KR20160113349A - 전력 증폭기 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 증폭기는, 입력 신호를 증폭하는 증폭부; 증폭된 신호를 피드백하는 피드백부; 및 입력 신호의 에너지의 크기에 기초하여 피드백되는 신호의 크기를 제어하는 피드백 제어부; 를 포함하고, 피드백 제어부는 입력 신호의 에너지가 클수록 피드백되는 신호의 크기가 커지도록 제어함으로써, 선형성을 향상시킬 수 있다.

Description

전력 증폭기{Power amplifier}
본 발명은 전력 증폭기에 관한 것이다.
최근, 무선 송수신 시스템에서 높은 데이터 전송률에 대한 요구가 급증함에 따라 다중 반송파 방식이나 복잡한 디지털 변조 방식이 채택되고 있다. 이에 따라, WCDMA(Wideband Code Division Multiple Access), LTE(Long Term Evolution) 통신을 수행하는 송수신 모듈에 포함된 전력 증폭기에 높은 선형성이 요구되고 있다.
예를 들면, BPSK(Binary Phase Shift Keying) 변조 방식에 비해 높은 차원의 QAM(Quadrature Amplitude Modulation)과 같은 변조 방식들이 사용될 경우 전력증폭기의 선형성은 더욱 나빠질 수 있다.
그러나, 일반적으로 전력 증폭기의 선형성과 전력효율은 서로 상충관계(trade-off)이므로, 높은 선형성의 전력 증폭기는 전력효율에 악영향을 줄 수 있다. 예를 들어 전력 증폭기의 선형성 향상을 위하여 전력 증폭기에 포함된 전계 효과 트랜지스터(FET)의 게이트 단자의 바이어스 전압이 조절될 수 있으나, 이는 전력 증폭기의 전력 효율은 큰 영향을 줄 수 있다. 게다가, 상기 게이트 단자의 바이어스 전압에 의한 선형성 제어는 공정, 전압, 온도(PVT)의 변화에 민감하다는 문제점이 있다.
미국 등록특허공보 제8,738,066호
본 발명의 일 실시예는, 전력 증폭기를 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 증폭기는, 입력 신호를 증폭하는 증폭부; 증폭된 신호를 피드백하는 피드백부; 및 입력 신호의 에너지의 크기에 기초하여 피드백되는 신호의 크기를 제어하는 피드백 제어부; 를 포함하고, 피드백 제어부는 입력 신호의 에너지가 클수록 피드백되는 신호의 크기가 커지도록 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 증폭기는, 입력 신호를 증폭하는 증폭부; 증폭된 신호를 피드백하고 피드백되는 신호의 크기를 스위칭하는 반도체 스위치; 및 제1모드로 동작할 때 반도체 스위치에 제1전압을 공급하고, 제2모드로 동작할 때 반도체 스위치에 제1전압보다 높은 제2전압을 제공하는 전압 제공부; 를 포함하고, 전압 제공부가 제1모드로 동작할 때의 입력 신호의 에너지는 전압 제공부가 제2모드로 동작할 때의 입력 신호의 에너지보다 작을 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 증폭기는, 입력 신호를 증폭하는 증폭부; 증폭된 신호를 피드백하고 저항값이 변경되는 가변 저항부; 및 입력 신호의 에너지의 크기에 기초하여 가변 저항부의 저항값의 변경을 제어하는 저항 제어부; 를 포함하고, 저항 제어부는 입력 신호의 에너지가 클수록 가변 저항부의 저항값이 작아지도록 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전력 증폭기는, 전력 증폭기의 전력 효율에 큰 영향을 주지 않고 선형성을 향상시킬 수 있고, 공정, 전압, 온도(PVT)의 변화에 둔감하여 안정적으로 선형성을 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 증폭기는, 에너지가 작은 소신호를 증폭시킬 경우 및 에너지가 큰 대신호를 증폭시킬 경우에 대해 선형성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따라 피드백 제어부를 포함하는 전력 증폭기를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따라 전압 제공부를 포함하는 전력 증폭기를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따라 저항 제어부를 포함하는 전력 증폭기를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따라 차동 신호를 증폭시키는 전력 증폭기를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 1에 도시된 피드백 제어부를 나타낸 도면이다.
