KR20070101723A - 전송선 변압기를 이용한 전력 증폭기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전송선 변압기를 이용한 전력 증폭기에 관한 것으로써, 무선통신 시스템용으로 사용되는 전력 증폭기를 구동 증폭단과 전력 증폭단으로 구성하고 각각의 증폭단은 전송선 변압기에 의한 정합회로와 전력 결합기로 연결하여 구동 증폭단에서 전력 증폭단을 구동함과 동시에 전송선 변압기를 매개하여 구동 증폭단의 출력 전력이 직접 출력되도록 함으로써 전력 증폭단 및 구동 증폭단을 온오프시켜 구동 증폭단의 출력 전력이 부하저항에 나타나게 함으로써 추가적인 스위치 없이도 출력전력의 전 영역에서 효율을 증대 시키고 동작영역을 확장 시킬 수 있는 이점이 있다.
Load impedance, Matching network, Power amplifier, Transmission line transformer, 전력증폭기, 정합회로, 부하저항, 전송선 변압기

Description

전송선 변압기를 이용한 전력 증폭기{POWER AMPLIFIER USING TRANSMISSION LINE TRANSFORMER}
도 1은 일반적인 전력 증폭기를 나타낸 구성도이다.
도 2는 전력 증폭단이 세 개로 나누어진 전력 증폭기를 나타낸 구성도이다.
도 3은 스위치를 이용한 전력 증폭기를 나타낸 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 전송선 변압기를 이용한 전력 증폭기를 나타낸 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시예로써 전송선 변압기를 이용한 전력 증폭기를 나타낸 회로 구성도이다.
도 6은 도 5에 도시된 전력 증폭기를 CMOS로 구체화시켜 나타낸 회로구성도이다.
도 7은 본 발명에 의한 전송선 변압기를 이용한 전력 증폭기의 정합회로를 구성하기 위하여 사용한 전송선 변압기의 구조를 나타낸 구성도이다.
도 8은 도 7에 도시된 전송선 변압기를 포함하는 정합 회로에 의한 임피던스의 변환 과정을 나타낸 스미스 챠트이다.
도 9는 본 발명에 의한 전송선 변압기를 이용한 전력 증폭기를 0.18um CMOS 공정을 이용하여 구체화한 실제 집적회로의 사진이다.
도 10은 본 발명에 의한 전송선 변압기를 이용한 전력 증폭기의 실제 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 -
501, 601 : 전송선 변압기
502 : 전력 증폭단
503 : 구동 증폭단
본 발명은 전력 증폭기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 무선통신 시스템용으로 사용되는 전력 증폭기를 구동 증폭단과 전력 증폭단으로 구성하고 각각의 증폭단은 전송선 변압기에 의한 정합회로와 전력 결합기로 연결하여 구동 증폭단에서 전력 증폭단을 구동함과 동시에 전송선 변압기를 매개하여 구동 증폭단의 출력 전력이 직접 출력되도록 함으로써 전력 증폭단 및 구동 증폭단을 온오프시켜 구동 증폭단의 출력 전력이 부하저항에 나타나게 함으로써 추가적인 스위치 없이도 출력전력의 전 영역에서 효율을 증대 시키고 동작영역을 확장 시킬 수 있도록 한 전력 증폭기에 관한 것이다.
무선통신 시스템용 전력 증폭기는 출력전력의 전 영역에서 효율을 증대시키기 위해 회로의 일부를 점멸해주는 방법을 많이 사용하고 있다. 즉, 큰 출력전력이 필요할 때는 회로의 모든 부분을 켜 주고, 낮은 출력전력이 필요로 할 때는 회로의 일부를 꺼 줌으로써 전 영역에서 효율을 증대시키는 방법을 사용하고 있다.
이와 같은 전력 증폭기는 무선통신 시스템의 송신단에서 큰 출력 전력을 안테나를 통하여 송신하는데 흔히 사용된다.
도 1은 일반적인 전력 증폭기를 나타낸 구성도로서 무선통신 시스템의 일종인 폴라(polar) 구조에서의 전력 증폭기를 간략하게 나타낸 구성도이다.
