[논문 리뷰] 2.4GHZ Class AB power Amplifier For Healthcare Application

Wei Cai, Liang Huang외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 09.

Advanced Power Amplifier Design인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 0.18 µm SMIC CMOS 기술을 사용하여 Cadence 도구를 활용해 의료 응용 분야를 위한 2.4 GHz Class AB 전력 증폭기를 설계한다. 이 증폭기는 높은 선형성과 효율성을 확보하여 19.2 dBm의 출력 전력과 32.5%의 전력 추가 효율을 달성하며, 저전력 및 비용 효율적인 무선 의료 장치의 핵심 사양을 충족시키면서 성능, 전력 소비, 면적 간의 상충 요소를 최소화한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 2.4 GHz 무선 의료 시스템을 위한 저전력 및 비용 효율적인 전력 증폭기를 개발하기 위해.
• CMOS 기반 RF 증폭기에서 성능, 전력 소비, 면적 간의 상충 요소를 최소화하기 위해.
• 의료용 무선 송수신기의 엄격한 선형성 및 출력 전력 요구 사양을 충족하기 위해.
• 디지털 변조에 적합한 이웃 채널 전력 비율(ACPR)을 유지하면서도 높은 전력 추가 효율(PAE)을 달성하기 위해.
• 임플란트 또는 웨어러블 의료 장치에 적합한 서브미크론 CMOS에서 Class AB 증폭기의 실현 가능성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 레이아웃 및 시뮬레이션을 위해 0.18 µm SMIC CMOS 기술과 Cadence Virtuoso를 사용하여 전력 증폭기를 설계한다.
• 선형성과 전력 효율성을 균형 있게 확보하기 위해 Class AB 토폴로지를 적용하여 비선형성과 PAE 향상을 도모한다.
• 전력 효율 향상과 면적 감소를 위해 전류 재사용 아키텍처를 사용한다.
• 최대 전력 전달을 위해 50 Ω 입력 및 출력 임피던스를 확보하기 위해 매칭 네트워크를 최적화한다.
• 공정 각도에서의 정적 전류 안정성과 선형성 향상을 위해 바이어스 회로를 포함한다.
• WCDMA 신호 하에서 선형성, 이득, 효율을 평가하기 위해 S-파라미터 및 PSS/PaPAC 분석을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 0.18 µm CMOS에서 Class AB 전력 증폭기가 2.4 GHz 의료 응용 분야에 충분한 선형성과 효율성을 확보할 수 있는가?
• RQ2 전류 재사용 아키텍처가 전력 추가 효율과 출력 전력에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 19.2 dBm 출력 전력에서 WCDMA 신호에 대해 달성 가능한 이웃 채널 전력 비율(ACPR)은 얼마인가?
• RQ4 바이어스 회로가 공정, 전압, 온도(PVT) 변동에 걸쳐 성능의 견고성을 얼마나 향상시키는가?
• RQ5 면적과 전력 소비를 최소화하면서도 의료용 무선 송수신기의 성능 요구 사양을 충족시킬 수 있는가?

주요 결과

• WCDMA 입력 조건 하에서 출력 전력은 19.2 dBm, 전력 추가 효율(PAE)은 32.5%를 달성한다.
• 이웃 채널 전력 비율(ACPR)은 -38.5 dBc로, WCDMA 신호에 대해 양호한 선형성을 나타낸다.
• 소신호 이득은 28.5 dB이며, 1 dB 이득 곡률점(P1dB)은 21.1 dBm이다.
• 입력 및 출력 반사 손실은 15 dB 이하로 유지되어 우수한 임피던스 매칭을 확인한다.
• 1.8 V 공급 전압에서 총 전력 소비는 120 mW이며, 칩 면적은 0.45 mm²이다.
• 설계는 선형성, 효율성, 출력 전력 등 2.4 GHz 의료 응용 분야에 요구되는 성능 사양을 성공적으로 충족시킨다.