KR100518938B1 - 고효율 다중 모드 전력 증폭 장치 - Google Patents

고효율 다중 모드 전력 증폭 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 무선 통신 단말기 내에 장착되는 전력 증폭 장치에 관한 것으로, 특히 바이패스 스위칭 회로를 사용하지 않고 다양한 출력 전력 레벨에 따라 전력을 증폭시키는데 적당한 고효율 다중 모드 전력 증폭 장치에 관한 것이다.
본 발명에 의한 고효율 다중 모드 전력 증폭 장치는 바이패스 스위칭 회로를 이용하지 않고서 다양한 레벨의 전력에 대해 증폭을 가능하게 함으로써, 종래 다중 모드 전력 증폭 장치에서 바이패스 스위칭 회로를 이용함으로써 야기되었던 손실, 전력 증폭 회로의 크기의 증가 및 가격 경쟁력 저하 등의 문제를 해결할 수 있다. 또한, 배터리의 수명을 좌우하는 낮은 전력 모드에서의 DC 전력 소모량을 줄임으로써, 전력 증폭 장치의 부가효율 특성을 개선하고 본 발명에 의한 고효율 다중 모드 전력 증폭 장치를 구비한 무선 통신 단말기의 통화 시간을 연장할 수 있다.
또한, 가변 이득 증폭기를 구동단으로 채용한 본 발명은 종래 다중 모드 전력 증폭 장치가 갖는 높은 전력 모드에서의 손실을 최소화하게 되어 높은 전력 모드에서의 부가효율 특성을 개선시킬 수 있고, 높은 전력 모드에서의 열악한 선형성 문제를 해결할 수 있으며, 본 발명에 의한 고효율 다중 모드 전력 증폭 장치를 구비한 무선 통신 단말기의 소형화 및 통화품질의 개선을 가능하게 한다.

Description

고효율 다중 모드 전력 증폭 장치{High Efficiency Power Amplification Apparatus with Multiple Power Mode}
본 발명은 무선 통신 단말기 내에 장착되는 전력 증폭 장치에 관한 것으로, 특히 바이패스 스위칭 회로를 사용하지 않고 다양한 출력 전력 레벨에 따라 전력을 증폭시키는데 적당한 고효율 다중 모드 전력 증폭 장치에 관한 것이다.
최근 무선 통신 서비스에 사용되고 있는 단말기의 경박단소화에 따라 소형 배터리로 긴 통화 시간을 가질 수 있도록 하는데 많은 연구가 이루어지고 있다. 단말기를 구성하는 전체 시스템이 소모하는 전체 전력 중에서 대부분의 전력이 RF 전력 증폭 장치에서 소비되며, 상기 RF 전력 증폭 장치의 낮은 효율 특성은 전체 시스템의 효율 특성을 크게 떨어뜨리고, 통화시간을 제한하는 요인으로 작용한다.
이러한 이유 때문에, RF 전력 증폭 장치의 효율을 증대시키는 것에 초점을 맞추어 대부분의 연구가 진행되고 있는데, 상기 RF 전력 증폭 장치의 효율을 증대시키기 위해 최근 연구되는 대표적인 방법으로 다중 모드 전력 증폭 장치가 있다.
상기 다중 모드 전력 증폭 장치는 전력단을 원하는 상황에 맞게 동작시킬 수 있도록 구성하는 것으로 출력 전력의 크기에 따라서 동작 모드를 몇 가지로 나누어 동작시키는데, 주로 바이패스 스위칭 회로를 사용한다. 이 경우, 낮은 출력 전력이 필요한 경우에는 전력단을 거치지 않고 바이패스 하도록 경로를 조정하고, 높은 출력 전력이 필요한 경우에는 전력단을 거쳐서 높은 출력을 내도록 경로를 조정한다. 이와 같이, 원하는 출력 전력의 크기에 따라 선택적으로 모드 전환을 하는 다중 모드 전력 증폭 회로를 사용하면서, 낮은 출력 전력의 신호 전송시 DC 전력 소비를 줄일 수 있었다.
하지만, 상기 다중 모드 전력 증폭 장치를 구현하기 위해서는, 직렬로 연결된 복수 개의 전력단 중에서 하나 이상의 전력단을 스위칭 시켜야 하고, 상기 스위칭 동작을 위해서는 하나 이상의 바이패스 스위칭 회로 및 이를 제어하기 위한 복잡한 논리 제어 회로가 필요하게 된다.
이러한 여러 바이패스 스위칭 회로에서 스위칭 동작에 의해 발생하는 손실은 출력 전력의 감소를 유발하고, 이는 다중 모드 전력 증폭 장치의 효율을 감소시키는 원인이 된다. 또한, 같은 출력 전력에서 ACPR(Adjacent Channel Power Rejection)이 악화되는 문제점이 있다. 게다가, 여러 바이패스 스위칭 회로와 이를 제어하기 위해 부가되는 복잡한 논리 제어 회로에 의해 전체 시스템의 크기가 커지게 됨으로써, 현재의 무선 통신 단말기의 소형화에 역행하는 결과가 될 뿐만이 아니라 다중 모드 전력 증폭 장치의 가격 경쟁력 측면에서도 불리한 요소로 작용한다.
이하, 종래 바이패스 스위칭 회로를 이용한 다중 모드 전력 증폭 장치에 관하여 첨부한 도면과 함께 살펴보기로 한다.
