KR20020052124A - 고출력 증폭기의 바이어스 제어장치 - Google Patents

고출력 증폭기의 바이어스 제어장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 고출력 증폭기의 바이어스 제어장치는, 입력신호를 고출력 증폭하기 위한 메인 증폭부와; 상기 메인 증폭부로 입력되는 드레인 전류를 감지하여 상기 메인 증폭부의 바이어스 전압을 보상하기 위한 바이어스 보상치를 산출하는 제1 바이어스 보상단과; 상기 메인 증폭부로의 입력신호 및 출력신호의 세기를 검출하여 비교한 후, 상기 메인 증폭부의 바이어스 전압을 보상하기 위한 바이어스 보상치를 산출하는 제2 바이어스 보상단과; 상기 제1 바이어스 보상단 및 제2 바이어스 보상단의 각 바이어스 전압 보상치를 가산하여 상기 메인 증폭부로 인가하기 위한 가산회로부를 포함하여 이루어져, 메인 증폭부의 이득 및 출력을 정확하게 조절할 수 있다.

Description

고출력 증폭기의 바이어스 제어장치 {Apparatus for controlling bias of high power amplifier}
본 발명은 고출력 증폭기의 바이어스 제어장치에 관한 것으로, 특히 DCN(Data Communication Network)과 PCS(Personal Communication Service) 시스템에서 요구하는 높은 데이터 전송효율을 달성하면서 저비용으로 최대출력을 유지할 수 있도록 한 고출력 증폭기의 바이어스 제어장치에 관한 것이다.
현재 국내에서 서비스되고 있는 800MHz DCN과 1.8GHz PCS 시스템의 경우, 높은 데이터 전송효율을 달성하기 위해 복잡한 변/복조 방식을 채택하고 있다. 그래서 시스템의 최종단에 사용되는 고출력 증폭기는 선형성이 우수한 클래스 A급 또는 클래스 AB급을 사용하여야 한다. 그 중 클래스 A급은 효율이 좋지 않아 기지국 전체의 효율을 저하시키기 때문에 클래스 AB급이 주로 사용된다.
이러한 고출력 증폭기에 적용되는 트랜지스터 바이어스 회로가 도1에 도시되어 있다. 도1의 (a)는 저항분배기를 이용한 바이어스 회로이고, 도1의 (b)는 다이오드를 이용한 바이어스 회로이다.
상기 메인 트랜지스터 회로는 다수의 저항(R1, R2, R3, Rc, Re)과 메인 트랜지스터(1)로 구성되어 일정한 바이어스 전류가 흐르도록 한다. 이처럼 간단한 전압분배 회로를 이용하여 메인 트랜지스터의 바이어스 전류값을 조절하는 것으로, 온도증가 또는 DC 전원의 변화에 의해 트랜지스터의 바이어스-에미터 전압값(Vbe)이 저하될 경우에는 저항 Re로 더 많은 전류가 흐르게 되고, 이때 에미터 전류값(Ie)이 거의 컬렉터 전류값(Ic)과 일치하므로 Ic 값도 증가하는 체계로 동작한다. 상기Ic 값의 증가에 따라 저항 Rc에 걸리는 전압이 증가하여 온도 증가로 인해 발생됐던 Ic 값의 저하는 다시 보상된다.
그리고 상기 다이오드 동작회로는 상기 메인 트랜지스터 회로에 사용된 저항 R1을 대신하여 메인 트랜지스터(1)와 유사한 온도특성을 갖는 트랜지스터(2)를 이용하여 다이오드 동작을 수행하도록 한다. 상기 다이오드 동작회로에서는 온도가 증가함에 따라 메인 트랜지스터(1)의 Vbe도 감소하지만, 동시에 다른 트랜지스터(2)의 전압도 같은 양만큼 감소하게 된다. 그러므로 더 많은 게이트 전압이 메인 트랜지스터(1)에 인가되고, Ic 값도 온도가 증가하기 전의 값으로 일정하게 유지된다. 이러한 다이오드 동작회로는 상기 메인 트랜지스터 회로에 비해 온도보상을 강화할 수 있다.
이처럼 종래기술은 회로가 간단하여 많은 바이어스 보정회로에 사용되고 있다.
하지만 정확한 고출력 증폭기의 이득보상은 어렵고, 특히 온도에 따른 메인 증폭기의 출력 저하 보상이 정확하지 않다. 더불어 회로 구성에 사용된 저항의 포용한계 및 트랜지스터의 직류 이득 포용한계가 존재하기 때문에 양산시에는 정확한 바이어스 보상 효과를 얻기 어렵게 된다.
