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KR100821197B1 - 고효율 혼합모드 전력 증폭기 - Google Patents

고효율 혼합모드 전력 증폭기 Download PDF

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KR100821197B1
KR100821197B1 KR1020050097449A KR20050097449A KR100821197B1 KR 100821197 B1 KR100821197 B1 KR 100821197B1 KR 1020050097449 A KR1020050097449 A KR 1020050097449A KR 20050097449 A KR20050097449 A KR 20050097449A KR 100821197 B1 KR100821197 B1 KR 100821197B1
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amplifier
power
output
power amplifier
low
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박민
최윤호
박경환
현석봉
박성수
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한국전자통신연구원
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Abstract

본 발명은 최대 출력에서 선형성을 만족시키면서, 최대 사용빈도를 갖는 영역에서 효율을 증대시켜 배터리의 사용시간을 연장할 수 있도록 한 저소비 전력 시스템에서의 전력증폭기에 관한 것이다.
본 발명의 전력증폭기는, 외부로부터 입력된 신호를 임피던스 정합시키기 위한 입력 임피던스 정합부; 상기 입력 임피던스 정합부를 경유한 신호를 증폭하기 위한 고출력 증폭부 및 저출력 증폭부; 상기 입력 신호의 전력 레벨에 따라 상기 고출력 증폭부 및 저출력 증폭부를 제어하는 증폭기 제어부; 상기 고출력 증폭부 및 저출력 증폭부로부터 증폭된 신호를 임피던스 정합시키기 위한 출력 임피던스 정합부; 및 상기 저출력 증폭부에 가변적인 동작 전압을 공급하기 위한 다이나믹 전압 공급부를 포함를 포함하되, 상기 고출력 증폭부는 선형성이 높은 특성을 가지며, 상기 저출력 증폭부는 최대 사용 빈도 영역에서 효율이 높으며 비선형 특성을 가진다.
상기 구성에 따라, 최대 출력에서 선형성을 만족시키면서, 최대 사용빈도를 갖는 영역에서 효율을 증대시켜 휴대기기 배터리의 사용시간을 연장할 수 있는 효과가 있다.
Figure R1020050097449
전력증폭기, 이동통신 단말기, 임피던스 정합부, 증폭기 제어부

Description

고효율 혼합모드 전력 증폭기{High efficient mixed mode power amplifier}
도 1은 종래의 전력증폭기를 설명하기 위한 개략적인 블록 구성도.
도 2는 코넥산트(Conexant)사의 출력에 따른 사용 빈도 함수를 설명하기 위한 그래프.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력증폭기를 설명하기 위한 전체적인 블록 구성도.
도 4는 도 3의 제3 증폭기를 구체적으로 설명하기 위한 회로 구성도.
도 5는 도 3의 다이나믹 전압공급부를 구체적으로 설명하기 위한 회로 구성도.
도 6은 도 3의 다이나믹 전압공급부의 입력 전력에 따른 출력 전압 특성을 설명하기 위한 그래프.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력증폭기의 출력파워에 따른 효율을 설명하기 위한 그래프.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력증폭기의 출력파워에 따른 인접채널누설비를 설명하기 위한 그래프.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력증폭기를 설명하기 위한 전체적인 블록 구성도.
*** 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 ***
100 : 입력 임피던스 정합부, 200 : 제1 증폭기,
300 : 중간단 임피던스 정합부, 400 : 고출력 증폭기,
500 : 저출력 증폭기, 510 : 바이어스부,
520 : 클래스 E 부하, 600 : 출력 임피던스 정합부,
700 : 증폭기 제어부, 800 : 다이나믹 전압공급부,
850 : 트랜스포머
본 발명은 전력증폭기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 최대 출력에서 선형성을 만족시키면서, 최대 사용빈도를 갖는 영역에서 효율을 증대시켜 배터리의 사용시간을 연장할 수 있도록 한 저소비 전력 시스템에서의 전력증폭기에 관한 것이다.
