참고서적 : RF 능동회로, 홍릉과학, (윤영 저) 6장

Introduction (서론) 소신호 전력 이득 소신호 이득 증폭기 소신호 전력 이득이 최적치가 되도록 설계된 증폭기 수신부의 IF단, 드라이버단, LNA 후단부 등의 설계 * 본 장은 소신호 이득증폭기 설계법과 증폭기의 안정도에 대한 이론

6.1 최대 이득을 얻기 위한 입출력 공액 정합 1. 입출력 공액 정합 설계법 6.1 최대 이득을 얻기 위한 입출력 공액 정합 1. 입출력 공액 정합 설계법 증폭기를 설계하는 것은 최대 이득을 얻기 위한 입출력 정합회로 설계문제. 최대 소신호 전력 이득을 증폭기가 출력하도록 입출력 정합법을 입출력 공액정합 (simultaneous conjugate matching) 설계라고 함. 이를 위해 트랜지스터는 “무조건안정” 조건의 것을 사용해야 함. 그림 : RF 증폭기의 구성

1. 공액정합 (conjugate matching) 출력 정합회로의 반사계수 입력 정합회로의 반사계수

1. 공액정합 (conjugate matching) * 최대 전력 전달 조건 입력부의 정합조건 6.6(a) 출력부의 정합조건 6.6(b)

1. 공액정합 (conjugate matching) RF증폭기가 최대 전력이득을 얻기 위해서는 입출력부 모두 공액 정합되어야 함 앞의 식6.6(a),(b)가 동시에 만족되어야 함 식6.6(a)에 6.6(b)식을 대입하면 식6.7 여기서,

1. 공액 정합 (conjugate matching) 같은 방법으로 식6.6(b)에 6.6(a)식을 대입하면 식6.9 여기서,

2. 최대 가용 이득 (Max available gain) 트랜지스터가 공액정합되어 낼수 있는 최대 이득 (MAG) 어떤 트랜지스터로 최대 얼마까지 이득을 낼 수 있는지 미리 계산해 봄

3. 공액정합 설계 예제 Example GaAs p-HEMT @24GHz 1. 안정도 판단 : 무조건 안정 조건을 만족하므로 공액정합이 가능함 2. 최대 가용 이득 계산 : * 이상적으로 최대 7.14dB 의 이득을 얻을 수 있다.

3. 공액정합 설계 예제 3. 최대 이득을 얻기 위해 공액정합에 의해 를 구한다. Home Work 3. 최대 이득을 얻기 위해 공액정합에 의해 를 구한다. 4. 위에서 구한 것으로 임피던스 정합회로 설계 Home Work

3. 공액정합 설계 예제

(참고) 임피던스 정합회로 설계방법 을 구했다면 다음과 같은 상황이다. 1. 위에서 매칭회로 50 2. 이것은 50 오옴을 에 정합하여 한다. 50 오옴

(참고) 임피던스 정합회로 설계방법 3. 예로서, 를 스미스차트에 표시하면 아래와 같다. A

(참고) 임피던스 정합회로 설계방법 4. 중심점에서 점 까지 이동해야 한다. 4. 중심점에서 점 까지 이동해야 한다. 5. 중심점 (50)에서 병렬스터브 0.206을 달면 A점까지 이동하고 다시 0.120 길이의 선로를 삽입하면 점이 된다.

5. 바이어스회로를 추가하고 ADS용 회로를 완성 Home Work

6. 시뮬레이션 결과 (반사계수- 정합특성) Home Work

6. 시뮬레이션 결과 (이득) Home Work

6.2 바이어스 회로 증폭기의 TR이 정상적인 동작을 위해 DC 바이어스 회로가 필요함 6.2 바이어스 회로 증폭기의 TR이 정상적인 동작을 위해 DC 바이어스 회로가 필요함 DC 전원은 TR에 연결되어야 하나, 고주파 신호 (RF)와는 분리되어야 함 바이어스 회로 종류 쌍 바이어스 (dual bias) - 바이어스 전원을 두 개를 공급함 (불편한 점) - 대신호 전력증폭기에 주로 사용 2) 자기 바이어스 (self bias) - 드레인단에 하나의 전원을 공급함 (경제적) - RF 증폭기에서 많이 사용하는 방식 - 저항을 사용함으로 전력손실이 발생함 (단점) - 저항을 바이패스하기 위한 캐패시터 추가 필요  면적증가 (단점)

