KR101498786B1 - 전력 증폭기 - Google Patents

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Abstract

전력 증폭기가 개시된다. 본 발명의 일실시예의 전력 증폭기는, 입력되는 신호를 증폭하는, 캐스코드 형식의 제1증폭부; 상기 제1증폭부에 캐스코드 구조로 연결되어 신호를 증폭하는 제2증폭부; 및 상기 제2증폭부의 커먼 게이트 노드에, 입출력 전력에 따라 변화하는 바이어스 전압을 인가하는 바이어스 공급부를 포함할 수 있다.

Description

전력 증폭기{POWER AMPLIFIER}
본 발명은 전력 증폭기에 관한 것이다.
최근, 무선 송수신기를 하나의 칩으로 집적화고자 하는 많은 요구가 있으며, 이에 따라 많은 연구가 진행되고 있다. 이러한 요구에 대한 가장 큰 이유는, 무선 송수신기를 구성하는 블록 중 전력 증폭기만은 InGaP(Indium Gallium Phosphide)/GaAs(Gallium Arsenide) HBT(Heterojunction Bipolar Transistor) 공정을 이용하여 구현 되고 있기 때문이다.
상술한 InGAP/GaAs HBT 공정은 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 공정에 비해 제조비용이 높고 멀티칩 구조로 형성되어야 하며, 선형성 개선을 위해 CMOS 공정으로 구현되는 조정 회로 블록과의 결합도 어려운 문제점이 있다.
이러한 이유로 전력 증폭기를 CMOS 공정 기술을 이용하여 구현하게 되면, 하나의 칩으로 무선 송수신기의 제품을 만들 수 있기 때문에, CMOS 공정 기반의 전력 증폭기에 대한 연구가 광범위하게 진행되고 있다.
한편, 위와 같은 문제점을 개선하기 위해 최근 등장한 CMOS 공정을 이용하여 구현한 전력증폭기의 경우, CMOS 소자의 낮은 항복전압(breakdown voltage)으로 인해 CMOS소자의 수명이 줄어 들게 되는데, 이를 개선하기 위해 CMOS 소자를 복수의 층으로 쌓는 캐스코드(cascode) 방식으로 연결된 구조를 채택하고 있다.
가장 기본적인 캐스코드 증폭기의 구조는 입력단에 위치한 1층의 커먼-소스 증폭기와 출력단에 위치한 2층의 커먼-게이트 증폭기를 이용하여 구성되며, 이러한 방식으로 3층, 4층에 커먼-게이트 증폭기를 추가할 수 있으며, 이러한 구조에 의해 항복전압 특성이 좋아지게 된다. 이러한 전력 증폭기에는 증폭 동작을 위해 외부 전원이 공급된다.
일반적으로 차동 구조의 커먼 노드는 차동 동작에 의해 커먼 노드에 가상 접지(virtual ground)가 형성되고 홀수차 하모닉 성분에 대해서 접지를 제공한다. 이러한 커먼 노드 이용하여, 캐스코드 증폭기의 노드에 외부 전원이 인가된다. 2단의 케스코드 구조의 증폭기의 경우, 커먼-소스(common-source)의 게이트(gate), 커먼-게이트(common-gate)의 게이트, 그리고 커먼-게이트의 드레인(drain)에 각각 공급된다.
도 1은 일반적인 CMOS 소자를 이용한 전력 증폭기의 구조도로서, 차동형 캐스코드 구조를 채용하고 있다. 입력단의 커먼-소스 증폭기(110)는 주 증폭단의 역할을 하고, 커먼-게이트 증폭기(120)는, 항복 전압을 완화하기 위하여 사용된다.
일반적으로 전력 증폭기는 바이어스 전압에 의해서 클래스(class)-A, 클래스-B 및 클래스-AB 모드로 구분된다.
