KR101664732B1

KR101664732B1 - 다중 출력 전압을 생성하는 동적 바이어스 변조기 및 이를 이용한 전력 증폭 장치

Info

Publication number: KR101664732B1
Application number: KR1020150111620A
Authority: KR
Inventors: 양영구; 배종석; 오성재; 조수호
Original assignee: 성균관대학교산학협력단
Priority date: 2015-08-07
Filing date: 2015-08-07
Publication date: 2016-10-12
Also published as: US9667204B2; US20170040955A1

Abstract

본 발명의 실시예들에 따른 전력 증폭 장치는 입력 전압으로부터 에너지를 공급받는 하나의 인덕터와 인덕터에 비중첩적으로 연결되는 복수 개의 커패시터들을 이용하여 전압 레벨이 서로 다른 제1 및 제2 바이어스 전압들을 각각 생성하는 다중 출력 바이어스 전압 생성부, 무선(RF) 신호의 포락선 신호를 포락선 기준 전압에 비교한 결과에 따라, 상대적으로 높은 제1 바이어스 전압 또는 상대적으로 낮은 제2 바이어스 전압을 가변 바이어스 전압으로 출력하는 동적 바이어스 변조기 및 가변 바이어스 전압에 따라 바이어스되며 RF 신호를 전력 증폭하여 안테나로 출력하는 전력 증폭기를 포함할 수 있다.

Description

다중 출력 전압을 생성하는 동적 바이어스 변조기 및 이를 이용한 전력 증폭 장치{DYNAMIC BIAS MODULATOR WITH MULTIPLE OUTPUT VOLTAGE CONVERTER AND POWER AMPLIFIER USING THE SAME}

본 발명은 전력 증폭기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 동적 바이어스 변조기를 이용하는 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 바이어스 전압의 레벨이 변동되는 바이어스 변조 기법이 제안되었다.

바이어스 변조 기법은 또한 연속 바이어스 변조 기법과 불연속 바이어스 변조 기법으로 나눌 수 있다.

연속 바이어스 변조 기법은 연속적인 전압 레벨을 가지고 가변할 수 있는 바이어스 전압을 공급하는 기법이고, 불연속 바이어스 변조 기법은 2 개 정도의 불연속적인 전압 레벨들을 가지고 가변할 수 있는 바이어스 전압을 공급하는 기법이다.

불연속 바이어스 변조 기법은 연속 바이어스 변조 기법에 비해 회로가 간단하고 제어가 용이한 장점이 있다. 하지만, 불연속 바이어스 변조기를 구성하는 둘 이상의 DC-DC 전압 변환 회로들이 각각마다 인덕터를 하나씩 가지기 때문에, 실제로 구현하기 위해서는 매우 큰 칩 면적 또는 기판 면적이 필요하다는 단점이 있다.

이에 따라, 동적 바이어스 변조 기법의 간단한 회로 구조를 적은 칩 면적 또는 기판 면적에 구현할 수 있는 방안이 요구된다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 다중 출력 전압을 생성하는 동적 바이어스 변조기 및 이를 이용한 전력 증폭 장치를 제공하는 데에 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 적은 칩 면적 또는 기판 면적 상에 구현될 수 있는 다중 출력 전압을 생성하는 동적 바이어스 변조기 및 이를 이용한 전력 증폭 장치를 제공하는 데에 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 불연속적으로 또는 연속적으로 가변하는 바이어스 전압을 공급하여 다중 출력 전압을 생성하는 동적 바이어스 변조기 및 이를 이용한 전력 증폭 장치를 제공하는 데에 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 평균 출력 전력이 낮을 경우에는 낮은 출력 전압만을 공급하여 평균 전력 추적 모드로 동작할 수 있는 다중 출력 전압을 생성하는 동적 바이어스 변조기 및 이를 이용한 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 전력 증폭 장치는 입력 전압으로부터 에너지를 공급받는 하나의 인덕터와 상기 인덕터에 비중첩적으로 연결되는 복수 개의 커패시터들을 이용하여 전압 레벨이 서로 다른 제1 및 제2 바이어스 전압들을 각각 생성하는 다중 출력 바이어스 전압 생성부; 무선(RF) 신호의 포락선 신호를 포락선 기준 전압에 비교한 결과에 따라, 상대적으로 높은 상기 제1 바이어스 전압 또는 상대적으로 낮은 상기 제2 바이어스 전압을 가변 바이어스 전압으로 출력하는 동적 바이어스 변조기; 및 상기 가변 바이어스 전압에 따라 바이어스되며, 상기 RF 신호를 전력 증폭하여 안테나로 출력하는 전력 증폭기를 포함할 수 있다.

일 실시예에 따라, 상기 다중 출력 바이어스 전압 생성부는 상기 인덕터를 인덕터 스위칭 신호에 의해 단속적으로 상기 입력 전압에 연결함에 따라 상기 인덕터에 에너지를 단속적으로 축적하고, 상기 인덕터의 에너지를 제1 및 제2 스위칭 신호들에 의해 상기 복수의 커패시터들 중 하나에 선택적으로 전달함으로써, 상기 제1 및 제2 커패시터들의 각각에 충전된 에너지로부터 전압 레벨이 서로 다른 상기 제1 및 제2 바이어스 전압들을 각각 생성하도록 동작할 수 있다.

