KR101681048B1 - 다양한 대역폭 신호에 대한 고효율 및 고속 포락선 추적형 전력증폭 장치 - Google Patents

다양한 대역폭 신호에 대한 고효율 및 고속 포락선 추적형 전력증폭 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 무선통신 및 초고속 무선 인터넷 시스템 등에 사용되는 휴대용 단말기에 적용되는 포락선 추적형 전력증폭 장치에 관한 것이다.
이러한 본 발명은 상당량의 전력을 소모하는 전력 증폭장치에 포락선 추적형 전력 시스템 (Envelope-Tracking Power System)을 구현할 때 좁은 대역폭 신호 뿐만 아니라 넓은 대역폭 신호 또는 다양한 대역폭 신호들을 고효율로 왜곡없이 증폭하고 고속으로 동작하는 포락선 모듈레이터(Envelope-Tracking Modulator)를 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

다양한 대역폭 신호에 대한 고효율 및 고속 포락선 추적형 전력증폭 장치{HIGHLY EFFICIENT AND HIGH SPEED ENVELOPE TRACKING TYPE POWER AMPLIFIER FOR VARIOUS BANDWIDTH SIGNALS}
본 발명은 스마트폰이나 노트북 컴퓨터와 같은 무선통신 단말기에 적용되는 전력증폭 장치의 효율과 동작 속도를 향상시키는 기술에 관한 것으로, 특히 포락선 모듈레이터와 전력 증폭기를 구비하는 포락선 추적형 전력증폭 장치에서 포락선 모듈레이터가 넓은 대역폭에 걸쳐 고효율을 유지하고 고속으로 동작할 수 있도록 한 다양한 대역폭 신호에 대한 고효율 및 고속 포락선 추적형 전력증폭 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 스마트폰이나 노트북 컴퓨터 등과 같은 무선통신 단말기의 전력증폭기(Power Amplifier)는 배터리의 전원전압을 사용한다. 그런데, 무선통신 기술이 점차 발전하면서 사용하는 신호의 대역폭 (Bandwidth)과 최대 전력 대 평균 전력 비율 (PAPR : Peak to Average Power Ratio)이 커짐에 따라 무선 주파수(RF: Radio Frequency) 전력증폭 장치의 효율이 낮아지고 있다. 무선통신 단말기에서 RF 전력증폭 장치가 소모하는 전력량은 전체 전력 소모량 중에서 상당 부분을 차지한다. 그러므로, RF 전력증폭 장치의 효율이 낮으면 배터리의 수명시간이 급속하게 줄어든다. 이와 같은 이유로 인하여, RF 전력증폭 장치의 효율을 증대시키기 위한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 그 중에서 포락선 모듈레이터(Envelop-Tracking Modulator) 장치를 이용하여 전력증폭 장치의 전원을 변조하는 포락선 추적 전력 증폭기(Envelope-Tracking Power Amplifier)의 효율을 향상시키기 위한 연구가 집중되고 있다.
도 1은 종래 기술에 의한 전력증폭 장치의 블록도로서 이에 도시한 바와 같이, 신호 생성기(110) 및 전력증폭기(120)을 포함한다.
신호 생성기(110)는 디지털신호(I,Q)를 공급받아 무선주파수 신호(RF)를 생성한다. 전력증폭기(120)는 상기 무선주파수 신호(RF)를 증폭하여 그에 따른 무선주파수 신호(RFamp)를 안테나 측으로 출력한다. 여기서, 상기 전력증폭기(120)는 상기 무선주파수 신호(RF)를 증폭할 때 회로나 기기를 통해 공급되는 전압을 사용하는 것이 아니라 직접 공급되는 고정된 공급전압(Vsupply)을 사용한다.
도 2는 종래 기술에 의한 포락선 추적형 전력증폭 장치의 블록도로서 이에 도시한 바와 같이, 신호 생성기(210), 포락선 모듈레이터(220) 및 전력증폭기(230)를 포함한다.
도 2를 도 1과 비교할 때 다른 점은 신호 생성기(210)로부터 포락선신호(ENV)를 공급받아 증폭된 형태의 포락선신호(ENVamp)를 생성하여 출력하는 포락선 모듈레이터(220)가 추가되고, 전력증폭기(230)가 상기 포락선신호(ENVamp)를 이용하여 무선주파수 신호(RF)를 증폭하여 증폭된 형태의 무선주파수 신호(RFamp)를 출력하는 것이다.
