KR20030086620A - 전력 증폭기의 바이어스 조정 - Google Patents

전력 증폭기의 바이어스 조정 Download PDF

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KR20030086620A
KR20030086620A KR10-2003-7013058A KR20037013058A KR20030086620A KR 20030086620 A KR20030086620 A KR 20030086620A KR 20037013058 A KR20037013058 A KR 20037013058A KR 20030086620 A KR20030086620 A KR 20030086620A
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bias control
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페르시코찰즈
클라렌조나단
아파린블라디미르
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퀄컴 인코포레이티드
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Abstract

검출한 출력 전력레벨에 기초하여 자동으로 조정할 수 있는 바이어스를 갖는 전력 증폭기. 본 발명의 증폭기는 제어유닛에 동작가능하게 접속된 하나 이상의 증폭기 스테이지를 구비한다. 본 발명의 증폭기 스테이지는 함께 (예컨대, 직렬로) 접속되며, RF 입력신호를 수신 및 증폭하여 RF출력신호를 제공한다. 전력 검출기는 그 RF 출력신호 레벨을 검출하여 검출신호를 제공한다. 제어유닛은 그 검출신호를 (예컨대, 소정의 전달특성으로) 컨디셔닝하여 하나 이상의 컨디셔닝 신호를 제공한다. 바이어스 제어 발생기는 그 컨디셔닝 신호를 수신하여 하나 이상의 바이어스 제어신호를 제공하며, 각 바이어스 제어신호는 각각의 증폭기 스테이지의 바이어스를 조정하는데 이용된다. 이 바이어스 조정은 전력소모를 최소화하면서 원하는 선형성 레벨을 획득하는 방식으로 행한다.

Description

전력 증폭기의 바이어스 조정{BIAS ADJUSTMENT FOR POWER AMPLIFIER}
배경
분야
본 발명은 회로에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 고성능과 효율이 실현되도록 전력 증폭기 (PA) 의 바이어스를 조정하는 신규하고 향상된 기술에 관한 것이다.
배경
고성능 전송기의 설계는 다양한 설계 고려사항에 의해 어려움을 겪는다. 우선, 다수의 애플리케이션에 대해 고성능이 요구되며, 고성능은 통상적으로 액티브 장치 (예를 들어, 증폭기, 믹서 등) 에 의한 전송 신호 경로 및 이들의 잡음 성능에서의 선형성 (linearity) 에 의해 특징지워진다. 다음으로, 무선 통신 시스템과 같은 어떤 애플리케이션에 대해서는, 셀룰러 전화기 또는 원격 터미널의 휴대가능한 특성으로 인해, 저전력 소비가 중요한 설계 목표이다. 일반적으로 고성능 및 저전력 소비는 상충하는 설계 제약을 부여한다.
상기 설계 목표들에 부가하여, 전송기는 전송 출력 전력에서의 광범위한 조정을 요구받을 수 있다. 이러한 폭넓은 전력 조정을 필요로 하는 애플리케이션의 하나가 CDMA (Code Division Multiple Access) 통신 시스템이다. CDMA 시스템에서, 각 사용자로부터의 신호는 전체 시스템 대역폭 (예를 들어, 1.2288 MHz)에 걸쳐 스펙트럼 확산된다. 따라서, 전송중인 각 사용자로부터 전송된 신호는 시스템의 다른 사용자들의 신호에 대해 간섭으로 작용한다. 간섭을 최소화하고 시스템 용량을 증가시키기 위해, 전송 중인 원격 터미널 각각의 출력 전력은, 다른 사용자들에 대한 간섭은 최소화하면서 필요한 성능 레벨 (예를 들어, 소정의 비트 에러율) 이 유지되도록 조정된다.
원격 터미널로부터의 전전송호는 경로 손실 및 페이딩과 같은 다양한 전송 현상에 의해 영향을 받는다. 전송 전력을 제어할 필요성과 함께, 이들 현상은 필요한 전송 전력 조정 범위에 까다로운 스펙을 부여할 수 있다. 실제로, CDMA 시스템의 경우, 각각의 원격 터미널 전송기는 약 85 dB 의 범위에 걸쳐 출력 전력을 조정할 수 있을 것이 요청될 수 있다.
몇가지 CDMA 시스템에 대해서는 원격 터미널 전송기의 선형성 또한 (간접적으로, ACPR (adjacent channel power rejection) 에 의해) 특정된다. 다수의 액티브 회로 (예를 들어, 전력 증폭기) 에 대해, 선형성은 회로를 바이어스하는데 이용되는 전력량에 의해 어느 정도 결정된다. 일반적으로, 보다 다량의 바이어스 전류를 이용함으로써, 보다 큰 선형성을 실현할 수 있다. 또한, 큰 신호 레벨에 필요한 선형성 레벨을 유지하기 위해, 일반적으로 더 많은 바이어스 전류가 필요하다.
(하이 (high) 를 포함하여) 모든 출력 전력 레벨에서, 필요한 선형성 레벨을 실현하기 위해, 전송 신호 경로의 액티브 회로는 다량의 전류로 바이어스될 수 있다. 이러한 바이어싱 방식은, 특정한 최대 출력 전력 레벨을 포함하여, 모든전송 전력 레벨에서, 필요한 레벨의 선형성이 제공될 것을 보장한다. 그러나, 이러한 방식은 항상, 심지어 낮은 출력 전력 레벨에서 전송되는 동안에도, 다량의 바이어스 전류를 소비하여, 전력 소비의 낭비를 초래한다.
또한, 일반적으로 다수 스테이지를 포함하는 전력 증폭기 (PA) 가 통상적으로 전송 신호 경로의 마지막 게인 스테이지이고, 따라서, 경로에서의 최대 신호 레벨에서 동작한다. 하이 출력 전력 레벨에서 필요한 신호 구동을 제공하기 위해, 전력 증폭기는 일반적으로 (전송 경로의 다른 액티브 회로에 비해) 다량의 전류로 바이어스된다. 따라서, 고성능 (예를 들어, 필요한 레벨의 선형성) 및 효율 (즉, 저전력 소비) 을 제공하도록 전력 증폭기의 바이어스 전류를 조정하는 기술이 보다 바람직하다.
발명의 개요
본 발명의 태양들은 전력 증폭기로부터 검출된 출력 전력 레벨에 기초하여 조정될 수 있는 바이어스를 가진 전력 증폭기를 제공한다. 바이어스 조정은 전력 소비를 최소화하면서 필요한 레벨의 선형성을 실현하는 방식으로 수행된다. 바이어스 조정이, 전력 레벨 (예를 들어, 전력 증폭기의 게인 설정) 또는 입력 전력에 대한 몇가지 간접적인 지시가 아니라 검출된 출력 전력 레벨에 기초하기 때문에, 정확한 바이어스 제어가 가능하다.
본 발명의 특정한 실시형태는, 제어 유닛에 결합된 하나 이상의 증폭기 스테이지를 포함하는 바이어스 제어형 (전력) 증폭기를 제공한다. 증폭기 스테이지(들)은 함께 (예를 들어, 직렬로) 결합되어 RF 입력 신호를 수신하고 증폭하여 RF 출력 신호를 제공한다. RF 출력 신호 부분을 제어 유닛으로 결합하는데는 일반적으로 커플러가 이용된다.
일 설계에서, 제어 유닛은 전력 검출기, 컨디셔닝 유닛 및 바이어스 제어 생성기를 포함한다. 전력 검출기는 결합된 부분 (coupled portion) 에 기초하여 RF 출력 신호 레벨 (또는 전력) 을 검출하고, 검출된 출력 신호 레벨을 나타내는 검출 신호를 제공한다. 컨디셔닝 유닛은 검출 신호를 (예를 들어, 특정한 전달 특성으로) 컨디셔닝하여 하나 이상의 컨디셔닝 신호를 제공한다. 바이어스 제어 생성기는 컨디션 신호(들)을 수신하여 하나 이상의 바이어스 제어 신호를 제공하는데, 바이어스 제어 신호 각각은 증폭기 스테이지 각각의 바이어스를 조정하는데 이용된다.