일 실시예에 따라, 상기 다중 출력 바이어스 전압 생성부는 상기 인덕터 스위칭 신호와 상기 제1 및 제2 스위칭 신호들을 각각 생성하는 스위칭 신호 생성부를 더 포함하고, 상기 스위칭 신호 생성부는 상기 제1 바이어스 전압을 제1 기준 전압에 비교하여 얻은 오차를 증폭하고, 증폭된 오차를 소정 주기의 삼각파 또는 톱니파에 비교한 결과에 따라 펄스폭 변조된 상기 인덕터 스위칭 신호를 생성하고, 상기 제2 바이어스 전압을 제2 기준 전압에 비교한 오차를 증폭하고, 증폭된 오차를 상기 삼각파 또는 톱니파에 비교한 결과에 따라 펄스폭 변조된 상기 제1 및 제2 스위칭 신호들을 각각 생성하도록 동작하며, 상기 제1 스위칭 신호와 상기 제2 스위칭 신호는 서로 상보적일 수 있다.

일 실시예에 따라, 상기 스위칭 신호 생성부는 평균 출력 전력의 크기에 따라 상기 제1 및 제2 기준 전압들을 불연속적으로 조절하도록 동작할 수 있다.

일 실시예에 따라, 상기 스위칭 신호 생성부는 평균 출력 전력의 크기에 따라 상기 제1 및 제2 바이어스 전압들을 상기 제1 및 제2 기준 전압들에 각각 비교하여 얻은 오차들에 관한 증폭 이득들을 각각 불연속적으로 조절하도록 동작할 수 있다.

일 실시예에 따라, 상기 스위칭 신호 생성부는 평균 출력 전력의 크기에 따라 상기 제1 및 제2 기준 전압들을 연속적으로 가변하도록 동작할 수 있다.

일 실시예에 따라, 상기 스위칭 신호 생성부는 평균 출력 전력의 크기에 따라 상기 제1 및 제2 바이어스 전압들을 상기 제1 및 제2 기준 전압들에 각각 비교하여 얻은 오차들에 관한 증폭 이득들을 각각 연속적으로 가변하도록 동작할 수 있다.

일 실시예에 따라, 상기 동적 바이어스 변조기는 평균 출력 전력이 소정의 상한 레벨보다 크거나 소정의 하한 레벨보다 낮으면, 상기 포락선 신호와 상기 포락선 기준 전압의 비교 결과에 우선하여, 상기 평균 출력 전력의 크기에 따라, 상기 제1 및 제2 바이어스 전압들 중 하나만을 상기 가변 바이어스 전압으로 출력하도록 동작할 수 있다.

일 실시예에 따라, 상기 동적 바이어스 변조기는 상기 평균 출력 전력이 소정의 상한 레벨보다 크면, 상기 포락선 신호의 크기에 상관없이 상대적으로 높은 상기 제1 바이어스 전압을 상기 가변 바이어스 전압으로 출력하고, 상기 평균 출력 전력이 소정의 하한 레벨보다 낮으면, 상기 포락선 신호의 크기에 상관없이 상대적으로 낮은 상기 제2 바이어스 전압을 상기 가변 바이어스 전압으로 출력하도록 동작할 수 있다.

일 실시예에 따라, 상기 다중 출력 바이어스 전압 생성부는 상기 복수 개의 커패시터들 중 상기 평균 출력 전력의 크기에 따라 선택되는 어느 하나의 커패시터만 상기 인덕터에 대해 배타적으로 연결함으로써 상기 제1 및 제2 바이어스 전압들 중 하나만을 상기 동적 바이어스 변조기에 공급하도록 동작할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따른 다중 출력 전압을 생성하는 전력 증폭 장치를 이용한 전력 증폭 방법은 상기 전력 증폭 장치가, 입력 전압으로부터 에너지를 공급받는 하나의 인덕터와 상기 인덕터에 비중첩적으로 연결되는 복수 개의 커패시터들을 이용하여 전압 레벨이 서로 다른 제1 및 제2 바이어스 전압들을 각각 생성하는 단계; 무선(RF) 신호의 포락선 신호를 포락선 기준 전압에 비교한 결과에 따라, 상대적으로 높은 상기 제1 바이어스 전압 또는 상대적으로 낮은 상기 제2 바이어스 전압을 가변 바이어스 전압으로 출력하는 단계; 및 상기 가변 바이어스 전압에 따라 바이어스되는 전력 증폭기를 통해 상기 RF 신호를 전력 증폭하여 안테나로 출력하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 다중 출력 전압을 생성하는 동적 바이어스 변조기 및 이를 이용한 전력 증폭 장치에 따르면, 적은 칩 면적 또는 기판 면적 상에 구현될 수 있다.