이와 같이 상기 전력증폭기(230)가 변조된 형태의 공급전압인 포락선신호(ENVamp)를 이용하여 무선주파수 신호(RF)를 증폭하게 되므로 전력 손실이 줄어들어 도 1에 비하여 높은 효율을 얻을 수 있게 된다.
도 3은 도 2에서 포락선 모듈레이터(220)에 대한 상세 블록도로서 이에 도시한 바와 같이, 선형증폭기(221), 선형전류 감지기(222), 스위치 증폭기(223) 및 코일(L)을 구비한다.
포락선 모듈레이터(220)는 병렬 연결된 선형증폭기(221)와 스위치 증폭기(223)를 구비하고, 피드백 루프인 선형전류 감지기(222)를 구비하여 상기 선형증폭기(221)와 스위치 증폭기(223)의 동작을 보완하는 구조를 갖는다.
선형증폭기(221)는 피드백 경로(β)를 참조하여 포락선신호(ENV)를 선형 증폭하는데, 여기서 선형증폭기(221)의 구동전원으로 배터리전원전압(Vbat)이 사용된다.
선형 전류 감지기(222)는 상기 선형 증폭기(221)에서 출력되는 선형전류(ILIN)의 크기와 방향을 감지하여 그에 따른 전류감지신호(SEN)를 출력한다.
스위치 증폭기(223)는 상기 전류감지신호(SEN)에 따라 스위칭(ON 또는 OFF) 동작하여 그에 따른 스위치 전류(ISW)를 출력한다. 여기서, 스위치 증폭기(223)의 구동전원으로 배터리전원전압(Vbat)이 사용된다.
상기와 같이 출력되는 스위치 전류(ISW)와 선형전류(ILIN)가 합산되어 출력전류(Iout)가 된다. 포락선 모듈레이터(220)는 상기 출력전류(Iout)를 근거로 증폭된 형태의 상기 포락선신호(ENV)를 생성한다.
스위치 증폭기(223)는 출력전류(Iout)에 필요한 대부분의 전류를 고효율로 공급해 주지만 고주파 신호를 증폭하지 못한다. 이에 비하여, 선형증폭기(221)는 효율은 낮지만 상기 고주파 신호를 빠른 속도로 증폭하여 출력한다.
이를 감안하여, 포락선 모듈레이터(220)는 상대적으로 효율이 낮지만 빠른 동작속도를 갖는 선형증폭기(221)와 낮은 동작속도를 갖지만 효율이 높은 스위치 증폭기(223)를 구비하므로, 대역폭이 넓은 포락선신호(ENV)를 고효율로 증폭할 수 있다. 이를 위해 선형증폭기(221)와 스위치 증폭기(223)가 높은 효율을 갖도록 설계하는 것이 필요한다.
상기 포락선 모듈레이터(220)의 동작 가능한 입력신호의 대역폭은 선형 증폭기 (221)에 의해서 결정된다. 다시 말해서, 상기 포락선 모듈레이터(220)는 상기 선형 증폭기(221)의 대역폭에 상응되는 대역폭을 가지는 신호를 입력할 수 있다. 만약, 상기 선형 증폭기(221)의 대역폭이 좁아서 포락선신호(ENV)의 고주파 성분을 증폭할 수 없는 경우 포락선 모듈레이터(220)의 출력에 왜곡이 생기게 된다.
포락선 모듈레이터(220)의 출력 전류(Iout)는 도 4의 (a)에서와 같이 스위치 전류(ISW)와 선형 전류(ILIN)로 구성된다. 상기 스위치 전류(ISW)는 높은 효율을 갖는 스위치 증폭기(223)에 의해서 저주파 신호들이 증폭되어 생성된 전류이고, 상기 선형 전류(ILIN)는 빠른 속도로 동작을 하는 선형 증폭기(221)에 의해서 고주파 신호들이 증폭되어 생성된 전류이다.
