KR101003810B1 - Power Amplifier - Google Patents

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Abstract

본 발명은 극성이 반대인 두 능동 소자를 사용하여 신뢰성을 향상시킨 전력 증폭기에서의 전송선 변압기의 형태와 연결 구조에 관한 것으로서, 회로의 출력단에서 1:1 전압 결합 방식을 여러 번 사용하여 출력 전력을 더하는 방식 대신에 이를 대체할 새로운 전압 결합 방식을 도입하여 레이아웃 상에서 전송선 변압기 부분과 회로의 나머지 부분의 배치를 분리시킴으로써, 전송선 변압기의 동작에서 발생하는 자기장이 다른 부분에 미치는 영향을 줄여주고 필요한 경우에는 출력단을 형성하는 전송선 변압기 부분과 능동 소자를 포함한 회로의 나머지 부분을 각각 별개의 칩으로도 구현할 수 있게 하여 서로 다른 공정 간의 결합이 가능하도록 한 전력 증폭기에 관한 것이다.The present invention relates to a form and connection structure of a transmission line transformer in a power amplifier having improved reliability by using two active devices having opposite polarities. Instead of the addition method, a new voltage coupling method is used to replace the placement of the transmission line transformer part and the rest of the circuit in the layout, thereby reducing the influence of the magnetic field in the operation of the transmission line transformer on other parts and, if necessary, The present invention relates to a power amplifier that enables the coupling between different processes by implementing a transmission line transformer part forming an output stage and the rest of the circuit including an active element as separate chips.

전력 증폭기, 전송선 변압기, 차동 구조, 연결 구조 Power amplifier, transmission line transformer, differential structure, connection structure

Description

전력 증폭기{Power Amplifier}Power Amplifier

본 발명은 극성이 반대인 두 능동 소자를 사용하여 신뢰성을 향상시킨 전력 증폭기에서의 전송선 변압기의 형태와 연결 구조에 관한 것으로서, 회로의 출력단에서 1:1 전압 결합 방식을 여러 번 사용하여 출력 전력을 더하는 방식 대신에 이를 대체할 새로운 전압 결합 방식을 도입하여 레이아웃 상에서 전송선 변압기 부분과 회로의 나머지 부분의 배치를 분리시킴으로써, 전송선 변압기의 동작에서 발생하는 자기장이 다른 부분에 미치는 영향을 줄여주고 필요한 경우에는 출력단을 형성하는 전송선 변압기 부분과 능동 소자를 포함한 회로의 나머지 부분을 각각 별개의 칩으로도 구현할 수 있게 하여 서로 다른 공정 간의 결합을 가능하도록 한 전력 증폭기에 관한 것이다.The present invention relates to a form and connection structure of a transmission line transformer in a power amplifier having improved reliability by using two active devices having opposite polarities. Instead of the addition method, a new voltage coupling method is used to replace the placement of the transmission line transformer part and the rest of the circuit in the layout, thereby reducing the influence of the magnetic field in the operation of the transmission line transformer on other parts and, if necessary, The present invention relates to a power amplifier that enables the coupling between different processes by implementing a transmission line transformer portion forming an output stage and the remaining portion of a circuit including an active element as separate chips.

고주파 전력 증폭기에 대해서는 현재까지 많은 연구 및 개발이 되고 있다. 일반적으로 전류 결합 방식을 이용한 전력 증폭기 구조에 관한 연구가 주를 이루고 있었으나, 최근 [I. Aoki, S. D. Kee, D. B. Rutledge, and A. Hajimiri, “Fully integrated CMOS power amplifier design using the distributed active- transformer architecture,” IEEE Jour. Solid-State Circuits, vol. 37, no. 3, pp. 371~383, Mar. 2002.]의 보고서를 통해 전압 결합 방식을 이용한 전력 증폭기 구조가 발표되었다.A lot of research and development has been conducted on high frequency power amplifiers. In general, researches on the structure of power amplifiers using the current coupling method have been mainly focused, but recently [I. Aoki, S. D. Kee, D. B. Rutledge, and A. Hajimiri, “Fully integrated CMOS power amplifier design using the distributed active-transformer architecture,” IEEE Jour. Solid-State Circuits, vol. 37, no. 3, pp. 371-383, Mar. 2002.] presented a power amplifier structure using voltage coupling.

전압 결합 방식을 이용한 전력 증폭기는 전류 결합 방식을 이용한 전력 증폭기에 비해 임피던스 변환이 용이하므로 정합 회로(Matching network)의 구성이 용이하다. 특히 위 보고서에서는 전압 결합 방식의 사용을 위해 전송선 변압기를 사용하였는데, 전송선 변압기는 일반적인 나선형 인덕터에 비하여 높은 Quality-factor를 가진다. 따라서 전송선 변압기를 이용하여 형성된 정합 회로는 종래기술에 의한 정합 회로에 비하여 높은 효율을 가짐이 밝혀졌다. 그러므로, 전송선 변압기를 이용한 전압 결합 방식을 채택한 전력 증폭기 구조는 향후 고주파, 고효율, 고출력의 특성이 필요한 전력 증폭기에 폭넓게 적용될 것으로 전망된다.Since the power amplifier using the voltage coupling method is easier to convert the impedance than the power amplifier using the current coupling method, it is easy to configure a matching network. In particular, in the above report, the transmission line transformer is used for the voltage coupling method. The transmission line transformer has a higher quality-factor than the general spiral inductor. Therefore, it has been found that the matching circuit formed using the transmission line transformer has higher efficiency than the matching circuit according to the prior art. Therefore, the power amplifier structure adopting the voltage coupling method using the transmission line transformer is expected to be widely applied to the power amplifier that requires the characteristics of high frequency, high efficiency and high output in the future.

도 1a에 전송선 변압기의 동작 원리를 나타내었다. 도 1a에서, 1차 측(101)을 흐르는 전류에 의해 자기장이 형성되고 그 결과 1차 측과 2차 측(102)이 자기적으로 결합(Magnetic coupling)된다. 1차 측에 흐르는 전류는 상호 유도 기전력에 의하여 변압기의 2차 측에 전류를 유도한다. 변압기의 2차 측에 흐르는 전류의 크기는 변압기의 1차 측에 흐르는 전류의 양과 동일하고 방향은 반대이다. 그리고 변압기의 1차 측 양단의 전위 차는 변압기의 2차 측에 그대로 나타난다.The operating principle of the transmission line transformer is shown in Figure 1a. In FIG. 1A, a magnetic field is formed by the current flowing through the primary side 101, resulting in a magnetic coupling between the primary side and the secondary side 102. The current flowing on the primary side induces a current on the secondary side of the transformer by mutual induction electromotive force. The magnitude of the current flowing on the secondary side of the transformer is equal to the amount of current flowing on the primary side of the transformer and the direction is reversed. And the potential difference across the primary side of the transformer appears as it is on the secondary side of the transformer.

이와 같은 전송선 변압기의 형태는 두 개의 평행한 금속선 (Metal line)으로 이루어진 가장 간단한 형태라 할 수 있으며, 이와 같은 방식으로 구현된 형태를 1:1 전압 결합 방식으로 분류할 수 있다.Such a transmission line transformer may be referred to as the simplest form of two parallel metal lines, and the implementation of the transmission line transformer may be classified into a 1: 1 voltage coupling method.

한편, 이보다 복잡한 형태의 전송선 변압기 형태 또한 존재한다. 도 1b에 변형된 형태의 전송선 변압기의 하나의 예를 나타내었다. 이 구조에서는 2차 측(105)의 양쪽에 서로 다른 두 개의 1차 측(103, 104)이 나란히 위치하여 2차 측은 양쪽의 1차 측과 자기적으로 결합하고, 두 개의 1차 측에 흐르는 전류의 크기의 합이 2차 측에 나타난다.On the other hand, there are also more complicated transmission line transformer types. One example of a transmission line transformer of the modified form is shown in FIG. In this structure, two different primary sides 103 and 104 are located side by side on both sides of the secondary side 105 so that the secondary side magnetically couples with both primary sides and flows on the two primary sides. The sum of the magnitudes of the currents appears on the secondary side.

도 2에 전송선 변압기를 이용한 전력 증폭기 회로의 동작 원리를 나타내었다. 도면부호 201은 전송선 변압기로서, 2차 측 전송선인 202와 1차 측 전송선인 203 및 204로 형성된다. 이러한 전송선 변압기는 CMOS 공정 혹은 화합물 공정을 이용한 집적 회로 상에서 금속선(Metal Line)을 이용하여 집적화할 수도 있고, PCB(Printed Circuit Board) 상에서 형성할 수도 있다. 도면부호 205 및 206은 트랜지스터를 나타내는데, NMOS, PMOS, HBT 혹은 pHEMT 등으로 형성할 수 있으며, 도 2에서는 편의상 NMOS로 상정하였다.2 shows the operation principle of a power amplifier circuit using a transmission line transformer. Reference numeral 201 denotes a transmission line transformer, which is formed of a secondary transmission line 202 and a primary transmission line 203 and 204. Such a transmission line transformer may be integrated using a metal line on an integrated circuit using a CMOS process or a compound process, or may be formed on a printed circuit board (PCB). Reference numerals 205 and 206 denote transistors, which may be formed of NMOS, PMOS, HBT, pHEMT, or the like, and are assumed to be NMOS in FIG. 2 for convenience.

