KR100962405B1 - Power Amplifier With Internal Matching Network - Google Patents
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Abstract
본 발명은 정합회로를 구비한 전력 증폭기에 관한 것으로서, 특히 고율전율 소재의 커패시터와 세선용접(Bond Wire) 된 인덕터를 포함하는 내부 PI 정합회로를 구비한 전력 증폭기에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a power amplifier having a matching circuit, and more particularly, to a power amplifier having an internal PI matching circuit including a capacitor having a high conductivity material and a wired inductor.
본 발명에 따른 내부 PI 정합 회로를 구비한 증폭기는, 2개의 고용량 커패시터 및 상기 2개의 고용량 커패시터 사이에 위치하는 인덕터로 구성되는 PI 정합회로를 2단으로 직렬연결한 2단의 내부 PI 정합회로를 포함하여 구성된다.An amplifier having an internal PI matching circuit according to the present invention includes a two stage internal PI matching circuit in which a PI matching circuit composed of two high capacitance capacitors and an inductor positioned between the two high capacitance capacitors is connected in two stages. It is configured to include.
본 발명은 정합회로의 사이즈를 소형화할 수 있으며, 그에 따라 증폭기 패키지의 크기가 작아지는 장점이 있다. 또한 패키지 내부에 2차 고조파 제거용 LC 회로를 추가적으로 구현함으로써 전력 증폭기의 성능을 개선할 수 있다. The present invention can miniaturize the size of the matching circuit, thereby reducing the size of the amplifier package. In addition, an additional LC circuit for second harmonic rejection can be implemented inside the package to improve the performance of the power amplifier.
정합회로, Matching Network, 전력증폭기, Power Amp, LC 공진회로 Matching Circuit, Matching Network, Power Amplifier, Power Amp, LC Resonant Circuit
Description
본 발명은 정합회로를 구비한 전력 증폭기에 관한 것으로서, 특히 종래의 λ/4 전송선로를 대체하여 고율전율 소재의 커패시터와 세선용접(Bond Wire) 된 인덕터를 적용하여 패키지 내부에 PI 정합회로를 구비한 전력 증폭기에 관한 것이다. The present invention relates to a power amplifier having a matching circuit, and in particular, a PI matching circuit is provided inside a package by applying a capacitor and a thin wire welded inductor of a high conductivity material in place of the conventional λ / 4 transmission line. It relates to a power amplifier.
또한, 본 발명은 고유전율 커패시터와 세선용접 인덕터를 직렬연결한 LC 공진회로를 더 포함하는 패키지 내부에 PI 정합회로 및 LC 공진회로를 구비한 전력 증폭기에 관한 것이다.The present invention also relates to a power amplifier having a PI matching circuit and an LC resonant circuit in a package further including an LC resonant circuit in which a high dielectric constant capacitor and a thin wire welding inductor are connected in series.
최근 무선 인터넷에 대한 관심이 증가되면서 WiBro/WiMAX 시스템에 대한 개발이 활발히 이루어지고 있다. 특히 WiBro/WiMAX용 전력증폭기의 경우 비교적 높은 주파수 및 출력전력과 넓은 대역폭을 요구하므로, 기존의 전력소자 뿐만 아니라 GaN을 사용한 전력증폭기의 개발이 활발히 이루어지고 있다.Recently, as interest in wireless Internet has increased, development of WiBro / WiMAX systems has been actively performed. In particular, power amplifiers for WiBro / WiMAX require relatively high frequency, output power, and wide bandwidth, and thus, power amplifiers using GaN have been actively developed as well as existing power devices.
