KR100561613B1

KR100561613B1 - 휴대폰의 전력 증폭 바이어스 시스템

Info

Publication number: KR100561613B1
Application number: KR1020030061515A
Authority: KR
Inventors: 김영웅; 한기천; 신진호
Original assignee: (주)에프씨아이
Priority date: 2003-09-03
Filing date: 2003-09-03
Publication date: 2006-03-15
Also published as: KR20050023945A

Abstract

본 발명에 따른 휴대폰의 전력 증폭 바이어스 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따른 휴대폰의 전력 증폭 바이어스 시스템은 파워 온 단자(PA_ON) 및 자동이득제어신호 단자(TX_AGC_ADJ)를 갖는 모뎀; 상기 모뎀으로부터 제공된 음향 전기 신호를 주파수 변환하는 전송회로; 상기 주파수 변환된 신호를 증폭하는 전력 증폭기; 및 상기 파워 온 단자로부터 기준 전압을 공급받고, 상기 자동이득제어신호 단자로부터 모드 전압을 공급받고, 상기 전력 증폭기에 바이어스 전류를 제공하는 바이어스 회로를 포함한다. 여기에서, 상기 바이어스 회로는 상기 기준 전압을 공급받고 상기 모드 전압에 따라 가변하는 가변 제어 전압을 발생하는 가변 전압 발생기; 상기 기준 전압을 공급받고 상기 전력 증폭기에 상기 바이어스 전류를 공급하는 바이어스 전류 발생기; 및 상기 기준 전압을 공급받고 상기 가변 제어 전압에 응답하여 상기 바이어스 전류 발생기의 상기 바이어스 전류를 제어하는 전류 제어기를 포함한다. 본 발명에 의하면, 바이어스 회로의 앞 단에 전력 제어 회로가 필요 없고, 폰 캘리브레이션을 한 번에 할 수 있다.

Description

휴대폰의 전력 증폭 바이어스 시스템 {POWER AMPLIFY BIAS SYSTEM OF MOBILE PHONE}

도 1은 종래 기술에 따른 휴대폰의 전력 증폭 바이어스 시스템을 보여주는 블록도이다.

도 2는 본 발명에 따른 휴대폰의 전력 증폭 바이어스 시스템을 보여주는 블록도이다

도 3은 도 2에 도시된 바이어스 회로를 보여주는 회로도이다.

도 4는 모드전압(Vmode)에 따른 전류(Idle)를 나타낸 그래프이다.

도 5는 모드전압(Vmode)에 따른 이득(Gain)을 나타낸 그래프이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10, 100 : 모뎀 20, 200 : 전송 회로

30, 300 : 전력 증폭기 40, 400 : 바이어스 회로

50 : 전력 제어 회로 410 : 가변 전압 발생기

420 : 전류 제어기 430 : 바이어스 전류 발생기

본 발명은 휴대폰에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 휴대폰의 전력 증폭 바이어스 시스템에 관한 것이다.

종래 기술에 따라 흔히 사용되는 전형적인 형태의 휴대폰은 송신부 회로 및 수신부 회로를 포함한다. 송신부 회로는 음향 전기 변환부, 변조부, 주파수 변환부 및 전력 증폭부를 포함한다. 송신 계통에 입력된 음성 신호는 음향 전기 신호로 변환되고 변조, 주파수 변환 및 전력 증폭 과정을 거쳐 전파로서 송출된다.

전력 증폭 과정은 전력을 많이 소비하는 과정 중의 하나이며, 휴대폰의 배터리 사용시간을 결정짓는 중요한 요소이다. 따라서 휴대폰의 통화 시간을 늘리기 위해서는 전력 증폭기의 전력 효율을 향상시켜야 한다.

도 1은 종래 기술에 따른 휴대폰의 전력 증폭 바이어스 시스템을 보여주는 블록도이다. 도 1을 참조하면, 종래의 전력 증폭 바이어스 시스템은 모뎀(10), 전송 회로(20), 전력 증폭기(30), 바이어스 회로(40), 그리고 전력 제어 회로(50)를 포함한다.

