KR20020000106A - Power amplifier having improved linearity using feedback capacitive compensation - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 이동 전화기 통신 기술(portable telephone communication art)에 관한 것이다. 특히, 클래스 B 모드에서 개선된 선형도을 가지고 동작하는 전력 증폭기가 제공된다.The present invention relates to a portable telephone communication art. In particular, a power amplifier is provided that operates with improved linearity in class B mode.
무선 셀 폰(cell phone) 산업은 전력을 갖춘 배터리, 충분히 높은 질을 생성해야만 하는 원격 기지국(remote base station)과 통신하기 위한 저 전력 송신기, 원격 기지국에 송신하기 위해 변조된 무선 주파수 신호에 의존하고 있다. 이동 전화기 내의 송신기는 CDMA 포맷 내에서 동작할 때, 송신 신호 내의 변조 성분을 왜곡하지 않도록 변조 무선 주파수 신호(a modulated radio frequency signal)의 선형 증폭도를 요구할 수도 있다.The wireless cell phone industry relies on a powered battery, a low power transmitter to communicate with a remote base station that must produce high enough quality, and a modulated radio frequency signal to transmit to the remote base station. have. When operating in a CDMA format, a transmitter in a mobile phone may require a linear amplification of a modulated radio frequency signal so as not to distort the modulation components in the transmission signal.
변조 신호를 왜곡되지 않도록 높은 선형도를 가지고 증폭하는 것은 상당히 어렵다. 또한, 증폭은 배터리 전력을 보존하기 위해 높은 효율로 이루어져야 한다. 효율적인 증폭을 제공하기 위한 하나의 알려진 회로는 클래스 B 푸쉬 풀 증폭기(class B mode push pull amplifier)이다. 클래스 B 증폭 단은 높은 효율도를 제공하지만 선형도는 증폭기에서 사용된 트랜지스터 내의 베이스 컬렉터 캐패시턴스의 효과 때문에 열화된다. 선형도에 대한 컬렉터 베이스 캐패시턴스의 효과를 감소시키기 위해서, 종래 기술은 하나의 트랜지스터의 컬렉터를 다른 트랜지스터의 베이스에 접속시키기 위한 캐패시터의 사용을 제시하고 있다. 증폭기에서 사용된 트랜지스터 각각은 상호 다른 위상으로(out of phase) 동작하기 때문에, 반대의(opposite) 위상 신호는 양 신호를 최소화시키는 극성(polarity)에서 컬렉터 베이스 캐패시턴스를 지나는 신호와 결합된다. 그러나 컬렉터 베이스 캐패시턴스의 효과를 중화시키려는 시도는 컬렉터 베이스 캐패시턴스가 비 선형이고 컬렉터 베이스 전압의 함수(function)에 따라 변한다는 점에서 만족스럽지 못하였다. 캐패시터를 한 트랜지스터의 컬렉터에서 다른 트랜지스터의 베이스로 접속하는 것은 기생(paratisitics)을 캐패시터에 부가하는 인덕터 혹은 트레이스(trace)를 필요로 하는데, 그 때문에 무선 주파수에서의 사용이 더 제한된다. 따라서, 컬렉터 베이스 캐패시턴스 전류의 소거는 불완전하여, 증폭기에 사용된 트랜지스터의 증폭 선형도를 떨어뜨린다.It is quite difficult to amplify a modulated signal with high linearity so that it is not distorted. In addition, amplification must be made with high efficiency to conserve battery power. One known circuit to provide efficient amplification is a class B mode push pull amplifier. Class B amplification stages provide high efficiency but linearity degrades due to the effect of base collector capacitance in the transistor used in the amplifier. In order to reduce the effect of collector base capacitance on linearity, the prior art proposes the use of capacitors to connect the collector of one transistor to the base of another transistor. Because each of the transistors used in the amplifier operates out of phase with each other, the opposite phase signal is combined with the signal passing through the collector base capacitance at polarity which minimizes both signals. However, attempts to neutralize the effects of collector base capacitance have been unsatisfactory in that the collector base capacitance is nonlinear and varies with the function of the collector base voltage. Connecting a capacitor from the collector of one transistor to the base of another transistor requires an inductor or trace that adds paratisitics to the capacitor, which further limits its use at radio frequencies. Thus, the cancellation of the collector base capacitance current is incomplete, lowering the amplification linearity of the transistor used in the amplifier.
