KR101408512B1 - 컬렉터 전압 제어형 ｒｆ 증폭기들의 온도 보상 방법 및 시스템 - Google Patents

Abstract

컬렉터 전압 제어형 RF 증폭기를 보상하기 위한 온도 보상 시스템이 제공된다. 인접한 채널 스펙트럼의 신호 열화를 초래할 수 있는 온도에 따라 발생되는 변화를 극복하기 위해, 온도 보상형 전류를 이용하여 오프셋 신호를 생성한다. 오프셋 신호는 제어 또는 데이터 신호와 함께 처리되어, 온도 보상형 전압 소스 제어 신호를 생성한다. 차동 증폭기가 데이터 또는 제어 신호 및 오프셋 신호를 처리할 수 있다. 보상형 전압 제어 신호는 인가된 컬렉터 전압을 온도에 적응시키기 위해 온도를 추적한다. 이것은 인가된 컬렉터 전압이 온도 변화에 응답하여 변하도록 함으로써, 일정한 출력 전력 또는 RF 스윙을 유지한다. 한 가지 예시적인 이용 환경은 EDGE형 GSM 시스템이다.

온도 보상, RF 증폭기, 변조, 오프셋 신호, 온도 의존형, 전압 제어형

Description

컬렉터 전압 제어형 ＲＦ 증폭기들의 온도 보상 방법 및 시스템 {METHOD AND SYSTEM FOR TEMPERATURE COMPENSATION OF COLLECTOR-VOLTAGE CONTROL RF AMPLIFIERS}

본 발명은 증폭기 보상에 관한 것으로서, 특히 온도 보상형 증폭기 및 변조 방식에 관한 것이다.

통신 디바이스들은 미국 및 전세계를 통해 점차 인기있어 왔다. 다양한 이유들로 인해, 수많은 상이한 통신 표준들이 미국에서뿐만 아니라 상이한 나라들에서 채택되고 구현되어 왔다. 무선 통신 디바이스가 특정 주파수 범위 내에서 또는 특정 전력 레벨에서 송신하는 요구조건들은 일반적으로 통신 표준과 관련되어 있다. 이와같이 할당된 주파수 대역 및 전력 레벨 바깥에서 송신된 신호들은 매우 바람직하지 않고 표준 및 하나 이상의 정부 규정을 위반한 것일 수 있다. 더우기, 표준 또는 원하는 송신 파라미터들을 따르지 않는 신호들은 수신국에서 수신 및 디코딩될 수 없을 가능성이 있다.

예를 들어, GSM/EDGE 송신기를 위한 개방-루프 극 변조 아키텍쳐(open-loop polar modulation architecture)는 원하는 동작을 얻기 위해 RF 포락선(envelope)의 정확한 제어를 필요로 한다. RF 포락선 제어에서의 원하지 않는 변동은 성능 저하를 초래하고, 결과적으로 표준 및 관련된 정부 규정을 위반하게 된다.

특히, 전자 디바이스에서, 온도 변화는 디바이스 및 회로 동작의 변화를 초래한다. 예를 들어, 전력 증폭기(PA) 모듈에서의 GaAs 다이에서, 온도 변화는 RF 포락선 제어의 변화를 초래하고, 결과적으로 인접한 채널 스펙트럼의 열화를 초래한다. 정확한 포락선 제어가 필요하지 않는 종래 기술의 시스템들에서는, 그러한 온도 관련 디바이스 변동은 수용될 수 있다. 그러나, EDGE형 시스템과 같은, 보다 높은 정확도의 시스템들 또는 보다 정확한 표준들에서는, 온도 관련 디바이스 변동은 상당한 성능 열화를 가져오고 무시될 수 없다.

RF 증폭기에서, 소정의 온도 범위에서 동작될 때, RF 전압은 Vce(min)과 인가된 컬렉터 전압의 2배(2 x Vcc) 사이에서 스윙한다(swing). Vce(min)은 온도에 의존형인 이미터 포화 전압, Vce(sat)에 의해 지배된다. 따라서, RF 증폭기의 출력 전력은 증폭기 트랜지스터들의 Vce(sat) 온도 계수로 인해 변화한다.

이는, RF 전압(Vrf)이, 수평축(108)으로 도시된 온도와 관련하여 수직축(104) 상에 도시되는 도 1에 도시된다. (2 x Vcc)의 플롯(112) 및 Vce(min)의 플롯(116)이 도 1에 도시된다. RF 전압은 (2 x Vcc)와 Vce(min) 사이의 범위에서 스윙한다.

보는 바와 같이, 온도가 변함에 따라 Vce(min)도 변한다. 보다 높은 온도에서, RF 전압 스윙은 감소한다. 이러한 영향은, Vcc가 Vce(min)에 접근하는, 증폭기의 턴-온 임계값 근처에서 특히 두드러진다. 따라서, Vce(min)이 교정 온도 위와 아래의 온도들에서 변화함에 따라, 에러 값이 생성된다. 주위 보정 온도에 대해 종종 실온이 사용된다.

임계값에서의 변화는 Vcc가 극 변조형 시스템들과 같은, 진폭 변조에 대해 사용되는 응용에서 특히 중요하다. 이러한 응용들에서, 트랜시버는 실온 교정에 의해 결정되는, 출력 전력과 Vcc 간의 알려진 관계에 기초하여 PA를 제어한다. 그러나, 도 1에 도시된 바와 같이, 턴온 임계값이 온도에 따라 변화하는 경우, 진폭 변조는 손상되고, 변조 스펙트럼 성능과 EVM(Error Vector Magnitude)의 열화를 초래한다.

