KR20030089950A - 역방향 다이오드를 이용한 전치 왜곡형 선형 전력 증폭기 - Google Patents

역방향 다이오드를 이용한 전치 왜곡형 선형 전력 증폭기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 역방향 다이오드를 이용한 전치 왜곡형 선형 전력 증폭기에 관한 것으로, 특히 본 발명의 선형 전력 증폭기는 입력 고주파 신호를 선형 증폭하는 적어도 1이상의 증폭 트랜지스터를 갖는 증폭부와, 증폭 트랜지스터의 베이스에 에미터가 연결되어 기준 바이어스 전압을 공급하는 적어도 1이상의 바이어스 트랜지스터와, 바이어스 트랜지스터에 병렬로 연결된 저항과, 저항과 접지 단자에 직렬로 연결된 적어도 1이상의 다이오드를 포함하여 증폭 트랜지스터의 베이스에 기준 바이어스 전압을 공급해주는 바이어스 회로와, 바이어스 회로의 저항에 병렬로 연결되어 입력 고주파 신호가 소정 레벨 이상이 될 경우 입력 고주파 신호를 바이패스시키는 역방향 다이오드를 포함한다. 그러므로, 본 발명은 이동통신 단말기의 전치 왜곡형 선형 전력 증폭기를 제작하는데 있어서, 바이어스 회로의 베이스단과 콜렉터단에 역방향 다이오드를 추가 연결하여 입력 고주파 신호가 크게 증가하더라도 바이어스 회로의 트랜지스터쪽으로 입력되는 고주파 신호를 줄여 증폭 트랜지스터를 통해서 선형적으로 증폭시킬 뿐만 아니라 전력 이득의 피킹 현상을 제거한다.

Description

역방향 다이오드를 이용한 전치 왜곡형 선형 전력 증폭기{LINEAR POWER AMPLIFIER FOR PREDISTORTION BY USING REVERSE DIODE}
본 발명은 무선 통신기기의 선형 전력 증폭기에 관한 것으로서, 특히 무선 통신기기에서 요구되는 고출력과 고선형성을 갖게 해주면서 증폭된 출력 신호의 전력 이득이 평탄화 특성을 갖도록 한 역방향 다이오드를 이용한 전치 왜곡형 선형 전력 증폭기에 관한 것이다.
일반적으로 무선 통신에 필수적인 전력 증폭기(Power Amplifier)는 최 대출력을 발생시키기 위하여 비선형(Nonlinear)특성을 갖는 포화영역(Saturation region)에서 동작하게 된다. 하지만, 전력 증폭기가 포화영역 부근에서 동작하게 되면 비선형적인 특성에 의해서 출력신호의 크기와 위상이 왜곡되어 상호 혼변조 왜곡 성분을 발생하게 되므로 증폭기의 성능은 크게 저하된다.
이러한 혼변조 왜곡 성분을 줄이기 위해서 고선형성을 가지면서 출력을 선형적으로 증폭시키는 전력 증폭기의 선형화 방법이 제안되고 있다. 전력 증폭기를 선형화시키는 방법으로는 백오프(Back-off), 피드포워드(Feed-forward) 그리고 전치왜곡(Predistortion) 방법이 있다.
우선 백오프 방법은 전력 증폭기를 P1dB 대역에서 사용하는 경우 비선형성이 심하게 일어나므로 증폭기의 출력을 P1 dB에서 몇 dB 백오프시켜 사용하는 방법이다. 피드포워드 방법은 신호의 경로를 둘로 나누어 마지막 출력에서 신호의 왜곡을 제거시키는 것이다. 전치왜곡 방법은 출력 파워가 비선형적인 전력 증폭기의 특성을 보정하기 위해 증폭되기전의 신호를 증폭기의 비선형 특성과 반대되는 왜곡을 주는 방법이다. 이 전치왜곡 기술은 전치왜곡되는 신호와 증폭기의 비선형 특성이 정확하게 반대의 특성을 가져야만 전력 이득이 선형적으로 나올 수 있는 특징이 있다.
