KR101467231B1 - 포락선 추적 모드 또는 평균 전력 추적 모드로 동작하는 멀티 모드 바이어스 변조기 및 이를 이용한 포락선 추적 전력 증폭 장치 - Google Patents

포락선 추적 모드 또는 평균 전력 추적 모드로 동작하는 멀티 모드 바이어스 변조기 및 이를 이용한 포락선 추적 전력 증폭 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예들에 따른 포락선 추적 전력 증폭 장치는 포락선 추적 모드 또는 평균 전력 추적 모드 중 어느 한 동작 모드를 결정하기 위한 동작 모드 제어 신호에 따라, 포락선 추적 모드 또는 평균 전력 추적 모드로 동작하는 선형 증폭기 및 스위칭 증폭기를 이용하여 가변 바이어스 전압을 생성하는 멀티 모드 바이어스 변조기 및 가변 바이어스 전압에 따라 바이어스되며, RF 신호를 전력 증폭하여 안테나로 출력하는 전력 증폭기를 포함한다. 멀티 모드 바이어스 변조기는, 포락선 추적 모드로 동작할 경우에는 선형 증폭기에 의해서 포락선 신호의 AC 성분에 상응하는 선형 증폭 바이어스 전류를 구동하고, 스위칭 증폭기에 의해서 포락선 신호의 DC 성분에 상응하는 스위칭 증폭 바이어스 전류를 구동하며, 선형 증폭 바이어스 전류 및 스위칭 증폭 바이어스 전류를 결합하여 가변 바이어스 전류를 생성하고, 평균 전력 추적 모드로 동작할 경우에는 스위칭 증폭기에 의해서 소정의 기준 전압을 추종하는 스위칭 증폭 바이어스 전류를 구동하여 가변 바이어스 전류를 생성할 수 있다.

Description

포락선 추적 모드 또는 평균 전력 추적 모드로 동작하는 멀티 모드 바이어스 변조기 및 이를 이용한 포락선 추적 전력 증폭 장치{MULTI MODE BIAS MODULATOR OPERATING ON ENVELOPE TRACKING MODE OR AVERAGE POWER TRACKING MODE AND ENVELOPE TRACKING POWER AMPLIFIER USING THE SAME}
본 발명은 전력 증폭기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 포락선 추적 전력 증폭기에 관한 것이다.
최근의 무선 통신 시스템은 한정된 주파수 자원을 효율적으로 사용하면서 동시에 높은 데이터 용량을 처리할 수 있도록 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)과 같은 높은 첨두치 대비 평균 전력비(PAPR, Peak to Average Power Ratio)를 가지는 변조 방식을 이용한다.
이렇게 높은 PAPR을 가지는 변조 방식에서 전력 증폭기(PA, Power Amplifier)는 효율을 최대화하기 위해 클래스 C, D, E 또는 F와 같은 고효율의 전력 증폭기를 채택할 수 있다. 이러한 전력 증폭기들은 압축 영역, 즉 포화 영역에서 고효율로 동작할 수 있지만, 압축 영역의 비선형성 때문에 추가적인 선형화 기법이 요구되고, 시스템 전체적으로 보았을 때에 효율이 크게 개선되지 않는다.
또한, 이러한 전력 증폭기들은 포화 영역에서 고효율로 동작하는 반면에 최대 전력점보다 낮은, 즉 백오프(back-off)된 영역에서는 효율이 좋지 않다. 무선 통신 시스템은 대부분의 운영 시간 동안에 PAPR보다 낮은 백오프 영역에서 동작하므로, 결과적으로 평균 전력에서 효율이 나빠진다.
이러한 문제점들을 해결하기 위해, 고정적으로 전력 증폭기에 바이어스를 인가하는 대신에 무선(RF) 입력 신호의 포락선(envelope)에 따라 전압 레벨이 변조되는 바이어스 및 무선 입력 신호를 선형 모드 전력 증폭기에 인가하는 포락선 추적(ET, Envelope Tracking) 전력 증폭 방식과, 포락선에 따라 변조된 바이어스 및 리미터(limiter)를 이용하여 포락선이 제거되어 위상 성분만 남은 입력 신호를 스위칭 모드 전력 증폭기에 인가하는 포락선 제거 복원(EER, Envelope Elimination and Restoration) 전력 증폭 방식이 제안되었다.
그 중에 포락선 추적 전력 증폭 방식은 포락선 제거 복원 전력 증폭 방식에 비해 효율은 다소 떨어지지만, 전력 증폭기에 대한 RF 입력 신호 경로와 변조되는 바이어스 경로 사이의 피할 수 없는 시간 부정합에도 선형성 저하가 좀더 적고 바이어스 변조기의 구조가 좀더 간단한 이점이 있다.
나아가, EER 방식과 ET 방식을 통합하여, 포락선에 따라 전압 레벨이 변조되는 바이어스 및 무선 입력 신호를 스위칭 모드 전력 증폭기에 인가하는 하이브리드 포락선 추적 전력 증폭 방식이 출현하였다.
하이브리드 포락선 추적 전력 증폭 방식에서 바이어스 변조기는 검출된 포락선을 기초로 변조된 바이어스 전압을 생성하기 위해, 넓은 대역폭을 제공하는 선형 증폭기와 높은 효율을 가지는 스위칭 증폭기를 이용하여, 고속 동작과 함께 높은 효율을 얻을 수 있다.
일반적으로 바이어스 변조기의 효율은 출력 전력에 비례하여 증가하거나 감소하게 되므로, 전력 증폭기로 출력되는 바이어스 전압과 부하 저항에 따라 전체적인 효율이 결정된다. 다시 말해, 만약 포락선의 크기가 작아 바이어스 변조기에 의해 변조된 출력 바이어스 전압이 작으면 바이어스 변조기의 전력 효율도 낮아진다.
이러한 문제를 해결하기 위해 DC-DC 변환기를 추가하고, 출력 바이어스 전압이 낮아질 경우에 DC-DC 변환기를 이용하여 선형 증폭기를 위한 동작 전압을 낮추면 바이어스 변조기의 효율을 개선할 수 있다. 그러나, 이러한 대책은 선형 증폭기가 서로 다른 동작 전압에서 모두 잘 동작하도록 설계되어야 하고, 또한 추가된 DC-DC 변환기에 의해 회로가 커지고 전력 소비가 늘어난다는 문제가 있다.
이에 따라, 상대적으로 큰 면적을 필요로 하는 아날로그 회로들을 추가로 사용하지 않고도 넓은 전력 영역에서 바이어스 변조기의 효율을 개선할 방안이 요구된다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 바이어스 변조기 및 이를 이용한 포락선 추적 전력 증폭 장치를 제공하는 데에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 넓은 전력 영역에서 효율을 개선할 수 있는 바이어스 변조기 및 이를 이용한 포락선 추적 전력 증폭 장치를 제공하는 데에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 회로의 복잡도를 최소화하면서 낮은 출력 전력에서도 효율을 개선할 수 있는 바이어스 변조기 및 이를 이용한 포락선 추적 전력 증폭 장치를 제공하는 데에 있다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 포락선 추적 전력 증폭 장치는
포락선 추적 모드 또는 평균 전력 추적 모드 중 어느 한 동작 모드를 결정하기 위한 동작 모드 제어 신호에 따라, 포락선 추적 모드 또는 평균 전력 추적 모드로 동작하는 선형 증폭기 및 스위칭 증폭기를 이용하여 가변 바이어스 전압을 생성하는 멀티 모드 바이어스 변조기; 및
상기 가변 바이어스 전압에 따라 바이어스되며, RF 신호를 전력 증폭하여 안테나로 출력하는 전력 증폭기를 포함하고,
상기 멀티 모드 바이어스 변조기는,
포락선 추적 모드로 동작할 경우에는 상기 선형 증폭기에 의해서 포락선 신호의 AC 성분에 상응하는 선형 증폭 바이어스 전류를 구동하고, 상기 스위칭 증폭기에 의해서 포락선 신호의 DC 성분에 상응하는 스위칭 증폭 바이어스 전류를 구동하며, 상기 선형 증폭 바이어스 전류 및 상기 스위칭 증폭 바이어스 전류를 결합하여 상기 가변 바이어스 전류를 생성하고,
평균 전력 추적 모드로 동작할 경우에는 상기 스위칭 증폭기에 의해서 소정의 기준 전압을 추종하는 스위칭 증폭 바이어스 전류를 구동하여 상기 가변 바이어스 전류를 생성하며,
상기 가변 바이어스 전압은 상기 멀티 모드 바이어스 변조기의 출력 저항, 상기 전력 증폭기의 입력 저항 및 상기 가변 바이어스 전류에 의해 나타날 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 동작 모드 제어 신호는 평균 출력 전력 설정치에 따라 결정되어, 만약 상기 평균 출력 전력 설정치가 상대적으로 낮으면 평균 전력 추적 모드로, 만약 상기 평균 출력 전력 설정치가 상대적으로 높으면 포락선 추적 모드로 각각 결정될 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 동작 모드 제어 신호에 의해 동작 모드가 포락선 추적 모드일 경우에는,
상기 멀티 모드 바이어스 변조기의 선형 증폭기는 포락선 신호의 AC 성분을 선형 증폭하는 연산 증폭기에 의해 상기 선형 증폭 바이어스 전류를 구동하고,
상기 멀티 모드 바이어스 변조기의 스위칭 증폭기는 포락선 신호의 DC 성분의 크기에 의해 결정되는 듀티비에 따라 스위칭되는 스위칭 증폭단에 의해 상기 스위칭 증폭 바이어스 전류를 구동하도록 동작하고,
상기 동작 모드 제어 신호에 의해 동작 모드가 평균 전력 추적 모드일 경우에는,
상기 멀티 모드 바이어스 변조기의 선형 증폭기는 비활성화되고,
상기 멀티 모드 바이어스 변조기의 스위칭 증폭기는 상기 멀티 모드 바이어스 변조기에서 출력되는 상기 가변 바이어스 전압과 소정의 기준 전압의 차이에 기초하여 결정되는 듀티비에 따라 스위칭되는 상기 스위칭 증폭단에 의해 상기 스위칭 증폭 바이어스 전류를 구동하도록 동작할 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 포락선 추적 전력 증폭 장치는
상기 멀티 모드 바이어스 변조기에서 출력되는 가변 바이어스 전압의 레벨을 검출하고, 검출된 가변 바이어스 전압의 레벨과 소정의 모드 판정 기준 전압의 비교 결과에 따라 평균 전력 추적 모드와 포락선 추적 모드 중 어느 한 동작 모드를 결정하여 상기 동작 모드 제어 신호를 생성하는 동작 모드 판정부를 더 포함하고, 상기 동작 모드 판정부는 상기 가변 바이어스 전압이 상기 모드 판정 기준 전압보다 낮으면 평균 전력 추적 모드로, 그렇지 않으면 포락선 추적 모드로 동작 모드를 결정하도록 동작할 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 포락선 추적 전력 증폭 장치는
상기 멀티 모드 바이어스 변조기에서 출력되는 가변 바이어스 전압의 레벨을 검출하고, 검출된 가변 바이어스 전압의 레벨과 소정의 모드 판정 기준 히스테리시스 범위의 비교 결과에 따라 평균 전력 추적 모드와 포락선 추적 모드 중 어느 한 동작 모드를 결정하여 상기 동작 모드 제어 신호를 생성하는 동작 모드 판정부를 더 포함하고, 상기 동작 모드 판정부는 상기 가변 바이어스 전압이 상기 모드 판정 기준 히스테리시스 범위의 하한보다 낮아지면 평균 전력 추적 모드로, 상기 가변 바이어스 전압이 상기 모드 판정 기준 히스테리시스 범위의 상한보다 높아지면 평균 전력 추적 모드로 동작 모드를 결정하도록 동작할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 포락선 추적 전력 증폭 장치는
