KR19990083465A - 전력증폭기,무선장치및휴대용전화 - Google Patents

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Abstract

트랜지스터를 사용하여 전력을 증폭하기 위한 전력 증폭기에서, 상기 트랜지스터는 병렬 접속되고 서로 다른 정적 특성 또는 핀치-오프 전압을 가진 다수의 트랜지스터 유닛을 포함한다. 다수의 트랜지스터 유닛에 인가되는 바이어스 전압이 강하되는 경우, 다수 트랜지스터 유닛의 선정된 트랜지스터 유닛은 핀치-오프에 의해서 턴 오프되며, 나머지 트랜지스터 유닛들은 온 상태에 있게 된다.

Description

전력 증폭기, 무선 장치 및 휴대용 전화{POWER AMPLIFIER}
본 발명은 전력 증폭기에 관한 것으로서, 새로운 구조를 가진 트랜지스터들을 사용하여 크기 감소를 구현하면서도 저출력 모드에서 효율 저하가 없는 증폭기에 관한 것이다.
일반적으로, 무선 신호를 무선 장치로부터 전송하려는 경우, 전송 신호를 전력 증폭기로 증폭시켜 원하는 세기를 가진 전력으로 출력한다. 이러한 전력 증폭기의 경우, 전력 소모가 적고 효율이 높아야 한다.
전력 소모가 적은 통상의 증폭기로서는, 일본 특허 공개 제1-117405호에 개시된 바와 같은 연산 증폭기, 일본 특허 공개 제5-243862호에 개시된 바와 같은 FET 증폭 회로 및 일본 특허 공개 제7-202595호에 개시된 바와 같은 반전 증폭기가 있다.
통상적인 전력 증폭기를 그의 출력을 연속적으로 변화시키는 상태로 사용하면, 일반적으로, 바이어스 전압의 크기가 감소된다. 구체적으로 말해서, 바이폴라 트랜지스터의 경우, 바이어스 전압이 강하되어 출력이 감소된다.
그러나, 바이어스 전압이 강하되면, 전력 증폭기의 효율이 낮아진다. 효율은 콜렉터 전압을 조정해서 향상시킬 수 있다.
그러나, 콜렉터 전압을 조정하기 위해서는 게이트 전압을 조정할 때의 전류보다 더 큰 전류가 필요하다. 전력 증폭기의 최대 전력을 위한 전력 소모를 고려하면, 상당히 큰 크기의 전력 장치를 사용해야만 한다.
따라서, 이러한 전력 증폭기를 사용하는 장치는 과도하게 커지게 된다. 이러한 전력 증폭기는 공간이 제한적이어서 크기 감소가 요구되는 휴대용 전화와 같은 장치에 적용하기에는 매우 바람직하지 못하다.
본 발명은 상기한 문제점들을 감안하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 새로운 구조를 가진 트랜지스터를 사용하여 크기 감소를 구현하면서도 저출력 모드에서 효율 저하가 없는 증폭기를 제공하고자 하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 제1 실시예에 따르면, 트랜지스터를 사용하여 전력을 증폭하기 위한 전력 증폭기가 제공되는데, 여기서 상기 트랜지스터는 병렬로 접속되고 서로 다른 정적 특성을 가진 다수의 트랜지스터 유닛을 구비한다.
본 발명의 제2 실시예에 따르면, 전력 증폭기가 제공되는데, 여기서 상기 정적 특성은 핀치-오프 전압이다.
본 발명의 제3 실시예에 따르면, 트랜지스터를 사용하여 전력을 증폭하기 위한 전력 증폭기가 제공되는데, 여기서 상기 트랜지스터는 병렬로 접속되고 서로 다른 핀치-오프 전압을 가진 다수의 트랜지스터 유닛을 구비하며, 상기 다수의 트랜지스터 유닛에 인가되는 바이어스 전압이 강하되는 경우에 상기 다수의 트랜지스터 유닛 중에서 선정된 트랜지스터 유닛들이 핀치-오프에 의해 턴 오프되고 나머지 트랜지스터 유닛들은 온 상태에 있다.
본 발명의 제4 실시예에 따르면, 전력 증폭기가 제공되는데, 여기서 상기 제1 또는 제3 실시예의 상기 다수의 트랜지스터 유닛들은 정합 회로를 통해 병렬로 접속된다.
본 발명의 제5 실시예에 따르면, 전력 증폭기가 제공되는데, 여기서 상기 제1, 2 및 4 실시예중의 어느 실시예의 상기 다수의 트랜지스터 유닛들의 각각은 다수의 트랜지스터에 의해서 구성되는 트랜지스터 그룹을 구비한다.
본 발명의 제6 실시예에 따르면, 전력 증폭기가 제공되는데, 여기서 상기 제1 실시예의 상기 트랜지스터 그룹은 다수의 FET에 의해서 구성된다.
본 발명의 제7 실시예에 따르면, 트랜지스터를 사용하여 전력을 증폭하기 위한 전력 증폭기가 제공되는데, 여기서 상기 트랜지스터는 병렬로 접속되고 서로 다른 핀치-오프 전압을 가진 다수의 트랜지스터 유닛을 구비하며, 상기 다수의 트랜지스터 유닛들의 각각은 다수의 트랜지스터에 의해서 구성되는 트랜지스터 그룹을 구비하며, 상기 다수의 트랜지스터 유닛에 인가되는 바이어스 전압이 강하되는 경우에 상기 다수의 트랜지스터 유닛 중에서 선정된 트랜지스터 유닛들이 핀치-오프에 의해 턴 오프되고 나머지 트랜지스터 유닛들은 온 상태에 있으며, 바이어스 전압이 강하되는 경우에 핀치-오프에 의해 턴 오프되는 각 트랜지스터 유닛의 상기 트랜지스터 그룹의 크기는 고전력 출력 모드에서의 출력 전력을 제공할 수 있도록 설정되며, 바이어스 전압이 강하되는 경우에 온 상태에 있는 각 트랜지스터 유닛의 상기 트랜지스터 그룹의 크기는 저전력 출력 모드에서의 출력 전력을 제공할 수 있도록 설정되며, 상기 증폭기는 바이어스 전압이 저전력 출력 모드에서 하강되는 경우에 온 상태에 있는 상기 트랜지스터 그룹의 효율을 증대시키도록 설정된다.
