KR20000038954A

KR20000038954A - 이동통신단말기에서 전류제어를 통한 증폭기의 선형성개선장치

Info

Publication number: KR20000038954A
Application number: KR1019980054132A
Authority: KR
Inventors: 조승기; 강근모; 이우용; 이재민; 하태영
Original assignee: 윤종용; 삼성전자 주식회사
Priority date: 1998-12-10
Filing date: 1998-12-10
Publication date: 2000-07-05
Also published as: KR100303309B1

Abstract

본 발명은 이동통신단말기에서 전류제어를 통한 증폭기의 선형성 개선장치에 관한 것이다. 이동통신단말기에서 전류제어를 통한 증폭기의 선형성 개선장치가, 입력신호를 전력증폭하여 출력하는 증폭부와, 상기 증폭부로 입력되는 신호크기에 따라 상기 증폭부의 출력억압전력을 연속적으로 조절하는 전류제어부로 구성된다.

Description

이동통신단말기에서 전류제어를 통한 증폭기의 선형성 개선장치

본 발명은 이동통신단말기에 관한 것으로, 특히 이동통신단말기에서 증폭기의 선형성을 개선하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

이동 통신단말기에서 전력 증폭기는 시스템의 특성과 전력소모에 큰 비중을 차지한다. 이때 전력증폭기는 RF(Radio Frequency) 출력이 최대일 때 전력효율과 선형성(linear)을 고려하여 설계한다. 일반적으로 전력 증폭기는 최대 효율과 선형성을 동시에 만족시키기 위하여 AB 급으로 설계하고, 이에 따라 각단의 임피던스 정합과 바이어스 상태가 결정된다. 하지만 이동 통신단말기는 항상 최대 출력에서 구동되는 것이 아니라 기지국과의 거리에 따라 그리고 사용자의 이동 속도에 따라 송신 출력은 가변하게 된다. 기지국 사이의 거리가 가까울 경우에는 상대적으로 송신출력이 감소하게 되며, 사용자가 셀 반경 내에서 가장 먼 곳으로 이동하였을 때나 이동 속도가 증가할 경우에는 증폭기의 최대 출력에 가까운 RF 출력을 송신하게 된다.

도 1은 병렬로 연결된 증폭기를 출력레벨에 따라 스위칭하는 방법을 나타낸다.

상기 도 1를 참조하면, 수신전계강도 검출부(RSSI;Received Signal Strength Intensity) (106)는 기지국(도시하지 않음)으로 부터 수신되는 신호 세기를 검출하여 제어부(105)로 통보한다. 제어부(105)는 상기 수신전계강도 검출부(106)의 출력에 따라 해당 증폭기를 동작시키기 위해 스위치(101) 및 스위치(107)를 제어하고, 또한 해당 증폭기에 해당 전원이 공급되도록 전원공급부(104)를 제어한다. 상기 스위치(101) 및 스위치(107)는 상기 제어부(105)의 제어하에 입력 래디오주파수 신호를 증폭기(102)/증폭기(103) 또는 증폭기(104)로 출력되도록 스위칭한다. 상기 전원공급부(104)는 상기 제어부(105)의 제어하에 증폭기(102)/증폭기(103) 또는 증폭기(104)에 전압을 공급한다. 상기 증폭기(102), 증폭기(103) 및 증폭기(104)는 입력 래디오주파수 신호를 증폭하여 출력한다.

상기한 구성으로 이루어진 전력증폭기의 동작을 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 수신전계강도 검출부(106)에서 수신 신호의 세기를 검출한다. 상기 검출된 수신신호의 세기가 일정 레벨 이상이면 제어부(105)는 입력 래디오주파수 신호를 큰 출력레벨의 증폭기(102), 증폭기(103)를 통하여 증폭되어 출력 래디오주파수단(RFout)으로 출력되도록 스위치(101)과 스위치(107)를 제어한다. 동시에 가변 전원전압 Va1은 0 Volt 되도록 제어한다. 반대로 검출된 수신신호의 세기가 일정레벨 이하이면, 상기 제어부(105)는 입력 래디오주파수 신호를 출력레벨이 작은 증폭기(104)를 통하여 증폭되어 출력 래디오주파수단(RFout)으로 출력되도록 스위치(101)과 스위치(107)를 제어한다. 동시에 가변 전원전압 Va2은 0 Volt가 되도록 제어한다. 즉, 작은 출력레벨의 경우 작은 DC 전력을 소비하는 증폭기를 사용하여 큰 DC 전력을 필요로 하는 증폭기의 전원전력소모를 차단함으로써 증폭기의 전력소모를 줄이는 방법을 제시한다.

