KR101656851B1 - 포락선 추적 전원 변조부 및 이를 적용한 전력증폭 시스템 - Google Patents

Abstract

포락선 추적 전원 변조부 및 이를 적용한 전력증폭 시스템이 개시된다. 무릎전압이 높은 CMOS 전력증폭부에 스위트 스팟 추적이 가능한 포락선을 적용하는 경우, 포락선 추적 전원변조부의 선형단과 스위칭단의 접지에 DC 전원공급부를 연결함으로써, 높은 효율을 얻을 수 있다.

Description

포락선 추적 전원 변조부 및 이를 적용한 전력증폭 시스템{ENVELOPE TRACKING SUPPLY MODULATOR AND POWER AMPLIFYING SYSTEM USING THE SAME}

본 발명은 포락선 추적 전원 변조부 및 이를 적용한 전력증폭 시스템에 대한 것으로서, 보다 상세하게는 무선주파수(RF) 송수신기에서 사용되는 포락선 추적 전원 변조기 및 이를 적용한 전력증폭 시스템에 대한 것이다.

일반적으로, 전력 증폭기의 효율향상을 위하여 포락선 추적(envelope tracking) 전원 변조기를 사용한다.

포락선 추적 전원 변조기는, 공급되는 전압을 출력전력에 따라 변화하고, 이에 따라 전력손실을 줄임으로써 높은 효율을 얻을 수 있다. 이러한 포락선 추적 전원 변조기는 낮은 출력(power back-off) 영역에서 효율을 개선할 수 있을 뿐 아니라, 최대 출력을 개선할 수도 있다. 그러나, 이를 위해 전 출력영역에서 높은 효율이 유지되어야 하는 단점이 있다.

현재 가장 널리 구현되고 있는 포락선 추적 시스템은, InGaP(Indium Gallium Phosphide)/GaAs(Gallium Arsenide) HBT(Heterojunction Bipolar Transistor) 공정을 사용한 전력 증폭기에 적용되는 것이다.

최근, 무선 송수신기에서, 하나의 칩으로 집적화하려는 요구가 증가함에 따라, CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 공정 기술을 이용한 전력 증폭기에 대한 연구가 진행중이다. 이에 따라 CMOS 전력 증폭기와 이의 포락선 추적 전원 변조기의 구현이 집중 조명을 받고 있다.

[문헌 1] 등록특허 제10-1128485호(2012. 03. 27 공고)

위 문헌 1은 포락선 추적 전원 변조기를 이용하여 전력 증폭기의 선형성과 효율을 높이기 위한 것으로서, 입력 포락선에 오프셋 전압을 더하고 스위트 스팟을 추적할 수 있도록 포락선을 변환하며, 이때 오프셋 전압은 전력 증폭기의 무릎(knee) 전압보다 약간 높은 값으로 설정한다.

이와 같이, 종래 포락선 추적 전원 변조기가 적용된 HBT 전력 증폭기의 경우, 무릎 전압이 0.4V 정도로 낮아, 약 0.5V의 오프셋 전압을 인가하면 된다.

이러한 오프셋 전압은 전원 변조기의 선형단 버퍼의 NMOS 드레인-소스 전압(V_DS) 강하로 인해, 제공될 수 있는 최소 전압과 같거나 조금 크다.

그러나, 이러한 전원 변조기 구조가 CMOS 전력 증폭기에 적용될 경우, 무릎 전압이 1V 정도이므로, 포락선의 오프셋 전압을 1.1V 가량 인가하여야 하므로, CMOS 전력 증폭기에 위와 같은 전원 변조기를 적용하기 위해서는 추가적인 오프셋 전압을 인가하여야 하며, 이로 인해 종래 전원 변조기 구조를 사용하는 경우 효율이 감소하게 되는 문제점이 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 무릎 전압이 높은 전력 증폭기에 적용가능한 것으로서, 전원 변조기의 효율을 최대 출력에서 뿐만 아니라 낮은 출력에서도 높일 수 있는 포락선 추적 전원 변조부 및 이를 적용한 전력증폭 시스템을 제공하는 것이다.

