KR101717311B1 - Ｒｆ 전력 증폭기, 서브 미크론 ｃｍｏｓ 집적 회로, 송수신기 및 ｒｆ 신호 증폭 방법 - Google Patents

Ｒｆ 전력 증폭기, 서브 미크론 ｃｍｏｓ 집적 회로, 송수신기 및 ｒｆ 신호 증폭 방법 Download PDF

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요한네스 페트루스 안토니우스 프람바크
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에스티 에릭슨 에스에이 엔 리퀴데이션
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Abstract

폴라 송신기용 RF 전력 증폭기는 디지털 유한 임펄스 응답 필터(20)에 공급된 1-비트 디지털 진폭 신호로 진폭 성분 신호를 변환한다(60, 180). 필터의 연속적인 탭은 1-비트 디지털 진폭 신호의 연속적으로 지연된 버전을 증폭하도록 구성된 RF 증폭 스테이지(40, 120, 130, 140, 150, 160, 165, 170)를 각각 갖고, 증폭은 각각의 탭 계수에 따라 그리고 위상 성분에 의해 변조된 RF 반송파에 따라 행해진다. 필터는 증폭된 RF 신호를 제공하기 위해 탭의 출력을 조합하도록 구성된다. 전력 증폭기는 이에 따라 단지 2개의 상태(2개의 값)만을 갖는 하나의 비트-스트림을 사용하고, 따라서 원리적으로 선형성을 성취한다. 탭들 사이의 디바이스 오정합은 비선형성 또는 왜곡을 유도하지 않는다.

Description

ＲＦ 전력 증폭기, 서브 미크론 ＣＭＯＳ 집적 회로, 송수신기 및 ＲＦ 신호 증폭 방법{RF AMPLIFIER WITH DIGITAL FILTER FOR POLAR TRANSMITTER}
본 발명은 전력 증폭기, 특히 RF 전력 증폭기와, 대응 송신기, 수신기, 집적 회로 및 그 동작 방법에 관한 것이다.
셀룰러, 개인 및 위성 통신과 같은 용례를 위한 현대식 무선 RF 송신기는 종종 코드 분할 다중 접속(CDMA) 통신과 조합하여 주파수 편이 변조(FSK), 위상 편이 변조(PSK) 및 이들의 변형과 같은 디지털 변조 체계를 이용한다는 것이 US 2007275676호로부터 공지되어 있다. RF 송신기 출력 신호는 전술된 통신 체계의 일부에서 일정한 포락선이고 다른 통신 체계에서는 시간에 따라 변할 수 있는 포락선을 가질 수 있다. 가변 포락선 변조 체계의 예는 폴라 송신기(polar transmitter)로서 공지된 것이다. 폴라 송신기에서, 디지털 기저대역 데이터는 디지털 포락선(진폭 변조됨) 및 디지털 위상 변조된 신호를 생성하기 위해 일부 중간 주파수(IF) 반송파(fIF)로의 필요한 펄스 성형 및 변조를 수행하는 디지털 프로세서에 입력된다. 디지털 진폭 변조된 신호는 진폭 경로를 따라 디지털-아날로그 컨버터(DAC)에, 이어서 저역 필터(LPF)에 입력된다. 디지털 위상 변조된 신호는 위상 경로를 따라 다른 DAC에, 이어서 다른 LPF에 입력된다. 진폭 경로에서 LPF의 출력은 아날로그 진폭 신호이고, 반면 위상 경로에서 LPF의 출력은 아날로그 기준 신호이다. 아날로그 기준 신호는 위상 동기 루프에 입력되어 RF 출력 신호의 위상이 아날로그 기준 신호의 위상을 추적할 수 있게 한다. RF 출력 신호는 아날로그 진폭 변조된 신호에 의해 비선형 전력 증폭기(PA)에서 변조된다.
따라서, 폴라 송신기 아키텍처에서, RF 신호의 위상 성분은 비선형 PA를 통해 증폭되고, 진폭 변조가 PA의 출력에서 수행된다. 그러나, 이 아키텍처는 진폭 변조된 및 위상 변조된 데이터가 정확한 순간에 인가되는 것을 보장하기 위해 위상 및 진폭 정렬을 요구한다. 게다가, 폴라 송신기는 진폭 변조 및 전력 제어에 관련된 다수의 과제를 또한 갖는다. 종래의 진폭 변조 기술은 통상적으로 전원의 변조에 기초한다. 그러나, RF 신호의 진폭 성분은 위상 및 진폭 데이터의 조합보다 다수배 높은 대역폭을 점유한다. 따라서, 종래의 전원 변조 기술은 다수의 광대역 용례에 대해 제한된다. 게다가, 다수의 무선 시스템에서, 출력 전력은 수신된 신호가 동일한 전력 레벨에서 모든 사용자들에게 도달하는 것을 방지하기 위해 제어되어야 한다. 그러나, 스위칭 전력 증폭기에서, 전력 제어는 진폭 변조를 위해 사용된 것과 동일한 방법을 사용하여 수행된다. 그 결과, 스위칭 전력 증폭기에서, 전력 제어 동적 범위와 진폭 변조의 분해능 사이에 절충이 존재한다. 더욱이, AM 신호 경로는 극단적으로 선형이 되도록 요구된다. 임의의 왜곡은 이웃하는 송신 채널에서 허용 불가능한 스펙트럼 전력 방출("스펙트럼 누설" 또는 "스펙트럼 재성장")을 유도한다.
