2.4GHz FHSS WLAN 애플리케이션을 위한 37% 효율의+23dBm PA 및 PA 프리드라이버
개요: WLAN 애플리케이션용 FHSS 라디오에 사용되는 PA 및 PA 프리드라이버 MAX2644 및 MAX2242의 설계 절충점과 측정 성능을 제시한다. 2450MHz에서 성능을 향상시키기 위해 바이어스 및 RF의 레이아웃과의 매칭을 수정하였으며 입력 -12dBm에 대해 +23dBm의 출력을 구현한다. 소비 전류는 3V 전원에서 185mA이다.
Bluetooth, HomeRF 및 DECT (디지털 유럽 무선 전화 규격) 등 2.4GHz FHSS (주파수 도약 확산 스펙트럼) 애플리케이션용으로 최적화된 상용 송수신기에는 여러 가지가 있다. 이러한 IC 대부분은 전송 출력에 한계가 있어매우 짧은 거리에서의 송신에만 사용하게 되어 있다. 경쟁 업체로부터 자사의 제품을 차별화 시키려는 수 많은 PC 카드 제조업체들은 외장 PA(전력 앰프)를 추가하여 제품의 송신 범위를 확장하고 있다. Bluetooth와 HomeRF의 경우 안테나에서 +20dBm(100mV)의 최대 출력이 가능하며 2.4GHz DECT의 경우 최대 +24dBm(250mW)이다. 이러한 애플리케이션에 사용되는 PA는 일반적으로 PA와 안테나의 분리 역할을 하는 RF 스위치와 듀플렉서에서 발생하는 3dB 가량의 손실을 보상하기 위해 +23dBm ~ +27dBm의 출력을 제공해야 한다(그림 1 참조). 배터리 사용시간을 연장시킬 수 있도록 Bluetooth와 DECT는 GFSK(가우시안 주파수 이동 키잉) 변조 기법을, HomeRF은 2레벨 및 4레벨 FSK 변조를 사용한다. 이 경우, 포화 영역에서 PA를 사용하므로 선형 전력 앰프보다 전력 효율이 높다.
그림 1. Bluetooth, HomeRF 및 DECT용 2.4GHz FHSS WLAN 송수신기
이 애플리케이션 노트는 CSP (칩 스케일 패키지) 형식(1.5mm x 2.0mm)으로서 내장형 전력 검출기와 0.5μA의 소비 전력 특성을 갖춘 2.4GHz PA인 MAX2242의 성능을 소개한다(그림 2 참조). 또한 여기서 PA 프리드라이버로 사용된 2.4GHz LNA인 MAX2644에 대해서도 살펴 본다. MAX2242 PA는 원래 2.4GHz IEEE 802.11b DSSS (직접시퀀스 확산 스펙트럼) 애플리케이션에 특성화되어 있는 제품이다. DSSS 애플리케이션에서 이 PA는 +3.3V 전원으로부터 310mA의 전류를 소비하여 ACPR -33dBc로 +22.5dBm의 선형 출력을 제공한다. 이 애플리케이션에서의 포화 출력은 +26.5dBm이며, 이는 2.4GHz DECT 규격을 만족시키기에 완벽한 수치이다. MAX2242는 외장 저항을 사용하여 소자의 바이어스 전류를 결정하는데, 이로써 개개의 애플리케이션에 맞도록 소자의 성능을 조절할 수 있다. 포화 출력의 설계 목표 +23dBm은 PA와 안테나 간의 손실 약 3dB를 예상하여 안테나에 +20dBm을 공급하기 위해 정해진 것이다. 많은 수의 FHSS 송수신 IC의 출력 가능 범위가 -7dBm ~ -13dBm이므로, PA를 포화 상태로 구동하기에 충분한 입력을 제공하기 위해서는 PA 프리드라이버가 필요하다. MAX2644는 소신호 이득 17dB 및 출력 P1dB 압축 포인트 +4dBm 등의 성능을 갖추고 있어 이 목적에 안성맞춤이다.
