KR20040076957A - 스마트 전력 증폭기 - Google Patents

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KR20040076957A KR1020030012293A KR20030012293A KR20040076957A KR 20040076957 A KR20040076957 A KR 20040076957A KR 1020030012293 A KR1020030012293 A KR 1020030012293A KR 20030012293 A KR20030012293 A KR 20030012293A KR 20040076957 A KR20040076957 A KR 20040076957A
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Abstract

본 발명은 스마트 전력 증폭기에서 고출력 모드와 저출력 모드를 사용할 때, 두 모드에서 소비 전력 효율을 각각 최적화하는 출력 임피던스 정합을 구현하기 위한 것으로서, 입력되는 RF신호를 매칭하여 RF 입력 라인에 출력하는 입력 임피던스 정합회로와, RF 출력 라인에 연결되어 출력된 증폭 고주파신호를 받아 임피던스를 매칭시켜 출력하는 출력 임피던스 정합회로와, 상기 RF 출력 라인에 다수개의 HBT 콜렉터가 병렬로 연결되고, RF 입력 라인에 다수개의 HBT 베이스가 병렬로 연결된 HBT 어레이와, 상기 RF 입력 라인의 입력부에 위치한 HBT 어레이에 연결되어 항상 스위치가 온인 제 1 전류소스와, 상기 제 1 전류소스와 연결된 HBT 어레이를 제외한 그 외 다수의 HBT 어레이에 연결되어 스위치에 의해 동작하는 제 2 전류소스를 포함하여 구성되며, 제 2 전류소스에 연결된 다수의 HBT 어레이는 스위치 오프(off)시 수동 임피던스 변환기로 동작하여 제 1 전류소스와 연결되어 스위치 온(on)된 HBT 어레이의 출력 임피던스 변환기로 동작하여 전력효율을 높이는 효과를 가진다.

Description

스마트 전력 증폭기{smart power amplifier}
본 발명은 스마트 전력 증폭기에 관한 것으로, 특히 고출력 모드와 저출력 모드간의 임피던스 정합을 변환시켜 소모 전력 효율을 높이고, 전력 이득을 조절하기 위한 스마트 전력 증폭기에 관한 것이다.
최근 세계 각지에서 무선 전화, 무선 LAN 등의 무선 통신 서비스가 급증하고 있다. 일례로 유럽의 GSM 900(Global System for Mobile communication,890-915 MHz ), 북아메리카(North America)의 AMPS 800(Advanced Mobile Phone Service, 824-849 MHz), PCS 1900(Personal Communication System, 미국 1850-1910 MHz, 한국 1750-1780 MHz) 무선 휴대폰 서비스가 제공되고 있다.
휴대폰에서 무선인터넷을 통해 전력 소비량이 높은 컬러 동영상 콘텐츠 사용이 늘어나면서, 휴대폰 업체들의 저전력 부품 요구가 커지고 있다.
무선 휴대폰에서 전력 소비가 가장 많은 소자는 RF 송신부의 전력 증폭기이다. 현재 휴대폰에서 전력 증폭기의 전력 효율 높이기 위한 방법은 출력 전력에 따라 전력 증폭기가 고출력 모드, 저출력 모드로 동작하며 저출력 모드에서 소비 전류를 감소시키는 것이다.
그리고 휴대폰에서 최근 RF 소자 개수를 줄이고, 핸드폰의 개발 시간을 단축하기 위해 제로(zero) IF 또는 다이렉(direct) 전환(conversion) 회로가 핸드폰 통신 시스템에 채택되고 있다.
그 한 예는 휴대폰에서 퀄컴(Qualcomm)사의 MSM6xxx Mobile Station Modem (MSM) family of chipsets를 사용하는 것이다.
이러한 제로 IF 통신시스템을 갖춘 핸드폰에 전력 증폭기의 소비 전력 효율을 높이기 위해 전력 증폭기가 고출력 모드(high power mode), 또는 저출력(low power mode) 모드로 동작할 경우, 제로 IF 통신 시스템의 신호대 잡음 성능을 높이기 위해 두 출력 모드간의 전력 이득이 10 dB 정도인 전력증폭기를 요구하고 있다.
현재 시판되고 있는 전력 증폭기는 모드 간 전력 이득이 2-3 dB 정도이며, 전력 이득을 크게 하기 위한 회로가 구체적으로 발표되지 않고 있다.
