KR102297319B1 - 전력 증폭 장치 - Google Patents

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Abstract

실시예에 따른 전력 증폭 장치는 입력부와, 상기 입력부에 병렬 연결된 제1-1 변압기 및 제1-2 변압기와, 상기 제1-1 변압기 및 제1-2 변압기에 각각 연결된 제1 증폭기 및 제2 증폭기와, 상기 제1-2 변압기의 일측에 연결된 제1 스위치와, 상기 제1 증폭기 및 제2 증폭기에 각각 연결되어 출력부와 병렬 연결된 제2-1 변압기 및 제2-2 변압기와, 상기 제2-2 변압기의 일측에 연결된 제2 스위치를 포함할 수 있다.
실시예는 다중 출력 모드가 가능한 전력 증폭기를 설계함으로써, 높은 효율을 가질 수 있는 효과가 있다.

Description

전력 증폭 장치{POWER AMPLIFYING APPARATUS}
실시예는 다중 출력이 가능한 전력 증폭 장치에 관한 것이다.
전력 증폭기는 송신기의 출력 전력 성능을 결정하는 회로로서 전체 송수신 시스템의 통신 거리 및 정확도에 매우 큰 영향을 미치는 회로 블록 중 하나이다. 전력 증폭기의 주요한 지표로 출력 전력이 꼽히지만, DC 전력을 매우 많이 소비하는 전력 증폭기의 특성을 감안하여 소모 전력 대비 출력 전력으로 계산되는 효율 성능 또한 주요한 전력 증폭기의 성능이다.
일반적으로 전력 증폭기는 저출력 부분에서 매우 낮은 효율 성능을 가지지만 출력 전력이 증가할수록 효율 또한 함께 증가하는 특성을 가지고 있다. 따라서 높은 효율 성능을 유지하며 전력 증폭기를 사용하기 위해서는 항상 고출력 상태를 유지하여야 한다.
그러나 통신 거리가 실시간으로 변하는 이동 통신 상황, 또는 낮은 단계의 변조 방식을 사용하여 요구되는 back-off 전력이 매우 낮은 경우 저출력만으로도 통신이 가능하다. 그러나 상기한 바와 같이 저출력 구간에서는 전력 증폭기의 효율이 매우 낮아 사용이 지양되며 고출력 구간에서 전력 증폭기를 사용하게 된다.
고출력 모드에서 사용하는 경우 전력 증폭기는 고효율로 동작을 하지만 이것이 절대적으로 낮은 DC 전력을 소모한다는 것을 뜻하지는 않는다. 일반적으로 전력 증폭기의 출력 전력이 증가할수록 효율과 함께 DC 전력 소모 또한 증가하게 되며 전력 증폭기를 불필요하게 고출력 모드로 동작시키는 경우, 불필요한 DC 전력 소모를 발생시키고 이는 배터리 용량이 한정된 이동 통신 시스템의 사용 시간을 크게 줄이게 된다.
이와 같이 불필요한 DC 소모를 줄이기 위하여 고출력과 저출력 상황 모두에서 고효율로 동작이 가능한 다중 출력이 가능한 전력 증폭기가 요구되고 있다.
종래 이중 출력 모드의 전력 증폭기는 병렬 연결되는 고출력 전력 증폭기(HPA)와 저출력 전력 증폭기(LPA)와 전력 증폭기의 입/출력과 연결하는 입력 스위치(SWin) 및 출력 스위치(SWout)로 이루어진다.
종래 전력 증폭기는 고출력 전력 증폭기와, 저출력 전력 증폭기를 각각 설계해야 하기 때문에 설계 및 제작 시간이 상당히 소요되는 문제점이 있다.
또한, 종래 전력 증폭기는 입력 스위치는 각각의 전력 증폭기에 직렬로 연결되어 있기 때문에 스위치의 손실이 발생되고, 이로 인해 전력 증폭기의 이득 및 출력 전력을 감쇄시킨다.
또한, 종래 전력 증폭기는 고출력 모드로 동작하는 경우, 매우 큰 전력이 출력 스위치로 전달된다. 이때, 출력 스위치가 고출력 전력 증폭기의 출력 전력을 견딜 만큼 높은 선형성 성능을 가지고 있지 않다면 출력 스위치는 출력 전력을 낮추고 더욱이 변조된 신호의 진폭을 변화시켜 수신단에서의 복조를 불가능하게 만든다.
또한, 종래 전력 증폭기는 단일 입력 및 단일 출력을 가지는 스위치와 비교하여 손실이 높고, 설계 난이도 또한 높아지게 된다. 이러한 구조의 전력 증폭기는 스위치에 의한 성능 저하를 고려하여 예상보다 높은 성능의 전력 증폭기를 요구하여 전체적인 설계 난이도를 높이게 된다.
