무선 송수신기용 선형 전력증폭기{Linear power amplifier for wireless transmitter}

본 발명은 선형(Linear) 전력증폭기(PA: power amplifer)에 관한 것으로, 특히 무선 통신 시스템의 송신단 또는 수신단에 이용되는 CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 선형 전력증폭기에 관한 것이다.

CMOS 기술은 SoC(System on Chip) 집적 공정에 장점을 가지므로, 현재 모바일 무선 통신 시장에 널리 사용되고 있으며, 그에 따라 무선 트랜시버 시스템에서 비용과 크기를 줄이는 고집적도에 대한 요구가 점차 증가하고 있다.

그런데 CMOS 공정(process) 기술은 기판 손실과 낮은 항복 전압 특성을 가지기 때문에 무선 트랜시버 시스템에 이용되는 고성능 전력증폭기를 완전하게 SoC로 집적하는 것이 장애물로 남아 있다.

현재 몇몇 CMOS 전력증폭기는 이미 GSM(Global System for Mobile Communications)과 Wi-Fi 용도로 하는 대량 제품에 성공적으로 채용되어 있지만, 셀룰러 애플리케이션용 선형 CMOS 전력증폭기는 전력증폭기 시장에서 확산 속도가 느린 실정이다. 이렇게 선형 CMOS 전력증폭기가 시장에서의 확산 속도가 느린 것은 효율성과 선형성이 만족할만하지 못하기 때문이다. 물론, 집적수동소자(IPD)와 디지털 전치왜곡(DPD)과 같은 방법을 사용하는 경우에 효율성과 선형성을 향상시킬 수 있지만, 전반적인 사양을 만족시키는 별도의 칩이나 회로가 요구되기 때문에 비용이 증가하는 단점이 발생한다.

그리고 전력증폭기의 전체 선형성은 공통 게이트 증폭기의 게이트 노드에서 임피던스를 제어하는 것으로 향상될 수 있다. 그러나 이 경우에 게이트 노드의 임피던스를 결정하는 인덕터와 커패시터를 정밀하게 제어하여야 하는 어려움이 있다.

전력증폭기의 선형성을 향상시키는 또 다른 방법으로 바이어스 회로를 통한 포락선을 주사하는 방법이 있다. 그러나 이 방법은 선형성의 저하없이 효과를 향상시킬 수 있으나, 증폭기가 주사 신호에 따라 고용량의 게이트 노드에 갑작스런 큰 신호를 구동시키므로 포락선 주사 회로가 바이어스 전압에 매우 민감해지고, 몇몇의 주사된 포락선 신호가 소신호 증폭기에서 선형성을 저하시키는 원인으로 작용하는 경우가 발생한다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 고출력 전력과 전력부가효율(PAE; Power Added Efficiency) 모두를 만족하면서 선형성을 향상시킬 수 있는 무선 송수신기용 선형 전력증폭기를 제공하는 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 일 특징에 따른 본 발명은 무선 송수신기용 선형 전력증폭기를 제공한다. 이 선형 전력증폭기는 제1 CMOS 트랜지스터와 제2 CMOS 트랜지스터를 포함하는 제1 캐스코드 증폭기, 제3 CMOS 트랜지스터와 제4 CMOS 트랜지스터를 포함하는 제2 캐스코드 증폭기, 상기 제2 및 상기 제4 CMOS 트랜지스터의 게이트에 각각 연결되고 전압 바이어스와 연결된 게이트 바이어스 네트워크, 상기 제2 CMOS 트랜지스터의 게이트와 상기 제4 CMOS 트랜지스터의 드레인에 연결된 제1 밀러 커패시터, 그리고 상기 제4 CMOS 트랜지스터의 게이트와 상기 제2 CMOS 트랜지스터의 드레인에 연결된 제2 밀러 커패시터을 포함하며, 상기 제2 및 제4 CMOS 트랜지스터는 게이트 공통 증폭기를 형성하고, 상기 게이트 바이어스 네트워크는 상기 제2 CMOS 트랜지스터의 게이트에 연결되고 상기 전압 바이어스에 연결된 제1 인덕터와, 상기 제4 CMOS 트랜지스터의 게이트에 연결되고 상기 전압 바이어스에 연결된 제2 인턱터를 포함한다.