본 발명의 다중 출력 전압을 생성하는 동적 바이어스 변조기 및 이를 이용한 전력 증폭 장치에 따르면, 불연속적으로 또는 연속적으로 가변하는 바이어스 전압을 공급할 수 있다.

본 발명의 다중 출력 전압을 생성하는 동적 바이어스 변조기 및 이를 이용한 전력 증폭 장치에 따르면, 평균 출력 전력이 낮을 경우에는 낮은 출력 전압만을 공급하여 평균 전력 추적 모드로 동작할 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 다중 출력 전압을 생성하는 동적 바이어스 변조기 및 이를 이용한 전력 증폭 장치를 예시한 회로도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 동적 바이어스 변조기가 출력하는 제1 및 제2 바이어스 전압들이 출력 RF 신호의 포락선에 따라 가변하는 것을 예시한 그래프들이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 동적 바이어스 변조기가 출력하는 제1 및 제2 바이어스 전압들과 평균 출력 전력의 관계를 예시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 출력 전압을 생성하는 동적 바이어스 변조기를 이용한 전력 증폭 방법을 예시한 순서도이다.

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 따라 다중 출력 전압을 생성하는 동적 바이어스 변조기 및 이를 이용한 전력 증폭 장치를 예시한 회로도이다.

전력 증폭 장치(10)는 포락선 검출기(11), 동적 바이어스 변조기(12), 다중 출력 바이어스 전압 생성부(13) 및 전력 증폭기(14)를 포함할 수 있다.

포락선 검출기(11)는 전력 증폭을 위해 전력 증폭기(14)에 입력되는 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, 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.

동적 바이어스 변조기(12)는 상대적으로 높은 제1 바이어스 전압(VDDH)과 상대적으로 낮은 제2 바이어스 전압(VDDL)을 공급받고, 포락선 신호(ENV)를 포락선 기준 전압(VREF)에 비교하여, 포락선 신호(ENV)가 포락선 기준 전압(VREF)보다 크면 상대적으로 높은 제1 바이어스 전압(VDDH)을 가변 바이어스 전압(VBIAS)으로 출력하고, 포락선 신호(ENV)가 포락선 기준 전압(VREF)보다 작으면 상대적으로 낮은 제2 바이어스 전압(VDDL)을 가변 바이어스 전압(VBIAS)으로 출력할 수 있다.

이를 위해 동적 바이어스 변조기(12)는 포락선 신호(ENV)를 포락선 기준 전압(VREF)에 비교하고 비교 결과에 따라 바이어스 선택 신호(SEL)를 출력하는 비교기(121)와, 바이어스 선택 신호(SEL)에 따라 상대적으로 높은 제1 바이어스 전압(VDDH)과 상대적으로 낮은 제2 바이어스 전압(VDDL) 중 하나를 선택하여 가변 바이어스 전압(VBIAS)을 출력하는 스위칭부(122)를 포함할 수 있다.

실시예에 따라, 동적 바이어스 변조기(12)는, 만약 평균 출력 전력이 소정의 상한 레벨보다 크거나 소정의 하한 레벨보다 낮으면, 포락선 신호(ENV)와 포락선 기준 전압(VREF)의 비교 결과에 우선하여, 평균 출력 전력의 크기에 따라 제1 및 제2 바이어스 전압들(VDDH, VDDL) 중 하나를 가변 바이어스 전압(VBIAS)으로 출력할 수 있다.

예를 들어, 동적 바이어스 변조기(12)는 만약 평균 출력 전력이 소정의 상한 레벨보다 크다면 포락선 신호(ENV)의 크기에 상관없이 상대적으로 높은 제1 바이어스 전압(VDDH)을 가변 바이어스 전압(VBIAS)으로 출력할 수 있다. 반대로, 동적 바이어스 변조기(12)는 만약 평균 출력 전력이 소정의 하한 레벨보다 작다면 포락선 신호(ENV)의 크기에 상관없이 상대적으로 낮은 제2 바이어스 전압(VDDL)을 가변 바이어스 전압(VBIAS)으로 출력할 수 있다.

다중 출력 바이어스 전압 생성부(13)는 동적 바이어스 변조기(12)에 상대적으로 높은 제1 바이어스 전압(VDDH)과 상대적으로 낮은 제2 바이어스 전압(VDDL)을 공급한다.

구체적으로, 다중 출력 바이어스 전압 생성부(13)는 단일한 입력 전압으로부터 에너지를 공급받는 하나의 인덕터(L)와 이러한 인덕터(L)에 비중첩적으로 연결되는 복수 개의 커패시터들, 예를 들어 제1 및 제2 커패시터들(C1, C2)을 이용하여 전압 레벨이 서로 다른 바이어스 전압들, 예를 들어 제1 및 제2 바이어스 전압들(VDDH, VDDL)을 각각 생성할 수 있다. 여기서, 비중첩적으로 연결된다는 것은 어느 한 시간 구간에 인덕터(L)에는 복수 개의 커패시터들 중 어느 하나의 커패시터만 전기적으로 연결됨을 의미한다.

