KR101087347B1 - 고주파 전력증폭기의 보호를 위한 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

전력증폭기(102)의 작동 및 전력증폭기(102)의 실제 소자의 보호를 위한 방법 및 장치가 제공된다. 제어회로(116)에 사용된 피크검출기(122, 322)는 문턱전압을 초과하는 첨두전압을 검출한다. 첨두전압이 검출되면, 전력증폭기(102)의 이득을 감소시킨다.

Description

고주파 전력증폭기의 보호를 위한 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR PROTECTING DEVICES IN AN RF POWER AMPLIFIER}
본 발명은 전력증폭기에 관한 것이다. 보다 자세히 말하면, 고주파(RF) 전력증폭기의 보호장치를 위한 회로에 관한 것이다.
전력증폭기가 사용된 경우, 첨두전압(peak voltage)은 작동중인 장치의 사용전압으로 제한하는 것이 바람직하다. 예를 들면, CMOS장치에서, 트랜지스터 파괴전압은 공급전압보다 약간 높은 정도이다. 고주파 전력증폭기에서, 높은 첨두전압의 원인은 부하의 부적당함, 온도상승, 장치의 진동 등을 예로 들 수 있다. 첨두전압은 장치의 실제 소자를 파손시켜서 신뢰성 문제를 일으킬 수 있다.
따라서 증폭기의 설계에서 첨두전압을 장치의 트랜지스터 파괴전압 보다 낮게 설계할 필요가 있다.
본 발명에 의한 고주파 전력증폭기의 보호회로의 구성은 다음과 같다. 전력증폭기의 출력의 첨두전압을 검출하기 위하여 전력증폭기의 출력에 연결된 피크검출기, 피크검출기 및 전력증폭기에 연결되어 전력증폭기의 이득을 제어하는 제어회로로 구성되고, 피크검출기에서 문턱전압 보다 높은 전압을 감지하면 제어회로는 전력증폭기의 이득을 감소시킨다.
한 실시예의 회로구성은 다음과 같다. 입력 및 출력을 가진 고주파 전력증폭기, 전력증폭기의 접속점의 첨두전압을 검출하기 위하여 전력증폭기에 연결된 피크검출기, 피크검출기 및 전력증폭기에 연결되어 전력증폭기의 이득을 제어하는 전력제어회로로 구성되고, 피크검출기에서 문턱전압 보다 높은 첨두전압을 검출하면 전력제어회로는 전력증폭기의 출력을 제한한다.
본 발명에 의한 또 다른 실시예의 고주파 전력증폭기의 보호 방법은 다음과 같은 단계로 구성된다. 전력증폭기의 제 1접속점에서의 첨두전압을 검출하고, 검출된 첨두전압이 문턱전압보다 높은지를 결정하고, 검출된 첨두전압이 문턱전압보다 높을 경우는 전력증폭기의 이득을 감소시킨다.
본 발명에 의한 또 다른 실시예의 고주파 전력증폭기의 제어 방법은 다음과 같은 단계로 구성된다. 고주파 전력증폭기의 출력을 검출하고, 전력증폭기의 제 1접속점에서의 첨두전압을 검출하고, 검출된 출력이 요구되는 출력수준 보다 낮고 검출된 첨두전압이 문턱전압을 초과하지 않는 경우는 전력증폭기의 이득을 증가시키고, 검출된 출력이 요구되는 출력수준 보다 높거나 검출된 첨두전압이 문턱전압을 초과한 경우는 전력증폭기의 이득을 감소시킨다.
그 밖의 본 발명의 대상, 특징 및 이점은 첨부 도면 및 후술하는 자세한 내용으로 명확히 도시되고 설명될 것이다.
첨부도면은 예로서 제시된 것이고 첨부도면의 형태에 본 발명이 제한되지는 않는다.
도 1은 전력증폭기에 사용된 본 발명에 의한 보호회로의 블록선도.
도 2는 도 1의 전력제어회로의 작동을 도시한 순서도.
도 3은 피크검출기를 도시한 도 1의 회로와 유사한 회로의 블록선도.
도 4 및 5는 본 발명이 변하는 전력에 적용되어 작동하는 것을 도시한 타이밍 선도.
