KR20020062512A - 지능형 스위칭 모드 전력증폭장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 지능형 스위칭 모드 전력증폭장치를 개시한다. 이에 의하면, 전력단을 전력증폭기 모듈의 출력 전력의 크기에 따라서 3개의 모드로 나누어 동작시킴으로써 출력 전력이 낮아질 때에도 높은 효율을 유지할 수 있으며, 가변 출력 정합부에서 2개의 스위치를 사용함으로써 기존의 복잡한 스위치 모드 전력증폭기 모듈에 비해 매우 간단한 소형화된 전력증폭기를 구현할 수 있고 아울러 스위치로 인한 손실을 크게 감소시킬 수 있다. 또한, 가변 이득 증폭단을 3개의 모드에 상응하여 동작시킴으로써 전력증폭기 모듈의 선형성을 최적화할 수 있다.
따라서, 본 발명은 전력증폭기가 가지고 있는 휴대용 단말기의 최대 통화시간을 연장할 수 있고, 통화품질을 향상시킬 수 있다.

Description

지능형 스위칭 모드 전력증폭장치{Intelligent Switching Mode Power Amplifying Apparatus}
본 발명은 무선 통신용 단말기의 전력증폭장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 최대 통화시간(Maximum Talk-Time)과 양호한 통화품질을 얻기 위해 높은 효율(Efficiency)과 선형성(Linearity)을 갖도록 한 지능형 스위칭 모드 전력증폭장치에 관한 것이다.
최근에 들어 무선 통신시장의 폭발적인 발전은 수많은 사람들이 휴대용 단말기를 통해서 시간과 장소에 제한을 받지 않고 원하는 정보를 주거나 받을 수 있는 세상을 열어 놓았다. 하지만, 많은 사용자들이 무선통신을 이용하면서 기존의 무선통신서비스의 여러가지 제약들을 인식하게 되었고, 이러한 제약들의 개선에 대한 요구가 크게 증대하였다. 그 대표적인 문제점으로는 휴대용 단말기의 짧은 최대 통화시간과 불량한 통화품질이다. 휴대용 단말기의 최대 통화시간은 휴대용 단말기의 배터리 용량과 크게 관련이 있는데, 현재는 비교적 작고 가벼우면서도 예전의 배터리 제품들보다 장시간 사용가능한 배터리 제품들이 많이 출시되었으나 아직까지도 사용자들의 요구를 충족시킬 정도의 수준에 미치지 못하고 있는 실정이다. 이는 현재의 통신용 단말기의 고주파 전력증폭기 모듈이 낮은 효율 특성을 나타내고 있기 때문이다. 휴대용 단말기를 구성하는 전체 시스템의 소비전력중에서 고주파 전력증폭기 모듈이 상당한 부분을 차지하므로 고주파 전력증폭기 모듈의 낮은 효율은 전체 시스템의 효율을 크게 저하시키고, 또한 최대 통화시간을 단축시키는 주요 원인으로 작용한다. 이러한 이유 때문에 고주파 전력증폭기 모듈의 효율을 높이기 위한 많은 연구들이 진행되어 오고 있다.
고주파 전력증폭기 모듈의 효율을 높이기 위한 방법 중에서 최근에 활발히 연구되고 있는 방법이 스위칭 모드 전력증폭기 모듈에 집중하는 추세에 있다. 스위칭 모드 전력증폭기 모듈의 전력단을 여러 가지 경우에 맞게 동작시킬 수 있도록 구성하는 방법으로서 우회(bypass) 방법이 주로 사용되고 있다. 이 방법은 작은 출력 전력이 필요한 경우, 전력단을 거치지 않고 전력단을 우회하여 출력 전력을 출력하도록 한다. 이러한 경우에도 대개는 스위치를 사용하여 전력단 경로와 우회경로를 조정하게 된다.
