KR20030065868A - 휴대용 단말기의 전력 증폭 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 출력 전력의 크기에 따라 출력 전력 모드를 몇 가지로 나누어 동작시킬 때, 경로 지정을 위해 포함되는 스위치의 개수를 최소화시킬 수 있도록 하는 휴대용 단말기의 전력 증폭 장치에 관한 것이다.
종래 바이패스 스위칭 전력 증폭 장치는 많은 스위치를 사용해서 출력 전력의 모드를 나누어 동작시키므로, 전력단 전후의 정합부에서 사용된 스위치 손실에 의해 출력 전력이 감소되고, 이득과 효율이 감소되는 문제점이 있다. 그리고, 불가피하게 사용되는 다수개의 스위치로 인해 바이패스 스위칭 전력 증폭 장치 자체의 크기가 커질 뿐만 아니라 그에 따라 가격도 상승하게 되는 문제점이 있다.
본 발명은, 하나의 스위치를 전력단에 병렬 연결시키고 출력 전력 모드에 따라 스위치의 개폐를 제어하거나, 두 개의 전력단을 병렬 연결하고, 출력 전력 모드에 따라 각 전력단에 인가되는 구동 전압을 제어하거나, 두 개의 전력단을 병렬 연결하고 상기 전력단에 하나의 스위치를 병렬 연결시킨 후, 출력 전력 모드에 따라 스위치의 개폐 및 각 전력단에 인가되는 구동 전압을 제어하여 전력단 전체 또는 전력단 일부분을 바이패스시킴으로써, 스위치의 개수를 줄일 수 있게 됨에 따라, 전력 증폭 장치의 크기를 소형화시키며, 가격을 낮출 수 있게 된다.

Description

휴대용 단말기의 전력 증폭 장치{Power Amplification Apparatus of Portable Terminal}
본 발명은 무선 통신 서비스에 이용되는 휴대용 단말기의 전력 증폭 장치에 관한 것으로서, 특히 출력 전력의 크기에 따라 출력 전력 모드를 몇 가지로 나누어 동작시킬 때, 경로 지정을 위해 포함되는 스위치의 개수를 최소화시킬 수 있도록하는 휴대용 단말기의 전력 증폭 장치에 관한 것이다.
최근 무선 통신 서비스에 사용되고 있는 휴대용 단말기가 소형·경량화되면서 소형 배터리로 긴 통화 시간을 가질 수 있도록 하는 데 많은 연구가 이루어지고 있다.
휴대용 단말기를 구성하는 전체 시스템이 소모하는 전체 전력 중에서 대부분의 전력이 소비되는 곳은 RF(Radio Frequency) 전력 증폭 장치로, RF 전력 증폭 장치의 낮은 효율 특성은 전체 시스템의 효율 특성을 크게 떨어뜨리게 되고, 통화 시간을 제한하는 역할을 하게 된다.
이러한 이유로, RF 전력 증폭 장치의 효율을 증대시키는 것에 초점을 맞춰 대부분의 연구가 진행되고 있는 데, RF 전력 증폭 장치의 효율을 증가시키기 위해 최근 연구되는 대표적인 방법으로 스위치 모드 전력 증폭 장치가 있다.
전술한, 스위치 모드 전력 증폭 장치는 전력단을 상황에 맞게 동작시킬 수 있도록 구성하는 방법으로, 출력 전력의 크기에 따라서 출력 전력의 모드를 몇 가지 모드로 나누어 동작시키는 데, 스위치를 사용하여 낮은 출력 전력이 필요한 경우에는 전력단을 거치지 않고서 전력단을 바이패스(By-pass)하여 출력을 내도록 경로를 조정하고, 높은 출력 전력이 필요한 경우에는 전력단을 거쳐 출력을 내도록 경로를 조정한다.
앞서 설명한 바와 같이, 스위치 모드 전력 증폭 장치는 필요로 하는 출력 전력에 따라 전력단을 바이패스시킨다 하여 바이패스 스위칭 전력 증폭 장치라고도불리우는 데, 이러한, 바이패스 스위칭 전력 증폭 장치는 각각의 모드로 분리되는 지점에서 대부분 2개의 스위치, 즉, SPDT(Single Pole Double Through) 스위치를 사용하여 각각의 경로를 지정하게 된다. 또한, 각각의 모드 경로가 합쳐지는 지점에서도 대부분 2개의 스위치, 즉, SPDT 스위치를 사용하여 각각의 경로를 지정하게 된다.
전술한 바와 같이, 바이패스 스위칭 전력 증폭 장치에서 각각의 모드로 분리되는 지점에서 SPDT 스위치를 사용하는 이유는 각 모드 간의 격리도를 향상시켜서 각 모드에서의 동작을 최적화하기 위함이다.
