KR102483467B1 - 선형의 효율적인 광대역 전력 증폭기들에 관한 시스템들 및 방법들 - Google Patents

선형의 효율적인 광대역 전력 증폭기들에 관한 시스템들 및 방법들 Download PDF

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Abstract

선형의 효율적인 광대역 전력 증폭기들에 관련된 시스템들 및 방법들이 개시된다. 전력 증폭기(PA) 시스템은 라디오-주파수(RF) 신호를 수신하고 RF 신호를 제1 부분 및 제2 부분으로 분할하도록 구성되는 입력 회로를 포함할 수 있다. PA 시스템은 제1 부분을 수신하기 위해 입력 회로에 커플링되는 캐리어 증폭 경로 및 제2 부분을 수신하기 위해 입력 회로에 커플링되는 피킹 증폭 경로를 포함하는 도허티(Doherty) 증폭기 회로를 더 포함할 수 있다. PA 시스템은 도허티 증폭기 회로에 커플링되는 출력 회로를 더 포함할 수 있다. 출력 회로는 캐리어 증폭 경로 및 피킹 증폭 경로의 출력들을 결합시켜 증폭된 RF 신호를 산출하도록 구성되는 발룬(balance to unbalance; BALUN) 회로를 포함할 수 있다.

Description

선형의 효율적인 광대역 전력 증폭기들에 관한 시스템들 및 방법들{SYSTEMS AND METHODS RELATED TO LINEAR AND EFFICIENT BROADBAND POWER AMPLIFIERS}
관련 출원(들)에 대한 교차 참조
이 출원은 2014년 5월 13일에 SYSTEMS AND METHODS RELATED TO LINEAR AND EFFICIENT BROADBAND POWER AMPLIFIERS라는 명칭으로 출원된 미국 가출원 제61/992,842호, 2014년 5월 13일에 CIRCUITS, DEVICES AND METHODS RELATED TO COMBINERS FOR DOHERTY POWER AMPLIFIERS라는 명칭으로 출원된 미국 가출원 제61/992,843호, 및 2014년 5월 13일에 SYSTEMS AND METHODS RELATED TO LINEAR LOAD MODULATED POWER AMPLIFIERS라는 명칭으로 출원된 미국 가출원 제61/992,844호를 우선권 주장하며, 그 개시내용들은 전체적으로 본원에 참조에 의해 명시적으로 포함된다.
기술분야
본 개시내용은 일반적으로 라디오-주파수(RF) 전력 증폭기(PA)들에 관한 것이다.
전통적으로, 도허티(Doherty) PA가 크기, 복잡성 및 비-선형적 거동으로 인해 핸드셋들에서의 선형 PA 응용예들에 대해 적합하지 않다고 널리 알려져 왔다. 실제로, 기지국 응용예들에서, 사전왜곡 선형화기들이 도허티 PA들과 함께 통상적으로 사용되어 선형성 요건들을 만족시킨다. 본원에서 기술된 바와 같이, 도허티 PA들과 연관된 크기, 복잡성 및 선형성과 같은 이슈들이 적절하게 다루어질 수 있다.
일부 구현예들에 따르면, 본 개시내용은, 라디오-주파수(RF) 신호를 수신하고 RF 신호를 제1 부분 및 제2 부분으로 분할하도록 구성되는 입력 회로, 제1 부분을 수신하기 위해 입력 회로에 커플링되는 캐리어 증폭 경로 및 제2 부분을 수신하기 위해 입력 회로에 커플링되는 피킹 증폭 경로를 포함하는 도허티 증폭기 회로, 및 도허티 증폭기 회로에 커플링되는 출력 회로를 포함하는 전력 증폭기(PA) 시스템에 관한 것이다. 출력 회로는 캐리어 증폭 경로 및 피킹 증폭 경로의 출력들을 결합시켜 증폭된 RF 신호를 산출하도록 구성되는 발룬(balance to unbalance; BALUN) 회로를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, PA 시스템은 입력 회로에 의한 수신 이전에 RF 신호를 부분적으로 증폭시키도록 구성되는 사전-구동기 증폭기를 더 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 입력 회로 및 출력 회로 중 적어도 하나는 집중 상수 회로(lumped-element circuit)로서 구현될 수 있다.
일부 실시예들에서, 캐리어 증폭 경로는 캐리어 증폭기를 포함할 수 있고, 피킹 증폭 경로는 피킹 증폭기를 포함할 수 있고, 캐리어 증폭기 및 피킹 증폭기 각각은 구동기 스테이지 및 출력 스테이지를 포함한다. 일부 실시예들에서, 입력 회로는 캐리어 증폭기 및 피킹 증폭기 각각에 DC 전력을 제공하도록 구성되는 수정된 윌킨슨 전력 분할기(modified Wilkinson power divider)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, DC 전력은 초크 인덕턴스를 통해 캐리어 증폭기 및 피킹 증폭기에 제공될 수 있다. 일부 실시예들에서, 캐리어 증폭 경로 및 피킹 증폭 경로 각각은 DC 차단 커패시턴스를 포함한다. 일부 실시예들에서, 수정된 윌킨슨 전력 분할기는 구동기 스테이지들과 사전-구동기 증폭기 사이에 임피던스 정합을 제공하도록 추가로 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 캐리어 증폭 경로 및 피킹 증폭 경로 각각은 경로를 따르는 커패시턴스 및 접지에 대한 유도성 커플링을 가지는 LC 정합 회로를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 수정된 윌킨슨 전력 분할기(c)는 피킹 증폭기와 연관된 AM-PM 효과를 보상하거나 또는 동조시키는데 요구되는 위상 시프팅을 제공하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 수정된 윌킨슨 전력 분할기는 캐리어 증폭기 및 피킹 증폭기와 연관된 AM-AM 효과를 보상하거나 또는 동조시키기 위해 캐리어 증폭기 또는 피킹 증폭기의 입력에 요구되는 감쇠 조정을 제공하도록 추가로 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 수정된 윌킨슨 전력 분할기는 제1 노드를 캐리어 증폭 경로를 따라 접지에 커플링시키는 커패시턴스, 및 제2 노드를 피킹 증폭 경로를 따라 접지에 커플링시키는 임피던스를 포함한다. 일부 실시예들에서, 수정된 윌킨슨 전력 분할기는 제1 노드와 제2 노드 사이에 구현되는 분리 저항을 더 포함하고, 분리 저항은 캐리어 증폭 경로와 피킹 증폭 경로 사이의 소스-풀링 효과를 방지하거나 또는 감소시키도록 선택된다.
일부 실시예들에서, 발룬 회로는 LC 발룬 변환기를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 피킹 증폭기는 오프 상태에 있을 때 단락 회로 또는 저임피던스 노드로서 거동하도록 구성될 수 있고, 캐리어 증폭기는 LC 발룬 변환기를 이용할 때 직렬 인덕턴스 및 분로 커패시턴스를 가지는 단일-섹션 정합 회로망과 동일한 단일-종단형 증폭기로서 거동하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, LC 발룬 변환기는 캐리어 증폭기에 의해 보여지는 임피던스가 저전력 모드에 있을 때 증가하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 캐리어 증폭기에 의해 보여지는 임피던스는 저전력 모드에서 대략 2배가 될 수 있다.
일부 실시예들에서, 피킹 증폭기는 캐리어 증폭기로부터의 RF 전류가 피킹 증폭기로부터의 RF 전류에 의해 영향을 받는 푸시-풀 증폭기와 유사한 방식으로 동작하도록 추가로 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 푸시-풀 동작은 짝수-고조파들을 감소시킴으로써 선형성을 개선할 수 있다.
일부 실시예들에서, LC 발룬 변환기는 캐리어 증폭기의 출력을 출력 노드에 커플링시키는 제1 경로, 및 피킹 증폭기의 출력을 출력 노드에 커플링시키는 제2 경로를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 경로 및 제2 경로 각각은 DC 피드를 출력 스테이지에 제공하기 위해 DC 포트에 유도성으로 커플링될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 경로 및 제2 경로 각각은 고조파 트랩을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 고조파 트랩은 접지에 대한 LC 분로 및 직렬 인덕턴스를 가지는 제2 고조파 트랩을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 경로는 피킹 증폭기의 출력에 위상 보상을 제공하도록 구성되는 분로 커패시턴스 및 직렬 커패시턴스를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 분로 커패시턴스 및 직렬 커패시턴스 중 적어도 하나는 표면-실장 기술(SMT) 커패시터일 수 있다.
일부 실시예들에서, LC 발룬 변환기는 캐리어 증폭 경로에서 감소된 손실을 제공하여 백-오프에서 그리고 고전력 모드에서 고효율성을 유지하도록 구성될 수 있다.
일부 실시예들에서, 피킹 증폭기의 부하 변조는 피킹 증폭기에 대한 임피던스 궤적들(loci)이 피킹 증폭기가 오프 상태에 있을 때 거의 단락인 회로로부터 피킹 증폭기가 캐리어 증폭기와 대략 동일한 전력을 기여할 때의 최적 부하 임피던스로 진행하도록 구성될 수 있다.
일부 실시예들에서, 입력 회로는 적어도 부분적으로는 광대역 위상 시프트를 제공하도록 구성되는 리드-래그 회로망으로 인한 광대역 회로일 수 있다.
일부 실시예들에서, 입력 회로는 광대역 성능을 제공하면서, 허수 대 실수 임피던스 정합(reactive to real impedance matching), 및 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기 사이의 분리를 제공하도록 구성된다.
일부 구현예들에서, 본 개시내용은 라디오-주파수(RF) 신호를 증폭시키기 위한 방법에 관한 것이고, 이 방법은 캐리어 증폭 경로와 피킹 증폭 경로를 가지는 도허티 증폭기 회로를 제공하는 단계, RF 신호를 수신하는 단계, RF 신호를 제1 부분 및 제2 부분으로 분할하는 단계 ― 제1 부분은 캐리어 증폭 경로에 제공되고, 제2 부분은 피킹 증폭 경로에 제공됨 ―, 및 발룬(balance to unbalance; BALUN) 회로를 사용하여, 캐리어 증폭 경로와 피킹 증폭 경로의 출력들을 결합시켜 증폭된 RF 신호를 산출하는 단계를 포함한다.
일부 구현예들에서, 본 개시내용은 전력 증폭기 모듈에 관한 것이다. 전력 증폭 모듈은 복수의 컴포넌트들을 수용하도록 구성되는 패키징 기판, 및 패키징 기판 상에 구현되는 전력 증폭기(PA) 시스템을 포함할 수 있다. PA 시스템은 RF 신호를 수신하고 RF 신호를 제1 부분 및 제2 부분으로 분할하도록 구성되는 입력 회로를 포함할 수 있다. PA 시스템은 제1 부분을 수신하기 위해 입력에 커플링되는 캐리어 증폭 경로 및 제2 부분을 수신하기 위해 입력 회로에 커플링되는 피킹 증폭 경로를 가지는 도허티 증폭기 회로를 더 포함할 수 있다. PA 시스템은 도허티 증폭기 회로에 커플링되는 출력 회로를 더 포함할 수 있다. 출력 회로는 캐리어 증폭 경로 및 피킹 증폭 경로의 출력들을 결합시켜 증폭된 RF 신호를 산출하도록 구성되는 발룬(balance to unbalance; BALUN) 회로를 포함할 수 있다. 전력 증폭 모듈은 PA 시스템과 패키징 기판 사이에 전기적 접속들을 제공하도록 구성되는 복수의 커넥터들을 더 포함할 수 있다.
일부 구현예들에서, 본 개시내용은 라디오-주파수 신호를 생성하도록 구성되는 트랜시버, 트랜시버와 통신하는 전력 증폭(PA) 모듈, 및 PA 모듈과 통신하는 안테나를 포함하는 무선 디바이스에 관한 것이며, 안테나는 증폭된 RF 신호의 전송을 용이하게 하도록 구성된다. PA 모듈은 RF 신호를 수신하고 RF 신호를 제1 부분 및 제2 부분으로 분할하도록 구성되는 입력 회로를 포함할 수 있다. PA 모듈은 제1 부분을 수신하기 위해 입력 회로에 커플링되는 캐리어 증폭 경로 및 제2 부분을 수신하기 위해 입력 회로에 커플링되는 피킹 증폭 경로를 가지는 도허티 증폭기 회로를 더 포함할 수 있다. PA 모듈은 도허티 증폭기 회로에 커플링되는 출력 회로를 더 포함할 수 있다. 출력 회로는 캐리어 증폭 경로 및 피킹 증폭 경로의 출력들을 결합시켜 증폭된 RF 신호를 산출하도록 구성되는 발룬(balance to unbalance; BALUN) 회로를 포함할 수 있다. 트랜시버는 PA 모듈과 통신하며, 증폭된 RF 신호의 전송을 용이하게 하도록 구성되는 안테나를 더 포함할 수 있다.
일부 구현예들에 따르면, 본 개시내용은 제1 코일 및 제2 코일을 가지는 발룬 변환기 회로를 포함하는 신호 결합기에 관한 것이다. 제1 코일은 제1 포트와 제2 포트 사이에 구현될 수 있다. 제2 코일은 제3 포트와 제4 포트 사이에 구현된다. 제1 포트 및 제3 포트는 제1 커패시턴스에 의해 커플링된다. 제2 포트 및 제4 포트는 제2 커패시턴스에 의해 커플링된다. 제1 포트는 제1 신호를 수신하도록 구성된다. 제4 포트는 제2 신호를 수신하도록 구성된다. 제2 포트는 제1 신호와 제2 신호의 결합을 산출하도록 구성된다. 신호 결합기는 제3 포트를 접지에 커플링시키는 종단 회로를 더 포함한다.
일부 실시예들에서, 제1 포트는 도허티 전력 증폭기(PA)로부터 캐리어-증폭된 신호를 수신하도록 구성될 수 있고, 제4 포트는 도허티 PA로부터 피킹-증폭된 신호를 수신하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 종단 회로는 커패시터를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 커패시터는 [2 × π × 도허티 PA의 동작 주파수 × 도허티 PA에 커플링된 부하의 특성 임피던스]의 역수와 대략 동일한 커패시턴스를 가질 수 있다.
일부 실시예들에서, 제1 포트는 도허티 전력 증폭기(PA)로부터 피킹-증폭된 신호를 수신하도록 구성될 수 있고, 제4 포트는 도허티 PA로부터 캐리어-증폭된 신호를 수신하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 종단 회로는 인덕터를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 인덕터는 [도허티 PA에 커플링된 부하의 특성 임피던스 / (2 × π × 도허티 PA의 동작 주파수)]와 대략 동일한 인덕턴스를 가질 수 있다.
일부 실시예들에서, 포트들 중 제1 포트와 포트들 중 제2 포트 사이의 S-파라미터는 (1+j)/2와 대략 동일할 수 있다. 일부 실시예들에서, 포트들 중 제1 포트와 포트들 중 제2 포트 사이의 S-파라미터는 (1-j)/2와 대략 동일할 수 있다. 일부 실시예들에서, 포트들 사이의 S-파라미터들의 S-파라미터 행렬은 대략 0, (1+j)/2, 및 (1-j)/2의 값들만을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 발룬 변환기 회로는 집적 수동 디바이스로서 구현될 수 있다. 일부 실시예들에서, 집적 수동 디바이스는 자동-변환기 기반 임피던스 정합 회로를 추가로 구현한다.