일반적으로, 선형성이 중요하게 요구되는 이동통신 단말기, 휴대폰 및 비정합 엔빌로프 시스템(non-contant envelope system)(예컨대, CDMA 및 W-CDMA 등)에서 사용되는 전력증폭기는 클래스(Class) A 또는 AB의 형태로 주로 사용되고 있다.
현재의 기술 발전 추세를 감안하면 미래의 휴대 단말은 종래의 음성 위주의 서비스에서 탈피하여 음성, 인터넷, 동영상 및 전자서명/계측/제어 등 다양한 서비스를 제공할 수 있어야 하고, 이를 구현하기 위하여 복합 기능과 높은 전송속도가 요구되며, 이에 수반하여 전력소모가 가장 핵심문제로 대두되고 있다.
따라서, 경제적인 측면에서 휴대 단말기의 세계적인 제품 경쟁력 우위를 지속적으로 유지하고 다양한 부가 서비스의 창출을 위하여 저소비 전력 부품의 구현이 필수적이다.
한편, 현재 본격적인 기술개발이 진행되고 있는 기술 분야로서, 칩의 면적 최소화, 아날로그 소자의 이득개선, 누설전류의 방지, 다중 동작전압 및 클럭 게이팅 회로설계, 혼합모드 통신방식, 지능형 전송 프로토콜 등이 핵심 기술로 부각되고 있다.
특히, 신호의 송신을 위해서는 필수적인 핵심 부품인 전력증폭기는 휴대용 이동통신 단말기에서 전력 소모가 가장 많다. 따라서, 이동통신 단말기 및 휴대폰에 사용되는 전력증폭기 회로를 저소비 전력화함으로써, 저소비 전력 시스템의 다기능화, 복합기능의 구현이 가능하여 새로운 이동통신 서비스 산업이 활성화되고, 개인은 단말기 하나로 여러 생활편의 기능을 서비스 받을 수 있을 것이다. 그 뿐만아니라 단말기로 장시간 동안 멀티미디어 통신이 가능하므로 시공을 초월한 정보, 교류 사회를 선도적으로 구현할 수 있다.
도 1은 종래의 전력증폭기를 설명하기 위한 개략적인 블록 구성도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 전력증폭기는 RF(Radio Frequency) 입력신호를 증폭하는 고출력 증폭소자(1)와, 상기 고출력 증폭소자(1)의 소모 전류(I1, I2)를 결정하는 모드스위치(2)와, 상기 고출력 증폭소자(1)의 입력 및 출력 임피던스 정합 을 위한 입력 및 출력 임피던스 정합회로(3 및 4)로 구성되어 있다.
여기서, 상기 고출력 증폭소자(1)는 현재 주로 이종접합 쌍극자 트랜지스터(Heterojunction Bipolar Transistor, HBT) 어레이를 사용하고 있으며, 바이폴라 트랜지스터(BJT), 전계효과 트랜지스터(FET) 등의 트랜지스터 어레이로 구성될 수 있다.
일반적으로, 전력증폭기는 직류(DC) 소모 전력에 비해 RF 출력 전력이 작을 경우, 전력 효율이 매우 낮다. 이를 개선하기 위하여 종래의 기술에서는 출력 전력의 강도에 따라 고출력 모드와 저출력 모드로 각각 동작하며, 저출력 모드에서는 고출력 모드에 비해 소모 전류가 줄어든다.
상기 고출력 모드와 저출력 모드에서의 소비 전류(I1, I2)는 상기 모드스위치(2)에 의해 결정되고, 상기 종래의 전력증폭기에서 공급 전압은 배터리 공급전압(예컨대, 휴대폰의 경우 약 3.4V∼4.2V 정도)으로 결정된다. 따라서, 공급 직류(DC) 전류의 양에 의해 소모 전력이 결정된다.
상기 고출력 증폭소자(1)에 RF 입력을 증가시키면, 소자에서 출력되는 RF 전력이 커지면서 소모되는 직류(DC) 전류도 함께 증가한다. 이때, 약 1W 정도의 고출력 모드에서는 최대 출력 전력을 발생시키기 위한 전압 스윙 폭은 배터리 공급 전압으로 하고, 전류 스윙 폭이 크도록 맞는 부하 임피던스가 사용되는데, 대략 그 값은 약 2∼5옴(Ohm)이다.
