KR20200094535A

KR20200094535A - Doherty power amplifier and the method of modulating load impedance of the amplifier

Info

Publication number: KR20200094535A
Application number: KR1020190012136A
Authority: KR
Inventors: 양영구; 오한식; 오성재; 황금철; 이강윤
Original assignee: 성균관대학교산학협력단
Priority date: 2019-01-30
Filing date: 2019-01-30
Publication date: 2020-08-07
Also published as: KR102165176B1

Abstract

The present invention relates to a Doherty power amplifier capable of improving the efficiency of a high frequency power amplifier. The Doherty power amplifier according to one embodiment of the present invention includes an input transformer, a main amplifier, an auxiliary amplifier, an output transformer, a first 90° phase transmission line, a second 90° phase transmission line, and a connection network which makes output stages having the same phase of the amplifier a short-circuit.

Description

DOHERTY POWER AMPLIFIER AND THE METHOD OF MODULATING LOAD IMPEDANCE OF THE AMPLIFIER}

본 발명은 고주파 전력 증폭기의 효율을 개선할 수 있는 도허티 전력 증폭 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a Doherty power amplifying device capable of improving the efficiency of a high-frequency power amplifier.

최근의 무선 통신 시스템은 많은 데이터 용량을 처리하기 위하여 높은 첨두치 대비 평균 전력 비(Peak to Average Power Ratio, PAPR)를 갖는 변조 방식을 이용한다. Recently, a wireless communication system uses a modulation method having a high peak-to-average power ratio (PAPR) to process a large data capacity.

이렇게 높은 PAPR을 갖는 변조 방식에서 효율을 최대화하기 위해, 전력 증폭 장치(power amplifier, PA)는 최대 출력 영역이 아닌 백오프(back-off) 영역에서 주로 동작하게 된다.In order to maximize efficiency in a modulation scheme having a high PAPR, a power amplifier (PA) mainly operates in a back-off region rather than a maximum output region.

이 경우, 전력 증폭 장치의 효율이 최대 출력 영역에서 동작할 때의 효율에 비해 급격히 감소하게 되는데, 전력 증폭 장치의 효율 감소는 전력 소모량을 상승시키며, 특히 모바일 디바이스의 배터리 사용량을 증가시킨다.In this case, the efficiency of the power amplifying device is drastically reduced compared to the efficiency when operating in the maximum output area. The reduction of the efficiency of the power amplifying device increases the power consumption, and particularly increases the battery usage of the mobile device.

최근 연구에 따르면, 두 개의 증폭기를 이용하여 부하 임피던스 변조 방식으로 백오프(back-off) 영역에서의 전력 증폭 장치의 효율을 개선하는 도허티 전력 증폭 장치 구조가 제안되었다.According to a recent study, a Doherty power amplifying device structure is proposed that improves the efficiency of a power amplifying device in a back-off region by using a load impedance modulation method using two amplifiers.

도허티 전력 증폭 장치는 외부의 추가적인 회로 없이 백오프 영역에서의 효율을 크게 개선할 수 있고, 복잡한 컨트롤 알고리즘 없이 두 증폭기의 게이트 바이어스 차이 만을 이용하기 때문에 시스템의 복잡도를 증가시키지 않는 장점이 있다.The Doherty power amplifying device can greatly improve the efficiency in the back-off region without additional external circuitry, and does not increase the complexity of the system because it uses only the gate bias difference of the two amplifiers without a complicated control algorithm.

도 1을 참조하여, 종래의 도허티 전력 증폭 장치를 설명한다.Referring to FIG. 1, a conventional Doherty power amplification device will be described.

도허티 전력 증폭 장치에는 소스 입력의 퇴화(source degeneration)를 최소화하는 차동 증폭기 구조가 널리 사용된다. 도허티 증폭기 구조는 두 개의 차동 증폭기에 입력 트랜스포머 및 출력 트랜스포머가 결합된다. Differential amplifier structures that minimize source degeneration are widely used in Doherty power amplifiers. The Doherty amplifier architecture combines two differential amplifiers with an input transformer and an output transformer.

입력 트랜스포머는 한 개의 RF 신호에서 두 개의 차동 RF 신호를 만들어내며 동시에 전력 분배 역할을 하고, 출력 트랜스포머는 두 개의 차동 RF 신호에서 한 개의 RF 신호를 만들어내며 동시에 전력 결합 역할을 한다. The input transformer produces two differential RF signals from one RF signal and acts as a power distribution at the same time, while the output transformer produces one RF signal from the two differential RF signals and acts as a power combination at the same time.

트랜스포머를 이용하여 두 개의 차동 증폭기를 결합하는 방식은 직렬 결합 방식 또는 병렬 결합 방식이 있다.The method of combining two differential amplifiers using a transformer is a series coupling method or a parallel coupling method.

도허티 전력 증폭 장치의 부하 임피던스 변조 동작은 Class-AB 바이어스의 주 증폭기(Carrier PA)와 Class-C 바이어스의 보조 증폭기(Peaking PA)를 이용하여 구현된다. The load impedance modulation operation of the Doherty power amplifier is implemented using a Class-AB bias main amplifier (Carrier PA) and a Class-C bias auxiliary amplifier (Peaking PA).