본 발명의 제8 실시예에 따르면, 상기 제1, 3 및 4 실시예중의 어느 하나의 전력 증폭기를 무선 전송 출력을 증폭하기 위한 증폭기로서 사용하는 무선 장치가 제공된다.
본 발명의 제9 실시예에 따르면, 상기 제1, 3 및 4 실시예 중의 어느 하나의 증폭기를 무선 전송 출력을 증폭하기 위한 증폭기로서 사용하는 무선 장치가 제공된다.
본 발명의 제10 실시예에 따르면, 휴대용 전화가 제공되는데, 이 휴대용 전화는 무선 신호를 기지국에 송신하고 또한 기지국으로부터 수신하는 안테나와, 상기 안테나의 송신/수신 신호를 디멀티플렉싱하는 송신/수신 디멀티플렉서와, 상기 송신/수신 디멀티플렉서로부터의 수신 신호를 증폭하는 제1 증폭기와, 상기 제1 증폭기로부터의 출력을 필터링하는 제1 필터와, 선정된 주파수를 가진 신호를 출력하는 제1 합성기와, 상기 제1 필터로부터의 출력과 상기 제1 합성기로부터의 출력을 합성하는 제1 믹서와, 상기 제1 믹서로부터의 출력을 필터링하는 제2 필터와, 상기 제2 필터로부터의 출력을 증폭하는 제2 증폭기와, 선정된 주파수를 가진 신호를 출력하는 제2 합성기와, 상기 제2 증폭기의 출력을 상기 제2 합성기의 출력을 사용해서 복조하는 복조기와, 상기 복조기에 의해서 복조된 신호를 수신하여 송신/수신과 연관된 제어를 수행하는 베이스밴드 처리부와, 상기 베이스밴드 처리부에 의해 제어되는 수신된 음성 신호를 발생하는 스피커와, 상기 베이스밴드 처리부에 의해 제어되어 사용자의 음성을 수집하는 마이크로폰과, 선정된 주파수를 가진 신호를 출력하는 제3 합성기와, 상기 베이스밴드 처리부로부터의 신호를 상기 제3 합성기의 출력을 사용해서 변조하는 변조기와, 상기 변조기의 출력을 증폭하는 제3 증폭기와, 상기 제3 증폭기의 출력을 필터링하는 제3 필터와, 상기 제3 필터의 출력을 상기 제1 합성기의 출력과 합성하는 제2 믹서와, 상기 제2 믹서의 출력을 필터링하는 제4 필터와, 상기 제4 필터의 출력을 증폭하여 그 출력을 상기 송신/수신 디멀티플렉서에 출력하는 제4 증폭기와, 상기 베이스밴드 처리부로부터의 제1 증폭 계수 조정 신호를 아날로그 신호로 변환하고 그 증폭 계수 조정 신호를 상기 제2 증폭기에 공급하여 상기 제2 증폭기의 증폭 계수를 조정하기 위한 제1 D/A 변환기와, 상기 베이스밴드 처리부로부터의 제2 증폭 계수 조정 신호를 아날로그 신호로 변환하고 그 증폭 계수 조정 신호를 상기 제4 증폭기에 공급하여 상기 제4 증폭기의 증폭 계수를 조정하기 위한 제2 D/A 변환기를 구비하며, 상기 제1, 3 및 4 실시예 중의 어느 하나의 전력 증폭기는 상기 제4 증폭기로서 사용된다.
본 발명의 전력 증폭기는 하나의 반도체 칩상에 병렬로 다수의 트랜지스터 유닛을 접속하는 것에 의해서 구현된다. 트랜지스터 유닛들의 모든 베이스, 에미터 및 컬렉터(FET의 게이트, 소스 및 드레인)를 접속하고 DC 동작점을 변경시키면, 모든 트랜지스터의 동작점들도 변한다.
본 발명에 있어서는, 병렬로 접속된 다수개 트랜지스터 유닛의 각각을 몇 개 트랜지스터의 그룹으로 구성한다. 이들 그룹은 서로 다른 정적 특성 및 바람직하게는 서로 다른 핀치-오프 전압의 FET를 가진다. 이러한 구성에서는, 바이어스 전압이 강하되면, 어떤 그룹들이 핀치-오프 상태로 세팅되어 전력 소모를 완전히 0으로 감소시키며, 나머지 그룹들은 온 상태로 세팅된다. 핀치-오프에 의해 턴 오프되는 그룹들의 트랜지스터 크기를 증대시키면, 고전력 출력 모드에서의 출력 전력을 유지시킬 수 있다. 저전력 출력 모드에서 핀치-오프에 의해 턴 오프되지 않는 그룹들의 트랜지스터의 효율을 저전력 출력 모드에서 증대시키도록 증폭기를 설계하면, 저출력 모드에서의 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 있어서, 본 발명의 목적은 통상적인 수 및 통상적인 크기를 가진 트랜지스터들을 형성하고 서로 다른 정적 특성 및 소형 크기를 가진 다수의 트랜지스터를 부가하는 것에 의해서도 구현될 수 있다.
본 발명에 따르면, 전력 증폭기를 그의 출력을 연속적으로 변경시키는 상태로 사용하면, 복잡한 제어를 수행할 필요가 없으며, 출력 전력이 단절되지 않고, 저출력 모드에서의 효율이 향상될 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 바이어스 전압의 변경에 따라 드레인 전압을 조정하는 회로를 생략할 수 있으므로, 회로가 간단하게 되어 소형화될 수 있으며, 그 회로를 크기 감소가 필요한 휴대용 전화와 같은 장치에 사용할 수 있다.