그러나 상기와 같은 스위칭 방법은 다음과 같은 문제로 어려움이 있다.

첫째, 병렬로 연결한 전력증폭기는 부가적으로 증폭기가 필요해지면 가격과 부피가 증가하는 문제점이 있다.

둘째, 직렬로 연결된 증폭기의 출력단을 스위칭 할 경우 임피던스 정합을 위하여 새로운 정합회로와 연결시켜야 하는 문제점이 있다.

셋째, 상기한 방법은 2가지 이상의 출력레벨에서는 회로의 복잡성에 의하여 구현이 어렵고, 일정 범위내에서 효율을 증가시킬수는 있으나 최적화하는데는 어려움이 있다.

도 2는 감쇄기가 있는 증폭기를 도시한 도면이다.

상기 도 2를 참조하면, 증폭기(201)는 입력신호를 증폭하여 출력한다. 감쇄기(202)는 상기 증폭기(201)의 출력신호를 감쇄시켜 출력한다. 상기와 같은 감쇄기가 있는 증폭기에서, 입력신호가 크게 되면, 감쇄기(202)가 감쇄량을 증가시켜 뒷단의 시스템으로 입력되는 신호를 감쇄시켜서 선형성을 개선하는 방식이다. 그러나 이 방식의 문제점은 자기신호는 매우 작고, 방해파 신호는 매우 클 경우 자기신호를 최대로 하기 위해 감쇄량을 최소로 하게 되면 방해파에 의해서 선형성이 나빠지는데 이를 개선할 방도가 없다.

따라서 본 발명의 목적은 이동통신단말기에서 증폭기의 선형성을 개선하기 위한 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 이동통신단말기에서 증폭기의 선형성을 전류제어를 통해 개선할수 있는 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 이동통신단말기에서 입력신호에 따라 증폭기의 선형 특성을 상황에 맞게 최적화할수 있는 장치를 제공함에 있다.

상기 목적들을 달성하기 위한 이동통신단말기에서 전류제어를 통한 증폭기의 선형성 개선장치가, 입력신호를 전력증폭하여 출력하는 증폭부와, 상기 증폭부의 출력전압에 따라 상기 증폭부의 출력억압전력을 조절하는 전류제어부로 구성됨을 특징으로 한다.

도 1은 종래기술에 따른 병렬구조로 이루어진 증폭기를 도시한 도면.

도 2는 종래기술에 따른 감쇄기가 연결된 증폭기를 도시한 도면.

도 3은 본 발명에 따른 전류제어를 통해 선형성을 개선하는 증폭기를 도시한 도면.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 수신부의 선형성 개선장치를 도시한 도면.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 송신부의 선형성 개선장치를 도시한 도면.

도 6은 전류제어에 따른 증폭기의 특성을 그래프한 도면.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면의 참조와 함께 상세히 설명한다.

우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 동일 부호를 가지도록 하였다. 또한 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

도 3은 본 발명에 따른 전류제어를 통한 선형성을 개선하는 증폭기의 구성을 도시하고 있다.

먼저, 증폭부(301)를 살펴보면, 기본적으로 증폭소자로 전계트랜지스터TR1을 사용하였고, 참조부호 311, 312, 313은 임피던스 정합부(matching)들이다. 입력단(Vin)은 직렬연결된 상기 임피던스 정합부(311)를 통해 상기 트랜지스터TR1의 게이트(Gate)단에 연결되며, 상기 임피던스 정합부(311)는 상기 입력단과 상기 트랜지스터 사이에 임피던스를 정합한다. 저항R1은 일측이 상기 정합부(311)과 상기 트랜지스터TR1 사이에 연결되고, 다른 일측은 접지단에 연결된다. 상기 저항R1은 상기 트랜지스터TR1의 게이트단에 0전압이 인가되도록 한다. 전원전압단(Vd)은 직렬연결된 임피던스 정합부(312)를 통해 상기 트랜지스터TR1의 드레인(Drain)단에 연결되고, 출력단(Vout)도 직렬연결된 임피던스 정합부(313)를 통해 상기 트랜지스터 TR1의 드레인단에 연결된다. 상기 트랜지스터TR1의 소오스단은 직렬연결된 저항R2를 통해 전류제어부(302)의 npn 바이폴라 트랜지스터TR2의 콜렉터단에 연결된다. 상기 저항R2는 상기 트랜지스터TR1의 소오스단의 전압을 조절하는 역할을 수행한다. 캐패시터 C1은 상기 트랜지스터TR1과 상기 저항R2 사이에 일측이 연결되고, 다른 일측은 접지단에 연결된다. 상기 캐패시터C1은 RF신호에 대한 접지역할을 수행한다. 여기서 상기 전계트랜지스터TR1은 게이트 전압으로 (-)전압이 필요하다. 상기 (-)을 전원을 사용하지 않은 방법으로 상기 트랜지스터TR1의 소오스단에 저항R2를 연결하여 전계트랜지스터의 소오스단에 (+)전압이 나타나게 하고, 게이트단에는 저항R1을 접지사이에 연결하여 0전압이 나타나도록 한다. 즉, 상기 게이트와 소오스 사이의 전원은 게이트 (-) 소오스전압이 되므로, (-) 전원을 얻을수가 있다. 상기 캐패시터C1은 신호에 대해서 소오스단에서 0전원이 되도록 한다. 이러한 전원 공급 방법을 자기전원공급(self-bias)방법이라 한다.

