KR101018039B1 - 고속 바이어스 제어를 이용한 고효율 선형 전력 증폭 방법 및 전력 증폭 시스템 - Google Patents

고속 바이어스 제어를 이용한 고효율 선형 전력 증폭 방법 및 전력 증폭 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고속 바이어스 제어(High-Speed Bias Control)를 이용한 고효율 선형 전력 증폭 방법 및 전력 증폭 시스템에 관한 것이다.
본 발명에서는 입력신호가 기준 레벨(reference level)보다 크면 RF 전력발진기(RF power oscillator)가 켜져서 동작을 하게 되며, 상기 전력발진기의 출력이 정류기(rectifier)에 의해 정류되어 직류 전압(DC voltage)을 만들어낸다. 상기의 직류 전압은 전력증폭기의 드레인 바이어스(drain bias)를 높이는 역할을 한다.
본 발명은 입력신호의 크기에 따라서 전력증폭기의 드레인 바이어스를 조절할 수 있으므로 높은 효율을 얻을 수 있으며, 동시에 선형증폭을 가능하게 한다.
본 발명에 의하면 전력발진기와 정류기는 RF(Radio Frequency) 대역에서 동작하므로, 회로의 응답시간(response time)이 매우 빨라 광대역 통신시스템용 전력 증폭기의 바이어스를 고속으로 제어할 수 있다. 또한, 전력발진기와 정류기가 높은 주파수에서 동작하므로 회로의 크기가 작아지고 집적화(IC solution)를 시킬 수 있다는 장점이 있다.
고효율 선형 전력 증폭(High-Efficienct linear Power Amplification), 바이어스 제어(Bias Control), 전력발진기(Power oscillator), 정류기(Rectifier)

Description

고속 바이어스 제어를 이용한 고효율 선형 전력 증폭 방법 및 전력 증폭 시스템{High-Efficienct Linear Power Amplification Method And Power Amplification System Using High-Speed Bias Control}
도 1은 종래의 바이어스 제어를 이용한 고효율 선형 전력 증폭 시스템의 구성을 도시하는 도면.
도 2는 본 발명에 따른 고속 바이어스 제어를 이용한 고효율 선형 전력 증폭 시스템의 구조.
도 3은 본 발명에 따른 고속 바이어스 제어를 이용한 고효율 선형 전력 증폭 시스템에 있어서, 전력증폭기의 바이어스 동작점(operating point)의 변화를 트랜지스터의 전류-전압 곡선(I-V curve)에서 나타낸 도면.
도 4는 본 발명에 따른 고속 바이어스 제어를 수행하였을 경우의 효율과, 고속 바이어스를 수행하지 않았을 경우의 효율을 비교한 그래프.
도 5는 일반적인 OFDM 신호의 진폭 분포도를 확률적 측면에서 나타낸 도면
(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)
22: 커플러(coupler) 23: 포락선검출기(envelope detector)
24: 비교기(comparator) 25: 전력발진기(power oscillator)
26: 정류기(rectifier)
본 발명은 고속 바이어스 제어(high-speed bias control)를 이용한 고효율 선형 전력 증폭 방법 및 전력 증폭 시스템에 관한 것이다.
다양한 이동통신 서비스가 제공되면서, 이동통신 단말기의 효율이 중요한 문제로 떠오르고 있다. 휴대용 배터리의 용량과 크기에 한계가 있기 때문에, 이동통신 단말기 회로를 저전력으로 설계하는 것이 필요하다. 현재 이동통신 단말기에서 전력을 가장 많이 소모하는 부품은 전력증폭기로, CDMA나 OFDM 방식의 단말기인 경우 그 효율은 매우 낮다. CDMA나 OFDM 방식의 단말기의 효율이 낮은 이유는 CDMA나 OFDM 신호의 포락선(envelope)이 시간적으로 바뀌기 때문이다. 신호의 포락선이 일정하지 않으면 신호를 증폭하기 위해서 선형 증폭기가 필요하며, 일반적으로 선형 증폭기는 A 혹은 AB급으로 바이어스를 두기 때문에 전력 손실이 많다.
포락선이 시간적으로 변하는 신호를 효율적으로 증폭하기위한 하나의 방법으로 바이어스 제어(bias control)를 이용한 전력증폭기가 있다. 바이어스 제어를 이용한 전력증폭기는 입력신호의 크기에 따란 증폭기의 게이트 바이어스(gate bias)나 드레인 바이어스(drain bias)를 조절하는 방법이다.
