KR20130004293A - 가변 클래스 특성 증폭기 - Google Patents

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KR20130004293A
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크리스토퍼 마이클 오웬
요겐드라 케이. 챠우라
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엠케이에스 인스트루먼츠, 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은 두 개의 작동 클래스 사이에서 조절되면서 작동하는 전력 증폭기(PA)에 관한 것이다. 작동 범위는 일반적인 선형성 켤레 매칭방식의 클래스 AB 특성의 증폭기와 효휼이 더 높은 스위치의 클래스 E 특성의 증폭기 사이에 있다. 회로 토폴로지는 푸시-풀 구조를 갖고 있어서 클래스 E 특성으로 작동할 수 있다.

Description

가변 클래스 특성 증폭기{VARIABLE CLASS CHARACTERISTIC AMPLIFIER}
본 출원은 2010년4월2일자 미국특허 가출원 제61/320,541호의 이익을 향유하는 2010년4월20일자 미국특허출원 제12/763,640호를 기초로 우선권을 주장한다. 상기 미국출원에서 개시된 모든 내용은 참고로 본 문서에 포함된다.
본 발명은 전력 증폭기(power amplifier)에 관한 것으로서, 하나 이상의 증폭기의 클래스의 특성을 갖는 전력 증폭기에 관한 것이다.
이 섹션에서는 본 발명과 관련된 배경기술에 대한 정보를 설명하는데, 다만 이러한 정보가 반드시 종래기술에 해당하는 것은 아니다.
여러 산업분야에서는 무선 주파수(RF)를 이용하여 플라즈마 챔버를 구동시켜, 집적회로, 태양패널, 컴팩트디스크(CDs), 디브이디(또는 비디오)(DVDs)와 같은 다양한 소자를 제조하고 있다. 각각의 제조공정은, 제조하고자 하는 특정 부품에 따라 달라질 수 있다. 여러 공정들에 있어서, 다양한 주파수와 전력 레벨 및 효율로 RF 에너지를 전송할 필요가 있다.
현재의 RF 전력전송 시스템은, 특정 플라즈마 제조공정에서 요구하는 사항에 따라 매우 구체적으로 맞추어지는 경향이 있다. 일반적으로 RF 전력 증폭기와 생성기는, 교환하기가 어렵고, 다양하게 이용하기 위해 변형하기가 쉽지 않다. 대신, 각각의 애플리케이션은 통상적으로 자신의 필요조건을 갖고 있는데, 이 필요조건은 보통 RF 전력 증폭기 및/또는 RF 전력 생성기를 변경할 것을 요구하고 있다.
한 예로서, 플라즈마 제조 공정의 경우, 클래스 AB 전력 증폭기의 특성을 갖는 모드에서 작동하는 전력 증폭기를 요구하게 된다. 클래스 B 작동 특성으로 작동하는 모드에서, 입력 파형 사이클의 거의 절반이 제1 스위치에 의해 증폭되고, 입력 파형 사이클의 나머지 절반은 상보적으로 작동하는 제2 스위치에 의해 증폭된다. 클래스 AB 작동에 대한 예는, 꺼져 있을 때 사이클의 일부구간에 대하여 소량으로 전도하는 각각의 장치를 보면 알 수 있다. 이는 데드 존(dead zone), 즉 두 장치가 동시에 거의 오프상태에 있는 기간을 감소시키고, 따라서 크로스오버(corssover)를 최소화하거나 제거할 수 있다. 클래스 AB 증폭기는 보통 선형성과 더 큰 전력의 출력을 얻는 대신 효율은 포기한다. 종래의 전력 증폭기에서, 클래스 AB의 효율은 약 70%로 제한된다.
다른 제조공정에서는, 클래스 E 전력 증폭기의 특성을 갖는 모드에서 작동하는 전력 증폭기를 요구할 수 있다. 클래스 E 작동은 보통 스위치 전력 증폭기를 이용하여 이루어진다. 클래스 E 증폭기는 클래스 AB 증폭기의 푸시-풀(push-pull) 구조와 다르게 싱글 엔드형(single-ended) 구조로 형성되어 있는 것으로 알려져 있다. 예를 들어, 스위치 장치는 출력부에서, 인덕터와 커패시터를 직렬로 갖는 회로(직렬 LC 회로)에 연결되어 있고, 이 회로는 부하에 연결되어 있으며 큰 인덕턴스로 공급 전압에 연결되어 있다. 작동시, 클래스 E 증폭기의 온(on) 상태는 높은 전류가 스위치 소자를 통과하는 경우 전압이 스위치에서 0 또는 거의 0일 때 발생한다. 클래스 E 증폭기의 오프(off) 상태는 스위치의 전압이 높고 스위치에 흐르는 전류가 0 또는 거의 0일때 발생한다. 즉, 스위치는 RF 사이클이 온(on) 상태에 있는 동안 낮은-저항의 닫힌 스위치의 역할을 하고, RF 사이클이 오프(off) 상태에 있는 동안 개방된 스위치의 역할을 한다. 클래스 E 증폭기는 보통 효율과 다른 이점을 얻는 대신 전력의 출력을 희생한다. 클래스 E의 효율은 보통 85% 이상이며, 95%까지 될 수 있다. 클래스 E 증폭기는 보통 높은 전압의 정재파비(VSWR) 부하 부정합 상태에 있을 때 덜 안정적이다.
다시 RF 플라즈마 제조공정을 보면, 제조자는 특정 애플리케이션에 대한 플라즈마 공정을 위한 RF 전력을 제공하기 위해, 클래스 AB 특성의 전력 증폭기가 필요할 수 있다. 같은 제조자는, 다른 애플리케이션의 경우, 다른 플라즈마 공정을 위한 RF 전력을 제공할 수 있도록 클래스 E 특성의 전력 증폭기가 필요할 수 있다. 제조자는 비용을 최소화하면서 다양한 작업을 할 수 있도록, 하나의 장치를 이용하면서도 클래스 AB 또는 클래스 E 특성의 작업을 모두 수행할 수 있는 것을 선호한다. 제조자들은 지금까지 이러한 조건을 만족시킬 수가 없었다.
종래의 전력 증폭기는 부하에 연결되기 전에 출력부에 커패시터와 인덕터를 포함하는 네트워크를 포함하고 있다. 이러한 네트워크는 커패시터를 더 포함할 수도 있는데, 이는 CLC 네트워크라고 부른다. 전력 증폭기를 설계하는 디자이너들은 보통 CLC 네트워크를 사용하여 부하에 적용하기 전에 출력 신호의 형태와 조건을 조절해왔다. CLC 네트워크는 또한 부호로부터 다시 반사되어 돌아오는 과도(transient) 및 아웃오브밴드(out of band) 에너지를 거부할 수 있다. 그러나, 이러한 CLC 네트워크를 사용하는 것은, 이러한 애플리케이션으로 한정되어 있으며, CLC 네트워크의 다른 애플리케이션에 대해서는 전혀 고려하지 않았다.
본 발명은 전력 증폭기에 관한 것으로서, 하나 이상의 증폭기의 클래스의 특성을 갖는 전력 증폭기에 관한 것이다.
아래에서 기술하는 내용은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 핵심구성을 일반적으로 요약한 것으로서, 모든 범위 내지 모든 특징에 대하여 전부 개시하는 것은 아니다.
전력 증폭기는 입력 신호를 수신하여 입력 신호에 따라 스위치 모듈 신호를 생성하는 스위치 모듈을 포함한다. 출력 모듈은 상기 스위치 모듈 신호를 수신하여 출력 신호를 생성한다. 상기 전력 증폭기는 복수의 전력 증폭기 클래스의 특성을 갖는 복수의 모드로 작동하고, 상기 출력 모듈의 구조(configuration)는 입력 신호에 대하여 복수의 모드들 사이에서 작동하도록 가변적이다.
전력 증폭기는 입력 신호를 수신하여 입력 신호에 따라 스위치 모듈 신호를 생성하는 스위치 모듈을 포함한다. 출력 모듈은 상기 스위치 모듈 신호를 수신하여 출력 신호를 생성한다. 출력 모듈은 하나 이상의 커패시터와 인덕터를 포함한다. 상기 전력 증폭기는 복수의 전력 증폭기 클래스의 특성을 갖는 복수의 모드로 작동하고, 상기 커패시터의 값은 입력 신호에 대하여 복 수의 모드들 사이에서 작동하도록 가변적이다.