한편, 종래 바이패스 스위칭 전력 증폭 장치에서의 각 모드에 따른 이득과 위상 특성은 도 1a 및 도 1b에 도시되어 있는 바와 같이, 왜곡되어 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 종래 바이패스 스위칭 전력 증폭 장치는 많은 스위치를 사용해서 출력 전력의 모드를 나누어 동작시키므로, 전력단 전후의 정합부에서 사용된 스위치 손실에 의해 출력 전력이 감소되고, 이득과 효율이 감소되며, 같은 출력 전력 값 상에서 ACPR(Adjacent Channel Power Rejection)의 증가를 초래하게 되는 문제점이 있다.
전술한, 전력 증폭기에서 ACPR 조건은 전력 증폭기의 P1dB(1dB Compression Output Power) 출력 전력보다 낮은 출력 부분에서 동작시키는 백오프(Back-Off)를 통해서 만족시키는 것으로, 바이패스 스위칭 전력 증폭 장치에서도 일반적인 전력 증폭기에서처럼 스위치에 의한 손실과 ACPR을 위한 백오프 등으로 인해서 이용할수 있는 출력 전력이 어느 정도 제한되며, 이는 효율을 일부 감소시켜 전체 배터리 용량에 제한을 두게 되는 문제점이 있다.
그리고, 불가피하게 사용되는 다수개의 스위치로 인해 바이패스 스위칭 전력 증폭 장치 자체의 크기가 커질 뿐만 아니라 그에 따라 가격도 상승하게 되는 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 전력단에 하나의 스위치를 병렬 연결시키고, 출력 전력 모드에 따라 스위치의 개폐를 제어하여 전력단 전체를 바이패스함으로써, 스위치의 개수를 줄일 수 있도록 하는 휴대용 단말기의 전력 증폭 장치를 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 두 개의 전력단을 병렬 연결하고, 각 전력단에 인가되는 구동 전압을 제어하여 전력단의 일부분을 바이패스함으로써, 스위치의 개수를 줄일 수 있도록 하는 휴대용 단말기의 전력 증폭 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 두 개의 전력단을 병렬 연결하고 상기 전력단에 하나의 스위치를 병렬 연결시킨 후, 출력 전력 모드에 따라 스위치의 개폐 및 각 전력단에 인가되는 구동 전압을 제어하여 전력단 전체 또는 전력단 일부분을 바이패스함으로써, 스위치의 개수를 줄일 수 있도록 하는 휴대용 단말기의 전력 증폭 장치를 제공함에 있다.
도 1a 및 도 1b는 종래 휴대용 단말기의 전력 증폭 장치의 이득 및 위상 특성을 보인 그래프.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 휴대용 단말기의 전력 증폭 장치의 구성을 보인 도.
도 3a 및 도 3b는 도 2에서 전력단 출력 정합부의 회로 구성을 보인 도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 휴대용 단말기의 전력 증폭 장치의 구성을 보인 도.
도 5a 및 도 5b는 도 4에서 전력단 출력 정합부의 스위치 구성을 보인 도.
도 6a 및 도 6b는 도 4에서 각 모드에서 전력단 출력 정합부의 등가 회로를 보인 도.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 휴대용 단말기의 전력 증폭 장치의 구성을 보인 도.
도 8a 및 도 8b는 가변 이득 증폭기로 구현된 선형화기의 구성을 보인 도.
도 9는 각 모드에 따른 가변 이득 증폭기의 이득 특성을 보인 그래프.
도 10은 가변 이득 증폭기로 구현된 선형화기를 사용한 경우 각 모드에 따른 전력 증폭 장치 전체의 이득 특성을 보인 그래프.
도 11은 전치 왜곡기로 구현된 선형화기의 구성을 보인 도.
도 12는 전치 왜곡기로 구현된 선형화기의 이득 특성을 보인 그래프.
도 13은 전치 왜곡기로 구현된 선형화기를 사용한 경우 각 모드에 따른 전력 증폭 장치 전체의 이득 특성을 보인 그래프.
도 14는 전치 왜곡기로 구현된 선형화기를 사용한 경우 전력 증폭 장치 전체의 위상 특성을 보인 그래프.
*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***
110, 210, 310. 가변 이득 증폭기,120, 320. 제1임피던스 정합부,
130, 330. 제2임피던스 정합부,140, 230, 340. 전력단,
150, 240, 350. 전력단 출력 정합부,160, 360. 임피던스 변환기,
170, 370. 스위치,220. 인터스테이지 임피던스 정합부
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 휴대용 단말기의 전력 증폭 장치는, 입력 신호를 증폭시키는 선형화기와; 임피던스 정합부를 통해 상기 선형화기에서 증폭된 신호를 인가받아 다시 증폭하여 출력하는 전력단과; 상기 전력단에 병렬 연결되며 출력 전력 모드에 따라 개폐되어 상기 전력단 전체를 바이패스시키는 스위치 회로부와; 상기 스위치 회로부의 개폐 여부에 따라 임피던스 정합부를 통해 상기 선형화기에서 증폭된 신호를 인가받아 출력하는 임피던스 변환기와; 상기 스위치 회로부의 개폐 여부에 따라 상기 전력단 또는 임피던스 변환기로부터 인가받은 출력 전력을 출력단으로 전송하는 전력단 출력 정합부를 구비하여 이루어진다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 휴대용 단말기의 전력 증폭 장치는, 입력 신호를 증폭시키는 선형화기와; 상기 선형화기로부터 인가받은 출력 전력의 임피던스를 전력 증폭 장치 내의 임피던스와 정합시키는 임피던스 정합부와; 병렬 연결된 두 개의 전력단으로 이루어지되, 출력 전력 모드에 따라 상기 전력단의 일부분을 바이패스하여 상기 임피던스 정합부로부터 인가받은 신호를 증폭하여 출력하는 전력단과; 출력 전력 모드에 따라 서로 다른 출력 정합 조건을 갖고 상기 전력단으로부터 인가되는 출력 전력을 정합하여 출력단으로 전송하는 전력단 출력 정합부를 구비하여 이루어진다.
