KR20020086126A - Power amplifier having impedance matching circuits of which the base/gate voltage is varied, terminal for mobile communication using the same, and method for improving efficiency relating thereto - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 기존의 이동통신 단말기에 사용되는 고출력 증폭기의 효율을 개선시키는 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 베이스/게이트 전압 변화형 능동소자의 임피던스 변화에 따른 정합회로의 보정을 위한 회로 및 이를 이용한 이동통신 단말기 그리고 그에 관련된 효율 개선 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a device and a method for improving the efficiency of a high output amplifier used in a conventional mobile communication terminal, in particular a circuit for the correction of the matching circuit according to the impedance change of the base / gate voltage change type active element and the movement using the same The present invention relates to a communication terminal and a method for improving efficiency thereof.
CDMA 다중화 방식을 이용하는 이동통신에서 사용되는 RF 전력 증폭기는 변조의 정확성과 주파수 재생을 제한하기 위해 높은 선형성을 요구한다. 비선형성으로인해 발생하는 왜곡 현상을 최소화하기 위해 전력증폭기는 A급 혹은 AB급으로 동작된다. 전력 증폭기가 A급 또는 AB급으로 동작될 때 최대전력보다 낮은 전력이 출력되면 효율도 같이 감소한다.RF power amplifiers used in mobile communications using CDMA multiplexing require high linearity to limit modulation accuracy and frequency reproduction. In order to minimize distortion caused by nonlinearity, the power amplifier is operated in class A or class AB. When the power amplifier is operated in class A or class AB, if the power output is lower than the maximum power, the efficiency is also reduced.
그런데, CDMA 방식의 기지국과 단말기 사이의 가변적인 거리, 다중경로와 셰도우 페이딩 등에 적응하기 위해 단말기의 출력 전력은 변화하게 된다. 그리고 무선 통신 시스템에서 배터리의 수명과 간섭 효과를 제한하기 위해 능동 궤환 제어(active feedback control)를 이용하여 단말기의 RF출력을 제어한다. 이 경우 단말기의 출력전력의 확률분포가 최근 도 1과 같이 발표되었는데 최대출력이 1W 정도인 경우 실제 1mW근처에서 출력되고, 최대출력이 출력되는 경우는 극소수의 시간인 것으로 나타났다. 이 때 효율은 A급인 경우는 출력의 감소와 함께 같이 감소하기 때문에 0.1%로 감소하고, AB급인 경우는 제곱근에 반비례하기 때문에 2%로 감소한다.However, the output power of the terminal is changed in order to adapt to a variable distance between the CDMA base station and the terminal, multipath and shadow fading. The RF output of the terminal is controlled by using active feedback control in order to limit battery life and interference effects in a wireless communication system. In this case, the probability distribution of the output power of the terminal was recently published as shown in FIG. In this case, the efficiency decreases to 0.1% in the case of Class A with decreasing output, and decreases to 2% in the case of Class AB because it is inversely proportional to the square root.
이러한 배터리의 비효율성을 극복하기 위한 고효율 파워 증폭기에 관한 것으로, 'Gary Hanington' 등의 논문 "High-Efficiency Power Amplifier Using Dynamic Power-Supply Voltage for CDMA Applications" (IEEE Transactions On Microwave Theory Techniques, Vol. 47, No. 8, August 1999, pp. 1471-1476) 가 있다. 상기 논문에 개시되어 있는 파워 증폭기는, 단말기에서 저전력이 출력되면 상기 논문의 도 2와 같이 직류 바이어스 값을 변화시키므로 동작점을 좌측으로 이동시킨다. 이것은 상기 논문의 도 3과 같이, 직류-직류 변환기(DC-DC Converter)에 의해 공급전압을 줄이므로 가능하게 된다. 단말기의 출력전력이 감소하면 이와 같이 직류전압과 전류가 적절하게 변함으로 DC 바이어스 전력이 줄어들게 됨으로써 증폭기의 효율성이 상대적으로 높게 유지될 수 있다. 이러한 증폭기를 포락선 추적 증폭기(envelope tracking amplifier)라 한다.The present invention relates to a high efficiency power amplifier for overcoming the inefficiency of such a battery, and is described in a paper by Gary Hanington et al. , No. 8, August 1999, pp. 1471-1476). The power amplifier disclosed in the paper shifts the operating point to the left side as the DC bias value is changed as shown in FIG. 2 of the paper when low power is output from the terminal. This is possible because the supply voltage is reduced by a DC-DC converter as shown in FIG. 3 of the paper. When the output power of the terminal is reduced, the DC voltage and the current are appropriately changed, thereby reducing the DC bias power, so that the efficiency of the amplifier can be maintained relatively high. Such an amplifier is called an envelope tracking amplifier.
DC-DC 변환기(1)에 의해 가변 바이어스 직류 전압을 공급받는 포락선 추적 증폭기를 갖는 회로를 도 2를 참조하여 설명한다.A circuit having an envelope tracking amplifier supplied with a variable bias DC voltage by the DC-DC converter 1 will be described with reference to FIG.
RF 입력이 RF 신호 입력단(7)으로부터 입력되어 전력 증폭부(10)에 의해 증폭된 후, 증폭된 RF 출력이 안테나(8)를 통해 출력된다. 한편, 상기 전력 증폭부(10)는, MESFET(13)을 포함하며, 단자 P1을 통해 RF 입력단에, 단자 P2를 통해 안테나와 접속되는 바, 다시 상기 단자 P1은 입력 정합 회로(11)에, 상기 단자 P4와 상기 안테나에 접속된다.After the RF input is input from the RF signal input terminal 7 and amplified by the power amplifier 10, the amplified RF output is output through the antenna 8. Meanwhile, the power amplifier 10 includes a MESFET 13, and is connected to an RF input terminal through a terminal P1 and an antenna through a terminal P2. In addition, the terminal P1 is connected to the input matching circuit 11. It is connected to the terminal P4 and the antenna.
입력 정합 회로(11)는 상기 MESFET(13)의 게이트에, 출력 정합 회로(12)는 상기 MESFET(13)의 드레인 측에 접속되는 바, 상기 MESFET(13)의 게이트 및 드레인은 동시에 단자 P3을 통해 Vgg 바이어스 전압을 공급하는 Vgg 전압 공급부(6) (바이폴라형 트랜지스터의 경우에는 Vbb 전압 공급부) 및 단자 P2를 통해 Vdd 바이어스 전압을 공급하는 Vdd 전압 공급부(1) (바이폴라형 트랜지스터의 경우에는 Vcc 전압 공급부) 에 각각 접속된다. 상기 Vgg 전압 공급부(6) 및 Vdd 전압 공급부(1)와 단자 P3 및 P2 간에는, 각각 AC 차단 인덕터(L1, L2)가 삽입되는 것이 바람직하다.An input matching circuit 11 is connected to the gate of the MESFET 13 and an output matching circuit 12 is connected to the drain side of the MESFET 13, and the gate and the drain of the MESFET 13 simultaneously connect the terminal P3. Vgg voltage supply 6 (Vbb voltage supply for bipolar transistors) to supply a Vgg bias voltage via Vdd voltage supply 1 (Vcc voltage for bipolar transistors) to supply Vdd bias voltage through terminal P2. Supply unit). It is preferable that AC blocking inductors L1 and L2 are inserted between the Vgg voltage supply part 6 and the Vdd voltage supply part 1 and the terminals P3 and P2, respectively.
