KR100227782B1 - Gate voltage coltrol circuit dependent on input power in power amplifier - Google Patents

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Abstract

본 발명은 출력 전력이 입력 전력에 비례하는 원리를 이용하여 출력단 정합에 영향이 미치지 않도록 출력단에서 전력 레벨을 검출하지 않고, 입력단에서 입력 레벨을 검출하도록 함으로써, 출력단 정합과 출력 전력에 영향을 미치지 않고 게이트 전압을 용이하게 제어할 수 있는 게이트 전압 제어 회로에 관해 개시된다.The present invention does not affect the output stage matching and output power by detecting the input level at the input stage without detecting the power level so that the output stage does not affect the output stage matching using the principle that the output power is proportional to the input power. A gate voltage control circuit capable of easily controlling the gate voltage is disclosed.

Description

전력증폭기에서 입력 전력에 따른 게이트 전압 제어 회로Gate Voltage Control Circuit According to Input Power in Power Amplifier

본 발명은 이동통신 휴대 전화기용 전력 증폭기에서 효율과 선형성을 향상시키기 위하여, 입력 전력 레벨에 따라 게이트 전압이 변화되도록 한 게이트 전압 제어 회로에 관한 것이다.The present invention relates to a gate voltage control circuit for changing the gate voltage in accordance with the input power level in order to improve efficiency and linearity in a power amplifier for a mobile communication cellular phone.

본 발명은 이동통신 휴대 전화기용 고주파 전력 증폭기 분야로, 미약한 신호를 증폭하여 안테나로 송출하는 기능을 갖는다. 최근에 이동통신 시스템은 가압자 수요의 폭증으로 인하여 아날로그 방식에서 가입자 용량과 통화 품질을 향상시킬 수 있는 디지털 방식으로 전환되고 있다. 그런데, 디지털 방식에서 상호 변조 왜곡(intermodulation distortion: IMD)은 밴드내에서 데이터의 오율을 일으킬 뿐만 아니라 인접 채널에 간섭을 일으키게 된다. 따라서, 디지털 방식에서는 아날로그 방식보다 왜곡되지 않는 선형성을 요구한다. 선형성은 신호가 덜 찌그러지는 A급 증폭기를 사용하면 향상시킬 수 있으나, 효율이 AB급 전력 증폭기보다 25%이상 감소하여 많은 열을 발생시켜 주변 회로의 동작에 나쁜 영향을 주게 된다. 특히, 이러한 현상은 출력 전력 레벨이 낮을 때에 심각하게 된다. 이러한 문제점을 해결하고자 종래의 기술에서는 제1도와 같이 출력단에 저항(R1)과 다이오드(D1)을 달아 출력 전력을 분배시켜 캐패시터(C1)에 충전시키고, 충전시킨 전압과 외부에서 가한 전압(VGG)과의 차이를 저항(R3 및 R4)으로 분배시켜 게이트 전압을 조절하는 전압 제어회로(101)를 사용함으로써 효율과 선형성을 개선시키고자 하였다.The present invention is in the field of high-frequency power amplifier for mobile communication cellular phone, and has a function of amplifying a weak signal and transmitting it to an antenna. Recently, the mobile communication system has been shifted from the analog method to the digital method which can improve subscriber capacity and call quality due to the surge in the demand for pressurizer. However, in the digital method, intermodulation distortion (IMD) not only causes data error in a band but also interferes with adjacent channels. Therefore, the digital method requires more linearity than the analog method. Linearity can be improved by using a class A amplifier with less distorted signal, but the efficiency is reduced by more than 25% compared to a class AB power amplifier, which generates a lot of heat, adversely affecting the operation of the peripheral circuit. In particular, this phenomenon becomes severe when the output power level is low. In order to solve this problem, in the related art, by attaching a resistor R1 and a diode D1 to the output terminal as shown in FIG. 1, the output power is distributed and charged to the capacitor C1, and the charged voltage and the externally applied voltage VGG. In order to improve the efficiency and linearity by using the voltage control circuit 101 for controlling the gate voltage by dividing the difference between the resistors (R3 and R4).

이러한 종래 기술은 출력단에 다이오드(D1)을 추가함으로써 출력 전력에 따라 다이오드(D1)의 임피던스가 변하여 출력단의 정합점이 변하고, 출력 전력이 손실되어 설계가 어렵고, 효율과 선형성이 크게 개선되지 못하는 문제점이 있다. 두 개의 저항(R3 및 R4) 조합으로 전압이 분배되기 때문에 미세한 전압 조정이 복수의 조합으로 이루어져 전압 조정이 용이하지 않는 단점이 있다.In this conventional technology, by adding the diode D1 to the output terminal, the impedance of the diode D1 changes according to the output power, so that the matching point of the output terminal changes, the output power is lost, so that the design is difficult, and efficiency and linearity are not greatly improved. have. Since the voltage is divided by the combination of the two resistors R3 and R4, a fine voltage adjustment is made in a plurality of combinations, which makes it difficult to adjust the voltage.

