본 논문은 차세대 재구성 전력증폭기용을 위해서, 새로운 타입의 다중 모드 혼합형 전압 공급기를 제안한다. 이를 위한 핵심 회로인 스위칭 증폭기의 새로운 구조를 제안하였다. 혼합형 전압 공급기의 가장 중요한 성능지표 중의 하나인 효율을 증가시키기 위해 멀티 스위칭 증폭기 구조를 이용하였고, 또한 다중 모드 구현을 위해서 멀티 스위칭 증폭기와 입력 신호 검출단을 이용하였다. 성능 비교를 위해서 기본 구조를 지닌 혼합형 가변전압 공급기도 같이 설계되었으며, 새롭게 제안하는 구조 이외에는 모두 동일하게 설계하여 비교를 용이하도록 하였다. 설계된 혼합형 전압 공급기의 효율을 측정하기 위해 384 kHz/3.84 MHz/5 MHz 대역폭을 가지는 EDGE, WCDMA, LTE 신호를 적용하였다. EDGE를 적용한 효율은 85 %, WCDMA를 적용한 효율은 84 % 그리고 LTE를 적용한 효율은 79 %의 결과를 얻게 되었다. 이는 기본 구조보다 최대 9 %의 성능 향상을 얻었으며, 차세대 재구성 송신기인 다중 대역 및 다중 모드 송신기 구현에 적용 가능함을 입증한다.
본 논문은 차세대 재구성 전력증폭기용을 위해서, 새로운 타입의 다중 모드 혼합형 전압 공급기를 제안한다. 이를 위한 핵심 회로인 스위칭 증폭기의 새로운 구조를 제안하였다. 혼합형 전압 공급기의 가장 중요한 성능지표 중의 하나인 효율을 증가시키기 위해 멀티 스위칭 증폭기 구조를 이용하였고, 또한 다중 모드 구현을 위해서 멀티 스위칭 증폭기와 입력 신호 검출단을 이용하였다. 성능 비교를 위해서 기본 구조를 지닌 혼합형 가변전압 공급기도 같이 설계되었으며, 새롭게 제안하는 구조 이외에는 모두 동일하게 설계하여 비교를 용이하도록 하였다. 설계된 혼합형 전압 공급기의 효율을 측정하기 위해 384 kHz/3.84 MHz/5 MHz 대역폭을 가지는 EDGE, WCDMA, LTE 신호를 적용하였다. EDGE를 적용한 효율은 85 %, WCDMA를 적용한 효율은 84 % 그리고 LTE를 적용한 효율은 79 %의 결과를 얻게 되었다. 이는 기본 구조보다 최대 9 %의 성능 향상을 얻었으며, 차세대 재구성 송신기인 다중 대역 및 다중 모드 송신기 구현에 적용 가능함을 입증한다.
This paper presents new type of the hybrid supply modulator for the next reconfigurable transmitters. The efficiency of the hybrid supply modulator is one of the most important performance. For enhancement the efficiency, multi-switching structure in the hybrid supply modulator is employed. Addition...
This paper presents new type of the hybrid supply modulator for the next reconfigurable transmitters. The efficiency of the hybrid supply modulator is one of the most important performance. For enhancement the efficiency, multi-switching structure in the hybrid supply modulator is employed. Additionally, input envelope signal sensing stage is employed for implementation multi-mode operation. To compare the performance of the proposed hybrid supply modulator, the conventional hybrid supply modulator is also designed. The measured efficiency of the proposed hybrid supply modulator is 85 %/84 %/79 % for EDGE/WCDMA/LTE signals which have 384 kHz/3.84 MHz/5 MHz bandwidth, respectively. The efficiency of the proposed hybrid supply modulator is higher than the conventional hybrid supply modulator. Therefore, this structure shows good candidate for the reconfigurable transmitters.
This paper presents new type of the hybrid supply modulator for the next reconfigurable transmitters. The efficiency of the hybrid supply modulator is one of the most important performance. For enhancement the efficiency, multi-switching structure in the hybrid supply modulator is employed. Additionally, input envelope signal sensing stage is employed for implementation multi-mode operation. To compare the performance of the proposed hybrid supply modulator, the conventional hybrid supply modulator is also designed. The measured efficiency of the proposed hybrid supply modulator is 85 %/84 %/79 % for EDGE/WCDMA/LTE signals which have 384 kHz/3.84 MHz/5 MHz bandwidth, respectively. The efficiency of the proposed hybrid supply modulator is higher than the conventional hybrid supply modulator. Therefore, this structure shows good candidate for the reconfigurable transmitters.
