KR102525526B1 - 베이스 전류를 재사용하는 증폭기 - Google Patents

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Abstract

복수의 증폭기를 구비한 RF 증폭기 모듈이 개시되며, 상기 증폭기들 중 적어도 하나가 포락선 추적 모듈에 의해 전력을 공급받는다. 전력 소비를 줄이기 위해 상기 증폭기들 중 적어도 하나의 바이어싱 입력이 제1 증폭기에 제공되어 제1 증폭기에 전력을 공급한다. 모듈의 더 큰 안정성을 제공하기 위해 제1 증폭기는 또한 고정 바이어싱을 통해 전력을 공급받을 수 있다.

Description

베이스 전류를 재사용하는 증폭기{AMPLIFIER WITH BASE CURRENT REUSE}
본 발명의 실시예들은 전자 시스템들에 관한 것이며, 구체적으로는 무선 주파수(RF) 일렉트로닉스에 관한 것이다.
RF 전력 증폭기는 상대적으로 낮은 전력을 갖는 RF 신호의 전력을 부스팅하는 데 사용될 수 있다. 그 후, 부스팅된 RF 신호는, 송신기의 안테나를 구동하는 것 또는 안테나에 의해 수신된 송신 신호를 수신하는 것을 포함한, 다양한 목적에 대해 이용될 수 있다.
전력 증폭기들은 송신을 위한 또는 수신을 위한 RF 신호를 증폭하기 위해 이동 전화기들 또는 다른 모바일 디바이스들에 포함될 수 있다. 예를 들어, WLAN(wireless local area network) 프로토콜 및/또는 임의의 기타 적합한 통신 표준을 사용하여 통신하는 휴대폰들에서, 하나 이상의 전력 증폭기가 RF 신호를 증폭하는 데 사용될 수 있다. 그러나, 전력 증폭기들의 배터리로부터의 전류의 사용을 요구하고 휴대폰의 이용 가능한 배터리 수명을 단축시킬 수 있다. 모바일 디바이스의 배터리 수명을 증가시키기 위해 증폭기들의 작동을 관리하는 것이 중요하다.
향상된 전력 증폭기 시스템들에 대한 필요성이 존재한다. 게다가 이러한 장치들과 시스템들에 의한 전류 소모를 감소시키기 위해 증폭기들과 증폭기 시스템들을 향상시키는 것이 요구되고 있다.
한 구현에서, 상기 요구들은 RF 통신 회로를 위한 전력 증폭기 모듈의 실시예에 의해 다루어지며, 이 모듈은 다음에 언급한 것들을 포함한다: RF 신호를 수신하는 입력을 갖는 드라이버 스테이지 증폭기로서, 상기 RF 신호를 증폭하기 위해 상기 드라이버 스테이지 증폭기의 양단에 인가되는 공급 전압에 의해 전력을 공급받는 드라이버 스테이지 증폭기; 상기 드라이버 스테이지 증폭기의 출력으로부터 증폭된 RF 신호를 수신하고, 자신의 양단에 인가되는 공급 전압에 의해 전력을 공급받고, 증폭된 출력 신호를 제공하는 최종 스테이지 증폭기 - 바이어스 전류가 상기 최종 스테이지 증폭기의 입력에 인가되고 상기 바이어스 전류는 또한 상기 드라이버 스테이지 증폭기를 통해 흐르는 전류를 감소시키기 위해 상기 드라이버 스테이지 증폭기에 전력을 공급하도록 인가됨 -; 및 상기 드라이버 스테이지 증폭기와 최종 스테이지 증폭기 중 적어도 하나에 전력을 공급하는 포락선 추적 모듈.
이 구현의 몇몇 실시예들에서, 상기 포락선 추적 모듈은 최종 스테이지 증폭기에 전력을 공급한다.
이 구현의 몇몇 실시예들에서, 상기 드라이버 스테이지 증폭기는 고정 전원으로부터 전력을 공급받는다.
이 구현의 몇몇 실시예들에서, 상기 고정 전원은 배터리를 포함한다.
이 구현의 몇몇 실시예들에서, 상기 포락선 추적 모듈은 상기 드라이버 스테이지 증폭기와 상기 최종 스테이지 증폭기 양자에 전력을 공급한다.
이 구현의 몇몇 실시예들에서, 상기 드라이버 스테이지 증폭기는 제1 트랜지스터를 포함하고, 상기 최종 스테이지 증폭기는 제2 트랜지스터를 포함하고, 상기 제1 트랜지스터의 베이스는 상기 드라이버 스테이지 증폭기의 입력을 형성하고, 상기 제1 트랜지스터의 컬렉터는 상기 드라이버 스테이지 증폭기의 출력을 형성하고 상기 최종 스테이지 증폭기의 입력을 형성하는 상기 제2 트랜지스터의 베이스에 연결되며, 상기 제2 트랜지스터의 컬렉터는 상기 최종 스테이지 증폭기의 출력을 형성한다.
이 구현의 몇몇 실시예들에서, 상기 제2 트랜지스터의 베이스는 전류에 의해 바이어싱되고 상기 드라이버 스테이지 증폭기의 이미터에 전기적으로 연결된다.
이 구현의 몇몇 실시예들에서, 입력 스테이지 증폭기에 전력을 공급하기 위해 상기 최종 스테이지 증폭기의 상기 베이스 전류 바이어싱을 재사용함으로써 대략 3% 전력 부가 효율의 효율 개선을 얻는다.
또 다른 구현에서, 상기 요구들은 다음에 언급한 것들을 포함하는 RF 통신 장치의 실시예에 의해 다루어진다: RF 입력 신호들을 수신하는 RF 입력; RF 신호들을 수신하는 RF 출력; 제1 증폭기와 제2 증폭기를 갖는 이중 스테이지 전력 모듈 - 상기 제1 증폭기의 입력은 상기 RF 입력으로부터 상기 RF 신호들을 수신하고 상기 제1 증폭기의 출력은 바이어스 신호도 수신하는 상기 제2 증폭기의 입력에 제공되고 상기 제2 증폭기의 출력은 상기 출력에 제공됨 -; 상기 제1 증폭기와 상기 제2 증폭기 양자에 전력을 공급하는 전원 - 상기 제1 증폭기와 상기 제2 증폭기 중 적어도 하나는 상기 입력 신호의 포락선 추적에 기초한 전력을 공급받음 -; 및 상기 제1 증폭기에 전력을 공급하기 위해 상기 제1 증폭기의 상기 전원에 상기 바이어스 신호가 제공되도록 상기 제2 증폭기의 입력을 상기 제1 증폭기의 상기 전원에 상호연결하는 상호연결부.