클래스-A 모드는 입력신호의 모든 위상을 손실없이 증폭하는 방식으로, 소신호 증폭이나 오디오용으로 사용된다. 클래스-B 모드는 입력신호 위상중 절반을 증폭하고 나머지는 버리는 방식으로, 신호변형은 크지만 효율이 높다. 신호변형을 막기 위해 보통 클래스-B 증폭기 두개를 병렬로 연결하여 서로 번갈아 증폭하고, 출력을 합하여 사용하는 푸쉬-풀(push-pull) 구조를 사용한다. 클래스-AB 모드는 클래스-A와 클래스-B의 혼합방식으로, 푸쉬-풀 구조와 유사하나, 클래스-B처럼 입력신호의 50%보다 높은 부분을 증폭한다. 따라서 위상이 바뀌는 순간에 반대 영역의 신호를 사용하여, 잡음을 제거한다.
클래스-A는 선형성이 좋은 반면 효율이 나쁘며, 클래스-AB는 효율이 좋은 반면 선형성이 나쁘다. 또한, 클래스-B는 효율이 가장 좋은 반면에 선형성이 가장 나쁘다. 이러한 특성으로 인해 종래의 증폭기는, 클래스-A와 클래스-AB의 중간 형태의 바이어스를 사용하였다.
도 2a 및 도 2b는 각각 바이어스의 모드에 따른 전력 증폭기의 선형성 및 효율을 나타낸 것이다.
도 2b에 도시된 바와 같이, 효율은 클래스-B가 클래스-A보다 모든 출력파워에서 좋거나 같다. 반면, 도 2a에 도시된 바와 같이, 선형성 특성은 출력파워 5dBm 이하에서는 클래스-A가 좋고, 그 이상에서는 클래스-AB가 좋은 것을 알 수 있다. 이러한 이유는, 낮은 출력파워에서 클래스-AB 또는 클래스-B 바이어스를 공급받으면, 턴온 전압(turn-on voltage) 근처에서의 동작으로 인해 왜곡(distortion)이 발생하기 때문이다.
도 1과 같은 전력 증폭기(100)는, 커먼-소스 증폭기(110)와 커먼-게이트 증폭기(120)로 구성된 직렬의 2단 구조의 증폭기이다. 보통 2단 구조의 증폭기 설계에 있어 제1단 증폭기는 클래스-A 바이어스 전압을, 제2단 증폭기는 클래스-AB 또는 클래스-B 바이어스 전압을 공급하여, 전체 증폭기의 AM-AM(Amplitude Modulation to Amplitude Modulation)특성을 개선하여 선형성 특성을 개선하는 방법이 일반적으로 이용된다.
도 3a는 종래의 전력 증폭기의 구조도이고, 도 3b는 도 3a의 커먼-게이트 노드에 제공되는 바이어스 전압을 설명하기 위한 예시도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 종래의 캐스코드 구조의 전력 증폭기는, 고정적인 커먼-게이트 바이어스를 공급하기 때문에, 선형성과 효율 중 트레이드 오프(trade-off)가 필요하다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 캐스코드 구조의 전력 증폭기에서, 게이트 바이어스를 입출력 파워에 따라 클래스-A 또는 클래스-B를 제공하여, 증폭기의 AM-AM 특성을 개선함으로써, 선형성을 개선하여 효율을 높이는 전력 증폭기를 제공하는 것이다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일실시예의 전력 증폭기는, 입력되는 신호를 증폭하는 제1증폭부; 상기 제1증폭부에 캐스코드 구조로 연결되어 신호를 증폭하는 제2증폭부; 및 상기 제2증폭부의 게이트 노드에, 입출력 전력에 따라 변화하는 바이어스 전압을 인가하는 바이어스 공급부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 제1증폭부는, 클래스-AB 모드로 증폭동작을 수행할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 바이어스 공급부는, 입출력 전력이 저-중 전력인 경우 클래스-A 모드로 동작하도록 상기 제2증폭부의 커먼 게이트 노드에 바이어스 전압을 인가할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 바이어스 공급부는, 입출력 전력이 고전력인 경우 클래스-B 모드로 동작하도록 상기 제2증폭부의 커먼 게이트 노드에 바이어스 전압을 인가할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 바이어스 공급부는, 입출력 전력이 증가하면, 외부로부터 인가되는 초기 바이어스 전압으로부터 감소하도록 바이어스 전압을 결정하여 상기 제2증폭부의 커먼 게이트 