도 6은 전력 증폭기의 클래스에 따른 특성을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 증폭기의 피드백 제어부에서 출력되는 피드백 전압(VF)에 따른 전력증폭기의 성능을 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 증폭기의 피드백 제어부에서 출력되는 피드백 전압(VF)을 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 증폭기의 출력 전력에 따른 선형성을 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 증폭기의 출력 전력에 따른 선형성 및 전력 효율을 나타낸 그래프이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 실시 예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따라 피드백 제어부를 포함하는 전력 증폭기를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 증폭기(100)는, 증폭부(110), 피드백부(120) 및 피드백 제어부(130)를 포함할 수 있다.
증폭부(110)는, 소스 단자 또는 게이트 단자를 통해 입력되는 입력 신호를 증폭하여 드레인 단자를 통해 출력하는 전계 효과 트랜지스터(FET)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 증폭부(110)는 비선형 증폭 방식에 비해 높은 선형 특성 및 낮은 전력 효율 특성을 가지는 선형 증폭 방식에 의해 설계될 수 있다.
예를 들어, 상기 증폭부(110)는 게이트 단자를 통해 입력되는 입력 신호를 증폭하여 드레인 단자를 통해 출력하는 제1 전계 효과 트랜지스터(111) 및 상기 제1 전계 효과 트랜지스터(111)에 캐스코드(cascode)로 연결되어 상기 제1 전계 효과 트랜지스터(111)에 의해 증폭된 신호를 소스 단자를 통해 입력 받아 드레인 단자를 통해 출력하는 제2 전계 효과 트랜지스터(112)를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 제1 전계 효과 트랜지스터(111)는 CS(Common Source) 증폭단으로 동작하고, 상기 제2 전계 효과 트랜지스터(112)는 CG(Common Gate) 증폭단으로 동작할 수 있다.
이에 따라, 상기 제1 전계 효과 트랜지스터(111) 및 제2 전계 효과 트랜지스터(112)의 항복전압이 낮을 경우에도 상기 증폭부(110)는 안정적으로 입력 신호를 증폭시킬 수 있다.
피드백부(120)는, 증폭부(110)에 연결되어, 증폭부(110)에서 증폭된 신호를 피드백할 수 있다. 이에 따라, 전력 증폭기(100)는 안정성, 대역폭 및 선형성을 향상시킬 수 있다.
예를 들어, 상기 피드백부(120)는 피드백되는 신호를 소스 단자와 드레인 단자의 사이에서 통과시키고, 게이트 단자의 전압에 따라 피드백되는 신호의 크기가 결정되는 피드백 전계 효과 트랜지스터(121)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 피드백부(120)는 제2 전계 효과 트랜지스터(122)의 드레인 단자 및 제1 전계 효과 트랜지스터(121)의 게이트 단자에 연결되어, 제2 전계 효과 트랜지스터(122)에서 증폭된 신호를 제1 전계 효과 트랜지스터(121)로 피드백할 수 있다.
피드백 제어부(130)는, 피드백부(120)에 연결되어, 상기 입력 신호의 에너지의 크기에 기초하여 피드백부(120)에 의해 피드백되는 신호의 크기를 제어할 수 있다. 구체적으로, 상기 피드백 제어부(130)는 증폭부(110)에 입력되는 입력 신호의 에너지가 클수록 피드백부(120)에 의해 피드백되는 신호의 크기가 커지도록 제어할 수 있다. 이에 따라, 전력 증폭기(100)는 에너지가 작은 소신호를 증폭시킬 경우 및 에너지가 큰 대신호를 증폭시킬 경우에 대해 선형성을 향상시킬 수 있다.
예를 들어, 상기 피드백 제어부(130)는 제1 전계 효과 트랜지스터(111)의 게이트 단자와 연결되어 상기 입력 신호의 에너지를 감지하고, 피드백부(120)에 피드백 전압을 제공하여 피드백부(120)에 의해 피드백되는 신호의 크기를 제어할 수 있다.
한편, 증폭부(110). 피드백부(120) 및 피드백 제어부(130)는 CMOS 공정에 의해 구현될 수 있다. 예를 들어, 전력 증폭기(100) 전체가 CMOS 공정에 의해 구현될 수 있다.
일반적인 송수신 모듈은 대부분 CMOS 공정 기술에 의해 구현이 되고 단일 칩으로 집적화가 되고 있다. 그러나, 전력 증폭기는 InGap/GaAs HBT, GaN과 같은 화합물 반도체 공정을 이용하여 구현되고 있다. CMOS 공정에 의해 구현된 칩과 화합물 반도체 공정에 의해 구현된 칩이 멀티 칩 구조로 하나의 패키징에 집적화 될 경우, 칩 크기가 커져서 칩의 단가가 높아질 수 있고, 전력 증폭기의 선형성 개선을 위한 CMOS 바이어스 회로와의 결합이 어려워질 수 있다. 따라서, 증폭부(110). 피드백부(120) 및 피드백 제어부(130)는 CMOS 공정에 의해 구현됨으로써, 송수신 모듈 전체가 단일 칩 구조로 하나의 패키징에 집적화될 수 있다. 이에 따라, 칩 크기가 작아지고 칩의 단가가 낮아질 수 있다.
