는 앞에서 제안했던 넓은 출력 전력범위를 가지는 디지털 전력 증폭기와 스위치로 튜닝이 가능한 Transformer 를 집적화 하고 여기에 입력 바이어스를 조절하여 입력 LO 신호의 duty ratio 를 조절할 수 있는 간단한 바이어스 회로로 이뤄져 있다. 높은 전력모드에서는 정합 네크워크를 높은 전력에 최적화 하고 중간의 전력 모드에서는 정합회로의 네트워크를 높은 효율을 가지도록 최적화 하도록 Transformer의 스위치로 로드 임피던스를 변환하였고 저전력 모드에서는 여기에 50%에서 35%로 LO 신호의 duty ratio 를 조정함으로써 높은 효율을 유지하면서 더 낮은 출력 전력을 가지도록 하였다. 그 결과 Peak 출력 전력에서 6.5 dB back-off 출력전력에서 PAE 가 14.5% 에서 28.7% 로 상대적으로 97% 의 효율 향상을 가질 수 있었다.
결론적으로, 다중모드 다중밴드를 위한 디지털 폴라 CMOS 전력 증폭기에 대한 연구를 하였다. 기존의 폴라 전력 증폭기가 가지고 있는 제한된 출력 전력 범위에 대한 문제를 해결하였고, 0.9 GHz 와 1.9GHz 를 하나의 Core 로 요구되는 선형성과 출력 전력범위를 동시에 커버 할 수 있는 듀얼 모드디지털 전력 증폭기를 제안하였다. 그리고 낮은 출력전력 범위에서 효율을 향상시키기 위한 3단계 전력모드를 가지는 디지털 전력 증폭기를 제안하였다.
마지막으로, 0.7GHz - 2.5GHz 대역을 커버하는 다중모드 다중밴드를 위한 Power Mixer 를 제안하였다. Sub 전력 증폭기의 출력 전력을 합치는데 발생하는 전력 및 효율 손실, 그리고 RF 신호의 디지털 진폭 변조로 발생한 Quantization noise 등, 기존의 디지털 전력증폭기가 가지고 있는 한계를 극복할 수 있는 Power Mixer 를 연구하였다. 이를 앞에서 제안했던 듀얼 밴드 재구성 가능한 정합 네트워크와 집적화하고 낮은 출력 전력에서 Supply 전압을 평균 출력 전력에 따라 낮아지게 함으로써 낮은 출력 전력에서 동작 주파수에 관계 없이 효율향상을 보이도록 하였다.