전력증폭기의 게이트 바이어스를 조절할 경우 고속으로 전력증폭기의 바이어스를 조절할 수 있다는 장점이 있으나, 게이트 바이어스에 따라 증폭기의 이득(gain)이 변하기 때문에 선형성이 좋지 않다는 단점이 있다. 증폭기의 드레인 바이어스를 조절할 경우 선형성은 좋게 유지되나, 드레인 쪽으로 많은 전류가 흐르 기 때문에 DC-DC converter를 사용해야 한다.
도 1은 종래에 사용되어지던 드레인 바이어스 제어를 이용한 고효율 선형 전력 증폭 시스템의 구성을 도시하는 도면이다. 상기의 고효율 선형 전력 증폭 시스템은 입력신호(11)의 일부를 분리하기 위한 커플러(coupler)(12), 상기의 분리된 입력신호의 포락선을 검출하기 위한 포락선검출기(envelope detector)(13), 검출된 포락선을 펄스폭변조로 변환시키는 펄스폭변조기(Pulse Width Modulator: PWM)(14), 펄스폭으로 변조된 신호를 원래의 포락선 신호로 증폭하여 복원하기 위한 DC-DC converter(15)로 구성되고, 상기의 DC-DC converter의 출력이 A급 혹은 AB급 전력증폭기(class A/AB power amplifier)(16)의 드레인 바이어스(17)에 연결되는 구조이다.
드레인 바이어스 제어를 이용한 고효율 전력 증폭 시스템의 동작원리는 다음과 같다. 입력신호의 포락선 정보를 뽑아내기 위해, 입력신호의 일부가 커플러를 통해 분리되고 포락선검출기에 인가된다. 전력증폭기의 효율을 높이기 위해, 상기의 검출된 포락선에 따라 전력증폭기의 드레인 바이어스가 조절된다. 그런데, 드레인 바이어스에는 많은 전류가 흐르기 때문에, 검출된 포락선의 크기에 따라 100% 효율로 바이어스를 조절하기 위해서는 DC-DC converter가 필요하다. 이때, DC-DC converter는 스위칭 동작에 의해 구동되기 때문에, 포락선 신호를 펄스변조시켜 DC-DC converter에 인가한다. 상기와 같은 구조는 입력신호가 작을 때 전력증폭기의 드레인 바이어스를 낮추고, 입력신호가 클 때 드레인 바이어스를 높여서 효율을 향상시키는 방법이다.
상기와 같은 구조는 입력신호에 따라 드레인 바이어스 크기를 바꾸어 효율을 향상시킬 수 있지만, DC-DC converter를 고속으로 동작시킬 수 없다는 단점이 있다. 그러므로 넓은 대역폭을 요구하는 통신방식에는 적합하지 않다. 예를 들어 대역폭이 20MHz인 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 시스템을 드레인 바이어스 제어하기 위해서는, DC-DC converter의 스위칭 주파수(switching frequency)는 최소한 200MHz(포락선 신호의 대역폭의 10배) 이상으로 해야 선형 증폭이 가능하다. 그러나, 상기와 같은 높은 스위칭 주파수를 사용하여 포락선을 선형적으로 증폭하는 고효율 DC-DC converter를 만드는 것이 거의 불가능하다. 또한, DC-DC converter를 구현하기 위해 인덕터(inductor)나 트랜스포머(transformer)를 사용해야 하는데, 이들 소자의 대역폭이 제한되어 있고 크기가 매우 커서 집적화(IC solution)를 할 수 없다는 단점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점들을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 대역폭이 매우 넓은 통신시스템에서도 적용 가능하도록 고속으로 전력증폭기의 드레인 바이어스를 제어하여 시스템의 효율과 선형성을 개선하는데 목적이 있다. 또한 상기의 고속 드레인 바이어스 제어회로를 평면형(planar) 구조로 구현하여 집적화(IC solution)가 가능하도록 하는데 그 목적이 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하고, 후술하는 본 발명의 특징적인 기능을 수행하기 위한, 본 발명의 특징적인 구성은 하기와 같다:
본 발명의 일 태양에 따르면, 고속 바이어스 제어를 이용하여 입력 신호를 증폭하기 위한 고효율 선형 전력 증폭 시스템으로서, 상기 입력 신호의 포락선(envelope)을 검출하는 포락선 검출기, 상기 검출된 포락선을 기설정된 기준 레벨(reference level)과 비교하는 비교기, 상기 비교기의 출력에 따라 온(ON)/오프(OFF) 스위칭되는 E급(class E) 또는 F급(class F) 스위칭부, 상기 스위칭부의 출력을 정류하는 정류기, 및 상기 정류기에 의해 정류된 출력이 자신의 드레인 바이어스(drain bias)로 인가되는 전력 증폭기를 포함하는 고효율 선형 전력 증폭 시스템이 제공된다.