종래 기술에서의 단점들을 극복하기 위해 상이한 해결책들이 제안되어 왔으나, 그러한 해결책들은 수용할 수 없는 것이거나, 문제점을 적절하게 극복하지 못한다. 그러한 하나의 해결책은 소프트웨어를 통한 시스템 레벨에서의 온도 보상이다. 이는, 소프트웨어 기반 구현에 대해 요구되는 디지털-아날로그 컨버터에 대한 해상도 요구조건이 중요하기 때문에 최적의 해결책이 아니다. 또한, RF 증폭기 온도를 검출 및 모니터하려는 시도들은 부정확성을 초래하거나 바람직하지 않게 복잡한 구성을 초래한다.

결과적으로, PA 모듈들에서의 정확하고 효율적인 온도 보상 방법에 대한 필요성이 본 기술분야에 존재한다. 본 발명은 조정된 전압 Vcc를 보상함으로써 온도에 대한 출력 전력의 변동을 최소화하여 그러한 해결책을 제공한다. 아래에서 설명되는 바와 같이, 본원에서 설명되고 청구되는 본 방법 및 장치는, 종래 기술의 단점들에 대한 해결책 및 추가의 이점들을 제공한다.

<본 발명의 요약>

종래 기술의 단점들을 극복하고 추가의 이점들을 제공하기 위해, RF 증폭기를 위한 온도 보상 시스템이 개시된다. 하나의 동작 방법에서, RF 출력 신호를 생성할 때, 시스템 온도가 RF 증폭기를 보상한다. 이 방법은, 전압 (또는 전류) 의존형 전압 소스에 제어 신호를 제공하는 단계를 포함한다. 제어 신호는 데이터 신호의 포락선 또는 진폭을 포함하거나, 이와 관련될 수 있다. 전압 의존형 전압 소스는 제어 신호와 관련된 온도-독립형 전압을 생성한다. 그 방법은 또한 온도 의존형 전압 소스를 생성하거나 제공하는 단계를 포함한다. 이 전압은 제어 신호의존형 전압 소스에 추가된다. 그 후, 이 방법은 RF 증폭기의 하나 이상의 컬렉터들에, 2개의 전압 소스들의 합에 의해 생성된 합성 전압(composite voltage)을 인가함으로써 온도 보상형 RF 출력 신호를 생성한다.

일 실시예에서, 전압 제어형 전압 소스는 로우 드롭 아웃(low drop-out) 전압 조정기(LDO)를 포함한다. LDO는 입력 제어 신호에 의존형인 출력 전압을 생성하기 위해 피드백 루프로 구성된 에러 증폭기로 구성된다. LDO는 조정된 출력 전압과 입력된 제어 신호 간의 원하는 관계를 설정하기 위해 오프셋 전류 또는 전압 소스들 및 저항기들로 구성되나, 이에 한정되지 않는 피드백 네트워크를 포함할 수 있다. LDO는 또한 조정된 컬렉터 전압을 유지하면서 RF 증폭기에 대한 필수적인 컬렉터 전류를 제공하기 위해, PFET와 같은, 전압 제어형 전류 소스를 포함할 수 있다.

아래에서 보다 상세하게 설명하는 바와 같이, 컬렉터 전압을 RF 증폭기의 출력에 인가함으로써, 본 동작 방법의 또 다른 이점인, RF 출력 신호에서의 위상 왜곡을 줄일 수 있다.

온도 보상형 RF 출력 신호를 생성하기 위한 시스템이 또한 본원에 개시된다. 일 실시예에서, 차동 증폭기는 제어 신호 및 오프셋 신호를 수신하여 가변 전압 소스 제어 신호를 생성하도록 구성된다. 온도 의존형 오프셋 신호 생성기도 이 시스템의 일부분이고 오프셋 신호를 생성하도록 구성된다. 가변 전압 소스는 가변 전압 소스 제어 신호에 응답하여 인가된 컬렉터 전압을 생성하도록 구성된다. 본 실시예의 일부분인 RF 증폭기는 RF 신호를 수신하고 증폭된 RF 신호를 출력하도록 구성되며, 증폭된 RF 신호의 진폭은 인가된 컬렉터 전압 및 제어 신호에 의존적이다.

일 실시예에서, 제어 신호는 데이터를 나타낸다. 또한, 온도 의존형 오프셋 신호 생성기는 하나 이상의 전류 소스 및 저항기 네트워크를 포함할 수 있고, 가변 전류 소스는 PFET와 같은 반도체 디바이스를 포함할 수 있다는 것이 고려된다. 저항기 네트워크와 관련하여, 온도 보상 전류를 오프셋 신호로 변환하도록 구성될 수 있다.

또한, 증폭기를 온도 보상하기 위한 시스템이 본원에 개시된다. 일 구성에서, 본 실시예는 밴드 갭 전류 신호를 수신하도록 구성된 제1 입력 및 온도 비례적 전류 신호를 수신하도록 구성된 제2 입력을 포함한다. 밴드 갭 전류 신호와 온도 비례적 전류 신호를 결합하여 오프셋 신호를 생성하도록 네트워크가 제공 및 구성된다. 유사하게, 차동 증폭기가 제어 신호를 생성하도록 제공 및 구성된다. PFET와 같은 전압 제어형 디바이스가, 제어 신호를 수신하여, 발신 신호를 진폭 변조하는데 사용되는 진폭 변조 신호를 생성하도록 제공 및 구성된다. 진폭 변조된 발신 신호는 온도 비례적 전류 신호로 인해 온도 보상된다. 이는, RF 전력 레벨이 상이한 온도에서 일정하게 유지되거나 원하는 대로 유지되게 한다.