한편, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 휴대용 단말기의 전력 증폭 장치는, 입력 신호를 증폭시키는 선형화기와; 병렬 연결된 두 개의 전력단으로 이루어지되,출력 전력 모드에 따라 상기 전력단의 일부분을 바이패스하여 임피던스 정합부를 통해 상기 선형화기로부터 인가받은 신호를 다시 증폭하여 출력하는 전력단과; 상기 전력단에 병렬 연결되며 출력 전력 모드에 따라 개폐되어 상기 전력단 전체를 바이패스시키는 스위치 회로부와; 상기 스위치 회로부의 개폐 여부에 따라 임피던스 정합부를 통해 상기 선형화기에서 증폭된 신호를 인가받아 출력하는 임피던스 변환기와; 출력 전력 모드에 따라 서로 다른 출력 정합 조건을 갖고 상기 전력단으로부터 인가되는 출력 전력을 정합하여 출력단으로 전송하는 전력단 출력 정합부를 구비하여 이루어진다.
여기서, 상기 선형화기는, 출력 전력 모드에 따라 서로 다른 게이트 바이어스를 인가하는 이득 제어단이 이중 게이트 소자의 상단 트랜지스터에 연결되도록 구현된 가변 이득 증폭기로 구현되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 선형화기는, 직렬 연결된 다수 개의 트랜지스터로 이루어지는 전치 왜곡기와; 상기 전치 왜곡기의 출력 신호를 증폭시키는 구동단을 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 휴대용 단말기의 전력 증폭 장치에 대해서 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 휴대용 단말기의 전력 증폭 장치의 구성을 나타내는 도로, 가변 이득 증폭기(Variable Gain Amplifier)(110)와, 제1임피던스 정합부(120)와, 제2임피던스 정합부(130)와, 전력단(Power Amplifier)(140)과,전력단 출력 정합부(150)와, 임피던스 변환기(Impedance Transformer)(160)와, 스위치(170)를 구비하여 이루어진다.
이와 같은 구성에 있어서, 가변 이득 증폭기(110)는 조정 전압에 따라 입력 신호의 이득을 증폭시킨다.
제1임피던스 정합부(120)는 스위치(170)의 개폐 여부에 따라 가변 이득 증폭기(110)로부터 인가받은 출력 전력의 임피던스를 정합시켜 전력단(140)으로 인가한다.
제2임피던스 정합부(130)는 스위치(170)의 개폐 여부에 따라 가변 이득 증폭기(110)로부터 인가받은 출력 전력의 임피던스를 정합시켜 임피던스 변환기(160)로 인가한다.
전력단(140)은 가변 이득 증폭기(110)나 구동단에서 증폭된 신호를 높은 출력 전력으로 생성한다.
전력단 출력 정합부(150)는 스위치(170)의 개폐 여부에 따라 전력단(140)을 통해 출력되는 높은 출력 전력을 출력단(50)으로 전송하고, 스위치(170)의 개폐 여부에 따라 전력단(140)을 통하지 않고 임피던스 변환기(160)를 거쳐 바로 출력되는 낮은 출력 전력을 출력단(50)으로 전송한다. 그러나, 일반적으로 전력단 경로와 바이패스 경로가 합쳐지는 지점(60)에서 전력단(140)의 후미를 바라보는 임피던스가 작으면 많은 출력 신호가 전력단(140)의 후미로 빠져나가게 된다. 때문에, 임피던스 변환기(160)를 거친 낮은 출력 전력이 모두 출력단(50)으로 전달되지 못하게 되는 데, 본 발명에서는 임피던스 변환기(160)를 통해 출력되는 낮은 출력 전력이 전력단(140)의 후미로 빠져나가는 것을 방지한다.
도 3a 및 도 3b는 도 2에서 전력단 출력 정합부(150)의 회로 구성을 보인 도이다.
