KR101483739B1

KR101483739B1 - 다중대역 클래스-이 전력증폭기

Info

Publication number: KR101483739B1
Application number: KR20130105983A
Authority: KR
Inventors: 박철순; 김우영; 오인열; 장주영; 손혁수
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2013-09-04
Filing date: 2013-09-04
Publication date: 2015-02-04

Abstract

본 발명은 입력 디퍼렌셜 신호를 증폭시키는 복수의 차동증폭기 및 상기 차동증폭기의 출력을 출력단에 전달하는 전압결합 전송선 트랜스포머를 포함하되, 사용 주파수에 따라 상기 전송선 트랜스포머에 DC 전원이 공급되는 위치를 가변시킴으로써 주파수 특성이 가변되는 것을 특징으로 하는 다중대역 E급 전력증폭기에 관한 것이다.

Description

다중대역 클래스-이 전력증폭기{Multi-band class E power amplifiers}

본 발명은 다중대역 클래스-이 전력증폭기에 관한 것으로서, 상세하게는 전력증폭기의 셀을 선택적으로 온오프하고 전송선 전압결합 트랜스포머의 DC 전원 위치를 변동시켜 주파수 가변 특성을 갖는 다중대역 클래스-이 전력증폭기에 관한 것이다.

현대 무선이동통신 시스템에서 전력증폭기는 송신기의 성능을 좌우하는 중요한 지표가 된다. 또한 증폭기의 대표적인 성능 지표로는 선형성과 효율성을 꼽을 수 있다. 증폭기의 효율 향상 방법으로는 EER(envelope elimination and restoration)과 LINC(linear amplification using nonlinear component) 또는 도허티(doherty)가 있고, 부가적인 회로가 없이 증폭기의 효율 향상 방법으로는 고 전도각의 출력정합단을 설계하는 방법이 있다.

대표적인 고효율 증폭기인 E급 증폭기는 회로의 구성이 비교적 간단한 것에 비해 높은 효율로 인해 보조 증폭기로 널리 이용된다. 기존의 연구 방향은 E급 증폭기의 대역폭을 개선시키거나 고조파 제거 특성을 개선시키는 등의 연구들이 진행되어 왔다. 기존의 대부분의 다중대역 전력증폭기는 각 대역에서 동작하는 전력증폭기를 병렬로 구성하여 선택적으로 사용하는 구조이다. 이는 하나의 칩에 다수의 입출력 매칭 회로와 전원 공급 회로를 사용하는 형태이다. 다중대역 전력증폭기의 최근의 연구 결과는 버랙터(varator)를 이용한 가변 정합회로, MEMS 스위치를 사용한 가변 정합회로 및 병렬의 입출력 매칭 회로 등이 있다. 버랙터를 사용한 구조는 추가적인 전원 컨트롤 회로가 필요하고 가변 범위가 좁은 문제점이 있다. 또한 MEMS 스위치를 사용한 구조는 매우 큰 컨트롤 전압을 사용해야 하며 휴대 단말기에 적용하는데 어려움이 있다. 병렬의 입출력 매칭 회로를 사용하는 경우 커패시터와 인덕터를 다수개 사용해야 한다. 집적회로에서 RF 주파수 대역에서 동작하는 온칩(on-chip)의 인덕터와 커패시터의 크기는 증폭기 전체 트랜지스터 셀의 크기보다도 클 수 있으므로 다수의 인덕터와 커패시터를 사용하는 경우 칩의 소형화가 어려운 문제점이 있다. 또한 입출력 매칭회로를 선택적으로 사용하기 위해 스위치가 필요한데 스위치는 추가적인 회로가 필요하며 수 dB의 삽입손실을 가져온다. 특히 CMOS공정의 스위치의 공급 전력을 직렬 방식으로 구현할 경우 항복전압의 제한 때문에 큰 전력을 공급하기 힘들다. 또한 병렬 스위치의 경우 기생 커패시턴스와 인덕턴스로 인해 신호의 누설이 발생하는 문제점이 있다.