그리고 각 기지국은 해당 기지국이 방사할 수 있는 최대 출력을 유지하여야 하는데, 기지국을 최대 출력으로 계속 운용할 경우, 열 발생이 문제될 수 있고 발생된 열로 인해 고출력 증폭기의 이득특성이 저하되는 현상이 유발되기도 한다. 따라서 열 발생에 따라 이득특성이 저하된 고출력 증폭기를 교체하기 위한 비용이 발생되는 문제점이 있다.
또한, 상기한 바와 같은 고출력 증폭기의 성능저하 문제를 해결하기 위해, 고출력 증폭기의 내부에 가변전압 감쇄기를 추가하여 고출력 증폭기의 입력단과 출력단의 출력을 검출한 값을 이용하여 온도 및 직류 공급전압의 변화를 보상하는 회로를 구성할 수 있다. 하지만 이 경우에는 추가되는 회로로 인해 전체 회로구성이 복잡해지고, 가변전압 감쇄기의 기본적인 전력손실이 발생되고 이에 따른 추가 전원이 필요해지는 등 전체적인 시스템의 효율이 저하되는 문제점이 있다.
이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 고출력 증폭기의 이득저하에 따른 기지국 성능 저하를 방지하기 위해, 드레인 저항에 흐르는 전류를 감지하는 방식과, 고출력 증폭기의 입력단의 전압을 검출하여 온도 보상회로를 거치도록 하며 상기 온도보상 회로의 출력에 따라 고출력 증폭기의 바이어스를 제어하는 방식을 동시에 적용하여 RF 고출력 증폭기의 바이어스를 정밀하게 제어하는 고출력 증폭기의 바이어스 제어장치를 제공하는 데 있다.
도1은 고출력 증폭기에 적용되는 트랜지스터 바이어스 회로도이고,
도2는 본 발명의 실시예에 의한 고출력 증폭기의 바이어스 제어장치의 블록도이고,
도3은 도2에서 드레인 전류 감지부의 상세도이며,
도4는 도2에서 제1 비교부의 상세도이고,
도5는 도2에서 제2 비교부의 상세도이고,
도6은 도2에서 입력신호 검출부의 상세도이며,
도7은 도2에서 출력신호 검출부이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
30 : 입력신호 감지부 40 : 기준전압 발생부
50 : 드레인 전류 감지부60 : 제1 비교부
80 : 출력신호 감지부90 : 제2 비교부
100 : 가산회로부110 : 메인 증폭부
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 고출력 증폭기의 바이어스 제어장치는, 입력신호를 고출력 증폭하기 위한 메인 증폭부와; 상기 메인 증폭부로 입력되는 드레인 전류를 감지하여 상기 메인 증폭부의 바이어스 전압을 보상하기위한 바이어스 보상치를 산출하는 제1 바이어스 보상단과; 상기 메인 증폭부로의 입력신호 및 출력신호의 세기를 검출하여 비교한 후, 상기 메인 증폭부의 바이어스 전압을 보상하기 위한 바이어스 보상치를 산출하는 제2 바이어스 보상단과; 상기 제1 바이어스 보상단 및 제2 바이어스 보상단의 각 바이어스 전압 보상치를 가산하여 상기 메인 증폭부로 인가하기 위한 가산회로부를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.
상기 구성과 관련하여, 기지국에 사용되는 고출력 증폭기에는 선형성 및 높은 효율이 요구된다. 특히, 온도의 증가에 따라 메인 증폭기는 이득특성이 악화되는 경향이 있다. 온도가 높아지면 이득이 떨어지고, 온도가 낮아지면 이득이 증가되는 경향이다.
이러한 온도에 따른 이득특성은 기지국의 출력특성을 악화시키는 주요원인이 되며, 또한 감소된 이득만큼 입력신호를 높이면 기지국의 출력신호에 왜곡이 발생된다.
그러므로 본 발명에서는 메인 증폭부의 바이어스를 조절하게 된다. 본 발명의 바이어스 조절장치는 복잡한 회로의 추가 없이도 구성할 수 있으며, 우수한 온도 및 직류 공급전압의 보상이 가능케 된다.