또한, 본 발명은, 이하에서 보다 상세히 설명하는 바와 같이, 본 발명의 다양한 태양, 실시형태 및 특징들을 구현하는 방법, 장치 및 엘리먼트를 제공한다.
도면의 간단한 설명
이하, 유사한 참조 부호가 동일한 요소를 식별하는데 사용되는 도면을 참조하여 본 발명의 특징, 본질 및 이점들을 보다 상세히 설명한다.
도 1 은 본 발명의 몇가지 태양을 구현하는 전송기의 소정 설계에 대한 블록도이다.
도 2 는 CDMA 확산 스펙트럼 신호 및, 전송 신호 경로의 액티브 회로의 비선형성에 의해 생성된 몇가지 일그러짐 성분 (distortion components) 에 대한 도면이다.
도 3 은 본 발명의 실시형태에 따른, 검출된 RF 출력 전력 레벨에 기초하여 조정되는 바이어스를 갖는 전력 증폭기의 도면이다.
도 4a 및 도 4b 는 전력 증폭기 스테이지에 대한 바이어스 제어 신호를 생성하는 바이어스 제어 회로의 2 가지 실시형태의 도면이다.
도 5a 및 도 5b 는 각각, 전력 증폭기 스테이지 및 관련된 바이어스 전압 생성기에 대한 특정 설계의 개략도이다.
도 6a 및 도 6b 는 각각, (1) 특정한 바이어스 전류 설정에 대한 증폭기 스테이지의 게인 대 RF 출력 전력 레벨 및 (2) 소정의 성능 레벨을 위한 증폭기 스테이지의 바이어스 전류 대 RF 출력 전력 레벨을 나타내는 도면이다.
도 7 은 전력 검출기의 실시형태의 개략도이다.
도 8 은 로그 증폭기의 실시형태의 개략도이다.
상세한 설명
도 1 은 본 발명의 몇가지 태양을 구현하는 특정 설계의 전송기 (100) 에 대한 블록도이다. 디지털 프로세서 (110) 는 데이터를 생성하고, 이 데이터를 인코딩하고 변조하며, 디지털적으로 프로세싱된 데이터를 하나 이상의 아날로그 신호로 변환한다. 아날로그 신호(들)은 동위상 (I) 및 4분위상 (Q) 기저대역 신호이거나, 중간 주파수 (IF) 변조 신호일 수 있다. (도 1 에 나타낸 바와 같이) 아날로그 신호가 기저대역 신호라면, 변조기 (MOD ; 112) 는 기저대역 신호를 수신하고 반송파 신호 (IF_LO) 로 변조하여 IF 변조 신호를 생성한다.
IF 가변 게인 증폭기 (IF VGA ; 114) 는 IF 변조 신호를 수신하여 게인 제어회로 (140) 에 의해 결정된 제 1 게인으로 증폭한다. 증폭된 IF 신호는 필터 (116) 로 제공되는데, 필터 (116) 는 신호를 필터링하여 대역이외의 잡음 (out-of-band noise) 과 원치않는 신호를 제거한다. 필터 (116) 는 일반적으로 대역통과 필터 (예를 들어, SAW 필터) 이다.
그 다음, 필터링된 IF 신호는 IF 버퍼 (118) 로 제공되는데, IF 버퍼 (118) 는 신호를 버퍼링하여 버퍼링된 IF 신호를 믹서 (120) 로 제공한다. 또한, 믹서 (120) 는 무선 주파수의 다른 반송파 신호 (RF_LO) 를 수신하고, 버퍼링된 IF 신호를 RF_LO 로 상향변환하여 RF 신호를 생성한다. 믹서 (120) 는 단측파대 믹서 또는 양측파대 믹서일 수 있다.
RF VGA (122) 는 이득 제어 회로 (140) 에 의해 결정된 제 2 이득을 수신 및 증폭한다. 다음으로, 증폭된 RF 신호는, 신호를 버퍼하고 요구된 신호 드라이브를 갖는 RF 출력 신호를 제공하는 전력 증폭기 (PA : 130) 에 제공된다. 전력 증폭기 (130) 는 예를 들어, 이미지와 의사 신호를 필터링하는 필터, 아이소레이터, 및 듀플렉서 (평이함을 위해 도 1에서 도시 생략) 와 같은 여러 회로를 통해 안테나를 구동시킨다.
도 1은 본 명세서에 설명하는 전력 제어 기술을 유리하게 사용할 수 있는 특정 전송기 설계를 도시한다. 도 1에 도시한 전송기 설계에 대한 여러 변형이 이루어질 수 있다. 예를 들어, 더 적거나 추가의 필터, 버퍼, 및 증폭기 스테이지가 전송 신호 경로에 제공될 수도 있다. 또한, 신호 경로내의 소자가 상이한 구성으로 배열될 수도 있다. 또한, 전송 신호의 가변 이득이 (도 1에 도시한 바와 같은) VGAs, 가변 감쇠기, 증폭기, 다른 가변 이득 소자, 또는 이들의 결합이 제공될 수도 있다. 또 다른 전송기 설계에서, 직접 업컨버젼 아키텍쳐가 사용되고, 전력 증폭기는 변조된 RF 신호를 직접적으로 수신한다. 일반적으로, 본 명세서에 설명한 전력 제어 기술은, 변조된 RF 신호가 어떻게 발생되는지에 관계없이 전력 증폭기를 위해 사용될 수 있다.
특정한 구현에 있어서, 변조기 (112) 로부터 전력 증폭기 (130 : 필터 (116) 를 제외한) 까지의 전송 신호 경로가, 비록 이산 소자가 사용될 수도 있지만 하나 이상의 집적 회로내에서 구현된다.
어떤 응용에 대해, 전력 증폭기에는 광범위의 신호 레벨 이상의 출력 신호를 제공하는 것이 요구된다. 예를 들어, 어떤 CDMA 시스템에 대해, 원격 단말기로부터의 전송 출력 전력은 85dB 범위 이상으로 조정 가능할 것이 요구되고, 원격 단말기는 대략 -50dB과 +23dB 사이로부터 전송되도록 설계될 수도 있다.
일반적으로, 전송 신호 경로에서의 회로는 신호를 증폭 또는 감쇠시키도록 동작하여, 적절한 신호 레벨이 전력 증폭기에 제공된다. 고정 이득이지만 가변 드라이브 능력을 갖는 전력 증폭기가 설계될 수도 있다. 고정 이득이 멀티 (연속-결합된) 스테이지에 의해 제공될 수 있다.
전송 신호 경로에서의 능동 회로는 선형성의 요구된 레벨을 제공하도록 설계 및 동작된다. 많은 능동 회로의 선형성이 회로를 바이어스시키기 위해 사용된 전류의 양에 의해, 부분적으로 결정된다. 통상적으로, 더 큰 선형성은 더 큰 양의 바이어스 전류를 이용하여 달성할 수 있다. 또한, 더 큰 신호 레벨에 대한선형성의 요구된 레벨을 유지하기 위해, 더 많은 양의 바이어스 전류가 일반적으로 요구된다.
일반적으로, 전송 신호 경로는 최악의 경우 (즉, 최대) 출력 전력 레벨에서 요구된 성능 레벨을 제공하도록 설계된다. 요구된 성능 레벨은 높은 바이어스 전류로 전송 신호 경로에서의 회로를 바이어스시킴으로써 달성될 수도 있다. 그러나, CDMA 원격 단말기에서의 전송기와 같은 어떤 전송기에 있어서, 최대 전송 조건은 어떤 시간에만 발생한다. 따라서, 본 발명의 양태에 따르면, 전력 증폭기의 바이어스 전류가, 요구되지 않을 때 (즉, 최대 출력 전력 레벨 보다 작게 전송할 때) 감소된다.
