KR100681496B1 - 전력 증폭기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전력 증폭기에 관한 것으로서, 무선통신 시스템용으로 사용되는 전력 증폭기를 다수 단의 차동증폭기 구조의 구동 증폭단과 전력 증폭단으로 구성하고 구동 증폭단은 전력 증폭단을 구동함과 동시에 정합 회로를 통하여 부하저항에 직접 연결하여 저출력 전력 영역에서는 전력 증폭단을 꺼주고 구동 증폭단의 출력이 부하저항에 나타나게 함으로써 추가적인 스위치 없이도 출력전력의 전 영역에서 효율을 증대 시키고 동작영역을 확장 시킬 수 있는 이점이 있다.

Power amplifier, Load impedance, 정합회로, 부하저항, 전력증폭기, 전송선

Description

전력 증폭기{POWER AMPLIFIER}

도 1은 일반적인 전력 증폭기를 나타낸 구성도이다.

도 2는 전력 증폭단이 세 개로 나누어진 전력 증폭기를 나타낸 구성도이다.

도 3은 스위치를 이용한 전력 증폭기를 나타낸 구성도이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 의한 전력 증폭기를 나타낸 회로구성도이다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예로써 입력 신호와 출력 신호가 서로 분리되어 형성된 전력 증폭기를 나타낸 회로구성도이다.

도 6은 도 5에 도시된 전력 증폭기의 전송선과 기생 캐패시턴스에 의한 등가 정합회로를 나타낸 회로구성도이다.

도 7은 본 발명에 의한 전력 증폭기의 정합회로에 의한 임피던스의 변환 과정을 나타낸 스미스 챠트이다.

도 8은 본 발명에 의한 전력 증폭기의 컴퓨터 모사 결과를 나타낸 그래프이다.

- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 -

201, 403, 503 : 전력 증폭단

401, 501 : 1차 구동 증폭단

402, 502 : 2차 구동 증폭단

본 발명은 전력 증폭기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 무선통신 시스템용으로 사용되는 전력 증폭기를 다수 단의 차동증폭기 구조의 구동 증폭단과 전력 증폭단으로 구성하고 구동 증폭단은 전력 증폭단을 구동함과 동시에 정합 회로를 통하여 부하저항에 직접 연결하여 저출력 전력 영역에서는 전력 증폭단을 꺼주고 구동 증폭단의 출력이 부하저항에 나타나게 함으로써 추가적인 스위치 없이도 출력전력의 전 영역에서 효율을 증대 시키고 동작영역을 확장 시킬 수 있도록 한 전력 증폭기에 관한 것이다.

무선통신 시스템용 전력 증폭기는 출력전력의 전 영역에서 효율을 증대시키기 위해 회로의 일부를 점멸해주는 방법을 많이 사용하고 있다. 즉, 큰 출력전력이 필요할 때는 회로의 모든 부분을 켜 주고, 낮은 출력전력이 필요로 할 때는 회로의 일부를 꺼 줌으로써 전 영역에서 효율을 증대시키는 방법을 사용하고 있다.

이와 같은 전력 증폭기는 무선통신 시스템의 송신단에서 큰 출력 전력을 안테나를 통하여 송신하는데 흔히 사용된다.

도 1은 일반적인 전력 증폭기를 나타낸 구성도로서 무선통신 시스템의 일종인 폴라(polar) 구조에서의 전력 증폭기를 간략하게 나타낸 구성도이다.

여기에 도시된 바와 같이 전력 증폭기에 인가되는 고주파 입력신호는 매우 미약하기 때문에 1차 구동 증폭단과 2차 구동 증폭단을 거쳐 전력 증폭단이 구동되어 고주파 출력신호를 출력하게 된다.

하지만, 많은 무선통신 시스템에서는 더 넓은 동작영역과 높은 효율을 위하여 도 2와 같이 전력 증폭단을 세 개로 나누어 구성하는 방법이 흔히 사용된다.

