KR100656333B1

KR100656333B1 - 자동 스위칭 기능을 갖는 전력증폭기

Info

Publication number: KR100656333B1
Application number: KR1020050035096A
Authority: KR
Inventors: 박창근; 홍성철
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2005-04-27
Filing date: 2005-04-27
Publication date: 2006-12-13
Also published as: JP2006311546A; US7498877B2; US20060244524A1; JP4773258B2; CN1855705A; KR20060112539A

Abstract

본 발명은 자동 스위칭 기능을 갖는 전력증폭기에 관한 것으로서, 포락선 신호의 크기에 따라 큰 전력이 필요할 경우에는 회로의 모든 부분을 켜서 동작시키고 작은 전력이 필요한 경우에는 회로의 일부분을 꺼 동작을 중지시킴으로써 출력전력이 가변될 수 있도록 하되 갑작스럽게 스위칭되지 않고 완만하게 자동으로 스위칭이 되어 시스템의 전체 동작에 악영향을 끼치지 않게 되며, 출력 전력의 크기에 따라 회로 일부분을 끄거나 켬으로써 전력증폭기의 효율 및 동작영역을 개선시킬 수 있는 이점이 있다.

Power amplifier, Auto-switching, 자동스위칭, 포락선 신호, 전력증폭기, 구동증폭기, Envelope signal

Description

자동 스위칭 기능을 갖는 전력증폭기{POWER AMPLIFIER WITH AUTOMATICALLY SWITCHING FACILITY}

도 1은 무선 이동통신 시스템에서 사용되는 polar 구조의 전력증폭기에 인가되는 신호와 전력증폭기를 나타낸 회로구성도이다.

도 2는 전력증폭기의 증폭단이 세 개로 분리되어 형성된 회로구성도이다.

도 3은 본 발명에 의한 자동 스위칭 기능을 갖는 전력증폭기를 나타낸 회로구성도이다.

도 4는 도 3의 스위칭 회로가 연결된 구동증폭단을 구체적으로 도시한 회로도 이다.

도 5는 포락선 신호의 크기에 따른 전력증폭단에 인가되는 전압을 나타낸 그래프이다.

도 6은 캐스코드(Cascode) 증폭단에 적용된 자동 스위칭 회로를 나타낸 회로구성도이다.

도 7은 전력증폭단이 캐스코드 구조가 아닌 경우에 적용된 자동 스위칭 회로를 나타낸 회로구성도이다.

도 8은 본 발명에 의한 다른 실시예로써 자동 스위칭 기능을 갖는 전력증폭기를 나타낸 회로구성도이다.

도 9는 본 발명에 의한 자동 스위칭 기능을 갖는 전력증폭기의 컴퓨터 모사 그래프이다.

도 10은 본 발명에 의한 자동 스위칭 회로를 선형 전력증폭기에 적용한 예를 나타낸 회로구성도이다.

- 도면의 주요부분에 대한 설명 -

201, 202, 203 : 제어신호

301, 302, 303 : 구동증폭단

400 : 스위칭 회로가 적용된 구동증폭단

401 : 스위칭입력단

501 : 자동 스위칭 회로가 없을 때 구동증폭단의 출력단에 인가되는 전압 그래프

502 : 자동 스위칭 회로가 적용됐을 때 구동증폭단의 출력단에 인가되는 전압 그래프

503 : 자동 스위칭 회로가 적용됐을 때 구동증폭단의 출력단에 실제로 인가되는 전압 그래프

601 : 자동 스위칭 회로

602 : 캐스코드 전력증폭단

603 : NMOS 트랜지스터

701 : 자동 스위칭 회로

702 : 전력증폭단

703 : PMOS 트랜지스터

704 : NMOS 트랜지스터

706 : NMOS 트랜지스터

801 : 1차 구동증폭단의 전원 전압

802 : 2차 구동증폭단과 전력 증폭단에 인가되는 포락선 신호

803 : 자동 스위칭 회로가 포함된 구동증폭단

804 : 전력증폭단

805 : 큰 전력을 내기 위한 전력증폭단의 트랜지스터

806 : 작은 전력을 내기 위한 전력증폭단의 트랜지스터

901 : 자동 스위칭 회로가 적용되지 않은 전력증폭기의 그래프

902 : 자동 스위칭 회로가 적용된 전력증폭기의 그래프

본 발명은 자동 스위칭 기능을 갖는 전력증폭기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 포락선 신호의 크기에 따라 큰 전력이 필요할 경우에는 회로의 모든 부분을 켜서 동작시키고 작은 전력이 필요한 경우에는 회로의 일부분을 꺼 동작을 중지시킴으로써 출력전력이 가변될 수 있도록 하되 갑작스럽게 스위칭되지 않고 완만하게 자동으로 스위칭이 되어 전력증폭기의 효율 및 동작영역을 개선시킬 수 있도록 하는 자동 스위칭 기능을 갖는 전력증폭기에 관한 것이다.

