KR100519316B1 - 전력 증폭기 및 그의 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 출력 전력에 따라 증폭기의 바이어스 전류를 외부 아날로그 바이어스 전압에 의해 조절하여 전력 효율을 높일 수 있도록한 전력 증폭기에 관한 것으로, 공통 입력 단자를 통하여 입력되는 RF 입력 신호(RF_in)의 임피던스 정합을 수행하는 입력 임피던스 정합회로;서로 병렬 연결되어 상기 임피던스 정합되어 입력되는 RF 신호를 증폭하는 고출력,저출력 증폭소자;위상차를 고려하여 증폭 출력되는 출력 신호를 임피던스 매칭하여 공통 출력 단자로 출력하는 출력 임피던스 정합회로;공통 출력 단자에서 동위상 전류로 합쳐진 신호의 임피던스 정합을 수행하여 증폭된 RF 출력 신호(RF_out)를 출력하는 공통 출력 임피던스 정합회로;출력 전력의 레벨에 따라 고출력,저출력 증폭소자로 공급되는 전류를 아날로그 형태로 조절하는 공급 전류 조절부를 포함한다.

Description

전력 증폭기 및 그의 제어 방법{Power Amplifier and method for controlling of the same}
본 발명은 스마트 전력 증폭기에 관한 것으로, 특히 출력 전력에 따라 증폭기의 바이어스 전류를 외부 아날로그 바이어스 전압에 의해 조절하여 전력 효율을 높일 수 있도록한 전력 증폭기에 관한 것이다.
최근에는 무선 전화, 무선 LAN 등의 무선 통신 서비스가 급증하고 있는데, 일례로 유럽의 GSM 900(Global System for Mobile communication,890-915 MHz ), North America의 AMPS 800 (Advanced Mobile Phone Service, 824-849 MHz), PCS 1900 (Personal Communication System, 미국 1850-1910 MHz, 한국 1750-1780 MHz) 무선 휴대폰 서비스가 제공되고 있다.
휴대폰에서 무선 인터넷을 통해 전력 소비량이 높은 컬러 동영상 콘텐츠 사용이 늘어나면서, 휴대폰 업체들의 저전력 부품 요구가 커지고 있다.
무선 휴대폰에서 전력 소비가 가장 많은 소자는 RF 송신부의 전력 증폭기이다.
현재 휴대폰에서 전력 증폭기의 전력 효율을 높이기 위한 방법은 출력 전력에 따라 전력 증폭기가 고출력 모드, 저출력 모드로 동작하며 저출력 모드에서 소비 전류를 감소시키는 형태이다.
이하에서 첨부된 도면을 참고하여 종래 기술의 아날로그 형태로 동작 전류가 조절되는 전력 증폭기에 관하여 설명한다.
도 1은 종래 기술의 전력 증폭기의 구성도이고, 도 2는 종래 기술의 전력 증폭기에서의 바이어스 전류 조절용 전압(Vctr) 대 동작 전류(Ic)의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 1은 종래 기술의 전력 증폭기의 구성도로써, 최근 ANADISICS, RFMD, SKYWORKS사 등에서 휴대폰의 저출력시 소모전류를 줄이기 위해 샘플로 출시하고 있는 아날로그 바이어스 조절 전력 증폭기 구조이다.
그 구성은 RF 입력 신호를 증폭하는 고출력 증폭소자(1)와, 고출력 증폭소자(1)의 입력 임피던스를 정합시키기 위한 입력 임피던스 정합회로(2)와, 고출력 증폭소자(1)의 출력 임피던스를 정합시키기 위한 출력 임피던스 정합회로(3)와, 고출력 증폭소자(1)의 소모 전류(Ic)를 결정하는 전류소스 회로(4)와, 전력 증폭기 출력단에서 출력 전력을 감지하는 전력 감지부(6)와, 감지된 전력을 전압으로 변환하여 전류소스 회로(4)의 공급전류(Ib)를 조절하는 전압(Vctr)을 발생시키는 전력대 전압 변환부(5)로 구성된다.
여기서, 고출력 증폭 소자(1)는 현재 주로 HBT(Heterojunction Bipolar Transistors) 어레이를 사용하고 있으며, BJT, FET 등의 트랜지스터 어레이로 구성될 수도 있다.
일반적으로 전력 증폭기는 dc 소모 전력에 비해 RF 출력 전력이 작을 경우에는 전력 효율이 매우 낮다.
