KR20050033280A - Power amplifier and method for controlling of the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 출력 전력에 따라 증폭기의 바이어스 전류를 외부 아날로그 바이어스 전압에 의해 조절하여 전력 효율을 높일 수 있도록한 전력 증폭기에 관한 것으로, 공통 입력 단자를 통하여 입력되는 RF 입력 신호(RF_in)의 임피던스 정합을 수행하는 입력 임피던스 정합회로;서로 병렬 연결되어 상기 임피던스 정합되어 입력되는 RF 신호를 증폭하는 고출력,저출력 증폭소자;위상차를 고려하여 증폭 출력되는 출력 신호를 임피던스 매칭하여 공통 출력 단자로 출력하는 출력 임피던스 정합회로;공통 출력 단자에서 동위상 전류로 합쳐진 신호의 임피던스 정합을 수행하여 증폭된 RF 출력 신호(RF_out)를 출력하는 공통 출력 임피던스 정합회로;출력 전력의 레벨에 따라 고출력,저출력 증폭소자로 공급되는 전류를 아날로그 형태로 조절하는 공급 전류 조절부를 포함한다.The present invention relates to a power amplifier to increase the power efficiency by adjusting the bias current of the amplifier according to the output power by an external analog bias voltage, and the impedance matching of the RF input signal (RF_in) input through the common input terminal An input impedance matching circuit for performing parallel; High output, low output amplifier for amplifying the RF signal input by matching the impedance matched in parallel; A common output impedance matching circuit for outputting the amplified RF output signal (RF_out) by performing an impedance matching of the signal combined with the in-phase current at the common output terminal; Current supplied to the high output, low output amplifier according to the level of the output power Supply current regulator to adjust the Include.
Description
본 발명은 스마트 전력 증폭기에 관한 것으로, 특히 출력 전력에 따라 증폭기의 바이어스 전류를 외부 아날로그 바이어스 전압에 의해 조절하여 전력 효율을 높일 수 있도록한 전력 증폭기에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a smart power amplifier, and more particularly, to a power amplifier capable of increasing power efficiency by adjusting a bias current of an amplifier according to an output power by an external analog bias voltage.
최근에는 무선 전화, 무선 LAN 등의 무선 통신 서비스가 급증하고 있는데, 일례로 유럽의 GSM 900(Global System for Mobile communication,890-915 MHz ), North America의 AMPS 800 (Advanced Mobile Phone Service, 824-849 MHz), PCS 1900 (Personal Communication System, 미국 1850-1910 MHz, 한국 1750-1780 MHz) 무선 휴대폰 서비스가 제공되고 있다.In recent years, wireless communication services such as wireless telephones and wireless LANs have been increasing rapidly. For example, GSM 900 (Global System for Mobile communication, 890-915 MHz) in Europe and AMPS 800 (Advanced Mobile Phone Service, 824-849) in North America. MHz, PCS 1900 (Personal Communication System, US 1850-1910 MHz, Korea 1750-1780 MHz) wireless cellular service.
휴대폰에서 무선 인터넷을 통해 전력 소비량이 높은 컬러 동영상 콘텐츠 사용이 늘어나면서, 휴대폰 업체들의 저전력 부품 요구가 커지고 있다.The use of high-power color video content over wireless Internet in mobile phones has increased the demand for low-power components from mobile phone companies.
무선 휴대폰에서 전력 소비가 가장 많은 소자는 RF 송신부의 전력 증폭기이다.The highest power consumption in wireless handsets is the power amplifier in the RF transmitter.
현재 휴대폰에서 전력 증폭기의 전력 효율을 높이기 위한 방법은 출력 전력에 따라 전력 증폭기가 고출력 모드, 저출력 모드로 동작하며 저출력 모드에서 소비 전류를 감소시키는 형태이다.Currently, a method for increasing the power efficiency of a power amplifier in a mobile phone is that the power amplifier operates in a high output mode and a low output mode according to the output power and reduces the current consumption in the low output mode.
이하에서 첨부된 도면을 참고하여 종래 기술의 아날로그 형태로 동작 전류가 조절되는 전력 증폭기에 관하여 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described with respect to a power amplifier in which the operating current is adjusted in the analog form of the prior art.
도 1은 종래 기술의 전력 증폭기의 구성도이고, 도 2는 종래 기술의 전력 증폭기에서의 바이어스 전류 조절용 전압(Vctr) 대 동작 전류(Ic)의 관계를 나타낸 그래프이다.FIG. 1 is a configuration diagram of a power amplifier of the prior art, and FIG. 2 is a graph showing a relationship between the bias current adjusting voltage Vctr and the operating current Ic in the power amplifier of the prior art.
도 1은 종래 기술의 전력 증폭기의 구성도로써, 최근 ANADISICS, RFMD, SKYWORKS사 등에서 휴대폰의 저출력시 소모전류를 줄이기 위해 샘플로 출시하고 있는 아날로그 바이어스 조절 전력 증폭기 구조이다.1 is a configuration diagram of a power amplifier of the prior art, which is an analog bias controlled power amplifier structure recently released by ANADISICS, RFMD, SKYWORKS, etc. to reduce the current consumption at low power of a mobile phone.
그 구성은 RF 입력 신호를 증폭하는 고출력 증폭소자(1)와, 고출력 증폭소자(1)의 입력 임피던스를 정합시키기 위한 입력 임피던스 정합회로(2)와, 고출력 증폭소자(1)의 출력 임피던스를 정합시키기 위한 출력 임피던스 정합회로(3)와, 고출력 증폭소자(1)의 소모 전류(Ic)를 결정하는 전류소스 회로(4)와, 전력 증폭기 출력단에서 출력 전력을 감지하는 전력 감지부(6)와, 감지된 전력을 전압으로 변환하여 전류소스 회로(4)의 공급전류(Ib)를 조절하는 전압(Vctr)을 발생시키는 전력대 전압 변환부(5)로 구성된다.The configuration matches the high output amplifier 1 for amplifying the RF input signal, the input impedance matching circuit 2 for matching the input impedance of the high output amplifier 1, and the output impedance of the high output amplifier 1; An output impedance matching circuit (3), a current source circuit (4) for determining the current consumption (Ic) of the high output amplifier (1), a power detector (6) for sensing output power at the power amplifier output stage, And a power-to-voltage converter 5 for converting the sensed power into a voltage to generate a voltage Vctr for adjusting the supply current Ib of the current source circuit 4.