전력 증폭기는 입력 신호를 수신하여 입력 신호에 따라 제1 스위치 모듈 신호를 생성하는 제1 스위치 모듈을 포함하고 있다. 제2 스위치 모듈은 상기 제1 스위치 모듈과 푸시-풀 구조로 배열되어 있다. 제2 스위치 모듈은 입력 신호를 수신하여 입력 신호에 따라 제2 스위치 모듈 신호를 생성한다. 상기 제1 및 제2 스위치 모듈 신호는 복합 스위치 모듈 신호를 생성한다. 출력 모듈은 상기 복합 스위치 모듈 신호를 수신하여 출력 신호를 생성한다. 상기 전력 증폭기는 복수의 전력 증폭기 클래스의 특성을 갖는 복수의 모드로 작동하고, 상기 출력 모듈의 구조는 입력 신호에 대하여 복수의 모드들 사이에서 작동하도록 가변적이다.
전력 증폭기는 입력 신호에 응답하며 입력 신호에 따라 제1 스위치 모듈 신호를 생성하는 제1 스위치 모듈을 포함한다. 제2 스위치 모듈은 상기 제1 스위치 모듈과 푸시-풀 구조로 배열되어 있다. 제2 스위치 모듈은 입력 신호에 응답하며 입력 신호에 따라 제2 스위치 모듈 신호를 생성한다. 상기 제1 및 제2 스위치 모듈 신호가 서로 작용하여 복합 스위치 모듈 신호를 생성한다. 출력 모듈은 상기 복합 스위치 모듈 신호를 수신하여 출력 신호를 생성한다. 출력 모듈은 제1 용량성 소자와 유도성 소자를 포함한다. 상기 전력 증폭기는 복수의 전력 증폭기 클래스의 특성을 갖는 복수의 모드로 작동하고, 상기 용량성 소자의 값은 복수의 모드들 사이에서 작동하도록 가변적이다.
전력 증폭기는 입력 신호에 응답하며 입력 신호에 따라 제1 스위치 장치 신호를 생성하는 제1 스위치 장치를 포함한다. 제2 스위치 장치는 상기 제1 스위치 장치와 푸시-풀 구조로 배열되어 있다. 제2 스위치 장치는 입력 신호에 응답하여 제2 스위치 장치 신호를 생성하고, 상기 제1 및 제2 스위치 장치 신호는 서로 작용하여 복합 스위치 장치 신호를 생성한다. 출력 모듈은 상기 복합 스위치 장치 신호를 수신하여 출력 신호를 생성한다. 출력 모듈은 제1 커패시터와 인덕터를 포함한다. 상기 전력 증폭기는 클래스 AB 전력 증폭기 클래스 또는 클래스 E 전력 증폭기 클래스 중 하나의 특성을 갖는 복수의 모드로 작동한다. 상기 커패시터의 값은 복수의 모드들 사이에서 작동하도록 가변적이다.
적용할 수 있는 추가 영역은 본 문서에 기재된 설명을 보면 이해할 수 있을 것이다. 이러한 요약에서 설명하는 내용과 구체적인 예들은 단시 예시적인 것으로서, 본 발명이 개시하는 범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 명세서에 첨부된 도면은 있을 수 있는 모든 경우의 실시예가 아니라 단지 일부의 실시예를 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명이 개시하고자 하는 범위를 제한하는 것은 아니다.
도 1은 본 발명에 따른 가변 클래스 특성 증폭기의 도면이다;
도 2는 본 발명에 따른 가변 클래스 특성 증폭기의 회로도이다;
도 3a 내지 도 3c는 본 발명에 따른 푸시-풀 구조로 구성된 가변 클래스 특성 증폭기의 여러가지 작동 특성에 있어서 출력 단자 전압과 출력 단자 전류의 파형을 예로서 나타낸 도면이다;
도 4는 본 발명에 따른 가변 클래스 특성 증폭기의 스위치 소자 및 메인 출력부의 출력 단자 전압의 파형을 예로서 나타낸 도면이다;
도 5는 본 발명에 따른 클래스 AB 특성에 있어서 가변 클래스 특성 증폭기의 드레인 전압의 파형을 예로서 나타낸 도면이다;
도 6은 가변 클래스 특성 증폭기의 작동과 관련하여 클래스 특성을 변화시키도록 CLC 네트워크에서의 가변성을 보여주기 위해 사용되는 스미스(Smith) 차트를 예로서 나타내는 도면이다;
도 7은 동조장치(tuning arrangement)용 CLC 네트워크에서 가변성을 보여주기 위해 사용되는 스미스(Smith) 차트를 예로서 나타내는 도면이다;
도 8은 본 발명의 여러 실시예에 따른 가변 클래스 특성 증폭기의 블록 다이어그램이다;
도 9는 본 발명의 여러 실시예에 따른 가변 클래스 특성 증폭기의 회로도이다;
도 10a 내지 도 10c는 본 발명에 따른, 싱글 엔드형 구조로 되어 있는 가변 클래스 특성 증폭기의 여러가지 작동 특성에 있어서 출력 단자 전압 및 전류의 파형을 예를 들어 나타낸 도면이다.
여러 도면에 있어서, 대응하는 부분은 같은 도면부호로 나타내었다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 보다 구체적으로 실시예들에 대한 설명을 시작하도록 한다.
실시예들에 의해, 여기에서 설명하는 내용이 구체적이면서 당업자에게 충실히 전달될 수 있을 것이다. 다수의 구체적인 세부사항은 본 발명의 실시예를 잘 이해할 수 있도록 구체적인 구성요소와 장치 및 방법을 예로 들면서 기술하였다. 특정 세부사항은 이용할 필요가 없는 경우도 있고, 실시예들은 여러가지 다른 형태로 구형될 수 있으며, 어떤 경우에도 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니라는 것은 당업자에게 자명한 사실이다. 일부 실시예에서, 일반적으로 알려져 있는 주지의 프로세스나 장치의 구조 및 기술에 대해서는 구체적인 설명을 기재하지 않았다.
본 문서에서 사용하는 용어는 단지 특정 실시예를 설명하기 위한 것일 뿐, 어떤 제한을 하려는 것은 아니다. 사용되는 용어로서, 단수 형태(a, an, the)는 명확하게 별다른 언급이 없으면 복수 형태도 포함한다. "포함"(comprise, comprising, including) 및 "구비"(having)와 같은 표현은 포괄적인 표현으로서 언급한 특징, 정수, 단계, 작동, 요소 및/또는 성분이 존재한다는 것을 나타내는 것으로서, 하나 이상의 다른 특징이나, 정수, 단계, 작동, 요소, 성분 및/또는 이들의 그룹이 더 존재하거나 부가되는 것을 배제하는 것은 아니다. 본 문서에서 기술하는 방법의 단계, 공정 및 작동은, 특별히 실행하는 순서를 특정하지 않는 한, 반드시 논의되거나 설명된 특정 순서로 실행해야 하는 것은 아니다. 또한, 부가적인 단계 또는 다른 단계들을 사용할 수도 있다.
요소 또는 층이 다른 요소 또는 층에 대하여 "위에(on)", "결합(engaged to)", "연결(connected to)" 또는 "커플링(coupled to)" 상태에 있다고 말하는 경우, 직접적으로 위에 있거나, 결합, 연결 또는 커플링되어 있을 수도 있고, 아니면 다른 중간 요소나 중간층이 있을 수도 있다. 반면, 다른 요소나 층에 대하여 "직접 위에", "직접 결합", "직접 연결" 또는 "직접 커플링" 상태에 있다고 하는 경우에는 중간 요소나 층이 없을 것이다. 요소들의 관계를 설명하는데 사용되는 다른 용어의 경우에도, 이와 같은 방식으로 이해하여야 한다(예를 들어, "사이에(between)"와 "직접 사이에(directly between)", "인접(adjacent)"과 "직접 인접(directly adjacent)" 등등). 여기에서 사용한 것처럼, "및/또는"이라는 용어는 하나 이상의 관련된 목록의 항목에 있어서 있을 수 있는 모든 조합을 포함하는 것이다.
