KR102559082B1 - 다중 모드 가변 이득 전력 증폭 장치 - Google Patents

다중 모드 가변 이득 전력 증폭 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다중 모드 가변 이득 전력 증폭 장치에 관한 것으로, 다중 모드 가변 이득 전력 증폭 장치는 각각이 동일한 입력단에 병렬로 연결된 복수개의 증폭기를 갖는 복수개의 증폭기 그룹; 디지털 신호를 출력하여 상기 복수개의 증폭기 그룹에 있는 단위 셀들의 동작 상태를 제어하여 각 증폭기 그룹에서 동작하는 단위 셀 비율을 조절하는 제어부; 및 상기 복수개의 증폭기 그룹 각각의 출력단에 연결되어 부하 임피던스의 값을 변조하며, 각각이 하나의 출력단에 연결된 복수개의 부하 임피던스 트랜스포머를 포함한다.

Description

다중 모드 가변 이득 전력 증폭 장치{MULTI MODE VARIABLE GAIN POWER AMPLIFIER}
본 발명은 무선통신 시스템 송신기의 성능 개선을 위한 다중 모드 가변 이득 전력 증폭 장치에 관한 것이다.
현대 무선 통신 시스템에서 근거리 통신 네트워크(local area network) 설비가 빠른 성장세를 보여주고 있다. 근거리 영역에서 통신 거리 변화로 인하여 신호 전력 강도의 변화 범위가 상당히 넓을 수 있다. 이러한 넓은 신호 전력 변화 범위를 조절하기 위해 송신기나 수신기에서 가변 전력 이득 전력 증폭 장치가 필요하다. 송신기에서 전력 증폭 장치(PA: power amplifier)는 최대 출력전력 영역이 아닌 상대적으로 낮은 출력전력 영역에서 동작하는 경우 전력 증폭 장치의 효율이 최대 출력전력 영역에서 동작할 때의 효율에 비해 급격히 감소하게 된다. 전력 증폭 장치의 효율 감소는 전력 소모량을 상승시키며, 특히 모바일 디바이스의 배터리 사용량을 증가시키게 된다.
상술한 문제점을 해결하기 위해, 두 개 이상의 증폭기 그룹을 디지털 방식으로 제어하여 출력전력 크기를 조절하는 동시에 부하 임피던스 변조 방식으로 효율을 개선하는데 그 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 다중 모드 가변 이득 전력 증폭 장치는 각각이 동일한 입력단에 연결된 복수개의 단위 셀을 갖는 복수개의 증폭기 그룹; 디지털 신호를 출력하여 상기 단위 셀 각각의 동작 상태를 제어하여 각각 증폭기 그룹에서 동작하는 단위 셀 개수를 조절하는 제어부; 및 상기 증폭기 그룹 각각의 출력전력을 결합하여 하나의 출력단으로 전달하는 복수개의 부하 임피던스 트랜스포머를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 부하 임피던스 트랜스포머는 전류 결합 방식일 때의 90° 전송선로로서, 전류 결합 부하에서 각각의 증폭기 그룹 출력단까지 필요한 임피던스 변환 및 부하 임피던스 변조를 제공하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 부하 임피던스 트랜스포머는 전압 결합 방식일 때의 2개의 직렬로 연결된 90° 전송선로로서, 전압 결합 부하에서 각각의 증폭기 그룹 출력단까지 필요한 임피던스 변환 및 부하 임피던스 변조를 제공하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 디지털 신호로 제어되는 단위 셀 증폭기의 동작상태는 정상, 개방, 단락인 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 복수개의 증폭기 그룹으로 구성된 다중 모드 가변 이득 전력증폭기는 N개의 단위 셀을 갖는 제1 증폭기 그룹과 kn*N개의 단위 셀을 갖는 제n 증폭기 그룹을 포함할 수 있다는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 2개의 증폭기 그룹으로 전류 혹은 전압 결합 방식을 사용하여 다중 모드 가변 이득 전력 증폭기를 구성하는 경우, 고출력 전력 영역에서 제1 증폭기 그룹과 제2 