[TECH REPORT] pHEMT 전력 증폭기를 위한 능동 바이어스 솔루션

[아나로그디바이스=그웨니베어 라세이(Gweneivere Lasay) 제품 애플리케이션 엔지니어]

▶개요

부정형 고전자 이동도 트랜지스터(pHEMT : pseudomorphic High Electron Mobility Transistor)는 저항이 0Ω에 가까운 드레인-소스 채널을 갖는 공핍형 디바이스다. 이런 특성으로 인해 이 디바이스는 높은 스위칭 주파수에서 높은 이득으로 동작할 수 있다. 그러나 드레인 채널의 높은 전도성 때문에 적절한 게이트 및 드레인 바이어스 시퀀싱이 적용되지 않으면 디바이스가 소손될 수 있다.

이 글에서는 공핍형 pHEMT RF 증폭기의 동작과 증폭기를 실제적으로 바이어스하는 방법을 살펴본다. 공핍형 FET는 음(-)의 게이트 전압을 필요로 하므로 턴온/턴오프를 신중하게 시퀀싱해야 한다. 또한 이 글에서는 고정 게이트 전압과 고정 드레인 전류 회로를 제시 및 비교하고 이러한 바이어스 회로의 잡음과 스퍼(spur)가 RF 성능에 미치는 영향을 자세히 알아본다.

▶머리말

<그림 1>은 공핍형 pHEMT RF 증폭기를 간략하게 나타낸 블록 다이어그램이다. 디바이스를 통과하는 RF 신호 경로는 게이트에서 드레인으로 이어지고 AC 커플링 커패시터는 드레인과 게이트의 DC 바이어스 전압에서 RF 신호를 분리한다. 주 전원 전압은 인덕터를 통해 FET 트랜지스터의 드레인에 인가된다.

공핍형 디바이스의 한 가지 중요한 특성은 게이트 전압이 0V일 때 드레인-소스 저항이 0Ω에 가깝다는 점이다. 따라서 디바이스가 동작하려면 음의 전압이 게이트에 인가돼야 한다. <그림 1>에서 이 전압은 온칩 인덕터를 통해 인가된다.

이 바이어싱 방법의 한 가지 단점은 두 개 전원을 동시에 켤 수 없다는 것이다. 게이트 바이어스 전압보다 먼저 드레인 바이어스 전압을 인가하면 드레인 전류가 급격히 증가해 빠르게 소손될 수 있다. 이런 이유로 먼저 음의 게이트 바이어스 전압을 인가해 채널을 핀치오프(pinch off)해야 한다. 증폭기를 켜고 끄는 절차는 <표 1>을 따른다.

핀치오프 단계는 생략할 수 있다. 예를 들어 정상 동작을 위한 최종 게이트 전압을 알고 있는 경우 핀치오프 단계를 거치지 않고 해당 전압을 즉시 인가할 수 있다.

▶고정 게이트 전압 바이어싱

<그림 2>는 고정 게이트 전압을 달성하고 유지하는 공핍형 RF 증폭기의 전력 관리 회로를 보여준다. 이 회로는 스위칭 레귤레이터, LDO(Low Dropout) 레귤레이터 및 부하 스위치를 사용해 드레인 전압을 생성한다. 게이트 전압은 전압 인버터와 LDO 레귤레이터를 포함하는 ADP5600에 의해 생성된다. 드레인 전류는 음의 전압 LDO 레귤레이터의 피드백 저항에 의해 설정된다. 안전한 전원 시퀀싱을 보장하기 위해 스위칭 레귤레이터의 인에이블(EN) 핀을 음의 전압 발생기의 PGOOD 신호에 연결한다. 이렇게 하면 음의 게이트 전압이 드레인 전압보다 항상 앞서게 된다.