일부 구현예들에서, 본 개시내용은 복수의 컴포넌트들을 수용하도록 구성되는 패키징 기판 및 패키징 기판 상에 구현되는 신호 결합기를 포함하는 전력 증폭기 모듈에 관한 것이다. 신호 결합기는 제1 코일 및 제2 코일을 가지는 발룬 변환기 회로를 포함한다. 제1 코일은 제1 포트와 제2 포트 사이에 구현된다. 제2 코일은 제3 포트와 제4 포트 사이에 구현된다. 제1 포트 및 제3 포트는 제1 커패시턴스에 의해 커플링된다. 제2 포트 및 제4 포트는 제2 커패시턴스에 의해 커플링된다. 제1 포트는 제1 신호를 수신하도록 구성된다. 제4 포트는 제2 신호를 수신하도록 구성된다. 제2 포트는 제1 신호와 제2 신호의 결합을 산출하도록 구성된다. 신호 결합기는 제3 포트를 접지에 커플링시키는 종단 회로를 더 포함한다.
일부 실시예들에서, 발룬 변환기 회로는 집적 수동 디바이스로서 구현될 수 있다. 일부 실시예들에서 집적 수동 디바이스는 자동-변환기 기반 임피던스 정합 회로를 추가로 구현할 수 있다.
일부 실시예들에서, PA 모듈은 패키징 기판 상에 구현되는 도허티 PA를 더 포함할 수 있다. 도허티 PA는 캐리어-증폭된 신호를 산출하는 캐리어 증폭 경로 및 피킹-증폭된 신호를 산출하는 피킹 증폭 경로를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 포트는 캐리어-증폭된 신호를 수신하도록 구성될 수 있고, 제4 포트는 피킹-증폭된 신호를 수신하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 종단 회로는 [2 × π × 도허티 PA의 동작 주파수 × 도허티 PA에 커플링된 부하의 특성 임피던스]의 역수와 대략 동일한 커패시턴스를 가지는 커패시터를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 포트는 피킹-증폭된 신호를 수신하도록 구성될 수 있고 제4 포트는 캐리어-증폭된 신호를 수신하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 종단 회로는 [도허티 PA에 커플링된 부하의 특성 임피던스 / (2 × π × 도허티 PA의 동작 주파수)]와 대략 동일한 인덕턴스를 가지는 인덕터를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 포트들 사이의 S-파라미터들의 S-파라미터 행렬은 대략 0, (1+j)/2, 및 (1-j)/2의 값들만을 포함한다.
일부 구현예들에서, 본 개시내용은 라디오-주파수(RF) 신호를 생성하도록 구성되는 트랜시버를 포함하는 무선 디바이스에 관한 것이다. 무선 디바이스는 트랜시버와 통신하는 전력 증폭기(PA) 모듈을 더 포함한다. PA 모듈은 RF 신호를 수신하고 RF 신호를 제1 부분 및 제2 부분으로 분할하도록 구성되는 입력 회로를 포함한다. PA 모듈은 제1 부분을 수신하기 위해 입력 회로에 커플링되는 캐리어 증폭 경로 및 제2 부분을 수신하기 위해 입력 회로에 커플링되는 피킹 증폭 경로를 가지는 도허티 PA를 더 포함한다. PA 모듈은 도허티 증폭기 회로에 커플링되는 출력 회로를 더 포함한다. 출력 회로는 제1 코일 및 제2 코일을 가지는 발룬 변환기 회로를 포함한다. 제1 코일은 제1 포트와 제2 포트 사이에 구현된다. 제2 코일은 제3 포트와 제4 포트 사이에 구현된다. 제1 포트 및 제3 포트는 제1 커패시턴스에 의해 커플링된다. 제2 포트 및 제4 포트는 제2 커패시턴스에 의해 커플링된다. 제1 포트는 캐리어 증폭 경로를 통해 제1 신호를 수신하도록 구성된다. 제4 포트는 피킹 증폭 경로를 통해 제2 신호를 수신하도록 구성된다. 제2 포트는 제1 신호와 제2 신호의 결합을 증폭된 RF 신호로서 산출하도록 구성된다. 무선 디바이스는 PA 모듈과 통신하는 안테나를 더 포함한다. 안테나는 증폭된 RF 신호의 전송을 용이하게 하도록 구성된다.
일부 구현예들에서, 본 개시내용은 라디오-주파수(RF) 신호를 증폭시키기 위한 방법에 관한 것이다. 방법은 캐리어 증폭 경로 및 피킹 증폭 경로를 가지는 도허티 증폭기 회로를 제공하는 것, RF 신호를 수신하는 것, RF 신호를 제1 부분 및 제2 부분으로 분할하는 것 ― 제1 부분은 캐리어 증폭 경로에 제공되고, 제2 부분은 피킹 증폭 경로에 제공됨 ― , 및 발룬 변환기 회로를 사용하여, 캐리어 증폭 경로의 출력과 피킹 증폭 경로의 출력을 결합시켜 증폭된 RF 신호를 산출하는 것을 포함한다. 발룬 변환기 회로는 제1 코일 및 제2 코일을 포함한다. 제1 코일은 제1 포트와 제2 포트 사이에 구현된다. 제2 코일은 제3 포트와 제4 포트 사이에 구현된다. 제1 포트 및 제3 포트는 제1 커패시턴스에 의해 커플링된다. 제2 포트 및 제4 포트는 제2 커패시턴스에 의해 커플링된다. 제1 포트는 캐리어 증폭 경로의 출력을 수신하도록 구성된다. 제4 포트는 피킹 증폭 경로의 출력을 수신하도록 구성된다. 제2 포트는 증폭된 RF 신호를 산출하도록 구성된다.
일부 구현예들에 따르면, 본 개시내용은 라디오-주파수(RF) 신호를 수신하고 RF 신호를 제1 부분 및 제2 부분으로 분할하도록 구성되는 입력 회로를 포함하는 전력 증폭기(PA) 시스템에 관한 것이다. PA 시스템은 제1 부분을 수신하기 위해 입력 회로에 커플링되는 캐리어 증폭기 및 제2 부분을 수신하기 위해 입력 회로에 커플링되는 피킹 증폭기를 포함하는 도허티 증폭기 회로를 더 포함한다. 제1 부분 및 제2 부분은 상이한 위상들 및 상이한 전력들을 가진다. PA 시스템은 도허티 증폭기 회로에 커플링되는 출력 회로를 더 포함한다. 출력 회로는 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기의 출력들을 결합시켜 증폭된 RF 신호를 산출하도록 구성된다.
일부 실시예들에서, 입력 회로는 제1 부분 및 제2 부분이 상이한 위상들을 가지게 하도록 구성되는 위상 시프터를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 위상 시프터 및 피킹 증폭기는 피킹 증폭 경로 내에 구현될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 부분 및 제2 부분은 10도 내지 20도만큼 이상(out-of-phase)일 수 있다. 일부 실시예들에서, 상이한 위상들은 동일한 위상들에 비해 AM/AM 왜곡 또는 AM/PM 왜곡 중 적어도 하나를 감소시킬 수 있다.
일부 실시예들에서, 입력 회로는 제1 부분 및 제2 부분이 상이한 전력들을 가지게 하도록 구성되는 감쇠기를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 감쇠기 및 캐리어 증폭기는 캐리어 증폭 경로에서 구현될 수 있다. 일부 실시예들에서, 상이한 전력들은 동일한 전력들에 비해 AM/AM 왜곡 또는 AM/PM 왜곡 중 적어도 하나를 감소시킬 수 있다.
일부 실시예들에서, 입력 회로는 사전-구동기 증폭기를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 피킹 증폭기는 제1 바이어싱 모드에서 동작하도록 구성되는 구동기 스테이지 및 제1 바이어싱 모드에서 동작하도록 구성되는 출력 스테이지를 포함한다. 일부 실시예들에서, 제1 바이어싱 모드는 클래스 B 바이어싱 모드이다. 일부 실시예들에서, 클래스 B 바이어싱 모드는 클래스 AB 바이어싱 모드에 비해 피킹 증폭기의 PAE를 증가시킨다. 일부 실시예들에서, 캐리어 증폭기는 제2 바이어싱 모드에서 동작하도록 구성되는 구동기 스테이지를 포함한다. 일부 실시예들에서, 제2 바이어싱 모드는 클래스 AB 바이어싱 모드이다. 일부 실시예들에서, 캐리어 증폭기는 제1 바이어싱 모드에서 동작하도록 구성되는 출력 스테이지를 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 캐리어 증폭기는 제2 바이어싱 모드에서 동작하도록 구성되는 출력 스테이지를 더 포함한다.
일부 구현예들에서, 본 개시내용은 전력 증폭기(PA) 모듈에 관한 것이다. PA 모듈은 복수의 컴포넌트들을 수용하도록 구성되는 패키징 기판 및 패키징 기판 상에 구현되는 PA 시스템을 포함한다. PA 시스템은 라디오-주파수(RF) 신호를 수신하고 RF 신호를 제1 부분 및 제2 부분으로 분할하도록 구성되는 입력 회로를 포함한다. PA 시스템은 제1 부분을 수신하기 위해 입력 회로에 커플링되는 캐리어 증폭기, 및 제2 부분을 수신하기 위해 입력 회로에 커플링되는 피킹 증폭기를 포함하는 도허티 증폭기 회로를 더 포함한다. 제1 부분 및 제2 부분은 상이한 위상들 및 상이한 전력들을 가진다. PA 시스템은 도허티 증폭기 회로에 커플링되는 출력 회로를 더 포함한다. 출력 회로는 캐리어 증폭기 및 피킹 증폭기의 출력들을 결합시켜서 증폭된 RF 신호를 산출하도록 구성된다.
일부 실시예들에서, 입력 회로 또는 출력 회로 중 적어도 하나는 집적 수동 디바이스로서 구현될 수 있다. 일부 실시예들에서, 입력 회로 또는 출력 회로 중 적어도 하나는 단일 GaAs 다이 상에 구현될 수 있다.
일부 구현예들에서, 본 개시내용은 무선 디바이스에 관한 것이다. 무선 디바이스는 라디오-주파수(RF) 신호를 생성하도록 구성되는 트랜시버를 포함한다. 무선 디바이스는 트랜시버와 통신하는 전력 증폭기(PA) 모듈을 포함한다. PA 모듈은 RF 신호를 수신하고 RF 신호를 제1 부분 및 제2 부분으로 분할하도록 구성되는 입력 회로를 포함한다. PA 모듈은 제1 부분을 수신하기 위해 입력 회로에 커플링되는 캐리어 증폭기 및 제2 부분을 수신하기 위해 입력 회로에 커플링되는 피킹 증폭기를 포함하는 도허티 증폭기 회로를 포함한다. 제1 부분 및 제2 부분은 상이한 위상들 및 상이한 전력들을 가진다. PA 모듈은 도허티 증폭기 회로에 커플링되는 출력 회로를 포함한다. 출력 회로는 캐리어 증폭기 및 피킹 증폭기의 출력들을 결합시켜서 증폭된 RF 신호를 산출하도록 구성된다. 무선 디바이스는 PA 모듈과 통신하는 안테나를 더 포함한다. 안테나는 증폭된 RF 신호의 전송을 용이하게 하도록 구성된다.
일부 구현예들에서, 본 개시내용은 라디오-주파수(RF) 신호를 증폭시키기 위한 방법에 관한 것이다. 방법은 캐리어 증폭 경로 및 피킹 증폭 경로를 가지는 도허티 증폭기 회로를 제공하는 것, RF 신호를 수신하는 것, RF 신호를 제1 부분 및 제2 부분으로 분할하는 것 ― 제1 부분은 캐리어 증폭 경로에 제공되고, 제2 부분은 피킹 증폭 경로에 제공되고, 제1 부분 및 제2 부분은 상이한 위상들 및 상이한 전력들을 가짐 ― , 및 캐리어 증폭 경로의 출력과 피킹 증폭 경로의 출력을 결합시켜서 증폭된 RF 신호를 산출하는 것을 포함한다.
개시내용을 요약하기 위한 목적으로, 발명들의 특정 양태들, 장점들 및 신규한 특징들이 본 명세서에 기술된다. 반드시 모든 이러한 장점들이 발명의 임의의 특정 실시예에 따라 달성되지 않을 수도 있다는 것이 이해되어야 한다. 따라서, 발명은 본 명세서에서 교시되거나 제안될 수 있는 바와 같이, 다른 장점들을 반드시 달성하지 않고도 본 명세서에 교시된 바와 같은 하나의 장점 또는 장점들의 그룹을 달성하거나 최적화하는 방식으로 발명이 구현되거나 실행될 수 있다.
도 1은 일부 실시예들에서, 전력 증폭기가 선형의 효율적인 광대역 전력 증폭기로서 구현될 수 있음을 도시한다.
도 2는 캐리어 증폭 경로 및 피킹 증폭 경로를 포함하는 전력 증폭기의 예시적인 아키텍처를 도시한다.
도 3은 수정된 윌킨슨-타입 전력 분할기의 예시적인 구성을 도시한다.
도 4는 발룬(balance to unbalance; BALUN) 변환기 기능성을 제공할 수 있는 결합기의 예시적인 구성을 도시한다.
도 5는 발룬 변환기 구성을 사용하는 캐리어 증폭기들 및 피킹 증폭기의 제1 예시적인 부하 변조 프로파일들을 도시한다.
도 6은 발룬 변환기 구성을 사용하는 캐리어 증폭기들 및 피킹 증폭기의 제2 예시적인 부하 변조 프로파일들을 도시한다.
도 7은 수정된 윌킨슨-타입 전력 분할기를 포함하는 전력 증폭기의 예시적인 구성을 도시한다.
도 8은 예시적인 광대역 위상 시프트 응답을 도시한다.
도 9는 고조파 트랩들을 포함하는 예시적인 임피던스 응답들을 도시한다.
도 10은 예시적인 인접 채널 누설-전력 비(ACLR) 곡선들 및 전력-추가 효율성(PAE) 곡선들을 도시한다.
도 11은 본 명세서에 기술된 하나 이상의 특징들을 가지는 무선 디바이스를 도시한다.
도 12는 캐리어 증폭기 및 피킹 증폭기 모두가 온 상태에 있는 예시적인 결합기 구성을 도시한다.
도 13은 캐리어 증폭기가 온 상태에 있고 피킹 증폭기가 오프 상태에 있는 예시적인 결합기 구성을 도시한다.
도 14는 2개 이상의 1/4파(quarter wave) 전송선들을 포함하는 예시적인 도허티 결합기를 도시한다.
도 15는 도 14의 결합기에 대한 예시적인 스미스 차트(Smith chart)를 도시한다.
도 16은 3dB 커플러를 포함하는 예시적인 도허티 결합기를 도시한다.
도 17은 도 16의 결합기에 대한 예시적인 스미스 차트를 도시한다.
도 18은 도허티 결합기로서 이용될 수 있는 예시적인 하이브리드 회로를 도시한다.
도 19는 도허티 결합기로서 이용될 수 있는 다른 예시적인 하이브리드 회로를 도시한다.