무선 이동 통신용 전력증폭기는 출력전력의 전 영역에서 효율을 증대시키기 위해 회로의 일부를 점멸해주는 방법을 많이 사용하고 있다. 즉, 큰 출력전력이 필요할 때는 회로의 모든 부분을 켜 주고, 낮은 출력전력이 필요로 할 때는 회로의 일부를 꺼 줌으로써 전 영역에서 효율을 증대시키는 방법을 사용하고 있다.

이러한 방법은 [Hyun-Min Park, et al.. "Demonstration of on-chip appended power amplifier for improved efficiency at low power region" IEEE MTT-S International Microwave Symposium]과 같은 보고서에서 이미 공개된 방법이다.

도 1은 무선 이동통신 시스템에서 사용되는 polar 구조의 전력증폭기에 인가되는 신호와 전력증폭기를 나타낸 회로구성도다.

여기에 도시된 바와 같이 고주파 입력은, 진폭은 일정하고 위상에 정보가 있는 신호이고, 포락선 신호는 위상신호와 분리되어 전력증폭기에 인가된다.

이때 포락선 신호는 포락선의 정보가 전압의 형태로 나타나는 신호이고 고주파 신호에 비하여 주파수가 낮은 것이 일반적이다.

이와 같이 포락선 신호입력에 의해 증폭기의 동작을 스위칭함으로써 증폭기의 동작을 제어하게 된다.

많은 전력증폭기들은 동작 영역의 확보와 효율의 개선을 위하여, 증폭단을 여러 개로 분리하여 형성한다. 높은 출력전력을 낼 때는 모든 증폭단을 켜주고, 낮은 출력전력을 낼 때는 증폭단의 일부를 꺼주게 된다.

이렇게 하는 이유는, 낮은 출력을 낼 때, 증폭단의 일부를 꺼 줌으로써, 전체 시스템의 효율을 개선시킬 수 있기 때문이다.

특히, 무선 이동통신 시스템에 사용되는 polar 구조용 전력증폭기는 이렇게 증폭단의 일부를 꺼 줌으로써 동작 영역까지 개선시킬 수 있다.

즉, 도 2는 전력증폭기의 증폭단이 세 개로 분리되어 형성된 회로구성도이다.

여기에 도시된 바와 같이 전력증폭기의 증폭단을 여러 개로 쪼갠 경우에, 포락선신호 크기의 변화, 혹은 출력전력의 변화에 따라 증폭단의 일부가 꺼져야 한다. 이때 쪼개어진 각각의 증폭 단을 켜 줄 것인가 꺼 줄 것인가를 결정하기 위해서는 외부에서 인가 되는 추가적인 제어신호(201, 202, 203)가 필요하다.

그러나, 이와 같은 기법을 적용하기 위한 회로는 회로의 일부를 끄거나 켜주기 위해 외부에서 인가되는 추가적인 제어신호가 필요할 뿐만 아니라 제어신호를 발생하기 위한 외부 조절 회로가 복잡해 질 수 있는 문제점이 있다.

즉, 출력전력의 크기가 일정 수준 이하로 내려가게 되면, 회로의 일부를 꺼주기 위한 제어신호를 전력증폭기에 인가해 회로의 일부를 끄도록 하기 위한 외부의 제어신호가 필요한 문제점이 있다.

