KR100330916B1 - 전력증폭기및전력증폭기용바이어스회로 - Google Patents

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Abstract

저전압으로 동작이 가능한 전력증폭기 및 전력증폭기용 바이어스 회로를 제공하는 것을 과제로 한다. 에미터 접지의 헤테로 바이폴라 트랜지스터 TrA를 구비한 증폭단(100b)과, 베이스 전극이 전원단자와 접속되고, 그것의 베이스 전류에 따라 증폭된 전류가 출력되는 에미터 단자가 증폭단(100b)의 헤테로 바이폴라 트랜지스터 TrA의 베이스 전극에 접속된 제 1 실리콘 바이폴라 트랜지스터 Tr1를 갖는 바이어스 회로를 구비하도록 구성한다.

Description

전력증폭기 및 전력증폭기용 바이어스 회로
본 발명은, 전력증폭기 및 전력증폭기용 바이어스 회로에 관한 것이고, 특히AlGaAs/GaAs 헤테로 바이폴라 트랜지스터(Heterojunction bipolar transistor : 이하, HBT라 칭한다)로 이루어진 증폭단을 구비한 전력증폭기 및 전력증폭기용 바이어스 회로에 관한 것이다.
현재 이동체 통신용 전력증폭기에는, GaAs FET(Field effect transistor)와, AlGaAs/GaAs HBT, 즉 GaAs 기판 상에 형성된 AlGaAs 동작층 등을 갖는 HBT를 사용한 MMIC(Microwave monolithic integrated circuit)와 하이브리드(hybrid) IC, 멀티칩 모듈 등의 모듈이 널리 사용되고 있다.
그 중에서 AlGaAs/GaAs HBT는, 종래의 FET에 비해 이하의 이점을 갖기 때문에, 앞으로의 이동체 통신용 파워소자로서 기대되고 있다.
(a) 부(-)의 게이트 바이어스전압을 필요로 하지 않는 점, 즉, 단일전원 동작이 가능한 점,
(b) Si-MOSFET와 같이 드레인 스위치 없이 ON/OFF 동작이 가능한 점,
(c) 전력밀도가 높아, 동일한 출력을 얻는데 FET 전력증폭기보다 칩사이즈를 축소할 수 있는 점.
그러나, FET와 달리 HBT는 베이스 전류를 소자에 흐르게 함으로써 동작하는 것으로, 그것의 베이스 전류값으로서는, 출력이 2W∼4W 정도의 것이 되려면 수 10∼100mA 정도의 전류를 필요로 한다. 따라서, HBT 소자를 증폭단으로서 사용한 전력증폭기에 있어서는, 증폭단을 구성하는 HBT 소자에 이러한 베이스 전류를 흘릴 필요가 있다. 그러나, 이와 같은 전류를, 통상적인 전력증폭기의 전단에 설치된 표준적으로 사용되는 Si-CMOS로 아루어진 LSI 등의 기준전압을 공급하는 장치에서 얻는 것은 곤란하다. 왜냐면, 표준적인 CMOS에 있어서는, 특정한 출력전압을 보증하는 출력전류값은 1mA 이하이기 때문이다. 따라서, HBT 소자를 증폭단으로서 사용한 전력증폭기에서는 증폭단에 바이어스 전류를 입력하기 위한 바이어스 회로의 구성이 중요해진다.
특히, 증폭단에 HBT를 사용한 전력증폭기의 이용이 기대되고 있는 유럽 GSM(global system for mobile communications)와 CDMA(code division multiple access) 시스템 등의 휴대전화 시스템에서는, 배터리의 수명을 늘리기 위해 전력증폭기의 아이들 시의 전류값를 줄일 필요가 있다.
도 6에, 전력증폭기로의 입력전력 Pin과, 전력증폭기로부터의 출력전력 Pout, 증폭단의 HBT에 흐르는 콜렉터 전류 및, 이 HBT의 베이스 전류와의 관계를 나타내었다. 도면에 있어서, Ib1는 아이들 시의 베이스 전류이다. 이러한 도 6에 나타낸 것 같이, 아이들 시의 베이스 전류 Ib1를 줄이는 동시에, 증폭 동작시의 베이스 전류는 많이 공급하도록 하는 것이 요망되고 있다.
도 7은 종래의 AlGaAs/GaAs HBT를 증폭단에 사용한 HBT 전력증폭기의 구조를 나타낸 회로도로서, 도면에 있어서, 전력증폭기(200)는 바이어스 회로(200a)와 증폭단(200b)으로 이루어져 있다. Tr201, Tr202는 각각 바이어스 회로용 HBT, TrA는 증폭단(200b)의 HBT, RFin은 RF(고주파)신호의 입력단자, RFout는 RF 신호의 출력단자, Vcc는 전원전압, Vref는 전원전압 Vcc을 저항 분할하는 것 등에 의해 얻어지는 바이어스 설정용 전압, L1은 정합용 인덕터, C1, C2는 정합용 커패시터, Lc는 바이어스 회로(200a)와 증폭단(200b) 사이를 RF적으로 분리하는 RF 쵸크 인덕터이다. 또한, I201∼I204는 바이어스 회로(200a) 내부를 흐르는 전류, Ic는 TrA의 콜렉터 전류이다.
또한, 도 8은 종래의 또 다른 GaAs HBT를 증폭단에 사용한 HBT 전력증폭기의 구조를 나타낸 회로도로서, 도면에 있어서, 도 7과 동일한 부호는 동일 또는 해당하는 부분을 나타내며, 전력증폭회로(300)는 바이어스 회로(300a)와, 도 7에 도시된 증폭단(200b)와 동일한 회로로 이루어진 증폭단(300b)으로 되어 있다. Tr301∼Tr306은 바이어스 회로용 HBT, I301및 I303∼I308은 바이어스 회로(200a) 내부를 흐르는 전류, R1및 R3∼R5는 저항이다.
