KR102301164B1 - 다중 모드 기반의 전력 증폭 장치 - Google Patents

다중 모드 기반의 전력 증폭 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 다중 모드 기반의 전력 증폭 장치는, 병렬 구조의 제 1 트랜스포머와 제 2 트랜스포머로 구성되는 전압 분배기와, 상기 제 1 트랜스포머의 일차측 타단과 상기 제 2 트랜스포머의 일차측 일단 사이에서 접지와의 사이에 연결된 제 1 스위치와, 상기 제 1 트랜스포머의 이차측 제 1 출력에 연결된 제 1 전력 증폭기와, 상기 제 2 트랜스포머의 이차측 제 2 출력에 연결된 제 2 전력 증폭기와, 상기 제 1 전력 증폭기의 출력에 일차측 입력이 연결되는 제 3 트랜스포머와 상기 제 2 전력 증폭기의 출력에 일차측 입력이 연결되는 제 4 트랜스포머로 구성되는 전압 결합기와, 상기 제 3 트랜스포머의 이차측 타단과 상기 제 4 트랜스포머의 이차측 일단 사이에서 접지와의 사이에 연결된 제 2 스위치를 포함할 수 있다.

Description

다중 모드 기반의 전력 증폭 장치{POWER AMPLIFIER BASED ON MULTI-MODE}
본 발명은 전력 증폭 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이중 모드 전력 증폭기의 면적 문제, 직렬로 연결된 스위치에 의한 성능 저하 문제, 위상(phase)에 의한 전력 결합 효율의 저하 문제를 해결할 수 있는 다중 모드 기반의 전력 증폭 장치에 관한 것이다.
알려진 바와 같이, 송신기에서의 전력 증폭기는 송신기의 출력 전력 성능을 결정하는 회로로써 송신기 전체의 성능에 영향을 미칠 수 있는 가장 중요한 회로 블록 중 하나이다.
일반적으로, 전력 증폭기의 성능 지표로써 출력 전력과 효율이 고려되는데, 도 1은 일반적인 전력 증폭기의 출력 전력과 효율의 관계를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 출력 전력과 효율은 비례 관계에 있으므로, 고효율로 동작하기 위해서는 고출력의 전력을 내야한다는 것을 알 수 있다.
그러나, 송수신 시스템의 거리가 짧은 경우, 또는 낮은 데이터율(data rate)을 가지는 변조 방식(예컨대, BPSK 등)을 사용하는 경우에는 저출력으로도 충분히 통신이 가능하다.
그러나, 저출력 구간에서는 전력 증폭기의 효율이 매우 낮아 사용할 수 없고, 고효율로 동작시키기 위해 고출력 상태를 유지하는 경우에 요구되는 출력에 필요한 DC 소모보다 더 많은 DC 소모를 발생시켜 모바일 기기의 배터리 사용 시간을 크게 줄이게 되는 문제가 발생한다.
이를 해결하기 위해 저출력 구간에서도 고효율로 동작이 가능한 이중 모드 (고출력 모드 및 저출력 모드) 전력 증폭기가 개발되었다.
도 2는 일반적인 이중 모드 전력 증폭기의 블록 구성도로서, 고출력 모드인 경우 스위치(SW1, SW2)가 고출력 전력 증폭기(HPA)와 연결되어 높은 출력 전력을 내게 된다.
또한, 고출력 전력 증폭기(HPA)는 켜지고 저출력 전력 증폭기(LPA)는 꺼짐으로써 회로 전체가 고출력 전력 증폭기로 동작한다.
저출력 모드인 경우 SW1, SW2가 저출력 전력 증폭기와 연결되어 입/출력 단자가 저출력 전력 증폭기와 연결된다. 또한, 고출력 전력 증폭기는 꺼지고 저출력 전력 증폭기는 켜짐으로써 회로 전체가 저출력 전력 증폭기로 동작한다.
이와 같이 회로가 동작하는 경우 두 개의 개별적인 전력 증폭기가 교대로 동작하는 것과 같기 때문에 출력 전력과 효율의 관계는 도 3과 같이 표현되어 저출력 및 고출력 구간에서 모두 고효율을 유지할 수 있게 된다.
도 2의 이중 모드 전력 증폭기는 단순히 전력 증폭기 2개를 연결하는 것과 같으므로, 회로 설계의 난이도가 내려가지만 회로 전체의 크기가 매우 커진다는 단점이 존재한다.
