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KR20220094935A - 전력 증폭기의 보호 회로 및 이를 포함하는 전력 증폭기 - Google Patents

전력 증폭기의 보호 회로 및 이를 포함하는 전력 증폭기 Download PDF

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KR20220094935A
KR20220094935A KR1020200186673A KR20200186673A KR20220094935A KR 20220094935 A KR20220094935 A KR 20220094935A KR 1020200186673 A KR1020200186673 A KR 1020200186673A KR 20200186673 A KR20200186673 A KR 20200186673A KR 20220094935 A KR20220094935 A KR 20220094935A
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KR
South Korea
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transistor
current
terminal
power supply
power
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Application number
KR1020200186673A
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Inventor
김규석
허영식
이건용
Original Assignee
삼성전기주식회사
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Publication date
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Priority to CN202110918957.4A priority patent/CN114696756A/zh
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Abstract

전원 전압을 공급 받는 전력 트랜지스터, 그리고 상기 전력 트랜지스터에 바이어스 전류를 제공하는 바이어스 회로를 포함하는 전력 증폭기를 보호하는 보호 회로가 개시될 수 있다. 상기 보호 회로는, 바이어스 회로의 단자와 접지 사이에 연결되며, 상기 바이어스 회로의 상기 단자로부터 제1 전류를 싱크하는 제1 트랜지스터, 그리고 상기 전원 전압에 제1 단자가 연결되고 상기 제1 트랜지스터의 제어 단자에 제2 단자가 연결되며, 기준 전압에 제어 단자가 연결되는 제2 트랜지스터를 포함할 수 있다.

Description

전력 증폭기의 보호 회로 및 이를 포함하는 전력 증폭기{PROTECTION CIRCUIT OF POWER AMPLIFIER AND POWER AMPLIFIER INCLUDING THE SAME}
본 기재는 전력 증폭기의 보호 회로 및 이를 포함하는 전력 증폭기에 관한 것이다.
무선 통신 시스템은 통신 규격의 진화에 따라 다양한 디지털 변복조 방식을 적용하고 있다. 기존의 CDMA(Code Division Multiple Access) 통신 시스템은 QPSK(Quadrature Phase Shift Keying) 방식을 채용하고 있으며, IEEE의 통신 규격을 따른 무선랜(Wireless LAN)은 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 방식을 채용하고 있다. 그리고 최근의 3GPP의 표준 규격인 LTE(Long Term Evolution) 및 LTE-Advanced는 QPSK, QAM(Quadrature Amplitude Modulation), 그리고 OFDM 방식을 채용하고 있다. 이러한 무선 통신 규격들은 송신 신호의 크기 또는 위상이 전송 중 유지되는 것을 요구하는 선형 변조 방식을 채용하고 있다.
무선 통신 시스템에 사용되는 송신 장치는 전송 거리를 높이기 위해, RF(Radio Frequency) 신호를 증폭하는 전력 증폭기를 포함하고 있다. 따라서, 전력 증폭기는 송신 신호의 크기 및 위상에 대한 선형성(linearity)을 유지하면서 증폭하는 것이 필요하다. 여기서, 선형성이란 입력 신호의 변동에 따라 출력 신호의 전력이 일정하게 증폭됨과 동시에 위상도 유지되는 것을 의미한다.
차세대 무선 통신 시스템은 광대역화, 멀티미디어화, 그리고 지능화 등이 추세이고, 이에 따라 전력 증폭기도 광대역화, 선형성 향상, 그리고 지능화에 대한 요구가 증가하고 있다. 이에 따라 EER(Envelope Elimination and Restoration) 전력 증폭기, 디지털 사전왜곡(Digital Predistortion) 전력 증폭기, 도허티(Doherty) 전력 증폭기, 그리고 스위치 모드 전력 증폭기 등의 설계 기법에 대한 연구 개발이 활발이 진행되고 있다. 그리고 GaN 전력 증폭기 및 CMOS 전력 증폭기 등에 대한 연구 개발도 활발이 진행되고 있다. 이와 같이 무선 통신 시스템의 멀티미디어 서비스 확산과 고속 통신 기능의 수요를 충족 시키기 위해, 전력 증폭기에 대한 광대역 특성 및 비선형 특성을 개선하기 위한 연구도 지속적으로 진행되고 있다.