*부호설명*
102 : 고주파 전력증폭기
104 : 안테나
112 : 디렉셔널 커플러(directional coupler)
RAI : 고주파 입력신호
본 실시예에 기술된 내용을 이해하기 위한 배경으로, 본 실시예는 본 발명의 하나의 전형적인 응용예를 나타낸 것이다. 본 발명의 보호기술을 이용한 전력증폭기는 무선전화기와 같은 무선 전송기에 사용 가능하다. 휴대전화와 같은 무선장비는 송수신기, 듀플렉서(antenna duplexer), 안테나를 포함한다. 고주파 전력증폭기는 안테나로 보내는 신호를 증폭하기 위하여 송수신기와 듀플렉서 사이에 연결된다. 이것은 본 발명을 이용한 전력증폭기의 하나의 응용예이다. 물론, 본 발명은 전력증폭기를 필요로 하는 다른 예에도 이용될 수 있다. 무선전화기의 경우에 본 발명은 GSM, CDMA, PCS, DCS 등과 같은 무선 시스템에 적용될 수 있다.
도 1은 전력증폭기에 사용된 본 발명에 의한 보호회로의 블록선도이다. 도 1은 전력증폭기(102) 및 전력증폭기(102)의 출력(106)에 연결된 안테나(104)를 포함하는 회로(100)를 도시한다. 변환회로망(108)은 안테나(104) 및 전력증폭기(102)의 출력(106) 사이에 연결된다. 전력증폭기(102)의 입력(110)은 고주파 입력신호(RFI)에 연결된다.
작동 중에, 전력증폭기(102)는 입력신호(RFI)를 증폭하여 안테나(104)에서 요구되는 출력전력을 얻는다. 디렉셔널 커플러(112)(directional coupler)같은 전력검출기는 출력전력을 검출한다. 디렉셔널 커플러(112)는 전력제어신호(114)를 발생시켜 전력제어회로(116)에 제공한다. 전력제어회로(116)는 요구전력(안테나(104)에서 요구되는 전력수준)에 관계된 입력신호를 받기 위한 제 1입력(118)이 있다. 요구전력수준은 휴대전화 환경에서 휴대전화와 기지국사이의 물리적 거리와 같은 다양한 요인에 달렸다. 전력제어회로(116)는 제어신호(120)를 발생시켜 전력증폭기(102)에 제공하여 전력증폭기(102)의 이득을 제어한다.
상기한 대로, 전력증폭기에서의 부하의 불일치, 온도상승, 장치의 진동 등으로 인한 첨두전압은 제한하는 것이 바람직하다. 본 발명은 피크검출기(122)를 이용하여 전력증폭기(122)의 중요한 접속점에서 첨두전압의 유무를 검출하고 피크검출신호를 발생한다. 한 피크검출기의 예는 다음과 같다. 도 1의 예와 같이, 피크검출기(122)의 입력(124)은 전력증폭기(102)의 출력(106)에 연결된다. 다른 예로, 피크 검출기가 전력증폭기(102)의 다른 중요한 접속점에 연결될 수 있다. 추가로, 피크검출기(122)(또는 다중 피크검출기)는 전력증폭기(102)의 다중 접속점에 연결되어 첨두전압을 측정할 수 있다. 피크검출기(122)의 출력(126)은 전력제어회로(116)의 입력으로 제공된다. 전력제어회로(116)는 피크검출기(122)의 출력(126)을 이용하여 위험한 첨두전압을 피하거나 최소화되도록 전력증폭기(102)를 제어한다.