여기에 도시된 바와 같이 폴라(polar) 구조의 전력 증폭기는 일반적인 선형 전력 증폭기와는 달리 입력신호가 위상(phase) 정보와 포락선(envelop) 정보로 나뉘어서 인가된다.
위상(phase) 정보는 일반적인 선형 전력 증폭기와 같이 구동 증폭기의 '고주파 입력' 부분으로 입력되며, 크기는 일정하고 위상만 변화하는 신호이다.
또한, 포락선(envelop) 정보는 DC-DC 컨버터를 이용하여 전력 증폭기의 전원전압으로 나타나게 된다. 전원전압이 높아지게 되면 높은 출력전력이 나타나게 되고, 전원전압이 낮아지게 되면 낮은 출력전력이 나타나게 된다.
이러한 폴라(polar) 구조의 전력 증폭기는 기존의 선형 전력 증폭기에 비하여 송신단의 구조가 간단하게 구현 될 수 있고, 효율이 높은 비선형 전력 증폭기의 사용이 가능하기 때문에 시스템 전체의 효율이 향상되는 장점이 있다.
따라서 현재 GSM(Global System for Mobile Communications) 및 EDGE(Enhanced Data GSM Environment)용의 차세대 송신단으로 주목받으면서 많은 연구 개발이 이루어지고 있다.
일반적으로 전력 증폭기에 인가되는 고주파 신호는 곧바로 전력 증폭단을 구동하기에는 매우 미약하기 때문에 도 1에 도시된 바와 같이 1차 구동 증폭단과 2차 구동 증폭단을 거치면서 증폭된 신호가 전력 증폭단을 구동시켜 고주파 출력신호를 출력하게 된다.
이러한 일반적인 전력 증폭기는 출력전력이 최대 일 때 최고의 효율 특성을 가지도록 설계되기 때문에 저출력 전력 영역에서는 전력 증폭기의 효율이 열화 되는 문제점이 있다.
또한, 저출력 전력 영역에서는 2차 구동 증폭단에서 출력 되는 신호의 크기가 전력 증폭단의 출력전력보다 크게 되는 영역이 발생하게 되는 문제점이 있다.
따라서 이러한 문제점을 해결하기 위하여 흔히 사용되는 방법으로써 도 2와 같이 전력 증폭단을 여러 개로 나누어 구성하여 큰 출력전력을 낼 때는 전력 증폭단을 모두 켜 주고, 저출력 전력을 낼 때는 전력 증폭단의 일부를 꺼주게 되면 전력 증폭기의 출력전력 전 영역에서 높은 효율을 지니게 되고, 이와 더불어 전력 증폭기의 동작 영역도 확장 시킬 수 있다.
하지만, 이러한 종래 기술은 여전히 일반적인 전력 증폭기의 구조와 같이 저출력 전력을 낼 때 2차 구동 증폭단에서 출력 되는 신호의 크기가 전력 증폭단의 출력 전력보다 크게 되는 영역이 발생하게 되는 문제점이 있다.
따라서 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 또 다른 종래기술로써 도 3과 같 이 스위치를 사용하여 전력 증폭기를 구성하는 방법이 있다.
이와 같은 방법은 중간 출력전력을 낼 때는 전력 증폭단은 꺼주고(off) 2번 스위치를 켜 주게 되면 2차 구동 증폭단의 출력전력이 전력 증폭기의 출력전력으로 나타난다. 마찬가지로 낮은 출력전력을 낼 때는 2차 구동 증폭단도 꺼주고 1번 스위치와 2번 스위치를 모두 켜주게 되면 1차 구동 증폭단의 출력전력이 전력 증폭기의 출력전력으로 나타나게 된다.
이와 같이 스위치를 통하여 1차 구동 증폭단이나 2차 구동 증폭단의 출력 전력이 전력 증폭기의 최종 출력 전력으로 나타나게 함으로서, 앞서 제기된 문제점을 해결 할 수 있다.