클래스 B 푸쉬 풀 모드에서 개선된 선형도를 가지고 동작하는 증폭기 회로가 본 발명에 의해 제공된다. 전화기 신호 트래픽(telephone signal traffic)과 함께 변조될 수 있는 증폭될 신호는 위상이 다른 제 1 및 제 2 신호 성분을 만드는 신호 스플리터(splitter)에서 수신된다. 제 1 및 제 2 바이폴라 트랜지스터는 바이어스(bias)되어, 위상이 다른 제 1 및 제 2 신호 성분이 그들의 베이스 접속에 수신될 때 푸쉬 풀 클래스 B모드에서 동작하게 된다. 트랜지스터는 서로 접속된 에미터 접속과 공통 d.c 접속을 가진다. 트랜지스터의 컬렉터는 제 1 및 제 2 정합 임피던스에 접속된다. 제 1 및 제 2 권선을 구비한 변압기는 제 1 및 제 2 정합 임피던스로부터의 신호를 결합하기 위해 제공된다. 비 선형 캐패시턴스 대 전압 함수를 갖는 제 1 및 제 2 캐패시턴스는 트랜지스터 중 하나의 컬렉터로부터 다른 트랜지스터의 베이스로의 컬렉터이며, 이는 실질적으로 트랜지스터 컬렉터 베이스 접합과 동일한 캐패시터 대 전압 함수이다. 따라서, 보상 전류는 컬렉터 베이스 접합 캐패시턴스를 지나는 피드백 신호와 위상이 180°차이가 나는 비선형 캐패시터를 통하여 생성되어, 피드백 신호의 더 완전한 소거(cancellation)를 성취할 수 있다. 이것은 같은 IC 상에 제조된 접합을 만듦으로써 성취되고, 따라서 배선 혹은 긴 트레이스가 필요 없으며 높은 주파수 응답을 얻을 수 있다.An amplifier circuit operating with improved linearity in class B push pull mode is provided by the present invention. The signal to be amplified, which can be modulated with telephone signal traffic, is received at a signal splitter that makes the first and second signal components out of phase. The first and second bipolar transistors are biased to operate in push-pull class B mode when the first and second signal components that are out of phase are received at their base connection. The transistor has an emitter connection and a common d.c connection connected to each other. The collector of the transistor is connected to the first and second matched impedances. Transformers with first and second windings are provided for coupling signals from the first and second matched impedances. The first and second capacitances with a nonlinear capacitance versus voltage function are collectors from one collector of the transistor to the base of the other transistor, which are substantially the same capacitor versus voltage function as the transistor collector base junction. Thus, the compensation current can be generated through a nonlinear capacitor that is 180 degrees out of phase with the feedback signal passing through the collector base junction capacitance, thereby achieving more complete cancellation of the feedback signal. This is accomplished by making a junction fabricated on the same IC, thus eliminating the need for wiring or long traces and achieving a high frequency response.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예의 설계도.1 is a schematic diagram of a first embodiment of the present invention;
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명Explanation of symbols for the main parts of the drawings
13,15,44,47 : 쵸크 인덕터 44, 47 : 바이패스 캐패시터13,15,44,47: choke inductor 44, 47: bypass capacitor
19,20 : 권선 16 : 제 1 변압기19,20: winding 16: first transformer
43 : 제 2 변압기 27, 28 : 증폭 트랜지스터43: second transformer 27, 28: amplifying transistor
29, 30 : 트랜지스터 32, 33 : 직류 격리 캐패시터29, 30: transistor 32, 33: DC isolation capacitor
24, 25 : 인덕터24, 25: inductor