도 2는 도 1의 전력제어회로의 작동을 도시한 순서도이다. 상기한 대로, 전력제어회로(116)는 세 개의 입력에 기초하여 제어신호(120)를 발생한다. 이들 입력은 전력증폭기(102)의 요구출력전력(입력 118), 검출된 출력수준(전력제어신호 114), 피크검출기(122)의 출력(126)을 포함한다. 단계(2-10)에서, 첨두전압은 피크검출기(122)에서 검출된다. 다음 단계(2-12)에서, 출력전력은 디렉셔널 커플러(112)에서 검출된다. 도 2에 도시된 순서는 본 발명의 필수요소는 아니다. 단계(2-14)에서, 검출된 출력전력(단계 2-12)이 요구전력(입력신호 118) 보다 작거나 같은지 결정한다. 검출된 전력이 요구전력보다 작거나 같으면, 단계(2-16)로 가서 검출된 첨두전압(단계 2-10)이 문턱전압(즉 최대허용전압) 보다 낮은지 결정한다. 최대허용전압은 전력증폭기(102)의 실제 소자에 나쁜 영향을 주지 않는 수준이 되게 한다. 그러나 이와 동시에 안테나(104)에 알맞은 출력전압 수준을 공급하는데 적당해야 한다. 검출된 첨두전압이 최대 허용전압 보다 낮으면 단계(2-18)로 가서 전압증폭기(102)의 이득을 증가시킨다. 도 2는 이 과정이 끝난 상태를 도시하고, 사용 중에, 이 과정은 반복될 것이다. 검출된 출력전력이 요구전력 보다 크다고 단계(2-14)에서 결정되면, 단계(2-20)로 진행하여 전력증폭기(102)의 이득을 감소시킨다. 유사하게, 검출된 첨두전압이 최대 허용전압 보다 높거나 같다고 과정(2-16)에서 결정되면, 과정(2-20)으로 진행하여 전력증폭기(102)의 이득을 감소시킨다.
일반적으로, 전력제어회로(116)는 출력신호전력이 요구전력과 일치할 때까지 전력증폭기(102)의 이득을 조정한다. 설명된 예에서, 검출된 출력전력이 요구 출력전력 보다 작으면, 전력제어회로(116)는 전력증폭기(102)의 이득을 증가시키고 검출된 출력전력이 요구 출력전력 보다 크면 감소시킨다. 그러나, 검출된 출력전력이 요구 출력전력 보다 작을 지라도, 피크검출기(122)가 첨두전압을 검출하면 전력제어회로(116)는 전력증폭기(102)의 이득을 감소시켜서 출력전력을 제한할 것이다. 이로써, 전력증폭기(102)의 실제 소자는 소자의 파괴 및 전반적인 신뢰성 문제를 일으킬 수 있는 고전압으로부터 보호된다. 전력제어회로(116)는 제어이론의 잘 알려진 다양한 아날로그 또는 디지털 기술을 사용하여 상기 알고리즘을 구현할 수 있다.
예로써, 본 발명이 CMOS를 사용하여 구현된다면, 피크 검출회로를 요망 정밀도로 설계하고 제작하는 것이 어려울 수 있다. 도 3은 피크검출기의 한 실시예를 도시한 도 1의 회로와 유사한 회로의 블록선도이다. 도 3의 블록선도에 도시된 회로는 두 개의 간단한 피크검출기 회로를 이용하고 비선형 전력증폭기에 사용될 수 있다. 도 3은 전력증폭기(102)와, 전력증폭기(102)의 출력(106)에 연결된 안테나(104)로 구성된 회로(300)를 도시한다. 변환회로망(108)은 안테나(104) 및 전력증폭기(102)의 출력(106) 사이에 연결된다. 전력증폭기(102)의 입력(110)은 고주파 입력신호(RFI)에 연결된다. 디렉셔널 커플러(112)는 전력제어회로(116)에 제공되는 전력제어신호(114)를 발생시킨다. 전력제어회로(116)는 전력증폭기(102) 및 피크검출기(322)에 연결된다.