밴드 갭 전류 신호가 온도에 의존적이지 않는 전류 신호를 포함하는 것이 고려된다. 이 시스템은 데이터 신호를 수신하도록 구성되는 입력을 더 포함하여, 데이터 신호 및 오프셋 신호가 제어 신호를 생성할 수 있으며, 이 제어 신호는 온도 보상된다. 일 실시예에서, 네트워크는 하나 이상의 저항기들을 포함한다. 또한, 일 실시예에서, 진폭 변조 신호는 RF 증폭기의 출력과 결합되어 진폭 변조된 제어 신호를 생성하는 것이 또한 고려된다. 더우기, 이 시스템은 무선 통신 네트워크에서 사용되는 기지국 또는 모바일 통신 디바이스에 사용될 수 있다.

본 발명의 다른 시스템들, 방법들 및 특징들 및 이점들은 다음의 도면들 및 상세한 설명을 검토하면 본 기술분야의 당업자에게 자명하게 될 것이다. 그러한 모든 추가의 시스템들, 방법들, 특징들 및 이점들은 본 명세서에 포함되고, 본 발명의 범위 내에 포함되고, 첨부된 청구범위에 의해 보호되는 것을 의도한다.

도면들의 구성요소들은 반드시 스케일대로 그려지지 않고 대신 본 발명의 원리들을 설명할 때 강조된다. 도면들에서, 유사한 참조번호들은 상이한 도면들을 통해 대응하는 부분들을 지시한다.

도 1은 온도 변화에 따른 PA의 출력 전력의 예시적인 플롯(plot)을 나타낸다.

도 2는 전압 Vcc 보상형 시스템의 예시적인 플롯을 나타낸다.

도 3은 본 발명에 사용되는 제1 예시적인 환경의 블록도를 나타낸다.

도 4는 본 발명에 사용되는 제2 예시적인 환경의 블록도를 나타낸다.

도 5는 온도 보상형 RF 증폭기의 하나의 예시적인 일반화된 회로도를 나타낸다.

도 6은 온도 보상형 RF 증폭기의 일반화된 회로도를 나타낸다.

도 7 및 8은 본원에 개시된 방법 및 장치에 의해 구현되는 개선점들을 보여주는 예시적인 신호 플롯들을 나타낸다.

도 9 및 10은 본원에 개시된 방법 및 장치에 의해 구현되는, 위상 시프트 대 V_APC에서의 개선점을 보여주는 예시적인 신호 플롯들을 나타낸다.

종래 기술의 단점들을 극복하기 위해, 온도 보상형 증폭기가 개시된다. 본원에 설명된 온도 보상형 시스템에서, 온도에 의존적이더라도, 전압 Vce(sat)는 고정된 채로 유지되며, 전압 Vcc는 보상된다. 도 2는 그러한 구성의 예시적인 플롯를 나타낸다. 도 2에 도시된 바와 같이, 수직축(204)은 RF 전압을 나타내고, 수평축(208)은 온도를 나타낸다. (2 x Vcc) 플롯(212)은 RF 전압 스윙의 상부 범위를 나타내는 것으로 도시되고, Vce(sat) 플롯(216)은 RF 전압 스윙의 하부 경계선을 나타낸다. 도 2의 이러한 플롯에서, 도 1과 비교하면, (2 x Vcc) 플롯(212)은 온도에 대해 보상되어, 온도가 증가함에 따라, Vcc도 그렇게 된다. 이러한 방식에서, 출력 전력 또는 전압 스윙은, 그렇게 원할 경우, 일정하게 유지될 수 있고 (2 x Vcc)의 상부 경계선에 의해 제한되지 않는다.

본 발명의 다양한 실시예들의 상세를 설명하기 전에, 다양한 예시적인 사용 환경이 설명 및 도시된다. 도 3은 본 발명이 사용되는 제1 예시적인 환경의 블록도이다. 도 3에 도시된 예시적인 환경은 무선 통신 디바이스를 포함하나, 이것은 많은 가능한 예시적인 사용 환경 중 단지 하나라는 것에 유의하라. 본 발명은 통신 분야 및 다른 사용 분야들 모두에서 수많은 그외의 환경들에서 사용할 수 있고 이점을 제공할 수 있다고 생각된다.

도 3에 도시된 무선 통신 디바이스는, 내부 전자 장치를 보호하고 선택적으로 둘러싸도록 구성되는 외부 하우징(304)을 포함한다. 안테나(308)는 착신 신호들을 수신하고 발신 신호들을 송신한다. 안테나(308)는 하우징(304)의 내부 또는 외부에 위치될 수 있다. 듀플렉서(312)는 안테나(308)에 접속되어, 듀플렉서(312)로부터의 상부 경로로서 도시된 바와 같이, 착신 신호들을 수신기 장치로 라우팅하고 발신 신호들을 안테나로 라우팅한다.

듀플렉서(312)는 수신기 장치에 접속되어, 후속 장치에 의한 처리에 적절한 레벨로, 특정 주파수 대역에 대한 신호 전력 레벨을 증가시키도록 구성되는 LNA(low noise amplifier)(316)에 수신 신호들을 라우팅한다. LNA(316) 출력은, 예를 들어 밴드 통과 필터링 또는 무선 채널의 영향들을 경감시키는 처리와 같은 추가의 필터링 또는 처리를 수행하도록 구성될 수 있는 필터(320)에 접속된다.