본 발명의 상기 및 기타 다른 많은 목적, 특징 및 장점은 도면을 참조한 양호한 실시예들에 대한 다음의 상세한 설명으로부터 알 수 있을 것이다. 본 발명의 원리를 구현하는 이들 실시예는 단지 설명 예에 불과하다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전력 증폭기의 개략적인 구성을 도시한 블럭도.
도 2는 도 1에 도시한 트랜지스터 유닛의 내부 구성을 도시한 회로도.
도 3은 도 1에 도시한 트랜지스터 유닛의 정적 특성으로서 Vsg 대 Id 특성을 도시한 그래프.
도 4는 도 1에 도시한 트랜지스터 유닛의 정적 특성으로서 바이어스 전압 대 출력 전력 특성을 도시한 그래프.
도 5는 도 1에 도시한 트랜지스터 유닛의 정적 특성으로서 바이어스 전압 대 효율 특성을 도시한 그래프.
도 6은 본 발명의 전력 증폭기를 적용한 휴대용 전화의 개략적인 구성을 도시한 블럭도.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 전력 증폭기의 개략적인 구성을 도시한 블럭도.
도 8은 도 7에 도시한 트랜지스터 유닛의 내부 구성을 도시한 회로도.
도 9는 도 7에 도시한 트랜지스터 유닛의 정적 특성으로서 Vsg 대 Id 특성을 도시한 그래프.
도 10은 도 7에 도시한 트랜지스터 유닛의 정적 특성으로서 바이어스 전압 대 출력 전력 특성을 도시한 그래프.
도 11은 도 7에 도시한 트랜지스터 유닛의 정적 특성으로서 바이어스 전압 대 효율 특성을 도시한 그래프.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
1, 11 : 전력 증폭기
2, 3, 12, 13, 14 : 트랜지스터 유닛
4, 15 : RF 신호 입력 단자
5, 16 : 바이어스 전압 입력 단자
6, 17 : RF 신호 출력 단자
7, 18 : 드레인 전압 입력 단자
20 : 안테나
21 : 송신/수신 디멀티플렉서
22, 27, 36, 40 : 증폭기
23 : 입력 정합 회로
23, 26, 37, 39 : 필터
24 : 출력 정합 회로
24, 28, 34 : 합성기
25, 38 : 믹서
29 : 복조기
30 : 베이스밴드 처리부
31, 41 : D/A 변환기
32 : 스피커
33 : 마이크로폰
35 : 변조기
지금부터, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하겠다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전력 증폭기의 개략적인 블록도로서, 이 실시예에서는, FET들로 이루어진 전력 증폭기를 설명하겠다.
도 1에 도시한 실시예의 전력 증폭기(1)는 병렬로 접속된 트랜지스터 유닛들(2 및 3)로 구성된다. 각 트랜지스터 유닛(2 또는 3)는 적어도 하나의 FET로 구성된다. 트랜지스터 유닛(2)의 정적 특성 및 바람직하게는 핀치-오프 전압은 트랜지스터 유닛(3)의 정적 특성과는 다르다.
도 2는 도 1에 도시한 트랜지스터 유닛들(2 및 3)의 내부 구성을 도시한 회로도로서, 각 트랜지스터 유닛(2 또는 3)는 2개의 FET로 구성된다.
트랜지스터 유닛(2)내의 FET(21 및 22)는 입력 단자 및 출력 단자에 병렬로 접속된다. 입력 정합 회로(23)는 입력 단자에 접속되고 출력 정합 회로(24)는 출력 단자에 접속된다. 트랜지스터 유닛(3)는 트랜지스터 유닛(2)와 동일한 내부 구성을 갖는다.
RF 신호 입력 단자(4)로부터의 RF 신호와 바이어스 전압 입력 단자(5)로부터의 바이어스 전압은 트랜지스터 유닛(2 및 3)에 대한 입력이다. 트랜지스터 유닛(2 및 3)로부터 출력되는 증폭된 RF 신호는 RF 신호 출력 단자(6)로부터 출력된다. 트랜지스터 유닛(2 및 3)를 구성하는 FET의 소스들을 접지된다. 일정한 드레인 전압은 드레인 전압 입력 단자(7)로부터 인가된다.
도 1의 트랜지스터 유닛(2)를 다수의 FET로 구성하는 경우, 그들 FET의 핀치-오프 전압들은 동일하다. 트랜지스터 유닛(3)을 다수의 FET로 구성하는 경우, 그들 FET의 핀치-오프 전압들은 동일하다. 트랜지스터 유닛(2)에 사용되는 FET들의 핀치-오프 전압들은 트랜지스터 유닛(3)에 사용되는 FET들의 핀치-오프 전압들과 동일하다.
도 3은 도 1에 도시한 트랜지스터 유닛들의 정적 특성으로서 게이트-소스 전류(Vsg) 대 드레인 전류(Id) 특성을 도시한 그래프이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 트랜지스터 유닛(2 및 3)는 서로 다른 핀치-오프 전압을 갖는다. 점(B)은 트랜지스터 유닛(3)의 핀치-오프 전압을 나타내고, 점(D)은 트랜지스터 유닛(2)의 핀치-오프 전압을 나타낸다. 이러한 이유에서, 동작점(A)의 전압을 바이어스 입력 단자에 인가하면 두 트랜지스터 유닛(2 및 3)가 턴 온되고, 동작점(C)의 전압을 바이어스 입력 단자에 인가하면 트랜지스터 유닛(2)만이 턴 온된다.
즉, 바이어스 전압을 점(A)으로부터 점(C)까지 연속적으로 변경시키면, 트랜지스터 유닛(3)이 핀치-오프에 의해서 턴 오프된다. 기준점으로서 작용하는 동작점의 전류 및 출력에 관해 후술하는 바와 같이, 트랜지스터 유닛(2)와 트랜지스터 유닛(3)의 개수 비(즉, 트랜지스터 유닛(2)의 트랜지스터 그룹을 구성하는 트랜지스터들의 수와 트랜지스터 유닛(3)의 트랜지스터 그룹을 구성하는 트랜지스터들의 수와의 비)를 선택하면, 트랜지스터 유닛(3)내에 있는 트랜지스터 그룹으로부터의 출력이 고출력 모드에서 지배적으로 될 수 있다. 저출력 모드에서는 트랜지스터 유닛(2)내에 있는 트랜지스터 그룹만이 동작되고 불필요한 트랜지스터들이 턴 오프되어 불필요한 전류가 억제된다. 따라서, 효율이 향상된다.
