KR100270370B1 - 전력증폭장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

듀얼모드 무선 통신장치의 전력증폭장치가, 입력매칭부, 증폭소자 및 출력매칭부로 구성되며, 출력매칭부가 증폭소자의 출력단과 부하 사이에 인덕터와 직렬 구성의 바렉터 다이오드 및 캐패시터가 병렬 연결되는 제1공진회로와, 제1공진회로의 출력단과 접지단 사이에 인덕터와 바렉터 다이오드가 병렬 연결되는 제2공진회로를 구비하며, 에엠피에스 모드의 제어전압 인가시 제1공진회로 및 제2공진회로가 바렉터 다이오드에 의해 병렬 공진회로로 동작되어 클래스 에프 급의 전력증록기로 동작되며, 씨디엠아이 모드의 제어전압 인가시 바렉터 다이오드에 의해 제1공진회로가 캐패시터로 동작되고 제2공진회로가 인덕터로 동작되어 클래스 에이비 급의 전력증폭기로 동작된다.

Description

전력 증폭장치 및 방법

본 발명은 무선 송신장치의 전력증폭장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 듀얼모드를 채택하는 무선 송신장치의 전력증폭장치 및 방법에 관한 것이다.

현재 CDMA(Code Division Multiple Access) 방식과 AMPS 방식을 동시에 사용할 수 있는 셀룰라 단말기들이 출현하고 있다. 상기와 같은 듀얼모드(dual mode) 방식을 채용한 셀룰라 단말기에서 사용되는 전력증폭기(power amplifier)는 클래스 에이비(class AB)에서 동작하는 증폭기이다. 상기 클래스 AB의 전력증폭기를 CDMA 모드에서 동작시킬 경우, 실제 동작하는 평균 전력을 최대 가용 전력보다 약 3~4dB 정도 낮춰서 동작을 시켜 QPSK(Quadrature Phase Shift Keying) 변조된 신호의 왜곡을 적게한다. 또한 상기 클래스 AB의 전력증폭기를 AMPS 모드에서 동작시킬 경우, 전력증폭기를 포화 영역에서 동작시키므로서 증폭기의 최대 가용 전력을 다 사용할 수 있도록 설계한다. 이와 같은 이유로 듀얼모드 셀룰라 단말기에 사용되는 전력증폭기는 CDMA 모드에서는 약 30%, AMPS 모드에서는 약50% 정도의 효율을 얻고 있다.

도 1 및 도 2는 종래의 클래스 AB급 전력증폭기의 구성을 도시하고 있다.

상기 도 1과 같은 구성을 갖는 전력증폭기에서, 캐패시터101 및 103과 인덕터105는 입력 임피던스 매칭 기능을 수행하고, 저항107은 바이어스용 이며, 캐패시터109 및 111은 AC 접지용 캐패시터이고, 트랜지스터117은 증폭용 소자이며, 인덕터113과 캐패시터115, 119 및 121은 출력 임피던스 매칭 기능을 수행한다. 상기 도 1과 같은 구성을 갖는 전력증폭기는 입력신호가 증폭용 소자인 트랜지스터117에 인가되면, 상기 트랜지스터117은 입력되는 신호를 증폭하여 부하저항123에 전달한다. 도 2와 같은 종래의 또 다른 전력증폭기는 상기 도 1의 구성과 출력 임피던스 매칭부 구성을 다르게 하며, 동작은 상기 도 1과 동일하게 수행된다.

상기 도 1 및 도 2와 같은 구성을 갖는 전력증폭기를 클래스 AB로 동작시키면, 약간의 선형성은 보장되지만 전력 효율면에 좋지 않다. 또한 클래스 AB로 설게된 전력증폭기를 AMPS에 이용하여 전력증폭기의 포화 영역에서 동작시키더라도 그 효율이 양호하지 않다. 실제 상기 도 1 및 도 2와 같은 구성을 갖는 전력증폭기를 상용화하면, CDMA 모드에서는 약 30%의 효율을 갖고, AMPS 모드에서는 약 50%의 효율을 갖는 문제점이 있었다.