노드에 인가할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 바이어스 공급부는, 입력전력의 포락선을 검출하는 검출부; 및 외부로부터 인가되는 초기 바이어스 전압을, 상기 검출부의 출력에 따라 감소하여 인가하는 분배부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 검출부는, 입력전력의 포락선이 증가하는 경우, 그 출력이 감소할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 분배부는, 소정 제1트랜지스터를 포함하고, 상기 검출부의 출력이 감소하는 경우, 상기 분배부는, 상기 제1트랜지스터의 저항을 증가시킬 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 제1증폭부는, 복수의 제2트랜지스터가 병렬연결되고, 상기 복수의 제2트랜지스터의 소스가 공통으로 연결되어 커먼 소스를 형성할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 제2증폭부는, 복수의 제3트랜지스터가 병렬연결되고, 상기 복수의 제3트랜지스터의 게이트가 공통으로 연결되어 상기 커먼 게이트를 형성할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 전력 증폭기는, 상기 제2트랜지스터의 게이트와 상기 제3트랜지스터의 드레인 사이에 직렬로 연결되는 저항 및 커패시터를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 제1 및 제2증폭부는, 차동 캐스코드 구조일 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 제1 및 제2증폭부는, 단일 캐스코드 구조일 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 전력 증폭기는, 싱글 신호를 밸런스 신호로 변환하여 상기 제1증폭부에 제공하는 벌룬부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 전력 증폭기는, 상기 제2증폭부의 출력단과 상기 전력 증폭기의 출력단 간의 신호 경로의 임피던스를 정합하기 위한 정합부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 제1증폭부는, 다층의 캐스코드 구조로 구성될 수 있다.
상기와 같은 본 발명은, 제2증폭부의 커먼-게이트에 입출력 파워에 따라 클래스-A와 클래스-B 모드의 바이어스 전압을 개별적으로 인가함으로써, 선형성을 개선하여, 선왜곡 회로를 적용하지 않고서도 선형 전력 증폭기로 이용하도록 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일실시예의 바이어스 공급부는, ~3mA의 적은 전류를 사용하기 때문에 전체 효율에 영향을 거의 미치지 않으며, 일반적인 전력 증폭기에 비해 높은 효율을 얻게 하는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 CMOS 소자를 이용한 전력 증폭기의 구조도이다.
도 2a 및 도 2b는 각각 바이어스의 모드에 따른 전력 증폭기의 선형성 및 효율을 나타낸 것이다.
도 3a는 종래의 전력 증폭기의 구조도이고, 도 3b는 도 3a의 커먼-게이트 노드에 제공되는 바이어스 전압을 설명하기 위한 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 전력 증폭기의 회로 구성도이다.
도 5는 도 4의 본 발명의 바이어스 공급부의 상세 회로 구성도이다.
도 6은 도 4의 제1증폭부(10)의 게이트 바이어스에 따른 IMD3를 설명하기 위한 것이다.
도 7은 제2증폭부(20)의 게이트 바이어스에 대한 전력 증폭기(1)의 특성함수 및 그 미분함수를 나타낸다.
도 8은 서로 다른 Vcg에서 출력전력에 따른 IMD3를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 전력 증폭기에서 입력전력레벨에 따른 Vcg 바이어스를 설명하기 위한 일예시도이다.
도 10은 서로 다른 Vcg에 따른 IMD3를 나타낸 것이다.
도 11은 본 발명의 일실시예의 전력 증폭기의 개념을 설명하기 위한 일예시도이다.