그런데, 스위치를 사용하여 출력 전력의 모드(mode)를 나누어 동작시키는 경우, 전력단의 입/출력을 가변 정합회로의 구조로 구현하거나, 각각의 모드를 위해서 나뉘어진 경로에 독립적인 입/출력 정합회로를 배치하는 방법을 사용해야 하는데, 실제로 입/출력 가변 정합회로를 구현하는 것이 쉽지 않고, 또한 각각의 경로에 독립적인 입/출력 정합회로를 배치할 경우, 회로가 매우 복잡해지고 크기가 커지는 단점이 있다. 그리고, 우회회로를 통해서 동작시키는 경우, 결국 출력 전력을 크게 하이(High) 모드와 로우(Low) 모드로 양분하는 구조로 극히 제한된 출력 전력에 대해서만 어느 정도 효과를 얻을 수 있다.
현재 무선 통신용 단말기가 안고 있는 제한된 최대 통화시간과, 전력증폭기의 왜곡특성으로 인한 불량한 통화품질의 문제를 함께 개선하기 위해 고주파 전력증폭기 모듈의 효율과 선형성의 향상을 통하여 양질의 무선 통신서비스가 구현될 수 있는 환경을 제공할 뿐만 아니라 향후 미래의 전력증폭기 모듈의 개발분야에 있어서 가히 두드러진 기술적인 길잡이가 절실히 요구되고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 무선 통신용 단말기의 고주파 전력증폭기 모듈의 효율을 높임으로써 최대 통화시간을 연장하도록 한 지능형 스위칭 모드 전력증폭장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 무선 통신용 단말기의 고주파 전력증폭기 모듈의 선형성을 향상시킴으로써 통화품질을 향상하도록 한 지능형 스위칭 모드 전력증폭장치를 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명이 적용된 일반적인 스위칭 모드 전력증폭장치를 나타낸 블록도.
도 2는 도 1의 인터스테이지부를 나타낸 상세 블럭도.
도 3은 본 발명에 의한 지능형 스위칭 모드 전력증폭장치의 인터스테이지부를 나타낸 상세 블록도.
도 4는 도 3의 인터스테이지부에서의 각 모드별 이득특성을 나타낸 그래프.
도 5는 본 발명에 의한 지능형 스위칭 모드 전력증폭장치의 가변 이득 증폭단을 나타낸 상세 블럭도.
도 6은 도 5의 가변 이득 증폭단에서의 각 모드별 이득특성을 나타낸 그래프.
도 7은 본 발명에 의한 지능형 스위칭 모드 전력증폭장치의 가변 출력 정합부의 일예를 나타낸 상세 회로도.
도 8은 모드 1에서의 도 7의 가변 출력 정합부를 나타낸 등가회로도.
도 9는 모드 2에서의 도 7의 가변 출력 정합부를 나타낸 등가회로도.
도 10은 모드 3에서의 도 7의 가변 출력 정합부를 나타낸 등가회로도.
도 11은 도 1의 전력단의 각 모드에서의 최적의 출력 전력을 위한 정합 임피던스와 그의 정합을 위한 궤적을 스미스 차트 상에 도시한 도면.
도 12는 본 발명에 의한 지능형 스위칭 모드 전력증폭장치의 가변 출력 정합부의 다른 예를 나타낸 상세 회로도.
도 13은 본 발명에 의한 지능형 스위칭 모드 전력증폭장치의 가변 출력 정합부의 또 다른 예를 나타낸 상세 회로도.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 지능형 스위칭 모드 전력증폭장치는, 구동 전력을 공급하는 구동단; 상기 구동단의 출력을 증폭하는 전력단; 상기 구동단과 상기 전력단 사이에 배치되어, 상기 전력단의 입력 임피던스를 상기 구동단에 정합시키는 인터스테이지부; 상기 전력단의 출력 크기에 따라 3개의 모드별로 정합시키는 가변 출력 정합부; 및 상기 구동단의 전단에 배치되어, 상기 모드별로 동작하여 상기 출력단의 선형성을 유지하는 가변 이득 증폭단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 상기 인터스테이지부는 고정 인터스테이지 정합부로 구성될 수 있다.
바람직하게는 상기 가변 이득 증폭단은 듀얼게이트 FET(Field Effect Transistor)를 가지며, 상기 모드별 가변 이득특성과 위상특성을 이용하여 상기 선형성을 최적화시킨다.
