KR102354830B1 - 바이어싱 컴포넌트를 가진 전력 증폭 시스템 - Google Patents

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KR102354830B1
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필립 존 레톨라
스콧 더블유 코핀
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스카이워크스 솔루션즈, 인코포레이티드
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Abstract

조절 가능한 공통 베이스 바이어스를 가진 전력 증폭 시스템. 전력 증폭 시스템은 무선 주파수 입력에 결합된 베이스를 가진 제1 트랜지스터를 포함할 수 있다. 전력 증폭은 제1 트랜지스터의 컬렉터에 결합된 에미터를 갖고 무선 주파수 출력에 결합된 컬렉터를 갖는 제2 트랜지스터를 더 포함할 수 있다. 전력 증폭 시스템은 고정 바이어싱 신호를 제1 트랜지스터의 베이스에 인가하고 조절 가능한 바이어싱 신호를 제2 트랜지스터의 베이스에 인가하도록 구성된 바이어싱 컴포넌트를 포함할 수 있다.

Description

바이어싱 컴포넌트를 가진 전력 증폭 시스템{POWER AMPLIFICATION SYSTEM WITH BIASING COMPONENT}
관련 출원(들)에 대한 상호 참조
본 출원은 2015년 2월 15일자로 출원된 미국 가출원 제62/116,499호(발명의 명칭 "ADJUSTABLE CASCODE BIAS"의 우선권을 주장하며, 그 개시 내용 전체가 참고로 본 명세서 명시적으로 포함된다.
기술분야
본 개시 내용은 일반적으로 전력 증폭기들과 관한 것이다.
전력 증폭 시스템은 공통 베이스 스테이지와 공통 에미터 스테이지를 갖는 캐스코드 전력 증폭기를 포함할 수 있다. 스테이지들을 바이어싱하는데 이용된 신호들은 최악의 경우의 상태들에서 스테이지들의 포화를 방지하도록 선택된 고정된 전압들일 수 있다. 그러나 이는 저 전력 상태하에서 과도한 마진을 초래할 수 있어, 전력 증폭 시스템의 효율을 감소시킬 수 있다.
일부 구현에 따르면, 본 개시 내용은 전력 증폭 시스템과 관련된다. 전력 증폭 시스템은 무선 주파수 입력에 결합된 베이스를 갖는 제1 트랜지스터와, 제1 트랜지스터의 컬렉터에 결합된 에미터를 갖고 무선 주파수 출력에 결합된 컬렉터를 갖는 제2 트랜지스터를 포함한다. 전력 증폭 시스템은 고정된 바이어싱 신호를 제1 트랜지스터의 베이스에 인가하고 조절 가능한 바이어싱 신호를 제2 트랜지스터의 베이스에 인가하도록 구성된 바이어싱 컴포넌트를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 바이어싱 컴포넌트는 전력 증폭 시스템의 온도에 기초하여 조절 가능한 바이어싱 신호를 인가하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 바이어싱 컴포넌트는 더 낮은 온도에 응답하여 더 높은 조절 가능한 바이어싱 신호를 인가하고 더 높은 온도에 응답하여 더 낮은 조절 가능한 바이어싱 신호를 인가하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 전력 증폭 시스템은 온도를 결정하도록 구성된 온도 센서를 더 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 바이어싱 컴포넌트는 온도를 나타내는 온도 신호를 수신하도록 구성될 수 있다.
일부 실시예에서, 바이어싱 컴포넌트는 전력 증폭 시스템의 전력 상태에 기초하여 조절 가능한 바이어싱 신호를 인가하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 바이어싱 컴포넌트는 더 높은 출력 전력에 응답하여 더 높은 조절 가능한 바이어싱 신호를 인가하고 더 낮은 출력 전력에 응답하여 더 낮은 조절 가능한 바이어싱 신호를 인가하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 전력 증폭 시스템은 출력 전력을 결정하도록 구성된 전력 센서를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 전력 센서는 공급 전압에 결합될 수 있고, 공급 전압에 기초하여 출력 전력을 결정하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 제2 트랜지스터의 컬렉터는 인덕터를 통해 공급 전압에 결합될 수 있다. 일부 실시예에서, 전력 센서는 무선 주파수 출력에 결합될 수 있고, 무선 주파수 출력에 기초하여 출력 전력을 결정하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 바이어싱 컴포넌트는 전력 상태를 나타내는 전력 신호를 수신하도록 구성될 수 있다.
일부 실시예에서, 바이어싱 컴포넌트는 무선 주파수 입력의 변조 표준에 기초하여 조절 가능한 바이어싱 신호를 인가하도록 구성될 수 있다.
일부 실시예에서, 조절 가능한 바이어싱 신호는 조절 가능한 바이어싱 전압일 수 있다.
일부 실시예에서, 바이어싱 컴포넌트는 조절 가능한 바이어싱 신호를 제공하는 아날로그 회로를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 바이어싱 컴포넌트는 복수의 온도 값 및/또는 전력 상태와 각각 연관된 바이어싱 전압 값들의 테이블을 저장하는 디지털 회로를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 바이어싱 컴포넌트는 배터리 전압에 결합된 컬렉터, 제2 트랜지스터의 베이스에 결합된 에미터, 및 버퍼 증폭기에 결합된 베이스를 갖는 제3 트랜지스터를 포함한다.
일부 구현에서, 본 개시 내용은 복수의 컴포넌트를 수용하도록 구성된 패키징 기판을 포함하는 무선 주파수(RF) 모듈과 관련된다. RF 모듈은 패키징 기판 상에 구현된 전력 증폭 시스템을 더 포함한다. 전력 증폭 시스템은 무선 주파수 입력에 결합된 베이스를 갖는 제1 트랜지스터와, 제1 트랜지스터의 컬렉터에 결합된 에미터를 갖고 무선 주파수 출력에 결합된 컬렉터를 갖는 제2 트랜지스터를 포함한다. 전력 증폭 시스템은 고정된 바이어싱 신호를 제1 트랜지스터의 베이스에 인가하고 조절 가능한 바이어싱 신호를 제2 트랜지스터의 베이스에 인가하도록 구성된 바이어싱 컴포넌트를 포함한다.
