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KR20020059343A - High-efficiency modulating RF amplifier - Google Patents

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KR20020059343A
KR20020059343A KR1020027001158A KR20027001158A KR20020059343A KR 20020059343 A KR20020059343 A KR 20020059343A KR 1020027001158 A KR1020027001158 A KR 1020027001158A KR 20027001158 A KR20027001158 A KR 20027001158A KR 20020059343 A KR20020059343 A KR 20020059343A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
power
signal
amplifier
power amplifier
switch
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
KR1020027001158A
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Korean (ko)
Inventor
샌더웬델
맥쿤얼더블유.주니어
멕로날드에이.
Original Assignee
추후제출
트로피안 인코포레이티드
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Publication date
Priority claimed from US09/362,880 external-priority patent/US6198347B1/en
Priority claimed from US09/564,548 external-priority patent/US7265618B1/en
Application filed by 추후제출, 트로피안 인코포레이티드 filed Critical 추후제출
Publication of KR20020059343A publication Critical patent/KR20020059343A/en
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Abstract

본 발명은 고효율(예를 들어 하드-리미팅 또는 스위치-모드) 전력 증폭기의 고효율 전력 제어를 제공한다. 원하는 변조의 최대 주파수 및 스위치-모드 DC-DC 변환기의 동작 주파수 간의 스프레드는 스위치-모드 변환기 다음에 능동 선형 조정기를 둠으로써 감소된다. 선형 조정기는 원하는 진폭 변조 파형을 재생하기 위하여 충분한 대역폭을 가지고 전력 증폭기의 동작 전압을 제어한다. 선형 조정기는 출력 전압이 인가된 제어 신호에 응답하여 변하는 동안조차도 그것의 입력 전압에 대한 변동을 제거한다. 진폭 변조는 전력 증폭기에 대한 동작 전압을 변경시킴으로써 달성된다. 선형 조정기에서의 전압 강하가 낮고 비교적 일정한 레벨로 유지되도록 스위치-모드 DC-DC 변환기가 그 출력 전압을 변경하는 것을 허용함으로써 고효율이 증대된다.The present invention provides high efficiency power control of high efficiency (e.g. hard-limiting or switch-mode) power amplifiers. The spread between the maximum frequency of the desired modulation and the operating frequency of the switch-mode DC-DC converter is reduced by placing the active linear regulator after the switch-mode converter. The linear regulator controls the operating voltage of the power amplifier with sufficient bandwidth to reproduce the desired amplitude modulated waveform. The linear regulator eliminates variations to its input voltage even while the output voltage is changing in response to the applied control signal. Amplitude modulation is achieved by changing the operating voltage for the power amplifier. High efficiency is enhanced by allowing the switch-mode DC-DC converter to change its output voltage so that the voltage drop across the linear regulator is low and remains at a relatively constant level.

Description

고효율 변조 RF 증폭기{High-efficiency modulating RF amplifier}[0001] The present invention relates to a high-efficiency modulating RF amplifier,

배터리 수명은 셀룰러 전화기들, 페이저들, 무선 모뎀들 등과 같은 무선 통신 장치들에 있어서 중대한 관심사이다. 특히, 무선-주파수 전송은 상당한 전력을 소모한다. 이러한 전력 소모에 대한 원인 인자는 비효율적인 전력 증폭기 동작이다. 무선 통신을 위한 전형적인 RF 전력 증폭기는 약 10% 효율성만을 가지고 동작한다. 분명히, 증폭기 효율성을 현저히 올리기 위한 저비용 기술은 격심한 필요를 만족시킬 것이다.Battery life is a major concern for wireless communication devices such as cellular telephones, pagers, wireless modems, and the like. In particular, wireless-frequency transmission consumes considerable power. The cause of this power consumption is inefficient power amplifier operation. A typical RF power amplifier for wireless communications operates with only about 10% efficiency. Obviously, low-cost technology for significantly boosting amplifier efficiency will meet the intense need.

더욱이, 대부분의 현대 디지털 무선 통신 장치들은 패킷에 기초하여 동작한다. 즉, 전송된 정보는 일련의 하나 이상의 짧은 버스트들로 송신되는데, 송신기는 버스트 시간동안에만 액티브하고 모든 다른 시간에는 액티브하지 않다. 그러므로 또한 버스트 활성화 및 비활성화의 제어가 에너지-효율적인 방식으로, 나아가서는 연장된 배터리 수명에 기여하는 방식으로 제어되는 것이 바람직하다.Moreover, most modern digital wireless communication devices operate on a packet basis. That is, the transmitted information is transmitted in a series of one or more short bursts, the transmitter being active only during the burst time and not at all other times. It is therefore also desirable that control of burst activation and deactivation be controlled in an energy-efficient manner, and thus in a manner that contributes to extended battery life.

전력 증폭기들은 상이한 그룹들로 분류된다: 클래스 A, 클래스 B, 클래스 AB 등. 전력 증폭기들의 상이한 클래스들은 보통 상이한 바이어싱 조건을 나타낸다. RF 전력 증폭기를 설계하는데 있어서, 보통 선형성 및 효율 간에 트레이드-오프가존재한다. 증폭기 동작의 상이한 클래스들은 설계자들에게 이들 두 파라미터들을 평형화하는 방법들을 제공한다.Power amplifiers are classified into different groups: Class A, Class B, Class AB, and so on. Different classes of power amplifiers usually exhibit different biasing conditions. In designing RF power amplifiers, there is usually a trade-off between linearity and efficiency. Different classes of amplifier operation provide designers with ways to balance these two parameters.

일반적으로, 전력 증폭기들은 선형 및 비-선형의 두가지 상이한 범주로 나뉘어진다. 선형 증폭기들(예를 들어 클래스 A 증폭기들 및 클래스 B 푸시-풀 증폭기들)은 높은 선형성을 유지하는데, 출력 신호가 입력 신호에 선형적으로 비례하기 때문에 그 결과 출력에서 신뢰할 수 있는 입력 신호가 재생된다. 비-선형 증폭기들(예를 들어 싱글엔드형(single-ended) 클래스 B 및 클래스 C 증폭기들)에 있어서, 출력 신호는 입력 신호에 직접 비례하지 않는다. 출력 신호상의 결과로서 생기는 진폭 왜곡은 이들 증폭기들을 어떤 진폭 변조없이 신호들에 대부분 적용가능하게 하는데, 이것은 또한 일정-엔벨로프 신호들로서 알려져 있다.Generally, power amplifiers are divided into two different categories, linear and non-linear. Linear amplifiers (e.g., Class A amplifiers and Class B push-pull amplifiers) maintain high linearity because the output signal is linearly proportional to the input signal so that a reliable input signal at the output do. For non-linear amplifiers (e.g., single-ended Class B and Class C amplifiers), the output signal is not directly proportional to the input signal. The resulting amplitude distortion on the output signal makes these amplifiers most applicable to signals without any amplitude modulation, which is also known as constant-envelope signals.

증폭기 출력 효율은 RF 출력 전력 및 입력(DC) 전력 간의 비율로서 정의된다. 전력 증폭기 비효율의 주된 소스는 트랜지스터에서 소산되는 전력이다. 클래스 A 증폭기는 전류가 상기 장치를 통해 연속적으로 흐르기 때문에 비효율적이다. 종래에는, 선형성을 증가된 효율을 위해 트레이드-오프함으로써 효율이 개선된다. 예를 들어 클래스 B 증폭기들에 있어서, 바이어스 조건은 반대의 반 싸이클이 제2 트랜지스터(푸시-풀)에 의해 제공되지 않는다면 반 사이클동안 출력 신호가 차단되도록 선택된다. 그 결과, 파형은 덜 선형적일 것이다. 상기 출력 파형은 여전히 더 높은 주파수 성분 및 더 낮은 주파수 성분을 필터링하여 제거하기 위하여 탱크 회로(tank circuit) 또는 다른 필터를 사용하여 사인 곡선(sinusoidal)으로 형성될 수 있다.The amplifier output efficiency is defined as the ratio between the RF output power and the input (DC) power. The main source of power amplifier inefficiency is the dissipated power in the transistor. Class A amplifiers are inefficient because current flows continuously through the device. Conventionally, efficiency is improved by trade-off linearity for increased efficiency. For example, in Class B amplifiers, the bias condition is chosen so that the output signal is cut off for half a cycle if the opposite half cycle is not provided by the second transistor (push-pull). As a result, the waveform will be less linear. The output waveform may still be sinusoidally formed using a tank circuit or other filter to filter out and remove the higher and lower frequency components.

클래스 C 증폭기들은 효율을 더 증가시키기 위하여 사이클의 50% 미만동안 도통된다; 즉, 출력 전류 도통 각(angle)이 180도 미만인 경우, 상기 증폭기는 클래스 C로서 지칭된다. 이러한 동작 모드는 클래스 A 또는 클래스 B 보다 더 높은 효율을 가질수 있지만, 그것은 전형적으로 클래스 A 또는 클래스 B 증폭기들보다 더 많은 왜곡을 생성한다. 클래스 C 증폭기의 경우에 있어서, 입력 진폭이 변할 때 여전히 출력 진폭이 약간 변경된다. 이것은 상기 클래스 C 증폭기가 --비록 간단히 온만되는 것--그리고 스위치가 아닌 정전류원으로서 동작하기 때문이다.Class C amplifiers are conducted for less than 50% of the cycles to further increase efficiency; That is, when the output current conduction angle is less than 180 degrees, the amplifier is referred to as class C. This mode of operation may have a higher efficiency than Class A or Class B, but it typically produces more distortion than Class A or Class B amplifiers. In the case of class C amplifiers, the output amplitude is still slightly changed when the input amplitude changes. This is because the Class C amplifier acts as a constant current source - although it is simply being warmed - and not a switch.

나머지 클래스들의 증폭기들은 상기 트랜지스터를 단지 스위치로서 사용하여, 상기 트랜지스터내의 전력 소산 문제를 강력히 공략한다. 이러한 증폭기들의 기본적인 원리는 스위치가 이상적으로 아무런 전력도 소산하지 않는다는 것인데, 이것은 그것을 가로질러 0 전압 또는 그것을 통과하는 0 전류가 존재하기 때문이다. 그러므로 상기 스위치의 V-I 적(product)이 항상 0이기 때문에, 상기 장치에 아무런 소산도 존재하지 않는다. 클래스 E 전력 증폭기는 두 트랜지스터를 사용하는 클래스 D 전력 증폭기와는 대조적으로 단일 트랜지스터를 사용한다.The amplifiers of the remaining classes use the transistor as a switch only, thereby strongly solving the power dissipation problem in the transistor. The basic principle of these amplifiers is that the switch ideally dissipates no power, because there is zero voltage across it or zero current passing through it. Therefore, since the V-I product of the switch is always zero, there is no dissipation in the device. Class E power amplifiers use a single transistor in contrast to Class D power amplifiers that use two transistors.

그러나, 실제로 스위치들은 이상적이지 않다. (스위치들은 턴온/턴오프 시간 및 온(on)-저항을 갖는다.) 관련된 소산은 효율을 저하시킨다. 그러므로 종래 기술은, 상기 스위치 전압이 대략 스위칭 순간에 0이 아닌 시간 기간동안 0이 되어 전력 소산을 감소시키도록 소위 "스위치-모드" 증폭기들을 변경하는 방법들을 찾아왔다(상기 증폭기들에 있어서 상기 트랜지스터가 전류를 도통시키는 동안에 소산되는 전력을 최소화시키기 위하여 상기 트랜지스터는 동작 주파수에서 스위치로서 동작하도록 구동된다). 상기 클래스 E 증폭기는 스위치 턴-온시 0 값 및 0 기울기 양자를 가지도록 상기 스위치 전압을 형성하는데 충분한 자유도를 제공하여 스위칭 손실을 감소시키는 리액턴스성 출력 네트워크를 사용한다. 클래스 F 증폭기들은 여전히 스위치-모드 증폭기들의 추가 클래스이다. 클래스 F 증폭기들은 보통 사인파와 비교하여 더 각진 사각형 출력 파형을 발생시킨다. 이 출력 파형의 "사각형화(squaring-up)"는 상기 출력 네트워크에서 홀수-차수 고조파들(즉, x3, x5, x7 등)의 발생을 촉진하고 짝수-차수 고조파들(즉, x2, x4 등)을 억제한다.However, actually, the switches are not ideal. (The switches have turn-on / turn-off time and on-resistance.) The associated dissipation degrades efficiency. Therefore, the prior art has sought ways to change so-called " switch-mode " amplifiers so that the switch voltage becomes zero during non-zero time periods at approximately the moment of switching to reduce power dissipation The transistor is driven to operate as a switch at the operating frequency to minimize power dissipated while the current is conducting. The class E amplifier uses a reactance output network that reduces switching losses by providing a degree of freedom sufficient to form the switch voltage to have both a zero value and a zero slope at switch turn-on. Class F amplifiers are still an additional class of switch-mode amplifiers. Class F amplifiers usually produce a square output waveform that is more squared than a sine wave. The "squaring-up" of this output waveform facilitates the generation of odd-order harmonics (ie, x3, x5, x7, etc.) in the output network and the generation of even-order harmonics (ie x2, ).

