KR20100040513A - Ｒｆｉｃ 전력증폭기의 바이어스 인가회로 - Google Patents

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KR20100040513A
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Abstract

본 발명은 RFIC 전력증폭기의 바이어스 인가회로에 관한 것으로서, RFIC의 선형 성능을 향상하고 외부 온도 변화에 따른 RF 특성 변화를 최소화하고자 함을 목적으로 하며, 이의 달성을 위한 본 발명의 RFIC 전력증폭기의 바이어스 인가회로는, RF 신호 증폭을 위한 제1 트랜지스터; 제1 트랜지스터에 기본적인 바이어스를 인가하기 위한 것으로, 제1 트랜지스터의 베이스 단자에 일단이 연결된 제1 바이어스 저항; 제1 바이어스 저항과 함께 제1 트랜지스터에 기본적인 바이어스를 인가하기 위한 것으로, 제1 트랜지스터의 베이스 단자에 일단이 연결되고, 타단은 접지에 연결된 제2 바이어스 저항; 및 제1 트랜지스터에 능동 바이어스를 인가하기 위한 제2 트랜지시터를 포함하며, 제2 트랜지스터의 컬렉터 단자는 제1 트랜지스터의 컬렉터 단자와 연결되고, 제2 트랜지스터의 이미터 단자는 제1 바이어스 저항의 타단에 연결되고, 제2 트랜지스터가 베이스-이미터 간의 다이오드로 동작하도록 하기 위해, 제2 트랜지스터의 베이스 단자와 컬렉터 단자가 서로 연결된다.
이와 같은 본 발명에 의하면, RFIC 소자의 저항 바이어스 회로에 트랜지스터를 이용하여 다이오드를 구성해 줌으로써 능동 바이어스 기능을 수행하여 선형 성능을 향상시킬 수 있고, RFIC 소자의 외부 온도 변화에 따른 특성 변화를 최소화 시킴으로써, RFIC 소자 외부에 별도의 온도 보상회로를 구성할 필요가 없다.

Description

ＲＦＩＣ 전력증폭기의 바이어스 인가회로{Bais applying circuit in RFIC power amplifier}
본 발명은 RFIC 전력증폭기의 바이어스(bias) 인가회로에 관한 것으로서, 특히 RFIC 전력증폭기 소자의 바이어스 인가회로에 IC 내의 트랜지스터를 이용한 능동 바이어스 회로를 부가하여 입력 전력과 온도에 능동적으로 적응하도록 함으로써 증폭기의 선형성능과 온도 변화에 따른 특성 변화를 보상할 수 있는 RFIC 전력증폭기의 바이어스 인가회로에 관한 것이다.
최근에 RF(고주파) 대역을 이용하는 전자기기의 사용자가 폭발적으로 증가하고 있다. 즉, 이동 통신 단말기, RF ID 장비, 블루투스(bluetooth), 휴대 인터넷 등의 RF 대역의 주파수 자원을 이용하는 통신 장비 및 단말기들은 과거에는 상상도 할 수 없었던 고속의 무선 통신 서비스를 제공하고 있다.
또한, 이러한 휴대 단말 및 통신 장비들은 급속도로 소형화 및 다기능화되어 가고 있는 추세이고, 이런 다양하고도 혹독한 무선 전파 환경에서 운용되고 사용되는 MMIC( microwave monolithic integrated circuit) 및 RF IC 소자에 요구되는 성능은 더욱 엄격해지고 있으며, 극단의 폭염과 혹한의 자연 환경에서도 자기의 성능 이 유지되도록 요구받고 있다. 따라서, RF IC 소자 자체가 인접채널의 RF 신호에 영향을 줄 수 있는 IM(inter-modulation) 왜곡 신호의 발생이 최소화되어야 하며, 소자 자체가 외부 온도의 변화에 따라 능동적으로 자신의 성능을 유지할 수 있는 회로가 필요하게 된다.