도 4는 도 1에 도시한 트랜지스터 유닛(2 및 3)의 정적 특성으로서 바이어스 전압 대 출력 전력 특성을 도시한 그래프이다.
도 4를 참조하면, 바이어스 전압이 강하되는 경우, 주 출력은 어떤 점에서 트랜지스터 유닛(3)의 출력으로부터 트랜지스터 유닛(2)의 출력으로 변한다. 이 점에서부터, 트랜지스터 유닛(3)의 출력은 핀치-오프에 이를 때까지 급속히 감소한다.
도 5는 도 1에 도시한 트랜지스터 유닛(2 및 3)의 정적 특성으로서 바이어스 전압 대 효율 특성을 도시한 그래프이다.
도 5를 참조하면, 고출력 모드에서, 트랜지스터 유닛(2)는 큰 전류를 통과시키지 않으므로, 트랜지스터 유닛(3)으로부터의 전류가 지배적으로 된다. 반면에, 트랜지스터 유닛(2)로부터의 전류가 지배적으로 되기 시작하면, 트랜지스터 유닛(2)로부터의 전류가 전체적인 효율면에서 지배적으로 되기 시작한다. 이 점 근방에서 트랜지스터 유닛(2)의 효율이 증대되도록 증폭기를 설계하면, 바이어스 전압의 크기 감소로 인한 전체적인 효율 감소가 최소화될 수 있다.
트랜지스터 유닛(2)의 트랜지스터 그룹을 구성하는 트랜지스터들의 수는, 트랜지스터 유닛(3)이 도 3에 도시한 점(B)에서 핀치-오프에 의해 턴 오프된 후 원하는 증폭 계수가 획득되도록 설정한다. 트랜지스터 유닛(3)의 트랜지스터 그룹을 구성하는 트랜지스터들의 수는, 원하는 증폭 계수가 고출력 모드에서 획득되도록 설정한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 상기한 실시예에 따르면, 고출력 모드 및 저출력 모드에서 효율이 감소되지 않는 전력 증폭기가 제공된다.
상기한 실시예에서는, 서로 다른 핀치-오프 전압을 가진 트랜지스터 유닛(2 및 3)와 같은 트랜지스터 유닛들을 사용하여 전력 증폭기를 구성한다. 서로 다른 핀치-오프 전압을 가진 트랜지스터 유닛들은 서로 다른 반도체 칩상에 또는 하나의 반도체 칩상에 형성할 수 있다. 서로 다른 핀치-오프 전압을 가진 공핍 FET들은 채널내로의 이온 주입 회수를 일부 변경시켜 형성할 수 있다. 더욱 구체적으로 말해서, 이온 주입 회수가 많은 부분의 채널 깊이는 증가한다. 채널 층이 두꺼운 트랜지스터는 작은 핀치-오프 전압을 갖는다. 이러한 방법을 통해, 서로 다른 핀치-오프 전압을 가진 트랜지스터 유닛들을 하나의 반도체 칩상에 형성할 수 있다.
상기한 실시예에서는, GaAs 및 실리콘과 같은 반도체를 효과적으로 사용할 수 있다.
본 발명의 전력 증폭기 회로는 셀룰러 폰의 전송부에 특히 효과적으로 적용될 수 있다. 이에 대해서는 후술하겠다.
도 6은 본 발명의 전력 증폭기 회로를 적용한 휴대용 전화의 개략적인 구성을 도시한 블럭도이다.
도 6을 참조하면, 안테나(20)는 무선 신호를 기지국에 송신하고 또한 기지국으로부터 수신한다. 송신/수신 파는 송신/수신 디멀티플렉서(21)에서 디멀티플렉싱된다. 송신/수신 디멀티플렉서(21)로부터 수신된 신호는 제1 증폭기(22)에서 증폭되고 제1 필터(23)에서 필터링된다. 제1 합성기(24)는 선정된 주파수를 합성한다. 제1 믹서(25)는 제1 필터(23)로부터의 출력과 제1 합성기(24)로부터의 출력을 합성한다. 제2 필터(26)는 제1 믹서(25)로부터의 출력을 필터링한다. 제2 증폭기(27)는 제2 필터(26)의 출력을 제1 D/A 변환기(31)의 출력에 근거한 증폭 계수로 증폭한다. 제2 합성기(28)는 선정된 주파수를 가진 신호를 출력한다. 복조기(29)는 제2 증폭기(27)의 출력을 제2 합성기(28)의 출력을 사용해서 복조한다.
베이스밴드 처리부(30)는 휴대 전화의 송신/수신과 연관된 제어를 수행한다. 베이스밴드 처리부(30)는 복조기(29)의 출력을 스피커(32)를 통해 음성 신호로서 출력한다. 베이스밴드 처리부(30)는 또한 마이크로폰(33)을 통해 휴대용 전화 사용자의 음성을 수집하여 그것을 전송 신호로서 변조기(35)에 출력한다. 베이스밴드 처리부(30)는 증폭 계수 조정 신호를 출력하여 제2 증폭기(27) 및 제4 증폭기(40)의 증폭 계수들을 설정한다. 제2 증폭기(27)에 대한 증폭 계수 조정 신호는 D/A 변환기(31)에 의해서 아날로그 신호로 변환되어 제2 증폭기(27)에 공급된다. 제4 증폭기(40)에 대한 증폭 계수 조정 신호는 D/A 변환기(41)에 의해서 아날로그 신호로 변환되어 제2 증폭기(40)에 공급된다.
