KR101124055B1 - 분산 파워 제어 기능을 갖는 전력 증폭기 - Google Patents

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Abstract

분산 파워 제어가 가능한 전력 증폭 시스템 및 방법이 제공된다. 상기 시스템은, 상기 전력 증폭 시스템은, 복수의 단위 전력 증폭기; 상기 복수의 단위 전력 증폭기 각각의 적어도 하나의 출력 포트에 각각 연결되는 복수의 1차 권선; 상기 복수의 1차 권선에 유도결합되며 전체 출력을 제공하는 2차 권선; 상기 복수의 단위 전력 증폭기 중 적어도 하나의 출력 파워 레벨의 적어도 일부에 따라 바이어스 전압을 각각 제공하는 바이어스 제어기; 및 각각의 제어 신호를 통해 상기 복수의 단위 전력 증폭기의 적어도 일부를 활성화 또는 비활성화시키는 스위치 제어기를 포함할 수 있다.
분산, 파워, 제어, 스위치, 전력 증폭기, 트랜스포머, 권선

Description

분산 파워 제어 기능을 갖는 전력 증폭기{POWER AMPLIFIER WITH DISCRETE POWER CONTROL}
본 발명은 일반적으로 전력 증폭기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 바이어스 적응 및 병렬 결합된 다중 1차 권선 트랜스포머를 이용한 분산 파워 제어 기능을 갖는 전력 증폭기에 관한 것이다.
무선 통신의 사용 및 의존도가 증가함에 따라 무선 트랜시버의 비용 절감이 요구되고 있다. 구현 형태의 관점에서, 고주파 전력 증폭기와 같은 프론트-엔드 모듈을 포함하는 상보형 금속 산화물 반도체(CMOS)를 갖는 단일 무선 칩은 전형적인 전력 증폭기를 포함하는 통상의 부품들에 비해 더 높은 비용-효율적인 해결책이 되고 있다. 그러나 CMOS 소자의 특성으로 인해, CMOS 전력 증폭기의 예상 효율을 일반적으로 Ⅲ-Ⅴ족 HBT 전력 증폭기와 같은 전형적인 전력 증폭기에 비해 일반적으로 더 낮은 수준이다. 높은 피크 대 평균 전력비를 갖는 높은 데이터율의 변조에서 무선 통신 장치의 동작이 증가함으로써 전력 증폭기가 1-dB 압축 포인트 이하의 파워 백오프(power back-off)에서 동작할 것이 요구되고 있다. 더하여, 고정된 바이 어스 제어 방식을 이용하는 경우, 파워 백오프 레벨에서 동작하는 전형적인 전력 증폭기의 효율이 저하되고 출력 파워가 감소하게 된다.
본 발명은 분산된 파워 제어 기술을 적용함으로써 출력 파워의 효율이 개선된 전력 증폭기 시스템을 제공함을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명은, 적어도 하나의 출력 포트, 적어도 하나의 바이어스 제어 포트 및 적어도 하나의 스위치 제어 포트를 각각 포함하는 복수의 단위 전력 증폭기를 포함하는 전력 증폭 시스템을 제공한다. 상기 바이어스 제어 포트 및 상기 스위치 제어 포트는 출력 파워의 레벨에 의해 제어될 수 있으며 각 단위 전력 증폭기로 제공되는 직류 전원 전류를 감소시킴으로써 파워 백오프에서의 효율을 향상시킬 수 있다. 본 발명의 전력 증폭 시스템은 병렬배치된 복수의 1차 권선과 상기 복수의 1차 권선에 유도결합된 단일 2차 권선을 더 포함할 수 있다. 상기 복수의 1차 권선은 상기 복수의 단위 전력 증폭기의 적어도 하나의 출력 포트에 각각 연결된다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로서, 본 발명은, 적어도 하나의 출력 포트, 적어도 하나의 바이어스 제어 포트 및 적어도 하나의 스위치 제어 포트를 각각 포함하는 복수의 단위 전력 증폭기; 상기 복수의 단위 전력 증폭기 각각의 상기 적어도 하나의 출력 포트에 각각 연결되는 복수의 1차 권선; 상기 복수의 1차 권선에 유도결합되며 전체 출력을 제공하는 2차 권선; 상기 적어도 하나의 바이어스 제어 포트를 통해 상기 복수의 단위 전력 증폭기 중 적어도 하나의 출력 파워 레벨의 적어도 일부에 따라 바이어스 전압을 제공하는 바이어스 제어기; 및 상기 스위치 제어 포트에 각각 제어 신호를 제공함으로써 상기 복수의 단위 전력 증폭기의 적어도 일부를 활성화 또는 비활성화시키는 스위치 제어기를 포함하는 전력 증폭 시스템을 제공한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 또 다른 수단으로서, 본 발명은, 입력포트, 출력 포트, 바이어스 제어 포트 및 스위치 제어 포트를 각각 포함하는 복수의 단위 전력 증폭기; 상기 복수의 단위 전력 증폭기의 출력 포트에 각각 연결되는 복수의 1차 권선 및 상기 복수의 1차 권선에 유도결합되는 단일 2차 권선을 포함하는 트랜스포머; 및 상기 복수의 단위 전력 증폭기 각각을 바이어스하고 활성화하는 적어도 하나의 제어기를 포함하며, 상기 복수의 단위 전력 증폭기 중 적어도 하나의 활성화된 단위 전력 증폭기의 출력은 각각 상기 1차 권선에 제공되며, 상기 1차 권선은 전체 출력을 제공하도록 상기 2차 권선에 전압을 유도하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭 시스템을 제공한다.
