KR20050022838A - EER Using Injection Locked Oscillator - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: An EER(Envelope Elimination and Restoration) using an injection locked oscillator is provided to simplify the EER structure by using a class E power injection locked oscillator instead of operational amplifier, a limiter, and a class E power amplifier. CONSTITUTION: A coupler(22) divides an input signal to envelope information(23) and phase information(24). A class E power injection locked oscillator(27) amplifies the phase information up to a saturation mode. An envelope detector(25) detects the envelope of the input signal. A DC-DC converter(26) amplifies the detected envelope. The envelope information from the coupler is detected by the envelope detector. The detected envelope adjusts a drain bias of the class E power injection locked oscillator via the DC-DC converter.

Description

주입동기식 발진기를 이용한 EER{EER Using Injection Locked Oscillator}EER Using Injection Locked Oscillator

본 발명은 고효율 전력증폭기 시스템 중에서 EER에 관한 것이다.The present invention relates to an EER in a high efficiency power amplifier system.

다양한 이동통신 서비스가 제공되면서, 이동통신 단말기의 효율이 중요한 문제로 떠오르고 있다. 휴대용 뱃터리의 용량과 크기에 한계가 있기 때문에, 이동통신 단말기 회로를 저전력으로 설계하는 것이 필요하다. 현재 이동통신 단말기에서 전력을 가장 많이 소모하는 부품이 전력 증폭기로, CDMA 방식의 단말기인 경우 그 효율은 10% 정도이다. 이렇게 CDMA 단말기의 효율이 낮은 이유는 CDMA 신호의 포락선이 시간적으로 바뀌기 때문이다. 신호의 포락선이 일정하지 않으면 신호를 증폭하기 위해서 선형 증폭기가 필요하며, 일반적으로 선형 증폭기는 A 혹은 AB급으로 바이어스를 두기 때문에 전력 손실이 많다.As various mobile communication services are provided, efficiency of mobile communication terminals has emerged as an important problem. Due to the limited capacity and size of portable batteries, it is necessary to design mobile communication terminal circuits at low power. Currently, the most power-consuming component in mobile communication terminals is a power amplifier, and the efficiency of the CDMA terminal is about 10%. The reason for the low efficiency of the CDMA terminal is that the envelope of the CDMA signal changes in time. If the envelope of the signal is not constant, a linear amplifier is required to amplify the signal. In general, a linear amplifier is biased in class A or AB, which causes a lot of power loss.

포락선이 시간적으로 변하는 신호를 효율적으로 증폭하는 선형 전력증폭기 시스템이 많이 연구되어 왔다. 가변 바이어스(Variable Bias)증폭기, Doherty 증폭기, Chireix's Outphasing 증폭기, EER 등은 이러한 고효율 선형 증폭기이다.Many linear power amplifier systems have been studied to efficiently amplify signals whose envelope changes in time. Variable bias amplifiers, Doherty amplifiers, Chireix's outphasing amplifiers, and EERs are such highly efficient linear amplifiers.

가변 바이어스 방법은 입력신호의 크기에 따라 효율이 높아지도록 바이어스를 조절해주는 방법이며, Doherty 증폭기는 입력신호에 따라 두개의 증폭기를 순차적으로 구동시켜서 로드(load)를 변화시키는 효과를 갖게 하는 것으로, 가변 로드에 의해서 효율을 향상시킨다. Chireix's Outphasing 증폭기는 입력신호를 일정한 크기(constant envelope)를 가지는 2개의 신호로 분리하고 E급 증폭기로 증폭한 후 다시 합치는 방법으로, 시간적으로 일정한 크기를 가지는 신호는 효율을 높게 증폭할 수 있다. 그러나 상기의 시스템들은 이론적으로 100% 효율을 가지는 것이 불가능하며, 실제로 CDMA 대역에서는 40% 정도의 효율을 갖는다. EER은 이론적으로 100%의 효율을 가지는 선형증폭기로 일반적으로 UHF/VHF 대역에서 사용되고 있다.The variable bias method is a method of adjusting the bias to increase the efficiency according to the size of the input signal, and the Doherty amplifier has the effect of changing the load by driving two amplifiers sequentially according to the input signal. Improved efficiency by the rod. Chireix's outphasing amplifier divides the input signal into two signals with a constant envelope, amplifies it with an E-class amplifier, and then sums them again. A signal having a constant magnitude in time can be amplified with high efficiency. However, the above systems are theoretically impossible to have 100% efficiency, and in fact, they are 40% efficient in the CDMA band. EER is a linear amplifier with a theoretical efficiency of 100% and is generally used in the UHF / VHF band.