따라서 본 발명의 목적은 듀얼 모드 방식을 채택하는 무선 송수신장치에서 효율을 개선할 수 있는 전력증폭장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 듀얼 모드 방식을 채택하는 무선 송수신장치에서 CDMA 모드에서는 클래스 AB로 동작시키고 AMPS 모드에서는 출력 매칭을 클래스 F로 동작시켜 효율을 개선할 수 있는 전력증폭장치 및 방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 듀얼모드 무선통신장치의 전력증폭기가, 입력매칭부, 증폭소자 및 출력매칭부로 구성되며, 상기 출력매칭부가 상기 증폭소자의 출력단과 부하 사이에 인덕터와 직렬 구성의 바렉터 다이오드 및 캐패시터가 병렬 연결되는 제1공진회로와, 상기 제1공진회로의 출력단과 접지단 사이에 인덕터와 바렉터 다이오드가 병렬 연결되는 제2공진회로를 구비하며, 에엠피에스 모드의 제어전압 인가시 상기 제1공진회로 및 제2공진회로가 상기 바렉터 다이오드에 의해 병렬 공진회로로 동작되어 클래스 에프 급의 전력증록기로 동작되며, 씨디엠아이 모드의 제어전압 인가시 상기 바렉터 다이오드에 의해 상기 제1공진회로가 캐패시터로 동작되고 상기 제2공진회로가 인덕터로 동작되어 클래스 에이비 급의 전력증폭기로 동작되는 것을 특징으로 한다.

도 1은 종래의 전력증폭기 구성을 도시하는 도면

도 2는 종래의 또 다른 전력증폭기 구성을 도시하는 도면

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전력증폭기의 구성을 도시하는 도면

도 4는 상기 도 3과 같은 구성을 갖는 전력증폭기의 클래스 에프의 등가회로를 도시하는 도면

도 5는 상기 도 3과 같은 구성을 갖는 전력증폭기의 클래스 에이비의 등가회로를 도시하는 도면

도 6은 전력증폭기에서 병렬 공진주파수가 높아질 경우의 임피던스 특성을 도시하는 도면

도 7은 전력증폭기에서 병렬 공진주파수가 낮아질 경우의 임피던스 특성을 도시하는 도면

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력증폭기의 구성을 도시하는 도면

도 9는 상기 도 8과 같은 구성을 갖는 전력증폭기의 클래스 에이비의 등가회로를 도시하는 도면

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전력증폭기의 구성을 도시하는 도면으로, 입력노드N1과 노드N2 사이에 캐패시터101이 연결되고, 전원전압단Vcc와 노드N2 사이에 바이어스 조정용 저항107과 입력 매칭용 인덕터105가 직렬 연결되며, 상기 노드N2와 접지단 사이에 캐패시터103이 연결되고, 상기 전원전압단Vcc와 접지단 사이에 AC 접지용 캐패시터109가 연결되며, 상기 저항107과 접지단 사이에 AC 접지용 캐패시터109가 연결된다. 상기 구성에서 캐패시터101, 103 및 인덕터105는 입력신호의 임피던스 매칭 기능을 수행한다.

트랜지스터117은 베이스 전극이 상기 노드N2에 연결되고 컬렉터 전극이 노드N3에 연결되며 이미터 전극이 접지단에 연결된다. 상기 트랜지스터117은 상기 노드N2에 입력되는 신호를 증폭하는 증폭용 소자이다.

인덕터301은 RF 초크(RF choke)로서, 상기 전원전압단Vcc와 노드N3 사이에 연결되며, 상기 노드N3에 DC 전압을 공급하고 AC 전압은 차단하는 기능을 수행한다. 노드N3과 노드N11 사이에 캐패시터303이 연결되고, 상기 노드N11과 제어전압단 사이에 저항317이 연결되며, 상기 노드N11과 노드N13 사이에 인덕터305가 연결되고, 상기 노드N11과 노드N12 사이에 바리캡 다이오드319가 연결되며, 상기 노드N12와 노드N13 사이에 캐패시터309가 연결되고, 상기 노드N12와 기준전압단 사이에 저항319가 연결되며, 상기 노드N13과 접지단 사이에 바리캡 다이오드311 및 인덕터313이 병렬연결되고, 상기 노드N13과 노드N4 사이에 캐패시터315가 연결된다.

상기 출력매칭부의 구성에서 인덕터305, 바렉터 다이오드307, 캐패시터309는 제1공진회로가 되며, 바렉터 다이오드311 및 인덕터313은 제2공진회로가 된다. 상기와 같은 구성을 본 발명의 실시예에 따라 클래스 AB 및 클래스 F 전력증폭기의 출력 매칭 기능을 수행하는 구성이 된다.

