KR100749870B1 - 도허티 전력 증폭 장치 - Google Patents

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KR100749870B1
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김범만
유대규
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(주) 와이팜
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Abstract

본 발명은 도허티 전력 증폭 장치에 관한 것으로, 병렬로 연결한 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기가 도허티 동작이 일어나게 하는 도허티 전력 증폭 장치로서, 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기의 입력단에 각각 연결된 복수의 입력 정합 회로와, 캐리어 증폭기의 출력단에 연결되어 캐리어 증폭기의 로드 라인 임피던스를 조절하는 임피던스 조절 회로와, 임피던스 조절 회로와 피킹 증폭기의 후단에 연결된 출력 정합 회로와, 피킹 증폭기의 입력단에 연결된 입력 정합 회로의 전단에 연결되어 입력 전력레벨이 높아질 때에 캐리어 증폭기 쪽보다 피킹 증폭기로 쪽으로 더 많은 전력을 공급하는 전력 분배 회로와, 캐리어 증폭기의 입력단에 연결된 입력 정합 회로의 전단에 연결되어 전체적인 지연을 맞춰주는 지연 회로를 포함하며, 도허티 전력 증폭 장치의 새로운 출력 정합 방법과 입력 정합 방법을 제공함으로써, 효율과 선형성 측면에서 큰 장점을 가진 도허티 전력 증폭 장치를 소형화 및 집적화 할 수 있도록 하며, 새로운 입력 전력 분배 방법을 적용하여 좀더 이상적인 도허티 동작이 일어나게 하는 이점이 있다.
도허티 전력 증폭기, 입력 정합, 출력 정합, 쿼터 웨이브 트랜스포머, π-네트워크

Description

도허티 전력 증폭 장치{DOHERTY AMPLIFIER}
도 1은 π-네트워크로 쿼터 웨이브 트랜스포머(quarter wave transformer)를 구현한 종래 기술의 도허티 전력 증폭 장치의 회로도,
도 2는 본 발명의 제 1 실시 예에 따라 새로운 출력 정합 방법이 적용된 도허티 전력 증폭 장치의 회로도,
도 3은 본 발명의 제 2 실시 예에 따라 새로운 입력 정합 방법이 적용된 도허티 전력 증폭 장치의 회로도,
도 4a는 본 발명에 의한 도허티 전력 증폭 장치의 전력 분배 그래프,
도 4b는 출력 전력 대비 효율 그래프를 Class AB와 비교해서 나타낸 그래프,
도 4c는 높은 효율을 위해 새로운 전력 분배 방식을 구현한 도허티 전력 증폭 장치의 입력 정합 회로의 개념을 설명한 구성도,
도 5는 본 발명의 제 3 실시 예에 따라 새로운 입력 정합 방법과 출력 정합 방법을 함께 적용한 도허티 전력 증폭 장치의 회로도,
도 6은 본 발명의 내용을 토대로, 5GHz WLAN 응용을 위해 제작된 완전 집적된 도허티 전력 증폭기의 MMIC 전체 칩 사진.
본 발명은 도허티 전력 증폭 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 도허티 전력 증폭 장치를 소형화해서 칩에 완전 집적화를 가능케 하기 위한 것이다.
최근 이동통신 단말기, 중계기 및 기지국의 소형화 및 다기능화로 인해 배터리 타임을 늘리기 위한 노력으로서 전력 소모의 대부분을 차지하는 RF 전력 증폭 장치의 효율을 높이는 것에 대한 많은 연구가 이루어지고 있으며, 이 중에서 전력 증폭 장치의 효율을 높이기 위한 대표적인 방법 중의 하나인 도허티 전력 증폭 장치에 대한 연구가 많이 이루어지고 있다.
도허티 증폭 장치는 1936년에 W.H. Doherty에 의해서 처음 제안되었는데, 쿼터 웨이브 트랜스포머(quarter wave transformer)(λ/4 라인)를 사용해서 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기를 병렬로 연결하는 방식으로 전력 레벨에 따라 피킹 증폭기가 로드에 공급하는 전류의 양을 달라지게 함으로써 캐리어 증폭기의 로드 라인 임피던스를 조절하여 효율을 높이는 장치이다.
한편, 이동 통신용 도허티 증폭 장치를 구현하는데 있어서는 크기의 제한이 점점 중요해지고 있으며, 소형화로 계속 발전되고 있는 추세이나, 도허티 증폭 장치를 구현하는데 있어 기존의 도허티 구성 방법으로는 칩과 패키지의 크기와 이에 따른 가격 상승의 문제를 가지고 있다. 대표적으로 원인이 되고 있는 항목으로는, 도허티 증폭 장치를 구성하는데 있어 필요한 캐리어 증폭기의 로드 라인 임피던스를 조절시켜주기 위한 쿼터 웨이브 트랜스포머와 입력 전력 분배 목적인 3dB 90ㅀ하이브리드 분배기를 들 수 있다.
종래 기술에 의한 도허티 전력 증폭 장치에서는 도 1에 도시된 바와 같이 쿼터 웨이브 트랜스포머(quarter wave transformer)를 L과 C로 구성한 λ/4 π-네트워크(50)로 대체하고 있다.