증폭기 그룹의 각각의 단위 셀 전체를 정상 동작 상태로 제어하고, 중간 출력 전력 영역에서 제1 증폭기 그룹의 단위 셀 전체를 모두 단락 상태로 제어하고 제2 증폭기 그룹의 일부 단위 셀을 개방상태로 제어하며, 저 출력 전력 영역에서 제1 증폭기 그룹의 일부 단위 셀을 개방상태로 제어하고, 제2 증폭기 그룹의 단위 셀 전체를 모두 단락 상태로 제어함으로써, 출력 전력 크기가 제어되는 동시에 각 증폭기 그룹 출력단에서 부하 임피던스 변조가 일어나는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 임피던스 트랜스포머는 집중소자(Lumped element) 및 분포소자(Distributed element)를 이용하여 전송선로 등가 회로로 구성할 수 있다는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 다중 모드 가변 이득 전력 증폭 장치에 의해 각 증폭기 그룹의 부하 임피던스가 출력 크기에 따라 변조되어 상대적 낮은 전력 영역에서의 효율이 개선되는 효과가 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 증폭기 그룹 개수 n이 증가함에 따라 2n -1개 출력 전력 상태에서 피크 효율을 얻을 수 있으며 효율 개선 효과가 증가한다.
또한, 디지털 기반 전력 이득 조절이 필요한 일반 집적회로 설계뿐만 아니라 SoC(System on Chip)를 비롯한 소형 집적 통신 시스템 송신기에 적용될 수 있으며, 모바일 디바이스용 전력 증폭 장치의 효율을 개선하여 디바이스의 전력 사용량을 줄여 배터리 사용 시간을 늘릴 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 종래의 디지털 기반 가변 전력 이득 전력 증폭 장치의 구조를 나타낸 회로도이다.
도 2a는 Class-D 전력 증폭기 정상 동작 상태이고, 도 2b는 Class-D 전력 증폭기 개방 회로로 동작하는 상태이며, 도 2c는 Class-D 전력 증폭기 단락 회로로 동작하는 상태이다.
도 3a는 1개의 90° 전송선로를 이용한 임피던스 트랜스포머의 개념도이고, 도 3b는 2개의 직렬연결 90° 전송선로를 이용한 임피던스 트랜스포머의 개념도이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 모드 가변 이득 전력 증폭 장치의 전류 결합 방식을 이용한 구조이며, 도 4b는 전압 결합 방식을 이용한 구조이다. 도 4c는 전력 증폭 장치의 전력부가효율(PAE; Power Added Efficiency)을 나타내는 개념도이다.
도 5a는 2개 증폭기 그룹을 이용한 디지털 기반 다중 모드 가변 이득 전력 증폭 장치의 전류 결합 방식을 이용한 구조의 구현 예시이고, 도 5b는 도 5a의 90° 전송선로 등가회로를 나타낸 도면이고, 도 5c는 전압 결합 방식을 이용한 구조의 구현 예시이고, 도 5d는 도 5c의 2개 직렬연결 90° 전송선로 등가회로를 나타낸 도면이다.
도 6a는 높은 출력 전력 영역에서의 부하 임피던스를 나타내기 위한 회로도이고, 도 6b는 중간 출력 전력 영역에서의 부하 임피던스를 나타내기 위한 회로도이며, 도 6c는 낮은 출력 전력 영역에서의 부하 임피던스를 나타내기 위한 회로도이다.
도 7a는 높은 출력 전력 영역에서의 부하 임피던스를 나타내기 위한 회로도이고, 도 7b는 중간 출력 전력 영역에서의 부하 임피던스를 나타내기 위한 회로도이며, 도 7c는 낮은 출력 전력 영역에서의 부하 임피던스를 나타내기 위한 회로도이다.
도 8a 내지 8d는 본 발명의 일 실시예에 따른 2개 증폭기 그룹으로 구성한 가변 이득 전력 증폭 장치의 전력부가효율(PAE; Power Added Efficiency)을 나타내는 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 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.
