본 논문에서는 차량 충돌 방지 및 생활 감시용 근거리 레이다(Short Range Radar: SRR)를 위한 24 GHz 전력증폭기를 삼성 65-nm CMOS 공정을 이용하여 설계하였다. 제안한 회로는 2단 차동 전력증폭기로 공통소스 구조를 사용하고, 트랜스포머 구조를 사용하여 단일 대 차동변환, 임피던스정합, 전력결합을 하였다. 측정결과, 24 GHz에서 15.5 dB의 최대 이득과 3.6 GHz의 3 dB 대역폭을 얻었다. 측정된 최대 출력 전력은 13.1 dBm, 입력 $P1_{dB}$는 -4.72 dBm, 출력 $P1_{dB}$는 9.78 dBm이며, 측정된 최대 전력 효율은 17.7 %이다. 본 전력증폭기는 1.2 V의 공급전원으로부터 74 mW의 DC 전력을 소모한다.
본 논문에서는 차량 충돌 방지 및 생활 감시용 근거리 레이다(Short Range Radar: SRR)를 위한 24 GHz 전력증폭기를 삼성 65-nm CMOS 공정을 이용하여 설계하였다. 제안한 회로는 2단 차동 전력증폭기로 공통소스 구조를 사용하고, 트랜스포머 구조를 사용하여 단일 대 차동변환, 임피던스 정합, 전력결합을 하였다. 측정결과, 24 GHz에서 15.5 dB의 최대 이득과 3.6 GHz의 3 dB 대역폭을 얻었다. 측정된 최대 출력 전력은 13.1 dBm, 입력 $P1_{dB}$는 -4.72 dBm, 출력 $P1_{dB}$는 9.78 dBm이며, 측정된 최대 전력 효율은 17.7 %이다. 본 전력증폭기는 1.2 V의 공급전원으로부터 74 mW의 DC 전력을 소모한다.
This paper proposes 24 GHz power amplifier for automotive collision avoidance and surveillance short range radar using Samsung 65-nm CMOS process. The proposed circuit has a 2-stage differential power amplifier which includes common source structure and transformer for single to differential convers...
This paper proposes 24 GHz power amplifier for automotive collision avoidance and surveillance short range radar using Samsung 65-nm CMOS process. The proposed circuit has a 2-stage differential power amplifier which includes common source structure and transformer for single to differential conversion, impedance matching, and power combining. The measurement results show 15.5 dB maximum voltage gain and 3.6 GHz 3 dB bandwidth. The measured maximum output power is 13.1 dBm, input $P1_{dB}$ is -4.72 dBm, output $P1_{dB}$ is 9.78 dBm, and maximum power efficiency is 17.7 %. The power amplifier consumes 74 mW DC power from 1.2 V supply voltage.
This paper proposes 24 GHz power amplifier for automotive collision avoidance and surveillance short range radar using Samsung 65-nm CMOS process. The proposed circuit has a 2-stage differential power amplifier which includes common source structure and transformer for single to differential conversion, impedance matching, and power combining. The measurement results show 15.5 dB maximum voltage gain and 3.6 GHz 3 dB bandwidth. The measured maximum output power is 13.1 dBm, input $P1_{dB}$ is -4.72 dBm, output $P1_{dB}$ is 9.78 dBm, and maximum power efficiency is 17.7 %. The power amplifier consumes 74 mW DC power from 1.2 V supply voltage.
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문제 정의
본 논문에서는 삼성 65-nm CMOS 공정을 이용하여 24 GHz 전력증폭기를 설계 및 제작하였다. 2단 차동 전력증폭기로 공통소스 구조를 사용하고, 트랜스포머 구조를 사용하여 단일 대 차동변환, 임피던스 정합, 전력결합을 하였다.
본 논문에서는 정확한 설계를 위해 전자기 시뮬레이션을 통해 레이다 송수신기 중 전력증폭기를 설계 및 제작하였다. Ⅱ장에서는 전력증폭기의 설계과정을 제시하고, Ⅲ장에서는 측정결과를 보여준다.
본 논문은 1P9M 삼성 65-nm CMOS 공정을 사용하여 24 GHz 전력증폭기를 설계하였다. 그림 1은 본 연구에서 설계한 전력증폭기 회로도이다.
