KR100756038B1 - 멀티루프형 트랜스포머 - Google Patents

멀티루프형 트랜스포머 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 멀티루프형 트랜스포머에 관한 것으로서, 전원을 공급받아 자기장을 형성하는 적어도 하나의 금속판으로 형성된 제1루프, 제1루프와 동심원적으로 배치되어 유도전류를 발생시키는 제2루프, 제2루프를 사이에 두고 제1루프와 동심원적으로 배치되며, 제1루프와 전기적으로 연결된 적어도 하나의 제1서브루프, 제1루프의 각 금속판 사이에 배치되어 각 금속판에 전원을 공급하는 전원공급부를 포함한다. 이에 의해, DAT의 loss를 감소시킴으로써, 파워 증폭기의 효율성을 향상시킬 수 있다.
DAT(Distributed Active Transformer), 제1루프, 제2루프, 서브루프

Description

멀티루프형 트랜스포머{MULTI-LOOP TYPE TRANSFORMER}
도 1은 종래의 DAT의 회로도,
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 DAT의 회로도,
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 DAT의 회로도,
도 4는 본 발명과 종래의 DAT의 loss를 비교한 그래프이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
110 : 제1루프 120 : 제2루프
130 : 제1서브루프 140 : 제2서브루프
150 : 제1서브루프 160 : 전원공급부
본 발명은 멀티루프형 트랜스포머에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, loss를 감소시켜 파워 증폭기의 효율성을 향상시킬 수 있도록 하는 멀티루프형 트랜스포머에 관한 것이다.
일반적으로, 휴대폰 단말기와 같은 무선 통신 장비에는 라디오 주파수 통신용 회로를 구현하는 반도체 칩 소자들이 채용되고 있다. 이 중, 적당한 파워레벨 을 갖는 고주파의 파워 증폭기와 송신기를 하나의 싱글칩으로 구현하는 것은 재료비 절감과 송신기의 효율성 측면에서 매우 중요하다. 이러한 싱글칩의 구현을 위해서는 CMOS 소자로 구성된 송신기처럼 파워 증폭기 또한 CMOS 소자로 구성되어야 한다. CMOS 소자는 브레이크다운(Breakdown) 전압과 기판 저항이 낮아 파워 증폭기를 만드는데 어려움을 주고 있다. 이러한 낮은 브레이크다운 전압과 기판 저항을 극복하여 파워 증폭기를 구현하는 기술은, 파워출력과 집적 증폭기의 효율성을 증가시키기 위해 반드시 극복해야 할 과제이다.
이러한 파워 증폭기의 브레이크다운 전압을 증가시키기 위해 DAT(Distributed Active Transformer)를 사용하고 있다.
도 1은 종래의 DAT의 회로도이다. 도시된 바와 같이, DAT는 전원이 공급되는 제1루프(10)와, 제1루프(10)를 흐르는 전류에 의해 유도전류가 발생하는 제2루프(20)와, 제1루프(10)에 전원을 공급하기 위한 복수의 전원공급부(60)를 포함한다.
제1루프(10)는 사각형을 이루도록 배치된 4개의 금속판으로 형성되며, 각 금속판은 트랜지스터 기생 커패시턴스를 공명시키고 하모닉 신호를 제어하기 위한 드레인 튜닝 인덕터로 작용한다. 여기서, 금속판 인덕터는 나선형 인덕터보다 높은 Q-factor(Quality factor)를 나타낸다.
전원공급부(60)는 이웃하는 금속판 사이에 배치되며, 이웃하는 각 금속판의 출력포트의 음극 터미널을 상호 연결한다. 각 전원공급부(60)는 한 쌍의 트랜지스터로 형성되며, 각 트랜지스터의 소스는 상호 연결되어 공통 그라운드되어 있다. 트랜지스터 중 하나는 그 게이트가 포지티브 위상 신호에 의해 구동되고, 다른 하나의 트랜지스터는 그 게이트가 네거티브 위상 신호에 의해 구동된다. 이러한 전원공급부(60)에 의해, 실질적인 AC 그라운드가 제1루프(10)의 각 코너에 생성된다.
제2루프(20)는 하나의 루프를 이루는 사각 프레임 형상의 금속판으로 형성되며, 금속판의 각 면은 하나의 금속 코일과 동일한 역할을 한다. 즉, 제2루프(20)는 제1루프(10)에 의해 유도전류를 발생하며 트랜스포머의 제2루프 역할을 한다.