도 2에서, 205 및 206은 차동 구조(Differential structure)로 동작한다. 이럴 경우, 205 및 206의 드레인 파형은 서로 위상이 180도 차이가 나게 되는데 이는 +V 및 -V로 표현하였다. 전송선 변압기의 기본 원리에 의하여 2차 측 전송선에서는 1차 측 전송선에 나타난 전압이 더해져서 나타난다. In Figure 2, 205 and 206 operate in a differential structure. In this case, the drain waveforms of 205 and 206 are 180 degrees out of phase with each other, which are expressed as + V and -V. According to the basic principle of the transmission line transformer, the voltage shown on the primary transmission line is added to the secondary transmission line.

또한, 도 2에서는 차동 증폭기 두 쌍이 사용되어 각각에서 발생한 출력 전력을 전송선 변압기를 통해 더하고 있다. 1:1 전압 결합 방식을 구현하기 위한 전송선 변압기 두 개를 연결하여 각 변압기의 1차 측에 연결된 차동 증폭기의 출력 전압이 더해지는 구조이다. 이와 같이, 전송선 변압기를 이용한 전력 증폭기의 경우, 전송선 변압기의 1차 측에서는 복수 개의 차동 증폭기가 병렬로 연결되고 2차 측에서는 1차 측에서 전달된 출력 전압이 직렬로 더해지는 방식으로 개별적인 차동 증폭기의 출력 전압을 더하여 최종 출력 전력을 증가시킨다.In addition, in FIG. 2, two pairs of differential amplifiers are used to add output power generated by each through a transmission line transformer. It is a structure that adds the output voltage of the differential amplifier connected to the primary side of each transformer by connecting two transmission line transformers for implementing a 1: 1 voltage coupling method. As described above, in the case of a power amplifier using a transmission line transformer, a plurality of differential amplifiers are connected in parallel on the primary side of the transmission line transformer, and on the secondary side, the output voltages of the individual differential amplifiers are added in series. Add to increase the final output power.

도 3에 능동 소자의 양쪽 포트 사이에서 발생하는 전위 차를 줄여주어 신뢰성을 향상시킨 전력 증폭기(한국등록특허 제747,113호 '전력 증폭기')의 구성도를 나타내었다. 이 구조에서는, 전력 증폭기의 두 능동 소자를 변압기의 1 차 측을 매개로 하여 연결하고, 두 능동 소자 중 하나는 전력 증폭기의 전원 전압에 연결하며, 나머지 하나는 전력 증폭기의 접지에 연결하고 출력 전력은 변압기의 2 차 측을 통하여 나타나도록 함으로써, 능동 소자의 포트들 사이에서 발생하는 전위차를 줄인다. 종래의 한 종류의 능동 소자(예를 들어, NMOS)만을 사용한 전력 증폭기에서는 RF 전력이 하나의 드레인에서 발생하지만, 도 3의 구조에서는 두 개의 드레인에서 RF 전력이 나뉘어 발생하므로 개별 소자의 양쪽 포트에 나타나는 전위 차가 줄어들어 전력 증폭기의 신뢰성이 향상된다.3 is a configuration diagram of a power amplifier (Korea Patent No. 747,113, 'Power Amplifier') that improves reliability by reducing a potential difference generated between both ports of an active device. In this structure, two active elements of the power amplifier are connected via the primary side of the transformer, one of the two active elements is connected to the supply voltage of the power amplifier, and the other is connected to the ground of the power amplifier and the output power Is shown through the secondary side of the transformer, thereby reducing the potential difference occurring between the ports of the active element. In a conventional power amplifier using only one type of active element (for example, NMOS), RF power is generated at one drain. However, in the structure of FIG. 3, RF power is divided at two drains. The potential difference seen is reduced, which improves the reliability of the power amplifier.

한편, 전압 결합 방식을 이용한 전력 증폭기 구조는 위와 같은 신뢰성 문제 외에도 다양한 관점에서 연구가 진행되어 왔다. 특히, 최근에는 [K. An, Y. Kim, O. Lee, K. Yang, H. Kim, W. Woo, J. Chang, C. Lee, H. Kim and J. Laskar, “A monolithic voltage-boosting parallel-primary transformer structures for fully integrated CMOS power amplifier design,” Radio Frequency Integrated Circuits (RFIC) Symposium Proceedings, 2007 IEEE, pp. 419~422, June. 2007.] 와 같은 보고서를 통하여 새로운 전송선 변압기의 형태에 대한 연구가 발표되었다.On the other hand, the power amplifier structure using the voltage coupling method has been studied from various viewpoints in addition to the above reliability problem. In particular, recently [K. An, Y. Kim, O. Lee, K. Yang, H. Kim, W. Woo, J. Chang, C. Lee, H. Kim and J. Laskar, “A monolithic voltage-boosting parallel-primary transformer structures for fully integrated CMOS power amplifier design, ”Radio Frequency Integrated Circuits (RFIC) Symposium Proceedings, 2007 IEEE, pp. 419-422, June. In 2007, a study on the shape of a new transmission line transformer was presented.

도 4에 이와 같은 전력 증폭기 구조를 나타내었다. 위 보고서에서는 개별 차동 증폭기의 출력 전압을 더하는 데 있어서 1:1 전압 결합 방식을 여러 번 사용하는 대신, 새로운 전압 결합 방식을 이용하여 분리된 전송선 변압기 형태를 제안했다. 이와 같은 전송선 변압기 구조를 이용하면, 전압 결합 방식의 전력 증폭기에서 전송선 변압기 부분과 나머지 부분들을 레이아웃 상에서 분리시킬 수 있으며, 따라서 전송선 변압기에서 발생한 자기장이 회로의 다른 부분에 주는 영향을 줄여주게 된다.4 shows such a power amplifier structure. In the report above, instead of using 1: 1 voltage coupling multiple times to add the output voltages of individual differential amplifiers, a new voltage coupling scheme is used to provide a separate transmission line transformer. Using such a transmission line transformer structure, in a voltage coupled power amplifier, the transmission line transformer part and the remaining parts can be separated on the layout, thereby reducing the influence of the magnetic field generated by the transmission line transformer on other parts of the circuit.

도 4의 회로는 도 2의 전력 증폭기와 동일한 연결 구조를 가지면서 동일한 동작을 하는 회로이다. 또한, 도 4의 구조 내에서도 동일한 동작을 유지하면서 전송선 변압기의 형태에 대한 다양한 변형이 가능하며, 위의 보고서와는 다른 기능을 구현하는 다른 형태의 분리된 변압기 구조에 대한 연구가 다수 발표된 바 있다.4 is a circuit having the same connection structure as the power amplifier of FIG. 2 and performing the same operation. In addition, various modifications to the shape of the transmission line transformer are possible while maintaining the same operation within the structure of FIG. 4, and a number of studies on other types of separate transformer structures implementing different functions from the above report have been published. .

도 4의 전력 증폭기는 한 가지 극성의 능동 소자를 이용한 회로이며, 전력 증폭기 동작의 신뢰성을 향상시키기 위해 도 3의 회로 구조를 도 4와 같은 분리된 전송선 변압기 구조에 적용시킬 필요성이 대두된다. 반대로 생각하면, 도 3과 같은 전력 증폭기 회로 또한 전압 결합 방식을 이용하기 때문에 전송선 변압기에서 발생하는 자기장의 영향으로부터 회로 동작이 영향을 받으므로, 전송선 변압기와 회로의 나머지 부분들을 분리시킬 필요성이 발생한다.The power amplifier of FIG. 4 is a circuit using an active element of one polarity, and there is a need for applying the circuit structure of FIG. 3 to a separate transmission line transformer structure as shown in FIG. 4 in order to improve the reliability of the power amplifier operation. On the contrary, since the power amplifier circuit as shown in FIG. 3 also uses a voltage coupling method, the circuit operation is affected by the magnetic field generated in the transmission line transformer, and thus, a necessity of separating the transmission line transformer and the rest of the circuit arises. .

그러나, NMOS만으로 구성된 전력 증폭기의 경우 능동 소자의 드레인을 기준으로 변압기와 능동 소자의 위치가 서로 반대 방향으로 분리되어 있어서 분리 배치가 용이한 반면, 도 3과 같은 신뢰성이 향상된 전력 증폭기의 경우에는 NMOS 드레 인과 PMOS 드레인 사이에 전송선 변압기가 위치하므로 능동 소자 부분과 전송선 변압기 부분을 분리시켜 배치하는 것이 간단하지 않다.However, in the case of a power amplifier composed only of NMOS, the transformer and the active element are separated from each other in opposite directions with respect to the drain of the active element, so that the arrangement of the power amplifier is easy, whereas in the case of the improved power amplifier as shown in FIG. Since the transmission line transformer is located between the drain and the PMOS drain, it is not simple to separate the active element portion and the transmission line transformer portion.

