KR20050061013A - High-efficiency linear power amplifier using injection locked oscillator - Google Patents
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Abstract
본 발명은 주입동기식 발진기(Injection Locked Oscillator(ILO))를 이용한 고효율 선형 전력증폭기에 관한 것이다.The present invention relates to a high efficiency linear power amplifier using an injection locked oscillator (ILO).
본 발명에서는 입력신호를 펄스폭변조(Pulse Width Modulation(PWM)) 신호로 변환하고, 변환된 PWM 신호를 주입동기식 발진기(Injection Locked Oscillator)에 인가하여 주입동기식 발진기를 온(ON)/오프(OFF) 시키도록 한 후, 이를 대역통과필터(band-pass Filter)에 통과시켜 입력신호를 복원하는 구조를 제시하고 있다.In the present invention, the input signal is converted into a Pulse Width Modulation (PWM) signal, and the converted PWM signal is applied to an Injection Locked Oscillator to turn the Injection Synchronous Oscillator ON / OFF. After this, it is proposed to recover the input signal by passing it through a band-pass filter.
본 발명은 PWM에 의해 전력소자를 ON/OFF 영역에서만 사용하므로 높은 효율을 얻을 수 있고, 펄스의 ON 시간과 OFF 시간을 제어함으로써 선형증폭을 가능하게 한다.According to the present invention, since the power device is used only in the ON / OFF region by PWM, high efficiency can be obtained, and linear amplification is possible by controlling the ON time and the OFF time of the pulse.
본 발명에 의하면, PWM 신호를 직접 주입동기식 발진기에 인가하므로, 혼합기(mixer), 구동증폭기(drive amplifier), 리미터(limiter), E급 혹은 F급 전력증폭기(class E/F power amplifier) 등으로 구성된 종래의 복잡한 고효율 선형 전력증폭기 구조를 단순화 시킬 수 있다. 또, 종래의 상기 소자들을 사용함으로써 생기는 전력 손실과 비선형성을 없앨 수 있다는 장점이 있다.According to the present invention, since the PWM signal is applied directly to the synchronous oscillator, a mixer, a drive amplifier, a limiter, a class E / F power amplifier, or the like is used. The conventional complex high efficiency linear power amplifier structure constructed can be simplified. In addition, there is an advantage that can eliminate the power loss and non-linearity caused by using the conventional elements.
Description
본 발명은 펄스폭변조(Pulse Width Modulation(PWM))를 이용한 고효율 전력증폭기 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a high efficiency power amplifier system using pulse width modulation (PWM).
다양한 이동통신 서비스가 제공되면서, 이동통신 단말기의 효율이 중요한 문제로 떠오르고 있다. 휴대용 배터리의 용량과 크기에 한계가 있기 때문에, 이동통신 단말기 회로를 저전력으로 설계하는 것이 필요하다. 현재 이동통신 단말기에서 전력을 가장 많이 소모하는 부품은 전력증폭기로, CDMA 방식의 단말기인 경우 그 효율은 10% 정도이다. 이렇게 CDMA 단말기의 효율이 낮은 이유는 CDMA 신호의 포락선(envelope)이 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 a mobile communication terminal 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 증폭하기위한 하나의 방법으로 PWM을 이용한 전력증폭기가 있다. PWM을 이용한 전력증폭기는 입력신호를 PWM 신호로 바꾸고 이를 E급 혹은 F급 전력 증폭기의 입력으로 인가하여 증폭한 후, 대역통과필터(band-pass Filter)를 통과시켜 입력신호를 복원하는 것이다. 상기의 전력 증폭기는 전력소자로 E급 혹은 F급 전력 증폭기를 사용하기 때문에 효율이 좋고, 대역통과필터로 변조된 신호를 정확히 복원할 수 있으므로 선형성이 매우 우수하다.One way to efficiently amplify a signal whose envelope changes in time is a power amplifier using PWM. A power amplifier using PWM converts an input signal into a PWM signal, applies it to the input of an E or F class power amplifier, amplifies it, and passes the band-pass filter to restore the input signal. Since the power amplifier uses an E-class or F-class power amplifier as a power device, the efficiency is good, and the linearity is excellent because the signal modulated by the bandpass filter can be accurately recovered.