무선 휴대 단말기용 송신기 시스템은 4세대에 통신 이후로 이전 세대의 통신까지도 지원해야하는 것이 필수적이다. 특히 각 세대의 통신 시스템이 사용하는 주파수가 다르기 때문에 하나의 휴대 단말기로 여러개의 주파수를 지원해야 한다. 현재 사용되는 휴대 단말기의 송신기 시스템은 여러개의 송신기를 개별적으로 선택하여 사용하고 있다. 이것은 시스템의 크기가 증가되며 복잡해지게 된다. 또한 생산 단가가 높아지며 휴대 단말기의 소형화를 어렵게 한다. 이를 해결하고자 하나의 송신기가 다중대역에서 동작하도록 하는 노력이 보고되고 있지만 아직 해결해야하는 많은 문제점을 가지고 있다.

특허문헌 1은 CRLH 전송 선로의 단위 셀을 사용한 트리플렉서를 이용하여 서로 다른 세 주파수에서 간섭을 없애고, 각 주파수에 맞는 입출력 정합 회로를 적용함으로써 정합 회로들 사이의 간섭을 줄일 수 있으나 각 주파수별 정합회로를 별도로 구비하므로 회로 면적이 증가되므로 소형화 추세에 역행하는 문제점이 있다.

특허문헌 2는 다중대역 전력증폭기에 관한 발명으로서, 서로 다른 대역용 전력증폭기를 설계하여 이를 경합하는 형태를 벗어나 하나의 트랜지스터를 사용하여 최대효율을 얻을 수 있으나 각 대역경로별 스위칭에 의해 주파수 특성을 맞추므로 회로면적이 증가되는 문제점이 있다.

1. 한국공개특허 제2013-0029504호(2013년 03월 25일 공개) 2. 한국공개특허 제2013-0057256호(2013년 05월 31일 공개)

1. W.C. Edmund Neo, et al., "Adaptive Multi-Band Multi-Mode Power Amplifier Using Integrated Varactor-Based Tunable Matching Networks," IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 41, no. 9, pp. 2166- 2176, Sep. 2006.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 별도의 인덕터나 커패시터, 스위칭 소자를 구비하지 않고, 전력증폭기의 셀을 선택적으로 온오프(on-off)하고, 전압결합 트랜스포머의 DC 전원 공급 위치를 변화시킴으로써 주파수 가변 특성을 갖는 다중대역 E급 전력증폭기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한 다중대역 E급 전력증폭기는 입력 디퍼렌셜 신호를 증폭시키는 복수의 차동증폭기 및 상기 차동증폭기의 출력을 출력단에 전달하는 전압결합 전송선 트랜스포머를 포함하되, 사용 주파수에 따라 상기 전송선 트랜스포머에 DC 전원이 공급되는 위치를 가변시킴으로써 주파수 특성이 가변되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 실시예로서 상기 전력증폭기는 사용 주파수에 따라 복수의 전력증폭기 셀의 온오프 개수를 제어하여 총 커패시턴스가 가변되고, 상기 전송선 트랜스포머는 적어도 두개의 DC 전원이 공급되며, 그 중 하나는 전송선 트랜스포머의 중심부에 공급되고, 나머지는 중심부로부터 소정 거리 이격된 지점에 공급되며, 1차측 전송선은 2중으로 하여 결합계수를 증가시키고 삽입손실을 감소시키며 임피던스 정합 기능이 포함된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 실시예로서 다중대역 E급 전력증폭기는 입력 신호를 입력받아 전달하는 입력 트랜스포머, 입력 트랜스포머의 출력을 드라이빙하는 캐스코오드 인버터, 상기 캐스코오드 인버터의 출력을 증폭시키는 복수의 전력증폭기 셀 및 상기 복수의 전력증폭기 셀의 출력을 부하로 전달하는 전압결합 전송선 트랜스포머를 포함하고, 사용 주파수에 따라 상기 전송선 트랜스포머에 DC 전원이 공급되는 위치를 가변시킴으로써 총 인덕턴스가 가변되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 실시예로서 본 발명에 의한 전력증폭기 집적회로칩은 다중대역 E급 전력증폭기를 CMOS 공정으로 제조한 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 실시예로서 본 발명에 의한 무선 단말기용 다중대역 E급 전력증폭기 설계방법에 있어서, 전송선 트랜스포머의 전원 공급 위치를 변화시켜 가며, 총 인덕턴스를 측정하는 단계, 상기 전송선 트랜스포머에 연결된 복수의 전력 증폭기 셀의 턴온 개수를 변화시켜가며, 총 커패시턴스를 측정하는 단계 및 각 주파수에서 요구되는 총 인덕턴스와 총 커패시턴스를 제공하는 전송선 트랜스포머의 전원 공급 위치와 전력 증폭기 셀의 턴온 개수를 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 병렬 증폭기를 사용치 않고도 전송선 트랜스포머에 의해 주파수가변 특성을 갖는 삼중대역 E급 전력증폭기를 구현할 수 있다.

