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KR101065903B1 - High-Efficiency Linear Power Amplification System Using Oscillator - Google Patents

High-Efficiency Linear Power Amplification System Using Oscillator Download PDF

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KR101065903B1
KR101065903B1 KR1020030092764A KR20030092764A KR101065903B1 KR 101065903 B1 KR101065903 B1 KR 101065903B1 KR 1020030092764 A KR1020030092764 A KR 1020030092764A KR 20030092764 A KR20030092764 A KR 20030092764A KR 101065903 B1 KR101065903 B1 KR 101065903B1
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전영상
남상욱
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Abstract

본 발명은 발진기를 이용한 고효율 선형 전력증폭 시스템(High-Efficiency Linear Power Amplification System Using Oscillator)에 관한 것이다.The present invention relates to a high-efficiency linear power amplification system using an oscillator.

본 발명에서는 발진기(oscillator)를 이용하여 입력 신호를 고효율로 선형 증폭하는 방법을 제시하고 있다. 본 발명에서는 외부의 입력 신호가 들어오면 입력 신호는 위상(phase) 신호와 포락선(envelope) 신호로 분리되고, 분리된 위상 신호는 자유발진(free-running)하는 발진기에 인가되어 발진기를 동기화(synchronization) 시키며, 분리된 포락선 신호는 동기화된 상기 발진기를 진폭 변조(amplitude modulation)시키는 구조를 제시하고 있다.The present invention proposes a method for linearly amplifying an input signal with high efficiency using an oscillator. In the present invention, when an external input signal is input, the input signal is divided into a phase signal and an envelope signal, and the separated phase signal is applied to a free-running oscillator to synchronize the oscillator. The separated envelope signal provides a structure for amplitude modulation of the synchronized oscillator.

본 발명에 의하면 발진기를 변조하여 증폭기로 사용하는 것이므로, 효율(efficiency)이 높으며, 작은 입력신호로도 큰 출력을 동기화 시킬 수 있으므로 이득(gain)이 크다는 장점이 있다. 또, 입력 신호에 의해 발진기의 출력이 변조되므로 선형 증폭이 가능하다.According to the present invention, since the oscillator is modulated and used as an amplifier, the efficiency is high, and a large gain can be synchronized even with a small input signal, thereby increasing the gain. In addition, since the output of the oscillator is modulated by the input signal, linear amplification is possible.

발진기(Oscillator), 주입동기식 발진기(Injection Locked Oscillator), 진폭 변조(Amplitude Modulation(AM)), 전력증폭기(Power Amplifier)Oscillator, Injection Locked Oscillator, Amplitude Modulation (AM), Power Amplifier

Description

발진기를 이용한 고효율 선형 전력증폭 시스템{High-Efficiency Linear Power Amplification System Using Oscillator}High-Efficiency Linear Power Amplification System Using Oscillator

도 1은 종래의 구동증폭기(drive amplifier)를 이용한 고효율 전력증폭 시스템의 구조와 입출력 특성.1 is a structure and input / output characteristics of a high efficiency power amplifier system using a conventional drive amplifier.

도 2는 종래의 정 되돌림(positive feedback)을 이용한 고효율 전력증폭 시스템의 구조와 입출력 특성.2 is a structure and input / output characteristics of a high efficiency power amplification system using a conventional positive feedback.

도 3은 본 발명에 따른 고효율 선형 전력증폭 시스템의 제1 실시예.3 is a first embodiment of a high efficiency linear power amplification system according to the present invention;

도 4는 본 발명에 따른 고효율 선형 전력증폭 시스템의 제2 실시예.4 is a second embodiment of a high efficiency linear power amplification system according to the present invention;

(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)(Explanation of symbols for the main parts of the drawing)

32: 신호분리기 33: 위상 신호32: signal separator 33: phase signal

34: 포락선 신호 35: 주입동기식 전력발진기34: envelope signal 35: injection synchronous power oscillator

36: 대역통과필터36: bandpass filter

본 발명은 발진기를 이용한 고효율 선형 전력증폭 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a high efficiency linear power amplification system using an oscillator.