캐리어 증폭기(30) 및 피킹 증폭기(35)의 전단에 각각 입력 정합 회로(20, 25)를 연결하며, 캐리어 증폭기(30)와 피킹 증폭기(35)의 출력단에 각각 출력 정합 회로(40, 45)를 연결한다.
또한, 입력 전력 분배 목적인 3dB 90ㅀ하이브리드 분배기는 소형화 및 집적화 목적을 위해 사용하지 않았으며, 캐리어 증폭기(30)와 피킹 증폭기(35)간의 입력은 접합된 상태로 그냥 두며, 캐리어 증폭기(30)와 피킹 증폭기(35)간의 지연(delay)을 맞춰주기 위해 피킹 증폭기(35)의 입력단에 쿼터 웨이브 트랜스포머 역할을 하는 λ/4 π-네트워크를 제 1 지연 회로(55)로 추가하였다. 도면 중 미설명 부호인 10은 전력 스플리터(power splitter)이다.
아울러, 또 다른 미설명 부호인 60은 오프셋 라인이다. 오프셋 라인(60)은 피킹 증폭기(35) 쪽으로의 아웃풋 임피던스를 무한대로 보내는 기능을 하여 낮은 전력레벨에서 캐리어 증폭기(30)의 출력이 로드쪽이 아닌 피킹 증폭기(35) 쪽으로 새는 누수 전력을 막는다. 이때 오프셋 라인(60)이 ∠θP일 경우에 피킹 증폭기(35)의 입력단에는 제 1 지연 회로(55)가 λ/4-∠θP π-네트워크로 배치된다.
그러나, 전술한 바와 같은 종래의 도허티 전력 증폭 장치는, 칩에 집적시키기에는 크기와 인덕터 손실로 인한 어려움이 있어서 PCB 패키지 상에서 구현하고 있는 실정이며, 이 역시 패키지 크기가 커지는 점과 여러 개의 수동 소자의 사용으로 인한 증폭 장치의 단가를 높이는 단점을 가지고 있다.
또한 입력 전력 분배 목적인 3dB 90ㅀ하이브리드 분배기 사용에 따른 문제점을 해결하기 위하여 스위치를 이용해 도허티 구조를 바이패스 타입으로 전향하거나 능동 위상 분배기의 사용과 같은 여러 가지 노력이 이루어지고 있다. 하지만 이런 노력 역시 확실한 해결책이 되지는 못한 실정이며, 최근에 기지국 도허티 전력 증폭 장치 분야에서 제안된 이상적인 도허티 동작을 위해서는 높은 전력 레벨에서 캐리어/피킹 증폭기에 각각 3dB씩 나눠져서는 안되며, 피킹 증폭기 쪽으로 캐리어 증폭기에 비해 좀더 많은 입력 전력이 인가되어야 한다는 또 다른 문제점에는 여전히 한계를 가진다.
본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안한 것으로, 새로운 출력 정합 방법과 입력 정합 방법을 제공함으로써, 효율과 선형성 측면에서 큰 장점을 가진 도허티 전력 증폭 장치를 소형화 및 집적화 하는 데에 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 도허티 전력 증폭 장치에 새로운 입력 전력 분배 방법을 적용하여 좀더 이상적인 도허티 동작이 일어나게 하는데 있다.
이와 같은 목적들을 실현하기 위한 본 발명의 제 1 관점으로서 도허티 전력 증폭 장치는, 병렬로 연결한 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기가 도허티 동작이 일어나게 하는 도허티 전력 증폭 장치로서, 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기의 입력단에 각 각 연결된 복수의 입력 정합 회로와, 캐리어 증폭기의 출력단에 연결되어 캐리어 증폭기의 로드 라인 임피던스를 조절하는 임피던스 조절 회로와, 임피던스 조절 회로와 피킹 증폭기의 후단에 연결된 출력 정합 회로와, 피킹 증폭기의 입력단에 연결된 입력 정합 회로의 전단에 연결되어 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기 사이의 지연을 맞춰주는 제 1 지연 회로를 포함한다.
본 발명의 제 2 관점으로서 도허티 전력 증폭 장치는, 병렬로 연결한 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기가 도허티 동작이 일어나게 하는 도허티 전력 증폭 장치로서, 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기의 출력단에 각각 연결된 복수의 출력 정합 회로와, 캐리어 증폭기의 출력단에 연결된 출력 정합 회로의 후단에 연결되어 캐리어 증폭기의 로드 라인 임피던스를 조절하는 임피던스 조절 회로와, 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기의 입력단에 각각 연결된 복수의 입력 정합 회로와, 피킹 증폭기의 입력단에 연결된 입력 정합 회로의 전단에 연결되어 입력 전력레벨이 높아질 때에 캐리어 증폭기 쪽보다 피킹 증폭기로 쪽으로 더 많은 전력을 공급하는 전력 분배 회로와, 캐리어 증폭기의 입력단에 연결된 입력 정합 회로의 전단에 연결되어 전체적인 지연을 맞춰주는 제 2 지연 회로를 포함한다.