본 발명의 E급 전력증폭기 회로는 W급 출력을 얻는 CMOS 공정을 사용하여 입출력 정합회로를 하나의 칩으로 구현한다.

본 발명은 항복전압의 문제를 해결하고자 전압결합 전송선 트랜스포머를 이용하여 출력을 증가시키되 추가적인 정합회로를 필요로 하지 않아 시스템 집적도를 높일 수 있다.

본 발명은 예를 들면, 동작 주파수는 3세대 이동통신의 WCDMA(1.9GHz)와 4세대 이동통신인 LTE(0.8/2.4GHz)를 지원하도록 구현할 수 있으며, 기술의 발전에 따라 동작 주파수를 다양하게 선택할 수 있다.

본 발명에 의한 E급 전력증폭기는 효율성이 높은 극성(polar) 구조의 EER(envelope elimination and restoration) 송신기에 적용가능하다.

도 1은 이상적인 E급 전력증폭기의 개략도.
도 2는 본 발명에서 제안한 삼중대역 E급 전력증폭기를 CMOS 공정으로 구현한 사진.
도 3은 본 발명에 의한 삼중대역 E급 전력증폭기의 개략도.
도 4는 전송선 트랜스포머의 DC 전압 바이어스 공급 위치에 따른 인덕턴스와 결합계수 그래프.
도 5는 각 모드에서의 주파수에 따른 커패시턴스 그래프.
도 6은 각 모드에서의 주파수에 따른 인덕턴스 그래프.
도 7은 도 3에 도시된 삼중대역 E급 전력증폭기의 상세 회로도.
도 8은 본 발명에 의한 삼중대역 E급 전력증폭기의 출력 전력과 효율 그래프.

이하 본 발명의 실시를 위한 구체적인 실시 예를 도면을 참고하여 설명한다. 예시된 도면은 발명의 명확성을 위하여 핵심적인 내용만 확대 도시하고 부수적인 것은 생략하였으므로 도면에 한정하여 해석하여서는 아니 된다.

본 발명은 스위치, 추가적인 정합 소자 또는 외부의 DC 전원의 사용 없이 주파수 대역별 전력증폭기 셀(power cell)의 온오프(on/off)를 제어하고, 전송선 트랜스포머에 공급되는 DC 전원의 위치를 변화시킴으로써 주파수 대역별 커패시턴스와 인덕턴스를 가변시켜 주파수 가변성을 확보할 수 있는 다중대역 E급 전력증폭기를 제안한다.

본 발명에서 전력증폭기 셀이란 도 7을 참조하면, 차동증폭기의 일부 또는 전부를 구성하는 트랜지스터들의 조합에 의해 증폭 기능을 수행할 수 있는 회로 구성을 의미한다.