증폭단에 AlGaAs/GaAs계의 헤테로 바이폴라 트랜지스터 TrA를 사용하고 있는 종래의 전력증폭기 200 및 300에 있어서는, 바이어스 회로용의 트랜지스터로서도 TrA와 동일한 GaAs계의 헤테로 바이폴라 트랜지스터를 사용함으로서, 바이어스 회로용의 트랜지스터와 증폭단의 트랜지스터를 동시에 형성가능하게 하여, 바이어스 회로와 증폭단을 동일한 GaAs 기판 상에 집적화하고 있다.
여기에서, 상기 도 7에 도시된 HBT 전력증폭기(200)에 있어서는, 바이어스 회로(200a)의 바이어스 설정용 전압 Vref와 증폭단(200b)의 HBT의 에미터 전극 사이에, HBT Tr201와 HBT TrA가 배치되기 때문에, HBT의 베이스·에미터간 전압 Vbe가 HBT2개만큼 겹쳐쌓이게 된다. AlGaAs/GaAs HBT의 베이스·에미터간 전압 Vbe은 ON 상태에서는 약 1.4∼1.5V가 필요하기 때문에, 종래의 GaAs HBT 전력증폭기용 바이어스 회로에서는 적어도 Vref= 2×1.4 = 2.8V 이상의 전압이 정상동작을 위해 요구된다. 이러한 바이어스 설정용 전압 Vref는 전원전압 Vcc로부터 생성되기 때문에, 정상동작을 위해서는 2.8V의 전원전압 Vcc가 필요하게 된다.
또한, 마찬가지로, 상기 도 8에 도시된 HBT 전력증폭기(300)에 있어서는, 바이어스 회로(300a)의 바이어스를 제어하기 위한 전원전압 Vcc가 입력되는 단자와, 증폭단(300b)의 HBT 에미터 전극 사이에, HBT Tr301과 HBT TrA가 배치되기 때문에, HBT의 베이스·에미터간 전압 Vbe가 HBT 2개만큼 겹쳐쌓이게 된다. AlGaAs/GaAs HBT의 베이스·에미터간 전압 Vbe는 ON 상태에서는 약 1.4∼1.5V가 필요하기 때문에, 종래의 GaAs HBT 전력증폭기용 바이어스 회로에서는 적어도 Vcc= 2×1.4 = 2.8V 이상의 전압이 정상동작을 위해 요구된다.
일반적으로, 리튬이온(Li+) 전지나, NiCd 전지나, NiMH 전지 등을 사용하여 3V 정도의 전원전압에서 동작하는 휴대전화 시스템 등에서는, 이들 충전지의 최종 전압이 약 2.7V이기 때문에, 적어도 2.7V 이상의 전압으로 전력증폭기가 동작하지 않으면 않된다. 따라서, 전술한 종래의 전력증폭기에서는 HBT의 물리정수로 정해진 Vbe때문에, 원리적으로 Vcc= 2.7V에서는 바이어스 회로의 동작을 실현할 수 없다.
이상에서 설명한 것 같이, 종래의 전력증폭기에서는, 전원전압 Vcc= 2.7V 이하의 저전압으로는 충분한 동작을 실현할 수 없다고 하는 과제가 있었다.
본 발명은 상기한 것 같은 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 저전압으로 동작가능한 전력증폭기 및 전력증폭기용 바이어스 회로를 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 전력증폭기의 구조를 나타낸 회로도.
도 2는 본 발명의 실시예 2에 따른 전력증폭기의 구조를 나타낸 회로도.
도 3은 본 발명의 실시예 3에 따른 전력증폭기의 구조를 나타낸 회로도.
도 4는 본 발명의 실시예 4에 따른 전력증폭기의 구조를 나타낸 회로도.
도 5는 본 발명의 실시예 5에 따른 전력증폭기의 구조를 나타낸 회로도.
도 6은 종래의 전력증폭기의 입출력특성을 나타낸 도면.
도 7은 종래의 전력증폭기의 구조를 나타낸 회로도.
도 8은 종래의 또 다른 전력증폭기의 구조를 나타낸 회로도.
도 9는 본 발명의 실시예 6에 따른 전력증폭기의 구조를 나타낸 회로도.
도 10은 본 발명의 실시예 7에 따른 전력증폭기의 구조를 나타낸 회로도.
도 11은 본 발명의 실시예 8에 따른 전력증폭기의 구조를 나타낸 회로도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 제 1 회로 2 : 제 2 회로
3 : 제 3 회로 10 : 바이어스 설정용 단자
11 : 전원단자 16 : 정전류원
17 : 정전압 밴드갭회로 100,101,102,200,300 : 전력증폭기
100a,101a,102a,200a,300a : 바이어스 회로
100b,101b,102b,200b,300b : 증폭단
RFin: RF신호 입력단자 RFout: RF신호 출력단자
Vcc: 전원전압 Vref : 바이어스 설정용 전압
L1: 정합용 인덕터 C1,C2:정합용커패시터
Lc: RF 쵸크인덕터
Tr1,Tr44,Tr45,Tr53,TrC:NPN형 실리콘 바이폴라 트랜지스터
Tr2,TrB:NPN 형 HBT
Tr31,Tr32,Tr41,Tr42,Tr43,Tr51,Tr52: PNP형 실리콘 바이폴라 트랜지스터
Tr201,Tr202,Tr301∼Tr306:HBT R1,R3∼R5,R301,R302∼R305:저항
TrA: HBT Ic: TrA의 콜렉터 전류
IB : TrA의 베이스 전류 I1∼I8,I201∼I204,I301,I302∼I308: 전류
16 : 밴드갭 정전압회로 OpAmp : OP앰프
본 발명에 따른 전력증폭기는, 접지 에미터와, RF 신호입력단자에 접속되는 베이스 전극과, 제1 도전형을 가지고, 신호증폭용 제1 헤테로 바이폴라 트랜지스터를 포함하는 증폭단과, 제2 도전형이고, 전원단자에 접속된 에미터전극을 구비하는 제1 실리콘 바이폴라 트랜지스터와, 제1 도전형이고, 접지 에미터 전극과, 상기 제1 헤테로바이폴라 트랜지스터의 베이스 전극에 접속되는 베이스전극과, 상기 제1 실리콘 바이폴라 트랜지스터의 콜렉터전극과, 자신의 상기 베이스전극에 접속되는 콜렉터전극을 구비하는 제2 헤테로 바이폴라 트랜지스터와, 제2 도전형이고, 전원단자에 접속된 에미터전극과, 정전류원에 접속된 콜렉터전극과, 상기 제1 실리콘 바이폴라 트랜지스터의 상기 베이스전극과 자신의 상기 콜랙터전극에 접속되는 베이스전극을 구비하는 제2 실리콘 바이폴라 트랜지스터를 포함하는 바이어스 회로를 구비한 것이다.