피크검출기(322)는 제 1피크검출기(324) 및 제 2피크검출기(326)로 구성된다. 제 1피크검출기(324)에는 전력증폭기(102)의 출력(106)에 연결된 입력(328)이 있다. 도 3의 실시예에서, 입력(328)은 전력증폭기의 출력(106)과 접지점 사이에 연결된 축전기(C1 및 C2)로 형성된 분할회로에 연결된다. 물론, 다른 응용도 가능하다. 피크검출기(326)는 레퍼런스 톤(reference tone)에 연결된 입력(330)이 있다. 레퍼런스 톤은 캐리어 주파수에서 알려진 진폭을 갖는 신호로 구성될 수 있다. 또 다른 예에서, 레퍼런스 톤은 일정한 진폭의 변조신호로 구성된다(가령, 일정한 진폭과 일정한 GMSK 변조로 구성된 GSM 시스템에서의 고주파입력). 장치에 존재하는 신호로부터 레퍼런스 톤이 제공될 수도 있다. 예로서, 마지막 증폭 단계 이전에 전력증폭기(102)의 송신 신호로부터 레퍼런스 톤이 제공될 수 있다. 이러한 구현예에서, 피크검출기(324 및 326)는 쌍을 이루게 되어, 피크검출기들에 절대적인 정밀도가 요구되지 않는다. 피크검출기(322)의 출력(126)은 제 1피크검출기(324)의 출력에서 제 2 피크검출기(326)의 출력을 뺀 값으로부터 발생한다. 출력(126)은 아래의 수식으로 표현되는 피크 피드백 신호(PFB)를 제공한다.
Figure 112004006383738-pct00001
"peak_RFO"는 제 1피크검출기(324)에서 검출된 전력증폭기(102)의 출력의 첨두전압이고, "peak_tone"은 제 2피크검출기(326)에서 검출된 레퍼런스 톤의 첨두전압이다. 만약 출력(126)의 피크 피드백 신호(FBS)가 양의 값이면, 피크검출기(322)에서 검출된 첨두전압이 너무 높은 것이고 그 밖의 경우는 첨두전압이 허용되는 수 준인 것이다.
출력(126)에서의 피크 피드백 신호는 다양한 형태의 피크검출기를 사용하여 발생시킬 수 있다. 예로서, 피크검출기는 단순히 신호의 첨두전압을 검출하는 보통의 피크검출기들로 구성할 수 있다. 또 다른 예로서, 신호가 사인파 또는 구형파 등과 같이 알려진 형태이면, 각 피크검출기는 보정회로가 있는 RMS검출기의 조합으로 구성할 수 있다. 다른 예로는 첨두전압의 파형과 연관된 파형함수를 검출할 수 있는 회로로 구성할 수 있다.
전력이 제로상태에서 점진적으로 상승하는 제어방식에 본 발명이 적용될 경우, 본 발명은 전력증폭기의 출력의 첨두전압이 최대 허용전압 보다 높게 되는 것을 허용하지 않는다. 부하에 전력을 공급하기 위한 전력증폭기의 능력을 제한하여 전력증폭기의 실제 부품을 보호한다. 도 4 및 5는 본 발명을 전력이 경사로 변하는 곳에 응용한 것을 도시한 타이밍 선도이다. 도 4는 첨두전압이 최대 허용값을 넘지 않는 예이다. 도 4의 제 1선도(410)는 입력(118)에서의 요구전력신호를 도시한다. 선도(410)는 제로상태에서 경사지게 상승하여 요구전압(1W)까지 도달한다. 제 2선도(412)는 디렉셔널 커플러에서 검출된 전력을 도시한다. 이 경우에는 초과되는 첨두전압이 검출되지 않았으므로 전력이 요구 전력신호를 따라서 경사로 오르내린다.
도 5는 첨두전압이 최대 허용 첨두전압을 초과한 경우를 도시한다. 도 5의 화살표(508)는 첨두전압이 피크검출기에 검출된 지점을 나타낸다. 첨두전압이 검출되면, 전력제어회로는 이득 및 전력증폭기의 출력전력을 감소시켜서 전력증폭기의 실제 소자를 보호한다. 도시된 실시예에서, 전력증폭기의 출력에서 측정된 전력은 0.75 Watt로 감소된다.
상기의 상세한 기술과 실시예를 참조하여 본 발명이 설명된다. 청구항으로 정의된 본 발명의 사상과 관점의 범위를 벗어나지 않는 다양한 변형예가 만들어 질 수 있다. 따라서, 사양과 도면은 제한적 의미보다는 예시적 의미로 이해되어야 한다.
본 발명은 첨두전압을 장치의 실제 소자의 파괴전압 보다 낮게 설계할 필요가 있는 셀룰라 같은 무선전화기 및 GSM, CDMA, PCS, DCS 등과 같은 무선시스템의 전력증폭기에 이용 가능하다.