따라서, 앞으로 제로 IF 통신시스템이 휴대폰에 광범위하게 사용될 것을 대비하여 전력 증폭기에서 두 출력 모드간에 전력 이득의 차이를 크게 하는 회로가 요구되어진다.
도 1 은 종래 기술에 따른 휴대폰에서 사용되고 있는 전력 증폭기 구조를 나타낸 도면이다.
도 1의 전력증폭기는 RF 입력 신호를 증폭하는 HBT(Heterojunction Bipolar Transistors) 어레이(1)와, 상기 HBT 어레이(1)의 소모 전류를 결정하는 전류 소스(2) 및 모드 스위치(3)와, 상기 HBT 어레이(1)의 입력 임피던스 정합부(4)와, 출력 임피던스 정합부(5)로 구성된다.
여기서 상기 HBT 어레이(1)의 콜렉터 전류를 공급하는 회로는 출력 임피던스 정합부(5)에 포함되었다.
일반적으로 전력 증폭기는 dc 소모 전력에 비해 RF(Radio Frequency) 출력 전력이 작을 경우, 전력 효율이 매우 낮다.
이를 개선하기 위해 도 1의 전력 증폭기는 출력 전력의 강도에 따라 고출력 모드와 저출력 모드로 각각 동작하며, 저출력 모드에서는 고출력 모드에 비해 소모 전류가 줄어든다.
고출력 모드와 저출력 모드에서 HBT 어레이(1)에 소비되는 전류량은 모드 스위치(3)와 전류소스(2)에 의해 결정된다.
상기 모드 스위치(3)가 온/오프(on/off)될 때 전류소스(2)의 출력 전류(Ib1,b2)가 조절되고, 상기 전류소스(2)의 출력 전류(Ib1,Ib2)가 HBT 어레이(1)에서 소비되는 전류를 결정한다.
위에 언급한 형태로 저출력 모드에서 HBT 어레이(1)에 소비되는 전류를 줄여 개선된 최고 효율은 현재 10% 정도이다. 이는 고출력 최고 효율이 40%인 것에 비하면 여전히 낮다.
이러한 이유는 도면 1의 전력 증폭기에서 출력 임피던스가 두 출력 모드에서 동일하게 유지되기 때문이다.
상기 도 1의 기존 전력 증폭기에서 공급 전압은 밧데리 공급전압(휴대폰 경우 4.2V - 3.4V)으로 일정하다. 따라서 공급 dc 전류의 량에 의해 소모전력이 결정된다. 상기 HBT 어레이(1)에 RF 입력을 증가시키면 HBT에서 출력되는 RF 전력이 커지면서 소모되는 dc 전류도 함께 증가하고, 이 전류량은 출력 임피던스가 높을수록 적고, 낮을수록 크다. 이때, 1W 정도의 고출력 모드에서는 최대 출력 전력을 발생시키기 위해 전압 스위 폭은 밧데리 공급 전압으로 하고, 전류 스윙 폭이 크도록 낮은 부하 임피던스가 사용되는데, 대략 그 값은 2-5 옴(Ohm)이다. 이에 비해, 16dBm 정도의 저출력 모드에서는 출력 전력이 낮기 때문에 전류 소모를 많이 늘이지 않고 RF 전압 스윙 크기를 밧데리 공급 전압폭에 근접하도록 높은 부하 임피던스를 사용하여 전력 효율을 높일 수 있다. 상기 도 1과 관련해서 16dBm 정도의 저출력 모드에서 최대 효율 부하 임피던스는 대략 15 옴(Ohm)이상이다.
따라서, 두 모드간에 출력 임피던스 회로를 똑같이 공유할 경우, 비록 모드 스위칭을 통해 두 모드에서 동작점의 소모 전류를 바꾸지만, 우선적으로 휴대폰의 최대 출력 사양을 맞추어야 하기 때문에 부하 임피던스가 고출력 모드에 맞도록 설계되고, 이로 인해, RF 16 dBm 출력의 저출력 모드에서의 효율은 현재 10% 이상 되기가 어려운 실정이다.
또한, RF소자의 간소화를 위해 앞으로 제로 IF 또는 다이렉(direct)전환(conversion) 회로가 핸드폰 통신 시스템에 적극 응용될 추세이다.