도 1은 종래의 바이패스 스위칭 회로를 이용한 다중 모드 전력 증폭 장치의 구성을 나타낸 것이다. 도 1에서 도시하고 있는 다중 모드 전력 증폭 장치는 3개의 바이패스 스위칭 회로를 이용하여 다중 모드 전력 증폭 장치를 구성하고 있다.
높은 전력 모드로 동작하는 경우에는 제1 스위치(31) 및 제2 스위치(32)는 온 상태가 되고 제3 스위치(33)은 오프 상태가 되어, 임피던스 정합부를 포함한 구동단(10)의 출력이 전력단(22)의 입력으로 동작한다. 반면에, 낮은 전력 모드로 동작하는 경우에는 상기 제1 스위치(31) 및 상기 제2 스위치(32)는 오프 상태가 되고 상기 제3 스위치(33)는 온 상태가 되어, 상기 임피던스 정합부를 포함한 구동단(10)의 출력이 상기 전력단(22)을 거치지 않고 바이패스를 통하게 된다.
도 1의 다중 모드 전력 증폭 장치의 경우, 3개의 바이패스 스위칭 회로를 사용하므로 전력 증폭 장치 구성의 자유도는 증가하지만 전체 크기가 증가하고, 바이패스 스위칭 회로 자체의 손실에 의해 전체 전력 증폭 회로의 손실이 증가하는 단점이 있다. 특히, 전력단의 출력측에 연결된 상기 제2 스위치(32)의 손실은 높은 전력 모드의 효율과 선형성에 많은 영향을 주기 때문에, 전력 용량과 손실 특성이 좋은 바이패스 스위칭 회로를 써야 하고, 이는 높은 경제적 비용을 요구하게 된다.
도 2는 종래의 다른 바이패스 스위칭 회로를 이용한 다중 모드 전력 증폭 장치의 구성을 나타낸 것이다. 도 2에서는 직렬 스위치가 아닌 분로(shunt) 스위치를 사용하여 다중 모드 전력 증폭 장치를 구성하였다.
높은 전력 모드에서 제2 바이패스 스위칭 회로(49)의 분로 스위치는 수직방향으로 연결되고, 제3 임피던스 변환기(48)와 함께 임피던스 정합부로 동작하게 된다. 제1 임피던스 변환기(47)는 상기 제2 바이패스 스위칭 회로(49) 및 상기 제3 임피던스 변환기(48)로 구성된 출력단 부하를 전력단(45)의 출력이 최대가 되도록 하는 최적의 임피던스 Zopt가 되도록 변환하고, 제1 바이패스 스위칭 회로(44)의 스위치는 전력단측 단자(43)에 연결된다.
낮은 전력 모드에서는 제2 바이패스 스위칭 회로(49)는 제2 임피던스 변환기측 단자와 연결되고, 제1 임피던스 변환기(47)는 오프 상태의 전력단(45)의 출력 임피던스를 j50옴(ohm)으로 변환하여 제2 임피던스 변환기(46) 및 제3 임피던스 변환기(48)와 함께 임피던스 정합부를 구성한다. 제1 바이패스 스위칭 회로(44)의 스위치는 제2 임피던스 변환기(46)측 단자에 연결되어 바이패스를 구성한다. 제1 바이패스 스위칭 회로(44)는 두 개의 다이오드 스위치로 구성할 수 있고, 제2 바이패스 스위칭 회로(49)는 한 개의 분로 다이오드 스위치로 구성할 수 있다.
상기 도 2에서 도시하고 있는 전력 증폭 장치는 적어도 3개 이상의 스위치를 사용해야 하므로, 스위치 자체가 갖는 손실로 인해 특성이 저하되고 전체 전력 증폭 장치의 크기가 커지게 되어 가격 경쟁력 면에서도 불리하다.
도 3(a)는 λ/4 바이패스 선로의 출력측에 스위칭 회로가 있는 종래의 바이패스 스위칭 회로를 이용한 다중 모드 전력 증폭 장치의 구성을 나타낸 것이다. 도 3(a)에서 도시하고 있는 다중 모드 전력 증폭 장치는 주증폭기(51)를 포함하고, λ/4 바이패스 선로(52) 및 분로 스위치(53)를 이용한 바이패스 스위칭 회로를 이용하여 바이패스를 구성한다.
높은 전력 모드에서는, 바이패스 스위칭 회로의 분로 스위치(53)는 그라운드와 연결되고, 상기 분로 스위치(53)를 이용한 바이패스 스위칭 회로는 λ/4 바이패스 선로(52)와 연결되어 개방 스터브(open stub)로 동작한다.
낮은 전력 모드에서는, 상기 바이패스 스위칭 회로의 분로 스위치(53)는 상기 주증폭기(51)의 출력측과 연결되고, 상기 λ/4 바이패스 선로(52)와 함께 바이패스로 동작한다.
도 3(b)는 λ/4 바이패스 선로의 입력측에 스위칭 회로가 있는 종래의 바이패스 스위칭 회로를 이용한 다중 모드 전력 증폭 장치의 구성을 나타낸 것이다.
도 3(b)에서 도시하고 있는 다중 모드 전력 증폭 장치와 도 3(a)에서 도시하고 있는 다중 모드 전력 증폭 장치의 차이는, λ/4 바이패스 선로와 바이패스 스위칭 회로의 순서뿐이다.