바람직하게는 상기 가변 출력 정합부는 2개의 직렬 연결된 스위치부를 가질 수 있다. 상기 스위치부는 다이오드나 MEMS(Micro Electro-Mechanical Systems) 스위치로 구성될 수 있다.
이하, 본 발명에 의한 전력증폭장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 전력증폭장치(300)에서는 가변이득증폭단(100), 구동단(Drive stage)(110), 검출부(120), 모드선택 논리회로부(130), 제어부(140), 인터스테이지 회로부(150), 전력단(power stage)(160), 가변출력정합부(170)로 구성된다.
여기서, 가변이득증폭단(100)은 가변이득증폭기(Variable Gain Amplifier)로 구성될 수 있다. 구동단(110)은 구동증폭기(Drive Amplifier)로 구성될 수 있다. 전력단(160)은 예를 들어 4개로 균등 분할되며, 병렬 연결된 전력증폭기(PowerAmplifier)(162),(164),(166),(168)로 구성될 수 있다.
상기 가변이득증폭단(100)은 전력증폭장치(300)의 전체 회로의 이득의 크기 (amplitude) 및 위상 (phase) 특성을 일정하게 맞추어주면서 선형성을 확보하는 역할을 한다. 검출부(120)는 입력단자(70)에서 입력된 입력의 크기를 검출한다. 전력단(160)의 각각 독립적인 바이어스 인가와 입력신호의 크기에 따른 모드 선택은 입력단(70)에서 검출부(120)에 의해 검출된 입력의 크기를 모드선택 논리회로부(130)와 제어부(140)에 의해 이루어진다.
상기 모드선택 논리회로부(130)는 검출부(120)에서 검출된 입력의 크기에 따라 크게 논리적으로 몇 가지로 해당 입력의 크기에 상응하는 모드를 나눈다. 모드선택 논리회로부(130)는 0,1의 두 디지털 신호가 네 가지 조합을 갖도록 하는 논리회로로 구성되어 있는데, 이는 가변이득증폭단(100)과 전력단(160)의 바이어스를 조절하고, 또한 간단한 디지털 논리회로로 구성된 제어부(140)가 각 동작 모드에 따라 가변출력정합부(170)를 제어할 수 있도록 한다.
상기 인터스테이지부(150)는 도 2에 도시된 바와 같이, 가변 인터스테이지 정합부(152)와 스위치부(154)로 구성될 수 있다. 인터스테이지부(150)는 도 1의 전력증폭부(160)의 독립적인 경로(82),(84),(86),(88)로 나누어서 각각의 전력증폭기(162),(164),(166),(168)를 동작시키는데, 필요한 출력 전력의 크기에 따라서 스위치부(154)를 사용하여서 상기 경로(82),(84),(86),(88)를 개폐한다. 이러한 경우, 전체 4개의 경로(82),(84),(86),(88)에 있는 트랜지스터 중 몇 개가 동작하고 있는 지에 따라서 전력단(160)이 갖는 입력 임피던스가 변하게 되므로 이를구동단(110)에 정합시키기 위해서는 가변 인터스테이지 정합부(152)를 사용하게 된다.
또한, 스위치와 복잡한 가변 인터스테이지 정합부를 사용하지 않기 위하여, 상기 인터스테이지부(150)는 도 3에 도시된 바와 같이, 도 2의 가변 인터스테이지 정합부(152)와 스위치부(154)를 사용하지 않고 4개의 경로(82),(84),(86),(88)가 모두 동작할 때의 전력단(160)의 입력 임피던스인 (1/4) ZIN-MAIN에 맞추어진 고정 인터스테이지 정합부(156)로 구성될 수 있다.
상기 전력단(160)의 4개 경로(82),(84),(86),(88) 중에서 필요한 전력에 따라서 각 경로의 트랜지스터에 바이어스를 인가하게 되고, 동작시키지 않는 경로에는 드레인 전압을 0V로 인가하더라도 각 전력증폭기(162),(164),(166),(168)의 입력에서의 입력 임피던스는 거의 변하지 않으므로 도 2의 가변 인터스테이지 정합부(152)와 스위치 회로부(154)를 사용할 필요가 없게 된다. 따라서, 동작모드에 상관없이 입력 임피던스 ZIN-MAIN1, ZIN-MAIN2, ZIN-MAIN3, 그리고 ZIN-MAIN4는 ZIN-MAIN로서 모두 동일한 값으로 고정된다고 볼 수 있다.