이처럼 바이어스를 조절하기 위하여 메인 증폭부의 출력 증가시 트랜지스터의 드레인 전류가 증가하는 특성을 기본으로 하여 제1 바이어스 보상단에서는 드레인 전류 감지 저항을 이용한 보상을 수행하고, 동시에 제2 바이어스 보상단에서는 입력신호 및 출력신호를 검출하여 신호 세기를 비교하고 증가 또는 감소된 양 만큼메인 증폭부의 동작점을 이동시켜 보상함으로써 메인 증폭부의 이득 바이어스를 보다 정확하게 조절한다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
도2는 본 발명의 실시예에 의한 고출력 증폭기의 바이어스 제어장치의 블록도이고, 도3은 도2에서 드레인 전류 감지부의 상세도이며, 도4는 도2에서 제1 비교부의 상세도이고, 도5는 도2에서 제2 비교부의 상세도이고, 도6은 도2에서 입력신호 검출부의 상세도이며, 도7은 도2에서 출력신호 검출부이다.
도2에 따르면, 본 발명은 전체적으로 입력신호를 고출력 증폭하기 위한 메인 증폭부(110)와, 드레인 전류를 감지하여 바이어스 전압을 보상하는 제1 바이어스 보상단(40, 50, 60)과, 입력 및 출력 신호의 세기를 검출하여 비교한 후 바이어스 전압을 보상하는 제2 바이어스 보상단(30, 80, 90)과, 상기 각 바이어스 보상단의 바이어스 전압 보상치를 가산하여 상기 메인 증폭부(110)로 인가하기 위한 가산회로부(100)로 구분할 수 있다.
그리고 제1 바이어스 보상단(40, 50, 60)은, 메인 증폭부(110)의 드레인 전류를 감지하는 드레인 전류 감지부(50)와, 기준전압을 발생시켜 드레인 저항에서 발생되는 전압의 정도를 조절하는 기준전압 발생부(40)와, 상기 드레인 전류 감지부(50)의 출력과 기준전압 발생부(40)의 출력을 비교하는 제1 비교부(60)를 포함한다.
또한, 제2 바이어스 보상단(30, 80, 90)은, 상기 메인 증폭부(110)로의 입력신호를 검출하기 위한 입력신호 검출부(30)와, 상기 메인 증폭부(110)의 출력신호를 검출하기 위한 출력신호 검출부(80)와, 상기 입력신호 검출부(30) 및 출력신호 검출부(80)에서 각각 검출된 입력신호와 출력신호를 비교하여 그 차이에 해당하는 전압값을 출력하기 위한 제2 비교부(90)를 포함하며, 신호입력단자(10)와 입력신호를 결합시키는 제1 커플링부(20)와, 신호출력단자(120)와 출력신호를 결합시키는 제2 커플링부(70)를 더 포함한다.
더불어 도3에 따르면, 상기 드레인 전류 감지부(50)는, 메인 증폭부(110)의 드레인 단에 흐르는 전류를 감지하는 저항(230)과, 메인 증폭부(110)의 드레인 단에 연결되는 전송라인(250)과, 드레인 저항에서 발생되는 전압차에 따른 전압을 출력하는 비교기(280)를 포함하며, 드레인 전원 입력단자(210)와 다수의 저항(230, 260, 270) 및 다수의 캐패시터(220, 240)와, 상기 전송라인(250)의 출력을 메인 증폭기의 드레인 단으로 인가하는 출력단자(291)와, 상기 비교기(280)의 출력을 상기 제1 비교부(60)로 인가하는 출력단자(292)와, 상기 전송라인(250)의 출력을 RF 메인 경로로 인가하는 출력단자(293)를 더 포함한다.
그리고 도4에 따르면, 상기 제1 비교부(60)는, 일정한 전압이 흐르도록 하는 제너 다이오드(340)와, 상기 메인 증폭부(110)의 드레인 저항을 통해 감지된 전류값과 기준전압간의 차이를 지시하는 전압값을 발생시키는 비교기(370)를 포함하며, 상기 드레인 전류 감지부(50)에서 신호가 인가되는 신호입력단자(310)와 상기 가산회로부(100)로 비교기(370)의 출력전압을 인가하기 위한 출력단자(390)와, 다수의 저항(330, 350) 및 캐패시터(320)와, 배터리(360)를 더 포함한다.
그리고 도5에 따르면, 상기 제2 비교부(90)는, 일정한 전압이 흐르도록 하는제너 다이오드(440)와, 상기 메인 증폭부(110)의 드레인 저항을 통해 감지된 전류값과 기준전압간의 차이를 지시하는 전압값을 발생시키는 비교기(470)를 포함하며, 상기 입력신호 검출부(30)에서 신호가 인가되는 제1 신호입력단자(410)와 상기 출력신호 검출부(80)에서 신호가 인가되는 제2 신호입력단자(420)와 상기 가산회로부(100)로 비교기(470)의 출력전압을 인가하기 위한 출력단자(490)와, 다수의 저항(450, 460) 및 다수의 캐패시터(430, 440)를 더 포함한다.
