KR100594556B1 - 다단 증폭기 - Google Patents

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KR100594556B1
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신따로우 신조
유끼오 이께다
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미쓰비시덴키 가부시키가이샤
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Abstract

최종 단 이외의 증폭기 중, 적어도 하나 이상의 증폭기의 바이어스 조건을 아이들 전류와 포화 전류의 관계를 고려하여 설정한다.
아이들 전류, 포화 전류, 이득, 위상, 왜곡 보상 회로, 바이어스 회로

Description

다단 증폭기{MULTISTAGE AMPLIFIER}
본 발명은, 위성 통신, 지상 마이크로파 통신, 이동체 통신 등에 사용되며, 왜곡에 대한 사양을 만족시키는 준선형(quasilinear)의 다단 증폭기에 관한 것이다.
일반적으로, 위성 통신, 지상 마이크로파 통신, 이동체 통신 등에 사용되는 다단 증폭기는, 디지털 변조 방식 및 멀티 캐리어 공통 증폭을 위해, 저왜곡인 것이 요구된다.
또한, 동시에 증폭기는, 무선 기기 중에서 가장 소비 전력이 큰 기기에 속하기 때문에, 고효율이며 저소비 전력인 것이 요구된다. 그 때문에, 왜곡 보상 회로를 이용하여 증폭기의 왜곡 특성을 개선함으로써, 포화 영역 부근에서의 동작을 가능하게 하여, 고효율로 동작시킬 필요가 있다.
도 1은 예를 들면 특개소60-157305호 공보에 도시된 종래의 다단 증폭기를 나타내는 구성도로, 도면에서, 참조 부호(1)는 입력 단자, 참조 부호(2)는 증폭기(3)의 왜곡을 보상하는 왜곡 보상 회로, 참조 부호(3)는 1단 혹은 다단으로 구성되는 증폭기, 참조 부호(4)는 출력 단자, 참조 부호(5)는 입력 신호의 왜곡량을 조정하는 바이어스 회로를 내장한 증폭기, 참조 부호(6)는 아이들 전류 Ido가 0.1Idss∼0.75Idss의 범위로 설정된 갈륨비소(GaAs) 전계 효과 트랜지스터(FET)이다. 단, Idss는 GaAsFET(6)의 포화 전류이다. 참조 부호(7)는 입력 신호의 신호 레벨을 조정하는 감쇠기이다.
다음으로 동작에 대하여 설명한다.
증폭기(3)에 의해 증폭되는 신호는, 증폭기(3)의 이득 특성(AM-AM 특성) 및 위상 특성(AM-PM 특성)이 비선형으로 됨으로써 왜곡이 발생한다.
증폭기(3)의 AM-AM 특성은, 입력 전력 또는 출력 전력에 대하여 이득이 감소하고, AM-PM 특성은, 입력 전력 또는 출력 전력에 대하여 위상이 앞서는 것이 일반적이다.
따라서, 증폭기(3)의 AM-AM 특성 및 AM-PM 특성과 역으로 되는 왜곡 특성을 왜곡 보상 회로(2)가 발생할 수 있으면, 입력 신호의 왜곡을 보상할 수 있다.
여기서, 도 2는 AM-AM 특성 및 AM-PM 특성의 아이들 전류 Ido 의존성을 나타내는 설명도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 바이어스 조건을 A급으로부터 AB급으로 함으로써, 위상 특성은 출력 전력에 대하여, 위상이 앞서는 특성으로부터 위상이 뒤지는 특성으로 되는 것을 알 수 있다.
종래예에서는, 바이어스 조건을 아이들 전류 Ido=0.1Idss∼0.75Idss의 범위로 설정하고 있다. 아이들 전류 Ido의 상한인 0.75Idss 이하에서는, 출력 전력에 대하여 위상이 뒤지는 특성이 얻어진다. 한편, 아이들 전류 Ido의 하한인 0.1Idss 이상에서는, 이득 특성이 출력 전력에 대하여 이득이 증가하지 않고, 거의 일정한 특성이 얻어진다.
