KR20050035271A - 증폭기 시스템 및 송신기 - Google Patents

증폭기 시스템 및 송신기 Download PDF

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KR20050035271A
KR20050035271A KR1020057002385A KR20057002385A KR20050035271A KR 20050035271 A KR20050035271 A KR 20050035271A KR 1020057002385 A KR1020057002385 A KR 1020057002385A KR 20057002385 A KR20057002385 A KR 20057002385A KR 20050035271 A KR20050035271 A KR 20050035271A
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KR1020057002385A
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화이트 윌리암 레드맨
수드히르 아가왈
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코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

가변 임피던스 장치가 가변 이득 증폭기로의 입력단과 병렬로 위치되며, 실질적으로 일정한 부하 임피던스를 소스에 제공하도록 제어된다. 바람직하게는, 가변 임피던스 장치는 가변 바이어스 전류를 가진 다이오드를 포함한다. 이 다이오드 바이어스 전류는 증폭기 바이어스 전류와 역으로 조정되어서, 2개의 입력 경로 임피던스의 병렬합은 넓은 이득 범위에 걸쳐서 거의 일정하다. 이 가변 이득 증폭기 시스템은 무선 송신기 또는 셀룰러 텔레폰에 사용하기에 특히 적합하다.

Description

증폭기 시스템 및 송신기{VARIABLE GAIN AMPLIFIER WITH IMPROVED CONTROL CHARACTERISTICS LINEARITY}
본 발명은 전자 기기 분야에 관한 것이고, 더 상세하게는 넓은 이득 범위에 걸쳐서 일정한 제어 특성의 선형성을 갖는 가변 이득 증폭기에 관한 것이다.
가변 이득 증폭기는 통상적으로 사용되는 것으로, 특히 셀룰러 폰 핸드셋 송신기에서 사용된다. 전력 소비를 최소화하는 데는 통상 공통 에미터 이득 스테이지가 사용되며, 여기서 이득은 바이어스 전류를 조정함으로써 조정된다. 불행하게도, 공통 에미터 증폭기의 입력 임피던스는 바이어스 전류에 따라서 변화되고, 이 때문에 일정한 임피던스 소스에 의해서 가변 이득 증폭기가 구동되면 이득 및/또는 효율의 손실이 유발된다. 높은 레벨의 바이어스 전류에서, 일정한 임피던스 소스에 대한 부하는 상당하며, 이 때문에 예측 가능하고/신뢰 가능한 성능을 달성하기 어렵다.
이 가변 입력 임피던스 문제에 대한 공통의 솔루션은 저 임피던스 장치를 가변 이득 증폭기로의 입력단과 병렬로 사용하는 것이다. 이 솔루션은 일정 임피던스 소스가 보는 유효 입력 임피던스의 변화 범위를 상당히 감소시키지만, 높은 레벨의 바이어스 전류에서의 소스의 부하를 더 크게 해서 시스템의 사용 가능한 이득을 손실시킨다. 단차형 이득 제어 증폭기가 사용될 수도 있지만, 이러한 방식은 이득을 제어하는 데 더 복잡한 제어 루프를 요구한다.
도 1은 본 발명에 따른 가변 이득 증폭기 시스템의 예시적인 블록도를 도시하는 도면,
도 2는 본 발명에 따른 가변 이득 증폭기 시스템의 예시적인 회로도,
도 3은 본 발명에 따른, 넓은 이득 범위에서의 다이오드 바이어스 전류와 증폭기 바이어스 전류 사이의 관계를 예시적으로 도시하는 도면,
도 4는 본 발명에 따른 넓은 이득 범위에서의, 최종 다이오드 입력 임피던스, 증폭기 입력 임피던스 및 전체 입력 임피던스를 예시적으로 도시하는 도면,
도 5는 본 발명에 따른 가변 이득 증폭기를 사용하는 예시적인 송신기를 도시하는 도면.
도면에서, 같은 참조 번호는 같은 소자 또는 실질적으로 같은 기능을 수행하는 소자를 나타낸다.
본 발명의 목적은 넓은 이득 범위에서 일정하고 예측 가능한 성능을 가진 가변 이득 증폭기를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 넓은 이득 범위에서 실질적으로 일정한 입력 임피던스를 가진 가변 이득 증폭기를 제공하는 것이다.
