KR20050071270A - Smart power amplifier - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이동통신용 스마트 전력 증폭기의 저전력 모드 효율을 개선하는 회로에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 고주파 통과형(High Pass Type)과 저주파 통과형(Low Pass Type)을 함께 사용하는 스마트 전력 증폭기에 있어서 저전력 모드의 효율을 향상시킬 수 있는 저전력 모드 회로의 정합 구조에 관한 것이다.The present invention relates to a circuit for improving the low power mode efficiency of a smart power amplifier for mobile communication, and more particularly, to a low power in a smart power amplifier using a high pass type and a low pass type together. It relates to a matching structure of a low power mode circuit that can improve the efficiency of the mode.

본 발명에 따른 스마트 전력 증폭기는 입력 신호에 대해서 고전력모드에서 동작하는 고전력 모드 증폭기, 상기 입력 신호에 대해서 저전력 모드에서 동작하는 저전력 모드 증폭기, 상기 저전력 모드 증폭기의 출력을 입력받아 고전력 신호를 통과시키는 고전력 통과 회로와 상기 고전력 통과 회로의 출력에 대해서 저전력 신호를 통과시키는 저젼력 통과 회로를 포함하고 저전력 모드에서 임피던스를 정합하기 위한 저전력 모드 정합 회로, 상기 고전력 모드 증폭기의 출력 또는 상기 저전력 모드 정합 회로의 출력에 대하여 고전력 모드에서 임피던스를 정합하기 위한 고전력 모드 정합 회로, 및 제어 신호의 입력에 따라서 상기 고전력 모드 증폭기 또는 저전력 모드 증폭기 중 어느 하나를 온 시키는 모드 스위치를 포함하는 것을 특징으로 한다.The smart power amplifier according to the present invention is a high power mode amplifier operating in a high power mode with respect to an input signal, a low power mode amplifier operating in a low power mode with respect to the input signal, and a high power receiving the output of the low power mode amplifier and passing a high power signal through it. A low power mode matching circuit for passing a low power signal to an output of said high power pass circuit and a low power mode matching circuit for matching impedance in a low power mode, an output of said high power mode amplifier, or an output of said low power mode matching circuit And a high power mode matching circuit for matching impedance in the high power mode, and a mode switch for turning on either the high power mode amplifier or the low power mode amplifier according to an input of a control signal.

Description

스마트 전력 증폭기{Smart Power Amplifier}Smart Power Amplifier

본 발명은 이동통신용 스마트 전력 증폭기의 저전력 모드 효율을 개선하는 회로에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 고주파 통과형(High Pass Type)과 저주파 통과형(Low Pass Type)을 함께 사용하는 스마트 전력 증폭기에 있어서 저전력 모드의 효율을 향상시킬 수 있는 저전력 모드 회로의 정합 구조에 관한 것이다.The present invention relates to a circuit for improving the low power mode efficiency of a smart power amplifier for mobile communication, and more particularly, to a low power in a smart power amplifier using a high pass type and a low pass type together. It relates to a matching structure of a low power mode circuit that can improve the efficiency of the mode.

최근 이동 통신 시장의 폭발적인 증가에 따라 이동 통신 기기들의 핵심 부품에 대한 연구도 활발히 이루어지고 있다. 특히, 이동 통신 기기의 송수신부의 집적화는 비약적으로 발전되고 있어서 무선랜의 경우는 한 개의 칩으로 집적되기에 이르렀다. 그러나, 핸드폰에서는 요구되는 사양이 까다롭기 때문에 전력 증폭기나 전압 제어 발진기Recently, with the explosive growth of the mobile communication market, researches on the core components of mobile communication devices are being actively conducted. In particular, the integration of the transmitting and receiving unit of the mobile communication device is rapidly progressing, and in the case of a wireless LAN, it has been integrated into one chip. However, the demanding specifications for mobile phones make it difficult for power amplifiers or voltage controlled oscillators.

(VCO : Voltage Controlled Oscillator)는 아직도 별개의 모듈로 만들어진다.(VCO: Voltage Controlled Oscillator) is still made as a separate module.

핸드폰의 밧데리 수명에 가장 영향력이 큰 회로는 전력 증폭기이기 때문에 전력 증폭기에 관한 연구는 고선형성을 유지하면서 고효율을 어떻게 달성할 것인가에 맞추어져 있다.Since the most influential circuit for the battery life of a cell phone is the power amplifier, the research on the power amplifier is focused on how to achieve high efficiency while maintaining high linearity.