상기 모뎀(10)은 송신 계통에 입력된 음성 신호를 음향 전기 신호로 변환하는 회로로서, 상기 전력 증폭기(30) 등을 제어하기 위한 신호들(예를 들면, PA_ON, PA_R[0:1], TX_AGC_ADJ)을 발생한다. 상기 PA_ON 신호는 단말기의 송신 시에 음성의 재활용률을 이용하여 데이터 레이트에 따라 상기 전력 증폭기(30)를 온/오프 하도록 하는 신호이다.

상기 PA_R[0:1] 신호는 상기 전력 증폭기(30)의 증폭비를 조절하기 위한 신호로서, 통상 PDM 신호(Pulse Density Modulated signal)로 출력되어 RC 필터를 통해 직류 전압형태로 바뀌어 상기 바이어스 회로(40)에 입력된다. 상기 PA_R[0:1] 신호는 디지털 신호이다. 일반적으로, PA_R0 신호는 저전력 모드에서 상기 전력 증폭기(30)의 이득을 줄임으로써 불요파를 억제하고 소모 전류를 감소하게 한다. PA_R1 신호는 고전력 모드에서 기준전압 단자에 전원전압(Vcc)을 인가함으로써 충분한 이득을 만들어 내게 한다. 상기 자동이득제어신호(TX_AGC_ADJ)는 상기 전송 회로(20) 내에 포함된 자동이득제어 증폭기를 제어하는 신호이다.

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상기 전송 회로(20)는 음향 전기 신호를 변조 또는 주파수 변환하는 회로이다. 상기 전송 회로(20)는 자동이득제어 증폭기와 혼합기와 구동 증폭기 등을 포함한다. 상기 자동이득제어 증폭기는 상기 자동이득제어신호(TX_AGC_ADJ)에 응답하여 상기 모뎀(10)에서 제공하는 아날로그 신호의 준위가 변하더라도 출력이 거의 일정하게 유지되도록 이득을 자동으로 제어한다. 상기 혼합기는 상기 자동이득제어 증폭기의 출력 주파수를 증가시키는 주파수 변환을 위해 상기 자동이득제어 증폭기의 출력과 국부 발진기의 국부신호를 혼합하고, 주파수를 상향조정하여 출력한다. 상기 구동 증폭기는 상기 혼합기의 출력 신호를 증폭하여 상기 전력 증폭기(30)로 보낸다.

상기 전력 제어 회로(50)는 상기 모뎀(10)에서 제공되는 PA_ON 신호를 입력받아 상기 바이어스 회로(40)를 구동하기 위한 기준전압(Vref)을 발생한다.

상기 전력 증폭기(30)를 구동하기 위한 바이어스 전류를 공급하기 위해서, 종래에는 바이어스 회로(40)의 앞 단에 전력 제어 회로(50)가 부가적으로 필요하였다. 종래의 전력 증폭기에서는 기준전압(Vref) 단자에 6mA ~ 7 mA 정도의 전류가 흐르고, 3V 정도의 기준전압(Vref)을 필요로 하였다. 그러나 모뎀의 PA_ON 단자가 제공할 수 있는 전압과 전류의 용량은 각각 3V 와 5mA 정도로 제한된다. 결국, 전송 회로와 전력 증폭기를 동시에 구동시키기에는 전류가 부족하게 된다. 이를 위해 전력 증폭기를 구동하기 위해서 전력 제어 회로를 바이어스 회로 앞 단에서 별도로 사용하였다.

또한, 종래 기술은 모뎀의 PA_R[0:1] 단자에서 모드 전압(Vmode)을 인가받아 사용함으로써 폰 캘리브레이션을 두 번 이상 해야 하는 번거로움이 있다. 저전력 모드와 고전력 모드의 두 가지 모드를 사용하는 디지털 방식의 종래 전력 증폭기는 폰 캘리브레이션을 동작 범위를 정해놓고 소프트웨어적으로 따로 한다. 이 과정은 휴대폰 설계자들에게는 힘든 작업이다. 그래서 실질적으로 이 과정을 생략하고 특성 저하에도 불구하고 하나의 모드에서 운용하는 휴대폰이 전체의 80% 이상을 차지하고 있다.

