KR100824773B1

KR100824773B1 - 선형 전력 증폭방법

Info

Publication number: KR100824773B1
Application number: KR1020060112757A
Authority: KR
Inventors: 홍성철; 장재민
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2006-11-15
Filing date: 2006-11-15
Publication date: 2008-04-24

Abstract

본 발명은, 위상 정보를 가진 고주파 신호를 하나의 입력으로 가지고, 포락선 정보를 가진 디지털 신호를 다른 하나의 입력으로 가지는 전력증폭기를 이용한 선형 전력 증폭방법에 관한 것으로서, 증폭단은 두 개 이상의 능동소자를 이용하여 캐스코드 구조로 형성하고, 증폭단의 출력을 대역통과필터를 통과시켜서 입력신호에 선형한 출력신호를 복원하는 것을 특징으로 한다. 상기 캐스코드 구조에서, 공통 게이트 트랜지스터(또는 공통 베이스 트랜지스터)의 입력에는 포락선 정보를 가진 디지털 신호를 인가하고, 공통 소스 트랜지스터(또는 공통 이미터 트랜지스터)의 입력에는 위상 정보를 가진 신호가 인가된다. 본 발명에 의하면, S급 전력증폭기나 DC-DC 컨버터, LDO와 같은 레귤레이터를 사용하지 않기 때문에 공급전압을 전달하기 위한 회로에서 발생하는 손실에 의해 전력증폭기의 효율이 열화되는 것을 방지할 수 있다.

전력증폭기, 캐스코드, 포락선 변조, 펄스폭 변조(PWM), 델타-시그마 변조(DSM), DC-DC 컨버터, LDO

Description

선형 전력 증폭방법 {Method for Linear Power Amplification}

도 1은 무선통신 시스템용 송신기 구조로 사용되는 EER(Envelope Elimination and Restoration) 방식의 종래의 송신기 구조의 일반적인 회로구성을 나타낸 도면;

도 2는 무선통신 시스템용 송신기 구조로 사용되는 종래의 폴라(polar) 송신기 구조의 일반적인 회로구성을 나타낸 도면;

도 3은 무선통신 시스템에 사용되는 비선형 전력증폭기에 DC-DC 컨버터를 이용하여 공급전압을 입력하는 종래기술의 예를 설명하기 위한 회로도;

도 4는 도 3의 E급 전력증폭기를 형성하기 위한 정합회로의 일 예를 나타낸 회로도;

도 5는 무선통신 시스템에 사용되는 비선형 전력증폭기에 S급 전력증폭기를 이용하여 공급전압을 입력하는 종래기술의 구조의 회로도;

도 6은 본 발명에 의한 선형 전력 증폭방법이 구현되는 전력 증폭기의 구조를 나타낸 도면;

도 7은 도 6의 구조를 차동구조로 구성한 회로도; 및

도 8은 도 6의 캐스코드 구조의 비선형 전력 증폭단의 공통 소스 트랜지스터 와 공통 게이트 트랜지스터 사이에 또 하나의 공통 게이트 트랜지스터를 추가한 회로의 하나의 예시를 나타낸 회로도이다.

* 도면 중의 주요 부분에 대한 부호 설명 *

100: 비선형 전력증폭기

101: 커플러

102: 시간 지연기

103: 리미터

104: 포락선 검출기

105: 펄스폭변조기

106: S급 전력증폭기

107: 저역통과필터

108: 디지털 I/Q 변조기

109: 위상 변조기

110: RF VCO ((Radio Frequency Voltage Controlled Oscillator)

111: 포락선 변조기

112: DC-DC 컨버터

113: LDO ((Low Drop Output)

114: 대역통과필터

115: 정합회로

200: 공통 소스 트랜지스터

201, 201': 공통 게이트 트랜지스터

210: RF 쵸크(RF Choke)

본 발명은 선형 전력 증폭방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 무선통신 시스템용 송신기 등에서 포락선 신호와 위상 신호를 분리한 후 이를 다시 전력 증폭기에서 합쳐줌으로써 입력 신호에 선형한 출력 신호를 생성하되, 변조된 포락선 정보를 전달하기 위해 사용하는 부품에서 발생하는 손실을 최소화함으로써 선형성 특성을 유지하면서 효율 특성의 열화를 방지할 수 있는 선형 전력 증폭방법에 관한 것이다.