일부 구현에서, RF 모듈은 프런트-엔드 모듈(FEM, Front-End Module)이다.
일부 구현에서, 본 개시 내용은 무선-주파수(RF) 신호를 생성하도록 구성된 송수신기를 포함하는 무선 디바이스와 관련된다. 무선 디바이스는 송수신기와 통신하는 프런트-엔드 모듈(FEM)을 포함한다. FEM은 복수의 컴포넌트를 수용하도록 구성된 패키징 기판을 포함한다. FEM은 패키징 기판 상에 구현된 전력 증폭 시스템을 더 포함한다. 전력 증폭 시스템은 무선 주파수 신호를 수신하기 위해 무선 주파수 입력에 결합된 베이스를 갖는 제1 트랜지스터와, 제1 트랜지스터의 컬렉터에 결합된 에미터를 갖고 무선 주파수 출력에 결합된 컬렉터를 갖는 제2 트랜지스터를 포함한다. 전력 증폭 시스템은 고정된 바이어싱 신호를 제1 트랜지스터의 베이스에 인가하고 조절 가능한 바이어싱 신호를 제2 트랜지스터의 베이스에 인가하도록 구성된 바이어싱 컴포넌트를 포함한다. 무선 디바이스는 FEM과 통신하는 안테나를 포함한다. 안테나는 무선 주파수 출력으로부터 수신된 무선 주파수 신호의 증폭된 버전을 전송하도록 구성된 안테나이다.
본 개시 내용을 요약하기 위해, 본 발명의 소정의 양태들, 이점들 및 신규한 특징들이 본 명세서에 설명되었다. 반드시 이러한 모든 이점들이 본 발명의 임의의 특정 실시예에 따라 달성되지는 않을 수 있다는 것을 이해해야 한다. 따라서, 본 발명은, 본 명세서에 교시되거나 암시될 수 있는 다른 이점들을 반드시 달성할 필요없이 본 명세서에 교시된 바와 같은 하나의 이점 또는 이점들의 그룹을 달성하거나 최적화하는 방식으로 구현되거나 수행될 수 있다.
도 1은 예시적인 무선 시스템 또는 아키텍처를 도시한다.
도 2는 일부 구현에서 증폭 시스템이 하나 이상의 전력 증폭기를 갖는 무선 주파수(RF) 증폭기 어셈블리를 포함할 수 있음을 도시한다.
도 3a-3e는 전력 증폭기들의 비 제한적인 예들을 도시한다.
도 4는 일부 구현에서 증폭 시스템이 고전압(HV, High Voltage) 전력 증폭 시스템으로 구현될 수 있음을 도시한다.
도 5는 일부 실시예에서 전력 증폭 시스템이 조절 가능한 바이어스 신호를 가진 캐스코드 증폭기로서 구현될 수 있음을 도시한다.
도 6은 다양한 공통 베이스 바이어스 전압들에 대한 공급 전압(Vcc)의 함수로서 전력 증폭 시스템의 이득의 예시적인 플롯들을 도시한다.
도 7은 다양한 공통 베이스 바이어스 전압들에 대한 공급 전압(Vcc)의 함수로서 전력 증폭 시스템의 출력 전력의 예시적인 플롯들을 도시한다.
도 8은 다양한 공통 베이스 바이어스 전압들에 대한 전력 증폭 시스템의 AMAM(Amplitude-Modulation to Amplitude-Modulation) 응답의 예시적인 플롯을 도시한다.
도 9는 본 명세서에 설명된 것과 같은 하나 이상의 특징을 갖는 모듈을 도시한다.
도 10은 본 명세서에 설명된 것과 같은 하나 이상의 특징을 갖는 무선 디바이스를 도시한다.
본 명세서에 제공된 제목들이 있다면 이는 단지 편의를 위한 것이며, 반드시 청구 발명의 의미 또는 범위에 영향을 미치는 것은 아니다.
도 1을 참고할 때, 본 개시 내용의 하나 이상의 특징은 일반적으로 증폭 시스템(52)을 갖는 무선 시스템 또는 아키텍처(50)와 관련된다. 일부 실시예에서, 증폭 시스템(52)은 하나 이상의 디바이스로서 구현될 수 있고, 이런 디바이스(들)는 무선 시스템/아키텍처(50)에서 이용될 수 있다. 일부 실시예에서, 무선 시스템/아키텍처(50)는 예를 들어, 휴대용 무선 디바이스로 구현될 수 있다. 이런 무선 디바이스의 예들은 본 명세서에 설명된다.
도 2는 도 1의 증폭 시스템(52)이 전형적으로 하나 이상의 전력 증폭기(PA, Power Amplifier)를 갖는 무선 주파수(RF) 증폭기 어셈블리(54)를 포함함을 도시한다. 도 2의 예에서, 3개의 PA(60a-60c)가 RF 증폭기 어셈블리(54)를 형성하는 것으로서 도시된다. 다른 개수의 PA(들)가 또한 구현될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 또한, 본 개시 내용의 하나 이상의 특징이 다른 유형의 RF 증폭기들을 갖는 RF 증폭기 어셈블리들에 또한 구현될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
일부 실시예에서, RF 증폭기 어셈블리(54)는 하나 이상의 반도체 다이 상에 구현될 수 있고, 이런 다이는 전력 증폭기 모듈(PAM, Power Amplifier Module) 또는 프런트-엔드 모듈(FEM)과 같은 패키지형 모듈에 포함될 수 있다. 그러한 패키지형 모듈은 전형적으로 예를 들어, 휴대용 무선 디바이스와 연관된 회로 보드 상에 장착된다.
증폭 시스템(52)의 PA들(예를 들어, 60a-60c)은 전형적으로 바이어스 시스템(56)에 의해 바이어싱된다. 또한, PA들에 대한 공급 전압들은 전형적으로 공급 시스템(58)에 의해 제공된다. 일부 실시예에서, 바이어스 시스템(56)과 공급 시스템(58) 중 하나 또는 둘 다는 RF 증폭기 어셈블리(54)를 갖는 상술한 패키지형 모듈에 포함될 수 있다.
