KR100392208B1 - Biasing circuit for radio frequency power amplifier - Google Patents
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Abstract
본 발명에서는 배터리가 전력원으로 공급되는 무선 통신 시스템의 핸드셋 유닛에서의 무선 주파수 전력 증폭기용 바이어싱 회로가 제공된다. 바이어싱 회로는연산 증폭기가 입력 무선 주파수 신호에 노출되는 동안 바이어스 회로에 무선 주파수 전력 증폭기를 제공하는 연산 증폭기를 포함한다. 연산 증폭기는 무선 주파수 신호 경로에 영향을 거의 가지지 않도록 적절히 주파수 보상된다.In the present invention, a biasing circuit for a radio frequency power amplifier is provided in a handset unit of a wireless communication system in which a battery is supplied as a power source. The biasing circuit includes an operational amplifier that provides a radio frequency power amplifier to the bias circuit while the operational amplifier is exposed to the input radio frequency signal. The op amp is properly frequency compensated to have little effect on the radio frequency signal path.
Description
본 발명은 전반적으로 무선 주파수 전력 증폭기에 관한 것으로, 특히 무선통신 시스템의 배터리를 전력원으로 이용하는 핸드셋 유닛에서의 이용에 적합한 무선 주파수 전력 증폭기용 바이어싱 회로에 관한 것이다.The present invention relates generally to radio frequency power amplifiers and, more particularly, to a biasing circuit for radio frequency power amplifiers suitable for use in a handset unit using a battery of a wireless communication system as a power source.
미국 특허 번호 5,629,648에 공지된 바와 같은 종래 기술에 있어서의 무선 주파수 전력 증폭기용 바이어스 회로는 도 1에 도시된 바와 같은 구성을 이용한다. 이러한 바이어스 회로는 캐패시터(10) 및 블록킹 인덕터(12)를 포함한다. 블록킹 인덕터(12)는 무선 주파수 증폭기의 바이어싱 회로에 의해서 무선 주파수 신호의 로딩을 방지한다. 더욱이, 블록킹 인덕터(12)는 무선 주파수 신호가 정류되는 바이어스 회로내로 무선 주파수 신호가 진입하는 것을 방지하는데, 그렇지 않은 경우에는 무선 주파수 신호 진폭이 의도하지 않은 바이어스 쉬프팅(bias shifting)에 의존하게 된다.The bias circuit for a radio frequency power amplifier in the prior art as known in US Pat. No. 5,629,648 uses a configuration as shown in FIG. This bias circuit includes a capacitor 10 and a blocking inductor 12. The blocking inductor 12 prevents the loading of the radio frequency signal by the biasing circuit of the radio frequency amplifier. Moreover, the blocking inductor 12 prevents the radio frequency signal from entering the bias circuit where the radio frequency signal is rectified, otherwise the radio frequency signal amplitude will depend on unintentional bias shifting.
도 1에 도시된 바와 같은 바이어싱 회로는 상당히 높은 바이어스 저항값을 제공한다. 인접 채널 주파수(예를 들면, 미국에서 980KHz)에서의 차이에 해당하는 주파수, 즉 J-CDMA에서의 간섭 채널에 대한 비트 주파수(beat frequency)에서의 바이어스 회로의 저항은 4.7㎌와 같은 대용량 분로 캐패시터(shunt capacitor)(10)를 이용함으로써 상당히 감소될 수 있다. 이러한 관점에서, 수 옴(ohm)보다 훨씬 큰 인접 채널 주파수의 차(difference) 주위의 베이스 바이어스 임피던스(base bias impedance)는 무선 주파수 전력 증폭기의 상호변조(intermodulation) 및 인접 채널 전력비(adjacent channel power ratio)(ACPR) 성능을 저하시키는 것으로 알려져 있다. 상호변조 및 ACPR 양자는 모두 무선 주파수 전력 증폭기 및 ACPR의 선형성에 관련되며, 특히 선형 전력 증폭기 애플리케이션에서 매우 중요하다.The biasing circuit as shown in FIG. 1 provides a fairly high bias resistance value. The resistance of the bias circuit at a frequency corresponding to a difference in adjacent channel frequencies (e.g., 980 KHz in the United States), i. (shunt capacitor) 10 can be significantly reduced. In this regard, the base bias impedance around the difference of adjacent channel frequencies, which is much greater than a few ohms, is due to the intermodulation and adjacent channel power ratios of the radio frequency power amplifier. (ACPR) is known to degrade performance. Both intermodulation and ACPR are involved in the linearity of radio frequency power amplifiers and ACPRs, especially in linear power amplifier applications.
