KR101784009B1

KR101784009B1 - 무선 주파수 전력 증폭기용 보호 회로

Info

Publication number: KR101784009B1
Application number: KR1020110050348A
Authority: KR
Inventors: 징시 야오; 피터 휴; 샤오팽 선; 베리 지아-푸 린; 메라 모칼라
Original assignee: 트리퀸트 세미컨덕터 인코퍼레이티드
Priority date: 2010-05-26
Filing date: 2011-05-26
Publication date: 2017-10-10
Also published as: US8487705B2; TWI527367B; KR20110129836A; TW201223133A; US20110292554A1

Abstract

과구동 또는 과전압 상태로부터 보호하기 위한 보호 회로용 회로, 장치 및 시스템의 실시예가 기술된다. 다른 실시예들이 기술되고 청구될 수 있다.

Description

무선 주파수 전력 증폭기용 보호 회로{PROTECTION CIRCUIT FOR RADIO FREQUENCY POWER AMPLIFIER}

본원은 2010년 5월 26일에 출원된 미국 출원번호 12/788,267, 발명의 명칭 "Overdrive Protection Circuit"의 CIP(continuation-in-part) 출원이며, 그 명세서 전체는 여기에 참조로 도입된다.

본 발명의 실시예는 일반적으로 회로 분야에 관한 것으로, 보다 구체적으로 RF(radio frequency) 전력 증폭기용 보호 회로에 관한 것이다.

RF 전력 증폭기에 사용되는 반도체 소자는 소비 전력 및 상기 반도체 소자가 다룰 수 있는 전압 레벨에 의해 제한된다. RF 전력 증폭기는 상기 RF 전력 증폭기에서 사용되는 트랜지스터를, 과구동(overdrive) 상태 하에서 고장을 일으킬 수 있는 전압 및 전력 레벨에 이르도록 할 수 있다. 가장 높은 전력 스트레스를 받는 트랜지스터 단자는 출력 단자이다. 상기 출력 단자는 일반적으로 공통 이미터 구성에서 HBT(heterojunction bipolar transistor) 프로세스의 컬렉터 및 공통 소스 구성에서 FET(field effect trarnsistor) 프로세스의 드레인이다. 고장 메커니즘은 컬렉터-베이스 접합 또는 드레인-게이트 접합의 고장이 지배적이다.

보다 큰 고장 마진을 다루기 위한 프로세스를 개선하는 것은 종종 어렵고, 원치 않을 수 있는 트레이드오프를 가져올 수 있다. 고장 문제를 개선하는 것을 가능하게 하기 위해, 상기 문제점은 회로 관점에서, 과구동 상태 하에서 전력 증폭기의 메인 트랜지스터 또는 트랜지스터들을 검출하고 보호하는 회로에 의해 해결될 수 있다. 과거에, 대부분의 과구동 보호 회로는 전력 공급을 제어하기 위해 출력 전력 또는 출력 전류 레벨의 검출을 기반으로 하여 구성되었다. 이는 단일 칩 상에 구현되는 경우 복잡하게 구성된다.

이 부분의 내용은 관련기술일 뿐, 37 C.F.R 1.97 및 37 C.F.R. 1.98 하에서 개시된 정보를 반드시 포함하지는 않는다. 종래기술로 분명하게 명시되지 않는 한, 관련기술의 내용은 종래기술로 인정되지 않는다.

본 발명은 무선 주파수 전력 증폭기용 보호 회로를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 회로는: RF(radio frequency) 신호를 전송하도록 구성된 전송 라인; 상기 전송 라인과 결합된 베이스를 가지며, 상기 RF 신호를 증폭하도록 구성된 주 전력 트랜지스터; 및 상기 전송 라인과 결합되며, 과구동 또는 과전압 상태를 검출하고 상기 과구동 또는 과전압 상태의 검출에 기반하여 전력 증폭기에서의 전류 또는 전압을 감소시키도록 구성된 보호 회로를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 시스템은: RF 신호를 제공하도록 구성되는 트랜시버; 상기 트랜시버와 결합되며, 상기 RF 신호를 수신하고 증폭하도록 구성된 주 전력 트랜지스터를 포함하는 증폭 회로; 상기 RF 신호를 상기 트랜시버로부터 상기 주 전력 트랜지스터의 베이스로 전송하도록 구성되는 전송 라인; 및 상기 전송 라인과 결합되며, 과구동 또는 과전압 상태를 검출하고 상기 과구동 또는 과전압 상태의 검출에 기반하여 상기 주 전력 트랜지스터에서의 전류 또는 전압을 감소시키도록 구성되는 보호 회로를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 방법은: 트랜시버가 RF 신호를 생성하는 단계; 상기 트랜시버가 전송 라인을 따라 상기 RF 신호를 주 전력 트랜지스터로 전송하는 단계; 상기 전송 라인과 결합된 보호 회로가 과구동 상태 또는 과전압 상태를 검출하는 단계; 및 상기 보호 회로가 상기 검출을 기반으로 상기 주 전력 트랜지스터에서의 전류 또는 전압을 감소시키는 단계를 포함한다.

실시예가 예로서 설명되고, 첨부된 도면을 제한하도록 설명되지는 않으며, 유사한 도면번호는 유사한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 과구동 보호 회로의 도면이다.
도 2는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 다른 과구동 보호 회로의 도면이다.
도 3은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 도 1 및 도 2의 과구동 보호 회로를 결합한 과구동 보호 회로의 도면이다.
도 4는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 방법의 다양한 단계들을 설명하는 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 보호 회로의 도면이다.
도 6은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 다른 보호 회로의 도면이다.
도 7은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 방법의 다양한 단계들을 설명하는 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 적어도 일부 실시예에 따른 과구동 보호 회로를 구현한 무선 전송 장치를 도시한다.

