KR100689979B1 - 적응형 파워 증폭기 보상을 이용하여 집적 부하 정합을제공하는 방법 및 장치 - Google Patents

적응형 파워 증폭기 보상을 이용하여 집적 부하 정합을제공하는 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

RF 파워 증폭기 모듈은 파워 증폭기 모듈과 안테나 사이에서 정합 장치 없이 사용될 수 있다. 파워 증폭기 모듈은 외부 회로 사용에 대한 요구없이 심각한 VSWR 부하 부정합의 존재 내에서 파워 증폭기의 수행을 검출하고, 보호하며, 유지하도록 설계되어 동작한다. RF 파워 증폭기 모듈은 출력 파워 트랜지스터를 통해 흐르는 전류를 표시하는 값을 지닌 제 1 검출 신호와 출력 파워 트랜지스터의 출력에서 나타나는 전압을 표시하는 값을 지닌 제 2 검출 신호를 생성하기 위한 인터그럴 검출 회로와 다수의 바이어스 전류 및 바이어스 전압 신호들이 제 1 및 제 2 검출 신호들 값의 함수와 RF 파워 증폭기 모듈의 현재 출력 파워 레벨을 지니도록 생성을 제어하는 인테그럴 보상 회로를 포함한다. 또한 상기 출력 트랜지스터의 출력과 상기 출력 노드 사이에 연결되고 보상 회로의 출력 신호에 의해 선택적으로 제어되는 가변 임피던스를 제공하는 인테그럴 임피던스 정합 회로를 포함한다.

Description

적응형 파워 증폭기 보상을 이용하여 집적 부하 정합을 제공하는 방법 및 장치{Method and apparatus providing integrated load matching using adaptive power amplifier compensation}
본 발명은 일반적으로 무선 주파수(RF) 증폭시에 관한 것으로, 보다 상세히 RF 파워 증폭기 집적 회로 및 이동 통신 및 다른 장치에서 사용하기에 적합한 모듈에 관한 것이다.
RF 파워 증폭기(PA, power amplifier)를 사용하는 무선 통신 장치에서, 심각한 VSWR(Voltage Standing Wave Ratio) 부하 변화는 일시적으로 또는 영구적으로 파워 증폭기의 성능을 강등시킬 수 있다. 이 문제를 해결하기 위해서, 당업자는 PA의 출력과 PA가 연료를 공급하는 안테나 사이에 절연체를 놓아둔다. 그러나, 이러한 접근법은 분리된 구성요소(절연체)의 사용을 요구하므로, 크기가 커질 수 있고 또한 PA 가 형성하는 부분의 RF 트랜스미터 회로에 가격과 복잡성을 증대시킬 수 있다.
일반적으로, RF PA의 작동은 조정된 로드 라인(load line)에 기초한다. 로드 라인은 바이어스 전압, 바이어스 전류 및 로드 임피던스에 의해 정의된다. 정확하게 설정시, 로드 라인은 PA 출력 파워 트랜지스터의 전압 및 전류 파형을 최적화하 며, 또한 최적의 PA 효율성이 획득되는 곳에서 원하는 출력 전압을 최적화한다. 출력-정합 네트워크는 출력 임피던스를, 특히 50 옴에서, 출력 트랜지스터를 위한 최적 로드 임피던스로 변환하기 위해 사용된다. 출력-정합 네트워크는 원하는 임피던스 변환 비율에 원하는 출력 주파수를 제공하도록 제작된다.
일반적인 무선 트랜스미터에서, PA 출력은 필터 및/또는 스위치 그리고 그 후 안테나에 뒤따른다. 안테나는 일반적으로 공중으로 방사될 때 50 옴의 입력 임피던스를 지니도록 제작된다. 그리고, 안테나와 PA 사이의 필터 및/또는 스위치는 50옴의 입력과 출력 임피던스를 지니도록 제작된다. 따라서, 임피던스 정합을 위해 PA의 출력 임피던스는 또한 50 옴이 되어야 한다. 그러나, 휴대용, 핸드헬드 통신 장치에서 안테나 임피던스는 안테나가 방사되는 환경의 가변성으로 인해 이상적인 50옴의 값과는 다를 수 있다. 안테나 임피던스에 있어 이러한 변화는 PA의 출력과의 부정합으로 나타날 수 있고 그 결과 RF 트랜스미터 수행에 있어 저하가 발생하게 될 수 있다.
로드 임피던스의 변화(예, 로드 부정합)은 광대역 코드 분할, 다중 접속 WCDMA(wireless communication system)과 같은 많은 시스템에서 심각한 문제를 초래할 수 있다. 왜냐하면, WCDMA 시스템은 PA의 좋은 선형성을 요구하기 때문이다. WCDMA 시스템에서, PA 로드 부정합은 신호 왜곡 및 수행 저하를 초래할 수 있다. 이러한 결과는 로드 부정합 조건하에서 엄격한 WCDMA 트랜스미터 요구사항들을 충족시키는 것을 보다 더 어렵거나 심지어 불가능하게 한다.
상기 서술한 바에 따라, 절연체 또는 서큘레이터와 같은 정합 장치를 이용하 여 안테나에서 PA의 출력을 분리하는 것은 당업자들에게 알려져 있다. 그렇게 함으로써, PA는 안테나 임피던스의 변화와 관계없이 항상 명목적으로 50-옴 임피던스일 수 있고 신호 왜곡을 피할 수 있다. 이 접근 방법의 단점은 정합 장치 내에서 초래하는 부가적 손실이다. 트랜스미터 경로 내의 정합 장치의 부가는 또한 부속의 수, 가격, 전력 소비 및 요구되는 회로 경계 지역을 증가시킨다. 이러한 요소들은 모두 핸드헬드, 배터리 전원, 무선 전화기와 같은 대량 생성 통신 장치 등에서 단점이 될 수 있다.