상기에서 게이트 바이어스 네트워크는 상기 제2 CMOS 트랜지스터의 게이트에 연결되고 상기 제1 인덕터에 직렬 연결된 제1 저임피던스 저항 및 상기 제4 CMOS 트랜지스터의 게이트에 연결되고 상기 제2 인덕터에 직렬 연결된 제2 저임피던스 저항을 더 포함할 수 있다.

상기 제1 및 제2 밀러 커패시터 각각은 연결된 게이트에서 바라본 커패시턴스의 크기에 따라 그 크기가 조절된다.

상기 제1 및 제2 인덕터는 나선형 인덕터 또는 외부 보드 상에 형성된 마이크로스트립 라인 또는 외부 집중 인덕터 중 하나이다. 그리고 상기 저임피던스 저항은 저항값이 수 옴내지 수십 옴이다.

본 발명의 실시 예에 따르면, IMD2를 감소시키고, 저 주파수에서 낮은 임피던스 특성을 가지도록 함에 따라, 고출력 전력과 전력부가효율 모두를 만족하면서 선형성을 향상시킬 수 있게 한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 무선 송수신기용 선형증폭기의 회로도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 무선 송수신기용 선형증폭기와 종래의 선형 증폭기간 주파수에 따른 게이트 임피던스 특징을 보인 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 무선 송수신기용 선형증폭기가 적용된 증폭장치의 회로도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 무선 송수신기용 선형증폭기가 적용된 증폭장치에서의 출력 특징을 보인 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 무선 송수신기용 선형증폭기에서 밀러 커패시터에 의한 CS 증폭기의 게이트에서의 커패시턴스 변화를 보인 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 무선 송수신기용 선형 증폭기와 종래의 선형 증폭기간 IMD3를 보인 그래프이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본 명세서 전체에서, CMOS 트랜지스터라는 용어는 CMOS 공정으로 만들어지는 트랜지스터를 의미한다.

이제, 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 무선 송수신기용 선형 전력증폭기에 대하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 무선 송수신기용 선형증폭기의 회로도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 무선 송수신기용 선형 증폭기는 CMOS 선형증폭기로서, 차동 캐스코드 증폭기(differential cascode amplifier)의 구조를 가지며, 선형성 개선을 위하여 게이트 바이어스 네트워크와 밀러 커패시터(Cp)를 포함한다.

차동 캐스코드 증폭기의 구조는 제1 CMOS 트랜지스터(T1)와 제2 CMOS 트랜지스터(T2)를 포함하여 제1 차동 캐스코드 증폭기를 형성하고, 제3 CMOS 트랜지스터(T3)와 제4 CMOS 트랜지스터(T4)를 포함하여 제2 차동 캐스코드 증폭기를 형성한다.

따라서 제2 CMOS 트랜지스터(T2)의 게이트로 입력되는 (+)의 입력 신호는 제1 CMOS 트랜지스터(T1)에 의해 주파수 응답이 개선되어 (+) 출력단으로 출력된다. 마찬가지로, 제4 CMOS 트랜지스터(T4)의 게이트로 입력되는 (-)의 입력 신호는 제3 CMOS 트랜지스터(T3)에 의해 주파수 응답이 개선되어 (-) 출력단으로 출력된다.

제1 차동 캐스코드 증폭기의 제1 CMOS 트랜지스터(T1)와 제2 차동 캐스코드 증폭기의 제3 CMOS 트랜지스터(T3)는 게이트가 공통으로 연결되며, 제1 및 제3 CMOS 트랜지스터(T1, T3)의 드레인은 출력단에 커플링된다.