도 12는 본 발명의 전력 증폭기의 IMD3, PAE 및 게인변화 특성을 설명하기 위한 일예시도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 전력 증폭기는, 커먼-소스 증폭부에는 클래스-AB 모드 바이어스를, 커먼-게이트 증폭부에는 입력/출력파워에 대해서 클래스-A 또는 클래스-B 모드의 바이어스를 제공함으로써, 전력 증폭기의 AM-AM 특성을 개선하여 선형성, 즉 상호변조왜곡성분(InterModulation Distortion; IMD)을 개선하기 위한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 전력 증폭기의 회로 구성도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예의 전력 증폭기(1)는, 제1증폭부(10), 제1증폭부(10)에 캐스코드 구조로 연결되는 제2증폭부(20), 및 바이어스 공급부(30)를 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 일실시예의 전력 증폭기(1)는, 이에 더하여, 벌룬부(40) 및 임피던스 정합부(50)를 더 포함할 수 있다. 본 발명의 일실시예의 전력 증폭기(1)의 제1 및 제2증폭부(10, 20)는, CMOS 공정으로 구현될 수 있다.
제1증폭부(10)와 제2증폭부(20)는 캐스코드(cascode) 구조로 연결되는데, 캐스코드 구조로 연결된다 함은, 제1증폭부(10)의 트랜지스터 소자와 제2증폭부(20)의 트랜지스터 소자가 각각 직렬로 연결되는 것을 의미한다.
본 발명의 일실시예에서, 제1 및 제2증폭부(10, 20)에서 2개의 트랜지스터가 연결되어 구성된 것을 설명하는 것에 의해 각각 트랜지스터가 직렬로 연결되어 캐스코드 연결되어 있는 것을 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 또한 증폭기의 개수 또한 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 2개 이상의 복수의 트랜지스터가 연결되어 커먼노드를 구성할 수 있다.
또한, 도 4에서는, 본 발명의 일실시예로써, 차동 캐스코드(differential cascode) 구조의 전력 증폭기가 도시되어 설명되겠지만, 단일 캐스코드(single cascode) 구조의 전력 증폭기에 본 발명의 적용을 배제하는 것은 아니다. 즉, 제1 및 제2증폭부(10, 20)가 하나의 트랜지스터로 구성될 수도 있으며, 이때에는, 아래에서 설명하는 바와 같이, 제1증폭부(10)의 커먼 소스 또는 제2증폭부(20)의 커먼 게이트에 바이어스가 공급되는 구조가 아니라, 제1증폭부(10)의 소스 또는 제2증폭부(20)의 게이트에 바이어스가 공급되는 구조일 것임은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 자명하다 할 것이다.
또한, 본 발명의 전력 증폭기(1)는, 제1증폭부(10)와 제2증폭부(20)의 2층으로 캐스코드 구조로 연결된 것을 도시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 다층의 캐스코드 구조로 연결될 수도 있다. 즉, 본 발명에서는, 제1증폭부(10)가 다층의 캐스코드 구조로 구성되고, 제2증폭부가 커먼 게이트 노드를 이루도록 구성될 수 있는 것이다.
제1증폭부(10)는 주증폭기로서 동작하는 것으로서, 복수의 트랜지스터가 병렬연결되어 구성되며, 복수의 트랜지스터의 소스(source)가 공통으로 연결되어 커먼 소스를 구성할 수 있다.
제2증폭부(20)는 제1증폭부(10)의 출력에서 항복 전압을 완화하기 위하여 증폭동작하는 것으로서, 복수의 트랜지스터가 병렬연결되어 구성되며, 복수의 트랜지스터의 게이트(gate)가 공통으로 연결되어 커먼 게이트를 구성할 수 있다.
제1증폭부(10) 및 제2증폭부(20)의 트랜지스터는, 예를 들어 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor; MOSFET)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
제1 및 제2증폭부(10, 20)의 신호증폭 동작은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 자명한 사항이므로, 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 바이어스 공급부(30)는, 도 3a의 종래의 전력 증폭기(1)와는 달리, 입력신호(RFin)를 이용하는 것이며, 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바이어스 공급부(30)는, 포락선 검출부(31) 및 바이어스 분배부(32)를 포함할 수 있다.