심한 로드 부정합에서 PA를 보호하기 위해 반사계 및 관련 회로를 이용하는 것 역시 당업자에게 알려져 있다. 반사계는 λ/4 길이의 듀얼 방향 커플러와 관련 회로로 구현된다. 이 기술은 VSWR 부정합을 검출하기 위해 순방향으로 반사된 전압을 이용하고, 관련 회로는 그 후 파워 증폭기를 보상하기 위해 사용되며 주변 회로는 VSWR 부정합에 적응하기 위해 사용된다. 이러한 부정합 장치를 사용함에 따라, 이 기술은 손실, 가격 및 회로 보드가 차지하는 지역을 증가시키게 된다.
부정합 장치의 사용은 또한 임피던스 부정합 조건을 검출할 수 있다. 그리고, 그 후 임피던스 정합 네트워크 또는 PA를 검출된 로드 부정합 조건을 보상하도록 적합하게 한다. 이러한 적합은 PA를 구동하도록 조정하고, PA 바이어스를 조정하며, 또는 임피던스를 보다 적합한 형태로 변화시키도록 다이오드를 이용함으로써 이루어질 수 있다.
U.S. 특허 No.: 5,564,086 은 PA를 보호하는 종래의 기술 하나를 서술하고 있다. 도 1 과 관련하여, PA(1) 의 출력은 가변 정합 네트워크(2)에 연결되고, 그 것은 차례로 방향성 커플러(3)를 통해 안테나(4)에 연결된다. 방향성 커플러는 다이오드 검출과 함께 부정합 조건을 검출하고 프로세서(5)에 출력 신호를 제공함으로써 가변 정합 네트워크(2)를 조정한다. 방향성 커플러(3)는 순방향 신호(6B)에 독립적으로 반사된 신호(6A)를 샘플할 수 있고, 안테나(4)에 존재하는 임피던스의 크기는 그로 인해 결정될 수 있다. 이러한 접근은 회로와 복잡성을 RF 트랜스미터에 부가하며 그로 인해 위에서 설명한 단점이 발생한다.
U.S. 특허 Nos.:5,404,585, 5,448,770 및 4,859,967 에 제시된 바와 같이 PA 파워를 센싱하기 위해 전류 검출기를 이용할 수 있다. 또한 PA와 관련하여 전압 검출기를 이용하는 것 역시 알려져 있으며, 이는 U.S. 특허 Nos6,265,939, 6,002,922 및 5,873,029, 5,659,253 및 4,041,410 에 서술되어 있다. 또한 PA를 제어하기 위해 RF 검출기를 이용할 수 있으며, 이것은 U.S. 특허 Nos.:5,724,003, 5,432,473, 5,291,150, 5,278,994, 5,150,075, 4,709,403, 4,673,886 및 5,564,086에서 볼 수 있다.
또한 PA 시스템들은 파워 검출 및 제어에 대해서도 U.S. 특허 Nos.: 6,188,277, 5,404,114, 5,003,271, 4,859,967, 4,727,337 및 4,122,400에 제시되어 있다.
이 관련 참고 문헌들은 U.S. 특허 No.:5,070,309에 또한 제시되어 있으며, 상기 특허에서 RF 파워 증폭기는 On 및 Off 조건을 지닌다. On 일 때, PA는 일반적으로 입력 RF 신호를 수신하고 증폭하여 확장된 RF 신호를 생성한다. RF 전류 및 RF 전압 모두 출력 회로에서 검출된다. 제 1 신호는 RF 전류에서 제공되고 고정된 크기이지만, RF 전류의 주파수 및 위상에 대응된다. 고정된 크기의 제 2 신호도 제공되며, RF 전압의 주파수 및 위상에 대응된다. 제 1 및 제 2 신호들은 상기 제 1 및 제 2 신호들 간의 위상 차이에 기초한 크기를 지닌 위상 신호를 제공과 비교된다. 상기 위상 신호는 그 후 기준점과 비교되며, 상기 비교 결과에 기초하여 RF PA는 Off 조건으로 변환될 수 있다.
U.S. 특허 US 6,289,205 B1 은 고주파 파워 확장기에 대해 기술하고 있으며, 상기 고주파 파워 확장기는 확장된 고주파 신호를 출력하는 출력 단계와 고주파 신호의 파워를 측정하는 측정 장치를 포함한다.
선행 U.S 특허들은 VSWR 로드 부정합에서 발생하는 PA 문제점들에 완전히 접근하지 못하고 있다.
선행하는 그리고 다른 문제점을 극복하고, 또 다른 이점을 실현하기 위해 본 발명에서 선호되는 실시예 들과 기술 사상이 제시된다.
본 발명은 파워 증폭기를 제시하고 있다. 본 발명의 파워 증폭기는 파워 증폭기와 안테나를 포함하는 로드와 같은 로드 사이에 절연체 또는 써큘레이터와 같은 정합 장치의 없이도 사용이 가능하다. 본 발명이 제시하는 기술적 사상은 RF 통신 장치 및 비-RF 통신 장치를 포함하는 기술 사상에 적용될 수 있으며, 그곳에서 파워 증폭기 수행은 로드 임피던스 변화에 영향을 받는다.
본 발명에서 제시되는 파워 증폭기는 심각한 VSWR 로드 부정합의 존재로 인한 파워 증폭기의 성능을 검출하고, 보호하며 유지한다.
본 발명의 일 실시예에서, RF 파워 증폭기 모듈은 출력 파워 트랜지스터를 통해 흘러가는 전류의 값을 표시하는 제 1 검출 신호를 생성하고 또한 출력 파워 트랜지스터의 출력부에서 나타나는 전압의 값을 표시하는 제 2 검출 신호를 생성하는 인테그럴(integral) 검출 회로를 포함한다. RF 파워 증폭기 모듈은 제 1 및 제 2 검출 신호들 값 그리고 RF 파워 증폭기 모듈의 현재 출력 파워 레벨의 함수인 값을 지니도록 또한 다수의 바이어스 전류 및 바이어스 전압 신호의 생성을 제어하는 인테그럴 보상 회로를 더 포함한다.
RF 파워 증폭기 모듈은 출력 트랜지스터와 출력 노드 사이에 연결된 인테그럴 임피던스 정합 회로를 포함한다. 임피던스 정합 회로는 보상 회로의 출력 신호에 의해 선택적으로 제어되는 가변 임피던스를 나타낸다.
