韓國電磁波學會論文誌第 22 卷第 9 號 2011 年 9 月論文 2011-22-9-13 http://dx.doi.org/10.5515/kjkiees.2011.22.9.897 InGaP/GaAs HBT 를이용한 900 MHz 대역 1 W 급고선형전력증폭기 MMIC 설계 Highly Linear 1 W Power Amplifier MMIC for the 900 MHz Band Using InGaP/GaAs HBT 주소연 한수연 송민건 김형철 김민수 노상연 유형모 양영구 Soyeon Joo Suyeon Han Mingeun Song Hyungchul Kim Minsu Kim Sangyoun Noh Hyungmo Yoo Youngoo Yang 요약 본논문에서는 InGaP/GaAs hetero-junction bipolar transistor(hbt) 를이용하여 900 MHz 에서동작하는 1 W 급 선형전력증폭기를설계및검증하였다. 온도변화에따른증폭기의특성변화를최소화하기위해능동바이어 스회로를구성하였다. 전류붕괴 (current collapse) 와열폭주 (thermal runaway) 를방지하기위하여 ballast 저항을 삽입하여전력증폭기의성능및신뢰성을최적화하였다. 제작된선형전력증폭기는중심주파수 900 MHz 의 one-tone 신호를사용하였을때, 17.6 db 의전력이득과 30 dbm 의 OP1dB 를가지며, 이때 44.9 % 의 PAE 를갖는다. 또한, two-tone 신호를인가하였을때, 20 dbm 의평균출력전력에서 47.3 dbm 의매우높은 OIP3 를갖는다. Abstract This paper presents a highly linear power amplifier MMIC, having an output power level of about 1 watt, based on InGaP/GaAs hetero-junction bipolar transistor(hbt) technology for the 900 MHz band. The active bias circuit is applied to minimize the effect of temperature variation. Ballast resistors are optimized to prevent a current collapse and a thermal runaway. The fabricated power amplifier exhibited a gain of 17.6 db, an output P1dB of 30 dbm, and a PAE of 44.9 % at an output P1dB from the one-tone excitation. It also showed a very high OIP3 of 47.3 dbm at an average output power of 20 dbm from the two-tone excitation. Key words : Power Amplifier Integrated Circuit, PA Driver IC, InGaP/GaAs HBT, Active Bias Circuit, MMIC Ⅰ. 서론 CDMA, WCDMA, OFDM과같은현대의무선통신시스템은대용량의데이터를전송하고, 주파수사용효율을높일수있도록디지털변조통신방식을사용하고있다. 이렇게디지털변조된신호는높은 PAPR(Peak-to-Average Power Ratio) 특성을나타내고 있으며, 이에따라최대출력에서상당히 back-off된평균전력에서의선형성및효율이전력증폭기의중요한성능지표가된다. 특히소형중계기나기지국의송신단에서주전력증폭기를구동하기위한전치전력증폭기는주전력증폭기의선형성에영향을주지않기위해매우높은선형성이요구된다. InGaP/GaAs HBT는전력밀도및선형성이좋고, 이연구는서울특별시의 2010 년도중소기업제품개선지원사업 ( 과제번호 : JP100140) 의지원으로연구되었음. 성균관대학교정보통신공학부 (School of Information and Communication Engineering, Sungkyunkwan University) 논문번호 : 20110721-03S 교신저자 : 양영구 (e-mail : yang09@skku.edu) 수정완료일자 : 2011 년 8 월 22 일 897