예시적인 실시예의 다양한 양태가, 통상의 기술자에 의해 그들의 연구 내용을 다른 통상의 기술자에게 설명하기 위해 일반적으로 사용되는 용어를 사용하여 기술될 것이다. 그러나, 대안적인 실시예가 기재된 양태 중 오직 일부만을 사용하여 구현될 수 있음이 통상의 기술자에게 분명하게 인식될 것이다. 설명의 목적으로, 구체적인 장치 및 구조가 예시적인 실시예의 완전한 이해를 제공하기 위해 제시된다. 그러나, 구체적인 세부사항이 없이도 대안적인 실시예가 구현될 수 있음이 통상의 기술자에게 분명하게 인식될 것이다. 다른 경우, 예시적인 실시예를 불명확하게 하지 않도록 하기 위해, 잘 알려진 특징들은 생략되거나 단순화되어 설명된다.

나아가, 다양한 동작들이 다수의 분리된 동작으로 기술될 것이며, 그 결과 본 발명을 이해하는데 가장 도움이 되는 방식으로 설명될 것이지만, 설명의 순서는 이러한 동작들이 반드시 순서에 의존하는 것을 시사하도록 해석되지는 않을 것이다. 특히, 이러한 동작들은 제시된 순서대로 수행될 필요는 없다.

"일 실시예에서"라는 구절이 반복적으로 사용된다. 이 구절은 일반적으로 동일한 실시예를 의미하지 않지만, 동일한 실시예를 의미할 수도 있다. 본 명세서에서 달리 언급하지 않는 한, 용어 "포함하는"과 "가지는"은 유의어이다.

다양한 실시예와 관련되어 사용될 수 있는 용어를 분명하게 하기 위해, "A/B" 및 "A 및/또는 B"는 (A), (B) 또는 (A 및 B)를 의미하고, "A, B 및/또는 C"는 (A), (B), (C), (A 및 B), (A 및 C), (B 및 C) 또는 (A, B 및 C)를 의미한다.

용어 "결합된" 및 그 파생어가 여기에 사용될 수 있다. "결합된"은 다음 중 하나 또는 그 이상을 의미할 수 있다. "결합된"은 둘 또는 그 이상의 구성요소가 물리적으로 직접적으로 연결되거나 전기적으로 연결된 것을 의미할 수 있다. 그러나, "결합된"은 둘 또는 그 이상의 구성요소가 서로 간접적으로 접촉하지만, 이들 구성요소들이 여전히 서로 공조하거나 상호작용하는 것을 의미할 수도 있으며, 하나 또는 그 이상의 다른 구성요소가 서로 결합된 구성요소들 사이에서 결합되거나 연결되는 것을 의미할 수 있다.

도 1은 본 발명의 다양한 실시예에 따른, RF 입력 과구동 상태로부터 보호하기 위한 과구동 보호 회로(100)를 도시한다. 과구동 보호 회로(100)는 두 개의 트랜지스터(102, 104) 및 검출 저항(106)을 포함한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 두 개의 트랜지스터(102, 104)는 달링톤(Darlington) 구조로 배열된다. 과구동 보호 회로(100)는 검출 저항(106) 및 분류 라인(shunt line)(110)을 통해 RF 전송 라인(108)과 결합된다. RF 전송 라인(108)은 RF 신호를 생성하는 RF 신호 입력원과 결합되고, 베이스 바이어스 전류 Ibias를 제공하는 전류원(114)과도 결합된다. RF 신호 입력원(112)은 트랜시버(transceiver) 내에 포함될 수 있다. RF 전송 라인(108)은 RF신호용 전력 증폭기로 기능하는 주 전력 트랜지스터(primary power transistor)(116)의 베이스와 결합된다. 주 전력 증폭기(116)는 그 이미터에서 저항(118)을 통해 접지와 결합되는 동시에, 그 컬렉터는 출력 노드(120) 및 전류 Icc를 제공하는 컬렉터 공급 바이어스 Vcc와 결합된다.

일반적으로, 과구동 보호 회로(100)를 주 전력 트랜지스터(116)와 결합시키는 것은 전체 회로에 가급적 적은 기생 효과가 더해지도록 하는 것이 바람직하다. 이는 과구동 보호 회로(100)에 의해 제공되는 임피던스가 주 전력 트랜지스터(116)의 입력단에서의 임피던스보다 훨씬 커지도록 검출 저항(106)의 크기를 조정함으로써 구현될 수 있다. 일반적으로, 도 1의 실시예에서, 과구동 보호 회로(100)의 추가된 임피던스는, 주 전력 트랜지스터(116)의 성능에 영향을 미치지 않도록, 일반적으로 주 전력 트랜지스터(116)의 입력단에서의 임피던스보다 8 내지 20 배만큼 클 수 있다. 검출 저항(106)의 현실적인 값은, 예를 들어 1 내지 100,000 옴일 수 있다. 검출 저항(106)의 크기는 턴온 전력 레벨, 즉 과구동 상태가 검출되고 과구동 보호 회로(100)가 턴온되는 전력 레벨에 영향을 미칠 수 있다.

과구동 보호 회로(100)의 기생 효과를 제한하는 것은 트랜지스터(102, 104)의 크기 및 배치에 의해 더 구현될 수 있다. 전술한 바와 같이, 트랜지스터(102, 104)는 달링톤 구조로 배열된다. 트랜지스터(102)는 트랜지스터(104)와 크기가 같으며, 달링톤 구조는 트랜지스터(102, 104)의 유효 추가 이미터-베이스 커패시턴스를 절반으로 줄일 수 있으며, 이는 과구동 보호 회로(100)가 서로 동일하고 직렬로 연결된 두 개의 이미터-베이스 접합 커패시턴스를 갖기 때문이다. 트랜지스터(102)는 트랜지스터(104)와 크기가 같을 필요는 없으며, 원하는 경우, 이미터-베이스 커패시턴스의 추가적인 감소가 트랜지스터(102)를 트랜지스터(104)보다 더 작게 만듬으로써 달성될 수 있다.