본 발명은 또한 출력 파워 레벨의 범위에서 파워 확장 모듈을 작동하는 방법에 관해 서술하고 있다. 상기 방법은 출력 트랜지스터를 통해 흐르는 전류량을 표시하는 값을 지닌 제 1 검출 신호 및 상기 출력 트랜지스터의 출력에서 나타나는 전압을 표시하는 값을 지닌 제 2 검출 신호를 생성하는 단계, 상기 제 1 및 제 2 검출 신호들의 값과 상기 파워 증폭기 모듈의 상기 전류 출력 파워의 함수의 값을 지닌 다수의 파워 증폭기 바이어스 전류 및 바이어스 전압 신호들의 생성을 제어함으로써 상기 출력 증폭기 모듈의 출력 노드에서 나타나는 임피던스 변화들을 위해 상기 출력 트랜지스터의 로드 라인을 자동으로 보상하는 단계를 포함한다.
본 발명은 또한 상기 보상 회로의 출력 신호와 함께 상기 파워 트랜지스터의 출력과 상기 출력 노드 간에 연결된 임피던스 정합 회로의 값을 조절하는 단계를 더 포함한다.
도 1 은 종래의 방향성 커플러와 출력 정합 회로 제어부를 지닌 PA의 일 실시예를 도시한다.
도 2 는 본 발명에 따라 적응형 PA 보상에 의해 집적된 로드 정합을 하는 PA의 간략화된 블락 다이어그램을 도시한다.
도 3 은 도 2 의 PA의 보다 상세한 블락 다이어그램을 도시한다.
도 4 는 도 2 및 3의 PA의 보다 상세한 블락 다이어그램을 도시한다.
도 5A 및 5B 는 출력 파워와 로드 임피던스 각각에 대한 전압을 도시한 그래프이다. 도 5A에서, 두 개의 파워 검출기들은 명목적인 50 옴 로드 임피던스의 경우 동일한 응답을 지니나, 로드 임피던스가 50 옴의 값에서 변화하는 경우 다른 응답을 나타낸다(도 5B).
도 6 은 도 4의 임피던스 검출 및 PA 보상 블락의 동작 과정을 도시한다.
도 7 은 도 4에 도시된 IDET 및 VDET 기능들의일 실시예를 도시하는 간략화된 구조 다이어그램이다. 그리고,
도 8 은 출력 정합 회로의 간략화된 구조도이다.
도 2 와 관련하여, 본 발명에서 PA(10)는 입력 RF 신호(RFIN)를 제 1 증폭기 단계(12)에 연결하기 위한 입력 노드(10A)를 포함한다. PA(10)는 또한, 제 2 최종 증폭기 단계(14), 그리고 제 2 증폭 단계(14)에 결합된 집적 VSWR 검출부(16)(또한 본 명세서에서 부정합 검출 회로 및 검출 및 보상 회로로 언급된다)를 포함한다. PA(10)은 또한 집적 적응형 정합 회로(18) 및 바이어스 제어 회로(20)를 포함하고, 각각은 집적 VSWR 검출부(16)의 신호(들)(16A)에 의해 제어된다. 상기 바이어스 전류 생성부(20)는(도 4와 관련하여 이후에 설명될 것이다.) 제 1 및 제 2 증폭 단계 바이어스 전류 생성부(Bias current generator, 20A, 20B)와 제 1 및 제 2 증폭 단계 바이어스 전압 생성부(20C)를 포함한다. PA(10)는 주로 듀플렉서 필터(22)의 반을 통해 증폭된 RF 신호(RFout)을 안테나(24)에 연결하기 위한 출력 노드(10B)를 지닌다. 안테나(24)는 출력 노드(10B)에 가변 임피던스를 다시 제공하는 것으로 가정하며, 그것은 원하지 않는 VSWR의 생성을 초래할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에서, PA(10)는 코드 분할, 다중 접속(CDMA) 대기 인터페이스, 보다 바람직하게는 광대역 CDMA(WCDMA) 대기 인터페이스와 호환을 위해 무선 전화와 같은 배터리 구동, 이동 무선 통신 터미널(100) 내에 설치되고 구현된다.
본 발명에서 VSWR 로드 부정합 검출 및 적응형 PA 보상은 PA(10)의 내부에서 수행된다. 이 기술의 이점은 PA에 부가적인 외부 장치를 요구하지 않으며, 절연체 또는 써큘레이터 또는 반사계 및/또는 커플러의 필요성을 제거하고 따라서 회로 보드의 면적을 보존한다. PA(10) 출력 노드(10B)와 안테나 공급간의 전송 경로에 있어 손실 또한 줄어든다.
선호되는 일 실시예에서, PA(10)는 PA 바이어싱(20) 및 출력 정합 회로(18)를 검출된 신호에 따라 제어하는 VSWR 부정합 검출을 수행하기 위한 내장, 통합 회로를 포함하도록 구성된다. 이 기술을 이용함으로써, PA(10)는 다양한 로드 임피던스에 적응하고, 그에 따라 모든 동작 조건하에서 출력 선형성을 유지한다. 본 발명은 또한 전력 레벨을 검출하고 그에 따라 바이어스 제어부(20) 및/또는 출력 정합 회로(18)를 조정하여 저전력 레벨에서 PA(10)의 효율성을 증대시키도록 사용될 수 있다.
PA(10)에서 보는 출력 임피던스는 복소수이거나 또는 실수이고 다양한 크기 및/또는 위상을 지닌다. 복소수 임피던스는 전압 및 전류가 위상에 독립적으로 변화하게 한다. 도 5A 및 5B에서 설명될 것과 마찬가지로, 이러한 신호들의 관계가 로드 스위치와 함께 PA(10)의 수행을 변화시키기 위해 사용된다. 즉, PA(10)의 이득, 파워, 선형성 및 효율성을 안테나(24)에 의한 복소수 로드 임피던스의 함수로서 변화시킨다.
