KR102563231B1 - 캐스코드 전류 스티어링을 통해 향상된 증폭기 효율 - Google Patents

캐스코드 전류 스티어링을 통해 향상된 증폭기 효율 Download PDF

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스카이워크스 솔루션즈, 인코포레이티드
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Abstract

일부 구현들에 따르면, 전력 증폭기(PA)는 무선-주파수(RF) 신호를 수신하도록 구성된 공통 이미터를 포함한다. PA는 또한 공통 이미터에 연결되어 캐리어 캐스코드 구성을 형성하는 캐리어 증폭기를 포함하고, 캐리어 증폭기의 콜렉터에는 제1 공급 전압이 제공된다. PA는 공통 이미터에 연결되어 피킹 캐스코드 구성을 형성하는 피킹 증폭기를 추가로 포함하고, 피킹 증폭기의 콜렉터에는 제1 공급 전압보다 큰 제2 공급 전압이 제공된다.

Description

캐스코드 전류 스티어링을 통해 향상된 증폭기 효율
<관련 출원(들)에 대한 상호-참조>
본 출원은 2015년 2월 15일자로 출원되고 발명의 명칭이 ENHANCED AMPLIFIER EFFICICIENCY THROUGH CASCODE CURRENT STEERING인 미국 가출원 제62/116,464호의 우선권을 주장하며, 그 개시내용은 본 명세서에 명시적으로 전체적으로 참조로 포함된다.
본 개시내용은 무선-주파수(radio-frequency)(RF) 애플리케이션들에서의 전력 증폭기들에 관한 것이다.
전력 증폭기(power amplifier)(PA)들은 정보-베어링(information-bearing) 신호의 송신 전력 레벨을 설정하기 위해 네트워크들에서 널리 사용된다. 예를 들어, PA들은 광 네트워크들에서 레이저들의 펄스 방출 에너지를 설정하는 데 사용된다. PA들은 또한 무선-주파수(RF) 신호의 송신 전력 레벨을 설정하기 위해 기지국들 및 모바일 디바이스들과 같은 다양한 무선 네트워크 디바이스들에 포함된다. PA들은 또한 다양한 디바이스들의 유선 및 무선 접속을 가능하게 하기 위해 근거리 네트워크들에도 사용된다.
배터리를 사용하는 모바일 디바이스에서는 PA 동작을 관리하는 것이 중요한데, 왜냐하면 PA의 전력 소비가 종종 배터리 수명에 상당한 영향을 미치기 때문이다. 그러나, 전력 소비 목표들을 만족시키면 선형성과 같은 다른 목표들에 해를 끼칠 수 있으며, 이는 신호 무결성 및 데이터 패킷들의 오류 제어에 영향을 미친다.
무선 디바이스들과 같은 일부 디바이스들은 PA 효율을 향상시키기 위해 도허티 증폭기(Doherty amplifier)를 사용한다. 대부분의 경우, 도허티 증폭기는 통상적인 싱글 엔드 증폭기(single ended amplifier)들에 비해 효율성 이점들을 갖는다.
피크 대 평균 비율들이 높은 일부 고급 변조 방식들은 선형성을 유지하기 위해 증폭기가 그들의 최대 포화 출력 전력(saturated output power)(Psat)으로부터 수 dB에서 동작해야 한다. 도허티 증폭기는 Psat로부터 대략 6dB의 효율 피크를 가지기 때문에, 그 선형 효율이 향상될 수 있다. 또한, 도허티 증폭기는 RF 입력 스플리터/페이즈 시프터 및 출력 결합기로 인해 PA에 복잡성을 추가한다.
다수의 구현들에 따르면, 본 개시내용은 무선-주파수(RF) 신호를 수신하도록 구성된 공통 이미터를 포함하는 전력 증폭기(PA)에 관한 것이다. PA는 또한 공통 이미터에 연결되어 캐리어 캐스코드 구성을 형성하는 캐리어 증폭기를 포함하고, 캐리어 증폭기의 콜렉터에는 제1 공급 전압이 제공된다. PA는 공통 이미터에 연결되어 피킹 캐스코드 구성을 형성하는 피킹 증폭기(peaking amplifier)를 추가로 포함하고, 피킹 증폭기의 콜렉터에는 제1 공급 전압보다 큰 제2 공급 전압이 제공된다.
일부 구현들에서, 캐리어 증폭기 및 피킹 증폭기 각각에 바이어스 전압이 제공되어, 각각의 증폭기가 턴온 및 턴오프될 수 있게 한다.
일부 구현들에서, PA의 출력 전력(Pout)이 선택된 값보다 작을 때, 캐리어 증폭기는 그 바이어스 전압을 하이 레벨로 설정시킴으로써 턴온되고, 피킹 증폭기는 그 바이어스 전압을 접지 레벨로 설정시킴으로써 턴오프된다. 일부 구현들에서, PA의 실질적으로 모든 콜렉터 전류가 제1 공급 전압으로부터 획득되어, 출력 전력에서 최대 또는 증가된 효율을 산출한다.
일부 구현들에서, Pout이 선택된 값보다 클 때, 캐리어 증폭기는 그 바이어스 전압을 접지 레벨로 설정시킴으로써 턴오프되고, 피킹 증폭기는 그 바이어스 전압을 하이 레벨로 설정시킴으로써 턴온된다. 일부 구현들에서, PA의 실질적으로 모든 콜렉터 전류가 제2 공급 전압으로부터 획득되어, 최대 출력 전력의 증가를 산출한다.
일부 구현들에서, 선택된 값은 포화 전력 레벨(saturation power level)(Psat) 마이너스 3dB이다.
일부 구현들에서, 캐리어 캐스코드 구성 및 피킹 캐스코드 구성은 어느 구성에서든 PA의 이득을 실질적으로 보존한다.
일부 구현들에서, PA는, 제1 공급 전압과 제2 공급 전압 사이의 전이 동안에, 진폭 대 진폭(AM-AM) 응답의 불연속성을 최소화시키거나 감소시킨다.