여기서, 고출력 증폭 소자(1)는 현재 주로 HBT(Heterojunction Bipolar Transistors) 어레이를 사용하고 있으며, BJT, FET 등의 트랜지스터 어레이로 구성될 수도 있다.Here, the high output amplifying element 1 mainly uses an HBT (Heterojunction Bipolar Transistors) array, and may also be configured as a transistor array such as BJT and FET.
일반적으로 전력 증폭기는 dc 소모 전력에 비해 RF 출력 전력이 작을 경우에는 전력 효율이 매우 낮다.In general, power amplifiers have very low power efficiency when the RF output power is small compared to the dc power consumption.
이를 개선하기 위하여, 도 1에서와 같은 종래 기술의 전력 증폭기에서는 출력 전력의 강도에 따라 전력 감지부(6)에서 출력 전력을 감지하여 전력대 전압 변환부(5)와 전류 소스 회로(4)를 통해 고출력 증폭소자의 소모 전류를 조절하여 전력 증폭기의 전력 효율을 높이는 것이다.In order to improve this, in the power amplifier of the prior art as shown in FIG. 1, the power sensing unit 6 senses the output power according to the intensity of the output power, thereby reducing the power-to-voltage converter 5 and the current source circuit 4. By adjusting the current consumption of the high output amplifier device to increase the power efficiency of the power amplifier.
그러나 이와 같은 종래 기술의 전력 증폭기의 선형성과 이득 등을 고려하면 전력 증폭용 소자의 단위 에미터로 공급되는 최소 전력 밀도가 존재한다.However, considering the linearity and gain of the power amplifier of the prior art, there is a minimum power density supplied to the unit emitter of the power amplification element.
따라서, 고출력 모드에서 사용했던 총 에미터 면적이 큰 전력 증폭용 소자를 저출력 모드에서도 그대로 사용한다면 전력 증폭기의 선형성과 이득 때문에 낮은 출력(예를 들어, 출력 0dBm)에서도 어느 정도 이상의 전류를 소모해야 하는 문제가 있다.Therefore, if the power amplification device with the large total emitter area used in the high power mode is used in the low power mode as well, the linearity and gain of the power amplifier must consume a certain amount of current even at a low output (for example, the output 0 dBm). there is a problem.
이와 같이 RF 입력 전력이 없을 때 전력 증폭기의 구동을 위해 소모하는 전류를 "Idle 전류"라 한다.As such, the current consumed to drive the power amplifier when there is no RF input power is referred to as "Idle current".
도 2는 RF 입력 전력이 없을 때 출력 전력에 따른 도 1에서와 같은 종래 기술의 전력 증폭기의 소모 전류를 나타낸 것이다.Figure 2 shows the current consumption of the prior art power amplifier as in Figure 1 according to the output power when there is no RF input power.
도 2에서의 최저 Idle 전류(I1)는 전력 증폭기의 전력 이득, 선형성, 온도 특성 등을 고려해서 정해진다.The lowest Idle current I 1 in FIG. 2 is determined in consideration of power gain, linearity, temperature characteristics, and the like of the power amplifier.
최고 Idle 전류(I2)는 앞에 언급한 내용 외에 전력 증폭기의 안정성을 고려하여 정해진다.The maximum Idle current (I 2 ) is determined in consideration of the stability of the power amplifier in addition to the foregoing.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 전력 증폭기의 문제를 해결하기 위한 것으로, 출력 전력에 따라 증폭기의 바이어스 전류를 외부 아날로그 바이어스 전압에 의해 조절하여 전력 효율을 높일 수 있도록한 전력 증폭기 및 그의 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention is to solve the problem of the conventional power amplifier as described above, the power amplifier and its control to increase the power efficiency by adjusting the bias current of the amplifier according to the output power by an external analog bias voltage The purpose is to provide a method.
본 발명에 따른 다른 목적은 스마트 전력 증폭기에서 출력 전력에 따라 전력 증폭 소자의 소모 전류를 아날로그 형태로 조절하는 동작시에, 어느 출력 값을 기준으로 고출력 모드 및 저출력 모드로 구분하여 각각의 모드에서 소비 전력 효율을 최적화하는 출력 임피던스 정합을 구현하는데 있다.Another object according to the present invention is in the operation of adjusting the current consumption of the power amplifying element in the analog form according to the output power in the smart power amplifier, divided into high output mode and low output mode based on which output value is consumed in each mode To achieve output impedance matching that optimizes power efficiency.
본 발명에 따른 다른 목적은 고출력 모드시 저출력 증폭기와 고출력 증폭기를 통해 나오는 출력 신호의 위상을 일치시켜 두 증폭기의 출력 전력이 출력 부하로 잘 합쳐지도록 하는데 있다.Another object of the present invention is to match the phase of the output signal from the low output amplifier and the high output amplifier in the high output mode so that the output power of the two amplifiers are well combined into the output load.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전력 증폭기는 공통 입력 단자를 통하여 입력되는 RF 입력 신호(RF_in)의 임피던스 정합을 수행하는 입력 임피던스 정합회로;서로 병렬 연결되어 상기 임피던스 정합되어 입력되는 RF 신호를 증폭하는 고출력,저출력 증폭소자;위상차를 고려하여 증폭 출력되는 출력 신호를 임피던스 매칭하여 공통 출력 단자로 출력하는 출력 임피던스 정합회로;공통 출력 단자에서 동위상 전류로 합쳐진 신호의 임피던스 정합을 수행하여 증폭된 RF 출력 신호(RF_out)를 출력하는 공통 출력 임피던스 정합회로;출력 전력의 레벨에 따라 고출력,저출력 증폭소자로 공급되는 전류를 아날로그 형태로 조절하는 공급 전류 조절부를 포함하는 것을 특징으로 한다.Power amplifier according to the present invention for achieving the above object is an input impedance matching circuit for performing impedance matching of the RF input signal (RF_in) input through a common input terminal; High-output, low-output amplifier for amplifying the signal; Output impedance matching circuit for matching the output signal amplified output in consideration of the phase difference and output to the common output terminal; A common output impedance matching circuit for outputting the amplified RF output signal (RF_out); It characterized in that it comprises a supply current adjusting unit for adjusting the current supplied to the high output, low output amplifier according to the level of the output power in an analog form.