도 1은 종래 단순화된 RFIC 전력증폭기의 저항 바이어스 회로도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, RFIC(100)는 공급전압 단자(110) 및 출력신호 단자(160)에 연결된 제1 컬렉터 단자(131)와, 입력신호 단자(120)에 연결된 제1 베이스 단자(133)와, 접지단자에 연결된 제1 이미터 단자(132)를 가지는 제1 트랜지스터(130)와; 상기 제1 트랜지스터(130)의 바이어스 전압을 제공하기 위하여, 상기 공급전압 단자(110)와 상기 제1 베이스 단자(133)에 연결된 제1 바이어스 저항 (140); 및 상기 제1 베이스 단자(133)와 접지에 연결된 제2 바이어스 저항(150)을 포함하여 구성된다.
이상과 같은 RFIC(100)에 있어서, 상기 제1 트랜지스터(130)의 제1 콜렉터 단자(131)에 유입되는 전류(Icc)는 2개의 바이어스 저항(140)(150)인 R1, R2 및 공급전압 단자(110)에서 제공되는 공급전압((Vcc)에 의해 결정된다. 상기 공급전압 (Vcc)이 변하면 상기 제1 콜렉터 전류(Icc)도 연동하여 변하며, 상기 제1 콜렉터 전류(Icc)는 공급전압(Vcc)에 대하여 지수 함수적으로 변한다.
도 2는 도 1의 회로에서 RFIC에 바이어스를 인가하는 경우에 증폭기 소자의 선형적인 출력 전력을 나타내는 P1-dB (1dB Gain Compression Point: 1dB 이득압축 점) 값에 대한 모의실험 결과를 보여주는 도면이다.
도 2를 통해, 현재 이 트랜지스터의 P1-dB 값은 23dBm(여기서, m은 1mW 기준의 의미)임을 확인할 수 있다. 이때 RF 입력 전력 스윙(swing)에 따른 바이어스 전류의 스윙을 도 3에 모의실험을 통해 나타내었다.
도 1과 3에서 알 수 있듯이, 입력이 1dBm에 이를 때 트랜지스터는 P1-dB 점에 이르게 되며, 이때의 전류 스윙을 살펴보면 입력 전력을 증가하면 전류 값도 증가하나 P1-dB 이상에서는 왜곡과 억압이 발생하고 있음을 알 수 있다. 이와 같은 전류 스윙의 왜곡과 억압은 실제 트랜지스터가 낼 수 있는 출력 전력값을 감소시키는 결과를 가져온다. 이는 증폭기의 바이어스 값이 바이어스를 위한 분배 저항 값에 의해 고정되어 나타나는 현상이라 할 수 있다.
도 4는 도 1의 회로에서 입력 전력에 따른 RFIC 소자의 입력전력 대 출력전력 및 P1-dB 출력전력의 모의실험 결과를 보여주는 것으로서, 출력 전력이 P1-dB 점에 이르렀을 때, 약 185[mA]에서 전류가 더 이상 증가하지 못함을 알 수 있다.
도 5는 도 1의 회로에서 전력증폭기 트랜지스터의 대표적인 선형증폭 성능을 나타내는 항목인 OIP3(Output third-order Intercept Point:출력 3차 교차점)을 동작 주파수에 따라 나타낸 곡선이다. OIP3는 다음의 식(1)과 같이 간단히 계산할 수 있다.