즉, 기존의 전력증폭기에서의 문제점을 낮은 출력 레벨에서는 선형성은 만족시킬 수 있지만, 효율이 낮아 소비전력이 커지게 되고, 그에 따라 열이 많이 발생되어 휴대 전화기의 주변 회로가 오동작을 일으키게 된다. 또한, 높은 출력 전력 레벨에서는 상호 왜곡 변조(IMD)가 커져 데이터의 오율과 상호간섭을 일으키게 되는 단점이 있다.That is, the linear amplifier can satisfy the problems of the existing power amplifier at a low output level, but the efficiency is low and the power consumption is increased. Accordingly, a lot of heat is generated, causing the peripheral circuit of the mobile phone to malfunction. In addition, the high output power level has a disadvantage that the inter-modulation modulation (IMD) is increased to cause the error rate and the interference of the data.

따라서, 본 발명은 상기한 단점을 해결하기 위해 트랜지스터 다이오드(TD)를 사용한 전압 제어 회로를 이용하여 입력전력에 따라 게이트 전압이 자동으로 변화되도록 하므으로써, 효율과 선형성을 동시에 충족시킬 수 있는 전력증폭기에서 입력전력에 따른 게이트 전압 제어 회로를 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention uses a voltage control circuit using a transistor diode (TD) to solve the above disadvantages, so that the gate voltage is automatically changed according to the input power, power amplifier that can satisfy the efficiency and linearity at the same time To provide a gate voltage control circuit according to the input power in the purpose.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 게이트 전압 제어 회로는 입력 매칭 회로 및 출력 매칭 회로 간에 접속되는 전력 트랜지스터와, 상기 전력 트랜지스터의 게이트 전압을 조절하기 위해 상기 입력 매칭 회로의 출력단과 상기 전력 트랜지스터 입력단이 접속되는 노드에 접속되는 전압 제어 회로로 구성된 것을 특징으로 한다.The gate voltage control circuit according to the present invention for achieving the above object is a power transistor connected between an input matching circuit and an output matching circuit, an output terminal of the input matching circuit and the power transistor to adjust the gate voltage of the power transistor And a voltage control circuit connected to the node to which the input terminal is connected.

또한, 입력 매칭 회로 및 출력 매칭 회로 간에 접속되는 전력 트랜지스터와, 상기 트랜지스터의 게이트 전압을 조절하기 위해 상기 입력 매칭 회로와 병렬로 접속되는 전압 제어 회로로 구성된 것을 특징으로 한다.In addition, a power transistor connected between an input matching circuit and an output matching circuit, and a voltage control circuit connected in parallel with the input matching circuit to adjust the gate voltage of the transistor.

본 발명은 출력 전력이 입력 전력에 비례하는 원리를 이용하여 출력단 정합에 영향이 미치지 않도록 출력단에서 전력 레벨을 검출하지 않고, 입력단에서 입력 레벨을 검출하도록 함으로써, 출력단 정합과 출력 전력에 영향을 미치지 않고 게이트 전압을 용이하게 제어하는 것이 가능하다.The present invention does not affect the output stage matching and output power by detecting the input level at the input stage without detecting the power level so that the output stage does not affect the output stage matching using the principle that the output power is proportional to the input power. It is possible to easily control the gate voltage.

제1도는 종래의 게이트 전압 제어 회로도.1 is a conventional gate voltage control circuit diagram.

제2도는 본 발명에 따른 전력증폭기에서 입력 전력에 따른 게이트 전압 제어 회로도.2 is a gate voltage control circuit diagram according to input power in a power amplifier according to the present invention.

제3도는 본 발명에 따른 또 다른 게이트 전압 제어 회로도.3 is another gate voltage control circuit diagram in accordance with the present invention.

제4도는 제3도의 입력전력에 따른 게이트 제어전압과 소비전력을 나타낸 그래프.4 is a graph showing gate control voltage and power consumption according to the input power of FIG.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings

1, 11, 21 : 입력매칭 회로(Input matching circuit)1, 11, 21: Input matching circuit

2, 12, 22 : 출력 매칭 회로(Output matching circuit)2, 12, 22: Output matching circuit

3, 13, 23 : 전력 트랜지스터(Power FET)3, 13, 23: Power FET

10, 20, 101 : 전압 제어 회로10, 20, 101: voltage control circuit

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

제2도는 본 발명에 따른 전력증폭기에서 입력 전력에 따른 게이트 전압 제어 회로도이다. 입력 매칭 회로(11)와 출력 매칭 회로(12) 사이에 전력 트랜지스터(power FET)(13)가 접속되고, 입력 매칭 회로(11)의 출력단과 전력 트랜지스터(13)의 입력단이 접속되는 노드(K1)에는 상기 전력 트랜지스터(13)의 게이트 전압을 조절하기 위한 전압 제어회로(10)가 접속된다.2 is a gate voltage control circuit diagram according to input power in the power amplifier according to the present invention. A node K1 to which a power FET 13 is connected between the input matching circuit 11 and the output matching circuit 12, and an output terminal of the input matching circuit 11 and an input terminal of the power transistor 13 are connected. ) Is connected to a voltage control circuit 10 for adjusting the gate voltage of the power transistor 13.