도 5는 도 4의 본 발명의 바이어스 공급부의 상세 회로 구성도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예의 포락선 검출부(31)는, 제1트랜지스터(M1), 저항(R1, R2) 및 커패시터(C1, C2)를 포함하며, 바이어스 분배부(32)는 제2트랜지스터(M2), 저항(R3 및 R4) 및 커패시터(C3)를 포함한다. 본 발명의 일실시예에서, 제1 및 제2트랜지스터(M1, M2)는 N MOSFET일 수 있으나, 이는 예시적인 것으로, 이에 한정되는 것이 아님은 자명하다.
이하, 본 발명의 바이어스 공급부(30)의 동작을 상세하게 설명하기로 한다.
전력 증폭기가 높은 전력에서 높은 효율을 얻기 위해서는, 3차 혼조 변조 왜곡(third-order InterModulation Distortion; IMD3)의 높은 파워 영역에 스윗 스팟(sweet spot)이 존재하여야 한다. 이는 제1증폭부(10)의 게이트를 딥(deep) 클래스-AB에서 바이어스하는 것에 의해 이룰 수 있다. 그러나, 딥 클래스-AB 바이어스에서 전력 증폭기(1)는 턴온 전압 근처에서 매우 심각한 비선형성 특성을 보이고 낮은 전력 영역에서 IMD3가 커지는 현상이 발생한다.
도 6은 도 4의 제1증폭부(10)의 게이트 바이어스에 따른 IMD3를 설명하기 위한 것으로서, 제2증폭부(20)의 게이트 바이어스가 Vcg=2.8V인 경우 제1증폭부(10)의 서로 다른 게이트 바이어스에 대한 출력 전력에 따른 IMD3를 나타낸 것이다.
전력 증폭기(1)의 드레인 전류(iDS)는 테일러 급수(Taylor series)에 의해 다음과 같이 확장되어, IMD3 특성을 발견하는데 사용될 수 있다.
Figure 112013048588843-pat00001
신호가 큰 영역에서, 전력 증폭기(1)의 드레인 전류는 드레인 바이어스 및 게이트 바이어스에 영향을 받는다. 제1증폭부(10)의 드레인 바이어스는 캐스코드 구조에서 제2증폭부(20)의 게이트 바이어스에 의해, 다음과 같이 결정된다.
Figure 112013048588843-pat00002
이때, Vcg는 제2증폭부(20)의 게이트 바이어스이고, Vth_CG는 제2증폭부(20)의 문턱전압(threshold voltage)이고, Venv_signal은 입력 포락선 신호이다.
도 7은 제2증폭부(20)의 게이트 바이어스에 대한 전력 증폭기(1)의 특성함수 및 그 미분함수를 나타낸다.
도면에 도시된 바와 같이, Vcg가 0.8V에서 G3의 전이점(transition point)이 존재하고, 0.8V 아래의 Vgs에서 Vcg가 감소하면 G3는 증가하고, 반대로, 0.8V 이상의 Vgs에서 Vcg가 증가하면 G3는 감소한다. 도 7의 서로 다른 G3 값에 의해, IMD3 생성은 Vcg에 따라 매우 달라질 수 있다. 도 8은 Vgs가 0.45V인 경우, 서로 다른 Vcg에서 출력전력에 따른 IMD3를 나타낸 것이다.
선형 동작을 위해, 0.8V 아래의 Vgs에 대해 Vcg가 높은 바이어스를 가져야 하고, 전이점 이상에서는 낮은 바이어스를 가져야 한다. 도 9는 본 발명의 전력 증폭기에서 입력전력레벨에 따른 Vcg 바이어스를 설명하기 위한 일예시도로써, 초기값(Vcg0)이 2.8V인 경우를 나타낸 것이다. 또한, 도 10은 Vgs=0.45V에서 서로 다른 Vcg에 따른 IMD3를 나타낸 것이며, 표기된 값은 바이어스 제공부(30)가 제공하는 초기값을 나타낸다.
도면에 도시된 바와 같이, IMD3는 도 8에 비해 저-중 전력(low-mid power)에서는 5dB 개선되었고, 고전력에서는 2.5dB 개선되었음을 알 수 있다.
