KR20110017639A - 공핍 모드 고전자 이동도 트랜지스터를 포함하는 전력 증폭기 - Google Patents

공핍 모드 고전자 이동도 트랜지스터를 포함하는 전력 증폭기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전력 증폭기는 게이트 단으로 입력된 신호를 증폭하여 드레인 단으로 출력하는 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT)와, 상기 게이트 단과 접지 사이에 연결되는 입력 정합 회로와, 그리고 상기 드레인 단과 접지 사이에 연결되는 직류 바이어스 회로를 포함한다.
상술한 구성을 통하여 음전압을 제공하기 위한 바이어스 수단 없이, 단일 직류 바이어스 회로만으로 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT)를 바이어스 할 수 있다. 또한, 션트 인덕터와 초크 인덕터를 통하여 다양한 동작 주파수 대역에서 우수한 정합 특성이 제공될 수 있다.

Description

공핍 모드 고전자 이동도 트랜지스터를 포함하는 전력 증폭기{POWER AMPLIFIER HAVING DEPLETION MODE HIGH ELECTRON MOBILITY TRANSISTOR}
본 발명은 전자 장치에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로 공핍 모드 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT)를 포함하는 전력 증폭기에 관한 것이다.
일반적으로 고주파 신호를 처리하는 이동통신 중계기 등에는 다수의 증폭용 트랜지스터를 구비한 고주파 집적회로(Microwave Integrated Circuit: 이하, MIC)가 포함된다. 전력 증폭용 고주파 집적회로(MIC)는 외부로부터 입력된 고주파 신호를 전력 증폭하여 출력한다. 특히, 전력 증폭을 위하여 고전자 이동도 트랜지스터(High Electron Mobility Transistor: 이하, HEMT)는 대략 70GHz까지의 초고주파 영역에서 사용될 수 있다.
화합물 반도체 소자인 HEMT는 실리콘을 이용한 소자에 비하여 전자의 속도 특성이 우수하다. 따라서, HEMT는 마이크로파(Micro wave) 또는 밀리미터파(Milimeter wave) 대역(10~100㎓)의 소자에 널리 응용되고 있다. HEMT 소자는 전계 효과 트랜지스터(FET) 중 가장 높은 동작 주파수와, 그리고 낮은 초고주파 잡음 특성의 장점을 보유하고 있다. 따라서, HEMT 소자 기술은 고성능의 밀리미터 파(Milimeter wave) 대역의 무선 통신용 회로 또는 수십 Gbps급 이상의 광통신용 부품의 개발에 응용되고 있다.
HEMT는 문턱 전압(Threshold voltage)이 음수 값인 공핍 모드(Depletion mode: 이하, D-mode) 트랜지스터와 문턱 전압이 양수 값인 증가 모드(Enhencement mode) 트랜지스터로 구분된다. 고주파 집적회로(MIC)에는 일반적으로 공핍 모드 HEMT가 사용된다.
공핍 모드 HEMT 소자의 안정적인 구동을 위해서, RF 신호가 입력되는 게이트에 음전압 전원(Negative Voltage Power Source)이 연결되어야 한다. 공핍 모드 HEMT 소자는 게이트에 음전압 전원이 제공되어야 플로팅(Floating)되지 않고 안정적으로 동작한다. 또한, 공핍 모드 HEMT 소자는 특정 주파수 대역에서의 정합 특성(Matching Characteristics)을 얻기 위하여 별도의 정합 회로를 구비해야 한다. 그러나, 공핍 모드 HEMT의 게이트에 음전압 전원과 같은 별도의 직류 바이어스 회로 및 정합 회로를 구비하기 위해서는 추가적인 비용이 소요된다.
본 발명은 최소의 구성으로 직류 바이어스와 임피던스 정합을 동시에 구현할 수 있는 공핍 모드 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT)를 포함하는 전력 증폭기를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전력 증폭기는, 게이트 단으로 입력된 신호를 증폭하여 드레인 단으로 출력하는 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT); 상기 게이트 단과 접지 사이에 연결되는 입력 정합 회로; 그리고 상기 드레인 단과 접지 사이에 연결되는 직류 바이어스 회로를 포함한다.
