KR20160141311A - 도허티 전력 증폭기 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 기술적 측면에 따른 도허티 전력 증폭기는, 입력 신호를 제1 분배 신호와 제2 분배 신호로 분배하는 전력 분배기, 상기 제1 분배 신호를 증폭하는 캐리어 증폭기 및 상기 제2 분배 신호를 증폭하는 피킹 증폭기를 포함한다. 상기 전력 분배기는 입력 신호의 파워에 따라 제1 분배 신호와 제2 분배 신호의 비율이 다르도록 분배할 수 있다.

Description

도허티 전력 증폭기 {DOHERTY POWER AMPLIFIER}
본 발명은 도허티 전력 증폭기에 관한 것이다.
전력 증폭기는 배터리의 소모를 감소하여 장시간의 전자 기기의 사용을 가능하기 위해 높은 효율성이 요구되고 있다. 이러한 높은 효율성을 만족하기 위해서 도허티 전력 증폭기가 널리 사용되고 있다.
이러한 도허티 전력 증폭기에서 높은 효율을 얻기 위해서는, 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기로 입력 신호를 적절하게 분배하는 것이 중요하다.
종래의 도허티 전력 증폭기의 경우, λ/4 라인 등을 이용하여 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기로 입력 신호를 분배하고 있다. 그러나, 이러한 종래의 도허티 전력 증폭기는 입력 신호의 파워가 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기로 항상 동일하게 나눠져서 전달되어, 피킹 증폭기가 동작하지 않고 있는 경우, 불필요한 파워를 전달하는 문제점이 있다.
한국 등록특허공보 제10-0905948호 한국 공개특허공보 제2015-0000966호
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로써, 본 발명의 일 기술적 측면은 입력 신호의 파워의 가변에 따라서 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기로 전달되는 입력 신호의 파워를 가변하는 도허티 전력 증폭기를 제공한다.
본 발명의 일 기술적 측면은 도허티 전력 증폭기의 일 실시예를 제안한다. 상기 도허티 전력 증폭기는, 입력 신호를 제1 분배 신호와 제2 분배 신호로 분배하는 전력 분배기, 상기 제1 분배 신호를 증폭하는 캐리어 증폭기 및 상기 제2 분배 신호를 증폭하는 피킹 증폭기를 포함한다. 상기 전력 분배기는 입력 신호의 파워에 따라 제1 분배 신호와 제2 분배 신호의 비율이 다르도록 분배할 수 있다.
본 발명의 다른 일 기술적 측면은 도허티 전력 증폭기의 다른 일 실시예를 제안한다. 상기 도허티 전력 증폭기는, 입력 신호를 제1 분배 신호와 제2 분배 신호로 분배하는 전력 분배기, 상기 제1 분배 신호를 증폭하는 캐리어 증폭기 및 상기 제2 분배 신호를 증폭하는 피킹 증폭기를 포함한다. 상기 전력 분배기는 상기 제1 분배 신호를 출력하는 제1 트랜스포머 및 상기 제2 분배 신호를 출력하는 제2 트랜스포머를 포함할 수 있다.
상기한 과제의 해결 수단은, 본 발명의 특징을 모두 열거한 것은 아니다. 본 발명의 과제 해결을 위한 다양한 수단들은 이하의 상세한 설명의 구체적인 실시형태를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 의하면, 입력 신호의 파워가 가변적인 경우에도 높은 효율을 제공할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 도허티 전력 증폭기를 설명하는 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 도허티 전력 증폭기를 설명하는 회로도이다.
도 3은 도 1 도시된 전력 분배기의 일 실시예를 도시하는 회로도이다.
도 4는 도 3에 도시된 트랜지스터의 저항값을 도시하는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 도허티 전력 증폭기에서 캐리어 증폭 경로의 성능과 피킹 증폭 경로의 성능을 도시하는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다.
