Indonesi an  Journa l  of El ect ri cal Engineer ing  an d  Comp ut er  Scie nce   Vo l.   1 3 ,  N o.   2 ,  Febr uar y   201 9 , pp.  8 0 8 ~ 8 17   IS S N: 25 02 - 4752, DO I: 10 .11 591/ijeecs .v1 3 .i 2 .pp 8 0 8 - 8 17          808       Journ al h om e page :  http: // ia es core.c om/j ourn als/i ndex. ph p/ij eecs   Stu dy of  CMOS  p ower am pli fier  d esig n  tec hn iqu es  for    ka - band  app lications       A. F  H as an 1 , S.A. Z  M ur ad 2 ,  K.N  Ab d ul R an i 3 , F .A. B akar 4 , T.Z .A Z ul kifli 5   1 School  of  Mi cr oel e ct roni c Engi nee ring ,   Univ ersit i  M al a y si a  Per l is,  Kam pusP auh P utra ,   Per li s,   Ma lay s ia   1,2,3,4 Depa rtment   of  Elec tron ic E n gine er ing, Fac ul t y   of  Eng ineeri ng   Technol og y ,   Un ive rsiti Mal a y s ia Perl is,   Kam pusU nic it iAla m ,   Mal a y s ia   5 El e ct ri ca l   and   E le c troni c   Eng ineeri ng  Dep art m en t,   Univ ersit i Te k nologi   Pet rona s,   Pera k,   M al a y si a       Art ic le  In f o     ABSTR A CT   Art ic le  history:   Re cei ved   Oct  14 , 201 8   Re vised  Dec   15 , 2 018   Accepte d  Dec  29 , 201 8       Thi s  pape r  r eviews   of  high  eff ic i ency   CMO S  power  amplifi er s  (PAs)  in  m il li m et er  (m m )  wave   Ka  -   Band  appl icati ons.  The   stud y   is  foc used  on  the  cha l le nges  in  de signing  PA   espe ci a lly   in  GH z  fre quencie s  inc lus ive   of  high  gai n,   good  input  and  output   m atching,   e ffi ci en c y,   li n ea ri t y ,   low  group  de l a y   and  low  power  consum pti on.   Sever al   works   on  C MO S   PA  from  y ea r  2009  to   2018  are   d iscussed  in  th is  paper.  Re ce nt   devel opm ent s  of  CMO S  PAs  are  exa m ine d  and  a  compari son  of  th e  per form ance  cr it eria  of  v ari ous  te chn ique s   is   pre sent ed.   Ke yw or ds:   5G   CM OS   power  a m plifie r   Ka - ba nd   Mi ll i m et er w ave   Copyright   ©   201 9   Instit ut e  o f Ad vanc ed   Engi n ee r ing  and  S cienc e .     Al l   rights re serv ed.   Corres pond in g  Aut h or :   Sohif ul An uar   Zai no l M ur a d ,   Dep a rtm ent o f El ect ro nic  Eng ineerin g,    Faculty  of E ngineerin g  T ech nolo gy, Uni ver s it i M al ay s ia  Per li s,    Kam pu sU nicit iAla m , S g.  C huchuh, Pa dang B esar,  Ma la ysi a.   Em a il :  so hifu l @unim ap. edu. m y       1.   INTROD U CTION     Re search   on   fi fth  ge ner at io n  (5G)  wi reless  s erv ic es   by  2020  is  i n  pro gr e s s,  a nd  m m - W a ve  Ka - Ba nd  te chnolo gy  wil l  offer   a  vital   ro le   in   m eeting   high  dem a nd  f or  br oadba nd  data  tra ff ic   [1 - 2].   Re centl y,  it   is   repor te d  t hat  Sam su ng ' s  5G   netw ork   al so  ad op ts   the  28  GH z   m m - wav e  Ka - Ba nd  fr e qu e ncy.T his   is  the  trigg e rin g po i nt  f or the  r esea r cher t o resear c h on Ka - Ba nd  m m - wav e P ow er  Am plifie r  (PA).   Since  the   P A  op e rates  at   very   high  f re qu e nc y,  it   can  hav e   wide   ba ndwi dt h.   Howe ver ,   a s  the  si gn al   band width  inc r eases,  the   li nea rity   of   t he  P A  i s  de gr a de d  be c ause  the   asy m m et ric  sideband  is  gen e rated  by  the  m e m or y  eff ect   [3 - 5].   Furthe r m or e,  the  crit ic al   par t  in   de sign i ng   CM O S  PA  in  Ka - Ba nd   sp ect r um   is  to  achieve  high  gain,  lo w  power,  in pu ta nd   outp ut  m at ch ing   a nd  powe r  ad de d  e ff ic i ency  ove r  wi de  band   fr e qu e ncy  fro m  2 6. 5 - 40  G H z.   A  num ber   of  C MOS PA  desig ns  fo r  m m - wav e K a - Ba nd s pe ct ru m  h ave  bee n  pr opos e d wit h  di ff e ren t  te chn iq ues:  2 - s ta ge  casca de   [6 -   7],   casca de  pairs [8 ] ,   2  sta ge   casca de   with   opti m a l  bias  s el ect ion   [9 ] ,   2  sta ge  casca de  with  a dap ti ve  bias   [ 10] ,  2  sta ge  cas cade  with  rev e rse  body  bias   [11],  2  sta ge   casca de  with  pow e r   com bin er   [ 12 ] ,   and   2  sta ge  ca scade  with  li ne arizat ion   on / off   [ 13 ] .  Adding   power   com bine r  to  the  desig n  le d  to  achie ve  high  gain   but  s uc h  desig n  t rad e   off  on  siz e.   2  sta ges   with   sta gg e r  t un i ng  c on ce pt  was  use d  t o  i m pr ove  gai n  f la tness  an d  le a d  to  ac hie v e  m axim u m   PA E  and  outp ut  po w er   [ 14] .  I deall y  m os t  of   the d e sign e r  us e casca de  a r chite ct ur e t o o btain  wide r gain  band width.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci     IS S N:  25 02 - 4752       Study  of CMO S po we r  am plif ie r d esi gn tec hniq ues  f or  k a - band  applicati ons   ( A.F  Has an )   809   2.   