KR102134892B1 - supply modulator and power amplifier having thereof - Google Patents

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Abstract

일 실시예에 따른 변조 장치는 RF 신호의 포락선 신호(envelope)를 수신하여 증폭하는 제1 증폭기 및 제2 증폭기 및 상기 제1 증폭기로부터 제1 게이트 전압을 공급받는 N형 반도체(N-MOS) 및 상기 제2 증폭기로부터 제2 게이트 전압을 공급받는 P형 반도체(P-MOS)를 포함하고, 상기 포락선 신호에 기초하여 획득된 변조 신호를 상기 RF 신호를 증폭하는 전력 증폭기에 공급하는 푸쉬-풀 스테이지(push-pull stage)를 포함할 수 있다.A modulation device according to an embodiment includes a first amplifier and a second amplifier receiving and amplifying an envelope signal of an RF signal, and an N-type semiconductor (N-MOS) receiving a first gate voltage from the first amplifier, and A push-pull stage including a P-type semiconductor (P-MOS) receiving a second gate voltage from the second amplifier and supplying a modulated signal obtained based on the envelope signal to a power amplifier that amplifies the RF signal (push-pull stage) can be included.

Description

공급 전압 변조 장치 및 이를 구비하는 전력 증폭기{supply modulator and power amplifier having thereof}TECHNICAL FIELD [0001] A supply voltage modulator and a power amplifier having the same

본 발명은 공급전압 변조 장치 및 이를 구비하는 전력 증폭기에 관한 것이다.The present invention relates to a supply voltage modulation device and a power amplifier having the same.

송신기는 각 전자 기기 간 통신을 위해 데이터 등을 전기 신호로 변환한 무선 전파의 형태로 내보내는 장치이다. 일반적으로 송신기는 전파의 송신 거리를 증가시키기 위해 전력 증폭기를 통해 전력 증폭을 해야 한다.A transmitter is a device that converts data, etc. into electrical signals for communication between electronic devices, and emits them in the form of radio waves. In general, the transmitter needs to amplify power through a power amplifier to increase the transmission distance of radio waves.

최근, 송신기를 포함하는 전자 기기의 소형화 및 수명 연장의 필요성이 증가하고 있고, 이에 따라 전력 증폭의 효율 향상에 대한 기술적 관심이 증가하고 있다.
종래에 이용되는 증폭기들의 예로서, 도 1에 개시된 단일 전력 증폭기 및 도 2에 개시된 선형부와 스위칭부를 포함하는 변조부로 구성된 전력 증폭기 등을 들 수 있다.
그러나 단일 전력 증폭기는, 단일 전력 증폭기는 직류 전원을 이용하여 교류 신호인 RF 신호를 증폭하는 과정에서 직류 전원의 전압(Vdd)과, RF 신호의 전압 차이만큼 전력을 불필요하게 소모한다. 불필요하게 버려진 전력은 발열을 증가시키고, 전력 효율을 감소시키며, 전자기기의 작동 시간 및 내구성을 감소시킨다.
또한, 선형부와 스위칭부를 포함하는 변조부는 회로가 복잡하고, 부피가 커지는 문제가 있다. 또, 스위칭부의 전압감지 저항로 인한 전압 강하가 발생한다. 또, 선형부의 푸쉬 풀 스테이지에 바이어스 전압을 인가하는 바이어스에서 불필요한 전력이 소모되는 문제가 있다.
따라서, 기술 발전에 따라 점차 소형화되는 전자 기기들에 이용될 수 있도록 소형화된 전력 증폭기 및 불필요한 발열을 제거하고 증가된 전력 효율을 갖는 전력 증폭기에 대한 수요 및 연구가 증가하고 있다.In recent years, the need for miniaturization and life extension of electronic devices including transmitters is increasing, and accordingly, technical interest in improving the efficiency of power amplification is increasing.
As an example of conventionally used amplifiers, a single power amplifier disclosed in FIG. 1 and a power amplifier composed of a modulator including a linear unit and a switching unit disclosed in FIG. 2 may be mentioned.
However, the single power amplifier unnecessarily consumes power as much as the difference between the voltage Vdd of the DC power supply and the voltage of the RF signal in the process of amplifying the RF signal, which is an AC signal, using the DC power supply. Unnecessarily wasted power increases heat generation, reduces power efficiency, and reduces operating time and durability of electronic devices.
In addition, there is a problem that the circuit is complicated and the volume of the modulator including the linear part and the switching part is increased. In addition, a voltage drop occurs due to the voltage sensing resistance of the switching unit. In addition, there is a problem that unnecessary power is consumed in a bias applying a bias voltage to the push-pull stage of the linear portion.
Accordingly, there is an increasing demand and research on a miniaturized power amplifier and a power amplifier having increased power efficiency by removing unnecessary heat and removing unnecessary heat so that it can be used in electronic devices that are gradually miniaturized with the development of technology.

본 발명의 과제는, 복수의 증폭기 및 푸쉬-풀 스테이지를 포함하는 공급 전압 변조 장치를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a supply voltage modulator comprising a plurality of amplifiers and a push-pull stage.

본 발명의 다른 과제는, 복수의 증폭기 및 푸쉬-풀 스테이지를 포함하는 공급 전압 변조 장치를 구비하는 전력 증폭기를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a power amplifier including a supply voltage modulating device including a plurality of amplifiers and push-pull stages.

본 발명이 해결하고자 하는 과제가 상술한 과제로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 과제들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problem to be solved by the present invention is not limited to the above-described problems, and problems that are not mentioned will be clearly understood by those of ordinary skill in the art from the present specification and the accompanying drawings. .