본 발명의 집적 VSWR 검출부(16)는 부하 및 파워 레벨의 위상 및 크기와 관련하여 (10)의 AC 전류와 AC 전압을 검출한다. 이러한 측정된/검출된 값들을 이용하면 다음의 파라미터들을 획득하게 된다. 파워 및 위상 함수로서 VSWR 검출, 파워 및 위상의 함수로서 파워 검출, 파워 및 위상 함수로서 AC 전류, 파워 및 위상의 함수로서 부하 라인 조정, 및 파워 및 위상의 함수로서 PA(10) 검출이다.
검출된 신호들에 기초하여, 부하 라인이 조정되고 PA(10) 수행 정도는 예를 들어, 모든 위상에서 9:1 VSWR 비율로 향상되어 유지된다. VSWR 출력에 따라, 파워 레벨 보상은 바이어스 제어부(20) 및/또는 출력 정합 회로(18)를 통해 PA(10) 바이어스 전압/전류를 이용하여 수행될 수 있다. 선호되는 일 실시예에서, 검출 및 보상 기능은 예를 들어, PA(10) 패키지의 입력 노드(10A) 와 출력 노드(10B)사이에서와 같이 PA(10) 내에 모두 내재 되어 있다.
도 3 은 PA(10), 제 1 및 제 2 증폭기(12, 14) 그리고 파워 검출 회로를 도시한 또 다른 도면이다. 바이어스 제어부(Bias control, 20)는 바이어스 신호 Ibias(바이어스 전류) 및 Vbias(바이어스 전압)를 출력한다. 본 발명의 바람직한 일 실시예에서, PA(10)는 GaAs HBT(Heterojunction Bipolar Transistor)와 다른 성분들과 함께 집적된 두 개의 파워 검출기들을 포함한다.
도 4에서, 제 1 파워 검출기 IDET(30)은 제 2 단계(14)로의 입력에서 AC 검출에 기초한 파워 검출기이다. 제 2 파워 검출기 VDET(32)는 제 2 단계(14)의 출력에서 전압 검출에 기초한다. 도 5A에 도시된 바와 같이, 이러한 두 개의 파워 검출기들은 명시적인 50 옴 부하 임피던스가 출력 노드(10B)에서 나타날 때 유사한 응답을 갖지만, 도 5B에 도시된 바와 같이 부하 임피던스가 명시적인 50 옴 값에서 변화할 때는 다른 응답을 나타낸다. 이러한 특징은 부정합 검출기(16)로도 언급되는 VSWR 검출기가 부하 부정합의 존재를 검출하고 PA(10)에 적용될 보상의 양을 결정할 수 있다. Vref 는 기준 전압으로 도 3, 4, 5A, 5B 및 6에 도시되어 있다. Vref 는 부정합 검출기(16)에 걸리게 되고 도 6에서 설명될 부정합 검출기(16)에 의해 비교되는 기준값 또는 임계치 값을 설정하도록 사용된다. Vref 전압은 PA(10) 모듈 내에서 내부적으로 생성되거나 또는 외부 기준 신호가 될 수 있다. 도 4에서 검출 및 보상 블락(16)으로 도시된 부정합 검출기(16)는 IDET(30) 및VDET(32)로부터 입력과 Vref 신호를 수신하고 제 1 단계(12) 및 제 2 단계(14) 전류 생성부(20A, 20B)로 각각 제어 신호를 출력하고 제 1 및 제 2 단계(14) 바이어스 전압 생성부(20C)로 제어 신호를 출력한다. 검출 및 보상부(16)는 또한 출력 정합부(18)로 신호를 출력한다.
도 4의 검출 및 보상부(16)는 이하에서 PA 출력 장치의 경우에서 전류 및 전압 검출 및 PA(10) 보상에 대해 보다 상세히 설명된다.
검출:
IDET 검출기(30)는 PA 출력 장치의 전류를 모니터한다(예, Q1으로 도 7에 도시된 출력 파워 트랜지스터, 이하 설명됨). VDET 검출부(32)는 출력 장치의 컬렉터/드레인에 연결된 피크 전압 검출기이다. 이러한 두 개의 검출기들은 모두 파워 검출에 사용된다. PA(10)가 정합될 때(50 옴 출력 임피던스에서), 이러한 두 개의 검출기의 응답은 동일하도록 조정된다. 또한, 출력 검출기(30, 32) 출력들은 내부(또는 외부) 기준 전압 Vref에 의해 정합된다. Vref의 값은 PA의 원하는 출력 파워에 비례한다. 즉, 일상 작동에서, PA 출력 파워에 따라 Vref의 값이 올라가고 내려간다.
정합 조건에서(50옴 부하 임피던스), 모든 전압(도 6에 도시된 IDET, VDET, VREF)은 동일하다. PA(10) 출력 임피던스가 변할 때, VREF의 값은 일정하게 유지되 지만, IDET 와 VDET의 값들은 PA(10) 부하 임피던스 변화에 영향을 받기 때문에 변하게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따라, PA(10)에 보이는 컬렉터/드레인 임피던스는 이러한 3개의 신호들을 비교함으로써 결정될 수 있으며, 따라서 PA(10)는 조정되거나 보상될 수 있다.
보상:
본 발명의 선호되는 일실시예에서, PA(10)는 도 4에 도시된 제 1 및 제 2 단계 Vbias 생성부(20C)와 같은 집적 DC/DC 컨버터를 포함한다. 또한, 제 1 및 제 2 단계 트랜지스터 장치들의 바이어스 전류들은 각각 직접된 바이어스 전류 생성부(20A 및 20B)를 통해 조정될 수 있다. 도 8에 보다 상세히 도시된 출력 정합 회로(18)는 고전력에서 작동시 심각한 임피던스 부정합의 경우 정합 회로(18)에 부가적인 분로(shunt) 소자(스위치 S1을 통하는 저항 R1)를 연결함으로써 조정되는 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 도 8에서 출력 정합 회로(18)는, 정합 인덕터 L1 및 L2, 정합 커패시터 C1 및 C2, DC 블락 커패시터 C3, 전송 라인 TL2, 스위치 S1 및 저항 R을 포함한다. L1, L2, C1, C2, C3 및 TL2의 값들을 선택함으로써, P1 과 P2 포트들 간에서 원하는 임피던스 전송이 획득된다.
