KR101451455B1 - 선형 및 포화 모드에서의 동작을 위한 멀티모드 증폭기 - Google Patents

선형 및 포화 모드에서의 동작을 위한 멀티모드 증폭기 Download PDF

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스카이워크스 솔루션즈, 인코포레이티드
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Abstract

예시적인 실시예에 따르면, 선형 및 포화 동작 모드에서 RF 입력 신호를 수신하고 RF 출력 신호를 제공하도록 구성된 멀티모드 전력 증폭기는 고정된 공급 전압을 수신하고 RF 출력 신호를 제공하도록 구성된 출력 스테이지를 포함한다. 멀티모드 전력 증폭기는 출력 스테이지에 결합되고, RF 입력 신호와 조정가능한 공급 전압을 수신하도록 구성된 적어도 하나의 드라이버 스테이지를 더 포함한다. 조정가능한 공급 전압은 멀티모드 전력 증폭기가 포화 동작 모드에 있는 경우에 RF 출력 신호의 RF 출력 전력을 제어한다. 적어도 하나의 드라이버 및 출력 스테이지는 선형 및 포화 동작 모드에서 저 임피던스 전압에 의해 각각 바이어스된다. 조정가능한 공급 전압은 선형 동작 모드에서 고정된 제어 전압에 의해 제어될 수 있다.
Figure R1020097017411
멀티모드, 전력 증폭기, 선형, 포화, 증폭 모듈

Description

선형 및 포화 모드에서의 동작을 위한 멀티모드 증폭기{MULTIMODE AMPLIFIER FOR OPERATION IN LINEAR AND SATURATED MODES}
[발명의 배경]
본원은 2007년 1월 25일에 출원되고 발명의 명칭이 "Biasing Architecture for a Multimode Power Amplifier"인 일련번호 제60/897,711호의 계류중인 가특허 출원의 잇점 및 우선권을 주장한다. 그 계류 중인 가출원의 공개가 참조로 본 출원서에 완전하게 포함되어 있다.
본 발명은 일반적으로는 전기 회로 분야에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 증폭기 회로에 관한 것이다.
셀룰러 전화기들과 같은 통신 디바이스들은 일반적으로 출력 전력이 입력 전력에 의해 제어되는 선형 모드로 동작하는 전력 증폭기들, 및 입력 전력이 일정하고 출력 전력이 제어 전압에 의해 제어되는 포화 모드로 동작하는 전력 증폭기들을 이용하여 상이한 변조 표준들을 지원한다. 예를 들면, 선형 모드로 동작할 수 있는 전력 증폭기들은 EDGE(Enhanced Data Rates for GSM Evolution) 변조를 이용하는 셀룰러 전화기들에 이용될 수 있는 한편, 포화 모드로 동작할 수 있는 전력 증폭기들은 GMSK(Gaussian minimum shift keying) 변조를 이용하는 셀룰러 전화기들 에 이용될 수 있다. 그러나, 셀룰러 전화기들과 같은 통신 디바이스들에서의 전력 증폭기들은 EDGE, GMSK와 같은 상이한 변조 표준들을 수용하도록 선형 또는 포화 모드 중 어느 하나로 동작할 수 있는 것이 바람직하다.
선형 및 포화 동작 모드를 모두 지원할 수 있는 멀티모드 전력 증폭기를 제공하는 여러 종래의 방법들이 만들어져 왔다. 하나의 종래의 방법은, 선형 모드 동작에서는 저 임피던스 전압 바이어스를 제공하고 포화 모드 동작에서는 고 임피던스 전압 바이어스를 제공하는 스위칭 바이어스 기술을 포함하는 이종접합 바이폴라 트랜지스터(HBT) 증폭기를 이용한다. 그러나, 이 방법에서 이용되는 스위칭 바이어스 기술은 동작 모드들 사이에서의 바이어스의 스위칭에 복잡한 회로를 필요로 할 수 있고, 이는 바람직하지 않게도 결과적으로 컴포넌트의 수를 증가시키고, 노이즈 성능을 저하시키며, 모드 전이시에 슬루 레이트를 제한하게 된다.
멀티모드 전력 증폭기를 제공하는 또 하나의 종래의 방법에서, 선형 모드 동작에서는 전력 증폭기에서 저 임피던스 전압 바이어스를 유지하는 한편, 포화 모드 동작에서는 출력 전력을 제어하도록 전력 증폭기 공급 전압을 조정한다. 이러한 방법은 선형 및 포화 동작 모드에서의 바이어스의 스위칭을 회피하지만, 출력 스테이지 증폭기의 전류 요건의 지원에 고 전류 저 드롭아웃 레귤레이터(LDO)를 필요로 하고 증폭기의 공급 전압에 바람직하지 않은 전압 강하를 유발함으로써, 전체 증폭기 효율 및 선형 동작 모드 성능을 저하시킨다.
청구의 범위에서 더 완전하게 기재되는 바와 같이, 실질적으로 도면들 중 적어도 하나에 도시되거나 이와 관련하여 기재된 선형 및 포화 모드에서의 동작을 위한 멀티모드 증폭기를 개시한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티모드 전력 증폭기를 포함하는 예시적인 증폭 모듈의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 예시적인 멀티모드 전력 증폭기의 회로도를 예시하고 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 예시적인 적분기 회로의 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 증폭기 효율 곡선을 도시하는 그래프이다.
본 발명은 선형 및 포화 모드에서의 동작을 위한 멀티모드 증폭기에 관한 것이다. 이하의 설명은 본 발명의 구현과 관련된 특정 정보를 포함한다. 당업자라면, 본 발명이 본원에서 구체적으로 논의되는 것과는 다른 방식으로 구현될 수도 있다는 것을 잘 알 것이다. 더구나, 본 발명의 특정 세부사항들 중 일부는 본 발명을 모호하지 않게 하기 위해 설명되지 않는다. 본원에 기재되지 않는 특정 세부사항들은 당업자에게 공지되어 있다.