일부 구현들에서, 본 개시내용은 복수의 컴포넌트들을 수용하도록 구성된 패키징 기판을 포함하는 무선-주파수(RF) 모듈에 관한 것이다. RF 모듈은 패키징 기판 상에 구현된 전력 증폭기(PA)를 추가로 포함하고, PA는 RF 신호를 수신하도록 구성된 공통 이미터를 포함하고, PA는 공통 이미터에 연결되어 캐리어 캐스코드 구성을 형성하는 캐리어 증폭기를 추가로 포함하고, 캐리어 증폭기의 콜렉터에는 제1 공급 전압이 제공되며, PA는 공통 이미터에 연결되어 피킹 캐스코드 구성을 형성하는 피킹 증폭기를 추가로 포함하고, 피킹 증폭기의 콜렉터에는 제1 공급 전압보다 큰 제2 공급 전압이 제공된다.
일부 구현들에서, RF 모듈은 프론트-엔드 모듈(front-end module)(FEM)이다. 일부 구현들에 따르면, RF 모듈의 PA는 여기에 설명된 PA들 및/또는 증폭 시스템들 중 임의의 것의 기능들 및/또는 특징들을 포함한다.
일부 교시들에 따르면, 본 개시내용은 RF 신호를 생성하도록 구성된 송수신기를 포함하는 무선-주파수(RF) 디바이스에 관한 것이다. RF 디바이스는 또한, 송수신기와 통신하는 프론트-엔드 모듈(FEM)을 포함하고, FEM은 복수의 컴포넌트들을 수용하도록 구성된 패키징 기판을 포함하고, FEM은 패키징 기판 상에 구현된 전력 증폭기(PA)를 추가로 포함하고, PA는 RF 신호를 수신하도록 구성된 공통 이미터를 포함하고, PA는 공통 이미터에 연결되어 캐리어 캐스코드 구성을 형성하는 캐리어 증폭기를 추가로 포함하고, 캐리어 증폭기의 콜렉터에는 제1 공급 전압이 제공되며, PA는 공통 이미터에 연결되어 피킹 캐스코드 구성을 형성하는 피킹 증폭기를 추가로 포함하고, 피킹 증폭기의 콜렉터에는 제1 공급 전압보다 큰 제2 공급 전압이 제공된다. RF 디바이스는 FEM과 통신하는 안테나를 추가로 포함하고, 안테나는 증폭된 RF 신호를 송신하도록 구성된다.
일부 구현들에서, RF 디바이스는 무선 디바이스를 포함한다. 일부 구현들에서, 무선 디바이스는 기지국, 리피터, 셀룰러폰, 스마트폰, 컴퓨터, 랩탑, 태블릿 컴퓨터 및 주변 디바이스 중 적어도 하나를 포함한다. 일부 구현들에 따르면, FEM 모듈의 PA는 여기에 설명된 PA들 및/또는 증폭 시스템들 중 임의의 것의 기능들 및/또는 특징들을 포함한다.
본 개시내용을 요약하기 위해, 본 발명의 특정 양태들, 이점들 및 신규한 특징들이 여기에 설명되었다. 반드시 그러한 이점들 모두가 본 발명의 임의의 특정 실시예에 따라 달성될 수 있는 것은 아님을 이해해야 한다. 따라서, 본 발명은 여기에서 교시되거나 제시될 수 있는 다른 이점들을 반드시 달성할 필요 없이 여기에 교시된 하나의 이점 또는 이점들의 그룹을 달성하거나 최적화하는 방식으로 구현되거나 수행될 수 있다.
본 개시내용이 보다 상세하게 이해될 수 있도록, 다양한 구현들의 특징들을 참조하여 더욱 상세한 설명이 이루어질 수 있으며, 그 중 일부는 첨부된 도면들에 도시되어 있다. 그러나, 첨부된 도면들은 단지 본 개시내용의 보다 적절한 특징들을 예시할 뿐이며, 따라서 본 설명은 다른 효과적인 특징들을 인정할 수 있으므로, 제한적인 것으로 고려되어서는 안된다.
도 1은 일부 구현들에 따른 무선 시스템 또는 아키텍처의 블록도이다.
도 2는 일부 구현들에 따른 따른 증폭 시스템의 블록도이다.
도 3a 내지 도 3e는 일부 구현들에 따른 전력 증폭기들의 개략도들을 도시한다.
도 4는 일부 구현들에 따른 증폭 시스템의 블록도이다.
도 5는 일부 구현들에 따른 전류 스티어링 캐스코드 증폭기의 개략도이다.
도 6은 일부 구현들에 따른 캐스코드 바이어스 전압 제어의 예시적인 플롯을 도시한다.
도 7은 일부 구현들에 따른 도 5의 전류 스티어링 캐스코드 증폭기의 예시적인 전류 경로를 도시한다.
도 8은 일부 구현들에 따른 도 5의 전류 스티어링 캐스코드 증폭기의 다른 예시적인 전류 경로를 도시한다.
도 9는 일부 구현들에 따른 캐리어 및 피킹 증폭기들의 예시적인 응답들을 도시한다.
도 10은 일부 구현들에 따른 전류 스티어링 캐스코드 증폭기의 예시적인 성능 플롯들을 도시한다.
도 11은 일부 구현들에 따른 예시적인 무선-주파수(RF) 모듈의 개략도이다.
도 12는 일부 구현들에 따른 예시적인 RF 디바이스의 개략도이다.
통상적인 실시에 따르면, 도면들에 도시되는 다양한 피쳐들은 축척대로 그려지지 않을 수 있다. 따라서, 명확성을 위해 다양한 피쳐들의 치수들이 임의로 확장되거나 축소될 수 있다. 또한, 도면들 중 일부 도면들은 주어진 시스템, 방법 또는 디바이스의 모든 컴포넌트들을 도시하지 않을 수도 있다. 마지막으로, 명세서 및 도면들 전체에 걸쳐 동일한 특징들을 나타내기 위해 동일한 참조 번호들이 사용될 수 있다.
