KR20210080905A - 전력 증폭 모듈 - Google Patents

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KR20210080905A
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전력 증폭 모듈은, 입력 신호를 증폭하여 출력 신호를 출력하는 증폭 트랜지스터를 포함하는 증폭부, 및 상기 증폭 트랜지스터에 바이어스 전류를 제공하는 바이어스 트랜지스터를 포함하는 바이어스부를 포함하는 전력 증폭기; 및 상기 바이어스 트랜지스터에 제어 전류를 제공하는 제어부; 를 포함하고, 상기 제어부는 상기 증폭 트랜지스터의 온도에 따라, 상기 바이어스 트랜지스터에 제공되는 제어 전류를 가변할 수 있다.

Description

전력 증폭 모듈{POWER AMPLIFIER MODULE}
본 발명은 전력 증폭 모듈에 관한 것이다.
휴대전화 등의 이동통신 단말기는, 기지국에 송신하는 RF(Radio Frequency) 신호를 증폭하는 전력 증폭 모듈을 채용하고 있다. 전력 증폭 모듈은 RF 신호를 증폭하는 증폭기와, 증폭기의 바이어스 포인트를 제어하는 바이어스 회로를 구비하고 있다.
다만, 증폭기를 구성하는 증폭 트랜지스터의 베이스와 이미터 간의 전압을 일정하게 구동하면, 증폭 트랜지스터의 온도가 상승하게 된다. 정상 온도 범위 보다 높은 온도에서 증폭 트랜지스터가 동작하는 경우, 증폭 트랜지스터의 게인이 증폭 트랜지스터의 턴 온 시점에서부터 턴 오프 시점까지 급격하게 감소되는 경향성을 가지므로, 증폭 효율이 현저히 저하되는 문제가 있다.
본 발명의 과제는 증폭 트랜지스터와 열 결합하는 센싱 트랜지스터의 검출 전압에 따라, 제어 전류를 가변할 수 있는 전력 증폭 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전력 증폭 모듈은, 입력 신호를 증폭하여 출력 신호를 출력하는 증폭 트랜지스터를 포함하는 증폭부, 및 상기 증폭 트랜지스터에 바이어스 전류를 제공하는 바이어스 트랜지스터를 포함하는 바이어스부를 포함하는 전력 증폭기; 및 상기 바이어스 트랜지스터에 제어 전류를 제공하는 제어부; 를 포함하고, 상기 제어부는 상기 증폭 트랜지스터의 온도에 따라, 상기 바이어스 트랜지스터에 제공되는 제어 전류를 가변할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 증폭 트랜지스터와 열 결합하는 센싱 트랜지스터의 검출 전압에 따라, 제어 전류를 가변하여, 온도 상승에 따라 감소되는 증폭 트랜지스터의 증폭 게인을 보상할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 증폭 모듈의 블록도이다.
도 2은 도 1의 실시예에 따른 전력 증폭기의 상세 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부의 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 검출 전압 출력부의 회로도이다.
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. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 일 예로, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다.
또한, 어떤 구성 요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 증폭 모듈의 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 전력 증폭 모듈(10)은 전력 증폭기(100) 및 제어부(200)를 포함한다.
전력 증폭기(100)는 입력단(IN)을 통해 입력되는 입력 신호(RFin)를 제어 전류(Icon)에 따라 증폭하여, 출력 신호(RFout)를 생성하고, 생성된 출력 신호(RFout)를 출력단(OUT)을 통해 출력할 수 있다.
일 예로, 전력 증폭기(100)는 입력 신호(RFin)의 전력을 기지국에 송신하기 위해 필요한 레벨까지 증폭하여, 출력 신호(RFout)를 출력할 수 있다. 전력 증폭기(100)의 출력단(OUT)은 소정의 안테나와 연결되어, 출력 신호(RFout)는 안테나를 통해, 외부로 송신될 수 있다.
전력 증폭기(100)는 소정의 단자로부터, 제1 구동 전압(Vcc), 및 제2 구동 전압(Vbat)을 공급받아서, 구동될 수 있다. 이하, 설명의 편의상, 제1 구동 전압(Vcc), 및 제2 구동 전압(Vbat)을 공급하는 단자를 각각 제1 구동 전압(Vcc) 단자, 및 제2 구동 전압(Vbat) 단자로 지칭하도록 한다.
