In this paper, the nonlinearity of a power amplifier designed using a CMOS process is improved and a study on a method for designing a high performance power amplifier is presented. In addition, this paper describes the design method of in-band full-duplexing (IBFD) power amplifier to be used in future wireless communication. To verify this, vari-ous techniques were applied to 2.4 GHz WLAN linear power amplifier, mmWave linear power amplifier, and mmWave IBFD power amplifier.
First, we proposed a common-gate (CG) combine structure consisting of class-AB non-linear main CG power amplifier and class-C auxiliary CG power amplifier. The opposite AM-AM and AM-PM characteristics of the two power amplifiers are simultaneously compensated to dramatically improve the linearity. In addition, the CG combine structure enables high performance power amplifiers with high P1dB and linear efficiency values.
Next, linearization techniques of various mmWave power amplifiers are proposed. These methods include dynamic feedback control, neutralized capacitor, 2nd harmonic termination, and restricted adaptive bias control.
The dynamic feedback control circuit extracts the envelope signal of the input signal through the detector and delivers it to the feedback circuit. This allows feedback of the power amplifier to be adjusted according to the envelope of the input signal.
The restricted adaptive bias control circuit is a technique for adjusting the bias of a transistor using an envelope signal extracted through an envelope detector. In particular, we proposed a method to make the design more convenient by using series resistors. Both of these methods improve AM-AM and AM-PM and improve power gain and efficiency to create a high-linearity, high-performance power amplifier.
Neutralized capacitors can improve AM-AM through positive feedback and improve the AM-PM by eliminating the effects of common-source (CS) parasitic capacitors. It also has the effect of increasing power gain and thereby increasing efficiency.
Finally, 2nd harmonic termination reduces the asymmetry of IMD3 and affects the im-provement of IMD3 as a whole.
Finally, we proposed an in-band full-duplexing power amplifier to be used in next-generation wireless communication technologies. The in-band full-duplexing power am-plifier can secure the isolation between the transmitter and the receiver using the hybrid transformer structure, thereby enabling the operation of the transmitter and the receiver in the same frequency band. The proposed method is applied to the output impedance match-ing transformer of the power amplifier to improve the problem of chip size and front-end integration of the circuit, and to overcome the disadvantage of the intrinsic 3dB power loss of the hybrid transformer.
본 논문에서는 CMOS 공정을 이용하여 설계된 전력 증폭기의 비선형성을 개선하고 고성능을 갖도록 하는 방법에 대한 연구가 제시된다. 또한 이 논문에서는 향후 무선 통신에 사용될 대역 내 전 양방 전력 증폭기의 설계 방법에 대해 설명한다. 이를 검증하기 위하여 2.4 GHz WLAN 선형 전력 증폭기, 밀리미터파 선형 전력 증폭기 및 밀리미터파 대역 내 전양방 전력 증폭기에 다양한 기술을 적용하여 설계를 진행하였다.
먼저 AB급 비선형 주 공통 게이트 전력 증폭기와 C급 보조 공통 게이트 전력 증폭기로 구성된 공통 게이트 결합 구조를 제안하였다. 두 전력 증폭기의 반대되는 AM-AM 및 AM-PM 특성은 서로 보상되어 선형성을 크게 향상시킨다. 또한 공통 게이트 결합 구조는 높은 P1dB 및 선형 효율 값을 갖는 고성능 전력 증폭기를 가능하게 한다.
다음으로 밀리미터파 전력 증폭기에 적용가능한 선형화 기술들을 제안하였다. 이러한 방법에는 동적 피드백 제어, 커패시터 중화 기법, 2차 고조파 제거 기법 및 제한된 적응형 바이어스 제어가 있다. 동적 피드백 제어 회로는 검출기를 통해 입력 신호의 포락선 신호를 추출하여 이를 피드백 회로로 전달한다. 이를 통해 입력 신호의 포락선에 따라 전력 증폭기의 피드백을 조정할 수 있다. 제한된 적응형 바이어스 제어 회로는 포락선 검출기를 통해 추출된 포락선 신호를 사용하여 전력 증폭기의 전압 바이어스를 조정하는 기술이다. 특히 직렬 저항을 사용하여 보다 편리하게 설계할 수 있는 방법을 제안하였다. 이 두가지 방법 모두 AM-AM 및 AM-PM을 개선하고 전력 이득 및 효율을 개선하여 고 선형성, 고 성능 전력 증폭기를 가능하게 한다. 또한 커패시터 중화 기법은 양성 피드백을 통해 AM-AM을 개선하고, 공통 소스 기생 커패시터의 영향을 제거함으로써 AM-PM을 개선한다. 또한 전력 이득을 증가시켜 효율을 향상시키는 효과도 있다. 2차 고조파 제거 기법은 IMD3의 비대칭 성을 줄이고 IMD3의 전체적인 개선 효과를 갖는다.
마지막으로 차세대 무선 통신 기술에 사용할 대역 내 전 양방 전력 증폭기를 제안한다. 대역 내 전 양방 전력 증폭기는 하이브리드 변압기 구조를 사용하여 송신기와 수신기 사이의 격리를 보장 할 수 있으므로, 동일한 주파수 대역에서 송신기와 수신기의 동작을 가능하게 한다. 제안된 방법은 전력 증폭기의 출력 임피던스 정합 변압기에 적용되어 칩 크기 및 회로의 프런트 엔드 통합 문제를 개선하고 하이브리드 변압기의 고유 3dB 전력 손실의 단점을 완화한다.