본 발명의 제 3 관점으로서 도허티 전력 증폭 장치는, 병렬로 연결한 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기가 도허티 동작이 일어나게 하는 도허티 전력 증폭 장치로서, 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기의 입력단에 각각 연결된 복수의 입력 정합 회로와, 캐리어 증폭기의 출력단에 연결되어 캐리어 증폭기의 로드 라인 임피던스를 조절하는 임피던스 조절 회로와, 임피던스 조절 회로와 피킹 증폭기의 후단에 연결된 출 력 정합 회로와, 피킹 증폭기의 입력단에 연결된 입력 정합 회로의 전단에 연결되어 입력 전력레벨이 높아질 때에 캐리어 증폭기 쪽보다 피킹 증폭기로 쪽으로 더 많은 전력을 공급하는 전력 분배 회로와, 캐리어 증폭기의 입력단에 연결된 입력 정합 회로의 전단에 연결되어 전체적인 지연을 맞춰주는 제 2 지연 회로를 포함한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 아울러 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시 예에 따라 새로운 출력 정합 방법이 적용된 도허티 전력 증폭 장치의 회로도로서, 도 1과 비교할 때에 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 명기하였다.
도허티 전력 증폭 장치에서 캐리어 증폭기의 로드 라인 임피던스를 조절하기 위한 쿼터 웨이브 트랜스포머를 도 1의 종래 기술처럼 L과 C로 구성된 λ/4 π-네트워크로 구성할 경우에 칩의 크기나 수동소자의 손실로 인해 문제가 발생하는데, 이때 중요시되는 부분이 인덕턴스 값이다. 도 1에 도시된 종래의 도허티 전력 증폭 장치에 의하면 캐리어 증폭기 출력단의 쿼터 웨이브 트랜스포머의 특성 임피던스가 100옴이 된다. 이때 여기에 상응하는 인덕터 값은 L = Z0/ω0에 의해 정해지는데, 이를 통해 알 수 있듯이 특성 임피던스가 낮을수록 작은 값의 인덕터로 구현할 수 있다.
따라서, 쿼터 웨이브 트랜스포머의 특성 임피던스 값을 원하는 Ropt 값으로 정하고, 이를 위해서 50옴 로드 저항의 값으로부터 먼저 Ropt/2 임피던스로 정합을 시켜온다. 이렇게 되면 캐리어 증폭기의 쿼터 웨이브 트랜스포머의 특성 임피던스는 기존의 100옴에서 Ropt로 낮아지는데, 물론 출력 전력 수준에 따라 다르지만 보통 Ropt는 10옴 이하의 값을 가지게 되고, 출력 전력 수준이 높아질수록 이 값은 작아지게 된다. 이로써, 캐리어 증폭기의 쿼터 웨이브 트랜스포머를 위해 필요한 인덕터 값을 기존 정합방법에 비해서 10배 이상 줄일 수 있다. 또한 이런 정합 방법은 기존의 정합 방법에서 캐리어 및 피킹 증폭기에 각각 쓰여진 출력 정합 회로를 하나로 쓸 수 있을 뿐만 이 하나의 정합 회로를 구성하는 수동소자인 인덕터를 본딩 인덕터로 대체 시킬 수 있어 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기로 구성되는 주 증폭기의 출력 정합회로에 쓰여지는 수동소자의 수를 절반 이하로 줄일 수 있다. 이는 도허티 전력 증폭 장치의 칩 크기와 수동소자로 인해 발생되는 손실을 줄 일 수 있는 이점을 나타낸다.
도 2의 회로도에 나타낸 바와 같이 본 발명에 의한 출력 정합 방법을 이용한 도허티 전력 증폭 장치는 앞서 설명 한 바와 같이, 정합 및 도허티를 구성하기 위한 수동소자의 개수를 많이 줄일 수가 있게 되었고, 모든 수동소자는 모두 MMIC 칩에 집적이 가능하게 되었다.
도 2를 참조하여 본 발명에 의한 출력 정합 방법을 이용한 도허티 전력 증폭 장치의 구성을 살펴보면, 병렬로 연결한 캐리어 증폭기(110) 및 피킹 증폭기(115), 캐리어 증폭기(110)와 피킹 증폭기(115)의 입력단에 각각 연결된 입력 정합 회로(20, 25), 캐리어 증폭기(110)의 출력단에 연결되어 캐리어 증폭기(110)의 로드 라인 임피던스를 조절하기 위해 쿼터 웨이브 트랜스포머 역할을 하는 λ/4 π-네트워크가 배치된 임피던스 조절 회로(130), 임피던스 조절 회로(130)와 피킹 증폭기(115)의 후단에 연결된 출력 정합 회로(150), 피킹 증폭기(115)의 입력단에 연결된 입력 정합 회로(25)의 전단에 연결되어 캐리어 증폭기(110)와 피킹 증폭기(115) 사이의 지연을 맞춰주기 위해 λ/4 π-네트워크가 배치된 제 1 지연 회로(55)를 포함한다. 도면 중 미설명 부호인 160은 오프셋 라인이다. 오프셋 라인(160)은 피킹 증폭기(115) 쪽으로의 아웃풋 임피던스를 무한대로 보내는 기능을 하여 낮은 전력레벨에서 캐리어 증폭기(110)의 출력이 로드쪽이 아닌 피킹 증폭기(115) 쪽으로 새는 누수 전력을 막는다. 이때 오프셋 라인(160)이 ∠θP일 경우에 피킹 증폭기(115)의 입력단에 배치된 제 1 지연 회로(55)는 도 1의 종래 기술과 마찬가지로 λ/4-∠θP π-네트워크가 배치된다. 도면의 또 다른 미설명 부호인 120, 125는 증폭 장치의 선형성을 향상시키기 위한 2차 하모닉 쇼트 회로이다.