이에 비해 약 16dBm 정도의 저출력 모드에서는 출력 전력이 낮기 때문에 전 류 소모를 많이 늘리지 않고 RF 전압 스윙 크기를 배터리 공급 전압 폭에 근접하도록 높은 부하 임피던스를 사용하여 전력 효율을 높일 수 있다.
또한, 약 16dBm 정도의 저출력 모드에 있어서, 최대 효율에서의 부하 임피던스는 약 15옴(Ohm) 이상이다. 따라서, 고출력 및 저출력 두 모드 사이에 출력 임피던스를 똑같이 공유할 경우, 비록 모드 스위칭을 통해 두 모드에서 동작점의 소모 전류를 바꾸지만, 우선적으로 휴대폰의 최대 출력 사양을 맞추어야 하기 때문에, 부하 임피던스가 고출력 모드에 맞게 설계되고, 이로 인해 RF 입력 약 16dBm 이하의 저출력 모드에서의 효율은 현재 약 10％ 이상 되기가 어려운 실정이다.
또한, 상기 고출력 증폭소자(1)의 소모 전류(I1, I2)를 점점 더 줄이면 효율은 향상되지만, 대신 고출력 신호 동작에서 비선형 성분을 많이 발생시키므로 전력증폭기의 선형성을 악화시키는 문제점이 있다.
이에 따라, 단지 소모 전류(I1, I2)만 바꾸어 고출력 및 저출력 모드에서 높은 선형성을 유지하면서, 저소비 전력 시스템에서의 높은 효율의 전력증폭기를 구현 하는 것은 한계가 있다.
도 2는 코넥산트(Conexant)사의 출력에 따른 사용 빈도 함수를 설명하기 위한 그래프로서, 이동통신 단말기 및 휴대폰과 같이 출력 전력의 사용률이 도 2와 같은 분포를 보일 경우, 최대 출력 전력에서 최대 효율을 갖는 전력 증폭기는 실제사용률이 높은 출력 전력 -16∼16dBm 근처 영역에서 전력 부가 효율이 떨어지는 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 전력증폭기의 전력단을 하나 이상으로 나누어 낮은 출력에서는 높은 효율을 위하여 비선형 증폭기를, 높은 출력에서는 선형성을 위하여 고선형 증폭기를 사용하여 소비전력이 낮은 전력증폭기를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 최대 사용빈도 영역에서의 효율 향상을 극대화하기 위하여 다이나믹 전압공급부를 구비함으로써, 최대 사용빈도를 갖는 영역에서 효율을 증대시켜 배터리의 사용시간을 연장할 수 있도록 한 전력증폭기를 제공하는데 있다.
전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 측면은, 외부로부터 입력된 신호를 임피던스 정합시키기 위한 입력 임피던스 정합부, 상기 입력 임피던스 정합부를 경유한 신호를 증폭하기 위한 고출력 증폭부 및 저출력 증폭부, 상기 입력 신호의 전력 레벨에 따라 상기 고출력 증폭부 및 저출력 증폭부를 제어하는 증폭기 제어부, 상기 고출력 증폭부 및 저출력 증폭부로부터 증폭된 신호를 임피던스 정합시키기 위한 출력 임피던스 정합부 및 상기 저출력 증폭부에 가변적인 동작 전압을 공급하기 위한 다이나믹 전압 공급부를 포함하되,상기 고출력 증폭부는 선형성이 높은 특성을 가지며, 상기 저출력 증폭부는 상기 최대 사용 빈도 영역에서 효율이 높으며 비선형 특성을 가지는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기를 제공하는 것이다.
