KR102080110B1 - 포락선 추적을 수행하는 통신 장치 - Google Patents

포락선 추적을 수행하는 통신 장치 Download PDF

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Abstract

포락선 추적을 수행하는 통신 장치가 개시된다. 일 실시예에 따른 통신 장치는 배터리로부터 출력되는 전류의 통전을 제어하기 위한 복수 개의 스위치, 제1 커패시터 및 인덕터를 포함하는 스위칭 회로와, 상기 복수 개의 스위치의 개폐를 제어하기 위한 컨트롤러와, 모뎀으로부터 수신하는 입력 신호, 상기 스위칭 회로로부터 통전된 전류 및 상기 스위칭 회로로부터 통전된 전압에 기초하여 상기 출력 전압을 전력 증폭기로 공급하는 선형 증폭기를 포함한다.

Description

포락선 추적을 수행하는 통신 장치{COMMUNICATION DEVICE FOR ENVELOPE TRACKING}
아래 실시예들은 포락선 추적을 수행하는 통신 장치에 관한 것이다.
무선 통신 시스템은 한정된 주파수 자원을 보다 효율적으로 사용하기 위해 디지털 변조 방식을 주로 사용하고 있다. 이러한 디지털 변조된 신호는 그 용도에 맞게 RF(Radio Frequency) 전력 증폭기를 이용한 신호의 증폭과정을 통해 안테나로 전달될 수 있다.
한편, 고속 및 대용량의 데이터 처리를 위한 사용자 요구에 따라 많은 양의 정보를 한번에 전송할 수 있는 다중 반송파(multi-carrier) 전송 방식이나 다차원의 변조방식 등이 개발되고 있다. 이러한 다차원 변조방식 및 다중 반송파 전송 방식이 HPA(high power amplifier)를 통하여 전송될 때는 고출력 증폭기가 가지고 있는 비선형적인 특성으로 인해 신호 왜곡을 야기시킬 수 있다.
무선 통신 시스템은 송신기의 전력 증폭기가 전술한 경우들을 비롯하여 다양한 상황에서 고선형/고효율 특성을 가지도록 함으로써 송수신 성능을 향상시킬 수 있다.
(출원번호 : 10-2014-0019119)
일 실시예에 따른 통신 장치는, 배터리로부터 출력되는 전류의 통전을 제어하기 위한 복수 개의 스위치, 제1 커패시터 및 인덕터를 포함하는 스위칭 회로와, 상기 복수 개의 스위치의 개폐를 제어하기 위한 컨트롤러와, 모뎀으로부터 수신하는 입력 신호, 상기 스위칭 회로로부터 통전된 전류 및 상기 스위칭 회로로부터 통전된 전압에 기초하여 상기 출력 전압을 전력 증폭기로 공급하는 선형 증폭기를 포함한다.
상기 복수 개의 스위치는, 트랜지스터로 구현될 수 있다.
상기 복수 개의 스위치는, 일단이 상기 배터리와 연결되고, 타단이 상기 제1 커패시터의 일단 및 상기 인덕터의 일단과 연결된 제1 스위치와, 일단이 상기 배터리와 연결되고, 타단이 상기 제1 커패시터의 타단과 연결된 제2 스위치와, 일단이 상기 제2 스위치의 타단 및 상기 제1 커패시터의 타단과 연결된 제3 스위치와, 일단이 상기 제1 스위치의 타단, 상기 제1 커패시터의 일단 및 상기 인덕터의 일단과 연결되고, 타단이 접지된 제4 스위치를 포함할 수 있다.
상기 선형 증폭기는, 제1 입력 단자 및 제2 입력 단자를 통해 상기 모뎀으로부터 상기 입력 신호를 수신하고, 상기 제2 입력 단자는 상기 인덕터의 타단에 연결되고, 상기 제1 입력 단자 및 상기 제2 입력 단자는 서로 반전 관계일 수 있다.
상기 선형 증폭기는, 상기 제3 스위치를 통해 상기 통전된 전압을 공급받을 수 있다.
상기 스위칭 회로 및 상기 선형 증폭기를 DC적으로 분리하기 위한 제2 커패시터를 더 포함할 수 있다.
상기 제2 커패시터는, 일단이 상기 선형 증폭기의 출력단에 연결되고, 타단이 상기 인덕터의 타단에 연결될 수 있다.
상기 컨트롤러는, 상기 선형 증폭기의 출력 전류, 상기 제2 커패시터의 전압 및 상기 통전된 전압 중에서 적어도 하나에 기초하여 상기 복수 개의 스위치의 개폐를 제어할 수 있다.
상기 컨트롤러는, 히스테리틱 제어(hysteretic control)를 사용하여 상기 복수 개의 스위치의 개폐를 제어할 수 있다.
상기 컨트롤러는, 입력 계수가 제1 임계치 초과인 경우, 상기 입력 계수가 제2 임계치 미만이 될 때까지 제1 동작 모드로 상기 복수 개의 스위치의 개폐를 제어하고, 상기 입력 계수가 상기 제2 임계치 미만인 경우, 상기 입력 계수가 상기 제1 임계치 초과가 될 때까지 제3 동작 모드로 상기 복수 개의 스위치의 개폐를 제어할 수 있다.
상기 제1 임계치 및 상기 제2 임계치는 부호가 반대이고, 상기 제1 임계치는 상기 제2 임계치보다 클 수 있다.
상기 컨트롤러는, 상기 통전된 전압이 공급 희망 전압 미만인 경우, 상기 입력 계수와 상기 제1 임계치, 상기 제2 임계치 및 제3 임계치를 비교하여 상기 복수 개의 스위치의 개폐를 제어하고, 상기 통전된 전압이 상기 공급 희망 전압 초과인 경우, 상기 입력 계수와 상기 제1 임계치 및 상기 제2 임계치를 비교하여 상기 복수 개의 스위치의 개폐를 제어하고, 상기 제3 임계치는 상기 제1 임계치보다 작고 상기 제2 임계치보다 클 수 있다.
상기 컨트롤러는, 상기 통전된 전압이 공급 희망 전압 미만인 경우, 상기 입력 계수가 상기 제1 임계치 초과인 경우, 상기 입력 계수가 상기 제3 임계치 미만이 될 때까지 상기 제1 동작 모드로 상기 복수 개의 스위치의 개폐를 제어하고, 상기 입력 계수가 상기 제3 임계치 미만인 경우, 상기 입력 계수가 상기 제1 임계치 초과가 되거나 또는 상기 입력 계수가 상기 제2 임계치 미만이 될 때까지 제2 동작 모드로 상기 복수 개의 스위치의 개폐를 제어하고, 상기 입력 계수가 상기 제2 임계치 미만인 경우, 상기 입력 계수가 상기 제1 임계치 초과가 될 때까지 상기 제3 동작 모드로 상기 복수 개의 스위치의 개폐를 제어할 수 있다.
상기 컨트롤러는, 상기 제1 동작 모드에서 상기 제1 스위치를 ON하고, 상기 제2 스위치, 상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치를 OFF할 수 있다.
상기 컨트롤러는, 상기 제1 동작 모드에서 상기 제1 스위치 및 상기 제3 스위치를 ON하고, 상기 제2 스위치 및 상기 제4 스위치를 OFF할 수 있다.
상기 컨트롤러는, 상기 제2 동작 모드에서 상기 제2 스위치를 ON하고, 상기 제1 스위치, 상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치를 OFF할 수 있다.
상기 컨트롤러는, 상기 제3 동작 모드에서 상기 제4 스위치를 ON하고, 상기 제1 스위치, 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치를 OFF할 수 있다.
상기 선형 증폭기는, 제1 증폭기, 제2 증폭기 및 제3 증폭기가 폴디드 캐스코드(folded cascode) 구조의 쓰리-스테이지(3-stage)로 구현되어 하이게인 멀티 스테이지(high gain multi stage) 밀러 피드백 루프(Miller feedback loop)가 적용될 수 있다.