KA  B AND D ESIGN  TE C HNIQUE   A  race  t o  pr ovide  5G  te ch no log y  by  th e  ne xt  deca de  is  in   pro gr ess .  5G  wireless  se rv ic es  usual ly   op e rate i n K a - Fr e qu e ncy b a nd (18   -   28G Hz ).  In  2009,   [ 6]   pro po se d  tw o - s ta ge  20 – 24 GH z PA   with each  stage  us in g  casc ode config ur at io n  a s  show n  in Figure  1.  I n  this  de sign,  the  siz e o f  eac h  tra ns ist or   i n  the d ri ver  sta ge   was  c ho se n  t o  be  32   fin ge rs   an d  wi dth   of   2.5  um .  The   s iz e  of   eac h  tra ns ist or  in  t he  powe r  sta ge  w as  64   fin ger s  a nd  a  width   of  2.5  um .  The  cascode   structu re  m a kes  the  de vice  m or e  unil at er al   between   i np ut  an d  ou t pu t  port,  an d  at   the  sam e  t i m e,  pr ovides  higher  gain  in  com par ison   wi th  sing le   MO S   transisto r.   T hi s  PA  was  biase d  at   cl ass - AB  op e r at ion   to  c om pr om ise   between  power   a nd  li ne arit y.  The  rati o  of  outp ut  to  input   total   per ip her y   was  4: 1.   T he  bypass  ca pacit or   of   eac h  dra in  dc  pat h  was   set   to  be  4  pF.A  20 – 24   G Hz  P A   us in g  TSMC   sta nd a rd   0.18   CM OS   proces s  has  sh own  a   s m al l   sign al   gain  ab ove  15   dB  in  20 – 24   GH z  fr e qu e ncy  band wit h 16.8 dB m  o utp ut sat urat ion   powe r  a nd P AE o f 10.7 %.            Figure  1 .   Sc he m at ic  o f  20  –   24  GH z  P A[6]       In  20 10,  [ 8]  pro posed   the  ca sco de  pairs  t ha t  biased   in  cl ass  A   as  s how n  in   Fig ure  2  in  or der   t o  achieve   hi gh e r   gain   a nd  bette r  li near it y  perf or m ance.  Deep  n - well   a nd  the   gate  te rm inals  of  tra ns ist or  a re  al l  biased   via   5 - K n.   Me ta l  1  a nd   m et a l  6  are   use d  as   thi n - fil m   m ic ro strip  li ne   f or  interc onne ct ion   a nd  m atch in g  stub s .  VDD  a nd  deep  n -   well   are  biased   at   3.6 - V  for  m axim u m   ou tpu t  powe r.   With  a   c hip   siz e  of  0.6  m m   x   0.7  m m ,  the  am pl ifie r  ha d  show n  a n  O P1d B  of   20 - dBm   a nd   a  Psat  of  22 - dBm .  The  pea k  P AE  is  20  %   unde r   3.6 - V bias s up ply.            Figure  2 .   Sc he m at ic  f or   casc ode  pairs [8]   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2502 - 4752   Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci,   Vo l.   1 3 , N o.   2 ,  Fe bru ary  201 9   :   8 0 8   –   8 1 7   810   In  20 11,   [7]   propose d  a   f ully - integrate d  K - ba nd  diff e ren ti a l  powe r  am plifie r  wa s  desig ne d  i n  65  nm  CM OS   as  sho wn   in   Fig ur e  3.   T he  powe r  a m plifie r  com pr ise d  of  the  2 - sta ge  casc od e   config ur at io n  has  the   m at ching   netw orks  base d  on  t he  tra nsfo rm er.  T o  m at ch  the  i m ped an ces,  t urn  rati os   of  ea ch  tra nsfo rm er  we re  desig ne d  to   be   1:1   f or   t he  in put  sta ge ,  2:1   for  the   inter   sta ge ,  an d  1:1.5   f or  the   outp ut  sta ge,   res pecti vel y.  The   sat ur at io n  po w er  of   m or e  tha n  20  dBm   was  ob ta ine d  in  th e  band  bet wee n  16  G Hz  an d  25   G Hz.   T he  peak   value  of  the  sa turati on  power  was  23. 8  dB m ,  and   the  power   a dded   ef fici ency  (PAE)   was  25.1  %  at   19  G H z .   The  c hip occ upie d  a rea i nclu ding the  D C  and RF  pa ds  is  1. 2 x 0. 8  m m .             F igure  3 .   K - ba nd d i ff e ren ti al   powe r  am plifie r[7]       In   2011,  [9 ]   pro posed  t wo - st age  de sig n,   a nd  the  c om plete  schem at ic   wa s  show n  in  Figure  4.   T he   transisto r  (M3,  M4)   in  t he  se cond  sta ge  a nd   the  first  sta ge   (M1,  M2 )  a re  sel ect ed  to  be  56  fi ng e rs  with   6 - um   uni t  fi ng e r  widt h  an d  48  f in ge rs  with   4 - um   unit   fin ger  w idt h,  r espe ct ively .  The  pro po se d  powe r  am plifier   wa s   i m ple m ented  in  a  0.1 8 - um   CM OS   te c hnology.  All  of  the   passive   com ponen ts   inclu ding  s piral  i nduct or s   an d  MIM   capaci to rs  are  sim ulated   by  fu ll -   w ave  sim u la tor.   The  chip  siz e  of   the  PA   was  0.4 7  x  0. 65   m m 2   includi ng  al l  te sti ng  p a ds .   T his  P A  has  a   P 1d B  of 1 6.8  d Bm   with 15.5% P AE  at  2 1  G Hz, and  the p ea k  PA E is  18.9% w hile t he  outp ut po wer i s 18 dBm .         Figure  4 .   