또한, 종래 기술은 저전력 모드에서 이득이 크기 때문에 휴대폰 전체 시스템의 노이즈 스팩 문제를 만족시키기가 쉽지 않은 문제점이 있다. 거의 대부분의 종래 전력 증폭기는 저전력 모드에서 이득이 25dB 이상이다. 이는 고전력 모드에서의 이득과 불과 5dB 이내의 차이이다. 이것은 휴대폰 전체 시스템에 있어서, 저전력 모드에서 노이즈 특성을 나쁘게 한다.

통계적으로 전력 증폭기가 사용되는 출력 범위는 휴대폰의 최대 출력인 28dBm에서 사용되는 경우는 확률적으로 낮으며, 16dBm 이하의 낮은 출력 범위에서 확률적으로 많이 사용되고 있다.

따라서, 고전력 모드보다는 사용빈도가 높은 저전력 모드에서 전력 증폭기의 전력 부가 효율을 증가시키는 것이 바람직하며, 저전력 모드에서 전력 증폭기의 효율을 높이기 위해서는 아날로그 바이어스 전류가 필요하다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 모뎀의 자동이득제어신호 단자로부터 제공되는 모드 전압에 따라 가변하는 바이어스 전류를 전력 증폭기에 제공하는 휴대폰의 전력 증폭 바이어스 시스템을 제공하는 데 있다. 본 발명의 다른 목적은 바이어스 회로의 앞 단에 별도의 전력 제어 회로를 필요로 하지 않는 휴대폰의 전력 증폭 바이어스 시스템을 제공하는 데 있다. 본 발명의 또 다른 목적은 폰 캘리브레이션을 두 번 이상 해야하는 번바이어스 회로의 앞 단에 별도의 전력 제어 회로를 필요로 하지 않고, 폰 캘리브레이션을 한 번에 할 수 있는 휴대폰의 전력 증폭 바이어스 시스템을 제공하는 데 있다.

상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 휴대폰의 전력 증폭 바이어스 시스템은 파워 온 단자(PA_ON) 및 자동이득제어신호 단자(TX_AGC_ADJ)를 갖는 모뎀; 상기 모뎀으로부터 제공된 음향 전기 신호를 주파수 변환하는 전송회로; 상기 주파수 변환된 신호를 증폭하는 전력 증폭기; 및 상기 파워 온 단자로부터 기준 전압을 공급받고, 상기 자동이득제어신호 단자로부터 모드 전압을 공급받고, 상기 전력 증폭기에 바이어스 전류를 제공하는 바이어스 회로를 포함한다. 여기에서, 상기 바이어스 회로는 상기 기준 전압을 공급받고 상기 모드 전압에 따라 가변하는 가변 제어 전압을 발생하는 가변 전압 발생기; 상기 기준 전압을 공급받고 상기 전력 증폭기에 상기 바이어스 전류를 공급하는 바이어스 전류 발생기; 및 상기 기준 전압을 공급받고 상기 가변 제어 전압에 응답하여 상기 바이어스 전류 발생기의 상기 바이어스 전류를 제어하는 전류 제어기를 포함한다.

이 실시예에 있어서, 상기 전송회로와 상기 바이어스 회로는 상기 자동이득제어신호 단자로부터 모드 전압을 공급받고, 폰 캘리브레이션을 동시에 하는 것을 특징으로 한다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 휴대폰의 전력 증폭 바이어스 시스템을 보여주는 블록도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 전력 증폭 바이어스 시스템은 모뎀(100), 전송 회로(200), 전력 증폭기(300), 그리고 바이어스 회로(400)를 포함한다. 모뎀(100), 전송 회로(200), 전력 증폭기(300)의 구성 및 동작 원리는 도 1에서 설명한 바와 같다.

바이어스 회로(400)는 모뎀(100)의 자동이득제어신호(TX_AGC_ADJ) 단자로부터 모드전압(Vmode)을 입력받는다. 바이어스 회로(400)는 모드 전압(Vmode) 단자에 흐르는 전류를 100μA 이하로 줄임으로써, 모드 전압(Vmode) 단자를 모뎀(100)의 자동이득제어신호(TX_AGC_ADJ) 단자에 곧바로 연결할 수 있다.