상기 선형 증폭기는, 상기 제3 증폭기의 PMOS(P-channel metal oxide semiconductor) 및 NMOS(N-channel metal oxide semiconductor)의 기생 용량(parasitic capacitance)을 동일하게 유지하기 위하여, 일단이 상기 PMOS 및 상기 NMOS와 연결된 제3 커패시터를 더 포함할 수 있다.
상기 컨트롤러는, 상기 모뎀으로부터 수신하는 전이 신호(transition signal)가 상승 중인 경우, 제1 동작 모드와 제4 동작 모드를 교체하여 수행하고, 상기 전이 신호가 하강 중인 경우, 상기 제1 동작 모드와 제3 동작 모드를 교체하여 수행하고, 상기 제1 동작 모드는, 상기 제1 스위치 및 상기 제3 스위치를 ON하고, 상기 제2 스위치 및 상기 제4 스위치를 OFF하고, 상기 제3 동작 모드는, 상기 제4 스위치를 ON하고, 상기 제1 스위치, 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치를 OFF하고, 상기 제4 동작 모드는, 상기 제2 스위치 및 제4 스위치를 ON하고, 상기 제1 스위치 및 상기 제3 스위치를 OFF할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 통신 시스템의 개략적인 블록도를 나타낸다.
도 2는 도 1에 도시된 통신 장치의 블록도를 나타낸다.
도 3은 도 2에 도시된 스위칭 회로의 구조도를 나타낸다.
도 4는 일 실시예에 따른 통신 시스템의 구조도를 나타낸다.
도 5는 컨트롤러가 전류 값(ILA)에 기초하여 복수 개의 스위치의 개폐를 제어하는 동작을 설명하기 위한 도면의 일 예이다.
도 6은 컨트롤러가 전류 값(ILA)에 기초하여 복수 개의 스위치의 개폐를 제어하는 동작을 설명하기 위한 도면의 다른 예이다.
도 7a는 컨트롤러가 전류 값(ILA)에 기초하여 복수 개의 스위치의 개폐를 제어하는 동작을 설명하기 위한 도면의 다른 예이다.
도 7b는 컨트롤러가 전류 값(ILA)에 기초하여 복수 개의 스위치의 개폐를 제어하는 동작을 설명하기 위한 도면의 다른 예이다.
도 8은 컨트롤러가 전류 값(ILA) 및 전압 값 (VAC)에 기초하여 복수 개의 스위치의 개폐를 제어하는 동작을 설명하기 위한 도면의 일 예이다.
도 9a는 컨트롤러가 전류 값(ILA) 및 전압 값 (VAC)에 기초하여 복수 개의 스위치의 개폐를 제어하는 동작을 설명하기 위한 도면의 다른 예이다.
도 9b는 컨트롤러가 전류 값(ILA) 및 전압 값 (VAC)에 기초하여 복수 개의 스위치의 개폐를 제어하는 동작을 설명하기 위한 도면의 다른 예이다.
도 9c는 컨트롤러가 전류 값(ILA) 및 전압 값 (VAC)에 기초하여 복수 개의 스위치의 개폐를 제어하는 동작을 설명하기 위한 도면의 다른 예이다.
도 10은 컨트롤러가 통전된 전압 값(VDD_LA), 전류 값(ILA) 및 전압 값 (VAC)에 기초하여 복수 개의 스위치의 개폐를 제어하는 동작을 설명하기 위한 도면의 일 예이다.
도 11은 컨트롤러가 통전된 전압 값(VDD_LA), 전류 값(ILA) 및 전압 값 (VAC) 에 기초하여 복수 개의 스위치의 개폐를 제어하는 동작을 설명하기 위한 도면의 다른 예이다.
도 12a는 컨트롤러가 통전된 전압 값(VDD_LA), 전류 값(ILA) 및 전압 값 (VAC)에 기초하여 복수 개의 스위치의 개폐를 제어하는 동작을 설명하기 위한 도면의 다른 예이다.
도 12b는 컨트롤러가 통전된 전압 값(VDD_LA), 전류 값(ILA) 및 전압 값 (VAC)에 기초하여 복수 개의 스위치의 개폐를 제어하는 동작을 설명하기 위한 도면의 다른 예이다.
도 12c는 컨트롤러가 통전된 전압 값(VDD_LA), 전류 값(ILA) 및 전압 값 (VAC)에 기초하여 복수 개의 스위치의 개폐를 제어하는 동작을 설명하기 위한 도면의 다른 예이다.
도 13a는 컨트롤러가 통전된 전압 값(VDD_LA), 전류 값(ILA) 및 전압 값 (VAC)에 기초하여 복수 개의 스위치의 개폐를 제어하는 동작을 설명하기 위한 도면의 다른 예이다.
도 13b는 컨트롤러가 통전된 전압 값(VDD_LA), 전류 값(ILA) 및 전압 값 (VAC)에 기초하여 복수 개의 스위치의 개폐를 제어하는 동작을 설명하기 위한 도면의 다른 예이다.
도 14a는 선형 증폭기의 구조도의 일 예를 나타낸다.
도 14b는 선형 증폭기의 구조도의 다른 예를 나타낸다.
도 15는 선형 증폭기의 성능을 설명하기 위한 도면이다.
도 16은 일 실시예에 따른 통신 시스템의 전반적인 구조도를 나타낸다.
도 17은 도 16의 통신 시스템이 칩에 구현되는 일 예를 나타낸다.
도 18은 일 실시예에 따른 통신 시스템의 성능을 측정하기 위한 실험 환경을 나타낸다.
도 19는 통신 시스템의 성능을 그래프로 표현한 일 예이다.
도 20은 통신 시스템의 성능을 그래프로 표현한 다른 예이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
제1 또는 제2등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만, 예를 들어 실시예의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 일 실시예에 따른 통신 시스템의 개략적인 블록도를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 통신 시스템(communication system; 10)은 전자 장치에 포함된 시스템일 수 있다.
전자 장치는 PC(personal computer), 데이터 서버, 또는 휴대용 장치로 구현될 수 있다.
휴대용 장치는 오디오용 전력 증폭기(power amplifier(PA)), 랩탑(laptop) 컴퓨터, 이동 전화기, 스마트 폰(smart phone), 태블릿 PC(tablet personal computer), 넷북 컴퓨터(netbook computer), 모바일 인터넷 디바이스(mobile internet device(MID)), PDA(personal digital assistant), EDA(enterprise digital assistant), 디지털 스틸 카메라(digital still camera), 디지털 비디오 카메라(digital video camera), MP3 플레이어, PMP(portable multimedia player), PND(personal navigation device 또는 portable navigation device), 휴대용 게임 콘솔(handheld game console), e-북(e-book), 또는 스마트 디바이스(smart device)로 구현될 수 있다.
스마트 디바이스는 스마트 와치(smart watch watch) 또는 스마트 밴드(smart band)로 구현될 수 있다. 즉, 전자 장치는 사용자가 착용할 수 있는 또는 착용하기에 적합한 웨어러블 장치일 수 있다.
통신 시스템(10)은 통신 장치(100) 및 전력 증폭기(PA; 200)를 포함한다.
통신 장치(100)는 모뎀(modem)으로부터 입력 신호를 수신할 수 있다. 입력 신호는 전력 증폭기(200)로 입력되는 RF 입력 신호(RFIN)에 대한 전이 신호(transition signal)를 포함할 수 있다. 전이 신호는 RF 입력 신호(RFIN)가 상승하는지 또는 하강하는지에 대한 포락선 정보를 의미 할 수 있다.