여기에 제공된 제목들은 (있는 경우) 단지 편의상 제공되는 것으로서, 청구되는 발명의 범위 또는 의미에 반드시 영향을 주지는 않는다.
도 1을 참조하면, 본 개시내용의 하나 이상의 특징들은 일반적으로 증폭 시스템(52)을 갖는 무선 시스템 또는 아키텍처(50)에 관한 것이다. 일부 실시예들에서, 증폭 시스템(52)은 하나 이상의 디바이스들로서 구현될 수 있으며, 이러한 디바이스(들)는 무선 시스템/아키텍처(50)에서 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 무선 시스템/아키텍처(50)는 예를 들어, 휴대용 무선 디바이스에서 구현될 수 있다. 이러한 무선 디바이스의 예들이 여기에 설명되어 있다.
도 2는 도 1의 증폭 시스템(52)이 통상적으로 하나 이상의 전력 증폭기(PA)들을 갖는 무선-주파수(RF) 증폭기 어셈블리(54)를 포함하는 것을 도시한다. 도 2의 예에는, 3개의 PA들(60a-60c)이 RF 증폭기 어셈블리(54)를 형성하는 것으로 도시되어 있다. 다른 수의 PA(들)가 또한 구현될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 또한, 본 개시내용의 하나 이상의 특징들이 또한 다른 타입들의 RF 증폭기들을 갖는 RF 증폭기 어셈블리들에서 구현될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
일부 실시예들에서, RF 증폭기 어셈블리(54)는 하나 이상의 반도체 다이 상에 구현될 수 있으며, 이러한 다이는 전력 증폭기 모듈(power amplifier module)(PAM) 또는 프론트-엔드 모듈(front-end module)(FEM)과 같은 패키징된 모듈에 포함될 수 있다. 이러한 패키징된 모듈은 통상적으로 예를 들어, 휴대용 무선 디바이스와 연관된 회로 보드 상에 장착된다.
증폭 시스템(52) 내의 PA들(예를 들어, 60a-60c)은 통상적으로 바이어스 시스템(56)에 의해 바이어스된다. 또한, PA들에 대한 공급 전압들은 통상적으로 공급 시스템(58)에 의해 제공된다. 일부 실시예들에서, 바이어스 시스템(56) 및 공급 시스템(58) 중 어느 하나 또는 둘 모두는 RF 증폭기 어셈블리(54)를 갖는 전술한 패키징된 모듈에 포함될 수 있다.
일부 실시예들에서, 증폭 시스템(52)은 매칭 네트워크(62)를 포함할 수 있다. 이러한 매칭 네트워크는 RF 증폭기 어셈블리(54)에 대한 입력 매칭 및/또는 출력 매칭 기능들을 제공하도록 구성될 수 있다.
설명의 목적을 위해, 도 2의 PA들(60a-60c) 각각이 다수의 방식들로 구현될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 도 3a 내지 도 3e는 도 2의 PA들(60a-60c) 각각이 어떻게 구성될 수 있는지에 대한 비제한적인 예들을 도시한다. 도 3a는 증폭 트랜지스터(64)를 갖는 예시적인 PA를 도시하며, 여기서 입력 RF 신호(RF_in)가 트랜지스터(64)의 베이스에 제공되고, 증폭된 RF 신호(RF_out)가 트랜지스터(64)의 콜렉터를 통해 출력된다.
도 3b는 복수의 증폭 트랜지스터들(예를 들어, 64a, 64b)을 스테이지식으로(in stages) 배치한 예시적인 PA를 도시한다. 입력 RF 신호(RF_in)는 제1 트랜지스터(64a)의 베이스에 제공되고, 제1 트랜지스터(64a)로부터 증폭된 RF 신호는 그 콜렉터를 통해 출력된다. 제1 트랜지스터(64a)로부터 증폭된 RF 신호는 제2 트랜지스터(64b)의 베이스에 제공되고, 제2 트랜지스터(64b)로부터 증폭된 RF 신호는 그 콜렉터를 통해 출력되어, PA의 출력 RF 신호(RF_out)를 산출한다.
일부 실시예들에서, 도 3b의 전술한 예시적인 PA 구성은 도 3c에 도시된 바와 같이 2 이상의 스테이지들로 도시될 수 있다. 제1 스테이지(64a)는 예를 들어, 드라이버 스테이지로서 구성될 수 있으며, 제2 스테이지(64b)는 예를 들어, 출력 스테이지로서 구성될 수 있다.
도 3d는, 일부 실시예들에서, PA가 도허티 PA로서 구성될 수 있음을 도시한다. 이러한 도허티 PA는 입력 RF 신호(RF_in)의 캐리어 증폭 및 피킹 증폭을 제공하도록 구성된 증폭 트랜지스터들(64a, 64b)을 포함하여, 증폭된 출력 RF 신호(RF_out)를 산출할 수 있다. 입력 RF 신호는 스플리터(splitter)에 의해 캐리어 부분과 피킹 부분으로 스플릿될 수 있다. 증폭된 캐리어 및 피킹 신호들은 결합기(combiner)에 의해 결합되어 출력 RF 신호를 산출할 수 있다.
도 3e는, 일부 실시예들에서, PA가 캐스코드 구성으로 구현될 수 있음을 도시한다. 공통 이미터 디바이스로서 동작되는 제1 증폭 트랜지스터(64a)의 베이스에 입력 RF 신호(RF_in)가 제공될 수 있다. 제1 증폭 트랜지스터(64a)의 출력이 그 콜렉터를 통해 제공될 수 있고, 공통 베이스 디바이스로서 동작되는 제2 증폭 트랜지스터(64b)의 이미터에 제공될 수 있다. 제2 증폭 트랜지스터(64b)의 출력이 그 콜렉터를 통해 제공되어, PA의 증폭된 출력 RF 신호(RF_out)를 산출할 수 있다.