한편, 외부의 제어신호에 의해 전력증폭기의 일부회로가 갑자기 꺼지거나 켜지게 되면, 회로의 특성 중 일부가 갑자기 변하게 되어, 시스템 전체의 동작에 악영향을 끼칠 수 있는 문제점도 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, 본 발명의 목적은 포락선 신호의 크기에 따라 큰 전력이 필요할 경우에는 회로의 모든 부분을 켜서 동작시키고 작은 전력이 필요한 경우에는 회로의 일부분을 꺼 동작을 중지시킴으로써 출력전력이 가변될 수 있도록 하되 갑작스럽게 스위칭되지 않고 완만하게 자동으로 스위칭이 되어 전력증폭기의 효율 및 동작영역을 개선시킬 수 있도록 하는 자동 스위칭 기능을 갖는 전력증폭기를 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은 포락선 신호가 입력되는 다수개의 전력증폭단으로 이루어진 전력증폭기에 있어서, 드레인이 상기 전력증폭단에 연결되고 게이트에는 기준전압이 인가되며 소오스에는 상기 포락선 신호가 인가되어 상기 기준전압에 의해 입력되는 상기 포락선 신호의 크기에 따라 스위칭되는 PMOS 트랜지스터 각각이 상기 전력증폭단들에 일대일 대응되도록 연결되어 상기 전력증폭단들을 개별적으로 온오프시키는 것을 특징으로 한다.
또는, 드레인이 상기 전력증폭단에 연결되고 게이트에는 상기 포락선 신호가 인가되며 소오스에는 기준전압이 인가되어 상기 기준전압에 의해 입력되는 상기 포락선 신호의 크기에 따라 스위칭되는 PMOS 트랜지스터 각각이 상기 전력증폭단들에 일대일 대응되도록 연결되어 상기 전력증폭단들을 개별적으로 온오프시키는 것을 측징으로 한다.

본 발명에서 각각의 기준전압은 서로 다른 값을 갖는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에서 전력증폭기는 폴라 구조의 비선형 전력증폭기나 선형 전력증폭기인 것을 특징으로 한다.

이때 선형 전력증폭기인 경우 전력증폭기가 출력해야 할 포락선 신호의 크기를 검출하여 출력하기 위한 전력감지기를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한 다.

삭제

본 발명에서 포락선 신호는 전압형태의 포락선 정보인 것을 특징으로 한다.

이와 같이 이루어진 본 발명은 다수개의 구동증폭단의 기준전압을 각각 다르게 설정한 상태에서 포락선 신호가 인가될 때 포락선 신호에 따라 구동증폭단이 스위칭됨에 따라 후단의 전력증폭단이 온오프됨으로써 포락선 신호에 따라 회로의 일부분이 켜지거나 꺼져 전력증폭기의 효율 및 동작영역을 개선할 수 있으며 구동증폭단이 스위치될 때 저항값의 변화에 의해 완만하게 스위칭됨으로써 갑작스런 스위칭에 의한 시스템 전체의 동작에 미치는 악영향을 방지할 수 있게 된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 또한 본 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것은 아니고, 단지 예시로 제시된 것이다.

여기에 도시된 바와 같이 구동증폭단에 스위칭 회로를 적용한 예로써 구동증폭단의 포락선 신호의 입력과 구동증폭단 사이에 스위칭 회로인 PMOS 트랜지스터가 위치하고 있다.

예를 들어서 포락선 신호의 입력이 3.3V에서 0V 까지 변한다고 할 때, 기준전압인 Vg1은 2V, Vg2는 1V 그리고 Vg3은 0V를 인가해 줄 수 있다. 그리고 스위치로 사용한 PMOS 트랜지스터의 문턱전압이 0.7V 라고 한다면, 도 3의 구동증폭단 301은 2.7V 이하의 포락선 신호가 들어온다면 꺼지게 된다. 그리고 포락선 신호가 1.7V 이하가 된다면 구동증폭단 302도 꺼지게 된다. 따라서 외부에서 따로 신호의 인가 없이도 회로의 꺼지고 켜짐이 자동으로 이루어 질 수 있다.

여기에 도시된 바와 같이 도 3의 400 부분을 자세하게 나타낸 회로도로써 구동증폭단을 D급 출력단으로 구성을 하고, D급 출력단과 포락선 신호 사이에 PMOS 트랜지스터를 위치시켜 자동 스위칭이 이루어지도록 한 예를 보였다.

여기에서 포락선 신호가 변화 할 때, 401 부분의 전압이 어떻게 변화 하는지를 도 5에 도시하였다. 여기에서 보는 바와 같이 포락선 신호가 Vgl+Vth(Vth : PMOS 트랜지스터의 문턱 전압)값 이하가 되면 도 5의 502와 같은 특성을 갖으면서 도 4의 회로는 완전히 꺼지게 된다.