이 실시예에 있어서, 상기 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT)의 소오스 단은 접지된다.
이 실시예에 있어서, 상기 입력 정합 회로는 상기 게이트 단을 직류적으로 접지하는 션트 인덕터를 포함한다.
이 실시예에 있어서, 상기 션트 인덕터의 인덕턴스는 상기 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT)의 동작 주파수에 따라 변경된다.
이 실시예에 있어서, 상기 션트 인덕터의 인덕턴스는 상기 동작 주파수에서 상기 입력 신호의 입력 반사 손실을 차단하기 위한 크기로 조정된다.
이 실시예에 있어서, 상기 직류 바이어스 회로는, 상기 드레인 단에 연결되는 초크 인덕터; 상기 초크 인덕터와 접지 사이에 연결되는 바이패스 커패시터; 그 리고 상기 초크 인덕터와 접지 사이에 연결되는 양전압 직류 전원을 포함한다.
이 실시예에 있어서, 상기 초크 인덕터의 인덕턴스는 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT)의 동작 주파수에 따라 변경된다.
이 실시예에 있어서, 상기 입력 신호의 입력단과, 상기 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT)의 게이트 단에 직렬로 연결되는 제 1 직류 차단 커패시터; 그리고 상기 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT)의 드레인 단과 출력단에 직렬로 연결되는 제 2 직류 차단 커패시터를 더 포함한다.
이상의 구성을 통한 본 발명의 공핍 모드 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT)를 포함하는 전력 증폭기는 최소의 구성으로 직류 바이어스 및 임피던스 정합을 구현할 수 있다.
더불어, 본 발명의 공핍 모드 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT)를 포함하는 전력 증폭기는 다양한 동작 주파수 대역에서 입력 반사 손실의 차단과 안정적인 이득을 얻을 수 있다.
앞의 일반적인 설명 및 다음의 상세한 설명 모두 예시적이라는 것이 이해되어야 하며, 청구된 발명의 부가적인 설명이 제공되는 것으로 여겨져야 한다. 참조 부호들이 본 발명의 바람직한 실시 예들에 상세히 표시되어 있으며, 그것의 예들이 참조 도면들에 표시되어 있다. 가능한 어떤 경우에도, 동일한 참조 번호들이 동일한 또는 유사한 부분을 참조하기 위해서 설명 및 도면들에 사용된다. 이하, 본 발 명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전력 증폭기(100)를 보여주는 블록도이다. 도 1을 참조하면, 전력 증폭기(100)는 공핍 모드 HEMT(110), 입력 정합 회로(120) 및 직류 바이어스 회로(130)를 포함한다.
공핍 모드 HEMT(110)는 문턱 전압(Threshold voltage: Vth)이 음수인 공핍 모드(Depletion mode) 트랜지스터이다. 전력 증폭기로 구동되기 위해서, 공핍 모드 HEMT(110)의 게이트(Gate) 전위는 소오스(Source) 전위보다 낮아야 한다. 이러한 직류 바이어스 조건을 제공하기 위해서, 기존에는 음의 직류 전압이 공핍 모드 HEMT(110)의 게이트에 제공되었다. 또한, 공핍 모드 HEMT(110)가 다양한 주파수 대역에서의 전력 증폭기로 사용되기 위해서는 다양한 주파수 대역에 대한 임피던스 정합 특성을 구비해야 한다.
공핍 모드 HEMT(110)는 게이트 단으로 입력 신호를 제공받는다. 공핍 모드 HEMT(110)의 소오스(Source) 단은 접지될 수 있다. 그리고, 공핍 모드 HEMT(110)의 드레인 단으로는 출력 신호가 출력된다. 공핍 모드 HEMT(110)의 게이트 단에는 직류 바이어스를 위한 음전압(Negative voltage)이 제공되지 않는다. 반면에, 드레인 단에 양전압(Positive voltage)이 직류 바이어스를 위해서 제공된다.