본 발명의 다른 태양에 따르면, 고속 바이어스 제어를 이용하여 입력 신호를 증폭하기 위한 고효율 선형 전력 증폭 방법으로서, (a) 상기 입력 신호의 포락선(envelope)을 검출하는 단계, (b) 상기 검출된 포락선을 기설정된 기준 레벨과 비교하는 단계, (c) 상기 비교 결과에 따라 E급(class E) 또는 F급(class F) 스위칭부를 온(ON)/오프(OFF) 스위칭하는 단계, (d) 상기 스위칭부의 출력을 정류하는 단계, 및 (e) 상기 정류된 출력을 전력 증폭기의 드레인 바이어스(drain bias)로 인가하는 단계를 포함하는 고효율 선형 전력 증폭 방법이 제공된다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 E급 혹은 F급 RF 전력발진기(class E/F RF power oscillator)와 정류기(rectifier)를 이용하여 전력증폭의 드레인 바이어스를 고속으로 제어하도록 한다.
E급(class E) 혹은 F급(class F)은 전력증폭기의 바이어스 형태 중 하나이다. A급 혹은 B급과 달리 E급 혹은 F급은 스위칭 모드(switching mode)로 동작을 하기 때문에 효율이 매우 높다. 이러한 전력증폭기의 바이어스 형태를 발진기에도 적용할 수 있는데, 전력발진기의 효율을 높이기 위해 일반적으로 E급 혹은 F급 전력발진기가 사용되고 있다. 이론적인 E급 혹은 F급 전력발진기의 효율은 100%이다. 본 발명은 이러한 E급 혹은 F급 전력발진기를 온(ON)/오프(OFF) 시켜서 전력증폭기의 드레인 바이어스를 고속으로 조정하도록 하는 것이다. 본 발명의 구성을 살펴보면 하기와 같다.
본 발명은 입력신호의 일부를 분리하기 위한 커플러(22), 분리된 입력신호의 포락선을 검출하기 위한 포락선검출기(23), 검출된 포락선을 기준 레벨(reference level)과 비교하기 위한 비교기(comparator)(24), 상기 비교기의 출력에서 나온 제어 신호(control signal)에 의해 온(ON)/오프(OFF)가 결정되는 E급 혹은 F급 전력 발진기(25), 상기 발진기의 출력을 정류시키는 정류기(26)로 구성되며, 정류기에 의해 정류된 DC 전압으로 A급 혹은 AB급 전력증폭기(28)의 드레인 바이어스(27)를 제어하는 구조이다.
이하에서는 본 발명에 의한 고속 드레인 바이어스 제어를 이용한 고효율 선형 전력 증폭 시스템에 대하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 고속 드레인 바이어스 제어를 이용한 고효율 선형 전력 증폭 시스템의 구조이다.
본 발명에 의하면, 입력 신호(21)가 들어오면 커플러(22)를 통해서 입력신호의 일부분이 분리된다. 이때 분리된 입력신호는 포락선검출기(23)를 통해 검출되고, 비교기(comparator)(24)에 인가된다. 비교기는 검출된 포락선 신호와 기준 레벨(Vref)을 비교하여 E급 혹은 F급 전력발진기(25)를 온(ON)/오프(OFF) 시킨다. 즉, 검출된 포락선 신호가 기준 레벨보다 작으면 전력발진기가 오프(OFF)가 되어 발진기가 꺼지게 되며, 포락선 신호가 기준 레벨보다 크면 전력발진기가 온(ON)이 되어 발진을 시작하게 된다. 발진기의 출력 전력은 정류기(26)를 통하여 DC 전력으로 변환되어 A급 혹은 AB급 전력증폭기(28)의 드레인 바이어스(27)에 DC 전압을 공급한다.