다중 스테이지 전력 증폭기가 국부 발진기 누설(Local Oscillator leakage)의 문제점을 처리하기 위해 전술된 US 2007275676호에 제공되어 있다. 누설 전류는 캐패시터의 전압 및 전류의 90°위상차에 기인하여 스위칭 트랜지스터의 드레인 전류에 직교한다. 그 결과, 진폭 변조가 인가될 때, 반송파의 포락선(진폭)의 함수인 누설에 기인하는 반송파의 위상의 편차가 존재한다. 이 효과는 AM 대 PM 변환으로서 알려져 있고, 전력 증폭기가 높은 출력 전력 레벨에서 동작할 때 중요하다. 폴라 송신기에서 AM 대 PM 변환을 보상하기 위해, 전치 왜곡 필터 또는 위상 피드백 루프가 이용될 수 있다. 전치 왜곡 필터 및/또는 위상 피드백 루프를 사용하는 것에 추가하여 또는 그 대신에, 캐스코드 트랜지스터가 스위칭 트랜지스터의 상부에 사용될 수 있고, 이는 또한 스위칭 트랜지스터 상의 전압 편차를 감소시키고, 따라서 AM 대 PM 변환을 감소시킨다.
저전력 동작에 있어서, CGD 캐패시터를 통한 LO 누설은 출력 RF 신호에 상당하거나 심지어 높을 수 있다. 그 결과, 누설은 출력에서 RF 신호를 포괄하고, 따라서 전력 제어 동적 범위를 제한한다. 누설 신호는 또한 저전력 동작에서 진폭 변조의 선형성을 제한할 수 있다. 저전력에서 누설 문제점을 극복하기 위해, 스위치 크기는 전력 증폭기에 다중 스테이지를 제공함으로써 저전력 레벨에 대해 감소된다. 예를 들어, *1, *8 및 *64의 스위치 크기비를 갖는 3개의 스테이지로 분할될 수 있다. 각각의 스테이지는 스위칭 쌍 및 대응 테일 전류 소스를 포함한다. 각각의 전류 소스는 그 각각의 스위칭 쌍을 통한 전류를 제어하기 위해 진폭 변조된 신호 및 전력 제어 비트를 수용하도록 작동적으로 결합되고, 각각의 스테이지는 저전력 레벨에서 누설을 최소화하기 위해 상이한 전력 레벨과 관련된다. 각각의 스위칭 쌍에 접속된 스위치는 전력 증폭기를 위한 적절한 출력 전력을 발생시키기 위해 스테이지들 중 하나 이상을 선택하고, 또는 스테이지 선택은 적절한 스테이지를 턴온(turn on)하기 위해 전력 제어 워드의 최상위 비트(MSB)를 사용하여 이루어질 수 있다. 잔여 최하위 비트(LSB)가 테일 전류를 제어하는데 사용될 수 있다. 큰 스테이지를 턴오프(turn off)하는 것은 저전력 동작에서 전력 증폭기의 선형성을 향상시킨다.
본질적으로 다중 비트 나이퀴스트(Nyquist) DAC와 조합된 스위칭 RF 전력 증폭기인 소위 "RF DAC" 또는 "포락선 DAC"를 사용하는 것이 또한 공지되어 있다. 예를 들어 피.티.엠 반 자이지(P.T.M. van Zeiji), 엠. 콜라도스(M. Collados)의 "90 nm CMOS에서 WLAN OFDM 폴라 송신기용 디지털 포락선 변조기(A Digital Envelope Modulator for a WLAN OFDM Polar Transmitter in 90 nm CMOS)", 고체 상태 회로의 IEEE 저널, 2007년 10월을 참조한다. "RF DAC"(=PA)는 디지털화된 진폭 데이터를 PA 내로 직접 공급함으로써 정확한 AM 및 PM 재조합을 위해 필요한 시간의 예측성/정확성을 제공할 수 있다. 따라서, 전파 지연은 100 ps 이내인 것으로 공지되어 있을 수 있다. 그러나, 진폭 정확성은 PA를 구성하는 2진 가중 단위 셀의 디바이스 정합에 의존한다. 이들 디바이스는 일반적으로 수 GHz인 RF에서 동작할 필요가 있기 때문에, 이들의 치수는 작아야 할 필요가 있다. 따라서, 정합은 열악할 것이다(영역과의 정합 스케일). 이 문제점을 완화하기 위해, "RF DAC"는 2진 가중 단위 셀보다는 온도계 인코딩된 단위 셀로부터 구성될 수 있다. 감손(impairment)이 허용 가능한 낮은 레벨로 엔지니어링될 수 있지만, 원리적으로 디바이스 오정합이 AM 신호의 충실한 재구성을 손상시킬 것이다.
본 발명의 목적은 전력 증폭기, 특히 RF 전력 증폭기와, 대응 송신기, 수신기, 집적 회로 및 그 동작 방법을 제공하는 것이다.
제 1 양태에 따르면, 본 발명은,
진폭 성분 신호를, 디지털 유한 임펄스 응답 필터에 공급되는 1-비트 디지털 진폭 신호로 변환하는 컨버터를 구비하는 RF 전력 증폭기와 같은 전력 증폭기를 제공한다. 예를 들어, 필터의 연속적인 탭은 1-비트 디지털 진폭 신호의 연속적으로 지연된 버전을 증폭하도록 구성된 RF 증폭 스테이지와 같은 증폭 스테이지를 각각 갖고, 이 증폭은 각각의 탭 계수에 따라 그리고 위상 성분에 의해 변조된 RF 반송파에 따라 행해진다. 필터는 증폭된 RF 신호를 제공하기 위해 탭의 출력을 조합하도록 구성된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 증폭기는 예를 들어 장파 무선 내지 초광대역(UWB) 무선 송신의 무선 통신 또는 최대 150 GHz 또는 300 GHz의 레벨의 ADSL과 같은 케이블 송신에 사용되는 바와 같은 25 kHz 이상과 같은 주파수와 함께 사용될 수 있다.