도 1에 도시한 바와 같이, 바이어스 제어 회로 (150) 는 RF 출력 신호의 일부분을 수신하고, 이득 제어 회로 (140 : 도시 생략) 로부터 하나 이상의 이득 제어 신호를 더 수신한다. 다음으로, 바이어스 제어 회로 (150) 는 검출된 RF 출력 전력 레벨에 기초하여, 전력 증폭기 (및 IF 버퍼 (118), 믹서 (120), 및 RF VGA (122)) 의 바이어스 전류를 조정한다. 일반적으로, 전송 신호 경로에서의 소자에 대한 바이어스 제어는 함께 그룹화되지 않는다. 이득 제어 회로 (140) 는 프로세서 (110) 로부터의 제어 신호 및 검출된 RF 출력 전력에 기초하여, VGAs (114) 및 전력 증폭기 (130) (점괘선에 의해 도시한 바와 같이) 의 이득을 조정할 수 있다. 전력 증폭기에 대한 바이어스 전류의 조정을 이하 상세히 설명한다.
도 2는 CDMA 확산 스펙트럼 신호와 전송 신호 경로에서의 능동 회로의 비-선형성에 의해 발생한 어떤 왜곡 성분의 다이어그램이다. 전력 증폭기와 같은 각능동 장치는 아래의 전달 함수를 갖는다.
(수학식 1)
여기서, x는 입력 신호이고, y(x)는 출력 신호이고, a1, a2,a3, a4, a5등은 능동 회로의 선형성을 정의하는 계수이다. 방정식 (1) 에 나타낸 볼테라 시리즈는, 높은 차수 항이 클립핑으로 인한 비-선형성을 표현하기 위해 필요하기 때문에, 전력 증폭기에 알맞지 않을 수도 있다. 이상 능동 회로에 있어서, a1을 제외한 모든 계수는 0.0이고, 출력 신호 y(x) 는 a1만큼 스케일된 단순한 입력 신호이다. 그러나, 모든 능동 회로는 계수 (a2,a3, a4, a5등) 의 값에 의해 정량화된 어떤 양의 비-선형성을 갖고 있다. 계수 (a2,a4등) 는 짝수-차수의 비-선형성을 정의하고, 계수 (a3, a5등) 는 홀수-차수의 비-선형성을 정의한다. 홀수-차수의 항은 대역내 주파수에서 사라지고, 따라서, 선형성을 결정한다. 제 3 및 제 5 차 항은 중요한 주파수 오프셋에서 근접 채널 전력 거부 (ACPR) 에 기여한다. 짝수-차 항은 대역외이고, 더욱 쉽게 필터될 수 있다. 그러나, 짝수-차 항은, 제 3 차가 제 2 차 항을 포함하기 때문에, 어떤 대역내 (예를 들어, 2ω2- ω1) 효과를 갖는다.
도 2에 도시한 바와 같이, CDMA 신호는 시스템의 동작 대역 (예를 들어, 셀룰러 또는 PCS) 에 의존하는, 특정 대역폭 (예를 들어, 1.2288MHz) 및 특정 중심 주파수 (f1) 를 갖는다. 왜곡 성분은, 전송 신호 경로에서의 회로의 제 3 차 이상의 비-선형성으로 인한 자체 CDMA 신호로부터 발생된다. (때때로 스펙트럼 재성장이라 칭하는) 왜곡 성분은 CDMA 신호의 주파수 대역 내에 존재하는 대역내 성분과 근접 주파수 대역 내에 존재하는 대역외 성분을 포함한다. 왜곡 성분은 CDMA 신호와 근접 대역의 신호에 대해 간섭으로서 동작한다.
제 3 차 비-선형성에 대해, ωa와 ωb의 주파수에서의 신호 성분은 (2ωa- ωb)와 (2ωb- ωa) 의 주파수에서 변조간 곱을 야기한다. 따라서, 대역내 신호 성분은, 대역내 또는 대역 근처로 떨어지는 변조간 곱을 야기할 수 있다. 이들 곱은 CDMA 신호와 근접 대역에서의 신호의 저하를 초래할 수 있다. 문제점을 해결하기 위해, 제 3 차 변조간 곱의 크기는 aa ab 2및 aa 2 ab로 스케일되고, 여기서, aa및 ab는 ωa및 ωb에서의 신호 성분의 이득이다. 따라서, CDMA 신호의 크기의 모든 더블링은 제 3 차 곱의 크기에서 8배 증가를 야기한다. 더 높은 차수의 항이 유사한 방식으로 분석될 수도 있다.
CDMA 시스템에 있어서, 원격 단말기 전송기의 선형성은 근접 채널 전력 거부 (ACPR) 사양 (예를 들어, IS-95-A, IS-98, 및 UMTS (W-CDMA) 표준에서) 에 의해 특정된다. 일반적으로, ACPR 사양은 전력 증폭기를 포함하는, 전체 전송 신호 경로에 사용한다. 설계 단계 동안, ACPR 사양은 전송 신호 경로의 상이한 섹션에"배분" 되고, 다음으로, 각 섹션이 배분된 사양을 충족시키도록 설계된다. 예를 들어, 프로세서 (110) 로부터 전력 증폭기 (130) 를 포함하지 않는데 까지의 전송 신호 경로의 섹션은 CDMA 중심 주파수로부터 885KHz 오프셋에서의 30KHz 당 -42dBc, 및 1.98MHz 오프셋에서의 30KHz 대역폭 당 -56dBc에서 왜곡 성분을 유지하도록 요구될 수도 있다.
전술한 바와 같이, 능동 회로의 선형성은 회로에 제공된 바이어스 전류양에 어느 정도 의존하고, 더 큰 양의 바이어스 전류로 달성될 수 있다. 또한, 더 많은 바이어스 전류는, 자체 바이어스 전류가 출력 신호를 발생시키기 위해 사용되기 때문에, 더 큰 신호 레벨을 필요로 한다. 그러나, 필요한 것보다 더 많은 전류의 소비는 이동 전송기 유닛에 매우 바람직하지 않다.
본 발명의 양태에 따르면, 소망하는 레벨의 선형성 및 최소 전력 소비를 달성하기 위해, 능동 회로 (즉, 전력 증폭기) 의 바이어스 전류는 전력 증폭기로부터의 검출된 출력 전력 레벨에 기초하여 조정된다.
도 3은 본 발명의 실시형태에 따른, 검출된 RF 출력 전력 레벨에 기초하여 조정된 바이어스 전류를 갖는 전력 증폭기 (330) 의 다이어그램이다. 전력 증폭기 (330) 는 도 1의 전력 증폭기 (130) 용으로 사용될 수도 있고, 종속접속으로 커플링된 다수 (N) 의 스테이지 (332a - 332n) 를 포함하고, 여기서, N은 1 이상의 어떤 정수일 수 있다. 각 스테이지 (332) 는 전력 증폭기 RF 입력 신호 (RF_IN) 또는 선행 스테이지로부터의 출력 신호를 수신한다. 다음으로, 각 스테이지는 수신된 신호를 증폭하고 다음의 스테이지로 신호 또는 RF 출력 신호(RF_OUT) 를 제공한다.
RF 커플러 (340) 는 동작상 전력 증폭기 (33) 의 출력에 커플되어, RF 출력 신호의 일부를 제어 유닛 (350) 에 제공한다. 커플링되는 RF 전력량은, 예를 들어, -20dB, -30dB, 또는 RF 출력 신호의 또 다른 일부일 수도 있다.
제어 유닛 (350) 은 커플러 (340) 으로부터 커플링된 RF 출력 전압을 수신하며, 전력 증폭기 (330) 의 바이어스를 조정하기 위한 하나 이상의 바이어스 제어 신호들을 제공한다. 도 3 에 도시된 실시형태에서, 제어 유닛 (350) 은 바이어스 제어 회로 (360) 에 커플링된 RF 전력 검출기 (352) 를 구비한다. RF 전력 검출기 (352) 는 커플링된 RF 신호,VRF, 를 수신하며, 커플링된 RF 신호의 검출된 피크 RF 전압을 나타내는 검출된 신호, VDET, 를 제공한다. RF 전력 검출기 (352) 는 RF 신호의 인벨로프를 검출하도록 설계될 수도 있으며, 검출된 신호는 RF 신호의 전력 레벨 (예를 들어, VDET∝ VRF∝ POUT, 여기서 POUT은 RF 출력 전력임) 에 관련된 진폭을 가질 수도 있다. 또 다른 실시형태에서, 실제의 RMS 전력 검출기는 RMS 와트의 RF 출력 전력 (즉, VDET∝ POUT) 에 비례하는 검출된 신호를 제공하는데 이용될 수도 있다.