필터링 후, 다운-컨버터(down-converter)로도 알려진 믹서(324)는 신호 생성기(328)로부터의 신호와 함께 수신 신호를 처리한다. 믹서는, 캐리어 주파수에 있 는 신호 생성기로부터의 신호와 캐리어 주파수에서의 수신 신호를 승산함으로써 베이스 밴드 신호를 추출하도록 구성될 수 있다. 잘 이해하고 있는 바와 같이, 믹서(324)는 원하는 캐리어 신호를 출력한다.

믹서(324)로부터의 출력은, 착신 베이스 밴드 신호를 수신 및 처리하도록 구성된 베이스 밴드 프로세서 및 제어기(340)로 공급된다. 일 실시예에서, 베이스 밴드 프로세서 및 제어기(340)는 착신 신호를 디지털 포맷으로 변환하고, 디지털 신호를 처리한 후, 스피커(344)에 제공되는 아날로그 신호를 생성한다. 대안적으로, 디지털 신호는 데이터 포트(348)에 직접 제공될 수 있다. 본 실시예에서, 베이스 밴드 프로세서 및 제어기(340)는 신호 생성기(328)와 통신하여 동작을 동기화시킬 수 있다.

베이스 밴드 프로세서 및 제어기(340)는 또한, 하나 이상의 키들 또는 버튼들을 구비한 사용자 인터페이스(352), 및 텍스트, 그래픽 또는 다른 정보를 사용자에게 표시하도록 구성된 디스플레이(356)로/로부터 데이터를 전달할 수 있다.

발신 신호들의 전송을 수행하기 위해, 베이스 밴드 프로세서 및 제어기(340)는 마이크로폰(360)으로부터 신호를 수신하거나, 데이터 포트(348)로부터 디지털 데이터를 수신할 수 있다. 발신 신호들의 수신 시에, 베이스 밴드 프로세서 및 제어기(340)는 발신 정보를 베이스 밴드 신호로 처리하고 이러한 베이스 밴드 신호를 업-컨버터로도 지칭될 수 있는 믹서(364)에 출력한다. 믹서(364)는 베이스 밴드 신호를 원하는 캐리어 주파수에서 신호 생성기(328)로부터의 입력과 승산한다. 결과적인 발신 신호는, 필터(368)에 의해 필터링되고 처리된 후, 듀플렉서(312)를 통 과한 후 안테나(308)에 의해 송신되기에 적절한 전력 레벨로 RF 증폭기(372)에 의해 증폭될 준비가 되어 있으며 캐리어 주파수로 변조된 베이스 밴드 신호를 포함한다. 출력 증폭기 시스템은 임의의 방식으로 구성될 수 있으며, 본원에 설명된 방법 및 장치로부터 이점을 얻을 수 있다.

본 실시예에서, 멀티밴드 검출기(374)는 증폭기(372)로부터의 출력을 수신한다. 멀티밴드 검출기(374)는, 그와 같이 갖추어지면, 진폭 또는 전력 레벨과 같은, 발신 신호의 하나 이상의 양상을 모니터할 수 있다. 일 실시예에서, 검출기(374)는 피드백 또는 데이터 신호를 도시된 제어기(340)에 제공할 수 있다. 아래에서 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 검출기(374)는 발신 신호, 즉 송신되고 있는 신호의 진폭을 모니터링할 수 있고 진폭에 관한 정보를 제어기(340)에 제공할 수 있다.

도 4는 본 발명이 사용되는 제2 예시적인 환경의 블록도를 나타낸다. 도 4는 도 3과 많은 유사한 점들을 공유하며, 따라서, 도 3과 상이한 양상들이 상세하게 설명된다. 도 4의 실시예는 하나 이상의 기타 통신 디바이스들과 통신하도록 구성된 비-모바일형 통신 디바이스 또는 기지국(408)에 관한 것이다. 기지국 통신 시스템(408)을 나타낼 수 있는 본 구성에서, 베이스 밴드 프로세서 및 제어기(340)는 네트워크 인터페이스(404)와 통신한다. 네트워크 인터페이스(404)는 프로세서 및 제어기(340)로부터의 하나 이상의 신호 또는 패킷 기반 데이터를 수신하도록 구성될 수 있다. 하나 이상의 신호 또는 패킷 기반 데이터는 컴퓨터 네트워크, 인터넷, PSTN, 또는 전화 네트워크, 데이터 네트워크 또는 셀룰러 통신 시스템과 인터페이스하는 그외의 매체로 출력된다. 기지국(408)으로 구성된 경우, 도 4에 도시된 시스템은, 셀 폰으로부터의 전화 호(call) 또는 지상 라인으로의 전화 호와 같은 모바일 전화 호의 완성을 용이하게 한다. 이러한 호들은 종종 기지국(408)의 네트워크 인터페이스(404)를 통해 완성된다.

본 실시예에서, 필터(320)의 출력을 수신하도록 구성되는 멀티밴드 검출기(420)가 또한 도 4에 도시된다. 검출기(420)는 착신 신호를 믹서(324)에 전달하면서, 또한 착신 신호의 하나 이상의 양상에 대한 데이터 또는 정보를 제어기(340)에 제공한다.