직렬로 연결된 스위치의 경우, 스위치의 손실 성능이 전체 회로에 직접적으로 영향을 미친다. 즉, 종래의 이중 모드 전력 증폭기에서는 스위치가 각 전력 증폭기와 직렬로 연결되므로, 스위치의 손실에 의해 회로에 입력되는 신호의 세기가 감쇄되고 출력단에 연결된 스위치 손실에 의해 전력 증폭기의 출력 전력이 줄어지는 문제가 발생한다.
또한, 종래의 이중 모드 전력 증폭기는 직렬 스위치의 선형성 성능을 우수하게 설계하지 못하는 경우 스위치 자체가 전력 증폭기의 출력 전력 성능을 견딜 수 없어 출력 전력 성능을 낮추게 되는 문제가 야기된다.
더욱이, 이중 모드로 동작시키기 위해서는 단일로 입력을 받고, 2개의 출력을 가지는 SPDT 스위치를 설계해야 하므로, 전력 증폭기 외에 스위치에 의한 설계의 복잡도가 증가하게 되는 문제가 있다.
상기한 문제를 해결하기 위해 도 4와 같은 이중 대역 전력 증폭기가 제안되었다.
도 4를 참조하면, 해당 증폭기는 저출력 모드에서는 직렬 스위치(SW1, SW2)가 개방되고 PA1만이 동작한다. 따라서, 직렬 스위치를 통과하지 않아 스위치에 의한 신호의 감쇄가 없다.
그러나, 전력 증폭기 PA1, PA2가 모두 동작하는 고출력 모드인 경우에는 신호가 스위치(SW1, SW2)를 통과하기 때문에 직렬 스위치에 의한 신호의 손실이 존재한다.
그리고, PA1만이 동작하는 저출력 모드의 경우에 PA1의 입력 정합 특성이 회로 전체의 입력 정합 특성과 같게 된다. 그러나, PA1, PA2가 모두 동작하는 고출력 모드에서는 PA1, PA2 두 개의 전력 증폭기가 모두 보이게 되므로 저출력 모드와는 다른 입력 정합 특성을 가지게 된다. 이는 회로 전단에 위치하는 회로의 성능, 또는 전체 송신기의 성능이 이중 모드 전력 증폭기의 모드에 따라 바뀌게 된다는 것을 의미한다.
또한, 직렬 스위치 SW1, SW2, PA2를 통과한 신호와 PA1만을 통과한 신호는 A 지점에서 위상이 달라진다. PA1과 PA2가 다르게 설계된 전력 증폭기라면 위상이 달라지는 정도는 더 심해진다. 합쳐지는 두 신호의 위상이 동일하지 않으면 신호의 손실이 일어나게 되고, 최악의 경우 두 개의 신호가 상쇄되어 신호를 출력하지 못하게 되는 문제가 발생할 수 있다.
상술한 종래의 이중 모드 전력 증폭기는 저주파 대역에서 설계가 되었는데, 저주파 대역에서는 트랜지스터의 성능이 기생 커패시턴스에 크게 영향을 받지 않으나, 수십 GHz 이상의 고주파 대역에서는 트랜지스터 소자가 가지는 기생 커패시턴스 성분이 회로 설계 및 성능에 매우 큰 영향을 미치게 되므로 트랜지스터를 이용한 스위치의 성능이 저하되는 문제가 유발된다.
또한, 주파수가 증가할수록 전력 증폭기 설계 시 전력 결합기로써 사용되는 트랜스포머의 특성이 변하기 때문에 회로의 정합 특성과 신호의 위상 및 트랜스포머의 특성이 전력 결합 특성에 직접적인 영향을 미치게 되는 문제가 발생한다.
한국공개특허 제2013-0055843호(공개일: 2013. 05. 29.)
본 발명은, 이중 모드 전력 증폭기의 면적 문제, 직렬로 연결된 스위치에 의한 성능 저하 문제, 위상(phase)에 의한 전력 결합 효율의 저하 문제를 해결할 수 있는 다중 모드 기반의 전력 증폭 장치를 제공하고자 한다.