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, 첨부된 도면을 참조하여 다중 모드 가변 이득 전력 증폭 장치에 대해 설명한다.
도 1은 종래의 디지털 기반 가변 전력 이득 전력 증폭 장치의 구조를 나타낸 회로도이다.
디지털 신호로 제어하는 여러 개 단위 셀들이 결합된 구조로써, 단위 셀들의 입력단과 출력단은 서로 연결되며, 단일 RF 신호를 입력받아 RF 출력을 생성한다.
단일 RF 입력단은 RF 입력 신호를 받아 각 단위 셀로 나누어 전달하며, 각 단위 셀들의 출력을 결합하여 RF 출력단에서 단일 출력 신호를 출력한다. 요구되는 출력 전력에 따라서 컨트롤러(도시 생략)는 디지털 제어 신호로 단위 셀들의 동작상태를 제어함으로써 출력 전력의 크기를 조절한다.
각 증폭기로부터의 출력을 매칭 시키기 위한 임피던스 매칭 회로를 필요로 하며, 전력 증폭 장치의 출력전력을 감소하도록 제어하는 동시에 전력 증폭 장치의 전체 효율이 급격히 감소한다.
도 2는 일반적인 Class-D 전력 증폭 장치의 기본 구조를 나타낸 회로도로서, 도 2a는 Class-D 전력 증폭기 정상 동작 상태를 나타내며, 도 2b는 Class-D 전력 증폭기 개방 회로로 동작하는 상태를 나타내고, 도 2c는 Class-D 전력 증폭기 단락 회로로 동작하는 상태를 나타낸다.
Class-D 전력 증폭 장치는 스위칭 증폭기라고도 하며, 일반 선형 증폭기와는 달리 선형 증폭 동작용 바이어스를 하는 대신에, 주로 스위치로 동작한다.
도 2a를 참조하면, 정상 동작 상태에서의 Class-D 전력 증폭기는 입력 신호에 의해 제어되는 두 개 병렬연결 스위치로 모델링할 수 있으며 이 두 개 스위치가 교차적으로 스위칭 동작하여 출력 신호를 생성한다.
도 2b를 참조하면 제1 스위치인 PMOS 트랜지스터의 게이트에 가장 높은 전위가 연결되고, 제2 스위치인 NMOS 트랜지스터의 게이트에 가장 낮은 전위가 연결되면 제1 스위치와 제2 스위치가 동시에 꺼져 증폭기 회로는 개방회로가 된다.
도 2c를 참조하면, 제1 스위치인 PMOS 트랜지스터의 게이트와 제2 스위치인 NMOS 트랜지스터의 게이트에 모두 가장 높은 전위가 연결되면 증폭기 회로는 단락 회로가 된다.
도 3은 일반적인 전송선로를 이용한 임피던스 트랜스포머의 개념도이다.
도 3a는 1개의 특성임피던스 Z0인 90° 전송선로를 이용한 임피던스 트랜스포머의 개념도로서, 임의의 부하 임피던스 ZL에서 임피던스 Z0 2/ZL로 변환할 수 있다.
도 3b는 특성임피던스 각각 Z0*k0.5 및 Z0인 2개의 90° 전송선로를 이용한 임피던스 트랜스포머의 개념도로서, 도 3b를 참조하면 직렬 연결된 2개의 전송선로를 이용하는 경우에는, 임의의 부하 임피던스 ZL을 일정한 비율 k로 임피던스 k*ZL이 되도록 확대하거나 축소할 수 있다.
도 3에 도시한 바와 같은 임피던스 트랜스포머는 집중소자(Lumped element) 및 분포소자(Distributed element)를 이용하여 전송선로 등가 회로를 구성할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 기반 다중 모드 가변 이득 전력 증폭 장치의 회로도와 전력 증폭 장치의 전력부가효율(PAE; Power Added Efficiency)을 나타내는 개념도이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 기반 다중 모드 가변 이득 전력 증폭 장치의 전류 결합 방식을 이용한 구조이며, 도 4b는 전압 결합 방식을 이용한 구조이다. 도 4c는 전력 증폭 장치의 전력부가효율(PAE; Power Added Efficiency)을 나타내는 개념도이다.