이러한 목적은 가변 이득 임피던스 장치를 가변 이득 증폭기로의 입력단과 병렬로 제공하고, 실질적으로 일정한 부하 임피던스를 소스에 제공하도록 가변 임피던스 장치를 제어함으로써 달성된다. 바람직하게는, 가변 이득 장치는 가변 바이어스 전류를 가진 다이오드를 포함한다. 이 다이오드 바이어스 전류는 2개의 입력 경로 임피던스의 병렬합이 넓은 이득 범위에서 거의 일정하게 유지되도록 증폭기 바이어스 전류와 반대로 조정된다.
이 가변 이득 증폭기 시스템은 무선 송신기 또는 셀룰러 텔레폰에 사용하기에 특히 적합하다.
도 1은 본 발명에 따른 가변 이득 증폭기 시스템(100)의 예시적인 블록도를 도시한다. 증폭기 시스템(100)은 종래의 가변 이득 증폭기(100) 및 가변 임피던스 장치(120)를 포함한다. 본 발명에 따라서, 가변 임피던스 장치(120)는, 이득이 변하면, 가변 이득 증폭기(110)의 입력 임피던스의 변화에 역으로 변하는 임피던스를 제공하도록 구성된다. 바람직한 실시예에서, 가변 입력 임피던스 장치(120)는, 가변 이득 증폭기(110)와 가변 임피던스 장치(120)의 임피던스의 병렬 조합인, 입력 노드(Vin)에서의 유효 입력 임피던스가 이득이 변할 때 실질적으로 일정하게 유지되도록 제어된다.
도 2는 본 발명에 따른 가변 이득 증폭기 시스템의 예시적인 회로도를 도시하는 도면으로, 가변 이득 증폭기(110) 및 가변 입력 장치(120)는 입력단(Vin)에 각각 용량성 결합된다. 가변 이득 증폭기(110)는 종래의 공통 에미터 증폭기로서 도시되어 있으며, 여기서 트랜지스터(215, 216)는 전류 미러로서 구성되며, 컬렉터 바이어스 전류(Ic)는 특성 곡선에서 트랜지스터(216)가 동작할 위치를 결정한다. 부하(218)를 지나는 전류는 바이어스 전류 및 그 전류에 대한 입력단(Vin)에 인가되는 증폭기(110)의 이득에 기초한 변화량에 의해 측정된다. 낮은 바이어스 전류(Ic)의 레벨에서, 특성 곡선의 경사는 완만하며, 따라서 이득이 적고, 높은 바이어스 전류의 레벨에서는 경사가 급격해서, 더 큰 이득을 제공한다. 가변 전류원(210)은 바이어스 전류(Ic)를 제어해서, 이득 제어의 역할을 한다.
가변 임피던스 장치(120)는 다이오드 바이어스 전류(Id)를 측정하는 가변 전류원(220)을 가진 다이오드 구성 트랜지스터(225)로서 도 2에 도시되어 있다. 본 발명에 따라서, 다이오드 바이어스 전류(Id)는 이득이 변함에 따라서 가변 증폭기(110)의 입력 임피던스에 역으로 변하는 장치(120)의 임피던스를 제공하도록 조정된다. 도 2의 예에서, 증폭기 전류(Ic)가 증가하면 다이오드 전류(Id)는 감소하며, 따라서 증폭기(110)의 입력 임피던스가 감소하면 증가하고, 증폭기(110)의 입력 임피던스가 증가하면 감소하는 임피던스를 제공한다. 바람직하게는, 장치(120)는 증폭기(110)의 입력과 병렬로 동작해서, 노드(Vin)에서의 병렬 입력 임피던스가 실질적으로 일정하게 유지되도록, 증폭기(110)의 이득에 따라 변하는 임피던스를 제공하도록 구성된다.
도 2의 실시예에서, 원하는 다이오드 바이어스 전류(Id)는 다음과 같이 측정된다.
위에 설명된 바와 같이, 가장 높은 입력 컨덕턴스(가장 낮은 입력 임피던스)가 최대 이득, 최대 증폭기 바이어스 전류(Icmax)에서 발생한다. 종래의 공통 에미터 증폭기용 소신호 모델을 사용하면, 증폭기(110)의 유효 입력 컨덕턴스(Gamp)는 다음과 같이 주어진다.