이 회로의 주요한 단점은 RF 증폭기의 VGATE와 IDRAIN 관계에서 부품 간 차이가 고려되지 않는다는 점이다. 드레인 전류(게이트 전압은 고정되어 있다고 가정)의 부품 간 차이가 클 수 있기 때문에 각 회로마다 드레인 전류가 다를 수 있다. 통상적으로 드레인 전류 차이는 압축(OP1dB) 및 3차 상호변조 왜곡(OIP3)에 영향을 미친다(이득에도 영향을 미치지만 정도가 덜하다). 이 방법의 한 가지 이점은 존재하는 RF 입력 및 RF 출력 전력에 따라 드레인 전류가 증가하고 감소한다는 것이다. 따라서 RF 입력 전력이 낮으면 전력 소비가 낮아지고 반대의 경우도 마찬가지다.

▶능동 바이어스 제어

이와 다른 접근 방법으로 능동 바이어스 제어가 있다. 이 기법은 게이트 전압을 고정하는 대신 드레인 전류를 고정하는 방법을 사용한다. <그림 3>에서는 능동 바이어스 컨트롤러가 전류를 측정하고 게이트 전압을 변화시켜 다양한 입력 RF 조건에서도 전류를 고정된 상태로 유지함으로써 드레인 전류를 조절한다. 회로는 LT8608 스텝다운 레귤레이터와 3V~15V의 드레인 전압과 최대 500mA의 드레인 전류를 지원할 수 있는 HMC920 능동 바이어스 컨트롤러로 구성된다.

HMC920 내의 고전압 고전류 선형 레귤레이터(LDOCC 핀)는 3V~15V의 양의 전압과 최대 500mA의 전류를 발생할 수 있다. 디바이스의 출력은 전원 시퀀싱에 사용되는 내부 MOSFET 스위치를 통해 VDRAIN 포트에 연결된다. 전력 증폭기를 위해 원하는 드레인 전압을 설정하려면 LDO 레귤레이터의 피드백 저항 R5 및 R8을 아래의 <식 1>을 사용해 조정해야 한다.

여기서 VDRAIN은 원하는 드레인 전압 값이고 IDRAIN은 원하는 드레인 전류다. 상수 0.5는 내부 MOSFET 스위치의 RDS(ON) 값이다.

내부 차지 펌프는 VGATE를 위한 음의 전압을 발생시킨다. 컨트롤러는 RSENSE의 전압을 읽어 드레인 전류를 감지하고 VGATE의 전압을 변경한다. 드레인 전류를 설정하려면 다음의 <식 2>를 사용해 RSENSE(R4 및 R19)를 변경해야 한다.

전원 전압(VDD)을 인가해 HMC920을 켜면 신호가 EN 핀에 전송돼 제어 루프를 시작한다. VDRAIN은 처음에 접지로 단락해 0을 만든다. 한편 VGATE의 전압은 처음에는 VNEG의 최소 전압으로 구동된다. 이후 VDRAIN은 설정된 드레인 전압 값으로 증가한다. RSENSE에 전압 강하가 발생하면 컨트롤러가 게이트 전압을 변경한다. 턴오프 동안 로직 로우 신호가 EN 핀에 전달된다. VGATE는 VNEG로 감소해 증폭기를 차단하고 VDRAIN의 전압은 0으로 떨어진다. VGATE의 전압은 최종적으로 0에 도달한다. 이 사이클은 공핍형 증폭기의 안전한 동작을 위해 적절한 전원 시퀀싱을 따른다. 또한 과전류 및 저전류 경보, 단락 보호, 전력 폴드백과 같은 안전 기능을 제공한다. 바이어스 컨트롤러의 기타 안전 메커니즘은 HMC920 데이터시트에 자세히 소개돼 있다.

이 바이어스 컨트롤러는 ADL8106 와이드밴드 저잡음 증폭기를 위한 전력 관리 솔루션으로서 구현됐다. ADL8106은 20GHz~54GHz에서 동작하며 공칭 드레인 전압이 3V이고 무부하 드레인 전류가 120mA이다. <그림 4>와 <그림 5>는 이와 관련한 턴온 및 턴오프 파형을 보여준다.

