[RF공부] PA의 선형성을 논하다: IMD3

안녕하세요
꼬마박사무니입니다.

오늘은 PA의 선형성에 관련된 지표인 IMD3에 대하여 알아보도록 하겠습니다.
IMD3는 3rd order Intermaodulation product의 약어입니다.

PA의 선형성, Linearity를 확인하는 가장 쉬운 방법으로 two-tone signal을 넣어서 성능을 확인하는 것입니다.

위의 동일한 크기의 f1, f2의 시그널을 넣게 되면 출력에서 이외의 다수의 신호들이 튀어나오게 됩니다.
왜냐하면 PA는 nonlinear소자이기 때문입니다. nonlinear란? 입력과 출력이 비선형적임을 뜻하기에 넣지않은 신호가 intermodulation 되어서 튀어나오게 되죠.
우리는 f1와 f2의 거리를 tone spacing이라고 합니다.
f1과 f2의 거리가 멀어질수록 다른 intermodulation 된 출력들도 다른 주파수 성분을 갖겠죠?
RFDH와 같은 정말 알기쉽게 설명된 좋은 사이트가 있으니 저는 자세한 설명은 생략하고 그럼 이 IMD3, 즉 선형성을 어떻게 개선할 수 있을지에 대해 좀 더 초점을 맞춰서 생각해보겠습니다.

참고페이지: RFDH -RF기초강의실- IMD, P1dB, IP3 의 이해
http://www.rfdh.com/

IMD3는 비선형성을 나타내는 지표입니다.

PA의 비선형성은 주로 AM-AM, AM-PM으로 대변되며 나중에 언급될 DPD 기법은 이를 보상하기위해 사용됩니다.

1. AM-AM의 개선: AM-AM은 다른말로 Gain이라고도 표현될 수 있습니다. Gain= Pout - Pin인데, AM-AM은 Input amplitude에 따라 Output Amplitude가 바뀌는걸 의미하기 때문이죠.
Gain grpah를 flat하게 만드는 방법으로는, 1) Class-AB Bias 2) 2nd harmonic control 이 있습니다.
학술적으로는 Class-B bias point에서 2nd harmonic 성분도 zero가 되지만, 실제로 Class-AB bias point를 이용해 Flat한 Gain grpah를 얻습니다. 좀 더 정확히 말하면 deep Class AB bias point이죠.

위의 왼쪽 그림은 Class-AB의 Gain Graph를 나타낸 것입니다.
오른쪽은 동일한 Class-AB의 Gain graph에서 2nd harmonic control 유무를 나타낸 것입니다.
2nd harmonic control에 따라 빨간색에서 파란색과 같은 그래프로 변경되었으며 Gain과 Power, 특히 P1dB가 높아진 것을 알 수 있습니다. P1dB가 높다? AM-AM이 결국 좋아진 것이죠!
P1dB에 대한 포스팅은 아래를 참조하세요.


2. AM-PM의 개선: 위와 동일하게 1) Class-AB Bias 2) 2nd harmonic control 에 따라 개선될 수 있습니다.

FET를 이용한 CS amp의 Ids는 다음과 같습니다 (drain source current)

이 때, gm3는 3차함수이므로 +/-로 값이 변함에 따라 부호의 방향이 변경되게 되며 (phase가 변경되며) 아래와 같은 그래프를 얻을 수 있습니다.

<Fig. 3 in The Doherty Power Amplifier, Bumman Kim et. al>

이러한 특성을 잘 활용해서 Class-AB bias point를 잘 조절해주면 아래와 같은 IMD3를 얻을 수 있으며,
IMD3가 확 아래로 낮아지는 지점을 sweet-spot이라고 부릅니다. 우리는 이러한 방법을 통해 선형성을 향상시킬 수 있습니다.

Linear PA at mm-Wave band for 5G application, Bumman Kim et. al.

오늘도 부족한 글 읽어주셔서 감사합니다.