통신 장치(100)는 포락선 추적(envelope tracking(ET))을 사용하여 출력 전압을 변조하는 변조기(modulator)로 이해할 수 있다. 예를 들어, 통신 장치(100)는 입력 신호의 크기에 대응하여 공급 전압을 변조함으로써, 전력 증폭기(200)로 출력하는 출력 전압을 제어할 수 있다. 통신 장치(100)의가 전력 증폭기(200)로 출력하는 출력 전압은 전력 증폭기(200)의 공급 전압을 의미할 수 있다. 즉, 통신 장치(100)의 출력 전압은 전력 증폭기(200)의 바이어스 전압 또는 전류로 이용될 수 있다.
전력 증폭기(200)는 통신 장치(100)의 출력 전압에 따라, 소량의 에너지를 갖는 RF 입력 신호(RFin)를 많은 양의 에너지를 갖는 증폭된 RF 출력 신호(RFout)로 변환하도록 동작할 수 있다. 즉, 전력 증폭기(200)는 RF 전력 증폭기일 수 있다.
통신 장치(100)가 포락선 추적을 사용함으로써, 전력 증폭기(200)의 전력 손실이 최소화되고 효율이 증가할 수 있다. 특히, 피크 전력(peak power)과 평균 전력(average power)의 차이가 큰 LTE 통신의 경우, 통신 장치(100)는 전력 증폭기(200)의 효율을 크게 개선시킬 수 있다.
이하에서는 통신 장치(100)의 구성 및 동작에 대해서 설명한다.
도 2는 도 1에 도시된 통신 장치의 블록도를 나타내고, 도 3은 도 2에 도시된 스위칭 회로의 구조도를 나타내고, 도 4는 일 실시예에 따른 통신 시스템의 구조도를 나타낸다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 통신 장치(100)는 컨트롤러(controller; 110), 스위칭 회로(switching circuit; 120) 및 선형 증폭기(linear amplifier(LA); 130)를 포함한다.
통신 장치(100)는 선형 증폭기(130)로의 공급 전압을 안정적으로 출력하기 위하여 제3 커패시터(CLA; 400)를 더 포함할 수 있다. 제3 커패시터(400)는 일단이 선형 증폭기(130)와 연결되고, 타단이 접지(ground)될 수 있다.
또한, 통신 장치(100)는 스위칭 회로(120) 및 선형 증폭기(130)를 DC적으로 분리하기 위한 제2 커패시터(CAC; 300)를 더 포함할 수 있다. 이에, 입력 신호(V ENV_IN )의 진폭이 하강한 경우 선형 증폭기(130)로의 출력 전압(V DD _LA )을 낮춰 통신 장치(100)의 효율을 증가시킬 수 있다. 제2 커패시터(300)는 일단이 선형 증폭기(130)의 출력단에 연결되고, 타단이 인덕터(126)의 타단에 연결될 수 있다.
컨트롤러(110)는 제1 커패시터(125)의 양단에 걸리는 전압(V CF )의 극성에 기초하여 부스트 모드(boost mode) 또는 벅 모드(buck mode)로 동작할 수 있다. 참고로, 제1 커패시터(125)를 통과하는 전류는 I CF 와 같을 수 있다. 전압(V CF )의 극성은 전압(V Y )에서 전압(V X )를 빼는 것으로 결정될 수 있다. 즉, V CF = V Y - V X 일 수 있다. 전압(V CF )의 극성이 +인 경우, 컨트롤러(110)는 부스트 모드로 동작하고, 전압(V CF )의 극성이 -인 경우, 컨트롤러(110)는 벅 모드로 동작할 수 있다. 컨트롤러(110)가 부스트 모드로 동작하는 경우, 선형 증폭기(130)는 배터리(battery; 50)의 전압(V BAT )보다 높은 전압을 공급받을 수 있다. 컨트롤러(110)가 벅 모드로 동작하는 경우, 선형 증폭기(130)는 배터리(50)의 전압(V BAT )보다 낮은 전압을 공급받을 수 있다.
또한, 컨트롤러(110)는 스위칭 회로(120)에 포함된 복수 개의 스위치의 개폐를 제어할 수 있다. 컨트롤러(110)는 통신 장치(100)의 특정 지점의 전류 또는 전압에 기초하여 복수 개의 스위치의 개폐를 제어할 수 있다.
예를 들어, 컨트롤러(110)는 선형 증폭기(130)의 출력 전류(I LA ), 제2 커패시터(300)의 전압(V AC ) 및 스위칭 회로(120)로부터 통전된 전압(V DD _LA ) 중에서 적어도 하나에 기초하여 복수 개의 스위치의 개폐를 제어할 수 있다. 제2 커패시터(300)의 전압(V AC )은 선형 증폭기(130)의 출력 전압(V O _LA )에서 전력 증폭기(200)의 공급 전압(V DD_PA )을 빼는 것으로 결정될 수 있다. 이에, 통신 장치(100)는 전력 증폭기(200)에 연속적인 전류(I SW )를 공급할 수 있다. 컨트롤러(110)가 복수 개의 스위치의 개폐를 제어하는 동작에 대하여는 도 5 내지 도 13b를 참조하여 상세하게 설명한다.
컨트롤러(110)는 모뎀으로부터 수신하는 전이 신호에 기초하여 복수 개의 스위치의 개폐를 제어할 수 있다. 이에, 통신 장치(100)는 RF 입력 신호가 상승 중인지 또는 하강 중인지의 상태에 대응하여 빠르게 추적을 수행할 수 있다.
스위칭 회로(120)는 복수 개의 스위치, 제1 커패시터(CF; 125) 및 인덕터(L0; 126)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 복수 개의 스위치는 제1 스위치(S1; 121), 제2 스위치(S2; 122), 제3 스위치(S3; 123) 및 제4 스위치(S4; 124)를 포함할 수 있다. 복수 개의 스위치는 트랜지스터(transistor)로 구현될 수 있다. 예를 들어, 트랜지스터는 모스펫(Metal Oxide Semiconductor Field Effect transistor(MOSFET))일 수 있다.
도 4에서는 제1 스위치(121), 제2 스위치(122), 제3 스위치(123) 및 제4 스위치(124)가 제1 트랜지스터(MP1), 제2 트랜지스터(MP2), 제3 트랜지스터(MP3) 및 제4 트랜지스터(MN)로 구현되는 것을 확인할 수 있다.
스위칭 회로(120)는 배터리(50)로부터 공급받은 전압(V BAT ) 또는 전류를 통전하여 선형 증폭기(130)로 출력할 수 있다. 실시예에 따라, 스위칭 회로(120)는 배터리(50)를 포함하는 것으로 구현될 수도 있다.
제1 스위치(121)는 일단이 배터리(50)와 연결되고, 타단이 제1 커패시터(125)의 일단 및 인덕터(126)의 일단과 연결될 수 있다.
제2 스위치(122)는 일단이 배터리(50)와 연결되고, 타단이 제1 커패시터(125)의 타단과 연결될 수 있다.
제3 스위치(123)는 일단이 제2 스위치(122)의 타단 및 제1 커패시터(125)의 타단과 연결될 수 있다. 이때, 제3 스위치(123)의 타단은 선형 증폭기(130)와 연결되어, 선형 증폭기(130)에 바이어스 전압(V DD _LA ) 또는 바이어스 전류(I VDD _LA )를 공급 할 수도 있다. 즉, 선형 증폭기(130)는 제3 스위치(123)를 통해 바이어스 전압(V DD _LA ) 또는 바이어스 전류(I VDD _LA )를 공급받을 수 있다.
제4 스위치(124)는 일단이 제1 스위치(121)의 타단, 제1 커패시터(125)의 일단 및 인덕터(126)의 일단과 연결되고, 타단이 접지될 수 있다.
선형 증폭기(130)는 모뎀으로부터 제1 입력 단자 및 제2 입력 단자를 통해 입력 신호(V ENV_IN )를 수신할 수 있다. 이때, 제2 입력 단자는 인덕터(126)의 타단에 연결될 수 있다. 제1 입력 단자 및 제2 입력 단자는 서로 반전 관계일 수 있다.