최근에는 배터리로부터 전력이 공급되는, 각기 상이한 전력 레벨에서 작동하는 2개의 신호 경로를 가지는 핸드셋용 무선 주파수 전력 증폭기에서 발전이 이루어졌는데, 핸드셋이 통신하고 있는 기지국으로의 전송을 위하여 상기 경로를 통하여 신호가 안테나로 전송된다. 특정 전송을 위하여 이용되는 신호 경로의 선택은 기지국과 관련된 핸드셋의 위치에 의존한다. 핸드셋이 기지국으로부터 규정된 거리내에 있는 경우에는, 보다 낮은 전력 레벨 신호 경로가 선택되며, 핸드셋이 규정된 거리밖에 있는 경우에는 보다 높은 전력 레벨 신호 경로가 선택된다. 이러한 방식으로, 핸드셋은 필요한 만큼의 전력량만을 소비하여 배터리는 배터리를 충전할 때까지 보다 긴 시간동안 작동할 수 있다.Recent advances have been made in radio frequency power amplifiers for handsets with two signal paths operating at different power levels, powered by batteries, which signal through the path for transmission to the base station with which the handset is communicating. Is transmitted to the antenna. The choice of signal path used for a particular transmission depends on the location of the handset relative to the base station. The lower power level signal path is selected if the handset is within the defined distance from the base station, and the higher power level signal path is selected if the handset is outside the prescribed distance. In this way, the handset consumes only as much power as needed so that the battery can run for a longer time until the battery is charged.
두 개의 전력 레벨중 하나의 레벨에서 작동하는 이러한 무선 주파수 전력 증폭기에 있어서, 바이어스 회로의 다른 요구조건은 바이어스 회로가 인접 채널 주파수의 차에서 낮은 임피던스를 공급함과 동시에 바이어스가 두 개의 전력 레벨 신호 경로내의 무선 주파수 전력 증폭기들 사이에서 스위칭될 때에 2㎲보다 작은 스위칭 시간을 제공하는 것이다. 이러한 요구는 요구된 무선 주파수 전력 출력에서의 변화에 응답하여 무선 주파수 전력 증폭기에서의 단계의 수를 조절하려는 요망의 결과이다. 무선 주파수 전력 증폭기에 의해서 보다 긴 스위칭 시간이 요구된다면, 하나의 신호 경로내의 하나의 전력 증폭기로부터 다른 신호 경로내의 다른 전력 증폭기로의 천이는 핸드셋에 의해서 기지국으로 전송될 정보의 손실을 초래할 수 있다. 4.7㎌ 캐패시터를 5㎲에서 대략 800㎷로 스위칭하기 위하여, 0.5A를 초과하는 전류가 요구된다. 전력 및 전자기 간섭에 민감한 환경에서, 이러한 요구는 수용될수 없다.In such radio frequency power amplifiers operating at one of two power levels, another requirement of the bias circuit is that the bias circuit provides a low impedance at the difference of adjacent channel frequencies while the bias is in the two power level signal paths. It provides a switching time of less than 2 ms when switching between radio frequency power amplifiers. This requirement is the result of the desire to adjust the number of steps in the radio frequency power amplifier in response to changes in the required radio frequency power output. If longer switching times are required by the radio frequency power amplifier, a transition from one power amplifier in one signal path to another power amplifier in another signal path can result in the loss of information to be transmitted by the handset to the base station. In order to switch 4.7 kHz capacitors from 5 ㎲ to approximately 800 ㎷, a current in excess of 0.5 A is required. In an environment sensitive to power and electromagnetic interference, this demand is unacceptable.
따라서, 본 발명의 목적은 새로운 향상된 무선 주파수 전력 증폭기용 바이어싱 회로를 제공하는 것이다.It is therefore an object of the present invention to provide a biasing circuit for a new improved radio frequency power amplifier.
본 발명의 또 다른 목적은 종래 기술의 무선 주파수 전력 증폭기용 바이어싱 회로의 결함을 극복하는 무선 주파수 전력 증폭기용 바이어싱 회로를 제공하는 것이다.It is still another object of the present invention to provide a biasing circuit for a radio frequency power amplifier that overcomes the deficiencies of the prior art biasing circuit for a radio frequency power amplifier.