상기의 구조에서 발진기(25)가 온(ON)이 되고 발진된 신호가 정류되어 전력 증폭기(28)의 바이어스를 공급하는데 까지 걸리는 시간은, 발진기의 발진 주파수에 관련된다. 발진기의 발진 주파수가 높을수록 발진기가 정상상태(steady state)에 도달하는데 까지 걸리는 시간이 작기 때문에, 높은 주파수를 사용하면 발진기가 빠른 시간 안에 DC 전력을 전력증폭기(28)에 공급할 수 있다. 본 발명에서는 발진기의 발진 주파수를 RF 대역인 2GHz로 하였고, 이때 발진기가 정상상태에 도달하는 시간은 10n sec 이하이다. 예를 들어, 대역폭이 20MHz인 OFDM system의 경우 포락선 신호의 크기가 최저점에서 최고점까지 변하는데 걸리는 시간은 최소 400n sec가 되므로, 포락선 신호가 변하는 속도보다 발진기가 정상상태에 도달하는 속도가 훨씬 빠르다. 그러므로 일단 비교기(24)에서 온(ON)신호가 출력이 되면, 생성된 DC전 력이 전력증폭기의(28)의 드레인 바이어스(27)에 즉시 공급이 된다고 할 수 있으며, 고속 바이어스 제어가 가능하다.
도 3은 본 발명에 따른 고속 드레인 바이어스 제어시 전력증폭기(28)의 동작점(operating point)의 변화를 트랜지스터의 전류-전압 곡선(I-V curve)에 나타낸 것이다. 입력신호(21)가 작아서 발진기(25)가 오프(OFF)되었을 경우(31), 전력증폭기(28)에서 소비되는 전력은 V1·I1이다. 이때 V1, I1은 각각 초기 DC 바이어스 전압, 전류이다. 입력신호가 클 경우 발진기는 온(ON)이 되며(32), 발진기의 출력은 정류기에 의해 DC로 변환되어 드레인 바이어스(27)는 V2로 높아진다. 이때 전력증폭기에서 소모되는 전력은 V2·I1이다. 상기와 같이 입력신호에 따라 전력증폭기(28)의 드레인 바이어스(27)가 고속으로 변하므로, 전력증폭기에서 소모되는 전력이 줄어들어 시스템의 효율을 향상시킬 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 고속 드레인 바이어스 제어를 수행하였을 경우의 효율과, 고속 드레인 바이어스를 수행하지 않았을 경우의 효율을 비교한 그래프이다. 고속 드레인 바이어스는 최대 입력전력에서 12dB 백-오프(back-off) 지점에서 수행하였다. 즉, 입력신호가 최대 입력전력보다 12dB 이상으로 작을 경우에는 전력 발진기(25)가 오프(OFF)가 되며, 입력신호가 최대 입력전력보다 12dB이하로 작을 경우 전력 발진기가 온(ON)이 된다. 도 4의 가로 축은 최대 입력전력을 0dB 기준으로 했을 경우의 상대적 입력신호의 크기를 나타낸다. 도 4에서 보듯이 입력신호가 클 경우 시스템의 효율은 바이어스 제어를 수행하지 않을 경우(41)와 동일하지만, 입 력신호가 작을 경우 고속 바이어스 제어를 수행한 경우(42) 효율이 향상됨을 알 수 있다.
도5는 OFDM 신호의 진폭 분포도를 나타낸다. 일반적인 통신시스템에서와 마찬가지로 OFDM의 신호도 큰 진폭을 가질 확률이 상대적으로 낮다. 즉, 신호의 진폭이 변하는 통신시스템에서 확률적으로 대부분의 신호는 작은 진폭을 가짐을 알 수 있다. 그러므로, 본 발명에 따르면 입력신호가 작을 때 효율이 향상되므로, 실제 본 발명의 기법을 신호의 진폭이 변하는 통신시스템에 적용했을 경우 실질적으로 효율이 매우 크게 향상된다.
본 발명은 드레인 바이어스를 고속으로 제어하는 것을 특징으로 하나, 이와 더불어 종래의 게이트 바이어스 제어를 동시에 수행하면 시스템의 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
이상의 본 발명은 상기한 실시 예들에 한정되지 않고 당업자들에 의해 다양한 변형 및 변경을 가져 올 수 있으며, 이는 첨부된 청구항에서 정의되는 본 발명의 취지와 범위에 포함된다.
