KR101683285B1 - 포화 동작을 사용하는 고효율 전력 증폭 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

포화 동작을 사용하는 고효율 전력 증폭 장치 및 그 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 포화 전력 증폭 장치에 있어서, 전력 소자와, 상기 전력 소자의 로드 임피던스를 정합하는 출력 정합부를 포함하며, 상기 로드 임피던스는 상기 포화 전력 증폭 장치의 전력 정합(power matching) 동작시의 임피던스를 초과하는 복소 임피던스값을 갖는 것을 특징으로 한다.
Figure R1020090006210
복소 임피던스, knee 영역, 고선형성, 고효율성, 최적 임피던스

Description

포화 동작을 사용하는 고효율 전력 증폭 장치 및 그 제어 방법{HIGHLY EFFICIENT POWER AMPLIFICATION APPARATUS USING A SATURATED OPERATION AND METHOD THEREOF}
본 발명은 고효율 전력 증폭 장치 및 그 제어 방법에 관한 것으로서, 특히 포화 동작을 사용하는 고효율 전력 증폭 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
이동 통신 시스템에서 CDMA(Code Division Multiple Access) 방식과, WCDMA(Wideband CDMA) 방식과, WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access) 방식과, LTE(Long Term Evolution) 방식과 같이 주파수 대역 자체의 신호 효율을 증가시키는 이동 통신 방식을 사용할 경우, 상기 이동 통신 시스템은 정해진 주파수 대역 내에서 신호 효율을 증가시키기 위해서는 복잡한 변조 신호를 사용해야 한다. 이런 복잡한 변조 신호는 비교적 높은 피크대 평균 전력비(PAPR: Peak-to-Average Power Ratio, 이하 PAPR이라 칭하기로 한다)를 특징으로 하는 non-constant envelope 신호이다. 상기 non-constant envelope 변조 신호에 대해서는 선형성이 매우 중요한 요인으로 작용하며, 따라서, 상기 이동 통신 시스템은 고선형성과 고효율 특성을 유지하면서 신호를 증폭해야만 한다.
그런데, 고선형성을 유지하기 위해서는 저효율 특성을 가지는 전력 범위에서 전력 증폭 장치를 사용해야만 하는데, 상기 저효율 특성으로 인해 열이 발생하게 된다. 따라서, 상기 이동 통신 시스템에서는 상기 저효율 특성으로 인해 발생되는 열을 감소시키기 위해 비교적 크고 불필요한 냉각 시스템을 별도로 구비해야 한다. 상기 냉각 시스템은 상기 이동 통신 시스템이 포함하는 기지국(BS: Base Station)과, 중계기(Repeater) 및 이동 단말기(MS: Mobile Station) 모두에 있어 사이즈 및 가격 증가를 야기시키게 된다. 따라서, 상기 CDMA 방식과, WCDMA 방식과, WiMAX 방식과, LTE 방식과 같은 이동 통신 방식을 사용하는 이동 통신 시스템에서는 고선형성을 유지하면서도 고효율 특성을 유지할 수 있는 고효율 전력 증폭 장치에 연구가 활발하게 진행되고 있다.
대표적인 고효율 전력 증폭 장치로는 class-E 전력 증폭 장치와, inverse class-E 전력 증폭 장치와, class-D 전력 증폭 장치와, inverse class-D 전력 증폭 장치 등이 있으며, 상기 class-E 전력 증폭 장치와, inverse class-E 전력 증폭 장치와, class-D 전력 증폭 장치와, inverse class-D 전력 증폭 장치 각각은 전력 소자의 스위칭(switching) 동작으로부터 고효율 특성을 획득한다.
그러나, 상기 class-E 전력 증폭 장치와, inverse class-E 전력 증폭 장치와, class-D 전력 증폭 장치와, inverse class-D 전력 증폭 장치는 기본 동작 주파수가 높아지고, 고조파에 따른 기생 성분과 고출력 전력 소자의 큰 용량의 출력 캐 패시턴스(capacitance)에 의해 zero voltage 스위칭 동작을 수행할 수 없기 때문에, packaging된 전력 소자를 사용하여 상기 class-E 전력 증폭 장치와, inverse class-E 전력 증폭 장치와, class-D 전력 증폭 장치와, inverse class-D 전력 증폭 장치의 구현이 난이하다.
또 다른 대표적인 고효율 전력 증폭 장치로는 class-F 전력 증폭 장치와, inverse class-F 전력 증폭 장치 등이 있으며, 상기 class-F 전력 증폭 장치와, inverse class-F 전력 증폭 장치 각각은 고조파 제어를 통해 고효율 특성을 획득한다. 하지만, 상기 class-F 전력 증폭 장치와 inverse class-F 전력 증폭 장치는 전력 소자의 출력 캐패시턴스를 보상함과 동시에 전력 소자의 전류 소스에서 고조파 제어가 난이하기 때문에 고효율 특성을 획득하는 것이 비교적 난이하다. 또한, 실제 class-F 전력 증폭 장치와 inverse class-F 전력 증폭 장치를 구현하기 위해서는 복잡한 고조파 제어 회로가 기본 동작 주파수 정합 회로와 함께 필수적으로 필요하게 된다.
상기에서 설명한 바와 같이 현재까지 제안되어 있는 고효율 전력 증폭 장치의 경우 별도의 부가 회로, 일 예로 class-F 전력 증폭 장치와 inverse class-F 전력 증폭 장치의 경우 별도의 고조파 제어 회로가 필요로 하기 때문에 실제 구현이 난이하다.
따라서, 별도의 부가 회로없이 고효율 특성을 획득할 수 있는 고효율 전력 증폭 장치에 대한 필요성이 대두되고 있다.
본 발명은 포화 동작을 사용하는 고효율 전력 증폭 장치 및 그 제어 방법을 제안한다.
본 발명에서 제안하는 장치는; 포화 전력 증폭 장치에 있어서, 전력 소자와, 상기 전력 소자의 로드 임피던스를 정합하는 출력 정합부를 포함하며, 상기 로드 임피던스는 상기 포화 전력 증폭 장치의 전력 정합(power matching) 동작시의 임피던스를 초과하는 복소 임피던스값을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 제안하는 방법은; 포화 전력 증폭 장치의 제어 방법에 있어서, 전력 소자의 로드 임피던스를 정합하는 과정을 포함하며, 상기 로드 임피던스는 상기 포화 전력 증폭 장치의 전력 정합(power matching) 동작시의 임피던스를 초과하는 복소 임피던스값을 갖는 것을 특징으로 하는 포화 전력 증폭 장치의 제어 방법.