일부 실시예에서, 증폭 시스템(52)은 정합 회로망(62)을 포함할 수 있다. 이런 정합 회로망은 입력 정합 및/또는 출력 정합 기능들을 RF 증폭기 어셈블리(54)에 제공하도록 구성될 수 있다.
설명의 목적을 위해, 도 2의 각각의 PA(60)가 수많은 방식으로 구현될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 도 3a-3e는 이런 PA가 어떻게 구성될 수 있는지에 대한 비 제한적인 예들을 도시한다. 도 3a는 증폭 트랜지스터(64)를 갖는 예시적인 PA를 도시하며, 여기서 입력 RF 신호(RF_in)는 트랜지스터(64)의 베이스에 제공되고, 증폭된 RF 신호(RF_out)는 트랜지스터(64)의 컬렉터를 통해 출력된다.
도 3b는 스테이지들로 배열된 복수의 증폭 트랜지스터(예를 들어, 64a, 64b)를 갖는 예시적인 PA를 도시한다. 입력 RF 신호(RF_in)는 제1 트랜지스터(64a)의 베이스에 제공되고, 제1 트랜지스터(64a)로부터의 증폭된 RF 신호는 그 컬렉터를 통해 출력된다. 제1 트랜지스터(64a)로부터의 증폭된 RF 신호는 제2 트랜지스터(64b)의 베이스에 제공되고, 제2 트랜지스터(64b)로부터의 증폭된 RF 신호는 그 컬렉터를 통해 출력되고, 이에 따라 PA의 출력 RF 신호(RF_out)를 생성한다.
일부 실시예에서, 도 3b의 상술한 예시적인 PA 구성은 도 3c에 도시된 바와 같이 2 이상의 스테이지로 표현될 수 있다. 제1 스테이지(64a)는 예를 들어, 드라이버 스테이지로서 구성될 수 있고; 제2 스테이지(64b)는 예를 들어, 출력 스테이지로서 구성될 수 있다.
도 3d는 일부 실시예에서 PA가 도허티(Doherty) PA로서 구성될 수 있음을 도시한다. 이런 도허티 PA는 증폭된 출력 RF 신호(RF_out)를 생성하기 위해 입력 RF 신호(RF_in)의 반송파 증폭과 피킹(peaking) 증폭을 제공하도록 구성된 증폭 트랜지스터들(64a, 64b)을 포함할 수 있다. 입력 RF 신호는 스플리터에 의해 반송파 부분과 피킹 부분으로 분할될 수 있다. 증폭된 반송파와 피킹 신호들은 결합기에 의해 출력 RF 신호를 생성하기 위해 결합될 수 있다.
도 3e는 일부 실시예에서 PA가 캐스코드 구성으로 구현될 수 있음을 도시한다. 입력 RF 신호(RF_in)는 공통 에미터 디바이스로서 동작하는 제1 증폭 트랜지스터(64a)의 베이스에 제공될 수 있다. 제1 증폭 트랜지스터(64a)의 출력은 그 컬렉터를 통해 제공되고 공통 베이스 디바이스로서 동작하는 제2 증폭 트랜지스터(64b)의 에미터에 제공될 수 있다. 제2 증폭 트랜지스터(64b)의 출력은 PA의 증폭된 출력 RF 신호(RF_out)를 생성하기 위해 그 컬렉터를 통해 제공될 수 있다.
도 3a-3e의 다양한 예들에서, 증폭 트랜지스터들은 헤테로 접합 바이폴라 트랜지스터(HBT, Heterojunction Bipolar Transistor)들과 같은 바이폴라 접합 트랜지스터(BJT, Bipolar Junction Transistor)들로서 설명된다. 본 개시 내용의 하나 이상의 특징이 전계 효과 트랜지스터(FET)들과 같은 다른 유형의 트랜지스터들로 또는 이들을 이용하여 구현될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
도 4는 일부 실시예에서 도 2의 증폭 시스템(52)이 고전압(HV) 전력 증폭 시스템(70)으로 구현될 수 있음을 도시한다. 이러한 시스템은 PA들(예를 들어, 60a-60c)의 일부 또는 모두의 HV 증폭 동작을 포함하도록 구성된 HV 전력 증폭기 어셈블리(54)를 포함할 수 있다. 본 명세서에 설명된 바와 같이, 이런 PA들은 바이어스 시스템(56)에 의해 바이어싱될 수 있다. 일부 실시예에서, 전술한 HV 증폭 동작은 HV 공급 시스템(58)에 의해 용이하게 될 수 있다. 일부 실시예에서, 인터페이스 시스템(72)은 바이어스 시스템(56)과 HV 공급 시스템(58) 중 하나 또는 둘 다와 HV 전력 증폭기 어셈블리(54) 사이에 인터페이스 기능들을 제공하도록 구현될 수 있다.
도 5는 일부 실시예에서, 전력 증폭 시스템(500)이 조절 가능한 바이어스 신호를 가진 캐스코드 증폭기(510)로 구현될 수 있음을 도시한다. 캐스코드 증폭기(510)는 공통 에미터(CE, Common Emitter) 스테이지(또한 RF 스테이지로서 지칭됨)의 제1 트랜지스터(511)를 포함한다. 제1 트랜지스터(511)의 에미터는 접지 전압에 결합된다. 제1 트랜지스터(511)의 베이스는 커패시터(561) 및 입력 정합 컴포넌트(581)를 통해 RF 입력에 결합된다. 제1 트랜지스터(511)의 베이스는 또한 공통 에미터 스테이지를 바이어싱하는 바이어싱 컴포넌트(520)에 결합된다.
바이어싱 컴포넌트(520)는 제1 트랜지스터(511)를 바이어싱하는 CE 바이어싱 신호, 예를 들어 바이어스 전압 또는 바이어스 전류를 제공한다. CE 바이어싱 신호는 CE 바이어스 컴포넌트(521)(바이어스 제어기(530)에 의해 제어되는)가 CE 바이어스 트랜지스터(541)를 바이어싱할 때 제1 트랜지스터(511)의 베이스에 적어도 부분적으로 공급된 배터리(Vbatt)로부터의 전압에 의해 구동될 수 있다. CE 바이어싱 신호는 고정된 값(예를 들어, 고정된 값을 갖는 전압 또는 전류)을 가질 수 있다. 제1 트랜지스터(511)의 컬렉터는 공통 베이스 스테이지의 제2 트랜지스터(512)의 에미터에 결합된다.