본 발명은 다중 모드 가변 이득 전력 증폭 장치(MM-VGPA: Multi Mode Variable Gain Power Amplifier) 구조를 제안한다.
다중 모드 가변 이득 전력 증폭 장치는 외부의 복잡한 추가 회로나 컨트롤 알고리즘 없이 전력 상대적 낮은 전력 영역에서의 효율을 크게 개선할 수 있으며, 복수개의 증폭기 집단에서의 단위 셀 동작 상태만 제어하여 동작하기 때문에 송신기 시스템의 복잡도를 크게 증가시키지 않는다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 디지털 기반 다중 모드 가변 이득 전력 증폭 장치는 복수개의 증폭기 그룹 및 복수개의 임피던스 트랜스포머를 포함한다.
복수개의 증폭기 그룹 각각은 일정한 비율의 단위 셀로 구성된다. 단위 셀로 이루어진 증폭기 그룹 각각은 디지털 신호에 따라 동작상태가 제어된다. 각각 증폭기 그룹을 구성한 단위 셀의 동작상태는 정상, 개방, 단락 3가지 상태로 구분된다. 단위 셀은 동일 입력단 및 RF 출력단을 갖는다.
도 4a를 참조하면, 각 증폭기 그룹의 출력단에는 전류 결합 방식의 부하 변조를 위한 임피던스 트랜스포머(T1)가 연결된다. 즉, 증폭기 그룹의 수와 임피던스 트랜스포머의 수는 동일하다.
또한, 임피던스 트랜스포머(T1)는 1개의 90° 전송선로로서, 전송선로의 특성임피던스를 선택하여 전류 결합부하에서 임의의 부하 임피던스 ZL을 증폭기 출력단에 필요한 부하 Z0 2/ZL되도록 임피던스를 변조한다.
복수의 임피던스 트랜스포머의 출력은 하나의 결합지점(P1)에서 결합된다.
도 4b를 참조하면, 각 증폭기 그룹의 출력단에는 전압 결합 방식의 부하 변조를 위한 2개의 전송선로가 연결된다. 즉, 전압 결합 방식의 부하 임피던스 트랜스포머는 2개의 직렬로 연결된 90° 전송선로로서, 전송선로의 특성임피던스를 선택하여 전압 결합 부하에서 임의의 부하 임피던스 ZL를 일정한 비율 k 로 증폭기 출력단에 필요한 부하 k*ZL되도록 임피던스를 확대하거나 축소할 수 있다.
이로써 전력 결합 부하에서 전류나 전압이 결합되어 요구된 부하 임피던스 변조가 이루어지므로, 각각의 단위 셀의 동작상태를 제어하여 원하는 출력을 얻을 수 있다.
도 4c를 참조하면, 또한 증폭기 그룹 개수가 n개 증가함에 따라 2n-1개 출력 전력 상태에서 피크 효율을 얻을 수 있으며 효율 개선 효과가 증가됨을 알 수 있다.
또한 본 발명은 증폭기 입력단에 입력 신호를 조절하는 추가 오프셋 회로는 갖지 않으므로 회로를 소형화하기에 유리하다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 2 개 증폭기 그룹을 이용한 디지털 기반 다중 모드 가변 이득 전력 증폭 장치의 회로도이다.
도 5a는 2 개 증폭기 그룹을 이용한 디지털 기반 다중 모드 가변 이득 전력 증폭 장치의 전류 결합 방식을 이용한 구조의 구현 예시이며, 도 5b는 도 5a의 90° 전송선로 등가회로를 나타낸 도면이고, 도 5c는 전압 결합 방식을 이용한 구조의 구현 예시이고, 도 5d는 도 5c의 2개 직렬연결 90° 전송선로 등가회로를 나타낸 도면이다.