우선, 도 3a에 도시하는 바와 같이, 전력단 출력 정합부(150)를 입력부(151)와 출력부(153)로 적절히 내부적으로 양분한 후, 전력단(140)의 후미를 바라보는 입력부(151)의 임피던스(ZOUT1)를 출력단(50)을 바라보는 출력부(153)의 임피던스(ZOUT2)에 비해 상당히 크게 만들어서 임피던스 변환기(160)를 통해 출력되는 낮은 출력 전력 대부분이 출력단(50)으로 전송되게 할 수 있다.
그리고, 도 3b에 도시하는 바와 같이, 전력단 출력 정합부(155)에 하나의 직렬 스위치(157)를 장착하여 출력 신호가 전력단(140)의 후미로 빠져나가는 것을 방지할 수도 있다.
한편, 임피던스 변환기(160)는 전력단(140)과 병렬 연결되어 스위치(170)의 개폐 여부에 따라 전력단(140) 전체를 바이패스시킨다.
전술한, 임피던스 변환기(160)로는 낮은 출력 전력 모드에서 최적의 출력 전력을 생성할 수 있는 최적의 임피던스를 구현할 수 있도록 하는 λ/4 변환기를 사용할 수 있는 데, λ/4 변환기는 전력단(140) 구동 전압 인가를 위한 RF 초크(choke) 회로 역활을 겸할 수 있어서, 전력단(140)에 구동 전압을 인가하기 위한 별도의 구동 전압 인가 회로를 없앨 수 있게 된다.
그리고, 스위치(170)는 전력단(140)과 병렬 연결되어 출력 전력에 따라 결정된 모드에 따라 개폐되어 전력단(140) 전체를 바이패스시킨다.
전술한, 스위치(170)는 PIN 다이오드로 구현할 수도 있고, MMIC(Microwave Monolithic Integrated Circuits) 칩 내부에서 FET(Field Effect Transistor)와 같은 다른 트랜지스터로 집적시켜 구현함으로써 모듈의 가격뿐만 아니라 크기도 최적화시킬 수도 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 가변 이득 증폭기(110)나 구동단에서 증폭된 신호는 전력단(140)을 통해 높은 출력 전력으로 생성(이하, '높은 출력 전력 모드(=모드 1)'라 한다)되거나, 전력단(140)을 거치지 않고 바로 바이패스되어서 낮은 출력 전력으로 생성(이하, '낮은 출력 전력 모드(=모드 0)'라 한다)되며, 모드의 선택은 출력 전력의 크기에 따라 결정되어지는 데, 이와 같이, 각각의 모드로 분리하여 전력 증폭 장치를 동작시키는 이유는 일반적인 전력 증폭 장치의 효율이 높은 출력 전력을 가질 때 높은 값을 갖고 낮은 출력 전력에서는 매우 낮은 값을 갖게 되기 때문에 낮은 출력 전력이 요구되는 경우에 효율이 급격히 감소하는 것을 방지하기 위함이다.
이하에서는 도 2 내지 도 3b를 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 휴대용 단말기의 전력 증폭 장치의 동작에 대해서 설명한다.
우선, 낮은 출력 전력 모드에서는 스위치(170)가 오프되고, 가변 이득 증폭기(110)나 구동단에서 증폭된 신호는 전력단(140)을 통하지 않고, 임피던스 변환기(160)를 거쳐 바로 출력단(50)으로 전송된다.
전술한 바와 같이, 가변 이득 증폭기(110)나 구동단에서 증폭된 신호가 임피던스 변환기(160)를 거쳐 출력단(50)으로 바로 전송되기 위해서는 전력단(140)의 전원은 꺼져 있어야 하며, 낮은 출력 전력 모드에서 최적의 출력 전력을 생성할 수 있는 최적의 임피던스를 구현하기 위해 λ/4 변환기를 사용한다.
한편, 높은 출력 전력 모드에서는 스위치(170)가 온되고, 가변 이득 증폭기(110)나 구동단에서 증폭된 신호는 전력단(140)에서 다시 증폭된 후, 출력단(50)으로 전송되는 데, 전력단(140)에서 신호를 증폭해야 하기 때문에 전력단(140)은 켜져 있어야 한다. 앞서 설명한 바와 같이, 스위치(170)는 온 상태로 단락되어서 신호가 임피던스 변환기(160)로 빠져나가지 않게 된다.
높은 출력 전력 모드에서 제1임피던스 정합부(120) 및 제2임피던스 정합부(130)는 인터스테이지(interstage) 정합 회로로 동작하게 되며, 임피던스 변환기(160)는 전력단 출력 정합부(150)의 일부로 동작하게 되는 데, 전력단 경로와 바이패스 경로가 합쳐지는 지점(60)에서 전력단 출력 정합부(150)를 바라보는 임피던스는 대부분 개방이 되므로, 높은 출력 전력 모드를 위한 전력단 출력 정합부(150)에 거의 영향을 미치지 않게 된다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 휴대용 단말기의 전력 증폭 장치의 구성을 보인 도로, 가변 이득 증폭기(210)와, 인터스테이지 임피던스 정합부(220)와, 전력단(230)과, 전력단 출력 정합부(240)를 구비하여 이루어진다.