도 1은 변조 무선 주파수 신호를 증폭하는데 사용되는 한 실시예에 따른 클래스 B 모드 증폭기의 설계도이다. 도 1의 회로는 셀룰라 전화기(cellular phone) 응용에 사용되어 높은 효율과 낮은 왜곡 증폭 단을 제공할 수 있다. 두 증폭 트랜지스터(27,28)는 푸쉬 풀, 클래스 B 동작 모드에서 동작한다. 각각은 그들의 컬렉터에 상호 위상이 다른 증폭 신호를 제공한다. 클래스 B 구성(configuratin)은 증폭하는 동안 생성되는 신호에서 짝수 차수의 고조파(even order harmonics)를 제거하기 위해 제공된다.1 is a schematic diagram of a class B mode amplifier according to one embodiment used to amplify a modulated radio frequency signal. The circuit of FIG. 1 can be used in cellular phone applications to provide high efficiency and low distortion amplification stages. Both amplifying transistors 27 and 28 operate in a push-pull, class B operating mode. Each provides their collector with an amplified signal that is out of phase with each other. Class B configuration is provided to remove even order harmonics from the signal generated during amplification.
또한 각각의 트랜지스터(27,28)에는 위상이 다른 입력 신호(out of input signal)가 제공된다. 터미널(12)에서의 입력 신호는 캐패시터(14)를 지나서 변압기(16)의 권선(19)의 한쪽에 결합된다. 변압기(16)는 권선(19,20)에서 크기는 같지만 위상이 다른 두 개의 신호 성분을 생성한다.Each transistor 27, 28 is also provided with an out of input signal out of phase. The input signal at terminal 12 is coupled to one side of winding 19 of transformer 16 past capacitor 14. Transformer 16 produces two signal components of equal magnitude but different phase in windings 19 and 20.
위상이 다른 신호 성분은 인덕터(24), 캐패시터(22), 인덕터(25) 및 캐패시터(23)를 포함하는 제1 및 제 2 정합 네트워크를 지나서 트랜지스터의 베이스 접속부에 제공된다. 트랜지스터(27,28)의 베이스에 제공된 위상이 다른 신호는 마찬가지로 상호 위상이 다른 트랜지스터(27,28)의 컬렉터에서 증폭 신호 레벨을 만든다.제 2 정합 네트워크는 트랜지스터(27,28)로부터 제 2 변압기(43)에 접속된다. 트랜지스터(27,28)에서 만들어진 위상이 다른 신호는 변압기(43)에서 재결합하여 최대 진폭 신호( a whole amplitude signal)가 출력단(50)에서 생성된다.The out-of-phase signal component is provided to the base connection of the transistor past the first and second matching networks including inductor 24, capacitor 22, inductor 25 and capacitor 23. The out-of-phase signals provided at the bases of the transistors 27 and 28 likewise create an amplified signal level at the collectors of the transistors 27 and 28, which are out of phase with each other. The second matching network is arranged from the transistors 27 and 28 to the second transformer. (43). The out-of-phase signals produced by the transistors 27 and 28 are recombined in the transformer 43 so that a whole amplitude signal is produced at the output 50.
전술한 클래스 B 증폭기의 구조는 트랜지스터(27,28) 각각의 컬렉터 베이스 접합을 지나는 피드백 전류를 만든다. 이들 접합 각각에 의해 나타난 캐패시턴스는 전압에 대해 비선형이다. 따라서, 컬렉터 전압이 트랜지스터(27,28) 각각에서 감소함에 따라, 컬렉터 에미터 접합(27,28)을 가로질러 보이는 용량(capacity)의 양은 증가한다.The structure of the class B amplifier described above produces a feedback current through the collector base junction of each of the transistors 27 and 28. The capacitance exhibited by each of these junctions is nonlinear with respect to the voltage. Thus, as the collector voltage decreases in each of transistors 27 and 28, the amount of capacitance seen across collector emitter junctions 27 and 28 increases.
