KR20020061956A - 전력증폭기의 온도 보상 회로 - Google Patents

Abstract

전력증폭기에 있어서, 온도 보상 회로가, 상기 전력증폭기에 바이어스 전압을 공급하기 위한 바이어스회로 입력단자와, 상기 바이어스회로 입력단자에 소정의 전압을 공급하기 위한 전압공급단자와, 상기 바이어스회로 입력단자와 접지 사이에 접속되며, 온도가 높아지면 저항값이 작아지는 온도센서와, 상기 온도센서에 병렬 접속되어 상기 온도센서가 온도에 따라 변화되는 정도를 줄여주는 제1저항과, 상기 전압공급단자와 상기 바이어스회로 입력단자 사이에 접속되어 전압을 분배하기 위한 제2저항으로 구성됨을 특징으로 한다. 혹은 상기 전압공급단자와 상기 바이어스회로 입력단자 사이에 접속되어 온도가 높아지면 저항값이 높아지는 온도센서와, 상기 온도센서와 병렬로 접속되어 상기 온도센서가 온도에 따라 변화되는 정도를 줄여주는 제1저항과, 상기 바이어스회로 입력단자와 접지 사이에 접속되어 전압을 분배하기 위한 제2저항으로 구성됨을 특징으로 한다.

Description

전력증폭기의 온도 보상 회로{TEMPERATURE COMPENSATION CIRCUIT FOR POWER AMPLIFIER}

본 발명은 전력증폭기에 관한 것으로, 특히 온도에 따른 바이어스 회로의 전류 변화를 안정화시키기 위한 온도 보상 회로에 관한 것이다.

전력증폭기에서 바이어스 전류(동작점 전류)는 전력증폭기의 특성을 결정하는 중요한 요소이다. 통상적으로 전력증폭기는 온도에 따라 바이어스 회로의 전류 변화가 발생하며, 이로 인하여 이득 및 인접 채널 보호 비율(Adjacent Channel Protection Ratio: 이하 ACPR이라 함.)등 전력증폭기의 기본 특성들이 변화한다. 이러한 변화는 저온에서 더욱 심하다. 여기서 상기 ACPR은 단말기의 송신단에서 생성된 원신호가 의사의(spurious) 혹은 잡음 부분(noise floor) 등을 통해서 인접 채널에 얼마나 영향을 주는지를 나타내는 양이다.

도 1은 전력증폭기의 등가회로를 나타낸 것이다.

전력증폭기의 바이어스 전압은 종류 및 전체 시스템의 구성에 따라 고정되거나 제어회로(도시하지 않음.)에 의해 변화되어 사용되기도 한다. 그러나 기본적으로 레귤레이터(regulator, 도시하지 않음.) 출력 단자 Vt에 의해 바이어스 단자 Vref로 공급되는 전압이 일정한 전압이라고 할 때, 온도에 따라 바이어스 전류가 변화한다. 여기서 상기 제어회로는 바이어스 전압 Vref 단자에 연결될 수 있다.

온도에 따라 바이어스 전류가 변화함에도 불구하고, 종래의 전력증폭기는 온도 보상이 없는 제어회로를 사용함으로써 다음과 같은 문제를 갖고 있었다.

첫째, 온도에 따라 이득이나 ACPR 특성이 변한다. 이는 전력증폭기의 바이어스회로(도 1을 참조하면, 단자 Vref를 통해 외부에서 전압이 제공됨.)에 동일한 바이어스 전압을 공급해도 상기 바이어스회로의 전류(동작점 전류)가 온도에 따라 변하기 때문이다.

둘째, 바이어스 전류는 고온에서 상승하며, 이로 인해 고온에서는 최대 전력일 때 전력증폭기의 이득(Pout)이 감소하고 최저 전력일때는 증가한다(후술하는 도 5a 참조). 반대로, 저온에서는 전류가 감소하며, 이로 인해 최대 전력일 때 이득이 증가하고 최소 전력일 때 감소한다. 상기 바이어스 전류는 전력증폭기 이득을 낮게 사용하거나 입력이 적을 때 변화량이 크다.