한편, RF 신호 입력단(7)과 단자 P1 간에는 방향성 결합기(4)가 삽입되어 RF 입력 신호를 검출하며, 검출된 입력 신호는 포락선 검출기(5)에 의해 포락선을 검출하게 된다. 검출된 포락선 신호(PD)의 크기에 종속적인 Vdd 직류 전류가 MESFET(13)의 드레인 측에 바이어스 전압으로서 입력된다. 상기 가변 Vdd 전압의 공급부(1)는 직류-직류 변환기(2), 그에 대한 전압 공급원(3), 증폭기, 및 도 3 에 도시된 바와 같은 다수의 저항과 캐패시터 소자들을 포함한다.On the other hand, a directional coupler 4 is inserted between the RF signal input terminal 7 and the terminal P1 to detect the RF input signal, and the detected input signal is detected by the envelope detector 5. Vdd DC current dependent on the magnitude of the detected envelope signal PD is input as a bias voltage to the drain side of the MESFET 13. The supply 1 of the variable Vdd voltage comprises a DC-DC converter 2, a voltage source 3 therefor, an amplifier, and a plurality of resistor and capacitor elements as shown in FIG. 3.
따라서, 단말기의 출력전력이 감소하면, 도 3 에서와 같이, 직류전압과 전류가 적절하게 변함으로 DC 바이어스 전력이 줄어들게 됨으로써 동작점이 A점에서 C점으로 이동되며, 역으로 단말기의 출력전력이 증가하면 동작점이 C점에서 A점으로 이동하여 단말기의 효율을 향상시키게 된다.Therefore, when the output power of the terminal decreases, as shown in FIG. 3, the DC bias power is reduced by appropriately changing the DC voltage and the current, thereby moving the operating point from the point A to the point C, and conversely, the output power of the terminal increases. The operating point moves from point C to point A to improve the efficiency of the terminal.
또한, 최근 이동통신, 위성통신 등 무선통신을 이용한 개인 통신기기의 수요는 점차 확대되면서, 무선 통신 서비스의 품질도 소형화, 다양화, 광대역화, 고품질화가 요구되고 있다. 이렇게 발전하는 무선통신 서비스에서 가장 큰 문제가 되고 있는 것은 배터리 수명이 짧다는 것이다. 또한 소형화되는 단말기에 비하여 배터리의 크기와 용량은 제한되어 있다. 현재 단말기내에서 고출력 증폭기(Power Amplifier Module, PAM)는 단말기의 전체 직류전력의 60%에서 70%까지 소모하는 것으로 알려져 있다. 특히 CDMA신호를 이용할 경우 효율을 높이기 위해 낮은 점에서 동작시키게 되면 소위 스펙트럼 증식(spectral regrowth) 현상으로 인하여 ACPR (Adjacent Channel Power Ratio) 특성이 급격하게 악화되고, 2차 효과로써 변조 정밀도(modulation accuracy) 까지 떨어지는 경향이 있다. 일반적으로 IMT-2000은 W-CDMA와 CDMA2000 모두 CDMA기술을 사용하기 때문에 증폭기회로가 ACPR특성과 효율을 만족하기 위하여 동작점을 AB급에 동작하도록 되어 있다.In addition, as the demand for personal communication devices using wireless communication, such as mobile communication and satellite communication, expands gradually, the quality of wireless communication services is also required to be miniaturized, diversified, wideband, and high quality. The biggest problem with this evolving wireless service is the short battery life. In addition, the size and capacity of the battery is limited compared to the miniaturized terminal. Currently, high power amplifiers (PAMs) within a terminal are known to consume 60% to 70% of the terminal's total DC power. In particular, when the CDMA signal is operated at a low point to increase efficiency, ACPR (Adjacent Channel Power Ratio) characteristics deteriorate drastically due to so-called spectral regrowth, and modulation accuracy is a secondary effect. Tends to fall. In general, since IMT-2000 uses CDMA technology for both W-CDMA and CDMA2000, the amplifier circuit is designed to operate at operating point AB to satisfy ACPR characteristics and efficiency.
한편, 단말기에서 출력되는 RF신호는 기지국에 도착하였을 때 항상 일정한 신호로 도착하도록 단말기에서 자동적으로 출력이 조절되고 있다. 또한, 단말기와 기지국 사이의 변화하는 거리, 셰도우 페이딩 등으로 인하여 단말기에서 출력되는 출력 레벨은 0dBm 전후이고, 최대출력이 출력될 확률은 1% 전후인 것으로 보고되었다. 최근 이러한 출력 레벨의 확률분포 함수는 계속 발표되어져 왔다. 현재 사용되고 있는 전력 증폭기는 낮은 전력이 출력될 확률이 높지만 실제로는 동작점이 높은 바이어스 전압에 의해 고정되어 있으므로 효율의 손실이 심하다. 상술한 바와 같은 포락선 추적 증폭기는 이러한 낮은 전력 크기로 출력될 때 바이어스 전압을 낮게 조절함으로 낮은 전력레벨에서의 효율을 높여 배터리의 사용 시간의 연장을 시도하였다. IMT-2000과 같은 제 3세대 이동통신 단말기의 고출력 증폭기에 있어서 CDMA2000과 W-CDMA 두 방식 모두 CDMA방식을 사용하여 AB급으로 동작됨으로 이러한 포락선 추적 증폭기는 향후 효율을 획기적으로 높인다는 점에서 매우 관심을 끌 것으로 생각된다.On the other hand, when the RF signal output from the terminal arrives at the base station, the output is automatically adjusted in the terminal to always arrive at a constant signal. In addition, due to the changing distance between the terminal and the base station, shadow fading, etc., it is reported that the output level output from the terminal is around 0 dBm, and the probability of outputting the maximum output is about 1%. Recently, the probability distribution function of this output level has been published. Currently used power amplifiers are more likely to output low power, but in practice they have a high loss of efficiency because their operating point is fixed by a high bias voltage. The envelope tracking amplifier as described above attempts to prolong the battery life by increasing the efficiency at low power levels by adjusting the bias voltage low when output at such a low power level. In the high power amplifier of the third generation mobile communication terminal such as IMT-2000, both CDMA2000 and W-CDMA are operated in Class AB using CDMA, so the envelope tracking amplifier is very interesting in that it will dramatically increase the efficiency in the future. It is thought to turn off.
그러나 이러한 포락선 추적 증폭기가 동적인 바이어스로 인하여 RF 전력 신호의 크기에 따라 증폭기의 입력과 출력 임피던스가 변화하게 된다. 이러한 임피던스의 변화는 포락선 추적 증폭기의 이득을 감소시켜 효율을 떨어뜨리고 VSWR을 악화시켜 안정성을 악화시켜 전력증폭기의 파손이나 손상이 빈번하게 발생하게 된다. 더구나, 상기 DC-DC 변환기는 그라운드 특성이 좋지 않으며, 크기 및 전력손실이 크다는 단점이 있다.However, due to the dynamic bias of the envelope tracking amplifier, the input and output impedance of the amplifier change according to the magnitude of the RF power signal. This change in impedance reduces the gain of the envelope tracking amplifier, reducing efficiency, worsening VSWR, and worsening stability, causing frequent breakage or damage of the power amplifier. Moreover, the DC-DC converter has a disadvantage in that the ground characteristics are not good and the size and power loss are large.