또한, 상기 정전류원은 출력되는 전류값이 온도비례하는 전류특성을 갖도록한 것이다.
더구나, 상기 정전류원은 온도에 의해 출력되는 전류값이 변화하지 않는 온도특성을 갖도록 한 것이다.
또한, 상기 바이어스 회로는 상기 제2 헤테로 바이폴라 트랜지스터의 상기 베이스전극에 접속되는 에미터 전극과, 상기 제2 헤테로 바이폴라 트랜지스터의 상기 콜랙터 전극에 접속되는 베이스전극과, 상기 전원단자에 접속되는 콜랙터전극을 가지는 제1 도전형의 제 3 실리콘 바이폴라 트랜지스터를 더 구비하는 것이다.
또한, 상기 제 1 및 제2 헤테로 바이폴라 트랜지스터는 복합 반도체 헤테로 바이폴라 트랜지스터로 된다.
[실시예]
(실시예 1)
도 1은, 본 발명의 실시예 1에 따른 HBT 전력증폭기의 구조를 나타낸 회로도로서, 도면에 있어서, 전력증폭기(100)는 바이어스 회로(100a)와 증폭단(100b)으로 이루어진다. 증폭단(100b)의 도전형이 NPN 형인 신호증폭용의 HBT TrA는, 그것의 베이스 전극이 고주파(RF) 신호가 입력되는 입력단자 RFin와 접속되는 동시에, 바이어스 회로(100a)의 출력부와 RF 쵸크 컨덕터 Lc를 통해 접속되어 있다. RF 쵸크 컨덕터 Lc는 바이어스 회로(100a)와 증폭단(100b) 사이를 RF적으로 분리하기 위한 것이다. 또한, HBT TrA는 그것의 콜렉터 전극이 정합용 인덕터 L1의 일단과 접속되고,정합용 인덕터 L1의 타단이 전원전압 Vcc가 인가되는 전원단자(12)와 접속되어 있는 동시에, 정합용 커패시터 C1를 통해 접지되어 있다. 또한, 이 콜렉터 전극은, 정합용 커패시터 C2를 통해 해당 헤테로 바이폴라 트랜지스터에 있어서 증폭된 고주파신호를 출력하는 출력단자 RFout에 접속되어 있다.
바이어스 회로(100a)는, 그것의 베이스 전극이 바이어스 설정용의 전압 Vref가 인가되는 바이어스 설정용 단자(10)와 접속되고, 그것의 콜렉터 전극이, 전원전압 Vcc가 인가되는 전원단자와 접속되며, 그것의 에미터 전극이 바이어스 전류의 출력부로 되어 있는 제 1 NPN형 실리콘 바이폴라 트랜지스터 Tr1과, 그것의 베이스 전극과 콜렉터 전극이 서로 접속되는 동시에 이들이 제 1 실리콘 바이폴라 트랜지스터 Tr1의 에미터 전극과 접속되고, 그것의 에미터 전극이 접지되어 있는 NPN형 HBT Tr2를 구비하고 있다. 이 HBT Tr2로서는, 베이스·에미터 전압과 콜렉터 전류의 관계에 관한 온도특성이 HBT TrA와 동일한 HBT가 사용된다. 여기에서는, HBT Tr2와 HBT TrA를 동일한 기판 상에 형성하여 양자의 온도특성이 같아지도록 하고 있다. 바이어스 설정용 전압 Vref는 전원전압 Vcc을 저항분할하는 것 등에 의해 얻을 수 있는 것으로, 이에 따라, 제 1 실리콘 바이폴라 트랜지스터 Tr1의 베이스 전극은 실제로는 저항 등을 통해 전원전압 Vcc와 접속되어 있다. 또한, 바이어스 설정용 전압 Vref는 바이어스 회로 내부에서 전원전압 Vcc에 의해 생성하도록 하여도 된다. 또한, I1∼I4는 바이어스 회로(100a) 내부를 흐르는 전류, Ic는 TrA의 콜렉터 전류이다.
다음에 동작에 관해 설명한다. 증폭단(100b)에 있어서, 단자 RFin에서 RF 신호가 입력되면, 이 HBT TrA의 베이스 전극에 입력되고, 이 RF 신호의 크기에 따라 HBT TrA의 콜렉터 전류 Ic및 콜렉터 에미터간 전압이 증폭된다. 그리고, 이 신호 증폭된 전력이 단자 RFout에서 출력된다. 바이어스 회로(100a)에 있어서는, 바이어스 설정용 전압 Vref가 제 1 실리콘 바이폴라 트랜지스터 Tr1의 베이스 전극에 인가되고, 이 전압 Vref의 크기에 따라 증폭된 전류 I2가 제 1 실리콘 바이폴라 트랜지스터 Tr1의 에미터 전류로서 출력된다. 바이어스 회로의 HBT Tr2는 베이스 전극과 콜렉터 전극이 접속되어 다이오드와 같은 구조를 갖고 있어 저항으로서 기능하고, 제 1 실리콘 바이폴라 트랜지스터 Tr1의 에미터 전류 I2가, 증폭단의 HBT TrA가 요구하는 바이어스 전류에 따라, HBT Tr2측과 증폭단(100b) 측에 전류 I4, I3으로 나뉘어 흐르고, 이 전류 I3가 증폭단 HBT TrA으로의 바이어스 전류로서 공급된다.