본 발명은 복소 형태의 로드 임피던스를 사용함으로써 고효율 전력 증폭 장치가 knee 영역에서도 동작할 수 있도록 하여 고효율 특성을 획득한다는 이점을 가진다. 즉, 본 발명은 고효율 전력 증폭 장치의 동작 영역을 선형 영역 뿐만 아니 라 knee 영역까지 확장시킴으로써 고효율 특성을 획득한다는 이점을 가진다.
또한, 본 발명은 복소 형태의 로드 임피던스를 사용함으로써 고효율 전력 증폭 장치가 고조파 제어 회로와 같은 별도의 부가 회로 없이도 고효율 특성을 획득한다는 이점을 가진다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
본 발명은 포화 동작을 사용하는 고효율 전력 증폭 장치 및 그 제어 방법을 제안한다. 이하, 설명의 편의상 포화 동작을 사용하는 고효율 전력 증폭 장치를 '포화 전력 증폭 장치'라 칭하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 포화 전력 증폭 장치의 내부 구조를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 상기 포화 전력 증폭 장치는 전력부(110)와, 캐패시터(capacitor)(120)와, 입력 정합부(130)와, 바이어스부(140)와, 전력 소자(150)와, 바이어스부(160)와, 캐패시터(170)와, 임피던스(impedance)(180)를 포함한다. 상기 전력부(110)는 전력 소스(power source)(111)와, 저항(113)을 포함한다. 상기 전력 소자(150)는 캐패시터(151)와, 전류 소스(current source)(153)와, 캐패시 터(155)를 포함한다. 또한, 상기 임피던스 (180)는 출력 정합부(190)와 등가이며, 상기 출력 정합부(190)는 출력 정합 유닛(unit)(191)과, 임피던스(193)를 포함한다.
상기 전력부(110)는 상기 전력 소자(150)에 전력을 제공하며, 상기 입력 정합부(130)는 상기 전력부(110)로부터 제공되는 전력을 상기 전력 소자(150)에 최대한 손실없이 제공하기 위해 입력 임피던스 정합을 수행한다. 상기 전력 소자(150)는 일 예로 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET: Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, 이하 'MOSFET'이라 칭하기로 한다) 등이 될 수 있다.
상기 바이어스부(140)는 상기 전력 소자(150)의 게이트(Gate)단에 연결되어 바이어스를 제공하며, 상기 바이어스부(160)는 상기 전력 소자(150)의 드레인(Drain)단에 연결되어 바이어스를 제공한다.
상기 임피던스(180)는 로드(load) 임피던스로서, 복소 형태를 가진다. 즉, 상기 임피던스(180)는 복소 임피던스 R+jX이다. 상기 복소 임피던스 R+jX는 출력 종단 임피던스인 임피던스(193)에서 출력 정합 유닛(191)을 통해 정합된 임피던스를 나타낸다. 여기서, 상기 출력 종단 임피던스는 일 예로 50[Ω]이 될 수 있다. 또한, 상기 복소 임피던스 R+jX의 크기 sqrt(R2+X2)는 최적 임피던스 Ropt 보다 크게 설정되어야 한다. 상기 최적 임피던스 Ropt에 대해서는 하기에서 구체적으로 설명할 것이므로 여기서는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이렇게, 상기 복소 임피던 스 R+jX의 크기 sqrt(R2+X2)를 최적 임피던스 Ropt 보다 크게 설정해야하는 이유는 전압의 파형을 증가시켜야 때문이다. 또한, 상기 복소 임피던스 R+jX의 위상 tan-1(X/R)은 출력 캐패시터, 즉 캐패시터(155)를 통해 생성된 2차 고조파 전압과 복소 임피던스 R+jX를 통해 생성된 기본 동작 주파수 전압의 위상차가 미리 설정된 각도, 일 예로
Figure 112009004861822-pat00001
가 되도록 설정되어야 한다. 또한, 상기 복소 임피던스 R+jX의 위상 tan-1(X/R)은 상기 복소 임피던스 R+jX를 통해 생성되는 로드 라인(load line)이 많은 양의 고조파 전류를 생성해 낼 수 있도록 설정되어야 한다. 즉, 상기 복소 임피던스 R+jX의 위상 tan-1(X/R)은 상기 포화 전력 증폭 장치가 DCIV상에서 선형 영역 뿐만 아니라 knee 영역까지의 그 동작 영역을 확대하여 많은 양의 고조파 전류를 생성해 낼 수 있도록 설정되어야 한다. 상기 선형 영역 및 knee 영역에 대해서는 하기에서 구체적으로 설명할 것이므로 여기서는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 여기서, DCIV는 입력 게이트와 소스 사이의 전압에 따른 Ids(드레인과 소스 사이에 흐르는 전류)와 Vds(드레인과 소스간에 걸리는 전압) 관계 특성을 나타내는 특성 곡선(단, y축이 Ids를 나타내고, x축이 Vds를 나타냄)이며, DCIV는 일반적인 용어이므로 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
그러면 여기서 상기 최적 임피던스 Ropt에 대해서 설명하기로 한다.
일반적으로, 전력 증폭 장치는 전력 소자의 전류 및 전압을 최대 사용 가능 범위까지 사용함으로써, 최대 전력을 출력하는 장치이다. 상기 전력 증폭 장치가 최대 전력을 출력하기 위해서는 상기 전력 증폭 장치의 출력단에서 전력 정합(power matching) 동작을 수행해야만 한다. 여기서, 상기 전력 정합 동작은 상기 전력 증폭 장치를 설계할 때 상기 전력 증폭 장치가 상기 전력 소자에서 출력할 수 있는 최대 전력을 출력할 수 있도록 제어하는 동작을 나타내며, 상기 전력 정합 동작시의 임피던스가 상기 최적 임피던스 Ropt이다. 상기 최적 임피던스 Ropt는 하기 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112009004861822-pat00002
상기 수학식 1에서 V1은 기본 동작 주파수의 전압을 나타내고, I1은 기본 동작 주파수의 전류를 나타낸다.
상기에서 설명한 바와 같이 최적 임피던스 Ropt는 전력 소자의 특성에 상응하게 결정된다. 따라서, 상기 전력 소자의 특성에 상응하게 결정된 최적 임피던스 Ropt를 출력 정합 유닛을 통해 50 [Ω]의 임피던스에서 최적 임피던스 Ropt로 변환하여 전력 증폭 장치를 설계하는 것이 일반적이다. 여기서, 상기 최적 임피던스 Ropt 를 50 [Ω]의 임피던스에서 최적 임피던스 Ropt로 변환하는 이유는 일반적으로 통신 시스템이 50 [Ω] 시스템이기 때문이다. 이렇게 설계된 전력 증폭 장치는 Class-A 에서 Class-C 로의 바이어스 레벨(level)이 변화함에 따라서 출력 전력과 효율이 결정되고, 바이어스 레벨에 따른 최적 임피던스 Ropt는 하기 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112009004861822-pat00003
상기 수학식 2에서 α는 전력 증폭 장치의 conduction angle을 나타낸다.
