고효율 저가격 ISM 대역 송신기에 대한

애플리케이션별로 극대화하는 전력 앰프 이론

많은 문제 중에서도 RF 링크 산출, 안테나 설계, 배터리 수명 및 규제 관련 문제가 있는 시스템 설계는 흔히 송신기의 전류 드레인과 출력 전력 간의 절충을 수반한다. 맥심의 전력 앰프(PA)는 고효율을 유지하면서 사용자가 RF 전력/전류 드레인 절충 문제를 조절할 수 있는 고유한 기능을 갖고 있다. 이러한 절충이 특정 애플리케이션에 대해 배터리 수명을 극대화하는 핵심이다.

글│앤디 조셔(Andy Zocher), Maxim Integrated Products

저가의ASK 및/또는 FSK 송신기와 트랜시버 IC는 300MHz~450MHz의 비허가 ISM 대역(Unlicensed In-dustrial, Scientific, and Medical)에서 동작하도록 설계된 단거리 트랜시버의 핵심 부품이다. 이 단거리 소자(SRD)의 애플리케이션으로는 원격 무선 도어(RKE), 타이어 압력 모니터링(TPM), 원격 제어 및 보안 시스템 등이 있다.

많은 문제 중에서도 RF 링크 산출, 안테나 설계, 배터리 수명 및 규제 관련 문제가 있는 시스템 설계는 흔히 송신기의 전류 드레인과 출력 전력 간의 절충을 수반한다. 맥심의 저가 송신기와 트랜시버(MAX1472, MAX7044, MAX-1479 및 MAX7030/MAX7031/MAX-7032 등)의 전력 앰프(PA)는 고효율을 유지하면서 사용자가 RF 전력/전류 드레인 절충 문제를 조절할 수 있는 고유한 기능을 갖고 있다.

이러한 절충이 특정 애플리케이션에 대해 배터리 수명을 극대화하는 핵심이다. 맥심 IC는 이러한 문제를 해결하기 위한 수정이 필요 없고, 단순하게 PA의 부하 임피던스를 변경하여 PA의 출력 전력과 전류 드레인을 변경할 수 있다. 여기서는 전력 앰프 이론을 간략하게 설명하고, 모든 맥심 LFRF 송신기와 트랜시버의 PA의 동작을 이해할 수 있게 하는 시뮬레이션 결과를 보여준다.

클래스 A, B 및 C 앰프

클래스 A 앰프는 소자의 평균 전류 드레인이 입력 신호의 크기에 따라 변하지 않는 바이어스 지점과 신호 레벨의 조합으로 규정된다. 그림 1에서 M1은 IDC 진폭의 전류 소스로 간주할 수 있다.

최대 출력 전력의 임피던스는 다음과 같이 잘 알려져 있다.

RLopt = VDD/IDC

최대 출력 전력은 다음과 같이 정의된다.

Poutmax = 1/2*VDD*DC

따라서 피크 효율은 50%이다. 이 분석에서는 IDC의 바이어스 전류를 계속 유지하면서 M1의 드레인 전압을 접지까지 스윙할 수 있는 것으로 가정한다. 선형 영역에서 동작은 클래스 A CMOS PA의 실제 효율이 40% 이하로 제한된다. 이 분석에서 암시하는 바와 같이, 클래스 A 앰프의 바이어스 전류는 주어진 공급 전압에서 각기 다른 출력 레벨에 대해 상당히 높은 효율을 유지하도록 변해야 한다. 클래스 A 앰프는 바이어스 지점이 입력 신호의 크기에 따라 변하지 않으므로 입력 신호의 선형 증폭이 중요한 변조 방식에 가장 적합하다.

그러나 일반적으로 클래스 B와 클래스 C 앰프는 클래스 A 앰프보다 더 높은 효율을 제공하지만, 출력 전력 레벨이 낮거나 왜곡이 더 많다. 모든 클래스 A, B 및 C CMOS 앰프의 공통적인 특성은 이러한 능동 소자를 전압 제어 전류 소스로 간주하고, 선형 영역에서의 동작이 바람직하지 않다는 점이다.

클래스 D, E 및 F 앰프

선형 영역에서 동작을 피해야 하는 클래스 A, B 및 C 앰프에 반해, 클래스 D, E 및 F CMOS 앰프는 최적의 효율과 출력 전력을 위해 선형 영역의 동작에 의존한다. 이 앰프들을 흔히 `스위칭 모드` 앰프라고 부르고 낮은 전압에서 고효율로 동작하는 고유의 특성 때문에 ISM 대역 송신기 및 트랜시버에 일반적으로 사용되고 있다. 스위칭 모드 앰프에서, 출력 소자는 그림 2에 나온 바와 같이 대신호 구형파에 의해 구동된다.