도 1은 무선통신 시스템용 송신기 구조로 사용되는 EER(Envelope Elimination and Restoration) 방식의 종래의 송신기 구조의 일반적인 회로구성을 나타낸 도면이다. EER 송신기 구조는 포락선 정보와 위상 정보를 분리하여 증폭하고 각각을 전력증폭기에서 다시 합쳐줌으로써 고효율을 가지면서 입력 신호에 선형한 출력 신호를 생성하는 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이, EER 송신기는, 입력신호에서 포락선 정보를 분리하는 커플러(101)와, 커플러(101)에서 포락선 정보를 추출하는 포락선 검출기(104), 검출된 포락선 정보를 디지털 신호로 변환하는 펄스폭변조기(105), 변환된 디지털 신호를 증폭하는 S급 전력증폭기(106), 증폭된 디지털 펄스 신호에서 포락선 정보를 추출하는 저역통과필터(107)를 통해 포락선 정보를 전달하는 한편, 시간 지연기(102)와 리미터(limiter; 103)를 통해 위상정보를 전달하게 된다.

이러한 고효율 선형 송신기를 위한 종래기술의 또 다른 구조로는 폴라(polar) 송신기 구조가 있는데, 이는 도 2에 도시되었다. 도 2에 도시된 폴라 송신기는 기저대역(baseband)의 I/Q 신호를 디지털 I/Q 변조기(108)와 포락선 변조기(111)에 차례로 거치게 하여 진폭 변조한 후, DC-DC 컨버터(112)나 LDO(Low Drop Output; 113)를 사용하여 포락선 신호를 비선형 전력증폭기(100)에 전달하고, I/Q 신호를 위상변조기(109)에 의해 위상변조하고 RF VCO(Radio Frequency Voltage Controlled Oscillator; 110)를 사용하여 위상 신호를 비선형 전력증폭기(100)에 전달하는 구조를 가지게 된다. 이 구조 역시 비선형 전력 증폭기(100)를 사용하여 고효율의 특성을 가질 수 있으며, 선형 특성을 위해 공급전압을 DC-DC 컨버터(112)나 LDO(113)로 변경시켜 줌으로써 포락선 정보를 가지는 고주파 신호를 생성할 수 있다.

상기 EER 송신기나 폴라(polar) 송신기는 포락선 신호와 위상 신호를 분리하여 전력증폭기로 전달함으로써, 선형 입력에 따른 선형 출력을 낼 수 있으면서, 고효율의 비선형 전력증폭기를 사용할 수 있다는 것에 그 핵심이 있다. 하지만, 상기 두 송신기 모두 포락선 신호를 전달하는 과정에서 S급 전력증폭기나 DC-DC 컨버터, LDO 등을 사용해야 하는데, 이 회로들이 소모하는 전력 손실이 전체 송신기의 효율을 감소시키게 되어 고효율의 비선형 증폭기를 사용하는 장점을 잃게 된다.

도 3은 DC-DC 컨버터와 E급 전력증폭기를 결합한 예시 도면으로서, 더 구체적으로는, 무선통신 시스템에 사용되는 비선형 전력증폭기(100)에 DC-DC 컨버터(112)를 이용하여 공급전압을 입력하는 종래기술의 예를 설명하기 위한 회로도이다. 인덕터와 커패시터 등을 이용한 정합회로를 구성하여 E급 전력증폭기를 형성할 수 있다. 도 3을 참조하면, DC-DC 컨버터(112)의 출력은 비선형 전력증폭기(100)의 공급전압으로서 RF 쵸크(RF Choke; 210)를 거쳐 공통 소스 트랜지스터(200)의 드레인 바이어스에 인가된다.

도 4는 도 3의 E급 전력증폭기를 형성하기 위한 정합회로의 일 예를 나타낸 회로도이다. 도 4를 참조하면, 인덕터(Ls)와 커패시터들(Cp 및 Cs)에 의해 정합회로가 구성됨을 알 수 있다. 그런데, E급 전력증폭기는 효율 특성은 좋지만 비선형 전력증폭기이기 때문에 출력이 입력에 대하여 선형성 특성이 좋지 않다. 하지만 E급 전력증폭기는 공급전압에 의해 출력의 크기가 결정되므로, 입력에 선형한 출력을 위하여 공급전압을 DC-DC 컨버터를 통하여 입력의 포락선 모양과 동일하게 공급하여 줌으로써 선형한 출력 신호를 얻을 수 있다. 그러나 E급 전력증폭기가 DC-DC 컨버터를 통하여 공급전압을 입력받게 되면 DC-DC 컨버터의 손실이 전체 전력증폭기의 효율이 감소시키는 주된 요인이 된다.