여기서, 상기 입력 임피던스 정합부로부터 정합된 신호를 증폭하기 위한 제1 증폭부; 및 상기 제1 증폭부로부터 증폭된 신호를 임피던스 정합시켜 상기 고출력 증폭부 및 저출력 증폭부로 전달하기 위한 중간단 임피던스 정합부를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 고출력 증폭부는 최대 전력 소모 영역을 위한 고출력 모드에서 동작되고, 상기 저출력 증폭부는 최대 사용 빈도 영역을 위한 저출력 모드에서 동작된다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력증폭기를 설명하기 위한 전체적인 블록 구성도이고, 도 4는 도 3의 저출력 증폭기를 구체적으로 설명하기 위한 회로 구성도이며, 도 5는 도 3의 다이나믹 전압공급부를 구체적으로 설명하기 위한 회로 구성도이다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고효율 혼합모드 전력증폭기는 입력 임피던스 정합부(100), 제1 증폭기(200), 중간단 임피던스 정합부(300), 고출력 증폭기(400), 저출력 증폭기(500), 출력 임피던스 정합부(600), 증폭기 제어부(700) 및 다이나믹 전압공급부(800)를 포함하여 이루어진다.
여기서, 상기 입력 임피던스 정합부(100)는 외부로부터 입력되는 RF(Radio Frequency) 신호를 임피던스 정합하여 출력하는 기능을 수행한다.
상기 제1 증폭기(200)는 상기 입력 임피던스 정합부(100)로부터 출력되는 신호를 제공받아 이를 증폭시키는 기능을 수행한다.
상기 중간단 임피던스 정합부(300)는 상기 제1 증폭기(200)로부터 증폭된 고주파 신호를 제공받아 이를 적절하게 임피던스 정합하여 출력하는 기능을 수행한다.
상기 고출력 증폭기(400)는 고선형 증폭기로서 상기 증폭기 제어부(700)의 제어에 따라 최대 전력소모 영역에서의 고출력 모드에서 동작되며, 상기 중간단 임피던스 정합부(300)로부터 출력된 신호를 제공받아 이를 증폭시키는 기능을 수행한다.
이러한 고출력 증폭기(400)의 면적은 상기 제1 증폭기(200) 및 저출력 증폭기(500)의 면적보다 크게 구현됨이 바람직하다.
상기 저출력 증폭기(500)는 비선형 증폭기로서 상기 증폭기 제어부(700)의 제어에 따라 최대 사용빈도 영역에서의 저출력 모드에서 동작되며, 상기 고출력 증폭기(400)와 병렬로 연결되어 상기 중간단 임피던스 정합부(300)로부터 출력된 신호를 제공받아 이를 증폭시키는 기능을 수행한다.
이러한 저출력 증폭기(500)는 도 4에 도시된 바와 같이, 고효율의 특성을 얻기 위하여 예컨대, 클래스(class) E급 동작의 증폭기로서, 상기 증폭기 제어부(700)의 출력단에 연결되어 상기 저출력 증폭기(500)를 온/오프시키기 위한 바이어스부(510)와, 상기 증폭기 제어부(700)의 제어 신호에 따라 구동되는 제1 트랜지스 터(T1)와, 상기 제1 트랜지스터(T1)의 컬렉터(collector)와 상기 출력 임피던스 정합부(600)의 입력단 사이에 연결되어 상기 출력 임피던스 정합부(600)로 RF 신호를 입력시키는 클래스 E 부하(Load)(520)로 구성되어 있다.
이때, 상기 제1 트랜지스터(T1)의 컬렉터는 상기 다이나믹 전압공급부(800)에 연결되어 있으며, 이미터(emitter)는 접지되어 있다.
상기 출력 임피던스 정합부(600)는 상기 고출력 또는 저출력 증폭기(400 및 500)로부터 증폭된 신호를 임피던스 정합하여 최적화된 신호를 출력하는 기능을 수행한다.
상기 증폭기 제어부(700)는 상기 고/저출력 모드에 따라 디지털 신호를 부가함으로써 상기 고출력 및 저출력 증폭기(400 및 500)를 제어하는 기능을 수행한다. 이는 통상의 디지털 신호 제어 기술을 적용한다.
