KR100600995B1

KR100600995B1 - 바이패스 커패시터를 이용한 전치 왜곡형 선형 전력 증폭기

Info

Publication number: KR100600995B1
Application number: KR1020020027880A
Authority: KR
Inventors: 김준형; 박철순; 노윤섭; 김지훈
Original assignee: 학교법인 한국정보통신학원
Priority date: 2002-05-20
Filing date: 2002-05-20
Publication date: 2006-07-19
Anticipated expiration: 2022-05-20
Also published as: KR20030089951A

Abstract

본 발명은 바이패스 커패시터를 이용한 전치 왜곡형 선형 전력 증폭기에 관한 것으로, 특히 본 발명의 선형 전력 증폭기는 입력 고주파 신호를 선형 증폭하는 적어도 1이상의 증폭 트랜지스터를 갖는 증폭부와, 증폭 트랜지스터의 베이스에 에미터가 연결되어 기준 바이어스 전압을 공급하는 적어도 1이상의 바이어스 트랜지스터와, 바이어스 트랜지스터에 병렬로 연결된 저항과, 저항과 접지 단자에 직렬로 연결된 적어도 1이상의 순방향 다이오드를 포함하는 바이어스 회로와, 바이어스 회로의 바이어스 트랜지스터의 베이스와 고주파 신호 입력단에 연결되어 입력 고주파 신호가 소정 레벨 이상이 될 경우 바이어스 트랜지스터의 베이스-에미터 전압을 높이는 바이패스 커패시터를 포함한다. 그러므로, 본 발명은 무선통신 단말기의 전치 왜곡형 선형 전력 증폭기를 제작하는데 있어서, 입력단과 바이어스 회로내 트랜지스터의 베이스단과 입력단 사이에 바이패스 커패시터를 추가 연결하여 입력 고주파 신호가 크게 증가하더라도 바이어스 회로의 트랜지스터쪽으로 입력되는 고주파 신호를 줄여 증폭 트랜지스터를 통해서 선형적으로 신호를 증폭시킬 뿐만 아니라 전력 이득의 피킹 현상을 제거할 수 있다.

Description

바이패스 커패시터를 이용한 전치 왜곡형 선형 전력 증폭기{LINEAR POWER AMPLIFIER FOR PREDISTORTION BY USING BYPASS CAPACITOR}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이패스 커패시터를 이용한 전치 왜곡형 선형 전력 증폭기를 나타낸 회로 구성도,

도 2a 및 도 2b는 도 1에서 바이패스 커패시터가 없을 경우 선형 전력 증폭기의 바이어스 트랜지스터 및 증폭 트랜지스터의 베이스-에미터 전압을 나타낸 그래프들,

도 3a 및 도 3b는 도 1과 같이 바이패스 커패시터가 있는 선형 전력 증폭기에서 바이어스 트랜지스터 및 증폭 트랜지스터의 베이스-에미터 전압을 나타낸 그래프들,

도 4는 본 발명의 전치 왜곡형 선형 전력 증폭기에서 바이패스 커패시터가 있을 경우와 없을 경우 전력 이득을 나타낸 비교 그래프,

도 5는 본 발명의 전치 왜곡형 선형 전력 증폭기에서 바이패스 커패시터가 있을 경우와 없을 경우 위상 왜곡을 나타낸 비교 그래프,

도 6은 본 발명의 전치 왜곡형 선형 전력 증폭기에서 바이패스 커패시터가 있을 경우와 없을 경우 출력 전력을 나타낸 비교 그래프.

＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞

10 : 증폭부 20 : 바이어스 회로

30 : 바이패스 커패시터 R1 : 저항

D1, D2 : 순방향 다이오드들 HBT1 : 증폭 트랜지스터

HBT2 : 바이어스 트랜지스터

본 발명은 무선통신 기기의 선형 전력 증폭기에 관한 것으로서, 특히 무선통신 기기에서 요구되는 고출력과 고선형성을 갖게 해주면서 증폭된 출력 신호의 전력 이득이 평탄화 특성을 갖도록 한 바이패스 커패시터를 이용한 전치 왜곡형 선형 전력 증폭기에 관한 것이다.

일반적으로 무선통신에 필수적인 전력 증폭기(Power Amplifier)는 최대출력을 발생시키기 위하여 비선형(Nonlinear)특성을 갖는 포화영역(Saturation region)에서 동작하게 된다. 하지만, 전력 증폭기가 포화영역 부근에서 동작하게 되면 비선형적인 특성에 의해서 출력신호의 크기와 위상이 왜곡되어 상호 혼변조 왜곡 성분을 발생하게 되므로 증폭기의 성능은 크게 저하된다.

이러한 혼변조 왜곡 성분을 줄이기 위해서 고선형성을 가지면서 출력을 선형적으로 증폭시키는 전력 증폭기의 선형화 방법이 제안되고 있다. 전력 증폭기를 선형화시키는 방법으로는 백오프(Back-off), 피드포워드(Feed-forward) 그리고 전치왜곡(Predistortion) 방법이 있다.

우선 백오프 방법은 전력 증폭기를 P1 dB 대역에서 사용하는 경우 비선형성이 심하게 일어나므로 증폭기의 출력을 P1 dB에서 몇 dB 백오프시켜 사용하는 방법이다. 피드포워드 방법은 신호의 경로를 둘로 나누어 마지막 출력에서 신호의 왜곡을 제거시키는 것이다. 전치왜곡 방법은 출력 파워가 비선형적인 전력 증폭기의 특성을 보정하기 위해 증폭되기전의 신호를 증폭기의 비선형 특성과 반대되는 왜곡을 주는 방법이다. 이 전치왜곡 기술은 전치왜곡되는 신호와 증폭기의 비선형 특성이 정확하게 반대의 특성을 가져야만 전력 이득이 선형적으로 나올 수 있는 특징이 있다.

하지만, 백오프 선형화 방법은 증폭기의 최대 효율을 갖는 최대 출력 영역이 아닌 몇 dB 낮은 영역에서 전력 증폭기를 동작시키기 때문에 전력 증폭기의 효율이 매우 낮아지는 문제점이 있다. 그리고 피드포워드 선형화 방법은 선형성 개선 효과는 크지만 양 신호 경로의 지연을 정확히 맞추어야 하는 문제가 있고 회로가 복잡할 뿐만 아니라 외부 회로가 필요한 경우도 있으므로 실제 제품화하기에는 적합하지 않다. 특히 MMIC(Microwave Monolithic Integrated Circuit) 칩 안에 집적이 불가능하다. 전치왜곡 선형화 방법의 경우에는 그 회로가 간단하여 MMIC 칩 안에 집적이 가능하고 또한 회로가 차지하는 면적이 크지 않아서 소형, 경량, 저가로 제작이 가능하지만 선형성 개선 효과가 크지 않고 전치왜곡 신호가 증폭기의 비선형적인 특성과 정확하게 반대되는 특성을 가져야만 전력 이득의 선형성을 확보할 수 있다. 하지만, 입력 고주파 신호의 레벨이 큰 신호가 전력 증폭기에 입력되면 증폭기의 비선형 특성보다 더 큰 왜곡이 일어나서 전력이득의 평탄화를 얻기 힘들다.

한편, 무선통신 기기에 사용되는 선형 전력 증폭기는 최근 모듈의 크기가 상당히 줄어들고 있을 뿐만 아니라 통신 단말기에 내장된 전력 증폭기도 소형화 및 경량화가 요구되고 있다. 이러한 상황에서 선형 전력 증폭기를 구현하는데 백오프 방식, 피드포워드 방식에 비해 전치왜곡 방식이 더 우수하다고 할 수 있다. 하지만 전치왜곡 선형 전력 증폭기의 경우 입력 고주파 신호가 크더라도 일정한 출력을 낼 수 있는 전력이득의 평탄화에 대한 연구/개발이 요구된다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 바이패스 커패시터를 사용하여 바이어스 회로의 트랜지스터 베이스-에미터 전압을 높여서 입력 고주파 신호를 선형적으로 증폭시킬 뿐만 아니라 전력 이득의 피킹 현상을 제거해줌으로써 간단한 회로 구현으로 전력이득의 평탄화 특성을 개선시킬 수 있는 바이패스 커패시터를 이용한 전치 왜곡형 선형 전력 증폭기를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 입력 고주파 신호를 선형 증폭하여 출력하는 전치 왜곡형 선형 전력 증폭기에 있어서, 입력 고주파 신호를 선형 증폭하는 적어도 1이상의 증폭 트랜지스터를 갖는 증폭부와, 증폭 트랜지스터의 베이스에 에미터가 연결되어 기준 바이어스 전압을 공급하는 적어도 1이상의 바이어스 트랜지스터와, 바이어스 트랜지스터에 병렬로 연결된 저항과, 저항과 접지 단자에 직렬로 연결된 적어도 1이상의 순방향 다이오드를 포함하는 바이어스 회로와, 바이어스 회로의 바이어스 트랜지스터의 베이스와 고주파 신호 입력단에 연결되어 입력 고주파 신호가 소정 레벨 이상이 될 경우 바이어스 트랜지스터의 베이스-에미터 전 압을 높이는 바이패스 커패시터를 구비한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명하고자 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이패스 커패시터를 이용한 전치 왜곡형 선형 전력 증폭기를 나타낸 회로 구성도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 선형 전력 증폭기는 증폭부(10)와, 바이어스 회로(20)와, 바이패스 커패시터(30)로 구성된다.

본 발명의 선형 전력 증폭기에 있어서, 증폭부(10)는 입력 고주파 신호(RF_in)를 선형 증폭하여 출력(RF_out)하는 증폭 트랜지스터로서, HBT(Heterojunction Bipolar Transistor)를 사용한다. 본 실시예의 증폭부(10)에서는 하나의 HBT(HBT1)를 사용하였으나, 일반적으로 큰 출력의 고주파 신호를 내기 위해서 여러 개의 HBT를 병렬로 묶어서 연결할 수도 있다.

본 발명의 선형 전력 증폭기에 있어서, 바이어스 회로(10)는 증폭 트랜지스터(HBT1)의 베이스(B)에 에미터(E)가 연결되어 기준 바이어스 전압(Vref)을 공급하는 바이어스 트랜지스터(HBT2)와, 바이어스 트랜지스터(HBT2)의 콜렉터(C) 및 베이스(B)에 병렬로 연결된 저항(R1)과, 저항(R1)과 접지 단자에 직렬로 연결된 적어도 1이상의 다이오드(D1, D2)를 포함한다. 여기서 바이어스 트랜지스터(HBT2)는 증폭부(10)에 전류를 공급해주기 위한 소자로서, 그 개수는 증폭부(10)의 HBT가 최대 출력 전력일 때 안정적으로 DC 전류를 공급하기 위한 적은 개수이면 충분하다.

본 발명의 선형 전력 증폭기에 있어서, 바이패스 커패시터(30)는 바이어스 트랜지스터(HBT2)의 베이스와 고주파 신호 입력단에 연결되는데, 저항(R1) 및 순방향 다이오드(D1)의 공통 노드와 바이어스 트랜지스터(30)의 베이스사이에 연결된다. 바이패스 커패시터(30)는 입력 고주파 신호가 소정 레벨 이상이 될 경우 바이어스 트랜지스터(HBT2)의 베이스-에미터 전압(Vbe)을 높여서 HBT2의 에미터(E)로 전달되는 입력 고주파 신호를 통과시킨다.

상기와 같이 구성된 본 실시예의 선형 전력 증폭기는 다음과 같이 작동하게 된다. 우선 증폭 트랜지스터(HBT1)는 전원(Vcc)에 의해서 구동되고 베이스(B)를 통해 제공되는 입력 고주파 신호(RF_in)를 증폭시켜 콜렉터(C)에 증폭된 고주파 출력 신호(RF_out)를 출력한다. 그런데, 입력 고주파 신호가 증가하여 입력될 경우, 임피던스가 낮은 바이어스 트랜지스터(HBT2)의 에미터(E)쪽으로 고주파 신호가 많이 삽입되어 증폭 트랜지스터(HBT1)의 베이스-에미터 전압(Vbe)이 감소하게 된다. 즉, 입력된 고주파 신호의 크기가 커질수록 증폭 트랜지스터(HBT1)의 베이스-에미터(B-E) 사이를 통해 흐르는 전류가 증가하게 되어 결국 HBT1의 베이스-에미터 전압(Vbe)이 감소하게 되고 이로 인해 트랜지스터의 전달계수가 감소하게 되어 증폭부(10)를 통해 출력되는 고주파 신호의 비선형성이 증가하게 된다. 따라서, 증폭 트랜지스터(HBT1)의 베이스-에미터 전압(Vbe)을 일정하게 유지시켜주어야만 한다.

그러므로, 본 발명에서는 입력 고주파 신호의 크기가 커지게 될 경우 바이패스 커패시터(30)에 충전된 전하에 의해 바이어스 트랜지스터(HBT2)의 베이스 전압(V₁)이 높아지고 이로 인해 HBT2의 베이스-에미터 전압(Vbe)이 높아지게 된다. 그러면 입력 고주파 신호가 커질수록 HBT2의 베이스-에미터 전압(Vbe)이 떨어지는 것이 보상되어 증폭 트랜지스터(HBT1)의 베이스-에미터 전압(Vbe)이 높아지고 이로 인해 HBT2의 에미터로 전달되는 입력 고주파 신호가 바이패스(bypass)되며 HBT1의 콜렉터(C)를 통해 선형적으로 증폭된 고주파 신호가 출력된다.

도 2a 및 도 2b는 도 1에서 바이패스 커패시터가 없을 경우 선형 전력 증폭기의 바이어스 트랜지스터 및 증폭 트랜지스터의 베이스-에미터 전압을 나타낸 그래프들이다. 이들 도면을 참조하면, 선형 전력 증폭기에 바이패스 커패시터가 구비되지 않을 경우 입력 전력이 높아지면 바이패스 트랜지스터(HBT2)의 Vbe는 낮게 떨어지는 반면에, 증폭 트랜지스터(HBT1)의 Vbe는 높게 떨어짐을 알 수 있다.

도 3a 및 도 3b는 도 1과 같이 바이패스 커패시터가 있는 선형 전력 증폭기에서 바이어스 트랜지스터 및 증폭 트랜지스터의 베이스-에미터 전압을 나타낸 그래프들이다. 이들 도면을 참조하면 선형 전력 증폭기에 바이패스 커패시터가 구비될 경우 입력 전력이 높아지면, 바이패스 트랜지스터(HBT2)의 Vbe는 급격하게 떨어지는 반면에, 증폭 트랜지스터(HBT1)의 Vbe는 낮게 떨어짐을 알 수 있다.

따라서, 본 발명은 입력단과 바이어스 회로(20)의 트랜지스터 베이스단 사이에 바이패스 커패시터(30)를 추가함으로써 입력 고주파 신호의 크기가 커질 경우 증폭 트랜지스터(HBT1)의 베이스-에미터 전압(Vbe)이 낮아지더라도 바이패스 커패시터(30)에 전하가 충전되어 바이어스 트랜지스터(HBT2)의 베이스-에미터 전압(Vbe)이 높아지게 되고, 이로 인해 증폭 트랜지스터(HBT1)의 베이스-에미터 전압(Vbe)이 높아짐에 따라 출력되는 고주파 신호가 선형적으로 증폭될 수 있다.

도 4는 본 발명의 전치 왜곡형 선형 전력 증폭기에서 바이패스 커패시터가 있을 경우와 없을 경우 전력 이득을 나타낸 비교 그래프이다. 도 4를 참조하면, 바이패스 커패시터를 사용할 경우(a) 입력 전력이 증가함에 따라 출력 전력의 이득이 평탄화특성을 나타내는 반면에, 바이패스 커패시터를 사용하지 않을 경우(b) 입력 전력이 증가함에 따라 출력 전력의 이득이 급격히 감소함을 알 수 있다.

도 5는 본 발명의 전치 왜곡형 선형 전력 증폭기에서 바이패스 커패시터가 있을 경우와 없을 경우 위상 왜곡을 나타낸 비교 그래프이다. 도 5를 참조하면, 바이패스 커패시터를 사용하지 않을 경우(d) 입력 전력이 증가함에 따라 출력 전력의 위상 왜곡이 급격하게 증가하게 되는 반면에, 바이패스 커패시터를 사용할 경우(c) 입력 전력이 증가하더라도 출력 전력의 위상 왜곡이 다소 작게 증가함을 알 수 있다.

도 6은 본 발명의 전치 왜곡형 선형 전력 증폭기에서 바이패스 커패시터가 있을 경우와 없을 경우 출력 전력을 나타낸 비교 그래프이다. 도 6을 참조하면, 바이패스 커패시터를 사용할 경우(e) 출력 전력은 입력 전력의 크기에 따라 선형적으로 증가함을 알 수 있으나, 역방향 다이오드를 사용하지 않을 경우(f) 출력 전력은 선형적으로 증가하되, 입력 전력이 높아질 때 비선형적인 특성을 나타냄을 알 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 무선통신 단말기의 전치 왜곡형 선형 전력 증폭기를 제작하는데 있어서, 입력단과 바이어스 회로의 트랜지스터 베이스단 사이에 바이패스 커패시터를 추가 연결하여 입력 고주파 신호가 크게 증가하더라도 바이어스 회로의 트랜지스터쪽으로 입력되는 고주파 신호를 줄여 증폭 트랜지스터를 통해서 선형적으로 증폭시키고 전력 이득의 피킹 현상을 제거할 수 있다. 따라서, 본 발명은 간단한 회로 구현으로 전력 이득의 평탄화 특성을 개선시킬 수 있다.

한편, 본 발명은 상술한 실시예에 국한되는 것이 아니라 후술되는 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상과 범주내에서 당업자에 의해 여러 가지 변형이 가능하다.

Claims

입력 고주파 신호를 선형 증폭하여 출력하는 전치 왜곡형 선형 전력 증폭기에 있어서,

상기 입력 고주파 신호를 선형 증폭하는 적어도 1이상의 증폭 트랜지스터를 갖는 증폭부;

상기 증폭 트랜지스터의 베이스에 에미터가 연결되어 기준 바이어스 전압을 공급하는 적어도 1이상의 바이어스 트랜지스터와, 상기 바이어스 트랜지스터에 병렬로 연결된 저항과, 상기 저항과 접지 단자에 직렬로 연결된 적어도 1이상의 순방향 다이오드를 포함하는 바이어스 회로; 및

상기 바이어스 회로의 바이어스 트랜지스터의 베이스와 상기 고주파 신호 입력단에 연결되어 상기 입력 고주파 신호가 소정 레벨 이상이 될 경우 상기 바이어스 트랜지스터의 베이스-에미터 전압을 높이는 바이패스 커패시터를 구비한 것을 특징으로 하는 바이패스 커패시터를 이용한 전치 왜곡형 선형 전력 증폭기.
제 1항에 있어서, 상기 바이패스 커패시터는 상기 저항 및 순방향 다이오드의 공통 노드와 상기 바이어스 트랜지스터의 베이스사이에 연결된 것을 특징으로 하는 바이패스 커패시터를 이용한 전치 왜곡형 선형 전력 증폭기.