모든 보상은 PA(10) 패키지 또는 모듈의 내부에서 수행되는 것이 바람직하 다. 보상의 양은 파워 레벨(Vref의 값에 의해 표시되는) 및 존재하는 VSWR 출력에 의존한다. 본 발명의 바람직한 일 실시예에서 상기 보상은 다음과 같이 수행된다. 도 6을 역시 기준으로 한다.
본 발명의 선호되는 일 실시예에서, PA(10)는 정합 조건에서(50 옴 출력 임피던스) -35dBc ACP(adjacent channel power) 및 +24dBm 출력 파워에서 -45dBc ALT(alternate channel power)의 WCDMA 선형 세부 사항들을 맞추도록 조정된다. +15dBm 이하의 파워 레벨에서, PA(10)는 9:1 출력 VSWR까지 이러한 선형 요구사항들을 충족시킬 수 있고 따라서 어떠한 보상도 필요하지 않게 된다(블락 A).
출력 파워(Pout)가 +15dBm보다 더 클 때(VREF의 값으로 표시되는 바에 따라), VDEF 및 IDEF 는 각각 VREF와 비교된다. VDEF가 VREF보다 큰 경우(블락 B), PA(10) 출력 장치 컬렉터/드레인 전류 임피던스(이하에서 설명되는 도 7의 Q1의 경우)는 명목적인 50 옴 케이스보다 더 큰 경우로 표시되고, 컬렉터/드레인 바이어스 전압(Vbias)이 증가되어 RF 전압 클립핑(블락 B1)을 피하게 된다.
IDET> VREF(블락 C)인 경우, PA(10) 출력 장치 컬렉터/드레인 전류는 명목적인 50 옴의 경우보다 더 큰 것으로 표시된다. 이러한 조건은 컬렉터/드레인 임피던스가 너무 낮다는 것을 표시하고, 블락 C1에 도시된 것과 같이 2번째 단계 및/또는 1번째 단계의 전류(Ibias)를 증가시킴으로써 보상된다.
파워 레벨이 +20dBm(블락 D)를 초과할 때, 위에서 기술된 보상은 선형성 요구를 획득하기에 불충분하다는 것을 알게 될 것이다. Pout> +20dBm(블락 D) 이고 IDET>VREF(블락 E)인 경우, 출력 정합 네트워크(18)가 조정된다(블락 E1). 이것은 도 8에서 설명한 바와 같이 분로 레지스터 R1을 출력 정합 회로(18)에 연결함으로써 획득될 수 있다. 이것이 PA(10)의 출력 전압을 감소시키는 동안, 출력 장치의 컬렉터/드레인에서 정확한 전압 및 전류 파형을 획득하는데 유용하게 도움이 되며, 그에 따라 원하는 선형성을 유지하게 된다.
블락 A-E에 나타난 보상은 실질적으로 VSWR 조건을 변화시킴에 따라 PA(10) 로드 라인의 실시간-보상을 가능케 함으로써 주어진 애필리케이션에서 요구하거나 또는 원하는 바에 따라 종종 수행될 수 있다.
당업자가 인식하는 바와 같이, 도 6에 도시된 기능은, 일 예를 들면, IDET 와 VREF, VDEF와 VREF 그리고 VREF를 하나는 +15dBm을 다른 하나는 +20dBm을 나타내는 두 개의 소정의 임계 전압과 비교하기 위한 단일의 단계 장치 및 다수의 전압 비교기의 이용을 통해 구현될 수 있다. 이에 더하여, 비교기 출력에 의해 제어되는 다수의 업/다운 카운터들, 바이어스 전류 발생기(20A, 20B)로 신호를 생성하기 위하여 카운터의 출력을 대응하는 아날로그 값으로 변환시키는 다수의 DAC들, 및 바이어스 전압 생성기(20C)을 포함한다. 단일 디지털 비트는 스위치 S1의 상태를 제어하도록 사용될 수 있으며, 그것은 선택적으로 분기 저항 R1을 임피던스 정합 레지스터 네트워크(18)에 배치한다.
네거티브(커패시티브) 또는 포지티브(인덕티브) 허수 부분을 지니는 부하 임피던스 같은 리액턴스 부정합의 경우, 위에서 설명한 것과 같은 원리를 이용하여 보상이 수행될 수 있다. 즉, 출력 임피던스의 위상각으로 인해 출력 장치의 컬렉터/드레인 전압이 너무 큰 경우(VDET>VREF), 바이어스 전압(Vbias) 보상이 사용될 수 있다. 위상각으로 인한 나머지 출력 장치 전류가 너무 큰 경우(IDET>VREF), 바이어스 전류 보상(Ibias)이사용될 수 있거나, 또는 더 높은 파워 레벨에서(예, Pout>+20dBm), 출력 정합 네트워크(18)가 조정될 수 있다.
도 7 은 도 4의 IDET(30) 및 VDET(32)를 구현하기 위해 사용될 수 있는 회조의 간략한 구조도이다. 본 발명의 다른 실시예에서, Q1이 파워 FET(출력 장치 드레인에 대한 기준이 위에서는 콜렉터의 반대쪽이기 때문에)이었음에도, 도 7 에서, 출력 파워 트랜지스터 Q1이 바이폴라 트랜지스터로 도시되었다. 제 1 단계(12)의 RF 입력은 C1에 의해 용량성으로 Q1의 베이스에 결합되고, 마찬가지로 전류 미러(mirror) 트랜지스터 Q2의 베이스에 결합된다. Q1을 통한 전류가 따라서 Q2에 의해 반사되고 R2와 C4에 의해 로우패스 필터된다. 이것은 출력 트랜지스터 Q1을 통하는 전류에 비례하는 기준 전류를 제공하고 IDET(30)의 출력을 형성한다. IDET 출력 전류는 원할 경우 전압으로 전환될 수 있다.
