KR100887427B1 - 전력 증폭기 회로 및 방법 - Google Patents

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Abstract

트랜지스터가 종속되는 피크 전압을 감소시키기 위해 전력 증폭기에 사용되는 방법 및 장치가 제공된다. 전력 증폭기에는 제 1, 2 스위칭 소자가 제공되며, 스위칭 소자들 사이에 연결되는 인덕터가 제공된다. 스위칭 소자들은 같은 시간 구간동안 함께 온 및 오프되도록 구동된다.

Description

전력 증폭기 회로 및 방법{POWER AMPLIFIER CIRCUITRY AND METHOD}
본 발명은 전력 증폭기 분야에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 증폭기의 스위칭 장치가 종속되는 피크 전압을 감소시키는 개선된 전력 증폭기 회로에 관한 것이다.
전력 증폭기를 이용하는 일부 응용환경에서, 전력 증폭기의 스위칭 장치가 종속되는 피크 전압을 제한하는 것이 바람직하다. 예를 들어, CMOS 소자에서, 트랜지스터 항복 전압은 공급전압보다 약간 클 수 있다. 따라서, 종래의 전력 증폭기 설계에 적합하지 않으며, 스위칭 장치들이 공급 전압의 두배 이상의 전압에 종속되는 종래의 전력 증폭기 설계에 CMOS 소자들은 적합하지 않다.
도 1은 종래의 E-클래스 증폭기의 도면이다. 도시되는 바와 같이, 트랜지스터 M1은 전압 소스 Vdd에 연결되는 인덕터 L1과 접지부 사이에 연결된다. 트랜지스터 M1의 게이트는 입력 신호 Vi에 연결된다. 트랜지스터 M1과 인덕터 L1의 연결은 Vd라는 노드를 형성한다. 스위칭 장치 M1과, 그 외 다른 스위칭 장치들은 가령, MOSFET이나 그 외 다른 트랜지스터 종류처럼 어떤 적절한 스위칭 장치로 이루어질 수 있다. 커패시터 C1이 Vd와 접지부 사이에 연결된다. 증폭기는 인덕터 L2와 커패시터 C2로 구성되는 변성 회로망을 포함한다. 커패시터 C2는 출력 노드 Vo에서 부 하 RL에 연결된다.
도 2는 입력 신호 Vi와, Vd에서의 결과적인 전압을 보여주는 시간 도표이다. 도시되는 바와 같이, 입력 신호 Vi는 접지부와 Vdd 사이에 방형파 신호 스위칭이다. 입력 신호 Vi가 높을 때(Vdd), 트랜지스터 M1이 켜지고, Vd를 접지 전위로 유지한다. 입력 신호 Vi가 낮은 값으로 변이하면 트랜지스터 M1은 꺼지며 Vd에서의 전압은 Vdd 이상으로 상승한다. 이 시간 중에, 트랜지스터 M1은 이 높은 드레인-소스 전압을 유지하여야 한다. 피크 이후, Vd에서의 전압은 접지 전압에 이를때까지 감소한다. 전형적인 종래의 E 클래스 설계에서, 이 피크 전압은 대략 3.6Vdd이다. 피크 전압이 약간 감소할 수는 있지만, Vd에서의 평균 전압이 Vdd와 같아져야 하기 때문에 약 2.5Vdd 이하로 감소할 수는 없다. 도 1에 도시되는 것과 같은 설계는 트랜지스터 항복 전압이 공급전압보다 약간 높은 CMOS같은 일부 소자 기술에는 적합하지 못하다.
따라서, 증폭기의 트랜지스터에 공급되는 피크 전압이 설계 구현에 사용되고 있는 소자들의 트랜지스터 항복 전압 아래에 놓이도록 감소하는 증폭기 설계가 필요하다.
증폭기에 관련된 또다른 문제점은 차동 회로의 이용에 관련되어 있다. 단일 단부 부하에 고효율이 요구될 때 차동 -> 단일 단부 변환을 실행하는 것이 어렵다.
따라서, 개선된 방식의 차동 -> 단일 단부 변환 설계가 필요하다.
발명의 전력 증폭기는 제 1 공급 전압과 제 1 출력 노드 사이에 연결되는 제 1 스위칭 소자, 제 2 공급 전압과 제 2 출력 노드 사이에 연결되는 제 2 스위칭 소자, 그리고 제 1, 2 출력 노드 사이에 연결되는 인덕턴스를 포함한다.
발명의 또다른 실시예는 증폭기에서 피크 출력 전압을 감소시키는 새로운 방법을 제공하는 것으로서, 이 방법은, 1) 제 1, 2 단자를 가지는 인덕터를 제공하고, 2) 제 1 공급 전압과 인덕터의 제 1 단자 사이에 연결되는 제 1 스위칭 소자를 제공하며, 3) 제 2 공급 전압과 인덕터의 제 2 단자 사이에 연결되는 제 2 스위칭 소자, 4) 상기 제 1, 2 스위칭 소자를 "온" 시킴으로서 클럭 주기의 첫 번째 부분동안 인덕터의 제 1, 2 단자 사이에 전압을 공급하고, 그리고 5) 클럭 사이클의 두 번째 부분동안 제 1, 2 스위칭 소자를 "오프"시키는, 이상의 단계로 이루어진다.
발명의 또다른 실시예는
- 제 1 공급 전압과 제 1 출력 노드간에 연결되는 제 1 스위칭 소자, 제 2 공급 전압과 제 2 출력 노드간에 연결되는 제 2 스위칭 소자, 그리고 제 1, 2 출력 노드간에 연결되는 인덕턴스로 구성되는 제 1 증폭기와,
- 제 3 공급 전압과 제 3 출력 노드 사이에 연결되는 제 3 스위칭 소자, 제 4 공급 전압과 제 4 출력 노드 사이에 연결되는 제 4 스위칭 소자, 그리고 제 3 및 4 출력 노드 사이에 연결되는 인덕턴스로 구성되는 제 2 증폭기
를 포함하며, 이때 제 1, 2 증폭기는 부하를 구동하기 위해 서로 연결된다.
도 1은 종래 클래스-E 증폭기의 도면.
도 2는 도 1에 도시되는 종래 클래스-E 증폭기에 대한 입력 신호 V1에 대한 Vd에서의 전압을 보여주는 그래프.
도 3은 본 발명의 전력 증폭기가 사용될 수 있는 환경의 예를 보여주는 순서도.
도 4는 본 발명의 전력 증폭기의 한 실시예 도면.
도 5는 입력 신호에 대한 도 4에 도시되는 증폭기의 전압을 보여주는 시간 그래프.
도 6은 차동적으로 연결된 한 부하를 가진 본 발명의 전력 증폭기의 한 실시예 도면.
도 7은 단일 단부 부하에 연결된 본 발명의 전력 증폭기의 한 실시예 도면.
도 8은 차동적으로 연결된 본 발명의 전력 증폭기의 한 실시예 도면.
도 9는 도 8에 도시되는 증폭기에 존재하는 전압을 보여주는 시간 그래프.
도 10은 본 발명의 전력 증폭기의 한 실시예 도면.
도 11은 본 발명의 전력 증폭기의 또다른 실시예 도면.
도 12는 전치증폭기(preamplifier) 회로를 갖춘 본 발명의 전력 증폭기의 한 실시예 도면.
도 13은 도 12에 도시되는 증폭기에 존재하는 전압의 시간 그래프.
도 14는 본 발명의 2단계 차동 전력 증폭기의 한 실시예 도면.
도 15는 차동 -> 단일 단부 변환 실행에 이용되는 종래 회로의 회로도.
도 16은 본 발명의 차동->단일단부 변환 및 임피던스 변환 회로의 블록도표.
도 17은 본 발명의 차동->단일단부 변환 및 임피던스 변환 회로의 도면.
도 18 및 19는 한개의 부하로부터 교류 연결된 차동 입력을 보여주는 회로도.
도 20은 다중 차동 입력을 가진 차동-> 단일단부 변환 및 임피던스 변환 회로의 블록도표.
도 21은 본 발명의 전압 레귤레이터의 블록도표.
도 22는 본 발명의 전압 레귤레이터 실시예의 도면.