스위치 전류(ISW)가 출력 전류(Iout)보다 더 적게 흐를 경우에는 선형 전류(ILIN)에 의해서 그 차이만큼 더해져서 출력 전류(Iout)로 흐르게 되고(소스 전류), 스위치 전류(ISW)가 출력 전류(Iout)보다 더 많이 흐를 경우에는 선형 전류(ILIN)에 의해서 그 차이만큼 빠져서 출력 전류(Iout)로 나타나게 된다 (싱크 전류). 이와 같이 출력 전류(Iout)는 스위치 전류(ISW)와 선형 전류(ILIN)의 합으로 만들어지기 때문에 선형 증폭기(221)와 스위치 증폭기 (223)의 효율이 매우 중요하다.
포락선 모듈레이터(220)로부터 전력 증폭기(230)에 공급되는 증폭된 형태의 포락선신호(ENVamp)는 상기 출력 전류(Iout)를 바탕으로 생성된다.
상기 설명에서와 같이 포락선 모듈레이터(220)가 증폭할 수 있는 신호의 대역폭은 선형 증폭기 (221)의 동작속도에 의해서 정해진다. 그리고, 선형 증폭기(221)의 동작 속도는 고속 동작을 위한 여러가지 기술로 향상 시킬 수 있지만, 선형 증폭기(221)에 사용된 트랜지스터의 게이트(Gate) 길이(Length)와 사용되는 전류 등 물리적인 요소에 의해 결정된다. 다시 말해서, 상기 트랜지스터의 게이트 길이가 짧을수록 트랜스컨덕턴스 (Transconductance)가 커지게 되어 고속동작에 유리하고, 선형 증폭기(221)에서 많은 전류를 사용할수록 신호를 더 잘 드라이빙하기 때문에 넓은 대역폭의 신호를 왜곡 없이 증폭시킬 수 있다.
하지만, 상기 트랜지스터의 게이트 길이는 주어진 공정에서 특정 길이 이하로 설계할 수는 없고, 전류 또한 많이 사용할 경우에는 선형 증폭기(221)의 효율이 나빠지게 되는 단점이 있다. 따라서, 좁은 대역폭의 신호가 인가되고 있음에도 불구하고 단순히 고속 동작을 위하여 필요 이상의 전류를 사용하는 것은 전력 낭비를 초래한다.
도 3과 같이 선형 증폭기(221)와 스위치 증폭기(233)를 구비한 포락선 모듈레이터(220)의 스위치 전류(ISW)는 도 4에서와 같이 스위치 증폭기(223)가 온 상태일 때 증가하고 오프 상태일 때는 감소하게 된다.
스위치 증폭기(223)의 온/오프 상태가 전환되는 빈도를 나타내는 스위칭 주파수는 도 4의 (b)에서와 같이 신호의 대역폭과 관련이 있다.
예를 들어, 신호의 대역폭이 더 넓어지면 스위치 증폭기(223)의 온/오프 상태가 전환되는 시간이 짧아지게 되어 스위칭 주파수가 높아지는 것을 도 4의 (a)와 (b)에서의 스위치 전류(ISW) 비교를 통해 알 수 있다. 즉, 더 넓은 대역폭의 신호가 인가된 도 4의 (b)에서의 스위칭 주파수가 도 4의 (a)에서의 스위칭 주파수보다 더 높다는 것을 확인 할 수 있다.
상기 설명에서와 같이 스위치 증폭기(223)는 저주파 성분의 신호를 고효율로 증폭시키는 역할을 한다. 스위치 증폭기 (223)의 효율을 결정하는 중요한 요소 중 하나가 스위치 증폭기(233)의 스위칭 주파수이다. 예를 들어, 상기 스위칭 주파수가 높게 되면 스위치 증폭기(233)의 충/방전 손실(charging/discharging loss)이 커지게 되어 효율이 낮아지게 된다. 그렇다고 해서, 넓은 대역폭의 신호가 인가되었음에도 불구하고 고효율 동작을 위해서 스위칭 주파수를 낮게 할 수만은 없다.
도 4의 스위치 전류(ISW)를 통해 예상 할 수 있듯이 스위칭 주파수가 낮으면 스위치 전류(ISW)가 한동안 증가 혹은 감소만 하기 때문에 신호를 제대로 추종하지 못하게 되고, 이로 인하여 나머지 부분을 선형 전류(ILIN)로 보상을 해 주어야 하기 때문이다. 상기 선형 전류(ILIN)는 상대적으로 효율이 낮은 선형 증폭기(221)에 의해서 출력되기 때문에 선형 전류(ILIN)가 보상해 주어야 되는 전류가 증가될수록 포락선 모듈레이터(220)의 전체 효율이 떨어지게 된다.