셀룰러 전화에서 사용하기 위한 기지의 전력 증폭기의 예가 도 1에 도시된다. 예를 들어, GSM 셀룰러 전화는 30dBm 범위를 넘는 전력을 출력할 수 있어야 한다. 더욱이, 상기 송신기 턴-온 및 턴-오프 프로파일들은 가짜 방출을 방지하도록 정확하게 제어되어야 한다. 전력은 디지털-아날로그 변환기(digital analog converter, DAC)를 통해 상기 셀룰러 전화의 디지털 신호 처리기(digital signal processor, DSP)에 의해 직접 제어된다. 도 1의 회로에 있어서, 신호 GCTL은 상기 전력 증폭기의 RF 레벨을 제어하는 외부 AGC 증폭기의 게이트를 구동한다. 상기 출력의 일부는 폐루프 동작을 위해 방향성 결합기를 통해 피드백된다. 도 1의 증폭기는 스위치-모드 증폭기가 아니다. 오히려, 상기 증폭기는 기껏해야 포화 상태로 구동되는 클래스 AB 증폭기이고, 따라서 비교적 빈약한 효율을 보여준다.An example of a known power amplifier for use in a cellular telephone is shown in FIG. For example, a GSM cellular telephone should be capable of outputting power in excess of the 30 dBm range. Moreover, the transmitter turn-on and turn-off profiles must be precisely controlled to prevent spurious emissions. The power is directly controlled by a digital signal processor (DSP) of the cellular telephone via a digital-analog converter (DAC). In the circuit of Figure 1, the signal GCTL drives the gate of an external AGC amplifier that controls the RF level of the power amplifier. A portion of the output is fed back through the directional coupler for closed loop operation. The amplifier of Fig. 1 is not a switch-mode amplifier. Rather, the amplifier is a Class AB amplifier that is driven to saturation at best, thus exhibiting relatively poor efficiency.

도 2는 미국 특허 3,919,656에 설명된, 기지의 클래스 E 전력 증폭기의 예를 도시한 것이다. RF 입력 신호는 리드(1)를 통해 드라이버단(2)에 연결되고, 상기 드라이버단은 리드(3)를 통해 연결된 신호를 거쳐 능동 디바이스(5)를 제어한다.상기 능동 디바이스(5)는 상기 드라이버(2)에 의해 적합하게 구동될 때 실질적으로 스위치로서 동작한다. 그러므로, 상기 능동 디바이스의 출력 포트는 단극 단투(single-pole single throw) 스위치(6)로서 표현된다. 상기 스위치(6)를 가로질러 연결된 것은 DC 전원(7)과 부하 네트워크(9)의 입력 포트의 직렬 결합이다. 상기 부하 네트워크(9)의 출력 포트는 부하(11)에 연결된다. 상기 스위치(6)가 원하는 AC 출력 주파수에서 주기적으로 동작될 때, 상기 전원(7)으로부터의 DC 에너지는 상기 스위칭 주파수(및 그것의 고조파들)에서 AC 에너지로 변환된다.Figure 2 shows an example of a known class E power amplifier, as described in U.S. Patent 3,919,656. The RF input signal is connected to the driver stage 2 via a lead 1 and the driver stage controls the active device 5 via a signal connected via a lead 3. The active device 5 is a And substantially operates as a switch when properly driven by the driver 2. Therefore, the output port of the active device is represented as a single-pole single throw switch 6. Connected across the switch 6 is a series combination of the DC power supply 7 and the input port of the load network 9. The output port of the load network 9 is connected to the load 11. When the switch 6 is operated periodically at a desired AC output frequency, the DC energy from the power supply 7 is converted to AC energy at the switching frequency (and its harmonics).

소칼 등(Sokal et al.)에 의한 미국 특허 3,900,823은 클래스 E 전력 증폭기들의 피드백 제어를 설명한다. 피드백 제어에 대한 필요는 장치 작용을 완전히 특징지을 수 없음을 나타내고, 이것은 차례로 진짜 스위치로서 상기 장치의 동작으로부터의 실질적인 이탈을 나타낸다. 소칼은 추가로 하나 이상의 선행하는 단들의 상기 DC 전원을 제어하는 네거티브 피드백 기술들의 적용을 통하여 RF 입력 구동 진폭을 제어함으로써 저전력 레벨들에서 피드스루(feedthrough) 전력 제어의 문제에 대한 해결을 설명한다. 피드백 제어에 대한 필요는 시스템상에서 피드백 루프 역학의 제약을 부과한다.U.S. Patent 3,900,823 to Sokal et al. Describes the feedback control of Class E power amplifiers. The need for feedback control indicates that the device action can not be fully characterized, which in turn represents a substantial departure from the operation of the device as a true switch. The buckle further describes a solution to the problem of feedthrough power control at low power levels by controlling the RF input drive amplitude through the application of negative feedback techniques to control the DC power supply of one or more preceding stages. The need for feedback control places constraints on feedback loop dynamics on the system.

도 2의 클래스 E 증폭기 구성은, 비록 그것이 이론적으로 높은 변환 효율을 달성할 수 있을지라도, 링잉(ringing)에 기인하여, 큰 전압 스윙(swing)이 상기 능동 디바이스의 출력에서 발생하는 단점을 겪는다. 전형적으로 상기 전원 전압의 3배를 초과하는 큰 전압 스윙은 상기 클래스 E 회로를 낮은 항복 전압을 갖는 어떤 능동 디바이스들과 사용하지 못하게 한다.The Class E amplifier configuration of Figure 2 suffers from the disadvantage that a large voltage swing occurs at the output of the active device due to ringing, although it can achieve theoretically high conversion efficiency. A large voltage swing, typically more than three times the power supply voltage, prevents the Class E circuit from being used with some active devices having a low breakdown voltage.

RF 전력 증폭기를 스위치 모드로 동작시키기 위하여, 반복적으로 차단 및 풀-온(full-on) 간에, 그리고 다시 차단으로 신속하게 상기 출력 트랜지스터(들)를 구동시킬 필요가 있다. 이 고속 스위칭을 달성하기 위한 수단은 상기 스위치로서 사용되도록 선택된 트랜지스터의 유형에 의존한다: 전계-효과 트랜지스터(field-effect transistor, FET)에 대해, 상기 제어 파라미터는 게이트-소스 전압이고, 바이폴라 트랜지스터(bipolar transistor, BJT, HBT)에 대해 상기 제어 파라미터는 베이스-이미터 전류이다.In order to operate the RF power amplifier in switch mode, it is necessary to repeatedly drive the output transistor (s) rapidly between shutdown and full-on, and then back off. The means for achieving this fast switching depends on the type of transistor selected to be used as the switch: For a field-effect transistor (FET), the control parameter is a gate-source voltage and the bipolar transistor bipolar transistor, BJT, HBT), the control parameter is a base-emitter current.

그러나, 도 2의 상기 RF 증폭기의 구동 회로는 전형적으로 동조(공진) 회로로 이루어진 정합 네트워크를 포함한다. 도 3을 참조하면, 이러한 구성에 있어서, RF 입력 신호는 클래스 A의 동작을 하는 전형적으로 드라이버 증폭기에 연결된다. 상기 드라이버 증폭기의 출력 신호는 상기 정합 네트워크를 통해 FET로서 도 3에 도시된, 상기 스위칭 트랜지스터의 제어 단자에 연결된다. 도 2의 부하 네트워크의 설계처럼, 상기 정합 네트워크의 적합한 설계는 용이한 문제가 아니다.However, the driving circuit of the RF amplifier of Fig. 2 typically includes a matching network of tuning (resonance) circuits. Referring to FIG. 3, in this configuration, the RF input signal is typically coupled to a driver amplifier that operates in Class A. The output signal of the driver amplifier is connected to the control terminal of the switching transistor shown in FIG. 3 as an FET through the matching network. As with the design of the load network of Figure 2, the proper design of the matching network is not an easy problem.

상기 기본 클래스 E 증폭기의 상이한 양상들에 대해 개선하기 위하여 다양한 설계들이 시도되었다. 한가지 이러한 설계가 최 등(Choi et al.)에 의해 1999년 9월, 마이크로웨이브 이론 및 기술들에 관한 IEEE 트랜잭션들, Vol. 47, No. 9에 있는, "FET 클래스-E 전력 증폭기들의 물리적으로 기초한 분석 모델--최대 PAE를 위한 설계"에 설명되어 있다. 이 기고는 상기 FET 스위치의 다양한 비-이상성(non-idealities)을 모델링하고 이러한 모델로부터 유리한 클래스 E 증폭기 설계에 대한 결론이 유추된다. 선택된 위상 기하학에 대해, 약 55%의 최대 전력-부가효율(power-added efficiency, PAE)이 0.5 와트 이하의 전력 레벨에서 발생한다. 더 높은 전력에서, PAE는 극적으로 감소되는데, 예를 들어 2W에서 30% 미만 감소된다.Various designs have been attempted to improve on the different aspects of the base class E amplifier. One such design is described by Choi et al. In IEEE Transactions on Microwave Theory and Technologies, Vol. 47, No. 9, "Physically Based Analysis Model of FET Class-E Power Amplifiers - Design for Maximum PAE". This article models various non-idealities of the FET switch and conclusions are drawn on a class E amplifier design that is advantageous from this model. For the selected topology, a maximum power-added efficiency (PAE) of about 55% occurs at a power level of less than 0.5 watts. At higher power, PAE is dramatically reduced, for example less than 30% at 2W.

전력 증폭기의 PAE는 최종 출력 전력을 달성하는데 요구되는 이득의 마지막 26dB를 실현하는데 요구되는 DC 전원의 양에 의해 설정된다. (이러한 이득 레벨에서, 상기 구동 신호를 통해 상기 증폭기에 입력된 전력은--측정에 쉽게 민감하지 않은-- 무시해도 좋다.) 현재, 무선 주파수들에서 1W 이상의 출력 전력을 생성할 수 있고 또한 적어도 26dB의 전력 이득을 제공하는 기지의 증폭 장치들이 아무것도 존재하지 않는다. 따라서, 하나 이상의 증폭기들이 상기 최종단의 앞쪽에 제공되어야 하고, 이러한 증폭기들에 의해 소비되는 DC 전력은 전체 PAE의 결정에 포함되어야 한다.The PAE of the power amplifier is set by the amount of DC power required to achieve the last 26 dB of gain required to achieve the final output power. (At this gain level, the power input to the amplifier via the drive signal may be neglected - which is not easily sensitive to the measurement.) Currently, it is possible to generate output power of at least 1 W at radio frequencies, There are no known amplifiers that provide 26dB of power gain. Thus, one or more amplifiers must be provided in front of the final stage, and the DC power consumed by these amplifiers must be included in the determination of the overall PAE.

종래의 설계 실시는 증폭기 설계자가 상기 드라이버 출력 임피던스를 상기 최종 스위칭 트랜지스터의 입력 임피던스에 임피던스-정합하도록 요구한다. 그러므로, 상기 드라이버 단으로부터 요구되는 실제 전력 출력은 상기 스위칭 요소의 상기 (보통 낮은) 유효 입력 임피던스로 동작하는 요구되는 전압(또는 전류)에 의해 정의된다. 임피던스의 개념이 선형적인 동작을 요구하기 때문에, 상기 스위칭 트랜지스터의 입력에 대한 특정 임피던스는 정의될 수 없고, 스위치는 매우 비선형적이다.Conventional design implementations require the amplifier designer to impedance-match the driver output impedance to the input impedance of the final switching transistor. Therefore, the actual power output required from the driver stage is defined by the required voltage (or current) operating at the (usually low) effective input impedance of the switching element. Since the concept of impedance requires linear operation, the specific impedance to the input of the switching transistor can not be defined, and the switch is very nonlinear.

