KR102310459B1 - 디지털 제어 방식의 푸시풀 증폭 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

디지털 입력 신호를 입력받는 신호 입력 모듈과, 디지털 바이어스 전압을 생성하는 바이어스 전압 생성 모듈과, 신호 입력 모듈에서 입력받은 디지털 입력 신호 및 바이어스 전압 생성 모듈에서 생성된 디지털 바이어스 전압을 더하여 아날로그 입력 신호로 변환하는 DAC 모듈과, DAC 모듈에서 변환된 아날로그 입력 신호를 증폭하여 아날로그 증폭 신호를 생성하는 푸시풀 증폭 모듈과, 푸시풀 증폭 모듈에서 생성된 아날로그 증폭 신호를 출력하는 신호 출력 모듈을 구성한다. 상술한 디지털 제어 방식의 푸시풀 증폭 장치 및 방법에 의하면, 입력 신호와 증폭률을 디지털 신호로 입력받고 그에 따른 바이어스 전압을 인가하여 푸시풀 증폭기가 증폭하도록 구성됨으로써, 기존의 아날로그 방식의 푸시풀 증폭기에 대한 제어 편의성을 높일 수 있다. 특히, 푸시풀 증폭기의 트랜지스터의 고유의 온도 특성을 기반으로 트랜지스터의 실시간 온도 변화를 고려하여 바이어스 전압을 실시간 계산하도록 구성됨으로써, 장시간 증폭기 가동에도 온도 특성에 기인한 증폭률 오차를 줄일 수 있는 효과가 있다. 한편, 입력 신호가 0인 경우에는 푸시풀 증폭기에 입력되는 바이어스 전압을 0V로 유지하도록 구성됨으로써, 불필요한 증폭기의 동작으로 인한 전력 소모를 줄일 수 있는 효과가 있다.

Description

디지털 제어 방식의 푸시풀 증폭 장치 및 방법{DIGITALLY-CONTROLLED PUSH-PULL AMPLIFICATION DEVICE AND METHOD}

본 발명은 푸시풀(push-pull) 증폭 장치 및 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 디지털 제어 방식의 푸시풀 증폭 장치 및 방법에 관한 것이다.

도 1은 푸시풀 증폭기(push-pull amplifier) 회로의 예시도이고, 도 2는 푸시풀 증폭기의 바이어스 입력 전압 대비 출력을 나타내는 그래프이다.

도 1의 푸시풀 증폭기는 특성이 동일한 2개의 트랜지스터(transistor)를 대칭적으로 배치하고, 역위상의 입력 신호를 각각 인가하여 증폭하고 이를 겹쳐서 출력하도록 구성된다. 역위상의 고조파 일부가 상쇄되기 때문에 일그러짐이 적은 출력 신호를 얻을 수 있는 장점이 있다.

한편, 도 2는 푸시풀 증폭기의 바이어스 입력 전압에 따라 달라지는 출력 전압을 나타내고 있다. 도 2에 나타난 바와 같이 트랜지스터의 게이트 단자에 임계치 이상의 전압을 바이어스 전압(bias voltage)를 인가해야만 정상적인 증폭 동작을 할 수 있게 된다.

그런데, 푸시풀 증폭기에 바이어스 전압을 지속적으로 걸어줄 경우 입력 신호가 없을 때에도 지속적으로 전류가 흘러 전력 소모가 커지게 되는 문제점이 있다. 즉, 입력 신호가 없는 동안에도 고전력이 소모되어 지속적인 사용 시 열발생에 따른 트랜지스터의 열화라든가 증폭률 오차가 커지는 문제점이 있다.

이를 방지하기 위해 방열 장치를 구비하는 경우에는 방열에 따른 부품 추가와 효율성이 저하되는 문제점이 있다.

공개특허공보 10-1995-0000161 공개특허공보 10-2006-0077940

본 발명의 목적은 디지털 제어 방식의 푸시풀 증폭 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 디지털 제어 방식의 푸시풀 증폭 방법을 제공하는 데 있다.

상술한 본 발명의 목적에 따른 디지털 제어 방식의 푸시풀 증폭 장치는, 디지털 입력 신호를 입력받는 신호 입력 모듈; 디지털 바이어스 전압을 생성하는 바이어스 전압 생성 모듈; 상기 신호 입력 모듈에서 입력받은 디지털 입력 신호 및 상기 바이어스 전압 생성 모듈에서 생성된 디지털 바이어스 전압을 더하여 아날로그 입력 신호로 변환하는 DAC 모듈; 상기 DAC 모듈에서 변환된 아날로그 입력 신호를 증폭하여 아날로그 증폭 신호를 생성하는 푸시풀 증폭 모듈을 포함하도록 구성될 수 있다.