제1, 제2, 제3 등등의 용어는 복수의 요소, 성분, 영역, 층 및/또는 섹션을 설명하기 위해 사용하고 있지만, 이들 요소, 성분, 영역 및/또는 섹션이 이러한 용어로 제한되는 것은 아니다. 이러한 용어는 단지 하나의 요소, 성분, 영역, 층 또는 섹션을 다른 것들과 구별하기 위해서 사용하는 것일 뿐이다. 본 문서에서 사용하고 있는 제1, 제2 및 다른 숫자와 관련된 표현들은, 분명하게 별도의 언급이 없는 한 순서를 의미하는 것이 아니다. 따라서, 아래에서 제1의 요소, 성분, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 실시예가 설명하고자 하는 것에서 벗어나지 않은 범위에서, 제2의 요소, 성분, 영역, 층 또는 섹션이 될 수도 있다.
공간적으로 상대적인 위치를 나타내는 용어로서, "내부(inner)", "외부(outer)", "밑(beneath)", "아래(below)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등등의 표현은, 도면에서 한 요소 또는 구성의 다른 요소 또는 구성에 대한 관계를 쉽게 설명하기 위해 사용한 것이다. 이러한 용어들은 도면에 나타난 방향 뿐만 아니라, 사용 중 또는 작동 중에 있는 장치에 있어서 다른 방향도 포함할 수 있다. 예를 들어, 도면의 장치가 뒤집어지는 경우, 다른 요소나 구성에 대하여 "아래" 또는 "밑"에 있는 것으로 설명된 요소들은 다른 요소 또는 구성에 대하여 "위"로 향하게 될 것이다. 따라서, "아래"와 같은 용어는, 위와 아래를 모두 나타내는 의미를 갖고 있을 수 있다. 장치들은 다른 방향으로 향할 수 있고(90도 회전 또는 다른 각도로 회전), 이에 따라 위치를 상대적으로 해석할 수 있다.
가변 클래스 특성 증폭기를 도면을 참고하여 여러가지 실시예를 통해서 설명하도록 한다. 도 1은 가변 클래스 특성 증폭기(10)를 블록다이어그램으로 설명하고 있다. 입력신호가 입력모듈(12)에 인가된다. 입력신호는 무선주파수(RF) 대역에서 작동하는 신호를 포함하는 다수의 진동신호 중 어떤 것이든 상관없다. 입력모듈(12)은 입력신호를 수신하여, 이 입력신호를 한 쌍의 스위치모듈(14a, 14b)로 전송한다. 입력모듈(12)은 입력모듈(12)과 스위치모듈(14a, 14b) 사이에서 임피던스 변환을 제공한다.
스위치모듈(14a, 14b)은 입력모듈(12)에서 나오는 신호를 수신하여 결합 모듈(16)에 입력되는 증폭된 신호를 생성한다. 결합 모듈(16)은 각각의 스위치모듈(14a, 14b)에서 나오는 증폭된 신호들을 결합하고, 출력 모듈(18)로 들어가는 신호를 생성한다. 다른 실시예로서, 결합 모듈(16)은 또한 스위치모듈(14a, 14b)과 출력 모듈(18) 사이에서 임피던스 변환을 제공한다.
출력 모듈(18)은 결합 모듈(16)에서 나오는 신호를 수신하고, 다양한 실시예로서, 출력 모듈(18)에서 나오는 출력신호를 생성하도록 필터링 및/또는 조절(conditioning)을 할 수 있다. 이 출력신호는 부하(20)에 가해진다. 여러 실시예로서, 부하(20)는 RF 신호로 구동되는 다수의 소자들 내지 장치들 중 하나일 수 있는데, 예를 들어 플라즈마 챔버(plasma chamber)와 같은 것이 있는데 이는 단지 예를 든 것일 뿐 이것으로 제한하는 것은 아니다.
도 2는 다양한 소자들이 도 1의 모듈 부분들을 형성하고 있는 회로를 나타내고 있다. 입력신호가 입력모듈(12)에 가해지는데, 입력모듈은 인덕터(L1), 커패시터(C1), 및 변압기(T1)를 포함하고 있다. 인덕터(L1)와 커패시터(C1)는 함께 작동하여 LC 회로를 제공하게 되며, 이 LC 회로는 50 옴(ohm)과 같은 미리정해진 소정의 입력 임피던스와 매칭되도록 임피던스 변환을 수행한다. 변압기(T1)는 주요 1차 권선에서 입력신호를 수신하고, 이 입력신호를 코어를 가로질러 변환하여 변압기(T1)의 이차 권선으로 보낸다. 여러 실시예에 있어서, 변압기(T1)는 유동 센터 탭(floating center tap)을 갖는 싱글 엔드형(single ended) 밸런스 변압기이다. 변압기(T1)의 이차 권선은 각각의 스위치 모듈(14a, 14b)에 연결되어 있다. 스위치모듈(14a)은 블로킹 커패시터(Ca)와 스위칭 소자(Q1)를 포함하고 있다. 이처럼, 스위치모듈(14b)은 블로킹 커패시터(Cb)와 스위치 소자(Q2)를 포함하고 있다. 여러 실시예의 경우, 스위치 소자(Q1, Q2)는 MOSFET 장치를 포함하여 여러가지 유형의 트랜지스터 스위치 소자 중 하나로서 구현될 수 있다. 스위치 소자(Q1, Q2)의 출력 단자들 또는 드레인들은 커패시터(C2)에 의해 연결되어 있다. 다른 실시예의 경우, 커패시터(C2)는 각 스위치(Q1, Q2)의 드레인-소스 출력 커패시턴스에 의해 스위치(Q1, Q2)를 가로질러 제공될 수 있다. 다른 실시예의 경우, 커패시터(C2)는 외부 커패시터로 구현될 수 있다.
각 스위치 소자(Q1, Q2)의 출력부는 출력 변압기(T2)의 주요 권선의 대향하는 단자들에 연결된다. 결합 모듈(16)은 인덕터(L3, L4), 전압원(Vdd), 커패시터(C3), 인덕터(L2), 저항(R1), 및 변압기(T2)를 포함하고 있다. 전압원(Vdd)은 저항(R1)과 인덕터(L2)의 병렬 연결부와 직렬로 변압기(T2)의 주요 권선의 센터 탭에 연결되어 있다. 따라서, 전력공급피드 RF 초크(choke)는 대부분 출력 변압기(T2)의 주요 권선의 센터 핀에 의해 제공되며, 각각의 스위치 소자(Q1, Q2)에 대해 전력공급 RF 초크를 제공한다. 커패시터(C3)는 입력 전압(Vdd)을 필터링한다. 여러 실시예에 있어서, 인덕터(L3, L4)는 외부 인덕터로서 구현되거나, 변압기(T2)의 누설 인덕턴스(leakage inductance)에 의해 제공될 수 있다. 저항(R1)은 높은 전압정재파비(VSWR)의 과도(transient) 또는 아웃오브밴드(out of band) 에너지 소산을 보상할 수 있다.
상술한 것처럼, 인덕터(L3, L4)는 출력 변압기(T2)의 누설 인덕턴스에 의해 제공될 수 있다. 출력 변압기(T2)는 필요한 임피던스 변환 및 누설 인덕턴스를 제공하도록 권선비(turns ratio)를 갖는 평형 출력변압기(balanced output transformer)일 수 있다. 여러 실시예에 있어서, 변압기(T2)의 이차 권선은 50Ω의 부하(load)에 연결되고, 변압기(T2)는 50Ω의 인덕턴스를, 주요 권선에서의 선택된 임피던스로 변환시키며, 이는 스위치 소자(Q1, Q2)의 출력 단자들 사이에서 보았을 때 부하 임피던스가 된다. 프린트 회로보드는 예를 들어 스위치 소자(Q1, Q2)의 출력 단자로부터, 주요 권선의 입력부까지 트랙을 형성하여, 트랙의 길이와 폭에 따라 추가로 인덕턴스를 부가한다.