제안된 전력 증폭기(PA), 더빙된 "FIR-PA" 또는 "비트-스트림 PA"는 이에 따라 단지 2개의 상태(2개의 값)만을 갖는 하나의 비트-스트림을 사용하고, 따라서 원리적으로 선형성을 성취한다. 1-비트 비트-스트림에 기인하여, 디지털 방식으로 코딩된 진폭 성분은 증폭된 출력에서 정확하고 신뢰적으로 재현될 수 있다.
본 발명의 실시예는 추가된 임의의 다른 특징을 가질 수 있고, 일부 이러한 추가 특징은 종속 청구항에 설명되고 이하에 더 상세히 설명된다.
본 발명의 다른 양태는 대응 방법을 포함한다. 추가 특징 중 임의의 것은 함께 조합될 수 있고 임의의 양태와 조합될 수 있다. 다른 장점은 특히 다른 종래 기술에 비해 당업자에게 명백할 것이다. 무수히 많은 변형 및 수정이 본 발명의 청구범위로부터 벗어나지 않고 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명의 형태는 단지 예시적인 것이고, 본 발명의 범주를 한정하도록 의도된 것은 아니라는 것이 명백히 이해되어야 한다.
본 발명이 어떻게 실시될 수 있는지가 이제 첨부 도면을 참조하여 예로서 설명될 것이다.
도 1은 제 1 실시예에 따른 장치를 도시하는 도면이다.
도 2는 제 2 실시예에 따른 장치를 도시하는 도면이다.
도 3은 제 3 실시예에 따른 장치를 도시하는 도면이다.
본 발명은 특정 실시예에 대해 특정 도면을 참조하여 설명될 것이지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고 단지 청구범위에 의해서만 한정된다. 설명된 도면은 단지 걔략적이고 비한정적이다. 도면에서, 요소의 일부의 크기는 예시적인 목적으로 과장될 수 있고 실제 축적대로 도시되어 있지 않을 수 있다. 용어 "포함하는"이 상세한 설명 및 청구범위에 사용되는 경우에, 이는 다른 요소 또는 단계를 배제하는 것은 아니다. 단수 부재를 칭할 때 단수 표현이 사용되는 경우에, 이는 다른 것이 구체적으로 언급되지 않으면 복수의 이러한 부재를 포함한다.
청구범위에 사용되는 용어 "포함하는"은 그 다음에 열거되는 수단에 한정되는 것으로서 해석되어서는 안되고, 이는 다른 요소 또는 단계를 배제하는 것은 아니다. 따라서, 표현의 범위 "수단 A 및 B를 포함하는 디바이스"는 단지 구성 요소 A 및 B로만 이루어진 디바이스에 한정되어서는 안된다. 이는 본 발명에 대해 디바이스의 오직 관련된 구성 요소는 A 및 B라는 것을 의미한다.
더욱이, 상세한 설명 및 청구범위에서 용어 제 1, 제 2, 제 3 등은 유사한 요소들을 구별하기 위해 사용되는 것으로서 반드시 순차적인 또는 연대적인 순서를 설명하기 위해 사용되는 것은 아니다. 이와 같이 사용된 용어는 적절한 상황 하에서 상호 교환 가능하고, 본 명세서에 설명된 본 발명의 실시예는 본 명세서에 설명되거나 예시된 것과는 다른 순서로 동작이 가능하다는 것이 이해되어야 한다.
더욱이, 상세한 설명 및 청구범위에서 용어 상부, 기저부, 위, 아래는 설명적인 목적으로 사용되는 것으로서 반드시 상대 위치를 설명하기 위해 사용되는 것은 아니다. 이와 같이 사용된 용어는 적절한 상황 하에서 상호 교환 가능하고, 본 명세서에 설명된 본 발명의 실시예는 본 명세서에 설명되거나 예시된 것과는 다른 배향으로 동작이 가능하다는 것이 이해되어야 한다.
본 명세서에서 "일 실시예" 또는 "실시예"의 참조는 실시예와 관련하여 설명된 특정 특징, 구조 또는 특성이 본 발명의 적어도 일 실시예에 포함되는 것을 의미한다. 따라서, 본 명세서 전체에 걸쳐서 다양한 장소에서 구문 "일 실시예에서" 또는 "실시예에서"의 출현은 반드시 모두 동일한 실시예를 칭하는 것은 아니지만, 그러할 수도 있다. 더욱이, 특정 특징, 구조 또는 특성은 하나 이상의 실시예에서 본 명세서로부터 당업자에게 명백할 수 있는 바와 같이, 임의의 적합한 방식으로 조합될 수 있다.
유사하게, 본 발명의 예시적인 실시예의 설명에서, 본 발명의 다양한 특징은 개시를 합리화하고 다양한 본 발명의 양상의 하나 이상의 이해를 지원하기 위해 때때로 단일의 실시예, 도면 또는 그 설명에서 함께 그룹화된다는 것이 이해되어야 한다. 그러나, 이 개시 방법은 청구된 발명이 각각의 청구항에 명시적으로 언급되어 있는 것보다 많은 특징을 필요로 하는 의도를 반영하는 것으로서 해석되어서는 안된다. 오히려, 이하의 청구범위가 반영하는 바와 같이, 본 발명의 양상은 단일의 상기 개시된 실시예의 모든 특징보다 적게 놓여 있다. 따라서, 상세한 설명 이후의 청구범위는 여기서 각각의 청구항이 본 발명의 개별 실시예로서 단독으로 성립하는 상태로 이 상세한 설명에 명시적으로 통합된다.