이 구현의 몇몇 실시예들에서, 상기 포락선 추적 모듈은 상기 제2 증폭기에 전력을 공급한다.
이 구현의 몇몇 실시예들에서, 상기 제1 증폭기는 고정 전원으로부터 전력을 공급받는다.
이 구현의 몇몇 실시예들에서, 상기 고정 전원은 배터리를 포함한다.
이 구현의 몇몇 실시예들에서, 상기 포락선 추적 모듈은 상기 제1 증폭기와 상기 제2 증폭기 양자에 전력을 공급한다.
이 구현의 몇몇 실시예들에서, 상기 제1 증폭기는 제1 트랜지스터를 포함하고, 상기 제2 증폭기는 제2 트랜지스터를 포함하고, 상기 제1 트랜지스터의 베이스는 상기 제1 증폭기의 입력을 형성하고, 상기 제1 트랜지스터의 컬렉터는 상기 제1 증폭기의 출력을 형성하고 상기 제2 증폭기의 입력을 형성하는 상기 제2 증폭기의 베이스에 연결되며, 상기 제2 트랜지스터의 컬렉터는 상기 제2 증폭기의 출력을 형성한다.
이 구현의 몇몇 실시예들에서, 상기 제2 트랜지스터의 베이스는 전류에 의해 바이어싱되고 상기 제1 증폭기의 이미터에 전기적으로 연결된다.
이 구현의 몇몇 실시예들에서, 전송과 수신 모드 사이에 스위칭하는 스위칭 회로망(switching network)이 있다.
이 구현의 몇몇 실시예들에서, 상기 포락선 추적 모듈과 상기 스위칭 회로망을 제어하는 프로세서와 컴퓨터 판독가능 매체가 있다.
또 다른 구현에서, 상기 요구들은 RF 신호들을 증폭하는 방법에 의해 다루어지며, 이 방법은 다음에 언급하는 것들을 포함한다 : 제1 증폭기에서 제1 신호를 증폭하는 단계; 상기 제1 증폭기의 출력을 제2 증폭기에 제공하는 단계; 상기 제1 증폭기와 제2 증폭기에 전력을 공급하는 단계; 바이어싱 신호를 이용해 상기 제2 증폭기의 입력을 바이어싱하는 단계; 및 상기 제1 증폭기에 전력을 공급하기 위해 상기 제2 증폭기에 인가되는 상기 바이어싱 신호의 적어도 일부를 상기 제1 증폭기에 제공하는 단계.
이 구현의 몇몇 실시예들에서, 상기 제1 증폭기와 제2 증폭기에 전력을 공급하는 단계는 상기 제1 신호의 포락선을 검출하는 단계 및 상기 제1 신호의 포락선에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 제1 증폭기와 제2 증폭기 중 적어도 하나에 가변 전력을 공급하는 단계를 포함한다.
이 구현의 몇몇 실시예들에서, 상기 제1 증폭기와 제2 증폭기 중 적어도 하나에 가변 전력을 공급하는 단계는 상기 제2 증폭기에 가변 전력을 공급하고 상기 제1 증폭기에 고정 전력을 공급하는 단계를 포함한다.
도 1은 무선 주파수(RF) 신호를 증폭하기 위한 전력 증폭기 모듈의 개략도이다.
도 2는 도 1의 전력 증폭기 모듈을 하나 이상 포함할 수 있는 예시적인 무선 디바이스의 개략 블록도이다.
도 3은 포락선 추적 능력을 갖는 증폭기 구성 요소의 한 예의 개략 블록도이다.
도 4는 포락선 추적 능력을 갖는 멀티스테이지 증폭기 구성 요소의 개략 블록도이다.
도 5a 및 도 5b는 도 2의 무선 디바이스에 통합될 수 있는 멀티스테이지 증폭기 회로의 개략 블록도들이다.
도 1은 무선 주파수(RF) 신호를 증폭하기 위한 전력 증폭기 모듈(10)의 개략도이다. 도시된 전력 증폭기 모듈(PAM)(10)은 RF 신호(RF_IN)를 증폭하여 증폭된 RF 신호(RF_OUT)를 생성하도록 구성될 수 있다. 본 명세서에서 기술되는 바와 같이, 전력 증폭기 모듈(10)은, 예를 들어 2 이상의 증폭기를 갖는 멀티스테이지 전력 증폭기를 포함하는, 하나 이상의 전력 증폭기를 포함할 수 있다.
도 2는 도 1의 전력 증폭기 모듈을 하나 이상 포함할 수 있는 예시적인 무선 또는 모바일 디바이스(11)의 개략 블록도이다. 무선 디바이스(11)는 본 개시의 하나 이상의 특징을 구현하는 전력 증폭기 바이어스 회로들을 포함할 수 있다.
도 2에 도시된 예시적인 무선 디바이스(11)는 다중 대역/다중 모드 이동 전화와 같은 다중 대역 및/또는 다중 모드 디바이스를 나타낼 수 있다. 특정 실시예들에서, 무선 디바이스(11)는 스위치들(12), 송수신기(13), 안테나(14), 전력 증폭기들(17), 제어 구성 요소(18), 컴퓨터 판독가능 매체(19), 프로세서(20), 및 배터리(21)를 포함할 수 있다.
송수신기(13)는 안테나(14)를 통해 송신하기 위한 RF 신호들을 생성할 수 있다. 더욱이, 송수신기(13)는 안테나(14)로부터 착신 RF 신호들을 수신할 수 있다.
RF 신호들의 송신 및 수신과 연관되는 다양한 기능들이 도 2에 송수신기(13)로서 집합적으로 표현되는 하나 이상의 구성 요소에 의해 달성될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 단일의 구성 요소가 송신 기능과 수신 기능 양자를 제공하도록 구성될 수 있다. 또 다른 예에서, 송신 기능과 수신 기능은 별개의 구성 요소들에 의해 제공될 수 있다.
