KR20080071302A - 고출력 증폭기의 순차적인 바이어스 제어장치 및 방법 - Google Patents

고출력 증폭기의 순차적인 바이어스 제어장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고출력 증폭기의 바이어스 제어장치 및 방법에 관한 것으로, 고출력 증폭기에서 바이어스 제어 장치에 있어서, 전력 증폭부의 게이트 전압을 공급하고 소정 시간지연 후 스위칭부로 전원을 공급하는 컨트롤러와, 상기 컨트롤러로부터 전원을 공급받아 DC 전원 공급부와 상기 전력 증폭부의 드레인단을 연결하여 상기 전력 증폭기의 드레인 전압을 제공하는 상기 스위칭부와, 상기 게이트 전압과 상기 드레인 전압을 제공받아 신호를 증폭하는 상기 전력 증폭기를 포함하여, 인덕터 소자로 인한 기생 성분에 의한 RF 성능 저하를 방지할 수 있다. 또한, 전원 MOSFET으로 전원을 제어하여 광대역 증폭기 구현시 발생할 수 있는 전류 용량 제한을 극복할 수 있는 이점이 있다.
Figure P1020070009341
고출력 증폭기, 바이어스, GaAs, GaN, 드레인 전압, 게이트 전압.

Description

고출력 증폭기의 순차적인 바이어스 제어장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR SEQUENTIAL BIAS OF HIGH POWER AMPLIFIER}
도 1은 종래 기술에 따른 고출력 증폭기 장치 블록도,
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 고출력 증폭기 장치 블록도,
도 3은 본 발명에서 고출력 증폭기 동작을 위한 게이트 전원과 드레인 전원의 바이어스 관계도 및,
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 고출력 증폭기 동작을 위한 바이어스 제어 흐름도.
본 발명은 고출력 증폭기의 바이어스 제어장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 고출력 증폭기에서 게이트단 전압과 드레인단 전압을 순차적으로 바이어스하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
현재, 이동통신 시스템에서 사용되는 기지국(BS: Base Station) 및 이동 단 말기(MS: Mobile Station)들의 최종 출력단에 고출력 증폭기(HPA: High Power Amplifier)가 사용되고 있다. 상기 고출력 증폭기로 LDMOS(Lateral MOSFET) 소자가 많이 사용되고 있으나, 높은 주파수 대역과 주파수 대역폭의 증가로 갈륨 비소(GaAs)나 질화갈륨(GaN)등의 고출력 전력 증폭기가 대두되고 있다. 여기서, 종래의 기술인 도 1을 참조하여 갈륨 비소(GaAs)나 질화갈륨(GaN)등의 반도체 소자를 이용한 고출력 증폭기의 바이어스 제어에 대해 설명하기로 한다.
도 1은 종래 기술에 따른 고출력 증폭기장치 블록도를 도시하고 있다.
상기 도 1을 참조하면, 상기 고출력 증폭기는 전력 증폭기(Power Amplifier:PA)(101), 제 1 DC 전원공급부(103), 제 2 DC 전원공급부(105), 인덕터(107), 제 1 커패시터(109), 제 2 커패시터(111)로 구성된다.
상기 제 1 DC 전원공급부(103)는 상기 전력 증폭기(101)의 게이트단에 연결되어 게이트 전원(Vgs)을 공급한다. 상기 게이트 전원(Vgs)은 게이트와 소스 사이 전압이다. 상기 제 2 DC 전원공급부(105)는 상기 전력 증폭기(101)의 드레인단에 연결되어 드레인 전원(Vds)을 공급한다. 상기 드레인 전원(Vds)은 드레인과 소스 사이 전압이다.
LDMOS FET를 사용하는 전력 증폭기 경우, 게이트 전원(Vgs), 드레인 전원(Vds) 두 전원의 바이어스 순서에 상관없이 전원이 인가되어 상기 전력 증폭기(101)가 구동하게 된다. 그러나, GaAs, GaN 소자들을 사용하는 상기 전력 증폭 기(101)는 상기 게이트 전원(Vgs) 인가받은 후, 상기 드레인 전원(Vds)을 공급받아 구동한다. 다시 말해, 상기 GaAs나 GaN등을 사용한 상기 전력 증폭기(101)는 소자 특성상 순차적으로 상기 게이트단에 마이너스(-) 전원이 인가된 후, 상기 드레인(drain)단에 플러스(+) 전원이 인가되어야 한다.