그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 도허티 전력 증폭기를 설명하는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 도허티 전력 증폭기(100)는 전력 분배기(110), 캐리어 증폭기(120) 및 피킹 증폭기(130)를 포함할 수 있다.
전력 분배기(110)는 입력 신호를 제1 분배 신호(DS1)와 제2 분배 신호(DS2)로 분배할 수 있다.
일 실시예에서, 전력 분배기(110)는 입력 신호의 파워에 따라 제1 분배 신호(DS1)와 제2 분배 신호(DS2)의 비율이 다르도록 분배할 수 있다.
일 실시예에서, 전력 분배기(110)는 복수의 트랜스포머를 이용하여 제1 분배 신호(DS1)와 제2 분배 신호(DS2)를 출력할 수 있다.
이러한 전력 분배기(110)의 다양한 실시예에 대해서는 도 2 내지 도 3을 참조하여 이하에서 더 설명한다.
제1 분배 신호(DS1)는 캐리어 증폭기(120)에 입력되고, 캐리어 증폭기(120)는 제1 분배 신호(DS1)를 증폭할 수 있다.
제2 분배 신호(DS2)는 피킹 증폭기(130)에 입력되고, 피킹 증폭기(130)는 제2 분배 신호(DS2)를 증폭할 수 있다.
캐리어 증폭기(120)에서 출력된 캐리어 증폭 신호와, 피킹 증폭기(130)에서 출력된 피킹 증폭 신호는 매칭 회로 등에 의하여 후처리 되어 출력될 수 있다. 다만, 캐리어 증폭기(120) 및 피킹 증폭기(130)의 출력단 이후의 구성은 실시예에 따라 다양하게 변형이 가능하므로, 본 발명에서는 이를 특별하게 한정하지 아니한다.
도 2는 도 1에 도시된 도허티 전력 증폭기를 설명하는 회로도이다.
도 2를 참조하면, 도허티 전력 증폭기(100)는 전력 분배기(110), 캐리어 증폭기(120) 및 피킹 증폭기(130)를 포함할 수 있다.
실시예에 따라, 도허티 전력 증폭기(100)는 드라이버 증폭기(140)를 더 포함할 수 있다. 드라이버 증폭기(140)에서 출력된 신호(이하, 이를 '입력 신호 '라 칭한다)는 전력 분배기(110)에 입력될 수 있다.
전력 분배기(110)는 입력 신호를 입력받아, 캐리어 증폭기(120)에, 또는 캐리어 증폭기(120) 및 피킹 증폭기(130)에 분배 신호를 제공할 수 있다.
전력 분배기(110)는 입력 신호의 파워에 따라 제1 분배 신호와 제2 분배 신호의 비율이 다르도록 분배할 수 있다. 예를 들어, 입력 신호의 크기에 따라, 캐리어 증폭 경로(Path 1)를 통해서만 증폭이 이루어질 수도 있고, 또는 캐리어 증폭 경로(Path 1) 및 피킹 증폭 경로(Path 2) 모두를 통하여 증폭이 이루어질 수 도 있다.
일 실시예에서, 전력 분배기(110)는 입력 신호의 파워의 크기가 임계값 미만이면, 입력 신호를 상기 제1 분배 신호로서 출력할 수 있다. 즉, 입력 신호의 파워가 임계값 보다 작으면, 전력 분배기(110)는 입력 신호를 캐리어 증폭기(120)에 제공할 수 있다.
일 실시예에서, 전력 분배기(110)는 상기 입력 신호의 파워의 크기가 임계값 이상이면, 상기 입력 신호를 상기 제1 분배 신호와 상기 제2 분배 신호로 균등하게 분배할 수 있다. 즉, 입력 신호의 파워가 임계값 이상이면, 전력 분배기(110)는 입력 신호를 캐리어 증폭기(120) 및 피킹 증폭기(130)에 균등하게 분배하여 제공할 수 있다.