또한, 입력신호와 출력신호의 세기를 비교하여 바이어스 전압을 보상하는 블록은, 메인 증폭부(110)의 입력신호를 검출하는 입력신호 검출부(30)와, 메인 증폭부(110)의 출력신호를 검출하는 출력신호 검출부(80)와, 상기 입력신호 검출부(30)의 출력과 출력신호 검출부(80)의 출력을 비교하여 그 차이를 출력하는 제2 비교부(90)를 포함한다.
도6에 따르면, 상기 입력신호 검출부(40)는, 레벨이 낮은 입력신호를 증폭시키는 증폭기(530)와, 증폭기(530)로 전원을 인가하는 전원공급부(540)와, 입력신호의 세기를 검출하는 다이오드(580)와, 다이오드(580)의 온도 특성을 보상하는 비교기(630)를 포함하며, 상기 메인 증폭부(110)의 입력신호가 인가되는 신호입력단자(510)와 비교기(630)의 출력을 상기 제2 비교부(90)로 인가하는 신호출력단자(660)와, 다수의 저항(590, 640) 및 다수의 캐패시터(520, 550, 560)와, 온도특성 보상을 위한 다이오드(580)에 대해 동일한 특성을 갖는 다이오드(650)를 더 포함한다.
계속해서 도7에 따르면, 상기 출력신호 검출부(80)는, 전원을 인가하는 전원공급부(730)와, 입력신호의 세기를 검출하는 다이오드(750)와, 다이오드(750)의 온도 특성을 보상하는 비교기(830)를 포함하며, 상기 메인 증폭부(110)의 출력신호가 인가되는 신호입력단자(710)와 비교기(830)의 출력을 상기 제2 비교부(90)로 인가하는 신호출력단자(860)와, 다수의 저항(750, 840) 및 다수의 캐패시터(720, 760)와, 온도특성 보상을 위한 다이오드(740)에 대해 동일한 특성을 갖는 다이오드(850)를 더 포함한다.
이처럼 입력신호 검출부(40)와 출력신호 검출부(80)는 온도보상 회로를 포함하고 있다.
그래서 온도가 증가하여 메인 증폭부(110)의 이득이 감소하는 경우, 동일한 입력신호에 대해 메인 증폭부(110)의 출력신호의 세기가 저하될 것이다. 이때 드레인 저항에 흐르는 전류는 감소하므로, 드레인 전류 감지부(50)에서는 저하된 전류 만큼의 전압이 발생한다.
그리고 제1 비교부(60)는 드레인 전류 감지부(50)에서 발생된 전류 양을 바이어스 전압 양에 비례하여 전압을 발생시킨 후, 가산회로부(100)로 인가한다. 이때 기준전압 발생부(40)는 기준 전압을 변화시켜 드레인 전류 감지부(50)에서 인가되는 전류에 비례되는 전압값을 변화시킬 수 있다.
바람직하게는 드레인 저항은 0.1~1옴이 되도록 하여야 한다. 즉, 높은 드레인 저항치는 메인 증폭부(110)에 소모되는 전압 량이 많아지고, 메인 증폭부(110) 전체의 특성을 악화시키므로 낮은 저항치를 이용하여 드레인 전류를 검출하여야 하는 것이다.
또한, 온도증가에 따라 메인 증폭부(110)의 입력신호는 일정하지만 상기 메인 증폭부(110)의 출력이 감소되면, 출력신호 검출부(80)에서는 처음보다 감소된 출력만큼 낮은 신호의 세기를 검출하고, 이 신호의 차이만큼 제2 비교부(90)에서는 양의 전압을 발생시킨다.
이렇게 제1 비교부(60)와 제2 비교부(90)에서 발생된 두 개의 신호는 가산회로부(100)에서 더해진 후 메인 증폭부(110)의 게이트 부로 인가된다.
그러면 게이트로 인가되는 양의 전압은 메인 증폭부(110)의 감소된 이득을 증가시켜 보상하게 되므로, 메인 증폭부(110)의 출력은 일정하게 유지될 수 있다.
이처럼 본 발명은 바이어스 보상을 수행할 수 있는 보상회로를 결합시켜 적용함으로써, 메인 증폭부의 바이어스를 정확하게 조절할 수 있다.
뿐만 아니라 입력신호와 출력신호의 검출에 사용되는 다이오드를 입력신호 검출부(40) 및 출력신호 검출부(80)의 온도 보상회로에 추가함으로써, 온도로 인해 발생되는 검출오차를 방지할 수 있다.