다시, 도 4를 참조로 하면, 본 발명의 전력 증폭기(1)는, 제1증폭부(10)의 게이트와 제2증폭부(20)의 드레인 사이에 연결된, 직렬로 연결된 저항 및 커패시터(F1, F2)가 선형성 및 안정성을 개선하기 위해 사용된다.
본 발명의 바이어스 공급부(30)의 포락선 검출부(31)는, 입력전력의 포락선(envelope)을 검출한다. 포락선 신호가 증가하면, 즉 입력전력이 증가하면, 포락선 검출부(31)의 출력은 감소한다. 이때, 바이어스 분배부(32)의 제2트랜지스터(M2)의 저항은 점차 증가하여, 입력되는 초기 바이어스 전압(Vbias)을 분배하여, Vcg가 초기 바이어스 전압으로부터 감소하여 변화하게 한다.
다만, 본 발명의 바이어스 공급부(30)의 구성은, 일예로써, 도 9와 같이 입력 전력에 따라 바이어스 전압을 변화시킬 수 있는 어떠한 회로의 구성도 본 발명의 범위 내에 포함된다 할 것이다. 즉, 입력전력이 증가함에 따라 제2증폭부(20)의 바이어스 전압을 감소시킬 수 있는 회로는 도 4의 바이어스 공급부(30)의 구성 외에도 다수 설계될 수 있는 것임은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 자명한 사항이다.
벌룬부(40)는, 1차 권선(P)과 2차 권선(S)을 구비하여, 싱글 신호(RFin)를 밸런스 신호로 변환하여 제1증폭부(10)로 제공할 수 있다.
임피던스 정합부(50)는 제2증폭부(20)의 출력단과 전력 증폭기(1)의 출력단(RFout) 간의 신호 경로의 임피던스를 정합할 수 있다.
도 11은 본 발명의 일실시예의 전력 증폭기의 개념을 설명하기 위한 일예시도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 전력 증폭기(1)는, 제1증폭부(10) 및 제2증폭부(20) 및 바이어스 공급부(30)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 제1증폭부(10)는 커먼 소스구조로써, 클래스-AB 모드로 동작할 수 있으며, 제2증폭부(20)는 커먼 게이트 구조로써, 저-중 전력(low-mid power)에서는 클래스-A 모드로 동작하도록 커먼 게이트에 바이어스 전압이 공급되고, 고전력(high power)에서는 클래스-B 모드로 동작하도록 커먼 게이트에 바이어스 전압이 공급될 수 있다.
다만, 도면에서는 제2증폭부(20)로서, 두개의 증폭기가 도시되어 있으나, 이는 전력에 따라 증폭기의 동작이 변화하는 것을 설명하기 위한 것으로서, 하나의 증폭기에 대해 두가지 모드의 동작을 수행하는 것을 설명하는 것임은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 자명하다 할 것이다.
도 12는 본 발명의 전력 증폭기의 IMD3, PAE 및 게인변화 특성을 설명하기 위한 일예시도로써, A는 종래의 도 3a와 같은 전력 증폭기의 커먼 게이트에 고정 바이어스 전압을 공급하는 경우의 IMD3를 나타낸 것이고, B는 본 발명의 전력 증폭기의 커먼 게이트에 입출력 전력에 따라 변화하는 바이어스 전압을 공급하는 경우 IMD3를 나타낸 것이고, C는 본 발명의 전력증폭기의 PAE(전력부가효율; Power Added Efficiency)를 나타낸 것이다. 또한, D는 종래의 전력 증폭기에서의 게인 변화량을 나타낸 것이고, E는 본 발명에 따른 전럭 증폭기에서의 게인 변화량을 나타낸 것이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 전력 증폭기는, A, B에 의해 IMD3 특성이 종래의 전력 증폭기에 비해 개선되는 것을 알 수 있으며, 또한 IMD3 특성이 개선되므로 선형성이 개선되어 효율이 증가하는 것을 알 수 있다(C).
또한, D, E에 의해, 출력전력 변화에 대한 게인의 변화량이 본 발명의 전력 증폭기에서 적다는 것을 알 수 있으며, 게인 확장(gain expansion) 특성이 줄어들게 되어, AM-AM 왜곡이 줄어들게 됨을 알 수 있다.