본 발명에 의하면, 전력발진기와 정류기를 이용하여 입력신호의 크기에 따라 전력증폭기의 드레인 바이어스를 제어할 수 있다. 이때 전력발진기와 정류기의 반응속도가 매우 빨라 고속으로 드레인 바이어스를 제어 가능하게 하므로, 대역폭이 넓은 통신 시스템에 적용될 수 있다. 더욱이 전력발진기와 정류기는 RF 대역에서 평면구조(planar structure)로 구현 가능하므로, 상기의 시스템은 집적화(IC solution)를 통해 대량생산이 가능하다.

Claims (14)

  1. 고속 바이어스 제어를 이용하여 입력 신호를 증폭하기 위한 고효율 선형 전력 증폭 시스템으로서,
    상기 입력 신호의 포락선(envelope)을 검출하는 포락선 검출기,
    상기 검출된 포락선을 기설정된 기준 레벨(reference level)과 비교하는 비교기,
    상기 비교기의 출력에 따라 온(ON)/오프(OFF) 스위칭되는 E급(class E) 또는 F급(class F) 스위칭부,
    상기 스위칭부의 출력을 정류하는 정류기, 및
    상기 정류기에 의해 정류된 출력이 자신의 드레인 바이어스(drain bias)로 인가되는 전력 증폭기
    를 포함하되,
    상기 스위칭부는 전력 발진기(power oscillator)를 포함하고,
    상기 포락선이 상기 기준 레벨을 초과하는 경우, 상기 스위칭부가 온(ON)되어 상기 전력 증폭기의 드레인 바이어스에 제1 전압이 인가되고,
    상기 포락선이 상기 기준 레벨 미만인 경우, 상기 스위칭부가 오프(OFF)되어 상기 전력 증폭기의 드레인 바이어스에 제2 전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 고효율 선형 전력 증폭 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 입력 신호의 적어도 일부를 분리하여 상기 포락선 검출기에 전달하는 커플러(coupler)
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고효율 선형 전력 증폭 시스템.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전압은 상기 제2 전압보다 큰 것을 특징으로 하는 고효율 선형 전력 증폭 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전력 증폭기의 게이트 바이어스(gate bias)의 제어가 상기 드레인 바이어스의 제어와 더불어 수행되는 것을 특징으로 하는 고효율 선형 전력 증폭 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 입력 신호는 PAPR(Peak-to-Average Power Ratio)가 기설정된 값보다 큰 신호인 것을 특징으로 하는 고효율 선형 전력 증폭 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭부 및 상기 정류기는 RF 대역에서 평면구조(planar structure)로 구현되는 것을 특징으로 하는 고효율 선형 전력 증폭 시스템.
  9. 고속 바이어스 제어를 이용하여 입력 신호를 증폭하기 위한 고효율 선형 전력 증폭 방법으로서,
    (a) 상기 입력 신호의 포락선(envelope)을 검출하는 단계,
    (b) 상기 검출된 포락선을 기설정된 기준 레벨과 비교하는 단계,
    (c) 상기 비교 결과에 따라 E급(class E) 또는 F급(class F) 스위칭부를 온(ON)/오프(OFF) 스위칭하는 단계,
    (d) 상기 스위칭부의 출력을 정류하는 단계, 및
    (e) 상기 정류된 출력을 전력 증폭기의 드레인 바이어스(drain bias)로 인가하는 단계
    를 포함하되,
    상기 스위칭부는 전력 발진기(power oscillator)를 포함하고,
    상기 포락선이 상기 기준 레벨을 초과하는 경우, 상기 스위칭부가 온(ON)되어 상기 전력 증폭기의 드레인 바이어스에 제1 전압이 인가되고,
    상기 포락선이 상기 기준 레벨 미만인 경우, 상기 스위칭부가 오프(OFF)되어 상기 전력 증폭기의 드레인 바이어스에 제2 전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 고효율 선형 전력 증폭 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 (a) 단계는,
    상기 입력 신호의 포락선을 검출하기 위하여 상기 입력 신호의 적어도 일부를 분리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고효율 선형 전력 증폭 방법.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제9항에 있어서,
    상기 제1 전압은 상기 제2 전압보다 큰 것을 특징으로 하는 고효율 선형 전력 증폭 방법.
  14. 제9항에 있어서,
    (f) 상기 드레인 바이어스의 제어와 더불어 상기 전력 증폭기의 게이트 바이어스(gate bias)의 제어를 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고효율 선형 전력 증폭 방법.
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