▶잡음 및 스퍼 억제

RF 증폭기의 RF 출력에 존재하는 스퍼와 잡음 수준은 HMC920의 출력 잡음과 스퍼 및 증폭기의 PSMR(Power Supply Modulation Ratio)에 따라 달라진다. <그림 6>은 스위칭 레귤레이터(LT8608) 입력과 VDRAIN 및 VATE 출력 포트에서의 PSRR(Power Supply Rejection Ratio) 그래프를 보여준다. <그림 7>과 <그림 8>은 VGATE 및 VDRAIN 전압의 출력 스펙트럼을 보여준다. 또한 ADL8106의 PSMR에 따라 최대 허용 가능한 출력 잡음과 스퍼를 보여주는 트레이스가 이 그래프에 포함돼 있다. 증폭기의 성능이 전력 관리 회로에 의해 저하되지 않도록 하려면 전력 관리 회로에서 발생하는 출력 잡음과 스퍼가 이 수준보다 낮아야 한다. 이 파라미터의 이론, 측정 및 계산에 대한 자세한 설명은 “신호 체인을 위한 전력 시스템 최적화” 기술원고 연재물에서 확인할 수 있다.

▶외부 음의 전원으로 HMC920 작동하기

앞의 예에서는 HMC920의 내부 음의 전압 발생기를 사용해 음의 게이트 전압을 발생했지만 <그림 9>와 같이 외부 음의 전원을 사용할 수도 있다. 이 경우 ADP5600(인버터 및 음의 전압 LDO 레귤레이터)이 게이트 전압을 발생하는 음의 전원으로 사용된다. 이 방법은 내부 음의 전압 발생기를 사용했을 때에 비해 잡음 지수가 약간 낮고 이득이 높다.

이 모드의 실제 잡음 성능 역시 사용된 외부 음의 전압 발생기에 의해 생성되는 출력 잡음에 따라 달라진다. <그림 7>과 <그림 8>에서 보듯이 외부 VNEG 모드에서 HMC920을 사용하면 여전히 최대 허용 가능한 전압 리플 한계보다 낮은 잡음 스퍼가 발생한다. 이 모드를 사용하려면 VNEGFB 핀을 접지에 연결해 음의 전압 발생기의 피드백 제어를 비활성화해야 한다. 증가형 증폭기(양의 게이트 전압)의 경우 VNEGFB 및 VGATEFB 핀을 모두 접지에 연결해야 한다.

▶결론

공핍형 GaAs 증폭기는 넓은 대역폭과 높은 동적 범위 특성 때문에 RF 애플리케이션에서 폭 넓게 사용되고 있다. 그러나 이들 증폭기는 음의 바이어스 전압이 필요하므로 신중하게 시퀀싱해야 한다. 고정된 음의 게이트 전압을 사용해 증폭기를 바이어스할 수 있으며 이 경우 전류 소비가 동적이고 RF 출력 레벨에 따라 증가 또는 감소한다는 이점이 있다.

이 글에서 제시된 회로는 고정 드레인 전류를 사용해 안전하게 시퀀싱되고 RF 증폭기의 지정된 성능을 저하시키지 않는 저잡음 드레인 및 게이트 전압을 생성한다. 이 방법은 모든 디바이스가 동일한 드레인 전류로 동작하므로 디바이스 간 성능이 더욱 일정하게 유지된다.

한 가지 단점은 드레인 전류가 고정돼 RF 전력 레벨에 따라 달라지지 않는다는 점이다. 따라서 고정 드레인 전류 레벨을 결정할 때는 신중한 주의를 기울여야 한다. 고정 드레인 전류 레벨은 원하는 최대 출력 전력 레벨을 지원할 수 있을 만큼 충분히 높아야 하지만 전류 낭비를 초래할 정도로 너무 높아서는 안 된다. 외부 음의 전원을 사용해 HMC920의 내부 음의 전압 발생기의 기능을 대신할 수 있지만 이를 통해 얻는 잡음 향상 효과는 그리 크지 않다.

▶저자 소개

그웨니베어 라세이(Gweneivere Lasay)는 2017년 마푸아대학에서 전기공학 학사학위를 받았다. 전력 반도체 및 SMPS 설계 분야에서 4년 이상의 전문 경험을 쌓은 후 2022년 3월에 아나로그디바이스에 제품 애플리케이션 엔지니어로 RF 및 고속 전력 연결 그룹에 합류했다.