도 20은 도 16의 결합기에 대한 예시적인 S-파라미터 행렬을 도시한다.
도 21은 도 18의 결합기에 대한 예시적인 S-파라미터 행렬을 도시한다.
도 22는 도 18의 하이브리드 회로를 이용하는 예시적인 도허티 결합기 구성을 도시한다.
도 23은 도 22의 결합기에서 도허티 작용으로부터 초래되는 임피던스 궤적들을 도시한다.
도 24는 도 18의 하이브리드 회로를 이용하는 다른 예시적인 도허티 결합기 구성을 도시한다.
도 25는 집적 수동 디바이스(IPD)로서 하이브리드 회로 및 자동-변환기 기반 임피던스 정합의 집적의 예를 도시한다.
도 26은 반전된 부하-변조 궤적의 예시적인 스미스 차트를 도시한다.
도 27은 IPD로서 하이브리드 회로의 집적의 다른 예를 도시한다.
도 28은 본 명세서에 기술되는 바와 같은 하나 이상의 특징들을 가지는 도허티 결합기가 구현될 수 있는 전력 증폭기의 예시적인 아키텍처를 도시한다.
도 29는 본원에 개시된 하나 이상의 특징들을 가지는 무선 디바이스를 도시한다.
도 30은 본 명세서에 기술된 바와 같이 하나 이상의 특징들을 가지는 전력 증폭기(PA)의 예시적인 아키텍처를 도시한다.
도 31은 도허티 PA에 대한 결합기 회로의 예를 도시한다.
도 32는 도허티 PA에 대한 스플리터 회로의 예를 도시한다.
도 33은 도 30의 분할기로서 이용될 수 있는 전력 스플리터의 예를 도시한다.
도 34는 도 30의 분할기로서 이용될 수 있는 전력 스플리터의 다른 예를 도시한다.
도 35는 도 30의 결합기로서 이용될 수 있는 결합기의 예를 도시한다.
도 36은 도 30의 결합기로서 이용될 수 있는 결합기의 다른 예를 도시한다.
도 37은 낮은 헤드룸의 클래스 AB 바이어스 회로의 예를 도시한다.
도 38은 낮은 헤드룸의 클래스 B 바이어스 회로의 예를 도시한다.
도 39는 피킹 증폭기에 대한 구동기 스테이지의 클래스 B 바이어싱을 이용하는 것의 유리한 효과의 예를 도시한다.
도 40은 피킹 증폭기에 대한 구동기 스테이지의 클래스 B 바이어싱을 이용하는 것의 유리한 효과의 다른 예를 도시한다.
도 41은 캐리어 증폭 및 피킹 증폭과 연관된 RF 신호들 사이에 위상 시프트를 도입함으로써 획득될 수 있는 선형화 효과의 예를 도시한다.
도 42는 캐리어 증폭 및 피킹 증폭과 연관된 RF 신호들 사이에 불균일한 전력 분할을 도입함으로써 획득될 수 있는 선형화 효과의 예를 도시한다.
도 43은 위상 시프트와 불균일한 전력 분할의 결합에 의해 획득될 수 있는 결합된 선형화 효과의 예를 도시한다.
도 44는 프론트-엔드 모듈(FEM)에 대한 다양한 동작 주파수들에서 전력-추가 효율성(PAE) 및 인접 채널 전력(ACP)의 예시적인 플롯들을 도시한다.
도 45는 본 명세서에 기술된 하나 이상의 특징들을 가지는 무선 디바이스를 도시한다.
본원에 제공되는 소제목들은, 만약 존재하는 경우, 단지 편의를 위한 것이며, 청구되는 발명의 범위 또는 의미에 반드시 영향을 주지는 않는다. 라디오-주파수(RF) 전력 증폭기(PA)들에 관련된 시스템들, 디바이스들, 회로들 및 방법들이 본 명세서에 기술된다.
발룬 변환기를 사용하는 전력 증폭
도 1은 일부 실시예들에서, 본 명세서에 기술된 바와 같은 하나 이상의 특징들을 가지는 PA(100)가 바람직한 선형성 및 효율성 중 어느 하나 또는 둘 모두를 가지는 광대역 능력을 제공하도록 구성될 수 있다. PA(100)는 RF 신호(RF_IN)를 수신하고 증폭된 신호(RF_OUT)를 생성하도록 도시된다. 이러한 PA에 관련된 다양한 예들이 본 명세서에서 훨씬 더 상세히 기술된다.
도 2는 본 명세서에 기술된 바와 같은 하나 이상의 특징들을 가지는 PA(100)의 예시적인 아키텍처를 도시한다. 도시된 아키텍처는 도허티 PA 아키텍처이다. 다양한 예들이 이러한 도허티 PA 아키텍처의 상황에서 기술되지만, 본 개시내용의 하나 이상의 특징들이 다른 타입들의 PA 시스템들에서 또한 구현될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
예시적인 PA(100)는 증폭될 RF 신호를 수신하기 위한 입력 포트(RF_IN)를 포함하는 것으로 도시된다. 이러한 입력 RF 신호는 캐리어 증폭 경로(110) 및 피킹 증폭 경로(130)로 분할되기 이전에 사전-구동기 증폭기(102)에 의해 부분적으로 증폭될 수 있다. 이러한 분할은 분할기(104)에 의해 달성될 수 있다. 분할기(104)에 관련된 예들은, 도 3 및 도 7에 관련된 예들을 포함하여, 본 명세서에서 훨씬 더 상세히 기술된다.
도 2에서, 캐리어 증폭 경로(110)는 감쇠기(112) 및 114로서 총체적으로 표시된 증폭 스테이지들을 포함하는 것으로 도시된다. 증폭 스테이지들(114)은 구동기 스테이지(116) 및 출력 스테이지(120)를 포함하는 것으로 도시된다. 구동기 스테이지(116)는 바이어스 회로(118)에 의해 바이어싱되는 것으로 도시되고, 출력 스테이지(120)는 바이어스 회로(122)에 의해 바이어싱되는 것으로 도시된다. 일부 실시예들에서, 더 많거나 더 적은 개수의 증폭 스테이지들이 존재할 수 있다. 본 명세서에 기술된 다양한 예들에서, 증폭 스테이지들(114)이 때때로 증폭기로서 기술되지만, 이러한 증폭기가 하나 이상의 스테이지들을 포함할 수 있다는 것이 이해될 것이다.
도 2에서, 피킹 증폭 경로(130)는 위상 시프팅 회로(132) 및 증폭 스테이지들(134로서 총체적으로 표시됨)을 포함하는 것으로 도시된다. 증폭 스테이지들(134)은 구동기 스테이지(136) 및 출력 스테이지(140)를 포함하는 것으로 도시된다. 구동기 스테이지(136)는 바이어스 회로(138)에 의해 바이어싱되는 것으로 도시되고, 출력 스테이지(140)는 바이어스 회로(142)에 의해 바이어싱되는 것으로 도시된다. 일부 실시예들에서, 더 많거나 더 적은 개수의 증폭 스테이지들이 존재할 수 있다. 본 명세서에 기술된 다양한 예들에서, 증폭 스테이지들(134)은 때때로 증폭기로서 기술되지만, 이러한 증폭기가 하나 이상의 스테이지들을 포함할 수 있다는 것이 이해될 것이다.
도 2는 캐리어 증폭 경로(110) 및 피킹 증폭 경로(130)가 출력 포트(RF_OUT)에서 증폭된 RF 신호를 산출하기 위해 결합기(144)에 의해 결합될 수 있다. 결합기(144)에 관련된 예들은, 도 4 및 7에 관련된 예들을 포함하여, 본원에 훨씬 더 상세히 기술된다.
일부 실시예들에서, 도 2의 분할기(104)는 집중 상수 전력 스플리터(lumped-element power splitter)로서 구현될 수 있다. 이러한 전력 스플리터는 구동기 스테이지들(예를 들어, 도 2의 116, 136) 각각에 DC 전력을 제공하도록 구성되는 수정된 윌킨슨-타입 전력 분할기로서 구현될 수 있다. 도 3은 도 2의 분할기(104)로서 구현될 수 있는 수정된 윌킨슨-타입 전력 분할기(104)의 예시적인 구성을 도시한다. 도 7은 수정된 윌킨슨-타입 전력 분할기(104)가 도 2의 PA(100)의 회로 예에서 구현될 수 있는 방법의 예를 도시한다.
도 3에서, 수정된 전력 분할기(104)는 입력 RF 신호를 수신하도록 구성되는 입력 포트(150)를 포함하는 것으로 도시된다. 도 7의 예시적인 PA 회로(100)에 도시된 바와 같이, 입력 포트(150)는 사전-구동기 증폭기(102)의 트랜지스터(Q0)의 콜렉터에 커플링될 수 있다. 입력 포트(150)는 노드(152)를 통해 스플리터 노드(156)에 커플링되는 것으로 추가로 도시된다. 노드(152)는 인덕턴스(L1)(예를 들어, 인덕터)를 통해 DC 서플라이 포트(154)에 커플링되는 것으로 도시된다. 구동기 스테이지들 각각에 대한 DC 전력은 DC 서플라이 포트(154)를 통해 획득될 수 있다. 도 3에서, L1은 스플리터를 향하는 임피던스(the impedance looking into the splitter)를 사전-구동기 PA 콜렉터에 제공되는 임피던스에 정합시키는 수정된 윌킨슨-타입 스플리터의 일부일 수 있다. 동시에, L1은 사전-구동기에 대한 DC 경로로서의 역할을 할 수 있다.
도 3에서, 캐리어 증폭 경로(도 2의 110)는 커패시턴스(C1), 노드(158) 및 커패시턴스(C3)를 통하는 스플리터 노드(156)로부터 노드(160)까지의 경로를 포함하는 것으로 도시된다. 노드(160)는 앞 경로의 캐리어 증폭기(예를 들어, 도 2의 114)로의 커플링을 용이하게 하기 위해 포트(162)에 접속될 수 있거나 접속되지 않을 수 있다. 노드(158)는 커패시턴스(C2)를 통해 접지에 커플링되는 것으로 도시된다. 노드(160)는 인덕턴스(L2)를 통해 접지에 커플링되는 것으로 도시된다.
도 3에서, 피킹 증폭 경로(도 2의 130)는 커패시턴스(C4), 노드(164) 및 커패시턴스(C5)를 통하는 스플리터 노드(156)로부터 노드(166)까지의 경로를 포함하는 것으로 도시된다. 노드(166)는 앞 경로의 피킹 증폭기(예를 들어, 도 2의 134)로의 커플링을 용이하게 하기 위해 포트(168)에 접속될 수 있거나 접속되지 않을 수 있다. 노드(164)는 인덕턴스(L3)를 통해 접지에 커플링되는 것으로 도시된다. 노드(166)는 인덕턴스(L4)를 통해 접지에 커플링되는 것으로 도시된다.
도 3에서, 저항(R1)은 캐리어 증폭 경로의 노드(158) 및 피킹 증폭 경로의 노드(164)를 커플링시키는 것으로 도시된다. 저항(R1)은 분리 저항기로서 기능하여 캐리어 및/또는 피킹 증폭기들로부터의 소스-풀링 효과(들)를 방지하거나 감소시키기 위해 선택될 수 있다.
도 3에서, 커패시턴스(C1)는 캐리어 증폭 경로에 대한 DC 차단 기능성을 제공하기 위해 선택될 수 있다. 유사하게, 커패시턴스(C4)는 피킹 증폭 경로에 대한 DC 차단 기능성을 제공하기 위해 선택될 수 있다.
도 3에서, 커패시턴스(C3) 및 인덕턴스(L2)는 사전-구동기 증폭기(예를 들어, 도 2 및 7의 102) 및 캐리어 증폭기(114) 사이의 임피던스 정합을 제공하기 위해 선택될 수 있다. 유사하게, C5 및 인덕턴스(L4)는 사전-구동기 증폭기(예를 들어, 도 2 및 7의 102) 및 피킹 증폭기(134) 사이의 임피던스 정합을 제공하기 위해 선택될 수 있다.
도 3에서, 캐리어 증폭 경로와 연관된 커패시턴스(C2) 및 피킹 증폭 경로와 연관된 인덕턴스(L3)는 2개의 경로 사이에 원하는 위상 시프팅을 제공하기 위해 선택될 수 있다. 이러한 위상 시프트는, 예를 들어, 피킹 증폭기(134)와 연관된 AM-PM 현상을 보상 및/또는 동조시키기 위해 선택될 수 있다. 도 2에서, 이러한 위상-시프팅 기능성은 피킹 증폭 경로(130)를 따르는 블록(132)으로서 도시된다.
일부 실시예들에서, 그리고 도 2에 도시된 바와 같이, 감쇠기(112)는 캐리어 증폭 경로(110)(예를 들어, 캐리어 증폭기(114) 앞에) 또는 피킹 증폭 경로(130)(예를 들어, 피킹 증폭기(134) 앞에)를 따라 제공될 수 있다. 이러한 감쇠기는 캐리어 증폭기 및 피킹 증폭기 중 어느 하나 또는 둘 모두와 연관된 AM-AM 현상을 보상 및/또는 동조시키기 위해 원하는 감쇠 조정을 제공하도록 구성될 수 있다. 이러한 감쇠기는 2개의 증폭 경로들 사이에 불균일한 전력 분할을 또한 조장할 수 있다.
AM-AM 및/또는 AM-PM 효과들의 이전 정정들 및/또는 동조가 실질적으로 선형인 도 2 및 7의 PA(100)를 초래할 수 있다는 것에 유의한다. 이러한 선형성은 휴대용 무선 디바이스들에 대해 PA 시스템의 효율성 및 증폭기들에서 PA 시스템의 응용성을 통상적으로 감소시키는 디지털 사전-왜곡을 요구하지 않고도 달성될 수 있다. 또한, 도 2 및 7의 PA(100)에 의해 달성되는 선형성(디지털 사전-왜곡 없이)은 클래스 AB 단일-종단형 증폭기와 연관된 선형성 성능과 유사할 수 있다.
일부 실시예들에서, 도 2의 결합기(144)는 집중 상수 발룬(balanced to unbalanced; BALUN) 변환기로서 구현될 수 있거나 또는 이와 유사할 수 있다. 도 4는 이러한 발룬 변환기 기능성을 제공할 수 있는 결합기(144)의 예시적인 구성을 도시한다. 도 7은 결합기(144)가 도 2의 PA(100)의 회로 예에서 구현될 수 있는 방법의 예를 도시한다.
도 4에서, 결합기(144)는 피킹 결합 노드(186)에서 연결되는 캐리어 증폭 경로(예를 들어, 도 2의 110)의 일부 및 피킹 증폭 경로(130)의 일부를 포함하는 것으로 도시된다. 결합 노드(186)는 출력 포트(198)(도 2 및 7의 RF_OUT)에 커플링되는 것으로 도시된다.