한편, 전력 증폭기는 외부의 환경에 영향을 줄이는 강건성(ruggedness) 설계가 필요하다. 전력 증폭기는 외부에서 공급되는 전원 전압에 의해 동작하는데, 이 전원 전압이 전력 증폭기의 동작 범위를 초과할 수 있다. 즉, 전원 전압이 소정의 임계 전압을 초과하는 경우, 전력 증폭기는 손상을 입거나 파괴될 수 있다. 이에 따라 전력 증폭기를 보호하는 회로가 필요하다.
실시예들 중 적어도 하나의 실시예는 전력 증폭기를 보호하는 보호 회로를 제공할 수 있다.
실시예들 중 적어도 하나의 실시예는 보호 회로를 포함하는 전력 증폭기를 제공할 수 있다.
실시예들 중 적어도 하나의 실시예에 따르면, 전원 전압을 공급 받는 전력 트랜지스터, 그리고 상기 전력 트랜지스터에 바이어스 전류를 제공하는 바이어스 회로를 포함하는 전력 증폭기를 보호하는 보호 회로가 제공될 수 있다. 상기 보호 회로는, 바이어스 회로의 단자와 접지 사이에 연결되며, 상기 바이어스 회로의 상기 단자로부터 제1 전류를 싱크하는 제1 트랜지스터, 그리고 상기 전원 전압에 제1 단자가 연결되고 상기 제1 트랜지스터의 제어 단자에 제2 단자가 연결되며, 기준 전압에 제어 단자가 연결되는 제2 트랜지스터를 포함할 수 있다.
상기 제1 전류는 상기 전원 전압에 따라 변동될 수 있다.
상기 전원 전압이 제1 임계 전압 이상으로 증가하는 경우, 상기 제1 전류가 증가할 수 있으며, 상기 제1 전류가 증가하는 경우, 상기 전력 트랜지스터를 통해 흐르는 제2 전류는 감소할 수 있다.
상기 전원 전압이 상기 제1 임계 전압 이상으로 증가하는 경우, 상기 제2 트랜지스터의 상기 제2 단자에서의 전압이 증가할 수 있으며, 상기 제1 트랜지스터의 상기 제어 단자에서의 전압이 증가할 수 있다.
상기 전력 증폭기가 동작하는 경우, 상기 기준 전압은 상기 제1 트랜지스터의 상기 제어 단자로 인가될 수 있으며, 상기 전력 증폭기가 동작하지 않는 경우, 상기 기준 전압은 상기 제1 트랜지스터의 상기 제어 단자로 인가되지 않을 수 있다.
상기 전원 전압이 상기 제1 임계 전압 이상이고 제2 임계 전압 이하인 경우, 상기 제1 트랜지스터는 포화 영역에서 동작할 수 있고, 상기 전원 전압이 상기 제2 임계 전압을 초과하는 경우, 상기 제2 트랜지스터는 액티브 영역에서 동작할 수 있다.
상기 제1 트랜지스터가 상기 포화 영역에서 동작하는 경우, 상기 전원 전압이 증가함에 따라 상기 제2 전류가 감소할 수 있으며, 상기 제2 트랜지스터가 상기 액티브 영역에서 동작하는 경우, 상기 제2 전류는 흐르지 않을 수 있다.
상기 제2 트랜지스터의 상기 제어 단자는 제1 저항을 통해 상기 기준 전압에 연결될 수 있다.
상기 제2 트랜지스터의 상기 제2 단자는 제2 저항을 통해 접지에 연결될 수 있다.