서론적인 정보로서, 컬렉터 전압 제어형 RF 증폭기에서, 출력 전력은 증폭기의 하나 이상의 스테이지들의 컬렉터에 인가되는 조정된 전압에 의해 정의된다. 출력 전력은 다음과 같은 식에 의해 표현된다:

여기서, Vcc는 인가된 컬렉터 전압이고 Vce(min)은 출력 전압 스윙의 최소 레벨이며, 컬렉터 이미터 포화 전압 Vce(sat)에 의해 지배된다. Rload는 매칭 네트워크에 의해 증폭기에 대해 제공되는 총 임피던스이다. 전압 Vcc를 보완하거나 보상함으로써, 출력 전력은 온도에 대해 유지될 수 있다.

도 5는 온도 보상형 RF 증폭기의 하나의 예시적인 일반화된 회로도를 나타낸다. 이는, 단지 하나의 가능한 예시적인 실시예이며, 따라서, 후속하는 청구범위로부터 벗어나지 않는 그외의 실시예들이 가능하게 될 수 있다고 생각된다. 이러 한 예시적인 실시예에서, RF 입력 신호는 RF 증폭기(504)에 제공된다. RF 증폭기(504)의 출력은 안테나에 연결되는 출력 신호를 포함한다. RF 증폭기는 하나 이상의 임의의 유형의 증폭기들을 포함할 수 있다. 이러한 예시적인 실시예에서, 변조 방식은 진폭 변조를 포함한다. 따라서, RF 출력은, 도 5에 APC(amplifier power control) 전압(V_APC)으로서 도시된, 제어 신호에 기초하여 진폭 변조된다. V_APC 신호는, 변조 또는 코딩 방식을 제어하기 위해 데이터 또는 제어 신호로서 역할을 할 수 있는 임의의 유형의 신호를 포함할 수 있다. 본 실시예에서, V_APC 신호는 디지털 신호 프로세서로부터 아날로그 포맷으로 수신된다. 제어 회로, 제어 로직, 상태 머신, 디지털 신호 프로세서, ASIC 또는 마이크로 프로세서를 포함하나, 이에 한정되지 않는 임의의 유형의 프로세서 또는 소스가 V_APC 신호를 생성할 수 있다.

V_APC 신호는, 비반전형 피드백 루프가 에러 증폭기(508), PFET(534), 저항성네트워크(530), 및 오프셋 전류 소스들 I_BG(520) 및 I_PTAT(524)를 포함하는 것으로 구성되는 LDO(low drop-out) 전압 조정기에 제공된다. 에러 증폭기(508)는 이득을 제공하여 피드백 루프의 정확도를 유지한다. 넓은 범위의 컬렉터 전류들에 대해 조정된 컬렉터 전압을 유지하고 에러 증폭기(508)를 로딩(loading)하지 않고, RF 증폭기(504)에 의해 인출된 컬렉터 전류를 PFET(534)가 제공한다. 다른 실시예들에서, PFET는 NFET, 바이폴라 PNP, NPN 또는 그외의 반도체 디바이스로 교체될 수 있다. 저항성 네트워크(530)는 LDO 조정기의 전달 함수에 영향을 준다. 네트워크는 또한 LDO 전달 함수의 주파수 정형 또는 다른 변형들을 위한, 캐패시터들과 같은, 그외의 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 오프셋 전류 소스들(520 및 524)은 저항성 네트워크(530)와 함께 결합되어 사용됨으로써 LDO 전달 함수에서의 오프셋을 생성한다.

오프셋 전류 I_BG(520)은 저항성 네트워크(530)와 결합하여 사용됨으로써 온도 독립형 오프셋 전압을 생성한다. I_BG 전류 소스는 일반적으로 밴드 갭 전압 기준 V_BG, 및, 저항성 네트워크(530)로서 동일한 온도 및 프로세스 특성을 갖는 저항 R로부터 전개된다. 밴드 갭 전압은 일반적으로 온도 독립형이고, 저항기들의 온도 특성은 함께 추적되어(track together), 결과적인 오프셋 전압, Voff1 = V_BG/R X R1은 온도 독립형이다. 오프셋 전류 I_BG가 저항 R의 온도 특성에 의존적인 반면, 그 결과적인 오프셋 전압은 온도 독립형이며, 간단함을 위해, 이후부터, 온도 독립형 또는 밴드 갭 전류 소스로서 지칭된다. 밴드 갭 전압을 전개하는 방법 및 장치는 본 기술분야에서 이해될 수 있다.

오프셋 전류 I_PTAT(524)는 저항성 네트워크(530)와 결합하여 사용되어 온도 의존형 오프셋 전압을 생성한다. I_PTAT 전류 소스는 절대 온도에 비례하며, 이는 디바이스 또는 다이의 온도에 기초하고 그 온도에 크기로 관련되는 전류 신호이다. 저항성 네트워크(530)와 결합되는 경우, 결과적인 오프셋 전압, Voff2 = I_PTAT X R1 은 온도 의존형이다. 절대 온도(PTAT)에 비례하는 전류를 전개하는 방법 및 장치는 본 기술분야에서 이해될 것이다.

LDO 조정기의 결과적인 출력 전압 Vcc는, RF 증폭기(504)의 하나 이상의 스테이지들의 컬렉터들에 접속되는 RF 쵸크(choke)(540)에 인가된다. 그에 따라, 증폭된 RF 신호는 컬렉터 전압 Vcc에 의해, 진폭 제어 신호 Vapc에 의해 결정되는 레벨로 변조된다. 쵸크는 본 기술 분야에서 이해되는 바와 같이 동작한다.