본 명세서에서, '균등'은 수치가 완벽하게 정확하게 동일한 것만을 의미하는 것은 아니고, 일정한 작은 차이가 존재하는 경우도 함께 포함한다. 예를 들어, 실제 회로 구성상의 오차에 의한 차이나, 또는 이하에서 설명할 충분히 큰 저항값을 가지는 경로에 존재하는 커패시터에 의한 영향 등이 존재하는 경우에도, '균등'한 범주 내에 속하는 것을 의미한다.
전력 분배기(110)는 트랜스포머를 포함할 수 있다. 전력 분배기(110)는 트랜스포머를 이용하여 제1 및 제2 분배 신호를 출력할 수 있다.
일 실시예에서, 전력 분배기(110)는 상기 제1 분배 신호를 출력하는 제1 트랜스포머(111)와, 상기 제2 분배 신호를 출력하는 제2 트랜스포머(112)를 포함할 수 있다.
도시된 바와 같이, 상기 제1 트랜스포머(111)는 제2 트랜스포머(112)와 1차측에서 직렬 연결될 수 있다.
일 실시예에서, 제1 트랜스포머(111)는 고정된 커패시턴스를 가지는 공진 탱크를 포함하고, 제2 트랜스포머(112)는 가변적인 커패시턴스를 가지는 제2 공진 탱크를 포함할 수 있다. 도시된 예와 같이, 제1 트랜스포머(111)는 고정 커패시터 (C1)을 포함하는 공진 탱크를 포함하는 반면, 제2 트랜스포머(112)는 가변 커패시터(CV)을 포함하는 공진 탱크를 포함할 수 있다.
도 3은 도 1 도시된 전력 분배기의 일 실시예를 도시하는 회로도로서, 이하 도 3을 더 참조하여 설명한다.
제1 트랜스포머(111)는 커패시터(C1)을 포함할 수 있다.
제2 트랜스포머(112)에서, 제1 커패시터(CV1), 제2 커패시터(CV2) 및 트랜지스터(RT1)는 가변 커패시턴스를 제공할 수 있다.
제2 트랜스포머(112)는, 2차 코일, 상기 2차 코일과 병렬 연결되는 제1 커패시터(CV1), 일단이 제1 커패시터(CV1)의 일단에 연결되는 제2 커패시터(CV2), 및 일단이 제2 커패시터(CV2)의 타단에 연결되고, 타단이 제1 커패시터(CV1)의 타단에 연결되는 트랜지스터(RT1)를 포함할 수 있다. 트랜지스터(RT1)의 게이트 단자에는 저항(R1)을 통하여 바이어스 전압이 인가될 수 있다.
여기에서, 제2 트랜스포머(112)의 제1 커패시터(CV1)와 제1 트랜스포머(111)의 커패시터(C1)는 같은 커패시턴스를 가질 수 있다.
트랜지스터(RT1)는 입력 신호의 파워에 따라 가변적인 저항값을 가질 수 있다. 도 4는 도 3에 도시된 트랜지스터의 저항값을 도시하는 그래프로서, 도 4에 도시된 바와 같이 트랜지스터(RT1)는 입력 신호의 파워에 따라 다양한 저항값을 가질 수 있다. 예를 들어, 입력 신호의 파워가 작은 경우에는 트랜지스터(RT1)는 17옴을, 입력 신호의 파워가 큰 경우에는 트랜지스터(RT1)는 196옴을 가질 수 있다.
도 4를 더 참조하면, 트랜지스터(RT1)는 입력 신호의 파워에 따라 지수 함수의 형태로 저항값을 가지는 것을 도시하고 있다. 그러나 실시예에 따라, 소정의 임계값을 기준으로 트랜지스터(RT1)가 제1 저항값을 가지거나 또는 제2 저항값을 가지도록, 예컨대, 입력 신호의 파워가 임계값 이하이면 17옴을, 입력 신호의 파워가 임계값 이상이면 196옴을 가지도록 변형하여 실시할 수 있다.
이하의 수학식 1은 트랜지스터의 Y-parameter의 가상(imaginary) 성분을 의미하는 수식이다.
[수학식 1]
Figure pat00001
상술한 예의 경우, 입력 신호의 파워의 크기에 따라 트랜지스터(RT1)의 저항값은 17옴에서부터 196옴에 이르는 값으로 변화하게 된다.
상술한 바와 같이, 입력 신호의 파워에 따라, 트랜지스터(RT1)의 저항값은 가변적으로 변화하게 된다. 이는, 입력 신호의 파워에 따라 트랜지스터(RT1)가 동작하는 영역이 변화하기 때문이다.
즉, 트랜지스터(RT1)는 입력 신호의 파워가 작은 경우 트라이오드 영역에서 동작하여 항상 켜져있는 반면, 입력 신호의 파워가 큰 경우 차단(cut-off) 영역 또는 포화(saturation) 영역에서 반복적으로 동작하여 꺼져있는 상태에 이르게 된다. 이와 같이, 입력 신호의 파워에 따라 트랜지스터(RT1)의 저항값이 변화할 수 있다.
이러한 저항 성분의 변화는 수학식 1과 같이 Y-parameter의 가상(imaginary) 성분을 변화시키게 된다.
일 예로, 저항값이 17옴과 같이 작은 값을 가지는 경우에는 Y-parameter 성분이 제1 커패시터(CV1)와 제2 커패시터(CV2)의 합산된 값에 의한 영향이 나타나게 된다.
다른 예로, 저항값이 196옴과 같이 큰 값을 가지는 경우에는 제2 커패시터(CV2)에 의하여 Y-parameter에 미치는 영향이 무시할 수 있을 정도로 작아질 수 있으며, 따라서, Y-parameter는 제1 커패시터(CV1)의 커패시턴스에 의해서만 영향이 미치게 될 수 있다.
상술한 예들과 같이, 커패시턴스의 변화가 가능하며, 커패시턴스의 변화는 2차측 코일, 즉, 인덕터와 공진에 영향을 미치게 된다. 즉, 입력 신호의 파워가 커지면 가변 커패시턴스 값이 작아지게 되어 공진 주파수의 값이 점점 커진다. 그에 따라 캐리어 증폭기(120)와 피킹 증폭기(130)에 거의 균등한 파워를 전달할 수 있다.
즉, 입력 신호의 파워가 작으면, 제2 트랜스포머(112)의 커패시턴스는 제1 커패시터(CV1)와 제2 커패시터(CV2)의 합산된 값을 가지게 된다. 또한, 인덕터와 합산된 커패시터에 의한 공진 주파수는, 입력 신호의 주파수에서 벗어난 범위에 형성될 수 있다. 따라서, 입력 신호의 주파수에서는 파워가 전달되지 않게 된다. 여기에서 공진 주파수가 발생을 하는 경우에는 해당 공진 주파수에서 파워 전달이 원활하게 이루어질 수가 있다는 것을 의미한다. 결국, 입력 신호의 파워가 작으면, 제2 트랜스포머(112)의 출력이 없으므로 피킹 증폭기(130)는 동작하지 않게 된다.
일 예로, 입력 신호의 주파수가 1.85GHz이고, 제2트랜스포머(112)의 인덕터 값은 3nH, 제1커패시터(CV1) 값은 2.5pF, 제2커패시터(CV2)의 값은 8pF을 가지는 경우에, 입력 신호의 파워가 작으면, 3nH의 인덕터와 10.5pF의 커패시터가 발생하여 공진 주파수는 0.9GHz에서 발생을 하게 되고, 입력 신호의 파워가 크면, 3nH의 인덕터와 2.5pF의 커패시터가 발생하여 공진 주파수는 1.85GHz에서 발생을 하게 된다.
이하의 수학식 2는 공진 주파수와 인덕터, 커패시터의 값과의 상관 관계식이다.
[수학식 2]
Figure pat00002
입력 신호의 파워가 크면, 제2 트랜스포머(112)의 커패시턴스는 제1 커패시터(CV1)에 의하여 결정되므로, 제2 트랜스포머(112)의 공진 주파수는 입력 신호의 주파수와 동일하게 형성될 수 있다. 또한, 제2 트랜스포머(112)의 제1 커패시터(CV1)와 제1 트랜스포머(111)의 커패시터(C1)는 같은 커패시턴스를 가지는 경우, 제1 트랜스포머(111)와 제2 트랜스포머(112)는 같은 공진 탱크를 가지고 있으므로 입력 신호를 균등하게 분배하여 출력할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 도허티 전력 증폭기에서 캐리어 증폭 경로(Path 1)의 성능과 피킹 증폭 경로(Path 2)의 성능을 도시하는 그래프이다.
캐리어 증폭 경로(Path 1)와 피킹 증폭 경로(Path 2)에 동일한 파워가 전달되는 경우, -3dB, -3dB의 수치를 가짐을 알 수 있다.
반면, 입력 신호의 파워가 낮은 경우 -임계값 미만인 경우-, 캐리어 증폭 경로(Path 1)에는 -2.34 dB의 값이, 피킹 증폭 경로(Path 2)로는 -13.74 dB의 값이 전달됨을 알 수 있다. 이는 상술한 바와 같이 L-C 공진 주파수가 입력 신호의 주파수와 동일하지 않은 대역에서 발생하면서 피킹 증폭 경로(Path 2)로의 전력 전달을 차단하기 때문이다.
한편, 입력 신호의 파워가 큰 경우 -임계값 이상인 경우-, 캐리어 증폭 경로(Path 1)로는 -4.15 dB의 값이, 피킹 증폭 경로(Path 2)로는 -4.67 dB의 값이 전달되게 되며, 두 개의 경로에 거의 균등한 전력이 배분됨을 알 수 있다. 앞서 언급한 -3dB보다 낮은 수치가 발생한 것은 트랜스포머에서 발생하는 손실에서 기인한 결과이다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고 후술하는 특허청구범위에 의해 한정되며, 본 발명의 구성은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 그 구성을 다양하게 변경 및 개조할 수 있다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 쉽게 알 수 있다.
100 : 도허티 전력 증폭기
110 : 전력 분배기
111 : 제1 트랜스포머
112 : 제2 트랜스포머
120 : 캐리어 증폭기
130 : 피킹 증폭기

Claims (19)

  1. 입력 신호를 제1 분배 신호와 제2 분배 신호로 분배하는 전력 분배기;
    상기 제1 분배 신호를 증폭하는 캐리어 증폭기; 및
    상기 제2 분배 신호를 증폭하는 피킹 증폭기;를 포함하고,
    상기 전력 분배기는
    입력 신호의 파워에 따라 제1 분배 신호와 제2 분배 신호의 비율이 다르도록 분배하는 도허티 전력 증폭기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전력 분배기는
    상기 입력 신호의 파워의 크기가 임계값 미만이면, 상기 입력 신호를 상기 제1 분배 신호로서 출력하는 도허티 전력 증폭기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전력 분배기는
    상기 입력 신호의 파워의 크기가 임계값 이상이면, 상기 입력 신호를 상기 제1 분배 신호와 상기 제2 분배 신호로 균등하게 분배하는 도허티 전력 증폭기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 전력 분배기는
    상기 제1 분배 신호를 출력하는 제1 트랜스포머; 및
    상기 제2 분배 신호를 출력하는 제2 트랜스포머; 를 포함하는 도허티 전력 증폭기.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제1 트랜스포머는
    상기 제2 트랜스포머와 1차측에서 직렬 연결된 도허티 전력 증폭기.