더욱이, 본 명세서에 설명된 일부 실시예는 다른 실시예에 포함되지 않은 일부 실시예를 포함하지만, 당업자들에 의해 이해될 수 있는 바와 같이, 상이한 실시예의 특징의 조합은 본 발명의 범주 내에 있는 것으로 의도되고, 상이한 실시예를 형성한다. 예를 들어, 이하의 청구범위에서, 임의의 청구된 실시예는 임의의 조합으로 사용될 수 있다.
더욱이, 일부 실시예는 컴퓨터 시스템의 프로세서에 의해 또는 기능을 수행하는 다른 수단에 의해 구현될 수 있는 방법 또는 방법의 조합으로서 본 명세서에 설명된다. 따라서, 이러한 방법 또는 방법의 요소를 수행하기 위한 필요한 명령을 갖는 프로세서는 방법 또는 방법의 요소를 수행하기 위한 수단을 형성한다. 더욱이, 장치 실시예의 본 명세서에 설명된 요소는 본 발명을 수행하기 위한 목적으로 요소에 의해 수행되는 기능을 수행하기 위한 수단의 예이다. 신호의 참조는 임의의 매체의 임의의 종류의 신호를 포함할 수 있고, 따라서 예를 들어 전기 또는 광학 또는 무선 신호 또는 다른 신호를 포함할 수 있다. 분석의 참조는 재료에 대한 정보를 유도하거나 향상시키기 위해 임의의 방식으로 신호를 프로세싱하는 것을 포함할 수 있다. 프로세서의 참조는 임의의 형태로 신호 또는 데이터를 프로세싱하기 위한 임의의 수단을 포함할 수 있고, 따라서 예를 들어 퍼스널 컴퓨터, 마이크로프로세서, 아날로그 회로, 응용 특정 집적 회로, 이들을 위한 소프트웨어 등을 포함할 수 있다.
용어 '무선 주파수(RF)'는 본 발명에 따르면, 약 3 Hz 내지 300 GHz의 범위 내에 있을 수 있고 특히 범위 25 kHz 내지 300 GHz, 더 구체적으로는 25 kHz 내지 150 GHz의 범위에 관련되는 주파수 또는 진동수이다. 이 범위는 무선파를 생성하고 검출하는데 사용되는 AC 전기 신호의 주파수에 대응한다. RF는 공중 또는 전기 회로에서의 발진을 칭한다. 따라서, RF의 참조는 공중 또는 공간을 통한 브로드캐스팅 또는 ADSL, VDSL, SDSL 등과 같은 케이블 송신을 위해 사용되는 임의의 주파수를 포함한다.
무선 주파수는 이하와 같이 분류될 수 있다.
극저 주파수, 예를 들어 3 내지 30 Hz. 최고저 주파수, 예를 들어 30 내지 300 Hz. 초저 주파수, 예를 들어 300 내지 3000 Hz, 초장파, 예를 들어 3 내지 25 kHz. 저주파수, 예로서 AM 브로드캐스팅에 사용되는 바와 같은 예를 들어 25 내지 300 kHz. 중간 주파수, 예를 들어 300 내지 3000 kHz f 100 내지 1000 m. 고주파수, 예를 들어 3 내지 30 MHz. 초단파, 예를 들어 30 내지 300 MHz. 초고주파수, 예를 들어 300 내지 3000 MHz. 최고 주파수 예를 들어 3 내지 30 GHz. 극고 주파수, 예를 들어 30 내지 300 GHz.
본 발명의 실시예에 따르면, 증폭기는 최대 150 GHz 또는 300 GHz의 레벨까지 예를 들어 ADSL과 같은 케이블 송신에서 사용되는 바와 같이, 25 kHz 이상과 같은 주파수와 함께 사용될 수 있다.
본 명세서에 제공된 상세한 설명에서, 무수히 많은 특정 상세가 설명된다. 그러나, 본 발명의 실시예는 이들 특정 상세 없이 실시될 수 있다는 것이 이해된다. 다른 경우에, 공지의 방법, 구조 및 기술은 본 명세서의 이해를 불명료하게 하지 않기 위해 상세히 나타내지 않는다.
일부 실시예에 의해 처리되는 일부 문제에 대한 소개
실시예의 소개로서, 심도 있는 서브-미크론 CMOS 프로세스에서 통합되어야 하는 현대식 무선 송수신기의 문제점이 설명될 것이다. 이들은 이들 "디지털 방식으로" 구동된 프로세스에서 강인한(robust) 구현을 산출하기 위해 아키텍처 및 회로 개념을 이용해야 한다. 이들 개념 중 하나는 폴라 송신기이다. 폴라 송신기는 임의의 RF 벡터를, 위상내 및 직교 위상(I/Q) 성분보다는 진폭(AM) 및 위상(PM)으로 분해한다. PM 성분은 위상 동기 루프(PLL)에 의해 기저대역으로부터 RF로 송신된다. 일반적으로 소위 디지털 PLL(DPLL)로 칭해지는 심도 있는 서브 미크론 프로세스에서, AM 성분은 다수의 방식으로 처리될 수 있지만, 양 신호, AM 및 PM은 안테나에 앞서 재조합될 필요가 있다. 일반적으로, 이는 전력 증폭기에서 발생하고, 이는 이어서 "폴라 전력 증폭기"로 칭해진다. 성공적인 재조합을 위해, AM 및 PM 신호는 적절하게 시간 정렬되어야 한다. AM 및 PM 경로는 매우 상이한 성질을 갖기 때문에, 시간 정렬은 아키텍처에 고유하지 않고, 주의 깊은 설계를 필요로 한다.