상기 스위칭 주파수와 함께 충/방전 손실을 결정하는 요소는 상기 스위치 전류(ISW)를 출력하는 스위치 증폭기(223)의 파워 트랜지스터의 너비(Width)이다. 따라서, 특정 스위칭 주파수에 최적화된 파워 트랜지스터의 너비로 스위치 증폭기(223)를 설계하여야 고효율의 스위치 증폭기(223)를 구현할 수 있다.
그런데, 포락선 모듈레이터(220)에 인가되는 신호의 대역폭에 따라 도 4에서와 같이 스위칭 주파수가 바뀌게 되면, 고효율의 스위치 증폭기(223)를 구현하기 위한 최적의 파워 트랜지스터의 너비도 달라지게 된다.
이와 같이, 포락선 모듈레이터를 이용하여 전력 증폭기의 전원을 변조하는 종래의 전력증폭 장치는 효율을 향상시키기 위해 스위치 증폭기에 최적의 파워 트랜지스터를 사용하지만, 스위칭 주파수가 바뀌게 되면 그에 따라 파워 트랜지스터의 너비도 변경시켜야 한다. 이에 따라, 종래 기술에 의한 전력증폭 장치에 있어서 좁은 대역폭의 신호에 대응된 모듈레이터는 좁은 대역폭 신호에 대해서 고효율을 유지하고, 넓은 대역폭의 신호에 대응된 모듈레이터는 넓은 대역폭 신호에 대해서 고효율 및 고속으로 왜곡없이 증폭을 하지만, 다양한 대역폭 신호들에 대해서는 고효율을 모두 만족시키지 못하였다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 무선통신 및 초고속 무선 인터넷 시스템 등에 사용되는 휴대용 단말기에 적용되는 포락선 추적형 전력증폭 장치에서, 상당량의 전력을 소모하는 전력 증폭장치에 포락선 추적형 전력 시스템 (Envelope-Tracking Power System)을 구현할 때 좁은 대역폭 신호 뿐만 아니라 넓은 대역폭 신호 또는 다양한 대역폭 신호들을 고효율로 왜곡없이 증폭하고 고속으로 동작하는 포락선 모듈레이터(Envelope-Tracking Modulator)를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 4G 시스템과 5G 시스템이 공존하여 다양한 신호 대역폭을 사용할 수 있는 미래의 광대역 무선통신시스템의 전력 증폭장치에 포락선 모듈레이터를 적용하여 휴대용 단말장치의 열 문제를 완화하고 배터리의 사용시간을 연장 할 수 있도록 하는데 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 실시예에 따른 다양한 대역폭 신호에 대한 고효율 및 고속 포락선 추적형 전력증폭 장치는, 외부로부터 공급되는 I,Q 디지털신호를 근거로 포락선신호 및 무선주파수신호를 생성하는 신호 생성기; 상기 포락선신호를 공급받아 대역폭 신호를 왜곡없이 고효율로 증폭하여 증폭된 형태의 포락선신호를 출력하는 포락선 모듈레이터; 및 상기 증폭된 형태의 포락선신호를 구동전압으로 사용하여, 상기 신호 생성기로부터 공급되는 무선주파수 신호를 증폭하는 전력 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 포락선 모듈레이터는, 상기 포락선신호의 대역폭을 감지하여 그에 따른 대역폭검출신호를 출력하는 신호 대역폭 감지기; 상기 대역폭검출신호에 따른 최적화 전류를 사용하여 상기 포락선신호를 선형 증폭하는 선형 증폭기; 피드백 루프를 통해 상기 선형증폭기와 스위치 증폭기의 동작을 상호 보완하는 역할을 하는 선형전류 감지기; 상기 신호대역폭 감지기와 연계하여 상기 포락선신호의 대역폭에 관계없이 상기 스위치 증폭기에 구비된 파워 트랜지스터의 스위칭 주파수가 일정하게 유지되도록 하기 위한 스위칭 제어신호를 출력하는 스위칭 주파수 조절기; 및 상기 스위칭 제어신호에 의해 스위칭 동작하여 스위치 전류를 출력하는 스위치 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 4G, 5G등 여러 신호가 공존하는 시스템에 적용되는 전력 증폭 장치에서, 다양한 대역폭 신호들에 대해서 고속 동작이 가능하고 고효율을 유지하는 포락선 모듈레이터를 구현함으로써, 스마트폰을 포함하는 휴대폰이나 노트북 컴퓨터와 같이 배터리를 전력으로 사용하는 이동통신 단말기에서 하나의 전력 증폭장치로도 여러 개의 신호를 고효율로 증폭할 수 있어 제품의 원가와 크기를 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 전력 증폭 장치에서 사용되는 배터리의 수명시간을 연장시킬 수 있는 효과가 있고, 이동통신 단말기가 뜨거워지는 열 문제도 완화시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 기술에 의한 전력증폭 장치의 블록도이다.