바이어스 제어 회로 (360) 은 하나 이상의 컨디셔닝 (condition) 된 신호들을 제공하기 위하여 검출된 신호를 수신 및 컨디셔닝 (예를 들어, 필터, 증폭, 및 버퍼) 시킨다. 컨디셔닝된 신호(들) 에 기초하여, 바이어스 제어 회로 (360) 은 전력 증폭기 (330) 에게 하나 이상의 바이어스 제어 신호들을 제공한다. 전력 증폭기 (330) 의 특정한 설계에 기초하여, 하나 이상의 바이어스 제어 신호들은 전력 증폭기의 하나 이상의 스테이지들의 바이어스 전류 또는 바이어스 전압을 제어/조정하는데 이용될 수도 있다.
바이어스 제어 신호들은 다양한 바이어스 조정 방식들에 기초하여 생성될 수도 있다. 일반적으로, 전력 증폭기 (330) 의 하나의, 수 개의, 또는 모든 N 개의 스테이지들의 바이어스는 원하는 결과를 획득하기 위하여 조정될 수 있다. 각 스테이지에 대한 바이어스 전류량은 스테이지의 특정한 설계, 스테이지 출력 전력 레벨 (검출된 RF 출력 전력 레벨로부터 추정됨), 획득된 성능, 기타 인자들에 기초할 수 있다. 검출된 RF 출력 전력 레벨에 기초한 전력 증폭기 스테이지들의 바이어스를 조정함으로써, 아이들 전류를 감소 또는 최소화하면서 선형성 (linearity) 의 요구 레벨을 달성할 수 있다. 전력 증폭기가 일반적으로 낮은 전력에서 전송하는 전송기용 낮은 RF 출력 전력 레벨들을 제공하도록 요구되는 경우, 바이어스 조정은 특히 이점이 있다.
도 4a 는, 도 3 에서의 각각 RF 전력 검출기 (352) 및 바이어스 제어 회로 (360) 에 대한 일 구현인, RF 전력 검출기 (352a) 및 바이어스 제어 회로 (360a) 의 일 실시형태의 도면이다. RF 전력 검출기 (352a) 는 RF 신호의 피크 신호 진폭을 검출하는 피크 검출기로서 설계될 수 있다. 따라서, RF 전력 검출기 (352a) 내에서, 수신 신호에 대한 피크 RF 전압을 검출하고 검출된 신호, VDET, 을 제공하는 피크 검출기 (412) 에 커플링된 RF 신호를 제공한다.
로그 전달 함수에 기초하여 필터링된 신호를 증폭하고 검출된 신호, VDET, 의 로그인 크기 (예를 들어, 전압) 를 가지는 컨디셔닝된 신호, VCON, 을 제공하는 로그(log) 증폭기 (414) 에 피크 검출기 (412) 로부터 검출된 신호, VDET, 이 제공된다. VDET∝ VRF, VRF 2∝ POUT(선형), 및 VDET 2∝ POUT(선형) 이기 때문에, 2log VDET∝ log POUT및 2log VDET∝ log POUT(dBm) 이다. 로그 증폭기 (414) 는 RF 출력 전력 (즉, VCON∝ POUT(dBm)) 의 함수인 컨디셔닝된 신호, VCON, 를 제공한다. 그러나, 로그 증폭기 (414) 는, 온도의 함수이며 내부적으로 보상되는 에러를 인가한다.
그 후, 검출된 신호에서의 RF 인벨로프를 필터하고 필터링된 신호를 제공하는 저역 필터 (LPF; 416) 에 로그 증폭기 (414) 로부터의 컨디셔닝된 신호를 제공한다. 일부 전송 변조 신호들은 시변 (time-varying) 인벨로프 또는 AM 변조 성분을 나타낸다. 예를 들어, 통상, CDMA 시스템은 베이스밴드 데이터에 인가된 유한 인펄스 응답 (FIR) 필터에 대응하는 약 1MHz 의 RF 인벨로프를 포함한다. 이 인벨로프 및 다른 고주파수 노이즈 및 의사 (spurious) 신호들은 저역 필터 (416) 에 의해 필터링될 수 있다. 저역 필터 (416) 은, 예를 들어, 10 kHz 내지 100 kHz 의 대역폭을 갖는 단순한 (예를 들어, 1차) RC 필터로 구현될 수도 있다.
그 후, 조정이능 바이어스를 갖는 각 전력 증폭기에 대한 바이어스 제어 신호, VBIAS, 를 생성하는 바이어스 제어 발생기 (360a) 에 저역 필터 (416) 으로부터 필터링된 신호를 제공한다. 전력 증폭기 스테이지들의 특정한 설계에 기초하여, 바이어스 제어 신호, VBIAS, 는 전압 또는 전류일 수도 있다. 그 후, 각 조정이능 전력 증폭기 스테이지의 바이어스 전류 (또는 특정한 설계에 기초한 전압) 는 관련된 바이어스 제어 신호에 기초하여 조정된다.
바이어스 제어 발생기 (360a) 의 기능은 RF 출력 전력 및 온도의 함수로서 전력 증폭기를 보상하도록 설계된, 원하는 바이어스 전압 또는 전류로 로그 증폭기 (414) 의 출력들을 변환하는 것이다. 이러한 방식으로, 바이어스 전류, IBIAS, 와 검출된 신호, VDET, 사이의 전체 원하는 (선형) 전달 특성이 달성된다. 로그 증폭기 (414) 의 출력은 시스템의 다른 곳에서도 이용될 수 있으므로, 전력 증폭기의 전달 함수는 바이어스 제어 발생기 (360a) 에 의해 인가된다.
도 4b 는 도 3 에서의 바이어스 제어 회로 (360) 용으로 이용될 수도 있는 디지털 구현인 바이어스 제어 회로 (360b) 의 또 다른 실시형태의 도면이다. 회로 (360b) 내에서, RF 전력 검출기 (352) 로부터 검출된 신호, VDET, 는, 검출된 신호에서의 RF 인벨로프를 필터링하고 그 필터링된 신호를 제공하는 저역 필터 (418) 에 제공된다. 그 후, 아날로그-디지털 변환기 (ADC; 424) 는 필터링된 신호를 수신 및 디지털화하며, 프로세서 (426) 에 샘플들을 제공한다.
프로세서 (426) 은 바이어스 제어 알고리즘을 구현하며, 원하는 결과를 달성하도록 전력 증폭기 스테이지들에 대한 적당한 바이어스를 결정한다. 검출된 RF 전력 레벨 및 바이어스 제어 알고리즘에 기초하여, 프로세서 (426) 은 하나 이상의 전력 증폭기 스테이지들에게 하나 이상의 디지털 제어들을 제공한다. 디지털 제어들을 하나 이상의 전력 증폭기 스테이지들에 대한 대응 아날로그 바이어스 제어 신호들, VBIAS, 로 변환하는 각각의 디지털-아날로그 변환기들 (DACs; 428) 에게 디지털 제어들을 제공한다. ADC (424), 프로세서 (426), 및 DACs (428) 은 전력 증폭기 바이어스 조정에 대한 원하는 전체 특성을 제공하는 디지털 컨디셔닝 유닛 (420) 을 형성한다.
프로세서 (426) 을 이용한 바이어스 제어 회로 (360b) 의 디지털 구현은, 조정되는 각 전력 증폭기에 대하여 원하는 전달 특성의 가요성 있고 정확한 구현을 가능케 한다. 전력 증폭기 스테이지에 대한 바이어스와 검출된 신호, VDET(또는 RF 출력 전력 레벨), 사이의 원하는 전체 전달 함수를 (예를 들어, 실험적인 측정 또는 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여) 획득할 수 있다. 또한, 바이어스 조정 루프에서의 각 회로에 대한 전달 함수도 특성화할 수 있다. 그 후, 프로세서 (426) 은, 바이어스 조정 루프에서의 다른 회로들의 전달 특성과 결합하여 원하는 전체 전달 특성을 제공하는 특정한 전달 특성을 구현하도록 설계될 수 있다. 프로세서 (426) 은, 예를 들어, 조견표 또는 기타 메커니즘을 이용하여 각 조정이능 전력 증폭기 스테이지에 대한 전달 함수를 구현할 수 있다.