상술한 본 발명의 다른 목적에 따른 디지털 제어 방식의 푸시풀 증폭 방법은, 신호 입력 모듈이 디지털 입력 신호를 입력받는 단계; 바이어스 전압 생성 모듈이 디지털 디지털 바이어스 전압을 생성하는 단계; DAC 모듈이 상기 신호 입력 모듈에서 입력받은 디지털 입력 신호 및 상기 바이어스 전압 생성 모듈에서 생성된 디지털 바이어스 전압을 더하여 아날로그 입력 신호로 변환하는 단계; 푸시풀 증폭 모듈이 상기 DAC 모듈에서 변환된 아날로그 입력 신호를 증폭하여 아날로그 증폭 신호를 생성하는 단계를 포함하도록 구성될 수 있다.

그리고 신호 출력 모듈이 상기 푸시풀 증폭 모듈에서 생성된 아날로그 증폭 신호를 출력하는 단계를 더 포함하도록 구성될 수 있다.

상술한 디지털 제어 방식의 푸시풀 증폭 장치 및 방법에 의하면, 입력 신호와 증폭률을 디지털 신호로 입력받고 그에 따른 바이어스 전압을 인가하여 푸시풀 증폭기가 증폭하도록 구성됨으로써, 기존의 아날로그 방식의 푸시풀 증폭기에 대한 제어 편의성을 높일 수 있다.

특히, 푸시풀 증폭기의 트랜지스터의 고유의 온도 특성을 기반으로 트랜지스터의 실시간 온도 변화를 고려하여 바이어스 전압을 실시간 계산하도록 구성됨으로써, 장시간 증폭기 가동에도 온도 특성에 기인한 증폭률 오차를 줄일 수 있는 효과가 있다.

한편, 입력 신호가 0인 경우에는 푸시풀 증폭기에 입력되는 바이어스 전압을 0V로 유지하도록 구성됨으로써, 불필요한 증폭기의 동작으로 인한 전력 소모를 줄일 수 있는 효과가 있다.

그리고 입력 신호와 증폭 신호 간의 오차를 실시간 모니터링하여 그에 기반한 바이어스 오차를 실시간 계산하여 바이어스 전압을 산출하도록 구성됨으로써, 트랜지스터 자체의 원천적 불량 또는 고장이나 기타 회로의 오동작에 따른 증폭 오류를 줄일 수 있는 효과가 있다.

특히, 증폭 테스트 모드를 통해 각각의 증폭률에 따른 증폭률 오차를 테스트하고 증폭률과 트랜지스터 온도, 사용 시간 등에 따른 상관 관계를 분석하여 바이어스 오차를 계산하고 바이어스 전압에 반영하도록 구성됨으로써, 장기간 사용에 따른 에이징(aging) 등의 문제도 해결하고 자가 보수(self-maintenance)의 효과를 가질 수 있다.

도 1은 푸시풀 증폭기(push-pull amplifier) 회로의 예시도이다.
도 2는 푸시풀 증폭기의 바이어스 입력 전압 대비 출력을 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 제어 방식의 푸시풀 증폭 장치의 블록 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 제어 방식의 푸시풀 증폭 방법의 흐름도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 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.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 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.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 제어 방식의 푸시풀 증폭 장치 및 방법의 블록 구성도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 제어 방식의 푸시풀 증폭 장치(100)는 신호 입력 모듈(101), 증폭률 입력 모듈(102), 증폭 신호 계산 모듈(103), TR 특성값 입력 모듈(104), TR 온도 실시간 측정 모듈(105), TR 특성값 실시간 반영 모듈(106), 바이어스 전압 실시간 산출 모듈(107), 바이어스 전압 생성 모듈(108), DAC 모듈(109), 푸시풀 증폭 모듈(110), 신호 출력 모듈(111), 입력 신호 0V 판단 모듈(112), 바이어스 0V 전압 생성 모듈(113), 증폭 결과 실시간 모니터링 모듈(114), 바이어스 오차 실시간 피드백 모듈(115), 증폭 테스트 제어 모듈(116)을 포함하도록 구성될 수 있다.

이하, 세부적인 구성에 대하여 설명한다.

신호 입력 모듈(101)은 디지털 입력 신호를 입력받도록 구성될 수 있다.

증폭률 입력 모듈(102)은 신호 입력 모듈(101)에서 입력받은 디지털 입력 신호를 증폭하기 위한 디지털 증폭률을 입력받도록 구성될 수 있다.

증폭 신호 계산 모듈(103)은 신호 입력 모듈(101)에서 입력받은 디지털 입력 신호를 증폭률 입력 모듈(102)에서 입력받은 디지털 증폭률에 따라 증폭한 증폭 신호를 계산하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 5V의 디지털 입력 신호에 대해 증폭률을 2배로 입력받은 경우 증폭 신호는 10V로 계산될 수 있다.