또한, 종래 전력 증폭기는 저주파 대역에서 설계되었기 때문에 고주파 대역에서는 트랜지스터의 on 저항 및 기생 캐패시턴스 성분이 스위치 성능에 커다란 영향을 미치게 되며 특히 다중 스위치 설계시 전체 전력 증폭기의 성능 저하를 야기시키게 된다.
상술한 문제점을 해결하기 위해, 실시예는 이중 출력 모드의 전력 증폭기의 설계상의 비효율과 면적 문제, 스위치에 의한 성능 저하를 방지하기 위한 전력 증폭 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
실시예에 따른 전력 증폭 장치는 입력부와, 상기 입력부에 병렬 연결된 제1-1 변압기 및 제1-2 변압기와, 상기 제1-1 변압기 및 제1-2 변압기에 각각 연결된 제1 증폭기 및 제2 증폭기와, 상기 제1-2 변압기의 일측에 연결된 제1 스위치와, 상기 제1 증폭기 및 제2 증폭기에 각각 연결되어 출력부와 병렬 연결된 제2-1 변압기 및 제2-2 변압기와, 상기 제2-2 변압기의 일측에 연결된 제2 스위치를 포함할 수 있다.
상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치는 동시에 단락 또는 개방될 수 있다.
상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치가 단락되면 상기 입력 신호는 상기 제2 증폭기 및 상기 제2 증폭기로 전달되어 증폭될 수 있다.
상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치가 개방되면 상기 입력 신호는 상기 제1 증폭기로 전달되어 증폭될 수 있다.
상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치는 트랜지스터 또는 다이오드를 포함할 수 있다.
상기 제1 스위치는 인덕터 및 컨트롤 전압이 가해지는 MOSFET 트랜지스터를 포함할 수 있다.
또한, 실시예에 따른 전력 증폭 장치는 입력부와, 상기 입력부에 병렬 연결된 제1-1 내지 제1-n 변압기와, 상기 제1-1 내지 제1-n 변압기에 각각 연결된 제1 내지 제n 증폭기와, 상기 제1-1 내지 제1-n 변압기의 일측에 연결된 제1-1 내지 제1-(n-1) 스위치와, 상기 제1 내지 제n 증폭기에 각각 연결되어 출력부와 병렬 연결된 제2-1 내지 제2-n 변압기와, 상기 제2-1 내지 제2-n 변압기의 일측에 연결된 제2-1 내지 제2-(n-1) 스위치를 포함할 수 있다.
또한, 실시예에 따른 전력 증폭 장치는 입력부와, 상기 입력부에 병렬 연결된 제1 증폭기 및 제2 증폭기와, 상기 제2 증폭기의 입력단에 연결된 제1 스위치와, 상기 제2 증폭기의 출력단에 연결된 제2 스위치를 포함하고, 상기 제1 증폭기는 제1-1 변압기와, 상기 제1-1 변압기에 병렬 연결된 제1-1 트랜지스터 및 제1-2 트랜지스터와, 상기 제1-1 트랜지스터 및 상기 제1-2 트랜지스터에 공통으로 연결된 제1-3 변압기와, 상기 제1-3 변압기의 출력단에 병렬 연결된 제1-3 트랜지스터 및 제1-4 트랜지스터와, 상기 제1-3 트랜지스터 및 상기 제1-4 트랜지스터에 공통으로 연결된 제1-2 변압기를 포함할 수 있다.
상기 제2 증폭기는 제2-1 변압기와, 상기 제2-1 변압기에 병렬 연결된 제2-1 트랜지스터 및 제2-2 트랜지스터와, 상기 제2-1 트랜지스터 및 상기 제2-2 트랜지스터에 공통으로 연결된 제2-3 변압기와, 상기 제2-3 변압기의 출력단에 병렬 연결된 제2-3 트랜지스터 및 제2-4 트랜지스터와, 상기 제2-3 트랜지스터 및 상기 제2-4 트랜지스터에 공통으로 연결된 제2-2 변압기를 포함할 수 있다.
상기 제1 스위치는 인덕터로 동작하는 트랜스미션 라인 및 컨트롤 전압이 가해지는 MOSFET 트랜지스터를 포함할 수 있다.
실시예는 다중 출력 모드가 가능한 전력 증폭기를 설계함으로써, 높은 효율을 가질 수 있는 효과가 있다.
또한, 실시에는 이동 통신의 경우 송신기 및 수신기의 거리가 실시간으로 달라질 수 있는데, 장거리에서는 고출력 모드를, 단거리에서는 저출력 모드를 사용하여 DC 전력 소모의 낭비를 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 실시예는 변조 방식에 따라 출력 모드를 전환하도록 설계함으로써, DC 전력 소모의 낭비를 최소화 할 수 있다.
또한, 실시예는 한 종류의 전력 증폭기를 이용하여 전력 증폭기를 설계함으로써, 회로 면적을 효과적으로 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 실시예는 스위치를 인덕터와 트랜지스터를 이용함으로써, 손실을 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 실시예는 손실이 없는 스위치를 이용함으로써, 전력 증폭기의 개수를 제한없이 늘릴 수 있는 효과가 있다.