이와 같은 구성에 있어서, 가변 이득 증폭기(210)는 조정 전압에 따라 입력 신호의 이득을 증폭시킨다.
인터스테이지 임피던스 정합부(220)는 가변 이득 증폭기(210)로부터 인가받은 출력 전력의 임피던스를 정합시켜 전력단(230)으로 인가하는 데, 일실시예에서와 달리 별도의 스위치가 필요없는 고정된 인터스테이지를 이용한다.
전력단(230)은 병렬 연결된 두 개의 전력단(233, 235)으로 이루어져 동작되는 데, 출력 전력의 크기에 따라 선택된 모드에 따라, 낮은 출력 전력 모드로 동작할 경우에는 두 개의 전력단(233, 235) 중에서 어느 하나의 전력단(233 또는 235)에만 구동 전압을 인가하고 나머지 전력단(235 또는 233)으로 인가되는 구동 전압을 차단시킨다. 그리고, 높은 출력 전력 모드로 동작할 경우에는 두 개의 전력단(233, 235)에 모두 구동 전압을 인가한다.
전력단 출력 정합부(240)는 전력단(230)으로부터 인가받은 출력 전력을 출력단(50)으로 전송하는 데, 하나의 스위치(241)를 이용하여 각 모드에서의 전력단 출력 정합 회로를 구현할 수 있다.
전술한, 스위치(241)는 도 5a에 도시하는 바와 같이, 일반적으로 사용되는 PIN 다이오드(241a)를 사용하여 구현할 수도 있고, 도 5b에 도시하는 바와 같이, RF MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 기술을 이용하여 RF MEMS 스위치(241b)를 구현함으로써 전력 증폭 장치의 가격뿐만 아니라 크기를 최적화시킬 수 있게 된다.
도 6a 및 도 6b는 각 모드에서 전력단 출력 정합부(240)의 등가 회로를 보인 도이다.
우선, 도 6a는 두 개의 전력단(233, 235) 중에서 어느 한 개의 전력단(233 또는 235)만 동작시키는 경우, 즉, 낮은 출력 전력 모드에서의 전력단 출력정합부(240)의 등가 회로로, 낮은 출력 전력 모드에서는 스위치(241)가 온 상태로 단락됨에 따라, 전력단 출력 정합부(240)는 서로 병렬로 연결된 두 개의 인덕턴스(243, 247)와, 최적의 출력 전력을 위한 커패시턴스(249) 및 동작하지 않는 전력단(235 또는 233)에서의 커패시턴스(Coff)로 구성된다. 이때, 병렬 연결된 두 개의 인덕턴스(243, 247) 중에서 동작하지 않는 전력단(235 또는 233)에서의 커패시턴스(Coff)와 근접해 있는 인덕턴스(243)와 동작하지 않는 전력단(235 또는 233)에서의 커패시턴스(Coff)가 서로 공진을 일으키도록 설계함으로써, 나머지 인덕턴스(247)와 커패시턴스(249)에 의해 2×ZOPT로 출력 전력 정합을 이루게 된다.
한편, 도 6b는 두 개의 전력단(233, 235)을 모두 동작시키는 경우, 즉, 높은 출력 전력 모드에서의 전력단 출력 정합부(240)의 등가 회로로, 높은 출력 전력 모드에서는 스위치(241)가 오프됨에 따라, 전력단 출력 정합부(240)는 병렬로 연결된 두 개의 인덕턴스(243, 247)와, 두 개의 인덕턴스(243, 247) 사이에 직렬 연결된 커패시턴스(245)와, 최적의 출력 전력을 위한 커패시턴스(249)로 구성된다. 이때, 두 개의 인덕턴스(243, 247)와 두 개의 커패시턴스(245, 249)를 사용하여 ZOPT출력 전력 정합 조건을 만족시킨다.
이하에서는 도 4 내지 도 6b를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 휴대용 단말기의 전력 증폭 장치의 동작에 대해서 설명한다.
우선, 낮은 출력 전력 모드에서는 두 개의 전력단(233, 235) 중에서 어느 하나의 전력단(233 또는 235)에만 구동 전압이 인가되고 나머지 전력단(235 또는 233)으로 인가되는 구동 전압이 차단된다. 그리고, 전력단 출력 정합부(240)의 스위치(241)가 온 상태로 단락되어 낮은 출력 전력 모드에 적합한 전력단 출력 정합 회로로 전환된다.
따라서, 가변 이득 증폭기(210)나 구동단에서 증폭된 신호는 하나의 전력단(233 또는 235)만을 통해 증폭되어 출력된다.
한편, 높은 출력 전력 모드에서는 두 개의 전력단(233, 235)에 모두 구동 전압이 인가되고, 전력단 출력 정합부(240)의 스위치(241)가 오프되어 높은 출력 전력 모드에 적합한 전력단 출력 정합 회로로 전환된다.