일 실시예에 따르면, RF 신호의 포락선 신호(envelope)를 수신하여 증폭하는 제1 증폭기 및 제2 증폭기 및 상기 제1 증폭기로부터 제1 게이트 전압을 공급받는 N형 반도체(N-MOS) 및 상기 제2 증폭기로부터 제2 게이트 전압을 공급받는 P형 반도체(P-MOS)를 포함하고, 상기 포락선 신호에 기초하여 획득된 변조 신호를 상기 RF 신호를 증폭하는 전력 증폭기에 공급하는 푸쉬-풀 스테이지(push-pull stage)를 포함하는 변조 장치가 제공될 수 있다.According to an embodiment, a first amplifier and a second amplifier receiving and amplifying an envelope signal of an RF signal, an N-type semiconductor (N-MOS) receiving a first gate voltage from the first amplifier, and the second amplifier 2 A push-pull stage including a P-type semiconductor (P-MOS) receiving a second gate voltage from an amplifier and supplying a modulated signal obtained based on the envelope signal to a power amplifier that amplifies the RF signal. -pull stage) can be provided.

또한, 제1 증폭기의 이득은 제2 증폭기의 이득보다 클 수 있다.Also, the gain of the first amplifier may be greater than the gain of the second amplifier.

또한, 제1 증폭기의 이득 및 제2 증폭기의 이득은 푸쉬-풀 스테이지의 스레스홀드(Threshold) 값에 기초하여 결정될 수 있다.Also, the gain of the first amplifier and the gain of the second amplifier may be determined based on a threshold value of the push-pull stage.

또한, 제1 게이트 전압 및 제2 게이트 전압은, 수식 1In addition, the first gate voltage and the second gate voltage are Equation 1

[수식 1][Equation 1]

Figure 112018115832441-pat00001
Figure 112018115832441-pat00001

에 의해 결정되며, 여기서 제1 게이트 전압은 V1stgate, 제2 게이트 전압은 V2nd gate, N형 반도체의 스레스홀드 값은 Vth,n, P형 반도체의 스레스홀드 값은 Vth,p일 수 있다. Where the first gate voltage is V 1stgate , the second gate voltage is V 2nd gate , the threshold value of the N-type semiconductor is V th,n , and the threshold value of the P-type semiconductor is V th,p Can be

또한, 제1 게이트 전압은, 제2 게이트 전압보다 클 수 있다.Also, the first gate voltage may be greater than the second gate voltage.

또한, 제1 증폭기 및 제2 증폭기는 비반전 증폭기일 수 있다.Also, the first amplifier and the second amplifier may be non-inverting amplifiers.

다른 일 실시예에 따르면, RF 신호의 포락선 신호를 검출하는 포락선 검파기 포락선 신호를 증폭하여 제1 게이트 전압을 출력하는 제1 증폭기, 포락선 신호를 증폭하여 제2 게이트 전압을 출력하는 제2 증폭기 및 제1 게이트 전압이 인가되는 N형 반도체(N-MOS) 및 제2 게이트 전압이 인가되는 P형 반도체(P-MOS)를 포함하고, 포락선 신호에 기초하여 획득된 변조 신호를 출력하는 푸쉬-풀 스테이지(push-pull stage)를 포함하는 변조 장치 및 RF 신호를 입력받고, 변조 장치로부터 수신한 변조 신호에 기초하여 RF 신호를 증폭하는 증폭 장치를 포함하는 전력 증폭기가 제공될 수 있다.According to another embodiment, an envelope detector for detecting an envelope signal of an RF signal is a first amplifier that amplifies an envelope signal to output a first gate voltage, a second amplifier that amplifies the envelope signal to output a second gate voltage, and a second amplifier. A push-pull stage that includes an N-type semiconductor (N-MOS) to which a gate voltage is applied and a P-type semiconductor (P-MOS) to which a second gate voltage is applied, and outputs a modulated signal obtained based on an envelope signal A power amplifier including a modulation device including a (push-pull stage) and an amplifying device for receiving an RF signal and amplifying the RF signal based on the modulated signal received from the modulation device may be provided.

또한, 제1 증폭기의 이득은 제2 증폭기의 이득보다 클 수 있다.Also, the gain of the first amplifier may be greater than the gain of the second amplifier.

또한, 제1 증폭기의 이득 및 제2 증폭기의 이득은 푸쉬-풀 스테이지의 스레스홀드(Threshold) 값에 기초하여 결정될 수 있다.Also, the gain of the first amplifier and the gain of the second amplifier may be determined based on a threshold value of the push-pull stage.

또한, 제1 게이트 전압은, 제2 게이트 전압보다 클 수 있다.Also, the first gate voltage may be greater than the second gate voltage.

다른 일 실시예에 따르면, RF 신호의 포락선 신호를 검출하는 포락선 검파기 상기 포락선 신호를 증폭하여 제1 게이트 전압을 출력하는 제1 증폭기, 상기 포락선 신호를 증폭하여 제2 게이트 전압을 출력하는 제2 증폭기 및 상기 제1 게이트 전압이 인가되는 N형 반도체(N-MOS) 및 상기 제2 게이트 전압이 인가되는 P형 반도체(P-MOS)를 포함하고, 상기 포락선 신호에 기초하여 획득된 변조 신호를 출력하는 푸쉬-풀 스테이지(push-pull stage)를 포함하는 변조 장치 및 상기 RF 신호를 입력받고, 상기 변조 장치로부터 수신한 변조 신호에 기초하여 상기 RF 신호를 증폭하는 증폭 장치를 포함하는 전력 증폭기가 제공될 수 있다.According to another embodiment, an envelope detector for detecting an envelope signal of an RF signal, a first amplifier amplifying the envelope signal to output a first gate voltage, and a second amplifier amplifying the envelope signal to output a second gate voltage And an N-type semiconductor (N-MOS) to which the first gate voltage is applied and a P-type semiconductor (P-MOS) to which the second gate voltage is applied, and outputs a modulated signal obtained based on the envelope signal. A power amplifier including a modulation device including a push-pull stage and an amplification device receiving the RF signal and amplifying the RF signal based on the modulated signal received from the modulation device is provided. Can be.