캐스코드 증폭기(510)는 공통 베이스(CB, Common Base) 스테이지(또한 캐스코드 스테이지로서 지칭됨)의 제2 트랜지스터(512)를 포함한다. 제2 트랜지스터(512)의 에미터는 제1 트랜지스터(511)의 컬렉터에 결합된다. 제2 트랜지스터(512)의 컬렉터는 인덕터(570)을 통해 공급 전압(Vcc)에 결합된다. RF 출력(RF 입력의 증폭된 버전)은 제2 트랜지스터(512)의 컬렉터로부터 출력된다. RF 출력은 출력 정합 컴포넌트(582)(또한 대역 통과 필터링을 수행할 수 있음)를 통과하며, 안테나(590)를 통해 전송될 수 있다. 제2 트랜지스터(512)의 베이스는 커패시터(562)를 통해 접지 전압에 결합된다. 제2 트랜지스터(512)의 베이스는 또한 공통 베이스 스테이지를 바이어싱하는 바이어싱 컴포넌트(520)에 결합된다. 바이어싱 컴포넌트(520)는 제2 트랜지스터(512)를 바이어싱하는 CB 바이어싱 신호, 예를 들어 바이어스 전압 또는 바이어스 전류를 제공한다. CB 바이어싱 신호는 CB 바이어스 컴포넌트(522)(바이어스 제어기(530)에 의해 제어되는)가 CB 바이어스 트랜지스터(542)를 바이어싱할 때 제2 트랜지스터(512)의 베이스에 적어도 부분적으로 공급된 배터리(Vbatt)로부터의 전압에 의해 구동될 수 있다. CB 바이어스 컴포넌트(522)에 의해 제공된 CB 바이어싱 신호의 강도는 이하 더 자세히 설명되는 바와 같이 수많은 팩터에 따라 변할 수(또는 조절 가능할 수) 있다.
바이폴라 프로세스에서 캐스코드 전력 증폭기의 공통 베이스 스테이지는 증폭 디바이스의 유효 최소 Vce 또는 무릎 전압(knee voltage)에 증가를 도입할 수 있다. 최소 Vce는 궁극적으로 증폭기 효율을 감소시킬 수 있는 증폭기에 대한 신호 스윙을 감소시킬 수 있다. 증폭기의 포화점이 기생 저항 조건 외에도, 제2 트랜지스터(512) 내의 BE(Base-Emitter)와 BC(Base-Collector) 접합들의 기능일 수 있기 때문에, 최소 Vce는 또한 온도 및 디바이스 전류에 대한 감도를 나타낼 수 있다. 이런 최소 Vce의 영향은 시스템 공급 전압(Vcc)이 최소 Vce 전압에 가깝게 감소함에 따라 더 낮은 출력 전력에서 더 중요해질 수 있다.
따라서, 전술한 바와 같이 바이어싱 컴포넌트(520)는 전력 증폭 시스템(500)의 성능을 향상시키거나 최적화하기 위해 CB 바이어싱 신호(예를 들어, 캐스코드 바이어스 전압)를 조절할 수 있다. 예를 들어, 바이어싱 컴포넌트(520)는 온도 및 고전류에 대한 오버헤드가 더 낮은 전류와 다른 온도 상태에서 감소되도록 CB 바이어싱 신호를 조절할 수 있다.
일 실시예에서, CB 바이어스 신호는 최악의 경우의 상태들을 지원하기 위해 선택된 고정된 전압이다. 그러나 이는 전력 증폭 시스템(500)의 효율을 감소시키는 공칭 및 저 전력 상태들하에서 과도한 마진을 초래할 수 있다. 따라서, 다른 실시예들에서 바이어싱 컴포넌트(520)에 의해 제공된 CB 바이어스 신호는 가변 전압이다.
일부 구현에서, 바이어스 제어기(530)는 기준 전압을 생성하고, 기준 전압을 CB 바이어스 컴포넌트(522)에 공급한다. 기준 전압에 기초하여, CB 바이어스 컴포넌트(522)는 배터리 전압과 CB 바이어스 트랜지스터(542)를 이용하여, CB 바이어스 신호를 생성하고, CB 바이어스 신호를 제2 트랜지스터(512)의 베이스에 제공한다. 일부 구현에서, CB 바이어스 컴포넌트(522)는 버퍼 증폭기이다.
바이어스 제어기(530)에 의해 생성된 기준 전압은 최소 Vce 변동이 성능을 개선하기 위해 보상되도록 온도와 출력 전력에 기초하여 조절될 수 있다.
예를 들어, 높은 전력에서, BE 접합 전압은 낮은 전력에서보다 더 클 수 있고, 바이어싱 컴포넌트(520)는 공통 에미터 스테이지의 포화를 방지하기 위해 더 높은 전압을 가진 CB 바이어스 신호를 제공할 수 있다. 또 다른 예로서, 낮은 출력 전력에서, BE 접합 전압은 높은 전력에서보다 더 낮을 수 있고, 바이어싱 컴포넌트(520)는 더 낮은 전압을 가진 CB 바이어스 신호를 제공할 수 있다. 유사하게, 온도에 대해서, BE 접합 전압과 포화 전압은 온도가 감소함에 따라 증가할 수 있고, 바이어싱 컴포넌트(520)는 높은 온도 상태들에 비해 낮은 온도 상태들에서 더 높은 전압을 가진 CB 바이어스 신호를 제공할 수 있다.
저전력 모드(LPM, Low Power Mode)에서 컬렉터 전류를 감소시키기 위해, 공급 전압(Vcc)은 감소될 수 있다. 그러나 공통 베이스 스테이지는 공급 전압이 CB 바이어스 신호의 전압을 낮추지 않고서도 너무 낮다면 포화될 수 있다. 그러나 캐스코드 전력 증폭기의 공통 에미터 스테이지는 너무 낮은 전압을 가진 CB 바이어스 신호가 인가된다면 포화될 수 있다. 따라서, 전술한 바와 같이, 바이어싱 컴포넌트(520)는 다양한 전력과 온도 상태들하에서 CB 바이어스 신호의 전압을 조절할 수 있다.