CM O S Casco de p ower  am plifie r  with  op ti m u m  b ia s selec ti on[ 9]       In  2 01 1,   [ 10]   pro posed  powe r   a m plifie r  with   adap ti ve  bias  f or   e nh a ncem ent  in  back  o f f  ef fici ency  as  sh ow n  in   Fig ure  5.   I n  this  des ign ,   tw o  di od e - connecte d  tra nsi stors   a re  in ve rsely   shun te d  a t  the  gate  of   t he   CS  sta ges  a nd  with  qu ie sce nt  bi a s  volt age   of  0.2  a nd  0.35  V .  The  diode   of  t he  sec ond  sta ge   with   total   pe rip her y   of   54  µm   is  biased  at   0.35  V .  W it h  the  1 - kΩ   bias  re sist or,  the  diode  is  e xp ect e d  to   ge ne rate  a  dc   volt age  of   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci     IS S N:  25 02 - 4752       Study  of CMO S po we r  am plif ie r d esi gn tec hniq ues  f or  k a - band  applicati ons   ( A.F  Has an )   811   0.35   V  in  orde r  to  li ft  the  gat e  bias  from   0. 65   t o  1  V  w he n  the  P A   is  op erated  at   it s  OP 1dB.  T his  P A  has  a  P1dB  of   16.8   dBm   with  15 . 5%  PAE  at   21  GH z,  a nd   the   peak   P AE  is  18.9%  w hile  t he  outp ut  pow er  is  18   dBm .            Figure  5 .   CM O S po wer   am pli fier  with a dap ti ve bias[ 10 ]       In   2012,  [11]  pro po se d  tw o  sta ges  casc od e   dev ic e  with  input,  ou t pu t,  and   i nter - sta ge   m at chin g  netw orks  as   s how n  i n  Fi gure  6.   In  or der   t o  a chieve  m axim um   ou tp ut  po wer,  the   tran sist or s  (M3 ,  M 4)  of  t he  seco nd   sta ge  are  64  fi ng e rs   with  unit   fin ger   widt h  of  6  11m .  In   or de r  to  ac hieve  higher  powe r  add e d  eff ic i ency  (P   AE),  the  transi stors   (Ml,  M2 )   of   the  first  sta ge  are  sel ect ed  to  be  16fi ng ers  with  unit   f ing e r  width  of  6  um .Th e   am plifie r  achie ves  a   hi gh  ga in  of  19  dB,  a nd  delive rs  a n  outp ut  powe r  of  19  dB m   with   24.7% P AE  at   24 GHz a nd  O PldB is  15.7 dBm .           Fi gure  6 .   CM O S po wer   am pli fier  with  rev e rs e bod y  bias   [11 ]       In   2014,   [ 12 ]   pro po se d  t wo   casca de d  casc od e   sta ges  f or   high  power  ga in,  f ollo wed  by   a  com m on  so urce  sta ge  as   show n  i n  Fig ure  7f or   high  po wer   li nea rity .  To  inc rease  Ps at   and   PAE,  t he   outp ut  sta ge  ado pts  a  W il ki ns on - powe r - div i der -   and  c om bin er - base d  tw o - wa y  powe r  div i din g  a nd  com bin in g  a rch it ect ure.T he   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2502 - 4752   Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci,   Vo l.   1 3 , N o.   2 ,  Fe bru ary  201 9   :   8 0 8   –   8 1 7   812   pro po se d  P A  achieves  powe r  gain  of   21.5  ±  1.5  dB  f or fr e qu e ncies  22 .7 – 26. 9  G Hz,   and   e xcell ent  Psatof  5.9d Bm and  r el at ively  h igh  P AE  of 14. 6  % at 24  GHz. T he seres ults dem on st rate t he  propose d  PA  a rc hitec ture  is ver y prom isin g f or 24 - G Hz short - range c om m un ic at ion  s yst e m  ap plica tio ns.           Figure  7 .   Tw o ca scade cas co de  CM OS   powe r  am plifie r  [ 12]       In   2015,   [ 13]   pro po se d  a da pt ive  bias  with  enh a nce d  li nea rizer  as  sho wn  in  Fi gure  8.   Althou gh  th e   com m on - sourc e  is  the  sim pl est   topolo gy  f or   PA  desi gn,  the  com m on - s ource  P A  ca nnot  ac hieve   suffici en t   gain   at   hi gh  f reque ncy  due   to  the   Mi ll er  eff ect   from   the  pa rasit ic   ca pacit ance.   T he refor e ,  the   cas cade  topolo gy  is  use d  to   re duce  t he  Mi ll er  ef fe ct   by  com m on - gate  tra ns ist or  a nd   im pr ove   the  high  fr e quency   perform ance.  The  power   sta ge  is  ch os e n  f or  highe r  outp ut   power  und e r  t he  tra deoff  b et ween  pow e r  ca pab il it y  and   gain  du e  t o  the  pa rasit ic   eff ect .T he  pro po s ed  P A  dem on st rates  o utstand i ng   6.8%P AE  at   6 - dB  ba ck - off   from   P1 dB,  14. 1%  P AE  at   OP1d B,  a nd  hi gh   li near   outpu t  po wer   9.2   dBm   with  IMD3   of   - 40  dB c.  Th e   pro po se d  PA  c an  deliver   com par a ble  li nea r  ou t pu t  powe r  with  the   lo wes t  qu ie sce nt  power  co nsum pti on  an d  achieve  bette r e ff ic ie n cy  i n b ack - off o per at i on.             Figure   8 .   CM O S po wer   am pli fier  with a dap ti ve bias sel ect io n[1 3]       In   2016,  [15]   pro po se d  t w o  sta ges   PA  as  show n  in   Figure  9.   T he   sta gg e r  tu ning  co nce pt  is   e m plo ye d,   where  gai n  flat ne ss  is  accom pli sh e d  by  us in g  two  diff e re nt  center  f re qu e nci es  at   20.5   G H z  an d  15.5   G Hz  f or   t he  first  an d  the  second  sta ge ,  resp ect ively .  