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가설 설정
3. Concept of the hybrid supply modulator.
제안 방법
반대로 PMOS가 OFF이면 NMOS는 ON이 되도록 하여 PMOS와 NMOS가 동시에 ON/OFF가 되지 않도록 해야 한다. Shoot- through 전류가 발생하지 않도록 그림 6과 같이 anti-shoot through 회로를 사용하여 게이트 컨트롤 드라이버를 설계하였다[11]. 스위칭 증폭기의 가장큰 장점은 고효율이라는 것이다.
결국 차세대 RF 송신기는 고효율, 고선형성, 다중 대역 및 다중 모드를 동시에 지원할 수 있어야 되므로, 본 논문에서는 EER, ET, H-EER 구조에서 다중 모드를 지원할 수 있는 가변 전압 공급기를 설계하였다. 가변 전압 공급기는 고효율과 선형성을 동시에 유지하기 위하여 선형 증폭기의 고선형성과 스위칭 증폭기의 고효율의 특성을 결합한 혼합형 가변 전압 공급기로 설계됐고, 새롭게 제안하는 스위칭 증폭기를 조절하는 기능을 통하여 다중 모드를 구현하였다. 제안된 구조의 전압 공급기를 비교하기 위하여 기본 구조의 가변 전압 공급기도 동시에 설계되었다.
결국 차세대 RF 송신기는 고효율, 고선형성, 다중 대역 및 다중 모드를 동시에 지원할 수 있어야 되므로, 본 논문에서는 EER, ET, H-EER 구조에서 다중 모드를 지원할 수 있는 가변 전압 공급기를 설계하였다. 가변 전압 공급기는 고효율과 선형성을 동시에 유지하기 위하여 선형 증폭기의 고선형성과 스위칭 증폭기의 고효율의 특성을 결합한 혼합형 가변 전압 공급기로 설계됐고, 새롭게 제안하는 스위칭 증폭기를 조절하는 기능을 통하여 다중 모드를 구현하였다.
제안된 혼합형 가변 전압 공급기는 각 모드 별로 최적의 효율을 얻을 수 있었고, 기본 타입보다 최대 9 %의 효율 향상 결과를 얻었다. 따라서 이 결과를 통해, 다중 모드를 위해 제안된 구조는 차세대 핵심 전파 방송 기술 확보를 시사한다.
1 mm이다. 멀티모드 동작을 확인하기 위하여 설계된 각 가변 전압 공급기에 각각 0.284/3.84/5 MHz의 대역폭을 가지고, 각각 3.5/4/7dB의 PAPR을 가지는 EDGE, WCDMA, LTE 신호를 인가하였다. 그림 9는 제안된 혼합형 가변 전압 공급기에 각 모드 신호를 인가시켰을 때 시간 영역에서 측정한 파형이다.
본 논문은 0.35-μm CMOS 공정을 사용하여 차세대 재구성 전력증폭기용 새로운 타입의 혼합형 가변 전압 공급기를 설계하였다.
35-μm CMOS 공정을 사용하여 차세대 재구성 전력증폭기용 새로운 타입의 혼합형 가변 전압 공급기를 설계하였다. 설계된 혼합형 가변 전압 공급기는 고효율 및 고선형성을 유지하면서, 다중 모드를 만족시켰다.
스위칭 증폭기 1은 혼합형 가변 전압 공급기가 동작하는 동안에는 항상 동작하게 되므로, 트랜지스터 사이즈에 의한 손실 성분이 크게 변화되지 않는 범위로 트랜지스터 사이즈(PMOS: 40,000-μm/0.5-μm, NMOS: 25,000-μm/0.5-μm)를 결정하고, 나머지 트랜지스터 사이즈를 스위칭 증폭기 2의 트랜지스터(PMOS: 10,000-μm/0.5-μm) 사이즈로 결정하였다.
이러한 특성을 만족시키기 위해 기본적으로 folded-cascode 구조와 출력단에 class-AB output 구조를 이용하였다[6]. 전류 공급 능력은 200 mA 이상으로 설계하였고, 선형 증폭기의 대역폭은 130 MHz로 설계하였다. 비교기의 동작은 선형 증폭기의 출력 전류를 전류 감지 저항으로 감지하여 전압으로 변환된 것이 비교기의 입력으로 들어가면서 동작하게 된다.