본 발명에 따르면, 파워 백오프(back-off) 레벨에서 동작하는 전력 증폭기로부터 출력된 출력 파워의 효율을 향상시킬 수 있으며, 이를 통해 모바일 장치(예를 들어, 이동 전화, 라디오, 페이져, 랩탑 컴퓨터, 핸드헬드 컴퓨터, PDA 등)와 같은 장치의 직류 전력 전원의 낭비를 감소시키고 배터리 수명을 연장할 수 있는 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 기술할 것이다. 이하의 설명에서 본 발명의 모든 실시형태가 개시되는 것은 아니다. 본 발명은 매우 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에 개시되는 실시형태에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시형태들은 출원을 위한 법적 요구사항들을 충족시키기 위해 제공되는 것이다. 동일한 구성요소에는 전체적으로 동일한 참조부호가 사용된다.
본 발명의 실시형태들은 분산 파워 전력 증폭 시스템 및 이러한 전력 증폭 시스템을 제공하고 이용하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일실시형태에서, 전력 증폭 시스템의 출력 파워 제어는 부하에 대한 바이어스 적응 및 적어도 하나의 전력 증폭기에 대해 병렬로 연결된 다중 1차 권선 트랜스포머를 이용하여 제공될 수 있다. 본 명세서에 기술된 전력 증폭기 소자 및 이들의 이용방법은 파워 백오프(back-off) 레벨에서 동작하는 전력 증폭기로부터 출력된 출력 파워의 효율을 향상시킬 수 있으며, 이를 통해 모바일 장치(예를 들어, 이동 전화, 라디오, 페이져, 랩탑 컴퓨터, 핸드헬드 컴퓨터, PDA 등)와 같은 장치의 직류 전력 전원의 낭비를 감소시키고 배터리 수명을 연장할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시형태에 따른 전력 증폭 시스템의 블록도이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 전력 증폭 시스템(100)은 입력 매칭 요소(101), 드라이버 증폭기(102), 인터스테이지 매칭 요소(103), 바이어스 제어기(104), 스위치 제어기(105), 단위 전력 증폭기(106, 107 및 108) 및 출력 매칭 요소(113)를 포함할 수 있다. 본 발명의 일실시형태에 따르면 출력 매칭 요소(113)에서, 1차 권선(109, 110 및 111)은 단일 2차 권선(112)에 유도 결합될 수 있다. 본 발명의 범위 내에서 도 1에 도시된 전력 증폭 시스템에 대한 부가적이 요소 또는 변형 요소들이 이용될 수 있음이 인지되어야 할 것이다.
계속 도 1을 참조하면, 단위 전력 증폭기(106, 107 및 108)의 바이어스 제어 포트 및/또는 스위치 제어 포트는, 전력 증폭 시스템(100)의 출력 파워 레벨의 적어도 일부에 따라 바이어스 제어기(104) 및 스위치 제어기(105)에 의해 각각 제어될 수 있으며, 이를 통해 단위 전력 증폭기(106, 107 및 108) 각각에 대한 직류 전원 전류를 감소시킴으로써 전력 백오프 레벨에서 효율을 향상시킬 수 있다. 도 1에 도시된 본 발명의 일실시형태에서, 단위 전력 증폭기(106, 107 및 108)를 선택적으로 활성화 및 비활성화함으로써, 세 가지 모드의 동작이 가능하다. 본 명세서에서, 이 세 가지 모드를 (ⅰ) PA1("저전력 동작 모드"), (ⅱ) PA1+PA2("중간 전력 동작 모드"), 및 (ⅲ) PA1+PA2+PA3("고전력 동작 모드")로 지칭하기로 한다. 본 발명의 일실시형태에 따르면, 각 모드는 각각의 출력 파워 범위와 관련된다. 예를 들어, 고전력 동작 모드에 대해서는 높은 출력 파워 범위가 나타나고, 중간 전력 동작 모드에서는 중간 출력 파워 범위가 나타나며, 저전력 동작 모드에서는 낮은 출력 파워 범위가 나타난다.