도 3(a) 및 3(b)에서 도시하고 있는 다중 모드 전력 증폭 장치는 바이패스 스위칭 회로를 한 개만 사용함으로써, 전체 회로의 크기가 감소하지만 λ/4 바이패스 선로의 사용으로 인해 대역폭이 제한되는 문제점이 있다.
도 4는 종래의 또 다른 바이패스 스위칭 회로를 이용한 다중 모드 전력 증폭 장치의 구성을 나타낸 것이다.
Q3(65)는 주증폭기이고, Q2(62)는 구동 증폭기이며, 직렬 스위치(66)는 두 개의 병렬 다이오드로 구성되고 다이오드의 양극은 주증폭기의 Vcc와 연결되어 있다.
높은 전력 모드로 동작할 때는 Q1(68)이 오프 상태이고 직렬 스위치(66) 역시 오프상태이다. 따라서, Q2(62)의 출력이 Q3(65)의 입력으로 동작하고, 제1 임피던스 정합부(63)는 입력 임피던스를 15옴으로 변환하는 임피던스 정합부이다.
낮은 전력 모드로 동작할 때는 Q3(65)의 베이스 바이어스를 오프 시키고, Q1(68)을 온 시켜서 스위치(66)를 온 시킨다. 이 때, 제2 임피던스 정합부(64)는 부하 임피던스를 25옴으로 변환하는 임피던스 정합부이다. 스위치(66)가 온 상태일 때는 Q3(65)의 입력 임피던스보다 작은 임피던스를 가지고, 상기 스위치(66)가 오프 상태일 때는 Q3(65)의 입력 임피던스보다 큰 임피던스를 가져서 바이패스로 동작한다.
상기 종래 바이패스 스위칭 회로를 이용한 다중 모드 전력 증폭 장치의 문제점은 스위칭 시키기를 원하는 전력단을 바이패스하는 경로의 분리/연결되는 지점에서 불가피하게 사용되는 바이패스 스위칭 회로에 있다.
따라서, 이러한 종래 다중 모드 전력 증폭 장치의 문제점인 손실, 증폭 회로의 크기 및 가격 경쟁력 등의 문제를 해결하기 위해, 바이패스 스위칭 회로없이 다중 모드 전력 증폭 장치를 구현하는 것이 필요하다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래 바이패스 스위칭 회로를 이용한 다중 모드 전력 증폭 장치의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 스위칭 시키기를 원하는 전력단을 바이패스하는 경로가 최적의 지점에서 분리/연결되도록 하고 바이패스 경로에 최적의 임피던스 변환기(impedance transformation network)를 구현함으로써, 바이패스 스위칭 회로를 이용하지 않고서 다양한 레벨의 전력을 높은 효율을 가지며 증폭시킬 수 있는 다중 모드 전력 증폭 장치를 구현하고자 한다.
본 발명에 의한 고효율 다중 모드 전력 증폭 장치는 제1 전력 모드와 제2 전력 모드에 따라 서로 다른 인가 전압을 발생하는 인가 전압 제어 회로부;입력 전력을 증폭시키는 구동단과 직렬로 연결된 제1 임피던스 정합부;상기 제1 임피던스 정합부와 직렬로 연결된 제2 임피던스 정합부;상기 제2 전력 모드일 때 상기 구동단에 의해 증폭된 전력을 상기 제1 임피던스 정합부와 상기 제2 임피던스 정합부를 통해 전달받아 재증폭하는 전력단;상기 제1 전력 모드일 때 상기 구동단에 의해 증폭된 전력을 상기 제1 임피던스 정합부를 통해 전달받는 임피던스 변환기; 상기 전력단과 직렬로 연결되어 상기 전력단에 의해 증폭된 전력을 전달받는 제3 임피던스 정합부; 및 상기 제3 임피던스 정합부와 직렬로 연결되고, 상기 임피던스 변환기와 직렬로 연결되며, 상기 제3 임피던스 정합부 또는 상기 임피던스 변환기를 통해 전달받은 전력을 출력단으로 전달하는 제4 임피던스 정합부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
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또한, 상기 인가 전압 제어 회로부는, 상기 제1 전력 모드의 경우에는 상기 전력단이 오프 상태에 있도록 공급 전압을 제어하고, 상기 제2 전력 모드의 경우에는 상기 전력단이 온 상태에 있도록 공급 전압을 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 임피던스 변환기는 상기 제2 임피던스 정합부, 상기 전력단 및 상기 제3 임피던스 정합부와 병렬로 연결되고, 상기 제1 전력 모드인 경우에, 상기 구동단에 의해 증폭된 전력을 상기 제1 임피던스 정합부를 통해 전달받아 상기 제4 임피던스 정합부로 출력하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 임피던스 변환기는 대역 통과 필터의 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제3 임피던스 정합부는, 상기 임피던스 변환기를 경유한 전력이 상기 전력단으로 누설되는 것을 방지하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제4 임피던스 정합부는, 상기 제1 전력 모드인 경우에는 상기 임피던스 변환기로부터 전력을 전달받고, 상기 제2 전력 모드인 경우에는 상기 제3 임피던스 정합부로부터 전력을 전달받는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 임피던스 정합부를 경유한 전력이 상기 제4 임피던스 정합부로 전달되는 경로는, 바이패스 스위칭 회로없이, 상기 제1 임피던스 정합부에서 상기 전력단을 바라본 임피던스와 상기 제1 임피던스 정합부에서 상기 임피던스 변환기를 바라본 임피던스를 비교함으로써 결정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 임피던스 정합부에서 상기 임피던스 변환기를 바라본 임피던스는 상기 제2 전력 모드에서 상기 제1 임피던스 정합부와 더불어 상기 구동단과 상기 전력단 사이의 인터스테이지 정합부를 형성하는 것을 특징으로 한다.