이러한 시스템에서 신호대 잡음 성능을 높이기 위해 두 출력 모드간의 전력 이득차가 큰(약 10 dB) 전력 증폭기가 요구되고 있다.
위에서 언급한 도 1의 전력 증폭기는 현재 전력 증폭기의 모드간 전력 이득차가 약 2-3 dB 정도이다. 이것은, 전력 증폭기에서 동작 모드가 바뀔 때 HBT의 동작 바이어스만 약간 달라지고, 그 외 입출력 임피던스 정합 회로는 똑같기 때문이다.
다시 말해, 고출력에 비해, 저출력 모드에서는 HBT에 흐르는 전류가 감소하여 HBT의 전류 이득이 약간 낮아지고, 이로 인해 전력 증폭기의 전력이득이 약 2-3 dB 감소한 것이다.
이때, 상기 HBT의 소모전류를 점점 더 줄이면 고출력 증폭소자(1)의 전류 이득이 점점 더 줄어들지만, 대신 큰 신호 동작에서 비선형 성분을 많이 발생시키므로 전력 증폭기의 선형성을 악화시키는 문제를 가져온다.
이에 따라서, 단지 소모 전류만 바꾸어 두 모드에서 높은 선형성을 유지하면서, 두 모드간에 10 dB정도의 전력 이득차를 구현하기란 매우 어렵다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 스마트 전력 증폭기에서 저출력 모드에서의 낮은 효율을 높이는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 스마트 전력 증폭기에서 고출력 모드와 저출력 모드를 사용할 때, 두 모드에서 소비 전력 효율을 각각 최적화하는 출력 임피던스 정합을 구현하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 HBT 어레이에서 스위치 오프된 HBT 어레이를 임피던스 변환구조로 적절히 사용하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 스마트 전력 증폭기에서 고출력 모드와 저출력 모드간의 전력 이득차를 조절하는데 있다.
도 1 은 종래 기술에 따른 휴대폰에서 사용되고 있는 전력 증폭기 구조를 나타낸 도면
도 2 는 본 발명에 따른 스마트 전력 증폭기의 구조를 나타낸 도면
도 3 은 본 발명에 따른 스마트 전력 증폭기에서의 고출력 모드 동작을 나타낸 회로도
도 4 는 본 발명에 따른 스마트 전력 증폭기의 고출력 모드에서 동작하는 등가 회로도
도 5 는 본 발명에 따른 스마트 전력 증폭기에서의 저출력 모드 동작을 나타낸 회로도
도 6 은 본 발명에 따른 스마트 전력 증폭기의 저출력 모드에서 동작하는 등가 회로도
도 7 은 도 6의 RF 출력 라인을 좀 더 회로적으로 설명한 등가 회로도
도 8 은 도 7에서 스마트 전력 증폭기의 ZHPM에서 ZLPM의 변환을 설명하는 스미스 차트도
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
11, 13 : 바이어스 전류 12 : 스위치
14 : 입력 임피던스 정합부 15 : 고출력 모드 출력 임피던스 정합부
16 : 단위 HBT 17 : 캐패시터
18 : 베이스 안정기(ballast) 저항 19 : RF 입력 라인
20 : RF 출력 라인 21 : 제 1 HBT 어레이
22 : 제 2 HBT 어레이 31 : RF 입력 라인 캐패시터
33 : 직렬 인덕터 32, 35 : RF 출력 라인 캐패시터
34 : 병렬 캐패시터와 직렬 인덕터의 어레이(임피던스 변환기)
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 스마트 전력 증폭기의 특징은 입력되는 RF신호를 매칭하여 RF 입력 라인에 출력하는 입력 임피던스 정합회로와, RF 출력 라인에 연결되어 출력된 증폭 고주파신호를 받아 임피던스를 매칭시켜 출력하는 출력 임피던스 정합회로와, 상기 RF 출력 라인에 다수개의 HBT 콜렉터가 병렬로 연결되고, RF 입력 라인에 다수개의 HBT 베이스가 병렬로 연결된 HBT 어레이와, 상기 RF 입력 라인의 입력부에 위치한 HBT 어레이에 연결되어 항상 스위치가 온인 제 1 전류소스와, 상기 제 1 전류소스와 연결된 HBT 어레이를 제외한 그 외 다수의 HBT 어레이에 연결되어 스위치에 의해 동작하는 제 2 전류소스를 포함하여 구성되는데 있다.