본 실시예 1에 있어서는, 바이어스 회로에, 베이스 전극이 전원단자와 접속되고, 그것의 베이스 전류에 따라 증폭된 전류가 출력되는 단자가, 상기 증폭단의 헤테로 바이폴라 트랜지스터의 베이스 전극에 접속된 실리콘 바이폴라 트랜지스터를 사용하고 있다. 실리콘 바이폴라 트랜지스터의 베이스·에미터간 전압 Vbe는 통상적으로 0.7V∼0.9V이다. 이러한 바이어스 회로(100a)에 있어서는, 바이어스 설정용 전압 Vref가 공급되는 단자(10)와 증폭단(100b) 사이에는 Si 바이폴라 트랜지스터 Tr1의 Vbe가 배치되어 있다. 따라서, 증폭단의 HBT TrA가 동작이 가능한 최저 동작전압은 Tr1과 TrA의 베이스·에미터간 전압 Vbe의 합으로 표시되게 되어, Vref = 1.4 + 0.7 = 2.1V가 되어, Vcc= 2.7V 이하의 낮은 전원전압에서도 동작이 가능하다. 따라서, 높은 전원전압을 공급할 수 없는 휴대전화 등에서도 충분한 동작이 가능하다.
또한, 이 실시예 1에 따른 바이어스 회로에 있어서는, 베이스·에미터 전압 Vbe와 콜렉터 전류의 관계에 관한 온도특성이, 증폭단(100b)을 구성하는 TrA와 동일한 HBT로 이루어진 Tr2를 사용하고 있다. 이 때문에, 예를 들면, 전력증폭 동작시에 발열 등에 의해 증폭기의 온도가 상승하고, 증폭단(100b)을 구성하는 TrA의 소정의 콜렉터 전류 Ic를 얻기 위한 베이스·에미터전압 Vbe이 낮아진다고 해도, TrA와 마찬가지로 Tr2의 소정의 콜렉터 전류를 얻기 위한 베이스·에미터 전압 Vbe도 낮아짐으로써, Tr2에 흐르는 콜렉터 전류가 많아져, 그 결과, TrA의 베이스 전극에 공급되는 바이어스 전류가 저하하여 TrA의 콜렉터 전류 Ic가 저하한다. 그 결과, 온도변화에 의한 콜렉터 전류 Ic의 변화를 보상할 수 있어, 안정한 동작을 실현할 수 있다.
이와 같이, 본 실시예 1에 따르면, 베이스 전극이 전원단자와 접속되고, 그것의 베이스 전류에 따라 증폭된 전류가 출력되는 에미터 단자가 증폭단(100b)의 헤테로 바이폴라 트랜지스터 TrA의 베이스 전극에 접속된 제 1 실리콘 바이폴라 트랜지스터 Tr1을 갖는 바이어스 회로를 구비하도록 하였기 때문에, 바이어스 회로를 동작시키기 위해 필요한 전압을 낮출 수 있어, 저전압에서 동작이 가능한 전력증폭기를 제공할 수 있는 효과가 있다.
(실시예 2)
도 2는 본 발명의 실시예 2에 따른 HBT 전력증폭기의 구조를 나타낸 회로도로서, 도면에서, 도 1과 동일한 부호는 동일 또는 해당하는 부분을 나타내며, 전력증폭기(101)는 바이어스 회로(101a)와, 도 1에 도시된 증폭단(100b)과 동일한 회로로 이루어진 증폭단(101b)으로 이루어져 있다. 바이어스 회로(101a)는, 콜렉터 전극이 모두 전원단자(11)에 접속되고, 그것의 베이스 전극끼리가 서로 접속되고, 그것의 에미터 전극은 각각 저항 R3, R5를 통해 접지되어 있는 제 1, 제 2 실리콘 바이폴라 트랜지스터 Tr1, Tr3를 갖고 있다. 제 2 실리콘 바이폴라 트랜지스터 Tr2는, 그것의 에미터 전극이 제 1 헤테로 바이폴라 트랜지스터 Tr2의 베이스 전극과 저항 R4를 통해 접속되고, 그것의 베이스 전극이 상기 제 1 HBT Tr2의 콜렉터 전극과 접속되어 있다. 이 HBT Tr2의 에미터 전극은 접지되어 있다. 이 HBT Tr2로서는, 베이스·에미터 전압과 콜렉터 전류의 관계에 관한 온도특성이 HBT TrA와 동일한 HBT를사용한다. 제 1 실리콘 바이폴라 트랜지스터의 에미터 전극은 RF 쵸크 인덕터 Lc를 통해 증폭단(101b)의 헤테로 바이폴라 트랜지스터 TrA의 베이스 전극과 접속되어 있다. 실리콘 바이폴라 트랜지스터 Tr1, Tr3의 상호 접속된 베이스 전극은 저항 R1를 통해 전원전압 Vcc이 인가되는 전원단자(13)와 접속되어 있다. I1및 I3∼I8은 바이어스 회로(101a) 내부를 흐르는 전류이다. 또한, R3∼R5는 저항이다.
다음에 동작에 관해 설명한다. 증폭단(101b)에서는, 전술한 증폭단(100b)과 마찬가지로, 단자 RFin에서 RF 신호가 입력되면, HBT TrA에 의해 증폭된 전력이 단자 RFout에서 출력된다.