포락선 추적 모드 또는 평균 전력 추적 모드 중 어느 한 동작 모드를 결정하기 위한 동작 모드 제어 신호에 따라, 포락선 추적 모드 또는 평균 전력 추적 모드로 동작하는 선형 증폭기 및 스위칭 증폭기를 이용하여 가변 바이어스 전압을 생성하는 멀티 모드 바이어스 변조기; 및
상기 가변 바이어스 전압에 따라 바이어스되며, RF 신호를 전력 증폭하여 안테나로 출력하는 전력 증폭기를 포함하고,
상기 멀티 모드 바이어스 변조기는,
포락선 추적 모드에서 동작할 때에는 포락선 신호의 AC 성분에 따라 상기 선형 증폭 바이어스 전류를 구동하고 평균 전력 추적 모드에서는 비활성화되는 선형 증폭기;
포락선 추적 모드에서 동작할 때에는 포락선 신호의 DC 성분의 크기에 의해 결정되는 듀티비에 따라 스위칭되는 제1 스위칭 증폭단에 의해 제1 스위칭 증폭 바이어스 전류를 구동하고 평균 전력 추적 모드에서는 비활성화되는 제1 스위칭 증폭기; 및
포락선 추적 모드에서는 비활성화되고 평균 전력 추적 모드에서 동작할 때에는 출력되는 가변 바이어스 전압과 기준 전압의 차이에 상응하는 듀티비에 따라 스위칭되는 제2 스위칭 증폭단에 의해 제2 스위칭 증폭 바이어스 전류를 구동하는 제2 스위칭 증폭기를 포함하여,
포락선 추적 모드에서는 상기 선형 증폭기에서 구동되는 상기 선형 증폭 바이어스 전류와 상기 제1 스위칭 증폭기에서 구동되는 상기 제1 스위칭 증폭 바이어스 전류를 결합하여 상기 가변 바이어스 전류를 생성하고, 평균 전력 추적 모드에서 동작할 때에는 상기 제2 스위칭 증폭기에서 구동되는 상기 제2 스위칭 증폭 바이어스 전류로써 상기 가변 바이어스 전류를 생성하도록 동작하며,
상기 가변 바이어스 전압은 상기 멀티 모드 바이어스 변조기의 출력 저항, 상기 전력 증폭기의 입력 저항 및 상기 가변 바이어스 전류에 의해 나타나는 것을 특징으로 하는 포락선 추적 전력 증폭 장치.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 포락선 추적 전력 증폭 장치는
포락선 추적 모드 또는 평균 전력 추적 모드 중 어느 한 동작 모드를 결정하기 위한 동작 모드 제어 신호에 따라, 포락선 추적 모드 또는 평균 전력 추적 모드로 동작하는 선형 증폭기 및 스위칭 증폭기를 이용하여 가변 바이어스 전압을 생성하는 멀티 모드 바이어스 변조기; 및
상기 가변 바이어스 전압에 따라 바이어스되며, RF 신호를 전력 증폭하여 안테나로 출력하는 전력 증폭기를 포함하고,
상기 멀티 모드 바이어스 변조기는,
포락선 추적 모드에서 동작할 때에는 포락선 신호의 AC 성분에 따라 상기 선형 증폭 바이어스 전류를 구동하고 평균 전력 추적 모드에서는 비활성화되는 선형 증폭기; 및
포락선 추적 모드에서 동작할 때에는 포락선 신호의 DC 성분에 상응하는 제1 스위칭 증폭 바이어스 전류를 구동하고 평균 전력 추적 모드에서 동작할 때에는 상기 가변 바이어스 전압과 기준 전압 사이의 오차 출력의 크기에 상응하는 듀티비에 따라 제2 스위칭 증폭 바이어스 전류를 구동하는 스위칭 증폭기를 포함하고,
포락선 추적 모드에서 동작할 때에는 상기 선형 증폭기에서 구동되는 선형 증폭 바이어스 전류와 상기 스위칭 증폭기에서 구동되는 제1 스위칭 증폭 바이어스 전류를 결합하여 상기 가변 바이어스 전류를 생성하고, 평균 전력 추적 모드에서 동작할 때에는 상기 스위칭 증폭기에서 구동되는 제2 스위칭 증폭 바이어스 전류로써 상기 가변 바이어스 전류를 생성하도록 동작하며,
상기 가변 바이어스 전압은 상기 멀티 모드 바이어스 변조기의 출력 저항, 상기 전력 증폭기의 입력 저항 및 상기 가변 바이어스 전류에 의해 나타날 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 스위칭 증폭기는
제1 비교기, 관통 전류 방지 및 구동 회로부, 스위칭 증폭단, 인덕터, 오차 증폭기, 스위치, 커패시터 및 제2 비교기를 포함하고,
포락선 추적 모드로 동작할 때에는 상기 제1 비교기, 상기 관통 전류 방지 및 구동 회로부, 상기 스위칭 증폭단 및 상기 인덕터로써 형성되는 개루프가 활성화되고 또한 상기 스위치에 의해 상기 커패시터가 상기 인덕터에서 분리된 구성으로써 상기 제1 스위칭 증폭 바이어스 전류를 구동하고,
평균 전력 추적 모드로 동작할 때에는 상기 오차 증폭기, 상기 제2 비교기, 상기 관통 전류 방지 및 구동 회로부, 상기 스위칭 증폭단 및 상기 인덕터로써 형성되는 폐루프가 활성화되고 또한 상기 스위치에 의해 상기 커패시터가 상기 인덕터 및 상기 오차 증폭기 사이의 접점에 연결된 구성으로써 상기 제2 스위칭 증폭 바이어스 전류를 구동하도록 동작할 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 스위칭 증폭기는,
포락선 추적 모드로 동작할 때에는 상기 선형 증폭기의 스위칭 입력 신호와 기준 전압을 비교하는 상기 제1 비교기의 비교 신호가 상기 관통 전류 방지 및 구동 회로부에 인가되고,
평균 전력 추적 모드로 동작할 때에는 상기 가변 바이어스 전압과 기준 전압 사이의 차이를 증폭하는 상기 오차 증폭기로부터 오차 출력이 출력되고, 상기 오차 출력을 램프 신호(ramp signal)와 비교하는 상기 제2 비교기의 PWM 신호가 상기 관통 전류 방지 및 구동 회로부에 인가되도록 동작하고,
상기 스위칭 입력 신호는 상기 선형 증폭기의 연산 증폭기의 차동 출력 신호 쌍에 의한 클래스 AB 버퍼 출력 전압일 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 스위칭 증폭기는 상기 동작 모드 제어 신호에 따라 동작하는 제1 멀티플렉서 및 제2 멀티플렉서를 포함하고,
상기 제1 멀티플렉서는 상기 램프 신호와 상기 기준 전압을 입력받고 포락선 추적 모드로 동작할 때에는 상기 기준 전압을 선택하여 상기 제1 비교기에 인가하고, 평균 전력 추적 모드로 동작할 때에는 상기 램프 신호를 선택하여 상기 제2 비교기에 인가하도록 동작하며,
상기 제2 멀티플렉서는 포락선 추적 모드로 동작할 때에는 상기 제1 비교기에서 출력되는 상기 비교 신호를 상기 관통 전류 방지 및 구동 회로부에 인가하고, 평균 전력 추적 모드로 동작할 때에는 상기 제2 비교기에서 출력되는 상기 PWM 신호를 상기 관통 전류 방지 및 구동 회로부에 인가하도록 동작할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 포락선 추적 전력 증폭 장치는
포락선 추적 모드 또는 평균 전력 추적 모드 중 어느 한 동작 모드를 결정하기 위한 동작 모드 제어 신호에 따라, 포락선 추적 모드 또는 평균 전력 추적 모드로 동작하는 선형 증폭기 및 스위칭 증폭기를 이용하여 가변 바이어스 전압을 생성하는 멀티 모드 바이어스 변조기; 및
상기 가변 바이어스 전압에 따라 바이어스되며, RF 신호를 전력 증폭하여 안테나로 출력하는 전력 증폭기를 포함하고,
상기 멀티 모드 바이어스 변조기는,
포락선 추적 모드에서 동작할 때에는 포락선 신호의 AC 성분에 따라 선형 증폭 바이어스 전류를 구동하고 평균 전력 추적 모드에서는 비활성화되는 선형 증폭기; 및
포락선 추적 모드에서 동작할 때에는 포락선 신호의 DC 성분에 상응하는 제1 스위칭 증폭 바이어스 전류를 구동하고 평균 전력 추적 모드에서 동작할 때에는 출력되는 가변 바이어스 전압과 소정의 기준 전압의 차이에 상응하는 듀티비에 따라 제2 스위칭 증폭 바이어스 전류를 구동하는 스위칭 증폭기를 포함하고,
포락선 추적 모드에서 동작할 때에는 상기 선형 증폭기에서 구동되는 선형 증폭 바이어스 전류와 상기 스위칭 증폭기에서 구동되는 제1 스위칭 증폭 바이어스 전류를 결합하여 상기 가변 바이어스 전류를 생성하고, 평균 전력 추적 모드에서 동작할 때에는 상기 스위칭 증폭기에서 구동되는 제2 스위칭 증폭 바이어스 전류로써 상기 가변 바이어스 전류를 생성하도록 동작하며,
상기 가변 바이어스 전압은 상기 멀티 모드 바이어스 변조기의 출력 저항, 상기 전력 증폭기의 입력 저항 및 상기 가변 바이어스 전류에 의해 나타날 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 스위칭 증폭기는
제1 비교기, 관통 전류 방지 및 구동 회로부, 스위칭 증폭단, 인덕터, 스위치, 커패시터 및 제2 비교기를 포함하고,
포락선 추적 모드로 동작할 때에는 상기 제1 비교기, 상기 관통 전류 방지 및 구동 회로부, 상기 스위칭 증폭단 및 상기 인덕터로써 형성되는 개루프가 활성화되고 또한 상기 스위치에 의해 상기 커패시터가 상기 인덕터에서 분리된 구성으로부터 상기 제1 스위칭 증폭 바이어스 전류를 구동하고,
평균 전력 추적 모드로 동작할 때에는 상기 제2 비교기, 상기 관통 전류 방지 및 구동 회로부, 상기 스위칭 증폭단 및 상기 인덕터로써 형성되는 폐루프가 활성화고 또한 상기 스위치에 의해 상기 커패시터가 상기 인덕터 및 상기 제2 비교기 사이의 접점에 연결되어 상기 제2 스위칭 증폭 바이어스 전류를 구동하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 스위칭 증폭기는
포락선 추적 모드로 동작할 때에는 상기 선형 증폭기의 스위칭 입력 신호와 기준 전압을 비교하는 상기 제1 비교기의 제1 비교 신호가 상기 관통 전류 방지 및 구동 회로부에 인가되고,
평균 전력 추적 모드로 동작할 때에는 상기 가변 바이어스 전압을 기준 전압에 비교하는 상기 제2 비교기의 제2 비교 신호가 상기 관통 전류 방지 및 구동 회로부에 인가되도록 동작하며,
상기 스위칭 입력 신호는 상기 선형 증폭기의 연산 증폭기의 차동 출력 신호 쌍에 의한 클래스 AB 버퍼 출력 전압일 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 스위칭 증폭기는 상기 동작 모드 제어 신호에 따라 동작하는 디멀티플렉서와 멀티플렉서를 포함하고,
상기 디멀티플렉서는 포락선 추적 모드로 동작할 때에는 상기 기준 전압을 상기 제1 비교기에 인가하고 평균 전력 추적 모드로 동작할 때에는 상기 기준 전압을 상기 제2 비교기에 인가하도록 동작하며,
상기 멀티플렉서는 포락선 추적 모드로 동작할 때에는 상기 제1 비교기의 제1 비교 신호를 상기 관통 전류 방지 및 구동 회로부에 인가하고, 평균 전력 추적 모드로 동작할 때에는 상기 제2 비교기의 제2 비교 신호를 상기 관통 전류 방지 및 구동 회로부에 인가하도록 동작할 수 있다.