특히 최근들어 E급 전력증폭기가 극성(polar) 송신기 시스템과 포락선 추적(envelope tracking)을 적용하여 정포락선이 아닌(non-contant envelope) 통신에도 사용 기술이 연구되고 있는데, 본 발명은 이러한 통신 환경에 적용할 수 있는 주파수 가변 특성을 확보할 수 있는 고효율 E급 전력증폭기를 개발하여 제안하고자 한다.

도 1은 이상적인 E급 전력증폭기의 개략적인 구조이다. E급 전력증폭기는 RF 초크(chock) 인덕터, 스위칭 커패시터와 대역통과 필터를 포함한다. C_S는 E급 전력증폭기로 동작하기 위한 스위칭 커패시터이다. 대역통과필터는 C₀와 L₀로 구성하여 원하는 주파수 성분만을 통과시키고 고조파(harmonic) 성분을 제거한다. 삼중대역으로 동작하기 위해서는 이 값들이 가변적 특성을 가져야 한다.

RF 초크의 인덕턴스(L_RFC)가 RF 주파수에서 유한한 값을 가질 때, E급 전력증폭기의 각 파라미터는 수학식 1과 같다.

이때 수학식 1과 수학식 2로부터 C_S과 C₀를 합하고, RF 초크 인덕턴스(L_RFC)와 L₀를 합하면 수학식 3과 수학식 4와 같이 표현할 수 있다.

수학식 3의 총 커패시턴스(C_T)는 도 7에 도시된 차동 증폭기에서, 드레인의 출력 커패시턴스(C_OUT)와 온 상태의 전력증폭기 셀의 기생 커패시턴스(C_ON)과 오프 상태의 전력증폭기 셀의 기생 커패시턴스(C_OFF)의 합으로 등가 회로화할 수 있다. 또한 수학식 4의 총 인덕턴스(L_T)는 L_o와 L_RFC를 AC적으로 병렬 구조로 등가 회로화할 수 있다. L_RFC가 L_o에 비해 매우 크면,L_o로 근사화할 수 있다.

표 1은 삼중대역 E급 전력증폭기로 동작하기 위해 각 주파수에 따라 필요한 C_T와 L_T 테이블이다. 이는 저주파수 대역(LB) 전력증폭기의 0.8GHz에서 요구되는 C_T와 L_T 값과 같으며, 중간 주파수 대역(MB) 전력증폭기의 1.9GHz에서 요구되는 C_T와 L_T값과 같으며, 고주파수 대역(HB) 전력증폭기의2.4GHz에서 요구되는 C_T와 L_T 값과 같다. 삼중대역 E급 전력증폭기는주파수가 증가할수록 작은 C_T와 L_T를 요구한다. 본 발명은 도 3 및 도 7을 참조하면, 하나의 회로로 주파수 대역별 커패시턴스와 인덕턴스를 변화시킬 수 있다.

	Class-E		LB		MB		HB
	L_T [nH]	C_T [pF]	L_T [nH]	C_T [pF]	L_T [nH]	C_T [pF]	L_T [nH]	C_T [pF]
0.8GHz	2.1	6.8	2.1	6.9	1.4	4.8	1.1	4.1
1.9GHz	0.9	2.8	0.5	1.2	0.9	2.8	0.8	2.5
2.4GHz	0.7	2.2	0.4	0.7	0.8	2.5	0.7	2.2

도 3에 도시된 본 발명에 의한 E급 전력증폭기는 2개의 전력증폭기 셀로 구성된 차동증폭기(3,4)가 전압결합 전송선 트랜스포머(1,2)와 연결된 구조이다.