그림 2. MAX2242의 전형적인 애플리케이션 회로
기존의 MAX2242 EV 킷에서 성능과 회로 구조가 변경되었다. 그러나 기존 회로에서 원하는 성능을 구현하기 위해 필요한변경 사항은 그다지 많지 않다. 외장 바이어스 저항의 값은 91kΩ으로, 병렬 출력 커패시터 C2는 1.8pF에서 2.2pF으로 변경되었으며 소자 출력으로부터 그 위치가 약간 더 멀어졌다(EV 킷 레이아웃에서 5.5눈금, 출력 풀업 표시기로부터 230mil). 인터스테이지 RF 바이패스 커패시터의 가까이 (C7과 C8사이, 패드 A2로부터 70mil) C10은 멀리 옮겨졌다 (패드 A54로부터 135mil). 이 커패시터들을 이동시키면 인터스테이지 이득이 향상되는데, 선형 동작 상황에서는 ACPR 성능을 향상시키기위해 이 이득이 양보되었다. 그림 3에는 부품 배치가 나와 있으며, 보드 레이아웃에 대한 도움말은MAX2242 EV 킷 데이터 시트를 참조한다.
그림 3. MAX2242 +23dBm 부품 배치 가이드
MAX2242는 실온(TA = +25°C), 3.0V 전원에서 소비 전류 175mA를 소비할 때 포화 출력 +23dBm을 제공하도록 튜닝되어 있다. 출력, 소비 전류, 이득 및 PAE를 입력, 전원 전압 및 주파수 등을 기준으로 측정하였다(그림 4에서 그림 7 참조). 이 PA의 흥미로운 특성은 RF 전력이 검출되지 않을 경우 소비 전류가 29mA로 떨어진다는 것이다. 반면, 경쟁 제품의 경우 150mA 이상으로 바이어싱 된 채 유지되었다(그림 8 참조). PA의 고조파 성분 역시 평가하였는데, 이 때 반송파 대비 35dB 아래의 최악상황 오류 신호를 설정하였다.
그림 4. MAX2242 출력 및 소비전류 대 입력
그림 5. MAX2242 PA 이득 대 입력
그림 6. MAX2242 PA의 전력 부가 효율(PAE) 대 입력
그림 7. MAX2242 PA 출력 대 주파수
그림 8. MAX2242 PA, RF 전력 미 인가시 소비전류
MAX2644 2.4GHz LNA를 PA 프리드라이버로 선정한 이유는 +4dBm의 P1dB 압축 포인트, 17dB의 소신호 이득, 8mA의 낮은 소비 전류 수준, 그리고 내장형 출력 매칭 네트워크 등의 특징 때문이다. MAX2644 EV 킷은 수정할 필요가 없기 때문에 그대로 사용하였다. 이 애플리케이션에 대하여 MAX2644의 출력과 소비 전류는 입력과 전원 전압에 대해 측정하였다(그림 9 및 그림 10 참조). -13dBm ~ -7dBm의 입력으로 구동하였을 때 MAX2644는 3V 전원으로부터 2.45GHz에서 3dBm ~ 6dBm의 출력을 제공한다.
그림 9. MAX2644 PA의 프리드라이버 출력 대 입력
그림 10. MAX2644 소비 전류 대 입력
이후 MAX2644와 MAX2242의 결합 상태에서의 성능을 송신 IC의 출력 범위에서 측정하였다. 이 조합은 -12dBm ~ -5dBm의 입력에 대해 +23dBm의 출력을 제공하였고, 이때 최악 상황을 가정한 입력인 -13dBm에 대해서는 출력이 +22.9dBm으로 감소되었다(그림 11 참조). 소비 전류는 3V 전원으로부터 약 185mA였다(그림 12 참조). 출력 대 주파수는 2.40GHz일때 +23.3dBm에서 2.48GHz일 때 +23.8dBm으로 상당히 평탄했다(그림 13 참조).
그림 11. MAX2644 및 MAX2242 결합 성능
그림 12. MAX2644 및 MAX2242 전체 소비 전류 대 입력
그림 13. MAX2644 및 MAX2242 결합 시 출력 대 주파수
성능 측정 결과를 보면 MAX2644 및 MAX2242가 최소의 보드 면적을 요구하는 저비용 저소비전류 FHSS RF 설계에 대해서도 탁월한 PA 및 PA 드라이버로서의 성능을 제공하고 있다는 것을 알 수 있다. 이득 17dB, 2.45GHz에서 잡음지수 2.0dB, 그리고 내장 출력 매칭 기능을 가지는 수신 경로 LNA로 MAX2644를 선택할 경우 비용을 더욱 절감할수 있으며 시스템의 동적 범위를 향상시킬 수 있다.
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