상기 인덕터(inductor)(107)는 상기 제 2 DC 전원공급부(105)와 상기 전력 증폭기(101)의 드레인과 연결되어 상기 드레인 전원(Vds)을 지연시켜 상기 전력 증폭기(101)의 드레인단으로 전원을 공급한다. 즉, 상기 인덕터(107)의 물리적인 특성으로 인해 드레인 전원이 지연되어 상기 전력증폭기(101)의 드레인 전원으로 공급되며 소모 전류가 적은 경우 통상적으로 사용된다.
상기 전력 증폭기(101) 앞뒤의 제 1 커패시터(109)는 상기 게이트단 입력회로에 직류전원이 공급되지 않도록 직류성분을 차단한다. 상기 제 2 커패시터(111)는 상기 드레인단 출력 부하 회로에 직류 전원이 공급되지 않도록 직류성분을 차단한다. 부하부(113)는 부하저항으로 RF 출력을 담당한다.
그러나, 종래 기술에서 상기 드레인단에 전원에 지연을 주기 위해서 상기 인덕터(107)를 사용할 경우, RF 특성이나 전류 용량 등의 문제가 발생할 수 있다. 다시 말해, 상기 도 1에서 상기 전력 증폭기(101)의 드레인 전원 인가부에 상기 인덕터(107)가 사용되면, 상기 인덕터(107)로부터 기생성분이 발생하여 상기 전력 증폭기(101)의 RF성능에 영향을 끼칠 수 있다. 또한, 대부분의 칩 인덕터들은 전류 용량이 수백 mA에서 1A 정도이므로 상기 전력 증폭기(101) 동작 시 수 A가 흐르는 증 폭기 전원 회로에 전류 용량의 문제를 일으킬 수 있다.
따라서, GaAs, GaN등을 사용하는 전력 증폭기의 바이어스 공급시, 인덕터 사용으로 인한 기생성분 발생과 수 A의 전류용량 문제를 해결하는 고출력 증폭기를 위한 바이어스 제어장치 및 방법이 필요하다.
따라서, 본 발명의 목적은 고출력 증폭기의 바이어스 제어장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 고출력 증폭기에서 게이트단 전압과 드레인단 전압을 공급하는 또는 제어하는 순차적 바이어스 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 고출력 증폭기에서 바이어스 공급시 인덕터 사용으로 인한 기생성분 발생과 전류용량 문제를 해결하는 순차적 바이어스 장치 및 방법을 제공함에 있다.
상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제 1 견지에 따르면, 고출력 증폭기에서 바이어스 제어 장치에 있어서, 전력 증폭부의 게이트 전압을 공급한 후, 전원 지연부로 전원을 공급하는 컨트롤러부와, 상기 컨트롤러부로부터 전원을 공급받아 상기 전력 증폭기의 드레인 전압을 지연시켜 제공하는 상기 전원 지연부와, 상기 게이트 전압과 상기 드레인 전압을 제공받아 신호를 증폭하는 상기 전력 증폭부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제 2 견지에 따르면, 고출력 증폭 기에서 바이어스 제어 장치에 있어서, 전력 증폭부의 게이트 전압을 공급한 후, 전원 지연부로 전원을 공급하는 과정과, 상기 컨트롤러부로부터 전원을 공급받아 상기 전력 증폭기의 드레인 전압을 지연시켜 제공하는 과정과, 상기 게이트 전압과 상기 드레인 전압을 제공받아 신호를 증폭하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조와 함께 상세히 설명한다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
이하, 본 발명은 GaAs나 GaN 소자를 사용하는 고출력 증폭기에서 게이트단 전압과 드레인단 전압을 순차적으로 바이어스하는 제어장치 및 방법에 대해 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 고출력 증폭기 장치 블록도를 도시하고 있다.