과구동 보호 회로(100)에 의해 추가되는 커패시턴스의 대부분은 트랜지스터(104)의 컬렉터-이미터 커패시턴스에 의해 제공될 수 있다. 트랜지스터(102, 104)가 RF 입력 전력 및 주 전력 트랜지스터(116)에 의해 다루어지는 바이어스 전류의 일부만을 분류시킬 필요가 있을 수 있다고 가정하면, 트랜지스터(102, 104)의 전체 영역은 칩 영역에 있어서 주 전력 트랜지스터(116)의 영역보다 더 작을 수 있다. 따라서, 트랜지스터(104)의 컬렉터-이미터 커패시턴스는 주 전력 트랜지스터(116)의 베이스-이미터 커패시턴스보다 훨씬 더 작을 수 있다. 예로서, 트랜지스터(102, 104)의 현실적인 크기는 일반적으로 주 전력 트랜지스터(116)보다 3 내지 100 배만큼 작다.

과구동 보호 회로(100)의 임피던스 및 커패시턴스 특징은 과구동 보호 회로(100)의 기생 효과를 제한하도록 작용한다. 일반적인 동작 상태 하에서, 과구동 보호 회로(100)는 실질적으로 투명할 수 있으며, 주 전력 트랜지스터(116)는 일반적으로 성능이 저하되지 않을 수 있다. 과구동 상태 하에서, 과구동 보호 회로(100)는 턴온되어, I_shunt로 도시된 바와 같이, 분류 라인(110)을 통해 바이어스 전류 Ibias 및 입력 RF 신호를 주 전력 트랜지스터(116)로부터 분류시킨다. 과구동 상태 하에서 입력을 분류시킴으로써, 출력 전력 소비량 및 피크 컬렉터 전압은 상당히 감소되고, 주 전력 트랜지스터(116)는 과도한 전력 소비로 인한 고장으로부터 보호된다.

도 2는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 다른 과구동 보호 회로(200)를 도시한다. 과구동 보호 회로(200)는 OP 앰프(202) 및 검출 저항(204)을 포함한다. 검출 저항(204)은 트랜지스터(208)를 통해 RF 전송 라인(206)과 결합되며, 상기 트랜지스터는 이미터 팔로워(emitter follower)로 동작한다. 검출 저항(204)은 제어 전압 노드(207)에서 OP 앰프(202)와 결합되며, 상기 제어 전압 노드는 저항(210)을 통해 바이어스 전압 Vbias를 제공하는 바이어스 전압원(209)과 결합된다. OP 앰프(202)의 출력 Vout은 저항(212)을 통해 트랜지스터(208)의 베이스와 결합된다. RF 전송 라인(206)은 RF 신호를 생성하는 RF 신호 입력원(214)과 결합되고, 전력 증폭기로 동작하는 주 전력 트랜지스터(216)의 베이스에 연결된다. RF 신호 입력원(214)은 트랜시버 내에 포함될 수 있다. 주 전력 트랜지스터(216)는 이미터 노드에서 접지되고, 주 전력 트랜지스터(216)의 컬렉터는 출력 노드(220) 및 전류 Icc를 제공하는 컬렉터 공급 바이어스 Vcc와 결합된다.

도 2의 과구동 보호 회로(200)는 OP 앰프(202)의 기준 전압 Vref1을 OP 앰프(202)의 제어 전압 Vcntl2으로 설정함으로써 동작하며, 상기 제어 전압의 값은, 검출 저항(204)을 통해 흐르고 트랜지스터(208)의 베이스 전류를 턴오프시키는 최대 베이스 바이어스 전류 Ibias에 의해 결정된다. 그 결과, 검출 저항(204)이 검출 저항을 통해 흐르는 매우 높은 바이어스 전류 Ibias를 검출하는 경우, 주 전력 트랜지스터(216)로 공급되는 베이스 바이어스 전류 Ibias는 과도한 입력 과구동 상태 하에서 분류될 것이다. 그 결과, 주 전력 트랜지스터(216)는 과구동 상태로부터 보호된다. 도 2의 과구동 보호 회로(200)는 주 전력 트랜지스터(216)를 포함하는 칩 상에 구현될 수 있다.

트랜지스터(208)의 예시적인 크기는 주 전력 트랜지스터(216)의 크기보다 3 내지 100 배만큼 더 작다. 기준 저항(212)의 예시적인 값은 100 내지 100,000 옴이다. 저항(210) 및 검출 저항(204)은 일반적으로, 과구동 보호 회로(200)의 일반적인 동작 도중, 저항(210) 및 검출 저항(204)의 비율이 기준 전압 Vref1보다 더 큰 제어 전압 Vcntl2를 유지시키도록 선택된다.

본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 제어 전압 Vcntl2 및 바이어싱 전류 Ibias는 다음과 같은 식에 의해 지배될 수 있다:

여기서, Icc는 주 전력 트랜지스터(216)의 목표 최대 구동 전류이고; 베타(Beta)는 주 전력 트랜지스터(216)의 DC 전류 이득이고; Rsense는 검출 저항(204)의 값이고 이는 목표 Icc에 따라 1 옴 내지 약 10,000 옴일 수 있으며; Vce + Vbe는 HBT의 경우 대략 1.5 V일 수 있으며, 여기서 Vce는 트랜지스터(208)의 컬렉터-이미터를 가로지르는 전압이고, Vbe는 주 전력 트랜지스터(216)의 베이스-이미터를 가로지르는 전압이다.