일 실시예에서, 바이어싱 컴포넌트(520)는 온도를 검출하는 온도 센서(531)를 포함한다. 예를 들어, 바이어싱 컴포넌트(520)는 서미스터를 포함할 수 있다. 일부 구현에서, 도 5에 도시된 바와 같이, 바이어스 제어기(530)는 온도 센서(531)를 포함한다. 일부 구현에서, 바이어스 제어기(예를 들어, 530)는 전력 증폭 시스템(500)의 온도를 나타내는 온도 신호를 (예를 들어, 입력 단자를 통해) 수신한다.
일 실시예에서, 바이어싱 컴포넌트(520)는 전력 증폭 시스템(500)의 전력 상태를 검출하는 전력 센서(532)를 포함한다. 전력 상태는 전력 증폭 시스템(500)의 전력 모드, 예를 들어 디폴트 모드 또는 더 낮은 전력 모드일 수 있다. 전력 상태는 전력 증폭 시스템(500)의 출력 전력일 수 있다. 전력 상태는 캐스코드 증폭기(510)에 인가된 공급 전압일 수 있다. 예를 들어, 바이어싱 컴포넌트(520)는 전력 모드, 출력 전력 또는 공급 전압을 결정하기 위해 RF 출력(예를 들어, 결합기를 통해) 또는 공급 전압(Vcc)에 결합될 수 있다. 일부 구현에서, 도 5에 도시된 바와 같이, 바이어스 제어기(530)는 전력 센서(532)를 포함한다. 일부 구현에서, 바이어스 제어기(530)는 전력 증폭 시스템(500)의 전력 상태를 나타내는 전력 신호를 (예를 들어, 입력 단자를 통해) 수신한다.
일부 구현에서, 바이어싱 컴포넌트(520)는 소정 온도 및/또는 전력 상태에서 특정 바이어스 전압을 출력하는 아날로그 회로를 이용하여 CB 바이어싱 신호의 전압(또는 다른 특성)을 결정한다. 일부 구현에서, 바이어싱 컴포넌트(520)는 복수의 온도 값 및/또는 전력 상태 지시자와 각각 연관된 바이어스 전압 값들의 테이블(533)을 저장하는 디지털 회로를 이용하여 CB 바이어싱 신호의 전압(또는 다른 특성)을 결정한다.
따라서, 도 5는 무선 주파수 입력에 결합된 베이스를 갖는 제1 트랜지스터(511)와, 제1 트랜지스터(511)의 컬렉터에 결합된 에미터 및 무선 주파수 출력에 결합된 컬렉터를 갖는 제2 트랜지스터(512)를 포함하는 전력 증폭 시스템(500)을 도시한다. 전력 증폭 시스템은 제1 트랜지스터(511)의 베이스에 고정된 바이어싱 신호(예를 들어, 고정된 전압을 가진 바이어스 신호)를 인가하고 제2 트랜지스터(512)의 베이스에 조절 가능한 바이어싱 신호(예를 들어, 조절 가능한 전압을 가진 바이어스 신호)를 인가하도록 구성된 바이어싱 컴포넌트(520)를 더 포함한다.
전술한 바와 같이, 바이어싱 컴포넌트(520)는 전력 증폭 시스템(500)의 온도에 기초하여 조절 가능한 바이어싱 신호를 인가하도록 구성될 수 있다. 바이어싱 컴포넌트(520)는 더 낮은 온도에 응답하여 더 높은 조절 가능한 바이어싱 신호(예를 들어, 더 높은 전압을 가진 바이어스 신호)와, 더 높은 온도에 응답하여 더 낮은 조절 가능한 바이어싱 신호(예를 들어, 더 낮은 전압을 가진 바이어스 신호)를 인가할 수 있다.
또한, 전술한 바와 같이, 바이어싱 컴포넌트(520)는 전력 증폭 시스템의 전력 상태에 기초하여 조절 가능한 바이어싱 신호를 인가하도록 구성될 수 있다. 바이어싱 컴포넌트(520)는 더 높은 출력 전력에 응답하여 더 높은 조절 가능한 바이어싱 신호와, 더 낮은 출력 전력에 응답하여 더 낮은 조절 가능한 바이어싱 신호를 인가할 수 있다.
도 6은 다양한 공통 베이스 바이어스 전압에 대한 공급 전압(Vcc)의 함수로서 전력 증폭 시스템(예를 들어, 도 5의 전력 증폭 시스템(500))의 이득의 예시적인 플롯들을 보여준다. 도 6의 좌측 절반은 공통 베이스 스테이지 포화점 전압이 더 낮은 공통 베이스 바이어스 전압에 따라 감소되는 결과를 보여준다. 도 6의 우측 절반(특히, 2개의 최하위 라인)은 낮은 캐스코드 바이어스 전압들에서 포화하는 공통 에미터 스테이지의 결과를 보여준다.
도 7은 다양한 공통 베이스 바이어스 전압에 대한 공급 전압(Vcc)의 함수로서 전력 증폭 시스템(예를 들어, 도 5의 전력 증폭 시스템(500))의 출력 전력의 예시적인 플롯들을 보여준다. 도 7의 좌측 절반은 더 낮은 공통 베이스 바이어스 전압이 더 낮은 공급 전압 상태들에서 증가된 선형 전력을 지원한다는 것을 보여준다. 도 7의 우측 절반(특히, 2개의 최하위 라인)은 포화된 공통 에미터 스테이지가 공급 전압과 관계없이 전력을 제한함을 보여준다.