전력증폭기의 전력 트랜지스터(power FET)(13)의 입력측(게이트)에 병렬로 트랜지스터(TD)와 입력단 임피던스에 영항을 미치지 않는 임피던스 비가 10:1 이상인 저항(R5)를 결합한다. 게이트 전압 제어용 트랜지스터(TD)의 게이트에는 효율을 좋게 하기 위하여 AB급의 동작전압인 음전압(VGG)를 인가한다. 전력 레벨이 낮을 경우에는 입력 신호의 진폭이 작기 때문에 신호의 찌그러짐이 없어 AB급으로도 선형성을 만족시킬 수 있고 효율도 향상시킬 수 있다. 트랜지스터(TD)의 게이트로 인가한 음전압(VGG)은 트랜지스터(TD)를 오프(off) 시킨 상태의 게이트-소오스간 전압이 되어 전력 트랜지스터(13)로 인가된다. 입력전력의 레벨이 점차 높아지면 저항(R5)을 통해 들어오는 신호의 진폭이 커져 트랜지스터(TD)를 온(on) 시키게 되어 트랜지스터(TD)의 드레인-소오스간에 전류가 흐르게 된다. 전류가 흐르면 저항(R5)에서 전압강하가 일어나 전력 트랜지스터(13)의 게이트에 걸리는 전압은 양의 방향으로 높아진다. 즉, 적력 레벨이 증가하면, 그에 따라 신호의 진폭이 커져 저항(R5)에 의한 전압강하가 그에 비례하게 되고, 전력 트랜지스터(13)에 걸리는 전압은 양의 방향으로 높아져 A급 동작점으로 진행하게 된다. 이렇게 되면 높은 출력전력 레벨에서 신호가 찌그러짐이 없어 선형성을 만족하게 된다. 이것을 입력 전력에 따라 나타낸 것이 제4도로서 점선(A)으로 나타낸 것이 전력 트랜지스터(13)에 가해지는 전압이다. 실선(B)으로 나타낸 것이 전력 트랜지스터(13)에서 소비되는 전력으로, 낮은 입력 전력 레벨에서는 소비전력이 작아 종래에 문제되었던 열 발생이 없음을 알 수 있다. 또한, 전력 레벨이 증가해도 열 발생이 1W 대로 포화되는데 이것은 아날로그 방식에서 효율이 가장 좋은 때의 소비전력과 같은 수준이다.In parallel with the input side (gate) of the power FET 13 of the power amplifier, a transistor TD and a resistor R5 having an impedance ratio of at least 10: 1 that does not affect the input terminal impedance are coupled. A negative voltage VGG, which is an AB class operating voltage, is applied to the gate of the gate voltage control transistor TD in order to improve efficiency. When the power level is low, since the amplitude of the input signal is small, there is no signal distortion, so the linearity can be satisfied even in the AB class, and the efficiency can be improved. The negative voltage VGG applied to the gate of the transistor TD becomes a gate-source voltage in a state in which the transistor TD is turned off and is applied to the power transistor 13. As the level of the input power gradually increases, the amplitude of the signal coming through the resistor R5 increases, thereby turning on the transistor TD so that current flows between the drain and the source of the transistor TD. When a current flows, a voltage drop occurs in the resistor R5, and the voltage applied to the gate of the power transistor 13 increases in a positive direction. That is, when the force level increases, the amplitude of the signal increases accordingly, and the voltage drop caused by the resistor R5 becomes proportional thereto, and the voltage applied to the power transistor 13 increases in the positive direction to proceed to the Class A operating point. do. This ensures that the signal is not distorted at high output power levels to satisfy linearity. This is shown in accordance with the input power and the dotted line A in FIG. 4 is the voltage applied to the power transistor 13. The solid line B is the power consumed by the power transistor 13, and it can be seen that at low input power levels, power consumption is small and there is no heat generation that has been a problem in the past. Also, as the power level increases, heat generation saturates to 1W, which is the same as the power consumption at the best efficiency in the analog system.