유사하게, RF 신호들의 송신 및 수신과 연관되는 다양한 안테나 기능들이 도 2에 안테나(14)로서 집합적으로 표현되는 하나 이상의 구성 요소에 의해 달성될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 단일 안테나가 송신 기능과 수신 기능 양자를 제공하도록 구성될 수 있다. 또 다른 예에서, 송신 기능과 수신 기능은 별개의 안테나들에 의해 제공될 수 있다. 또 다른 예에서, 무선 디바이스(11)와 연관되는 상이한 대역들이 상이한 안테나들을 구비할 수 있다.
도 2에서, 송수신기(13)로부터의 하나 이상의 출력 신호가 하나 이상의 송신 경로(15)를 통해 안테나(14)에 제공되는 것으로서 도시되어 있다. 도시된 예에서, 상이한 전송 경로들(15)은 상이한 대역들 및/또는 상이한 전력 출력들과 연관되는 출력 경로들을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 도시된 2개의 예시적인 전력 증폭기(17)는 상이한 전력 출력 구성들(예로서, 저전력 출력 및 고전력 출력)과 연관되는 증폭들 및/또는 상이한 대역들과 연관되는 증폭들을 나타낼 수 있다. 도 2는 2개의 전송 경로(15)를 이용하는 구성을 설명할지라도, 무선 디바이스(11)는 더 많은 또는 더 적은 수의 전송 경로(15)를 포함하도록 적응될 수 있다.
전력 증폭기들(17)은 매우 다양한 RF 신호들을 증폭하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 전력 증폭기들(17) 중 하나 이상은 WLAN(wireless local area network) 신호 또는 임의의 다른 적합한 펄스화된 신호의 송신을 지원하기 위해서 전력 증폭기의 출력을 펄스화하는 데 이용될 수 있는 인에이블 신호를 수신할 수 있다. 전력 증폭기들(17) 각각은 동일한 유형의 신호를 증폭할 필요는 없다. 예를 들어, 하나의 전력 증폭기는 WLAN 신호를 증폭할 수 있는 한편, 다른 전력 증폭기는, 예를 들어 GSM(Global System for Mobile) 신호, CDMA(code division multiple access) 신호, W-CDMA 신호, LTE(Long Term Evolution) 신호, 또는 EDGE 신호를 증폭할 수 있다.
본 개시의 하나 이상의 특징이 상기 예시적인 모드들 및/또는 대역들에서, 및 다른 통신 표준들에서 구현될 수 있다.
도 2에서, 안테나(14)로부터의 하나 이상의 검출 신호가 하나 이상의 수신 경로(16)를 통해 송수신기(13)에 제공되는 것으로서 도시되어 있다. 도시된 예에서, 상이한 수신 경로들(16)은 상이한 대역들과 연관되는 경로들을 나타낼 수 있다. 도 2는 네 개의 수신 경로(16)를 사용하는 구성을 도시하지만, 무선 디바이스(11)는 더 많은 또는 더 적은 수의 수신 경로(16)를 포함하도록 적응될 수 있다.
수신 경로와 송신 경로 간의 스위칭을 용이하게 하기 위하여, 스위치들(12)은 안테나(14)를 선택된 송신 또는 수신 경로에 전기적으로 연결하도록 구성될 수 있다. 그러므로, 스위치들(12)은 무선 디바이스(11)의 작동과 연관되는 다수의 스위칭 기능을 제공할 수 있다. 소정 실시예들에서, 스위치들(12)은 상이한 대역들 사이의 스위칭, 상이한 전력 모드들 사이의 스위칭, 송신 모드와 수신 모드 사이의 스위칭, 또는 이들의 어떤 조합과 연관한 기능들을 제공하도록 구성된 다수의 스위치를 포함할 수 있다. 스위치들(12)은 신호들의 필터링 및/또는 듀플렉싱을 포함하는 추가 기능을 제공하도록 구성될 수도 있다.
도 2는 소정 실시예들에서, 제어 구성 요소(18)가 스위치들(12), 전력 증폭기들(17) 및/또는 다른 운영 구성 요소(들)의 작동들과 연관되는 다양한 제어 기능들을 제어하기 위해 제공될 수 있다는 것을 보여준다. 제어 구성(18)의 비제한적인 예들이 본 명세서에서 더 상세하게 기술된다.
소정 실시예들에서, 프로세서(20)는 본 명세서에서 기술되는 다양한 프로세스들의 구현을 용이하게 하도록 구성될 수 있다. 설명을 위해, 본 개시의 실시예들은 방법, 장치(시스템) 및 컴퓨터 프로그램 제품의 플로우차트 예시들 및/또는 블록도들을 참조하여 또한 설명될 수 있다. 플로우차트 예시들 및/또는 블록도들의 각각의 블록, 및 플로우차트 예시들 및/또는 블록도들에서의 블록들의 조합들은 컴퓨터 프로그램 명령어들에 의해 구현될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 이들 컴퓨터 프로그램 명령어들은 머신을 생성하기 위해서 범용 컴퓨터, 특수 목적 컴퓨터 또는 다른 프로그램 가능한 데이터 처리 장치의 프로세서에 제공될 수 있으며, 따라서 컴퓨터 또는 다른 프로그램 가능한 데이터 처리 장치의 프로세서를 통해 실행되는 명령어들은 플로우차트 및/또는 블록도 블록 또는 블록들에 특정된 동작들을 구현하는 수단을 생성한다.
특정 실시예들에서, 이들 컴퓨터 프로그램 명령어들은 컴퓨터 또는 다른 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장치에게 특정한 방식으로 작동하도록 지시할 수 있는 컴퓨터 판독가능 메모리(19)에 또한 저장될 수 있으며, 따라서 컴퓨터 판독가능 메모리에 저장된 명령어들은 플로우차트 및/또는 블록도 블록 또는 블록들에서 특정된 동작들을 구현하는 명령어 수단을 포함하는 제조 물품을 생성한다. 컴퓨터 프로그램 명령어들은 또한 컴퓨터 구현 프로세스를 생성하기 위해서 일련의 작업들이 컴퓨터 또는 다른 프로그램 가능한 장치 상에서 수행되게 하도록 컴퓨터 또는 다른 프로그램 가능한 데이터 처리 장치 상에 또한 로딩될 수 있으며, 따라서 컴퓨터 또는 다른 프로그램 가능한 장치 상에서 실행되는 명령어들은 플로우차트 및/또는 블록도 블록 또는 블록들에 특정된 동작들을 구현하기 위한 단계들을 제공한다.