도 1은 종래에 사용되어지던 EER 시스템의 구성을 도시하는 도면이다. EER은 입력신호(19)를 포락선 정보(18)와 위상 정보(17)로 분리하기 위한 커플러(Coupler)(11), 일정한 크기의 신호를 생성하는 리미터(limiter)(12), 전력증폭기를 구동하기 위한 구동증폭기(drive amplifier)(13), 일정한 크기의 신호를 증폭하는 E급 전력증폭기(class E power amplifier)(14), 입력신호의 포락선을 검출하기 위한 포락선검출기(envelope detector)(15), 검출된 포락선을 100% 효율로 증폭하는 DC-DC 컨버터(DC-DC converter)(16)로 구성된다.1 is a diagram illustrating a configuration of an EER system that has been conventionally used. The EER drives a coupler (11) for separating the input signal (19) into envelope information (18) and phase information (17), a limiter (12) for generating signals of constant magnitude, and a power amplifier. A drive amplifier 13 for transmitting a signal, a class E power amplifier 14 for amplifying a signal of a predetermined size, and an envelope detector 15 for detecting an envelope of an input signal. And a DC-DC converter 16 for amplifying the detected envelope with 100% efficiency.

EER의 동작원리는 다음과 같다. EER은 증폭기의 효율을 높이기 위해 커플러(11)를 이용하여 입력신호(19)를 위상 정보(17)와 포락선 정보(18)로 분리한다. 분리된 위상 정보는 리미터(12)를 이용하여 일정한 크기의 신호를 가지는 신호로 바뀌며, 구동증폭기(13)를 거쳐 E급 전력증폭기(14)로 입력된다. 한편 분리된 포락선 정보는 포락선 검출기(15)에 의해 포락선이 검출되며, DC-DC 컨버터(16)를 통해 100% 효율로 증폭된 후, 상기의 E급 전력증폭기의 드레인 바이어스를 조절하여 원래의 입력신호로 복원된다.The principle of operation of EER is as follows. The EER separates the input signal 19 into phase information 17 and envelope information 18 using the coupler 11 to increase the efficiency of the amplifier. The separated phase information is converted into a signal having a predetermined size signal using the limiter 12, and is input to the E-class power amplifier 14 through the driving amplifier 13. Meanwhile, the separated envelope information is detected by the envelope detector 15, amplified at 100% efficiency by the DC-DC converter 16, and then the original input is controlled by adjusting the drain bias of the E-class power amplifier. The signal is restored.

EER은 이론적으로 100%의 효율을 가질 수 있으나, 여러 소자들로 구성되기 때문에 그 시스템이 복잡하고 각 소자들이 이상적인 소자가 아닌 경우 효율과 선형성이 저하된다는 문제점이 있다.The EER may theoretically have an efficiency of 100%, but since the system is composed of several devices, the system is complicated and efficiency and linearity are deteriorated when each device is not an ideal device.

본 발명은 상술한 문제점들을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 여러 소자들로 구성된 복잡한 EER 시스템을 단순하게 하며, 동시에 시스템 전체의 효율과 선형성을 개선하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and aims to simplify a complex EER system composed of several devices, and simultaneously improve efficiency and linearity of the entire system.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 E급 주입동기식 발진기(class E ILO)를 이용하여 EER을 구현한다.In order to achieve the above object, the present invention implements EER using an E-class injection synchronous oscillator (class E ILO).

본 발명의 EER은 입력 신호(21)를 포락선 정보(23)와 위상 정보(24)로 분리하기 위한 커플러(22), 위상신호를 포화모드(saturation mode)로 증폭시키기 위한 E급 주입동기식 전력발진기(27), 입력신호의 포락선을 검출하기 위한 포락선 검출기(25), 검출된 포락선을 100% 효율로 증폭하는 DC-DC 컨버터(26)로 구성된다.The EER of the present invention is a coupler 22 for separating the input signal 21 into the envelope information 23 and the phase information 24, and an E-class injection synchronous power oscillator for amplifying the phase signal in saturation mode. (27), an envelope detector 25 for detecting an envelope of an input signal, and a DC-DC converter 26 for amplifying the detected envelope with 100% efficiency.