셋째, 저온에서 낮은 이득이나 입력을 사용하는 경우 전력증폭기에 따라 이득 감소가 심해지는 것이 있다. 특히, 단계적인(step) 이득을 사용하는 전력증폭기의 경우에는 이득이 낮아지면 구동이 중지되기도(shut down) 한다.

넷째, 온도 보상을 위해 소프트웨어를 이용하므로 온도에 따른 이득 변화가 심한 경우에는 보상에 한계가 있고 정확도도 떨어진다.

도 2는 고정된 이득을 갖는 전력증폭기[예: 미국 Conexant사의 RI123124U, RM912 등]를 예시한 것이다. 고정된 이득을 갖는 전력증폭기는 바이어스 전압 Vref로 하나의 고정된 전압을 사용하거나 2.6V ~ 3.2V 정도로 변경하여 사용한다.

도 3은 단계적인 이득을 갖는 전력증폭기를 예시한 것이다.

단계적인 이득을 갖는 전력증폭기의 경우에는 바이어스 전압을 고정시킨 상태에서 다른 제어단자에 의해 전력증폭기의 이득에 일정한 단계를 주어 사용하게 된다. 도시된 전력증폭기는 두 개의 제어단자(Vmode1, Vmode2)를 이용하여 3가지 모드, 즉 고(high)전력모드, 중간(medium)전력모드 및 저(low)전력모드로 사용하고있는 형태이다.

도 4a 및 도 4b는 일반적인 전력증폭기의 온도에 따른 출력 전력 특성을 나타낸 것이다.

단말기의 출력, 즉 전력증폭기의 전력이 높아질수록 도 4a의 특성에 가까워진다. 상기 도 4a에 따르면, 최대 전력은 도시한 바와 같이 온도가 올라갈수록 감소하고 온도가 낮아질수록 증가한다. -30℃와 60℃에서 기준 전력 25dBm에 비해 대략 2 ~ 3dB의 차이가 나는 것을 볼 수 있다. 구체적으로, 25℃에서는 최대 전력이 기준 전력 25dBm를 나타내지만, -30℃에서는 최대 전력이 기준 전력 25dBm보다 약 2dBm 정도 높아지는 것을 볼 수 있다. 또한 60℃에서는 최대 전력이 기준 전력 25dBm보다 약 3dBm 정도 높아지는 것을 볼 수 있다.

반면에, 최소 전력의 경우는 도 4b와 같이 온도가 올라가면 상승하며, 반대로 온도가 내려가면 감소한다. -30℃와 60℃에서 기준 전력 -55Bm에 비해 대략 9 ~ 10dB의 차이가 난다.

전력증폭기의 바이어스 단자 Vref는 전력증폭기 구동단(driver stage)의 바이어스 전압을 공급하는 단자이다. 바이어스 전류는 온도에 따라 변화를 보이는데, 고온으로 갈수록 높아지고 저온으로 갈수록 낮아지는 특성을 보인다. 이것은 전력증폭기의 출력 전류에 영향을 줌으로써 온도에 따른 전력증폭기의 다른 특성을 나타나게 한다.

도 5a는 단계적인 이득을 갖는 전력증폭기의 전류 특성을 나타낸 도면이다.

유휴 전류(idle current)는 단계에 따라 35, 70, 100mA 가량이 흐르며, 이전류는 상온 기준으로 고온과 저온에서 대략 20~30mA의 변화를 나타낸다. 결국, 최대 전력에서는 2 ~ 3dB의 출력 변화를 최소 전력에서는 9 ~ 10dB의 출력 변화를 가져온다. 최대 전력의 경우에는 출력 편차가 심하고, 경우에 따라서는 전력증폭기의 구동이 중지될(shut down) 수도 있다. 단계적인 이득을 사용하는 증폭기의 경우 낮은 이득 모드로 갈수록 이 현상은 더욱 두드러지게 나타난다. 실제로 스마트(smart) 전력증폭기의 경우에는 전력증폭기의 낮은 전력 모드의 최소 전력에서 온도가 저온으로 갈 경우 전력증폭기가 동작하지 않게 된다.