저항(210)의 수동 성분 R_210은 다음과 같은 식에 의해 결정될 수 있다:

기준 전압 Vref1은 OP 앰프(202)의 정의에 의해 제어 전압 Vcntl2와 동일하다(즉, Vref1 = Vcntl2). 저항(212)의 수동 성분 R_212은 다음과 같은 두 개의 식에 의해 주 전력 트랜지스터(216)의 정지 전류(quiescent current) Icq를 기반으로 결정될 수 있다:

여기서, Iref2는 저항(212)을 통하여 흐르는 전류이고; Beta_208는 대신호 하에서 트랜지스터(208)의 DC 전류 이득이고, Beta_216는 대신호 하에서 트랜지스터(216)의 DC 전류 이득이다.

도 3은 두 개의 과구동 보호 회로(100, 200)가 전력 증폭기인 주 전력 트랜지스터(302)를 보호하기 위해 사용되는 과구동 보호 회로(300)를 제공하도록 배치된 도 1 및 도 2의 과구동 보호 회로(100, 200)를 도시한다. 도 3의 유사한 도면번호는 도 1 및 도 2의 유사한 구성요소를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 두 개의 과구동 보호 회로(100, 200)는 RF 신호 전송 라인(306)과 결합되며, 상기 RF 신호 전송 라인은 RF 신호를 생성하는 RF 입력원(308)과 주 전력 트랜지스터(302)의 베이스 사이에서 연장된다. RF 신호 입력원(308)은 트랜시버 내에 포함될 수 있다. 주 전력 트랜지스터(302)는 이미터에서 저항(310)을 통해 접지되는 동시에, 컬렉터는 출력 노드(312) 및 전류 Icc를 제공하는 컬렉터 공급 바이어스 Vcc와 결합된다. 과구동 보호 회로(100, 200) 각각이 그들 자신의 과구동 보호 범위를 갖고 있기 때문에, 전체 보호 범위는 두 개의 과구동 보호 회로(100, 200)를 결합함으로써 더 확장될 수 있다. 각각의 과구동 보호 회로(100, 200)를 위한 검출 저항(106, 204)의 값을 신중하게 선택함으로써, 과구동 보호 회로들 중 어느 하나가 보호 범위의 한계에 도달하게 되면, 과구동 보호 회로들 중 다른 하나가 구동될 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시예는 과구동 상태로부터 전력 증폭기를 보호하면서 일반적인 상태 하에서는 투명하게 되는 다수의 방법을 제공한다. 여기에 기술된 회로 배열은 RF 신호 입력 및 전력 증폭기를 포함하는 칩 상에 구현될 수 있다. 칩에서 사용된 영역에 근거한 추가 비용은 일반적으로 작으며, 그 결과, 본 발명에 따른 과구동 보호 회로를 추가하는 효과는 일반적으로 비용에 의한 영향보다 더 크다. 추가적으로, 도 3의 과구동 보호 회로(300)에 도시되고 기술된 바와 같이, 두 개의 과구동 보호 회로(100, 200)를 결합하는 것은, 선형성을 희생하지 않으면서 포화 시 전력 부가 효율(power added efficiency)이 상당히 개선되는 동적으로 변화하는 바이어싱 회로를 제공한다.

도 4는 다양한 실시예에 따른, 과구동 보호 회로(100, 200 및/또는 300)의 동작에 대한 예시적인 방법(400)을 도시한다. (402)에서, RF 신호가 트랜시버에 의해 생성된다. (404)에서, RF 신호가 트랜시버에 의해 전송 라인을 따라 주 전력 트랜지스터로 전송된다. (406)에서, 전송 라인에 결합되어 동작하는 검출 저항을 통해, 과구동 상태가 보호 회로에 의해 검출된다. (408)에서, RF 신호가 보호 회로에 의해 주 전력 트랜지스터로부터 분기된다. 다양한 실시에에 따르면, 분기(diverting)는 RF 신호를 분류(shunting)함으로써 달성된다. 다양한 실시예에 따르면, 분기는 주 전력 트랜지스터의 베이스 바이어스 전류를 턴오프함으로써 달성된다.

본 발명이 HBT 기술을 참조로 기술되었으나, 통상의 기술자는 다른 바이폴라 기술, 예컨대 BJT(bipolar junction transistor), FET 및 BiCMOS(combination of BJT and complementary metal oxide semiconductor) 기술이 여기에 기술된 바에 따라 과구동 보호 회로로부터 효과를 거둘 수 있음을 이해할 것이다.

전술한 실시예가 RF 입력 과구동 상태로부터 RF 전력 증폭기를 보호하도록 구성된 과구동 보호 회로를 기술하지만, 보호 회로는 추가적으로/대안적으로 RF 전력 증폭기의 동작에 요구될 수 있는 다른 기능을 제공하도록 구성될 수도 있다. 예를 들어, 보호 회로는, RF 입력 과구동 상태로부터 보호하는 것 외에, 전술한 바와 유사한 방식으로 입력단 및 출력단 둘 모두에서 DC 과전압 상태로부터 RF 전력 증폭기를 보호하고, 미스매치 상태 하에서 RF 전력 증폭기를 보호하고, 그리고/또는 RF 전력 증폭기의 선형성을 개선시키도록 구성될 수 있다. 보호 회로는 후술하는 바와 같이 다양한 효율 개선을 제공하도록 더 구성될 수 있다.