도 1은 Endyna Device Inc.에서 제안한 종래의 광대역 전력증폭기의 등가회 로를 도시하고 있다. 이러한 종래의 광대역 전력증폭기는 정합회로로서 2단의 λ/4 전송선로(Transmission Line)을 사용하였다. 이러한 λ/4 전송선로는 사이즈가 커서, 각 1단만 패키지 내부에 구현하고 나머지 1단은 패키지 외부에 구현하여야 하는 문제점이 있었다. 또한 패키지 내부에 구현된 λ/4 전송선로도 그 크기가 상당하여 전체 패키지의 사이즈를 증가시키는 문제점이 있다. 1 illustrates an equivalent circuit of a conventional broadband power amplifier proposed by Endyna Device Inc. This conventional broadband power amplifier uses a two-stage λ / 4 transmission line as a matching circuit. Since the λ / 4 transmission line is large in size, only one stage is implemented inside the package and the other stage is implemented outside the package. In addition, there is a problem that the size of the entire package is increased because the size of the λ / 4 transmission line implemented in the package is considerable.
또한 이러한 패키지 사이즈의 증가는 전력증폭기 전체의 사이즈를 증가시키게 할 뿐만 아니라 전력증폭기의 가격을 상승시키며, 패키지 사이즈가 증대됨에 따라 2차 고조파 제거용 LC 공진회로와 같은 추가적인 회로를 패키지 내부에 구현할 수 없는 문제점이 존재한다.In addition, this increase in package size not only increases the size of the entire power amplifier, but also increases the cost of the power amplifier. As the package size increases, additional circuits such as an LC resonant circuit for removing second harmonics can be implemented inside the package. There is a problem.
전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 종래의 λ/4 전송선로를 대체하여 고유전율의 커패시터 및 세선용접된 인덕터를 이용한 PI 회로를 적용함으로써 패키지 내부에 정합회로를 구비한 증폭기를 제공하는 것을 목적으로 한다.In order to solve the above problems, the present invention provides a amplifier having a matching circuit inside the package by applying a PI circuit using a high dielectric constant capacitor and a thin wire welded inductor in place of the conventional λ / 4 transmission line. It aims to do it.
또한 2차 고조파 제거용 LC 공진회로를 추가함으로써 다기능을 가지면서도 소형의 패키지 크기를 유지하는 내부 정합회로 및 LC 공진회로를 구비한 전력 증폭기를 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, an object of the present invention is to provide a power amplifier having an internal matching circuit and an LC resonant circuit having a multifunction and maintaining a small package size by adding an LC resonant circuit for removing second harmonics.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 2단의 내부 PI 정합회로를 구비한 전력 증폭기는, 패키지 내부에 2개의 고용량 커패시터 및 상기 2개의 고용량 커패시터 사이에 위치하는 인덕터로 구성되는 PI 정합회로를 2단으로 직렬연결한 2단의 내부 PI 정합회로를 포함한 증폭기를 제공한다.In order to achieve the above object, a power amplifier having a two stage internal PI matching circuit according to the present invention, a PI matching circuit composed of two high capacitance capacitors and an inductor located between the two high capacitance capacitors in a package. Provides an amplifier containing two stages of internal PI matching circuits in series with two stages.
이때, 상기 고용량 커패시터는 패키지 내부에 삽입된 유전체 기판의 상면과 하면에 금속 패턴을 적층하여 구현된 것이 바람직하고, 상기 인덕터는 패드와 패드 사이의 길이, 와이어의 두께 및 재질 중 어느 하나를 변경하여 인덕턴스 값을 조정할 수 있는 세선용접 형태로 구현된 것이 바람직하다.In this case, the high capacitance capacitor is preferably implemented by stacking a metal pattern on the upper and lower surfaces of the dielectric substrate inserted into the package, and the inductor changes any one of a length, a thickness of a wire, and a material between the pad and the pad. It is desirable to implement a thin wire welding type that can adjust the inductance value.
본 발명의 다른 면에 따른 내부 PI 정합회로 및 LC 공진회로를 구비한 전력 증폭기는, 패키지 내부에 2단의 내부 PI 정합회로 및 고용량 커패시터와 인덕터를 직렬연결하여 구성된 LC 공진회로를 포함한 증폭기를 제공한다.According to another aspect of the present invention, a power amplifier having an internal PI matching circuit and an LC resonant circuit provides an amplifier including an internal PI matching circuit having two stages and an LC resonant circuit configured by connecting a high capacitance capacitor and an inductor in series. do.
