PA (Power Amplifier)

PA는 낮은 전력의 RF 신호를 고전력으로 증폭해 송신 안테나나 외부 부하로 전달하는 능동 증폭 회로로, 수 mW 수준의 신호를 수 W 이상으로 올려 RF 통신 레이다 위성 TV 송신기 등 거의 모든 송신 시스템에서 필수 요소다.

왜 PA가 필요한가의 핵심은 신호 세기 문제와 전파 거리이다. 변조기나 DAC에서 나온 신호는 출력 전력이 작아 거리 송신이 어렵고, 효율과 선형성의 트레이드오프를 해결하기 위해 강한 전력으로 보내면서도 왜곡은 최소화해야 한다. 따라서 PA는 송신 범위를 확보하고 시스템 전체 통신 성능을 좌우하는 핵심 부품으로 작용한다.

PA의 주요 역할은 두 가지다. 하나는 출력 전력을 증폭해 전송 신호를 안테나가 수용 가능한 수준으로 올리는 것이고, 다른 하나는 왜곡 없이 증폭해 EVM, ACPR 등 선형성 관련 지표를 관리하고, 효율을 최적화해 소비 전력 대비 방사 전력을 최대화하는 것이다. 이를 통해 발열과 배터리 수명을 관리하는 효과도 있다.

PA 클래스는 작동 방식과 효율·선형성의 차이에 따라 Class A에서 F까지 다양하게 분류된다. Class A는 100%로 항상 켜져 있어 선형성은 좋지만 효율이 낮고, Class B는 반 사이클 동작으로 효율이 개선된다. Class AB는 그 중간 정도의 특성을 가지며, Class C는 더 낮은 점유로 효율이 높은 편이다. 디지털 방식의 Class D~F는 PWM 등으로 스위칭하며 일반적으로 낮은 선형성과 높은 효율을 달성한다. 고속 디지털 RF용 시스템에서는 보통 Class A, AB, FET 기반 Class F 등이 사용되며 선형성과 효율의 균형이 필요하다.

PA 출력단이 50Ω이 아닐 수 있는 이유는 회로 구조의 현실성 때문이다. PA 트랜지스터는 보통 저임피던스 출력 특성으로 2~10Ω 이하의 임피던스를 갖고, 이를 그대로 50Ω 부하에 연결하면 전력 전달 효율이 크게 떨어진다. 따라서 임피던스 변환 매칭 네트워크가 반드시 필요하며, 출력단에는 LC 회로나 트랜스포머 같은 매칭 네트워크가 붙어 저임피던스를 50Ω로 변환해 최대 전력 전달 조건을 만족시킨다. 또한 Load-pull 측정 기반으로 최적 부하를 설정하면 최적 부하는 항상 50Ω이 아닐 수 있다. 매칭 후에는 외부 환경이 50Ω으로 구성되지만, 내부적으로는 실제 최적 부하를 고려한 설계가 이루어진다.

참고 키워드로는 EVM, ACPR, VSWR, P1dB, Psat, IP3가 있다. PA의 선형성 지표인 EVM, 인접 채널 누설 전력을 가리키는 ACPR, 반사 손실을 나타내는 VSWR, 성능 평가를 위한 주요 파라미터인 P1dB, Psat, IP3가 핵심이다.