이와 같은 방법은 큰 출력전력을 낼 때는 전력 증폭단(201)을 모두 켜 주고, 저 출력전력을 낼 때는 전력 증폭단(201)의 일부를 꺼주게 되면 출력전력의 전 영역에서 높은 효율을 지니게 되고, 동작 영역도 확장되게 할 수 있다.

하지만 이와 같은 방법은 저 출력전력을 낼 때 2차 구동 증폭단에서 출력 되는 신호의 크기보다 전력 증폭단(201)에서 출력 되는 신호의 크기가 더 작은 경우가 발생될 수 있어 전력 증폭기의 전체 효율을 저하시키는 문제점이 된다.

따라서, 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 한 방법으로써 도 3과 같이 스위치를 사용하여 전력 증폭기를 구성하는 방법이 있다.

이와 같은 방법은 중간 출력전력을 낼 때는 전력 증폭단은 꺼주고 스위치 2를 켜 주게 되면 2차 구동 증폭단의 출력전력이 전력 증폭기의 출력전력으로 나타난다. 마찬가지로 낮은 출력전력을 낼 때는 2차 구동 증폭단도 꺼주고 스위치 1과 스위치 2를 모두 켜주게 되면 1차 구동 증폭단의 출력전력이 전력 증폭기의 출력전력으로 나타나게 된다.

따라서, 저 출력전력 영역에서는 전력 증폭단 및 2차 구동 증폭단을 꺼주게 되므로 전력 증폭기 전체의 효율을 향상 시키고, 동작 영역을 확대할 수 있는 장점 이 있다.

하지만, 이와 같은 방법은 전력 증폭단, 혹은 2차 구동 증폭단이 꺼 질 때 구동 증폭단의 출력이 전력 증폭기의 출력으로 나타나게 하기 위한 추가적인 스위치가 부가적으로 더 필요로 하게 되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, 본 발명의 목적은 무선통신 시스템용으로 사용되는 전력 증폭기를 다수 단의 차동증폭기 구조의 구동 증폭단과 전력 증폭단으로 구성하고 구동 증폭단은 전력 증폭단을 구동함과 동시에 정합 회로를 통하여 부하저항에 직접 연결하여 저출력 전력 영역에서는 전력 증폭단을 꺼주고 구동 증폭단의 출력이 부하저항에 나타나게 함으로써 추가적인 스위치 없이도 출력전력의 전 영역에서 효율을 증대 시키고 동작영역을 확장 시킬 수 있도록 한 전력 증폭기를 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명에 따른 전력 증폭기는: 차동증폭기 구조에 의하며 트랜지스터들이 상하로 위치된 제1 구동 증폭단, 제2 구동 증폭단 및 전력 증폭단으로 구성된 전력 증폭기에 있어서,
상기 제1 구동 증폭단의 상측에 위치된 트랜지스터는 상기 제2 구동 증폭단의 하측에 위치된 트랜지스터를 구동함과 동시에 제1 정합회로를 거쳐 출력단자와 연결되며, 상기 제1 구동 증폭단의 하측에 위치된 트랜지스터는 상기 제2 구동 증폭단의 상측에 위치된 트랜지스터를 구동함과 동시에 제2 정합회로를 거쳐 상기 출력단자와 연결되고, 상기 제2 구동 증폭단의 하측에 위치된 트랜지스터는 상기 전력 증폭단의 상측에 위치된 트랜지스터를 구동함과 동시에 제3 정합회로를 거쳐 상기 출력단자와 연결되며, 상기 제2 구동 증폭단의 상측에 위치된 트랜지스터는 상기 전력 증폭단의 하측에 위치된 트랜지스터를 구동함과 동시에 제4 정합회로를 거쳐 상기 출력단자와 연결되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서, 제3 및 제4 정합회로는 상기 제2 구동 증폭단과 상기 전력 증폭단의 트랜지스터 기생 캐패시턴스 성분과 전송선인 것을 특징으로 한다.

본 발명에,서 제3 및 제4 정합회로는 상기 제2 구동 증폭단과 상기 전력 증폭단의 트랜지스터 기생 캐패시턴스 성분과 인덕터인 것을 특징으로 한다.