고전력 동작시(높은 출력 파워 범위를 위해), 최대 가용 출력 파워를 생성하기 위해 스위치 제어기(105)는 각 스위치 제어 포트를 통해 세 개의 단위 전력 증폭기(106, 107 및 108)를 모두 활성화하여 PA1+PA2+PA3의 모드가 실행될 수 있다. 이와 유사하게, 바이어스 제어기(104)는 각각의 바이어스 제어 포트를 통해 단위 전력 증폭기(106, 107 및 108)로 도 4a 및 4b에 도시된 것과 같은 적절한 바이어스 전압을 제공할 수 있다. 특히, 단위 전력 증폭기(106, 107 및 108)의 출력은 단일 제2 권선(112)에 유도 결합된 제1 권선(109, 110 및 111)으로 각각 제공되고, 제2 권선(112)은 세 개의 제1 권선(109, 110 및 111)에 의해 유도된 전압/전류를 결합하여 최대 가용 출력 파워를 제공할 수 있다.
출력 파워를 전력 백오프 범위(즉, 중간 출력 파워 범위)로 감소시키고자 하는 경우, 중간 전력 작동이 바람직하며, 모드는 PA1+PA2 모드로 전환될 수 있다. 이때, 스위치 제어기(105)는 각각의 바이어스 스위치 제어 포트를 통해 단위 전력 증폭기(108)를 비활성화시키고, 두 개의 단위 전력 증폭기(106, 107)를 활성화 상태로 유지한다. 이와 유사하게, 바이어스 제어기(104)는 각각의 바이어스 제어 포트를 통해 단위 전력 증폭기(106, 107)에 적절한 바이어스 전압을 제공한다(단위 전력 증폭기(108)에는 바이어스 전압이 제공되지 않거나 최소 바이어스 전압이 제공됨). 이 경우, 단위 전력 증폭기(106, 107)의 출력은 단일 2차 권선(112)에 유도 결합된 1차 권선(109, 110)에 각각 제공되고, 단일 2차 권선(112)은 두 개의 1차 권선(109, 110)에 의해 유도된 전압/전류를 결합하여 중간 출력 파워를 제공할 수 있다.
출력 파워를 더욱 감소시켜 다른 전력 백오프 범위(즉, 낮은 출력 파워 범위)로 감소시키고자 하는 경우, 저전력 작동이 바람직하며, 모드는 PA1 모드로 전환될 수 있다. 이 모드에서, 스위치 제어기(105)는 각각의 바이어스 스위치 제어 포트를 통해 단지 하나의 단위 전력 증폭기(106)만 활성화 시키고 단위 전력 증폭기(107, 108)를 비활성화시킬 수 있다. 이와 유사하게, 바이어스 제어기(104)는 각각의 바이어스 제어 포트를 통해 단위 전력 증폭기(106)에 적절한 바이어스 전압을 제공한다(단위 전력 증폭기(107, 108)에는 바이어스 전압이 제공되지 않거나 최소 바이어스 전압이 제공됨). 이 경우, 단위 전력 증폭기(106)의 출력은 단일 2차 권선(112)에 유도 결합된 1차 권선(109)에 각각 제공되고, 단일 2차 권선(112)은 저 출력 파워를 제공한다.
본 발명의 다른 실시형태에서는, 파워 동작이 낮은 파워로부터 높은 파워가 되도록 PA1 모드, PA1+PA2 모드 및 PA1+PA2+PA3 모드가 순차적으로 실시될 수 있다. 본 발명의 범위 내에서 도 1에 대한 다양한 변형예가 이용될 수 있음이 인지되어야 할 것이다. 본 발명의 변형예로서, 셋 이상의 단위 전력 증폭기 및 그에 대응되는 1차 권선이 존재할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일실시형태에 따르면, 셋 이상의 파워 모드가 이용될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시형태에 따른 단위 전력 증폭기(209)의 일례를 도시한 회로도이다. 단위 전력 증폭기(209)는 도 1의 단위 전력 증폭기(106, 107, 108) 에 적용될 수 있다. 물론, 도 2에 도시된 것과는 다른 형태도 사용될 수 있다. 도 2에 도시된 것과 같이, 단위 전력 증폭기(209)는 바이어스 저항(202, 204), 바이어스 초크(205), 스위치 스테이지(206), 및 이득 스테이지(207)를 포함할 수 있다. 스위치 스테이지(206)는 스위치 제어기(203)에 의해 제어될 수 있으며, 전력 스테이지(207)를 바이어스 제어기(201)에 의해 제어될 수 있다.