본 발명에 따르면, 고유전율의 소재를 이용한 커패시터와 세선용접(Bond Wire) 된 인덕터로 구현된 PI 네트워크로서 종래의 λ/4 전송선로를 대체한 내부 정합회로를 이용함으로써, 정합회로의 사이즈를 소형화할 수 있으므로 전체 패키지의 크기가 작아지는 장점이 있다. According to the present invention, a PI network implemented by a capacitor using a high-k material and a wired inductor is used to reduce the size of the matching circuit by using an internal matching circuit that replaces a conventional λ / 4 transmission line. This makes the overall package smaller in size.
또한 패키지 내부에 2차 고조파 제거용 LC 회로 등을 추가적으로 구현함으로써 전력 증폭기의 성능을 더욱 개선할 수 있다. 이러한 패키지의 소형화 및 다기능화는 전력 증폭기를 설계할 때 설계자가 좀 더 쉽고 효율적으로 설계할 수 있을 뿐만 아니라 패키지 외부에 구현될 회로를 감소시킴으로써 신뢰성 등을 향상시킬 수 있다.In addition, the performance of the power amplifier can be further improved by implementing an additional second harmonic cancellation LC circuit inside the package. The miniaturization and versatility of these packages not only makes it easier and more efficient for designers to design power amplifiers, but it also improves reliability by reducing circuitry to be implemented outside the package.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이하의 실시예는 이 기술 분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서, 여러 가지 형태로 변형될 수 있으므로 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시 예에 한정되는 것은 아니다. 또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 등의 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐 릴수 있다고 판단되는 경우, 그러한 공지 기능 등에 대한 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The following embodiments are provided to those skilled in the art to fully understand the present invention, and may be modified in various forms, and thus the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. . In describing the present invention, when it is determined that description of related known functions or the like may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, detailed descriptions of such known functions and the like will be omitted.
도 2는 본 발명에 따른 PI 네트워크를 이용한 정합회로를 도시한 블록 다이어그램이다. 2 is a block diagram illustrating a matching circuit using a PI network according to the present invention.
본 발명에 의한 PI 네트워크를 이용한 정합회로(이하, PI 정합회로)는 λ/4 전송선로 (Transmission Line)를 대체하여 정합을 수행한다. A matching circuit using a PI network according to the present invention (hereinafter, referred to as a PI matching circuit) performs matching by replacing a λ / 4 transmission line.
도 2에 도시된 바와 같이, PI 정합회로는 인덕터 La와, 일단부는 접지되고 타단부는 인덕터La의 양 단부와 병렬연결된 두 개의 고용량 커패시터 Ca로 구성된다. PI 정합회로를 이용함으로써 종래에 정합을 위하여 사용되었던 λ/4 전송선로보다 작은 크기로서 정합을 수행할 수 있다.As shown in FIG. 2, the PI matching circuit includes an inductor L a and two high capacitance capacitors C a , one end of which is grounded and the other end of which is connected in parallel with both ends of the inductor L a . By using the PI matching circuit, matching can be performed with a size smaller than that of the λ / 4 transmission line that has been conventionally used for matching.
상기 인덕터 La의 용량값은 하기의 수학식 1에 의하여, 커패시터Ca의 용량값은 하기의 수학식 2에 의하여 구해진다.The capacitance value of the inductor L a is obtained by Equation 1 below, and the capacitance value of the capacitor C a is obtained by Equation 2 below.
본 발명에 의한 내부 PI 정합회로를 구비한 WiBro/WiMAX용 광대역 전력증폭기는, 전술한 내부 PI 정합회로를 고용량 커패시터와 세선용접(Bond Wire) 인덕터를 이용하여 구현한다.The broadband power amplifier for WiBro / WiMAX having an internal PI matching circuit according to the present invention implements the above-described internal PI matching circuit by using a high capacitance capacitor and a thin wire welding inductor.