여기서 증폭기 그룹에서의 단위 셀은 Class-D 전력 증폭기 구조를 사용하며, Class-D 전력 증폭기 각각은 디지털 신호에 따라 동작상태가 제어된다. 동작상태는 정상, 개방, 단락 3가지 상태로 구분되며, 특정한 전력 상태에서 동작상태를 변경시킨다. 제1 증폭기 그룹에서 N개 단위 셀 증폭기를 포함하고 제2 증폭기 그룹은 k*N개 단위 셀 증폭기를 포함한다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 전류 결합 방식의 경우, 온 칩(on-chip) 커패시터(531, 532), 본딩 와이어(bonding wire), 및 오프 칩(off-chip) 집중소자 커패시터(540)가 병렬로 연결된 90° 전송선로(521, 522) 등가 회로를 구성한다.
제1 증폭기 그룹의 출력단(511)은 제1 90° 전송선로(521)에 연결되고, 제2 증폭기 그룹의 출력단(512)은 제2 90° 전송선로(522)에 연결된다.
도 5c 및 도 5d를 참조하면, 전압 결합 방식의 경우, 온 칩(on-chip) 커패시터(533, 534, 535, 536), 본딩 와이어, 오프 칩 발룬(balun) 및 오프 칩 집중소자 커패시터(570)를 이용하여 4 개 90° 전송선로(523, 524, 525, 526) 등가 회로를 구성한다.
제1 증폭기 그룹의 출력(513)은 제1 90° 전송선로(523)에 연결되고, 제2 증폭기 그룹의 출력(514)은 제3 90° 전송선로(525)에 연결된다. 제2 90° 전송선로(524)와 제4 90° 전송선로(526)는 오프 칩 발룬(balun) (560)에 연결된다.
여기서 발룬(560)은 임피던스 변환 기능은 갖지 않고, 차동 포트와 단일 포트를 연결하는 구조를 갖는다.
도 6은 도 5a의 일 실시예에 따른 2 개 증폭기 그룹으로 구성한 가변 이득 전력 증폭 장치 전류 결합 방식의 부하 임피던스를 나타낸다. 도 6a는 높은 출력 전력 영역에서의 부하 임피던스를 나타내기 위한 회로도이고, 도 6b는 중간 출력 전력 영역에서의 부하 임피던스를 나타내기 위한 회로도이며, 도 6c는 낮은 출력 전력 영역에서의 부하 임피던스를 나타내기 위한 회로도이다.
도 6a를 참조하면, 고 출력 전력 영역에서는 제어부(100)는 두 개의 증폭기 그룹에서의 모든 단위 셀을 동작시켜 전류 결합 부하에서 두 개의 증폭기 그룹 회로 각자 과 의 부하 임피던스를 보인다. 의 부하 임피던스를 갖는 제1 증폭기 그룹(Group 1)의 출력은 제1 90° 전송선로(521)를 통하여 전류 결합 부하에서 보이는 임피던스는 최적 임피던스 로 변조되고, 의 부하 임피던스를 갖는 제2 증폭기 그룹(Group 2)의 출력은 제2 90° 전송선로(522)를 통하여 전류 결합 부하에서 보이는 임피던스는 최적 임피던스 로 변조된다.
도 6b를 참조하면, 중간 출력 전력 영역에서는 제어부(100)는 제1 증폭기 그룹(Group 1)의 N개의 단위 셀을 모두 접지된 상태 즉 단락상태로 제어하여 제1 90° 전송선로(521)를 통하여 전력 결합 부하에서 무한대 임피던스를 만들어낸다. 이로써, 제1 증폭기 그룹(Group 1)은 제2 증폭기 그룹(Group 2)에서의 임피던스 변조 동작에 영향을 미치지 않게 된다.
제어부(100)는 제2 증폭기 그룹(Group 2)의 일부 단위 셀을 개방상태로 제어하여 개의 단위 셀만 정상 상태로 동작시켜, 부하 임피던스 이 제2 증폭기 그룹(Group 2)의 출력에 연결된 제2 90° 전송선로(522)를 통하여 로 변조되어 제2 증폭기 그룹(Group 2)에 필요한 최적 임피던스를 제공한다.