입력 정합 회로(120)는 입력된 무선 주파수(RF) 신호를 최소 손실로 공핍 모드 HEMT(110)의 게이트 단에 전달하도록 구성된다. 임피던스 정합(Impedence matching)이 이루어지지 않을 경우, 입력 신호 중 다시 입력 측으로 반사되는 성분 이 증가한다. 입력 신호 대비 반사 신호의 레벨이 증가할수록 전력 증폭기(100)는 특정 대역에서 발진을 일으킬 수 있으며, 안정성이 떨어지게 된다. 일반적으로, 임피던스 성분(Zin)은 동작 주파수에 따라 변한다. 따라서, 입력 정합 회로(120)는 입력 신호의 주파수에 최적화된 값으로 공핍 모드 HEMT(110)의 입력 임피던스를 조정할 수 있어야 한다.
게다가, 공핍 모드 HEMT(110)는 게이트 단에 음전압 바이어스를 제공받지 않는다. 만일 게이트 단에 직류 바이어스가 제공되지 않으면, 공핍 모드 HEMT(110)의 게이트는 전기적으로 플로팅(Floating) 상태에 있게 된다. 이 경우, 공핍 모드 HEMT(110)의 게이트의 전위는 상승할 수 있으며, 게이트 전위의 상승은 드레인-소스 전류(Ids, 미도시됨)의 급격한 증가를 야기한다. 드레인-소스 전류(Ids)의 급격한 증가에 따라 공핍 모드 HEMT(110)는 파괴되거나 오동작할 수 있다. 결국, 게이트가 전기적으로 플로팅(Floating) 상태에 있으면 공핍 모드 HEMT(110)의 안정성은 급격히 감소 된다.
따라서, 입력 정합 회로(120)는 동작 주파수에서 입력 임피던스를 정합시킬 수 있어야 한다. 더불어, 입력 정합 회로(120)는 직류적으로 공핍 모드 HEMT(110)의 게이트 단이 플로팅되는 것을 차단할 수 있어야 한다. 이러한 역할들을 수행하기 위하여, 입력 정합 회로(120)는 공핍 모드 HEMT(110)의 게이트 단과 접지 사이를 직류적으로 연결하는 션트 인덕터(Shunt Inductor)로 구성될 수 있다.
직류 바이어스 회로(130)는 공핍 모드 HEMT(110)의 출력단, 즉 드레인(Drain) 단을 바이어스하기 위한 구성이다. 직류 바이어스 회로(130)는 공핍 모 드 HEMT(110)의 드레인 단에 양전압의 직류 바이어스를 제공할 수 있어야 한다. 그리고 직류 바이어스 회로(130)는 공핍 모드 HEMT(110)의 출력 측으로 증폭된 신호를 손실없이 전달하기 위한 임피던스 정합 기능을 구비해야 한다. 예를 들면, 직류 바이어스 회로(130)는 양전압을 제공하기 위한 직류 전원과 RF 초크 인덕터(RF Choke Inductor)를 포함할 수 있다. 그리고 직류 바이어스 회로(130)는 출력 신호 이외의 잡음을 바이패스하는 바이패스 수단을 포함할 수 있다.
이상의 도 1을 통해, 양전압의 단일 직류 전원에 의해서 바이어스되면서, 임피던스 정합 기능을 동시에 제공할 수 있는 공핍 모드 HEMT(110)의 바이어스 회로가 설명되었다. 특히, 드레인 단에 단일 양전압 전원을 연결하여 공핍 모드 HEMT(110)의 직류 바이어스를 구현할 수 있다. 이러한, 바이어스 방식을 사용하면 특정 주파수에 대한 임피던스 정합과, 단일 직류 전압에 의한 직류 바이어스를 동시에 달성할 수 있다.