이러한 목적 및 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따라 구성된, 배터리로 전력이 공급되는 무선 통신 시스템의 핸드셋 유닛의 무선 주파수 전력 증폭기용 바이어싱 회로는 입력 무선 주파수 신호가 전달되는 연산 증폭기 및 연산 증폭기의 출력에 접속된 트랜지스터 소스 팔로워 출력 회로(a transistor source follower output circuit)를 포함한다. 연산 증폭기는 인접 채널 주파수에서의 차인 주파수에서 바이어싱 회로의 출력에서 2Ω보다 크지 않은(no greater than two ohms)의 저항을 초래하는 주 극 주파수(a dominant pole frequency)를 가지며, 이 주 극 주파수는 무선 주파수 신호의 주파수보다 훨씬 낮아서 무선 주파수 신호의 주파수에서 0 dB 보다 작은 루프 이득이 존재한다. 이것은 바이어스 회로의 무선 주파수 로딩(loading)이 최소화되도록 보장한다.In order to achieve these and other objects, a biasing circuit for a radio frequency power amplifier of a handset unit of a battery powered wireless communication system constructed in accordance with the present invention is an operational amplifier and an operational amplifier to which an input radio frequency signal is transmitted And a transistor source follower output circuit connected to the output of the transistor. The op amp has a dominant pole frequency that results in no greater than two ohms resistance at the output of the biasing circuit at frequencies that are different from adjacent channel frequencies. There is a loop gain less than 0 dB at the frequency of the radio frequency signal so much lower than that of the radio frequency signal. This ensures that the radio frequency loading of the bias circuit is minimized.
본 발명은 수반하는 도면과 함께 읽혀지는 다음의 상세한 설명으로부터 가장 잘 이해될 것이다.The invention will be best understood from the following detailed description, which is read in conjunction with the accompanying drawings.
도 1은 통상적인 무선 주파수 전력 증폭기용 바이어싱 회로의 회로도,1 is a circuit diagram of a conventional biasing circuit for a radio frequency power amplifier;
도 2는 본 발명에 따라 구성된, 배터리가 전력을 공급하는 무선 통신 시스템의 핸드셋 유닛의 무선 주파수 전력 증폭기용 바이어싱 회로의 회로도,2 is a circuit diagram of a biasing circuit for a radio frequency power amplifier of a handset unit of a wireless communication system powered by a battery, constructed in accordance with the present invention;
도 3은 도 2의 바이어싱 회로에서 이용될 수 있는 연산 증폭기의 회로도.3 is a circuit diagram of an operational amplifier that may be used in the biasing circuit of FIG.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명Explanation of symbols for the main parts of the drawings
10 : 캐패시터 12 : 블록킹 인턱터10: capacitor 12: blocking inductor
20 : 연산 증폭기20: operational amplifier
22 : 트랜지스터 소스 팔로워 출력 회로의 트랜지스터22: transistor of transistor source follower output circuit
도 2를 참조하면, 본 발명에 따라 구성된 무선 통신 시스템의 배터리로 전력이 공급되는 핸드셋 유닛의 무선 주파수 전력 증폭기용 바이어싱 회로는 입력 무선 주파수 신호가 전송되는 연산 증폭기(20) 및 연산 증폭기의 출력에 접속되는 트랜지스터 소스 팔로워 출력 회로(22)를 포함한다.2, a biasing circuit for a radio frequency power amplifier of a handset unit powered by a battery of a wireless communication system constructed in accordance with the present invention is an output of an operational amplifier 20 and an operational amplifier to which an input radio frequency signal is transmitted. And a transistor source follower output circuit 22 connected to it.
트랜지스터 소스 팔로워 출력 회로(22)의 트랜지스터는 바람직하게 최대의, 치명적이지 않은 드레인 전류 제한 특성을 가진다. 예를 들면, 이러한 트랜지스터는 도시된 바와 같이 전계 효과 트랜지스터(FET,JFET,NFET,MOSFET)일 수 있다. 전계 효과 트랜지스터는 최대 드레인 전류 특성을 가지며, 소스 전압이 오버로딩된 조건으로 되도록 오버로딩될 것이다. 무선 주파수 전력 증폭기가 오버로딩된 경우에 무선 주파수 전력 증폭기의 베이스에 바이어스를 계속하여 제공할 수 있는 트랜지스터는 회피될 것이다. 올바르게 선택된 바이어스 회로 트랜지스터는 오버로딩된 조건에서 무선 주파수 전력 증폭기가 파괴되는 대신에 무선 주파수 전력 증폭기를 디바이어싱(debiasing)할 것이다.Transistors in transistor source follower output circuit 22 preferably have maximum, non-lethal drain current limit characteristics. For example, such a transistor may be a field effect transistor (FET, JFET, NFET, MOSFET) as shown. The field effect transistor has a maximum drain current characteristic and will be overloaded so that the source voltage is in an overloaded condition. Transistors that can continue to provide bias to the base of the radio frequency power amplifier will be avoided if the radio frequency power amplifier is overloaded. A correctly selected bias circuit transistor will debias the radio frequency power amplifier instead of destroying it in an overloaded condition.