도 2는 종래 기술에 의한 포락선 추적형 전력증폭 장치의 블록도이다.
도 3은 도 2에서 포락선 모듈레이터의 상세 블록도이다.
도 4의 (a),(b)는 종래 기술에 의한 포락선 모듈레이터에서 스위칭 주파수에 따른 출력전류의 파형도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 다양한 대역폭 신호에 대한 고효율 및 고속 포락선 추적형 전력증폭 장치의 블록도이다.
도 6은 본 발명에 따른 포락선 모듈레이터의 효율을 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 다양한 대역폭 신호에 대한 고효율 및 고속 포락선 추적형 전력증폭 장치의 블록도로서 이에 도시한 바와 같이 전력증폭 장치(500)는 신호 생성기(510), 포락선 모듈레이터(520) 및 전력 증폭기(530)을 포함한다.
신호 생성기(510)는 외부로부터 공급되는 디지털신호(I,Q)를 근거로 포락선신호(ENV) 및 무선주파수신호(RF)를 생성한다. 여기서, 상기 포락선신호(ENV) 및 무선주파수신호(RF)는 미래의 무선 통신 시스템에 적용되는 신호와 같이 각각의 상황과 주고 받는 데이터의 종류와 크기에 따라 넓은 대역폭 신호 뿐만 아니라 좁은 대역폭 신호를 포함한다.
포락선 모듈레이터(520)는 스마트폰을 포함하는 휴대폰 및 노트북 컴퓨터와 같이 배터리 전원을 사용하는 장치에 이용되는 무선주파수(RF) 전력 증폭 장치의 콜렉터 또는 드레인에 연결되어 전력 증폭기(530)의 공급 전압을 전력 증폭기(530)의 출력 전력에 따라 변조시키는 역할을 한다.
포락선 모듈레이터(520)는 상기 포락선신호(ENV)를 공급받아 넓은 대역폭 신호를 왜곡없이 고효율로 증폭하여 증폭된 형태의 포락선신호(ENV_AMP)를 출력하는 것으로, 이를 위해 신호대역폭 감지기(521), 선형 증폭기(522), 선형 전류 감지기(523), 스위치주파수 조절기(524) 및 스위치 증폭기(525)를 구비한다.
신호대역폭 감지기(521)는 선형 증폭기(522)로 하여금 인가되는 신호 대역폭에 대응된 전류를 사용하게 하여 입력신호의 대역폭에 관계없이 고속으로 동작할 수 있도록 하고, 고효율로 동작하도록 하는 역할을 한다. 이를 위해 상기 신호대역폭 감지기(521)는 포락선 모듈레이터(520)에 인가되는 포락선신호(ENV)의 대역폭을 감지하여 그에 따른 대역폭검출신호(DET_BW)를 선형 증폭기(522)에 출력한다.