도 2는 예시적으로 구현한 전력 증폭기(200)를 보여주는 회로도이다. 도 2를 참조하면, 공핍 모드 HEMT(210)의 게이트 단에는 직류 차단 커패시터(Cin)가 연결된다. 그리고, 입력 정합 회로(220)로서 공핍 모드 HEMT(210)의 게이트 단과 접지 사이에는 션트 인덕터(L_sh)가 연결된다. 직류 차단 커패시터(Cin)에 의해서 입력 신호에 포함된 직류 성분이 차단될 것이다. 그리고, 션트 인덕터(L_sh)에 의해서 공핍 모드 HEMT(210)의 게이트 단은 직류적으로 접지된다.
공핍 모드 HEMT(210)의 드레인 단에는 직류 차단 커패시터(Cout)가 연결된다. 그리고, 직류 바이어스 회로(230)로서 공핍 모드 HEMT(210)의 드레인 단에는 초크 인덕터(L_ck)가 연결된다. 그리고, 초크 인덕터(L_ck)와 접지 사이에 병렬로 바이패스 커패시터(Cbp)와 양전압의 직류 전원(231)이 연결된다. 여기서, 초크 인덕터(L_ck)는 증폭된 신호 성분이 접지로 누설되는 것을 차단한다. 동시에, 초크 인덕터(L_ck)는 공핍 모드 HEMT(210)의 출력단 임피던스 정합을 위한 소자로 사용될 수 있다. 즉, 초크 인덕터(L_ck)의 크기를 가변하여 공핍 모드 HEMT(210)의 출력 신호가 외부로 최대한 전달되도록 설정될 수 있다.
이상의 구성에서, 공핍 모드 HEMT(210)의 드레인 단에만 양전압의 직류 전원이 연결되는 전력 증폭기(200)가 구성되었다. 그리고, 전력 증폭기(200)는 공핍 모드 HEMT(210)의 게이트 단에 음전압을 제공하기 위한 별도의 직류 전원 회로를 포함하지 않는다. 따라서, 공핍 모드 HEMT(210)의 게이트 단은 0V의 단일 동작점에서 구동될 것이다. 만일, 게이트 단이 션트 인덕터(L_sh)로 직류적으로 접지되지 않으면, 공핍 모드 HEMT(210)의 게이트는 전기적으로 플로팅된다. 이 경우, 게이트 단에 상당한 양전압(약 수백 mV)이 발생할 수 있다. 게이트 단의 플로팅에 의한 공핍 모드 HEMT(210)의 게이트 전압 상승은, 드레인-소오스 전류(Ids) 전류의 증가를 야기한다. 따라서, 공핍 모드 HEMT(210)의 구동이 불안정해지고, 과다한 열이 발생할 수 있다. 션트 인덕터(L_sh)에 의한 게이트 단의 고정은 이러한 불안정성을 차단하기 위한 것이다.
이상의 전력 증폭기(200)는 션트 인덕터(L_sh)와 초크 인덕터(L_ck)의 크기를 변경하여 원하는 주파수 대역을 변경할 수 있다. 또한, 음전압을 제공하기 위한 전원을 별도로 구비할 필요없이 단일 직류 전원(231)만으로 직류 바이어스가 가능 하여 바이어스 비용을 줄일 수 있다.
도 3은 900MHz의 동작 주파수 대역의 전력 증폭기(300)를 예시적으로 보여주는 실시예이다. 도 3을 참조하면, 공핍 모드 HEMT(310)의 입력단과 출력단에는 각각 100pF의 직류 차단 커패시터들(Cin, Cout)이 연결된다. 그리고, 공핍 모드 HEMT(310)의 게이트 단과 접지 사이에는 4.7nH의 션트 인덕터(L_sh)가 입력 정합 회로(320)로서 연결된다.