TR 특성값 입력 모듈(104)은 증폭을 위한 트랜지스터의 온도에 따른 TR(transistor) 특성값을 미리 입력받아 저장하도록 구성될 수 있다. 트랜지스터는 그 소자의 고유 특성값으로서 온도에 따른 증폭 특성이 달라지는데, 푸시풀 증폭 모듈(110)에 구비되는 트랜지스터의 TR 특성값을 미리 입력받도록 구성될 수 있다.

TR 온도 실시간 측정 모듈(105)은 트랜지스터의 TR 온도를 실시간 측정하도록 구성될 수 있다.

TR 특성값 실시간 반영 모듈(106)은 TR 특성값 입력 모듈(104)에 저장된 TR 특성값을 참조하여 TR 온도 실시간 측정 모듈(105)에서 실시간 측정된 TR 온도에 따른 TR 특성값을 실시간 반영하도록 구성될 수 있다.

바이어스 전압 실시간 산출 모듈(107)은 TR 특성값 실시간 반영 모듈(106)에서 실시간 반영되는 TR 특성값을 고려하여 증폭 신호 계산 모듈(103)에서 계산된 증폭 신호를 출력하기 바이어스 전압을 실시간 산출하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 2배의 증폭률을 위해서는 정상적으로는 0.2V의 바이어스 전압이 인가되어야 하지만, 트랜지스터의 온도 특성 구간에 따라 0.23V 또는 0.19V와 같은 바이어스 전압이 인가되어야 원하는 2배의 증폭률이 나올 수 있다. 이처럼 바이어스 전압 실시간 산출 모듈(107)은 0.23V 또는 0.19V와 같이 트랜지스터의 온도 특성을 반영하여 2배 증폭률을 얻기 위한 바이어스 전압을 실시간 산출하도록 구성될 수 있다.

바이어스 전압 생성 모듈(108)은 바이어스 전압 실시간 산출 모듈(107)에서 실시간 산출되는 디지털 바이어스 전압을 생성하도록 구성될 수 있다.

DAC 모듈(109)은 바이어스 전압 생성 모듈(108)에서 생성된 디지털 바이어스 전압을 아날로그 바이어스 전압으로 변환하고, 신호 입력 모듈(101)에서 입력받은 디지털 입력 신호를 아날로그 입력 신호로 변환하도록 구성될 수 있다.

푸시풀 증폭 모듈(110)은 DAC 모듈(109)에서 변환된 아날로그 바이어스 전압에 따라 DAC 모듈(109)에서 변환된 아날로그 입력 신호를 증폭하여 아날로그 증폭 신호를 생성하도록 구성될 수 있다.

신호 출력 모듈(111)은 푸시풀 증폭 모듈(110)에서 생성된 아날로그 증폭 신호를 출력하도록 구성될 수 있다.

입력 신호 0V 판단 모듈(112)은 신호 입력 모듈(101)에서 입력받은 디지털 입력 신호가 0V인지 실시간 판단하도록 구성될 수 있다. 이러한 판단은 위의 동작들에 비해 선행적으로 먼저 이루어질 수 있다.

바이어스 0V 전압 생성 모듈(113)은 입력 신호 0V 판단 모듈(112)에서 실시간 판단된 디지털 입력 신호가 0V인 경우, 디지털 바이어스 전압 0V 를 생성하여 DAC 모듈(109)로 입력하도록 구성될 수 있다.

증폭 결과 실시간 모니터링 모듈(114)은 신호 출력 모듈(111)에서 출력된 아날로그 증폭 신호와 증폭 신호 계산 모듈(103)에서 계산된 증폭 신호를 상호 대비하여 실시간 모니터링하도록 구성될 수 있다. 즉, 증폭 결과 실시간 모니터링 모듈(114)은 두 신호 간에 오차가 있는지를 실시간 대비할 수 있다.

바이어스 오차 실시간 피드백 모듈(115)은 증폭 결과 실시간 모니터링 모듈(114)의 실시간 모니터링 결과 실제 증폭률에 오차가 있는 경우, 오차를 줄이기 위한 바이어스 오차를 실시간 산출하여 바이어스 전압 실시간 산출 모듈(107)로 실시간 피드백하도록 구성될 수 있다. 즉, 실제 증폭률에 0.3의 오차가 있는 경우 이를 줄이기 위해 바이어스 오차는 몇 V가 되는지를 실시간 산출할 수 있다. 바이어스 오차는 기본적으로 바이어스 전압의 계산 방식의 역산에 의해 산출될 수 있다. 현재의 트랜지스터 온도도 반영되어 바이어스 오차가 산출될 수 있다.