도 4a 및 도 4b 은 바이어스 제어 회로 (360) 의 2 개의 실시형태이다.또한, 아날로그/디지털 회로를 사용하는 다른 설계도 사용될 수도 있고, 본 발명의 범위내에 있다. 바이어스 제어 회로 (360a) 의 일부 엘리먼트의 예시적인 설계 및 전력 증폭기 스테이지는 이하에서 설명한다.
도 5a 은 증폭기 (332x) 의 특정 설계의 개략도이며, 도 3 의 임의의 스테이지 332a 내지 332n 에 대해 사용될 수도 있다. 증폭기 (332x) 에서, 스테이지에 대한 RF 입력 (RF_SIN) 이 AC 커플링 커패시터 (510) 의 일단부에 제공된다. 커패시터 (510) 의 타단부는 커패시터 (512) 의 일단부과 인덕터 (514) 의 일단부에 커플링된다. 커패시터 (512) 의 타단부는 AC 접지부에 커플링하며, 인덕터 (514) 의 타단부는 저항기 (516) 의 일단부과 트랜지스터 (520) 의 베이스에 연결한다.
실시형태에서, 트랜지스터 (520) 은 RF 트랜지스터이다 (예를 들어, 종래에 공통적으로 사용되었던 지멘스사의 BFP 420). 트랜지스터 (520) 의 이미터는 AC 접지부에 커플링하며, 컬렉터는 인덕터 (522 및 524) 의 일단부에 커플링한다. 인덕터 (522) 의 타단부는 양전원 (VCC) 에 커플링하며, 인덕터 (524) 의 타단부는 AC 접지부에 커플링하며, 커패시터 (528) 의 타단부는 스테이지에 대한 RF 출력 (RF_SOUT) 을 포함한다. 커패시터 (526) 의 타단부는 AC 접지부에 커플링하며, 커패시터 (528) 는 스테이지 (RF_SOUT) 에 대한 RF 출력을 포함한다. 바이패스 커패시터 (530) 은 VCC와 AC 접지부 사이에 커플링한다.
증폭기 (332x) 에서, 커패시터 (510 및 528) 는 각각 RF 입력과 RF 출력의AC 커플링을 제공한다. 커패시터 (512) 및 인덕터 (514) 는 증폭기 입력에 임피던스 정합을 제공하며, 커패시터 (526) 및 인덕터 (524) 는 대응적으로 증폭기 출력에 임피던스 정합을 제공한다. 인덕터 (522) 는 트랜지스터 (520) 의 바이어스 전류에 DC 경로를 제공한다.
바이어스 제어 전압 (VBIAS) 은 저항기 (516) 에 제공되며, 트랜지스터 (520) 에 대한 DC 바이어스 전류 (IBIAS) 을 세팅하도록 사용된다. 바이어스 제어 전압 (VBIAS) 이 증가하는 경우, 더 이상의 전류가 트랜지스터 (520) 의 베이스에 제공되며, 컬렉터 전류가 대응적으로 증가한다. 트랜지스터 (520) 에 대한 바이어스 전류량은 증폭기 (332x) 의 성능 (예를 들어, 선형) 을 결정하며, 더 높은 바이어스 전류가 일반적으로 더 높은 RF 출력 전력 레벨에 대해 요구된다.
증폭기 (332x) 는 도 3 의 전력 증폭기 단계 (332) 에 대해 사용될 수도 있는 많은 설계중의 하나이다. 다른 설계는 다수의 수동 및 능동 소자를 포함할 수도 있다. 또한, 각종 유형의 능동 소자을 사용하는 증폭기 설계 (예를 들어, 바이폴러 트랜지스터 (BJT), 전계 효과 트랜지스터 (FET), 및 그들의 결합) 가 사용될 수도 있다. 예를 들어, 증폭기 (332x) 와 유사한 회로가 FET 을 사용하여 설계될 수도 있고, 이러한 유사한 회로는 여기에 설명된 바이어스 제어 기술을 사용하여 동일한 이점을 제공할 수 있다. 증폭기 (332x) 는, 바이어스 전류가 외부에서 발생되는 바이어스 제어 신호에 의해 조정될 수 있는 증폭기 설계의 예로서 도시된다.
도 5b 은 도 5a 의 증폭기 (332x) 에 대한 바이어스 전압 발생기 (550) 의 특정 설계의 개략도이다. 바이어스 전압 발생기 (550) 는 도 4a 및 도 4b 의 바이어스 제어 발생기 (416) 의 일부분이며, 증폭기 (332x) 에 대한 바이어스 전류를 세팅하도록 사용되는 바이어스 제어 전압 (VBIAS) 을 발생한다. 다른 설계는 바이어스 제어 전압을 발생시키도록 사용될 수도 있고, 본 발명의 범위내에 있다.
바이어스 전압 발생기 (550) 에서, 전류원 (554) 은 트랜지스터 (556) 의 컬렉터, 트랜지스터 (560) 의 베이스, 커패시터 (552) 의 일단부에 커플링한다. 트랜지스터 (556) 의 베이스는 저항기 (558) 의 일단부에 커플링한다. 트랜지스터 (560) 의 이미터는 저항기 (558) 의 일단부과 커패시터 (562) 의 일단부에 커플링하며, 바이어스 전압 (VBIAS) 을 제공한다. 커패시터 (552 및 562) 의 타단부 및 트랜지스터 (556) 의 이미터는 AC 접지부에 커플링한다. 트랜지스터 (560) 의 컬렉터 및 전류원 (554) 은 전원 (VCC) 에 커플링한다.
트랜지스터 (556) 는 증폭기 (332x) 의 트랜지스터 (520) 에 정합된다. 또한, 저항기 (558) 는 저항기 (516) 에 정합되며, 트랜지스터 (520) 의 크기 대 트랜지스터 (556) 의 크기의 비로서 스케일된다. 따라서, 전류 미러 (current mirror) 로부터의 트랜지스터 (520 및 556) 및 트랜지스터 (520) 를 통하는 바이어스 전류는 트랜지스터 (556) 를 통하는 전류에 관련된다. 특히, 하기와 같이, 증폭기 (332x) 의 바이어스 전류 (IBIAS) 은 전류원 (554) 의 전류 (ICTRL) 에 관련된다.
(수학식 2)
여기서, K는 (1) 트랜지스터 (520) 의 영역 대 트랜지스터 (556) 의 영역의 비, (2) 열저항성 콘택 디테일, 및 다른 인자에 관련된 인자이다. 1차 개략화를 위해, K 은 상수로 볼 수 있다. 전류 (ICTRL) 는, 성능 및 전력 소비의 양호한 조합을 달성하기 위해서 전력 증폭기 RF 출력 전력의 함수로서 조정된다. 전류 (ICTRL) 는 온도 및 전원 변화에 대해 원하는 증폭기 바이어스 전류를 제공하기 위해 보상될 수 있다.
바이어스 전압 발생기 (550) 에서, 커패시터 (562) 는 RF 디커플링을 제공하며, 커패시터 (552) 는 바이어스 전압 발생기의 안정도를 제어한다. 트랜지스터 (560)(종래에는 바이폴러 전류 미러에서 "베타 헬퍼"로 알려짐) 는 바이어스 전압 발생기의 (전류의) 구동 성능을 개선시킨다. 트랜지스터 (560) 는 바이어스 제어 전압 (VBIAS) 에 대한 구동 신호를 제공한다.
간략화를 위해, 도 5b 에 도시되지 않았지만, 바이어스 제어 발생기 (416) 는, 로그 증폭기 (414) 로부터의 컨디셔닝된 신호 (VCON) 에 기초하는 전류 (ICTRL) 을 발생 또는 조정하는 회로를 포함한다. 이 회로는 종래에 알려진 방법으로 설계될 수 있으므로, 이하에서 설명하지 않는다.