상기 도 2를 참조하면, 상기 고출력 증폭기는 전력 증폭기(201), 컨트롤러부(203), 전원 MOSFET(205), 제 1 커패시터(213), 제 2 커패시터(215), DC 전원공급부(219)로 구성된다.
상기 DC 전원공급부(219)는 상기 전원 MOSFET(205)의 드레인(D)단과 연결되어 상기 전력 증폭기(201)의 드레인단(211)으로 드레인 전원(Vds)을 공급한다.
상기 전원 MOSFET(205)는 드레인(D:drain), 소스(S:source) 및 게이트(G:gate)로 3단자로 구성되어 상기 컨트롤러부(203)의 제어에 따라 게이트(G)단(207)에 전원(Vgs)을 공급받아 동작한다. 즉, 상기 전원 MOSFET(205)의 동작은 게이트(G)단자에 게이트 전압(Vgs)과 드레인단자(D)에 드레인 전압(Vds)이 제공될 때, 상기 게이트 전압(Vgs )에 의해 드레인단(D)에 드레인 전류(Id)가 흐르게 되어 동작하게 된다. 따라서, 상기 전원 MOSFET(205) 동작시, 상기 DC 전원공급부(219)로부터 공급받은 상기 드레인 전원(Vds)이 상기 전력증폭기(201)의 드레인단으로 전원이 공급된다.
상기 컨트롤러부(203)는 상기 전력증폭기(201)의 게이트단(209)에 상기 게이트 전원(Vgs)을 인가 후, 상기 전력증폭기(201)의 드레인단(211)에 드레인 전원(Vds)을 순차적으로 공급하도록 상기 전력증폭기(201)의 바이어스를 제어한다. 다시 말해, 상기 컨트롤러부(203)는 상기 전력 증폭기(201)의 게이트단(209)에 전원을 인가한 후, 전원 MOSFET(205)의 게이트단(207)에 턴온(turn-on) 신호를 인가하여 상기 드레인 전원(219)이 상기 전력 증폭기(201)의 드레인단(211)으로 공급되도록 한다.
따라서, 본 발명은 고출력 증폭기의 드레인 전압을 지연하기 위한 인덕터 소 자 대신 상기 도 2처럼 전원 MOSFET(205)를 사용함으로써 인덕터로 인한 고주파 기생 성분이 발생하지 않고, MOSFET 소자 특성상 수십 A까지 전류 용량을 견딜 수 있다. 또한, 상기 전원 MOSFET(205)는 프로그램에 의해 동작하는 상기 컨트롤러부(203)에 의하여 제어되기 때문에 정확한 바이어스 제어를 수행할 수 있다.
상기 전력 증폭기(205) 앞뒤의 제 1 커패시터(213)는 상기 게이트단(209) 입력회로에 직류전원이 공급되지 않도록 직류성분을 차단한다. 상기 제 2 커패시터(215)는 상기 드레인단(211) 출력 부하 회로에 직류 전원이 공급되지 않도록 직류성분을 차단한다.
상기 도 2에서 전원 MOSFET(205)는 n채널 MOSFET로 구성하여 설명되었지만, p채널 MOSFET로 구성할 수도 있다. 또한, 절연 게이트형(MOS형) 대신 접합형 FET가 사용될 수도 있다.
도 3은 본 발명에서 고출력 증폭기 동작을 위한 게이트 전원과 드레인 전원의 바이어스 관계를 도시하고 있다.
상기 도 3을 참조하면, 전력 증폭기의 바이어스 공급시 게이트 전원(Vgs)과 드레인 전원(Vds)은 처음 0V인 상태(301, 303)에서 상기 게이트 전원(Vgs)이 먼저 마이너스 전원(-1.5V)으로 인가된 후(307), 상기 드레인 전원(Vds)이 플러스 전원(+27V)으로 인가되어야 한다(305). 반대로 전력 증폭기의 전원을 오프(off)할 때 는 상기 드레인 전원(Vds)이 먼저 0V로 오프된 후(311), 상기 게이트 전원(Vgs)이 0V로(313) 오프되어야 한다. 만약, 상기 드레인 전원(Vds)이 먼저 공급되거나 상기 게이트 전원(Vgs)이 먼저 오프되면 전력 증폭기 소자는 전기적으로 단락이 되어 증폭을 하지 못한다. 따라서, 상기 전력 증폭기는 도 4의 바이어스 순서에 따라 작동해야 한다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 고출력 증폭기 장치 동작을 위한 바이어스 제어 흐름도를 도시하고 있다.