더욱이, AM 신호 경로는 극단적으로 선형일 필요가 있다. 임의의 왜곡은 이웃하는 송신 채널 내에 허용 불가능한 스펙트럼 전력 방출("스펙트럼 누설" 또는 "스펙트럼 재성장")을 유도한다. 이러한 이유들로, 설명된 실시예에서, AM 신호 경로는 "디지털" 방식으로 프로세싱되어, 선형 설계가 되게 하고 전파 지연을 정확하고 예측 가능하게 할 수 있다.
실시예의 특징에 대한 소개
전력 증폭기, 특히 본 발명에 따른 RF 전력 증폭기의 실시예에서, 컨버터는 디지털 유한 임펄스 응답 필터에 공급되는 1-비트 디지털 진폭 신호로 진폭 성분 신호를 변환한다. 필터의 연속적인 탭은 각각 증폭 스테이지, 예를 들어 1-비트 디지털 진폭 신호의 연속적으로 지연된 버전을 증폭하도록 구성된 RF 증폭 스테이지를 갖는다. 증폭은 바람직하게는 각각의 탭 계수에 따라 그리고 위상 성분에 의해 변조된 RF 반송파에 따라 수행된다. 필터는 증폭된 RF 신호를 제공하기 위해 탭의 출력을 조합하도록 구성된다.
전력 증폭기(PA), 더빙된 "FIR-PA" 또는 "비트-스트림 PA"는 이에 따라 단지 2개의 상태(2개의 값)만을 갖는 하나의 비트-스트림을 사용하고, 따라서 원리적으로 선형성을 성취한다(2개의 점이 항상 직선으로 접속될 수 있기 때문에). 진폭 성분(AM) 신호는 임의의 종류의 컨버터에 의해 1-비트 비트-스트림으로 코딩된다. 일 예는 펄스폭 변조를 사용하는 컨버터이고, 다른 것들이 당업자에 의해 고려될 수 있고 본 발명의 범주 내에 포함된다. 컨버터의 예는 시그마 델타 변조기(SDM)이다. 이는 오버샘플링 및 노이즈 성형에 의해 m-비트 AM 입력 신호를 1-비트 신호로 변환할 수 있는 공지의 디바이스이다. 최종 비트-스트림은 안테나에서 성공적인 신호 재조합을 위해 상기에 인식된 요건인 진폭 및 시간이 정확하다.
SDM의 노이즈 성형은 낮은 대역내 노이즈 플로어, 그러나 높은 대역외 노이즈를 초래한다. 무선 시스템에서, 이웃하는 채널 상에 낮은 레벨 스펙트럼 방출이 발생하거나 스펙트럼 방출이 발생하지 않는다. 대역외 노이즈는 예리한 필터(sharp filter)에 의해 억제될 필요가 있다(관심의 대역폭의 외부의 가파른 롤오프(roll-off)). 이러한 필터의 아날로그 구현예는 상당한 그룹 지연(및 통과 대역 상의 그룹 지연 편차)을 가질 수 있어, 시간 정렬 요건을 침해한다. 디지털 FIR 필터는 일반적으로 일정한 그룹 지연을 갖는 대역 통과 외부의 예리한 롤오프를 제공한다. FIR 필터는 또한 "반-디지털" 방식으로 구현될 수 있는데, 즉 지연이 정확하고(디지털), 탭 계수는 아날로그, 예를 들어 스위칭형 전류 소스라는 것을 의미한다. 이러한 필터는 예를 들어 오디오 용례로부터 공지되어 있다. 설명된 실시예는 폴라 PA와 "반-디지털" FIR의 특정 조합에 기초하는 것으로서 나타낼 수 있다.
일부 실시예에서, 각각의 탭의 증폭 스테이지는 각각의 탭 계수에 따라 치수 설정된 아날로그 성분을 포함한다. 이는 예를 들어 각각의 탭 계수에 따라 트랜지스터의 치수를 설계하는 것을 수반할 수 있다. 각각의 탭의 증폭 스테이지는 각각의 탭 계수를 표현하는 전류를 공급하도록 구성되는 스위칭형 전류 소스를 포함할 수 있다. 이는 아날로그 성분의 치수 설정과 조합될 수 있거나, 또는 대안적일 수 있다. 이는 더 많은 성분을 포함할 수 있지만, 모든 탭을 위해 상이한 치수를 제공할 필요가 적은 경우에는 설계를 단순화할 수 있다.
스위칭형 전류 소스는 프로그램 가능할 수 있다. 이는 다중 표준 동작을 가능하게 하기 위해 필터링의 동적 변경을 가능하게 하거나 예를 들어 소프트웨어 프로그램 가능 필터링을 허용할 수 있다.
각각의 탭의 증폭 스테이지는 스위치 및 트랜지스터의 캐스코드 구성을 포함할 수 있다. 각각의 탭의 증폭 스테이지는 전류 미러를 포함할 수 있다. 각각의 탭은 위상 성분에 의해 변조된 Rf 반송파에 따른 1-비트 디지털 진폭 신호의 각각의 지연된 버전을 게이팅하기 위한 게이트를 가질 수 있다. 이는 위상 성분에 의해 변조된 RF 반송파에 따라 증폭을 행하는 하나의 방법이다. 디지털 도메인에서 이와 같이 수행함으로써, 증폭 스테이지의 일부가 활성적이지 않기 때문에, 선형성 및 타이밍이 더 양호하게 보존되고, 낮은 신호 레벨에서 누화가 감소된다.
탭은 전체 RF 출력 전력 제어를 가능하게 하기 위해 모든 증폭 스테이지에 대해 제어 가능한 공통 기준 전류를 가질 수 있다.