선형 증폭기(130)는 모뎀으로부터 수신하는 입력 신호(V ENV _IN )를 선형적으로 처리하여 출력 전압(V O _LA )을 생성할 수 있다. 즉, 선형 증폭기(130)는 입력 신호(V ENV_IN )의 진폭 변화를 선형적으로 추적하여 전력 증폭기(200)에 제공할 수 있다. 이에, 전력 증폭기(200)는 넓은 대역폭에서 동작할 수 있다.
도 5는 컨트롤러가 전류 값(I LA )에 기초하여 복수 개의 스위치의 개폐를 제어하는 동작을 설명하기 위한 도면의 일 예이고, 도 6은 컨트롤러가 전류 값(I LA )에 기초하여 복수 개의 스위치의 개폐를 제어하는 동작을 설명하기 위한 도면의 다른 예이고, 도 7a는 컨트롤러가 전류 값(I LA )에 기초하여 복수 개의 스위치의 개폐를 제어하는 동작을 설명하기 위한 도면의 다른 예이고, 도 7b는 컨트롤러가 전류 값(I LA )에 기초하여 복수 개의 스위치의 개폐를 제어하는 동작을 설명하기 위한 도면의 다른 예이다.
도 5 내지 도 7b를 참조하면, 컨트롤러(110)는 선형 증폭기(130)의 출력 전류(I LA )에 기초하여 복수 개의 스위치의 개폐를 제어할 수 있다. 예를 들어, 컨트롤러(110)는 전류(I LA )의 평균이 0에 가깝도록 복수 개의 스위치의 개폐를 제어할 수 있다.
컨트롤러(110)는 제1 연산기(operator; 111), 히스테리틱 컨트롤러(hysteretic controller; 115), 상태 제어기(state controller; 116) 및 스위치 신호기(switch signal; 117)을 포함할 수 있다.
제1 연산기(111)는 전류(I LA )를 전압으로 스케일링(scaling)하기 위하여, 전류(I LA )를 상수(K)로 나눈 값(I LA /K)을 히스테리틱 컨트롤러(115)로 출력할 수 있다.
히스테리틱 컨트롤러(115)는 제1 연산기(111)의 출력 값(I LA /K)에 히스테리틱 제어(hysteretic control)를 사용하여 복수 개의 스위치의 개폐를 제어할 수 있다. 히스테리틱 컨트롤러(115)는 값(I LA /K)과 제1 임계치(+VW) 및 제2 임계치(-VW)와 비교하여 동작 모드를 결정할 수 있다. 이때, 제1 임계치(+VW)는 및 제2 임계치(-VW)는 부호가 반대일 수 있다. 제1 임계치는(+VW) 제2 임계치(-VW)보다 클 수 있다. 제1 임계치(+VW)는 및 제2 임계치(-VW)는 크기가 동일할 수도 있다.
이하에서 설명하는 제1 동작 모드, 제2 동작 모드 및 제3 동작 모드는 컨트롤러(110)의 동작 모드로서, 히스테리틱 컨트롤러(115) 및 상태 제어기(116)는 컨트롤러(110)의 동작 모드에 기초하여 동작할 수 있다.
히스테리틱 컨트롤러(115)는 값(I LA /K)이 제1 임계치(+VW) 초과인 경우, 값(I LA /K)이 제2 임계치(-VW) 미만이 될 때까지 제1 동작 모드로 복수 개의 스위치의 개폐를 제어할 수 있다. 도 6을 참조하면, 히스테릭 컨트롤러(115)는 영역(610) 및 영역(630)에서 제1 동작 모드로 동작할 수 있다.
히스테리틱 컨트롤러(115)는 값(I LA /K)이 제2 임계치(-VW) 미만인 경우, 값(I LA /K)이 제1 임계치(+VW) 초과가 될 때까지 제3 동작 모드로 복수 개의 스위치의 개폐를 제어할 수 있다. 도 6을 참조하면, 히스테릭 컨트롤러(115)는 영역(620)에서 제3 동작 모드로 동작할 수 있다.
히스테리틱 컨트롤러(115)는 제1 동작 모드의 경우 제1 스위치(121)를 ON하고, 제2 스위치(122), 제3 스위치(123) 및 제4 스위치(124)를 OFF하도록 제어할 수 있다. 제1 동작 모드의 경우 통신 장치(100)는 도 7a에 도시된 바와 같을 수 있다. 제1 동작 모드는 배터리(50)를 통해 전력 증폭기(200)로 흐르는 전류(I SW )를 build-up(BU)하는 것으로 이해될 수 있다.
히스테리틱 컨트롤러(115)는 제3 동작 모드의 경우 제4 스위치(124)를 ON하고, 제1 스위치(121), 제2 스위치(122) 및 제3 스위치(123)를 OFF하도록 제어할 수 있다. 제3 동작 모드의 경우 통신 장치(100)는 도 7b에 도시된 바와 같을 수 있다. 제3 동작 모드는 접지를 통해 전력 증폭기(200)로 흐르는 전류(I SW )를 free-wheeling(FW)하는 것으로 이해될 수 있다.
상태 제어기(116)는 히스테리틱 컨트롤러(115)의 명령에 따라, 스위치 신호기(117)를 통해 복수 개의 스위치의 개폐를 제어할 수 있다. 예를 들어, 스위치 신호기(117)는 상태 제어기(116)의 명령을 통해 복수 개의 스위치로 명령(V GP1 , V GP2 , V GP3 및 V GN )을 전송할 수 있다. 명령(V GP1 )은 제1 스위치(121)을 개폐하기 위한 신호이고, 명령(V GP2 )은 제2 스위치(122)를 개폐하기 위한 신호이고, 명령(V GP3 )은 제3 스위치(123)을 개폐하기 위한 신호이고, 명령(V GN )은 제4 스위치(124)를 개폐하기 위한 신호일 수 있다.
도 8은 컨트롤러가 전류 값(I LA ) 및 전압 값 (V AC )에 기초하여 복수 개의 스위치의 개폐를 제어하는 동작을 설명하기 위한 도면의 일 예이고, 도 9a는 컨트롤러가 전류 값(I LA ) 및 전압 값 (V AC )에 기초하여 복수 개의 스위치의 개폐를 제어하는 동작을 설명하기 위한 도면의 다른 예이고, 도 9b는 컨트롤러가 전류 값(I LA ) 및 전압 값 (V AC )에 기초하여 복수 개의 스위치의 개폐를 제어하는 동작을 설명하기 위한 도면의 다른 예이고, 도 9c는 컨트롤러가 전류 값(I LA ) 및 전압 값 (V AC )에 기초하여 복수 개의 스위치의 개폐를 제어하는 동작을 설명하기 위한 도면의 다른 예이다.
도 8 내지 도 9c를 참조하면, 컨트롤러(110)는 선형 증폭기(130)의 출력 전류(I LA ), 제2 커패시터(300)의 전압(V AC ) 및 제2 커패시터(300)의 기준 전압(V AC _REF )에 기초하여 복수 개의 스위치의 개폐를 제어할 수 있다. 예를 들어, 컨트롤러(110)는 출력 전류(I LA ), 제2 커패시터(300)의 전압(V AC ), 및 제2 커패시터(300)의 기준 전압(V AC_REF )에 수학식 1을 사용하여 입력 계수를 생성할 수 있다.
Figure 112018030751256-pat00001
여기서,
Figure 112018030751256-pat00002
는 히스테리틱 제어를 위해 정의한 입력 계수이고,
Figure 112018030751256-pat00003
는 선형 증폭기(130)의 출력 전류이고,
Figure 112018030751256-pat00004
는 선형 증폭기(130)의 출력 전류(I LA )를 전압으로 치환하기 위한 상수이고,
Figure 112018030751256-pat00005
는 제2 커패시터(CAC)의 기준 전압이고,
Figure 112018030751256-pat00006
는 제2 커패시터(CAC)의 전압이고,
Figure 112018030751256-pat00007
는
Figure 112018030751256-pat00008
에 대응하는 상수일 수 있다.