이러한 DAT의 Loss는 파워 증폭기 모듈 전체의 효율성에 영향을 미치게 되며, 특히, DAT는 자체적인 Loss가 크기 때문에 파워 증폭기의 출력매칭회로로 사용될 때, 파워 증폭기 전체의 효율성을 저하시키는 단점을 가지고 있다.
일반적으로 DAT의 Loss는 제1루프(10)와 제2루프(20)를 형성하는 금속판의 두께가 두꺼울수록, 제1루프(10)와 제2루프(20)의 virtual center 간의 간격이 가까울수록 작아진다. 여기서, virtual center는 제1루프(10)와 제2루프(20)에 전류가 흐를 때 발생하는 자기장의 실제적인 중심이 되는 선을 의미한다. 종래의 DAT의 제1루프(10)와 제2루프(20)는 각각 싱글루프이므로, 제1루프(10)와 제2루프(20)의 중심선은 각 루프를 형성하는 금속판의 가로방향 폭의 중심을 이은 선이 된다.
그런데, 일반적으로 DAT의 각 루프를 형성하는 금속판의 두께는 생산공정시부터 결정되어지며, 제1루프(10)와 제2루프(20)가 각각 싱글로 존재하는 현재의 DAT 구조에서는 각 루프의 virtual center가 상당히 이격될 수 밖에 없다.
이에 따라, DAT의 금속판의 두께를 두껍게 하지 못하는 대신 이를 보상할 만한 방법을 강구하고, 제1루프(10)와 제2루프(20)간의 virtual center간의 간격을 좁힐 수 있는 방법을 모색함으로써, DAT의 loss를 줄여 파워 증폭기의 효율성을 향상시켜야 할 것이다.
따라서, 본 발명의 목적은, loss를 감소시켜 파워 증폭기의 효율성을 향상시킬 수 있도록 하는 멀티루프형 트랜스포머를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 전원을 공급받아 자기장을 형성하는 적어도 하나의 금속판으로 형성된 제1루프; 상기 제1루프와 동심원적으로 배치되어 유도전류를 발생시키는 제2루프; 상기 제2루프를 사이에 두고 상기 제1루프와 동심원적으로 배치되며, 상기 제1루프와 전기적으로 연결된 적어도 하나의 제1서브루프; 및, 상기 제1루프의 각 금속판 사이에 배치되어 상기 각 금속판에 전원을 공급하는 전원공급부;를 포함한다.
상기 제1서브루프를 사이에 두고 상기 제2루프와 동심원적으로 배치되며, 상기 제2루프와 전기적으로 연결된 적어도 하나의 제2서브루프를 포함할 수 있다.
상기 제1서브루프의 갯수가 n개이면, 상기 제2서브루프의 갯수는 n-1개와 n개 중 하나인 것이 바람직하다.
상기 복수의 제1서브루프와 상기 복수의 제2서브루프는 교번적으로 배치되는 것이 바람직하다.
상기 제1루프와 상기 제1서브루프, 상기 제2루프와 상기 제2서브루프는, 비아홀과 에어브릿지 중 적어도 하나에 의해 상호 연결될 수 있다.
한편, 상기 목적은, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 전원을 공급받아 자기장을 형성하는 적어도 하나의 금속판으로 형성된 제1루프; 상기 제1루프와 동심원적으로 배치되어 유도전류를 발생시키는 제2루프; 상기 제1루프를 사이에 두고 상기 제2루프와 동심원적으로 배치되며, 상기 제2루프와 전기적으로 연결된 적어도 하나의 제2서브루프; 및, 상기 제1루프의 각 금속판 사이에 배치되어 상기 각 금속판에 전원을 공급하는 전원공급부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티루프형 트랜스포머에 의해서도 달성될 수 있다.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 DAT의 회로도이다. 도시된 바와 같이, 본 실시예의 DAT는, 제1루프(110), 제1서브루프(130), 제2루프(120), 전원공급부(160)를 포함한다.
제1루프(110)는, 전원공급부(160)로부터 전원을 공급받아 자기장을 형성하며, 사각형을 이루도록 배치된 4개의 금속판으로 형성된다. 물론 제1루프(110)를 형성하는 금속판은 1개 이상으로 형성하기만 하면 되며, 4개 이상으로 구성될 수도 있음은 물론이다. 이 때, 금속판과 전원공급부(160)의 갯수를 증가시켜 전체회로의 출력파워 용량을 증가시킬 수 있다.