선형 증폭기(522)는 상기 대역폭검출신호(DET_BW)에 따른 전류를 사용하여 외부로부터 공급되는 포락선신호(ENV)를 선형 증폭하는데, 이때 사용되는 전류는 인가되는 포락선 신호의 대역폭에 대응된 전류가 사용된다. 예를 들어, 상기 선형 증폭기(522)는 10 MHz 포락선신호(ENV)를 선형 증폭하기 위해 사용하던 전류를 사용하여 50 MHz 이상의 포락선신호(ENV)를 증폭할 수 없고, 50 MHz 이상의 포락선신호(ENV)를 증폭하기 위해 사용하던 전류를 사용하여 10 MHz의 포락선신호(ENV)를 증폭하면 불필요하게 많은 전류 사용으로 인하여 효율이 감소된다. 따라서, 선형 증폭기(522)는 상기 대역폭검출신호(DET_BW)에 따라 대응된 전류를 사용하여 포락선신호(ENV)를 선형 증폭한다. 단, 상기 선형 증폭기(522)는 상기와 같이 대역폭검출신호(DET_BW)에 따라 다른 전류를 사용하여 포락선신호(ENV)를 증폭할 때, 클래스 AB 바이어스를 유지하여 왜곡없이 고효율로 고주파 성분을 증폭하게 된다. 선형 증폭기(522)는 연산 증폭기, 푸쉬풀 클래스 AB 또는 클래스 B 출력 스테이지지 및 버퍼를 구비할 수 있다.
선형전류 감지기(523)는 병렬 연결된 선형증폭기(522)와 스위치 증폭기(525)를 구비하는 포락선 모듈레이터(520)에서, 피드백 루프 (feedback loop)를 통해 선형증폭기(522)와 스위치 증폭기(525)의 동작을 상호 보완하는 역할을 한다. 이를 위해 상기 선형전류 감지기(523)는 상기 선형 증폭기(522)에서 흐르는 선형 전류를 감지하여 그에 따른 스위치 증폭기(525)의 온/오프 상태를 결정하는 제어신호를 출력한다.
스위칭 주파수 조절기(524)는 상기 신호대역폭 감지기(521)와 연계하여 상기 포락선신호(ENV)의 대역폭에 관계없이 스위치 증폭기(525)에서 내부의 파워 트랜지스터의 스위칭 동작을 위한 스위칭 제어신호를 출력한다. 상기 스위칭 제어신호는 스위치 증폭기(525)의 스위칭 주파수가 일정하게 유지되도록 상기 스위칭 주파수를 조절하는 역할을 한다.
이에 의해 상기 스위치 증폭기(525)의 스위칭 주파수가 인가되는 포락선신호(ENV)의 대역폭과 관계 없이 일정하게 유지되면 스위치 증폭기(525)에 구비된 파워 트랜지스터의 너비도 상기 스위칭 주파수에 대응된 너비로 설계하면 되므로 여러 셀들의 온/오프(ON/OFF) 타이밍을 조절할 필요가 없다. 상기와 같은 스위칭 주파수 조절기(524)를 구비하는 경우, 다양한 신호의 대역폭 중에서 기준 대역폭을 정하고 상기 스위칭 주파수와 파워 트랜지스터의 너비를 결정하게 되므로 각각 하나의 대역폭에 대응된 포락선 모듈레이터(520)와 비교하였을 때 효율이 더 좋지는 못하지만 다양한 신호의 대역폭에 대해서 고효율을 유지할 수 있기 때문에 하나의 포락선 모듈레이터(520)를 통해 다양한 대역폭의 신호를 고효율로 증폭할 수 있게 된다.
스위치 증폭기(525)는 상기 스위칭 주파수 조절기(524)로부터 공급되는 스위칭 제어신호에 의해 스위칭 동작하여 고효율로 스위치 전류(ISW)를 출력하고, 나머지의 고주파 신호는 상기 선형 증폭기(522)에 의해 증폭된다. 넓은 대역폭 신호를 왜곡 없이 고효율로 증폭하기 위해서는 고속으로 동작하는 선형 증폭기(522)와 고효율의 스위치 증폭기(525)가 필수적으로 구비되어야 한다. 물론, 고효율의 선형 증폭기(522)를 구비하면 더 좋다. 그리고, 상기 스위치 증폭기(525)는 비교기, 드라이빙 스테이지(driving stage) 및 상기 파워 트랜지스터를 구비할 수 있다.