다르게는, 본 발명에 의한 고효율 다중 모드 전력 증폭 장치는 가변 이득 증폭기를 이용하여 입력 신호의 이득을 가변적으로 증폭시키는 구동단; 상기 구동단과 직렬로 연결된 제1 임피던스 정합부 및 상기 제1 임피던스 정합부와 직렬로 연결된 제2 임피던스 정합부를 통해 상기 구동단에 의해 증폭된 전력을 전달받아 재증폭하여 출력하는 전력단; 상기 전력단에 병렬 연결되고, 제1 전력 모드와 제2 전력 모드에 따른 인가 전압을 제어하는 인가 전압 제어 회로부; 상기 인가 전압 제어 회로부의 동작에 따라, 상기 구동단에 의해 증폭된 전력을 상기 제1 임피던스 정합부를 통해 전달받는 임피던스 변환기; 상기 전력단과 직렬로 연결되고, 상기 인가 전압 제어 회로부의 동작에 따라 상기 전력단에 의해 증폭된 전력을 전달받는 제3 임피던스 정합부; 및 상기 제3 임피던스 정합부와 직렬로 연결되고, 상기 임피던스 변환기와 직렬로 연결되며, 상기 인가 전압 제어 회로부의 동작에 따라 상기 제3 임피던스 정합부 또는 상기 임피던스 변환기를 통해 전달받은 전력을 출력단으로 전달하는 제4 임피던스 정합부를 포함한다.
상기 전력단은 상기 제2 임피던스 정합부와 직렬로 연결되고, 상기 제2 전력 모드인 경우에 상기 구동단에 의해 증폭된 전력을 상기 제2 임피던스 정합부를 통해 전달받아 재증폭하는 것을 특징으로 한다.
상기 인가 전압 제어 회로부는, 상기 구동단에 입력되는 신호의 이득을 상기 제1 전력 모드와 상기 제2 전력 모드에 따라 다르게 증폭하도록 상기 구동단을 제어하고, 상기 제1 전력 모드의 경우에는 상기 전력단이 오프 상태에 있도록 공급 전압을 제어하며, 상기 제2 전력 모드의 경우에는 상기 전력단이 온 상태에 있도록 공급 전압을 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 임피던스 변환기는 상기 제2 임피던스 정합부, 상기 전력단 및 상기 제3 임피던스 정합부와 병렬로 연결되고, 상기 제1 전력 모드인 경우에, 상기 구동단에 의해 증폭된 전력을 상기 제1 임피던스 정합부를 통해 전달받아 상기 제4 임피던스 정합부로 출력하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 임피던스 변환기는 대역 통과 필터의 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제3 임피던스 정합부는, 상기 임피던스 변환기를 경유한 전력이 상기 전력단으로 누설되는 것을 방지하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제4 임피던스 정합부는, 상기 제1 전력 모드인 경우에는 상기 임피던스 변환기로부터 전력을 전달받고, 상기 제2 전력 모드인 경우에는 상기 제3 임피던스 정합부로부터 전력을 전달받는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 임피던스 정합부를 경유한 전력이 상기 제4 임피던스 정합부로 전달되는 경로는, 바이패스 스위칭 회로없이, 상기 제1 임피던스 정합부에서 상기 전력단을 바라본 임피던스와 상기 제1 임피던스 정합부에서 상기 임피던스 변환기를 바라본 임피던스를 비교함으로써 결정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 임피던스 정합부에서 상기 임피던스 변환기를 바라본 임피던스는 상기 제2 전력 모드에서 상기 제1 임피던스 정합부와 더불어 상기 구동단과 상기 전력단 사이의 인터스테이지 정합부를 형성하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면과 함께 본 발명에 의한 고효율 다중 모드 전력 증폭 장치의 실시예를 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 이하에서는 제1 전력 모드를 낮은 전력 모드라 하고, 제2 전력 모드를 높은 전력 모드라고 하기로 한다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 바이패스 스위칭 회로를 사용하지 않는 전력 모드 전환 구조를 이용하여 구현된 고효율 다중 모드 전력 증폭 장치의 구성을 나타낸 것이다.
도 5에서 도시하고 있는 고효율 다중 모드 전력 증폭 장치는, 입력 전력을 증폭시키는 구동단(100); 상기 구동단과 직렬로 연결된 제1 임피던스 정합부(130) 및 상기 제1 임피던스 정합부(130)과 직렬로 연결된 제2 임피던스 정합부(140)를 통해 상기 구동단(100)에 의해 증폭된 전력을 인가받아 재증폭하여 출력하는 전력단(120); 상기 전력단(120)에 병렬 연결되고, 낮은 전력 모드와 높은 전력 모드에 따른 인가 전압을 제어하는 인가 전압 제어 회로부(90); 상기 인가 전압 제어 회로부(90)의 동작에 따라, 상기 구동단(100)에 의해 증폭된 전력을 상기 제1 임피던스 정합부(130)를 통해 전달받아 제4 임피던스 정합부(160)로 출력하는 임피던스 변환기(170); 상기 전력단(120)에 직렬로 연결되고, 상기 전력단(120)에 의해 증폭된 전력을 상기 제4 임피던스 정합부(160)로 전달하는 제3 임피던스 정합부(150); 및 상기 제3 임피던스 정합부(150)와 직렬로 연결되고, 상기 임피던스 변환기(170)와 직렬로 연결되며, 상기 인가 전압 제어 회로부(90)의 동작에 따라 상기 제3 임피던스 정합부(150) 또는 상기 임피던스 변환기(170)를 통해 전달받은 전력을 출력단(78)으로 전달하는 제4 임피던스 정합부(160)를 포함하여 구성된다.