다양한 이동통신 서비스가 제공되면서, 이동통신 단말기의 효율이 중요한 문 제로 떠오르고 있다. 휴대용 배터리의 용량과 크기에 한계가 있기 때문에, 이동통신 단말기 회로를 저전력으로 설계하는 것이 필요하다. 현재 이동통신 단말기에서 전력을 가장 많이 소모하는 부품은 전력증폭기로, 고효율 전력증폭기에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. E급, F급 전력증폭기(class E/F Power Amplifier)는 고효율 전력증폭기의 하나의 예로, 전력증폭기를 스위칭 모드(switching mode)로 동작시킨다. 그러나 E급, F급 전력증폭기를 스위칭 모드로 동작시키기 위해서는 구형파(rectangular waveform)의 입력이 필요한데, RF 대역에서 구형파의 입력을 만들 수 없기 때문에 보통은 스위칭 모드가 아닌 포화모드(saturation mode)에서 동작을 시킨다.As various mobile communication services are provided, the efficiency of mobile communication terminals is emerging as an important issue. Due to the limited capacity and size of portable batteries, it is necessary to design mobile communication terminal circuits at low power. Currently, the components that consume the most power in mobile communication terminals are power amplifiers, and research on high efficiency power amplifiers is being actively conducted. Class E and F power amplifiers (class E / F power amplifier) is an example of a high-efficiency power amplifier, the power amplifier operates in the switching mode (switching mode). However, in order to operate the E-class or F-class power amplifiers in the switching mode, a rectangular waveform input is required. Since the square wave input cannot be made in the RF band, it is usually operated in the saturation mode rather than the switching mode. Let.

포화모드로 전력증폭기를 동작시키기 위해서는 큰 입력 신호가 필요한데, 이를 위해서 전력증폭기 앞에 구동증폭기(drive amplifier)를 사용하거나, 정 되돌림(positive feedback) 회로를 사용하여 큰 입력 신호가 전력증폭기를 구동할 수 있도록 설계된다.To operate the power amplifier in saturation mode, a large input signal is required. A large input signal can be driven by using a drive amplifier in front of the power amplifier, or by using a positive feedback circuit. It is designed to be.

도 1은 종래의 구동증폭기(drive amplifier)(12)를 이용한 고효율 전력증폭 시스템의 구조와 입출력 특성(15)을 나타내며, 도 2는 종래의 정 되돌림(positive feedback)(22)을 이용한 고효율 전력증폭 시스템의 구조와 입출력 특성(25)을 나타낸다. 상기와 같이 E급 혹은 F급으로 설계된 고효율 전력증폭기는 포화모드에서 동작하므로 높은 효율을 가지나, 도 1, 2의 입출력 특성에서 보듯이 입력신호의 크기에 따라 출력의 크기가 선형적으로 변하지 않는다. 그러므로 입력의 크기가 변하는 CDMA 신호나 AM(Amplitude Modulation) 신호가 인가될 경우, 출력 신호에 왜곡(distortion)이 생긴다는 문제점이 있다.1 shows the structure and input / output characteristics 15 of a high efficiency power amplifier system using a conventional drive amplifier 12, and FIG. 2 shows a high efficiency power amplifier using a conventional positive feedback 22. The structure and input / output characteristics 25 of the system are shown. As described above, the high-efficiency power amplifier designed in class E or F has a high efficiency because it operates in the saturation mode, but as shown in the input / output characteristics of FIGS. 1 and 2, the output size does not change linearly according to the size of the input signal. Therefore, when a CDMA signal or an AM (Amplitude Modulation) signal whose input size is changed is applied, there is a problem that distortion occurs in the output signal.

본 발명은 상술한 문제점들을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 높은 효율을 가지면서도 선형성(linearity)을 갖는 전력증폭기 시스템을 제시하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and an object thereof is to provide a power amplifier system having high efficiency and linearity.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 주입동기식 발진기(Injection Locked Oscillator)를 이용하여 고효율 선형 증폭 시스템을 구현하는 것이다.In order to achieve the above object, the present invention is to implement a high efficiency linear amplification system using an injection locked oscillator (Injection Locked Oscillator).