따라서 본 발명의 목적은 온도에 따른 바이어스 회로의 전류 변화를 안정화시키는 전력증폭기의 온도 보상 회로를 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 제1발명은, 온도 보상 회로가, 상기 전력증폭기에 바이어스 전압을 공급하기 위한 바이어스회로 입력단자와, 상기 바이어스회로 입력단자에 소정의 전압을 공급하기 위한 전압공급단자와, 상기 바이어스회로 입력단자와 접지 사이에 접속되며, 온도가 높아지면 저항값이 작아지는 온도센서와, 상기 온도센서에 병렬 접속되어 상기 온도센서가 온도에 따라 변화되는 정도를 줄여주는 제1저항과, 상기 전압공급단자와 상기 바이어스회로 입력단자 사이에 접속되어 전압을 분배하기 위한 제2저항으로 구성됨을 특징으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 제2발명은, 온도 보상 회로가, 상기 전력증폭기에 바이어스 전압을 공급하기 위한 바이어스회로 입력단자와, 상기 바이어스회로 입력단자에 소정의 전압을 공급하기 위한 전압공급단자와, 상기 전압공급단자와 상기 바이어스회로 입력단자 사이에 접속되어 온도가 높아지면 저항값이 높아지는 온도센서와, 상기 온도센서와 병렬로 접속되어 상기 온도센서가 온도에 따라 변화되는 정도를 줄여주는 제1저항과, 상기 바이어스회로 입력단자와 접지 사이에 접속되어 전압을 분배하기 위한 제2저항으로 구성됨을 특징으로 한다.

도 1은 전력증폭기의 등가회로를 나타낸 도면

도 2는 고정된 이득을 갖는 전력증폭기를 예시한 도면

도 3은 단계적인 이득을 갖는 전력증폭기를 예시한 도면

도 4a 및 도 4b는 일반적인 전력증폭기의 온도에 따른 출력 전력 특성을 나타낸 도면

도 5는 단계적인 이득을 갖는 전력증폭기의 전류 특성을 나타낸 도면

도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 전력증폭기의 등가회로를 나타낸 도면

도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전력증폭기의 등가회로를 나타낸 도면

도 8은 고전력모드 혹은 중간전력모드를 사용하는 전력증폭기의 전류 특성을 나타낸 도면

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 하기 설명에서는 구체적인 회로의 구성 소자 등과 같은 많은 특정(特定) 사항들이 나타나고 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐 이러한 특정 사항들 없이도 본 발명이 실시될 수 있음은 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

써미스터와 같은 온도센서는 온도가 올라가면 저항이 낮아지는 것과 온도가 올라가면 저항이 높아지는 것이 있는데, 이하 본 실시 예에서는 전자의 것을 이용하는 경우에 대하여 설명한다.

도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 온도 보상형 전력증폭기의 등가회로를 나타낸 것이고, 도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전력증폭기의 등가회로를 나타낸 것이다.

상기 도 6을 참조하면, 참조부호 Vref는 바이어스 단자로서, 전력증폭기의 바이어스회로에 전압을 공급하는 단자이다. 바이어스 전압으로는 전력증폭기에 따라 보통 2.6V ~ 3.2V를 사용한다. 참조부호 Vt는 레귤레이터 출력 단자이고, TH는 써미스터를 이용한 온도센서, 그리고 C는 바이패스(bypass) 캐패시터를 나타낸다. 또한 참조부호 R2는 전압 분배를 위한 저항, R1은 써미스터의 온도에 따른 변화폭을 줄여 주기 위한 저항을 나타낸다 (R1 >> R2).

상기 써미스터 TH는 저온으로 갈수록 높은 저항값을 갖고 고온으로 갈수록 낮은 저항값을 갖는다. 다시 말해서, NTC형 써미스터이다. 온도가 상승하면 상기 써미스터 TH의 저항값은 상대적으로 낮아진다. 이러한 써미스터의 특성을 이용하여 도 6과 같이 회로를 구성하면, 단자 Vt를 통하여 공급된 전압이 두 저항 R2와 R1 그리고 써미스터 TH의 병렬 저항값 분배에 의해 하기 식과 같이 얻어지는 소정의 분배 전압을 바이어스 단자 Vref에 공급하게 된다.