증폭기(110)와 장치(120)의 병렬 조합의 유효 입력 컨덕턴스(Gin)는 증폭기(110)의 가장 높은 입력 컨덕턴스보다 약간 더 큰 것이 바람직하다. 이런식으로, 종래의 스테이지의 전체 부하는 종래 증폭기(110)만의 경우보다 약간 더 크다. 수식적으로는 다음과 같이 표현된다.
여기서 M은 통상적으로 1.1 정도이다.
다이오드 구성 트랜지스터용으로 종래의 소신호 모델을 사용하는 경우에, 전체 입력 컨덕턴스는 다음과 같이 표현될 수 있고,
다이오드 바이어스 전류(Id)는 다음과 같이 직접 풀 수 있다.
도 3은 본 발명에 따라서, 넓은 이득 범위에서의 다이오드 바이어스 전류(Id)와 증폭기 바이어스 전류(Ic) 사이의 관계를 개략적으로 도시하는 도면이다. 곡선(310)은 증폭기 바이어스 전류(Ic)와 도 2의 증폭기(110)의 최종 이득 사이의 종래의 관계를 도시하는 도면이다. 곡선(320)은, 위의 수학식 4에 대응해서, 증폭기 바이어스 전류(Ic)가 변하는 것에 따른 원하는 다이오드 바이어스 전류(Id)를 도시하는 것으로, 여기서 β는 세로 축 Id 및 Ic에서의 크기의 차이를 나타낸다.
도 4는 넓은 이득 범위에서의 최종 다이오드 입력 임피던스(Rd), 증폭기 임피던스(Rc) 및 전체 입력 임피던스(Rin)를 도시하는 도면이다. 주지하는 바와 같이, 본 발명에 따라서, 전체 입력 임피던스(Rin)은 종래의 가변 이득 증폭기만의 입력 임피던스(Rc)에 비해서, 실질적으로 이득 범위에 걸쳐서 일정하다.
특히 위의 실시예에 관해서, Rin은 식 2 및 3의 컨덕턴스(Gin)의 역에 대응하고, 이는 예시적으로 약간만 구부러져서 도시된다. 장치가 위의 제공된 종래의 소신호 모델에 정확하게 대응하고, 다이오드 전류(Id)가 식 4에 정의된 바에 따라서 정확하게 제어되는 경우에, 결과적인 Rin은 소신호 모델이 갖는 전체 이득 범위에서 평탄하다.
도 5은 본 발명에 따른 가변 이득 증폭기(540, 560)를 가진 예시적인 송신기(500)를 도시하는 도면이다. 기저대 처리 장치(510)의 출력단은 원하는 무선 주파수(RF)로 변조된 신호를 제공하는 변조기(520)에 연결되어 있다. 이 RF 신호는 전형적으로 L-C 탱크 회로를 통해서, 530에서 필터링되고, 후속해서 가변 이득 증폭기(540)에 의해서 증폭된다. 기존에 알려진 바와 같이, 필터, 특히 L-C 탱크 회로의 성능은 특히 부하에 민감하고, 가변 부하가 제공되는 경우에 다양한 성능을 보일 것이다. 본 발명에 따라서, 가변 이득 증폭기(540)는 원하는 이득에 관계없이 필터(530)에 실질적으로 일정한 부하를 제공하도록 구성된 증폭기 스테이지와 병렬로 가변 임피던스 장치를 그 입력단에 포함한다.
가변 이득 증폭기(540)의 출력은 필터 장치(550)에 의해, 역시 전형적으로는 L-C 탱크 회로에 의해서 다시 필터링되고, 후속해서 가변 이득 증폭기(560)에 의해서 증폭된다. 위에 설명된 바와 같이, 필터(550)의 성능 변화를 방지하기 위해서, 가변 이득 증폭기(560)는 원하는 이득에 무관하게 필터(550)에 실질적으로 일정한 임피던스 부하를 제공하도록 구성된 가변 임피던스 장치를 포함한다.
컨트롤러(590)는 예컨대 위에 주어진 식을 사용해서 증폭기 및 다이오드 바이어스 전류(Ic 및 Id)를 조정함으로써, 증폭기 스테이지의 이득 및 증폭기(540, 560) 각각의 가변 임피던스 장치의 임피던스를 제어해서, 일정한 입력 임피던스를 유지하면서도 원하는 이득을 달성한다. 셀룰러 텔레폰의 실시예에서, 예컨대 컨트롤러(590)는 현재의 셀룰러 셀 크기 및/또는 현재의 간섭 또는 다른 노이즈 요소에 따라서, 증폭기(540, 560)의 이득을 조정한다. 제 2 가변 이득 증폭기(560)의 출력단은 RF 전력 증폭기(570)에 연결되어서 가변 이득 증폭기(540, 560)의 이득에 의해서 정해지는 원하는 전력 레벨로 무선 주파수 파로서 전송한다.