컨트롤러(110)는 제1 연산기(111), 제2 연산기(112), 제3 연산기(113), 합산기(summer; 114), 히스테리틱 컨트롤러(115), 상태 제어기(116) 및 스위치 신호기(117)을 포함할 수 있다. 여기서, 제1 연산기(111), 히스테릭 컨트롤러(115), 상태 제어기(116) 및 스위치 신호기(117)는 도 5에 도시된 구성 요소 동작이 동일할 수 있다.
제1 연산기(111)는 전류(I LA )를 전압으로 스케일링(scaling)하기 위하여, 전류(I LA )를 상수(K)로 나눈 값(I LA /K)을 합산기(114)로 출력할 수 있다.
제2 연산기(112)는 전압(V AC )에 상수(A)를 곱한 값(A* V AC )을 합산기(114)로 출력할 수 있다. 이때, 값(A* V AC )은 값(-A* V AC )으로 반전되어 합산기로 입력될 수 있다.
제3 연산기(113)는 기준 전압(V AC _REF ) 상수(A)를 곱한 값(A* V AC _REF )을 합산기(114)로 출력할 수 있다.
이에, 합산기(114)는 값(I LA /K), 값(-A* V AC ) 및 값(A* V AC _REF )을 연산한 입력 계수(V CMP_IN )를 히스테리틱 컨트롤러(115)로 출력할 수 있다.
히스테리틱 컨트롤러(115)는 입력 계수(V CMP _IN )와 제1 임계치(+VW) 및 제2 임계치(-VW)를 비교하여 복수 개의 스위치의 개폐를 제어할 수 있다. 제1 임계치(+VW)는 및 제2 임계치(-VW)는 부호가 반대일 수 있다. 제1 임계치는(+VW) 제2 임계치(-VW)보다 클 수 있다. 제1 임계치(+VW)는 및 제2 임계치(-VW)는 크기가 동일할 수도 있다.
도 9a는 전압(V AC )과 기준 전압(V AC _REF )이 동일한 경우, 시간에 따른 입력 계수(V CMP_IN )의 변화를 그래프로 표현한 것이다. 이 경우, 입력 계수(V CMP _IN )는 값(I LA /K)과 같게 되어, 히스테리틱 컨트롤러(115)는 도 6에서와 같이 동작할 수 있다.
도 9b는 전압(V AC )이 기준 전압(V AC _REF ) 미만인 경우, 시간에 따른 입력 계수(V CMP_IN )의 변화를 그래프로 표현한 것이다. 이 경우, 입력 계수(V CMP _IN )의 그래프는 일부 상승하게 되어 제1 동작 모드로 동작하는 영역이 길어질 수 있다.
도 9c는 전압(V AC )과 기준 전압(V AC _REF ) 초과인 경우, 시간에 따른 입력 계수(V CMP_IN )의 변화를 그래프로 표현한 것이다. 이 경우, 입력 계수(V CMP _IN )의 그래프는 다소 하향하게 되어 제3 동작 모드로 동작하는 영역이 길어질 수 있다.
히스테리틱 컨트롤러(115)는 입력 계수(V CMP _IN )가 제1 임계치(+VW) 초과인 경우, 입력 계수(V CMP _IN )가 제2 임계치(-VW) 미만이 될 때까지 제1 동작 모드로 복수 개의 스위치의 개폐를 제어할 수 있다. 도 9a 내지 도 9c를 참조하면, 히스테릭 컨트롤러(115)는 영역(911), 영역(913), 영역(921), 영역(931) 및 영역(933)에서 제1 동작 모드로 동작할 수 있다.
히스테리틱 컨트롤러(115)는 입력 계수(V CMP _IN )가 제2 임계치(-VW) 미만인 경우, 입력 계수(V CMP _IN )가 제1 임계치(+VW) 초과가 될 때까지 제3 동작 모드로 복수 개의 스위치의 개폐를 제어할 수 있다. 도 9a 내지 도 9c를 참조하면, 히스테릭 컨트롤러(115)는 영역(912) 및 영역(932)에서 제3 동작 모드로 동작할 수 있다.
히스테리틱 컨트롤러(115)는 제1 동작 모드의 경우 제1 스위치(121)를 ON하고, 제2 스위치(122), 제3 스위치(123) 및 제4 스위치(124)를 OFF하도록 제어할 수 있다. 제1 동작 모드의 경우 통신 장치(100)는 도 7a에 도시된 바와 같을 수 있다. 제1 동작 모드는 배터리(50)를 통해 전력 증폭기(200)로 흐르는 전류(I SW )를 build-up(BU)하는 것으로 이해될 수 있다.
히스테리틱 컨트롤러(115)는 제3 동작 모드의 경우 제4 스위치(124)를 ON하고, 제1 스위치(121), 제2 스위치(122) 및 제3 스위치(123)를 OFF하도록 제어할 수 있다. 제3 동작 모드의 경우 통신 장치(100)는 도 7b에 도시된 바와 같을 수 있다. 제3 동작 모드는 접지를 통해 전력 증폭기(200)로 흐르는 전류(I SW )를 free-wheeling(FW)하는 것으로 이해될 수 있다.
상태 제어기(116)는 히스테리틱 컨트롤러(115)의 명령에 따라, 스위치 신호기(117)를 통해 복수 개의 스위치의 개폐를 제어할 수 있다. 예를 들어, 스위치 신호기(117)는 상태 제어기(116)의 명령을 통해 복수 개의 스위치로 명령(V GP1 , V GP2 , V GP3 및 V GN )을 전송할 수 있다. 명령(V GP1 )은 제1 스위치(121)을 개폐하기 위한 신호이고, 명령(V GP2 )은 제2 스위치(122)를 개폐하기 위한 신호이고, 명령(V GP3 )은 제3 스위치(123)을 개폐하기 위한 신호이고, 명령(V GN )은 제4 스위치(124)를 개폐하기 위한 신호일 수 있다.
도 10은 컨트롤러가 통전된 전압 값(V DD _LA ), 전류 값(I LA ) 및 전압 값 (V AC )에 기초하여 복수 개의 스위치의 개폐를 제어하는 동작을 설명하기 위한 도면의 일 예이고, 도 11은 컨트롤러가 통전된 전압 값(V DD _LA ), 전류 값(I LA ) 및 전압 값 (V AC ) 에 기초하여 복수 개의 스위치의 개폐를 제어하는 동작을 설명하기 위한 도면의 다른 예이고, 도 12a는 컨트롤러가 통전된 전압 값(V DD _LA ), 전류 값(I LA ) 및 전압 값 (V AC )에 기초하여 복수 개의 스위치의 개폐를 제어하는 동작을 설명하기 위한 도면의 다른 예이고, 도 12b는 컨트롤러가 통전된 전압 값(V DD _LA ), 전류 값(I LA ) 및 전압 값 (V AC )에 기초하여 복수 개의 스위치의 개폐를 제어하는 동작을 설명하기 위한 도면의 다른 예이고, 도 12c는 컨트롤러가 통전된 전압 값(V DD _LA ), 전류 값(I LA ) 및 전압 값 (V AC )에 기초하여 복수 개의 스위치의 개폐를 제어하는 동작을 설명하기 위한 도면의 다른 예이고, 도 13a는 컨트롤러가 통전된 전압 값(V DD _LA ), 전류 값(I LA ) 및 전압 값 (V AC )에 기초하여 복수 개의 스위치의 개폐를 제어하는 동작을 설명하기 위한 도면의 다른 예이고, 도 13b는 컨트롤러가 통전된 전압 값(V DD _LA ), 전류 값(I LA ) 및 전압 값 (V AC )에 기초하여 복수 개의 스위치의 개폐를 제어하는 동작을 설명하기 위한 도면의 다른 예이다.
