KR101091706B1 - 다중대역 클래스-이 전력증폭기 - Google Patents

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KR101091706B1 KR1020100082707A KR20100082707A KR101091706B1 KR 101091706 B1 KR101091706 B1 KR 101091706B1 KR 1020100082707 A KR1020100082707 A KR 1020100082707A KR 20100082707 A KR20100082707 A KR 20100082707A KR 101091706 B1 KR101091706 B1 KR 101091706B1
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김기영
김우영
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Abstract

본 발명은 무선 단말기용 다중대역 E급 전력증폭기에 관한 것으로서, 다량의 매칭용 소자, 외부적인 스위치, 추가적인 직류 전원장치 등을 사용하지 않고 전력증폭기 트랜지스터 자체의 기생 캐패시턴스를 스위칭 캐패시터와 병렬 대역통과필터의 캐패시턴스로 활용하여 주파수 가변성을 확보하는 다중대역 E급 전력증폭기에 관한 것이다.
본 발명의 구성은, 트랜지스터가 캐스코오드(cascode) 구조로 된 전력증폭기 셀(cell)과 다중 대역을 만족시키기 위하여 사용 주파수 대역에 따라 가변적 특성을 갖는 대역통과필터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

다중대역 클래스-이 전력증폭기 { Multi-band Class-E power amplifier for a wireless terminal}
본 발명은 무선 단말기용 다중대역 E-급(Class E) 전력증폭기에 관한 것으로서, 상세하게는 다량의 매칭용 소자, 외부적인 스위치, 추가적인 직류 전원장치 등을 사용하지 않고 전력증폭기 트랜지스터 자체의 기생 캐패시턴스를 스위칭 캐패시터와 병렬 대역통과필터의 캐패시턴스로 활용하여 주파수 가변성을 확보하는 다중대역 E-급 전력증폭기에 관한 것이다.
무선 통신 기술의 발달로 다양한 주파수 대역에서 다양한 서비스가 제공되고 있는 실정이지만, 이용자 입장에서는 1대의 통합단말기로 다양한 서비스를 제공받고 싶기 때문에, 다중대역, 다중표준 및 다중서비스를 동시에 수용할 수 있는 송수신기가 필연적이다.
베이스밴드와 아날로그 회로의 경우 단일 칩을 이용한 다중대역 송수신기 구조가 큰 문제없이 구현되어 왔지만, RF 회로 특히, 전력증폭기에서는 다중대역을 사용할 경우 주파수에 따른 출력전력 정합 최적화와 고조파 성분 제거 등의 어려움이 있다.
기존의 대부분의 다중대역 전력증폭기는 원하는 주파수만큼 전력증폭기를 여러 개 구현하여 병렬로 연결한 후 필요할 때 원하는 전력증폭기만을 전원을 가하여 사용하는 형태였다. 예를 들어 0.9GHz의 GSM과 1.8GHz의 DCS 대역의 주파수를 동시에 사용하는 이중대역 전력증폭기를 구현하기 위해서 각각의 전력증폭기를 제작한 후 병렬로 연결하는 방법을 사용하는데, 사용 주파수가 3중대역 혹은 4중대역으로 갈수록 칩 크기와 전체 모듈 크기가 증가하는 문제가 있다. 또한 최근 SDR (software-defined radio)가 이슈가 되면서 주파수에 관계없이 하나의 송신기 시스템을 사용하려는 노력이 커지게 되었고, 전력증폭기뿐만 아니라 입력과 출력단자 또한 하나로 구현하려는 추세로 변화되고 있다. 이러한 다중대역 시스템에서는 더 이상 병렬구조의 전력증폭기 형태가 사용될 수 없게 되었다.
최근 하나의 전력증폭기를 사용하면서 주파수 가변 특성을 만족시킬 수 있는 연구 결과들이 발표되어 왔다. 가변용량 다이오드(varactor)를 이용한 가변 정합회로(특허문헌1-3 및 비특허문헌1), MEMS(MicroElectroMechanical Systems)를 이용한 가변 정합회로(비특허문헌2), 스위치를 이용한 가변 정합회로(비특허문헌3) 등이 있다. 이 회로들은 하나의 전력증폭기를 사용하면서 훌륭한 성능을 보여주고 있지만, 각각 단점을 가지게 된다.