실제로, 도 4와 같은 분리된 형태의 전송선 변압기 구조는, 신뢰성을 위하여 반대 극성의 두 능동 소자를 이용한 도 3의 전력 증폭기에 적용될 수 없다. 도 4의 구조에서는 변압기의 1차 측(401,402)의 양쪽 끝이 모두 NMOS의 드레인에 연결되어 있고, 이 두 개의 NMOS 는 서로 접지를 공유하고 위상이 반대인 입력 신호를 받으며 차동 구조를 형성한다. 반면, 도 3의 구조에서는 1차 측의 양쪽 끝이 각각 NMOS 와 PMOS에 연결되어 있어서 두 능동 소자가 차동 구조를 형성할 수 없다.Indeed, a separate transmission line transformer structure as shown in FIG. 4 cannot be applied to the power amplifier of FIG. 3 using two active elements of opposite polarity for reliability. In the structure of FIG. 4, both ends of the primary sides 401 and 402 of the transformer are connected to the drain of the NMOS, and the two NMOSs share ground with each other, receive input signals of opposite phases, and form a differential structure. In contrast, in the structure of FIG. 3, both ends of the primary side are connected to the NMOS and the PMOS, respectively, so that the two active devices cannot form a differential structure.

따라서, 도 4와 같은 연결 구조를 도 3의 회로에 적용하게 될 경우, 차동 구조처럼 동작하는 동일한 극성의 능동 소자끼리 소스를 연결하여 접지나 전원 전압을 공유하려면 레이아웃 상에서 소스 사이를 연결하는 금속선이 길어지게 되고 이는 정확한 가상 접지 지점의 형성을 어렵게 한다. 즉, 구현되는 회로는 이상적인 차동 증폭기의 동작에서 멀어지며, 회로 성능의 저하 문제가 발생한다. 개별 증폭단 수가 늘어날수록 이러한 문제점이 더욱 심각해진다.Therefore, when the connection structure of FIG. 4 is applied to the circuit of FIG. 3, in order to connect sources between active elements having the same polarity and share ground or power voltages, the metal lines connecting the sources on the layout are required. This becomes long, which makes it difficult to form an accurate virtual ground point. In other words, the implemented circuit is far from the operation of the ideal differential amplifier, and there is a problem of degradation in circuit performance. As the number of individual amplification stages increases, this problem becomes more serious.

도 3의 전력 증폭기에서, 입력 신호의 위상이 반대이면서 동일한 극성을 가지는 능동 소자를 인접하게 배치하면서, 동시에 회로의 다른 부분들과 분리 배치할 수 있는 전송선 변압기를 가지는 전력 증폭기 회로는 기존의 전송선 변압기 형태로는 구현이 어려우며, 이러한 구현을 위하여 새로운 변압기 형태뿐만 아니라 NMOS 및 PMOS 소자들의 새로운 연결 형태까지 추가로 고려한 전송선 변압기가 요구된다.In the power amplifier of FIG. 3, a power amplifier circuit having a transmission line transformer capable of arranging active elements having the same polarity with opposite phases of the input signal and simultaneously disposing them with other parts of the circuit is a conventional transmission line transformer. It is difficult to implement in form, and this implementation requires transmission line transformer considering additional form of new transformer as well as new connection form of NMOS and PMOS devices.

요약하면, 전송선 변압기에 대한 종래 기술로는, 신뢰성을 향상시키기 위해 극성이 반대인 두 능동 소자를 사용한 도 3의 전력 증폭기에서 전송선 변압기와 나머지 회로 부분의 배치를 레이아웃 상에서 분리시킬 수 없다. 따라서 신뢰성을 향상시키기 위한 도 3의 회로 구조에서는 전송선 변압기에서 발생하는 자기장이 회로의 다른 부분에 미치는 영향을 줄여주거나, 두 부분을 별개의 칩으로 구현하는 것이 제한되는 문제점이 있었다.In summary, the prior art for transmission line transformers does not allow the layout to separate the layout of the transmission line transformer and the rest of the circuit portion in the power amplifier of FIG. 3 using two active elements of opposite polarity to improve reliability. Therefore, in the circuit structure of FIG. 3 to improve reliability, there is a problem in that the magnetic field generated from the transmission line transformer reduces the influence on other parts of the circuit, or restricts the implementation of the two parts into separate chips.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 극성이 반대인 두 능동 소자를 사용하여 신뢰성을 향상시킨 전력 증폭기의 출력단에서 1:1 전압 결합 방식을 여러 번 사용하여 출력 전력을 더하는 대신에 이를 대체할 새로운 전압 결합 방식을 도입하여 레이아웃 상에서 전송선 변압기 부분과 회로의 나머지 부분의 배치를 분리시킴으로써, 전송선 변압기의 동작에서 발생하는 자기장이 다른 부분에 미치는 영향을 줄여주고 필요한 경우에는 출력단을 형성하는 전송선 변압기 부분과 능동 소자를 포함한 회로의 나머지 부분을 각각 별개의 칩으로도 구현할 수 있도록 하여 서로 다른 공정 간의 결합을 가능하게 하는 전력 증폭기를 제공하는 것이다.The problem to be solved by the present invention is to solve the above problems, by using a 1: 1 voltage coupling method several times at the output terminal of the power amplifier having improved reliability by using two active elements of opposite polarity, Instead of adding them, a new voltage coupling scheme is used to separate the layout of the transmission line transformer section from the rest of the circuit in the layout, reducing the effect of the magnetic field from the operation of the transmission line transformer on other sections and, if necessary, the output stage. It is to provide a power amplifier that enables the coupling between different processes by implementing the transmission line transformer portion forming the circuit and the remaining portion of the circuit including the active element as a separate chip, respectively.

본 발명은, 두 능동 소자를 변압기의 1차 측을 매개로 하여 연결하며, 두 능동 소자가 각각 연결된 복수 개의 1차 측이 하나의 2차 측과 자기적으로 결합하고, 출력 전력은 변압기의 2차 측을 통하여 나타나며, 레이아웃 상에서 각각의 능동 소자들 부분을 복수 개의 1차 측 및 하나의 2차 측 부분의 외부에 분리하여 배치한 전력 증폭기에 관한 것이다.The present invention connects two active elements via a primary side of a transformer, a plurality of primary sides to which two active elements are respectively coupled magnetically with one secondary side, and the output power of the transformer Appears through the vehicle side, and relates to a power amplifier in which each active element portion is disposed separately on the outside of the plurality of primary side and one secondary side portion in the layout.

바람직하게, 임의의 1차 측에 연결된 두 능동 소자는 서로 극성이 반대인 것을 특징으로 한다.Preferably, the two active elements connected to any primary side are characterized by opposite polarities to each other.

또한 바람직하게, 임의의 1차 측에 연결된 두 능동 소자를 레이아웃 상에서 서로 인접하지 않게 배치한 것을 특징으로 한다.Also preferably, two active elements connected to any primary side are arranged not adjacent to each other on the layout.

또한 바람직하게, 임의의 1차 측에 연결된 두 능동 소자에 입력 신호의 위상이 반대인 신호들을 공급하고, 서로 다른 1차 측에 나누어 배치한 동일한 극성의 두 능동 소자를 레이아웃 상에서 서로 인접하도록 배치한 차동 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.Also, preferably, two active elements connected to an arbitrary primary side are supplied with signals having opposite phases of an input signal, and two active elements having the same polarity arranged separately on different primary sides are arranged adjacent to each other on a layout. It is characterized by having a differential structure.

또한 바람직하게, 임의의 1차 측에 연결된 두 능동 소자 중 하나는 증폭기의 전원 전압에 연결하며, 다른 하나는 증폭기의 접지에 연결한 것을 특징으로 한다.Also preferably, one of two active elements connected to any primary side is connected to the power supply voltage of the amplifier, and the other is connected to the ground of the amplifier.

또한 바람직하게, 전원 전압에 연결된 증폭기는 PMOS이며 접지에 연결된 증폭기는 NMOS인 것을 특징으로 한다.Also preferably, the amplifier connected to the supply voltage is a PMOS and the amplifier connected to ground is NMOS.

또한 바람직하게, 임의의 1차 측에 연결된 두 능동 소자 중 어느 하나 이상을 캐스코드 구조로 형성한 것을 특징으로 한다.Also preferably, any one or more of two active elements connected to an arbitrary primary side may be formed in a cascode structure.

또한 바람직하게, 임의의 1차 측에 연결된 두 능동 소자가 증폭기의 접지에 연결되며, 임의의 1차 측의 소정 지점에 전원 전압이 인가되어 가상 접지가 형성되는 것을 특징으로 한다.Also preferably, two active elements connected to any primary side are connected to the ground of the amplifier, and a power supply voltage is applied to a predetermined point on any primary side to form a virtual ground.

또한 바람직하게, 임의의 1차 측에 연결된 두 능동 소자가 증폭기의 전원 전압에 연결되며, 임의의 1차 측의 소정 지점에 접지가 연결되어 가상 접지가 형성되는 것을 특징으로 한다.Also preferably, two active elements connected to any primary side are connected to the power supply voltage of the amplifier, and a ground is connected to a predetermined point on any primary side to form a virtual ground.

또한 바람직하게, 서로 분리하여 배치한 능동 소자들 부분 및 복수 개의 1차 측과 하나의 2차 측 부분 중 어느 하나 이상의 부분을 칩 형태로 형성한 것을 특징 으로 한다.Also preferably, any one or more portions of the active elements and the plurality of primary and one secondary side portions disposed separately from each other may be formed in a chip form.