한편, 모든 고조파(harmonics)에 대해서 쇼트(short, 이하 'short'라 칭하기로 한다)의 임피던스를 가정하면, 기본 동작 주파수의 전압 V1은 Vdc와 동일해진다. 그리고 I1은 전력 증폭 장치의 conduction angle, 즉 전력 증폭 장치의 클래스에 따라 변화된다. 일 예로, 상기 전력 증폭 장치의 클래스는 conduction angle이 2π일 경우에는 class-A, conduction angle이 2π~π사이에 존재할 경우에는 class-AB, conduction angle이 π일 경우에는 class-B, conduction angle이 π미만일 경우에는 class-C로 정의된다.
따라서, 상기 수학식 2에 기재되어 있는 I1(α)은 하기 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112009004861822-pat00004
상기 수학식 3에서 Imax는 상기 전력 증폭 장치의 최대 사용 가능 전류를 나타낸다.
한편, 전력 증폭 장치로는 class-AB 전력 증폭 장치가 일반적으로 사용되고 있으며, 최대 전력에서의 최대 효율은 대략 50~55% 정도를 나타낸다. 하지만, 상기 class-AB 전력 증폭 장치의 효율보다도 더 높은 효율을 가지는 전력 증폭 장치에 대한 필요성이 끊임없이 발생하였고, 따라서 고효율 전력 증폭 장치인 inverse class-F 전력 증폭 장치가 제안된 바 있다. 상기 inverse class-F 전력 증폭 장치는 이상적으로 사인반파(half-sinusoidal)의 드레인 전압 파형과 사각파의 드레인 전류 파형을 갖고, 고효율을 획득할 있는 전력 증폭 장치이다. 상기 inverse class-F 전력 증폭 장치는 이상적으로 DCIV상에서 전압과 전류가 0이 아닌 값을 갖고 동시에 존재하는 구간없이 동작함으로써 고효율을 획득하는데, 상기 드레인 전압 파형과 드레인 전류 파형 각각은 수학식 4 및 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112009004861822-pat00005
Figure 112009004861822-pat00006
상기 수학식 4와 수학식 5를 살펴보면, 전압의 파형은 직류와 기본 동작 주파수 및 even 고조파들만 포함하고, 전류의 파형은 직류와 기본 동작 주파수 및 odd 고조파들만을 포함함을 알 수 있다. 따라서, 선형적인 동작 영역에서 설계된 inverse class-F 전력 증폭 장치의 각 고조파 임피던스는 하기 수학식 6 및 수학식 7과 같이 설계해야 한다.
Figure 112009004861822-pat00007
Figure 112009004861822-pat00008
상기 수학식 6에서 Zeven은 even 고조파의 임피던스를 나타내며, Veven은 even 고조파의 전압을 나타내며, Ieven은 even 고조파의 전류를 나타낸다. 또한, 상 기 수학식 7에서 Zodd는 odd 고조파의 임피던스를 나타내며, Vodd는 odd 고조파의 전압을 나타내며, Iodd는 odd 고조파의 전류를 나타낸다.
따라서, 이상적인 inverse class-F 전력 증폭 장치를 구현하기 위해서는 무한 차수까지의 고조파들을 제어할 수 있는 유닛을 구현해야만 하는데, 이런 무한 차수까지의 고조파들을 제어할 수 있는 유닛을 구현하는 것은 상당히 복잡하여 실제로 구현하는 것은 거의 불가능하다. 하지만, 전력 증폭 장치의 동작에 있어 낮은 차수의 고조파일수록 상기 전력 증폭 장치의 출력에 더 큰 영향을 미치기 때문에 실제 제어 가능한 2차 고조파와 3차 고조파를 제어할 수 있는 유닛을 설계하면 이상적인 inverse class-F 전력 증폭 장치를 실제로 구현할 수 있다. 이렇게 2차 고조파와 3차 고조파를 제어할 수 있는 inverse class-F 전력 증폭 장치의 로드 임피던스는 기본 동작 주파수와, 2차 고조파와, 3차 고조파가 각각 실수인 최적 임피던스 Ropt와, 오픈(open, 이하 'open'이라 칭하기로 한다) 임피던스와, short 임피던스가 된다.
그러면 여기서 도 2 내지 도 4를 참조하여 상기 선형적인 동작 영역에 대해서 설명하면 다음과 같다.
도 2는 MOSFET의 구조를 도시한 도면이다.
도 3은 MOSFET의 드레인 바이어스를 증가시킬 경우 채널이 변형되는 형태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 MOSFET의 드레인-소스 전압에 따른 드레인 전류를 도시한 그래프이 다.
먼저, 도 2를 참조하면, 상기 MOSFET은 전력 증폭 장치에서 전력 소자로 사용된다. 도 2에 도시되어 있는 MOSFET은 NMOS(N-channel MOS)이므로 게이트에 양(+)의 바이어스가 인가되면 게이트 아래의 substrate 영역으로부터 자유 정공들이 밀려나서 캐리어 공핍 영역이 발생하고, 또한 상기 캐리어 공핍 영역에 속박된 음전하가 발생한다. 또한 N+인 드레인과 소스 영역으로부터 채널 영역으로 전자를 유인하게 되므로 드레인이 채널을 통해 소스까지 연결되어 전류가 흐르게 된다.
이렇게 채널이 형성되고 전류가 흐르기 시작하는 전압이 임계 전압(threshold voltage)이며, 이 때 드레인 바이어스를 서서히 증가시키게 되면 채널의 폭은 전체 채널에서 균일하지 않게 되고, 결국은 도 3에서처럼 드레인 단에서 채널의 폭이 거의 0에 가까운 상태에 도달하는데, 이런 상태가 pinch off 상태이다.
또한, 도 4에 도시한 바와 같이 pinch-off 상태가 되면 드레인 바이어스가 증가하게 되더라도 이론적으로 채널과는 상관없이 일정한 드레인 전류가 흐르게 되는데, pinch-off되기 전까지의 영역이 triode 영역이며, pinch-off 이상의 드레인 바이어스를 인가한 영역이 saturation 영역이다. 여기서, 상기 MOSFET의 triode 영역은 접합형 트랜지스터(BJT: Bipolar Junction Transistor)의 saturation 영역에 해당하고, 상기 MOSFET의 saturation 영역은 BJT의 active 영역에 해당한다.
