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) 공액정합 (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.
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.
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...
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 $0.13-{\mu}m$ mixed signal/RF CMOS process ($f_T/f_{MAX}=120/140GHz$). It operates at the supply voltage of 2V, and it is designed to have high power gain, low insertion loss and low noise figure in the low supply voltage. To reduce total chip area, the circuit used transmission lines instead of the bulky real inductor. The designed CMOS power amplifier showed the smallest chip size of $0.1mm^2$, the lowest power consumption of 40mW, the highest power gain of 26.5dB, the highest saturated output power of 19.2dBm and the highest maximum power-added efficiency of 17.2% as compared to recently reported results.
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 $0.13-{\mu}m$ mixed signal/RF CMOS process ($f_T/f_{MAX}=120/140GHz$). It operates at the supply voltage of 2V, and it is designed to have high power gain, low insertion loss and low noise figure in the low supply voltage. To reduce total chip area, the circuit used transmission lines instead of the bulky real inductor. The designed CMOS power amplifier showed the smallest chip size of $0.1mm^2$, the lowest power consumption of 40mW, the highest power gain of 26.5dB, the highest saturated output power of 19.2dBm and the highest maximum power-added efficiency of 17.2% as compared to recently reported results.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
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.
제안 방법
13-µm 혼성신호/고주파 CMOS 공정 (fT/fMAX=120/140GHz)으로 설계하였다. 2볼트 전원전압에서 동작하며, 저전압전원 공급에서도 높은 전력 이득, 낮은 삽입 손실 및 낮은 잡음지수를 가지도록 설계하였다. 전체 칩 면적을 줄이기 위해 임피던스 정합용으로 사용하는 넓은 면적을 차지하는 실제 인덕터 대신 전송선 T1∼T12를 사용하였다.
M2 및 M3의 드레인 영역으로 안정된 직류 전력 공급과 함께 일정한 전류가 흐를 수 있도록 세심히 설계하였다.
고주파 잡음, 전원 잡음 및 EMI를 줄이기 위해 decoupling 커패시터 C2∼C3 및 C5를 사용하였다.
13µm 혼성신호/고주파 CMOS 공정 (fT / fMAX=120/140GHz)으로 설계 및 제작되었다. 넓은 면적을 차지하는 실제 인덕터 대신 전송선을 사용하여 전체 칩 면적을 줄이고 정확한 선 위상 천이 특성을 확보하였다. 제안한 회로는 최근 발표된 연구결과에 비해 40mW의 가장 적은 소비전력, 26.
바이어스 메커니즘의 속도는 바이어스 저항과 그림 2에서의 트랜지스터 ( M1 )의 게이트에서 게이트-소스 기생 커패시터에 의해 결정된다. 따라서 전력 증폭기의 입력 전력을 -30dBm에서 0dBm까지 변화를 주면서 시간 영역 시뮬레이션에 근거하여 약 5ns의 정착 시간을 설정하였다. 표 2는 시뮬레이션을 위한 조건을 정리한 것이다.
또한 제안하는 회로는 TSMC 0.13µm 혼성신호/고주파 CMOS 공정 (fT / fMAX=120/140GHz)으로 설계 및 제작되었다.
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. 레이더송신기에서 전력 증폭기는 송신 신호를 증폭시키는 역할을 한다.
CMOS 공정 기술을 이용하여 원하는 속도와 성능을 구현하기 위해서는 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].
표 3은 본 논문에서 제안한 24GHz CMOS 전력 증폭기와 최근 발표된 연구 결과들을 비교한 것이다. 본 논문에서는 제작공정, OIP3, 전력 이득, 포화 출력 전력, 입력/출력 반사 계수, 역방향 격리, 최대 전력부가 효율 및 칩 크기를 각각 비교하였다. 표 3에서 알 수 있듯이 설계한 CMOS 고주파 전력 증폭기는 최근 발표된 연구결과에 비해 0.
2%의 우수한 최대 전력부가 효율 특성을 보였다. 본 연구에서 제안하는 차량 추돌 방지 레이더용 전력 증폭기는 펄스를 이용한 레이더 시스템에 적용된다. 이러한 시스템의 경우 안테나를 통해 펄스를 전송함에 있어 펄스의 형태를 유지하기 위해 좋은 위상 선형성 (즉, 작은 그룹 지연 변동)이 요구된다 [8].
제안한 회로는 TSMC 0.13-µm 혼성신호/고주파 CMOS 공정 (fT/fMAX=120/140GHz)으로 설계하였다.