도 23은 본 발명의 전압 레귤레이터의 한 실시예 도면.
도 24는 본 발명의 전압 레귤레이터의 한 실시예 도면.
도 25는 본 발명의 소자가 패키지화되는 방법을 보여주는 등각투상도.
도 26은 도 25에 도시되는 소자의 측면도.
도 27은 세라믹 칩 캐리어에 형성되는 인덕터를 가진 캐리어의 도면.
도 28은 캐리어에 형성되는 수직-형성 인덕터와의 세라믹 칩 캐리어를 보여주는 순서도.
도 29는 네 개의 연결점 사이에 연결되는 인덕터의 전기 도면.
도 30은 도 29에 도시되는 인덕터들이 세라믹 칩 캐리어에 형성될 수 있는 방법의 예를 보여주는 도면.
본 설명을 이해하기 위해, 다음의 내용들은 본 발명의 전형적인 적용을 도시한다. 본 발명의 전력 증폭기는 이러한 무선 전화나 그 외 다른 장치같은 무선 통 신 시스템에서 사용하기 위한 증폭기로 이용될 수 있다. 발명은 RF 전력 증폭기를 포함한 다른 장치에도 적용될 수 있다. 셀룰러전화같은 무선 장치에서, 이 장치는 송수신기, 안테나 듀플렉서, 그리고 안테나를 포함한다. 송수신기와 안테나 듀플렉서 사이에는 안테나를 통한 송신을 위해 신호를 증폭하기 위한 RF 전력 증폭기가 연결된다. 이는 본 발명의 전력 증폭기를 적용한 한 예다. 물론, 발명은 전력 증폭기를 필요로하는 어떤 다른 장치에도 사용될 수 있다. 무선 전화 장치의 경우에, 발명은 GSM이나 그 외 다른 일정 인벨롭 모듈레이션 시스템에 적용될 수 있다.
도 3은 본 발명의 전력 증폭기가 사용될 수 있는 환경의 예를 보여주는 블록도표이다. 도 3은 입력 신호 쌍 Vin과 Vip에 연결되는 전력 증폭기(310)를 보여준다. 입력 신호들은 앞서 언급한 송수신기 칩같은 입력 회로망으로부터 입력(312)에서 들어온다. 도시되는 바와 같이 입력(312)에 연결되는 다수의 인버터 X1과 X2에 의해 입력 버퍼가 형성된다. 입력 버퍼 회로에서 인버터가 더 많을 수도 있고 더 적을 수도 있으며, 아예 다른 적절한 회로로 대치될 수도 있다. 전력 증폭기(310)는 배터리 전압 VB처럼, 전압원으로부터 정규 전압 소스 Vdd를 제공하는 전압 레귤레이터(314)에 또한 연결된다. 전력 증폭기(310)는 부하(318)에 연결되는 변환 회로망(316)에 또한 연결된다. 전력 증폭기(310)와 변환 회로망(316)간의 연결은 단일 접속, 또는 다중 접속으로 구성될 수 있다. 도 3은 n개의 접속을 가진 것으로 도시된다. 무선 통신 시스템의 예에서, 부하(318)는 안테나로 구성될 수 있다. 도 3에 도시되는 구성요소들은 부가적인 것으로서, 전력 증폭기(310)에 본질적인 것이 아니다.
도 4는 본 발명의 전력 증폭기의 한 실시예 도면이다. 전력 증폭기는 접지부와 Vdn의 노드 사이에 연결되는 스위칭 소자 M1을 포함한다. 스위칭 소자 M1의 게이트는 입력 신호 Vin에 연결된다. 또다른 스위칭 소자 M2는 전압 소스 Vdd와 노드 Vdp 사이에 연결된다. 스위칭 소자 M2의 게이트는 입력 신호 Vip에 연결된다. 스위칭 소자 M2와 M1 사이에는 인덕터 L1이 연결된다. 도 4는 Vdn과 접지부 사이에 연결되는 커패시터 C1을 또한 도시한다. 커패시터 C3는 Vdp와 Vdd 사이에 연결된다. 커패시터 C1과 C3는 스위칭 소자 M1과 M2의 와류 커패시턴스와 별도의 커패시터의 조합에 의해 구성될 수 있다. 도 4에 도시되는 전력 증폭기는 Vdn과 증폭기 출력 Vo 사이에 연결되는 반응 회로망을 또한 포함한다. 반응 회로망은 인덕터 L2와 커패시터 C2에 의해 형성되며, 여파나 임피던스 변환에 사용될 수 있다. 부하 RL이 증폭기 출력 Vo에 연결된다.
도 4에 도시되는 전력 증폭기는 위상학적으로 푸시-풀 증폭기를 닮았으나, 입력 신호 Vin과 Vip가 서로 역값인 상태에 있다는 점에서 기본적으로 다르다. 스위칭 소자 M1이 n-채널 소자이고 스위칭 소자 M2가 p-채널 소자이기 때문에, 스위칭 소자 M1과 M2는 동일한 시간 구간동안 켜지고 꺼진다. 도 5는 입력 신호에 대하여, 도 4에 도시되는 증폭기에 존재하는 전압을 보여주는 시간 그래프이다. 도 5는 서로 180도 이상(out of phase)인 입력 신호 Vin과 Vip를 도시한다. 다시 말해서, 입력 신호 중 하나가 높으면 다른 하나는 낮다. 위상 1 동안에는(Vin은 높고 Vip는 낮음), 스위칭 소자 M1과 M2가 모두 켜져서 Vdp와 Vdn이 Vdd와 접지전위로 각각 조 여진다. 위상 2 동안에는(Vin은 낮고 Vip는 높음), 스위칭 소자 M1과 M2가 모두 꺼진다. Vdn의 전압은 상승하고, 구성요소 L1, C1, C3, L2, C2의 값에 의해 결정되는 주파수에서 진동(ring)하기 시작한다. 최선의 효율을 위해, Vdn이 상승하였다가 위상 2 종료 직전에 접지 전위로 되돌아가도록 이 구성요소들이 선택된다. Vdp의 전압은 하강하여 비슷한 방식으로 진동한다. 스위칭 소자 M1과 M2가 켜질 때 위상 2의 종료 직전에 노드 Vdp에서의 전압이 상승하여 Vdd까지 상승한다.
스위칭 소자 M1과 M2 사이에 존재하는 피크 전압은 Vdn의 평균 전압이 Vdp의 평균 전압과 반드시 같아야 한다는 제약하에서 회로내 패시브 구성요소의 값들을 변경시킴으로서 원하는 대로 조절될 수 있다. 이 평균 전압이 Vdd/2에 놓일 때, Vdn의 피크 값은 Vdd보다 약간 클 것이고, Vdp의 피크 값은 접지전위보다 약간 낮을 것이다. 입력 신호 Vin과 Vip 파형의 듀티 사이클은 피크 전압을 더욱 감소시키도록 조절될 수 있다. 그 결과, 이 구성은 트랜지스터가 종래 기술에 종속되는 대형 신호 스윙을 제거한다.
도 4에 도시되는 전력 증폭기는 노드 Vdp에서 발생하는 신호 스윙을 충분히 이용하지 못한다. 효율 증가는 Vdp와 Vdn에서 신호 스위치를 이용함으로서 얻을 수 있다. 이는 도 6에 도시되는 바와 같이 노드 Vdp와 Vdn 사이에 차동적으로 부하를 연결함으로서 달성될 수 있다. 도 6은 도 4에 도시되는 전력 증폭기와 유사한 전력 증폭기를 도시한다. 이 전력 증폭기는 스위칭 소자 M1, M2, 인덕터 L1, 그리고 커패시터 C1과 C3를 포함한다. 변환 회로망(616)이 노드 Vdp와 Vdn에 연결된다. 부하 RL이 변환 회로망(616)에 연결된다. 도 6에 도시되는 전력 증폭기의 파형은 도 4에 도시되는 전력 증폭기의 파형과 비슷하다. 본 실시예에서, 부하 RL을 따라 흐르는 전류는 Vdp와 Vdn에서의 전압간 차이에 의해 결정된다.
