KR20020065402A

KR20020065402A - 전력증폭기의 바이어스 제어 회로

Info

Publication number: KR20020065402A
Application number: KR1020020028379A
Authority: KR
Inventors: 노윤섭; 김지훈; 박철순; 김준형
Original assignee: 학교법인 한국정보통신학원
Priority date: 2002-05-22
Filing date: 2002-05-22
Publication date: 2002-08-13
Also published as: JP4694772B2; KR100630340B1; US20030218506A1; US6744321B2; JP2003347850A

Abstract

종래 전력증폭기의 효율을 개선시키는 방법으로 직류 서플라이(DC Supply)인 Vcc를 제어하는 방법, 바이어스회로의 VB(Base Bias Voltage)를 제어하는 방법, 그리고 Vcc와 VB를 모두 제어하는 듀얼 바이어스(Dual Bias) 제어 방법 등이 있다. 이 모든 방법이 DC-DC 컨버터(Converter)를 이용하며, DC-DC 컨버터의 제어 신호는 DSP를 이용하거나, RF(Radio Frequency) 영역에서 구현하기 위해서는 RF 커플러(Radio Frequency Coupler)를 이용하므로 전력증폭기의 크기가 커져 이동통신 단말기에 적용하기에는 어려움이 따른다. 본 발명에서는 전력증폭기 MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit)내에 저출력전력모드(Low power mode)와 고출력전력모드(High power mode)를 제어할 수 있는 회로를 구성하여 동작점 전류를 제어함에 따라서, 전력증폭기의 출력전력이 많이 사용되는 영역에서의 효율을 크게 증가시켜 줄 수 있다.

Description

전력증폭기의 바이어스 제어 회로{BIAS CONTROL CIRCUIT FOR POWER AMPLIFIER}

본 발명은 전력증폭기의 바이어스(bias) 제어 회로에 관한 것으로, 특히, 전력증폭기의 출력전력이 많이 사용되는 영역에서의 효율을 크게 증가시키는 바이어스 제어 회로에 관한 것이다.

전력증폭기는 무선 이동통신 단말기 배터리의 사용 수명을 크게 좌우하는 부품이므로 배터리의 사용시간을 증가 시키기 위해 높은 효율 특성을 요구하고 있다. 하지만 전력증폭기의 효율은 출력 전력이 가장 큰 지점에서 효율도 가장 크게 나타나므로, 최대 출력파워 30dBm에서 출력 전력이 백-오프(back-off)될수록 효율은 낮아지게 된다. 따라서 전력증폭기의 출력파워가 사용되는 확률은 출력파워가 □15dBm ~ 15dBm사이에서 가장 많이 사용 되므로, 이 영역에서의 효율을 개선시켜주는 방법이 필요하다. 이에 따라 전력증폭기의 출력전력이 큰 고출력전력모드(High power mode)에서는 동작점 전류를 크게 해주고, 출력전력이 작은 저출력전력모드(Low power mode)에서는 동작점 전류를 작게 해주는 회로를 이용해 동작 시킴으로써 전체적으로 효율을 크게 증가시켜 줄 수 있는 스마트(Smart) 전력증폭기 기술이다.

전력증폭기의 효율을 개선시키는 방법으로 직류 서플라이(DC Supply)인 Vcc를 제어하는 방법, 바이어스회로의 VB(Base Bias Voltage)를 제어하는 방법, 그리고 Vcc와 VB를 모두 제어하는 듀얼 바이어스(Dual Bias) 제어 방법 등이 있다. 모든 방법이 DC-DC 컨버터(Converter)를 이용하며, DC-DC 컨버터의 제어 신호는 DSP를 이용하거나, RF(Radio Frequency) 영역에서 구현하기 위해서는 RF 커플러(Radio Frequency Coupler)를 이용한다.

상기 Vcc 제어는 전력증폭기의 낮은 출력 전력에서의 DC 전력 소모를 작게하기 위한 방법으로, 출력 전력이 작을 때는 Vcc 전압을 작게 하고, 출력 전력이 클 때는 Vcc 전압을 크게 해주는 DC-DC 컨버터를 이용하여 효율을 증가시키는 방법이다. VB 제어는 출력 전력이 작을 때는 VB를 제어하여 전력증폭기의 동작점 전류를 작게 하여 사용되는 DC 전력을 줄이고, 출력 전력이 클 때는 동작점 전류를 크게 해주는 DC-DC 컨버터를 이용하여 효율을 증가시키는 방법이다. 듀얼 바이어스 제어는 Vcc 제어와 VB 제어를 위와 같은 방법으로 제어 해주어 효율을 증가시켜주는 방법이다.