도 10 내지 도 13b를 참조하면, 컨트롤러(110)는 선형 증폭기(130)의 출력 전류(I LA ), 제2 커패시터(300)의 전압(V AC ), 제2 커패시터(300)의 기준 전압(V AC _REF ), 선형 증폭기(130)로의 공급 전압(V DD _LA ) 및 선형 증폭기(130)로의 공급 희망 전압(V REF )에 기초하여 복수 개의 스위치의 개폐를 제어할 수 있다. 즉, 컨트롤러(110)는 도 8의 컨트롤러(110)에 비하여 선형 증폭기(130)로의 공급 전압(V DD_LA ) 및 선형 증폭기(130)로의 공급 희망 전압(V REF )를 더 고려할 수 있는 것이다. 선형 증폭기(130)로의 공급 전압(V DD _LA )은 스위칭 회로(120)로부터 통전된 전압(V DD_LA )으로도 이해될 수 있다. 이하에서는, 도 8에서의 컨트롤러(110)의 구별되는 추가적인 구성 및 동작에 대하여 설명한다. 도 12a 내지 도 13b에서, 복수 개의 스위치의 개폐에 따라 활성화되는 구성들은 굵은 선으로 표시하고, 비활성화되는 구성들은 얇은 선으로 표시하였다.
컨트롤러(110)는 비교기(comparator; 118)를 더 포함할 수 있다. 비교기(118)는 선형 증폭기(130)로의 공급 전압(V DD _LA )과 선형 증폭기(130)로의 공급 희망 전압(V REF )을 비교하여 결과값(V CO_LA )을 상태 제어기(116)로 출력할 수 있다.
예를 들어, 비교기(118)는 전압(V DD _LA )이 희망 전압(V REF )보다 큰 경우, 결과값(V CO_LA )을 제1 출력값으로 결정하여 상태 제어기(116)로 출력할 수 있다.
비교기(118)는 전압(V DD _LA )이 희망 전압(V REF )보다 작은 경우, 결과값(V CO_LA )을 제2 출력값으로 결정하여 상태 제어기(116)로 출력할 수 있다.
제1 출력값과 제2 출력값은 상이한 값일 수 있다. 예를 들어, 제1 출력값은 1이고, 제2 출력값은 0일 수 있다. 또한, 제1 출력값이 0이고, 제2 출력값이 1로 구현될 수 있음은 자명한 구성이다.
상태 제어기(116)는 제1 출력값을 수신한 경우, 수학식 1에 기초하여 계산한 입력 계수(V CMP _IN )와 제1 임계치(+VW), 제2 임계치(-VW) 및 제3 임계치(0)를 비교하여 복수 개의 스위치의 개폐를 제어할 수 있다. 제1 임계치(+VW)는 및 제2 임계치(-VW)는 부호가 반대일 수 있다. 제1 임계치는(+VW) 제2 임계치(-VW)보다 클 수 있다. 제1 임계치(+VW)는 및 제2 임계치(-VW)는 크기가 동일할 수도 있다. 제3 임계치(0)는 제1 임계치(+VW)보다 작고 제2 임계치(-VW)보다 클 수 있다. 예를 들어, 제3 임계치(0)는 0일 수 있다. 즉, 상태 제어기(116)는 도 11에 도시된 바와 같이 트리플 바운더리 모드(triple boundary mode)로 동작할 수 있다. 도 11에서 ?U1은 제1 동작 모드를 나타내고, ?U2는 제2 동작 모드를 나타내고, ?U3은 제3 동작 모드를 나타낼 수 있다.
즉, 상태 제어기(116)는 입력 계수(V CMP _IN )가 제1 임계치(+VW) 초과인 경우, 입력 계수(V CMP _IN )가 제3 임계치(0) 미만이 될 때까지 제1 동작 모드로 상기 복수 개의 스위치의 개폐를 제어할 수 있다. 상태 제어기(116)는 입력 계수(V CMP _IN )가 제3 임계치(0) 미만인 경우, 입력 계수(V CMP _IN )가 제1 임계치(+VW) 초과가 되거나 또는 입력 계수(V CMP_IN )가 제2 임계치(-VW) 미만이 될 때까지 제2 동작 모드로 복수 개의 스위치의 개폐를 제어할 수 있다. 상태 제어기(116)는 입력 계수(V CMP _IN )가 제2 임계치(-VW) 미만인 경우, 입력 계수(V CMP _IN )가 제1 임계치(+VW) 초과가 될 때까지 제3 동작 모드로 복수 개의 스위치의 개폐를 제어할 수 있다.
상태 제어기(116)는 제1 동작 모드의 경우 제1 스위치(121) 및 제3 스위치(123)를 ON하고, 제2 스위치(122) 및 제4 스위치(124)를 OFF하도록 제어할 수 있다. 상태 제어기(116)가 전압(V DD _LA ) 및 희망 전압(V REF )를 더 고려하는 경우, 제1 동작 모드는 전압(V DD _LA ) 및 희망 전압(V REF )을 고려하지 않을 때와 상이할 수 있다. 제1 동작 모드의 경우 통신 장치(100)는 도 12a에 도시된 바와 같을 수 있다. 제1 동작 모드는 배터리(50)를 통해 전력 증폭기(200)로 흐르는 전류(I SW )를 build-up(BU)하고, 제1 커패시터(125)에서 제3 커패시터(400)로 에너지를 전달하는 것으로 이해될 수 있다.
상태 제어기(116)는 제2 동작 모드의 경우 제2 스위치(122)를 ON하고, 제1 스위치(121), 제3 스위치(123) 및 제4 스위치(124)를 OFF하도록 제어할 수 있다. 제2 동작 모드의 경우 통신 장치(100)는 도 12b에 도시된 바와 같을 수 있다. 제2 동작 모드는 배터리(50)를 통해 전력 증폭기(200)로 흐르는 전류(I SW )를 build-up(BU)하고, 전류(I SW )를 통해 제1 커패시터(125)를 충전하는 것으로 이해될 수 있다.
상태 제어기(116)는 제3 동작 모드의 경우 제4 스위치(124)를 ON하고, 제1 스위치(121), 제2 스위치(122) 및 제3 스위치(123)를 OFF하도록 제어할 수 있다. 제3 동작 모드의 경우 통신 장치(100)는 도 12c에 도시된 바와 같을 수 있다. 제3 동작 모드는 접지를 통해 전력 증폭기(200)로 흐르는 전류(I SW )를 free-wheeling(FW)하는 것으로 이해될 수 있다.
상태 제어기(116)는 제2 출력값을 수신한 경우, 수학식 1에 기초하여 계산한 입력 계수(V CMP _IN )와 제1 임계치(+VW) 및 제2 임계치(-VW)를 비교하여 복수 개의 스위치의 개폐를 제어할 수 있다. 즉, 상태 제어기(116)는 도 11에 도시된 바와 같이 듀얼 바운더리 모드(dual boundary mode)로 동작할 수 있다.
즉, 상태 제어기(116)는 입력 계수(V CMP _IN )가 제1 임계치(+VW) 초과인 경우, 입력 계수(V CMP _IN )가 제2 임계치(-VW) 미만이 될 때까지 제1 동작 모드로 상기 복수 개의 스위치의 개폐를 제어할 수 있다.
상태 제어기(116)는 입력 계수(V CMP _IN )가 제2 임계치(-VW) 미만인 경우, 입력 계수(V CMP_IN )가 제1 임계치(+VW) 초과가 될 때까지 제3 동작 모드로 복수 개의 스위치의 개폐를 제어할 수 있다.
상태 제어기(116)는 제1 동작 모드의 경우 제1 스위치(121) 및 제3 스위치(123)를 ON하고, 제2 스위치(122) 및 제4 스위치(124)를 OFF하도록 제어할 수 있다. 상태 제어기(116)가 전압(V DD _LA ) 및 희망 전압(V REF )를 더 고려하는 경우, 제1 동작 모드는 전압(V DD _LA ) 및 희망 전압(V REF )을 고려하지 않을 때와 상이할 수 있다. 제1 동작 모드의 경우 통신 장치(100)는 도 13a에 도시된 바와 같을 수 있다. 제1 동작 모드는 배터리(50)를 통해 전력 증폭기(200)로 흐르는 전류(I SW )를 build-up(BU)하고, 제1 커패시터(125)에서 제3 커패시터(400)로 에너지를 전달하는 것으로 이해될 수 있다.