따라서 저 출력전력 영역에서는 전력 증폭단 및 2차 구동 증폭단을 꺼주게 되므로 전력 증폭단 및 2차 구동 증폭단에서 발생하는 DC 전력의 소모를 없애주어 전력 증폭기 전체의 효율을 향상 시키고, 동작 영역을 확대할 수 있는 장점이 있다.
하지만, 이와 같은 방법은 전력 증폭단, 혹은 2차 구동 증폭단이 꺼 질 때 구동 증폭단의 출력이 전력 증폭기의 출력으로 나타나도록 하기 위한 추가적인 스위치가 부가적으로 더 필요로 하게 되는 문제점이 있다.
또한, 이러한 부가적인 스위치에서 기생하는 저항 성분은 출력 전력의 손실을 야기 하게 되고, 전력 증폭기의 성능 열화를 가져오는 원인이 되지만 이를 막기 위해서는 스위치의 크기를 매우 증가 시켜야 하는데, 이럴 경우 회로의 크기가 증가하게 되고, 전력 증폭기의 생산 단가가 올라가는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, 본 발명의 목적은 무선통신 시스템용으로 사용되는 전력 증폭기를 구동 증폭단과 전력 증폭단으로 구성하고 각각의 증폭단은 전송선 변압기에 의한 정합회로와 전력 결합기로 연결하여 구동 증폭단에서 전력 증폭단을 구동함과 동시에 전송선 변압기를 매개하여 구동 증폭단의 출력 전력이 직접 출력되도록 함으로써 전력 증폭단 및 구동 증폭단을 온오프시켜 구동 증폭단의 출력 전력이 부하저항에 나타나게 함으로써 추가적인 스위치 없이도 출력전력의 전 영역에서 효율을 증대 시키고 동작영역을 확장 시킬 수 있도록 한 전력 증폭기를 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은 구동 증폭단과 전력 증폭단으로 구성되고 구동 증폭단과 전력 증폭단은 정합회로와 전력 결합기로 연결되어 구동 증폭단의 출력신호가 다음단의 전력 증폭단을 구동함과 동시에 정합회로와 전력 결합기를 매개하여 출력단자로 출력되는 전력 증폭기에 있어서, 정합회로와 전력 결합기는 전송선으로 형성되어 출력단자와 연결되는 2차측 전송선과, 2차측 전송선 양측으로 대응하여 전송선이 각각 배치되고 각각 서로 다른 기생성분을 갖도록 형성되어 일측에 구동 증폭단이 연결되고 타측에 전력 증폭단이 연결되는 복수개의 1차측 전송선으로 이루어진 전송선 변압기인 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 구동 증폭단과 전력 증폭단 중 일부 증폭단을 선택적으로 점멸 할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 일부 증폭단의 선택적 점멸은 전력 증폭기의 고출력 전력 모드와 저출력 전력 모드에 따라 점멸하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 정합회로는 구동 증폭단과 전력 증폭단의 트랜지스터의 기생 캐패시턴스 성분과 전송선 변압기인 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 복수개의 1차측 전송선은 서로 다른 단면적을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 복수개의 1차측 전송선과 2차측 전송선 간의 결합계수는 각각 서로 다른 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 복수개의 1차측 전송선은 서로 다른 길이를 갖는 것을 특징으로 한다.
위와 같이 이루어진 본 발명은 구동 증폭단은 전력 증폭단을 구동함과 동시에 저출력전력 영역에서 전력 증폭기가 꺼졌을 때, 구동 증폭단의 출력이 정합회로를 통하여 자동으로 출력전력으로 나타나게 함으로써 전력 증폭기의 효율과 동작 영역을 개선시킬 수 있도록 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하며 종래 구성과 동일한 부분은 동일한 부호 및 명칭을 사용한다. 또한 본 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것은 아니고, 단지 예시로 제시된 것이며 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상 내에서 많은 변형이 가능할 것이 다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 전송선 변압기를 이용한 전력 증폭기를 나타낸 구성도이다.