상기 도 4를 참조하면, 고출력 증폭기 장치는 401 단계에서 정상적인 RF 신호를 증폭하기 위해 전력 증폭기의 게이트 전압(Vgs)을 온(on) 시킨다.
이후, 상기 고출력 증폭기 장치는 403 단계에서 전력 증폭기의 드레인 전압을 제어하는 MOSFET의 게이트 전압을 턴온시켜 상기 전력 증폭기의 드레인 전압(Vds)를 온 시킨다.
이후, 상기 고출력 증폭기 장치는 405 단계에서 상기 전력 증폭기(Power Amplifier:PA)를 동작시켜 RF 신호를 증폭한다.
이후, 상기 고출력 증폭기 장치는 407 단계에서 상기 전력 증폭기 동작 후 전원 차단을 위해 상기 드레인 전압(Vds) 오프(off)시킨다.
이후, 상기 고출력 증폭기 장치는 409 단계에서 상기 게이트 전압(Vgs)를 오 프시킨다.
이후, 상기 고출력 증폭기 장치는 순차적 바이어스를 제어하는 또는 공급하는 절차를 종료한다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 전력 증폭기 바이어스 공급시, 인덕터 대신 MOSFET를 사용함으로써, 상기 인덕터 소자로 인한 기생 성분에 의한 RF 성능 저하를 방지할 수 있다. 또한, 전원 MOSFET으로 전원을 제어하여 광대역 증폭기 구현시 발생할 수 있는 전류 용량 제한의 극복할 수 있는 이점이 있다.

Claims (10)

  1. 고출력 증폭기에서 바이어스 제어 장치에 있어서,
    전력 증폭부의 게이트 전압을 공급하고 소정 시간지연 후 스위칭부로 전원을 공급하는 컨트롤러와,
    상기 컨트롤러로부터 전원을 공급받아 DC 전원 공급부와 상기 전력 증폭부의 드레인단을 연결하여 상기 전력 증폭기의 드레인 전압을 제공하는 상기 스위칭부와,
    상기 게이트 전압과 상기 드레인 전압을 제공받아 신호를 증폭하는 상기 전력 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 컨트롤러는
    상기 전력 증폭기 구동 종료시, 상기 게이트 전압을 강제 차단한 후 상기 드레인 전압을 차단하는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭부는 전계효과 트랜지터(Field Effect Transistor:FET)로 구현되 는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 전력 증폭기 소자는 갈륨비소(GaAs)나 질화갈륨(GaN)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전력 증폭부의 앞뒤에 위치하여 직류성분을 차단하는 커패시터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 고출력 증폭기에서 바이어스 제어하는 방법에 있어서,
    전력 증폭부의 게이트 전압을 공급하는 과정과,
    소정 시간지연 후, DC 전원 공급부와 상기 전력 증폭부의 드레인단을 연결하여 스위치를 동작시키는 과정과.
    상기 스위칭 동작에 의해, DC 전원 공급부로부터 드레인 전원을 공급받는 과정과,
    상기 게이트 전압과 상기 드레인 전압을 제공받아 신호를 증폭하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 전력 증폭부 구동 종료시, 상기 게이트 전압을 강제 차단한 후 상기 드레인 전압을 차단하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 전원 지연부는 전계효과 트랜지터(Field Effect Transistor:FET)로 구현되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 6항에 있어서,
    상기 전력 증폭기 소자는 갈륨비소(GaAs)나 질화갈륨(GaN)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 6항에 있어서,
    상기 전력 증폭기 앞뒤에 위치하는 커패시터를 사용하여 직류성분을 차단하 는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법
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