도 1은 종래에 사용되어지던 PWM을 이용한 고효율 선형 전력증폭기의 구성을 도시하는 도면이다. 상기의 고효율 선형전력증폭기는 입력신호(101)를 포락선 정보(111)와 위상 정보(112)로 분리하기 위한 커플러(coupler)(103), 일정한 크기의 신호로 만드는 리미터(limiter)(104), 전력증폭기(109)를 구동하기 위한 구동증폭기(drive amplifier)(105), 입력신호의 포락선을 검출하기 위한 포락선검출기(envelope detector)(107), 검출된 포락선을 펄스폭변조로 변환시키는 펄스폭변조기(Pulse Width Modulator)(108), 펄스폭으로 변조된 신호와 위상 정보를 혼합하기 위한 혼합기(Mixer)(106), 상기의 혼합된 신호를 증폭하는 E급 혹은 F급 전력증폭기(class E/F power amplifier)(109), 증폭된 신호에서 원래의 신호를 복원하기 위한 대역통과필터(band-pass filter)(110)로 구성된다.1 is a diagram illustrating a configuration of a high efficiency linear power amplifier using PWM that is conventionally used. The high efficiency linear power amplifier has a coupler 103 for separating the input signal 101 into the envelope information 111 and the phase information 112, a limiter 104 which makes a signal of a constant size, A drive amplifier 105 for driving the power amplifier 109, an envelope detector 107 for detecting the envelope of the input signal, and a pulse width modulator for converting the detected envelope into a pulse width modulation (Pulse Width Modulator) 108, Mixer 106 for mixing the pulse width modulated signal and phase information, Class E / F power amplifier for amplifying the mixed signal (class E / F) power amplifier 109, and a band-pass filter 110 for restoring the original signal from the amplified signal.
PWM을 이용한 고효율 선형 전력증폭기의 동작원리는 다음과 같다. 증폭기의 효율을 높이기 위해 커플러(103)를 이용하여 입력신호(101)를 위상 정보(112)와 포락선 정보(111)로 분리한다. 분리된 위상 정보는 리미터(104)를 이용하여 일정한 크기를 가지는 신호로 바뀌며, 구동증폭기(105)를 통해 전력증폭기(109)를 동작시킬 수 있을 정도로 신호를 증폭한다. 한편, 포락선 정보는 전력증폭기의 효율을 높이기 위해 구형파(rectangular Waveform)로 변조하는데, 펄스의 폭이 포락선의 정보를 갖게 하는 펄스폭변조 방식으로 변조한다. 상기와 같이 증폭되고, 펄스폭으로 변조된 신호는 혼합기(106)를 통해 혼합되고, E급 혹은 F급 전력증폭기로 인가된 다. 이때 전력증폭기의 입력은 구형파이며, E급 혹은 F급 증폭기로 증폭이 되기 때문에 이론적으로 100% 효율을 갖는다. 이러한 고효율을 얻을 수 있는 조건은 E급 혹은 F급 전력증폭기가 포화모드(saturation mode)에서 동작할 때이며, 상기의 조건을 만족시키기 위해 쓰인 소자가 리미터(104)와 혼합기(106)라고 볼 수 있다.The operation principle of high efficiency linear power amplifier using PWM is as follows. In order to increase the efficiency of the amplifier, the input signal 101 is separated into phase information 112 and envelope information 111 using the coupler 103. The separated phase information is converted into a signal having a predetermined size using the limiter 104 and amplifies the signal to the extent that the power amplifier 109 can be operated through the driving amplifier 105. On the other hand, the envelope information is modulated into a rectangular wave to increase the efficiency of the power amplifier, and the pulse width is modulated in a pulse width modulation scheme that allows the width of the pulse to have information of the envelope. The signal amplified as described above and modulated with a pulse width is mixed through the mixer 106 and applied to a class E or F power amplifier. At this time, the input of power amplifier is square wave and it is theoretically 100% efficient because it is amplified by class E or class F amplifier. The condition to obtain such high efficiency is when the class E or F power amplifier operates in saturation mode, and the elements used to satisfy the above conditions are the limiter 104 and the mixer 106. .