제안 방법
그림 1은 본 연구에서 설계한 전력증폭기 회로도이다. 2단 공통소스 구조의 차동증폭기 단으로 트랜스포머 구조를 이용하여 단일 대차동변환, 임피던스 매칭, 전력결합을 하였다[4].
본 논문에서는 삼성 65-nm CMOS 공정을 이용하여 24 GHz 전력증폭기를 설계 및 제작하였다. 2단 차동 전력증폭기로 공통소스 구조를 사용하고, 트랜스포머 구조를 사용하여 단일 대 차동변환, 임피던스 정합, 전력결합을 하였다. 측정결과, 24 GHz에서 15.
임피던스 변환은 최소한의 삽입손실을 가지면서 원하는 임피던스로 변환하는 것이 중요하다. K-대역에서는 주로 전송선과 트랜스포머 구조를 사용하는데, 본 논문에서는 차동회로 구조에서 바이어스를 인가하기 쉬운 트랜스포머 구조를 사용하였다.
칩 면적은 패드를 포함하여 833×671μm이다. 소신호 측정은 70 GHz까지 측정 가능한 MS4647A 벡터 네트워크 분석기를 이용하여 온-웨이퍼 프로빙하여 측정하였고, 대신호 측정은 신호발생기인 HP-8340B를 이용하여 24GHz 신호를 입력하고, 출력 단은 N1914A 파워미터에 E4413A 파워센서를 연결하여 출력전력을 측정하였다.
전력결합용 트랜스포머는 결합 상수를 높이기 위하여 수직 결합 트랜스포머 구조를 사용하였고, 자기공진주파수를 높이기 위하여 최상위 금속층보다 차상위층의 크기를 작게 하여 두 금속 간의 겹치는 부분을 줄였다. 시뮬레이션을 통하여 패드 커패시턴스를 고려한 50 Ω에서 두번째 단 출력 단의 임피던스가 Zopt로 변환되는 트랜스포머를 설계하였다.
입력 단에서 트랜스포머 구조를 사용한 단일 대 차동변환은 게이트 단에서 보이는 차동신호의 불균형 때문에 회로 성능이 저하된다. 이를 해결하기 위해 C1 커패시터를 추가하여 M1, M2의 게이트 단에서 보이는 커패시턴스 값의 균형을 맞추고, 수직결합 트랜스포머 구조를 사용하여 임피던스 매칭을 하였다[6].
이를 해결하기 위해 평행결합 트랜스포머 구조를 사용하여 일차 측과 이차 측의 금속층의 폭을 조절하고, 금속층 간 간격을 조절하여 임피던스 변환 비율을 높였다.
전력결합용 트랜스포머는 결합 상수를 높이기 위하여 수직 결합 트랜스포머 구조를 사용하였고, 자기공진주파수를 높이기 위하여 최상위 금속층보다 차상위층의 크기를 작게 하여 두 금속 간의 겹치는 부분을 줄였다. 시뮬레이션을 통하여 패드 커패시턴스를 고려한 50 Ω에서 두번째 단 출력 단의 임피던스가 Zopt로 변환되는 트랜스포머를 설계하였다.
첫 번째 단과 두 번째 단 사이의 임피던스 변환은 두 번째 단의 게이트 임피던스를 첫 번째 단의 Zopt로 임피던스로 변환하여 매칭하였다.
표 1에 기존의 65nm 전력증폭기와 본 논문의 전력증폭기를 비교하였다. 기존 논문 대비 낮은 공급전압, 작은 면적을 소모하여 실제 레이다시스템에 적용하기 용이하다.
대상 데이터
시뮬레이션을 통하여 첫 번째 단은 단일 폭 2 μm에 총 게이트 폭 40 μm인 소자를 사용하고, 두 번째 단은 2 μm에 총 게이트 폭 200 μm인 소자를 사용하였다.
성능/효과
그림 6은 케이블과 커넥터의 손실을 별도로 보상한 후의 대신호 결과를 보여준다. 신호발생기의 제약으로 입력전력을 최대 3.7 dBm까지 인가했고, 출력전력은 13.1 dBm을 얻었다. 입력 P1dB는 —4.
입력 전력을 —4.72 dBm 인가한 후 대신호 시뮬레이션결과 출력 P1dB는 9.5 dBm이며, 그림 1의 M3, M4 드레인노드에서 VPP=1.3 V인 것을 확인하였다.
