KR100656341B1 - 변압기의 변압비 변경을 이용한 고출력 증폭기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 변압기의 변압비 변경을 이용한 고출력 증폭기에 관한 것으로서, 고출력 증폭기의 출력단에 변압기를 사용하고 이 변압기의 변압비를 조절하여 신호의 왜곡현상과 효율이 낮아지는 문제없이 부하저항을 조절함으로써 동작영역과 효율을 높일 수 있는 이점이 있다.
Power amplifier, Transformer, Variable load, 부하저항, 동작영역, 변압비

Description

변압기의 변압비 변경을 이용한 고출력 증폭기{POWER AMPLIFIER BY SWITCHING TRANSFORMER RATIO}
도 1은 일반적인 고출력 증폭기를 나타낸 회로구성도이다.
도 2는 일반적으로 부하저항의 변경에 따라 고출력 증폭기의 효율이 변화하는 것을 나타내기 위한 그래프이다.
도 3은 종래기술에 의해 고출력 증폭기의 부하저항을 변경하기 위한 회로도이다.
도 4는 본 발명에 의한 변압기의 변압비 변경을 이용한 고출력 증폭기를 설명하기 위한 개념도이다.
도 5는 본 발명의 실시예로써 변압기의 변압비 변경을 이용한 고출력 증폭기를 나타낸 회로도이다.
도 6은 본 발명에 의한 변압기의 변압비 변경을 이용한 고출력 증폭기의 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
- 도면의 주요부분에 대한 설명 -
111: 입력단자 112: 입력전압
113: 전압조절기 114: 전원전압
115: 증폭기 117: 가변부하부
118: 출력단자 119: 부하저항
120: 고출력 트랜지스터 121: 입력단자
122, 126, 129: 인덕터 123: 전원전압 입력단자
124, 125: 캐패시터 127, 130: 가변 캐패시터 다이오우드
128, 131: 제어단자 132: 출력단자
133: 부하저항 134, 135: 스위칭 트랜지스터
211: 입력단자 212: 입력변압기
213, 214, 215: 바이어스 입력단자
216, 217: 출력단자 218, 219: 전원전압
220 ~ 227 : 파워트랜지스터
228, 229, 230: 저항 231~ 234: 인덕터
235, 236: 캐패시터 237: 트랜스포머
238, 239: 가상접지
본 발명은 변압기의 변압비 변경을 이용한 고출력 증폭기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고출력 증폭기의 출력단에 변압기를 사용하고 이 변압기의 변압비를 조절하여 신호의 왜곡현상과 효율이 낮아지는 문제없이 부하저항을 조절함으로써 동작영역과 효율을 높일 수 있는 변압기의 변압비 변경을 이용한 고출력 증폭기에 관한 것이다.
일반적으로 증폭기의 출력전력(Pout)인 포화전력(saturation power)은 다음의 수학식 1과 같이 표시할 수 있다.
Pout = Vsupply2/Rload
(Pout : 출력전력, Vsupply : 전원전압, Rload : 부하저항)
즉, 위의 수학식 1에서 보는 바와 같이 출력전력(Pout)을 제어하기 위해서는 Vsupply(전원전압)을 조절하여야 한다.
따라서, 도 1과 같이 이루어진 고출력 증폭기의 경우 증폭기(115)로 입력되는 전원전압(114)을 조절하기 위해서는 전원전압 조절기(113), 예를 들어, DC-DC converter나 LDO(low dropout voltage regulator)를 사용하여 입력전압(112)을 변환하여 전원전압(114)을 조절하였다.
그러나 전원전압 조절기(113)만으로는 출력전력(Pout)(118)을 조절하는 범위가 제한되어지기 때문에 더 높은 동작영역(dynamic range)을 갖기 위해서는 수학식 1에서 알 수 있듯이 부하저항(Rload)(119)을 변경시킬 경우 출력전력(Pout)(118)의 동작영역을 더 높게 조절할 수 있게 된다.
따라서, 가변부하부(117)를 이용하여 증폭기(115)의 출력에서 바라보는 부하저항(116)을 조절함으로써 고출력 증폭기의 동작영역과 효율을 증가시킬 수 있게 된다.
도 2는 일반적으로 부하저항의 변경에 따라 고출력 증폭기의 효율이 변화하는 것을 나타내기 위한 그래프이다.
여기에 도시된 바와 같이 (a)는 최대 출력일 때의 전압, 전류, 소모 전력(빗금 친 사각형의 면적)을 나타낸다. 이때, (b)에서와 같이 출력전력이 1/2로 작아질 경우 부하저항이 변동하지 않을 경우 소모전력이 줄지 않기 때문에 최대전력 때에 비하여 고출력 증폭기의 효율이 감소하게 된다. 반면에 (c)에서와 같이 출력전력이 1/2로 작아질 경우 부하저항을 2배 증가시키면 소모전력(빗금 친 사각형의 면적)이 감소하기 때문에 효율을 유지할 수 있게 된다.