상기한 접근에 의한 RF 증폭기 회로의 예가 도 4에 도시된다. 인덕터(L1), 분로 커패시터(shunt capacitor)(C) 및 인덕터(L2)로 이루어진 단간(interstage)"T 섹션"은 상기 드라이버 단을 가정된 50오옴 부하(즉, 상기 최종단)에 정합하는데 사용된다.An example of an RF amplifier circuit based on the above approach is shown in FIG. An interstage " T section " consisting of an inductor L1, a shunt capacitor C and an inductor L2 is used to match the driver stage to the assumed 50 ohm load (i.e. the final stage) do.

상기 종래의 실시는 상기 드라이버단 및 최종단 간의 상기 단간(interstage)을 선형 네트워크로서 취급하는데, 상기 단간은 선형 네트워크가 아니다. 더욱이, 상기 종래의 실시는 상기 드라이버단 및 최종단 간의 전력 전송을 최대화한다(임피던스 정합의 의도된 결과). 따라서, 예를 들어 상기 스위칭 트랜지스터로서 FET에 대한 요구되는 구동 전압을 발생시키기 위하여, 상기 드라이버는 또한 상기 임피던스-정합된 전력을 제공하기 위하여 동위상(in-phase) 전류를 발생시킨다.This conventional implementation treats the interstage between the driver stage and the final stage as a linear network, which is not a linear network. Moreover, the conventional implementation maximizes the power transfer between the driver stage and the final stage (the intended result of impedance matching). Thus, for example, to generate the required drive voltage for the FET as the switching transistor, the driver also generates an in-phase current to provide the impedance-matched power.

종래의 RF 전력 증폭기 회로의 다른 예가 도 5에 도시된다. 상기 회로는 상기 드라이버단 및 최종단이 결합 커패시터(Ccpl)를 사용하여 연결된 "공진 단간 정합(resonant interstage matching)"을 사용한다.Another example of a conventional RF power amplifier circuit is shown in Fig. The circuit uses " resonant interstage matching " in which the driver stage and the final stage are connected using a coupling capacitor (Ccpl).

언급된 바와 같이, 종래의 설계 실시는 높은 출력 전력(예를 들어 2W, 셀룰러 전화의 동작동안 공통으로 마주치게 되는 전력 레벨)에서 높은 PAE를 달성하지 못한다. 그러므로 비교적 높은 출력 전력에서 높은 PAE를 나타내는 RF 전력 증폭기에 대한 필요가 존재한다.As noted, conventional design implementations do not achieve high PAE at high output power (e.g., 2 W, the power level commonly encountered during the operation of a cellular telephone). Therefore, there is a need for an RF power amplifier that exhibits high PAE at relatively high output power.

종래 특허들의 조사Investigation of conventional patents

증폭기로부터의 출력 전력의 제어는 소칼 등에 의해 예시된 바와 같이 그리고 다음 미국 특허들: 4,392,245; 4,992,753; 5,095,542; 5,193,223; 5,369,789; 5,410,272; 5,697,072 및 5,697,074에 더 예시되는 바와 같이 시종일관 피드백 구조를 필요로하는 것으로 도시된다. 미국 특허 5,276,912와 같은 다른 참조문헌들은증폭기 부하 회로를 변경시킴으로써 증폭기 출력 전력을 제어하는 것을 교시한다.Control of the output power from the amplifier can be done as illustrated by Socal et al. And in the following U. S. patents: 4,392, 245; 4,992,753; 5,095,542; 5,193,223; 5,369,789; 5,410,272; 5,697,072 and 5,697,074, which are incorporated herein by reference in their entirety. Other references such as U.S. Pat. No. 5,276,912 teach the control of the amplifier output power by changing the amplifier load circuit.

관련된 문제는 예를 들어 진폭 변조된(amplitude modulated, AM) 신호들, 직각 진폭 변조된(quadrature amplitude modulated, QAM) 신호들 등과 같은 변조된 신호들의 생성이다. 기지의 IQ 변조 구조가 도 6에 도시된다. 데이터 신호는 I 및 Q 신호들을 생성하는 직각 변조 인코더에 인가된다. 상기 I 및 Q 신호들은 반송파 신호와 함께 직각 변조기에 인가된다. 상기 반송파 신호는 튜닝 신호가 인가되는 반송파 발생부에 의해 발생된다.A related problem is the generation of modulated signals such as, for example, amplitude modulated (AM) signals, quadrature amplitude modulated (QAM) signals, and the like. The known IQ modulation structure is shown in Fig. The data signal is applied to a quadrature modulation encoder that generates I and Q signals. The I and Q signals are applied to the quadrature modulator together with the carrier signal. The carrier signal is generated by a carrier generator to which a tuning signal is applied.

전형적으로, 그다음 상기 직각 변조기의 출력 신호는 전력 제어 신호에 따라 제어되는 가변 감쇠기에 인가된다. 다른 예들에 있어서, 전력 제어는 상기 증폭기의 이득을 변경시킴으로써 구현된다. 이것은 트랜지스터 트랜스컨덕턴스가 적용된 바이어스 조건에 따라 변경되는 효과를 이용하여, 상기 선형 증폭기내의 트랜지스터들에 대한 바이어스를 조정함으로써 달성된다. 증폭기 이득은 상기 트랜지스터 트랜스컨덕턴스와 강력하게 관련되기 때문에, 상기 트랜스컨덕턴스를 변경시키는 것은 실제로 상기 증폭기 이득을 변경시킨다. 그다음 결과로서 생기는 신호는 선형 전력 증폭기에 의해 증폭되고 안테나로 인가된다.Typically, the output signal of the quadrature modulator is then applied to a variable attenuator controlled in accordance with the power control signal. In other examples, power control is implemented by changing the gain of the amplifier. This is achieved by adjusting the bias for the transistors in the linear amplifier, taking advantage of the effect that the transistor transconductance varies with the applied bias conditions. Because the amplifier gain is strongly related to the transistor transconductance, changing the transconductance actually changes the amplifier gain. The resulting signal is then amplified by a linear power amplifier and applied to the antenna.

AM 신호들에 있어서, 상기 신호의 진폭은 실질적으로 음성과 같은 정보 신호의 진폭에 비례하여 형성된다. 음성과 같은 정보 신호들은 조금도 일정하지 않고, 따라서 결과로 생기는 AM 신호들은 출력 전력에서 항상 변한다.In AM signals, the amplitude of the signal is substantially proportional to the amplitude of the information signal, such as voice. Information signals such as speech are not constant at all, and therefore the resulting AM signals always change in output power.

소위 "플레이트(plate) 변조"라 불리우는 비-선형 클래스 C 증폭기를 사용하여 정확하게 진폭 변조된 신호들을 생성하기 위한 방법은 테만(Terman)의 무선 엔지니어 핸드북(맥그로-힐(McGraw-Hill), 1943)과 같은 교과서들에 설명된 바와 같이 70년을 넘어 알려져왔다. 전형적인 플레이트-변조 기술에 있어서, 상기 변조기 증폭기로부터의 출력 전류는 증폭 요소(진공관 또는 트랜지스터)에 대한 상기 전원 전류에 선형적으로 부가되는데, 이것은 상기 전원 전류가 상기 진폭 변조에 따라 그것의 평균값에서 증가되고 감소되도록 한다. 이 변하는 전류는 상기 증폭 요소의 저항(또는 컨덕턴스) 특성에 따라, 상기 증폭 요소에 대한 명백한 전원 전압이 변하도록 야기한다.A method for generating precisely amplitude modulated signals using a non-linear class C amplifier called so-called " plate modulation " is described in Terman's Wireless Engineer's Handbook (McGraw-Hill, 1943) Has been known for over 70 years, as described in textbooks such as In a typical plate-modulation technique, the output current from the modulator amplifier is linearly added to the supply current for the amplification element (tube or transistor), which means that the supply current increases in its mean value . This varying current causes the apparent supply voltage for the amplifying element to vary, depending on the resistance (or conductance) characteristics of the amplifying element.

이러한 출력 전력의 직접 제어를 이용하여, 상기 변하는 동작 전압의 대역폭이 충분하는 한 AM이 실행될 수 있다. 즉, 이들 비선형 증폭기들은 실제로 상기 증폭기 동작 전압에 대해서 선형 증폭기들로서 동작한다. 상기 비선형 전력 증폭기를 구동하는 동안 상기 동작 전압이 시간에 따라 변할 수 있는 정도까지, 상기 출력 신호는 선형적으로 진폭 변조될 것이다.With this direct control of the output power, the AM can be performed as long as the bandwidth of the varying operating voltage is sufficient. That is, these nonlinear amplifiers actually operate as linear amplifiers for the amplifier operating voltage. The output signal will be linearly amplitude modulated to the extent that the operating voltage can vary over time during driving the nonlinear power amplifier.

진폭 변조를 달성하는 다른 방법들은 다음의 미국 특허들: 4,580,111; 4,804,931; 5,268,658 및 5,652,546에 도시된 바와 같이, 다수의 정진폭 신호들(constant amplitude signals)의 결합을 포함한다. 상기 전력 증폭기의 전원을 변경시키기 위하여 펄스-폭 변조를 사용함에 의한 진폭 변조는 다음 미국 특허들: 4,896,372; 3,506,920; 3,588,744 및 3,413,570 에 도시된다. 그러나, 상기 특허들은 상기 스위치-모드 DC-DC 변환기의 동작 주파수가 최대 변조 주파수보다 현저히 높아야 한다는 것을 교시한다.Other methods of achieving amplitude modulation are described in the following U.S. patents: 4,580,111; 4,804,931; 5,268, 658, and 5,652, 546, which are incorporated herein by reference. Amplitude modulation by using pulse-width modulation to change the power of the power amplifier is described in the following U.S. Patents: 4,896,372; 3,506,920; 3,588,744 and 3,413,570. However, these patents teach that the operating frequency of the switch-mode DC-DC converter should be significantly higher than the maximum modulation frequency.

나카니쉬 등(Nakanishi et al.)에 의한 미국 특허 5,126,688은 상기 전력 증폭기의 동작 효율을 개선하기 위하여 상기 전력 증폭기 동작 전압의 주기적인 조정과 결합하여, 실제 증폭기 출력 전력을 설정하도록 피드백 제어를 사용하는 선형 증폭기들의 제어를 다룬다. 이 기술의 주된 단점은 상기 전력 증폭기 동작 전압이 효율을 개선하기 위하여 변경되어야 하는지를 결정하기 위하여, 그리고 그렇게 결정된다면 어떤 변경을 실행하기 위하여, 원하는 출력 전압을 감지하는 부가적인 제어회로에 대한 요구이다. 상기 부가적인 제어 회로는 증폭기 복잡성을 증가시키고 상기 증폭기 자체의 전력을 넘는 부가적인 전력을 초래하는데, 이것은 전체 효율을 직접 감소시킨다.U.S. Patent No. 5,126,688 to Nakanishi et al., In combination with periodic adjustment of the power amplifier operating voltage to improve the operating efficiency of the power amplifier, uses feedback control to set the actual amplifier output power Control of linear amplifiers is covered. The main disadvantage of this technique is the need for additional control circuitry to determine if the power amplifier operating voltage should be modified to improve efficiency and to detect the desired output voltage to make any changes if so determined. This additional control circuit increases the amplifier complexity and results in additional power beyond the power of the amplifier itself, which directly reduces the overall efficiency.

원하는 변조 특성을 갖는 고-전력 RF 신호를 발생시키는 추가 도전이 있었다. 상기 목적은 고정된 출력 전력을 제공하는 다수의 고 효율 증폭기들을 사용함에 의한 스완손(Swanson)의 미국 특허 4,580,111의 교시에 의해 달성되는데, 상기 증폭기들은 원하는 전체 결합된 출력 전력이 다수의 상기 고정된 개별 증폭기 전력이 되도록 순서대로 인에이블된다. 이 스킴에 있어서, 전체 출력 전력에서의 최소 변화는 다수의 고 효율 증폭기들 각각의 전력과 필수적으로 동일하다. 미세하게 그레이드된 출력 전력 해상도가 요구된다면, 매우 많은 수의 개별적인 고 효율 증폭기들이 잠재적으로 요구될 수 있다. 이것은 명백히 상기 증폭기의 전체 복잡성을 증가시킨다.There was an additional challenge to generate high-power RF signals with desired modulation characteristics. This object is achieved by the teachings of Swanson U.S. Patent No. 4,580,111 by using a number of high efficiency amplifiers that provide a fixed output power, And are enabled in sequence to be individual amplifier power. In this scheme, the minimum change in total output power is essentially equal to the power of each of the multiple high efficiency amplifiers. If a finely graded output power resolution is required, a very large number of individual high efficiency amplifiers may be potentially required. This obviously increases the overall complexity of the amplifier.

미국 특허 5,321,799는 극 변조(polar modulation)를 수행하지만, 전-응답 데이터 신호들로 제한되고 고 전력, 고-효율 증폭기들과 유용하지 않다. 상기 특허는 변조된 신호에 대한 진폭 변동들이 위상 변조 및 신호 발생 단들 다음에 오는디지털 승산기를 통해 인가되는 것을 교시한다. 그다음 최종 아날로그 신호가 디지털-아날로그 변환기를 사용하여 발생된다. 여기에 배경기술에서 설명된 바와 같이 이미 진폭 변동들에서 구현된 정보를 갖는 신호들은 신호 진폭 변동들의 가능하게 심각한 왜곡에 기인하여 고-효율 비선형 전력 증폭기들과 양립하지 않는다.U.S. Patent No. 5,321,799 performs polar modulation but is limited to pre-response data signals and is not useful with high power, high-efficiency amplifiers. The patent teaches that amplitude variations for a modulated signal are applied through a digital multiplier that comes after the phase modulation and signal generating stages. The final analog signal is then generated using a digital-to-analog converter. Signals having information already implemented in amplitude variations as described herein in the background art are incompatible with high-efficiency nonlinear power amplifiers due to possible severe distortion of signal amplitude variations.

상기 참조문헌들의 교시에도 불구하고, 다음을 포함하여 다수의 문제들이 해결되기 위해 남겨져 있다: (상기 변조 주파수와 비교하여) 고-주파수 스위치-모드 동작을 필요로 하지 않고 스위치 모드 변환기를 사용하여 상기 동작 전압의 변동에 의해 RF 신호의 고-효율 진폭 변조를 달성하는 것; 변조 제어를 가지고 전력-레벨 및 버스트 제어를 통합하는 것; 어떤 원하는 특성(진폭 및/또는 위상)의 고-효율 변조를 가능하게 하는 것; 및 전력 효율을 희생시키지 않고 (예를 들어 기지국들을 위한) 고-전력 동작을 가능하게 하는 것.Notwithstanding the teachings of these references, a number of problems have been addressed, including the following: (i) by using a switch mode transducer without requiring high-frequency switch-mode operation Achieving high-efficiency amplitude modulation of the RF signal by variation of the operating voltage; Integrating power-level and burst control with modulation control; Enabling high-efficiency modulation of any desired characteristics (amplitude and / or phase); And enabling high-power operation (e.g., for base stations) without sacrificing power efficiency.

본 발명은 RF 증폭기 및 신호 변조에 관한 것이다.The present invention relates to an RF amplifier and signal modulation.

도 1은 전원 전압을 변경시킴으로써 제어되는 출력 전력을 갖는 기지의 전력 증폭기의 블록도이다.1 is a block diagram of a known power amplifier having an output power controlled by varying the power supply voltage.

도 2는 기지의 싱글-엔드형 스위치 모드 RF 증폭기의 단순화된 블록도이다.Figure 2 is a simplified block diagram of a known single-ended switch mode RF amplifier.

도 3은 기지의 RF 증폭기의 부분의 개략도이다.3 is a schematic diagram of a portion of a known RF amplifier.

도 4는 종래의 RF 전력 증폭기 회로의 개략도이다.4 is a schematic diagram of a conventional RF power amplifier circuit.

도 5는 다른 종래의 RF 전력 증폭기 회로의 개략도이다.5 is a schematic diagram of another conventional RF power amplifier circuit.

도 6은 기지의 IQ 변조 구조의 블록도이다.6 is a block diagram of a known IQ modulation structure.

도 7은 예시적인 실시예에 의한 전력 증폭기의 블록도이다.7 is a block diagram of a power amplifier according to an exemplary embodiment.

도 8은 수학적 모델을 가진 포화 클래스 AB 전력 증폭기 출력 전력대 동작 전압을 비교하는 도면이다.8 is a graphical representation Lt; RTI ID = 0.0 > AB < / RTI > power amplifier output power versus operating voltage.

도 9는 일 실시예의 동작을 설명하는 파형도이다.9 is a waveform diagram illustrating the operation of one embodiment.

도 10은 다른 실시예의 동작을 설명하는 파형도이다.10 is a waveform diagram illustrating the operation of another embodiment.

도 11은 버스트 AM 동작을 설명하는 파형도이다.11 is a waveform diagram for explaining the burst AM operation.

도 12는 전력 레벨 제어를 갖는 버스트 AM 동작을 설명하는 파형도이다.12 is a waveform diagram illustrating burst AM operation with power level control.

도 13은 고-효율 증폭기를 사용한 극 변조 구조의 블록도이다.13 is a block diagram of a polar modulation structure using a high-efficiency amplifier.

도 14는 제1 고 전력, 고 효율, 진폭 변조 RF 증폭기의 블록도이다.14 is a block diagram of a first high power, high efficiency, amplitude modulated RF amplifier.

도 15는 도 14의 증폭기의 동작을 설명하는 파형도이다.15 is a waveform diagram for explaining the operation of the amplifier of Fig.

도 16은 제2 고 전력, 고 효율, 진폭 변조 RF 증폭기의 블록도이다.16 is a block diagram of a second high power, high efficiency, amplitude modulated RF amplifier.

도 17은 도 16의 증폭기의 동작을 설명하는 파형도이다.17 is a waveform diagram for explaining the operation of the amplifier of Fig.

도 18은 일 실시예에 의한 RF 스위치 모드 증폭기의 블록도이다.18 is a block diagram of an RF switch mode amplifier according to one embodiment.

도 19는 본 발명의 일 실시예에 의한 RF 스위치 모드 증폭기의 부분에 대한 개략도이다.19 is a schematic diagram of a portion of an RF switch mode amplifier according to one embodiment of the present invention.

도 20은 도 19의 RF 스위치 모드 증폭기에서 사용하기에 적합한 부하 네트워크의 개략도이다.Figure 20 is a schematic diagram of a load network suitable for use in the RF switch mode amplifier of Figure 19;

도 21은 도 19의 RF 스위치 모드 증폭기에 대한 입력 전압 및 관련된 파형들을 도시한 파형도이다.Figure 21 is a waveform diagram showing the input voltage and associated waveforms for the RF switch mode amplifier of Figure 19;

도 22는 도 19의 스위칭 트랜지스터의 베이스 및 컬렉터 전류 파형들을 도시한 파형도이다.22 is a waveform diagram showing the base and collector current waveforms of the switching transistor of Fig.

도 23은 도 19의 RF 스위치 모드 증폭기에 대한 출력 전압을 도시한 파형도이다.FIG. 23 is a waveform diagram showing the output voltage for the RF switch mode amplifier of FIG. 19; FIG.

도 24는 다른 실시예에 의한 RF 스위치 모드 증폭기의 부분에 대한 개략도이다.24 is a schematic diagram of a portion of an RF switch mode amplifier according to another embodiment.

도 25는 도 24의 RF 스위치 모드 증폭기에 대한 입력 전압 및 관련된 파형들을 도시한 파형도이다.25 is a waveform diagram illustrating input voltages and associated waveforms for the RF switch mode amplifier of FIG.

도 26은 도 24의 드라이브 트랜지스터들의 컬렉터 전류 파형들을 도시한 파형도이다.26 is a waveform diagram showing collector current waveforms of the drive transistors of FIG. 24. FIG.

도 27은 도 24의 스위칭 트랜지스터의 게이트 전압 파형을 도시한 파형도이다.FIG. 27 is a waveform diagram showing a gate voltage waveform of the switching transistor of FIG. 24. FIG.

도 28은 다른 실시예에 의한 RF 전력 증폭기 회로의 개략도이다.28 is a schematic diagram of an RF power amplifier circuit according to another embodiment.

도 29는 도 28의 증폭기 회로의 선택된 노드들에서 발생하는 파형들을 도시한 파형도이다.Fig. 29 is a waveform diagram showing waveforms occurring at selected nodes of the amplifier circuit of Fig. 28; Fig.

본 발명은 일반적으로 원하는 제어 또는 변조를 달성할 수 있는 방식으로 고효율(예를 들어 하드-리미팅(hard-limiting) 또는 스위치-모드) 전력 증폭기의 고-효율 전력 제어를 제공한다. 종래 기술과는 달리, 피드백이 요구되지 않는다. 즉, 상기 증폭기는 연속적이거나 빈번한 피드백 조정없이 제어될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 원하는 변조의 최대 주파수 및 스위치-모드 DC-DC 변환기의 동작 주파수 간의 스프레드는 스위치-모드 변환기 다음에 능동 선형 조정기를 둠으로써 감소된다. 상기 선형 조정기는 원하는 진폭 변조 파형을 충실히 재생하기 위하여 충분한 대역폭을 가지고 전력 증폭기의 동작 전압을 제어하도록 설계된다. 상기 선형 조정기는 상기 출력 전압이 인가된 제어 신호에 응답하여 변하는 동안조차도 그것의 입력 전압에 대한 변동을 제거하도록 더 설계된다. 상기 제거는 상기 입력 전압에 대한 변동들이 제어되는 출력 변동의 주파수와 동등하거나 훨씬 더 낮은 주파수로 되어 있더라도 발생할 것이다. 진폭 변조는 주 DC 전력을 상기 진폭 변조된 출력 신호로 변환하는데 있어서 높은 효율을 동시에 달성하면서 상기 전력 증폭기에 대한 상기 동작 전압을 직접 또는 효과적으로 변경시킴으로써 달성될 수 있다. 선형 조정기에서의 전압 강하가 낮고 비교적 일정한 레벨로 유지되도록 스위치-모드 DC-DC 변환기가 그 출력 전압을 변경하는 것을 허용함으로써 고효율이 증대된다. 시-분할 다중 접속(TDMA) 버스팅(bursting) 능력은 결합되는 이들 기능들의 제어를 가지고, 효과적인 진폭 변조와 결합될 수 있다. 더욱이, 통신 시스템으로부터의 명령들에 따라 평균 출력 전력 레벨의 변동은 또한 동일한 구조내에 결합될 수 있다.The present invention generally provides high-efficiency power control of high efficiency (e.g., hard-limiting or switch-mode) power amplifiers in a manner that can achieve the desired control or modulation. Unlike the prior art, no feedback is required. That is, the amplifier can be controlled without continuous or frequent feedback adjustment. In one embodiment, the spread between the maximum frequency of the desired modulation and the operating frequency of the switch-mode DC-DC converter is reduced by placing an active linear regulator after the switch-mode converter. The linear regulator is designed to control the operating voltage of the power amplifier with sufficient bandwidth to faithfully reproduce the desired amplitude modulated waveform. The linear regulator is further designed to eliminate variations in its input voltage even while the output voltage is changing in response to an applied control signal. The removal will occur even if the variations for the input voltage are at a frequency equal to or much lower than the frequency of the controlled output variation. Amplitude modulation can be achieved by directly or effectively varying the operating voltage for the power amplifier while simultaneously achieving high efficiency in converting the main DC power to the amplitude modulated output signal. High efficiency is enhanced by allowing the switch-mode DC-DC converter to change its output voltage so that the voltage drop across the linear regulator is low and remains at a relatively constant level. The time-division multiple access (TDMA) bursting capability can be combined with effective amplitude modulation, with control of these functions being combined. Moreover, variations in the average output power level in accordance with instructions from the communication system may also be combined in the same structure.

상기 고-효율 진폭 변조 구조는 어떤 임의의 변조까지 확대될 수 있다. 변조는 극 형식(polar form)으로, 즉 직각없는 방식(quarture-free)으로 수행된다.The high-efficiency amplitude modulation scheme may be extended to any arbitrary modulation. The modulation is performed in a polar form, that is, quarture-free.

단일 고-효율 단들은 고-전력, 고-효율 변조 구조들을 형성하기 위하여 함께 결합될 수 있다.Single high-efficiency stages can be combined together to form high-power, high-efficiency modulation structures.

본 발명은 첨부된 도면들과 함께 다음 설명으로부터 더 이해될 수 있다.The invention may be better understood from the following description taken in conjunction with the accompanying drawings.

이제 도 7을 참조하면, 상기한 단점들 중 많은 부분들을 극복하는 전력 증폭기의 블록도가 도시된다. 스위치-모드(또는 포화) 비선형 증폭기는 전력 제어단에 의해 생성된 전압을 그것에 인가했다. 예시적인 실시예에 있어서, 상기 비선형 증폭기에 인가되는 상기 전압(V)은 수학식에 따라 실질적으로 제어된다. 여기에서 P는 상기 증폭기의 원하는 전력 출력 레벨이고 R은 상기 증폭기의 저항값이다. 스위치-모드 또는 포화 증폭기의 경우에 있어서, 상기 저항값(R)은 일정한 것으로 간주될 수 있다. 상기 전력 제어단은 예를 들어 배터리로부터 DC 입력 전압을 수신하고, 전력 레벨 제어 신호를 수신하며 상기한 수학식에 따라 전압을 출력한다.Referring now to FIG. 7, a block diagram of a power amplifier is shown that overcomes many of the above mentioned drawbacks. A switch-mode (or saturating) nonlinear amplifier applied to it the voltage generated by the power control stage. In an exemplary embodiment, the voltage (V) applied to the nonlinear amplifier is given by Equation As shown in FIG. Where P is the desired power output level of the amplifier and R is the resistance value of the amplifier. In the case of a switch-mode or a saturated amplifier, the resistance value R can be considered to be constant. The power control stage receives, for example, a DC input voltage from a battery, receives a power level control signal, and outputs a voltage according to the above equation.

상기 동작 전압만을 변경시킴으로써 넓은 다이내믹 영역에 걸쳐 비선형 증폭기들의 출력 전력을 직접 제어하는 효과는 도 8에 명시되어 있는데, 그것은 포화 클래스 AB 전력 증폭기 출력 전력 대 수학적 모델을 가진 동작 전압을 비교하는 도표를 보여준다.The effect of directly controlling the output power of the nonlinear amplifiers over a wide dynamic range by changing only the operating voltage is specified in Fig. 8, which shows that the saturation class AB power amplifier output power vs. mathematical model ≪ / RTI > is compared.

다시 도 7을 참조하면, 예시적인 실시예에 의한 전력 제어 회로가 도시된다. 전력 제어 회로는 직렬로 연결된 스위치-모드 변환기단 및 선형 조정기단을 포함한다. 상기 스위치-모드 변환기단은 예를 들어 클래스 D 장치 또는 스위치-모드 전원(switch-mode power supply, SMPS)일 수 있다. 상기 스위치-모드 변환기는 효과적으로 상기 DC 전압을, 원하는 전력-증폭기 동작 전압 레벨을 다소 초과하지만 유사한 전압까지 내린다. 즉, 상기 스위치-모드 변환기는 효과적인 총체적 전력 레벨 제어를 수행한다. 상기 스위치-모드 변환기는 원하는 전력 엔벨로프의 램프(ramp) 부분을 정의하기 위하여 충분히 미세한 제어를 제공하거나 제공하지 않을 수 있다.Referring again to Fig. 7, a power control circuit according to an exemplary embodiment is shown. The power control circuit includes a switched-mode converter stage and a linear regulator stage connected in series. The switch-mode converter stage may be, for example, a Class D device or a switch-mode power supply (SMPS). The switch-mode converter effectively reduces the DC voltage to a similar voltage, somewhat exceeding the desired power-amplifier operating voltage level. That is, the switch-mode converter performs effective overall power level control. The switch-mode converter may or may not provide sufficiently fine control to define the ramp portion of the desired power envelope.

상기 선형 조정기는 상기 스위치-모드 변환기의 출력에 대한 필터링 기능을 수행한다. 즉, 상기 선형 조정기는 예를 들어 TDMA 버스트 동안 정밀한 전력-엔벨로프 변조를 제어한다. 상기 선형 조정기는 상기 스위치-모드 변환기와 같은 레벨 제어 능력을 제공하거나 제공하지 않을 수 있다.The linear regulator performs a filtering function on the output of the switch-mode converter. That is, the linear regulator controls precise power-envelope modulation during a TDMA burst, for example. The linear regulator may or may not provide the same level control capability as the switch-mode converter.

상기 스위치-모드 변환기와 상기 선형 조정기의 속도에 의존하여, 상기 전력 제어 회로가 전력 제어 및/또는 진폭 변조를 수행하는데 사용될 수 있다는 것을 주목하라. 제어 신호 PL/BURST/MOD는 제어부에 입력되는데, 상기 제어부는 상기 스위치-모드 변환기 및 상기 선형 조정기를 위해 적합한 아날로그 또는 디지털 제어 신호들을 출력한다. 상기 제어부는 롬(read-only memory, ROM) 및/또는 디지털-아날로그 변환기(digital to analog converter, DAC)로서 실현될 수 있다.Note that depending on the speed of the switch-mode converter and the linear regulator, the power control circuit may be used to perform power control and / or amplitude modulation. The control signal PL / BURST / MOD is input to the control unit, which outputs appropriate analog or digital control signals for the switch-mode converter and the linear regulator. The control unit may be realized as a read-only memory (ROM) and / or a digital-to-analog converter (DAC).

도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예의 동작을 설명하는 파형도가 도시된다. 상기 파형들(A 및 B)은 상기 스위치-모드 변환기 및 상기 선형 조정기에 각각 인가된 아날로그 제어 신호들을 나타낸다. 상기 파형들()은 상기 스위치-모드 변환기 및 상기 선형 조정기의 출력 전압들을 각각 나타낸다. 상기 스위치-모드 변환기가 비교적 큰 시간 상수를 가진다고 가정하자. 즉 상기 스위치-모드 변환기가 비교적 서서히 램프(ramp)한다고 가정하자. 상기 제어 신호(A)가 제1 비-제로(non-zero) 전력 레벨로 설정될 때, 상기 전압()은 동등한 전압을 향해 램프하기 시작할 것이다. 상기 변환기의 스위치-모드 특성 때문에, 상기 전압()은 상당한 양의 맥류(ripple)를 가질 수 있다. 상기 원하는 전압에 도달하는데 요구되는 시간의 양은 웨이크-업(wake-up) 기간을 정의한다. 상기 전압이 도달될 때, 일련의 전송 버스트들을 정의하기 위하여 상기 제어 신호(B)는 상승하고 하강한다. 상기 제어 신호(B)가 상승할 때, 상기 전압()은 동등한 전압까지 신속하게 램프하고, 상기 제어 신호(B)가 하강할 때, 상기 전압()은 신속하게 아래로 램프한다. 일련의 버스트들 다음에(본 예에서), 상기 제어 신호(A)가 후속 버스트들의 상기 RF 전력 레벨을 증가시키기 위하여 상승하게 된다. 상기 제어 신호(B)는 대기 시간동안 낮게 유지된다. 상기 전압()이 특정 레벨에 도달할 때, 상기 제어 신호(B)는 추가적인 일련의 전송 버스트들을 정의하기 위하여 상승하고 하강한다.Referring to FIG. 9, a waveform diagram illustrating operation of an embodiment of the present invention is shown. The waveforms A and B represent the analog control signals respectively applied to the switch-mode converter and the linear regulator. The waveforms ( ) Represent the output voltages of the switch-mode converter and the linear regulator, respectively. Assume that the switch-mode converter has a relatively large time constant. That is, the switch-mode converter ramps relatively slowly. When the control signal (A) is set to a first non-zero power level, the voltage ) Will begin to ramp toward an equivalent voltage. Because of the switch-mode nature of the converter, the voltage ) Can have a significant amount of ripple. The amount of time required to reach the desired voltage defines a wake-up period. When the voltage is reached, the control signal B rises and falls to define a series of transmission bursts. When the control signal (B) rises, the voltage ) Rapidly ramps up to an equivalent voltage, and when the control signal (B) falls, the voltage ) Quickly ramps down. Following a series of bursts (in this example), the control signal A is raised to increase the RF power level of subsequent bursts. The control signal B is kept low during the waiting time. The voltage ( ) Reaches a certain level, the control signal (B) rises and falls to define an additional series of transmission bursts.

상기 전압()은 상기 전압() 상에 겹쳐 놓여진 점선들로 도시된다. 상기 전압()이 적은 양만큼 상기 전압()보다 더 적고, 상기 전압() 상의 네거티브 피크 맥류보다 더 크다는 것을 주목하라. 상기 선형 조정기의 입력 전압()과 상기 선형 조정기의 출력 전압() 간의 작은 차이는 전체 고-효율 동작을 가능하게 한다.The voltage ( ) ≪ / RTI > As shown in Fig. The voltage ( ) Is less than the voltage < RTI ID = 0.0 > ), And the voltage ( ) ≪ / RTI > The input voltage of the linear regulator ( ) And the output voltage of the linear regulator ( ) Allows the overall high-efficiency operation.

다른 실시예에 따라서 도 10을 참조하면, 상기 스위치-모드 변환기는 비교적 짧은 시간 상수를 가지는 것으로 가정된다; 즉, 그것은 비교적 신속하게 램프한다. 따라서, 상기 제어 신호(A)가 상승할 때, 상기 전압()은 상기 동등한 전압까지 신속하게 램프한다. 그다음 상기 제어 신호(B)가 상승하고, 상기 전압()은 램프된다. 상기 제어 신호(A)가 상승하고 상기 제어 신호(B)가 상승할 때 사이의 시간차이는 상기 웨이크 업 시간을 정의하는데, 이것은 매우 짧고, 슬립 시간 및 전력 절감을 최대화한다. 그다음 상기 제어 신호(B)가 상기 전송 버스트의 말미에서 낮아지고, 그 후 상기 제어 신호(A)는 낮아진다. 도 9의 예 다음에, 도 10에서, 상기 제어 신호(A)가 다음에 상승할 때, 그것은 더 높은 전력 레벨을 정의한다. 다시, 상기 전압()은 상기 전압() 상의 점선들로 겹쳐 놓여진다.10, the switch-mode converter is assumed to have a relatively short time constant; That is, it ramps relatively quickly. Therefore, when the control signal A rises, the voltage ( ) Quickly ramps to the equivalent voltage. Then, the control signal (B) rises and the voltage Lt; / RTI > The time difference between when the control signal A rises and when the control signal B rises defines the wake-up time, which is very short and maximizes sleep time and power savings. Then, the control signal (B) is lowered at the end of the transmission burst, and then the control signal (A) is lowered. 9, next, in Fig. 10, when the control signal A rises next, it defines a higher power level. Again, the voltage ) ≪ / RTI > ). ≪ / RTI >

동일한 구조가 전력 및 버스트 제어에 부가하여 진폭 변조를 수행하는데 사용될 수 있다. 도 11을 참조하면, 버스트된 AM 동작을 설명하는 파형도가 도시된다. 상기 스위치-모드 변환기의 출력 신호가 솔리드 라인(solid line)으로 도시된다. 버스트가 시작할 때, 상기 스위치-모드 변환기의 출력 신호는 램프 업(ramp up)한다. 선택적으로, 대시 라인(dashed line)으로 도시된 바와 같이, 상기 스위치-모드 변환기는 상기 출력 신호에 대한 모든 진폭 변조를 실행하는 상기 선형 조정기를 가지고 고정된 레벨까지 램프 업 할 수 있다. 더 바람직하기로는, 효율의 관점에서, 상기 스위치-모드 변환기는 진폭 변조를 실행하고, 노이즈를 무시하여 상기 원하는 출력 전압보다 높은 작은 고정된 오프셋()인 출력 신호를 생성한다. 상기 선형 조정기는 상기 스위치-모드 변환기의 출력 신호로부터 상기 노이즈를 제거하는데, 상기 양()만큼 상기 신호를 효과적으로 내린다. 상기 선형 조정기의 출력 신호는 도 11에서 점선으로 도시된다. 상기 버스트의 말미에 상기 신호들은 램프 다운(ramp down)된다.The same structure can be used to perform amplitude modulation in addition to power and burst control. Referring to FIG. 11, a waveform diagram illustrating the burst AM operation is shown. The output signal of the switch-mode converter is shown as a solid line. When the burst starts, the output signal of the switch-mode converter ramps up. Optionally, as shown by the dashed line, the switch-mode converter can ramp up to a fixed level with the linear regulator performing all amplitude modulation on the output signal. More preferably, in terms of efficiency, the switch-mode converter performs amplitude modulation and ignores the noise to produce a small fixed offset (" ≪ / RTI > Wherein the linear regulator removes the noise from an output signal of the switch-mode converter, ) Effectively. The output signal of the linear regulator is shown in dashed lines in FIG. At the end of the burst, the signals are ramped down.

상기 출력 신호 전력 레벨(상기 신호의 평균 전력)의 완전 제어가 유지된다. 예를 들어 다음의 버스트는 도 12에 도시된 바와 같이 더 높은 전력 레벨에서 일어날 수 있다. 도 11과 비교할 때, 도 12에서 모든 신호들은 더 높은 평균 전력 출력을 실현하기 위하여 적합하게 스케일링된다.Full control of the output signal power level (average power of the signal) is maintained. For example, the next burst may occur at a higher power level as shown in FIG. Compared to FIG. 11, all of the signals in FIG. 12 are suitably scaled to achieve a higher average power output.

위상-변조된 신호에 대한 진폭 변조의 통합은 비록 그것이 상기 신호 발생 방법을 복잡하게 할지라도, 이러한 신호들이 순수하게 위상-변조된 신호들보다 더 작은 대역폭을 점유할 수 있고 종종 점유하기 때문에 종종 바람직하다. 도 13을 참조하면, 이제까지 설명된 유형의 고-효율 증폭기를 사용하는 극 변조 구조에 대한 블록도가 도시된다. 상기 극 변조 구조는 어떤 원하는 변조를 실행할 수 있다. 데이터 신호가 진폭 및 위상 신호들을 생성하는 변조 인코더에 인가된다. 상기 위상 신호는 위상-변조-가능 반송파 발생부에 인가되는데, 그것에는 튜닝 신호가 또한 인가된다. 그다음 결과로서 생기는 신호는 이전에 설명된 유형의 비-선형 전력 증폭기에 의해 증폭된다. 한편, 상기 진폭 신호는 진폭 드라이버에 인가된다. 또한 상기 진폭 드라이버는 전력 제어 신호를 수신한다. 응답으로, 상기 진폭 드라이버는 상기 비-선형 증폭기에 인가되는 동작 전압을 생성한다. 상기 진폭 드라이버 및 상기 비-선형 증폭기는 대시 라인에 의해 도 13에 표시된 바와 같이, 이전에 설명된 도 7에 도시된 것과 동일한 방식으로 실현될 수 있다.The integration of amplitude modulation for a phase-modulated signal is often desirable because these signals can occupy and often occupy a smaller bandwidth than purely phase-modulated signals, even though it may complicate the signal generation method. Do. Referring to FIG. 13, a block diagram for a polar modulation structure using a high-efficiency amplifier of the type described above is shown. The polar modulation structure may perform any desired modulation. A data signal is applied to a modulation encoder that generates amplitude and phase signals. The phase signal is applied to a phase-modifiable carrier generator, to which a tuning signal is also applied. The resulting signal is then amplified by a non-linear power amplifier of the type previously described. On the other hand, the amplitude signal is applied to the amplitude driver. The amplitude driver also receives a power control signal. In response, the amplitude driver generates an operating voltage that is applied to the non-linear amplifier. The amplitude driver and the non-linear amplifier can be realized in the same manner as shown in Fig. 7 described previously, as shown in Fig. 13 by dashed lines.

이제까지 설명된 상기 변조 구조들은 다른 애플리케이션들 중 셀룰러 전화 핸드셋들에서 사용하기에 적합하다. 고-효율 RF 신호 발생에 대한 유사한 필요가 셀룰러 전화 기지국들에 존재한다. 그러나 기지국들은 핸드셋들보다 훨씬 더 높은 전력에서 동작한다. 다음 구조는 고-전력, 고-효율 RF 신호 발생을 달성하는데 사용될 수 있다.The modulation schemes described so far are suitable for use in cellular telephone handsets among other applications. A similar need for high-efficiency RF signal generation exists in cellular telephone base stations. However, base stations operate at much higher power than handsets. The following structure can be used to achieve high-power, high-efficiency RF signal generation.

도 14를 참조하면, 제1 고 전력, 고 효율, 진폭 변조 RF 증폭기는 다수의 스위치 모드 전력 증폭기(switch mode power amplifier, SMPA) 블록들을 포함하는데, 예를 들어 각 블록은 도 7에 도시된 바와 같이 실현된다. 증폭될 RF 신호는 모든 상기 SMPA 블록들에 공통으로 입력된다. 상기 SMPA 블록들 각각을 위한 개별 제어 신호들은 진폭 입력 신호에 응답하여 진폭 드라이버에 의해 발생된다. 상기 SMPA 블록들의 출력 신호들은 결과로서 생기는 단일 출력 신호를 형성하기 위하여 합해진다.Referring to Figure 14, a first high power, high efficiency, amplitude modulated RF amplifier includes a plurality of switch mode power amplifier (SMPA) blocks, for example, It is realized together. The RF signal to be amplified is commonly input to all the SMPA blocks. Individual control signals for each of the SMPA blocks are generated by an amplitude driver in response to the amplitude input signal. The output signals of the SMPA blocks are summed to form the resulting single output signal.

도 14의 증폭기의 동작 방식은 도 15를 참조하여 이해될 수 있다. 좌측에는 상기 진폭 드라이버에 인가되는 전체 진폭 신호가 도시된다. 우측에는 상기 각 SMPA에 인가될 상기 진폭 드라이버에 의해 출력된 SMPA 구동 신호들이 도시된다. 상기 개별 구동 신호들의 합은 상기 전체 진폭 신호를 산출한다는 것을 주목하라.The manner of operation of the amplifier of Fig. 14 can be understood with reference to Fig. The left side shows the total amplitude signal applied to the amplitude driver. And the SMPA drive signals output by the amplitude driver to be applied to the respective SMPA are shown on the right side. Note that the sum of the individual drive signals yields the overall amplitude signal.

고-전력 증폭기의 대안적인 실시예가 도 16에 도시된다. 본 실시예에 있어서, 상기 각 SMPA를 위한 개별 구동 신호들을 발생시키는 것 대신에, 공통 구동 신호가 발생되고 공통으로 상기 모든 SMPA들에 인가된다. 시간내의 주어진 순간에, 상기 공통 구동 신호는 N을 SMPA의 수라 할때, 상기 진폭 드라이버에 인가된 전체 진폭 신호의 N분의 1인 값을 가지도록 야기된다. 상기 결과는 도 17에 도시된다. 다시 한번, 상기 개별 구동 신호들의 합은 상기 전체 진폭 신호를 산출한다는 것을 주목하라.An alternative embodiment of a high-power amplifier is shown in FIG. In this embodiment, instead of generating separate drive signals for each SMPA, a common drive signal is generated and applied to all the SMPAs in common. At a given instant in time, the common drive signal is caused to have a value that is one-nth of the total amplitude signal applied to the amplitude driver when N is a number of SMPA's. The results are shown in Fig. Again, note that the sum of the individual drive signals yields the overall amplitude signal.

이제 도 18을 참조하면, 다른 실시예에 의한 RF 스위치 모드 증폭기의 블록도가 도시된다. RF 입력 신호는 비-리액티브(non-reactive) 구동 회로에 인가된다.상기 구동 회로는 능동 디바이스 스위치를 구동하기 위하여 능동 디바이스에 연결된다. 상기 능동 디바이스 스위치는 예를 들어 안테나와 같은 부하로의 적용을 위한 RF 출력 신호를 생성하는 부하 네트워크에 연결된다. 바람직하기로는, 스위치 모드 전원과 선형 조정기의 직렬 결합에 의해 실현된, 고속 시간 가변 전원(rapid time variable power supply)을 통해 상기 능동 디바이스 스위치에 인가되는데, 이것은 상기 능동 디바이스 스위치의 동작 전압이 변경되도록 한다. 제어 방식으로 상기 동작 전압을 변경시킴으로써 전력 제어, 버스트 제어 및 변조가 이전에 설명된 바와 같이 달성될 수 있다.Referring now to FIG. 18, a block diagram of an RF switched mode amplifier according to another embodiment is shown. The RF input signal is applied to a non-reactive driving circuit. The driving circuit is connected to an active device to drive an active device switch. The active device switch is coupled to a load network that generates an RF output signal for application to a load, such as, for example, an antenna. Preferably, the active device switch is applied to the active device switch via a rapid time variable power supply, realized by a series combination of a switched mode power supply and a linear regulator, such that the operating voltage of the active device switch is changed do. By changing the operating voltage in a control manner, power control, burst control and modulation can be achieved as previously described.

상기 능동 디바이스 스위치는 바이폴라 트랜지스터 또는 FET 트랜지스터일 수 있다. 도 19를 참조하면, 상기 능동 디바이스 스위치가 컬렉터, 이미터 및 베이스 단자들을 갖는 바이폴라 트랜지스터인 RF 스위치 모드 증폭기의 부분에 대한 개략도가 도시된다. 상기 바이폴라 트랜지스터(N1)의 컬렉터는 RF 초크(L)를 통해 동작 전압()에 연결되고 또한 출력 정합 네트워크에 연결된다. 상기 바이폴라 트랜지스터(N1)의 이미터는 회로(AC) 접지에 연결된다.The active device switch may be a bipolar transistor or a FET transistor. Referring to FIG. 19, a schematic diagram of a portion of an RF switch mode amplifier in which the active device switch is a bipolar transistor with collector, emitter, and base terminals is shown. The collector of the bipolar transistor N1 is connected to the collector of the bipolar transistor N1 through the RF choke L, And is also connected to the output matching network. The emitter of the bipolar transistor N1 is connected to the circuit (AC) ground.

상기 바이폴라 트랜지스터(N1)의 베이스는 달링턴(Darlington) 방식으로 다른 바이폴라 트랜지스터(N2)(드라이버 트랜지스터)의 이미터에 연결된다. 상기 드라이버 트랜지스터(N2)의 컬렉터는 동작 전압()에 연결되고 또한 바이패스 커패시터에 연결된다. 상기 드라이버 트랜지스터(N2)와 관련된 것은 상기 도시된 실시예에서, 3개의 저항들(R1, R2 및 R3)를 포함하는 바이어스 네트워크이다. 한 저항(R1)은 상기 드라이버 트랜지스터의 이미터로부터 회로 접지에 연결된다. 다른저항(R2)은 상기 드라이버 트랜지스터의 베이스로부터 접지에 연결된다. 최종 저항(R3)은 상기 드라이버 트랜지스터(N2)의 베이스로부터에 연결된다. RF 입력 신호는 DC 분리 커패시터()를 통해 상기 드라이버 트랜지스터의 베이스에 연결된다.The base of the bipolar transistor N1 is connected to the emitter of another bipolar transistor N2 (driver transistor) in the Darlington scheme. The collector of the driver transistor (N2) ) And is also connected to the bypass capacitor. Associated with the driver transistor N2 is, in the illustrated embodiment, a bias network comprising three resistors R1, R2 and R3. A resistor R1 is connected from the emitter of the driver transistor to the circuit ground. The other resistor R2 is connected to the ground from the base of the driver transistor. The final resistor R3 is connected from the base of the driver transistor N2 Lt; / RTI > The RF input signal is input to a DC isolation capacitor ( To the base of the driver transistor.

도 20을 참조하면, 상기 출력 네트워크는 임피던스-정합 전송 라인(TL) 및 커패시터()의 형태를 취할 수 있다.Referring to FIG. 20, the output network includes an impedance-matching transmission line TL and a capacitor ) Can be taken.

상기 RF 입력 전압 신호는 도 21의 파형(1)에 의해 도시된 바와 같이 사인 곡선이다. 상기 입력 전압은 파형(2)에 의해 도시된, 상기 드라이버 트랜지스터(N2)의 베이스에서 전압을 생성하기 위하여 위로 레벨 시프트된다. 파형(3)에 의해 도시된, 상기 드라이버 트랜지스터(N2)의 이미터 전압은 1드롭 아래이고 상기 스위칭 트랜지스터(N1)의 베이스에 인가된다. 포지티브 하프-사이클의 시작에서, 상기 드라이버 트랜지스터(N2)는 상기 스위칭 트랜지스터(N1)가 차단되도록 상기 스위칭 트랜지스터(N1)의 충분한 턴-온 전압 아래인 출력(이미터) 전압을 가지고, 이미터 폴로워(emitter follower)로서 동작한다. 상기 신호가 증가할 때, 상기 드라이버 트랜지스터(N2)는 상기 스위칭 트랜지스터(N1)를 턴온시키고 도 22에 도시된 바와 같이 상기 스위칭 트랜지스터를 포화상태로 구동한다. 전류는 상기 RF 초크(L)와 상기 스위칭 트랜지스터(N1)를 통해 흐르고, 상기 출력 전압은 상기 커패시터()가 도 23에 도시된 바와 같이 방전될 때 감소한다. 상기 포지티브 하프-사이클의 끝 부근에, 상기 드라이버 트랜지스터(N2) 출력 전압은 상기 스위칭 트랜지스터(N1)의 턴-온 전압 아래로 떨어지는데, 이것은 상기 스위칭 트랜지스터를 턴-오프 시킨다. 상기 저항(R1)의 값은 상기 스위칭 트랜지스터(N1)가 신속히 차단되도록 선택된다. 전류는 상기 RF 초크(L)를 통해 계속 흐르는데, 이것은 상기 커패시터()를 충전하고 상기 출력 전압이 증가되도록 한다.The RF input voltage signal is a sinusoid as shown by waveform (1) in FIG. The input voltage is shifted upwards to produce a voltage at the base of the driver transistor N2, which is illustrated by waveform 2. The emitter voltage of the driver transistor N2, shown by waveform 3, Drop and is applied to the base of the switching transistor N1. At the beginning of the positive half-cycle, the driver transistor N2 has an output (emitter) voltage that is below the sufficient turn-on voltage of the switching transistor N1 to turn off the switching transistor N1, And acts as an emitter follower. When the signal increases, the driver transistor N2 turns on the switching transistor N1 and drives the switching transistor to a saturation state as shown in FIG. A current flows through the RF choke L and the switching transistor N1, and the output voltage flows through the capacitor Is discharged as shown in Fig. Near the end of the positive half-cycle, the output voltage of the driver transistor N2 falls below the turn-on voltage of the switching transistor N1, which turns off the switching transistor. The value of the resistor R1 is selected such that the switching transistor N1 is quickly cut off. Current continues to flow through the RF choke L, ) So that the output voltage is increased.

도 24를 참조하면, 상기 능동 디바이스 스위치가 드레인, 소스 및 게이트 단자들을 가진 FET 트랜지스터(MESFET, JFET, PHEMT 등)인 RF 스위치 모드 증폭기의 부분에 대한 개략도가 도시된다. 상기 FET 트랜지스터(M1)의 드레인은 RF 초크(L1)를 통해 동작 전압()에 연결되고 또한 출력 네트워크에 연결된다. 상기 FET 트랜지스터의 소스는 회로(AC) 접지에 연결된다.Referring to FIG. 24, a schematic diagram of a portion of an RF switch mode amplifier in which the active device switch is a FET transistor (MESFET, JFET, PHEMT, etc.) having drain, source and gate terminals is shown. The drain of the FET transistor Ml is connected to an operating voltage (< RTI ID = 0.0 > And is also connected to the output network. The source of the FET transistor is connected to the circuit (AC) ground.

상기 FET 트랜지스터의 게이트는 큰 저항값을 갖는 저항(R1)을 통해 전원()으로부터 바이어스되고, DC 분리 커패시터(C1)를 통해 푸시-풀 구성으로 연결된 한 쌍의 바이폴라 트랜지스터들(드라이버 트랜지스터들)에 연결된다. 상기 드라이버 트랜지스터들은 NPN 트랜지스터(N1) 및 PNP 트랜지스터(P1)를 포함한다. 상기 NPN 드라이버 트랜지스터(N1)의 컬렉터는 동작 전압()에 연결되고 또한 바이패스 커패시터에 연결된다. 상기 PNP 드라이버 트랜지스터(P1)의 컬렉터는 네커티브 기준 전압()에 연결되고 또한 바이패스 커패시터에 연결된다. 상기 드라이버 트랜지스터들의 베이스들은 공통으로 연결된다. 큰 저항값을 갖는 저항들(R2 및 R3)은 상기 공통 노드를 각 전원 레일(rail)에 연결한다.The gate of the FET transistor is connected to a power source (< RTI ID = 0.0 > And connected to a pair of bipolar transistors (driver transistors) connected in a push-pull configuration through a DC isolation capacitor Cl. The driver transistors include an NPN transistor N1 and a PNP transistor P1. The collector of the NPN driver transistor (N1) ) And is also connected to the bypass capacitor. The collector of the PNP driver transistor < RTI ID = 0.0 > P1 < / RTI & ) And is also connected to the bypass capacitor. The bases of the driver transistors are connected in common. Resistors R2 and R3 having a large resistance value connect the common node to each power supply rail.

추가 NPN 바이폴라 트랜지스터(N2)는 공통 베이스 구성으로 연결된다. 상기추가 바이폴라 트랜지스터의 이미터는 저항(R4)을 통해에 연결되고 커패시터(C3)를 통해 상기 RF 입력 신호에 연결된다. 상기 추가 바이폴라 트랜지스터의 컬렉터는 인덕터(L2)를 통해에 연결되고 또한 바이패스 커패시터에 연결된다.The additional NPN bipolar transistor N2 is connected in a common base configuration. The emitter of the additional bipolar transistor is connected via a resistor R4 And is connected to the RF input signal via a capacitor C3. The collector of the additional bipolar transistor is coupled through an inductor (L2) And is also connected to the bypass capacitor.

도 25를 참조하면, 도 24의 회로에 대한 입력 전압 파형들(1-4)이 도시된다. 입력 전압(1)은 1아래로 레벨 시프트되고(전압(2)를 생성하면서) 그다음 상기 바이폴라 트랜지스터(N2)의 이미터에 인가된다. 큰 전압 스윙(3)이 상기 인덕터(L2)의 작용에 의해 상기 바이폴라 트랜지스터(N2)의 컬렉터에서 생성된다. 상기 전압 스윙은 노드(N)에서 상기 드라이버 트랜지스터들의 베이스들에 인가되는 전압(4)을 생성하기 위하여 아래로 레벨 시프트된다. 동작에 있어서, 상기 포지티브 하프-사이클동안 상기 추가 바이폴라 트랜지스터(N2)는 초기에 턴-오프된다. 전류는 상기 인덕터(L2)를 통해 상기 트랜지스터 쌍의 베이스들에 연결된 상기 커패시터(C2)내에 흐르는데, 이것은 상기 NPN 트랜지스터(N1)가 턴온되게 하고 상기 PNP 트랜지스터(P1)가 턴오프되도록 한다(도 26). 상기 DC 분리 커패시터(C1)는 상기전원으로부터 충전되는데, 이것은 상기 FET(M1)의 게이트 전위를 상승시키고, 상기 FET(M1)가 턴온되도록 한다(도 27). 네거티브 하프-사이클동안, 상기 추가 바이폴라 트랜지스터(N2)는 턴온된다. 전류는 상기 인턱터(L2)를 통해, 상기 추가 트랜지스터(N2)를 통해 상기레일로 흐른다. 또한 전류는 상기 PNP 트랜지스터(P1)의 베이스로부터 흐르고 상기 트랜지스터를 턴온시킨다. 상기 DC 분리 커패시터(C1)는 방전하고 상기 FET(M1)의 게이트 전위를 낮추며. 상기 FET(M1)가 턴오프되도록 한다. 상기 출력 네트워크는 이전에 설명된 것과 동일한 방식으로 동작한다.Referring to Fig. 25, input voltage waveforms 1-4 for the circuit of Fig. 24 are shown. The input voltage (1) is 1 Shifted down (generating voltage 2) and then applied to the emitter of the bipolar transistor N2. A large voltage swing 3 is generated in the collector of the bipolar transistor N2 by the action of the inductor L2. The voltage swing is shifted downward to produce a voltage (4) applied to the bases of the driver transistors at the node (N). In operation, the additional bipolar transistor N2 is initially turned off during the positive half-cycle. A current flows in the capacitor C2 connected to the bases of the transistor pair through the inductor L2 causing the NPN transistor N1 to turn on and the PNP transistor P1 to turn off ). The DC separation capacitor (C1) Which is charged from the power supply, raising the gate potential of the FET M1 and causing the FET M1 to be turned on (Fig. 27). During the negative half-cycle, the additional bipolar transistor N2 is turned on. The current flows through the inductor L2, through the additional transistor N2, It flows to the rail. Further, a current flows from the base of the PNP transistor P1 and turns on the transistor. The DC isolation capacitor (C1) discharges and lowers the gate potential of the FET (M1). The FET M1 is turned off. The output network operates in the same manner as previously described.

이제 도 28을 참조하면, 상기한 드라이버 회로가 사용될 수 있는 다단 RF 전력 증폭기에 대한 개략도가 도시된다. 결합 커패시터(), 커패시터() 및 인덕터()로 구성된 입력 정합 회로가 상기 회로의 입력 임피던스를 설정하는데 사용된다. 드라이버단() 및 최종단()은, 비록 다른 실시예들에 있어서 바이폴라 트랜지스터들이 사용될 수 있을지라도 FET들로서 도시된다. 상기 FET()의 드레인 전극은 RF 초크() 및 커패시터()를 포함하는 드레인 바이어스 네트워크를 통하여 전원 전압()에 연결된다. 유사하게, 상기 FET()의 드레인 전극은 RF 초크() 및 커패시터()를 포함하는 드레인 바이어스 네트워크를 통하여 전원 전압()에 연결된다.Referring now to FIG. 28, a schematic diagram for a multi-stage RF power amplifier in which the driver circuit described above can be used is shown. Coupling capacitor ( ), A capacitor ) And an inductor ) Is used to set the input impedance of the circuit. Driver stage ( ) And the final stage Are shown as FETs, although bipolar transistors may be used in other embodiments. The FET ( ) Is connected to the RF choke ) And capacitors Lt; RTI ID = 0.0 >(" . Similarly, the FET ( ) Is connected to the RF choke ) And capacitors Lt; RTI ID = 0.0 >(" .

상기 단들()에 각 게이트 바이어스 네트워크가 제공된다. 상기 단()의 경우에 있어서, 상기 게이트 바이어스 네트워크는 공통 노드에서 전압()에 연결된, 인덕터(), 커패시터() 및 커패시터()로 구성된다. 상기 단()의 경우에 있어서, 상기 게이트 바이어스 네트워크는 공통 노드에서 전압()에 연결된, 인덕터(), 커패시터() 및 커패시터()로 구성된다.The stages ( ) Are provided with respective gate bias networks. The stage ( ), The gate-bias network is at a common node < RTI ID = 0.0 > ), An inductor ), A capacitor ) And capacitors ). The stage ( ), The gate-bias network is at a common node < RTI ID = 0.0 > ), An inductor ), A capacitor ) And capacitors ).

상기 드라이버단 및 상기 최종단은 인덕터() 및 커패시터()로 구성된직렬 LC 결합으로서 여기에 도시된 단간 네트워크(interstage network)에 의해 연결되는데, 상기 인덕터 및 커패시터의 값들은 상기 최종단()의 입력 커패시턴스를 가지고 공진을 제공하도록 선택된다. 상기 최종단()은, 커패시터(), 인덕터() 및 커패시터()로 구성된 CLC 파이(Pi) 네트워크로서 본 예에서 설명된 종래의 부하 네트워크에 연결되는데, 상기 인덕터 및 커패시터들의 값들은 상기 최종단()의 특성에 따라 결정된다.The driver stage and the final stage are connected to an inductor ) And capacitors ), Which are connected by an interstage network shown here as values of the inductor and capacitor, Quot;) < / RTI > The final stage ( ) Is a capacitor ), An inductor ) And capacitors ) Connected to a conventional load network as described in this example, the values of the inductor and the capacitors being connected to the final stage ). ≪ / RTI >

예시적인 실시예에 있어서, 구성요소 값들은 다음과 같고, 여기에서 커패시턴스는 피코패럿(picofarad)으로 측정되고 인덕턴스는 나노헨리(nanohenry)로 측정된다:In an exemplary embodiment, the component values are as follows, where the capacitance is measured as a picofarad and the inductance is measured as a nanohenry:

커패시터Capacitor pfpf 인덕터Inductor nhnh 전압Voltage VV 2727 8.28.2 3.33.3 1010 3333 3.23.2 0.010.01 3333 -1.53-1.53 2727 4.74.7 -1.27-1.27 2727 NANA 2727 3939 NANA 1515 2727 2.72.7 0.010.01 2727 1.51.5 5.65.6

도 28의 예에 있어서, 상기 드라이버단, 단()은 스위치 모드에서 동작한다. 도 29를 참조하면, 노드 A에서 상기 단()으로의 입력 전압, 노드 B에서 상기 단()의 드레인 전류, 노드 C에서 상기 단()의 드레인 전압, 노드 D에서 상기 단()의 드레인 전류 및 노드 E에서 상기 단()의 드레인 전류를 도시한 파형도들이 제공된다. 상기 최종단, 단()의 게이트 전압의 피크 값이(파형 A) 종래의 설계들에서 보다 상당히 더 크다는 것을 주목하라. 이러한 구성에 있어서, 상기 스위치의 입력 드라이브는 상기 드라이버단의 동작 전압이 감소될 수 있도록 충분히 높을 수 있다. 게다가 상기 감소는 상기 드라이버로의 DC 공급 전력을 감소시키고 이것은 PAE를 높인다.In the example of Fig. 28, Operate in switch mode. Referring to FIG. 29, in node A, The input voltage to node B, The drain current of node C, ) At node D, the drain voltage of node ) At node E and the drain current at node E ≪ / RTI > are provided. The final stage, stage ( Note that the peak value of the gate voltage of the gate electrode (waveform A) is considerably larger than in the conventional designs. In such a configuration, the input drive of the switch may be high enough to reduce the operating voltage of the driver stage. In addition, the reduction reduces the DC supply power to the driver, which increases the PAE.

설명된 유형의 회로들을 사용하여, 72%의 PAE가 2W의 출력 전력에서 측정되었다.Using the described types of circuits, a PAE of 72% was measured at an output power of 2W.

따라서, 피드백에 대한 필요없이 그리고 고전력-부가 효율을 가지고 원하는 RF 파형의 정밀한 발생을 허용하는, 구동 회로들 및 다단 증폭기 회로를 포함하는, 전력 증폭기 회로 구성들이 설명되었다.Thus, power amplifier circuit configurations have been described that include driving circuits and multi-stage amplifier circuits that allow precise generation of desired RF waveforms with no need for feedback and with high power-adding efficiency.

Claims (21)

레벨 제어, 버스트 제어 및 변조 중 적어도 하나를 수행하기 위한 제어 신호에 따라 전압 범위내의 특정 전압을 생성하기 위한 전압 조정기 수단; 및Voltage regulator means for generating a specific voltage within a voltage range in accordance with a control signal for performing at least one of level control, burst control and modulation; And 전원 전압으로서 상기 특정 전압을 갖는 최종 증폭단을 포함하고, 상기 최종 증폭단이 시간의 분명한 백분율동안 선형 동작 영역에서 상기 증폭기를 동작시키지 않고 하드-온(hard-on) 상태 및 하드-오프(hard-off) 상태, 두 상태 사이에서 반복적으로 구동되도록 하는 구동 신호를 갖는 전력 증폭기를 포함하며,And a final amplification stage having said specific voltage as a power supply voltage and wherein said final amplification stage is in a hard-on state and a hard-off state without operating said amplifier in a linear operating region for a definite percentage of time ) State, a power amplifier having a driving signal to be repeatedly driven between two states, 상기 증폭기는 연속적이거나 빈번한 피드백 조정없이 제어되는 것을 특징으로 하는 가변 출력 RF 전력 증폭기.Wherein the amplifier is controlled without continuous or frequent feedback adjustment. 제2항에 있어서, 상기 전압 조정기 수단은 제1 스위치-모드 변환기단 및 제2 선형 조정기단을 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 출력 RF 전력 증폭기.3. The variable output RF power amplifier of claim 2, wherein the voltage regulator means comprises a first switch-mode converter stage and a second linear regulator stage. 제2항에 있어서, 상기 스위치-모드 변환기단은 거친 레벨 제어를 제공하고 상기 선형 조정기단은 미세한 램프(ramp) 제어를 제공하는 것을 특징으로 하는 가변 출력 RF 전력 증폭기.3. The variable output RF power amplifier of claim 2, wherein the switch-mode converter stage provides coarse level control and the linear adjuster stage provides fine ramp control. 제3항에 있어서, 상기 전력 증폭기는 하드-리미티드(hard-limited)되는 것을 특징으로 하는 가변 출력 RF 전력 증폭기.4. The variable output RF power amplifier of claim 3, wherein the power amplifier is hard-limited. 제4항에 있어서, 상기 전력 증폭기는 클래스 A, 클래스 AB 및 클래스 C 증폭기들로 이루어진 그룹중에서 선택된 어느 하나의 포화 증폭기인 것을 특징으로 하는 가변 출력 RF 전력 증폭기.5. The variable output RF power amplifier of claim 4, wherein the power amplifier is any saturation amplifier selected from the group consisting of Class A, Class AB and Class C amplifiers. 제3항에 있어서, 상기 전력 증폭기는 스위치-모드 증폭기인 것을 특징으로 하는 가변 출력 RF 전력 증폭기.4. The variable output RF power amplifier of claim 3, wherein the power amplifier is a switch-mode amplifier. 제3항에 있어서, 상기 전력 증폭기는 클래스 C 증폭기인 것을 특징으로 하는 가변 출력 RF 전력 증폭기.4. The variable output RF power amplifier of claim 3, wherein the power amplifier is a Class C amplifier. 제2항에 있어서, 상기 스위치-모드 변환기단은 레벨 제어 및 램프 제어를 제공하는 것을 특징으로 하는 가변 출력 RF 전력 증폭기.3. The variable output RF power amplifier of claim 2, wherein the switch-mode converter stage provides level control and ramp control. 제2항에 있어서, 상기 선형 조정기단은 램프 제어 및 레벨 제어를 제공하는 것을 특징으로 하는 가변 출력 RF 전력 증폭기.3. The variable output RF power amplifier of claim 2, wherein the linear regulating base provides ramp control and level control. 제2항에 있어서, 상기 제어 신호를 수신하고 그에 응답하여 상기 스위치-모드 변환기단을 위한 제1 제어 신호 및 상기 선형 조정기단을 위한 제2 제어 신호를 생성하기 위한 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 출력 RF 전력 증폭기.3. The apparatus of claim 2 further comprising means for receiving the control signal and responsive thereto for generating a first control signal for the switch-mode converter stage and a second control signal for the linear regulator stage, Variable output RF power amplifier. 제2항에 있어서, 상기 스위치-모드 변환기단을 위한 제1 제어 신호 및 상기 선형 조정기단을 위한 제2 제어 신호를 생성하기 위하여 변조 신호에 응답하는 진폭 구동기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 출력 RF 전력 증폭기.3. The apparatus of claim 2, further comprising an amplitude driver responsive to a modulation signal to generate a first control signal for the switch-mode converter stage and a second control signal for the linear regulator stage, RF power amplifier. 제2항에 있어서, 위상 변조 특성을 갖는 반송파 신호를 발생시키기 위하여 위상 제어 신호에 응답하는 수단을 더 포함하고 상기 반송파 신호는 상기 RF 전력 증폭기에 인가되는 것을 특징으로 하는 가변 출력 RF 전력 증폭기.3. The variable output RF power amplifier of claim 2, further comprising means responsive to a phase control signal to generate a carrier signal having phase modulation characteristics, wherein the carrier signal is applied to the RF power amplifier. 제12항에 있어서, 상기 변조 신호는 진폭 제어 신호이고, 상기 RF 신호는 진폭 변조되는 것을 특징으로 하는 가변 출력 RF 전력 증폭기.13. The variable output RF power amplifier of claim 12, wherein the modulating signal is an amplitude control signal and the RF signal is amplitude modulated. 제13항에 있어서, 상기 진폭 제어 신호 및 상기 위상 제어 신호를 발생시키기 위한 데이터 신호에 응답하는 변조 인코더를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 출력 RF 전력 증폭기.14. The variable output RF power amplifier of claim 13, further comprising a modulation encoder responsive to a data signal for generating the amplitude control signal and the phase control signal. 제14항에 있어서, 상기 변조 인코더는 극 좌표 시스템에서 동작하는 것을 특징으로 하는 가변 출력 RF 전력 증폭기.15. The variable output RF power amplifier of claim 14, wherein the modulation encoder operates in a polar coordinate system. 제2항에 있어서, 복수의 증폭기 모듈들 및 전체 진폭 신호에 응답하여 하나이상의 진폭 구동 신호들을 발생시키기 위한 진폭 구동기를 더 포함하고, 상기 각 증폭기 모듈은,3. The apparatus of claim 2, further comprising a plurality of amplifier modules and an amplitude driver for generating one or more amplitude drive signals in response to the total amplitude signal, 전력 입력, 전력 출력 및 제어 입력을 갖는 스위치 모드 변환기;A switch mode converter having a power input, a power output and a control input; 전력 입력, 전력 출력 및 제어 입력을 갖는 조정기;A regulator having a power input, a power output, and a control input; 변조 신호에 응답하여 상기 스위치 모드 변환기의 상기 제어 입력에 연결된 제1 제어 신호 및 상기 조정기의 상기 제어 입력에 연결된 제2 제어 신호를 생성하기 위한 진폭 구동기; 및An amplitude driver for generating a first control signal coupled to the control input of the switch mode converter in response to the modulation signal and a second control signal coupled to the control input of the regulator; And 비-선형 동작가능 모드를 갖는 RF 전력 증폭기를 포함하며,Comprising an RF power amplifier having a non-linear operable mode, 상기 조정기의 상기 전력 입력은 상기 스위치-모드 변환기의 상기 전력 출력에 연결되고, 상기 조정기의 전력 출력은 상기 RF 전력 증폭기의 동작 전압을 공급하며, RF 신호는 모든 상기 RF 전력 증폭기들에 공통으로 인가되고, 진폭 구동 신호는 상기 RF 전력 증폭기들 각각에 인가되는 것을 특징으로 하는 가변 출력 RF 전력 증폭기.The power input of the regulator being coupled to the power output of the switch-mode converter, the power output of the regulator supplying an operating voltage of the RF power amplifier, and the RF signal being common to all the RF power amplifiers And an amplitude drive signal is applied to each of the RF power amplifiers. 제16항에 있어서, 개별적인 각 진폭 구동 신호들이 상기 RF 전력 증폭기들 각각을 위해 발생되는 것을 특징으로 하는 가변 출력 RF 전력 증폭기.17. The variable output RF power amplifier of claim 16, wherein separate angular amplitude drive signals are generated for each of the RF power amplifiers. 제16항에 있어서, 단일 진폭 구동 신호가 모든 상기 RF 전력 증폭기들에 공통으로 인가되는 것을 특징으로 하는 가변 출력 RF 전력 증폭기.17. The variable output RF power amplifier of claim 16, wherein a single amplitude drive signal is commonly applied to all of the RF power amplifiers. 레벨 제어, 버스트 제어 및 변조 중 적어도 하나를 수행하기 위한 제어 신호에 따라 특정 전압을 발생시키는 단계;Generating a specific voltage according to a control signal for performing at least one of level control, burst control, and modulation; 상기 전력 증폭기의 최종 증폭단의 전원 전압으로서 전력 증폭기에 상기 특정 전압을 인가하는 단계; 및Applying the specific voltage to a power amplifier as a power supply voltage of a final amplification stage of the power amplifier; And 시간의 분명한 백분율동안 선형 동작 영역에서 상기 증폭기를 동작시키지 않고 하드-온(hard-on) 상태 및 하드-오프(hard-off) 상태, 두 상태 사이에서 상기 최종 증폭단을 반복적으로 구동시키는 단계를 포함하고,Repeatedly driving the final amplification stage between the two states, a hard-on state and a hard-off state, without operating the amplifier in a linear operating region for a definite percentage of the time and, 상기 증폭기는 연속적이거나 빈번한 피드백 조정없이 제어되는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기 제어 방법.Wherein the amplifier is controlled without continuous or frequent feedback adjustments. 제19항에 있어서, RF 입력 신호를 상기 RF 증폭기에 인가하는 단계를 더 포함하고, 상기 RF 입력 신호는 위상 변조되는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기 제어 방법.20. The method of claim 19, further comprising the step of applying an RF input signal to the RF amplifier, wherein the RF input signal is phase modulated. 제20항에 있어서, 진폭 신호 및 위상 신호를 생성하기 위하여 데이터를 극 좌표들로 인코딩하는 단계; 및21. The method of claim 20, further comprising: encoding data to polar coordinates to generate an amplitude signal and a phase signal; And 상기 위상 신호에 따라 상기 RF 입력 신호를 발생시키는 단계를 더 포함하며,Generating the RF input signal in accordance with the phase signal, 상기 변조 신호는 상기 진폭 신호로부터 유도되는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기 제어 방법.Wherein the modulated signal is derived from the amplitude signal.
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