도 1은 제1 실시예에 따른 전력 증폭 장치를 나타낸 회로도이다.
도 2 및 도 3은 제1 실시예에 전력 증폭 장치의 동작을 나타난 회로도이다.
도 4는 제1 실시예에 전력 증폭 장치의 스위치의 다른 실시예를 나타낸 회로도이다.
도 5는 제2 실시예에 따른 전력 증폭 장치를 나타낸 회로도이다.
도 6은 제3 실시예에 따른 전력 증폭 장치를 나타낸 회로도이다.
도 7은 실시예에 따른 전력 증폭 장치의 저출력 모드와 고출력 모드에서 실험한 결과를 나타낸 그래프이다.
이하, 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 제1 실시예에 따른 전력 증폭 장치를 나타낸 회로도이고, 도 2 및 도 3은 제1 실시예에 전력 증폭 장치의 동작을 나타난 회로도이고, 도 4는 제1 실시예에 전력 증폭 장치의 스위치의 다른 실시예를 나타낸 회로도이다.
도 1을 참조하면, 제1 실시예에 따른 전력 증폭 장치(100)는 입력부(110)와, 상기 입력부(110)에 병렬 연결된 복수의 제1 변압기(121, 122)와 상기 복수의 제1 변압기(121)에 각각 연결된 복수의 증폭기(131, 132)와 상기 복수의 제1 변압기(121, 122) 중 어느 하나에 연결된 제1 스위치(160)와, 상기 복수의 증폭기(131, 132)에 각각 연결되어 출력부(150)와 병렬 연결된 복수의 제2 변압기(141, 142)와, 상기 복수의 제2 변압기(141, 142) 중 어느 하나에 연결된 제2 스위치(170)를 포함할 수 있다.
입력부(110)는 RF 신호를 발생시킬 수 있다. 입력부(110)는 기지국들 및/또는 다른 전송기 스테이션들로부터 수신할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
제1 변압기(121,122)는 제1-1 변압기(121)와 제1-2 변압기(122)를 포함할 수 있다. 제1-1 변압기(121)는 입력부(110)의 출력단에 연결될 수 있다. 제1-2 변압기(122)는 입력부(110)의 출력단에 연결되어 제1-1 변압기(121)와 병렬 연결될 수 있다. 제1-1 변압기(121)와 제1-2 변압기(122)는 RF 신호를 디바이더(Divider)하는 역할을 한다.
제1 스위치(160)는 제1-2 변압기(122)의 일측에 연결될 수 있다. 제1 스위치(160)의 단락 또는 개방 동작에 따라 제1-2 변압기(122)의 동작 여부가 결정될 수 있다. 제1 스위치(160)는 액티브(active) 소자를 포함할 수 있다. 제1 스위치(160)는 트랜지스터 또는 다이오드를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
제2 변압기(141,142)는 제2-1 변압기(141)와 제2-2 변압기(142)를 포함할 수 있다. 제2-1 변압기(141)는 제1 증폭기(131)의 출력단에 연결될 수 있다. 제2-1 변압기(141)의 출력단은 출력부(150)와 연결될 수 있다. 제2-2 변압기(142)는 제2 증폭기(132)의 출력단에 연결될 수 있다. 제2-2 변압기(142)의 출력단은 출력부(150)와 연결될 수 있다. 제2-2 변압기(142)는 제2-1 변압기(141)와 병렬 연결될 수 있다.
제2 스위치(170)는 제2-2 변압기(142)의 일측에 연결될 수 있다. 제2 스위치(170)의 단락 또는 개방 동작에 따라 제2-2 변압기(142)의 동작 여부가 결정될 수 있다. 제2 스위치(170)는 액티브(active) 소자를 포함할 수 있다. 제2 스위치(170)는 트랜지스터 또는 다이오드를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
이하에서는 제1 실시예에 따른 전력 증폭 장치의 고출력 모드로 동작하는 경우와, 저출력 모드로 동작하는 경우를 살펴본다. 여기서, 도 2는 제1 실시예에 따른 전력 증폭 장치가 고출력 모드로 동작하는 모습을 나타내고, 도 3은 제1 실시예에 따른 전력 증폭 장치가 저출력 모드로 동작하는 모습을 나타낸다.
도 2에 도시된 바와 같이, 전력 증폭 장치(100)가 고출력 모드로 동작하는 경우, 제1 스위치(160)와 제2 스위치(70)는 단락된다. 이로 인해 제1 증폭기(131)와 제1 증폭기(132)는 켜질 수 있다.
제1 스위치(160)는 접지를 향해 단락되어 있으므로, 입력 신호에 의한 전류(Iin)은 제1-1 변압기(121)의 1차측과 제1-2 변압기(122)의 1차측에 전달되어 전압 강하(Vin)을 생성할 수 있다. 여기서, 입력 전류는 1/2로 분할되어 제1-1 변압기(121)와 제1-2 변압기(122)로 전달될 수 있다.