배터리(21)는 무선 디바이스(11)에서 사용하기 위한 임의의 적절한 배터리일 수 있으며, 예를 들어 리튬-이온 배터리를 포함한다.
예시된 무선 디바이스(11)는 또한 전력 증폭기들(17) 중 하나 이상에 전원을 제공하기 위해 이용될 수 있는 공급 제어 블록(22)을 포함한다. 예를 들어, 공급 제어 블록(22)은 증폭될 RF 신호의 포락선에 기초하여 전력 증폭기들(17)에 제공된 공급 전압을 변경하거나 변화시키도록 구성된 포락선 추적기일 수 있다. 그러나, 소정 실시예들에서 공급 제어 블록(22)은, 예를 들어, DC-DC 변환기를 포함하는 다른 블록들일 수 있다. 아래 더 상세하게 논의되는 바와 같이, 공급 제어 블록(22)은 단일 스테이지 증폭기들만이 아니라 도 2에 도시된 바와 같은 이중 스테이지 증폭기들을 제어하는 데에도 사용될 수 있다.
공급 제어 블록(22)은 배터리(21)에 전기적으로 연결될 수 있고, 공급 제어 블록(22)은 증폭될 RF 신호의 포락선에 기초하여 전력 증폭기들(17)에 제공되는 전압을 변경하도록 구성될 수 있다. 배터리(21)는 무선 디바이스(11)에서 사용하기 위한 임의의 적절한 배터리일 수 있으며, 예를 들어 리튬-이온 배터리를 포함한다. 이하에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 전력 증폭기에 제공되는 전압을 제어함으로써, 배터리(21)의 전력 소모가 줄어들 수 있고, 이로써 무선 디바이스(11)의 성능이 개선될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 포락선 신호는 송수신기(13)로부터 공급 제어 블록(22)에 제공될 수 있다. 그러나, 포락선은 다른 방법으로 결정될 수 있다. 예를 들어, 포락선은 임의의 적합한 포락선 검출기를 사용하여 RF 신호로부터 포락선을 검출함으로써 결정될 수 있다.
도 3은 포락선 추적기(30)를 가지는 전력 증폭기 시스템(25)의 한 예의 개략 블록도이다. 예시된 시스템은 RF 프런트 엔드(12), 송수신기(13), 안테나(14), 배터리(21), 지연 요소(34), 전력 증폭기 또는 PA(32), 및 포락선 추적기(30)를 포함하는 공급 제어 블록(22)을 포함한다.
송수신기(13)는 RF 신호를 생성할 수 있고, RF 신호를 지연 요소(34)에 제공할 수 있다. 지연 요소(34)는 RF 신호를 수신할 수 있고 전력 증폭기(32)를 위한 공급 전압을 생성하는 데 있어서 지연을 보상하기 위해 RF 신호를 지연시킬 수 있다. 전력 증폭기(32)는 지연된 RF 신호를 증폭하고 증폭 신호를, 전술한 바와 같이, 듀플렉서 및/또는 하나 이상의 스위치를 포함할 수 있는, RF 프런트 엔드(12)의 입력에 제공할 수 있다. RF 프런트 엔드(12)는 안테나(14)에 전기적으로 연결된 출력을 가질 수 있다. 이 도면에는 도시되어 있지 않을지라도, 이 기술분야의 통상의 기술자들은 원하는 수의 송신 및/또는 수신 경로를 제공하는 데 도움을 주기 위해 더 많은 또는 더 적은 수의 전력 증폭기가 RF 프런트 엔드(12)를 통해서 안테나(14)에 전기적으로 연결될 수 있음을 이해할 것이다.
송수신기(13)는 RF 신호의 포락선을 공급 제어 블록(22)에 제공할 수 있다. 공급 제어 블록(22)은 배터리(21)으로부터 전압을 수신하도록 구성되는 포락선 추적기(30)를 포함할 수 있다. 포락선 추적기(30)는 전력 증폭기(32)를 위한 전력 증폭기 공급 전압을 생성할 수 있다. 추가로, 포락선 추적기(30)는 RF 신호의 포락선과 관련하여 변화하도록 전력 증폭기 공급 전압의 전압 레벨을 제어할 수 있다.
송수신기(13)가 포락선 신호를 포락선 추적기(30)에 제공하는 것으로 예시되어 있을지라도, 신호의 포락선은 임의의 적합한 방식으로 생성될 수 있다. 예를 들어, RF 신호로부터 포락선 신호를 생성하기 위해 포락선 검출기(31)가 포함될 수 있다. 포락선 추적 능력은 단일 증폭기 스테이지들과 함께 또는, 도 4, 도 5a 및 도 5b와 관련하여 후술하는 바와 같이, 멀티스테이지 증폭기들과 관련하여 사용될 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 공급 제어 블록(22)은 전력 증폭기들(32a, 32b)을 제어하도록 구성될 수 있다. 아래 논의되는 바와 같이, 또한 이중 증폭기 스테이지의 양쪽 증폭기들이 제어될 수 있거나, 몇몇 구현들에서, 제2 또는 최종 증폭기가 제어될 수 있다.
도 4는 포락선 추적 능력을 갖는 멀티스테이지 증폭기 구성 요소의 예이다. 종래의 RF 증폭기는 고정된 전압으로 설계되고 증폭기가 압축에 있을 때 가장 효율적으로 작동한다고 이해된다. 통신 디바이스가 주파수 변조의 위상에 기초한 변조 방식을 이용하고 있다면, 증폭기는 더 높은 효율 레벨과 더 적은 배터리 사용을 제공하기 위해 압축으로 구동될 수 있다. 그러나, 많은 기존 변조 방식들은 진폭 정보를 이용하고 증폭기를 압축으로 구동하는 경우 진폭이 왜곡될 수 있으므로 데이터 손실을 야기할 수 있다.
이 문제를 다루기 위해, 포락선 추적 회로들이 착신 신호의 포락선을 추적하고 그 후 착신 신호의 포락선에 기초하여 증폭기에 공급 전압을 제공한다. 그러나, 도 4는 하나의 예시적인 포락선 추적 구성이고, 포락선 추적이 다양한 상이한 방식들과 애플리케이션들에서 발생할 수 있다는 것을 이해할 것이다.
