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KR20090102890A - 전력효율이 향상된 ｅ급 전력 증폭기 - Google Patents

전력효율이 향상된 ｅ급 전력 증폭기

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KR20090102890A
KR20090102890A KR1020080028132A KR20080028132A KR20090102890A KR 20090102890 A KR20090102890 A KR 20090102890A KR 1020080028132 A KR1020080028132 A KR 1020080028132A KR 20080028132 A KR20080028132 A KR 20080028132A KR 20090102890 A KR20090102890 A KR 20090102890A
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transistor
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power
load impedance
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Application number
KR1020080028132A
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Inventor
김창우
구광회
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경희대학교 산학협력단
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Publication date
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Abstract

본 발명은 무선단말시스템 기기 등에 활용될 수 있는 전력증폭기의 효율 향상에 관한 것으로, 본 발명에 따른 전력증폭기는 트랜지스터 출력측에 생기는 기생 커패시턴스의 영향을 최소화하고, 전력효율특성을 더욱 향상시키기 위하여 부하 임피던스 정합 LC네트워크에 튜닝인덕터를 추가하였으며, 바람직하게는 가변인덕터를 추가하여, 큰 출력전력을 얻기 위하여 사용한 총 면적이 커다란 트랜지스터의 기생 커패시턴스 성분을 감쇄시킴과 동시에, 트랜지스터의 크기 선택에 대한 유연성이 증가되고, 더욱 큰 최적화 튜닝범위를 갖게 되므로 고효율을 위한 부하 임피던스 정합 LC네트워크의 최적화가 유리해진다.

Description

전력효율이 향상된 Ｅ급 전력 증폭기{Class-E power amplifier having improved power efficiency}
본 발명은 무선단말시스템 기기 및 높은 전력효율의 전력증폭기를 사용하는 분야에 활용될 수 있다.
현재 이동형 단말기 배터리의 긴 사용시간이 요구되면서 전력 소모가 큰 핵심 회로인 전력증폭기의 고효율 특성이 크게 요구되고 있다. 전력증폭기는 송신기단에 가장 핵심적인 부분으로서 전체 효율에 가장 큰 영향을 미치는 요소이다. 전력증폭기의 효율이 증가하게 되면 기지국 및 중계기 측면에서 냉각 시스템의 사용으로 인한 추가비용을 감소시킬 수 있고, 또한 단말기 측면에서는 배터리의 수명을 증가시킬 수 있다. 그러므로 전력증폭기의 효율은 설계시 고려해야 할 중요한 요소 중 하나라고 할 수 있다.
전력증폭기는 입력전력에 대한 출력전력의 비로 정의되는 증폭기의 전력효율에 따라서 class-A, B, AB, C, D 또는 E로 분류되는데, class-E 증폭기는 출력전력의 고효율 특성을 위한 증폭기로써 높은 전력효율이 필요한 장치에 사용되며, 이론적으로, Class-E 증폭기는 100%의 전력소비효율을 갖는 장치이다. Class-A, B, AB 등의 기타 증폭기의 낮은 효율에 비해 이론적으로 완벽한 효율을 가지며, 고효율을 위해 설계된 증폭기이다. 그러나 Class-E 증폭기는 이론과는 다르게, 이상적이지 못한 실제의 구성 소자 및 장치의 물리적 동작 특성 등의 이유로 이론적인 값 이하의 효율을 가지며, 이러한 지나친 차이는 고효율 증폭기로써의 역할에 큰 문제점을 낳는다.
일반적으로, 종래 전력증폭기의 경우 한정된 바이어스 전압 때문에 큰 출력전압 스윙을 얻을 수 없으므로, 많은 양의 전류를 트랜지스터에 흘려보내서 큰 전류를 통해 큰 출력파워를 얻는다. 그러므로 많은 양의 전류를 흐르게 하고, 이를 감당하기 위해 트랜지스터의 크기는 일반적인 증폭기들에 비해 상당히 커지며, 크기가 작은 단일 트랜지스터는 병렬구조로 많은 수가 연결되어 결과적으로 큰 하나의 트랜지스터로 동작하게 된다. 이때, 병렬연결된 단일 트랜지스터들의 기생 커패시턴스가 병렬구조에 의해 증가되는 효과가 발생하여, 이는 트랜지스터 크기에 의한 출력 전력 및 효율 특성에 좋지 않은 결과로 작용할 수 있다. 따라서, 트랜지스터 크기 및 전력효율특성 사이의 적절한 최적화가 필요하다.
종래 Class-E 증폭기의 트랜지스터도 상기 다수의 단일트랜지스터 병렬연결구조를 이용하고 있으며, 이에 따라 출력 전력 및 효율에 최적화된 트랜지스터의 크기를 선택하는 것이 요구된다.
본 발명의 목적은, 상기 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 전력효율이 향상되고 더 넓은 튜닝범위를 가능하게 한 전력증폭기를 제공하고자 함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1양상에 따른 전력 증폭기는 전원이 트랜지스터의 드레인단자에 연결되며, 소정신호가 상기 트랜지스터의 게이트단자에 인가되는, 단일 또는 다수의 단일트랜지스터가 연결된 트랜지스터;상기 트랜지스터의 드레인단자에 연결된 부하 임피던스 정합 LC네트워크; 상기 부하 임피던스 정합 LC네트워크의 구성 소자 중 ,상기 트랜지스터의 기생커패시턴스의 변화에 따라 임피던스 매칭을 위해 조절되어야 할 커패시턴스를 가진 커패시터에 직렬연결된 적어도 하나의 튜닝인덕터; 및 상기 부하 임피던스 정합 LC네트워크에 연결된 부하저항을 포함하고, 상기 전원의 출력을 이용하여 트랜지스터의 게이트단자에 인가되는 소정신호를 제어하는 것을 특징으로 한다. 바람직하게는 상기 튜닝인덕터는 가변인덕터이다.
상기 트랜지스터는 모스펫 또는 그와 유사한 전계효과 트랜지스터(FET)인 것이 바람직하다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제2양상에 따른 전력 증폭기는 전원이 트랜지스터의 콜렉터단자에 연결되며, 소정신호가 상기 트랜지스터의 베이스단자에 인가되는, 단일 또는 다수의 단일트랜지스터가 연결된 트랜지스터;상기 트랜지스터의 콜렉터단자에 연결된 부하 임피던스 정합 LC네트워크; 상기 부하 임피던스 정합 LC네트워크의 구성 소자 중 ,상기 트랜지스터의 기생커패시턴스의 변화에 따라 임피던스 매칭을 위해 조절되어야 할 커패시턴스를 가진 커패시터에 직렬연결된 적어도 하나의 튜닝인덕터; 및 상기 부하 임피던스 정합 LC네트워크에 연결된 부하저항을 포함하고, 상기 전원의 출력을 이용하여 트랜지스터의 베이스단자에 인가되는 소정신호를 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 트랜지스터는 바이폴라 접합형 트랜지스터 또는 그와 유사한 형태의 트랜지스터인 것이 바람직하다.
상기에서와 같이, 본 발명은 트랜지스터의 크기를 키우면서 기생 커패시턴스의 영향이 증가하는 현상을, 튜닝인덕터을 이용하여 더욱 효율적으로 상쇄시킴으로써, 더욱 유연하게 트랜지스터의 크기를 선택할 수 있고, 더욱 큰 최적화 튜닝범위를 갖게 되므로 고효율을 위한 부하 임피던스 정합 LC네트워크의 최적화가 유리해진다. 또한, 본 발명에 따른 전력증폭기는 간단한 회로구조를 통하여 종래 구조보다 더욱 높은 전력효율을 달성할 수 있다.
도 1은 종래 Class-E 증폭기를 설명하기 위한 회로도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 Class-E 증폭기의 회로도이다.
도 3은 도 2의 트랜지스터(201) 부분만을 확대시켜 본 MOS 트랜지스터 구조도이다.
도 4는 고정된 트랜지스터 크기에 대하여 부하 임피던스 정합 LC네트워크의 C1 커패시턴스 값에 따른, Class-E 증폭기의 전력효율을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라, 고정된 트랜지스터 크기 및 고정된 부하 임피던스 정합 LC네트워크 커패시터(C1)에 대하여, 튜닝 인덕터의 인덕턴스 값에 따른 Class-E 증폭기의 전력효율을 나타낸 그래프이다.
도 6a는 도 1 회로도에서 트랜지스터 핑거수에 따른 전력효율을 나타낸 그래프이고, 도 6b는 본 발명의 실시예에 따라 튜닝인덕터를 추가한 상태에서의 트랜지스터의 게이트핑거(gate finger)수에 따른 전력효율을 나타낸 그래프이다.
<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>
101,201 : 트랜지스터
102,202 : 부하 임피던스 정합 LC네트워크
103,203 : 부하저항
104,204 : RF choke 인덕터
205 : 튜닝인덕터
301 : 드레인-소스 커패시턴스
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다음 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것이며 본 발명이 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 종래의 Class-E 증폭기를 설명하기 위한 회로도이다.
도시된 바에 따르면, 종래 Class-E 증폭기는 트랜지스터(101), 부하 임피던스 정합 LC네트워크(102), 부하저항(103) 및 RF choke 인덕터(104)를 포함한다. 여기서, VDD는 회로구동전압이며, 트랜지스터(101)의 게이트 입력측인 Vin단자에 별도의 DC 전원없이 펄스 형태와 같은 입력신호를 인가함으로써 트랜지스터로 이루어진 트랜지스터(101)는 펄스파형에 따라 스위치 같은 온/오프 동작을 하게 된다. 따라서, 이 스위치에서의 시간에 대한 전류 및 전압 특성이 180˚ 역위상이 되어 큰 전력 효율을 얻게 된다.
부하 임피던스 정합 LC네트워크(102)는 커패시터(C1, C2)와 인덕터(L1)로 구성되며, 최대 출력전력을 위하여 부하저항(103)과 트랜지스터(101) 사이에 임피던스 정합을 이루며, 목표주파수의 출력을 위한 필터의 역할을 수행한다. 구성 소자인 커패시터(C1, C2)와 인덕터(L1)의 선택은 종래 잘 알려진 방법에 의하며, 구체적인 설명은 생략한다. 여기서, RF choke 인덕터(104)은 RF 신호를 차단하고, DC전류만 흘려보내는 역할을 한다. 즉, 도시된 바와 같이, Vin단자에 인가된 신호가 트랜지스터(101)를 통해 증폭되고 부하 임피던스 정합 LC네트워크(102)를 통해 임피던스 정합과 목표주파수의 필터링이 수행된 신호가 Vout을 통해 출력되는 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 Class-E 증폭기의 회로도이다.
도시된 바에 따르면, 트랜지스터(201), 부하 임피던스 정합 LC네트워크(202), 부하저항(203), RF choke 인덕터(204) 및 튜닝인덕터 L2(205)를 구비하며, 부하 임피던스 정합 LC네트워크(202)의 구성 소자인 C1에 적어도 하나의 튜닝인덕터(205)를 직렬로 연결한다. 여기서, 도시된 트랜지스터(201)는 트랜지스터 하나만을 나타냈지만, 출력단의 최대출력전력(maximum output power)를 높여주기 위하여 병렬연결된 다수의 단일트랜지스터로 구성되는 것이 바람직하다. 또한, 본 실시예에서는 모스펫을 이용하여 구성하였지만, 다른 유사 FET 트랜지스터 또는 BJT 및 그 유사 반도체소자를 이용할 수 있으며, BJT를 이용하여 본 실시예를 실시할 경우, 모스펫의 게이트, 소스 및 드레인 단자를 BJT의 베이스, 에미터 및 콜렉터 단자로 적용하는 것이 바람직하다.
여기서, 부하 임피던스 정합 LC네트워크(202)의 구성 및 역할은 상기와 동일하며, 커패시터 C1은 튜닝 인덕터 L2로 흐르는 DC전류를 차단한다.
도 3은 도 2의 트랜지스터(201)부분만을 확대시켜 본 MOS 트랜지스터 구조도이다. 도시된 바와 같이, MOS 트랜지스터의 소스와 게이트 사이에 존재하는 커패시턴스 성분 Cgs, 게이트와 드레인 사이에 존재하는 커패시턴스 성분 Cgd 및 드레인과 소스 사이에 존재하는 커패시턴스 성분 Cds(301)가 존재한다. 이러한 MOS 트랜지스터에 반드시 존재하는 이 커패시턴스 성분들은 트랜지스터 M1의 크기가 증가함에 따라 영향을 받는다. 상기 커패시턴스성분들 중 부하 임피던스 정합 LC네트워크(202)에 가장 큰 영향을 주는 커패시턴스 성분은 Cds(301)이며, 트랜지스터 M1의 크기가 증가함에 따라 트랜지스터 M1의 기생 커패시턴스가 병렬로 더해져 커지게 되므로, 부하 임피던스 정합 LC네트워크(202)의 구성소자 C1의 커패시턴스 값은 일정한 부하 임피던스 정합 LC네트워크(202)의 성능을 위해 작아져야 한다. 따라서, 회로특성에 적합한 트랜지스터(201)의 크기는 한계가 있으며 이것은 Class-E 증폭기 효율의 튜닝범위를 제한한다.
상기 도 2 및 도 3을 함께 참조하여 설명하면, 튜닝인덕터 L2(205)는 커패시터 C1에 직렬연결되어, 임피던스 관계식, 에 의해 양의 임피던스 값을 갖도록 할 수 있으며, 이것은 커패시터 C1의 커패시턴스값을 줄이는 한정된 방법에서 벗어나 양의 임피던스를 이용하여 트랜지스터 M1이 커짐에 따라 동시에 커진 Cds의 영향을 상쇄시킬 수 있다. 즉, C1 커패시턴스 값이 임피던스 정합을 위하여 아무리 작아지더라도 어떤 값으로 남겨두고, 인덕터를 연결하여 마이너스 효과를 주는 것이다. 따라서, 튜닝인덕터(205)는 가변인덕터를 이용하는 것이 바람직하며, 가변인덕터를 사용함에 따라 이를 이용한 증폭기의 부하 임피던스 정합 LC네트워크(202)특성 및 전력효율을 최적화한 넓은 튜닝 범위를 얻을 수 있다.
도 4는 고정된 트랜지스터(101) 크기에 대하여 부하 임피던스 정합 LC네트워크(102)의 C1 커패시턴스 값에 따른, Class-E 증폭기의 전력효율을 나타낸 그래프이다. 즉, 도 1의 회로도에서 트랜지스터 M1의 크기를 고정시키고 C1 커패시턴스의 크기를 변화시키면서 최고 효율점을 찾는 것이다.
여기서, PAE(전력부가효율: power added efficiency)는 정확하게 전력증폭기에서 생성된 전력만 따지는 효율로써, 아래 수학식1과 같다.
PAE = 100 * {[POUT]RF - [PIN]RF} / [PDC]TOTAL
도시된 바와 같이, 트랜지스터(101)의 크기가 일정할 때 부하 임피던스 정합 LC네트워크(102)의 C1 커패시턴스 값을 변화시킴으로써 전력효율을 최적화할 수 있는데, C1 커패시턴스 값이 작아짐에 따라 트랜지스터 M1의 기생 커패시턴스 성분에 대한 효과를 줄여준 결과이며, 최고점으로 대략 83%의 효율을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라, 고정된 트랜지스터 크기 및 고정된 부하 임피던스 정합 LC네트워크 커패시터(C1)에 대하여 튜닝 인덕터의 인덕턴스 값에 따른 Class-E 증폭기의 전력효율을 나타낸 그래프이다. 즉, 도 2의 회로도에서 트랜지스터 M1 및 C1 커패시턴스의 크기를 고정시키고, 튜닝 인덕터 L2(205)의 인덕턴스 값을 변화시키면서 최고 효율점을 찾는 것이다.
여기서, 부하 임피던스 정합 LC네트워크(202)의 C1 커패시턴스 값을 작은 값으로 고정시켜, DC 전류를 차단한 상태에서, 튜닝인덕터(205) 인덕턴스 값의 변화를 통해 전력효율을 최적화할 수 있다. 도 5에서, 인덕터를 튜닝하여 최고점으로 88% 효율을 나타내었다. 따라서, 도 5의 결과는 도 4 보다 더욱 높은 전력효율을 나타내었으며, 튜닝인덕터(205)를 통해 더 넓은 전력효율의 튜닝범위를 갖게 됨을 보여준다.
도 6a는 도 1에서 트랜지스터 핑거수에 따른 전력효율을 나타낸 그래프이고, 도 6b는 본 발명의 실시예에 따라 튜닝인덕터를 추가한 상태에서의 트랜지스터 핑거수에 따른 전력효율을 나타낸 그래프이다.
도 6a는 튜닝인덕터가 없는 조건인 도 1에서 캐퍼시터 C1값을 0.1pF으로 고정하여, 트랜지스터 M1의 finger수만 변경하였는데, 가장 높은 효율은 대략 83%로 나타났다. 이에 반해, 도 6b에서는 상기와 같이 캐퍼시터 C1값을 0.1pF, 튜닝인덕터(205)값을 10.1nH로 하여 트랜지스터 M1의 finger수만 변경하였는데, 최고점이 대략 88%로 나타났다. 상기 결과로 트랜지스터의 크기가 증가함에 따른 기생 커패시턴스 영향을 본 실시예에 따른 튜닝인덕터를 통하여 감쇄시킬수 있음이 확인되었다.
이상의 본 발명은 상기에 기술된 실시예들에 의해 한정되지 않고, 당업자들에 의해 다양한 변형 및 변경을 가져올 수 있으며, 이는 첨부된 청구항에서 정의되는 본 발명의 취지와 범위에 포함된다.

Claims (6)

  1. 전원이 트랜지스터의 드레인단자에 연결되며, 소정신호가 상기 트랜지스터의 게이트단자에 인가되는, 단일 또는 다수의 단일트랜지스터가 연결된 트랜지스터;
    상기 트랜지스터의 드레인단자에 연결된 부하 임피던스 정합 LC네트워크;
    상기 부하 임피던스 정합 LC네트워크의 구성 소자 중 ,상기 트랜지스터의 기생커패시턴스의 변화에 따라 임피던스 매칭을 위해 조절되어야 할 커패시턴스를 가진 커패시터에 직렬연결된 적어도 하나의 튜닝인덕터; 및
    상기 부하 임피던스 정합 LC네트워크에 연결된 부하저항을 포함하고, 상기 전원의 출력을 이용하여 트랜지스터의 게이트단자에 인가되는 소정신호를 제어하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 튜닝인덕터는 가변인덕터인 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 트랜지스터는 MOSFET 또는 그와 유사한 전계효과 트랜지스터(FET)인 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  4. 전원이 트랜지스터의 콜렉터단자에 연결되며, 소정신호가 상기 트랜지스터의 베이스단자에 인가되는, 단일 또는 다수의 단일트랜지스터가 연결된 트랜지스터;
    상기 트랜지스터의 콜렉터단자에 연결된 부하 임피던스 정합 LC네트워크;
    상기 부하 임피던스 정합 LC네트워크의 구성 소자 중 ,상기 트랜지스터의 기생커패시턴스의 변화에 따라 임피던스 매칭을 위해 조절되어야 할 커패시턴스를 가진 커패시터에 직렬연결된 적어도 하나의 튜닝인덕터; 및
    상기 부하 임피던스 정합 LC네트워크에 연결된 부하저항을 포함하고, 상기 전원의 출력을 이용하여 트랜지스터의 베이스단자에 인가되는 소정신호를 제어하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  5. 제4항에 있어서, 상기 튜닝인덕터는 가변인덕터인 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 트랜지스터는 바이폴라 접합형 트랜지스터 또는 그와 유사한 형태의 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
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