상기 출력매칭부가 클래스 F로 동작하기 위하여, 상기 인덕터305와 바리캡 다이오드307, 캐패시터309는 병렬 공진하며 이때의 병렬 공진주파수는 출력 주파수의 2배 또는 3배의 주파수로 맞추고, 상기 바리캡 다이오드311과 인덕터313은 기본주파수에 공진되도록 설계한다. 상기 출력 매칭부는 제어전압Vctl과 제1공진부 및 제2공진부를 구성하는 바리캡 다이오드에 의해 클래스 AB 또는 클래스 F의 출력 매칭 기능을 수행하게 된다.

상기 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전력증폭기는 일반적인 전력증폭기의 구성에서 증폭용 소자인 트랜지스터117의 입력매칭부를 그대로 사용한다. 그러나 출력매칭부에 바리캡 다이오드307 및 311을 사용하며, 제어전압Vctl에 의해 상기 바리캡 다이오드307 및 311의 캐패시턴스를 변화시키므로서, CDMA 모드에서는 도 5와 같은 클래스 AB급의 전력증폭기로 구동하고 AMPS 모드에서는 도 4와 같이 클래스 F급의 전력증폭기로 구동하므로써, 듀얼모드를 사용하는 무선통신장치의 전력증폭기 효율을 개선한다.

도 4는 상기 도 3과 같은 구성을 갖는 전력증폭기를 클래스 F 급으로 동작시키는 경우의 등가회로를 도시하고 있다. 상기 도 4와 같은 클래스 F 급의 증폭기 효율은 도 4의 인덕터L1 및 C1에 의한 공진주파수가 기본 주파수의 3배이면 전력증폭기가 이상적으로 동작할 경우 약 88.4%이고, 공진주파수가 기본주파수의 2배이면 전력증폭기가 이상적으로 동작할 경 약 84.9%이다.[ "An Introducution to Class-F Power Amplifiers", Frederick H. Raab, Ph.D., RF Design, pp 79-84, may, 1996]

도 5는 상기 도 3과 같은 구성을 갖는 전력증폭기를 클래스 AB 급으로 동작시키는 경우의 등가회로를 도시하고 있다. 도 6은 상기 도 3과 같은 구성을 갖는 전력증폭기에서 병렬 공진주파수가 높아질 경우의 임피던스 특성을 도시하고 있으며, 도 7은 상기 도 3과 같은 구성을 갖는 전력증폭기에서 병렬 공진주파수가 낮아질 경우의 임피던스 특성을 도시하고 있다.

상기 도 3과 같은 전력증폭기의 동작을 살펴보면, 출력매칭부에서 인덕터301은 RF 초크로서 DC를 공급하고 AC는 통과시키지 않는다. 상기 전력증폭기가 클래스 F 급으로 동작할 경우, 인덕터305와 바리캡 다이오드307, 캐패시터309는 도 4의 인덕터L1 및 캐패시터C1과 등가적인 구성이 되어 병렬 공진을 하게된다. 이때 상기 인덕터L1 및 캐패시터C1의 병렬 공진주파수는 출력주파수의 2배 또는 3배의 주파수에 맞춘다. 또한 바리캡 다이오드311과 인덕터313은 도 4의 캐패시터C2 및 인덕터L2와 등가적인 구성이되며, 이때의 공진주파수는 기본주파수에 공진되게한다. 상기와 같이 동작되도록 하면, 상기 도 3과 같은 전력증폭기는 도 4와 같은 클래스 F 급의 전력증폭기 구성과 등가적인 구성이 되며, 상기 전력증폭기는 클래스 F 급 증폭기로 동작되어 AMPS 모드에서 증폭 효율을 높일 수 있다.

또한 상기 도 3과 같은 전력증폭기에서 제어전압Vctl을 높이면, 상기 바리캡 다이오드307의 양단에 걸리는 전압은 낮아지고, 상기 바리캡 다이오드311의 eideks에 걸리는 전압은 높아진다. 상기 바리캡 다이오드307 및 311은 양단에 걸리는 전압이 높아지면 등가 캐패시턴스가 작아지는 특성을 갖는다. 그러므로 상기 제어전압Vctl이 커지면, 인덕터305와 바리캡 다이오드307 및 캐패시터309에 의해 발생되는 병렬 공진의 임피던스 특성은 도 7과 같이 병렬 공진주파수가 f1에서 f2로 낮아지며, 이로인해 동작주파수에서 상기 병진 공진회로는 도 5에 도시된 바와 같이 하나의 캐패시터501로 동작한다. 그리고 상기 인덕터313과 바리캡 다이오드311에 의해 병렬 공진주파수는 바리캡 다이오드311의 양단 전압이 높아져, 병렬 공진주파수는 도 6에 도시된 바와 같이 f3에서 f4로 높아지며, 이로인해 하나의 인덕터503으로 동작한다.