연산 증폭기(20)는 인접 채널 주파수의 차에 해당하는 주파수에서 바이어싱 회로의 출력에서 2Ω보다 크지 않은 임피던스를 초래하는 주 극 주파수를 가진다. 본 발명의 예시적인 실시예에서, 연산 증폭기(20)는 선형 전력 증폭기 애플리케이션에 이용된다. 비선형 전력 증폭기 애플리케이션에 이용되는 경우에는, 증폭기의 강인성(robustness)을 향상시키도록 임피던스는 2Ω보다 클 수 있음이 고려되어야한다. 도 1에 도시된 종래의 바이어싱 회로에서, 4.7㎌ 캐패시터는 인접 채널 주파수의 차(예를 들면, 미국에서 980kHz)에 해당하는 주파수에서 낮은 임피던스를 제공하는 데에 기여한다. 본 발명에 따른 입력 무선 주파수 신호가 전송되는 연산 증폭기(20) 및 연산 증폭기의 출력에 접속된 트랜지스터 소스 팔로워 출력 회로(22)를 포함하는 바이어싱 회로를 이용함으로써 4.7㎌ 캐패시터의 필요성을 회피한다.The operational amplifier 20 has a main pole frequency that results in an impedance not greater than 2 Hz at the output of the biasing circuit at a frequency corresponding to the difference of adjacent channel frequencies. In an exemplary embodiment of the present invention, operational amplifier 20 is used for linear power amplifier applications. When used in nonlinear power amplifier applications, it is to be considered that the impedance can be greater than 2 kHz to improve the robustness of the amplifier. In the conventional biasing circuit shown in FIG. 1, the 4.7 GHz capacitor contributes to providing low impedance at frequencies corresponding to the difference of adjacent channel frequencies (e.g., 980 kHz in the United States). The use of a biasing circuit comprising an operational amplifier 20 to which an input radio frequency signal according to the invention is transmitted and a transistor source follower output circuit 22 connected to the output of the operational amplifier avoids the need for a 4.7 GHz capacitor.
연산 증폭기의 주 극 주파수는 입력 무선 주파수 신호의 주파수보다 훨씬 낮아서 입력 무선 주파수 신호의 주파수에서 0 dB 보다 작은 루프 이득이 존재한다. 이것은 바이어싱 회로에 의한 무선 주파수 신호 경로의 로딩을 감소시킨다. 연산 증폭기(20)의 루프 대역폭을 넘어서, 본 발명에 따라서 구성된 바이어싱 회로는 무선 주파수 신호 경로를 트랜지스터 소스 팔로워 출력 회로(22)의 1/Gm만큼 로딩한다. J-CDMA 애플리케이션에서, 이것은 중요하지 않은 로딩인 약 1Ω내지 2Ω의 900㎒ 베이스 임피던스를 가지는 SiGe 전력 HBT로의 50Ω무선 주파수 바이어스 로딩이다.The op amp's main frequency is much lower than the frequency of the input radio frequency signal, so there is a loop gain less than 0 dB at the frequency of the input radio frequency signal. This reduces the loading of the radio frequency signal path by the biasing circuit. Beyond the loop bandwidth of the operational amplifier 20, a biasing circuit constructed in accordance with the present invention loads the radio frequency signal path by 1 / Gm of the transistor source follower output circuit 22. In J-CDMA applications, this is 50 kHz radio frequency bias loading into SiGe power HBT with 900 MHz base impedance of about 1 kHz to 2 kHz which is insignificant loading.
본 발명에 따라 구성된 바이어싱 회로는, 예를 들면 900㎒의 무선 주파수 신호의 주파수에서 실질적으로 개방 회로로 나타난다.A biasing circuit constructed in accordance with the present invention appears to be substantially open circuit, for example at the frequency of the radio frequency signal of 900 MHz.
연산 증폭기(20)를 분석하면, 연산 증폭기의 주 극 주파수를 넘어서 트랜지스터 소스 팔로워 출력 회로의 출력 임피던스는 아래에 나타난 바와 같이 유도성임을 지시한다.Analyzing the operational amplifier 20 indicates that the output impedance of the transistor source follower output circuit beyond the main pole frequency of the operational amplifier is inductive as shown below.
보다 일반화시키면, 연산 증폭기의 개방 루프 이득(Av)은 주 극을 가지는 주파수에 관한 표현에 의해서 근사할 수 있다.More generally, the open loop gain Av of an op amp can be approximated by a representation of the frequency with the main pole.