도 5는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 보호 회로(500)를 도시한다. 보호 회로(500)는 달링톤 구조로 배열된 두 개의 트랜지스터(502, 504) 및 보상기(compensator)(506)를 포함한다. 보상기(506)는 전술한 과구동 보호 회로에 도시된 검출 저항을 대체한다. 보상기(506)는 RF 진폭 및/또는 위상 보상 회로로 동작할 수 있다. 일부 실시예에서, 주 전력 트랜지스터(516)에 비해 보다 작은 크기를 갖는 트랜지스터(502)를 보상하기 위해 보상기(506)가 RF 진폭 보상기로서 단독으로/주로 동작하여 RF 진폭을 감소시키는 경우, 보상기(506)는 전술한 실시예에 도시된 바와 같이 단순하게 저항을 포함할 수 있다. 위상 보상은 주 전력 트랜지스터(516)의 응답 프로파일의 선형성을 증가시키기 위한 일부 실시예에서 요구될 수 있다. 따라서, 보상기(506)는 이 실시예에서 요구되는 위상 보상을 제공하기 위해 추가적인/대안적인 컴포넌트를 포함할 수 있다. 예를 들어, 보상기(506)는 RF 진폭 및 위상 보상 둘 모두를 제공하기 위해 커패시터와 병렬로 결합된 저항을 포함할 수 있다.

보호 회로(500)는 보상기(506) 및 분류 라인(510)을 통해 RF 전송 라인(508)과 결합된다. RF 전송 라인(508)은 RF 신호를 제공하는 입력 노드(512)와 결합되고, 베이스 바이어스 전류 Ibias를 제공하는 전류원, 예컨대 입력 바이어스 네트워크(514)와도 결합된다. 입력 바이어스 네트워크(514)는 베이스 바이어스 전압(Vbase) 노드(522)와 결합될 수 있다. RF 전송 라인(508)은 RF 신호용 전력 증폭기로 동작하는 주 전력 트랜지스터(516)의 베이스와 더 결합된다. 주 전력 트랜지스터(516)는 이미터에서 저항(518)을 통해 접지되는 동시에, 컬렉터는 출력 노드(520) 및 컬렉터 공급 전류 Icc를 제공하는 출력 바이어스 네트워크(524)와 결합된다. 출력 바이어스 네트워크(524)는 Vcc 노드(526)와 결합된다.

입력 바이어스 네트워크(514) 및 출력 바이어스 네트워크(524)가 도 1, 도 2 및 도 3에 명시적으로 도시되지는 않았지만, 이러한 네트워크들은 여기에 기술된 과구동 보호 회로의 동작을 변경시키지 않으면서 상기 도면들의 회로에 포함될 수 있음이 이해될 것이다.

보호 회로(500)는 Vbase 노드(522), 트랜지스터(502)의 이미터 및 트랜지스터(504)의 베이스와 결합되는 검출기(528)를 더 포함한다. 검출기(528)는 과전압 상태를 검출하도록 구성될 수 있다. 도시된 바와 같이, 검출기(528)는 저항(532)을 포함한 전압 분배기를 통해 트리거 전압, 예컨대 Vbase의 전압 레벨을 검출함으로써 과전압 상태를 검출하도록 구성될 수 있다. 다른 실시예에서, 추가적인/대안적인 컴포넌트가 전압 레벨을 검출하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 검출기(528)는 다이오드 체인을 포함할 수 있다.

검출기(528)는 트리거 전압, 예컨대 Vbase를 추적하고, 트랜지스터(502, 504)를 위해 바이어싱 전압 Vt을 제공할 수 있다. Vt는 Vbase와 비례하여 증가할 것이다. Vt가 충분히 높은 경우, 즉 Vt가 기결정된 전압보다 더 큰 경우, 트랜지스터(504)는 턴온될 것이며, 그 결과 주 전력 트랜지스터(516)의 베이스 전압 Vbt을 풀다운할 수 있다. 트랜지스터(504)가 턴온된 동안 Vbt는 낮게 유지될 수 있다. 낮은 Vbt는 주 전력 트랜지스터(516)를 셧 오프하여, 주 전력 트랜지스터(516)를 통해 전류가 거의 흐르지 않거나 아예 흐르지 않을 수 있다. 저항들(532 및 534) 간의 비율은 요구되는 과전압 보호 레벨을 위해 설계될 수 있다.

보호 회로(500)는 RF 과구동 및/또는 과전압 상태로부터 주 전력 트랜지스터(516)를 더 보호할 수 있다. 입력 노드(512)에 RF 신호가 인가되는 경우, RF 전압은 보상기(506)와 트랜지스터들(502, 504)의 임피던스 레벨에 따라, 보상기(506) 및 트랜지스터(502, 504)의 두 베이스-이미터 접합에 분배될 수 있다. 일반적인 RF 동작 하에서, RF 전압은 트랜지스터(502) 또는 트랜지스터(504) 중 어느 하나를 턴온시키기에 충분히 높지 않을 것이다. 전술한 바와 같이, 트랜지스터(502, 504)는 부하 효과를 감소시키기 위해 주 전력 트랜지스터(516)보다 훨씬 더 작다. 따라서, 보호 회로(500)는 일반적인 입력 레벨에서 주 전력 트랜지스터(516)에 투명하다. RF 신호의 구동 레벨이 증가함에 따라, 트랜지스터(502) 또는 트랜지스터(504)에서의 전압은 두 트랜지스터 중 어느 하나 또는 둘 모두를 턴온시키기에 충분히 높을 수 있다. 이러한 상태 하에서, 트랜지스터(502) 및/또는 트랜지스터(504)는 주 전력 트랜지스터(516)의 입력단에 전류 경로를 제공한다. 이러한 RF 과구동 및/또는 과전압 상태 하에서 입력 전류를 분류함으로써, Vbt는 Icc와 같이 낮게 풀다운된다. 출력 전력 소모량 및 피크 컬렉터 전압은 상당히 감소될 수 있으며, 주 전력 트랜지스터(516)는 과도한 전력 소모로 인한 고장으로부터 보호될 수 있다. 보상기(506)의 임피던스, 트랜지스터(502, 504)의 크기 및 커패시터(536)의 값은 입력단에서의 전압 분배를 결정할 수 있다. 따라서, 이러한 값들은 보호 회로(500)를 턴온시키는 입력 RF 전력의 레벨을 결정한다. 바이어싱 전압 Vt은 보호 회로(500)가 동작하는 RF 입력 전력 레벨의 결정에 중요한 역할을 할 수도 있다. 따라서, 보호 회로(500)는 요구되는 보호 전력 레벨을 달성하기 위해 중요한 설계 자유도를 제공하고, 전력 증폭기 제품에 서로 다른 프로세스, 전력 레벨 및 회로 구성을 추가시킨다.