상기 보호 회로는, 상기 전원 전압과 상기 제2 트랜지스터의 상기 제1 단자 사이에 연결되며 다이오드 구조를 가지는 적어도 하나의 트랜지스터를 더 포함할 수 있다.
상기 보호 회로는 상기 전원 전압과 상기 적어도 하나의 트랜지스터 사이에 연결되는 제3 저항을 더 포함할 수 있다.
상기 바이어스 회로는, 전원 전류에 제1 단자가 연결되며 상기 전원 전류로부터 소정의 전류를 싱크하는 제3 트랜지스터, 그리고 상기 전원 전류에 제어 단자가 연결되며, 상기 바이어스 전류를 공급하는 제4 트랜지스터를 포함할 수 있으며, 상기 바이어스 회로의 상기 단자는 상기 제3 트랜지스터의 제2 단자일 수 있다.
실시예들 중 적어도 하나의 실시예에 따르면, 전력 증폭기가 제공될 수 있다. 상기 전력 증폭기는, 입력되는 RF(Radio Frequency) 신호를 증폭하는 전력 트랜지스터, 상기 전력 트랜지스터에 바이어스 전류를 공급하는 바이어스 회로, 그리고 상기 전력 트랜지스터에 공급되는 전원 전압을 감지하며, 바이어스 회로의 단자로부터 제1 전류를 상기 전원 전압에 대응하여 싱크하는 과전압 보호 회로를 포함할 수 있으며, 상기 과전압 보호 회로는, 상기 전원 전압에 제1 단자가 연결되며, 제2 단자로 상기 전원 전압에 대응하는 제1 전압을 출력하는 제1 트랜지스터, 그리고 상기 제1 트랜지스터의 상기 제2 단자에 제어 단자가 연결되고 상기 바이어스 회로의 상기 단자에 제1 단자가 연결되며, 상기 제1 전압에 대응하여 상기 제1 전류를 싱크하는 제2 트랜지스터를 포함할 수 있다.
상기 제1 트랜지스터의 제어 단자는 기준 전압에 연결될 수 있으며, 상기 전력 증폭기가 동작하는 경우, 상기 기준 전압은 상기 제1 트랜지스터의 상기 제어 단자로 인가될 수 있다.
상기 전력 증폭기가 동작하지 않는 경우, 상기 기준 전압은 상기 제1 트랜지스터의 상기 제어 단자로 인가되지 않을 수 있다.
상기 과전압 보호 회로는, 상기 전원 전압과 상기 제1 트랜지스터의 상기 제1 단자 사이에 연결되며 다이오드 구조를 가지는 적어도 하나의 트랜지스터, 그리고 상기 제1 트랜지스터의 상기 제2 단자와 접지 사이에 연결되는 제1 저항을 더 포함할 수 있다.
상기 전원 전압이 증가하는 경우, 상기 제1 전류가 증가할 수 있으며, 상기 제1 전류가 증가하는 경우, 상기 전력 트랜지스터를 통해 흐르는 제2 전류가 감소할 수 있다.
상기 바이어스 회로는, 전원 전류에 제1 단자가 연결되며 상기 전원 전류로부터 소정의 전류를 싱크하는 제3 트랜지스터, 그리고 상기 전원 전류에 제어 단자가 연결되며 상기 바이어스 전류를 공급하는 제4 트랜지스터를 더 포함할 수 있으며, 상기 바이어스 회로의 상기 단자는 상기 제3 트랜지스터의 제2 단자일 수 있다.
실시예들 중 적어도 하나의 실시예에 따르면, 과전압 상태에서 바이어스 회로부터 소정의 전류를 싱크함으로써, 전력 증폭기를 보호할 수 있다.
도 1은 한 실시예에 따른 전력 증폭기를 나타나내는 개략도이다.
도 2는 한 실시예에 따른 과전압 보호 회로(overvoltage protection circuit)를 나타내는 도면이다.