즉, 상기 증폭기 제어부(700)는 외부의 안테나로부터 입력되는 신호에 근거하여 소정의 전력 제어 신호를 생성한 후, 상기 고출력 모드 동작 시에 상기 저출력 증폭기(500)를 오프(OFF)시켜 구동되지 않도록 제어하고, 상기 고출력 증폭기(400)만을 온(ON)시켜 구동되도록 제어한다. 한편, 상기 저출력 모드 동작 시에 상기 고출력 증폭기(400)를 오프(OFF)시키고, 상기 저출력 증폭기(500)만을 온(ON)시켜 구동되도록 제어한다.
따라서, 최대 출력을 내는 최대 전력소모 영역에서의 고출력 모드 시에는 선형성을 만족시키면서 원하는 출력을 얻을 수 있으며, 최대 사용빈도를 갖는 영역에서의 저출력 모드 시 효율을 증대시켜 이동통신 단말기 및 휴대폰 배터리의 사용시 간을 효과적으로 연장시킬 수 있다.
상기 다이나믹 전압공급부(800)는 상기 입력 임피던스 정합부(100)와 상기 제1 증폭기(200) 사이에 연결되며, 최대 사용빈도를 갖는 영역에서의 저출력 모드 시 상기 저출력 증폭기(500)에 전압을 공급하는 기능을 수행한다. 즉, 상기 저출력 증폭기(500)는 상기 다이나믹 전압공급부(800)를 통해 제어된다. 또한 도 3에는 표시되어 있지 않지만 상기 다이나믹 전압공급부(800)는 상기 제1증폭기(200)와 상기 고출력 또는 저출력 증폭기(400, 500) 사이 등, 입력 신호가 전달되는 고/저출력 증폭기 이전단의 어느 부분에도 연결되도록 구현해도 동일한 효과를 얻을 수 있다. 즉, 상기와 같이 구성함으로써 입력 전력(Pin)의 영향을 받아 다이나믹 전압공급부(800)의 기능이 원할히 수행되는 것이다.
이러한 다이나믹 전압공급부(800)는 도 5에 도시된 바와 같이, 입력전력(Pin)단자와 바이어스 전압(Vbias)단자 사이에 연결된 제1 커패시터(C1)와, 상기 입력전력(Pin)에 따라 구동되는 제2 트랜지스터(T2)와, 상기 제2 트랜지스터(T2)의 컬렉터와 컬렉터 전압(Vcc)단자 사이에 연결된 제1 저항(R1)과, 상기 제2 트랜지스터(T2)의 컬렉터와 접지(ground)사이에 연결된 제2 커패시터(C2)와, 상기 제2 트랜지스터(T2)의 컬렉터 전위에 따라 구동되는 제3 트랜지스터(T3)와, 상기 제3 트랜지스터(T3)의 컬렉터와 컬렉터 전압(Vcc)단자 사이에 연결된 제2 저항(R2)과, 상기 제3 트랜지스터(T3)의 이미터와 접지사이에 연결된 제3 저항(R3)과, 상기 제3 트랜지스터(T3)의 컬렉터와 출력 전압단자 즉, 상기 저출력 증폭기(500)사이에 연결된 트랜스포머(transformer)(850)로 구성되어 있다. 그리고, 상기 트랜스포머(850)는 임피던스 증폭을 위한 것으로 상기 트랜스포머(850)와 상기 저출력 증폭기(500) 사이에 일단이 연결되고 타단이 접지단에 연결되는 소정의 부하(900)를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 입력 전력(Pin)단자는 상기 입력 임피던스 정합부(100)와 상기 제1 증폭기(200) 사이에 연결되어 있고, 상기 제2 트랜지스터(T2)의 이미터는 접지되어 있으며, 상기 제2 트랜지스터(T2)의 컬렉터와 상기 제3 트랜지스터(T3)의 베이스가 연결되어 있다.
상기와 같이 구성된 다이나믹 전압공급부(800)는 상기 입력전력(Pin)에 따라 증가된 상기 제2 트랜지스터(T2)의 전류에 의해 상기 제3 트랜지스터(T3)의 베이스 전압이 감소하게 된다.
그로 인하여, 상기 입력전력(Pin)의 일정한 값 이후에는 상기 제3 트랜지스터(T3)가 꺼짐으로써, 상기 부하(900)에는 상기 제2 저항(R2)과 상기 부하(900)의 임피던스에 의해 출력 전압이 결정된다.
또한, 상기 부하(900)가 상기 제2 저항(R2)에 비해 매우 큰 경우, 출력 전압은 상기 컬렉터 전압(Vcc)과 거의 동일한 전압이 된다. 그리고, 바이패스 커패시터인 상기 제2 커패시터(C2)에 의해 고주파 성분이 모두 제거되어 상기 다이나믹 전압공급부(800)의 출력은 결국 직류(DC) 성분만이 전달된다.
한편, 상기 다이나믹 전압공급부(800)에서 상기 제3 트랜지스터(T3)가 입력 전력(Pin)에 의해 영향을 받는 지점과 상기 입력전력(Pin)에 따라 직류(DC) 출력 전압의 증가되는 기울기는 상기 제1 저항(R1), 제2 저항(R2), 제3 저항(R3)의 값 및 상기 제2 트랜지스터(T2)의 에미터 면적에 의해 결정됨이 바람직하다.
전술한 바와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 혼합모드 전력증폭기는 우선 공통의 상기 입력 임피던스 정합부(100)를 통해 입력된 RF 신호가 전력 제어 경로를 따라 상기 제1 증폭기(200)에 의해 일정 수준 증폭이 되고, 상기 중간단 임피던스 정합부(300)를 통해 임피던스 정합을 한 후, 고출력 및 저출력 모드 시 개별적으로 동작하는 상기 고출력 및 저출력 증폭기(400 및 500)로 출력된다.
도 6은 도 3의 다이나믹 전압공급부의 입력 전력에 따른 출력 전압 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
통상의 전력증폭기는 입력 직류(DC) 소모 전력에 비해 RF 출력 전력이 작을 경우, 전력 효율이 매우 낮다. 이러한 전력증폭기의 부가효율(Power Added Efficiency, PAE)은 "PAE(％)=(출력 RF 전력-입력 PF 전력)/입력 직류(DC) 전력×100"으로 구해진다.
여기서, 입력과 출력의 RF 전력이 고정되어 있을 경우 효율은 입력 직류(DC) 전력이 작을 경우 커지게 된다. 본 발명의 일 실시예서는 이와 같은 원리를 이용하여 높은 출력에서는 선형성을 고려한 고선형 전력증폭기인 고출력 증폭기(400)를 사용하고, 낮은 출력에서는 높은 효율을 위하여 비선형 증폭기인 저출력 증폭기(500)를 사용한 고효율 혼합모드 전력증폭기를 제공함과 더불어, 저출력 모드 시 상기 다이나믹 전압공급부(800)의 출력 전압을 최소로 유지함에 따라 전력증폭기의 효율을 극대화할 수 있다.
이러한 다이나믹 전압공급부(800)를 사용하지 않을 경우에는 입력 전압의 변동에 상관없이 일정하게 전력증폭기에 직류(DC) 전압이 공급됨으로써, 전력증폭기의 부가효율이 저출력 모드에서는 작게 나타나게 된다.
도 6에서의 경우는 상기 다이나믹 전압공급부(800)에서 소자의 동작전압(Vcc)이 약 3V인 조건하에서 입력 전력에 따른 출력 전압의 특성을 나타낸 것으로서, 저출력 모드에서는 출력 전압이 낮고, 입력 전력이 증가할수록 즉, 고출력 모드로 갈수록 출력 전압이 높아지며, 임의의 입력 전력 조건에서부터는 일정하게 나타남을 보여 주고 있다.
따라서, 입력 전력이 작은 저출력 모드에서는 동일한 동작 전압(Vcc) 조건하에서 상기 저출력 증폭기(500)에 가해지는 전압이 낮게 제어되므로, 입력 직류(DC) 전력이 작아진다. 이로 인하여 상기 저출력 증폭기(500)의 부가효율이 극대화되는 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력증폭기의 출력파워에 따른 효율을 설명하기 위한 그래프이다.