전류 신호들 I_BG 및 I_PTAT에 의존적인 온도 보상형 V_OFF의 결과로서, 전압 Vcc는 Vce(sat)를 추적하도록 유사하게 보상되어, 온도에 걸쳐 특정한 입력에 대해, 일정한 출력 전력을 유지한다. 도 2를 참조하면, Vcc는 Vce(sat)와 유사하거나 동일한 방식으로 온도에 따라 스윙할 수 있어, 원하는 RF 전압 스윙을 유지한다.

동작에 대한 보다 상세한 설명이 지금부터 제공된다. PA의 하나 이상의 스테이지의 컬렉터들에 인가된 조정된 전압은, 통상적으로 제어 전압 V_APC의 선형 함수이다. 이는 도 5에 도시된 바와 같이 주입된 오프셋 전류 I_OFF를 갖는 선형 조정기를 이용하여 달성된다. 전압 Vcc는 다음과 같이 정의될 수 있다:

전술한 바와 같이, 극 변조 방안에서 이용된 PA는 전형적으로 실온에서 조정되고, RMS 출력 전압 Vrf와 제어 전압 V_APC 사이의 선형 관계에 커브 피트(curve-fit)되며, 다음과 같은 형태를 갖는다.

PA의 이득은 Vce(sat)의 열 변화에 의해 영향을 받지만, 이득에서의 변화는, 그것이 단순히 출력 파형을 스케일링하기 때문에, 출력 전력에서의 변화로서만 보여진다. 그러나, 오프셋에서의 변화는, 그것이 스칼라 방식에서 파형에 영향을 미치지 않기 때문에, EVM 및 ACPR에서의 열화를 초래한다. 예를 들어, 변조 파형의 널(null)은 피크들보다 많이 영향을 받을 것이다. 하나의 예시적인 시스템에, 50mV 드리프트는, Vrf가 .5V일 때에는 파형을 10%, 하지만 Vrf가 3.5V일 때에는 파형을 1.4%만 훼손한다. 이러한 훼손은 변조 콘스텔레이션 및 스펙트럼에서 발생된다. 따라서, 오프셋 항 Ioff × R1이 Vce(sat)의 온도 변화를 추적하도록 선형 조정기를 보상함으로써, 온도로 인한 오프셋 변화 및 변조 왜곡이 최소화될 수 있다.

증폭기(508)를 이용하여, 선형 조정기, 즉, 디바이스(534)에 대한 입력을 보상하기 위해, I_OFF와 같은 오프셋 항은, 절대 온도에 비례하는 전류를 나타내는, 즉, 온도에 따라 변하는 I_PTAT와 온도에 따라 변하지 않는 밴드 갭 기준 전류(I_BG)의 조합을 이용하여 생성된다. 결과적인 오프셋 전류는 I_OFF = I_PTAT - I_BG의 값을 갖는다. 따라서, V_OFF는 또한 온도에 의존적이며, 도 5로부터의 I_OFF 및 R₁과 관련된다. 그 결과, V_OFF는 PTAT 및 밴드 갭 컴포넌트를 갖게 되며, 온도 의존형 항(I_PTAT × R1)이 Vce(sat)의 온도 프로파일을 추적하도록 전달 함수가 설계될 수 있다. Vce(sat)는 동작 동안 실시간으로 또는 제조 및/또는 테스트 동안, 실험적으로 측 정되거나 다른 방식으로 결정될 수 있다. PTAT 전류 소스의 합성 온도 계수 Tc 및 R1을 아는 것에 의해, V_APC 및 온도의 함수로서의 선형 조정기의 전달 함수는 다음과 같이 다시 표현될 수 있다.

여기서, Tnom은 공칭 온도이고, I_PTAT는 T = Tnom에서의 공칭 PTAT 전류이다. 그러므로, Tc × I_PTAT × R1을 Vce(sat) 온도 계수와 동일하게 설정함으로써, Vcc는 시간에 걸쳐서 Vce(sat)를 추적할 것이다.

도 6은 온도 보상형 RF 증폭기의 하나의 일반화된 예시적인 블록도를 도시한다. 이것은 단지 가능한 하나의 예시적인 실시예이며, 따라서 이하의 특허 청구 범위를 벗어나지 않고서도, 다른 실시예들이 가능한 것으로 고려된다. 이러한 예시적인 실시예에서, RF 입력이 RF 증폭기(600)에 제공된다. RF 증폭기(600)의 출력은 안테나(604)에 연결되는 출력 신호를 포함한다. RF 증폭기(600)와 안테나(604) 사이에 선택적인 처리가 발생될 수 있다.

이러한 예시적인 실시예에서, 증폭기(600)는 전압-포화 증폭기로서 구성되며, 여기서, 출력 진폭은 증폭기의 하나 이상의 스테이지에 제공된 컬렉터 전압에 의해 결정된다. 출력 신호의 진폭은 RF 쵸크(612)를 통해 증폭기 컬렉터들에 제공되는 전압 Vcc에 의해 결정된다. 컬렉터 전압 Vcc는 제어 신호 의존형 전압과 온도-의존형 보상 전압 V(T)(618)를 합산함으로써 생성된다. 이러한 예시적인 실시예에서, 제어 신호 의존형 전압은 전달 함수 Vout = H(Vapc)를 갖는 LDO(low drop- out) 전압 조정기(612)에 의해 생성되며, 여기서 Vapc는 증폭기 전력 제어 신호이다. 따라서, RF 쵸크(608)를 통해 RF 증폭기(600)에 인가된 합성 컬렉터 전압은 Vcc = H(Vapc) + V(T)이다.

