KR102663823B1 - Two-stage Doherty power amplifier using differential structure and method of controlling the two-stage doherty power amplifier - Google Patents
Two-stage Doherty power amplifier using differential structure and method of controlling the two-stage doherty power amplifier Download PDFInfo
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Abstract
본 발명에 따른 차동 구조를 이용하는 2단 도허티 전력 증폭 장치의 제어 방법은, 하나의 입력 신호에 기초하여 두 개의 역위상 신호를 생성하는 과정; 상기 생성된 두 개의 역위상 신호 각각에 대한 위상을 보상하는 과정; 상기 위상 보상된 두 개의 신호 중 제1 신호를 캐리어 증폭기로, 제2 신호를 피킹 증폭기로 전달하여 증폭하는 과정; 및 상기 증폭된 두 개의 신호의 위상을 동일 위상으로 정합하여 결합하는 과정; 을 포함할 수 있다.The control method of a two-stage Doherty power amplifier using a differential structure according to the present invention includes the process of generating two anti-phase signals based on one input signal; A process of compensating the phase for each of the two generated anti-phase signals; A process of amplifying the first of the two phase-compensated signals by transmitting them to a carrier amplifier and transmitting the second signal to a peaking amplifier; and a process of combining the two amplified signals by matching their phases to the same phase. may include.
Description
본 발명은 도허티 전력 증폭 장치에 관한 것으로서, 특히, 2단 도허티 전력 증폭 장치에 포함되는 피킹 증폭기(peaking amplifier)에 대한 입력 임피던스 정합을 고려하기 위해 차동 구조를 이용하는 2단 도허티 전력 증폭 장치 및 이의 제어 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a Doherty power amplification device, and in particular, to a two-stage Doherty power amplification device using a differential structure to consider input impedance matching for a peaking amplifier included in the two-stage Doherty power amplification device and its control. It's about method.
무선 통신 시스템은 많은 데이터 용량을 처리하기 위하여 높은 첨두치 대비 균 전력 비(Peak to Average Power Ratio, PAPR)를 갖는 변조 방식을 이용할 수 있다. 이렇게 높은 PAPR을 갖는 변조 방식에서 변조 신호가 왜곡되지 않도록 하기 위해, 전력 증폭 장치(power amplifier, PA)는 최대 출력 영역이 아닌 백오프(back-off) 영역에서 주로 동작하게 된다. 이 경우, 전력 증폭 장치의 효율이 최대 출력 영역에서 동작할 때의 효율에 비해 감소하게 되는데, 전력 증폭 장치의 효율 감소는 전력 소모량을 상승시키며, 특히 모바일 디바이스의 배터리 사용량을 증가시킬 수 있다.A wireless communication system can use a modulation method with a high Peak to Average Power Ratio (PAPR) to process a large data capacity. In order to prevent the modulation signal from being distorted in a modulation method with such a high PAPR, the power amplifier (PA) mainly operates in the back-off region rather than the maximum output region. In this case, the efficiency of the power amplification device decreases compared to the efficiency when operating in the maximum output range. The decrease in efficiency of the power amplification device increases power consumption, and in particular, may increase battery usage of mobile devices.
관련하여, 두 개의 증폭기를 이용하여 부하 임피던스 변조 방식으로 백오프(back-off) 영역에서의 전력 증폭 장치의 효율을 개선하는 도허티 전력 증폭 장치 구조가 제안되었다. 도허티 전력 증폭 장치는 외부의 추가적인 회로 없이 백오프 영역에서의 효율을 크게 개선할 수 있고, 복잡한 컨트롤 알고리즘 없이 두 증폭기의 게이트 바이어스 차이 만을 이용하기 때문에 시스템의 복잡도를 증가시키지 않는 장점이 있다. 즉, 도허티 전력 증폭 장치는 전력증폭기의 백오프 효율을 개선하기 위한 방법 중 하나이며 간단한 구조를 장점으로 하여 기지국용 전력 증폭기로 통용되고 있다.In relation to this, a Doherty power amplification device structure was proposed that improves the efficiency of the power amplification device in the back-off region by using a load impedance modulation method using two amplifiers. The Doherty power amplifier can greatly improve efficiency in the backoff area without additional external circuitry, and has the advantage of not increasing system complexity because it uses only the gate bias difference between the two amplifiers without a complex control algorithm. In other words, the Doherty power amplifier is one of the methods for improving the backoff efficiency of a power amplifier, and is commonly used as a power amplifier for base stations due to its simple structure.
도 1은 종래의 도허티 전력 증폭 장치를 설명하기 위한 도면으로, 도 1을 참조하여, 종래의 도허티 전력 증폭 장치(100)를 설명한다. 구동 증폭부(drive amplifier, 110)는 입력 받은 한 개의 신호(예를 들어, 고주파 신호로서, RF 신호 또는 전력 신호로 지칭될 수 있음)를 정합한 후, 그 출력을 전력 분배기로 전달할 수 있다. 전력 분배기(120)는 구동 증폭부(110)의 출력 신호를 두 개의 RF 신호로 만들어내며 동시에 전력 분배 역할을 수행할 수 있다. 도허티 전력 증폭 장치(110)는 두 개의 증폭기를 병렬 연결한 구조로 구성될 수 있으며, 하나는 Class-AB 바이어스로 동작하는 캐리어 증폭기(Carrier PA, 131), 다른 하나는 Class-C 바이어스로 동작하는 피킹 증폭기(Peaking PA, 132)일 수 있다. 피킹 증폭기(132)는 입력 전력이 낮으면 능동 소자의 문턱전압을 넘지 못해 동작하지 않고 입력 전력이 증가하면서 능동 소자의 문턱 전압을 넘어서야 동작하며 출력 전력이 생성할 수 있다. 즉, 도허티 전력 증폭 장치(100)는 높은 입력 전력 영역[HP operation]에서는 주 증폭기인 캐리어 증폭기(131) 및 보조 증폭기인 피킹 증폭기(132) 모두가 동작하지만, 낮은 입력 전력 영역[LP operation]에서는 캐리어 증폭기(131)만 동작하고 피킹 증폭기(132)는 동작하지 않음으로써, 도허티 전력 증폭 장치(100)는 이러한 바이어스 차이로 인한 두 증폭기의 구동 전력 차이와 부하 변조 기법을 이용하여 백오프 효율을 개선할 수 있다.FIG. 1 is a diagram for explaining a conventional Doherty power amplification device. Referring to FIG. 1, the conventional Doherty power amplification device 100 is explained. The drive amplifier 110 may match one input signal (for example, a high-frequency signal, which may be referred to as an RF signal or a power signal) and then transmit the output to a power divider. The power divider 120 generates the output signal of the driving amplifier 110 into two RF signals and can simultaneously perform a power distribution role. The Doherty power amplifier 110 may be composed of two amplifiers connected in parallel, one being a carrier amplifier (Carrier PA, 131) operating with a Class-AB bias, and the other operating with a Class-C bias. It may be a peaking amplifier (Peaking PA, 132). When the input power is low, the peaking amplifier 132 does not operate because it cannot exceed the threshold voltage of the active element. As the input power increases, the peaking amplifier 132 operates only when it exceeds the threshold voltage of the active element and output power can be generated. That is, in the Doherty power amplifier 100, both the carrier amplifier 131, which is the main amplifier, and the peaking amplifier 132, which is the auxiliary amplifier, operate in the high input power region [HP operation], but in the low input power region [LP operation]. By operating only the carrier amplifier 131 and not operating the peaking amplifier 132, the Doherty power amplifier 100 improves backoff efficiency by using the difference in driving power between the two amplifiers due to this bias difference and a load modulation technique. can do.
능동 소자는 바이어스 전압에 따라 기생 성분 크기가 달라질 수 있는데, 특히 Class-C 바이어스로 동작하는 피킹 증폭기(132)는 입력 전력에 따라 입력 기생성분 크기 변화가 클 수 있고, 다시 말해서, 입력 임피던스 변화가 클 수 있다. The size of the parasitic component of an active element may vary depending on the bias voltage. In particular, the peaking amplifier 132 operating with a Class-C bias may have a large change in the size of the input parasitic component depending on the input power. In other words, the change in input impedance may be large. It can be big.