도 3a 내지 도 3e의 다양한 예들에서, 증폭 트랜지스터들은 헤테로 접합 바이폴라 트랜지스터(heterojunction bipolar transistor)(HBT)들과 같은 바이폴라 접합 트랜지스터(bipolar junction transistor)(BJT)들로서 설명된다. 본 개시내용의 하나 이상의 특징들은 또한 전계-효과 트랜지스터(field-effect transistor)(FET)들과 같은 다른 타입들의 트랜지스터들에서 또는 이와 함께 구현될 수도 있다는 것이 이해될 것이다.
도 4는, 일부 실시예들에서, 도 2의 증폭 시스템(52)이 고-전압(high-voltage)(HV) 전력 증폭 시스템(100)으로서 구현될 수 있음을 도시한다. 이러한 시스템은 PA들(예를 들어, 60a-60c) 중 일부 또는 전부의 PA들의 HV 증폭 동작을 포함하도록 구성된 HV 전력 증폭기 어셈블리(54)를 포함할 수 있다. 여기에서 설명된 바와 같이, 이러한 PA들은 바이어스 시스템(56)에 의해 바이어스될 수 있다. 일부 실시예들에서, 전술한 HV 증폭 동작은 HV 공급 시스템(58)에 의해 용이해질 수 있다. 일부 실시예들에서, 인터페이스 시스템(72)은 HV 전력 증폭기 어셈블리(54)와 바이어스 시스템(56) 및 HV 공급 시스템(58) 중 어느 하나 또는 둘 모두 사이에서 인터페이스 기능들을 제공하도록 구현될 수 있다.
캐스코드 전류 스티어링을 통해 전력 증폭기(PA) 효율을 향상시키는 것과 관련된 예들이 여기에 설명된다. 도허티 증폭기는 통상적인 싱글 엔드 증폭기에 비해 효율 이점들을 제공할 수 있다는 점에 주목해야 한다. 일부 실시예들에서, 피크 대 평균 비율들이 높은 고급 변조 방식들은 선형성을 유지하기 위해 도허티 증폭기가 최대 포화 출력 전력(Psat)으로부터 수 dB에서 동작되는 것이 필요하거나 바람직하다. 도허티 증폭기는 통상적으로 P로부터 약 6dB의 효율 피크를 가지므로, 그 선형성 효율이 개선의 여지가 있다.
여기에서는 무선-주파수(RF) 입력 스플리터/위상 시프터 및 출력 결합기의 복잡성 없이 도허티 증폭기와 유사한 효율 응답이 어떻게 획득될 수 있는지에 대한 예들을 개시한다.
도 5는 일부 구현들에 따른 전류 스티어링 캐스코드 증폭기(500)의 예시적인 개략도를 도시한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 전류 스티어링 캐스코드 증폭기(500)는 그 베이스에서 입력 RF 신호(RFin(502))를 수신하고, 그 콜렉터를 통해 출력(RFout(504))을 생성하도록 구성된 공통 이미터(510)를 갖는다. 이러한 출력은 피킹 증폭기(520)의 이미터 및 캐리어 증폭기(530)의 이미터에도 제공되는 것으로 도시되어 있다. 캐리어 증폭기(530)는 그것의 콜렉터를 통해 그것의 출력을 생성하는 것으로 도시되어 있고, 피킹 증폭기(520)는 그것의 콜렉터를 통해 그것의 출력을 생성하는 것으로 도시되어 있다. 따라서, 공통 이미터(510) 및 캐리어 증폭기(530)가 캐리어 캐스코드 구성을 형성할 수 있다. 마찬가지로, 공통 이미터(510) 및 피킹 증폭기(520)가 피킹 캐스코드 구성을 형성할 수 있다.
도 5의 예에서, 캐리어 증폭기(530) 및 피킹 증폭기(520)의 콜렉터 노드들은 DC-차단 커패시턴스 엘리먼트(542)에 의해 연결되는 것으로 도시되어 있다. 캐리어 증폭기(530)의 콜렉터는 DC-차단 커패시턴스 엘리먼트(544)를 통해 출력 노드(RFout(504))에 연결되는 것으로 도시되어 있다.
공급 전압 Vcc(552)가 초크 인덕턴스 엘리먼트(554)를 통해 피킹 증폭기(520)의 콜렉터에 제공되는 것으로 도시되어 있다. 공급 전압
Figure 112017089442559-pct00001
(556)가 초크 인덕턴스 엘리먼트(558)를 통해 캐리어 증폭기(530)의 콜렉터에 제공되는 것으로 도시되어 있다.
피킹 증폭기(520)는 피킹 바이어스 시스템으로부터의 피킹 캐스코드 바이어스 전압(Vcascode)(562)에 의해 그 베이스에서 바이어스되는 것으로 도시되어 있다. 캐리어 증폭기(530)는 캐리어 바이어스 시스템으로부터의 캐리어 캐스코드 바이어스 전압(Vcascode)(564)에 의해 그 베이스에서 바이어스되는 것으로 도시되어 있다.
도 6은 일부 구현들에 따른 캐스코드 바이어스 전압 제어의 예시적인 플롯(600)을 도시한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 캐리어 캐스코드 바이어스 전압(Vcascode)(564)(실선) 및 피킹 캐스코드 바이어스 전압(Vcascode)(562)(파선)은 출력 전력(Pout)의 함수들로서 변한다. 예를 들어, 캐리어 캐스코드 바이어스 전압(Vcascode)(564)은 Pout < Psat-3dB일 때는 대략 2V의 값을 가지며, Pout > Psat-3dB일 때는 대략 0V의 값을 갖는 것으로 도시되어 있다. 피킹 캐스코드 바이어스 전압(Vcascode)(562)은 Pout < Psat-3dB일 때는 대략 0V의 값을 가지며, Pout > Psat-3dB일 때는 대략 2V의 값을 갖는 것으로 도시되어 있다.