제1서브루프(130)는, 제2루프(120)보다 내측에 배치되는 사각형의 루프로 형성되며, 일측이 개구되어 있다. 제1서브루프(130)는 제1루프(110)와 전기적으로 연결되어 제1루프(110)와 동일한 방향으로 전류가 흐르게 되며, 따라서, 제1루프(110)와 마찬가지로 자기장을 생성하게 된다. 제1루프(110)와 제1서브루프(130)를 연결하는 방법으로는 기판에 비아홀(Via hole)을 형성하여 아래층 금속을 통해 서로 연결하는 방법과, 제1루프(110)와 제1서브루프(130)의 상부면에 에어브릿지를 설치하여 연결하는 방법이 있다. 그리고 제1루프(110)와 제1서브루프(130)의 연결시, 제1루프(110)의 각 금속판에 대해 적어도 한군데 이상 비아홀 또는 에어브릿지를 설치함으로써, 각 전원공급부(160)에 의해 제공되는 전원이 제1서브루프(130)에 원활하게 전달되도록 한다.
전원공급부(160)는 제1루프(110)에 전원을 공급하며, 제1루프(110)를 이루고 있는 각 금속판 사이에 배치되어 이웃하는 각 금속판 출력포트의 음극 터미널을 상호 연결한다. 각 전원공급부(160)는 한 쌍의 트랜지스터로 형성되며, CMOS, MOSFET 등의 소자로 구성가능하다. MOSFET으로 전원공급부(160)가 형성된 경우를 예로 들어 설명하면, 각 MOSFET의 소스는 상호 연결되어 공통 그라운드되어 있으며, 전원공급부(160)의 MOSFET 중 하나는 그 게이트가 포지티브 위상 신호에 의해 구동되고, 다른 하나는 그 게이트가 네거티브 위상 신호에 의해 구동된다. 이러한 전원공급부(160)에 의해, 실질적인 AC 그라운드가 제1루프(110)의 각 금속판 사이에 생성된다.
제2루프(120)는, 일측이 개구되어 있는 사각 프레임 형상의 금속판으로 형성되며, 제1루프(110)와 제1서브루프(130) 사이에 배치된다. 제2루프(120)는, 제1루프(110)와 제1서브루프(130)에서 발생하는 자기장에 의해 유도전류가 발생하며, 제1루프(110) 및 제1서브루프(130)와는 반대방향으로 전류가 흐른다.
이러한 구성에 의한 DAT는, 제1서브루프(130)의 배치로 인해 제1루프(110)와 제1서브루프(130)가 형성하는 자기장의 virtual center가 제1루프(110)와 제1서브루프(130) 사이, 즉 제2루프(120)에 인접한 영역 또는 제2루프(120)상에 형성된다. 그리고, 제2루프(120)의 virtual center는 제2루프(120)의 폭방향의 중앙영역에 형성되므로, 제1루프(110) 및 제1서브루프(130)에 의해 형성된 virtual center와, 제2루프(120)의 virtual center가 일치하거나 매우 인접하게 된다. 이에 따라, 제1루프(110)와 제2루프(120)의 마그네틱 커플링(Magnetic coupling)이 강화되므로, DAT의 loss에 영향을 미치는 요소 중 하나인 K-factor가 개선된다. 또한, 제1루프(110)와 제1서브루프(130)가 모두 제1루프(110)의 역할을 하게 됨에 따라, 실질적으로 제1루프(110)를 형성하는 금속판의 폭이 넓어지게 되며, 이로 인해 금속저항이 감소하게 되어 Q-factor가 개선된다.
이와 같이, 본 DAT는 제1루프(110)와 제2루프(120)의 virtual center 간격을 좁히고, 제1루프(110)의 폭을 실질적으로 확장시킴으로써, K-factor와 Q-factor를 모두 개선할 수 있다. 이에 따라, DAT의 loss를 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, DAT가 사용되는 파워 증폭기의 성능도 향상시킬 수 있게 된다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 DAT의 회로도이다. 도시된 바와 같이, 본 실시예의 DAT는, 제1루프(110), 한 쌍의 제1서브루프(130,150), 제2루프(120), 제2서브루프(140), 전원공급부(160)를 포함한다.