본 발명의 포락선 추적 모드 또는 평균 전력 추적 모드로 동작하는 멀티 모드 바이어스 변조기 및 이를 이용한 포락선 추적 전력 증폭 장치에 따르면, 넓은 전력 영역에서 효율을 개선할 수 있다.
본 발명의 포락선 추적 모드 또는 평균 전력 추적 모드로 동작하는 멀티 모드 바이어스 변조기 및 이를 이용한 포락선 추적 전력 증폭 장치에 따르면, 회로의 복잡도를 최소화하면서 낮은 출력 전력에서도 효율을 개선할 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 포락선 추적 전력 증폭 장치를 예시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 포락선 추적 전력 증폭 장치를 예시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예들에 따라, 포락선 추적 전력 증폭 장치에 사용되는 멀티 모드 바이어스 변조기를 예시한 회로도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따라, 포락선 추적 전력 증폭 장치에 사용되는 멀티 모드 바이어스 변조기를 예시한 회로도이다.
도 5는 본 발명의 또다른 실시예에 따라, 포락선 추적 전력 증폭 장치에 사용되는 멀티 모드 바이어스 변조기를 예시한 회로도이다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 포락선 추적 전력 증폭 장치에 사용되는 멀티 모드 바이어스 변조기에서 포락선 추적 모드와 평균 전력 추적 모드의 각각에 따른 전력 효율을 비교하기 위한 개념도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 포락선 추적 전력 증폭 장치에 사용되는 멀티 모드 바이어스 변조기에서 예시적인 포락선 파형에 대해 평균 출력 전력에 따라 모드가 변경되는 동작을 예시한 개념도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 포락선 추적 전력 증폭 장치에 사용되는 멀티 모드 바이어스 변조기에서 예시적인 포락선 파형에 대해 모드가 수시로 변경되는 동작을 예시한 개념도이다.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 포락선 추적 전력 증폭 장치를 예시한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 포락선 추적 전력 증폭 장치(10)는 포락선 검출기(11), 멀티 모드 바이어스 변조기(12), 동작 모드 판정부(13), 상향 변환기(14) 및 전력 증폭기(15)를 포함할 수 있다.
포락선 검출기(11)는 기저대역 신호로부터, 또는 실시예에 따라서는 상향 변환된 RF 신호로부터, 포락선 신호(ENV)를 검출할 수 있다. 포락선 검출기(11)는 아날로그적으로 구현될 경우에 단순하게는 직렬 연결된 정류 다이오드와 저역 통과 필터로 구성될 수 있고, 기저대역 신호 또는 RF 신호를 정류 다이오드에 인가하고 저역 통과 필터의 양단에서 포락선 신호(ENV)를 출력할 수 있다. 한편 포락선 검출기(11)는 디지털적으로 구현될 경우에는 기저대역 신호 샘플들의 피크 값들을 보간하여 포락선 신호(ENV)를 생성할 수 있다.
멀티 모드 바이어스 변조기(12)는 동작 모드 제어 신호(MODE)에 따라 포락선 추적 모드 또는 평균 전력 추적 모드 중 어느 하나로 동작하여 가변 바이어스 전압(VBIAS)을 출력한다.
구체적으로, 멀티 모드 바이어스 변조기(12)는 포락선 추적 모드로 동작할 경우에는 선형 증폭기에 의해서 포락선 신호(ENV)의 AC 성분에 상응하는 선형 증폭 바이어스 전류를 구동하고, 스위칭 증폭기에 의해서 포락선 신호(ENV)의 DC 성분에 상응하는 스위칭 증폭 바이어스 전류를 구동하며, 선형 증폭 바이어스 전류 및 스위칭 증폭 바이어스 전류를 결합하여 전력 증폭기(15)를 위한 가변 바이어스 전류(IBIAS)를 생성하고, 반면에 평균 전력 추적 모드로 동작할 경우에는 오직 스위칭 증폭기에 의해서 소정의 기준 전압을 추종하는 스위칭 증폭 바이어스 전류를 구동하여 전력 증폭기(15)를 위한 가변 바이어스 전류(IBIAS)를 생성한다. 이때 실질적으로, 가변 바이어스 전류(IBIAS)의 대부분은 스위칭 증폭 바이어스 전류가 차지한다.
좀더 구체적으로, 동작 모드 제어 신호(MODE)에 의해 동작 모드가 포락선 추적 모드일 경우에, 멀티 모드 바이어스 변조기(12)의 선형 증폭기는 포락선 신호(ENV)의 AC 성분을 선형 증폭하는 연산 증폭기에 의해 선형 증폭 바이어스 전류를 구동하고, 멀티 모드 바이어스 변조기(12)의 스위칭 증폭기는 포락선 신호(ENV)의 DC 성분의 크기에 의해 결정되는 듀티비에 따라 스위칭되는 스위칭 증폭단에 의해 스위칭 증폭 바이어스 전류를 구동함으로써, 멀티 모드 바이어스 변조기(12)가 선형 증폭 바이어스 전류 및 스위칭 증폭 바이어스 전류를 결합한 가변 바이어스 전류(IBIAS)를 생성한다.
반면에, 동작 모드 제어 신호(MODE)에 의해 동작 모드가 평균 전력 추적 모드일 경우에, 멀티 모드 바이어스 변조기(12)의 선형 증폭기는 비활성화되고 스위칭 증폭기는 멀티 모드 바이어스 변조기(12)에서 출력되는 가변 바이어스 전압(VBIAS)과 소정의 기준 전압의 차이에 기초하여 결정되는 듀티비에 따라 스위칭되는 스위칭 증폭단에 의해 스위칭 증폭 바이어스 전류를 구동함으로써, 멀티 모드 바이어스 변조기(12)가 가변 바이어스 전류(IBIAS)를 생성한다.
전력 증폭기(15)를 위한 가변 바이어스 전압(VBIAS)은 멀티 모드 바이어스 변조기(12)의 출력 저항, 전력 증폭기(15)의 입력 저항 및 가변 바이어스 전류(IBIAS)에 의해 나타난다.
동작 모드 판정부(13)는, 포락선 추적 전력 증폭 장치(10)에 설정되는 평균 출력 전력 설정치에 따라 포락선 추적 모드와 평균 전력 추적 모드를 적어도 포함하는 동작 모드들 중 어느 한 동작 모드를 결정하여 동작 모드 제어 신호(MODE)를 출력한다.
예를 들어, 동작 모드 판정부(13)는 외부에서 설정되는 평균 출력 전력의 크기가 20 dBm 이상이면 포락선 추적 모드로 동작하고 20 dBm 이하이면 평균 전력 추적 모드로 동작하도록, 동작 모드 제어 신호(MODE)를 출력할 수 있다.
통상적으로, 바이어스 변조기들의 경우에, 동일한 수준의 바이어스 전압을 출력할 때에 포락선 추적 모드의 전력 효율이 평균 전력 추적 모드의 전력 효율보다 나쁘다. 특히, 고출력에서 포락선 추적 모드인 바이어스 변조기의 전력 효율은 평균 전력 추적 모드인 바이어스 변조기의 전력 효율보다 조금 나쁘지만, 저출력에서 포락선 추적 모드인 바이어스 변조기의 전력 효율은 평균 전력 추적 모드인 바이어스 변조기의 전력 효율보다 훨씬 나쁘다.
반면에, 전력 증폭기들의 경우에, 동일한 수준의 바이어스 전압에서 동작할 때에 포락선 추적 모드의 전력 효율이 평균 전력 추적 모드의 전력 효율보다 좋다. 하지만, 고출력에서나 저출력에서나 포락선 추적 모드인 전력 증폭기의 전력 효율은 평균 전력 추적 모드인 전력 증폭기의 전력 효율보다 조금 더 좋을 뿐이다.
따라서, 고출력의 무선 신호를 송출해야 할 때에는, 바이어스 변조기와 전력 증폭기를 가지는 전력 증폭 장치의 전체적인 전력 효율은 포락선 추적 모드인 경우가 평균 전력 추적 모드인 경우보다 더 좋게 나타난다.
반면에 저출력의 무선 신호를 송출해야 할 때에는, 전력 증폭 장치의 전체적인 전력 효율은 평균 전력 추적 모드인 경우가 포락선 추적 모드인 경우보다 다소 좋게 나타난다.
이에 따라, 멀티 모드 바이어스 변조기(12)를 포함하는 전력 증폭 장치(10)는, 가변 바이어스 전압(VBIAS)이 높을 때에나 낮을 때에나 양호한 전력 효율을 보일 수 있다.
상향 변조기(14)는 기저 대역 신호의 I 성분과 Q 성분을 소정의 적절한 변조 방식에 따라 상향 변조하여 RF 신호를 생성한다.
전력 증폭기(15)는 상향 변조기(14)에 의해 상향 변조된 RF 신호를 입력받고 멀티 모드 바이어스 변조기(12)로부터 공급되는 가변 바이어스 전압(VBIAS)에 따라 상향 변조된 RF 신호를 전력 증폭하며, 증폭된 RF 신호를 안테나(도시하지 않음)로 출력할 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 포락선 추적 전력 증폭 장치를 예시한 블록도이다.
도 2를 참조하면, 포락선 추적 전력 증폭 장치(20)는 포락선 검출기(21), 멀티 모드 바이어스 변조기(22), 동작 모드 판정부(23), 상향 변환기(24) 및 전력 증폭기(25)를 포함할 수 있다.
도 2의 포락선 추적 전력 증폭 장치(20)의 포락선 검출기(21), 멀티 모드 바이어스 변조기(22), 상향 변환기(24) 및 전력 증폭기(25)는 도 1의 포락선 추적 전력 증폭 장치(10)의 포락선 검출기(11), 멀티 모드 바이어스 변조기(12), 상향 변환기(14) 및 전력 증폭기(15)와 실질적으로 같거나 유사하므로, 편의상 설명을 생략한다.
동작 모드 판정부(23)는 멀티 모드 바이어스 변조기(22)에서 출력되는 가변 바이어스 전압(VBIAS)의 레벨을 검출하고, 검출된 가변 바이어스 전압(VBIAS)의 레벨과 소정의 모드 판정 기준 전압(VMODE)의 비교 결과에 따라 포락선 추적 모드와 평균 전력 추적 모드를 적어도 포함하는 동작 모드들 중 어느 한 동작 모드를 결정하여 동작 모드 제어 신호(MODE)를 출력한다. 이때, 동작 모드 판정부(23)는 소정의 모드 판정 기준 전압(VMODE)에 가변 바이어스 전압(VBIAS)의 순시 레벨을 비교할 수도 있지만, 가변 바이어스 전압(VBIAS)의 소정 시간 동안의 평균 레벨을 비교할 수도 있다. 실시예에 따라, 동작 모드 판정부(23)는 가변 바이어스 전압(VBIAS)이 모드 판정 기준 전압(VMODE)보다 낮으면 평균 전력 추적 모드로, 그렇지 않으면 포락선 추적 모드로 동작 모드를 결정하여 동작 모드 제어 신호(MODE)를 출력할 수 있다.