6.2 바이어스 회로 DC Block 캐패시터 1. 쌍바이어스 (Dual Bias) 회로 DC feed 인덕터 6.2 바이어스 회로 DC Block 캐패시터 DC feed 인덕터 Bypass 캐패시터 1. 쌍바이어스 (Dual Bias) 회로 100pF @1GHz 10pF @10GHz Bypass C : 100pF 이상 @25GHz

6.2 바이어스 회로 1. 쌍바이어스 (Dual Bias) 회로

6.2 바이어스 회로 LC회로를 이용하여 임피던스 정합  바이어스회로 겸용

6.2 바이어스 회로 2. 자기 바이어스 (Self Bias) 회로

6.2 바이어스 회로 3. DC블록 캐패시터 주파수가 낮을 때 (5GHz)이하에서는 고용량 칩 캐패시터 사용 6.2 바이어스 회로 3. DC블록 캐패시터 주파수가 낮을 때 (5GHz)이하에서는 고용량 칩 캐패시터 사용 대략 용량은 100pF @1GHz , 10pF @10GHz 주파수가 높은 때는 결합전송선로로 MIM제작 (1장에서 설명)

6.2 바이어스 회로 4. DC 피드 인덕터 동작 주파수에서는 바이패스 캐패시터에 의해 점 B는 단락되고 6.2 바이어스 회로 4. DC 피드 인덕터 동작 주파수에서는 바이패스 캐패시터에 의해 점 B는 단락되고 떨어진 점 A는 개방된다.

6.2 바이어스 회로 4. DC 피드 인덕터

6.3 소신호 이득 증폭기의 측정 파라미터 증폭기의 성능을 측정하기 위한 파라미터 1. 소신호 이득  6.3 소신호 이득 증폭기의 측정 파라미터 증폭기의 성능을 측정하기 위한 파라미터 1. 소신호 이득  2. 입출력 반사계수 

6.4 증폭기의 안정도 (Stability) 1. 무조건 안정 (Unconditional Stability) 증폭기로 부터 최대 이득을 얻기위한 공액정합 설계법은 동작 주파수에서 TR의 안정도를 체크하여 “무조건 안정” 조건을 만족해야 함 1. 증폭기의 발진

6.4 증폭기의 안정도 (Stability) 1. 무조건 안정 (Unconditional Stability) 2. 무조건안정과 조건부 안정 1) 무조건 안정 무조건 안정 조건 :

6.4 증폭기의 안정도 (Stability) 1. 무조건 안정 (Unconditional Stability) 2. 무조건안정과 조건부 안정 2) 조건부 안정

6.4 증폭기의 안정도 (Stability) 1. 무조건 안정 (Unconditional Stability) 3. TR의 S파라미터에 의한 안정도 체크 무조건 안정 조건 : 여기서,

6.4 증폭기의 안정도 (Stability) 1. 무조건 안정 (Unconditional Stability) Example 24GHz에서 TR의 S-파라미터가 다음과 같을 때 안정도를 판정하라. Solution * 무조건 안정이며, 이 TR로 만든 증폭기는 24GHz에서 절대 발진하지 않음

6.4 증폭기의 안정도 (Stability) 6.4.4 증폭기의 안정화 설계 기법 1. 무조건 안정 (Unconditional Stability) 6.4.4 증폭기의 안정화 설계 기법 조건부 안정의 TR 을 안정화 시키는 방법 소스 피드백 인덕터를 이용한 안정화 기법 게이트-드레인 피드백을 이용한 안정화 기법 저항성 소자에 의한 손실 정합법을 이용한 안정화 기법

6.4 증폭기의 안정도 (Stability) 6.4.5 조건부 안정 트랜지스터 1. 무조건 안정 (Unconditional Stability) 6.4.5 조건부 안정 트랜지스터 조건부 안정의 TR 로 증폭기를 설계하는 경우 안정영역과 불안정영역을 구분해야 함. 입출력 정합회로 설계시 안정영역에서 정합시켜야 함 안정도 원 (Stability Circle) 반사계수 평면에서 안정 영역과 불안정 영역을 구분하는 원