제2실시예의 DAT는, 최외각부터 제1루프(110), 제2루프(120), 하나의 제1서브루프(130), 제2서브루프(140), 나머지 제1서브루프(150)가 순서대로 배치된다.
여기서, 제1루프(110), 한 쌍의 제1서브루프(130,150)는 상술한 실시예에서 와 마찬가지로, 비아홀 또는 에어브릿지를 이용하여 상호 전기적으로 연결되어 있으며, 전원공급시 동일한 방향으로 전류가 흐른다. 이러한 제1루프(110), 한 쌍의 제1서브루프(130,150)에 의해 형성되는 자기장의 virtual center는 제1루프(110), 한 쌍의 제1서브루프(130,150)의 중앙영역, 즉, 제1서브루프(130,150) 중 제1루프(110)에 이웃한 제1서브루프(130)상에 또는 제1서브루프(130)에 인접하게 형성된다.
제2루프(120)와 제2서브루프(140)도 비아홀과 아래층 금속에 의한 브릿지 또는 에어브릿지를 이용하여 상호 전기적으로 연결되어 있으며, 제1루프(110)와 한 쌍의 제1서브루프(130,150)에서 발생하는 자기장에 의해 유도전류가 발생한다. 그리고 제2루프(120)와 제2서브루프(140)에 의해 형성되는 자기장의 virtual center는 제2루프(120)와 제2서브루프(140)의 사이, 즉 제1루프(110)에 이웃한 제1서브루프(130)상에 또는 제1서브루프(130)에 인접하게 형성된다.
이에 따라, 제1루프(110), 한 쌍의 제1서브루프(130,150)에 의해 형성되는 자기장의 virtual center와, 제2루프(120)와 제2서브루프(140)에 의해 형성되는 자기장의 virtual center는 매우 인접하게 형성된다. 따라서, DAT의 K-factor가 개선된다. 그리고, 제1루프(110), 한 쌍의 제1서브루프(130,150)에 의해, 제2루프(120)와 제2서브루프(140)에 의해 금속판의 폭이 실질적으로 증가되는 효과를 가져와 DAT의 Q-factor가 개선된다.
한편, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 상술한 제1실시예에서는, 제1루프(110)의 폭을 실질적으로 확장시키는 제1서브루프(130)을 하나 더 마련하고, 제2실시예에서는 제1루프(110)와 제1서브루프(130,150)를 합하여 3개로, 제2루프(120)와 함께 제2서브루프(140)를 합하여 2개로 형성하고 있다. 그러나, 제1루프(110)와 제2루프(120)에 대한 서브루프를 더 생성할 수도 있음은 물론이며, 이 때, 제1루프(110)와 제1서브루프(130)를 홀수개로 형성할 경우에는 제2루프(120)와 제2서브루프(140)를 짝수개로 형성하고, 제1루프(110)와 제1서브루프(130)를 짝수개로 형성할 경우에는 제2루프(120)와 제2서브루프(140)를 홀수개로 형성한다. 그리고, 제2루프(120)와 제2서브루프(140)를 제1루프(110)와 제1서브루프(130)의 갯수보다 더 많이 생성할 수도 있으나, 제1루프(110)와 제1서브루프(130)의 갯수를 제2루프(120)와 제2서브루프(140)보다 1개 더 많게 형성하는 것이 바람직하다. 즉, 제1서브루프(130)의 갯수가 n개일 때, 제2서브루프(140)의 갯수는 n-1개로 형성할 수 있다. 그러나, 제1서브루프(130)의 갯수를 n-1개로 구성하고, 제2서브루프(140)의 갯수를 n개로 구성할 경우, 제2루프(120)와 제2서브루프(140)의 갯수가 1개 더 많으므로, 제1서브루프(130)의 외곽에 제2서브루프(140)가 배치된다.
도 4는 본 발명과 종래의 DAT의 loss를 비교한 그래프이다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 DAT는 종래의 DAT에 비해 loss가 낮다. 주파수가 2GHz일 때, 본 발명의 DAT의 loss는 종래에 비해 0.72dB이 작은 것으로 나타나며, 본 발명의 DAT의 loss는 종래의 약 1/2 수준이다.
이러한 DAT의 loss가 파워 증폭기의 효율에 미치는 영향을 본 발명의 DAT와 종래의 DAT를 비교하여 살펴보면 다음의 표 1과 같다.