다음으로, 상기 전류제어부(302)를 살펴보면, 상기 트랜지스터TR2의 베이스단은 직렬 연결된 저항 R3를 통해 제어전압(Vcontrol)단에 연결되고, 콜렉터단은 상기 저항 R2에 연결되며, 에미터단은 접지단에 연결된다. 상기 저항R3는 상기 트랜지스터TR2의 베이스 전류를 조정하는 역할을 수행한다. 즉, 상기 전류제어부(302)는 npn 바이폴라 트랜지스터TR2를 구성하여 증폭부(301)에 흐르는 전류를 제어한다. 여기서 상기 저항 R3는 상기 트랜지스터TR2의 베이스 전류를 조정하는 저항으로 증폭기에 흐르는 전류를 최대로 할 때와 최소로 할 때의 제어전압(Vcontrol) 범위를 결정해주는 역할을 수행한다. 여기서 상기 Vcontrol(제어전압)이 최대가 되면, 상기 트랜지스터TR2의 베이스에 흐르는 전류가 최대가 되어 상기 증폭부(301)에 흐르는 전류를 최대가 되는데, 이로인해 상기 전계 트랜지스터TR1의 소오스단에 나타나는 전압이 낮아져서 상기 전계 트랜지스터TR1에 흐르는 전류는 증가된다. 따라서 증폭부(301)가 허용할수 있는 출력전력 또는 입력전력이 증가된다. 여기서 상기 증폭부(301)는 전류가 증가함에 따라 출력전류 스윙폭이 증가되고, 출력전압 스윙폭은 거의 일정한 특성을 갖도록 설계되어야 한다. 한편, 상기 Vcontrol(제어전압)이 최소일 때는 트랜지스터TR1의 콜렉터 전압이 증가되어 결국 상기 전계 트랜지스터TR1의 소오스단에 인가되는 전압이 증가되고, 따라서 증폭부(301)의 전계 트랜지스터TR1의 전류를 감소시킨다. 따라서 증폭기의 최대 출력 전류 스윙폭과 최대 출력 전력이 낮아진다.

본 발명은 상기 도 3과 같은 증폭기를 통신단말기에 구성하여 증폭기의 선형성 개선 및 소모전류의 최적화를 도모하기 위한 것이다. 여기서 상기 증폭기로 입력되는 입력신호가 작은 경우, 상기 제어전압을 작게하여 상기 증폭부에 흐르는 전류를 작게한다. 이렇게 함으로서 배터리 수명을 연장시킬수 있다. 한편, 상기 증폭기로 입력되는 신호가 클 경우, 상기 제어전압을 크게하여 상기 증폭부에 흐르는 전류를 크게 한다. 이렇게 함으로서 상기 증폭기의 선형성을 개선하여 수신감도를 향상시킬수 있다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 통신단말기에서 수신부 선형성 개선장치를 도시하고 있다.