본 발명은, 입출력에 각 2개의 트랜스포머로 이루어진 전압 분배기와 전압 결합기 및 스위치를 사용하여 다중 모드 전력 증폭을 실현할 수 있는 다중 모드 기반의 전력 증폭 장치를 제공하고자 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기에서 언급한 것으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 해결하고자 하는 과제는 아래의 기재들로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에 의해 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은, 일 관점에 따라, 병렬 구조의 제 1 트랜스포머와 제 2 트랜스포머로 구성되는 전압 분배기와, 상기 제 1 트랜스포머의 일차측 타단과 상기 제 2 트랜스포머의 일차측 일단 사이에서 접지와의 사이에 연결된 제 1 스위치와, 상기 제 1 트랜스포머의 이차측 제 1 출력에 연결된 제 1 전력 증폭기와, 상기 제 2 트랜스포머의 이차측 제 2 출력에 연결된 제 2 전력 증폭기와, 상기 제 1 전력 증폭기의 출력에 일차측 입력이 연결되는 제 3 트랜스포머와 상기 제 2 전력 증폭기의 출력에 일차측 입력이 연결되는 제 4 트랜스포머로 구성되는 전압 결합기와, 상기 제 3 트랜스포머의 이차측 타단과 상기 제 4 트랜스포머의 이차측 일단 사이에서 접지와의 사이에 연결된 제 2 스위치를 포함하는 다중 모드 기반의 전력 증폭 장치를 제공할 수 있다.
본 발명은, 고출력 모드일 때 상기 제 1 스위치와 상기 제 2 스위치는 모두 개방 상태가 되고, 저출력 모드일 때 상기 제 1 스위치와 상기 제 2 스위치는 모두 단락 상태가 될 수 있다.
본 발명은, 상기 제 1 트랜스포머의 일차측을 통과하며 발생하는 위상 변화를 보정해 주기 위한 스위치 내부 인덕턴스를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 고출력 및 저출력 모드에서 높은 효율을 가질 수 있는 다중 모드 전력 증폭을 실현할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 송신기 및 수신기가 이동할 경우 둘 사이의 거리가 짧거나 멀어질 수 있는데 거리에 따라 고출력 및 저출력 모드를 전환하여 DC 전력 소모의 낭비를 최소화할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 같은 거리인 경우에 낮은 전력 백오프(power back-off)을 요구하는 변조 방식에서는 저출력 모드로, 높은 전력 백오프를 요구하는 변조 방식에서는 고출력 모드로 전환함으로써, DC 전력 소모의 낭비를 최소화할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 하나의 전력 증폭기가 그 자체로써 이중 모드 전력 증폭기로 동작함으로써, 두 개의 전력 증폭기(고출력 전력 증폭기, 저출력 전력 증폭기)를 설계하고 결합하여야 하는 종래의 이중 모드 전력 증폭기와 비교하여 전체 회로 면적을 줄일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 입력에 설치되는 트랜스포머를 조절하여 입력을 싱글 엔디드(single-ended)로 받거나 혹은 차동 신호로도 받을 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 고출력 및 저출력 모드에서 소신호 특성(이득, 입력 정합)이 일정하기 때문에 전단에 위치하는 회로의 성능에 영향을 미치지 않는다.
본 발명의 실시예에 따르면, 주파수와 관계없이 이중 모드 전력 증폭기를 설계할 수 있으며, 결합되는 전력 증폭기의 수를 무한히 확장 가능하고, 이에 따라 이중 모드 이상의 다중 모드로 동작하는 전력 증폭기를 제작할 수 있다.
도 1은 일반적인 전력 증폭기의 출력 전력과 효율의 관계를 나타낸 도면이다.
도 2는 일반적인 이중 모드 전력 증폭기의 블록 구성도이다.
도 3은 저출력 및 고출력 구간에서 모두 고효율이 유지되는 관계를 나타낸 도면이다.
도 4는 종래의 이중 대역 전력 증폭기의 블록 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 다중 모드 기반의 전력 증폭 장치에 대한 블록 구성도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 다중 모드 전력 증폭기가 저출력 모드도 동작할 때의 원리를 설명하기 위한 구성도이다.
도 7은 고주파 대역에서 일반적으로 설계되는 트랜지스터를 사용한 스위치의 구조를 보여주는 도면이다.
도 8은 N개의 모드를 가지는 다중 모드 전력 증폭기의 예를 보여주는 도면이다.
도 9는 본 실시예에 따른 다중 모드 전력 증폭기와 종래의 전력 증폭기를 비교한 표이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 다중 모드 전력 증폭기의 회로도이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 다중 모드 전력 증폭기의 이득 및 입력 정합 특성을 보여주는 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 다중 모드 전력 증폭기의 출력 전력과 효율의 관계를 저출력 및 고출력 모드에서 시뮬레이션한 결과를 보여주는 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명의 범주는 청구항에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 실시예들을 설명함에 있어 실제로 필요한 경우 외에는 생략될 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 다중 모드 기반의 전력 증폭 장치에 대한 블록 구성도이다.