본원의 도면들 및 그 첨부된 상세한 설명은 단지 본 발명의 예시적인 실시예들에 불과하다. 간략함을 유지하기 위해, 본 발명의 원리들을 이용하는 본 발명의 다른 실시예들은 본원에 구체적으로 기재되지 않고 본 도면들에 의해 구체적으로 예시되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 부하에 결합된 예시적인 증폭 모듈의 블록도를 도시하고 있다. 일부 세부사항들 및 특징들은 도 1의 외부에 남아 있고, 이들은 당업자에게는 자명하다. 부하(102)에 결합되는 증폭 모듈(100)은 멀티모드 전력 증폭기(104, 또한 단순히 "전력 증폭기(104)"로도 지칭됨), 레귤레이터(106), 바이어스 컨트롤(108), 직렬 포트 인터페이스(110), 지향성 커플러(111), 패드(112), RF 검출기(114), 버퍼(116), 적분기(118), 및 스위치(120)를 포함한다. 전력 증폭기(104)는 드라이버 스테이지 증폭기(124, 단순히 "드라이버 증폭기(124)"로도 지칭됨) 및 바이어스 회로(126)를 포함하는 드라이버 스테이지(122), 드라이버 스테이지 증폭기(130, 또한 단순히 "드라이버 증폭기(130)"로도 지칭됨) 및 바이어스 회로(132)를 포함하는 드라이버 스테이지(128), 출력 스테이지 증폭기(136, 또한 단순히 "출력 증폭기(136)"로도 지칭됨) 및 바이어스 회로(138)를 포함하는 출력 스테이지(134), 및 인덕터들(121, 123 및 125)을 포함한다. 레귤레이터(106)는 차동 증폭기(140), 트랜지스터(142), 커패시터(144), 및 저항기들(144 및 148)을 포함한다. 유의할 점은, 전력 증폭기(104)가 본원에서 단지 2개의 드라이버 스테이지들(즉, 드라이버 스테이지들(122 및 128))만을 포함하고 있지만, 본 발명이 출력 스테이지에 결합된 단 하나의 드라이버 스테이지 또는 2개 이상의 드라이버 스테이지들을 구비하는 멀티모드 전력 증폭기에도 적용된다는 점이다.
증폭 모듈(100)은 EDGE, GMSK, 코드분할 다중 액세스(CDMA), 또는 다른 적합한 변조 표준들을 이용하는 이동 전화기들과 같은 통신 디바이스들에 이용될 수 있 다. 증폭 모듈(100)은 실리콘 기술, 갈륨 비소(GaAs) 기술, 또는 다른 적절한 기술을 이용하여 하나 이상의 반도체 다이 상에 제조될 수 있다. 일 실시예에서, 증폭 모듈(100)은 혼합된 기술들을 이용하여 제조될 수 있다. 예를 들면, 전력 증폭기(104)의 드라이버 스테이지(122 및 128) 및 레귤레이터(106)는 실리콘 다이 상에 제조될 수 있고, 멀티모드 전력 증폭기(104)의 출력 스테이지(134)는 GaAs 다이 상에 제조될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, RF 입력 신호("RF IN", 150)는 선형 모드 또는 포화 모드 중 어느 하나로 동작할 수 있는 증폭기인 전력 증폭기(104)의 입력에 결합된다. 전력 증폭기(104)는 RF IN(150), 바이어스 컨트롤(108)로부터의 대기 전류(IQ, 152), 노드(156)에서 레귤레이터(106)로부터의 조정가능한 공급 전압인 조정된 전압(VREG, 154), 및 공급 전압(158)을 수신하고, RF IN(150)을 증폭하며, 부하(102)에 결합되는 RF 출력 신호(RF OUT, 160)를 생성한다. 공급 전압(158)은 고정된, 즉 조정불가능한 공급 전압이다. 그러나, 당업자에 의해 이해될 수 있는 바와 같이, 공급 전압(158)은 배터리와 같은 공급 전압(158) 원의 변동의 결과로서 소량만큼 가변될 수 있다.
또한, 도 1에 도시된 바와 같이, RF IN(50)은 드라이버 스테이지(122)의 입력인 드라이버 증폭기(124)의 입력에 결합되고, 드라이버 스테이지(122)의 출력인 드라이버 증폭기(124)의 출력은 드라이버 스테이지(128)의 입력에 결합된다. 드라이버 증폭기(124)는 RF IN(150), 드라이버 증폭기(124)의 바이어스 입력에 결합되 는 바이어스 회로(126)로부터의 저 임피던스 전압 바이어스, 및 인덕터(121)를 통해 드라이버 증폭기(124)의 공급 전압 입력에 결합되는 조정가능한 공급 전압인 VREG(154)를 수신하고, RF IN(150)을 증폭하며, 제1 중간 RF 신호를 생성하도록 구성될 수 있다. 드라이버 증폭기(124)는 바이폴라 트랜지스터 또는 전계 효과 트랜지스터(FET)와 같은 트랜지스터를 포함할 수 있다. 그러나, 드라이버 증폭기(124)는 하나 이상의 트랜지스터를 이용하여 구현될 수도 있다. 바이어스 회로(126)는 바이어스 컨트롤(108)로부터 끌어당겨지는 IQ(대기 전류, 152)를 수신하고, 드라이버 증폭기(124)에 저 임피던스 전압 바이어스를 제공하도록 구성될 수 있다.