직류 바이어스 회로(330)의 일부로서, 공핍 모드 HEMT(310)의 드레인 단에는 22nH의 초크 인덕터(L_ck)가 연결된다. 22nH의 초크 인덕터(L_ck)와 접지 사이에는 1000.1nF의 용량을 제공하기 위한 병렬 접속 바이패스 커패시터들(Cbp1, Cbp2)과 5V 크기의 양전압 전원(331)이 연결된다.
도 4는 도 3의 바이어스 조건에서 전력 증폭기(300)의 이득 특성과 입력 정합 특성(S-파라미터, 입력 반사 손실)을 보여주는 그래프이다. 도 4를 참조하면, 이득 곡선(340)은 700MHz~1100MHz 주파수 대역에서 약 20dB의 안정된 전력 증폭기(300)의 이득을 보여준다. 이득 곡선(340)에 따르면, 전력 증폭기(300)는 900MHz 주파수 대역에서 20dB의 이득을 제공할 수 있는 것으로 관찰된다.
입력 정합 특성 곡선(350)은 전력 증폭기(300)의 입력 반사 손실을 나타낸다. 특히, 입력 정합 특성 곡선(350)은 S-파라미터(S-Parameters) 중 입력 반사 계수(S11)를 나타낸다. 입력 반사 계수(S11)는 입력 신호의 레벨과 입력 신호 중 다시 입력단으로 반사되는 성분의 레벨의 비를 나타낸다. 즉, 입력 반사 계수(S11)는 임피던스 정합(Impedence matching)의 정도를 판단할 수 있는 값이다. 도시된 바와 같이, 입력 반사 계수(S11)는 약 900MHz의 주파수 대역에서 약 -20dB 이하로 측정되었다. 그리고, 900MHz의 주파수 대역 부근에서 입력 반사 계수(S11)는 최소가 되었다. 즉, 공핍 모드 HEMT(310)의 게이트 단에 연결되는 4.7nH의 션트 인덕터(L_sh)와, 드레인 단에 연결되는 22nH의 초크 인덕터(L_ck)에 의해서 900MHz 대역에서 입력 신호의 반사 손실이 최소화되었음을 의미한다.
도 5는 3500MHz의 동작 주파수 대역의 전력 증폭기(400)를 예시적으로 보여준다. 도 5를 참조하면, 공핍 모드 HEMT(410)의 입력단과 출력단에는 각각 100pF의 직류 차단 커패시터들(Cin, Cout)이 연결된다. 그리고, 공핍 모드 HEMT(410)의 게이트 단과 접지 사이에는 150nH의 션트 인덕터(L_sh)가 입력 정합 회로(420)로서 연결된다.
직류 바이어스 회로(430)의 일부로서, 공핍 모드 HEMT(410)의 드레인 단에는 47nH의 초크 인덕터(L_ck)가 연결된다. 47nH의 초크 인덕터(L_ck)와 접지 사이에는 1000.1nF의 용량을 제공하기 위한 병렬 접속 바이패스 커패시터들(Cbp1, Cbp2)과 5V 크기의 양전압 전원(431)이 연결된다.
도 6은 도 5의 바이어스 조건에서 전력 증폭기(400)의 이득 특성과 입력 정합 특성(S-파라미터, 입력 반사 손실)을 보여주는 그래프이다. 도 6을 참조하면, 이득 곡선(440)은 3200MHz~3800MHz 주파수 대역에서 약 10dB 이상의 이득 특성을 보여준다. 이득 곡선(440)에 따르면, 전력 증폭기(400)는 3500MHz 주파수 대역에서 약 12dB의 이득을 제공할 수 있는 것으로 관찰된다.