본 발명의 EER은 증폭기의 효율을 높이기 위해 커플러(22)를 이용하여 입력신호(21)를 포락선 정보(23)와 위상 정보(24)로 분리한다. 분리된 포락선 정보와 위상 정보는 각각 포락선 검출기(25)와 E급 주입동기식 전력발진기(27)로 인가된다. 상기의 포락선 검출기의 출력은 DC-DC 컨버터(26)에 인가되어 100% 효율로 증폭되고, DC-DC 컨버터의 출력은 상기의 E급 주입동기식 전력발진기의 드레인 바이어스에 인가되어 원래의 입력신호가 복원된다.The EER of the present invention separates the input signal 21 into the envelope information 23 and the phase information 24 using the coupler 22 to increase the efficiency of the amplifier. The separated envelope information and the phase information are applied to the envelope detector 25 and the class E injection synchronous power oscillator 27, respectively. The output of the envelope detector is applied to the DC-DC converter 26 to be amplified at 100% efficiency, and the output of the DC-DC converter is applied to the drain bias of the E-type injection synchronous power oscillator. Is restored.

이하에서는 본 발명에 의한 주입동기식 발진기를 이용한 EER에 대하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, an EER using an injection synchronous oscillator according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 2는 본 발명에 따른 주입동기식 발진기를 이용한 EER의 제1 실시예이다. 본 발명에 따른 EER은 커플러(23), E급 주입동기식 전력발진기(27), 포락선 검출기(25), DC-DC 컨버터(26)로 구성된다. 종래의 EER과 비교했을 때 리미터, 구동증폭기, E급 전력증폭기가 필요없이 단순히 E급 주입동기식 발진기만으로 EER을 구성할 수 있다.Figure 2 is a first embodiment of the EER using the synchronous oscillator according to the present invention. The EER according to the present invention is composed of a coupler 23, an E-class injection synchronous power oscillator 27, an envelope detector 25, and a DC-DC converter 26. Compared with the conventional EER, the EER can be configured simply by a class E injection synchronous oscillator without the need for a limiter, driving amplifier, and class E power amplifier.

상기와 같이 리미터와 구동증폭기를 사용하지 않을 경우, 복잡한 EER 시스템을 간단히 할 수 있으며, 리미팅시 발생하는 혼변조 성분과 구동증폭기를 사용하기 위해 필요한 부가 전력을 줄일 수 있다는 장점이 있다.When the limiter and the driving amplifier are not used as described above, the complex EER system can be simplified, and the intermodulation component generated during the limiting and the additional power required to use the driving amplifier can be reduced.

도 3은 본 발명에서 사용한 E급 주입동기식 발진기의 레이아웃을 나타낸다. 주입 동기식 발진기는 상대적으로 작은 외부의 입력 신호가 발진하고 있는 신호를 동기화 시키는 발진기로, 입력과 출력의 비율인 이득이 매우 크다. 그리고 발진기의 특성상 능동소자의 포화영역에서 동작을 한다. 상기의 주입동기식 발진기의 고이득, 포화영역에서의 동작특성은 구동증폭기와 리미터의 특성을 대신 할 수 있다. 왜냐하면, 종래의 EER에서 구동증폭기의 역할은 전력증폭기가 동작할 수 있도록 이득을 높이는 것이며, 리미터의 역할은 신호를 포화시켜서 일정한 크기의 신호로 만드는 것이기 때문이다. 그리고 상기의 발진기가 전력소자를 사용하여 E급으로 설계되었기 때문에 종래의 EER에서 E급 전력 증폭기를 대신 할 수 있다.Figure 3 shows the layout of the class E injection synchronous oscillator used in the present invention. An injection synchronous oscillator synchronizes a signal from which a relatively small external input signal is oscillated. The gain, which is the ratio of input and output, is very large. And because of the characteristics of the oscillator operates in the saturation region of the active element. The operation characteristics in the high gain and saturation region of the injection synchronous oscillator can replace the characteristics of the driving amplifier and the limiter. This is because, in the conventional EER, the driving amplifier serves to increase the gain for the power amplifier to operate, and the role of the limiter is to saturate the signal and make the signal of a constant size. And since the oscillator is designed in class E using the power device, it can replace the class E power amplifier in the conventional EER.