OIP3 = Pout + IM3/2 ....................(1)
위의 식(1)에서 Pout은 증폭기의 출력 전력을 나타내고, IM3 항은 두 개의 크기가 같은 주파수 f1, f2의 RF 신호를 증폭기에 인가하고 발생하는 2f1-f2, 2f2-f1 의 혼변조 신호의 크기를 나타낸다. 일반적으로 IMD(intermodulation distortion:혼변조 왜곡) 성분들은 BPF(Band-pass filter) 등으로 제거 할 수 없을 정도로 원래 신호에 인접해 있어 디지털 무선 통신 시스템의 성능에 심각한 영향을 주게 된다. 따라서, 높은 OIP3 성능은 RF 전력 증폭기용 트랜지스터가 반드시 갖추어야 할 핵심 성능이라고 할 수 있다. 상기 식(1)에서 알 수 있듯이 OIP3 는 기본적으로 출력 전력 값에 직접적으로 영향을 받게 된다. 또한, 선형 증폭 구간에서 원 신호에 대해 최대한 왜곡 없이 증폭이 이루어져야 할 뿐만 아니라, P1-dB 점 근처에서 트랜지스터에 충분한 전류 공급 등이 능동적으로 원활히 이루어져야 인가 신호에 대해 왜곡 없이 증폭이 가능해 진다.
최근에 이동통신 무선 중계 시스템 등은 실외에 설치하는 경우가 많으며, 이런 시스템에 사용되는 증폭기의 경우, 4계절의 다양한 온도 변화에 대해 증폭기의 성능이 일정하게 유지되어야 하는 중요한 문제가 발생한다. 기존의 트랜지스터에 인가전압이 일정한 상황에서 저항만으로 바이어스를 인가하는 경우, 도 6에 나타낸 모의실험 결과와 같이, -30℃∼+85℃까지 변화시킬 때 25℃ 상온에서 동작시킬 때와 -30℃에서 동작시킬 때를 서로 비교하면, -30℃에서 동작시킬 때 10[mA]의 전류가 더 흐르고, 이를 백분율로 환산하면 약 11%가 증가하며, +85℃에서는 전류가 82[mA]로 감소하게 되고 백분율로는 약 7%가 감소하게 된다. 이와 같은 전류의 변화는 NPN형 트랜지스터의 밴드갭이 -30℃에서는 증가하는데 반해 +85℃에서는 감소 하는 반도체 특성에 따른 것이다. -30℃에서 NPN 트랜지스터의 밴드 갭이 증가하여 트랜지스터에 동일 전류가 공급되기 위해서는 외부 전압이 증가해야 한다. 그러나, 실제로 이동통신 중계 시스템의 구성은 일정 전압을 기준으로 설계 및 제작되므로, 트랜지스터에 인가되는 전압은 고정된 값을 갖게 된다. 이에 따라 트랜지스터에 필요한 전류가 온도가 낮아짐에 따라 적절히 공급되지 못하고, 상온에서의 RF 성능과 동일한 성능을 유지할 수 없게 된다. 또한, +85℃에서는 NPN형 트랜지스터의 밴드 갭이 감소하여 트랜지스터에 동일 전류가 공급되기 위해서는 외부 전압이 감소되어야 하나, 정전압 상태이기 때문에 트랜지스터에 흐르는 전류가 감소하게 되며, 이로 인해 상온에서와 같은 RF 특성을 유지하지 못하게 된다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, RFIC의 선형 성능을 증대시키기 위해 입력 전력에 따라 트랜지스터의 바이어스 동작점이 능동적으로 동작하기 위한 능동 바이어스 회로의 역할을 수행하도록 하고, 외부 온도 변화에 따른 RF 특성 변화를 최소화할 수 있는 RFIC 전력증폭기의 바이어스 인가회로를 제공함에 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 RFIC 전력증폭기의 바이어스 인가회로는,
RF 신호 증폭을 위한 제1 트랜지스터;
상기 제1 트랜지스터에 기본적인 바이어스를 인가하기 위한 것으로, 상기 제1 트랜지스터의 베이스 단자에 일단이 연결된 제1 바이어스 저항;
상기 제1 바이어스 저항과 함께 상기 제1 트랜지스터에 기본적인 바이어스를 인가하기 위한 것으로, 상기 제1 트랜지스터의 베이스 단자에 일단이 연결되고, 타단은 접지에 연결된 제2 바이어스 저항; 및
상기 제1 트랜지스터에 능동 바이어스를 인가하기 위한 제2 트랜지시터를 포함하며,
상기 제2 트랜지스터의 컬렉터 단자는 상기 제1 트랜지스터의 컬렉터 단자와 연결되고, 상기 제2 트랜지스터의 이미터 단자는 상기 제1 바이어스 저항의 타단에 연결되는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 상기 제2 트랜지스터가 베이스-이미터 간의 다이오드로 동작하도록 하기 위해, 상기 제2 트랜지스터의 베이스 단자와 컬렉터 단자는 서로 연결된다.