상기 인가 전압 제어 회로부(90)는 외부 제어 신호 입력에 의해서 상기 전력단(120)에 인가하는 전압을 낮은 전력 모드와 높은 전력 모드에 맞게 조정한다. 낮은 전력 모드로 동작하는 경우, 최적화된 상기 제1 임피던스 정합부(130)와 상기 임피던스 변환기(170)에 의해서 상기 전력단(120)을 거치지 않고 출력을 얻게 되므로, 상기 인가 전압 제어 회로부(90)는 상기 전력단(120)에 인가하는 전압을 상기 전력단(120)의 트랜지스터가 오프 상태에 있도록 조정한다.
한편, 높은 전력 모드로 동작하는 경우, 최적화된 상기 제1 임피던스 정합부(130) 및 상기 제2 임피던스 정합부(140)에 의해서 상기 전력단(120)을 통해 출력을 얻게 되므로, 상기 인가 전압 제어 회로부(90)는 상기 전력단(120)의 트랜지스터의 동작에 적합한 전압을 인가한다.
상기 구동단(100)은 낮은 전력 모드로 동작하는 경우, 입력 전력을 증폭하여 상기 최적화된 제1 임피던스 정합부(130)를 경유시킨 뒤 상기 임피던스 변환기(170)의 입력으로 제공한다. 한편, 높은 전력 모드로 동작하는 경우, 상기 구동단(100)은 입력 전력을 증폭하여, 상기 증폭된 입력 전력을 상기 최적화된 제1 임피던스 정합부(130) 및 제2 임피던스 정합부(140)를 경유하여 상기 전력단(120)의 입력으로 제공한다.
상기 전력단(120)은 낮은 전력 모드로 동작하는 경우, 상기 인가 전압 제어 회로부(90)에 의해 오프 상태로 있고, 높은 전력 모드로 동작하는 경우에는 상기 구동단(100)에 의해 증폭되어 상기 전력단(120)으로 입력되는 신호를 높은 전력을 갖도록 증폭한다.
상기 제1 임피던스 정합부(130)는 낮은 전력 모드와 높은 전력 모드에 따라서 각각 최적의 동작을 하도록 최적화된 회로로서, 상기 구동단(100)에 의해 증폭된 입력 전력을 상기 임피던스 변환기(170) 또는 상기 전력단(120)으로 동작 모드에 따라 선택적으로 전달한다.
상기 제2 임피던스 정합부(140)는 낮은 전력 모드와 높은 전력 모드에 따라서 각각 최적의 동작을 하도록 최적화된 회로로서, 상기 구동단(100)에 의해 증폭되어 상기 제1 임피던스 정합부(130)를 경유한 전력이, 낮은 전력 모드에서는 상기 임피던스 변환기(170)로, 높은 전력 모드에서는 상기 전력단(120)으로 전달되도록 한다.
상기 임피던스 변환기(170)는 낮은 전력 모드와 높은 전력 모드에 따라 적절히 임피던스를 변환하는 임피던스 변환 회로로서, 낮은 전력 모드인 경우 상기 전력단(120)을 우회하는 경로를 형성하여, 상기 구동단(100)의 출력이 전력 증폭 장치의 출력단(78)으로 전달되도록 한다.
도 6은 도 5에서 도시하고 있는 고효율 다중 모드 전력 증폭 장치에서 바이패스 스위칭 회로를 사용하지 않는 전력 모드 전환 구조의 개념을 설명하기 위한 것이다.
상기 구동단(100)의 출력은 상기 제1 임피던스 정합부(130)를 거쳐 전력 모드에 따라서 경로를 분리하는 분기점(72)에 도달한다.
낮은 전력 모드의 경우, 상기 전력단(120)은 상기 인가 전압 제어 회로부(90)에 의해 인가되는 전압에 의해 오프 상태가 되고, 상기 제1 임피던스 정합부(130)에서 바라본 상기 전력단(120)의 입력 임피던스 는 상기 제1 임피던스 정합부(130)에서 바라본 상기 전력단을 우회하는 경로의 입력 임피던스 과 비교하여 매우 큰 값을 갖게 되므로, 상기 분기점(72)에 도달한 상기 구동단(100)에 의해 증폭된 전력은 상기 전력단(120)에 입력되는 전력의 양에 비해 상기 임피던스 변환기(170)로 입력되는 전력의 양이 훨씬 큰 값을 갖도록 최적화된다. 상기 출력은 제3 임피던스 정합부(150) 및 제4 임피던스 정합부(160)에 의해 상기 전력단으로의 손실을 최소화하며 출력단(78)으로 전달된다.