2개의 차동증폭기는 전압결합 방식의 전송선 트랜스포머와 연결되어 입력 디퍼렌셜 신호를 증폭시켜 출력단의 부하(R_load)에 전력을 공급한다. 1차측 전송선은 2중으로 하여 결합계수를 증가시키고 삽입손실을 최소화한다. 삼중대역을 만족시키기 위해 2개의 전력증폭기 셀(3,4)을 선택적으로 온오프하여 C_T를 가변시킨다. 하나의 전력증폭기 셀(3)은 온오프를 가변시킬 수 있고, 하나의 전력증폭기 셀은 온오프를 고정시키는 셀(4)로 구성할 수 있다. 즉, C_ON과C_OFF가 변동되어 총 커패시턴스(C_T)가 변동된다.

또한 전송선 트랜스포머(1,2)의 전원 공급 위치를 가변시켜 총 인덕턴스(L_T)를 가변시킨다. 도 4는 전압결합 방식의 전송선 트랜스포머의 DC 전압 바이어스의 위치에 따른 인덕턴스와 결합계수의 변화이다. 전송선 트랜스포머의 중심부로부터 DC 바이어스(V_DD2)의 공급 위치가 멀어질수록 인덕턴스는 감소하고, 결합계수도 감소한다. DC 전압 바이어스의 위치를 중심부로부터 500㎛까지 가변시킬 때, 인덕턴스는 0.6~1nH가 되고, 결합계수는 0.6~0.85까지 변동한다. 전송선 트랜스포머의 전압 위치가 중심부로부터 멀어짐에 따라 인덕턴스가 감소되는 것은 V_DD2가 인가된 양 지점 사이의 전송 선로에 의한 인덕턴스 성분이 제거되어 전송선 트랜스포머의 인덕턴스가 감소되기 때문이다.

본 발명은 2.4GHz에서 동작시킬 수 있는 DC 전압 바이어스의 위치가 중심부로부터 300㎛ 떨어진 곳에서, 인덕턴스는 0.7nH가 되므로, 해당 위치에서 표 1의 E급 전력증폭기의 인덕턴스 특성을 만족한다.

도 9에 도시된 전력증폭기 셀 온오프 조건과 전송선 트랜스포머에 전압 공급 위치를 변동시키면 커패시턴스와 인덕턴스가 변화된다. 주파수를 가변시킴에 따라 커패시턴스와 인덕턴스는 도 5와 도 6에서 보여준다. 각 주파수에서 E급 다중대역 전력 증폭기로 활용할 수 있음을 보여준다.

도 7은 본 발명에 의한 삼중대역 E급 전력증폭기를 실제 사용되는 WCDMA 1.9GHz와 LTE 0.8/2.4GHz를 만족시키는 삼중대역 전력증폭기를 구현한 것으로서, 입력 트랜스포머, 드라이버, 차동증폭기 및 전송선 트랜스포머를 포함한다.

입력 트랜스포머는 RF 신호를 입력받아 드라이버로 전달한다. 드라이버(7,8)는 3단의 직렬연결 구조의 인버터로 구성된다. 차동 증폭기는 입력 디퍼렌셜를 입력받는 2개의 전력증폭기 셀로 구성된다. 사용 주파수에 따라 전력 증폭기 셀의 온오프가 가변된다. 전력증폭기 셀의 공통 게이트단의 바이어스 전압을 제어함으로써 2개의 전력증폭기 셀을 온오프 개수를 제어하고, 전송선로에 DC 전압 바이어스는 V_DD1과 V_DD2로 선택적으로 공급함으로써 삼중대역으로 동작한다.

	V_{CG_1}	V_{CG_2}	V_{DD_1}	V_{DD_2}
0.8GHz	ON	OFF	O	X
1.9GHz	ON	ON	O	X
2.4GHz	ON	ON	X	O

표 2를 참조하면, 0.8GHz에서 제1 전력증폭기 셀(3)은 온시키고, 제2 전력증폭기 셀(4)은 오프시킨다. 전송선 트랜스포머(1)에는 V_DD1을 공급한다. 1.9GHz에서 제1 전력증폭기 셀(3)은 온시키고, 제2 전력증폭기 셀(4)도 온시키고, 전송선 트랜스포머(1)에는 V_DD1을 공급한다. 2.4GHz에서 제1 전력증폭기 셀(3)은 온시키고, 제2 전력증폭기 셀(4)도 온시키고, 전송선 트랜스포머(1)에는 V_DD2을 공급한다.