제1-1 변압기(121)의 1차측에 생성된 전압은 커플링을 통해 제1-1 변압기(121)의 2차측으로 전달되고, 제1-1 변압기(121)의 2차측에서 생성된 전압은 제1 증폭기(131)로 전달된다. 제1-2 변압기(122)의 1차측에 생성된 전압은 제1-2 변압기(122)의 2차측을 통해 제2 증폭기(132)로 전달된다.
제1 증폭기(131)의 출력은 제2-1 변압기(141)의 1차측으로 전달될 수 있다. 제2-1 변압기(141)의 1차측에서 생성된 전압은 커플링을 통해 제2-1 변압기(141)의 2차측으로 전달된다. 제2-1 변압기(141)의 2차측에서 전압 강하(Vout)를 발생시킨다.
제2 증폭기(132)의 출력은 제2-2 변압기(142)의 1차측으로 전달될 수 있다. 제2-2 변압기(142)의 1차측에서 생성된 전압은 커플링을 통해 제2-2 변압기(142)의 2차측으로 전달된다. 제2-2 변압기(142)의 2차측에서 전압 강하(Vout)를 발생시킨다.
제2-1 변압기(141)에서 발생된 전압 강하와 제2-2 변압기(142)에서 생성된 전압 강하에 의해 발생된 전류의 합(2Iout)이 출력부(150)로 전달될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 전력 증폭 장치(100)가 저출력 모드로 동작하는 경우, 제1 스위치(160)와 제2 스위치(170)는 개방된다. 이로 인해 제1 증폭기(131)는 켜지고 제2 증폭기(132)는 꺼질 수 있다.
제1 스위치(160)는 개방되어 있기 때문에 입력부(110)에서 제2 증폭기(132)로 바라본 임피던스(Zin,PA2)는 개방된 것과 동일한 무한대의 임피던스를 가질 수 있다. 따라서, 입력 신호에 의해 발생한 전류(Iin)은 제1-1 변압기(121)의 1차측에만 전달되어 전압 강하(Vin)를 발생시킬 수 있다.
제1-2 변압기(122)의 1차측에는 전압 강하가 존재하지 않으므로, 제1-2 변압기(122)의 2차측으로 커플링되는 신호가 존재하지 않고 제1-1 변압기(121)의 커플링을 통해서만 제1 증폭기(131)에 신호가 전달될 수 있다. 이때, 제2 증폭기(132)는 DC 전류 소모를 최소화시키기 위해 DC 바이어스가 걸리지 않게 된다.
제2 스위치(170)는 개방되어 있기 때문에 임피던스(Zin,PA2)는 개방된 것과 동일한 값을 가지며 제2-1 변압기(141)의 2차측에서 출력되는 전류(Iout)는 제2-2 변압기(142)의 2차측으로 전달되지 않고 온전히 출력부(150)로 전달될 수 있다.
즉, 제1 증폭기(131)로 전달된 신호는 제1 증폭기(131)에 의해 증폭되어 제2-1 변압기(141)의 1차측에 전달되며 커플링을 통하여 제2-1 변압기(141)의 2차측으로 전달되어 최종 출력을 출력부(150)로 내보낸다.
한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 이중 출력 모드의 전력 증폭 장치(100)는 고출력 모드로 동작할 시, A와 B 지점은 접지된 것과 같이 동작하여야 스위치에 의한 전압 강하 없이 신호가 제1 증폭기(131)와 제2 증폭기(132)로 전달될 수 있다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 이중 출력 모드의 전력 증폭 장치(100)는 저출력 모드로 동작할 시, 입력 및 출력에서 제2 증폭기(132)로 바라본 임피던스(ZinPA2, ZoutPA2)는 무한대의 임피던스를 가져야만 제2 증폭기(132)로 새어나가는 전력에 의한 손실이 발생되지 않게 된다.
따라서, 스위치가 온 상태일때, 매우 낮은 저항을 가지거나 스위치가 오프 상태일 때 임피던스 변환기의 입력으로 바라본 임피던스(Zin,PA2, ZoutPA2)는 무한대의 임피던스를 가져야 한다.
하지만, 스위치가 액티브(active) 소자를 사용하여 구현되기 때문에 2개의 조건을 모두 만족시키기 어렵게 된다.
스위치의 성능은 액티브 소자의 온 저항에 매우 큰 영향을 받고 온 저항을 낮출수록 스위치의 성능은 상승한다. 온 저항은 액티브 소자의 크기와 반비례 관계를 가지기 때문에 온 저항을 낮추기 위해 액티브 소자의 크기를 늘리는 경우 액티브 소자의 기생 성분 또한 커지게 된다. 이는 액티브 소자가 오프 상태로 동작할 때 고주파 대역에서의 스위치의 올바른 동작을 기대할 수 없게 된다.