도 1에 도시된 도허티 전력 증폭 장치의 높은 출력 전력 영역[HP operation]에서는 두 증폭기가 비슷한 전력을 출력하지만, 낮은 출력 전력 영역[LP operation]에서는 주 증폭기(Carrier PA)만 동작하고 보조 증폭기(Peaking PA)는 꺼진다. In the high output power region [HP operation] of the Doherty power amplifier shown in FIG. 1, both amplifiers output similar power, but in the low output power region [LP operation], only the main amplifier (Carrier PA) operates and the auxiliary amplifier (Peaking) PA) turns off.

따라서 낮은 출력 전력 영역에서 출력 트랜스포머의 보조증폭기 쪽 프라이머리 턴에 흐르는 전류는 0이 되고, 보조 증폭기(Peaking PA) 쪽 트랜스포머는 동작하지 않게 된다. Therefore, in the low output power region, the current flowing through the primary turn of the auxiliary amplifier of the output transformer becomes 0, and the transformer of the auxiliary amplifier (Peaking PA) does not operate.

이 경우, 보조 증폭기(Peaking PA) 쪽 프라이머리 턴과 커플링 되던 세컨더리 턴은 셀프 인덕턴스(Self inductance)로 남게 되며, 남은 셀프 인덕턴스는 주 증폭기(Carrier PA) 쪽 출력 트랜스포머의 동작에 영향을 미친다. 결과적으로 남은 셀프 인덕턴스는 주 증폭단의 부하 임피던스를 바꾸게 되며, 정확한 부하 변조 동작이 어렵게 된다. In this case, the secondary turn coupled with the primary turn on the secondary amplifier (Peaking PA) remains a self inductance, and the remaining self inductance affects the operation of the output transformer on the primary amplifier (Carrier PA) side. As a result, the remaining self-inductance changes the load impedance of the main amplification stage, making accurate load modulation operation difficult.

(KR) 등록특허 제 10-1686351호(KR) Registered Patent No. 10-1686351

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 낮은 출력 전력 영역에서도 모든 출력 트랜스포머가 동작하여 정확한 부하 변조 동작을 하는 도허티 전력 증폭 장치를 제공하는 데에 있다.The present invention has been devised to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a Doherty power amplifying device that performs accurate load modulation by operating all output transformers even in a low output power region.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 백오프(back-off) 영역에서 고주파 전력 증폭기의 효율을 개선한 도허티 전력 증폭 장치를 제공하는 데에 있다.The problem to be solved by the present invention is to provide a Doherty power amplifying device that improves the efficiency of a high-frequency power amplifier in a back-off region.

본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problems of the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned will be clearly understood by a person skilled in the art from the following description.

본 발명의 일 실시예에 따른 도허티 전력 증폭 장치는 RF 신호를 수신하여 두 개의 RF 신호를 출력하고, 상기 RF 신호의 전력을 분배하는 입력 트랜스포머; 상기 입력 트랜스포머로부터 상기 두 개의 RF 신호 중 어느 하나의 RF 신호를 수신하여 차동 증폭하는 주 증폭기; 상기 입력 트랜스포머로부터 상기 두 개의 RF 신호 중 나머지 하나의 RF 신호를 수신하여 차동 증폭하는 보조 증폭기; 상기 주 증폭기로부터 수신한 차동 RF 신호 및 상기 보조 증폭기로부터 수신한 차동 RF 신호를 수신하고 결합하여, 한 개의 RF 신호로 변환하여 출력하는 출력 트랜스포머; 상기 주 증폭기와 상기 출력 트랜스포머 사이에 배치된 제1 90° 위상의 전송선로; 및 상기 입력 트랜스포머와 상기 보조 증폭기 사이에 배치된 제2 90° 위상의 전송선로를 포함할 수 있다. The Doherty power amplifying apparatus according to an embodiment of the present invention includes an input transformer that receives an RF signal, outputs two RF signals, and distributes the power of the RF signal; A main amplifier that differentially amplifies by receiving any one of the two RF signals from the input transformer; An auxiliary amplifier for differentially amplifying the RF signal of the other of the two RF signals from the input transformer; An output transformer which receives and combines the differential RF signal received from the main amplifier and the differential RF signal received from the auxiliary amplifier, converts them into one RF signal, and outputs the converted RF signal; A first 90° phase transmission line disposed between the main amplifier and the output transformer; And a second 90° phase transmission line disposed between the input transformer and the auxiliary amplifier.

본 발명의 일 실시예에 따른 주 증폭기와 보조 증폭기는 상기 출력 트랜스포머의 프라이머리 턴을 공유하는 것을 특징으로 할 수 있다.The main amplifier and the auxiliary amplifier according to an embodiment of the present invention may be characterized by sharing the primary turn of the output transformer.

본 발명의 일 실시예에 따른 출력 트랜스포머의 입력단은, 상기 주 증폭기의 출력단과 상기 보조 증폭기의 출력단의 위상이 같은 출력단을 연결하는 연결 네트워크를 포함할 수 있다.The input stage of the output transformer according to an embodiment of the present invention may include a connection network connecting the output stage of the output stage of the main amplifier and the output stage of the auxiliary amplifier having the same phase.

본 발명의 일 실시예에 따른 연결 네트워크는 커패시터로 구성될 수 있다.The connection network according to an embodiment of the present invention may be composed of a capacitor.

본 발명의 일 실시예에 따른 연결 네트워크는 인덕터-커패시터 공진 구조인 것을 특징으로 할 수 있다.The connection network according to an embodiment of the present invention may be characterized by an inductor-capacitor resonance structure.

본 발명의 일 실시예에 따른 연결 네트워크는 전송선로-커패시터 공진 구조인 것을 특징으로 할 수 있다.The connection network according to an embodiment of the present invention may be characterized in that it is a transmission line-capacitor resonance structure.

본 발명의 일 실시예에 따른 제1 90° 위상의 전송선로 또는 제2 90° 위상의 전송선로는, 2개의 인덕터 및 2개의 커패시터로 구성될 수 있다.A first 90° phase transmission line or a second 90° phase transmission line according to an embodiment of the present invention may include two inductors and two capacitors.

본 발명의 일 실시예에 따른 도허티 전력 증폭 장치의 부하 임피던스를 변조하는 방법은 입력 트랜스포머가 RF 신호를 수신하여 두 개의 RF 신호를 출력하고, 상기 RF 신호의 전력을 분배하는 단계; 주 증폭기가 상기 입력 트랜스포머에서 출력된 하나의 RF 신호를 수신하여 차동 증폭하는 단계; 제1 90° 위상의 전송선로가 상기 주 증폭기를 통해 증폭된 신호의 위상을 변조하는 단계; 제2 90° 위상의 전송선로가 상기 입력 트랜스포머에서 출력된 나머지 하나의 RF 신호의 위상을 변조하는 단계; 보조 증폭기가 상기 제2 90° 위상의 전송선로를 통해 출력된 신호를 수신하여 차동 증폭하는 단계; 상기 주 증폭기의 출력 및 상기 보조 증폭기의 출력이 낮은 출력 영역에 해당하는 경우, 출력 트랜스포머 입력단의 연결 네트워크가 상기 주 증폭기의 출력단과 상기 보조 증폭기의 출력단의 위상이 같은 출력단을 연결하여 단락시키는 단계; 및 출력 트랜스포머가 두 개의 차동 RF 신호를 수신하여 한 개의 RF 신호로 변환하면서 부하 임피던스를 변조하는 단계를 포함할 수 있다.A method of modulating the load impedance of the Doherty power amplifying apparatus according to an embodiment of the present invention includes the steps of an input transformer receiving an RF signal to output two RF signals, and distributing the power of the RF signal; A main amplifier differentially amplifying by receiving one RF signal output from the input transformer; A first 90° phase transmission line modulating the phase of the signal amplified through the main amplifier; A second 90° phase transmission line modulating the phase of the other RF signal output from the input transformer; An auxiliary amplifier differentially amplifying by receiving a signal output through the second 90° phase transmission line; When the output of the main amplifier and the output of the auxiliary amplifier correspond to a low output region, a connection network of an output transformer input terminal connects the output terminal of the main amplifier and an output terminal having the same phase as the output terminal of the auxiliary amplifier and shorts them; And modulating the load impedance while the output transformer receives two differential RF signals and converts them into one RF signal.

본 발명의 도허티 전력 증폭 장치에 따르면, 낮은 출력 전력 영역에서도 모든 출력 트랜스포머가 동작하기 때문에 남는 셀프 인덕턴스가 없고, 정확한 부하 변조 동작이 가능하다.According to the Doherty power amplifying apparatus of the present invention, since all output transformers operate even in a low output power region, there is no remaining self inductance and accurate load modulation operation is possible.

본 발명의 도허티 전력 증폭 장치에 따르면, 무선통신 시스템 또는 무선 에너지 하베스팅 시스템에서 전력 효율을 개선할 수 있으며, 시스템 전체의 효율을 향상시킬 수 있다.According to the Doherty power amplifying apparatus of the present invention, power efficiency can be improved in a wireless communication system or a wireless energy harvesting system, and the efficiency of the entire system can be improved.

본 발명의 도허티 전력 증폭 장치에 따르면, 주로 사용하는 CMOS 전력 증폭 장치 집적회로 설계에 적용될 수 있으며, 모바일 디바이스용 전력 증폭 장치의 효율을 개선할 수 있기 때문에 디바이스의 전력 사용량을 줄여 배터리 사용 시간을 늘릴 수 있다.According to the Doherty power amplifying apparatus of the present invention, it can be applied to a CMOS power amplifying apparatus integrated circuit design mainly used, and since it can improve the efficiency of a power amplifying apparatus for a mobile device, the power consumption of the device is reduced to increase the battery usage time. Can be.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The effects of the present invention are not limited to the above-mentioned effects, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

도 1a은 종래의 도허티 전력 증폭 장치의 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 도허티 전력 증폭 장치의 개념도이다.
도 3a는 차동 증폭기의 직렬 결합 방식을 나타내는 회로도이고, 도 3b는 차동 증폭기의 병렬 결합 방식을 나타내는 회로도이다.
도 4a 및 도 4b는 출력 트랜스포머를 공유하는 본 발명의 일 실시예에 따른 도허티 전력 증폭 장치를 나타낸다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 연결 네트워크가 커패시터로 구성된 도허티 전력 증폭 장치를 나타낸다.
도 6a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연결 네트워크를 나타내고, 도 6b는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 연결 네트워크를 나타낸다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 90° 위상의 전송선로의 회로도이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 차동 증폭기의 회로도이다.
도 9a 및 도 9b는 직렬 결합된 도허티 전력 증폭 장치가 부하 임피던스를 변조하는 방식을 나타낸다.
도 10a 및 도 10b는 병렬 결합된 도허티 전력 증폭 장치가 부하 임피던스를 변조하는 방식을 나타낸다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 도허티 전력 증폭 장치의 부하 임피던스 변조 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 도허티 전력 증폭 장치의 전력부가효율을 나타내는 그래프이다. 1A is a circuit diagram of a conventional Doherty power amplifying device.
2 is a conceptual diagram of a Doherty power amplifying apparatus according to an embodiment of the present invention.
3A is a circuit diagram showing the series coupling method of the differential amplifier, and FIG. 3B is a circuit diagram showing the parallel coupling method of the differential amplifier.
4A and 4B show a Doherty power amplifying device according to an embodiment of the present invention sharing an output transformer.
5A and 5B show a Doherty power amplifying apparatus in which a connection network according to an embodiment of the present invention is formed of a capacitor.
6A shows a connection network according to another embodiment of the present invention, and FIG. 6B shows a connection network according to another embodiment of the present invention.
7A and 7B are circuit diagrams of 90° phase transmission lines according to an embodiment of the present invention.
8A and 8B are circuit diagrams of a differential amplifier according to an embodiment of the present invention.
9A and 9B show how the Doherty power amplifying device coupled in series modulates the load impedance.
10A and 10B show a manner in which the Doherty power amplifying device coupled in parallel modulates the load impedance.
11 is a load impedance modulation graph of the Doherty power amplifying apparatus according to an embodiment of the present invention.
12 is a graph showing power efficiency of the Doherty power amplifying apparatus according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.The present invention can be applied to various changes and can have various embodiments, and specific embodiments will be described in detail with reference to the drawings. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In describing each drawing, similar reference numerals are used for similar components.

제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.Terms such as first, second, A, B, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from other components. For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as the second component, and similarly, the second component may also be referred to as the first component. The term and/or includes a combination of a plurality of related description items or any one of a plurality of related description items.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급될 때에는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. When a component is said to be "connected" to or "connected" to another component, it should be understood that other components may be directly connected to, or connected to, other components. something to do. On the other hand, when a component is said to be "directly connected" or "directly connected" to another component, it should be understood that no other component exists in the middle.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in this application are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this application, terms such as “include” or “have” are intended to indicate that a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification exists, and that one or more other features are present. It should be understood that the existence or addition possibilities of fields or numbers, steps, operations, components, parts or combinations thereof are not excluded in advance.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by a person skilled in the art to which the present invention pertains. Terms, such as those defined in a commonly used dictionary, should be interpreted as having meanings consistent with meanings in the context of related technologies, and should not be interpreted as ideal or excessively formal meanings unless explicitly defined in the present application. Does not.

명세서 및 청구범위 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 포함한다고 할때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. Throughout the specification and claims, when a part includes a certain component, this means that other components may be further included rather than excluding other components unless specifically stated to the contrary.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 도허티 전력 증폭 장치의 개념도이다.2 is a conceptual diagram of a Doherty power amplifying apparatus according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 일 실시예에 따른 도허티 전력 증폭 장치는 입력 트랜스포머(110), 주 증폭기(120), 보조 증폭기(130), 출력 트랜스포머(140), 제1 90° 위상의 전송선로(150), 제2 90° 위상의 전송선로(160)를 포함할 수 있다.The Doherty power amplifying apparatus according to an embodiment of the present invention includes an input transformer 110, a main amplifier 120, an auxiliary amplifier 130, an output transformer 140, a first 90° phase transmission line 150, a first 2 It may include a transmission line 160 of 90 ° phase.

입력 트랜스포머(110)는 RF 신호를 입력으로 받아 절반씩 나누어 각 증폭기(120, 130)로 전달하며 전력 분배기 역할을 수행한다.The input transformer 110 receives the RF signal as an input, divides it in half, and transmits it to each of the amplifiers 120 and 130, and serves as a power distributor.

출력 트랜스포머(140)는 각 증폭기(120, 130)의 출력을 결합하여 단일 RF 신호로 변환하며, 전력 결합기 역할을 수행한다.The output transformer 140 combines the outputs of each amplifier 120 and 130 into a single RF signal, and serves as a power combiner.

두 개의 증폭기(120, 130)는 차동 증폭기 구조이며, 입력 트랜스포머(110) 및 출력 트랜스포머(140)에 의해 결합되어 도허티 전력 증폭 장치로 동작한다. 주 증폭기(120)는 Carrier PA로 구성되며 Class-AB로 동작하며, 보조 증폭기(130)는 Peaking PA로 구성되며 Class-C 로 동작한다.The two amplifiers 120 and 130 have a differential amplifier structure, and are coupled by an input transformer 110 and an output transformer 140 to operate as a Doherty power amplifying device. The main amplifier 120 is composed of Carrier PA and operates as Class-AB, and the auxiliary amplifier 130 is composed of Peaking PA and operates as Class-C.

주 증폭기(120)의 출력단에는 부하 변조를 만들기 위한 90° 위상의 전송선로(150)가 배치되며, 보조 증폭기(130)의 입력단에는 주 증폭기(120)와 보조 증폭기(130)의 위상 차이를 보상하기 위한 90° 위상의 전송선로(160)가 배치된다.The output line of the main amplifier 120 is arranged with a transmission line 150 having a phase of 90° to make load modulation, and an input terminal of the auxiliary amplifier 130 compensates for the phase difference between the main amplifier 120 and the auxiliary amplifier 130 A transmission line 160 having a phase of 90° is arranged.

도 3a 및 도 3b는 두 개의 차동 증폭기를 결합하는 방식을 나타내는 것으로, 도 3a는 차동 증폭기의 직렬 결합 방식을 나타내는 회로도이고, 도 3b는 차동 증폭기의 병렬 결합 방식을 나타내는 회로도이다.3A and 3B show a method of combining two differential amplifiers, FIG. 3A is a circuit diagram showing a series coupling method of the differential amplifier, and FIG. 3B is a circuit diagram showing a parallel coupling method of the differential amplifier.

도 3a에 도시된 직렬 형태의 도허티 전력 증폭 장치는 입력 트랜스포머(110) 및 출력 트랜스포머(140)가 직렬로 결합되어 있고, 도 3b에 도시된 병렬 형태의 도허티 전력 증폭 장치는 입력 트랜스포머(110) 및 출력 트랜스포머(140)가 병렬로 결합되어 있다.In the series-type Doherty power amplifying device shown in FIG. 3A, the input transformer 110 and the output transformer 140 are coupled in series, and the parallel-type Doherty power amplifying device shown in FIG. 3B includes an input transformer 110 and The output transformers 140 are coupled in parallel.

도 3a 및 도 3b에 도시된 도허티 전력 증폭 장치를 사용하여 출력 트랜스포머(140)의 임피던스 변환비를 조절함으로써, 입력 임피던스 및 출력 임피던스를 매칭할 수 있다. The input impedance and the output impedance can be matched by adjusting the impedance conversion ratio of the output transformer 140 using the Doherty power amplifying device shown in FIGS. 3A and 3B.

도 4a 및 도 4b는 출력 트랜스포머를 공유하는 본 발명의 일 실시예에 따른 도허티 전력 증폭 장치를 나타내는 것으로, 도 4a는 직렬 구조의 도허티 전력 증폭 장치, 도 4b는 병렬 구조의 도허티 전력 증폭 장치이다.4A and 4B show a Doherty power amplifying apparatus according to an embodiment of the present invention sharing an output transformer, and FIG. 4A is a Doherty power amplifying apparatus having a serial structure, and FIG. 4B is a Doherty power amplifying apparatus having a parallel structure.

도 4a 및 도 4b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 도허티 전력 증폭 장치는 출력 트랜스포머(140)의 입력단이 연결 네트워크(170)을 더 포함할 수 있다.4A and 4B, the Doherty power amplifying apparatus according to an embodiment of the present invention may further include an input terminal of the output transformer 140 and a connection network 170.

본 발명의 일 실시예에 따른 연결 네트워크(170)는 두 차등 증폭기(120, 130)의 같은 위상을 갖는 출력단을 서로 연결할 수 있다.The connection network 170 according to an embodiment of the present invention may connect output terminals having the same phase of the two differential amplifiers 120 and 130 to each other.

보다 구체적으로, 연결 네트워크(170)는 주 증폭기(120)와 보조 증폭기(130)의 + 동상을 갖는 출력단을 연결하는 제1 연결 네트워크(171) 및 주 증폭기(120)와 보조 증폭기(130)의 - 동상을 갖는 출력단을 연결하는 제2 연결 네트워크(172)를 포함할 수 있다.More specifically, the connection network 170 of the first connection network 171 and the main amplifier 120 and the auxiliary amplifier 130 that connects the output terminal having the + phase of the main amplifier 120 and the auxiliary amplifier 130 -It may include a second connection network 172 connecting the output terminal having an in-phase.

본 발명의 일 실시예에 따른 연결 네트워크(170)는 동작 주파수에서 연결된 양쪽 노드를 단락 시키는 역할을 수행한다. 따라서, 주 증폭기(120) 및 보조 증폭기(130)의 각 출력단은 출력 트랜스포머(140)의 두 프라이머리 턴을 공유할 수 있다.The connection network 170 according to an embodiment of the present invention serves to short circuit both nodes connected at an operating frequency. Accordingly, each output terminal of the main amplifier 120 and the auxiliary amplifier 130 may share two primary turns of the output transformer 140.

출력 트랜스포머(140)의 두 프라이머리 턴이 공유함으로써, 낮은 출력 영역에서 보조 증폭기(130)가 꺼지더라도 주 증폭기(120)를 통해 출력 트랜스포머(140)의 모든 프라이머리 턴에 전류가 공급될 수 있다. 따라서 출력 트랜스포머(140)의 세컨더리 턴에는 추가되는 셀프 인덕턴스가 없기 때문에, 정확한 부하 변조 동작이 가능하다.By sharing the two primary turns of the output transformer 140, current can be supplied to all primary turns of the output transformer 140 through the main amplifier 120 even when the auxiliary amplifier 130 is turned off in the low output region. . Therefore, since there is no additional self-inductance in the secondary turn of the output transformer 140, an accurate load modulation operation is possible.

도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 연결 네트워크가 커패시터로 구성된 도허티 전력 증폭 장치를 나타내는 것으로, 도 5a는 직렬 구조, 도 5b는 병렬 구조를 나타낸다.5A and 5B illustrate a Doherty power amplification apparatus in which a connection network according to an embodiment of the present invention is formed of a capacitor, and FIG. 5A shows a serial structure and FIG. 5B shows a parallel structure.

도 5a 및 도 5b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연결 네트워크(170)는 커패시터 C_B(173, 174)로 구성될 수 있다. 5A and 5B, the connection network 170 according to an embodiment of the present invention may be composed of capacitors C _B 173 and 174.

보다 구체적으로, 제1 커패시터(173)는 주 증폭기(120)와 보조 증폭기(130)의 + 동상을 갖는 출력단을 단락시키고, 제2 커패시터(174)는 주 증폭기(120)와 보조 증폭기(130)의 - 동상을 갖는 출력단을 단락시킬 수 있다.More specifically, the first capacitor 173 shorts the output terminal having the + phase of the main amplifier 120 and the auxiliary amplifier 130, and the second capacitor 174 has the main amplifier 120 and the auxiliary amplifier 130 -It is possible to short-circuit an output terminal having an in-phase.

도 6a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연결 네트워크를 나타내고, 도 6b는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 연결 네트워크를 나타낸다.6A shows a connection network according to another embodiment of the present invention, and FIG. 6B shows a connection network according to another embodiment of the present invention.

본 발명의 다른 실시예에 따른 연결 네트워크(170)는 도 6a에 도시된 바와 같이, 인덕터-커패시터 직렬 공진 구조(175, 176)로 구성될 수 있고, 본 발명의 또다른 실시예에 따른 연결 네트워크(170)는 도 6b에 도시된 바와 같이, 전송선로-커패시터 직렬 공진 구조(177, 178)로 구성될 수 있다.The connection network 170 according to another embodiment of the present invention may be composed of an inductor-capacitor series resonance structure 175, 176, as shown in FIG. 6A, and a connection network according to another embodiment of the present invention 6B, the transmission line-capacitor series resonance structures 177 and 178 may be configured as illustrated in FIG. 6B.

즉, 도 6a에 도시된 인덕터(L_RES)-커패시터(C_RES) 직렬 공진 구조(175, 176)는 동작 주파수에서 공진하며, 연결된 주 증폭기(120) 및 보조 증폭기(130)의 양 출력단 노드를 단락시킬 수 있다. That is, the inductor (L _RES )-capacitor (C _RES ) series resonant structures 175 and 176 shown in FIG. 6A resonate at an operating frequency, and connect both output end nodes of the connected main amplifier 120 and auxiliary amplifier 130. It can be shorted.

마찬가지로, 도 6b에 도시된 전송선로(TL_RES)-커패시터(C_RES) 직렬 공진 구조(177, 178)는 동작 주파수에서 공진하며, 연결된 주 증폭기(120) 및 보조 증폭기(130)의 양 출력단 노드를 단락시킬 수 있다. Similarly, the transmission line (TL _RES )-capacitor (C _RES ) series resonant structures 177 and 178 shown in FIG. 6B resonate at an operating frequency, and both output end nodes of the connected main amplifier 120 and auxiliary amplifier 130 Can short circuit.

도 7a 및 도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 90° 위상의 전송선로의 회로도로, 도 7a는 Low 패스 구조, 도 7b는 High 패스 구조를 나타낸다.7A and 7B are circuit diagrams of a transmission line in a 90° phase according to an embodiment of the present invention, FIG. 7A shows a low pass structure, and FIG. 7B shows a high pass structure.

90° 위상을 갖는 전송선로를 집적회로로 구현하기에는 전송선로의 길이가 매우 길다. 따라서 보다 컴팩트한 설계를 위해 도 7a 및 도 7b와 같이 집중소자를 이용하여 90° 전송선로를 구현할 수 있다. In order to implement a transmission line having a phase of 90° as an integrated circuit, the length of the transmission line is very long. Therefore, for a more compact design, it is possible to implement a 90° transmission line using a lumped element as shown in FIGS. 7A and 7B.

본 발명의 일 실시예에 따른 90° 전송선로는 도 7a와 같이, 2개의 인덕터 (L_L) 및 2개의 커패시터 (C_L)를 이용하여 차동 모드로 동작하는 Low 패스 구조로 구현될 수 있거나, 도 7b와 같이, 2개의 인덕터 (L_H) 및 2개의 커패시터 (C_H)를 이용하여 차동 모드로 동작하는 High 패스 구조로 구현될 수 있다.The 90° transmission line according to an embodiment of the present invention may be implemented as a low pass structure operating in a differential mode using two inductors L _L and two capacitors C _L , as shown in FIG. 7A, As illustrated in FIG. 7B, a high pass structure operating in a differential mode using two inductors L _H and two capacitors C _H may be implemented.

도 4a 및 도 7a를 참조하여 Low 패스 구조의 90° 전송선로를 보다 상세하게 설명한다.4A and 7A, a 90° transmission line having a low pass structure will be described in more detail.