마지막으로, E급 혹은 F급 전력증폭기로 증폭된 신호는 대역통과필터(110)를 통과하면서 펄스폭변조에 의해 생긴 부고조파성분(harmonic frequency)이 걸러지므로, 원래 입력신호를 그대로 복원한다. Finally, since the signal amplified by the class E or F power amplifier passes through the band pass filter 110, the harmonic frequency generated by the pulse width modulation is filtered, thereby restoring the original input signal.
상기와 같이 PWM을 이용한 고효율 선형 전력증폭기는 이론적으로 100% 효율을 가지면서 선형 증폭을 할 수 있으나, 여러 소자들로 구성되기 때문에 그 시스템이 복잡하고 각 소자들이 이상적인 소자가 아닌 경우 효율과 선형성이 저하된다는 문제점이 있다.As mentioned above, the high efficiency linear power amplifier using PWM can theoretically amplify linearly with 100% efficiency, but since it is composed of several devices, the system is complicated and efficiency and linearity are not There is a problem of deterioration.
본 발명은 상술한 문제점들을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 여러 소자들로 구성된 복잡한 PWM을 이용한 고효율 선형 전력증폭기를 간단하게 하는 것이며, 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 is intended to simplify a high efficiency linear power amplifier using a complex PWM composed of several devices, and at the same time, to improve the efficiency and linearity of the entire system.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 E급 혹은 F급 주입동기식 발진기(class E/F Injection Locked Oscillator)를 사용하여 종래의 PWM을 이용한 고효율 선형 전력증폭기의 구조를 간단하게 한다.In order to achieve the above object, the present invention simplifies the structure of a high efficiency linear power amplifier using a conventional PWM using a class E or F injection locked oscillator.
주입동기식 발진기(Injection Locked Oscillator)는 일종의 PLL(Phase Locked Loop)로, 자유발진(free-running)하고 있는 발진기에 입력신호를 인가하여 안정된 신호를 얻는 회로이다. Free-running 신호는 외부의 환경이나 능동소자의 잡음에 의해 신호가 흔들리지만, 외부에서 안정된 신호가 들어오면 상기의 잡음에 관계없이 외부의 신호에 의해 동기화(synchronization)된다. 즉, 발진주파수는 외부에서 인가한 입력신호 주파수와 같게 되는데, 상기와 같은 주입동기식 발진기는 높은 이득을 가지며, 포화모드(saturation mode)에서 동작하는 특징을 가지고 있다. Injection locked oscillator (Injection Locked Oscillator) is a PLL (Phase Locked Loop), a circuit that obtains a stable signal by applying an input signal to a free-running oscillator. The free-running signal is shaken by the noise of the external environment or the active element, but when a stable signal is input from the outside, the free-running signal is synchronized by the external signal regardless of the noise. That is, the oscillation frequency is the same as the input signal frequency applied from the outside, the synchronous oscillator as described above has a high gain, it is characterized by operating in the saturation mode (saturation mode).
