The Journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science (한국전자파학회논문지)

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Analysis of the Gate Bias Effects of the Cascode Structure for Class-E CMOS Power Amplifier

CMOS Class-E 전력증폭기의 Cascode 구조에 대한 게이트바이어스 효과 분석

  • Seo, Donghwan (The 8th R&D Institute, Agency for Defense Developement)
  • 서동환 (국방과학연구소 제8기술연구본부)
  • Received : 2017.03.29
  • Accepted : 2017.06.07
  • Published : 2017.06.30
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Abstract

In this study, we analyzed the effects of the common-gate transistor bias of a switching mode CMOS power amplifier. Although the most earier works occured on the transistor sizes of the cascode structure, we showed that the gate bias of the common-gate transistor also influences the overall efficiency of the power amplifier. To investigate the effect of the gate bias, we analyzed the DC power consumption according to the gate bias and hence the efficiency of the power amplifier. From the analyzed results, the optimized gate bias for the maximum efficiency is lower than the supply voltage of the power amplifier. We also found that an excessively low gate bias may degrade the output power and efficiency owing to the effects of the on-resistance of the cascode structure. To verify the analyzed results, we designed a 1.9 GHz switching mode power amplifier using $0.18{\mu}m$ RF CMOS technology. As predicted in the analysis, the maximum efficiency is obtained at 2.5 V, while the supply voltage of power amplifier is 3.3 V. The measured maximum efficiency is 31.5 % with an output power of 29.1 dBm. From the measureed results, we successfully verified the analysis.

본 논문에서는 cascode 구조가 적용된 Class-E 스위칭 모드 CMOS 전력증폭기의 common-gate 트랜지스터 게이트 바이어스 효과에 대해 분석하였다. 게이트 바이어스 효과를 확인하기 위해서 전력증폭기의 DC 전력소모, 효율을 분석하였다. 분석 결과를 통해서 전력증폭기의 최고 효율을 보여주는 common-gate 트랜지스터의 게이트 바이어스가 일반적으로 사용하는 전력증폭기 전원 전압보다 낮음을 확인하였다. 트랜지스터의 게이트 바이어스가 계속 감소함에 따라 on-저항을 확인하여 커지고, 이에 따라 출력, 효율이 감소하는 것도 확인하였다. 이 두 가지 현상을 통해 게이트 바이어스가 스위칭 모드 전력증폭기에 미치는 영향을 분석하였다. 이 분석을 증명하기 위해서 $0.18{\mu}m$ RF CMOS 공정으로 1.9 GHz 스위칭 모드 전력증폭기를 설계하였다. 앞에서 설명한 것처럼 전력증폭기의 최대 효율은 전력증폭기의 인가 전압(3.3 V)보다 낮은 2.5 V에서 확인할 수 있었다. 이 때 최고 출력은 29.1 dBm, 최고 효율은 31.5 %이다. 측정 결과를 통해서 스위칭 모드 전력증폭기 common-gate 트랜지스터의 게이트 바이어스 효과를 실험적으로 확인하였다.

Keywords

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