스위치 모듈(14a, 14b)은 결합 모듈(16)을 가로질러 푸시-풀 구조로 배열되어 있다. 더 상세하게는, 스위치 소자(Q1, Q2)의 출력 단자는 인덕턴스(L3, L4)를 통해 변압기(T2)의 주요 권선의 단자에 연결된다. 이러한 구조에 의해, 변압기(T2)를 가로질러 형성된 푸시-풀 형태로 배열이 이루어지고, 스위치 소자(Q1, Q2)의 각각의 출력 단자에 대한 전압 공급(Vdd)은 변압기(T2)의 주요 권선의 센터 핀에 의해 제공된다. 따라서, 전압 공급(Vdd)은 공급 전압을 공급피드 RF 초크(L2)를 통해 스위치 소자(Q1, Q2)의 출력 단자에 제공한다.
변압기(T2)의 이차 권선은 접지되어 있는 제1 단자와 출력 모듈(18)에 연결된 제2 단자를 구비하고 있다. 출력 모듈(18)은 커패시터(C5, C7)를 포함하며, CLC 네트워크에 배열된 인덕터(L6)를 포함하고 있다. 출력 모듈(18)은 출력신호를 부하(20) 쪽으로 생성하는데, 부하는 도 2에서 플라즈마 챔버로 표시되어 있다. 그러나, 당업자라면 부하(20)가 플라즈마 챔버가 아닌 다른 것일 수 있으며, RF 신호 입력과 같이 진동하는 파워신호 입력에 반응하는 부하일 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 출력 모듈(18)의 CLC 회로는 변압기(T2)의 이차 권선과 플라즈마 챔버 사이에 연결된 직렬 출력 커패시턴스(series output capacitance)를 포함하는 회로로서 구현될 수 있다.
여러 실시예에서, 직렬 출력 커패시턴스는, 출력 CLC 네트워크의 직렬 용량성 리액턴스로부터 변압기(T2)의 주요 권선으로 변환된다. 주요 권선측의 직렬 출력 커패시턴스를 생략하는 것은 여러 실시예의 경우 매우 유용한데, 그 이유는 DC 디커플링이 필요하지 않고, 또한 피크 전류값이 이차 권선측에서 더 낮기 때문이다. 유사하게, 저항이 출력 모듈(18)의 출력 CLC 네트워크의 실수부(real part)에 의해 제공되며, 이는 다시 변환율에 따라 변환된다. 여러 실시예에서, 출력 네트워크 Q=2는 낮고, 이 출력 네트워크에 의해 대역폭이 더 커지고 안정성이 향상된다.
여러 실시예의 경우, 도 1 및 도 2의 시스템은 첫 번째 구조(configuration)로서 클래스 AB 특성 모드로, 두 번째 구조로서 클래스 E 특성 모드로, 그리고 클래스 AB 특성 및 클래스 E 특성의 중간에 있는 모드로 작동될 수 있다. 소정의 입력 신호에 대하여, 회로는 첫 번째 구조의 클래스 AB 특성 모드와 두 번째 구조의 클래스 E 특성 모드 사이에서 튜닝(tune)된다. 비제한적인 한 예로서, 커패시터(C5, C7)의 값을 변화시킴으로써, 소정의 입력 신호에 대하여 클래스 AB 특성 및 클래스 E 특성 사이에서 작동이 이루어질 수 있다. 여러 실시예의 경우, 출력 CLC 네트워크에서 C7과 C5를 조절하면, 가변 클래스 특성 전력 증폭기(10)는클래스 AB 특성과 클래스 E 특성 사이에서 연속적으로 변하도록 작동한다. 여러 실시예의 경우, 커패시터(C7)의 값을 올리게 되면, 클래스 E 특성 쪽으로 그리고 클래스 AB 특성으로부터는 멀어지도록 작동이 튜닝된다. 마찬가지로, 커패시터(C7)의 값을 낮추면, 가변 클래스 증폭기(10)의 작동은 클래스 E 특성 작동으로부터 클래스 AB 특성 작동 쪽으로 변할 수 있다. 또한 커패시터(C5)의 값을 바꿈으로써, 또한 클래스 E 특성과 클래스 AB 특성 사이에서 작동할 수 있다. 여러 실시예들이, 푸시-풀 구조로 클래스 E 특성의 작동을 갖는 전력 증폭기를 제공하고 있다. 또한, 여러 실시예들은, 클래스 AB 특성의 작동 및 클래스 E 특성의 작동 사이에서 튜닝될 수 있는 증폭기를 개시하고 있다.
클래스 E 특성의 작동과 클래스 AB 특성의 작동 사이에서 튜닝함에 있어서, 실시예들은 아래와 같은 절차를 이용하고 있다. C7의 값이 약 15% 증가될 수 있다. 이로써 변압기의 이차권선(및 주요권선)에서의 임피던스의 실수부는 15% 만큼 증가하게 되고, 따라서 상응하는 네트워크의 직렬 LC 공진(resonance)의 Q가 감소된다. 또한, C7을 변경하면 직렬 LC 공진의 중심 주파수를 감소시키는 효과가 발생하고, 공진 주파수의 중심이 다시 조정된다. 이어서 C5의 값은 약 6% 정도 감소된다. 클래스 AB 특성의 작동으로부터 클래스 E 특성의 작동으로 튜닝하기 위해서는, 상술한 내용과 반대로 하면 된다. 클래스 AB 특성으로부터 클래스 E 특성으로 전환시키는 다른 실시예의 경우, 출력 임피던스의 실수부는 약 33% 정도 감소하고, 출력 임피던스의 허수부는 약 50% 정도 감소하는데, 이는 도 7에서 볼 수 있다.
여러 실시예의 경우, 트랜지스터 도통각(conduction angle)은 거의 변하지 않지만, 0V에서의 또는 0V 근처에서의 드레인 전압은 변한다. 클래스 AB 특성의 작동에서, 드레인 전압은 최대 출력 파워로 0V에서 거의 시간을 소비하지 않는다. 클래스 E 특성의 작동에서, 드레인 전압은 0V에서의 또는 0V 근처에서 다운 사이클의 연장부를 소비한다. 트랜지스터가 낮은 드레인 전압 상태에서 전도하는 경우, 트랜지스터의 손실은 낮고 따라서 전력 증폭기의 효율은 높아진다. 또한, 클래스 AB 특성의 작동시, 스위치 소자(Q1, Q2)는 보통 도시된 바와 같이 일반적인 도통각으로 직류(DC)에 의해 바이어스된다. 따라서, 가변 클래스 특성 증폭기(10)를 통해서, 클래스 E 특성의 작동 및 클래스 AB 특성의 작동과 같이 다양한 증폭기 클래스의 특성을 갖는 모드 사이에서 조절을 할 수 있다.
도 3a 내지 도 3c는 여러 실시예에 따라 배열된 60 MHz 가변 클래스 특성 전력 증폭기에 대한 한 실시예를 기준으로, 스위치 모듈(14a, 14b)의 출력 단자(Q1, Q2의 드레인)에서의 전압과 전류의 파형을 나타낸 도면이다. 도 3a 내지 도 3c를 보면, 클래스 E 특성의 작동모드, 중간 특성의 작동모드, 및 클래스 AB 특성의 작동모드 각각에 대하여, 출력 단자 전압과 출력 단자 전류 사이의 관계를 볼 수 있다. 파형 24v E 및 24i E는, 클래스 E 특성의 작동에 대한 푸시-풀 구조의 제1 트랜지스터의 드레인에서의 각 전압과 전류를 표시한다. 파형 26v E 및 26i E는, 클래스 E 작동특성에 대한 푸시-풀 구조의 제2 트랜지스터의 드레인에서의 각 전압과 전류를 표시한다. 마찬가지로, 파형 24v I 및 24i I는, 클래스 E 작동특성과 클래스 AB 작동특성의 중간에 있는 작동에 대한 푸시-풀 구조의 제1 트랜지스터의 드레인에서의 각 전압과 전류를 표시한다. 파형 26v I 및 26i I는, 클래스 E 작동특성과 클래스 AB 작동특성의 중간에 있는 작동에 대한 푸시-풀 구조의 제2 트랜지스터의 드레인에서의 각 전압과 전류를 표시한다. 또한, 파형 24v AB 및 24i AB는, 클래스 AB 작동특성에 대한 푸시-풀 구조의 제1 트랜지스터의 드레인에서의 각 전압과 전류를 표시한다. 파형 26v AB 및 26i AB는, 클래스 AB 작동특성에 대한 푸시-풀 구조의 제2 트랜지스터의 드레인에서의 각 전압과 전류를 표시한다.