본 발명은 이러한 주입동기식 발진기가 높은 이득을 가지며, 포화모드에서 동작하므로 효율이 높다는 특성을 이용하여 고효율 선형증폭기에 적용한 것이다. 주입동기식 발진기 자체가 높은 이득을 갖기 때문에 종래의 PWM을 이용한 고효율 선형증폭기에서 구동증폭기(105)의 역할을 대신할 수 있고, 포화모드에서 동작하기 때문에 종래의 리미터(104)와 혼합기(106) 그리고 E급 전력증폭기(109)의 역할을 대신할 수 있다. 본 발명의 구성을 살펴보면 하기와 같다.The present invention is applied to a high efficiency linear amplifier using the characteristics that the injection synchronous oscillator has a high gain and the efficiency is high because it operates in the saturation mode. Since the injection synchronous oscillator itself has a high gain, it can take the role of the driving amplifier 105 in the high efficiency linear amplifier using the conventional PWM, and in the saturation mode, the conventional limiter 104 and the mixer 106 and It may take the role of the E-class power amplifier 109. Looking at the configuration of the present invention.
본 발명은 입력 신호를 포락선 정보와 위상 정보로 분리하기 위한 커플러, 입력신호의 포락선을 검출하기 위한 포락선 검출기, 검출된 포락선을 펄스폭으로 변조하는 펄스폭변조기, 펄스폭으로 변조된 신호에 따라 온(ON)/오프(OFF) 동작을 하는 주입동기식 발진기, 주입동기식 발진기의 출력에서 원하는 입력신호를 복원하기 위한 대역통과필터로 구성된다.According to the present invention, a coupler for separating an input signal into envelope information and phase information, an envelope detector for detecting an envelope of an input signal, a pulse width modulator for modulating the detected envelope to a pulse width, and a signal width modulated to a pulse width modulated signal are turned on. It consists of an injection synchronous oscillator with ON / OFF operation and a band pass filter for recovering a desired input signal from the output of the injection synchronous oscillator.
이하에서는 본 발명에 의한 주입동기식 발진기를 이용한 고효율 선형 전력증폭기에 대하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a high efficiency linear power amplifier 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 고효율 선형 전력증폭기의 제1 실시예이다.2 is a first embodiment of a high efficiency linear power amplifier using an injection synchronous oscillator according to the present invention.
본 발명에 의하면, 입력 신호(21)가 들어오면 커플러(23)를 통해서 포락선 정보(28)와 위상 정보로 분리(29)를 한다 두 신호를 분리하는 이유는, 비록 입력 신호는 고효율로 증폭할 수 없지만, 분리된 포락선 신호와 위상 신호는 각각 고효율로 증폭할 수 있기 때문이다. 이때 분리된 포락선 신호는 포락선검출기(25)를 통해 검출되고, 펄스폭변조기(26)를 통해 변조된다. 상기의 포락선 신호를 펄스폭변조를 시키는 이유는 펄스폭에 비례하여 주입동기식 전력발진기(24)가 온(ON)되는 시간을 제어하기 위함이다. 즉, 펄스가 '1' 이면 주입동기식 전력발진기는 온(ON)이 되고, 펄스가 '0' 이면 주입동기식 전력발진기는 오프(OFF)가 된다. 한편 분리된 위상정보(29)는 주입동기식 전력발진기에 직접 인가되어, 주입동기식 전력발진기의 주파수를 위상정보 신호에 동기화시킨다.According to the present invention, when the input signal 21 is input, the 29 is separated into the envelope information 28 and the phase information through the coupler 23. The reason for separating the two signals is that although the input signal can be amplified with high efficiency. This is because separate envelope signals and phase signals can be amplified with high efficiency. In this case, the separated envelope signal is detected by the envelope detector 25 and modulated by the pulse width modulator 26. The reason for the pulse width modulation of the envelope signal is to control the time that the injection synchronous power oscillator 24 is turned on in proportion to the pulse width. That is, when the pulse is '1', the injection synchronous power oscillator is ON. When the pulse is '0', the injection synchronous power oscillator is OFF. Meanwhile, the separated phase information 29 is directly applied to the injection synchronous power oscillator to synchronize the frequency of the injection synchronous power oscillator to the phase information signal.