하지만, 백오프 선형화 방법은 증폭기의 최대 효율을 갖는 최대 출력 영역이 아닌 몇 dB 낮은 영역에서 전력 증폭기를 동작시키기 때문에 전력 증폭기의 효율이 매우 낮아지는 문제점이 있다. 그리고 피드포워드 선형화 방법은 선형성 개선 효과는 크지만 양 신호 경로의 지연을 정확히 맞추어야 하는 문제가 있고 회로가 복잡할 뿐만 아니라 외부 회로가 필요한 경우도 있으므로 실제 제품화하기에는 적합하지 않다. 특히 MMIC(Microwave Monolithic Integrated Circuit) 칩 안에 집적이 불가능하다. 전치왜곡 선형화 방법의 경우에는 그 회로가 간단하여 MMIC 칩 안에 집적이 가능하고 또한 회로가 차지하는 면적이 크지 않아서 소형, 경량, 저가로 제작이 가능하지만 선형성 개선 효과가 크지 않고 전치왜곡 신호가 증폭기의 비선형적인 특성과 정확하게 반대되는 특성을 가져야만 전력 이득의 선형성을 확보할 수 있다. 하지만, 입력 고주파 신호의 레벨이 큰 신호가 전력 증폭기에 입력되면 증폭기의 비선형 특성보다 더 큰 왜곡이 일어나서 전력이득의 평탄화를 얻기 힘들다.
한편, 무선 통신기기에 사용되는 선형 전력 증폭기는 최근 모듈의 크기가 상당히 줄어들고 있을 뿐만 아니라 통신 단말기에 내장된 전력 증폭기도 소형화 및 경량화가 요구되고 있다. 이러한 상황에서 선형 전력 증폭기를 구현하는데 백오프 방식, 피드포워드 방식에 비해 전치왜곡 방식이 더 우수하다고 할 수 있다. 하지만 전치왜곡 선형 전력 증폭기의 경우 입력 고주파 신호가 크더라도 일정한 출력을 낼 수 있는 전력이득의 평탄화에 대한 연구/개발이 요구된다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 역방향 다이오드를 사용하여 입력 고주파 신호를 선형적으로 증폭시킬 뿐만 아니라 전력 이득의 피킹 현상을 제거해줌으로써 간단한 회로 구현으로 전력이득의 평탄화 특성을 개선시킬 수 있는 역방향 다이오드를 이용한 전치 왜곡형 선형 전력 증폭기를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 입력 고주파 신호를 선형 증폭하여 출력하는 전치 왜곡형 선형 전력 증폭기에 있어서, 입력 고주파 신호를 선형 증폭하는 적어도 1이상의 증폭 트랜지스터를 갖는 증폭부와, 증폭 트랜지스터의 베이스에 에미터가 연결되어 기준 바이어스 전압을 공급하는 적어도 1이상의 바이어스 트랜지스터와, 바이어스 트랜지스터에 병렬로 연결된 저항과, 저항과 접지 단자에 직렬로 연결된 적어도 1이상의 다이오드를 포함하여 증폭 트랜지스터의 베이스에 기준 바이어스 전압을 공급해주는 바이어스 회로와, 바이어스 회로의 저항에 병렬로 연결되며 기준 바이어스 전압에 역방향으로 연결되어 입력 고주파 신호가 소정 레벨 이상이 될 경우 입력 고주파 신호를 바이패스시키는 역방향 다이오드를 구비한 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 역방향 다이오드를 이용한 전치 왜곡형 선형 전력 증폭기를 나타낸 회로 구성도,
도 2는 도 1에서 역방향 다이오드와 바이어스 회로의 저항의 등가 모델을 나타낸 도면,
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 전치 왜곡형 선형 전력 증폭기에서 전압 강하에 따른 역방향 다이오드의 커패시턴스 변화를 나타낸 그래프들,
도 4는 본 발명의 전치 왜곡형 선형 전력 증폭기에서 전력 이득을 나타낸 그래프,
도 5는 본 발명의 전치 왜곡형 선형 전력 증폭기에서 역방향 다이오드가 있을 경우와 없을 경우 전력 이득을 나타낸 비교 그래프,
도 6은 본 발명의 전치 왜곡형 선형 전력 증폭기에서 역방향 다이오드가 있을 경우와 없을 경우 출력 전력을 나타낸 비교 그래프,
도 7은 본 발명의 전치 왜곡형 선형 전력 증폭기에서 역방향 다이오드가 있을 경우와 없을 경우 위상 왜곡을 나타낸 비교 그래프.
＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞
10 : 바이어스 회로 12 : 저항
14, 16 : 순방향 다이오드들 20 : 증폭부
30 : 역방향 다이오드 HBT1 : 증폭 트랜지스터
HBT2 : 바이어스 트랜지스터
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 역방향 다이오드를 이용한 전치 왜곡형 선형 전력 증폭기를 나타낸 회로 구성도이다. 도 1을 참조하면 본 실시예의 선형 전력 증폭기는 증폭부(20)와, 바이어스 회로(10)와, 역방향 다이오드(30)로 구성된다.
본 발명의 선형 전력 증폭기에 있어서, 증폭부(20)는 입력 고주파 신호(RF_IN)를 선형 증폭하여 출력(RF_OUT)하는 증폭 트랜지스터로서, HBT(Heterojunction Bipolar Transistor)를 사용한다. 본 실시예의 증폭부(20)에서는 하나의 HBT(HBT1)를 사용하였으나, 일반적으로 큰 출력의 고주파 신호를 내기 위해서 여러 개의 HBT를 병렬로 묶어서 연결할 수도 있다. 한편, 증폭 트랜지스터(HBT1)의 베이스에는 커패시터(C1)가 연결되어 있어 바이어스 회로(10)에서 입력 단으로 공급될 수 있는 DC 바이어스 전압을 차단한다.
바이어스 회로(10)는 증폭 트랜지스터(HBT1)의 베이스(B)에 에미터(E)가 연결되어 기준 바이어스 전압(Vref)을 공급하는 바이어스 트랜지스터(HBT2)와, 바이어스 트랜지스터(HBT2)의 콜렉터(C) 및 베이스(B)에 병렬로 연결된 저항(12)과, 저항(12)과 접지 단자에 직렬로 연결된 적어도 1이상의 다이오드(14, 16)를 포함한다. 여기서 바이어스 트랜지스터(HBT2)는 증폭부(20)에 전류를 공급해주기 위한 소자로서, 그 개수는 증폭부(20)의 HBT가 최대 출력 전력일 때 안정적으로 DC 전류를 공급하기 위한 적은 개수이면 충분하다.
역방향 다이오드(30)는 바이어스 회로(10)의 상기 저항(12)에 병렬로 연결되며 기준 바이어스 전압(Vref)에 캐소드가 연결된다. 입력 고주파 신호(RF_IN)가 소정 레벨 이상이 될 경우 본 발명의 역방향 다이오드(30)는 등가 모델로 구현되는 커패시턴스를 저항(12)과 함께 가변화해서 임피던스를 낮추어 바이어스 트랜지스터(HBT2)의 베이스 전압(V1)을 높이고 이로 인해 HBT2로 전달되는 입력 고주파 신호를 바이패스(bypass)시킨다.
다이오드가 역방향으로 바이어스되면 가변 커패시터로 동작을 하게 된다. 용량이 정해진 커패시터는 고주파 신호를 단락시킴으로써 선형성을 증가시키는데 큰 입력 신호에서 많은 양의 신호가 단락되므로 전력이득의 피킹(peaking) 현상이 일어나게 된다. 하지만, 본 발명에서는 역방향 다이오드(30) 양단에 걸리는 전압 변화에 따른 가변 커패시턴스의 변화를 이용하여 입력 신호가 커질 때 역방향 다이오드(30)에 걸리는 전압 강하가 증가하기 때문에 역방향 다이오드(30)의 캐소드가 기준 바이어스 전압단과 연결되어 있어 커패시턴스가 감소하여 큰 입력 신호의 단락 현상을 막아주어 증폭기의 선형성을 유지하고 전력 이득의 피킹 현상을 줄여준다. 여기서 입력 신호가 커질 때 역방향 다이오드에 걸리는 전압이 증가하는 이유는 바이어스 회로(10)의 전류가 증가하기 때문에 저항(12)의 전압 강하가 커지는 것입니다.