제3 합성기(34)는 선정된 주파수를 가진 신호를 출력한다. 변조기(35)는 베이스밴드 처리부(30)로부터의 신호를 제3 합성기(34)의 출력을 사용해서 변조한다. 변조기(35)의 출력은 제3 증폭기(36)에 의해 증폭하여 제3 필터(37)에 의해 필터링한다. 제2 믹서(38)는 제3 필터(37)의 출력을 출력 정합 회로(24)의 출력과 합성한다. 제4 필터(39)는 제2 믹서(38)의 출력을 필터링한다. 제4 증폭기(40)는 제4 필터(39)의 출력을 제2 D/A 변환기(41)의 출력에 근거한 증폭 계수로 증폭한다. 제4 증폭기(40)의 출력은 송신/수신 디멀티플렉서(21)에 전송 신호로서 공급된다.
도 6에 도시한 휴대용 전화에서, 본 발명에 따른 전력 증폭기는 예를 들어 제4 증폭기(40)에 적용될 수 있다. 이 경우, 제2 D/A 변환기(41)에 의해서 아날로그 신호로 변환된 증폭 계수 조정 신호는 도 1에 도시한 바이어스 입력 단자(5)에 인가된다.
예를 들어, CDMA 휴대용 전화 시스템의 경우, 휴대용 전화로부터 송신된 신호를 수신하면, 기지국은 휴대용 전화에 송신 전력을 조정해서 수신 전력이 원하는 값으로 될 수 있게 할 것을 지령한다. 이러한 지령은 개루프 또는 폐루프와 같은 통상적으로 알려진 방법을 사용하여 제어 채널 또는 음성 통신 채널을 통해서 휴대용 전화에 전송된다. 휴대용 전화에 있어서, 도 6에 도시한 베이스밴드 처리부(30)는 상기한 증폭 계수 조정 신호를 송신 전력 조정 지령에 근거해서 발생한다.
이동 통신 시스템의 기지국은 다수 휴대용 전화로부터의 수신 신호들을 거의 동일한 세기로 수신하는 것이 바람직하다. 특히 CDMA 휴대용 전화 시스템에 있어서는, 다수 휴대용 전화로부터의 수신 신호들의 세기가 서로 다를 경우, 확보할 수 있는 음성 통신 채널의 수가 감소된다. 이러한 이유에서, 휴대용 전화의 송신부는 기지국으로부터의 거리와 같은 요인에 따라 송신부를 조정해야만 한다. 또한, 휴대용 전화는 사용자가 기지국 근처에 있는 경우 저출력 모드에서 사용되기도 한다. 이러한 이유에서, 휴대용 전화의 송신부에 있는 전력 증폭기가 저출력 모드에서의 효율을 향상시킬 수 있어야 한다.
본 발명에 따른 전력 증폭기는 상술한 바와 같이 저출력 모드에서의 효율을 향상시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 전력 증폭기를 도 6에 도시한 제4 증폭기(40)로서 사용하는 경우에 커다란 효과를 얻을 수 있다.
다음, 본 발명의 제2 실시예에 따른 전력 증폭기를 도면을 참조하여 설명하겠다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 전력 증폭기의 개략적인 구성을 도시한 블럭도이다. 이 실시예에서는 FET로 구성된 전력 증폭기를 설명하겠다.
도 7에 도시한 실시예의 전력 증폭기(11)는 트랜지스터 유닛(12), 트랜지스터 유닛(13) 및 트랜지스터 유닛(14)의 병렬 접속에 의해 구성된다. 각 트랜지스터 유닛(12, 13 또는 14)는 하나 이상의 FET를 포함한다.
도 8은 도 7에 도시한 트랜지스터 유닛(12, 13 및 14)의 내부 구성을 도시한 회로도이다. 각 트랜지스터 유닛(12, 13 또는 14)는 2개의 FET를 포함한다.
트랜지스터 유닛(12, 13 및 14)에는 RF 신호 입력 단자(15)로부터 RF 신호 및 바이어스 전압 입력 단자(16)로부터의 바이어스 전압이 입력된다. 트랜지스터 유닛(12, 13 및 14)로부터 출력되는 증폭된 RF 신호는 RF 신호 출력 단자(17)로부터 출력된다. 트랜지스터 유닛(12, 13 및 14)를 구성하는 FET들의 소스는 접지된다. 일정한 드레인 전압은 드레인 전압 입력 단자(18)로부터 인가된다.
도 7을 참조하면, 트랜지스터 유닛(12)를 다수의 FET로 구성하는 경우, 그들 FET의 핀치-오프 전압들은 동일하다. 트랜지스터 유닛(13)를 다수의 FET로 구성하는 경우, 그들 FET의 핀치-오프 전압들은 동일하다. 트랜지스터 유닛(14)를 다수의 FET로 구성하는 경우, 그들 FET의 핀치-오프 전압들은 동일하다. 트랜지스터 유닛(12)에 사용되는 FET들의 핀치-오프 전압, 트랜지스터 유닛(13)에 사용되는 FET들의 핀치-오프 전압 및 트랜지스터 유닛(14)에 사용되는 FET들의 핀치-오프 전압은 서로 다르다.
도 9는 도 7에 도시한 트랜지스터 유닛들(12, 13 및 14)의 정적 특성으로서 게이트-소스 전류(Vsg) 대 드레인 전류(Id) 특성을 도시한 그래프이다.
도 9에 도시한 바와 같이, 트랜지스터 유닛(12, 13 및 14)는 서로 다른 핀치-오프 전압을 갖는다. 점(F)은 트랜지스터 유닛(13)의 핀치-오프 전압을 나타내고, 점(H)은 트랜지스터 유닛(12)의 핀치-오프 전압을 나타내며, 점(J)은 트랜지스터 유닛(14)의 핀치-오프 전압을 나타낸다. 동작점(E)의 전압을 바이어스 입력 단자에 인가하면 그들 모든 트랜지스터 유닛(12, 13 및 14)가 턴 온되고, 동작점(G)의 전압을 바이어스 입력 단자에 인가하면 트랜지스터 유닛(12)만이 턴 온되며, 동작점(I)의 전압을 바이어스 입력 단자에 인가하면 트랜지스터 유닛(14)만이 턴 온된다.