도 8은 다양한 공통 베이스 바이어스 전압에 대한 전력 증폭 시스템(예를 들어, 도 5의 전력 증폭 시스템(500))의 AMAM(Amplitude-Modulation to Amplitude Modulation) 응답의 예시적인 플롯을 보여준다. 예시적인 플롯은 측정된 출력 전력에 대해 표시된 계산된 이득을 보여준다. 캐스코드 증폭기의 압축 특성이 공통 베이스 스테이지 압축(예를 들어, 포화의 결과로서)뿐만 아니라 공통 베이스 스테이지 압축(예를 들어, 포화의 결과로서)의 조합일 수 있기 때문에, 증폭기의 이득 특성은 캐스코드 증폭기에 인가된 공통 베이스 바이어스 전압을 통해 영향을 받을 수 있다. 상이한 변조 표준들은 상이한 압축 특성들하에서 최적화될 수 있고, 공통 베이스 바이어스 전압은 주어진 변조 표준에 대한 성능을 보상하고 향상시키기 위해 조절되고 다수의 변조 표준 사이에서 스위칭될 수 있다. 따라서, 일부 구현에서, 도 5의 바이어싱 컴포넌트(520)는 무선 주파수 입력의 변조 표준에 기초하여 조절 가능한 바이어싱 신호를 (예를 들어, 제2 트랜지스터(512))에 인가하기 위한 구성이다.
도 9는 일부 실시예에서 전력 증폭 시스템(예를 들어, 도 5의 전력 증폭 시스템(500))의 일부 또는 모두가 모듈로 구현될 수 있음을 도시한다. 이런 모듈은 예를 들어, 프런트-엔드 모듈(FEM)일 수 있다. 도 9의 예에서, 모듈(300)은 패키징 기판(302)을 포함할 수 있으며, 다수의 컴포넌트가 이런 패키징 기판 상에 장착될 수 있다. 예를 들어, FE-PMIC 컴포넌트(304), 전력 증폭기 어셈블리(306), 정합 컴포넌트(308) 및 듀플렉서 어셈블리(310)는 패키징 기판(302) 상에 및/또는 그 내에 장착되고/되거나 구현될 수 있다. 전력 증폭기 어셈블리(306)은 예를 들어, 도 5에 도시된 것과 같은 캐스코드 시스템(307)을 포함할 수 있다. 다수의 SMT 디바이스(314) 및 안테나 스위치 모듈(ASM, Antenna Switch Module)(312)과 같은 다른 컴포넌트들이 또한 패키징 기판(302) 상에 장착될 수 있다. 다양한 컴포넌트들 모두가 패키징 기판(302) 상에 배치된 것으로 도시되더라도, 일부 컴포넌트(들)가 다른 컴포넌트(들) 위에 구현될 수 있음을 이해할 것이다.
일부 구현에서, 본 명세서에 설명된 하나 이상의 특징을 갖는 디바이스 및/또는 회로는 무선 디바이스와 같은 RF 디바이스에 포함될 수 있다. 이런 디바이스 및/또는 회로는 무선 디바이스, 본 명세서에 설명된 모듈러 형태, 또는 이들의 임의의 조합으로 직접 구현될 수 있다. 일부 실시예들에서, 이런 무선 디바이스는 예를 들어, 셀룰러 폰, 스마트폰, 전화 기능을 갖거나 갖지 않는 핸드헬드 무선 디바이스, 무선 태블릿 등을 포함할 수 있다.
도 10은 본 명세서에 설명된 하나 이상의 유용한 특징을 갖는 예시적인 무선 디바이스(400)를 도시한다. 본 명세서에 설명된 하나 이상의 특징을 갖는 모듈의 맥락에서, 이러한 모듈은 점선 박스(300)로 일반적으로 도시될 수 있으며, 예를 들어 프런트 엔드 모듈(FEM)로서 구현될 수 있다.
도 10을 참고하면, 전력 증폭기(PA)들(420)은 증폭되고 전송될 RF 신호들을 생성하고 수신된 신호들을 처리하기 위해 공지된 방식으로 구성되고 동작할 수 있는 송수신기(410)로부터 그들 각각의 RF 신호들을 수신할 수 있다. 송수신기(410)는 사용자에 대해 적절한 데이터 및/또는 음성 신호들과 송수신기(410)에 대해 적절한 RF 신호들 간의 변환을 제공하도록 구성된 기저대역 서브시스템(408)과 상호작용하는 것으로 도시되어 있다. 송수신기(410)는 또한 무선 디바이스(400)의 동작을 위한 전력을 관리하도록 구성된 전력 관리 컴포넌트(406)와 통신할 수 있다. 이러한 전력 관리는 또한 기저대역 서브시스템(408) 및 모듈(300)의 동작들을 제어할 수 있다.
기저대역 서브시스템(408)은 사용자에게 제공되고 그로부터 수신되는 음성 및/또는 데이터의 다양한 입력 및 출력을 용이하게 하도록 사용자 인터페이스(402)에 연결되는 것으로 도시되어 있다. 기저대역 서브시스템(408)은 또한 무선 디바이스의 동작을 용이하게 하는 데이터 및/또는 명령들을 저장하고/하거나 사용자에 대한 정보의 저장을 제공하도록 구성된 메모리(404)에 연결될 수 있다.
예시적인 무선 디바이스(400)에서, PA들(420)의 출력들은 (각각의 정합 회로들(422)을 통해) 정합되고 이들 각각의 듀플렉서들(424)로 라우팅되는 것으로 도시된다. 전력 증폭기들(420)의 각각은 도 5의 전력 증폭기에 대응할 수 있고/있거나 도 5에 도시된 것과 같은 캐스코드 시스템(307)에 포함될 수 있다. 이런 증폭되고 필터링된 신호들은 전송을 위해 안테나 스위치(414)를 통해 안테나(416)로 라우팅될 수 있다. 일부 실시예에서, 듀플렉서들(420)은 공통 안테나(예를 들어, 416)를 이용하여 전송 및 수신 동작들이 동시에 수행되는 것을 허용할 수 있다. 도 10에서, 수신된 신호들은 예를 들어, 저잡음 증폭기(LNA, Low Noise Amplifier)를 포함할 수 있는 "Rx" 경로들(도시 안됨)로 라우팅되는 것으로 도시된다.
다수의 다른 무선 디바이스 구성들이 본 명세서에 설명된 하나 이상의 특징을 이용할 수 있다. 예를 들어, 무선 디바이스는 다중-대역 디바이스일 필요는 없다. 다른 예에서, 무선 디바이스는 다이버시티 안테나와 같은 추가 안테나들, 및 와이파이, 블루투스 및 GPS와 같은 추가 연결 특징들을 포함할 수 있다.