도 1에 더 도시된 바와 같이, 드라이버 스테이지(122)에 의해 생성된 제1 중간 RF 신호는 드라이버 스테이지(128)의 입력인 드라이버 증폭기(130)의 입력에 결합되고, 드라이버 스테이지(128)의 출력인 드라이버 증폭기(130)의 출력은 출력 스테이지(134)에서 출력 증폭기(136)의 입력에 결합된다. 드라이버 증폭기(130)는 드라이버 스테이지(122)로부터 제1 중간 RF 신호, 드라이버 증폭기(130)의 바이어스 입력에 결합되는 바이어스 회로(132)로부터의 저 임피던스 전압 바이어스, 및 인덕터(123)를 통해 드라이버 증폭기(130)의 공급 전압 입력에 결합되는 VREG(154)를 수신하고, 제1 중간 RF 신호를 증폭하며, 제2 중간 RF 신호를 생성하도록 구성될 수 있다. 드라이버 증폭기(130)는 바이폴라 트랜지스터 또는 FET와 같은 트랜지스터를 포함할 수 있다. 그러나, 드라이버 증폭기(130)는 하나 이상의 트랜지스터를 이용하여 구현될 수도 있다. 바이어스 회로(132)는 바이어스 컨트롤(108)로 부터 IQ(152)를 수신하고, 드라이버 증폭기(130)에 저 임피던스 전압 바이어스를 제공하도록 구성될 수 있다.
또한 도 1에 도시된 바와 같이, 드라이버 스테이지(128)에 의해 생성된 제2 중간 RF 신호는 출력 스테이지(134)의 입력인 출력 증폭기(136)의 입력에 결합되고, 출력 스테이지(134)의 출력인 출력 증폭기(136)의 출력은 부하(102)에 결합된다. 출력 증폭기(136)는 드라이버 스테이지(128)로부터의 제2 중간 RF 신호, 출력 증폭기(136)의 바이어스 입력에 결합되는 바이어스 회로(138)로부터의 저 임피던스 전압 바이어스, 및 인덕터(125)를 통해 출력 증폭기(136)의 공급 전압 입력에 결합되는 공급 전압(158), 즉 고정된 공급 전압을 수신하고, 제2 중간 RF 신호를 증폭하며, RF OUT(160)를 생성하도록 구성될 수 있다. 출력 증폭기(136)는 바이폴라 트랜지스터 또는 FET와 같은 트랜지스터를 포함할 수 있다. 그러나, 출력 증폭기(136)는 하나 이상의 트랜지스터를 이용하여 구현될 수도 있다. 바이어스 회로(138)는 바이어스 컨트롤(108)로부터 IQ(152)를 수신하고, 출력 증폭기(136)에 저 임피던스 전압 바이어스를 제공하도록 구성될 수 있다.
또한 도 1에 도시된 바와 같이, 디지털 제어 신호(162)는 직렬 포트 인터페이스(110)의 입력에 결합되고, 직렬 포트 인터페이스(110)의 출력은 라인(164)을 통해 바이어스 컨트롤(108)의 입력에 결합되며, 바이어스 컨트롤(108)의 출력은 버스(166)를 통해 전력 증폭기(104)의 각 드라이버 스테이지(122, 128) 및 출력 스테이지(104)에서 바이어스 회로들(126, 132, 138)의 입력들에 결합된다. 디지털 제 어 신호(162)는 예를 들면 3-와이어 버스를 통해 직렬 포트 인터페이스(110)의 입력에 결합될 수 있다. 디지털 제어 신호(162)는 바이어스 컨트롤(108)에 의해 전력 증폭기(104)에 제공되는 대기 전류(즉, IQ(152))의 양을 제어할 수 있다. 예를 들면, 바이어스 컨트롤(108)이 저 출력 전력 동작에서는 전력 증폭기(104)에 저 대기 전류를, 고 출력 전력 동작에서는 전력 증폭기(104)에 고 대기 전류를 제공하게 하도록 디지털 제어 신호(162)를 선택할 수 있다. 일 실시예에서, 디지털 제어 신호(162)는 전력 증폭기(104)의 다수의 원하는 출력 전력 레벨들에 대응하는 다수의 선택가능한 값들을 가질 수 있다.
직렬 포트 인터페이스(110)는 디지털 인터페이스 및 디지털-대-아날로그(D/A) 컨버터를 포함할 수 있고, 디지털 제어 신호(162)를 수신하여 아날로그 대기 전류(IQ) 제어 전압(VCNTL)으로 변환시키고, 라인(164) 상에 아날로그 IQ VCNTL(167, 단순히 "IQVCNTL(167)"로 지칭됨)을 출력하도록 구성될 수 있다. 바이어스 컨트롤(108)은 대기 전류를 전력 증폭기(104)에 공급하기 위한 전압-대-전류 컨버터를 포함한다. 바이어스 컨트롤(108)은 IQVCNTL(167, 즉 아날로그 대기 전류 제어 전압)을 수신하여 대기 전류로 변환하고 IQ(152)를 전력 증폭기(104)의 드라이버 스테이지(122, 128) 및 출력 스테이지(134)에게 제공한다. IQVCNTL(167)은, 바이어스 회로들(126, 132, 138)에 공급되는 대기 전류(즉, IQ(152))의 양을 제어함으로써, 바이어스 회로들(126, 132, 138)에 의해 각 드라이버 증폭기들(124, 130) 및 출력 증폭기(136)에 제공되는 바이어스 전압을 제어할 수 있다. 그러므로, IQVCNTL(167)의 증가는 전력 증폭기(104)의 드라이버 및 출력 스테이지들에 제공되는 IQ(152)를 대응하여 증가시킬 수 있다.
일 실시예에서, 예를 들면 FET에 의해 구현될 수 있는 스위치는, 전력 증폭기(104)가 선형 모드로 동작하고 있는 경우에 직렬 포트 인터페이스(110)가 바이어스 컨트롤(108)에 결합되도록 라인(164)에 삽입될 수 있다. 전력 증폭기(104)가 포화 모드로 동작하고 있는 경우에, 스위치는 바이어스 컨트롤(108)로부터 직렬 포트 인터페이스(110)를 결합 해제하고, 전력 증폭기(104)에 의해 생성되는 RF 출력 전력에 비례하는 검출된 피크 전압(VDET, 168)을 바이어스 컨트롤(108)에 결합시킬 수 있다. 그러므로, 포화 동작 모드에서, IQ(152, 즉 전력 증폭기(104)에 제공된 대기 전류)는 전력 증폭기(104)에 의해 생성되는 RF 출력 전력에 비례할 수 있다.