즉, 바이어스 전압을 점(E)으로부터 점(I)까지 연속적으로 변경시키면, 트랜지스터 유닛(13 및 12)가 그 순서대로 핀치-오프에 의해서 턴 오프된다. 트랜지스터 유닛(12, 13 및 14)의 개수 비를 제1 실시예에서와 동일한 방법으로 선택하면, 트랜지스터 유닛(13)내에 있는 트랜지스터 그룹으로부터의 출력이 고출력 모드에서 지배적으로 될 수 있다. 가장 낮은 출력 모드에서는, 트랜지스터 유닛(14)만이 동작하고 불필요한 트랜지스터들이 턴 오프되어 불필요한 전류가 억제된다. 따라서, 효율이 향상된다.
도 10은 도 7에 도시한 트랜지스터 유닛(12, 13 및 14)의 정적 특성으로서 바이어스 전압 대 출력 전력 특성을 도시한 그래프이다.
도 10을 참조하면, 바이어스 전압이 강하되는 경우, 주 출력은 어떤 점에서 트랜지스터 유닛(13)의 출력으로부터 트랜지스터 유닛(12)의 출력으로 변한다. 이 점에서부터, 트랜지스터 유닛(13)의 출력은 핀치-오프에 이를 때까지 급속히 감소한다. 바이어스 전압이 더 강하되는 경우, 주 출력은 어떤 점에서 트랜지스터 유닛(12)의 출력으로부터 트랜지스터 유닛(14)의 출력으로 변한다. 이 점에서부터, 트랜지스터 유닛(12)의 출력은 핀치-오프에 이를 때까지 급속히 감소한다.
도 11은 도 7에 도시한 트랜지스터 유닛(12, 13 및 14)의 정적 특성으로서 바이어스 전압 대 효율 특성을 도시한 그래프이다.
도 11을 참조하면, 고출력 모드에서, 트랜지스터 유닛(12 및 14)는 큰 전류를 통과시키지 않으므로, 트랜지스터 유닛(13)으로부터의 전류가 지배적으로 된다. 반면에, 트랜지스터 유닛(12)으로부터의 전류가 거의 지배적으로 되기 시작하면, 트랜지스터 유닛(12)으로부터의 전류가 전체적인 효율면에서 지배적으로 되기 시작한다. 이 점 근방에서 트랜지스터 유닛(12)의 효율이 증대되도록 증폭기를 설계하면, 바이어스 전압의 크기 감소로 인한 전체적인 효율 감소가 최소화될 수 있다. 또한, 트랜지스터 유닛(14)으로부터의 출력이 거의 지배적으로 되기 시작하면, 트랜지스터 유닛(14)으로부터의 전류가 전체적인 효율면에서 지배적으로 되기 시작한다. 이 점 근방에서 트랜지스터 유닛(14)의 효율이 증대되도록 증폭기를 설계하면, 바이어스 전압의 크기 감소로 인한 전체적인 효율 감소가 최소화될 수 있다.
상술한 바와 같이, 제2 실시예에 따르면, 고출력 모드 및 저출력 모드에서 효율이 감소되지 않는 전력 증폭기가 제공된다. 또한, 제2 실시예에 의하면, 제1 실시예보다 효율 향상이 더욱 양호하게 될 수 있다.
상기한 실시예에서는, 서로 다른 핀치-오프 전압을 가진 트랜지스터 유닛(12, 13 및 14)와 같은 트랜지스터 유닛들을 사용하여 전력 증폭기를 구성한다. 서로 다른 핀치-오프 전압을 가진 트랜지스터 유닛들은 서로 다른 반도체 칩상에 또는 하나의 반도체 칩상에 형성할 수 있다. 서로 다른 핀치-오프 전압을 가진 트랜지스터 유닛들 예를 들어 공핍 FET들은 채널내로의 이온 주입 회수를 일부 변경시켜 형성할 수 있다. 더욱 구체적으로 말해서, 이온 주입 회수가 많은 부분의 채널 깊이는 증가한다. 채널 층이 두꺼운 트랜지스터는 작은 핀치-오프 전압을 갖는다. 이러한 방법을 통해, 서로 다른 핀치-오프 전압을 가진 트랜지스터 유닛들을 하나의 반도체 칩상에 형성할 수 있다.
상기한 실시예에서는, GaAs 및 실리콘과 같은 반도체를 효과적으로 사용할 수 있다.