단일 단부 부하가 요구될 때, 단일 단부 부하를 촉진시키도록 변환회로망이 만들어질 수 있다. 도 7은 Vdn과 Vo 사이에 도시되는 바와 같이 연결되는 인덕터 L3와 두 커패시터 C2 및 C4를 지닌 전력 증폭기를 도시한다. 인덕터 L2는 Vdp와 커패시터 C2 및 C4의 접속점 사이에 연결된다. 단일 단부 부하 RL은 Vo와 접지점 사이에 연결된다. 도 7에 도시되는 전력 증폭기에서의 파형은 도 4에 도시되는 전력 증폭기에서의 파형과 유사하다. 본 실시예에서, Vdp로부터 출력에 전달되는 전류와, Vdn으로부터 출력에 전달되는 전류는 부하에서 동상으로 더하여질 때 합해진다. 부하는 커패시터 C4에 의해 Vdp나 Vdn으로부터 교류 연결된다. 부하에 전달되는 전력이 Vdp와 Vdn 상에서의 전압 스윙으로부터 독립적으로 조절될 수 있도록, 부하 임피던스 RL로부터 요망 임피던스로 변환되도록, 인덕터 L2와 커패시터 C2가 선택될 수 있다. 이 경우에, Vo 상에서의 전압 스윙은 C2와 L2의 선택에 의해 결정되는 바와 같이 Vdp와 Vdn 상의 전압 스윙으로부터 변할 것이다. L2와 C2의 조합이 조정 회로이기 때문에, 어떤 대역통과 여파를 제공한다. 추가적인 여파가 필요할 경우, 커패시터 C4와 인덕터 L3가 추가적인 대역통과 필터로 사용될 수 있다. 요약하면, 도 7의 설정에서 L2와 C2는 임피던스 변환, 여파, 차동->단일단부 변환의 기능을 동시에 실행한다.
본 발명의 증폭기는 도 8에 도시되는 바와 같이 함께 연결된 두 증폭기를 이용하여 차동적으로 구현될 수도 있다. 도 8은 스위칭 소자 M1+와 M2+, 인덕터 L1+, 커패시터 C1+ 및 C3+와, 변환회로망으로 구성되는 제 1 증폭기(양의 측)를 도시하며, 변환 회로망은 커패시터 C2+, C4+와 인덕터 L2+ 및 L3로 구성된다. 제 2 증폭기는 스위칭 소자 M1- 및 M2-, 인덕터 L1-, 커패시터 C1- 및 C3-와, 아래 변환 회로망으로 구성되며, 이 변환 회로망은 커패시터 C2-, C4-, 그리고 인덕터 L2- 및 L3로 이루어진다. 두 증폭기는 도시되는 바와 같이 서로 바뀌는 인덕터 L2와 커패시터 C2와 서로 유사하다. 음의 측의 입력 신호 Vin-와 Vip-는 양의 측의 입력 신호 Vin+와 Vip+로부터 180도 이상이다. 도 9는 노드 Vdn+, Vdp+, Vdn-, Vdp-에 존재하는 전압을 보여주는 시간 그래프이다.
도 8에 도시되는 증폭기의 패시브 구성요소의 값들은 두 증폭기로부터의 최종 전류가 부하 RL에서 동상으로 합하여지도록 선택될 수 있다. 도 8에 도시되는 전력 증폭기의 장점은 일반적으로 차동 회로에 공통인 장점과 유사하다. 예를 들어, 전원이나 기판 잡음으로부터의 불필요한 간섭은 공통-모드이다. 또다른 장점은 공급 전류가 두 클럭 위상 모두에서 흐르기 때문에 공급 저항의 임팩트가 감소한다는 점이다.
도 8에 도시되는 부하 RL은 전력 증폭기의 네 출력 노드 중 단 두개에 연결될 수 있다. 예를 들어, 도 4와 유사한 설정이 부하 RL에 차동적으로 연결될 수 있고, 이때 노드 Vdp+와 Vdp-는 Vo에 연결되지 않는다.
도 8은 부가적 인덕터 L4가 노드 Vdp+와 Vdp- 사이에 연결되는 대안의 실시예를 도시한다. 부가적 인덕터 L4없이, 노드 Vdp+, Vdp-, Vdn+, Vdn- 상의 전압 스윙과 커패시터 C1+, C1-, C3+, 그리고 C3-은 독립적으로 조정될 수 없다. 부가적인 인덕터 L4는 이 전압 스윙들이 앞서 언급한 커패시턴스값에 독립적으로 조정될 수 있는 장점을 가진다.
앞서 언급한 커패시터 C1과 C3는 Vdp와 Vdn 상의 전압 파형을 정형하는 데 사용된다. 앞서 언급한 바와 같이, 이 커패시턴스들은 스위칭 소자 M1과 M2의 와류 커패시턴스에 의해, 또는 별도의 커패시터들에 의해 제공될 수 있다. 또다른 실시예에서, 이 커패시턴스들은 증폭기 효율을 개선시키는 방식으로 스위칭 소자에 의해 형성된다.
도 10은 도 8에 도시되는 증폭기와 유사한 전력 증폭기의 도면이다. 도 10에 도시되는 증폭기에서, 커패시터 C1+와 C3+는 각각 스위칭 소자 M3-와 M4-로 대체된다. 마찬가지로, 커패시터 C1-와 C3-는 스위칭 소자 M3+와 M4+로 대체된다. 각각의 스위칭 소자 M3와 M4는 반대편 증폭기로부터의 전압에 의해 도시되는 바와 같이 구동된다. 예를 들어, 스위칭 소자 M4+는 음의 측의 전압 Vdp-에서의 전압에 의해 구동된다. 스위칭 소자 M4-는 양의 측의 Vdp+에서의 전압에 의해 구동된다. 마찬가지로, 스위칭 소자 M3-가 Vdn+에서의 전압에 의해 구동될 때 스위칭 소자 M3+는 Vdn-에서의 전압에 의해 구동된다. 도 10에 도시되는 증폭기의 파형은 앞서 설명한 바와 유사하다.
도 10에 도시되는 증폭기에서는 스위칭 소자 M1+와 M1-가 스위칭 소자 M3+와 M3-의 크기와 같은 정도만큼 작게 만들어진다. 마찬가지로, 스위칭 소자 M2+와 M2-는 스위칭 소자 M4+와 M4-의 크기와 같은 정도만큼 작게 제작될 수 있다. 그러나, 스위칭 소자 M1과 M2는 회로의 안정성을 보장할만큼 충분한 크기를 유지하여야 한다. 스위칭 소자 M1과 M2의 크기 감소는 반드시 구동되어야 하는 입력 커패시턴스가 더 작기 때문에 효율을 개선시킨다. 도 10에 도시되는 증폭기의 또다른 장점은, 양의 입력(Vip+, Vin+)과 음의 입력(Vip-, Vin-) 상에서의 타이밍 변화가 가능함에도 불구하고, Vdp-와 Vdn-에 존재하는 파형들이 Vdp+와 Vdn+에 존재하는 파형에 대해 정확한 위상 관계를 가지는 것을 상호결합(cross-coupling)이 보장한다는 점이다.
도 10은 도 8에 도시되는 인덕터 L4와 유사하게, 부가적 인덕터 L4가 노드 Vdp+와 Vdp- 사이에 연결되는 대안의 실시예를 또한 보여준다. 부가적 인덕터 L4가 연결되면, 노드 Vdp+, Vdp-, Vdn+, Vdn-의 전압 스윙들이 M4-, M4+, M3-, M3+의 입력 커패시턴스로부터 독립적으로 선택될 수 있다.
도 11은 도 10에 도시되는 증폭기와 유사한 전력 증폭기의 도면으로서, 인덕터 L1+와 L1-가 바뀐 것에 차이점이 있다. 인덕터 L1+는 한쌍의 인덕터 L1A+와 L1B+로 대체된다. 인덕터 L1-는 한쌍의 인덕터 L1A-와 L1B-로 대체된다. 인덕터 L1A+와 L1B+의 연결에 의해 형성되는 노드는 인덕터 L1A-와 L1B-의 연결에 의해 형성되는 노드에 연결된다. 도 11에 도시되는 실시예는 부가적 인덕터 L4를 가지는 도 10에 도시되는 실시예와 비슷한 장점을 가진다. 즉, 노드 Vdp+, Vdp-, Vdn+, Vdn-의 전압 스윙들이 M4-, M4+, M3-, M3+의 입력 커패시턴스로부터 독립적으로 선 택될 수 있다.