가변 전압 공급기는 고효율과 선형성을 동시에 유지하기 위하여 선형 증폭기의 고선형성과 스위칭 증폭기의 고효율의 특성을 결합한 혼합형 가변 전압 공급기로 설계됐고, 새롭게 제안하는 스위칭 증폭기를 조절하는 기능을 통하여 다중 모드를 구현하였다. 제안된 구조의 전압 공급기를 비교하기 위하여 기본 구조의 가변 전압 공급기도 동시에 설계되었다.
스위칭 증폭기 2와 입력 포락선 신호 검출 영역을 이용하여 스위칭 손실도 줄여주면서, 다중 모드를 위하여 각 모드에 최적의 효율을 보여준다. 제안된 혼합형 가변 전압 공급기 설계는 기본 타입의 혼합형 가변 전압 공급기와의 성능 비교를 위하여 동일하게 설계된 선형 증폭기, 비교기를 이용하였고, 스위칭 증폭기는 주 파워 스위치의 PMOS와 NMOS의 전체 사이즈를 기본 타입의 혼합형 가변 전압 공급기의 스위칭 증폭기와 동일하도록 설계하였다.
대상 데이터
기본 구조의 칩 크기는 2.2 mm×1.05 mm이고, 제안된 구조의 칩 크기는 2.3 mm×1.1 mm이다.
성능/효과
53 V이다. EDGE, WCDMA, LTE의 포락선 신호에 대한 새로운 타입의 혼합형 가변 전압 공급기의 최대 효율은 각각 85/84/79 %이고, 기본 타입의 혼합형 가변 전압 공급기의 최대 효율은 각각 76/78/74 %이다. 기본 타입의 혼합형 가변 전압 공급기와 효율 측정 결과를 비교하면 제안된 혼합형 가변 전압 공급기는 각 모드 별로 최적의 효율을 보여주며, 기본 타입의 혼합형 가변 전압 공급기보다 최대 9 %의 효율 향상 결과를 얻었다.
차세대 재구성 송신기로 요구되는 다중 대역 및 다중 모드 송신기를 위한 블록으로, 새로운 타입의 혼합형 가변 전압 공급기를 제안하였고, 기본 타입의 혼합형 가변 전압 공급기와의 비교를 통하여 제안된 혼합형 가변 전압 공급기가 각 모드별 최적의 효율을 구현함을 보여주고 다중 모드 동작을 증명하였다. EDGE, WCDMA, LTE의 포락선 신호에 대한 제안된 혼합형 가변 전압 공급기의 최대 효율은 각각 85 %/84 %/79 %의 결과를 얻었다. 제안된 혼합형 가변 전압 공급기는 각 모드 별로 최적의 효율을 얻을 수 있었고, 기본 타입보다 최대 9 %의 효율 향상 결과를 얻었다.
EDGE, WCDMA, LTE의 포락선 신호에 대한 새로운 타입의 혼합형 가변 전압 공급기의 최대 효율은 각각 85/84/79 %이고, 기본 타입의 혼합형 가변 전압 공급기의 최대 효율은 각각 76/78/74 %이다. 기본 타입의 혼합형 가변 전압 공급기와 효율 측정 결과를 비교하면 제안된 혼합형 가변 전압 공급기는 각 모드 별로 최적의 효율을 보여주며, 기본 타입의 혼합형 가변 전압 공급기보다 최대 9 %의 효율 향상 결과를 얻었다. 표 1은 기존의 발표되었던 혼합형 가변 전압 공급기의 특성을 비교한 결과이다.
둘째, 선형 증폭기는 스위칭 증폭기에서 나오는 리플 전류를 보상해 주기 위해 전류를 공급해줄 수 있어야 한다. 셋째, 스위칭 증폭기의 스위칭 노이즈를 줄이기 위해 선형 증폭기의 출력 임피던스는 작아야 한다. 마지막으로, 선형 증폭기는 혼합형 가변 전압 공급기가 동작하는 동안 전류를 흡수 또는 공급을 해줄 수 있어야 한다.
이 구조는 앞에서 제시된 기본 타입의 혼합형 가변 전압 공급기의 구성 요소와 추가적으로 스위칭 증폭기 2, 입력 포락선신호 검출 영역(Input envelope sensing stage)으로 구성된다. 스위칭 증폭기 2와 입력 포락선 신호 검출 영역을 이용하여 스위칭 손실도 줄여주면서, 다중 모드를 위하여 각 모드에 최적의 효율을 보여준다. 제안된 혼합형 가변 전압 공급기 설계는 기본 타입의 혼합형 가변 전압 공급기와의 성능 비교를 위하여 동일하게 설계된 선형 증폭기, 비교기를 이용하였고, 스위칭 증폭기는 주 파워 스위치의 PMOS와 NMOS의 전체 사이즈를 기본 타입의 혼합형 가변 전압 공급기의 스위칭 증폭기와 동일하도록 설계하였다.
