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KR20220082552A - Multi mode variable gain power amplifier - Google Patents

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KR20220082552A
KR20220082552A KR1020200172553A KR20200172553A KR20220082552A KR 20220082552 A KR20220082552 A KR 20220082552A KR 1020200172553 A KR1020200172553 A KR 1020200172553A KR 20200172553 A KR20200172553 A KR 20200172553A KR 20220082552 A KR20220082552 A KR 20220082552A
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South Korea
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amplifier
power
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amplifiers
unit cells
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양영구
진일비
신재경
최우진
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성균관대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 다중 모드 가변 이득 전력 증폭 장치에 관한 것으로, 다중 모드 가변 이득 전력 증폭 장치는 각각이 동일한 입력단에 병렬로 연결된 복수개의 증폭기를 갖는 복수개의 증폭기 그룹; 디지털 신호를 출력하여 상기 복수개의 증폭기 그룹에 있는 단위 셀들의 동작 상태를 제어하여 각 증폭기 그룹에서 동작하는 단위 셀 비율을 조절하는 제어부; 및 상기 복수개의 증폭기 그룹 각각의 출력단에 연결되어 부하 임피던스의 값을 변조하며, 각각이 하나의 출력단에 연결된 복수개의 부하 임피던스 트랜스포머를 포함한다. The present invention relates to a multi-mode variable gain power amplification apparatus, comprising: a plurality of amplifier groups each having a plurality of amplifiers connected in parallel to the same input terminal; a control unit outputting a digital signal to control operation states of unit cells in the plurality of amplifier groups to adjust a ratio of unit cells operating in each amplifier group; and a plurality of load impedance transformers connected to an output terminal of each of the plurality of amplifier groups to modulate a value of a load impedance, each of which is connected to one output terminal.

Description

다중 모드 가변 이득 전력 증폭 장치{MULTI MODE VARIABLE GAIN POWER AMPLIFIER}MULTI MODE VARIABLE GAIN POWER AMPLIFIER

본 발명은 무선통신 시스템 송신기의 성능 개선을 위한 다중 모드 가변 이득 전력 증폭 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a multi-mode variable gain power amplification apparatus for improving the performance of a wireless communication system transmitter.

현대 무선 통신 시스템에서 근거리 통신 네트워크(local area network) 설비가 빠른 성장세를 보여주고 있다. 근거리 영역에서 통신 거리 변화로 인하여 신호 전력 강도의 변화 범위가 상당히 넓을 수 있다. 이러한 넓은 신호 전력 변화 범위를 조절하기 위해 송신기나 수신기에서 가변 전력 이득 전력 증폭 장치가 필요하다. 송신기에서 전력 증폭 장치(PA: power amplifier)는 최대 출력전력 영역이 아닌 상대적으로 낮은 출력전력 영역에서 동작하는 경우 전력 증폭 장치의 효율이 최대 출력전력 영역에서 동작할 때의 효율에 비해 급격히 감소하게 된다. 전력 증폭 장치의 효율 감소는 전력 소모량을 상승시키며, 특히 모바일 디바이스의 배터리 사용량을 증가시키게 된다. In modern wireless communication systems, local area network facilities are showing rapid growth. Due to the change in the communication distance in the short range, the change range of the signal power strength may be quite wide. To accommodate this wide signal power variation range, a variable power gain power amplifier is required at the transmitter or receiver. When a power amplifier (PA) in the transmitter operates in a relatively low output power region instead of in the maximum output power region, the efficiency of the power amplifier rapidly decreases compared to the efficiency when operating in the maximum output power region. . Reducing the efficiency of the power amplifying device increases power consumption, and in particular, increases the battery usage of the mobile device.

상술한 문제점을 해결하기 위해, 두 개 이상의 증폭기 그룹을 디지털 방식으로 제어하여 출력전력 크기를 조절하는 동시에 부하 임피던스 변조 방식으로 효율을 개선하는데 그 목적이 있다. In order to solve the above problems, it is an object to digitally control two or more amplifier groups to adjust the output power level and to improve efficiency by using a load impedance modulation method.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 다중 모드 가변 이득 전력 증폭 장치는 각각이 동일한 입력단에 연결된 복수개의 단위 셀을 갖는 복수개의 증폭기 그룹; 디지털 신호를 출력하여 상기 단위 셀 각각의 동작 상태를 제어하여 각각 증폭기 그룹에서 동작하는 단위 셀 개수를 조절하는 제어부; 및 상기 증폭기 그룹 각각의 출력전력을 결합하여 하나의 출력단으로 전달하는 복수개의 부하 임피던스 트랜스포머를 포함하는 것을 특징으로 한다.A multi-mode variable gain power amplification apparatus according to the present invention for achieving the above object includes: a plurality of amplifier groups each having a plurality of unit cells connected to the same input terminal; a controller outputting a digital signal to control the operating state of each of the unit cells to adjust the number of unit cells operating in each amplifier group; and a plurality of load impedance transformers that combine the output power of each of the amplifier groups and transfer the combined output power to one output terminal.

일 실시예에서, 상기 부하 임피던스 트랜스포머는 전류 결합 방식일 때의 90° 전송선로로서, 전류 결합 부하에서 각각의 증폭기 그룹 출력단까지 필요한 임피던스 변환 및 부하 임피던스 변조를 제공하는 것을 특징으로 한다.In one embodiment, the load impedance transformer is a 90° transmission line in the case of a current coupling method, characterized in that it provides the necessary impedance conversion and load impedance modulation from the current coupling load to the output stage of each amplifier group.

일 실시예에서, 상기 부하 임피던스 트랜스포머는 전압 결합 방식일 때의 2개의 직렬로 연결된 90° 전송선로로서, 전압 결합 부하에서 각각의 증폭기 그룹 출력단까지 필요한 임피던스 변환 및 부하 임피던스 변조를 제공하는 것을 특징으로 한다.In one embodiment, the load impedance transformer is two serially connected 90° transmission lines when the voltage-coupled method, characterized in that it provides the necessary impedance conversion and load impedance modulation from the voltage-coupled load to the output stage of each amplifier group. do.

일 실시예에서, 상기 디지털 신호로 제어되는 단위 셀 증폭기의 동작상태는 정상, 개방, 단락인 것을 특징으로 한다.In one embodiment, the operating state of the unit cell amplifier controlled by the digital signal is characterized in that the normal, open, short.

일 실시예에서, 상기 복수개의 증폭기 그룹으로 구성된 다중 모드 가변 이득 전력증폭기는 N개의 단위 셀을 갖는 제1 증폭기 그룹과 kn*N개의 단위 셀을 갖는 제n 증폭기 그룹을 포함할 수 있다는 것을 특징으로 한다. In one embodiment, the multi-mode variable gain power amplifier composed of the plurality of amplifier groups may include a first amplifier group having N unit cells and an nth amplifier group having k n *N unit cells. do it with

일 실시예에서, 2개의 증폭기 그룹으로 전류 혹은 전압 결합 방식을 사용하여 다중 모드 가변 이득 전력 증폭기를 구성하는 경우, 고출력 전력 영역에서 제1 증폭기 그룹과 제2 증폭기 그룹의 각각의 단위 셀 전체를 정상 동작 상태로 제어하고, 중간 출력 전력 영역에서 제1 증폭기 그룹의 단위 셀 전체를 모두 단락 상태로 제어하고 제2 증폭기 그룹의 일부 단위 셀을 개방상태로 제어하며, 저 출력 전력 영역에서 제1 증폭기 그룹의 일부 단위 셀을 개방상태로 제어하고, 제2 증폭기 그룹의 단위 셀 전체를 모두 단락 상태로 제어함으로써, 출력 전력 크기가 제어되는 동시에 각 증폭기 그룹 출력단에서 부하 임피던스 변조가 일어나는 것을 특징으로 한다. In one embodiment, when configuring a multi-mode variable gain power amplifier using a current or voltage combining method with two amplifier groups, the entire unit cell of each of the first amplifier group and the second amplifier group is normalized in the high output power region. control to the operating state, all unit cells of the first amplifier group are controlled to a short-circuit state in the intermediate output power region, and some unit cells of the second amplifier group are controlled to an open state, and the first amplifier group is controlled in an open state in a low output power region By controlling some of the unit cells in the open state and controlling all the unit cells of the second amplifier group in the short state, the output power is controlled and the load impedance modulation occurs at the output stage of each amplifier group at the same time.

일 실시예에서, 상기 임피던스 트랜스포머는 집중소자(Lumped element) 및 분포소자(Distributed element)를 이용하여 전송선로 등가 회로로 구성할 수 있다는 것을 특징으로 한다. In one embodiment, the impedance transformer is characterized in that it can be configured as a transmission line equivalent circuit using a lumped element and a distributed element.

본 발명의 일 실시예에 다중 모드 가변 이득 전력 증폭 장치에 의해 각 증폭기 그룹의 부하 임피던스가 출력 크기에 따라 변조되어 상대적 낮은 전력 영역에서의 효율이 개선되는 효과가 있다.According to an embodiment of the present invention, the load impedance of each amplifier group is modulated according to the output size by the multi-mode variable gain power amplification apparatus, thereby improving efficiency in a relatively low power region.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 증폭기 그룹 개수 n이 증가함에 따라 2n -1개 출력 전력 상태에서 피크 효율을 얻을 수 있으며 효율 개선 효과가 증가한다. According to an embodiment of the present invention, as the number of amplifier groups n increases, peak efficiency can be obtained in 2 n - 1 output power states, and the efficiency improvement effect increases.

또한, 디지털 기반 전력 이득 조절이 필요한 일반 집적회로 설계뿐만 아니라 SoC(System on Chip)를 비롯한 소형 집적 통신 시스템 송신기에 적용될 수 있으며, 모바일 디바이스용 전력 증폭 장치의 효율을 개선하여 디바이스의 전력 사용량을 줄여 배터리 사용 시간을 늘릴 수 있다는 효과가 있다. In addition, it can be applied not only to general integrated circuit designs that require digital-based power gain control, but also to small integrated communication system transmitters including SoC (System on Chip). It has the effect of prolonging the battery life.

도 1은 종래의 디지털 기반 가변 전력 이득 전력 증폭 장치의 구조를 나타낸 회로도이다.
도 2a는 Class-D 전력 증폭기 정상 동작 상태이고, 도 2b는 Class-D 전력 증폭기 개방 회로로 동작하는 상태이며, 도 2c는 Class-D 전력 증폭기 단락 회로로 동작하는 상태이다.
도 3a는 1개의 90° 전송선로를 이용한 임피던스 트랜스포머의 개념도이고, 도 3b는 2개의 직렬연결 90° 전송선로를 이용한 임피던스 트랜스포머의 개념도이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 모드 가변 이득 전력 증폭 장치의 전류 결합 방식을 이용한 구조이며, 도 4b는 전압 결합 방식을 이용한 구조이다. 도 4c는 전력 증폭 장치의 전력부가효율(PAE; Power Added Efficiency)을 나타내는 개념도이다.
도 5a는 2개 증폭기 그룹을 이용한 디지털 기반 다중 모드 가변 이득 전력 증폭 장치의 전류 결합 방식을 이용한 구조의 구현 예시이고, 도 5b는 도 5a의 90° 전송선로 등가회로를 나타낸 도면이고, 도 5c는 전압 결합 방식을 이용한 구조의 구현 예시이고, 도 5d는 도 5c의 2개 직렬연결 90° 전송선로 등가회로를 나타낸 도면이다.
도 6a는 높은 출력 전력 영역에서의 부하 임피던스를 나타내기 위한 회로도이고, 도 6b는 중간 출력 전력 영역에서의 부하 임피던스를 나타내기 위한 회로도이며, 도 6c는 낮은 출력 전력 영역에서의 부하 임피던스를 나타내기 위한 회로도이다.
도 7a는 높은 출력 전력 영역에서의 부하 임피던스를 나타내기 위한 회로도이고, 도 7b는 중간 출력 전력 영역에서의 부하 임피던스를 나타내기 위한 회로도이며, 도 7c는 낮은 출력 전력 영역에서의 부하 임피던스를 나타내기 위한 회로도이다.
도 8a 내지 8d는 본 발명의 일 실시예에 따른 2개 증폭기 그룹으로 구성한 가변 이득 전력 증폭 장치의 전력부가효율(PAE; Power Added Efficiency)을 나타내는 그래프이다.
1 is a circuit diagram showing the structure of a conventional digital-based variable power gain power amplifier.
2A is a state in which the Class-D power amplifier is operating normally, FIG. 2B is a state in which the Class-D power amplifier operates as an open circuit, and FIG. 2C is a state in which the Class-D power amplifier operates as a short circuit.
3A is a conceptual diagram of an impedance transformer using one 90° transmission line, and FIG. 3B is a conceptual diagram of an impedance transformer using two serially connected 90° transmission lines.
4A is a structure using a current coupling method of the multi-mode variable gain power amplification apparatus according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4B is a structure using a voltage coupling method. 4C is a conceptual diagram illustrating Power Added Efficiency (PAE) of a power amplifying device.
5A is an example of implementation of a structure using a current coupling method of a digital-based multi-mode variable gain power amplification device using two amplifier groups, FIG. 5B is a diagram illustrating a 90° transmission line equivalent circuit of FIG. 5A, and FIG. 5C is It is an example of implementation of a structure using a voltage coupling method, and FIG. 5D is a diagram showing an equivalent circuit of two serially connected 90° transmission lines of FIG. 5C.
6A is a circuit diagram illustrating a load impedance in a high output power region, FIG. 6B is a circuit diagram illustrating a load impedance in an intermediate output power region, and FIG. 6C is a load impedance diagram in a low output power region circuit diagram for
7A is a circuit diagram illustrating a load impedance in a high output power region, FIG. 7B is a circuit diagram illustrating a load impedance in an intermediate output power region, and FIG. 7C is a load impedance diagram in a low output power region circuit diagram for
8A to 8D are graphs illustrating Power Added Efficiency (PAE) of a variable gain power amplification device configured with two amplifier groups according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 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.Since the present invention can have various changes and can have various embodiments, specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the detailed description. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and it should be understood to include all modifications, equivalents and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In describing each figure, like reference numerals have been used for like elements.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 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 an element is referred to as being “connected” or “connected” to another element, it is understood that it may be directly connected or connected to the other element, but other elements may exist in between. it should be On the other hand, when it is said that a certain element is "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that the other element does not exist 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 the present application are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate that a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification exists, but one or more other features It should be understood that this does not preclude the existence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

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 and scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in the present application. does not

이하, 첨부된 도면을 참조하여 다중 모드 가변 이득 전력 증폭 장치에 대해 설명한다.Hereinafter, a multi-mode variable gain power amplification apparatus will be described with reference to the accompanying drawings.

도 1은 종래의 디지털 기반 가변 전력 이득 전력 증폭 장치의 구조를 나타낸 회로도이다. 1 is a circuit diagram showing the structure of a conventional digital-based variable power gain power amplifier.

디지털 신호로 제어하는 여러 개 단위 셀들이 결합된 구조로써, 단위 셀들의 입력단과 출력단은 서로 연결되며, 단일 RF 신호를 입력받아 RF 출력을 생성한다. As a structure in which several unit cells controlled by digital signals are combined, the input and output terminals of the unit cells are connected to each other and receive a single RF signal to generate an RF output.

단일 RF 입력단은 RF 입력 신호를 받아 각 단위 셀로 나누어 전달하며, 각 단위 셀들의 출력을 결합하여 RF 출력단에서 단일 출력 신호를 출력한다. 요구되는 출력 전력에 따라서 컨트롤러(도시 생략)는 디지털 제어 신호로 단위 셀들의 동작상태를 제어함으로써 출력 전력의 크기를 조절한다. A single RF input terminal receives an RF input signal, divides it into each unit cell, and transmits it, and outputs a single output signal from the RF output terminal by combining the outputs of each unit cell. According to the required output power, the controller (not shown) adjusts the level of the output power by controlling the operation state of the unit cells with a digital control signal.

각 증폭기로부터의 출력을 매칭 시키기 위한 임피던스 매칭 회로를 필요로 하며, 전력 증폭 장치의 출력전력을 감소하도록 제어하는 동시에 전력 증폭 장치의 전체 효율이 급격히 감소한다. An impedance matching circuit is required to match the output from each amplifier, and while controlling to reduce the output power of the power amplifying device, the overall efficiency of the power amplifying device is rapidly reduced.

도 2는 일반적인 Class-D 전력 증폭 장치의 기본 구조를 나타낸 회로도로서, 도 2a는 Class-D 전력 증폭기 정상 동작 상태를 나타내며, 도 2b는 Class-D 전력 증폭기 개방 회로로 동작하는 상태를 나타내고, 도 2c는 Class-D 전력 증폭기 단락 회로로 동작하는 상태를 나타낸다. Figure 2 is a circuit diagram showing the basic structure of a general Class-D power amplifier, Figure 2a shows the normal operating state of the Class-D power amplifier, Figure 2b shows the state of operating in the Class-D power amplifier open circuit, 2c shows the state of operation as a Class-D power amplifier short circuit.

Class-D 전력 증폭 장치는 스위칭 증폭기라고도 하며, 일반 선형 증폭기와는 달리 선형 증폭 동작용 바이어스를 하는 대신에, 주로 스위치로 동작한다. Class-D power amplification devices are also called switching amplifiers, and unlike general linear amplifiers, they mainly operate as switches instead of biasing for linear amplification operation.

도 2a를 참조하면, 정상 동작 상태에서의 Class-D 전력 증폭기는 입력 신호에 의해 제어되는 두 개 병렬연결 스위치로 모델링할 수 있으며 이 두 개 스위치가 교차적으로 스위칭 동작하여 출력 신호를 생성한다. Referring to FIG. 2A , a Class-D power amplifier in a normal operating state can be modeled as two parallel-connected switches controlled by an input signal, and the two switches alternately switch to generate an output signal.

도 2b를 참조하면 제1 스위치인 PMOS 트랜지스터의 게이트에 가장 높은 전위가 연결되고, 제2 스위치인 NMOS 트랜지스터의 게이트에 가장 낮은 전위가 연결되면 제1 스위치와 제2 스위치가 동시에 꺼져 증폭기 회로는 개방회로가 된다.Referring to FIG. 2B, when the highest potential is connected to the gate of the PMOS transistor, which is the first switch, and the lowest potential is connected to the gate of the NMOS transistor, which is the second switch, the first switch and the second switch are simultaneously turned off to open the amplifier circuit. becomes a circuit.

도 2c를 참조하면, 제1 스위치인 PMOS 트랜지스터의 게이트와 제2 스위치인 NMOS 트랜지스터의 게이트에 모두 가장 높은 전위가 연결되면 증폭기 회로는 단락 회로가 된다. Referring to FIG. 2C , when the highest potential is connected to both the gate of the PMOS transistor serving as the first switch and the gate of the NMOS transistor serving as the second switch, the amplifier circuit becomes a short circuit.

도 3은 일반적인 전송선로를 이용한 임피던스 트랜스포머의 개념도이다. 3 is a conceptual diagram of an impedance transformer using a general transmission line.

도 3a는 1개의 특성임피던스 Z0인 90° 전송선로를 이용한 임피던스 트랜스포머의 개념도로서, 임의의 부하 임피던스 ZL에서 임피던스 Z0 2/ZL로 변환할 수 있다. 3A is a conceptual diagram of an impedance transformer using a 90° transmission line having one characteristic impedance Z 0 , and can be converted from an arbitrary load impedance Z L to an impedance Z 0 2 /Z L .

도 3b는 특성임피던스 각각 Z0*k0.5 및 Z0인 2개의 90° 전송선로를 이용한 임피던스 트랜스포머의 개념도로서, 도 3b를 참조하면 직렬 연결된 2개의 전송선로를 이용하는 경우에는, 임의의 부하 임피던스 ZL을 일정한 비율 k로 임피던스 k*ZL이 되도록 확대하거나 축소할 수 있다. 3b is a conceptual diagram of an impedance transformer using two 90° transmission lines having characteristic impedances Z 0 *k 0.5 and Z 0 , respectively. Referring to FIG. 3b, when two transmission lines connected in series are used, an arbitrary load impedance Z L can be enlarged or reduced to become impedance k*Z L by a constant ratio k.

도 3에 도시한 바와 같은 임피던스 트랜스포머는 집중소자(Lumped element) 및 분포소자(Distributed element)를 이용하여 전송선로 등가 회로를 구성할 수 있다.The impedance transformer as shown in FIG. 3 may configure a transmission line equivalent circuit using a lumped element and a distributed element.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 기반 다중 모드 가변 이득 전력 증폭 장치의 회로도와 전력 증폭 장치의 전력부가효율(PAE; Power Added Efficiency)을 나타내는 개념도이다. 4 is a circuit diagram of a digital-based multi-mode variable gain power amplification device according to an embodiment of the present invention and a conceptual diagram illustrating Power Added Efficiency (PAE) of the power amplification device.

도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 기반 다중 모드 가변 이득 전력 증폭 장치의 전류 결합 방식을 이용한 구조이며, 도 4b는 전압 결합 방식을 이용한 구조이다. 도 4c는 전력 증폭 장치의 전력부가효율(PAE; Power Added Efficiency)을 나타내는 개념도이다.4A is a structure using a current coupling method of a digital-based multi-mode variable gain power amplification apparatus according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4B is a structure using a voltage coupling method. 4C is a conceptual diagram illustrating Power Added Efficiency (PAE) of a power amplifying device.

본 발명은 다중 모드 가변 이득 전력 증폭 장치(MM-VGPA: Multi Mode Variable Gain Power Amplifier) 구조를 제안한다. The present invention proposes a structure of a multi-mode variable gain power amplifier (MM-VGPA) structure.

다중 모드 가변 이득 전력 증폭 장치는 외부의 복잡한 추가 회로나 컨트롤 알고리즘 없이 전력 상대적 낮은 전력 영역에서의 효율을 크게 개선할 수 있으며, 복수개의 증폭기 집단에서의 단위 셀 동작 상태만 제어하여 동작하기 때문에 송신기 시스템의 복잡도를 크게 증가시키지 않는다.The multi-mode variable gain power amplifier can greatly improve the efficiency in a relatively low power region without an external complex additional circuit or control algorithm, and since it operates by controlling only the unit cell operating state in a plurality of amplifier groups, the transmitter system does not significantly increase the complexity of

도 4a 및 도 4b를 참조하면, 디지털 기반 다중 모드 가변 이득 전력 증폭 장치는 복수개의 증폭기 그룹 및 복수개의 임피던스 트랜스포머를 포함한다. 4A and 4B, the digital-based multi-mode variable gain power amplification apparatus includes a plurality of amplifier groups and a plurality of impedance transformers.

복수개의 증폭기 그룹 각각은 일정한 비율의 단위 셀로 구성된다. 단위 셀로 이루어진 증폭기 그룹 각각은 디지털 신호에 따라 동작상태가 제어된다. 각각 증폭기 그룹을 구성한 단위 셀의 동작상태는 정상, 개방, 단락 3가지 상태로 구분된다. 단위 셀은 동일 입력단 및 RF 출력단을 갖는다. Each of the plurality of amplifier groups is composed of unit cells of a certain ratio. Each of the amplifier groups made up of unit cells has an operating state controlled according to a digital signal. The operating state of each unit cell constituting the amplifier group is divided into three states: normal, open, and short. The unit cell has the same input and RF output.

도 4a를 참조하면, 각 증폭기 그룹의 출력단에는 전류 결합 방식의 부하 변조를 위한 임피던스 트랜스포머(T1)가 연결된다. 즉, 증폭기 그룹의 수와 임피던스 트랜스포머의 수는 동일하다. Referring to FIG. 4A , an impedance transformer T1 for load modulation using a current coupling method is connected to an output terminal of each amplifier group. That is, the number of amplifier groups and the number of impedance transformers are the same.

또한, 임피던스 트랜스포머(T1)는 1개의 90° 전송선로로서, 전송선로의 특성임피던스를 선택하여 전류 결합부하에서 임의의 부하 임피던스 ZL을 증폭기 출력단에 필요한 부하 Z0 2/ZL되도록 임피던스를 변조한다. In addition, the impedance transformer (T1) is a single 90° transmission line, and by selecting the characteristic impedance of the transmission line, an arbitrary load impedance Z L in the current coupled load is modulated to the load Z 0 2 /Z L required for the output of the amplifier. do.

복수의 임피던스 트랜스포머의 출력은 하나의 결합지점(P1)에서 결합된다. The outputs of the plurality of impedance transformers are combined at one coupling point P1.

도 4b를 참조하면, 각 증폭기 그룹의 출력단에는 전압 결합 방식의 부하 변조를 위한 2개의 전송선로가 연결된다. 즉, 전압 결합 방식의 부하 임피던스 트랜스포머는 2개의 직렬로 연결된 90° 전송선로로서, 전송선로의 특성임피던스를 선택하여 전압 결합 부하에서 임의의 부하 임피던스 ZL를 일정한 비율 k 로 증폭기 출력단에 필요한 부하 k*ZL되도록 임피던스를 확대하거나 축소할 수 있다. Referring to FIG. 4B , two transmission lines are connected to an output terminal of each amplifier group for load modulation using a voltage coupling method. That is, the voltage-coupled load impedance transformer is two 90° transmission lines connected in series, and by selecting the characteristic impedance of the transmission line, an arbitrary load impedance ZL in the voltage-coupled load is set at a constant ratio k, and the load required for the output stage of the amplifier is k* The impedance can be enlarged or reduced to become Z L.

이로써 전력 결합 부하에서 전류나 전압이 결합되어 요구된 부하 임피던스 변조가 이루어지므로, 각각의 단위 셀의 동작상태를 제어하여 원하는 출력을 얻을 수 있다. As a result, current or voltage is combined in the power-coupled load to achieve the required load impedance modulation, so that the desired output can be obtained by controlling the operating state of each unit cell.

도 4c를 참조하면, 또한 증폭기 그룹 개수가 n개 증가함에 따라 2n-1개 출력 전력 상태에서 피크 효율을 얻을 수 있으며 효율 개선 효과가 증가됨을 알 수 있다.Referring to FIG. 4C , as the number of amplifier groups increases by n, it can be seen that peak efficiency can be obtained in 2 n-1 output power states and the efficiency improvement effect is increased.

또한 본 발명은 증폭기 입력단에 입력 신호를 조절하는 추가 오프셋 회로는 갖지 않으므로 회로를 소형화하기에 유리하다.In addition, the present invention does not have an additional offset circuit for adjusting the input signal at the input stage of the amplifier, so it is advantageous to miniaturize the circuit.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 2 개 증폭기 그룹을 이용한 디지털 기반 다중 모드 가변 이득 전력 증폭 장치의 회로도이다. 5 is a circuit diagram of a digital-based multi-mode variable gain power amplifier using two amplifier groups according to an embodiment of the present invention.

도 5a는 2 개 증폭기 그룹을 이용한 디지털 기반 다중 모드 가변 이득 전력 증폭 장치의 전류 결합 방식을 이용한 구조의 구현 예시이며, 도 5b는 도 5a의 90° 전송선로 등가회로를 나타낸 도면이고, 도 5c는 전압 결합 방식을 이용한 구조의 구현 예시이고, 도 5d는 도 5c의 2개 직렬연결 90° 전송선로 등가회로를 나타낸 도면이다.5A is an example of implementation of a structure using a current coupling method of a digital-based multi-mode variable gain power amplification device using two amplifier groups, FIG. 5B is a diagram illustrating a 90° transmission line equivalent circuit of FIG. 5A, and FIG. 5C is It is an example of implementation of a structure using a voltage coupling method, and FIG. 5D is a diagram showing an equivalent circuit of two serially connected 90° transmission lines of FIG. 5C.

여기서 증폭기 그룹에서의 단위 셀은 Class-D 전력 증폭기 구조를 사용하며, Class-D 전력 증폭기 각각은 디지털 신호에 따라 동작상태가 제어된다. 동작상태는 정상, 개방, 단락 3가지 상태로 구분되며, 특정한 전력 상태에서 동작상태를 변경시킨다. 제1 증폭기 그룹에서 N개 단위 셀 증폭기를 포함하고 제2 증폭기 그룹은 k*N개 단위 셀 증폭기를 포함한다. Here, the unit cell in the amplifier group uses a Class-D power amplifier structure, and each Class-D power amplifier has an operation state controlled according to a digital signal. The operating state is divided into three states, normal, open, and short, and the operating state is changed in a specific power state. The first amplifier group includes N unit cell amplifiers and the second amplifier group includes k*N unit cell amplifiers.

도 5a 및 도 5b를 참조하면, 전류 결합 방식의 경우, 온 칩(on-chip) 커패시터(531, 532), 본딩 와이어(bonding wire), 및 오프 칩(off-chip) 집중소자 커패시터(540)가 병렬로 연결된 90° 전송선로(521, 522) 등가 회로를 구성한다. 5A and 5B, in the case of the current coupling method, on-chip capacitors 531 and 532, bonding wires, and off-chip concentrator capacitors 540 constitutes an equivalent circuit of 90° transmission lines 521 and 522 connected in parallel.

제1 증폭기 그룹의 출력단(511)은 제1 90° 전송선로(521)에 연결되고, 제2 증폭기 그룹의 출력단(512)은 제2 90° 전송선로(522)에 연결된다. The output terminal 511 of the first amplifier group is connected to the first 90° transmission line 521 , and the output terminal 512 of the second amplifier group is connected to the second 90° transmission line 522 .

도 5c 및 도 5d를 참조하면, 전압 결합 방식의 경우, 온 칩(on-chip) 커패시터(533, 534, 535, 536), 본딩 와이어, 오프 칩 발룬(balun) 및 오프 칩 집중소자 커패시터(570)를 이용하여 4 개 90° 전송선로(523, 524, 525, 526) 등가 회로를 구성한다.5C and 5D, in the case of the voltage coupling method, on-chip capacitors 533, 534, 535, 536, bonding wires, off-chip baluns, and off-chip lumped device capacitors 570 ) to compose an equivalent circuit of four 90° transmission lines (523, 524, 525, 526).

제1 증폭기 그룹의 출력(513)은 제1 90° 전송선로(523)에 연결되고, 제2 증폭기 그룹의 출력(514)은 제3 90° 전송선로(525)에 연결된다. 제2 90° 전송선로(524)와 제4 90° 전송선로(526)는 오프 칩 발룬(balun) (560)에 연결된다. An output 513 of the first amplifier group is connected to a first 90° transmission line 523 , and an output 514 of the second amplifier group is connected to a third 90° transmission line 525 . The second 90° transmission line 524 and the fourth 90° transmission line 526 are connected to an off-chip balun 560 .

여기서 발룬(560)은 임피던스 변환 기능은 갖지 않고, 차동 포트와 단일 포트를 연결하는 구조를 갖는다. Here, the balun 560 does not have an impedance conversion function and has a structure that connects a differential port and a single port.

도 6은 도 5a의 일 실시예에 따른 2 개 증폭기 그룹으로 구성한 가변 이득 전력 증폭 장치 전류 결합 방식의 부하 임피던스를 나타낸다. 도 6a는 높은 출력 전력 영역에서의 부하 임피던스를 나타내기 위한 회로도이고, 도 6b는 중간 출력 전력 영역에서의 부하 임피던스를 나타내기 위한 회로도이며, 도 6c는 낮은 출력 전력 영역에서의 부하 임피던스를 나타내기 위한 회로도이다. 6 is a diagram illustrating a load impedance of a current coupling method of a variable gain power amplification device configured with two amplifier groups according to the embodiment of FIG. 5A . 6A is a circuit diagram illustrating a load impedance in a high output power region, FIG. 6B is a circuit diagram illustrating a load impedance in an intermediate output power region, and FIG. 6C is a load impedance diagram in a low output power region circuit diagram for

도 6a를 참조하면, 고 출력 전력 영역에서는 제어부(100)는 두 개의 증폭기 그룹에서의 모든 단위 셀을 동작시켜 전류 결합 부하에서 두 개의 증폭기 그룹 회로 각자

Figure pat00001
Figure pat00002
의 부하 임피던스를 보인다.
Figure pat00003
의 부하 임피던스를 갖는 제1 증폭기 그룹(Group 1)의 출력은 제1 90° 전송선로(521)를 통하여 전류 결합 부하에서 보이는 임피던스는 최적 임피던스
Figure pat00004
로 변조되고,
Figure pat00005
의 부하 임피던스를 갖는 제2 증폭기 그룹(Group 2)의 출력은 제2 90° 전송선로(522)를 통하여 전류 결합 부하에서 보이는 임피던스는 최적 임피던스
Figure pat00006
로 변조된다. Referring to FIG. 6A , in the high output power region, the control unit 100 operates all unit cells in the two amplifier groups to each of the two amplifier group circuits in the current coupling load.
Figure pat00001
class
Figure pat00002
shows the load impedance of
Figure pat00003
The output of the first amplifier group (Group 1) having a load impedance of
Figure pat00004
is modulated to
Figure pat00005
The output of the second amplifier group (Group 2) having a load impedance of
Figure pat00006
is modulated to

도 6b를 참조하면, 중간 출력 전력 영역에서는 제어부(100)는 제1 증폭기 그룹(Group 1)의 N개의 단위 셀을 모두 접지된 상태 즉 단락상태로 제어하여 제1 90° 전송선로(521)를 통하여 전력 결합 부하에서 무한대 임피던스를 만들어낸다. 이로써, 제1 증폭기 그룹(Group 1)은 제2 증폭기 그룹(Group 2)에서의 임피던스 변조 동작에 영향을 미치지 않게 된다. Referring to FIG. 6B , in the intermediate output power region, the control unit 100 controls all N unit cells of the first amplifier group (Group 1) to a grounded state, that is, to a short-circuited state so that the first 90° transmission line 521 is connected. This creates an infinite impedance in the power-coupled load. Accordingly, the first amplifier group (Group 1) does not affect the impedance modulation operation in the second amplifier group (Group 2).

제어부(100)는 제2 증폭기 그룹(Group 2)의 일부 단위 셀을 개방상태로 제어하여

Figure pat00007
개의 단위 셀만 정상 상태로 동작시켜, 부하 임피던스
Figure pat00008
이 제2 증폭기 그룹(Group 2)의 출력에 연결된 제2 90° 전송선로(522)를 통하여
Figure pat00009
로 변조되어 제2 증폭기 그룹(Group 2)에 필요한 최적 임피던스를 제공한다. The control unit 100 controls some unit cells of the second amplifier group (Group 2) in an open state,
Figure pat00007
Only the unit cells are operated in a normal state, and the load impedance
Figure pat00008
Through the second 90° transmission line 522 connected to the output of the second amplifier group (Group 2)
Figure pat00009
to provide the optimal impedance required for the second amplifier group (Group 2).

도 6c를 참조하면, 낮은 출력 전력 영역에서는 제2 증폭기 그룹(Group 2)의 k*N개의 단위 셀을 모두 접지된 상태로 동작시켜 제2 90° 전송선로(522)를 통하여 전력 결합 부하(p1)에서 무한대 임피던스를 만들어낸다. 이로써, 제2 증폭기 그룹(Group 2)은 제1 증폭기 그룹(Group 1)에서의 임피던스 변조 독작에 영향을 미치지 않게 된다. Referring to FIG. 6C , in the low output power region, all k*N unit cells of the second amplifier group (Group 2) are operated in a grounded state, and the power-coupled load p1 through the second 90° transmission line 522 ) to create an infinite impedance. Accordingly, the second amplifier group (Group 2) does not affect the impedance modulation alone in the first amplifier group (Group 1).

제어부(100)는 제1 증폭기 그룹(Group 1)의 일부 단위 셀을 오프시켜

Figure pat00010
개의 단위 셀만 정상 상태로 동작시켜, 부하
Figure pat00011
의 임피던스가 제1 증폭기 그룹(Group 1)의 출력에 연결된 제1 90° 전송선로(521)를 통하여
Figure pat00012
로 변조되어 제1 증폭기 그룹(Group 1)에 필요한 최적 임피던스를 제공한다. The control unit 100 turns off some unit cells of the first amplifier group (Group 1)
Figure pat00010
By operating only the unit cells in a normal state, the load
Figure pat00011
through the first 90° transmission line 521 connected to the output of the first amplifier group (Group 1)
Figure pat00012
is modulated to provide an optimal impedance required for the first amplifier group (Group 1).

도 7은 도 5b의 일 실시예에 따른 2 개 증폭기 그룹으로 구성한 가변 이득 전력 증폭 장치 전압 결합 경우의 부하 임피던스를 나타낸 회로도이다. 도 7a는 높은 출력 전력 영역에서의 부하 임피던스를 나타내기 위한 회로도이고, 도 7b는 중간 출력 전력 영역에서의 부하 임피던스를 나타내기 위한 회로도이며, 도 7c는 낮은 출력 전력 영역에서의 부하 임피던스를 나타내기 위한 회로도이다.FIG. 7 is a circuit diagram illustrating a load impedance in the case of voltage coupling of a variable gain power amplification device configured with two amplifier groups according to the embodiment of FIG. 5B . 7A is a circuit diagram illustrating a load impedance in a high output power region, FIG. 7B is a circuit diagram illustrating a load impedance in an intermediate output power region, and FIG. 7C is a load impedance diagram in a low output power region circuit diagram for

도 7a를 참조하면, 고 출력 전력 영역에서는 제어부(100)는 두 개의 증폭기 그룹에서의 모든 단위 셀을 동작시켜 전압 결합 부하에서 두 개의 증폭기 그룹 회로 각자

Figure pat00013
Figure pat00014
의 부하 임피던스를 보인다.
Figure pat00015
의 부하 임피던스를 갖는 제1 증폭기 그룹(Group 1)의 출력은 직렬로 연결한 제1 90° 전송선로(524)와 제2 90°전송선로(523)를 통하여 전압 결합 부하에서 보이는 임피던스는 최적 임피던스
Figure pat00016
로 변조되고,
Figure pat00017
의 부하 임피던스를 갖는 제2 증폭기 그룹(Group 2)의 출력은 제3 90° 전송선로(526)와 제4 90° 전송선로(525)를 통하여 전류 결합 부하에서 보이는 임피던스는 최적 임피던스
Figure pat00018
로 변조된다. 여기서
Figure pat00019
는 최적 부하 임피던스이다. Referring to FIG. 7A , in the high output power region, the control unit 100 operates all unit cells in the two amplifier groups to each of the two amplifier group circuits in the voltage-coupled load.
Figure pat00013
class
Figure pat00014
shows the load impedance of
Figure pat00015
The output of the first amplifier group (Group 1) having a load impedance of
Figure pat00016
is modulated to
Figure pat00017
The output of the second amplifier group (Group 2) having a load impedance of
Figure pat00018
is modulated to here
Figure pat00019
is the optimal load impedance.

도 7b를 참조하면, 중간 출력 전력 영역에서는 제어부(100)는 제1 증폭기 그룹(Group 1)의 N개의 단위 셀을 모두 접지된 상태 즉 단락상태로 제어하여 제1 90° 전송선로(524)와 제2 90°전송선로(523)를 통하여 전력 결합 부하에서 0 임피던스를 만들어낸다. 제어부(100)는 제2 증폭기 그룹(Group 2)의 일부 단위 셀을 개방상태로 제어하여

Figure pat00020
개의 단위 셀만 정상 상태로 동작시켜, 부하 임피던스
Figure pat00021
이 제2 증폭기 그룹(Group 2)의 출력에 연결된 제3 90° 전송선로(526)와 제4 90° 전송선로(525)를 통하여
Figure pat00022
로 변조되어 제2 증폭기 그룹(Group 2)에 필요한 최적 임피던스를 제공한다. Referring to FIG. 7B , in the intermediate output power region, the controller 100 controls all N unit cells of the first amplifier group (Group 1) to a grounded state, that is, to a short-circuited state to form a first 90° transmission line 524 and A zero impedance is created in the power coupled load through the second 90° transmission line 523 . The control unit 100 controls some unit cells of the second amplifier group (Group 2) in an open state,
Figure pat00020
Only the unit cells are operated in a normal state, and the load impedance
Figure pat00021
Through the third 90° transmission line 526 and the fourth 90° transmission line 525 connected to the output of the second amplifier group (Group 2)
Figure pat00022
to provide the optimal impedance required for the second amplifier group (Group 2).

도 7c를 참조하면, 낮은 출력 전력 영역에서는 제2 증폭기 그룹(Group 2)의 k*N개의 단위 셀을 모두 접지된 상태로 동작시킨다. Referring to FIG. 7C , in a low output power region, all k*N unit cells of the second amplifier group (Group 2) are operated in a grounded state.

제어부(100)는 제1 증폭기 그룹(Group 1)의 일부 단위 셀을 오프시켜

Figure pat00023
개의 단위 셀만 정상 상태로 동작시켜, 부하
Figure pat00024
의 임피던스가 제1 증폭기 그룹(Group 1)의 출력에 연결된 제1 90° 전송선로(524)와 제2 90°전송선로(523)를 통하여
Figure pat00025
로 변조되어 제1 증폭기 그룹(Group 1)에 필요한 최적 임피던스를 제공한다. The control unit 100 turns off some unit cells of the first amplifier group (Group 1)
Figure pat00023
By operating only the unit cells in a normal state, the load
Figure pat00024
through the first 90° transmission line 524 and the second 90° transmission line 523 connected to the output of the first amplifier group (Group 1)
Figure pat00025
is modulated to provide an optimal impedance required for the first amplifier group (Group 1).

이와 같이, 두 개의 증폭기 그룹에서의 동작하는 단위 셀 비율을 조절함으로써, 출력 전력 효율 개선 구간에서 2 개나 3 개 전력 상태에 피크 효율을 얻을 수 있으며, 실제 설계 요구에 따라 제어부(100)는 적절한 증폭기 집단 단위 셀 비율을 선택할 수 있다.In this way, by adjusting the ratio of unit cells operating in the two amplifier groups, peak efficiency can be obtained in two or three power states in the output power efficiency improvement section, and the controller 100 controls an appropriate amplifier according to actual design requirements. A group unit cell ratio can be selected.

이 경우 높은 출력 전력 영역에서는 두 개 증폭기 그룹이 각자 최대 전력을 출력하지만, 출력 전력 낮은 영역에서는 각 증폭기 그룹에서의 단위 셀을 적당한 순서로 제어하여 개방(open) 회로나 단락(short) 회로로 만들어 줌으로써, 각 증폭기 그룹의 부하 임피던스가 출력 크기에 따라 변조되어 상대적 낮은 전력 영역에서의 효율이 개선된다. 제안한 부하 변조 동작은 전류 결합 및 전압을 결합 방식으로 정리될 수 있으며, 기존 일반 가변 이득 전력 증폭기에 비교하면 낮은 출력 전력 영역에서의 효율이 크게 개선될 수 있다. 증폭기 그룹 개수 n이 증가함에 따라

Figure pat00026
개 출력 전력 상태에서 피크 효율을 얻을 수 있으며 효율 개선 효과가 증가한다. In this case, in the high output power region, the two amplifier groups each output maximum power, but in the low output power region, the unit cells in each amplifier group are controlled in an appropriate order to form an open circuit or a short circuit. By giving, the load impedance of each amplifier group is modulated according to the output magnitude, thereby improving the efficiency in the relatively low power region. The proposed load modulation operation can be arranged by combining current and voltage, and efficiency in the low output power region can be significantly improved compared to the existing general variable gain power amplifier. As the number of amplifier groups n increases
Figure pat00026
Peak efficiency can be obtained in the output power state, and the efficiency improvement effect is increased.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 증폭 장치의 전력부가효율(PAE; Power Added Efficiency)을 나타내는 그래프이다. 8 is a graph illustrating Power Added Efficiency (PAE) of a power amplification apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 8에 도시된 바와 같이, 파라미터 k는 증폭기 그룹 각각의 단위 셀 증폭기 개수의 비율을 나타내며, 도 8a는 비율 k=1, 도 8b는 비율 k=1.325, 도 8c는 비율 k=1.618, 도 8d는 비율 k=2.148 일 때 PAE 곡선의 개형을 나타낸다. As shown in FIG. 8 , the parameter k represents the ratio of the number of unit cell amplifiers in each amplifier group, FIG. 8A shows the ratio k=1, FIG. 8B shows the ratio k=1.325, FIG. 8C shows the ratio k=1.618, and FIG. 8D shows the ratio k=1. represents the shape of the PAE curve when the ratio k=2.148.

표 1을 참조하면 알 수 있는 바와 같이, 비율 k에 따라 각 증폭기 그룹에서 동작하는 셀의 개수 비율 및 스위칭 순서를 조절하며 효율 개선되는 전력 구간 및 개선된 피크 효율의 위치가 조절될 수 있다. As can be seen from Table 1, by adjusting the ratio of the number of cells operating in each amplifier group and the switching order according to the ratio k, the position of the power section in which the efficiency is improved and the position of the improved peak efficiency can be adjusted.

[표 1][Table 1]

Figure pat00027
Figure pat00027

본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 기반 다중 모드 가변 이득 전력 증폭 장치에 의해 넓은 출력 전력 조절 범위를 갖는 무선통신 시스템 송신기 전력 증폭 장치의 전체 평균 효율을 개선할 수 있다. 전력 증폭 장치의 효율 개선은 무선통신 시스템 전체의 효율 개선으로 이어지며, 모바일 디바이스나 저전력 디바이스의 경우 전력 소모를 줄여 배터리의 사용 시간을 증가시키고 발열량을 줄이는 효과를 기대할 수 있다. The overall average efficiency of the wireless communication system transmitter power amplification apparatus having a wide output power control range can be improved by the digital-based multi-mode variable gain power amplification apparatus according to an embodiment of the present invention. The improvement of the efficiency of the power amplification device leads to the improvement of the overall efficiency of the wireless communication system, and in the case of a mobile device or a low-power device, the effect of reducing power consumption can be expected to increase the use time of the battery and reduce the amount of heat generated.

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 실행된 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 spirit of the present invention, and various modifications and variations will be possible without departing from the essential characteristics of the present invention by those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains. Accordingly, the embodiments implemented 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 protection scope of the present invention should be construed by the following claims, and all technical ideas within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the scope of the present invention.

Claims (6)

각각이 동일한 입력단에 병렬로 연결된 복수개의 증폭기를 갖는 복수개의 증폭기 그룹;
디지털 신호를 출력하여 상기 복수개의 증폭기 그룹에 있는 단위 셀들의 동작 상태를 제어하여 동작하는 단위 셀 비율을 조절하는 제어부; 및
상기 복수개의 증폭기 그룹 각각의 출력단에 연결되어 부하 임피던스의 값을 변환시키며, 각각이 하나의 출력단에 연결된 복수개의 부하 임피던스 트랜스포머
를 포함하고,
상기 복수개의 증폭기 그룹에 있는 단위 셀들의 동작 상태는 정상, 개방, 단락을 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 기반 다중 모드 가변 이득 전력 증폭 장치.
a plurality of amplifier groups each having a plurality of amplifiers connected in parallel to the same input stage;
a controller outputting a digital signal to control the operating state of the unit cells in the plurality of amplifier groups to adjust the operating ratio of the unit cells; and
A plurality of load impedance transformers connected to an output terminal of each of the plurality of amplifier groups to convert a value of a load impedance, each of which is connected to one output terminal
including,
The digital-based multi-mode variable gain power amplification device, characterized in that the operating states of the unit cells in the plurality of amplifier groups include normal, open, and short circuit.
제1항에 있어서,
전류 결합으로 전력 결합시키는 경우, 상기 부하 임피던스 트랜스포머는 하나의 90° 전송선로로서, 각 증폭기 그룹 출력단의 부하 임피던스를 단위 셀 제어에 따라 변조하여 상대적으로 낮은 전력 영역에서 효율 개선이 되는 것을 특징으로 하는 다중 모드 가변 이득 전력 증폭 장치.
According to claim 1,
In the case of power coupling by current coupling, the load impedance transformer is a single 90° transmission line, and the load impedance of each amplifier group output stage is modulated according to unit cell control to improve efficiency in a relatively low power region Multimode variable gain power amplifier.
제1항에 있어서,
전압 결합으로 전력 결합시키는 경우, 상기 부하 임피던스 트랜스포머는 2개의 직렬로 연결된 90° 전송선로로서, 각 증폭기 그룹 출력단의 부하 임피던스를 단위 셀 제어에 따라 변조하여 상대적 낮은 전력 영역에서 효율 개선이 되는 것을 특징으로 하는 다중 모드 가변 이득 전력 증폭 장치.
According to claim 1,
In the case of power coupling by voltage coupling, the load impedance transformer is two serially connected 90° transmission lines, and the load impedance of each amplifier group output terminal is modulated according to unit cell control to improve efficiency in a relatively low power region. Multimode variable gain power amplifier with
제1항에 있어서,
상기 복수개의 증폭기 그룹은 N개의 단위 셀을 갖는 제1 증폭기 그룹과 kn*N개의 단위 셀을 갖는 하나 이상의 제2 증폭기 그룹을 포함하고,
상기 제어부가 전류 결합 방식의 경우, 고출력 전력에서 제1 증폭기 그룹과 하나 이상의 제2 증폭기 그룹의 각각의 증폭기를 정상상태로 제어하고, 중간 출력 전력에서 제1 증폭기 그룹의 증폭기를 모두 단락 상태로 제어하고 하나 이상의 제2 증폭기 그룹의 일부 증폭기를 개방상태로 제어하며, 저 출력 전력에서 제1 증폭기 그룹의 일부 증폭기를 개방상태로 제어하고, 하나 이상의 제2 증폭기 그룹의 증폭기를 모두 단락 상태로 제어하여 출력 전력 크기를 제어하며 각 증폭기 출력단에서 부하 변조가 일어나도록 제어하는 것을 특징으로 하는 다중 모드 가변 이득 전력 증폭 장치.
According to claim 1,
The plurality of amplifier groups includes a first amplifier group having N unit cells and one or more second amplifier groups having k n *N unit cells,
In the case of the current coupling method, the control unit controls each of the amplifiers of the first amplifier group and the one or more second amplifier groups to a steady state at high output power, and controls all the amplifiers of the first amplifier group to a short-circuit state at medium output power. and controlling some amplifiers of one or more second amplifier groups in an open state, controlling some amplifiers of the first amplifier group in an open state at low output power, and controlling all of the amplifiers of one or more second amplifier groups to a short state, A multi-mode variable gain power amplification device, characterized in that it controls the output power level and controls load modulation to occur at each amplifier output stage.
제1항에 있어서,
상기 복수개의 증폭기 그룹은 N개의 단위 셀을 갖는 제1 증폭기 그룹과 kn*N개의 단위 셀을 갖는 하나 이상의 제2 증폭기 그룹을 포함하고,
상기 제어부가 전압 결합 방식의 경우, 고출력 전력에서 제1 증폭기 그룹과 하나 이상의 제2 증폭기 그룹의 각각의 증폭기를 정상상태로 제어하고, 중간 출력 전력에서 제1 증폭기 그룹의 증폭기를 모두 단락 상태로 제어하고 하나 이상의 제2 증폭기 그룹의 일부 증폭기를 개방상태로 제어하며, 저 출력 전력에서 제1 증폭기 그룹의 일부 증폭기를 개방상태로 제어하며, 하나 이상의 제2 증폭기 그룹의 증폭기를 모두 단락 상태로 제어하여 출력 전력 크기를 제어하며 각 증폭기 출력단에서 부하 변조가 일어나도록 제어하는 것을 특징으로 하는 다중 모드 가변 이득 전력 증폭 장치.
According to claim 1,
The plurality of amplifier groups includes a first amplifier group having N unit cells and one or more second amplifier groups having k n *N unit cells,
In the case of the voltage coupling method, the control unit controls each of the amplifiers of the first amplifier group and the one or more second amplifier groups to a steady state at high output power, and controls all the amplifiers of the first amplifier group to a short-circuit state at medium output power. and controlling some amplifiers of one or more second amplifier groups in an open state, controlling some amplifiers of the first amplifier group in an open state at low output power, and controlling all of the amplifiers of one or more second amplifier groups to a short state, A multi-mode variable gain power amplification device, characterized in that it controls the output power level and controls load modulation to occur at each amplifier output stage.
제1항에 있어서,
상기 임피던스 트랜스포머는 집중소자(Lumped element) 및 분포소자(Distributed element)를 이용하여 구성되며, 전송선로인 부하 회로 구조의 등가물인 것을 특징으로 하는 다중 모드 가변 이득 전력 증폭 장치.

According to claim 1,
The impedance transformer is configured using a lumped element and a distributed element, and is an equivalent of a load circuit structure that is a transmission line.

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPS5121976A (en) * 1974-08-16 1976-02-21 Shibuya Kogyo Co Ltd YOKIKI RITSUSOCHI
KR20060023846A (en) * 2004-09-10 2006-03-15 엘지전자 주식회사 Multipath Doherty Amplifier and its Control Method
KR20100059724A (en) * 2008-11-25 2010-06-04 삼성전기주식회사 Power amplifier with discrete power control

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