KR101373658B1 - 전력 증폭 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 기술적 사상의 실시 예에 따른 전력 증폭 장치는 신호 입력단으로부터 전달되는 신호의 직류 성분을 차단하는 차단부, 상기 차단부에 연결되며, 상기 차단부로부터 전달된 신호를 안정화시키는 회로 보호부 및 상기 회로 보호부에 연결되며, 상기 회로 보호부로부터 전달받은 신호를 증폭하여 출력하는 증폭부를 포함하되, 상기 증폭부는 복수의 트랜지스터들을 포함하고, 상기 회로 보호부는 상기 복수의 트랜지터들의 베이스들을 각각 연결하는 저항들을 포함한다.

Description

전력 증폭 장치{POWER AMPLIFIER DEVICE}
본 발명은 전력 증폭 장치에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 트랜지스터로 구현되는 전력 증폭 장치에 관한 것이다.
최근 통신 시장의 확대에 따른 단말기 및 통신 기기에 대한 수요가 늘어남에 따라, 단말기 및 통신 기기의 소형화 및 경량화가 요구되고 있다. 이 경우, 단말기 및 통신 기기에서 소모되는 전력이 제품 성능의 중요한 일 부분을 차지한다.
유선 또는 무선 전화기나 휴대폰 등의 통신 기기에는 송신 출력단에 전력을 증폭시키는 전력 증폭 장치가 내장되어 있다. 이 전력 증폭 장치는 주로 트랜지스터를 이용하여 구현된다. 이러한 전력 증폭 장치의 경우, 증폭율을 높이기 위하여 트랜지스터들을 병렬로 배열된 형태의 전력 증폭 회로가 주로 사용되고 있다.
본 발명의 목적은 높은 전력 이득과 안정성을 갖는 전력 증폭 회로를 제공하는데 있다.
본 발명의 기술적 사상의 실시 예에 따른 전력 증폭 장치는 신호 입력단으로부터 전달되는 신호의 직류 성분을 차단하는 차단부, 상기 차단부에 연결되며, 상기 차단부로부터 전달된 신호를 안정화시키는 회로 보호부 및 상기 회로 보호부에 연결되며, 상기 회로 보호부로부터 전달받은 신호를 증폭하여 출력하는 증폭부를 포함하되, 상기 증폭부는 복수의 트랜지스터들을 포함하고, 상기 회로 보호부는 상기 복수의 트랜지터들의 베이스들을 각각 연결하는 저항들을 포함한다.
본 발명의 기술적 사상의 실시 예에 따르면, 트랜지스터들의 베이스들을 각각 연결하는 저항을 추가함으로써, 높은 안정성을 갖는 전력 증폭 회로를 제공한다.
이하에서는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 기술적 사상의 실시 예에 따른 전력 증폭기의 단위 셀을 보여주는 회로도이다.
도 1을 참조하면, 전력 증폭기의 단위 셀은 커패시터(C1), 복수의 저항들(R1~R3), 및 트랜지스터(Q1)를 포함한다. 자세히 설명하면, 제 1 트랜지스터(Q1)의 베이스는 제 1 및 제 2 저항(R1,R2)과 직렬로 연결된다. 제 3 저항(R3)의 일단은 제 1 및 제 2 저항의 사이에 연결된다. 제 1 커패시터(C1)는 제 1 저항(R1)에 직렬로 연결된다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 실시 예에 있어서, 전력 증폭기의 단위 셀은 바이어스 입력단(1a)을 통하여 직류 바이어스 전압(DC bias voltage)을 인가받는다. 전력 증폭기의 단위 셀은 신호 입력단(1b)을 통하여 RF 신호를 인가받는다. 즉, 전력 증폭기의 단위 셀은 직류 바이어스 경로와 RF 신호 경로로 구분될 수 있다.
직류 바이어스 경로에서는, 직류 바이어스 전압이 제 2 및 제 3 저항(R2,R3)을 통하여 제 1 트랜지스터(Q1)의 베이스에 인가된다. 이 경우, 제 2 및 제 3 저항(R2,R3)의 합은 전력 증폭기의 단위 셀을 전기적으로 안정되게 한다. 즉, 온도 상승에 따른 내부 전위 장벽(built-in potential)의 감소에 의한 전류가 증가하는 경우, 제 2 및 제 3 저항(R2,R3)의 합은 제 1 트랜지스터(Q1)의 베이스-에미터 전압(Vbe)을 줄여주는 음의 부궤환(negative feedback)을 형성한다. 따라서, 전력 증폭기의 단위 셀은 전기적으로 안정된다.