한편, 종래의 도허티 전력 증폭 장치는 피킹 증폭기가 동작할 때의 입력 임피던스에 맞춰 입력 정합을 하지만, 피킹 증폭기가 동작하지 않을 때의 임피던스는 고려하지 않는다. 선행하는 공개특허(제10-2015-0136735호)는 피킹 증폭기의 동작에 따른 입력 임피던스 변화와 구동 증폭기의 부하 임피던스에 대한 특징은 개시하고 있지 못한다.Meanwhile, the conventional Doherty power amplifier performs input matching according to the input impedance when the peaking amplifier is operating, but does not consider the impedance when the peaking amplifier is not operating. The preceding published patent (No. 10-2015-0136735) does not disclose the characteristics of the input impedance change according to the operation of the peaking amplifier and the load impedance of the driving amplifier.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예는 차동(differential) 구조의 구동 증폭기와 단일 종단(single-ended) 구조 도허티 증폭기의 연결 방식을 통해 구조의 간단화 및 소형화의 효과를 갖는 2단 도허티 전력 증폭 장치를 제공하는 것에 목적이 있다. 차동 구조를 이용하는 2단 도허티 전력 증폭 장치 및 이의 제어 방법은 2단 도허티 전력 증폭 장치의 전력 이득, 효율, 출력 전력 등을 감소시키는 축퇴효과(degeneration)를 제거하는 효과를 갖고, 동일한 출력 전력을 갖는 단일 종단(single-ended) 구조 증폭기에 비해 높은 입력 임피던스를 갖게 되어 입력 임피던스 정합이 유리할 수 있다. 또한, 주파수 대역 특성이 양호한 발룬(balun)을 이용한 입력 임피던스 정합이 가능하여 보다 넓은 대역에서 임피던스 정합이 가능하며, 2개의 출력 단자 각각이 캐리어 증폭기, 피킹 증폭기로 연결될 수 있어 전력 분배기가 필요 없다는 장점을 갖는다. 부수적으로, 피킹 증폭기가 꺼져 있을 때의 입력 임피던스를 고려하여 임피던스 정합도 수행할 수 있다.As described above, the embodiment according to the present invention is a two-stage Doherty power amplifier that has the effect of simplifying and miniaturizing the structure through a connection method between a driving amplifier of a differential structure and a Doherty amplifier of a single-ended structure. The purpose is to provide an amplifying device. A two-stage Doherty power amplifier using a differential structure and its control method have the effect of eliminating degeneration effects that reduce the power gain, efficiency, and output power of the two-stage Doherty power amplifier, and have the same output power. It has a higher input impedance compared to a single-ended structure amplifier, so input impedance matching can be advantageous. In addition, input impedance matching is possible using a balun with good frequency band characteristics, enabling impedance matching in a wider band. Each of the two output terminals can be connected to a carrier amplifier and a peaking amplifier, so there is no need for a power divider. has Additionally, impedance matching can also be performed by taking into account the input impedance when the peaking amplifier is off.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 차동 구조를 이용하는 2단 도허티 전력 증폭 장치의 제어 방법은, 하나의 입력 신호에 기초하여 두 개의 역위상 신호를 생성하는 과정; 상기 생성된 두 개의 역위상 신호 각각에 대한 위상을 보상하는 과정; 상기 위상 보상된 두 개의 신호 중 제1 신호를 캐리어 증폭기로, 제2 신호를 피킹 증폭기로 전달하여 증폭하는 과정; 및 상기 증폭된 두 개의 신호의 위상을 동일 위상으로 정합하여 결합하는 과정; 을 포함할 수 있다. In order to achieve the above object, a control method of a two-stage Doherty power amplifier using a differential structure according to the present invention includes the process of generating two anti-phase signals based on one input signal; A process of compensating the phase for each of the two generated anti-phase signals; A process of amplifying the first of the two phase-compensated signals by transmitting them to a carrier amplifier and transmitting the second signal to a peaking amplifier; and a process of combining the two amplified signals by matching their phases to the same phase. may include.
실시예에 따라, 상기 하나의 입력 신호에 기초하여 두 개의 역위상 신호를 생성하는 과정은, 상기 입력 신호의 전송 선로 상에 위치하는 발룬(balun) 또는 180°하이브리드 커플러(Hybrid Coupler) 또는 변압기 중 적어도 어느 하나를 이용하여 상기 두 개의 역위상 신호를 생성하는 과정; 을 포함할 수 있다. Depending on the embodiment, the process of generating two anti-phase signals based on the one input signal is performed using a balun, a 180° hybrid coupler, or a transformer located on the transmission line of the input signal. generating the two anti-phase signals using at least one of the two anti-phase signals; may include.
실시예에 따라, 상기 생성된 두 개의 역위상 신호 각각에 대한 위상을 보상하는 과정은, 상기 피킹 증폭기의 입력단에 연결되어 상기 피킹 증폭기가 꺼져 있을 때의 입력 임피던스의 위상을 정합하는 과정; 및 상기 캐리어 증폭기의 입력단에 연결되어 상기 캐리어 증폭기 및 피킹 증폭기의 출력 전력의 위상차를 보상하는 과정; 을 포함할 수 있다.According to an embodiment, the process of compensating the phase for each of the two generated anti-phase signals includes: connecting to the input terminal of the peaking amplifier and matching the phase of the input impedance when the peaking amplifier is turned off; and connecting to the input terminal of the carrier amplifier to compensate for the phase difference between the output powers of the carrier amplifier and the peaking amplifier. may include.
또한, 본 발명의 따른 차동 구조를 이용하는 2단 도허티 전력 증폭 장치는, 하나의 입력 신호에 기초하여 두 개의 역위상 신호를 생성하는 구동 증폭부; 상기 생성된 두 개의 역위상 신호 각각에 대한 위상을 보상하는 위상 오프셋 보상부; 상기 위상 보상된 두 개의 신호 중 제1 신호 및 제2 신호 각각을 캐리어 증폭기 및 피킹 증폭기를 통해 증폭하는 주 증폭부; 및 상기 증폭된 두 개의 신호의 위상을 동일 위상으로 정합하여 결합하는 도허티 결합부;를 포함할 수 있다.In addition, the two-stage Doherty power amplifier using the differential structure according to the present invention includes a driving amplifier that generates two anti-phase signals based on one input signal; a phase offset compensation unit that compensates for the phase of each of the two generated anti-phase signals; a main amplifier that amplifies each of the first and second signals of the two phase-compensated signals through a carrier amplifier and a peaking amplifier; and a Doherty combiner that matches the phases of the two amplified signals to the same phase and combines them.
실시예에 따라, 상기 구동 증폭부는, 상기 입력 신호의 전송 선로 상에 위치하는 발룬(balun) 또는 180°하이브리드 커플러(Hybrid Coupler) 또는 변압기 중 적어도 어느 하나를 이용하여 상기 두 개의 역위상 신호를 생성할 수 있다.Depending on the embodiment, the driving amplifier generates the two anti-phase signals using at least one of a balun, a 180° hybrid coupler, or a transformer located on the transmission line of the input signal. can do.
실시예에 따라, 상기 위상 오프셋 보상부는, 상기 피킹 증폭기의 입력단에 연결되어 상기 피킹 증폭기가 꺼져 있을 때의 입력 임피던스의 위상을 정합하는 제1 서브 위상 오프셋 보상부; 및 상기 캐리어 증폭기의 입력단에 연결되어 상기 캐리어 증폭기 및 피킹 증폭기의 출력 전력의 위상차를 보상하는 제2 서브 위상 오프셋 보상부; 을 포함할 수 있다.Depending on the embodiment, the phase offset compensation unit may include: a first sub-phase offset compensation unit connected to the input terminal of the peaking amplifier and matching the phase of the input impedance when the peaking amplifier is turned off; and a second sub-phase offset compensation unit connected to the input terminal of the carrier amplifier to compensate for the phase difference between the output powers of the carrier amplifier and the peaking amplifier. may include.
본 발명의 일 실시 예로서 제공되는 차동 구조를 이용하는 2단 도허티 전력 증폭 장치 및 이의 제어 방법은, 무선 통신 시스템에서 전력 효율을 개선할 수 있어, 전체 시스템 효율을 향상시킬 수 있다.The two-stage Doherty power amplifier and its control method using a differential structure provided as an embodiment of the present invention can improve power efficiency in a wireless communication system, thereby improving overall system efficiency.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 종래의 도허티 전력 증폭 장치에서 구성으로 포함되는 중간단 전력분배기가 제거되어 상대적으로 회로를 소형화시킬 수 있다.In addition, according to one embodiment of the present invention, the intermediate power divider included in the conventional Doherty power amplifier device is eliminated, making it possible to relatively miniaturize the circuit.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 차동 구조를 갖는 구동 증폭기를 사용하기 때문에 구동 증폭기에 사용된 두 개의 트랜지스터는 가상 접지 효과를 얻으며 축퇴 효과로 인한 전력 이득 감소 문제를 해소할 수 있다.Additionally, according to one embodiment of the present invention, since a driving amplifier having a differential structure is used, the two transistors used in the driving amplifier obtain a virtual ground effect and the problem of power gain reduction due to the degeneracy effect can be solved.