PA performance PAE
PAE Gain DAT Loss=1.4dB DAT Loss=0.78dB
선형 파워 증폭기 50% 25dB 36% 41.8%(Δ=5.8%)
스위칭 파워 증폭기 75% 25dB 54% 62.7%(Δ=8.7%)
상기의 표 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 선형 파워 증폭기의 경우, DAT의 loss가 1.4dB일 때, 즉 종래의 DAT를 사용할 경우에는 PAE(Power Amplifier Efficiency)가 36%이나, DAT의 loss가 0.78dB일 때, 즉 본 발명의 DAT를 사용할 경우에는 41.8%로 5.8%가 상승한다. 스위칭 파워 증폭기의 경우에는 종래의 DAT의 경우에는 PAE가 54%이었으나, 본 발명의 DAT를 채용할 경우에는 PAE가 62.6%로 8.7%가 증가한다.
이와 같이, 본 발명의 DAT는, 제1루프(110)와 제2루프(120)를 복수개로 형성함으로써, 제1루프(110)와 제2루프(120)의 virtual center를 인접시키고, 제1루프(110)와 제2루프(120)의 실질적인 폭을 증가시킴으로써, K-factor와 Q-factor를 개선할 수 있다. 이러한 개선에 의해 DAT의 loss를 감소시킴으로써, 파워 증폭기의 효율성을 향상시킬 수 있다.
한편, 상술한 실시예에서는 DAT의 제1루프(110)와 제2루프(120)를 복수의 루프로 형성하였으나, 전형적인 나선형 트랜스포머에 적용하여 제1루프(110)와 제2루프(120)를 복수개로 형성하거나, 인덕터에 적용하여 인덕터의 루프를 복수로 형성할 수도 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, DAT의 loss를 감소시킴으로써, 파워 증폭기의 효율성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시형태에 관해 설명하였으나, 이는 예시적인 것으로 받아들여져야 하며, 본 발명의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 한도내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시 형태에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위 뿐 만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (8)

  1. 전원을 공급받아 자기장을 형성하는 적어도 하나의 금속판으로 형성된 제1루프;
    상기 제1루프와 동심원적으로 배치되어 유도전류를 발생시키는 제2루프;
    상기 제2루프를 사이에 두고 상기 제1루프와 동심원적으로 배치되며, 상기 제1루프와 전기적으로 연결된 적어도 하나의 제1서브루프; 및,
    상기 제1루프의 각 금속판 사이에 배치되어 상기 각 금속판에 전원을 공급하는 전원공급부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티루프형 트랜스포머.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1서브루프를 사이에 두고 상기 제2루프와 동심원적으로 배치되며, 상기 제2루프와 전기적으로 연결된 적어도 하나의 제2서브루프를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티루프형 트랜스포머.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1서브루프의 갯수가 n개이면, 상기 제2서브루프의 갯수는 n-1개와 n개중 하나인 것을 특징으로 하는 멀티루프형 트랜스포머.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 복수의 제1서브루프와 상기 복수의 제2서브루프는 교번적으로 배치되는 것을 특징으로 하는 멀티루프형 트랜스포머.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1루프와 상기 제1서브루프, 상기 제2루프와 상기 제2서브루프는, 비아홀과 에어브릿지 중 적어도 하나에 의해 상호 연결되는 것을 특징으로 하는 멀티루프형 트랜스포머.
  6. 전원을 공급받아 자기장을 형성하는 적어도 하나의 금속판으로 형성된 제1루프;
    상기 제1루프와 동심원적으로 배치되어 유도전류를 발생시키는 제2루프;
    상기 제1루프를 사이에 두고 상기 제2루프와 동심원적으로 배치되며, 상기 제2루프와 전기적으로 연결된 적어도 하나의 제2서브루프; 및,
    상기 제1루프의 각 금속판 사이에 배치되어 상기 각 금속판에 전원을 공급하는 전원공급부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티루프형 트랜스포머.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제2루프를 사이에 두고 상기 제1루프와 동심원적으로 배치되며, 상기 제1루프와 전기적으로 연결된 적어도 하나의 제1서브루프를 포함하는 것을 특징으 로 하는 멀티루프형 트랜스포머.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제2서브루프의 갯수가 n개이면, 상기 제1서브루프의 갯수는 n-1개와 n개중 하나인 것을 특징으로 하는 멀티루프형 트랜스포머.
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