즉, 증폭기 패키지 내부에 고유전율의 유전체 기판을 삽입하고 유전체의 상면과 하면에 금속 패턴을 적층함으로써, 고용량의 커패시터를 소형으로 구현한다. 이때, 상기 고유전율의 유전체로는 유전율 80 이상의 고유전율 세라믹 또는 유전율 수백의 강유전체를 이용하는 것이 바람직하다.That is, by inserting a high dielectric constant dielectric substrate inside the amplifier package and stacking a metal pattern on the upper and lower surfaces of the dielectric, a high-capacitance capacitor can be miniaturized. In this case, it is preferable to use a high dielectric constant ceramic having a dielectric constant of 80 or more or a ferroelectric of several hundreds of dielectric constants.
인덕터는, 패드와 패드 사이의 길이, 와이어의 두께, 높이 및 재질 중 어느 하나를 변경함으로써 인덕턴스 값을 조정할 수 있는 세선용접(Bond Wire) 형태로 구현한다.The inductor is implemented in the form of a thin wire welding (Bond Wire) that can adjust the inductance value by changing any one of the length of the pad, the thickness of the wire, the height and the material of the pad.
도 3은 종래의 전력 증폭기에 본 발명에 의한 PI 정합회로를 적용시킨 블록 다이어그램이고, 도 4는 전술한 도 3의 블록다이어그램을 고용량 커패시터를 이용하여 구성한 전력 증폭기의 구성도이다.3 is a block diagram in which a PI matching circuit according to the present invention is applied to a conventional power amplifier, and FIG. 4 is a block diagram of a power amplifier including the block diagram of FIG. 3 using a high capacitance capacitor.
증폭기 패키지의 내부는 GaN 등의 전력 소자와 입출력 정합회로에 필요한 커패시터, 인덕터, 전송선로(Transmission Line)로 구성된다. The amplifier package consists of a power device such as GaN, a capacitor, an inductor, and a transmission line required for an input / output matching circuit.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명은 종래 증폭기에서 정합을 위하여 적용하던 전송선로(Transmission Line)를 대체하여, 고용량 커패시터 및 세선용접(Bond Wire) 인덕터를 이용한 내부 PI 정합회로를 적용하여 정합을 수행한다.As shown in FIG. 4, the present invention replaces the transmission line used for matching in the conventional amplifier, and applies the internal PI matching circuit using a high capacitance capacitor and a wire wire inductor to match the transmission line. To perform.
커패시터는 패키지 내에 유전체 기판(예컨대, 세라믹 또는 폴리머 등)을 삽 입하고, 상기 유전체의 상면 및 하면에 도체 패턴(예컨대, 금속 패턴)을 적층하여 형성함으로써 커패시터를 구현한다. 이때, 고유전율의 유전체를 이용함으로써 커패시터의 사이즈를 줄일 수 있다. 즉, 유전율 80 이상의 고유전율 세라믹을 적용하거나 유전율 수백 이상의 강유전체 소재를 적용하여 소형의 고용량 커패시터를 구현할 수 있다.The capacitor implements the capacitor by inserting a dielectric substrate (eg, ceramic or polymer) into the package, and forming a conductive pattern (eg, a metal pattern) on the top and bottom surfaces of the dielectric. At this time, the size of the capacitor can be reduced by using a dielectric having a high dielectric constant. In other words, by applying a high-k dielectric ceramic having a dielectric constant of 80 or more, or by applying a ferroelectric material having a dielectric constant of several hundred or more, a small high capacity capacitor can be realized.
인덕터는 세선용접(Bond Wire) 형태로 구현되며 패드와 패드 사이의 길이, 와이어의 두께, 높이, 재질 등에 따라 인덕턴스 값이 조정된다. The inductor is implemented in the form of a thin wire welding, and the inductance value is adjusted according to the length between the pad, the thickness of the wire, the height, and the material.