상기 인터스테이지부(150)가 스위치를 사용하지 않고 도 3의 고정 인터스테이지 정합부(156)로 구성된 경우, 각 동작모드에서의 경로로 인한 손실이 도 4에 도시된 바와 같이 나타난다. 즉, 출력 전력의 크기가 작은 모드 1의 영역에서는 4개의 경로(82),(84),(86),(88) 중에서 1개의 경로만 동작하게 되고, 입력 전력의 25%가 동작하는 경로로 들어가게 되고 나머지 입력 전력은 동작하지 않는 경로로각각 들어가게 된다. 출력 전력의 크기가 중간 정도로 되는 모드 2의 영역에서는 2개의 경로가 동작하게 되고, 이 2개의 경로에 50%의 입력 전력이 들어가게 된다. 출력 전력의 크기가 큰 모드 3의 영역에서는 4개 경로(82),(84),(86),(88)가 모두 동작하게 되어서 입력 전력의 손실없이 각 전력증폭기(162),(164),(166),(168)에서 증폭하게 된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 모드 1의 영역과 모드 2의 영역에서의 입력 전력이 각각 6dB과 3dB의 손실로 발생하게 되면, 모드에 상관없이 일정한 출력 이득을 얻기 위해서는 가변 이득 증폭단(100)이 도 4에 상응하는 이득 특성을 갖고 동작하여야 한다. 이때, 구동단(110)의 동작은 항상 일정하게 유지하는 것이 바람직하다.
상기 가변 이득 증폭단(100)은 도 5에 도시된 바와 같이, 가변 이득 증폭을 위한 듀얼게이트 FET(DG1)와, 상기 듀얼게이트 FET(DG1)의 제 1 게이트 바이어스 단자와 입력단자(70) 사이에 가변 이득 증폭 입력정합부(102)가 배치되고, 제 2 게이트 바이어스 단자(106)에 모드선택 논리회로부(130)의 출력단자(74)가 연결되고, 소오스단자와 구동단(110) 사이에 가변 이득 증폭 출력정합부(104)가 배치되는 구조로 이루어진다.
여기서, 듀얼게이트 FET(DG1)는 큰 폭의 이들을 변화시킬 수 있다. 제 2 게이트 바이어스단자(VG2)(106)의 바이어스를 조정함으로써 입력단자(70)의 입력 전력에 따른 출력 전력의 특성이 도 6에 도시된 바와 같이 될 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 모드 1과 모드 2에서는 각각 6dB과 3dB의 높은 출력 이득이 얻어질 수 있도록 동작시킨다. 이렇게 하면, 도 2의 스위치부(154)를 사용하지 않아서 발생하는 도 4에서의 경로분산으로 인한 손실을 보상할 수 있고 나아가 전력증폭기의 선형성을 최적화할 수 있다.
도 4의 각 모드에서의 각기 다른 이득 특성은 모드 변환 시 이득의 불연속을 유발하는데, 이는 전력증폭기 회로의 큰 비선형성의 원인으로 작용하고 나아가 전력증폭기의 인접 채널 파워 억압(Adjacent Channel Power Rejection: ACPR) 특성을 악화시킨다. 본 발명의 가변이득증폭단(100)은 각각의 구동 모드에서 각기 다른 이득을 얻을 수 있기 때문에 이득의 불연속으로 유발되는 비선형성을 크게 개선할 수 있다. 또한, 각각의 구동 모드에서 최적의 위상(phase) 특성을 유도하여 모든 전력증폭기의 비선형성에 가장 큰 영향을 주는 AM-PM 변조 특성을 동시에 개선할 수 있다.