상기 MOSFET의 triode 영역과 상기 MOSFET의 Saturation 영역 각각을 수학 식으로 살펴보게 되면,
Figure 112009004861822-pat00009
(단, vGS는 게이트-소스간 전압을 나타내고, Vt는 임계 전압을 나타냄.)일 때 채널이 생성되지 않기 때문에 드레인 전류는 0이 되고,
Figure 112009004861822-pat00010
일 때 (단, vDS는 드레인-소스간 전압을 나타냄)
Figure 112009004861822-pat00011
의 조건을 만족하게 되면 상기 MOSFET은 triode 영역에서 동작하고,
Figure 112009004861822-pat00012
일 때
Figure 112009004861822-pat00013
의 조건을 만족하게 되면 상기 MOSFET은 saturation 영역에서 동작한다. 이 경우, 상기 MOSFET이 triode 영역에서 동작할 경우 드레인 전류는 하기 수학식 8과 같이 나타낼 수 있고, 상기 MOSFET이 saturation 영역에서 동작할 경우 드레인 전류는 하기 수학식 9와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112009004861822-pat00014
Figure 112009004861822-pat00015
상기 수학식 8 및 수학식 9에서
Figure 112009004861822-pat00016
는 채널에서의 전자의 이동도를 나타내며, Cox는 게이트와 채널 사이의 캐패시턴스를 나타내며, W는 채널의 넓이를 나타내며, L은 채널의 길이를 나타낸다.
일반적으로 전력 증폭 장치는 대 신호를 사용하기 때문에 도 4에 도시한 MOSFET의 전 영역을 사용하게 된다. 상기에서 설명한 triode 영역을 전력 증폭 장치에서는 knee 영역이라고 칭하는 것이며, 상기 knee 영역에서는 드레인 전압에 따른 전류가 일정하지 않으므로 상기 MOSEFET이 선형적으로 동작하는 것은 난이하다.
따라서, 본 발명에서 제안한 바와 같이 로드 임피던스를 복소 임피던스 R+jX로 설정하면, 전력 소자가 그 동작 영역을 knee 영역까지 확대하여 더 많은 고조파를 생성시키고, 그로 인해 더 높은 효율을 획득할 수 있다. 즉, 본 발명에서 포화 전력 증폭 장치의 로드 임피던스를 복소 임피던스 R+jX로 설정하는 이유는 포화 전력 증폭 장치의 동작 영역을 knee 영역까지 확대하여 포화 전력 증폭 장치의 효율을 향상시키기 위함이다. 본 발명에서 제안한 바와 같이 포화 전력 증폭 장치의 로드 임피던스를 복소 임피던스 R+jX로 설정하면, 상기 포화 전력 증폭 장치의 효율은 70% 이상이 되어 현재 이동 통신 시스템에서 일반적으로 사용하고 있는 전력 증폭 장치의 효율인 45~50%에 비해 향상됨을 알 수 있다.
그러면 여기서 도 5를 참조하여 본 발명에서 제안하는 포화 전력 증폭 장치와 일반적인 inverse class-F 전력 증폭 장치의 로드 라인을 비교 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명에서 제안하는 포화 전력 증폭 장치와 일반적인 inverse class-F 전력 증폭 장치의 로드 라인을 비교 도시한 그래프이다.
도 5를 참조하면, 일반적인 inverse class-F 전력 증폭 장치의 로드 라인(503)은 일반적인 inverse class-F 전력 증폭 장치가 선형 영역(501)에서만 동작함을 나타낸다. 이와는 달리 본 발명에서 제안하는 포화 전력 증폭 장치의 로드 라인(504)은 선형 영역(501) 뿐만 아니라 knee 영역(502)에서도 동작함을 나타낸다. 일반적인 inverse class-F 전력 증폭 장치의 경우 그 로드 라인(503)이 고조파 제어를 통해서 아래로 불룩한 타원 형태를 가지며, 이러한 형태의 로드 라인은 전압과 전류의 오버랩(overlap) 부분이 감소하여 고효율 특성을 얻게 됨을 나타낸다.
또한, 이런 특징은 본 발명에서 제안하는 포화 전력 증폭 장치의 동작 영역이 knee영역까지 확장됨으로 인해 고효율을 획득할 수 있는 포화 동작이 발생되고 있음을 나타낸다.
다음으로 도 6을 참조하여 본 발명에서 제안하는 포화 전력 증폭 장치와 일반적인 inverse class-F 전력 증폭 장치의 전압 파형 및 전류 파형을 비교 설명하기로 한다.
도 6은 본 발명에서 제안하는 포화 전력 증폭 장치와 일반적인 inverse class-F 전력 증폭 장치의 전압 파형 및 전류 파형을 비교 도시한 그래프이다.
도 6을 설명하기에 앞서 도 6에서 (a)로 기재되어 있는 전압 파형 및 전류 파형은 일반적인 inverse class-F 전력 증폭 장치의 전압 파형 및 전류 파형을 나타내며, (b)로 기재되어 있는 전압 파형 및 전류 파형은 본 발명에서 제안하는 포 화 전력 증폭 장치의 전압 파형 및 전류 파형을 나타낸다.
먼저, 일반적인 inverse class-F 전력 증폭 장치의 일반적인 class-B 바이어스하의 전압 파형(603)은 고조파 제어를 통하여 준사인반파(quasi half-sinusoidal) 전압 파형(601)으로 변화된다. 이 경우, 전류 파형은 2차 임피던스 및 even 임피던스가 open 되므로 사각(rectangular) 전류 파형(602)을 유지하게 된다.
한편, 본 발명에서 제안하는 포화 전력 증폭 장치의 전압 및 전류 파형을 살펴보면, 전압 파형의 경우 일반적인 inverse class-F 전력 증폭 장치와 마찬가지로 준사인반파 전압 파형(604)을 나타내며, 전류 파형은 준사각(quasi-rectangular) 파형의 전류 파형(605)을 나타낸다. 이 경우, 상기 준사각 파형의 전류 파형(605)은 본 발명에서 제안하는 포화 전력 증폭 장치가 knee 영역에서 동작하기 때문에 발생하는 것이며, 많은 양의 고차항의 고조파 전류가 포함되어 있음을 알 수 있다. 이렇게 많은 양의 고조파 전류는 고조파 제어를 용이하게 함으로써, 본 발명에서 제안하는 포화 전력 증폭 장치가 일반적인 inverse class-F 전력 증폭 장치에 비해 비교적 간단한 회로를 통해서 고효율 특성을 획득할 수 있다는 특징을 갖게 한다.
