KR20020094628A - 가변 동작점 전력 증폭기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 RF 입, 출력신호의 레벨에 따라 증폭기의 동작점을 가변시킴으로써 전력효율을 최대로 제어하는 가변 동작점 전력 증폭기에 관한 것으로서, RF 입력신호를 증폭 트랜지스터에 의해 소정의 이득율로 증폭하여 RF 출력신호를 발생하는 전력 증폭부와, RF 입력신호의 레벨을 검출하는 입력신호 검출부와, RF 출력신호의 레벨을 검출하여 이를 직류-직류 변환기와 전력 증폭부의 베이스 전압으로서 궤환시키는 출력신호 검출부와, 입력신호 검출부와 출력신호 검출부로부터의 입,출력신호 레벨값에 따른 DC전압을 출력하여 증폭 트랜지스터의 바이어스 전압으로서 공급하는 직류-직류 변환기로 이뤄진다.

Description

가변 동작점 전력 증폭기{Power amplifier with variable operating-point}

본 발명은 전력 증폭기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 입, 출력신호의 레벨에 따라 증폭기의 동작점을 변화시킴으로써 최대의 증폭효율을 유지할 수 있는 가변 동작점 전력 증폭기에 관한 것이다.

전력 증폭기(Power amplifier)란 입력신호를 별도의 DC전원으로부터 인가되는 DC전압(바이어스 전압)을 통해 증폭하여 소정의 이득율로 증폭된 출력신호를 발생시키는 것으로서, 각종 전자통신 분야, 특히 이동통신 단말기 및 RF시스템에서 무선 고주파신호(RF; Radio Frequency)의 증폭을 위해 사용되고 있다.

한편, 이러한 종래의 고정 동작점 전력증폭기에 대한 동작특성이 도 1에 도시되어 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 전력 증폭기는 증폭 트랜지스터로서 BJT를 사용할 경우 그 컬렉터단자에 인가되는 바이어스 전압과 저항 R_L에 의해 부하선이 결정되고 베이스단자로 공급되는 베이스 전류(I_B)에 의해 특성곡선이 결정됨에 따라 이들의 교점에서 동작점(Q-point)이 형성된다.

이러한 상태에서 전력 증폭기의 효율(Eff)은 다음과 같다.

즉, 전력 효율(Eff) = ( RF 출력전력 - RF 입력전력)/ DC전력 이다.

이때, DC 전력은 V_CEQ×I_CQ이고, RF 출력전력은 △V_CE×△I_C이며, RF 입력전력(매우 작은값이므로 일반적으로 무시됨)은 △V_B×△I_B이다.

이러한 RF 출력전력과 DC 전력은 도 1에서 각각 면적 A와 면적 B로서 표시되어 있다.

하지만, 이와 같이 동작점(Q-point)이 고정되는 종래의 전력 증폭기는 RF 출력전력이 적을 경우 불필요한 DC전력이 공급됨에 따라 그 만큼 증폭기의 효율이 떨어지게 되며, 또한 RF 출력신호의 레벨이 동작점에 비해 클경우는 출력신호가 단절되어 신호 왜곡현상이 발생되는 문제점이 있다.

한편, CDMA 또는 다른 전송방식을 사용하는 이동통신 단말기에 있어서, 기지국과 단말기 사이의 가변적인 거리, 다중경로와 셰도우 페인딩 등에 적응하기 위해 단말기의 RF 출력전력은 변화하게 되는데, 이러한 RF 입,출력신호의 레벨변화에 따라 동작점(Q-point) 및 그에 따른 DC전력을 최적의 상태로 조정함으로써 단말기의 전력효율 및 밧데리의 수명을 향상시킬 필요가 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 입,출력신호 레벨에 따라 동작점을 제어함으로써 기존의 고정동작점 전력증폭기의 비효율성을 탈피하여 최대의 증폭효율을 유지하고 정확한 전력제어 및 시스템 전체의 전력 안정화를 도모할 수 있는 가변 동작점 전력 증폭기를 제공하는 것이다.

도 1은 종래의 전력 증폭기에 대한 동작특성을 도시한 그래프도.

도 2는 본 발명에 따른 가변 동작점 전력 증폭기에 대한 회로 블럭도.

도 3은 본 발명에 따른 전력 증폭기에 대한 동작특성을 도시한 그래프도.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