바이어스 회로(101a)에서는, 제 1 실리콘 바이폴라 트랜지스터 Tr1의 베이스 전극에 저항 R1를 통해 전원전압 Vcc이 인가되어 있고, 이 제 1 실리콘 바이폴라 트랜지스터 Tr1에 의해 증폭되어 출력되는 에미터 전류가, 증폭단의 HBT TrA가 증폭동작에 요구하는 바이어스 전류에 따라, HBT Tr2측과 증폭단(101b) 측에 전류 I8, I7로 분리되어 흐르고, 이 전류 I7가 증폭단(101b)의 HBT TrA으로의 바이어스 전류로서 공급된다.
본 실시예 2에서는, 바이어스 회로(101a)의 전원단자(13)와 증폭단(101b) 사이에는 Si 바이폴라 트랜지스터 Tr1가 배치되고, 상기 실시예 1과 마찬가지로, 실리콘 바이폴라 트랜지스터의 Vbe는 통상 0.7∼0.9V이기 때문에, 이 전력증폭기의 최저 동작전압은 Vbe= 1.4 + 0.7 = 2.1V가 되고, Vcc= 2.7V 이하의 낮은 전원전압에서도 동작이 가능하다. 따라서, 높은 전원전압을 공급할 수 없는 휴대전화 등에 있어서도 충분한 동작이 가능하다.
또한, 이 실시예 2에 있어서는 바이어스 회로(101a)의 Tr2로서, 베이스·에미터 전압 Vbe과 콜렉터 전류와의 관계에 대한 온도특성이 증폭단을 구성하는 TrA와 같은 헤테로 바이폴라 트랜지스터를 사용하고 있다. 이 때문에, 예컨대, 전력증폭 동작시에 발열 등에 의해 증폭기의 온도가 상승하여, 증폭단(101b)를 구성하는 TrA의 소정의 콜렉터 전류 Ic를 얻기 위한 베이스·에미터 전압 Vbe이 낮아진 경우, 온도변화 전에 비하면 TrA의 콜렉터 전류가 증대하고, TrA가 그 증대한 베이스 전류를 제 1 실리콘 바이폴라 트랜지스터 Tr1에 요구하게 되며, 이것을 공급하기 위해서 실리콘 바이폴라 트랜지스터 Tr1의 베이스 전극에 공급되는 바이어스 전류가 증가한다. 여기서, TrA와 같이 바이어스 회로(101a)의 Tr2 소정의 콜렉터 전류를 얻기 위한 베이스·에미터 전압 Vbe도 온도변화에 맞추어서 낮아짐에 따라, Tr2에 흐르는 콜렉터 전류 I5가 커지고, 단자(13)로부터 공급되는 전류 Ic가 많아져서, 그 결과, 저항 R1에 따른 전압이 높아져, 제 2 실리콘 바이폴라 트랜지스터 Tr3의 베이스 전극에 인가되는 전압이 저하한다. 이에 따라, 제 1 실리콘 바이폴라 트랜지스터 Tr1의 베이스 전극에 인가되는 전압이 줄고, 증폭단(101b)의 TrA에 공급되는 바이어스 전류도 줄어, TrA의 콜렉터 전류 Ic가 저하한다. 그 결과, 온도변화에 의한 콜렉터 전류 Ic의 변화를 정밀하게 보상할 수 있어 안정동작을 실현할 수 있다.
이와 같이, 본 실시예 2에 의하면, 베이스 전극이 전원단자(13)와 접속되고, 그 베이스 전류에 따라 증폭된 전류가 출력되는 에미터 단자가 증폭단(101b)의 헤테로 바이폴라 트랜지스터 TrA의 베이스 전극에 접속된 제 1 실리콘 바이폴라 트랜지스터 Tr1와 베이스 전극이 제 1 실리콘 바이폴라 트랜지스터 Tr1의 베이스 전극과 접속되는 동시에, 저항 R1을 통해 전원단자(13)에 접속되며, 그것의 콜렉터 전극이 전원단자(11)와 접속된 에미터 접지의 제 2 실리콘 바이폴라 트랜지스터 Tr3와, 그것의 콜렉터 전극이 상기 제 1, 제 2 실리콘 바이폴라 트랜지스터 Tr1, Tr3의 베이스 전극과 접속되는 동시에, 그것의 베이스 전극이 상기 제 2 실리콘 바이폴라 트랜지스터 Tr3의 에미터 전극과 접속된, 베이스·에미터 전압과 콜렉터 전류와의 관계의 온도특성이 상기 증폭단(101b)의 헤테로 바이폴라 트랜지스터 TrA의 온도특성과 동일한 에미터 접지의 헤테로 바이폴라 트랜지스터 Tr2를 갖는 바이어스 회로(101a)를 구비하도록 하였기 때문에, 바이어스 회로를 동작시키기 위해 필요한전압을 낮출 수 있어, 저전압에서의 동작이 가능한 전력증폭기를 제공할 수 있는 효과가 있다.
(실시예 3)
도 3은, 본 발명의 실시예 3에 따른 전력증폭기의 구조를 나타낸 회로도면로서, 도면에 있어서, 도 1과 동일한 부호는 동일 또는 그에 해당하는 부분을 나타내며, 전력증폭기(102)는 바이어스 회로(102a)와 도 1에 도시된 증폭단(100b)과 동일한 회로로 이루어진 증폭단(102b)으로 이루어져 있다.