韓國電磁波學會論文誌第 22 卷第 9 號 2011 年 9 月 항복전압이높아구동전력증폭기와같이고선형 특성을요구하는무선통신시스템의전력증폭기 개발에많이사용되어왔다 [1],[2]. 하지만 InGaP/GaAs HBT 는높은전력밀도와전압특성에의한전류붕 괴 (current collapse) 또는열폭주 (thermal runaway) 등 에의해증폭기의성능이열화될수있으므로설계 시온도변화에의한증폭기의성능변화를충분히 고려해야만한다. 본논문에서는 InGaP/GaAs HBT 공정을이용하여 900 MHz 대역에서동작하는 1 W 급선형전력증폭 기를설계및검증하였다. 온도변화에따른전력증 폭기의특성변화를최소화하기위해능동바이어스 회로와안정저항 (ballast resistor) 을최적화하였으며, 궤환회로를이용하여고선형특성을얻을수있도 록하였다. Ⅱ. 회로설계및시뮬레이션 2-1 회로설계 그림 1 은설계된선형전력증폭기의회로도이다. 선형전력증폭기는파워셀과능동바이어스회로, 입출력정합회로 (L 1, L 2, L 3, C 1, C 2 ) 로구성된다. 파 워셀은 1 W 의출력전력을고려하여에미터면적 이 80 μm 2 (2 μm 20 μm 2 fingers) 인단위셀 44 개 를내부적으로병렬연결하여총 3,520 μm 2 의에미 터면적을갖도록구성하였다. HBT 로설계된전력증폭기는출력전력이증가 함에따라파워셀의베이스에공급되어야하는전류 또한증가하게된다 [3]. 따라서파워셀의베이스에능 동바이어스회로를적용하여충분한바이어스전류 그림 1. 설계된선형전력증폭기의회로도 Fig. 1. A schematic diagram of the linear power amplifier. 를공급함과동시에온도변화에따른전력증폭기의 RF 특성변화를최소화하고자하였다. 그리고파워셀을구성하는단위셀의베이스와에미터에안정저항 (ballast resistor) 을삽입하여전류붕괴 (current collapse) 와열폭주 (thermal runaway) 에의한회로파괴를방지하였다. 또한, 파워셀의콜렉터- 베이스간에 2,200 Ω의저항 (Rf) 과 10 pf의캐패시터 (Cf) 를연결하여궤환회로를구성하여전력증폭기의안정성과선형성을향상시킬수있도록하였다. 그리고칩의외부에서입력정합회로와출력정합회로를사용하여전력증폭기가최적의출력과선형성을가질수있도록설계하였다. 2-2 안정저항 (Ballast Resistor) 과능동바이어스회로그림 2는파워셀을구성하고있는단위셀의회로도이다. HBT의경우반도체표면의 trap에의해콜렉터에인가되는전압이일정전압이상으로증가하면콜렉터전류가급격히감소하는전류붕괴 (current collapse) 현상이발생한다. 이러한전류의감소는전력증폭기의출력을낮아지게하여전력증폭기의온도를상승시켜소자의파괴를발생시킨다. 그리고내부적으로병렬연결된다수의단위셀들중일부에만온도및전류가증가하게되어국부적으로소자가파괴되는열폭주 (thermal runaway) 현상이발생할수있다. 이러한악영향으로부터전력증폭기를안정적으로동작시키기위해단위셀의베이스와에미터에각각 400 Ω과 30 Ω, 3 Ω으로최적화된안정저항 (ballast resistor)(r B1, R B2, R E) 을삽입하였다. 특정단위셀의콜렉터전류가상승하게되면 R E 에의해에미터전압이상승하여베이스- 에미터간의전압이작아지면서콜렉터전류가감소하게된다. R B 는증가하는바이어스전류에의한전압강하에의해단위셀의베이스전압을낮추어베이스- 에미터간의전압을감소시킨다. 이러한부궤환작용을통하여단위셀을전류붕괴 (current collapse) 와열폭주 (thermal runaway) 로부터보호하였다 [3],[4]. 그림 3은설계된능동바이어스회로도이다. HBT 소자는온도변화에민감하여발생하는열로인해증폭기의효율및선형성이악화되기쉽다. 따라서온도보상을위하여파워셀을구성하고있는단위셀 898
InGaP/GaAs HBT 를이용한 900 MHz 대역 1 W 급고선형전력증폭기 MMIC 설계 그림 2. 단위셀의회로도 Fig. 2. A schematic diagram of the unit cell. 그림 4. 온도변화에따른파워셀의콜렉터전류변화 Fig. 4. Collector current of power cell according to the temperature variation. 그림 3. 능동바이어스회로 Fig. 3. A schematic diagram of the active bias circuit. 표 1. 소자값 Table 1. Value of components. R 1 R 2 R 3 R 4 C 1 450 Ω 4,200 Ω 800 Ω 10 Ω 4 pf 과온도특성및 RF 특성이동일한트랜지스터를이 용하여능동바이어스회로를설계하였다. 설계된 능동바이어스회로는온도상승에의해 HBT 의 turn-on 전압이감소하여파워셀의콜렉터전류가 증가하면 Q2 의콜렉터전류도역시증가하여 Q3 의 바이어스전압 (V x ) 을감소시킴으로써온도변화에 따른전력증폭기의 RF 특성변화를최소화할수있 다 [5]. 그림 4 는온도변화에따른파워셀의콜렉터전 류변화를시뮬레이션한결과이다. 40 에서 80 까지온도를변화시켰을때 DC 전압원을사용하 여파워셀의베이스에바이어스를인가한경우에는 온도가상승함에따라파워셀의콜렉터전류가약 220 ma에서 470 ma까지큰폭으로변화하였다. 반면, 온도보상회로가포함된능동바이어스회로를사용하여파워셀의베이스에바이어스전류를인가한경우에는파워셀의콜렉터전류의변화폭이약 366 ma에서 377 ma로상당히감소하여 DC 전압원을사용한경우에비해파워셀의콜렉터전류가매우일정하게유지되었다. 2-3 시뮬레이션결과그림 5는설계된전력증폭기의 gain과 PAE의시뮬레이션결과이다. 전력증폭기는중심주파수 900 MHz의 one-tone 신호를인가하였을때상온 (25 ) 에서 17.6 db의전력이득을가지고 P1dB 지점인출력전력 32 dbm에서 50.4 % 의높은효율을나타냈다. 또한, 온도가 40 일때와 80 일때에도상온에서와유사한성능을나타내온도변화에둔감한특성을보였다. 그림 6은설계된전력증폭기에 1 MHz의 tone-spacing을가지는 two-tone 신호를인가한경우의 OIP3와 IMD3의시뮬레이션결과이다. 설계된전력증폭기는상온 (25 ) 일때평균전력 20 dbm에서 49.1 dbm의매우높은 OIP3를가지며, 평균전력 22 dbm까지 IMD3를 60 dbc 이하로유지하여매우선형적인특성을나타내는것을확인하였다. 또한온도가 40 일때와 80 일때모두평균전력 20 dbm에서 48 dbm 이상의 OIP3와그때까지약 60 dbc 이하의 IMD3를유지하여온도변화에따라서도매우선형적인특성을나타냈다. 899
韓國電磁波學會論文誌第 22 卷第 9 號 2011 年 9 月 그림 5. Gain 과 PAE 의시뮬레이션결과 Fig. 5. Simulation results of gain and PAE. 그림 7. 제작된선형전력증폭기의칩사진 Fig. 7. The microphotograph of the fabricated linear power amplifier IC. 그림 6. OIP3 와 IMD3 의시뮬레이션결과 Fig. 6. Simulation results of OIP3 and IMD3. Ⅲ. 제작및측정그림 7은제작된선형전력증폭기의칩사진이다. WIN semiconductor corporations의 InGaP/GaAs HBT 공정을통해제작되었다. 출력신호의불일치를최소화하기위해단위셀을일렬로배열하지않고 11 개씩세로로배치하여이를 4열로배열하였다. 또한, 발생하는열의효과적인방출을위해각열의에미터가마주보는위치에비아를넓게삽입하였다. 패드를포함한칩의사이즈는 1,090 1,090 μm 2 이다. 중심주파수 900 MHz에서 5 V 단일전압을인가하여측정되었고, 정동작전류 (quiescent current) 는 382 ma이다. 그림 8은제작된선형전력증폭기의이득과효율의측정결과이다. 제작된전력증폭기는중심주파수 900 MHz의 one-tone 신호를인가하였을때 17.6 그림 8. Gain 과 PAE 의측정결과 Fig. 8. Measurement results of gain and PAE. db 의전력이득을가지고, P1dB 지점인출력전력 30 dbm 에서 436 ma 의전류를소비하여 44.9 % 의 높은효율을갖는다. 그림 9 는제작된전력증폭기에 1 MHz 의 tone-spacing 을가지는 two-tone 신호를인가 한경우의 OIP3 와 IMD3 의측정결과이다. 제작된 전력증폭기는평균전력 20 dbm 에서 47.3 dbm 의 OIP3 를가지며, 이때까지 IMD3 는 60 dbc 이하로 매우좋은선형성을유지하였다. 표 2 는 HBT 공정을통하여제작된 1 W 급상용 MMIC 전력증폭기들과본논문에서제작된전력증 폭기의성능을비교하여정리한표이다. 동작주파 수는모두 900 MHz 대역이다. 제작된전력증폭기 는비교적낮은정동작전류 (quiescent current) 를소 900
InGaP/GaAs HBT 를이용한 900 MHz 대역 1 W 급고선형전력증폭기 MMIC 설계 표 2. 상용 MMIC 전력증폭기와의성능비교 Table 2. Performance comparison with representative commercial MMIC PA. TriQuint's AH215 RFMD's SPA-2118 Prewell's PH530 This work Process InGaP HBT GaAs HBT InGaP HBT InGaP HBT Frequency 900 MHz 900 MHz 900 MHz 900 MHz Gain 18 db 33 db 20 db 17.6 db P1dB 31 dbm 29 dbm 30 dbm 30 dbm OIP3 46 dbm@18 dbm 47 dbm@17 dbm 45 dbm@12 dbm 47.3 dbm@20 dbm Voltage 5 V 5 V 5 V 5 V Current 450 ma 400 ma 260 ma 382 ma 은효율을가지며, two-tone 평균전력 20 dbm까지 IMD3가 60 dbc 이하로매우우수한선형성을갖는다. 따라서, 송신단에서고선형구동증폭기나이득단으로사용하기에적합하다. 참고문헌 그림 9. OIP3 와 IMD3 의측정결과 Fig. 9. Measurement results of OIP3 and IMD3. 비하면서가장높은출력파워에서가장높은 OIP3 성능을가져기존의 MMIC 전력증폭기들에비해 매우선형적인특성을보이는것을알수있다. Ⅳ. 결론 본논문에서는 InGaP/GaAs HBT 공정을이용하여 900 MHz 대역에서동작하는 1 W 급선형전력증폭 기를설계및검증하였다. 능동바이어스회로와안 정저항 (ballast resistor) 을최적화하여설계된전력 증폭기는 one-tone 과 two-tone 시뮬레이션에서온도 변화에둔감한특성을나타내었다. 측정결과, 제작 된전력증폭기는중심주파수 900 MHz 의 one-tone 신호를인가하였을때 17.6 db 의전력이득을가지 고, P1dB 지점인출력전력 30 dbm 에서 44.9 % 의높 [1] H. Kim, M. Kim, K. Choi, J. Bae, H. Yoo, and Y. Yang, "1.9 GHz band highly linear 2-stage power amplifier MMIC based on InGaP/GaAs HBT", AP- MC, pp. 353-536, Dec. 2009. [2] K. Choi, M. Kim, H. Kim, S. Jung, J. Cho, S. Yoo, Y. Kim, H. Yoo, and Y. Yang, "A highly linear two-stage amplifier integrated circuit using In- GaP/GaAs HBT", IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 45, no. 10, pp. 2038-2043, Oct. 2010. [3] S. Maas, "Ballasting HBTs for wireless power amplifier operation", in Proc. IEEE Int. Workshop on Integrated Nonlinear Microwave and Millimeter- Wave Circuits, pp. 2-5, Jan. 2006. [4] R. P. Arnold, D. Zoroglu, "A quantitative study of emitter ballasting", IEEE Trans Electron Devices, vol. 21, no. 7, pp. 385-391, Jul. 1974. [5] 전주영, 김정현, 권영우, " 온도및인가전압변화에둔감한 GaAs HBT 전력증폭기용바이어스회로 ", 한국전자파학회추계마이크로파및전파학술대회, 27(2), pp. 221-224, 2004년 9월. 901
韓國電磁波學會論文誌第 22 卷第 9 號 2011 年 9 月 주소연 2011 년 2 월 : 성균관대학교생명공학부 ( 공학사 ) 2011 년 3 월 ~ 현재 : 성균관대학교전자전기컴퓨터공학과석사과정 [ 주관심분야 ] RFIC Design, Power Amplifier IC Design 김민수 2005 년 2 월 : 인천대학교전자공학과 ( 공학사 ) 2008 년 2 월 ~ 현재 : 성균관대학교전자전기컴퓨터공학과박사과정 [ 주관심분야 ] 무선통신송 / 수신기시스템설계, 주파수합성기설계, RFIC Design 한수연 2010 년 2 월 : 성균관대학교전자전기컴퓨터공학부 ( 공학사 ) 2010 년 3 월 ~2011 년 8 월 : 성균관대학교이동통신학과석사과정 [ 주관심분야 ] Power Amplifier IC Design 노상연 1989 년 3 월 ~1996 년 2 월 : 성균관대학교전자공학 ( 공학사 ) 2000 년 3 월 ~2003 년 9 월 : 성균관대학교전자공학과박사수료 2001 년 3 월 ~2009 년 6 월 : 웨이브일렉트로닉스 : LDMOS 를이용한 High Power Amplifier, Linear Power Amplifier 및 Doherty Amplifier 개발. 2010 년 3 월 ~ 현재 : BeRex Corp: Power Amplifier Module 개발 [ 주관심분야 ] Power Amplifier Module Design, Power Amplifier IC Design, RFIC Design 송민건 김형철 2010 년 2 월 : 성균관대학교정보통신공학부 ( 공학사 ) 2010 년 3 월 ~ 현재 : 성균관대학교휴대폰학과석사과정 [ 주관심분야 ] Analog/Mixed Signal IC Design, RFIC Design 2008 년 2 월 : 성균관대학교기계공학부 ( 공학사 ) 2010 년 3 월 ~ 현재 : 성균관대학교전자전기컴퓨터공학과박사과정 [ 주관심분야 ] RF Power Amplifier, Analog/Mixed Signal IC Design, RFIC Design 유형모 1974 년 3 월 ~1978 년 2 월 : 한양대학교전자공학과 ( 공학사 ) 1987 년 9 월 ~1990 년 6 월 : Oregon State University Electrical Engineering ( 공학박사 ) 1978 년 3 월 ~1984 년 9 월 : 국방과학연구소연구원 1990 년 9 월 ~1994 년 6 월 : University of Washington Asst Prof. 1994 년 6 월 ~1997 년 12 월 : 삼성전자 GaAs 공정개발부장 1998 년 1 월 ~2000 년 4 월 : Excelics Semiconductor, Inc. Fab Manager 2000 년 4 월 ~2004 년 10 월 : Dynalinear Technologies, Inc. Director 2004 년 10 월 ~ 현재 : BeRex Corp (GaAs Phemt MMIC, In- GaP/GaAs HBT MMIC 개발, 부사장 ) [ 주관심분야 ] 무선통신용 RF MMIC, 고효율 RF 증폭기, High Voltage 용 HBT 소자개발, Microwave 통신용소자개발 902
InGaP/GaAs HBT 를이용한 900 MHz 대역 1 W 급고선형전력증폭기 MMIC 설계 양영구 1997 년 2 월 : 한양대학교전자공학과 ( 공학사 ) 2002 년 2 월 : 포항공과대학교전자전기공학과 ( 공학박사 ) 2002 년 3 월 ~2002 년 7 월 : 포항공과대학교전자전기공학과박사후연구원 2002 년 8 월 ~2005 년 2 월 : Skyworks Solutions Inc. (Senior Electronic Engineer) 2005 년 3 월 ~ 현재 : 성균관대학교정보통신공학부부교수 [ 주관심분야 ] 초고주파회로설계, 무선통신송 / 수신기시스템설계, 비선형회로분석및시뮬레이션기법연구 903