도 6c를 참조하면, 낮은 출력 전력 영역에서는 제2 증폭기 그룹(Group 2)의 k*N개의 단위 셀을 모두 접지된 상태로 동작시켜 제2 90° 전송선로(522)를 통하여 전력 결합 부하(p1)에서 무한대 임피던스를 만들어낸다. 이로써, 제2 증폭기 그룹(Group 2)은 제1 증폭기 그룹(Group 1)에서의 임피던스 변조 독작에 영향을 미치지 않게 된다.
제어부(100)는 제1 증폭기 그룹(Group 1)의 일부 단위 셀을 오프시켜 개의 단위 셀만 정상 상태로 동작시켜, 부하 의 임피던스가 제1 증폭기 그룹(Group 1)의 출력에 연결된 제1 90° 전송선로(521)를 통하여 로 변조되어 제1 증폭기 그룹(Group 1)에 필요한 최적 임피던스를 제공한다.
도 7은 도 5b의 일 실시예에 따른 2 개 증폭기 그룹으로 구성한 가변 이득 전력 증폭 장치 전압 결합 경우의 부하 임피던스를 나타낸 회로도이다. 도 7a는 높은 출력 전력 영역에서의 부하 임피던스를 나타내기 위한 회로도이고, 도 7b는 중간 출력 전력 영역에서의 부하 임피던스를 나타내기 위한 회로도이며, 도 7c는 낮은 출력 전력 영역에서의 부하 임피던스를 나타내기 위한 회로도이다.
도 7a를 참조하면, 고 출력 전력 영역에서는 제어부(100)는 두 개의 증폭기 그룹에서의 모든 단위 셀을 동작시켜 전압 결합 부하에서 두 개의 증폭기 그룹 회로 각자 과 의 부하 임피던스를 보인다. 의 부하 임피던스를 갖는 제1 증폭기 그룹(Group 1)의 출력은 직렬로 연결한 제1 90° 전송선로(524)와 제2 90°전송선로(523)를 통하여 전압 결합 부하에서 보이는 임피던스는 최적 임피던스 로 변조되고, 의 부하 임피던스를 갖는 제2 증폭기 그룹(Group 2)의 출력은 제3 90° 전송선로(526)와 제4 90° 전송선로(525)를 통하여 전류 결합 부하에서 보이는 임피던스는 최적 임피던스 로 변조된다. 여기서 는 최적 부하 임피던스이다.
도 7b를 참조하면, 중간 출력 전력 영역에서는 제어부(100)는 제1 증폭기 그룹(Group 1)의 N개의 단위 셀을 모두 접지된 상태 즉 단락상태로 제어하여 제1 90° 전송선로(524)와 제2 90°전송선로(523)를 통하여 전력 결합 부하에서 0 임피던스를 만들어낸다. 제어부(100)는 제2 증폭기 그룹(Group 2)의 일부 단위 셀을 개방상태로 제어하여 개의 단위 셀만 정상 상태로 동작시켜, 부하 임피던스 이 제2 증폭기 그룹(Group 2)의 출력에 연결된 제3 90° 전송선로(526)와 제4 90° 전송선로(525)를 통하여 로 변조되어 제2 증폭기 그룹(Group 2)에 필요한 최적 임피던스를 제공한다.
도 7c를 참조하면, 낮은 출력 전력 영역에서는 제2 증폭기 그룹(Group 2)의 k*N개의 단위 셀을 모두 접지된 상태로 동작시킨다.
제어부(100)는 제1 증폭기 그룹(Group 1)의 일부 단위 셀을 오프시켜 개의 단위 셀만 정상 상태로 동작시켜, 부하 의 임피던스가 제1 증폭기 그룹(Group 1)의 출력에 연결된 제1 90° 전송선로(524)와 제2 90°전송선로(523)를 통하여 로 변조되어 제1 증폭기 그룹(Group 1)에 필요한 최적 임피던스를 제공한다.