기존의 연구는 최대 전력 동작시의 효율을 높이는 것이 주가 되어 왔다. 즉 고전력 모드에서의 효율을 높이기 위한 많은 시도가 있어 왔다. 최근 Conexant사에서는 4x4[mm2] PAM을 출시하였고 DCN의 경우 고전력 모드(28dBm 출력)에서 효율이 39%에 달하고 있다. 반면 저전력 모드(16dBm 출력)에서는 효율이 8.4% 정도로 나오고 있다. 즉, 저 전력 모드에서의 효율이 너무 낮다는 문제가 있다.Previous research has focused on increasing the efficiency at maximum power operation. That is, many attempts have been made to increase the efficiency in the high power mode. Conexant recently launched a 4x4 [mm2] PAM, with DCN reaching 39% efficiency in high power mode (28dBm output). In low power mode (16dBm output), the efficiency is around 8.4%. That is, there is a problem that the efficiency in the low power mode is too low.

본 발명은 저전력 모드에서의 효율을 개선하기 위해서 PIN diode 처럼 고가의 부품을 사용하지 않고 수동소자(칩커패시터, 칩인덕터)만을 이용함으로써 부품가격의 상승없이 스마트 전력 증폭기의 저전력 모드에서 고효율을 달성하는 것을 목적으로 한다.The present invention uses only passive elements (chip capacitors, chip inductors) instead of using expensive components such as PIN diodes to improve efficiency in low power mode to achieve high efficiency in the low power mode of the smart power amplifier without increasing the parts price For the purpose of

본 발명에 따른 스마트 전력 증폭기는 입력 신호에 대해서 고전력모드에서 동작하는 고전력 모드 증폭기, 상기 입력 신호에 대해서 저전력 모드에서 동작하는 저전력 모드 증폭기, 상기 저전력 모드 증폭기의 출력을 입력받아 고전력 신호를 통과시키는 고전력 통과 회로와 상기 고전력 통과 회로의 출력에 대해서 저전력 신호를 통과시키는 저젼력 통과 회로를 포함하고 저전력 모드에서 임피던스를 정합하기 위한 저전력 모드 정합 회로, 상기 고전력 모드 증폭기의 출력 또는 상기 저전력 모드 정합 회로의 출력에 대하여 고전력 모드에서 임피던스를 정합하기 위한 고전력 모드 정합 회로, 및 제어 신호의 입력에 따라서 상기 고전력 모드 증폭기 또는 저전력 모드 증폭기 중 어느 하나를 온 시키는 모드 스위치를 포함하는 것을 특징으로 한다.The smart power amplifier according to the present invention is a high power mode amplifier operating in a high power mode with respect to an input signal, a low power mode amplifier operating in a low power mode with respect to the input signal, and a high power receiving the output of the low power mode amplifier and passing a high power signal through it. A low power mode matching circuit for passing a low power signal to an output of said high power pass circuit and a low power mode matching circuit for matching impedance in a low power mode, an output of said high power mode amplifier, or an output of said low power mode matching circuit And a high power mode matching circuit for matching impedance in the high power mode, and a mode switch for turning on either the high power mode amplifier or the low power mode amplifier according to an input of a control signal.

이하에서는, 상술한 본 발명의 특징을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, the features of the present invention described above will be described in detail.

<실시예><Example>

도 1은 본 발명에 따른 스마트 전력 증폭기의 개념도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 스마트 전력 증폭기는 저전력 모드(Low Power Mode:이하'LPM'이라 한다)에서 동작하는 증폭기(이하 'LPM Amp'라 한다)와 고전력 모드(High Power Mode:이하 'HPM'이라 한다)에서 동작하는 증폭기(이하 'HPM Amp'라 한다)가 나누어져 있고 이의 선택을 위해서 모드 스위치가 있다.1 is a conceptual diagram of a smart power amplifier according to the present invention. As shown in FIG. 1, the smart power amplifier according to the present invention includes an amplifier operating in a low power mode (hereinafter referred to as 'LPM') and a high power mode (hereinafter referred to as 'LPM Amp'). There is a separate amplifier (hereinafter referred to as 'HPM Amp') that operates on 'HPM' and there is a mode switch to select it.

고전력 모드 동작시의 신호선과 저전력 모드 동작시의 신호선이 분리되어있기 때문에 스마트 전력 증폭기는 일반 전력 증폭기(HPM Amp 하나만 있음)에 비해서 저전력 모드 정합(LPM Matching) 회로를 추가적으로 만들 수가 있다. 본 발명의 핵심은 저전력 모드 정합회로의 구조에 있다.Because the signal line in high power mode operation and the signal line in low power mode operation are separated, the smart power amplifier can make an additional low power mode matching circuit (LPM Matching) circuit compared to the general power amplifier (only one HPM Amp). The key to the present invention lies in the structure of the low power mode matching circuit.