RF 신호 경로에서는, RF 신호가 제 1 커패시터(C1), 제 1 및 제 2 저항(R1,R2)을 통하여 제 1 트랜지스터(Q1)의 베이스에 인가된다. 이 경우, 제 1 커패시터(C1)는 신호 입력단(1b)을 통하여 인가되는 직류 성분을 차단하는 역할을 한다. 제 1 및 제 2 저항(R1,R2)의 합은 전력 증폭기의 단위 셀을 전기적으로 안정되게 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 기술적 사상의 실시 예에 따른 전력 증폭기의 단위 셀은 직류 바이어스 경로와 RF 신호 경로로 구분된다. 따라서, 전력 증폭기의 단위 셀은 전기적으로 안정될 수 있다. 또한, 제 1 및 제 2 저항(R1,R2) 사이에 제 3 저항(R3)이 병렬로 연결된다. 제 3 저항(R3) 값이 적절한 값으로 설정됨으로써, 상기 전력 증폭기의 단위 셀의 이득은 적절한 값으로 조정될 수 있다.
한편, 본 발명의 기술적 사상에 따른 실시 예에 있어서, 제 1 트랜지스터(Q1)는 바이폴라 트랜지스터(BJT)가 사용되었다. 예를 들어, 제 1 트랜지스터(Q1)는 이종 접합 바이폴라 트랜지스터(HBT, Heterojunction Bipolar Transistor)가 사용될 수 있다. 다른 예로, 제 1 트랜지스터(Q1)는 갈륨비소 이종 접합 바이폴라 트랜지스터(GaAs HBT)가 사용될 수 있다. 다만, 이는 예시적인 것으로 이해되어야 할 것이다. 예를 들어, 제 1 트랜지스터는 MOS 트랜지스터일 수 있다.
한편, 본 발명의 기술적 사상의 실시 예에 따른 전력 증폭기는 도 1의 전력 증폭기의 단위 셀이 반복적으로 병렬 연결된 구조이다. 이는 이하의 도 2에서 좀더 상세하게 설명될 것이다.
도 2는 본 발명의 기술적 사상의 실시 예에 따른 전력 증폭기를 보여주는 회로도이다.
도 2를 참조하면, 전력 증폭기(100)는 차단부(10), 증폭 조정부(20), 회로 보호부(30), 및 증폭부(40)를 포함한다.
차단부(10)는 신호 입력단(1b) 및 증폭 조정부(20) 사이에 연결된다. 차단부(10)는 복수의 커패시터들(C1~Cn)을 포함한다. 차단부(10)는 신호 입력단(1b)으로부터 인가되는 직류 성분을 차단하는 역할을 한다.
증폭 조정부(20)는 바이어스 입력단(1a) 및 회로 보호부(30) 사이에 연결된다. 증폭 조정부(20)는 복수의 저항들(R31~R3n)을 포함한다. 구체적으로, 증폭 조정부(20)의 저항들(R31~R3n)의 일단은 바이어스 입력단(1a)에 연결된다. 증폭 조정부(20)의 저항들(R31~R3n)의 타단은 회로 보호부(30)의 저항들(R11~R1n) 및 저항들(R21~R2n) 사이에 연결된다. 증폭 조정부(20)는 바이어스 입력단(1a)으로부터 전달받은 직류 바이어스 전압을 회로 보호부(30)에 전달한다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 실시 예에 있어서, 증폭 조정부(20)의 저항들(R31~R3n)은 입력된 신호, 이득의 감소 및 전력 손실을 방지하기 위하여 적절한 값으로 정해질 것이다. 따라서, 회로 보호부(30)에 전달되는 직류 바이어스 전압 레벨은 적절한 값으로 조정될 수 있다.
회로 보호부(30)는 차단부(10), 증폭 조정부(20), 및 증폭부(40)에 연결된다. 회로 보호부(30)는 복수의 저항들(R11~R1n,R21~R2n,R41~R4n)을 포함한다.
구체적으로, 회로 보호부(30)의 저항들(R11~R1n) 및 저항들(R11~R1n)은 서로 직렬로 연결된다. 회로 보호부(30)의 저항들(R11~R1n)은 차단부(10)의 커패시터들(C1~Cn)에 직렬로 연결된다. 회로 보호부(30)의 저항들(R11~R1n) 및 저항들(R21~R2n) 사이의 노드들(N11~N1n)은 증폭 조정부(20)의 저항들(R31~R3n)에 연결된다. 회로 보호부(30)의 저항들(R21~R2n) 및 저항들(R41~R4n) 사이의 노드들(N21~N2n)은 트랜지스터들(Q1~Qn)의 베이스에 연결된다.
