KR101128485B1 - Envelope tracking power amplifing apparatus using sweet spot tracking - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: An envelope tracking power amplifier using sweet spot tracking is provided to obtain higher efficiency than a general constant voltage power amplifier by simplifying control according to average output power. CONSTITUTION: A signal generator(120) outputs an RF(Radio Frequncy) input signal and envelope signal of a power amplifier(130) by using a digital signal for input. The RF input signal outputted from the signal generator is a mixed polar signal of amplitude and phase signals. An envelop converter(160) changes the envelope signal generated from the signal generator with an offset envelop shaping method. A power modulator(140) supplies a transformed envelope signal into a power source for the power amplifier.

Description

스위트 스팟 추적을 이용한 포락선 추적 전력 증폭 장치 {Envelope Tracking Power Amplifing Apparatus Using Sweet Spot Tracking}Envelope Tracking Power Amplifing Apparatus Using Sweet Spot Tracking

본 발명은 송신기에 있는 전력 증폭기의 공급 전압을 제어하여 선형성과 효율을 높이기 위한 스위트 스팟 추적(Sweet Spot Tracking)을 이용한 포락선 추적 전력 증폭 장치에 관한 것이다. The present invention relates to an envelope tracking power amplification apparatus using sweet spot tracking for controlling the supply voltage of a power amplifier in a transmitter to increase linearity and efficiency.

당업자에게 잘 알려져 있는 바와 같이, 전력 증폭기의 효율 향상을 위하여 공급 전압을 출력 전력에 따라 변화시켜 주변 전력 손실을 줄어들게 함으로써 높은 효율을 얻을 수 있다.As is well known to those skilled in the art, high efficiency can be obtained by varying the supply voltage with the output power to reduce the power dissipation to improve the efficiency of the power amplifier.

종래기술에 따르면, 도 1에 도시한 바와 같이, 공급 전압으로 포락선을 그대로 사용하는 경우, 전력 증폭기(13)의 드레인(혹은 콜렉터) 전압이 니(knee) 전압 영역과 만나게 되면, 출력 전력의 감소와 함께 비선형적인 특성이 나타나게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 공급 전압의 포락선을 변화시켜 주어야 한다. 도 1에서 부재번호 12는 전력증폭기(13)에 RF 신호를 제공하는 신호 생성기이고, 부재번호 14는 전원 변조기, 부재번호 15는 전원을 공급하기 위한 배터리이다. According to the prior art, as shown in FIG. 1, when the envelope is used as the supply voltage, when the drain (or collector) voltage of the power amplifier 13 meets the knee voltage region, the output power decreases. With non-linear characteristics. To solve this problem, the envelope of the supply voltage must be changed. In FIG. 1, reference numeral 12 is a signal generator for providing an RF signal to the power amplifier 13, reference numeral 14 is a power modulator, and reference numeral 15 is a battery for supplying power.

도 1의 경우에 발생하는 문제점을 해결하기 위하여, 즉 공급 전압의 포락선을 변화시키기 위하여, 도 2에 도시한 바와 같이, 기존의 변환과 같이 특정 임계 전압보다 작은 포락선 신호를 클립핑(clipping) 회로(16)를 통해 일정한 전압으로 변환하고, 임계 전압 이상의 포락선 신호에 대해서는 기존의 포락선과 같은 값을 주는 방법을 사용하였다. 이 방법을 통하여, 비선형적 특성을 제거하고 효율적인 전력의 증폭이 가능해진다. 또한 낮은 공급 전압 영역에서의 전력 증폭기의 이득 저하를 보상할 수 있다.In order to solve the problem occurring in the case of FIG. 1, that is, to change the envelope of the supply voltage, as shown in FIG. 2, a clipping circuit for clipping an envelope signal smaller than a specific threshold voltage as in the conventional conversion ( 16), the method converts to a constant voltage and gives the same value as the existing envelope for the envelope signal above the threshold voltage. This method eliminates nonlinear characteristics and enables efficient power amplification. It can also compensate for the gain drop of the power amplifier in the low supply voltage region.