이때, 고출력 모드에서는 상기 HBT 어레이가 전체 동작하도록 상기 스위치가 온 되고, 저출력 모드에서는 상기 RF 입력 라인의 입력부에 위치한 일부 HBT 어레이만 동작하도록 상기 스위치가 오프되는 것이 바람직하다.
그리고 상기 저출력 모드 동작에서 스위치 오프된 출력부 HBT 어레이는 상기 스위치 온 된 입력부 HBT 어레이의 전력 효율을 높이는 임피던스 변환기 역할을 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 저출력 모드 동작에서 상기 스위치 온된 입력부 HBT 어레이의 전력 효율은 임피던스 변환기로 동작하는 스위치 오프된 출력부 HBT 어레이의 단위 HBT와, 단위 HBT 사이의 간격을 잇는 RF 출력 라인의 길이와, 폭에 의해 조절되는 것이 바람직하다.
그리고 상기 HBT 어레이는 BJT, CMOS, LDMOS, HEMT, EHEMT 중 적어도 어느 하나로 구성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 목적, 특성 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
본 발명에 따른 스마트 전력 증폭기의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 2 는 본 발명에 따른 스마트 전력 증폭기의 구조를 나타낸 도면이다.
도 2와 같이, 입력되는 RF신호를 매칭하여 RF 입력 라인(19)에 출력하는 입력 임피던스 정합회로(14)와, RF 출력 라인(20)에 연결되어 출력된 증폭 고주파신호를 받아 임피던스를 매칭시켜 출력하는 출력 임피던스 정합회로(15)와, 상기 RF 입력 라인(19)에서 입력되는 전력을 증폭하는 제 1 HBT 어레이(21)와 제 2 HBT 어레이(22)와, 상기 제 1 HBT 어레이(21)와 제 2 HBT 어레이(22)에 전류를 인가하는 제 1 전류소스(111) 및 제 2 전류소스(12)로 구성된다.
이때, 상기 제 1 HBT 어레이(21)와 제 2 HBT 어레이(22)는 상기 RF 출력 라인(20)에 다수개의 HBT 콜렉터가 병렬로 연결되고, RF 입력 라인(19)에 다수개의HBT 베이스가 병렬로 연결된다.
그리고 상기 제 1 전류소스(11)는 상기 RF 입력 라인(19)의 입력부에 위치한 제 1 HBT 어레이(21)에 연결되어 항상 스위치가 온 되어 있고, 상기 제 2 전류소스(13)는 상기 제 1 전류소스와 연결된 HBT 어레이를 제외한 그 외 다수의 제 2 HBT 어레이(22)에 연결되어 스위치에 의해 동작한다.
상기 제 1, 2 HBT 어레이(21)(22)는 고출력 모드에서는 전체 제 1, 2 HBT 어레이(21)(22)가 동작하도록 스위치(12)가 온 되고, 저출력 모드에서는 RF 입력 라인(19)의 입력부에 위치한 일부 제 1 HBT 어레이(21)만 동작한다. 그리고 그 외 RF 출력 라인(20)의 출력부에 위치한 나머지 HBT 어레이(22)는 스위치(12)가 오프되어 동작하지 않는다.
상기 저출력 모드 동작에서 스위치 오프된 출력부 제 2 HBT 어레이(22)는 스위치 온 된 입력부 제 1 HBT 어레이(21)의 전력 효율(저출력 모드)을 높이는 임피던스 변환기 역할을 한다.
이때, 스위치 오프된 제 2 HBT 어레이(22)가 임피던스 변환기가 될 수 있도록 HBT 어레이의 구조에서 단위 HBT(16)와, 단위 HBT(16) 사이의 간격과, RF 출력 라인(20)의 폭 등이 조절된다.
여기서 제 1, 2 HBT 어레이(21)(22)에 연결된 제 1, 2 전류소스(11)(13)의 공급 전류(Ib1, N*Ib1)는 제 1, 2 HBT 어레이(21)(22)의 비에 비례하는 양(1:N)으로 선택된다.
그리고 상기 제 1, 2 전류소스(11)(13)의 공급 전류(Ib1, N*Ib1)는 베이스 안정기(ballast) 저항(18)을 통해 단위 HBT(16)의 베이스로 전달된다. 동시에 RF 입력 라인(19)을 통해 전송된 RF 입력 신호는 캐패시터(17)를 통해 단위 HBT(16)의 베이스로 전달된다.