당업자에게는 분명한 바와 같이, 이득 및 임피던스 제어 기능이 컨트롤러(590)와 증폭기(540, 560) 사이에 분배될 수 있다. 컨트롤러(590)는 이득 제어 신호를 단지 증폭기(540, 560)에 제공하도록 구성될 수 있으며, 증폭기(540, 560)는 적절한 바이어스 전류를 증폭기에 제공하도록 구성될 것이고, 극단적으로는 컨트롤러(590)는 각각의 증폭기(540, 560)에 증폭기 및 다이오드 바이어스 전류(Ic 및 Id)를 직접 제공하도록 구성될 수 있다.
위의 예는 단지 본 발명의 원리를 설명하는 것이다. 당업자는 비록 여기서 분명하게 설명되거나 도시되지는 않았지만 본 발명의 원리를 실시하고, 그 사상 및 범주 내에 있는 다양한 장치를 고안할 수 있을 것이다. 예컨대, 다른 기술 및 구성이 동일하게 사용되어서, 이득에 따른 입력 임피던스의 다른 변화를 나타낼 수 있는 가변 이득 증폭기(110)를 제공한다. 당업자는 다양한 임피던스 장치(120)를 제공하는 다른 기술 및 구성이 이들 다른 증폭기(110)의 역 임피던스 특성을 제공해서 이득이 변함에 따라서 비교적 일정한 병렬 임피던스를 제공할 수 있다.
이들 및 다른 시스템 구성 및 최적화 특성이 본 개시물의 견지에서 당업자에게는 자명할 것이며, 이는 다음 청구항에 포함된다.

Claims (19)

  1. 가변 이득을 가진 증폭기 시스템(100)에 있어서,
    이득에 따라 변하는 입력 임피던스(Rc)를 가진 이득을 제공하는 가변 이득 증폭기(110)와,
    상기 가변 이득 증폭기(110)의 상기 입력 임피던스(Rc)와 동작 가능하게 병렬로 연결된 가변 임피던스 장치(120)
    를 구비하되,
    상기 가변 임피던스 장치(120)는, 이득이 변함에 따라서 상기 가변 이득 증폭기(110)의 상기 입력 임피던스(Rc)와 반대로 변하는 임피던스(Rd)를 제공하도록 구성되는
    증폭기 시스템(100).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가변 임피던스 장치(120)는 다이오드로 구성되는 제 1 트랜지스터(225)를 포함하는
    증폭기 시스템(100).
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 가변 이득 증폭기(110)는 공통 에미터 증폭기(215, 216)를 포함하고, 상기 이득은 상기 공통 에미터 증폭기(215, 216)의 바이어스 전류(Ic)를 변화시킴으로써 변화되는
    증폭기 시스템(100).
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 가변 이득 증폭기(110)는 전류 미러로 구성된 제 2 트랜지스터(215) 및 제 3 트랜지스터(216)와, 상기 전류 미러에 상기 바이어스 전류(Ic)를 제공하도록 구성된 가변 전류원(210)을 포함하는
    증폭기 시스템(100).
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 가변 임피던스 장치(120)는 상기 제 1 트랜지스터(225)를 바이어싱하는 다이오드 바이어스 전류(Id)를 제공하도록 구성된 다른 가변 전류원(220)을 포함하되,
    상기 가변 임피던스 장치(120)의 상기 임피던스(Rd)는 상기 다이오드 바이어스 전류(Id)에 기초하는
    증폭기 시스템(100).
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 다이오드 바이어스 전류(Id)는 실질적으로
    에 대응하되, 여기서 M은 1.0과 2.0 사이의 상수이고, Icmax는 상기 이득이 피크값일 때의 상기 가변 이득 증폭기(110)의 상기 바이어스 전류(Ic)의 최대값인
    증폭기 시스템(100).
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 가변 이득 증폭기(110)는 공통 에미터 증폭기(215, 216)를 포함하고, 상기 이득은 상기 공통 에미터 증폭기(215, 216)의 바이어스 전류(Ic)를 변화시킴으로써 변화되는
    증폭기 시스템(100).