또한 바람직하게, 능동 소자들 부분 및 복수 개의 1차 측과 하나의 2차 측 부분을 모두 동일한 공정을 사용하여 칩 형태로 형성한 것을 특징으로 한다.Also preferably, all of the active elements and the plurality of primary and one secondary side portions are formed in the form of chips using the same process.

또한 바람직하게, 능동 소자들 부분 및 복수 개의 1차 측과 하나의 2차 측 부분을 서로 상이한 공정을 사용하여 칩 형태로 형성한 것을 특징으로 한다.Also preferably, the active elements and the plurality of primary and one secondary side portions are formed in a chip form using different processes.

또한 바람직하게, 임의의 1차 측에 연결된 두 능동 소자 중 어느 하나는 PMOS이며, 다른 하나는 NMOS인 것을 특징으로 한다.Also preferably, any one of the two active devices connected to any primary side is a PMOS and the other is an NMOS.

그리고 바람직하게, 서로 다른 1차 측이 서로 교차하는 교차점을 포함하는 것을 특징으로 한다.And preferably, different primary side is characterized in that it comprises an intersection point intersecting each other.

본 발명에 따르면, 회로의 출력단에서 1:1 전압 결합 방식을 여러 번 사용하여 출력 전력을 더하는 대신에 이를 대체할 새로운 전압 결합 방식을 도입하여 레이아웃 상에서 전송선 변압기 부분과 회로의 나머지 부분의 배치를 분리시킴으로써, 능동 소자의 양쪽 포트 사이에서 발생하는 전위 차를 줄여주어 전력 증폭기의 신뢰성을 향상시키는 동시에, 전송선 변압기의 동작에서 발생하는 자기장이 다른 부분에 미치는 영향을 줄일 수 있으며, 필요한 경우에는 출력단을 형성하는 전송선 변압기 부분과 능동 소자를 포함한 회로의 나머지 부분을 각각 별개의 칩으로도 구현할 수 있어서 서로 다른 공정 간의 결합을 가능하게 하는 효과가 있다.According to the present invention, instead of adding output power by using multiple 1: 1 voltage coupling schemes at the output stage of the circuit, a new voltage coupling scheme is substituted to replace the arrangement of the transmission line transformer portion and the rest of the circuit in the layout. This improves the reliability of the power amplifier by reducing the potential difference between both ports of the active element, while reducing the effect of magnetic fields on other parts of the operation of the transmission line transformer, and forming output stages if necessary. Each of the transmission line transformer part and the remaining part of the circuit including the active element may be implemented as separate chips, thereby enabling the coupling between different processes.

본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 설명하기에 앞서, 본 발명의 기술적 요지와 직접적 관련이 없는 구성에 대하여는 본 발명의 기술적 요지를 흩뜨리지 않는 범위 내에서 생략하였음을 유의하여야 할 것이다.Before describing the details for carrying out the present invention, it should be noted that configurations that are not directly related to the technical gist of the present invention are omitted within the scope of not distracting the technical gist of the present invention.

또한, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 할 것이다.In addition, the terms or words used in the present specification and claims are consistent with the technical spirit of the present invention on the basis of the principle that the inventor can appropriately define the concept of the term in order to explain the invention in the best way. It should be interpreted as meaning and concept.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

도 5는 본 발명에서 사용하는 변압기를 이용한 전력 증폭기에 관한 구성도이다.5 is a configuration diagram of a power amplifier using a transformer used in the present invention.

도 5에 도시된 바와 같이, 전력 증폭기는 PMOS와 NMOS의 드레인 사이에 변압기의 1차 측이 위치하고, PMOS의 소스는 전원 전압에 연결되며, NMOS의 소스는 접지에 연결된다. 이때, PMOS와 NMOS의 게이트에 위상이 서로 반대인 차동 신호가 인가되면, NMOS와 PMOS가 동시에 꺼지거나 켜진다.As shown in Fig. 5, the power amplifier has a primary side of the transformer located between the drain of the PMOS and the NMOS, a source of the PMOS is connected to a power supply voltage, and a source of the NMOS is connected to ground. At this time, when a differential signal of opposite phases is applied to the gates of the PMOS and the NMOS, the NMOS and the PMOS are simultaneously turned off or on.

만약 NMOS와 PMOS가 동시에 켜지면, 전원 전압과 접지는 서로 기생 인덕턴스 성분이 존재하는 변압기의 1차 측을 통하여 연결된다. 이때, 전원 전압과 접지 사이의 전위 차에 의하여 변압기의 1차 측에는 전류가 흐르며 자기 에너지(Magnetic energy)가 축적된다.If the NMOS and PMOS are turned on at the same time, the supply voltage and ground are connected to each other through the primary side of the transformer with parasitic inductance components. At this time, current flows to the primary side of the transformer due to the potential difference between the power supply voltage and the ground, and magnetic energy is accumulated.

이후, NMOS와 PMOS가 동시에 꺼지면, 변압기의 1차 측에 저장되어 있던 자기 에너지는 도 5a의 두 커패시터 501과 502에서 전기 에너지(Electric energy)로 변환되어 출력 전력으로 나타난다. 도 5a의 두 커패시터 501과 502는 NMOS 및 PMOS의 기생 커패시턴스와 추가적인 커패시터에 의해 구현이 가능하다.Thereafter, when the NMOS and the PMOS are turned off at the same time, the magnetic energy stored in the primary side of the transformer is converted into electric energy in the two capacitors 501 and 502 of FIG. 5A and appears as output power. The two capacitors 501 and 502 of FIG. 5A can be implemented by parasitic capacitances of NMOS and PMOS and additional capacitors.

도 5a에서, 변압기의 1차 측에 저장되어 있던 자기 에너지는 501과 502 두 개의 커패시터에 각각 나뉘어 전기 에너지로 변환되므로, 각각의 NMOS와 PMOS의 드레인과 소스 사이의 전위차는 종래 기술에 비하여 줄어들게 된다. 종래 기술에 따른 전력 증폭기에서 사용되는 NMOS의 드레인과 소스 사이의 전위 차는 전원 전압의 최대 3배까지 올라가지만, 본 발명에서 사용하는 전력 증폭기에서는 드레인과 소스 사이의 전위 차는 전원 전압의 최대 1.5배 정도이다. 따라서, 본 발명에서 사용하는 전력 증폭기 구조는 종래 기술에 비하여 능동 소자에 가해지는 전위 차가 줄어 회로의 신뢰성을 향상시키는 장점이 있다.In FIG. 5A, since the magnetic energy stored in the primary side of the transformer is divided into two capacitors 501 and 502, respectively, and converted into electrical energy, the potential difference between the drain and the source of each NMOS and PMOS is reduced compared to the prior art. . The potential difference between the drain and the source of the NMOS used in the power amplifier according to the prior art is up to three times the power supply voltage, but in the power amplifier used in the present invention, the potential difference between the drain and the source is about 1.5 times the power supply voltage. to be. Therefore, the power amplifier structure used in the present invention has the advantage of reducing the potential difference applied to the active element compared to the prior art to improve the reliability of the circuit.

도 5b에 고주파 회로에서 흔히 사용되는 전송선 변압기를 이용하여 구성된 본 발명에서 사용하는 전력 증폭기의 일 실시 예를 나타내었다. 도 5b와 같은 전송선 변압기를 이용하는 경우, 수 GHz 대역의 동작 영역을 가지고 수 와트(Watt)의 출력 전력을 구현하는 전력 증폭기에 적합하다.5B illustrates an embodiment of a power amplifier used in the present invention constructed by using a transmission line transformer commonly used in a high frequency circuit. When using a transmission line transformer as shown in Figure 5b, it is suitable for a power amplifier that has an operating range of several GHz band and implements output power of several watts (Watt).

또한, 본 발명에서 사용하는 전력 증폭기의 일 실시 예인 도 6에서, RF 전력은 NMOS의 드레인뿐만 아니라, PMOS의 드레인에서도 생성된다. 이는 종래 기술의 하나인 캐스코드(Cascode) 구조에서 두 능동 소자 중 하나에서만 RF 전력이 생성되는 것과는 차별화되며, 이를 도 6에서 확인할 수 있다. 도 6에서는 편의상 트랜지 스터에 병렬로 연결되는 도 5a의 501 및 502와 같은 커패시터는 생략하였다. In addition, in FIG. 6, an embodiment of the power amplifier used in the present invention, RF power is generated not only in the drain of the NMOS but also in the drain of the PMOS. This is different from that of RF power generated only in one of two active elements in a cascode structure, which is one of the prior arts, which can be seen in FIG. 6. In FIG. 6, for convenience, capacitors such as 501 and 502 of FIG. 5A that are connected in parallel to the transistor are omitted.