따라서, 종래기술에 의해 고출력 증폭기의 부하저항을 변경하기 위한 방법으로써 도 3에 도시된 회로도와 같이 부하저항을 변경하고 있다.
즉, (a)는 가변 캐패시터 다이오드(varactor diode)(127, 130)를 이용하여 부하저항을 변경시키고 있고, 도 3b는 스위칭 트랜지스터(134, 135)를 이용하여 부하저항을 변경시키고 있다.
이때, (a)와 같이 가변 캐패시터 다이오드(varactor diode)(127, 130)를 이용한 방법은 가변 캐패시터 다이오드(127, 130)의 전압을 제어단자(128, 131)를 통해 변화시킬 때 가변 캐패시터 다이오드(127, 130)의 캐피시턴스가 변경됨에 따라 부하저항을 변경시킬 수 있게 된다.
그런데 이와 같은 방법의 경우 가변 캐패시터 다이오드(127, 130)의 턴온전압(약 0.7V) 때문에 출력전압이 클램핑(clamping)되어 출력 파형이 왜곡되는 문제점이 있다.
이때 미설명 부호 120은 고출력 트랜지스터, 121은 입력단자, 122, 126, 129는 인덕터, 123은 전원전압, 124, 125는 캐패시터, 132는 출력단자, 133은 부하저항이다.
또한, (b)와 같이 스위칭 트랜지스터(134, 135)의 제어단자(128, 131)를 이용하여 턴온/오프시킴에 따라 부하저항을 변경시킬 수 있다.
그런데, 이와 같이 스위칭 트랜지스터를 이용한 방법은 스위칭 트랜지스터의 크기가 너무 크고, 스위칭 트랜지스터의 턴온 저항 때문에 효율이 낮아지는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, 본 발명의 목적은 고출력 증폭기의 출력단에 변압기를 사용하고 이 변압기의 변압비를 조절하여 신호의 왜곡현상과 효율이 낮아지는 문제없이 부하저항을 조절함으로써 동작영역과 효율을 높일 수 있는 변압기의 변압비 변경을 이용한 고출력 증폭기를 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은 차동 입력신호 각각에 연결된 파워트랜지스터들이 상기 차동 입력신호를 각각 증폭하는 차동증폭기와, 대응되는 상기 파워트랜지스터들의 출력단간에 각각 연결된 캐패시터들과, 일차측이 상기 차동증폭기의 출력단자에 각각 연결되며 이차측 연결노드에 출력단자가 형성된 트랜스포머로 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 증폭기의 파워트랜지스터 드레인 단에 인가되는 전원전압은 인덕터를 통해 인가되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 캐패시터는 증폭기가 클래스 E로 동작되도록 하기 위한 캐패시터인 것을 특징으로 한다.
이와 같이 이루어진 본 발명은 증폭기의 파워트랜지스터의 작동을 온오프시킴으로써 트랜스포머의 변압비를 조절하고 이로 인해 부하저항을 변화시킴으로써 고출력 증폭기의 신호왜곡현상 없이 동작영역 및 효율을 향상시킬 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.
도 4는 본 발명에 의한 변압기의 변압비 변경을 이용한 고출력 증폭기를 설명하기 위한 개념도이다.
즉, 도 4의 (a)에서와 같이 입력전압을 2개씩 쌍으로 이루어진 4개의 전압으 로 인가한다. 그러면, 1개의 변압기의 변압비가 1대 1일 때 출력전압은 4개의 입력전압의 합과 같게 된다. 따라서 변압비는 실질적으로 4대 1이 된다.
한편, 도 4의 (b)에서와 같이 4개의 입력전압 중 2개의 전압을 인가하지 않으면 전압이 인가되지 않은 변압기의 단자는 큰 캐패시터로 연결되어 가상접지가 된다. 이러한 큰 캐패시터는 고출력 증폭기 동작방법의 일종인 class E 동작에서는 일반적으로 사용되는 것으로써 이때의 변압비는 2대 1이 된다.
이와 같은 구성으로 변압기의 4개의 입력 중 4개를 모두 인가하면 변압비가 4대 1이 되고, 2개를 인가하면 2대 1이 되는 것을 알 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예로써 변압기의 변압비 변경을 이용한 고출력 증폭기를 나타낸 회로도이다.
여기에 도시된 바와 같이 차동 입력신호 각각에 연결된 캐스코드(cascode) 구조의 파워트랜지스터(220~227)가 서로 차동 되도록 대응되어 쌍으로 형성된 증폭기와, 대응되는 파워트랜지스터(220~227)의 출력단(240~243)간에 매개되어 형성된, 즉 출력단(240~243)간에 연결된 캐패시터(235, 236)와, 일차측이 증폭기의 출력단(240~243)에 각각 직렬연결되며 이차측 연결노드에 출력단자(216, 217)가 형성된 트랜스포머(237)로 이루어진다.