Vref = Vt * ((R1//TH) / (R2 + (R1//TH)))

결국, 온도가 상승하는 경우에는 바이어스 전압이 낮아져 바이어스 전류를 적게 흐르도록 하고, 온도가 낮아지는 경우에는 바이어스 전압을 상승시켜 전력증폭기의 바이어스 전류가 많이 흐르게 해줌으로써 상온과 비슷한 특성을 유지할 수 있도록 한다. 다시 말해서, 온도에 대한 특성을 보상해준다.

상기 도 7의 구성을 가지는 경우에도 마찬가지 동작을 한다. 단, 사용된 써미스터 TH는 PTC형 써미스터이다. 다시 말해서, 저온으로 갈수록 낮은 저항값을 갖고 고온으로 갈수록 높은 저항값을 갖는다. 전압공급단자 Vt와 바이어스회로 입력단자 Vref 사이에 접속된 상기 써미스터 TH에 병렬로 접속된 제1저항 R1은 상기 써미스터 TH가 온도에 따라 변화되는 정도를 줄여주고, 상기 바이어스회로 입력단자 Vref와 접지 사이에 접속된 제2저항 R2는 전압을 분배한다. 상기 바이어스 단자 Vref에 공급되는 분배 전압은 다음 수식에 의거 얻어진다.

Vref = Vt * (R2 / (R2 + (R1//TH)))

상기 도 6과 도 7의 회로를 실제로 구현할 때 바이어스 단자 Vref의 임피던스 그리고 PCB 패턴 손실(pattern loss), 저항 및 써미스터의 오차에 따라 상기한 두 식들과는 조금 다른 결과를 가져올 수도 있지만 거의 유사한 특성을 얻을 수 있다. 또한 상기 도 6과 도 7의 회로에는 경우에 따라 또한 바이어스 전압을 조정하기 위한 제어회로나 통화 효율을 개선하기 위한 회로가 추가될 수 있으나 써미스터를 이용한 온도보상회로는 기본적으로 동일하다.

한편, 본 발명을 스마트 전력증폭기에 적용하여 전체적인 전력 범위에서의 출력 전류를 낮출 수가 있는데, 이를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

전술한 도 3에 도시된 바와 같은 스마트 전력증폭기는 3가지 모드에서 사용할 수 있는데, 고전력모드는 가장 높은 이득을 갖고 있는 것을 의미하고 이득이 높기때문에 전류 역시 가장 많이 흐른다. 또한 중간전력모드는 중간 정도의 이득과 전류를 가지며, 저전력모드는 낮은 이득과 전류를 갖는다. 그러므로 이러한 특성을이용하면 -55dBm ∼ -10dBm의 경우 저전력모드를 이용하여 단말기의 전류를 낮게 할 수 있는 것이다. 그러나 상기 저전력모드의 경우는 저온(약 -30℃)에서 최소 전력일 때 편차가 심하거나 경우에 따라서는 전력증폭기를 사용할 수 없게(shut down) 될 수도 있다. 그래서 써미스터를 사용한 온도 보상 회로를 사용하지 않는 경우에는 저전력모드를 저온에서 사용할 수 없다. 이런 경우 고전력모드 혹은 중간전력모드를 사용하거나 온도에 따라 사용하는 전력모드의 숫자를 바꿔야 한다.

도 8은 고전력모드 혹은 중간전력모드를 사용하는 전력증폭기의 전류 특성을 나타낸 도면이다. 두 개의 전력모드를 사용하는 경우에는 -55dBm ∼ -10dBm의 단말기 출력을 낼 때 전력증폭기의 전력모드로 저전력모드를 대신하여 중간전력모드를 사용함으로써 동일 출력 구간에서 단말기는 더 많은 전류를 소모하게 된다. 그러나 본 발명의 실시 예와 같은, 써미스터를 이용한 온도 보상 회로를 사용할 경우에는 온도에 따른 각 모드의 이득 변화가 적으므로 저전력모드를 사용할 수 있으며, 이를 단말기에 적용하는 경우 -55dBm ∼ -10dBm(단말기 설계 방식에 따라 이 구간은 변경될 수 있다.)에서 적은 전류로 단말기를 구동시킬 수 있게 되는 것이다.