실시예에 따라, 동작 모드 판정부(23)는 멀티 모드 바이어스 변조기(22)에서 출력되는 가변 바이어스 전압(VBIAS)의 레벨을 검출하고, 검출된 가변 바이어스 전압(VBIAS)의 레벨과 소정의 모드 판정 기준 히스테리시스(hysteresis) 범위의 비교 결과에 따라 포락선 추적 모드와 평균 전력 추적 모드를 적어도 포함하는 동작 모드들 중 어느 한 동작 모드를 결정하여 동작 모드 제어 신호(MODE)를 출력할 수 있다. 마찬가지로, 동작 모드 판정부(23)는 소정의 모드 판정 기준 히스테리시스 범위에 가변 바이어스 전압(VBIAS)의 순시 레벨을 비교할 수도 있지만, 가변 바이어스 전압(VBIAS)의 소정 시간 동안의 평균 레벨을 비교할 수도 있다. 실시예에 따라, 동작 모드 판정부(23)는 가변 바이어스 전압(VBIAS)이 모드 판정 기준 히스테리시스 범위의 하한보다 낮아지면 평균 전력 추적 모드로, 가변 바이어스 전압(VBIAS)이 모드 판정 기준 히스테리시스 범위의 상한보다 높아지면 포락선 추적 모드로 동작 모드를 결정하여 동작 모드 제어 신호(MODE)를 출력할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예들에 따라, 포락선 추적 전력 증폭 장치에 사용되는 멀티 모드 바이어스 변조기를 예시한 회로도이다.
포락선 신호(ENV)의 전력은 DC 성분 또는 낮은 주파수 대역에 대부분이 존재하고 AC 성분 또는 높은 주파수 대역에 나머지 전력 부분이 존재한다. 따라서, 통상적으로 포락선 추적 전력 증폭 장치는 낮은 주파수 대역에서 고효율로 동작하는 스위칭 증폭기가 포락선 신호(ENV)의 DC 성분을 증폭하도록 구성하고 또한 동작 주파수 대역이 넓은 선형 증폭기가 포락선 신호(ENV)의 AC 성분을 증폭하도록 구성될 수 있다.
다만, 앞서 설명하였듯이, 낮은 바이어스 전압 및 낮은 출력 전력에서 통상적으로 포락선 추적 모드의 전력 증폭 장치는 효율이 떨어지므로, 본 발명의 멀티 모드 바이어스 변조기(30)는 낮은 출력 전력이 요구되는 상황에서는 포락선 추적 모드 대신에 평균 전력 추적 모드로 동작한다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 모드 바이어스 변조기(30)는 동작 모드 제어 신호(MODE)에 따라 포락선 추적 모드 또는 평균 전력 추적 모드 중 어느 한 모드로 동작하고, 포락선 추적 모드에서 동작할 때에는 포락선 신호(ENV)의 AC 성분에 따라 선형 증폭 바이어스 전류(ILIN)를 구동하지만 평균 전력 추적 모드에서는 비활성화되는 선형 증폭기(31)와, 포락선 추적 모드에서 동작할 때에는 포락선 신호(ENV)의 DC 성분의 크기에 의해 결정되는 듀티비에 따라 제1 스위칭 증폭 바이어스 전류(ISW1)를 구동하지만 평균 전력 추적 모드에서는 비활성화되는 제1 스위칭 증폭기(32)와, 포락선 추적 모드에서는 비활성화되지만 평균 전력 추적 모드에서 동작할 때에는 출력되는 가변 바이어스 전압(VBIAS)과 소정의 기준 전압의 차이에 상응하는 듀티비에 따라 제2 스위칭 증폭 바이어스 전류(ISW2)를 구동하는 제2 스위칭 증폭기(33)를 포함할 수 있다.
이에 따라, 멀티 모드 바이어스 변조기(30)는 포락선 추적 모드에서 동작할 때에는 선형 증폭기(31)에서 출력되는 선형 증폭 바이어스 전류(ILIN)와 제1 스위칭 증폭기(32)에서 출력되는 제1 스위칭 증폭 바이어스 전류(ISW1)를 결합하여 가변 바이어스 전류(IBIAS)를 구동하고, 평균 전력 추적 모드에서 동작할 때에는 제2 스위칭 증폭기(33)에서 구동되는 제2 스위칭 증폭 바이어스 전류(ISW2)로써 가변 바이어스 전류(IBIAS)를 생성한다.
이를 위해, 선형 증폭기(31)는 예시적으로 선형 증폭기(311), 클래스 AB 버퍼(312) 및 검출부(313)를 포함하고, 동작 모드 제어 신호(MODE)에 따라, 포락선 추적 모드로 동작할 때에는 선형 증폭기(311)와 클래스 AB 버퍼(312) 모두의 동작이 활성화되고, 평균 전력 추적 모드로 동작할 때에는 선형 증폭기(311)와 클래스 AB 버퍼(312) 중 적어도 어느 하나, 특히 선형 증폭기(311)의 동작이 비활성화되도록, 전기적으로 연결될 수 있다.
구체적으로, 포락선 신호(ENV)는 먼저 선형 증폭기(31) 내의 연산 증폭기(311)에 인가된다. 연산 증폭기(311)는 통상적으로 높은 입력 저항과 낮은 출력 저항, 매우 높은 오픈루프 이득값, 넓은 대역폭을 가지고 동작하여 포락선 신호의 AC 성분에서 선형성을 보장할 수 있다. 또한 연산 증폭기(311)는 레일-투-레일(rail-to-rail)로 설계되어 연산 증폭기(311)의 차동 출력 신호의 전압 범위를 전원 전압 범위 내에서 최대화할 수 있다.
연산 증폭기(311)는 예를 들어 입력 측 저항과 피드백 저항에 의해 결정되는 소정의 이득값을 가지도록 설정되며, 입력되는 포락선 신호(ENV)를 이득값에 따라 증폭하여 상보적인 형태의 차동 출력 신호 쌍을 출력한다.
한편, 연산 증폭기(311)는 동작 모드 제어 신호(MODE)가 포락선 추적 모드일 경우에만 전원 전압에 연결되도록 구성될 수 있다.
연산 증폭기(311)에서 출력되는 차동 출력 신호 쌍은 클래스 AB 버퍼(class AB buffer)(312)의 푸시(push) 소자 및 풀(pull) 소자의 제어 단자들에 각각 입력된다. 이때, 푸시 소자는 PMOS(p-channel Metal Oxide Semiconductor) 소자일 수 있고 풀 소자는 NMOS(n-channel MOS) 소자일 수 있다.
클래스 AB 버퍼(312)는 레일-투-레일 동작이 가능하도록 전원 전압(VDD) 라인과 접지 라인 사이에 직렬 연결된 PMOS 푸시 소자 및 NMOS 풀 소자를 포함하고 PMOS 푸시 소자 및 NMOS 풀 소자의 연결 단자에서 선형 증폭 바이어스 전류(ILIN)를 구동할 수 있다.
클래스 AB 버퍼(312)는 동작 모드 제어 신호(MODE)가 포락선 추적 모드일 경우에만 전원 전압에 연결되도록 구성될 수 있다.
한편, 포락선 신호(ENV)의 DC 성분의 스위칭 증폭을 위해, 선형 증폭기(31)의 연산 증폭기(311)의 차동 출력 신호 쌍에 의한 클래스 AB 버퍼 출력 전압이 검출부(313)에 의해 검출되어 스위칭 입력 신호로써 제1 스위칭 증폭기(32)로 전달된다. 검출부(313)는 클래스 AB 버퍼(312)와 마찬가지로 레일-투-레일 클래스 AB 버퍼의 구조, 즉 전원 전압(VDD) 라인과 접지 라인 사이에 직렬 연결된 PMOS 푸시 소자 및 NMOS 풀 소자로 구현되고, PMOS 푸시 소자 및 NMOS 풀 소자의 연결 단자의 전압을 스위칭 입력 신호로 출력할 수 있다.
또한, 제1 스위칭 증폭기(32)는 예시적으로 제1 비교기(321), 제1 관통 전류 방지 및 구동 회로부(322), 제1 스위칭 증폭단(323) 및 제1 인덕터(324)로 구성된 개루프(open loop)를 포함할 수 있다.
나아가 제1 스위칭 증폭기(32)는 동작 모드 제어 신호(MODE)에 따라, 포락선 추적 모드로 동작할 때에는 제1 비교기(321), 제1 관통 전류 방지 및 구동 회로부(322) 및 제1 스위칭 증폭단(323)의 동작이 모두 활성화되고, 평균 전력 추적 모드로 동작할 때에는 제1 비교기(321), 제1 관통 전류 방지 및 구동 회로부(322) 및 제1 스위칭 증폭단(323) 중 적어도 어느 하나, 특히 제1 관통 전류 방지 및 구동 회로부(322)의 동작이 비활성화되도록, 전기적으로 연결될 수 있다.
제1 비교기(321)는 앞서 선형 증폭기(31)에 연결된 검출부(313)에서 출력되는 스위칭 입력 신호를 소정의 기준 전압에 비교하여 스위칭 입력 신호의 전압 레벨이 소정의 기준 전압보다 높으면 활성화되는 비교 신호를 출력한다. 만약 포락선 신호(ENV)의 DC 성분이 커지면, 스위칭 입력 신호가 기준 전압보다 크게 나타나는 시간이 길어지고, 따라서 비교 신호의 듀티비도 커진다. 비교 신호의 듀티비에 따라 후단의 제1 스위칭 증폭단(323)이 구동되어 제1 스위칭 증폭 바이어스 전류(ISW1)가 출력된다.
제1 관통 전류 방지 및 구동 회로부(322)는 제1 비교기(321)의 비교 신호에 따라 제1 스위칭 증폭단(323)의 풀업(pull-up) 소자 및 풀다운(pull-down) 소자를 구동할 구동 전압 쌍을 생성한다. 이때, 제1 관통 전류 방지 및 구동 회로부(322)는, 제1 스위칭 증폭단(323)의 직렬 연결된 풀업 소자 및 풀다운 소자가 동시에 온(on)되어 곧바로 전원 전압 라인(VDD)에서 접지 라인으로 전류가 관통(shoot)하지 않도록, 제1 스위칭 증폭단(323)을 위한 구동 전압 쌍을 생성할 수 있다.
제1 관통 전류 방지 및 구동 회로부(322)에서 출력되는 구동 전압 쌍은 제1 스위칭 증폭단(323)의 풀업 소자 및 풀다운 소자의 제어 단자들에 각각 입력된다. 이때, 풀업 소자는 PMOS 소자일 수 있고 풀다운 소자는 NMOS 소자일 수 있다.
제1 스위칭 증폭단(323)은 레일-투-레일 동작이 가능하도록 전원 전압(VDD) 라인과 접지 라인 사이에 직렬 연결된 PMOS 풀업 소자 및 NMOS 풀다운 소자를 포함하고 PMOS 풀업 소자 및 NMOS 풀다운 소자의 연결 단자에서 제1 스위칭 증폭 바이어스 전류(ISW1)를 구동할 수 있다.
제1 인덕터(324)는 포락선 변조된 바이어스 전류(IBIAS)의 DC 성분을 담당하는 제1 스위칭 증폭 바이어스 전류(ISW1)를 평활화하는 일종의 저역 통과 필터로 동작한다.
제2 스위칭 증폭기(33)는 예시적으로 제2 비교기(331), 제2 관통 전류 방지 및 구동 회로부(332), 제2 스위칭 증폭단(333), 제2 인덕터(334) 및 오차 증폭기(error amplifier)(335)로 구성된 폐루프(close loop)와, 제2 인덕터(334) 및 오차 증폭기(335) 사이의 접점 및 접지 사이에 직렬 연결된 스위치(336) 및 커패시터(337)를 포함할 수 있다.