The  tun i ng   f re qu e ncies  ( peak  gain  fr e qu e nci es)  of  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci     IS S N:  25 02 - 4752       Study  of CMO S po we r  am plif ie r d esi gn tec hniq ues  f or  k a - band  applicati ons   ( A.F  Has an )   813   the  two  sta ge s  are  ad j ust ed  by   op ti m izing   the   width  o f  tra ns i stors   M1 ,  M2  a nd   M 3,   w hich  con t ro l  the  c urren t - gain  c ut  off  f re qu e ncies  wt1,  wt2  a nd  wt 3.   The  first  sta ge   is  desig ne d  to  achieve  a   hi gh  unil at eral  ga in   w hile  for  the sec ond st age is d esi gned  an d op ti m ized  to  ac hieve m axi m u m  PA E and outp ut pow e r. T he pr op os e d  P A   has  a  m easur e d  po wer   gain  of   10. 5  + -   0.7   db   a nd  ave ra ge  sat urat ed  outp ut  powe r  of  14 dBm   acro ss  the  band width.  I n  add it io n,   it   achieves  a  sm all   g rou p  delay   var ia ti on  of   + -   20ps   an d  m a xim u m   PA E  of  26%  wh ic h  is  the  hig hest  am on g  the  recently   pu blis hed   0.1 8u m   CM OS   Pas  wh il e  con s um ing   50   m W   of   D C   powe r.             Figure   9 .   Tw o st age CMO S  powe r  am plifie r[ 15]       In   2016, [ 16 ]  prop os ed o ne - st age d i ff e ren ti al  s tructu re  hav i ng  a  h a rm on ic  co nt ro l ci rc uit t o  m ini m iz e  the 2nd   har m on ic s prod uced   by the non - li ne ar CS am plifier  at the d rai n  and  s ource as sh own  in Fi gure  10. By  sh ort   ci rcu it   th e  dr ai n  a nd   s ource ,  2nd  harm on ic   issue  can  be  re duced  a s  it   will   be  tra p  at   d rain  a nd  so urce .   2nd  ha rm on ic   need   to  be  el im inate d  as  it   gen e rates  side band  asy m m etr ic   resu lt in g  lo wer   P AE.The  CS  /  2  Stac k  P As  ac hi eve  P AE  of  27 %  /  25%,  a nd  EVM  of   5.1 7%   /4. 2%  a nd  ACLRE - UTR A  of   - 33  dBc  /   - 33  dBc,  resp ect ively ,  w it h  an  aver a ge  ou t pu t  po we r  of  9.5  dBm   /   14.2   dBm   at   28 .5  GH z  f or   a  20 - MHz  B W ,  64 QA M,   and 7.5 - dB PA PR LTE  sig nal.           Figure   10 .   O ne - sta ge dif fer e nt ia l st ru ct ure C MOS  powe r  a m pl ifie r  with  a  h a rm on ic  contro l ci rc uit[ 16 ]       Lat er,   [ 17 ]  propo s ed  a sm all i nter - sta ge  in duct or  b et ween  t he   casco de  co m m on - sou rce an d  c omm on - gate  to  im pr ov e  PA’s  ou t pu t  powe r  an d  P A E  as  sho wn   i n  Figure  11.  T he   input  bal un   separ at es  t he  s ing le - end e d  RF   sig na l  into  a  pair  of   dif fer e ntial   sign al s,   an d  th en  these   sig na ls  are  am plified   th rou gh  tw o - sta ge   casco deam pli fi ers,   i n  the  e nd  the  outp ut  balu n  m erg es  the  di ff ere ntial   signa ls  for  a  higher   outp ut  powe r.  Tw o  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2502 - 4752   Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci,   Vo l.   1 3 , N o.   2 ,  Fe bru ary  201 9   :   8 0 8   –   8 1 7   814   tun in g  capaci t or s  beside  the  balu ns   are  us e d  to  help  reali z e  inp ut  an d  out pu t  im ped ance   m at ching .  The   inter - sta ge  m at ching   netw ork  is  c om po sed  of  tw o  sp iral   i nd uctors  an d  tw o  MI M  capaci tors.  The  casc ode  struct ure   is  ad op te d  t o  ge t  a  hi gh e r  po wer  gai n  a nd  r ever se   isolat io n.   A   series   inte r - sta ge  in duct or  is  a dded   bet w een  t he  com m on   so urc e  and   c omm o n  gate  tra ns ist or s  t o  im pr ov e   the  outp ut  po wer   a nd  PAE  of   t he  PA.  T he   chip  occupies  0.6 6  m m ×1. 09   m m   includi ng  al l  D C  and  RF  pads .  The   s upply  volt age  is  3  V,   t he  gate  bias  vo lt ages  VB1   a nd  VB 2  are  0.9 5  V,   2.7   V  res pecti vely .  Re su lt   sho ws   S21  is  ab ove  21   dB  f r om   27 .5 - 28. 5  GH z .  Wh e n   op e rati ng  at   28  G Hz,   the  sa turated  ou t pu t   power   (P sat )  is  20   dBm ,  the  ou t pu t - ref e rred  1 - dB  c om pr esse d  ou t pu t  powe r  (O P 1dB)  is  15. 7  dBm ,  the  m axi m u m   power   gain  ( G)   is  22.6   dB,  t he   pea k  po wer  add e d  eff ic ie ncy  (PA E)  is  19 %.             Figure  11 .   CM OS   powe r  am plifie r  with  a  ha rm on ic  contr ol circuit[ 17 ]       In   2018,   [ 18 ]   pro po se d  a   hi gh - ef fici ency  f reque ncy  rec onfi gurab le   CM OS   powe r  am plifie r  (PA )   desig n  te ch nique  at   24  an d  28  G Hz  us in g  integ rated  tu na ble  ne utrali zat ion   a nd  m at chi ng   netw orks  as   sho w n  in  Figure  12.  