For highly linear and efficient wideband CMOS power amplifier for wireless communi-cations, effective linearization and wideband techniques are presented. To improve the line-arity of the PA, parallel-cascoded configuration (PCC) is proposed to cancel out third and fifth IMDs and third harmonic distortion due to drain current nonlinearity. This also reduces distortions due to nonlinear capacitances. The configuration allows the amplifier linear characteristics to be robust against gate node voltage variations of CG transistors. An active feedback linearizer (AFL) with a concept of negative feedback control is applied to improve AM-AM and the power-added efficiency (PAE) at high output powers. In addition, a dynamic feedback linearizer (DFL) with an enhanced feedback control method is proposed, which reduces AM-PM distortion as well as AM-AM distortion simultaneously. A dynamic bias linearizer (DBL) based on envelope voltage injection to the bodies of the common source (CS) and common gate (CG) power transistors is proposed instead of front-gate networks with complicated bias and matching networks. The linearizers allow the PA to have optimum AM-AM and AM-PM characteristics, which reduces the nonlinear distortions significantly. Furthermore, a highly linear and efficient wideband CMOS PA is proposed with a compact transformer. The proposed transformer at inter stage and output stage is composed of interdigitated structure which has a high magnetic coupling factor and passive efficiency, which enhances linearity and efficiency of PA at the band edge.
최근들어, 무선 통신 시장에서 높은 데이터 전송률과 높은 대역폭에 대한 요구가 증가하고 있다. 802.11b/a/g/n 에서 802.11ac로 진화하는 커넥티비티 시스템과 2G GSM/EDGE, 3G UMTS/HSPA에서 4G LTE로 진화하는 셀룰러 시스템이 주목받고 있다. 핸드셋 어플리케이션에서 RF 전력 증폭기는 전력 소비의 주요 원인이다. 그리고 4G LTE 및 WLAN 802.11ac에서 사용하는 OFDM 변조 방식은 전력 증폭기의 엄격한 선형성 요구사항을 필요로 한다. 완전히 집적된 CMOS전력 증폭기는 크기와 비용 측면에서 많은 이점을 제공하지만, CMOS 소자 자체의 열화 때문에 비선형성 문제점들을 가지고 있습니다. 따라서, 효과적인 선형화 기술들을 제안한다.
첫 번째로, 제안된 병렬 캐스코드 구성은 홀수 차수의 비선형 트랜스 컨덕턴스와 게이트-소스 및 드레인-소스 비선형 커패시턴스로 인한 왜곡을 감소시킨다. 이 구성을 가진 전력 증폭기의 CG 증폭기는 동일한 동작 클래스를 유지하고 다양한 바이어스에서 비선형 커패시턴스를 보상하기 때문에 출력 전력 변동에 대해 강력한 선형 특성을 가진다. 제안된 전력 증폭기는 80MHz 대역폭의 256-QAM WLAN 802.11ac 신호에서 각각 -32 dB, -35 dB의 EVM을 만족하는 출력 전력이 17.1 dBm, 15.6 dBm 이고 10.1%, 7.5%의 전력 부가 효율을 가진다. 이 전력 증폭기는 프로세스, 전압, 온도 (PVT) 변화에 매우 둔감하여 산업화에 유리하다.
두 번째로, 네거티브 피드백 제어 개념을 지닌 능동 피드백 리니어 라이저가 고출력 전력에서 AM-AM 및 전력 부가 효율을 개선하기 위해 적용된다. 또한 AM-AM 왜곡뿐만 아니라 AM-PM 왜곡을 동시에 감소시키는 피드백 제어 기법을 적용한 동적 피드백 리니어 라이저를 제안하였다.
세 번째로, 선형화를 위해 이용되었던 게이트 컨트롤 방법이 아닌 백 게이트, 바디 컨트롤 방법을 이용한 선형화 기술을 제안하였다. 바디 컨트롤 기술은 게이트 컨트롤에 비해 훨씬 둔감한 장점을 가진다. 커먼 소스 증폭기와 커먼 게이트 증폭기의 바디를 컨트롤 하여 AM-AM 왜곡뿐만 아니라 AM-PM 왜곡을 크게 감소시켰으며, 왜곡에 관여하는 인자들과 유효 캐패시턴스 분석 방법을 제안하여 바디 컨트롤에 의한 선형화 기술이 동작하는 원리를 분석하였다. 그 결과, 전력 증폭기는 -33 dBc ACLR을 만족하는 지점에서 27.2 dB의 전력 이득, 27.7 dBm의 출력 전력, 41.3%의 전력 부가효율을 제공하며 이는 최근 보고된 LTE PA들과 견줄만하다.
네 번째로, 원하는 출력 전력에 따라 버랙터의 캐패시턴스를 컨트롤 하는 선형화 기술을 제안하였다. 구동 증폭기의 입력에 삽입되어 캐패시턴스의 조절로 위상을 조절하는 방법으로, 전체 출력 전력에서 AM-PM 왜곡을 줄여준다.
마지막으로 크기가 작은 변압기를 사용하여 매우 선형적이고 효율적인 광대역 CMOS 전력 증폭기가 제안되었다. 중간 스테이지 및 출력 스테이지에서 제안 된 변압기는 자기 결합 계수와 수동 효율이 높은 깍지 낀 구조로 구성되어있어 밴드 에지에서 PA의 선형성과 효율을 향상시킨다.
본 논문에서 제안한 다양한 선형화 기술들과 광대역 변압기 구조는 간단하면서도 효과적이기 때문에 널리 사용될 수 있을 것으로 기대 된다. 또한 이 기술들로 구현된 전력 증폭기는 최신 기술들의 결과와 필적하다.