또한 도 1에 도시된 바와 같이, 안테나일 수 있는 부하(102)의 제1 단자는 라인(170)을 통해 전력 증폭기(104)의 출력에 결합되고, 부하(102)의 제2 단자는 그라운드(172)에 결합된다. 도 1에 더 도시된 바와 같이, 라인(170) 상의 RF OUT(160)은 지향성 커플러(111)의 입력에 결합되고, 패드(112)는 지향성 커플러(111)의 출력과 RF 검출기(114)의 입력 사이에 결합된다. 지향성 커플러(111)는 라인(170) 상의 포워드 전력, 즉 전력 증폭기(104)에 의해 부하(102)에 제공되는 RF 출력 전력을 패드(112)를 통해 RF 검출기(114)에 결합하기 위한 RF 구조를 포함할 수 있다. 라인(170) 상에서, 포워드 전력은 라인(170) 상의 전력 증폭기(140) 에 의해 부하(102), 예를 들면 안테나에 의해 제공되는 RF 전력이고, 반사된 전력은 라인(170) 상에서 부하(102)로부터 전력 증폭기(104)로 역반사되는 RF 전력이다. 포워드 전력에 대응하는 사인파 및 반사된 전력에 대응하는 사인파는 라인(170)을 따라 가산 및 감산될 수 있고, 결과적으로 전압 정재파 비(VSWR)로 나타난다.
패드(112)는 지향성 커플러(111)로부터 결합된 RF 출력 신호가 RF 검출기(114)의 입력 신호 범위와 양립가능한 것을 보장하도록 선택될 수 있는 감쇄기를 포함할 수 있다. 또한 도 1에 도시된 바와 같이, RF 검출기(114)의 출력은 버퍼(116)의 입력에 결합되고, 버퍼(116)의 출력은 적분기(118)의 음의(반전) 입력에 결합된다. 예를 들면 다이오드 검출기 또는 로그 증폭기 검출기를 포함할 수 있는 RF 검출기(114)는 RF OUT(160)에 직접적으로 비례하는 RF 출력 신호를 패드(112)로부터 수신하고 RF OUT(160)의 피크 RF 전압에 직접적으로 비례하는 검출된 DC 전압을 출력하도록 구성될 수 있다. 버퍼(116)는 예를 들면, 연산 증폭기일 수 있고, RF 검출기(114)로부터 검출된 DC 전압을 수신하고 검출된 DC 전압(VDET, 168)을 적분기(118)의 음의 입력에 전달하도록 구성될 수 있다. 대략 1.0의 전압 이득을 가질 수 있는 버퍼(116)는 적분기(118)가 RF 검출기(114)의 로드 다운(load down)을 방지할 수 있고, 이로써 RF 검출기의 동작의 간섭을 방지할 수 있다.
도 1에 더 도시된 바와 같이, 기준 전압(VREF, 174) 및 VDET(168)는 적분기(118)의 각각의 양의(비-반전) 및 음의(반전) 입력들에 결합되고, 적분기(118)의 출력은 스위치(120)의 입력에 결합된다. 아날로그 기준 전압인 VREF(174)는 RF OUT(160)의 RF 출력 전력을 원하는 소정 레벨로 조정하는 데에 이용될 수 있다. 도 1의 실시예에서 아날로그 적분기일 수 있는 적분기(118)는 VDET(168)와 VREF(174)를 비교하고 전력 출력 제어 전압(POUTVCNTL, 176)을 제공하도록 구성될 수 있으며, 여기에서 POUTVCNTL는 VDET(168)가 VREF(174)와 실질적으로 동일하게 되도록 조정된다. 일 실시예에서, 적분기(118)는 도 3을 참조하여 설명되는 디지털 적분기로 대체될 수 있다.
또한 도 1에 도시된 바와 같이, 고정된 제어 전압(VCNTL, 178)은 스위치(120)의 입력에 결합되고, 모드 제어 신호(180)는 스위치(120)의 제어 단자에 결합되며, 스위치(120)의 출력은 레귤레이터(106)의 차동 증폭기(140)의 음의(반전) 입력에 결합된다. 고정된 VCNTL(178)은 VREG(154)를 전력 증폭기(104)의 드라이버 스테이지들(122, 128)을 선형 모드로 동작시키는 데에 필요한 공급 전압보다 크거나 같게 하도록 선택되는 거의 일정한 전압이다. 그러나, 당업자에 의해 이해될 수 있는 바와 같이, 고정된 VCNTL(178)은 예를 들면 배터리와 같은 공급 전압원의 변동의 결과로서 소량만큼 가변될 수 있다. 스위치(120)는 단극쌍투(SPDT) 스위치일 수 있고 예를 들면 FET들에 의해 구현될 수 있다. 스위치(120)는 모드 제어 신호(108)에 응답하여, 전력 증폭기(104)의 선형 동작 모드에서는 고정된 VCNTL(178)을 차동 증폭기(140)의 음의 입력에 결합시키고 전력 증폭기(104)의 포화 동작 모드에서는 POUTVCNTL(176)을 차동 증폭기(140)의 음의 입력에 결합하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 모드 제어 신호(180)는 선형 모드를 나타내는 고 전압과 포화 모드를 나타내는 저 전압을 포함할 수 있고, 또는 그 반대도 적용될 수 있다.