Figure 13(a)   a nd  ( b)   s hows  t he  ci rcu it   dia gram   of   a  con ve ntion al   fi xe d  couplin g - c oeff ic ie nt  trans form er  (kfixe d)   a nd   t he   propose d  r ec onfig ur a ble  co up li ng - coe ff ic i ent  trans f or m e r  ( kr ec ),   resp e ct ively .  The  pro posed   kr ec   is  ac hiev ed  by  a doptin g  a   switc he d  s ub st rate - s hield   induct or   t un i ng  to polo gy  [ 19 ]   co pe  with  the  a dv e rs e  eff ect s  of  gat e – drai n  ca pacit ance  (C gd)  in m illim e te r - wa ve  (m m - wav e) CMOS  PAs  in d eep - su bm ic ro n  te c hnologies.   T he   rec onfig ur a bl e  co up li ng  coe ff ic ie nt  ca n  be   achie ved  in  a   two - c oil  syst em   by   introd ucin g  a  thir d  coil  w hich  can  m odulate   th e  inducta nc e  of   the  L d  a nd   L g  dep e nding   on  the  sta te   of   t he   third   c oil,  a nd   thu s ,  the  c oupl ing   c oeffici ent.   Figure   13(c)  a nd   ( d)   s hows   the  ci rc uit  diag ram   of   the  pr opose d  con ce pt,  wh e r e  kr ec  ca n  be  con t ro ll ed  by  set ti ng   the  gate  vo lt age  (VS W, T FR)  of  th e  swi tc h  (Ms w )  in  the   third   c oil.T hes e  te chn i qu es  e nab le   high  ef fi ci ency  in  a  P A   prototype  i n  65 - nm   CM OS ,  ob ta ini ng  bette r  tha n   40% P AEsat at  both 2 4  a nd 28 GHz .             Figure  12 .   CM OS   powe r  am plifie r  with i nte gr at e d  tu na ble  neu t rali zat ion   and m at ching   netw orks [18]   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci     IS S N:  25 02 - 4752       Study  of CMO S po we r  am plif ie r d esi gn tec hniq ues  f or  k a - band  applicati ons   ( A.F  Has an )   815       Figure  13 .   Ci rc uit diag ram  o f (a)  c onve ntio na l fixe d,   (b) pr opos e d (co nce ptu al )  r ec onfig ur a ble c ouplin g - coeffic ie nt - bas ed  tra nsfo rm er,  (c) p racti cal  r e al iz at ion  of  (b)  w it h  a  contr ol  switc h of M S W,  a nd  (d)  theo reti cal  r el at ion s hip   betwe en krec  and  VSW,T FR [ 18]       3.   PER FO R MANC E  SUM M ARY   Table  1  sho ws   the  su m m ary  of   t he  pe rfo rm ance  CM OS  P As  desig n  f r om   20 09  t o  20 18  in  Ka - Ba nd  fr e qu e ncy  f or  5G   a ppli cat ion.  As  ca n  be  see n,   m os t  of   t he  PA   desig n  m eet s  the  gai n  re quirem ent  of   le s s  than   10  dB,   exc ept   the  P A  with  Ca scod e   Pair   [ 2 ] .  T he  high  ga in  can   al so  be   achieve d  ea s il y  wh en   the  PA   is   desig ne d  us in g  2 - sta ge  casca de   top ol og y.  A m on gs t  al l  the  works,  the  P A  with  m ini m al   bias  sel ect ion   [ 3]  and  powe r  com bin er  [ 6]  achieve   good  gain ,  outp ut  powe r  a nd   P AE  wh ic h  is  su it able  f or   5G   a ppli cat ion s .   Fu rt her m or e,  m os t  of   the  w orks  m anag e  to  get  good  P A E  us in g  2 - sta ge   casca de  to po log y.  Be side s,  desig n  with  tu na ble  ga te - dr ai n  al so  sh ows  t he  pro m isi ng   res ults  with  P AE  high er  tha n  40% .  Howe ver   s uc h  desig n  can lead  to  b i gger  size as a ddit ion al  tra n sf or m er d esi gn  nee d  to  b e  consi de r  in  the a rch it e ct ur e.       Table  1.   Per for m ance Su m m a ry of CM O S PAs at  Ka - Ba nd  Fr e quency  for 5G  Ap plica ti on   Ref  &  Ye ar   Techn o lo g y   Frequ en cy  ( GHz )   PAE  %   Gain  ( d B)   Po u t ( d B m   Techn iq u e   [ 6 ]   2 0 0 9   0 .18  u m  C MOS   20 - 24   1 0 .7   15   1 6 .8   2 - stag e Casco d e.   [ 7 ]   2 0 1 1   6 5  n m  C MOS   16 - 25   2 5 .1   22   2 3 .8   2 - stag e Casco d e.   [ 8 ]   2 0 1 0   0 .18  u m  C MOS   24   20   8   22   1 - stag e Casco d e.   [ 9 ]   2 0 1 1   0 .18  u m  C MOS   21   1 8 .9   20   18   2  Stage cascad e  wi th   o p ti m al  bias  select io n .   [ 1 0 ]   2 0 1 1   0 .18  u m  C MOS   22   12   1 1 .9   1 5 .4   2 - stag e ca scad e wi th   ad ap tiv e bias .   [ 1 1 ]   2 0 1 2   0 .18  u m  C MOS   24   2 4 .7   19   1 5 .7   2  Stage cascad e  wi th   reverse bo d y  bias .   [ 1 2 ]   2 0 1 4   0 .18  u m  C MOS   22 - 29   1 4 .6   23   22   2  Stage cascad e  wi th   p o wer  co m b in er.   [ 1 3 ]   2 0 1 5     0 .18  u m  C MOS   23   1 6 .8   1 4 .5   1 2 .4   2  Stage Cas co d e w ith   Linearization  On  &   Of f   0 .18  u m  C MOS   23   15   1 2 .8   1 5 .8   [ 1 5 ]   2 0 1 6   0 .18  u m  C MOS   12 - 24   26   1 0 .5   12   2  stag e.   [ 1 6 ]   2 0 1 6   2 8  n m  C MOS   2 8 .5   25   1 3 .6   1 8 .6   1 - stag e ,  2 - stack .   [ 1 7 ]   2 0 1 6   0 .13  u m  C MOS   2 8 .5   25   1 3 .6   1 8 .6   2 - stag e Casco d e.   [ 1 8 ]   2 0 1 8   6 5  n m  C MOS   2 8 .5   4 0 .1   8 .9   1 4 .4   1 - stag e CS with  Tun ab le Gate – Dra in   Neu tralization       Ov e r  the  past   decad e ,  P A  m os tly  us ed  e xp e ns i ve  te ch no l og y,  f or   e xam ple,  Sil ic on  Ger m aniu m   (S iGe )  orGall ium   Ar seni de  ( GaA s )  t o  be   re al iz ed  in  tra nsm itter.  D ur i ng  that  tim e,  the  P A  w as  no t  ac hi evab le   in  CM OS   te c hnol og y  du e   to  it s  lim it a ti on .  W it h  the  i ncr e as ing   of  CM O S  te chnol og y  use d  in  cel l ular  phones  and   m illi on s  of  de vices  that  are  de velo ped   and   m ark et ed  at   m on thly   int erv al s,  it   becom es  a  m ot ivatio n  to  al l   researc hers  to   inv est igate   a nd  dem on strat e   ne w  t opology   an d  a rch it ect ur e   that  a re  di ff e ren t  from   the   P A   topolo gies  as  s umm arized  in  Table  1.  H owe ver,  base d  fro m   the  data  obta ined,  it   is  fou nd   t hat  the  us a ge  of   CM OS   powe r  a m plifie r  sti ll   has  it s  lim i ta tio n  t hat  nee ds   to  be  im pr oved   and   stre ngthe ned   i n  the  f uture  P A   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2502 - 4752   Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci,   Vo l.   1 3 , N o.   2 ,  Fe bru ary  201 9   :   8 0 8   –   8 1 7   816   topolo gy.  Fir stl y,  the  CM OS  PA  h ave   bee n   stud ie d  inten sively ,  how eve r  the  quest io n  of  wh ic h  P A  to polo gies   is  the  best  t opol og y  sti ll   ha s  not  bee n  r esolve d.   The  resu lt   s hows  t hat  there   is  tr ade - off  betwe en  the   char act e risti cs, and  diff ic ult t o  ac hieve a ll  desi gn sp eci ficat ion s  over  high  f re quency   sp e ct ru m .   Seco nd ly ,  m any  stu dies  ha ve  s how n  gre at   eff ort   an d  achievem ent,  bu t  se ve ral  char act e risti c  sh ort com ing s  of   the  CM OS ,   su ch  as  l ow e r  fT  of   tra ns is tors  that  has  not  bee n  disc usse d  in  detai l  bef ore ,   causes t he  ci rc uits desi gn in C MOS e norm ou sly  ch al le ngin g  in dee d.       4.   CONCL US I O N     A  re view  of  C MOS  po wer   a m pl ifie r  desig n  te chn iq ues  in K a - Ba nd  f re qu ency  for  5G  ap plica ti on   has   been   disc us se d.   Se ve ral  ap proac hes  P As  hav e  bee n  im plem ented  with  di ff e ren t  kin d  of   t opol og i es.  The   perform ance  of   the  CM OS  PA   de pe nds   on   t he  sel ect ion   of  the  te chn i qu e s  an d  requirem ent  of   5G  app li cat io ns .  Current  publis h  ha s  achie ve d  ve ry  go od   PA   perform ance  in  Ka - Ba nd  f reque ncy  f or   5G   app li cat io n.   U p  to  date,  de sign   with  Tu na bl e  Gate – D rain  Neu t rali zat ion   for  28 - GH z  re ported  high est   PA E   with  40. 1  %  a nd  14. 4  dBm   Po ut.  T his  re view   hopefull y  can  help  to  facil it ate  oth e r  resea rc her s  w orkin g  in  the   area  of   powe r am plifie r  ci rcui t desig n.       ACKN OWLE DGE MENTS     This  w ork  is  par ti al ly   su pp ort ed  by  the  U niv e rsiti   Ma laysia   Perlis  (UniM AP)  S ho rt   Term   Gr ant   (S T G)  schem e,  un der  the   gr ant  90 01 - 0052 5.   The   aut hors   w ou l d  li ke   to   ex pr es s  thei r  highest  gr at it ude  to   Un iM A P.       REFERE NCE S   [1]   S.  Onoe,   “ 1. 3   E volut ion  of   5G  m obil e  technolo g y   towar d  1  20 20  and  be y ond , ”  in  Dig est  of   Technical  Pape rs   -   IEE E   Inte rnat io nal  Soli d - State  Circui ts Confere nce ,   2016,   vol .   5 9,   pp .   23 – 28 .   [2]   Z.   Pi  and  F.  Kha n,   “ An  int roduc t ion  to  m il li m eter - wave   m obil e  br oadba nd  s y st ems , ”  IE EE   Comm un.   Mag. ,   vol.   4 9 ,   no.   6 ,   pp .   101 – 1 07,   2011 .   [3]   S.  Murad   and  R.   Ism ai l,  “ High  gai n  2 . 4  GH z  CMO S  low  noise  amplifier   for  W ire l ess  Sensor  Network   Applic a ti ons,”   R F  Mi crow.   … ,   v ol.   40 ,   no .   1 ,   pp .   4 – 7,   2013 .   [4]   S.  Jin,  M.   Kw on,   K.  Moon ,   B.   Park,   and  B .   K im,  “ Control   of   IMD   as y m m et r y   of   CMO S  power  amplifier  fo r  broa dband  op erati on  using   wideb and  signa l,”  IE E E  Tr ans.  Mic ro w.   Theory  Te ch. ,   vol.  61,   no.   10,   pp.   3753 – 3762 ,   2013.   [5]   M.  Franc o,   A.  Guida,   A.  Kat z,  and  P.  He rcz f e ld,   “ Minim iz atio n  of  bia s - induc e d  m emory   eff ects  in  UH F  rad io  fre quency   high   power  amplifier s  with  broa db a nd  signal s, ”  in  Proce ed ings  -   2007  IEEE  Rad io  and  W irel ess  Symposium,  RW S ,   2007 ,   pp .   