본 발명에서 E급 주입동기식 발진기는 마이크로스트립 기판(microstrip substrate)(31) 위에 제작되었다. 전력소자로는 GaAs FET(32)를 사용하였고, 병렬궤환회로(33)를 이용하여 발진기를 발진하도록 하였다. 그리고 집중소자(lumped element)와 분포소자(distributed element)를 사용하여 각각 임피던스 정합(34)과 고조파 단락(harmonic termination)(35)을 구현하였다.In the present invention, the class E injection synchronous oscillator is manufactured on a microstrip substrate 31. GaAs FET 32 was used as the power device, and the oscillator was oscillated using the parallel feedback circuit 33. Impedance matching (34) and harmonic termination (harmonic termination) 35 are implemented using lumped elements and distributed elements, respectively.

도 4는 본 발명에 따른 EER에 대한 혼변조 특성을 나타낸다. 혼변조 특성은 Two-tone test로 측정하였고, 톤 간격은 10kHz로 측정하였다. 측정결과 원하는 신호와 혼변조 신호의 비율이 25dBc 이하임을 알 수 있다.4 shows intermodulation characteristics for an EER in accordance with the present invention. Intermodulation characteristics were measured by a two-tone test and tone spacing was measured at 10 kHz. The measurement result shows that the ratio of the desired signal and the intermodulation signal is 25 dBc or less.

본 발명의 EER에서 사용한 주입동기식 발진기 대신 부성저항 증폭기(Negative Resistance Amplifier)를 사용할 수도 있다. 부성저항 증폭기는 주입동기식 발진기와 동작원리는 같아서 매우 큰 이득을 갖고, 포화영역에서 동작한다. 그러므로 상기의 부성저항 증폭기 역시 E급으로 설계되면, 종래의 EER에서의 구동 증폭기, 리미터, 그리고 E급 전력증폭기 역할을 대신할 수 있다.Instead of the injection synchronous oscillator used in the EER of the present invention, a negative resistance amplifier may be used. Negative resistance amplifiers have the same operating principle as injection synchronous oscillators and have very large gains and operate in the saturation region. Therefore, if the negative resistance amplifier is also designed for E class, it can replace the driving amplifier, limiter, and E class power amplifier in the conventional EER.

도 5는 본 발명에 따른 제2 실시예를 나타낸 것으로, 부성저항 증폭기를 이용하여 EER을 구성한 것이다. 부성저항 증폭기는 주입동기식 발진기와 달리 초기상태에서는 발진을 하지 않는다는 점을 제외하고는 동작원리와 구조가 동일하기 때문에, 제1 실시예와 동일한 결과를 얻을 수 있다.5 shows a second embodiment according to the present invention, in which an EER is configured using a negative resistance amplifier. The negative resistance amplifier has the same operation principle and structure except that it does not oscillate in the initial state unlike the injection synchronous oscillator, and thus the same result as in the first embodiment can be obtained.

이상의 본 발명은 상기한 실시 예들에 한정되지 않고 당 업자들메 의해 다양한 변형 및 변경을 가져 올 수 있으며, 이는 첨부된 청구항에서 정의되는 본 발명의 취지와 범위에 포함된다.The present invention is not limited to the embodiments described above can be variously modified and changed by those skilled in the art, which is included in the spirit and scope of the invention defined in the appended claims.

본 발명에 의하면 종래의 EER 시스템에서의 구동증폭기, 리미터, E급 전력증폭기대신에, 상기의 소자들의 역할을 동시에 수행하는 E급 주입동기식 발진기를 사용함으로써 복잡한 EER의 구조를 간단하게 할 수 있다. 또한 구동증폭기와 리미터를 사용하지 않기 때문에 이들 소자에 의해 발생했던 효율과 선형성의 문제도 해결할 수 있다.According to the present invention, a complex EER structure can be simplified by using an E-type injection synchronous oscillator which simultaneously performs the role of the above elements, instead of the driving amplifier, the limiter, and the E-class power amplifier in the conventional EER system. In addition, the drive amplifier and limiter are not used to solve the problems of efficiency and linearity caused by these devices.