따라서 상기 도 3과 같은 구성을 갖는 전력증폭기에서 제어전압Vctl을 높이면 도 5와 같은 클래스 AB 급의 전력증폭기와 등가적인 구성이되며, 이런 경우 CDMA 모드에서 전력 효율을 개선할 수 있다.

상기한 바와 같이 도 3과 같이 전력증폭기가 입력매칭부, 증폭소자, 출력매칭부로 구성되며, 상기 출력매칭부가 증폭소자117의 출력단과 부하123 사이에 연결되는 제1공진회로와 상기 제1공진회로의 출력단과 접지단 사이에 연결되는 제2공진회로를 구비하고, 상기 제1 및 제2공진회로가 각각 병렬 구성의 인덕터 및 바리캡 다이오드로 구성되는 경우, 상기 출력매칭부에 공진주파수를 가변하기 위한 제어전압Vctl을 CDMA 모드 또는 AMPS 모드에 따라 가변하면 상기 전력증폭기는 클래스 AB 급 또는 클래스 F 급의 증폭기로 구동된다. 상기한 바와 같이 본 발명의 제1실시예에 따른 도 3과 같은 구성의 전력증폭기는 CDMA 모드에서 클래스 AB 급 증폭기로 동작하고, AMPS 모드에서 클래스 F 급 증폭기로 동작하여 증폭기의 효율을 향상시킬 수 있다.

도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 전력증폭기의 구성을 도시하고 있다. 상기 도 8의 구성을 살펴보면,

입력노드N1과 노드N2 사이에 캐패시터101이 연결되고, 전원전압단Vcc와 노드N2 사이에 바이어스 조정용 저항107과 입력 매칭용 인덕터105가 직렬 연결되며, 상기 노드N2와 접지단 사이에 캐패시터103이 연결되고, 상기 전원전압단Vcc와 접지단 사이에 AC 접지용 캐패시터109가 연결되며, 상기 저항107과 접지단 사이에 AC 접지용 캐패시터109가 연결된다. 상기 구성에서 캐패시터101, 103 및 인덕터105는 입력신호의 임피던스 매칭 기능을 수행한다.

트랜지스터117은 베이스 전극이 상기 노드N2에 연결되고 컬렉터 전극이 노드N3에 연결되며 이미터 전극이 접지단에 연결된다. 상기 트랜지스터117은 상기 노드N2에 입력되는 신호를 증폭하는 증폭용 소자이다.

인덕터301은 RF 초크(RF choke)로서, 상기 전원전압단Vcc와 노드N3 사이에 연결되며, 상기 노드N3에 DC 전압을 공급하고 AC 전압은 차단하는 기능을 수행한다. 노드N3과 노드N11 사이에 캐패시터303이 연결되고, 상기 노드N11과 제어전압단 사이에 저항813이 연결되며, 상기 노드N11과 노드N13 사이에 인덕터801과 캐패시터803이 직렬 연결되고, 상기 노드N11과 노드N13 사이에 바리캡 다이오드319가 병렬 연결된다. 또한 상기 노드N12와 기준전압단 사이에 저항815가 연결되며, 상기 노드N13과 접지단 사이에 바리캡 다이오드807 및 인덕터809가 병렬연결되고, 상기 노드N13과 노드N4 사이에 캐패시터811이 연결된다. 상기와 같은 구성을 본 발명의 제2실시예에 따라 클래스 AB 및 클래스 F 전력증폭기의 출력 매칭 기능을 수행하는 구성이 된다.

상기 도 8과 같은 구성을 갖는 전력증폭기는 상기 도 3과 같은 구성을 갖는 전력증폭기의 동작 원리와 동일하다. 다만 바리캡 다이오드805의 방향이 상기 바리캡 다이오드307의 방향과 반대이고, 상기 제어전압Vctl과 기준전압Vref의 입력 포트가 다르다. 상기 도 8과 같은 전력증폭기가 클래스 F 급으로 동작할 시의 등가회로는 상기 도 4와 동일하다. 상기 제어전압Vctl에 의해 상기 전력증폭기와 도 4와 같은 클래스 F급으로 동작할 수 있다. 상기 제어전압Vctl을 크게하면 상기 도 8과 같은 구성의 전력증폭기는 도 9와 같은 클래스 AB 급의 증폭기로 동작하게 된다. 따라서 상기 도 8과 같은 전력증폭기도 상기 제어전압Vctl의 가변에 따라 클래스 F 급 또는 클래스 AB 급으로 변환이 가능하다. 그러므로 듀얼모드를 사용하는 통신장치에서 상기 제어전압Vctl을 조정하여, CDMA 모드시 클래스 AB 급으로 동작시키고 AMPS 모드시 클래스 F 급으로 동작시키면 증폭기의 효율을 높일 수 있다.