우선 varactor 와 MEMS 등을 이용하여 캐패시턴스 혹은 인덕턱스를 변화시키게 되는데 단순히 하나의 소자들의 변화가 아닌 여러 개의 추가적인 소자들을 필요로 하게 되며, 단일대역 전력증폭기의 경우에 비해 2~3배 이상의 소자들이 사용되고, 이러한 캐패시터와 인덕터의 추가는 결국 전력증폭기 트랜지스터 셀의 크기와 유사할 정도의 칩 사이즈 증가를 초래할 수 있다. 또한 전력증폭기의 전원공급 이외에 varactor 와 MEMS 등을 구동시키기 위한 추가적인 공급전원이 필요하다는 단점을 가지게 되며, 주파수 대역이 증가할수록 복잡한 DC 공급원을 구현해야 한다.
마지막으로 스위치를 사용하였을 경우에는 신호의 손실을 가져올 수 있다. 스위치의 성능이 아무리 좋아도 출력정합에 직렬로 연결되는 스위치의 경우는 전력증폭기의 트랜지스터 개수와 동일하지 않은 이상 수 dB의 신호의 삽입손실을 가져오게 된다. 병렬로 연결될 경우는 스위치가 꺼져 있을 때 무한대의 임피던스를 얻지 못하게 되어 신호의 누설을 가져오게 된다.
1. 공개특허 제2010-0052369호(2010.05.19.) 2. 미국특허공보 제6236274호(2001.05.22.) 3. 일본공개특허 평5-291842호(1993.11.05.)
1. W.C. Edmund Neo, et al., "Adaptive Multi-Band Multi-Mode Power Amplifier Using Integrated Varactor-Based Tunable Matching Networks," IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 41, no. 9, pp. 2166- 2176, Sep. 2006. 2. A. Fukuda, et al., "A Novel Reconfigurable Quad-band Power Amplifier with Reconfigurable Biasing Network and LTCC Substrates," IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig., Jun. 2008, pp. 867-870. 3. C. Zhang and A.E. Fathy, "A Novel Reconfigurable Power Amplifier Structure for Multi-Band and Multi-Mode Portable Wireless Applications using a Reconfigurable Die and a Switchable Output Matching Network," IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig., Jun. 2009, pp 913-916.
본 발명에서는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 추가적인 스위치, 추가적인 정합 소자 또는 외부적인 DC전원의 추가사용 없이 전력증폭기의 트랜지스터 셀 자체를 정합회로로 이용하여 주파수 가변특성을 갖는 다중대역 Class E 전력증폭기를 제공하고자 한다.
상기의 해결하려는 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 무선 단말기용 고효율 E-급 다중대역 전력증폭기의 구성은, 트랜지스터가 캐스코오드(cascode) 구조로 된 전력증폭기 셀(cell)과 다중 대역을 만족시키기 위하여 사용 주파수 대역에 따라 가변적 특성을 갖는 대역통과필터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 전력증폭기 셀은 병렬로 복수 개 구성된 것을 특징으로 하고, 대역통과필터는 인덕터와 전력증폭기 셀 트랜지스터의 기생 캐패시터를 이용한 것을 특징으로 한다.
또한, 복수 개(M+N개)의 전력증폭기 셀 중 일부(M개)는 켜고(on) 나머지(N개)는 꺼서(off) 사용 주파수 대역에서 대역통과 특성을 충족하는 것을 특징으로 한다.
또한, 통합 기생 캐패시턴스 값(CT)은 켜진 하나의 전력증폭기 셀의 캐패시턴스(CON)에 켜진 개수(MON)를 곱하고 꺼진 하나의 전력증폭기 셀의 캐패시턴스(COFF)에 꺼진 개수(NOFF)를 곱하여 더한 값(
Figure 112010055059380-pat00001
)을 특징으로 한다.
또한, 상기 대역통과필터의 캐패시턴스 값은 상기 통합 기생 캐패시턴스(CT)값의 일부를 이용한 것을 특징으로 한다.
또한, 전력증폭기 셀의 on과 off는 게이트 바이어스에 의하여 제어되고, 입력정합의 켜진 전력증폭기 셀의 개수와 꺼진 전력증폭기 셀의 개수는 각각 출력정합과 동일한 것을 특징으로 한다.
한편, 무선 단말기용 고효율 E-급 다중대역 전력증폭기 설계방법은, 트랜지스터가 캐스코오드(cascode) 구조로 된 전력증폭기 셀(cell)을 병렬로 복수 개 배치하고, 다중 대역을 만족시키기 위하여 사용 주파수 대역에 따라 가변적 특성을 갖는 대역통과필터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서는 트랜지스터의 turn-on과 turn-off시 정전용량의 가변성을 이용하여 효율이 높은 E-급 다중대역 전력증폭기를 제공함으로써 정포락선 통신이 아닌(non-constant envelope) WCDMA 와 WLAN 등과 같은 극성(Polar) 송신기 시스템에 적용할 수 있다.
