[논문]65 nm CMOS 공정을 이용한 W-대역 전력증폭기 설계

김준성; 권오윤; 송림; 김병성

doi:10.5515/kjkiees.2016.27.3.330

65 nm CMOS 공정을 이용한 W-대역 전력증폭기 설계
Design of a W-Band Power Amplifier Using 65 nm CMOS Technology 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.27 no.3, 2016년, pp.330 - 333

김준성 (성균관대학교 정보통신대학) , 권오윤 (성균관대학교 정보통신대학) , 송림 (성균관대학교 정보통신대학) , 김병성 (성균관대학교 정보통신대학)

초록
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본 논문에서는 차량 충돌 방지 장거리 레이더(Long Range Radar: LRR)을 위한 77 GHz 전력증폭기를 65 nm CMOS 공정을 이용하여 설계하였다. 제안한 회로는 3단 차동 전력증폭기로 공통 소스 구조와 트랜스포머를 사용했다. 측정결과로 77 GHz에서 18.7 dB의 전압 이득과 13 GHz의 3 dB 대역폭을 얻었다. 측정된 최대 출력 전력은 10.2 dBm, 입력 $P_{1dB}$는 -12 dBm, 출력 $P_{1dB}$는 5.7 dBm이며, 측정된 최대 전력 효율은 7.2 %이다. 본 전력증폭기는 1.2 V의 공급전원으로부터 140.4 mW의 DC 전력을 소모한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we propose 77 GHz power amplifier for long range automotive collision avoidance radar using 65 nm CMOS process. The proposed circuit has a 3-stage single power amplifier which includes common source structure and transformer. The measurement results show 18.7 dB maximum voltage gain at 13 GHz 3 dB bandwidth. The measured maximum output power is 10.2 dBm, input $P_{1dB}$ is -12 dBm, output $P_{1dB}$ is 5.7 dBm, and maximum power add efficiency is 7.2 %. The power amplifier consumes 140.4 mW DC power from 1.2 V supply voltage.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 65 nm CMOS 공정을 이용하여 77 GHz 전력증폭기를 설계 및 제작하였다. 측정결과, 77 GHz에서 18.
전력증폭기 설계는 수동소자를 사용하여 임피던스 정합, 전력 결합, 단일 대 차동 변환을 수행하는데, 본 연구에서는 여러 가지 수동소자 중 차동회로 구조에서 DC 바이어스를 인가하기 쉽고, 전력 결합이 용이한 트랜스포머 구조를 사용하였다. 본 논문에서는 65 nm 공정을 이용하여 트랜스포머를 이용한 W-Band 전력증폭기를 설계 제작하고, 측정 결과를 보여준다.

제안 방법

57μm인 차상위층을 사용한 수직 결합 구조를 사용하였다. FET에 연결되는 트랜스포머의 1차측이 더 큰 전류가 흐르기 때문에 저항 손실을 최소화하기 위해 최상위층을 1차측으로 사용하였다. 출력단에 사용된 트랜스포머는 패드 캐패시턴스를 고려한 50 Ω 부하가 최적 부하 임피던스로 변환되도록 설계했다.
그림 1은 본 연구에서 설계한 전력증폭기의 회로도이다. 본 전력증폭기는 3단 구조로써 공통소스 구조의 차동 증폭기 단으로 구성했고, 트랜스포머를 이용하여 임피던스 정합을 했다. 임피던스 정합은 3차원 전기장 해석 툴인 HFSS를 이용하여 트랜스포머를 설계하고, 좀 더 정확한 값을 얻기 위해 연결부분까지 포함하여 시뮬레이션을 진행하였다.
대신호 측정 환경은 그림 3(b)와 같다. 연결에 필요한 케이블, 커넥터 및 프로브에 의한 손실은 별도로 측정하여 보상했다. 그림 5는 대신호 측정 결과를 보여준다.
임피던스 정합과 전력결합용 트랜스포머는 결합상수 k 인자를 높이기 위해 두께 3 μm인 최상위 금속층과 0.57μm인 차상위층을 사용한 수직 결합 구조를 사용하였다.
본 전력증폭기는 3단 구조로써 공통소스 구조의 차동 증폭기 단으로 구성했고, 트랜스포머를 이용하여 임피던스 정합을 했다. 임피던스 정합은 3차원 전기장 해석 툴인 HFSS를 이용하여 트랜스포머를 설계하고, 좀 더 정확한 값을 얻기 위해 연결부분까지 포함하여 시뮬레이션을 진행하였다.
전력증폭기 설계는 수동소자를 사용하여 임피던스 정합, 전력 결합, 단일 대 차동 변환을 수행하는데, 본 연구에서는 여러 가지 수동소자 중 차동회로 구조에서 DC 바이어스를 인가하기 쉽고, 전력 결합이 용이한 트랜스포머 구조를 사용하였다. 본 논문에서는 65 nm 공정을 이용하여 트랜스포머를 이용한 W-Band 전력증폭기를 설계 제작하고, 측정 결과를 보여준다.
출력단에 사용된 트랜스포머는 패드 캐패시턴스를 고려한 50 Ω 부하가 최적 부하 임피던스로 변환되도록 설계했다.
측정 결과, 전 대역에서 절대 안정성(unconditional stability)을 만족하였다. 표 1에 기존의 전력증폭기의 성능과 본 논문의 전력증폭기의 성능을 비교하였다. 표에서 보는 바와 같이, 기존의 전력증폭기에 뒤지지 않는 성능을 갖는 것을 알 수 있다.