본 발명에서는, 종래에서는 패키지 내부와 외부에 각 1단씩 구현되어 있던 2단의 정합회로(예컨대, 전송선로)를 대체하여, 패키지 내부에 2단으로 PI 정합회로를 적용한다. 즉, 본 발명은 고용량 커패시터 및 세선용접 인덕터를 이용함으로써, 2단의 내부 PI 정합회로를 패키지 내에 적용할 수 있어 증폭기를 소형화하여 제작할 수 있다.In the present invention, the PI matching circuit is applied in two stages in the package instead of the two stage matching circuit (for example, a transmission line), which is conventionally implemented in each stage in and outside the package. That is, according to the present invention, by using a high capacitance capacitor and a thin wire welding inductor, two stage internal PI matching circuits can be applied in a package, thereby miniaturizing the amplifier.
이러한 2단의 내부 PI 정합회로를 적용함에 있어서, 상호 병렬연결된 2개의 커패시터는, 병렬연결된 두 커패시터 값을 합산한 값과 등가인 하나의 커패시터로 대체하여 구현할 수 있다. 즉, 도 3과 도 4에 도시된 바와 같이, 상호 병렬연결된 2개의 커패시터 Ca와 Cb를 대신하여 두 커패시터의 용량값을 합산한 값과 등가의 값(Ca+Cb)을 가지는 하나의 커패시터로 대체할 수 있다. 또한, 커패시터 Cc와 Cd를 대체하여 Cc+Cd값을 가지는 하나의 커패시터로 대체하여 구현할 수 있다.In applying such a two-stage internal PI matching circuit, two capacitors connected in parallel to each other may be implemented by replacing one capacitor equivalent to the sum of the values of the two capacitors connected in parallel. That is, as shown in Figures 3 and 4, one having a value equivalent to the sum of the capacitance of the two capacitors in place of the two capacitors C a and C b connected in parallel to each other (C a + C b ) Can be replaced with a capacitor. In addition, the capacitor C c and C d may be replaced with one capacitor having a value of C c + C d .
도 5는 본 발명에 따른 2차 고조파를 제거하는 LC 공진회로를 포함하는 WiBro/WiMAX용 광대역 전력증폭기의 블록다이어그램이고, 도 6은 도 5에서 도시된 증폭기의 일실시예를 도시한 개략도이다.FIG. 5 is a block diagram of a broadband power amplifier for WiBro / WiMAX including an LC resonant circuit for removing secondary harmonics according to the present invention. FIG. 6 is a schematic diagram showing an embodiment of the amplifier shown in FIG.
도시된 바와 같이, 인덕터 L1과 커패시터 C1를 직렬연결함으로써 2차 고조파를 제거할 수 있는 LC 공진회로를 구성할 수 있다. 이러한 LC 공진회로는, 도 6에 도시된 바와 같이, 유전체 기판(210) 위에 구성된 고용량 커패시터(212) 및 와이어 형태의 인덕터(211)로 구현될 수 있다. As shown in the drawing, by connecting the inductor L 1 and the capacitor C 1 in series, an LC resonant circuit capable of removing secondary harmonics can be configured. As shown in FIG. 6, the LC resonant circuit may be implemented with a
본 발명의 또 다른 실시예로서, 전술한 2단의 내부 PI 정합회로 및 전술한 LC 공진회로를 모두 구비한 증폭기를 들 수 있다.As another embodiment of the present invention, an amplifier including both the aforementioned two stage internal PI matching circuit and the aforementioned LC resonant circuit may be mentioned.
전술한 바와 같은 패키지 내에 삽입된 유전체 기판에 도체 패턴을 적층하여 구현된 고용량 커패시터 및 세선용접(Bond Wire) 형태로 구현된 인덕터를 이용하면, 2단의 내부 PI 정합회로 및 LC 공진회로를 소형의 크기로 구성할 수 있다. 이러한 소형의 PI 정합회로 및 LC 공진회로는 증폭기 패키지 내부에 구비할 수 있다. 따라서, 크기는 소형으로 유지하면서도 다양한 기능을 부가한 증폭기를 구성할 수 있다.By using the inductor implemented in the form of a high capacitance capacitor and a thin wire welded by stacking a conductor pattern on a dielectric substrate inserted in a package as described above, a two stage PI matching circuit and an LC resonant circuit Can be configured in size. The small PI matching circuit and the LC resonant circuit may be provided inside the amplifier package. Therefore, the amplifier can be configured with various functions while keeping the size small.