이와 같이, 두 개의 증폭기 그룹에서의 동작하는 단위 셀 비율을 조절함으로써, 출력 전력 효율 개선 구간에서 2 개나 3 개 전력 상태에 피크 효율을 얻을 수 있으며, 실제 설계 요구에 따라 제어부(100)는 적절한 증폭기 집단 단위 셀 비율을 선택할 수 있다.
이 경우 높은 출력 전력 영역에서는 두 개 증폭기 그룹이 각자 최대 전력을 출력하지만, 출력 전력 낮은 영역에서는 각 증폭기 그룹에서의 단위 셀을 적당한 순서로 제어하여 개방(open) 회로나 단락(short) 회로로 만들어 줌으로써, 각 증폭기 그룹의 부하 임피던스가 출력 크기에 따라 변조되어 상대적 낮은 전력 영역에서의 효율이 개선된다. 제안한 부하 변조 동작은 전류 결합 및 전압을 결합 방식으로 정리될 수 있으며, 기존 일반 가변 이득 전력 증폭기에 비교하면 낮은 출력 전력 영역에서의 효율이 크게 개선될 수 있다. 증폭기 그룹 개수 n이 증가함에 따라 개 출력 전력 상태에서 피크 효율을 얻을 수 있으며 효율 개선 효과가 증가한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 증폭 장치의 전력부가효율(PAE; Power Added Efficiency)을 나타내는 그래프이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 파라미터 k는 증폭기 그룹 각각의 단위 셀 증폭기 개수의 비율을 나타내며, 도 8a는 비율 k=1, 도 8b는 비율 k=1.325, 도 8c는 비율 k=1.618, 도 8d는 비율 k=2.148 일 때 PAE 곡선의 개형을 나타낸다.
표 1을 참조하면 알 수 있는 바와 같이, 비율 k에 따라 각 증폭기 그룹에서 동작하는 셀의 개수 비율 및 스위칭 순서를 조절하며 효율 개선되는 전력 구간 및 개선된 피크 효율의 위치가 조절될 수 있다.
[표 1]
본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 기반 다중 모드 가변 이득 전력 증폭 장치에 의해 넓은 출력 전력 조절 범위를 갖는 무선통신 시스템 송신기 전력 증폭 장치의 전체 평균 효율을 개선할 수 있다. 전력 증폭 장치의 효율 개선은 무선통신 시스템 전체의 효율 개선으로 이어지며, 모바일 디바이스나 저전력 디바이스의 경우 전력 소모를 줄여 배터리의 사용 시간을 증가시키고 발열량을 줄이는 효과를 기대할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 사람이라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 실행된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (6)

  1. 전류 결합 방식이 적용된 다중 모드 가변 이득 전력 증폭 장치에 있어서,
    각각이 동일한 입력단에 병렬로 연결된 복수개의 증폭기를 갖는 복수개의 증폭기 그룹;
    디지털 신호를 출력하여 상기 복수개의 증폭기 그룹에 있는 단위 셀들의 동작 상태를 제어하여 동작하는 단위 셀 비율을 조절하는 제어부; 및
    상기 복수개의 증폭기 그룹 각각의 출력단에 연결되어 부하 임피던스의 값을 변환시키며, 각각이 하나의 출력단에 연결된 복수개의 부하 임피던스 트랜스포머
    를 포함하고,
    상기 부하 임피던스 트랜스포머는 1개의 90˚ 전송선으로 구성되어 전류 결합 부하에서 부하 임피던스 ZL을 증폭기 출력단 부하 Z0 2/ZL이 되도록 임피던스 변조를 수행하고,
    상기 복수개의 증폭기 그룹은 N개의 단위 셀을 갖는 제1 증폭기 그룹과 kn*N개의 단위 셀을 갖는 하나 이상의 제2 증폭기 그룹을 포함하고,
    상기 제어부가 전류 결합 방식의 경우, 고출력 전력에서 제1 증폭기 그룹과 하나 이상의 제2 증폭기 그룹의 각각의 증폭기를 정상상태로 제어하고, 중간 출력 전력에서 제1 증폭기 그룹의 증폭기를 모두 단락 상태로 제어하고 하나 이상의 제2 증폭기 그룹의 일부 증폭기를 개방상태로 제어하며, 저 출력 전력에서 제1 증폭기 그룹의 일부 증폭기를 개방상태로 제어하고, 하나 이상의 제2 증폭기 그룹의 증폭기를 모두 단락 상태로 제어하여 출력 전력 크기를 제어하며 각 증폭기 출력단에서 부하 변조가 일어나도록 제어하는 것을 특징으로 하는 다중 모드 가변 이득 전력 증폭 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    전류 결합으로 전력 결합시키는 경우, 상기 부하 임피던스 트랜스포머는 하나의 90° 전송선로로서, 각 증폭기 그룹 출력단의 부하 임피던스를 단위 셀 제어에 따라 변조하여 상대적으로 낮은 전력 영역에서 효율 개선이 되는 것을 특징으로 하는 다중 모드 가변 이득 전력 증폭 장치.