그런데, 상기 신호 대역폭 감지기(521)와 스위치주파수 조절기(524)는 상기 스위치 증폭기(525)로 하여금 다양한 대역폭의 신호들에 대해서 고효율로 동작하도록 하기 위해 추가된 것이다. 그 이유는 상기 스위치 전류(ISW)와 선형 증폭기(522)에서 출력되는 선형전류(ILIN) 중에서 출력 전류(IOUT)에 기여하는 비율이 스위치 전류(ISW)가 선형 전류(ILIN)에 비하여 매우 크기 때문에 스위치 증폭기(525)가 다양한 대역폭의 신호들에 대해서 고효율을 유지하는 것이 매우 중요하기 때문이다. 상기 출력 전류(IOUT)는 상기 선형전류(ILIN)와 상기 스위치 전류(ISW)가 더해진 전류이고, 상기 포락선 모듈레이터(520)에서 출력되는 상기 포락선신호(ENV_AMP)는 상기 출력 전류(IOUT)에 따라 생성된다.
물론, 스위치 증폭기(525)의 효율을 결정하는 중요한 요소는 상기 스위칭 주파수와 스위치 증폭기(525)에 구비된 파워 트랜지스터의 너비(Width)이다. 일반적으로, 상기 파워 트랜지스터의 너비는 정해진 스위칭 주파수를 기준으로 스위치 증폭기(525)의 효율을 극대화 할 수 있는 최적의 너비로 결정된다.
하지만, 상기 도 4의 (a)와 (b)의 비교를 통해 알 수 있듯이 포락선신호(ENV)의 대역폭이 넓어지면 상기 스위칭 주파수가 증가하게 된다. 다시 말해서, 각 포락선신호(ENV)의 대역폭에 따라 상기 스위칭 주파수가 달라지게 된다. 스위치 증폭기(525)에 구비된 파워 트랜지스터를 여러 셀(Cell)로 나눠서 각 셀을 온/오프하여 포락선신호(ENV)의 대역폭에 따라 파워 트랜지스터의 너비를 조절할 수 있다. 그러나, 이렇게 설계된 스위치 증폭기(525)도 매우 넓은 대역폭의 신호에 대해서는 상기 스위칭 주파수가 너무 증가하게 되어 오히려 효율이 감소하게 된다.
상기 설명에서와 같이 인가되는 포락선신호(ENV)의 대역폭에 대응된 전류를 사용하는 선형 증폭기(522)와 상기 포락선신호(ENV)의 대역폭에 상관없이 일정한 스위칭 주파수로 동작하는 스위치 증폭기 (525)를 구비한 포락선 모듈레이터(520)의 효율은 도 6과 같다. 즉, 본 발명에 따른 포락선 모듈레이터(520)는 다양한 대역폭의 신호들에 대하여 왜곡 없이 신호를 증폭하고 고효율을 유지한다.
참고로, 상기와 같은 포락선 모듈레이터(520)를 휴대용 단말기에서 사용되는 전력 증폭기(530)와 함께 연결하여 구동하는 경우에도 상기와 같이 다양한 대역폭의 신호에 걸쳐서 고효율을 유지하는 것을 실험을 통해 확인하였다.
상기 포락선 모듈레이터(520)의 효율은 상기 선형 증폭기(522)의 효율 및 상기 스위치 증폭기(525)의 효율에 의해 결정된다.
전력 증폭기(530)는 상기와 같은 경로를 통해 상기 포락선 모듈레이터(520)로부터 공급되는 포락선신호(ENV_AMP)를 구동전압으로 사용하여, 상기 신호 생성기(510)로부터 공급되는 무선주파수 신호(RF)를 증폭하게 되므로 높은 효율과 우수한 선형성을 발휘할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하였지만, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것이 아니라 다음의 청구범위에서 정의하는 본 발명의 기본 개념을 바탕으로 보다 다양한 실시예로 구현될 수 있으며, 이러한 실시예들 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
510 : 신호 생성기 520 : 포락선 모듈레이터
521 : 신호대역폭 감지기 522 : 선형 증폭기
523 : 선형 전류 감지기 524 : 스위치주파수 조절기
525 : 스위치 증폭기 530 : 전력 증폭기

Claims (12)

  1. 외부로부터 공급되는 I,Q 디지털신호를 근거로 포락선신호 및 무선주파수신호를 생성하는 신호 생성기;
    상기 포락선신호를 공급받아 대역폭 신호를 왜곡없이 고효율로 증폭하여 증폭된 형태의 포락선신호를 출력하는 포락선 모듈레이터; 및
    상기 증폭된 형태의 포락선신호를 구동전압으로 사용하여, 상기 신호 생성기로부터 공급되는 무선주파수 신호를 증폭하는 전력 증폭기를 포함하되, 상기 전력 증폭기가 미리 설계된 일정치 이상의 효율과 선형성을 발휘할 수 있도록 하기 위하여 상기 포락선 모듈레이터는