VDET(32)를 실현하기 위해, Q1의 컬렉터에서 AC 전압은 D1에 의해 정류되고 그 후 R1과 C3에 의해 로우 패스 필터된다. 로우 패스 필터된 전압은, Q1의 컬렉터 전압에 비례하는 값을 지니고 VDET(32)의 출력을 형성한다.
본 발명의 일 실시예에서, IDET(Q1 컬렉터 전류 Ic)와 VDET(Q1 컬렉터 전압 Vc)값들이 구별되어 사용되는 반면(도 6 참고), 이러한 값들은 임피던스를 직접적으로 결정하도록 사용될 수 있다. 왜냐하면, 임피던스는 VDET를 IDET로 나누고(예, Vc/Ic) 몫의 부호(sign of the quotient)는 무시함으써 계산될 수 있다. 임피던스 값이 너무 낮을 경우, Q1은 과도한 전류를 흐르게 되어 고장날 수 있다. 임피던스 값이 너무 큰 경우, 증폭기는 곧 포화될 것이고, 출력 신호의 왜곡이 초래될 것이다.
이해된 바와 같이, 본 발명은 종래 기술에 비해 상대적으로 다수의 이점을 제공한다. 예를 들어, 본 발명을 이용함으로써 절연체, 써큘레이터, 및/또는 커플러와 같은 외부(PA(10)에 대해)의 부가적 성분들에 대한 필요를 제거할 수 있고, 따라서 도 1과 유사한 선행 회로에 도시된 것과 같은 종래의 회로 정렬에 있어 문제점을 극복할 수 있다. 또한, PA(10) 부하 라인은 적응적으로 실시간으로 보상될 수 있다. 그에 따라 PA(10)는 변하는 부하 조건하에서도 요구되는 수행 정도를 유지하게 된다. 본 발명을 이용함으로써 또한 PA(10)와 안테나(24) 간의 손실을 최소화 한다. 본 발명의 이용을 통해 WCDMA 전송기와 같은 트랜스미터 제작과 요구되는 인쇄된 회로 보드의 영역을 간략화한다. 본 발명과 관련하여 동작 전력은 WCDMA 이동국 또는 무선 전화기에서 더 많은 통화 시간을 가능케 한다.
이상 도면과 명세서에서 최적 실시예 들이 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다.
본 발명의 일부 실시예에서, IDET(30)와 VDET(32)기능들을 구현하기 위해 다른 기술을 이용할 수 있다. 다른 PA 구조들이 사용될 수 있고(예, 도시된 2 단계와 달리 하나 또는 3개의 증폭기 단계), 두 개의 Vref 임계값(예, +15dBm 및 +20dBm) 보다 더 크거나 적은 임계값이 사용되거나 및/또는 Vref 임계값이 설명된 것과 다르 고, 도 6에 도시된 비교의 일부를 재배열하는 것과 같은 시도가 당업자에 의해 수행될 수 있다. 또한, 일부 실시예에서, 출력 트랜지스터 Q1은 실제적으로 다수의 병렬 트랜지스터로 구현될 수 있고, 본 경우에 있어 IDET 및 VDET 는 적합하게 변경될 수 있다. 이에 더하여, 본 발명은 WCDMA 기반 시스템 및/또는 무선 터미널가 아닌 곳에서도 사용될 수 있다.
그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (25)

  1. 출력 파워 레벨들의 범위에서 동작할 수 있는 파워 증폭기 모듈에 있어서
    상기 파워 증폭기 모듈의 입력 노드에 연결된 입력부와 상기 파워 증폭기 모듈의 출력 노드에 연결된 출력부를 구비하는 출력 트랜지스터;
    상기 출력 노드에서 나타나는 임피던스 변화들을 위해 상기 출력 트랜지스터의 부하 라인을 자동으로 보상하는 회로로서, 상기 출력 트랜지스터를 통해 흐르는 전류량을 표시하는 값을 지닌 제 1 검출 신호와 출력 트랜지스터의 출력에서 나타나는 전압을 표시하는 값을 지닌 제 2 검출 신호를 생성하는 검출 회로를 포함하는 회로; 및
    복수의 파워 증폭기 바이어스 전류 및 바이어스 전압 신호들이 상기 제 1 및 제 2 검출 신호값 들의 함수 형태의 값을 지니도록 생성을 제어하고 상기 파워 증폭기 모듈의 현재 출력 파워 레벨을 제어하는 보상 회로;를 포함하는 파워 증폭기 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 출력 트랜지스터의 출력과 상기 출력 노드 사이에 연결되고, 상기 보상 회로의 출력 신호에 의해 제어되는 가변 임피던스를 표현하는 임피던스 정합 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파워 증폭기 모듈.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 보상 회로의 출력 신호는 상기 제 1 검출 신호값 및 상기 현재 출력 파워 레벨의 함수인 값을 지니도록 생성되는 것을 특징으로 하는 파워 증폭기 모듈.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 보상 회로의 출력 신호는 상기 현재 출력 파워 레벨이 기설정된 출력 파워 레벨을 초과할 때 생성되는 것을 특징으로 하는 파워 증폭기 모듈.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 보상 회로는 상기 현재 출력 파워 레벨이 기설정된 출력 파워 레벨을 초과할 때 다수의 파워 증폭기 바이어스 전류 및 바이어스 전압 신호들 중 적어도 하나를 변화시키는 것을 특징으로 하는 파워 증폭기 모듈.
  6. 제 2 항에 있어서, 상기 보상 회로는
    상기 현재 출력 파워 레벨이 제 1의 기설정된 출력 파워 레벨을 초과할 때 복수의 파워 증폭기 바이어스 전류 및 바이어스 전압 신호들 중 적어도 하나를 변화시키고, 그리고
    상기 현재 출력 파워 레벨이 상기 제 1의 기설정된 출력 파워 레벨보다 더 큰 제 2의 기설정된 출력 파워 레벨을 초과할 때 상기 보상 회로에서 상기 임피던스 정합 회로로의 출력 신호가 생성되는 것을 특징으로 하는 파워 증폭기 모듈.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 보상 회로는 파워 증폭기 바이어스 전류 신호의 생성을 상기 제 1 검출 신호값 및 상기 현재 출력 파워 레벨을 표시하는 신호 값의 함수로 제어하고, 그리고
    상기 파워 증폭기 바이어스 전압 신호의 생성을 상기 제 2 검출 신호 및 상기 현재 출력 파워 레벨을 표시하는 신호 값의 함수로 제어하는 것을 특징으로 하는 파워 증폭기 모듈.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 검출 회로는
    상기 제 1 검출 신호를 생성하기 위하여 출력 트랜지스터와 평행한 전류 미러(mirror), 그리고
    상기 제 2 검출 신호를 생성하기 위하여 상기 출력 트랜지스터의 출력부에 연결된 정류기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 파워 증폭기 모듈.