스위치 스테이지(206) 및 이득 스테이지(207)는 각각 N-채널 금속 산화물 반도체 FET(MOSFET)과 같은 전계 효과 트랜지스터를 포함하는 트랜지스터로 이루어질 수 있다. 각 트랜지스터는 게이트, 소스, 및 드레인을 포함할 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 이득 스테이지(207) 트랜지스터의 게이트는, 드라이버 증폭기/인터스테이지 매칭 요소의 출력이 되는 단위 전력 증폭기(209)의 입력에 연결될 수 있다. 또한, 이득 스테이지(207) 트랜지스터의 게이트는 바이어스 저항(202)을 통해 바이어스 제어기(201)에 연결될 수 있다. 이득 스테이지(206) 트랜지스터의 소스는 접지될 수 있으며, 이득 스테이지(207) 트랜지스터의 드레인은 스위치 스테이지(206) 트랜지스터의 소스에 연결될 수 있다. 스위치 스테이지(206)의 게이트는 바이어스 저항(204)을 통해 스위치 제어기(203)에 연결될 수 있다. 스위치 스테이지(206) 트랜지스터의 드레인은 단위 전력 증폭기(209)의 출력을 제공할 수 있다. 스위치 스테이지(206) 트랜지스터의 드레인은 바이어스 초크(205)의 제1 단에 연결될 수 있으며, 바이어스 초크(205)의 제2 단은 직류 전압 전원(VDD)에 연결될 수 있다. 본 발명의 다른 실시형태에서, FET 대신 베이스, 에미터 및 콜렉터를 갖는 양극성 접합 트랜지스터(BJT)가 사용될 수 있다. FET 대신 BJT가 사용되는 경우, 본 발명의 범위 내에서 게이트, 소스 및 드레인은 각각 베이스, 에미터, 콜렉터로 대체될 수 있다.
스위치 제어기(203)는 스위치 스테이지(206) 트랜지스터에 적절한 바이어스 제어 신호(즉, 스위치 전압)를 제공함으로써 단위 전력 증폭기(209)를 활성화 또는 비활성화할 수 있다. 예를 들어, 스위치 제어기(203)는 스위치 스테이지(206) 트랜지스터로 제공되는 바이어스 전압을 제거하거나 최소화함으로써 단위 전력 증폭기(209)를 비활성화할 수 있다. 반면, 스위치 제어기(203)는 스위치 스테이지(206) 트랜지스터로 적절한 바이어스 전압을 제공함으로써 단위 전력 증폭기(209)를 활성화할 수 있다. 스위치 제어기(203)가 스위치 스테이지(206)를 활성화하면, 이득 스테이지(207)의 출력은 단위 전력 증폭기(209)의 출력으로 제공될 수 있다. 반면, 스위치 제어기(203)가 스위치 스테이지(206)를 비활성화하면, 이득 스테이지(207)의 출력과 단위 전력 증폭기(209)의 출력 사이가 개방되고 VDD에 의해 제공되는 직류 전류는 감소하게 된다. 바이어스 제어기(203)는 바이어스 신호를 이득 스테이지(207)에 제공할 수 있다. 본 발명의 일실시형태에 따르면, 바이어스 신호는 이득 스테이지(207)가 수신한 입력 신호를 증폭하여 증폭된 신호를 생성하게 할 수 있다. 즉, 본 발명의 일실시형태에 따르면, 바이어스 신호는 단위 전력 증폭기(209)의 작동 효율 및/또는 이득을 제어할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시형태에 따른, 1차 권선으로부터 2차 권선으로의 턴 비 n=N1:N2가 1:2인 세 개의 1차 권선 및 단일 2차 권선을 이용한 트랜스포머(301)의 레이아웃 구도의 일례를 도시한 도면이다. 본 발명의 일실시형태에 따르면 3 개의 1차 권선은 단일 턴 수를 가지며, 단일 2차 권선은 은 전체적으로 또는 부분적으로 1회 이상의 턴 수(즉, 1.5 턴, 2 턴)를 가질 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 1 회 보다 많은 턴 수 또는 다중 턴 수를 갖는 단일 2차 권선을 사용함으로써, 2차 권선이 1차 권선의 사이에 배치될 수 있다. 본 발명의 일실시형태에서, 2차 권선(305)의 턴 비를 증가하면 N2:N1의 팩터에 의해 2차 권선(305)에서 1차 권선들의 전압을 증가시키게 된다. 본 발명의 일실시형태에 따르면, 1차 권선과 2차 권선은 임피던스 매칭 및 파워 결합을 제공하면서, 상호 자기적으로 결합되고 비활성화된 단위 전력 증폭기를 아이솔레이션 하기 위해 상호 물리적으로 이격된다.