도 2는 본 발명의 삼중대역 전력증폭기를 CMOS 칩으로 구현한 사진이다. 칩의 총 크기는 1.5 x 1.5mm²로 매우 작으며 0.8GHz, 1.9GHz 및 2.4GHz의 삼중대역 주파수 특성을 만족시키고, 입력 트랜스포머와 출력단의 정합 회로를 모두 하나의 CMOS 칩으로 집적함으로써 소형화 및 집적도를 향상시킨다. 본 발명의 삼중대역 전력증폭기는 출력전력은 0.8GHz, 1.9GHz, 2.4GHz에서 각각 28dBm, 29.6dBm, 26.5dBm이며, 효율은 각각 40%, 45%, 37%이다.

이상에서는 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

1, 2 : 전송선 트랜스포머
3, 4, 5, 6 : 전력증폭기 셀
7, 8 : 드라이버

Claims

입력 디퍼렌셜 신호를 증폭시키는 복수의 차동증폭기 및 상기 복수의 차동증폭기의 출력을 출력단에 전달하는 전압결합 전송선 트랜스포머를 포함하는 다중대역 E급 전력증폭기에 있어서,
사용 주파수 대역별 요구되는 총 커패시턴스와 총 인덕턴스를 충족시키기 위하여,
상기 차동증폭기를 구성하는 복수의 전력증폭기 셀을 온오프하여 총 커패시턴스를 가변하고,
상기 전송선 트랜스포머의 서로 다른 지점에 2개의 DC 전원 중 하나를 선택적으로 인가하여 총 인덕턴스를 가변하여,
하나의 회로로 다중대역을 구현하는 것을 특징으로 하는 다중대역 E급 전력증폭기.
(삭제)
제1항에 있어서,
상기 전력증폭기 셀의 온오프는 차동증폭기의 게이트 바이어스에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 다중대역 E급 전력증폭기.
(삭제)
제1항에 있어서,
상기 전송선 트랜스포머의 1차측 전송선은 2차측 전송선의 양측에 2개로 구성하여 결합계수를 증가시키고 삽입손실을 감소시킨 것을 특징으로 하는 다중대역 E급 전력증폭기.
제1항에 있어서,
상기 전송선 트랜스포머는 임피던스 정합 기능이 포함된 것을 특징으로 하는 다중대역 E급 전력증폭기.
제1항에 있어서,
상기 복수의 차동 전력증폭기는,
사용 주파수에 따라 온오프 동작이 가변되는 전력증폭기 셀과 온오프 동작이 고정되는 전력증폭기 셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중대역 E급 전력증폭기.
제1항에 있어서,
사용 주파수 대역은 0.8GHz, 1.9GHz, 2.4GHz의 삼중 대역인 것을 특징으로 하는 다중대역 E급 전력증폭기.
RF 신호를 입력받아 전달하는 입력 트랜스포머;
입력 트랜스포머의 출력을 드라이빙하는 캐스코오드 인버터;
상기 캐스코오드 인버터의 출력을 증폭시키는 복수의 전력증폭기 셀 및
상기 복수의 전력증폭기 셀의 출력을 부하로 전달하는 전압결합 전송선 트랜스포머를 포함하고,
사용 주파수 대역별 요구되는 총 커패시턴스와 총 인덕턴스를 충족시키기 위하여,
상기 복수의 전력증폭기 셀을 온오프하여 총 커패시턴스를 가변하고,
상기 전송선 트랜스포머의 서로 다른 지점에 2개의 DC 전원 중 하나를 선택적으로 인가하여 총 인덕턴스를 가변하여,
하나의 회로로 다중대역을 구현하는 것을 특징으로 하는 다중대역 E급 전력증폭기.
(삭제)
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