369 – 372.   [6]   Y. - N.  Jen,   J. - H. Tsai,   C . - T .   Peng ,   and  T . - W .   Hua ng,   “ A 20  to  24  GH z  +16. 8  dBm   Full y   In te gra te d   Pow er  Am pli fie r  Us ing  0. 18  um   CMO S Proce ss , ”  Mi crow.   W irel.   Components  Let t.   I EEE ,   vol. 19,  no.   1 ,   pp .   42 – 44 ,   2009.   [7]   Y.  Kawano,   A.   Mine y ama,   T.   S uzuki ,   M .   Sato ,   T.   Hirose ,   and  K .   Jos hin,   “ A  fully - in te gr at ed   K - band   CMO S  pow er  amplifi er  with  Ps at of  23. 8  dBm   and  PA E  of  25. 1%, ”  in  Digest  of  Pape rs   -   IEE E  Rad io  Fr eque nc y  Inte gra te d   Circui ts S ymposium ,   2011.   [8]   P.  Huang,   Z.   Tsai ,   K .   L in,   H .   W ang,   and  R .   R oad,   “ A  22 - dB m   24 - GH z  pow er  amplif ie r  usi ng  0. 18 - µm   CMO S   te chno log y , ”   Mt t ,   no .   1 ,   pp .   248 – 251,   2010 .   [9]   Y. - C.   Hs u,   Y. - S.   Chen,   T. - C .   Ts ai ,   and  K. - Y .   L i n,   “ A  K - band  C MO S  ca scode   p ower  amplifier  u sing  opti m al   b ias  sele c ti on  m et hod olog y , ”   Mi crow.   Conf. P roc .   ( APMC) ,   2011  Asia - Pac ific ,   pp .   793 – 796,   2011 .   [10]   N.  C.   Kuo,  J.  C.   Kao,   C .   C.   Kuo,  and  H.  W ang,   “ K - band  CMO S  power   amplifi er  wi th   ada pt ive   bi as  for  enha nc ement in bac k - off   eff i cien c y , ”   IE EE MTT - S  Int. Microw.  S ymp.   Dig . ,   pp.   3 – 6,   2011 .   [11]   J.  L.   Kuo  and  H.  W ang,   “ A  2 4  GH z  CM OS   power  amplifi er   using  rev erse d  bod y   bia s  te ch nique   to  impro ve  li ne ari t y   and   po wer  add ed  ef fici ency , ”  I EE E   MT T - S  Int. Mi crow.   Symp. Dig. ,   pp .   11 – 13,   2012 .   [12]   Y. - S.  Li n  and  J. - N.  Chang,   “ A  2 4 - GH z  power  a m pli fie r  with   Ps at   of  15 . 9   dBm   and  PA E  of  14. 6   %  using  stand ar d   0. 18   μm   CMO S te chno log y , ”   An alog  Int egr.   C irc uit s  Signal P roc ess. ,   vo l. 79, no.  3,   pp .   427 – 435 ,   2014.   [13]   T.   Huang ,   Y.  L in,   and  H .   W an g,   “ A  K - Band  Adapti ve - B ia s  Pow er  Am pli fie r  with  Enha n ce d  Li ne ari z er  Us in g  0. 18um   CMO S Proce ss , ”  pp .   4 – 6,   2015 .   [14]   S.  A.  Za inol   Mu rad ,   R.   K.  Pokha rel ,   H.  Kan a y a ,   K.  Yos hida ,   and  O.   Nizhni k,   “ A  2. 4 - GH z  0. 18 - μm   CM OS   Cla ss   E  single - end ed  sw it chi ng  power  am pli fier  with  a  sel f - bia sed  c asc ode , ”  AE U  -   Int .   J.   El e ct ron.  Comm un. ,   vol .   64,   no.   9,   pp .   813 – 818 ,   2010.   [15]   H.  Mos al am,  A.  Alla m ,   H.  Jia ,   A .   Abdelr ahman,   T.   Kaho ,   and  R .   Pokhare l,   “ A  12   to  24  GH z  high   eff icien c y   fully   int egr at ed   0. 18   µm   CMOS pow er  amplif ie r , ”   vo l.   13 ,   no .   14 ,   pp .   1 – 10,   2016 .   [16]   B.   Park,   D .   Jeo ng,   J.  Kim ,   Y.   Cho,   K.  Moon,   and  B.   Kim ,   “ H ighly   l ine ar   CMO S  power  amplifi er  for  m m - wave   appl i ca t ions,”  IE EE   MTT - S  Int .   Mic row.  S ymp.  Dig. ,   vol. 2016 – Augus ,   pp.   16 – 1 8,   2016 .   [17]   Y.  Huang,   R.   Zha ng,   and  C.   Shi,  “ A  fully - in te g rat ed  Ka - band  C MO S   power  am pli fier  with  Ps at   of  20  dB m   and  PA E  of  19%, ” in   2016  IE EE Int e rnational   Conf ere nce on  Ubiqu itous   Wirel ess B r oadband,   ICUW B  2016 ,   2016.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci     IS S N:  25 02 - 4752       Study  of CMO S po we r  am plif ie r d esi gn tec hniq ues  f or  k a - band  applicati ons   ( A.F  Has an )   817   [18]   S.  N.  Al i  e t  a l. ,   “ A  40  %  PA E  Freque nc y - Re co nfigura bl e  CMO S  Pow er  Am pli fie r  W it h   Tun able  Gat e  –   Drain   Neutr alization   fo r  28 - GH z  5G Radios , ”  pp .   1 – 15 ,   2018.   [19]   P.  Agarwal ,   P.   P.  Pande,   and  D.  Heo,   “ 25. 3  GH z,   4. 1  m W   VCO   with  34. 8%  tuni ng  ran g e   using  a  sw it ch ed  subs tra t e - shie ld  i nduct or,”  in  201 5  IEEE  MTT - S  I nte rnational   Mi c rowave  Symposi um,  IMS  2015 ,   2 015.       BIOGR AP HI ES OF  A UTH ORS         Ahm ad  Fariz   Hasan  rec eived  the  B  Eng.   degr e e  i n  El ectrical   Eng i nee ring  (T elec o m m unic at ion)  from   Univer siti   Te knologi   Ma lay sia ,   in  2007.   From   2007  ti ll   2010  he  serve s  as  Proce ss   and   Equi pm ent   eng i nee r  a t  Int el   M al a y si a.   He  then  obta in ed  his  M.E ng  in  2012   in  Elec tr ical  Engi ne eri ng  a t  Univer siti   T ekn ologi   Malay si a.   