상기와 같이 구성된 본 실시예의 선형 전력 증폭기는 다음과 같이 작동하게 된다. 우선 증폭 트랜지스터(HBT1)는 전원(Vcc)에 의해서 구동되고 베이스(B)를 통해 제공되는 입력 고주파 신호(RF_IN)를 증폭시켜 콜렉터(C)에 증폭된 고주파 출력 신호(RF_OUT)를 출력한다. 그런데, 입력 고주파 신호가 증가하여 입력될 경우, 임피던스가 낮은 바이어스 트랜지스터(HBT2)의 에미터(E)쪽으로 고주파 신호가 많이 삽입되어 증폭 트랜지스터(HBT1)의 베이스-에미터 전압(VBE)이 감소하게 된다. 즉, 입력된 고주파 신호의 크기가 커질수록 증폭 트랜지스터(HBT1)의 베이스-에미터(B-E) 사이를 통해 흐르는 전류가 증가하게 되어 결국 베이스-에미터 전압(VBE)이 감소하게 되고 이로 인해 트랜지스터의 전달계수가 감소하게 되어 증폭부(20)를 통해 출력되는 고주파 신호의 비선형성이 증가하게 된다. 따라서, 증폭 트랜지스터(HBT1)의 베이스-에미터 전압(VBE)을 일정하게 유지시켜주어야만 한다.
한편 본 발명의 선형 전력 증폭기에 있어서, 바이어스 회로(20)에 일반적인 커패시터를 사용할 경우 입력 고주파 신호의 크기에 따라서 커패시턴스가 변하지 않기 때문에 바이어스 회로(20)쪽으로 입력되는 고주파 신호의 양이 증가하여 바이어스 트랜지스터(HBT2)의 베이스-에미터 전압(VBE)이 증폭 트랜지스터(HBT1)의 베이스-에미터 전압(VBE)이 감소되는 것보다 커지게 되어 전력 이득의 피킹 현상을 일으킨다. 그러므로, 본 발명에서는 역방향 다이오드(30)의 가변 커패시턴스를 이용하여 입력 고주파 신호의 크기에 따라 커지는 바이어스 트랜지스터(HBT2)의 베이스전압(V1)에 의하여 가변 커패시턴스(Cv)와 저항(12)으로 이루어진 임피던스를 낮추어 출력단의 전력 이득을 평탄화시킨다.
도 2는 도 1에서 역방향 다이오드와 바이어스 회로의 저항의 등가 모델을 나타낸 도면이다.
본 발명에서는 바이어스 회로(20)에 역방향 다이오드(30)를 추가함으로써 입력 고주파 신호의 크기가 커질 경우 도 2의 역방향 다이오드(30)의 가변 커패시턴스(Cv)와 가변 저항(Rv)값에 의해 바이어스 회로(20)의 임피던스가 낮아지고 이로 인해 바이어스 트랜지스터(HBT2)의 베이스-에미터 전압(VBE)이 높아진다. 따라서 바이어스 트랜지스터(HBT2)를 통해 흐르는 전류량이 많아지고 그대신 증폭 트랜지스터(HBT1)의 베이스-에미터 사이를 통해 흐르는 전류가 감소하게 되어 결국 바이어스 트랜지스터(HBT2)의 베이스-에미터 전압(VBE)또한 커져 증폭 트랜지스터(HBT1)를 통해서 출력되는 고주파 신호가 선형적으로 증폭될 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 전치 왜곡형 선형 전력 증폭기에서 전압 강하에 따른 역방향 다이오드의 커패시턴스 변화를 나타낸 그래프들이다. 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 예를 들어 바이어스 회로의 바이어스 전압(Vbias)이 0.4V∼0.8V로 높아질수록 역방향 다이오드의 커패시턴스는 270F∼245F, 540F∼490F으로 낮아짐을 알 수 있다.
도 4는 본 발명의 전치 왜곡형 선형 전력 증폭기에서 전력 이득을 나타낸 그래프이다. 도 4에서는 증폭기에 역방향 다이오드를 사용하는 경우(h)와 역방향 다이오드의 커패시턴스에 해당하는 고정 커패시터를 사용한 경우(g)의 전력 이득을 나타낸 것이다.
본 발명에서는 역방향 다이오드의 커패시턴스가 바이어스 전압이 바뀌면서 함께 가변되기 때문에 입력 전력(P_IN)이 커지면서 바이어스 DC 전류가 증가하여 역방향 다이오드의 바이어스 전압이 바뀌어서 커패시턴스 값이 감소하게 된다. 그래서 큰 입력 신호에 대해서는 역방향 다이오드 양단에 걸리는 커패시턴스 값이 줄어들기 때문에 바이어스 트랜지스터의 베이스-에미터 전압(VBE)이 높아져 결국 h와 같이 출력 전력 이득의 피킹 현상이 줄어들게 된다. 하지만, 역방향 다이오드의 커패시턴스에 해당하는 고정 커패시터를 사용했을 경우에는 바이어스 전압이 바뀌더라도 가변되지 않고 고정되기 때문에 입력 전력(P_IN)이 증가할 경우 역방향 다이오드 양단에 걸리는 커패시턴스 값이 고정되어 있기 때문에 g와 같이 출력 전력 이득이 피킹 현상이 발생하게 된다.