도 4는 전력 증폭기 모듈의 효율을 향상시키는 방식으로 증폭기 모듈(10)의 증폭기들(32a, 32b)에 전력이 공급되도록 포락선 추적 변조기(22)를 갖는 전력 증폭기 모듈(10)의 예시적 회로도를 보여준다. 이 구현에서, 포락선 추적 변조기(22)는 변화하는 전력 신호를 인덕터들(Lchoke1 및 Lchoke2)을 경유하여 증폭기들(32a, 32b)에 제공한다. 인덕터들(Lchoke1 및 Lchoke2)은 고주파 RF 신호 성분들을 차단하면서 포락선-추적 변조기(22)로부터의 전력 전압들(Vcc1 및 Vcc2)로 증폭기들(32a, 32b)에 전력을 공급하는 것을 돕는다.
도 4에 도시된 바와 같이, 입력 신호(RFIN A)는 입력(RFIN A)의 입력 임피던스와 정합하도록 선택되는 스테이지 간 정합 회로(65)를 통해 제1 스테이지 증폭기(32)에 제공된다. 입력 신호(RFIN A)는 안테나(14)에 의해 수신된 또는 전술한 방식으로 안테나(14)에 의해 전송되고 있는 RF 신호를 포함할 수 있다. 제1 스테이지 증폭기(32a)의 출력은 이후 입력 정합(70)을 통해 증폭기(32b)의 입력에 제공된다. 증폭기(32a)의 출력은 바이어스 회로(72)와 배터리(21)(도 2)로부터 전압을 통해 바이이성된다. 제2 증폭기(32b)의 출력은 이후 증폭기 모듈(10)의 출력측의 임피던스와 정합하도록 선택되는 출력 정합(74)을 통해 RFOUT으로서 출력에 제공된다. 한 구현에서, 신호(RFOUT)는 스위치들(12)(도 2)에 제공되고 이후 전술된 방식으로 스위치들을 경유하여 안테나(14) 또는 송수신기(13)에 라우팅된다.
도 4의 전력 증폭기 모듈(10)의 구성의 결과로서 발생하는 한 가지 문제는 전력 소모가 상대적으로 높다는 것이다. 이것은 전력이 포락선 추적 모듈(22)을 경유하여 증폭기들(32a 및 32b) 양자에 제공되고 전력이 또한 배터리(21)를 통해 제2 증폭기(32b)에 대한 입력 신호를 바이어싱하기 위해 제공되는 결과이다.
도 4의 회로와 함께 발생하는 추가적 문제는 인덕터들(Lchoke1 및 Lchoke2)을 통하여 잠재적 불안정성의 소스가 있다는 것이다. 보다 상세하게는, 인덕터들(Lchoke1 및 Lchoke2) 사이에 피드백 루프가 확립되면, 제2 증폭기(32b)의 성능의 안정성이 손상되어 모듈(10)의 회로 성능의 열화로 이어질 수 있다. 루프 안정성은 주로 ET 변조기(22)의 저주파 임피던스, 전력 증폭기들과 ET 변조기(22) 사이의 공통 Vcc1/Vcc2 인덕턴스 및 ET 변조기(22)에 대한 다른 디바이스들로부터의 공진들의 함수이고 이들은 ET 변조기(22) 디자인 및 전력 증폭기와 ET 변조기(22)의 물리적 위치에 기초하여 보드 간에 급격하게 달라질 수 있다.
도 5a와 도 5b는 위에서 확인된 전력 소모와 안정성 문제들을 다루는 이중 스테이지 증폭기 모듈(10)의 상이한 실시예들의 개략도들이다. 이 구현에서, 이중 스테이지 증폭기는 제1 스테이지 또는 드라이버 증폭기(32a)와 제2 스테이지 또는 최종 증폭기(32b)를 포함한다. 제1 스테이지 또는 드라이버 스테이지 증폭기(32a)는 입력 정합(66)을 통해 입력 신호(RFIN A)를 수신하는 트랜지스터(82)를 포함한다. 입력 신호는 트랜지스터(82)의 베이스(83)에 적용된 바이어스 회로망(bias network)(84)과 바이어스 전압(81)을 통해 바이어싱될 수 있다. 바이어스 전압(81)과 바이어스 회로망(84)은 이중 스테이지 증폭기 모듈(10)의 효율을 향상시키도록 선택된다. 이 구현에서, 바이어스 회로망(84)은 접지로의 경로를 제공하는 다이오드들(85)과 트랜지스터(82a)의 베이스에 바이어스를 제공하는 저항기(87)를 포함한다. 바이어스 회로망(84)은 또한 접지로의 고주파 경로를 제공하도록 다이오드들(85)와 병렬로 연결되어 있는 커패시터들(89)을 포함한다.
제1 스테이지 증폭기(32a)를 포함하는 트랜지스터(82)의 컬렉터(86)의 출력은 정합 회로(70)(도 5b)를 통해 제2 스테이지 증폭기(32b)의 입력에 또는, 도 5a의 실시예에서, 제2 스테이지 증폭기 트랜지스터(88)의 베이스에 제공된다. 또한, 최종 스테이지의 베이스(91)에 제공되는 바이어스 전류는 또한 드라이버 스테이지 증폭기 트랜지스터(82)의 이미터(97)에 의해 제공된다.