도 5는 무선통신 시스템에 사용되는 비선형 전력증폭기에 S급 전력증폭기를 이용하여 공급전압을 입력하는 종래기술의 구조의 회로도로서, S급 전력증폭기(106)와 E급 비선형 전력증폭기(100)를 결합한 예시 도면이다. 이러한 구조에서는, S급 전력증폭기(106)를 이용하여 포락선 정보를 증폭하고 이를 저역통과 필 터(107)를 거쳐서 공급전압으로 입력해주게 된다. 위상정보는 E급 비선형 전력증폭기(100)의 입력으로 들어가서 E급 비선형 전력증폭기(100)에서 포락선 정보와 위상정보가 결합하여 포락선을 가진 고주파 신호가 생성되게 된다. 그런데, 이 경우에도 도 3의 경우와 마찬가지로 S급 전력증폭기(106)의 손실에 의해 전체 전력증폭기의 효율이 감소할 뿐만 아니라, S급 전력증폭기(106)와 E급 비선형 전력증폭기(100)의 사이에 필요로 하는 저역통과필터(107)에 의한 손실에 의해 더 큰 효율의 감소가 발생할 수 있다.

따라서, 본 발명의 기술적 과제는, 디지털 송신기를 위한 EER 송신기나 폴라 송신기를 구성할 경우 S급 전력증폭기, DC-DC 컨버터, LDO와 같은 비선형 전력증폭기에 전력을 공급하는 회로에서 발생하는 손실을 최소화하면서, 전체 송신기의 선형성과 효율을 개선할 수 있는 선형 전력 증폭방법을 제공하는 것이다.

상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제1 관점에 따른 선형 전력 증폭방법은: 무선통신 시스템용 송신기에서 포락선 신호와 위상 신호를 분리한 후 이를 다시 전력 증폭기에서 합쳐줌으로써 입력 신호에 선형한 출력 신호를 생성하는 방법으로서,

공통 소스 트랜지스터 및 공통 게이트 트랜지스터로 구성된 캐스코드 구조의 비선형 전력 증폭단을 마련하는 단계와;

상기 캐스코드 구조의 비선형 전력 증폭단에서, 상기 공통 소스 트랜지스터의 게이트에는 고주파 위상 신호를 인가하며, 상기 공통 게이트 트랜지스터의 게이트에는 선형성 정보를 포함하며 디지털적으로 변조된 포락선 신호를 인가하는 단계;

를 구비하되,
상기 공통 소스 트랜지스터 및 공통 게이트 트랜지스터는 NMOS 또는 PMOS 트랜지스터이며, 상기 비선형 전력 증폭단이 차동구조로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

삭제

상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제2 관점에 따른 선형 전력 증폭방법은:

무선통신 시스템용 송신기에서 포락선 신호와 위상 신호를 분리한 후 이를 다시 전력 증폭기에서 합쳐줌으로써 입력 신호에 선형한 출력 신호를 생성하는 방법으로서,

공통 이미터 트랜지스터 및 공통 베이스 트랜지스터로 구성된 캐스코드 구조의 비선형 전력 증폭단을 마련하는 단계와;

상기 캐스코드 구조의 비선형 전력 증폭단에서, 상기 공통 이미터 트랜지스터의 베이스에는 고주파 위상 신호를 인가하며, 상기 공통 베이스 트랜지스터의 베이스에는 선형성 정보를 포함하며 디지털적으로 변조된 포락선 신호를 인가하는 단계;

를 구비하되,
상기 공통 이미터 트랜지스터 및 공통 베이스 트랜지스터는 NPN형 BJT 또는 PNP형 BJT이며, 상기 비선형 전력 증폭단이 차동구조로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

삭제

또한, 상기 비선형 전력 증폭단이 E급 전력 증폭단 또는 F급 전력 증폭단이 되도록 할 수도 있다.

한편, 제1 관점의 경우, 상기 비선형 전력 증폭단의 캐스코드 구조에서 상기 공통 소스 트랜지스터와 상기 공통 게이트 트랜지스터 사이에 하나 이상의 공통 게이트 트랜지스터가 연결되도록 할 수도 있다.