본 발명에 의하면, 새로운 구조를 가진 트랜지스터를 사용함으로써 크기 감소를 구현하면서도 저출력 모드에서 효율 저하가 없는 증폭기를 얻을 수 있다

Claims (21)

  1. 트랜지스터를 사용하여 전력을 증폭하기 위한 전력 증폭기에 있어서,
    상기 트랜지스터가 병렬로 접속되어, 서로 다른 정적 특성을 가진 다수의 트랜지스터 유닛
    을 구비하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 정적 특성이 핀치-오프(pinch-off) 전압인 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  3. 트랜지스터를 사용하여 전력을 증폭하기 위한 전력 증폭기에 있어서,
    상기 트랜지스터가 병렬로 접속되어, 서로 다른 핀치-오프 전압을 가진 다수의 트랜지스터 유닛
    을 구비하되,
    상기 다수의 트랜지스터 유닛에 인가되는 바이어스 전압이 강하되면, 상기 다수의 트랜지스터 유닛 중에서 선정된 트랜지스터 유닛들이 핀치-오프에 의해 턴 오프되고, 나머지 트랜지스터 유닛들은 온 상태에 있는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 다수의 트랜지스터 유닛들이 정합 회로를 통해 병렬로 접속되는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  5. 제3항에 있어서, 상기 다수의 트랜지스터 유닛들이 정합 회로를 통해 병렬로 접속되는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  6. 제1항에 있어서, 상기 다수의 트랜지스터 유닛들의 각각은 다수의 트랜지스터에 의해서 구성된 트랜지스터 그룹을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  7. 제3항에 있어서, 상기 다수의 트랜지스터 유닛들의 각각은 다수의 트랜지스터에 의해서 구성된 트랜지스터 그룹을 구비하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  8. 제4항에 있어서, 상기 다수의 트랜지스터 유닛들의 각각은 다수의 트랜지스터에 의해서 구성된 트랜지스터 그룹을 구비하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  9. 제6항에 있어서, 상기 트랜지스터 그룹은 다수의 FET에 의해서 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  10. 제7항에 있어서, 상기 트랜지스터 그룹은 다수의 FET에 의해서 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  11. 제8항에 있어서, 상기 트랜지스터 그룹은 다수의 FET에 의해서 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  12. 트랜지스터를 사용하여 전력을 증폭하기 위한 전력 증폭기에 있어서,
    상기 트랜지스터가 병렬로 접속되어, 서로 다른 핀치-오프 전압을 가진 다수의 트랜지스터 유닛
    을 구비하되,
    상기 다수의 트랜지스터 유닛들의 각각은 다수의 트랜지스터에 의해서 구성된 트랜지스터 그룹을 구비하며,
    상기 다수의 트랜지스터 유닛에 인가되는 바이어스 전압이 강하되면, 상기 다수의 트랜지스터 유닛 중에서 선정된 트랜지스터 유닛들이 핀치-오프에 의해 턴 오프되고, 나머지 트랜지스터 유닛들은 온 상태에 있으며,
    상기 바이어스 전압이 강하될 때 핀치-오프에 의해 턴 오프되는 각 트랜지스터 유닛의 상기 트랜지스터 그룹의 크기는 고전력 출력 모드에서의 출력 전력을 커버하도록 설정되며,
    상기 바이어스 전압이 강하될 때 온 상태에 있는 각 트랜지스터 유닛의 상기 트랜지스터 그룹의 크기는 저전력 출력 모드에서의 출력 전력을 커버하도록 설정되며,
    상기 증폭기는 상기 바이어스 전압이 저전력 출력 모드에서 하강될 때 온 상태에 있는 상기 트랜지스터 그룹의 효율을 증가하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  13. 제1항에 따른 전력 증폭기를 무선 전송 출력을 증폭하기 위한 증폭기로서 사용하는 무선 장치.
  14. 제3항에 따른 전력 증폭기를 무선 전송 출력을 증폭하기 위한 증폭기로서 사용하는 무선 장치.
  15. 제4항에 따른 전력 증폭기를 무선 전송 출력을 증폭하기 위한 증폭기로서 사용하는 무선 장치.
  16. 제1항에 따른 전력 증폭기를 무선 전송 출력을 증폭하기 위한 증폭기로서 사사용하는 휴대용 전화.
  17. 제3항에 따른 전력 증폭기를 무선 전송 출력을 증폭하기 위한 증폭기로서 사용하는 휴대용 전화.
  18. 제4항에 따른 전력 증폭기를 무선 전송 출력을 증폭하기 위한 증폭기로서 사용하는 휴대용 전화.
  19. 휴대용 전화에 있어서,
    무선 신호를 기지국에/로부터 송신/수신하기 위한 안테나,
    상기 안테나에 대한 송신/수신 신호를 디멀티플렉스하기 위한 송신/수신 디멀티플렉서,
    상기 송신/수신 디멀티플렉서로부터의 수신 신호를 증폭하기 위한 제1 증폭기,
    상기 제1 증폭기로부터의 출력을 필터링하기 위한 제1 필터,
    선정된 주파수를 가진 신호를 출력하기 위한 제1 합성기,
    상기 제1 필터로부터의 출력과 상기 제1 합성기로부터의 출력을 합성하기 위한 제1 믹서,
    상기 제1 믹서로부터의 출력을 필터링하기 위한 제2 필터,
    상기 제2 필터로부터의 출력을 증폭하기 위한 제2 증폭기,
    선정된 주파수를 가진 신호를 출력하기 위한 제2 합성기,
    상기 제2 합성기로부터의 출력을 사용해서 상기 제2 증폭기로부터의 출력을 복조하기 위한 복조기,
    상기 복조기에 의해서 복조된 신호를 수신하고, 송신/수신과 연관된 제어를 수행하기 위한 베이스밴드 처리부,
    상기 베이스밴드 처리부에 의해 제어되며, 수신된 음성 신호를 발생하기 위한 스피커,
    상기 베이스밴드 처리부에 의해 제어되며, 사용자의 음성을 수집하기 위한 마이크로폰,
    선정된 주파수를 가진 신호를 출력하기 위한 제3 합성기,
    상기 제3 합성기로부터의 출력을 사용해서 상기 베이스밴드 처리부로부터의 신호를 변조하기 위한 변조기,
    상기 변조기로부터의 출력을 증폭하기 위한 제3 증폭기,
    상기 제3 증폭기로부터의 출력을 필터링하기 위한 제3 필터,
    상기 제3 필터로부터의 출력을 상기 제1 합성기로부터의 출력과 합성하기 위한 제2 믹서,
    상기 제2 믹서로부터의 출력을 필터링하기 위한 제4 필터,
    상기 제4 필터로부터의 출력을 증폭하고, 상기 출력을 상기 송신/수신 디멀티플렉서에 출력하기 위한 제4 증폭기,
    상기 베이스밴드 처리부로부터의 제1 증폭 계수 조정 신호를 아날로그 신호로 변환하고, 상기 증폭 계수 조정 신호를 상기 제2 증폭기에 공급해서 상기 제2 증폭기의 증폭 계수를 조정하기 위한 제1 D/A 변환기, 및
    상기 베이스밴드 처리부로부터의 제2 증폭 계수 조정 신호를 아날로그 신호로 변환하고, 상기 증폭 계수 조정 신호를 상기 제4 증폭기에 공급해서 상기 제4 증폭기의 증폭 계수를 조정하기 위한 제2 D/A 변환기
    를 구비하되, 제1항에 따른 전력 증폭기가 상기 제4 증폭기로서 사용되는 것을 특징으로 하는 휴대용 전화.