전술한 바이어싱 구성에 의하면, 도 7에 도시된 예시적인 전류 경로(예를 들어, Icc 경로(700))는 Pout < Psat-3dB일 때 획득될 수 있다. 피킹 캐스코드 바이어스 전압(Vcascode)(562)이 0V이고(따라서, 피킹 증폭기(520)가 오프이고), 캐리어 캐스코드 바이어스 전압(Vcascode)(564)이 2V인(따라서, 캐리어 증폭기(530)가 온인) 이러한 상태에서는, 콜렉터 전류(Icc)가 캐리어 증폭기(530) 및 공통 이미터(510)의 캐스코드 구성(예를 들어, Icc 경로(700))을 통과하도록 도시되어 있다. 이러한 상태에서 최대 Pout은
Figure 112017089442559-pct00002
이며, 여기서 RLL은 부하 저항이다.
유사하게, 전술한 바이어싱 구성에 의하면, 도 8에 도시된 예시적인 전류 경로(예를 들어, Icc 경로(800))는 Pout > Psat-3dB일 때 획득될 수 있다. 피킹 캐스코드 바이어스 전압(Vcascode)(562)이 2V이고(따라서, 피킹 증폭기(520)가 온이고), 캐리어 캐스코드 바이어스 전압(Vcascode)(564)이 0V인(따라서, 캐리어 증폭기(530)가 오프인) 이러한 상태에서는, 콜렉터 전류(Icc)가 피킹 증폭기(520) 및 공통 이미터(510)의 캐스코드 구성(예를 들어, Icc 경로(800))을 통과하도록 도시되어 있다. 이러한 상태에서 최대 Pout은
Figure 112017089442559-pct00003
이며, 여기서 RLL은 부하 저항이다.
도 6 내지 도 8의 예들을 참조하면, 2개의 공급 전압들(
Figure 112017089442559-pct00004
및 Vcc)이 캐리어 증폭기(530) 및 피킹 증폭기(520)에 각각 제공된다. 일부 구현들에서, 피킹 증폭기(520)에 대한 공급 전압 Vcc(552)는 예를 들어, 부스트 DC/DC 변환기로부터 제공될 수 있다. 일부 구현들에서, 캐리어 증폭기(530)에 대한 공급 전압
Figure 112017089442559-pct00005
(556)는 예를 들어, 벅 컨버터로부터 제공될 수 있다.
또한, 도 6 내지 도 8을 참조하면, Pout < Psat-3dB인 제1 영역에서, 피킹 증폭기(520)의 캐스코드 베이스 전압은 접지로 풀링되고, 캐리어 증폭기(530)의 캐스코드 베이스 전압은 하이(예를 들어, 2V)로 풀링된다. 이러한 구성은 실질적으로 모든 콜렉터 전류를 공급 전압
Figure 112017089442559-pct00006
(556)로부터 강제로 풀링시킨다. 이 구성에서 PA의 최대 출력 전력은
Figure 112017089442559-pct00007
이고, 이 출력 전력에서 최대 효율이 달성된다.
Pout > Psat-3dB인 영역에서, 피킹 증폭기(520)의 캐스코드 베이스 전압은 하이(예를 들어, 2V)로 풀링되고, 캐리어 증폭기(530)의 캐스코드 베이스 전압은 접지로 풀링된다. 이러한 구성은 실질적으로 모든 콜렉터 전류를 공급 전압 Vcc(552)로부터 강제로 풀링시킨다. 이 구성에서 PA의 최대 출력 전력은
Figure 112017089442559-pct00008
이거나, 또는 캐리어 증폭기 구성보다 3dB 더 높다.
캐스코드 구성에서 증폭기의 전술한 공급 제거(supply rejection)는 어느 구성에서든 증폭기의 이득을 보존한다는 것에 추가로 주목하도록 한다. 이러한 효과는, 공급 전압 Vcc(552)와 공급 전압
Figure 112017089442559-pct00009
(556) 사이의 전이 동안에, 진폭 대 진폭(AM-AM) 응답의 임의의 불연속성들을 최소화 또는 감소시킬 수 있다.
도 9는 일부 구현들에 따른 캐리어 및 피킹 증폭기들의 예시적인 응답들을 도시한다. 일부 구현들에 따르면, 다이어그램(910)은 피킹 및 캐리어 증폭기들에 대한 전력 부가 효율(power added efficiency)(PAE) 응답의 예를 도시한다. 일부 구현들에 따르면, 다이어그램(920)은 피킹 및 캐리어 증폭기들에 대한 PAE 응답의 다른 예를 도시한다. 일부 구현들에 따르면, 다이어그램(930)은 피킹 및 캐리어 증폭기들에 대한 예시적인 진폭 대 진폭(AM-AM) 응답을 도시한다. 일부 구현들에 따르면, 다이어그램(940)은 피킹 및 캐리어 증폭기들에 대한 진폭-위상(AM-PM) 응답의 예를 도시한다.
도 10은 일부 구현들에 따른 전류 스티어링 캐스코드 증폭기의 예시적인 성능 플롯들을 전체로서 도시한다. 일부 구현들에 따르면, 다이어그램(1010)은 전력 부가 효율(PAE) 대 출력 전력(Pout)의 예를 도시한다. 일부 구현들에 따르면, 다이어그램(1020)은 PAE 대 출력 전력(Pout)의 다른 예를 도시한다. 일부 구현들에 따르면, 다이어그램(1030)은 이득 대 출력 전력(Pout)의 예를 도시한다. 일부 구현들에 따르면, 다이어그램(1040)은 위상 대 출력 전력(Pout)의 예를 도시한다.