대상 데이터

본 논문에서는 이 점들을 고려하여 시뮬레이션을 진행을 하였고, 최종단의 FET는 단일 폭 2 μm에 총 게이트 폭 104μm인 소자를 사용하였다.

데이터처리

본 전력증폭기의 소신호 특성은 그림 3(a)와 같이 110 GHz까지 측정 가능한 Anritsu 사의 MS4647A 벡터 네트워크 분석기를 이용하여 온칩 프로빙 방법으로 측정하였고, 그림 4는 S-파라메터 측정 및 시뮬레이션 결과를 보여준다. 측정 결과, 77 GHz에서 18.

이론/모형

밀리미터파 대역에서 공통소스 구조는 드레인-게이트의 커패시턴스에 의해 피드백이 형성된다. 이는 이득 저하와 증폭기의 안정성이 낮아지는데, 이를 해결하고자 차동 증폭기 구조에서 쉽게 사용할 수 있는 중화(neutralization) 방법을 사용했다. 두 번째 단에서 C₂과 C₃를 추가함으로써 같은 위상 노드사이에 피드백을 형성한다.

성능/효과

신호발생기의 제약으로 전력증폭기 입력 전력을 최대 —5 dBm 까지 인가했고, 출력 전력은 10.2 dBm을 얻었다.
본 전력증폭기의 소신호 특성은 그림 3(a)와 같이 110 GHz까지 측정 가능한 Anritsu 사의 MS4647A 벡터 네트워크 분석기를 이용하여 온칩 프로빙 방법으로 측정하였고, 그림 4는 S-파라메터 측정 및 시뮬레이션 결과를 보여준다. 측정 결과, 77 GHz에서 18.7 dB의 전압이득과 69 GHz에서 82 GHz까지 13 GHz의 3 dB 대역폭을 얻었다. S₂₁ 측정결과, —40 dB 이하이고 시뮬레이션 결과와 측정결과가 약간 차이가 있지만 유사한 경향성을 보이는 것으로 볼 수 있다.
. 측정 결과, 전 대역에서 절대 안정성(unconditional stability)을 만족하였다. 표 1에 기존의 전력증폭기의 성능과 본 논문의 전력증폭기의 성능을 비교하였다.
본 논문에서는 65 nm CMOS 공정을 이용하여 77 GHz 전력증폭기를 설계 및 제작하였다. 측정결과, 77 GHz에서 18.7 dB의 전압 이득과 13 GHz의 3 dB 대역폭을 얻었다. 측정된 최대출력 전력은 10.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	높은 주파수 대역에서 전력증폭기의 설계가 힘든 이유는?	레이더 시스템 중 전력증폭기는 중요한 부분으로 우수한 성능을 얻고자 고가의 화합물 공정 기술을 이용하거나, 하이브리드 형태로 제작되어 왔는데, 최근 CMOS 공정기술의 발전으로 차단 주파수와 최대 전력 이득 주파수가 100 GHz가 넘는 능동 소자들이 개발되어, 초고주파 분야에서 CMOS 공정을 이용한 레이더 시스템 설계가 활발히 이루어지고 있다[1]. 하지만 70 GHz 이상의 주파수 대역에서는 능동 소자와 수동 소자의 모델이 부정확하고, 낮은 절연 파괴 전압과 실리콘 기판의 손실로 인하여 설계에 어려움이 있다.
	차량용 충돌방지 레이더의 주파수로는 어느 대역이 주로 사용되는가?	차량용 레이더 센서는 차량의 다양한 위치에 장착되어 운전자의 주행 안전성을 높이고, 각종 차량사고를 예방할 수 있다. 차량용 충돌방지 레이더를 위한 주파수 대역은 크게 24 GHz 대역과 77 GHz 대역이 주로 사용되고 있으며, 특히 77 GHz 대역은 레이더 기반의 ACC(Adaptive Cruise Control)을 위한 용도로 전 세계적으로 사용되고 있다. 레이더 시스템 중 전력증폭기는 중요한 부분으로 우수한 성능을 얻고자 고가의 화합물 공정 기술을 이용하거나, 하이브리드 형태로 제작되어 왔는데, 최근 CMOS 공정기술의 발전으로 차단 주파수와 최대 전력 이득 주파수가 100 GHz가 넘는 능동 소자들이 개발되어, 초고주파 분야에서 CMOS 공정을 이용한 레이더 시스템 설계가 활발히 이루어지고 있다[1].
	전력증폭기 설계에 있어 최근 동향은?	차량용 충돌방지 레이더를 위한 주파수 대역은 크게 24 GHz 대역과 77 GHz 대역이 주로 사용되고 있으며, 특히 77 GHz 대역은 레이더 기반의 ACC(Adaptive Cruise Control)을 위한 용도로 전 세계적으로 사용되고 있다. 레이더 시스템 중 전력증폭기는 중요한 부분으로 우수한 성능을 얻고자 고가의 화합물 공정 기술을 이용하거나, 하이브리드 형태로 제작되어 왔는데, 최근 CMOS 공정기술의 발전으로 차단 주파수와 최대 전력 이득 주파수가 100 GHz가 넘는 능동 소자들이 개발되어, 초고주파 분야에서 CMOS 공정을 이용한 레이더 시스템 설계가 활발히 이루어지고 있다[1]. 하지만 70 GHz 이상의 주파수 대역에서는 능동 소자와 수동 소자의 모델이 부정확하고, 낮은 절연 파괴 전압과 실리콘 기판의 손실로 인하여 설계에 어려움이 있다.

참고문헌 (10)

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G. Gonzalez, Microwave Transistor Amplifiers Analysis and Design, Prentice Hall, 1997.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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