보다 상세하게는, 바이어스 전압은 2개의 다이오드 회로(85)를 통해 배터리(21)로부터 최종 스테이지 증폭기 트랜지스터(88)의 베이스(91)에 제공된다. 상호연결부(95)가 최종 스테이지 트랜지스터(88)의 베이스(91)와 드라이버 스테이지 트랜지스터(82)의 이미터(97) 사이에 제공된다. 이미터(97)는 접지로의 경로를 제공하는 다이오드(99)와 AC 접지를 제공하는 병렬 커패시터(101)을 통해 접지에 결합된다. 그러므로, 드라이버 스테이지 트랜지스터(82)를 작동시키는 데 필요한 DC 전류는 상호연결부(95)를 통하여 흐른다. 최종 스테이지 트랜지스터(88)를 위한 바이어스 전압은 드라이버 스테이지 트랜지스터(82)의 이미터(86)에 의해 제공된다. DC 레벨에서, 드라이버 스테이지(82)는 최종 스테이지(88)의 베이스(91)를 구동하는 이미터 폴로워처럼 보인다. 최종 스테이지(88)의 컬렉터 전류는 RF 입력 전력과 함께 증가한다. 이것은 최종 스테이지 베이스 전류가 관계 Ib = Ic/Beta에 의해 증가하게 한다. 최종 스테이지(88)의 베이스 전류는 드라이버 스테이지 트랜지스터(82)에 의해 상호연결부(95)를 통해 효과적으로 재사용되며 따라서 드라이버 스테이지(82)는 배터리(21)에 대한 추가 전류 드레인을 더하지 않고서 또는 적어도 배터리(21)에 대한 추가 전류 드레인을 감소시킴으로써 충분한 전력을 최종 스테이지 트랜지스터(88)에 제공할 수 있다.
이것은 본 명세서에 개시된 이중 스테이지 전력 증폭기 모듈(10)의 인식할 수 있는 효율 증가로 이어진다. 이러한 효율의 증가는 도 4와 도 5a의 회로들을 비교하는 하기 예에 의해 설명될 수 있다. 도 4와 도 5a의 양쪽 모듈들(10)의 작동에 대해 출력 전력 Pout이 30dBM이고 RF 이득이 30dB이라고 가정할 때, 최종 스테이지 증폭기(32b)의 컬렉터 전류는 500mA이고 드라이버 스테이지 증폭기(32a)의 컬렉터 전류는 30mA이고 최종 스테이지 증폭기(32b)의 바이어스 전류도 30mA이고 공급 전압은 3V이고, 이러한 가정들에 따라, 도 3의 전력 증폭기 모듈(10)에 대한 전력 부가 효율(PAE)은 다음과 같이 결정될 수 있다:
Pout = 30dBm = 1Watt
Pin = 30dBM - 30dB = 30dBm = 1mWatt
Pdc = 3V x (500ma + 30mA + 30mA) = 1.68Watts
PAE = (Pout-Pin)/Pdc = 1W-1mW/1.68W = 59.5%
유사하게, 이러한 가정들에 따라 도 4의 전력 증폭기 모듈(10)에 대한 전력 부가 효율(PAE)은 다음과 같이 결정될 수 있다:
Pout = 30dBm = 1Watt
Pin = 30dBM - 30dB = 30dBm =1mWatt
Pdc = 3V x (500ma + 30mA) = 1.59Watts
PAE = (Pout-Pin)/Pdc = 1W-1mW/1.59W = 59.5%
최종 스테이지 증폭기(32b)의 베이스를 바이어싱하기 위해 인가되고 있는 30mA는 드라이버 증폭기(32a)의 컬렉터에도 제공되므로, 제1 스테이지 또는 드라이버 증폭기(32a)를 통해 흐르고 있는 전체 전류는 감소될 수 있고 이는 3% 이상의 효율 절약을 가능하게 하고 따라서 배터리 수명을 연장한다.
도 5a는 전술한 방식으로 제1 스테이지 증폭기(32a)와 제2 스테이지 증폭기(32b) 양자가 포락선 추적 변조기(22)에 의해 바이어싱되게 할 수 있거나 최종 스테이지 증폭기(32b)만이 포락선 추적 모듈을 통해 전력을 수신할 수 있다. 제1 스테이지 증폭기(32a)와 제2 또는 최종 스테이지 증폭기(32b) 양자가 포락선 추적 모듈(22)에 의해 전력을 공급받는다면, 전술한 바와 같이 불안정성의 가능성이 존재한다. 그러나, 또한 도 5a와 도 5b에 도시된 바와 같이, 제1 스테이지 증폭기(32b)는 배터리(21)로부터 고정 바이어스를 가질 수 있고 이는 제1 스테이지 드라이버 증폭기(32a)의 효율을 감소시키지만 더 큰 안정성을 제공한다.
그러나, 제2 스테이지 최종 출력 증폭기(32b)가 도 5b에 도시된 방식으로 포락선 추적 모듈(22)에 연결되면, 최종 스테이지 증폭기(32b)는 더 높은 효율 레벨에서 작동한다. 많은 전형적인 멀티스테이지 RF 증폭 회로들에서, 나중 스테이지들의 컬렉터 전류는 상기에 주어진 예에 의해 예시된 바와 같이 드라이버 증폭기들의 컬렉터 전류들보다 상당히 높다. 이에 따라, 드라이버 증폭기(32a)가 고정 바이어싱되게 함으로써 얼마간의 효율 손실이 있을 수 있다. 그러나, 몇몇 구현들에서, 이 손실된 효율은 드라이버 스테이지 증폭기(32a)의 컬렉터 전류를 소싱하도록 최종 스테이지 증폭기(32b)에 대한 바이어스 전류의 재사용에 의해 보상될 수 있다.
도 5b는 이 상호연결을 더 상세하게 예시한다. 도시된 바와 같이, 도 5b에서, 포락선 추적 변조기(22)는 최종 스테이지 증폭기(32b)의 출력에만 연결된다. 이런 방식으로, 드라이버 또는 제1 스테이지 증폭기(32a)는 배터리 전압(Vbatt)으로부터의 고정 바이어싱을 이용하여 바이어싱된다. 이 실시예의 최종 스테이지 증폭기(32b)는 드라이버 스테이지 증폭기(32a)의 전류 레벨들보다 상당히 높은 전류 레벨들에서 작동한다. 이에 따라, 최종 스테이지 증폭기(32b)는 더 높은 효율 레벨들에서 작동되고 드라이버 스테이지 증폭기(32a)는 더 낮은 레벨들에서 작동할 수 있지만, 전력의 대부분이 최종 스테이지 증폭기(32b)에 의해 소모되고 있기 때문에, 이중 증폭기 모듈(10)의 전체 효율은, 몇몇 구현들에서, 상대적으로 영향을 받지 않을 수 있다. 더욱이, 드라이버 스테이지 증폭기(32a)와 인덕터 관련된 격리 인덕터(93)가 포락선 추적 변조기(22)로부터 분리되어 있으므로, 드라이버 스테이지 증폭기(32a) 및 인덕터(93)와 최종 스테이지 증폭기(32b) 및 인턱터 L(103) 사이의 공진의 가능성은 감소되고 따라서 회로의 더 큰 안정성을 제공된다.