본 발명의 실시예에서는 클래스 F 급에서 클래스 AB 급으로 변환하는 예를 들어 설명하였으나, 클래스 AB 급으로 동작하는 상태에서 상기 제어전압Vctl를 작게하면 클래스 F 급으로 변환되며, 이런 동작은 상기의 내용에서 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 전력증폭기는 제어전압Vctl에 의해 바리캡 다이오드의 캐패시턴스를 변화시킬 수 있으며, 이로인해 CDMA 모드에서는 전력증폭기를 클래스 AB 급으로 동작시키고 AMPS 모드에서는 클래스 F 급으로 동작시키므로서, 듀얼 모드를 사용하는 무선통신장치의 증폭 효율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

Claims (3)

1. 전력증폭장치에 있어서,

   입력매칭부, 증폭소자 및 출력매칭부로 구성되며, 상기 출력매칭부가 상기 증폭소자의 출력단과 부하 사이에 인덕터와 직렬 구성의 바렉터 다이오드 및 캐패시터가 병렬 연결되는 제1공진회로와, 상기 제1공진회로의 출력단과 접지단 사이에 인덕터와 바렉터 다이오드가 병렬 연결되는 제2공진회로를 구비하며,

   에엠피에스 모드의 제어전압 인가시 상기 제1공진회로 및 제2공진회로가 상기 바렉터 다이오드에 의해 병렬 공진회로로 동작되어 클래스 에프 급의 전력증록기로 동작되며, 씨디엠아이 모드의 제어전압 인가시 상기 바렉터 다이오드에 의해 상기 제1공진회로가 캐패시터로 동작되고 상기 제2공진회로가 인덕터로 동작되어 클래스 에이비 급의 전력증폭기로 동작되는 것을 특징으로 하는 듀얼모드 무선통신장치의 전력증폭장치.
2. 전력증폭장치에 있어서,

   입력매칭부, 증폭소자 및 출력매칭부로 구성되며, 상기 출력매칭부가 상기 증폭소자의 출력단과 부하 사이에 직렬 구성의 인덕터 및 캐패시터와 바렉터 다이오드가 병렬 연결되는 제1공진회로와, 상기 제1공진회로의 출력단과 접지단 사이에 인덕터와 바렉터 다이오드가 병렬 연결되는 제2공진회로를 구비하며,

   에엠피에스 모드의 제어전압 인가시 상기 제1공진회로 및 제2공진회로가 상기 바렉터 다이오드에 의해 병렬 공진회로로 동작되어 클래스 에프 급의 전력증록기로 동작되며, 씨디엠아이 모드의 제어전압 인가시 상기 바렉터 다이오드에 의해 상기 제1공진회로 및 상기 제2공진회로가 인덕터로 동작되어 클래스 에이비 급의 전력증폭기로 동작되는 것을 특징으로 하는 듀얼모드 무선통신장치의 전력증폭장치.
3. 입력매칭부와, 증폭소자와, 상기 증폭소자의 출력단과 부하 사이에 인덕터와 직렬 구성의 바렉터 다이오드가 병렬 연결되는 제1공진회로 및 상기 제1공진회로의 출력단과 접지단 사이에 인덕터와 바렉터 다이오드가 병렬 연결되는 제2공진회로를 구비하는 출력매칭부를 구비하는 전력증폭장치의 제어방법에 있어서,

   에엠피에스 모드의 제어전압 인가시 상기 제1공진회로 및 제2공진회로가 상기 바렉터 다이오드에 의해 병렬 공진회로로 동작되어 클래스 에프 급의 전력증록기로 동작되며, 씨디엠아이 모드의 제어전압 인가시 상기 바렉터 다이오드에 의해 상기 제1공진회로가 캐패시터로 동작되고 상기 제2공진회로가 인덕터로 동작되어 클래스 에이비 급의 전력증폭기로 동작되는 것을 특징으로 하는 듀얼모드 무선통신장치의 전력 증폭 제어방법.

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