이와 같은 본 발명에 의하면, RFIC 소자의 저항 바이어스 회로에 트랜지스터를 이용하여 다이오드를 구성해 줌으로써 능동 바이어스 기능을 수행할 수 있으며, 이에 따라 RFIC 소자가 높은 입력 전력에 능동적으로 반응하여 충분한 전압 및 전류에 스윙이 가능하게 된다. 이것은 결국, 종래의 저항 바이어스 회로에 비해 동일한 입력 전력에서 왜곡 없이 더욱 높은 출력 전력을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 선형 성능의 향상을 가져오게 된다.
또한, 본 발명은 RFIC 소자의 외부 온도 변화에 따른 특성 변화를 최소화 시 켜 온도 변화에 따른 RF 성능의 저하를 줄여 줌으로써, RFIC 소자 외부에 별도의 온도 보상회로를 구성할 필요가 없어 시스템의 전체 구성을 간소화하고, 시스템의 제작 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 7은 본 발명에 따른 RFIC 전력증폭기의 바이어스 인가회로의 구성을 보여주는 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 RFIC 전력증폭기의 바이어스 인가회로는 RF 신호 증폭을 위한 제1 트랜지스터(130)(Q1)와; 그 제1 트랜지스터(130)에 기본적인 바이어스를 인가하기 위한 것으로, 상기 제1 트랜지스터(130)의 제1 베이스 단자(133)에 일단이 연결된 제1 바이어스 저항(140)과; 그 제1 바이어스 저항 (140)과 함께 상기 제1 트랜지스터(130)에 기본적인 바이어스를 인가하기 위한 것으로, 상기 제1 트랜지스터(130)의 제1 베이스 단자(133)에 일단이 연결되고, 타단은 접지에 연결된 제2 바이어스 저항(150); 및 상기 제1 트랜지스터에 능동 바이어스를 인가하기 위한 제2 트랜지시터(210)(Q2)를 포함하며, 이 제2 트랜지스터(210)의 제2 컬렉터 단자(211)는 상기 제1 트랜지스터(130)의 제1 컬렉터 단자(131)와 연결되고, 상기 제2 트랜지스터(210)의 제2 이미터 단자(213)는 상기 제1 바이어스 저항(140)의 타단에 연결된다.
여기서, 또한 상기 제2 트랜지스터(210)가 베이스-이미터 간의 다이오드로 동작하도록 하기 위해, 상기 제2 트랜지스터(210)의 제2 베이스 단자(212)와 제2 컬렉터 단자(211)는 서로 연결된다.