도 3a 및 도 3c에서 볼 수 있듯이, 파형 24v E 및 26v E는 파형 24v AB 및 26v AB 보다 더 높은 피크를 갖는다. 또한 파형 24i E 및 26i E는 파형 24i AB 및 26i AB 보다 더 긴 주기동안 0 전류를 유지한다. 클래스 E에 대한 도 3a의 파형은 클래스 AB에 대한 도 3c의 파형과 비교하여 약 10% 정도 효율이 증가한 것을 보여준다.
여러 실시예에서, 출력 모듈(18)의 출력 CLC 네트워크는 또한 전력 증폭기의 과도(transient) 또는 아웃오브밴드(out of band) 에너지를 필터링하는 이점을 제공한다. 예를 들어, 여러 실시예에 있어서, 선택된 과도 또는 아웃오브밴드 에너지는 28 dB에서 55 dB로 감소하고, 다른 과도 또는 아웃오브밴드 에너지는 33 dB에서 58 dB로 감소한다. 출력 모듈(18)의 CLC 네트워크는 또한 손실을 부가함으로써 스위치 모듈(14a, 14b)을 부하 부정합(load mismatch)과 분리하고, 비선형 부하에 의해 발생된 돌아온 과도 에너지 또는 아웃오브밴드 에너지를 감소시킨다. 과도 에너지와 아웃오브밴드 에너지는 높은 전압정재파비(VSWR)에 대하여 급격히 증가한다. 저항(R1)에 의해, 반사된 파워의 일부는 소산된다.
도 4는 여러 실시예에 따라 배열되어 있는 가변 클래스 특성 증폭기(10)에 있어서, 제1 스위치 소자(Q1)의 출력 단자(드레인)에 대한 전압 파형(30)과, 제2 스위치 소자(Q2)의 출력 단자(드레인)에 대한 전압 파형(32)을 보여준다. 도 4의 파형은 클래스 E 특성 모드에서의 작동에 해당하며, 약 600 와트의 출력 파워와 16 dB의 RF 이득에 대하여 약 78% 정도의 효율을 나타낸다. 도 4에서 볼 수 있듯이, 0볼트 부근에서의 파형의 모양을 보면, 출력 변압기(T2)가 각각의 스위치 소자의 드레인들 사이에 유한한 격리(finite isolation)를 갖고 있다는 것을 알 수 있다. 이러한 유한한 격리에 의해, 피크 부근의 다른 스위치 소자와 가까운 곳에서 언제 신호 브레이크쓰루(breakthrough)를 볼 수 있는지를 알 수 있다. 도 4는 또한 50 Ohm 부하에 적용된 출력 변압기(T2) 전압을 나타내는 파형(34)을 나타낸다.
도 5는 가변 클래스 특성 파형의 작동이 클래스 AB 특성 쪽으로 이동할 때 스위치 소자(Q1) 또는 스위치 소자(Q2)의 출력 단자(드레인) 전압(38)을 보여주고 있다. 파형(38)은 클래스 AB 영역이 약 450 와트 출력 파워에서 종결된다는 것을 보여준다. 클래스 AB 특성은 약 0 와트에서 약 450 와트 사이에 있고, 약 450 와트에서 최대 효율에 도달한다. 효율은 파워가 높을 때 더 높아지며, 가변 클래스 전력 증폭기(10)가 클래스 E 특성의 작동에 들어가면 계속해서 더 높게 유지된다. 가장 높은 효율은 파워 공급 전압에 따라 달라지는 P3dB 압축 포인트에서 증폭기가 포화(saturate) 되는 경우에 발생한다.
여러 실시예에 있어서, 출력 변압기(T2)는 발룬 변압기(balun transformer)로 구현될 수 있고, 출력 모듈(18)의 CLC 출력 네트워크 임피던스를 더 낮은 실수(real) 임피던스와 허수(imaginary) 임피던스로 변환시킨다. 따라서, CLC 네트워크는 스위치 소자(Q1, Q2)의 출력에서 실수 성분과 허수 성분을 조절할 수 있다. 비제한적인 예로서, 출력 모듈(18) 요소의 여러 값들은, 클래스 AB 특성의 작동과 클래스 E 특성의 작동 사이의 중간지점에서 튜닝을 할 수 있다. 여러 실시예에서, 출력 모듈(18)의 CLC 네트워크는 출력 변압기(T2) 이차권선에서 직렬로 50Ω에서 49Ω - j68Ω(39pF)로 변환되며, 이는 스위치 소자(Q1, Q2)의 푸시-풀 출력 단자들 사이에서 5.2Ω + j 3.1Ω(7.9nH)의 임피던스로서 변환된다. 이는 변압기 손실 인덕턴스를 포함한다. 여러 실시예에 있어서 측정한 이득은 600W 출력과 78%의 효율에 대하여 대략 16.1dB이다.
도 6을 보면, 여러 실시예에 있어서, 출력 모듈(18)을 조절함으로써 생기는 영향을 나타내는 스미스 차트(Smith Chart)가 설명되어 있다. 구체적으로, 출력 모듈(18)의 커패시터(C5, C7)와 인덕터(L6)는, 가변 클래스 특성 전력 증폭기(10)의 작동에 영향을 주도록 클래스 AB 특성의 작동과 클래스 E 특성의 작동 사이에서 변경될 수 있다. 도 6에서 볼 수 있듯이, 출력 모듈(18)의 커패시터(C7)의 값은 지점(42)에서 끝나는 아크(40)를 형성한다. 소정의 범위에 걸쳐서 커패시터(C7)의 값을 변경함으로써, 아크(40)를 따라 C7의 특정 값에 대응하는 한 세트의 지점(46)들을 형성한다. 이런식으로, 출력 모듈(18)의 인덕터(L6)의 값을 선택하면, 지점(42)에서 시작하여 지점(48)에서 끝나는 아크(50)를 따라 지점(48)을 결정하게 된다. t세트로 이루어진 지점(52)들은, 인덕터(L6)의 정해진 값에 대한 커패시터(C7)의 여러 값에 대응한다. 출력 모듈(18)의 커패시터(C5)의 값을 선택하면, 단부 지점(48)에서 시작하여, 아크(56)를 따라 단부 지점(54)에 도달하게 된다. 지점(54)들은 출력 부하와 함께 출력 CLC 네트워크의 임피던스를 결정한다. 도 6은 가변 커패시턴스(C5, C7)가 실수축과 허수축 모두에 있어서 두 개의 자유도를 제공하는 것을 나타내고 있다. 또한 도 6은, 여러 실시예에 있어서, 클래스 AB 특성과 클래스 E 특성 사이에서 전력 증폭기(10)의 작동을 변화시키기 위해, 주로 커패시터(C7)를 조절하고 커패시터(C5)는 덜 조절하는 것을 나타내고 있다.
도 7은 가변 클래스 특성 증폭기(10)에 대한 소정의 튜닝과 관련된 스미스 차트(Smith chart)를 나타내고 있다. 데이타 지점(60)은 여러 실시예에 있어서 클래스 E 특성의 작동에 대한 소정의 튜닝을 위한 CLC 임피던스를 나타낸다. 데이타 지점(62)은 여러 실시예에 있어서 클래스 AB 특성의 작동에 대한 소정의 튜닝을 위한 CLC 임피던스를 나타낸다. 데이타 지점(64)은 여러 실시예에 있어서 클래스 E와 클래스 AB의 중간에서의 작동에 대한 소정의 튜닝을 위한 CLC 임피던스를 나타낸다
도 8은 여러 실시예에 있어서 가변 클래스 특성 증폭기(70)를 나타낸다. 여기에서 가변 클래스 증폭기는 싱글 엔드형(single-ended) 증폭기로서 기술할 것이다. 여러 실시예에 있어서, 가변 클래스 증폭기(70)는 입력 모듈(72)에 가해지는 입력신호를 수신하고, 입력 모듈은 입력 모듈(72)에 대한 입력과 스위치 모듈(74) 사이에서 임피던스 변환을 한다. 입력 모듈(72)로부터의 출력은 스위치 모듈(74)에 가해지고, 스위치 모듈은 출력 모듈(76)에 스위치 신호를 제공하도록 입력 신호에 대하여 응답한다. 따라서, 출력 모듈(76)은 부하(78)에 가해지는 출력 신호를 생성한다.