한편, 본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 이하에서 설명할 내용으로부터 통상의 기술자에게 자명한 범위 내에서 다양한 효과들이 포함될 수 있다.Meanwhile, the effects of the present invention are not limited to the effects mentioned above, and various effects may be included within the range apparent to those skilled in the art from the contents described below.
도 1은 종래의 도허티 전력 증폭 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 차동 구조를 이용하는 2단 도허티 전력 증폭 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 차동 구조를 이용하는 2단 도허티 전력 증폭 장치의 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 차동 구조를 이용하는 2단 도허티 전력 증폭 장치에 포함되는 피킹 증폭기가 동작하지 않고, 피킹 증폭기에 대한 임피던스 정합이 되지 않을 경우, 구동 증폭부의 아래단 부하 임피던스가 변화하는 궤적을 구동 증폭기 최적 부하 임피던스(ZL,opt)로 정규화한 스마스차트에서 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 차동 구조를 이용하는 2단 도허티 전력 증폭 장치에 포함되는 피킹 증폭기가 동작하지 않고, 피킹 증폭기에 대한 임피던스 정합이 된 경우, 구동 증폭부의 아래단 부하 임피던스가 변화하는 궤적을 구동 증폭기 최적 부하 임피던스(ZL,opt)로 정규화한 스마스차트에서 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 이중 차동 구조를 포함하는 구동 증폭부을 포함하는 2단 도허티 전력 증폭 장치를 설명하기 위한 도면이다.1 is a diagram for explaining a conventional Doherty power amplifier.
Figure 2 is a diagram for explaining a two-stage Doherty power amplifier using a differential structure according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a diagram for explaining a control method of a two-stage Doherty power amplifier using a differential structure according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 shows that when the peaking amplifier included in the two-stage Doherty power amplifier using a differential structure according to an embodiment of the present invention does not operate and the impedance matching to the peaking amplifier is not achieved, the load impedance at the lower stage of the driving amplifier changes. This is a diagram showing the trajectory normalized to the optimal load impedance (Z L,opt ) of the driving amplifier.
Figure 5 shows how the load impedance at the bottom of the driving amplifier changes when the peaking amplifier included in the two-stage Doherty power amplifier using a differential structure according to an embodiment of the present invention is not operating and the impedance is matched to the peaking amplifier. This is a diagram showing the trajectory normalized to the driving amplifier optimal load impedance (Z L,opt ).
Figure 6 is a diagram for explaining a two-stage Doherty power amplification device including a driving amplifier including a double differential structure according to an embodiment of the present invention.
이하, 본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용으로서 본 발명의 바람직한 실시 예의 구성과 작용에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.Hereinafter, the terms used in this specification will be briefly explained, and the structure and operation of a preferred embodiment of the present invention will be described in detail as specific details for practicing the present invention.
본 명세서에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다. The terms used in this specification are general terms that are currently widely used as much as possible while considering the function in the present invention, but this may vary depending on the intention or precedent of a person working in the art, the emergence of new technology, etc. In addition, in certain cases, there are terms arbitrarily selected by the applicant, and in this case, the meaning will be described in detail in the description of the relevant invention. Therefore, the terms used in the present invention should be defined based on the meaning of the term and the overall content of the present invention, rather than simply the name of the term.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 또한, 명세서 전체에서 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, "그 중간에 다른 구성을 사이에 두고" 연결되어 있는 경우도 포함한다.When it is said that a part "includes" a certain element throughout the specification, this means that, unless specifically stated to the contrary, it does not exclude other elements but may further include other elements. In addition, terms such as "... unit" and "module" used in the specification refer to a unit that processes at least one function or operation, which may be implemented as hardware or software, or as a combination of hardware and software. . In addition, when a part is said to be “connected” to another part throughout the specification, this includes not only cases where it is “directly connected,” but also cases where it is connected “with another component in between.”
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Below, with reference to the attached drawings, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily implement the present invention. However, the present invention may be implemented in many different forms and is not limited to the embodiments described herein. In order to clearly explain the present invention in the drawings, parts unrelated to the description are omitted, and similar parts are given similar reference numerals throughout the specification.
이하, 도면을 참고하여 본 발명의 구체적인 실시 예들에 대해 설명하기로 한다.Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
먼저, 본 발명에 따른 일 실시예는 차동 구조의 구동 증폭단을 사용하는 도허티 전력 증폭 장치에 관한 것으로, 바람직하게, 2단 도허티 증폭 장치에 적용될 수 있어 회로 소형화의 효과를 갖는다. 또한, 본 발명에 따른 일 실시예에 따른 피킹 증폭기의 입력 임피던스 정합은 구동 증폭기의 부하 임피던스에 연관되어 구동 증폭기에서 피킹 증폭기로 전달되는 전력과 관련되어 있으며, 피킹 증폭기가 켜지는 타이밍이 너무 빠르지 않게 제어함으로써 캐리어 증폭기가 충분히 포화되어 낮은 출력 전력에서 높은 효율을 얻을 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 일 실시예는 2단 도허티 전력 증폭 장치의 구동 증폭기를 역위상 신호를 이용할 수 있다. 2단 도허티 전력 증폭 장체에서 활용되는 역위상 신호를 발생시키는 구조는 차동 구조로 정의될 수 있으며, 2단 도허티 전력 증폭 장치는 차동 구조를 포함하고, 차동 구조를 포함하는 구동 증폭부의 두 개의 출력 단자를 각각 주 증폭부의 캐리어 증폭기 및 피킹 증폭기의 입력 단자에 연결함으로써 종래의 도허티 전력 증폭 장치에 포함된 중간단 전력 분배기를 제거하고 2단 도허티 전력증폭기의 구조를 단순화, 소형화할 수 있다.First, an embodiment according to the present invention relates to a Doherty power amplification device using a driving amplifier stage of a differential structure. Preferably, it can be applied to a two-stage Doherty amplification device, resulting in circuit miniaturization. In addition, the input impedance matching of the peaking amplifier according to an embodiment of the present invention is related to the load impedance of the driving amplifier and the power transferred from the driving amplifier to the peaking amplifier, and the timing at which the peaking amplifier is turned on is not too fast. By controlling this, the carrier amplifier can be sufficiently saturated to achieve high efficiency at low output power. Additionally, an embodiment according to the present invention may use an anti-phase signal as a driving amplifier of a two-stage Doherty power amplifier. The structure that generates the anti-phase signal used in the two-stage Doherty power amplification device can be defined as a differential structure. The two-stage Doherty power amplification device includes a differential structure, and the two output terminals of the driving amplifier include the differential structure. By connecting to the input terminals of the carrier amplifier and peaking amplifier of the main amplifier, respectively, the intermediate power divider included in the conventional Doherty power amplifier can be eliminated and the structure of the two-stage Doherty power amplifier can be simplified and miniaturized.