도 4에서, 캐리어 증폭 경로의 일부는 인덕턴스(L13)를 통해 결합 노드(186) 및 노드(182)를 커플링시키는 것으로 도시된다. 노드(182)는 앞 경로의 캐리어 증폭기(예를 들어, 도 2의 114)로의 커플링을 용이하게 하기 위해 포트(180)에 접속될 수 있거나 접속되지 않을 수 있다. 노드(182)는 커패시턴스(C11) 및 인덕턴스(L12)를 통해 접지에 커플링되는 것으로 도시된다. 노드(182)는 인덕턴스(L11)를 통해 포트(184)에 커플링되는 것으로 또한 도시된다.
도 4에서, 피킹 증폭 경로의 일부는 인덕턴스(L16), 노드(196) 및 커패시턴스(C14)를 통해 결합 노드(186) 및 노드(192)를 커플링시키는 것으로 도시된다. 노드(192)는 앞 경로의 피킹 증폭기(예를 들어, 도 2의 134)로의 커플링을 용이하게 하기 위해 포트(190)에 접속될 수 있거나 접속되지 않을 수 있다. 노드(192)는 커패시턴스(C12) 및 인덕턴스(L15)를 통해 접지에 커플링되는 것으로 도시된다. 노드(192)는 인덕턴스(L14)를 통해 포트(194)에 커플링되는 것으로 또한 도시된다. 노드(196)는 커패시턴스(C13)를 통해 접지에 커플링되는 것으로 도시된다.
도 4에서, 노드(182)는 포트(180)를 통해 캐리어 증폭기(114)의 출력 스테이지(예를 들어, 도 2의 120)의 콜렉터에 커플링될 수 있다. 따라서, DC 피드는 포트(184) 및 인덕턴스(L11)를 통해 캐리어 증폭기(114)의 출력 스테이지(120)에 제공될 수 있다. 유사하게, 노드(192)는 포트(190)를 통해 피킹 증폭기(134)의 출력 스테이지(예를 들어, 도 2의 140)의 콜렉터에 커플링될 수 있다. 따라서, DC 피드는 포트(194) 및 인덕턴스(L14)를 통해 피킹 증폭기(134)의 출력 스테이지(140)에 제공될 수 있다.
도 4에서, 커패시턴스(C11), 인덕턴스(L12) 및 인덕턴스(L13)는 캐리어 증폭기(114)의 출력에 대한 제2 고조파 트랩으로서 기능하도록 선택될 수 있다. 유사하게, 커패시턴스(C12), 인덕턴스(L15) 및 인덕턴스(L16)는 피킹 증폭기(134)의 출력에 대한 제2 고조파 트랩으로서 기능하도록 선택될 수 있다.
도 4에서, 커패시턴스(C13) 및 커패시턴스(C14)는 피킹 증폭기(134)의 출력에 대한 위상 보상을 제공하기 위해 선택될 수 있다. 일부 실시예들에서, C13 및 C14는 표면-실장 기술(SMT) 커패시터들로서 구현될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 2개의 SMT 커패시터들만큼 작게 사용하여, 결합기(144)는 광대역 전력 결합기로서 구현될 수 있다.
도 4의 예시적인 결합기(144)는 도허티 PA 아키텍처들의 동작들을 위해 바람직한 기능성들을 제공할 수 있다. 예를 들어, 도허티 PA 아키텍처 내의 피킹 증폭기는 그것이 턴 오프되었을 때 단락 회로 또는 매우 낮은 임피던스 경로로서 거동할 것이 통상적으로 요구되고, 캐리어 증폭기는 LC 발룬 구성을 사용할 때 통상적인 단일-섹션 정합 회로망(예를 들어, 직렬 L 및 분로 C)과 유사하거나 동일한 등가 회로를 가지는 단일-종단형 증폭기로서 통상적으로 동작한다. 이러한 상태에서, 캐리어 증폭기에 의해 보여지는 임피던스는 2배가 될 수 있다.
피킹 증폭기가 턴 온될 때, PA 시스템은 "푸시-풀" 증폭기와 유사한 방식으로 동작할 수 있다. 예를 들어, 캐리어 증폭기로부터의 RF 전류는 피킹 증폭기로부터의 전류를 볼 수 있다. 이러한 상태에서, 선형성은 짝수 고조파 콘텐츠가 감소할 수 있기 때문에 개선될 수 있다.
본 명세서에 기술된 바와 같이, 예시적인 LC 발룬 구성을 가지는 결합기(144)는 2개만큼 적은 SMT 컴포넌트들(예를 들어, 커패시터들)을 사용하여, 간소한 형태로 구현될 수 있다. 이러한 결합기는 RF 초크들 및 고조파 트랩들을 포함하여, 예를 들어, 50-옴 출력으로부터 피킹 증폭기 및 캐리어 증폭기의 트랜지스터-콜렉터들로의 임피던스 정합을 제공하도록 구성될 수 있다.
본 명세서에 기술된 바와 같이, 예시적인 LC 발룬 구성을 가지는 결합기(144)는 다른 도허티 토폴로지들에 비해 캐리어 증폭기 경로 내의 손실을 감소시키도록 구현될 수 있다. 이러한 특징은 차례로 백-오프 및 고전력 모드들에서 높은 효율성의 유지를 용이하게 할 수 있다. 또한, LC 발룬 구성은 캐리어 증폭기에 대한 요구되는 또는 원하는 임피던스 및 위상 조정을 제공할 수 있다. 이러한 특징은 비대칭 부하형 도허티 송신기를 설계할 때 중요할 수 있다.
일부 실시예들에서, 본 명세서에 기술된 바와 같은 피킹 증폭기와 연관된 부하 변조는 일반적으로 종래의 도허티 송신기들에서와는 반대이다. 도 5는 발룬 변환기 구성을 사용하여 종래의 도허티 송신기의 캐리어 증폭기(200) 및 피킹 증폭기(202)에 대한 부하 변조 프로파일들을 도시한다. 도 6은 본 명세서에 기술된 바와 같은 발룬 변환기 구성을 사용하여(예를 들어, 도 7) 도허티 송신기의 캐리어 증폭기(204) 및 피킹 증폭기(206)에 대한 부하 변조 프로파일들을 도시한다. 도 5 및 6의 피킹 증폭기들에 대해, 임피던스(loci)가 이들의 각자의 단락 회로 상태들로부터(예를 들어, 피킹 증폭기가 턴 오프되었을 때) 이들의 각자의 최적 부하 임피던스 조건들까지(예를 들어, 피킹 증폭기가 캐리어 증폭기와 동일한 전력을 기여할 때) 반대 방향으로 진행함을 알 수 있다. 도 5의 종래의 예에 대해, 피킹 증폭기의 임피던스(loci)는 전력이 증가함에 따라 캐리어 증폭기의 임피던스와 동일한 방향으로 진행한다. 도 6의 예에 대해, 피킹 증폭기의 임피던스(loci)는 전력이 증가함에 따라 캐리어 증폭기의 임피던스와 반대 방향으로 진행한다.
도 7은 본 명세서에 기술된 바와 같은 하나 이상의 특징들을 가지는 PA(100)의 예를 도시한다. PA는 1-스테이지 단일-종단형 증폭기와 같은 사전-구동기 증폭기(102)를 포함할 수 있다. 사전-구동기 증폭기(102)의 출력은 도 3에 관해 기술된 예와 같이, 분할기(104)에 제공되는 것으로 도시된다. 분할기(104)의 분할된 출력들은 캐리어 증폭기(114) 및 피킹 증폭기(134)에 제공되는 것으로 도시된다. 캐리어 증폭기(114) 및 피킹 증폭기(134)의 출력들은 도 4에 관해 기술된 예와 같이, 결합기(144)에 의해 결합되는 것으로 도시된다.
도 7의 예시적인 PA(100)에서, 분할기(104) 및 결합기(144)는 광대역 결합을 산출할 수 있다. 예를 들어, 분할기(104)는 예를 들어, 광대역 위상 시프트를 제공하는 리드-래그 회로망으로 인해 속성상 광대역이다. 이러한 위상 시프트 응답의 예는 도 8에서 곡선(250)으로서 도시된다. 예시적인 응답 곡선(250)은 정합 허수 베이스 임피던스들(matching reactive base impedances)과 구동기 증폭기 콜렉터 사이의 통상적인 위상차를 나타낸다. 분할기(104)가 허수 대 실수 임피던스 정합, 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기 사이의 분리, 및 여전히 광대역 성능을 산출하는 것과 같은 유리한 특징들을 제공한다는 것에 추가로 유의한다.
또다른 예에서, 자신의 LC 발룬 구성을 가지는 결합기(144)는 PA(100)의 광대역 성능에 또한 기여할 수 있다. 본 명세서에 기술된 바와 같이, LC 발룬은 더 낮은 상수 Q 서클들 내에서 임피던스 궤적을 유지하도록 구성되는 고조파 트랩들을 포함할 수 있다. 이러한 임피던스 응답들의 예는 도 9에서 곡선들(260, 262, 264)로서 도시된다. 예시적인 응답 곡선들(260, 262, 264)은 콜렉터 부하 임피던스 대 상이한 ZP 값들에 대한 주파수를 나타낸다. ZP1은 캐리어 PA 및 피킹 PA 모두가 턴온될 때(동작 중) 캐리어 PA 콜렉터에 의해 보여지는 부하 임피던스를 나타내며, 그것은 예를 들어 약 5.7+j0.119 옴이다. ZP2는 이전 경우와 유사한 피킹 PA 콜렉터에서의 콜렉터 임피던스(예를 들어, PA 둘 모두 온일 때 동일한 임피던스)이다. ZP4는 피킹 PA가 오프일 때 캐리어 PA 콜렉터에 의해 보여지는 임피던스이며, 이는 예를 들어 약 10.86+j0.058 옴으로 실질적으로 2배가 된다. 이러한 특징은 실제로 PA 아키텍처 대역폭을 향상시키는데, 왜냐하면 임피던스들 대 주파수가 스미스 차트를 따라 확산되지 않기 때문이다.
도 1-4 및 7의 예들을 포함하여, 본 명세서에 기술된 바와 같은 하나 이상의 특징들을 가지는 PA 아키텍처는 훌륭한 선형의 효율적인 광대역 성능을 산출하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, LTE 신호(예를 들어, 10-MHz BW, QPSK, 12 RB)를 사용하여 -37-dBc ACLR(adjacent channel leakage-power ratio)(인접 채널 누설-전력 비)에 대해 21%의 상대 대역폭이 달성될 수 있다. 도 10은 상이한 샘플들에 대한 ACLR 곡선들 및 전력-추가 효율성(PAE) 곡선들을 도시한다. 곡선들의 상위 세트(270, 292)는 각자, 27.5 및 27 dBm 출력 전력 레벨들에 대한 전력 추가 효율성(PAE)에 대한 것이다. 곡선들의 중간 세트(274, 276)는 각자 27.5 및 27 dBm 출력 전력 레벨들에 대한 ACLR1에 대한 것이다. 점선 곡선(278)은 27.5 dBm 출력 전력에 대한 ACLR2에 대한 것이다. ACLR 성능의 상황에서, 27-dBm 출력 전력에서의 37-dBc ACLR 대역폭이 대략 525 MHz(예를 들어, 마커들 "m39"과 "m38" 사이)이며, 이는 대략 2,500 MHz(예를 들어, 마커 "m48")의 중심 주파수의 대략 21%임을 알 수 있다. ACLR 레벨이 증가하도록 허용되는 경우 대역폭이 훨씬 더 넓을 수 있다는 것에 유의한다.
일부 구현예들에서, 본 명세서에 기술된 하나 이상의 특징들을 가지는 디바이스 및/또는 회로는 무선 디바이스와 같은 RF 디바이스에 포함될 수 있다. 이러한 디바이스 및/또는 회로는 직접 무선 디바이스 내에, 본 명세서에 기술된 바와 같은 모듈라 형태로, 또는 이들의 일부 결합으로 구현될 수 있다. 일부 실시예들에서, 이러한 무선 디바이스는, 예를 들어, 셀룰러 폰, 스마트-폰, 폰 기능성이 있는 또는 폰 기능성이 없는 핸드-헬드 무선 디바이스, 무선 태블릿 등을 포함할 수 있다.
도 11은 본 명세서에 기술된 하나 이상의 유리한 특징들을 가지는 예시적인 무선 디바이스(400)를 개략적으로 도시한다. 예를 들어, 총체적으로 PA 아키텍처(100)로서 표시된 하나 이상의 PA들(110)은 본 명세서에 기술된 바와 같은 하나 이상의 특징들을 포함할 수 있다. 이러한 PA들은, 예를 들어, 무선 디바이스(400)의 멀티-밴드 동작을 용이하게 할 수 있다.
PA들(110)은 증폭되고 전송될 RF 신호들을 생성하고, 수신된 신호들을 프로세싱하도록 구성되고 동작될 수 있는 트랜시버(410)로부터 이들의 각자의 RF 신호들을 수신할 수 있다. 트랜시버(410)는 사용자에 대해 적합한 데이터 및/또는 음성 신호들과 트랜시버(410)에 대해 적합한 RF 신호들 사이의 전환을 제공하도록 구성되는 기저대역 서브시스템(408)과 상호작용하는 것으로 도시된다. 트랜시버(410)는 또한 무선 디바이스(400)의 동작을 위한 전력을 관리하도록 구성되는 전력 관리 컴포넌트(406)에 접속되는 것으로 도시된다. 이러한 전력 관리부는 기저대역 서브시스템(408) 및 PA들(110)의 동작들을 또한 제어할 수 있다.
기저대역 서브시스템(408)은 사용자에게 제공되는 그리고 사용자로부터 수신되는 음성 및/또는 데이터의 다양한 입력 및 출력을 용이하게 하기 위해 사용자 인터페이스(402)에 접속되는 것으로 도시된다. 기저대역 서브시스템(408)은 데이터 및/또는 명령들을 저장하여 무선 디바이스(400)의 동작을 용이하게 하고, 그리고/또는 사용자에게 정보의 저장을 제공하도록 구성되는 메모리(404)에 또한 접속될 수 있다.
예시적인 무선 디바이스(400)에서, PA들(110)의 출력들은 (정합 회로들(420)을 통해) 정합되고, 이들의 각자의 듀플렉서들(412a-412d) 및 대역-선택 스위치(414)를 통해 안테나(416)에 라우팅되는 것으로 도시된다. 대역-선택 스위치(414)는 동작 대역의 선택을 허용하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 각각의 듀플렉서(412)는 전송 및 수신 동작들이 공통 안테나(예를 들어, 416)를 사용하여 동시에 수행되도록 허용될 수 있다. 도 11에서, 수신된 신호들은 예를 들어, 저잡음 증폭기(LNA)를 포함할 수 있는 "Rx" 경로들(도시되지 않음)에 라우팅되는 것으로 도시된다.
다수의 다른 무선 디바이스 구성들은 본 명세서에 기술된 하나 이상의 특징들을 이용할 수 있다. 예를 들어, 무선 디바이스는 멀티-밴드 디바이스일 필요는 없다. 또다른 예에서, 무선 디바이스는 다이버시티 안테나와 같은 추가적인 안테나들, 및 Wi-Fi, 블루투스, 및 GPS와 같은 다른 접속성 특징들을 포함할 수 있다.