이와 같은 종래의 기술들은 모두 DC-DC 컨버터를 이용하여 전력증폭기에서 출력 전력의 크기에 따라 사용되는 DC 전력을 제어하는 방법이다. 하지만 최신의 전력증폭기 모듈의 크기가으로 아주 작음을 감안할 때, 이 크기에 RF 커플러와 DC-DC 컨버터와 같은 부품을 실장하기에는 어려움이 따르고 아직 상품화 되지 못하고 있는 실정이다. 현실적인 상황을 고려할 때 낮은 출력파워 레벨에서 효율을 높이기 위한 방법으로는 DC-DC 컨버터와 같은 부가적인 부품의 필요 없이 전력증폭기 자체에서 효율을 개선할 수 있는 방법으로, 출력파워가 작은 영역에서의 DC 전력 소모량과 출력파워가 큰 영역에서의 DC 전력 소모량을 제어할 수 있는 방법이 필요하다.

상기한 바에 의하여 안출된 본 발명은, 고출력전력모드와 저출력전력모드를 전력증폭기에서 이용 가능한 제어 신호를 이용하여 제어해 주어, 고출력전력모드에서는 기존의 효율특성을 유지하면서 저출력전력모드에서는 전력증폭기의 효율을 크게 증가시키는 스마트 전력증폭기 제어회로를 발명하여, 그 회로가 간단하여 전력증폭기 MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit)내에 소형, 경량, 저가로 제작이 가능하면서 효율 개선 효과가 큰 스마트 전력증폭기를 실현하도록 하는 전력증폭기의 바이어스 제어 회로를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 전력증폭기의 바이어스 제어 회로의 일 실시예를 나타낸 회로도,

도 2는 2단 전력증폭기의 저출력전력모드와 고출력전력모드에서의 동작점 전류 시뮬레이션을 나타낸 그래프,

도 3은 전력증폭기의 출력전력에 대한 저출력전력모드와 고출력전력모드에서의 효율과 효율 증가율 시뮬레이션을 나타낸 그래프,

도 4는 전력증폭기가 출력전력 20dBm에서 스위칭 될 때의 출력전력에 대한 이득과 전력부가효율 시뮬레이션을 나타낸 그래프.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : RF 증폭기 12 : 바이어스 회로

14 : 동작점 전류 제어 회로

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 전력증폭기의 바이어스 제어 회로의 일 실시예를 나타낸 회로도로, 바이어스 회로(12) 및 동작점 전류 제어 회로(14)가 RF 증폭기(10)의 RF 입력 단에 연결된다. 상기 RF 증폭기(10)는 전력증폭기(Amp)로 이루어진다. 바이어스 회로(12)는 저항(Rb), 다이오드(diode)(D1, D2), 및 액티브 바이어스 트랜지스터(Active Bias Transistor)(HBT1)로 이루어진다. 동작점 전류 제어 회로(14)는 다이오드(D3) 및 액티브 바이어스 트랜지스터(HBT2)로 이루어진다.

동 도면에 있어서, 액티브 바이어스 트랜지스터(HBT1과 HBT2)는 전력증폭기(Amp)의 전류를 구동해주는 역할을 한다. 이 중 액티브 바이어스 트랜지스터(HBT1)는 Vref(reference voltage) 핀에 연결되어, 정상동작을 하고, 액티브 바이어스 트랜지스터(HBT2)는 Vcon(control voltage) 핀에 연결되어, Vcon 핀의 모드(High, Low)에 따라서 온/오프(On/Off) 되어서 전력증폭기(Amp)의 베이스 전류를 제어한다. 다이오드(D3)는 Vcon이 로우(Low) 모드에서 액티브 바이어스 트랜지스터(HBT2)의 콜렉터 전위가 낮으므로 액티브 바이어스 트랜지스터(HBT2)가새츄레이션(Saturation) 영역으로 동작하는 것을 방지하기 위하여 사용되었다.

전력증폭기(Amp)는 베이스로의 전류량에 따라서 동작점이 달라지게 된다. 베이스로의 전류량이 클수록 전력증폭기(Amp)는 Class A에 가깝게 동작하므로 전력증폭기(Amp)의 선형성은 좋아지지만 효율 특성은 나빠지게 되고, 전류량이 작아지면 전력증폭기(Amp)는 Class B에 가까워져서 전력증폭기(Amp)의 선형성은 나빠지지만 효율 특성은 좋아진다.