또 다른 일 실시예에 따르면, RF 신호의 포락선 신호를 검출하는 단계, 상기 포락선 신호가 제1 게이트 전압을 갖도록 제1 증폭기에서 상기 포락선 신호를 증폭하고, 상기 포락선 신호가 제2 게이트 전압을 갖도록 제2 증폭기에서 상기 포락선 신호를 증폭하는 단계, 상기 제1 게이트 전압을 N형 반도체(N-MOS)에 인가하고, 상기 제2 게이트 전압을 P형 반도체(P-MOS)에 인가하여 상기 포락선 신호에 기초하여 획득된 변조 신호를 출력하는 단계 및 상기 변조 신호에 기초하여 상기 RF 신호를 증폭하는 단계를 포함하는 전력 증폭 방법이 제공될 수 있다. According to another embodiment, the step of detecting an envelope signal of an RF signal, a first amplifier amplifies the envelope signal so that the envelope signal has a first gate voltage, and the envelope signal has a second gate voltage. 2 Amplifying the envelope signal in an amplifier, applying the first gate voltage to an N-type semiconductor (N-MOS), and applying the second gate voltage to a P-type semiconductor (P-MOS) to the envelope signal. A power amplification method including outputting a modulated signal obtained based on the modulated signal and amplifying the RF signal based on the modulated signal may be provided.

일 실시예에 따르면, 공급 전압 변조 장치가 전력 증폭부에 RF 신호의 포락선에 기초하여 획득된 교류 전원을 공급함으로써 증폭 효율이 증가하고 발열이 감소할 수 있다.According to an embodiment, the supply voltage modulator supplies AC power obtained based on the envelope of the RF signal to the power amplifying unit, thereby increasing amplification efficiency and reducing heat generation.

일 실시예에 따르면, 공급 전압 변조 장치가 복수의 증폭기 및 푸쉬-풀 스테이지로 구성됨으로써, 회로가 간단해지고, 부피가 감소할 수 있다.According to an embodiment, since the supply voltage modulation device is composed of a plurality of amplifiers and push-pull stages, the circuit can be simplified and the volume can be reduced.

본 발명의 효과가 상술한 효과들로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.The effects of the present invention are not limited to the above-described effects, and effects that are not mentioned will be clearly understood by those of ordinary skill in the art from the present specification and the accompanying drawings.

도 1은 종래의 단일 전력 증폭기에 관한 회로도이다.
도 2는 종래의 Envelop Tracking 기법이 적용된 전력 증폭기에 관한 회로도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 공급 전압 변조 장치를 포함하는 전력 증폭기에 관한 회로도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 공급 전압 변조 장치를 포함하는 전력 증폭기에 관한 회로도이다.
도 5는 단일 전력 증폭기 및 일 실시예에 따른 전력 증폭기의 시간과 전압에 관한 그래프이다.1 is a circuit diagram of a conventional single power amplifier.
2 is a circuit diagram of a power amplifier to which a conventional Envelop Tracking technique is applied.
3 is a circuit diagram of a power amplifier including a supply voltage modulation device according to an embodiment.
4 is a circuit diagram of a power amplifier including a supply voltage modulation device according to an embodiment.
5 is a graph of time and voltage of a single power amplifier and a power amplifier according to an embodiment.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 구성요소를 추가, 변경, 삭제 등을 통하여, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본원 발명 사상 범위 내에 포함된다고 할 것이다. Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the spirit of the present invention is not limited to the presented embodiments, and those skilled in the art who understand the spirit of the present invention can add, change, or delete other elements within the scope of the same idea. Other embodiments included within the scope of the inventive concept may be easily proposed, but it will be said that this is also included within the scope of the inventive concept.

또한, 각 실시예의 도면에 나타나는 동일한 사상의 범위 내의 기능이 동일한 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 설명한다.In addition, components having the same function within the scope of the same idea shown in the drawings of each embodiment will be described with the same reference numerals.

도 1은 종래의 단일 전력 증폭기에 관한 회로도이다.1 is a circuit diagram of a conventional single power amplifier.

도 1을 참조하면, 종래의 단일 전력 증폭기(1)는 입력단, 전원 연결단, 출력단을 포함한다. 단일 전력 증폭기(1)는 입력단을 통해 RF 신호를 수신하고, 전원 연결단을 통해 전원 공급 장치로부터 직접적으로 직류 전원을 공급받는다. 단일 전력 증폭기(1)는 수신한 RF 신호를 증폭하고, 출력단을 통해 증폭한 RF 신호를 출력한다.Referring to FIG. 1, a conventional single power amplifier 1 includes an input terminal, a power connection terminal, and an output terminal. The single power amplifier 1 receives an RF signal through an input terminal, and receives DC power directly from a power supply device through a power connection terminal. The single power amplifier 1 amplifies the received RF signal and outputs the amplified RF signal through an output terminal.

단일 전력 증폭기(1)는 직류 전원을 이용하여 교류 신호인 RF 신호를 증폭하는 과정에서 직류 전원의 전압(Vdd)과, RF 신호의 전압 차이만큼 전력을 불필요하게 소모한다. 불필요하게 버려진 전력은 발열을 증가시키고, 전력 효율을 감소시키며, 전자기기의 작동 시간 및 내구성을 감소시킨다.The single power amplifier 1 unnecessarily consumes power as much as the voltage difference between the voltage Vdd of the DC power supply and the voltage of the RF signal in a process of amplifying the RF signal, which is an AC signal, using a DC power supply. Unnecessarily wasted power increases heat generation, reduces power efficiency, and reduces operating time and durability of electronic devices.