CMOS 공정에 의해 구현된 전력 증폭기는 화합물 반도체 공정에 의해 구현된 전력 증폭기에 비해 항복전압이 낮은 특성을 가질 수 있다. 따라서, 증폭부(110)는 두 개의 트랜지스터(111, 112)를 쌓는 캐스코드 구조의 증폭기 형태일 수 있다.
한편, 전력 증폭기(100)는 증폭부(110)의 입력 임피던스가 기 설정된 값이 되도록 증폭부(110)에 연결되는 제1 매칭 네트워크(141) 및 증폭부(110)의 출력 임피던스가 기 설정된 값이 되도록 증폭부(110)에 연결되는 제2 매칭 네트워크(142)를 더 포함할 수 있다. 즉, 전력 증폭기(100)는 단일 신호를 입력 받아 증폭하고, 단일 신호로 출력할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따라 전압 제공부를 포함하는 전력 증폭기를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 증폭기(200)는, 증폭부(210), 반도체 스위치(220) 및 전압 제공부(230)를 포함할 수 있다.
증폭부(210)는, 소스 단자 또는 게이트 단자를 통해 입력되는 입력 신호를 증폭하여 드레인 단자를 통해 출력하는 전계 효과 트랜지스터(FET)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 증폭부(210)는 게이트 단자를 통해 입력되는 입력 신호를 증폭하여 드레인 단자를 통해 출력하는 제1 전계 효과 트랜지스터(211) 및 제1 전계 효과 트랜지스터(211)에 캐스코드(cascode)로 연결되고, 제1 전계 효과 트랜지스터(211)에 의해 증폭된 신호를 소스 단자를 통해 입력 받아 드레인 단자를 통해 출력하는 제2 전계 효과 트랜지스터(212)를 포함할 수 있다.
반도체 스위치(220)는, 증폭부(210)에 연결되어 증폭부(210)에서 증폭된 신호를 피드백하고 피드백되는 신호의 크기를 스위칭할 수 있다.
예를 들어, 상기 반도체 스위치(220)는, 제2 전계 효과 트랜지스터(212)의 드레인 단자 및 제1 전계 효과 트랜지스터(211)의 게이트 단자에 연결되어 제2 전계 효과 트랜지스터(212)에서 증폭된 신호를 제1 전계 효과 트랜지스터(211)로 피드백하고, 전압 제공부(230)에 게이트 단자가 연결되어 상기 제1전압 또는 상기 제2전압을 공급받을 수 있다.
전압 제공부(230)는, 반도체 스위치(220)에 연결되어 제1모드로 동작할 때 반도체 스위치(220)에 제1전압을 공급하고, 제2모드로 동작할 때 반도체 스위치(220)에 상기 제1전압보다 높은 제2전압을 제공할 수 있다. 여기서, 제1모드는 저전력 신호의 증폭 모드일 수 있고, 제2모드는 고전력 신호의 증폭 모드일 수 있다.
구체적으로, 상기 전압 제공부(230)가 제1모드로 동작할 때의 증폭부(210)에 입력되는 입력 신호의 에너지는 상기 전압 제공부(230)가 제2모드로 동작할 때의 증폭부(210)에 입력되는 입력 신호의 에너지보다 작을 수 있다. 이에 따라, 전력 증폭기(200)는 에너지가 작은 소신호를 증폭시키는 제1모드일 경우 및 에너지가 큰 대신호를 증폭시키는 제2모드일 경우에 대해 선형성을 향상시킬 수 있다.
예를 들어, 상기 전압 제공부(230)는 증폭부(210)에 입력되는 입력 신호의 에너지를 감지하고, 감지된 에너지의 크기에 기초하여 동작 모드가 결정될 수 있다. 그러나, 입력 신호의 에너지 감지는 상기 전압 제공부(230)에서만 수행되는 것은 아니며, 설계에 따라 전력 증폭기(200)의 외부에서 수행될 수도 있다. 상기 전압 제공부(230)의 구체적인 동작은 도 5를 참조하여 후술된 피드백 제어부의 구체적인 동작과 유사할 수 있다.