코일화된 발룬 변환기를 사용하는 신호 결합
결합기는 도허티 PA의 일부분으로서 구현될 수 있으며, 다수의 기능을 제공하기 위해 통상적으로 이용된다. 예를 들어, 결합기는 PA가 전체 전력에서 동작할 때 동일한 전력 결합을 제공하도록 구성될 수 있다. 도 12는 결합기가 종래의 전력 결합기로서 동작할 수 있는 이러한 구성의 예를 도시한다. 도 12에서, 다양한 성능 및 동작 파라미터들의 값들은 예들이며; 상이한 응용예들에 대해 적절하게 조정될 수 있다.
따라서, 도 12에서, 캐리어 증폭기(2110) 및 피킹 증폭기(2112) 모두 온 상태일 때의 구성(2100)이 예시된다. 일부 구현예들에서, 캐리어 증폭기(2110) 및 피킹 증폭기는 포화되고, 50% 이상의 전력-추가 효율성(PAE)을 가진다. 캐리어 증폭기(2110) 및 피킹 증폭기(2112)의 출력들은 전송선 결합기(2120)의 각자의 입력 포트들(2131, 2132)에 공급된다. 제1 입력 포트(2131) 및 제2 입력 포트(2132) 모두에서, 50 옴의 임피던스가 존재할 수 있다. 전송선 결합기(2120)는 제1 입력 포트(2131)와 제2 입력 포트(2132) 사이에 커플링되는 50-옴 전송선(2121), 및 제2 입력 포트(2132)와 출력 포트(2133) 사이에 커플링되는 35.5-옴 전송선(2122)을 포함한다. 35.5-옴 전송선(2122)의 입력은 25 옴의 임피던스를 제시할 수 있다.
또다른 예에서, 결합기는 PA와 PA에 커플링된 부하 사이의 임피던스 전송을 제공하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 2:1 임피던스 전송은 피킹 증폭기가 유휴일 때 부하로부터 캐리어 증폭기의 출력까지 구현될 수 있다. 이러한 전송 기능성은 도 13에 도시되어 있다. 다시, 다양한 성능 및 동작 파라미터들의 값들은 예들이며; 상이한 응용예들에 대해 적절하게 조정될 수 있다. 앞의 기능성은 하나의 증폭기를 이용하여 다수의 동작 주파수들의 경제적인 커버리지를 달성하기 위해 가능한 작은(fractional) 대역폭만큼의 폭에 대해 바람직할 수 있다.
따라서, 도 13에서, 캐리어 증폭기(2110)가 온 상태에 있고 피킹 증폭기(2112)가 오프 상태에 있는 구성(2150)이 예시된다. 일부 구현예들에서, 캐리어 증폭기(2110)는 포화되고, 50% 이상의 PAE를 가진다. 이러한 구성(2150)에서, 100 옴의 임피던스가 제1 입력 포트(2131)에 존재할 수 있고, 매우 높은 임피던스(거의 개방)가 제2 입력 포트(2132)에 존재할 수 있다.
도 14는 결합 및 임피던스 변환 기능들 모두가 달성되는 방식으로 설정되는 둘 이상의 1/4파 전송선들(2121, 2122)을 포함하는 공통 도허티 결합기(2120)의 예를 도시한다. 이러한 구현예는, 특히 낮은 주파수에서, 통상적으로 상대적으로 부피가 크다(bulky). 따라서, 이러한 결합기(2120)는 RFIC(radio-frequency integrated circuit)(라디오-주파수 집적 회로), MMIC(monolithic microwave integrated circuit)(모놀리식 마이크로파 집적 회로), 및 다른 RF 모듈들과 같은 디바이스들 내의 응용예들에 대해 특히 적합하지 않을 수 있다. 도 14의 도허티 결합기(2120)에 대한 임피던스 확산 대 주파수가 도 15의 예시적인 스미스 차트(2144)에 도시된다.
다른 타입들의 도허티 결합기들은 집중 엘리먼트(lumped element)들에 기초할 수 있다. 이러한 구현예들의 대부분은 상대적으로 좁은 동작 대역들에 제한된다.
도 16은 분리 포트(2222)에서 거의 개방 종단 임피던스를 가지는 3dB 커플러(2221)를 이용하는 도허티 결합기(2220)의 다른 예를 도시한다. 이러한 구현예가 도 14의 예시적인 결합기(2120)보다 더 소형이지만, 그것은 그것의 1/4파 파장으로 인해 낮은 주파수에서, RFIC, MMIC 및 다른 RF 모듈들과 같은 응용예들에 대해 여전히 통상적으로 너무 크다. 결합기(2220)는 결합기(2220)의 제1 입력 포트(2231)에 커플링되는 제1 포트, 결합기(2220)의 제2 입력 포트(2232)에 커플링되는 제2 포트, 결합기(2220)의 출력 포트(2233)에 커플링되는 제3 포트, 및 거의 개방 종단 임피던스에 커플링되는 제4 포트(예를 들어, 분리 포트(2222))를 가지는 3 db 커플러(2221)를 포함한다. 도 16의 도허티 결합기(2220)에 대한 임피던스 확산 대 주파수가 도 17의 예시적인 스미스 차트(2244)에 도시된다.
도 18 및 19는 도허티 결합기로서 이용될 수 있는 하이브리드 회로의 예를 도시한다. 이러한 하이브리드 회로는 RFIC, MMIC 및 다른 RF 모듈들과 같은 응용예들에 대해 특히 적합하도록 구성될 수 있다. 도 18은 이러한 하이브리드 회로의 개략적 표현을 도시하고, 도 19는 이러한 하이브리드 회로의 예시적인 레이아웃을 도시한다.
도 18 및 19의 하이브리드 회로는 발룬에 기초한 반-집중형 90도 하이브리드(semi-lumped 90 degree hybrid)로서 구현될 수 있다. 사용되는 발룬의 소형 속성으로 인해, 이러한 설계는 실리콘, GaAs 및 IPD(예를 들어, 유리 또는 실리콘)와 같은 절연성/반-절연성 기판들 상에 용이하게 구현될 수 있다.
도 18 및 19의 하이브리드 회로에서, 다양한 성능 및 동작 파라미터들의 값들은 예들이며; 상이한 응용예들에 대해 적절하게 조정될 수 있다.
따라서, 도 18에서, 신호 결합기(2320)는 제1 포트(2331), 제2 포트(2332), 제3 포트(2333) 및 제4 포트(2334)를 포함하는 것으로 도시된다. 제1 커패시터(2322)는 제1 포트(2331) 및 제2 포트(2332)를 커플링시킨다. 제2 커패시터(2323)는 제3 포트(2333) 및 제4 포트(2334)를 커플링시킨다. 신호 결합기(2320)는 신호 결합기(2320)의 4개 포트들(2331-2334)에 각자 커플링되는 4개의 포트를 가지는 변환기(2321)를 또한 포함한다. 도 19에서, 실질적으로 유사한 신호 결합기(2390)가 제1 코일 및 제2 코일을 포함하는 발룬 변환기(2391)를 포함하는 것으로 예시된다.
도 20은 도 16의 예를 나타낼 수 있는 예시적인 S-파라미터(분산 파라미터) 행렬을 도시하고, 도 21은 도 18 및 19의 예를 나타낼 수 있는 예시적인 S-파라미터 행렬을 도시한다. 도 21의 S-파라미터 행렬이 도 20의 S-파라미터 행렬과 상당히 상이함을 알 수 있다. 도 16의 예에서, 분리 포트에서의 개방 종단은 도허티 동작을 초래할 수 있다. 도 18 및 19의 예에서, 특정 종단이 분리 포트에 제공되어 도허티 동작을 달성할 수 있다. 종단의 예들은 본원에 훨씬 더 상세하게 기술된다.
일부 실시예들에서, 이러한 특정 종단이 그것의 리액턴스가 시스템의 특성 임피던스의 크기와 동일한 커패시턴스(예를 들어, 커패시터)로서 구현될 수 있다는 것이 보여질 수 있다. 따라서, 이러한 커패시턴스는 C = 1/(2πfZ0)로서 표현될 수 있고, 여기서 f는 도허티 PA의 동작 주파수이고, Z0는 도허티 PA에 커플링된 부하의 특성 임피던스이다.
도 22는 도 18 및 19의 하이브리드 회로를 이용하는 도허티 결합기 구성(2400)의 예를 도시한다. 구성(2400)은 도허티 PA의 캐리어-증폭된 신호를 수신하도록 구성될 수 있는 제1 입력 포트(2431), 도허티 PA의 피킹-증폭된 신호를 수신하도록 구성되는 제2 입력 포트(2432), 및 제1 입력 포트(2431) 및 제2 입력 포트(2432)에서 수신되는 신호들의 결합을 출력하는 출력 포트(2433)를 포함한다. 구성(2400)은 제1 코일(2401) 및 제2 코일(2402)을 가지는 변환기(예를 들어, 발룬 변환기)를 포함하고, 제1 코일(2401)은 제1 포트(2411)와 제2 포트(2412) 사이에 구현되고, 제2 코일(2402)은 제3 포트(2413)와 제4 포트(2414) 사이에 구현된다. 제1 포트(2411) 및 제3 포트(2413)는 제1 커패시터(2421)에 의해 커플링되고, 제2 포트(2412) 및 제4 포트(2414)는 제2 커패시터(2422)에 의해 커플링된다. 제3 포트(2413)는, 도 22에서, 제3 커패시터(2423)를 포함하는 종단 회로를 통해 접지에 커플링된다. 일부 구현예들에서, 제1 커패시터(2421) 및 제2 커패시터(2422)의 커패시턴스는 동일하다. 일부 구현예들에서, 제3 커패시터(2423)의 커패시턴스는 제1 커패시터(2421) 및/또는 제2 커패시터(2422)의 커패시턴스의 2배이다.
도 22의 결합기(2400)에서의 도허티 동작으로부터 초래되는 임피던스 궤적들(2444)이 도 23에 도시되어 있다. 임피던스 궤적들의 확산은 도 17의 예보다는 다소 넓지만, 도 15의 예에 비해 우수하다. 도 22의 도허티 결합기에서, 다양한 성능 및 동작 파라미터들의 값들은 예들이며; 상이한 응용예들에 대해 적절하게 조정될 수 있다.
L = Z0/(2πf)의 유도성 종단을 가지는 대안적 구성이 유사한 방식으로 도허티 결합기 기능성을 제공할 수 있다는 것이 보여질 수 있다. 캐리어 증폭기 및 피킹 증폭기의 포트 위치들은 이 경우 뒤바뀔 수 있다(swap). 도 24는 이러한 유도성 종단이 이용되는 예를 도시한다.
도 24의 도허티 결합기 구성(2500)은 도허티 PA의 캐리어-증폭된 신호를 수신하도록 구성될 수 있는 제1 입력 포트(2531), 도허티 PA의 피킹-증폭된 신호를 수신하도록 구성될 수 있는 제2 입력 포트(2532), 및 제1 입력 포트(2531) 및 제2 입력 포트(2532)에서 수신되는 신호들의 결합을 출력하는 출력 포트(2533)를 포함한다. 구성(2500)은 제1 코일(2501) 및 제2 코일(2502)을 가지는 변환기(예를 들어, 발룬 변환기)를 포함하고, 제1 코일(2501)은 제1 포트(2511)와 제2 포트(2512) 사이에 구현되고, 제2 코일(2502)은 제3 포트(2513)와 제4 포트(2514) 사이에 구현된다. 제1 포트(2511) 및 제3 포트(2513)는 제1 커패시터(2521)에 의해 커플링되고, 제2 포트(2512) 및 제4 포트(2514)는 제2 커패시터(2522)에 의해 커플링된다. 제3 포트(2513)는, 도 24에서, 인덕터(2523)를 포함하는 종단 회로를 통해 접지에 커플링된다. 도 24의 도허티 결합기(2500)에서, 다양한 성능 및 동작 파라미터들의 값들은 예들이며; 상이한 응용예들에 대해 적절하게 조정될 수 있다.
일부 실시예들에서, 도 18, 19 및 20-24에 관해 기술된 예들은 임피던스 정합이 자기 변환기들 또는 자동 변환기들의 사용에 의해 달성되는, RFIC, MMIC 및 RF 모듈(예를 들어, 하이브리드 모듈) 구성들에 대해 특히 유용할 수 있다. 일부 실시예들에서, 피킹 증폭기 디바이스의 거의-개방 출력 임피던스는 정합 회로에 의해 반전되지 않으며, 따라서 도허티 결합기의 피킹 증폭기 포트에 존재할 수 있다.
도 25는 본 명세서에 기술된 바와 같은 하나 이상의 특징들을 가지는 하이브리드 회로 및 집적 수동 디바이스(IPD)로서 자동-변환기 기반 임피던스 정합의 집적의 예를 도시한다. 회로(2600)는 하나 이상의 자동 변환기들을 포함하는 임피던스 정합 회로망(2610)을 포함하는 IPD(2602)를 포함한다. IPD는, 예를 들어, 전술된 바와 같이, 결합기(2620)를 더 포함한다. 회로(2600)는 캐리어 증폭기(2611) 및 피킹 증폭기(2612)를 가지는 MMIC(2601)를 더 포함한다.
Pi-회로망, T-회로망 또는 1/4파 변환기와 같은 임피던스 반전 정합 회로가 사용되는 경우, 피킹 증폭기는 그것이 유휴일 때 도허티 결합기의 입력에 거의 단락 임피던스를 통상적으로 제시한다. 이러한 예에서, 반전된 부하-변조 궤적은 도허티 결합기로부터(예를 들어, 도 26의 예시적인 스미스 차트(2744)에 도시된 바와 같이 0.5*Rload 임피던스로부터 Rload 임피던스까지) 통상적으로 요구되거나 희망된다. 일부 실시예들에서, 이러한 기능성은 캐리어 증폭기 입력과 피킹 증폭기 입력을 뒤바꿈으로써 달성될 수 있다. 도 27은 이러한 뒤바뀐 구성의 예를 도시한다. 따라서, 도 27에서, 회로(2700)는 예를 들어, 전술된 바와 같이, 결합기(2720)를 포함하는 IPD(2702)를 포함한다. 회로(2700)는 캐리어 증폭기(2711) 및 피킹 증폭기(2712)를 가지는 MMIC(2701)를 더 포함한다. 회로는 임피던스 반전 정합 회로(2710)를 더 포함한다. 도 27에 예시되지 않았지만, 임피던스 반전 정합 회로(2710)는 IPD(2702) 내에 구현될 수 있다.
도 25-27에서, 다양한 성능 및 동작 파라미터들의 값들은 예들이며; 상이한 응용예들에 대해 적절하게 조정될 수 있다.
도 28에서, 본 명세서에 기술된 바와 같은 하나 이상의 특징들을 가지는 도허티 결합기가 구현될 수 있는 PA(2800)의 예시적인 아키텍처를 도시한다. 도시된 아키텍처는 도허티 PA 아키텍처이다. 다양한 예들이 이러한 도허티 PA 아키텍처의 상황에서 기술되지만, 본 개시내용의 하나 이상의 특징들이 다른 타입들의 PA 시스템들에서도 구현될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
예시적인 PA(2800)는 증폭될 RF 신호를 수신하기 위한 입력 포트(RF_IN)를 포함하는 것으로 도시된다. 이러한 입력 RF 신호는 캐리어 증폭 경로(2810) 및 피킹 증폭 경로(2830)에 의해 나누어지기 전에 사전-구동기 증폭기(2802)에 의해 부분적으로 증폭될 수 있다. 이러한 분할은 분할기(2804)에 의해 달성될 수 있다. 분할기(2804)(본 명세서에서 스플리터 또는 전력 스플리터라고도 함)에 관련된 예들은 본원에서 더 상세히 기술된다.