아울러, 임피던스 조절 회로(130)를 구성하는 인덕터(L)는 도 2에 나타낸 바와 같이 마이크로 스트립 라인(Micro-strip Line)(131)으로 대체되는데, 이는 인덕터 값을 기존 정합방법에 비해서 10배 이상 줄일 수 있기 때문에 가능한 것이다.
이와 같은 본 발명의 제 1 실시 예에서는 앞서 설명한 바와 같이 임피던스 조절 회로(130)의 최적 전원 임피던스를 Ropt라 할 때에, 출력 정합 회로(150)는 Ropt/2로 정합하며, 임피던스 조절 회로(130)의 특성 임피던스는 Ropt 값을 가진다.
또한, 도 2에서는 한 쌍의 캐리어 증폭기(110)와 피킹 증폭기(115)만을 병렬 연결하여 도허티 전력 증폭 장치를 구현한 예를 설명하였으나, 여러 쌍의 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기를 병렬 연결하여 본 발명과 동일한 원리를 가지는 다른 실시 예의 도허티 전력 증폭 장치(예로서, 기지국용 도허티 전력 증폭 장치 등)를 구현할 수도 있다. 서로 동일한 n개의 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기를 병렬 연결하며, n개의 임피던스 조절 회로를 n개의 캐리어 증폭기의 출력단에 각각 연결하면, n개의 임피던스 조절 회로의 개별 최적 전원 임피던스를 Ropt라 할 때에, 출력 정합 회로는 Ropt/2n로 정합시켜 오면 n개의 임피던스 조절 회로의 특성 임피던스는 각각 Ropt 값을 가진다.
한편, 본 발명에 의한 입력 정합 방법에 의하면 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기의 지연을 맞춰주기 위한 피킹 증폭기의 입력단에 배치한 제 1 지연 회로인 쿼터 웨이브 트랜스포머의 특성 임피던스 역시 낮출 수 있게 된다. 우선 증폭기의 이득을 높이기 위해 필요한 RF 입력단의 보조 증폭기(Drive Amplifier)의 값으로부터 50옴까지 정합시켜 가고, 캐리어 증폭기 및 피킹 증폭기의 입력 임피던스를 100옴으로 정합을 통해서 보조 증폭기와 주 증폭기(캐리어 증폭기 및 피킹 증폭기) 사이 의 정합을 맞추는 것이 보통의 방법이나 이 역시 앞서 언급한 바와 같이 피킹 증폭기의 입력단에 배치된 쿼터 웨이브 트랜스 포머(λ/4 라인)의 특성 임피던스가 100옴이 된다는 문제점을 가지게 된다. 따라서, 앞서 언급한 방법과 같은 원리로 우선 보조 증폭기의 Ropt를 원하는 특성 임피던스 Rin의 1/2이 되는 값으로 정합시켜 가고, 캐리어 증폭기 및 피킹 증폭기의 입력 임피던스를 Rin으로 정합시켜서 보조 증폭기와 주 증폭기 간의 정합을 맞춘다. 이 역시 피킹 증폭기의 입력단에 배치된 쿼터 웨이브 트랜스포머의 특성 임피던스를 100옴에서 우리가 원하는 Rin값으로 낮출 수 있게 되어 피킹 증폭기의 입력단에 배치된 쿼터 웨이브 트랜스포머를 구성하는 인덕터 값을 낮출 수 있다. 이로써, 도허티의 입력 정합에 대해서도 소형화 및 집적화를 가능하게 한다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시 예에 따라 새로운 입력 정합 방법이 적용된 도허티 전력 증폭 장치의 회로도로서, 도 1과 비교할 때에 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 명기하였다.