나아가 제2 스위칭 증폭기(33)는 동작 모드 제어 신호(MODE)에 따라, 포락선 추적 모드로 동작할 때에는 제2 비교기(331), 제2 관통 전류 방지 및 구동 회로부(332), 제2 스위칭 증폭단(333) 및 오차 증폭기(335) 중 적어도 어느 하나, 특히 제2 관통 전류 방지 및 구동 회로부(332)의 동작이 비활성화되고, 열린 스위치(336)에 의해 커패시터(337)가 제2 인덕터(334)에서 분리되며, 평균 전력 추적 모드로 동작할 때에는 제2 비교기(331), 제2 관통 전류 방지 및 구동 회로부(332), 제2 스위칭 증폭단(333) 및 오차 증폭기(335)의 동작이 모두 활성화되고, 닫힌 스위치(336)에 의해 커패시터(337)가 제2 인덕터(334) 및 오차 증폭기(335) 사이의 접점에 연결되도록, 전기적으로 연결될 수 있다.
제2 비교기(321)는 오차 증폭기(335)의 오차 출력을 소정 주기의 램프 신호(ramp signal)에 비교하여 펄스폭 변조(PWM, pulse width modulation) 신호를 출력한다.
제2 관통 전류 방지 및 구동 회로부(332)는 제2 비교기(331)의 PWM 신호에 따라 제2 스위칭 증폭단(333)의 풀업(pull-up) 소자 및 풀다운(pull-down) 소자를 구동할 구동 전압 쌍을 생성한다. 이때, 제2 관통 전류 방지 및 구동 회로부(332)는, 제2 스위칭 증폭단(333)의 직렬 연결된 풀업 소자 및 풀다운 소자가 동시에 온(on)되어 곧바로 전원 전압 라인(VDD)에서 접지 라인으로 전류가 관통하지 않도록, 제2 스위칭 증폭단(333)을 위한 구동 전압 쌍을 생성할 수 있다.
제2 관통 전류 방지 및 구동 회로부(332)에서 출력되는 구동 전압 쌍은 제2 스위칭 증폭단(333)의 풀업 소자 및 풀다운 소자의 제어 단자들에 각각 입력된다. 이때, 풀업 소자는 PMOS 소자일 수 있고 풀다운 소자는 NMOS 소자일 수 있다.
제2 스위칭 증폭단(333)은 레일-투-레일 동작이 가능하도록 전원 전압(VDD) 라인과 접지 라인 사이에 직렬 연결된 PMOS 풀업 소자 및 NMOS 풀다운 소자를 포함하고 PMOS 풀업 소자 및 NMOS 풀다운 소자의 연결 단자에서 제2 스위칭 증폭 바이어스 전류(ISW2)를 구동할 수 있다.
제2 인덕터(334)는 스위치(336)에 의해 연결된 커패시터(337)과 함께 제2 스위칭 증폭 바이어스 전류(ISW2)를 평활화하는 일종의 저역 통과 필터로 동작한다.
오차 증폭기(335)는 제2 스위칭 증폭 바이어스 전류(ISW2), 멀티 모드 바이어스 변조기(30)의 출력 저항, 후단의 전력 증폭기(15, 25)의 입력 저항에 의해 나타나는 가변 바이어스 전압(VBIAS)과 소정의 기준 전압의 차이(error)를 소정의 이득으로 증폭하여 제2 비교기(331)로 출력한다.
제2 스위칭 증폭기(33)의 폐루프는, 제2 스위칭 증폭기(33)가 출력하는 가변 바이어스 전압(VBIAS)과 기준 전압의 차이가 크면, 제2 비교기(331)에서 출력되는 PWM 신호의 듀티비가 커지므로 제2 스위칭 증폭단(333)에서 출력되는 제2 스위칭 증폭 바이어스 전류(ISW2)가 증가하고, 따라서 가변 바이어스 전압(VBIAS)이 높아지면서 기준 전압과 차이를 감소시키는 방식으로, 기준 전압을 추종하는 가변 바이어스 전압(VBIAS)을 생성할 수 있다.
한편, 제1 스위칭 증폭기(32)의 제1 비교기(331)에 입력되는 기준 전압과 제2 스위칭 증폭기(33)의 오차 증폭기(335)에 입력되는 기준 전압은 실시예에 따라 같을 수도 있고 다를 수도 있다.
이에 따라, 멀티 모드 바이어스 변조기(30)는, 출력되는 가변 바이어스 전압(VBIAS)이 높을 때에나 또한 낮을 때에나, 다시 말해 평균 출력 전력이 높을 때에나 낮을 때에나, 양호한 전력 효율을 보일 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따라, 포락선 추적 전력 증폭 장치에 사용되는 멀티 모드 바이어스 변조기를 예시한 회로도이다.
도 4의 멀티 모드 바이어스 변조기(40)는, 도 3의 멀티 모드 바이어스 변조기(30)에서 제1 스위칭 증폭기(32)와 제2 스위칭 증폭기(33)가 독립적인 회로들로 구성된 것과 달리, 일부 구성요소들을 공유하도록 구성된다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티 모드 바이어스 변조기(40)는 동작 모드 제어 신호(MODE)에 따라 포락선 추적 모드 또는 평균 전력 추적 모드 중 어느 한 모드로 동작하고, 포락선 추적 모드에서 동작할 때에는 포락선 신호(ENV)의 AC 성분에 따라 선형 증폭 바이어스 전류(ILIN)를 구동하지만 평균 전력 추적 모드에서는 비활성화되는 선형 증폭기(41)와, 포락선 추적 모드에서 동작할 때에는 포락선 신호(ENV)의 DC 성분에 상응하는 제1 스위칭 증폭 바이어스 전류(ISW1)를 구동하고 평균 전력 추적 모드에서 동작할 때에는 출력되는 가변 바이어스 전압(VBIAS)과 소정의 기준 전압 사이의 오차 출력의 크기에 상응하는 듀티비에 따라 제2 스위칭 증폭 바이어스 전류(ISW2)를 구동하는 스위칭 증폭기(42)를 포함할 수 있다.
이에 따라, 멀티 모드 바이어스 변조기(40)는 포락선 추적 모드에서 동작할 때에는 선형 증폭기(41)에서 구동되는 선형 증폭 바이어스 전류(ILIN)와 스위칭 증폭기(42)에서 구동되는 제1 스위칭 증폭 바이어스 전류(ISW1)를 결합하여 가변 바이어스 전류(IBIAS)를 생성하고, 평균 전력 추적 모드에서 동작할 때에는 스위칭 증폭기(42)에서 구동되는 제2 스위칭 증폭 바이어스 전류(ISW2)로써 가변 바이어스 전류(IBIAS)를 생성한다.
도 4의 멀티 모드 바이어스 변조기(40)의 선형 증폭기(41)를 구성하는 연산 증폭기(411), 클래스 AB 버퍼(412) 및 검출부(413)는 도 3의 멀티 모드 바이어스 변조기(30)의 선형 증폭기(31)를 구성하는 연산 증폭기(311), 클래스 AB 버퍼(312) 및 검출부(313)와 실질적으로 동일하므로 관련된 설명을 생략한다.
스위칭 증폭기(42)는 예시적으로 제1 비교기(421), 관통 전류 방지 및 구동 회로부(422), 스위칭 증폭단(423), 인덕터(424), 오차 증폭기(425), 스위치(426), 커패시터(427), 제2 비교기(428), 제1 멀티플렉서(429) 및 제2 멀티플렉서(430)를 포함할 수 있다.
스위칭 증폭기(42)는, 동작 모드 제어 신호(MODE)에 따라, 포락선 추적 모드로 동작할 때에는 제1 비교기(421), 관통 전류 방지 및 구동 회로부(422), 스위칭 증폭단(423) 및 인덕터(424)로써 개루프가 활성화되고 또한 열린 스위치(426)에 의해 커패시터(427)가 인덕터(424)에서 분리되어 제1 스위칭 증폭 바이어스 전류(ISW1)를 출력하고, 평균 전력 추적 모드로 동작할 때에는 오차 증폭기(425), 제2 비교기(428), 관통 전류 방지 및 구동 회로부(422), 스위칭 증폭단(423) 및 인덕터(424)로써 폐루프가 활성화고 또한 닫힌 스위치(426)에 의해 커패시터(427)가 인덕터(424) 및 오차 증폭기(425) 사이의 접점에 연결되어 제2 스위칭 증폭 바이어스 전류(ISW2)를 구동하도록 구성된다.
이에 따라, 스위칭 증폭기(42)는 동작 모드 제어 신호(MODE)에 따라, 포락선 추적 모드로 동작할 때에는 선형 증폭기(41)의 스위칭 입력 신호와 기준 전압을 비교하는 제1 비교기(421)의 비교 신호가 관통 전류 방지 및 구동 회로부(422) 및 스위칭 증폭단(423)에 인가되고, 평균 전력 추적 모드로 동작할 때에는 출력되는 가변 바이어스 전압(VBIAS)과 기준 전압 사이의 오차 출력을 램프 신호와 비교하는 제2 비교기(428)의 PWM 신호가 관통 전류 방지 및 구동 회로부(422) 및 스위칭 증폭단(423)에 인가되도록 동작한다.
이를 위해 구체적으로, 스위칭 증폭기(42)는 동작 모드 제어 신호(MODE)에 따라 동작하는 제1 멀티플렉서(429)와 제2 멀티플렉서(430)를 포함한다.
제1 멀티플렉서(429)는 포락선 추적 모드로 동작할 때에는 램프 신호와 기준 전압 중 기준 전압을 선택하여 제1 비교기(421)에 인가하고 평균 전력 추적 모드로 동작할 때에는 램프 신호와 기준 전압 중 램프 신호를 선택하여 제2 비교기(428)에 인가하도록 동작한다.
제2 멀티플렉서(430)는 포락선 추적 모드로 동작할 때에는 제1 비교기(421)에서 출력되는 비교 신호를 관통 전류 방지 및 구동 회로부(422)에 인가하고 평균 전력 추적 모드로 동작할 때에는 제2 비교기(428)에서 출력되는 PWM 신호를 관통 전류 방지 및 구동 회로부(422)에 인가하도록 동작한다.
이에 따라, 포락선 추적 모드로 동작할 때에는 제1 비교기(421)가 선형 증폭기(41)의 검출부(413)로부터 스위칭 입력 전압과 제1 멀티플렉서(429)를 통한 기준 전압을 비교하여 비교 신호를 출력하고, 출력된 비교 신호가 관통 전류 방지 및 구동 회로부(422) 및 스위칭 증폭단(423)에 인가된다. 따라서, 포락선 신호(ENV)의 DC 성분의 크기에 따라 가변하는 비교 신호의 듀티비에 따라 스위칭 증폭단(423)이 구동되고, 스위칭 증폭단(423)으로부터 포락선 신호(ENV)의 DC 성분의 크기에 따라 가변하는 제1 스위칭 증폭 바이어스 전류(ISW1)가 구동된다.
한편, 실시예에 따라, 포락선 추적 모드로 동작하는 동안에 제2 비교기(428) 및 오차 증폭기(425) 중 적어도 어느 하나의 동작은 비활성화될 수 있다.
또한 평균 전력 추적 모드로 동작할 때에는 제2 비교기(428)가 출력되는 가변 바이어스 전압(VBIAS)과 기준 전압 사이의 오차 출력을 오차 증폭기(425)로부터 수신하고, 오차 출력과 램프 신호를 비교하여 PWM 신호를 출력하고, 출력된 PWM 신호가 관통 전류 방지 및 구동 회로부(422) 및 스위칭 증폭단(423)에 인가된다. 따라서, 오차 출력의 크기에 따라 가변하는 PWM 신호의 듀티비에 따라 스위칭 증폭단(423)이 구동되고, 스위칭 증폭단(423)으로부터 오차 출력의 크기에 따라 가변하는 제2 스위칭 증폭 바이어스 전류(ISW2)가 구동된다.
한편, 실시예에 따라, 평균 전력 추적 모드로 동작할 때에는 선형 증폭기(41)와 함께 제1 비교기(421)의 동작이 비활성화될 수 있다.