Claims (24)

  1. 입력 및 출력이 있는 고주파 전력증폭기;
    고주파 전력증폭기의 출력 전력을 검출하기 위해 고주파 전력증폭기의 출력에 연결된 전력검출기;
    전력증폭기의 접속점에서 첨두전압을 검출하기 위하여 전력증폭기에 연결된 피크검출기로서, 여기서 전력증폭기의 접속점은 전력증폭기의 출력과 다른 접속점이고, 상기 피크검출기는 전력증폭기의 접속점에 연결되는 입력을 가지는 제 1 피크검출기와, 레퍼런스 톤(reference tone)에 연결되는 입력을 가지는 제 2 피크검출기로 구성되는 것을 특징으로 하는 피크검출기; 및
    전력증폭기의 이득을 제어하기 위하여 피크검출기 및 전력증폭기에 연결되어, 피크검출기가 문턱전압보다 높은 첨두전압을 검출하면, 전력증폭기의 출력전력을 제한하는 전력제어회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 회로.
  2. 제 1항에 있어서, 제 1 및 제 2 피크검출기가 쌍으로 이루어진 피크검출기인 것을 특징으로 하는 회로.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서, 전력증폭기의 출력전력을 검출하기 위하여 전력증폭기의 출력에, 그리고, 전력제어회로에 전력검출기가 연결되는 것을 특징으로 하는 회로.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 전력증폭기의 출력전력을 검출하는 단계;
    전력증폭기의 제 1 접속점에 제 1 피크검출기의 입력을 연결하고 레퍼런스 톤에 제 2 피크 검출기의 입력을 연결함으로써 전력증폭기의 제 1 접속점에서의 첨두전압을 검출하는 단계로서, 전력증폭기의 제 1 접속점은 전력증폭기의 출력과 다른 접속접인 것이 특징인 검출하는 단계;
    검출된 출력전력이 요구 출력전력 수준 보다 작고 검출된 첨두전압이 문턱전압을 초과하지 않으면, 전력증폭기의 이득을 증가시키는 단계; 및
    검출된 출력전력이 요구 출력전력 수준 보다 크거나, 검출된 첨두전압이 문턱전압을 초과하면, 전력증폭기의 이득을 감소시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고주파 전력증폭기 제어 방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 첨두전압을 검출하는 단계가, 제 1, 2 피크 검출기의 출력들을 결합시키는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 고주파 전력증폭기 제어 방법.
  13. 제 11 항에 있어서, 제 1, 2 피크검출기가 쌍을 이룬 것을 특징으로 하는 고주파 전력증폭기 제어 방법.
  14. 고주파 전력증폭기의 소자를 보호하는 방법에 있어서,
    전력증폭기의 출력전력을 검출하는 단계;
    전력증폭기의 제 1 접속점에서 전압을 검출하는 단계로서, 전력증폭기의 제 1 접속점은 전력증폭기의 출력과 다른 접속점인, 검출하는 단계;
    전력증폭기의 제 1 접속점에서 검출된 전압과 검출 기준 전압을 비교하는 단계;
    제 1 접속점에서 검출된 전압이 문턱전압보다 높은 지를 결정하는 단계,
    제 1 접속점에서 검출된 전압이 문턱전압보다 높을 경우, 전력증폭기의 이득을 감소시키는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 고주파 전력증폭기의 소자를 보호하는 방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 검출된 출력전력이 요구 전력 수준보다 작고 제 1 접속점에서 검출된 전압이 문턱 전압보다 낮을 경우, 전력증폭기의 이득이 증가하는 것을 특징으로 하는 고주파 전력증폭기의 소자를 보호하는 방법.
  16. 제 14 항에 있어서, 검출되는 출력전력이 요구 전력 수준보다 크거나, 제 1 접속점에서 검출되는 전압이 문턱전압보다 높을 경우, 전력증폭기의 이득이 감소하는 것을 특징으로 하는 고주파 전력증폭기의 소자를 보호하는 방법.
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 삭제
  21. 삭제
  22. 삭제
  23. 삭제
  24. 삭제
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