도 3 은 본 발명에 따른 스마트 전력 증폭기에서의 고출력 모드 동작을 나타낸 회로도이다.
도 3과 같이, 제 1 전류소스(11)는 항상 온 되어 있기 때문에 상기 제 1 전류소스(11)와 연결된 제 1 HBT 어레이(21)는 항상 증폭 동작을 한다.
또한, 그 외 제 2 HBT 어레이(22)는 스위치(12)가 온 되어 제 2 전류소스(13)로부터 전류를 공급받아 증폭 동작을 한다. 간단히 말하면, 상기 스위치(12)가 온 되어 전체 제 1, 2 HBT 어레이(21)(22)가 증폭 동작을 한다.
이때, 출력 임피던스(ZHPM)는 고출력 모드 임피던스 정합부(15)를 통해 구현되며, 전체 제 1, 2 HBT 어레이(21)(22)의 출력 전력 효율과 최대 출력 전력 등을 고려해서 결정된다.
도 4 는 본 발명에 따른 스마트 전력 증폭기의 고출력 모드에서 동작하는 등가 회로도이다.
도 4와 같이, 전체 제 1, 2 HBT 어레이(21)(22)가 한꺼번에 묶인 HBT 어레이로 동작한다. 그리고 스위치(12)가 온 되어 한 개의 전류소스(13)가 (N+1)*Ib1의 전류를 전체 제 1, 2 HBT 어레이(21)(22)로 공급하는 구조로 동작한다.
도 5 는 본 발명에 따른 스마트 전력 증폭기에서의 저출력 모드 동작을 나타낸 회로도이다.
도 5와 같이, 스위치(12)가 오프되어 전체 제 1, 2 HBT 어레이(21)(22)중 RF 입력 라인(19)의 입력부에 위치한 일부 제 1 HBT 어레이(21)만 동작하고, 그 외 RF 출력 라인(20)의 출력부에 위치한 나머지 제 2 HBT 어레이(22)는 스위치(12)가 오프되어 동작하지 않는다.
상기 스위치(12)가 오프된 출력부 제 2 HBT 어레이(22)는 스위치 온 된 입력부 제 1 HBT 어레이(21)의 전력 효율(저출력 모드)을 높이는 임피던스 변환기 역할을 한다.
도 6 은 본 발명에 따른 스마트 전력 증폭기의 저출력 모드에서 동작하는 등가 회로도이다.
도 6과 같이, 스위치 오프된 출력부 제 2 HBT 어레이(22)는 간단히 기생 수동 소자로 모델링 되어진다.
그리고 RF 출력 라인 캐패시터(32)는 스위치 오프된 단위 HBT(16)의 콜렉터-에미터 캐패시터이다.
또한 RF 입력 라인 캐패시터(31)는 스위치 오프된 단위 HBT(16)의 베이스-에미터 캐패시터이다.
이때, 스위치 오프된 단위 HBT(16)의 콜렉터-베이스 캐패시터는 그 성분이 다른 두 캐패시터에 비해 적어 생략되었다. 그러나 높은 주파수로 올라가면 콜렉터-베이스 캐패시터도 등가회로에 추가되어야 한다.
또한, RF 입출력라인(19)(20)에 연결된 스위치 오프된 출력부 제 2 HBT 어레이(22)는 RF 입출력라인(19)(20)에 병렬로 연결된 캐패시터 어레이(22)로 나타낼 수 있고, 이러한 그 구조는 증폭 동작을 하는 제 1 HBT 어레이(21)의 입출력 임피던스 정합을 바꾼다.
이러한 입출력 임피던스 변화가 저출력 모드로 동작하는 증폭기의 전력 이득과 전력 효율 등을 바꿀 수 있다.
도 7 은 도 6의 RF 출력 라인을 좀 더 회로적으로 설명한 등가 회로도이다.
도 7과 같이, RF 출력 라인(20)에 스위치 오프된 단위 HBT(16)의 콜렉터-에미터 캐패시터(32)가 병렬로 연결된 구조는 직렬 인덕터(33)와 병렬 캐패시터(35)의 어레이(34)로 나타낼 수 있다.