출력 트랜지스터를 일정한 듀티 사이클의 동작 주파수에서 켜지고 꺼지는 저항으로 생각해 보자. 그림 2에 나온 바와 같이, 출력 소자의 전류는 고조파에서 증가할 수 있다. 이 고조파 양은 PA에 존재하는 임피던스, FET 㰡온㰡‘ 저항, 구동 파형의 크기와 듀티 사이클에 따라 달라진다. 클래스 D 앰프에서, 입력 신호의 듀티 사이클은 출력 전력을 제어할 수 있도록 변하며, 펄스 폭 변조(PWM)라고 알려진 프로세스이다. 클래스 D 앰프는 앰프를 통해 공급되는 전력이 항상 변하는 오디오 애플리케이션에 흔히 사용된다.

클래스 E 앰프에서 입력 신호의 듀티 사이클은 고정되어 있다. 정합 회로는 스위치가 ON 상태에 놓여 있는 동안 스위칭의 드레인 단자에서 전압을 최소화하도록 설계된다. 출력 소자가 전류를 인입하는 동안 출력 소자를 통한 전압을 최소화시키면, 스위칭 소자를 통해 방출되는 전력을 최소화시켜 PA 효율을 극대화할 수 있다.

클래스 E 앰프와 유사하게 클래스 F 앰프는 효율을 향상시키기 위해 정합 회로의 설계 시 고조파 임피던스에 각별한 주의를 기울여야 한다. 일반적으로, 클래스 F 앰프의 정합 회로는 고조파 임피던스에 대한 설계 제약 때문에 보다 복잡하다.

스위칭 모드 앰프

모든 맥심 CMOS ISM 송신기와 트랜시버는 오픈 드레인 PA 출력을 제공한다. 구동 신호의 듀티 사이클은 300 MHz~450MHz의 전체 범위에 대해 일정한 25%이다. 사용자는 원하는 출력 레벨, 전류 드레인 및 고조파 성능을 제공하는 정합 회로를 설계할 수 있다.

스위칭 모드 PA 출력에 대한 단순 모델은 그림 3에 나와 있다.

이 그림에서 Rsw는 FET의 온 저항이고, Cpa는 소자 기생 커패시턴스의 유효 합이며, Cpkg는 패키지 커패시턴스를, Cboard는 보드 커패시턴스를 나타낸다. 표 1에는 맥심 ISM 송신기 및 트랜시버에 대한 일반적인 스위치 저항과 커패시턴스 값이 나와 있다.

일반적인 스위치 저항은 VDD=2.7V이고 보드 기생 커패시턴스는 레이아웃에 따라 크게 다를 수 있다는 점을 참고한다. 중요한 관점은 첫번째, 먼저 정합 회로와 이에 따른 PA 출력 노드에서 파형은 PA 효율을 극대화하도록 설계되어야 한다는 것이며, 두번째, 최대 효율은 스위치가 닫혀 있을 때 소자를 통한 전압이 낮은 경우 구현된다는 것이다.

스위칭 모드 앰프 시뮬레이션

많은 저가의 ISM 애플리케이션에서, 시스템 설계자는 PA 정합 회로를 최대 효율로 최적화하기 위한 설계 시간, 비용 또는 복잡성에 있어 유연성을 갖기가 힘들다. 소형(high-Q)의 저가형 안테나는 일반적으로 보다 높은 주파수를 전송할 때 더 효율적이지만 전송되는 신호의 고조파 양은 법으로 규제된다.

따라서 정합 회로에 의한 고조파 감쇄가 매우 중요하다. 이러한 사실을 고려하여, 드레인에서의 전압이 아주 많이 여과되어 정현파가 되도록 출력 정합 회로를 설계한다는 가정 하에 스위칭 PA를 분석했다.(그림 4)

PA가 RL의 저항으로 로드되어 있고 출력 전압이 0.1V만큼 낮게 스윙할 수 있다고 가정하면, PA의 효율은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

효율 = 1/2*(VDD-0.1)2/RL/ (VDD2/(4Rsw)*(1-(VDD-0.1)/VDD*23/2/π))

VDD=3V, Rsw=22Ω, RL=400W일 경우, PA 효율은 10.2dBm의 출력 전력에서 80%이다. 물론 전압 파형, 스위치 저항과 부하 임피던스는 상호 의존적이므로 이들 변수의 모든 조합에 대한 정확한 효율을 구하는데 위의 등식을 사용할 수 없다. 이 때문에 이상적인 스위칭 모드 PA의 성능을 모델화하는데 SPICE를 사용하고 있다. 11W 또는 22W의 이상적인 스위치드 저항은 10의 Q와 함께 병렬 탱크 회로를 통해 배치된다. 시뮬레이션 회로도는 그림 5에, 시뮬레이션 결과는 그림 6에 나와 있다.