제3도는 본 발명에 따른 전력증폭기에서 입력 전력에 따른 게이트 전압 제어 회로의 또 다른 실시예이다. 입력 매칭 회로(21)와 출력 매칭 회로(22) 사이에 전력 트랜지스터(23)가 접속되고, 입력 매칭 회로(21)와 병렬로 상기 전력 트랜지스터(23)의 게이트 전압을 조절하기 위한 전압 제어회로(20)가 접속된다.3 is another embodiment of a gate voltage control circuit according to input power in a power amplifier according to the present invention. The power transistor 23 is connected between the input matching circuit 21 and the output matching circuit 22, and a voltage control circuit for adjusting the gate voltage of the power transistor 23 in parallel with the input matching circuit 21 ( 20) is connected.

입력 매칭 회로(21)의 입력단에 저항(R6)과 다이오드(D2)를 접속하여 입력전력을 분배시켜 캐패시터(C2)에 충전시키고, 충전시킨 전압과 외부에서 가한 전압(VGG)과의 차이를 저항(R8 및 R9)으로 분배시켜 게이트 전압을 조절하는 전압 제어 회로(20)를 사용함으로써, 낮은 전력 레벨에서는 효율을 향상시키고, 높은 전력 레벨에서는 선형성을 향상시킬 수 있다.The resistor R6 and the diode D2 are connected to the input terminal of the input matching circuit 21 to distribute the input power to charge the capacitor C2, and to resist the difference between the charged voltage and the externally applied voltage VGG. By using the voltage control circuit 20 which divides into (R8 and R9) and adjusts the gate voltage, the efficiency can be improved at a low power level and the linearity can be improved at a high power level.

상술한 바와 같이 본 발명은 입력전력에 따라 전력 트랜지스터(power FET)에 가해지는 게이트 전압을 조절 함으로써, 기존의 휴대 전화기용 전력증폭기에서 발생되는 낮은 출력 전력 레벨에서의 큰 소비 전력으로 인한 열 발생을 줄였으며, 높은 출력 전력 레벨에서는 신호의 왜곡이 적도록 하여 선형성을 향상시킬 수 있는 탁월한 효과가 있다. 또한, 입력 전력에 따라 게이트 전압을 제어하기 때문에 출력단의 정합에 영향이 없으며, 출력 손실도 적어 전력증폭기 설계를 용이하게 되며, 효율을 향상시킬 수 있다.As described above, the present invention adjusts the gate voltage applied to the power FET according to the input power, thereby preventing heat generation due to large power consumption at a low output power level generated in a conventional power amplifier for a mobile phone. At higher output power levels, there is an excellent effect of improving the linearity with less distortion of the signal. In addition, since the gate voltage is controlled according to the input power, there is no influence on the matching of the output stage, and the output loss is small, thereby facilitating the design of the power amplifier and improving the efficiency.

Claims (2)

입력 매칭 회로 및 출력 매칭 회로 간에 접속되는 전력 트랜지스터와, 상기 전력 트랜지스터의 게이트 전압을 조절하기 위해 상기 입력 매칭 회로의 출력단과 상기 전력 트랜지스터 입력단이 접속되는 노드에 어느 한 단자가 접속되는 저항과, 상기 저항의 다른 한 단자에 접속되며, 음전압을 입력으로 하는 게이트 전압 제어용 트랜지스터를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 전력증폭기에서 입력 전력에 따른 게이트 전압 제어 회로.A power transistor connected between an input matching circuit and an output matching circuit, a resistor to which one terminal is connected to an output terminal of the input matching circuit and a node to which the power transistor input terminal is connected to adjust a gate voltage of the power transistor, A gate voltage control circuit according to input power in a power amplifier, comprising a gate voltage control transistor connected to the other terminal of the resistor and having a negative voltage as an input. 입력 매칭 회로 및 출력 매칭 회로 간에 접속되는 전력 트랜지스터와, 상기 트랜지스터의 게이트 전압을 조절하기 위해 상기 입력 매칭 회로와 병렬로 접속되는 전압 제어 회로로 구성되되, 상기 전압 제어 회로는 입력 매칭회로와 병렬로 접속되어 전압을 분배하도록 하는 저항 및 다이오드와, 상기 저항 및 다이오드에 의해 분배된 전압을 충전하도록 하는 캐패시터와, 상기 캐패시터에 충전된 전압과 외부에서 인가되는 음전압과의 차이를 분배하도록 하는 다수의 저항을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 전력증폭기에서 입력 전력에 따른 게이트 전압 제어 회로.A power transistor connected between an input matching circuit and an output matching circuit, and a voltage control circuit connected in parallel with the input matching circuit to regulate a gate voltage of the transistor, wherein the voltage control circuit is in parallel with the input matching circuit. Resistors and diodes connected to divide the voltage, capacitors for charging the voltage distributed by the resistors and diodes, and a plurality of capacitors for distributing the difference between the voltage charged in the capacitors and the negative voltage applied externally. Gate voltage control circuit according to the input power in the power amplifier characterized in that it comprises a resistor.
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