한편, 상기 제1전압과 상기 제2전압과의 차이 전압은 0.3V 이상이고 전원(VDD) 전압 이하일 수 있다. 상기 제1전압과 상기 제2전압과의 차이 전압이 클수록, 상기 전압 제공부(230)는 공정, 전압, 온도(PVT)의 변화에 둔감하여 안정적으로 제1모드 또는 제2모드로 동작할 수 있다. 이에 따라, 상기 전압 제공부(230)는 공정, 전압, 온도(PVT)의 변화에 둔감하여 안정적으로 선형성을 향상시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따라 저항 제어부를 포함하는 전력 증폭기를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 증폭기(300)는, 증폭부(310), 가변 저항부(320) 및 저항 제어부(330)를 포함할 수 있다.
증폭부(310)는, 소스 단자 또는 게이트 단자를 통해 입력되는 입력 신호를 증폭하여 드레인 단자를 통해 출력하는 전계 효과 트랜지스터(FET)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 증폭부(310)는 게이트 단자를 통해 입력되는 입력 신호를 증폭하여 드레인 단자를 통해 출력하는 제1 전계 효과 트랜지스터(311) 및 제1 전계 효과 트랜지스터(311)에 캐스코드(cascode)로 연결되어 제1 전계 효과 트랜지스터(311)에 의해 증폭된 신호를 소스 단자를 통해 입력 받아 드레인 단자를 통해 출력하는 제2 전계 효과 트랜지스터(312)를 포함할 수 있다.
가변 저항부(320)는, 증폭부(310)에 연결되어 상기 증폭부에서 증폭된 신호를 피드백하고 저항값이 변경될 수 있다.
예를 들어, 상기 가변 저항부(320)는 제2 전계 효과 트랜지스터(322)의 드레인 단자 및 제1 전계 효과 트랜지스터(321)의 게이트 단자에 연결되어, 제2 전계 효과 트랜지스터(322)에서 증폭된 신호를 제1 전계 효과 트랜지스터(321)로 피드백할 수 있다.
예를 들어, 상기 가변 저항부(320)는 캐패시터(C1, C2), 저항값이 서로 다른 복수의 저항(R1, R2) 및 복수의 저항(R1, R2)의 각각에 연결된 복수의 스위치(MF1, MF2)를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 복수의 스위치는 온 상태 또는 오프 상태가 되어 신호를 도통 또는 차단시킬 수 있다. 만약 상기 복수의 스위치 중 하나가 온 상태가 될 경우, 가변 저항부(320)의 총 저항값은 온 상태인 스위치의 저항값과 온 상태인 스위치와 직렬 연결된 저항의 저항값의 합일 수 있다.
저항 제어부(330)는, 가변 저항부(320)에 연결되어 입력 신호의 에너지의 크기에 기초하여 가변 저항부(320)의 저항값의 변경을 제어할 수 있다.
구체적으로, 상기 저항 제어부(330)는 증폭부(310)에 입력되는 입력 신호의 에너지가 클수록 상기 가변 저항부의 저항값이 작아지도록 제어할 수 있다. 이에 따라, 전력 증폭기(300)는 에너지가 작은 소신호를 증폭시킬 경우 및 에너지가 큰 대신호를 증폭시킬 경우에 대해 선형성을 향상시킬 수 있다. 상기 저항 제어부(330)의 구체적인 동작은 도 5를 참조하여 후술된 피드백 제어부의 구체적인 동작과 유사할 수 있다.
예를 들어, 상기 저항 제어부(330)는 복수의 스위치(MF1, MF2)의 온-오프를 제어하여 가변 저항부(320)의 저항값의 변경을 제어할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따라 차동 신호를 증폭시키는 전력 증폭기를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 증폭기(400)는, 증폭부(410), 피드백부(421, 422) 및 피드백 제어부(430)를 포함하여 차동 신호를 증폭시킬 수 있다.
예를 들어, 상기 전력 증폭기(400)는 증폭부(410)에 연결되어 입력 신호를 단일 신호에서 차동 신호로 변환하는 제1 발룬(balun)(451) 및 증폭부(410)에 연결되어 증폭부(410)에 의해 증폭된 차동 신호를 단일 신호로 변환하는 제2 발룬(452)을 더 포함할 수 있다.
도 5는 도 1에 도시된 피드백 제어부를 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 상기 피드백 제어부(130)는 제3 전계 효과 트랜지스터(131), 제4 전계 효과 트랜지스터(132), 제1 캐패시터(CA) 및 제2 캐패시터(CL1)를 포함할 수 있다.