주입동기식 발진기(Injection Locked Oscillator)는 일종의 PLL(Phase Locked Loop)로, 자유발진(free-running)하고 있는 발진기에 입력신호를 인가하여 안정된 신호를 얻는 회로이다. Free-running 신호는 외부의 환경이나 능동소자의 잡음에 의해 신호가 흔들리지만, 외부에서 안정된 신호가 들어오면 상기의 잡음에 관계없이 외부의 신호에 의해 동기화(synchronization)된다. 즉, 발진 주파수는 외부에서 인가한 입력 신호 주파수와 같게 되는데, 상기와 같은 주입동기식 발진기는 높은 이득을 가지며, 포화모드(saturation mode)에서 동작하므로 효율이 높다는 특징을 가지고 있다. 그러나 주입동기식 발진기 자체의 입출력 특성은, 포화영역에서 동작하므로 종래의 E급 혹은 F급 증폭 시스템과 마찬가지로 비선형성을 가진다.Injection locked oscillator (Injection Locked Oscillator) is a PLL (Phase Locked Loop), a circuit that obtains a stable signal by applying an input signal to a free-running oscillator. The free-running signal is shaken by the noise of the external environment or the active element, but when a stable signal is input from the outside, the free-running signal is synchronized by the external signal regardless of the noise. That is, the oscillation frequency is the same as the input signal frequency applied from the outside, the injection synchronous oscillator as described above has a high gain, because it operates in the saturation mode (saturation mode) is characterized by high efficiency. However, since the input / output characteristics of the injection synchronous oscillator itself operate in the saturation region, they have nonlinearity as in the conventional class E or F amplifier system.

본 발명은 이러한 고효율, 고이득의 주입동기식 발진기의 특성을 가지면서도 선형성을 유지하도록, 상기의 주입동기식 발진기의 출력을 입력 신호에 따라 변조시키는 것을 기술적 특징으로 한다. The present invention is characterized by modulating the output of the injection synchronous oscillator according to an input signal to maintain the linearity while maintaining the characteristics of the high efficiency, high gain injection synchronous oscillator.                     

이하에서는 본 발명에 의한 주입동기식 발진기를 이용한 고효율 선형 전력증폭 시스템에 대하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a high efficiency linear power amplification system using an injection synchronous oscillator according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 3은 본 발명에 따른 주입동기식 발진기를 이용한 고효율 선형 전력증폭 시스템 제1 실시예이다.3 is a first embodiment of a high efficiency linear power amplification system using an injection synchronous oscillator according to the present invention.

본 발명에 의하면, 입력 신호(31)가 들어오면 신호분리기(32)에 의해서 위상(phase) 신호(33)와 포락선(envelope) 신호(34)로 분리된다. 상기 위상 신호는 반송파(carrier)를 포함하고 있는 고주파 신호이고, 상기 포락선 신호는 캐리어를 제거한 기저대역(baseband) 신호이다.According to the present invention, when the input signal 31 is input, the signal separator 32 separates the phase signal 33 and the envelope signal 34. The phase signal is a high frequency signal including a carrier, and the envelope signal is a baseband signal from which carriers are removed.

그리고 분리된 위상 신호는 주입동기식 전력발진기(35)에 직접 인가되어 주입동기식 전력발진기를 동기화(synchronization)시키며, 분리된 포락선 신호는 주입동기식 발진기에 인가되어 발진기를 진폭 변조(Amplitude Modulation)시키는 역할을 한다. 위상 신호는 반송파를 포함하고 있는 고주파 신호이므로 주입동기식 전력발진기의 발진 주파수를 위상 신호와 동일하게 동기화 시킬 수 있으며, 포락선 신호는 기저대역 신호이므로 주입동기식 전력발진기의 출력 신호를 상대적으로 서서히 움직여서 진폭 변조를 가능하게 한다. 주입동기식 전력발진기를 진폭 변조시키는 요소로는 트랜지스터의 드레인 바이어스(drain bias), 게이트 바이어스(gate bias), 발진기의 로드(load) 등이 있다. 즉, 트랜지스터의 드레인 바이어스(drain bias), 게이트 바이어스(gate bias), 발진기의 로드(load) 등의 변화에 비례하여 주입동기식 발진기의 출력 신호가 변하는 특성을 이용한 것이다.The separated phase signal is directly applied to the injection synchronous power oscillator 35 to synchronize the injection synchronous power oscillator, and the separated envelope signal is applied to the injection synchronous oscillator to play the role of amplitude modulation (Amplitude Modulation). do. Since the phase signal is a high frequency signal including a carrier wave, the oscillation frequency of the injection synchronous power oscillator can be synchronized with the phase signal, and the envelope signal is the baseband signal. To make it possible. Elements that modulate the amplitude of the injection synchronous power oscillator include a drain bias of a transistor, a gate bias, a load of an oscillator, and the like. In other words, the output signal of the synchronous oscillator changes in proportion to changes in the drain bias, the gate bias, and the load of the oscillator.