도 2는 본 발명에 따른 스마트 전력 증폭기의 출력 정합 회로도이다. 여기에서 저전력 정합 회로 부분을 어떻게 구성하느냐에 따라서 여러 가지 회로들이 만들어질 수 있다. 본 발명에서 저전력 모드 정합회로의 특징은 고주파 통과형과 저주파 통과형을 함께 사용하는 것에 있다.2 is an output matching circuit diagram of a smart power amplifier according to the present invention. Various circuits can be made here depending on how the low power matching circuit part is configured. A feature of the low power mode matching circuit in the present invention is to use a high pass type and a low pass type together.

도 3은 본 발명에 따른 스마트 전력 증폭기의 정합 개념도이다. 고주파 통과형과 저주파 통과형을 함께 사용한 이유는 도 3에 도시된 바와 같이, 고주파 통과형만을 사용할 때에 발생하는 180도 위상 차이를 저주파 통과를 지나면서 다시 180도 위상차를 발생시켜서 상쇄하는데 있다. 그 외에도 λ/4-line을 이용하는 방법, 또는 PIN diode switch를 이용하는 방법이 있을 수 있다. λ/4-line을 이용하는 방법은 모듈의 크기가 커지는 문제가 있고 PIN diode switch를 이용하는 방법은 고가의 부품을 사용하기 때문에 부품값이 올라가는 문제가 있다. 저주파 통과형을 사용하는 방법은 구현하기에도 간편하지만 회로가 발진을 잘하는 것으로 분석이 되었다.3 is a conceptual diagram of matching of a smart power amplifier according to the present invention. The reason why the high frequency pass type and the low frequency pass type are used together is to offset the 180 degree phase difference that occurs when only the high frequency pass type is used to generate a 180 degree phase difference while passing the low frequency as shown in FIG. 3. In addition, there may be a method using a λ / 4-line or a method using a PIN diode switch. The method using the λ / 4-line has a problem of increasing the size of the module, and the method using the PIN diode switch has a problem of increasing the component value because it uses expensive components. The low-pass method is simple to implement, but the circuit is well oscillated.

도 4는 본 발명에 따른 스마트 전력증폭기의 출력 정합 회로의 임피던스 특성을 나타낸 도면이다. 본 발명에 따른 전력 증폭기실험을 수행한 주파수 범위는 CDMA 셀룰러 주파수 대역으로 하였고 특히 835MHz에서의 변화를 주시하였다. 4 is a diagram showing the impedance characteristics of the output matching circuit of the smart power amplifier according to the present invention. The frequency range in which the power amplifier experiment was performed according to the present invention was taken as the CDMA cellular frequency band, and especially the change in 835 MHz was observed.

HPM 임피던스 값(A위치)이 5ohm이라고 가정할 때 고주파 통과형 정합회로를 통해서 104.5 ohm (m2위치 또는 B 위치)로 옮겨지고 다시 저주파 통과형 정합회로를 통해서 16 ohm (m1위치 또는 C 위치)로 옮겨진다.Assuming the HPM impedance value (position A) is 5 ohms, it is transferred to a 104.5 ohm (m2 position or B position) through a high pass matching circuit and back to 16 ohms (m1 position or C position) through a low pass matching circuit. Transferred.

이때 사용되어진 고주파 통과형 정합회로의 직렬 C값은 14pF이고 병렬 L값은 3.35nH이고 저주파 통과형 정합회로에 사용된 병렬 C값은 4.6pF이고 직렬 L값은 1.7nH이다. At this time, the series C value of the high pass matching circuit is 14pF, the parallel L value is 3.35nH, the parallel C value used for the low pass matching circuit is 4.6pF and the series L value is 1.7nH.

도 5는 임피던스 변화에 따른 전류와 전압의 관계를 나타낸 그래프이다.5 is a graph illustrating a relationship between current and voltage according to impedance change.

도 5에 도시된 바와 같이 Load Impedance의 변화에 따라 동작점이 A에서 B로 이동한다. 동작점이 A에서 B로 이동하면 임피던스가 커지며 전류는 줄어든다. 전압이 같을 때 소모 전력은 P=i2R 로 표현되므로 Load impedance(R)가 크면 더 작은 전류(i)로 같은 전력을 얻을 수 있다. 즉, 저 전력 모드에서 Load impedance를 키우면 전류의 소모를 줄일 수 있고 효율(PAE)이 증가하게 된다.As shown in FIG. 5, the operating point moves from A to B in accordance with the change of the load impedance. As the operating point moves from A to B, the impedance increases and the current decreases. When the voltages are the same, the power consumption is expressed as P = i 2 R. Therefore, if the load impedance (R) is large, the same power can be obtained with a smaller current (i). In other words, increasing the load impedance in low power mode can reduce current consumption and increase efficiency (PAE).