본 발명에서, 제3 및 제4 정합회로는 상기 제2 구동 증폭단과 상기 전력 증폭단의 트랜지스터 기생 캐패시턴스 성분과 전송선 변압기인 것을 특징으로 한다.

삭제

위와 같이 이루어진 본 발명은 구동 증폭단은 전력 증폭단을 구동함과 동시에 저 출력전력 영역에서 전력 증폭기가 꺼졌을 때, 구동 증폭단의 출력이 정합회로를 통하여 자동으로 출력전력으로 나타나게 함으로써 전력 증폭기의 효율과 동작 영역을 개선시킬 수 있도록 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 또한 본 실시예는 본 발명의 권리 범위를 한정하는 것은 아니고, 단지 예시로 제시된 것이다.

도 4는 본 발명에 의한 전력 증폭기를 나타낸 회로구성도이다.

여기에 도시된 바와 같이 큰 출력 전력을 내기 위한 전력 증폭단(403)과, 전력 증폭단(403)을 구동함과 동시에 정합회로를 통하여 직접 부하저항에 연결되어 있는 2차 구동 증폭단(402)과, 2차 구동 증폭단(402)을 구동함과 동시에 정합회로를 통하여 직접 부하저항에 연결되어 있는 1차 구동 증폭단(401)으로 이루어진다. 즉, 제1 구동 증폭단(401)의 상측에 위치된 트랜지스터는 제2 구동 증폭단(402)의 하측에 위치된 트랜지스터(405)를 구동함과 동시에 정합회로를 거쳐 출력단자와 연결되며, 제1 구동 증폭단(401)의 하측에 위치된 트랜지스터는 제2 구동 증폭단(402)의 상측에 위치된 트랜지스터(407)를 구동함과 동시에 정합회로를 거쳐 출력단자와 연결되고, 제2 구동 증폭단(402)의 하측에 위치된 트랜지스터(405)는 전력 증폭단(403)의 상측에 위치된 트랜지스터(408)를 구동함과 동시에 정합회로를 거쳐 출력단자와 연결되며, 제2 구동 증폭단(402)의 상측에 위치된 트랜지스터(407)는 전력 증폭단(403)의 하측에 위치된 트랜지스터(406)를 구동함과 동시에 정합회로를 거쳐 출력단자와 연결된다.

따라서, 전력 증폭단(403)의 트랜지스터(406)는 2차 구동 증폭단(402)의 트랜지스터(407)에 의하여 구동된다. 마찬가지로 전력 증폭단(403)의 트랜지스터(408)는 2차 구동 증폭단(402)의 트랜지스터(405)에 의하여 구동된다.

또한, 1차 구동 증폭단(401)과 2차 구동 증폭단(402)은 전송선(404)과 변압기를 통하여 출력단자에 연결되어 있다.

따라서, 일반적인 전력 증폭기 구조와는 달리, 1차 및 2차 구동 증폭단(401)(402)은 전력 증폭단(403)을 구동함과 동시에 1차 및 2차 구동 증폭단(401)(402)에서 발생된 전력도 출력전력으로 나타날 수 있도록 구성된다.

그래서, 1차 및 2차 구동 증폭단(401)(402)에서 발생된 전력은 전력 증폭기의 출력전력에 기여하게 되고, 이에 따라 본 발명에 의한 전력 증폭기의 1차 및 2차 구동 증폭단(401)(402)은 전력 증폭단(403)의 일부로 보여질 수 있기 때문에 동일한 출력전력을 내기 위한 본 발명에 의한 전력 증폭기의 크기는 기존의 전력 증폭기에 비하여 작아진다.

이와 같은 구성에 의해 큰 출력을 낼 때는 1차 및 2차 구동 증폭단(401)(402)과 전력 증폭단(403)을 모두 켜주어 전력 증폭단(403)과 1차 및 2차 구동 증폭단(401)(402)에서 발생된 출력전력이 전력 증폭기의 출력전력으로 나타나게 한다.