도 6b에서는 PMOS 및 NMOS의 입력 파형과 그에 따른 PMOS 및 NMOS의 드레인에서의 파형을 확인할 수 있다. 본 발명에서 사용하는 전력 증폭기는 PMOS 드레인 전압과 NMOS 드레인 전압의 차이가 변압기의 1차 측 양단에 나타나고, 이와 동일한 전압 차이가 변압기의 2차 측에도 그대로 나타난다. 또한 1차 측에 흐르는 전류는 상호 유도 기전력에 의하여 변압기의 2차 측에 전류를 유도한다. 이러한 방식으로 두 능동 소자에서 발생한 전력이 변압기를 매개로 하여 출력 전력으로 나타난다.In FIG. 6B, the input waveforms of the PMOS and the NMOS and the corresponding waveforms of the drains of the PMOS and the NMOS can be seen. In the power amplifier used in the present invention, the difference between the PMOS drain voltage and the NMOS drain voltage appears at both ends of the primary side of the transformer, and the same voltage difference also appears at the secondary side of the transformer. In addition, the current flowing on the primary side induces a current on the secondary side of the transformer by mutual induction electromotive force. In this way, the power generated by the two active devices appears as output power through the transformer.

도 7a는 상술한 전력 증폭기를 차동 구조로 형성한 구성도이다. 일반적으로, 도 5 또는 도 6에서와 같은 전력 증폭기를 CMOS 공정으로 설계하는 경우 차동 구조로 구현한다.7A is a configuration diagram in which the above-described power amplifier is formed in a differential structure. In general, when a power amplifier as shown in FIG. 5 or 6 is designed in a CMOS process, it is implemented in a differential structure.

CMOS 공정 기술은 화합물 공정 기술과는 달리 비아(Via) 공정을 제공하지 않으므로, PCB 등 칩의 외부에서 본딩 와이어를 통하여 회로 내의 패드(Pad) 위에 전원 전압과 접지를 구현하게 된다. 이와 같이 CMOS 공정을 이용하여 고주파 회로를 설계하면, 회로 내에서 접지를 구현할 때 발생하는 기생 인덕턴스, 커패시턴스 그리고 저항 성분에 의하여 회로 특성의 열화가 일어난다. Unlike the compound process technology, the CMOS process technology does not provide a via process, and thus, a power supply voltage and a ground are implemented on a pad in a circuit through a bonding wire outside the chip such as a PCB. When a high frequency circuit is designed using a CMOS process, deterioration of circuit characteristics is caused by parasitic inductance, capacitance, and resistance components generated when implementing ground in the circuit.

이러한 열화 문제를 해결하기 위하여 일반적으로 차동 구조의 고주파 회로가 널리 사용된다. 차동 구조의 고주파 회로는 회로 내부에서 가상 접지의 구현이 용이하여, 동상 구조의 고주파 회로에 비해 회로 특성의 열화를 효율적으로 방지할 수 있다. In order to solve this deterioration problem, a high frequency circuit having a differential structure is generally used. The high frequency circuit of the differential structure can easily implement virtual ground inside the circuit, and can effectively prevent deterioration of circuit characteristics compared to the high frequency circuit of the in-phase structure.

한편, 도 7a에서는 전력 증폭기의 능동 소자를 캐스코드 구조로 형성하였다. 이는 NMOS 또는 PMOS 소자를 하나만 사용했을 때보다 능동 소자의 양쪽 포트 사이에서 나타나는 전위 차를 더 줄여주기 위해서이다. 도 7a의 두 신호 P 와 Q는 능동 소자의 바이어스를 위한 DC 신호로서, 캐스코드 단을 구성하는 Common-gate 증폭기의 게이트 단자에 연결된다.Meanwhile, in FIG. 7A, an active element of the power amplifier is formed in a cascode structure. This is to reduce the potential difference between both ports of the active device more than if only one NMOS or PMOS device was used. The two signals P and Q of FIG. 7A are DC signals for biasing the active element, and are connected to the gate terminals of the common-gate amplifier constituting the cascode stage.

전압 결합 방식을 이용한 전력 증폭기에서 전체 출력 전력을 증가시키기 위하여, 차동 증폭기를 복수 개 사용하여 각각의 출력 전압을 더하는 방식을 이용한다. 이러한 구조는 출력단에서 1:1 전압 결합 방식을 구현하는 전송선 변압기를 이용한 차동 증폭기를 복수 개 사용하고, 이러한 복수 개의 전송선 변압기의 2차 측을 서로 연결함으로써 구현할 수 있다.In order to increase the total output power in a power amplifier using a voltage combining method, a method of adding a respective output voltage using a plurality of differential amplifiers is used. Such a structure can be implemented by using a plurality of differential amplifiers using a transmission line transformer that implements a 1: 1 voltage coupling method at an output terminal, and connecting the secondary sides of the plurality of transmission line transformers to each other.

도 7b는 도 7a의 차동 구조를 두 쌍 사용하여 전체 출력 전력을 증가시킨 전력 증폭기의 구성도이다. 도 7b에서, 도면부호 701과 702는 차동 구조를 형성하는 동일한 극성의 능동 소자 쌍이며, 이 두 능동 소자는 위상이 반대인 신호를 입력받는다. 마찬가지로, 도면부호 703과 704도 차동 구조를 형성하는 동일한 극성의 능동 소자 쌍이며, 이 두 능동 소자는 위상이 반대인 신호를 입력받는다. 다만, 701과 702 쌍과 703과 704 쌍은 극성이 반대이며, 전송선 변압기의 1차 측을 통하여 701과 703이 연결되어 있고 702와 704가 연결되어 있다.FIG. 7B is a configuration diagram of a power amplifier in which the total output power is increased by using two pairs of the differential structures of FIG. 7A. In Fig. 7B, reference numerals 701 and 702 are pairs of active elements of the same polarity forming a differential structure, and these two active elements receive signals of opposite phases. Likewise, reference numerals 703 and 704 are pairs of active elements of the same polarity forming a differential structure, and these two active elements receive signals of opposite phases. However, the 701 and 702 pairs and the 703 and 704 pairs are opposite in polarity, and 701 and 703 are connected and 702 and 704 are connected through the primary side of the transmission line transformer.

도 8은 도 7b의 회로에 대한 레이아웃 상의 배치도이다. 도 8과 같은 구조를 순환형(Circular) 구조라고 한다. 도 8에서, 1차 측을 매개로 701과 703이 연결되어 있고, 702와 704가 연결되어 있는 점은 도 7b의 구성도와 동일하다. 그러나 701과 702가 차동 구조를 형성하는 반면, 703과 704가 레이아웃에서는 차동 구조를 형 성하는 능동 소자 쌍을 이루지 못한다. 그러나 이와 같은 도 7b의 구성도와 도 8의 레이아웃에서의 연결의 차이가 회로 동작의 차이로 나타나는 것은 아니다.8 is a layout view on a layout for the circuit of FIG. 7B. The structure shown in FIG. 8 is called a circular structure. In FIG. 8, 701 and 703 are connected through the primary side, and 702 and 704 are connected to each other in the configuration diagram of FIG. 7B. However, while 701 and 702 form a differential structure, 703 and 704 do not form an active device pair that forms a differential structure in the layout. However, the difference in connection in the configuration diagram of FIG. 7B and the layout of FIG. 8 does not appear as a difference in circuit operation.

즉, 실제 도 8의 레이아웃에서, 1) 위상이 반대인 신호를 입력받는 NMOS와 PMOS가 변압기의 1차 측을 매개로 연결되고, 2) 차동 구조로 동작하는 NMOS 쌍과 PMOS 쌍이 존재하면서, 3) 변압기의 2차 측이 1)에 의해 형성된 복수 개의 1차 측에서 나타나는 출력 전력을 더하는 역할을 담당한다면, 회로의 동작을 나타내는 도 7b의 구성도와 도 8의 레이아웃에서의 소자의 배치 및 연결의 차이는 문제되지 않는다. 오히려 생산 공정에 있어서 도 7b의 구성도에 따른 연결 방식에 의해 소자들을 배치하는 것은 곤란하며, 이러한 접근이 불가능한 경우도 있다.That is, in the layout of FIG. 8, 1) an NMOS and a PMOS, which receive a signal having an opposite phase, are connected through a primary side of a transformer, and 2) an NMOS pair and a PMOS pair that operate in a differential structure exist, and 3 ) If the secondary side of the transformer is responsible for adding output power appearing at the plurality of primary sides formed by 1), the arrangement and connection of elements in the layout of FIG. The difference does not matter. Rather, in the production process it is difficult to arrange the elements by the connection method according to the configuration of Figure 7b, this approach is sometimes impossible.

1:1 전송선 변압기를 복수 개 사용하여 형성되는 순환형 구조의 레이아웃에서는 집적 회로 상에서 면적을 효율적으로 사용하기 위해 도 8에 도시한 바와 같이 능동 소자들을 전송선 변압기의 내부에 배치한다. 능동 소자를 전송선 변압기로 둘러싸인 내부에 배치하면 능동 소자들이 서로 인접하므로, 전력 증폭기를 구성하는 복수 개의 능동 소자에 입력 신호를 인가하기도 용이하다.In a layout of a cyclic structure formed by using a plurality of 1: 1 transmission line transformers, active elements are disposed in the transmission line transformers as shown in FIG. 8 to efficiently use an area on an integrated circuit. When the active elements are disposed inside the transmission line transformer, the active elements are adjacent to each other, and thus it is easy to apply an input signal to a plurality of active elements constituting the power amplifier.