도 5를 참조하면, 본 실시예의 전력 증폭 장치는 제 1 스위치(SW1), 제 1 트랜스포머(X1)와 제 2 트랜스포머(X2)로 구성되는 전압 분배기(voltage divider)(502), 제 1 전력 증폭기(PA1)(504), 제 2 전력 증폭기(PA2)(506), 제 3 트랜스포머(X3)와 제 4 트랜스포머(X4)로 구성되는 전압 결합기(voltage combiner)(508) 및 제 2 스위치(SW2) 등을 포함할 수 있다.
전압 분배기(502)는 병렬 구조의 제 1 트랜스포머(X1)와 제 2 트랜스포머(X2)로 구성될 수 있는데, 제 1 트랜스포머(X1)의 일차측(primary) 타단과 제 2 트랜스포머(X2)의 일차측 일단 사이에서 접지와의 사이에 제 1 스위치(SW1)가 연결된다.
그리고, 제 1 트랜스포머(X1)의 이차측(secondary) 제 1 출력에는 제 1 전력 증폭기(504)가 연결되고, 제 2 트랜스포머(X2)의 이차측 제 2 출력에는 제 2 전력 증폭기(506)가 연결된다.
또한, 제 1 전력 증폭기(504)의 출력에는 제 3 트랜스포머(X3)의 일차측 입력이 연결되고, 제 2 전력 증폭기(506)의 출력에는 제 4 트랜스포머(X4)의 일차측 입력이 연결된다. 여기에서, 제 3 트랜스포머(X3)와 제 4 트랜스포머(X4)는 전압 결합기로서 기능할 수 있다.
그리고, 제 3 트랜스포머(X3)의 이차측 타단과 제 4 트랜스포머(X4)의 이차측 일단 사이에서 접지와의 사이에 제 2 스위치(SW2)가 연결된다.
도 5를 참조하면, 전력 증폭기가 고출력 모드로 동작하는 경우 입력단에 위치하는 제 1 스위치(SW1)와 출력단에 위치하는 제 2 스위치(SW2)는 모두 개방 상태가 되고, 제 1 전력 증폭기(504)와 제 2 전력 증폭기(506)는 모두 켜진 상태가 된다.
제 1 스위치(SW1)는 접지를 향해 개방되어 있으므로 없는 것과 같이 취급되며, 입력 신호에 의한 전압은 제 1 트랜스포머(X1)와 제 2 트랜스포머(X2)의 일차측에 모두 인가된다.
제 1 및 제 2 트랜스포머(X1, X2)의 일차측에 인가된 전압은 커플링을 통해 제 1 및 제 2 트랜스포머(X1, X2)의 이차측을 통해 제 1 및 제 2 전력 증폭기(504, 506)로 전달된다.
제 1 및 제 2 전력 증폭기(504, 506)의 출력은 각각 제 3 및 제 4 트랜스포머(X3, X4)의 일차측으로 각각 전달되며, 이는 다시 커플링을 통해 제 3 및 제 4 트랜스포머(X3, X4)의 이차측으로 전달된다. 이를 통해, 제 3 및 제 4 트랜스포머(X3, X4)의 이차측에 전압이 각각 걸리게 되며, 제 3 및 제 4 트랜스포머(X3, X4)의 이차측 전압의 합이 출력으로 전달된다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 다중 모드 전력 증폭기가 저출력 모드도 동작할 때의 원리를 설명하기 위한 구성도이다.
도 6을 참조하면, 전력 증폭기가 저출력 모드로 동작하는 경우 입력단에 위치하는 제 1 스위치(SW1)와 출력단에 위치하는 제 2 스위치(SW2)는 단락 상태가 되고, 제 1 전력 증폭기(504)는 동작되며, 제 2 전력 증폭기(506)는 오프되어 동작하지 않는다. 이때, 제 1 스위치(SW1)가 단락되어 있으므로 인가된 신호에 의한 전압 강하는 제 1 트랜스포머(X1)의 일차측에만 존재한다.
제 2 트랜스포머(X2)의 일차측에는 전압 강하가 존재하지 않으므로 이차측으로 커플링되는 신호가 존재하지 않고, 제 1 트랜스포머(X1)의 커플링을 통해서만 제 1 전력 증폭기(504)에 신호가 전달된다. 이때, 제 2 전력 증폭기(506)는 DC 전류 소모를 최소화하기 위해 DC 바이어스가 걸리지 않는다.
제 2 스위치(SW2)의 단락으로 인해 제 2 트랜스포머(X2)와 마찬가지로 제 4 트랜스포머(X4)의 이차측에는 전압 강하가 걸리지 않으며, 제 1 전력 증폭기(504)를 통해 제 3 트랜스포머(X3)로 전달된 신호는 커플링을 출력으로 전달된다.