도 7을 참조하면, 종래의 전력증폭기와 같이 선형 전력증폭기를 사용한 경우(또는 큰 면적의 증폭기를 사용한 경우), 점선에서 나타나는 것과 같이 16dBm 이하의 출력 파워에서 낮은 효율을 나타낸다.
그러나, 본 발명의 일 실시예를 적용했을 경우, 작은 면적의 비선형 증폭기 인 저출력 증폭기(500)와 다이나믹 전압공급부(800)의 영향으로 인하여 실선과 같이, 사용이 많은 출력파워영역에서 효율이 향상됨을 알 수 있다. 즉, 저출력 모드 하에서의 부가효율은 최대 출력파워 시의 효율과 비슷한 수준까지 극대화할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력증폭기의 출력파워에 따른 인접채널누설비를 설명하기 위한 그래프이다.
도 8을 참조하면, 낮은 출력파워영역에서 종래의 선형 증폭기(또는 큰 면적의 증폭기를 사용한 경우)의 선형성은 전혀 고려할 필요가 없을 만큼 규격에 대해 충분한 여유를 가진다.
그러나, 본 발명의 일 실시예를 적용했을 경우, 저출력 모드에서 사용되는 작은 면적의 비선형 증폭기인 저출력 증폭기(500)로 인하여 16dBm 이하에서 선형성이 많이 나빠지게 된다.
일반적으로, 인접채널누설비(Adjacent Channel Leakage Ratio, ACLR)는 전력증폭기의 선형성을 나타내는 지표로서, W-CDMA의 경우 인접채널누설비(ACLR)를 전력증폭기의 선형성 규격으로 정의하고 있다. 도 8에 도시된 바와 같이, 고출력 모드에서 큰 면적의 선형 증폭기인 고출력 증폭기(400)를 사용하여 임의의 인접채널누설비(ACLR) 규격을 만족하고, 저출력 모드에서는 작은 면적의 비선형 증폭기인 저출력 증폭기(500)로 인해 인접채널누설비(ACLR) 값이 올라가지만, 임의의 표준 규격 이하로 제한됨으로 어느 정도 선형성을 유지할 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력증폭기를 설명하기 위한 전체적인 블록 구성도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력증폭기는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력증폭기와 유사한 구성을 가지며, 본 발명의 일 실시예와 동일한 구성 및 작용효과에 대해서는 본 발명의 일 실시예를 참조하기로 한다.
다만, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력증폭기는 병렬로 연결된 복수개의 저출력 증폭기(500a 내지 500n)를 적용한 구성이 본 발명의 일 실시예에 따른 전력증폭기의 구성과 다르다.
이와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력증폭기는 병렬로 연결된 복수개의 저출력 증폭기(500a 내지 500n)를 구비하여 최대 효율을 낼 수 있는 최적화 지점을 다수 확보함으로써, 전력증폭기의 효율을 극대화시키고, 그로 인해 이동통신 단말기 및 휴대폰의 배터리 사용시간을 연장시킬 수 있는 효과가 있다.
전술한 본 발명에 따른 전력증폭기에 대한 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.
예컨대, 비록 이해의 편의를 위해 본 발명의 제1 내지 저출력 증폭기를 바이폴라 트랜지스터로 구현한 것만을 도시하였지만, 상기 제1 내지 저출력 증폭기는 이종접합 쌍극자 트랜지스터(HBT) 어레이, 바이폴라 트랜지스터(BJT), 전계효과 트랜지스터(FET) 등의 트랜지스터 어레이 중 어느 하나(또는 조합)로 구성될 수 있음은 자명하다.