도 3에 관하여 앞서 설명한 바와 같이, 앞서 설명한 증폭기의 스위칭 소자 M1 및 M2의 게이트를 구동시키는 데 입력 버퍼 회로가 사용될 수 있다. 그러나, 비슷한 증폭기 회로가 전치증폭기(preamplifier) 회로로 사용될 경우 효율이 개선될 수 있다. 도 12는 전치증폭기 회로를 가지는 증폭기의 예다.
도 12는 도 7에 도시되는 증폭기와 유사한 증폭기를 도시한다. 증폭기 입력에서, 전치 증폭기가 도시된다. 전치 증폭기는 접지부와 Vdd 사이에 연결되는 스위칭 소자 M5 및 M6로 구성되다. 인덕터 L3가 스위칭 소자 M5와 M6 사이에 연결된다. 전치 증폭기는 입력 Vip2와 Vin2를 포함한다. 전치 증폭기 회로는 입력 신호 Vip2와 Vin2를 수신하며, 증폭기에 의한 이용을 위해 신호 Vip와 Vin을 발생시킨다. 전치 증폭기 회로는 앞서 설명한 증폭기와 유사하다. 단, 인덕터 L3를 제외한 모든 패시브 구성요소들이 제거되는 점에 차이가 있다. 전치 증폭기 회로에 의해 요구되는 커패시턴스들은 스위칭 소자 M1 및 M2의 게이트의 입력 커패시턴스로부터 형성된다. 물론, 다른 패시브 요소들도 전치 증폭기 회로에 사용될 수 있다.
도 13은 도 12의 Vin, Vip, Vdn, Vdp에서의 파형을 보여주는 시간 도표이다. 전치 증폭기 출력 파형 Vip 및 Vin은 최종 단계에서 스위칭 소자 M1 및 M2의 입력 게이트를 구동하기에 적합하게 만드는 형태를 가진다.
대안의 설정에서, 커패시터 C4는 인덕터 L2와 Vo 사이에서, Vdn과 Vo 사이에 연결되는 커패시터 C2와 연결될 수 있다. 이 대안의 설정은 도 12에 도시되는 설정과 유사한 기능을 한다.
도 14는 도 12에 도시되는 회로에 대해 개선된 효율을 제공하는 2-단계 차동 구성을 이용하는 증폭기의 도면이다. 도 14에 도시되는 증폭기는 도 10에 도시되는 차동 증폭기와 유사하며, 전치 증폭기 회로가 추가되어 있다. 증폭기의 입력 Vip+와 Vin+는 스위칭 소자 M5+와 M6+로 구성되는 전치 증폭기 회로에 연결된다. 스위칭 소자 M5+와 M6+는 접지부와 Vdd 사이에 연결되며, 인덕터 L3+가 그 사이에 연결된다. 스위칭 소자 M8+와 M7+에 의해 노드 Vdp2+와 Vdn2+에 커패시턴스가 제공된다. 증폭기의 음의 측이 동일한 방식으로 설정된다. 전치 증폭기 회로의 양의 측과 음의 측은 도 10에 도시되는 증폭기 회로와 같은 방식으로 교차연결(cross-couple)된다. 본 설정에서, 전력 증폭기의 NMOS 및 PMOS 스위칭 소자 M1 및 M2의 입력 커패시턴스, 전치 증폭기 스위칭 소자 M7 및 M8의 입력 커패시턴스, 그리고 인덕터 L5의 값은 Vdp2 및 Vdn2에서의 신호들이 요망 피크 진폭을 가지도록 조절될 수 있다.
고주파에서 차동->단일단부 변환을 실행하기 위한 한가지 기존의 방법은 변압기 이용을 포함한다. 도 15는 변압기 T1을 이용하여 차동->단일단부 변환을 실행하기 위한 종래 기술 회로를 도시한다. 변압기 T1의 주측은 제 1 차동 입력 V+와 제 2 차동 입력 V-에 연결된다. 변압기 T1의 부측은 접지부와 출력 노드 Vo에 연결된다. 접지부와 출력 노드 Vo 사이에 부하 ZL이 연결된다. 변압기가 1대1 권선비를 가질 경우, 차동 신호 V+와 V-는 부하 ZL 사이에서 V+ - V-의 진폭을 가지는 신호로 변환된다.
일부 환경에서, 주어진 부하 임피던스를 구동장치에 의해 보이는 이와는 다른 임피던스로 변환하기 위해 임피던스 정합이나 임피던스 변환이 필요하다. 임피던스 변환은 변압기 T1의 권선비를 조정함으로서 도 15에 도시되는 변압기 회로를 이용하여 차동->단일단부 변환의 일부로 달성될 수 있다. 그러나, 차동->단일단부 변환 및 임피던스 변환을 위해 변압기를 이용하면 단점이 생긴다. 먼저, 고품질 변압기는 다른 패시브 요소들에 비해 비사고 부피도 커서 다른 반도체 회로에 쉽게 집적될 수 없다. 둘째로, 실제 변압기들은 불완전한 자기 결합을 가지며, 이는 입력에서 출력가지 전력 손실을 일으킨다.
본 발명은 차동->단일단부 변환 및 임피던스 변환을 실행하면서 변압기 해법의 단점을 피하는 기술을 제공한다. 도 16은 차동->단일단부 변환 및 임피던스 변환 회로의 블록도표이다. 이 회로는 제 2 차동 입력 신호 V-와 출력 노드 Vo 사이에 연결되는 제 1 임피던스 X1을 가진다. 제 2 임피던스 X2는 제 1 차동 입력 신호 V+와 출력 노드 Vo 사이에 연결된다. 출력 노드 Vo와 접지부 사이에 부하 ZL이 연결된다. 도 16에 도시되는 회로에서, 차동 입력 V+로부터 출력 노드 Vo에 흐르는 전류는 V+ 상의 전압으로부터 동상으로 편이된다. 마찬가지로, 차동 입력 V-로부터 출력 노드 Vo에 흐르는 전류는 V-상의 전압으로부터 동상으로 편이된다. 임피던스 X1과 X2는 부하 ZL에서 합해질 때 이 두 전류를 함께 더하도록 선택된다. 예를 들어, X1이 출력 전류를 +90도만큼 편이시키고 X2는 출력 전류를 -90도만큼 편이시킬 때, 최종 전류는 부하에서 동상으로 합하여질 것이다. 도 17은 도 16에 도시되는 회로 구현의 한 예를 보여준다. 도 17은 L-C 차동->단일단부 변환 및 임피던스 변환 회로를 보여준다. 임피던스 X1은 제 2 차동 입력 신호 V-와 출력 노드 Vo 사이에 연결되는 커패시터 C5로 구성된다. 임피던스 X2는 제 1 차동 입력 신호 V+와 출력 노드 Vo 사이에 연결되는 인덕터 L6로 구성된다.
도 16에서, 입력 V+와 V-가 차동입력이기 때문에, 입력들은 반대의 부호를 가진다. 그러나, 차동 입력 V+와 V-의 크기가 반드시 같은 것은 아니다. 차동-단일단부 변환 및 임피던스 변환 회로의 출력 전압 Vo는 아래의 방정식에 의해 주어진다.
Figure 112003008555910-pct00001
부하 ZL에 전달되는 전력 PL은 아래의 방정식에 의해 결정된다.
Figure 112003008555910-pct00002
차동->단일단부 변환은 임피던스 X1과 X2가 반대의 부호를 가질 경우 이루어진다. 임피던스 X1과 X2는 요건에 부합하는 반응성 요소들의 어떤 조합으로 구성될 수 있다(가령, 도 17에서 커패시터 C5와 인덕터 L6). 예를 들어, 차동 입력 V+와 V-가 같은 진폭 A를 가지며 임피던스 X1과 X2가 같은 진폭 X를 가질 경우, 출력 전압 Vo는 상기 방정식 (1)에 이 값들을 대입함으로서 결정될 수 있다. 최종 출력 전압 Vo는 아래의 방정식으로 주어진다.