도 7은 인덕터의 와이어(Bond Wire)의 개수에 따른 자기 인덕턴스(Self Inductance) 값의 변화를 나타내는 그래프이다. FIG. 7 is a graph illustrating a change in a self inductance value according to the number of wires of an inductor.
이때, 인덕터를 구성하는 본딩 와이어의 재질(Metal)은 Gold, 와이어의 지름은 20 ㎛, 총 길이는 2.6 ㎜로 적용하였다. 도시된 바와 같이, 와이어의 개수가 증가함에 따라 인덕턴스는 감소하면서도 일정한 값으로 수렴해 나간다.At this time, the material of the bonding wire constituting the inductor (Metal) was applied to the gold, the diameter of the wire is 20 ㎛, the total length is 2.6 mm. As shown, as the number of wires increases, the inductance decreases and converges to a constant value.
또한, 상기 그래프에 따른 시뮬레이션 결과에는 나타내지 않았지만, 인덕터로부터 다이 패드(Die Pad)로의 션트(Shunt) 커패시턴스는 와이어의 개수증가에 따라 증가하게 된다. 따라서, 내부 매칭 회로(Internal Matching Network) 및 2차 고조파 제거용 LC 공진 회로 등을 구현할 때 이러한 특성들을 고려하여 패키지의 구조 및 상호접속(Interconnection)을 결정하는 것이 바람직하다.In addition, although not shown in the simulation results according to the graph, the shunt capacitance from the inductor to the die pad increases with the number of wires. Therefore, it is desirable to determine the structure and interconnection of the package in consideration of these characteristics when implementing an internal matching circuit and an LC resonant circuit for removing second harmonics.
이상에서 도면을 기초로 본 발명의 실시 예 등을 상세히 설명하였다. 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자는 전술한 상세한 설명 및 도면으로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예를 수행할 수 있을 것이므로, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 이하의 특허청구범위를 기초로하여 정하여지는 본 발명의 기술적 사상의 범위 및 그와 균등한 실시예를 포함하는 것은 자명할 것이다.The embodiments of the present invention have been described above in detail based on the drawings. Those skilled in the art will be able to perform various modifications and equivalent other embodiments from the foregoing detailed description and drawings, and thus the true technical protection scope of the present invention is defined based on the following claims. It will be apparent to those skilled in the art that the scope of the present invention and equivalent embodiments thereof are included.
도 1은 종래의 광대역 전력증폭기의 등가회로를 도시하는 블록 다이어그램.1 is a block diagram showing an equivalent circuit of a conventional broadband power amplifier.
도 2는 본 발명에 따른 PI 네트워크를 이용한 정합회로를 도시한 블록 다이어그램.2 is a block diagram showing a matching circuit using a PI network according to the present invention.
도 3은 종래의 전력 증폭기에 PI 정합회로를 적용시킨 블록 다이어그램.3 is a block diagram in which a PI matching circuit is applied to a conventional power amplifier.
도 4는 전술한 도 3의 블록다이어그램을 고용량 커패시터를 이용하여 구성한 전력 증폭기의 구성도.4 is a configuration diagram of a power amplifier in which the block diagram of FIG. 3 described above is configured using a high capacity capacitor.
도 5는 본 발명에 따른 2차 고조파를 제거하는 LC 공진회로를 포함하는 증폭기의 블록다이어그램.5 is a block diagram of an amplifier including an LC resonant circuit for canceling secondary harmonics in accordance with the present invention.
도 6은 도 5에서 도시된 증폭기의 일실시예를 도시한 개략도.6 is a schematic diagram illustrating one embodiment of the amplifier shown in FIG. 5;
도 7은 인덕터의 와이어의 개수에 따른 자기 인덕턴스 값의 변화를 나타내는 그래프.7 is a graph showing a change in magnetic inductance value according to the number of wires of an inductor.
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