도 1은 이상적인 병렬공진 E-급 전력증폭기의 출력 회로도이다.
도 2는 각 사용주파수에서 요구되는 스위칭 캐패시터와 통합 캐패시터 값을 표시한 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 통합 캐패시터를 구현하기 위한 출력 측 E-급 전력증폭기 셀을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 통합 캐패시터를 구현하기 위한 입력 측 E-급 전력증폭기 셀을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 다중대역 E-급 전력증폭기 전체 구조를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일실시예로 제작한 E-급 전력증폭기 사진이다.
도 7은 본 발명에 따라 제작한 E-급 전력증폭기의 입력정합도를 측정한 것이다.
도 8은 본 발명에 따라 제작한 E-급 전력증폭기의 출력전력과 효율을 1.9GHz와 2.3GHz에서 측정한 결과이다.
도 9는 본 발명에 따라 제작한 E-급 전력증폭기의 출력전력과 효율을 2.6GHz와 3.5GHz에서 측정한 결과이다.
이하 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 도면을 참고하여 설명한다. 예시된 도면은 발명의 명확성을 위하여 핵심적인 내용만 확대 도시하고 부수적인 것은 생략하였으므로 도면에 한정하여 이해하여서는 아니 된다.
도 1은 이상적인 병렬공진을 이용한 Class E 전력증폭기의 개략적인 구조이다. 도 1에서 보여주는 바와 같이 기본적인 Class E 전력증폭기는 전력증폭기 스위치(20), 스위칭 캐패시터(30), 대역통과필터(40) 그리고 부하저항 RL(50)로 이루어져 있다. RF 초크(choke) 역할을 하는 인덕터 L1(10)이 유한한 값을 가질 때 C1, C2, L2 와 공진주파수 ω는 아래 수학식1과 같은 관계를 가진다.
Figure 112010055059380-pat00002
기존의 Class E 전력증폭기 구조는 대역통과 필터를 구현할 때 직렬공진을 이용하여 고조파 성분을 제거하지만, 본 발명에서는 주파수 가변적 특성을 얻기 위해 C1과 C2를 등가적으로 하나의 통합된 캐패시턴스로 대신할 수 있는 병렬공진 회로 사용한다. L1(10)은 RF 초크 인덕터이며 C1(20)은 스위칭용 캐패시터이다. L2와 C2는 병렬 공진회로를 구성하며 다중대역을 만족시키기 위해서는 이 값들이 가변적 특성을 가져야 한다.
도 2는 각 주파수에서 Class E로 동작하기 위해 필요한 C1, C1+C2 그리고 L2 값을 보여주고 있다. 도 2에서 X축은 동작주파수((1.9GHz ~ 3.5GHz) 대역을 나타내고 왼쪽 Y축은 C1, C1+C2의 정전용량(pF)를 오른쪽 Y축은 L2의 인덕턴스(nH)를 나타내고 원으로 표시한 부분의 화살표는 Y축 방향을 나타낸다. 주파수에 따라 L2-C2공진회로의 값이 변화되어야 하는데, L2를 고정한 상태에서 C2만의 변화로 이를 만족시킬 수 있으며 C1과 C2는 병렬 연결이므로 등가적으로 하나의 가변 통합 기생 캐패시턴스(CT)로 표현할 수 있다.
C2의 변화는 전력증폭기 트랜지스터의 on/off시 발생하는 통합 기생 캐패시턴스(CT) 변화를 이용할 수 있다. 즉, 통합 캐패시턴스(CT)는 C1과 C2값의 합에 해당하므로 수학식1에 맞도록 C1과 C2값으로 적절하게 분배하여 사용할 수 있다. L1 과 L2의 경우 L1 은 RF 초크로서 L2 보다 매우 큰 값을 사용하게 되며 이를 하나의 통합된 인덕턴스로 표현했을 때 그 값을 LT 라 하면 L2 값에 근사하게 된다. 결과적으로 일정한 값의 인덕턴스(LT)를 사용하면서도 C1과 C2값의 적절한 변화를 이용하여 다중대역의 Class E 전력증폭기 구조를 가져갈 수 있게 된다.
Figure 112010055059380-pat00003
도 3은 본 발명에서 제안한 Class E 동작을 다중대역에서 만족시키기 위한 출력정합쪽의 전력증폭기 셀들을 보여주고 있다. 개별적인 캐스코오드(cascode) 구조의 전력증폭기 셀들이 다수 개 존재하며 총 주파수에 따라 Mon 개의 전력증폭기 셀이 켜지며 NOFF 개의 전력증폭기 셀이 꺼지게 된다. 각 전력증폭기 셀들의 기생 캐패시턴스들은 FET의 게이트-드레인 캐패시턴스 (CGD)와 드레인-소오스 캐패시턴스 (CDS)로 이루어져 있으며, 이는 각 트랜지스터가 turn-on 되거나 turn-off 되느냐에 따라 그 값이 달라진다. 전체 셀들이 드레인을 바라보는 출력 통합 캐패시턴스를 CO라고 할 때 수학식3과 같다.