  6. 제4항에 있어서, 상기 제1 트랜스포머는
    고정된 커패시턴스를 가지는 제1 공진 탱크를 포함하고,
    상기 제2 트랜스포머는
    가변적인 커패시턴스를 가지는 제2 공진 탱크를 포함하는 도허티 전력 증폭기.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제2 공진 탱크는
    상기 입력 신호의 파워의 크기가 임계값 미만이면, 상기 입력 신호의 주파수와 상이한 공진 주파수를 가지는 도허티 전력 증폭기.
  8. 제6항에 있어서, 상기 제2 공진 탱크는
    상기 입력 신호의 파워의 크기가 임계값 이상이면, 상기 입력 신호의 주파수와 인접한 공진 주파수를 가지는 도허티 전력 증폭기.
  9. 제4항에 있어서, 상기 제2 트랜스포머는
    2차 코일;
    상기 2차 코일과 병렬 연결되는 제1 커패시터;
    일단이 상기 제1 커패시터의 일단에 연결되는 제2 커패시터; 및
    일단이 상기 제2 커패시터의 타단에 연결되고, 타단이 상기 제1 커패시터의 타단에 연결되는 트랜지스터;
    를 포함하는 도허티 전력 증폭기.
  10. 제9항에 있어서, 상기 트랜지스터는
    상기 입력 신호의 파워의 크기가 임계값 미만이면, 트라이오드 영역에서 동작하는 도허티 전력 증폭기.
  11. 제9항에 있어서, 상기 트랜지스터는
    상기 입력 신호의 파워의 크기가 임계값 이상이면, 차단(cut-off) 영역 또는 포화(saturation) 영역에서 동작하는 도허티 전력 증폭기.
  12. 입력 신호를 제1 분배 신호와 제2 분배 신호로 분배하는 전력 분배기;
    상기 제1 분배 신호를 증폭하는 캐리어 증폭기; 및
    상기 제2 분배 신호를 증폭하는 피킹 증폭기;를 포함하고,
    상기 전력 분배기는
    상기 제1 분배 신호를 출력하는 제1 트랜스포머; 및
    상기 제2 분배 신호를 출력하는 제2 트랜스포머; 를 포함하는 도허티 전력 증폭기.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제1 트랜스포머는
    상기 제2 트랜스포머와 1차측에서 직렬 연결된 도허티 전력 증폭기.
  14. 제12항에 있어서, 상기 제1 트랜스포머는
    고정된 커패시턴스를 가지는 제1 공진 탱크를 포함하고,
    상기 제2 트랜스포머는
    가변적인 커패시턴스를 가지는 제2 공진 탱크를 포함하는 도허티 전력 증폭기.
  15. 제14항에 있어서, 상기 제2 공진 탱크는
    상기 입력 신호의 파워의 크기가 임계값 미만이면, 상기 입력 신호의 주파수와 상이한 공진 주파수를 가지는 도허티 전력 증폭기.
  16. 제12항에 있어서, 상기 제2 공진 탱크는
    상기 입력 신호의 파워의 크기가 임계값 이상이면, 상기 입력 신호의 주파수와 인접한 공진 주파수를 가지는 도허티 전력 증폭기.
  17. 제12항에 있어서, 상기 제2 트랜스포머는
    2차 코일;
    상기 2차 코일과 병렬 연결되는 제1 커패시터;
    일단이 상기 제1 커패시터의 일단에 연결되는 제2 커패시터; 및
    일단이 상기 제2 커패시터의 타단에 연결되고, 타단이 상기 제1 커패시터의 타단에 연결되는 트랜지스터;
    를 포함하는 도허티 전력 증폭기.
  18. 제17항에 있어서, 상기 트랜지스터는
    상기 입력 신호의 파워의 크기가 임계값 미만이면, 트라이오드 영역에서 동작하는 도허티 전력 증폭기.
  19. 제17항에 있어서, 상기 트랜지스터는
    상기 입력 신호의 파워의 크기가 임계값 이상이면, 차단(cut-off) 영역 또는 포화(saturation) 영역에서 동작하는 도허티 전력 증폭기.
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