본 발명의 일실시형태에서, 도 1의 출력 매칭 요소(113)는 도 3에 도시된 일례의 트랜스포머(310)를 이용하여 구현될 수 있다. 유사하게 도 1의 1차 권선(109, 110, 111)은 도 3의 1차 권선(302, 303, 304)로 구현될 수 있으며, 도 1의 2차 권선(112)는 도 3의 2차 권선(305)에 대응될 수 있다. 도 3에서, 2차 권선(305)은 2회의 턴 수를 가질 수 있으며, 상호 동심을 갖는 내부의 제1 턴과 외부의 제2 턴을 포함할 수 있다. 제1 1차 권선(302)는 단일 턴 수를 가지며, 2차 권선(305)의 외부 제2 턴의 바깥쪽 에지를 따라 배치되는 일부분과, 2차 권선(305)의 제1 턴과 제2 턴 사이에 배치되는 일부분과, 2차 권선(305)의 내부 제1 턴의 안쪽 에지를 따라 배치되는 나머지 부분을 포함할 수 있다. 이와 유사하게, 제2 1차 권선(303)은 단일 턴 수를 가지며, 실질적으로 2차 권선(305)의 제1 턴과 제2 턴 사이에 배치될 수 있다. 또한, 제3 1차 권선(304)은 단일 턴 수를 가지며, 2차 권선(305)의 내부 제1턴의 안쪽 에지를 따라 배치되는 일부분과, 2차 권선(305)의 제1 턴과 제2 턴 사이에 배치되는 일부분과, 2차 권선(305)의 외부 제2 턴의 바깥쪽 에지를 따라 배치되는 나머지 부분을 포함할 수 있다. 본 발명의 범위 내에서 2차 권선(305)에 대한 1차 권선(302, 303, 304)의 상대적 위치에 대한 다양한 변형이 가능하다는 점이 인지되어야 할 것이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 트랜스포머(301)의 각 1차 권선(302, 303, 304)의 입력 포트(P1+/P1-, P2+/P2-, P3+/P3-)은 트랜스포머(301)의 동일한 외측에 배치될 수 있으나, 이 위치에 대한 다양한 변형이 가능할 것이다. 이와 유사하게, 2차 권선(305)의 출력 포트(P4+/P4-)는 트랜스포머(301)의 내측에 배치될 수 있다. 그러나, 이 출력 포트는 트랜스포머(301)의 외측에 배치될 수도 있다. 도 3에 도시된 트랜스포머(301)는 도식적인 설명을 위해 기술되는 것으로서, 본 발명의 범위 내에서 다양한 변형예가 이용될 수 있음이 인지되어야 할 것이다.
도 4a는 본 발명의 일실시형태에 따른 연속 제어 시 바이어스 제어기(도 1의 104)의 출력을 도시한다. 도 2에서 단위 전력 증폭기(209)는 클래스-B(작은 바이어스 전류를 사용하고 높은 효율성을 가지나 선형성이 낮은 것으로 알려짐)에 근접한 클래스-AB로 초기 바이어스 될 수 있다. 출력 파워가 증가함에 따라, 바이어스 제어기의 출력도 증가하고, 전력 증폭기의 클래스도 클래스-A(큰 바이어스 전류를 사용하고 낮은 효율성을 가지나 선형성이 높은 것으로 알려짐)에 근접한 클래스-AB 증폭기로 변환된다. 예를 들어, 바이어스 제어 전압(활성화된 단위 전력 증폭기에 대한)은 (ⅰ)PA1 모드에서 V1으로부터 V2까지의 범위를 가지며, (ⅱ)PA1+PA2 모드에서 V2로부터 V3까지의 범위를 가지며, (ⅲ)PA1+PA2+PA3 모드에서 V3로부터 V4까지의 범위를 가질 수 있다. 따라서, 바이어스 적응 및 세 가지 모드 간의 모드 스위칭을 이용함으로써, 파워 백오프시 전류 소비의 효율 개선을 가져올 수 있다.
도 4b는 본 발명의 일실시형태에 따른 불연속 바이어스 제어 전압 대 출력 파워의 관계를 도시한 그래프이다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 바이어스 제어기의 출력은 연속적일 필요가 없으며 대신 불연속적인 단계로 조정될 수 있다. 더하여, 작동 모드에 대해 원하는 출력 파워에 따라 바이어스 제어기의 출력이 선택되도록 각 모드에 대한 최적 바이어스 포인트가 결정될 수 있다. 따라서, 본 발명의 일실시형태에서, 각 모드는 바이어스 제어기로부터 고정된 바이어스 전압을 가질 수 있다. 예를 들어, 바이어스 제어 전압(활성화된 단위 전력 증폭기에 대한)은 (ⅰ)PA1 모드에서 Vlow일 수 있으며, (ⅱ)PA1+PA2 모드에서 Vint일 수 있으며, (ⅲ)PA1+PA2+PA3 모드에서 Vmax일 수 있다. 예를 들어, Vlow는 0.5V, Vint는 0.6V, Vmax는 0.7V일 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시형태에 따른 바이어스 제어 및 스위치 제어를 이용한 전력 증폭 시스템의 분산 파워 제어의 결과를 도시한 도면이다. 도 5의 측정 결과는 본 발명의 일실시형태에 따른 전력 증폭 시스템의 출력 전력에 대해 측정된 효율을 나타내는 그래프이다. 도 5의 그래프에 나타난 바와 같이, 파워 백오프 포인트인 25dBm 및 18 dBm에서, 스위치 제어기(105) 및 바이어스 제어기(104)를 사용함으로써 효율이 향상됨을 볼 수 있다(도 5의 가는 실선과 두꺼운 실선 비교).