그림 6에 나온 바와 같이, 스위칭 모드 PA의 가장 큰 장점 중 하나는 우수한 DC-RF 효율을 유지하면서 PA에 존재하는 부하를 변경함으로써 출력 전력을 폭 넓게 변경시킬 수 있다는 점이다. 또한 높은 스위칭 저항과 비교할 때, 낮은 스위칭 저항을 지닌 스위칭 앰프는 보다 높은 효율로 보다 많은 출력을 일으킬 수 있다. 낮은 스위칭 저항의 결점은 스위칭 소자의 기생 커패시턴스를 충전 및 방전 시키는데 높은 드라이버 전류가 필요하다는 점이다.

앞서 언급한 바와 같이, 스위칭 모드 앰프의 효율을 극대화하기 위해, 전압 파형의 최소값 부근에서만 스위치가 켜져야 한다. 예를 들어 스위치드 저항이 단순한 병렬 공진 회로와 함께 로드된 경우, 동작 주파수에서 PA에 존재하는 보드 및 패키지, 소자의 기생 커패시턴스를 포함하는 가상 임피던스 성분을 최소화시킴으로써 이 요구사항을 충족시킬 수 있다. 회로가 공진 상태에서 벗어나거나 디튠(Detuned)된 경우, 효율은 크게 저하될 수 있다. 그림 7은 Q=10과 Q=5에 대해 정합 회로가 공진 상태에서 벗어난 경우 이상적인 스위칭 모드 앰프의 성능을 보여준다.

그림 7에서와 같이 전류 드레인 최소값은 공진 시 발생한다. 이 점을 이용하여 회로가 특정 동작 주파수에 최적화되었는지 확인할 수 있다. 또한 SPICE 시뮬레이션은 다음과 같이 가정한다는 점을 참고한다. 스위치 저항은 즉시 켜거나 끌 수 있다. 스위치드 소자의 기생 커패시턴스는 소자가 ON/OFF될 때 바뀌지 않으며, 탱크 인덕터 또는 커패시터에서 손실 또는 기생 임피던스가 없다.

이 요소들은 이상적인 시뮬레이션과 비교할 때 실제 스위치드 모드 앰프의 성능을 저하시킬 수 있다. 반복적인 접근방법은 특정 흔히 애플리케이션에 대한 PA 정합 회로를 최적화하는데 요구된다.

맥심 ISM 대역 스위치드 모드 앰프의 주요 특징과 특성을 요약하면 다음과 같다.

- 스위치드 모드 앰프는 낮은 공급 전압에서 최적의 효율과 출력 전력을 내기 위해 선형 영역의 동작에 의존한다. 이는 선형 영역을 피해야 하는 클래스 A, B 및 C 앰프와 대조를 이룬다.

- 모든 맥심 CMOS ISM 스위칭 모드 앰프는 오픈 드레인 PA 출력을 제공한다. 사용자는 원하는 출력 레벨, 전류 드레인 및 고조파 성능을 제공하는 정합 회로를 설계한다. 사용자는 이 유연성을 통해 특정 애플리케이션에 대한 배터리 수명을 극대화하는데 핵심 요소인 높은 효율을 유지하면서 RF 전력/전류 드레인 절충 문제를 조정할 수 있다.

- 스위칭 모드 앰프의 효율을 극대화하기 위해, 전압 파형의 최소값 부근에서만 스위치가 켜져야 한다. 동작 주파수에서 PA에 존재하는 보드 및 패키지, 소자의 기생 커패시턴스를 포함하는 가상 임피던스 성분을 최소화시킴으로써 이 요구사항을 충족시킬 수 있다.

- 특정 PA 부하 임피던스에 따라, 전류 드레인 최소값은 공진 시 발생할 수 있다. 이 사항은 정해진 회로가 특정 동작 주파수와 부하에 최적화되었는지 확인하는데 유용하다.

<기사제공: 월간 반도체네트워크 2006년 04월호>