Highly efficient CMOS linear power amplifiers (PA) for wireless communications are presented. To improve the AM-PM distortion, the body control network (BCN) is proposed which injects the envelope signal into the body of the common-gate (CG) amplifier. In ad-dition, The proposed BCN is implemented with the proposed power mode scheme, which utilizes the linearization techniques, and gain control scheme in order to reduce the current consumptions. To enhance the linearity and efficiency of a CMOS PA simultaneously, the cascode-cascade configuration (CCC) is proposed. The proposed CCC improves the PA’s overall performances in terms of AM-to-AM, AM-to-PM, IMD3, EVM, ACLR, and PAE. To improve the linearity and efficiency of a combining CMOS PA, the adaptive auxiliary amplifier control (AAAC) is proposed which improves the AM-PM distortions by reducing variations of admittance and efficiency of a PA by using adaptive control circuit.
Furthermore, the small-size current-reused RF-DAC is proposed. To improve the linearity of the RF-DAC, we proposed the complementary current control scheme and quadrature LO chain with RC ladder and inverter chain. In addition, the adaptive body injected mixer is proposed to reduce the power consumption of LO signal.
미래의 무선통신 시스템을 지원하기 위해서는 적은 소모 전력을 가지는 작은 크기의 단일칩 송, 수신기가 필요하다. 그러나 CMOS의 기생 캐패시턴스, 손실이 큰 substrate, CMOS 소자의 낮은 항복전압으로 인해서 CMOS 전력증폭기를 구현하는 것이 매우 어려운 상황이다. 따라서 전력증폭기를 포함한CMOS 송, 수신기의 소모 전력을 줄이고 사이즈를 줄이는 연구는 굉장히 필수적이고 필요하다고 할 수 있다.
먼저, 바디 제어 회로(BCN)를 제안하고 분석하였다. 제안한 BCN은 CMOS 트랜지스터의 기생 다이오드를 활용하여 포락선 신호를 공통게이트 증폭기의 바디에 인가한다. BCN은 전력증폭기의 AM-PM 왜곡을 줄여서 IMD3를 개선한다. 또한 제안한 전력증폭기는 선형화 방법을 활용하여 추가적인 크기가 필요 없는 저전력 모드를 제안하였다. 뿐만 아니라, 드라이버 스테이지의 트랜스컨덕턴스 스위칭을 통한 전체 이득 조절 기능을 포함하였다. 제안한 전력증폭기는 30.7dB의 이득을 가지고, 26.5dB의 이득 조절 기능을 가지고 있다. 802.11n의 MCS 7신호를 사용하였을 때에EVM -27dB를 기준으로 16dBm의 선형 출력 전력을 얻을 수 있었다. 또한 저전력 모드를 통해서 30mA의 전류를 줄일 수 있었다.
둘째로, Cascode-Cascade 구조(CCC)를 제안하고 분석하였다. 제안한 CCC는 입력 전력의 분배과정에서 캐패시턴스 상쇄를 통해 AM-PM 왜곡을 개선할 수 있고, 동시에 출력 전력의 결합과정에서 이득 보상을 통해 AM-AM 왜곡을 개선할 수 있다. 게다가 CCC는 낮은 출력 전력에서 소모 전력을 줄일 수 있기 때문에 전력증폭기의 효율을 높일 수 있게 된다. 제안한 전력 증폭기는 LTE up-link 신호를 사용하였을 때에 ACLR -30dBc를 기준으로 24.5dBm의 선형 출력 전력을 얻을 수 있었고, 이 때 45.6%의 효율을 얻었다. 이는 현재까지 출판된 전력 증폭기들 중 가장 효율적인 결과이다.
셋째로, 적응형 보조 증폭기 제어(AAAC)를 제안하고 분석하였다. 제안한 AAAC는 보조 증폭기의 공통게이트 증폭기의 소자가 동작하는 영역을 제어해서 모든 출력 전력 영역에 대하여 어드미턴스의 변화를 최소화시킨다. 그리고 이를 통해 AM-PM왜곡을 개선시킬 수 있다. 또한 낮은 출력 전력에서는 주 증폭기만 동작시키기 때문에 전체적으로 전력증폭기의 효율을 개선할 수 있다. 그 결과 802.11n MCS7 신호를 사용하였을 때에 EVM -25dB를 기준으로, 19.9dBm의 선형 출력 전력과 28%의 PAE를 얻을 수 있었다.
본 논문에서 소개된 기술을 바탕으로 하여CMOS 전력 증폭기를 포함하는 단일 칩 송, 수신기의 개발을 더욱 앞당길 수 있을 것으로 기대 된다.