좀더 구체적으로, 다중 출력 바이어스 전압 생성부(13)는 인덕터 스위칭 신호(SW)에 의해 단속적으로 인덕터(L)가 입력 전압(VDD)에 연결됨에 따라 인덕터(L)에 에너지를 단속적으로 축적할 수 있다. 또한 다중 출력 바이어스 전압 생성부(13)는 인덕터(L)의 에너지를 제1 및 제2 스위칭 신호들(SW1, SW2)에 의해 복수의 커패시터들(C1, C2) 중 하나에 선택적으로 전달함으로써, 다시 말해, 인덕터(L)로부터 전류를 제1 및 제2 스위칭 신호들(SW1, SW2)에 의해 제1 및 제2 커패시터들(C1, C2) 중 하나에 선택적으로 흐르게 함으로써, 제1 및 제2 커패시터들(C1, C2)의 각각에 충전된 에너지로부터 전압 레벨이 서로 다른 제1 및 제2 바이어스 전압들(VDDH, VDDL)을 각각 생성한다.

이를 위해, 다중 출력 바이어스 전압 생성부(13)는 다중 루프 DC-DC 벅 컨버터의 구조를 이용한 스위칭 신호 생성부(131)를 포함할 수 있다.

스위칭 신호 생성부(131)는 제1 바이어스 전압(VDDH)을 제1 기준 전압(VREFH)에 비교하여 얻은 오차를 증폭하고, 오차 증폭 신호를 소정 주기의 삼각파 또는 톱니파에 비교한 결과에 따라 펄스폭 변조된 인덕터 스위칭 신호(SW)를 생성할 수 있다.

또한 스위칭 신호 생성부(131)는 제2 바이어스 전압(VDDL)을 제2 기준 전압(VREFL)에 비교한 오차를 증폭하고, 오차 증폭 신호를 소정 주기의 삼각파 또는 톱니파에 비교한 결과에 따라 펄스폭 변조된 제1 및 제2 스위칭 신호들(SW1, SW2)을 생성할 수 있다. 이때, 제1 스위칭 신호(SW1)와 제2 스위칭 신호(SW2)는 서로 상보적이다.

이때, 인덕터 스위칭 신호(SW)와 제1 및 제2 스위칭 신호들(SW1, SW2)은, 동일한 주기 및 위상의 삼각파 또는 톱니파에 기초하여 생성될 경우에, 동일한 주기 및 동일한 위상을 가질 수 있지만, 인덕터 스위칭 신호(SW)의 듀티는 제1 및 제2 스위칭 신호들(SW1, SW2)의 듀티들과 직접적으로 관련되지는 않는다.

실시예에 따라, 다중 출력 바이어스 전압 생성부(13)는 평균 출력 전력의 크기에 따라 제1 및 제2 바이어스 전압들(VDDH, VDDL)이 불연속한 복수의 전압 레벨들 중 하나를 각각 가지도록 제1 및 제2 바이어스 전압들(VDDH, VDDL)을 생성할 수 있다.

이 경우에, 스위칭 신호 생성부(131)는 평균 출력 전력의 크기에 따라 제1 및 제2 기준 전압들(VREFH, VREFL)을 불연속적으로 조절함으로써, 불연속한 복수의 전압 레벨들 중 하나를 각각 가지는 제1 및 제2 바이어스 전압들(VDDH, VDDL)을 생성할 수 있다.

이와 다르게, 스위칭 신호 생성부(131)는 평균 출력 전력의 크기에 따라 제1 및 제2 바이어스 전압들(VDDH, VDDHL)을 제1 및 제2 기준 전압들(VREFH, VREFL)에 각각 비교하여 얻은 오차를 증폭하는 연산 증폭기의 이득을 불연속적으로 조절함으로써, 불연속한 복수의 전압 레벨들 중 하나를 각각 가지는 제1 및 제2 바이어스 전압들(VDDH, VDDL)을 생성할 수 있다.

실시예에 따라, 다중 출력 바이어스 전압 생성부(13)는 평균 출력 전력의 크기에 따라 제1 및 제2 바이어스 전압들(VDDH, VDDL)이 연속적으로 가변하도록 제1 및 제2 바이어스 전압들(VDDH, VDDL)을 생성할 수 있다.

이 경우에, 스위칭 신호 생성부(131)는 평균 출력 전력의 크기에 따라 제1 및 제2 기준 전압들(VREFH, VREFL)을 연속적으로 가변함으로써, 연속적으로 가변하는 제1 및 제2 바이어스 전압들(VDDH, VDDL)을 생성할 수 있다.

이와 다르게, 스위칭 신호 생성부(131)는 평균 출력 전력의 크기에 따라 제1 및 제2 바이어스 전압들(VDDH, VDDHL)을 제1 및 제2 기준 전압들(VREFH, VREFL)에 각각 비교하여 오차를 증폭하는 오차 증폭기의 오차 증폭 이득을 연속적으로 조절함으로써, 연속적으로 가변하는 제1 및 제2 바이어스 전압들(VDDH, VDDL)을 생성할 수 있다.

