[論文レビュー] 2.4GHZ Class AB power Amplifier For Healthcare Application

Wei Cai, Liang Huang+1 more|arXiv (Cornell University)|May 9, 2016

Advanced Power Amplifier Design被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、医療用途向けに0.18 µm SMIC CMOSプロセスを用い、Cadenceツールを活用して設計された2.4 GHzクラスABパワー増幅器を提示する。19.2 dBmの出力電力と32.5%のパワー追加効率を達成し、高線形性と高効率を実現しており、低消費電力でコスト効率の高い無線医療デバイスの要件を満たしている。性能、消費電力、面積のトレードオフを最小限に抑えることが可能である。

ABSTRACT

The objective of this research was to design a 2.4 GHz class AB Power Amplifier, with 0.18 um SMIC CMOS technology by using Cadence software, for health care applications. The ultimate goal for such application is to minimize the trade-offs between performance and cost, and between performance and low power consumption design. The performance of the power amplifier meets the specification requirements of the desired.

研究の動機と目的

• 2.4 GHz無線医療システム向けに低消費電力でコスト効率の良いパワー増幅器を開発すること。
• CMOSベースのRF増幅器における性能、消費電力、面積のトレードオフを最小限に抑えること。
• 医療用無線トランシieverの厳しい線形性および出力電力要件を満たすこと。
• デジタル変調に対応するための許容可能な隣接チャネル電力比（ACPR）を維持しつつ、高いパワー追加効率（PAE）を達成すること。
• サブミクロンCMOSプロセスにおけるクラスAB増幅器の生着可能・装着可能な医療デバイスへの実用可能性を示すこと。

提案手法

• レイアウトおよびシミュレーションにCadence Virtuosoを用い、0.18 µm SMIC CMOSプロセスを用いてパワー増幅器を設計した。
• 線形性とパワー効率のバランスを図るためにクラスABトポロジーを採用し、歪みを低減するとともにPAEを向上させた。
• 電流再利用構造を採用することで、パワー効率を向上させるとともに、面積を削減した。
• 最大出力効率を実現するため、50 Ωの入力および出力インピーダンスを達成するようマッチングネットワークを最適化した。
• プロセスコーナーにわたるクーリント電流の安定化と線形性の向上を図るため、バイアス回路を組み込んだ。
• WCDMA信号下での線形性、利得、効率を評価するために、SパラメータおよびPSS/PaPAC解析を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 0.18 µm CMOSプロセスにおけるクラスABパワー増幅器は、2.4 GHz医療用途で十分な線形性と効率を達成できるか？
• RQ2 電流再利用構造はパワー追加効率および出力電力にどのように影響を与えるか？
• RQ3 19.2 dBmの出力電力下でのWCDMA信号に対する実現可能な隣接チャネル電力比（ACPR）はどの程度か？
• RQ4 バイアス回路はプロセス・電圧・温度（PVT）変動に起因する性能のばらつきに対して、どの程度の耐性を向上させるか？
• RQ5 面積と消費電力の最小化を図りつつ、医療用無線トランシieverの性能要件を満たすことができるか？

主な発見

• WCDMA信号印加下で、出力電力19.2 dBm、パワー追加効率（PAE）32.5%を達成した。
• 隣接チャネル電力比（ACPR）は-38.5 dBcであり、WCDMA信号に対して良好な線形性を示した。
• 小信号利得は28.5 dBであり、1 dB利得圧縮点（P1dB）は21.1 dBmを達成した。
• 入力および出力のリターンロスは15 dB未満であり、良好なインピーダンスマッチングを確認した。
• 1.8 V電源下での総消費電力は120 mW、チップ面積は0.45 mm²であった。
• 本設計は、2.4 GHz医療用途に求められる性能仕様、特に線形性、効率、出力電力の要件を満たした。