따라서, 바이어스 조건을 아이들 전류 Ido=0.1Idss∼0.75Idss의 범위로 설정하는 바이어스 회로를 내장한 증폭기(5)는, 출력 전력에 대하여 이득이 거의 일정한 AM-AM 특성과, 위상 특성이 뒤지는 AM-PM 특성을 갖게 된다.
따라서, 바이어스 회로를 내장한 증폭기(5)를 포함하는 왜곡 보상 회로(2)는, 출력 전력에 대하여 이득이 거의 일정하며, 위상이 뒤지는 특성으로 되기 때문에, 왜곡 보상 대상의 증폭기(3)의 이득 특성을 열화시키지 않고, 위상 특성만을 개선할 수 있다.
또한, 왜곡 보상 회로(2)에 복수의 바이어스 회로를 내장한 증폭기(5)와 감쇠기(7)가 포함되어 있기 때문에, 왜곡 보상 회로(2)의 특성을, 증폭기(3)의 역의 특성이 되도록 적절하게 조정하는 것이 가능하다.
종래의 다단 증폭기는 이상과 같이 구성되어 있기 때문에, 왜곡 보상 회로(2)가 감쇠기(7)를 포함하는 관계상, 왜곡 보상 회로(2)가 대형화되고, 또한, 왜곡 보상 회로(2)의 이득이 낮아지는 과제가 있었다. 또한, 왜곡으로서 위상 특성만을 개선하고 있기 때문에, 이득 특성까지 포함한 큰 왜곡 보상 효과를 얻을 수 없는 과제가 있었다.
본 발명은 상기한 바와 같은 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 대형화나 이득의 감소를 초래하지 않고, 큰 왜곡 보상 효과를 얻을 수 있는 다단 증폭기를 얻는 것을 목적으로 한다.
<발명의 개시>
본 발명에 따른 다단 증폭기는, 최종 단 이외의 증폭기 중, 적어도 하나 이상의 증폭기의 바이어스 조건을 아이들 전류와 포화 전류의 관계를 고려하여 설정하도록 한 것이다.
이에 따라, 대형화나 이득의 감소를 초래하지 않고, 큰 왜곡 보상 효과를 얻을 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따른 다단 증폭기는, 아이들 전류가 포화 전류의 10분의 1 미만이 되도록 증폭기의 바이어스 조건을 설정하도록 한 것이다.
이에 따라, 큰 왜곡 보상 효과를 얻을 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따른 다단 증폭기는, 최종 단의 증폭기의 게이트 폭과, 아이들 전류가 포화 전류의 10분의 1 미만이 되도록 바이어스 조건이 설정된 증폭기의 게이트 폭이 소정의 조건을 만족하도록, 그 증폭기의 게이트 폭을 설정하도록 한 것이다.
이에 따라, 고효율의 저왜곡 다단 증폭기를 실현할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따른 다단 증폭기는, 최종 단의 증폭기의 게이트 폭을 Wgn, 아이들 전류가 포화 전류의 10분의 1 미만이 되도록 바이어스 조건이 설정된 i단째의 증폭기의 게이트 폭을 Wgi, (i+1)단째의 증폭기로부터 최종 단의 증폭기까지의 이득을 G로 하면, 하기의 관계식을 만족하도록, i단째의 증폭기의 게이트 폭을 설정하도록 한 것이다.
관계식: Wgi>2.4×Wgn/G
이에 따라, 다단 증폭기의 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 다단 증폭기를 나타내는 구성도.
도 2는 AM-AM 특성 및 AM-PM 특성의 아이들 전류 Ido 의존성을 나타내는 설명도.
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따른 다단 증폭기를 나타내는 구성도.
도 4는 AM-AM 특성 및 AM-PM 특성의 아이들 전류 Ido 의존성을 나타내는 설명도.
도 5는 왜곡 보상의 원리를 설명하는 설명도.
도 6은 다단 증폭기 전체에서의 이득 특성 및 위상 특성과 왜곡 특성을 나타내는 설명도.
<발명을 실시하기 위한 최량의 형태>
이하, 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위해, 본 발명을 실시하기 위한 최량의 형태에 대하여, 첨부 도면에 따라 설명한다.