도 3을 참조하면, 병렬로 연결한 캐리어 증폭기(110) 및 피킹 증폭기(115), 캐리어 증폭기(110)와 피킹 증폭기(115)의 출력단에 각각 연결된 복수의 출력 정합 회로(40, 45), 캐리어 증폭기(110)의 출력단에 연결된 출력 정합 회로(40)의 후단에 연결되어 캐리어 증폭기(110)의 로드 라인 임피던스를 조절하는 임피던스 조절 회로인 λ/4 π-네트워크(50), 캐리어 증폭기(110)와 피킹 증폭기(115)의 입력단에 각각 연결된 복수의 입력 정합 회로(170, 175), 피킹 증폭기(115)의 입력단에 연결 된 입력 정합 회로(175)의 전단에 연결되어 입력 전력레벨이 높아질 때에 캐리어 증폭기(110) 쪽보다 피킹 증폭기(115)로 쪽으로 더 많은 전력을 공급하는 λ/2 π-네트워크가 배치된 전력 분배 회로(145)와, 캐리어 증폭기(110)의 입력단에 연결된 입력 정합 회로(170)의 전단에 연결되어 전체적인 지연을 맞춰주는 λ/4 π-네트워크가 배치된 제 2 지연 회로(140)를 포함하여 구성된다. 도면 중 미설명 부호인 160은 오프셋 라인이다. 오프셋 라인(160)은 피킹 증폭기(115) 쪽으로의 아웃풋 임피던스를 무한대로 보내는 기능을 하여 낮은 전력레벨에서 캐리어 증폭기(110)의 출력이 로드쪽이 아닌 피킹 증폭기(115) 쪽으로 새는 누수 전력을 막는다. 이때 오프셋 라인(160)이 ∠θP일 경우에 피킹 증폭기(115)의 입력단에 배치된 전력 분배 회로(145)에는 λ/2-∠θP π-네트워크가 배치된다.
이와 같은 본 발명의 제 2 실시 예에서는 앞서 설명한 바와 같이 캐리어 증폭기(110) 및 피킹 증폭기(115)에 의해 도허티를 구성하는 주 증폭기의 최적 입력 임피던스를 Rin라 할 때에, RF 입력단의 보조 증폭기는 Rin/2로 정합하며, 캐리어 증폭기(110) 및 피킹 증폭기(115)의 입력 임피던스를 Rin으로 정합하여 주 증폭기와 보조 증폭기 사이의 정합을 맞춘다.
또한, 도 3에서는 한 쌍의 캐리어 증폭기(110)와 피킹 증폭기(115)만을 병렬 연결하여 도허티 전력 증폭 장치를 구현한 예를 설명하였으나, 여러 쌍의 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기를 병렬 연결하여 본 발명과 동일한 원리를 가지는 다른 실시 예의 도허티 전력 증폭 장치(예로서, 기지국용 도허티 전력 증폭 장치 등)를 구현할 수도 있다. 서로 동일한 n개의 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기를 병렬 연결하며, 2n개의 입력 정합 회로를 캐리어 증폭기 및 피킹 증폭기의 입력단에 각각 연결하면, 캐리어 증폭기 및 피킹 증폭기에 의해 도허티를 구성하는 주 증폭기의 최적 입력 임피던스를 Rin라 할 때에, RF 입력단의 보조 증폭기는 Rin/2n로 정합하며, 캐리어 증폭기 및 피킹 증폭기의 입력 임피던스를 Rin으로 정합하여 주 증폭기와 보조 증폭기 사이의 정합을 맞춘다.
도 5는 본 발명의 제 3 실시 예에 따라 새로운 입력 정합 방법과 출력 정합 방법을 함께 적용한 도허티 전력 증폭 장치의 회로도로서, 도 2 및 도 4와 비교할 때에 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 명기하였다.
도 5를 참조하여 본 발명에 따른 입력 정합 방법과 출력 정합 방법이 함께 적용된 도허티 전력 증폭 장치의 구성을 살펴보면, 병렬로 연결한 캐리어 증폭기(110) 및 피킹 증폭기(115), 캐리어 증폭기(110)와 피킹 증폭기(115)의 입력단에 각각 연결된 복수의 입력 정합 회로(170, 175), 캐리어 증폭기(110)의 출력단에 연결되어 캐리어 증폭기(110)의 로드 라인 임피던스를 조절하는 임피던스 조절 회로(130), 임피던스 조절 회로(130)와 피킹 증폭기(115)의 후단에 연결된 출력 정합 회로(150), 입력 정합 회로(175)의 전단에 연결되어 입력 전력레벨이 높아질 때에 캐리어 증폭기(110) 쪽보다 피킹 증폭기(115)로 쪽으로 더 많은 전력을 공급하는 전력 분배 회로(145), 입력 정합 회로(170)의 전단에 연결되어 전체적인 지연을 맞 춰주는 제 2 지연 회로(140)를 포함한다. 이러한 본 발명의 제 3 실시 예는 제 1 실시 예의 출력 정합 부분과 제 2 실시 예의 입력 정합 부분을 함께 적용한 것이기에 그 설명이 생략된 부분은 제 1 실시 예와 제 2 실시 예에 대한 설명으로부터 쉽게 이해할 수 있다.