전력 증폭기, 특히 RF 전력 증폭기는 다른 부분을 갖는 서브 미크론 CMOS 집적 회로 내에 구현될 수 있다. 이는 디지털 회로의 집적화의 더 큰 레벨에 대해 유용하다. 이는 폴라 송신기를 구비하는 송수신기의 부분일 수 있다. RF 신호를 송신하기 위해 사용시에, 진폭 성분 신호는 디지털 유한 임펄스 응답 필터로 공급되어 필터의 연속적인 탭이 각각 1-비트 디지털 진폭 신호의 연속적으로 지연된 버전을 증폭하게 하는 1-비트 디지털 진폭 신호로 변환된다. 증폭은 각각의 탭 계수에 따라, 그리고 위상 성분에 의해 변조된 RF 반송파에 따라 수행된다. 탭의 출력을 조합하는 것은 송신을 위해 증폭된 RF 신호를 제공한다. 폴라 송신기에 적합한 RF 전력 증폭기(PA)가 설명된다. 이는 디지털 비트-스트림(1-비트)에 의해 직접 AM 변조될 수 있다. PA는 1-비트-스트림이 단지 2개의 상태만을 갖기 때문에 고유적으로 선형 설계이다. 비트-스트림은 시그마 델타 변조기(SDM)에 의해 성형된 노이즈일 수 있다. 노이즈 성형에 의해 도입된 대역외 노이즈를 억제하기 위해, PA는 가파른 롤오프를 갖는 유한 임펄스 응답 필터(FIR 필터)로서 작용한다. 다른 "디지털 방식으로" 변조된 PA와는 대조적으로, 디바이스 오정합은 진폭 왜곡을 유도하지 않는다. 진폭은 PA의 단위 요소의 가중이 아니라 비트-스트림 내에 코딩되고, 따라서, 진폭은 디바이스 오정합의 존재의 경우에도, 왜곡 없이 신뢰적으로 재현될 수 있다. 디바이스 오정합은 다르게는 대역외 노이즈 및 PA의 그룹 지연의 편차를 유도한다. PA의 출력 전력은 DC 전류에 의해 제어될 수 있고, 프로세스, 온도 및 공급 전원 편차(PVT)에 매우 강인하다. PA는 심도 있는 서브-미크론 CMOS 프로세스에 통합되어야 하는 무선 송수신기에 매우 적합할 수 있다.
도 1, 제 1 실시예
도 1의 실시예에서, 컨버터(60) 및 디지털 유한 임펄스 응답 FIR 필터(20)를 구비하는 RF 전력 증폭기(10)가 도시된다. 컨버터는 진폭 성분 신호를 디지털 유한 임펄스 응답 필터에 공급되는 1-비트 디지털 진폭 신호로 변환한다. 필터는 필터의 연속적인 탭(30)에 진폭 신호의 연속적으로 지연된 버전을 제공하는 다수의 지연 요소(50)를 갖는다. 3개의 탭이 도시되어 있지만, 더 많은 탭이 존재할 수 있다. 각각의 탭은 1-비트 디지털 진폭 신호의 지연된 버전을 증폭하도록 구성된 RF 증폭 스테이지(40)를 갖고, 증폭은 각각의 탭 계수에 따른다. 각각의 증폭 스테이지는 또한 위상 성분에 의해 변조된 RF 반송파의 입력을 갖는다. 필터는 증폭된 RF 신호를 제공하기 위해 탭의 출력을 조합하도록 구성된다. 이는 안테나, 또는 도파관 또는 임의의 송신 매체에 공급될 수 있다. 위상 성분에 의한 RF 반송파의 변조는 전술된 바와 같이 또는 다른 방식으로 PLL을 사용하여 수행될 수 있다.
도 1의 다양한 부분을 구현하는 다양한 방식이 존재한다. 일부는 도 2 및 도 3을 참조하여 이하에서 더 상세히 설명될 것이다. 트랜지스터 또는 논리 게이트와 같은 통상의 회로 부품이 용례에 적합화하기 위해 개별 부품 또는 집적 회로의 형태로 사용될 수 있다.
도 2, 제 2 실시예
이 도면은 N개의 단위 셀의 디지털 FIR, N차 FIR 필터의 탭을 구비하는 RF 전력 증폭기를 도시한다. 각각의 단위 셀은 지연 요소 Z-1(100)(예를 들어, 플립-플롭으로 구현됨), AND 게이트(100)와 같은 게이트 및 RF 스위치 NMOS 트랜지스터[하부 NMOS(120)] 및 캐스코드 NMOS[상부 NMOS(130)]의 형태의 증폭 스테이지로 이루어진다. N개의 단위 셀의 캐스코드의 드레인은 조합되어 안테나(190)에 접속된다. 디지털 AM 신호는 시그마 델타 변조기(180)의 형태의 컨버터에 의해 1-비트 디지털 신호로 변환된다. AND 게이트는 AM 비트-스트림 및 RF 반송파를 조합한다. RF 스위치 트랜지스터(120)는 원하는 필터 응답을 구성하기 위해 요구된 탭 계수 가중치마다, 가중치(WO...Wn)를 갖는다. 가중은 상이한 탭의 스위치 트랜지스터에 대해 상이한 치수를 사용함으로써 성취된다. 좌측에서 다이오드 접속된 NMOS(140) 및 더미 RF 트랜지스터(150)는 PA의 출력 전력을 제어하기 위한 비교적 간단한 DC 수단을 제공한다. DAC(160)은 다이오드 접속된 NMOS(140)에 결합된 전류 소스(170)에 전력 제어 신호를 제공한다. DAC는 전력의 소프트웨어 또는 디지털 제어를 가능화하기 위한 인터페이스로서 작용한다. 또한, 조합된 출력에 DC 결합을 제공하는 유도 접속부(200)가 도시되어 있다.