도 9는 도 8의 적어도 일부분에 대응하는 회로를 설명하고 있다. 입력 모듈(72)은 입력 신호를 수신한다. 입력 모듈(72)은 CLC 회로를 포함하며, 이 회로는 커패시터(C10, C11))와 인덕터(L10)를 구비하고 있다. 입력 모듈(72)의 일부를 형성하는 CLC 회로에서 나오는 출력은 DC 차단 커패시터(C12)를 통해 스위치 소자(Q10)의 게이트에 가해진다. 스위치 소자(Q10)는 도 9에 MOSFET으로 도시되어 있고, 당업자라면 MOSFET 이외에 다른 종류의 스위치 소자를 사용할 수 있다는 것을 충분히 인지할 수 있다. 스위치 소자(Q10)의 게이트는 Vgate와 저항(R10)으로 형성된 전압원에 의해 바이어스된다.
가변 클래스 특성 증폭기(70)는 싱글 엔드형 증폭기로 설치되어 있다. 따라서, 스위치 소자(Q10)의 드레인은 인덕터(L12)와 직렬로 되어 있는 인덕터(L11)를 통해서 전압원(Vdd)에 연결되어 있다. 스위치 소자(Q10)의 출력은 출력 모듈(76)에 입력되며, 출력 모듈은 커패시터(C13)와 인덕터(L12)와 커패시터(C14)를 포함하고 있는 CLC 회로를 포함한다. 출력 모듈(76)로부터 나오는 출력은 부하(78)에 가해지는데, 이 부하는 저항(RL)으로서 도 9에 도시되어 있다.
작동시, 도 8 및 도 9에서 설명한 가변 클래스 특성의 원리는 도 1 및 도 2의 경우와 비슷하지만, 가변 클래스 특성 증폭기(70)는 푸시-풀 구조로 설치된 한 쌍의 스위치 소자가 아닌 싱글 엔드형 증폭기로서 사용된다. 출력 모듈(76)의 저항(RL)과 커패시터(C14)의 값을 변경시킴으로써, 가변 클래스 특성 증폭기(70)의 작동은 클래스 AB 특성의 작동과 클래스 E 특성의 작동 사이에서 변할 수 있다. 또한, 작동시, 여러 실시예의 경우 클래스 AB 특성으로부터 클래스 E 특성으로 이동하기 위해, 커패시터(C14)의 값은 올라가고 RL은 낮아지며, 이로써 주어진 소정의 입력 신호에 대하여 증폭기(70)의 클래스 특성을 변화시킬 수 있다.
도 10a 내지 도 10c는 여러 실시예에 있어서 60MHz 싱글 엔드형 가변 클래스 특성 전력 증폭기를 사용하는 실시예에 대하여, 출력 단자(Q10의 드레인)에서 전압 및 전류 파형을 보여주는 도면이다. 도 10a 내지 도 10c는, 클래스 E 작동 모드, 중간 작동 모드 및 클래스 AB 특성 작동 모드 각각에 대하여, 출력 단자 드레인 전압 80v와 출력 단자 드레인 전류 80i 사이의 관계를 나타내고 있다. 파형 80v E 및 80i E는 클래스 E 특성의 작동에 대하여 싱글 엔드형 구조에서, 트랜지스터의 드레인에서의 각각의 전압 및 전류 파형을 나타낸다. 비슷하게, 파형 80v I 및 80i I는 클래스 E 특성과 클래스 AB 특성의 중간의 작동에 대한 싱글 엔드형 구조에서, 트랜지스터의 드레인에서의 각각의 전압 및 전류 파형을 나타낸다. 또한, 파형 80v AB 및 80i AB는 클래스 AB 특성의 작동에 대하여 싱글 엔드형 구조에서, 트랜지스터의 드레인에서의 각각의 전압 및 전류 파형을 나타낸다.
도 10a 및 도 10c를 비교함으로써 알 수 있듯이, 파형 80v E는 파형 80v AB 보다 더 높은 피크를 갖고 있다. 또한, 파형 80i E는 파형 80i AB 및 26i AB보다 더 긴 주기 동안 0 전류를 유지하고 있는 것을 알 수 있다. 클래스 E에 대한 도 10a의 파형은 클래스 AB에 대한 도 10c의 파형에 대하여 약 10% 정도 효율이 증가한 것을 나타낸다.
여기에서 설명하는 가변 클래스 특성 증폭기에 대한 여러 실시예들은 과도 및 아웃오브밴드 에너지를 파워 공급 피드 저항(R1)으로 보내고, 이로써 출력 파워와 VSWR 부하가 높은 상태에서 트랜지스터의 신뢰성과 회로의 안전성이 높아지게 된다. 여러 실시예에서, 모든 상태의 무한한 VSWR 부하로 회로를 안정적으로 작동시키는 것은, 발룬 변압기일 수 있는 입력 변압기(T1)의 중심 탭을 접지하지 않음으로서 향상된다. 접속이 이루어지지 않도록 함으로써, 스위치 모듈(14a, 14b)의 입력측으로부터 튜닝된 공진이 제거되는데, 만일 이렇게 하지 않으면 높은 RF 파워가 부정합 부하(mismatch load)로부터 트랜지스터 드레인으로 다시 반사되어 돌아갈 때 회로의 작동을 방해할 것이다. 여러 실시예에서, 반사된 RF는 Cgd 커패시턴스 때문에 트랜지스터 게이트에 도달하게 되고, 전반적인 전력 증폭기 S-매개변수(S12) 특성을 갖게 된다.
여러 실시예에서, 출력 파워가 높고, VSWR 부하가 높을 때, 과도 에너지와 아웃오브밴드 에너지는 출력 변압기(T2)의 중앙 탭에서 나타날 수 있는 반면, 기본 에너지(fundamental)는 그렇지 않다. 여러 실시예에서, 비제한적인 예로서, 5 내지 10Ω정도인 R1 저항값은 VSWR 부하로부터, 반사된 파워의 일부를 효과적으로 덤프(dump)할 수 있고, 따라서 푸시-풀 트랜지스터를 지나치게 높은 전압과 전류와 격리하여 보호할 수 있다. 이로써 회로의 안전성이 향상되고 허위 출력을 방지할 수 있다.
여러 실시예에서, 출력 모듈(18, 76)의 소자들은, 효율적이면서 부하의 풀(pull) 안정성을 갖는 상태로 요구되는 클래스 특성의 작동을 실현하도록 튜닝된다. 일반적으로, 스위치 모듈(14a, 14b, 74)의 도통각이 크면 클수록 그리고 스위치 모듈(14a, 14b, 74)의 출력이 정합 임피던스 상태에 있는 시간이 길면 길수록, 안전성의 범위가 커지게 되고, 따라서 높은 VSWR 부하의 상태에서 허위 출력이 발생할 가능성이 낮아지게 된다.
여러 실시예들에 의해, 효율을 향상시킬 수 있고, 따라서 낮은 유지비용과 더 나은 안정성을 가질 수 있다. 또한, 클래스 AB 특성과 클래스 E 특성 사이에서 융통성있게 튜닝함으로써, 반응성이 더 좋은 파워 제어를 실현할 수 있다. 클래스 E 특성 모드로 작동하는 동안, 여러 실시예들은 시스템 출력 파워 제어의 반응성을 감소시키는 다이나믹 파워 범위의 상단(top)에서 더 부드러운 한계를 갖고 있는데, 일부의 경우에는 바람직하지 않을 수도 있다. 또한, 여러 실시예들은, 소자의 개수를 줄이는 최소 설계를 통해 설계 비용을 낮출 수 있다. 가변 클래스 특성 전력 증폭기(10, 70)가 덜 복잡하게 되면, 크기를 줄일 수 있고, 결국 파워의 밀도를 향상시킬 수 있게 된다. 여러 실시예들은 또한 스위치 모듈(14a, 14b, 74) 트랜지스터의 스트레스를 줄이고 소자의 수량을 줄임으로써 신뢰도를 개선할 수 있다.