  20. 휴대용 전화에 있어서,
    무선 신호를 기지국에/으로부터 송신/수신하기 위한 안테나,
    상기 안테나에 대한 송신/수신 신호를 디멀티플렉스하기 위한 송신/수신 디멀티플렉서,
    상기 송신/수신 디멀티플렉서로부터의 수신 신호를 증폭하기 위한 제1 증폭기,
    상기 제1 증폭기로부터의 출력을 필터링하기 위한 제1 필터,
    선정된 주파수를 가진 신호를 출력하기 위한 제1 합성기,
    상기 제1 필터로부터의 출력과 상기 제1 합성기로부터의 출력을 합성하기 위한 제1 믹서,
    상기 제1 믹서로부터의 출력을 필터링하기 위한 제2 필터,
    상기 제2 필터로부터의 출력을 증폭하기 위한 제2 증폭기,
    선정된 주파수를 가진 신호를 출력하기 위한 제2 합성기,
    상기 제2 합성기로부터의 출력을 사용해서 상기 제2 증폭기의 출력을 복조하기 위한 복조기,
    상기 복조기에 의해서 복조된 신호를 수신하고, 송신/수신과 연관된 제어를 수행하기 위한 베이스밴드 처리부,
    상기 베이스밴드 처리부에 의해 제어되며, 수신된 음성 신호를 발생하기 위한 스피커,
    상기 베이스밴드 처리부에 의해 제어되며, 사용자의 음성을 수집하기 위한 마이크로폰,
    선정된 주파수를 가진 신호를 출력하기 위한 제3 합성기,
    상기 제3 합성기로부터의 출력을 사용해서 상기 베이스밴드 처리부로부터의 신호를 변조하기 위한 변조기,
    상기 변조기로부터의 출력을 증폭하기 위한 제3 증폭기,
    상기 제3 증폭기로부터의 출력을 필터링하기 위한 제3 필터,
    상기 제3 필터로부터의 출력을 상기 제1 합성기로부터의 출력과 합성하기 위한 제2 믹서,
    상기 제2 믹서로부터의 출력을 필터링하기 위한 제4 필터,
    상기 제4 필터로부터의 출력을 증폭하고, 상기 출력을 상기 송신/수신 디멀티플렉서에 출력하기 위한 제4 증폭기,
    상기 베이스밴드 처리부로부터의 제1 증폭 계수 조정 신호를 아날로그 신호로 변환하고, 상기 증폭 계수 조정 신호를 상기 제2 증폭기에 공급해서 상기 제2 증폭기의 증폭 계수를 조정하기 위한 제1 D/A 변환기, 및
    상기 베이스밴드 처리부로부터의 제2 증폭 계수 조정 신호를 아날로그 신호로 변환하고, 상기 증폭 계수 조정 신호를 상기 제4 증폭기에 공급해서 상기 제4 증폭기의 증폭 계수를 조정하기 위한 제2 D/A 변환기
    를 구비하되, 제3항에 따른 전력 증폭기가 상기 제4 증폭기로서 사용되는 것을 특징으로 하는 휴대용 전화.
  21. 휴대용 전화에 있어서,
    무선 신호를 기지국에/으로부터 송신/수신하기 위한 안테나,
    상기 안테나에 대한 송신/수신 신호를 디멀티플렉싱하기 위한 송신/수신 디멀티플렉서,
    상기 송신/수신 디멀티플렉서로부터의 수신 신호를 증폭하기 위한 제1 증폭기,
    상기 제1 증폭기로부터의 출력을 필터링하기 위한 제1 필터,
    선정된 주파수를 가진 신호를 출력하기 위한 제1 합성기,
    상기 제1 필터로부터의 출력과 상기 제1 합성기로부터의 출력을 합성하기 위한 제1 믹서,
    상기 제1 믹서로부터의 출력을 필터링하기 위한 제2 필터,
    상기 제2 필터로부터의 출력을 증폭하기 위한 제2 증폭기,
    선정된 주파수를 가진 신호를 출력하기 위한 제2 합성기,
    상기 제2 합성기로부터의 출력을 사용해서 상기 제2 증폭기로부터의 출력을 복조하기 위한 복조기,
    상기 복조기에 의해서 복조된 신호를 수신하고, 송신/수신과 연관된 제어를 수행하기 위한 베이스밴드 처리부,
    상기 베이스밴드 처리부에 의해 제어되며, 수신된 음성 신호를 발생하기 위한 스피커,
    상기 베이스밴드 처리부에 의해 제어되며, 사용자의 음성을 수집하기 위한 마이크로폰,
    선정된 주파수를 가진 신호를 출력하기 위한 제3 합성기,
    상기 제3 합성기로부터의 출력을 사용해서 상기 베이스밴드 처리부로부터의 신호를 변조하기 위한 변조기,
    상기 변조기로부터의 출력을 증폭하기 위한 제3 증폭기,
    상기 제3 증폭기로부터의 출력을 필터링하기 위한 제3 필터,
    상기 제3 필터로부터의 출력을 상기 제1 합성기로부터의 출력과 합성하기 위한 제2 믹서,
    상기 제2 믹서로부터의 출력을 필터링하기 위한 제4 필터,
    상기 제4 필터로부터의 출력을 증폭하고, 상기 출력을 상기 송신/수신 디멀티플렉서에 출력하기 위한 제4 증폭기,
    상기 베이스밴드 처리부로부터의 제1 증폭 계수 조정 신호를 아날로그 신호로 변환하고, 상기 증폭 계수 조정 신호를 상기 제2 증폭기에 공급해서 상기 제2 증폭기의 증폭 계수를 조정하기 위한 제1 D/A 변환기, 및
    상기 베이스밴드 처리부로부터의 제2 증폭 계수 조정 신호를 아날로그 신호로 변환하고, 상기 증폭 계수 조정 신호를 상기 제4 증폭기에 공급해서 상기 제4 증폭기의 증폭 계수를 조정하기 위한 제2 D/A 변환기
    를 구비하되, 제4항에 따른 전력 증폭기가 상기 제4 증폭기로서 사용되는 것을 특징으로 하는 휴대용 전화.
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