이를 개선하기 위하여, 도 1에서와 같은 종래 기술의 전력 증폭기에서는 출력 전력의 강도에 따라 전력 감지부(6)에서 출력 전력을 감지하여 전력대 전압 변환부(5)와 전류 소스 회로(4)를 통해 고출력 증폭소자의 소모 전류를 조절하여 전력 증폭기의 전력 효율을 높이는 것이다.
그러나 이와 같은 종래 기술의 전력 증폭기의 선형성과 이득 등을 고려하면 전력 증폭용 소자의 단위 에미터로 공급되는 최소 전력 밀도가 존재한다.
따라서, 고출력 모드에서 사용했던 총 에미터 면적이 큰 전력 증폭용 소자를 저출력 모드에서도 그대로 사용한다면 전력 증폭기의 선형성과 이득 때문에 낮은 출력(예를 들어, 출력 0dBm)에서도 어느 정도 이상의 전류를 소모해야 하는 문제가 있다.
이와 같이 RF 입력 전력이 없을 때 전력 증폭기의 구동을 위해 소모하는 전류를 "Idle 전류"라 한다.
도 2는 RF 입력 전력이 없을 때 출력 전력에 따른 도 1에서와 같은 종래 기술의 전력 증폭기의 소모 전류를 나타낸 것이다.
도 2에서의 최저 Idle 전류(I1)는 전력 증폭기의 전력 이득, 선형성, 온도 특성 등을 고려해서 정해진다.
최고 Idle 전류(I2)는 앞에 언급한 내용 외에 전력 증폭기의 안정성을 고려하여 정해진다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 전력 증폭기의 문제를 해결하기 위한 것으로, 출력 전력에 따라 증폭기의 바이어스 전류를 외부 아날로그 바이어스 전압에 의해 조절하여 전력 효율을 높일 수 있도록한 전력 증폭기 및 그의 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 다른 목적은 스마트 전력 증폭기에서 출력 전력에 따라 전력 증폭 소자의 소모 전류를 아날로그 형태로 조절하는 동작시에, 어느 출력 값을 기준으로 고출력 모드 및 저출력 모드로 구분하여 각각의 모드에서 소비 전력 효율을 최적화하는 출력 임피던스 정합을 구현하는데 있다.
본 발명에 따른 다른 목적은 고출력 모드시 저출력 증폭기와 고출력 증폭기를 통해 나오는 출력 신호의 위상을 일치시켜 두 증폭기의 출력 전력이 출력 부하로 잘 합쳐지도록 하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전력 증폭기는 공통 입력 단자를 통하여 입력되는 RF 입력 신호(RF_in)의 임피던스 정합을 수행하는 입력 임피던스 정합회로;서로 병렬 연결되어 상기 임피던스 정합되어 입력되는 RF 신호를 증폭하는 고출력,저출력 증폭소자;위상차를 고려하여 증폭 출력되는 출력 신호를 임피던스 매칭하여 공통 출력 단자로 출력하는 출력 임피던스 정합회로;공통 출력 단자에서 동위상 전류로 합쳐진 신호의 임피던스 정합을 수행하여 증폭된 RF 출력 신호(RF_out)를 출력하는 공통 출력 임피던스 정합회로;출력 전력의 레벨에 따라 고출력,저출력 증폭소자로 공급되는 전류를 아날로그 형태로 조절하는 공급 전류 조절부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 본 발명에 따른 전력 증폭기에 포함된 전류 소스 회로는 공급 전류 조절 전압(Vctr)에 의해 아날로그 형태로 출력 전류(Ib1)(Ib2)를 조절할 수 있으며, 병렬 연결된 두개의 전력 증폭 소자의 소모 전류(Ic1)(Ic2)를 출력 전력에 따라 각각 아날로그 형태로 조절한다.