한편, 각 동작 모드를 독립적으로 동작시키는 위해서는 고정 출력 전력 정합부로는 불가능하고, 각 모드에 따른 가변 출력 정합부(170)를 사용해야 한다. 가변 출력 정합부(170)는 도 7에 도시된 바와 같이, 전력증폭기의 출력 전력을 정합하기 위한 것으로서, 4개의 인덕턴스(222),(224),(226),(228)와, 4개의 커패시턴스(232),(234),(236),(238)와, 제어부(140)에 의해 제어되는 2개의 스위치부(180),(190)로 구성된다. 여기서, 상기 스위치부(180),(190)는 각각 간단한 스위치(182),(192)로 구성되고, 스위치(182),(192)는 서로 직렬로 연결된다. 인덕턴스(222),(224),(226)는 서로 동일하며 인덕턴스(228)와는 상이하다. 또한, 대역폭의 확보를 위해 스미스 차트(Smith chart) 상에서 일정한 Q값의 영역 안에서 정합부를 구성하는 다중영역(multi-section)을 사용하여 정합부를 구성하는 것이바람직하다.
4개의 경로중에서 1개의 경로만이 동작하는 모드 1에 있어서, 도 7의 직렬 연결된 스위치(182),(192)를 온시킨 경우의 가변 출력 정합부(170)의 등가회로는 도 8에 도시된 바와 같이, 3개의 인덕턴스(222),(224),(226)가 서로 병렬 연결된 성분과, 최적의 출력 전력을 위해 인덕턴스(228)와 컨덕턴스(236),(238) 등으로 구성된 4 x ZOPT그리고 동작하지 않는 3개의 경로에서의 3 x Coff성분으로 구성된다. 이때, 인덕턴스(222),(224),(226)는 Coff와 서로 공진이 일어나도록 설계되는 것이 바람직하다. 이러한 경우, 병렬 연결된 3개의 인덕턴스(222),(224),(226)와 3 x Coff는 공진이 일어나 간단히 4 x ZOPT로 출력 전력 정합을 이루게 된다.
2개의 경로만이 동작하는 모드 2에 있어서, 도 7의 스위치(182)를 연결시키고 스위치(192)를 오프시킨 경우의 가변 출력 정합부(170)의 등가회로는 도 9에 도시된 바와 같이, 2개의 인덕턴스(222),(224)가 서로 병렬로 연결된 성분과, 최적의 출력 전력을 위해 인덕턴스(226),(228)와 커패시턴스(234),(236),(238) 등으로 구성된 2 x ZOPT그리고 동작하지 않는 2개의 경로에서의 2 x Coff성분으로 구성된다. 마찬가지로, 병렬 연결된 2개의 인덕턴스(222),(224)와 2 x Coff는 공진이 일어나 간단히 2 x ZOPT로 출력 전력 정합을 이루게 된다.
4개의 경로가 모두 동작하는 모드 3에 있어서, 도 7의 가변 출력 정합부(170)의 등가회로는 도 10에 도시된 같이, 인덕턴스(222),(224),(226),(228)와 커패시턴스(232),(234),(236),(238) 등으로 구성된다. 마찬가지로, 인덕턴스(222),(224),(226),(228)와 커패시턴스(232),(234),(236),(238)는 공진이 일어나 간단히 ZOPT로 출력 전력 정합을 이루게 된다.
각 모드에서의 최적의 출력 전력을 위한 정합 임피던스와 그의 정합을 위한 궤적이 도 11에 도시된 바와 같이, 전력단(170)의 스미스 차트 상에 도시되어 있다.
한편, 도 7의 스위치부(180),(190)는 도 12에 도시된 바와 같이, 스위치(182),(192) 대신에 실제로 PIN 다이오드(184),(194)로 구성될 수도 있다. 여기서, 외부의 제어부(140)가 2개의 PIN 다이오드(184),(194)의 개폐를 위한 바이어스를 인가하게 된다. 이러한 경우, 어느 정도 만족할 만한 삽입손실(Insertion Loss)과 이격도(Isolation) 특성을 얻을 수가 있다. 그러나, PIN 다이오드(184),(194)가 큰 전력에서 동작하기 위해서는 그 크기가 아주 커져야 하는데 이는 전반적인 전력증폭기 모듈의 크기를 증대시킨다. 그리고, PIN다이오드(184),(194) 자체의 심한 비선형성은 전력증폭기의 ACPR특성을 악화시킬 수 있다.