바이어스 회로(102a)는, 증폭단(102b)의 헤테로 바이폴라 트랜지스터 TrA의 베이스 전극과 그것의 베이스 전극이 접속되고, 그것의 콜렉터 전극과 그것의 베이스 전극이 서로 접속되며, 그것의 에미터 전극이 접지된 NPN형의 제 1 헤테로 바이폴라 트랜지스터 TrB와, 그것의 에미터 전극이 전원전압 Vcc이 인가되는 전원단자(11)에 접속되고, 그것의 콜렉터 전극이 그것의 베이스 전극과 접속되는 동시에, 정전류 Io를 출력하는 정전류원(16)과 접속된 PNP형의 제 2 실리콘 바이폴라 트랜지스터 Tr32, 그것의 에미터 전극이 전원단자(11)와 접속되고, 그것의 베이스 전극이 상기 제 2 실리콘 바이폴라 트랜지스터 Tr32의 베이스 전극과 접속되며, 그것의 콜렉터 전극이 상기 제 1 헤테로 바이폴라 트랜지스터 TrB의 콜렉터 전극과 접속되어 있는 제 1 실리콘 바이폴라 트랜지스터 Tr31로 이루어져 있다. 이 제 1 실리콘 바이폴라 트랜지스터 Tr31의 베이스 전극은, 제 2 실리콘 바이폴라 트랜지스터Tr32를 통해 전원전압 Vcc이 공급되는 단자(11)와 접속되어 있다. 정전류원(16)은 그것의 정전류 Io특성이 온도에 대해 비례하는 것이나 또는 온도에 대하여 일정한 것 중의 어느 하나를 사용한다. 헤테로 바이폴라 트랜지스터 TrB는 증폭단(102b)의 TrA와 동시에 커런트미러 쌍을 구성하고 있다. 또한, Tr31, Tr32도 커런트미러 쌍을 구성하고 있다. Iref는 Tr31, Tr32로 이루어진 커런트미러 쌍에 의해 증폭된 전류, a는 TrB의 콜렉터의 노드전압, IB는 TrA의 베이스 전류이다.
이 전력증폭기에서는, Tr31, Tr32으로 이루어진 커런트미러 회로에 의해, Tr31와 Tr32의 사이즈비에 따라 Iref = k Io(k는 비례정수)의 전류가 TrB에 흐르고, TrA와 TrB로 이루어진 커런트미러 회로에 의해, TrA와 TrB의 사이즈비에 따라 Ic= A·Iref= A·Io(A는 비례정수)의 전류가 TrA의 콜렉터 전류로서 흐른다.
이 실시예 3에서도, 상기 실시예 1과 마찬가지로 전원전압 Vcc을 인가하는 단자(11)와 증폭단(102b) 사이에 설치되는 트랜지스터는 헤테르 바이폴라 트랜지스터보다도 베이스·콜렉터간 전압이 작은 Si 바이폴라 트랜지스터 Tr31가 되기 때문에, Vcc= 2.7V 이하의 전원전압에서도 전력증폭기가 동작가능하게 할 수 있다.
또한, 이 전력증폭기에 있어서, 특히 Io의 정전류특성이 온도에 대해 비례하는 정전류원(16)을 사용한 경우에는, 증폭단(102b)의 TrA의 콜렉터 전류 Ic를 온도변화에 대해 일정하게 유지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 특히 Io의 정전류특성이 온도에 대하여 일정한 정전류원(16)을 사용한 경우에는, 증폭단(102b)의 TrA의 이득을 온도변화에 대해 일정하게 제어할 수 있는 효과가 있다.
(실시예 4)
도 4는 본 발명의 실시예 4에 따른 전력증폭기의 구조를 나타낸 회로도로서, 도면에 있어서, 도 3과 동일한 부호는 동일하거나 또는 해당하는 부분을 나타내고 있다. 본 실시예 4는, 도 3에 나타낸 상기 실시예 3에 관한 전력증폭기에 있어서, Tr31, Tr32및 정전류원(16)으로 이루어진 제 1 회로(1) 대신에 에미터 전극이 전원단자(11)에 접속되고, 그것의 콜렉터 전극이 제 1 헤테로 바이폴라 트랜지스터 TrB의 콜렉터 전극에 접속된 PNP형인 제 1 실리콘 바이폴라 트랜지스터 Tr41와, 에미터 전극이 전원단자(11)에 접속되고, 그것의 베이스 전극이 상기 제 1 실리콘 바이폴라 트랜지스터 Tr41의 베이스 전극에 접속된 PNP형의 제 2 실리콘 바이폴라 트랜지스터 Tr42와, 상기 전원단자(11)와 그것의 에미터 전극이 접속되고, 그것의 베이스 전극이 제 1, 제 2 실리콘 바이폴라 트랜지스터 Tr41, Tr42의 베이스 전극과 접속된 PNP형의 제 3 실리콘 바이폴라 트랜지스터 Tr43와, 제 2 실리콘 바이폴라 트랜지스터 Tr42의 콜렉터 전극과 그것의 콜렉터 전극이 접속되며, 그것의 에미터 전극이 저항 R를 통해 접지되고, 그것의 베이스 전극이 제 3 실리콘 바이폴라 트랜지스터 Tr43의 콜렉터 전극과 접속된 NPN형의 제 4 실리콘 바이폴라 트랜지스터 Tr44와, 그것의 콜렉터 전극이 그것의 베이스 전극과 서로 접속되어 있는 동시에, 상기 제 2 도전형의 제 3 실리콘 바이폴라 트랜지스터 Tr43의 콜렉터 전극에 접속되며, 그것의 에미터 전극이 접지된 제 1 도전형의 제 5 실리콘 바이폴라 트랜지스터 Tr45로 이루어진 제 2 회로를 사용하도록 한 것이다.
이 실시예 4에 있어서도, 상기 실시예 3과 마찬가지로 전원전압 Vcc을 인가하는 단자(11)와 증폭단(102b) 사이에 설치되는 트랜지스터는 헤테로 바이폴라 트랜지스터보다도 베이스·콜렉터간 전압이 작은 Si 바이폴라 트랜지스터 Tr41로 되기 때문에, Vcc= 2.7V 이하의 전원전압에서도 전력증폭기를 동작가능하게 할 수 있다.