보호 회로(500)에 의한 Icc의 감소는 오직 주 전력 트랜지스터(516)가 그 포화 전력에 가까이 접근하여 동작하는 경우에만 일어날 것이므로, 주 전력 트랜지스터(516)의 선형성에 부정적인 영향을 미치지 않을 것이다. 반면, 보호 회로(500)는, 적어도 부분적으로 트랜지스터(502)에 의해 발생된 매우 낮은 레벨의 3차 비선형성으로 인해, 주 전력 트랜지스터(516)의 응답 프로파일의 선형성을 개선시킬 수 있다. 이러한 비선형성은 주 전력 트랜지스터(516)에 의해 증폭되고, 주 전력 트랜지스터(516)에 의해 발생된 비선형성의 적어도 일부를 제거하도록 구동할 수 있다. 제거되는 양은 트랜지스터(502, 504), 보상기(506)의 컴포넌트 및 커패시터(536)의 크기를 조정함으로써 조절될 수 있다.

도 6은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 보호 회로(600)를 도시한다. 보호 회로(600)는 보호 회로(500)와 유사할 수 있으며, 유사한 컴포넌트가 실질적으로 서로 교환될 수 있지만, 보호 회로(600)는 Vbase 노드(622)와 결합되기 보다는 출력 바이어스 네트워크(624)와 결합되는 검출기(628)를 포함할 수 있다. 전술한 바와 유사한 방식으로, 검출기(628)는 트리거 전압을 추적하고, 트랜지스터(602, 604)를 위해 비례하는 바이어싱 전압 Vt을 제공할 수 있다. 그러나, 이 실시예에서, 트리거 전압은 Vbase보다는 컬렉터 공급 바이어스 Vcc일 수 있다.

보호 회로(600)는 보호 회로(500)와 유사하게, DC 과전압 보호, RF 과전압 보호 및 증가된 선형성을 제공하도록 동작할 수 있다. 보호 회로(600)는 출력 노드(620)에 직접적으로 결합되는 보호 회로(600)의 영향에 의해 미스매치 상태가 발생한 경우 주 전력 트랜지스터(616)를 보호함으로써 추가적인 강건함을 제공할 수 있다.

미스매치 상태 하에서, 주 전력 트랜지스터(616)의 출력단은 임의적인 크기 및 위상의 임피던스에 연결될 수 있다. 그 결과, 출력 노드(620)에서의 전압 및 전류는 매칭된 부하를 갖는 경우보다 훨씬 더 높은 피크값을 가질 수 있다. 특정한 VSWR(voltage standing wave form ratio) 레벨의 경우, 장치는 전압 또는 전류 중 어느 하나가 SOA(safe operation area) 곡선에 닿는 경우에 따라, 임의의 위상에서 고장날 수 있다. 보호 회로(600)는 피크 전류 및 피크 출력 전압 둘 모두를 제한하여, 미스매치 상태 하에서 동작을 개선시킬 수 있다.

도 7은 다양한 실시예에 따른 보호 회로(100, 200, 300, 500 및/또는 600)의 동작에 대한 예시적인 방법(700)을 도시한다. (702)에서, RF 신호가 트랜시버에 의해 생성된다. (704)에서, RF 신호는 트랜시버에 의해 전송 라인을 따라 주 전력 트랜지스터로 전송된다. (706)에서, 과구동 또는 과전압 상태가 전송 라인에 결합된 보호 회로에 의해 검출된다. 일부 실시예에서, 보호 회로는 과구동 및 과전압 상태 둘 모두를 검출할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 과전압 상태의 검출은 트리거 전압에 비례하는 바이어스 전압을 보호 회로의 트랜지스터로 제공하는 보호 회로의 검출기에 의해 수행될 수 있다. (708)에서, 보호 회로는 과구동 또는 과전압 상태가 검출된 경우, 주 전력 트랜지스터에서의 전류 또는 전압을 감소시킬 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 감소는 RF 신호 및/또는 DC 바이어싱의 분류에 의해 달성된다.

보호 회로(100, 200, 300, 500 및/또는 600)는 다양한 장치 및 시스템에 도입될 수 있다. 전력 증폭기(808)를 포함하는 증폭 회로(804)에 과구동 보호 회로(100, 200, 300, 500 및/또는 600) 중 어느 하나((802)로 도시됨)가 도입된 예시적인 무선 전송 장치(800)의 블록도가 도 8에 도시된다. 증폭 회로(804)에 더하여, 무선 전송 장치(800)는 적어도 도시된 바와 같이 서로 간에 결합된 안테나 구조물(812), 듀플렉서(816), 트랜시버(820), 메인 프로세서(824) 및 메모리(828)를 가질 수 있다. 무선 전송 장치(800)가 전송 및 수신 기능을 갖도록 도시되었으나, 다른 실시예는 수신 기능이 없는 무선 전송 장치를 포함할 수 있다.

다양한 실시예에서, 무선 전송 장치(800)는 이동 전화기, 호출기, PDA(personal digital assistant), 텍스트 메시징 장치, 휴대용 컴퓨터, 데스크탑 컴퓨터, 전기통신 기지국, 가입자 스테이션, AP(access point), 레이더, 위성 통신 장치 또는 RF 신호를 무선으로 전송할 수 있는 임의의 다른 장치일 수 있으나 이에 제한되지는 않는다.