일반적으로 CMOS 방식의 캐스코드 전력 증폭기는 선형성이 나쁘기 때문에 선형 전력 증폭기로 사용되기에 적합하지 않으므로, 선형성을 개선하기 위해 선왜곡(pre-distortion) 회로 또는 포락선 추적(Envelope Tracking) 회로 등의 외부 회로를 적용해야만 충분한 선형성을 얻을 수가 있었다.
그러나, 본 발명의 일실시예와 같이, 제2증폭부(20)의 커먼-게이트에 클래스-A와 클래스-B 모드를 입출력 전력에 따라 바이어스 전압을 개별적으로 인가함으로써, 선형성을 개선하여, 선왜곡 회로를 적용하지 않고서도 선형 전력 증폭기로 이용할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예의 바이어스 공급부는, ~3mA의 적은 전류를 사용하기 때문에 전체 효율에 영향을 거의 미치지 않으며, 일반적인 전력 증폭기에 비해 높은 효율을 얻게 할 수 있다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
10, 20: 증폭부 30: 바이어스 공급부
40: 벌룬부 50: 임피던스 정합부

Claims (16)

  1. 복수의 제1트랜지스터의 소스가 공통으로 연결되어 커먼 소스를 구성하는 제1증폭부;
    복수의 제2트랜지스터의 게이트가 공통으로 연결되어 커먼 게이트를 구성하고, 상기 제1증폭부의 복수의 상기 제1트랜지스터에 각각에 캐스코드 구조로 연결되는 제2증폭부; 및
    상기 커먼 게이트에, 입력전력의 크기에 따라 따라 변화하는 바이어스 전압을 인가하는 바이어스 공급부를 포함하고,
    상기 바이어스 공급부는, 입력전압이 증가함에 따라 바이어스 전압을 감소하여 상기 커먼 게이트에 제공하는 전력 증폭기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1증폭부는,
    클래스-AB 모드로 증폭동작을 수행하는 전력 증폭기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 바이어스 공급부는,
    입력전력이 저-중 전력인 경우 클래스-A 모드로 동작하도록 상기 커먼 게이트에 바이어스 전압을 인가하는 전력 증폭기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 바이어스 공급부는,
    입력전력이 고전력인 경우 클래스-B 모드로 동작하도록 상기 커먼 게이트에 바이어스 전압을 인가하는 전력 증폭기.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, 상기 바이어스 공급부는,
    입력전력의 포락선을 검출하는 검출부; 및
    외부로부터 인가되는 초기 바이어스 전압을, 상기 검출부의 출력에 따라 감소하여 인가하는 분배부를 포함하는 전력 증폭기.
  7. 제6항에 있어서, 상기 검출부는,
    입력전력의 포락선이 증가하는 경우, 그 출력이 감소하는 전력 증폭기.
  8. 제7항에 있어서, 상기 분배부는, 소정 제3트랜지스터를 포함하고,
    상기 검출부의 출력이 감소하는 경우, 상기 분배부는, 상기 제3트랜지스터의 저항을 증가시키는 전력 증폭기.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1트랜지스터의 게이트와 상기 제2트랜지스터의 드레인 사이에 직렬로 연결되는 저항 및 커패시터를 더 포함하는 전력 증폭기.
  12. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2증폭부는,
    차동 캐스코드 구조인 전력 증폭기.
  13. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2증폭부는,
    단일 캐스코드 구조인 전력 증폭기.
  14. 제1항에 있어서,
    싱글 신호를 밸런스 신호로 변환하여 상기 제1증폭부에 제공하는 벌룬부를 더 포함하는 전력 증폭기.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 제2증폭부의 출력단과 상기 전력 증폭기의 출력단 간의 신호 경로의 임피던스를 정합하기 위한 정합부를 더 포함하는 전력 증폭기.
  16. 제1항에 있어서, 상기 제1증폭부는,
    다층의 캐스코드 구조로 구성되는 전력 증폭기.
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