도허티 전력 증폭 장치에서 캐리어 증폭기가 Class AB의 바이어스가 걸리는 반면, 피킹 증폭기는 Class B 이하의 바이어스가 걸려있다. 이는 낮은 파워 영역에서의 캐리어 증폭기만 켬으로써 전력 증폭기 효율을 높이기 위한 이유이다. 하지만 이 같은 이유로 최대(Maximum) 파워 레벨에서 캐리어 증폭기와는 달리 피킹 증폭기는 최대 전류 레벨까지 도달하지 못하게 된다. 그 결과 전형적인 도허티 전력 증폭 장치는 최대 파워 레벨에서 캐리어 증폭기의 포화상태에 도달로 인해 전체 전력 증폭기가 포화상태로 도달하게 되는데, 그 상태에서 피킹 증폭기는 최대 파워를 내지 못하게 되어서 전체적으로 소자의 최대 파워를 다 내지 못하게 되는 셈이다. 그래서 본 발명에서는 이 문제점을 해결하기 위한 도허티 전력 증폭 장치의 새로운 전력 분배 방식을 제안한다. 도 4a는 본 발명에 의한 도허티 전력 증폭 장치의 전력 분배 그래프이다. 높은 이득과 효율 및 선형성 향상을 위해, 낮은 파워에서는 전체 전력 증폭기의 주 역할을 하는 캐리어 증폭기로의 전력 분배를 좀 더 가져가고, 높은 파워에서는 캐리어 증폭기, 피킹 증폭기 둘 다 똑 같은 전력을 내기 위해 상대적으로 늦게 켜진 피킹 증폭기 쪽으로 좀더 많은 전력을 공급하는 전력 분배 구성을 한다. 도 4b는 출력 전력 대비 효율 그래프를 Class AB와 비교해서 나타내었다. 도 4c는 높은 효율을 위해 새로운 전력 분배 방식을 구현한 도허티 전력 증폭 장치 의 입력 정합 회로의 개념을 설명한 구성도이다. 앞서 설명 한 듯이, 도허티 전력 증폭 장치의 입력 정합의 소형화 및 집적화를 위한 방법에 피킹 증폭기, 캐리어 증폭기 입력 단에 쿼터 웨이브 트랜스포머를 각각 추가된 모습을 보여준다. 결과적으로 피킹 증폭기의 입력 단에는 두 개의 λ/4 트랜스포머가 배치되므로 λ/2 트랜스포머의 역할을 수행한다. 즉, 도 1과 같이 피킹 증폭기의 입력 단에 하나의 쿼터 웨이브 트랜스포머가 배치된 종래 기술의 도허티 전력 증폭 장치에 본 발명에 의해 또 하나의 쿼터 웨이브 트랜스포머가 추가되는 것이다.
도허티 전력 증폭 장치에서 캐리어 증폭기의 입력 임피던스(Zin_c)는 입력 전력레벨에 따라 크게 변하지 않는다. 반면에, 피킹 증폭기의 입력 임피던스(Zin_p)는 입력 전력레벨이 높아질수록 자기(Self) 바이어스 효과로 인해 작아지는 현상을 보인다. 이는 피킹 증폭기의 경우에 Class C 바이어스로 걸려있어, 낮은 전력레벨에서는 꺼져 있다가 일정 전력레벨이상이 되면 켜지면서 전류레벨이 증가하면서 생기는 현상이다. 본 발명에 의한 도허티 입력 전력 분배는 이 현상에 착안을 하였다. 전형적인 도허티 전력 증폭 장치에서는 피킹 증폭기 입력단의 쿼터 웨이브 트랜스포머 때문에 전력레벨이 높아짐에 따라 전력 분배가 되는 위치에서의 피킹 증폭기의 입력 임피던스가 커지게 된다. 이 때문에 전력 레벨이 높아질수록 피킹 증폭기로의 입력 전력이 캐리어 증폭기보다 작아지게 된다. 이는 앞서 말한 이상적인 도허티 증폭기의 전력 분배와 반대이다. 따라서 피킹 증폭기 입력단에 쿼터 웨이브 트랜스포머를 하나 더 추가하여서 기존의 피킹 증폭기의 입력 임피던스의 모습을 정반대로 원하는 방향으로 바꾸어 놓았다. 캐리어 증폭기의 입력단에도 전체적인 지연을 맞춰주기 위해 쿼터 웨이브 트랜스포머를 하나 더 추가하였다.
도 5는 본 발명의 내용을 토대로, 5GHz WLAN 응용을 위해 제작된 완전 집적된 도허티 전력 증폭기의 MMIC 전체 칩 사진이다.
지금까지 본 발명의 일 실시 예에 국한하여 설명하였으나 본 발명의 기술이 당업자에 의하여 용이하게 변형 실시될 가능성이 자명하다. 이러한 변형된 실시 예들은 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술사상에 당연히 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
전술한 바와 같이 본 발명은 도허티 전력 증폭 장치의 새로운 출력 정합 방법과 입력 정합 방법을 제공함으로써, 효율과 선형성 측면에서 큰 장점을 가진 도허티 전력 증폭 장치를 소형화 및 집적화 할 수 있도록 하며, 새로운 입력 전력 분배 방법을 적용하여 좀더 이상적인 도허티 동작이 일어나게 하는 효과가 있다.