메인 프로세서(824)는 메모리(828)에 저장된 기본 OS 프로그램을 실행하여, 무선 전송 장치(800)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 예를 들어, 메인 프로세서(824)는 트랜시버(820)에 의한 신호의 수신 및 신호의 전송을 제어할 수 있다. 메인 프로세서(824)는, 실행되는 프로세스에 의해 요구되는 바와 같이, 메모리(828) 내에 있는 다른 프로세스 및 프로그램을 실행할 수 있으며, 데이터를 메모리(828)로 또는 메모리 바깥으로 이동시킬 수 있다.

트랜시버(820)는 메인 프로세서(824)로부터 전송되는 데이터(예컨대, 음성 데이터, 웹 데이터, 이메일, 시그널링 데이터 등)를 수신할 수 있으며, 전송되는 데이터를 나타내기 위해 RFin 신호를 생성하고, RFin 신호를 증폭 회로(804)로 제공할 수 있다.

증폭 회로(804)는 선택된 증폭 모드에 따라 RFin 신호를 증폭할 수 있다. 증폭된 RFamp 신호는 듀플렉서(816)로 전달되고, 그리고 나서 OTA(over-the-air) 전송을 위해 안테나 구조물(812)로 전달될 수 있다.

유사한 방식으로, 트랜시버(820)는 듀플렉서(816)를 통해 안테나 구조물(812)로부터 유입되는 OTA 신호를 수신할 수 있다. 트랜시버(820)는 유입되는 신호를 처리하고, 추가적인 프로세싱을 위해 메인 프로세서(824)로 송신할 수 있다.

다양한 실시예에서, 안테나 구조물(812)은 하나 또는 그 이상의 지향성 및/또는 전방향 안테나를 포함할 수 있으며, 예컨대 쌍극 안테나, 단극 안테나, 패치(patch) 안테나, 루프 안테나, 마이크로스트립 안테나 또는 RF 신호의 OTA 전송/수신에 적합한 임의의 다른 타입의 안테나를 포함할 수 있다.

통상의 기술자는 무선 전송 장치(800)가 예로서 제시되었으며, 단순함과 명확함을 위해, 실시예의 이해에 필요한 만큼만 무선 전송 장치(800)의 구조 및 동작이 도시되고 기술되었음을 파악할 것이다. 다양한 실시예는 특별한 요구에 따라 무선 전송 장치(800)와 관련하여 임의의 적절한 작업을 수행하는 임의의 적절한 컴포넌트 또는 컴포넌트들의 조합을 고려한다. 또한, 무선 전송 장치(800)는 실시예가 구현될 수 있는 장치의 유형을 제한하도록 해석되지 않을 것이다.

비록 본 발명이 전술한 실시예에 관하여 기술되었으나, 통상의 기술자는 동일한 목적을 달성하기 위해 계산된 대안적이거나 그리고/또는 균등한 구현이, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서, 도시되고 기술된 특정한 실시예를 대체할 수 있음을 인식할 것이다. 통상의 기술자는 본 발명의 내용이 다양한 실시예에서 구현될 수 있음을 쉽게 인식할 것이다. 본 명세서는 제한적인 것이 아닌 설명적인 것으로 고려되도록 의도된다.