한편, 도 6에 도시한 바와 같은, 본 발명에서 제안하는 포화 전력 증폭 장치의 전류는 하기 수학식 10과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112009004861822-pat00017
상기 수학식 10에서,
Figure 112009004861822-pat00018
은 전류 소스에서의 전류 파형을 나타내고, IDC 는 DC 전류를 나타내고, I1은 기본 동작 주파수의 전류 크기를 나타내고, α1은 기본 동작 주파수의 전류 위상을 나타내고, In은 고조파의 전류 크기를 나타내고, αn은 고조파의 전류 위상을 나타낸다.
또한, 도 6에 도시한 바와 같은, 본 발명에서 제안하는 포화 전력 증폭 장치의 전압은 하기 수학식 11과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112009004861822-pat00019
상기 수학식 11에서,
Figure 112009004861822-pat00020
는 전류 소스에서의 전압 파형을 나타내고, VDC 는 DC 전압을 나타내고, V1은 기본 동작 주파수의 전압 크기를 나타내고, β1은 기본 동작 주파수의 전압 위상을 나타내고, Vn 은 고조파의 전압 크기를 나타내고, βn은 고조파의 전압 위상을 나타낸다.
한편, 상기 수학식 11에 나타낸 바와 같은 전압은 전류에 기본 동작 주파수의 임피던스와 고조파의 임피던스의 곱으로 표현할 수 있으며, 이는 하기 수학식 12 및 수학식 13과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112009004861822-pat00021
Figure 112009004861822-pat00022
상기 수학식 12 및 수학식 13에서
Figure 112009004861822-pat00023
은 기본 동작 주파수에 대한 임피던스를 나타내며,
Figure 112009004861822-pat00024
는 고조파에 대한 임피던스를 나타낸다.
상기 수학식 12 및 수학식 13에 나타낸 바와 같이, 적정 기본 동작 주파수 전압과 적정 고조파 전압을 생성하기 위해서는 기본 동작 주파수 및 고조파에 대한 대한 임피던스들을 제어하는 방식과 기본 동작 주파수 및 고조파에 대한 전류를 증가시키고 임피던스를 감소시키는 두 가지 방식이 사용될 수 있음을 알 수 있다. 여기서, 상기 적정 기본 동작 주파수 전압과 적정 고조파 전압 각각은 준사인반파 전압 파형을 생성하기 위해 필요한 기본 동작 주파수 전압 및 2차 고조파 전압을 나타낸다. 일 예로, 전력 소자의 knee 전압과 항복 전압으로 대표되는 물리적인 제약 내에서, 준사인반파 전압 파형에서 기본 동작 주파수 전압을 최대로 획득하기 위해서는 약 0.3의 기본 주파수 전압과 2차 고조파 전압의 비율이 요구된다. 여기서, 2차 고조파 전압이 추가된 전압 파형은 하기 수학식 14와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112009004861822-pat00025
상기 수학식 14에서 α는 기본 동작 주파수 전압과 2차 고조파 전압의 위상차를 나타낸다.
이와 같이 전력 증폭 장치에서 적정 2차 고조파 전압을 추가하는 것은 전체 전압 파형을 준사인반파 전압 파형으로 생성할 수 있게 하며, 이를 도 7을 참조하여 설명하기로 한다.
도 7은 전력 증폭 장치에서 2차 고조파 전압이 추가될 경우의 전압 파형을 도시한 그래프이다.
도 7에 도시되어 있는 바와 같이 2차 고조파 전압의 추가는 기본 동작 주파수에서의 전압 파형의 크기를 증가시키게 되며, 이는 전력 증폭 장치의 전력을 증가시키게 한다. 또한, 2차 고조파 전압의 추가 형태에 따라서 전압 파형이 달라지게 되는데, 특징적인 파형은 도 7에 도시되어 있는 바와 같이 크게 3개의 파형, 즉 Maximally Flat Condition 파형과, Maximum Voltage Gain Condition 파형과, Maximum Overshooting Condition 파형으로 구분될 수 있다. 상기 Maximally Flat Condition 파형과, Maximum Voltage Gain Condition 파형과, Maximum Overshooting Condition 파형 각각을 발생시키는 조건은 하기 표 1에 나타낸 바와 같다.
Figure 112009004861822-pat00026
상기 표 1에서, K2는 기본 동작 주파수 전압의 크기와 2차 고조파 전압의 크기 비율을 나타내며, δ는 2차 고조파 전압이 추가된 전압 파형이 포함하는 기본 동작 주파수 전압의 크기와 고조파 전압이 전혀 포함되어 있지 않은, 즉 모든 고조파의 임피던스가 short일 경우의 기본 동작 주파수의 전압의 크기 비율을 나타낸다. 상기 표 1에서 β는 사인반파 전압 파형의 최대 값을 나타낸다.
또한, 상기 Maximally Flat Condition 파형은 사인반파 전압 파형의 낮은 부분이 최대한 플랫(flat)한 파형을 나타내며, Maximum Voltage Gain Condition 파형은 파형에 포함된 기본 동작 주파수 전압이 최대인 파형을 나타내며, Maximum Overshooting Condition 파형은 사인반파 전압 파형의 피크(peak) 부분이 최대인 파형을 나타낸다.
그러면 여기서 상기에서 설명한 바와 같은 수학식 14를 사용하여 K2의 값과 의 값의 변화에 따른 의 값의 변화를 도 8을 참조하여 설명하기로 한다.
도 8은 전력 증폭 장치에서 K2의 값과 α의 값의 변화에 따른 δ의 값의 변화를 도시한 그래프이다.
도 8에 도시되어 있는 바와 같이,
Figure 112009004861822-pat00027
, K2=0.3535일 경우 최대 전압 이득(voltage gain)인 1.414의 값이 획득됨을 알 수 있다.
도 8에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서 제안하는 포화 전력 증폭 장치는 knee 영역에서 동작하도록 하기 위해서 복소 임피던스 R+jX의 R과 X를 조정함으로써 자생 고조파 전류를 발생시킨다. 즉, 본 발명에서 제안하는 포화 전력 증폭 장치는 2차 고조파와 크기를 일치시키기 위해 복소 임피던스 R+jX의 R과 X를 조정하는 것이다. 본 발명에서 제안하는 포화 전력 증폭 장치는 복소 임피던스 R+jX의 R과 X를 조정함으로써 2차 고조파와 위상 역시 일치시킬 수 있게 된다.
상기에서 설명한 바와 같이, 일반적인 고효율 전력 증폭 장치들, 일 예로 inverse class-F 전력 증폭 장치와 같은 일반적인 고효율 전력 증폭 장치들은 선형 영역에서 임피던스들을 각 고조파에 상응하게 정확히 제어하는 방식을 사용함으로써 고효율 특성을 획득하였었다. 하지만, 이런 방식은 기본 동작 주파수가 증가하면서 임피던스들을 제어하는 것이 난이할 뿐만 아니라, 임피던스들을 제어하기 위해 별도의 부가 회로까지 필요로 하게 된다.