무선 주파수 신호를 트랜지스터(27,28) 각각의 컬렉터로부터 트랜지스터 각각의 베이스에 결합하는 것은 트랜지스터(27,28)에 의해 제공되는 신호 증폭 선형도(linearity)를 감소시킨다. 선형도의 손실은 증폭되는 신호에 포함된 변조에 불리한 영향을 주고, 출력 무선 주파수 신호 내에 왜곡 성분을 만든다.Coupling the radio frequency signal from the collector of each of the transistors 27 and 28 to the base of each of the transistors reduces the signal amplification linearity provided by the transistors 27 and 28. The loss of linearity adversely affects the modulation included in the signal to be amplified and creates distortion components in the output radio frequency signal.
트랜지스터(27,28) 각각의 컬렉터 베이스 접합을 지나서 용량적으로(capacitively) 결합되는 전류는 반대 위상의 전류를 유사한 캐패시턴스를 통해 트랜지스터(27,28) 각각의 베이스에 제공함으로써 상쇄(offset)되거나 중화될 수 있다. 이 중화는 트랜지스터(27,28) 중 하나의 컬렉터를 캐패시턴스를 통해 다른 트랜지스터의 베이스에 연결함으로써 도 1에 도시된 실시예에서 성취된다. 본 실시예에 따라, 트랜지스터(29,30)는 트랜지스터 각각의 컬렉터 베이스 접합은 중화 전류를 증폭 트랜지스터(27,28)의 베이스에 제공하도록 접속되는데, 상기 중화 전류는 트랜지스터(27,28)의 컬렉터 각각으로부터 트랜지스터(27,28)의 베이스로 용량적으로 결합된 전류와 위상이 다르다.The current capacitively coupled past the collector base junction of each of the transistors 27, 28 is offset or neutralized by providing a current of opposite phase to the base of each of the transistors 27, 28 through similar capacitance. Can be. This neutralization is achieved in the embodiment shown in FIG. 1 by connecting the collector of one of the transistors 27, 28 to the base of the other transistor via capacitance. According to this embodiment, transistors 29 and 30 are connected so that the collector base junction of each transistor provides a neutralizing current to the base of the amplifying transistors 27 and 28, the neutralizing current being the collector of the transistors 27 and 28. The current and phase are capacitively coupled from each other to the base of transistors 27 and 28.
트랜지스터(29,30)는 피드백 전류의 위상과 반대되는 위상을 갖는 중화 전류를 컬렉터 베이스 접합 각각을 통해 제공한다. 한 쌍의 직류 격리 캐패시터(d.c isolation capacitor)(32,33)는 트랜지스터(29,30)의 컬렉터를 트랜지스터(27,28)의 컬렉터에 각각 접속한다. 트랜지스터(29,30)의 컬렉터 베이스 접합은 캐패시턴스 대 전압 함수를 가지는데, 그것은 트랜지스터(27,28)의 컬렉터 베이스 용량성 전압 함수와 실질적으로 같다. 트랜지스터 디바이스(29,30)는 실질적으로 같은 영역을 가지도록 선택되고, 따라서 트랜지스터(27,28)의 캐패시턴스 대 전압 특성 곡선과 유사하게 된다. 트랜지스터(27 내지 30)는 동일한 프로세스를 사용하는 동일한 IC 상에서 제조되기 때문에, 긴 트레이스 배선 접속(long trace wire connections)은 필요가 없게 되고, 따라서, 트랜지스터(29,30)의 컬렉터 베이스 접합에 의해 제공되는 캐패시턴스의 비 선형성은 트랜지스터의 컬렉터 베이스 캐패시턴스를 정합(match)시켜 트랜지스터(27,28)의 컬렉터 베이스 캐패시턴스의 중화를 개선하게 된다. 따라서, 트랜지스터(27,28)의 켈렉터 베이스 접합으로부터의 피드백 전류의 효과의 소거(cancellation)는 고정 캐패시터(fixed capacitor)가 사용되는 경우에 소거되는 것보다 실질적으로 더 많다.Transistors 29 and 30 provide neutralizing current through the collector base junction, each having a phase opposite to that of the feedback current. A pair of DC isolation capacitors 32 and 33 connect the collectors of the transistors 29 and 30 to the collectors of the transistors 27 and 28, respectively. The collector base junction of transistors 29 and 30 has a capacitance versus voltage function, which is substantially the same as the collector base capacitive voltage function of transistors 27 and 28. Transistor devices 29 and 30 are selected to have substantially the same area, thus becoming similar to the capacitance versus voltage characteristic curves of transistors 27 and 28. Since transistors 27 to 30 are fabricated on the same IC using the same process, long trace wire connections are not needed, and thus are provided by collector base junctions of transistors 29 and 30. The nonlinearity of the capacitance to be matched improves the neutralization of the collector base capacitance of the transistors 27 and 28 by matching the collector base capacitance of the transistor. Thus, the cancellation of the effect of the feedback current from the selector base junctions of the transistors 27 and 28 is substantially more than that which is eliminated when a fixed capacitor is used.