도 28에서, 캐리어 증폭 경로(2810)는 감쇠기(2812) 및 2814로서 총체적으로 표시되는 증폭 스테이지들을 포함하는 것으로 도시된다. 증폭 스테이지들(2814)은 구동기 스테이지(2816) 및 출력 스테이지(2820)를 포함하는 것으로 도시된다. 구동기 스테이지(2816)는 바이어스 회로(2818)에 의해 바이어싱되는 것으로 도시되고, 출력 스테이지(2820)는 바이어스 회로(2822)에 의해 바이어싱되는 것으로 도시된다. 일부 실시예들에서, 더 많거나 더 적은 개수의 증폭 스테이지들이 존재할 수 있다. 본 명세서에 기술된 다양한 예들에서, 증폭 스테이지들(2814)은 때때로 증폭기로서 기술되지만, 이러한 증폭기가 하나 이상의 스테이지들을 포함할 수 있다는 것이 이해될 것이다.
도 28에서, 피킹 증폭 경로(2830)는 위상 시프팅 회로(2832) 및 증폭 스테이지들(2834로서 총체적으로 표시됨)을 포함하는 것으로 도시된다. 증폭 스테이지들(2834)은 구동기 스테이지(2836) 및 출력 스테이지(2840)를 포함하는 것으로 도시된다. 구동기 스테이지(2836)는 바이어스 회로(2838)에 의해 바이어싱되는 것으로 도시되고, 출력 스테이지(2840)는 바이어스 회로(2842)에 의해 바이어싱되는 것으로 도시된다. 일부 실시예들에서, 더 많거나 더 적은 개수의 증폭 스테이지들이 존재할 수 있다. 본 명세서에 기술된 다양한 예들에서, 증폭 스테이지들(2834)은 때때로 증폭기로서 기술되지만, 이러한 증폭기가 하나 이상의 스테이지들을 포함할 수 있다는 것이 이해될 것이다.
도 28은 출력 포트(RF_OUT)에서 증폭된 RF 신호를 산출하기 위해 캐리어 증폭 경로(2810) 및 피킹 증폭 경로(2830)가 결합기(2844)에 의해 결합될 수 있음을 추가로 도시한다. 결합기(2844)에 관련된 예들은 본원에서 더 상세하게 기술된다. 예를 들어, 결합기(2844)는 도 22 및 24의 결합기들 중 하나로서 구현될 수 있다.
일부 구현예들에서, 본원에서 기술된 하나 이상의 특징들을 가지는 디바이스 및/또는 회로는 무선 디바이스와 같은 RF 디바이스에 포함될 수 있다. 이러한 디바이스 및/또는 회로는 직접 무선 디바이스 내에, 본원에서 기술된 바와 같은 모듈라 형태로, 또는 이들의 일부 조합으로 구현될 수 있다. 일부 실시예들에서, 이러한 무선 디바이스는, 예를 들어, 셀룰러 폰, 스마트-폰, 폰 기능성이 있는 또는 폰 기능성이 없는 핸드-헬드 무선 디바이스, 무선 태블릿 등을 포함할 수 있다.
도 29는 본 명세서에 기술된 하나 이상의 유리한 특징들을 가지는 예시적인 무선 디바이스(2900)를 개략적으로 도시한다. 예를 들어, PA 아키텍처(2101)로서 총체적으로 표시되는 하나 이상의 PA들(2910)은 본 명세서에 기술된 바와 같이 하나 이상의 특징들을 포함할 수 있다. 이러한 PA들은 예를 들어, 무선 디바이스(2900)의 멀티-밴드 동작을 용이하게 할 수 있다.
PA들(2110a-2110d)은 증폭되고 전송될 RF 신호들을 생성하고, 수신된 신호들을 프로세싱하도록 구성되고 동작될 수 있는 트랜시버(2910)로부터 이들의 각자의 RF 신호들을 수신할 수 있다. 트랜시버(2910)는 사용자에게 적합한 데이터 및/또는 음성 신호들과 트랜시버(2910)에 적합한 RF 신호들 사이의 전환(conversion)을 제공하도록 구성되는 기저대역 서브시스템(2908)과 상호작용하는 것으로 도시된다. 트랜시버(2910)는 무선 디바이스(2900)의 동작을 위한 전력을 관리하도록 구성되는 전력 관리 컴포넌트(2906)에 접속되는 것으로 또한 도시된다. 이러한 전력 관리부는 기저대역 서브시스템(2908) 및 PA들(2110a-2110d)의 동작들을 제어할 수 있다.
기저대역 서브시스템(2908)은 사용자에게 제공되고 사용자로부터 수신되는 음성 및/또는 데이터의 다양한 입력 및 출력을 용이하게 하기 위해 사용자 인터페이스(2902)에 접속되는 것으로 도시된다. 기저대역 서브시스템(2908)은 또한 데이터 및/또는 명령들을 저장하여 무선 디바이스(2900)의 동작을 용이하게 하고, 그리고/또는 사용자에게 정보의 정보를 제공하도록 구성되는 메모리(2904)에 또한 접속될 수 있다.
예시적인 무선 디바이스(2900)에서, PA들(2110a-2110d)의 출력들은 (정합 회로들(2920a-2920d)을 통해) 정합되고, 이들의 각자의 듀플렉서들(2912a-2912d) 및 대역-선택 스위치(2914)를 통해 안테나(2916)에 라우팅되는 것으로 도시된다. 대역-선택 스위치(2914)는 동작 대역의 선택을 허용하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 각각의 듀플렉서(2912)는 전송 및 수신 동작들이 공통 안테나(예를 들어, 916)를 사용하여 동시에 수행되도록 허용할 수 있다. 도 29에서, 수신된 신호들은, 예를 들어, 저잡음 증폭기(LNA)를 포함할 수 있는 "Rx" 경로들(도시되지 않음)에 라우팅되는 것으로 도시된다.
다수의 다른 무선 디바이스 구성들은 본 명세서에 기술된 하나 이상의 특징들을 이용할 수 있다. 예를 들어, 무선 디바이스가 멀티-밴드 디바이스일 필요는 없다. 또다른 예에서, 무선 디바이스는 다이버시티 안테나와 같은 추가적인 안테나들, 및 Wi-Fi, 블루투스, 및 GPS 와 같은 추가적인 접속성 특징들을 포함할 수 있다.
개선된 선형화를 가지는 전력 증폭
3G 및 4G 핸드셋 응용예들에서 사용되는 높은 피크 대 평균 전력 비(PAPR) 4G 변조 신호들에 대한 것과 같은, 도허티 전력 증폭기(PA) 응용예들에 관련된 다양한 예들이 개시된다. 일부 실시예들에서, 다른 설계들에 대해 도허티 방식을 이용함으로써, 10%까지의 더 높은 피크 전력 추가 효율성(PAE) 레벨들이 동일한 인접 전력 레벨 비(ACLR) 레벨들에 대해 달성될 수 있다. 이러한 PAE 성능은 훨씬 더 적은 전체 시스템 복잡성을 위해 포락선 추적(ET) PA의 성능에 정합할 수 있다.
전통적으로, 도허티 PA는 크기, 복잡성, 및 비-선형적 거동으로 인해 핸드셋들에서의 선형 PA 응용예들에 대해서는 적합하지 않다고 널리 알려져 왔다. 실제로, 기지국 응용예들에서, 사전왜곡 선형화기들이 도허티 PA들과 함께 통상적으로 사용되어 선형성 요건들을 만족시킨다. 본원에서 기술된 바와 같이, 도허티 PA들과 연관된 크기, 복잡성, 및 선형성과 같은 이슈들은 적절하게 다루어질 수 있다.
도 30은 본원에 개시된 바와 같이 하나 이상의 특징들을 가지는 PA(3100)의 예시적인 아키텍처를 도시한다. 도시된 아키텍처는 도허티 PA 아키텍처이다. 다양한 예들이 도허티 PA 아키텍처와 같은 상황에서 기술되지만, 본 개시내용의 하나 이상의 특징들이 다른 타입들의 PA 시스템들에서 또한 구현될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
예시적인 PA(3100)은 증폭될 RF 신호를 수신하기 위한 입력 포트(RF_IN)를 포함하는 것으로 도시된다. 이러한 입력 RF 신호는 캐리어 증폭 경로(3110) 및 피킹 증폭 경로(3130)로 분할되기 전에 사전-구동기 증폭기(3102)에 의해 부분적으로 증폭될 수 있다. 이러한 분할은 분할기(3104)에 의해 달성될 수 있다. 분할기(3104)(본 명세서에서 스플리터 또는 전력 스플리터라고도 함)에 관련된 예들은 본원에서 훨씬 더 상세하게 기술된다.
도 30에서, 캐리어 증폭 경로(3110)는 감쇠기(3112) 및 총체적으로 3114로서 표시된 증폭 스테이지들을 포함하는 것으로 도시된다. 증폭 스테이지들(3114)은 구동기 스테이지(3116) 및 출력 스테이지(3120)를 포함하는 것으로 도시된다. 구동기 스테이지(3116)는 바이어스 회로(3118)에 의해 바이어싱되는 것으로 도시되고, 출력 스테이지(3120)는 바이어스 회로(3122)에 의해 바이어싱되는 것으로 도시된다. 일부 실시예들에서, 더 많거나 더 적은 개수의 증폭 스테이지들이 존재할 수 있다. 본 명세서에 기술된 다양한 예들에서, 증폭 스테이지들(3114)은 때때로 증폭기로서 기술되지만, 이러한 증폭기가 하나 이상의 스테이지들을 포함할 수 있다는 것이 이해될 것이다.
도 30에서, 피킹 증폭 경로(3130)는 위상 시프팅 회로(3132) 및 3134로서 총체적으로 표시되는 증폭 스테이지들을 포함하는 것으로 도시된다. 증폭 스테이지들(3134)은 구동기 스테이지(3136) 및 출력 스테이지(3140)를 포함하는 것으로 도시된다. 구동기 스테이지(3136)는 바이어스 회로(3138)에 의해 바이어싱되는 것으로 도시되고, 출력 스테이지(3140)는 바이어스 회로(3142)에 의해 바이어싱되는 것으로 도시된다. 일부 실시예들에서, 더 많거나 더 적은 개수의 증폭 스테이지들이 존재할 수 있다. 본 명세서에 기술되는 다양한 예들에서, 증폭 스테이지들(3134)은 때때로 증폭기로서 기술되지만, 이러한 증폭기가 하나 이상의 스테이지들을 포함할 수 있다는 것이 이해될 것이다.
도 30은 출력 포트(RF_OUT)에서 증폭된 RF 신호를 산출하기 위해 캐리어 증폭 경로(3110) 및 피킹 증폭 경로(3130)가 결합기(3144)에 의해 결합될 수 있다는 것을 추가로 도시한다. 결합기(3144)에 관련된 예들은 본원에서 훨씬 더 상세하게 기술된다.
도 31은 도허티 PA에 대한 결합기 회로의 예를 도시한다. 이러한 결합기는 적절한(moderate) 대역폭 성능을 제공하도록 구성될 수 있다. 도 31에서, 피킹 증폭기 신호 및 캐리어 증폭기 신호는 이들의 각자의 콜렉터들(도시되지 않음)로부터 수신되고, 예를 들어, 듀플렉서에 제공될 수 있는 출력을 산출하기 위해 결합되는 것으로 도시된다. 도 31에서, 임피던스 값들, 뿐만 아니라 다양한 커패시턴스 및 인덕턴스 엘리먼트들의 값들은 예들이며, 다른 값들이 또한 구현될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
결합기(3200)는 제1 입력 포트(3211)(피킹 증폭기 신호를 수신할 수 있음), 제2 입력 포트(3212)(캐리어 증폭기 신호를 수신할 수 있음), 및 제1 입력 포트(3211) 및 제2 입력 포트(3212)에서 수신되는 신호들의 결합을 제공하는 출력 포트(3213)를 포함한다.
제1 입력 포트(3211)는 제1 노드(3211)에 커플링된다. 제1 노드(3221)는 (제1 커패시터(3241) 및 제3 인덕터(3233)를 통해) 접지에 그리고 (제1 인덕터(3231)를 통해) 제2 노드(3222)에 추가로 커플링된다. 제2 노드(3222)는 (제2 커패시터(3242)를 통해) 접지에 그리고 (제2 인덕터(3232)를 통해) 제3 노드(3223)에 커플링된다.
제2 입력 포트(3212)는 제4 노드(3224)에 커플링된다. 제4 노드는 (제3 커패시터(3243) 및 제5 인덕터(3235)를 통해) 접지에 그리고 (제4 인덕터(3234)를 통해) 제5 노드(3225)에 추가로 커플링된다. 제5 노드(3225)는 (제4 커패시터(3244)를 통해) 접지에 그리고 (제5 커패시터(3245)를 통해) 제3 노드(3223)에 커플링된다.
출력 포트(3213)는 제6 노드(3226)에 커플링된다. 제6 노드(3226)는 (제6 인덕터(3236)를 통해) 접지에 그리고 (제6 커패시터(3246)를 통해) 제3 노드(3223)에 추가로 커플링된다.
제1 입력 포트(3211), 제2 입력 포트(3212), 제1 커패시터(3241), 제3 인덕터(3233), 제3 커패시터(3243), 및 제5 인덕터(3235)는 집적 수동 디바이스(IPD)로서 구현될 수 있다. 일부 실시예들에서, 컴포넌트들은 단일 GaAs 다이(3270) 상에 구현될 수 있다.
제2 노드(3222) 및 제5 노드(3225)에 존재하는 임피던스는 각각 25 옴일 수 있다. 제3 노드(3223)에 존재하는 임피던스는 12.5 옴일 수 있다.
도 32는 도허티 PA에 대한 전력 스플리터 회로의 예를 도시한다. 이러한 스플리터는 도 31의 예시적인 결합기와 함께 이용될 수 있고, 적절한 대역폭 성능을 제공하도록 구성될 수 있다. 도 32에서, 입력 라디오-주파수(RF) 신호는 입력(3311)에서 수신되고, 2개의 경로로 분할되는 것으로 도시된다. 제1 경로는 제1 출력(3312)에서 피킹 PA에 커플링될 수 있고, 제2 경로는 제2 출력(3313)에서 캐리어 PA에 커플링될 수 있다. 제1 경로를 따라 인덕터(3331)가 있고, 제2 경로를 따라 커패시터(3341)가 있다. 도 32에서, 다양한 커패시턴스 및 인덕턴스 엘리먼트들의 값들은 예들이며; 다른 값들이 또한 구현될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
도 33은 도 30의 분할기(3104)로서 이용될 수 있는 전력 스플리터(3400)의 예를 도시한다. 도 33에서, 전력 스플리터(3400)는 서로에 대해 위치되는 2개의 코일들을 가지는 변환기(3450)를 포함한다. 제1 코일은 서로 커플링되는 인터리빙된 권선들을 가질 수 있고, 하나의 권선은 입력(3411)에 커플링되고, 다른 권선은 제1 출력(3414)에 커플링된다. 제2 코일은 서로 커플링되는 인터리빙된 권선들을 가질 수 있고, 하나의 권선은 분리 포트(3412)에 커플링되고, 다른 권선은 제2 출력(3413)에 커플링된다.