제3 전계 효과 트랜지스터(131)는, 게이트 단자로 상기 입력 신호가 입력될 수 있다.
제4 전계 효과 트랜지스터(132)는, 제3 전계 효과 트랜지스터(131)의 드레인 단자에 게이트 단자가 연결될 수 있다.
제1 캐패시터(CA)는, 제3 전계 효과 트랜지스터(131)의 드레인 단자 및 제4 전계 효과 트랜지스터(132)의 소스 단자와 연결될 수 있다.
제2 캐패시터(CL1)는, 제3 전계 효과 트랜지스터(131)의 소스 단자 및 제4 전계 효과 트랜지스터(132)의 게이트 단자와 연결될 수 있다.
이하 피드백 제어부(130)의 구체적 동작이 설명된다.
예를 들어, 상기 피드백 제어부(130)는 제3 전계 효과 트랜지스터(131)를 통해 입력 신호(VG)를 감지하고 제4 전계 효과 트랜지스터(132)를 통해 입력 신호를 증폭하여 제1 캐패시터(CA) 및 제2 캐패시터(CL1)를 통해 입력 신호를 DC 전압으로 변환시킬 수 있다.
여기서, 상기 피드백 제어부(130)에 입력된 입력 신호는 제3 전계 효과 트랜지스터(131) 및 제4 전계 효과 트랜지스터(132)를 통해 2번 반전될 수 있다. 따라서, 피드백 제어부(130)에 입력된 입력 신호의 에너지가 클수록 출력 전압(VF)은 높아질 수 있다.
여기서, 제1 캐패시터(CA) 및 제2 캐패시터(CL1)는 RC 로우 패스 필터링을 통해 입력 신호를 DC 전압으로 변환시킬 수 있다. RC 로우 패스 필터링에서 저항값과 캐패시턴스가 클수록 컷오프 주파수는 낮아질 수 있다.
예를 들어, 상기 피드백 제어부(130)는 0.8mA의 DC 전류를 소모할 수 있다. 이는 전력 증폭기의 일반적인 전류 소모(수십~수백 mA)에 비하면 무시할만한 수치이므로, 전력 증폭기의 전력 효율에 거의 영향을 주지 않을 수 있다.
또한, 상기 피드백 제어부(130)의 사이즈는 작아서 전력 증폭기의 사이즈에 거의 영향을 주지 않을 수 있다.
도 6은 전력 증폭기의 클래스에 따른 특성을 나타낸 그래프이다.
도 6을 참조하면, (a)그래프는 클래스 C의 전력 증폭기의 입력 전력에 대한 출력 전력 및 IMD3(3rd order inter modulation distortion)를 나타내고, (b)그래프는 클래스 AB의 전력 증폭기의 입력 전력에 대한 출력 전력 및 IMD3를 나타낸다. (c)그래프는 클래스 AB의 전력 증폭기의 입력 전력에 대한 출력 전력 및 IMD3를 나타내고, (d)그래프는 클래스 A의 전력 증폭기의 입력 전력에 대한 출력 전력 및 IMD3를 나타낸다.
이하, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 증폭기의 선형성 향상 원리를 설명한다. 여기서, 증폭단에서 gm3(3rd order transconductance) 가 최소화 되는 지점을 스윗 스팟(sweet spot)이라고 가정한다.
선형성의 척도인 IMD3는 비선형 지표 gm3 와 밀접한 관련을 가지고 있으므로, 스윗 스팟(sweet spot)을 얻을 수 있는 게이트 전압이 증폭부에 인가될 경우, IMD3가 최대 20dB 가까이 줄어들 수 있다.
도 6을 참조하면, 전력증폭기의 등급이 클래스 C -> 클래스 AB -> 클래스 A 로 갈수록, IMD3 스윗 스팟(sweet-spot)은 낮은 전력 쪽으로 당겨져 올 수 있다. 여기서, 전력 증폭기가 클래스 C 로 동작 할 경우, 이득 확장(gain expansion)현상이 나타날 수 있고, 클래스 A 동작으로 갈수록 이득 압축(gain compression)현상이 나타날 수 있다.
유사하게, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 증폭기에는 증폭부에 피드백되는 신호의 에너지 크기에 따라 이득 확장현상 및 이득 압축현상이 나타날 수 있다. 따라서, 입력 전력이 높을 경우에 증폭부에 피드백되는 신호의 에너지 크기가 커짐으로써, 증폭부에 포함된 전계 효과 트랜지스터는 gm3(3rd order transconductance)가 최소화 되는 지점의 근처에서 동작할 수 있어 선형성이 향상될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 증폭기의 피드백 제어부에서 출력되는 피드백 전압(VF)에 따른 전력증폭기의 성능을 나타낸 그래프이다.