그리고, 중간 출력전력을 낼 때는 전력 증폭단(403)을 꺼주어 1차 및 2차 구동 증폭단(401)(402)에서 발생된 출력전력이 전송선(404)과 변압기를 통하여 출력전력으로 나타나게 한다.

마찬가지로 낮은 출력전력을 낼 때는 2차 구동 증폭단(402)도 꺼주어 1차 구동 증폭단(401)에서 발생된 출력전력이 전송선(404)과 변압기를 통하여 출력전력으로 나타나게 한다.

위와 같은 구조는 전력 증폭단(403)을 비롯한 1차 및 2차 구동 증폭단(401)(402)을 꺼주게 되면, 전력 증폭기(403)의 입력전력이 전력 증폭기의 출력전력으로 나타나게 되는 구조이다. 하지만, 전력 증폭기의 적용 분야에 따라 전력 증폭기에서 발생되는 출력전력이 전력 증폭기의 입력전력 보다 낮아야 하는 경우가 종종 발생한다.

이러한 경우에는 도 4에 도시된 전송선을 도 5와 같이 구성하여 전력 증폭기의 출력전력이 전력 증폭기의 입력전력에 비하여 작아지도록 할 수 있다.

즉, 도 5에서는 변압기를 통하여 들어온 입력전력이 1차 구동 증폭단(501)의 게이트에 인가되어 변압기를 통하여 들어온 입력전력이 곧바로 출력으로 전달되지 않도록 함으로써 입력전력 보다 낮은 출력전력을 가질 수 있다.

도 4와 도 5에서 보인 실시 예에서는 1차 구동 증폭단(401)(501), 2차 구동 증폭단(402)(502) 그리고 전력 증폭단(403)(503) 사이에 전송선(404)이 위치하고 있다. 이 전송선(404)과 1차 및 2차 구동 증폭단(401)(402)(501)(502) 및 전력 증폭단(403)(503)의 트랜지스터 기생 캐패시턴스 성분이 자동적으로 정합회로의 역할을 한다.

만약, 정합회로를 구성함에 있어 기생 캐패시턴스의 값이 부족하다면 추가적인 캐패시터를 이용하여 정합회로의 구성이 가능하다.

위의 실시 예에서 전력 증폭단(503)에서 보이는 등가 부하저항 값은 큰 출력을 내는데 알맞도록 되어 있고, 1차 및 2차 구동 증폭단(501)(502)에서 보이는 등가 부하저항 값은 전송선과 기생 캐패시턴스 및 추가적인 캐패시터 성분의 의하여 낮은 출력전력을 내는데 알맞도록 변환 된다. 트랜지스터의 기생 캐패시턴스와 전송선에 의한 부하저항 값의 변환을 설명하기 위해 도 6에 전력 증폭기의 전송선과 기생 캐패시턴스에 의한 등가 정합회로를 도시하였다.

여기에 도시된 바와 같이 설명의 간략화를 위하여 차동 증폭기 구조에서 정합회로(601)의 등가회로(602)를 나타내었다. 게이트-소스 간 캐패시턴스와 드레인-소스 간 캐패시턴스를 포함하여 전송선이 정합회로를 구성하고 있다.

일반적으로 전력 증폭기에서 큰 출력전력을 내기 위해서는 부하저항 값이 작아야 하고, 작은 출력전력을 내기 위해서는 부하저항 값이 커야 효율과 동작 영역 측면에서 이점이 있다. 도 6에서 Z1은 전력 증폭단의 부하저항으로서, 전력 증폭단에서 고 출력을 내기에 알맞도록 값이 결정 되어 있다.

도 7에서는 Z1, Z2와 Z3이 스미스 챠트상에서 어떤 값을 갖는지에 대한 예시를 보이고 있다.

여기에 도시된 바와 같이 Z2는 2차 구동 증폭단과 전력 증폭단 사이의 전송선과 트랜지스터의 기생 캐패시턴스 혹은 추가적인 캐패시터에 의하여 Z1보다 큰 값으로 변환 된다. Z3도 마찬가지의 방법으로 Z2 보다 큰 값으로 변환 된다.