제 1 전력 증폭기(504)로 전달된 신호는 제 1 전력 증폭기(504)에 의해 증폭되어 제 3 트랜스포머(X3)의 일차측에 전달되며, 커플링을 통하여 제 3 트랜스포머(X3)의 이차측으로 전달되어 최종 출력으로 내 보낸다.
즉, 본 실시예에 따른 전력 증폭 장치는 도 5 및 도 6으로부터 알 수 있는 바와 같이, 저출력 모드로 동작하는 경우 제 1 전력 증폭기만 동작하나, 고출력 모드로 동작하는 경우 제 1 및 제 2 전력 증폭기가 모두 동작한다.
따라서, 출력 전력은 회로의 면적과 비례 관계에 있으므로, 동일한 전력을 출력하는 경우 본 실시예에 따라 전력 증폭기의 회로 면적을 크게 절감할 수 있다.
특히, 본 실시예에 따르면, 고출력 모드에서 제 1 및 제 2 스위치(SW1, SW2)가 신호 경로에 병렬로 연결되어 있기 때문에, 스위치의 손실 및 선형성 성능이 전력 증폭기에 큰 영향을 미치지 않고 고출력 성능을 유지할 수 있다.
이것은 특히 소자의 기생 성분 영향이 두드러지게 나타나는 고주파 대역에서 장점으로 작용한다.
즉, 고주파 대역에서는 트랜지스터의 기생 커패시턴스에 의해 트랜지스터로 구성된 스위치의 손실이 크게 증가하는데, 본 실시예에서는 스위치의 손실 성능에 크게 영향을 받지 않으므로 밀리미터파 영역에서도 원활히 동작이 가능하다.
도 7은 고주파 대역에서 일반적으로 설계되는 트랜지스터를 사용한 스위치의 구조를 보여주는 도면이다.
오프(Off) 상태에서의 트랜지스터 기생 커패시턴스는 저주파에서는 스위치 성능에 매우 사소한 영향을 미치나 고주파 대역에서는 오프 상태에서의 손실에 크게 영향을 미친다. 따라서, 트랜지스터의 기생 커패시턴스를 공진 시켜주기 위하여 도 7과 같이 인덕터 또는 트랜스미션 라인(L1)을 사용하여 기생 커패시턴스와의 공진을 유도하여 그 영향을 최소로 줄일 필요가 있다.
본 실시예의 다중 모드 전력 증폭기의 하부, 즉 제 2 전력 증폭기(506)로 신호를 전달하기 위해서는 제 1 트랜스포머(X1)의 일차측을 반드시 통과한 후 제 2 트랜스포머(X2)에 신호가 도달하여야 한다. 저주파수 대역에서는 제 1 트랜스포머(X1)의 일차측을 통과하여 신호가 도 5의 A 지점에 도달하여도 신호의 위상이 거의 바뀌지 않으나 고주파파 대역에서는 제 1 트랜스포머(X1) 일차측의 크기에 비례하여 A 지점에 도달하는 위상이 바뀌게 된다.
출력단의 제 3 및 제 4 트랜스포머(X3, X4)의 경우도 마찬가지로써 제 2 전력 증폭기(506)를 통과하여 B 지점에 도달한 신호는 출력에 도달하기 전 제 3 트랜스포머(X3)의 이차측을 통과하며 위상이 바뀐 이후에 제 1 전력 증폭기(504)를 통과한 신호와 합쳐지게 된다.
출력단에서 제 1 전력 증폭기(504)를 통과한 신호와 제 2 전력 증폭기(506)를 통과한 신호가 합쳐지는 경우에 두 신호의 위상 신호가 다른 경우 신호는 온전히 합쳐질 수 없으며 최악의 경우 상쇄되어 없어지기도 한다. 이를 해결하기 위하여 일반적으로 트랜지스터 기생 커패시턴스를 제거하기 위해 사용되는 인덕터 또는 트랜스미션 라인(L1)을 이용하여 신호의 위상을 맞춘다. 즉 라인(L1)은 제 1 트랜스포머의 일차측을 통과하며 발생하는 위상 변화를 보정해 주기 위한 스위치 내부 인덕턴스로서 기능할 수 있다.
실제 설계에 적용 시, 도 4에 도시된 종래의 이중 모드 전력 증폭기와 달리 위상을 맞추었기 때문에 전압 분배기와 전압 결합기는 고주파 대역에서도 높은 신호 전달율을 가지게 된다.