본 명세서에 설명된 바와 같이, 본 개시 내용의 하나 이상의 특징은 도 10의 무선 디바이스를 포함하는 것들과 같은 시스템에서 구현될 때 수많은 장점을 제공할 수 있다. 예를 들어, 특징들은 전력 증폭기의 전체 전력 및 온도 동작 범위에 걸쳐 개선되고/되거나 최적화된 효율 성능의 장점을 제공할 수 있다. 또한, 캐스코드 증폭기의 바이어스는 공통 에미터 스테이지의 AMAM(Amplitude-Modulation to Amplitude Modulation) 특성에 영향을 미친다. 또 다른 예로서, 캐스코드 바이어싱 신호의 조절은 전력 증폭기에 대한 선형성의 개선을 제공할 수 있다.
문맥에서 달리 명확하게 요구하지 않는 한, 상세한 설명 및 청구항들 전체에 걸쳐, "포함한다(comprise)", "포함하는(comprising)" 등의 단어들은, 배타적이거나 총망라의 의미와는 대조적으로 포괄적인 의미로, 즉 "포함하지만 이에 제한되지는 않음"의 의미로 해석되어야 한다. "결합된(coupled)"이라는 단어는, 일반적으로 본 명세서에서 이용될 때, 직접 연결되거나 또는 하나 이상의 중간 요소를 경유하여 연결될 수 있는 2개 이상의 요소를 지칭한다. 부가적으로, "본 명세서에(herein)", "위에(above)", "아래에(below)"라는 단어들 및 유사한 의미의 단어들은, 본 명세서에서 이용될 때, 본 명세서의 임의의 특정 부분들이 아닌 전체적으로 본 명세서를 참조해야 한다. 문맥이 허용하는 경우, 위의 설명에서 단수 또는 복수를 이용하는 단어들은 또한 복수 또는 단수를 각각 포함할 수 있다. 2 이상 항목들의 리스트에 관한 단어("or")는 단어의 모든 하기 해석들을 커버한다: 리스트 내의 항목들 중 임의의 항목, 리스트 내의 항목들 모두, 및 리스트 내의 항목들의 임의의 조합.
본 발명의 실시예들의 위의 상세한 설명은 모든 것을 망라하거나, 또는 위에 개시된 바로 그 형태로 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지는 않는다. 본 발명의 특정 실시예들 및 예들은 예시의 목적으로 위에 설명되었지만, 관련 기술분야의 통상의 기술자가 인식하는 바와 같이, 본 발명의 범위 내에서 다양한 등가의 수정들이 가능하다. 예를 들어, 프로세스들 또는 블록들은 주어진 순서로 제시되어 있지만, 대안적인 실시예들은 상이한 순서로 단계들을 갖는 루틴들을 수행하거나 블록들을 갖는 시스템들을 이용할 수 있고, 일부 프로세스들 또는 블록들은 삭제, 이동, 부가, 세분, 결합 및/또는 수정될 수 있다. 이들 프로세스들 또는 블록들 각각은 다양한 상이한 방식으로 구현될 수 있다. 또한, 프로세스들 또는 블록들이 때로는 연속적으로 수행되는 것으로 도시되어 있지만, 이들 프로세스들 또는 블록들은 그 대신에 병행하여 수행될 수 있거나, 또는 상이한 시간에 수행될 수 있다.
본 명세서에 제공된 본 발명의 교시들은 반드시 위에 설명된 시스템이 아니라 다른 시스템들에도 적용될 수 있다. 위에 설명된 다양한 실시예들의 요소들 및 동작들은 추가 실시예들을 제공하도록 결합될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예가 설명되었지만, 이들 실시예들은 단지 예로서 제시되었으며, 본 개시 내용의 범위를 제한하도록 의도되지는 않는다. 실제로, 본 명세서에 설명된 신규 방법들 및 시스템들은 각종의 다른 형태들로 구현될 수 있고; 또한, 본 개시 내용의 사상으로부터 벗어나지 않고 본 명세서에 설명된 방법들 및 시스템들의 형태에서의 다양한 생략, 치환 및 변경이 행해질 수 있다. 첨부된 청구항들 및 그 등가물들은 본 개시 내용의 범위 및 사상 내에 있는 이러한 형태들 또는 수정들을 커버하는 것으로 의도된다.

Claims (20)

  1. 전력 증폭 시스템으로서,
    무선 주파수 입력 신호에 결합되고 무선 주파수 출력에 결합된 캐스코드 증폭기; 및
    상기 전력 증폭 시스템의 온도 또는 전력 상태 중 적어도 하나를 감지하기 위한 하나 이상의 센서를 포함하는 바이어싱 컴포넌트 - 상기 바이어싱 컴포넌트는 하나 이상의 바이어싱 신호를 상기 캐스코드 증폭기에 인가하도록 구성되고, 상기 바이어싱 컴포넌트는 바이어스 제어기와 하나 이상의 바이어스 컴포넌트를 포함하고, 각각의 바이어스 컴포넌트는 각각의 바이어스 트랜지스터와 결합됨 -
    를 포함하고,
    상기 바이어싱 컴포넌트는 복수의 온도 값 및 복수의 전력 상태 중 하나 이상과 각각 연관된 복수의 바이어싱 전압 값의 테이블을 저장하는 디지털 회로를 포함하고, 상기 바이어싱 컴포넌트는 상기 테이블에 기초하여 상기 하나 이상의 바이어싱 신호를 인가하도록 구성되는 전력 증폭 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 바이어싱 컴포넌트는 제1 바이어스 컴포넌트를 이용하여 제1 바이어싱 신호를 상기 캐스코드 증폭기의 제1 트랜지스터에 인가하도록 구성되고, 상기 바이어싱 컴포넌트는 제2 바이어스 컴포넌트를 이용하여 제2 바이어싱 신호를 상기 캐스코드 증폭기의 제2 트랜지스터에 인가하도록 더 구성되는 전력 증폭 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 바이어싱 신호는 고정된 값을 가지고, 상기 캐스코드 증폭기의 상기 제1 트랜지스터의 베이스에 인가되는 전력 증폭 시스템.