도 5a 및 도 5b 은 증폭기 단계 및 관련된 바이어스 전압 발생기의 특정 설계를 도시하며, 이하에서 설명되는 바이어스 조정에 대해 사용될 수도 있다.이 증폭기 설계는 일예로서 설명되며, 다수의 다른 증폭기 설계도 이하에서 설명되는 바이어스 조정 기술과 결합하여 사용될 수도 있다.
도 6a 은 특정 바이어스 전류 세팅에 대한 증폭기 스테이지 대 RF 출력 전력 레벨의 게인을 나타내는 도면이다. 도 5a 에 도시된 바와 같이, 플롯 (610) 은 증폭기 (332x) 에 대해 발생될 수도 있다. 플롯 (610) 에 있어서, 증폭기의 바이어스 전류는 특정 레벨로 유지되며, RF 입력 전력 레벨이 특정 범위에 걸쳐서 변화될 때, RF 출력 전력 레벨이 측정된다. 그 후, 증폭기의 게인 (GT) 은 측정된 RF 입력 및 출력 전력 레벨에 기초하여 계산되며, RF 출력 전력 레벨 (POUT) 에 따라 플롯된다.
플롯 (610) 에 의해 도시된 바와 같이, 특정 바이어스 전류 세팅 (IBIAS) 에 있어서, RF 출력 전력 레벨 (POUT) 이 제 1 값 (POUT1)(예를 들어, +10㏈) 까지 증가할 때, 증폭기 게인은 대략적으로 상수가 된다. 그 후, 증폭기 게인이 증가하고, RF 출력 레벨이 RF 입력 전력 레벨보다 더 빨리 증가하여, 플롯 (610) 에서 더 큰 증폭기 게인 및 피킹을 초래한다. RF 출력 전력이 더 증가할 때, 증폭기는 결국 압축하여, RF 출력 전력이 점근적으로 제 2 값 (POUT2)(예를 들어, +32㏈) 에 이른다. 또한, RF 출력 전력이 점근값 (POUT2) 에 이를 때, 증폭기 게인은 갑자기 떨어진다.
CDMA 시스템에 있어서, 전력 증폭기가 성능 (선형) 을 유지할 수 있는, 저전력 (예를 들어, POUT1이하) 으로부터 최대 레벨로 변하는 광범위한 범위 (POUT) 에 걸쳐서 동작하는 것이 필요하다. 최적의 바이어스 세팅은 이러한 범위의 모든 전력 레벨에 대해 선택될 수 있다. 그러한 바이어스 세팅은 도 6b 에 도시한다.
도 6a 은 단일 바이어스 전류 세팅에 대해 발생되는 플롯을 도시한다. 유사한 플롯이 일련의 바이어스 전류 세팅에 대해 발생될 수도 있다. 그 후, 이들 플롯은 각종 RF 출력 전력 레벨에 대해 사용되어야 하는 바이어스 전류량을 식별하는데 사용될 수도 있다.
바이어스 전류에 대한 증폭기의 성능을 특징짓는 다른 유형의 플롯이 발생될 수도 있다. 예를 들어, 종래에 알려진 바와 같이, 플롯은 바이어스 전류에 대한 IIP3 에 대해 얻어질 수도 있다.
도 6b 은 원하는 성능 레벨에 대해 RF 출력 전력 레벨에 대한 증폭기 스테이지의 바이어스 전류를 도시한다. 플롯 (620) 은, 상기 도 6a 에 도시된 바와 같이 발생된 일련의 플롯, 또는 증폭기의 성능을 특징짓는데 사용되는 다른 플롯으로부터 발생될 수도 있다. 각각의 바이어스 전류 세팅에 있어서, 원하는 성능을 위해 증폭기에 의해 제공될 수도 있는 최대 RF 출력 전력을 결정한다. 그 후, 바이어스 전류 세팅 및 대응하는 RF 출력 전력 레벨이 플롯 (620) 을 발생시키도록 사용된다.
도 6b 에 도시된 바와 같이, 본 실시형태에서, 바이어스 전류는 IMIN와 IMAX사이로 제한된다. 본 실시형태에서, 증폭기의 바이어스 전류가 최소값 (IMIN) 이상으로 유지되어, RF 출력이 작은값으로 감소하거나 게이트 오프되는 경우라도 증폭기의 적절한 동작을 보증한다. 대응적으로, 증폭기의 바이어스 전류가 최대값 (IMAX) 이하로 유지되어, 초과 전류 사용을 보호한다.
플롯 (620) 은 단일 증폭기 스테이지에 대해 발생된다. 유사한 플롯은 조정이능한 바이어스 전류를 갖는 각각의 증폭기 스테이지에 대해 발생될 수도 있다. 그 후, 이들 플롯은, 원하는 성능이 전력 소비를 최소화하면서 얻어지도록, 대응하는 증폭기 스테이지에 적절한 바이어스 전류를 제공하도록 사용될 수도 있다.
전력 증폭기 스테이지의 바이어스 전류는 여러 바이어스 조정 방식에 기초하여 조정할 수 있다. 통상적으로, 바이어스 전류와 RF 출력 전력레벨간의 전달함수는 전력 증폭기 스테이지의 특정 설계, 원하는 성능레벨, 및 가능한 다른 요인에 의존한다. 한 방식으로, 전력 증폭기 RF 출력전력 레벨을 검출한다. 이후, 각각의 증폭기 스테이지에 대한 게인을 (예를 들면, 스테이지의 선행 특성에 기초하여) 결정할 수 있다. 스테이지들을 역방향으로 작업진행하여, 선행 스테이지 (n-1) 에 대한 RF 출력 전력레벨은, 현재 스테이지 (n) 로부터의 RF 출력 전력레벨과 현재 스테이지의 게인에 기초하여 결정할 수 있다. 각각의 스테이지에 대하여, 스테이지에 대한 바이어스 전류는, 그 스테이지에 대하여 결정한 RF 출력전력레벨과 그 스테이지에 대하여 발생한 파일롯 (620) 에 기초하여 결정할 수있다.
또한, 전력 증폭기에 대한 바이어스 전류를 발생시키는 또 다른 방식도 실시할 수 있으며, 이것도 본 발명의 범위내에 있다.
RF 출력전력 (POUT) 은 여러 기술을 이용하여 샘플링할 수 있으며 이들 샘플링 기술은 본 발명의 범위내에 있다. 이러한 기술은 저항 커플링, 커플러 라인 등을 포함할 수 있다. 이하, RF출력전력을 샘플링하는 회로 설계의 예를 설명한다.
도 7은 전력검출기 (421x) 의 일 실시형태의 개략도를 나타낸 것으로, 전력검출기는 RF 출력신호의 전력레벨을 검출하는데 이용할 수 있다. 전력검출기 (412x) 는 도 3에서의 피크 검출기 (412) 의 특정한 일 실시예이다. 전력검출기 (412x) 는 RF 입력 (RF_DET_IN) 과 기준 전압 (RF_REF) 을 수신하여, 차동 검출기 출력신호 (VDETP, VDETN) 를 제공한다. 검출기 RF 입력은 전력증폭기 RF 출력신호의 일부분으로서, 커플러 (340) 에 의해 제공받는다.
전력 검출기 (412x) 가 없는 경우, 검출기 RF 입력부를 커패시터 (708) 의 일단부에 제공하며, 커패시터의 타단부가 트랜지스터 (710a) 의 베이스와 커플링한다. 트랜지스터 (710a와 710b) 의 각각의 베이스는 검출기 RF 입력과 기준전압을 수신하며, 저항기의 일단부 (714a와 714b) 와 추가로 각각 커플링한다. 트랜지스터 (710a와 710b) 의 이미터 각각은 전류원 (712a, 712b) 과 커플링하며, 차동 검출기 출력신호 (VDETP, VDETN) 를 포함한다. 트랜지스터 (710a와 710b) 의컬렉터는 전원 (Vcc) 과 커플링한다. 저항기의 타단부 (714a와 714b) 는 함께, 전류원 (716), 다이오드 (718) 의 애노드, 및 커패시터 (722) 의 일단부와 커플링한다. 다이오드 (718) 의 캐소드는 저항기 (720) 의 일단부와 커플링한다. 저항기 (720) 의 타단부와 커패시터 (722) 는 AC 접지부와 커플링한다. 커패시터 (724) 는 검출기 출력부 (VDETP) 와 AC 접지부와 커플링한다.