본 발명에 따른 전력 증폭기에서 공급 전류 조절부는, 공통 출력 임피던스 정합회로에서의 출력 전력을 감지하는 전력 감지부와,상기 전력 감지부에서 감지된 전력을 변환하여 공급 전류 조절 전압(Vctr)을 동시에 제 1,2 전류 소스 회로에 공급하는 전력대 전압 변환부와,상기 공급 전류 조절 전압(Vctr)에 의해 고출력 증폭 소자의 베이스 전류를 조절 공급하는 제 1 전류 소스 회로와,상기 공급 전류 조절 전압(Vctr)에 의해 저출력 증폭 소자의 베이스 전류를 조절 공급하는 제 2 전류 소스 회로를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 공급 전류 조절부는,공통 출력 임피던스 정합회로에서의 출력 전력을 감지하는 전력 감지부와,상기 전력 감지부에서 감지된 전력을 변환하여 제 1 공급 전류 조절 전압(Vctr1)을 제 2 전류 소스 회로에 공급하는 전력대 전압 변환부와,상기 제 1 공급 전류 조절전압(Vctr1)에 의해 저출력 증폭 소자의 베이스 전류를 조절 공급하고 제 2 공급 전류 조절전압(Vctr2)을 출력하는 제 2 전류 소스 회로와,상기 제 2 공급 전류 조절 전압(Vctr2)에 의해 고출력 증폭 소자의 베이스 전류를 조절 공급하는 제 1 전류 소스 회로를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 입력 임피던스 매칭 회로와 출력 임피던스 정합회로는, 공통 입력 단자를 통하여 입력되는 RF 입력 신호를 위상 변위(Φ2)를 갖고 임피던스 정합을 수행하여 고출력 증폭 소자로 출력하는 제 1 입력 임피던스 정합회로와,공통 입력 단자를 통하여 입력되는 RF 입력 신호를 위상 변위(Φ1)를 갖고 임피던스 정합을 수행하여 저출력 증폭 소자로 출력하는 제 2 입력 임피던스 정합회로와,고출력 증폭 소자에 의해 증폭된 신호를 위상 변위(Φ4)를 갖고 임피던스 정합을 수행하여 공통 출력 단자로 출력하는 제 1 출력 임피던스 정합회로와,저출력 증폭 소자에 의해 증폭된 신호를 위상 변위(Φ3)를 갖고 임피던스 정합을 수행하여 공통 출력 단자로 출력하는 제 2 출력 임피던스 정합회로를 포함하고 구성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 제 1,2 입력 임피던스 정합회로와 제 1,2 출력 임피던스 정합회로의 위상 변위를, 저출력 증폭 소자, 고출력 증폭 소자에 의한 두 개의 증폭 경로에 의한 위상차이가 2*N*π(N은 정수)가 되도록 조절한다.
그리고 병렬 연결되는 저출력 증폭 소자, 고출력 증폭 소자를 갖는 전력 증폭기의 제어에 있어서, 전력 증폭기의 출력 전력의 레벨에 따라 저출력 증폭 소자, 고출력 증폭 소자에 공급되는 전류를 아날로그 형태로 제어하는 것에 의해, 출력 전력을 기준으로 구분되는 저출력 모드시에는 고출력 증폭 소자를 OFF하는 것을 특징으로 하고, 저출력 증폭 소자, 고출력 증폭 소자에 공급되는 전류는 각각의 증폭 소자의 베이스 전류(Ib1)(Ib2)가 되고,각각의 증폭 소자의 콜렉터-에미터를 통해 소모되는 전류(Ic1)(Ic2)는 각각 베이스 전류(Ib1)(Ib2)에 증폭 소자의 전류 이득을 곱하는 것에 의해 결정되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 전력 증폭기의 출력 전력의 레벨에 따라 저출력 증폭 소자, 고출력 증폭 소자에 공급되는 전류를 아날로그 형태로 제어하기 위하여, 두 개의 증폭 경로를 통과하여 동위상으로 합해진 전력 증폭기의 출력 전력의 레벨을 검출하는 단계;검출된 전력값을 전압값으로 변환하는 단계;변환된 전압값을 각각의 전류 소스 회로로 공급하여 전압값에 상응하는 전류값을 각각 저출력 증폭 소자와 고출력 증폭 소자로 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 목적, 특성 및 잇점들은 이하에서의 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
본 발명에 따른 전력 증폭기 및 그의 제어 방법의 바람직한 실시예에 관하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3은 출력 전력에 따라 아날로그 형태로 동작 전류가 조절되는 본 발명의 전력 증폭기의 한 예를 나타낸 것이다.
본 발명에 따른 전력 증폭기는 출력 모드에 따라 동시에 동작하거나 따로 동작하여 공통 입력부(A)를 통과하여 임피던스 매칭이 되어 입력되는 RF 입력 신호(RF_in)를 증폭하는 두개의 전력 증폭 소자 즉, 고출력 증폭 소자(31),저출력 증폭 소자(32)와, 위상차를 고려하여 입력 임피던스의 매칭을 하는 제 1,2 입력 임피던스 정합 회로(33)(34)와, 위상차를 고려하여 출력 임피던스의 매칭을 하는 제 1,2 출력 임피던스 정합회로(35)(36)와, 공통 출력부(B)에서 동위상 전류로 합쳐진 신호의 임피던스 정합을 수행하여 증폭된 RF 출력 신호(RF_out)를 출력하는 공통 출력 임피던스 정합회로(37)와, 전력 증폭기의 출력단 즉, 공통 출력 임피던스 정합회로(37)에서 출력 전력을 감지하는 전력 감지부(41)와, 전력 감지부(41)에서 감지된 전력을 전압으로 변환하여 전류 소스 회로의 공급 전류를 조절하는 전압(Vctr)을 발생시키는 전력대 전압 변환부(40)와, 고출력 증폭 소자(31)의 베이스 전류를 공급하는 제 1 전류 소스 회로(38)와, 저출력 증폭 소자(32)의 베이스 전류를 공급하는 제 2 전류 소스 회로(39)를 포함하고 구성된다.