즉, 도 2에서 보는 바와 같이, RF 입력 신호가 인가되면 커플러에 의해서 포락선 검파기(Envelope Detector)와 전력증폭기로 각각 신호가 들어간다. 포락선 검파기로 들어온 RF신호는 직류로 바뀌게 된다. 이 직류 신호는 크기가 작기 때문에 직접 전력증폭기를 구동시킬 수 없다. 그래서 다음 단인 DC-DC 컨버터에서 전력증폭기를 구동시킬 수 있는 동적 바이어스로 변환시키게 된다. 즉 전력 크기에 따라 적합한 바이어스 동작점을 DC-DC 컨버터를 이용해서 조정한다. 그러나 증폭기의 정합 지점을 낮은 전력 크기에서 잡는다면 높은 전력 크기에 대해서 부정합이 발생한다. 이러한 높은 전력에서의 부정합으로 인하여 높은 전력 신호에서의 효율이 저하되고 이득이 감소한다. 또한 기존의 포락선 추적기에서 DC-DC 변환기를 이용할 경우 DC-DC 변환기가 PWM(Pulse Width Modulation)을 이용하기 때문에 이것으로 인하여 많은 특징이 발생하게 된다. 즉 RF전력이 크게 출력되면 DC-DC 변환기의 내부 트랜지스터의 과포화 상태를 일으켜 펄스파가 되도록 하여 DC-DC 변환효율(conversion efficiency)을 이론적으로 100%가 되도록 한다. 그러나 통화빈도가 가장 많은 RF 신호 전력인 낮은 출력이 출력될 때는 내부 트랜지스터가 포화 상태로 변환되지 않아 펄스파의 형태를 잃어버리게 되어, 변환효율이 급격히 떨어지는 경향이 있다. 또한, 출력된 DC신호와 함께 강한 변조 주파수의 신호도 같이 출력되기 때문에 출력단에 저역 통과 여파기가 필요하게 된다. 이 경우 저역통과 여파기의 크기가 너무 큰 문제점을 가지고 있고, 여파기를 통과한 DC신호라고 하더라도 DC-DC 변환기 출력 DC 신호가 너무 크기 때문에 미약한 변조 주파수는 여전히 존재하여 전력증폭기의 ACPR특성을 악화시키게 된다. 게다가 DC-DC변환기 자체의 가격이 비싸며, 전력증폭기와 같은 반도체 공정을 거쳐야 하므로 접지 문제가 심각하다고 할 수 있다.That is, as shown in Figure 2, when the RF input signal is applied, the signal is input to the envelope detector (Envelope Detector) and the power amplifier, respectively by the coupler. The RF signal entering the envelope detector is converted to direct current. Because of its small size, these DC signals cannot drive direct power amplifiers. The next stage, the DC-DC converter, converts the power amplifier to a dynamic bias that can drive it. In other words, the appropriate bias operating point is adjusted using the DC-DC converter according to the power size. However, if the amplifier's matching point is set at a low power level, a mismatch occurs for the high power level. This mismatch at high power results in lower efficiency and lower gain in high power signals. In addition, when a DC-DC converter is used in an existing envelope tracker, the DC-DC converter uses pulse width modulation (PWM), which causes many features. In other words, if the RF power is largely output, the internal transistor of the DC-DC converter causes a saturation state to be a pulse wave, so that the DC-DC conversion efficiency is theoretically 100%. However, when a low output, which is the RF signal power, which is most frequently used, is output, the internal transistor is not converted to a saturation state and loses the shape of the pulse wave, which tends to drastically reduce the conversion efficiency. In addition, since a signal having a strong modulation frequency is output together with the output DC signal, a low pass filter is required at the output terminal. In this case, the size of the lowpass filter is too large. Even if the DC signal passes through the filter, the output DC signal of the DC-DC converter is too large, so that a weak modulation frequency still exists, which deteriorates the ACPR characteristic of the power amplifier. do. In addition, the DC-DC converter itself is expensive and the grounding problem is serious because it must go through a semiconductor process such as a power amplifier.
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해소하기 위한 것으로, 바람직하게는 MEMS 스위치형 가변 임피던스를 이용하는 방법을 이용하여, DC-DC 변환기를 사용하지 않고, 베이스/게이트 전압을 RF 신호 레벨에 따라 변화시켜 전력증폭기의 효율을 개선한 베이스/게이트 전압 변화형 증폭기를 사용하여 증폭기의 효율개선을 하기 위한 것이다.The present invention is to solve the above problems, preferably by using a method using a MEMS switch type variable impedance, by changing the base / gate voltage according to the RF signal level without using a DC-DC converter This is to improve the efficiency of amplifier by using base / gate voltage change type amplifier which improves efficiency of power amplifier.
본 발명의 추가의 목적이나 효과는, 첨부한 도면을 참고하여 기술한 이하의 발명의 상세한 설명으로부터 더욱 명확해질 것이다.Further objects and effects of the present invention will become more apparent from the following detailed description of the invention described with reference to the accompanying drawings.
도 1은 제 1 종래의 이동통신 단말기의 출력 전력레벨의 실제 확률 분포를 나타낸다.1 shows an actual probability distribution of output power levels of a first conventional mobile communication terminal.
도 2는 제 2 종래의 이동통신 단말기의 효율개선을 위한 직류-직류 변환기를 갖는 포락선 추적 증폭기 회로도이다.2 is a circuit diagram of an envelope tracking amplifier having a DC-DC converter for improving efficiency of a second conventional mobile communication terminal.
도 3은 제 2 종래의 RF증폭기 및 본 발명에 따른 RF증폭기의 직류바이어스 변화에 따른 동작점 변화를 나타낸다.3 illustrates a change in operating point according to a change in DC bias of a second conventional RF amplifier and the RF amplifier according to the present invention.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 관한 베이스/게이트 전압 변화형 능동소자의 임피던스 변화에 따른 정합회로의 보정을 위한 회로이다.4 is a circuit for correcting a matching circuit according to an impedance change of a base / gate voltage varying type active device according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 5는 도 4의 MEMS (MicroElectroMechanical System) 스위치의 구조도로서 도 5a는 스위치 '오프' 상태를 그리고 도 5b는 스위치 '온' 상태를 나타낸다.FIG. 5 is a structural diagram of a microelectromechanical system (MEMS) switch of FIG. 4. FIG. 5A shows a switch 'off' state and FIG. 5B shows a switch 'on' state.
도 6은 도 4의 입력단 또는 출력단 임피던스 변화부의 다른 실시예이다.FIG. 6 is another embodiment of the input or output impedance changer of FIG. 4.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 관한 베이스/게이트 전압 변화형 능동소자의 임피던스 변화에 따른 정합회로의 보정을 위한 회로이다.7 is a circuit for correcting a matching circuit according to a change in impedance of a base / gate voltage varying type active element according to another exemplary embodiment of the present invention.
도 8은 측정에 사용된 PAM(Power Amplifier Module)의 일례이다.8 is an example of a power amplifier module (PAM) used for measurement.
도 9는 도 8의 PAM을 사용하여 본 발명에 따른 증폭기의 임피던스 측정을 위한 등가회로도이다.9 is an equivalent circuit diagram for impedance measurement of an amplifier according to the present invention using the PAM of FIG. 8.
도 10은 도 9에 따라 측정된 출력전력에 대한 이득특성 그래프이다.FIG. 10 is a graph of gain characteristics for output power measured according to FIG. 9.
도 11은 도 9에 따라 측정된 출력전력에 대한 효율특성 그래프이다.FIG. 11 is a graph of efficiency characteristics for output power measured according to FIG. 9.
도 12는 도 9에 따라 측정된 출력전력에 대한 소모된(dissipated) DC전력과 확률분포함수의 그래프이다.12 is a graph of dissipated DC power and probability distribution function for the output power measured according to FIG. 9.
도 13은 도 9에 따라 측정된 모토롤라(Motorola)의 PDF이용 출력전력에 대한 가중된 소모 DC전력에 대한 그래프이다.FIG. 13 is a graph of weighted consumed DC power versus the output power using PDF of Motorola measured according to FIG. 9.