  9. 출력 파워 레벨들의 범위에서 파워 증폭기 모듈을 동작하는 방법으로서,
    출력 트랜지스터를 통해 흐르는 전류량을 표시하는 값을 지닌 제 1 검출 신호 및 상기 출력 트랜지스터의 출력에서 나타나는 전압을 표시하는 값을 지닌 제 2 검출 신호를 생성하는 단계;
    상기 제 1 및 제 2 검출 신호들의 값과 상기 파워 증폭기 모듈의 상기 전류 출력 파워의 함수의 값을 지닌 다수의 파워 증폭기 바이어스 전류 및 바이어스 전압 신호들의 생성을 제어함으로써 상기 출력 증폭기 모듈의 출력 노드에서 나타나 는 임피던스 변화들을 위해 상기 출력 트랜지스터의 로드 라인을 자동으로 보상하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 파워 증폭기 모듈 동작 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 보상 회로의 출력 신호와 함께 상기 파워 트랜지스터의 출력과 상기 출력 노드 간에 연결된 임피던스 정합 회로의 값을 조절하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파워 증폭기 모듈 동작 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 검출 신호값과 상기 현재 출력 파워 레벨의 함수값을 지니는 상기 보상 회로로부터 상기 출력 신호를 생성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 파워 증폭기 모듈 동작 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    기설정된 출력 파워 레벨과 상기 현재 출력 파워 레벨을 비교하는 단계;및
    상기 현재 출력 파워 레벨이 상기 기설정된 출력 파워 레벨을 초과하는 경우에만 상기 보상 회로로부터 상기 출력 신호를 생성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파워 증폭기 모듈 동작 방법.
  13. 제 9 항에 있어서,
    기설정된 출력 파워 레벨과 상기 현재 출력 파워 레벨을 비교하는 단계; 및
    상기 현재 출력 파워 레벨이 상기 기설정된 출력 파워 레벨을 초과하는 경우 다수의 파워 증폭기 바이어스 전류 및 바이어스 전압 신호들 중 적어도 하나를 변경하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파워 증폭기 모듈 동작 방법.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 현재 출력 파워 레벨과 제 1의 기설정된 출력 파워 레벨을 비교하는 단계;
    상기 현재 출력 파워 레벨이 상기 제 1의 기설정된 출력 파워 레벨을 초과하는 경우 상기 다수의 파워 증폭기 바이어스 전류 및 바이어스 전압 신호들의 적어도 하나를 변경하는 단계;
    상기 현재 출력 파워 레벨과 제 2의 기설정된 출력 파워 레벨을 비교하는 단계;및
    상기 제 2의 기설정된 출력 파워 레벨이 상기 제 1의 기설정된 출력 파워 레벨보다 더 큰 곳에서, 상기 현재 출력 파워 레벨이 상기 제 2의 기설정된 출력 파워 레벨을 초과하는 경우 상기 보상 회로로부터 상기 출력 신호를 생성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파워 증폭기 모듈 동작 방법.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 파워 증폭기 바이어스 전류 신호를 생성하는 단계는 상기 현재 출력 파워 레벨을 표시하는 값을 지닌 신호와 상기 제 1 검출 신호를 비교하는 단계를 포 함하고,
    상기 파워 증폭기 바이어스 전압 신호를 생성하는 단계는 상기 현재 출력 파워 레벨을 표시하는 값을 지닌 상기 신호와 상기 제 2 검출 신호를 비교하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 파워 증폭기 모듈 동작 방법.
  16. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 검출 신호를 생성하는 단계는 상기 출력 트랜지스터 내에 흐르는 상기 전류를 미러링(mirroring) 하는 단계를 포함하고, 그리고
    상기 제 2 검출 신호를 생성하는 단계는 상기 출력 트랜지스터의 상기 출력부에 나타나는 신호를 정류하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 파워 증폭기 모듈 동작 방법.
  17. 출력 파워 레벨들의 범위에서 동작하는 무선 주파수(RF) 파워 증폭기 모듈은
    안테나에서 전송된 광대역 코드 분할, 다중 접속 신호를 수신하기 위한 상기 파워 증폭기 모듈의 입력 노드에 연결된 입력부와 상기 RF 파워 증폭기 모듈의 출력 노드에 연결된 출력부를 지닌 출력 트랜지스터;
    상기 안테나의 RF 전송 환경에서 적어도 부분적인 변화로 인해 상기 출력 노드에 나타나는 임피던스 변화를 위해 상기 출력 트랜지스터를 자동적으로 보상하는 회로로서, 상기 회로는 상기 출력 트랜지스터를 통해 흐르는 상기 전류를 표시하는 값을 지닌 제 1의 검출 신호와 상기 출력 트랜지스터의 상기 출력부에서 나타나는 상기 전압을 표시하는 값을 지닌 제 2 검출 신호를 생성하는 검출 회로를 포함하는 회로;
    다수의 파워 증폭기 바이어스 전류 및 바이어스 전압 신호들이 각각 상기 제 1 및 제 2의 검출 신호 값들의 함수를 지니도록 생성을 제어하고 상기 RF 증폭기 파워 증폭기 모듈의 현재 출력 파워 레벨을 표시하는 신호의 값을 제어하는 보상 회로;
    상기 출력 트랜지스터와 상기 출력 노드 사이에 연결되고, 상기 보상 회로의 출력 신호에 의해 제어되는 가변 임피던스를 나타내는 임피던스 정합 회로로서, 이 때 상기 보상 회로의 출력 신호는 상기 RF 파워 증폭기 모듈의 상기 현재 출력 파워 레벨을 표시하는 신호 값과 상기 제 1 검출 신호값의 함수의 값을 지니도록 생성되는 임피던스 정합 회로;를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 주파수(RF) 파워 증폭기 모듈.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 현재 출력 파워 레벨이 제 1의 기설정된 출력 파워 레벨을 초과하는 경우, 상기 보상 회로는 다수의 파워 증폭기 바이어스 전류 및 바이어스 전압 신호들의 적어도 하나에 변화를 생성하고, 그리고
    상기 보상 회로의 상기 출력 신호는 상기 현재 출력 파워 레벨이 상기 제 1의 기설정된 출력 파워 레벨보다 더 큰 제 2의 기설정된 출력 파워 레벨을 초과하는 경우에만 생성되는 것을 특징으로 하는 무선 주파수(RF) 파워 증폭기 모듈.