이러한 장점 때문에 순환형 구조는 전력 증폭기를 구현하는 데 널리 사용되어 왔으나, 수반되는 여러 가지 문제점이 있으므로 새로운 변압기 형태와 연결 구조가 필요하게 되었다.Because of these advantages, the cyclic structure has been widely used to implement power amplifiers, but there are various problems involved, requiring a new transformer type and a connection structure.

전력 증폭기에 사용하는 전송선 변압기의 길이와 너비 등의 변수들은 회로 동작의 관점에서 결정된다. 이때, 전송선 변압기의 길이에 따라 순환형 구조의 내부 면적이 결정되므로 순환형 구조의 레이아웃 상에서 나머지 회로의 배치는 전송 선 변압기의 길이에 의해 제한을 받게 된다. 또한, 전송선 변압기에서 발생한 자기 에너지가 인접한 능동 소자에 영향을 미치므로, 능동 소자의 동작에 있어서 바람직하지 않은 결과가 될 수 있다.Variables such as the length and width of the transmission line transformer used in the power amplifier are determined in terms of circuit operation. In this case, since the inner area of the cyclic structure is determined according to the length of the transmission line transformer, the arrangement of the remaining circuits on the layout of the cyclic structure is limited by the length of the transmission line transformer. In addition, the magnetic energy generated by the transmission line transformer affects the adjacent active elements, which may be an undesirable result in the operation of the active elements.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 1:1 전압 결합 방식을 이용하는 순환형 구조 대신 새로운 형태의 전송선 변압기를 이용하여, 변압기 부분과 나머지 회로 부분들의 배치를 레이아웃 상에서 분리시킬 필요가 있다. In order to solve this problem, it is necessary to separate the arrangement of the transformer portion and the remaining circuit portions on the layout by using a new transmission line transformer instead of a cyclic structure using a 1: 1 voltage coupling method.

이와 같은 레이아웃 상의 분리를 통하여, 전송선 변압기의 동작에서 발생하는 자기장이 다른 부분에 미치는 영향을 줄여주고, 필요한 경우에는 출력단을 형성하는 변압기 부분과 능동 소자를 포함한 나머지 회로의 부분을 각 부분을 별개의 칩으로도 구현이 가능하도록 하여 서로 다른 공정 간의 결합을 가능하도록 할 수 있다. 도 8과 같은 순환형 구조로는 이러한 분리 배치가 불가능하다.This layout separation reduces the effects of the magnetic field from the operation of the transmission line transformers on other parts, and separates the parts of the rest of the circuit, including active components, from the transformers that form the output stages, if necessary. It can also be implemented as a chip to enable coupling between different processes. Such a separate arrangement is not possible with the circular structure as shown in FIG. 8.

도 9는 본 발명에 따른 전송선 변압기 구조를 이용한 전력 증폭기 회로의 실시 예이다. 복수 개의 1:1 전송선 변압기를 연결하는 방식으로 개별 증폭단의 출력 전력을 더하는 대신, 복수 개의 1차 측이 평행한 방향으로 나란하게 배치되고, 2차 측이 복수 개의 1차 측들을 모두 돌면서 감는 형태로 자기적 결합(Magnetic coupling)이 일어나도록 전송선 변압기 구조를 구성한다.9 is an embodiment of a power amplifier circuit using a transmission line transformer structure according to the present invention. Instead of adding the output power of the individual amplifier stages by connecting a plurality of 1: 1 transmission line transformers, a plurality of primary sides are arranged side by side in a parallel direction, and a secondary side is wound around a plurality of primary sides. The transmission line transformer structure is constructed so that magnetic coupling occurs.

1:1 전압 결합 방식으로 각 증폭단의 출력 전력을 더하는 경우에는 변압기의 2차 측은 하나의 1차 측으로부터 에너지를 전달받는 반면, 새로운 전압 결합 방식에서는 변압기의 2차 측이 서로 다른 두 개의 1차 측으로부터 에너지를 전달받는다.When the output power of each amplifier stage is added by 1: 1 voltage coupling method, the secondary side of the transformer receives energy from one primary side, while in the new voltage coupling method, the two primary sides of the transformer are different from each other. Receive energy from the side.

여기에서 두 개의 1차 측이란, 각 1차 측의 양 단에 연결된 능동 소자 쌍이 서로 다름을 의미한다. 즉, 도 9의 변압기 구조에서는 2차 측이 서로 연결되어 있지만, 1차 측이 단순히 독립적으로 각각의 2차 측에 에너지를 전달하는 것이 아니라 여러 증폭기 쌍과 연결된 복수의 1차 측이 2차 측과 자기적으로 결합되어 있다. 이때 하나의 2차 측에 자기적으로 결합하는 두 개의 1차 측에 흐르는 전류의 방향은 동일하도록 설계하였다. 이를 구현하기 위하여, 도 9의 전송선 변압기에서 도면부호 911과 같은 교차 지점이 여러 번 사용되었다.Here, the two primary sides mean that the pair of active elements connected to both ends of each primary side is different from each other. That is, in the transformer structure of FIG. 9, the secondary sides are connected to each other, but the primary side is not simply transferring energy to each secondary side independently, but a plurality of primary sides connected to several amplifier pairs are secondary sides. Magnetically coupled with At this time, the direction of current flowing in two primary sides magnetically coupled to one secondary side is designed to be the same. In order to implement this, in the transmission line transformer of FIG. 9, an intersection point such as 911 is used several times.

순환형 구조의 레이아웃에서 전력 증폭기를 구성하는 동상 구조 회로 동작의 동일성과 차동 구조의 대칭성을 이용하였듯이, 본 발명에 따른 전압 결합 방식을 이용한 전송선 변압기도 이와 같은 특성을 이용하여 구성된다.In the layout of the cyclic structure, the transmission line transformer using the voltage coupling method according to the present invention is constructed using the same characteristics as the in-phase structure of the in-phase circuit constituting the power amplifier and the symmetry of the differential structure are used.

도 9의 전력 증폭기에서는 위상이 반대인 입력 신호를 받으면서 극성이 반대인 두 능동 소자가 1차 측을 매개로 연결되어 있으며, 이는 도 5b의 기본 구조와 유사하다. 이와 같은 복수 개의 동상 회로가 전송선 변압기를 통해 결합하는 한편, 변압기를 제외한 나머지 회로의 부분에서는 능동 소자들이 차동 구조를 형성하면서 배치된다.In the power amplifier of FIG. 9, two active elements of opposite polarities are connected through the primary side while receiving an input signal having a reverse phase, which is similar to the basic structure of FIG. 5B. Such a plurality of in-phase circuits are coupled through a transmission line transformer, while active elements are arranged in a portion of the circuit except the transformer, forming a differential structure.

본 발명에서, 레이아웃 상에서 전송선 변압기 부분과 회로의 나머지 부분의 배치가 분리되며, 1차 측을 매개로 연결된 두 능동 소자가 인접하게 배치되지 않고, 서로 다른 1차 측에 연결되는 두 능동 소자 쌍이 차동 구조를 형성한다.In the present invention, the layout of the transmission line transformer part and the remaining part of the circuit are separated on the layout, and two active element pairs connected to different primary sides are not differentially disposed, and two active elements connected via the primary side are not disposed adjacently. To form a structure.

종래 기술에서는 1차 측을 매개로 연결된 두 능동 소자가 인접하게 배치되어 차동 구조를 형성하므로, 두 능동 소자의 극성이 동일해야 하는 제약이 있었다. 즉, 종래 발표된 분리된 형태의 전송선 변압기 구조는 1차 측의 양단에 연결된 소자가 각각 NMOS와 PMOS일 경우에는 적용이 불가능하다. 가상 접지를 형성하기 위해 접지에 연결되어야 하는 NMOS의 소스와 전원 전압에 연결되어야 하는 PMOS의 소스를 연결할 수는 없기 때문이다. 즉, 종래 기술로는 도 7과 같이 신뢰성이 향상된 전력 증폭기 회로에서 전송선 변압기 부분을 분리 배치하는 것이 불가능하다.In the prior art, since two active elements connected through the primary side are disposed adjacent to each other to form a differential structure, there is a limitation that the polarities of the two active elements must be the same. That is, the conventionally disclosed separate transmission line transformer structure is not applicable when the devices connected to both ends of the primary side are NMOS and PMOS, respectively. This is because the source of the NMOS that must be connected to ground and the source of the PMOS that must be connected to the supply voltage cannot be connected to form a virtual ground. That is, in the prior art, it is impossible to separately arrange the transmission line transformer part in the power amplifier circuit having improved reliability as shown in FIG. 7.

그러나, 본 발명에 따른 전송선 변압기에서는 차동 구조를 형성하는 두 능동 소자가 서로 다른 1차 측에 연결되고, 1차 측의 양끝에 연결된 극성이 반대인 두 능동 소자가 인접하게 배치되지 않는 구조이므로, 신뢰성 향상을 위해 NMOS와 PMOS를 모두 사용하여 구성된 전력 증폭기에서 적용 가능하고, 한 가지 극성으로만 구성된 회로에서도 물론 적용 가능하다.However, in the transmission line transformer according to the present invention, two active elements forming a differential structure are connected to different primary sides, and two active elements having opposite polarities connected to both ends of the primary side are not disposed adjacent to each other. It is applicable to power amplifiers configured with both NMOS and PMOS for improved reliability, and of course for circuits with only one polarity.

