RF PA를 출력 정격보다 낮게 쓰면 효율이 떨어지는 이유
PA가 peak 순간에 충분한 출력을 낼 수 있어도, 같은 회로로 보내는 변조 신호의 평균 출력은 훨씬 작을 수 있다. PA back-off는 이 peak 여유를 얻기 위해 출력을 기준점보다 낮게 쓰는 조건이다. 문제는 RF 평균 출력이 줄 때 DC 소비도 같은 비율로 줄어드는지다.
평균 출력으로는 순간의 peak를 알 수 없다
RF envelope의 peak power와 average power의 비를 PAPR로 표현한다. 여기서 peak는 carrier 한 주기 안의 전압 제곱 최대값이 아니라, 빠른 carrier를 평균한 envelope power의 최대값이다. 이 기준의 constant-envelope 신호는 PAPR가 0dB다.
PAPR 8dB인 신호는 envelope peak power가 평균의 10^(8/10)≈6.31배다. 평균 출력만 보고 PA를 고르면 이 peak가 압축되거나 clipping될 수 있다. ADI의 PA 설계 설명도 목표 average power에 signal의 peak-to-average ratio를 더해 peak capability를 정하도록 안내한다. ADI, Proper Transistor Line Up의 peak·average 조건
fixed DC power에서 back-off의 비용을 계산한다
가상의 PA가 선택한 선형성 목표를 만족하는 envelope peak power를 0.5W까지 허용한다고 하자. 이 0.5W는 계산의 reference이며 특정 부품의 P1dB나 saturated output과 같다고 놓지 않는다. 운용 범위에서 PA의 average DC power는 항상 2W라고 단순화한다.
constant-envelope 신호를 0.5W로 보내면 average RF output도 0.5W다. drain efficiency를 average RF output/DC input으로 정의하면 0.5/2=25%다. 여기에 PAPR 8dB 신호를 같은 허용 peak로 보내면 average output은 0.5/6.31≈0.0792W로 줄어든다. efficiency는 약 3.96%다.
두 신호의 peak는 같지만 평균에 해당하는 output back-off는 0dB와 8dB다. 두 번째 신호에 peak headroom 1dB를 더 두면 허용 실제 peak는 0.5/10^0.1≈0.397W가 된다. average는 0.5/10^0.9≈0.0629W, efficiency는 약 3.15%다. reference 대비 average back-off가 9dB로 커진 셈이다.
이 계산은 PA가 2W의 DC power를 유지한다는 가정에서 나온다. RF 출력이 8dB 줄어도 DC 전력을 그대로 쓰면 효율이 크게 낮아진다는 구조를 보여 준다. 0.5W peak가 모든 waveform의 허용 왜곡을 만족한다는 실측 결과나 보증은 아니다.
bias가 같다는 말과 DC 소비가 같다는 말도 구분한다
실제 PA는 bias 설정을 유지해도 RF drive와 waveform에 따라 average current가 달라질 수 있다. 그래서 fixed bias를 확인했다는 이유만으로 앞의 2W를 모든 output에 그대로 대입해서는 안 된다. 출력별 supply current와 실제 waveform의 average DC consumption을 측정해야 한다.
예를 들어 ADL5606 데이터시트는 P1dB와 함께 supply current를 별도 항목으로 다루고, 2140MHz·5V 조건에서 output power와 온도에 따른 current plot도 제공한다. 특정 current의 숫자를 다른 출력에 보편적으로 적용하기보다 이런 조건별 자료를 읽어야 한다. ADL5606 Rev C, 3–4쪽 Specifications와 12쪽 Figure 29
back-off에서의 효율 변화도 PA 구조에 따라 다르다. ADI는 Class AB와 Doherty의 효율 특성을 구분하고, Doherty가 back-off 영역의 효율을 높이기 위한 구조라고 설명한다. 따라서 이 가상 fixed-DC 계산을 모든 PA architecture의 수치 예측으로 확장할 수는 없다. ADI, Introduction의 Class AB·Doherty 구분
back-off를 결정할 때는 허용 peak, 원하는 average output, waveform PAPR와 DC power를 한 조건표에 놓는다. 그 operating point에서 실제 변조 신호의 품질도 확인한다. peak를 보존하기 위해 낮춘 평균 출력이 소비 에너지에 어떤 비용을 만드는지까지 계산해야, 큰 출력 정격이 곧 높은 운용 효율이라는 오해를 피할 수 있다.