위상을 맞출 필요가 없는 저주파수의 경우에는 라인(L1)을 제외하고 트랜지스터만을 이용하여 스위치를 구성할 수 있고, 고주파 대역에서는 라인(L1)을 사용하여 설계가 가능하다.
제 1 및 제 2 전력 증폭기(504, 506)는 그 자체로써 완성된 것을 사용하여 입/출력 정합이 모두 50 Ohm 또는 그에 근접하게 설계된 전력 증폭기를 적용할 수 있다. 또는, 제 1 내지 제 4 트랜스포머(X1, X2, X3, X4)를 사용하여 입/출력 정합을 이루어낼 수 있다.
일반적으로, 트랜지스터의 입/출력 임피던스는 기생 커패시턴스에 의해서 커피시턴스 영역에 존재한다. 그리고 트랜스포머의 임피던스는 인덕턴스 영역에 존재하므로 이 둘을 공진시키거나 조절하여 50 Ohm 영역에 위치하도록 제작할 수 있다.
이와 같이 이중 모드 전력 증폭기를 구성한 경우 회로 설계 시 반드시 필요한 입/출력 정합 네트워크는 제 1 내지 제 4 트랜스포머(X1, X2, X3, X4) 소자만을 이용하여 구현할 수 있고, 사용하는 소자의 개수를 크게 줄여 회로의 면적 및 설계 난이도를 크게 낮출 수 있다.
전력 증폭기를 송신기에 적용하는 경우 전력 증폭기의 입력 정합 성능에 의해 전단에 위치하는 믹서(Mixer), 구동 증폭기(drive amplifier) 등의 성능이 변화할 수 있다. 도 4에 도시된 종래의 이중 모드 전력 증폭기는 저출력 및 고출력 증폭기가 모드에 따라 입력 정합 성능이 변화하므로, 모드에 따라 전단에 위치한 회로의 성능을 변화시킨다. 또한, 회로의 입력 정합 변화는 전력 증폭기, 나아가 송신기 전체의 이득 특성을 변화시켜 송신기에 감쇄기(attenuator) 등의 추가적인 회로를 포함하도록 강요한다.
이를 해결하기 위해 바랙터(varactor) 등 임피던스 튜닝이 가능한 회로를 사용하여 회로의 성능을 일정하게 유지하려는 노력이 있었으나, 해당 소자는 손실이 너무 커 전력 증폭기의 이득 및 출력 전력 성능을 감소시킨다.
전압 분배기의 내부 트랜스포머의 결합계수(coupling coefficient)가 이상적으로 1인 경우 입력 임피던스는 커플링되는 트랜스포머 수의 배수로 증가하게 된다. 그러나, 위와 같은 임피던스의 변화는 결합계수가 1인 이상적인 상황인 경우에 한정되고, 실제로 결합계수는 1 이하의 값을 가진다. 결합계수가 감소할수록 임피던스 변화량은 커플링되는 트랜스포머 수의 배수에서 감소하게 된다.
위와 같은 성질을 응용, 결합계수를 적절히 조절하여 모드에 관계없이 전력 증폭기의 입력 정합을 일정하게 유지할 수 있다.
회로의 입력 정합을 일정하게 유지하여 이중 모드 전력 증폭기의 이득을 일정하게 유지하고, 더욱이 이중 모드 전력 증폭기 전단에 위치하는 회로의 성능을 변화시키지 않아 추가적인 컨트롤 회로 없이도 송신기의 성능을 일정하게 유지할 수 있다.
한편, 본 발명에 따르면, 이중 모드 전력 증폭기의 입/출력 네트워크는 이를 적층시켜 N개의 모드를 가지는 다중 모드 전력 증폭기로 구성할 수도 있다.
도 8은 N개의 모드를 가지는 다중 모드 전력 증폭기의 예를 보여주는 도면이다.
도 8을 참조하면, M번째 모드를 동작시키기 위해서는 PA1 ~ PAM까지의 전력 증폭기를 모두 온, 전력 증폭기 PAM+1 ~ PAN은 모두 오프, 스위치 SWin1 ~ SWinM-1, SWout1 ~ SWoutM-1를 모두 개방, 스위치 SWinM ~ SWinN, SWoutM ~ SWoutN을 모두 단락시킴으로써, M번째 모드를 동작시킬 수 있다.
도 9는 본 실시예에 따른 다중 모드 전력 증폭기와 종래의 전력 증폭기를 비교한 표이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 다중 모드 전력 증폭기의 회로도이다.
도 10을 참조하면, 전력 증폭기는 65-nm CMOS 공정을 사용하여 설계하였으며, 해당 회로는 28 GHz 대역을 목표 주파수로 설계하였다.