또한, 본 발명에 따른 일 실시예는 2단 도허티 전력증폭기에서 피킹 증폭기가 꺼져 있을 때('동작하지 않을 때' 또는 '출력 신호를 발생시키지 않을 때'로 지칭될 수 있음)의 입력 임피던스를 고려하여 오프셋 선로를 이용한 위상 최적화를 통해 피킹 증폭기 입력 임피던스 및 구동 증폭기 부하 임피던스의 정합을 최적화할 수 있다. 2단 도허티 전력 증폭 장치에서는 피킹 증폭기가 꺼져 있을 때의 입력 임피던스가 구동 증폭기의 저전력 영역에서의 부하 임피던스에 영향을 주기 때문에 상기 2단 도허티 전력 증폭 장치에서 피킹 증폭기가 꺼져 있을 때의 입력 임피던스가 고려되는 것이 바람직하다.In addition, an embodiment according to the present invention considers the input impedance when the peaking amplifier is turned off in a two-stage Doherty power amplifier (may be referred to as 'not operating' or 'not generating an output signal'). Thus, the matching of the peaking amplifier input impedance and the driving amplifier load impedance can be optimized through phase optimization using an offset line. In the two-stage Doherty power amplifier, the input impedance when the peaking amplifier is off affects the load impedance in the low-power region of the driving amplifier, so the input impedance when the peaking amplifier is off is taken into consideration in the two-stage Doherty power amplifier. It is desirable to be
이하, 도 2 및 도 3에서 본 발명의 실시예에 따른 차동 구조를 이용하는 2단 도허티 전력 증폭 장치 및 이의 제어 방법을 상세하게 설명하고, 도 4 및 도 5를 비교하여 본 발명의 실시예에 따른 차동 구조를 이용하는 2단 도허티 전력 증폭 장치 및 이의 제어 방법에 따른 효과를 확인하며, 도 6에서 이중 차동 구동 증폭단을 포함하는 2단 도허티 전력 증폭 장치를 설명한다. Hereinafter, the two-stage Doherty power amplifier and its control method using a differential structure according to an embodiment of the present invention will be described in detail in FIGS. 2 and 3, and by comparing FIGS. 4 and 5, the two-stage Doherty power amplifier according to an embodiment of the present invention will be described in detail. The effect of the two-stage Doherty power amplifier using a differential structure and its control method will be confirmed, and the two-stage Doherty power amplifier including a double differential driving amplifier stage will be described in FIG. 6.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 차동 구조를 이용하는 2단 도허티 전력 증폭 장치를 설명하기 위한 도면이다.Figure 2 is a diagram for explaining a two-stage Doherty power amplifier using a differential structure according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 2단 도허티 전력 증폭 장치(200)는 입력 받은 한 개의 신호를 두 개의 역위상 신호로 생성하는 구동 증폭부(drive amplifier, 210), 두 개의 역위상 신호 각각에 대한 위상 정합을 수행하는 위상 오프셋 보상부(220), 위상 오프셋 보상부(220)의 두 개의 출력 신호를 입력 받아 각각 캐리어 증폭기(231)와 피킹 증폭기(232)에서 증폭하는 주 증폭부(230) 및 캐리어 증폭기(231)와 피킹 증폭기(232) 각각의 출력을 하나의 신호로 결합하는 도허티 결합부(240)를 포함할 수 있다. 다만, 2단 도허티 전력 증폭 장치(200)는 상기 구성을 반드시 모두 포함해야 하는 것은 아니며, 일부 구성이 생략될 수 있다. Referring to FIG. 2, the two-stage Doherty power amplifier 200 includes a drive amplifier 210 that generates one input signal into two anti-phase signals, and phase matching for each of the two anti-phase signals. A phase offset compensation unit 220 that performs, a main amplifier 230 and a carrier amplifier that receive the two output signals of the phase offset compensation unit 220 and amplify them in the carrier amplifier 231 and the peaking amplifier 232, respectively. It may include a Doherty coupling unit 240 that combines the outputs of each of the 231 and the peaking amplifier 232 into one signal. However, the two-stage Doherty power amplifier 200 does not necessarily include all of the above components, and some components may be omitted.
실시예에 따라, 구동 증폭부(210)는 주 증폭부(230)에 입력되는 입력 전력을 증폭시켜 주며, 전력 이득을 높이기 위해 2단 도허티 전력 증폭 장치(200)는 입력단에 구동 증폭기(210)를 포함할 수 있다. 2단 도허티 전력 증폭 장치(200)는 입력 받은 한 개의 신호는 고주파 신호일 수 있고, 예를 들어 RF 신호일 수 있으며, 전력 신호로 지칭될 수 있다. Depending on the embodiment, the driving amplifier 210 amplifies the input power input to the main amplifier 230, and to increase power gain, the two-stage Doherty power amplifier 200 includes a driving amplifier 210 at the input terminal. may include. One signal received by the two-stage Doherty power amplifier 200 may be a high-frequency signal, for example, an RF signal, and may be referred to as a power signal.
통상의 2단 도허티 전력 증폭 장치는 병렬의 두 증폭기를 이용하기 때문에 두 갈래로 전력을 분배하여 입력 전력을 제어하며, 구동 증폭부(210)에 포함되는 차동 구조는 역위상 신호를 발생시키는 구조로 정의될 수 있고, 해당 구조를 구성하는 소자의 결합 및 구조에 한정되지 않는다. A typical two-stage Doherty power amplifier uses two amplifiers in parallel to control the input power by distributing power into two branches, and the differential structure included in the driving amplifier 210 is a structure that generates an anti-phase signal. It can be defined and is not limited to the combination and structure of the elements that make up the structure.
실시예에 따라, 구동 증폭부(210)에 포함되는 차동 구조는 구동 증폭기(210)의 입력 임피던스를 정합하는 동작과 역위상 신호(차동 신호로 지칭될 수 있음)를 입력하는 변압기(transformer)를 이용하는 발룬(balun), 입력된 차동 신호를 증폭하는 능동 소자 및 차동 구조 구동 증폭기의 부하 임피던스를 최적으로 정합하는 차동 구동 출력 정합을 포함할 수 있다. 실시예에 따라, 차동 구조는 발룬을 전송 선로에 위치시켜 구현되거나 180°하이브리드 커플러(Hybrid Coupler)를 이용하여 구현되거나, 변압기 구조를 이용하여 구현될 수 있다.Depending on the embodiment, the differential structure included in the driving amplifier 210 includes an operation for matching the input impedance of the driving amplifier 210 and a transformer for inputting an anti-phase signal (which may be referred to as a differential signal). It may include a balun that is used, an active element that amplifies the input differential signal, and a differential drive output matching that optimally matches the load impedance of the differential structure drive amplifier. Depending on the embodiment, the differential structure may be implemented by placing a balun on a transmission line, implemented using a 180° hybrid coupler, or implemented using a transformer structure.
실시예에 따라, 2단 도허티 전력 증폭 장치(200)는 구동 증폭기의 입력단에 변압기를 포함하는 발룬을 사용하여 입력 정합과 동시에 차동 입력 신호를 만들 수 있다. 특히, 전력 증폭기의 입력 정합은 능동 소자의 입력 정합 임피던스가 50 Ohm에 비해 매우 작아 정합이 쉽지 않은데, 차동 구조 능동 소자에 변압기를 이용한 발룬을 사용하여 입력 정합할 경우 입력 정합 임피던스가 단일 종단 구조와 비교하여 4배 커지기 때문에 입력 정합이 유리하고 변압기의 넓은 주파수 응답 특성에 따라 광대역 동작이 가능할 수 있다.Depending on the embodiment, the two-stage Doherty power amplifier 200 may generate a differential input signal simultaneously with input matching using a balun including a transformer at the input terminal of the driving amplifier. In particular, matching the input of a power amplifier is not easy because the input matching impedance of the active element is very small compared to 50 Ohm. However, when input matching is performed using a balun using a transformer for a differential structure active element, the input matching impedance is similar to that of the single-ended structure. Because it is four times larger in comparison, input matching is advantageous, and broadband operation may be possible depending on the wide frequency response characteristics of the transformer.