《실시예 1》
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따른 다단 증폭기를 나타내는 구성도로, 도면에서, 참조 부호(11)는 입력 단자, 참조 부호(12)는 GaAsFET나 HEMT(High Electron Mobility Transistor) 등의 증폭 소자 외에, 게이트 바이어스 회로, 드레인 바이어스 회로나 정합 회로 등으로 구성되는 1단째 증폭기, 참조 부호(13)는 1단째 증폭기(12)와 2단째 증폭기(14) 사이의 단자, 참조 부호(14)는 1단째 증폭기(12)와 마찬가지의 2단째 증폭기, 참조 부호(15)는 2단째 증폭기(14)와 최종 단 증폭기(16) 사이의 단자, 참조 부호(16)는 1단째 증폭기(12)와 마찬가지의 최종 단 증폭기이다.
단, 1단째 증폭기(12)의 바이어스 조건으로서, 아이들 전류 Ido가 포화 전류 Idss의 10분의 1 미만이 되도록 설정되어 있다.
다음으로 동작에 대하여 설명한다.
도 4는 AM-AM 특성 및 AM-PM 특성의 아이들 전류 Ido 의존성을 나타내는 설명도이다.
측정한 증폭 소자는 게이트 폭 2.1㎜의 GaAsHEMT로, 주파수 1.95㎓에서 평가한 결과이다. 그 결과, 아이들 전류를 작게 하여, Ido<0.1Idss로 함으로써, 입력 전력에 대하여 이득이 일단 증가된 후 감소되는 이득 특성이 얻어지는 것을 알 수 있다. 또한, 아이들 전류를 작게 하여, B급 동작에 가깝게 함으로써, 입력 전력에 대하여 위상이 뒤지는 위상 특성이 얻어지는 것도 알 수 있다.
따라서, 1단째 증폭기(12)의 바이어스 조건으로서, 아이들 전류 Ido를 0.1Idss 미만으로 설정하면, 1단째 증폭기(12)는 입력 전력에 대하여, 이득이 일단 증가된 후 감소되고, 위상이 뒤지는 특성이 얻어진다. 바이어스 조건을 B급에 가깝게 함으로써, 상기한 특성이 얻어지는 원인은 이하와 같다.
바이어스 조건이 A급인 경우에는, 상호 컨덕턴스 gm이 입력 전력에 대하여 단조 감소하기 때문에 이득이 단조 감소하지만, 바이어스 조건이 B급에 가까워지면, 트랜지스터의 상호 컨덕턴스 gm이 일단 증가된 후 감소하기 때문에, 이득도 일단 증가된 후 감소하는 특성으로 된다.
다음으로, 1단째 증폭기(12)의 바이어스 조건을 아이들 전류 Ido<0.1Idss로 함으로써, 최종 단 증폭기(16)의 왜곡을 보상할 수 있는 원리에 대하여 설명한다.
우선, 입력 전력, 출력 전력, 이득 및 위상을 도 5의 (a)와 같이 정의한다. 1단째 증폭기(12)의 입력 전력을 Pin1, 출력 전력을 Pout1, 이득을 Gain1, 위상을 Phase1로 한다. 2단째 증폭기(14)의 입력 전력을 Pin2, 출력 전력을 Pout2, 이득을 Gain2, 위상을 Phase2로 한다. 최종 단 증폭기(16)의 입력 전력을 Pin3, 출력 전력을 Pout3, 이득을 Gain3, 위상을 Phase3으로 한다. 다단 증폭기 전체의 입력 전력을 Pin, 출력 전력을 Pout, 이득을 Gain, 위상을 Phase로 한다.
다단 증폭기의 이득은 Gain=Gain1×Gain2×Gain3으로 주어지며, 위상은 Phase=Phase1+Phase2+Phase3으로 주어진다.
도 5의 (b-1)은 1단째 증폭기(12)의 바이어스 조건이 Ido>0.75Idss인 경우의 이득 특성과 위상 특성을 나타내고, 도 5의 (b-2)는 1단째 증폭기(12)의 바이어스 조건이 Ido=0.1∼0.75Idss인 경우의 이득 특성과 위상 특성을 나타내며, 도 5의 (b-3)은 1단째 증폭기(12)의 바이어스 조건이 Ido<0.1Idss인 경우의 이득 특성과 위상 특성을 나타내고 있다. 또, 도면에서, 1점쇄선은 각 단 증폭기의 동작 출력 레벨을 나타내고 있다.
왜곡 특성에 대한 사양이 있는 다단 증폭기에서는, 일반적으로 2단째 증폭기(14)의 동작 레벨은(도 5의 (c)를 참조), 최종 단 증폭기(16)의 동작 레벨과 비교하여(도 5의 (d)를 참조), 2단째 증폭기(14)에서의 왜곡이 최종 단 증폭기(16)의 왜곡보다 작아지도록 백오프(backoff)를 많게 하고 있다. 통상은 2∼3㏈ 정도 백오프를 크게 하고 있다.
1단째 증폭기(12)의 바이어스 조건은, 일반적으로는 최종 단 증폭기(16)와 동일한 바이어스 조건으로 되기 때문에, 도 5의 (b-1)과 같이 된다. 2단째 증폭기(14)의 경우와 마찬가지로 1단째 증폭기(12)의 동작 레벨은, 최종 단 증폭기(16)의 동작 레벨과 비교하여, 백오프를 많게 하고 있다.
다음으로, 상술한 종래예(왜곡 보상 회로)의 바이어스 조건의 경우에는 도 5의 (b-2)로 된다. 입력 전력에 대하여 이득 특성이 거의 일정하게 추이된 후, 포화에 의해 이득이 감소된다. 위상 특성은 입력 전력에 대하여 위상이 뒤지는 특성을 갖고 있다.
마지막으로, 도 5의 (b-3)은 본 실시예 1의 경우에서의 1단째 증폭기(12)의 바이어스 조건이다. 1단째 증폭기(12)의 특성은, 입력 전력에 대하여 이득이 일단 증가된 후 감소하고, 위상이 뒤지는 특성을 갖는다. 1단째 증폭기(12)의 동작 레벨은 어느 경우라도 이득이 감소되는 점보다 작은 레벨로 설정된다.
도 6의 (a)는 1단째 증폭기(12)가 상기 바이어스 조건인 경우에 있어서의 다단 증폭기 전체에서의 이득 특성과 위상 특성을 나타내고, 도 6의 (b)는 상호 변조 왜곡(IMD: Inter Modulation Distortion)이나 인접 채널 누설 전력(ACPR: Adjacent Channel Leakage Power Ratio)이나 NPR(Noise Power Ratio) 등의 왜곡 특성을 모식적으로 나타내고 있다.
도면에서, 실선은 1단째 증폭기(12)의 바이어스 조건이 Ido>0.75Idss인 경우, 파선은 Ido=0.1∼0.75Idss인 경우, 점선은 Ido<0.1Idss인 경우이다.
우선, 종래예의 경우(파선으로 나타낸 Ido=0.1∼0.75Idss의 경우)에 대하여 설명한다.
도 6의 (a)로부터, 이득 특성은 통상의 실선의 경우와 비교하여 변화되지 않지만, 위상 특성은 1단째 증폭기(12)에 의해 왜곡 보상이 실시되어, 위상 특성이 개선되어 있는 것을 알 수 있다. 이에 따라, 왜곡의 특성으로서는 도 6의 (b)에 도시한 바와 같이, 출력 전력에 대하여 넓은 동적 범위에 걸쳐 개선되는 것을 알 수 있다.
도 6의 (b)에서, 왜곡 특성에 대한 사양 값을 1점쇄선의 수평선으로 나타내면, 1점쇄선의 수직선으로 나타낸 왜곡 특성을 만족시킨 출력 동작 레벨이 커지는 것을 알 수 있다.
이상과 같이, 1단째 증폭기(12)의 아이들 전류를 Ido=0.1∼0.75Idss로 함으로써, 위상 특성만을 개선하는 왜곡 보상을 행할 수 있다.
다음으로, 본 실시예 1의 경우(점선으로 나타낸 Ido<0.1Idss의 경우)에 대하여 설명한다.
도 6의 (a)로부터, 위상 특성은 Ido=0.1∼0.75Idss의 경우와 마찬가지로 1단째 증폭기(12)에 의해 왜곡 보상이 실시되어, 위상 특성이 개선되어 있는 것을 알 수 있다. 이득 특성에 대해서는, 동작 레벨에서, 1단째 증폭기(12)가 출력 전력에 대하여 이득이 증가되는 특성을 갖기 때문에, 동작 레벨 부근인 이득이 감소로 전환되는 변곡점(變曲點)은, 통상의 실선의 경우와 비교하여 출력 레벨이 큰 쪽으로 이동하고 있다. 따라서, 이득 특성에 대해서도, 동작 레벨에서는 왜곡 보상이 실 시되어, 개선되어 있는 것을 알 수 있다. 단, 출력 레벨이 작은 레벨에서는, 반대로 이득이 증가되는 특성으로 되기 때문에, 이득 특성의 왜곡이 열화되어 있다.
도 6의 (b)에 도시한 왜곡 특성을 고찰하면, 왜곡 특성에 대한 사양 값을 1점쇄선의 수평선으로 나타내면, 1점쇄선의 수직선으로 나타낸 왜곡 특성을 만족시키는 출력 동작 레벨은, 통상의 Idss>0.75Idss의 경우 및 종래예의 경우의 Ido=0.1∼0.75Idss의 경우와 비교하여 커지는 것을 알 수 있다.
따라서, 종래예의 경우보다 더욱 왜곡이 보상되어 있는 것을 알 수 있다. 한편, 출력 레벨이 작은 경우에는, 왜곡 특성은 통상의 경우와 비교하여 열화되어 있지만, 왜곡 특성의 사양 값은 만족되어 있다. 따라서, 출력 레벨이 작은 경우에, 왜곡 특성의 사양 값을 만족하는 범위에서, 즉 1단째 증폭기의 바이어스 조건을 Ido<0.1Idss로 함으로써, 위상 특성뿐만 아니라, 이득 특성도 동시에 왜곡 보상할 수 있어, 더욱 저왜곡의 특성을 실현하는 것이 가능하다.
또한, 이 구성에서는 감쇠기 등을 필요로 하지 않고, 통상의 다단 증폭기와 동일한 구성으로 바이어스 조건만이 변화되어 있기 때문에, 소형의 왜곡 보상 회로를 실현할 수 있다. 또한, 각 단의 증폭기의 이득을 감소시키지 않고 활용하는 것이 가능하다.
또한, 본 실시예 1의 저왜곡 다단 증폭기는 3단 증폭기이며, 또한, 1단째 증폭기만 바이어스 조건을 Ido<0.1Idss로 하는 것에 대해 설명하였지만, 증폭기의 단수는 3단으로 한정되지 않고, 또한, 바이어스 조건을 Ido<0.1Idss로 하는 증폭기도 1단째에 한정되지 않으며, 또한, 복수단에 대해 설정해도 동일한 효과가 얻어진다.
《실시예 2》
상기 실시예 1에서는, 1단째 증폭기(12)의 트랜지스터의 게이트 폭 Wg1에 대해서는 특별히 언급하고 있지 않지만, 최종 단 증폭기(16)의 트랜지스터의 게이트 폭 Wg3과의 관계와 관련하여 하기와 같이 설정해도 된다.
Wg1>2.4×Wg3/(Gain2×Gain3)
구체적으로는 다음과 같다.
바이어스 조건이 Ido<0.1Idss로 설정된 1단째 증폭기(12)의 동작 레벨은, 통상의 경우와 마찬가지로 최종 단 증폭기(16)의 동작 레벨과 비교하여, 3㏈ 정도 백오프를 많게 한 레벨로 설정된다.
그러나, 바이어스 조건이 Ido<0.1Idss로 설정된 경우에는, 통상의 바이어스 조건의 경우와 비교하여, 포화 출력 전력이 1㏈ 정도 감소된다. 그 때문에, Ido<0.1Idss로 설정된 1단째 증폭기(12)에서, Ido>0.75Idss의 경우와 동일한 백오프를 유지하기 위해서는, 통상의 바이어스 조건의 경우와 비교하여, 1dB 정도 큰 게이트 폭의 트랜지스터를 이용할 필요가 있다.
통상의 바이어스 조건의 1단째 증폭기(12)의 트랜지스터의 게이트 폭은, 최종 단 증폭기(16)의 트랜지스터의 게이트 폭을 Wg3으로 한 경우, 2단째 증폭기(14) 이후의 이득은 Gain2×Gain3이기 때문에, Wg1>2×Wg3/(Gain2×Gain3)으로 주어진다(3㏈은 2배임). 따라서, 바이어스 조건이 Ido<0.1Idss로 설정된 경우에는, 상기 식에 1.2배(1㏈은 1.2배임)로 한, Wg1>2.4×Wg3(Gain2×Gain3)으로 하면, 1단째 증폭기(12)의 동작 레벨은 충분한 백오프를 갖는 레벨로 되기 때문에, 최종 단 증폭기(16)를 왜곡 보상하여, 왜곡 특성을 개선하는 것이 가능해진다.
이에 따라, 더욱 저왜곡의 특성을 실현하여, 고효율의 저왜곡 다단 증폭기를 실현할 수 있다. 또한, 이 구성에서는 감쇠기 등을 필요로 하지 않고, 통상의 다단 증폭기와 동일한 구성으로 바이어스 조건만이 변화되어 있기 때문에, 소형의 왜곡 보상 회로를 실현할 수 있다. 또한, 각 단의 증폭기의 이득을 감소하지 않고 활용하는 것이 가능하다.
또한, 본 실시예 2의 저왜곡 다단 증폭기는 3단 증폭기의 경우이며, 또한, 1단째 증폭기(12)만 바이어스 조건을 Ido<0.1Idss로 하고, 게이트 폭을 Wg1>2.4×Wg3/(Gain2×Gain3)으로 한 것에 대해 설명하였지만, 증폭기의 단 수는 3단으로 한정되지 않고, 또한, 바이어스 조건 및 게이트 폭을 상기 설정으로 하는 증폭기도 1단째에 한정되지 않으며, 또한, 복수단에 대해 설정해도 동일한 효과가 얻어진다.
이상과 같이, 본 발명에 따른 다단 증폭기는, 큰 왜곡 보상 효과를 얻는 것이 필요한 위성 통신, 지상 마이크로파 통신, 이동체 통신 등에 이용하는 데 적합하다.

Claims (4)

  1. 복수의 증폭기가 직렬로 접속되어 있는 다단 증폭기에 있어서,
    최종 단 이외의 증폭기 중, 입력 전력에 대하여 그 이득이 일단 증가한 후에 감소하는 특성을 갖는 적어도 하나 이상의 증폭기의 바이어스 조건을 아이들 전류와 포화 전류의 관계를 고려하여 설정하고, 상기 아이들 전류가 상기 포화 전류의 10분의 1 미만이 되도록 상기 최종 단의 증폭기 이외의 적어도 하나의 증폭기의 바이어스 조건을 설정하는 것을 특징으로 하는 다단 증폭기.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 최종 단의 증폭기의 제1 게이트 폭과, 상기 아이들 전류가 상기 포화 전류의 10분의 1 미만이 되도록 상기 바이어스 조건이 설정된 증폭기의 제2 게이트 폭이 소정의 조건을 만족하도록, 상기 증폭기의 제2 게이트 폭을 설정하는 것을 특징으로 하는 다단 증폭기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 최종 단의 증폭기의 제1 게이트 폭을 Wgn, 아이들 전류가 포화 전류의 10분의 1 미만이 되도록 바이어스 조건이 설정된 i단째의 상기 증폭기의 제2 게이트 폭을 Wgi, (i+1)단째의 증폭기로부터 상기 최종 단의 증폭기까지의 이득을 G로 하면, 관계식 Wgi>2.4×Wgn/G 을 만족하도록, i단째의 증폭기의 제2 게이트 폭을 설정하는 것을 특징으로 하는 다단 증폭기.
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