상기 도 4를 참조하면, 저잡음증폭기(411)는 래디오 주파수(Radio frequency) 수신신호를 증폭한다. 여기서 상기 저잡음증폭기(411)의 이득은 증폭기의 잡음지수와 더불어 시스템 전체의 수신감도에 큰 영향을 미친다. 대역통과필터(412)는 상기 저잡음증폭기(411)를 통해 증폭된 신호에서 수신 대역의 신호만 필터링하여 출력한다. 래디오주파수(RF) 증폭기(413)는 상기 대역통과필터(412)의 출력신호를 증폭한다. 주파수변환기(414)는 상기 래디오주파수 증폭기(413)의 출력신호를 주파수변환용 국부발진기(도시하지 않음)에 의해 주파수 변환시켜 출력한다. 중간주파수(IF) 증폭기(415)는 상기 주파수변환기(414)의 출력신호를 증폭한다. IF대역통과필터(416)는 상기 IF증폭기(415)의 출력신호를 대역 필터링하여 출력한다. 자동이득증폭기(417)는 상기 IF대역통과필터(416)의 출력신호를 항상 같은 전력이 되도록 증폭하여 출력한다. 검출부(디지털신호처리부(DSP),418)는 상기 자동이득증폭기(417)의 출력신호에서 잼잉(jamming)신호와 방해파신호를 검출하고, 이에 따른 제어전압(Vcontrol)을 발생하여 상기 자동이득증폭기(417) 및 전류제어부(419)로 출력한다. 즉, 방해파신호가 설정값보다 클 경우 상기 제어전압을 증가시키고, 방해파신호가 설정값보다 작을 경우 상기 제어전압을 감소시킨다. 상기 전류제어부(419)는 입력되는 상기 제어전압(Vcontrol)에 따라 상기한 증폭기들(411,413,415,417)에 흐르는 전류를 조정하여 선형성 및 소비전류가 최적이 되도록 한다. 여기서 저항 R1, R2, R3 및 캐패시터 C1, C2, C3는 최적의 상태가 되도록 조정하여 고정시킨다. 또한 상기 전류제어부(419)의 상세 구성 및 동작은 상기 도 3의 전류제어부와 동일하다.

상기한 바와 같은 구성을 갖는 수신부는 상기 디지털신호처리부에서 잼잉신호와 방해파신호를 검출하여 제어전압을 발생하여 상기 저잡음증폭기(411), 래디오주파수 증폭기(413) 및 중간주파수 증폭기(415)의 전류를 조절하여 선형성 및 소비 전류가 최적이 되도록 한다.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 통신단말기에서 송신부 선형성 개선장치를 도시하고 있다.

상기 도 5를 참조하면, 자동이득증폭기(512)는 인가되는 제어전압에 따라 입력신호를 해당 레벨로 증폭하여 출력한다. 여기서 상기 자동이득증폭기(512)의 이득조정은 상기 디지털신호처리부(518)에서 제공되는 제어전압에 의해서 이루어진다. 이때 상기 디지털신호처리부(518)에서 출력되는 제어전압은 상기 자동이득증폭기(512) 뿐만 아니라 전류제어부(518)로 제공된다. 대역통과필터(512)는 상기 자동이득증폭기(511)의 출력신호를 대역 필터링하여 출력한다. 중간주파수 증폭기(513)은 상기 중간주파수 대역통과필터(512)의 출력신호를 증폭하여 출력한다. 주파수변환기(514)는 상기 중간주파수 증폭기(513)의 출력신호를 주파수변환용 국부발진기(도시하지 않음)에 의해 주파수 변환시켜 출력한다. 래디오주파수 증폭기(515)는 상기 주파수변환기(514)의 출력신호를 증폭하여 출력한다. 대역통과필터(516)는 상기 래디오주파수 증폭기(515)의 출력신호를 대역 필터링하여 출력한다. 전력증폭기(517)은 상기 대역통과필터(516)의 출력신호를 송신전력에 맞게 증폭하여 출력한다. 전류제어부(519)는 상기 디지털신호처리부(518)에서 출력되는 제어전압에 따라 각 증폭기들(515,513)의 전류를 조정하여 선형성 및 소비전류가 최적이 되도록 한다. 여기서 저항 R1, R2 및 캐패시터 C1, C2는 최적의 상태가 되도록 조정하여 고정시킨다. 상기 전류제어부(519)의 상세 구성 및 동작은 상기 도 3의 전류제어부와 동일하다.

상기와 같은 구성을 갖는 송신부는 상기 디지털신호처리부(418)에서 상기 자동이득증폭기(511)의 이득을 조절하는 제어전압을 증가시킬 경우 자동이득증폭기(511)의 출력전력이 증가하므로 후단 증폭기들(513,515)의 선형성을 증가시켜야 한다. 따라서 래디오주파수 증폭기(515) 및 중간주파수 증폭기(513)의 전류를 증가시켜 증폭기의 선형성을 개선한다. 즉, 상기 전류제어부(519)에 입력되는 제어전압이 클 경우, 증폭기의 흐르는 전류를 증가되며, 이로인해 출력억압전력을 증가되어 선형성이 증가된다. 반면, 상기 전류제어부(519)로 입력되는 제어전압이 작을 경우, 상기 증폭기에 흐르는 전류가 작아지며, 이로인해 출력억압전력이 작아져 전류소모가 감소된다. 또한, 상기 송신부의 선형제어는 상기 자동이득증폭기511의 이득을 조정하는 단자를 그대로 이용하여 사용된다.