전력 증폭기(100)는 입력 신호(RFin)를 증폭하는 증폭부(110) 및 제어부(200)로부터 제공되는 제어 전류(Icon)에 따라, 바이어스 전류(Ibias)를 생성하고, 생성된 바이어스 전류(Ibias)를 증폭부(110)로 제공하는 바이어스부(120)를 포함할 수 있다. 증폭부(110)는 제1 구동 전압(Vcc) 단자와 연결되고, 바이어스부(120)는 제2 구동 전압(Vbat) 단자와 연결될 수 있다.
도 1에서, 전력 증폭기(100)가 하나의 증폭부(110)를 포함하는 것으로 도시되어 있으나, 실시예에 따라, 전력 증폭기(100)는 다단 접속된 복수의 증폭부(110)를 포함할 수 있고, 다단 접속된 복수의 증폭부(110)는 입력 신호(RFin)를 순차적으로 증폭하여, 출력 신호(RFin)를 생성할 수 있다. 일 예로, 다단 접속된 복수의 증폭부(110) 사이에는 정합 회로가 마련되어, 전단의 증폭부와 후단의 증폭부 사이의 임피던스를 정합할 수 있다.
실시예에 따라, 전력 증폭기(100)의 입력단(IN)의 전단에는 베이스 밴드 신호를 생성하는 베이스 밴드 IC 및 베이스 밴드 신호를 입력 신호(RFin)로 변조하는 RF IC가 마련될 수 있다. 베이스 밴드 IC는 사전에 결정된 통신 방식에 따라, 통신 정보의 부호화 및 변조를 행하고, 디지털 신호 처리에 의해 베이스 밴드 신호를 생성한다. RF IC는 베이스 밴드 신호에 중첩된 정보에 따라 반송파를 변조하여 입력 신호(RFin)를 생성한다.
제어부(200)는 전력 증폭기(100)에 제어 전류(Icon)를 제공할 수 있다. 제어부(200)는 전력 증폭기(100)에 제공되는 제어 전류(Icon)를 증폭부(110)에 구비되는 증폭 트랜지스터의 온도에 따라 가변할 수 있다.
도 2은 도 1의 실시예에 따른 전력 증폭기의 상세 회로도이다. 도 2를 참조하면, 전력 증폭기(100)는 증폭부(110) 및 바이어스부(120)를 포함한다.
증폭부(110)는 바이어스부(120)로부터 제공되는 바이어스 전류(Ibias)에 따라, 입력단(IN)을 통해 입력되는 입력 신호(RFin)를 증폭하여, 출력 신호(RFout)를 생성하고, 생성된 출력 신호(RFout)를 출력단(OUT)을 통해 출력할 수 있다.
증폭부(110)는 이미터 접지 방식의 증폭 트랜지스터(PTR)를 포함할 수 있다. 증폭 트랜지스터(PTR)의 베이스는 입력단(IN)과 연결되어, 증폭 트랜지스터(PTR)의 베이스에는 입력 신호(RFin)가 입력된다. 실시예에 따라, 증폭 트랜지스터(PTR)의 베이스는 소정의 커패시터를 통해, 입력단(IN)과 연결될 수 있다.
또한, 증폭 트랜지스터(PTR)의 베이스는 바이어스 트랜지스터(BTR)의 이미터에 접속되어, 바이어스 전류(Ibias)가 입력될 수 있다. 실시예에 따라, 증폭 트랜지스터(PTR)의 베이스는 소정의 밸러스트 저항(R)을 통해, 바이어스 트랜지스터(BTR)의 이미터에 접속될 수 있다.
증폭 트랜지스터(PTR)의 콜렉터는 출력단(OUT)과 연결되어, 출력 신호(RFout)를 출력한다. 실시예에 따라, 증폭 트랜지스터(PTR)의 콜렉터는 소정의 커패시터를 통해, 출력단(OUT)과 연결될 수 있다.