그리고, 출력 전력 성능을 높이기 위하여 트랜지스터를 병렬로 연결하였으며, 적절한 이득을 얻기 위해 2단으로 구현하였다.
도 10을 참조하면, 전력 증폭기는 도 5의 구조와 마찬가지로 PA1(M1 - M4 X1, X3, X5 포함)과 하부 PA2(M5 - M8, X2, X4, X6 포함)로 구성된다. 두 개의 PA는 트랜스포머 X1, X2 및 X5, X6을 이용한 전압 결합 구조로 연결되어 있으며, 해당 전압 결합 구조는 트랜지스터 MS1, MS2와 인덕터로 동작하는 트랜스미션 라인 TL1, TL2를 포함하는 스위치 1, 2를 통해 출력 모드를 조절한다.
개별 트랜지스터의 게이트(VGG)와 드레인 DC 바이어스(VDD)는 트랜스포머(X1 - X6)의 센터텝을 통해 인가되고, 고출력 모드에서는 PA1, PA2에 모두 바이어스를 인가하지만, 고출력 모드에서는 트랜스포머 X1, X3, X5를 통해 PA1에만 바이어스를 인가하고, PA2에는 바이어스를 인가하지 않는다.
이중 모드를 조절하는 컨트롤 바이어스(Vctrl)는 트랜지스터의 게이트에 직접적으로 인가된다. 바이어스 구조는 회로의 이중 모드 동작에 영향을 미치지 않는 범위에서 수정될 수 있다.
회로의 고출력 모드에서는 트랜지스터 MS1과 MS2에 인가되는 컨트롤 바이어스(Vctrl)를 낮추어(예컨대, 0 V) 스위치 1, 2를 오프 시킨다.
RFIN 단자로 RF 신호가 인가되면, 트랜스포머 X1의 일차측에 전압 강하와 전류를 생성한다. 생성된 전류는 스위치 1 내부의 트랜스미션 라인 TL1에 의해 위상이 바뀌며 트랜스포머 X2에 전압 강하를 생성한다. 이때 생성된 전압 강하는 트랜스포머 X1에 인가되는 전압 강하와 동일한 위상을 가지게 된다.
트랜스포머 X1, X2의 일차측에 흐르는 전류는 트랜스포머 X1, X2의 이차측에 전류 및 전압을 생성하고, 생성된 전압은 트랜지스터 M1 - M4의 게이트에 인가 및 증폭되어 트랜지스터 M1 - M4의 드레인으로 신호를 출력하여, 트랜스포머 X3, X4의 일차측에 전류 전달 및 전압을 인가한다.
회로의 두 번째 단에서도 동일한 일이 일어난다. 즉, 트랜스포머 X3, X4의 일차측에 흐르는 전류는 트랜스포머 X3, X4의 이차측에 전류 및 전압을 생성하고, 생성된 전압은 트랜지스터 M5 - M8의 게이트에 인가 및 증폭되어 트랜지스터 M5 - M8의 드레인으로 신호를 출력하여, 트랜스포머 X5, X6의 일차측에 전류 전달 및 전압을 인가한다.
트랜스포머 X5, X6의 일차측에 의해 트랜스포머 X5, X6의 이차측에도 전압이 걸리게 된다. 이때, 트랜스포머 X5, X6의 이차측에 걸리는 전압은 위상이 다를 경우 온전히 전압을 합칠 수 없다. 스위치 2 내부의 트랜스미션 라인 TL2를 이용하여 트랜스포머 X5, X6의 이차측에 걸리는 전압의 위상을 동일하게 조절하며, 도 5에서 볼 수 있는 바와 같이 전압을 결합, RFOUT으로 신호를 전달하게 된다.
회로의 저출력 모드에서는 트랜지스터 MS1과 MS2에 인가되는 컨트롤 바이어스(Vctrl)를 높여(예컨대, 1.5 V) 스위치 1, 2를 온 시킨다.
RFIN 단자로 RF 신호가 인가되면 트랜스포머 X1의 일차측에 전압 강하와 전류를 생성한다. 저출력 모드에서는 스위치 1이 온 상태이므로 전류는 모두 스위치 1을 통해 접지로 나가게 되며, 트랜스포머 X2의 일차측으로는 신호를 전달하지 않는다.
트랜스포머 X2에 신호가 전달되지 않고 트랜지스터 바이어스 또한 인가되지 않으므로 PA2는 동작하지 않는다.
