KR100519320B1 - 전력 증폭 회로 - Google Patents

Abstract

앰프간의 간섭을 배제하여 효율을 개선할 수 있도록 한 전력 증폭 회로에 관한 것으로, 일측 포트를 통해 전력신호를 입력받는 입력 정합회로와, 입력 정합회로의 타측 포트에 공통연결되고 적어도 두 개 이상의 출력 모드별 앰프로 이루어진 앰프부와, 앰프 각각의 출력단에 연결되는 정합회로들로 이루어진 출력 정합부와, 각 앰프 출력단과 정합회로 사이에 연결되는 스위치들로 이루어진 스위칭부와, 정합회로 각각에 연결되고 정합회로를 거친 출력신호의 주파수 대역을 변환하는 λ/4 변환기들로 이루어진 λ/4 변환부를 포함하므로 전력 증폭회로의 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

전력 증폭 회로{Power Amplifying Circuit}

본 발명은 임피던스 특성을 개선을 통해 효율을 향상시키기 위한 전력 증폭 회로에 관한 것이다.

최근 세계 각지에서 무선 전화, 무선 LAN 등의 무선 통신 서비스가 급증하고 있다. 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 무선인터넷 을 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 증폭회로이다. 현재 휴대폰에서 전력 증폭회로의 전력 효율 높이기 위한 방법은 출력 전력에 따라 전력 증폭회로가 고출력 모드, 저출력 모드로 동작하며 저출력 모드에서 소비 전류를 감소시키는 것이다.

휴대폰에서 최근 RF 소자 개수를 줄이고, 핸드폰의 개발 시간을 단축하기 위해 Zero IF 또는 Direct Conversion 회로가 핸드폰 통신 시스템에 채택되고 있다. 그 한 예는 휴대폰에서 Qualcomm사의 MSM6xxx Mobile Station Modem (MSM family of chipsets를 사용하는 것이다.

이러한 Zero IF 통신시스템을 갖춘 핸드폰에 전력 증폭회로의 소비 전력 효율을 높이기 위해 고출력 모드 (High Power Mode), 또는 저출력 (Low Power Mode) 모드로 동작할 경우, Zero IF 통신 시스템의 신호대 잡음 성능을 높이기 위해 두 출력 모드 간의 전력 이득이 10 dB 정도인 전력증폭기를 요구하고 있다.

현재 시판되고 있는 전력 증폭 회로는 모드 간 전력 이득이 2-3 dB 정도이며, 전력 이득을 크게 하기 위한 회로가 구체적으로 발표되지 않고 있다.

따라서, 앞으로 Zero IF 통신시스템이 휴대폰에 광범위하게 사용될 것을 대비하여 전력 증폭 회로에서 두 출력 모드 간에 전력 이득의 차이를 크게 하는 회로가 요구되어진다.

이러한 전력 증폭 회로의 효율은 통화시간을 결정하는 중요한 요소로 작용하며, 사용된 소자의 특성과 더불어 전력 증폭 회로에 적용된 정합 회로(matching circuit)의 특성에 따라서도 달라진다.

도 1은 출력 전력에 따라 고출력 모드, 저출력 모드로 동작하는 종래의 전력 증폭 회로의 개략적인 구성을 나타낸 것으로, 고출력 모드 앰프(11), 저출력 모드 앰프(12), 상기 고출력 모드 앰프(11)로의 입력신호 공급/차단을 선택하기 위한 스위치(S1), 상기 저출력 모드 앰프(12)로의 입력신호 공급/차단을 선택하기 위한 스위치(S2), 그리고 상기 고출력 모드 앰프(11)의 출력 또는 저출력 모드 앰프(12)의 출력 임피던스 정합을 위한 정합회로(13)로 이루어진다.

이때 고출력 모드 앰프(11)와 저출력 모드 앰프(12)를 사용하는 것은 배경기술에서 설명한 바와 같이, 입력신호의 전력 레벨에 따라 적정 증폭이 이루어져 효율이 개선되도록 하기 위함이다.

그리고 도 2는 도 1의 정합회로(13)로서, 일반적인 저역 통과 타입 및 고역 통과 타입의 정합회로들은 한 쪽 포트(입력 포트)에 수 옴(Ohm) 정도의 낮은 임피던스를 적용할 때 다른 포트(출력 포트)의 출력 임피던스가 상당히 크게 된다.

한편, 고출력 모드 앰프(11)가 '오프' 되었을 때 내부 트랜지스터의 컬렉터측 출력 임피던스 특성이 도 3의 스미스 챠트(Smith Chart)상에 도시되어 있다. 스미스 챠트상에 나타난 바와 같이, 일반적으로 앰프를 이루는 트랜지스터의 크기가 상당히 작지 않는 한 그 출력 임피던스는 오픈 영역에서 벗어나 있음을 알 수 있다.

또한 고출력 모드 앰프(11)가 '오프' 되고 정합회로(13)를 통해 변환을 마친 상태에서의 고출력 모드 앰프(11) 내부 트랜지스터의 컬렉터측 출력 임피던스 특성이 도 4의 스미스 챠트(Smith Chart)상에 도시되어 있다. 스미스 챠트상에 나타난 바와 같이, 상당히 낮은 임피던스를 나타냄을 알 수 있다.

종래의 기술에 따른 전력 증폭 회로는 효율 개선을 위해 입력신호의 전력레벨을 고려한 다수의 앰프를 사용하였지만, 전력레벨에 상관없이 앰프 출력측에 공통의 정합회로를 사용하므로 앰프간의 간섭이 발생하여 효율을 저하시키는 문제점이 있다.

따라서 본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 앰프의 수에 상관없이 서로간의 간섭발생을 방지하여 효율을 개선할 수 있도록 한 전력 증폭 회로를 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명은 일측 포트를 통해 전력신호를 입력받는 입력 정합회로와, 입력 정합회로의 타측 포트에 공통연결되고 적어도 두 개 이상의 출력 모드별 앰프로 이루어진 앰프부와, 앰프 각각의 출력단에 연결되는 정합회로들로 이루어진 출력 정합부와, 각 앰프 출력단과 정합회로 사이에 연결되는 스위치들로 이루어진 스위칭부와, 정합회로 각각에 연결되고 정합회로를 거친 출력신호의 주파수 대역을 변환하는 λ/4 변환기들로 이루어진 λ/4 변환부를 포함함을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 전력 증폭 회로의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전력 증폭 회로를 나타낸 도면, 도 6은 도 5에 따른 임피던스 특성을 나타낸 스미스 챠트이고, 도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 전력 증폭 회로를 나타낸 도면이다.

- 제1 실시예 -

본 발명의 제1 실시예에 따른 전력 증폭 회로는 도 5에 도시된 바와 같이, 입력 임피던스 정합을 위한 입력 정합회로(51), 고출력 모드 앰프(52), 저출력 모드 앰프(53), 출력 정합회로(54)(55), 그리고 λ/4 변환기(56)(57)로 이루어진다.

이때 고출력 모드 앰프(52) 및 저출력 모드 앰프(53)는 각각의 바이어스(Bias) 온/오프 신호에 따라 동작하거나 동작이 중지된다.

그리고 출력 정합회로(54)는 고출력 모드 앰프(52)의 출력에 맞는 출력 임피던스를 제공할 수 있는 것이 사용되고, 출력 정합회로(55) 역시 저출력 모드 앰프(53)의 출력에 맞는 출력 임피던스를 제공할 수 있는 것이 사용된다.

또한 λ/4 변환기(56)(57)는 마이크로 스트립(Micro strip)과 전송 라인중 하나를 이용하여 구현할 수 있고, 럼프드 엘리먼트(Lumped Element)를 이용할 경우 저역 통과 π네트워크로 컴팩트하게 구현할 수도 있다.

이와 같이 구성된 본 발명의 제1 실시예에 따른 전력 증폭 회로의 동작을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 저출력 모드일 경우 고출력 모드 앰프(52)의 바이어스를 '오프'시켜 동작이 중지되도록 한다.

따라서 'P1' 지점에서의 임피던스가 아주 낮아지는 반면, 출력 정합회로(54) 및 λ/4 변환기(56)에 의해 'P3' 지점이 매우 높은 임피던스 상태가 되어 저출력 모드 앰프(53)의 동작에 영향을 주지 않는다.

다음으로, 고출력 모드의 경우 저출력 모드 앰프(53)의 바이어스를 '오프'시켜 동작이 중지되도록 한다.

따라서 'P2' 지점에서의 임피던스가 아주 낮아지는 반면, 출력 정합회로(55) 및 λ/4 변환기(57)에 의해 'P3' 지점이 매우 높은 임피던스 상태가 되어 고출력 모드 앰프(52)의 동작에 영향을 주지 않는다.

이와 같이 본 발명의 제1 실시예에 따르면 상기 도 4의 스미스 챠트상에 낮은 임피던스 특성을 나타내던 것을 도 6의 스미스 챠트와 같이 높은 임피던스 특성을 갖도록 이동시킬 수 있음을 알 수 있다.

또한 동작하지 않는 앰프들의 출력 임피던스가 P3 지점에서 '오픈'에 가까운 큰 임피던스로 나타나도록 'P3' 노드와 접지단사이에 인덕터(Inductor) 그리고 커패시터(Capacitor)중 하나를 션트(Shunt) 목적으로 즉, 분로(分路)를 위해 연결할 수 있다.

- 제2 실시예 -

상술한 본 발명의 제1 실시예는 두가지 모드(고출력 모드와 저출력 모드)에 대응한 실시예라면, 본 발명의 제2 실시예는 적어도 3개 이상의 다중 출력모드에 대응한 실시예로서, 상술한 본 발명의 제1 실시예와 동작원리는 동일하다.

본 발명의 제2 실시예에 따른 전력 증폭회로는 도 7에 도시된 바와 같이, 입력 임피던스 정합을 위한 입력 정합회로(61), 상기 입력 정합회로(61)에 공통연결된 N개의 앰프(62~65)로 이루어진 앰프부, 상기 앰프(62~65)로 이루어진 앰프부에 대응되는 스위치(S₁~S_N)로 이루어진 스위칭부, 상기 앰프부에 대응되는 출력 정합회로(66~69)들로 이루어진 출력 정합부, 그리고 상기 출력 정합부의 출력 정합회로(66~69) 각각의 출력신호 주파수 대역을 변환하는 λ/4 변환기(70~73)들로 이루어진 λ/4 변환부로 이루어진다.

이때 출력 정합회로(66~69)는 각각 해당 앰프(62~65)의 출력 특성에 적당한 임피던스 특성을 갖는 것이 사용된다.

설명의 편의상 4개의 출력모드를 갖고 앰프(62~65)가 순차적으로 제1 출력모드 앰프 ~ 제4 출력모드 앰프라 가정하자.

예를 들어, 제1 출력모드일 경우 제2 출력모드 앰프(63)와 제3 출력모드 앰프(64) 및 제4 출력모드 앰프(65) 각각에 바이어스를 '오프'시켜 동작이 중지되도록 하고 스위치(S₂, S_N-1, S_N)를 모두 닫는다.

따라서 출력 정합회로(67~69) 및 λ/4 변환기(71~73)에 의해 출력단의 임피던스가 매우 높게 되므로 제2 출력모드 앰프(63)와 제3 출력모드 앰프(64) 및 제4 출력모드 앰프(65)가 제1 출력모드 앰프(62)의 동작에 영향을 끼치지 않는다.

본 발명에 따른 전력 증폭 회로는 앰프의 동작상태 조정과 각 앰프 출력 특성에 따른 각각의 정합회로 및 주파수 대역 변환기를 사용하여 현재 동작모드에 따른 앰프와 그 이외의 앰프의 간섭이 차단되므로 전력 증폭회로의 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 기술에 따른 전력 증폭 회로를 나타낸 도면

도 2는 도 1의 정합회로를 나타낸 도면

도 3 및 도 4는 도 1에 따른 임피던스 특성을 나타낸 스미스 챠트

도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전력 증폭 회로를 나타낸 도면

도 6은 도 5에 따른 임피던스 특성을 나타낸 스미스 챠트

도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 전력 증폭 회로를 나타낸 도면

Claims (4)

1. 일측 포트를 통해 전력 신호를 입력받는 입력 정합회로;

   상기 입력 정합회로의 타측 포트에 공통연결되고 바이어스 온/오프 신호에 의해 동작이 제어되는 적어도 두 개 이상의 출력 모드별 앰프로 이루어진 앰프부;

   상기 앰프부의 각 앰프 출력단에 연결되며 해당 앰프의 출력 특성에 따라 임피던스 특성이 다른 출력 모드별 정합회로들로 이루어진 출력 정합부;

   상기 각 앰프 출력단과 정합회로 사이에 연결되며, 출력모드에 따라 스위칭되어 해당 앰프의 출력을 제어하는 스위치들로 이루어진 스위칭부; 그리고

   상기 정합회로 각각에 연결되어 해당 정합회로를 거친 출력신호의 주파수 대역을 변환하며, 럼프드 엘리먼트(Lumped element)를 이용한 저역 통과 π 네트워크 형태로 구현된 λ/4 변환기들로 이루어진 λ/4 변환부를 포함하는 전력 증폭 회로.
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