도 3a는 한 실시예에 따른 과전압 보호 회로의 트랜지스터(Q4)가 포화 영역에서 동작하는 경우를 나타내는 도면이다.
도 3b는 한 실시예에 따른 과전압 보호 회로의 트랜지스터(Q4)가 액티브 영역에서 동작하는 경우를 나타내는 도면이다.
도 4는 한 실시예에 따른 바이어스 회로를 나타내는 도면이다.
도 5는 한 실시예에 따른 전력 증폭기의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "커플링(coupling)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 또는 물리적으로 커플링"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "간접적으로 또는 비접촉 커플링"되어 있는 경우를 포함한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 또는 물리적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "간접적으로 또는 비접촉 연결"되어 있는 경우, 또는 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
명세서 전체에서, RF 신호는 Wi-Fi(IEEE 802.11 패밀리 등), WiMAX(IEEE 802.16 패밀리 등), IEEE 802.20, LTE(long term evolution), Ev-DO, HSPA+, HSDPA+, HSUPA+, EDGE, GSM, GPS, GPRS, CDMA, TDMA, DECT, Bluetooth, 3G, 4G, 5G 및 그 이후의 것으로 지정된 임의의 다른 무선 및 유선 프로토콜들에 따른 형식을 가질 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 한 실시예에 따른 전력 증폭기를 나타나내는 개략도이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 한 실시예에 따른 전력 증폭기(1000)는 입력 매칭 네트워크(100), 전력(power) 트랜지스터(200), 출력 매칭 네트워크(300), 바이어스 회로(400), 그리고 과전압 보호 회로(500)를 포함할 수 있다.
입력 매칭 네트워크(100)는 전력 트랜지스터(200)의 입력 단자(B)(즉, 베이스)에 연결될 수 있으며, 입력 RF(Radio Frequency) 신호(RFin)와 전력 트랜지스터(200) 사이에 임피던스 매칭을 수행한다. 그리고 출력 매칭 네트워크(300)는 전력 트랜지스터(200)의 출력 단자(즉, 컬렉터)에 연결될 수 있으며, 출력 RF 신호(RFout)와 다음 스테이지(next stage)(즉, 전력 증폭기의 다음 스테이지) 사이에 임피던스 매칭을 수행한다. 입력 매칭 네트워크(100)와 출력 매칭 네트워크(300)는 각각 저항, 인덕터, 커패시터 중 적어도 하나의 조합으로 구현될 수 있다.
전력 트랜지스터(200)는 입력 단자(B)에 입력되는 RF 신호(RFin)에 대한 파워를 증폭한 후 출력 단자(즉, 컬렉터)로 출력할 수 있다. 즉, 전력 트랜지스터(200)의 베이스는 증폭하고자 하는 RF 신호가 입력되며, 전력 트랜지스터(200)의 컬렉터는 증폭된 RF 신호를 출력할 수 있다. 전력 트랜지스터(200)의 에미터는 접지에 연결될 수 있다. 그리고, 전력 트랜지스터(200)의 컬렉터는 전원 전압(Vcc)에 연결되며, 전력 트랜지스터(200)는 전원 전압(Vcc)에 의해 동작된다. 도 1에서, 전력 트랜지스터(200)의 출력 단자(즉, 컬렉터)를 통해 흐르는 전류를 Icc로 나타내었다. 한편, 전력 트랜지스터(200)의 컬렉터는 RF 초크 기능을 수행하는 인덕터(도 1에서 도시하지 않음)를 통해 전원 전압(Vcc)에 연결될 수 있다.
외부의 조건(예를 들면, 배터리의 상황)에 따라 전원 전압(Vcc)은 동작 전압보다 큰 과전압 상태(소정의 임계 값을 초과하는 상태)가 될 수 있다. 전원 전압(Vcc)이 과전압 상태인 경우, 전력 트랜지스터(200)는 손상을 입거나 파괴될 수 있다. 이러한 상황을 방지하기 위해, 한 실시예에 따른 과전압 보호 회로(500)는 전원 전압(Vcc)의 과전압 상태를 감지하여 전력 트랜지스터(200)를 보호하는 기능을 수행한다.