도 2는 종래의 변조 장치를 포함하는 전력 증폭기에 관한 회로도이다.2 is a circuit diagram of a power amplifier including a conventional modulation device.

도 2를 참조하면, 종래의 변조 장치를 포함하는 전력 증폭기(2)는 공급 전압 변조부(24) 및 전력 증폭부(26)를 포함한다. 공급 전압 변조부(24)는 RF 신호에 기초하여 변조된 교류 전원을 전력 증폭부(26)에 공급할 수 있다. Referring to FIG. 2, a power amplifier 2 including a conventional modulation device includes a supply voltage modulator 24 and a power amplifier 26. The supply voltage modulator 24 may supply the AC power modulated based on the RF signal to the power amplification unit 26.

공급 전압 변조부(24)는 선형부(242)와 스위칭부(244)를 포함한다. 여기서 선형부는 선형 전압원(linear voltage source)으로 작동하며, 스위칭부는 종속 전류원(dependant current source)으로 작동한다.The supply voltage modulator 24 includes a linear part 242 and a switching part 244. Here, the linear portion operates as a linear voltage source, and the switching portion operates as a dependent current source.

전력 증폭기(2)는, 단일 전력 증폭기(1)에 비해, RF 신호에 기초하여 획득된 교류 전원을 전력 증폭부(26)에 공급함으로써 증폭 효율을 증가시킬 수 있다. 그러나, 공급 전압 변조부(24)가 선형부(242) 및 스위칭부(244)를 포함함에 따라 회로가 복잡하고, 부피가 커지는 문제가 있다. 또한, 스위칭부(244)의 전압감지 저항(Rsense)로 인한 전압 강하가 발생한다. 또한, 선형부(242)의 푸쉬 풀 스테이지(347)에 바이어스 전압을 인가하는 바이어스(2422 및 2424)에서 불필요한 전력이 소모되는 문제가 있다.Compared to the single power amplifier 1, the power amplifier 2 can increase amplification efficiency by supplying the AC power obtained based on the RF signal to the power amplifying unit 26. However, as the supply voltage modulating unit 24 includes the linear unit 242 and the switching unit 244, there is a problem that the circuit is complicated and the volume is increased. In addition, a voltage drop occurs due to the voltage sensing resistor Rsense of the switching unit 244. In addition, there is a problem that unnecessary power is consumed in the biases 2422 and 2424 applying a bias voltage to the push-pull stage 347 of the linear unit 242.

도 3은 일 실시예에 따른 공급 전압 변조 장치를 포함하는 전력 증폭기에 관한 회로도이다. 3 is a circuit diagram of a power amplifier including a supply voltage modulation device according to an embodiment.

도 3을 참조하면, 공급 전압 변조 장치를 포함하는 전력 증폭기(300)는, 포락선 검파기(32), 공급 전압 변조부(34) 및 전력 증폭부(36)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 3, a power amplifier 300 including a supply voltage modulating device may include an envelope detector 32, a supply voltage modulating unit 34, and a power amplifying unit 36.

포락선 검파기(32, Envelope detector)는, 전력 증폭기(300)에 입력되는 RF 신호의 포락선을 검출할 수 있다. 포락선 검파기(32)는 검출한 포락선 신호를 공급 전압 변조부(34)에 전달할 수 있다.The envelope detector 32 may detect an envelope of an RF signal input to the power amplifier 300. The envelope detector 32 may transmit the detected envelope signal to the supply voltage modulator 34.

공급 전압 변조부(34)는, 제1 증폭기(341), 제2 증폭기(344) 및 푸쉬-풀 스테이지(347)를 포함할 수 있다. 공급 전압 변조부는 다수의 전자 소자들이 전기적으로 연결된 전자 회로, 모듈 또는 장치일 수 있다.The supply voltage modulator 34 may include a first amplifier 341, a second amplifier 344, and a push-pull stage 347. The supply voltage modulator may be an electronic circuit, module, or device to which a plurality of electronic elements are electrically connected.

제1 증폭기(341) 및 제2 증폭기(344)는 병렬로 연결되어 푸쉬-풀 스테이지(347)에 게이트 전압을 인가하는 바이어스 역할을 수행할 수 있다. 제1 증폭기(341)는 푸쉬-풀 스테이지(347)의 N형 반도체(N-MOS, 348)에 제1 게이트 전압을 인가할 수 있다. 제2 증폭기(344)는 푸쉬-풀 스테이지(347)의 P형 반도체(P-MOS, 349)에 게이트 전압을 인가할 수 있다.The first amplifier 341 and the second amplifier 344 may be connected in parallel to serve as a bias for applying a gate voltage to the push-pull stage 347. The first amplifier 341 may apply a first gate voltage to the N-type semiconductor (N-MOS) 348 of the push-pull stage 347. The second amplifier 344 may apply a gate voltage to the P-type semiconductor (P-MOS) 349 of the push-pull stage 347.

제1 증폭기(341) 및 제2 증폭기(344)는 연산 증폭기(OP amplifier)일 수 있다.The first amplifier 341 and the second amplifier 344 may be operational amplifiers.

제1 증폭기(341) 및 제2 증폭기(344)는 예를 들면, 주파수와 무관하게 일정한 증폭비율을 갖는 선형 증폭기일 수 있다. The first amplifier 341 and the second amplifier 344 may be, for example, linear amplifiers having a constant amplification ratio regardless of frequency.