이상적인 변압기를 사용한 경우에는 변압기의 1차측 중 1개의 포트가 개방되어 있을 때(스위치가 오프) 입력 포트로부터 변압기로 바라본 임피던스(ZinPA2, Zout,PA2)는 주파수와 관계없이 무한대의 임피던스를 가질 수 있다. 하지만, 실제 변압기에는 기생 캐패시턴스가 존재하고, 그로 인해 고주파 대역에서는 무한대의 임피던스가 아닌, 캐패시턴스한 임피던스가 보이게 된다.
따라서, 실시예는 이를 해결하기 위한 다른 실시예의 스위치 구조를 제안한다. 여기서, 제1 스위치 구조 및 제2 스위치 구조는 동일하며, 제1 스위치의 구조를 일예로 설명한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 제1 스위치(160)는 인덕터(161)와 MOSFET 트랜지스터(이하 'M 트랜지스터'라 칭함, 162)를 포함할 수 있다. 인덕터(161)와 M 트랜지스터(162)는 병렬 연결될 수 있다. M 트랜지스터(162)는 스위치의 개방 및 단락을 조절하는 컨트롤 전압(Vctrl)이 가해질 수 있다.
제1 스위치(160)를 단락시키는 경우, M 트랜지스터(162)의 컨트롤 전압(Vctrl)은 M 트랜지스터(162)를 온 시킬 수 있도록 높은 전압을 가할 수 있다. 이때, M 트랜지스터(162)는 매우 낮은 온 저항을 가지도록 큰 크기가 사용될 수 있다. 따라서, A(또는 B) 지점은 접지와 같이 취급될 수 있다.
A(또는 B) 지점이 접지와 유사하게 동작하므로, 인덕터(161)는 전체 회로에 영향을 미치지 않게 된다.
실시예의 제1 스위치(160) 및 제2 스위치(170) 구조를 도 2에 적용하면 제1 스위치(160)와 제2 스위치(170)가 온 상태에서의 입력부(110)에서 제1 증폭기(131)로 바라본 임피던스(Zin,PA1)와 입력부(110)에서 제2 증폭기(132)로 바라본 임피던스(Zin,PA2)는 동일하다. 따라서, 고출력 모드에서는 제1 증폭기(131)와 제2 증폭기(132)에 동일한 크기의 신호가 전달될 수 있다.
또한, 스위치를 개방시키는 경우, M 트랜지스터(162)의 컨트롤 전압(Vctrl)은 M 트랜지스터(162)를 오프시킬 수 있도록 낮은 전압을 가할 수 있다. 이때, M 트랜지스터(162)는 기생 캐패시턴스에 의해 캐패시터처럼 보이게 된다.
변압기는 A 또는 B 지점을 개방시키는 경우 변압기의 기생 캐패시턴스에 의해 캐패시턴스한 임피던스로 동작하게 된다. M 트랜지스터(162)에 의한 캐패시턴스와 변압기의 캐패시턴스는 병렬 인덕터와 함께 공진하며 변압기의 입력 임피던스(Zin,X)를 무한대로 변환시킬 수 있다.
실시예의 제1 스위치 및 제2 스위치 구조를 도 3에 적용하면 제1 스위치(160) 및 제2 스위치(170)가 개방된 경우, 제2 증폭기(132)로 바라본 임피던스(Zin,PA2)는 모두 무한대의 임피던스를 가지게 되고, 입력 신호는 모두 제1 증폭기(131)로만 전달된다.
제2 스위치(170)는 개방되기 때문에 제2-2 변압기(142)를 바라본 임피던스(Zout, PA2)가 무한대의 임피던스를 가지도록 전환된다. 이때, 제1 증폭기(131)와 제2-1 변압기(141)를 통과한 전류(Iout)는 제2 증폭기(132)로 흐르지 않고 온전히 출력부(150)에 전달되어 신호의 손실이 없게 된다.
실시예의 스위치 구조를 사용함으로써, 고주파 대역에서도 이중 출력 모드 전력 증폭 장치를 설계할 수 있으며, 저주파 영역에서는 인덕터를 사용하지 않고 변압기의 온/오프 상태만을 사용하여 이중 출력 모드의 전력 증폭 장치의 설계가 가능한 효과가 있다.
도 5는 제2 실시예에 따른 전력 증폭 장치를 나타낸 회로도이다.
도 5를 참조하면, 제2 실시예에 따른 전력 증폭 장치(200)는 입력부(210)와, 상기 입력부(210)에 병렬 연결된 복수의 제1 변압기(220)와, 상기 복수의 제1 변압기(220)에 각각 연결된 복수의 증폭기(230)와, 상기 복수의 증폭기(230)에 각각 연결된 복수의 제2 변압기(240)와, 상기 제1 변압기(220)의 일측에 연결된 복수의 제1 스위치(260)와, 상기 제2 변압기(240)의 일측에 연결된 복수의 제2 스위치(270)를 포함할 수 있다.