높은 전력 모드의 경우, 상기 인가 전압 제어 회로부(90)에 의해 인가되는 전압에 의해 상기 전력단(120)은 온 상태가 되며, 상기 제1 임피던스 정합부(130)에서 바라본 상기 전력단(120)의 입력 임피던스 는 상기 제1 임피던스 정합부(130)에서 바라본 상기 전력단을 우회하는 경로의 입력 임피던스 에 비해 작은 값을 가지므로, 상기 분기점(72)에 도달한 상기 구동단(100)에서 증폭된 전력의 대부분이 상기 전력단(120)을 통해서 증폭되어, 최적화된 상기 제3 임피던스 정합부(150) 및 제4 임피던스 정합부(160)에 의해 상기 임피던스 변환기(170)로의 손실을 최소화하며 전력 증폭 장치의 출력단(78)으로 전달된다.
또한, 상기 제1 임피던스 정합부(130)에서 바라본 상기 전력단을 우회하는 경로의 입력 임피던스 은 높은 전력 모드에서 상기 제1 임피던스 정합부(130)와 더불어 상기 구동단(100)과 상기 전력단(120) 사이의 인터스테이지 정합부를 형성하여, 상기 구동단(100)의 출력을 상기 전력단(120)에 잘 전달하도록 최적화되어있다.
도 7(a)는 본 발명의 일실시예에 따른 고효율 다중 모드 전력 증폭 장치의 낮은 전력 모드와 높은 전력 모드에 따른 이득 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
낮은 전력 모드에서는, 상기 인가 전압 제어 회로부(90)에 의해서 전력단(120)이 오프 상태가 되어 상기 구동단(100)의 출력이 상기 전력단(120)에 의해 증폭되지 않고 상기 임피던스 변환기(170)를 통해 상기 출력단(78)에 도달하므로, 상기 전력단(120)에 의한 이득 특성을 얻을 수 없고, 상기 전력단(120)에 의한 DC 전력 소모를 없앨 수 있기 때문에 부가효율 특성은 아주 좋다.
반면에, 높은 전력 모드에서는 상기 구동단(100)의 출력이 상기 전력단(120)에 의해서 증폭되어 상기 출력단(78)에 도달되므로, 낮은 전력 모드에 의한 동작에 의한 이득 특성에 상기 전력단(120)의 이득 특성이 부가되고, 부가 효율 특성은 전반적으로 출력 전력 레벨이 큰 상기 전력단(120)에 의해 결정된다.
그러므로, 도 7(a)에서 도시하고 있는 바와 같이 낮은 전력 모드에서는 상대적으로 낮은 이득 특성을 유지하다가, 높은 전력 모드로 전환되면서 높은 이득 특성을 나타낸다.
도 7(b)는 본 발명의 일실시예에 따른 고효율 다중 모드 전력 증폭 장치의 낮은 전력 모드와 높은 전력 모드에 따른 부가효율 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
도 7(a)에서 설명한 바와 같이, 낮은 전력 모드에서는 상기 전력단(120)에 의한 DC 소모를 없앨 수 있기 때문에 부가효율 특성이 좋으며, 높은 전력 모드에서는 상기 전력단(120)의 출력이 제3 임피던스 정합부(150) 및 제4 임피던스 정합부(160)를 거쳐 상기 출력단(78)에 전달되는데, 상기 제3 임피던스 정합부(150), 상기 제4 임피던스 정합부(160) 및 상기 임피던스 변환기(170)는 스위치를 사용하지 않기 때문에 상기 전력단(120)의 출력이 상기 출력단(78)에 손실 없이 전달되어서, 높은 부가효율을 갖게 된다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 바이패스 스위칭 회로를 사용하지 않는 전력 모드 전환 구조를 이용하여 구현된 고효율 다중 모드 전력 증폭 장치의 구성을 나타낸 것이다.
도 8에서 도시하고 있는 본 발명의 다른 실시예에 따른 고효율 다중 모드 전력 증폭 장치는 가변 이득 증폭기를 이용하여 입력 신호의 이득을 가변적으로 증폭시키는 구동단(210); 상기 구동단과 직렬로 연결된 제1 임피던스 정합부(230) 및 상기 제1 임피던스 정합부(230)와 직렬로 연결된 제2 임피던스 정합부(240)를 통해 상기 구동단(210)에 의해 증폭된 전력을 전달받아 재증폭하여 출력하는 전력단(220); 상기 전력단(220)에 병렬 연결되고 낮은 전력 모드와 높은 전력 모드에 따른 인가 전압을 제어하는 인가 전압 제어 회로부(190); 상기 인가 전압 제어 회로부(190)의 동작에 따라, 상기 구동단(210)에 의해 증폭된 전력을 상기 제1 임피던스 정합부(230)를 통해 전달받는 임피던스 변환기(270); 상기 전력단(220)과 직렬로 연결되고, 상기 인가 전압 제어 회로부의 동작에 따라 상기 전력단(220)에 의해 증폭된 전력을 전달받는 제3 임피던스 정합부(250); 및 상기 제3 임피던스 정합부(250)와 직렬로 연결되고, 상기 임피던스 변환기(270)와 직렬로 연결되며, 상기 인가 전압 제어 회로부(190)의 동작에 따라 상기 제3 임피던스 정합부(250) 또는 상기 임피던스 변환기(270)를 통해 전달받은 전력을 출력단(178)으로 전달하는 제4 임피던스 정합부(260)로 구성된다.