한편, 최근의 무선 통신 시스템은 고속화, 소형화, 경량화 특징에 따라 MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit)를 이용한 시스템 구성이 주를 이루게 되었다. MMIC로 구현되는 전력 증폭 장치에 사용되는 능동 소자는 HBT(Heterojunction Bipolar Transistor), HEMT(High Electron Mobility Transistor), MESFET(Metal Semiconductor Field-Effect Transistor) 등이 있고 능동 소자를 구성하는 반도체는 크게 Si, Ge과 같은 단일원소 반도체와 GaAs, GaN, SiC, SiGe 등 화합물 반도체가 있다. 전력 증폭 장치를 MMIC로 구성하는 경우 능동소자의 소스 또는 에미터는 그라운드(Ground)에 본딩 와이어 또는 백 비아(back-via)로 접지되는데 이 때 생기는 인덕턴스가 축 퇴(degeneration) 효과를 발생시켜 전력증폭기의 성능을 감소시킬 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 차동 구조는 이러한 축퇴 효과를 최소화할 수 있는 구조를 가질 수 있다. 차동 구조를 갖는 구동 증폭부(210)는 두 개의 트랜지스터와 두 개의 입출력 단자를 포함할 수 있으며, 입력되는 두 신호가 크기는 같고 극성은 정반대이기 때문에 가상 접지(Virtual ground) 효과가 생기고 이로 인해 불완전한 접지에 의한 축퇴 효과가 사라져 전력증폭기의 성능 감소를 막을 수 있다.Meanwhile, recent wireless communication systems have mainly consisted of system configurations using MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuit) due to their characteristics of higher speed, smaller size, and lighter weight. Active elements used in power amplification devices implemented as MMICs include Heterojunction Bipolar Transistor (HBT), High Electron Mobility Transistor (HEMT), and Metal Semiconductor Field-Effect Transistor (MESFET). The semiconductors that make up the active elements are largely Si, There are single element semiconductors such as Ge and compound semiconductors such as GaAs, GaN, SiC, and SiGe. When the power amplification device is configured as an MMIC, the source or emitter of the active element is grounded with a bonding wire or back-via, and the inductance generated at this time creates a degeneration effect and causes the power amplifier may reduce performance. The differential structure according to an embodiment of the present invention may have a structure that can minimize this degeneracy effect. The driving amplifier 210 having a differential structure may include two transistors and two input/output terminals. Since the two input signals have the same size and opposite polarity, a virtual ground effect occurs, resulting in imperfection. The degeneracy effect caused by grounding disappears, preventing a decrease in the performance of the power amplifier.
실시예에 따라, 위상 오프셋 보상부(220)는 피킹 증폭기(232)의 입력단에 연결되어 피킹 증폭기(232)가 꺼져 있을 때의 입력 임피던스를 최적화하는 제1 위상 오프셋 선로(221) 및 캐리어 증폭기(231)의 입력단에 연결되어 도허티 결합부(240)에서 캐리어 증폭기(231) 및 피킹 증폭기(232)의 출력 전력 또는 출력 전류가 동위상으로 결합될 수 있도록 두 출력 전류의 위상차를 보상하는 제2 위상 오프셋 선로(222)를 포함할 수 있다.Depending on the embodiment, the phase offset compensation unit 220 is connected to the input terminal of the peaking amplifier 232 and includes a first phase offset line 221 and a carrier amplifier ( A second phase that is connected to the input terminal of 231 and compensates for the phase difference between the two output currents so that the output power or output current of the carrier amplifier 231 and the peaking amplifier 232 can be combined in phase in the Doherty coupling unit 240. An offset line 222 may be included.
실시예에 따라, 2단 도허티 전력 증폭 장치(200)는 두 개의 증폭기를 병렬 연결한 구조를 갖는 주 증폭부(230)을 포함할 수 있고, 하나는 Class-AB 바이어스로 동작하는 캐리어 증폭기(Carrier PA, 231), 다른 하나는 Class-C 바이어스로 동작하는 피킹 증폭기(Peaking PA, 232)일 수 있다. 상세하게, 주 증폭부(230)는 구동 증폭부(210)에서 출력된 두 개의 양극(+), 음극(-) 신호 중 하나를 위상 변환된 후 입력 받아 증폭하는 캐리어 증폭기(231) 및 구동 증폭부(210)에서 출력된 남은 다른 하나의 신호를 위상 변환된 후 입력 받아 증폭하는 피킹 증폭기(232)를 포함할 수 있다. 저전력 영역에서는 피킹 증폭기(232)가 동작하지 않고 임계전력 이상부터 동작할 수 있다.Depending on the embodiment, the two-stage Doherty power amplifier 200 may include a main amplifier 230 having a structure in which two amplifiers are connected in parallel, and one is a carrier amplifier operating with a Class-AB bias. PA, 231), and the other may be a peaking amplifier (Peaking PA, 232) operating with Class-C bias. In detail, the main amplifier 230 includes a carrier amplifier 231 and a driving amplifier that receive and amplify one of the two positive (+) and negative (-) signals output from the driving amplifier 210 after phase conversion. It may include a peaking amplifier 232 that receives and amplifies the remaining signal output from the unit 210 after phase conversion. In the low power region, the peaking amplifier 232 does not operate and may operate above the threshold power.
실시예에 따라, 2단 도허티 전력 증폭 장치(200)는 피킹 증폭기(232)의 입력단에 피킹 증폭기가 꺼져 있을 때의 입력 임피던스를 최적화할 수 있는 오프셋 선로(221)를 연결하여 피킹 증폭기(232)가 켜지는 타이밍 및 저전력 영역에서의 2단 도허티 전력 증폭 장치의 성능을 최적화할 수 있다.According to the embodiment, the two-stage Doherty power amplifier 200 connects the offset line 221, which can optimize the input impedance when the peaking amplifier is turned off, to the input terminal of the peaking amplifier 232 to increase the peaking amplifier 232. The turn-on timing and performance of the two-stage Doherty power amplifier in the low-power region can be optimized.
실시예에 따라, 도허티 결합부(240)는 병렬 연결된 캐리어 증폭기(231)와 피킹 증폭기(232)로부터 전달되는 전류비에 따라 두 증폭기의 부하 임피던스가 달라지는 부하 변조 효과를 만드는 역할을 할 수 있다. 도허티 결합부(240)는 캐리어 증폭기(231)의 출력단과 피킹 증폭기(232)에서 각각 출력된 신호가 결합되는 결합점 사이에서 임피던스 반전기 역할을 하는 제1 90도 전송선로 및 결합점과 부하 사이에서 임피던스 정합기 역할을 하는 제2 90도 전송선로를 포함할 수 있다.Depending on the embodiment, the Doherty coupling unit 240 may serve to create a load modulation effect in which the load impedance of the two amplifiers varies depending on the current ratio transmitted from the carrier amplifier 231 and the peaking amplifier 232 connected in parallel. The Doherty coupling unit 240 is a first 90-degree transmission line that acts as an impedance inverter between the output terminal of the carrier amplifier 231 and the coupling point where the signals output from the peaking amplifier 232 are combined, and between the coupling point and the load. It may include a second 90-degree transmission line that serves as an impedance matcher.
실시예에 따라, 도허티 결합부(240)는 캐리어 증폭기(231)와 피킹 증폭기(232)의 출력 전력을 결합하는 기능 이외에 부하 변조 역할을 동시에 수행할 수 있다. 도허티 결합부(240)는 전류 결합기를 포함할 수 있으며, 결합점에서 두 증폭기의 출력 전류는 동위상으로 결합되어야 한다. Depending on the embodiment, the Doherty coupling unit 240 may simultaneously perform a load modulation role in addition to combining the output power of the carrier amplifier 231 and the peaking amplifier 232. The Doherty coupling unit 240 may include a current coupler, and at the coupling point, the output currents of the two amplifiers must be combined in phase.
실시예에 따라, 2단 도허티 전력 증폭 장치(200)는 차동 구조를 갖는 구동 증폭기(210)를 구성할 때 GaAs HBT와 같이 콜렉터 바이어스 전압이 낮은 능동 소자를 사용할 경우 구동 증폭기의 최적 부하 임피던스가 작아서 주 증폭부(230)에 포함되는 능동 소자의 입력 임피던스와 정합하기 유리하며 종래 도허티 전력 증폭 장치 대비 정합 회로가 간단해질 수 있다.Depending on the embodiment, when the two-stage Doherty power amplifier 200 configures the driving amplifier 210 having a differential structure, when an active element with a low collector bias voltage such as GaAs HBT is used, the optimal load impedance of the driving amplifier is small. It is advantageous to match the input impedance of the active element included in the main amplifier 230, and the matching circuit can be simplified compared to the conventional Doherty power amplifier.
본 발명의 일 실시예에서 구동 증폭기는 GaAs HBT를 사용하고 캐리어, 피킹 증폭기는 GaN HEMT를 사용한다면 고출력, 고효율의 주 증폭부 성능을 얻을 수 있고 구동 증폭기의 최적 부하 임피던스가 낮기 때문에 캐리어, 피킹 증폭기의 입력 임피던스와 정합되기 수월하여 차동 구동 출력 정합, 캐리어 입력 정합, 피킹 입력 정합 회로가 간단해질 수 있다.In one embodiment of the present invention, if the driving amplifier uses GaAs HBT and the carrier and peaking amplifier use GaN HEMT, high output and high efficiency main amplifier performance can be obtained, and since the optimal load impedance of the driving amplifier is low, the carrier and peaking amplifier It is easy to match the input impedance of , so the differential drive output matching, carrier input matching, and peaking input matching circuits can be simplified.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 차동 구조를 이용하는 2단 도허티 전력 증폭 장치의 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.Figure 3 is a diagram for explaining a control method of a two-stage Doherty power amplifier using a differential structure according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 차동 구조를 이용하는 2단 도허티 전력 증폭 장치는 하나의 입력 신호에 기초하여 두 개의 역위상 신호를 생성할 수 있다(S310). 2단 도허티 전력 증폭 장치에 포함되는 구동 증폭부는 2개의 차동 신호(양극 출력 신호 및 음극 출력 신호)를 생성하는 차동 구조를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 3, a two-stage Doherty power amplifier using a differential structure can generate two anti-phase signals based on one input signal (S310). The driving amplifier included in the two-stage Doherty power amplifier may include a differential structure that generates two differential signals (a positive output signal and a negative output signal).