Claims (20)

  1. 병렬로 연결한 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기가 도허티 동작이 일어나게 하는 도허티 전력 증폭 장치로서,
    상기 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기의 입력단에 각각 연결된 복수의 입력 정합 회로와,
    상기 캐리어 증폭기의 출력단에 연결되어 상기 캐리어 증폭기의 로드 라인 임피던스를 조절하는 임피던스 조절 회로와,
    상기 임피던스 조절 회로와 상기 피킹 증폭기의 후단에 연결된 출력 정합 회로와,
    상기 피킹 증폭기의 입력단에 연결된 입력 정합 회로의 전단에 연결되어 상기 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기 사이의 지연을 맞춰주는 제 1 지연 회로
    를 포함하는 도허티 전력 증폭 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 임피던스 조절 회로 및 제 1 지연 회로는, λ/4 트랜스포머
    인 도허티 전력 증폭 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 임피던스 조절 회로인 λ/4 트랜스포머는, 인덕터(L)와 캐패시터(C)로 구성한 π-네트워크이며,
    상기 인덕터는, 마이크로 스트립라인
    인 도허티 전력 증폭 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 도허티 전력 증폭 장치는, 상기 피킹 증폭기와 출력 정합 회로의 사이에 연결되어 상기 피킹 증폭기 쪽으로의 아웃풋 임피던스를 무한대로 보내는 기능을 하는 ∠θP의 오프셋 라인
    을 더 포함하며,
    상기 임피던스 조절 회로는, λ/4 트랜스포머
    이고,
    상기 제 1 지연 회로는, λ/4-∠θP 트랜스포머
    인 도허티 전력 증폭 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 도허티 전력 증폭 장치는, 상기 임피던스 조절 회로의 최적 전원 임피던스를 Ropt라 할 때에,
    상기 출력 정합 회로는 Ropt/2로 정합하며, 상기 임피던스 조절 회로의 특성 임피던스는 Ropt
    인 도허티 전력 증폭 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 도허티 전력 증폭 장치는, 서로 동일한 n개의 상기 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기를 병렬 연결하며, n개의 상기 임피던스 조절 회로를 상기 n개의 캐리어 증폭기의 출력단에 각각 연결한 상태에서 상기 n개의 임피던스 조절 회로의 개별 최적 전원 임피던스를 Ropt라 할 때에,
    상기 출력 정합 회로는 Ropt/2n로 정합하며, 상기 n개의 임피던스 조절 회로의 특성 임피던스는 각각 Ropt
    인 도허티 전력 증폭 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 출력 정합 회로는, MMIC 칩에서 모듈로의 연결에 필요한 본딩 인덕터를 수동소자로 이용하는
    도허티 전력 증폭 장치.
  8. 병렬로 연결한 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기가 도허티 동작이 일어나게 하는 도허티 전력 증폭 장치로서,
    상기 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기의 출력단에 각각 연결된 복수의 출력 정합 회로와,
    상기 캐리어 증폭기의 출력단에 연결된 출력 정합 회로의 후단에 연결되어 상기 캐리어 증폭기의 로드 라인 임피던스를 조절하는 임피던스 조절 회로와,
    상기 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기의 입력단에 각각 연결된 복수의 입력 정합 회로와,
    상기 피킹 증폭기의 입력단에 연결된 입력 정합 회로의 전단에 연결되어 입력 전력레벨이 높아질 때에 상기 캐리어 증폭기 쪽보다 상기 피킹 증폭기로 쪽으로 더 많은 전력을 공급하는 전력 분배 회로와,
    상기 캐리어 증폭기의 입력단에 연결된 입력 정합 회로의 전단에 연결되어 전체적인 지연을 맞춰주는 제 2 지연 회로
    를 포함하는 도허티 전력 증폭 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 임피던스 조절 회로 및 제 2 지연 회로는, λ/4 트랜스포머이며,
    상기 전력 분배 회로는, λ/2 트랜스포머
    인 도허티 전력 증폭 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 λ/2 트랜스포머 또는 λ/4 트랜스포머는, 인덕터(L)와 캐패시터(C)로 구성한 π-네트워크이며,
    상기 인덕터는, 마이크로 스트립라인
    인 도허티 전력 증폭 장치.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 도허티 전력 증폭 장치는, 상기 피킹 증폭기의 출력단에 연결된 출력 정합 회로의 후단에 연결되어 상기 피킹 증폭기 쪽으로의 아웃풋 임피던스를 무한대로 보내는 기능을 하는 ∠θP의 오프셋 라인
    을 더 포함하며,
    상기 임피던스 조절 회로 및 제 2 지연 회로는, λ/4 트랜스포머
    이고,
    상기 전력 분배 회로는, λ/2-∠θP 트랜스포머
    인 도허티 전력 증폭 장치.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 도허티 전력 증폭 장치는, 상기 캐리어 증폭기 및 피킹 증폭기에 의해 도허티를 구성하는 주 증폭기의 최적 입력 임피던스를 Rin라 할 때에,
    RF 입력단의 보조 증폭기는 Rin/2로 정합하며, 상기 캐리어 증폭기 및 피킹 증폭기의 입력 임피던스를 Rin으로 정합하여 상기 주 증폭기와 보조 증폭기 사이의 정합을 맞추는
    도허티 전력 증폭 장치.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 도허티 전력 증폭 장치는, 서로 동일한 n개의 상기 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기를 병렬 연결하며, 2n개의 상기 입력 정합 회로를 상기 캐리어 증폭기 및 피킹 증폭기의 입력단에 각각 연결한 상태에서 상기 캐리어 증폭기 및 피킹 증폭기에 의해 도허티를 구성하는 주 증폭기의 최적 입력 임피던스를 Rin라 할 때에,
    RF 입력단의 보조 증폭기는 Rin/2n로 정합하며, 상기 캐리어 증폭기 및 피킹 증폭기의 입력 임피던스를 Rin으로 정합하여 상기 주 증폭기와 보조 증폭기 사이의 정합을 맞추는
    도허티 전력 증폭 장치.