회로 보호부(30)는 차단부(10)로부터 전달받은 신호를 증폭부(40)에 전달한다. 회로 보호부(30)의 저항들(R11~R1n) 및 저항들(R21~R2n)은 차단부(10)로부터 전달받은 신호를 안정화시켜 출력한다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 실시 예에 있어서, 회로 보호부(30)의 저항들(R41~R4n)은 트랜지스터들(Q1~Qn)의 베이스들 사이에 각각 연결된다. 예를 들어, 저항(R41)은 노드(N21) 및 노드(N22) 사이에 연결된다. 따라서, 각각의 트랜지스터들(Q1~Qn)의 바이어스 동작점이 다르게 되는 경우, 회로 보호부(30)의 저항들(R41~R4n)은 부궤환(feed back) 작용을 하여 전력 증폭기(100)를 안정화시킨다.
증폭부(40)는 회보 보호부(30) 및 출력단(2)에 연결된다. 증폭부(40)는 상기 회로 보호부(30)로부터 전달받은 신호를 증폭하여 출력단(2)으로 출력한다.
구체적으로, 증폭부(40)의 트랜지스터들(Q1~Qn)은 베이스를 통하여 신호 입력단(1b)으로부터 전달되는 신호를 인가받는다. 증폭부(40)의 트랜지스터들(Q1~Qn)은 베이스를 통하여 바이어스 입력단(1a)으로부터 전달되는 트랜지스터들(Q1~Qn)을 구동하기 위한 바이어스 전압을 인가받는다. 증폭부(40)의 트랜지스터들(Q1~Qn)은 전달받은 신호를 증폭하여 출력단(2)으로 출력한다.
출력단(2)은 전력 증폭기(100)가 최대의 출력 전압 또는 이득을 갖는 정합회로와 연결된다. 정합회로는 보통 인덕터(L)와 커패시터(C)의 조합으로 구성된다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 전력 증폭기(100)는 상술한 구조를 갖는다. 이하에서는 전력 증폭기(100)의 일련의 동작이 좀더 상세하게 설명될 것이다.
신호 입력단(1b)으로부터 신호는 차단부(10)에 전달된다. 차단부(10)의 커패시터들(C1~Cn)은 전달된 신호의 직류 성분을 차단한다. 또한, 차단부(10)의 커패시터들(C1~Cn)은 입력 쪽에서의 반사 계수를 낮추는 역할을 수행한다.
차단부(10)를 통과한 신호들은 회로 보호부(30)에 전달된다. 회로 보호부(30)의 저항들(R11~R1n) 및 저항들(R21~R2n)은 전달된 신호를 안정화시킨다.한편, 증폭 조정부(20)의 저항들(R31~R3n)의 저항 값은 적정한 값으로 설정된다. 따라서, 트랜지스터들(Q1~Qn)의 베이스에는 적정한 값의 입력 바이어스가 인가될 것이다.
회로 보호부(30)를 통과한 신호들은 증폭부(30)의 트랜지스터들(Q1~Qn)에 전달된다. 증폭 조정부(20)를 통과한 바이어스 전류는 증폭부(30)의 트랜지스터들(Q1~Qn)에 전달된다. 증폭부(30)의 트랜지스터들은 신호 및 바이어스 전류를 증폭하여 출력한다.
한편, 회로 보호부(30)의 저항들(R41~R4n)은 트랜지스터들(Q1~Qn)의 베이스에 각각 연결된다. 트랜지스터들(Q1~Qn)의 바이어스 동작점이 다른 경우, 회로 보호부(30)의 저항들(R41~R4n)은 부궤환(feed-back) 작용을 통하여 전력 증폭기(100)를 안정화시킨다.
도 3a는 본 발명의 기술적 사상의 실시 예에 따른 바이어스 회로를 보여주는 회로도이다. 도 3a의 바이어스 회로에 의하여 생성된 바이어스 출력(BIAS OUT)은 도 2의 바이어스 입력단(1a)에 전달된다.
도 3a를 참조하면, 바이어스 회로(200)는 저항(220) 및 트랜지스터(210)를 포함한다. 트랜지스터(210)의 콜렉터(collector)는 저항(220)과 연결되고, 트랜지스터(210)의 에미터(emitter)는 그라운드(ground)와 연결된다. 트랜지스터(210)의 베이스(base)는 콜렉터(collector)와 연결된다. 기준 전압(Vref)은 저항(220)을 통 하여 트랜지스터(Q1)에 인가되고, 바이어스 출력(BIAS OUT)은 트랜지스터(Q1)의 베이스(base)를 통하여 출력된다.
도 3b는 본 발명의 다른 기술적 사상의 실시 예에 따른 바이어스 회로를 보여주는 회로도이다. 도 3b의 바이어스 회로(300)는 도 3a의 바이어스 회로(200)와 유사하다. 다만, 도3b의 바이어스 회로(300)는 전류 미러(corrent mirror)에 의하여 바이어스 출력(BIAS OUT)을 생성한다.
도 4a는 본 발명의 기술적 사상의 실시 예에 따른 정합 회로를 보여주는 회로도이다. 도 4a의 정합 회로(400)의 입력 포트(3)는 도 2의 출력단(2)으로부터 RF 신호를 인가받는다.