차동 구조의 동작을 위해, 입력 위상이 180° 차이(반대 위상 차이)가 나야 하며, 구동 증폭부는 차동 신호를 발생시키기 위해 발룬을 포함할 수 있다. 즉, 발룬은 단일 종단으로 들어가는 하나의 신호를 두 개의 차동 신호로 생성할 수 있고, 고주파 증폭 장치 특히, RF 증폭 장치에서 입력단의 임피던스 매칭을 수행할 수 있다. 실시예에 따라, 별도의 셋업 구성을 구동 증폭부 앞단에 부가하여, 별도의 셋업 구성을 통해 두 개의 입력 신호를 생성한 후 차동 신호를 입력할 수 있다.For the operation of the differential structure, the input phase must be 180° different (opposite phase difference), and the driving amplifier may include a balun to generate a differential signal. In other words, the balun can generate one signal entering a single end into two differential signals, and can perform impedance matching of the input end in a high-frequency amplification device, especially an RF amplification device. Depending on the embodiment, a separate setup configuration may be added to the front end of the driving amplifier, two input signals may be generated through the separate setup configuration, and then a differential signal may be input.
차동 구조를 이용하는 2단 도허티 전력 증폭 장치는 생성된 두 개의 역위상 신호 각각에 대한 위상을 보상할 수 있다(S320). 고주파 신호의 경우, 적절한 임피던스 매칭이 없다면 신호에 대한 반사가 발생하여 전력 손실이 발생할 수 있고, S310에서의 발룬은 입력단 임피던스 매칭일 수행하는 반면, 피킹증폭기에 연결되는 위상 오프셋 보상부(221)는 피킹 증폭기의 동작여부에 따라 입력 임피던스가 달라져서 피킹 증폭기가 동작하지 않을 때는 구동증폭기의 부하 임피던스가 최적으로 정합되지 않는 문제를 해결하는 역할을 수행하고, 캐리어 증폭기에 연결되는 위상 오프셋 보상부(222)는 도허티 결합부에서 캐리어, 피킹 증폭기의 출력전력이 동위상 결합하도록 위상을 맞춰주는 역할을 수행할 수 있다.A two-stage Doherty power amplifier using a differential structure can compensate for the phase of each of the two generated anti-phase signals (S320). In the case of high-frequency signals, if there is no appropriate impedance matching, reflection of the signal may occur, resulting in power loss. While the balun in S310 performs input stage impedance matching, the phase offset compensation unit 221 connected to the peaking amplifier The input impedance varies depending on whether the peaking amplifier is operating, so when the peaking amplifier is not operating, it plays a role in solving the problem of the load impedance of the driving amplifier not being optimally matched, and a phase offset compensation unit 222 connected to the carrier amplifier. In the Doherty coupling unit, the output power of the carrier and peaking amplifiers can be phase adjusted so that they are combined in phase.
두 개의 역위상 신호 각각에 대한 위상을 보상은 위상 오프셋 보상부를 통해 수행될 수 있으며, 위상 오프셋 보상부는 2개의 서브 위상 오프셋 보상부를 포함할 수 있다. 그 중 캐리어 증폭기의 앞단에 위치하는 서브 위상 오프셋 보상부는 캐리어 증폭기의 출력과 피킹 증폭기의 출력과의 위상 정합(동위상)을 수행할 수 있다. 실시예에 따라, 피킹 증폭기 앞단에 위치한 위상 오프셋 보상부는 특정 임피던스를 갖는 선로일 수 있다. 위상 오프셋 보상부의 양끝단에서 보이는 임피던스가 위상 오프셋 선로의 특성 임피던스와 정합되어 있는 경우, 위상 오프셋 보상부(위상 오프셋 선로)는 정합된 임피던스 값(양끝단 임피던스 값)을 변화시키지 않고 신호의 위상만 변화시킬 수 있다. 따라서, 캐리어 증폭기와 같이 입력 임피던스가 변화하지 않고 정합되어 있는 경우나 피킹 증폭기가 동작하는 상태와 같이 입력 임피던스가 정합되어 있는 경우는 위상 오프셋 보상부의 양끝단 임피던스 값은 변화하지 않고 신호의 위상만 변화될 수 있다. 그러나, 피킹 증폭기가 동작하지 않는 상태에서는 피킹 증폭기의 입력 임피던스가 달라져서 위상 오프셋 선로의 특성 임피던스 값과 위상 오프셋 선로의 양끝단 임피던스 값이 서로 달라지고 임피던스 정합되지 않는다. 이런 경우 위상 오프셋 선로는 신호 위상뿐 아니라 양끝 단에서 보이는 임피던스 값도 변화시킬 수 있다. 이러한 특징을 이용하여 피킹 증폭기 앞단에 적절한 위상 오프셋 보상 선로를 삽입하면 피킹 증폭기가 켜져 있는 경우에는 정합된 임피던스 값에 영향을 주지 않으면서 피킹 증폭기가 꺼져 있는 경우에는 위상 오프셋 선로 양 끝단 임피던스 값을 변화시킬 수 있다. 차동 구조를 이용하는 2단 도허티 전력 증폭 장치는 위상 보상된 두 개의 신호 중 제1 신호를 캐리어 증폭기로, 제2 신호를 피킹 증폭기로 전달하여 증폭할 수 있다(S330). 제1 신호는 양극 출력 신호일 수 있고, 제2 신호는 음극 출력 신호일 수 있다. 캐리어 증폭기 및 피킹 증폭기는 트렌지스터와 같은 능동 소자를 포함할 수 있고, 예를 들어, 능동 소자는 FET(Felid-effect transistor)와 BJT(Bipolar junction transistor)일 수 있다. 능동 소자가 BJT인 경우, 입력 신호가 일정크기 보다 작은 전류일 때 출력에서 베이스 에미터 전류 대비 콜렉터 전류가 많이 흐르게 되어 신호를 증폭시킬 수 있다. 다른 예로, 능동 소자가 FET인 경우, 게이트의 바이어스 전압에 따라, 트렌지스터의 문턱 전압보다 높게 또는 낮게 제어할 수 있는데, 바이어스 전압을 문턱 전압 보다 크게 설정하면, 켜져 있는 상태로서, 입력으로 AC 신호가 증폭될 수 있다. 반대로, 문턱 전압보다 게이트 바이어스 전압을 낮게 설정하면, 피킹 증폭기가 동작하지 않을 수 있다.Phase compensation for each of the two anti-phase signals may be performed through a phase offset compensation unit, and the phase offset compensation unit may include two sub-phase offset compensation units. Among them, the sub-phase offset compensation unit located in front of the carrier amplifier can perform phase matching (in-phase) between the output of the carrier amplifier and the output of the peaking amplifier. Depending on the embodiment, the phase offset compensation unit located in front of the peaking amplifier may be a line with a specific impedance. If the impedance seen at both ends of the phase offset compensator is matched to the characteristic impedance of the phase offset line, the phase offset compensator (phase offset line) does not change the matched impedance value (impedance value at both ends) but only the phase of the signal. It can change. Therefore, when the input impedance is matched without changing, such as a carrier amplifier, or when the input impedance is matched, such as when a peaking amplifier is operating, the impedance values at both ends of the phase offset compensation unit do not change, but only the phase of the signal changes. It can be. However, when the peaking amplifier is not operating, the input impedance of the peaking amplifier changes, so the characteristic impedance value of the phase offset line and the impedance values of both ends of the phase offset line are different from each other, and the impedances are not matched. In this case, the phase offset line can change not only the signal phase but also the impedance values seen at both ends. Using these characteristics, inserting an appropriate phase offset compensation line in front of the peaking amplifier changes the impedance values at both ends of the phase offset line when the peaking amplifier is turned off, without affecting the matched impedance value. You can do it. The two-stage Doherty power amplifier using a differential structure can amplify the first signal of the two phase-compensated signals by transmitting them to the carrier amplifier and the second signal to the peaking amplifier (S330). The first signal may be a positive output signal, and the second signal may be a negative output signal. The carrier amplifier and peaking amplifier may include active elements such as transistors. For example, the active elements may be a Felid-effect transistor (FET) and a bipolar junction transistor (BJT). If the active element is a BJT, when the input signal is a current smaller than a certain amount, a larger collector current flows at the output than the base emitter current, which can amplify the signal. As another example, if the active element is a FET, it can be controlled to be higher or lower than the threshold voltage of the transistor depending on the bias voltage of the gate. If the bias voltage is set to be greater than the threshold voltage, it is turned on and an AC signal is input. can be amplified. Conversely, if the gate bias voltage is set lower than the threshold voltage, the peaking amplifier may not operate.