또한, 증폭 트랜지스터(PTR)의 콜렉터는 제1 구동 전압(Vcc) 단자에 접속된다. 실시예에 따라, 증폭 트랜지스터(PTR)의 콜렉터는 소정의 인덕터를 통해, 제1 구동 전압(Vcc) 단자에 접속된다.
증폭 트랜지스터(PTR)는 바이어스 전류(Ibias)에 따라, 입력단(IN)을 통해 입력되는 입력 신호(RFin)를 증폭하여, 출력단(OUT)을 통해 출력 신호(RFout)를 출력할 수 있다.
바이어스부(120)는, 바이어스 전류 생성부(121), 및 온도 보상부(122)를 포함할 수 있다.
바이어스 전류 생성부(121)는 제어부(200)로부터 제공되는 제어 전류(Icon)에 따라 바이어스 전류(Ibias)를 생성하여, 증폭부(110)로 제공할 수 있다.
바이어스 전류 생성부(121)는 제어 전류(Icon)에 따라 바이어스 전류(Ibias)를 생성하는 바이어스 트랜지스터(BTR)를 포함할 수 있다.
바이어스 트랜지스터(BTR)의 베이스는 제어부(200)와 연결되어, 바이어스 트랜지스터(BTR)의 베이스에는 제어 전류(Icon)가 입력된다. 바이어스 트랜지스터(BTR)의 콜렉터는 제2 구동 전압(Vbat) 단자에 접속된다.
또한, 바이어스 트랜지스터(BTR)의 이미터는 소정의 밸러스트 저항(R)을 통해, 증폭 트랜지스터(PTR)의 베이스에 접속되어, 바이어스 전류(Ibias)를 제공할 수 있다.
베이스와 이미터 간의 전압을 일정하게 증폭 트랜지스터(PTR)를 구동하면 온도 상승에 따라 콜렉터 전류가 증가한다. 콜렉터 전류의 증가에 의해, 소비 전력이 증가하면, 증폭 트랜지스터(PTR)의 온도가 상승하고, 이에 의해, 콜렉터 전류가 더욱 증가하는 열폭주 현상이 발생한다.
상술한 열폭주 현상을 방지하기 위하여, 바이어스 트랜지스터(BTR)의 베이스와 접지 사이에는 온도 보상부(122)가 마련될 수 있다.
온도 보상부(122)는 직렬로 접속되는 적어도 하나의 다이오드(D1, D2)를 포함할 수 있다. 일 예로, 적어도 하나의 다이오드(D1, D2) 각각은 다이오드 결선 트랜지스터를 포함할 수 있다. 다이오드 결선 트랜지스터 각각은 콜렉터와 베이스가 연결되는 형태로 결선될 수 있다.
온도 보상부(122)의 적어도 하나의 다이오드(D1, D2)는 제어부(200)로부터 제공되는 제어 전류(Icon)에 따라, 온도 보상 전압을 생성한다. 적어도 하나의 다이오드(D1, D2)의 온도 보상 전압은 온도 상승에 따라 하강하므로, 바이어스 트랜지스터(BTR)의 베이스 전압은 온도 상승에 따라 하강한다. 이에 의해, 증폭 트랜지스터(PTR)의 열폭주를 방지하여, 열폭주 현상에 의해 증폭 트랜지스터(PTR)가 파괴되는 문제를 해결할 수 있다.
다만, 온도 보상부(122)에 의해 증폭 트랜지스터(PTR)의 열폭주 현상이 억제되더라도, 정상 온도 범위 보다 높은 온도에서 증폭 트랜지스터(PTR)가 동작하는 경우, 증폭 트랜지스터(PTR)의 증폭 게인이 증폭 트랜지스터(PTR)의 턴 온 시점에서부터 턴 오프 시점까지 급격하게 감소되는 경향성을 가지므로, 증폭 효율이 현저히 저하되는 문제가 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전력 증폭 모듈(10)의 제어부(200)는 증폭 트랜지스터(PTR)의 온도를 검출하고, 검출된 증폭 트랜지스터(PTR)의 온도에 따라 제어 전류(Icon)를 가변하여, 증폭 트랜지스터(PTR)의 증폭 게인을 보상할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부의 블록도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 검출 전압 출력부의 회로도이다.
도 3를 참조하면, 제어부(200)는 검출 전압 출력부(210), 온도 결정부(220), 및 제어 전류 생성부(230)를 포함한다.
검출 전압 출력부(210)는 증폭 트랜지스터(PTR)의 온도에 대응하는 검출 전압을 출력할 수 있다.
도 4를 참조하면, 검출 전압 출력부(210)는 센싱 트랜지스터(STR), 및 전류원(Is)을 포함할 수 있고, 추가적으로, 필터링 커패시터(C)를 더 포함할 수 있다.
센싱 트랜지스터(STR)는 이미터가 접지에 접속하고, 콜렉터와 베이스가 서로 연결되는 다이오드 결선 형태로 접속되어, 소정의 다이오드 소자와 같이 기능할 수 있다. 일 예로, 센싱 트랜지스터(STR)의 이미터는 다이오드 소자의 캐소드에 대응되고, 센싱 트랜지스터(STR)의 콜렉터 및 베이스는 다이오드 소자의 애노드에 대응된다.
전류원(Is)은 기준 전류를 센싱 트랜지스터(STR)로 제공한다. 일 예로, 전류원(Is)은 센싱 트랜지스터(STR)의 콜렉터 및 베이스로 기준 전류를 제공할 수 있다. 전류원(Is)으로부터 제공되는 기준 전류에 의해, 센싱 트랜지스터(STR)의 콜렉터/베이스와 이미터 사이의 양 단에서 검출 전압(Vsen)이 출력될 수 있다.
필터링 커패시터(C)의 일단은 센싱 트랜지스터(STR)의 콜렉터/베이스와 연결되고, 필터링 커패시터(C)의 타단은 센싱 트랜지스터(STR)의 이미터와 연결된다. 필터링 커패시터(C)는 센싱 트랜지스터(STR)로 입력되는 출력 신호(RFout)의 고주파 성분을 필터링 할 수 있다.
센싱 트랜지스터(STR)는 증폭 트랜지스터(PTR)와 열 결합한다. 센싱 트랜지스터(STR)는 증폭 트랜지스터(PTR)에 인접하여 배치될 수 있고, 일 예로, 센싱 트랜지스터(STR)는 증폭 트랜지스터(PTR)와 100㎛~200㎛ 이격되어 배치될 수 있다.
센싱 트랜지스터(STR)는 증폭 트랜지스터(PTR)와 열 결합하므로, 증폭 트랜지스터(PTR)의 온도가 상승하는 경우, 센싱 트랜지스터(STR)의 온도 또한 함께 상승한다.
다이오드 결선 형태의 센싱 트랜지스터(STR)의 순방향 전압은 온도 상승에 따라 저하되는 온도 특성을 가지므로, 검출 전압(Vsen)은 증폭 트랜지스터(PTR)의 온도 상승에 따라 저하될 수 있다.
온도 결정부(220)는 검출 전압(Vsen)에 따라 증폭 트랜지스터(PTR)의 온도를 결정할 수 있다. 일 예로, 온도 결정부(220)는 검출 전압(Vsen)과 증폭 트랜지스터(PTR)의 온도에 대한 룩 업 테이블 형태의 데이터를 포함하여, 검출 전압(Vsen)의 레벨에 따라 증폭 트랜지스터(PTR)의 온도를 결정할 수 있다.
제어 전류 생성부(230)는 온도 결정부(220)에서 결정되는 증폭 트랜지스터(PTR)의 온도에 따라, 제어 전류(Icon)를 생성할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 정상 온도 범위 보다 높은 온도에서 증폭 트랜지스터(PTR)가 동작하는 경우, 증폭 트랜지스터(PTR)의 증폭 게인이 증폭 트랜지스터(PTR)의 턴 온 시점에서부터 턴 오프 시점까지 급격하게 감소되는 경향성을 가지게 된다.
제어 전류 생성부(230)는 증폭 트랜지스터(PTR)의 온도가 기준 온도 보다 높은 경우, 감소된 증폭 게인을 보상하기 위하여, 제어 전류(Icon)의 레벨을 상승시킬 수 있다. 제어 전류(Icon)의 레벨이 상승하면, 바이어스 전류가(Ibias)가 상승하게 되어, 증폭 트랜지스터(PTR)의 증폭 게인이 보상될 수 있다.
한편, 상술한 실시예에서, 제어부(200)가 검출 전압 출력부(210), 온도 결정부(220), 및 제어 전류 생성부(230)로 구성되는 것으로 기술하였으나, 실시예에 따라, 제어부(200)는 검출 전압 출력부(210), 및 제어 전류 생성부(230)로 구성될 수 있다. 이 경우, 제어부(200)의 제어 전류 생성부(230)는 검출 전압(Vsen)에 따라, 제어 전류(Icon)를 생성할 수 있다. 일 예로, 제어 전류 생성부(230)는 검출 전압(Vsen)이 기준 전압 보다 낮은 경우, 감소된 증폭 게인을 보상하기 위하여, 제어 전류(Icon)의 레벨을 상승시킬 수 있다. 제어 전류(Icon)의 레벨이 상승하면, 바이어스 전류가(Ibias)가 상승하게 되어, 증폭 트랜지스터(PTR)의 증폭 게인이 보상될 수 있다.
이상에서 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다.
따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
10: 전력 증폭 모듈
100: 전력 증폭기
110: 증폭부
120: 바이어스부
121: 바이어스 전류 생성부
122: 온도 보상부
200: 컨트롤러
210: 검출 전압 출력부
220: 온도 결정부
230: 제어 전류 생성부

Claims (13)

  1. 입력 신호를 증폭하여 출력 신호를 출력하는 증폭 트랜지스터를 포함하는 증폭부, 및 상기 증폭 트랜지스터에 바이어스 전류를 제공하는 바이어스 트랜지스터를 포함하는 바이어스부를 포함하는 전력 증폭기; 및
    상기 바이어스 트랜지스터에 제어 전류를 제공하는 제어부; 를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 증폭 트랜지스터의 온도에 따라, 상기 바이어스 트랜지스터에 제공되는 제어 전류를 가변하는 전력 증폭 모듈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 증폭 트랜지스터의 온도에 대응하는 검출 전압을 출력하는 검출 전압 출력부를 포함하는 전력 증폭 모듈.
  3. 제2항에 있어서, 상기 검출 전압 출력부는,
    상기 증폭 트랜지스터와 열 결합하는 센싱 트랜지스터를 포함하는 전력 증폭 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 센싱 트랜지스터의 콜렉터, 베이스, 및 이미터는 다이오드 결선 형태로 연결되는 전력 증폭 모듈.
  5. 제4항에 있어서, 상기 검출 전압 출력부는,
    상기 센싱 트랜지스터의 콜렉터/베이스와 이미터 사이의 전압을 상기 검출 전압으로 출력하는 전력 증폭 모듈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 검출 전압은 상기 증폭 트랜지스터의 온도 상승에 따라 저하되는 전력 증폭 모듈.
  7. 제3항에 있어서, 상기 검출 전압 출력부는,
    상기 센싱 트랜지스터에 기준 전류를 제공하는 전류원을 더 포함하는 전력 증폭 모듈.
  8. 제3항에 있어서, 상기 검출 전압 출력부는,
    상기 센싱 트랜지스터로 입력되는 상기 출력 신호의 고주파 성분을 필터링하는 필터링 커패시터를 더 포함하는 전력 증폭 모듈.
  9. 제2항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 검출 전압에 따라, 상기 증폭 트랜지스터의 온도를 결정하는 온도 결정부를 더 포함하는 전력 증폭 모듈.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 증폭 트랜지스터의 온도에 따라, 상기 제어 전류를 생성하는 제어 전류 생성부를 더 포함하는 전력 증폭 모듈.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 증폭 트랜지스터의 온도가 기준 온도 보다 높은 경우, 상기 제어 전류의 레벨을 상승시키는 전력 증폭 모듈.
  12. 제2항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 검출 전압에 따라, 상기 제어 전류를 생성하는 제어 전류 생성부를 더 포함하는 전력 증폭 모듈.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 검출 전압의 기준 전압 보다 낮은 경우, 상기 제어 전류의 레벨을 상승시키는 전력 증폭 모듈.
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