    상기 포락선신호의 대역폭을 감지하여 그에 따른 대역폭검출신호를 출력하는 신호 대역폭 감지기;
    상기 대역폭검출신호에 따른 전류를 사용하여 상기 포락선신호를 선형 증폭하되, 입력신호의 대역폭에 관계없이 일정치 이상의 속도와 효율로 동작는 선형 증폭기;
    상기 신호대역폭 감지기와 연계하여 상기 포락선신호의 대역폭에 관계없이 파워 트랜지스터의 스위칭 주파수가 일정하게 유지되도록 하기 위한 스위칭 제어신호를 출력하는 스위칭 주파수 조절기;
    상기 스위칭 주파수에 대응된 너비를 갖는 파워 트랜지스터를 구비하고, 상기 파워 트랜지스터가 상기 스위칭 제어신호에 의해 스위칭 동작하여 스위치 전류를 출력하되, 상기 스위칭 제어신호에 의해 다양한 대역폭의 신호들에 대하여 일정 이상의 효율로 동작하는 스위치 증폭기; 및
    피드백 루프를 통해 상기 선형증폭기와 스위치 증폭기의 동작을 상호 보완하는 역할을 하는 선형전류 감지기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 다양한 대역폭 신호에 대한 고효율 및 고속 포락선 추적형 전력증폭 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 포락선 모듈레이터는
    배터리 전원을 사용하는 장치에 이용되는 무선주파수 전력 증폭 장치의 콜렉터 또는 드레인에 연결되어 상기 전력 증폭기의 공급 전압을 상기 전력 증폭기의 출력 전력에 따라 변조시키는 것을 특징으로 하는 다양한 대역폭 신호에 대한 고효율 및 고속 포락선 추적형 전력증폭 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 포락선 모듈레이터의 효율은
    상기 선형 증폭기 및 상기 스위치 증폭기의 효율에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 다양한 대역폭 신호에 대한 고효율 및 고속 포락선 추적형 전력증폭 장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 대역폭검출신호에 따른 전류는
    상기 포락선 신호의 주파수에 대응된 전류인 것을 특징으로 하는 다양한 대역폭 신호에 대한 고효율 및 고속 포락선 추적형 전력증폭 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 선형 증폭기는
    클래스 AB 바이어스를 유지하여 왜곡없이 고효율로 고주파 성분을 증폭하는 것을 특징으로 하는 다양한 대역폭 신호에 대한 고효율 및 고속 포락선 추적형 전력증폭 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 선형 증폭기는
    상기 포락선신호를 선형 증폭하여 그에 따른 선형 전류를 출력하는 것을 특징으로 하는 다양한 대역폭 신호에 대한 고효율 및 고속 포락선 추적형 전력증폭 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 선형 증폭기는
    연산 증폭기, 푸쉬풀 클래스 AB 또는 클래스 B 출력 스테이지지 및 버퍼를 구비하는 것을 특징으로 하는 다양한 대역폭 신호에 대한 고효율 및 고속 포락선 추적형 전력증폭 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 선형전류 감지기는
    상기 선형 증폭기에서 출력되는 선형 전류를 감지하여 그에 따른 상기 스위치 증폭기의 온/오프 제어신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 다양한 대역폭 신호에 대한 고효율 및 고속 포락선 추적형 전력증폭 장치.
  10. 삭제
  11. 제1항에 있어서, 상기 증폭된 형태의 포락선신호는
    상기 선형 증폭기에서 출력되는 선형 전류와 상기 스위치 증폭기에서 출력되는 스위치 전류가 더해진 출력전류에 따라 생성된 것을 특징으로 하는 포락선 다양한 대역폭 신호에 대한 고효율 및 고속 포락선 추적형 전력증폭 장치.
  12. 제1항에 있어서, 상기 스위치 증폭기는
    비교기, 드라이빙 스테이지(driving stage) 및 상기 파워 트랜지스터를 구비하는 것을 특징으로 하는 다양한 대역폭 신호에 대한 고효율 및 고속 포락선 추적형 전력증폭 장치.
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