회로 성능을 위해 시뮬레이션 툴로써 Agilent사의 ADS를 이용하였고, 모든 수동 구조들에 대해 전파 EM분석을 수행하였다. 바이어스 메커니즘의 속도는 바이어스 저항과 그림 2에서의 트랜지스터 ( M1 )의 게이트에서 게이트-소스 기생 커패시터에 의해 결정된다.
대상 데이터
만약 전력 소스가 네트워크와 완전히 정합이 되었을 때, GT=GP의 특성을 보인다. 24GHz의 초고주파 동작주파수에서 높은 전력 이득을 제공하기 위해 최적화된 W/L을 가진 M1~M3을 사용하였고, 전송선들을 삽입하였다. 그림 3에서도 알 수 있듯이 동작주파수 24GHz에서 –22.
을 사용하였다. 회로에 사용된 커패시터는 금속-절연체-금속 (MIM) 형태로 구현하였다. CMOS 공정 기술을 이용하여 원하는 속도와 성능을 구현하기 위해서는 기생용량성분이 최소가 되도록 초고주파 회로 설계 기술 및 레이아웃 기술이 필요하다.
성능/효과
) 및 최대 전력부가 효율 (Power Added Efficient, PAE) 특성을 나타낸 것이다. 22~28GHz에 대해 17.5~18dBm의 출력전력 특성과 12.3~13.5%의 최대 전력부가 효율 특성을 각각 보였다. 특히 24GHz에서 19.
5%의 최대 전력부가 효율 특성을 각각 보였다. 특히 24GHz에서 19.2dBm의 높은 출력전력 특성과 17.2%의 우수한 최대 전력부가 효율 특성을 보였다.
2%의 가장 높은 최대 전력부가 효율 특성을 보였다. 또한 우수한 S파리미터 특성을 보였다.
2%의 가장 높은 최대 전력부가 효율 특성을 보였다. 또한 우수한 S파리미터 특성을 보였다.
표 1은 실제 인덕터를 사용한 경우와 전송선을 사용한 경우에 대한 면적 비교를 한 것이다. 본 논문에서 제안하는 전력 증폭기의 전체칩 면적은 0.1mm2의 특성을 보였다. 표 1로부터 알 수 있듯이 전송선의 경우 0.
6dBm의 출력 1-dB 압축 점 (OP1dB) 특성을 각각 보였다. 이러한 결과는 제안한 전력 증폭기가 다양한 입력 전력에 대해 우수한 전력 이득 및 출력 전력특성을 가짐을 증명한다.
넓은 면적을 차지하는 실제 인덕터 대신 전송선을 사용하여 전체 칩 면적을 줄이고 정확한 선 위상 천이 특성을 확보하였다. 제안한 회로는 최근 발표된 연구결과에 비해 40mW의 가장 적은 소비전력, 26.5dB의 가장 높은 전력이득, 0.1mm2의 가장 작은 칩크기와 19.2dBm의 가장 높은 포화 출력 전력 및 17.2%의 가장 높은 최대 전력부가 효율 특성을 보였다. 또한 우수한 S 파리미터 특성을 보였다.
측정된 입력임피던스가 전송선의 이상적인 특성임피던스 값 (Z0)인 50Ω에 가까울수록 반사계수는 0에 가까워짐을 의미하며, 회로는 입력 임피던스 정합 특성이 우수함을 나타낸다.
5%의 최대 전력부가 효율 특성을 각각 보였다. 특히 24GHz에서 19.2dBm의 높은 출력전력 특성과 17.2%의 우수한 최대 전력부가 효율 특성을 보였다.
표 1로부터 알 수 있듯이 전송선의 경우 0.14×0.21mm2의 면적을 보였고, 전력 증폭기 면적 대비 약 29%의 점유율을 보였다.
본 논문에서는 제작공정, OIP3, 전력 이득, 포화 출력 전력, 입력/출력 반사 계수, 역방향 격리, 최대 전력부가 효율 및 칩 크기를 각각 비교하였다. 표 3에서 알 수 있듯이 설계한 CMOS 고주파 전력 증폭기는 최근 발표된 연구결과에 비해 0.1mm2의 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. 또한 우수한 S파리미터 특성을 보였다.
후속연구
또한 우수한 S 파리미터 특성을 보였다. 이러한 특성으로 인해 향후 단거리 레이더의 전력 증폭기 설계 기술에 적용되리라 기대된다.
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.
참고문헌 (11)
J. Wenger, "Automotive Radar-Status and Perspectives", IEEE Compound Semiconductor Integrated Circuit Symposium, vol. 2, no. 1, pp. 21-24, Oct. 2005.
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.
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.
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.
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.
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.
B. Razavi, Design of Analog CMOS Integrated Circuits, 1st ed. New York, NY: McGraw-Hill, 2001.
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.
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.
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.
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.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.