[CCTV뉴스=이나리 기자] 펄스 레이더 애플리케이션과 같이 고도로 집적화되고 정교한 고출력 무선(RF) GaN 전력 증폭기(Power Amplifier, PA)를 통합하는 시스템은 갈수록 정교해지고 있으며, 오늘날 디지털 제어와 관리 시스템의 수준에 발맞추기 위해 꼭 필요한 과제다. 이 시장에서 경쟁하기 위해 최근 제어 시스템은 최대한 유연하고 재사용 가능하며, 개발자의 요구에 부응할 수 있도록 다양한 RF 증폭기 아키텍처에 쉽게 적응할 수 있어야 한다.
이 정교한 관리 시스템은 혁신적인 보상 알고리즘, 내장 시험 장치(Built-In-Test, BIT)기능, 로컬과 원격 통신 인터페이스, 주요 시스템 성능 매개변수와 환경 조건의 모니터링, 그리고 시스템 고장 방지를 필요로 한다. 이런 시스템이 갈수록 정교해지는 이유는 반도체 기반 RF 시스템에서 고출력에 대한 수요가 있기 때문이다.
이런 고출력 시스템은 상당한 양의 열을 발생시켜 증폭기 성능과 평균 고장 간격(Mean Times Between Failure, MTBF)에 영향을 미친다. 이들 시스템에 필요한 RF 증폭기 초고주파 집적회로(MMIC)는 비용이 높고 고출력 장치이기 때문에 개발자은 GaN PA 기반 시스템의 실시간 성능과 온도 모니터링을 필요로 한다. 이를 통해, 손상이 일어나기 전 시급한 문제를 미리 감지, 필요한 조치를 취함으로써 손상을 예방할 수 있다.
적절한 전자식 제어설계와의 구현은 최대로 유연해질 수 있으며 그 어떤 RF 증폭기 구조에도 활용할 수 있다. 이 디지털 전자 장치는 개발자의 요구에 맞춰 맞춤 제작할 수 있다. 디지털 설계를 할 때 보호 논리 구조를 빌트인(Built-In)하면 손상 임계치(Damage threshold) 근접 시 GaN RF 증폭기를 비활성화 시킬 수 있다. 다양한 대역폭과 온도에서 RF 성능을 최대한 활용하려면 이런 핵심 기능이 매우 중요한 역할을 담당한다. 이런 기능 덕분에 테스트 용이성, 유지 보수성, 시스템 통합의 용이성, 검·교정 수준이 높아지며 기술적으로 차별화를 두는 것이다.
오늘날 반도체 RF 증폭기의 복잡함과 출력 전력은 계속해서 증가하고 있다. 최적화된 성능, 전원 공급 순서 관리, 고장 감지와 증폭기 시스템 모니터링 그리고 보호 기능을 제공하기 위해서 재프로그래밍이 가능한 필드 프로그래머블 게이트 어레이(Field Programmable Gate Array, FPGA) 또는 마이크로컨트롤러를 활용해 전자장치를 구현할 수 있다.
재프로그래밍이 가능한 솔루션은 보다 향상된 RF 앰프 서브 시스템 개발에 필요한 유연성을 제공한다. 또한, 설계 오류로 인한 회로 기판 재설계, 일정 지연의 발생 가능성을 최소화한다. 이런 증폭기 시스템의 필수 요건은 적용 사례에 따라 결정되는데 디지털 제어 전자장치 아키텍처는 일반적으로 아래와 같은 적용 요건에 따라 구성된다.
- 디지털 컨트롤러
- 비휘발성 메모리
- 아날로그-투-디지털컨버터(ADC)
- 디지털-투-아날로그컨버터(DAC)
- 디지털 입/출력(I/O)
- DC 전력 조절
- 통신 인터페이스
- 다양한 아날로그 센서
하드웨어, 소프트웨어의 재사용은 설계 변수를 빠르고 효율적으로 개발하는 데 있어 핵심이 된다. 이런 기능을 통해 공장 테스트와 검·교정 소요 시간을 줄이는 동시에 중요한 진단 도구를 제공함으로써 시스템에서 문제가 생겼을 때 디버그 과정을 더욱 수월하게 만들 수 있다.
대부분의 ADI RF 증폭기용 제어 시스템은 FPGA 장치를 활용한다. FPGA는 범용성이 높고 내부 소프트코어나 임베디드 프로세서를 탑재할 수 있으며, 다양한 병렬 기능을 모두 동시에 독자적으로 실행 가능하도록 구현할 수 있다. 이에 따라 FPGA는 명령, 중요한 회로 조건에 빠르게 대응 가능해 RF 전자장치를 보호할 수 있다. 논리 기능, 알고리즘은 대체로 베릴로그(Verilog)나 VHDL 등 하드웨어 기술 언어(Hardware Description Language, HDL)로 구현된다. 논리 기능의 실행은 FPGA 내부의 상태 기계 논리에 의해 제어되는데 상태 기계는 입출력 조건을 바탕으로 실행 연산의 시퀀스를 제어한다.
증폭기 성능의 최적화
증폭기 성능을 최대한 활용하려면, 게이트 전압이 데이터 시트에서 증폭기용으로 명시된 전원 공급장치 전류에 도달하도록 설정돼야 한다. 게이트 전압은 DAC를 통해 조정되며, 동시에 ADC를 사용해 전력 증폭기의 전원 공급장치 전류를 모니터링한다. 이런 기능을 통해 RF 전자장치를 검사하거나 수정할 필요 없이 RF 증폭기 게이트 전압을 빠르게 검·교정 할 수 있다.