또한, 도 7의 스위치부(180),(190)는 도 13에 도시된 바와 같이, PIN 다이오드(184),(194) 대신에 실제로 고주파 MEMS(Micro Electro-mechanical Systems) 스위치(186),(196)로 구성될 수도 있다. 고주파 MEMS 스위치(186),(196)의 구동을 위해서 외부의 제어부(140)의 제어기(142)가 바이어스를 인가하게 되며, 또한 필요에따라서 높은 바이어스를 위해 DC-DC 변환기(144)가 함께 사용될 수 있다.
이러한 경우, 삽입손실과 이격도 특성뿐만 아니라 고주파 MEMS 스위치(186),(196)는 모두 칩 제조공정으로 형성할 수 있기 때문에 그 크기나 수율(Yield)의 측면에 있어서 비교할 수 없을 정도로 뛰어난 효과를 얻을 수 있다. 더욱이, 고주파 MEMS 스위치(186),(196)는 모두 기계적으로 동작하기 때문에 PIN 다이오드에서 염려되는 비선형성이 전혀 야기되지 않으므로 전체 전력증폭기 모듈(300)의 선형성에 크게 이바지할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 전력증폭장치는 전력단을 전력증폭기 모듈의 출력 전력의 크기에 따라서 3갱의 모드로 나누어 동작시킴으로써 출력 전력이 낮아질 때에도 높은 효율을 유지할 수 있으며, 가변 출력 정합부에서 2개의 스위치를 사용함으로써 기존의 복잡한 스위치 모드 전력증폭기 모듈에 비해 매우 간단한 소형화된 전력증폭기를 구현할 수 있고 아울러 스위치로 인한 손실을 크게 감소시킬 수 있다. 또한, 스위치로는 기존의 PIN 다이오드뿐만 아니라 MEMS 스위치를 사용함으로써 선형성 특성을 극대화 할 수 있다. 또한, 가변 이득 증폭단을 3개의 모드에 상응하여 동작시킴으로써 전력증폭기 모듈의 선형성을 최적화할 수 있다.
따라서, 본 발명은 전력증폭기가 가지고 있는 휴대용 단말기의 최대 통화시간을 연장할 수 있고, 통화품질을 향상시킬 수 있다.
한편, 본 발명은 도시된 도면과 상한 설명에 기술된 내용에 한정하지 않으며본 발명의 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 변형도 가능함은 이 분야에 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 사실이다.

Claims (7)

  1. 구동 전력을 공급하는 구동단;
    상기 구동단의 출력을 증폭하는 전력단;
    상기 구동단과 상기 전력단 사이에 배치되어, 상기 전력단의 입력 임피던스를 상기 구동단에 정합시키는 인터스테이지부;
    상기 전력단의 출력 크기에 따라 3개의 모드별로 정합시키는 가변 출력 정합부; 및
    상기 구동단의 전단에 배치되어, 상기 모드별로 동작하여 상기 출력단의 선형성을 유지하는 가변 이득 증폭단을 포함하는 전력증폭장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 인터스테이지부는 스위치를 사용하지 않고 고정 인터스테이지 정합부로 구성되는 것을 특징으로 하는 전력증폭장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 가변 이득 증폭단은 상기 모드별 가변 이득특성과 위상특성을 이용하여 상기 선형성을 최적화시키는 것을 특징으로 하는 전력증폭장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 가변 출력 정합부는 2개의 직렬 연결된 스위치부만을 사용하여서도 3가지 모드에서 출력을 최적화 할 수 있는 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 전력증폭장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 스위치부는 다이오드로 구성되는 것을 특징으로 하는 전력증폭장치.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 스위치부는 MEMS(Micro Electro-Mechanical Systems) 스위치로 구성되는 것을 특징으로 하는 전력증폭장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 가변 이득 증폭단이 듀얼게이트 FET(Field Effect Transistor)를 갖는 것을 특징으로 하는 전력증폭장치.
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