  14. 병렬로 연결한 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기가 도허티 동작이 일어나게 하는 도허티 전력 증폭 장치로서,
    상기 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기의 입력단에 각각 연결된 복수의 입력 정합 회로와,
    상기 캐리어 증폭기의 출력단에 연결되어 상기 캐리어 증폭기의 로드 라인 임피던스를 조절하는 임피던스 조절 회로와,
    상기 임피던스 조절 회로와 상기 피킹 증폭기의 후단에 연결된 출력 정합 회로와,
    상기 피킹 증폭기의 입력단에 연결된 입력 정합 회로의 전단에 연결되어 입력 전력레벨이 높아질 때에 상기 캐리어 증폭기 쪽보다 상기 피킹 증폭기로 쪽으로 더 많은 전력을 공급하는 전력 분배 회로와,
    상기 캐리어 증폭기의 입력단에 연결된 입력 정합 회로의 전단에 연결되어 전체적인 지연을 맞춰주는 제 2 지연 회로
    를 포함하는 도허티 전력 증폭 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 임피던스 조절 회로 및 제 2 지연 회로는, λ/4 트랜스포머이며,
    상기 전력 분배 회로는, λ/2 트랜스포머
    인 도허티 전력 증폭 장치.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 도허티 전력 증폭 장치는, 상기 피킹 증폭기와 출력 정합 회로의 사이에 연결되어 상기 피킹 증폭기 쪽으로의 아웃풋 임피던스를 무한대로 보내는 기능을 하는 ∠θP의 오프셋 라인
    을 더 포함하며,
    상기 임피던스 조절 회로 및 제 2 지연 회로는, λ/4 트랜스포머
    이고,
    상기 전력 분배 회로는, λ/2-∠θP 트랜스포머
    인 도허티 전력 증폭 장치.
  17. 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서,
    상기 λ/4 트랜스포머, λ/2 트랜스포머 또는 λ/2-∠θP 트랜스포머는, 인덕터(L)와 캐패시터(C)로 구성한 π-네트워크이며,
    상기 인덕터는, 마이크로 스트립라인
    인 도허티 전력 증폭 장치.
  18. 제 14 항에 있어서,
    상기 도허티 전력 증폭 장치는, 상기 임피던스 조절 회로의 최적 전원 임피던스를 Ropt라 할 때에, 상기 출력 정합 회로는 Ropt/2로 정합하며, 상기 임피던스 조절 회로의 특성 임피던스는 Ropt이며,
    상기 캐리어 증폭기 및 피킹 증폭기에 의해 도허티를 구성하는 주 증폭기의 최적 입력 임피던스를 Rin라 할 때에, RF 입력단의 보조 증폭기는 Rin/2로 정합하며, 상기 캐리어 증폭기 및 피킹 증폭기의 입력 임피던스를 Rin으로 정합하여 상기 주 증폭기와 보조 증폭기 사이의 정합을 맞추는
    도허티 전력 증폭 장치.
  19. 제 14 항에 있어서,
    상기 도허티 전력 증폭 장치는, 서로 동일한 n개의 상기 캐리어 증폭기와 피킹 증폭기를 병렬 연결하며, n개의 상기 임피던스 조절 회로를 상기 n개의 캐리어 증폭기의 출력단에 각각 연결하고, 2n개의 상기 입력 정합 회로를 상기 캐리어 증폭기 및 피킹 증폭기의 입력단에 각각 연결한 상태에서, 상기 n개의 임피던스 조절 회로의 개별 최적 전원 임피던스를 Ropt라 하고, 상기 캐리어 증폭기 및 피킹 증폭기에 의해 도허티를 구성하는 주 증폭기의 최적 입력 임피던스를 Rin라 할 때에,
    상기 출력 정합 회로는 Ropt/2n로 정합하며, 상기 n개의 임피던스 조절 회로의 특성 임피던스는 각각 Ropt이고,
    RF 입력단의 보조 증폭기는 Rin/2n로 정합하며, 상기 캐리어 증폭기 및 피킹 증폭기의 입력 임피던스를 Rin으로 정합하여 상기 주 증폭기와 보조 증폭기 사이의 정합을 맞추는
    도허티 전력 증폭 장치.
  20. 제 14 항에 있어서,
    상기 출력 정합 회로는, MMIC 칩에서 모듈로의 연결에 필요한 본딩 인덕터를 수동소자로 이용하는
    도허티 전력 증폭 장치.
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