100: 과구동 보호 회로 102, 104: 트랜지스터
106: 검출 저항 108: RF 전송 라인
116: 주 전력 트랜지스터

Claims

RF(radio frequency) 신호를 전송하도록 구성된 전송 라인;
전송 라인과 결합되는 베이스를 갖고 RF신호를 증폭하도록 구성되는 주 전력 트랜지스터; 및
전송 라인과 결합되고, 과구동 또는 과전압 상태를 검출하고 상기 과구동 또는 과전압 상태의 검출에 기반하여 주 전력 트랜지스터에서의 전류 또는 전압을 감소시키도록 구성된 보호 회로를 포함하고,
상기 보호 회로는,
RF 신호의 진폭 또는 위상을 보상하도록 구성되는 보상기; 및
상기 보상기 및 분류 라인을 통해 전송 라인에 결합되는 두 개의 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 회로.
제 1항에 있어서,
상기 두 개의 트랜지스터는 달링톤(Darlington) 구조로 배열되는 것을 특징으로 하는 회로.
검출 저항을 포함하는 보호 회로;
RF(radio frequency) 신호를 전송하도록 구성된 전송 라인; 및
RF신호용 전력 증폭기로 기능하는 주 전력 트랜지스터를 포함하고,
상기 보호 회로는 검출 저항을 통해 전송 라인과 결합되고, 상기 보호 회로는 전송 라인을 통해 주 전력 트랜지스터의 베이스와 결합되고, 이미터 팔로워를 통해 전송 라인과 결합되고,
상기 보호 회로는 OP 앰프를 더 포함하고,
상기 검출 저항은, 상기 OP 앰프의 전압 제어 노드와 결합되고, 상기 이미터 팔로워의 컬렉터를 통해 상기 전송 라인과 결합되고,
상기 OP 앰프의 출력단은 상기 이미터 팔로워의 베이스와 결합되는 것을 특징으로 하는 회로.
제 3항에 있어서,
상기 보호 회로는 제1보호 회로를 포함하고, 상기 검출 저항은 제1검출 저항을 포함하고, 상기 회로는:
전송 라인을 통해 주 전력 트랜지스터의 베이스와 결합되는 제2보호 회로를 더 포함하고,
상기 제2보호 회로는 전송 라인과 결합되는 제2검출 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 회로.
제 4항에 있어서,
상기 제2보호 회로는 분류 라인을 통해 전송 라인에 결합되고 제2검출 저항에 결합되는 두 개의 트랜지스터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회로.
제 5항에 있어서,
상기 두 개의 트랜지스터는 달링톤(Darlington) 구조로 배열되는 것을 특징으로 하는 회로.
RF 신호를 제공하도록 구성되는 트랜시버;
상기 트랜시버와 결합되며, 상기 RF 신호를 수신하고 증폭하도록 구성된 주 전력 트랜지스터를 포함하는 증폭 회로;
상기 RF 신호를 상기 트랜시버로부터 상기 주 전력 트랜지스터의 베이스로 전송하도록 구성되는 전송 라인; 및
전송 라인과 결합되고, 과구동 또는 과전압 상태를 검출하고 상기 과구동 또는 과전압 상태의 검출에 기반하여 주 전력 트랜지스터에서의 전류 또는 전압을 감소시키도록 구성된 보호 회로를 포함하고,
상기 보호 회로는,
RF 신호의 진폭 또는 위상을 보상하도록 구성되는 보상기; 및
상기 보상기 및 분류 라인을 통해 전송 라인에 결합되는 두 개의 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 7항에 있어서,
상기 두 개의 트랜지스터는 달링톤(Darlington) 구조로 배열되는 것을 특징으로 하는 시스템.
RF 신호를 제공하도록 구성되는 트랜시버; 및
상기 트랜시버와 결합되는 증폭 회로를 포함하고, 상기 증폭 회로는:
상기 RF 신호를 수신하고 증폭하도록 구성된 주 전력 트랜지스터;
상기 RF 신호를 상기 트랜시버로부터 상기 주 전력 트랜지스터의 베이스로 전송하도록 구성되는 전송 라인; 및
전송 라인과 결합되는 검출 저항을 포함하는 과구동 보호 회로를 포함하고,
상기 과구동 보호 회로는 이미터 팔로워를 통해 전송 라인과 결합되고,
상기 과구동 보호 회로는 OP 앰프를 더 포함하고,
상기 검출 저항은, 상기 OP 앰프의 전압 제어 노드와 결합되고, 상기 이미터 팔로워의 컬렉터를 통해 상기 전송 라인과 결합되고,
상기 OP 앰프의 출력단은 이미터 팔로워의 베이스와 결합되는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 9항에 있어서,
상기 과구동 보호 회로는 제1과구동 보호 회로를 포함하고, 상기 검출 저항은 제1검출 저항을 포함하고, 상기 시스템은:
전송 라인을 따라 주 전력 트랜지스터의 베이스와 결합되는 제2과구동 보호 회로를 더 포함하고,
상기 제2과구동 보호 회로는 전송 라인과 결합되는 제2검출 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 10항에 있어서,
상기 제2과구동 보호 회로는 분류 라인을 통해 전송 라인에 결합되고 제2검출 저항에 결합되는 두 개의 트랜지스터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 11항에 있어서,
상기 두 개의 트랜지스터는 달링톤(Darlington) 구조로 배열되는 것을 특징으로 하는 시스템.
트랜시버가 RF 신호를 생성하는 단계;
상기 트랜시버가 전송 라인을 따라 주 전력 트랜지스터로 상기 RF 신호를 전송하는 단계; 및
전송 라인과 결합되는 보호 회로가 과구동 또는 과전압 상태를 검출하는 단계를 포함하고,
상기 검출하는 단계는,
보호 회로의 검출기로 트리거 전압을 추적하는 단계;
트리거 전압에 비례하는 바이어싱 전압을 보호 회로의 두 개의 트랜지스터에 제공하는 단계; 및
보호 회로가 상기 검출에 기초하여 주 전력 트랜지스터에서 전류 또는 전압을 감소시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 13항에 있어서,
상기 감소시키는 단계는, 보호 회로를 통해 RF 신호의 적어도 일부를 분류(shunting)하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
트랜시버가 RF 신호를 생성하는 단계;
상기 트랜시버가 전송 라인을 따라 상기 RF 신호를 주 전력 트랜지스터로 전송하는 단계;
상기 전송 라인과 결합된 검출 저항을 통해 보호 회로가 주 전력 트랜지스터에서의 과구동 상태를 검출하는 단계;
보호 회로가 RF 신호의 적어도 일부를 주 전력 트랜지스터로부터 분기하는(diverting) 단계; 및
보호 회로가 보호 레벨에 도달할 때 검출하고 다른 보호 회로가 보호 레벨에 도달할 때 턴온하는 단계를 포함하고,
상기 분기하는 단계는, 보호 회로 또는 다른 보호 회로에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 15항에 있어서,
상기 분기하는 단계는, 보호 회로를 통해 RF 신호를 분류하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 15항에 있어서,
상기 분기하는 단계는, 주 전력 트랜지스터의 베이스 바이어스 전류를 턴오프하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 14항에 있어서,
보호 회로가 보호 레벨에 도달할 때 검출하고 보호 레벨에 도달할 때 다른 보호 회로가 베이스 바이어스 전류를 감소하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 13항에 있어서,
상기 감소시키는 단계는, 주 전력 트랜지스터의 전류를 턴오프하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 13항에 있어서,
상기 주 전력 트랜지스터 및 보호 회로는 단일 칩 상에서 구현되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1항에 있어서,
상기 보호 회로 및 주 전력 트랜지스터는 단일 칩 상에서 구현되는 것을 특징으로 하는 회로.
제 3항에 있어서,
상기 보호 회로 및 주 전력 트랜지스터는 단일 칩 상에서 구현되는 것을 특징으로 하는 회로.
제 13항에 있어서,
보호 회로가 주 전력 트랜지스터의 응답 프로파일의 선형성을 증가시키도록 RF 신호의 위상을 보상하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.