이하, 도 9에 도시된 바와 같은 본 발명에 따른 전송선 변압기의 형태와 연결 구조를 상세히 설명한다. Hereinafter, the form and connection structure of a transmission line transformer according to the present invention as shown in FIG. 9 will be described in detail.

도 9에서, 도면부호 901, 902, 907, 908은 하나의 NMOS 또는 두 개의 NMOS로 구성된 캐스코드 구조를 간략하게 나타내기 위한 것이며, 도면부호 903, 904, 905, 906은 하나의 PMOS 또는 두 개의 PMOS로 구성된 캐스코드 구조를 나타낸다. 901과 902는 위상이 서로 반대인 입력 신호를 받으면서 접지를 공유하고, 903과 904는 위상이 서로 반대인 입력 신호를 받으면서 전원 전압을 공유한다. 909는 전송선 변압기의 1차 측이며, 910은 2차 측을 나타낸다. 911은 두 1차 측이 서로 교차하는 지점을 나타낸다. 911과 같은 교차점 때문에, 이러한 형태의 전송선 변압기는 여러 층으로 구현되는 것이 바람직하다.In FIG. 9, reference numerals 901, 902, 907, and 908 denote a cascode structure consisting of one NMOS or two NMOS, and reference numerals 903, 904, 905, and 906 denote one PMOS or two. It shows a cascode structure composed of PMOS. 901 and 902 share ground while receiving input signals that are opposite in phase, and 903 and 904 share power supply voltage while receiving input signals in opposite phases. 909 is the primary side of the transmission line transformer, and 910 is the secondary side. 911 represents a point where two primary sides cross each other. Because of the intersection point like 911, this type of transmission line transformer is preferably implemented in several layers.

도 9b와 같이 전송선 변압기 부분과 회로의 나머지 부분을 별개의 칩으로 구현하여 본딩 와이어(912)로 연결할 수도 있으며, 이에 의해 두 부분을 별개의 공정으로도 구현함으로써 서로 다른 공정 간의 결합이 가능해진다.As shown in FIG. 9B, the transmission line transformer part and the rest of the circuit may be implemented as separate chips and connected to the bonding wires 912. Thus, the two parts may be implemented as separate processes, thereby allowing the coupling between different processes.

도 10에 본 발명에 따른 전력 증폭기 구조에서 전송선 변압기와 능동 소자 간의 연결 구조(Connection structure)를 구체적으로 나타내었다. 도 10의 회로는 도 7b와 같이 차동 증폭기 두 쌍으로 이루어진 구조이며, 변압기의 1차 측을 매개로 극성이 반대이며 입력 신호의 위상이 반대인 두 능동 소자가 연결되고, 이와는 별개로 레이아웃 상에서 입력 신호의 위상이 반대인 동일한 극성의 능동 소자가 나란히 배치되어 있어서 접지나 전원 전압을 공유하는 차동 구조를 형성한다.10 illustrates a connection structure between a transmission line transformer and an active element in the power amplifier structure according to the present invention. The circuit of FIG. 10 is composed of two pairs of differential amplifiers as shown in FIG. 7B, and two active elements having opposite polarities and opposite phases of the input signal are connected through the primary side of the transformer, and are separately input on the layout. Active elements of the same polarity with opposite phases of the signal are placed side by side to form a differential structure that shares ground or supply voltage.

도 10a에서, 901은 변압기의 1차 측(1001)을 통하여 906과 연결된다. 901과 906은 위상이 반대인 신호를 입력받으면서 극성이 반대인 두 능동 소자이다. 마찬가지로, 도 10b에서 902는 변압기의 1차 측(1002)을 통하여 905와 연결된다. In FIG. 10A, 901 is connected to 906 through the primary side 1001 of the transformer. 901 and 906 are two active devices of opposite polarity while receiving signals of opposite phases. Likewise, in FIG. 10B, 902 is connected to 905 through the primary side 1002 of the transformer.

상술한 바와 같이, 나란한 1차 측에 흐르는 전류의 방향이 동일해야 하므로, 906(PMOS)에서 901(NMOS)로 향하는 경로와 905(PMOS)에서 902(NMOS)로 향하는 경로의 방향이 반대가 되어야 한다. 이는 906과 905의 입력 신호의 위상이 반대이기 때문이며, 이러한 구현을 위하여 911과 같은 교차 지점들이 이용되었다.As described above, since the direction of the current flowing in parallel side by side should be the same, the direction of the path from 906 (PMOS) to 901 (NMOS) and the path from 905 (PMOS) to 902 (NMOS) should be reversed. do. This is because the phases of the input signals of 906 and 905 are reversed, and intersection points such as 911 were used for this implementation.

능동 소자들을 어떤 순서로 배치하느냐에 따라 변압기의 1차 측이 교차하는 지점의 위치가 달라지고 1차 측의 형태가 달라진다. 본 발명에 따른 분리된 전송선 변압기 구조에서는 복수 개의 동상 회로의 동작을 동일하게 구현하기 위하여 변압기의 1차 측의 길이가 최대한 동일하도록 변압기의 1차 측과 교차 지점을 설계하고 능동 소자들을 배치하였다.Depending on the order in which the active elements are placed, the position at which the primary side of the transformer intersects varies and the shape of the primary side changes. In the separated transmission line transformer structure according to the present invention, in order to implement the same operation of a plurality of in-phase circuits, an intersection point with the primary side of the transformer is designed and active elements are arranged so that the length of the primary side of the transformer is the same as much as possible.

신뢰성을 위하여 두 가지 극성의 능동 소자를 사용한 구조에서는 위의 고려 사항 외에도, 입력 신호의 위상이 반대인 동일한 극성의 소자가 나란히 배치되도록 하여 접지나 전원 전압을 공유하도록 하여야 한다. 1차 측에서의 전류 흐름의 방향과 NMOS 및 PMOS로 이루어진 기본 구조를 고려한다고 할지라도 인접한 두 능동 소자가 접지나 전원 전압을 공유하지 못한다면, 레이아웃 상에서 접지나 전원 전압을 공유하는 두 능동 소자의 물리적인 거리가 멀어지게 되고 이는 칩 내부 연결에서 기생 성분에 의한 성능의 열화를 발생시키기 때문이다.In addition to the above considerations, in the structure using active elements of two polarities for reliability, elements of the same polarity having the opposite phase of the input signal should be arranged side by side to share the ground or the supply voltage. Considering the direction of current flow on the primary side and the basic structure of NMOS and PMOS, if two adjacent active devices do not share ground or supply voltage, the physical distance of the two active devices sharing ground or supply voltage on the layout This is due to the degradation of performance due to parasitic components in the chip interconnect.

상술한 고려 사항들을 반영하여, 도 5b와 같은 기본 구조의 동상 회로를 복수 개 결합하여 전력 증폭기를 구성한다. 이때, 2차 측은 복수 개의 1차 측 사이에 배치되어, 인접한 1차 측으로부터 에너지를 전달받는다. 마찬가지로, 도 9의 903(PMOS)은 908(NMOS)과 기본 구조를 이루고, 904(PMOS)는 907(NMOS)과 기본 구조를 이루며 연결된다. 물론, 도 9 또는 도 10의 전송선 변압기 구조를 확장하여 더욱 많은 증폭기의 출력 전력을 더할 수도 있으며, 도 9 또는 도 10의 연결 구조를 변형할 수도 있다.Reflecting the above considerations, a plurality of in-phase circuits having the basic structure as shown in FIG. 5B are combined to form a power amplifier. In this case, the secondary side is disposed between the plurality of primary sides, and receives energy from the adjacent primary side. Similarly, 903 (PMOS) of FIG. 9 has a basic structure with 908 (NMOS), and 904 (PMOS) has a basic structure with 907 (NMOS). Of course, the transmission line transformer structure of FIG. 9 or 10 may be extended to add more output power of the amplifier, or the connection structure of FIG. 9 or 10 may be modified.

이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시 예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주해야 할 것이다.As described above and described with reference to a preferred embodiment for illustrating the technical idea of the present invention, the present invention is not limited to the configuration and operation as shown and described as described above, it is a deviation from the scope of the technical idea It will be understood by those skilled in the art that many modifications and variations can be made to the invention without departing from the scope of the invention. Accordingly, all such suitable changes and modifications and equivalents should be considered to be within the scope of the present invention.

도 1a 및 도 1b는 전압 결합 방식에 의한 전송선 변압기에 관한 예시도.1A and 1B are exemplary views of a transmission line transformer using a voltage coupling method.

도 2는 전송선 변압기를 통해 출력단에서 1:1 전압 결합 방식을 구현하는 전력 증폭기 회로에 관한 구성도.2 is a block diagram of a power amplifier circuit for implementing a 1: 1 voltage coupling method at an output terminal through a transmission line transformer.

도 3은 신뢰성을 향상시키기 위해 전송선 변압기의 1차 측을 극성이 반대인 두 능동 소자 사이에 연결한 전력 증폭기에 관한 구성도.3 is a diagram illustrating a power amplifier in which a primary side of a transmission line transformer is connected between two active elements having opposite polarities in order to improve reliability.