주입동기식 전력발진기는 다른 일반적인 발진기와 마찬가지로 포화모드에서 동작하므로 효율이 좋고, 만약 E혹은 F급으로 설계되면 80%이상의 효율을 얻을 수 있다. 상기의 주입동기식 전력발진기의 출력은 펄스폭으로 변조된 신호성분을 갖고 있기 때문에, 원래의 입력신호를 복원하기 위해서 대역통과필터(27)를 사용한다. 이때, 대역통과필터의 중심주파수는 입력신호의 주파수와 동일하고, 대역폭은 펄스폭변조를 위한 펄스열 주파수보다 작아야 정확히 복조가 된다.The injection synchronous power oscillator operates in saturation mode like other general oscillators, so the efficiency is good. If it is designed as E or F class, the efficiency can be more than 80%. Since the output of the injection synchronous power oscillator has a signal component modulated with a pulse width, a band pass filter 27 is used to recover the original input signal. At this time, the center frequency of the bandpass filter is the same as the frequency of the input signal, the bandwidth is exactly demodulated when the frequency of the pulse train for pulse width modulation.
도 3은 본 발명에 따른 주입동기식 전력발진기가 온(On)될 때 시간영역에서의 파형을 모의실험한 결과이다. 모의실험은 Agilent Technology사의 ADS(Advanced Design System)을 이용하였고, 능동소자로는 NEC사의 트랜지스터 NE32484A를 사용하였다.발진주파수는 10GHz이다.Figure 3 is a simulation result of the waveform in the time domain when the injection synchronous power oscillator according to the present invention (On). The simulation used Agilent Technology's ADS (Advanced Design System), and NEC's transistor NE32484A was used as the active device. The oscillation frequency is 10GHz.
모의실험결과 PWM으로 변조된 펄스파형이 '1' 이 되어 발진기가 온(ON)되는데 걸리는 시간은 약 0.5ns이다. 만약, 펄스폭변조를 위한 펄스열의 주기가 50ns이라면, 발진기가 정상상태(steady state)까지 도달하는데 걸리는 시간(0.5ns)은 펄스열 주기(50ns)에 비해 상대적으로 극히 작다(1%). 그러므로 주입동기식 전력발진기를 온(ON), 오프(OFF)할 때 상기 전력발진기의 출력은 거의 구형파(rectangular waveform)로 볼 수 있다. 이때 상기 펄스열의 주기가 50ns이므로 펄스열의 주파수는 1/50ns = 20MHz가 되는데, 이는 기저대역(baseband)의 정보들을 처리할 만큼 충분히 큰 대역폭임을 알 수 있다.As a result of the simulation, the time taken for the oscillator to be turned on because the pulse waveform modulated by PWM becomes '1' is about 0.5ns. If the period of the pulse train for pulse width modulation is 50 ns, the time taken for the oscillator to reach a steady state (0.5 ns) is relatively small (1%) compared to the pulse train period (50 ns). Therefore, when the synchronous power oscillator is turned on and off, the output of the power oscillator can be seen as a substantially rectangular waveform. In this case, since the period of the pulse train is 50 ns, the frequency of the pulse train is 1/50 ns = 20 MHz, which is a bandwidth large enough to process baseband information.
그러므로 상기 발명과 같이 주입동기식 전력발진기를 온(ON), 오프(OFF)하면 원하는 정보가 실린 구형파를 만들 수 있고, 이를 대역통과필터에 통과시키면 원하는 정보를 쉽게 복원할 수 있다.Therefore, when the injection synchronous power oscillator is turned on and off as in the present invention, a square wave carrying the desired information can be made, and if it is passed through the band pass filter, the desired information can be easily restored.
도 4는 본 발명에 따른 주입동기식 발진기를 이용한 고효율 선형 증폭기의 제2 실시예를 나타낸 것으로, 제1 실시예의 주입동기식 전력발진기(24) 대신에 소전력 주입동기식 발진기(43)와 E급 혹은 F급 전력증폭기(46)를 결합하여 사용한 것이다.4 shows a second embodiment of a high efficiency linear amplifier using an injection synchronous oscillator according to the present invention. Instead of the injection synchronous power oscillator 24 of the first embodiment, a small power injection synchronous oscillator 43 and an E-class or F The power supply amplifier 46 is used in combination.
