광대역 5G 통신을 위한 K-/Ka-대역 CMOS 전력 증폭기 설계 :K-/Ka-Band CMOS Power Amplifier Design for broadband 5G Communication

김창민

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김창민 (숭실대학교, 숭실대학교 대학원)

지도교수: 오준택

발행연도: 2020

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2021

매칭된 캐스코드 전력 셀 기반 K-/Ka-대역 CMOS 전력 증폭기

김창민 , 김기철 , 오준택 한국전자파학회논문지 2021.08 학술저널

2020

광대역 5G 통신을 위한 K-/Ka-대역 CMOS 전력 증폭기 설계

김창민 전자공학과(일원) 2020.01 학위논문

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5세대 이동통신은 4세대 이동 통신 대비 더 빠른 데이터 처리 속도의 기술이 필요하고 국가별 동작 주파수 대역이 다르기 때문에 넓은 범위의 주파수 스펙트럼을 만족할 수 있는 광대역 동작 특성의 전력 증폭기(PA, Power Amplifier) 설계가 필요하다.
본 연구에서는 이러한 광대역 동작 특성과 높은 전력 효율을 갖는 전력 증폭기에 관해 설계하였다. 이러한 설계 요구 조건을 만족하기 위해 두 가지 방식으로 설계를 구성하였다.
첫 번째 설계는 공통 게이트(CG, Common Gate) 와 공통 소스(CS, Common Source)단 사이에 션트 인덕터(Shunt Inductor)를 이용하여 입력단의 커패시턴스(Capacitance)로 인한 위상 왜곡 현상을 줄여 전력 증폭기가 선형적 동작 특성 성능이 향상 될 수 있도록 설계하였다. 광대역 동작을 위해 트랜스포머 기반 정합 네트워크를 사용하였다. 설계된 전력 증폭기는 24-28 GHz의 동작 범위를 가지고 1dB 이득 압축점 전력은 9-16 dBm, 이득은 6-14 dB, 최대 출력 전력은 18-19 dBm, 최대 전력 부가 효율은 31-36.5%, 1도 아래의 위상 왜곡 현상에 관한 모의실험 결과를 갖는다. 설계된 전력 증폭기는 TSMC 사의 65nm CMOS 공정을 통하여 제작되었고 의 칩 면적을 가진다.
두 번째 설계는 공통 게이트와 공통 소스단의 연결 부분에 직렬 인덕터를 사용하여 전체적인 회로의 안정도를 높일 수 있는 설계를 하였으며 각각의 직렬 인덕터 사이에 콜드펫(Cold-FET) 와 커패시터를 이용하여 공통 소스단의 출력 커패시턴스로 인한 위상 왜곡 현상이 줄어들 수 있는 설계를 하였다. 앞선 설계와 마찬가지로 광대역 특성을 위해 트랜스포머 기반 정합 네트워크를 사용하였다. 설계된 전력 증폭기는 TSMC 사의 65nm CMOS 공정을 사용하였고 의 칩 면적을 가진다. 24-28 GHz의 동작 범위를 가지고 이득은 8-11 dB, 최대 전력 부가 효율은 34-36.8%, 1도 아래의 위상 왜곡 현상은 28GHz 대역에서 P1dB 기준 0.4도의 모의실험 결과를 갖는다.

5G mobile communication requires faster data-processing speed technology compared to 4G mobile communication and different operating frequency bands of different countries, it needs a power amplifier design with wide-band operating characteristics that can satisfy a wide range of spectrum.
In this study, these broadband operational characteristics and power amplifiers with high power efficiency were designed. The design was constructed in two ways to meet these design requirements.
The first design uses a shunt inductor between a common gate (CG, Common Gate) and a common source (CS, Common Source) to reduce phase distortion caused by capacitance at the input stage, allowing power amplifiers to improve linear operational characteristic performance. Transformer-based matching networks were used for broadband operation. The designed power amplifier has a range of 24-28 GHz of motion and a simulated experiment result on phase distortion with a 1 dB gain compression point power of 9-16 dBm, a gain of 6-14 dB, a maximum output power of 18-19 dBm, a maximum power-additive efficiency of 31-36.5% and a degree below. The designed power amplifier is manufactured through TSMC''s 65nm CMOS process and has a total chip area of
The second design was designed to enhance the stability of the entire circuit by using a series inductor at the connection between the common gate and the common source, and a cold-FET and capacitor between each series inductor to reduce phase distortion caused by output capacitance at the common source. As with previous designs, a Transformer-based matching network was used for broadband characteristics. The designed power amplifier uses a TSMC 65nm CMOS process and has a chip area. With an operating range of 24-28 GHz with a gain of 8-11 dB, a maximum power-addition efficiency of 34-36.8%, and a phase distortion below 1 degree has a simulation result of 0.4 degrees P1dB in the 28 GHz band.

#5G 통신 #CMOS #전력 증폭기 #차동캐스코드 #광대역

국문초록 ⅵ
영문초록 ⅷ
제 1 장 서론 1
1.1 5G 통신 1
1.2 CMOS 전력 증폭기 2
1.1.1 차동 구조 3
1.1.2 캐스코드 구조 6
1.1.3 비선형성 특성 8
1.3 설계 동기 10
1.4 논문 구성 10
제 2 장 K-/Ka-대역 CMOS 전력 증폭기 11
2.1 션트 인덕터 기반 전력 증폭기 11
2.1.1 전력 트랜지스터 크기 결정 11
2.1.2 전력 트랜지스터 레이아웃 12
2.1.3 차동 캐스코드 전력 증폭기 14
2.1.3.1 션트 인덕터 전력 셀 14
2.1.4 트랜스포머 정합 네트워크 17
2.1.5 션트 인덕터를 이용한 전력 증폭기 설계 18
2.2 L 형상 인터스테이지 정합 기반 전력 증폭기 20
2.2.1 직렬 인덕터 23
2.2.2 콜드펫 25
제 3 장 시뮬레이션 및 측정 결과 28
3.1 션트 인덕터 기반 전력 증폭기 28
3.1.1 모의실험 결과 28
3.1.1.1 S-parameter 29
3.1.1.2 Power Gain, PAE 30
3.1.1.3 AM-PM & IMD3 31
3.1.2 측정 결과 34
3.2 L 형상 인터스테이지 정합 기반 전력 증폭기 37
3.2.1 모의실험 결과 37
3.2.1.1 S-parameter 38
3.2.1.2 Power Gain, PAE 39
3.2.1.3 AM-PM, IMD3 41
제 4 장 결론 43
참고문헌 45

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