실시예에 따라, 동적 바이어스 변조기(12)가 평균 출력 전력의 크기에 따라 제1 및 제2 바이어스 전압들(VDDH, VDDL) 중 하나를 가변 바이어스 전압(VBIAS)으로 출력하는 경우에, 다중 출력 바이어스 전압 생성부(13)는 복수 개의 커패시터들(C1, C2) 중 평균 출력 전력의 크기에 따라 선택되는 어느 하나의 커패시터만 인덕터(L)에 대해 배타적으로 연결함으로써, 평균 출력 전력의 크기에 따라 제1 및 제2 바이어스 전압들(VDDH, VDDL) 중 하나만을 동적 바이어스 변조기(12)에 공급할 수 있다.

예를 들어, 다중 출력 바이어스 전압 생성부(13)는 만약 평균 출력 전력이 소정의 상한 레벨보다 커서 상대적으로 높은 제1 바이어스 전압(VDDH)을 출력한다면, 인덕터(L)가 항상 제1 커패시터(C1)에 연결되고 제2 커패시터(C2)에는 연결되지 않도록 제1 및 제2 스위칭 신호들(SW1, SW2)을 생성할 수 있다.

또한, 예를 들어, 다중 출력 바이어스 전압 생성부(13)는 만약 평균 출력 전력이 소정의 하한 레벨보다 작아서 상대적으로 낮은 제2 바이어스 전압(VDDL)을 출력한다면, 인덕터(L)가 항상 제2 커패시터(C2)에 연결되고 제1 커패시터(C1)에는 연결되지 않도록 제1 및 제2 스위칭 신호들(SW1, SW2)을 생성할 수 있다.

전력 증폭기(14)는 RF 신호를 입력받고, 동적 바이어스 변조기(12)로부터 가변적으로 공급되는 가변 바이어스 전압(VBIAS)에 따라 RF 신호를 전력 증폭하며, 증폭된 RF 신호를 안테나로 출력할 수 있다.

도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 동적 바이어스 변조기가 출력하는 제1 및 제2 바이어스 전압들이 출력 RF 신호의 포락선에 따라 가변하는 것을 예시한 그래프들이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 도 1의 동적 바이어스 변조기(12)는 전력 증폭 장치(10)에 대해 설정되는 평균 출력 전력 설정치에 따라 증감하도록 제1 및 제2 바이어스 전압들(VDDH, VDDL)을 출력한다.

도 2에서, 전력 증폭 장치(10)에 대해 설정되는 평균 출력 전력 설정치가 큰 경우로서, 제1 바이어스 전압(VDDH)은 예를 들어 동작 전압(VDD)과 같은 전압 레벨로 생성되고, 제2 바이어스 전압(VDDL)은 제1 바이어스 전압(VDDH)보다 상당히 낮은 전압 레벨로 생성된다.

포락선 신호(ENV)가 소정의 포락선 기준 전압(VREF)보다 낮은 동안에는, 가변 바이어스 전압(VBIAS)은 제2 바이어스 전압(VDDL)의 전압 레벨로 출력되고, 포락선 신호(ENV)가 소정의 포락선 기준 전압(VREF)보다 높은 동안에는, 가변 바이어스 전압(VBIAS)은 제1 바이어스 전압(VDDH)의 전압 레벨로 출력된다.

도 3에서, 전력 증폭 장치(10)에 대해 설정되는 평균 출력 전력 설정치가 낮은 경우로서, 제1 바이어스 전압(VDDH)은 동작 전압(VDD)보다 훨씬 낮은, 예를 들어 동작 전압(VDD)의 절반 정도의 전압 레벨로 생성되고, 제2 바이어스 전압(VDDL)은 제1 바이어스 전압(VDDH)보다 낮은 전압 레벨로 생성된다.

도 2의 경우와 마찬가지로 포락선 신호(ENV)가 소정의 포락선 기준 전압(VREF)보다 낮으면, 가변 바이어스 전압(VBIAS)은 제2 바이어스 전압(VDDL)의 전압 레벨로 출력되고, 포락선 신호(ENV)가 소정의 포락선 기준 전압(VREF)보다 높으면, 가변 바이어스 전압(VBIAS)은 제1 바이어스 전압(VDDH)의 전압 레벨로 출력된다.

종래의 전력 증폭 장치에서는 가변 바이어스 전압은 최대 레벨(VDD)의 바이어스 전압과 낮은 바이어스 전압 중 하나로 출력되므로, 포락선 신호(ENV)의 폭이 작을 때에도 전력 증폭 장치가 최대 레벨의 바이어스 전압으로 구동되어 전력 증폭 장치의 전력 효율이 낮았다.

반면에 본 발명의 전력 증폭 장치에서는, 도 3에서 알 수 있듯이, 포락선 신호(ENV)가 포락선 기준 전압(VREF)보다 높을 때에도 가변 바이어스 전압(VBIAS)의 전압 레벨이 포락선 신호(ENV)에 비해 아주 높지 않기 때문에, 전력 증폭 장치(10)의 전력 효율이 개선된다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 동적 바이어스 변조기가 출력하는 제1 및 제2 바이어스 전압들과 평균 출력 전력의 관계를 예시한 그래프이다.