여기서, 두개의 전력 증폭소자는 현재 휴대폰에서 주로 사용하고 있는 HBT 소자이고, 이 소자는 FET로 구성하는 것도 가능하다.
그리고 제 1,2 전류 소스 회로(38)(39)는 공급 전류 조절 전압(Vctr)에 의해 아날로그 형태로 출력 전류(Ib1)(Ib2)를 조절할 수 있으며, 병렬 연결된 두개의 전력 증폭소자(31)(32)의 소모 전류(Ic1)(Ic2)를 출력 전력에 따라 각각 아날로그 형태로 조절한다.
이와 같은 본 발명에 따른 전력 증폭기는 일정 출력 전력(현재 16 dBm)을 기준으로 하여, 이 기준 출력 전력 이상에서만 고출력 증폭 소자(31)에 소모 전류(Ic2)가 공급되고, 저출력 증폭 소자(32)는 출력 전력에 상관없이 항상 일정량 이상의 소모 전류가(Ic2min)가 공급되어 전력 증폭 역할을 한다.
이 때, 전력 증폭기의 출력 전력이 기준 출력 전력 이하 일 때를 저출력 모드, 기준 출력 전력 이상 일 때를 고출력 모드라 한다.
이와 같이 저출력 모드에서 전류 소모가 큰 고출력 증폭 소자(31)가 OFF되고, 전류 소모가 작은 저출력 증폭 소자(32)가 동작하므로 저출력 모드에서 이전의 전력 증폭기보다 전력 효율을 높이는 효과가 있다.
실제 휴대폰에서 사용 빈도가 가장 높은 출력 전력은 -5 dBm ~ 5 dBm이므로 저출력 모드에서의 전력 효율 상승은 휴대폰 사용 시간 증가에 매우 큰 효과가 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 전력 증폭기의 전력 증폭 동작은 다음과 같이 이루어진다.
본 발명에 따른 전력 증폭기는 고출력 모드 시에 공통 입력부(A)를 통과하여 입력된 신호가 두개의 전력 증폭 소자(31)(32)를 통해 증폭되어 공통 출력부(B)에서 동위상의 전류로 합쳐져 출력 부하로 빠져나가도록 제 1,2 입력 임피던스 정합회로(33)(34)의 위상 변위 Φ1, Φ2와 제 1,2 출력 임피던스 정합회로(35)(36)의 위상 변위 Φ3, Φ4를 조절한다.
여기서, 공통 입력부(A)와 공통 출력부(B) 사이의 두 개의 증폭 경로에 의한 위상차이는 2*N*π(N은 정수)가 되도록 한다.
그리고 고출력 모드시에는 고출력 증폭 소자(31)와 저출력 증폭 소자(32)가 동시에 동작하며 고출력 증폭 소자(31)는 제 1 출력 임피던스 정합 회로(35)와 공통 출력 임피던스 정합회로(37)를 통해 고출력 모드 출력 임피던스(ZHPM)를 갖고, 저출력 증폭 소자(32)는 제 2 출력 임피던스 정합 회로(36)와 공통 출력 임피던스 정합회로(37)를 통해 저출력 모드 출력 임피던스(ZLPM)를 갖는다.
그리고 저출력 모드시에는 저출력 증폭 소자(32)만 동작하고 저출력 증폭 소자(32)의 제 2 출력 임피던스 정합 회로(36)와 공통 출력 임피던스 정합회로(37)를 통해 저출력 모드 출력 임피던스(ZLPM)를 갖는다.
이와 같은 고출력, 저출력 모드 동작시의 출력 임피던스 ZHPM, ZLPM은 각 모드의 전력 효율과 선형성을 고려하여 선택된다.
이와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 전력 증폭기의 제어 및 동작 특성을 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명에 따른 전력 증폭기에서의 바이어스 전류 조절용 전압(Vctr) 대 동작 전류(Ic)의 관계를 나타낸 그래프이다.
그리고 도 5는 출력 전력에 따른 소모 전류 특성을 나타낸 그래프이고, 도 6은 출력 전력에 따른 전력 이득 특성을 나타낸 그래프이고, 도 7은 출력 전력에 따른 선형성(ACPR) 비교 특성을 나타낸 그래프이다.