또한, 도 4에 도시된 회로에 있어서는, 제 2 실리콘 바이폴라 트랜지스터 Tr42의 콜렉터 전류(10)는 온도 비례하기 때문에, Tr41, Tr42로 이루어진 커런트미러 쌍에 의해 콜렉터 전류(10)에 비례하여 출력되는 제 1 실리콘 바이폴라 트랜지스터 Tr41의 콜렉터 전류 Iref를 온도비례 특성을 갖도록 제어할 수 있고, 그 결과, TrA, TrB로 이루어진 커런트미러 쌍에 의해 Iref에 비례하여 설정되는 증폭단(102b)의 TrA콜렉터 전류 Ic를 온도비례 특성을 갖도록 제어할 수 있다. Ic가 온도비례함에 의해 TrA의 상호 인덕턴스 gm을 온도에 대하여 일정하게 유지할 수 있다. 따라서, 전원전압 변화 및 온도변화에 대해 TrA의 이득을 일정하게 유지할 수 있는 효과가 있다.
(실시예 5)
도 5는 본 발명의 실시예 5에 따른 전력증폭기의 구조를 나타낸 회로도로서, 도면에 있어서, 도 3과 동일한 부호는 동일하거나 또는 해당하는 부분을 나타내고 있다. 본 실시예 5는, 도 3에 도시된 상기 실시예 3에 따른 전력증폭기에 있어서, Tr31, Tr32및 정전류원(16)으로 이루어진 제 1 회로(1) 대신에, 그것의 콜렉터 전극이 제 1 헤테로 바이폴라 트랜지스터 TrB의 콜렉터 전극에 접속되고, 그것의 에미터 전극이 전원단자(11)에 접속된 PNP형의 제 1 실리콘 바이폴라 트랜지스터 Tr51와, 그것의 에미터 전극이 전원단자(11)에 접속되고, 그것의 콜렉터 전극과 그것의 베이스 전극이 서로 접속되는 동시에, 제 1 실리콘 바이폴라 트랜지스터 Tr51의 베이스 전극과 접속된 PNP형의 제 2 실리콘 바이폴라 트랜지스터 Tr52와, 그것의 콜렉터 전극이 제 2 실리콘 바이폴라 트랜지스터 Tr52콜렉터 전극과 접속되고, 그것의 에미터 전극이 저항 R를 통해 접지된 NPN형의 제 3 실리콘 바이폴라 트랜지스터 Tr53와, 밴드갭 전압을 출력하는 밴드갭 정전압회로(17)와, 그것의 출력이 제 3 실리콘 바이폴라 트랜지스터 Tr53의 베이스 전극에 접속되고, 그것의 한쪽의 입력단자가 제 3 실리콘 바이폴라 트랜지스터 Tr53의 에미터 전극에 접속되며, 그것의 다른 쪽의 입력단자에 밴드갭 정전압회로(16)의 출력이 입력되는 차동증폭회로 등으로 이루어진 OP앰프 OpAmp를 구비한 제 3 회로(3)를 설치하도록 한 것이다.
본 실시예 5에서도, 전원전압 Vcc를 인가하는 단자(11)와 증폭단(102b) 사이에 설치되는 트랜지스터가, 헤테로 바이폴라 트랜지스터보다도 베이스·콜렉터간 전압이 작은 실리콘 바이폴라 트랜지스터 Tr51가 되기 때문에, Vcc= 2.7V 이하의 전원전압에서도 전력증폭기가 동작가능해져, 상기 실시예 3과 동일한 효과를 발휘한다. 또한, 이 실시예 5에서는, 밴드갭 정전압회로(17)로부터 출력되는 전압은 온도변화에 의존하지 않고 항상 일정하기 때문에, Tr3의 에미터 전극과 OpAmp의 입력단자의 한쪽과, 저항 R이 접속되는 부분의 전압 Vo이 온도에 관계없이 일정해져, 실리콘 바이폴라 트랜지스터 Tr52의 콜렉터 전류 Io는 온도변화에 대해서도 일정하기 때문에, 제 1 실리콘 바이폴라 트랜지스터 Tr51의 콜렉터 전류인 Iref및 증폭단(102b)의 HBT TrA의 콜렉터 전류 Ic를 온도변화에 대해 관계없이 일정하게 유지할 수 있는 효과가 있다.
(실시예 6)
도 9는 본 발명의 실시예 6에 따른 전력증폭기의 구조를 나타낸 도면으로, 도면에 있어서, 도 3과 동일한 부호는 동일 또는 해당하는 부분을 나타내고 있다. 이 실시예 6에 따른 전력증폭기는, 상기 실시예 3에 따른 전력증폭기에, 에미터 전극이 제 1 헤테로 바이폴라 트랜지스터 TrB의 베이스 전극으로 접속되고, 콜렉터 전극이 전원단자(11)에 접속된 NPN형 실리콘 바이폴라 트랜지스터 TrC를 부가한 것으로, 본 실시예 6에서는 상기 실시예 3과 동일한 효과를 발휘한다.
또한, 본 실시예 6에서는, TrC를 설치함으로써 증폭단의 헤테로 바이폴라 트랜지스터 TrA의 아이들 시와, 그 베이스 전류가 증가하는 증폭 동작시 사이에서의 베이스 전류의 증대에 따라 TrC를 거쳐 전류 I1가 Vcc에서 공급된다. 이에 따라, 아이들 시로부터 증폭 동작시로 변화됨에 따라 HBT TrA의 콜렉터 전류 Ic를 증가시키는 일이 가능해진다. 따라서, 실시예 3에 따른 전력증폭기에서는, 증폭단(102b) HBT TrA의 콜렉터 전류 Ic가 일정하게 유지되기 때문에, 이 콜렉터 전류 Ic를 미리 증폭 동작시에 필요한 전류값으로 설정해 둘 필요가 있었지만, 본 실시예 6에 따르면, 동작시에는 콜렉터 전류 Ic가 증가하기 때문에, 실시예 3의 경우와 같이 콜렉터 전류 Ic의 설정을 미리 전류값이 높은 증폭 동작시로 설정할 필요가 없어, 전력증폭기의 아이들 시의 소비전류를 감소할 수 있는 효과가 있다.