커패시터 (708) 는 검출기 RF 입력의 AC 커플링을 제공하며, 검출기 RF 입력의 정류는 트랜지스터 (710a) 에 의해 얻을 수 있다. 전류원 (716) 은 애노드 (730) 에서 대략 일정한 전압을 제공한다. 각각의 전류원 (712a, 712b) 에서의 전류를 전류원 (716) 에서의 전류로 형성한다 (즉, I2∝I1). 검출기 RF 입력전압이 증가하는 경우, 트랜지스터 (710a) 의 베이스-이미터 전압 (VBE) 은 증가하며, 더 많은 전류가 트랜지스터 (710a) 를 통하여 전달된다. 전류원 (712a) 은 대략 일정한 전류 (I2) 를 제공하기 때문에, 추가의 전류가 커패시터 (724) 를 충전시키며, 출력 전압 (VDETP) 을 증가시킨다. 이와 반대로, RF 입력전압이 감소하는 경우, 트랜지스터 (710a) 을 통한 전류가 감소하며, 커패시터 (724) 가 방전하여 트랜지스터 (710a) 로부터의 이미터 전류와 커패시터 (724) 로부터의 방전전류의 합이 전류원 (712a) 에 필요한 일정전류를 만족시킨다. 트랜지스터 (710b) 와 전류원 (712b) 은 출력전압 (VDETN) 을 생성하는데, 이 전압은 비신호 관련 동작포인트를 추적한다. 전압 (VDETN) 을 전압 (VDETP) 으로부터 감산한 경우, (온도 및IC 프로세스와 관련할 수 있는) 바이어스 포인트 오프셋을 제거할 수 있다.
도 7은 RF 신호의 전력을 결정하는데 이용할 수 있는 전력 검출기의 특정 설계를 나타낸다. 또한, 다른 많은 설계도 이용할 수 있으며, 이것도 본 발명의 범위에 있다.
도 8은 로그 증폭기 (414x) 의 일 실시형태의 개략도를 나타내며, 이것은 도 4a의 로그 증폭기 (414) 의 특정 실시예이다. 로그 증폭기 (414x) 는 차동 전력 검출기 출력 (VDETN, VDETP) 을 수신하며, 컨디셔닝 신호 (VCON) 를 제공한다.
도 8의 일시형태에서, 로그 증폭기 (414x) 는 저항기의 일단부 (812a), 트랜지스터 (814) 의 컬렉터, 및 커패시터의 일단부 (816a) 와 커플링하는 반전 입력부를 갖는 증폭기 (810) 를 구비한다. 저항기의 타단부 (812a) 는 검출기 출력 (VDETP) 을 수신한다. 증폭기 (810) 의 비반전 입력부는 저항기의 일단부 (812b) 및 커패시터의 일단부 (816b) 와 커플링한다. 저항기의 타단부 (812b) 는 검출기 출력 (VDETN) 을 수신하며, 커패시터의 타단부 (816b) 는 AC 접지부와 커플링한다. 트랜지스터 (814) 의 베이스는 AC 접지부와 커플링하며, 트랜지스터 (814) 가 전체 입력전압 (및 출력전압) 레인지에 걸쳐 턴온하는데 필요한 바이어스 전압으로 바이어스된다. 증폭기 (810) 의 출력부는 트랜지스터 (814) 의 이미터 및 커패시터의 타단부 (816b) 와 커플링하며, 컨디셔닝 출력부 (VCON) 를 포함한다. 로그 증폭기 (414x) 의 동작은 당해 기술에 알려진 것으로, 그 설명을 생략한다.
간략화를 위하여 도 8에는 도시하지 않았지만, 로그 증폭기 (414x) 는 온도보상을 제공하도록 설계할 수 있다. 식 2에 나타낸 바와 같이, VBE와 IDET간의 전달함수는 VT에 의존하며, 이 VT는 온도에 의존한다. 온도 보상은 트랜지스터 (814) 의 베이스, 증폭기 (810) 의 출력부, 또는 양쪽과 커플링하는 온도보상회로에 의해 달성할 수 있다. 이러한 온도 보상 회로의 설계는 당해 기술에 알려진 것으로, 그 설명을 생략한다.
상술한 바와 같이, 로그 증폭기 (414x) 를 이용하여 피크 검출기 출력이 dBm에서 POUT과 비례하도록 변환한다. 또한, 로그 증폭기에 대한 또 다른 설계를 이용할 수 있으며, 이것도 본 발명의 범위에 있다. 또한, 다른 어떤 전력 증폭기 및/또는 제어 회로 설계에 대하여, (로그 전달 함수를 대신하여) 또 다른 보상 전달 특성을 구현할 수도 있다.
도 4b에 나타낸 디지털 설계에 대하여, 보상 전달 함수를 프로세서 (426) 에 의해 (예를 들면, 룩업 테이블을 이용하여) 디지털식으로 구현할 수도 있다. 이에 의해, 어떠한 형식을 갖는 보상 전달 함수를 구현시킬 수 있다. 또한, 각각의 바이어스 조정 전력 증폭기 스테이지마다 상이한 보상전달함수를 구현할 수도 있다. 따라서, 디지털 설계는 스테이지에 더욱 정확한 바이어스의 조정을 제공할 수 있다.
후술할 바이어스 제어 기술은 전력 증폭기 바이어스의 효과적이고 정확한 조정을 제공하여 원하는 성능을 달성하면서 전력소비를 최소화시킬 수 있다. 이 바이어스 제어 기술은 RF 출력전력 레벨의 함수로서 전력 증폭기의 바이어스 전류를 자동적으로 조정한다. 이러한 조정은 피드백루프에 기초하여 연속하여 수행한다 (그리고, 종래의 어떤 바이어스 제어 방식으로 수행할 경우에는, 게인 세팅에서의 변화에 기초하여 주기적으로 조정할 수 없다). 또한, 이 조정은 검출한 RF 출력 전력 레벨에 기초한다 (그리고, 이러한 게인 세팅과 같이, 전력 레벨의 어떤 간접 지시에는 기초하지 않는다). 후술할 기술은 향상된 RF 성능과 감소된 전력소비를 제공할 수 있다.
두번째로, 후술할 기술은 바이어스 전류의 연속적이며 아날로그 방식인 제어/조정을 제공한다. 이에 의해, 바이어스 전류를 조정할 때의 RF 출력에서의 위상 불연속성 양을 최대한 감소시키거나 가능한 제거할 수 있다. 이와 반대로, (통상적으로 매우 큰) 개개의 단계들에서 바이어스 전류를 조정하는 종래의 방식은 개개의 단계에서 바이어스 전류를 조정할 경우 (더욱 큰 양의) 위상 불연속성을 발생시키기 쉽다. 이러한 위상 불연속성은 특히 보다 차세대의 통신 시스템에 의해 지원되는 고속의 데이터 레이트에서 시스템의 성능을 저하시킬 수 있다.
도 3에는, 전력 증폭기 (330) 와 제어 유닛 (350) 을 2개의 유닛으로 나타낸다. 이들 유닛은 단일 집적회로 (IC) 내에서, 개별 ICs내에서 또는 다른 회로와 통합한 개별 ICs 내에서 구현할 수 있다. 예를 들면, 전력 증폭기 (330) 는 RF IC내에 통합시킬 수 있는데, 이 RF IC는 제어유닛 (350; 예를들면, 전력 검출기 (352), 바이어스 제어 발생기 (360a), 및 가능한 다른 회로) 의 일부분 또는 모든 부분을 포함할 수 있다. 제어유닛 (350) 의 특정 구현에 의존하여, 일부 엘리먼트 (예를 들면, 프로세서 (426)) 를, 디지털 유닛 (예를 들면, 프로세서, 디지털신호 프로세서 (DSP), 응용 주문형 집적회로 (ASIC), 컨트롤러, 필드 프로그래밍가능 게이트 어레이 (FPGA), 프로그래밍가능 논리장치 등) 내에 통합시킬 수 있다.