여기서 직렬 인덕터(33)는 RF 출력 라인(20)의 등가 직렬 인덕터(33)이고, 병렬 캐패시터(35)는 스위치 오프된 단위 HBT(16)의 콜렉터-에미터 캐패시터(32)와 RF 출력 라인(20)의 등가 병렬 캐패시터를 합한 값이다.
또한, RF 출력 라인(20)과 이 라인에 연결된 스위치 오프된 출력부 HBT 어레이(22)는 직렬 L-병렬 C 어레이(34)로 구현된 저주파 통과 전송선 구조이다.
이러한 전송선의 길이가 전송 주파수의 1/4 파장이 되면 1/4 파 임피던스 변환기(34)로 동작할 수 있다.
상기 임피던스 변환기(34)의 L(33)과 C(35)를 바꾸면 특성 임피던스나 위상지연이 조절이 되어 저출력 모드에서 요구되어지는 출력 임피던스를 맞출 수 있다.
여기에서 인덕터(33)는 주로 HBT 어레이의 구조에서 단위 HBT(16)와, 단위HBT(16) 사이의 간격을 잇는 RF 출력 라인(20)의 길이와, 폭에 좌우된다.
그리고 상기 캐패시터(35)는 스위치 오프된 단위 HBT(16)의 콜렉터-에미터 캐패시터(32)와 HBT 어레이의 구조에서 단위 HBT(16)와, 단위 HBT(16) 사이의 간격을 잇는 RF 출력 라인(20)의 길이와, 폭에 좌우된다.
이 임피던스 변환기(34)를 사용할 경우, 고출력 모드 출력 임피던스(ZHPM)를 저출력 모드에서 입력부 제 1 HBT 어레이(21)의 전력 효율 및 최대 출력에 적합한 저출력 모드 출력 임피던스(ZLPM)로 변환시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 회로를 이용하면 고출력/저출력 양쪽 모드에서 전력 효율을 높일 수 있는 스마트 전력 증폭기가 가능하다.
도 8 은 도 7에서 스마트 전력 증폭기의 ZHPM에서 ZLPM의 변환을 설명하는 스미스 차트도이다.
도 8과 같이 도 7에서 1/4 파장 임피던스 변환기(34)를 사용할 경우, 고출력 모드 출력 임피던스(ZHPM)를 저출력 모드의 전력 효율 및 최대 출력에 적합한 저출력 모드 출력 임피던스 (ZLPM)로 변환시킬 수 있음을 알 수 있다.
만약 특성 임피던스 7.7옴(ohm)의 1/4 파장 임피던스 변환기(34)를 사용한 다면, 3옴(ohm)의 고출력 모드 출력 임피던스(ZHPM)를 20옴(ohm)의 저출력 모드 출력 임피던스(ZLPM)로 변환시킬 수 있다.
또한, 앞에서 전술한 HBT 증폭기는 다른 종류의 BJT와 CMOS, LDMOS, HEMT, EHEMT와 같은 종류의 트랜지스터를 사용하는 증폭기로 대체가 가능하다.
따라서, 현재 대부분의 휴대폰에 사용중인 도 1의 전력 증폭기 경우, 저출력 모드 전력 증폭기의 최대 효율은 10%, 고출력 모드 전력 증폭기의 최대 효율은 40% 정도인 것을, 도 8과 같은 본 발명의 전력 증폭기를 채택한다면 저출력 모드에 사용된 HBT 어레이 에미터에 직렬 되먹임 인덕터를 부착하여 저출력 모드 전력 증폭기의 부하 임피던스를 높여 저출력 모드 효율을 거의 고출력 모드 효율 수준까지 구현할 수 있다.
이것은 저출력 모드의 전력을 높이는 아주 획기적인 방법이 될 것이다.
그리고 현재 사용 중인 휴대폰의 경우, 기지국과의 거리가 멀지 않은 도심에서는 대부분 저출력 모드로 사용하기 때문에 본 발명의 전력 증폭기를 사용할 경우, 저출력 모드의 효율이 아주 좋아지므로 휴대폰 사용시 바테리 수명을 훨씬 높일 수 있다.
또한, RF소자의 간소화를 위해 앞으로 제로 IF 또는 다이렉(Direct) 전환 회로가 핸드폰 통신 시스템에 적극 응용될 추세인데, 이러한 시스템에서 신호대 잡음 성능을 높이기 위해 두 출력 모드간의 전력 이득차가 큰(약 10 dB) 전력 증폭기가 요구되고 있다.