100. 전력 증폭부101,104. 방향성 결합기

102. 입력 정합회로103. 출력 정합회로

105. 입력신호 검출부106. 직류-직류 변환기

107. 출력신호 검출부108. DC구동부

T1. 증폭 트랜지스터

이와 같은 목적을 달성하기 위해서 본 발명에 따른 가변 동작점 전력 증폭기는 RF 입력신호를 증폭 트랜지스터에 의해 소정의 이득율로 증폭된 RF 출력신호로 변환 출력하는 전력 증폭부; RF 입력신호의 레벨을 검출하여 이를 하기 직류-직류 변환기에 제공하는 입력신호 검출부; RF 출력신호의 레벨을 검출하여 이를 하기 직류-직류 변환기와 상기 증폭 트랜지스터의 제어전압으로서 궤환시키는 출력신호 검출부; 및 상기 입력신호 검출부와 상기 출력신호 검출부로부터의 입,출력신호 레벨값에 따라 가변되는 DC전압을 상기 증폭 트랜지스터의 바이어스 전압으로서 공급하는 직류-직류 변환기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 전력 증폭부는 상기 증폭 트랜지스터의 입력단측과 출력단측이 각각 입력 정합회로와 출력 정합회로로 구성되고, 상기 증폭 트랜지스터의 베이스 단자에는 RF 출력신호의 레벨값에 따른 베이스 전압이 공급되고, 컬렉터 단자에는 RF 입,출력신호의 레벨값에 따른 바이어스 전압이 상기 직류-직류 변환기로부터 공급되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 출력신호 검출부로부터 출력신호 레벨값을 궤환함에 있어 그 레벨값을 증폭 변환하기 위한 DC구동부를 더 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

첨부된 도면 도 2는 본 발명에 따른 가변 동작점 전력증폭기에 대한 회로 블럭도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명은 크게 전력 증폭부(100)와, 입력신호 검출부(105)와, 직류-직류 변환부(DC-DC Converter)(106)와, 출력신호 검출부(107)와, DC구동부(108)를 포함하여 이뤄지며, RF 입,출력신호의 레벨에 따라 동작점(Q point)을 원점방향으로 가변시킴으로써 증폭기를 최대의 전력효율로 동작시킬 수 있게 된다.

상기 전력 증폭부(100)는 입력된 RF 입력신호를 소정의 이득율로 증폭한 후 출력단측으로 증폭된 RF신호를 출력하기 위한 것으로서, BJT 또는 MOSFET와 같은증폭 트랜지스터(T1)를 포함하며, 최대 전력이 전달될 수 있도록 입력측과 출력측을 각각 입력 정합회로(102)와 출력 정합회로(103)로 구성한다.

상기 증폭 트랜지스터(T1)의 베이스 단자에는 입력 정합회로(102)가 접속되어 RF 입력신호가 공급되고, 또한 출력신호 레벨이 베이스 전류(I_B)로서 궤환될 수 있도록 저항 R1이 연결된다.

또한, 상기 증폭 트랜지스터(T1)의 컬렉터 단자에는 상기 직류-직류 변환기(106)와 접속되어 소정의 바이어스 DC전압이 공급되며, 커패시터 C1을 통해 상기 출력 정합회로(103)로 증폭된 RF 출력신호를 출력하게 된다.

또한, RF신호의 입력단에는 방향성 결합기(101)가 축설되어 RF 입력신호에 대한 소정의 전력을 분기하여 상기 입력신호 검출부(105)로 공급하게 된다.

이에 따라, 상기 입력신호 검출부(105)는 AC파인 RF 입력신호의 레벨(최대치, 또는 평균치)을 감지하고 그에 따른 DC값을 상기 직류-직류 변환기(106)에 제어신호로서 제공한다.

또한, 상기 직류-직류 변환기(106)는 DC 전원공급부(도시되지 않음)로부터 소정의 DC전원을 공급받은 후, RF 입,출력신호의 레벨에 따른 DC전압을 출력하여 상기 증폭 트랜지스터(T1)에 바이어스 전압(V_CC)으로 공급하게 된다.

이를 위하여 상기 직류-직류 변환기(106)의 제어신호 입력단에는 상기 입력신호 검출부(105)와 상기 DC구동부(108)가 접속되어 각각 RF 입력신호와 RF 출력신호에 대한 레벨정보를 제공하게 된다.

또한, RF 출력단에 구비되는 방향성 결합기(104)는 증폭된 RF 출력신호를 분기한 후 소정 전력의 RF신호를 상기 출력신호 검출부(107)로 공급하게 되고, 상기 출력신호 검출부(107)는 출력신호 레벨에 따른 DC값을 출력한다.

상기 DC구동부(108)는 상기 출력신호 검출부(107)로부터의 출력신호 레벨에 따른 DC 전압값을 충분히 증폭한 후, 상기 증폭 트랜지스터(T1)의 베이스 단자로 궤환시키거나 상기 직류-직류 변환기(106)의 제어전압으로서 공급하여 바이어스 전압(V_CC)을 RF 출력신호에 따라 보정하게 된다.

또한, 상기 DC구동부(108)는 출력신호에 대한 DC전압값을 증폭 또는 변환함에 있어서, 별도의 DC-DC 컨버터로 구성되지 않고, 도 1에서와 같이, 증폭 트랜지스터(T2)와, 저항 R2, R3를 통해 회로를 구성하기 때문에 CPU를 사용할 필요가 없게 되고 회로의 단순성을 기할 수 있게 된다.

상기된 바와 같이 구성되는 전력 증폭기는 입력 RF신호와 출력 RF신호의 레벨에 따라 상기 직류-직류 변환기(106)가 제어되어 상기 증폭 트랜지스터(T1)에 대한 바이어스 전압(V_CC)이 변동되고, RF 출력신호의 레벨에 의해 상기 증폭 트랜지스터(T1)의 베이스 전류(I_B)가 궤환 제어된다.