(실시예 7)
도 10은 본 발명의 실시예 7에 따른 전력증폭기의 구조를 나타낸 도면으로, 도면에 있어서, 도 4 및 도 9와 동일한 부호는 동일하거나 또는 해당하는 부분을 나타내고 있다. 이 실시예 7은 상기 실시예 4에 따른 전력증폭기에 대하여, 상기 실시예 6과 같이 NPN형 실리콘 바이폴라 트랜지스터 TrC를 부가한 것으로, 이러한본 실시예 7에서도, 상기 실시예 6과 동일한 효과를 발휘한다.
(실시예 8)
도 11은 본 발명의 실시예 8에 따른 전력증폭기의 구조를 나타낸 도면으로, 도면에 있어서, 도 5 및 도 9와 동일한 부호는 동일 또는 해당하는 부분을 나타내고 있다. 본 실시예 8은 상기 실시예 5에 따른 전력증폭기에 대하여, 상기 실시예 6와 마찬가지로 NPN형 실리콘 바이폴라 트랜지스터 TrC를 부가한 것으로, 이러한 본 실시예 8에서도, 상기 실시예 6과 동일한 효과를 발휘한다.
또한, 상기 실시예 1∼8에서는, 한 개의 HBT로 이루어진 증폭단을 갖는 전력증폭기에 대해 설명하였지만, 본 발명에서는 증폭단이 HBT에 의해 신호증폭하는 구조인 전력증폭기라면 어떠한 전력증폭기라도 상관없고, 이러한 경우에도 상기 실시예 1∼8와 동일한 효과를 발휘한다.
이상에서 설명한 것과 같이 본 발명에 따르면, 접지 에미터와, RF 신호입력단자에 접속되는 베이스 전극과, 제1 도전형을 가지고, 신호증폭용 제1 헤테로 바이폴라 트랜지스터를 포함하는 증폭단과,
제2 도전형이고, 전원단자에 접속된 에미터전극을 구비하는 제1 실리콘 바이폴라 트랜지스터와,
제1 도전형이고, 접지 에미터 전극과, 상기 제1 헤테로바이폴라 트랜지스터의 베이스전극에 접속되는 베이스전극과, 자신의 상기 베이스전극에 접속되고, 상기 제1 실리콘 바이폴라 트랜지스터의 콜렉터전극에 접속되는 콜랙터전극을 구비하는 제2 헤테로 바이폴라 트랜지스터와,
제2 도전형이고, 전원단자에 접속된 에미터저극과, 정전류원에 접속된 콜랙터전극과, 상기 제1 실리콘 바이폴라 트랜지스터의 상기 베이스전극과 자신의 상기 콜랙터전극에 접속되는 베이스전극을 구비하는 제2 실리콘 바이폴라 트랜지스터를 포함하는 바이어스 회로를 구비하기 때문에, 바이어스 회로를 동작시키기 위해 필요한 전압을 낮출 수 있어, 저전압으로 동작이 가능한 전력증폭기를 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 정전류원은 출력되는 전류값이 온도비례하는 전류특성을 갖고 있도록 하였기 때문에, 증폭단의 콜렉터 전류의 변화를 온도변화에 대하여 일정하게 유지할 수 있는 효과가 있다.
더구나, 본 발명에 따르면, 상기 정전류원은 온도에 의해 출력되는 전류값이 변화하지 않는 온도특성을 갖고 있도록 하였기 때문에, 증폭단의 헤테로 바이폴라 트랜지스터의 이득을 온도변화에 대하여 일정하게 제어할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 상기 바이어스 회로는 상기 제2 헤테로 바이폴라 트랜지스터의 상기 베이스전극에 접속되는 에미터 전극과, 상기 제2 헤테로 바이폴라 트랜지스터의 상기 콜랙터 전극에 접속되는 베이스전극과, 상기 전원단자에 접속되는 콜랙터전극을 가지는 제1 도전형의 제 3 실리콘 바이폴라 트랜지스터를 더 구비하여 안정된 동작을 실현 할 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 접지 에미터와, RF 신호입력단자에 접속되는 베이스 전극과, 제1 도전형을 가지고, 신호증폭용 제1 헤테로 바이폴라 트랜지스터를 포함하는 증폭단과,
    제2 도전형이고, 전원단자에 접속된 에미터전극을 구비하는 제1 실리콘 바이폴라 트랜지스터와,
    제1 도전형이고, 접지 에미터 전극과, 상기 제1 헤테로바이폴라 트랜지스터의 베이스전극에 접속되는 베이스전극과, 자신의 상기 베이스전극에 접속되고, 상기 제1 실리콘 바이폴라 트랜지스터의 콜랙터전극에 접속되는 콜랙터전극을 구비하는 제2 헤테로 바이폴라 트랜지스터와,
    제2 도전형이고, 전원단자에 접속된 에미터전극과, 정전류원에 접속된 콜랙터전극과, 상기 제1 실리콘 바이폴라 트랜지스터의 상기 베이스전극과 자신의 상기 콜랙터전극에 접속되는 베이스전극을 구비하는 제2 실리콘 바이폴라 트랜지스터를 포함하는 바이어스 회로를 구비하는 전력증폭기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 정전류원은 출력되는 전류값이 온도비례하는 전류특성을 가지는 전력증폭기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 정전류원은 온도에 의해 출력되는 전류값이 변화하지 않는 온도특성을 가지는 전력증폭기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 바이어스 회로는 상기 제2 헤테로 바이폴라 트랜지스터의 사기 베이스전극에 접속되는 에미터 전극과, 상기 제2 헤테로 바이폴라 트랜지스터의 상기 콜랙터 전극에 접속되는 베이스전극과, 상기 전원단자에 접속되는 콜랙터전극을 가지는 제1 도전형의 제 3 실리콘 바이폴라 트랜지스터를 더 구비하는 전력증폭기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제2 헤테로 바이폴라 트랜지스터는 복합 반도체 헤테로 바이폴라 트랜지스터인 전력증폭기.
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