여러 실시예들은 또한 개방향 케이블 부하(무한 VSWR)에 안정성을 개선시켜, 매우 낮은 레벨의 허위 출력만 생성하고 있다. 이는, 예를 들면, 과도 및 아웃오브밴드 에너지가 10 옴(Ohm)의 부하와 부동 입력 변압기(floating input transformer)에 흡수되도록 함으로써 이루어질 수 있다. 또한 여러 실시예들은, 출력 모듈(18, 76) 튜닝의 낮은 통과 특성 때문에, 과도 및 아웃오브밴드 에너지를 제한하고 있다. 절연기(isolator)에서 처럼, 높은 반사 파워는 저항성 부하 속으로 소산된다. 기본 주파수는 변압기(T2) 중심 탭에서 감소되기 때문에, 일반적으로 작동하는 동안 성능에 미치는 효과는 미미하다.
클래스 AB 특성 작동에 대하여 튜닝되는 여러 실시예에 있어서, 스위치 모듈(14a, 14b)의 출력 사이에 제공되는 부하 라인은, 최대 파워 전송 및 이득에 대해 최적화되어 있다. 이렇게 얻은 파형은, 클래스 AB 특성 작동의 경우에 예상되는 파워 공급 전압(Vdd)의 거의 두 배가 된다. 여러 실시예에 있어서, 클래스 E 특성 작동에 대하여 튜닝되는 경우, 저항 부하 라인은 더 낮은 임피던스로 튜닝되고, 따라서 직렬 공진기의 Q는 더 높다. 더 높은 Q를 갖는 이러한 부정합 부하 라인은 피크 출력 전압에 대하여 더 높은 피크가 되는데, 이는 출력 전압이 0V 근처에 있을 때 스위치 소자(Q1, Q2, Q10)가 전도상태에 있다는 것을 의미한다. 이로써 성능은 개선되지만, 이득과 출력 파워는 약간 낮아지게 된다.
여러 실시예에서, 출력 변압기(T2)는, 비제한적인 예로서 이차 출력에서의 49 옴 및 39pF(출력 모듈(18)의 CLC와 부하(20)의 50 옴에 의해 생성됨)의 직렬 저항과 커패시턴스를, 두 개의 트랜지스터 드레인 사이에서 주요 입력에서의 5.2 옴 및 7.9nH의 직렬 임피던스(변압기 손실 인덕턴스)로 전환하는 효과를 갖고 있다. 직렬 임피던스를 조절함으로써, 클래스 AB 켤레 정합(conjugate match)과 클래스 E 출력 진공기 사이에서 조절을 할 수 있다.
여러 실시예에서, 스위치 모듈(14a, 14b)의 출력 파형은, 포화 전에 다이나믹 범위의 마지막 부분까지 클래스 AB 증폭기와 형태가 비슷하며, 클래스 E 증폭기의 특성을 갖는 영역에 들어간다. 요구사항에 따라, 클래스 E 특성의 작동 범위를 튜닝하는 출력 모듈(18, 76)은 최대 출력 파워와 부하 풀(pull) 안전성을 위해 클래스 AB 특성의 작동 쪽으로 또는 피크 효율을 위해 클래스 E 쪽으로 좀더 튜닝될 수 있다.
여러 실시예들은 푸시-풀 전력 증폭기 토폴로지 회로 구조와 출력 네트워크 튜닝을 제공하고, 이로써 동일한 인쇄 회로 보드 구조를 이용하여 클래스 AB 특성의 작동 및 클래스 E 특성의 작동 사이의 연속하는 영역에 대하여 가변 클래스 특성 전력 증폭기(10, 70)를 조절하거나 튜닝할 수 있다. 이로써, 여러가지 실시예에서, 최대 효율로 가변 클래스 특성 전력 증폭기(10, 70)가 튜닝될 수 있고, 따라서 모든 상태에서 무한 VSWR로 안정적인 작동을 충족시킬 수 있다. 여러 실시예에서, 직렬 인덕턴스는, 변압기의 이차권선 쪽으로 움직이고 CLC 임피던스 변환 네트워크에 의해 제공되는 직렬 커패시턴스와 변압기(T2) 손실에 의해 제공된다. 여러 실시예들은 RF 전력 증폭기 또는 RF 생성기의 출력 단계에서 사용할 수 있다. 낮은 MHz에서 GHz까지의 주파수 대역에 대해, 상응하는 출력 네트워크 구조를 합성할 수 있다.
전력 증폭기(10, 70)는 더 낮은 출력 파워에서 작동하지만, 효율이 더 우수하다. 여러 실시예에서, 전력 증폭기의 출력 튜닝은 개별적으로 또는 모듈(18)과 정합 네트워크의 결합을 통해서 이루어질 수 있다. 여러 실시예에서, 회로의 구조는, 과도 에너지 및 아웃오브밴드 에너지에 대하여 에너지를 소산하는 부하를 제공함으로써 스위치 모듈(14a, 14b) 출력으로부터 무한 VSWR 부하를 제한하고 있고, 따라서 낮은 RF 주파수에서는 유용하지 못한 RF 격리기에 대하여 부분적으로 대안이 될 수 있다. 다른 여러 실시예들은 클래스 E 특성 작동에 대하여 직렬 용량성 정합을 갖는 임피던스 변환을 제공한다. 또한, 출력 모듈(18, 76)의 출력 CLC 임피던스 변환 네트워크는, 격리하지 않고 두 개의 푸시-풀 증폭기 출력을 직접 결합하는 것을 제공한다.
상술한 실시예에 대한 설명은 이해를 돕고자 예시적으로 기재하였다. 이러한 기재내용은 본 발명을 제한하려는 것도 아니며 본 발명을 완전하게 기술한 것도 아니다. 특정 실시예에 대한 각각의 요소나 특징은 그 실시예로 제한되는 것이 아니며, 특별히 도면이 없거나 설명이 없어도 다른 실시예에서도 상호교환적으로 사용할 수도 있다. 또한, 여러가지 방식으로 변형될 수도 있다. 이러한 변형은 본 발명의 출발점으로 간주되는 것은 아니며, 어떠한 형태로 변형하든 본 발명의 범위 내에 포함된다.