동작 모드 제어 신호(MODE)에 의해 포락선 추적 모드로 동작함에 따라, 제1 비교기(421), 관통 전류 방지 및 구동 회로부(422), 스위칭 증폭단(423) 및 인덕터(424)로써 개루프가 활성화되고 또한 열린 스위치(426)에 의해 커패시터(427)가 인덕터(424)에서 분리된 상태의 스위칭 증폭기(42)의 구성 및 동작은 도 3의 제1 스위칭 증폭기(32)의 구성 및 동작과 실질적으로 동일하다.
또한 동작 모드 제어 신호(MODE)에 의해 평균 전력 추적 모드로 동작함에 따라 오차 증폭기(425), 제2 비교기(428), 관통 전류 방지 및 구동 회로부(422), 스위칭 증폭단(423) 및 인덕터(424)로써 폐루프가 활성화고 또한 닫힌 스위치(426)에 의해 커패시터(427)가 인덕터(424) 및 오차 증폭기(335) 사이의 접점에 연결된 상태의 스위칭 증폭기(42)의 구성 및 동작은 도 3의 제2 스위칭 증폭기(33)의 구성 및 동작과 실질적으로 동일하다.
따라서, 두 동작 모드들 각각에서 스위칭 증폭기(42)의 구체적인 동작에 관한 설명은 생략한다.
도 5는 본 발명의 또다른 실시예에 따라, 포락선 추적 전력 증폭 장치에 사용되는 멀티 모드 바이어스 변조기를 예시한 회로도이다.
도 5의 멀티 모드 바이어스 변조기(50)는, 도 4의 멀티 모드 바이어스 변조기(40)와 마찬가지로, 도 3의 멀티 모드 바이어스 변조기(30)에서 제1 스위칭 증폭기(32)와 제2 스위칭 증폭기(33)가 독립적인 회로들로 구성된 것과 달리, 일부 구성요소들을 공유하도록 구성된다.
본 발명의 또다른 실시예에 따른 멀티 모드 바이어스 변조기(50)는 동작 모드 제어 신호(MODE)에 따라 포락선 추적 모드 또는 평균 전력 추적 모드 중 어느 한 모드로 동작하고, 포락선 추적 모드에서 동작할 때에는 포락선 신호(ENV)의 AC 성분에 따라 선형 증폭 바이어스 전류(ILIN)를 구동하지만 평균 전력 추적 모드에서는 비활성화되는 선형 증폭기(51)와, 포락선 추적 모드에서 동작할 때에는 포락선 신호(ENV)의 DC 성분에 상응하는 제1 스위칭 증폭 바이어스 전류(ISW1)를 구동하고 평균 전력 추적 모드에서 동작할 때에는 출력되는 가변 바이어스 전압(VBIAS)과 소정의 기준 전압의 차이에 상응하는 듀티비에 따라 제2 스위칭 증폭 바이어스 전류(ISW2)를 생성하는 스위칭 증폭기(52)를 포함할 수 있다.
이에 따라, 멀티 모드 바이어스 변조기(50)는 포락선 추적 모드에서 동작할 때에는 선형 증폭기(51)에서 출력되는 선형 증폭 바이어스 전류(ILIN)와 스위칭 증폭기(52)에서 출력되는 제1 스위칭 증폭 바이어스 전류(ISW1)를 결합하여 가변 바이어스 전류(IBIAS)를 생성하고, 평균 전력 추적 모드에서 동작할 때에는 스위칭 증폭기(52)에서 구동되는 제2 스위칭 증폭 바이어스 전류(ISW2)로써 가변 바이어스 전류(IBIAS)를 생성한다.
도 5의 멀티 모드 바이어스 변조기(50)의 선형 증폭기(51)를 구성하는 연산 증폭기(511), 클래스 AB 버퍼(512) 및 검출부(513)는, 도 4의 멀티 모드 바이어스 변조기(40)의 선형 증폭기(41)와 마찬가지로, 도 3의 멀티 모드 바이어스 변조기(30)의 선형 증폭기(31)를 구성하는 연산 증폭기(311), 클래스 AB 버퍼(312) 및 검출부(313)와 실질적으로 동일하므로 관련된 설명을 생략한다.
스위칭 증폭기(52)는 예시적으로 제1 비교기(521), 관통 전류 방지 및 구동 회로부(522), 스위칭 증폭단(523), 인덕터(524), 스위치(526), 커패시터(527), 제2 비교기(528), 디멀티플렉서(529) 및 멀티플렉서(530)를 포함할 수 있다. 멀티 모드 바이어스 변조기(40)의 스위칭 증폭기(42)와 달리, 멀티 모드 바이어스 변조기(50)의 스위칭 증폭기(52)는 오차 증폭기를 포함하지 않고, 가변 바이어스 전압(VBIAS)은 제2 비교기(528)로 입력된다.
스위칭 증폭기(52)는, 동작 모드 제어 신호(MODE)에 따라, 포락선 추적 모드로 동작할 때에는 제1 비교기(521), 관통 전류 방지 및 구동 회로부(522), 스위칭 증폭단(523) 및 인덕터(524)로써 개루프가 활성화되고 또한 열린 스위치(526)에 의해 커패시터(527)가 인덕터(524)에서 분리되어 제1 스위칭 증폭 바이어스 전류(ISW1)를 출력하고, 평균 전력 추적 모드로 동작할 때에는 제2 비교기(528), 관통 전류 방지 및 구동 회로부(522), 스위칭 증폭단(523) 및 인덕터(524)로써 폐루프가 활성화고 또한 닫힌 스위치(526)에 의해 커패시터(527)가 인덕터(524) 및 제2 비교기(528) 사이의 접점에 연결되어 제2 스위칭 증폭 바이어스 전류(ISW2)를 구동하도록 구성된다.
이에 따라, 스위칭 증폭기(52)는 동작 모드 제어 신호(MODE)에 따라, 포락선 추적 모드로 동작할 때에는 선형 증폭기(51)의 스위칭 입력 신호와 기준 전압을 비교하는 제1 비교기(521)의 제1 비교 신호가 관통 전류 방지 및 구동 회로부(522) 및 스위칭 증폭단(523)에 인가되고, 평균 전력 추적 모드로 동작할 때에는 출력되는 가변 바이어스 전압(VBIAS)을 기준 전압에 비교하는 제2 비교기(528)의 제2 비교 신호가 관통 전류 방지 및 구동 회로부(522) 및 스위칭 증폭단(523)에 인가되도록 동작한다.
이를 위해 구체적으로, 스위칭 증폭기(52)는 동작 모드 제어 신호(MODE)에 따라 동작하는 디멀티플렉서(529)와 멀티플렉서(530)를 포함한다.
디멀티플렉서(529)는 포락선 추적 모드로 동작할 때에는 기준 전압을 제1 비교기(521)에 인가하고 평균 전력 추적 모드로 동작할 때에는 기준 전압을 제2 비교기(528)에 인가하도록 동작한다.
멀티플렉서(530)는 포락선 추적 모드로 동작할 때에는 제1 비교기(521)에서 출력되는 제1 비교 신호를 관통 전류 방지 및 구동 회로부(522)에 인가하고 평균 전력 추적 모드로 동작할 때에는 제2 비교기(528)에서 출력되는 제2 비교 신호를 관통 전류 방지 및 구동 회로부(522)에 인가하도록 동작한다.
이에 따라, 포락선 추적 모드로 동작할 때에는 제1 비교기(521)가 선형 증폭기(51)의 검출부(513)로부터 스위칭 입력 전압과 디멀티플렉서(529)를 통한 기준 전압을 비교하여 제1 비교 신호를 출력하고, 출력된 제1 비교 신호가 관통 전류 방지 및 구동 회로부(522) 및 스위칭 증폭단(523)에 인가된다. 따라서, 포락선 신호(ENV)의 DC 성분의 크기에 따라 가변하는 비교 신호의 듀티비에 따라 스위칭 증폭단(523)이 구동되고, 스위칭 증폭단(523)으로부터 포락선 신호(ENV)의 DC 성분의 크기에 따라 가변하는 제1 스위칭 증폭 바이어스 전류(ISW1)가 구동된다.
한편, 실시예에 따라, 포락선 추적 모드로 동작하는 동안에 제2 비교기(528)의 동작은 비활성화될 수 있다.
또한 평균 전력 추적 모드로 동작할 때에는 제2 비교기(528)가 출력되는 가변 바이어스 전압(VBIAS)과 기준 전압을 비교하여 제2 비교 신호를 출력하고, 출력된 제2 비교 신호가 관통 전류 방지 및 구동 회로부(522) 및 스위칭 증폭단(523)에 인가된다. 따라서, 가변 바이어스 전압(VBIAS)과 기준 전압의 차이에 따라 가변하는 제2 비교 신호의 듀티비에 따라 스위칭 증폭단(523)이 구동되고, 스위칭 증폭단(523)으로부터 오차 출력의 크기에 따라 가변하는 제2 스위칭 증폭 바이어스 전류(ISW2)가 출력된다.
한편, 실시예에 따라, 평균 전력 추적 모드로 동작할 때에는 선형 증폭기(51)와 함께 제1 비교기(521)의 동작이 비활성화될 수 있다.
동작 모드 제어 신호(MODE)에 의해 포락선 추적 모드로 동작함에 따라, 제1 비교기(521), 관통 전류 방지 및 구동 회로부(522), 스위칭 증폭단(523) 및 인덕터(524)로써 개루프가 활성화되고 또한 열린 스위치(526)에 의해 커패시터(527)가 인덕터(524)에서 분리된 상태의 스위칭 증폭기(52)의 구성 및 동작은 도 3의 제1 스위칭 증폭기(32)의 구성 및 동작과 실질적으로 동일하다.
또한 동작 모드 제어 신호(MODE)에 의해 평균 전력 추적 모드로 동작함에 따라 제2 비교기(528), 관통 전류 방지 및 구동 회로부(522), 스위칭 증폭단(523) 및 인덕터(524)로써 폐루프가 활성화고 또한 닫힌 스위치(526)에 의해 커패시터(527)가 인덕터(524) 및 제2 비교기(528) 사이의 접점에 연결된 상태의 스위칭 증폭기(52)의 구성 및 동작은, 오차 증폭기 및 램프 신호가 없다는 점을 제외하면, 도 3의 제2 스위칭 증폭기(33)의 구성 및 동작과 실질적으로 동일하다.
따라서, 두 동작 모드들 각각에서 스위칭 증폭기(52)의 구체적인 동작에 관한 설명은 생략한다.
오차 증폭기 및 램프 신호의 부재로 인해, 도 5의 멀티 모드 바이어스 변조기(50)가 출력하는 가변 바이어스 전압(VBIAS)에 의한 전력 증폭 성능 및 전력 효율은 도 4의 멀티 모드 바이어스 변조기(40)에 의한 전력 증폭 성능 및 전력 효율에 비해 다소 떨어지지만, 오차 증폭기와 램프 신호를 생성할 회로부가 차지할 회로 면적 및 전력 소비를 줄일 수 있다는 장점이 있다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 포락선 추적 전력 증폭 장치에 사용되는 멀티 모드 바이어스 변조기에서 포락선 추적 모드와 평균 전력 추적 모드의 각각에 따른 전력 효율을 비교하기 위한 개념도이다.
도 6을 참조하면, 평균 전력 추적 모드에서는 바이어스 변조기의 전력 효율은 가변 바이어스 전압 범위 전반에 걸쳐 포락선 추적 모드의 바이어스 변조기의 전력 효율보다 상대적으로 높게 나타난다. 특히 평균 전력 추적 모드의 바이어스 변조기의 가변 바이어스 전압이 높아질수록 바이어스 변조기의 전력 효율이 올라간다.
하지만 고출력의 무선 신호를 송출해야 할 때에, 높은 가변 바이어스 전압을 평균 전력 추적 모드에 의해 공급받는 전력 증폭기의 전력 효율은 포락선 추적 모드의 경우보다 낮아진다.