EDGE, WCDMA, LTE의 포락선 신호에 대한 제안된 혼합형 가변 전압 공급기의 최대 효율은 각각 85 %/84 %/79 %의 결과를 얻었다. 제안된 혼합형 가변 전압 공급기는 각 모드 별로 최적의 효율을 얻을 수 있었고, 기본 타입보다 최대 9 %의 효율 향상 결과를 얻었다. 따라서 이 결과를 통해, 다중 모드를 위해 제안된 구조는 차세대 핵심 전파 방송 기술 확보를 시사한다.
제안된 혼합형 가변 전압 공급기는 기본 타입의 혼합형 가변 전압 공급기의 기본 동작을 유지하며, 비교기와 OR 게이트로 구성되는 입력 포락선 신호 검출 영역을 이용하여 스위칭 증폭기 2의 on-time을 조절할 수 있다. 입력 포락선 신호 검출 영역에 구성 되어 있는 비교기는 포락선 신호와 기준 전압(VRef)을 입력으로 하여 원하는 VRef 이상이 되는 포락선 신호에 대해서 1의 출력을 내도록 한다.
차세대 재구성 송신기로 요구되는 다중 대역 및 다중 모드 송신기를 위한 블록으로, 새로운 타입의 혼합형 가변 전압 공급기를 제안하였고, 기본 타입의 혼합형 가변 전압 공급기와의 비교를 통하여 제안된 혼합형 가변 전압 공급기가 각 모드별 최적의 효율을 구현함을 보여주고 다중 모드 동작을 증명하였다. EDGE, WCDMA, LTE의 포락선 신호에 대한 제안된 혼합형 가변 전압 공급기의 최대 효율은 각각 85 %/84 %/79 %의 결과를 얻었다.
첫째, 선형 증폭기는 혼합형 가변 전압 공급기의 전체적인 응답을 처리해야 하기 때문에 넓은 대역폭의 특성을 지녀야 한다. 둘째, 선형 증폭기는 스위칭 증폭기에서 나오는 리플 전류를 보상해 주기 위해 전류를 공급해줄 수 있어야 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
포락선 신호의 특징은 무엇인가?
일반적으로 포락선 신호는 DC 부근에 약 85 %의 에너지가 집중적으로 존재하며, RF 신호의 대역폭보다 3～5배 넓은 대역을 갖는다. 그림 2는 3.
효율 향상 기법 및 선형성 향상 기법의 결합된 구조에 대한 후보로는 무엇이 있는가?
이러한 관계에서 통신 시스템의 발달에 따라 더욱 더 높은 효율 및 선형성이 요구되면서, 이 두 가지 특성을 최대화하기 위한 구조로써 효율 향상 기법 및 선형성 향상 기법의 결합된 구조가 대두되기 시작하였다. 이를 위한 후보로써 EER(Envelope Elimination and Restoration), ET(Envelope Tracking), H-EER(HybridEnvelope Elimination and Restoration) 등의 구조가 많은 연구가 되고 있다[1]～[9]. 이 기법을 이용하여 다중 대역 및 다중 모드를 구현하기 위해서는, 전력증폭기에서 다중 대역을 지원하고, 가변 전압 공급기에서 다중 모드를 지원해 줘야 한다.
혼합형 가변 전압 공급기의 선형성을 보장하기 위해서는 어떤 조건들이 필요한가?
첫째, 선형 증폭기는 혼합형 가변 전압 공급기의 전체적인 응답을 처리해야 하기 때문에 넓은 대역폭의 특성을 지녀야 한다. 둘째, 선형 증폭기는 스위칭 증폭기에서 나오는 리플 전류를 보상해 주기 위해 전류를 공급해줄 수 있어야 한다. 셋째, 스위칭 증폭기의 스위칭 노이즈를 줄이기 위해 선형 증폭기의 출력 임피던스는 작아야 한다. 마지막으로, 선형 증폭기는 혼합형 가변 전압 공급기가 동작하는 동안 전류를 흡수 또는 공급을 해줄 수 있어야 한다. 이러한 특성을 만족시키기 위해 기본적으로 folded-cascode 구조와 출력단에 class-AB output 구조를 이용하였다[6].
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