주입동기식 전력발진기(24)는 출력 전력이 매우 클 경우, 펄스 파형이 '1'이 되어 온(ON)이 될 때 걸리는 시간은 길어진다. 그런데, 주입동기식 전력발진기 대신 소전력 주입동기식 발진기(43)를 사용하면 빠른 시간에 정상상태에 도달할 수 있다. 그리고 동시에 큰 출력 전력을 얻기 위해 E급 혹은 F급 전력증폭기(46)를 부가적으로 사용한다. 즉, 주입동기식 전력발진기를 소전력 주입동식 발진기와 E급 혹은 F급 전력증폭기로 나누어서 동작시키면, 출력은 그대로 유지하면서도 정상상태에 도달하는 시간이 빨라지므로 선형성과 효율이 더 개선된다.When the output synchronous power oscillator 24 has a very large output power, the time taken when the pulse waveform is '1' and turned on becomes long. However, if a small power injection synchronous oscillator 43 is used instead of the injection synchronous power oscillator, the steady state can be reached in a short time. At the same time, an additional Class E or F power amplifier 46 is used to obtain a large output power. That is, when the injection synchronous power oscillator is divided into a small power injection synchronous oscillator and an E or F class power amplifier, linearity and efficiency are further improved since the time for reaching the steady state is increased while maintaining the output.
이상의 본 발명은 상기한 실시 예들에 한정되지 않고 당업자들에 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 above embodiments and may be variously modified and changed by those skilled in the art, which are included in the spirit and scope of the present invention as defined in the appended claims.
본 발명에 의하면 종래의 PWM를 이용한 고효율 선형 전력증폭기에서, PWM 신호를 직접 주입동기식 발진기(Injection Locked Oscillator)에 인가하므로, 혼합기(mixer), 구동증폭기(drive amplifier), 리미터(limiter), E급 혹은 F급 전력증폭기(class E power amplifier) 등으로 구성된 종래의 복잡한 선형 전력증폭기 구조를 단순화 시키는 효과를 가진다. 또, 종래의 상기 소자들을 사용함으로써 생기는 전력 손실과 비선형성의 문제도 해결할 수 있다.According to the present invention, since a PWM signal is directly applied to an injection locked oscillator in a high efficiency linear power amplifier using a conventional PWM, a mixer, a drive amplifier, a limiter, an E-class Or it has the effect of simplifying the conventional complex linear power amplifier structure composed of a class E power amplifier (class E power amplifier). In addition, the problem of power loss and nonlinearity caused by using the above-described elements can be solved.
도 1은 종래의 펄스폭변조(Pulse Width Modulation)를 이용한 고효율 선형 전력증폭기의 구성을 도시하는 도면.1 is a diagram showing the configuration of a high efficiency linear power amplifier using a conventional pulse width modulation (Pulse Width Modulation).
도 2는 본 발명에 따른 고효율 선형 전력증폭기의 제1 실시예.2 is a first embodiment of a high efficiency linear power amplifier according to the present invention;
도 3은 본 발명에 따른 고효율 선형 전력증폭기에 있어서, 주입동기식 발진기가 온(ON)될 때 시간영역에서의 파형을 모의실험한 도면.3 is a diagram simulating the waveform in the time domain when the synchronous oscillator is ON in the high efficiency linear power amplifier according to the present invention.
도 4는 본 발명에 따른 고효율 선형 전력증폭기의 제2 실시예.4 is a second embodiment of a high efficiency linear power amplifier in accordance with the present invention;
(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)(Explanation of symbols for the main parts of the drawing)
23: 커플러 24: 주입동기식 전력발진기23: Coupler 24: Injection Synchronous Power Oscillator
25: 포락선검출기 26: 펄스폭변조기25: envelope detector 26: pulse width modulator
27: 대역통과필터27: bandpass filter
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