도 4는 RF 입력 신호가 없을 때 도 3의 본 발명에 따른 전력 증폭기에서의 바이어스 전류 조절용 전압(Vctr) 대 전력 증폭기 동작 전류(Ic)의 특성을 나타낸 것이다.
이와 같은 공급 전류 조절 전압(Vctr)에 따른 전력 증폭기의 동작 전류량은 선형적, 포물선적, 지수형적 등 다양한 형태로 조절될 수 있다.
여기서, 전력 증폭기 출력부의 출력 전력은 전력 감지부(41)를 통해 감지된 후 전력대 전압 변환부(40)를 통해 바이어스 전류 조절용 전압(Vctr)으로 변환되고, 이 전압(Vctr)이 제 1,2 전류 소스 회로(38)(39)에 입력되면 전류 소스의 출력 전류(Ib1)(Ib2)가 조절된다.
제 1,2 전류 소스 회로(38)(39)의 출력 전류(Ib1)(Ib2)는 각각 고출력 증폭 소자(31)와 저출력 증폭 소자(32)의 베이스 전류(Ib1, Ib2)가 되며, 각각 고출력 증폭 소자(31)와 저출력 증폭 소자(32)의 콜렉터-에미터를 통해 소모하는 전류(Ic1)(Ic2)는 이 베이스 전류 (Ib1)(Ib2)에 증폭 소자의 전류 이득을 곱하여 결정된다.
여기서, 일정 출력 전력(현재 16 dBm, Vctr로는 V2)을 기준으로 하여, 이 기준 출력 전력 이상에서만 고출력 증폭 소자(31)에 소모 전류(Ic1)가 공급되고, 이 기준 출력 전력 이하에서는 고출력 증폭 소자(31)가 OFF 되어 소모 전류(Ic1)이 공급되지 않는다.
하지만 저출력 증폭 소자(32)는 출력 전력에 상관없이 항상 일정량 이상의 소모 전류가(Ic2min)가 공급되어 전력 증폭 역할을 한다.
이 때, 저출력 모드의 최소 소모 전류(Ic2min)는 전력 증폭기의 전력 이득, 선형성, 온도 특성 등을 고려하여 결정된다.
두 모드에서 각각의 최대 소모 전류 (Ic1, Ic2)는 전력 증폭기의 선형성, 효율과 과전류 공급으로 인한 회로 방지를 고려하여 결정된다.
여기에서, 출력 전력을 바이어스 전류 조절용 전압(Vctr)으로 변환했을 때, 각 모드의 최소 소모 전류가 공급되는 Vctr은 저출력 모드 V1, 고출력 모드 V2이다. 그리고 각 모드의 최대 소모 전류가 공급되는 Vctr은 저출력 모드 V3, 고출력 모드 V4이다.
그리고 도 5는 본 발명에 따른 전력 증폭기(나)와 이전의 전력 증폭기(가)의 출력 전력에 따른 소모 전류를 비교한 것으로, IS-95 CDMA 신호를 사용하여 주파수 1.885GHz에서 측정한 것이다.
출력 전력 25 dBm 이상에서는 두 회로의 소모 전류가 비슷하지만 그 이하 출력 전력에서는 본 발명에 따른 회로에서의 소모 전류가 적은 것을 알 수 있다.
이는 출력 전력에 따라 전력 증폭기의 소모 전류를 아날로그 형태로 조절할 뿐만 아니라, 어느 기준 출력 전력 이하에서는 고출력 증폭 소자(31)를 OFF하고, 기준 출력 전력 이상에서는 고출력 증폭 소자(31)를 ON하는 것에 의해 얻어지는 전력 효율 상승에 따른 것이다.
그리고 도 6은 본 발명에 따른 전력 증폭기(나)와 이전의 전력 증폭기(가)의 출력 전력에 따른 전력 이득 특성을 비교한 것으로, IS-95 CDMA 신호를 사용하여 주파수 1.885GHz에서 측정한 것이다.
출력 전력이 높아지면서 증폭 소자에 공급되는 전류가 증가하는 것에 의해 전류 이득이 커지는 것을 알 수 있다.
이는 출력 전력에 따라 전력 증폭기의 소모 전류가 아날로그 형태로 효율적으로 조절되고 있음을 나타낸다.
그리고 도 7은 본 발명에 따른 전력 증폭기(나)와 이전의 전력 증폭기(가)의 출력 전력에 따른 선형성(Adjacent Channel Power Ratio;ACPR)을 비교한 것으로, IS-95 CDMA 신호를 사용하여 중심 주파수 1.885 GHz에서 측정되었고, Off set 주파수는 1.25 MHz이다.