그리고 본 발명에 따른 전력 증폭기에 포함된 전류 소스 회로는 공급 전류 조절 전압(Vctr)에 의해 아날로그 형태로 출력 전류(Ib1)(Ib2)를 조절할 수 있으며, 병렬 연결된 두개의 전력 증폭 소자의 소모 전류(Ic1)(Ic2)를 출력 전력에 따라 각각 아날로그 형태로 조절한다.In addition, the current source circuit included in the power amplifier according to the present invention may adjust the output currents Ib1 and Ib2 in analog form by the supply current control voltage Vctr, and the current consumption of the two power amplifiers connected in parallel ( Ic1) (Ic2) is adjusted in analog form according to the output power.
본 발명에 따른 전력 증폭기에서 공급 전류 조절부는, 공통 출력 임피던스 정합회로에서의 출력 전력을 감지하는 전력 감지부와,상기 전력 감지부에서 감지된 전력을 변환하여 공급 전류 조절 전압(Vctr)을 동시에 제 1,2 전류 소스 회로에 공급하는 전력대 전압 변환부와,상기 공급 전류 조절 전압(Vctr)에 의해 고출력 증폭 소자의 베이스 전류를 조절 공급하는 제 1 전류 소스 회로와,상기 공급 전류 조절 전압(Vctr)에 의해 저출력 증폭 소자의 베이스 전류를 조절 공급하는 제 2 전류 소스 회로를 포함하는 것을 특징으로 한다.In the power amplifier according to the present invention, the supply current adjusting unit may include: a power sensing unit sensing an output power in a common output impedance matching circuit, and simultaneously converting the power sensed by the power sensing unit to supply a supply current regulation voltage Vctr. A power-to-voltage converter for supplying the first and second current source circuits, a first current source circuit for controlling and supplying a base current of a high output amplifier by the supply current adjusting voltage Vctr, and the supply current adjusting voltage Vctr And a second current source circuit for regulating and supplying the base current of the low power amplifier.
본 발명에 따른 공급 전류 조절부는,공통 출력 임피던스 정합회로에서의 출력 전력을 감지하는 전력 감지부와,상기 전력 감지부에서 감지된 전력을 변환하여 제 1 공급 전류 조절 전압(Vctr1)을 제 2 전류 소스 회로에 공급하는 전력대 전압 변환부와,상기 제 1 공급 전류 조절전압(Vctr1)에 의해 저출력 증폭 소자의 베이스 전류를 조절 공급하고 제 2 공급 전류 조절전압(Vctr2)을 출력하는 제 2 전류 소스 회로와,상기 제 2 공급 전류 조절 전압(Vctr2)에 의해 고출력 증폭 소자의 베이스 전류를 조절 공급하는 제 1 전류 소스 회로를 포함하는 것을 특징으로 한다.The supply current regulator according to the present invention, a power sensing unit for sensing the output power in the common output impedance matching circuit, and converts the power detected by the power sensing unit to convert the first supply current control voltage (Vctr1) to the second current A power-to-voltage converter for supplying a source circuit, and a second current source that adjusts and supplies a base current of a low output amplifier by the first supply current regulation voltage Vctr1 and outputs a second supply current regulation voltage Vctr2. And a first current source circuit for regulating and supplying a base current of the high output amplifier by the second supply current regulating voltage Vctr2.
그리고 입력 임피던스 매칭 회로와 출력 임피던스 정합회로는, 공통 입력 단자를 통하여 입력되는 RF 입력 신호를 위상 변위(Φ2)를 갖고 임피던스 정합을 수행하여 고출력 증폭 소자로 출력하는 제 1 입력 임피던스 정합회로와,공통 입력 단자를 통하여 입력되는 RF 입력 신호를 위상 변위(Φ1)를 갖고 임피던스 정합을 수행하여 저출력 증폭 소자로 출력하는 제 2 입력 임피던스 정합회로와,고출력 증폭 소자에 의해 증폭된 신호를 위상 변위(Φ4)를 갖고 임피던스 정합을 수행하여 공통 출력 단자로 출력하는 제 1 출력 임피던스 정합회로와,저출력 증폭 소자에 의해 증폭된 신호를 위상 변위(Φ3)를 갖고 임피던스 정합을 수행하여 공통 출력 단자로 출력하는 제 2 출력 임피던스 정합회로를 포함하고 구성되는 것을 특징으로 한다.The input impedance matching circuit and the output impedance matching circuit include a first input impedance matching circuit for performing an impedance matching with a phase shift Φ 2 and outputting the RF input signal input through a common input terminal to a high output amplifier. A second input impedance matching circuit for outputting the RF input signal input through the input terminal to the low output amplifier by performing impedance matching with phase shift? 1 and outputting the signal amplified by the high output amplifier to phase shift? 4 A first output impedance matching circuit for performing impedance matching and outputting to the common output terminal, and a second outputting signal amplified by the low output amplifier to the common output terminal by performing impedance matching with phase shift? And an output impedance matching circuit.
여기서, 제 1,2 입력 임피던스 정합회로와 제 1,2 출력 임피던스 정합회로의 위상 변위를, 저출력 증폭 소자, 고출력 증폭 소자에 의한 두 개의 증폭 경로에 의한 위상차이가 2*N*π(N은 정수)가 되도록 조절한다.Here, the phase shifts of the first and second input impedance matching circuits and the first and second output impedance matching circuits are determined by a phase difference between two amplification paths of the low output amplifier and the high output amplifier. Integer).
그리고 병렬 연결되는 저출력 증폭 소자, 고출력 증폭 소자를 갖는 전력 증폭기의 제어에 있어서, 전력 증폭기의 출력 전력의 레벨에 따라 저출력 증폭 소자, 고출력 증폭 소자에 공급되는 전류를 아날로그 형태로 제어하는 것에 의해, 출력 전력을 기준으로 구분되는 저출력 모드시에는 고출력 증폭 소자를 OFF하는 것을 특징으로 하고, 저출력 증폭 소자, 고출력 증폭 소자에 공급되는 전류는 각각의 증폭 소자의 베이스 전류(Ib1)(Ib2)가 되고,각각의 증폭 소자의 콜렉터-에미터를 통해 소모되는 전류(Ic1)(Ic2)는 각각 베이스 전류(Ib1)(Ib2)에 증폭 소자의 전류 이득을 곱하는 것에 의해 결정되는 것을 특징으로 한다.In the control of a power amplifier having a low output amplification element and a high output amplification element connected in parallel, the output is controlled by controlling the current supplied to the low output amplification element and the high output amplification element in analog form according to the level of the output power of the power amplifier. In the low power mode divided by power, the high power amplifying device is turned off, and the current supplied to the low power amplifying device and the high power amplifying device becomes the base current Ib1 (Ib2) of each amplifying device, respectively. The currents (Ic1) (Ic2) consumed through the collector-emitter of the amplifying element of are characterized by being determined by multiplying the base currents (Ib1) (Ib2) by the current gain of the amplifying element.
여기서, 전력 증폭기의 출력 전력의 레벨에 따라 저출력 증폭 소자, 고출력 증폭 소자에 공급되는 전류를 아날로그 형태로 제어하기 위하여, 두 개의 증폭 경로를 통과하여 동위상으로 합해진 전력 증폭기의 출력 전력의 레벨을 검출하는 단계;검출된 전력값을 전압값으로 변환하는 단계;변환된 전압값을 각각의 전류 소스 회로로 공급하여 전압값에 상응하는 전류값을 각각 저출력 증폭 소자와 고출력 증폭 소자로 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.Here, in order to control the current supplied to the low output amplifier and the high output amplifier according to the output power level of the power amplifier in an analog form, the level of the output power of the power amplifier summed in phase through the two amplification paths is detected. Converting the detected power value into a voltage value; supplying the converted voltage value to each current source circuit and supplying a current value corresponding to the voltage value to the low output amplifier and the high output amplifier, respectively. Characterized in that.
본 발명의 다른 목적, 특성 및 잇점들은 이하에서의 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.Other objects, features and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description of the embodiments.
본 발명에 따른 전력 증폭기 및 그의 제어 방법의 바람직한 실시예에 관하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.A preferred embodiment of the power amplifier and its control method according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 3은 출력 전력에 따라 아날로그 형태로 동작 전류가 조절되는 본 발명의 전력 증폭기의 한 예를 나타낸 것이다.Figure 3 shows an example of the power amplifier of the present invention in which the operating current is adjusted in analog form according to the output power.
본 발명에 따른 전력 증폭기는 출력 모드에 따라 동시에 동작하거나 따로 동작하여 공통 입력부(A)를 통과하여 임피던스 매칭이 되어 입력되는 RF 입력 신호(RF_in)를 증폭하는 두개의 전력 증폭 소자 즉, 고출력 증폭 소자(31),저출력 증폭 소자(32)와, 위상차를 고려하여 입력 임피던스의 매칭을 하는 제 1,2 입력 임피던스 정합 회로(33)(34)와, 위상차를 고려하여 출력 임피던스의 매칭을 하는 제 1,2 출력 임피던스 정합회로(35)(36)와, 공통 출력부(B)에서 동위상 전류로 합쳐진 신호의 임피던스 정합을 수행하여 증폭된 RF 출력 신호(RF_out)를 출력하는 공통 출력 임피던스 정합회로(37)와, 전력 증폭기의 출력단 즉, 공통 출력 임피던스 정합회로(37)에서 출력 전력을 감지하는 전력 감지부(41)와, 전력 감지부(41)에서 감지된 전력을 전압으로 변환하여 전류 소스 회로의 공급 전류를 조절하는 전압(Vctr)을 발생시키는 전력대 전압 변환부(40)와, 고출력 증폭 소자(31)의 베이스 전류를 공급하는 제 1 전류 소스 회로(38)와, 저출력 증폭 소자(32)의 베이스 전류를 공급하는 제 2 전류 소스 회로(39)를 포함하고 구성된다.The power amplifier according to the present invention operates two power amplifiers, i.e., high output amplifiers, which simultaneously or separately operate according to the output mode to amplify the RF input signal RF_in input through impedance matching through the common input unit A. (31), the low output amplifier 32, the first and second input impedance matching circuits 33 and 34 for matching the input impedance in consideration of the phase difference, and the first for matching the output impedance in consideration of the phase difference The common output impedance matching circuit 35 outputs the amplified RF output signal RF_out by performing impedance matching of the two output impedance matching circuits 35 and 36 and the signal combined with the in-phase current at the common output unit B ( 37, a power detector 41 for detecting output power at the output terminal of the power amplifier, that is, the common output impedance matching circuit 37, and a current source circuit by converting the power detected by the power detector 41 into a voltage. A power-to-voltage converter 40 for generating a voltage Vctr for adjusting the supply current, a first current source circuit 38 for supplying a base current of the high output amplifier 31, and a low output amplifier 32 And a second current source circuit 39 for supplying a base current of.
여기서, 두개의 전력 증폭소자는 현재 휴대폰에서 주로 사용하고 있는 HBT 소자이고, 이 소자는 FET로 구성하는 것도 가능하다.Here, the two power amplifiers are HBT devices which are mainly used in mobile phones, and these devices can also be configured as FETs.
그리고 제 1,2 전류 소스 회로(38)(39)는 공급 전류 조절 전압(Vctr)에 의해 아날로그 형태로 출력 전류(Ib1)(Ib2)를 조절할 수 있으며, 병렬 연결된 두개의 전력 증폭소자(31)(32)의 소모 전류(Ic1)(Ic2)를 출력 전력에 따라 각각 아날로그 형태로 조절한다.The first and second current source circuits 38 and 39 may adjust the output currents Ib1 and Ib2 in an analog form by the supply current control voltage Vctr, and the two power amplifiers 31 connected in parallel. The current consumptions Ic1 and Ic2 of 32 are adjusted in analog form, respectively, according to the output power.
이와 같은 본 발명에 따른 전력 증폭기는 일정 출력 전력(현재 16 dBm)을 기준으로 하여, 이 기준 출력 전력 이상에서만 고출력 증폭 소자(31)에 소모 전류(Ic2)가 공급되고, 저출력 증폭 소자(32)는 출력 전력에 상관없이 항상 일정량 이상의 소모 전류가(Ic2min)가 공급되어 전력 증폭 역할을 한다.The power amplifier according to the present invention is based on a constant output power (currently 16 dBm), the power consumption current (Ic2) is supplied to the high output amplifier 31 only above the reference output power, low output amplifier 32 Regardless of the output power, a certain amount of current consumption (Ic2min) is always supplied to act as a power amplification.
이 때, 전력 증폭기의 출력 전력이 기준 출력 전력 이하 일 때를 저출력 모드, 기준 출력 전력 이상 일 때를 고출력 모드라 한다.At this time, when the output power of the power amplifier is less than the reference output power is referred to as the low output mode, when the output power is more than the reference output power is called a high output mode.
이와 같이 저출력 모드에서 전류 소모가 큰 고출력 증폭 소자(31)가 OFF되고, 전류 소모가 작은 저출력 증폭 소자(32)가 동작하므로 저출력 모드에서 이전의 전력 증폭기보다 전력 효율을 높이는 효과가 있다.As described above, since the high output amplifier 31 having a large current consumption is turned off in the low output mode and the low output amplifier 32 having a small current consumption operates, the power efficiency is higher than that of the previous power amplifier in the low output mode.
실제 휴대폰에서 사용 빈도가 가장 높은 출력 전력은 -5 dBm ~ 5 dBm이므로 저출력 모드에서의 전력 효율 상승은 휴대폰 사용 시간 증가에 매우 큰 효과가 있다.In actual mobile phones, the most frequently used output power is -5 dBm to 5 dBm, so the increase in power efficiency in the low power mode has a great effect on the increase in the usage time of the mobile phone.
이와 같은 본 발명에 따른 전력 증폭기의 전력 증폭 동작은 다음과 같이 이루어진다.Such a power amplification operation of the power amplifier according to the present invention is performed as follows.
본 발명에 따른 전력 증폭기는 고출력 모드 시에 공통 입력부(A)를 통과하여 입력된 신호가 두개의 전력 증폭 소자(31)(32)를 통해 증폭되어 공통 출력부(B)에서 동위상의 전류로 합쳐져 출력 부하로 빠져나가도록 제 1,2 입력 임피던스 정합회로(33)(34)의 위상 변위 Φ1, Φ2와 제 1,2 출력 임피던스 정합회로(35)(36)의 위상 변위 Φ3, Φ4를 조절한다.In the power amplifier according to the present invention, the signal inputted through the common input unit A in the high output mode is amplified through the two power amplifying elements 31 and 32 and combined into the in-phase current at the common output unit B. Adjust the phase shifts phi 1 and phi 2 of the first and second input impedance matching circuits 33 and 34 and the phase shifts phi 3 and phi 4 of the first and second output impedance matching circuits 35 and 36 to escape to the output load. .
여기서, 공통 입력부(A)와 공통 출력부(B) 사이의 두 개의 증폭 경로에 의한 위상차이는 2*N*π(N은 정수)가 되도록 한다.Here, the phase difference between the two amplification paths between the common input unit A and the common output unit B is 2 * N * π (N is an integer).
그리고 고출력 모드시에는 고출력 증폭 소자(31)와 저출력 증폭 소자(32)가 동시에 동작하며 고출력 증폭 소자(31)는 제 1 출력 임피던스 정합 회로(35)와 공통 출력 임피던스 정합회로(37)를 통해 고출력 모드 출력 임피던스(ZHPM)를 갖고, 저출력 증폭 소자(32)는 제 2 출력 임피던스 정합 회로(36)와 공통 출력 임피던스 정합회로(37)를 통해 저출력 모드 출력 임피던스(ZLPM)를 갖는다.In the high output mode, the high output amplifier 31 and the low output amplifier 32 operate simultaneously, and the high output amplifier 31 is a high output through the first output impedance matching circuit 35 and the common output impedance matching circuit 37. It has a mode output impedance Z HPM , and the low output amplifying element 32 has a low output mode output impedance Z LPM through the second output impedance matching circuit 36 and the common output impedance matching circuit 37.
그리고 저출력 모드시에는 저출력 증폭 소자(32)만 동작하고 저출력 증폭 소자(32)의 제 2 출력 임피던스 정합 회로(36)와 공통 출력 임피던스 정합회로(37)를 통해 저출력 모드 출력 임피던스(ZLPM)를 갖는다.In the low output mode, only the low output amplifier 32 operates, and the low output mode output impedance Z LPM is applied through the second output impedance matching circuit 36 and the common output impedance matching circuit 37 of the low output amplifier 32. Have
이와 같은 고출력, 저출력 모드 동작시의 출력 임피던스 ZHPM, ZLPM은 각 모드의 전력 효율과 선형성을 고려하여 선택된다.The output impedances Z HPM and Z LPM during high and low power mode operation are selected in consideration of power efficiency and linearity of each mode.
이와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 전력 증폭기의 제어 및 동작 특성을 설명하면 다음과 같다.Referring to the control and operation characteristics of the power amplifier according to the present invention having such a configuration as follows.
도 4는 본 발명에 따른 전력 증폭기에서의 바이어스 전류 조절용 전압(Vctr) 대 동작 전류(Ic)의 관계를 나타낸 그래프이다.4 is a graph showing the relationship between the bias current control voltage Vctr and the operating current Ic in the power amplifier according to the present invention.
그리고 도 5는 출력 전력에 따른 소모 전류 특성을 나타낸 그래프이고, 도 6은 출력 전력에 따른 전력 이득 특성을 나타낸 그래프이고, 도 7은 출력 전력에 따른 선형성(ACPR) 비교 특성을 나타낸 그래프이다.5 is a graph showing a power consumption characteristic according to the output power, FIG. 6 is a graph showing a power gain characteristic according to the output power, and FIG. 7 is a graph showing a linearity (ACPR) comparison characteristic according to the output power.
도 4는 RF 입력 신호가 없을 때 도 3의 본 발명에 따른 전력 증폭기에서의 바이어스 전류 조절용 전압(Vctr) 대 전력 증폭기 동작 전류(Ic)의 특성을 나타낸 것이다.4 shows the characteristics of the bias current control voltage Vctr vs. the power amplifier operating current Ic in the power amplifier according to the invention of FIG. 3 when there is no RF input signal.
이와 같은 공급 전류 조절 전압(Vctr)에 따른 전력 증폭기의 동작 전류량은 선형적, 포물선적, 지수형적 등 다양한 형태로 조절될 수 있다.The operating current amount of the power amplifier according to the supply current regulation voltage Vctr may be adjusted in various forms such as linear, parabolic and exponential.
여기서, 전력 증폭기 출력부의 출력 전력은 전력 감지부(41)를 통해 감지된 후 전력대 전압 변환부(40)를 통해 바이어스 전류 조절용 전압(Vctr)으로 변환되고, 이 전압(Vctr)이 제 1,2 전류 소스 회로(38)(39)에 입력되면 전류 소스의 출력 전류(Ib1)(Ib2)가 조절된다.Here, the output power of the power amplifier output unit is detected by the power detector 41 and then converted into a bias current control voltage Vctr through the power-to-voltage converter 40, and the voltage Vctr is the first, When input to the two current source circuits 38 and 39, the output currents Ib1 and Ib2 of the current source are adjusted.
제 1,2 전류 소스 회로(38)(39)의 출력 전류(Ib1)(Ib2)는 각각 고출력 증폭 소자(31)와 저출력 증폭 소자(32)의 베이스 전류(Ib1, Ib2)가 되며, 각각 고출력 증폭 소자(31)와 저출력 증폭 소자(32)의 콜렉터-에미터를 통해 소모하는 전류(Ic1)(Ic2)는 이 베이스 전류 (Ib1)(Ib2)에 증폭 소자의 전류 이득을 곱하여 결정된다.The output currents Ib1 and Ib2 of the first and second current source circuits 38 and 39 become the base currents Ib1 and Ib2 of the high output amplifier 31 and the low output amplifier 32, respectively. The currents Ic1 and Ic2 consumed through the collector-emitter of the amplifier 31 and the low output amplifier 32 are determined by multiplying this base current Ib1 and Ib2 by the current gain of the amplifier.
여기서, 일정 출력 전력(현재 16 dBm, Vctr로는 V2)을 기준으로 하여, 이 기준 출력 전력 이상에서만 고출력 증폭 소자(31)에 소모 전류(Ic1)가 공급되고, 이 기준 출력 전력 이하에서는 고출력 증폭 소자(31)가 OFF 되어 소모 전류(Ic1)이 공급되지 않는다.Here, based on a constant output power (currently 16 dBm, Vctr is V2), the power consumption current Ic1 is supplied to the high output amplifier 31 only above this reference output power, and below this reference output power, the high output amplifier 31 is turned OFF so that the current consumption Ic1 is not supplied.
하지만 저출력 증폭 소자(32)는 출력 전력에 상관없이 항상 일정량 이상의 소모 전류가(Ic2min)가 공급되어 전력 증폭 역할을 한다.However, the low output amplification device 32 is always supplied with a predetermined amount or more of the current consumption (Ic2min) irrespective of the output power to act as a power amplification.
이 때, 저출력 모드의 최소 소모 전류(Ic2min)는 전력 증폭기의 전력 이득, 선형성, 온도 특성 등을 고려하여 결정된다.At this time, the minimum power consumption Ic2min in the low power mode is determined in consideration of power gain, linearity, temperature characteristics, and the like of the power amplifier.
두 모드에서 각각의 최대 소모 전류 (Ic1, Ic2)는 전력 증폭기의 선형성, 효율과 과전류 공급으로 인한 회로 방지를 고려하여 결정된다.In both modes, the maximum current consumption (Ic1, Ic2) is determined by considering the power amplifier linearity, efficiency, and circuit protection due to overcurrent supply.
여기에서, 출력 전력을 바이어스 전류 조절용 전압(Vctr)으로 변환했을 때, 각 모드의 최소 소모 전류가 공급되는 Vctr은 저출력 모드 V1, 고출력 모드 V2이다. 그리고 각 모드의 최대 소모 전류가 공급되는 Vctr은 저출력 모드 V3, 고출력 모드 V4이다.Here, when the output power is converted into the bias current adjustment voltage Vctr, the Vctr to which the minimum consumption current of each mode is supplied is the low output mode V1 and the high output mode V2. The Vctr supplied with the maximum current consumption in each mode is the low power mode V3 and the high power mode V4.
그리고 도 5는 본 발명에 따른 전력 증폭기(나)와 이전의 전력 증폭기(가)의 출력 전력에 따른 소모 전류를 비교한 것으로, IS-95 CDMA 신호를 사용하여 주파수 1.885GHz에서 측정한 것이다.5 is a comparison of the current consumption according to the output power of the power amplifier (b) and the previous power amplifier (a) according to the present invention, measured at a frequency of 1.885 GHz using an IS-95 CDMA signal.
출력 전력 25 dBm 이상에서는 두 회로의 소모 전류가 비슷하지만 그 이하 출력 전력에서는 본 발명에 따른 회로에서의 소모 전류가 적은 것을 알 수 있다.It can be seen that the current consumption of the two circuits is similar at the output power of 25 dBm or more, but the output current of the circuit according to the present invention is less at the output power of the circuit below.
이는 출력 전력에 따라 전력 증폭기의 소모 전류를 아날로그 형태로 조절할 뿐만 아니라, 어느 기준 출력 전력 이하에서는 고출력 증폭 소자(31)를 OFF하고, 기준 출력 전력 이상에서는 고출력 증폭 소자(31)를 ON하는 것에 의해 얻어지는 전력 효율 상승에 따른 것이다.This is not only by adjusting the current consumption of the power amplifier in analog form according to the output power, but also by turning off the high output amplifier 31 below a certain reference output power and turning on the high output amplifier 31 above the reference output power. This is due to the increase in power efficiency obtained.
그리고 도 6은 본 발명에 따른 전력 증폭기(나)와 이전의 전력 증폭기(가)의 출력 전력에 따른 전력 이득 특성을 비교한 것으로, IS-95 CDMA 신호를 사용하여 주파수 1.885GHz에서 측정한 것이다.6 is a comparison of the power gain characteristics according to the output power of the power amplifier (b) and the previous power amplifier (a) according to the present invention, measured at a frequency of 1.885 GHz using an IS-95 CDMA signal.
출력 전력이 높아지면서 증폭 소자에 공급되는 전류가 증가하는 것에 의해 전류 이득이 커지는 것을 알 수 있다.It can be seen that the current gain increases as the output power increases and the current supplied to the amplifying element increases.
이는 출력 전력에 따라 전력 증폭기의 소모 전류가 아날로그 형태로 효율적으로 조절되고 있음을 나타낸다.This indicates that the current consumption of the power amplifier is effectively adjusted in analog form according to the output power.
그리고 도 7은 본 발명에 따른 전력 증폭기(나)와 이전의 전력 증폭기(가)의 출력 전력에 따른 선형성(Adjacent Channel Power Ratio;ACPR)을 비교한 것으로, IS-95 CDMA 신호를 사용하여 중심 주파수 1.885 GHz에서 측정되었고, Off set 주파수는 1.25 MHz이다.7 is a comparison of the Adjacent Channel Power Ratio (ACPR) according to the output power of the power amplifier (I) and the previous power amplifier (A) according to the present invention, and the center frequency using the IS-95 CDMA signal. Measured at 1.885 GHz, the Off set frequency is 1.25 MHz.
일반적으로 온도 특성이나 시스템 구현시에는 노이즈 마진(noise margin)을 고려하여 ACPR이 50 dBc 이상이면 만족한 결과라 할 수 있는데, 본 발명에 따른 전력 증폭기에서도 이를 만족하고 있음을 알 수 있다.In general, when the ACPR is 50 dBc or more in consideration of a noise margin when implementing a temperature characteristic or a system, a satisfactory result can be seen that the power amplifier according to the present invention also satisfies this.
그리고 이와 같은 동작 특성을 갖는 본 발명에 따른 전력 증폭기의 다른 실시 예를 설명하면 다음과 같다.And another embodiment of the power amplifier according to the present invention having such an operating characteristic is as follows.
도 8은 본 발명의 출력 전력에 따라 아날로그 형태로 동작 전류가 조절되는 전력 증폭기의 다른 한 예를 나타낸 것이다.Figure 8 shows another example of a power amplifier in which the operating current is adjusted in analog form according to the output power of the present invention.
기본 구성은 도 3에서와 동일하나, 전력대 전압 변환부에서 전달하는 바이어스 전류 조절용 전압(Vctr)이 두개의 전류 소스 회로에 동시에 입력되는 것이 아니고, 전력대 전압 변환부(40)에서 전달하는 제 1 공급 전류 조절 전압(Vctr1)이 저출력 모드시에 사용되는 제 2 전류 소스 회로(39)에만 입력이 되고, 제 2 전류 소스 회로(39)에서 고출력 모드시에 사용되는 제 1 전류 소스 회로(38)로 제 2 공급 전류 조절 전압(Vctr2)을 입력하는 형태이다.The basic configuration is the same as in FIG. 3, but the bias current control voltage Vctr transmitted from the power-to-voltage converter is not input to two current source circuits simultaneously, but is transmitted from the power-to-voltage converter 40. The first current source circuit 38, which is input only to the second current source circuit 39 used in the low output mode, is supplied to the first supply current control voltage Vctr1 in the high output mode. In this case, the second supply current control voltage Vctr2 is input.
이와 같이 제 1,2 공급 전류 조절 전압(Vctr1)(Vctr2)를 입력하는 이유는 저출력 모드시의 저출력 증폭 소자(32)에 공급되는 전류값을 이용하여 고출력 모드시의 고출력 증폭 소자(31)에 공급되는 전류를 결정할 수 있도록 하기 위한 것이다.The reason for inputting the first and second supply current regulating voltages Vctr1 and Vctr2 in this manner is to use the current value supplied to the low output amplifier 32 in the low output mode to the high output amplifier 31 in the high output mode. It is to be able to determine the current supplied.
이와 같은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 증폭기는 제어 및 동작 특성은 본 발명에 따른 도 3에서의 전력 증폭기와 동일한 것으로, 특정 레벨의 출력 전력을 기준으로 고출력 증폭 소자(31)를 ON/OFF 하는 경우에 정확성을 높일 수 있다.The power amplifier according to another embodiment of the present invention has the same control and operation characteristics as the power amplifier in FIG. 3 according to the present invention, and the high power amplifier 31 is turned on / off based on a specific level of output power. Can increase the accuracy.
그리고 도 9는 회로를 단순화시키기 위한 것으로, 고출력 증폭 소자(91)의 입출력부에 연결된 입력 임피던스 정합회로와 출력 임피던스 정합회로를 구성하지 않고 공통 입력부(A)와 공통 출력부(B) 사이의 두 증폭 경로에 의한 위상차이가 0이 되도록 위상 변위 Φ1, Φ3을 정한다.FIG. 9 is a diagram for simplifying a circuit, and does not constitute an input impedance matching circuit and an output impedance matching circuit connected to the input / output section of the high output amplifying element 91, and the two circuits between the common input section A and the common output section B are provided. The phase shifts phi 1 and phi 3 are determined so that the phase difference due to the amplification path becomes zero.
물론, 도 9에서의 전력 증폭기의 다른 동작 및 제어 특성은 본 발명에 따른 도 3 및 도 8에서의 전력 증폭기의 특성과 동일하다.Of course, other operating and control characteristics of the power amplifier in FIG. 9 are the same as those of the power amplifier in FIGS. 3 and 8 according to the present invention.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 전력 증폭기의 저출력 증폭 소자, 고출력 증폭 소자의 이득과 최대 출력은 각 모드의 용도에 맞게 그 HBT 어레이 크기가 각각 정해진다. 특히, 무선 핸드폰의 전력 증폭기 경우 주로 HBT 어레이를 사용하여 전력 증폭기를 구성하고 이를 BJT, FET 등의 트랜지스터 어레이로 구성할 수 있음은 당연하다.The gain and maximum output of the low power amplifier and the high power amplifier of the power amplifier according to the present invention described above are each HBT array size is determined according to the purpose of each mode. In particular, in the case of a power amplifier of a wireless cellular phone, it is natural that a power amplifier may be mainly configured by using an HBT array and configured as a transistor array such as BJT and FET.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.Those skilled in the art will appreciate that various changes and modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.Therefore, the technical scope of the present invention should not be limited to the contents described in the embodiments, but should be defined by the claims.
이와 같은 본 발명에 따른 전력 증폭기 및 그의 제어 방법은 다음과 같은 효과가 있다.Such a power amplifier and its control method according to the present invention has the following effects.
본 발명은 스마트 전력 증폭기에서 출력 전력에 따라 전력 증폭 소자의 소모 전류가 아날로그 형태로 조절되도록 하고, 특정 레벨의 출력 값을 기준으로 고출력 모드 및 저출력 모드가 형성되도록 하여 각각의 모드에서 소비 전력 효율을 최대로 할 수 있다.According to the present invention, the power consumption of the power amplifying element is adjusted in analog form according to the output power in the smart power amplifier, and the high power mode and the low power mode are formed based on the output value of a specific level, thereby reducing power consumption efficiency in each mode. You can do it at maximum.
이는 첫째, 현재 많이 사용되는 이동 통신 단말기의 배터리 사용 시간을 증가시키는 효과를 갖는다.First, this has the effect of increasing the battery life of the mobile communication terminal that is currently used a lot.
둘째, 출력 전력에 따라 가변적인 전력 이득이 요구되는 상황에서 매우 유용하게 적용될 수 있다.Second, it can be very useful in a situation where a variable power gain is required according to the output power.
셋째, 좋은 전력 효율을 유지하면서도 높은 선형성을 유지하므로 영상 등의 고속 데이터 송수신이 필요한 모바일 시스템에 매우 유리하다.넷째, PC 무선 LAN 카드, 휴대폰, 자동차 통신 시스템 등에 유용하게 사용될 수 있는 효과가 있다.Third, it maintains high linearity while maintaining good power efficiency, which is very advantageous for mobile systems requiring high-speed data transmission and reception such as video. Fourth, there is an effect that can be usefully used for PC wireless LAN cards, mobile phones, and automotive communication systems.
도 1은 종래 기술의 전력 증폭기의 구성도1 is a block diagram of a power amplifier of the prior art
도 2는 종래 기술의 전력 증폭기에서의 바이어스 전류 조절용 전압(Vctr) 대 동작 전류(Ic)의 관계를 나타낸 그래프2 is a graph showing the relationship between the bias current adjusting voltage Vctr and the operating current Ic in the power amplifier of the prior art.
도 3은 본 발명에 따른 전력 증폭기의 구성도3 is a block diagram of a power amplifier according to the present invention
도 4는 본 발명에 따른 전력 증폭기에서의 바이어스 전류 조절용 전압(Vctr) 대 동작 전류(Ic)의 관계를 나타낸 그래프4 is a graph showing the relationship between the bias current control voltage Vctr and the operating current Ic in the power amplifier according to the present invention.
도 5는 출력 전력에 따른 소모 전류 특성을 나타낸 그래프5 is a graph showing the current consumption characteristics according to the output power
도 6은 출력 전력에 따른 전력 이득 특성을 나타낸 그래프6 is a graph showing the power gain characteristics according to the output power
도 7은 출력 전력에 따른 선형성(ACPR) 비교 특성을 나타낸 그래프7 is a graph showing the linearity (ACPR) comparison characteristics according to the output power
도 8은 본 발명에 따른 전력 증폭기의 다른 실시예를 나타낸 구성도8 is a configuration diagram showing another embodiment of the power amplifier according to the present invention;
도 9는 본 발명에 따른 전력 증폭기의 또 다른 실시예를 나타낸 구성도9 is a configuration diagram showing another embodiment of the power amplifier according to the present invention
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명Explanation of symbols for main parts of the drawings
31. 고출력 증폭기 32. 저출력 증폭기31. High Power Amplifier 32. Low Power Amplifier
33. 제 1 입력 임피던스 정합회로 34. 제 2 입력 임피던스 정합회로33. First input impedance matching circuit 34. Second input impedance matching circuit
35. 제 1 출력 임피던스 정합회로 36. 제 2 출력 임피던스 정합회로35. First output impedance matching circuit 36. Second output impedance matching circuit
37. 공통 출력 임피던스 정합회로 38. 제 1 전류 소스 회로37. Common output impedance matching circuit 38. First current source circuit
39. 제 2 전류 소스 회로 40. 전력 대 전압 변환부39. Second current source circuit 40. Power to voltage converter
41. 전력 감지부 300.800.900. 공급 전류 조절부41. Power detection unit 300.800.900. Supply current regulator
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Legal Events
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Comment text: Notification of reason for refusal Patent event date: 20050531 Patent event code: PE09021S01D |
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