상태 제어기(116)는 제3 동작 모드의 경우 제4 스위치(124)를 ON하고, 제1 스위치(121), 제2 스위치(122) 및 제3 스위치(123)를 OFF하도록 제어할 수 있다. 제3 동작 모드의 경우 통신 장치(100)는 도 13b에 도시된 바와 같을 수 있다. 제3 동작 모드는 접지를 통해 전력 증폭기(200)로 흐르는 전류(I SW )를 free-wheeling(FW)하는 것으로 이해될 수 있다.
컨트롤러(110)는 모뎀으로부터 수신하는 전이 신호에 기초하여 복수 개의 배터리의 개폐를 제어할 수도 있다. 전이 신호는 RF 입력 신호가 상승 중인지 또는 하강 중인지에 대한 포락선 정보를 의미할 수 있다. 이에, 통신 장치(100)는 RF 입력 신호가 상승 중인지 또는 하강 중인지의 상태에 빠르게 추적을 수행할 수 있다.
예를 들어, 컨트롤러(110)는 전이 신호가 상승 중인 경우 제1 동작 모드와 제4 동작 모드를 교체하여 수행하고, 전이 신호가 하강 중인 경우 제1 동작 모드와 제3 동작 모드를 교체하여 수행할 수 있다.
이때, 컨트롤러(110)는 제1 동작 모드에서 제1 스위치(121) 및 제3 스위치(123)를 ON하고, 제2 스위치(122) 및 제4 스위치(124)를 OFF하도록 제어할 수 있다. 컨트롤러(110)는 제3 동작 모드에서 제4 스위치(124)를 ON하고, 제1 스위치(121), 제2 스위치(122) 및 제3 스위치(123)를 OFF하도록 제어할 수 있다. 컨트롤러(110)는 제4 동작 모드에서 제2 스위치(122) 및 제4 스위치(124)를 ON하고, 제1 스위치(121) 및 제3 스위치(123)를 OFF하도록 제어할 수 있다. 제4 동작 모드는 도 13c에 도시된 바와 같을 수 있다.
도 14a는 선형 증폭기의 구조도의 일 예를 나타내고, 도 14b는 선형 증폭기의 구조도의 다른 예를 나타내고, 도 15는 선형 증폭기의 성능을 설명하기 위한 도면이다.
도 14a 내지 도 15를 참조하면, 선형 증폭기(130)는 제1 증폭기(131), 제2 증폭기(132) 및 제3 증폭기(133)가 폴디드 캐스코드(folded cascode) 구조의 쓰리-스테이지(3-stage)로 구현될 수 있다. 선형 증폭기(130)가 하이 게인 멀티 스테이지(high gain multi stage) 밀러 피드백 루프(Miller feedback loop)로 구현됨으로써, 제3 증폭기(133)의 게인의 변화에 대한 대역폭 변화를 억제할 수 있다. 즉, 통신 장치의 오픈 루프(open loop) 대역폭의 변화가 적을 수 있다.
또한, 선형 증폭기(130)는 제3 증폭기(133)의 PMOS(P-channel metal oxide semiconductor) 및 NMOS(N-channel metal oxide semiconductor)의 기생 용량(parasitic capacitance)을 동일하게 유지하기 위하여, 일단이 PMOS(M3P) 및 NMOS(M3N)와 연결된 제3 커패시터(CB; 135)를 더 포함할 수 있다.
또한, 선형 증폭기(130)는 내부 밀러 루프(inner miller loop)의 스태빌리티(stability)를 회복하기 위하여 액티브 제로 보상(active zero(AZ) compensation) 회로를 더 포함할 수 있다.
선형 증폭기(130)의 대역폭은 수학식 2와 같을 수 있다.
Figure 112018030751256-pat00009
여기서,
Figure 112018030751256-pat00010
는 선형 증폭기(130)를 포함하는 통신 장치의 오픈 루프(open loop) 대역폭이고,
Figure 112018030751256-pat00011
는 피드백 요소(feedback factor)이고,
Figure 112018030751256-pat00012
는 제1 증폭기(131)의 트랜스컨덕턴스(transconductance)이고,
Figure 112018030751256-pat00013
는 제2 증폭기(132)의 트랜스컨덕턴스이고,
Figure 112018030751256-pat00014
는 제3 증폭기(133)의 트랜스컨덕턴스이고,
Figure 112018030751256-pat00015
는 도 14a 및 도 14b에 도시된 Z2의 임피던스이고,
Figure 112018030751256-pat00016
는 전력 증폭기(200)의 저항이고,
Figure 112018030751256-pat00017
는 도 14a에 도시된 C1의 커패시턴스이고
Figure 112018030751256-pat00018
는 도 14a 및 도 14b에 도시된 CC의 커패시턴스 일 수 있다.
이때, 선형 증폭기(130)에서
Figure 112018030751256-pat00019
는 충분히 크므로 수학식 2는 수학식 3과 같이 근사화할 수 있다.
Figure 112018030751256-pat00020
도 15를 참조하면, 선형 증폭기(130)의 출력 전류(I LA )가 변함에 따라 대역폭이 거의 일정하게 유지됨을 확인할 수 있다. 이에, RF 전력 선형 증폭기(130)의 디지털 전치 왜곡(digital pre-distortion(DPD))을 줄일 수 있다.
도 16은 일 실시예에 따른 통신 시스템의 전반적인 구조도를 나타내고, 도 17은 도 16의 통신 시스템이 칩에 구현되는 일 예를 나타낸다.
도 16 및 도 17을 참조하면, 통신 시스템은 하이브리드 벅부스트 스위칭 증폭기(Hybrid Buck-Boost Switching Amplifier(HBBSA)), 선형 증폭기, HBBSA 컨트롤러 및 전력 증폭기를 포함할 수 있다. 통신 시스템이 1.3mm*1.2mm의 칩에 구현된 일 예는 도 17에 도시된 바와 같을 수 있다.
HBBSA는 상술한 스위칭 회로(120)를 의미할 수 있다. 실시예에 따라 HBBSA는 배터리를 포함하거나 또는 배터리를 제외하는 것으로 구현될 수 있다. HBBSA는 제1 커패시터(CF) 양단의 전압(V CF )의 극성에 따라 부스트 모드 또는 벅 모드로 동작할 수 있다. HBBSA에서는 인덕터를 하나만 사용하는데, 이에 제조 단가를 현저히 줄일 수 있다.
도 18은 일 실시예에 따른 통신 시스템의 성능을 측정하기 위한 실험 환경을 나타내고, 도 19는 통신 시스템의 성능을 그래프로 표현한 일 예이고, 도 20은 통신 시스템의 성능을 그래프로 표현한 다른 예이다.
도 18을 참조하면, 신호 생성기(signal generator)로 발생한 신호가 통신 장치에서 어떻게 변조되어 출력되는지 디지털 오실로스코프(digital oscilloscope)로 확인하고, 이를 DC 전력 분석기(DC power analyzer) 및 신호 분석기(signal analyzer)로 분석할 수 있다.
도 19 및 도 20을 참조하면, 통신 장치는 부스트 모드 및 벅 모드에서 전력 증폭기로 연속적인 전류(I SW ) 및 스무스한 전류(I LA )를 공급할 수 있다. 또한, 통신 장치는 부스트 모드에서는 배터리의 전압(V BAT )보다 높은 전압(V DD _LA )을 선형 증폭기로 공급하고, 벅 모드에서는 배터리의 전압(V BAT )보다 낮은 전압(V DD _LA )을 선형 증폭기로 공급할 수 있음을 확인할 수 있다. 이에, 통신 장치 및 통신 시스템의 효율이 증가할 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.