도 5는 본 발명의 전치 왜곡형 선형 전력 증폭기에서 역방향 다이오드가 있을 경우와 없을 경우 전력 이득을 나타낸 비교 그래프이다. 도 4를 살펴보면, 역방향 다이오드를 사용할 경우(a) 입력 전력(P_IN)이 증가함에 따라 출력 전력의 이득이 평탄화특성을 나타내는 반면에, 역방향 다이오드를 사용하지 않을 경우(b) 입력 전력이 증가에 따라 출력 전력의 이득이 급격히 감소함을 알 수 있다.
도 6은 본 발명의 전치 왜곡형 선형 전력 증폭기에서 역방향 다이오드가 있을 경우와 없을 경우 출력 전력을 나타낸 비교 그래프이다. 도 6을 살펴보면, 역방향 다이오드를 사용할 경우(c) 출력 전력은 입력 전력의 크기에 따라 선형적으로 증가함을 알 수 있으나, 역방향 다이오드를 사용하지 않을 경우(d) 출력 전력은 선형적으로 증가하되, 입력 전력이 높아질 때 비선형적인 특성을 나타냄을 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 전치 왜곡형 선형 전력 증폭기에서 역방향 다이오드가 있을 경우와 없을 경우 위상 왜곡을 나타낸 비교 그래프이다. 도 7을 참조하면, 역방향 다이오드를 사용하지 않을 경우(f) 입력 전력이 증가함에 따라 출력 전력의 위상 왜곡이 급격하게 증가하게 되는 반면에 역방향 다이오드를 사용할 경우 입력 전력이 증가하더라도 출력 전력의 위상 왜곡이 다소 작게 증가함을 알 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 이동통신 단말기의 전치 왜곡형 선형 전력 증폭기를 제작하는데 있어서, 바이어스 회로의 베이스단과 콜렉터단에 역방향 다이오드를 추가 연결하여 입력 고주파 신호가 크게 증가하더라도 바이어스 회로의 트랜지스터쪽으로 입력되는 고주파 신호를 줄여 증폭 트랜지스터를 통해서 선형적으로 증폭시킬 뿐만 아니라 전력 이득의 피킹 현상을 제거한다.
따라서, 본 발명은 간단한 회로 구현으로 전력 이득의 평탄화 특성을 개선시킬 수 있다.
한편, 본 발명은 상술한 실시예에 국한되는 것이 아니라 후술되는 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상과 범주내에서 당업자에 의해 여러 가지 변형이 가능하다.

Claims (2)

  1. 입력 고주파 신호를 선형 증폭하여 출력하는 전치 왜곡형 선형 전력 증폭기에 있어서,
    상기 입력 고주파 신호를 선형 증폭하는 적어도 1이상의 증폭 트랜지스터를 갖는 증폭부;
    상기 증폭 트랜지스터의 베이스에 에미터가 연결되어 기준 바이어스 전압을 공급하는 적어도 1이상의 바이어스 트랜지스터와, 상기 바이어스 트랜지스터에 병렬로 연결된 저항과, 상기 저항과 접지 단자에 직렬로 연결된 적어도 1이상의 순방향 다이오드를 포함하여 상기 증폭 트랜지스터의 베이스에 기준 바이어스 전압을 공급해주는 바이어스 회로; 및
    상기 바이어스 회로의 저항에 병렬로 연결되며 상기 기준 바이어스 전압에 역방향으로 연결되어 상기 입력 고주파 신호가 소정 레벨 이상이 될 경우 상기 입력 고주파 신호를 바이패스시키는 역방향 다이오드를 구비한 것을 특징으로 하는 역방향 다이오드를 이용한 전치 왜곡형 선형 전력 증폭기.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 역방향 다이오드는 상기 입력 고주파 신호의 레벨에 따라 소자의 커패시턴스값이 가변적으로 변화되는 것을 특징으로 하는 역방향 다이오드를 이용한 전치 왜곡형 선형 전력 증폭기.
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