일반적으로 온도 특성이나 시스템 구현시에는 노이즈 마진(noise margin)을 고려하여 ACPR이 50 dBc 이상이면 만족한 결과라 할 수 있는데, 본 발명에 따른 전력 증폭기에서도 이를 만족하고 있음을 알 수 있다.
그리고 이와 같은 동작 특성을 갖는 본 발명에 따른 전력 증폭기의 다른 실시 예를 설명하면 다음과 같다.
도 8은 본 발명의 출력 전력에 따라 아날로그 형태로 동작 전류가 조절되는 전력 증폭기의 다른 한 예를 나타낸 것이다.
기본 구성은 도 3에서와 동일하나, 전력대 전압 변환부에서 전달하는 바이어스 전류 조절용 전압(Vctr)이 두개의 전류 소스 회로에 동시에 입력되는 것이 아니고, 전력대 전압 변환부(40)에서 전달하는 제 1 공급 전류 조절 전압(Vctr1)이 저출력 모드시에 사용되는 제 2 전류 소스 회로(39)에만 입력이 되고, 제 2 전류 소스 회로(39)에서 고출력 모드시에 사용되는 제 1 전류 소스 회로(38)로 제 2 공급 전류 조절 전압(Vctr2)을 입력하는 형태이다.
이와 같이 제 1,2 공급 전류 조절 전압(Vctr1)(Vctr2)를 입력하는 이유는 저출력 모드시의 저출력 증폭 소자(32)에 공급되는 전류값을 이용하여 고출력 모드시의 고출력 증폭 소자(31)에 공급되는 전류를 결정할 수 있도록 하기 위한 것이다.
이와 같은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 증폭기는 제어 및 동작 특성은 본 발명에 따른 도 3에서의 전력 증폭기와 동일한 것으로, 특정 레벨의 출력 전력을 기준으로 고출력 증폭 소자(31)를 ON/OFF 하는 경우에 정확성을 높일 수 있다.
그리고 도 9는 회로를 단순화시키기 위한 것으로, 고출력 증폭 소자(91)의 입출력부에 연결된 입력 임피던스 정합회로와 출력 임피던스 정합회로를 구성하지 않고 공통 입력부(A)와 공통 출력부(B) 사이의 두 증폭 경로에 의한 위상차이가 0이 되도록 위상 변위 Φ1, Φ3을 정한다.
물론, 도 9에서의 전력 증폭기의 다른 동작 및 제어 특성은 본 발명에 따른 도 3 및 도 8에서의 전력 증폭기의 특성과 동일하다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 전력 증폭기의 저출력 증폭 소자, 고출력 증폭 소자의 이득과 최대 출력은 각 모드의 용도에 맞게 그 HBT 어레이 크기가 각각 정해진다. 특히, 무선 핸드폰의 전력 증폭기 경우 주로 HBT 어레이를 사용하여 전력 증폭기를 구성하고 이를 BJT, FET 등의 트랜지스터 어레이로 구성할 수 있음은 당연하다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.
이와 같은 본 발명에 따른 전력 증폭기 및 그의 제어 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
본 발명은 스마트 전력 증폭기에서 출력 전력에 따라 전력 증폭 소자의 소모 전류가 아날로그 형태로 조절되도록 하고, 특정 레벨의 출력 값을 기준으로 고출력 모드 및 저출력 모드가 형성되도록 하여 각각의 모드에서 소비 전력 효율을 최대로 할 수 있다.
이는 첫째, 현재 많이 사용되는 이동 통신 단말기의 배터리 사용 시간을 증가시키는 효과를 갖는다.
둘째, 출력 전력에 따라 가변적인 전력 이득이 요구되는 상황에서 매우 유용하게 적용될 수 있다.