90° 전송선로(150, 160)는 증폭기의 선로(10, 20)의 증폭기 출력단 노드(11, 21)와 출력 트랜스포머(140)의 입력단 노드(12, 22) 사이에 인덕터(L_L)가 배치되고, 증폭기의 제1 선로(10)와 제2 선로(20) 사이에는 커패시터 (C_L)가 배치되는 구조를 갖고, 상기 구조는 대칭된다.In the 90° transmission lines 150 and 160, an inductor L _L is disposed between the amplifier output terminal nodes 11 and 21 of the amplifier lines 10 and 20 and the input terminal nodes 12 and 22 of the output transformer 140. It has a structure in which a capacitor C _L is disposed between the first line 10 and the second line 20 of the amplifier, and the structure is symmetrical.

도 4a 및 도 7b를 참조하여 High 패스 구조의 90° 전송선로를 보다 상세하게 설명한다.The 90° transmission line of the high pass structure will be described in more detail with reference to FIGS. 4A and 7B.

90° 전송선로(150, 160)는 증폭기의 선로(10, 20)의 증폭기 출력단 노드(11, 21)와 출력 트랜스포머(140)의 입력단 노드(12, 22) 사이에 커패시터 (C_H) 가 배치되고, 증폭기의 제1 선로(10)와 제2 선로(20) 사이에는 인덕터(L_H)가 배치되는 구조를 갖고, 상기 구조는 대칭된다.In the 90° transmission lines 150 and 160, a capacitor C _H is disposed between the amplifier output terminal nodes 11 and 21 of the amplifier lines 10 and 20 and the input terminal nodes 12 and 22 of the output transformer 140. It has a structure in which the inductor L _H is disposed between the first line 10 and the second line 20 of the amplifier, and the structure is symmetrical.

도 8a 및 도 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 차동 증폭기의 회로도이다.8A and 8B are circuit diagrams of a differential amplifier according to an embodiment of the present invention.

도 8a는 공통 소스(71, 72) 구조이며, 도 8b는 공통 소스(71, 71) - 공통 게이트(73, 74) 구조이다. 도 8a 및 도 8b에 도시된 두 가지 구조는 대표적인 차동 증폭기 회로로써, 본 발명의 일 실시예에 따른 도허티 전력 증폭 장치의 주 증폭기 또는 보조 증폭기로 사용 될 수 있다.8A is a structure of common sources 71 and 72, and FIG. 8B is a structure of common sources 71 and 71-common gates 73 and 74. The two structures shown in FIGS. 8A and 8B are representative differential amplifier circuits, and may be used as a main amplifier or an auxiliary amplifier of the Doherty power amplifying apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 9a 및 도 9b는 직렬 결합된 도허티 전력 증폭 장치가 부하 임피던스를 변조하는 방식을 나타내고, 도 10a 및 도 10b는 병렬 결합된 도허티 전력 증폭 장치가 부하 임피던스를 변조하는 방식을 나타낸다.9A and 9B show how the series-coupled Doherty power amplifying device modulates load impedance, and FIGS. 10A and 10B show how the parallel-coupled Doherty power amplifying device modulates load impedance.

도 9a 및 도 10a는 높은 출력 전력 영역(HP operation)에서 도허티 전력 증폭 장치의 부하 임피던스를 나타내고, 도 9b 및 도 10b는 낮은 출력 전력 영역(LP operation)에서 도허티 전력 증폭 장치의 부하 임피던스를 나타낸다. 9A and 10A show the load impedance of the Doherty power amplifying device in the high output power region (HP operation), and FIGS. 9B and 10B show the load impedance of the Doherty power amplifying device in the low output power region (LP operation).

출력 트랜스포머(140)는 2차 코일의 부하 임피던스인 50Ω 에서 1차 코일의 두 개의 입력 포트의 임피던스가 R_opt가 되도록 출력 트랜스포머(140)의 임피던스 변환비를 조절한다.The output transformer 140 adjusts the impedance conversion ratio of the output transformer 140 so that the impedance of the two input ports of the primary coil is R _opt at 50 Ω, which is the load impedance of the secondary coil.

도 9a 및 도 10a를 참조하면, 높은 출력 영역에서는 주 증폭기(120)와 보조 증폭기(130)의 출력 전력이 같으므로 커패시터(C_B, 173, 174) 회로의 임피던스는 영향을 받지 않는다. 즉, 커패시터(C_B, 173, 174)는 개방된 형태가 될 수 있다. 따라서 주 증폭기(120)와 보조 증폭기(130)의 부하 임피던스는 모두 R_opt 가 된다.9A and 10A, since the output powers of the main amplifier 120 and the auxiliary amplifier 130 are the same in the high output region, the impedances of the capacitors C _B , 173, and 174 circuits are not affected. That is, the capacitors C _B , 173, 174 may be in an open shape. Therefore, the load impedance of the main amplifier 120 and the auxiliary amplifier 130 are both R _opt .

반면, 도 9b 및 도 10b에 도시된 낮은 출력 영역에서는 보조 증폭기(130)가 꺼진 상태가 되기 때문에, 출력 전류 성분이 없고, 부하 임피던스는 무한대가 된다. On the other hand, in the low output region shown in FIGS. 9B and 10B, since the auxiliary amplifier 130 is turned off, there is no output current component, and the load impedance becomes infinite.

이 경우, 도허티 전력 증폭 장치에 포함된 커패시터(C_B, 173, 174)는 단락된 형태로 동작한다.In this case, the capacitors C _B , 173, and 174 included in the Doherty power amplifying device operate in a shorted form.