여기에 도시된 바와 같이 전력 증폭기는 구동 증폭단과 전력 증폭단으로 구성되고 구동 증폭단과 전력 증폭단에 각각 정합회로와 전력 결합기가 연결되어 고출력 전력이 필요할 때는 모든 증폭단을 켜 주어 고출력 전력 영역에서 높은 효율을 갖을 수 있도록 하고, 저출력 전력이 필요할 때는 전력 증폭단을 꺼 주어 구동 증폭단의 출력 전력이 정합 회로와 전력 결합기를 매개로 하여 부하저항에 나타나도록 한다.
이 경우 전력 증폭단을 꺼 주게 됨으로서, 전력 증폭단에서 소모되는 전력이 제거 되어 전력 증폭기의 저출력 전력 영역에서도 높은 효율을 가질 수 있다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이 별도의 스위치를 사용하지 않기 때문에 스위치에서 발생하는 손실에 기인한 전력 증폭기 성능의 열화 문제가 발생하지 않는다.
도 5는 본 발명의 실시예로써 전송선 변압기를 이용한 전력 증폭기를 나타낸 회로 구성도이다.
여기에 도시된 바와 같이 전력 증폭기는 차동 증폭기의 구조를 갖으며 큰 출력 전력을 내기 위한 전력 증폭단(502)과, 전력 증폭단(502)을 구동함과 동시에 전송선 변압기(501)로 이루어진 정합 회로를 통하여 부하저항에 연결 되어 있는 구동 증폭단(503)으로 이루어진다.
이때 정합회로인 전송선 변압기(501)는 전송선으로 형성되어 출력단자와 연결되는 2차측 전송선과, 2차측 전송선 양측으로 대응하여 전송선이 각각 배치되고 각각 서로 다른 기생성분을 갖도록 형성되어 일측에 구동 증폭단(503)이 연결되고 타측에 전력 증폭단(502)이 연결되는 복수개의 1차측 전송선으로 이루어진다.
따라서 일반적인 전력 증폭기 구조와는 달리 구동 증폭단(503)은 전력 증폭단(502)을 구동함과 동시에 구동 증폭단(503)에서 발생된 전력도 전송선 변압기(501)를 통하여 출력 전력으로 나타날 수 있도록 구성된다.
이와 같이 구동 증폭단(503)에서 발생된 전력은 전력 증폭기의 출력 전력에 기여하게 되고, 이에 따라 전력 증폭기의 구동 증폭단(503)은 전력 증폭단(502)의 일부로 보여 질 수 있기 때문에 동일한 출력 전력을 내기 위한 전력 증폭기의 전력 증폭단 크기는 기존의 전력 증폭기에 비하여 작아진다.
또한, 큰 출력을 낼 때는 구동 증폭단(503)과 전력 증폭단(502)을 모두 켜주어 전력 증폭단(502)과 구동 증폭단(503)에서 발생된 출력 전력이 전력 증폭기의 출력 전력으로 나타나게 한다.
그리고, 낮은 출력 전력을 낼 때는 전력 증폭단(502)을 꺼주어 구동 증폭단(503)에서 발생된 출력 전력이 전송선 변압기(501)를 통하여 출력 전력으로 나타나게 한다.
본 실시예에서는 구동 증폭단(503)과 전력 증폭단(502) 사이에 전송선 변압기(501)가 위치하고 있어, 이 전송선 변압기(501)와 구동 증폭단(503) 및 전력 증폭단(502)을 구성하고 있는 트랜지스터의 기생 캐패시턴스 성분이 자동적으로 정합 회로의 역할을 한다.
만약, 정합회로를 구성함에 있어 기생 캐패시턴스의 값이 부족하다면 추가적인 캐패시터를 이용하여 정합회로의 구성이 가능하다.
도 6은 도 5에 도시된 전력 증폭기를 CMOS로 구체화시켜 나타낸 회로구성도이다.