Vo = -j2AZL/X (3)
방정식 3을 살펴보면, 출력 패의 진폭이 차동 입력의 진폭 A보다 크거나 작도록 비 R/X가 선택될 수 있다는 점을 알 수 있다. 출력 Vo의 전압은 X의 값이 감소함에 따라 증가한다. 마찬가지로, 출력 Vo의 전압은 X값 증가에 따라 감소한다.
어떤 환경에서, 부하 ZL은 차동 입력 V-와 V+ 중 어느 하나로부터 교류 연결되어야 한다. 도 18 및 19는 도 17에 도시되는 예에서 부하 ZL로부터 차동입력들이 교류연결될 수 있는 방법의 예를 도시한다. 도 18에 도시되는 회로에서, 출력 노드 Vo와 커패시터 C5 및 인덕터 L6 사이에 추가적인 커패시터 C6가 삽입된다. 커패시터 C6는 제 1, 2 차동 입력 V+와 V-로부터 출력 노드 Vo를 연결한다. 도 19에 도시되는 회로에서, 출력 노드 Vo와 인덕터 L6 사이에 추가적인 커패시터 C6가 삽입된다. 커패시터 C6는 제 1 차동 입력 V+로부터 출력 노드 Vo를 교류 연결한다. 커패시터 C1은 제 2 차동 입력 V-로부터 출력 노드 Vo 사이에서 교류 결합을 제공한다.
앞서 설명한 차동-단일단부 변환 및 임피던스 변환을 제공하기 위한 기술은 다중 차동 입력을 가지는 회로에 적용할 수 있다. 도 20은 다중 차동 입력을 지닌 차동->단일단부 변환 및 임피던스 변환 회로를 도시한다. 도 20은 N이 차동 입력의 수일 때 차동 입력 V1~VN을 도시한다. 제 1 임피던스 X1이 차동 입력 V1과 출력 노드 Vo 사이에 연결된다. 제 2 임피던스 X2는 차동 입력 V2와 출력 노드 Vo 사이에 연결된다. 마찬가지로, N번째 임피던스 XN은 차동 입력 VN과 출력 노드 Vo 사이에 연결된다. 각각의 차동 입력으로부터의 각각의 전류는 출력 노드 Vo와 동상으로 더해진다. 본 실시예에서, j번째 차동 입력 Vj와 출력 노드 Vo간 임피던스 Xj는 다른 차동 입력의 위상에 대한 그 위상에 따라 좌우될 것이다. 임피던스 Xj가 순수하게 반응성일 경우에만 부하 ZL로의 최적 전력 전달이 발생한다. 그러나, 임피던스 Xj가 순수하게 반응성이 아닐 때도 이 기술이 여전히 유효할 수 있다. 예를 들어, 실제 인덕터와 커패시터들이 직렬 저항을 가질 때 이 현상이 나타날 수 있다.
상술한 바와 같이, 도 3에 도시되는 RF 전력 증폭기는 전압 소스 VDD를 제공하기 위해 배터리 전압 소스 VB와 전력 증폭기(310) 사이에 연결되는 전압 레귤레이터(314)를 포함한다. 본 발명의 한 실시예에서, 전압 레귤레이터(314)는 전력 증폭기 회로와 동일한 집적 회로 상에 위치한다. 전압 레귤레이터의 기능은 전력 증폭기에 전압 소스를 제공하고 출력 전력 수준을 제어하는 것이다. 예를 들어 셀룰러 전화 환경에서, 기지국은 각각의 셀전화가 전송해야하는 전력 수준을 지시할 수 있다. 전압 수준(VDD)을 변경함으로서, 전력 증폭기의 출력 전력을 제어할 수 있다. 전압 소스 VDD의 전압이 증가함에 따라, 출력 전력이 증가한다. 따라서, 전압 레귤레이터의 동작을 제어함으로서, 그리고 전압 소스 VDD의 전압을 제어함으로서, 증폭기의 출력 전력을 제어할 수 있다. 전력 증폭기(310)가 적절한 전압 레귤레이터나 전압 소스와 함께 기능할 때, 이러한 전압 레귤레이터의 상세한 설명이 아래에 이어진다.
도 21은 전압 소스 VB로부터, 가령, 전압 소스로부터 정규화된 전압 VDD를 제공하기 위해 사용되는 전압 레귤레이터(544)의 블록도표이다. 도시되는 바와 같이, 정규화된 전압 VDD가 소자(530)에 제공된다. 소자(530)는 전력 증폭기를 포함 하는 전압 소스를 필요로하는 소자일 수 있다. 전압 레귤레이터(544)는 소자(530)에 제공되는 전압 레벨 VDD를 제어하도록 제어 신호 VSET에 연결되는 입력(546)을 포함한다. 아래는 RF 전력 증폭기에서 그 이용 범위 내에서 본 발명의 전압 레귤레이터의 상세한 설명이 이어진다.
도 22는 배터리 전압 VB에 연결되는 전압 레귤레이터(644)의 제 1 실시예 도면이다. 전압 레귤레이터(644)는 소자 M9와 연산 증폭기 X4로 구성된다. 연산 증폭기 X4는 전압 제어 신호 VSET에 연결하기 위한 제 1 입력(646)을 포함한다. 선호되는 실시예에서, 제어 신호 VSET는 요망 전압 레벨에 비례하는 아날로그 전압 신호이다. 연산 증폭기 X4에 대한 또다른 입력은 정규화 전압 VDD에 연결된다. 연산 증폭기 X4의 출력은 소자 M9의 입력에 연결된다.
도 23은 배터리 전압 VB에 연결된 전압 레귤레이터(744)의 또다른 실시예의 도면이다. 전압 레귤레이터(744)는 연산 증폭기 X5, 스위칭 소자 M10, 그리고 외부 저항 R1으로 구성되는 제 2 레귤레이터 회로를 추가한 점을 제외하면 도 22에 도시되는 전압 레귤레이터(644)와 유사하다. 도 23은 전력 증폭기가 집적 회로(770) 상에 형성되나 저항 R1은 집적 회로(770) 상에 형성되지 않는 특징의 집적 회로(770)(점선)를 도시한다. 집적 회로(770)는 전력을 공급받을 소자가 위치하는 집적회로와 같은 집적회로일 수 있다.
제 1 레귤레이터 회로는 도 22에 도시되는 레귤레이터 회로와 동일한 방식으로 연결된다. 제 2 레귤레이터 회로의 연산 증폭기 X5는 전압 제어 신호에 연결하기 위해 입력 VSET2를 포함한다. 연산 증폭기 X5에 대한 또다른 입력은 정규화 전 압 VDD에 연결된다. 연산 증폭기 X5의 출력은 소자 M10의 게이트에 연결된다. 외부 저항 R1이 배터리 전압 VB와 소자 M10 사이에 연결된다. 도 23은 제어 신호 VSET에 연결되는 입력(746)을 가지는 전압 제어 회로(776)를 또한 도시한다. 전압 제어 회로(776)는 제 1, 2 레귤레이터 회로에 의해 이용하기 위해 전압 제어 신호 VSET1과 VSET2를 생성하도록 신호 VSET를 이용한다. 두 레귤레이터를 제어함으로서, 전압 레벨 VDD를 제어할 수 있다. 추가적으로, 제 2 레귤레이터를 선택적으로 활성화시킴으로서, 전력이 집적 회로(770)에서 (저항 R1을 통해) 소모될 수 있다. 이는 집적 회로(770)에서 발생되는 열을 감소시킨다.
전압 레귤레이터(744)는 다음과 같이 동작한다. 집적회로(770) 상에서 소실되는 전력량을 최소화하는 것이 바람직하기 때문에, 외부 저항 R1을 통한 전력 소모를 최대화하기 위해 제 2 레귤레이터 회로(X5, M10)의 이용을 최대화시키는 것이 한가지 목표다. 따라서, 전압 제어 회로(776)는 제 2 레귤레이터 회로로 하여금 제 1 레귤레이터 회로(X4, M9)를 동작시키기 전에 가능한 최대 전력을 제공하게 할 것이다. 다시 말해서, 제 2 레귤레이터 회로가 제공할 수 있는 것보다 더 많은 전력이 요구될 경우, 제 1 레귤레이터 회로는 추가 전력을 제공하도록 동작한다. 이 방식으로, 최대 전력량이 외부 저항 R1을 통해 소실될 것이다.