도 4를 참조하면, 파선으로 표시된 그래프는 종래의 고정된 두 레벨의 바이어스 전압들을 이용하는 불연속 바이어스 변조 기법에 따른 바이어스 전압들과 평균 출력 전력과의 관계이다.

점선으로 표시된 그래프는 제1 및 제2 바이어스 전압들(VDDH, VDDL)이 연속적으로 증감하는 값을 가지도록 설계되는 경우에 제1 및 제2 바이어스 전압들(VDDH, VDDL)과 평균 출력 전력의 관계를 예시한다.

이러한 관계는, 도 1에 예시된 실시예들 중에서 다중 출력 바이어스 전압 생성부(13)가 연속적으로 가변하는 기준 전압들(VREFH, VREFL) 또는 연속적으로 가변하는 오차 증폭 이득 값들을 이용하여 연속적으로 증감하는 제1 및 제2 바이어스 전압들(VDDH, VDDL)을 각각 생성하는 실시예인 경우에 해당한다.

실선으로 표시된 그래프는 제1 및 제2 바이어스 전압들(VDDH, VDDL)이 불연속적으로 증감하는 값을 가지도록 설계되는 경우에 제1 및 제2 바이어스 전압들(VDDH, VDDL)과 평균 출력 전력의 관계를 예시한다.

이러한 관계는, 도 1에 예시된 실시예들 중에서 다중 출력 바이어스 전압 생성부(13)가 불연속적인 전압 레벨들을 가지는 기준 전압들(VREFH, VREFL) 또는 불연속적으로 가변하는 오차 증폭 이득 값들을 이용하여 불연속적으로 증감하는 제1 및 제2 바이어스 전압들(VDDH, VDDL)을 각각 생성하는 실시예인 경우에 해당한다.

한편, 실시예에 따라, 평균 출력 전력이 소정의 하한 레벨보다 낮으면, 다중 출력 바이어스 전압 생성부(13)는 제1 바이어스 전압(VDDH)을 더이상 생성하지 않고, 제2 바이어스 전압(VDDL)만 공급할 수 있다.

마찬가지로, 평균 출력 전력이 소정의 상한 레벨보다 높으면, 다중 출력 바이어스 전압 생성부(13)는 제2 바이어스 전압(VDDL)을 더이상 생성하지 않고, 제1 바이어스 전압(VDDH)만 공급할 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 출력 전압을 생성하는 동적 바이어스 변조기를 이용한 전력 증폭 방법을 예시한 순서도이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 전력 증폭 방법의 단계(S51)에서, 전력 증폭 장치(10)가, 입력 전압(VDD)으로부터 에너지를 공급받는 하나의 인덕터(L)와 이 인덕터(L)에 비중첩적으로 연결되는 복수 개의 커패시터들(C1, C2)을 이용하여 전압 레벨이 서로 다른 제1 및 제2 바이어스 전압들(VDDH, VDDL)을 각각 생성할 수 있다.

실시예에 따라, 단계(S51)에서, 전력 증폭 장치(10)는 인덕터(L)를 인덕터 스위칭 신호(SW)에 의해 단속적으로 입력 전압(VDD)에 연결함에 따라 인덕터(L)에 에너지를 단속적으로 축적하고, 인덕터(L)의 에너지를 제1 및 제2 스위칭 신호들(SW1, SW2)에 의해 복수의 커패시터들(C1, C2) 중 하나에 선택적으로 전달함으로써, 제1 및 제2 커패시터들(C1, C2)의 각각에 충전된 에너지로부터 전압 레벨이 서로 다른 제1 및 제2 바이어스 전압들(VDDH, VDDL)을 각각 생성할 수 있다.

실시예에 따라, 단계(S51)에서, 전력 증폭 장치(10)는 제1 바이어스 전압(VDDH)을 제1 기준 전압(VREFH)에 비교하여 얻은 오차를 증폭하고, 증폭된 오차를 소정 주기의 삼각파 또는 톱니파에 비교한 결과에 따라 펄스폭 변조된 인덕터 스위칭 신호(SW)를 생성하고, 제2 바이어스 전압(VDDL)을 제2 기준 전압(VREFL)에 비교한 오차를 증폭하고, 증폭된 오차를 삼각파 또는 톱니파에 비교한 결과에 따라 펄스폭 변조된 제1 및 제2 스위칭 신호들(SW1, SW2)을 각각 생성하도록 동작할 수 있다. 이때, 제1 스위칭 신호(SW1)와 제2 스위칭 신호(SW2)는 서로 상보적일 수 있다.

실시예에 따라, 단계(S51)에서, 전력 증폭 장치(10)는 평균 출력 전력의 크기에 따라 제1 및 제2 기준 전압들(VREFH, VREFL)을 불연속적으로 조절하거나, 또는 제1 및 제2 바이어스 전압들(VDDH, VDDL)을 제1 및 제2 기준 전압들(VREFH, VREFL)에 각각 비교하여 얻은 오차들에 관한 증폭 이득들을 각각 불연속적으로 조절함으로써, 평균 출력 전력에 따라 불연속적인 전압 레벨들 중 하나를 가지도록 제1 및 제2 바이어스 전압들(VDDH, VDDL)을 생성할 수 있다.