도 7을 참조하면, 가로축은 전력 증폭기의 출력 전력을 나타내고, 세로축은 전력 이득(Power Gain) 전력 효율(Efficiency) 및 선형성의 지표인 IMD3(3rd order inter modulation distortion)를 나타낸다. 그래프의 각각의 곡선은 피드백 전압이 각각 1.3V, 1.4V, 1.5V, 1.6V, 1.7V, 1.8V, 1.9V일 때에 대한 전력증폭기의 성능을 나타낸다.
저항 역할을 하는 피드백부의 게이트 전압(VF)을 조정에 의해, 증폭부에 피드백 되는 신호의 에너지 크기가 달라질 수 있다. 피드백부의 게이트 전압이 증가될 경우, 피드백부의 등가저항이 작아져서 피드백 되는 신호의 에너지 크기는 증가될 수 있다. 마찬가지로, 피드백부의 게이트 전압이 감소될 경우, 피드백부의 등가저항이 커져서 피드백 되는 신호의 에너지 크기는 줄어들 수 있다.
즉, 피드백부의 게이트 전압이 증가할수록 증폭부의 전력 이득(Power gain)곡선은 이득 압축(gain compression)에서 이득 확장(gain expansion)으로 향할 수 있다.
예를 들어, 이득 압축(Gain compression)이 가장 크게 일어나는 조건으로서 피드백 전압(VF)이 1.3V일 경우, IMD3 스윗 스팟(sweet-spot)은 낮은 출력 전력 지점에서 발생하고, 고 출력 전력으로 갈수록 선형성이 나빠질 수 있다. 따라서, IMD3 = -40dBc 기준을 만족하는 출력 전력 지점이 12dBm 정도로 낮을 수 있다.
반대로 이득 확장(Gain expansion)이 가장 크게 일어나는 조건으로서 피드백 전압(VF)이 1.9V일 경우, IMD3 스윗 스팟(sweet-spot)은 높은 출력 전력 지점에서 발생할 수 있고, 저 출력 전력에서 선형성이 나빠질 수 있다.
따라서, 저 출력 전력 지점에서 피드백 전압(VF)이 1.3V이고, 고 출력 전력 지점에서 피드백 전압(VF)이 1.9V가 되도록 피드백 제어부가 제어함으로써, 저 출력 전력 지점부터 고 출력 전력 지점까지 IMD3 = -40dBc 를 만족하는 전력 증폭기가 설계될 수 있다.
이에, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 증폭기는 피드백 양을 조절하여 각 출력 전력의 IMD3 스윗 스팟(sweet-spot)을 찾아갈 수 있다. 이에 따라, 전력 증폭기의 전력 효율에 큰 영향을 주지 않고 선형성을 향상시킬 수 있고, 공정, 전압, 온도(PVT)의 변화에 둔감하여 안정적으로 선형성을 향상시킬 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 증폭기의 피드백 제어부에서 출력되는 피드백 전압(VF)을 나타낸 그래프이다.
도 8을 참조하면, 피드백 제어부에서 출력되는 피드백 전압(VF)은 전력 증폭기의 입력 신호(RFIN)의 에너지가 클수록 커질 수 있다. 여기서, 피드백 전압(VF)은 각 입력 전력 마다 DC 전압일 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 증폭기는 입력 전력이 증가할수록 피드백 전압(VF)이 증가하도록 동작할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 증폭기의 출력 전력에 따른 선형성을 나타낸 그래프이다.
도 9를 참조하면, 가로축은 전력 증폭기의 출력 전력을 나타내고, 세로축은 선형성의 지표인 IMD3(3rd order inter modulation distortion)를 나타낸다. 가는 선은 피드백 전압이 각각 1.3V, 1.4V, 1.5V, 1.6V, 1.7V, 1.8V, 1.9V일 때에 대한 전력 증폭기의 특성을 나타내고, 굵은 선은 피드백 제어부에 의해 제어될 때의 전력 증폭기의 특성을 나타낸다.
IMD3 = -40dBc 기준으로 봤을 때 저 출력 전력 지점부터 고 출력 전력까지 모두 만족하고 있으며 최대 선형 출력 전력 지점을 21dBm까지 확보할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 증폭기의 출력 전력에 따른 선형성 및 전력 효율을 나타낸 그래프이다.