문맥에서 달리 명확하게 요구하지 않는 한, 상세한 설명 및 청구항들 전체에 걸쳐, "포함한다(comprise)", "포함하는(comprising)" 등의 단어들은, 배타적이거나 총망라의 의미와는 대조적으로 포괄적인 의미로, 즉 "포함하지만 이에 제한되지는 않음"의 의미로 해석되어야 한다. "결합된(coupled)"이라는 단어는, 일반적으로 본 명세서에서 이용될 때, 직접 연결되거나 또는 하나 이상의 중간 요소를 경유하여 연결될 수 있는 2개 이상의 요소를 지칭한다. 마찬가지로, 단어 "연결된"이란, 일반적으로 본 명세서에서 사용될 때, 직접 연결되거나, 하나 이상의 중간 요소를 통해 연결될 수 있는 2개 이상의 요소를 말한다. 부가적으로, "본 명세서에(herein)", "위에(above)", "아래에(below)"라는 단어들 및 유사한 의미의 단어들은, 본 명세서에서 이용될 때, 본 출원의 임의의 특정 부분들이 아닌 전체적으로 본 출원을 참조할 것이다. 문맥이 허용하는 경우, 단수 또는 복수를 이용하는 위의 상세한 설명에서의 단어들은 또한 복수 또는 단수를 각각 포함할 수 있다. 2 이상의 항목의 목록에 관련하여 "또는(or)"이라는 단어는 그 단어의 모든 하기 해석들을 커버한다: 목록의 어떤 항목들, 목록의 모든 항목들, 및 목록의 항목들의 어떤 조합.
게다가, 본 명세서에서 사용되는 조건부 언어, 예를 들어, 특히, "~할 수 있다(can, could, might)", "예를 들어(e.g., for example, "such as") 등은, 달리 명시되지 않는 한, 또는 사용된 문맥 내에서 다르게 이해되지 않는 한, 일반적으로는, 특정 실시예가 특정 특징, 요소 및/또는 상태를 포함하는 반면 기타 실시예는 포함하지 않을 수 있다는 것을 전달하기 위한 것이다. 따라서, 이러한 조건부 언어는 일반적으로, 특징, 요소 및/또는 상태가 하나 이상의 실시예에 대해 어떻게든 요구되거나, 하나 이상의 실시예가 이들 특징, 요소 및/또는 상태가 포함될지의 여부 또는 임의의 특정 실시예에서 수행될지의 여부를, 저자(author) 입력이나 촉구에 의해 또는 저자 입력이나 촉구 없이, 결정하기 위한 로직을 반드시 포함한다는 것을 암시하기 위한 것은 아니다.
본 발명의 실시예들의 위의 상세한 설명은 모든 것을 망라하거나, 또는 위에 개시된 바로 그 형태로 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지는 않는다. 본 발명의 특정 실시예들 및 예들은 예시의 목적으로 위에 설명되었지만, 관련 기술분야의 통상의 기술자가 인식하는 바와 같이, 본 발명의 범위 내에서 다양한 등가의 수정들이 가능하다. 예를 들어, 프로세스들 또는 블록들은 주어진 순서로 제시되어 있지만, 대안적인 실시예들은 상이한 순서로 단계들을 갖는 루틴들을 수행하거나 블록들을 갖는 시스템들을 사용할 수 있고, 일부 프로세스들 또는 블록들은 삭제, 이동, 부가, 세분, 결합 및/또는 수정될 수 있다. 이들 프로세스들 또는 블록들 각각은 다양한 상이한 방식으로 구현될 수 있다. 또한, 프로세스들 또는 블록들이 때로는 연속적으로 수행되는 것으로 도시되어 있지만, 이들 프로세스들 또는 블록들은 대신에 병행하여 수행될 수 있거나, 또는 상이한 시간에 수행될 수 있다.
본 명세서에 제공된 본 발명의 교시들은 반드시 위에 설명된 시스템이 아니라 다른 시스템들에도 적용될 수 있다. 위에 설명된 다양한 실시예들의 요소들 및 동작들은 추가의 실시예들을 제공하도록 결합될 수 있다.
본 발명의 특정 실시예들이 설명되었지만, 이들 실시예들은 단지 예시로서 제시되었고, 본 개시내용의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다. 실제로, 본 명세서에 설명된 신규 방법들 및 시스템들은 각종의 다른 형태들로 구현될 수 있고; 또한, 본 개시 내용의 사상으로부터 벗어나지 않고 본 명세서에 설명된 방법들 및 시스템들의 형태에서의 다양한 생략, 치환 및 변경이 행해질 수 있다. 첨부된 청구항들 및 그 등가물들은 본 개시 내용의 범위 및 사상 내에 있는 이러한 형태들 또는 수정들을 커버하는 것으로 의도된다.

Claims (20)

  1. 무선 주파수 통신 회로를 위한 전력 증폭기 모듈로서,
    무선 주파수 신호를 수신하는 입력을 갖는 드라이버 스테이지 증폭기 - 상기 드라이버 스테이지 증폭기는 상기 무선 주파수 신호를 증폭하기 위해 상기 드라이버 스테이지 증폭기의 제1 노드 및 제2 노드에 걸쳐 인가되는 공급 전압에 의해 전력을 공급받음 -;
    상기 제1 노드 상의 상기 드라이버 스테이지 증폭기의 출력으로부터 증폭된 무선 주파수 신호를 수신하고, 자신의 양단에 인가되는 공급 전압에 의해 전력을 공급받고, 증폭된 출력 신호를 제공하는 최종 스테이지 증폭기 - 바이어스 전류는 상기 드라이버 스테이지 증폭기를 통해 흐르는 전체 전류를 감소시키기 위해 상기 최종 스테이지 증폭기의 입력에 인가되고 또한 상기 드라이버 스테이지 증폭기에 전력을 공급하도록 상기 제2 노드에 인가됨 -; 및
    상기 드라이버 스테이지 증폭기와 상기 최종 스테이지 증폭기 중 적어도 하나에 전력을 공급하는 포락선 추적 모듈
    을 포함하는 전력 증폭기 모듈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 포락선 추적 모듈은 상기 최종 스테이지 증폭기에 전력을 공급하는 전력 증폭기 모듈.