제1 증폭기(341) 및 제2 증폭기(344)는 예를 들면, 비반전 증폭기일 수 있다. 제1 증폭기(341) 및 제2 증폭기(344)의 비반전 단자에는 전압이 인가될 수 있고, 반전 단자에는 저항이 연결될 수 있다.The first amplifier 341 and the second amplifier 344 may be, for example, non-inverting amplifiers. A voltage may be applied to the non-inverting terminals of the first and second amplifiers 341 and 344, and a resistor may be connected to the inverting terminal.

제1 증폭기(341)의 이득은 제2 증폭기(344)의 이득보다 클 수 있다. 예를 들면, 제2 증폭기의 이득은 제1 증폭기의 이득의 90% 내지 95%일 수 있다.The gain of the first amplifier 341 may be greater than the gain of the second amplifier 344. For example, the gain of the second amplifier may be 90% to 95% of the gain of the first amplifier.

제1 증폭기(341)의 반전 단자에는 접지 그라운드에 연결되는 제1 저항(342) 및 출력 단자에 연결되는 제2 저항(343)이 연결될 수 있다. 예를 들면, 제1 저항(342) 값에 대한 제2 저항(343) 값의 비는 6일 수 있다. 이에 따라, 제1 저항(342) 값에 대한 제2 저항(343) 값의 비에 1을 더하여 획득되는 제1 증폭기(341)의 이득은 6 이상일 수 있다. 제1 증폭기(341)의 이득은 7일 수 있다.A first resistor 342 connected to a ground ground and a second resistor 343 connected to an output terminal may be connected to an inverting terminal of the first amplifier 341. For example, a ratio of the value of the second resistor 343 to the value of the first resistor 342 may be 6. Accordingly, a gain of the first amplifier 341 obtained by adding 1 to the ratio of the value of the second resistor 343 to the value of the first resistor 342 may be 6 or more. The gain of the first amplifier 341 may be 7.

제2 증폭기(344)의 반전 단자에는 일단이 접지되는 제3 저항(345) 및 출력 단자에 연결되는 제4 저항(346)이 연결될 수 있다. 제3 저항(345) 값에 대한 제4 저항(346) 값의 비는 5.5일 수 있다. 이에 따라, 제3 저항(345) 값에 대한 제4 저항(346) 값의 비에 1을 더하여 획득되는 제2 증폭기(344)의 이득은 5.5 이상일 수 있다. 제2 증폭기(344)의 이득은 6.5일 수 있다.A third resistor 345 with one end grounded and a fourth resistor 346 connected to the output terminal may be connected to the inverting terminal of the second amplifier 344. A ratio of the value of the fourth resistor 346 to the value of the third resistor 345 may be 5.5. Accordingly, the gain of the second amplifier 344 obtained by adding 1 to the ratio of the value of the fourth resistor 346 to the value of the third resistor 345 may be 5.5 or more. The gain of the second amplifier 344 may be 6.5.

제1 저항(342)의 값에 대한 제2 저항(343)의 값의 비는, 제3 저항(345)의 값에 대한 제4 저항(346)의 값의 비보다 클 수 있다. 이로써, 제1 게이트 전압은, 제2 게이트 전압보다 클 수 있다. 예를 들면, 공급 전압 변조부(34)에 50V의 전압이 입력될 때, 제1 게이트 전압은, 54.34V일 수 있고, 제2 게이트 전압은 50.90V일 수 있다.A ratio of the value of the second resistor 343 to the value of the first resistor 342 may be greater than a ratio of the value of the fourth resistor 346 to the value of the third resistor 345. Accordingly, the first gate voltage may be greater than the second gate voltage. For example, when a voltage of 50V is input to the supply voltage modulator 34, the first gate voltage may be 54.34V, and the second gate voltage may be 50.90V.

제1 증폭기(341) 및 제2 증폭기(344)의 이득은 푸쉬-풀 스테이지(347)의 N형 반도체(348) 및 P형 반도체(349)의 스레스홀드(threshold) 값에 기초하여 적절한 제1 게이트 전압 및 제2 게이트 전압을 제공하기 위해 설계된 값이다. The gains of the first amplifier 341 and the second amplifier 344 are appropriate based on the threshold values of the N-type semiconductor 348 and P-type semiconductor 349 of the push-pull stage 347. It is a value designed to provide one gate voltage and a second gate voltage.

예를 들면, 제1 게이트 전압 및 제2 게이트 전압은 수식 1에 의해 결졍될 수 있다.For example, the first gate voltage and the second gate voltage may be determined by Equation 1.

[수식 1][Equation 1]

Figure 112018115832441-pat00002
Figure 112018115832441-pat00002

여기서, V1stgate는 제1 게이트 전압, V2nd gate는 제2 게이트 전압, Vth,n는 N형 반도체의 스레스홀드 값, Vth,p는 P형 반도체의 스레스홀드 값을 말한다.Here, V 1stgate is the first gate voltage, V 2nd gate is the second gate voltage, V th,n is the threshold value of the N-type semiconductor, and V th,p is the threshold value of the P-type semiconductor.

푸쉬 풀 스테이지(347)는, 증폭기에 의해 증폭된 포락선 신호를 입력받고, 증폭된 포락선 신호의 선형성이 유지된 변조 신호를 출력할 수 있다.The push-pull stage 347 may receive an envelope signal amplified by an amplifier and output a modulated signal in which linearity of the amplified envelope signal is maintained.