그러나, 상기한 포락선을 변환하는 방법의 경우, 특정 임계 전압보다 작은 포락선 신호가 일정한 전압으로 변환될 때 시간 영역에서 급격한 변화가 발생하는 문제점이 발생한다. 이는 주파수 영역에서 보았을 때, 높은 주파수의 성분이 생기는 것으로 전원 변조기(supply modulator)(14)의 동작 주파수가 훨씬 커져야 하는 부담을 주게 된다. 만약 전원 변조기(14)의 동작 주파수가 부족하게 되면 전력 증폭기(13)의 출력이 비선형적인 특성을 나타내게 된다. 또한 임계 전압 전후로 전력 증폭기(13)의 이득이 갑작스럽게 변화하게 되는 것도 비선형적 특성 중에 하나로 나타나게 된다. However, in the case of the above-described method of converting an envelope, a problem occurs that a sudden change occurs in the time domain when an envelope signal smaller than a specific threshold voltage is converted into a constant voltage. This creates a high frequency component when viewed in the frequency domain, which places a burden on the operating frequency of the supply modulator 14 to be much larger. If the operating frequency of the power modulator 14 is insufficient, the output of the power amplifier 13 exhibits a nonlinear characteristic. In addition, the sudden change in the gain of the power amplifier 13 before and after the threshold voltage also appears as one of the non-linear characteristics.

상기한 종래기술에 따르면, 포락선 변환 과정에서 높은 주파수 성분이 발생하고, 임계 전압 전후로 전력 증폭기 이득의 갑작스러운 변화로 인하여 전력 증폭기의 출력이 비선형적인 특성을 띠게 된다. According to the above-described prior art, a high frequency component occurs in the envelope conversion process, and the output of the power amplifier has a nonlinear characteristic due to a sudden change in the power amplifier gain before and after the threshold voltage.

한편, 출원번호 2009-0018750　(2009.03.05.)로 출원된 "폴라 송신기의 선형성 향상을 위한 방법 및 장치"는, 입력 포락선에 오프셋 전압을 더하고 변환 기울기를 조정하는 방법으로서 오프셋 포락선 세이핑 방법(offset envelope shaping method)이며, 이는 도 2에 도시된 바와 같은 경우로서, 이 방법에 의하면 비선형적인 특성이 상대적으로 줄어들긴 하지만, 일반적인 전력 증폭기에 비하여 더 좋은 선형성을 얻을 순 없는 문제점이 있다.Meanwhile, the "method and apparatus for improving linearity of a polar transmitter", which is filed as an application number 2009-0018750 (2009.03.05.), Is an offset envelope shaping method (a method of adding an offset voltage to an input envelope and adjusting a conversion slope. offset envelope shaping method), which is the case as shown in FIG. 2, but the nonlinear characteristic is relatively reduced according to this method, but there is a problem in that better linearity cannot be obtained than a general power amplifier.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 기존의 포락선 변환 방법에 기반한 기술에 스위트 스팟 추적 기술을 적용하여 기존의 포락선 추적 전력증폭기는 물론 일반적인 전력 증폭기보다 더 좋은 선형성을 얻을 수 있도록 한 스위트 스팟 추적을 이용한 포락선 추적 전력 증폭 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다. The present invention has been made to solve the above problems, by applying the sweet spot tracking technology to the technology based on the conventional envelope conversion method to obtain a better linearity than the conventional envelope tracking power amplifier as well as the general power amplifier The purpose is to provide an envelope tracking power amplification device using a sweet spot tracking.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 스위트 스팟 추적을 이용한 포락선 추적 전력 증폭 장치는, 신호 생성기와 포락선 변환기, 전원 변조기 및 스위트 스팟 추적이 가능한 전력 증폭기를 포함하고, 상기 신호 생성기는 디지털 신호(I, Q)를 입력으로 받아 상기 전력 증폭기의 RF 입력 신호와 포락선 신호를 출력하고, 상기 포락선 변환기는 상기 신호 생성기에서 만들어져 출력되는 포락선 신호를 받아 오프셋 포락선 세이핑 방법으로 변환하고, 상기 전원 변조기는 변환된 포락선 신호를 입력으로 받아 상기 전력 증폭기의 전원으로 공급하는 것을 특징으로 한다. In order to achieve the above object, the envelope tracking power amplification apparatus using the sweet spot tracking according to the present invention includes a signal generator, an envelope converter, a power modulator and a power amplifier capable of sweet spot tracking, and the signal generator includes a digital signal (I). And Q) as an input, and outputs an RF input signal and an envelope signal of the power amplifier, and the envelope converter receives the envelope signal generated by the signal generator and outputs the offset signal by an offset envelope shaping method, and the power modulator converts Receiving the envelope signal as an input and supplying the power to the power amplifier.