대형 캐패시터(125)는 캐스코드 게이트의 RF 결합 해제를 제공하여, 이들 트랜지스터를 공지의 "공통 게이트" 증폭기로 만든다. 캐스코드 게이트는 통상적으로 상당한 출력 전력을 성취하도록 요구된 높은 전압(기술의 코어 전압보다 훨씬 높음)에서 신뢰적인 동작을 보장하기 위해 두꺼운 산화물 유형을 갖는다.
도 3. 제 3 실시예
도 3의 실시예에서, 일부 부분은 도 2와 유사하고, 대응 도면 부호가 적절하게 사용된다. 각각의 단위 PA 셀은 지연 요소, AND 게이트, RF 스위치 트랜지스터 및 캐스코드 트랜지스터로서 2배화하는 전류 미러로 이루어진다. 도 2와는 달리, 모든 단위 셀은 트랜지스터를 위한 동일한 치수(W)를 갖는다. FIR 필터 탭 계수의 가중치는 더 이상 치수에 의해 결정되지 않고, 대신에 각각의 유닛 미러 내로 개별 전류 소스(165)에 의해 제공된 DC 전류에 의해 결정된다. 이 실시예에서, 모든 RF 트랜지스터는 동일한 치수를 갖기 때문에, RF 특성의 양호한 정합 및 레이아웃의 더 용이한 설계가 존재한다. 탭 계수의 정합은 DC 트랜지스터에 의해 결정될 수 있다[전류 소스(I0...In)(165)는 대형 크기를 가질 수 있다(어떠한 RF 제약도 존재하지 않고, 단지 DC만 존재하기 때문에)].
전력 제어는 모든 전류 소스의 전체 스케일 전류를 변경하기 위해 공통 기준 전류를 제어함으로써 성취된다. 전류 소스는 전류 미러를 구성하고, 따라서 전력 제어는 기준 전류의 변경의 문제이다. 각각의 전류 소스는 전력 레벨 PWR에 의해 곱해진 W를 가중하는 A를 표현하는 전류를 출력한다. 선택적으로, 전류 소스는 개별적으로 프로그램 가능한 전류 소스일 수 있다. 상이한 탭을 위한 전류 소스가 각각 임의의 값을 가질 수 있을 때, 임의의 인식 가능한 FIR 필터 주파수 특성이 합성될 수 있다. 이와 같이 함으로써, 전력 증폭기의 대역외 노이즈가 가까운 미래의 용례에, 달리 말하면 "주문형 필터(filter-on-demand)"에 적합화하기 위해 성형될 수 있다. 이는 상이한 요건이 상이한 표준에 적용되는 다중 모드 시스템에 대해 또는 "트위킹(tweaking)" 재현을 위해 유용할 수 있다. 이는 소프트웨어 기반 무선 통신(Software Defined Radio: SDR)을 위해 흥미 있는 특성인 대역외 노이즈의 소프트웨어 프로그램 가능 필터링을 허용한다.
용례 및 기타
적어도 일부 실시예의 주목할만한 특성은 이들이 선형 설계라는 것이다. 1-비트 비트-스트림에 기인하여, 폴라 변조기의 디지털 방식으로 코딩된 AM 신호는 안테나에서 정확하고 신뢰적으로 재현될 수 있다. 실제로, 단지 비선형성만이 캐스코드 트랜지스터의 얼리 효과(Early effect)에 의해 발생된다. 이 효과는 동작 원리, 즉 아날로그 또는 "디지털"에 무관하게, 캐스코드 트랜지스터가 사용되면 불가피하다.
일부 실시예의 일부 특징의 다른 적당한 특성은 이하와 같다.
· AM 및 PM 신호는 디지털 방식으로 AND 게이트에 의해 재조합된다.
· 단위 셀들 사이의 디바이스 오정합은 비선형성 또는 왜곡을 유도하지 않는다.
디바이스 오정합은 다르게는 그룹-지연 및 대역외 노이즈 편차를 유도 한다.
· 하부 트랜지스터의 게이트로부터 드레인으로의 RF 반송파의 누화는 진폭으로 스케일링된다.
논리 "0"은 AND 게이트 내의 RF 반송파를 차단하고, 따라서 어떠한 신 호도 RF 트랜지스터의 게이트 상에 존재하지 않는다. 단지 논리 "1" 에 의해 구동된 셀만이 활성화되고, 누화에 기여한다. 진폭이 낮을수 록, 더 많은 유닛이 "0"이 되고, 누화가 낮아진다. 따라서, 또한 작 은 신호가 신뢰적으로 재현될 수 있다(이는 일반적으로 문제점이다).
· 신호 전파 지연은 정확하고 RF 트랜지스터까지 항상 우선 순위로 공지되어 있다.
· PA의 출력 전력은 단지 DC 기준 전류(I_PWR_CTRL)에만 의존한다.
또한 >>30 dB(선형) 전력 제어를 허용한다.
· 대부분의 프로세스, 온도 및 공급 전압 편차(PVT)가 제거된다.
제조 공차에 대한 강인성
· 캐스코드 트랜지스터는 RF에 대해 적절하게 결합 해제되어, "공통 게이트" 특징을 성취한다.
· 두꺼운 산화물 캐스코드 트랜지스터가 높은 전원에서 양호한 신뢰성을 제공할 수 있다.
이는 고전압 및 ESD에 대해 민감성 RF 트랜지스터를 보호할 수 있다. 설명된 전력 증폭기는 심도 있는 서브-미크론 CMOS SoC(시스템 온 칩)에 통합되도록 의도된(그러나, 또한 독립형으로 사용될 수도 있음) 무선 송신기 및 송수신기에 적용될 수 있다. 이는 AM 및 PM의 모두에서 디지털 제어부에 의해 직접 변조될 수 있는 PA를 필요로 하는, 폴라 송신기를 이용할 수 있는 무선 표준에 특히 유용하다.