그리고 제1 차동 캐스코드 증폭기의 제1 CMOS 트랜지스터(T1)의 게이트와 제2 차동 캐스코드 증폭기의 제3 CMOS 트랜지스터(T3)의 게이트는 공통으로 연결되어 있으며, 공통전압(Vg2)에 의해 제1 및 제3 트랜지스터(T1, T3)의 온 또는 오프시킨다.

제1 차동 캐스코드 증폭기의 제2 CMOS 트랜지스터(T2)와 제2 차동 캐스코드 증폭기의 제4 CMOS 트랜지스터(T4)는 소스가 공통으로 연결되어 공통 소스 증폭기(CS 증폭기)를 형성하며, 공통 소스가 접지단에 연결된다.

일반적으로, CS 증폭기의 입력 노드 임피던스는 원하는 신호와 IMD 음성(tone)의 게이트 전압 스윙에 영향을 준다. 그리고 2차 IMD(Intermodulation Distorion, 혼변조 왜곡) 즉, IMD2는 입력신호에 더해지거나 빼지는 것이므로, IMD2의 주파수 범위는 매우 낮다. 알려진 바에 따르면, IMD2는 최대 수 MHz이다. 그러므로 선형성을 증가시키기 위해서는 저주파에서 낮은 임피던스 특성을 가지도록 하는 것으로 달성이 가능하다.

이를 위해 게이트 바이어스 네트워크는 포지티브의 제1 신호가 입력되는 제2 CMOS 트랜지스터(T2)의 게이트와 네가티브의 제2 신호가 입력되는 제4 CMOS 트랜지스터(T4)의 게이트에 연결되고, 전압 바이어스에 연결된다.

구체적으로, 게이트 바이어스 네트워크는 제2 CMOS 트랜지스터(T2)의 게이트와 제4 CMOS 트랜지스터(T4)의 게이트에 각각 낮은 저항값(낮은 임피던스)를 가지는 저항(Rb)와 저항(Rb)에 직렬 연결된 인덕터(Lb)가 연결되며, 2개의 인덕터(Lb)에 공통적으로 전압 바이어스(또는 바이어스 네트워크)가 연결된다. 여기서 제2 CMOS 트랜지스터(T2)의 게이트와 제4 CMOS 트랜지스터(T4)에 연결된 저항 및 인덕터는 서로 동일하므로 동일한 도면 부호를 부여하였다.

게이트 바이어스 네트워크에서 인덕터(Lb)는 바이어스 전압에 의한 RF 신호의 손실을 방지하면서 선형성을 향상시키기 위해 사용되고, 저항(Rb)는 안정적인 마진을 유지하기 위해 사용된다.

각 CMOS 트랜지스터(T2, T4)의 게이트 임피던스(Z)의 크기는 R+jωL로 나타낼 수 있으며, 이때 저항(Rb)의 값이 수옴(Ω) 내지 수십(Ω)으로 그 값이 적으므로, 인덕터에 의해 결정된다. 그리고 인덕터의 특징에 따르면 저주파를 쉽게 통과시켜 저주파에서의 임피던스를 크게 줄이므로, 게이트 바이어스 네트워크는 2차 IMD(Intermodulation Distorion, 혼변조 왜곡) 즉, IMD2에 관련된 낮은 범위에서의 임피던스를 낮춘다. 이에 따라 바이어스 네트워크는 전력증폭기의 선형성 특성을 향상시키게 된다.

상기에서 인덕터(Lb)는 나선형 인덕터(spiral inductor) 또는 외부 보드 상에 형성된 마이크로스트립 라인(microstrip line) 또는 외부 집중 인덕터(external lumped inductor) 중 하나일 수 있다.