다른, 한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐 만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

상술한 바와 같이 본 발명은 온도 보상 회로를 이용함으로써 온도 변화에 따른 전력증폭기의 특성 변화를 최소화 한다. 또한 전력증폭기의 이득을 작게 사용하는 경우의 특성을 잘 활용함으로써 통화 전류를 보다 적게 사용하는 회로를 구현 가능하게 한다. 본 발명에 따르면, 혹독한 환경에서도 단말기 특성이 정상적으로 유지된다. 또한 저온일 때 강전계에서 단말기 출력이 높아져 전력 감쇠 효과를 방지하며, 이로 인해 송신 성공률을 유지할 수 있다. 또한 저가 단말기 개발에 여전히 이용되는 전력증폭기(예: RM912 혹은 RI23124U)뿐만 아니라 차기 CDMA2000이나 IMT2000 개발에 사용될 전력증폭기에도 구성이 간단하여 설계 유연성을 지닌 온도 보상 회로를 적용할 수 있다.

Claims (8)

1. 전력증폭기에 있어서,

   상기 전력증폭기에 바이어스 전압을 공급하기 위한 바이어스회로 입력단자와,

   상기 바이어스회로 입력단자에 소정의 전압을 공급하기 위한 전압공급단자와,

   상기 바이어스회로 입력단자와 접지 사이에 접속되며, 온도에 따라 저항값이 변하는 온도센서와,

   상기 온도센서에 병렬 접속되어 상기 온도센서가 온도에 따라 변화되는 정도를 줄여주는 제1저항과,

   상기 전압공급단자와 상기 바이어스회로 입력단자 사이에 접속되어 전압을 분배하기 위한 제2저항으로 구성됨을 특징으로 하는 온도 보상 회로.
2. 제1항에 있어서,

   상기 바이어스회로 입력단자에 접속되는 바이패스용 캐패시터를 더 구비함을 특징으로 하는 온도 보상 회로.
3. 제1항에 있어서,

   상기 온도센서는 온도가 높아지면 저항값이 작아지는 써미스터임을 특징으로 하는 온도 보상 회로.
4. 제3항에 있어서,

   상기 전압공급단자를 통해 공급되는 제1전압으로 하기 수학식에 의거 제2전압을 발생하여 상기 바이어스회로 입력단자에 제공함을 특징으로 하는 온도 보상 회로.

   제2전압 = 제1전압 * ((제1저항//온도센서 저항값)/(제2저항 + (제1저항//온도센서 저항값)))
5. 전력증폭기에 있어서,

   상기 전력증폭기에 바이어스 전압을 공급하기 위한 바이어스회로 입력단자와,

   상기 바이어스회로 입력단자에 소정의 전압을 공급하기 위한 전압공급단자와,

   상기 전압공급단자와 상기 바이어스회로 입력단자 사이에 접속되어 온도에 따라 저항값이 변하는 온도센서와,

   상기 온도센서와 병렬로 접속되어 상기 온도센서가 온도에 따라 변화되는 정도를 줄여주는 제1저항과,

   상기 바이어스회로 입력단자와 접지 사이에 접속되어 전압을 분배하기 위한 제2저항으로 구성됨을 특징으로 하는 온도 보상 회로.
6. 제5항에 있어서,

   상기 바이어스회로 입력단자에 접속되는 바이패스용 캐패시터를 더 구비함을 특징으로 하는 온도 보상 회로.
7. 제5항에 있어서,

   상기 온도센서는 온도가 높아지면 저항값이 높아지는 써미스터임을 특징으로 하는 온도 보상 회로.
8. 제5항에 있어서,

   상기 전압공급단자를 통해 공급되는 제1전압으로 하기 수학식에 의거 제2전압을 발생하여 상기 바이어스회로 입력단자에 제공함을 특징으로 하는 온도 보상 회로.

   제2전압 = 제1전압 * (제2저항/(제2저항 + (제1저항//온도센서 저항값)))