  3. 제2항에 있어서, 상기 드라이버 스테이지 증폭기는 고정 전원으로부터 전력을 공급받는 전력 증폭기 모듈.
  4. 제3항에 있어서, 상기 고정 전원은 배터리를 포함하는 전력 증폭기 모듈.
  5. 제2항에 있어서, 상기 포락선 추적 모듈은 상기 드라이버 스테이지 증폭기와 상기 최종 스테이지 증폭기 양자에 전력을 공급하는 전력 증폭기 모듈.
  6. 제1항에 있어서, 상기 드라이버 스테이지 증폭기는 제1 트랜지스터를 포함하고, 상기 최종 스테이지 증폭기는 제2 트랜지스터를 포함하고, 상기 제1 트랜지스터의 베이스는 상기 드라이버 스테이지 증폭기의 입력을 형성하고, 상기 제1 트랜지스터의 컬렉터는 상기 드라이버 스테이지 증폭기의 출력을 형성하고 상기 최종 스테이지 증폭기의 입력을 형성하는 상기 제2 트랜지스터의 베이스에 연결되며, 상기 제2 트랜지스터의 컬렉터는 상기 최종 스테이지 증폭기의 출력을 형성하는 전력 증폭기 모듈.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제2 트랜지스터의 베이스는 전류에 의해 바이어싱되고 상기 드라이버 스테이지 증폭기의 이미터에 전기적으로 연결되는 전력 증폭기 모듈.
  8. 제1항에 있어서, 상기 드라이버 스테이지 증폭기에 전력을 공급하기 위해 상기 최종 스테이지 증폭기의 베이스 전류 바이어싱을 재사용함으로써 3% 전력 부가 효율의 효율 개선을 얻는 전력 증폭기 모듈.
  9. 무선 주파수 통신 장치로서,
    무선 주파수 입력과 무선 주파수 출력;
    제1 증폭기와 제2 증폭기를 갖는 이중 스테이지 전력 모듈 - 상기 제1 증폭기의 입력은 상기 무선 주파수 입력으로부터 무선 주파수 신호를 수신하고, 상기 제1 증폭기는 제1 노드 및 제2 노드를 갖고, 상기 제1 노드에서의 상기 제1 증폭기의 출력은 바이어스 신호도 수신하는 상기 제2 증폭기의 입력에 제공되고, 상기 제2 증폭기의 출력은 상기 무선 주파수 출력에 제공됨 -;
    상기 제1 증폭기와 상기 제2 증폭기 양자에 전력을 공급하는 전원 - 상기 제1 증폭기와 상기 제2 증폭기 중 적어도 하나는 상기 무선 주파수 신호의 포락선 추적에 기초한 전력을 공급받음 -; 및
    상기 제1 증폭기에 전력을 공급하기 위해 상기 제1 증폭기의 상기 전원에 상기 바이어스 신호가 제공되도록 상기 제2 증폭기의 입력을 상기 제1 증폭기의 상기 제2 노드에서의 상기 전원에 상호연결하는 상호연결부
    를 포함하는 무선 주파수 통신 장치.
  10. 제9항에 있어서, 포락선 추적 모듈이 상기 제2 증폭기에 전력을 공급하는 무선 주파수 통신 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제1 증폭기는 고정 전원으로부터 전력을 공급받는 무선 주파수 통신 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 고정 전원은 배터리를 포함하는 무선 주파수 통신 장치.
  13. 제10항에 있어서, 상기 포락선 추적 모듈은 상기 제1 증폭기와 상기 제2 증폭기 양자에 전력을 공급하는 무선 주파수 통신 장치.
  14. 제9항에 있어서, 상기 제1 증폭기는 제1 트랜지스터를 포함하고, 상기 제2 증폭기는 제2 트랜지스터를 포함하고, 상기 제1 트랜지스터의 베이스는 상기 제1 증폭기의 입력을 형성하고, 상기 제1 트랜지스터의 컬렉터는 상기 제1 증폭기의 출력을 형성하고 상기 제2 증폭기의 입력을 형성하는 상기 제2 증폭기의 베이스에 연결되며, 상기 제2 트랜지스터의 컬렉터는 상기 제2 증폭기의 출력을 형성하는 무선 주파수 통신 장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 제2 트랜지스터의 베이스는 전류에 의해 바이어싱되고 상기 제1 증폭기의 이미터에 전기적으로 연결되는 무선 주파수 통신 장치.
  16. 제9항에 있어서, 전송과 수신 모드 사이에 스위칭하는 스위칭 회로망(switching network)을 더 포함하는 무선 주파수 통신 장치.
  17. 제16항에 있어서, 상기 포락선 추적 모듈과 상기 스위칭 회로망을 제어하는 프로세서와 컴퓨터 판독가능 매체를 더 포함하는 무선 주파수 통신 장치.
  18. 무선 주파수 신호들을 증폭하는 방법으로서,
    제1 노드 및 제2 노드를 갖는 제1 증폭기에서 제1 신호를 증폭하는 단계;
    상기 제1 노드에서의 상기 제1 증폭기의 출력을 제2 증폭기에 제공하는 단계;
    상기 제1 증폭기와 상기 제2 증폭기에 전력을 공급하는 단계;
    바이어싱 신호를 이용해 상기 제2 증폭기의 입력을 바이어싱하는 단계; 및
    상기 제1 증폭기에 전력을 공급하기 위해 상기 제2 증폭기에 인가되는 상기 바이어싱 신호의 적어도 일부를 상기 제2 노드에서 상기 제1 증폭기에 제공하는 단계
    를 포함하는 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 제1 증폭기와 상기 제2 증폭기에 전력을 공급하는 단계는 상기 제1 신호의 포락선을 검출하는 단계 및 상기 제1 신호의 포락선에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 제1 증폭기와 상기 제2 증폭기 중 적어도 하나에 가변 전력을 공급하는 단계를 포함하는 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 제1 증폭기와 상기 제2 증폭기 중 적어도 하나에 가변 전력을 공급하는 단계는 상기 제2 증폭기에 가변 전력을 공급하고 상기 제1 증폭기에 고정 전력을 공급하는 단계를 포함하는 방법.
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