입력부(210)는 RF 신호를 발생시킬 수 있다. 입력부(210)는 기지국들 및/또는 다른 전송기 스테이션들로부터 수신할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
제1 변압기(220)는 입력부(210)에 병렬 연결되며, 제1-1 변압기(220-1) 내지 제1-n 변압기(220-n)를 포함할 수 있다.
증폭기(230)는 제1 증폭기(230-1) 내지 제n 증폭기(230-n)를 포함할 수 있다. 제1 증폭기(230-1) 내지 제n 증폭기(230-n)는 제1-1 변압기(220-1) 내지 제1-n 변압기(220-n)에 각각 연결될 수 있다.
제1 스위치(260)는 제1-1 스위치(260-1) 내지 제1-(n-1) 스위치(260-(n-1))를 포함할 수 있다. 제1-1 스위치(260-1) 내지 제1-(n-1) 스위치(260-(n-1))는 제1-2 변압기(220-2) 내지 제1-n 변압기(220-n)의 일측에 연결될 수 있다. 제1-1 스위치(260-1)는 제1-2 변압기(220-2)의 일측에 연결될 수 있으며, 제1-(n-1) 스위치(260-(n-1))는 제1-n 변압기(220-n)의 일측에 연결될 수 있다.
제2 변압기(240)는 제2-1 변압기(240-1) 내지 제2-n 변압기(240-n)를 포함할 수 있다. 제2-1 변압기(240-1) 내지 제2-n 변압기(240-n)는 제1 증폭기(230-1) 내지 제n 증폭기(230-n)에 각각 연결될 수 있다. 제2-1 변압기(240-1) 내지 제2-n 변압기(240-n)는 출력부(250)에 병렬 연결될 수 있다.
제2 스위치(270)는 제2-1 스위치(270-1) 내지 제2-(n-1) 스위치(270-(n-1))를 포함할 수 있다. 제2-1 스위치(270-1) 내지 제2-(n-1) 스위치(270-(n-1))는 제2-2 변압기(240-2) 내지 제2-n 변압기(240-n)의 일측에 연결될 수 있다.
제2 실시예에 따른 전력 증폭 장치(200)는 2개 이상의 다중 출력 모드의 전력 증폭 장치로 사용이 가능한 효과가 있다. 스위치(260,270) 구조는 도 4의 구조를 채용할 수 있다.
도 6은 제3 실시예에 따른 전력 증폭 장치를 나타낸 회로도이다.
도 6을 참조하면, 제3 실시예에 따른 전력 증폭 장치(300)는 입력부(310)와, 상기 입력부(310)에 병렬 연결된 제1 증폭기(320) 및 제2 증폭기(330)와, 상기 제2 증폭기(330)의 입력단에 연결된 제1 스위치(350)와 상기 제2 증폭기(330)의 출력단에 연결된 제2 스위치(360)를 포함할 수 있다.
입력부(310)는 RF 신호를 발생시킬 수 있다. 입력부(310)는 기지국들 및/또는 다른 전송기 스테이션들로부터 수신할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
제1 증폭기(320)는 제1-1 변압기(321)와, 상기 제1-1 변압기(321)에 병렬 연결된 제1-1 트랜지스터(322) 및 제1-2 트랜지스터(323)와, 상기 제1-1 트랜지스터(322) 및 상기 제1-2 트랜지스터(323)에 공통으로 연결된 제1-3 변압기(324)와, 상기 제1-3 변압기(324)의 출력단에 병렬 연결된 제1-3 트랜지스터(325) 및 제1-4 트랜지스터(326)와, 상기 제1-3 트랜지스터(325) 및 상기 제1-4 트랜지스터(326)에 공통으로 연결된 제1-2 변압기(327)를 포함할 수 있다.
제2 증폭기(330)는 제2-1 변압기(331)와, 상기 제2-1 변압기(331)에 병렬 연결된 제2-1 트랜지스터(332) 및 제2-2 트랜지스터(333)와, 상기 제2-1 트랜지스터(332) 및 상기 제2-2 트랜지스터(333)에 공통으로 연결된 제2-3 변압기(334)와, 상기 제2-3 변압기(334)의 출력단에 병렬 연결된 제2-3 트랜지스터(335) 및 제2-4 트랜지스터(336)와, 상기 제2-3 트랜지스터(335) 및 상기 제2-4 트랜지스터(335)에 공통으로 연결된 제2-2 변압기(337)를 포함할 수 있다.
제1 스위치(350) 및 제2 스위치(360)는 액티브 소자일 수 있다. 이와 다르게, 제1 스위치(350) 및 제2 스위치(360)는 인덕터로 동작하는 트랜스미션 라인(351, 361)과 컨트롤 전압이 가해지는 M 트랜지스터(352, 362)를 포함할 수 있다.