Claims (46)

  1. 전력 증폭기로서,
    입력 신호를 수신하여 입력 신호에 따라 스위치 모듈 신호를 생성하는 스위치 모듈; 및
    상기 스위치 모듈 신호를 수신하여 출력 신호를 생성하는 출력 모듈;을 포함하고,
    상기 전력 증폭기는 복수의 전력 증폭기 클래스의 특성을 갖는 복수의 모드로 작동하고, 상기 출력 모듈의 구조(configuration)는 입력 신호에 대하여 복수의 모드들 사이에서 작동하도록 가변적인 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스위치 모듈은 스위치 소자를 포함하고, 상기 스위치 소자는 상기 스위치 소자를 가로질러 전류와 전압을 생성하도록 입력 신호에 응답하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 출력 모듈은 하나 이상의 용량성 소자와 유도성 소자를 포함하고, 상기 용량성 소자의 값은 제1 모드로 작동하도록 증가되거나 감소된 값 중 하나 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 용량성 소자의 값은 제2 모드로 작동하도록 증가되거나 감소된 값 중 나머지 하나인 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 모드 중 하나는 클래스 AB이고 상기 복수의 모드 중 또 다른 하나는 클래스 E인 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 스위치 모듈은 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 트랜지스터는 MOSFET 장치인 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  8. 전력 증폭기로서,
    입력 신호를 수신하여 입력 신호에 따라 스위치 모듈 신호를 생성하는 스위치 모듈; 및
    상기 스위치 모듈 신호를 수신하여 출력 신호를 생성하고, 하나 이상의 커패시터와 인덕터를 포함하는, 출력 모듈;을 포함하고,
    상기 전력 증폭기는 복수의 전력 증폭기 클래스의 특성을 갖는 복수의 모드로 작동하고, 상기 커패시터의 값은 입력 신호에 대하여 복 수의 모드들 사이에서 작동하도록 가변적인 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 커패시터의 값은 제1 모드에서 작동하도록 증가되거나 감소된 값 중 하나인 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 커패시터의 값은 제2 모드에서 작동하도록 증가되거나 감소된 값 중 나머지 하나인 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 모드 중 하나는 클래스 AB이고, 상기 복수의 모드 중 다른 하나는 클래스 E인 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 스위치 모듈은 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 트랜지스터는 MOSFET 장치인 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  14. 전력 증폭기로서,
    입력 신호를 수신하여 입력 신호에 따라 제1 스위치 모듈 신호를 생성하는 제1 스위치 모듈;
    상기 제1 스위치 모듈과 푸시-풀 구조로 배열된 제2 스위치 모듈로서, 입력 신호를 수신하여 입력 신호에 따라 제2 스위치 모듈 신호를 생성하고, 상기 제1 및 제2 스위치 모듈 신호는 복합 스위치 모듈 신호를 생성하는, 제2 스위치 모듈;
    상기 복합 스위치 모듈 신호를 수신하여 출력 신호를 생성하는 출력 모듈;을 포함하고,
    상기 전력 증폭기는 복수의 전력 증폭기 클래스의 특성을 갖는 복수의 모드로 작동하고, 상기 출력 모듈의 구조는 입력 신호에 대하여 복수의 모드들 사이에서 작동하도록 가변적인 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 출력 모듈은 적어도 유도성 소자와 제1 용량성 소자를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 전력 증폭기는 제2 용량성 소자를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 제1 스위치 모듈은 제1 스위치 소자를 포함하고, 상기 제2 스위치 모듈은 제2 스위치 소자를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제1 스위치 소자는 제1 트랜지스터 장치를 포함하고, 상기 제2 스위치 소자는 제2 트랜지스터 장치를 포함하고, 상기 제1 트랜지스터와 제2 트랜지스터의 출력 단자들은 푸시-풀 구조를 형성하도록 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 출력 모듈은 주요 권선과 이차 권선을 구비한 변압기를 포함하고, 상기 제1 및 제2 트랜지스터의 출력 단자는 주요 권선의 제1 및 제2 단자 각각에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 주요 권선의 적어도 일부분을 통해 제1 및 제2 트랜지스터의 출력 단자들 중 하나 이상과 전기적으로 연결된 전압원을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 전압원과 상기 주요 권선의 적어도 일부의 사이에 놓여 있는 인덕턴스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  22. 제14항에 있어서,
    상기 출력 모듈은 인덕터와 제1 커패시터를 포함하는 네트워크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 출력 모듈은 제2 커패시터를 더 포함하고, 상기 제1 및 제2 커패시터와 인덕터는 CLC 네트워크 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  24. 전력 증폭기로서,
    입력 신호에 응답하며 입력 신호에 따라 제1 스위치 모듈 신호를 생성하는 제1 스위치 모듈;
    상기 제1 스위치 모듈과 푸시-풀 구조로 배열된 제2 스위치 모듈로서, 입력 신호에 응답하며 입력 신호에 따라 제2 스위치 모듈 신호를 생성하고, 상기 제1 및 제2 스위치 모듈 신호가 서로 작용하여 복합 스위치 모듈 신호를 생성하는, 제2 스위치 모듈;
    상기 복합 스위치 모듈 신호를 수신하여 출력 신호를 생성하고, 제1 용량성 소자와 유도성 소자를 포함하는, 출력 모듈;을 포함하고,
    상기 전력 증폭기는 복수의 전력 증폭기 클래스의 특성을 갖는 복수의 모드로 작동하고, 상기 용량성 소자의 값은 복수의 모드들 사이에서 작동하도록 가변적인 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 제1 스위치 모듈은 제1 스위치 소자를 포함하고, 상기 제2 스위치 모듈은 제2 스위치 소자를 포함하고, 상기 제1 및 제2 스위치 소자는 스위치 소자를 가로질러 전압 및 전류를 생성하도록 입력 신호에 응답하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  26. 제24항에 있어서,
    상기 용량성 소자는 제1 모드에서 작동하도록 증가되거나 감소된 것 중 하나인 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 용량성 소자는 제2 모드에서 작동하도록 증가되거나 감소된 것 중 나머지 다른 하나인 것인 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  28. 제26항에 있어서,
    상기 전력 증폭기는 제2 용량성 소자를 더 포함하고, 상기 제1 용량성 소자와 상기 제2 용량성 소자 및 상기 유도성 소자는 PI 네트워크에 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  29. 제24항에 있어서,
    상기 복수의 모드들 중 하나는 클래스 AB이고, 상기 복수의 모드들 중 다른 하나는 클래스 E인 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  30. 제24항에 있어서,
    상기 제1 스위치 모듈은 제1 스위치 소자를 포함하고, 상기 제2 스위치 모듈은 제2 스위치 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  31. 제30항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 스위치 소자는 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  32. 제24항에 있어서,
    상기 출력 모듈은 주요 권선과 이차 권선을 구비한 변압기를 포함하고, 상기 제1 및 제2 스위치 모듈은 각각 제1 및 제2 출력 단자를 포함하고, 상기 제1 및 제2 출력 단자는 주요 권선의 제1 및 제2 단자 각각에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  33. 제32항에 있어서,
    상기 주요 권선의 적어도 일부분을 통해 제1 및 제2 스위치 모듈의 출력 단자들 중 하나 이상과 전기적으로 연결된 전압원을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  34. 제33항에 있어서,
    상기 전압원과 상기 주요 권선의 적어도 일부분 사이에 놓여 있는 유도성 소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  35. 전력 증폭기로서,
    입력 신호에 응답하며 입력 신호에 따라 제1 스위치 장치 신호를 생성하는 제1 스위치 장치;
    상기 제1 스위치 장치와 푸시-풀 구조로 배열된 제2 스위치 장치로서, 입력 신호에 응답하여 제2 스위치 장치 신호를 생성하고, 상기 제1 및 제2 스위치 장치 신호는 서로 작용하여 복합 스위치 장치 신호를 생성하는, 제2 스위치 장치;
    상기 복합 스위치 장치 신호를 수신하여 출력 신호를 생성하고, 제1 커패시터와 인덕터를 포함하는, 출력 모듈;을 포함하고,
    상기 전력 증폭기는 클래스 AB 전력 증폭기 클래스 또는 클래스 E 전력 증폭기 클래스 중 하나의 특성을 갖는 복수의 모드로 작동하고, 상기 커패시터의 값은 복수의 모드들 사이에서 작동하도록 가변적인 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  36. 제35항에 있어서,
    상기 제1 스위치 장치와 제2 스위치 장치는 각각의 스위치 소자를 가로질러 전류와 전압을 생성하도록 입력 신호에 대하여 응답하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  37. 제35항에 있어서,
    상기 제1 커패시터의 값은 제1 모드에서 작동하도록 증가되거나 감소된 값 중 하나인 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  38. 제37항에 있어서,
    상기 제1 커패시터의 값은 제2 모드에서 작동하도록 증가되거나 감소된 값 중 나머지 하나인 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  39. 제35항에 있어서,
    상기 제1 커패시터의 값을 증가시킴으로써 클래스 E 모드로 작동하고, 상기 제1 커패시터의 값을 감소시킴으로써 클래스 AB 모드로 작동하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  40. 제35항에 있어서,
    상기 전력 증폭기는 제2 커패시터를 더 포함하고,
    상기 제1 커패시터와 상기 제2 커패시터 및 상기 인덕터는 PI 네트워크에 배열되어 있고, 상기 제1 커패시터는 상기 복합 스위치 장치 신호를 수신하는 단자의 맞은편에 있는 인덕터의 단자와 전기적으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  41. 제35항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 스위치 장치는 제1 및 제2 트랜지스터를 각각 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  42. 제41항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 트랜지스터는 MOSFET 장치인 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  43. 제35항에 있어서,
    상기 출력 모듈은 주요 권선과 이차 권선을 구비하는 변압기를 포함하고, 상기 제1 및 제2 스위치 장치는 제1 및 제2 출력 단자를 각각 포함하고, 상기 제1 및 제2 출력 단자는 상기 주요 권선의 제1 및 제2 단자에 각각 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  44. 제43항에 있어서,
    상기 전력 증폭기는, 상기 주요 권선의 적어도 일부분을 통해 제1 및 제2 스위치 장치의 출력 단자들 중 하나 이상과 전기적으로 연결된 전압원을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  45. 제43항에 있어서,
    상기 전력 증폭기는 상기 주요 권선의 적어도 일부분과 상기 전압원 사이에 놓여 있는 전압원 인덕터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  46. 제45항에 있어서,
    상기 전력 증폭기는 상기 전압원 인덕터와 병렬로 배치된 저항성 소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
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