액티브 바이어스 트랜지스터(HBT1)는 Vcon 신호의 모드에 상관없이 항상 액티브 영역에서 동작하게 되어서 일정량의 전류를 전력증폭기(Amp)의 베이스에 공급해준다. 반면 액티브 바이어스 트랜지스터(HBT2)는 콜렉터가 다이오드(D3)를 통해 Vcon 핀에 연결되어 있어서, Vcon이 High(2.8V ~ 3.3V)인 경우 액티브 영역에서 동작하므로 전력증폭기(Amp)의 베이스전류를 공급해 줄 수 있게 되지만, Vcon이 Low(0V ~ 0.5V)인 경우 액티브 바이어스 트랜지스터(HBT2)는 Vce가 거의 0V인 새츄레이션모드로 동작하게 되므로 전력증폭기(Amp)의 베이스전류를 공급해줄 수 없게 되어서 액티브 바이어스 트랜지스터(HBT1)가 공급해주는 전류량에 의해서만 구동 되는 전력증폭기(Amp)는 효율 특성이 더 좋은 Class B에 가깝게 동작시킬 수 있다. 액티브 바이어스 트랜지스터(HBT2)의 콜렉터와 Vcon 핀 사이에 사용된 다이오드(D3)가 없으면, Vcon이 로우 모드 신호에서 액티브 바이어스 트랜지스터(HBT2)의 콜렉터 전위가 낮아져 액티브 바이어스 트랜지스터(HBT2)가 새츄레이션영역에서 동작하게 되어서 베이스 전류가 크게 증가함에 따라 저항(Rb)에서의 전압 강하가 커져서 액티브 바이어스 트랜지스터(HBT1)의 베이스 전압을 감소시킴으로 인한 전체 바이어스 회로가 정상동작하지 못하게 되는 현상을 일으킨다. 이 동작 원리에 의해 "Cascade 2단 전력증폭기"의 각 단을 Vcon의 두 모드에 따른 증폭기 전력증폭기(Amp)의 동작점을 도 2에 표시하였고 각 동작점은 액티브 바이어스 트랜지스터(HBT1, HBT2)의 병렬연결 개수에 따라서 조절이 가능하다. 따라서 고출력전력모드로 동작 시키는 경우의 2단 전력증폭기의 동작점 전류를 바이어스 제어회로가 없는 일반적인 전력증폭기의 동작점 전류인 100mA로 취하고, 저출력전력모드로 동작 시키는 경우의 동작점 전류를 68mA로 취한 경우의 전력부가효율(Power Added Efficiency, PAE)을 도 3에 나타내었다. 출력 전력이 □5dBm 미만의 아주 작은 영영에서의 바이어스 전류는 각각 100mA와 68mA로 고정되므로 □5dBm미만의 출력전력에서는 그 전력부가효율 증가율은 47%가 되며, 출력전력이 증가할수록 전력부가효율 증가율은 감소하게되어 출력전력이 20dBm이상에서는 전력부가효율 증가율이 음의 값을 갖게 되므로, 이 이상의 출력전력 레벨에서는 Vcon의 값을 하이(High)로 취하여 고출력전력모드로 동작시킨다. 따라서 출력전력이 가장 많이 사용되는 영역인 □15dBm ~ 15dBm사이에서의 전력부가효율 증가율은 15dBm에서 16.1%이고, 10dBm미만에서는 30%이상의 큰 증가율을 갖는다. 본 회로는 액티브 바이어스에 사용되는 트랜지스터를 분리하여 사용함으로써, MMIC내에 구현할 수 있을 뿐 아니라 추가로 사용되는 회로는 다이오드(D3) 뿐이므로 전력증폭기 MMIC에서 증가되는 면적은 거의 무시할 만하고, 두 모드를 제어하기 위해서 추가로 사용되는 DC 전력은 없다.

도 4는 출력전력이 20dBm을 기준으로 저출력전력모드와 고출력전력모드를 스위칭하는 경우의 전력증폭기의 이득(Gain)과 전력부가효율의 결과로, 동작점 전류가 68mA일때의 이득은 20.5dB이고 동작점 전류가 100mA의 경우는 24.5dB이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은, 전력증폭기가 가장 많이 사용되는 출력전력 영역에서의 전력부가효율을 개선 시키는 방법으로서, 저출력전력모드와 고출력전력모드를 간단히 제어하는 스마트 바이어스 회로를 이용하여, 두 모드를 제어하기 위한 여분의 DC 전력 소모가 없이 효율을 크게 개선할 수 있는 회로로서 전력증폭기 MMIC내에 집적되어 소형, 저가, 고효율의 전력증폭기를 제작할 수 있다.

Claims

전력증폭용 트랜지스터로 이루어지는 RF 증폭기를 구비한 전력증폭기의 바이어스 제어 회로에 있어서,

기설정된 Vref 핀에 연결되어, 액티브 영역에서 동작하여 일정량의 전류를 상기 전력증폭용 트랜지스터의 베이스에 공급하는 액티브 바이어스 트랜지스터를 구비하는 바이어스 회로; 및

기설정된 Vcon 핀에 연결되어, Vcon 핀의 하이모드/로우모드에 따라서 온/오프되어 상기 전력증폭용 트랜지스터의 베이스 전류를 제어해서 상기 전력증폭용 트랜지스터의 동작점 전류를 제어하는 액티브 바이어스 트랜지스터를 구비하는 동작점 전류 제어 회로를 포함하는 전력증폭기의 바이어스 제어 회로.
제 1 항에 있어서, 상기 동작점 전류 제어 회로에 구비된 상기 액티브 바이어스 트랜지스터의 콜렉터와 상기 Vcon 핀 사이에 연결되어, 상기 동작점 전류 제어 회로에 구비된 상기 액티브 바이어스 트랜지스터의 동작점 전류를 제어하는 다이오드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력증폭기의 바이어스 제어 회로.