차동 구조를 이용하는 2단 도허티 전력 증폭 장치는 증폭된 2개의 신호의 위상을 동일 위상으로 보상하여 결합시켜 출력할 수 있다(S340).A two-stage Doherty power amplifier using a differential structure can output the combined phase compensation of the two amplified signals by compensating them to the same phase (S340).
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 차동 구조를 이용하는 2단 도허티 전력 증폭 장치에 포함되는 피킹 증폭기가 동작하지 않고, 피킹 증폭기에 대한 임피던스 정합이 되지 않을 경우, 구동 증폭부의 아래단 부하 임피던스가 변화하는 궤적을 구동 증폭기 최적 부하 임피던스(ZL,opt)로 정규화한 스마스차트에서 도시한 도면이며, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 차동 구조를 이용하는 2단 도허티 전력 증폭 장치에 포함되는 피킹 증폭기가 동작하지 않고, 피킹 증폭기에 대한 임피던스 정합이 된 경우, 구동 증폭부의 아래단 부하 임피던스가 변화하는 궤적을 구동 증폭기 최적 부하 임피던스(ZL,opt)로 정규화한 스마스차트에서 도시한 도면이다.Figure 4 shows that when the peaking amplifier included in the two-stage Doherty power amplifier using a differential structure according to an embodiment of the present invention does not operate and the impedance matching to the peaking amplifier is not achieved, the load impedance at the lower stage of the driving amplifier changes. This is a diagram showing the trajectory normalized to the driving amplifier optimal load impedance (Z L,opt ) on a smart chart, and Figure 5 is a peaking diagram included in a two-stage Doherty power amplifier using a differential structure according to an embodiment of the present invention. When the amplifier is not operating and the impedance is matched to the peaking amplifier, the trajectory of the change in the load impedance at the bottom of the driving amplifier is shown in a smart chart normalized to the optimal load impedance (Z L,opt ) of the driving amplifier. .
도 2를 참조하여 도 4 및 도 5 를 설명하면, 차동 구조를 포함하는 구동 증폭기(210)는 동일한 크기의 능동 소자 두 개 및 두 개의 출력 단자를 포함할 수 있고, 각 능동 소자의 최적 부하 임피던스는 ZL,opt라고 가정한다. 차동 구조를 포함하는 구동 증폭기(210)는 가상 접지 효과가 생겨 에미터 축퇴 효과에 의한 성능 감소가 사라지고 종래의 도허티 전력 증폭 장치에 사용되는 단일 종단원 구동 증폭기와 비교하면 더 높은 전력이득을 얻을 수 있는 장점이 있다. 4 and 5 with reference to FIG. 2, the driving amplifier 210 including a differential structure may include two active elements and two output terminals of the same size, and the optimal load impedance of each active element Assume that Z L,opt . The driving amplifier 210 including a differential structure has a virtual ground effect, so the performance reduction due to the emitter degeneracy effect disappears, and higher power gain can be obtained compared to the single-ended source driving amplifier used in the conventional Doherty power amplifier. There is an advantage.
본 발명의 일 실시예에 따른 차동 구조를 포함하는 구동 증폭부(210)에서 증폭된 신호가 각각의 출력 단자를 통해 캐리어 증폭기(231)와 피킹 증폭기(232)의 입력 단자로 직접 입력될 수 있다. 따라서, 종래의 도허티 전력 증폭 장치에서 필요로 하는 중간단 전력 분배기를 제거할 수 있고 회로를 단순화, 소형화시킬 수 있다.The signal amplified by the driving amplifier 210 including a differential structure according to an embodiment of the present invention may be directly input to the input terminals of the carrier amplifier 231 and the peaking amplifier 232 through their respective output terminals. . Therefore, the intermediate power divider required in the conventional Doherty power amplifier can be eliminated, and the circuit can be simplified and miniaturized.
실시예에 따라, 피킹 증폭기(232)의 입력단은 구동 증폭부(210)의 음극 출력단에 연결될 수 있다. 이에, 피킹 증폭기의 입력 임피던스가 변하면 구동 증폭부의 음극 부하 임피던스가 변할 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이 피킹 증폭기(232)가 꺼져 있는 상태(OFF)에는 구동 증폭부(210)의 부하 임피던스가 ZL,opt에 정합되지 않고 크게 벗어나 있다가 피킹 증폭기(232)가 동작하게 되면서 점점 이동하여 피킹 증폭기(232)가 완전히 켜졌을 때(ON) ZL,opt에 정합될 수 있다. 특히, 피킹 증폭부(232)가 켜진 경우의 임피던스(ZL,on)는 임피던스 매칭이 되어 있다면 오프셋 선로에 의한 특성 임피던스의 변화가 없다. 다만, 피킹 증폭부(232)가 꺼진 경우의 임피던스(ZL,off)는 특성 임피던스가 변화하는 것을 도 4를 통해 확인할 수 있다. 즉, 피킹 증폭부(232)의 동작 상태에 따라 오프셋 선로의 특성 임피던스가 변화하는 것을 확인할 수 있다.Depending on the embodiment, the input terminal of the peaking amplifier 232 may be connected to the negative output terminal of the driving amplifier 210. Accordingly, when the input impedance of the peaking amplifier changes, the cathode load impedance of the driving amplifier may change. As shown in FIG. 4, when the peaking amplifier 232 is turned off (OFF), the load impedance of the driving amplifier 210 is not matched to Z L,opt and deviates greatly, and then the peaking amplifier 232 operates. As the peaking amplifier 232 is fully turned on, it can be matched to Z L,opt . In particular, if the impedance (Z L,on ) when the peaking amplifier 232 is turned on is impedance matched, there is no change in the characteristic impedance due to the offset line. However, it can be confirmed through FIG. 4 that the characteristic impedance changes when the peaking amplifier 232 is turned off (Z L,off ). In other words, it can be seen that the characteristic impedance of the offset line changes depending on the operating state of the peaking amplifier 232.
일반적으로, 전력 증폭 장치는 부하 임피던스가 클 수록 전력 이득이 클 수 있다. 이에, 도 4에 도시된 바와 같이 피킹 증폭기(232)의 입력 임피던스가 변화할 때 차동 구조를 포함하는 구동 증폭부(210)의 음극 부하 임피던스(ZL)가 높은 임피던스 영역을 지나게 되면 차동 구조를 포함하는 구동 증폭부(210)의 음극 능동소자 전력이득이 커져서 높은 입력 전력을 피킹 증폭기(232)에 전달하게 된다. 그렇게 되면 피킹 증폭기(232)가 보다 빨리 켜지게 되어 캐리어 증폭기(231)가 충분히 포화되기 전에 부하 변조가 이루어지고 따라서 저전력 영역에서의 효율개선이 제대로 이루어지지 않는다. 그러므로 본 발명의 일 실시예에서는 도 5에 도시된 바와 같이 제1 위상 오프셋 선로(221)를 이용하여 구동 증폭부(210)의 음극 부하 임피던스가 낮은 임피던스 영역을 지나도록 스미스 차트상에서 이동시켜주면 2단 도허티 전력 증폭 장치의 최적화된 동작이 가능하다. In general, the larger the load impedance of a power amplification device, the greater the power gain. Accordingly, as shown in FIG. 4, when the input impedance of the peaking amplifier 232 changes, the negative load impedance (Z L ) of the driving amplifier 210 including the differential structure passes through a high impedance region, and the differential structure changes. The power gain of the cathode active element of the driving amplifier 210 included increases, so that high input power is transmitted to the peaking amplifier 232. In this case, the peaking amplifier 232 is turned on more quickly, and load modulation occurs before the carrier amplifier 231 is sufficiently saturated, and thus efficiency in the low power region is not properly improved. Therefore, in one embodiment of the present invention, as shown in FIG. 5, if the cathode load impedance of the driving amplifier 210 is moved on the Smith chart to pass through a low impedance region using the first phase offset line 221, 2 However, optimized operation of the Doherty power amplifier is possible.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 이중 차동 구조를 포함하는 구동 증폭부을 포함하는 2단 도허티 전력 증폭 장치를 설명하기 위한 도면이다. Figure 6 is a diagram for explaining a two-stage Doherty power amplification device including a driving amplifier including a double differential structure according to an embodiment of the present invention.