따라서, 고출력에서는, 전력 증폭 장치의 전체적인 전력 효율은 포락선 추적 모드인 경우에 평균 전력 추적 모드인 경우보다 더 좋다.
반면에, 저출력의 무선 신호를 송출해야 할 때에, 낮은 가변 바이어스 전압을 평균 전력 추적 모드에 의해 공급받는 전력 증폭기의 전력 효율은 포락선 추적 모드의 경우보다 높다.
따라서, 저출력에서는, 전력 증폭 장치의 전체적인 전력 효율은 평균 전력 추적 모드인 경우에 포락선 추적 모드인 경우보다 더 좋다.
일 실시예에서, 특정 평균 전력 값을 경계로 하여, 그보다 낮은 전력 구간에서는 평균 전력 추적 모드로 대응하고, 그보다 높은 전력 구간에서는 포락선 추적 모드로 대응할 수 있다.
다른 실시예에서, 평균 전력 추적 모드일 때와 포락선 추적 모드일 때 각각의 포락선 추적 전력 증폭 장치(10)의 효율이 같아지는 가변 바이어스 전압을 동작 모드 판정 기준 전압라고 할 때에, 동작 모드 판정 기준 전압을 전후로 하여, 그보다 낮은 가변 바이어스 전압 구간에서는 평균 전력 추적 모드로 대응하고, 그보다 높은 가변 바이어스 전압 구간에서는 포락선 추적 모드로 대응할 수 있다.
따라서, 도 2와 같이 동작 모드 판정 기준 전압을 기준으로 동작 모드를 결정하고, 결정된 동작 모드에 따라 선형 증폭기 및 스위치 증폭기의 동작을 설정할 수 있다면 가변 바이어스 전압의 범위 전반에 걸쳐 높은 효율을 얻을 수 있다.
다만, 동작 모드의 전환 시에 멀티플렉서, 디멀티플렉서 또는 스위치에 의해 스위칭 잡음이 일어날 수 있는데, 실시예에 따라서는 그러한 전환이 너무 빈번하게 일어나지 않도록, 동작 모드 판정 기준 전압을 가지고 엄격하게 동작 모드를 판정(hard decision)하는 대신에, 동작 모드 판정 기준 전압을 포함하는 히스테리시스 구간을 가지고 동작 모드를 판정(soft decision)할 수도 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 포락선 추적 전력 증폭 장치에 사용되는 멀티 모드 바이어스 변조기에서 예시적인 포락선 파형에 대해 평균 출력 전력에 따라 모드가 변경되는 동작을 예시한 개념도이다.
도 7을 참조하면, 도 1의 포락선 추적 전력 증폭 장치(10)는 소정의 평균 출력 전력 설정치를 기준으로 하여, 상대적으로 높은 평균 출력 전력 설정치가 설정된 경우에는, 상대적으로 큰 가변 바이어스 전압이 요구되기 때문에 멀티 모드 바이어스 변조기(12)를 포락선 추적 모드로 동작시키고, 반면에 상대적으로 낮은 평균 출력 전력 설정치가 설정된 경우에는, 상대적으로 낮은 가변 바이어스 전압이 요구되기 때문에 멀티 모드 바이어스 변조기(12)를 평균 전력 추적 모드로 동작시킴으로써, 낮은 평균 출력 전력으로 동작하는 때에나 높은 평균 출력 전력으로 동작하는 때에나, 양호한 전력 효율을 유지할 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 포락선 추적 전력 증폭 장치에 사용되는 멀티 모드 바이어스 변조기에서 예시적인 포락선 파형에 대해 모드가 수시로 변경되는 동작을 예시한 개념도이다.
도 8을 참조하면, 도 2의 포락선 추적 전력 증폭 장치(20)는 동작 모드 판정 기준 전압(VMODE), 예를 들어 평균 전력 추적 모드일 때와 포락선 추적 모드일 때 각각의 포락선 추적 전력 증폭 장치(10)의 효율이 같아지는 가변 바이어스 전압에 상응하는 전압 레벨을 기준으로, 그보다 큰 가변 바이어스 전압의 레벨이 요구되는 경우에는, 멀티 모드 바이어스 변조기(22)를 포락선 추적 모드로 동작시키고, 반면에 그보다 작은 가변 바이어스 전압 레벨이 요구되는 경우에는 멀티 모드 바이어스 변조기(22)를 평균 전력 추적 모드로 동작시킴으로써, 낮은 가변 바이어스 전압에서나 높은 가변 바이어스 전압에서나 양호한 전력 효율을 유지할 수 있다.
도 8에서 평균 전력 추적 모드의 동작 시에 가변 바이어스 전압이 일정한 레벨을 유지하는 것으로 예시되었지만, 평균 전력 추적 모드 시의 가변 바이어스 전압 레벨은 출력 전력 설정에 따라 지속적으로 변경될 수 있다.
본 실시예 및 본 명세서에 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것이 자명하다고 할 것이다.
10, 20 포락선 추적 전력 증폭 장치
11, 21 포락선 검출기
12, 22 멀티 모드 바이어스 변조기
13, 23 동작 모드 판정부
14, 24 상향 변환기
15, 25 전력 증폭기
30, 40, 50 멀티 모드 바이어스 변조기
31, 41, 51 선형 증폭기
311, 411, 511 연산 증폭기
312, 412, 512 클래스 AB 버퍼
313, 413, 513 검출부
32, 33, 42, 52 스위칭 증폭기
321, 331, 421, 428, 521, 528 비교기
322, 332, 422, 522 관통 전류 방지 및 구동 회로부
323, 333, 423, 523 스위칭 증폭단
324, 334, 424, 524 인덕터
335, 425 오차 증폭기
336, 427, 527 스위치
337, 427, 527 커패시터
429, 430, 530 멀티플렉서
529 디멀티플렉서

Claims (14)

  1. 포락선 추적 모드 또는 평균 전력 추적 모드 중 어느 한 동작 모드를 결정하기 위한 동작 모드 제어 신호에 따라, 포락선 추적 모드 또는 평균 전력 추적 모드로 동작하는 선형 증폭기 및 스위칭 증폭기를 이용하여 가변 바이어스 전압을 생성하는 멀티 모드 바이어스 변조기; 및
    상기 가변 바이어스 전압에 따라 바이어스되며, RF 신호를 전력 증폭하여 안테나로 출력하는 전력 증폭기를 포함하고,
    상기 멀티 모드 바이어스 변조기는,
    포락선 추적 모드로 동작할 경우에는 상기 선형 증폭기에 의해서 포락선 신호의 AC 성분에 상응하는 선형 증폭 바이어스 전류를 구동하고, 상기 스위칭 증폭기에 의해서 포락선 신호의 DC 성분에 상응하는 스위칭 증폭 바이어스 전류를 구동하며, 상기 선형 증폭 바이어스 전류 및 상기 스위칭 증폭 바이어스 전류를 결합하여 상기 가변 바이어스 전류를 생성하고,
    평균 전력 추적 모드로 동작할 경우에는 상기 스위칭 증폭기에 의해서 소정의 기준 전압을 추종하는 스위칭 증폭 바이어스 전류를 구동하여 상기 가변 바이어스 전류를 생성하며,
    상기 가변 바이어스 전압은 상기 멀티 모드 바이어스 변조기의 출력 저항, 상기 전력 증폭기의 입력 저항 및 상기 가변 바이어스 전류에 의해 나타나는 것을 특징으로 하는 포락선 추적 전력 증폭 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 동작 모드 제어 신호는 평균 출력 전력 설정치에 따라 결정되어, 만약 상기 평균 출력 전력 설정치가 상대적으로 낮으면 평균 전력 추적 모드로, 만약 상기 평균 출력 전력 설정치가 상대적으로 높으면 포락선 추적 모드로 각각 결정되는 것을 특징으로 하는 포락선 추적 전력 증폭 장치.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 동작 모드 제어 신호에 의해 동작 모드가 포락선 추적 모드일 경우에는,
    상기 멀티 모드 바이어스 변조기의 선형 증폭기는 포락선 신호의 AC 성분을 선형 증폭하는 연산 증폭기에 의해 상기 선형 증폭 바이어스 전류를 구동하고,
    상기 멀티 모드 바이어스 변조기의 스위칭 증폭기는 포락선 신호의 DC 성분의 크기에 의해 결정되는 듀티비에 따라 스위칭되는 스위칭 증폭단에 의해 상기 스위칭 증폭 바이어스 전류를 구동하도록 동작하고,
    상기 동작 모드 제어 신호에 의해 동작 모드가 평균 전력 추적 모드일 경우에는,
    상기 멀티 모드 바이어스 변조기의 선형 증폭기는 비활성화되고,
    상기 멀티 모드 바이어스 변조기의 스위칭 증폭기는 상기 멀티 모드 바이어스 변조기에서 출력되는 상기 가변 바이어스 전압과 소정의 기준 전압의 차이에 기초하여 결정되는 듀티비에 따라 스위칭되는 상기 스위칭 증폭단에 의해 상기 스위칭 증폭 바이어스 전류를 구동하도록 동작하는 것을 특징으로 하는 포락선 추적 전력 증폭 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 멀티 모드 바이어스 변조기에서 출력되는 가변 바이어스 전압의 레벨을 검출하고, 검출된 가변 바이어스 전압의 레벨과 소정의 모드 판정 기준 전압의 비교 결과에 따라 평균 전력 추적 모드와 포락선 추적 모드 중 어느 한 동작 모드를 결정하여 상기 동작 모드 제어 신호를 생성하는 동작 모드 판정부를 더 포함하고,
    상기 동작 모드 판정부는 상기 가변 바이어스 전압이 상기 모드 판정 기준 전압보다 낮으면 평균 전력 추적 모드로, 그렇지 않으면 포락선 추적 모드로 동작 모드를 결정하도록 동작하는 것을 특징으로 하는 포락선 추적 전력 증폭 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 멀티 모드 바이어스 변조기에서 출력되는 가변 바이어스 전압의 레벨을 검출하고, 검출된 가변 바이어스 전압의 레벨과 소정의 모드 판정 기준 히스테리시스 범위의 비교 결과에 따라 평균 전력 추적 모드와 포락선 추적 모드 중 어느 한 동작 모드를 결정하여 상기 동작 모드 제어 신호를 생성하는 동작 모드 판정부를 더 포함하고,
    상기 동작 모드 판정부는 상기 가변 바이어스 전압이 상기 모드 판정 기준 히스테리시스 범위의 하한보다 낮아지면 평균 전력 추적 모드로, 상기 가변 바이어스 전압이 상기 모드 판정 기준 히스테리시스 범위의 상한보다 높아지면 평균 전력 추적 모드로 동작 모드를 결정하도록 동작하는 것을 특징으로 하는 포락선 추적 전력 증폭 장치.