본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 스위트 스팟 추적이 가능한 전력 증폭기는, 선형성을 향상시키는 스위트 스팟을 가지며, 출력 전력에 따라 스위트 스팟의 위치가 일정하게 변한다. In a preferred embodiment of the present invention, the sweet spot traceable power amplifier has a sweet spot which improves linearity, and the position of the sweet spot changes constantly according to the output power.

본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 스위트 스팟 추적을 위해 포락선을 변환하는 포락선 변환기는, 포락선과 피크 전압과 오프셋 전압을 입력으로 받아 입력 포락선과 일차 선형 관계를 갖는 출력 포락선을 출력한다. In a preferred embodiment of the present invention, the envelope converter converting an envelope for sweet spot tracking receives an envelope, a peak voltage, and an offset voltage as an input, and outputs an output envelope having a linear linear relationship with the input envelope.

본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 신호 생성기에서 출력된 RF 입력 신호는 진폭과 위상 신호가 합쳐진 폴라(polar) 신호이다. In a preferred embodiment of the present invention, the RF input signal output from the signal generator is a polar signal in which amplitude and phase signals are combined.

본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 신호 생성기에서 출력된 포락선 신호는 상기 RF 입력 신호의 진폭 신호이고, 출력 전력의 제곱근에 비례한다. In a preferred embodiment of the present invention, the envelope signal output from the signal generator is an amplitude signal of the RF input signal and is proportional to the square root of the output power.

일반적으로 포락선 추적 전력 증폭기는 선형성이 나쁘기 때문에 선형 전력 증폭기를 사용하기에 적합하지 않다. 또한 선형성을 개선하기 위해 pre-distortion 기술을 적용해야만 충분한 선형성을 얻을 수가 있다. In general, envelope tracking power amplifiers are not suitable for use with linear power amplifiers because of their poor linearity. In addition, sufficient linearity can only be achieved by applying pre-distortion techniques to improve linearity.

그러나, 본원발명에 따른 스위트 스팟 추적을 이용한 포락선 추적 전력 증폭 장치는 선형성이 충분히 좋기 때문에 pre-distortion 기술 없이도 선형 전력 증폭기로 이용할 수 있다. 즉, 본 발명에 따르면, 포락선 변환 함수의 입출력 관계가 단순히 오프셋 전압만을 더하는 일차 선형 관계이기 때문에, 그 구현이 매우 간단하고 출력 신호의 주파수 확장이 일어나지 않아 비선형적인 특성을 발생시키지 않고 전원 변조기의 동작 주파수에 대한 부담이 작아진다.However, the envelope tracking power amplification device using the sweet spot tracking according to the present invention can be used as a linear power amplifier without pre-distortion technology because the linearity is good enough. That is, according to the present invention, since the input-output relationship of the envelope conversion function is a linear linear relationship that simply adds only an offset voltage, the implementation thereof is very simple and the frequency expansion of the output signal does not occur, so that the operation of the power modulator does not occur without generating nonlinear characteristics. The burden on the frequency is reduced.