이상과 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 RFIC 전력증폭기의 바이어스 인가회로에 있어서, 상기 제1 트랜지스터(130)는 RF 신호를 제1 베이스 단자(133)를 통해 입력받아 증폭하여 제1 컬렉터 단자(131)를 출력단으로 이용하는 전통적인 공통 이미터(common emitter) 형태를 취하고 있다. 이때 상기 제1 베이스 단자(133)로 입력되는 RF 신호는 제1, 제2 저항(140)(150)에 의해 정해진 트랜지스터 동작점을 기준으로 증폭이 이루어지게 된다. 이때, 전술한 바와 같이, 제1 트랜지스터(130)의 Vcc 단과 제1 베이스 단자(133) 사이에 위치하는 제1 저항(140)과 직렬로 제2 트랜지스터(210)를 연결하고, 이 제2 트랜지스터(210)의 제2 베이스 단자(212)와 제2 컬렉터 단자(211)를 연결하여 베이스-이미터간의 다이오드로 동작하도록 구성한다. 이렇게 구성된 다이오드를 통하여, 상기 도 1의 종래 바이어스 인가회로에서의 저항으로만 구성되었던 저항 분배 바이어스를 간단히 능동 바이어스 회로(200)로 동작시킬 수 있게 된다. 또한, 이 다이오드는 RFIC 외부 온도가 변할 때 제1 트랜지스터(130)에 바이어스를 인가하기 위해 사용되는 제1, 제2 저항(140)(150)과 달리 온도 변화에 따라 다른 동적 저항 값을 갖게 된다. 이 동적 저항 값의 변화를 이용하여 제1 트랜지스터(130)에 인가되는 바이어스 값을 조절하여 제1 트랜지스터(130)의 외부 온도 변화에 따른 전류 변화 값을 조절하게 된다.
한편, 일반적인 저항을 이용하여 트랜지스터에 바이어스를 인가하는 경우 IC 소자는 공급전압 단자(110) 및 출력신호 단자(160)에 연결된 제1 컬렉터 단자(131)와, 입력신호 단자(120)에 연결된 제1 베이스 단자(133)와, 접지단자에 연결된 제1 이미터 단자(132)를 가지는 제1 트랜지스터(130)와; 상기 제1 베이스 단자(133)에 연결되어 상기 제1 트랜지스터(130)에 바이어스 전압을 제공하는 제1, 제2 바이어스 저항(140)(150)으로 구성되는 것으로 간주된다.
이때, 상기 RFIC용 능동 바이어스 회로(200)는 전술한 바와 같이, 제2 트랜지스터(210)의 제2 컬렉터 단자(211)와 제2 베이스 단자(212)를 단락(연결)시켜 PN 접합 다이오드처럼 동작하도록 구성하게 된다. 이런 구조는 일반적으로 MMIC (microwave monolithic integrated circuit) 및 RFIC 능동 바이어스 회로로 널리 사용되는 전류 미러(current mirror) 회로에 비해 구조가 매우 간단하여 칩 내부에서 차지하는 면적이 상대적으로 작아지는 장점이 있다.
도 7에 도시된 바이어스 인가회로가 상기 도 1의 종래 전통적인 저항 바이어스 회로와 다른 동작 특성은 트랜지스터를 이용하여 구현한 다이오드의 평균 교류 저항 값에 기인한다고 할 수 있다. 다이오드의 평균 교류 저항 값(rav)은 다음의 식(2)와 같이 표시할 수 있다.
Figure 112008070814989-PAT00001
........................(2)
식(2)에서 알 수 있듯이 평균 교류 저항 값(rav)은 입력 전압의 최소-최대 값에 의해 결정되는 두 점을 연결하는 직선에 의해 결정된다고 할 수 있다. 다시 말해서, 평균 저항을 결정하는 전류의 진폭이 크면 클수록 평균 교류 저항 값은 작아지게 된다. 즉, 이는 도 7에 도시된 본 발명의 바이어스 인가회로에서 능동바이 어스 회로(200)의 대(大)신호 동작에서의 바이어스 저항 값의 변화를 설명할 중요한 근거가 된다. 도 7에서, 입력 단자(120)로 인가되는 RF 신호가 소신호인 경우 상기 식(2)의 분자항은 일정하다고 볼 때, 분모항의 값에도 큰 변화가 없기 때문에 제2 트랜지스터(210)로 구현된 능동 바이어스 회로(200)의 평균 저항 값에는 큰 영향을 주지 못한다. 그러나, 큰 입력전력이 입력단자(120)로 인가되는 경우, 상기 식(2)의 분자항은 일정하지만 분모항의 전류의 최소값과 최대값의 차이인 △Id는 큰 값을 갖게 된다. 따라서, 이는 다이오드의 평균 교류 저항 값을 작게 만드는 결과를 가져온다.
위에 설명한 제2 트랜지스터(210)로 구현된 능동 바이어스 회로(200), 즉 다이오드의 평균 교류 저항값의 변화는 제1 트랜지스터(130)의 바이어스 및 교류-부하선에 직접적인 영향을 주게 된다. 도 8은 이를 확인하기 위해 수행한 모의실험의 결과를 보여주는 도면이다. 도 8을 전통적인 저항 바이어스 회로에 대한 교류 부하선 모의실험 결과인 도 2와 비교했을 때, 동일한 RF 입력 전력에서 약 34mA의 전류를 더 공급받을 수 있음을 확인할 수 있다. 이는 높은 입력 RF 전력 스윙이 가능함을 의미하는 동시에, 트랜지스터가 충분한 출력을 낼 수 있음을 의미한다. 또한, 도 9에 이를 입력 RF 신호에 따른 트랜지스터의 전압 스윙을 시간 축에서 모의 실험한 결과를 나타내었다.
도 9의 모의실험 결과에서 알 수 있듯이, P1-dB점 이상까지 충분히 전류가 스윙하고 있으며, 저항 바이어스만을 사용한 모의실험 결과인 도 3과 비교했을 때 동 일한 입력 전력에서 약 34[mA] 이상 높은 전류 스윙이 이루어짐을 알 수 있다. 또한, 도 3의 전통적인 저항 분배 바이어스 회로를 이용한 모의실험 결과에서 볼 수 있듯이, 약 8 dBm의 입력 전력이 공급되어야만 본 발명에 따른 바이어스 인가회로 에서의 능동 바이어스 회로(200)에서 흐르는 전류와 동일한 전류가 흐름을 알 수 있다. 이러한 결과 역시 본 발명에 따른 바이어스 인가회로에서의 RFIC 전력증폭 트랜지스터가 높은 RF 입력 전력에서도 충분한 DC 전력을 공급받을 수 있다는 것을 나타낸다.
도 10은 본 발명이 적용된 RFIC 소자의 RF 입력 전력(신호) 대 RF 출력 전력 (신호)의 크기를 이득과 비교한 모의실험 결과를 보여주는 도면이다.
도 10을 참조하면, 이득이 22.4 dB에서 21.4 dB로 작아지는 점에서의 출력 전력이 24.4dBm을 나타내고 있다. 이것으로부터, 동일한 입력 전력에서 모의실험한 결과인 도 4와 비교했을 때, 약 1.4dBm의 출력 전력값의 향상을 가져옴을 알 수 있다. 도 10에서 Pinput은 RF 입력 신호의 전력 값을 의미하고, Pout은 출력 전력값을 나타낸다.
본 발명을 통해 얻어지는 위와 같은 장점들은 RF 증폭기의 선형 성능을 나타내는 중요한 요건중 하나인 OIP3(Output third-order Intercept Point) 성능에도 크게 영향을 미친다. 상기 식(1)에서 알 수 있듯이, OIP3는 혼변조 신호 중 IM3에 의해 좌우되며 이에 대한 모의실험 결과를 도 11에 나타내었다.
도 11을 참조하면, 본 발명이 적용된 트랜지스터의 경우 9dBm 출력에서 약 40.5dBm의 OIP3 값을 가지는데, 이것은 저항 바이어스를 사용하여 모의 실험한 결 과인 도 5의 34dBm의 값에 비해 6dBm 이상 좋은 값을 가짐을 알 수 있다. 이는 높은 선형 출력 전력을 가짐으로 인해 비선형 성분인 IM3 성분의 발생이 최소화되기 때문에 나타나는 현상이라 할 수 있다.
도 12는 본 발명이 적용된 RFIC 소자의 외부 온도 변화에 따른 전류의 변화에 대한 모의실험 결과를 보여주는 도면이다.
도 12를 참조하면, 외부 온도가 -30℃∼85℃까지 변할 때 트랜지스터에 흐르는 전류의 변화가 거의 일어나지 않음을 알 수 있다. 이는 도 6의 전통적인 저항 바이어스 회로에서의 전류의 최대-최소 값의 차이가 18[mA]인 것과 비교하면, 본 발명의 바이어스 인가회로가 적용된 RFIC 소자가 전류의 변화량이 거의 없는 아주 우수한 특성을 가짐을 알 수 있다.
그러면, 본 발명을 통해 이상과 같은 온도 보상 효과를 가지게 되는 동작 원리에 대해 도 7을 참조하여 설명해 보기로 한다.
도 7을 참조하면, Vcc 단자(110)에 인가된 전압은 제2 트랜지스터(210)(Q2) 로 구현된 능동 바이어스 회로(즉, 다이오드)(200)와 제1 바이어스 저항(140)(R1)이 직렬로 연결되고, 다시 제2 바이어스 저항(150)(R2)이 병렬로 연결된 병렬 저항 값에 걸리게 된다. 이때, 트랜지스터 Q2로 구현된 다이오드를 동적 저항, Rd로 가정하면, 베이스 전류, Ib를 결정하는 베이스-이미터 전압 Vbe를 다음의 식(3)과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112008070814989-PAT00002
....................(3)
일반적으로, 베이스-이미터간 전압과 베이스 전류는 비례하게 되며, 컬렉터 전류와 에미터 전류는 다음의 식(4)와 같은 관계를 갖는다.
Figure 112008070814989-PAT00003
.................................(4)
따라서, 트랜지스터 Q1(제1 트랜지스터, 130)의 전류, Icc는 동적 저항이라고 가정한 Rd와 반비례 관계를 갖게 된다. 이 관계를 이용하면 능동 바이어스를 이용하여 온도 변화에 대해서도 일정 전류를 흐르게 하는 동작을 설명할 수 있다.
즉, 높은 온도에서는 Q2 트랜지스터(제2 트랜지스터, 210)로 구현된 동적 저항 Rd 값은 작아져서 베이스-이미터 전압을 크게 만들어주며, 이는 컬렉터 전류를 크게 만들어 고온에서의 전류 감소를 보상해주게 되고, 반대로 낮은 온도에서는 Rd 값이 증가하여 베이스-이미터 전압을 작게 만들어 결과적으로 전체 컬렉터 전류를 줄여주는 역할을 하게 된다. 이런 원리를 이용하여 낮은 온도에서는 전류가 적게 흐르게 동작하고 높은 온도에서는 전류가 많이 흐르게 동작하여 온도 변화에도 일정한 전류를 유지하여 온도 변화에 따른 RF 특성 변화를 최소화 할 수 있다.
이상의 설명에서와 같이, 본 발명은 RFIC 소자의 저항 바이어스 회로에 트랜지스터를 이용하여 다이오드를 구성해 줌으로써 종래의 단순한 저항 바이어스 회로에서 기대할 수 없는 능동 바이어스 기능을 수행할 수 있으며, 이에 따라 RFIC 소 자가 높은 입력 전력에 능동적으로 반응하여 충분한 전압 및 전류에 스윙이 가능하게 된다. 이러한 것은 결국, 종래의 저항 바이어스 회로에 비해 동일한 입력 전력에서 왜곡 없이 더욱 높은 출력 전력을 얻을 수 있게 할 뿐만 아니라 선형 성능의 향상에도 영향을 미치게 된다.
또한, 본 발명은 RFIC 소자의 외부 온도 변화에 따른 특성 변화를 최소화 시켜 온도 변화에 따른 RF 성능의 저하를 줄여 줌으로써 RFIC 소자의 외부에 온도 보상 회로를 별도로 구성할 필요가 없어 시스템 전체 구성의 간소화 및 시스템 구현 비용의 절감에 큰 효과를 가져올 수 있다.
이상, 바람직한 실시예를 통하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변경, 응용될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 다음의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 종래 단순화된 RFIC 전력증폭기의 저항 바이어스 회로도.
도 2는 도 1의 회로에서 RFIC에 바이어스를 인가하는 경우에 증폭기 소자의 선형적인 출력 전력을 나타내는 P1-dB 값에 대한 모의실험 결과를 보여주는 도면.
도 3은 도 1의 회로에서 입력 전력에 따른 RFIC 소자의 출력전력에 대한 전류 스윙의 시간축에서의 모의실험 결과를 보여주는 도면.
도 4는 도 1의 회로에서 입력 전력에 따른 RFIC 소자의 입력전력 대 출력전력 및 P1-dB 출력전력의 모의실험 결과를 보여주는 도면.
도 5는 도 1의 회로에 대한 OIP3 모의실험 결과를 보여주는 도면.
도 6은 도 1의 회로에 대한 외부 온도 변화에 따른 전류 변화의 모의실험 결과를 보여주는 도면.
도 7은 본 발명에 따른 RFIC 전력증폭기의 바이어스 인가회로의 구성을 보여주는 도면.
도 8은 본 발명이 적용된 RFIC 소자의 입력 전력에 따른 교류-부하선에 대한 모의실험 결과를 보여주는 도면.
도 9는 본 발명이 적용된 RFIC 소자의 입력 전력에 따른 출력 전력의 시간축 에서의 모의실험 결과를 보여주는 도면.
도 10은 본 발명이 적용된 RFIC 소자의 입력 전력 대 출력 전력 및 P1-dB 출력 전력 모의실험 결과를 보여주는 도면.
도 11은 본 발명이 적용된 RFIC 소자의 OIP3 모의실험 결과를 보여주는 도면.
도 12는 본 발명이 적용된 RFIC 소자의 외부 온도 변화에 따른 전류 변화의 모의실험 결과를 보여주는 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100...(종래 기술이 적용된)RFIC 110...공급전압 단자
120...입력신호 단자 130...제1 트랜지스터
131...제1 컬렉터 단자 132...제1 이미터 단자
133...제1 베이스 단자 140...제1 바이어스 저항
150...제2 바이어스 저항 160...출력신호 단자
200...능동 바이어스 회로 210...제2 트랜지스터
211...제2 컬렉터 단자 212...제2 베이스 단자
213...제2 이미터 단자

Claims (2)

  1. RF 신호 증폭을 위한 제1 트랜지스터;
    상기 제1 트랜지스터에 기본적인 바이어스를 인가하기 위한 것으로, 상기 제1 트랜지스터의 베이스 단자에 일단이 연결된 제1 바이어스 저항;
    상기 제1 바이어스 저항과 함께 상기 제1 트랜지스터에 기본적인 바이어스를 인가하기 위한 것으로, 상기 제1 트랜지스터의 베이스 단자에 일단이 연결되고, 타단은 접지에 연결된 제2 바이어스 저항; 및
    상기 제1 트랜지스터에 능동 바이어스를 인가하기 위한 제2 트랜지시터를 포함하며,
    상기 제2 트랜지스터의 컬렉터 단자는 상기 제1 트랜지스터의 컬렉터 단자와 연결되고, 상기 제2 트랜지스터의 이미터 단자는 상기 제1 바이어스 저항의 타단에 연결되는 것을 특징으로 하는 RFIC 전력증폭기의 바이어스 인가회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 트랜지스터가 베이스-이미터 간의 다이오드로 동작하도록 하기 위해, 상기 제2 트랜지스터의 베이스 단자와 컬렉터 단자는 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 RFIC 전력증폭기의 바이어스 인가회로.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101687756B1 (ko) * 2015-08-13 2016-12-20 주식회사 웨이브트랙 Rf 신호의 선형성을 개선할 수 있는 능동 바이어스 회로를 채용하는 rf 증폭기
CN108512515A (zh) * 2017-02-27 2018-09-07 株式会社村田制作所 功率放大电路

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