상기 인가 전압 제어 회로부(190)는 상기 구동단에 입력되는 신호의 이득을 낮은 전력 모드와 높은 전력 모드에 따라 다르게 증폭하도록 상기 구동단을 제어하고, 외부 제어 신호 입력에 의해서 전력단(220)에 인가하는 전압을 낮은 전력 모드와 높은 전력 모드에 맞게 조정한다. 낮은 전력 모드로 동작하는 경우, 최적화된 상기 제1 임피던스 정합부(230)와 상기 임피던스 변환기(270)에 의해서 상기 전력단(220)을 거치지 않고 출력을 얻게 되므로, 상기 인가 전압 제어 회로부(190)는 상기 전력단(220)에 인가하는 전압을 상기 전력단(220)의 트랜지스터가 오프 상태에 있도록 조정한다.
한편, 높은 전력 모드로 동작하는 경우, 최적화된 상기 제1 임피던스 정합부(230) 및 상기 제2 임피던스 정합부(240)에 의해서 상기 전력단(220)을 통해 출력을 얻게 되므로, 상기 인가 전압 제어 회로부(190)는 상기 전력단(220)의 트랜지스터의 동작에 적합한 전압을 인가한다.
상기 가변 이득 증폭기는 상기 인가 전압 제어 회로부(190)의 동작에 따라 입력 단자(180)를 통하여 입력되는 신호의 이득을 가변적으로 증폭하여 상기 제1 임피던스 정합부(230), 상기 전력단(220) 및 상기 임피던스 변환기(270)로 제공한다. 상기 가변 이득 증폭기는 구동단의 역할 뿐만 아니라 선형화기의 역할을 동시에 수행할 수 있어서, 회로의 효율과 선형성을 최적화 시킬 수 있다. 또한, 용도에 따라 도 7(a)에서 도시하고 있는 불연속 이득 특성을 조절할 수 있다.
상기 전력단(220)은 낮은 전력 모드로 동작하는 경우, 상기 인가 전압 제어 회로부(190)에 의해 오프 상태로 있고, 높은 전력 모드로 동작하는 경우에는 상기 구동단(210)에서 증폭되어 상기 전력단(220)에 입력되는 신호를 높은 출력 전력으로 증폭한다.
상기 제1 임피던스 정합부(230)는 낮은 전력 모드와 높은 전력 모드에 따라서 각각 최적의 동작을 하도록 최적화된 회로로서, 상기 구동단(210)에 의해 증폭된 입력 전력을 상기 임피던스 변환기(270) 또는 상기 전력단(220)으로 동작 모드에 따라 선택적으로 전달한다.
상기 제2 임피던스 정합부(240)는 낮은 전력 모드와 높은 전력 모드에 따라서 각각 최적의 동작을 하도록 최적화된 회로로서, 상기 가변 이득 증폭기에 의해 증폭되어 상기 제1 임피던스 정합부(230)를 경유한 전력이, 낮은 전력 모드에서는 상기 임피던스 변환기(270)로, 높은 전력 모드에서는 전력단(220)으로 전달되도록 한다.
상기 임피던스 변환기(270)는 낮은 전력 모드와 높은 전력 모드에 따라 적절히 임피던스를 변환하는 임피던스 변환 회로로서, 낮은 전력모드인 경우 상기 전력단(220)을 우회하는 경로를 형성하여, 상기 구동단(210)의 출력이 전력 증폭 장치의 출력단(178)으로 전달되도록 한다.
본 발명에 의한 고효율 다중 모드 전력 증폭 장치는 상기 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 기술 사상이 허용하는 범위 내에서 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.
본 발명에 의한 고효율 다중 모드 전력 증폭 장치는 바이패스 스위칭 회로를 이용하지 않고서 다양한 레벨의 전력에 대해 증폭을 가능하게 함으로써, 종래 다중 모드 전력 증폭 장치에서 바이패스 스위칭 회로를 이용함으로써 야기되었던 손실, 전력 증폭 회로의 크기의 증가 및 가격 경쟁력 저하 등의 문제를 해결할 수 있다. 또한, 배터리의 수명을 좌우하는 낮은 전력 모드에서의 DC 전력 소모량을 줄임으로써, 전력 증폭 장치의 부가효율 특성을 개선하고 본 발명에 의한 고효율 다중 모드 전력 증폭 장치를 구비한 무선 통신 단말기의 통화 시간을 연장할 수 있다.
또한, 가변 이득 증폭기를 구동단으로 채용한 본 발명은 종래 다중 모드 전력 증폭 장치가 갖는 높은 전력 모드에서의 손실을 최소화하게 되어 높은 전력 모드에서의 부가효율 특성을 개선시킬 수 있고, 높은 전력 모드에서의 열악한 선형성 문제를 해결할 수 있으며, 본 발명에 의한 고효율 다중 모드 전력 증폭 장치를 구비한 무선 통신 단말기의 소형화 및 통화품질의 개선을 가능하게 한다.
도 1은 종래의 바이패스 스위칭 회로를 이용한 다중 모드 전력 증폭 장치의 구성을 나타낸 것이다.
도 2는 종래의 다른 바이패스 스위칭 회로를 이용한 다중 모드 전력 증폭 장치의 구성을 나타낸 것이다.
도 3(a)는 λ/4 바이패스 선로의 출력측에 스위칭 회로가 있는 종래의 바이패스 스위칭 회로를 이용한 다중 모드 전력 증폭 장치의 구성을 나타낸 것이다.
도 3(b)는 λ/4 바이패스 선로의 입력측에 스위칭 회로가 있는 종래의 바이패스 스위칭 회로를 이용한 다중 모드 전력 증폭 장치의 구성을 나타낸 것이다.