그러나 현재 휴대폰에 사용중인 도 1의 전력증폭기 경우, 모드간 전력 증폭기의 전력 이득차가 약 2-3 dB 정도이던 것을, 본 발명의 전력 증폭기를 채택한다면 고출력 모드와 저출력 모드에 사용될 전력 증폭기의 전력 이득을 10 dB 차이 나게 설계하고 병렬로 연결하면 10 dB 정도의 모드 간 이득차를 쉽게 구현 할 수 있다.
아울러, 본 발명의 전력 증폭기는 바테리를 사용하는 무선 휴대폰, 무선 PDA, 노트북 PC의 무선 LAN 카드 등에 효과적으로 사용될 수 있다. 그리고, 이에 한정되지 않고 모든 유무선 통신 시스템에 효과적으로 사용될 수 있다.
특히, 저출력 모드와 고출력 모드에서 각각 소비 전력효율을 높이고자 하는 통신시스템에 매우 효과적으로 사용될 수 있다.
또한, 각 모드간에 전력 이득차를 조절할 경우에 매우 유용하다.
이 구조에서 단위 HBT 간격을 조절하면 스마트 분포된 광대역 증폭기로 구현될 수 있는데, 이럴 경우 넓은 주파수 대역에서 스마트 전력 증폭기로 사용될 수 있다.
또한, 이 구조는 MMIC 구조로 할 경우, 밀리미터파 대역의 회로에 적합하게 사용될 수 있으며, 칩 사이즈를 작게 할 수 있다. 이는 밀리미터파 대역일 경우, 단위 HBT 간격이 좁아져도 오프된 HBT 어레이를 1/4파장 임피던스 변환기로 적용 가능하기 때문이다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 스마트 전력 증폭기는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 전술한 스마트 전력 증폭기는 고출력, 저출력 모드로 동작할 때 각각의 모드에서 출력 및 효율을 최적으로 하는 각각의 출력 임피던스 정합부를 가질 수 있다.
둘째, 전술한 스마트 전력 증폭기는 고출력, 저출력 모드로 동작할 때 각각의 모드에서 달리 형성되는 임피던스 정합에 의해 전력 이득차를 조절할 수 있다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.

Claims (5)

  1. 입력되는 RF신호를 매칭하여 RF 입력 라인에 출력하는 입력 임피던스 정합회로와,
    RF 출력 라인에 연결되어 출력된 증폭 고주파신호를 받아 임피던스를 매칭시켜 출력하는 출력 임피던스 정합회로와,
    상기 RF 출력 라인에 다수개의 HBT 콜렉터가 병렬로 연결되고, RF 입력 라인에 다수개의 HBT 베이스가 병렬로 연결된 HBT 어레이와,
    상기 RF 입력 라인의 입력부에 위치한 HBT 어레이에 연결되어 항상 스위치가 온인 제 1 전류소스와,
    상기 제 1 전류소스와 연결된 HBT 어레이를 제외한 그 외 다수의 HBT 어레이에 연결되어 스위치에 의해 동작하는 제 2 전류소스를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 스마트 전력 증폭기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    고출력 모드에서는 상기 HBT 어레이가 전체 동작하도록 상기 스위치가 온 되고, 저출력 모드에서는 상기 RF 입력 라인의 입력부에 위치한 일부 HBT 어레이만 동작하도록 상기 스위치가 오프되는 것을 특징으로 하는 스마트 전력 증폭기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 저출력 모드 동작에서 스위치 오프된 출력부 HBT 어레이는 상기 스위치 온 된 입력부 HBT 어레이의 전력 효율을 높이는 임피던스 변환기 역할을 하는 것을 특징으로 하는 스마트 전력 증폭기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 입력부 HBT 어레이의 전력 효율은 단위 HBT와, 단위 HBT 사이의 간격을 잇는 RF 출력 라인의 길이와, 폭에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는 스마트 전력 증폭기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 HBT 어레이는 BJT, CMOS, LDMOS, HEMT, EHEMT 중 적어도 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 스마트 전력 증폭기.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101319266B1 (ko) * 2011-11-11 2013-10-18 전자부품연구원 트랜지스터 증폭회로 및 이를 적용한 전력 증폭기
CN103560759A (zh) * 2013-11-07 2014-02-05 广州钧衡微电子科技有限公司 一种异质结双极晶体管低功率通道功率放大器

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