입력 정합 특성 곡선(450)은 전력 증폭기(400)의 입력 반사 손실을 나타낸 다. 입력 정합 특성 곡선(450)은 S-파라미터(S-Parameters) 중 입력 반사 계수(S11)를 나타낸다. 입력 반사 계수(S11)는 전력 증폭기(400)의 입력 신호에 대한 입력단으로 반사되는 성분의 비를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 입력 반사 계수(S11)는 약 3500MHz의 주파수 대역에서 약 -15dB 이하로 측정되었다. 그리고, 3500MHz의 주파수 대역 부근에서 입력 반사 계수(S11)는 최소가 되었다. 즉, 공핍 모드 HEMT(410)의 게이트 단에 연결되는 150nH의 션트 인덕터(L_sh)와, 드레인 단에 연결되는 47nH의 초크 인덕터(L_ck)에 의해서 3500MHz 대역에서 입력 신호의 반사 손실이 최소화되었음을 의미한다.
이상에서 설명된 본 발명에 따른 공핍 모드 고전자 이동도 트랜지스터(D-mode HEMT)를 포함하는 전력 증폭기는 최소의 구성으로 직류 바이어스 및 임피던스 정합을 구현할 수 있다. 더불어, 본 발명의 공핍 모드 고전자 이동도 트랜지스터(D-mode HEMT)를 포함하는 전력 증폭기는 다양한 동작 주파수 대역에서 입력 반사 손실의 차단과 안정적인 이득을 얻을 수 있다.
한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지로 변형할 수 있다. 그러므로 본 발명의 범위는 상술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 발명의 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도 1은 본 발명의 전력 증폭기(100)를 보여주는 블록도;
도 2는 본 발명에 따른 전력 증폭기(200)를 예시적으로 보여주는 회로도;
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 전력 증폭기(300)를 보여주는 회로도;
도 4는 도 3의 전력 증폭기(300)의 이득 특성과 입력 정합 특성을 보여주는 그래프;
도 5는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 전력 증폭기(400)를 보여주는 회로도; 및
도 6은 도 5의 전력 증폭기(400)의 이득 특성과 입력 정합 특성을 보여주는 그래프.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
110, 210, 310, 410 : 공핍 모드 HEMT
120, 220, 320, 420 : 입력 정합 회로
130, 230 : 직류 바이어스 회로
231, 331, 431 : 직류 전원
340, 440 : 이득 곡선
350, 450 : 입력 정합 특성 곡선

Claims (8)

  1. 게이트 단으로 입력된 신호를 증폭하여 드레인 단으로 출력하는 공핍 모드 고전자 이동도 트랜지스터(D-mode HEMT);
    상기 게이트 단을 직류적으로 접지하기 위한 입력 정합 회로; 그리고
    상기 드레인 단과 접지 사이에 연결되는 직류 바이어스 회로를 포함하는 전력 증폭기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 공핍 모드 고전자 이동도 트랜지스터(D-mode HEMT)의 소오스 단은 접지되는 전력 증폭기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 입력 정합 회로는 상기 게이트 단과 접지 사이에 연결되는 션트 인덕터를 포함하는 전력 증폭기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 션트 인덕터의 인덕턴스는 상기 공핍 모드 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT)의 동작 주파수에 따라 변경되는 전력 증폭기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 션트 인덕터의 인덕턴스는 상기 동작 주파수에서 상기 입력 신호의 입력 반사 손실을 차단하기 위한 크기로 조정되는 전력 증폭기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 직류 바이어스 회로는,
    상기 드레인 단에 연결되는 초크 인덕터;
    상기 초크 인덕터와 접지 사이에 연결되는 바이패스 커패시터; 그리고
    상기 초크 인덕터와 접지 사이에 연결되는 양전압 직류 전원을 포함하는 전력 증폭기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 초크 인덕터의 인덕턴스는 공핍 모드 고전자 이동도 트랜지스터(D-mode HEMT)의 동작 주파수에 따라 변경되는 전력 증폭기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    입력단과, 상기 공핍 모드 고전자 이동도 트랜지스터(D-mode HEMT)의 게이트 단에 직렬로 연결되는 제 1 직류 차단 커패시터; 그리고
    상기 공핍 모드 고전자 이동도 트랜지스터(D-mode HEMT)의 드레인 단과 출력단에 직렬로 연결되는 제 2 직류 차단 커패시터를 더 포함하는 전력 증폭기.
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