도 6은 본 발명의 일실시형태에 따른 IEEE 802.11g의 애플리케이션에서 바이어스 제어 및 스위치 제어를 사용한 전력 증폭 시스템의 분산 파워 제어의 측정 결과를 도시한 도면이다. 도 7은 본 발명의 일실시형태에 따른 IEEE 802.16e의 애플리케이션에서 바이어스 제어 및 스위치 제어를 사용한 전력 증폭 시스템의 분산 파워 제어의 측정 결과를 도시한 도면이다. 전력 증폭기의 선형성에 관련된 성능은 입력 변조 신호의 요구에 의존한다. 디지털 변조에 대한 성능을 평가하기 위해, 2.4GHz에서 무선랜(WLAN) 802.11g 54-Mbps 64-QAM(Quadrature Amplitude Modulation) OFDM(Orthogonal frequency division multiplexing) (EVM 한계 < -25dB) 및 WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access) 802.16e 54-Mbps 64-QAM OFDM (EVM 한계 < -31dB) 신호가 인가되었으며, 분산 파워 제어가 선형성 스텍에 따라 실시되었다. 그 결과가 도 6 및 도 7에 각각 도시된다.
먼저, 130mA의 최소 대기 전류 및 최소 선형성 요구를 보장하기 위해 단지 하나의 단위 전력 증폭기가 턴온된다. 모두 턴온된 전력 증폭기의 대기 전류인 780mA와 비교할 때, 하나의 단위 전력 증폭기는 낮은 출력 파워 범위에서 650mA 이상의 전류 소비를 절약할 수 있다. 입력이 증가함에 따라 첫 번째 턴온된 단위 전력 증폭기가 선형성 요구를 충족시키지 못하는 포인트에 이르면, 두 번째 단위 전력 증폭기가 스위치 제어기에 의해 턴온 될 수 있다. 이러한 방법을 통해, 낮은 파워 범위에서 낮은 대기 전류를 유지하면서, 더 높은 파워 범위에서는 더 많은 전류를 제공하게 함으로써 선형성 요구를 만족시킬 수 있게 된다. 파워 제어에 따르면, EVM 경향이 톱날과 같은 형상을 나타내고 있으나, 요구되는 제한치에는 이르지 않는다. 본 발명의 일실시형태에 따르면, 도 6 및 도 7에 각각 도시된 바와 같이, WLAN에서 최대 선형 출력 파워는 22dBm이고 WiMAX에서 최대 선형 출력 파워는 18dBm이다.
전술한 설명 및 첨부 도면에 개시된 기술을 이용하여 본 발명의 속하는 기술 분야에서 통상의 기술을 가진 자는 본 발명의 많은 변형예와 다른 실시형태들을 도출해 낼 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명은 개시된 실시형태에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 변형예 및 다른 실시형태들은 이하 기재되는 특허 청구 범위 내에 포함되는 것으로 간주되어야 한다. 본 명세서에서 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 일반적이고 설명을 위한 의미로 사용되었을 뿐이며 본 발명을 한정하기 위한 것이 아니다.
도 1은 본 발명의 일실시형태에 따른 전력 증폭 시스템의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일실시형태에 따른 단위 전력 증폭기의 일례를 도시한 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일실시형태에 따른, 1차 권선으로부터 2차 권선으로의 턴 비 n=N1:N2가 1:2인 세 개의 1차 권선 및 단일 2차 권선을 이용한 트랜스포머(301)의 레이아웃 구도의 일례를 도시한 도면이다.
도 4a는 본 발명의 일실시형태에 따른 연속 제어 시 바이어스 제어기(도 1의 104)의 출력을 도시한다
도 4b는 본 발명의 일실시형태에 따른 불연속 바이어스 제어 전압 대 출력 파워의 관계를 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일실시형태에 따른 바이어스 제어 및 스위치 제어를 이용한 전력 증폭 시스템의 분산 파워 제어의 결과를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시형태에 따른 IEEE 802.11g의 애플리케이션에서 바이어스 제어 및 스위치 제어를 사용한 전력 증폭 시스템의 분산 파워 제어의 측정 결과를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시형태에 따른 IEEE 802.16e의 애플리케이션에서 바이어스 제어 및 스위치 제어를 사용한 전력 증폭 시스템의 분산 파워 제어의 측정 결과를 도시한 도면이다.