도 6은 전류제어에 따른 증폭기의 특성을 그래프한 도면이다.

상기 도 6을 참조하면, 출력억압전력은 증폭기가 최대로 낼수 있는 출력전력을 말한다. Vcontrol이 최대 3V일 때 전류는 최대 15.5mA가 되어 출력억압전력은 11.5dBm이 된다. 또한, Vcontrol이 최소 1V일 때 증폭기에 흐르는 전류는 2.5mA가 되어 출력 억압전력은 -7.5dBm이 된다. 상기 Vcontrol 전압이 연속적으로 변함에 따라서 소모전류가 조절되고, 그에 따라서 출력억압전력을 조절하여 수신되는 신호의 크기에 따라서 증폭기가 최적의 상태가 되도록 Vcontrol을 조절한다. 또한, Vcontrol(제어전압)이 최대일 때, 전계트랜지스터TR1에 흐르는 전류가 최대 포화전류의 1/2이 되도록 저항 R2,R3를 조정하여 고정한다.

상술한 바와 같이 본 발명은 이동 통신단말기에 증폭기를 사용함에 있어, 소비 전류를 조절하여 선형성을 유지하면서 소비전력을 절약하여 시스템의 효율을 개선하고, 배터리의 소모전력을 절약함과 동시에 배터리 재충전 없이 단말기를 사용할수 있는 시간을 연장할수 있다.

Claims

이동통신단말기에서 증폭기의 선형성 개선장치에 있어서,

입력신호를 전력증폭하여 출력하는 증폭부와,

상기 증폭부로 입력되는 신호크기에 따라 상기 증폭부의 출력억압전력을 연속적으로 조절하는 전류제어부로 구성됨을 특징으로 하는 이동 통신단말기의 선형성 개선장치.
제1항에 있어서, 상기 증폭부가,

제1트랜지스터와,

상기 제1트랜지스터의 소오스단과 상기 전류제어부 사이에 연결된 제1저항과,

상기 제1트랜지스터의 소오스단과 접지단 사이에 연결된 캐패시터로 구성됨을 특징으로 이동통신단말기에서 증폭기의 선형성 개선장치.
제2항에 있어서, 상기 전류제어부가,

상기 제1저항이 직렬 연결되는 콜렉터단과 제2저항을 통해 제어전압 입력단에 연결되는 베이스단과 에미터단을 구비하며, 상기 제어전압에 의해 턴온되는 제2트랜지스터로 구성됨을 특징으로 하는 이동통신단말기에서 증폭기의 선형성 개선장치.
이동통신단말기에서 수신기의 선형성 개선장치에 있어서,

증폭기들과,

수신 방해파신호를 검출하여 제어전압을 발생하는 검출부와,

상기 제어전압에 따라 상기 증폭기들의 출력억압전력을 조절하는 전류제어부로 구성됨을 특징으로 하는 이동통신단말기에서 증폭기의 선형성 개선장치.
제4항에 있어서,

상기 방해파신호가 클 경우 상기 제어전압을 증가시켜 상기 출력억압전력을 증가시키고,

상기 방해파신호가 작을 경우 상기 제어전압을 감소시켜 상기 출력억압전력을 감소시킴을 특징으로 하는 이동 통신단말기에서 증폭기의 선형성 개선장치.
제5항에 있어서,

상기 제어전압은 연속적으로 가변하는 전압신호임을 특징으로 하는 이동통신단말기에서 증폭기의 선형성 개선장치.
이동통신단말기에서 송신기의 선형성 개선장치에 있어서,

증폭기들과,

자동이득증폭의 이득전압에 따라 제어전압을 발생하는 검출부와,

상기 제어전압에 따라 상기 증폭기들의 출력억압전력을 조정하는 전류제어부로 구성됨을 특징으로 하는 이동통신단말기에서 증폭기의 선형성 개선장치.
제7항에 있어서,

상기 검출부가 상기 제어전압으로 상기 이득전압을 그대로 사용함을 특징으로 하는 이동통신단말기에서 증폭기의 선형성 개선장치.
제8항에 있어서,

상기 제어전압이 연속적으로 가변하는 전압신호임을 특징으로 하는 이동통신단말기에서 증폭기의 선형성 개선장치.
제7항에 있어서,

상기 이득전압이 클 경우, 상기 제어전압을 크게하여 상기 출력억압전력을 증가시키고,

상기 이득전압이 작을 경우, 상기 제어전압을 작게하여 상기 출력억압전력을 감소시킴을 특징으로 하는 이동통신단말기에서 증폭기의 선형성 개선장치.