도 2에서 보는 바와 같이, 자동이득제어신호(TX_AGC_ADJ) 단자에 전송 회로(200)에 포함된 구동 증폭기(도시 하지 않았음)와 상기 바이어스 회로(400)를 동시에 연결하면 한번에 캘리브레이션을 할 수 있다. 이는 소프트웨어와 하드웨어 양쪽에서 휴대폰에 걸리는 로드를 한꺼번에 줄일 수 있다.

또한, 바이어스 회로(400)는 기준전압(Vref)으로 대략 2.85V 정도를 사용하고, 기준전압 단자에 흐르는 전류를 1mA 이하로 줄임으로써 전력 제어 장치(50)를 거치지 않고도 곧바로 상기 모뎀(100)의 PA_ON 단자를 기준전압 단자에 연결할 수 있다.

또한, 바이어스 회로(400)는 고전력 모드와 저전력 모드 간의 이득 차이를 10dB 이상으로 함으로써 저전력 모드에서 노이즈 스팩 문제를 해결할 수 있다. -10dBm ~ 0dBm 기준으로 28dBm 일 때 보다 10dB 이상 차이가 나게 함으로써 저전력 모드에서 노이즈가 같이 증폭되는 양을 최소화함으로써 시스템의 전력 소비량을 예측하기가 용이하다.

도 3은 도 2에 도시된 바이어스 회로를 예로서 보여주는 회로도이다. 도 3을 참조하면, 바이어스 회로(400)는 가변 전압 발생기(410), 전류 제어기(420), 그리고 바이어스 전류 발생기(430)를 포함한다.

상기 가변 전압 발생기(410)는 전원전압(Vcc)과 기준전압(Vref)을 공급받아 가변하는 모드전압(Vmode)에 따라 가변 제어 전압을 상기 전류 제어기(420)에 공급한다. 상기 모드전압(Vmode)은 상술한 바와 같이 상기 모뎀(100)의 자동이득제어신호 단자에서 공급받는다. 상기 자동이득제어신호 단자에서는 0V ~ 3V 사이에서 가변하는 전압이 발생되어, 상기 전송 회로(200)와 상기 바이어스 회로(400)를 동시에 구동시킨다. 상기 기준전압(Vref)은 상기 모뎀(100)에서 직접 공급받는다.

상기 모드전압(Vmode)이 변함에 따라 노드(n1) 전압이 변하고, 기준전압(Vref)에 의해 발생된 전류의 변화와 노드(n2) 전압의 변화를 초래한다. 결과적으로, 상기 모드전압(Vmode)이 변하면 상기 전류 제어기(420)에 공급되는 전압도 변하게 된다.

상기 전류 제어기(420)는 전원전압(Vcc)과 기준전압(Vref)을 공급받고, 상기 가변 전압 발생기(410)에서 발생된 가변 전압에 응답하여, 상기 바이어스 전류 발생기(430)에 가변 전류를 공급한다. 상기 전류 제어기(420)는 상기 바이어스 회로(400)의 개방 루프 이득을 줄이기 위해 트랜지스터들(T3, T4)과 전류 미러를 사용하여 원하는 위상을 얻는 동시에 버퍼로서 기능 한다.

상기 가변 전압 발생기(410)에서 공급되는 가변 전압이 바뀌면 노드(n3) 전압이 변하고, 이는 전류 미러의 기준 전류원으로 작동하는 바이폴라 트랜지스터(T4)의 이미터 전류를 변화시킨다. 상기 이미터 전류는 전류 미러에 의해 바이폴라 트랜지스터(T6)의 콜렉터 전류를 변화시킨다. 상기 콜렉터 전류의 변화는 상기 바이어스 전류 발생기(430)에 포함된 바이폴라 트랜지스터(T7)의 베이스에 입력되는 전류를 변화시킨다.

결과적으로 상기 전류 제어기(420)는 상기 가변 전압 발생기(410)에서 발생된 가변 전압에 따라 상기 바이어스 전류 발생기(430)에 입력되는 전류를 제어한다.