도 33의 예는 광대역 능력을 가지는 직교 스플리터로서 구성될 수 있다. 이러한 스플리터는 낮은 주파수들에 대해 IPD 설계로서, 그리고 또한 더 높은 주파수들에 대해 GaAs 다이 상의 집적 분할기로서 구현될 수 있는 반-집중형 90도 전력 분할기로서 구성될 수 있다.
전력 스플리터(3400)는 코일들을 커플링시키는 커패시터들(3441, 3442)을 더 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 커패시터(3441)는 입력(3411)과 분리 포트(3412) 사이에 커플링되고, 제2 커패시터(3442)는 제1 출력(3413)과 제2 출력(3414) 사이에 커플링된다.
이전 구성을 이용하여, 입력 포트에서 수신되는 RF 신호의 전력은 2개의 출력 포트들(3413, 3414)로 분할될 수 있다. 이러한 분할된 신호들은 도 30의 캐리어 증폭기 및 피킹 증폭기에 제공될 수 있다.
도 34는 도 1의 분할기(3104)로서 이용될 수 있는 전력 스플리터(3500)의 예를 도시한다. 이러한 전력 스플리터에 관한 추가적인 상세항목들은, "발룬 변환기를 사용하는 전력 증폭"이라는 명칭의 섹션을 포함하지만 이 섹션으로 한정하지 않고 위에서 기술되었다.
도 34의 예는 광대역 능력을 가지는 직교 스플리터로서 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 이러한 스플리터는 낮은 주파수들에 대해 SMT 회로로서 구현될 수 있는 집중형 90도 전력 분할기로서, 그리고 또한 더 높은 주파수들에 대해 GaAs 다이 상의 집적된(예를 들어, IPD) 분할기로서 구성될 수 있다.
도 35는 도 30의 결합기(3144)로서 이용될 수 있는 결합기(3600)의 예를 도시한다. 이러한 결합기에 관한 추가적인 상세항목들은 "발룬 변환기를 사용하는 전력 증폭"이라는 명칭의 섹션을 포함하지만 이 섹션으로 한정하지 않고 위에서 기술되었다.
도 35의 예는 광대역 능력을 가지는 SMT 회로로서 구현될 수 있다. 일부 실시예들에서, 이러한 결합기는 집중형 발룬의 사용을 통해 구현되는 전력 결합 및 동적 부하 풀링 기능성들을 포함할 수 있다.
도 36은 도 30의 결합기(3144)로서 이용될 수 있는 결합기(3700)의 다른 예를 도시한다. 이러한 결합기에 관한 추가적인 상세항목들은, "코일화된 발룬 변환기를 사용하는 신호 결합"이라는 명칭의 섹션을 포함하지만 이 섹션으로 한정하지 않고 위에서 기술되었다.
도 36의 예는 광대역 능력을 가지는 IPD로서 구현될 수 있다. 일부 실시예들에서, 이러한 결합기는 반-집중형 90도 하이브리드 구성의 사용을 통해 구현되는 전력 결합 및 동적 부하 풀링 기능성들을 포함할 수 있다.
도 30을 참조하면, 일부 실시예들에서, 캐리어 증폭기(3114)의 구동기 스테이지(3116) 및 출력 스테이지(3120) 각각은 클래스 AB 모드에서 동작하도록 구성될 수 있다. 또한, 피킹 증폭기(3134)의 구동기 스테이지(3136) 및 출력 스테이지(3140) 각각은 클래스 B 모드에서 동작하도록 구성될 수 있다. 이러한 구성들에 대해, 도 38 및 39에 도시된 것과 같은 바이어스 회로들은 각자, 캐리어 증폭기(3114) 및 피킹 증폭기(3134)의 스테이지들을 바이어싱하도록 이용될 수 있다. 따라서, 캐리어 증폭기(3114) 및 피킹 증폭기(3134)는 상이한 바이어싱 모드들에서 동작할 수 있다. 또한, 각각의 증폭기(3114, 3134)에 대해, 각각의 스테이지(3116, 3120 및 3136, 3140)는 상이한 바이어싱 모드들에서 동작할 수 있다. 상이한 바이어싱 모드들은 클래스 A, 클래스 B, 클래스 AB, 클래스 C, 클래스 D, 클래스 F, 클래스 G, 클래스 I, 클래스 S, 클래스 T, 또는 임의의 다른 바이어싱 모드를 포함할 수 있다.
도 37은 캐리어 증폭기(3114)의 스테이지(구동기(3116) 또는 출력(3120))에 바이어스 전압(VBIAS)을 제공하기 위해 이용될 수 있는 낮은 헤드룸의 클래스 AB 바이어스 회로의 예를 도시한다. 따라서, 클래스 AB 바이어스 회로는 도 30의 바이어스 회로(3118) 및/또는 바이어스 회로(3122)의 바이어싱 기능성을 제공할 수 있다. 트랜지스터들, 다이오드들, 커패시턴스들 및 저항들의 적절한 선택들이 구현되어 이러한 구동기 및 출력 스테이지 기능성들을 수용할 수 있다. 일부 실시예들에서, 도 37의 예시적인 바이어스 회로는 CMOS 또는 GaAs에 대한 외부 대역 갭 기준들과의 집적에 특히 적절할 수 있고, 여기서 낮은 전압 헤드룸은 종래의 2xVbe 바이어스 회로들의 사용을 어렵게 한다. 도 37의 바이어스 회로는 LTE와 같은 광대역 신호들을 지원하기 위한 기저대역 주파수들에서의 충분한 대역폭을 포함할 수 있다.
도 38은 피킹 증폭기(3134)의 스테이지(구동기(3136) 또는 출력(3140))에 바이어스 전압(VBIAS)을 제공하기 위해 이용될 수 있는 낮은 헤드룸의 클래스 B 바이어스 회로의 예를 도시한다. 따라서, 클래스 B 바이어스 회로는 도 30의 바이어스 회로(3138) 및/또는 바이어스 회로(3142)의 바이어싱 기능성을 제공할 수 있다. 트랜지스터들, 다이오드들, 커패시턴스들 및 저항들의 적절한 선택들이 구현되어 이러한 구동기 및 출력 스테이지 기능성들을 수용할 수 있다.
도 39는 피킹 증폭기(도 30의 3134)에 대한 구동기 스테이지의 클래스 B 바이어싱을 이용하는 것의 유리한 효과의 예를 도시한다. 도 39의 그래프(4000)는 상이한 구성들에 대한 출력 전력의 함수로서 출력 스테이지 전류의 플롯들을 포함한다. 캐리어 증폭기에 대해, 실선(4011)은, 구동기 및 출력 스테이지들 각각이 클래스 B 모드에서 바이어싱되는 구성에 대한 것인 반면, 점선(4011)은, 구동기 스테이지의 클래스 AB 바이어싱 및 출력 스테이지의 클래스 B 바이어싱을 가지는 구성에 대한 것이다. 유사하게, 피킹 증폭기에 대해, 실선(4021)은 구동기 및 출력 스테이지들 각각이 클래스 B 모드에서 바이어싱되는 구성에 대한 것인 반면, 점선(4022)은 구동기 스테이지의 클래스 AB 바이어싱 및 출력 스테이지의 클래스 B 바이어싱을 가지는 구성에 대한 것이다. 도 39에 도시된 바와 같이, 피킹 증폭기 내의 구동기 스테이지에서의 클래스 B 바이어싱의 사용은 출력 스테이지의 전류 소모를 크게 감소시킨다. 그러나, 캐리어 증폭기 내의 구동기 스테이지에서의 클래스 B 바이어싱의 사용은 출력 스테이지의 전류 소모를 약간 증가시킨다.
도 40은 피킹 증폭기(도 30의 3134)에 대한 구동기 스테이지의 클래스 B 바이어싱을 이용하는 것의 유리한 효과의 예를 도시한다. 도 40의 그래프(4100)는 상이한 구성들에 대한 출력 전력의 함수로서 전력-추가 효율성(PAE)의 플롯들을 포함한다. 실선(4101)은 피킹 증폭기의 구동기 및 출력 스테이지들 각각이 클래스 B 모드에서 바이어싱되는 구성에 대한 것이다. 점선(4102)은 구동기 스테이지가 클래스 AB 모드에서 바이어싱되고, 출력 스테이지가 클래스 B 모드에서 바이어싱되는 구성에 대한 것이다. 점-점선(4103)은 클래스 AB 모드에서 바이어싱되는 등가 비-도허티 증폭기에 대한 것이다. 도 40에 도시된 바와 같이, 피킹 증폭기 내의 구동기 스테이지에서의 클래스 B 바이어싱의 사용은 PAE 성능을 상당히 증가시킨다.
도 41은 캐리어 증폭 및 피킹 증폭과 연관된 RF 신호들 사이에 위상 시프트를 도입함으로써 획득될 수 있는 선형화 효과의 예를 도시한다. 이러한 위상 시프트는 예를 들어, 도 30의 위상 시프트 컴포넌트(3132)에 의해 도입될 수 있다. 도 41의 그래프(1200)는 출력 전력의 함수로서 AM/AM(좌측 수직 축) 및 AM/PM(우측 수직 축)의 플롯들을 포함한다. AM/AM 플롯들(4211, 4212)에 대해, 도 41은 위상 시프트를 가지는 구성에 대응하는 곡선이, 특히 더 높은 출력 전력에서, 위상 시프트 없는 구성보다 더 적은 AM/AM 왜곡을 가짐을 도시한다. 유사하게, AM/PM 플롯들(4221, 4222)에 대해, 도 41은 위상 시프트를 가지는 구성에 대응하는 곡선이, 특히 더 높은 출력 전력에서, 위상 시프트 없는 구성보다 더 작은 AM/PM 왜곡을 가짐을 도시한다.
본 명세서에 기술된 바와 같이, 캐리어 증폭 경로 및 피킹 증폭 경로로 분할되는 전력은 상이할 수 있다. 도 42는 캐리어 증폭 및 피킹 증폭과 연관된 RF 신호들 사이에 분할되는 이러한 불균일한 전력을 소개함으로써 획득될 수 있는 선형화 효과의 예를 도시한다. 이러한 불균일한 전력 분할은 예를 들어, 도 30의 감쇠기 컴포넌트(3112)에 의해 도입(introduce)되거나 용이해질 수 있다. 도 42의 그래프(4300)는 출력 전력의 함수로서, AM/AM(좌측 수직 축) 및 AM/PM(우측 수직 축)의 플롯들을 포함한다. AM/AM 플롯들(4311, 4312)에 대해, 도 42는 불균일한 전력 분할을 가지는 구성에 대응하는 곡선이, 특히 더 높은 출력 전력에서, 균일한 전력 분할 구성을 가지는 구성보다 더 작은 AM/AM 왜곡을 가짐을 도시한다. 유사하게, AM/PM 플롯들(1321, 1322)에 대해, 도 13은, 불균일한 전력 분할을 가지는 구성에 대응하는 곡선이, 특히, 중간 내지 더 높은 출력 전력에서, 균일한 전력 분할 구성을 가지는 구성보다 더 작은 AM/PM 왜곡을 가짐을 도시한다.
도 43은 도 41 및 42에 관해 기술된 이전 위상 시프트 및 불균일한 전력 분할 특징들의 조합에 의해 획득될 수 있는 결합된 선형화 효과의 예를 도시한다. 도 43의 그래프(4400)는 출력 전력의 함수로서 이득(좌측 수직축) 및 PAE(우측 수직축)의 플롯들을 포함한다. 특히, 라인(4411)은 비-도허티 증폭기에 대한 이득을 도시하고, 라인(4412)은 위상 시프트 및 균일한 전력 분할 없는 도허티 증폭기에 대한 이득을 도시하고, 라인(4413)은 위상 시프트 및 불균일한 전력 분할을 가지는 도허티 증폭기에 대한 이득을 도시한다. 유사하게, 라인(4421)은 비-도허티 증폭기에 대한 PAE를 도시하고, 라인(4412)은 위상 시프트 및 균일한 전력 분할이 없는 도허티 증폭기에 대한 PAE를 도시하고, 라인(4413)은 위상 시프트 및 불균일한 전력 분할을 가지는 도허티 증폭기에 대한 PAE를 도시한다.
도 43은 선형 부하 변조된 증폭기(위상 시프트 및 불균일한 전력 분할을 가지는 도허티 PA)가 비-도허티 PA(예를 들어, 클래스 AB/F 증폭기)와 매우 유사한 이득 압축(gain compression) 곡선을 가짐을 도시한다. 도 43은 선형 부하 변조된 증폭기(위상 시프트 및 불균일한 전력 분할을 가지는 도허티 PA)의 PAE가 전형적인 비-선형 도허티 증폭기(선형화를 가지지 않는 도허티 PA)의 PAE보다 단지 약간 작음(예를 들어, 더 높은 출력 전력보다 약 3% 더 작음)을 또한 도시한다.
도 44는 LTE 동작을 위해 구성되는 듀얼-밴드 도허티 PA를 가지는 프론트-엔드 모듈(FEM), 및 평균 전력 추적(APT) PA를 가지는 FEM에 대해 다양한 동작 주파수들에서 PAE(좌측 수직축) 및 인접한 채널 전력(ACP)(우측 수직축)을 도시한다. 도 44는 APT PA보다는 도허티 PA에 대해 PAE가 일반적으로 더 높고, ACP의 크기가 일반적으로 더 낮음을 도시한다. 도시된 예에서, 개선은 약 10%이다.
일부 구현예들에서, 본 명세서에 기술된 하나 이상의 특징들을 가지는 디바이스 및/또는 회로는 무선 디바이스와 같은 RF 디바이스 내에 포함될 수 있다. 이러한 디바이스 및/또는 회로는 직접 무선 디바이스 내에, 본 명세서에 기술된 바와 같이 모듈라 형태로, 또는 이들의 일부 조합으로 구현될 수 있다. 일부 실시예들에서, 이러한 무선 디바이스는, 예를 들어, 셀룰러 폰, 스마트-폰, 폰 기능성이 있는 또는 폰 기능성이 없는 핸드-헬드 무선 디바이스, 무선 태블릿 등을 포함할 수 있다.
도 45는 본 명세서에 기술된 하나 이상의 유리한 특징들을 가지는 예시적인 무선 디바이스(3801)를 개략적으로 도시한다. 예를 들어, PA 아키텍처(3101)로서 총체적으로 표시되는 하나 이상의 PA들(3110a-3110d)은 본 명세서에 기술된 바와 같은 하나 이상의 특징들을 포함할 수 있다. 이러한 PA들은, 예를 들어, 무선 디바이스(3801)의 멀티-밴드 동작을 용이하게 할 수 있다.