이와 더불어 전력증폭기의 선형성 특성을 향상시키는 수단으로 본 발명의 실시 예에 따른 무선 송수신기용 선형 전력증폭기는 2개의 밀러 커패시터(Cp)를 가진다. 하나의 밀러 커패시터(Cp)는 제2 CMOS 트랜지스터(T2)의 게이트와 제4 CMOS 트랜지스터(T4)의 드레인에 연결되어 있고, 다른 하나의 밀러 커패시터(Cp)는 제4 CMOS 트랜지스터(T4)의 게이트와 제2 CMOS 트랜지스터(T2)의 드레인에 연결되어 있다.

이에 따라 제2 CMOS 트랜지스터(T2)의 게이트에서 바라보는 커패시턴스(C)의 크기(Cg)는 게이트와 드레인간의 커패시턴스(Cgd)와 게이트와 소스간의 커패시턴스(Cgs)의 합으로서, 실제 게이트에 작용하는 커패시턴스보다 높다. 이를 다시 말하면, 증폭기(또는 증폭 회로)의 입출력단에 작용하는 밀러 효과와 같이 제2 CMOS 트랜지스터(T2)의 게이트에서 바라보는 임피던스는 실제 게이트의 임피던스보다 높다.

그리고 제2 CMOS 트랜지스터(T2)의 입력단에서 바라본 커패시턴스(Ct)는 Cg - (A(상수)*Cp)(Cp의 커패시턴스)이다. 여기서 커패시터(Cp)를 밀러 커패시터라고 명명하는 이유는 게이트에서 바라보는 커패시턴스(Cg)가 실제 밀러 효과에 의해 증가되어 나타나는데, 이를 감소가 되도록 하기 때문이다. 마찬가지로 제4 CMOS 트랜지스터(T4)의 게이트에 연결된 밀러 커패시터(Cp)도 제2 CMOS 트랜지스터(T2)의 게이트에 연결된 커패시터(Cp)와 동일한 기능을 한다.

이에 의해, 밀러 커패시터(Cp)은 제2 및 제4 CMOS 트랜지스터(T2, T4)의 게이트에서의 임피던스를 낮추는 기능을 한다. 또한 밀러 커패시터(Cp)은 도 5에 도시된 바와 같이, 밀러 커패시터를 사용하지 않을 때에 비하여 제2 및 제4 CMOS 트랜지스터(T2, T4)의 게이트 전압의 변화에 대응하여 커패시턴스 변화폭를 보다 적도록 한다. 이에 따라 밀러 커패시터(Cp)은 전체적으로 본 발명의 실시 예에 따른 선형증폭기의 선형성을 향상시킨다.

이의 결과가 도 2와 도 6에 도시되어 있다. 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 무선 송수신기용 선형증폭기와 종래의 선형 증폭기간 주파수에 따른 게이트 임피던스 특징을 보인 그래프이고, 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 무선 송수신기용 선형 증폭기와 종래의 선형 증폭기간 IMD3를 보인 그래프이다.

도 2의 그래프에서 가로축은 주파수의 크기이고, 세로축은 임피던스 크기이며, g1은 본 발명의 실시 예에 따른 선형증폭기의 주파수에 따른 게이트 임피던스 크기이고, g2는 종래의 선형증폭기의 주파수에 따른 게이트 임피던스의 크기이다. 여기서 종래의 선형증폭기는 전체적으로 도 1에 도시된 본 발명의 실시 예에 따른 무선 송수신기용 선형증폭기의 회로와 동일하나, 게이트 바이어스 네트워크를 구성하는 저임피던스의 저항(Rb)와 인덕터(Lb) 대신에 고임피던스 저항을 사용하였다.

따라서 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 본 발명의 실시 예에 따른 무선 송수신기용 선형증폭기는 주파수가 증가함에 따라 종래의 선형증폭기에 비해 선형성이 크게 향상되었음을 알 수 있다. 도 2에서 그래프(g1)의 임피던스 피크치는 제2 및 제4 CMOS 트랜지스터(T3, T4)에 의해 형성된 CS(common source) 증폭기의 게이트 커패시턴스(정전용량)와 인덕터(Lb)의 응답에 의해 발생된 약 300MHz였다.