도 24는 다중 레귤레이터와 다중 외부 저항을 지닌 전압 레귤레이터(844)의 또다른 실시예 도면이다. 전압 레귤레이터(844)는 도 23에 도시되는 레귤레이터(744)와 유사하지만, 소자 M11, 연산 증폭기 X6, 그리고 외부 저항 R2로 구성되는 제 3 레귤레이터 회로가 추가되어 있다는 점에 차이가 있다. 제 3 레귤레 이터 회로는 제 2 레귤레이터 회로와 같은 방식으로 연결되고 비슷한 방식으로 동작한다. 제 3 레귤레이터 회로의 연산 증폭기 X6는 전압 제어 신호에 연결하기 위한 입력 VSET3를 포함한다. 연산 증폭기 X5에 대한 또다른 입력은 정규화 전압 VDD에 연결된다. 연산 증폭기 X6의 출력은 소자 M11의 게이트에 연결된다. 외부 저항 R2는 배터리 전압 VB와 소자 M11 사이에 연결된다. 도 24는 제어 신호 VSET에 연결되는 입력(846)을 가지는 전압 제어 회로(876)를 또한 도시한다. 전압 제어 회로(876)는 신호 VSET를 이용하여 레귤레이터 회로가 이용할 제어 전압 신호 VSET1, VSET2, VSET3를 생성한다. 제 2 레귤레이터나 제 3 레귤레이터를 활성화시킴으로서, 집적 회로(870)에서 (저항 R1 또는 R2를 통해) 전력을 소모시킬 수 있다. 이는 집적 회로(870)에서 발생되는 열을 감소시킬 수 있다.
전압 레귤레이터(844)는 다음과 같이 동작한다. 집적 회로(870) 상에서 손실되는 전력량을 최소화하는 것이 바람직하기 때문에, 외부 저항 R1 및 R2를 통한 전력 소모를 최대화시키기 위해 제 2, 3 레귤레이터 회로의 이용을 최대화하는 것이 한가지 목표이다. 따라서, 전압 제어 회로(876)는 제 2, 3 레귤레이터 회로로 하여금 제 1 레귤레이터 회로를 동작시키기 전에 가능한 많은 전력을 제공하게 할 것이다. 다시 말해서, 제 2 레귤레이터 또는 제 3 레귤레이터 회로가 제공할 수 있는 전력보다 더 많은 전력이 필요할 경우, 제 1 레귤레이터 회로는 추가 전력을 제공하도록 동작한다. 이 방식으로, 최대량의 전력이 외부 저항 R1 및 R2를 통해 소실될 것이다.
저항 R1 및 R2의 값은 사용자 필요에 따라 같을 수도 있고 다를 수도 있다. 추가적으로, 본 발명은 한개나 두개의 외부 저항 이용에 제한되지 않는다. 한 실시예에서, 저항 R1의 값은 0.7 오옴이고, 저항 R2의 값은 0.3오옴이다.
본 발명의 또다른 장점은 이중 게이트 산화물 소자의 이용에 관한 것이다. CMOS 디지털 시스템에서, 두개의 전압 레벨(가령, 3.3볼트와 5볼트)로 이용하기에 적절한 소자들을 제공하는 것이 가끔 바람직하다. 따라서, 0.5 미크론 및 0.35 미크론 소자를 모두 가지는 단일 집적 회로를 제공하도록 처리 기술이 발전되었다. 상술한 바와 같이, 게이트 산화물이 굵으면 소자의 항복 전압이 높아진다. 다른 한편, 게이트 산화물이 얇아질수록, 소자는 빨라지지만 항복 전압이 낮아진다.
본 발명의 RF 증폭기는 증폭기의 여러 구성요소에 대해 어떤 게이트 길이들을 선택적으로 선정함으로서 이중 게이트 산화물 소자를 활용한다. 예를 들어, 사전처리 회로나 프리-드라이버 회로(pre-driver circuit)의 경우엔 고속이 요구되나 항복 전압은 중요하지 않다는 것이 발견되었다. 따라서, 이 소자들은 얇은 게이트 산화물을 이용하여 설계된다. 출력 상태 소자의 경우, 항복 전압이 높아야하기 때문에, 소자들은 굵은 게이트 산화물을 이용하여 설계된다.
한 실시예에서, 도 12와 14에 도시되는 RF 증폭기와 같은 RF 증폭기를 생성하는 데 이중 게이트 산화물 소자가 이용된다. 이 증폭기에서 이중 게이트 산화물의 한가지 적절한 이용이라면, 0.5미크론 및 0.35 미크론의 채널 길이를 가지는 소자들을 이용하는 것이다. 0.5 미크론 및 0.35 미크론의 소자들은 각각 140 옹스트롬과 70 옹스트롬의 게이트 산화물 두께를 가진다. 도 12에 도시되는 예에서, 프리드라이버 소자 M5와 M6는 출력 소자 M1 및 M2보다 훨씬 작은 소자로 선택될 수 있 다. 이 경우에, 프리드라이버 출력 신호 Vip와 Vin은 거의 사인파이고, 전압차(Vip-Vin)는 +Vdd와 -Vdd 사이에서 변하며, M1 및 M2의 입력 커패시턴스는 M5나 M6 중 어느것도 Vdd보다 큰 전압 강하를 겪지 않도록 선택될 수 있다. 그 결과, 프리드라이버의 경우에는 항복 전압이 높을 필요가 없고, 소자 M5와 M6는 0.35 미크론을 이용하여 구현될 수 있다. 고효율이 필요할 경우, 최종 증폭기 단계의 스위칭 소자 M1 및 M2는 대형 소자 폭의 크기를 가져서, 노드 Vdn과 Vdp가 이 소자들이 온 상태가 될 때 접지부와 Vdd의 공급 전압으로 강하게 조여지게 된다. 이 경우에, 전압차(Vdp-Vdn)는 프리드라이버에서보다 더 큰 범위에서 변화할 것이고, M1이나 M2, 또는 둘 모두가 Vdd보다 더 큰 전압 강하를 경험할 것이다. 이 소자들로부터 더 높은 항복 전압이 바람직하기 때문에, M1 및 M2는 0.5미크론 소자들을 이용하여 구현될 수 있다. PMOS 트랜지스터들이 NMOS 트랜지스터들에 비해 일반적으로 느리며 게이트 산화물 소자가 두꺼울수록 속도가 느리기 때문에, PMOS 소자의 경우보다 NMOS 소자의 경우에 더 두꺼운 게이트 산화물 소자를 이용하는 것이 선호된다. 도 14의 RF 증폭기에 대한 이중 게이트 산화물 두께를 이용하는 예는 게이트 산화물이 두꺼운 NMOS 소자만을 포함한다. 프리디바이더 트랜지스터 M5+, M5-, M6+, M6-, M7+, M7-, M8+, M8-가 0.35 미크론 소자를 이용하여 구현된다. 왜냐하면, 상술한 바와 같이, 이들이 Vdd보다 높은 항복 전압에 얽매이지 않으며 항복 전압이 중요한 관심사가 아니기 때문이다. 상술한 바와 같이, 최종 증폭기 단계는 더 큰 전압 스윙을 경험한다. 그러나 NMOS 소자들만이 Vdd보다 큰 전압 스위칭을 볼 수 있는 방식으로 이 대형 스윙들이 NMOS 및 PMOS 소자 사이에서 분포될 수 있다. 이는 인덕터 L1+, L1-, L4의 값과, 소자 M3+, M3-, M4+, M4-의 입력 커패시턴스를 조정함으로서 달성된다. 이 접근법에서, 최종 증폭기 단계의 PMOS 소자 M2+, M2-, M4+, M4-는 얇은 게이트 산화물 소자이며, NMOS소자 M1+, M1-, M3+, M3-는 더 굵은 게이트 산화물 소자들이다.