더불어서, 본 발명에 따르면, 평균 출력 전력에 따른 제어가 간단하고, 일반적인 정전압 전력 증폭기에 비해 높은 효율을 얻을 수 있다.In addition, according to the present invention, control according to the average output power is simple, and high efficiency can be obtained as compared with a general constant voltage power amplifier.

도 1은 종래기술의 포락선 변환을 하지 않는 전력 증폭 장치의 구성도.
도 2는 종래 클립핑(clipping) 방식의 포락선 변환을 사용하는 포락선 추적 전력 증폭 장치의 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 스위트 스팟 추적을 이용한 포락선 추적 전력 증폭 장치의 구성도.
도 4는 포락선 변환의 입출력 관계를 나타낸 그래프.
도 5a 내지 도 5c는 변환된 포락선의 시간에 따른 파형도.
도 6은 포락선 변환과 스위트 스팟을 위한 포락선 변환의 비교 그래프.
도 7은 포락선 추적 전력 증폭기 공급 전압에 따른 로드 라인과 knee 전압 그래프.
도 8은 고정된 공급 전압에서 동작하는 일반적인 전력 증폭기의 IMD3 커브 그래프.
도 9는 포락선 추적 전력 증폭기와 일반적인 전력 증폭기의 출력 전력에 따른 IMD3의 변화 그래프. 1 is a block diagram of a power amplification apparatus without prior art envelope conversion.
2 is a block diagram of an envelope tracking power amplification apparatus using a conventional envelope transformation of a clipping scheme.
3 is a block diagram of an envelope tracking power amplification apparatus using a sweet spot tracking according to the present invention.
4 is a graph showing the input-output relationship of envelope transformation.
5A to 5C are waveform diagrams over time of the transformed envelope.
6 is a comparison graph of envelope transform and envelope transform for sweet spots.
7 is a load line and knee voltage graph with envelope tracking power amplifier supply voltage.
8 is an IMD3 curve graph of a typical power amplifier operating at a fixed supply voltage.
9 is a graph showing the change in IMD3 according to the output power of an envelope tracking power amplifier and a general power amplifier.

이하, 본 발명에 따른 스위트 스팟 추적을 이용한 포락선 추적 전력 증폭 장치 및 방법의 바람직한 실시예를 도 3 내지 도 9를 참조하여 설명한다. Hereinafter, a preferred embodiment of an apparatus and method for enveloping tracking power using sweet spot tracking according to the present invention will be described with reference to FIGS. 3 to 9.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 전력 증폭 장치의 신호 생성기120)는 디지털 신호(I, Q)를 입력으로 받아 스위트 스팟 추적이 가능한 전력 증폭기(130)의 RF 입력 신호와 포락선 신호를 출력한다. 신호 생성기(120)에서 출력된 RF 입력 신호는 진폭과 위상 신호가 합쳐진 폴라(polar) 신호이며 일반적인 전력 증폭기에서의 입력 신호와 동일하다. 신호 생성기(120)에서 출력된 포락선 신호는 상기 RF 입력 신호의 진폭 신호를 의미하며 출력 전력의 제곱근에 비례한다.Referring to FIG. 3, the signal generator 120 of the power amplifying apparatus according to the present invention receives digital signals I and Q and outputs an RF input signal and an envelope signal of a power amplifier 130 capable of sweet spot tracking. . The RF input signal output from the signal generator 120 is a polar signal in which amplitude and phase signals are combined and is the same as an input signal in a general power amplifier. The envelope signal output from the signal generator 120 means an amplitude signal of the RF input signal and is proportional to the square root of the output power.