  6. 포락선 추적 모드 또는 평균 전력 추적 모드 중 어느 한 동작 모드를 결정하기 위한 동작 모드 제어 신호에 따라, 포락선 추적 모드 또는 평균 전력 추적 모드로 동작하는 선형 증폭기 및 스위칭 증폭기를 이용하여 가변 바이어스 전압을 생성하는 멀티 모드 바이어스 변조기; 및
    상기 가변 바이어스 전압에 따라 바이어스되며, RF 신호를 전력 증폭하여 안테나로 출력하는 전력 증폭기를 포함하고,
    상기 멀티 모드 바이어스 변조기는,
    포락선 추적 모드에서 동작할 때에는 포락선 신호의 AC 성분에 따라 상기 선형 증폭 바이어스 전류를 구동하고 평균 전력 추적 모드에서는 비활성화되는 선형 증폭기;
    포락선 추적 모드에서 동작할 때에는 포락선 신호의 DC 성분의 크기에 의해 결정되는 듀티비에 따라 스위칭되는 제1 스위칭 증폭단에 의해 제1 스위칭 증폭 바이어스 전류를 구동하고 평균 전력 추적 모드에서는 비활성화되는 제1 스위칭 증폭기; 및
    포락선 추적 모드에서는 비활성화되고 평균 전력 추적 모드에서 동작할 때에는 출력되는 가변 바이어스 전압과 소정의 기준 전압의 차이에 상응하는 듀티비에 따라 스위칭되는 제2 스위칭 증폭단에 의해 제2 스위칭 증폭 바이어스 전류를 구동하는 제2 스위칭 증폭기를 포함하여,
    포락선 추적 모드에서는 상기 선형 증폭기에서 구동되는 상기 선형 증폭 바이어스 전류와 상기 제1 스위칭 증폭기에서 구동되는 상기 제1 스위칭 증폭 바이어스 전류를 결합하여 상기 가변 바이어스 전류를 생성하고, 평균 전력 추적 모드에서 동작할 때에는 상기 제2 스위칭 증폭기에서 구동되는 상기 제2 스위칭 증폭 바이어스 전류로써 상기 가변 바이어스 전류를 생성하도록 동작하며,
    상기 가변 바이어스 전압은 상기 멀티 모드 바이어스 변조기의 출력 저항, 상기 전력 증폭기의 입력 저항 및 상기 가변 바이어스 전류에 의해 나타나는 것을 특징으로 하는 포락선 추적 전력 증폭 장치.
  7. 포락선 추적 모드 또는 평균 전력 추적 모드 중 어느 한 동작 모드를 결정하기 위한 동작 모드 제어 신호에 따라, 포락선 추적 모드 또는 평균 전력 추적 모드로 동작하는 선형 증폭기 및 스위칭 증폭기를 이용하여 가변 바이어스 전압을 생성하는 멀티 모드 바이어스 변조기; 및
    상기 가변 바이어스 전압에 따라 바이어스되며, RF 신호를 전력 증폭하여 안테나로 출력하는 전력 증폭기를 포함하고,
    상기 멀티 모드 바이어스 변조기는,
    포락선 추적 모드에서 동작할 때에는 포락선 신호의 AC 성분에 따라 상기 선형 증폭 바이어스 전류를 구동하고 평균 전력 추적 모드에서는 비활성화되는 선형 증폭기; 및
    포락선 추적 모드에서 동작할 때에는 포락선 신호의 DC 성분에 상응하는 제1 스위칭 증폭 바이어스 전류를 구동하고 평균 전력 추적 모드에서 동작할 때에는 상기 가변 바이어스 전압과 소정의 기준 전압 사이의 오차 출력의 크기에 상응하는 듀티비에 따라 제2 스위칭 증폭 바이어스 전류를 구동하는 스위칭 증폭기를 포함하고,
    포락선 추적 모드에서 동작할 때에는 상기 선형 증폭기에서 구동되는 선형 증폭 바이어스 전류와 상기 스위칭 증폭기에서 구동되는 제1 스위칭 증폭 바이어스 전류를 결합하여 상기 가변 바이어스 전류를 생성하고, 평균 전력 추적 모드에서 동작할 때에는 상기 스위칭 증폭기에서 구동되는 제2 스위칭 증폭 바이어스 전류로써 상기 가변 바이어스 전류를 생성하도록 동작하며,
    상기 가변 바이어스 전압은 상기 멀티 모드 바이어스 변조기의 출력 저항, 상기 전력 증폭기의 입력 저항 및 상기 가변 바이어스 전류에 의해 나타나는 것을 특징으로 하는 포락선 추적 전력 증폭 장치.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 스위칭 증폭기는
    제1 비교기, 관통 전류 방지 및 구동 회로부, 스위칭 증폭단, 인덕터, 오차 증폭기, 스위치, 커패시터 및 제2 비교기를 포함하고,
    포락선 추적 모드로 동작할 때에는 상기 제1 비교기, 상기 관통 전류 방지 및 구동 회로부, 상기 스위칭 증폭단 및 상기 인덕터로써 형성되는 개루프가 활성화되고 또한 상기 스위치에 의해 상기 커패시터가 상기 인덕터에서 분리된 구성으로써 상기 제1 스위칭 증폭 바이어스 전류를 구동하고,
    평균 전력 추적 모드로 동작할 때에는 상기 오차 증폭기, 상기 제2 비교기, 상기 관통 전류 방지 및 구동 회로부, 상기 스위칭 증폭단 및 상기 인덕터로써 형성되는 폐루프가 활성화되고 또한 상기 스위치에 의해 상기 커패시터가 상기 인덕터 및 상기 오차 증폭기 사이의 접점에 연결된 구성으로써 상기 제2 스위칭 증폭 바이어스 전류를 구동하도록 동작하는 것을 특징으로 하는 포락선 추적 전력 증폭 장치.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 스위칭 증폭기는,
    포락선 추적 모드로 동작할 때에는 상기 선형 증폭기의 스위칭 입력 신호와 기준 전압을 비교하는 상기 제1 비교기의 비교 신호가 상기 관통 전류 방지 및 구동 회로부에 인가되고,
    평균 전력 추적 모드로 동작할 때에는 상기 가변 바이어스 전압과 기준 전압 사이의 차이를 증폭하는 상기 오차 증폭기로부터 오차 출력이 출력되고, 상기 오차 출력을 램프 신호(ramp signal)와 비교하는 상기 제2 비교기의 PWM 신호가 상기 관통 전류 방지 및 구동 회로부에 인가되도록 동작하고,
    상기 스위칭 입력 신호는 상기 선형 증폭기의 연산 증폭기의 차동 출력 신호 쌍에 의한 클래스 AB 버퍼 출력 전압인 것을 특징으로 하는 포락선 추적 전력 증폭 장치.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 스위칭 증폭기는 상기 동작 모드 제어 신호에 따라 동작하는 제1 멀티플렉서 및 제2 멀티플렉서를 포함하고,
    상기 제1 멀티플렉서는 상기 램프 신호와 기준 전압을 입력받고 포락선 추적 모드로 동작할 때에는 상기 기준 전압을 선택하여 상기 제1 비교기에 인가하고, 평균 전력 추적 모드로 동작할 때에는 상기 램프 신호를 선택하여 상기 제2 비교기에 인가하도록 동작하며,
    상기 제2 멀티플렉서는 포락선 추적 모드로 동작할 때에는 상기 제1 비교기에서 출력되는 상기 비교 신호를 상기 관통 전류 방지 및 구동 회로부에 인가하고, 평균 전력 추적 모드로 동작할 때에는 상기 제2 비교기에서 출력되는 상기 PWM 신호를 상기 관통 전류 방지 및 구동 회로부에 인가하도록 동작하는 것을 특징으로 하는 포락선 추적 전력 증폭 장치.
  11. 포락선 추적 모드 또는 평균 전력 추적 모드 중 어느 한 동작 모드를 결정하기 위한 동작 모드 제어 신호에 따라, 포락선 추적 모드 또는 평균 전력 추적 모드로 동작하는 선형 증폭기 및 스위칭 증폭기를 이용하여 가변 바이어스 전압을 생성하는 멀티 모드 바이어스 변조기; 및
    상기 가변 바이어스 전압에 따라 바이어스되며, RF 신호를 전력 증폭하여 안테나로 출력하는 전력 증폭기를 포함하고,
    상기 멀티 모드 바이어스 변조기는,
    포락선 추적 모드에서 동작할 때에는 포락선 신호의 AC 성분에 따라 선형 증폭 바이어스 전류를 구동하고 평균 전력 추적 모드에서는 비활성화되는 선형 증폭기; 및
    포락선 추적 모드에서 동작할 때에는 포락선 신호의 DC 성분에 상응하는 제1 스위칭 증폭 바이어스 전류를 구동하고 평균 전력 추적 모드에서 동작할 때에는 출력되는 가변 바이어스 전압과 소정의 기준 전압의 차이에 상응하는 듀티비에 따라 제2 스위칭 증폭 바이어스 전류를 구동하는 스위칭 증폭기를 포함하고,
    포락선 추적 모드에서 동작할 때에는 상기 선형 증폭기에서 구동되는 선형 증폭 바이어스 전류와 상기 스위칭 증폭기에서 구동되는 제1 스위칭 증폭 바이어스 전류를 결합하여 상기 가변 바이어스 전류를 생성하고, 평균 전력 추적 모드에서 동작할 때에는 상기 스위칭 증폭기에서 구동되는 제2 스위칭 증폭 바이어스 전류로써 상기 가변 바이어스 전류를 생성하도록 동작하며,
    상기 가변 바이어스 전압은 상기 멀티 모드 바이어스 변조기의 출력 저항, 상기 전력 증폭기의 입력 저항 및 상기 가변 바이어스 전류에 의해 나타나는 것을 특징으로 하는 포락선 추적 전력 증폭 장치.
  12. 청구항 11에 있어서, 상기 스위칭 증폭기는
    제1 비교기, 관통 전류 방지 및 구동 회로부, 스위칭 증폭단, 인덕터, 스위치, 커패시터 및 제2 비교기를 포함하고,
    포락선 추적 모드로 동작할 때에는 상기 제1 비교기, 상기 관통 전류 방지 및 구동 회로부, 상기 스위칭 증폭단 및 상기 인덕터로써 형성되는 개루프가 활성화되고 또한 상기 스위치에 의해 상기 커패시터가 상기 인덕터에서 분리된 구성으로부터 상기 제1 스위칭 증폭 바이어스 전류를 구동하고,
    평균 전력 추적 모드로 동작할 때에는 상기 제2 비교기, 상기 관통 전류 방지 및 구동 회로부, 상기 스위칭 증폭단 및 상기 인덕터로써 형성되는 폐루프가 활성화고 또한 상기 스위치에 의해 상기 커패시터가 상기 인덕터 및 상기 제2 비교기 사이의 접점에 연결되어 상기 제2 스위칭 증폭 바이어스 전류를 구동하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 포락선 추적 전력 증폭 장치.
  13. 청구항 12에 있어서, 상기 스위칭 증폭기는
    포락선 추적 모드로 동작할 때에는 상기 선형 증폭기의 스위칭 입력 신호와 기준 전압을 비교하는 상기 제1 비교기의 제1 비교 신호가 상기 관통 전류 방지 및 구동 회로부에 인가되고,
    평균 전력 추적 모드로 동작할 때에는 상기 가변 바이어스 전압을 기준 전압에 비교하는 상기 제2 비교기의 제2 비교 신호가 상기 관통 전류 방지 및 구동 회로부에 인가되도록 동작하며,
    상기 스위칭 입력 신호는 상기 선형 증폭기의 연산 증폭기의 차동 출력 신호 쌍에 의한 클래스 AB 버퍼 출력 전압인 것을 특징으로 하는 포락선 추적 전력 증폭 장치.
  14. 청구항 13에 있어서, 상기 스위칭 증폭기는 상기 동작 모드 제어 신호에 따라 동작하는 디멀티플렉서와 멀티플렉서를 포함하고,
    상기 디멀티플렉서는 포락선 추적 모드로 동작할 때에는 상기 기준 전압을 상기 제1 비교기에 인가하고 평균 전력 추적 모드로 동작할 때에는 상기 기준 전압을 상기 제2 비교기에 인가하도록 동작하며,
    상기 멀티플렉서는 포락선 추적 모드로 동작할 때에는 상기 제1 비교기의 제1 비교 신호를 상기 관통 전류 방지 및 구동 회로부에 인가하고, 평균 전력 추적 모드로 동작할 때에는 상기 제2 비교기의 제2 비교 신호를 상기 관통 전류 방지 및 구동 회로부에 인가하도록 동작하는 것을 특징으로 하는 포락선 추적 전력 증폭 장치.
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