물론, 본 발명이 상술한 값에 제한되지 않는다. 예를 들어, 얇은 게이트 산화물이 보다 일반적이 될 경우, 두께 중 한개나 두개 모두가 더 얇아질 수 있다. 게다가, 본 설명에서 "얇은"이나 "두꺼운(굵은)"이라는 표현은 게이트 산화물 두께에서 의도적이거나 본질적인 두께 차이만을 의미한다. 예를 들어, 0.35미크론 소자들은 제작 허용공차에 따라 작은 크기만큼 서로 변할 수 있다. 0.5미크론 소자는 0.35 미크론 소자에 비해 두껍다고 간주된다. 또한 본 발명이 다양한 CMOS 소자에 적용되며, 상술한 RF 증폭기는 본 발명의 이중 게이트 산화물 소자를 적용한 한 예로 사용될 뿐이다.
본 발명의 또다른 장점은 본 발명의 RF 전력 증폭기가 어떻게 패키지화되는 지에 관한 것이다. RF 증폭기의 설계는 트랜지스터나 스위칭 소자들에 낮은 인덕턴스 및 낮은 저항을 요구한다. 게다가, RF 전력 증폭기 서계는 인덕터나 커패시터같은 다수의 패시브 구성요소들을 통상적으로 필요로한다. 전력 증폭기 패키지에서 이들 구성요소들을 집적시키는 것이 바람직하다(장점이 된다). 본 발명의 패키지화 기술은 "플립칩" 기술과 다층 세라믹칩 캐리어 기술을 이용하여 이 사항들을 처리한다.
도 25와 26은 본 발명의 패키지화 기술을 보여주는 사시도 및 측면도이다. 도 26와 26은 다층 세라믹칩 캐리어(972)에 장착되는 플립칩 집적 회로(970)를 보여준다. 집적회로(970)는 집적 회로 하부에 다수의 연결점이나 "범프"(974)를 포함한다. 마찬가지로, 세라믹 칩 캐리어(972)는 다수의 연결점, 또는 범프(976)를 포함한다. 집적 회로(970)의 범프(974)들은 땜납으로 형성되며, 세라믹칩 캐리어(972)의 상부면에 형성되는 이에 대응하는 전도 물질에 장착될 수 있다. 마찬가지로, 세라믹칩 캐리어(972)의 범프(976) 역시 땜납에 의해 형성되며, 인쇄 회로 보드에 칩캐리어(972)를 장착시키는 데 사용된다. 전형적인 플립칩에서는 250미크론 간격의 범프가 가능하다. 전형적인 칩캐리어는 250미크론 간격의 바이어(via)를 이용하여 플립칩 범프(974)에 연결된다. 한 예에서, 6x6mm 세라믹 칩 캐리어는 PCB에 연결하기 위한 36개의 범프(976)를 포함한다. 플립칩 및 세라믹칩 캐리어 기술들은 공지기술로 간주되며, 더 이상 상세히 설명하지 않는다.
집적 회로(970)와 세라믹 칩 캐리어(972) 상에서 본 발명의 RF 전력 증폭기의 일부 구성요소를 선택적으로 위치시킴으로서 여러 장점을 얻을 수 있다. 발명은 도 14에 도시되는 RF 전력 증폭기를 참고하여 설명될 것이지만 이에 제한되지는 않는다. 발명의 한 실시예에서, 모든 스위칭 소자들은 집적 회로(970) 상에 형성된다. 게다가, 전력 트랜지스터(가령, 스위칭 소자 M1+, M1-, M2+, M2-)들은 집적 회로(970)의 범프 바로 아래 놓이는 것이 선호되며, 결과적으로 저항과 인덕턴스가 낮아진다(도선연결 회로 패키지에 비해).
다층 세라믹 칩 캐리어(972)는 높은 Q의 인덕터, 변압기, 그리고 커패시터를 만드는 데 사용된다. 이는 CMOS 전력 증폭기 구조에서 유익하다. 왜냐하면 다중 인 덕터 및 커패시터가 요구될 수 있기 때문이다. 예를 들어, 단일 대역 전력 증폭기는 인쇄 회로 보드 상에 구축하기 위해 실용적이지 않을 수 있는 4-8개의 인덕터를 필요로할 수 있다. 게다가, 다중 정합망들이 사용되어, 푸시-풀 증폭기 설계에 요구되는 높은 변환비를 제공한다. 발명의 한 실시예에서, 변압기, 인덕터, 커패시터, 그리고 그 외 다른 패시브 소자들이 세라믹 칩 캐리어(972) 상에 형성된다. 세라믹 칩 캐리어(972)는 이 패시브 소자들을 구현하도록 설계될 수 있는 다층 전도층(978)을 포함한다.
도 14에 도시되는 RF 전력 증폭기의 한 실시예에서, 모든 스위칭 소자 및 커패시터 C2+ 및 C2는 집적회로(970) 상에 위치하며, 이때 인덕터 L3+, L3-, L5, L1+, L1-, L4, L2+, L2-는 다층 세라믹 칩 캐리어(972) 상에 위치한다.
CMOS 전력 증폭기 설계에서, 대형 온-칩 게이트 커패시턴스를 조율하기 위해 다층 고-Q 인덕터가 요구된다. 이 커패시턴스들이 크기때문에, 요구되는 인덕터는 그 값이 적고 집적이 어렵다. 한가지 해법은 세라믹 칩 캐리어 상에 고-Q 인덕터를 형성하는 것이다. 도 27은 도 25 및 26에 도시되는 세라믹 칩 캐리어(972)를 도시하는 도면으로서, 수평으로 형성되는 인덕터(1180)가 세라믹 칩 캐리어(972)에 형성된다. 인덕터(1180)는 두 바이어(1184)에 의해 세라믹 칩 캐리어(972)의 두 범프(974)에 연결되는 전도 트레이스(1182)에 의해 형성되는 수평 루프 부분을 포함한다. 인덕터(1180)의 한가지 단점은 인덕터 값이 세라믹 칩 캐리어(972)의 하부층으로 이동할만큼 충분히 크지 않을 경우 인덕터 연결점들이 세라믹 칩 캐리어(972)의 변부에 가까워야 한다는 점이다.
도 28은 캐리어(972)에 형성되는 수직-형성 인덕터(1280)를 가지는 세라믹 칩 캐리어(972)를 도시하는 도면이다. 인덕터(1280)는 전도 트레이스(1286)까지 뻗어가는 바이어(1284)에 의해 수직 방향으로 형성되고, 캐리어(972)의 낮은 수준에서 형성될 수 있다. 도시되는 바와 같이, 인덕터(1280)는 세라믹칩 캐리어(972) 내로 하향으로 뻗어가고, 동평면에 있다. 왜냐하면 바이어(1284, 1286)가 동일 평면 상에 존재하기 때문이다. 바이어(1284)는 바람직한 인덕턴스에 따라 캐리어(972)의 여러층을 통해 형성될 수 있다. 인덕터(1280)같은 수직-형성 인버터가 수평 형성 인덕터에 비해 두가지 큰 장점을 가진다. 먼저, 인덕터(1280)같은 수직-형성 인덕터는 수평-형성 인덕터에 비해 두가지 큰 장점을 가진다. 먼저, 수직-형성 인버터는 다른 경로 채널을 차단하지 않으면서 칩(970) 아래에 형성될 수 있다. 따라서, 더 많은 배치 옵션이 가용하고, 더 많은 인덕터들이 형성될 수 있다. 둘째로, 수평 전도 트레이스(1182)에 반해 수직-형성 바이어(1284)는 바이어(1284)가 전도 트레이스보다 더 큰 단면적을 가지기 때문에 RF 주파수에서 손실이 적다. 바이어(1284)는 원통형으로서 πdl의 표면적을 가진다. 이때 d는 바이어(1284)의 직경이며(가령, 100 미크론), L은 바이어의 길이이다. 전도 트레이스(1182)와 같은 전도 트레이스들은 2dL의 표면적을 가진다. 따라서, RF 주파수에서 바이어의 저항은 전도 트레이스(1182)의 저항보다 π/2 배만큼 작다.