상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 스위트 스팟의 추적을 위한 포락선을 수신하고 이를 증폭하여 상기 디지털 신호로부터 생성되는 RF 신호를 증폭하는 전력증폭부에 제공하는, 본 발명의 일실시예의 전원변조부는, 상기 포락선을 수신하여 선형 증폭을 수행하여 선형 전압을 제공하며, P-채널 금속산화 반도체(P-MOS)와 N-채널 금속산화 반도체(N-MOS)가 연결된 버퍼부를 포함하는 선형부; 상기 선형부의 출력을 수신하여 스위칭전류를 제공하는 스위칭부; 및 상기 선형부와 상기 스위칭부 각각의 접지단에 연결되는 전원공급부를 포함할 수 있다.

본 발명의 일실시예에서, 상기 전원공급부는, 상기 N-MOS의 접지단에 연결될 수 있다.

본 발명의 일실시예에서, 상기 전원공급부에 의해 공급되는 전압은 상기 전력증폭부의 무릎전압보다 작을 수 있다.

또한, 상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일실시예의 전력증폭 시스템은, 디지털 신호를 증폭하는 증폭부; 상기 디지털 신호를 수신하여, 포락선 신호와 RF 신호를 출력하는 신호생성부; 상기 포락선 신호와 상기 포락선 신호의 피크전압 및 오프셋 전압을 수신하여, 출력전력의 스위트 스팟 추적을 위해, 상기 포락선 신호와 상기 포락선 신호를 변조하는 포락선 변조부; 및 상기 포락선 변조부로부터 변조된 포락선 신호를 수신하여 증폭하는 전원변조부를 포함하고, 상기 전원변조부는, 상기 변조된 포락선 신호를 수신하여 선형 증폭을 수행하여 선형 전압을 제공하는 선형부; 상기 선형부의 출력을 수신하여 스위칭전류를 제공하는 스위칭부; 및 상기 선형부와 상기 스위칭부 각각의 접지단에 연결되는 전원공급부를 포함할 수 있다.

본 발명의 일실시예에서, 상기 전원변조부의 출력과 상기 신호생성부의 출력중 RF 신호가 상기 증폭부로 입력될 수 있다.

본 발명의 일실시예에서, 상기 포락선 변조부에 의해 변조된 포락선 신호는, 상기 포락선 변조부에 입력되는 포락선 신호와 일차 선형관계일 수 있다.

본 발명의 일실시예에서, 상기 선형부는, 바이어스부; 및 P-MOS와 N-MOS가 연결되는 버퍼부를 포함할 수 있다.

본 발명의 일실시예에서, 상기 전원공급부는, 상기 N-MOS와 연결될 수 있다.

본 발명의 일실시예에서, 상기 전원공급부에 의해 공급되는 전압은 상기 증폭부의 무릎전압보다 작을 수 있다.

상기와 같은 본 발명은, 무릎전압이 높은 CMOS 전력증폭부에 스위트 스팟 추적이 가능한 포락선을 적용하는 경우, 포락선 추적 전원변조부의 선형단과 스위칭단의 접지에 DC 전원공급부를 연결함으로써, 높은 효율을 얻도록 하는 효과가 있다.

도 1a는 본 발명의 일실시예의 전력증폭 시스템의 구성을 설명하기 위한 일예시도이다.
도 1b는 도 1a에 의한 본 발명의 개념을 설명하기 위한 일예시도이다.
도 2는 포락선 변조부의 포락선 변조를 설명하기 위한 것이다.
도 3는 포락선 변조의 입출력 관계를 설명하기 위한 것이다.
도 4는 높은 무릎전압을 가지는 전력증폭부의 포락선 변조에서 셰이핑 오프셋을 설명하기 위한 일예시도이다.
도 5는 도 1의 선형부의 일실시예 상세 구성도이다.
도 6은 본 발명의 포락선 추적 전원변조부에 의한 효율을 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.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.

도 1a는 본 발명의 일실시예의 전력증폭 시스템의 구성을 설명하기 위한 일예시도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 전력증폭 시스템은, 신호생성부(1), 포락선 변조부(2), 포락선 추적 전원변조부(3), 및 전력증폭부(4)를 포함하며, 또한, 포락선 추적 전원변조부(3)는, 선형부(31), 스위칭부(32) 및 DC 전원공급부(33)를 포함할 수 있다.