따라서, 가변 이득 증폭기(210)나 구동단에서 증폭된 신호는 두 개의 전력단(233, 235)에서 증폭되어 출력된다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 휴대용 단말기의 전력 증폭 장치의 구성을 보인 도로, 가변 이득 증폭기(310)와, 제1임피던스 정합부(320)와, 제2임피던스 정합부(330)와, 전력단(340)과, 전력단 출력 정합부(350)와, 임피던스 변환기(360)와, 스위치(370)를 구비하여 이루어진다.
이와 같은 구성에 있어서, 가변 이득 증폭기(310)는 조정 전압에 따라 입력 신호의 이득을 증폭시킨다.
제1임피던스 정합부(320)는 스위치(370)의 개폐 여부에 따라 가변 이득 증폭기(310)로부터 인가받은 출력 전력의 임피던스를 정합시켜 전력단(340)으로 인가한다.
제2임피던스 정합부(330)는 스위치(370)의 개폐 여부에 따라 가변 이득 증폭기(310)로부터 인가받은 출력 전력의 임피던스를 정합시켜 임피던스 변환기(360)로 인가한다.
전력단(340)은 병렬 연결된 두 개의 전력단(343, 345)으로 이루어져 가변 이득 증폭기(310)나 구동단에서 증폭된 신호를 한번 더 증폭하여 출력하는 데, 출력 전력의 크기에 따라 선택된 모드에 따라, 두 개의 전력단(343, 345)에 인가되는 구동 전압을 모두 차단시키거나, 두 개의 전력단(343, 345) 중에서 어느 하나의 전력단(343 또는 345)에만 구동 전압을 인가하고 나머지 전력단(345 또는 343)으로 인가되는 구동 전압은 차단시키거나, 두 개의 전력단(343, 345)에 모두 구동 전압을 인가한다.
전력단 출력 정합부(350)는 스위치(370)의 개폐 여부에 따라 전력단(340)을 통해 출력되는 출력 전력의 임피던스를 정합하여 출력단(50)으로 전송한다.
임피던스 변환기(360)는 전력단(340)에 병렬 연결되어 스위치(370)의 개폐 여부에 따라 전력단(340) 전체를 바이패스시킨다.
스위치(370)는 전력단(340)에 병렬 연결되어 출력 전력에 따라 결정된 모드에 따라 개폐되어 전력단(340) 전체를 바이패스시킨다.
이하에서는 도 7을 참조하여 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 휴대용 단말기의 전력 증폭 장치의 동작에 대해서 설명한다.
우선, 본 발명의 또 다른 실시예에서는 전력단(340) 전체를 바이패스하여 전력단(340)의 구동 전압을 완전히 오프시키는 낮은 출력 전력 모드와, 전력단(340)의 구동 전압을 일부분 오프시키는 중간 출력 전력 모드와, 전력단(340) 전체에 구동 전압을 인가하는 높은 출력 전력 모드와 같이 동작 모드를 세 가지 모드로 구분할 수 있게 되는 데, 낮은 출력 전력 모드에서는 스위치(370)가 오프되고, 가변 이득 증폭기(310)나 구동단에서 증폭된 신호는 전력단(340)을 통하지 않고, 임피던스 변환기(360)를 거쳐 바로 출력단(50)으로 전송된다.
전술한 바와 같이, 가변 이득 증폭기(310)나 구동단에서 증폭된 신호가 임피던스 변환기(360)를 거쳐 출력단(50)으로 바로 전송되기 위해서는 전력단(340)의 전원은 꺼져 있어야 하며, 낮은 출력 전력 모드에서 최적의 출력 전력을 생성할 수 있는 최적의 임피던스를 구현하기 위해 임피던스 변환기(360)로 λ/4 변환기를 사용한다.
한편, 중간 출력 전력 모드에서는 스위치(370)가 온되고, 두 개의 전력단(343, 345) 중에서 어느 하나의 전력단(343 또는 345)에만 구동 전압이 인가되고 나머지 전력단(345 또는 343)으로 인가되는 구동 전압은 차단된다. 그리고, 전력단 출력 정합부(350)의 스위치(351)가 온 상태로 단락되어 중간 출력 전력 모드에 적합한 전력단 출력 정합 회로로 전환된다.
따라서, 중간 출력 전력 모드에서 가변 이득 증폭기(310)나 구동단에서 증폭된 신호는 두 개의 전력단(343, 345) 중에서 어느 하나의 전력단(343 또는 345) 만을 통해 증폭된 후, 전력단 출력 정합부(350)를 통해 출력단(50)으로 전송된다.
한편, 높은 출력 전력 모드에서는 스위치(370)가 온되고, 두 개의 전력단(343, 345)에 모두 구동 전압이 인가되고, 전력단 출력 정합부(350)의 스위치(351)가 오프되어 높은 출력 전력 모드에 적합한 전력단 출력 정합 회로로 전환된다.