  3. 전압 결합 방식이 적용된 다중 모드 가변 이득 전력 증폭 장치에 있어서,
    각각이 동일한 입력단에 병렬로 연결된 복수개의 증폭기를 갖는 복수개의 증폭기 그룹;
    디지털 신호를 출력하여 상기 복수개의 증폭기 그룹에 있는 단위 셀들의 동작 상태를 제어하여 동작하는 단위 셀 비율을 조절하는 제어부; 및
    상기 복수개의 증폭기 그룹 각각의 출력단에 연결되어 부하 임피던스의 값을 변환시키며, 각각이 하나의 출력단에 연결된 복수개의 부하 임피던스 트랜스포머
    를 포함하고,
    상기 부하 임피던스 트랜스포머는 2개의 직렬로 연결된 90˚ 전송선으로 구성되어 전압 결합 부하에서 부하 임피던스 ZL을 증폭기 출력단 부하 K*ZL이 되도록 임피던스를 확대 또는 축소하고,
    상기 복수개의 증폭기 그룹은 N개의 단위 셀을 갖는 제1 증폭기 그룹과 kn*N개의 단위 셀을 갖는 하나 이상의 제2 증폭기 그룹을 포함하고,
    상기 제어부가 전압 결합 방식의 경우, 고출력 전력에서 제1 증폭기 그룹과 하나 이상의 제2 증폭기 그룹의 각각의 증폭기를 정상상태로 제어하고, 중간 출력 전력에서 제1 증폭기 그룹의 증폭기를 모두 단락 상태로 제어하고 하나 이상의 제2 증폭기 그룹의 일부 증폭기를 개방상태로 제어하며, 저 출력 전력에서 제1 증폭기 그룹의 일부 증폭기를 개방상태로 제어하며, 하나 이상의 제2 증폭기 그룹의 증폭기를 모두 단락 상태로 제어하여 출력 전력 크기를 제어하며 각 증폭기 출력단에서 부하 변조가 일어나도록 제어하는 것을 특징으로 하는 다중 모드 가변 이득 전력 증폭 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    전압 결합으로 전력 결합시키는 경우, 상기 부하 임피던스 트랜스포머는 2개의 직렬로 연결된 90° 전송선로로서, 각 증폭기 그룹 출력단의 부하 임피던스를 단위 셀 제어에 따라 변조하여 상대적 낮은 전력 영역에서 효율 개선이 되는 것을 특징으로 하는 다중 모드 가변 이득 전력 증폭 장치.
  5. 삭제
  6. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 임피던스 트랜스포머는 집중소자(Lumped element) 및 분포소자(Distributed element)를 이용하여 구성되며, 전송선로인 부하 회로 구조의 등가물인 것을 특징으로 하는 다중 모드 가변 이득 전력 증폭 장치.

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KR101049649B1 (ko) * 2004-09-10 2011-07-14 엘지에릭슨 주식회사 다중 경로 도허티 증폭기 및 그 제어 방법
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