  19. 제 17 항에 있어서, 상기 검출 회로는
    상기 제 1 검출 신호를 생성하기 위하여 출력 트랜지스터와 평행한 전류 미러(mirror), 그리고
    상기 제 2 검출 신호를 생성하기 위하여 상기 출력 트랜지스터의 출력부에 연결된 정류기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 주파수(RF) 파워 증폭기 모듈.
  20. 패키지 이내에 포함되고, 상기 패키지의 내부에서 생성되며 상기 패키지의 제 1 입력에 걸리는 신호들 중의 하나인 파워 제어 신호의 값에 의해 명확해지는 출력 파워 레벨들의 범위에서 작동하는 무선 주파수(RF) 파워 증폭기로서,
    입력 RF 신호를 수신하기 위해 상기 패키지의 제 2 입력에 연결된 입력부와 증폭된 RF 신호를 출력하기 위해 상기 패키지의 출력부에 연결된 출력부를 지닌 적어도 하나의 출력 트랜지스터;
    제 1 출력에서 나타나는 임피던스 변화들을 위해 상기 RF 증폭기를 자동으로 보상하기 위하여 적어도 하나의 출력 트랜지스터에 통합되는 회로로서, 상기 회로는 상기 적어도 하나의 출력 트랜지스터의 출력에서 나타나는 전압 및 상기 적어도 하나의 출력 트랜지스터를 통해 흐르는 전류를 표시하는 검출 신호들을 생성하기 위한 검출 회로를 포함하는 회로; 및
    상기 파워 제어 신호 및 상기 검출 신호에 응답하여 상기 증폭된 RF 신호의 원하는 출력 선형성을 유지하기 위한 부하 라인 보상 회로;를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 주파수(RF) 파워 증폭기.
  21. 이동 무선통신 터미널로서,
    안테나; 및
    상기 안테나에 연결되고 출력 파워 레벨들의 범위에서 동작하는 무선 주파수 파워 증폭기 모듈;을 포함하고,
    상기 무선 주파수 파워 증폭기 모듈은
    상기 안테나에서 전송되는 신호를 수신하기 위해 상기 파워 증폭기 모듈의 입력 노드에 연결되는 입력과 상기 RF 파워 증폭기 모듈의 출력 노드에 연결되는 출력을 지니는 적어도 하나의 출력 트랜지스터;그리고
    상기 안테나 환경에서 적어도 일부분의 변화에 의해 상기 출력 노드에서 나타나는 임피던스 변화들을 위하여 상기 출력 트랜지스터의 자동 보상을 위한 회로를 포함하고, 이 경우 상기 자동 보상 회로는
    상기 적어도 하나의 출력 트랜지스터를 통해 흐르는 전류를 표시하는 값을 지닌 제 1의 검출 신호와 상기 적어도 하나의 출력 트랜지스터의 출력에서 나타나는 전압을 표시하는 값을 지닌 제 2의 검출 신호를 생성하는 검출 회로,
    다수의 파워 증폭기 바이어스 전류 및 바이어스 전압 신호들이 각각 상기 제 1 및 제 2의 검출 신호 값들의 함수를 지니도록 생성을 제어하고 상기 RF 증폭기 파워 증폭기 모듈의 현재 출력 파워 레벨을 표시하는 신호의 값을 제어하는 바이어 스 제어 회로, 및
    상기 RF 출력 파워 증폭기 모듈의 현재 출력 파워 레벨을 표시하는 신호 값과 상기 제 1 검출 신호값의 함수값을 지니도록 생성되는 상기 자동 보상 회로의 출력 신호에 의해 제어되는 가변 임피던스를 나타내고, 적어도 하나의 출력 트랜지스터의 출력과 상기 출력 노드간에 연결된 임피던스 정합 회로,를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동 무선통신 터미널.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 자동 보상 회로는
    상기 현재 출력 파워 레벨이 제 1의 기설정된 출력 파워 레벨을 초과하는 경우 다수의 파워 증폭기 바이어스 전류 및 바이어스 전압 중 적어도 하나에 변화를 가하고
    상기 현재 출력 파워 레벨이 상기 제 1의 기설정된 출력 파워 레벨보다 더 큰 제 2의 기설정된 출력 파워 레벨을 초과하는 경우 상기 임피던스 정합 회로로 상기 출력 신호가 생성되는 것을 특징으로 하는 이동 무선통신 터미널.
  23. 제 21 항에 있어서, 상기 검출 회로는 상기 제 1 검출 시호를 생성하기 위하여 적어도 하나의 출력 트랜지스터와 평행한 전류 미러를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동 무선통신 터미널.
  24. 제 21 항에 있어서, 상기 검출 회로는 상기 제 2 검출 신호를 생성하기 위하 여 적어도 하나의 출력 트랜지스터의 출력에 연결되는 정류기를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동 무선통신 터미널.
  25. 제 21 항에 있어서, 상기 안테나에서 전송된 신호는 광대역 코드 분할, 다중 접속 시그널을 포함하는 것을 특징으로 하는 이동 무선통신 터미널.
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