포락선 변환기(160)는 신호 생성기(120)에서 만들어진 포락선 신호를 받아 오프셋 포락선 세이핑 방법으로 변환하는 기능을 하며, 이는 높은 효율과 좋은 선형성을 위한 것이다. 이 변환 방법은 도 4와 같은 입출력 변환 관계를 갖고 있으며 도 5와 같은 파형을 갖는다. 포락선 추적 전력 증폭 장치가 최적의 동작을 하기 위해서는 도 7에서 나타나는 knee 전압과 도 9에서 나타나는 스위트 스팟을 고려하여 오프셋 전압을 정하고 전력 증폭기(130)를 설계한다. 먼저 도 7에서 knee 전압은 전력 증폭기의 출력 전압의 진폭을 제한하고 이득을 감소시키기 때문에, 포락선 변환에서 오프셋 전압을 더하여 knee 전압에 의한 영향을 제거해 주어야 한다.The envelope converter 160 receives the envelope signal generated by the signal generator 120 and converts the envelope signal into an offset envelope shaping method, which is for high efficiency and good linearity. This conversion method has an input / output conversion relationship as shown in FIG. 4 and has a waveform as shown in FIG. In order to optimize the operation of the envelope tracking power amplifier, the offset voltage is determined in consideration of the knee voltage shown in FIG. 7 and the sweet spot shown in FIG. 9, and the power amplifier 130 is designed. First, since the knee voltage in FIG. 7 limits the amplitude of the output voltage of the power amplifier and decreases the gain, the offset voltage must be added to the envelope transformation to remove the influence of the knee voltage.

스위트 스팟은 전력 증폭기의 출력에서 발생하는 선형성을 나쁘게 하는 고조파 성분이 서로 반대의 위상을 가져 상쇄되면서 나타나는 현상으로, 고조파 성분이 작아져 선형성이 좋아지게 된다. 이와 같은 스위트 스팟은 고정된 전원을 갖는 일반적인 전력증폭기에서는 도 8과 같은 형태로 나타난다. 포락선 추적 전력 증폭기에서 스위트 스팟은 공급 전원에 따라 변화하게 되며 그 관계는 도 6와 같이 포락선 변환 그래프와 거의 비슷한 추세를 갖는다. 도 6와 같이 포락선 변환 그래프와 스위트 스팟의 변화를 일치시키게 되면, 도 9과 같이 전력 증폭기의 모든 출력 영역에서 스위트 스팟 현상이 일어나는 스위트 스팟 추적이 가능해지고, 기존의 포락선 전력 증폭기나 일반적인 정전원 전력 증폭기에 비해 선형성이 크게 개선된다.The sweet spot is a phenomenon in which harmonic components that degrade the linearity generated at the output of the power amplifier cancel each other out of phase, and the harmonic components become smaller, resulting in better linearity. Such a sweet spot is shown in the form shown in Figure 8 in a general power amplifier having a fixed power supply. In the envelope tracking power amplifier, the sweet spot changes according to the power supply, and the relationship is almost similar to that of the envelope conversion graph as shown in FIG. 6. When the change of the envelope conversion graph and the sweet spot are matched as shown in FIG. 6, the sweet spot tracking in which the sweet spot phenomenon occurs in all output regions of the power amplifier as shown in FIG. 9 is enabled, and the conventional envelope power amplifier or general electrostatic power The linearity is greatly improved compared to the amplifier.

전원 변조기(140)는 변환된 포락선 신호를 입력으로 받아 전력 증폭기(130)의 전원으로 공급하는 역할을 하며, 높은 효율을 갖는 것이 중요하다. 또한 전원 변조기(140)의 출력 신호의 왜곡은 전력 증폭기(130)의 선형성을 나쁘게 만들기 때문에 충분히 빠른 동작을 하도록 설계한다.The power modulator 140 receives the converted envelope signal as an input and supplies the power to the power amplifier 130, and it is important to have a high efficiency. In addition, since the distortion of the output signal of the power modulator 140 makes the linearity of the power amplifier 130 worse, it is designed to operate fast enough.