도 1에 더 도시되어 있는 바와 같이, 레귤레이터(106)에서, 차동 증폭기(140)의 출력은 노드 184에서 예를 들면 P-채널 FET(PFET)일 수 있는 트랜지스터(142)의 게이트와 커패시터(144)의 제1 단자에 결합되고, 트랜지스터(142)의 소스는 공급 전압(158)에 결합되며, 트랜지스터(142)의 드레인은 커패시터(144)의 제2 단자, 저항기(146)의 제1 단자, 및 VREG(154)를 제공하는 노드(156)에서 전력 증폭기(104)에 결합된다. 또한 도 1에 도시된 바와 같이, 저항기(146)의 제2 단자는 노드(182)에서 저항기(148)의 제1 단자와 차동 증폭기(140)의 양의(비반전) 입력에 결합되고, 저항기(148)의 제2 단자는 그라운드(172)에 결합된다. 음의 피드백 전압 레귤레이터인 레귤레이터(106)에서, 차동 증폭기(140)의 이득은 저항기들(148, 146)의 값들의 비율에 의해 결정된다. 증폭 모듈(100)의 동작이 이제 설명될 것이다. 증폭 모듈(100)에서, 전력 증폭기(104)는 포화 모드와 선형 모드에서 동작할 수 있는 멀티모드 전력 증폭기이다. 전력 증폭기(104)의 포화 및 선형 동작 모드에서, 저 임피던스 전압 바이어스는 바이어스 컨트롤(108)로부터 IQ(152)를 수신하는 각 바이어스 회로들(126, 132, 138)에 의해, 각 드라이버 스테이지들(122, 128)의 드라이버 증폭기들(124, 130)과, 출력 스테이지(134)의 출력 증폭기(136)에 제공된다.
포화 동작 모드에서, 조정가능한 공급 전압, 즉 노드(156)에서의 VREG(154)는 드라이버 증폭기(130)로부터 출력 증폭기(236)에 입력되는 RF 신호의 피크 진폭을 제어하도록 조정된다. 그러나, 포화 동작 모드에서, VDET(168)를 VREF(174)와 거의 동일하게 하도록 적분기(118)에 의해 제공되는 POUTVCNTL(176, 출력 전력 제어 전압)에 의해 VREG(154)가 제어된다. 그러나, VDET(168)는 RF OUT(160)의 피크 진폭에 직접적으로 비례한다. 드라이버 스테이지들(122, 128)의 전압 공급 입력들에 인가되는 VREG(154)를 제어하는 데에 POUTVCNTL(176)을 이용함으로써, 전력 증폭기(104)에 의해 제공되는 RF OUT(160)의 RF 출력 전력이 제어된다. 그러므로, 포화 동작 모드에서, POUTVCNTL(176)은 RF OUT(160)의 RF 출력 전력을 거의 일정하게 하는 데에 이용될 수 있다.
선형 동작 모드에서, VREG(154)를 드라이버 스테이지들(122, 128)을 선형으로 동작시키는, 즉 선형 증폭기 스테이지들로서 동작시키는 데에 필요한 공급 전압보다 크거나 같게 하도록 선택되는 고정된 VCNTL(178)에 의해 VREG(154)가 제어된다. 환언하면, VCNTL(178)은 VREG(154)를 드라이버 증폭기들(124, 130)을 포화시키는 공급 전압보다 크게 하도록 선택된다.
그러므로, 본 발명의 멀티모드 전력 증폭기(104)의 실시예는 포화 및 선형 동작 모드에서 모두 드라이버 스테이지 증폭기들(124, 130) 및 출력 스테이지 증폭 기(136)에 대해 저 임피던스 전압 바이어스를 유지하고, 단지 드라이버 스테이지 증폭기들(124, 130)에 대해서만 조정가능한 공급 전압을 이용한다. 결과적으로, 본 발명은 멀티모드 전력 증폭기의 출력 스테이지에 공급 전압을 제공하는 데에 큰 LDO를 필요로 하는 것을 회피하고, 그럼으로써 포화된 출력 전력을 제어하는 데에 큰 LDO를 이용하는 종래의 멀티모드 전력 증폭기에 비해 출력 스테이지의 효율을 증가시킨다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 예시적인 전력 증폭기의 개략도를 도시하고 있다. 도 2의 전력 증폭기(204)는 도 1의 전력 증폭기(104)에 대응한다. 특히, 도 2의 인덕터들(221, 223, 225), 드라이버 스테이지들(222, 228), 출력 스테이지(234), 바이어스 회로들(226, 232, 238), 드라이버 증폭기들(224, 230), 출력 증폭기(236), RF IN(250), IQ(252), VREG(254), 공급 전압(258), 및 RF OUT(260)은 각각 도 1의 인덕터들(121, 123, 125), 드라이버 스테이지들(122, 128), 출력 스테이지(134), 바이어스 회로들(126, 132, 138), 드라이버 증폭기들(124, 130), 출력 증폭기(136), RF IN(150), IQ(152), VREG(154), 공급 전압(158), 및 RF OUT(160)에 대응한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 전력 증폭기(204)는 드라이버 스테이지들(222, 228), 출력 스테이지(234), 인덕터들(221, 223, 225), 및 커패시터들(271, 272, 273, 278)을 포함한다. 드라이버 스테이지(222)는 드라이버 증폭기(224), 바이어스 회로(226) 및 저항기(274)를 포함하고, 드라이버 스테이지(228)는 드라이버 증 폭기(230), 바이어스 회로(232), 및 저항기(275)를 포함하며, 출력 스테이지(234)는 출력 증폭기(236), 바이어스 회로(238) 및 저항기(276)를 포함한다. 드라이버 증폭기들(224, 230)은 각각의 트랜지스터들(261, 262)을 포함하고, 출력 증폭기(236)는 전력 트랜지스터인 트랜지스터(263)를 포함하며, 바이어스 회로(226)는 트랜지스터(264) 및 저항기(265)를 포함하고, 바이어스 회로(232)는 트랜지스터(267) 및 저항기(279)를 포함하며, 바이어스 회로(238)는 트랜지스터(268), 버퍼(269) 및 저항기(270)를 포함한다.