이에 반해, 본 발명은 선형 영역 뿐만 아니라 knee 영역에서도 동작하는 포화 전력 증폭 장치를 제안함으로써 각 고조파의 제어를 위해 별도의 부가 회로없이도 고조파의 임피던스 의존도를 낮추고, 전력 소자의 출력 캐패시턴스와 복소수 형태의 로드 임피던스를 사용하여 고효율 특성을 획득하게 된다.
그러면 여기서 도 9를 참조하여 본 발명에서 제안하는 포화 전력 증폭 장치와 일반적인 inverse class-F 전력 증폭 장치의 기본 동작 주파수 및 고조파의 임피던스에 대해서 비교 설명하기로 한다.
도 9는 본 발명에서 제안하는 포화 전력 증폭 장치와 일반적인 inverse class-F 전력 증폭 장치의 기본 동작 주파수 및 고조파의 임피던스를 비교 도시한 스미스 차트(Smith chart)이다.
도 9를 설명하기에 앞서, 도 9에서 Saturated PA표시는 본 발명에서 제안하는 포화 전력 증폭 장치를 나타내며, Inverse Class-F PA 표시는 일반적인 inverse class-F 전력 증폭 장치를 나타낸다.
도 9에는 일반적인 inverse class-F 전력 증폭 장치의 기본 동작 주파수의 임피던스(Inverse Class-F PA: Fundamental Impedance)와, 2차 고조파의 임피던스(Inverse Class-F PA: Second Harmonic Impedance)와, 3차 고조파의 임피던스(Inverse Class-F PA: Third Harmonic Impedance)가 도시되어 있다. 상기에서 설명한 바와 같이, Inverse class-F 전력 증폭 장치의 기본 동작 주파수는 순수하게 resistive한 성분만을 가짐을 알 수 있고, 2차 고조파에 대해서는 open의 임피던스, 3차 고조파에 대해서는 short의 임피던스를 가짐을 알 수 있다.
또한, 도 9에는 본 발명에서 제안하는 포화 전력 증폭 장치의 기본 동작 주파수의 임피던스(Saturated PA: Fundamental Impedance)와, 2차 고조파의 임피던스(Saturated PA: Second Harmonic Impedance)와, 3차 고조파의 임피던스(Saturated PA: Third Harmonic Impedance)가 도시되어 있다. 여기서, 상기 포화 전력 증폭 장치의 기본 동작 주파수의 임피던스(Saturated PA: Fundamental Impedance)와, 2차 고조파의 임피던스(Saturated PA: Second Harmonic Impedance)와, 3차 고조파의 임피던스(Saturated PA: Third Harmonic Impedance)는 상기 포화 전력 증폭 장치가 포함하는 전력 소자에 포함되어 있는 전류 소스 앞에서의 임피던스들이다. 따라서, 본 발명에서 제안하는 포화 전력 증폭 장치의 기본 동작 주파수의 임피던스는 복소 임피던스를 갖고, 2차 고조파 및 3차 고조파의 임피던스는 출력 캐패시턴스에 의해 발생하는 임피던스를 갖는 것을 알 수 있다.
그러면 여기서 도 10을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 포화 전력 증폭 장치에서 복소 임피던스 R+jX를 결정하는 과정에 대해서 설명하기로 한다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 포화 전력 증폭 장치에서 복소 임피던스 R+jX를 결정하는 과정을 도시한 순서도이다.
도 10을 참조하면, 상기 포화 전력 증폭 장치는 1011단계에서 전력 소자의 DCIV상의 전압과 전류 관계를 검출하고 1013단계로 진행한다. 상기 1013단계에서 상기 포화 전력 증폭 장치는 상기 검출한 전압과 전류의 관계를 사용하여 상기 포화 전력 증폭 장치가 동작할 바이어스 조건을 결정하고 1015단계로 진행한다. 상기 1015단계에서 상기 포화 전력 증폭 장치는 상기 결정된 바이어스 조건을 사용하여 최적 임피던스 Ropt를 결정하고 1017단계로 진행한다. 여기서, 상기 최적 임피던스 Ropt는 수학식 1에서 설명한 바와 같이 결정된다.
상기 1017단계에서 상기 포화 전력 증폭 장치는 상기 결정된 최적 임피던스 Ropt를 사용하여 sqrt(R2+X2) > Ropt를 만족하는 R과 X를 결정하고 1019단계로 진행한다. 즉, 상기 포화 전력 증폭 장치는 복소 임피던스 R+jX를 결정한다. 상기 1019단계에서 상기 포화 전력 증폭 장치는 상기 결정된 복소 임피던스 R+jX를 사용하여 상기 포화 전력 증폭 장치의 전류 파형 및 전압 파형을 검출하고, 상기 검출한 전류 파형 및 전압 파형이 상기 포화 전력 증폭 장치에서 발생시키고자 하는 전류 파형 및 전압 파형과 동일한지 검사한다. 상기 검사 결과 상기 검출한 전류 파형 및 전압 파형이 상기 포화 전력 증폭 장치에서 발생시키고자 하는 전류 파형 및 전압 파형과 동일하지 않을 경우 상기 포화 전력 증폭 장치는 상기 1017단계로 되돌아간다.
즉, 상기 포화 전력 증폭 장치는 상기 결정한 복소 임피던스 R+jX를 사용하였을 경우의 전류 파형 및 전압 파형이 상기 포화 전력 증폭 장치에서 발생시키고자 하는 전류 파형 및 전압 파형과 동일하지 않으므로, 상기 포화 전력 증폭 장치에서 발생시키고자 하는 전류 파형 및 전압 파형과 동일한 전류 파형 및 전압 파형을 발생시키기 위해 상기 1017단계에서 R과 X를 다시 결정하는 것이다.
한편, 상기 1019단계에서 검사 결과 상기 검출한 전류 파형 및 전압 파형이 상기 포화 전력 증폭 장치에서 발생시키고자 하는 전류 파형 및 전압 파형과 동일할 경우 상기 포화 전력 증폭 장치는 1021단계로 진행한다. 상기 1021단계에서 상기 포화 전력 증폭 장치는 상기 포화 전력 증폭 장치의 출력 전력과 효율 특성을 검출하고 1023단계로 진행한다. 상기 1023단계에서 상기 포화 전력 증폭 장치는 상기 검출한 출력 전력과 효율 특성이 상기 포화 전력 증폭 장치에서 발생시키고자 하는 출력 전력과 효율 특성과 동일한지 검사한다. 상기 검사 결과 상기 검출한 출력 전력과 효율 특성이 상기 포화 전력 증폭 장치에서 발생시키고자 하는 출력 전력과 효율 특성과 동일하지 않을 경우, 상기 포화 전력 증폭 장치는 상기 1017단계로 되돌아간다.