Claims (20)

  1. 포락선 추적(envelope tracking)을 사용함으로써, 모뎀으로부터 수신하는 입력 신호의 크기에 대응하여 전력 증폭기로 출력하는 출력 전압을 제어하는 변조기에 있어서,
    배터리로부터 출력되는 전류의 통전을 제어하기 위한 복수 개의 스위치, 제1 커패시터 및 인덕터를 포함하는 스위칭 회로;
    상기 복수 개의 스위치의 개폐를 제어하기 위한 컨트롤러; 및
    상기 입력 신호, 상기 스위칭 회로로부터 통전된 전류 및 상기 스위칭 회로로부터 통전된 전압에 기초하여 상기 출력 전압을 상기 전력 증폭기로 공급하는 선형 증폭기
    를 포함하고,
    상기 복수 개의 스위치는,
    일단이 상기 배터리와 연결되고, 타단이 상기 제1 커패시터의 일단 및 상기 인덕터의 일단과 연결된 제1 스위치;
    일단이 상기 배터리와 연결되고, 타단이 상기 제1 커패시터의 타단과 연결된 제2 스위치;
    일단이 상기 제2 스위치의 타단 및 상기 제1 커패시터의 타단과 연결된 제3 스위치; 및
    일단이 상기 제1 스위치의 타단, 상기 제1 커패시터의 일단 및 상기 인덕터의 일단과 연결되고, 타단이 접지된 제4 스위치
    를 포함하는 통신 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 스위치는,
    트랜지스터로 구현되는
    통신 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 선형 증폭기는,
    제1 입력 단자 및 제2 입력 단자를 통해 상기 모뎀으로부터 상기 입력 신호를 수신하고,
    상기 제2 입력 단자는 상기 인덕터의 타단에 연결되고,
    상기 제1 입력 단자 및 상기 제2 입력 단자는 서로 반전 관계인
    통신 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 선형 증폭기는,
    상기 제3 스위치를 통해 상기 통전된 전압을 공급받는
    통신 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 회로 및 상기 선형 증폭기를 DC적으로 분리하기 위한 제2 커패시터
    를 더 포함하는 통신 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2 커패시터는,
    일단이 상기 선형 증폭기의 출력단에 연결되고,
    타단이 상기 인덕터의 타단에 연결된
    통신 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 선형 증폭기의 출력 전류, 상기 제2 커패시터의 전압 및 상기 통전된 전압 중에서 적어도 하나에 기초하여 상기 복수 개의 스위치의 개폐를 제어하는
    통신 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    아래의 수학식에 기초하여 히스테리틱 제어(hysteretic control)를 사용하여 상기 복수 개의 스위치의 개폐를 제어하는
    통신 장치.
    [수학식]
    Figure 112018030751256-pat00021

    여기서, 상기
    Figure 112018030751256-pat00022
    는 상기 히스테리틱 제어를 위해 정의한 입력 계수이고, 상기
    Figure 112018030751256-pat00023
    는 상기 선형 증폭기의 출력 전류이고, 상기
    Figure 112018030751256-pat00024
    는 상기 선형 증폭기의 출력 전류를 전압으로 치환하기 위한 상수이고, 상기
    Figure 112018030751256-pat00025
    는 상기 제2 커패시터의 기준 전압이고, 상기
    Figure 112018030751256-pat00026
    는 상기 제2 커패시터의 전압이고, 상기
    Figure 112018030751256-pat00027
    는 상기
    Figure 112018030751256-pat00028
    에 대응하는 상수임.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 입력 계수가 제1 임계치 초과인 경우, 상기 입력 계수가 제2 임계치 미만이 될 때까지 제1 동작 모드로 상기 복수 개의 스위치의 개폐를 제어하고,
    상기 입력 계수가 상기 제2 임계치 미만인 경우, 상기 입력 계수가 상기 제1 임계치 초과가 될 때까지 제3 동작 모드로 상기 복수 개의 스위치의 개폐를 제어하는
    통신 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 임계치 및 상기 제2 임계치는 부호가 반대이고,
    상기 제1 임계치는 상기 제2 임계치보다 큰
    통신 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 통전된 전압이 공급 희망 전압 미만인 경우, 상기 입력 계수와 상기 제1 임계치, 상기 제2 임계치 및 제3 임계치를 비교하여 상기 복수 개의 스위치의 개폐를 제어하고,
    상기 통전된 전압이 상기 공급 희망 전압 초과인 경우, 상기 입력 계수와 상기 제1 임계치 및 상기 제2 임계치를 비교하여 상기 복수 개의 스위치의 개폐를 제어하고,
    상기 제3 임계치는 상기 제1 임계치보다 작고 상기 제2 임계치보다 큰
    통신 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 통전된 전압이 공급 희망 전압 미만인 경우,
    상기 입력 계수가 상기 제1 임계치 초과인 경우, 상기 입력 계수가 상기 제3 임계치 미만이 될 때까지 상기 제1 동작 모드로 상기 복수 개의 스위치의 개폐를 제어하고,
    상기 입력 계수가 상기 제3 임계치 미만인 경우, 상기 입력 계수가 상기 제1 임계치 초과가 되거나 또는 상기 입력 계수가 상기 제2 임계치 미만이 될 때까지 제2 동작 모드로 상기 복수 개의 스위치의 개폐를 제어하고,
    상기 입력 계수가 상기 제2 임계치 미만인 경우, 상기 입력 계수가 상기 제1 임계치 초과가 될 때까지 상기 제3 동작 모드로 상기 복수 개의 스위치의 개폐를 제어하는
    통신 장치.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 제1 동작 모드에서
    상기 제1 스위치를 ON하고,
    상기 제2 스위치, 상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치를 OFF하는
    통신 장치.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 제1 동작 모드에서
    상기 제1 스위치 및 상기 제3 스위치를 ON하고,
    상기 제2 스위치 및 상기 제4 스위치를 OFF하는
    통신 장치.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 제2 동작 모드에서
    상기 제2 스위치를 ON하고,
    상기 제1 스위치, 상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치를 OFF하는
    통신 장치.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 제3 동작 모드에서
    상기 제4 스위치를 ON하고,
    상기 제1 스위치, 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치를 OFF하는
    통신 장치.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 선형 증폭기는,
    제1 증폭기, 제2 증폭기 및 제3 증폭기가 폴디드 캐스코드(folded cascode) 구조의 쓰리-스테이지(3-stage)로 구현되어 하이게인 멀티 스테이지(high gain multi stage) 밀러 피드백 루프(Miller feedback loop)가 적용되는
    통신 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 선형 증폭기는,
    상기 제3 증폭기의 PMOS(P-channel metal oxide semiconductor) 및 NMOS(N-channel metal oxide semiconductor)의 기생 용량(parasitic capacitance)을 동일하게 유지하기 위하여, 일단이 상기 PMOS 및 상기 NMOS와 연결된 제3 커패시터
    를 더 포함하는 통신 장치.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 모뎀으로부터 수신하는 전이 신호(transition signal)가 상승 중인 경우, 제1 동작 모드와 제4 동작 모드를 교체하여 수행하고,
    상기 전이 신호가 하강 중인 경우, 상기 제1 동작 모드와 제3 동작 모드를 교체하여 수행하고,
    상기 제1 동작 모드는,
    상기 제1 스위치 및 상기 제3 스위치를 ON하고, 상기 제2 스위치 및 상기 제4 스위치를 OFF하고,
    상기 제3 동작 모드는,
    상기 제4 스위치를 ON하고, 상기 제1 스위치, 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치를 OFF하고,
    상기 제4 동작 모드는,
    상기 제2 스위치 및 제4 스위치를 ON하고, 상기 제1 스위치 및 상기 제3 스위치를 OFF하는
    통신 장치.
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