도 11은, 일부 실시예들에서, 여기에 설명된 전류 스티어링 캐스코드 증폭기 중 일부 또는 전부가 무선-주파수(RF) 모듈에서 구현될 수 있음을 도시한다. 이러한 모듈은 예를 들어, 프론트-엔드 모듈(FEM)일 수 있다. 도 11의 예에서, 모듈(1100)은 패키징 기판(1102)을 포함할 수 있으며, 이러한 패키징 기판 상에는 다수의 컴포넌트들이 장착될 수 있다. 예를 들어, 프론트-엔드 전력 관리 집적 회로(front-end power management integrated circuit)(FE-PMIC) 컴포넌트(1152), 전류 스티어링 캐스코드 증폭기(500)를 포함하는 전력 증폭기 어셈블리(1154), 매치 컴포넌트(1156), 및 듀플렉서 어셈블리(1158)가 패키징 기판(1102) 상에 및/또는 패키징 기판(1102) 내에 장착 및/또는 구현될 수 있다. 다수의 임의적인 표면 실장 기술(surface mount technology)(SMT) 디바이스들(1104) 및 안테나 스위치 모듈(antenna switch module)(ASM)(1106)과 같은 다른 것들도 또한 패키징 기판(1102) 상에 장착될 수 있다. 비록 모든 다양한 컴포넌트들이 패키징 기판(1102) 상에 레이아웃된 것으로 도시되어 있지만, 일부 컴포넌트(들)가 다른 컴포넌트(들) 위에 구현될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
일부 구현들에서, 여기에 설명된 하나 이상의 피쳐들을 갖는 디바이스 및/또는 회로는 무선 디바이스와 같은 RF 디바이스에 포함될 수 있다. 이러한 디바이스 및/또는 회로는 여기에 설명된 모듈 형태로 또는 이들의 일부 조합으로 무선 디바이스에 직접적으로 구현될 수 있다. 일부 실시예들에서, 그러한 무선 디바이스는 예를 들어, 셀룰러폰, 스마트폰, 전화 기능을 구비하거나 구비하지 않은 핸드헬드 무선 디바이스, 무선 태블릿 등을 포함할 수 있다.
도 12는 여기에 설명된 하나 이상의 유리한 피쳐들을 갖는 예시적인 무선-주파수(RF) 디바이스(1200)를 도시한다. 일부 구현들에 따르면, RF 디바이스(1200)는 무선 디바이스이다. 여기에 설명된 하나 이상의 피쳐들을 갖는 모듈의 맥락에서, 이러한 모듈은 일반적으로 파선 상자(1100)로 도시될 수 있으며, 예를 들어, 프론트-엔드 모듈(FEM)로서 구현될 수 있다. 여기에 설명된 바와 같이, 이러한 모듈은 전류 스티어링 피쳐를 갖는 하나 이상의 PA들을 포함할 수 있다. 일부 구현에 따르면, 전류 스티어링 피쳐는 여기에 설명된 바와 같은 전류 스티어링 캐스코드 증폭기(500)와 유사하게 기능한다.
도 12를 참조하면, 전력 증폭기(PA)들(1220)은 공지된 방식들로 구성 및 동작될 수 있는 송수신기(1210)로부터 그들 각각의 RF 신호들을 수신하여, 증폭 및 송신되는 RF 신호들을 생성하고, 수신된 신호를 프로세싱할 수 있다. 송수신기(1210)는 사용자에 적합한 데이터 및/또는 음성 신호들과 송수신기(1210)에 적합한 RF 신호들 사이의 변환을 제공하도록 구성된 베이스밴드 서브시스템(1208)과 상호 작용하는 것으로 도시되어 있다. 송수신기(1210)는 또한 RF 디바이스(1200)의 동작을 위해 전력을 관리하도록 구성된 전력 관리 컴포넌트(1206)와 통신할 수 있다. 이러한 전력 관리는 또한 베이스밴드 서브시스템(1208) 및 모듈(1100)의 동작들을 제어할 수 있다.
베이스밴드 서브시스템(1208)은 사용자에게 제공되고 사용자로부터 수신되는 음성 및/또는 데이터의 다양한 입력 및 출력을 용이하게 하는 사용자 인터페이스(1202)에 접속되는 것으로 도시되어 있다. 베이스밴드 서브시스템(1208)은 또한, 무선 디바이스의 동작을 용이하게 하는 데이터 및/또는 명령어들을 저장하고, 및/또는 사용자에 대한 정보의 스토리지를 제공하도록 구성된 메모리(1204)에 접속될 수 있다.
도 12에 도시된 예에서, PA들(1220)의 출력들은 (각각의 매치 회로들(1222)을 통해) 매치되어 그들 각각의 듀플렉서들(1224)로 라우팅되는 것으로 도시되어 있다. 이러한 증폭되고 필터링된 신호들은 송신을 위해 안테나 스위치(1214)를 통해 안테나(1216)로 라우팅될 수 있다. 일부 실시예들에서, 듀플렉서들(1224)은 공통 안테나(예를 들어, 1216)를 사용하여 송신 및 수신 동작들이 동시에 수행되게 할 수 있다. 도 12에서, 수신된 신호들은 예를 들어, 하나 이상의 저-잡음 증폭기(low-noise amplifier)(LNA)들을 포함할 수 있는 "Rx" 경로들(도시 생략)로 라우팅되는 것으로 도시되어 있다.
다수의 다른 무선 디바이스 구성들이 여기에 설명된 하나 이상의 피쳐들을 이용할 수 있다. 예를 들어, 무선 디바이스는 멀티-밴드 디바이스일 필요가 없다. 다른 예에서, 무선 디바이스는 다이버시티 안테나와 같은 부가적인 안테나들, 및 Wi-Fi, 블루투스 및 GPS와 같은 부가적인 접속 피쳐들을 포함할 수 있다.
문맥이 달리 명확하게 요구하지 않는 한, 상세한 설명 및 청구 범위에 걸쳐, "포함하다(comprise)", "포함하는(comprising)" 등의 단어들은 배타적(exclusive)이거나 포괄적인(exhaustive) 의미와는 반대되는 포함적인(inclusive) 의미로, 즉, "포함하되, 제한되지 않는(including, but not limited to)"의 의미로 해석되어야 한다. 여기에서 일반적으로 사용되는 "연결된(coupled)"이라는 단어는 직접 접속되거나 또는 하나 이상의 중간 엘리먼트들에 의해 접속될 수 있는 2개 이상의 엘리먼트들을 참조한다. 또한, "여기에(herein)" "위에(above)" "아래에(below)"라는 단어들 및 이와 유사한 의미의 단어들은, 본 애플리케이션에서 사용될 때, 본 애플리케이션을 전체적으로 지칭하며, 본 애플리케이션의 임의의 특정 부분들을 지칭하지 않는다. 문맥이 허용하는 경우, 단수 또는 복수를 사용한 상기 상세한 설명에서의 단어들은 또한 각각 복수 또는 단수를 포함할 수도 있다. 2개 이상의 아이템들의 리스트를 참조할 때 "또는"이라는 단어는 다음의 단어 해석들 모두, 즉, 리스트의 아이템들 중 임의의 것, 리스트의 아이템들 전부, 및 리스트의 아이템들의 임의의 조합을 포함한다.