Figure 112010055059380-pat00004
MON·CO _ ON는 M개의 FET가 turn-on 되었을 때의 기생 캐패시턴스이며, NOFF·CO _ OFF 는 N개의 FET가 turn-off 되었을 때의 기생 캐패시턴스이다. 여기서 M, N은 정수로서 사용 대역 주파수에 따라 on과 off의 개수는 달라지는 것을 의미한다. 출력 통합 캐패시턴스(CO)가 도 1에서의 C1+C2 값과 일치하게 된다면 동작주파수에 맞게 Class E 전력증폭기로서 동작할 수 있게 된다.
마찬가지로, 도 4에서 다중대역의 입력 임피던스를 최적화하기 위한 전력증폭기 셀들을 보여주고 있다. 이때 MON 값과 NOFF 값은 출력정합에서와 같은 개수를 사용하게 된다. 도 3과 같은 원리로 MON 개의 전력증폭기 셀이 켜지며 NOFF 개의 전력증폭기 셀이 꺼지게 되면 전체 입력 통합 캐패시턴스(CI)는 MON·CI _ ON + NOFF·CI _ OFF로 표현되며, 이값의 변화와 바이어싱 인덕터 LON에 의해 입력 임피던스를 주파수에 맞게 최적화할 수 있다.
결론적으로 통합 기생 캐패시턴스(CT)는 입력과 출력 모두 수학식4와 같이 표현할 수 있다.
Figure 112010055059380-pat00005
여기서, 캐스코오드 트랜지스터 전력증폭기 셀의 총 개수는 MON+NOFF 개이며 이중 MON 개는 켜진 것이고 NOFF 개는 꺼진 것이다.
도 5는 본 발명에서 제안한 다중대역 전력증폭기의 전체 구조를 보여주고 있다. 다중대역의 일실시예로 무선통신에서 실제 사용되는 WCDMA(1.95GHz), Wibro(2.3GHz), WiMAX(2.6/3.5GHz)의 4가지 주파수를 만족시키는 전력증폭기를 구현하였다. 각 주파수에 따라 사용되는 게이트 전압 VG1~VG4의 on/off 유무와 LON 과 MON 값은 도 6에 정리되어 있다. 예를 들어 WiMax 2.6 GHz대역의 E-급 전력증폭기는 표 1에서 보여주는 바와 같이 게이트 VG1 ,VG2 , VG3를 on 시키고 VG4만 off 시키며 이때 turn-on 된 셀의 개수는 총 768개 중 576개이다.
Frequency 1.9GHz 2.3GHz 2.6GHz 3.5GHz
VG1 On On On On
VG2 Off On On On
VG3 Off Off On On
VG4 Off Off Off On
LON 2.2nH 1.2nH 0.9nH 0.5nH
MON 384 544 576 768
도 6은 제안한 전력증폭기를 MMIC 칩으로 구현한 사진이다. 사용된 소자기술은 0.18um CMOS 기술이고 단위 트랜지스터(FET)의 게이트 폭은 8um이다. 총 칩 크기는 4중대역을 만족시키면서 0.92x1.75mm2의 작은 값을 갖으며, 총 768 개의 cascode 전력증폭기 셀이 주파수에 따라 그룹화되어 있다.
도 7은 본 발명에 따라 제작한 전력증폭기의 측정된 입력 반사계수(S11) 값을 보여주고 있다. 1.95GHz, 2.3GHz, 2.6GHz, 3.5GHz 4개의 주파수 대역에서 -10dB 이하의 입력 반사계수를 보여주고 있어 입력 정합이 잘 되어 있음을 보여준다.
도 8과 도 9는 본 발명에 따라 제작한 전력증폭기의 측정된 출력전력과 효율을 보여주고 있다. 1.9GHz, 2.3GHz, 2.6GHz, 3.5GHz에서 각각 24.2dBm, 23.8dBm, 23.4dBm, 20.5dBm 의 출력전력을 보이고 있으며, 각각 48.2%, 44.3%, 40.9%, 35.6%의 효율을 보여주고 있다.