이로써, 본 발명에 따르면, 기존의 포락선 변환 방법에 기반한 기술에 스위트 스팟 추적 기술을 적용하여 기존의 포락선 추적 전력증폭기는 물론 일반적인 전력 증폭기보다 더 좋은 선형성을 얻을 수 있다. Thus, according to the present invention, by applying the sweet spot tracking technique to a technique based on the conventional envelope conversion method, it is possible to obtain better linearity than a conventional envelope tracking power amplifier as well as a general power amplifier.

120 : 신호 생성기
130 : 스위트 스팟 추적이 가능한 전력 증폭기
140 : 전원 변조기
160 : 포락선 변환기120: signal generator
130: sweet spot tracking power amplifier
140: power modulator
160: Envelope Converter

Claims (5)

스위트 스팟 추적을 이용한 포락선 추적 전력 증폭 장치에 있어서,
신호 생성기와 포락선 변환기, 전원 변조기 및 스위트 스팟 추적이 가능한 전력 증폭기를 포함하고,
상기 신호 생성기는 디지털 신호(I, Q)를 입력으로 받아 상기 전력 증폭기의 RF 입력 신호와 포락선 신호를 출력하고,
상기 포락선 변환기는 상기 신호 생성기에서 만들어져 출력되는 포락선 신호를 받아 오프셋 포락선 세이핑 방법으로 변환하고,
상기 전원 변조기는 변환된 포락선 신호를 입력으로 받아 상기 전력 증폭기의 전원으로 공급하고,
상기 스위트 스팟 추적이 가능한 전력 증폭기는, 선형성을 향상시키는 스위트 스팟을 가지며, 출력 전력에 따라 스위트 스팟의 위치가 일정하게 변하는 것을 특징으로 하는 스위트 스팟 추적을 이용한 포락선 추적 전력 증폭 장치.In the envelope tracking power amplification apparatus using the sweet spot tracking,
Includes signal generator and envelope converter, power modulator and power amplifier with sweet spot tracking,
The signal generator receives a digital signal (I, Q) as an input, and outputs an RF input signal and an envelope signal of the power amplifier,
The envelope converter receives an envelope signal generated by the signal generator and outputs the envelope signal, and converts the envelope signal into an offset envelope shaping method.
The power modulator receives the converted envelope signal as an input and supplies the power to the power amplifier.
The sweet spot tracking power amplifier has a sweet spot that improves linearity, and the position of the sweet spot is constantly changed according to the output power. 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 스위트 스팟 추적을 위해 포락선을 변환하는 포락선 변환기는, 포락선과 피크 전압과 오프셋 전압을 입력으로 받아 입력 포락선과 일차 선형 관계를 갖는 출력 포락선을 내보내는 것을 특징으로 하는 스위트 스팟 추적을 이용한 포락선 추적 전력 증폭 장치. The method of claim 1,
Envelope converter for converting the envelope for the sweet spot tracking, the envelope tracking power amplification using the sweet spot tracking, characterized in that it receives the envelope, the peak voltage and the offset voltage as an input and outputs an output envelope having a linear linear relationship with the input envelope Device. 제1항에 있어서,
상기 신호 생성기에서 출력된 RF 입력 신호는 진폭과 위상 신호가 합쳐진 폴라(polar) 신호인 것을 특징으로 하는 스위트 스팟 추적을 이용한 포락선 추적 전력 증폭 장치. The method of claim 1,
And an RF input signal output from the signal generator is a polar signal in which amplitude and phase signals are combined. 제1항 또는 제4항에 있어서,
상기 신호 생성기에서 출력된 포락선 신호는 상기 RF 입력 신호의 진폭 신호이고, 출력 전력의 제곱근에 비례하는 것을 특징으로 하는 스위트 스팟 추적을 이용한 포락선 추적 전력 증폭 장치. The method according to claim 1 or 4,
The envelope signal output from the signal generator is an amplitude signal of the RF input signal, the envelope tracking power amplification device using a sweet spot tracking, characterized in that proportional to the square root of the output power.
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