도 1의 회로를 위한 동작 전압은 캐패시터(bypass capacitor)(44,47)를 갖는 한 쌍의 쵸크 인덕터(choke inductor)(45,46)를 통해 제공된다. 쵸크 인덕터(45,46) 및 바이패스 캐패시터(44,47)는 출력 무선 주파수 신호로부터의 전원 전압(Vcc)의 공급을 격리하도록 돕는다. 트랜지스터(27,28)의 에미터는 모두 전압 공급의 공통 단자에 결합된다. 바이어스 전압은 바이어스 전압(Vdd)의 소스로부터의 증폭 트랜지스터(27,28) 각각에 제공된다. 쵸크 인덕터(13,15) 및 캐패시터(17,18)를 포함하는 바이어스 네트워크는 바이어스 전압을 변압기 권선(19,20)과 정합 인덕터(24,25)를 통해 트랜지스터(27,28)의 베이스에 공급한다. 바이어스 네트워크 인덕턴스와 캐패시턴스는 바이어스 전압 공급(Vdd)으로부터 입력 무선 주파수 신호를 차단한다.The operating voltage for the circuit of FIG. 1 is provided through a pair of choke inductors 45, 46 with bypass capacitors 44, 47. Choke inductors 45 and 46 and bypass capacitors 44 and 47 help to isolate the supply of the supply voltage V cc from the output radio frequency signal. The emitters of transistors 27 and 28 are both coupled to a common terminal of the voltage supply. The bias voltage is provided to each of the amplifying transistors 27 and 28 from the source of the bias voltage V dd . A bias network comprising choke inductors 13, 15 and capacitors 17, 18 supplies a bias voltage to the bases of transistors 27, 28 through transformer windings 19, 20 and matching inductors 24, 25. do. Bias network inductance and capacitance isolate the input radio frequency signal from the bias voltage supply (V dd ).
본 발명의 명세서 전문에서 본 발명을 도시하고 설명하였다. 또한, 본 발명의 개시는 단지 본 발명의 바람직한 실시예만 도시하고 기술하였지만, 전술한 바와 같이 본 발명은 여러 가지 다른 조합, 변형, 환경으로 사용될 수 있다는 것과, 본 명세서에 기술된 발명의 사상 내에서 상기 교시 내용 및/또는 관련 기술분야의 기술 혹은 지식과 동일한 변화 및 변형이 가능하다는 것을 알아야 한다. 또한 전문에 기술된 본 실시예는 본 발명을 실시하기 위해 개시된 최선의 모드를 설명하고, 당업자들이 본 발명을 본 혹은 다른 실시예 내에서 특별한 응용 혹은 본 발명의 사용에 의한 다양한 변형을 하여 사용 가능하게 하도록 의도되었다. 따라서, 본 발명은 본 명세서에 개시된 형태에만 한정되지 않는다. 또한, 첨부된 청구항은 다른 실시예를 포함하여 해석되도록 의도되었다.The present invention has been shown and described in the full text of the present invention. In addition, although the disclosure of the present invention has shown and described only preferred embodiments of the present invention, it is to be understood that the present invention can be used in various other combinations, modifications, and environments, as described above, and that it is within the spirit of the invention described herein. It should be understood that variations and modifications that are the same as the teachings and / or techniques or knowledge in the relevant art are possible. The presently described embodiment also describes the best mode disclosed for practicing the present invention, and those skilled in the art can use the present invention in various modifications by special application or use of the present invention in this or other embodiments. It was intended to be. Accordingly, the invention is not limited to only the forms disclosed herein. Also, the appended claims are intended to be construed, including other embodiments.