실시예에 따라, 단계(S51)에서, 전력 증폭 장치(10)는 평균 출력 전력의 크기에 따라 제1 및 제2 기준 전압들(VREFH, VREFL)을 연속적으로 가변하거나, 또는 제1 및 제2 바이어스 전압들(VDDH, VDDL)을 제1 및 제2 기준 전압들(VREFH, VREFL)에 각각 비교하여 얻은 오차들에 관한 증폭 이득들을 각각 연속적으로 가변함으로써, 평균 출력 전력에 따라 연속적으로 가변하도록 제1 및 제2 바이어스 전압들(VDDH, VDDL)을 생성할 수 있다.

이어서, 단계(S52)에서, 전력 증폭 장치(10)는 무선(RF) 신호의 포락선 신호(ENV)를 포락선 기준 전압(VREF)에 비교한 결과에 따라, 상대적으로 높은 제1 바이어스 전압(VDDH) 또는 상대적으로 낮은 제2 바이어스 전압(VDDL)을 가변 바이어스 전압(VBIAS)으로 출력할 수 있다.

실시예에 따라, 단계(S52)에서, 전력 증폭 장치(10)는 평균 출력 전력이 소정의 상한 레벨보다 크거나 소정의 하한 레벨보다 낮으면, 포락선 신호(ENV)와 포락선 기준 전압(VREF)의 비교 결과에 우선하여, 평균 출력 전력의 크기에 따라, 제1 및 제2 바이어스 전압들(VDDH, VDDL) 중 하나만을 가변 바이어스 전압(VBIAS)으로 출력할 수 있다.

구체적으로, 단계(S52)에서, 전력 증폭 장치(10)는 평균 출력 전력이 소정의 상한 레벨보다 크면, 포락선 신호(ENV의 크기에 상관없이 상대적으로 높은 제1 바이어스 전압(VDDH)을 가변 바이어스 전압(VBIAS)으로 출력하고, 평균 출력 전력이 소정의 하한 레벨보다 낮으면, 포락선 신호(ENV)의 크기에 상관없이 상대적으로 낮은 제2 바이어스 전압(VDDL)을 가변 바이어스 전압(VBIAS)으로 출력할 수 있다.

이 경우에, 단계(S52)에서, 전력 증폭 장치(10)는 복수 개의 커패시터들(C1, C2) 중에서 평균 출력 전력의 크기에 따라 선택되는 어느 하나의 커패시터(C1 또는 C2)만을 인덕터(L)에 대해 배타적으로 연결함으로써 제1 및 제2 바이어스 전압들(VDDH, VDDL) 중 하나만을 생성할 수 있다.

이어서, 단계(S53)에서, 전력 증폭 장치(10)는 가변 바이어스 전압(VBIAS)에 따라 바이어스되는 전력 증폭기를 통해 RF 신호를 전력 증폭하여 안테나로 출력할 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 전력 증폭 장치
11 포락선 검출기
12 동적 바이어스 변조기
121 비교기
122 스위칭부
13 다중 출력 바이어스 전압 생성부
131 스위칭 신호 생성부
14 전력 증폭기