본 실시예에서, 트랜지스터들(261, 262, 263, 264, 267 및 268)은 NPN 트랜지스터들과 같은 바이폴라 트랜지스터들을 포함할 수 있고, 실리콘 다이와 같은 하나의 반도체 다이 상에 제조될 수 있다. 다른 실시예들에서, 트랜지스터들(261, 262, 263, 264, 267 및 268)은 FET들을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 트랜지스터들(261 및 262), 즉 각 드라이버 스테이지(222, 228)에서의 드라이버 트랜지스터들은 실리콘 다이 상에 제조될 수 있고, 트랜지스터(263), 출력 스테이지(234)의 전력 트랜지스터는 갈륨 비소 다이 상에 제조될 수 있다. 일 실시예에서, 트랜지스터들(261, 262 및 263)은 갈륨 비소 다이 상에 제조될 수 있다. 트랜지스터(263)는 전력 트랜지스터이므로, 트랜지스터(261) 또는 트랜지스터(262) 중 어느 하나보다 그 크기가 훨씬 더 클 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, RF IN(250)은 커패시터(271)를 통해 트랜지스터(261)의 베이스에 결합되고, 트랜지스터(261)의 컬렉터는 인덕터(221)를 통해 VREG(254)에, 커패시터(272)를 통해 트랜지스터(262)의 베이스에 결합되며, 트랜지스터(261)의 에미터는 그라운드(277)에 결합된다. 또한 도 2에 도시된 바와 같이, 트랜지스터(261)의 베이스는 저항기(274)의 제1 단자에 결합되고, 저항기(274)의 제2 단자는 노드(280)에서 저항기(265)의 제1 단자 및 트랜지스터(264)의 컬렉터에 결합되며, 저항기(265)의 제2 단자는 트랜지스터(264)의 베이스에 결합되고, 트랜지스터(264)의 에미터는 그라운드(277)에 결합된다.
도 2에 더 도시된 바와 같이, 트랜지스터(262)의 컬렉터는 인덕터(223)를 통해 VREG(254)에, 커패시터(273)를 통해 트랜지스터(263)의 베이스에 결합되고, 트랜지스터(262)의 에미터는 그라운드(277)에 결합된다. 또한 도 2에 도시된 바와 같이, 트랜지스터(262)의 베이스는 저항기(275)의 제1 단자에 결합되고, 저항기(275)의 제2 단자는 노드(282)에서 저항기(279)의 제1 단자 및 트랜지스터(267)의 컬렉터에 결합되며, 저항기(279)의 제2 단자는 트랜지스터(267)의 베이스에 결합되고, 트랜지스터(264)의 에미터는 그라운드(277)에 결합된다.
도 2에 또한 도시된 바와 같이, 트랜지스터(263)의 컬렉터는 인덕터(225)를 통한 공급 전압(258), 및 커패시터(278)의 제1 단자에 결합되고, RF OUT(260)은 커패시터(278)의 제2 단자에 제공되며, 트랜지스터(263)의 에미터는 그라운드(277)에 결합된다. 도 2에 더 도시되어 있는 바와 같이, 트랜지스터(263)의 베이스는 저항기(276)의 제1 단자에 결합되고, 저항기(276)의 제2 단자는 노드(284)에서 버퍼(269)의 출력, 저항기(270)의 제1 단자에 결합되며, 트랜지스터(268)의 컬렉터는 버퍼(269)의 입력 및 버스(266)에 결합되고, 저항기(270)의 제2 단자는 트랜지스터(268)의 베이스에 결합되고, 트랜지스터(268)의 에미터는 그라운드(277)에 결합된다. 또한 도 2에 도시된 바와 같이, IQ(252, 대기 전류)는 IQ1(286), IQ2(288) 및 IQ3(290)을 각 바이어스 회로들(226, 232, 238)에게 제공하는 버스(266) 상에 도 1의 바이어스 컨트롤(108)에 의해 제공된다.
전력 증폭기(204)는 선형 모드 또는 포화 모드 중 어느 하나로 동작할 수 있는 멀티모드 전력 증폭기이다. 선형 및 포화 동작 모드 동안에, 드라이버 스테이지들(222, 228) 및 출력 스테이지(234)의 바이어스 회로들(226, 232, 238)은 각각 저 임피던스 전압 바이어스들을 트랜지스터들(261, 262 및 263)의 베이스들에게 제공한다. 바이어스 회로(226)에서, 예를 들면 트랜지스터(264)의 베이스는 저항기(265)를 통해 트랜지스터(264)의 컬렉터에 결합함으로써, 트랜지스터(264)를 다이오드로서 기능하도록 구성한다. 결과적으로, 도 1에서 제어 바이어스(108)로부터 끌어당겨진 대기 전류, 즉 IQ1(286)은 트랜지스터(264)에 의해 형성된 다이오드를 통해 흐르고, 그럼으로써 노드(280)에서 저 임피던스 전압을 제공한다. 노드(280)에서의 저 임피던스 전압은 저항기(274)를 통해 트랜지스터(261)의 베이스에 결합되어, 저 임피던스 전압 바이어스를 제공한다. 유사한 방식으로, 바이어스 회로들(228, 238)은 드라이버 스테이지(228) 및 출력 스테이지(234)의 트랜지스터들(262, 263)의 각 베이스들에서 저 임피던스 전압 바이어스들을 제공한다. 그러나, 바이어스 회로(238)에서, 버퍼(269)가 버스(266)와 노드(284) 사이에 제공되 어, 트랜지스터(263)에 의해 요구되는 큰 베이스 전류를 공급하는 베타 헬퍼(beta helper)로서 기능한다.
전력 증폭기(204)의 동작 동안에, 조정가능한 공급 전압, 즉 VREG(254)는 각 인덕터들(221, 223)을 통해 드라이버 스테이지 트랜지스터들(261, 262)의 컬렉터들에게 제공되고, 고정된 공급 전압, 즉 공급 전압(258)은 인덕터(225)를 통해 출력 스테이지 전력 트랜지스터(263)의 컬렉터에게 제공된다. 포화 동작 모드에서, VREG(254)는 출력 증폭기(236)에 입력된 RF 신호의 피크 진폭을 제어하도록 조정된다. 그러나, 포화 동작 모드에서, VREG(254)는 RF OUT(260)의 진폭에 비례하는 검출된 전압에 의해 결정되는 POUTVCNTL(176, 출력 전력 제어 전압)에 의해 제어된다. 그러므로, VREG(254)는 포화 동작 모드에서 RF OUT(260)의 RF 출력 전력을 제어한다.