3 V인 것을 확인하였다. 전체적으로 시뮬레이션 결과와 측정 결과가 유사한 경향을 보이는 것을확인하였다.
2단 차동 전력증폭기로 공통소스 구조를 사용하고, 트랜스포머 구조를 사용하여 단일 대 차동변환, 임피던스 정합, 전력결합을 하였다. 측정결과, 24 GHz에서 15.5 dB의 최대이득과 3.6G Hz의 3 dB 대역폭을 얻었다. 측정된 최대출력 전력은 13.
6 GHz의 3 dB 대역폭을 얻었고, S11과 S22는 —12 dB 이하였다. 측정된 소신호 결과로 회로의 안정성을 계산한 결과, 전 대역에서 절대 안정성을 만족하였다.
6G Hz의 3 dB 대역폭을 얻었다. 측정된 최대출력 전력은 13.1 dBm이고, 1.2 V의 공급 전원으로부터 74 mW의 DC 전력을 소모한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
ISM(Industrial Scientific Medical) 대역은 어떤 목적으로 이용가능한가?
ISM(Industrial Scientific Medical) 대역은 정부로부터 별도의 사용허가 없이 산업, 과학, 의료용으로 이용 가능하다. 특히 24～24.
ISM 대역인 24～24.25GHz 대역은 어떤 움직임을 감지하는데 사용하는가?
특히 24～24.25GHz 대역은 차량용과 생활감시용 레이다로 근거리 물체에 대한 움직임을 감지하는데 사용된다[1].
초고주파 대역의 레이다의 단점은?
초고주파 대역의 레이다를 설계하기 위해 화합물 공정을 사용하거나, 하이브리드로 제작되어 왔지만, CMOS 공정기술의 발전으로 CMOS 공정 레이다 시스템 설계가 활발히 이루어지고 있다[2]. 하지만 초고주파 대역에서 제공되는 모델이 정확하지 않고, 낮은 절연파괴 전압과 기판 손실로 인하여 원하는 성능을 얻는데 어려움이 있다.
참고문헌 (12)
장지영, 남상욱, "차량용 레이다 기술의 최근 발전 동향", 대한전자공학회지, 37(5), pp. 72-83, 2010년.
민경원, 손행선, "차량용 레이다 센서의 현황 및 연구개발 동향", 전자공학회지, 40(6), pp. 28-38, 2013년 6월.
H. Doan et al., "Millimeter-wave CMOS design", IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 40, no. 1, pp. 144-155, Jan. 2005.
Debopriyo Chowdhury et al., "Design considerations for 60 GHz transformer-coupled CMOS power amplifiers", IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 44, no. 10, pp. 2733-2744, Oct. 2009.
Wanxin Ye et al., "A 65 nm CMOS power amplifier with peak PAE above 18.9% from 57 to 66 GHz using synthesized transformer-based matching network", IEEE Transactions on Circuits and Systems, pp. 2533-2543, Oct. 2015.
Sofiane Aloui et al., "RF-pad, transmission lines and balun optimization for 60 GHz 65 nm CMOS power amplifier", IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium, pp. 211-214, May. 2010.
G. Gonzalez, Microwave Transistor Amplifiers Analysis and Design, Prentice Hall, 1997.
A. Vasylyev, P. Weger, and W. Simburger, "Ultra-broadband 20.5-31 GHz monolithically-integrated CMOS power amplifiers", Electron. Lett., vol. 41, no. 23, pp. 1281-1282, Nov. 2005.
K. Kim, C. Nguyen, "A 16.5-28 GHz 0.18- ${\mu}m$ Bi-CMOS power amplifier with flat 19.4 ${\pm}$ 1.2 dBm output power", IEEE Microw. Wireless Compon. Lett., vol. 24, no. 2, pp. 108-110, Feb. 2014.
Yoichi Kawano et al., "A fully-integrated K-band CMOS power amplifier with Psat of 23.8 dBm and PAE of 25.1 %", IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium, pp. 1-4, Jun. 2011.
Ananthanarayanan Parthasarathy, "A 20.6 dBm K-band power amplifier with 34.6% PAE in 65 nm CMOS", Microwave and Optical Technology Letters, vol. 58, no. 5, pp. 1179-1181, May 2016.
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