여기에 도시된 바와 같이 구동 증폭단과 전력 증폭단을 CMOS를 이용하여 구성하였으며, 저출력 전력용 트랜지스터는 구동 증폭단의 역할을 함과 동시에, 저출력 전력용 트랜지스터의 드레인은 고출력 전력용 트랜지스터의 게이트로 연결 되어 있다.
또한, 정합회로인 전송선 변압기(601)의 2차측 전송선은 고주파 출력단자와 연결되고 복수개의 1차측 전송선 중 일측은 고출력 전력용 트랜지스터의 게이트와 연결되고 타측은 저출력 전력용 트랜지스터의 게이트와 연결된다.
위에서 사용되는 전송선 변압기의 구조는 도 7에 도시된 바와 같이 전송선을 통해 1차측을 복수개로 분리하여 형성하고 각각은 서로 다른 기생 성분을 갖도록 함으로써 복수개의 부하 저항을 갖도록 형성하고 이를 복수개의 부하저항이 필요한 회로에 사용 할 수 있도록 구성 되어 있다.
이와 같은 전송선 변압기는 서로 분리되어 있는 1차 측의 길이, 단면적 및 결합 계수 등을 서로 다르게 설계하여 주어진 부하저항 값을 서로 다른 부하 저항 값으로의 변환이 가능하다.
도 8은 도 7에 도시된 전송선 변압기를 포함하는 정합 회로에 의한 임피던스의 변환 과정을 나타낸 스미스 챠트이다.
여기에 도시된 바와 같이 컴퓨터 모사를 통하여 701은 전송선 변압기의 1차 측에 의하여, 2차 측에 연결된 부하 임피던스 50Ω이 낮은 부하 임피던스로 변환 된 것을 나타내고, 702는 전송선 변압기의 또 다른 1차 측에 의하여, 2차 측에 연결된 부하 임피던스 50Ω이 높은 부하 임피던스로 변환 된 것을 나타내고 있다.
일반적으로 높은 출력 전력을 가져야 하는 전력 증폭기는 부하 저항 값을 낮은 부하 저항 값으로 변환시켜야 한다. 하지만 낮은 부하 저항 값은 낮은 출력 전력을 낼 때는 전력 증폭기의 효율을 열화 시키는 주요 요인이 된다.
따라서 이를 해결하기 위하여 도 7과 같은 전송선 변압기를 이용하여 복수개의 부하 임피던스를 가지도록 하여 낮은 출력 전력을 낼 때는 높은 부하 임피던스를 가지는 1차 측에 연결된 트랜지스터만 동작 하도록 하게 되면 높은 효율을 유지 하면서 낮은 출력 전력을 낼 수 있다. 또한 높은 출력 전력을 낼 때는 낮은 부하 임피던스를 가지는 1차 측에 연결된 트랜지스터도 함께 동작 하도록 하면 높은 출력 전력을 낼 수 있다.
그리고 일반적으로 주어진 전원 전압 조건 하에서, 부하 임피던스의 값이 증가 할수록 전력 증폭기의 출력 전력은 감소하게 된다. 따라서 본 발명에 의한 전력 증폭기의 구조는 복수개의 부하 임피던스 값을 가질 수 있는 전송선 변압기를 이용함으로써, 전력 증폭기의 동작영역을 확장시킴은 물론, 저 출력 전력 영역에서도 높은 효율을 가질 수 있는 구조로 되어 있다.
도 9는 본 발명에 의한 전송선 변압기를 이용한 전력 증폭기를 0.18㎛ CMOS 공정을 이용하여 구체화한 실제 집적회로의 사진이다.
여기에 도시된 사진은 본 발명에 의한 전력 증폭기를 실제로 구현한 집적회로(MMIC)의 사진으로써 CMOS 0.18㎛ 공정을 이용하였으며, 회로의 전체 크기는 1.3 mm X 1.7 mm이다. 차동 증폭기 구조를 이용하였기 때문에 동상 입력 신호를 차동 신호로 바꾸어 주기 위하여 입력부에 변압기를 사용하였다.