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 가변 이득 증폭기(110)는
    전류 미러로 구성된 트랜지스터(215, 216)와,
    상기 전류 미러에 상기 바이어스 전류(Ic)를 제공하도록 구성된 가변 전류원(210)을 포함하는
    증폭기 시스템(100).
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 가변 임피던스 장치(120)는 상기 가변 임피던스 장치(120)의 상기 임피던스(Rd)를 제어하는 바이어스 전류(Id)를 제공하도록 구성된 가변 전류원(220)을 포함하는
    증폭기 시스템(100).
  10. 가변 전력 출력을 가진 송신기(500)에 있어서,
    상기 가변 출력을 제공하도록 입력 신호의 가변 이득을 제공하는 하나 이상의 가변 이득 증폭기(540, 560)와,
    증폭기 스테이지(110)의 상기 입력 임피던스(Rc)와 병렬로 동작 가능하게 연결된 가변 임피던스 장치(120)
    를 포함하되,
    상기 가변 이득 증폭기(540, 560) 각각은 이득에 따라서 변하는 입력 임피던스(Rc)를 가진, 가변 전류(Ic)를 제공하는 증폭기 스테이지(110)를 포함하고,
    상기 가변 임피던스 장치(120)는 상기 이득이 변함에 따라서 상기 증폭기 스테이지(110)의 상기 입력 임피던스(Rc)에 반대로 변하는 임피던스(Rd)를 제공하도록 구성된
    송신기(500).
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 가변 임피던스 장치(120) 중 적어도 하나는 다이오드로 구성되는 제 1 트랜지스터(225)를 포함하는
    송신기(500).
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 증폭기 스테이지(110) 중 적어도 하나는 공통 에미터 증폭기(215, 216)를 포함하고, 상기 이득은 상기 공통 에미터 증폭기(215, 216)의 바이어스 전류(Ic)를 변화시킴으로써 변화되는
    송신기(500).
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 증폭기 스테이지(110) 중 적어도 하나는 전류 미러로 구성된 제 2 트랜지스터(215) 및 제 3 트랜지스터(216)와, 상기 전류 미러에 상기 바이어스 전류(Ic)를 제공하도록 구성된 가변 전류원(210)을 포함하는
    송신기(500).
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 가변 임피던스 장치(120) 중 적어도 하나는 상기 제 1 트랜지스터(225)를 바이어싱하는 다이오드 바이어스 전류(Id)를 제공하도록 구성된 다른 가변 전류원(220)을 포함하되,
    상기 가변 임피던스 장치(120) 중 적어도 하나의 상기 임피던스(Rd)는 상기 다이오드 바이어스 전류(Id)에 기초하는
    송신기(500).
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 다이오드 바이어스 전류(Id)는 실질적으로
    에 대응하되, 여기서 β는 제 3 트랜지스터(216)의 이득이고, 상기 M은 1.0과 2.0 사이의 상수이고, Icmax는 상기 이득이 피크값일 때의 상기 가변 이득 증폭기(110)의 상기 바이어스 전류(Ic)의 최대값인
    송신기(500).
  16. 제 10 항에 있어서,
    상기 가변 이득 증폭기(110) 중 적어도 하나는 공통 에미터 증폭기(215, 216)를 포함하고, 상기 이득은 상기 공통 에미터 증폭기(215, 216)의 바이어스 전류(Ic)를 변화시킴으로써 변화되는
    송신기(500).
  17. 제 10 항에 있어서,
    상기 가변 이득 증폭기(110) 중 적어도 하나는
    전류 미러로 구성된 트랜지스터(215, 216)와,
    상기 전류 미러에 상기 바이어스 전류(Ic)를 제공하도록 구성된 가변 전류원(210)을 포함하되,
    상기 이득은 상기 바이어스 전류(Ic)에 의존하는
    송신기(500).
  18. 제 10 항에 있어서,
    상기 가변 임피던스 장치(120) 중 적어도 하나는 상기 가변 임피던스 장치(120)의 상기 임피던스(Rd)를 제어하는 바이어스 전류(Id)를 제공하도록 구성된 가변 전류원(220)을 포함하는
    송신기(500).
  19. 제 10 항에 있어서,
    상기 가변 이득 증폭기(540, 560)는 L-C 튜닝 회로(530, 550)에 의해 구동되는
    송신기(500).
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