푸쉬-풀 스테이지(347)는, 선형성 왜곡을 보상하기 위해, 보상 전류를 공급 및 흡수(Push-Pull)할 수 있다. 푸쉬-풀 스테이지(347)는 전류를 공급 및 흡수함으로써, 좋은 선형성을 갖는 변조 신호를 제공할 수 있다. 푸쉬-풀 스테이지(347)가 제대로 전류를 공급 및 흡수를 하지 못하면, 변조 신호는 선형성을 유지하지 못하고 왜곡성분을 가질 수 있다.The push-pull stage 347 may supply and absorb a compensation current in order to compensate for linearity distortion. The push-pull stage 347 may supply and absorb current, thereby providing a modulated signal having good linearity. If the push-pull stage 347 does not properly supply and absorb current, the modulated signal may not maintain linearity and may have distortion components.

푸쉬-풀 스테이지(347)는 곧바로 전력 증폭부(36)에 연결되어 변조 신호를 전력 증폭부(36)에 전달할 수 있다. 푸쉬-풀 스테이지(347)는 스위칭부와 연결되지 않고 직접적으로 전력 증폭부(36)에 연결될 수 있다.The push-pull stage 347 may be directly connected to the power amplifying unit 36 to transmit the modulated signal to the power amplifying unit 36. The push-pull stage 347 may be directly connected to the power amplifying unit 36 without being connected to the switching unit.

도 4는 일 실시예에 따른 공급 전압 변조 장치를 포함하는 전력 증폭기에 관한 회로도이다. 4 is a circuit diagram of a power amplifier including a supply voltage modulation device according to an embodiment.

도 4를 참조하면, 포락선 검파기(32)는 적어도 하나의 다이오드, 적어도 하나의 저항, 적어도 하나의 캐퍼시터를 포함할 수 있다. 다이오드는 Onsemiconductor사의 1n4002일 수 있다.Referring to FIG. 4, the envelope detector 32 may include at least one diode, at least one resistor, and at least one capacitor. The diode may be 1n4002 from Onsemiconductor.

전력 증폭부(36)는, 전력 증폭부(36)는 드레인 또는 소스를 통해 변조 신호를 수신할 수 있다. 변조 신호는 전력 증폭부(36)에서 출력되는 신호를 생성하는 전원으로 사용될 수 있다.The power amplification unit 36 may receive a modulated signal through a drain or a source of the power amplification unit 36. The modulated signal may be used as a power source for generating a signal output from the power amplifying unit 36.

전력 증폭부(36)는 입력단을 통해 수신한 RF 신호를 증폭하고, 변조 신호에 기초하여, 또는 변조 신호를 이용하여 RF 신호를 증폭하고, 출력단을 통해 증폭한 RF 신호를 출력한다.The power amplification unit 36 amplifies the RF signal received through the input terminal, amplifies the RF signal based on the modulated signal or using the modulated signal, and outputs the amplified RF signal through the output terminal.

전력 증폭부는 입력단과 출력단의 임피던스 매칭을 위한 전자 소자들을 포함할 수 있다. 임피던스 매칭부(362)는 입력단에 연결되며, 적어도 하나의 캐퍼시터 및 적어도 하나의 인덕터를 포함할 수 있다. 임피던스 매칭부(364)는 출력단에 연결되며, 적어도 하나의 캐퍼시터 및 적어도 하나의 인덕터를 포함할 수 있다.The power amplifier may include electronic elements for impedance matching between the input terminal and the output terminal. The impedance matching unit 362 is connected to the input terminal and may include at least one capacitor and at least one inductor. The impedance matching unit 364 is connected to the output terminal and may include at least one capacitor and at least one inductor.

전력 증폭부의 증폭기(Power amplifier)는 CREE사의 CGHV60040D GaN HEMT Die 제품일 수 있다. 변조 장치의 부가를 위한 PCB 상에 wire bonding 시, 사용되는 bond wire는 0.1nH의 인덕터일 수 있다. 변조 장치를 포함하는 전력 증폭기(300)의 성능을 측정하기 위해, K factor는 1이상, 최대안정이득이 가장 큰 4.2GHz에서 PA를 시뮬레이션 하였다. The power amplifier of the power amplifier may be a product of CREE's CGHV60040D GaN HEMT Die. When wire bonding on the PCB for the addition of the modulator, the bond wire used may be an inductor of 0.1 nH. In order to measure the performance of the power amplifier 300 including the modulation device, a PA was simulated at 4.2 GHz, where the K factor was 1 or more and the maximum stability gain was the largest.

공급 전압 변조부에 사용한 소자는 N-MOS는 Onsemiconductor사의 2N7000을, Pmos는 Onsemiconductor사의 bss84LT1일 수 있다. 공급 전압 변조부의 연산 증폭기(OP-Amp)는 1 MHz의 Band Width를 가지며 출력전압과 공급전압이 60V의 OP-amp, Analog Devidce사의 ADA4700-1과 Apex microelectronic사의 pa73일 수 있다. The device used in the supply voltage modulator may be Onsemiconductor's 2N7000 for N-MOS, and Onsemiconductor's bss84LT1 for Pmos. The operational amplifier (OP-Amp) of the supply voltage modulator has a band width of 1 MHz and may be an OP-amp of 60V with an output voltage and a supply voltage, ADA4700-1 of Analog Devidce, and pa73 of Apex microelectronics.

전력 증폭기(300)의 성능을 측정한 결과, 전력 증폭기(300)에 1W의 RF 신호가 입력될 때, 공급 전압 변조부(34)로부터 전력 증폭부(36)에 인가되는 전압(Vdd)은 48.82V이고, 이에 따른 출력 전력은 42.19dBm, 16.6W이다. As a result of measuring the performance of the power amplifier 300, when a 1W RF signal is input to the power amplifier 300, the voltage Vdd applied from the supply voltage modulator 34 to the power amplification unit 36 is 48.82 V, and thus the output power is 42.19dBm, 16.6W.

전력 증폭기에서 생성된 전력을 고려하는 전력 부가 효율(PAE, Power Added Efficiency)은 아래와 같이 수식 2에 따라 획득된다.Power added efficiency (PAE) considering the power generated by the power amplifier is obtained according to Equation 2 below.

