2.4GHz 클래스 AB 전력 증폭기: 무선 의료 센서 네트워크를 위한 저전력 설계

무선 의료 센서 네트워크는 21세기 의료 산업에 획기적인 발전을 가져왔습니다. 이러한 기기는 환자의 몸에 부착되어 심박수, 혈압, 산소 포화도 등 생체적 신호와 같은 환자의 생리적 상태를 밀접하게 모니터링할 수 있습니다. 전송된 센서 데이터는 의사가 실시간으로 검토하여 환자의 건강 상태를 보다 정확하게 파악할 수 있도록 합니다. 이는 환자들이 자주 병원을 방문하지 않아도 되어 시간과 비용을 절약할 수 있다는 장점을 제공합니다. 이러한 무선 의료 센서는 현대 의료의 미래에서 핵심적인 역할을 계속 수행할 것입니다. 특히 농촌 지역에 거주하는 사람들은 의사 및 전문의의 부족으로 고통받고 있으며, 미국 인구의 거의 20%가 농촌 지역에 살고 있고, 의사 수는 그 지역의 9%에 불과합니다 [2]. 무선 의료 센서 네트워크 기술은 이러한 문제를 완화할 잠재력을 가지고 있습니다.

무선 센서 네트워크에서 각 기기는 정보 수집, 감지 및/또는 표시 기능을 수행합니다. 센서 노드는 감각 정보를 수집하고, 이를 처리한 후 네트워크 내 다른 노드와 통신합니다. 그림 1은 기본적인 감지 노드가 인체 부착 시 EEG, ECG, 체온, 혈압 등 생체 신호를 수집하는 모습을 보여줍니다 [3]. 처리 유닛은 모든 감지 신호를 처리한 후 통신 프로토콜에 따라 데이터를 전송합니다. 처리된 모든 데이터는 무선 링크를 통해 휴대용 개인 기지로 전송되어 의사가 네트워크를 통해 환자의 데이터를 얻을 수 있습니다.

이러한 센서 노드의 주요 과제는 휴대용 기기의 높은 전력 소비입니다. 이를 해결하기 위한 방법 중 하나는 디지털 및 RF 회로를 하나의 칩에 통합하는 것입니다. 수신기는 신호를 수신하고, 전송된 데이터에 대해 DSP 처리를 수행합니다 [3]. 그림 2는 전송기 다이어그램입니다. 저전력 장치를 선호하는 것이 바람직하며, 직접 변환 전송기는 이러한 응용 분야에서 매우 인기가 있습니다. 왜냐하면 이 기능은 다재다능함, 유연성, 스펙트럼 효율성 및 낮은 복잡성을 제공하기 때문입니다. 이러한 특징으로 인해 직접 변환 전송기는 초고주파(RF) 전송기보다 단순합니다. 작은 칩과 회로 크기 및 낮은 전력 소비는 직접 변환 전송기 아키텍처를 통해 달성할 수 있습니다. 프론트엔드 전송기의 주요 목표는 1) RF 신호를 전송하고 2) 생체 신호를 분류하는 것입니다. 이 논문은 저전력 수신기 설계를 제안하며, 회로 설계 중 다른 부분은 이미 [3]에서 논의되었습니다. 표준을 충족하기 위해 증폭기는 표 1에 제시된 대로 설계되었습니다.

지난 30년 동안 CMOS 라디오 주파(RF) 프론트엔드 회로 연구는 눈부신 발전을 이루었습니다. 무선 산업의 궁극적인 목표는 성능과 비용, 그리고 성능과 저전력 소비 사이의 타협을 최소화하는 것입니다 [4].

제안된 클래스 AB 증폭기는 IEEE 802.11b 통신 프로토콜에 기반하여 낮은 출력 전력과 우수한 선형성을 가지고 있습니다. 클래스 AB 전력 증폭기의 토폴로지는 그림 3에 보여집니다. 2.4GHz PA는 두 단계의 공통 소스 증폭기입니다. 첫 번째 단계는 충분한 구동 능력 및 적절한 이득을 제공하는 드라이버 단계이며, 그림 4(a)에 나타냅니다. 두 번째 단계는 출력 전력을 수행하는 전력 출력 단계로, 그림 4(b)에 보여집니다 [5]. 드라이브 레벨 회로 설계 시 첫 번째 고려 사항은 다양한 크기의 CMOS 트랜지스터에 대한 입력과 출력의 공명 일치였습니다. 최적의 편향을 얻기 위해,

소형 신호 시뮬레이션 및 1dB 압축점 시뮬레이션은 출력 전력 능력에 의해 완료됩니다. 결과 설계 값은 표 2와 표 3에 나타낼 수 있습니다. 출력 단계와 드라이버 단계를 거쳐, 인터스테이지 매칭 회로는 더 도전적입니다. 두 번째 단계의 입력과 첫 번째 단계의 출력이 모두 50Ω로 복소 매칭된다면, 두 단계는 직접 연결될 수 있습니다. 최적화된 전체 회로는 그림 5에 나타냅니다.

그림 6(a)에서 보듯이, 이 회로의 이득은 10입니다. 그림 6(b)에서 보듯이, 주파수 2.4GHz에서 S11은 -10dB 이하이며, PA의 총 출력은 0.135W입니다.

그림 7(a)에서 보듯이, Kf는 모든 주파수 범위(1~3GHz)에서 1보다 큽니다. 따라서 회로는 안정적입니다. PAE는 입력 전력이 0dB일 때 7.5%입니다.

본 논문은 Cadence 소프트웨어를 사용하여 SIMC CMOS 공정 180nm 기술 기반의 전력 증폭기(PA) 설계 및 시뮬레이션 방법을 설명합니다. 이 PA는 센서 네트워크에 사용됩니다. 본 연구는 저비용 및 저전력 장치의 초기 개발 단계입니다. 요구 성능을 달성하기 위해, PA 공정은 그룹 III 및 IV 원소를 사용합니다. 회로는 CMOS 공정의 계획된 요구 사항을 충족하지만, 성능 지표 개선이 가능합니다. 센서가 모바일 전화 및 인터넷과 같은 통신 기술과 결합될 때, 센서 네트워크는 개인과 의사 간에 지속적인 정보 흐름을 제공합니다. 이러한 저비용 및 저전력 장치는 많은 입원 자원을 절약할 수 있습니다. 이를 실현하기 위해 향후 개선이 필요합니다.