도 14는 도 9에 따라 측정된 CDG(Cellular Data Group)이용 출력전력에 대한 가중된 소모 DC전력에 대한 그래프이다.FIG. 14 is a graph of the weighted consumed DC power versus output power using a CDG (Cellular Data Group) measured according to FIG. 9.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
1 : Vdd 전압 공급부 2 : 직류-직류 변환기1: Vdd voltage supply unit 2: DC-DC converter
3 : 전압 공급원 4 : 방향성 결합기3: voltage source 4: directional coupler
5 : 포락선 검출기 6 : Vgg 전압 공급부5: envelope detector 6: Vgg voltage supply
7 : RF 신호 입력단 8 : 안테나7: RF signal input terminal 8: antenna
10 : 전력 증폭부10: power amplifier
11 : 입력 정합 회로 12 : 출력 정합 회로11 input matching circuit 12 output matching circuit
13 : MESFET13: MESFET
21 : 입력 정합 회로 22 : 출력 정합 회로21: input matching circuit 22: output matching circuit
23 : 능동 소자 24 : 방향성 결합기23 active element 24 directional coupler
25 : 포락선 검출기 26, 26' : 전압 조절기25: envelope detector 26, 26 ': voltage regulator
27, 27' : 스위치 제어신호 생성부27, 27 ': switch control signal generator
28, 29 : 제1 및 제2 입력측 임피던스 보정회로용 스위치28, 29: switch for first and second input side impedance correction circuit
28', 29' : 제1 및 제2 출력측 임피던스 보정회로용 스위치28 ', 29': switch for first and second output impedance correction circuit
31 : 액츄에이터 32 : 풀다운 전극31: actuator 32: pull-down electrode
33 : RF 전송선 34 : 이득 제어신호 입력단33: RF transmission line 34: Gain control signal input terminal
36 : 동적 바이어스 전압회로 35 : 기준전압 발생기36: dynamic bias voltage circuit 35: reference voltage generator
38, 39 : 제3 및 제4 입력측 임피던스 보정회로용 스위치38, 39: third and fourth input side impedance correction circuit switch
L1, L2 : AC 차단 인덕터L1, L2: AC Blocking Inductors
본 발명의 일 측면인 베이스/게이트 전압 변화형 임피던스 보정회로를 갖는 파워증폭기는, 변화하는 RF 입력 신호에 대해 동적 직류 바이어스 전압을 능동소자(23)에 인가하는 베이스/게이트 직류 바이어스 전압 공급부(24-26, 26', 34-36, 36'); 상기 직류 바이어스 전압 공급부(24-26, 26', 34-36, 36')에 접속되며, 입력측 및 출력측 임피던스 보정회로의 적어도 어느 하나에 각각 제어신호(a1, a2 또는 a1', a2')를 발하는 입력측 스위칭 제어신호 생성부(27)나, 출력측 스위칭 제어신호 생성부(27') 또는 입/출력측 스위칭 제어신호 생성부(27, 27'); 및 상기 입력측 스위칭 제어신호 생성부(27) 및 출력측 스위칭 제어신호 생성부(27')의 적어도 어느 하나로부터 제어신호를 받아 임피던스를 가변시켜 임피던스 매칭을 행하는 입력측 임피던스 매칭부(28, 29, Z1, Z2)나, 출력측 임피던스 매칭부(28', 29',Z1', Z2') 또는 입/출력측 임피던스 매칭부(28, 29, Z1, Z2 또는 28', 29', Z1', Z2'); 를 포함함으로써, 상기 능동소자의 임피던스 매칭을 시키면서 동작점을 동적으로 변화시켜 개선된 효율을 갖는 RF 출력을 발생시키는 베이스/게이트 전압 변화형 임피던스 보정회로를 갖는 것을 특징으로 한다.A power amplifier having a base / gate voltage variable impedance correction circuit, which is an aspect of the present invention, includes a base / gate DC bias voltage supply unit 24 that applies a dynamic DC bias voltage to an active element 23 with respect to a changing RF input signal. -26, 26 ', 34-36, 36'); And a control signal a1, a2 or a1 ', a2' to at least one of the input and output impedance correction circuits, respectively, connected to the DC bias voltage supply units 24-26, 26 ', 34-36, 36'. An input side switching control signal generator 27, an output side switching control signal generator 27 ', or an input / output side switching control signal generator 27, 27'; And an input impedance matching unit 28, 29, Z1, which receives impedance control signals from at least one of the input switching control signal generator 27 and the output switching control signal generator 27 ′, and performs impedance matching by varying impedance. Z2), output impedance matching units 28 ', 29', Z1 ', Z2' or input / output side impedance matching units 28, 29, Z1, Z2 or 28 ', 29', Z1 ', Z2'; It characterized by having a base / gate voltage change type impedance correction circuit for dynamically changing the operating point while matching the impedance of the active element to generate an RF output with improved efficiency.
바람직하기로, 상기 입력측 임피던스 매칭부(28, 29, Z1, Z2)나, 출력측 임피던스 매칭부(28', 29', Z1', Z2') 또는 입/출력측 임피던스 매칭부(28, 29, Z1, Z2 또는 28', 29', Z1', Z2')는 각각, 적어도 하나 이상의 임피던스(Z1, Z2 또는 Z1', Z2')가 상기 입력측 스위칭 제어신호 생성부(27)나, 출력측 스위칭 제어신호 생성부(27') 또는 입/출력측 스위칭 제어신호 생성부(27, 27')로부터의 스위칭 제어신호(a1, a2 또는 a1', a2')에 응하여 스위칭되는 임피던스 보정회로용 스위치(28, 29 또는 28', 29')를 통해 상기 능동소자(23)의 베이스/게이트에 접속되어 이루어지는 것을 특징으로 하며, 더욱 바람직하기로는, 상기 임피던스 보정회로용 스위치는 MEMS 소자이다.Preferably, the input impedance matching unit 28, 29, Z1, Z2, output impedance matching unit 28 ', 29', Z1 ', Z2' or input / output side impedance matching unit 28, 29, Z1. , Z2 or 28 ', 29', Z1 ', and Z2' each have at least one impedance Z1, Z2 or Z1 ', Z2' to the input switching control signal generator 27 or the output switching control signal. Switch 28, 29 for impedance correction circuit which is switched in response to switching control signals a1, a2 or a1 ', a2' from generator 27 'or input / output side switching control signal generators 27, 27'. Or 28 ', 29', which is connected to the base / gate of the active element 23. More preferably, the impedance correction circuit switch is a MEMS element.
또한 바람직하기로, 상기 직류 바이어스 전압 공급부는, 상기 RF 입력 또는 출력 신호를 추출하는 수단(24); 상기 RF 신호 추출 수단(24)에 의해 추출된 신호로부터 포락선 신호를 검출하는 검출기(25); 및 상기 검출된 신호의 크기를 조절하는 전압 조절기(26, 26')를 포함하는 것을 특징으로 한다.Also preferably, the DC bias voltage supply unit includes: means for extracting the RF input or output signal; A detector (25) for detecting an envelope signal from the signal extracted by the RF signal extraction means (24); And voltage regulators 26 and 26 'for adjusting the magnitude of the detected signal.
또한 바람직하기로, 상기 직류 바이어스 전압 공급부는, 기준전압 발생기(35); 및 이득제어신호 단자(34)의 신호와 상기 기준전압 발생기로부터의 기준 신호를 비교하여 바이어스 전압을 생성하는 동적 바이어스 전압회로(36)를 포함하는 것을 특징으로 한다.Also preferably, the DC bias voltage supply unit may include: a reference voltage generator 35; And a dynamic bias voltage circuit 36 for generating a bias voltage by comparing the signal of the gain control signal terminal 34 with the reference signal from the reference voltage generator.
한편, 본 발명의 다른 측면인 이동통신 단말기는, 상기 파워증폭기를 이용하여 효율개선을 행하는 것을 특징으로 한다.On the other hand, the mobile communication terminal which is another aspect of the present invention is characterized by improving the efficiency by using the power amplifier.