개시한 실시형태들의 상술한 설명에 의해, 당업자는 본 발명을 용이하게 실시하거나 이용할 수 있다. 이들 실시형태들의 여러 변형이 가능하며, 본 발명의 범위에 벗어남이 없이, 상기 정의한 일반 원리를 다른 실시형태에 적용할 수도 있다. 따라서, 본 발명은 상술한 실시형태로 한정되지 않으며, 개시한 원리와 신규 특징에 부합하는 더 넓은 범위를 포함할 수 있다.

Claims (25)

  1. 입력신호를 수신 및 증폭하여 출력신호를 제공하도록 함께 접속 및 구성된 하나 이상의 증폭기 스테이지; 및
    상기 하나 이상의 증폭기 스테이지에 동작가능하게 접속되어, 상기 출력신호의 레벨을 검출하고, 그 검출된 출력신호 레벨에 기초하여, 하나 이상의 증폭기 스테이지의 바이어스를 조정하기 위한 하나 이상의 바이어스 제어신호를 제공하도록 구성된 제어유닛을 구비하는 것을 특징으로 하는 바이어스 제어형 증폭기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    각 바이어스 제어신호는 대응하는 증폭기 스테이지의 바이어스 전류를 조정하는 것을 특징으로 하는 바이어스 제어형 증폭기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어유닛은,
    상기 출력신호 레벨을 검출하여 그 검출된 출력신호 레벨을 나타내는 검출신호를 제공하도록 구성된 전력 검출기,
    상기 전력 검출기에 접속되어, 상기 검출신호를 수신 및 컨디셔닝하여 하나 이상의 컨디셔닝 신호 (conditioned signal) 를 제공하도록 구성된 컨디셔닝 (conditioning) 유닛, 및
    상기 컨디셔닝 유닛에 접속되어, 상기 하나 이상의 컨디셔닝 신호를 수신하고 하나 이상의 바이어스 제어신호를 제공하도록 구성된 바이어스 제어 발생기를 구비하는 것을 특징으로 하는 바이어스 제어형 증폭기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 컨디셔닝 유닛은, 상기 하나 이상의 증폭기 스테이지의 바이어스 조정을 위해, 원하는 전체 전달특성을 제공하도록 선택되는 제 1 전달특성을 제공하도록 구성된 것을 특징으로 하는 바이어스 제어형 증폭기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 전달특성은 로그함수와 유사한 것을 특징으로 하는 바이어스 제어형 증폭기.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 컨디셔닝 유닛의 적어도 일부분은 디지탈 회로로 구현되는 것을 특징으로 하는 바이어스 제어형 증폭기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 전달특성은 룩업 테이블로 구현되는 것을 특징으로 하는 바이어스 제어형 증폭기.
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 제어 유닛은,
    상기 검출신호를 수신 및 필터링하여 필터신호를 제공하도록 구성된 로우패스 필터를 더 구비하되,
    상기 컨디셔닝 유닛은 상기 필터신호를 수신 및 컨디셔닝하는 것을 특징으로 하는 바이어스 제어형 증폭기.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 로우패스 필터는 상기 검출신호에서 인벨로프를 필터링하도록 구성된 것을 특징으로 하는 바이어스 제어형 증폭기.
  10. 제 3 항에 있어서,
    상기 전력 검출기는 상기 출력신호의 전력 레벨을 검출하도록 구성된 것을 특징으로 하는 바이어스 제어형 증폭기.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 증폭기 스테이지의 출력 스테이지에 동작가능하게 접속되어, 상기 출력신호의 일부분을 제어유닛에 커플링하도록 구성된 커플러를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 바이어스 제어형 증폭기.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어유닛은 상기 하나 이상의 바이어스 제어신호의 아날로그 방식 조정을 제공하도록 구성된 것을 특징으로 하는 바이어스 제어형 증폭기.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어유닛은 상기 출력신호 레벨을 연속 검출하여 상기 하나 이상의 바이어스 제어신호를 갱신하는 것을 특징으로 하는 바이어스 제어형 증폭기.
  14. 제 1 항에 있어서,
    각각의 바이어스 제어신호는 대응하는 증폭기 스테이지의 바이어스를 조정함으로써 개개의 선형 레벨을 획득하는 것을 특징으로 하는 바이어스 제어형 증폭기.
  15. 제 14 항에 있어서,
    각각의 바이어스 제어신호는 대응하는 증폭기 스테이지의 바이어스를 더 조정함으로써 전력소비를 감소시키는 것을 특징으로 하는 바이어스 제어형 증폭기.
  16. 제 1 항에 있어서,
    각각의 바이어스 제어신호는 출력신호에서의 위상 불연속성을 줄이는 방식으로 대응하는 증폭기 스테이지의 바이어스를 조정하는 것을 특징으로 하는 바이어스제어형 증폭기.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 증폭기 스테이지 각각은, 검출된 출력신호 레벨에 대한 바이어스의 전달함수에 각각 기초하여 조정되는 것을 특징으로 하는 바이어스 제어형 증폭기.
  18. 제 1 항에 있어서,
    각각의 바이어스 제어신호는 소정값 범위내로 제한되는 것을 특징으로 하는 바이어스 제어형 증폭기.
  19. 제 1 항에 있어서,
    각각의 바이어스 제어신호는 최소값을 갖는 것을 특징으로 하는 바이어스 제어형 증폭기.
  20. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 증폭기 스테이지는 직렬로 접속되는 것을 특징으로 하는 바이어스 제어형 증폭기.
  21. 제 1 항에 있어서,
    상기 입력신호는 CDMA 변조신호인 것을 특징으로 하는 바이어스 제어형 증폭기.
  22. 직렬로 접속되어, 입력신호를 수신 및 증폭하여 출력신호를 제공하도록 구성된 하나 이상의 증폭기 스테이지;
    상기 하나 이상의 증폭기 스테이지에 동작가능하게 접속되어, 상기 출력신호의 일부분을 커플링하도록 구성된 커플러;
    상기 커플러에 접속되어, 그 커플링된 부분에 기초하여 출력신호의 레벨을 검출하여 그 검출된 신호 레벨을 나타내는 검출신호를 제공하도록 구성된 전력 검출기;
    상기 전력 검출기에 접속되어, 상기 검출신호를 수신 및 컨디셔닝하여 하나 이상의 컨디셔닝 신호를 제공하도록 구성된 컨디셔닝 유닛; 및
    상기 컨디셔닝 유닛에 접속되어, 상기 하나 이상의 컨디셔닝 신호를 수신하여 하나 이상의 증폭기 스테이지의 바이어스를 조정하기 위한 하나 이상의 바이어스 제어신호를 제공하도록 구성된 바이어스 제어 발생기를 구비하는 것을 특징으로 하는 바이어스 제어형 전력 증폭기.
  23. 하나 이상의 증폭기 스테이지로 입력신호를 수신 및 증폭하여 출력신호를 제공하는 단계;
    상기 출력신호의 레벨을 검출하는 단계;
    상기 검출된 신호레벨을 나타내는 검출신호를 컨디셔닝하여 하나 이상의 컨디셔닝 신호를 제공하는 단계;
    상기 하나 이상의 컨디셔닝 신호에 기초하여 하나 이상의 바이어스 제어신호를 생성하는 단계; 및
    상기 하나 이상의 바이어스 제어신호로 상기 하나 이상의 증폭기 스테이지의 바이어스를 조정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티-스테이지 증폭기의 바이어스 조정방법.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 컨디셔닝은 상기 하나 이상의 증폭기 스테이지의 바이어스 조정을 위해, 원하는 전체 전달특성을 제공하도록 선택된 제 1 전달특성을 갖는 아날로그 회로에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 멀티-스테이지 증폭기의 바이어스 조정방법.
  25. 제 23 항에 있어서,
    상기 컨디셔닝은 상기 하나 이상의 증폭기 스테이지의 바이어스 조정을 위한, 원하는 전체 전달특성을 제공하도록 선택되는 제 1 전달특성을 구현하도록 구성된 디지탈 회로에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 멀티-스테이지 증폭기의 바이어스 조정방법.
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