신호생성부(1)는, 디지털 신호(I, Q)를 수신하여, 전력증폭부(4)의 RF 입력신호와 포락선 신호를 출력한다.

포락선 변조부(2)는 신호생성부(1)에서 생성된 포락선을 수신하여, 오프셋 포락선 셰이핑 방식으로 변조한다. 이는 효율 향상과 선형성을 위한 것이다. 이에 대해서는 추후 상세하게 설명하기로 한다.

포락선 추적 전원변조부(3)는 변조된 포락선 신호를 수신하고, 이를 증폭하여, 전력증폭부(4)의 전원으로 공급할 수 있다.

전력증폭부(4)는, 예를 들어 CMOS 전력증폭기로서, 공정 또는 구조에 따라 높은 무릎전압을 가질 수 있다.

도 1b는 도 1a에 의한 본 발명의 개념을 설명하기 위한 일예시도로서, 도 1a의 구성요소를 개략적으로 도시한 것이다.

신호생성부(1)로 입력되는 베이스밴드 디지털신호는 신호생성부(1)에 의해 포락선 신호와 RF 입력신호가 생성되어, 포락선 신호는 포락선 변조부(2)로, RF 신호는 전력증폭부(4)로 입력된다.

포락선 변조부(2)에 의해 스위트 스팟 추적이 가능한 포락선으로 변조된 포락선 신호는 다시 포락선 추적 전원변조부(3)에 의해 증폭되어 전력증폭부(4)에 입력되고, 전력증폭부(4)에 의해 증폭된 RF 신호가 출력되는 것이다.

도 1a에 도시된 바와 같이 본 발명의 전원변조부(3)는 선형부(31)와 스위칭부(32)를 포함하는데, 선형부(31)는 선형 전압원(linear voltage source)으로 작동하며, 스위칭부(32)는 종속 전류원(dependant current source)으로 작동하여, 두 결합에 의해 입력되는 포락선을 증폭하여 출력할 수 있다.

도 1a 및 도 1b와 같은 본 발명의 시스템의 동작을 설명하면 다음과 같다.

신호생성부(1)가 수신하는 디지털 신호는, I(In-phase) 신호와 Q(Quadrature) 신호로 구성되는 것이며, 이에 대해서는 본 발명이 속하는 기술분야에서 널리 알려진 바와 같으므로, 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.

신호생성부(1)는 디지털 신호(I, Q)를 입력으로 수신하여, 전력증폭부(4)로 RF 신호와 포락선 신호를 출력한다. RF 신호는 진폭과 위상신호가 결합된 폴라(polar) 신호이며 일반적인 전력증폭부의 입력신호에 해당한다. 포락선 신호는 RF 신호의 진폭신호를 의미하며, 출력전력의 제곱근에 비례한다.

포락선 변조부(2)는 신호생성부(1)에서 생성된 포락선 신호를 수신하여 오프셋 포락선 셰이핑(offset envelop shaping)에 의해 포락선을 변조한다. 이때 포락선 변조부(2)는, 신호생성부(1)로부터 수신한 입력 포락선과, 포락선의 피크전압과 오프셋 전압을 수신하여, 신호생성부(1)로부터 수신한 입력 포락선과 일차 선형관계를 가지는 출력 포락선을 출력한다.

즉, 종래에는 신호생성부(1)에서 생성한 포락선을 그대로 사용하였으나, 본 발명에 의하면 포락선 변조부(2)에 의해 포락선을 변조한다.

도 2는 포락선 변조부(2)의 포락선 변조를 설명하기 위한 것이고, 도 3은 포락선 변조의 입출력 관계를 설명하기 위한 것이다.

도 2의 (a)는 변조되지 않은 포락선을 나타낸 것이고, (b)는 종래 무릎전압을 고려하여 변조한 포락선을 나타낸 것이고, (c)는 본 발명에 따라 전력증폭부(4)의 무릎전압을 고려하여 변조한 포락선을 나타낸 것이다.

도 3은 포락선 변조부(2)의 입력에 대해 출력의 관계를 나타낸 것으로서, 3A는 입력 포락선이 그대로 사용되는 경우를 나타낸 것이고, 3B는 종래 무릎전압을 고려한 변조 포락선으로서 도 2의 (b)의 경우를 나타낸 것이다. 또한, 3C는 본 발명에 따라 무릎전압을 고려하여 변조한 포락선으로서 도 2의 (c)의 경우를 나타낸 것이다.