이하, 상기와 같이 구성되는 가변 동작점 전력 증폭기의 동작과정을 도 3의 특성곡선을 참조하면서 설명한다.

먼저, 상기 입력신호 검출부(105)는 입력단에 연결된 방향성 결합기(101)를 통해 RF 입력신호중 소정의 전력을 분기한 후 그 입력신호 레벨에 대한 DC값으로상기 직류-직류 변환기(106)의 출력전압을 제어하게 된다.

이에 따라 상기 직류-직류 변환기(106)는 상기 증폭 트랜지스터(T1)의 컬렉터측에 바이어스전압을 인가함에 있어서 그 DC 바이어스전압(V_CC)를 입력신호 레벨에 따라 변동시키게 된다.

또한, RF 출력신호에 대해서도 그 DC 레벨값이 저항 R₄을 통해 상기 직류-직류 변환기(106)에 제공됨으로써 상기 직류-직류 변환기(106)는 RF신호의 출력레벨에 따라 바이어스전압(V_CC)를 보정하여 상기 증폭 트랜지스터(T1)의 컬렉터측에 인가하게 된다.

이와 같이 바이어스전압이 입,출력신호 레벨의 대소에 따라 변동함으로써 상기 증폭 트랜지스터(T1)의 동작점은, 도 3의 동작 특성도에 있어서, 좌,우 수평으로 이동하게 되어 증폭기의 DC 전력은 조정되어진다.

또한, 출력 정합회로(103)를 통해 출력되는 RF 출력신호는 상기 방향성 결합기(104)를 통해 분기되어 상기 출력신호 검출부(107)로 제공되고, 상기 출력신호 검출부(107)로부터의 출력신호에 대한 DC 레벨값은 상기 DC구동부(108)에 의해 충분히 증폭된 후 저항 R₁을 통해 상기 증폭 트랜지스터(T1)의 베이스 단자에 베이스 전류(I_B)를 공급하게 된다.

도 3의 동작 특성도에 도시된 바와 같이, 베이스 전류(I_B)가 출력신호 레벨에 상응하여 변동하게 되면 상기 증폭 트랜지스터(T1)의 동작점은 그에 따라 상하로 수직이동하게 된다.

따라서, 본 발명에 따른 가변 동작점 전력 증폭기는 입,출력신호의 레벨에 상응하여 바이어스 전압 및 베이스 전류가 변동되기 때문에, 입,출력신호 레벨이 작을 경우 상기 증폭 트랜지스터(T1)의 동작점(Q-point)이 원점방향으로 이동하게 되어 증폭기의 전력효율을 최대의 상태로 제어할 수 있을 뿐만 아니라 그 제어폭을 보다 확장할 수 있게 된다.

본 발명은 전술한 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 기술 사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수가 있다.

상기한 바와 같이 이루어지는 본 발명에 의하면, 신호레벨에 따라 자체적으로 전력을 제어함으로써 기존의 고정동작점 전력증폭기의 비효율성을 탈피하여 최대의 증폭효율을 유지할 수 있으며, 입,출력 신호 레벨을 동시에 추출하기 때문에 보다 정확한 전력제어가 가능하다.

또한, 시스템 전력의 상당부분을 차지하는 전력 증폭기의 효율성을 최대로 유지하므로 시스템 전체의 전력 안정화를 도모할 수 있다.

Claims (3)

1. RF 입력신호를 증폭 트랜지스터에 의해 소정의 이득율로 증폭된 RF 출력신호로 변환 출력하는 전력 증폭부;

   RF 입력신호의 레벨을 검출하여 이를 하기 직류-직류 변환기에 제공하는 입력신호 검출부;

   RF 출력신호의 레벨을 검출하여 이를 하기 직류-직류 변환기와 상기 증폭 트랜지스터의 제어전압으로서 궤환시키는 출력신호 검출부; 및

   상기 입력신호 검출부와 상기 출력신호 검출부로부터의 입,출력신호 레벨값에 따라 가변되는 DC전압을 상기 증폭 트랜지스터의 바이어스 전압으로서 공급하는 직류-직류 변환기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 동작점 전력 증폭기.
2. 제 1항에 있어서, 상기 전력 증폭부는 상기 증폭 트랜지스터의 입력단측과 출력단측이 각각 입력 정합회로와 출력 정합회로로 구성되고, 상기 증폭 트랜지스터의 베이스 단자에는 RF 출력신호의 레벨값에 따른 베이스 전압이 공급되고, 컬렉터 단자에는 RF 입,출력신호의 레벨값에 따른 바이어스 전압이 상기 직류-직류 변환기로부터 공급되는 것을 특징으로 하는 가변 동작점 전력 증폭기.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 출력신호 검출부로부터 출력신호 레벨값을 궤환함에 있어 그 레벨값을 증폭 변환하기 위한 DC구동부를 더 포함하는 것을특징으로 하는 가변 동작점 전력 증폭기.