증폭 테스트 제어 모듈(116)은 증폭 테스트 모드에서 소정의 증폭률 별 증폭 오차를 측정하기 위한 증폭 테스트를 수행하도록 구성될 수 있다. 증폭 테스트 모드는 정상적인 증폭 동작이 이루어지는 모드가 아니라 증폭 테스트를 위한 모드이다.

증폭 테스트 제어 모듈(116)은 증폭 테스트 결과에 따른 증폭률 별 증폭 오차의 상관 관계를 실시간 분석하도록 구성될 수 있다. 즉, 증폭률을 2배, 3배, 4배, 5배 등으로 변경하면서 증폭을 할 때, 각각의 증폭률에 따른 실제 증폭 신호의 증폭률 간의 오차 즉, 증폭률 별 증폭 오차를 측정하여 그 상관 관계를 실시간 분석하도록 구성될 수 있다.

트랜지스터 특성이나 회로 특성 그리고 소자 노화 등의 원인에 따라 증폭률이 커지면 증폭 오차도 더 커질 수 있으며, 특정 증폭률에서만 증폭 오차가 커지는 문제점이 있을 수 있다. 증폭 테스트 제어 모듈(116)은 이러한 증폭 테스트에서 증폭률 별 증폭 오차의 상관 관계를 분석하고, 바이어스 오차 실시간 피드백 모듈(115)이 해당 바이어스 오차를 실시간 산출하도록 제어할 수 있다.

한편, 바이어스 전압 실시간 산출 모듈(107)은 바이어스 오차 실시간 피드백 모듈(115)에서 실시간 피드백되는 바이어스 오차를 반영하여 바이어스 전압을 실시간 산출하도록 구성될 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 제어 방식의 푸시풀 증폭 방법의 흐름도이다.

도 4를 참조하면, 신호 입력 모듈(101)이 디지털 입력 신호를 입력받는다(S101).

다음으로, 바이어스 전압 생성 모듈(108)이 디지털 바이어스 전압을 생성한다(S102).

다음으로, DAC 모듈(109)이 신호 입력 모듈(101)에서 입력받은 디지털 입력 신호 및 바이어스 전압 생성 모듈(108)에서 생성된 디지털 바이어스 전압을 더하여 아날로그 입력 신호로 변환한다(S103).

다음으로, 푸시풀 증폭 모듈(110)이 DAC 모듈(109)에서 변환된 아날로그 입력 신호를 증폭하여 아날로그 증폭 신호를 생성한다(S104).

다음으로, 신호 출력 모듈(111)이 푸시풀 증폭 모듈(110)에서 생성된 아날로그 증폭 신호를 출력한다(S105).

이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

101: 신호 입력 모듈
102: 증폭률 입력 모듈
103: 증폭 신호 계산 모듈
104: TR 특성값 입력 모듈
105: TR 온도 실시간 측정 모듈
106: TR 특성값 실시간 반영 모듈
107: 바이어스 전압 실시간 산출 모듈
108: 바이어스 전압 생성 모듈
109: DAC 모듈
110: 푸시풀 증폭 모듈
111: 신호 출력 모듈
112: 입력 신호 0V 판단 모듈
113: 바이어스 0V 전압 생성 모듈
114: 증폭 결과 실시간 모니터링 모듈
115: 바이어스 오차 실시간 피드백 모듈
116: 증폭 테스트 제어 모듈

Claims (4)

1. 디지털 입력 신호를 입력받는 신호 입력 모듈;
   상기 신호 입력 모듈에서 입력받은 디지털 입력 신호를 증폭하기 위한 디지털 증폭률을 입력받는 증폭률 입력 모듈;
   상기 신호 입력 모듈에서 입력받은 디지털 입력 신호를 상기 증폭률 입력 모듈에서 입력받은 디지털 증폭률에 따라 증폭한 증폭 신호를 계산하는 증폭 신호 계산 모듈;
   증폭장치에 사용되는 TR(transistor)의 특성값을 입력받는 TR 특성값 입력 모듈;
   상기 입력받은 디지털 입력 신호와 상기 TR 특성값 입력 모듈에서 입력받은 TR의 특성값에 따라 디지털 바이어스 전압값을 계산하여 생성하는 바이어스 전압 실시간 생성 모듈;
   상기 신호 입력 모듈에서 입력받은 디지털 입력 신호 및 상기 바이어스 전압 실시간 생성 모듈에서 생성된 디지털 바이어스 전압을 더하여 아날로그 입력 신호로 변환하는 DAC 모듈;
   상기 DAC 모듈에서 변환된 아날로그 입력 신호를 증폭하여 아날로그 증폭 신호를 생성하는 푸시풀 증폭 모듈을 포함하는 디지털 제어 방식의 푸시풀 증폭장치.
   
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