본 발명의 포락선 변조부(2)는, 스위트 스팟 추적이 되는 포락선으로 변조한다. 이때, 스위트 스팟이란, 전력증폭부의 출력에서 발생하는 선형성을 나쁘게 하는 고조파 성분이 서로 반대의 위상을 가져 상쇄되면서 나타나는 현상으로, 고조파 성분이 작아져 전력증폭부의 선형성이 개선된다.

포락선의 최소값은 전력증폭부(4)의 무릎전압보다 약간 크며, 종래의 HBT 전력증폭기에 대해서는 포락선의 최소전압이 약 0.5V에 대응하였으며, 이는 종래의 포락선 추적 전원변조부의 버퍼가 공급할 수 있는 최소전압과 동일하였다. 그러나, CMOS 전력증폭부에 대해서는 추가적인 오프셋이 요구되므로, 전원변조부의 효율이 이 추가적인 오프셋에 의해 감소하게 되는 문제점이 있었다.

도 4는 높은 무릎전압을 가지는 전력증폭부의 포락선 변조에서 셰이핑 오프셋을 설명하기 위한 일예시도이다.

도면에서, 4A는 CMOS 전력증폭부에 대해 스위트 스팟 추적을 위한 오프셋을 나타내며, 4B는 전원변조부의 선형부의 버퍼의 NMOS(N-channel metal oxide semiconductor)에서 제공할 수 있는 최소전압을 나타내며, 4C는 최소 전압에 추가적으로 인가하여야 하는 오프셋을 나타낸다.

또한, 4D는 백오프가 -9dB인 경우, 4E는 백오프가 -3dB인 경우, 4F는 백오프가 0dB인 경우 변조된 스위트 스팟 추적이 되는 포락선을 나타낸다.

즉, 도면에 도시된 바와 같이, 종래 구조의 포락선 추적 전원변조부를 CMOS 전력증폭부(4)에 적용할 경우, 4C에 해당하는 추가적인 오프셋이 요구된다.

도 5는 도 1의 선형부(31)의 일실시예 상세 구성도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 선형부(31)는 바이어스부(31A)와 버퍼부(31B)를 포함하며, 버퍼부(31B)는 PMOS(P-channel metal oxide semiconductor(31C)와 NMOS(31D)가 직렬연결되어 구성될 수 있다.

이와 같은 구성에서, 버퍼부(31B)의 NMOS(31D)의 전압강하는 추가되는 오프셋만큼 증가하게 되며, 결국 전력손실이 증가하게 되어 선형부(31)의 효율이 낮아지고, 전체 포락선 추적 전원변조부(3)의 효율도 낮아진다.

따라서, 본 발명의 포락선 추적 전원변조부(3)는 효율의 감소없이 추가적인 오프셋을 제공하기 위해, 전원공급부(33)가 선형부(31)와 스위칭부(32)의 접지에 연결되어 구성된다.

DC 전원공급부(33)는 추가적인 오프셋과 동일하며, 이로 인해 버퍼부(31B)의 NMOS(31D)의 전압강하가 줄어들게 되며, NMOS(31D)의 전압강하 감소로 인한 전력손실 감소효과는 출력 포락선의 전압이 줄어들수록 크게 나타난다. 이는, 출력 포락선의 전압이 줄어들수록 전체 전력손실에서 버퍼부(31B)의 NMOS(31D) 전력손실이 차지하는 비중이 크기 때문이다. DC 전원공급부(33)에서 공급되는 DC 전압은 전력증폭부(4)의 무릎전압보다 작은 것이 바람직하다.

포락선 추적 전원변조부(3)는, 포락선 변조부(2)로부터 수신된 변조된 포락선을 수신하여, 이를 증폭하여 전력증폭부(4)에 제공할 수 있다.

도 6은 본 발명의 포락선 추적 전원변조부에 의한 효율을 설명하기 위한 일예시도이다.

예를 들어, 0.7V의 DC 전원공급부(33)를 연결하여 포락선 오프셋이 1.1V가 되도록 하고, 전원변조부(4)의 전원인 V_DD를 4.7V로 한 경우를 설명하기로 한다.