Claims (20)

  1. 적어도 하나의 출력 포트, 적어도 하나의 바이어스 제어 포트 및 적어도 하나의 스위치 제어 포트를 각각 포함하는 복수의 단위 전력 증폭기;
    상기 복수의 단위 전력 증폭기 각각의 상기 적어도 하나의 출력 포트에 각각 연결되는 복수의 1차 권선;
    상기 복수의 1차 권선에 유도 결합되며 전체 출력을 제공하는 2차 권선;
    상기 적어도 하나의 바이어스 제어 포트를 통해 상기 복수의 단위 전력 증폭기 중 적어도 하나의 출력 파워 레벨의 적어도 일부에 따라 바이어스 전압을 제공하는 바이어스 제어기; 및
    상기 스위치 제어 포트에 각각 제어 신호를 제공함으로써 상기 복수의 단위 전력 증폭기의 적어도 일부를 활성화 또는 비활성화 시키는 스위치 제어기
    를 포함하는 전력 증폭 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 단위 전력 증폭기는 상기 바이어스 제어기로부터 제공되는 각각의 바이어스 전압에 따라 동작하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 바이어스 전압에 따른 상기 단위 전력 증폭기 각각의 동작 특성은 각 단위 전력 증폭기의 효율에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 전력 증폭 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 2차 권선은 출력 파워 레벨을 갖는 전체 출력을 제공하며, 상기 바이어스 전압 및 제어 신호 중 적어도 하나는 상기 출력 파워 레벨의 적어도 일부에 반응하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 출력 파워 레벨은, 적어도 하나의 제1 파워 출력 범위 및 상기 제1 파워 출력 범위보다 낮은 제2 파워 출력 범위를 포함하는 복수의 출력 파워 범위 중 하나에 포함되며, 상기 제1 파워 출력 범위는 제1 작동 모드를 규정하고, 상기 제2 파워 출력 범위는 제2 작동 모드를 규정하며,
    상기 제1 작동 모드에서, 상기 스위치 제어기는 상기 복수의 단위 전력 증폭기 중 제1 개수의 단위 전력 증폭기를 활성화하고,
    상기 제2 작동 모드에서, 상기 스위치 제어기는 상기 복수의 단위 전력 증폭기 중 상기 제1 개수보다 적은 제2 개수의 단위 전력 증폭기를 활성화 하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 작동 모드에서, 상기 복수의 단위 전력 증폭기 중 활성화된 단위 전력 증폭기 각각에 대한 상기 바이어스 전압은 제1 정전압이며,
    상기 제2 작동 모드에서, 상기 복수의 단위 전력 증폭기 중 활성화된 단위 전력 증폭기 각각에 대한 상기 바이어스 전압은 제2 정전압인 것을 특징으로 하는 전력 증폭 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제1 작동 모드에서, 상기 복수의 단위 전력 증폭기 중 활성화된 단위 전력 증폭기 각각에 대한 상기 바이어스 전압은 상기 출력 파워 레벨에 따른 제1 바이어스 전압 범위 내에서 변동되고,
    상기 제2 작동 모드에서, 상기 복수의 단위 전력 증폭기 중 활성화된 단위 전력 증폭기 각각에 대한 상기 바이어스 전압은 상기 출력 파워 레벨에 따른 제2 바이어스 전압 범위 내에서 변동되는 것을 특징으로 하는 전력 증폭 시스템.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 복수의 출력 파워 범위는, 상기 제2 파워 출력 범위보다 낮으며 제3 작동 모드를 규정하는 제3 파워 출력 범위를 더 포함하며,
    상기 제3 작동 모드에서, 상기 스위치 제어기는 상기 복수의 단위 전력 증폭기 중 상기 제2 개수보다 적은 제3 개수의 단위 전력 증폭기를 활성화 하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 단위 전력 증폭기 각각은, 이득 스테이지 및 스위치 스테이지를 포함하며, 상기 이득 스테이지 각각은 상기 바이어스 제어 포트를 제공하고, 상기 스위치 스테이지 각각은 상기 스위치 제어 포트를 제공하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 스위치 제어기가 상기 복수의 단위 전력 증폭기 각각을 비활성화 하는 경우, 상기 이득 스테이지의 출력은 상기 복수의 단위 전력 증폭기 각각의 출력 포트 중 적어도 하나로부터 아이솔레이션 되는 것을 특징으로 하는 전력 증폭 시스템.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 이득 스테이지 각각은 제1 게이트 또는 베이스, 제1 소스 또는 에미터, 및 제1 드레인 또는 콜렉터를 포함하는 제1 트랜지스터를 포함하고,
    상기 스위치 스테이지 각각은 제2 게이트 또는 베이스, 제2 소스 또는 에미터, 및 제2 드레인 또는 콜렉터를 포함하는 제2 트랜지스터를 포함하며,
    상기 제1 게이트 또는 베이스는 상기 적어도 하나의 바이어스 제어 포트 각각에 연결되고, 상기 제1 소스 또는 에미터는 접지되며, 상기 제1 드레인 또는 콜 렉터는 상기 제2 소스 또는 에미터에 연결되고, 상기 제2 게이트 또는 베이스는 상기 적어도 하나의 스위치 제어 포트 각각에 연결되며, 상기 제2 드레인 또는 콜렉터는 상기 적어도 하나의 출력 포트 각각에 연결되는 것을 특징으로 하는 전력 증폭 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 게이트 또는 베이스는 제1 바이어스 저항을 통해 상기 바이어스 제어기에 연결되고, 상기 제2 게이트 또는 베이스는 제2 바이어스 저항을 통해 상기 스위치 제어기와 연결되는 것을 특징으로 하는 전력 증폭 시스템.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제2 드레인 또는 콜렉터는 직류 전압 전원에 연결되는 것을 특징으로 하는 전력 증폭 시스템.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 일차 권선 각각은 1회의 턴 수를 가지며, 상기 2차 권선은 1회 보다 많은 턴 수를 갖는 것을 특징으로 하는 전력 증폭 시스템.