PA들(3110a-3110d)은 증폭되고 전송될 RF 신호들을 생성하고, 수신된 신호들을 프로세싱하도록 구성되고 동작될 수 있는 트랜시버(3810)로부터 이들의 각자의 RF 신호들을 수신할 수 있다. 트랜시버(3810)는 사용자에게 적합한 데이터 및/또는 음성 신호들과 트랜시버(3810)에 대해 적합한 RF 신호들 사이에 전환을 제공하도록 구성되는 기저대역 서브시스템(3808)과 상호작용하는 것으로 도시된다. 트랜시버(3810)는 무선 디바이스(3801)의 동작에 대한 전력을 관리하도록 구성되는 전력 관리 컴포넌트(3806)에 접속되는 것으로 또한 도시된다. 이러한 전력 관리는 기저대역 서브시스템(3808) 및 PA들(3110a-3110d)의 동작들을 또한 제어할 수 있다.
기저대역 서브시스템(3808)은 사용자에 제공되고 사용자로부터 수신되는 음성 및/또는 데이터의 다양한 입력 및 출력을 용이하게 하기 위해 사용자 인터페이스(3802)에 접속되는 것으로 도시된다. 기저대역 서브시스템(3808)은 데이터 및/또는 명령들을 저장하여 무선 디바이스(3801)의 동작을 용이하게 하고, 그리고/또는 사용자에게 정보의 저장을 제공하도록 구성되는 메모리(3404)에 또한 접속될 수 있다.
예시적인 무선 디바이스(3801)에서, PA들(3110a-3110d)의 출력들은 (정합 회로들(3820a-3820d)을 통해) 정합되고, 이들의 각자의 듀플렉서들(3812a-3812d) 및 대역-선택 스위치(3814)를 통해 안테나(3816)에 라우팅되는 것으로 도시된다. 대역-선택 스위치(3814)는 동작 대역의 선택을 허용하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 각각의 듀플렉서(3812)는 전송 및 수신 동작들이 공통 안테나(예를 들어, 3816)를 사용하여 동시에 수행되도록 할 수 있다. 도 45에서, 수신된 신호들은 예를 들어, 저잡음 증폭기(LNA)를 포함할 수 있는, "Rx" 경로들(도시되지 않음)에 라우팅되는 것으로 도시된다.
다수의 무선 디바이스 구성들은 본 명세서에 기술된 하나 이상의 특징들을 이용할 수 있다. 예를 들어, 무선 디바이스는 멀티-밴드 디바이스일 필요가 없다. 또다른 예에서, 무선 디바이스는 다이버시티 안테나와 같은 추가적인 안테나들, 및 Wi-Fi, 블루투스, 및 GPS와 같은 추가적인 접속성 특징부들을 포함할 수 있다.
문맥이 다른 방식으로 명백하게 요구하지 않는 한, 기재 및 청구항들 전반에 걸쳐, 단어들 "포함하다", "포함하는" 등은 배타적인 또는 완전한 의미와는 반대로, 내포적 의미로; 말하자면, "포함하지만, 그에 제한되지 않는"의 의미로 해석되어야 한다. 단어 "커플링되는"은, 본원에서 일반적으로 사용되는 바와 같이, 직접 접속되거나, 또는 하나 이상의 중간 엘리먼트들에 의해 접속될 수 있는 둘 이상의 엘리먼트들을 지칭한다. 추가로, 단어들 "본원에서", "위에서", "하기에", 및 유사한 중요도의 단어들은, 이 출원에서 사용될 때, 이 출원의 임의의 특정 부분들이 아니라 전체적으로 이 출원을 지칭한다. 문맥이 허용하는 경우, 단수 또는 복수를 사용하는 위의 기재에서의 단어들은 각자 복수 또는 단수를 또한 포함할 수 있다. 둘 이상의 항목들의 리스트와 관련된 단어 "또는"은, 단어의 다음 해석들 모두: 리스트 내의 항목들 중 임의의 것, 리스트 내의 항목들 전부, 및 리스트 내의 항목들의 임의의 조합을 커버한다.
발명의 실시예들의 위의 상세한 설명은 완전하거나 또는 위에 개시되는 정확한 형태로 발명을 제한하도록 의도되지 않는다. 발명의 특정 실시예들, 및 발명에 대한 예들은 예시적인 목적으로 전술되었지만, 관련 기술분야의 통상의 기술자가 인지할 바와 같이, 다양한 등가 수정들은 발명의 범위 내에서 가능하다. 예를 들어, 프로세스들 또는 블록들이 주어진 순서로 제시되지만, 대안적인 실시예들은 상이한 순서로, 단계들을 가지는 루틴들을 수행하거나, 또는 블록들을 가지는 시스템들을 사용할 수 있고, 일부 프로세스들 또는 블록들이 삭제되고, 이동되고, 추가되고, 세부분할되고, 조합되고 그리고/또는 수정될 수 있다. 이러한 프로세스들 또는 블록들 각각은 다양한 상이한 방식들로 구현될 수 있다. 또한, 프로세스들 또는 블록들이 때때로 직렬로 수행되는 것으로서 도시되지만, 이러한 프로세스들 또는 블록들은 대신 병렬로 수행될 수 있거나, 또는 상이한 시간들에서 수행될 수 있다.
본원에 제공되는 발명의 교시들은 반드시 전술된 시스템이 아니라, 다른 시스템들에 응용될 수 있다. 엘리먼트들 및 전술된 다양한 엘리먼트들의 동작들이 조합되어 추가적인 실시예들을 제공할 수 있다.
발명들의 일부 실시예들이 기술되었지만, 이러한 실시예들은 단지 예시로써 제시되었고, 개시내용의 범위를 제한하도록 의도되지 않는다. 실제로, 본 명세서에 기술된 신규한 방법들 및 시스템들은 다양한 다른 형태들로 구현될 수 있고; 또한, 전술된 방법들 및 시스템들의 형태에서의 다양한 생략들, 치환들 및 변경들은 개시내용의 사상으로부터 이탈하지 않고 이루어질 수 있다. 첨부되는 청구항들 및 이들의 등가물들은 개시내용의 범위 및 사상에 드는 것으로서 이러한 형태들 또는 수정들을 커버하도록 의도된다.

Claims (76)

  1. 전력 증폭기 시스템으로서,
    입력 포트에서 라디오-주파수 신호를 수신하고 상기 라디오-주파수 신호를 제1 부분 및 제2 부분으로 분할하도록 구성된 입력 회로;
    상기 제1 부분을 수신하기 위해 상기 입력 회로에 커플링되는 캐리어 증폭 경로(carrier amplification path) 및 상기 제2 부분을 수신하기 위해 상기 입력 회로에 커플링되는 피킹 증폭 경로(peaking amplification path)를 포함하는 도허티 증폭기 회로(Doherty amplifier circuit) - 상기 입력 회로는 상기 입력 포트를 상기 캐리어 증폭 경로에 커플링하는 제1 경로를 따르는 제1 노드와 상기 입력 포트를 상기 피킹 증폭 경로에 커플링하는 제2 경로를 따르는 제2 노드 사이에 구현되는 분리 저항을 포함하고, 상기 분리 저항은 상기 캐리어 증폭 경로와 상기 피킹 증폭 경로 사이의 소스-풀링 효과(source-pulling effect)를 방지하거나 또는 감소시키도록 선택됨 -; 및
    상기 도허티 증폭기 회로에 커플링되는 출력 회로
    를 포함하고,
    상기 출력 회로는 상기 캐리어 증폭 경로 및 상기 피킹 증폭 경로의 출력들을 결합하여 증폭된 라디오-주파수 신호를 산출(yield)하도록 구성되고, 상기 출력 회로는 LC 발룬(LC balun)을 포함하는 전력 증폭기 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 캐리어 증폭 경로는 캐리어 증폭기를 포함하고, 상기 피킹 증폭 경로는 피킹 증폭기를 포함하는 전력 증폭기 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 입력 포트에 커플링된 출력을 갖는 사전-구동기 증폭기(pre-driver amplifier)를 더 포함하는 전력 증폭기 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 입력 회로는 상기 캐리어 증폭기와 상기 사전-구동기 증폭기 사이 및 상기 피킹 증폭기와 상기 사전-구동기 증폭기 사이의 임피던스 정합을 제공하도록 더 구성되는 전력 증폭기 시스템.
  5. 제2항에 있어서, 상기 입력 회로는 상기 피킹 증폭기와 연관된 AM-PM 효과를 보상하거나 또는 동조(tune)시키는데 요구되는 위상 시프팅을 제공하도록 더 구성되는 전력 증폭기 시스템.
  6. 제2항에 있어서, 상기 입력 회로는 상기 캐리어 증폭기 및 상기 피킹 증폭기 중 어느 하나 또는 양자와 연관된 AM-AM 효과를 보상하거나 또는 동조시키기 위해 상기 캐리어 증폭기 또는 상기 피킹 증폭기 중 어느 하나 또는 양자의 입력에 요구되는 감쇠 조정을 제공하도록 더 구성되는 전력 증폭기 시스템.
  7. 삭제
  8. 제2항에 있어서, 상기 피킹 증폭기는 오프 상태에 있을 때 단락 회로 또는 저임피던스 노드(low impedance node)로서 거동하도록 구성되고, 상기 캐리어 증폭기는 상기 LC 발룬을 이용할 때 직렬 인덕턴스 및 분로 커패시턴스(shunt capacitance)를 갖는 단일-섹션 정합 회로망(single-section matching network)과 등가인 단일-종단형 증폭기(single-ended amplifier)로서 거동하도록 구성되는 전력 증폭기 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 LC 발룬은 저전력 모드에 있을 때 상기 캐리어 증폭기에 의해 보여지는 임피던스가 증가하도록 구성되는 전력 증폭기 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 캐리어 증폭기에 의해 보여지는 임피던스는 상기 저전력 모드에 있을 때 2배가 되는 전력 증폭기 시스템.
  11. 제8항에 있어서, 상기 피킹 증폭기는, 상기 캐리어 증폭기로부터의 라디오-주파수 전류가 상기 피킹 증폭기로부터의 라디오-주파수 전류에 의해 영향을 받는 푸시-풀 증폭기(push-pull amplifier)와 유사한 방식으로 동작하도록 더 구성되는 전력 증폭기 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 푸시-풀 동작은 짝수-고조파들(even-harmonics)을 감소시킴으로써 선형성을 개선하는 전력 증폭기 시스템.
  13. 제2항에 있어서, 상기 캐리어 증폭기의 출력을 출력 노드에 커플링하는 제1 결합기 경로 및 상기 피킹 증폭기의 출력을 출력 노드에 커플링하는 제2 결합기 경로 각각은 고조파 트랩을 포함하는 전력 증폭기 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 상기 고조파 트랩은 접지에 대한 LC 분로 및 직렬 인덕턴스를 갖는 제2 고조파 트랩을 포함하는 전력 증폭기 시스템.
  15. 제2항에 있어서, 상기 입력 회로는 상기 캐리어 증폭기 및 상기 피킹 증폭기 각각에 DC 전력을 제공하도록 구성되는 전력 증폭기 시스템.
  16. 제1항에 있어서, 상기 입력 회로는 수정된 윌킨슨 전력 분할기(modified Wilkinson power divider)를 포함하는 전력 증폭기 시스템.
  17. 제1항에 있어서, 상기 입력 회로는 상기 제1 노드를 접지에 커플링하는 제1 임피던스 및 상기 제2 노드를 상기 접지에 커플링하는 제2 임피던스를 포함하는 전력 증폭기 시스템.
  18. 제17항에 있어서, 상기 제1 임피던스는 커패시턴스를 포함하고, 상기 제2 임피던스는 인덕턴스를 포함하는 전력 증폭기 시스템.
  19. 전력 증폭기 모듈로서,
    복수의 컴포넌트를 수용하도록 구성되는 패키징 기판;
    상기 패키징 기판 상에 구현되는 전력 증폭기 시스템 - 상기 전력 증폭기 시스템은 입력 포트에서 라디오-주파수 신호를 수신하고 상기 라디오-주파수 신호를 제1 부분 및 제2 부분으로 분할하도록 구성된 입력 회로를 포함하고, 상기 전력 증폭기 시스템은 상기 제1 부분을 수신하기 위해 상기 입력 회로에 커플링되는 캐리어 증폭 경로 및 상기 제2 부분을 수신하기 위해 상기 입력 회로에 커플링되는 피킹 증폭 경로를 갖는 도허티 증폭기 회로를 더 포함하고, 상기 입력 회로는 상기 입력 포트를 상기 캐리어 증폭 경로에 커플링하는 제1 경로를 따르는 제1 노드와 상기 입력 포트를 상기 피킹 증폭 경로에 커플링하는 제2 경로를 따르는 제2 노드 사이에 구현되는 분리 저항을 포함하고, 상기 분리 저항은 상기 캐리어 증폭 경로와 상기 피킹 증폭 경로 사이의 소스-풀링 효과를 방지하거나 또는 감소시키도록 선택되며, 상기 전력 증폭기 시스템은 상기 도허티 증폭기 회로에 커플링되는 출력 회로를 더 포함하고, 상기 출력 회로는 상기 캐리어 증폭 경로 및 상기 피킹 증폭 경로의 출력들을 결합하여 증폭된 라디오-주파수 신호를 산출하도록 구성됨 -; 및
    상기 전력 증폭기 시스템과 상기 패키징 기판 사이에 전기적 접속들을 제공하도록 구성되는 복수의 커넥터
    를 포함하는 전력 증폭기 모듈.
  20. 무선 디바이스로서,
    라디오-주파수 신호를 생성하도록 구성되는 트랜시버;
    상기 트랜시버와 통신하는 전력 증폭기 모듈 - 상기 전력 증폭기 모듈은 입력 포트에서 라디오-주파수 신호를 수신하고 상기 라디오-주파수 신호를 제1 부분 및 제2 부분으로 분할하도록 구성된 입력 회로를 포함하고, 상기 전력 증폭기 모듈은 상기 제1 부분을 수신하기 위해 상기 입력 회로에 커플링되는 캐리어 증폭 경로 및 상기 제2 부분을 수신하기 위해 상기 입력 회로에 커플링되는 피킹 증폭 경로를 갖는 도허티 증폭기 회로를 더 포함하고, 상기 입력 회로는 상기 입력 포트를 상기 캐리어 증폭 경로에 커플링하는 제1 경로를 따르는 제1 노드와 상기 입력 포트를 상기 피킹 증폭 경로에 커플링하는 제2 경로를 따르는 제2 노드 사이에 구현되는 분리 저항을 포함하고, 상기 분리 저항은 상기 캐리어 증폭 경로와 상기 피킹 증폭 경로 사이의 소스-풀링 효과를 방지하거나 또는 감소시키도록 선택되며, 상기 전력 증폭기 모듈은 상기 도허티 증폭기 회로에 커플링되는 출력 회로를 더 포함하고, 상기 출력 회로는 상기 캐리어 증폭 경로 및 상기 피킹 증폭 경로의 출력들을 결합하여 증폭된 라디오-주파수 신호를 산출하도록 구성됨 -; 및
    상기 전력 증폭기 모듈과 통신하는 안테나
    를 포함하고,
    상기 안테나는 상기 증폭된 라디오-주파수 신호의 전송을 용이하게(facilitate) 하도록 구성되는 무선 디바이스.
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