상기 온도보상 회로는 비교기를 이용하여, RF 입력신호가 없을 경우에 비교기의 출력을 0으로 보정하고, 주위의 저항 및 캐패시터의 값을 검출 다이오드와 온도보상 다이오드를 동일하게 사용하여, 온도 변화에 따라 동일한 전압값을 유지하도록 한다.
그러므로 입력신호 검출부(40) 및 출력신호 검출부(80)에서는 온도 변화에 의한 영향이 배제되고, RF 신호에 의한 차이만이 검출된다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 본 발명은 상기 실시예를 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수 있음이 명확하다. 따라서 상기 기재 내용은 하기 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 정확하게 메인 증폭부의 이득 및 출력을 조절할 수 있으므로, 기지국 시스템을 운용할 경우, 고출력 증폭기의 출력을 일정하게 유지할 수 있는 효과가 있다.
그리고 시스템의 온도 증가로 인해 기지국의 메인 증폭기 출력이 저하되면 기지국 출력을 일정하게 유지하기 위하여 기지국 출력을 증가시킴으로써 신호 왜곡이 발생되던 종래기술의 문제점을 해결할 수 있다.
또한, 드레인 전류를 감지하여 동작하던 종래의 바이어스 보상회로에 입/출력 신호를 검출하여 비교한 후, 상기 비교 값을 이용하여 발생시킨 전압값으로 메인 증폭기의 게이트 바이어스를 변화시키므로, 보다 정확하고 안정적인 바이어스를 메인 증폭기로 공급할 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 입력신호를 고출력 증폭하기 위한 메인 증폭부와;
    상기 메인 증폭부로 입력되는 드레인 전류를 감지하여 상기 메인 증폭부의 바이어스 전압을 보상하기 위한 바이어스 보상치를 산출하는 제1 바이어스 보상단과;
    상기 메인 증폭부로의 입력신호 및 출력신호의 세기를 검출하여 비교한 후, 상기 메인 증폭부의 바이어스 전압을 보상하기 위한 바이어스 보상치를 산출하는 제2 바이어스 보상단과;
    상기 제1 바이어스 보상단 및 제2 바이어스 보상단의 각 바이어스 전압 보상치를 가산하여 상기 메인 증폭부로 인가하기 위한 가산회로부를 포함하는 것을 특징으로 하는 고출력 증폭기의 바이어스 제어장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제1 바이어스 보상단은,
    상기 메인 증폭부의 드레인 저항의 전류를 감지하여 전압값을 발생시키는 드레인 전류 감지부와;
    기준전압을 발생시켜 드레인 저항에서 발생되는 전압의 기울기와 오프셋을 조정하기 위한 기준전압 발생부와;
    상기 드레인 전류 감지부에서 감지된 전압과 상기 기준전압 발생부의 출력 전압을 비교하여 상기 두 전압의 차이를 지시하는 전압값을 발생시키는 제1 비교부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고출력 증폭기의 바이어스 제어장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제2 바이어스 보상단은,
    상기 메인 증폭부로의 입력신호를 검출하기 위한 입력신호 검출부와,
    상기 메인 증폭부의 출력신호를 검출하기 위한 출력신호 검출부와,
    상기 입력신호 검출부 및 출력신호 검출부에서 각각 검출된 입력신호와 출력신호를 비교하여 상기 두 신호의 차이를 지시하는 전압값을 출력하기 위한 제2 비교부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고출력 증폭기의 바이어스 제어장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 입력신호 검출부는,
    입력되는 신호의 세기를 검출하는 제1 다이오드와, 상기 다이오드의 온도 특성을 보상하는 비교기와, 상기 비교기의 온도특성 보상을 위하여 상기 제1 다이오드와 동일한 특성을 갖는 제2 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 고출력 증폭기의 바이어스 제어장치.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 출력신호 검출부는,
    입력되는 신호의 세기를 검출하는 제1 다이오드와, 상기 제1 다이오드의 온도 특성을 보상하는 비교기와, 상기 비교기의 온도특성 보상을 위하여 상기 제1 다이오드와 동일한 특성을 갖는 제2 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 고출력증폭기의 바이어스 제어장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20100137228A (ko) * 2009-06-22 2010-12-30 삼성전자주식회사 통신 시스템에서 고출력 증폭기의 제어 장치 및 방법

Cited By (1)

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KR20100137228A (ko) * 2009-06-22 2010-12-30 삼성전자주식회사 통신 시스템에서 고출력 증폭기의 제어 장치 및 방법

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