더욱이, 본 발명의 또다른 측면인 파워증폭기의 효율 개선 방법은, (a) 변화하는 RF 입력 신호에 대해 동적 직류 바이어스 전압을 능동소자(23)에 인가하는 베이스/게이트 직류 바이어스 전압 공급 단계; (b) 상기 전압 공급 단계의 바이어스 전압에 의해 입력측 및 출력측 임피던스 보정회로의 적어도 어느 하나에 각각 제어신호(a1, a2 또는 a1', a2')를 발하는 단계; 및 (c) 상기 발하여진 제어신호에 따라 제어되어 입력측이나 출력측 또는 입/출력측 임피던스를 가변시켜 임피던스 매칭을 행하는 단계; 를 포함함으로써, 상기 능동소자의 임피던스 매칭을 시키면서 동작점을 동적으로 변화시켜 개선된 효율을 갖는 RF 출력을 발생시키는 것을 특징으로 한다.Furthermore, another aspect of the present invention provides a method for improving the efficiency of a power amplifier, comprising: (a) a base / gate DC bias voltage supplying step of applying a dynamic DC bias voltage to an active element 23 for a changing RF input signal; (b) issuing a control signal (a1, a2 or a1 ', a2') to at least one of the input and output impedance correction circuits respectively by the bias voltage in the voltage supply step; And (c) performing impedance matching by varying an input side, an output side, or an input / output side impedance by being controlled according to the issued control signal. By including, by varying the operating point while matching the impedance of the active element is characterized in that for generating an RF output with improved efficiency.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
먼저, 본 발명에 관한 베이스/게이트 전압 변화형 임피던스 보정회로를 갖는 증폭기는, 기존의 포락선 추적증폭기와 달리 DC-DC 변환기를 사용하지 않고 베이스/게이트 쪽의 방향성 결합기(24) 및 포락선 검출기(25)에 전압조절기(26, 26')가 접속된다. 따라서 도 3에서 보는 바와 같이 변화하는 RF신호에 대하여, 그 신호와 비례하는 DC 전압을 추출하기 위하여 방향성 결합기(24)와 포락선 검출기(25)를 사용하여 전력레벨에 따라 그 값에 비례하는 직류전압을 도출한다. 이 직류전압은 전압 조절기(26)에 의하여 적절한 바이어스 전압으로 인가되어 변화하는 RF 전력신호에 대하여 이와 비례하는 DC전압을 커플링 인덕터(L1)를 통하여 MOSFET(23)의 게이트에 공급함으로써 베이스/게이트 전류를 변화시켜 PAM의 소모전력을 줄이게 된다.First, an amplifier having a base / gate voltage varying impedance correction circuit according to the present invention, unlike a conventional envelope tracking amplifier, uses a directional coupler 24 and an envelope detector 25 on the base / gate side without using a DC-DC converter. Are connected to the voltage regulators 26 and 26 '. Therefore, as shown in FIG. 3, the DC voltage proportional to the value according to the power level is used by using the directional coupler 24 and the envelope detector 25 to extract the DC voltage proportional to the signal. To derive This DC voltage is applied to the appropriate bias voltage by the voltage regulator 26 to supply a base / gate by supplying a DC voltage proportional to the changing RF power signal through the coupling inductor L1 to the gate of the MOSFET 23. By changing the current, the power consumption of the PAM is reduced.
이 경우 베이스/게이트 전압의 변화범위가 현재 상용으로 쓰는 제품의 경우('Conexant'사의 RM914: CDMA방식인 경우 국내 시장점유율이 가장 높음) 2.7V에서 3.0V까지 변화하게 된다. 즉 RF 신호전력이 낮은 경우 2.7V에서 베이스/게이트 전압이 동작되도록 하고, RF 신호 전력이 높으면 3.0V에서 동작이 되도록 사용하면 RF전력 변화에 따른 동작점의 변화를 도 3에서와 같이 A에서 B로 유도하여 낮은 전력이 출력될 때 불필요한 전력 소모를 막을 수 있다.In this case, the base / gate voltage change ranges from 2.7V to 3.0V for the products currently used commercially (the highest domestic market share in the case of 'Conexant' RM914: CDMA method). That is, when the RF signal power is low, the base / gate voltage is operated at 2.7V, and when the RF signal power is high, it is operated at 3.0V. It can be used to prevent unnecessary power consumption when low power is output.
그러나, 이 경우에도 RF 신호 전력의 변화로 인한 TR의 임피던스의 변화를 보정해야 하는데 본 발명은 도 4에서 보는 바와 같이 MEMS 스위치의 형태로 하여 동작점의 변화에 따라 임피던스가 두 가지로 변화하여 입력쪽인 경우 Z1과 Z2그리고 출력쪽인 경우 Z1' 와 Z2' 로 변화하도록 하여 임피던스를 보정하도록 한다.However, even in this case, the change in the impedance of TR due to the change in the power of the RF signal should be corrected. In the present invention, as shown in FIG. On the side, change to Z 1 and Z 2, and on the output side to Z 1 'and Z 2 ' to correct the impedance.
이를 상술하면, 입력측 제1 임피던스(Z1) 및 제2 임피던스(Z2)는 각각 제1 및 제2 입력측 임피던스 보정회로용 스위치(28, 29)를 통해 상기 MOSFET(23)의 게이트단(P3)에 접속되며, 또한 출력측 제1 임피던스(Z1') 및 제2 임피던스(Z2')는 각각 제1 및 제2 출력측 임피던스 보정회로용 스위치(28', 29')를 통해 상기 MOSFET(23)의 출력단(P4)에 접속된다. 그리고 상기 제1 및 제2 입력측 임피던스 보정회로용 스위치(28, 29)의 제어단자는 입력측 스위치 제어신호 생성부(27)에 접속되어, 상기 입력측 스위치 제어신호 생성부(27)로부터 제어신호 a1 및 a2를 인가받는다. 마찬가지로 상기 제1 및 제2 출력측 임피던스 보정회로용 스위치(28', 29')의 제어단자는 출력측 스위치 제어신호 생성부(27')에 접속되어, 상기 출력측 스위치 제어신호 생성부(27')로부터 제어신호 a1' 및 a2'를 인가받는다. 상기 입력측 스위치 제어신호 생성부(27) 및 출력측 스위치 제어신호 생성부(27')는 각각 전압조절기 26 및 26'에 접속되어 전압조절된 직류전압 신호 Pc 및 Pc'가 입력된다.Specifically, the input first impedance Z1 and the second impedance Z2 are respectively connected to the gate terminal P3 of the MOSFET 23 through the switches 28 and 29 for the first and second input side impedance correction circuits, respectively. The output side first impedance Z1 'and the second impedance Z2' are connected to the output terminal of the MOSFET 23 through the switches 28 'and 29' for the first and second output side impedance correction circuits, respectively. P4). The control terminals of the switches 28 and 29 for the first and second input side impedance correction circuits are connected to the input side switch control signal generator 27, and the control signals a1 and a2 is authorized. Similarly, the control terminals of the switches 28 'and 29' for the first and second output-side impedance correction circuits are connected to the output-side switch control signal generator 27 'from the output-side switch control signal generator 27'. The control signals a1 'and a2' are applied. The input side switch control signal generator 27 and the output side switch control signal generator 27 'are connected to voltage regulators 26 and 26', respectively, and voltage-regulated DC voltage signals Pc and Pc 'are input.
따라서, RF 입력신호가 변화하는 경우, 상기 RF 입력신호와 비례하는 제1 전압조절된 신호(Pc)에 의해 상기 MOSFET(23)의 게이트 바이어스 전압이 조정되어 소모전력을 줄이도록 제어되도록 하며, 이때 입출력측 임피던스의 변화가 야기되는 바, 이때 RF 입력신호와 비례하는 제1 및 제2 전압조절된 신호(Pc)(Pc')에 의해 입력측 및 출력측 스위치 제어신호 생성부(27, 27')는 각각 입력측 임피던스 보정회로용 스위치(28, 29) 및 출력측 임피던스 보정회로용 스위치(28', 29')로 제어신호 (a1, a2) 및 (a1', a2')를 출력하여, 상기 스위치들을 적절히 온/오프 시킴으로써 입출력측 임피던스가 조정되도록 한다.Therefore, when the RF input signal is changed, the gate bias voltage of the MOSFET 23 is adjusted by the first voltage-regulated signal Pc proportional to the RF input signal so as to reduce power consumption. In this case, the input and output side switch control signal generators 27 and 27 'are controlled by the first and second voltage-regulated signals Pc and Pc' proportional to the RF input signal. The control signals a1, a2 and (a1 ', a2') are output to the input side impedance correction circuit switches 28 and 29 and the output side impedance correction circuit switches 28 'and 29', respectively. By turning on / off, the input / output side impedance is adjusted.