He  is  cur ren tly   pursuing  his  Ph d.   in  Elec tron ic  Engi ne eri n g  at   the   School  of  Microe l ec tron ic  Engi nee r ing,   Univer siti   Mal a y sia  Perl is.  His   rese arc h   intere st   inc lud es  the  ar ea s  of  design   o f  CMO S  Pow er   Am pli fie r,  Rad io  Ferque n c y   Inte gra te d  Cir cu it ,   In te rne t  of  T hings,  VLSI  Design,   and  Rad io  Freque nc y   for  m il li m eter  wave   appl i ca t ion.   He  has  publi shed  m an y   conf er enc e  proc ee d ings  as  well   as  journa l  pape rs  in  local  and  in te rna ti on al j ourna ls.           Ir.   Dr.  Sohifu l  Anuar  Zainol  M ura d  re ce iv ed  th e  B. E ng   degr ee   in  Elec t ronic  En gine er ing  from   Saga  Univer si t y,   Japa n ,   in  20 00,   th e  Mast er   of  Sci enc e   in   Elec tron ic  S y stems   Design   Engi ne eri ng  fro m   the   Malay si a   Scie nc e  Univ er sit y ,   Mal a y s ia  i n  2004  and  Ph D  in  elec t ronic s  from   Ky ushu  Univer sit y ,   Jap an   in  2011. Curre ntly   h e  is  a  senior  le ct ur er  in  the   School  of  Microe l ec tron ic   Engi ne eri ng,   Un ive rsiti   Ma lay sia   Perli s,Mal a y si a.  His  rese arc h  intere sts  inc lud e   el e ct roni c  ci r cui t s  design,   ana log   and  rad io  fre qu ency   integra te d  ci rcu it   design .   He  has  over   80   publi c at ions  inc l uding  journ al s  a nd  proc e edi ngs  publi shed  in  SC OP US   and  five   a ca demic   books.           Dr.  Khair ul   Naj m y   Abdul  R ani   rec e ive d  h is  B. S c.   in  E lectr i cal  ( El e ct roni c)  Enginee ring   from   the   Univer si t y   of  Miss ouri - Kansas  Cit y   (UM KC),  US A  in  1996  and  M.Sc.   in  Inform at ion  Te chno log y   fro m   the   Univer sit i   Utar a  Ma lay sia   (UU M)  in  2000,   and  Ph.D.  in  C om m unic at ions   Engi ne eri ng  fro m   the   Univer siti   Malay s ia   Perl is  (UniMA P)  in  2 015,   respe c ti ve l y .   Curr entl y ,   he   is  invol ving  in  t he  Bioele ct rom a gnet i cs  (BioE M)   Resea r ch  Group ,   UniMA P.  His  rese arc h   ar ea s  are   rad i o  fre que nc y   (RF),  m ic ro wave ,   m il li m e ter  wave ,   antenna   design,   fift h  ge ner ation  (5G)   comm unic at ions   and  be y ond,   m a ss ive   m ult ipl e  in put  m ult ipl e  out put  (MIM O)  sig nal   proc essing,   m ult i  user  d etec t ion  (MU D),  and   art if ic i al i nt el l i g enc e   (AI).           Dr.  Faizah  Abu   Baka r   was  bo rn  in  Se la ngor,   Malay si a  in   1 980.   She  r ecei v ed  her   B. Eng  (Com pute r  Enginee ring)   and  M. Eng  (Elec tri c al - El e ct roni c  and   T el e comm unic at i on  Engi ne eri ng )   from   Univer siti   Te knologi   Mal a y sia   in  2003   and   2008,   r espe ctiv ely .   She  th en  obt ai ned  h er  Ph.D  in  Microele c tron ic   Engi n ee r ing  f rom   Univer siti   Malay s ia   Per li s  in  2016.   Her  res ea rch   int er est  inc lud es  design  and  ana l y sis  of  ana log  and  dig ital  integra t ed  ci r cui ts.  She  has  publi shed  m a n y  conf ere n ce procee dings  as  wel l a s jour nal pa p ers in l o ca l   and   inter nat ion al   journa ls .           As soc.   Prof.  Dr  Tun  Za in al   Az ni  Zul kif li   re cei ved  the   B . Sc. ,   M.Sc. ,   and  D.Sc.   degr ee s  in  el e ct ri ca l  engi ne eri ng  from   shington   Univer sit y ,   St.  Loui s,  MO ,   US A,  in  1995,   1998,   and  2002,   respe ctively .   Pri or  to  1995 ,   h e  sp ent   two  y e ars  as  a  Product   Eng in ee r  wi th  NEC   Se m ic onduct ors   (M)S dnBhd,   wh ere   he  was  resp onsible   for  var i ous  produc ts  su ch  as  reg ulators  and  amplifiers.   He  completed  a ndco - lead  MP - 45G  li ne  tra nsfer   from   NEC  Fukui  to  Ma lay si a  i n  1994.   From   2002  to  2014,   he  was  with  Univer siti   Sains  Mal a y si a  leading  R FIC  Group  deve lopi ng  var ious  wire le ss   tr ansc e ive rs  for   UW B,   RF ID,  and   W CDM A  spec ifica lly .   He   was  a l so  invol ved   in   pursuing  s om e  d at a  conv erters  implementa ti on  a nd  FF T  deve lopment.   In  2005,   he  co - designed   succ essfull y   acti ve  RF ID  R F  Fr ont  End  spec ific al l y   LNA,  m ixers ,   and  bandga p   ref ere nc e  for   Jaa laa  Inc . ,   Lake  Forest,   CA,   US A.  Since   2014,   he  has  be en  with  Univer siti   Te knolog i  PE TRONA S,  w her e  h e  has  b een  leading  the   R FIC  Group.  To  dat e ,   he   has  ov e r  79  t ec hni cal   publi c at ions  and   succ essfull y   sup erv ised  four   Ph. D.  and   seve n   M. Sc.   c andi d at es     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.