Stability Circle 1. 부하 안정도 원

Stability Circle 2. 입력 안정도 원

안정도 원 (Stability Circle) 1. 무조건 안정 (Unconditional Stability) Example 12GHz에서 TR의 S-파라미터가 다음과 같을 때 안정도 원을 그리고 안정영역과 불안정 영역을 표시하라.. Solution * K<1 이므로 조건부 안정, 입력과 부하 안정도 원을 그려야 함

안정도 원 (Stability Circle) 1. 무조건 안정 (Unconditional Stability) 1) 2)

안정도 원 (Stability Circle) 1. 무조건 안정 (Unconditional Stability)

(2) 조건부 안정에서 TR의 최대 안정 이득 (MSG : maximum stable gain) 최대가용이득(MAG) : 무조건 안정에서 입출력 모두 공액정합한 경우 이득 어떤 TR로 최대가용이득 보다 큰 이득을 얻을 수 없음 증폭기를 설계할 때 이득을 추정할 수 있음 최대 안정이득(MSG) : K<1 인 조건부 안정에서 나타내는 이득 ㅊ 별다른 물리적 의미는 없고, 조건부 안정에서는 MAG(최대가용이득)을 사용하지 못하므로 이에 대응되는 조건부 안정에서 이득을 표현

(2) 최대 안정이득 과 최대 가용이득 이득 및 K 값과 주파수 관계 주파수 40GHz 이상에서는 K>1 이므로 최대 가용이득이 정의됨 주파수 40GHz 이하에서는 K<1 이므로 최대 안정이득이 정의됨

6.5 일정 전력 이득을 갖는 증폭기 설계 조건부 안정의 TR의 경우 공액 정합 회로 설계는 불가능 이에 대한 대책 6.5 일정 전력 이득을 갖는 증폭기 설계 조건부 안정의 TR의 경우 공액 정합 회로 설계는 불가능 이에 대한 대책 안정화 설계기법을 이용하여 설계 (피드백이용) : 6.4.4절 참고 트랜지스트 자체의 심각한 이득 저하가 발생 특정이득원을 이용하여 적당한 증폭기의 이득 조절 방법이 효과적 입력, 출력중 한 부분을 부정합된 상태에서 증폭기 설계 입출력 정합 조건에 따라 증폭기 이득을 다르게 정의함 변환 전력이득 (입출력 모두 부정합, 가용전력이득 (입력이 부정합, 전력이득 (출력이 부정합,

6.5.1 증폭기의 이득 1. 변환 전력이득 (Transducer Power Gain) 6.5.1 증폭기의 이득 1. 변환 전력이득 (Transducer Power Gain) *트랜지스터의 입출력부를 공액정합하지 않은 경우

2. 가용 전력이득 (Available Power Gain) *트랜지스터의 출력부만을 공액 정합한 경우 저잡음 증폭기 (LNA) 의 이득을 계산할 때 이용 LNA 에서는 * 출력측에서는 최대 이득을 얻기 위해 정합하지만 * 입력측에서는 잡음억압을 위해 정합을 하지 않음

3. 동작 전력이득 (Operating Power Gain) *트랜지스터의 입력부만을 공액 정합한 경우 증폭기의 최대이득을 위해서는 입출력 모두 정합 해야 함 그러나,증폭기의 발진을 막고 안정도를 높이기 위해 입출력 한쪽을 부정합시킴 이득을 줄이면서 안정도 높임

4. 최대 가용이득 (Maximum Available Gain) TR 이 무조건 안정일 때 사용 입력과 출력 모두를 공액 정합 시켜 최대 전력 이득을 얻음

6.5.2 일정 전력이득 증폭기 설계법 Gp 증폭기의 최대이득을 얻으려면 입출력 공액정합이 필요하지만 6.5.2 일정 전력이득 증폭기 설계법 동작 전력이득 사용 (Operating Power Gain) Gp 증폭기의 최대이득을 얻으려면 입출력 공액정합이 필요하지만 증폭기의 발진을 막고 안정도를 높이기 위해 입출력 한쪽을 부정합시킴 이득을 줄이면서 안정도 높임 일정전력 이득을 가지는 증폭기 설계 입력은 공액정합됨, 출력단에서 일정 이득에 따라 반사계수 가 결정 일정 이득에 따라 의 괘적을 스미스차트 상에 나타낸다 일정 이득원 군 Constant Gain Circle

(1) 에 대한 일정전력 이득 원 (Gain Circle) 으로 정규화된 동작전력이득 : 가 일정한 원의 방정식 (반경과 중심점) 위식의 에 특정이득을 넣으면 그 이득에 대한 원의 중심과 반경을 계산 반경 일 때 최대 동작 이득이 된다 최대 동작 이득

일정 전력이득을 갖는 증폭기 설계 1. 무조건 안정 (Unconditional Stability) Example 무조건 안정인 TR 을 사용할 경우 Example 24GHz GaAs p-HEMT 증폭기의 최대전력이득, 6dB, 4dB, 2dB 의 이득을 가지도록 출력단의 괘적을 도시하고, 최대전력이득을 가지는 증폭기 설계하라. (입력단은 공액정합됨) Solution 안정도 확인 : 무조건 안전 최대동작전력이득 :

Home Work Example 3. 이득원의 중심 과 반경 같은 방법으로 동작전력 이득에 대한 반경과 중심 계산하면 전력이득 중심 반경 7.147 dB 0.525<104.1 6 dB 0.404<104.1 0.427 4 dB 0.255<104.1 0.667 2 dB 0.161<104.1 0.797 Home Work ADS를 이용하여 이득원을 그려라.

일정 전력이득을 갖는 증폭기 설계 순서 Step 1 특정 이득원을 선택하고 그 원상에 한점을 찍어 반사계수 을 선택한다. 반사계수 을 선택한다.  최대점(7.147dB)를 선택하면 Step 2 입력단은 정합되어 있으므로, 아래 식으로 입력 반사계수 를 구한다 Step 3 위에서 구한 를 이용하여 정합회로 설계한다

일정 전력이득을 갖는 증폭기 설계 조건부 안정인 TR 을 사용할 경우, 설계 절차 1. 무조건 안정 (Unconditional Stability) 조건부 안정인 TR 을 사용할 경우, 설계 절차

입력단이 공액 정합된 경우 전력이득 18dB 인 증폭기를 설계하라 조건부 안정인 TR 을 사용할 경우 Example 3 24GHz GaAs p-HEMT 를 이용하여 입력단이 공액 정합된 경우 전력이득 18dB 인 증폭기를 설계하라 (Design procedure) Step 1 안정도 확인 : 조건부 안전

2. 안정도 원의 중심 과 반경 1) 부하 안정도 원

2) 입력 안정도 원

Step 2 1. 이득 18dB 인 동작 전력이득원 중심과 반경 계산 = 0.803

Home Work Step 2 2. 같은 방법으로 전력이득 14, 16, 18dB 에 해당하는 에 대한 이득원의 중심과 반경 계산 전력이득 중심 반경 14 dB 0.266<64.18 0.859 16 dB 0.453<64.18 0.799 18 dB 0.814<64.18 0.803 Home Work ADS를 이용하여 이득원을 그려라.

Step 3 1. 이득 18dB인 원 상의 임의의 점을 선택 편리상 점을 선택하자  이면 별도의 정합이 불필요 2. 를 구한다.

3. 그림6-33과 같이 는 안정 영역에 존재 하므로 이 값으로 결정 4. 정합회로를 설계한다. 출력단은 매칭 불필요, 입력단만 정합회로 설계 (회로도 그림6-34)

3. 그림6-33과 같이 는 안정 영역에 존재 하므로 이 값으로 결정 8. 정합회로를 설계한다. 출력단은 매칭 불필요, 입력단만 정합회로 설계 회로도 그림6-34

Home Work

Home Work ADS를 이용하여 입출력 반사계수

Home Work ADS를 이용하여 S21을 구하라