선형 동작 모드에서, 조정가능한 공급 전압, 즉 VREG(254)는 드라이버 스테이지들(222, 228)을 선형으로 동작시키는 데에 필요한 공급 전압보다 VREG(254)를 더 크거나 같게 하도록 선택되는 도 1의 고정된 VCNTL(178)에 의해 제어된다. 환언하면, VCNTL(178)은 VREG(254)를 드라이버 증폭기들(224, 230)을 포화시키는 공급 전압보다 더 크게 하도록 선택된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 예시적인 적분기 회로의 블록도를 도시 하고 있다. 도 3에서, POUTVCNTL(376) 및 VDET(368)는 각각 도 1의 증폭 모듈(100)의 POUTVCNTL(176) 및 VDET(168)에 대응한다. 적분기 회로(300)는 도 1의 적분기(118, 즉 아날로그 적분기)의 다른 디지털 구현을 제공한다. 그러므로, 증폭 모듈(100)의 일 실시예에서, 적분기 회로(300)는 적분기(118) 대신에 이용될 수 있다. 적분기 회로(300)는 D/A 컨버터(302), 디지털 적분기인 적분기(304), 및 아날로그-대-디지털(A/D) 컨버터(308)를 포함한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 도 1의 전력 증폭기(104)에 의해 제공된 RF 출력 신호(즉, RF OUT(160))의 피크 진폭에 선형으로 비례하는 아날로그 전압인 VDET(368)는 A/D 컨버터(308)의 입력에 결합되고, A/D 컨버터(308)의 출력은 적분기(304)의 음의(반전) 입력에 결합된다. A/D 컨버터(308)는 VDET(368)를 대응하는 디지털 전압으로 변환할 수 있다. 또한 도 3에 도시된 바와 같이, 디지털 기준 신호(306)는 적분기(304)의 양의(비반전) 입력에 결합되고, 적분기(304)의 출력은 D/A 컨버터(302)의 입력에 결합되며, D/A 컨버터(302)의 출력은 POUTVCNTL(376, 출력 전력 제어 전압)을 제공한다.
디지털 기준 신호(306)는 RF OUT(160)의 RF 출력 전력을 원하는 레벨까지 조정하는 데에 이용될 수 있는 디지털 워드이다. 적분기(304)는 VDET(368)에 대응하는 디지털 전압을 디지털 기준 신호(306)와 비교하고, D/A 컨버터(302)에 의해 아날로그 전력 제어 전압(즉, POUTVCNTL(376))으로 변환되는 디지털 전력 출력 제어 전 압을 제공하도록 구성될 수 있다. POUTVCNTL(376)은 VDET(368)를 디지털 기준 신호(306)와 거의 같게 하도록 조정될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 증폭기 효율 곡선을 포함하는 예시적인 그래프를 도시하고 있다. 그래프(400)는 전력 부가된 효율(PAE) 축(402), 전력 출력(POUT) 축(404), 및 증폭기 효율 곡선(406, 408 및 410)을 포함한다. 그래프(400)에서, PAE 축(402)은 DC 서플라이의 합에 의해 분할되는 전력 증폭기의 출력에 결합되는 안테나에 의해 출력되는 RF 전력과 전력 증폭기에 입력되는 RF 전력의 비율에 대응하는 한편, POUT(404)는 전력 증폭기의 출력 전력 범위에 대응한다.
그래프(400)에서, 증폭기 효율 곡선(406)은 GMSK 단독 변조로 동작하고 모든 스테이지들 상에서 고 임피던스 전압 바이어스를 제공하는 종래 전력 증폭기(이하에서는, "종래 GMSK 전력 증폭기"로 지칭됨)의 효율에 대응한다. 그래프(400)에서, 증폭기 효율 곡선(408)은 본 발명의 실시예의 멀티모드 전력 증폭기의 효율에 대응하고 증폭기 효율 곡선(410)은 최종 스테이지 컬렉터 전압 제어를 이용하는 종래 전력 증폭기(이하에서는 "종래 최종 컬렉터 제어 전력 증폭기"로 지칭됨)의 효율에 대응한다.
그래프(400)에 도시된 예에서, 본 발명의 멀티모드 전력 증폭기는 종래 최종 컬렉터 제어 전력 증폭기의 효율 성능과 비교할 때 대략 30.0dBm의 출력 전력에서 대략 5.0퍼센트만큼 더 높은 효율 성능을 제공하면서도, 종래 GMSK 전력 증폭기의 효율 성능에 필적하는 효율 성능을 제공한다. 그러나, 종래 GMSK 전력 증폭기는 단일 모드, 즉 포화 모드 전력 증폭기이다. 그러므로, 본 발명은 단일 모드 종래 GMSK 전력 증폭기에 필적할만한 효율 성능을 제공하면서도 선형 및 포화 모드 양쪽에서 동작할 수 있는 멀티모드 전력 증폭기를 제공한다.
그러므로, 상기 설명된 바와 같이, 본 발명은 드라이버 및 출력 스테이지 증폭기들에게 저 임피던스 전압 바이어스를 제공하고, 드라이버 스테이지들에게 조정가능한 공급 전압을 제공하며, 출력 스테이지에게 고정된 공급 전압을 제공하는 멀티모드 전력 증폭기를 제공한다. 결과적으로, 본 발명은 양호하게는 양쪽 선형 및 포화 동작 모드에서 효율적이고 효과적으로 동작할 수 있는 멀티모드 전력 증폭기를 제공한다.
본 발명의 상기 설명으로부터, 그 범주에서 벗어나지 않고서도 본 발명의 개념을 구현하는데 다양한 기술들이 이용될 수 있다는 것은 자명하다. 더구나, 본 발명이 일부 실시예들에 대한 특정 참조로 설명되었지만, 본 기술분야의 통상의 기술자라면, 본 발명의 사상 및 범주에서 벗어나지 않고서도 형태 및 세부사항에서 변경들이 가해질 수 있다는 것은 자명하다. 그러므로, 기재된 실시예들은 모든 측면들에서 예시적이고 비제한적인 것으로 간주되어야 한다. 본 발명은 여기에 기재된 특정 실시예들로 제한되지 않고 본 발명의 범주에서 벗어나지 않고서도 다수의 재배열들, 변형들 및 대체들이 가능하다는 것은 자명하다.