만약에 도 4에서와 같이 자동 스위칭소자로 사용된 PMOS 트랜지스터가 없다면, 401 부분의 전압은 도 5의 501과 같이 변화 하게 되어, 원하는 포락선 신호의 크기에서 꺼지거나 켜질 수 없다.

그러나, 도 4와 같이 자동 스위칭 회로를 구현 한다면, 502와 같은 특성을 갖지만 실제적으로는 PMOS 트랜지스터의 게이트 전압과 소오스 전압차가 줄어들게 되면 PMOS 트랜지스터의 저항 성분이 증가하기 때문에 도 5의 503 과 같은 특성을 가지게 된다. 따라서 PMOS 트랜지스터에 연결된 구동증폭단은 갑자기 꺼지지 않고, 서서히 꺼지게 된다.

여기에 도시된 바와 같이 전력증폭단(602)의 NMOS트랜지스터(603)의 게이트는 자동 스위칭 회로(601)에 연결 되어 있다. 즉, 도 6에서 전력증폭단은 캐스코드 구조로 되어있으며 캐스코드 전력증폭단(602)의 NMOS 트랜지스터(603)에 자동 스위칭 회로(601)로 PMOS 트랜지스터와 저항이 연결되어 구성되어 있다. 따라서, PMOS 트랜지스터의 게이트 전압값에 따라, 회로의 꺼지는 지점이 조절 된다. 즉, 자동 스위칭 회로(601)의 PMOS 트랜지스터는 포락선 신호의 크기가 일정한 값 이하가 되어 자동으로 꺼지게 되면 전력증폭단(602)의 캐스코드 NMOS 트랜지스터(603)의 게이트는 접지에 연결 되어 캐스코드 트랜지스터가 꺼짐으로써, 전력증폭단(602)의 일부를 꺼 줄 수 있다.

따라서, 이를 이용하여 도 2와 같이 다수개의 전력증폭단을 구성하여, 포락선 신호의 변화에 따라 전력증폭단의 일부분이 켜지고 꺼지는 자동 스위칭 회로를 구성 할 수 있다.

이 경우에는 변화하는 포락선 신호가 PMOS 트랜지스터(703)의 게이트에 인가 되고 있다. Vctrl의 값에 따라서, 일정전압 이하로 포락선 신호의 크기가 내려가게 되면, PMOS 트랜지스터(703)이 켜지게 되고, 이에 따라 NMOS 트랜지스터(704)도 켜지게 된다. 이 경우, 전력증폭단(705)의 게이트의 전압이 문턱전압 이하로 내려가면서, 전력증폭단(705)이 꺼지게 된다.

이를 이용하여 도 2를 구성 하여, 포락선 신호의 크기의 변화에 따라서, 증폭 단이 켜지고 꺼지는 자동 스위칭 회로를 구성 할 수 있다.

이러한 자동 스위칭 회로를 이용하여 전력증폭기를 설계하고 그 결과를 통하여 자동 스위칭 회로의 동작을 확인할 수 있다.

도 8의 회로는 앞서 도 4에서 보인 자동 스위칭 기법을 사용하여 구성한 회로로써 포락선 신호의 크기가 일정 값 이하로 내려가게 되면, 구동증폭단의 일부와 전력증폭단의 일부가 함께 꺼지도록 구성 되어 있다.

여기에서 기준전압 Vg2는 0V에 두고, Vg1은 2V에 두었다. 이때 포락선 신호(802)를 변화 시키면서 출력전력과 효율을 컴퓨터를 이용하여 모사하여 보았다. 포락선 신호의 크기는 0.9 V부터 3.3 V까지 변화 시켰다. 이때 일정 전압 이하로 포 락선 신호가 내려가게 되면 전력증폭단(804)의 805와 805에 연결된 구동증폭단(803)이 꺼지면서, 806과 806에 연결된 구동증폭단만 켜지게 된다. 이러한 경우는 출력전력이 낮은 경우 인데, 회로의 일부가 꺼졌으므로 회로에서의 전류 소모가 줄어들고 회로 전체의 효율이 증가 하게 된다.