따라서, 가변 이득 증폭기(310)나 구동단에서 증폭된 신호는 두 개의 전력단(343, 345)에서 증폭된 후, 전력단 출력 정합부(350)를 통해 출력단(50)으로 전송된다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 일실시예, 다른 실시예, 또 다른 실시예에서는 선택적으로 사용되는 선형화기(Linearizer)를 가변 이득 증폭기(110, 210 또는 310)로 구현하는 데, 가변 이득 증폭기(110, 210 또는 310)를 이용하여 선형화기를 구현하는 경우에는 가변 이득 증폭기(110, 210 또는 310)가 선형화기뿐만 아니라 구동단 역할을 동시에 수행할 수 있어 회로의 효율과 크기를 최적화시킬 수 있게 된다.
도 8a 및 도 8b는 가변 이득 증폭기로 구현된 선형화기의 구성을 보인 도로, 도 8a는 이득 제어단의 입력을 하단 트랜지스터에 인가하는 가변 이득 증폭기로 구현된 선형화기의 구성이고, 도 8b는 이득 제어단의 입력을 상단 트랜지스터에 인가하는 가변 이득 증폭기로 구현된 선형화기의 구성이다.
본 발명에 적용되는 가변 이득 증폭기(110)는 이중 게이트(Dual-Gate) FET 소자(DG1)를 사용하여 큰 폭의 이득을 변화시킬 수 있도록 구현되는 데, 각각의 모드에 따라 가변 이득 증폭기(110)의 이득 제어단(113)에 각기 다른 게이트 바이어스가 인가되어 각 모드에서의 특성을 최적화시킨다.
이상에서 살펴본 바와 같은, 가변 이득 증폭기(110)의 이득 특성은 도 9에도시하는 바와 같다. 따라서, 이러한 가변 이득 증폭기(110)를 선형화기로 사용하는 전력 증폭 장치의 전체 이득 특성은, 도 10에 도시하는 바와 같이, 일정하게 유지될 수 있다. 뿐만 아니라, 각각의 구동 모드에서 최적의 위상 특성을 유도하여 AM-PM 변조 특성을 동시에 개선할 수 있다.
한편, 선형화기를 전치 왜곡기(pre-distorter)를 이용하여 구현할 수도 있는 데, 전치 왜곡기를 이용하여 선형화기를 구현하는 경우에는 이득과 위상 특성에 있어서 큰 폭의 변화를 유도하여 원하는 특성을 얻을 수 있게 된다.
도 11은 전치 왜곡기로 구현된 선형화기의 구성을 보인 도로, 다수개의 트랜지스터를 직렬 연결하여 전치 왜곡 특성을 극대화시킨 전치 왜곡기(115)와 전치 왜곡기(115)를 통해 출력된 신호를 증폭시키는 구동단(117)으로 구현된 선형화기(110)는 도 12에 도시하는 바와 같이, 높은 이득을 가지지는 못하지만, 도 13 및 도 14에 도시하는 바와 같이, 전력 증폭 장치의 전체 이득과 위상의 왜곡을 방지할 수 있게 된다.
본 발명의 휴대용 단말기의 전력 증폭 장치는 전술한 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 기술 사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 휴대용 단말기의 전력 증폭 장치에 따르면, 하나의 스위치를 전력단에 병렬 연결시키고 출력 전력 모드에 따라 스위치의개폐를 제어하거나, 두 개의 전력단을 병렬 연결하고, 출력 전력 모드에 따라 각 전력단에 인가되는 구동 전압을 제어하거나, 두 개의 전력단을 병렬 연결하고 상기 전력단에 하나의 스위치를 병렬 연결시킨 후, 출력 전력 모드에 따라 스위치의 개폐 및 각 전력단에 인가되는 구동 전압을 제어하여 전력단 전체 또는 전력단 일부분을 바이패스시킴으로써, 스위치의 개수를 줄일 수 있게 됨에 따라, 전력 증폭 장치의 크기를 소형화시키며, 가격을 낮출 수 있게 된다.
또한, 스위치 손실에 의한 전력 손실을 감소시킴으로써, 이득 특성을 향상시킬 수 있게 된다.
그리고, 비선형 특성을 보상할 수 있는 여러 형태의 선형화기를 사용하여 전력 증폭 장치의 선형성을 향상시킬 수 있게 된다.