여기서 Ro 및 Co는 주 극 주파수를 세팅하는 연산 증폭기 기생성분(op amp parasitics)이다.Where Ro and Co are op amp parasitics that set the pole frequency.
인 경우에, 분자가 우세하며, 회로는 유도성이다. If, the molecule prevails and the circuit is inductive.
도 3은 도 2의 바이어싱 회로에서 이용될 수 있는 연산 증폭기의 회로도이다. 본 기술 분야의 당업자는 이러한 연산 증폭기는 통상적인 설계와 구조를 가짐을 인식할 것이다. 결과적으로, 이러한 연산 증폭기의 상세한 설명은 필요하지 않다. 이러한 연산 증폭기는 바람직하게 원하는 임피던스 특성을 제공하는 매우 낮은 전력 연산 증폭기임을 언급하는 것으로 충분할 것이다. 비록 연산 증폭기의 많은 다른 구성이 본 발명에 따른 바이어싱 회로에서 이용될 수 있지만, 결합된 바이어스 회로 및 무선 주파수 이득 단계의 k-인자 응답(k-factor response)뿐만 아니라 연산 증폭기 응답에서 극점(pole) 및 영점(zero)의 배치 또는 극점 및 영점의 부족이 매우 중요하다. 연산 증폭기에서, 예를 들면 전체 약 20㎂의 매우 낮은 전류 밀도를 구동함으로써, 예를 들면 60kHz의 주 극 주파수가 확립됨이 이해되어야 한다. 시뮬레이션에 있어서는 이것이 편리하지만, 보다 높은 바이어스 레벨 및 보다 큰 출력 캐패시터 또한 적절히 실시되어야 한다. 연산 증폭기(20)는 무선 주파수 신호에 영향을 받지 않으므로, 비교적 높은 전력 레벨(예를 들면 500㎽)에서 작동하는 무선 주파수 전력 증폭기는 비교적 낮은 전력 레벨(예를 들면 60㎼)에서 작동하는 바이어싱 회로에 의해서 단속될 수 있다.3 is a circuit diagram of an operational amplifier that may be used in the biasing circuit of FIG. Those skilled in the art will recognize that such operational amplifiers have conventional designs and structures. As a result, a detailed description of such an operational amplifier is not necessary. It would be sufficient to mention that such an operational amplifier is preferably a very low power operational amplifier that provides the desired impedance characteristics. Although many other configurations of op amps can be used in the biasing circuit according to the invention, the poles in the op amp response as well as the k-factor response of the combined bias circuit and radio frequency gain stages. ) And zero placement or lack of poles and zeros is very important. It should be understood that in an operational amplifier, for example, by driving a very low current density of about 20 kW overall, a main pole frequency of 60 kHz is established. While this is convenient for simulation, higher bias levels and larger output capacitors must also be implemented properly. Since the operational amplifier 20 is not affected by radio frequency signals, a radio frequency power amplifier operating at a relatively high power level (e.g. 500 Hz) is biased operating at a relatively low power level (e.g. 60 Hz). It can be interrupted by a circuit.
요약하면, 연산 증폭기는 연산 증폭기가 입력 무선 주파수 신호에 노출되는 동안 바이어스에 무선 주파수 전력 증폭기를 제공한다. 연산 증폭기는 무선 주파수 신호 경로에 영향을 거의 가지지 않도록 적절하게 주파수 보상된다.In summary, an operational amplifier provides a radio frequency power amplifier with a bias while the operational amplifier is exposed to an input radio frequency signal. The op amp is properly frequency compensated to have little effect on the radio frequency signal path.
본 발명은 특정 예시적인 실시예를 참조하여 예증되며 기술되었지만, 도시되며 기술된 상세한 설명에 한정하는 의도는 아니다. 오히려, 본 예시적인 실시예는 본 발명으로부터 벗어나지 않고서 청구항의 사상 및 동등한 범위내에서 다양한 변형이 가능하다.Although the invention has been illustrated and described with reference to specific exemplary embodiments, it is not intended to be limited to the details shown and described. Rather, the present exemplary embodiment is capable of various modifications within the spirit and equivalent scope of the claims without departing from the invention.
본 발명에서 연산 증폭기는 연산 증폭기가 입력 무선 주파수 신호에 노출되는 동안 바이어스에 무선 주파수 전력 증폭기를 제공하며, 연산 증폭기는 무선 주파수 신호 경로에 영향을 거의 가지지 않도록 적절하게 주파수 보상된다.In the present invention, the operational amplifier provides a radio frequency power amplifier with a bias while the operational amplifier is exposed to the input radio frequency signal, and the operational amplifier is appropriately frequency compensated to have little effect on the radio frequency signal path.
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| A201 | Request for examination | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
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