본 발명의 실시예들에 대한 상술한 상세한 설명은 본 발명을 포괄적으로 나타내거나 위에서 개시된 정확한 형태로 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 본 발명의 특정 실시예들 및 본 발명에 대한 예들이 예시의 목적으로 위에서 설명되었지만, 관련 기술분야의 통상의 기술자라면 인식하는 바와 같이, 다양한 등가의 수정들이 본 발명의 범위 내에서 가능하다. 예를 들어, 프로세스들 또는 블록들이 주어진 순서로 제시되어 있지만, 대안적인 실시예들이, 상이한 순서로, 단계들을 갖는 루틴들을 수행하거나, 또는 블록들을 갖는 시스템들을 사용할 수 있고, 일부 프로세스들 또는 블록들은 삭제, 이동, 추가, 분리, 결합 및/또는 수정될 수 있다. 이들 프로세스들 또는 블록들 각각은 다양한 상이한 방식들로 구현될 수 있다. 또한, 프로세스들 또는 블록들이 때때로 직렬로 수행되는 것으로 도시되어 있지만, 이들 프로세스들 또는 블록들은 대신에 병렬로 수행될 수도 있고, 또는 상이한 시간에 수행될 수도 있다.
여기에 제공된 본 발명의 교시들은 반드시 상술한 시스템이 아닌 다른 시스템들에도 적용될 수 있다. 상술한 다양한 실시예들의 엘리먼트들 및 동작들은 결합되어, 추가적인 실시예들을 제공할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들이 설명되었지만, 이들 실시예들은 단지 예로서 제시된 것이며, 본 개시내용의 범위를 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 실제로, 여기에 설명된 신규한 방법들 및 시스템들은 다양한 다른 형태들로 구현될 수 있다; 또한, 여기에 설명된 방법들 및 시스템들의 형태에서의 다양한 생략들, 치환들 및 변경들이 본 개시내용의 사상을 벗어나지 않고 이루어질 수 있다. 첨부된 청구 범위 및 그 등가물들은 본 개시내용의 범주 및 사상 내에 있는 그러한 형태들 또는 수정들을 포함하는 것으로 의도된다.

Claims (20)

  1. 전력 증폭기로서,
    무선-주파수 신호를 수신하도록 구성된 공통 이미터;
    상기 공통 이미터에 연결되어 캐리어 캐스코드 구성을 형성하는 캐리어 증폭기 - 상기 캐리어 증폭기의 콜렉터에는 제1 공급 전압이 제공되고 상기 캐리어 증폭기의 베이스는 상기 전력 증폭기의 출력 전력의 함수로서 변하는 제1 바이어스 전압에 연결됨 -; 및
    상기 공통 이미터에 연결되어 피킹 캐스코드 구성을 형성하는 피킹 증폭기(peaking amplifier) - 상기 피킹 증폭기의 콜렉터에는 상기 제1 공급 전압보다 큰 제2 공급 전압이 제공되고 상기 피킹 증폭기의 베이스는 상기 전력 증폭기의 출력 전력의 함수로서 변하는 제2 바이어스 전압에 연결되고, 상기 제1 바이어스 전압 및 제2 바이어스 전압 각각은 각각의 증폭기가 턴온 및 턴오프될 수 있게 하고, 상기 전력 증폭기는, 상기 제1 공급 전압과 상기 제2 공급 전압 사이의 전이 동안에, 진폭 대 진폭 응답의 불연속성을 최소화시키거나 감소시킴 -
    를 포함하는 전력 증폭기.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 전력 증폭기의 출력 전력이 선택된 값보다 작을 때, 상기 캐리어 증폭기는 상기 제1 바이어스 전압을 하이 레벨로 설정시킴으로써 턴온되고, 상기 피킹 증폭기는 상기 제2 바이어스 전압을 접지 레벨로 설정시킴으로써 턴오프되는 전력 증폭기.
  4. 제3항에 있어서, 상기 전력 증폭기의 실질적으로 모든 콜렉터 전류가 상기 제1 공급 전압으로부터 획득되어, 상기 출력 전력에서 최대 또는 증가된 효율을 산출하는 전력 증폭기.
  5. 제3항에 있어서, 상기 출력 전력이 상기 선택된 값보다 클 때, 상기 캐리어 증폭기는 상기 제1 바이어스 전압을 접지 레벨로 설정시킴으로써 턴오프되고, 상기 피킹 증폭기는 상기 제2 바이어스 전압을 하이 레벨로 설정시킴으로써 턴온되는 전력 증폭기.
  6. 제5항에 있어서, 상기 전력 증폭기의 실질적으로 모든 콜렉터 전류가 상기 제2 공급 전압으로부터 획득되어, 최대 출력 전력의 증가를 산출하는 전력 증폭기.
  7. 제5항에 있어서, 상기 선택된 값은 상기 전력 증폭기의 포화 전력 레벨(saturation power level) 마이너스 3dB인 전력 증폭기.
  8. 제1항에 있어서, 상기 캐리어 캐스코드 구성 및 상기 피킹 캐스코드 구성은 어느 구성에서든 상기 전력 증폭기의 이득을 실질적으로 보존하는 전력 증폭기.