상기 바이어스 전류 발생기(430)는 전원전압(Vcc)과 기준전압(Vref)을 공급받고, 상기 전류 제어기(420)에서 발생된 가변 전류에 응답하여 동작한다. 상기 가변 전류가 변함에 따라 바이폴라 트랜지스터(T7)의 이미터 전류가 변한다. 상기 이미터 전류는 가변하는 아날로그 바이어스 전류로서, 상기 전력 증폭기(300)에 공급된다. 상기 아날로그 바이어스 전류는 도 2에서 보는 바와 같이 상기 전력 증폭기(300)의 증폭 트랜지스터의 베이스 단자에 공급된다.

도 4는 모드전압(Vmode)에 따른 전류(Idle)를 나타낸 그래프이다. 도 4를 참조하면, 모드전압(Vmode)이 0V ~ 2V 로 변화됨에 따라 대기상태(standby state)에서 상기 전력 증폭기(300)의 출력단에 흐르는 전류(Idle)가 20mA ~ 70mA 로 변화됨을 알 수 있다.

종래에는 저전력 상태에서 모드전압(Vmode)이 0V 인 경우에는 전류(Idle)가 약 20mA 이고, 고전력 상태에서 모드전압(Vmode)이 3V 인 경우에는 전류(Idle)가 약 70mA 이다. 그러나 본 발명에 따른 아날로그 바이어스 회로(400)에 의하면, 상 기 모드전압(Vmode)이 0V ~ 3V 로 변화되기 때문에 사용 특성에 맞도록 전류(Idle)를 조절할 수 있다. 예를 들면, 도 4에서 모드전압(Vmode)이 1.5V 로 조정되면, 전류(Idle)는 약 26mA 정도가 된다.

도 5는 모드전압(Vmode)에 따른 이득(Gain)을 나타낸 그래프이다. 도 5를 참조하면, 모드전압(Vmode)이 0V ~ 2V 로 변화됨에 따라 상기 전력증폭기(300)의 이득(Gain)이 20dB ~ 32dB 로 변화됨을 알 수 있다.

종래에는 저전력 상태에서 모드전압(Vmode)이 0V 인 경우에는 이득(Gain)이 약 25dB이고, 고전력 상태에서 모드전압(Vmode)이 3V 인 경우에는 이득(Gain)이 약 30dB 이다. 그러나 본 발명에 따른 아날로그 바이어스 회로(400)에 의하면, 상기 모드전압(Vmode)이 0V ~ 3V 로 변화되기 때문에 사용 특성에 맞도록 이득(Gain)을 조절할 수 있다. 예를 들면, 도 5에서 모드전압(Vmode)이 1.5V 로 조정되면, 이득(Gain)은 25dB 정도가 된다.

한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 상술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위 뿐만아니라 이 발명의 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 바이어스 회로의 앞 단에 별도의 전력 제어 회로를 필요로 하지 않고, 폰 캘리브레이션을 두 번 이상 해야하는 불편을 해소할 수 있다.

Claims

휴대폰의 전력 증폭 바이어스 시스템에 있어서:

파워 온 단자(PA_ON) 및 자동이득제어신호 단자(TX_AGC_ADJ)를 갖는 모뎀;

상기 모뎀으로부터 제공된 음향 전기 신호를 주파수 변환하는 전송회로;

상기 주파수 변환된 신호를 증폭하는 전력 증폭기; 및

상기 파워 온 단자로부터 기준 전압을 공급받고, 상기 자동이득제어신호 단자로부터 모드 전압을 공급받으며, 상기 전력 증폭기에 바이어스 전류를 제공하는 바이어스 회로를 포함하되,

상기 바이어스 회로는,

상기 기준 전압을 공급받고 상기 모드 전압에 따라 가변하는 가변 제어 전압을 발생하는 가변 전압 발생기;

상기 기준 전압을 공급받고 상기 전력 증폭기에 상기 바이어스 전류를 공급하는 바이어스 전류 발생기; 및

상기 기준 전압을 공급받고 상기 가변 제어 전압에 응답하여 상기 바이어스 전류 발생기의 상기 바이어스 전류를 제어하는 전류 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭 바이어스 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 전송회로와 상기 바이어스 회로는 상기 자동이득제어신호 단자로부터 상기 모드 전압을 공급받고, 폰 캘리브레이션을 동시에 하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭 바이어스 시스템.