예컨대, 상기 도 3 및 그 설명에서는 종래기술의 입력 임피던스 정합회로에 대응하는 입력 임피던스 정합 블록이 입력 임피던스 정합부(100), 하나의 제1 증폭기(200) 및 중간단 임피던스 정합부(300)로 이루어진 것으로 구체화하였지만, 전체 신호 증폭도가 낮게 요구되는 경우에는 상기 제1 증폭기(200) 및 중간단 임피던스 정합부(300)를 생략할 수 있으며, 보다 높은 전체 신호 증폭도가 요구되는 경우에는 상기 제1 증폭기(200)를 복수개의 증폭기 소자로 이루어진 다단 증폭기로 구현할 수도 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 전력증폭기에 따르면, 전력증폭기의 전력단을 하나 이상으로 나누어 낮은 출력에서는 높은 효율을 위하여 비선형 증폭기를, 높은 출력에서는 선형성을 위하여 고선형 증폭기를 사용하며, 최대 사용빈도 영역에서의 효율 향상을 극대화하기 위하여 다이나믹 전압공급부를 구비함으로써, 최대 사용빈도를 갖는 영역에서 효율을 증대시켜 배터리의 사용시간을 연장할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 복수개로 병렬로 연결된 작은 면적의 비선형 증폭기를 구비하여 최대 효율을 낼 수 있는 최적화 지점을 다수 확보함으로써, 전력증폭기의 효율을 극대화시키고, 그로 인해 이동통신 단말기 및 휴대폰의 배터리 사용시간을 연장시킬 수 있는 이점이 있다.

Claims (9)

  1. 외부로부터 입력된 신호를 임피던스 정합시키기 위한 입력 임피던스 정합부;
    상기 입력 임피던스 정합부를 경유한 신호를 증폭하기 위한 고출력 증폭부 및 저출력 증폭부;
    상기 입력 신호의 전력 레벨에 따라 상기 고출력 증폭부 및 저출력 증폭부를 제어하는 증폭기 제어부;
    상기 고출력 증폭부 및 저출력 증폭부로부터 증폭된 신호를 임피던스 정합시키기 위한 출력 임피던스 정합부; 및
    상기 저출력 증폭부에 가변적인 동작 전압을 공급하기 위한 다이나믹 전압 공급부
    를 포함하되,
    상기 고출력 증폭부는 선형성이 높은 특성을 가지며, 상기 저출력 증폭부는 최대 사용 빈도 영역에서 효율이 높으며 비선형 특성을 가지는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 고출력 증폭부는 최대 전력 소모 영역을 위한 고출력 모드에서 동작되고, 상기 저출력 증폭부는 상기 최대 사용 빈도 영역을 위한 저출력 모드에서 동작되는 것을 특징으로 하는 전력증폭기.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 고출력 증폭부 및 저출력 증폭부는 외부로부터 안테나로 입력되는 신호의 전력 레벨에 따라 택일적으로 동작하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  5. 제1항에 있어서, 상기 다이나믹 전압 공급부는 입력 신호의 전력 레벨에 대응하는 전압을 출력하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  6. 제1항에 있어서, 상기 다이나믹 전압 공급부의 입력단은 상기 고출력 증폭부 및 저출력 증폭부 이전의 상기 입력 신호의 전달 경로상 한 지점에 연결되며, 출력단은 상기 저출력 증폭부의 동작 전압단에 연결되는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  7. 제1항에 있어서, 상기 다이나믹 전압 공급부는,
    입력 전력에 따른 전압을 생성하기 위해, 하나 이상의 트랜지스터 소자 및 저항으로 이루어지는 전력 감지 트랜지스터 회로; 및
    입력 전력의 고주파 성분이 출력 전압으로 전달되는 것을 방지하기 위한 고주파 차단 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력증폭기.
  8. 제1항에 있어서, 상기 저출력 증폭부는, 입력 신호의 전력 레벨 상에서 각자 다른 고효율 동작 영역을 가지는 증폭소자 다수 개를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력증폭기.
  9. 제1항, 제2항, 제4항, 제5항, 제6항, 제7항 및 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고출력 증폭부 및 저출력 증폭부는,
    이종접합 쌍극자 트랜지스터 어레이, 바이폴라 트랜지스터, 전계효과 트랜지스터 등의 트랜지스터 어레이 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력증폭기.
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