  9. 삭제
  10. 무선-주파수 모듈로서,
    복수의 컴포넌트들을 수용하도록 구성된 패키징 기판; 및
    상기 패키징 기판 상에 구현된 전력 증폭기
    를 포함하고, 상기 전력 증폭기는 무선-주파수 신호를 수신하도록 구성된 공통 이미터를 포함하고, 상기 전력 증폭기는 상기 공통 이미터에 연결되어 캐리어 캐스코드 구성을 형성하는 캐리어 증폭기를 추가로 포함하고, 상기 캐리어 증폭기의 콜렉터에는 제1 공급 전압이 제공되고 상기 캐리어 증폭기의 베이스는 상기 전력 증폭기의 출력 전력의 함수로서 변하는 제1 바이어스 전압에 연결되며, 상기 전력 증폭기는 상기 공통 이미터에 연결되어 피킹 캐스코드 구성을 형성하는 피킹 증폭기를 추가로 포함하고, 상기 피킹 증폭기의 콜렉터에는 상기 제1 공급 전압보다 큰 제2 공급 전압이 제공되고 상기 피킹 증폭기의 베이스는 상기 전력 증폭기의 출력 전력의 함수로서 변하는 제2 바이어스 전압에 연결되고, 상기 제1 바이어스 전압 및 제2 바이어스 전압 각각은 각각의 증폭기가 턴온 및 턴오프될 수 있게 하고, 상기 전력 증폭기는, 상기 제1 공급 전압과 상기 제2 공급 전압 사이의 전이 동안에, 진폭 대 진폭 응답의 불연속성을 최소화시키거나 감소시키는 무선-주파수 모듈.
  11. 제10항에 있어서, 상기 무선-주파수 모듈은 프론트-엔드 모듈(front-end module)인 무선-주파수 모듈.
  12. 제10항에 있어서, 상기 캐리어 증폭기 및 피킹 증폭기 각각에 바이어스 전압이 제공되어, 각각의 증폭기가 턴온 및 턴오프될 수 있게 하는 무선-주파수 모듈.
  13. 제12항에 있어서, 상기 전력 증폭기의 출력 전력이 선택된 값보다 작을 때, 상기 캐리어 증폭기는 상기 제1 바이어스 전압을 하이 레벨로 설정시킴으로써 턴온되고, 상기 피킹 증폭기는 상기 제2 바이어스 전압을 접지 레벨로 설정시킴으로써 턴오프되는 무선-주파수 모듈.
  14. 제13항에 있어서, 상기 전력 증폭기의 실질적으로 모든 콜렉터 전류가 상기 제1 공급 전압으로부터 획득되어, 상기 출력 전력에서 최대 또는 증가된 효율을 산출하는 무선-주파수 모듈.
  15. 제13항에 있어서, 상기 출력 전력이 상기 선택된 값보다 클 때, 상기 캐리어 증폭기는 상기 제1 바이어스 전압을 접지 레벨로 설정시킴으로써 턴오프되고, 상기 피킹 증폭기는 상기 제2 바이어스 전압을 하이 레벨로 설정시킴으로써 턴온되는 무선-주파수 모듈.
  16. 제15항에 있어서, 상기 전력 증폭기의 실질적으로 모든 콜렉터 전류가 상기 제2 공급 전압으로부터 획득되어, 최대 출력 전력의 증가를 산출하는 무선-주파수 모듈.
  17. 제12항에 있어서, 상기 캐리어 캐스코드 구성 및 상기 피킹 캐스코드 구성은 어느 구성에서든 상기 전력 증폭기의 이득을 실질적으로 보존하는 무선-주파수 모듈.
  18. 무선-주파수 디바이스로서,
    무선-주파수 신호를 생성하도록 구성된 송수신기;
    상기 송수신기와 통신하는 프론트-엔드 모듈 - 상기 프론트-엔드 모듈은 복수의 컴포넌트들을 수용하도록 구성된 패키징 기판을 포함하고, 상기 프론트-엔드 모듈은 상기 패키징 기판 상에 구현된 전력 증폭기를 추가로 포함하고, 상기 전력 증폭기는 무선-주파수 신호를 수신하도록 구성된 공통 이미터를 포함하고, 상기 전력 증폭기는 상기 공통 이미터에 연결되어 캐리어 캐스코드 구성을 형성하는 캐리어 증폭기를 추가로 포함하고, 상기 캐리어 증폭기의 콜렉터에는 제1 공급 전압이 제공되고 상기 캐리어 증폭기의 베이스는 상기 전력 증폭기의 출력 전력의 함수로서 변하는 제1 바이어스 전압에 연결되며, 상기 전력 증폭기는 상기 공통 이미터에 연결되어 피킹 캐스코드 구성을 형성하는 피킹 증폭기를 추가로 포함하고, 상기 피킹 증폭기의 콜렉터에는 상기 제1 공급 전압보다 큰 제2 공급 전압이 제공되고 상기 피킹 증폭기의 베이스는 상기 전력 증폭기의 출력 전력의 함수로서 변하는 제2 바이어스 전압에 연결되고, 상기 제1 바이어스 전압 및 제2 바이어스 전압 각각은 각각의 증폭기가 턴온 및 턴오프될 수 있게 하고, 상기 전력 증폭기는, 상기 제1 공급 전압과 상기 제2 공급 전압 사이의 전이 동안에, 진폭 대 진폭 응답의 불연속성을 최소화시키거나 감소시킴 -; 및
    상기 프론트-엔드 모듈과 통신하는 안테나 - 상기 안테나는 증폭된 상기 무선-주파수 신호를 송신하도록 구성됨 -
    를 포함하는 무선-주파수 디바이스.
  19. 제18항에 있어서, 상기 무선-주파수 디바이스는 무선 디바이스(wireless device)를 포함하는 무선-주파수 디바이스.
  20. 제19항에 있어서, 상기 무선 디바이스는 기지국, 리피터, 셀룰러폰, 스마트폰, 컴퓨터, 랩탑, 태블릿 컴퓨터 및 주변 디바이스 중 적어도 하나를 포함하는 무선-주파수 디바이스.
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