마지막으로 주입동기식 전력발진기의 출력에 대역통과필터(36)를 연결하여 원하지 않는 신호를 걸러낸다.Finally, the bandpass filter 36 is connected to the output of the injection synchronous power oscillator to filter out unwanted signals.

상기와 같이 본 발명에서 입력 신호를 위상 신호와 포락선 신호로 분리했다가 다시 합치는 이유는 효율을 향상시키기 위함이다. 포락선이 시간적으로 변하는 입력 신호는 고효율로 선형증폭 할 수 없기 때문이다. 예를 들어, 현재 포락선이 변하는 CDMA 신호의 경우 약 10% 정도의 증폭 효율을 가진다. 그러나 상기 입력 신호를 위상 신호와 포락선 신호로 분리할 경우, 각각에 대해서는 100% 효율로 증폭할 수 있다.As described above, in the present invention, the input signal is separated into a phase signal and an envelope signal and then recombined in order to improve efficiency. This is because an input signal whose envelope changes in time cannot be linearly amplified with high efficiency. For example, a CDMA signal whose current envelope is changed has an amplification efficiency of about 10%. However, when the input signal is separated into a phase signal and an envelope signal, each of the input signals can be amplified at 100% efficiency.

본 발명은 입력 신호가 들어오면 일단 위상과 포락선 신호로 분리된 후, 상기의 각 신호들이 증폭된 후 다시 합쳐지는 방식이며, 이때의 증폭은 항상 포화모드에서 동작하는 주입동기식 전력발진기를 이용하므로 높은 효율을 유지한다. 또 입력 신호의 포락선에 비례하여 출력 신호가 나오므로, 입출력 특성(38)을 보면 항상 선형 특성을 유지함을 알 수 있다.The present invention is a method in which an input signal is separated into a phase and an envelope signal, and then each of the above signals is amplified and then recombined, and the amplification is high because the synchronous power oscillator operates in a saturation mode. Maintain efficiency. In addition, since the output signal is output in proportion to the envelope of the input signal, it can be seen from the input / output characteristic 38 that the linear characteristic is always maintained.

도 4는 본 발명에 따른 주입동기식 발진기를 이용한 고효율 선형 전력증폭 시스템 제2 실시예이다.4 is a second embodiment of a high efficiency linear power amplification system using an injection synchronous oscillator according to the present invention.

본 발명의 제 2 실시예는 포락선 신호(44)를 펄스 부호 변조기(Pulse Code Modulator)(49)를 통해 변조한 후 주입동기식 전력발진기(45)를 변조한다는 점에서 본 발명의 제 1 실시예와 다를 뿐, 다른 구조는 모두 동일하다.The second embodiment of the present invention modulates the injection synchronous power oscillator 45 after modulating the envelope signal 44 through a pulse code modulator 49. All other structures are the same, only different.

포락선 신호를 펄스 부호 변조를 하는 이유는 포락선 신호에 따라서 주입동기식 전력발진기를 온(ON)/오프(OFF)의 스위칭 영역에서 동작시키기 위해서이다. 스위칭 동작을 하는 주입동기식 전력발진기의 출력이 대역통과필터(46)를 통과하 면, 스위칭에 의한 하모닉 주파수 성분이 제거되므로 입력 신호가 그대로 복원된다.The reason for performing pulse code modulation on the envelope signal is to operate the injection synchronous power oscillator in the ON / OFF switching region according to the envelope signal. When the output of the injection synchronous power oscillator performing the switching operation passes through the band pass filter 46, the harmonic frequency component due to the switching is removed, so that the input signal is restored as it is.

더욱이 주입동기식 전력발진기(45)가 온(ON)/오프(OFF) 영역에서 동작하므로 효율은 향상되면서, 복조이론에 의해 출력 신호의 크기도 입력 신호에 비례한다. 그러므로 입출력 특성(48)을 보면 항상 선형 특성을 유지함을 알 수 있다.Furthermore, since the injection synchronous power oscillator 45 operates in the ON / OFF region, the efficiency is improved, and the magnitude of the output signal is proportional to the input signal by the demodulation theory. Therefore, the input / output characteristic 48 shows that the linear characteristic is always maintained.

본 발명에서 증폭 시스템의 효율을 더욱 향상시키기 위해, 상기의 주입동기식 전력발진기는 E급 혹은 F급(class E or class F)으로 설계될 수도 있다.In order to further improve the efficiency of the amplification system in the present invention, the injection synchronous power oscillator may be designed in class E or class F (class E or class F).