  4. 제2항에 있어서, 상기 제2 바이어스 컴포넌트는 버퍼 증폭기인 전력 증폭 시스템.
  5. 제2항에 있어서, 상기 제2 바이어싱 신호는 조절 가능하고, 상기 캐스코드 증폭기의 상기 제2 트랜지스터의 베이스에 인가되는 전력 증폭 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 바이어스 제어기는 바이어스 트랜지스터에 결합된 상기 제2 바이어스 컴포넌트로 기준 전압을 제공하도록 구성된 전력 증폭 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제2 바이어스 컴포넌트는 상기 기준 전압에 기초하여 상기 조절 가능한 제2 바이어싱 신호를 상기 캐스코드 증폭기의 상기 제2 트랜지스터의 베이스로 제공하도록 구성되는 전력 증폭 시스템.
  8. 제5항에 있어서, 상기 제2 바이어싱 신호는 하나 이상의 검출된 온도 및 전력 상태에 기초하여 조절가능한 전력 증폭 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제2 바이어싱 신호는 조절가능한 바이어싱 전압인 전력 증폭 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 바이어싱 컴포넌트는 더 높은 출력 전력을 검출하는 것에 응답하여 더 높은 조절가능한 바이어싱 전압을 생성하고 더 낮은 출력 전력을 검출하는 것에 응답하여 더 낮은 조절가능한 바이어싱 전압을 생성하도록 구성된 전력 증폭 시스템.
  11. 삭제
  12. 제5항에 있어서, 상기 바이어싱 컴포넌트는 상기 조절 가능한 바이어싱 신호를 제공하는 아날로그 회로를 포함하는 전력 증폭 시스템.
  13. 제9항에 있어서, 상기 바이어싱 컴포넌트는 더 낮은 온도를 검출하는 것에 응답하여 더 높은 조절가능한 바이어싱 전압을 생성하고 더 높은 온도를 검출하는 것에 응답하여 더 낮은 조절가능한 바이어싱 전압을 생성하도록 구성된 전력 증폭 시스템.
  14. 제1항에 있어서, 상기 바이어싱 컴포넌트는 전력 센서를 더 포함하는 전력 증폭 시스템.
  15. 제1항에 있어서, 상기 바이어싱 컴포넌트는 온도 센서를 더 포함하는 전력 증폭 시스템.
  16. 제15항에 있어서, 상기 온도 센서는 서미스터(thermistor)인 전력 증폭 시스템.
  17. 무선 주파수 모듈로서,
    복수의 컴포넌트를 수신하도록 구성된 패키징 기판; 및
    상기 패키징 기판 상에 구현된 전력 증폭 시스템 - 상기 전력 증폭 시스템은, 무선 주파수 입력 신호에 결합되고 무선 주파수 출력에 결합된 캐스코드 증폭기 및 상기 전력 증폭 시스템의 온도 또는 전력 상태 중 적어도 하나를 감지하기 위한 하나 이상의 센서를 포함하는 바이어싱 컴포넌트를 포함하고, 상기 바이어싱 컴포넌트는 하나 이상의 바이어싱 신호를 상기 캐스코드 증폭기에 인가하도록 구성되고, 상기 바이어싱 컴포넌트는 바이어스 제어기와 하나 이상의 바이어스 컴포넌트를 포함하고, 각각의 바이어스 컴포넌트는 각각의 바이어스 트랜지스터와 결합됨 -
    을 포함하고,
    상기 바이어싱 컴포넌트는 복수의 온도 값 및 복수의 전력 상태 중 하나 이상과 각각 연관된 복수의 바이어싱 전압 값의 테이블을 저장하는 디지털 회로를 포함하고, 상기 바이어싱 컴포넌트는 상기 테이블에 기초하여 상기 하나 이상의 바이어싱 신호를 인가하도록 구성되는 무선 주파수 모듈.
  18. 제17항에 있어서, 상기 무선 주파수 모듈은 프런트-엔드 모듈(front-end module)인 무선 주파수 모듈.
  19. 무선 장치로서,
    무선 주파수 신호를 생성하도록 구성된 송수신기;
    상기 송수신기와 통신하는 프런트-엔드 모듈 - 상기 프런트-엔드 모듈은 복수의 컴포넌트를 수신하도록 구성된 패키징 기판을 포함하고, 상기 프런트-엔드 모듈은 상기 패키징 기판 상에 구현된 전력 증폭 시스템을 더 포함하고, 상기 전력 증폭 시스템은, 무선 주파수 입력 신호에 결합되고 무선 주파수 출력에 결합된 캐스코드 증폭기 및 상기 전력 증폭 시스템의 온도 또는 전력 상태 중 적어도 하나를 감지하기 위한 하나 이상의 센서를 포함하는 바이어싱 컴포넌트를 포함하고, 상기 바이어싱 컴포넌트는 하나 이상의 바이어싱 신호를 상기 캐스코드 증폭기에 인가하도록 구성되고, 상기 바이어싱 컴포넌트는 바이어스 제어기와 하나 이상의 바이어스 컴포넌트를 포함하고, 각각의 바이어스 컴포넌트는 각각의 바이어스 트랜지스터와 결합됨 - ; 및
    상기 프런트-엔드 모듈과 통신하는 안테나 - 상기 안테나는 상기 무선 주파수 출력으로부터 수신된 상기 무선 주파수 신호의 증폭된 버전을 송신하도록 구성됨 -
    를 포함하고,
    상기 바이어싱 컴포넌트는 복수의 온도 값 및 복수의 전력 상태 중 하나 이상과 각각 연관된 복수의 바이어싱 전압 값의 테이블을 저장하는 디지털 회로를 포함하고, 상기 바이어싱 컴포넌트는 상기 테이블에 기초하여 상기 하나 이상의 바이어싱 신호를 인가하도록 구성되는 무선 장치.
  20. 제19항에 있어서, 상기 무선 주파수 모듈은 프런트-엔드 모듈인 무선 장치.
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