[수식 2][Equation 2]

Figure 112018115832441-pat00003
Figure 112018115832441-pat00003

여기에서 DCpower는 Vdd 에 대응될 수 있다. 이에 따른 전력 증폭기(300)의 전력부가효율는 38.81%로 측정되었다. 또한, 전력 증폭기(300)의 이득(Pgain)은 12.18dB로 측정되었다.Here, DCpower can correspond to Vdd. Accordingly, the power added efficiency of the power amplifier 300 was measured to be 38.81%. In addition, the gain (Pgain) of the power amplifier 300 was measured to be 12.18dB.

도 5는 단일 전력 증폭기 및 일 실시예에 따른 전력 증폭기의 시간과 전압에 관한 그래프이다. 도 5(a)는, 단일 전력 증폭기(1)의 시간과 전압에 관한 그래프이고, 도 5(b)는, 전력 증폭기(300)의 시간과 전압에 관한 그래프이다.5 is a graph of time and voltage of a single power amplifier and a power amplifier according to an embodiment. FIG. 5(a) is a graph of time and voltage of a single power amplifier 1, and FIG. 5(b) is a graph of time and voltage of the power amplifier 300.

도 5(a)를 참조하면, 단일 전력 증폭기(1)의 드레인에 인가되는 전압(Vdd)이 직류 전원이기 때문에, 교류 신호인 RF 신호를 증폭하는 동안, 드레인에 인가되는 전압(Vdd)과, RF 신호의 전압 차이만큼의 전력이 불필요하게 소모된다. 불필요하게 버려진 전력은 발열을 증가시키고, 전력 효율을 감소시키며, 전자기기의 작동 시간 및 내구성을 감소시킨다.Referring to FIG. 5(a), since the voltage Vdd applied to the drain of the single power amplifier 1 is a DC power source, the voltage Vdd applied to the drain while amplifying the RF signal as an AC signal, and The power equal to the voltage difference between the RF signal is unnecessarily consumed. Unnecessarily wasted power increases heat generation, reduces power efficiency, and reduces operating time and durability of electronic devices.

도 5(b)를 참조하면, 전력 증폭부(36)의 드레인에 인가되는 전압(Vdd)은, RF 신호의 포락선에 기초하여 생성된 신호이기 때문에 RF 신호와 주파수, 진폭 등에 있어서 유사한 전자기적 특성을 가진다. 이로 인해, 드레인에 인가되는 전압과 RF 신호의 전압 차가 미소하여, RF 신호를 증폭하는 과정에서 소모되는 전력이 감소될 수 있다. Referring to FIG. 5(b), the voltage Vdd applied to the drain of the power amplifying unit 36 is a signal generated based on the envelope of the RF signal, and thus electromagnetic characteristics similar to the RF signal in frequency, amplitude, etc. Have. Accordingly, a voltage difference between the voltage applied to the drain and the RF signal is small, and power consumed in the process of amplifying the RF signal may be reduced.

상기에서는 본 발명에 따른 실시예를 기준으로 본 발명의 구성과 특징을 설명하였으나 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 사상과 범위 내에서 다양하게 변경 또는 변형할 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자에게 명백한 것이며, 따라서 이와 같은 변경 또는 변형은 첨부된 특허청구범위에 속함을 밝혀둔다.In the above, the configuration and features of the present invention have been described based on the embodiments according to the present invention, but the present invention is not limited thereto, and various changes or modifications can be made within the spirit and scope of the present invention. It will be apparent to those skilled in the art, and therefore, such changes or modifications are found to belong to the appended claims.

1 종래의 단일 전력 증폭기
300 전력 증폭기
32 포락선 검파기
34 공급 전압 변조부
341 제1 증폭기
344 제2 증폭기
347 푸쉬-풀 스테이지1 conventional single power amplifier
300 power amplifier
32 Envelope Detector
34 Supply voltage modulator
341 first amplifier
344 second amplifier
347 push-pull stage

Claims (11)

RF 신호의 포락선 신호(envelope)를 수신하여 제1 이득값에 따라 증폭하는 제1 증폭기 및 제2 이득값에 따라 증폭하는 제2 증폭기; 및
상기 제1 증폭기로부터 제1 게이트 전압을 공급받는 N형 반도체(N-MOS) 및 상기 제2 증폭기로부터 제2 게이트 전압을 공급받는 P형 반도체(P-MOS)를 포함하고, 상기 포락선 신호에 기초하여 획득된 변조 신호를 상기 RF 신호를 증폭하는 전력 증폭기에 공급하는 푸쉬-풀 스테이지(push-pull stage)를 포함하고,
상기 제1 게이트 전압이 상기 제2 게이트 전압보다 크도록 상기 제1 이득값은 상기 제2 이득값보다 크고,
상기 제1 게이트 전압 및 상기 제2 게이트 전압은, 수식 1에 의해 결정되며,
[수식 1]
Figure 112020501995713-pat00010

여기서 상기 제1 게이트 전압은 V1stgate, 상기 제2 게이트 전압은 V2nd gate, 상기 N형 반도체의 스레스홀드 값은 Vth,n, 상기 P형 반도체의 스레스홀드 값은 Vth,p인,
변조 장치.A first amplifier receiving an envelope signal of the RF signal and amplifying according to a first gain value and a second amplifier amplifying according to a second gain value; And
An N-type semiconductor (N-MOS) receiving a first gate voltage from the first amplifier and a P-type semiconductor (P-MOS) receiving a second gate voltage from the second amplifier, based on the envelope signal And a push-pull stage for supplying the obtained modulated signal to a power amplifier for amplifying the RF signal,
The first gain value is greater than the second gain value so that the first gate voltage is greater than the second gate voltage,
The first gate voltage and the second gate voltage are determined by Equation 1,
[Equation 1]
Figure 112020501995713-pat00010