10: 초크 인덕터 20: 스위치
30: 스위칭 캐패시터 40: 대역 통과필터
50: 부하저항

Claims (16)

  1. 무선 단말기용 고효율 E-급 다중대역 전력증폭기에 있어서,
    트랜지스터가 캐스코오드(cascode) 구조로 된 전력증폭기 셀(cell)과
    다중 대역을 만족시키기 위하여 인덕터와 전력증폭기 셀 트랜지스터의 기생 캐패시터를 이용하여 사용 주파수 대역에 따라 가변적 특성을 갖는 대역통과필터를 포함하는 E-급 다중대역 전력증폭기
  2. 제1항에 있어서, 상기 전력증폭기 셀은 병렬로 복수 개 구성된 것을 특징으로 하는 E-급 다중대역 전력증폭기
  3. 삭제
  4. 제2항에 있어서, 복수 개(M+N개)의 전력증폭기 셀 중 일부(M개)는 켜고(on) 나머지(N개)는 꺼서(off) 사용 주파수 대역에서 대역통과 특성을 충족하는 것을 특징으로 하는 E-급 다중대역 전력증폭기
  5. 제4항에 있어서, 통합 기생 캐패시턴스 값(CT)은 켜진 하나의 전력증폭기 셀의 캐패시턴스(CON)에 켜진 개수(MON)를 곱하고 꺼진 하나의 전력증폭기 셀의 캐패시턴스(COFF)에 꺼진 개수(NOFF)를 곱하여 더한 값(
    Figure 112010055059380-pat00006
    )으로 하는 것을 특징으로 하는 E-급 다중대역 전력증폭기
  6. 제5항에 있어서, 상기 대역통과필터의 캐패시턴스 값은 상기 통합 기생 캐패시턴스(CT)값의 일부를 이용한 것을 특징으로 하는 E-급 다중대역 전력증폭기
  7. 제4항에 있어서, 전력증폭기 셀의 켜짐과 꺼짐은 게이트 바이어스에 의하여 제어되는 것을 특징으로 하는 E-급 다중대역 전력증폭기
  8. 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 입력정합의 켜진 전력증폭기 셀의 개수와 꺼진 전력증폭기 셀의 개수는 각각 출력정합과 동일한 것을 특징으로 하는 E-급 다중대역 전력증폭기
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서 사용 주파수 대역은 1.9GHz, 2.3GHz, 2.6GHz, 3.5GHz의 4중대역임을 특징으로 하는 E-급 다중대역 전력증폭기
  10. 무선 단말기용 고효율 E-급 다중대역 전력증폭기 설계방법에 있어서,
    트랜지스터가 캐스코오드(cascode) 구조로 된 전력증폭기 셀(cell)을 병렬로 복수 개 배치하고,
    다중 대역을 만족시키기 위하여 인덕터와 전력증폭기 셀 트랜지스터의 기생 캐패시터를 이용하여 사용 주파수 대역에 따라 가변적 특성을 갖는 대역통과필터를 포함하는 E-급 다중대역 전력증폭기 설계방법
  11. 삭제
  12. 제10항에 있어서, 복수 개(M+N개)의 전력증폭기 셀 중 일부(M개)는 켜고(on) 나머지(N개)는 꺼서(off) 사용 주파수 대역에서 대역통과 특성을 충족하는 것을 특징으로 하는 E-급 다중대역 전력증폭기 설계방법
  13. 제12항에 있어서, 통합 기생 캐패시턴스 값(CT)은 켜진 하나의 전력증폭기 셀의 캐패시턴스(CON)에 켜진 개수(MON)를 곱하고 꺼진 하나의 전력증폭기 셀의 캐패시턴스(COFF)에 꺼진 개수(NOFF)를 곱하여 더한 값(
    Figure 112010055059380-pat00007
    )인 것을 특징으로 하는 E-급 다중대역 전력증폭기 설계방법
  14. 제13항에 있어서, 상기 대역통과필터의 캐패시턴스 값은 상기 통합 기생 캐패시턴스(CT)값의 일부를 이용한 것을 특징으로 하는 E-급 다중대역 전력증폭기 설계방법
  15. 제12항에 있어서, 전력증폭기 셀의 켜짐과 꺼짐은 게이트 바이어스에 의하여 제어되는 것을 특징으로 하는 E-급 다중대역 전력증폭기 설계방법
  16. 제12항 또는 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 입력정합의 켜진 전력증폭기 셀의 개수와 꺼진 전력증폭기 셀의 개수는 각각 출력정합과 동일한 것을 특징으로 하는 E-급 다중대역 전력증폭기 설계방법
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CN107681987A (zh) * 2017-10-12 2018-02-09 宁波德晶元科技有限公司 一种逆e类功率放大电路
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