도 10은 본 발명에 의한 전송선 변압기를 이용한 전력 증폭기의 실제 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
여기 도시된 그래프는 본 발명에 의한 전력 증폭기의 실제 측정 결과 나타낸 그래프로써 고출력 전력 모드 일 때는 구동 증폭단과 전력 증폭단을 모두 켜 주었고, 저출력 전력 모드 일 때는 전력 증폭단은 꺼 주었고, 구동 증폭단만 켜주어 구동 증폭단에서 발생된 출력 전력이 전송선 변압기를 통하여 출력 전력으로 나타나도록 해 주었다.
이때 고출력 전력 모드 및 저출력 전력 모드에서 전력 증폭기의 전원 전압을 0.5 ~ 3.3 V까지 변화 시키면서 출력 전력과 효율을 측정한 결과를 보여주고 있다.
이와 같이 저출력 전력 모드로 전력 증폭기를 동작 시켰을 때, 저출력 전력 영역에서 효율이 증가했음을 확인 할 수 있으며, 또한 저출력 전력 모드를 사용함으로써, 전력 증폭기의 동작영역도 약 4 dB 정도 향상되었음을 알 수 있다.
이와 같은 결과에서처럼 낮은 출력 영역에서 효율이 증가하게 되고, 동작 영 역도 향상 된 것을 알 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명은 무선통신 시스템용으로 사용되는 전력 전력 증폭기를 구동 증폭단과 전력 증폭단으로 구성하고 각각의 증폭단은 전송선 변압기에 의한 정합회로와 전력 결합기로 연결하여 구동 증폭단에서 전력 증폭단을 구동함과 동시에 전송선 변압기를 매개하여 구동 증폭단의 출력 전력이 직접 출력되도록 함으로써 전력 증폭단 및 구동 증폭단을 온오프시켜 구동 증폭단의 출력 전력이 부하저항에 나타나게 함으로써 추가적인 스위치 없이도 출력전력의 전 영역에서 효율을 증대시키고 동작영역을 확장시킬 수 있는 이점이 있다.

Claims (7)

  1. 구동 증폭단과 전력 증폭단으로 구성되고 상기 구동 증폭단과 전력 증폭단에 각각 정합회로와 전력 결합기가 연결되어 상기 구동 증폭단의 출력신호가 상기 전력 증폭단을 구동함과 동시에 정합회로와 전력 결합기를 매개하여 출력단자로 출력되는 전력 증폭기에 있어서,
    상기 정합회로와 전력 결합기는
    전송선으로 형성되어 출력단자와 연결되는 2차측 전송선과,
    상기 2차측 전송선 양측으로 대응하여 전송선이 각각 배치되고 각각 서로 다른 기생성분을 갖도록 형성되어 일측에 구동 증폭단이 연결되고 타측에 전력 증폭단이 연결되는 복수개의 1차측 전송선으로 이루어진 전송선 변압기
    인 것을 특징으로 하는 전송선 변압기를 이용한 전력 증폭기.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 구동 증폭단과 전력 증폭단 중 일부 증폭단을 선택적으로 점멸할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 전송선 변압기를 이용한 전력 증폭기.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 일부 증폭단의 선택적 점멸은 전력 증폭기의 고출력 전력 모드와 저출력 전력 모드에 따라 점멸하는 것을 특징으로 하는 전송선 변압기를 이용한 전력 증폭기.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 정합회로는 상기 구동 증폭단과 상기 전력 증폭단의 트랜지스터의 기생 캐패시턴스 성분과 전송선 변압기인 것을 특징으로 하는 전송선 변압기를 이용한 전력 증폭기.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 복수개의 1차측 전송선은 서로 다른 단면적을 갖는 것을 특징으로 하는 전송선 변압기를 이용한 전력 증폭기.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 복수개의 1차측 전송선과 2차측 전송선 간의 결합계수는 각각 서로 다른 것을 특징으로 하는 전송선 변압기를 이용한 전력 증폭기.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 복수개의 1차측 전송선은 서로 다른 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 전송선 변압기를 이용한 전력 증폭기.
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