입력정합회로(21) 및 출력정합회로(22)는 반드시 필수적인 것은 아니나 입/출력측 임피던스 보정회로를 간단하게 하기 위해서는 있는 것이 바람직하다. 또한, MOSFET(23)의 드레인단(P2)은 커플링 인덕터(L2)를 통해 고정된 크기를 갖는 바이어스 전압(Vcc)이 인가된다.The input matching circuit 21 and the output matching circuit 22 are not necessarily required, but are preferably present to simplify the input / output side impedance correction circuit. In addition, a bias voltage Vcc having a fixed magnitude is applied to the drain terminal P2 of the MOSFET 23 through the coupling inductor L2.
한편, 상기 입/출력측 임피던스 보정회로는 바렉터 다이오드와 같은 반도체 소자로서 이루어질 수도 있으나, MEMS 기술로 이루어지는 것이 바람직하다. MEMS스위칭 소자가 반도체 소자 우수한 점은, 첫째, 반도체 소자는 100mW이상의 전력이 인가되면 IMD특성이 급격하게 떨어져 CDMA신호인 경우 스펙트럼 증식(spectral regrowth) 문제가 발생하여 ACPR특성을 악화시키는 것으로 알려졌다. 그러나, MEMS소자는 수동소자이므로 비선형특성이 나타나지 않은 것으로 보고된다. 둘째, 크기도 MEMS는 수백μm×수백μm×수μm으로써 극단적으로 작은 것으로 알려져 있다. 셋째, 바렉터 다이오드와 같은 반도체 소자는 메사(mesa) 공정방식을 취하고 있기 때문에 제작비용이 비싸고, 많은 처리공정이 요구된다. 넷째, 바렉터 다이오드와 같은 반도체 소자는 가변 캐패시턴스로 이용되었을 때 가변 캐패시턴스의 범위는 지극히 제한되어져 있으며, 주파수가 높을수록 변화폭이 급격하게 떨어져 제4세대 이동통신 주파수로 가면 변화폭은 거의 없는 것으로 알려져 있다. 반면 MEMS 가변 캐패시턴스는 30-40GHz 까지 상당한 폭으로 변화되는 것으로 보고되어 있다. 다섯째, 반도체 소자의 Q값은 10전후이지만, MEMS 가변 캐패시턴스의 Q값은 100전후로 월등하게 우수한 것으로 보고되어 있다. 이것은 소자 자체가 전력을 거의 소모하지 않는 것을 의미한다.Meanwhile, the input / output side impedance correction circuit may be formed as a semiconductor device such as a varistor diode, but is preferably made of MEMS technology. The advantages of MEMS switching devices are that semiconductor devices are known to deteriorate ACPR characteristics due to spectral regrowth problems in CDMA signals due to a sharp drop in IMD characteristics when more than 100mW of power is applied. However, since the MEMS device is a passive device, it is reported that the nonlinear characteristic does not appear. Second, the size of MEMS is known to be extremely small: several hundred micrometers × several hundred micrometers × several micrometers. Third, semiconductor devices such as varistor diodes have a mesa process, which is expensive to manufacture and requires many processing steps. Fourth, semiconductor devices such as varactor diodes have a very limited range of variable capacitance when they are used as variable capacitance. The higher the frequency, the faster the rate of change, and the less the change in the fourth generation mobile communication frequency. . On the other hand, MEMS variable capacitances are reported to vary considerably in the range from 30 to 40 GHz. Fifth, the Q value of the semiconductor device is around 10, but the Q value of the MEMS variable capacitance is reported to be excellent around 100. This means that the device itself consumes very little power.
도 5a 및 도 5b에는 MEMS 방식의 스위칭 소자의 일례로서 캔틸레버(cantilever)형 구조가 도시되어 있는 바, 도 5a는 스위치 '오프' 상태를 그리고 도 5b는 스위치 '온' 상태를 나타내고 있다. 이는 적어도 일측단이 고정되며 나머지는 자유공간에 걸쳐있는 가는 금속 스트립과 유전체로 이루어진다. 제어신호(C1)의 바이어스 전압이 액츄에이터(31)와 풀다운(Pull-down) 전극(32) 사이에 인가되면, 그들 사이에 정전력이 발생하는 것과 같은 방식으로 전하가 분포된다.전압의 극성에 관계없이, 인가된 전압은 액츄에이터(31)가 풀다운 전극(32) 쪽으로 이동하도록 하는 바, 이때 구조체가 구부려짐으로서 반발력이 발생하게 된다. 인가된 전압이 어떤 드레시홀드 값(Vth)에 도달하였을 때에 반발력은 더 이상 정전력과 균형을 이룰 수 없게 되고 액츄에이터로서의 캔틸레버는 갑자기 풀다운 전극 쪽으로 떨어져서 RF 전송선(33)과 숏트시키게 된다. 반면, 전압의 크기가 감소되면, 캔틸레버는 복귀하게 되면 이는 상기 드레시홀드 값(Vth)보다 훨씬 더 낮은 전압에서 이루어지게 된다. 물론, MEMS 스위치는 이외에도 에어 브릿지(air bridge)형이나 멤브레인 형과 같은 다른 많은 형태가 사용될 수 있다. 이에 대해서는 일례로, 'Elliott R. Brown'의 논문 "RF-MEMS Switches for Reconfigurable Integrated Circuits" (IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 46, No. 11, November 1998) 에 상세히 개시되어 있다.5A and 5B show a cantilever type structure as an example of a MEMS switching element. FIG. 5A shows a switch 'off' state and FIG. 5B shows a switch 'on' state. It consists of a thin metal strip and a dielectric which at least one end is fixed and the rest over free space. When the bias voltage of the control signal C1 is applied between the actuator 31 and the pull-down electrode 32, electric charges are distributed in the same way as a constant power is generated therebetween. Regardless, the applied voltage causes the actuator 31 to move towards the pull-down electrode 32, where the repulsive force is generated as the structure is bent. When the applied voltage reaches a certain threshold value Vth, the repulsive force can no longer be balanced with the electrostatic force and the cantilever as the actuator suddenly falls to the pull-down electrode and shorts with the RF transmission line 33. On the other hand, when the magnitude of the voltage decreases, when the cantilever returns, this occurs at a voltage much lower than the threshold value Vth. Of course, the MEMS switch can be used in many other forms, such as an air bridge type or a membrane type. This is described in detail in, for example, the paper "RF-MEMS Switches for Reconfigurable Integrated Circuits" (IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 46, No. 11, November 1998) by Elliott R. Brown.
한편, 상기 입/출력측 임피던스 보정회로로는, 반드시 Z1 및 Z2 만을 사용하여야 하는 것은 아니고, 도 6에서 보는 바와 같이, Z1, Z2, Z3, Z4등의 여러 개의 서로 상이한 임피던스를 갖는 스위칭 뱅크를 사용하되, 특히 상기 Z1, Z2, Z3및 Z4의 스위칭 뱅크는 C1, 2C1, 4C1및 8C1의 이진 커패시터 뱅크로 하여 네 개의 스위치 28, 29, 38, 및 39 로 스위칭하는 것도 가능하다. 이렇게 하는 경우, 훨씬 더 정교한 임피던스 매칭이 가능하게 된다.Meanwhile, Z1 and Z2 are not necessarily used as the input / output side impedance correction circuit. As shown in FIG. 6, Z 1 , Z 2 , Z 3 , and Z 4 have different impedances. Switching banks are used, in particular the switching banks of Z 1 , Z 2 , Z 3 and Z 4 are four switches 28, 29, 38, and binary binary banks of C 1 , 2C 1 , 4C 1 and 8C 1 . It is also possible to switch to 39. In this way, much more precise impedance matching is possible.
한편, 도 7에는 베이스/게이트 바이어스 전압 조정을 동적 바이어스 전압회로(36)를 사용하여 행하는 형태에 대한 본 발명에 관한 제2 실시예를 도시하고 있다.7 shows a second embodiment of the present invention in which the base / gate bias voltage adjustment is performed using the dynamic bias voltage circuit 36. As shown in FIG.
본 실시예에서, 동적 바이어스 전압회로(36)는, 기지국이나 단말기의 주제어 회로(미도시됨)로부터의 이득제어신호가 모뎀으로부터 입력단자(34)를 통해 입력되고, 기준전압 발생기(35)으로부터의 기준전압(Vref)이 인가되어 조정된 바이어스 직류전압이 인덕터(L1)를 통해 MOSFET(23)의 게이트 단자(P3)로 인가되어 전압조정을 함과 동시에, 조정된 전압이 입력측 및 출력측 스위치 제어신호 생성부(27, 27')로 인가되어 제1 실시예에서와 마찬가지로 임피던스 매칭을 행하게 된다.In this embodiment, the dynamic bias voltage circuit 36 receives a gain control signal from a main control circuit (not shown) of a base station or a terminal through an input terminal 34 from a modem, and from a reference voltage generator 35. The regulated bias DC voltage is applied to the gate terminal P3 of the MOSFET 23 through the inductor L1 to adjust the voltage, and the regulated voltage controls the input and output switches. It is applied to the signal generators 27 and 27 'to perform impedance matching as in the first embodiment.
따라서, 본 발명에 의하면, DC-DC 컨버터를 사용하지 않고도 베이스/게이트 전압조정부를 갖는 간편한 방식으로 증폭기의 RF 전력에 따른 동작점의 조정이 가능하고 게다가 그에 따라 발생하는 임피던스 변화에 대해서도 임피던스 매칭을 시킬 수가 있게 된다.Therefore, according to the present invention, it is possible to adjust the operating point according to the RF power of the amplifier in a simple manner with a base / gate voltage adjuster without using a DC-DC converter, and also to perform impedance matching with respect to the impedance change generated accordingly. You can do it.
도 8은 이상의 본 발명에서 사용되는 전력 증폭기의 일례로서, 'Conexant' 사의 'RM912' 의 구조이다. RM912의 구조는 2개의 증폭기로 구성된 RFIC회로이다. RFIC의 중간단은 가변 캐패시터를 삽입할 수 없다. 따라서 전력증폭기의 입력과 출력에 바렉터 다이오드를 이용한 정합회로를 연결한다. 이는 전력증폭기의 중간단 부분의 부정합이 입력과 출력 부분에 그대로 반영이 되기 때문에 가능하다.8 is an example of a power amplifier used in the present invention described above, and has a structure of 'RM912' manufactured by 'Conexant'. The structure of the RM912 is an RFIC circuit consisting of two amplifiers. The middle stage of the RFIC cannot insert a variable capacitor. Therefore, matching circuit using varistor diode is connected to input and output of power amplifier. This is possible because mismatches in the middle of the power amplifier are reflected in the input and output parts.
이제, 상기 전력 증폭기의 입력과 출력 이득을 측정하기 위하여 도 9와 같이 회로를 구성하였다. 먼저 낮은 RF신호가 인가될 때 최고의 이득이 나오도록 입출력단에 각각 튜너 1 및 튜너 2를 연결하여 전체 이득이 가장 높도록 최적의 임피던스를 ??는다. 또한 높은 신호에 대해서 이득이 최대가 되도록 상기 튜너 1 및 튜너 2를 조절한다. 이처럼 튜너를 사용하는 이유는 도 4의 회로와 같은 MEMS 스위치 가변 캐패시턴스의 효과를 나타낸다고 볼 수 있기 때문이다.Now, the circuit is configured as shown in FIG. 9 to measure the input and output gain of the power amplifier. First, tuner 1 and tuner 2 are connected to the input and output terminals so that the best gain is obtained when a low RF signal is applied, and the optimum impedance is determined so that the overall gain is the highest. Tuner 1 and tuner 2 are also adjusted to maximize gain for high signals. The reason for using the tuner is that it can be seen that the effect of the MEMS switch variable capacitance, such as the circuit of FIG.
즉, 도 9는 도 8의 PAM을 사용하여 본 발명에 따른 증폭기의 임피던스 측정을 위한 등가회로도이며, 도 10은 도 9에 따라 측정된 출력전력에 대한 이득특성 그래프이고, 도 11은 도 9에 따라 측정된 출력전력에 대한 효율특성 그래프이고, 도 12는 도 9에 따라 측정된 출력전력에 대한 소모된(dissipated) DC전력과 확률분포함수의 그래프이고, 도 13은 도 9에 따라 측정된 모토롤라(Motorola)의 PDF이용 출력전력에 대한 가중된 소모 DC전력에 대한 그래프이고, 도 14는 도 9에 따라 측정된 CDG(Cellular Data Group)이용 출력전력에 대한 가중된 소모 DC전력에 대한 그래프이다.That is, FIG. 9 is an equivalent circuit diagram for impedance measurement of an amplifier according to the present invention using the PAM of FIG. 8, FIG. 10 is a gain characteristic graph for the output power measured according to FIG. 9, and FIG. FIG. 12 is a graph of dissipated DC power and probability distribution function for the output power measured according to FIG. 9, and FIG. 13 is a Motorola measured according to FIG. 9. (Motorola) is a graph of the weighted consumption DC power of the output power using the PDF, Figure 14 is a graph of the weighted consumption DC power of the output power using the CDG (Cellular Data Group) measured according to FIG.
도 10에서 보는 바와 같이, 전력증폭기의 출력전력이 대략 15 dBm 미만에서는, 2.7V에서 정합된 포락선 추적 증폭기(청색 ▼로 표시됨)의 이득이 일반 전력 증폭기(흑색 ■로 표시됨)의 이득보다 높으나, 15 dBm 이상에서는 반대로 포락선 추적 증폭기의 이득이 더 낮아져 버리는 문제점이 있다. 이는 15 dBm 이상에서는 입출력 임피던스 정합이 안되기 때문이다.As shown in FIG. 10, when the output power of the power amplifier is less than approximately 15 dBm, the gain of the envelope tracking amplifier (marked in blue ▼) matched at 2.7V is higher than the gain of the general power amplifier (marked in black). On the contrary, the gain of the envelope tracking amplifier becomes lower than 15 dBm. This is because the input and output impedance matching is not more than 15 dBm.
역으로, 3V로 정합된 포락선 추적 증폭기(녹색 ▲로 표시됨)의 이득의 경우, 대략 15 dBm 이상에서는 일반 전력 증폭기의 이득보다 높으나, 마찬가지 이유로 15 dBm 미만에서는 반대로 포락선 추적 증폭기의 이득이 더 낮다.Conversely, the gain of a 3V-matched envelope tracking amplifier (indicated by green ▲) is higher than the gain of a typical power amplifier above approximately 15 dBm, but for the same reason the gain of the envelope tracking amplifier is lower below 15 dBm.