이상의 본 발명은 상기한 실시 예들에 한정되지 않고 당업자들에 의해 다양한 변형 및 변경을 가져 올 수 있으며, 이는 첨부된 청구항에서 정의되는 본 발명의 취지와 범위에 포함된다.The present invention is not limited to the above embodiments and may be variously modified and changed by those skilled in the art, which are included in the spirit and scope of the present invention as defined in the appended claims.

본 발명에 의하면 주입동기식 발진기를 진폭 변조하여 증폭기로 사용하는 것이므로, 주입동기식 발진기의 특성상 높은 이득, 높은 효율을 가지고 동시에 진폭 변조 특성으로 인해 선형성을 갖는다.According to the present invention, since the synchronous oscillator is amplitude-modulated and used as an amplifier, the synchronous oscillator has high gain and high efficiency due to the characteristics of the synchronous oscillator and at the same time has linearity due to the amplitude modulation characteristics.

Claims (3)

입력 신호(31)를 위상 신호(33)와 포락선 신호(34)로 분리하기 위한 신호분리기(32), 상기의 위상 신호를 포화모드(saturation mode) 형태로 증폭시키기 위한 주입동기식 전력발진기(Injection Locked Power Oscillator)(35), 상기의 주입동기식 전력발진기의 출력에 연결되어 대역외 신호(out-of-band signal)를 억제하기 위한 대역통과필터(36)로 구성되고,A signal separator 32 for separating the input signal 31 into a phase signal 33 and an envelope signal 34, and an injection synchronous power oscillator for amplifying the phase signal in the form of a saturation mode. Power Oscillator 35, and a band pass filter 36 connected to the output of the injection synchronous power oscillator to suppress the out-of-band signal, 상기의 위상 신호는 상기 주입동기식 전력발진기에 직접 인가되어 주입동기식 전력발진기를 동기화(synchronization)시키고, 상기의 포락선 신호는 주입동기식 전력발진기의 출력을 진폭 변조(Amplitude Modulation)하여 입력 신호를 복원하는 것을 특징으로 하는 고효율 선형 전력증폭 시스템.The phase signal is directly applied to the injection synchronous power oscillator to synchronize the injection synchronous power oscillator, and the envelope signal restores the input signal by amplitude modulation of the output of the injection synchronous power oscillator. High efficiency linear power amplification system. 제1항에 있어서, 상기 주입동기식 전력발진기는The method of claim 1, wherein the injection synchronous power oscillator E급 혹은 F급(Class E or F)으로 동작하는 것을 특징으로 하는 고효율 선형 전력증폭 시스템.High efficiency linear power amplification system characterized by operating in class E or F (Class E or F). 입력 신호(41)를 위상 신호(43)와 포락선 신호(44)로 분리하기 위한 신호분리기(42), 상기의 위상 신호를 포화모드(saturation mode)로 증폭시키기 위한 주입동기식 전력발진기(Injection Locked Power Oscillator)(45), 상기의 포락선 신호를 펄스 부호로 변조하기 위한 펄스 부호 변조기(Pulse Code Modulator)(49), 상기의 주입동기식 전력발진기의 출력에 연결되어 입력 신호를 복조하기 위한 대역통과필터(46)로 구성되고,A signal separator 42 for separating the input signal 41 into a phase signal 43 and an envelope signal 44, and an injection locked power oscillator for amplifying the phase signal in saturation mode. Oscillator 45, a pulse code modulator 49 for modulating the envelope signal into a pulse code, and a band pass filter connected to an output of the injection synchronous power oscillator to demodulate an input signal. 46), 상기의 위상 신호(43)는 상기 주입동기식 전력발진기에 직접 인가되어 주입동기식 전력발진기를 동기화(synchronization)시키고, 상기의 펄스 부호 변조된 신호는 주입동기식 전력발진기의 출력을 온/오프(ON/OFF)로 스위칭 시키며, 상기의 주입동기식 전력발진기의 출력은 대역통과필터에 입력되어 입력 신호를 복원하는 것을 특징으로 하는 고효율 선형 전력증폭 시스템.The phase signal 43 is directly applied to the injection synchronous power oscillator to synchronize the injection synchronous power oscillator, and the pulse code modulated signal turns the output of the injection synchronous power oscillator ON / OFF. And the output of the injection synchronous power oscillator is input to the band pass filter to restore the input signal.
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