  15. 입력포트, 출력 포트, 바이어스 제어 포트 및 스위치 제어 포트를 각각 포함하는 복수의 단위 전력 증폭기;
    상기 복수의 단위 전력 증폭기의 출력 포트에 각각 연결되는 복수의 1차 권선 및 상기 복수의 1차 권선에 유도 결합 되는 단일 2차 권선을 포함하는 트랜스포머; 및
    상기 복수의 단위 전력 증폭기 각각을 바이어스하고 활성화하는 적어도 하나의 제어기를 포함하며,
    상기 복수의 단위 전력 증폭기 중 적어도 하나의 활성화된 단위 전력 증폭기의 출력은 각각 상기 1차 권선에 제공되며, 상기 1차 권선은 전체 출력을 제공하도록 상기 2차 권선에 전압을 유도하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 복수의 단위 전력 증폭기 중 바이어스 되고 활성화 된 단위 전력 증폭기는, 상기 전체 출력에 대한 출력 파워 레벨의 적어도 일부에 반응하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 출력 파워 레벨은, 적어도 하나의 제1 파워 출력 범위 및 상기 제1 파워 출력 범위보다 낮은 제2 파워 출력 범위를 포함하는 복수의 출력 파워 범위 중 하나에 포함되며, 상기 제1 파워 출력 범위는 제1 작동 모드를 규정하고, 상기 제2 파워 출력 범위는 제2 작동 모드를 규정하며,
    상기 제1 작동 모드에서, 상기 적어도 하나의 제어기에 의해 상기 복수의 단 위 전력 증폭기 중 제1 개수의 단위 전력 증폭기가 활성화되고,
    상기 제2 작동 모드에서, 상기 적어도 하나의 제어기에 의해 상기 복수의 단위 전력 증폭기 중 상기 제1 개수보다 적은 제2 개수의 단위 전력 증폭기가 활성화되는 것을 특징으로 하는 전력 증폭 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제1 작동 모드에서, 상기 복수의 단위 전력 증폭기 중 활성화된 단위 전력 증폭기 각각에 대한 상기 바이어스는 제1 정전압에서 이루어지며,
    상기 제2 작동 모드에서, 상기 복수의 단위 전력 증폭기 중 활성화된 단위 전력 증폭기 각각에 대한 상기 바이어스는 제2 정전압에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 전력 증폭 시스템.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 제1 작동 모드에서, 상기 복수의 단위 전력 증폭기 중 활성화된 단위 전력 증폭기 각각에 대한 상기 바이어스는 상기 출력 파워 레벨에 따른 제1 바이어스 전압 범위 내에서 변동되고,
    상기 제2 작동 모드에서, 상기 복수의 단위 전력 증폭기 중 활성화된 단위 전력 증폭기 각각에 대한 상기 바이어스는 상기 출력 파워 레벨에 따른 제2 바이어스 전압 범위 내에서 변동되는 것을 특징으로 하는 전력 증폭 시스템.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 단위 전력 증폭기 각각은, 이득 스테이지 및 스위치 스테이지를 포함하며, 상기 이득 스테이지 각각은 상기 바이어스 제어 포트를 제공하고, 상기 스위치 스테이지 각각은 상기 스위치 제어 포트를 제공하며,
    상기 이득 스테이지 각각은 제1 게이트 또는 베이스, 제1 소스 또는 에미터, 및 제1 드레인 또는 콜렉터를 포함하는 제1 트랜지스터를 포함하고,
    상기 스위치 스테이지 각각은 제2 게이트 또는 베이스, 제2 소스 또는 에미터, 및 제2 드레인 또는 콜렉터를 포함하는 제2 트랜지스터를 포함하며,
    상기 제1 게이트 또는 베이스는 상기 적어도 하나의 바이어스 제어 포트 각각에 연결되고, 상기 제1 소스 또는 에미터는 접지되며, 상기 제1 드레인 또는 콜렉터는 상기 제2 소스 또는 에미터에 연결되고, 상기 제2 게이트 또는 베이스는 상기 적어도 하나의 스위치 제어 포트 각각에 연결되며, 상기 제2 드레인 또는 콜렉터는 상기 적어도 하나의 출력 포트 각각에 연결되는 것을 특징으로 하는 전력 증폭 시스템.
KR1020090114760A 2008-11-25 2009-11-25 분산 파워 제어 기능을 갖는 전력 증폭기 KR101124055B1 (ko)

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