도 10을 참조하면, 가로축은 전력 증폭기의 출력 전력을 나타내고, 세로축은 선형성의 지표인 IMD3(3rd order inter modulation distortion)를 나타낸다. 가는 선은 피드백 제어부에 의해 제어되지 않을 때의 전력 증폭기의 특성을 나타내고, 굵은 선은 피드백 제어부에 의해 제어될 때의 전력 증폭기의 특성을 나타낸다. 여기서, IMD3는 20MHz tone spacing을 가지는 신호를 이용한 시뮬레이션 결과이다.
IMD3 의 - 40dBc 지점을 기준으로 볼 때, 피드백 제어부에 의해 제어되지 않는 전력 증폭기는 13dBm 정도의 출력 전력까지 고선형성이 유지된다. 반면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 증폭기는 21dBm 정도의 출력 전력까지 고선형성이 유지될 수 있다.
이상에서는 본 발명을 실시 예로써 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형이 가능할 것이다.
100: 전력 증폭기 110: 증폭부
111: 제1 전계 효과 트랜지스터 112: 제2 전계 효과 트랜지스터
120: 피드백부 121: 피드백 전계 효과 트랜지스터
130: 피드백 제어부 131: 제3 전계 효과 트랜지스터
132: 제4 전계 효과 트랜지스터 141: 제1 매칭 네트워크
142: 제2 매칭 네트워크 220: 반도체 스위치
230: 전압 제공부 320: 가변 저항부
321: 복수의 저항 322: 복수의 스위치
330: 저항 제어부 451: 제1 발룬
452: 제2 발룬

Claims (14)

  1. 입력 신호를 증폭하는 증폭부;
    상기 증폭부에 연결되어, 상기 증폭부에서 증폭된 신호를 피드백하는 피드백부; 및
    상기 피드백부에 연결되어, 상기 입력 신호의 에너지의 크기에 기초하여 상기 피드백부에 의해 피드백되는 신호의 크기를 제어하는 피드백 제어부; 를 포함하고,
    상기 피드백 제어부는 상기 증폭부에 입력되는 입력 신호의 에너지가 클수록 상기 피드백부에 의해 피드백되는 신호의 크기가 커지도록 제어하는 전력 증폭기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 증폭부는,
    게이트 단자를 통해 입력되는 입력 신호를 증폭하여 드레인 단자를 통해 출력하는 제1 전계 효과 트랜지스터; 및
    상기 제1 전계 효과 트랜지스터에 캐스코드(cascode)로 연결되고, 상기 제1 전계 효과 트랜지스터에 의해 증폭된 신호를 소스 단자를 통해 입력 받아 드레인 단자를 통해 출력하는 제2 전계 효과 트랜지스터; 를 포함하는 전력 증폭기.
  3. 제2항에 있어서, 상기 피드백부는,
    피드백되는 신호를 소스 단자와 드레인 단자의 사이에서 통과시키고 게이트 단자의 전압에 따라 피드백되는 신호의 크기가 결정되는 피드백 전계 효과 트랜지스터를 포함하고,
    상기 제2 전계 효과 트랜지스터의 드레인 단자 및 상기 제1 전계 효과 트랜지스터의 게이트 단자에 연결되어, 상기 제2 전계 효과 트랜지스터에서 증폭된 신호를 상기 제1 전계 효과 트랜지스터로 피드백하는 전력 증폭기.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 피드백 제어부는 상기 제1 전계 효과 트랜지스터의 게이트 단자와 연결되어 상기 입력 신호의 에너지를 감지하고, 상기 피드백부에 피드백 전압을 제공하여 상기 피드백부에 의해 피드백되는 신호의 크기를 제어하는 전력 증폭기.
  5. 제1항에 있어서, 상기 피드백 제어부는,
    게이트 단자로 상기 입력 신호가 입력되는 제3 전계 효과 트랜지스터;
    상기 제3 전계 효과 트랜지스터의 드레인 단자에 게이트 단자가 연결되는 제4 전계 효과 트랜지스터;
    상기 제3 전계 효과 트랜지스터의 드레인 단자 및 상기 제4 전계 효과 트랜지스터의 소스 단자와 연결되는 제1 캐패시터; 및
    상기 제3 전계 효과 트랜지스터의 소스 단자 및 상기 제4 전계 효과 트랜지스터의 게이트 단자와 연결되는 제2 캐패시터; 를 포함하는 전력 증폭기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 증폭부, 상기 피드백부 및 상기 피드백 제어부는 CMOS 공정에 의해 구현되는 전력 증폭기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 증폭부에 연결되어 상기 입력 신호를 단일 신호에서 차동 신호로 변환하는 제1 발룬(balun); 및
    상기 증폭부에 연결되어 상기 증폭부에 의해 증폭된 차동 신호를 단일 신호로 변환하는 제2 발룬; 을 더 포함하는 전력 증폭기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 증폭부의 입력 임피던스가 기 설정된 값이 되도록 상기 증폭부에 연결되는 제1 매칭 네트워크; 및
    상기 증폭부의 출력 임피던스가 기 설정된 값이 되도록 상기 증폭부에 연결되는 제2 매칭 네트워크; 를 더 포함하는 전력 증폭기.
  9. 입력 신호를 증폭하는 증폭부;
    상기 증폭부에 연결되어, 상기 증폭부에서 증폭된 신호를 피드백하고 피드백되는 신호의 크기를 스위칭하는 반도체 스위치; 및
    상기 반도체 스위치에 연결되어, 제1모드로 동작할 때 상기 반도체 스위치에 제1전압을 공급하고, 제2모드로 동작할 때 상기 반도체 스위치에 상기 제1전압보다 높은 제2전압을 제공하는 전압 제공부; 를 포함하고,
    상기 전압 제공부가 제1모드로 동작할 때의 상기 증폭부에 입력되는 입력 신호의 에너지는 상기 전압 제공부가 제2모드로 동작할 때의 상기 증폭부에 입력되는 입력 신호의 에너지보다 작은 전력 증폭기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 증폭부는,
    게이트 단자를 통해 입력되는 입력 신호를 증폭하여 드레인 단자를 통해 출력하는 제1 전계 효과 트랜지스터; 및
    상기 제1 전계 효과 트랜지스터에 캐스코드(cascode)로 연결되고, 상기 제1 전계 효과 트랜지스터에 의해 증폭된 신호를 소스 단자를 통해 입력 받아 드레인 단자를 통해 출력하는 제2 전계 효과 트랜지스터; 를 포함하고,
    상기 반도체 스위치는,
    상기 제2 전계 효과 트랜지스터의 드레인 단자 및 상기 제1 전계 효과 트랜지스터의 게이트 단자에 연결되어, 상기 제2 전계 효과 트랜지스터에서 증폭된 신호를 상기 제1 전계 효과 트랜지스터로 피드백하고, 상기 전압 제공부에 게이트 단자가 연결되어 상기 제1전압 또는 상기 제2전압을 공급받는 전력 증폭기.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 전압 제공부는 상기 증폭부에 입력되는 입력 신호의 에너지를 감지하고, 감지된 에너지의 크기에 기초하여 동작 모드가 결정되는 전력 증폭기.
  12. 입력 신호를 증폭하는 증폭부;
    상기 증폭부에 연결되어, 상기 증폭부에서 증폭된 신호를 피드백하고 저항값이 변경되는 가변 저항부; 및
    상기 가변 저항부에 연결되어, 상기 입력 신호의 에너지의 크기에 기초하여 상기 가변 저항부의 저항값의 변경을 제어하는 저항 제어부; 를 포함하고,
    상기 저항 제어부는 상기 증폭부에 입력되는 입력 신호의 에너지가 클수록 상기 가변 저항부의 저항값이 작아지도록 제어하는 전력 증폭기.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 증폭부는,
    게이트 단자를 통해 입력되는 입력 신호를 증폭하여 드레인 단자를 통해 출력하는 제1 전계 효과 트랜지스터; 및
    상기 제1 전계 효과 트랜지스터에 캐스코드(cascode)로 연결되고, 상기 제1 전계 효과 트랜지스터에 의해 증폭된 신호를 소스 단자를 통해 입력 받아 드레인 단자를 통해 출력하는 제2 전계 효과 트랜지스터; 를 포함하고,
    상기 가변 저항부는,
    상기 제2 전계 효과 트랜지스터의 드레인 단자 및 상기 제1 전계 효과 트랜지스터의 게이트 단자에 연결되어, 상기 제2 전계 효과 트랜지스터에서 증폭된 신호를 상기 제1 전계 효과 트랜지스터로 피드백하는 전력 증폭기.
  14. 제12항에 있어서, 상기 가변 저항부는,
    저항값이 서로 다른 복수의 저항; 및
    상기 복수의 저항의 각각에 연결된 복수의 스위치; 를 포함하고,
    상기 저항 제어부는,
    상기 복수의 스위치의 온-오프를 제어하여 상기 가변 저항부의 저항값의 변경을 제어하는 전력 증폭기.
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