도 6을 참조하면, 2단 도허티 전력 증폭 장치의 더 높은 출력 전력이 요구되는 경우 도 2에 따른 구동 증폭기가 출력하는 구동 전력이 충분하지 않을 수 있다. 이러한 경우, 도 6과 같이 이중 차동 구조를 포함하는 구동 증폭부를 사용하여 해결할 수 있다. 도 6에 따른 이중 차동 구조를 포함하는 구동 증폭부을 포함하는 2단 도허티 전력 증폭 장치에 포함되는 구동 증폭부는 2개의 차동 구조를 구성으로 하고, 각각의 차동 구조의 출력을 주 증폭부를 구성하는 캐리어 및 피킹 증폭부 각각의 단일 종단의 입력시킬 수 있다. Referring to FIG. 6, when higher output power of the two-stage Doherty power amplifier is required, the driving power output by the driving amplifier according to FIG. 2 may not be sufficient. In this case, it can be solved by using a driving amplification unit including a double differential structure as shown in FIG. 6. The driving amplifier included in the two-stage Doherty power amplifier including the driving amplifier including the double differential structure according to FIG. 6 consists of two differential structures, and the output of each differential structure is transmitted to the carrier and the main amplifier. Each single-ended input of the peaking amplifier can be input.
실시예에 따른 이중 차동 구조를 포함하는 구동 증폭부는 두 개의 차동 구조 증폭기를 사용하고 발룬을 이용하여 각 차동 구조 증폭기의 입출력 임피던스를 정합할 수 있다. 이중 차동 구조를 포함하는 구동 증폭기에서 단일 종단원 신호를 만들어 주 증폭부에 입력하고 이후 동작은 동일하다.A driving amplifier including a double differential structure according to an embodiment may use two differential structure amplifiers and match the input and output impedance of each differential structure amplifier using a balun. A driving amplifier with a double differential structure creates a single-ended source signal and inputs it to the main amplifier, and subsequent operations are the same.
이상에서 대표적인 실시 예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시 예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명한 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.Although the present invention has been described in detail through representative embodiments above, those skilled in the art will understand that various modifications can be made to the above-described embodiments without departing from the scope of the present invention. will be. Therefore, the scope of rights of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be determined not only by the patent claims described later, but also by all changes or modified forms derived from the claims and the concept of equivalents.
Claims (6)
차동 구조의 구동증폭기를 이용하여 증폭된 상기 두 개의 역위상 신호 중 제1 신호를 캐리어 증폭기로, 제2 신호를 피킹 증폭기로 전달하여 증폭하는 과정; 및
상기 증폭된 두 개의 신호의 위상을 동일 위상으로 정합하여 결합하는 과정;
을 포함하고,
상기 제2 신호를 피킹 증폭기로 전달하여 증폭하는 과정은,
상기 차동 구조의 구동증폭기를 사용하여 상기 생성된 두 개의 역위상 신호를 증폭하는 과정;
상기 증폭된 두 개의 역위상 신호 중 제1 신호는 상기 캐리어 증폭기의 입력단에 연결되어 상기 캐리어 증폭기 및 상기 피킹 증폭기의 출력 전력의 위상차를 보상하는 과정; 및
상기 증폭된 두 개의 역위상 신호 중 제2 신호는 상기 피킹 증폭기의 입력단에 연결되어 상기 피킹 증폭기가 꺼져 있을 때의 입력 임피던스의 위상을 정합하는 과정;
을 포함하는,
차동 구조를 이용하는 2단 도허티 전력 증폭 장치의 제어 방법.
A process of generating two anti-phase signals based on one input signal;
A process of amplifying the first signal of the two anti-phase signals amplified using a driving amplifier of a differential structure by transmitting the first signal to a carrier amplifier and the second signal to a peaking amplifier; and
A process of combining the two amplified signals by matching their phases to the same phase;
Including,
The process of amplifying the second signal by transferring it to a peaking amplifier is,
A process of amplifying the two generated anti-phase signals using the differential structure driving amplifier;
A first signal of the two amplified anti-phase signals is connected to an input terminal of the carrier amplifier to compensate for a phase difference between output powers of the carrier amplifier and the peaking amplifier; and
A second signal of the two amplified anti-phase signals is connected to the input terminal of the peaking amplifier to match the phase of the input impedance when the peaking amplifier is turned off;
Including,
Control method of a two-stage Doherty power amplifier using a differential structure.
상기 하나의 입력 신호에 기초하여 두 개의 역위상 신호를 생성하는 과정은,
상기 입력 신호의 전송 선로 상에 위치하는 발룬(balun) 또는 180°하이브리드 커플러(Hybrid Coupler) 또는 변압기 중 적어도 어느 하나를 이용하여 상기 두 개의 역위상 신호를 생성하는 과정;
을 포함하는,
차동 구조를 이용하는 2단 도허티 전력 증폭 장치의 제어 방법.
According to claim 1,
The process of generating two anti-phase signals based on the one input signal is,
A process of generating the two anti-phase signals using at least one of a balun, a 180° hybrid coupler, or a transformer located on the transmission line of the input signal;
Including,
Control method of a two-stage Doherty power amplifier using a differential structure.
상기 증폭된 두 개의 역위상 신호 각각에 대한 위상을 보상하는 위상 오프셋 보상부;
상기 위상 보상된 두 개의 신호 중 제1 신호 및 제2 신호 각각을 캐리어 증폭기 및 피킹 증폭기를 통해 증폭하는 주 증폭부; 및
상기 증폭된 두 개의 신호의 위상을 동일 위상으로 정합하여 결합하는 도허티 결합부;
를 포함하고,
상기 위상 오프셋 보상부는,
상기 피킹 증폭기의 입력단에 연결되어 상기 피킹 증폭기가 꺼져 있을 때의 입력 임피던스의 위상을 정합하는 제1 서브 위상 오프셋 보상부; 및
상기 캐리어 증폭기의 입력단에 연결되어 상기 캐리어 증폭기 및 피킹 증폭기의 출력 전력의 위상차를 보상하는 제2 서브 위상 오프셋 보상부;
를 포함하는,
차동 구조를 이용하는 2단 도허티 전력 증폭 장치.
A driving amplifier with a differential structure that generates and amplifies two anti-phase signals based on one input signal;
a phase offset compensation unit that compensates for the phase of each of the two amplified anti-phase signals;
a main amplifier that amplifies each of the first and second signals of the two phase-compensated signals through a carrier amplifier and a peaking amplifier; and
a Doherty combiner that matches the phases of the two amplified signals to the same phase and combines them;
Including,
The phase offset compensation unit,
a first sub-phase offset compensation unit connected to the input terminal of the peaking amplifier to match the phase of the input impedance when the peaking amplifier is turned off; and
a second sub-phase offset compensation unit connected to the input terminal of the carrier amplifier to compensate for the phase difference between the output powers of the carrier amplifier and the peaking amplifier;
Including,
Two-stage Doherty power amplifier using differential structure.
상기 구동 증폭부는,
상기 입력 신호의 전송 선로 상에 위치하는 발룬(balun) 또는 180°하이브리드 커플러(Hybrid Coupler) 또는 변압기 중 적어도 어느 하나를 이용하여 상기 두 개의 역위상 신호를 생성하는,
차동 구조를 이용하는 2단 도허티 전력 증폭 장치.
According to claim 4,
The driving amplifier,
Generating the two anti-phase signals using at least one of a balun, a 180° hybrid coupler, or a transformer located on the transmission line of the input signal,
Two-stage Doherty power amplifier using differential structure.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |