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초록
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본 논문에서는 차량 추돌 방지 단거리 레이더용 24-GHz CMOS 고주파 전력 증폭기 (RF power amplifier)를 제안한다. 이러한 회로는 클래스-A 모드 증폭기로서 단간 (inter-stages) 공액 정합 (conjugate matching) 회로를 가진 공통-소스 단으로 구성되어 있다. 제안한 회로는 TSMC $0.13-{\mu}m$ 혼성신호/고주파 CMOS 공정 ($f_T/f_{MAX}=120/140GHz$)으로 설계하였다. 2볼트 전원전압에서 동작하며, 저전압 전원에서도 높은 전력 이득, 낮은 삽입 손실 및 낮은 음지수를 가지도록 설계되어 있다. 전체 칩 면적을 줄이기 위해 넓은 면적을 차지하는 실제 인덕터 대신 전송선(transmission line)을 이용하였다. 설계한 CMOS 고주파 전력 증폭기는 최근 발표된 연구결과에 비해 $0.1mm^2$의 가장 작은 칩 크기, 40mW의 가장 적은 소비전력, 26.5dB의 가장 높은 전력이득, 19.2dBm의 가장 높은 포화 출력 전력 및 17.2%의 가장 높은 최대 전력부가 효율 특성을 보였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this paper, we propose 24-GHz CMOS radio frequency (RF) power amplifier for short-range automotive collision avoidance radars. This circuit contains common source stage with inter-stages conjugate matching circuit as a class-A mode amplifier. The proposed circuit is designed using TSMC $0.13...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 이러한 회로는 CMOS 공정을 이용하여 설계되어 있기 때문에 저가로 제작이 가능하고 저 전력 동작의 장점을 가진다. 24GHz의 초고주파 대역에서 성능 저하에 상당한 영향을 미치는 기생용량 성분들을 최소로 하기 위해 초고주파 회로 설계 기술과 레이아웃 기술을 연구하였다.
  • 본 논문에서는 전력 증폭기의 전체 칩 면적을 줄이고 정확한 선 위상 천이를 얻기 위해 넓은 면적을 차지하는 실제 인덕터 대신 전송선 면적 최적화를 통해 최소면적의 전송선을 구현하였다. 표 1은 실제 인덕터를 사용한 경우와 전송선을 사용한 경우에 대한 면적 비교를 한 것이다.
  • 본 논문에서는 차량 추돌 방지 단거리 레이더를 위한 CMOS 전력 증폭기를 제안하였다. 이러한 회로는 24GHz의 동작주파수를 가지며, 2V의 전원전압에서 동작하였다.
  • 본 논문에서는 차량 측후방 감시용 단거리 레이더를 위한 24-GHz 전력 증폭기를 제안한다. 이러한 회로는 CMOS 공정을 이용하여 설계되어 있기 때문에 저가로 제작이 가능하고 저 전력 동작의 장점을 가진다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
CMOS 공정 기술을 이용하여 원하는 속도와 성능을 구현하기 위해서 필요한 기술은 무엇인가? 회로에 사용된 커패시터는 금속-절연체-금속 (MIM) 형태로 구현하였다. CMOS 공정 기술을 이용하여 원하는 속도와 성능을 구현하기위해서는 기생용량성분이 최소가 되도록 초고주파 회로 설계 기술 및 레이아웃 기술이 필요하다. 본 논문에서는 각 블록의 하위구성 요소인 트랜지스터들의 배열을 접힘형 (Folded) 구조로 구성하여 기생성분의 영향을 최소화하였다[2,7].
차량 추돌 방지 레이더 송신기가 가지는 특성은 무엇인가? 그림 1은 본 논문에서 설계한 24GHz CMOS 전력 증폭기가 적용될 차량 추돌 방지 레이더 송신기를 나타낸 것이다. 이러한 레이더는 30m 이내의 차량 측후방 물체를 감지할 수 있고, 직접 변환 (direct conversion) 특성을 가진다. 본 논문에서 제안하는 전력증폭기가 직접변환 송신기 응용에 적합하도록 설계되어 있다.
고주파 전력증폭기의 중요한 성능변수로 무엇이 있는가? 고주파 전력증폭기의 중요한 성능변수로는 선형성(linearity 또는 출력 1dB compression, P1dB), 전력 이득 (power gain), 출력 전력 (output power) 및 효율(efficiency, PAE) 등을 들 수 있다. 이러한 변수들은 서로 tradeoffs 관계가 있기 때문에 시스템의 목표 성능 사양을 충족시키기 위해 세심한 설계 및 레이아웃 기술이 필요하다.
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참고문헌 (11)

  1. J. Wenger, "Automotive Radar-Status and Perspectives", IEEE Compound Semiconductor Integrated Circuit Symposium, vol. 2, no. 1, pp. 21-24, Oct. 2005. 

  2. S. G. Kim, H. Rastegar, M. Yoon, C. W. Park, K. Y. Park, S. K. Joung and J. Y. Ryu, "High-Gain and Low-Power Power Amplifier for 24-GHz Automotive Radars", International Journal of Smart Home, vol. 9, no. 2, pp. 27-34, Feb. 2015. 

  3. S. Y. Park, J. Y. Ryu, S. U. Kim, D. H. Ha, and Y. W. Choe, "Built-In Self-Test Circuit and Algorithm for 24GHz Automotive Collision Avoidance Radar System- on-Chip", Journal of Korean Institute of Information Technology, vol. 9, no. 8, pp. 33-39, Aug. 2011. 

  4. G. H. Choi, S. K. Choi, C. H. Kim, M. U Sung, S. G. Kim, J. H. Lim, H. Rastegar, J. Y. Ryu, and S. H. Noh, "Power Amplifier for Short Range Radar Application of Automotive Collision Avoidance", Proceedings of Conference on Information and Communication Engineering, vol. 18, no. 1, pp. 765-767, 2014. 

  5. S. Sharma and S. Akashe, "Class-AB CMOS Buffer with Low Power and Low Leakage Using Transistor Gating Technique", International Journal of Advanced Science and Technology, vol. 58, no. 9, pp. 1-12, Sep. 2013. 

  6. A. Z. Yonis, M. F. L. Abdullah, and M. F. Ghanim, "Effective Carrier Aggregation on the LTE-Advanced Systems", International Journal of Advanced Science and Technology, vol. 57, no. 4, pp. 15-26, Apr. 2012. 

  7. B. Razavi, Design of Analog CMOS Integrated Circuits, 1st ed. New York, NY: McGraw-Hill, 2001. 

  8. Y. S. Lin and J. N. Chang, "A 24-GHz power amplifier with Psat of 15.9 dBm and PAE of 14.6 % using standard 0.18 ${\mu}m$ CMOS technology", Analog Integrated Circuits and Signal Processing, vol. 79, no. 3, pp. 427-435, Jun. 2014. 

  9. N.C. Kuo, J.C. Kao, C.C. Kuo, and H. Wang, "K-band CMOS power amplifier with adaptive bias for enhancement in back-off efficiency", IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest, vol. 11, no. 1, pp. 1-4, Jun. 2011. 

  10. A. Komijani, A. Natarajan, and A. Hajimiri, "A 24-GHz, +14.5-dBm Fully Integrated Power Amplifier in 0.18- ${\mu}m$ CMOS", IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 40, no. 9, pp. 1901-1908, Sep. 2005. 

  11. T. S. D. Cheung, and J. R. Long, "A 21-26-GHz SiGe Bipolar Power Amplifier MMIC", IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 40, no. 12, pp. 2583-2597, Dec. 2005. 

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