여기에 도시된 바와 같이 그래프 901은 자동 스위칭 회로를 사용하지 않은 것이고, 그래프 902는 자동 스위칭 회로를 사용한 경우이다. 즉, 자동 스위칭 회로에 의하여 포락선 신호의 크기가 작아 질 때, 전력증폭기의 큰 전력을 내는 부분이 꺼지게 되고, 작은 전력을 내는 부분만 켜지게 되어 효율이 증가 하게 된다. 이와 같이 낮은 출력 전력을 낼 때는 전력증폭기의 일부분이 꺼지게 되므로, 자동 스위칭 회로를 사용하지 않은 경우에 비하여 동작영역이 넓어지게 되는 특성을 보인다.

앞서 보인 예들은 무선 이동 통신 시스템에 사용되는 비선형 전력증폭기의 경우에 대하여 자동 스위칭이 어떻게 사용 될 수 있는지에 대하여 설명하였다. polar 구조에서는 포락선 신호와 위상 신호가 분리 되어 전력증폭기에 입력된다.

하지만, 일반적인 선형 전력증폭기의 경우에는 위상 신호와 포락선 신호가 합쳐진 형태의 고주파 입력이 인가되기 때문에 선형 전력증폭기에서 자동 스위칭 회로를 사용하기 위해서는 전력증폭기가 출력해야 할 포락선 신호의 크기를 검출하여야 한다.

따라서 도 10에 도시된 바와 같이 전력감지기를 통해 포락선 정보를 전압형 태의 포락선 신호로 바꾸어 주고, 이렇게 검출된 포락선 신호를 자동 스위칭 회로의 입력으로 사용한다면, 앞서 설명한 비선형 전력증폭기의 경우와 동일하게 자동으로 전력증폭기의 일부가 점멸되도록 할 수 있다.

상기한 바와 같이 본 발명은 포락선 신호의 크기에 따라 큰 전력이 필요할 경우에는 회로의 모든 부분을 켜서 동작시키고 작은 전력이 필요한 경우에는 회로의 일부분을 꺼 동작을 중지시킴으로써 출력전력이 가변될 수 있도록 하되 갑작스럽게 스위칭되지 않고 완만하게 자동으로 스위칭이 되어 시스템의 전체 동작에 악영향을 끼치지 않게 되며, 출력 전력의 크기에 따라 회로 일부분을 끄거나 켬으로써 전력증폭기의 효율 및 동작영역을 개선시킬 수 있는 이점이 있다.

Claims

포락선 신호가 입력되는 다수개의 전력증폭단으로 이루어진 전력증폭기에 있어서,

드레인이 상기 전력증폭단에 연결되고 게이트에는 기준전압이 인가되며 소오스에는 상기 포락선 신호가 인가되어 상기 기준전압에 의해 입력되는 상기 포락선 신호의 크기에 따라 스위칭되는 PMOS 트랜지스터 각각이 상기 전력증폭단들에 일대일 대응되도록 연결되어 상기 전력증폭단들을 개별적으로 온오프시키는 것을

특징으로 하는 자동 스위칭 기능을 갖는 전력증폭기.
포락선 신호가 입력되는 다수개의 전력증폭단으로 이루어진 전력증폭기에 있어서,

드레인이 상기 전력증폭단에 연결되고 게이트에는 상기 포락선 신호가 인가되며 소오스에는 기준전압이 인가되어 상기 기준전압에 의해 입력되는 상기 포락선 신호의 크기에 따라 스위칭되는 PMOS 트랜지스터 각각이 상기 전력증폭단들에 일대일 대응되도록 연결되어 상기 전력증폭단들을 개별적으로 온오프시키는 것을

특징으로 하는 자동 스위칭 기능을 갖는 전력증폭기.
제 1항 또는 제2항에 있어서, 상기 각각의 기준전압은 서로 다른 값을 갖는 것을 특징으로 하는 자동 스위칭 기능을 갖는 전력증폭기.
제 1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전력증폭기는 폴라 구조의 비선형 전력증폭기나 선형 전력증폭기인 것을 특징으로 하는 자동 스위칭 기능을 갖는 전력증폭기.
제 4항에 있어서, 상기에서 선형 전력증폭기인 경우 전력증폭기가 출력해야 할 포락선 신호의 크기를 검출하여 출력하기 위한 전력감지기를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 자동 스위칭 기능을 갖는 전력증폭기.
제 1항 또는 제2항에 있어서, 상기 포락선 신호는 전압형태의 포락선 정보인 것을 특징으로 하는 자동 스위칭 기능을 갖는 전력증폭기.
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