Claims (14)

  1. 입력 신호를 증폭시키는 선형화기와;
    임피던스 정합부를 통해 상기 선형화기에서 증폭된 신호를 인가받아 다시 증폭하여 출력하는 전력단과;
    상기 전력단에 병렬 연결되며 출력 전력 모드에 따라 개폐되어 상기 전력단 전체를 바이패스시키는 스위치 회로부와;
    상기 스위치 회로부의 개폐 여부에 따라 임피던스 정합부를 통해 상기 선형화기에서 증폭된 신호를 인가받아 출력하는 임피던스 변환기와;
    상기 스위치 회로부의 개폐 여부에 따라 상기 전력단 또는 임피던스 변환기로부터 인가받은 출력 전력을 출력단으로 전송하는 전력단 출력 정합부를 구비하여 이루어지는 휴대용 단말기의 전력 증폭 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 전력단 출력 정합부는,
    상기 전력단의 후미를 바라보는 입력 회로부와 출력단을 바라보는 출력 회로부로 양분되되, 상기 입력 회로부의 임피던스가 상기 출력 회로부의 임피던스에 비해 크게 설정되는 것을 특징으로 하는 휴대용 단말기의 전력 증폭 장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 전력단 출력 정합부는,
    전력단 출력 정합 회로 종단에, 출력 신호가 상기 전력단의 후미로 빠져나가는 것을 방지하는 하나의 직렬 스위치가 연결 설치되어 구성되는 것을 특징으로 하는 휴대용 단말기의 전력 증폭 장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 임피던스 변환기는,
    λ/4 변환기로 구현되어 상기 전력단에 구동 전압을 인가하는 구동 전압 인가 회로 역활을 겸하는 것을 특징으로 하는 휴대용 단말기의 전력 증폭 장치.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 스위치 회로부는,
    트랜지스터로 구현되어 MMIC 칩 내부에 집적되는 것을 특징으로 하는 휴대용 단말기의 전력 증폭 장치.
  6. 입력 신호를 증폭시키는 선형화기와;
    상기 선형화기로부터 인가받은 출력 전력의 임피던스를 전력 증폭 장치 내의 임피던스와 정합시키는 임피던스 정합부와;
    병렬 연결된 두 개의 전력단으로 이루어지되, 출력 전력 모드에 따라 상기 전력단의 일부분을 바이패스하여 상기 임피던스 정합부로부터 인가받은 신호를 증폭하여 출력하는 전력단과;
    출력 전력 모드에 따라 서로 다른 출력 정합 조건을 갖고 상기 전력단으로부터 인가되는 출력 전력을 정합하여 출력단으로 전송하는 전력단 출력 정합부를 구비하여 이루어지는 휴대용 단말기의 전력 증폭 장치.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 임피던스 정합부는,
    별도의 스위치를 사용하지 않는 고정된 임피던스 정합부인 것을 특징으로 하는 휴대용 단말기의 전력 증폭 장치.
  8. 제 6항에 있어서, 상기 전력단은,
    낮은 출력 전력 모드로 동작하는 경우에 상기 두 개의 전력단 중에서 어느 하나의 전력단에만 구동 전압을 인가시키고 나머지 전력단으로 인가되는 구동 전압을 차단시키며,
    높은 출력 전력 모드로 동작하는 경우에 상기 두개의 전력단 모두에게 구동 전압을 인가시키는 것을 특징으로 하는 휴대용 단말기의 전력 증폭 장치.
  9. 제 6항에 있어서, 상기 전력단 출력 정합부는,
    서로 병렬 연결된 두 개의 인덕턴스와,
    상기 인덕턴스 사이에 직렬 연결된 커패시턴스와;
    최적의 출력 전력을 위한 커패시턴스와;
    상기 인덕턴스 사이에 직렬 연결된 커패시턴스와 병렬 연결되며, 출력 전력 모드에 따라 개폐되는 스위치를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 휴대용 단말기의 전력 증폭 장치.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 스위치는,
    RF MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 스위치로 구현되는 것을 특징으로 하는 휴대용 단말기의 전력 증폭 장치.
  11. 입력 신호를 증폭시키는 선형화기와;
    병렬 연결된 두 개의 전력단으로 이루어지되, 출력 전력 모드에 따라 상기 전력단의 일부분을 바이패스하여 임피던스 정합부를 통해 상기 선형화기로부터 인가받은 신호를 다시 증폭하여 출력하는 전력단과;
    상기 전력단에 병렬 연결되며 출력 전력 모드에 따라 개폐되어 상기 전력단 전체를 바이패스시키는 스위치 회로부와;
    상기 스위치 회로부의 개폐 여부에 따라 임피던스 정합부를 통해 상기 선형화기에서 증폭된 신호를 인가받아 출력하는 임피던스 변환기와;
    출력 전력 모드에 따라 서로 다른 출력 정합 조건을 갖고 상기 전력단으로부터 인가되는 출력 전력을 정합하여 출력단으로 전송하는 전력단 출력 정합부를 구비하여 이루어지는 휴대용 단말기의 전력 증폭 장치.
  12. 제 1항, 제 6항, 제 11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 선형화기는,
    가변 이득 증폭기로 구현되는 것을 특징으로 하는 휴대용 단말기의 전력 증폭 장치.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 가변 이득 증폭기는,
    출력 전력 모드에 따라 서로 다른 게이트 바이어스를 인가하는 이득 제어단이 이중 게이트 소자의 상단 트랜지스터에 연결되도록 구현되는 것을 특징으로 하는 휴대용 단말기의 전력 증폭 장치.
  14. 제 1항, 제 6항, 제 11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 선형화기는,
    직렬 연결된 다수 개의 트랜지스터로 이루어지는 전치 왜곡기와;
    상기 전치 왜곡기의 출력 신호를 증폭시키는 구동단을 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 휴대용 단말기의 전력 증폭 장치.
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