변조 신호를 왜곡되지 않도록 높은 선형도를 가지고 증폭하는 것은 상당히 어렵다. 또한 그 증폭은 배터리 전력을 보존하기 위해 높은 효율로 되어야 한다. 개시된 클래스 B 증폭기는 높은 효율도를 제공하지만 선형도는 증폭기에서 사용된 트랜지스터 내의 베이스 컬렉터 캐패시턴스의 효과를 감소시킨다. 이를 해결하기 위해 종래 기술은 다른 베이스에 하나의 트랜지스터의 컬렉터를 접속시키기 위한 캐패시터의 사용을 제시하고 있다. 그러나 컬렉터 베이스 캐패시턴스가 비 선형이고 컬렉터 베이스 전압의 함수(function)에 따라 변한다는 점에서 만족스럽지 못하였다. 또한 캐패시터를 한 트랜지스터의 컬렉터에서 다른 트랜지스터의 베이스로 접속하는 것은 기생(paratisitics)을 캐패시터에 부가하는 인덕터 혹은 트레이스(trace)를 필요로 하는데, 그 때문에 무선 주파수에서의 사용이 더 제한되었다. 따라서, 컬렉터 베이스 캐패시턴스 전류의 소거는 불완전하여, 증폭기에 사용된 트랜지스터의 증폭 선형도를 떨어뜨리는 문제점이 있었다.It is quite difficult to amplify a modulated signal with high linearity so that it is not distorted. The amplification must also be of high efficiency to conserve battery power. The disclosed class B amplifiers provide high efficiency but linearity reduces the effect of base collector capacitance in the transistor used in the amplifier. To solve this problem, the prior art proposes the use of a capacitor to connect a collector of one transistor to another base. However, it was not satisfactory in that the collector base capacitance was nonlinear and varied with the function of the collector base voltage. Also, connecting a capacitor from the collector of one transistor to the base of another transistor requires an inductor or trace that adds paratisitics to the capacitor, further limiting its use at radio frequencies. Therefore, the cancellation of the collector base capacitance current is incomplete, which causes a problem of lowering the amplification linearity of the transistor used in the amplifier.
본 발명은 클래스 B 푸쉬 풀 모드에서 개선된 선형도을 가지고 동작하는 증폭기 회로를 제공한다. 보상 전류는 컬렉터 베이스 접합 캐패시턴스를 지나는 피드백 신호와 위상이 180°차이가 나는 비선형 캐패시터를 통하여 생산되는데, 이로써 피드백 신호의 더 완전한 소거(cancellation)를 성취할 수 있다. 또한 이는 같은 IC 상에 제조된 접합을 만듦으로써 달성되고, 따라서 배선 혹은 긴 트레이스가 필요 없으며 높은 주파수 응답을 얻을 수 있다.The present invention provides an amplifier circuit that operates with improved linearity in class B push pull mode. Compensation current is produced through a nonlinear capacitor that is 180 degrees out of phase with the feedback signal across the collector base junction capacitance, thereby achieving more complete cancellation of the feedback signal. This is also achieved by making junctions fabricated on the same IC, thus eliminating the need for wiring or long traces and achieving a high frequency response.
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