Here, the first gate voltage is V1stgate, the second gate voltage is V2nd gate, the threshold value of the N-type semiconductor is Vth,n, and the threshold value of the P-type semiconductor is Vth,p,
Modulation device. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1 항에 있어서,
상기 제1 증폭기 및 상기 제2 증폭기는 비반전 증폭기인,
변조 장치. The method of claim 1,
The first amplifier and the second amplifier are non-inverting amplifiers,
Modulation device. RF 신호의 포락선 신호를 검출하는 포락선 검파기;
상기 포락선 신호를 제1 이득값에 따라 증폭하여 제1 게이트 전압을 출력하는 제1 증폭기, 상기 포락선 신호를 제2 이득값에 따라 증폭하여 제2 게이트 전압을 출력하는 제2 증폭기 및 상기 제1 게이트 전압이 인가되는 N형 반도체(N-MOS) 및 상기 제2 게이트 전압이 인가되는 P형 반도체(P-MOS)를 포함하고, 상기 포락선 신호에 기초하여 획득된 변조 신호를 출력하는 푸쉬-풀 스테이지(push-pull stage)를 포함하고,
상기 제1 게이트 전압이 상기 제2 게이트 전압보다 크도록 상기 제1 이득값은 상기 제2 이득값보다 크고,
상기 제1 게이트 전압 및 상기 제2 게이트 전압은, 수식 1에 의해 결정되며,
[수식 1]
Figure 112020007774214-pat00011

여기서 상기 제1 게이트 전압은 V1stgate, 상기 제2 게이트 전압은 V2nd gate, 상기 N형 반도체의 스레스홀드 값은 Vth,n, 상기 P형 반도체의 스레스홀드 값은 Vth,p인, 공급 전압 변조부; 및
상기 RF 신호를 입력받고, 상기 공급 전압 변조부로부터 수신한 변조 신호에 기초하여 상기 RF 신호를 증폭하는 전력 증폭부를 포함하는
전력 증폭기. An envelope detector for detecting an envelope signal of an RF signal;
A first amplifier amplifying the envelope signal according to a first gain value to output a first gate voltage, a second amplifier amplifying the envelope signal according to a second gain value and outputting a second gate voltage, and the first gate A push-pull stage including an N-type semiconductor (N-MOS) to which a voltage is applied and a P-type semiconductor (P-MOS) to which the second gate voltage is applied, and outputting a modulated signal obtained based on the envelope signal (push-pull stage) included,
The first gain value is greater than the second gain value so that the first gate voltage is greater than the second gate voltage,
The first gate voltage and the second gate voltage are determined by Equation 1,
[Equation 1]
Figure 112020007774214-pat00011

Here, the first gate voltage is V1stgate, the second gate voltage is V2nd gate, the threshold value of the N-type semiconductor is Vth,n, and the threshold value of the P-type semiconductor is Vth,p. part; And
Receiving the RF signal, including a power amplification unit for amplifying the RF signal based on the modulated signal received from the supply voltage modulator
Power amplifier. 삭제delete 삭제delete 삭제delete RF 신호의 포락선 신호를 검출하는 단계;
상기 포락선 신호를 제1 이득값에 따라 증폭하여 제1 게이트 전압을 출력하도록 제1 증폭기에서 상기 포락선 신호를 증폭하고, 상기 포락선 신호를 제2 이득값에 따라 증폭하여 제2 게이트 전압을 출력하도록 제2 증폭기에서 상기 포락선 신호를 증폭하는 단계;
상기 제1 게이트 전압을 N형 반도체(N-MOS)에 인가하고, 상기 제2 게이트 전압을 P형 반도체(P-MOS)에 인가하여 상기 포락선 신호에 기초하여 획득된 변조 신호를 출력하는 단계; 및
상기 변조 신호에 기초하여 상기 RF 신호를 증폭하는 단계;를 포함하고,
상기 상기 포락선 신호를 증폭하는 단계에서,
상기 제1 게이트 전압이 상기 제2 게이트 전압보다 크도록 상기 제1 이득값은 상기 제2 이득값보다 크고,
상기 제1 게이트 전압 및 상기 제2 게이트 전압은, 수식 1에 의해 결정되며,
[수식 1]
Figure 112020007774214-pat00012

여기서 상기 제1 게이트 전압은 V1stgate, 상기 제2 게이트 전압은 V2nd gate, 상기 N형 반도체의 스레스홀드 값은 Vth,n, 상기 P형 반도체의 스레스홀드 값은 Vth,p인
전력 증폭 방법.Detecting an envelope signal of the RF signal;
A first amplifier amplifies the envelope signal to output a first gate voltage by amplifying the envelope signal according to a first gain value, and amplifying the envelope signal according to a second gain value to output a second gate voltage. 2 amplifying the envelope signal in an amplifier;
Applying the first gate voltage to an N-type semiconductor (N-MOS) and applying the second gate voltage to a P-type semiconductor (P-MOS) to output a modulated signal obtained based on the envelope signal; And
Amplifying the RF signal based on the modulated signal; including,
In the step of amplifying the envelope signal,
The first gain value is greater than the second gain value so that the first gate voltage is greater than the second gate voltage,
The first gate voltage and the second gate voltage are determined by Equation 1,
[Equation 1]
Figure 112020007774214-pat00012

Here, the first gate voltage is V1stgate, the second gate voltage is V2nd gate, the threshold value of the N-type semiconductor is Vth,n, and the threshold value of the P-type semiconductor is Vth,p.
Power amplification method.
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