따라서, 종래 전력 증폭기의 Load impedance는 상술한 바와 같이 5 ohm이나 본 발명에 따른 전력증폭기는 16 ohm이므로 Load impedance가 증가되어 본 발명의 전력 증폭기의 저 전력 모드의 효율이 12%로 종래의 전력 증폭기의 8%보다 더 높아졌다.Therefore, the load impedance of the conventional power amplifier is 5 ohm as described above, but the power amplifier according to the present invention is 16 ohm, so the load impedance is increased so that the efficiency of the low power mode of the power amplifier of the present invention is 12%. Higher than 8%.

이상과 같이 본 발명에서는 스마트 전력증폭기의 저전력 모드에서의 효율을 개선하기 위해서 PIN diode 처럼 고가의 부품을 사용하지 않고 저가의 수동소자(칩커패시터, 칩인덕터)만을 이용하여 저가의 부품 가격으로 고효율을 달성할 수 있다.As described above, in the present invention, in order to improve the efficiency in the low power mode of the smart power amplifier, high efficiency is achieved by using low-cost passive components (chip capacitors, chip inductors) without using expensive components such as PIN diodes. Can be achieved.

도 1은 본 발명에 따른 스마트 전력 증폭기의 개념도.1 is a conceptual diagram of a smart power amplifier according to the present invention.

도 2는 본 발명에 따른 스마트 전력 증폭기의 출력 정합 회로도.2 is an output matching circuit diagram of a smart power amplifier according to the present invention.

도 3은 본 발명에 따른 스마트 전력 증폭기의 정합 개념도.3 is a conceptual diagram of matching of a smart power amplifier according to the present invention;

도 4는 본 발명에 따른 스마트 전력증폭기의 출력 정합 회로의 임피던스 특성을 나타낸 도면.4 is a view showing the impedance characteristics of the output matching circuit of the smart power amplifier according to the present invention.

도 5는 임피던스 변화에 따른 전류와 전압의 관계를 나타낸 그래프.5 is a graph showing a relationship between current and voltage according to impedance change.

Claims (3)

입력 신호에 대해서 고전력모드에서 동작하는 고전력 모드 증폭기, A high power mode amplifier operating in high power mode for an input signal, 상기 입력 신호에 대해서 저전력 모드에서 동작하는 저전력 모드 증폭기, A low power mode amplifier operating in a low power mode for said input signal, 상기 저전력 모드 증폭기의 출력을 입력받아 고전력 신호를 통과시키는 고전력 통과 회로와 상기 고전력 통과 회로의 출력에 대해서 저전력 신호를 통과시키는 저젼력 통과 회로를 포함하고 저전력 모드에서 임피던스를 정합하기 위한 저전력 모드 정합 회로,A low power mode matching circuit configured to receive an output of the low power mode amplifier and pass a high power signal and a low power pass circuit for passing a low power signal to the output of the high power pass circuit; , 상기 고전력 모드 증폭기의 출력 또는 상기 저전력 모드 정합 회로의 출력에 대하여 고전력 모드에서 임피던스를 정합하기 위한 고전력 모드 정합 회로, 및A high power mode matching circuit for matching impedance in a high power mode with respect to an output of the high power mode amplifier or an output of the low power mode matching circuit, and 제어 신호의 입력에 따라서 상기 고전력 모드 증폭기 또는 저전력 모드 증폭기 중 어느 하나를 온 시키는 모드 스위치 A mode switch for turning on either the high power mode amplifier or the low power mode amplifier according to an input of a control signal 를 포함하는 것을 특징으로하는 스마트 전력 증폭기.Smart power amplifier comprising a. 고전력모드에서 동작하는 고전력 모드 증폭기, 저전력 모드에서 동작하는 저전력 모드 증폭기, 상기 각 모드에서 임피던스를 정합시키기 위한 고전력 모드 정합 회로와 저전력 모드 정합 회로, 상기 고전력 모드와 저전력 모드를 스위칭하는 모드 스위치를 포함하는 스마트 전력 증폭기에 있어서,A high power mode amplifier operating in a high power mode, a low power mode amplifier operating in a low power mode, a high power mode matching circuit and a low power mode matching circuit for matching impedance in each of the modes, and a mode switch for switching the high power mode and the low power mode In the smart power amplifier, 상기 저전력 모드 정합 회로는 고전력 통과 회로와 저전력 통과 회로를 포함하는 것을 특징으로하는 스마트 전력 증폭기.The low power mode matching circuit includes a high power pass circuit and a low power pass circuit. 제2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 저전력 모드 정합 회로는 고전력 통과 회로에 의해 발생한 위상차를 저전력 통과 회로가 상쇄시키는 것을 특징으로 하는 스마트 전력 증폭기.The low power mode matching circuit is a smart power amplifier, characterized in that the low power pass circuit cancels the phase difference generated by the high power pass circuit.
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