도 7 및 8은 본원에 개시된 방법 및 장치에 의해 구현되는 개선점들을 보여주는 예시적인 신호 플롯들을 나타낸다. 도 7을 참조하면, 수직축(704)은 출력 전력(Pout)을 나타내고, 수평축(708)은 예를 들면, V_APC와 같은 제어 전압을 나타낸다.

도 7의 플롯에서, 점선은 키(712)에서 나타낸 바와 같은 다양한 온도에서의 비보상된 신호 플롯들을 나타낸다. 볼 수 있듯이, 각각의 상이한 온도에서, 즉, -20 ℃, 실온 및 85 ℃에서 크게 다른, 상이한 점선으로 된 비보상 플롯들이 존재한다. 동작 동안, 온도에 걸쳐서 주어진 V_APC에 대해, 출력 전력에서의 그러한 변화는 바람직하지 않다.

반대로, 도 7의 실선들은 온도 보상형 시스템의 성능을 나타낸다. 볼 수 있듯이, 이들 플롯은 상이한 온도들 각각에 있어서, 점선으로 된 비보상형 플롯들보다 더욱 밀접하게 관련된다. 보상형 시스템에 대한 플롯들은 비보상형 시스템에 대한 것과 동일한 온도에서 생성되었다.

저 전력 영역들에서는 개선이 상당한데, 특히, 편차가 원하는 출력 신호의 보다 큰 전체 비율로 되기 때문이다. 이것은 도 7의 일부의 확대된 플롯인 도 8에 보다 명확히 도시된다. 도 8은 수직축(804) 및 수평축(808) 상에서 보다 명확하게 정의된 스케일을 이용한다. 도 8의 플롯에서, 출력 전력이 수직축(804) 상에 도시되며, -20 내지 -10 dBm의 범위를 갖는다. V_APC는 수평축(808) 상에 도시되며, 0.20 내지 0.24 볼트의 범위를 갖는다. 이러한 플롯은, 비록 동일한 온도 포인트들에서 생성된 동일한 플롯들을 도시하지만, 저 전력 조건들에서 온도 보상형 시스템의 우수한 동작을 보다 명확하게 도시한다. 이러한 플롯에서, 시간에 걸친 변화는 14mV에서 단지 4mV로 감소된다.

RF 증폭기를 온도 보상하는 것의 추가적인 이점은, RF 증폭기를 통한 위상 시프트의 변화에 있어서의 감소이다. 디바이스를 통한 위상 시프트는 디바이스를 통한 신호 스윙(진폭-위상 왜곡)에 관련되므로, 디바이스를 통한 위상 시프트의 양은 비보상형 시스템에서 온도에 따라 변한다. 온도 보상을 적용하고, 그에 따라 온도에 걸친 RF 출력 신호 스윙을 잘 유지함으로써, 위상 시프트의 양은 시간에 걸쳐 유지될 수 있다. 전형적으로, 위상 시프트의 양은 극 변조 시스템에서 실온에서 특성화되기 때문에, 위상 시프트의 변화는 EVM 또는 변조 스펙트럼에 큰 왜곡을 초래할 수 있다.

도 9 및 10은 보상형 및 비보상형 시스템에 대해 여러 가지 상이한 온도들에서의, 위상 시프트 대 V_APC의 플롯들을 나타낸다. 도 10은 도 9의 일부에 대한 확대된 버전이며, 0.200 내지 0.240 볼트의 V_APC에 초점을 맞추고 있다. 이들 플롯에서, 수직축(904)은 위상 시프트를 도(degree)로 나타내고, 수평축(908)은 전압 V_APC를 나타낸다. 점선은 다양한 온도에서의 비보상 플롯을 나타낸다. 도 9 및 10에 서 볼 수 있듯이, 점선에 의해 도시된 비보상 플롯은 상이한 온도들, 즉, -20℃, 실온 및 +85℃ 각각에서 큰 위상 시프트를 갖는다.

실선은 비보상 플롯들이 생성되었던 동일한 온도에서의 보상형 시스템의 성능을 나타낸다. 이해할 수 있듯이, 온도 보상된 실선들의 경우, 상당한 개선이 자명하다. 사실상, 보상형 시스템은 20 도로부터 5도 미만으로 감소되는 위상 시프트를 가지며, 그것은 커다란 이점이 된다.

본 발명의 다양한 실시예들이 기술되었지만, 당업자라면, 본 발명의 영역 내에서 보다 많은 실시예 및 구현이 가능함을 명백히 알 것이다. 또한, 본원에서 기술된 다양한 특징들, 요소들 및 실시예들은 임의의 조합 또는 구성으로 청구되거나 또는 결합될 수 있다.