이때, 캐패시터(235, 236)는 큰 용량의 캐패시터로써 증폭기가 class E로 동작되도록 한다.
또한, 증폭기의 파워트랜지스터(220, 222, 225, 227) 드레인단(240~243)에 인가되는 전원전압(218, 219)은 고주파 차단역할을 하는 인덕터(231~234)를 통해 인가된다.
이와 같이 이루어진 본 발명은 입력단자(211)에서 들어온 신호가 입력변압기(212)를 거쳐 차동 신호(differential signal)로 변환된다. 그리고, 변환된 신호는 4개의 캐스코드(cascode) 구조로 된 CMOS 파워트랜지스터(220~227)에 인가된다. 그리고, 각각의 파워트랜지스터(220~227)의 바이어스(bisa) 전압(213~215)은 저항(228~230)을 통해 인가된다.
또한, 파워트랜지스터(220~227)를 고출력 증폭기의 동작방식의 일종인 class E로 동작시키기 위해서 캐패시터(235, 236)를 서로 대응되도록 구성된 캐스코드 파워트랜지스터(220~227) 사이에 연결한다.
전원전압(218, 219)은 인덕터(231~234)를 통해 각각 파워트랜지스터(220,222,225,227)의 드레인에 인가되는데 이때 인덕터(231~234)는 고주파 차단(RF choke)역할을 한다.
각 파워트랜지스터(220~227)에서 발생되는 전압은 트랜스포머(237)를 거쳐 4배로 승압되어 출력단자(216, 217)로 출력된다. 이때, 출력신호를 차동신호로 발생할 수도 있고, 한 단자를 접지시켜 비차동신호(single ended signal)로 발생시킬 수 있다.
따라서, 트랜스포머(237)의 변압비를 가변하기 위해서는 파워트랜지스터(220~227)의 게이트 바이어스 입력단자(214, 215) 중 1개를 접지시켜 2개의 캐스코드 파워트랜지스터를 오프시킨다. 그러면 파워트랜지스터가 오프되더라도 캐패시터(235, 236)로 연결되어 있으므로 오프된 파워트랜지스터의 드레인은 가상접지 (virtual ground)가 된다. 따라서 모든 파워트랜지스터가 턴온되었을 때는 직렬연결된 트랜스포머(237)의 일차측 연결노드(238, 239)가 가상접지가 되어 변압비가 4대 1이 되고 2개의 파워트랜지스터만 턴온되면 증폭기의 일측 출력단자(240, 241)가 가상접지가 되거나 타측 출력단자(242, 243)가 가상접지가 되어 변압비가 2대 1이 된다.
이와 같이 변압비를 변화시키면 캐스코드 트랜지스터(220~227)의 드레인 출력에서 바라보는 변환된 부하저항도 변화됨으로써 증폭기의 동작영역을 높일 수 있을 뿐만 아니라 효율의 향상시킬 수 있게 된다.
즉, 도 6에 도시된 본 발명에 의한 변압기의 변압비 변경을 이용한 고출력 증폭기의 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프를 살펴볼 때 (a)에서와 같이 고출력 증폭기의 동작영역을 5dB 향상시킬 수 있으며 효율도 (b)에서와 같이 1/2 전력에서의 효율도 10%에서 20%로 약 100% 향상된 것을 볼 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명은 고출력 증폭기의 출력단에 변압기를 사용하고 이 변압기의 변압비를 조절하여 신호의 왜곡현상과 효율이 낮아지는 문제없이 부하저항을 조절함으로써 동작영역과 효율을 높일 수 있는 이점이 있다.

Claims (3)

  1. 차동 입력신호 각각에 연결된 파워트랜지스터들이 상기 차동 입력신호를 각각 증폭하는 차동증폭기와,
    대응되는 상기 파워트랜지스터들의 출력단간에 각각 연결된 캐패시터들과,
    일차측이 상기 차동증폭기의 출력단자에 각각 연결되며 이차측 연결노드에 출력단자가 형성된 트랜스포머
    로 이루어진 것을 특징으로 하는 변압기의 변압비 변경을 이용한 고출력 증폭기.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 증폭기의 파워트랜지스터 드레인 단에 인가되는 전원전압은 인덕터를 통해 인가되는 것을 특징으로 하는 변압기의 변압비 변경을 이용한 고출력 증폭기.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 캐패시터는 증폭기가 클래스 E로 동작되도록 하기 위한 캐패시터인 것을 특징으로 하는 변압기의 변압비 변경을 이용한 고출력 증폭기.
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