따라서 주 증폭기(120)의 출력단에서 제1 커패시터(173)를 바라보는 입력 임피던스는 출력 트랜스포머(140)의 입력 임피던스와 같은 R_opt가 되고, 90° 전송선로 뒷 단에서 바라보는 입력 임피던스는 R_opt/2 가 된다. 따라서 주 증폭기(120)의 부하 임피던스는 2R_opt가 된다.Therefore, the input impedance looking at the first capacitor 173 at the output terminal of the main amplifier 120 becomes R _opt equal to the input impedance of the output transformer 140, and the input impedance looking at the rear end of the 90° transmission line is R _opt. /2. Therefore, the load impedance of the main amplifier 120 becomes 2R _opt .

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 도허티 전력 증폭 장치의 부하 임피던스 변조 그래프이다.11 is a load impedance modulation graph of the Doherty power amplifying apparatus according to an embodiment of the present invention.

출력신호의 전력(dBm)이 증가함에 따라 주 증폭기(120)의 부하 임피던스(S11)는 2R_opt에서 R_opt로 변조되며, 보조 증폭기(130)의 부하 임피던스(S12)는 무한대에서 R_opt 로 변조된다.As the power (dBm) of the output signal increases, the load impedance S11 of the main amplifier 120 is modulated from 2R _opt to R _opt , and the load impedance S12 of the auxiliary amplifier 130 is modulated from infinity to R _opt . do.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 도허티 전력 증폭 장치를 사용하여 부하 변조를 정확하게 수행할 수 있다.Therefore, load modulation may be accurately performed using the Doherty power amplifying apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 도허티 전력 증폭 장치의 전력부가효율(PAE)을 나타내는 그래프이다. 12 is a graph showing power added efficiency (PAE) of a Doherty power amplifying apparatus according to an embodiment of the present invention.

출력 신호 전력이 같을 때, 본 발명의 일 실시예에 따라 설계된 도허티 전력 증폭 장치(S13)는 비교 대상인 Class-AB로 설계된 전력 증폭 장치(S14)에 비하여 백오프 전력에서 전력부가효율(PAE) 특성이 더 높다.When the output signal power is the same, the Doherty power amplifying device S13 designed according to an embodiment of the present invention has a power added efficiency (PAE) characteristic at back-off power compared to the power amplifying device S14 designed as a comparison class-AB. This is higher.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 사람이라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The above description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and those skilled in the art to which the present invention pertains may make various modifications and variations without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are not intended to limit the technical spirit of the present invention, but to explain, and the scope of the technical spirit of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be interpreted by the claims below, and all technical spirits within the scope equivalent thereto should be interpreted as being included in the scope of the present invention.

110: 입력 트랜스포머
120 : 주 증폭기
130 : 보조 증폭기
140 : 출력 트랜스포머
150 : 제1 90° 위상의 전송선로 160: 제2 90° 위상의 전송선로
170 : 연결 네트워크110: input transformer
120: main amplifier
130: auxiliary amplifier
140: output transformer
150: transmission line in the first 90° phase 160: transmission line in the second 90° phase
170: connecting network

Claims

An input transformer that receives an RF signal, outputs two RF signals, and distributes power of the RF signal;
A main amplifier for differentially amplifying by receiving any one of the two RF signals from the input transformer;
An auxiliary amplifier for differentially amplifying the RF signal of the other of the two RF signals from the input transformer;
An output transformer which receives and combines the differential RF signal received from the main amplifier and the differential RF signal received from the auxiliary amplifier, converts them into one RF signal, and outputs the converted RF signal;
A first 90° phase transmission line disposed between the main amplifier and the output transformer; And
And a second 90° phase transmission line disposed between the input transformer and the auxiliary amplifier.
Doherty power amplification device, characterized in that the main amplifier and the auxiliary amplifier share the primary turn of the output transformer.

According to claim 1,
The input terminal of the output transformer,
And a connection network connecting an output terminal having the same phase as the output terminal of the main amplifier and the output terminal of the auxiliary amplifier.

According to claim 2,
The connection network is a Doherty power amplifying device, characterized in that consisting of a capacitor.

According to claim 2,
The connection network is a Doherty power amplifying device, characterized in that the inductor-capacitor resonance structure.

According to claim 2,
The connection network is a transmission line-capacitor resonant structure, Doherty power amplifying device, characterized in that.

According to claim 1,
The transmission line of the first 90 ° phase or the transmission line of the second 90 ° phase,
A Doherty power amplifying device comprising two inductors and two capacitors.

A method for modulating a load impedance of a Doherty power amplifying apparatus using the Doherty power amplifying apparatus according to any one of claims 1 to 6,
An input transformer receiving an RF signal, outputting two RF signals, and distributing the power of the RF signal;
A main amplifier differentially amplifying by receiving one RF signal output from the input transformer;
A first 90° phase transmission line modulating the phase of the signal amplified through the main amplifier;
A second 90° phase transmission line modulating the phase of the other RF signal output from the input transformer;
An auxiliary amplifier differentially amplifying by receiving a signal output through the second 90° phase transmission line;
When the output of the main amplifier and the output of the auxiliary amplifier correspond to a low output region, a connection network of an output transformer input terminal connects the output terminal of the main amplifier and an output terminal having the same phase as the output terminal of the auxiliary amplifier to short-circuit the output terminal; And
And modulating the load impedance of the output transformer while receiving two differential RF signals and converting them into one RF signal.