Claims (27)

1. RF 출력 신호를 생성할 때 RF 증폭기를 온도 보상하는 방법으로서,

   제어 신호를 차동 증폭기에 제공하는 단계;

   온도 독립형(temperature independent)인 밴드 갭 전류를 생성하는 단계;

   온도 의존형(temperature dependent)인 온도 비례적 전류를 생성하는 단계;

   상기 밴드 갭 전류 및 상기 온도 비례적 전류를 온도 의존형인 오프셋 전압으로 변환하는 단계;

   상기 오프셋 전압을 상기 차동 증폭기에 제공하는 단계;

   상기 차동 증폭기로 온도 보상형 제어 신호를 생성하는 단계;

   상기 온도 보상형 제어 신호에 기초하여 인가된 컬렉터 전압을 생성하는 단계; 및

   상기 인가된 컬렉터 전압을 상기 RF 증폭기의 출력에 인가하여, 온도 보상형 RF 출력 신호를 생성하는 단계

   를 포함하는 RF 증폭기 온도 보상 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 차동 증폭기는 에러 증폭기를 포함하는 RF 증폭기 온도 보상 방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 제어 신호는 데이터 신호를 포함하는 RF 증폭기 온도 보상 방법.
4. 제1항에 있어서,

   상기 RF 출력 신호는 진폭 변조되는 RF 증폭기 온도 보상 방법.
5. 제1항에 있어서,

   상기 인가된 컬렉터 전압은 네트워크 전압에 의해 더 보충되며, 상기 네트워크 전압은 네트워크 저항, 상기 온도 비례적 전류 및 상기 밴드 갭 전류에 관련된 전압을 포함하는 RF 증폭기 온도 보상 방법.
6. 제1항에 있어서,

   상기 방법은 또한, 상기 인가된 컬렉터 전압을 상기 RF 증폭기의 출력에 인가하여 상기 RF 출력 신호에서의 위상 왜곡을 감소시키기 위한 것인, RF 증폭기 온도 보상 방법.
7. 온도 보상형 RF 출력 신호를 생성하기 위한 시스템으로서,

   오프셋 신호를 생성하도록 구성된 온도 의존형 오프셋 신호 생성기;

   제어 신호 및 상기 오프셋 신호를 수신하여, 가변 전압 소스 제어 신호를 생성하도록 구성된 차동 증폭기;

   상기 가변 전압 소스 제어 신호에 응답하여, 인가된 컬렉터 전압을 생성하도록 구성된 가변 전압 소스; 및

   RF 신호를 수신하고 증폭된 RF 신호를 출력하도록 구성된 RF 증폭기 - 상기 증폭된 RF 신호의 진폭은 상기 인가된 컬렉터 전압 및 상기 제어 신호에 의존적임 -

   를 포함하고,

   상기 온도 의존형 오프셋 신호 생성기는,

   온도 독립형 전압을 생성하기 위해 하나 이상의 저항에 연결되는 제1 전류 소스;

   온도 의존형 전압을 생성하기 위해 하나 이상의 저항에 연결되는 제2 전류 소스; 및

   상기 온도 독립형 전압과 상기 온도 의존형 전압을 결합하여 상기 오프셋 신호를 생성하도록 구성되는 연결부(junction)

   를 포함하는, RF 출력 신호 생성 시스템.
8. 제7항에 있어서,

   상기 제어 신호는 데이터를 나타내는 RF 출력 신호 생성 시스템.
9. 제7항에 있어서,

   상기 온도 의존형 오프셋 신호 생성기는 온도 의존형 전류 소스를 포함하는 RF 출력 신호 생성 시스템.
10. 제7항에 있어서,

    상기 가변 전압 소스는 PFET를 포함하는 RF 출력 신호 생성 시스템.
11. 제7항에 있어서,

    상기 시스템은 EDGE 규격 시스템을 포함하는 RF 출력 신호 생성 시스템.
12. 제7항에 있어서,

    온도 보상 전류를 상기 오프셋 신호로 변환하도록 구성된 저항기 네트워크를 더 포함하는 RF 출력 신호 생성 시스템.
13. 증폭기를 온도 보상하는 시스템으로서,

    온도 독립형인 밴드 갭 전류 신호를 수신하도록 구성된 제1 입력;

    온도 의존형인 온도 비례적 전류 신호를 수신하도록 구성된 제2 입력;

    상기 밴드 갭 전류 신호와 상기 온도 비례적 전류 신호를 결합하여 온도 의존형인 오프셋 신호를 생성하도록 구성된 네트워크;

    상기 오프셋 신호 및 온도 비보상형(temperature uncompensated) 제어 신호를 수신하고 처리하여 온도 보상형 제어 신호를 생성하도록 구성된 차동 증폭기; 및

    상기 제어 신호를 수신하여, 발신 신호를 진폭 변조하는데 사용되는 진폭 변조 신호를 생성하도록 구성된 전압 제어 디바이스 - 상기 진폭 변조된 발신 신호는 상기 온도 비례적 전류 신호로 인해 온도 보상됨 -

    를 포함하는 증폭기 온도 보상 시스템.
14. 제13항에 있어서,

    상기 밴드 갭 전류 신호는 온도 의존적이지 않은 전류 신호를 포함하는 증폭기 온도 보상 시스템.
15. 제13항에 있어서,

    상기 전압 제어 디바이스는 PFET를 포함하는 증폭기 온도 보상 시스템.
16. 제13항에 있어서,

    데이터 신호를 수신하도록 구성된 입력을 더 포함하며, 상기 데이터 신호 및 상기 오프셋 신호는 상기 제어 신호가 온도 보상되도록 상기 제어 신호를 생성하는 증폭기 온도 보상 시스템.
17. 제13항에 있어서,

    상기 네트워크는 하나 이상의 저항기를 포함하는 증폭기 온도 보상 시스템.
18. 제13항에 있어서,

    상기 진폭 변조 신호는 RF 증폭기의 출력과 결합되어, 상기 진폭 변조된 발신 신호를 생성하는 증폭기 온도 보상 시스템.
19. 제13항에 있어서,

    상기 시스템은 이동 통신 디바이스 내에 구성되는 증폭기 온도 보상 시스템.
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