셋째, 좋은 전력 효율을 유지하면서도 높은 선형성을 유지하므로 영상 등의 고속 데이터 송수신이 필요한 모바일 시스템에 매우 유리하다.넷째, PC 무선 LAN 카드, 휴대폰, 자동차 통신 시스템 등에 유용하게 사용될 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 기술의 전력 증폭기의 구성도
도 2는 종래 기술의 전력 증폭기에서의 바이어스 전류 조절용 전압(Vctr) 대 동작 전류(Ic)의 관계를 나타낸 그래프
도 3은 본 발명에 따른 전력 증폭기의 구성도
도 4는 본 발명에 따른 전력 증폭기에서의 바이어스 전류 조절용 전압(Vctr) 대 동작 전류(Ic)의 관계를 나타낸 그래프
도 5는 출력 전력에 따른 소모 전류 특성을 나타낸 그래프
도 6은 출력 전력에 따른 전력 이득 특성을 나타낸 그래프
도 7은 출력 전력에 따른 선형성(ACPR) 비교 특성을 나타낸 그래프
도 8은 본 발명에 따른 전력 증폭기의 다른 실시예를 나타낸 구성도
도 9는 본 발명에 따른 전력 증폭기의 또 다른 실시예를 나타낸 구성도
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
31. 고출력 증폭기 32. 저출력 증폭기
33. 제 1 입력 임피던스 정합회로 34. 제 2 입력 임피던스 정합회로
35. 제 1 출력 임피던스 정합회로 36. 제 2 출력 임피던스 정합회로
37. 공통 출력 임피던스 정합회로 38. 제 1 전류 소스 회로
39. 제 2 전류 소스 회로 40. 전력 대 전압 변환부
41. 전력 감지부 300.800.900. 공급 전류 조절부

Claims (16)

  1. 공통 입력 단자를 통하여 입력되는 RF 입력 신호(RF_in)의 임피던스 정합을 수행하는 입력 임피던스 정합회로;
    서로 병렬 연결되어 상기 임피던스 정합되어 입력되는 RF 신호를 증폭하는 고출력 및 저출력 증폭소자들;
    위상차를 고려하여 증폭 출력되는 출력 신호를 임피던스 매칭하여 공통 출력 단자로 출력하는 출력 임피던스 정합회로;
    공통 출력 단자에서 동위상 전류로 합쳐진 신호의 임피던스 정합을 수행하여 증폭된 RF 출력 신호(RF_out)를 출력하는 공통 출력 임피던스 정합회로;
    출력 전력의 레벨에 따라 상기 고출력 증폭 소자 및 상기 저출력 증폭 소자로 각각 공급되는 전류를 아날로그 형태로 조절하는 공급 전류 조절부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  2. 제 1 항에 있어서, 공급 전류 조절부는,
    공통 출력 임피던스 정합회로에서의 출력 전력을 감지하는 전력 감지부와,
    상기 전력 감지부에서 감지된 전력을 변환하여 공급 전류 조절 전압(Vctr)을 동시에 제 1,2 전류 소스 회로에 공급하는 전력대 전압 변환부와,
    상기 공급 전류 조절 전압(Vctr)에 의해 고출력 증폭 소자의 베이스 전류를 조절 공급하는 제 1 전류 소스 회로와,
    상기 공급 전류 조절 전압(Vctr)에 의해 저출력 증폭 소자의 베이스 전류를 조절 공급하는 제 2 전류 소스 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  3. 제 1 항에 있어서, 공급 전류 조절부는,
    공통 출력 임피던스 정합회로에서의 출력 전력을 감지하는 전력 감지부와,
    상기 전력 감지부에서 감지된 전력을 변환하여 제 1 공급 전류 조절 전압(Vctr1)을 제 2 전류 소스 회로에 공급하는 전력대 전압 변환부와,
    상기 제 1 공급 전류 조절전압(Vctr1)에 의해 저출력 증폭 소자의 베이스 전류를 조절 공급하고 제 2 공급 전류 조절전압(Vctr2)을 출력하는 제 2 전류 소스 회로와,
    상기 제 2 공급 전류 조절 전압(Vctr2)에 의해 고출력 증폭 소자의 베이스 전류를 조절 공급하는 제 1 전류 소스 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  4. 제 1 항에 있어서, 입력 임피던스 매칭 회로와 출력 임피던스 정합회로는,
    공통 입력 단자를 통하여 입력되는 RF 입력 신호를 위상 변위(Φ2)를 갖고 임피던스 정합을 수행하여 고출력 증폭 소자로 출력하는 제 1 입력 임피던스 정합회로와,
    공통 입력 단자를 통하여 입력되는 RF 입력 신호를 위상 변위(Φ1)를 갖고 임피던스 정합을 수행하여 저출력 증폭 소자로 출력하는 제 2 입력 임피던스 정합회로와,
    고출력 증폭 소자에 의해 증폭된 신호를 위상 변위(Φ4)를 갖고 임피던스 정합을 수행하여 공통 출력 단자로 출력하는 제 1 출력 임피던스 정합회로와,
    저출력 증폭 소자에 의해 증폭된 신호를 위상 변위(Φ3)를 갖고 임피던스 정합을 수행하여 공통 출력 단자로 출력하는 제 2 출력 임피던스 정합회로를 포함하고 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  5. 제 4 항에 있어서, 제 1,2 입력 임피던스 정합회로와 제 1,2 출력 임피던스 정합회로의 위상 변위를,
    저출력 증폭 소자, 고출력 증폭 소자에 의한 두 개의 증폭 경로에 의한 위상차이가 2*N*π(N은 정수)가 되도록 조절하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  6. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 출력 레벨을 기준으로 구분되는 고출력 모드 동작시에,
    고출력 증폭 소자는 제 1 출력 임피던스 정합 회로와 공통 출력 임피던스 정합회로를 통해 고출력 모드 출력 임피던스(ZHPM)를 갖고, 저출력 증폭 소자는 제 2 출력 임피던스 정합 회로와 공통 출력 임피던스 정합회로를 통해 저출력 모드 출력 임피던스(ZLPM)를 갖는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  7. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 출력 레벨을 기준으로 구분되는 저출력 모드 동작시에,
    저출력 증폭 소자만 동작하고 저출력 증폭 소자의 제 2 출력 임피던스 정합 회로와 공통 출력 임피던스 정합회로를 통해 저출력 모드 출력 임피던스(ZLPM)를 갖는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  8. 제 1 항에 있어서, 입력 임피던스 매칭 회로와 출력 임피던스 정합회로는,
    공통 입력 단자를 통하여 입력되는 RF 입력 신호를 위상 변위(Φ1)를 갖고 임피던스 정합을 수행하여 저출력 증폭 소자로 출력하는 입력 임피던스 정합회로와,
    저출력 증폭 소자에 의해 증폭된 신호를 위상 변위(Φ3)를 갖고 임피던스 정합을 수행하여 공통 출력 단자로 출력하는 출력 임피던스 정합회로를 포함하고 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  9. 제 8 항에 있어서, 입력 임피던스 정합회로와 출력 임피던스 정합회로의 위상 변위를,
    저출력 증폭 소자, 고출력 증폭 소자에 의한 두 개의 증폭 경로에 의한 위상차이가 0이 되도록 조절하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  10. 제 1 항에 있어서, 기준 출력 이상에서만 고출력 증폭 소자에 소모 전류가 공급되고 기준 출력 이하에서는 고출력 증폭 소자가 OFF되는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  11. 제 10 항에 있어서, 기준 출력을 16 dBm으로 설정하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  12. 제 1 항에 있어서, 증폭 소자를 HBT 어레이, BJT 어레이, FET 어레이의 어느 하나로 구성하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  13. 병렬 연결되는 저출력 증폭 소자, 고출력 증폭 소자를 갖는 전력 증폭기의 제어 방법에 있어서,
    상기 저출력 증폭 소자, 상기 고출력 증폭 소자에 의한 두 개의 증폭 경로를 통과하여 동위상으로 합해진 전력 증폭기의 출력 전력의 레벨에 따라 상기 저출력 증폭 소자, 상기 고출력 증폭 소자에 공급되는 전류를 아날로그 형태로 제어하는 것에 의해,
    출력 전력을 기준으로 구분되는 저출력 모드시에는 상기 고출력 증폭 소자를 OFF하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기의 제어 방법.
  14. 제 13 항에 있어서, 저출력 증폭 소자, 고출력 증폭 소자에 공급되는 전류는 각각의 증폭 소자의 베이스 전류(Ib1)(Ib2)가 되고,
    각각의 증폭 소자의 콜렉터-에미터를 통해 소모되는 전류(Ic1)(Ic2)는 각각 베이스 전류(Ib1)(Ib2)에 증폭 소자의 전류 이득을 곱하는 것에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기의 제어 방법.
  15. 제 13 항에 있어서, 출력 전력의 레벨에 의해 정해지는 공급 전류 조절 전압을 저출력 증폭 소자의 베이스로 전류를 출력하는 전류 소스 회로에 먼저 공급하고,
    상기 전류 소스 회로에서 출력되는 전류값에 상응하여 고출력 증폭 소자의 베이스로 공급되는 공급 전류를 결정하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기의 제어 방법.
  16. 제 13 항에 있어서, 전력 증폭기의 출력 전력의 레벨에 따라 저출력 증폭 소자, 고출력 증폭 소자에 공급되는 전류를 아날로그 형태로 제어하기 위하여,
    두 개의 증폭 경로를 통과하여 동위상으로 합해진 전력 증폭기의 출력 전력의 레벨을 검출하는 단계;
    검출된 전력값을 전압값으로 변환하는 단계;
    변환된 전압값을 각각의 전류 소스 회로로 공급하여 전압값에 상응하는 전류값을 각각 저출력 증폭 소자와 고출력 증폭 소자로 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기의 제어 방법.
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