도 4는 분리된 형태의 전송선 변압기를 사용한 전력 증폭기에 관한 구성도.4 is a block diagram of a power amplifier using a separate type transmission line transformer.

도 5a 및 도 5b는 능동 소자의 양 포트 사이의 전위 차를 줄여주어 신뢰성을 향상시킨 전력 증폭기의 기본 구조에 관한 구성도.5A and 5B are schematic diagrams showing the basic structure of a power amplifier in which reliability is improved by reducing a potential difference between both ports of an active element.

도 6a 및 도 6b는 도 5b의 전력 증폭기의 기본 구조에서의 작동도 및 각 지점에서의 전압 파형을 나타낸 그래프.6A and 6B are graphs showing the operation of the basic structure of the power amplifier of Fig. 5B and the voltage waveform at each point.

도 7a 및 도 7b는 도 5b의 전력 증폭기의 기본 구조를 차동 구조로 형성한 구성도.7A and 7B are diagrams illustrating the basic structure of the power amplifier of FIG. 5B having a differential structure.

도 8은 도 7a 또는 도 7b의 전력 증폭기를 순환형 구조로 배치한 레이아웃.8 is a layout in which the power amplifier of FIG. 7A or 7B is arranged in a cyclic structure.

도 9a 및 도 9b는 본 발명에 따른 분리된 전송선 변압기를 이용한 전력 증폭기에 관한 구성도.9A and 9B are diagrams illustrating a power amplifier using a separate transmission line transformer according to the present invention.

도 10a 및 도 10b는 본 발명에 따른 분리된 전송선 변압기를 이용한 전력 증폭기 구조에서 전송선 변압기와 능동 소자 간의 연결 구조에 관한 설명도.10A and 10B are explanatory views of a connection structure between a transmission line transformer and an active element in a power amplifier structure using a separate transmission line transformer according to the present invention.

- 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 --Explanation of symbols for the main parts of the drawing-

101 : 변압기의 1차 측 (Primary part)101: Primary part of the transformer

102 : 변압기의 2차 측 (Secondary part)102: Secondary side of the transformer

103, 104 : 변압기의 1차 측 (Primary part)103, 104: Primary part of the transformer

105 : 변압기의 2차 측 (Secondary part)105: secondary part of the transformer (Secondary part)

201 : 전송선 변압기 (Transmission line transformer)201: Transmission line transformer

202 : 변압기의 2차 측 (Secondary part)202 Secondary side of the transformer

203, 204 : 변압기의 1차 측 (Primary part)203, 204: Primary part of the transformer

205, 206 : 차동 구조에서 쌍(Pair)을 이루는 두 트랜지스터 205, 206: two transistors paired in a differential structure

207 : 부하 저항 (RLOAD)207: load resistance (R LOAD )

401, 402 : 변압기의 1차 측 (Primary part)401, 402: Primary part of the transformer

403 : 변압기의 2차 측 (Secondary part)403: Secondary side of the transformer

501, 502 : 능동 소자에 병렬로 연결된 커패시터501, 502: capacitors connected in parallel to active elements

701, 702 : 차동 구조를 형성하는 능동 소자(PMOS) 쌍701, 702: Active Device (PMOS) Pair Forms Differential Structure

703, 704 : 차동 구조를 형성하는 능동 소자(NMOS) 쌍703 and 704 active device (NMOS) pairs to form a differential structure

901, 902, 907, 908 : 하나의 NMOS 또는 두 개의 NMOS로 구성된 캐스코드 구조901, 902, 907, 908: Cascode structure consisting of one NMOS or two NMOSs

903, 904, 905, 906 : 하나의 PMOS 또는 두 개의 PMOS로 구성된 캐스코드 구조903, 904, 905, 906: Cascode structure consisting of one PMOS or two PMOSs

909 : 본 발명에 따른 전송선 변압기의 1차 측 (Primary part)909: Primary part of the transmission line transformer according to the present invention

910 : 본 발명에 따른 전송선 변압기의 2차 측 (Secondary part)910: secondary side of the transmission line transformer according to the present invention (Secondary part)

911 : 본 발명에 따른 전송선 변압기 내부의 교차 지점911: intersection point inside the transmission line transformer according to the present invention

912 : 본딩 와이어912: bonding wire

1001, 1002 : 본 발명에 따른 전송선 변압기의 1차 측 (Primary part)1001, 1002: primary part of the transmission line transformer according to the present invention

Claims (14)

두 능동 소자를 변압기의 1차 측을 매개로 하여 연결하며, 두 능동 소자가 각각 연결된 복수 개의 1차 측이 하나의 2차 측과 자기적으로 결합하고, 하나의 2차 측에 자기적으로 결합하는 복수 개의 1차 측에 흐르는 전류의 방향은 동일하며, 출력 전력은 변압기의 2차 측을 통하여 나타나고, 레이아웃 상에서 각각의 능동 소자들 부분을 복수 개의 1차 측 및 하나의 2차 측 부분의 외부에 분리하여 배치하되,The two active elements are connected via the primary side of the transformer, and a plurality of primary sides to which the two active elements are connected are magnetically coupled to one secondary side, and magnetically coupled to one secondary side. The direction of the current flowing to the plurality of primary sides is the same, and the output power is shown through the secondary side of the transformer, and each active element portion on the layout outside the plurality of primary side and one secondary side portion Separate and placed in the 임의의 1차 측에 연결된 두 능동 소자는 서로 극성이 반대이며, 임의의 1차 측에 연결된 두 능동 소자를 레이아웃 상에서 서로 소정거리 이격되도록 배치하고, 서로 다른 1차 측이 서로 교차하는 교차점을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.The two active elements connected to any of the primary sides are opposite in polarity to each other, and the two active elements connected to any of the primary sides are arranged to be spaced apart from each other on the layout by a predetermined distance, and include an intersection point at which the different primary sides cross each other. A power amplifier, characterized in that. 삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 임의의 1차 측에 연결된 두 능동 소자에 입력 신호의 위상이 반대인 신호들을 공급하고, 서로 다른 1차 측에 나누어 배치한 동일한 극성의 두 능동 소자를 레이아웃 상에서 서로 인접하도록 배치한 차동 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.It has a differential structure in which two active elements connected to an arbitrary primary side are supplied with signals having opposite phases of an input signal, and two active elements of the same polarity arranged separately on different primary sides are arranged adjacent to each other on a layout. A power amplifier, characterized in that. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 임의의 1차 측에 연결된 두 능동 소자 중 하나는 증폭기의 전원 전압에 연결하며, 다른 하나는 증폭기의 접지에 연결한 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.A power amplifier, characterized in that one of two active elements connected to any primary side is connected to the power supply voltage of the amplifier and the other is connected to the ground of the amplifier. 제 5 항에 있어서,The method of claim 5, 전원 전압에 연결된 증폭기는 PMOS이며 접지에 연결된 증폭기는 NMOS인 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.An amplifier connected to the supply voltage is a PMOS and the amplifier connected to ground is an NMOS. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 임의의 1차 측에 연결된 두 능동 소자 중 어느 하나 이상을 캐스코드 구조로 형성한 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.A power amplifier comprising at least one of two active elements connected to an arbitrary primary side in a cascode structure. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 임의의 1차 측에 연결된 두 능동 소자가 증폭기의 접지에 연결되며, 임의의 1차 측의 소정 지점에 전원 전압이 인가되어 가상 접지가 형성되는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.And two active elements connected to any primary side are connected to the ground of the amplifier, and a power supply voltage is applied to a predetermined point on any primary side to form a virtual ground. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 임의의 1차 측에 연결된 두 능동 소자가 증폭기의 전원 전압에 연결되며, 임의의 1차 측의 소정 지점에 접지가 연결되어 가상 접지가 형성되는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.And two active elements connected to an arbitrary primary side are connected to a power supply voltage of an amplifier, and a ground is connected to a predetermined point of any primary side to form a virtual ground. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 서로 분리하여 배치한 능동 소자들 부분 및 복수 개의 1차 측과 하나의 2차 측 부분 중 어느 하나 이상의 부분을 칩 형태로 형성한 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.A power amplifier comprising a portion of active elements arranged separately from each other and at least one of a plurality of primary side and one secondary side portion in the form of a chip. 제 10 항에 있어서,The method of claim 10, 능동 소자들 부분 및 복수 개의 1차 측과 하나의 2차 측 부분을 모두 동일한 공정을 사용하여 칩 형태로 형성한 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.And a plurality of active elements and a plurality of primary side and one secondary side portion in the form of chips using the same process. 제 10 항에 있어서,The method of claim 10, 능동 소자들 부분 및 복수 개의 1차 측과 하나의 2차 측 부분을 서로 상이한 공정을 사용하여 칩 형태로 형성한 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.And a plurality of active elements and a plurality of primary side and one secondary side portion in the form of chips using different processes. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 임의의 1차 측에 연결된 두 능동 소자 중 어느 하나는 PMOS이며, 다른 하나는 NMOS인 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.A power amplifier, characterized in that either one of the two active elements connected to any primary side is a PMOS and the other is an NMOS. 삭제delete
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