PA (Power Amplifier)

1. 개요 (Overview)

PA란?
낮은 전력의 RF 신호를 고전력으로 증폭하여,
송신 안테나 또는 외부 부하(Load)에 전달하기 위한 능동 증폭 회로다.

• 일반적으로 수 mW 단위의 신호를 수 W 이상으로 증폭
• RF 통신, 레이다, 위성, TV 송신기 등 거의 모든 송신 시스템에서 필수

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2. 왜 PA가 필요한가?

• 신호 세기 문제: 변조기나 DAC에서 나온 신호는 출력 전력이 수 mW 이하 수준
• 전파 거리 문제: 이 정도 파워로는 안테나를 통해 유의미한 거리 송신 불가
• 효율/선형성 트레이드오프 해결: 강한 전력으로 쏘면서도 왜곡은 줄여야 함

→ PA는 송신 범위를 확보하기 위한 필수 요소이자, 시스템 전체 통신 성능을 결정짓는 핵심

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3. PA의 주요 역할

출력 전력 증폭	전송 신호의 전력을 안테나 송신 가능한 수준까지 증가
선형성 유지	왜곡 없이 증폭 → EVM, ACPR, Adjacent Channel Interference 최소화
효율 최적화	소비 전력 대비 방사 전력 최대화 → 발열/배터리 수명 개선

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4. PA 클래스 (Class A ~ F 등)

PA는 작동 방식과 효율/선형성 기준에 따라 다양한 클래스로 나뉨:

Class A	100% (풀사이클)	항상 켜져 있음	최고	낮음 (~30%)
Class B	50% (반 사이클)	2개 트랜지스터로 동작	중간	중간 (~50%)
Class AB	50~100% 사이	Class A+B 혼합	좋음	중간~좋음
Class C	<50%	짧은 시간만 켬	낮음	높음 (~70%)
Class D~F	디지털 방식 PWM	스위칭 방식	낮음~낮음	매우 높음 (~90%)
→ 주로 고속 디지털 RF용

• 통신 시스템에서는 보통 Class A, AB, FET 기반 Class F 등이 사용됨
  (선형성과 효율의 밸런스 필요)

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5. PA 출력단이 50Ω이 아닐 수 있는 이유

❗ “왜 PA 출력이 항상 50Ω이 아니냐?” → 현실적인 회로 구조 때문

이유 1. PA 트랜지스터는 보통 저임피던스 출력 특성을 가짐

• 예: 2~10Ω 이하
• 직접 50Ω 부하로 연결하면 전력 전달 효율 매우 낮음

이유 2. 임피던스 변환 매칭 네트워크 사용

• 출력단에는 반드시 **Matching Network (ex. LC 회로, 트랜스포머)**가 붙음
• 목적: PA의 저임피던스를 50Ω로 변환하여 최대 전력 전달 조건 만족

이유 3. Load-Pull 측정 기반으로 최적 임피던스를 설정

• PA는 “S-parameter 매칭”보다 실제 전력 효율에 맞춘 "Load-pull" 방식으로 최적화
• 이때 최적 부하(Zopt)는 50Ω이 아닐 수 있음 → 매칭 후 외부에 50Ω 환경 제공

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🔷 6. 참고 키워드 요약

• EVM (Error Vector Magnitude): PA의 선형성 지표
• ACPR (Adjacent Channel Power Ratio): 인접 채널 누설 전력
• VSWR (Voltage Standing Wave Ratio): 반사 손실 → 매칭 품질 척도
• P1dB / Psat / IP3: PA 성능 평가 핵심 파라미터