제3 실시예에 따른 전력 증폭 장치(300)는 65nm CMOS 공정을 사용하여 설계될 수 있다. 전력 증폭 장치(300)는 28GHz 대역을 목표 주파수로 설계될 수 있다. 출력 전력 성능을 높이기 위해 변압기를 병렬로 연결하였고 이득을 높이기 위해 2단으로 구현하였다.
고출력 모드에서의 전력 증폭 장치(300)의 동작을 살펴보면 다음과 같다.
M 트랜지스터에 인가되는 컨트롤 바이어스(Vctrl)을 높여 제1 스위치(350)와 제2 스위치(360)를 온시킬 수 있다.
제1 스위치(350)가 단락되어 있으므로, 제2-1 변압기(331)의 1차측 중 제1 스위치(350)와 연결된 부분은 접지와 연결된 것처럼 동작된다. 따라서, 입력 신호(RFin)가 인가되는 경우 제1-1 변압기(321)와 제2-1 변압기(331)에 전류와 전압 강하가 생성될 수 있다.
제1-1 변압기(321)와 제2-1 변압기(331)의 1차측에 흐르는 전류는 제1-1 변압기(321)와 제2-1 변압기(331)의 2차측에 전류 및 전압을 생성하고, 생성된 전압은 제1-1 트랜지스터(322)와 제1-2 트랜지스터(323)와, 제2-1 트랜지스터(332)와 제2-2 트랜지스터(333)의 게이트를 통해 인가된 후, 증폭되어 제1-3 변압기(324)와 제2-3 변압기(334)의 1차측에 전류를 전달하고 전압 강하를 일으키게 된다.
제1-3 변압기(324)와 제2-3 변압기(334)의 1차측에 흐르는 전류는 제1-3 변압기(324)와 제2-3 변압기(334)의 2차측으로 전달되고 전압을 생성하게 된다. 생성된 전압은 제1-3 트랜지스터(325), 제1-4 트랜지스터(326), 제2-3 트랜지스터(335) 및 제2-4 트랜지스터(336)를 통과하여 증폭된 후, 제1-2 변압기(327)와 제2-2 변압기(337)의 1차측으로 전달하고 전압 강하를 발생시킨다.
제1-2 변압기(327)와 제2-2 변압기(337)의 1차측에서 커플링되어 제1-2 변압기(327)와 제2-2 변압기(337)의 2차측으로 전압 강하와 전류를 생성한다. 제1-2 변압기(327)와 제2-2 변압기(337) 의2차측에서 발생한 전류 Iout1, Iout2는 합쳐지게 되어 출력부(RFout, 340)으로 전달된다.
저출력 모드에서의 전력 증폭 장치(300)의 동작을 살펴보면 다음과 같다.
M 트랜지스터(352, 362)에 인가되는 컨트롤 바이어스(Vctrl)을 낮추어 제1 스위치(350)와 제2 스위치(360)를 개방시킬 수 있다.
제1 스위치(350)가 개방되었으므로, 제2-1 변압기(331)를 바라본 임피던스(Zin,X2)는 무한대의 값을 가지므로 입력 신호(RFin)는 제1-1 변압기(321)의 1차측으로만 전달되어 전류와 전압 강하를 생성할 수 있다.
제1-1 변압기(321)의 1차측에 흐르는 전류는 제1-1 변압기(321)의 2차측에 전류 및 전압을 생성하고, 생성된 전압은 제1-1 트랜지스터(322) 및 제1-2 트랜지스터(323)의 게이트에 인가된 후 증폭되어 제1-3 변압기(324)의 1차측에 전류 전달 및 전압 강하를 일으킨다.
제1-3 변압기(324)의 1차측에 흐르는 전류는 제1-3 변압기(324)의 2차측에 전류 및 전압을 생성하고 해당 전압은 제1-3 트랜지스터(325) 및 제1-4 트랜지스터(326)를 통과하여 증폭된다. 이후 제1-2 변압기(327)의 1차측에 전류를 전달하고 전압 강하를 발생시킬 수 있다. 제1-2 변압기(327)의 1차측은 제1-2 변압기(327)의 2차측과 커플링되어 제1-2 변압기(327)의 2차측에 전압 강하와 전류를 생성할 수 있다.
제2-1 변압기(327)는 제2 스위치(360)가 개방되어 있기 때문에 제2-2 변압기(337)로 바라본 임피던스(Zin,X6)는 무한대의 값을 가지고 그에 따라 제1-2 변압기(327)의 2차측에서 발생한 전류(Iout1)이 출력부(340)로 전달된다.
도 7은 실시예의 전력 증폭 장치의 저출력 모드와 고출력 모드에서 실험한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 저출력 모드에서는 12~15%의 효율을 보였으며, 고출력 모드에서는 15~18%의 효율을 나타냈다. 이는 종래에 비해 20% 이상의 효율을 향상시켰으며, 특히, 저출력 모드에서의 출력 효율의 상승 폭이 큰 것을 확인할 수 있다.