그리고 도 6은 선형성을 알아보기 위하여 투-톤(Two-Tone) 시뮬레이션을 한 결과이다. 도 6에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 무선 송수신기용 선형증폭기는 종래의 선형 증폭기에 비하여 IMD3가 최대 출력 전력에서 더 낮은 값이 나와 선형성이 좋아졌음을 알 수 있다.

이하에서는 도 3과 도 4를 참조로 하여 본 발명의 실시 예에 따른 무선 송수신기용 선형증폭기가 적용된 증폭장치를 통해 출력 전력과 PAE(전력부가효율)을 살펴본다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 무선 송수신기용 선형증폭기가 적용된 증폭장치의 회로도이다. 도 3에 도시된 바와 같이 증폭장치는 2 스테이지 구조로 이루어져 있으며, 하나의 스테이지는 입력부(10)와 구동부(20)를 포함하고, 다른 스테이지는 전력부(100)와 출력부(30)를 포함하며, 2개의 스테이지를 연결하는 2개의 커패시터(Cis)를 포함한다.

입력부(10)는 RF 입력 신호(RFIN)를 수신하는 변압기로 구성되며, 구동부(20)는 캐스코드 구조를 형성하는 트랜지스터들과 센터-탑 인덕터(Lis)를 포함하며 구동 전압(Vdd)에 의해 구동하여 입력부(10)로부터 수신되는 (+), (-)의 신호를 2개의 커패시터(Cis)를 통해 전력부(100)에 전달한다. 여기서 각 커패시터(Cis)는 센터 탭 인덕터와 직렬 연결되어 LC 매칭이 되게 하여, 전력부(100)에 입력되는 (+) 및 (-) 입력 신호에 대한 입력 매칭 네트워크로 작용한다.

전력부(100)는 본 발명의 실시 예에 따른 무선 송수신기용 선형 전력증폭기이며, 출력부(30)는 전력부(100)의 출력단((+)출력단 및 (-)출력단))에 연결된 변압기로 구성된다.

여기서, 입력부(10)의 변압기와 출력부(30)의 변압기는 쉽게 임피던스를 변환하기 위한 1:2 비율의 변압기이며, 임피던스 매칭 기능을 가지도록 입력/출력 포트에서 배런(balun)으로 동작한다. 그리고 제1 및 제3 CMOS 트랜지스터(T1, T3)로는 높은 트랜스 컨덕터를 위해 정격 1.2V의 트랜지스터를 사용하였으며, 제2 및 제4 CMOS 트랜지스터(T2, T4)로는 트랜지스터의 전압 스트레스를 줄이기 위해 정격 2.5V의 트랜지스터를 사용하였다. 또한 밀러 커패시터(Cp)는 2PF의 커패시터를 사용하여 CS 증폭기의 게이트에서 발생하는 큰 게이트 커패시턴스를 줄이도록 하였다.

이상과 같이 구성된 증폭장치를 동작시켜 출력 특성을 측정한 결과 도 4와 같이 출력 특성 그래프를 얻었다. 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 무선 송수신기용 선형증폭기가 적용된 증폭장치에서의 출력 특징을 보인 그래프이다. 도 4에서 그래프(g3)은 출력 전력에 따른 게인(gain) 그래프이고, 그래프(g4)는 출력 전력에 따른 PAE(전력부가효율) 그래프이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 무선 송수신기용 선형증폭기가 적용된 증폭장치는 그래프(g)를 통해 출력 전력이 높아지더라도 약 34 정도의 높은 이득을 유지하여 고출력 전력을 가능하게 함을 알 수 있고, 또한 출력전력이 높아짐에 따라 높은 전력부가효율이 가짐을 알 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시 예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

100 : 전력부 10 : 입력부
20 : 구동부 30 : 출력부
Cp : 밀러 커패시터 Rb : 저임피던스 저항
Lb : 인덕터