따라서 각 증폭단 사이에 존재하게 되는 전송선과 트랜지스터의 기생 캐패시턴스와 추가적인 캐패시턴스에 의하여, 각각의 증폭단은 각각의 출력전력에 알맞은 등가 부하저항 값을 가지도록 할 수 있다. 그래서, 저 출력전력을 내기 위하여 전력 증폭단을 꺼주게 되면, 구동 증폭단의 출력전력은 저 출력전력에 알맞은 부하저항 값을 가지고 전력 증폭기의 출력전력으로 나타나게 되므로, 전력 증폭기의 전 출력전력 영역에서 높은 효율의 특성을 가지게 된다.

도 8은 본 발명에 의한 도 5의 회로도를 이용한 전력 증폭기의 컴퓨터 모사 결과를 나타낸 그래프이다.

여기에서 그래프 803은 1차 및 2차 구동 증폭단과 전력 증폭단의 모든 증폭단을 동작 시켰을 경우에 전원전압(VDD)을 0.6V부터 3.3V 까지 변화 시키면서 출력전력과 효율을 나타낸 것이고, 그래프 802는 전력 증폭단은 끄고, 1차 구동 증폭단과 2차 구동 증폭단만 켰을 때의 결과를 나타낸 그래프이다. 그리고 그래프 801은 1차 구동 증폭단만 켰을 때의 결과를 나타낸 그래프이다.

이와 같은 결과에서처럼 낮은 출력 영역에서 효율이 증가하게 되고, 동작 영역도 향상 된 것을 알 수 있다.

상기한 바와 같이 본 발명은 무선통신 시스템용으로 사용되는 전력 증폭기를 다수 단의 차동증폭기 구조의 구동 증폭단과 전력 증폭단으로 구성하고 구동 증폭단은 전력 증폭단을 구동함과 동시에 정합 회로를 통하여 부하저항에 직접 연결하여 저출력 전력 영역에서는 전력 증폭단을 꺼주고 구동 증폭단의 출력이 부하저항에 나타나게 함으로써 추가적인 스위치 없이도 출력전력의 전 영역에서 효율을 증 대 시키고 동작영역을 확장 시킬 수 있는 이점이 있다.

Claims (5)

1. 차동증폭기 구조에 의하며 트랜지스터들이 상하로 위치된 제1 구동 증폭단, 제2 구동 증폭단 및 전력 증폭단으로 구성된 전력 증폭기에 있어서,

   상기 제1 구동 증폭단의 상측에 위치된 트랜지스터는 상기 제2 구동 증폭단의 하측에 위치된 트랜지스터를 구동함과 동시에 제1 정합회로를 거쳐 출력단자와 연결되며, 상기 제1 구동 증폭단의 하측에 위치된 트랜지스터는 상기 제2 구동 증폭단의 상측에 위치된 트랜지스터를 구동함과 동시에 제2 정합회로를 거쳐 상기 출력단자와 연결되고, 상기 제2 구동 증폭단의 하측에 위치된 트랜지스터는 상기 전력 증폭단의 상측에 위치된 트랜지스터를 구동함과 동시에 제3 정합회로를 거쳐 상기 출력단자와 연결되며, 상기 제2 구동 증폭단의 상측에 위치된 트랜지스터는 상기 전력 증폭단의 하측에 위치된 트랜지스터를 구동함과 동시에 제4 정합회로를 거쳐 상기 출력단자와 연결되는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
2. 제 1항에 있어서, 상기 제3 및 제4 정합회로는 상기 제2 구동 증폭단과 상기 전력 증폭단의 트랜지스터 기생 캐패시턴스 성분과 전송선인 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
3. 제 1항에 있어서, 상기 제3 및 제4 정합회로는 상기 제2 구동 증폭단과 상기 전력 증폭단의 트랜지스터 기생 캐패시턴스 성분과 인덕터인 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
4. 제 1항에 있어서, 상기 제3 및 제4 정합회로는 상기 제2 구동 증폭단과 상기 전력 증폭단의트랜지스터 기생 캐패시턴스 성분과 전송선 변압기인 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
5. 삭제

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