즉, 상기 포화 전력 증폭 장치는 비록 상기 결정한 복소 임피던스 R+jX를 사용하였을 경우의 전류 파형 및 전압 파형이 상기 포화 전력 증폭 장치에서 발생시키고자 하는 전류 파형 및 전압 파형과 동일하다고 하더라도, 출력 전력과 효율 특성이 상기 포화 전력 증폭 장치에서 발생시키고자 하는 출력 전력과 효율 특성과 동일하지 않기 때문에, 상기 포화 전력 증폭 장치에서 발생시키고자 하는 출력 전력과 효율 특성과 동일한 출력 전력과 효율 특성을 발생시키기 위해 상기 1017단계에서 R과 X를 다시 결정하는 것이다.
한편, 상기 1023단계에서 검사 결과 상기 검출한 출력 전력과 효율 특성이 상기 포화 전력 증폭 장치에서 발생시키고자 하는 출력 전력과 효율 특성과 동일할 경우 상기 포화 전력 증폭 장치는 1025단계로 진행한다. 상기 1025단계에서 상기 포화 전력 증폭 장치는 상기 복소 임피던스 R+jX에 대해서 출력 정합부를 50[Ω]에서 정합되도록 결정한다.
한편, 도 10에서는 상기 포화 전력 증폭 장치가 상기 복소 임피던스 R+jX를 결정하는 과정에 대해서 설명하였으나, 상기 포화 전력 증폭 장치가 별도로 상기 복소 임피던스 R+jX를 결정하는 과정을 수행하지 않아도, 도 10에서 설명한 바와 같은 과정을 통해 미리 결정된 복소 임피던스 R+jX를 사용할 수도 있음은 물론이다.
다음으로 도 11을 참조하여 본 발명에서 제안하는 포화 전력 증폭 장치의 전압 파형 및 전류 파형에 대해서 설명하기로 한다.
도 11은 본 발명에서 제안하는 포화 전력 증폭 장치의 전압 파형 및 전류 파형을 도시한 그래프이다.
도 11에 도시되어 있는 포화 전력 증폭 장치의 전압 파형(1101) 그래프 및 전류 파형(1102) 그래프는 도 9에 도시한 바와 같이 상기 포화 전력 증폭 장치의 기본 동작 주파수 및 고조파에 임피던스를 사용하였을 경우의 전압 파형 및 자생 고조파에 의한 사각파 유형의 전류 파형을 나타낸다.
다음으로 도 12를 참조하여 본 발명에서 제안하는 포화 전력 증폭 장치의 로드 라인에 대해서 설명하기로 한다.
도 12는 본 발명에서 제안하는 포화 전력 증폭 장치의 로드 라인을 도시한 그래프이다.
도 12에 도시되어 있는 로드라인은 상기 포화 전력 증폭 장치가 도 11에 도시한 바와 같은 전압 파형 및 전류 파형을 나타낼 경우의 로드라인을 나타낸다. 즉, 본 발명에서 제안한 포화 전력 증폭 장치의 로드 라인은 knee 영역을 따라서 동작할 뿐만 아니라, 복소 임피던스 R+jX에 의해 타원형의 로드 라인을 나타내고 있으며, 도 11에 나타낸 바와 같이 전압 파형(1101)이 증가하였기 때문에 전압 크기도 증가되었음을 나타낸다.
다음으로 도 13을 참조하여 본 발명에서 제안하는 포화 전력 증폭 장치의 기본 동작 주파수의 전압 파형 및 전류 파형과, 고조파의 전압 파형 및 전류 파형에 대해서 설명하기로 한다.
도 13은 본 발명에서 제안하는 포화 전력 증폭 장치의 기본 동작 주파수의 전압 파형 및 전류 파형과, 고조파의 전압 파형 및 전류 파형을 도시한 그래프이다.
도 13에 도시되어 있는 바와 같이 본 발명에서 제안하는 포화 전력 증폭 장치의 전류 파형에는 2차 이상의 고조파 전류가 많은 양 생성되어 있음을 알 수 있다. 이렇게 많은 양의, 2차 이상의 고조파 전류로 인해 출력 캐패시턴스에 의해 발생하는 임피던스만을 사용하여 준사인반파의 전압 파형을 생성하기 위한 2차 고조파 전압과 3차 고조파 전압이 제어됨을 알 수 있다. 또한, 도 13에 도시되어 있는 바와 같이 사각파된 전류 파형은 3차 고조파 전류와 4차 고조파 전류에 의해 생성됨을 알 수 있다.
즉, 도 13에 도시되어 있는 전압 파형 그래프로부터 본 발명에서 제안하는 포화 전력 증폭 장치의 전압 파형은 일반적인 Inverse class-F 전력 증폭 장치의 전압 파형과 같이 2차 고조파 전압만 나타나는 것이 아니라 2차 이상의 자생 고조파 전압들이 크게 나타남을 알 수 있다. 또한, 도 13에 도시되어 있는 전류 파형 그래프로부터 본 발명에서 제안하는 포화 전력 증폭 장치의 전류 파형은 일반적인 Inverse class-F 전력 증폭 장치의 전류 파형과 같이 2차 고조파 전류만 나타나는 것이 아니라 2차 이상의 자생 고조파 전류들이 크게 나타남을 알 수 있다. 이렇게, 본 발명에서 제안하는 포화 전력 증폭 장치의 전압 파형 및 전류 파형에 2차 이상의 자생 고조파 전압 및 전류가 크게 나타나는 이유는 상기 포화 전력 증폭 장치의 동작 영역이 선형 영역 뿐만 아니라 knee 영역까지 확장되었기 때문이다.
이렇게, 2차 이상의 자생 고조파 전압 및 전류가 크게 나타난다는 것은 본 발명에서 제안하는 포화 전력 증폭 장치가 별도의 고조파 제어 회로를 구비하지 않아도 기본 동작 주파수 정합만을 통해서 원하는 2차 고조파 전압/전류와 3차 고조파 전압/전류를 생성할 수 있음을 나타낸다.
다음으로 도 14를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른, CW(Continuous Wave) 신호에 대한 출력 전력과, 드레인 효율 및 PAE(Power Added Efficiency)에 대해서 설명하기로 한다.