6A는, 위와 같은 예에서 최대 출력 포락선 전압에 대한 전원변조부(3)의 효율을 측정한 것을 나타낸 것이고, 6B는 위와 같은 예를 시뮬레이션 한 것을 나타낸 것이다.

또한, 6C는 DC 전원공급부(33)의 전원이 공급되지 않는 경우의 최대 출력 포락선 전압에 대한 전원변조부(3)의 효율을 측정한 것을 나타낸 것이고, 6D는 위와 같은 예를 시뮬레이션 한 것을 나타낸 것이다.

도면에 도시된 바와 같이, 전 동작대역에서 효율이 증가하였음을 알 수 있으며, 특히 낮은 출력 포락선 전압에서 효율 증가가 큰 것을 확인할 수 있다.

위와 같은 본 발명은, 무릎전압이 높은 CMOS 전력증폭부에 스위트 스팟 추적이 가능한 포락선을 적용하는 경우, 포락선 추적 전원변조부의 선형단과 스위칭단의 접지에 DC 전원공급부를 연결함으로써, 높은 효율을 얻을 수 있으며, 낮은 출력의 포락선 전압에서 종래 구조에 비해 그 효율증가가 극대화될 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.

1: 신호생성부 2: 포락선 변조부
3: 포락선 추적 전원변조부 4: 전력증폭부

Claims (9)

1. 스위트 스팟의 추적을 위한 포락선을 수신하고 이를 증폭하여 디지털 신호로부터 생성되는 RF 신호를 증폭하는 전력증폭부에 제공하는 전원변조부에 있어서,
   상기 포락선을 수신하여 선형 증폭을 수행하여 선형 전압을 제공하며, P-채널 금속산화 반도체(P-MOS)와 N-채널 금속산화 반도체(N-MOS)가 연결된 버퍼부를 포함하는 선형부;
   상기 선형부의 출력을 수신하여 스위칭전류를 제공하는 스위칭부; 및
   상기 선형부와 상기 스위칭부 각각의 접지단에 연결되는 전원공급부를 포함하되,
   상기 전력증폭부는, CMOS 전력증폭부를 포함하고,
   상기 전원공급부에 의해 공급되는 전압은 상기 전력증폭부의 무릎 전압보다 작은 전원변조부.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 전원공급부는, 상기 N-MOS의 접지단에 연결되는 전원변조부.
   
3. 삭제
4. 디지털 신호를 증폭하는 증폭부;
   상기 디지털 신호를 수신하여, 포락선 신호와 RF 신호를 출력하는 신호생성부;
   상기 포락선 신호와 상기 포락선 신호의 피크전압 및 오프셋 전압을 수신하여, 출력전력의 스위트 스팟 추적을 위해, 상기 포락선 신호와 상기 포락선 신호를 변조하는 포락선 변조부; 및
   상기 포락선 변조부로부터 변조된 포락선 신호를 수신하여 증폭하는 전원변조부를 포함하고,
   상기 전원변조부는,
   상기 변조된 포락선 신호를 수신하여 선형 증폭을 수행하여 선형 전압을 제공하는 선형부;
   상기 선형부의 출력을 수신하여 스위칭전류를 제공하는 스위칭부; 및
   상기 선형부와 상기 스위칭부 각각의 접지단에 연결되는 전원공급부를 포함하되,
   상기 증폭부는, CMOS 전력증폭부를 포함하고,
   상기 전원공급부에 의해 공급되는 전압은 상기 증폭부의 무릎 전압보다 작은 전력증폭 시스템.
   
5. 제4항에 있어서, 상기 전원변조부의 출력과 상기 신호생성부의 출력중 RF 신호가 상기 증폭부로 입력되는 전력증폭 시스템.
   
6. 제4항에 있어서, 상기 포락선 변조부에 의해 변조된 포락선 신호는, 상기 포락선 변조부에 입력되는 포락선 신호와 일차 선형관계인 전력증폭 시스템.
   
7. 제4항에 있어서, 상기 선형부는,
   바이어스부; 및
   P-MOS와 N-MOS가 연결되는 버퍼부를 포함하는 전력증폭 시스템.
   
8. 제7항에 있어서, 상기 전원공급부는, 상기 N-MOS와 연결되는 전력증폭 시스템.
   
9. 삭제

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