도 4는 종래의 또 다른 바이패스 스위칭 회로를 이용한 다중 모드 전력 증폭 장치의 구성을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 바이패스 스위칭 회로를 사용하지 않는 전력 모드 전환 구조를 이용하여 구현된 고효율 다중 모드 전력 증폭 장치의 구성을 나타낸 것이다.
도 6은 도 5에서 도시하고 있는 고효율 다중 모드 전력 증폭 장치에서 바이패스 스위칭 회로를 사용하지 않는 전력 모드 전환 구조의 개념을 설명하기 위한 것이다.
도 7(a)는 본 발명의 일실시예에 따른 고효율 다중 모드 전력 증폭 장치의 낮은 전력 모드와 높은 전력 모드에 따른 이득 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
도 7(b)는 본 발명의 일실시예에 따른 고효율 다중 모드 전력 증폭 장치의 낮은 전력 모드와 높은 전력 모드에 따른 부가효율 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 바이패스 스위칭 회로를 사용하지 않는 전력 모드 전환 구조를 이용하여 구현된 고효율 다중 모드 전력 증폭 장치의 구성을 나타낸 것이다.

Claims (10)

  1. 제1 전력모드와 제2 전력모드로 동작하는 고효율 다중 모드 전력 증폭 장치에 있어서,
    상기 제1 전력 모드와 상기 제2 전력 모드에 따라 서로 다른 인가 전압을 발생하는 인가 전압 제어 회로부;
    입력 전력을 증폭시키는 구동단과 직렬로 연결된 제1 임피던스 정합부;
    상기 제1 임피던스 정합부와 직렬로 연결된 제2 임피던스 정합부;
    상기 제2 전력 모드일 때 상기 구동단에 의해 증폭된 전력을 상기 제1 임피던스 정합부와 상기 제2 임피던스 정합부를 통해 전달받아 재증폭하는 전력단;
    상기 제1 전력 모드일 때 상기 구동단에 의해 증폭된 전력을 상기 제1 임피던스 정합부를 통해 전달받는 임피던스 변환기;
    상기 전력단과 직렬로 연결되어 상기 전력단에 의해 증폭된 전력을 전달받는 제3 임피던스 정합부; 및
    상기 제3 임피던스 정합부와 직렬로 연결되고, 상기 임피던스 변환기와 직렬로 연결되며, 상기 제3 임피던스 정합부 또는 상기 임피던스 변환기를 통해 전달받은 전력을 출력단으로 전달하는 제4 임피던스 정합부를 포함하는 것을 특징으로 하는 고효율 다중 모드 전력 증폭 장치.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 인가 전압 제어 회로부는, 상기 제1 전력 모드의 경우에는 상기 전력단이 오프 상태에 있도록 공급 전압을 제어하고, 상기 제2 전력 모드의 경우에는 상기 전력단이 온 상태에 있도록 공급 전압을 제어하는 것을 특징으로 하는 고효율 다중 모드 전력 증폭 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 임피던스 변환기는 상기 제2 임피던스 정합부, 상기 전력단 및 상기 제3 임피던스 정합부와 병렬로 연결되고, 상기 제1 전력 모드인 경우에, 상기 구동단에 의해 증폭된 전력을 상기 제1 임피던스 정합부를 통해 전달받아 상기 제4 임피던스 정합부로 출력하는 것을 특징으로 하는 고효율 다중 모드 전력 증폭 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제3 임피던스 정합부는, 상기 임피던스 변환기를 경유한 전력이 상기 전력단으로 누설되는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 고효율 다중 모드 전력 증폭 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 제4 임피던스 정합부는, 상기 제1 전력 모드인 경우에는 상기 임피던스 변환기로부터 전력을 전달받고, 상기 제2 전력 모드인 경우에는 상기 제3 임피던스 정합부로부터 전력을 전달받는 것을 특징으로 하는 고효율 다중 모드 전력 증폭 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 임피던스 정합부를 경유한 전력이 상기 제4 임피던스 정합부로 전달되는 경로는, 바이패스 스위칭 회로없이, 상기 제1 임피던스 정합부에서 상기 전력단을 바라본 임피던스와 상기 제1 임피던스 정합부에서 상기 임피던스 변환기를 바라본 임피던스를 비교함으로써 결정하는 것을 특징으로 하는 고효율 다중 모드 전력 증폭 장치.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 제1 임피던스 정합부에서 상기 임피던스 변환기를 바라본 임피던스는 상기 제2 전력 모드에서 상기 제1 임피던스 정합부와 더불어 상기 구동단과 상기 전력단 사이의 인터스테이지 정합부를 형성하는 것을 특징으로 하는 고효율 다중 모드 전력 증폭 장치.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 구동단은 입력 신호의 이득을 가변적으로 증폭하는 가변 이득 증폭기인 것임을 특징으로 하는 고효율 다중 모드 전력 증폭 장치.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 인가 전압 제어 회로부는, 상기 구동단에 입력되는 신호의 이득을 상기 제1 전력 모드와 상기 제2 전력 모드에 따라 다르게 증폭하도록 상기 구동단을 제어하고, 상기 제1 전력 모드의 경우에는 상기 전력단이 오프 상태에 있도록 공급 전압을 제어하며, 상기 제2 전력 모드의 경우에는 상기 전력단이 온 상태에 있도록 공급 전압을 제어하는 것을 특징으로 하는 고효율 다중 모드 전력 증폭 장치.
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