도 14는 본 발명에서 제안하는 포화 전력 증폭 장치의, CW 신호에 대한 출력 전력과, 드레인 효율 및 PAE를 도시한 그래프이다.
도 14에 도시되어 있는 CW 신호에 대한 출력 전력과, 드레인 효율 및 PAE를 도시한 그래프는 본 발명에서 제안하는 포화 전력 증폭 장치가 전력 소자를 일 예로 Cree CGH40010 소자로 구현할 경우의 CW 신호에 대한 출력 전력과, 드레인 효율 및 PAE를 도시한 그래프이다.
또한, 도 14에 도시되어 있는 CW 신호에 대한 출력 전력과, 드레인 효율 및 PAE를 도시한 그래프는 상기 포화 전력 증폭 장치가 2차 이상의 고조파에 대한 고조파 제어는 수행하지 않고, 다만 knee 영역까지 동작 영역을 확장하기 위해서 기본 동작 주파수에 대한 임피던스를 제어한 경우의 CW 신호에 대한 출력 전력과, 드레인 효율 및 PAE를 도시한 그래프이다.
도 14에도 도시되어 있는 바와 같이 상기 포화 전력 증폭 장치는 2.655 [GHz]의 기본 동작 주파수에 대하여 40.5 [dBm]의 출력 전력에서 77.7%의 드레인 효율과 75.1%의 PAE를 나타내며, 따라서 상기 포화 전력 증폭 장치가 고효율 특성을 획득함을 알 수 있다. 도 14에서 설명한 바와 같이 본 발명에서 제안하는 포화 전력 증폭 장치는 2차 이상의 고조파 제어를 위한 별도의 부가 회로 없이도 고효율 특성을 획득할 수 있음을 알 수 있다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되지 않으며, 후술되는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 포화 전력 증폭 장치의 내부 구조를 도시한 도면
도 2는 MOSFET의 구조를 도시한 도면
도 3은 MOSFET의 드레인 바이어스를 증가시킬 경우 채널이 변형되는 형태를 개략적으로 도시한 도면
도 4는 MOSFET의 드레인-소스 전압에 따른 드레인 전류를 도시한 그래프
도 5는 본 발명에서 제안하는 포화 전력 증폭 장치와 일반적인 inverse class-F 전력 증폭 장치의 로드 라인을 비교 도시한 그래프
도 6은 본 발명에서 제안하는 포화 전력 증폭 장치와 일반적인 inverse class-F 전력 증폭 장치의 전압 파형 및 전류 파형을 비교 도시한 그래프
도 7은 전력 증폭 장치에서 2차 고조파 전압이 추가될 경우의 전압 파형을 도시한 그래프
도 8은 전력 증폭 장치에서 K2의 값과 α의 값의 변화에 따른 의 값의 변화를 도시한 그래프
도 9는 본 발명에서 제안하는 포화 전력 증폭 장치와 일반적인 inverse class-F 전력 증폭 장치의 기본 동작 주파수 및 고조파의 임피던스를 비교 도시한 스미스 차트
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 포화 전력 증폭 장치에서 복소 임피 던스 R+jX를 결정하는 과정을 도시한 순서도
도 11은 본 발명에서 제안하는 포화 전력 증폭 장치의 전압 파형 및 전류 파형을 도시한 그래프
도 12는 본 발명에서 제안하는 포화 전력 증폭 장치의 로드 라인을 도시한 그래프
도 13은 본 발명에서 제안하는 포화 전력 증폭 장치의 기본 동작 주파수의 전압 파형 및 전류 파형과, 고조파의 전압 파형 및 전류 파형을 도시한 그래프
도 14는 본 발명에서 제안하는 포화 전력 증폭 장치의, CW 신호에 대한 출력 전력과, 드레인 효율 및 PAE를 도시한 그래프

Claims (9)

  1. 포화 전력 증폭 장치에 있어서,
    전력 소자와,
    상기 전력 소자의 로드 임피던스를 정합하는 출력 정합부를 포함하며,
    상기 로드 임피던스는 상기 포화 전력 증폭 장치의 전력 정합(power matching) 동작시의 임피던스를 초과하는 복소 임피던스 값을 갖고,
    상기 복소 임피던스의 위상은 상기 포화 전력 증폭 장치가 DCIV상에서 선형 영역과 knee 영역 모두에서 동작하도록 결정된 값임을 특징으로 하는 포화 전력 증폭 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전력 소자는 전류 소스와, 출력 캐패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 포화 전력 증폭 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복소 임피던스의 위상은 상기 출력 캐패시터를 통해 생성된 2차 고조파 전압과 상기 복소 임피던스를 통해 생성된 기본 동작 주파수 전압의 위상차가 미리 설정된 각도가 되도록 결정된 값임을 특징으로 하는 포화 전력 증폭 장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 출력 정합부는 상기 전력 소자의 DCIV상의 전압과 전류 관계를 검출하고, 상기 DCIV상의 전압과 전류 관계를 사용하여 상기 포화 전력 증폭 장치가 동작할 바이어스 조건을 결정하고, 상기 바이어스 조건을 사용하여 상기 로드 임피던스를 결정하는 것을 특징으로 하는 포화 전력 증폭 장치.
  6. 포화 전력 증폭 장치의 제어 방법에 있어서,
    전력 소자의 로드 임피던스를 정합하는 과정을 포함하며,
    상기 로드 임피던스는 상기 포화 전력 증폭 장치의 전력 정합(power matching) 동작시의 임피던스를 초과하는 복소 임피던스값을 갖고,
    상기 복소 임피던스의 위상은 상기 포화 전력 증폭 장치가 DCIV상에서 선형 영역과 knee 영역 모두에서 동작하도록 결정된 값임을 특징으로 하는 포화 전력 증폭 장치의 제어 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전력 소자가 전류 소스와, 출력 캐패시터를 포함할 경우,
    상기 복소 임피던스의 위상은 상기 출력 캐패시터를 통해 생성된 2차 고조파 전압과 상기 복소 임피던스를 통해 생성된 기본 동작 주파수 전압의 위상차가 미리 설정된 각도가 되도록 결정된 값임을 특징으로 하는 포화 전력 증폭 장치의 제어 방법.
  8. 삭제
  9. 제6항에 있어서,
    상기 전력 소자의 로드 임피던스를 정합하는 과정은;
    상기 전력 소자의 DCIV상의 전압과 전류 관계를 검출하는 과정과,
    상기 DCIV상의 전압과 전류 관계를 사용하여 상기 포화 전력 증폭 장치가 동작할 바이어스 조건을 결정하는 과정과,
    상기 바이어스 조건을 사용하여 상기 로드 임피던스를 결정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 포화 전력 증폭 장치의 제어 방법.
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