도 29와 30은 본 발명의 수직-형성 인덕터의 한 실시예를 보여준다. 도 29는 접점(1310, 1312, 1314, 1316) 사이에 연결되는 인덕터 L7, L8, L9, L10, L11를 보여주는 회로도이다. 도시되는 바와 같이, 인덕터 L7와 L8은 접점(1310, 1312) 사 이에 연결된다. 마찬가지로, 인덕터 L9 및 L10은 접점(1314, 1316) 사이에 연결된다. 인덕터 L11은 접점(1318, 1320) 사이에 연결되고, 접점(1318, 1320)은 각각 인덕터 L9과 L10 사이, 그리고 L7과 L8 사이에 형성된다.
도 30은 도 29의 회로가 본 발명의 수직형성 인덕턴스를 이용하여 어떻게 구현될 수 있는 지를 보여주는 예를 도시한다. 접점(1310, 1312, 1314, 1316)이 세라믹 칩 캐리어 표면에 형성되며 플립칩(970)의 범프(974) 중 네 개에 전기적으로 연결될 것이다. 본 예에서, 인덕터는 세라믹 칩 캐리어의 상부 두개층을 이용하여 형성된다. 바이어(1322, 1324)는 세라믹 칩 캐리어의 하부층에 각각 형성되는 전도 트레이스(1326, 1328)의 단부에 연결되도록 두층을 따라 뻗어간다. 전도 트레이스(1326, 1328)의 반대쪽 단부는 각각 바이어(1330, 1332)에 연결되며, 이는 세라믹 칩 캐리어의 하부층에 역시 형성된다. 바이어(1322), 전도 트레이스(1326), 바이어(1330)는 인덕터 L7를 형성한다. 마찬가지로, 바이어(1324), 전도 트레이스(1328), 바이어(1332)는 인덕터 L9을 형성한다. 바이어(1330, 1332)는 상부층에 형성되는 전도 트레이스(1334)의 반대쪽 단부에 연결된다. 전도 트레이스(1334)는 인덕터 L11을 형성한다. 마지막으로, 바이어(1336, 1338)는 각각 바이어(1330, 1332)에 연결되고, 전도 트레이스(1334)의 반대쪽 단부에도 연결된다. 바이어(1336, 1338)는 각각 인덕터 L8과 L10을 형성한다. 도 29와 30은 인덕터들이 세라믹 칩 캐리어에 형성되는 방법의 한가지 특정 예를 보여주었으나, 다른 여러 가지 구현들도 가능함을 이해하여야 한다.

Claims (61)

  1. 전력 증폭기로서,
    - 제 1 공급 전압과 제 1 출력 노드 사이에 연결되는 제 1 스위칭 소자,
    - 제 2 공급 전압과 제 2 출력 노드 사이에 연결되는 제 2 스위칭 소자, 그리고
    - 제 1 출력 노드와 제 2 출력 노드 사이에 연결되는 인덕턴스
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기(power amplifier).
  2. 제 1 항에 있어서, 제 2 출력 노드에 부하가 연결되는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  3. 제 1 항에 있어서, 제 1 출력 노드에 연결되는 제 1 커패시터와, 제 2 출력 노드에 연결되는 제 2 커패시터를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  4. 제 1 항에 있어서, 제 1 출력 노드에 연결되는 제 1 커패시터를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  5. 제 1 항에 있어서, 제 1 출력 노드와 제 2 출력 노드간에 연결되는 제 1 커 패시터를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  6. 제 1 항에 있어서, 제 1 스위칭 소자와 제 2 스위칭 소자가 소자를 반복적으로 온 및 오프 시키는 신호에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  7. 제 6 항에 있어서, 제 1 스위칭 소자와 제 2 스위칭 소자는 같은 시간 주기동안 "온" 상태가 되는 주기를 가지며, 제 1 스위칭 소자와 제 2 스위칭 소자는 같은 시간 주기동안 "오프" 상태가 되는 주기를 가지는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  8. 제 4 항에 있어서, 제 1 커패시터는 제 3 스위칭 소자의 입력 커패시턴스에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  9. 제 3 항에 있어서, 제 1 커패시터는 제 3 스위칭 소자의 입력 커패시턴스에 의해 제공되고, 제 2 커패시터는 제 4 스위칭 소자의 입력 커패시턴스에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  10. 제 1 항에 있어서, 제 1 스위칭 소자와 제 2 스위칭 소자가 트랜지스터로 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  11. 제 1 항에 있어서, 제 1 스위칭 소자는 PMOS 트랜지스터로 구성되고, 제 2 스위칭 소자는 NMOS 트랜지스터로 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  12. 제 1 항에 있어서, 제 1 출력 노드와 제 2 출력 노드간에 연결되는 부하를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  13. 제 1 항에 있어서, 제 1 출력 노드와 제 2 출력 노드에 연결되는 변환회로망(transformation network)을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  14. 제 13 항에 있어서, 변환회로망은,
    - 제 1 출력 노드와 제 3 노드에 연결되는 커패시터,
    - 제 2 출력 노드와 제 3 노드에 연결되는 인덕터, 그리고
    - 제 3 노드에 연결되는 부하
    를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 전력 증폭기는 전력 증폭기에 연결되는 전치 증폭기를 추가로 포함하고, 상기 전치 증폭기는,
    - 상기 제 1 공급 전압과 제 3 노드 사이에 연결되어 제 1 스위칭 소자에 대한 입력에 연결되는 제 3 스위칭 소자
    - 제 2 공급 전압과 제 4 노드 사이에 연결되어 제 2 스위칭 소자에 대한 입력에 연결되는 제 4 스위칭 소자, 그리고
    - 제 3 노드와 제 4 노드 사이에 연결되는 제 2 인덕터,
    를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 증폭기의 피크(peak) 출력 전압을 감소시키는 방법으로서,
    - 제 1 단자와 제 2 단자를 가지는 인덕터를 제공하고,
    - 인덕터의 제 1 단자와 제 1 공급 전압 사이에 연결되는 제 1 스위칭 소자를 제공하며,
    - 인덕터의 제 2 단자와 제 2 공급 전압 사이에 연결되는 제 2 스위칭 소자를 제공하고,
    - 제 1 스위칭 소자와 제 2 스위칭 소자를 "온" 상태로 켬으로서 클럭 사이클의 제 1 부분동안 인덕터의 제 1 단자와 제 2 단자 사이에 전압을 공급하고, 그 리고
    - 클럭 사이클의 제 2 부분동안 제 1 스위칭 소자와 제 2 스위칭 소자를 "오프" 상태로 끄는,
    이상의 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 증폭기의 피크(peak) 출력 전압을 감소시키는 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    - 제 1 단자에 연결되는 제 1 커패시턴스를 제공하고,
    - 제 2 단자에 연결되는 제 2 커패시턴스를 제공하는,
    단계를 추가로 포함하고, 이때 인덕터로부터의 전류는 클럭 주기의 제 2 부분동안 제 1, 2 커패시턴스를 충전하거나 방전시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제 18 항에 있어서, 부하를 제 1 노드에 연결하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제 18 항에 있어서, 부하가 반응성 회로망을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제 18 항에 있어서, 제 1 스위칭 소자와 제 2 스위칭 소자가 동시에 온 및 오프가 되도록 제 1, 2 스위칭 소자를 구동시키는 단계를 추가로 포함하는 것을 특 징으로 하는 방법.
  23. 제 18 항에 있어서, 제 1 스위칭 소자와 제 2 스위칭 소자를 반복하여 온 시키고 이어서 오프시킴으로서 제 1, 2 스위칭 소자를 구동하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제 18 항에 있어서, 스위칭 소자들은 트랜지스터로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제 18 항에 있어서, 제 1 노드와 제 2 노드에 부하를 차동적으로 연결하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 제 18 항에 있어서, 제 1 노드와 제 2 노드 사이에 부하가 연결되는 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 제 18 항에 있어서,
    - 제 1 스위칭 소자의 게이트와 제 3 공급 전압 사이에 연결되는 제 3 스위칭 소자를 제공하고,
    - 제 2 스위칭 소자의 게이트와 제 4 공급 전압 사이에 연결되는 제 4 스위칭 소자를 제공하며, 그리고
    - 제 1, 2 스위칭 소자들의 게이트 사이에 연결되는 제 2 인덕터를 제공하는,
    이상의 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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