도 4a를 참조하면, 정합 회로(400)는 입력 포트(3), 출력 포트(4a,4b), 복수의 커패시터들(411~417), 및 복수의 인덕터들(421~423)을 포함한다.
제 1 경로에서, 커패시터(412) 및 인덕터(421)는 병렬 공진 회로를 구성한다. 커패시터(412) 및 인덕터(421)의 값은 병렬 공진 회로가 소정 대역의 RF 신호들에 대해 병렬 공진 개방 회로(parallel resonant open circuit)를 제공하도록 선택될 수 있다. 이 경우, 소정 대역의 RF 에너지는 출력 포트(4a)에 전달되지 않는다.
제 2 경로에서, 인덕터(423) 및 커패시터(417)는 소정 대역 주파수에서 단락 회로를 제공하는 직렬 공진 회로를 형성한다. 직렬 공진 회로는 소정 대역의 주파수에 높은 반사를 제공하여, 소정 대역의 RF 에너지가 출력 포트(4b)에 제공되지 않도록 한다.
도 4b는 본 발명의 기술적 사상의 다른 실시 예에 따른 정합 회로를 보여주는 회로도이다. 도 4b의 정합 회로(500)는 도 4a의 정합 회로(400)와 유사하다. 다만, 도 4b의 정합 회로(500)에서는 도 4a의 커패시터(415)가 인덕터(524) 및 커패시터(517)로 대체되어 있다.
본 발명의 범위 또는 기술적 사상을 벗어나지 않고 본 발명의 구조가 다양하게 수정되거나 변경될 수 있음은 이 분야에 숙련된 자들에게 자명하다. 상술한 내용을 고려하여 볼 때, 만약 본 발명의 수정 및 변경이 아래의 청구항들 및 동등물의 범주 내에 속한다면, 본 발명이 이 발명의 변경 및 수정을 포함하는 것으로 여겨진다.
도 1은 본 발명의 기술적 사상의 실시 예에 따른 전력 증폭기의 단위 셀을 보여주는 회로도이다.
도 2는 본 발명의 기술적 사상의 실시 예에 따른 전력 증폭기를 보여주는 회로도이다.
도 3a는 본 발명의 기술적 사상의 실시 예에 따른 바이어스 회로를 보여주는 회로도이다.
도 3b는 본 발명의 다른 기술적 사상의 실시 예에 따른 바이어스 회로를 보여주는 회로도이다.
도 4a는 본 발명의 기술적 사상의 실시 예에 따른 정합 회로를 보여주는 회로도이다.
도 4b는 본 발명의 기술적 사상의 다른 실시 예에 따른 정합 회로를 보여주는 회로도이다.

Claims (10)

  1. 신호 입력단으로부터 전달되는 신호의 직류 성분을 차단하는 차단부;
    상기 차단부에 연결되며, 상기 차단부로부터 전달되는 신호를 안정화하는 회로 보호부; 및
    상기 회로 보호부에 연결되며, 상기 회로 보호부로부터 전달되는 신호를 증폭하는 증폭부를 포함하며,
    상기 증폭부는 상기 회로 보호부에 병렬로 연결된 복수의 트랜지스터들을 포함하고, 상기 회로 보호부는 상기 복수의 트랜지스터들의 베이스들 사이에 연결된 저항들을 포함하는 전력 증폭 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 트랜지스터들의 바이어스 동작점이 다른 경우, 상기 복수의 트랜지스터들의 베이스들 사이에 연결된 저항들은 부궤환 루프를 형성하는 전력 증폭 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 차단부는 상기 신호 입력단에 병렬로 연결된 복수의 커패시터들을 포함하는 전력 증폭 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 복수의 커패시터들은 상기 신호 입력단으로부터 전달되는 신호에 대한 반사 계수를 감소시키는 전력 증폭 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 회로 보호부는 상기 차단부의 각 커패시터 및 상기 증폭부의 각 트랜지스터 사이에 연결된 저항들을 더 포함하는 전력 증폭 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 회로 보호부 및 바이어스 입력단 사이에 연결되며, 상기 바이어스 입력단으로부터 전달된 바이어스 신호의 전압 레벨을 조정하는 증폭 조정부를 더 포함하는 전력 증폭 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 증폭 조정부는 상기 바이어스 입력단에 병렬로 연결된 복수의 저항들을 포함하는 전력 증폭 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 트랜지스터들의 콜렉터들은 공통의 정합 회로에 연결되는 것을 특징으로 하는 전력 증폭 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 트랜지스터들은 이종 접합 바이폴라 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 전력 증폭 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 트랜지스터들은 갈륨비소 이종 접합 바이폴라 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 전력 증폭 장치.
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