통상적인 용례는 블루투스 및 셀룰러 라디오를 이용하는 무선 SoC를 포함한다. 용례를 한정하지 않고, 이 FIR-PA는 디지털 PLL과 함께 디지털 폴라 송신기에 특히 적합하다. 실시예들 중 하나는 다중 표준 다중 모드 RF 송신기를 가능하게 하는 소프트웨어 기반 무선 통신에 유용할 수 있다. 용례는 45 nm CMOS "CLN45"의 블루투스/FM-라디오 또는 45 nm CMOS "CLN45"의 PNX6730 [블루투스/GPS/FM-라디오를 갖는 셀룰러 기저대역]에서 송신기에 있을 수 있다.
다른 변형예가 청구범위의 범주 내에서 고려될 수 있다.
10: RF 전력 증폭기 20: 디지털 유한 임펄스 응답 FIR 필터
30: 탭 40: RF 증폭 스테이지
50: 지연 요소 60: 컨버터
100: AND 게이트 120: 하부 NMOS
130: 상부 NMOS 140: NMOS
150: 더미 RF 트랜지스터 160:DAC
170: 전류 소스 200: 유도 접속부

Claims (15)

  1. 위상 성분에 의해 변조된 RF 반송파와 진폭 성분 신호에 기초하여 증폭된 RF 신호를 제공하기 위한 RF 전력 증폭기로서,
    상기 진폭 성분 신호를 1-비트 디지털 진폭 신호로 변환하기 위한 컨버터(60, 180)와,
    상기 1-비트 디지털 진폭 신호가 공급되는 디지털 유한 임펄스 응답 필터(20)를 포함하되,
    상기 디지털 유한 임펄스 응답 필터의 연속적인 탭의 각각은 상기 1-비트 디지털 진폭 신호의 연속적으로 지연된 버전(successively delayed versions)을 증폭하도록 구성된 RF 증폭 스테이지(40, 120, 130, 140, 150, 160, 165, 170)를 포함하고,
    상기 증폭은 각각의 탭 계수에 따라, 그리고 상기 위상 성분에 의해 변조된 RF 반송파에 따라 행해지고, 상기 디지털 유한 임펄스 응답 필터는 상기 증폭된 RF 신호를 제공하기 위해 상기 탭의 출력을 조합하도록 구성되는
    RF 전력 증폭기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    각각의 탭의 상기 증폭 스테이지는 상기 각각의 탭 계수에 따라 치수 설정된(dimensioned) 아날로그 성분(120)을 포함하는
    RF 전력 증폭기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    각각의 탭의 상기 증폭 스테이지는 상기 각각의 탭 계수를 나타내는 전류를 공급하도록 구성된 스위칭형 전류 소스(165)를 포함하는
    RF 전력 증폭기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 스위칭형 전류 소스는 프로그램 가능한
    RF 전력 증폭기.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    각각의 탭의 상기 증폭 스테이지는 트랜지스터들의 캐스코드 구성 및 스위치를 포함하는
    RF 전력 증폭기.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    각각의 탭의 상기 증폭 스테이지는 전류 미러를 포함하는
    RF 전력 증폭기.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    각각의 탭은 상기 위상 성분에 의해 변조된 RF 반송파에 따라 상기 1-비트 디지털 진폭 신호의 각각의 지연된 버전을 게이팅하여 상기 위상 성분에 의해 변조된 RF 반송파에 따라 상기 증폭을 행하는 게이트(100)를 포함하는
    RF 전력 증폭기.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    모든 상기 증폭 스테이지에 대한 제어 가능한 공통 기준 전류를 갖도록 구성되어 전체 RF 출력 전력 제어를 가능하게 하는
    RF 전력 증폭기.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 컨버터는 시그마 델타 변조기(180)를 포함하는
    RF 전력 증폭기.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항의 RF 전력 증폭기를 포함하는
    서브 미크론 CMOS 집적 회로.
  11. 제 1 항 또는 제 2 항의 RF 전력 증폭기를 갖는 폴라 송신기(polar transmitter)를 갖는
    송수신기.
  12. RF 신호 증폭 방법으로서,
    진폭 성분 신호를 1-비트 디지털 진폭 신호로 변환하는 단계와,
    상기 1-비트 디지털 진폭 신호를 디지털 유한 임펄스 응답 필터에 공급하여 상기 디지털 유한 임펄스 응답 필터의 연속적인 탭의 각각이 상기 1-비트 디지털 진폭 신호의 연속적으로 지연된 버전을 증폭하게 하는 단계와,
    상기 탭의 출력을 조합하여 증폭된 RF 신호를 제공하는 단계를 포함하되,
    상기 증폭은 각각의 탭 계수에 따라 그리고 위상 성분에 의해 변조된 RF 반송파에 따라 행해지는
    RF 신호 증폭 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 증폭된 신호를 무선 송신하는 단계를 더 포함하는
    RF 신호 증폭 방법.
  14. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    각각의 탭은 게이트(100)를 포함하고,
    상기 방법은 상기 위상 성분에 의해 변조된 RF 반송파에 따라 상기 1-비트 디지털 진폭 신호의 각각의 지연된 버전을 게이팅하여, 상기 위상 성분에 의해 변조된 RF 반송파에 따라 증폭을 행하는 단계를 더 포함하는
    RF 신호 증폭 방법.
  15. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 각각의 탭의 증폭 단계는 상기 각각의 탭 계수를 나타내는 전류를 공급하는 단계를 포함하는
    RF 신호 증폭 방법.
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