실시예는 다중 출력 모드가 가능한 전력 증폭기를 설계함으로써, 높은 효율을 가질 수 있는 효과가 있다.
또한, 실시에는 이동 통신의 경우 송신기 및 수신기의 거리가 실시간으로 달라질 수 있는데, 장거리에서는 고출력 모드를, 단거리에서는 저출력 모드를 사용하여 DC 전력 소모의 낭비를 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 실시예는 변조 방식에 따라 출력 모드를 전환하도록 설계함으로써, DC 전력 소모의 낭비를 최소화 할 수 있다.
또한, 실시예는 한 종류의 전력 증폭기를 이용하여 전력 증폭기를 설계함으로써, 회로 면적을 효과적으로 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 실시예는 스위치를 인덕터와 트랜지스터를 이용함으로써, 손실을 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 실시예는 손실이 없는 스위치를 이용함으로써, 전력 증폭기의 개수를 제한없이 늘릴 수 있는 효과가 있다.
상기에서는 도면 및 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 실시예의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 실시예는 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음은 이해할 수 있을 것이다.
110: 입력부
121: 제1-1 변압기
122: 제1-2 변압기
131: 제1 증폭기
132: 제2 증폭기
141: 제2-1 변압기
142: 제2-2 변압기
150: 출력부

Claims (10)

  1. 입력 신호를 발생시키는 입력부;
    상기 입력부에 병렬 연결된 제1-1 변압기 및 제1-2 변압기;
    상기 제1-1 변압기 및 제1-2 변압기에 각각 연결된 제1 증폭기 및 제2 증폭기;
    상기 제1-2 변압기의 일측에 연결된 제1 스위치;
    상기 제1 증폭기 및 제2 증폭기에 각각 연결되어 출력부와 병렬 연결된 제2-1 변압기 및 제2-2 변압기; 및
    상기 제2-2 변압기의 일측에 연결된 제2 스위치
    를 포함하는 전력 증폭 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치는 동시에 단락 또는 개방되는 전력 증폭 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치가 단락되면 상기 입력 신호는 상기 제2 증폭기 및 상기 제2 증폭기로 전달되어 증폭되는 전력 증폭 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치가 개방되면 상기 입력 신호는 상기 제1 증폭기로 전달되어 증폭되는 전력 증폭 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치는 트랜지스터 또는 다이오드를 포함하는 전력 증폭 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 스위치는 인덕터 및 컨트롤 전압이 가해지는 MOSFET 트랜지스터를 포함하는 전력 증폭 장치.
  7. 입력부;
    상기 입력부에 병렬 연결된 제1-1 내지 제1-n 변압기;
    상기 제1-1 내지 제1-n 변압기에 각각 연결된 제1 내지 제n 증폭기;
    상기 제1-1 내지 제1-n 변압기의 일측에 연결된 제1-1 내지 제1-(n-1) 스위치;
    상기 제1 내지 제n 증폭기에 각각 연결되어 출력부와 병렬 연결된 제2-1 내지 제2-n 변압기; 및
    상기 제2-1 내지 제2-n 변압기의 일측에 연결된 제2-1 내지 제2-(n-1) 스위치
    를 포함하는 전력 증폭 장치.
  8. 입력부;
    상기 입력부에 병렬 연결된 제1 증폭기 및 제2 증폭기;
    상기 제2 증폭기의 입력단에 연결된 제1 스위치; 및
    상기 제2 증폭기의 출력단에 연결된 제2 스위치를 포함하고,
    상기 제1 증폭기는 제1-1 변압기와, 상기 제1-1 변압기에 병렬 연결된 제1-1 트랜지스터 및 제1-2 트랜지스터와, 상기 제1-1 트랜지스터 및 상기 제1-2 트랜지스터에 공통으로 연결된 제1-3 변압기와, 상기 제1-3 변압기의 출력단에 병렬 연결된 제1-3 트랜지스터 및 제1-4 트랜지스터와, 상기 제1-3 트랜지스터 및 상기 제1-4 트랜지스터에 공통으로 연결된 제1-2 변압기를 포함하는 전력 증폭 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2 증폭기는 제2-1 변압기와, 상기 제2-1 변압기에 병렬 연결된 제2-1 트랜지스터 및 제2-2 트랜지스터와, 상기 제2-1 트랜지스터 및 상기 제2-2 트랜지스터에 공통으로 연결된 제2-3 변압기와, 상기 제2-3 변압기의 출력단에 병렬 연결된 제2-3 트랜지스터 및 제2-4 트랜지스터와, 상기 제2-3 트랜지스터 및 상기 제2-4 트랜지스터에 공통으로 연결된 제2-2 변압기를 포함하는 전력 증폭 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제1 스위치는 인덕터로 동작하는 트랜스미션 라인 및 컨트롤 전압이 가해지는 MOSFET 트랜지스터를 포함하는 전력 증폭 장치.
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