도 1은 종래의 EER 시스템의 구성을 도시하는 도면1 is a diagram showing the configuration of a conventional EER system.

도 2는 본 발명에 따른 EER 시스템의 제1 실시예2 shows a first embodiment of an EER system according to the invention.

도 3은 본 발명에서 사용한 주입동기식 발진기의 레이아웃3 is a layout of the injection synchronous oscillator used in the present invention

도 4는 본 발명의 제1 실시예에 대한 혼변조 특성4 illustrates intermodulation characteristics of a first embodiment of the present invention.

도 5는 본 발명에 따른 EER 시스템의 제2 실시예5 shows a second embodiment of an EER system according to the invention.

(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)(Explanation of symbols for the main parts of the drawing)

11: 커플러 12: 리미터11: coupler 12: limiter

13: 구동증폭기 14: E급 전력증폭기13: drive amplifier 14: class E power amplifier

15: 포락선검출기 16: DC-DC 컨버터15: Envelope Detector 16: DC-DC Converter

17: 위상 정보 18: 포락선 정보17: phase information 18: envelope information

27: E급 주입동기식 전력발진기 33: 궤환회로27: class E injection synchronous power oscillator 33: feedback circuit

35: 고조파 단락 57: E급 부성저항 전력증폭기35: Harmonic short circuit 57: Class E negative resistance power amplifier

Claims (3)

입력 신호를 포락선 정보(23)와 위상 정보(24)로 분리하기 위한 커플러(Coupler)(22), 상기의 위상 정보를 포화모드(Saturation mode)로 증폭시키기 위한 E급 주입동기식 전력발진기(Class E power Injection Locked Oscillator)(27), 입력신호의 포락선을 검출하기 위한 포락선 검출기(25), 검출된 포락선을 증폭하는 DC-DC 컨버터(26)로 구성되고,Coupler 22 for separating the input signal into envelope information 23 and phase information 24, and class E injection synchronous power oscillator for amplifying the phase information in saturation mode (Class E). power injection locked oscillator) 27, an envelope detector 25 for detecting an envelope of an input signal, and a DC-DC converter 26 for amplifying the detected envelope, 상기의 커플러(22)를 통과한 포락선 정보(23)는 포락선 검출기(25)를 통해 검출되고, 검출된 포락선은 DC-DC 컨버터(26)를 통해 E급 주입동기식 전력발진기(27)의 드레인 바이어스를 조절하는 것을 특징으로 하는 EER 시스템.The envelope information 23 passing through the coupler 22 is detected by the envelope detector 25, and the detected envelope is drain drain of the class E injection synchronous power oscillator 27 through the DC-DC converter 26. EER system, characterized in that for adjusting the. 제1항에 있어서, 상기 주입동기식 발진기는The oscillator of claim 1, wherein the injection synchronous oscillator 병렬궤환 회로(33)로 구성되는 것을 특징으로 하는 EER 시스템.EER system comprising a parallel feedback circuit (33). 입력 신호를 포락선 정보(53)와 위상 정보(54)로 분리하기 위한 커플러(coupler)(52), 상기의 위상 정보를 포화모드(saturation mode)로 증폭시키기 위한 E급 부성저항 전력증폭기(Class E Negative Resistance Power Amplifier)(57), 입력 신호의 포락선을 검출하기 위한 포락선 검출기(55), 검출된 포락선을 증폭하는 DC-DC 컨버터(56)로 구성되고,A coupler 52 for separating the input signal into the envelope information 53 and the phase information 54, and a class E negative resistance power amplifier for amplifying the phase information in saturation mode (Class E). Negative Resistance Power Amplifier) 57, an envelope detector 55 for detecting an envelope of an input signal, and a DC-DC converter 56 for amplifying the detected envelope, 상기의 커플러(52)를 통과한 포락선 정보(53)는 포락선 검출기(55)를 통해 검출되고, 검출된 포락선은 DC-DC 컨버터(56)를 통해 E급 부성저항 전력증폭기의 드레인 바이어스를 조절하는 것을 특징으로 하는 EER 시스템.The envelope information 53 passing through the coupler 52 is detected through the envelope detector 55, and the detected envelope adjusts the drain bias of the class E negative resistance power amplifier through the DC-DC converter 56. EER system, characterized in that.
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