트랜스포머 X1의 일차측에 흐르는 전류는 트랜스포머 X1의 이차측에 전류 및 전압을 생성하고, 생성된 전압은 트랜지스터 M1 - M2의 게이트에 인가 및 증폭되어 트랜지스터 M1 - M2의 드레인으로 신호를 출력하여, 트랜스포머 X3의 일차측에 전류 전달 및 전압을 인가한다.
회로의 두 번째 단에서도 동일한 일이 일어난다. 즉, 트랜스포머 X3의 일차측에 흐르는 전류는 트랜스포머 X3의 이차측에 전류 및 전압을 생성하고, 생성된 전압은 트랜지스터 M5 - M6의 게이트에 인가 및 증폭되어 트랜지스터 M5 - M6의 드레인으로 신호를 출력하여, 트랜스포머 X5의 일차측에 전류 전달 및 전압을 인가한다.
트랜스포머 X5의 일차측에 의해 트랜스포머 X5의 이차측에도 전압이 걸리게 되어 출력 RFOUT으로 전달된다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 다중 모드 전력 증폭기의 이득 및 입력 정합 특성을 보여주는 도면이다.
도 11을 참조하면, 트랜스포머의 결합계수 및 크기를 적절히 조절하여 저출력, 고출력 모드에서 성능이 일정하게 유지되는 것을 확인할 수 있다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 다중 모드 전력 증폭기의 출력 전력과 효율의 관계를 저출력 및 고출력 모드에서 시뮬레이션한 결과를 보여주는 도면이다.
도 12를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 다중 모드 전력 증폭기는 저출력 모드에서의 효율 개선을 확인할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경 등이 가능함을 쉽게 알 수 있을 것이다. 즉, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것으로서, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.
따라서, 본 발명의 보호 범위는 후술되는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
502 : 전압 분배기
504 : 제 1 전력 증폭기
506 : 제 2 전력 증폭기
508 : 전압 결합기
X1 - X4 : 트랜스포머

Claims (3)

  1. 병렬 구조의 제 1 트랜스포머와 제 2 트랜스포머로 구성되는 전압 분배기와,
    상기 제 1 트랜스포머의 일차측 타단과 상기 제 2 트랜스포머의 일차측 일단 사이에서 접지와의 사이에 연결된 제 1 스위치와,
    상기 제 1 트랜스포머의 이차측 제 1 출력에 연결된 제 1 전력 증폭기와,
    상기 제 2 트랜스포머의 이차측 제 2 출력에 연결된 제 2 전력 증폭기와,
    상기 제 1 전력 증폭기의 출력에 일차측 입력이 연결되는 제 3 트랜스포머와 상기 제 2 전력 증폭기의 출력에 일차측 입력이 연결되는 제 4 트랜스포머로 구성되는 전압 결합기와,
    상기 제 3 트랜스포머의 이차측 타단과 상기 제 4 트랜스포머의 이차측 일단 사이에서 접지와의 사이에 연결된 제 2 스위치를 포함하고,
    상기 제1 스위치의 일단은 상기 제 1 트랜스포머의 일차측 타단과 상기 제 2 트랜스포머의 일차측 일단 사이에서 분기되어 연결되며, 상기 제1 스위치의 타단은 상기 접지와 직접 연결되고,
    상기 제1 스위치가 단락되면, 상기 제1 트랜스포머에만 입력신호에 의한 전압이 인가되는 다중 모드 기반의 전력 증폭 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    고출력 모드일 때 상기 제 1 스위치와 상기 제 2 스위치는 모두 개방 상태가 되고, 저출력 모드일 때 상기 제 1 스위치와 상기 제 2 스위치는 모두 단락 상태가 되는
    다중 모드 기반의 전력 증폭 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 트랜스포머의 일차측을 통과하며 발생하는 위상 변화를 보정해 주기 위한 스위치 내부 인덕턴스를 더 포함하는
    다중 모드 기반의 전력 증폭 장치.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101266955B1 (ko) * 2012-01-31 2013-05-30 한국과학기술원 가변 변압기
JP2014039109A (ja) * 2012-08-13 2014-02-27 Toshiba Corp 電力増幅器および送信器

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101301209B1 (ko) * 2009-12-16 2013-08-29 한국전자통신연구원 고주파 대역 스위칭용 씨모오스 스위치 및 스위칭 격리도 강화방법
KR20130055843A (ko) 2011-11-21 2013-05-29 한국전자통신연구원 전력 증폭기 및 그 증폭 방법

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101266955B1 (ko) * 2012-01-31 2013-05-30 한국과학기술원 가변 변압기
JP2014039109A (ja) * 2012-08-13 2014-02-27 Toshiba Corp 電力増幅器および送信器

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