제2 관점의 경우, 상기 비선형 전력 증폭단의 캐스코드 구조에서 상기 공통 이미터 트랜지스터와 상기 공통 베이스 트랜지스터 사이에 하나 이상의 공통 베이스 트랜지스터가 연결되도록 할 수도 있다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다.

도 6은 본 발명에 의한 선형 전력 증폭방법이 구현되는 전력 증폭기의 구조를 나타낸 도면이다. 도 6을 참조하면, 공통 소스 트랜지스터(200)와 공통 게이트 트랜지스터(201)가 캐스코드 구조의 비선형 전력 증폭단을 구성한다. 공통 소스 트랜지스터(200)와 공통 게이트 트랜지스터(201)로서 NMOS 트랜지스터를 사용하였다. 이러한 전력 증폭단과 정합회로(115)를 이용하여 E급 전력증폭기(100)를 구성하였다. E급 전력증폭기(100)를 구성하기 위한 정합회로로는 도 4에 도시된 바와 같은 형태의 정합회로를 하나의 예로서 사용할 수 있다. 캐스코드 구조의 비선형 전력 증폭단을 구성하는 소자로서 본 실시예에서는 NMOS 트랜지스터를 사용하였으나, 그 외에도 PMOS를 사용할 수도 있으며, NMOS는 NPN형 BJT로, PMOS는 PNP형 BJT로 쉽게 교체가 가능하므로, 따로 BJT를 이용한 전력 증폭기 구조에 대한 기술은 생략하기로 한다. NMOS 트랜지스터와 같은 능동소자와 정합회로를 이용하여 이루어진 고효율 특성의 E급 전력증폭기에서 공통 게이트 트랜지스터를 추가하여 캐스코드 구조를 만들어 디지털 신호를 입력하고, 정합회로(115)를 거친 출력신호를 대역통과 필터(114)를 통과하게 한다. 이리하면 비선형 전력증폭기를 사용하고도 선형한 입력-출력 특성을 가질 수 있다. 캐스코드 구조의 비선형 전력 증폭단을 구성하는 공통 소스 트랜지스터(200)의 게이트에는 위상정보를 가진 고주파 신호(V_IN)가 입력되며, 공통 게이트 트랜지스터(201)의 게이트에는 포락선 신호를 펄스폭변조(PWM)나 델타시그마변조(DSM)을 한 1-비트(bit)의 디지털 신호(V_S)가 입력된다. 이 디지털로 변환된 신호(V_S)는 공통 게이트 트랜지스터(201)를 온/오프(ON/OFF)시켜서 전력증폭기(100)가 위상정보에 포락선 정보를 포함한 고주파 신호(V_OUT)를 출력하도록 한다. 전력증폭기(100)의 출력신호는 대역통과필터(114)를 거쳐서 초기 입력신호에 선형한 최종 신호가 된다. 상기 전력증폭기(100)는 정합회로(115)를 여러 형태로 조절하여 E급이나 F급 동작을 하도록 만들 수 있다. 상기 전력증폭기(100)는 디지털로 변환된 신호를 S급 전력증폭기, DC-DC 컨버터, LDO와 같은 추가적인 전력공급장치에 의해 공급전압을 입력받지 않고 손실이 없는 일정한 공급전압을 캐스코드 구조로 된 증폭단이 입력받으면서도 포락선 정보는 공통 게이트 트랜지스터(201)의 게이트를 통해 입력받기 때문에 선형한 출력을 유지하면서도 공급전압과 관련된 손실 이 발생하지 않는다. 추가적으로 상기 전력증폭기(100)의 고정된 공급전압은 출력신호의 전력 레벨을 조절하는 용도로 바꾸어 줄 수 있다.

도 7은 도 6의 구조를 차동구조로 구성한 회로도이다. 입력 신호는 캐스코드 구조의 비선형 전력 증폭단을 구성하는 공통 소스 트랜지스터(200)의 게이트로 위상정보를 가진 고주파 차동신호(V_IN+, V_IN-)가 입력되며, 공통 게이트 트랜지스터(201)에는 포락선 신호를 디지털 변환한 신호(V_S)가 공통적으로 입력이 된다. 이 구조 역시 일정한 공급전압을 입력받으면서 포락선 정보와 위상정보를 동시에 포함한 고주파 출력신호(V_OUT)를 생성할 수 있다. 상기 차동구조의 전력증폭기(100)에서 정합회로(115)를 조정함으로써 E급이나 F급 동작을 하도록 만들 수 있다. 도 7에 포함된 정합회로(115)는 변압기를 사용한 것을 하나의 예로서 나타내었다.

도 8은 도 6의 캐스코드 구조의 비선형 전력 증폭단의 공통 소스 트랜지스터(200)와 공통 게이트 트랜지스터(201) 사이에 또 하나의 공통 게이트 트랜지스터(201')를 추가한 회로의 하나의 예시를 나타낸 회로도이다. 추가된 공통 게이트 트랜지스터(201')는 다수가 추가될 수 있으며, 그 입력은 임의의 바이어스(V_BIAS)를 인가해 주거나 정합회로(115)와 연결되어 있는 공통 게이트 트랜지스터(201)와 같이 포락선 정보를 디지털로 변환한 신호(V_S)를 인가해 줄 수도 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 디지털 전송기나 EER 전송기, 폴 라(polar) 전송기와 같은 구조에서 변조된 포락선 정보를 전달하기 위해 사용하는 S급 전력증폭기나 DC-DC 컨버터, LDO와 같은 레귤레이터에서 발생하는 손실을 최소화시켜서 선형성 특성을 유지하면서 효율 특성의 열화가 방지된 선형 전력 증폭효과를 얻을 수 있다.

Claims

무선통신 시스템용 송신기에서 포락선 신호와 위상 신호를 분리한 후 이를 다시 전력 증폭기에서 합쳐줌으로써 입력 신호에 선형한 출력 신호를 생성하는 선형 전력 증폭방법에 있어서,

공통 소스 트랜지스터 및 공통 게이트 트랜지스터로 구성된 캐스코드 구조의 비선형 전력 증폭단을 마련하는 단계와;

상기 캐스코드 구조의 비선형 전력 증폭단에서, 상기 공통 소스 트랜지스터의 게이트에는 고주파 위상 신호를 인가하며, 상기 공통 게이트 트랜지스터의 게이트에는 선형성 정보를 포함하며 디지털적으로 변조된 포락선 신호를 인가하는 단계;를 구비하되,

상기 공통 소스 트랜지스터 및 공통 게이트 트랜지스터는 NMOS 또는 PMOS 트랜지스터이며, 상기 비선형 전력 증폭단이 차동구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 선형 전력 증폭방법.
삭제
무선통신 시스템용 송신기에서 포락선 신호와 위상 신호를 분리한 후 이를 다시 전력 증폭기에서 합쳐줌으로써 입력 신호에 선형한 출력 신호를 생성하는 선형 전력 증폭방법에 있어서,

공통 이미터 트랜지스터 및 공통 베이스 트랜지스터로 구성된 캐스코드 구조의 비선형 전력 증폭단을 마련하는 단계와;

상기 캐스코드 구조의 비선형 전력 증폭단에서, 상기 공통 이미터 트랜지스터의 베이스에는 고주파 위상 신호를 인가하며, 상기 공통 베이스 트랜지스터의 베이스에는 선형성 정보를 포함하며 디지털적으로 변조된 포락선 신호를 인가하는 단계;를 구비하되,

상기 공통 이미터 트랜지스터 및 공통 베이스 트랜지스터는 NPN형 BJT 또는 PNP형 BJT이며, 상기 비선형 전력 증폭단이 차동구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 선형 전력 증폭방법.
삭제
삭제
제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 비선형 전력 증폭단이 E급 전력 증폭단 또는 F급 전력 증폭단인 것을 특징으로 하는 선형 전력 증폭방법.
제1항에 있어서, 상기 비선형 전력 증폭단의 캐스코드 구조에서 상기 공통 소스 트랜지스터와 상기 공통 게이트 트랜지스터 사이에 하나 이상의 공통 게이트 트랜지스터가 연결된 것을 특징으로 하는 선형 전력 증폭방법.
제3항에 있어서, 상기 비선형 전력 증폭단의 캐스코드 구조에서 상기 공통 이미터 트랜지스터와 상기 공통 베이스 트랜지스터 사이에 하나 이상의 공통 베이스 트랜지스터가 연결된 것을 특징으로 하는 선형 전력 증폭방법.