그러나, 본 발명에 관한 증폭기의 경우(적색 ●로 표시됨)의 이득은, 대략 15 dBm 미만에서는, 2.7V에서 정합된 포락선 추적 증폭기로서 동작하고, 15 dBm 이상에서는 반대로 3V에서 정합된 포락선 추적 증폭기로서 동작하게 되므로, 어느 경우에든지 정합이 이루어지며, 따라서 이득이 항상 일반전력 증폭기의 이득보다 높게 되며, RF반사에 의한 기기의 파손 문제도 해결할 수 있게 된다.However, in the case of the amplifier according to the present invention (indicated by red ●), the gain acts as an envelope tracking amplifier matched at 2.7V at less than approximately 15 dBm and as an envelope trace amplifier matched at 3V on the contrary above 15 dBm. In this case, matching is achieved in any case, so that the gain is always higher than that of the general power amplifier, and the problem of damage to the device due to RF reflection can be solved.
역시, 본 발명의 증폭기는, 도 11에서 보듯이, 2.7V로 정합된 포락선 추적 증폭기의 경우 대략 25dBm 이상에서 부정합으로 인하여 효율이 떨어지는 문제점을 피할 수 있다.In addition, the amplifier of the present invention, as shown in Figure 11, in the case of the envelope tracking amplifier matched to 2.7V can avoid the problem that the efficiency is lowered due to mismatch at about 25dBm or more.
도 12는 기존의 포락선 추적 증폭기와 본 발명에 관한 증폭기의 출력파워에 대한 확률분포와 그대의 소모되는 직류전력을 비교한 것이다.Fig. 12 compares the probability distribution of the output power of the conventional envelope tracking amplifier with the amplifier according to the present invention and your consumed direct current power.
확률분포가 가장 많은 부분 (CDG(흑색 ■로 표시됨)의 경우 -5 dBm 내지 5dBm 부근, 모토롤라의 증폭기(적색 ●로 표시됨)의 경우 7 dBm 부근) 에서, 본 발명에 관한 증폭기의 소모전력(청색 ▼로 표시됨)은, 일반적인 전력증폭기의 소모전력(녹색 ▲로 표시됨)의 1/2에 불과하다. 한편, 출력전력이 10 dBm 이상인 경우에 2.7V에서 정합된 증폭기의 소비전력 (자색 +로 표시됨) 역시 부정합으로 인하여 직류 전력소모가 본 발명에 따른 증폭기의 그것에 비해 많은 것을 알 수 있다.In the portion with the highest probability distribution (about -5 dBm to 5 dBm for CDG (indicated by black ■) and around 7 dBm for Motorola amplifier (indicated by red)), the power consumption of the amplifier according to the invention (blue) Denoted by ▼, is only one half of the power consumption of the conventional power amplifier (indicated by the green ▲). On the other hand, when the output power is 10 dBm or more, the power consumption of the amplifier matched at 2.7V (indicated by purple +) can also be seen that the DC power consumption is larger than that of the amplifier according to the present invention due to mismatch.
모토롤라를 적용한 가중치를 고려한 소비전력의 관점에서 보더라도, 도 13에서 보듯이, 본 발명에 관한 증폭기의 소비전력(옥색 + 및 적색 ●로 표시됨)은 일부 구간을 제외하고 최저이며, 그 평균치 역시 일반 전력증폭기의 소비전력(흑색 ■로 표시됨)의 70%로서 최저임을 알 수 있다.In terms of power consumption in consideration of the weight applied with Motorola, as shown in Fig. 13, the power consumption of the amplifier according to the present invention (indicated by turquoise + and red ●) is the lowest except for some intervals, and the average value thereof is also the general power. 70% of the power consumption (indicated by black ■) of the amplifier is the lowest.
역시, CDG를 적용한 가중치를 고려한 소비전력의 관점에서 보더라도, 도 14에서 보듯이, 본 발명에 관한 증폭기의 소비전력(황색 × 및 녹색 ▲로 표시됨)은일부 구간을 제외하고 최저이며, 그 평균치 역시 일반 전력증폭기의 소비전력(흑색 ■로 표시됨)의 59.5%로서 최저임을 알 수 있다.Also, from the viewpoint of power consumption considering the weight applied with CDG, as shown in FIG. 14, the power consumption (indicated by yellow × and green ▲) of the amplifier according to the present invention is the lowest except for some intervals, and the average value thereof is also It is the lowest as 59.5% of the power consumption (indicated by black ■) of the general power amplifier.
본 명세서에서는, 능동소자로서 FET를 예로들어 설명하였으나, 상기 능동소자는 바이폴라 트랜지스터의 경우에도 그대로 적용될 수 있으며, 이 경우에 Vcc 는 콜렉터 바이어스 전압을 나타내고, 전압조절기(26) 및 동적 바이어스 전압회로(36)는 베이스 바이어스 전압조정을 하게 된다.In the present specification, the FET as an active element has been described as an example, but the active element may be applied as it is in the case of a bipolar transistor, in which case Vcc represents a collector bias voltage, and a voltage regulator 26 and a dynamic bias voltage circuit ( 36) adjusts the base bias voltage.
또한, RF 입력은 RF 출력과 대응관계에 있기 때문에, RF 입력 신호를 추출하여 임피던스 보정을 행하는 대신, RF 출력 신호를 추출하여 임피던스 보정을 행하더라도 마찬가지의 결과를 얻을 수 있으며, RF 신호를 추출할 때에 방향성 결합기 대신 파워 디바이더와 같은 다른 소자를 사용하여 RF 신호를 추출할 수 있음은 본 기술분야의 당업자에게는 당연한 것으로 여겨질 것이다.In addition, since the RF input corresponds to the RF output, instead of extracting the RF input signal and performing impedance correction, the same result can be obtained by extracting the RF output signal and performing impedance correction. It will be appreciated by one of ordinary skill in the art that the RF signal can be extracted using other devices, such as a power divider instead of the directional coupler.
이상 본 발명을 첨부도면에 도시된 일 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 당업자가 용이하게 생각해 낼 수 있는 범위 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 따라서, 본 발명의 한계는 다음의 특허청구범위에 의해서만 한정되어야 한다.Although the present invention has been described above with reference to one embodiment shown in the accompanying drawings, the present invention is not limited thereto, and various modifications may be made within a range easily understood by those skilled in the art. Therefore, the limitation of the present invention should be limited only by the following claims.
이상에서 상술한 바와 같이, 종래의 포락선 추적 증폭기 회로를 사용한 이동통신 단말기에서는, 실제 이동통신 단말기의 직류-직류 변환기를 사용하므로 여러 가지 문제점이 있었으며, 베이스 전압을 변화시키는 단말기의 경우라도 변화하는 공급전압으로 인해 발생하는 전력 증폭기의 입출력단의 부정합으로 말미암아 단말기 전체효율에 나쁜 영향을 미치게 되었으나, 본 발명의 경우에는, 간단한 구성의 입출력 임피던스 정합회로를 추가함에 의해, 임피던스 정합 효과로 인하여 전체적인 효율이 증가하게 되어 배터리의 사용 시간이 2배 가량 연장되는 효과를 갖게 됨과 동시에, 임피던스 정합으로 인하여 반사계수가 좋아져 증폭기가 안정하게 된다는 장점이 있게 되며, 단말기의 컴팩트화도 가능하게 된다.As described above, in the conventional mobile communication terminal using the envelope tracking amplifier circuit, there are various problems since the DC-DC converter of the actual mobile communication terminal has been used, and even in the case of a terminal changing the base voltage, the supply varies. Due to the mismatch of the input and output terminals of the power amplifier caused by the voltage has a bad effect on the overall efficiency of the terminal, in the case of the present invention, by adding the input and output impedance matching circuit of a simple configuration, the overall efficiency is reduced due to the impedance matching effect In addition, the battery life is increased by about two times, and the matching coefficient is improved due to the impedance matching, so that the amplifier is stabilized, and the terminal can be made compact.
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|---|---|---|---|---|
| KR20040045147A (en) * | 2002-11-22 | 2004-06-01 | 한국과학기술원 | High Efficiency Power Amplifier |
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2001
- 2001-05-11 KR KR1020010025859A patent/KR20020086126A/en not_active Application Discontinuation
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