그러므로, 선형 및 포화 모드에서의 동작을 위한 멀티모드 증폭기가 설명되었다.

Claims (20)

  1. 선형 및 포화 동작 모드 사이에서 스위칭가능하고, 상기 선형 및 포화 동작 모드에서 RF 입력 신호를 수신하고 RF 출력 신호를 제공하도록 구성된 멀티모드 전력 증폭기로서,
    고정된 공급 전압을 수신하고 상기 RF 출력 신호를 제공하도록 구성된 출력 스테이지; 및
    상기 출력 스테이지에 결합되고, 상기 RF 입력 신호와 조정가능한 공급 전압을 수신하도록 구성된 적어도 하나의 드라이버 스테이지
    를 포함하고,
    상기 조정가능한 공급 전압은 상기 멀티모드 전력 증폭기가 상기 포화 동작 모드에 있는 경우에 상기 RF 출력 신호의 RF 출력 전력을 제어하고,
    상기 조정가능한 공급 전압은 상기 멀티모드 전력 증폭기가 상기 선형 동작 모드에 있는 경우에 고정된 제어 전압에 의해 제어되는 멀티모드 전력 증폭기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 드라이버 스테이지 및 상기 출력 스테이지는 상기 선형 및 포화 동작 모드들에서 저 임피던스 전압에 의해 각각 바이어스되는 멀티모드 전력 증폭기.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 고정된 제어 전압은 상기 적어도 하나의 드라이버 스테이지를 선형으로 동작시키는 멀티모드 전력 증폭기.
  5. 제1항에 있어서,
    조정가능한 공급 전압은 상기 포화 동작 모드에서 출력 전력 제어 전압에 의해 제어되는 멀티모드 전력 증폭기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 출력 전력 제어 전압은 상기 RF 출력 신호의 피크 진폭에 의해 결정되는 멀티모드 전력 증폭기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 드라이버 스테이지는 드라이버 증폭기에 결합된 바이어스 회로를 포함하고, 상기 바이어스 회로는 상기 선형 및 상기 포화 동작 모드들에서 대기 전류를 수신하고 저 임피던스 전압 바이어스를 상기 드라이버 증폭기에 제공하도록 구성되는 멀티모드 전력 증폭기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 바이어스 회로는 다이오드로서 동작하도록 구성된 트랜지스터를 포함하고, 상기 다이오드는 상기 저 임피던스 전압 바이어스를 제공하는 멀티모드 전력 증폭기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 출력 스테이지는 출력 증폭기에 결합된 바이어스 회로를 포함하고, 상기 바이어스 회로는 상기 선형 및 상기 포화 동작 모드들에서 대기 전류를 수신하고 저 임피던스 전압 바이어스를 상기 출력 증폭기에 제공하도록 구성되는 멀티모드 전력 증폭기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 바이어스 회로는 다이오드로서 동작하도록 구성된 트랜지스터를 포함하고, 상기 다이오드는 상기 저 임피던스 전압 바이어스를 제공하는 멀티모드 전력 증폭기.
  11. 증폭 모듈로서,
    적어도 하나의 드라이버 스테이지 및 출력 스테이지를 포함하는 멀티모드 전력 증폭기 - 상기 출력 스테이지는 고정된 공급 전압을 수신하고, 상기 멀티모드 전력 증폭기는 선형 및 포화 동작 모드 사이에서 스위칭가능하고, 상기 선형 및 포화 동작 모드에서 RF 입력 신호를 수신하고 RF 출력 신호를 제공하도록 구성됨 -; 및
    상기 적어도 하나의 드라이버 스테이지에 조정가능한 공급 전압을 제공하는 레귤레이터
    를 포함하고,
    상기 조정가능한 공급 전압은 상기 멀티모드 전력 증폭기가 상기 포화 동작 모드에 있는 경우에 상기 RF 출력 신호의 RF 출력 전력을 제어하고,
    상기 조정가능한 공급 전압은 상기 멀티모드 전력 증폭기가 상기 선형 동작 모드에 있는 경우에 고정된 제어 전압에 의해 제어되는 증폭 모듈.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 드라이버 스테이지 및 상기 출력 스테이지는 상기 선형 및 포화 동작 모드들에서 저 임피던스 전압에 의해 각각 바이어스되는 증폭 모듈.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 레귤레이터는 상기 포화 모드에서 출력 전력 제어 전압에 의해 제어되는 증폭 모듈.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 출력 전력 제어 전압은 상기 RF 출력 신호의 피크 진폭에 의해 결정되는 증폭 모듈.
  15. 삭제
  16. 제11항에 있어서,
    상기 고정된 제어 전압은 상기 적어도 하나의 드라이버 스테이지를 선형으로 동작시키는 증폭 모듈.
  17. 제13항에 있어서,
    검출된 전압 및 기준 전압을 수신하고 상기 출력 전력 제어 전압을 제공하도록 구성된 적분기를 더 포함하고, 상기 검출된 전압은 상기 RF 출력 신호의 피크 진폭에 비례하는 증폭 모듈.
  18. 제11항에 있어서,
    아날로그 대기 전류 제어 전압을 수신하고 대기 전류를 상기 멀티모드 전력 증폭기에 제공하도록 구성된 바이어스 컨트롤을 더 포함하는 증폭 모듈.
  19. 제18항에 있어서,
    디지털 제어 신호를 수신하고 상기 아날로그 대기 전류 제어 전압을 제공하도록 구성된 직렬 포트 인터페이스를 더 포함하는 증폭 모듈.
  20. 제11항에 있어서,
    상기 선형 동작 모드에서는 고정된 제어 전압을 상기 레귤레이터에 제공하고, 상기 포화 동작 모드에서는 출력 전력 제어 전압을 상기 레귤레이터에 제공하도록 구성되는 스위치를 더 포함하는 증폭 모듈.
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