Claims

입력 전압으로부터 에너지를 공급받는 하나의 인덕터와 상기 인덕터에 비중첩적으로 연결되는 복수 개의 커패시터들을 이용하여 전압 레벨이 서로 다른 제1 및 제2 바이어스 전압들을 각각 생성하는 다중 출력 바이어스 전압 생성부;
무선(RF) 신호의 포락선 신호를 포락선 기준 전압에 비교한 결과에 따라, 기준 전압보다 높은 상기 제1 바이어스 전압 또는 기준 전압보다 낮은 상기 제2 바이어스 전압을 가변 바이어스 전압으로 출력하는 동적 바이어스 변조기; 및
상기 가변 바이어스 전압에 따라 바이어스되며, 상기 RF 신호를 전력 증폭하여 안테나로 출력하는 전력 증폭기를 포함하되,
상기 다중 출력 바이어스 전압 생성부는 상기 인덕터 스위칭 신호와 제1 및 제2 스위칭 신호들을 각각 생성하는 스위칭 신호 생성부를 더 포함하고,
상기 스위칭 신호 생성부는,
상기 제1 바이어스 전압을 제1 기준 전압에 비교하여 얻은 오차를 증폭하고, 증폭된 오차를 소정 주기의 삼각파 또는 톱니파에 비교한 결과에 따라 펄스폭 변조된 상기 인덕터 스위칭 신호를 생성하고,
상기 제2 바이어스 전압을 제2 기준 전압에 비교한 오차를 증폭하고, 증폭된 오차를 상기 삼각파 또는 톱니파에 비교한 결과에 따라 펄스폭 변조된 상기 제1 및 제2 스위칭 신호들을 각각 생성하도록 동작하며,
상기 제1 스위칭 신호와 상기 제2 스위칭 신호는 서로 상보적인 것을 특징으로 하는 전력 증폭 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 다중 출력 바이어스 전압 생성부는
상기 인덕터를 인덕터 스위칭 신호에 의해 단속적으로 상기 입력 전압에 연결함에 따라 상기 인덕터에 에너지를 단속적으로 축적하고,
상기 인덕터의 에너지를 제1 및 제2 스위칭 신호들에 의해 상기 복수의 커패시터들 중 하나에 선택적으로 전달함으로써, 상기 제1 및 제2 커패시터들의 각각에 충전된 에너지로부터 전압 레벨이 서로 다른 상기 제1 및 제2 바이어스 전압들을 각각 생성하도록 동작하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭 장치.
삭제
청구항 1에 있어서, 상기 스위칭 신호 생성부는 평균 출력 전력의 크기에 따라 상기 제1 및 제2 기준 전압들을 불연속적으로 조절하도록 동작하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 스위칭 신호 생성부는 평균 출력 전력의 크기에 따라 상기 제1 및 제2 바이어스 전압들을 상기 제1 및 제2 기준 전압들에 각각 비교하여 얻은 오차들에 관한 증폭 이득들을 각각 불연속적으로 조절하도록 동작하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 스위칭 신호 생성부는 평균 출력 전력의 크기에 따라 상기 제1 및 제2 기준 전압들을 연속적으로 가변하도록 동작하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 스위칭 신호 생성부는 평균 출력 전력의 크기에 따라 상기 제1 및 제2 바이어스 전압들을 상기 제1 및 제2 기준 전압들에 각각 비교하여 얻은 오차들에 관한 증폭 이득들을 각각 연속적으로 가변하도록 동작하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 동적 바이어스 변조기는
평균 출력 전력이 소정의 상한 레벨보다 크거나 소정의 하한 레벨보다 낮으면, 상기 포락선 신호와 상기 포락선 기준 전압의 비교 결과에 우선하여, 상기 평균 출력 전력의 크기에 따라, 상기 제1 및 제2 바이어스 전압들 중 하나만을 상기 가변 바이어스 전압으로 출력하도록 동작하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭 장치.
청구항 8에 있어서, 상기 동적 바이어스 변조기는
상기 평균 출력 전력이 소정의 상한 레벨보다 크면, 상기 포락선 신호의 크기에 상관없이 기준 전압보다 높은 상기 제1 바이어스 전압을 상기 가변 바이어스 전압으로 출력하고,
상기 평균 출력 전력이 소정의 하한 레벨보다 낮으면, 상기 포락선 신호의 크기에 상관없이 기준 전압보다 낮은 상기 제2 바이어스 전압을 상기 가변 바이어스 전압으로 출력하도록 동작하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭 장치.
청구항 8에 있어서, 상기 다중 출력 바이어스 전압 생성부는 상기 복수 개의 커패시터들 중 상기 평균 출력 전력의 크기에 따라 선택되는 어느 하나의 커패시터만 상기 인덕터에 대해 배타적으로 연결함으로써 상기 제1 및 제2 바이어스 전압들 중 하나만을 상기 동적 바이어스 변조기에 공급하도록 동작하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭 장치.
다중 출력 전압을 생성하는 전력 증폭 장치를 이용한 전력 증폭 방법으로서,
상기 전력 증폭 장치가,
입력 전압으로부터 에너지를 공급받는 하나의 인덕터와 상기 인덕터에 비중첩적으로 연결되는 복수 개의 커패시터들을 이용하여 전압 레벨이 서로 다른 제1 및 제2 바이어스 전압들을 각각 생성하는 단계;
무선(RF) 신호의 포락선 신호를 포락선 기준 전압에 비교한 결과에 따라, 기준 전압보다 높은 상기 제1 바이어스 전압 또는 기준 전압보다 낮은 상기 제2 바이어스 전압을 가변 바이어스 전압으로 출력하는 단계; 및
상기 가변 바이어스 전압에 따라 바이어스되는 전력 증폭기를 통해 상기 RF 신호를 전력 증폭하여 안테나로 출력하는 단계를 포함하되,
상기 제1 및 제2 바이어스 전압들을 각각 생성하는 단계는,
상기 인덕터 스위칭 신호와 제1 및 제2 스위칭 신호들을 각각 생성하고, 상기 제1 바이어스 전압을 제1 기준 전압에 비교하여 얻은 오차를 증폭하고, 증폭된 오차를 소정 주기의 삼각파 또는 톱니파에 비교한 결과에 따라 펄스폭 변조된 상기 인덕터 스위칭 신호를 생성하고,
상기 제2 바이어스 전압을 제2 기준 전압에 비교한 오차를 증폭하고, 증폭된 오차를 상기 삼각파 또는 톱니파에 비교한 결과에 따라 펄스폭 변조된 서로 상보적인 상기 제1 및 제2 스위칭 신호들을 각각 생성하는 단계인 것을 특징으로 하는 전력 증폭 방법.