전력 트랜지스터(200)는 이종접합 바이폴라 트랜지스터(Heterojunction Bipolar Transistor, HBT), 양극 접합 트랜지스터(Bipolar Junction Transistor, BJT), 절연게이트 바이이폴라 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT) 등 다양한 트랜지스터로 구현될 수 있다. 그리고 도 1에서는 전력 트랜지스터(200)를 npn 타입으로 나타내었지만 pnp 타입으로 대체될 수 있다.
커플링(coupling) 커패시터(Cc)가 전력 트랜지스터(200)의 입력 단자(즉, 베이스)에 연결될 수 있다. 커플링(coupling) 커패시터(Cc)는 RF 신호에서 DC(Direct Current) 성분을 제거(blocking)하는 기능을 수행할 수 있다.
바이어스 회로(400)는 전력 트랜지스터(200)를 바이어싱하는 바이어스 전류(Ibias)를 공급할 수 있다. 전력 트랜지스터(200)는 바이어스 회로(400)로부터 제공되는 바이어스 전류(Ibias)를 통해 바이어스 레벨(바이어스 포인트)이 설정될 수 있다. 한 실시예에서, 바이어스 전류(Ibias)는 과전압 보호 회로(500)의 동작에 의해 과전압 상태에서 감소하는데, 이에 대해서 아래에서 좀 더 상세히 설명한다.
과전압 보호 회로(500)는 전원 전압(Vcc)와 접지 사이에 연결될 수 있다. 그리고 과전압 보호 회로(500)는 바이어스 회로(400)의 단자(N1)에 연결되며, 단자(N1)로부터 전류(Isink)를 싱크할 수 있다. 과전압 보호 회로(500)는 전원 전압(Vcc)이 소정의 임계값을 초과하는 경우(즉, 과전압 상태)에 동작하며 바이어스 회로(400)로부터 전류(Isink)를 싱크할 수 있다. 이러한 전류(Isink)에 의해 바이어스 전류(Ibias)가 변동될 수 있다. 하나의 예로, 전류(Isink)가 증가하는 경우 바이어스 전류(Ibias)가 감소할 수 있으며, 이때 전력 트랜지스터(200)를 통해 흐르는 전류(Icc)가 감소할 수 있다. 이에 따라, 전력 트랜지스터(200)는 과전압 상태에서 보호될 수 있다. 과전압 보호 회로(500)의 구체적인 구성 및 동작 방법에 대해서는 아래의 도 2에서 상세히 설명한다.
도 2는 한 실시예에 따른 과전압 보호 회로(overvoltage protection circuit)를 나타내는 도면이다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 한 실시예에 따른 과전압 보호 회로(500)는 트랜지스터(Q1), 트랜지스터(Q2), 트랜지스터(Q3), 트랜지스터(Q4), 저항(R1), 저항(R2), 저항(R3), 커패시터(C1), 그리고 커패시터(C2)를 포함할 수 있다.
트랜지스터(Q1 ~ Q4)는 각각 이종접합 바이폴라 트랜지스터(Heterojunction Bipolar Transistor, HBT), 양극 접합 트랜지스터(Bipolar Junction Transistor, BJT), 절연게이트 바이이폴라 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT) 등 다양한 트랜지스터로 구현될 수 있다. 그리고 도 2에서는 트랜지스터(Q1 ~ Q4)를 npn 타입으로 나타내었지만 pnp 타입으로 대체될 수 있다.
트랜지스터(Q1)의 베이스와 컬렉터는 서로 연결될 수 있으며, 트랜지스터(Q1)의 컬렉터는 저항(R1)을 통해 전원 전압(Vcc)에 연결될 수 있다. 트랜지스터(Q1)은 다이오드 연결 구조이며, 도 2에서 트랜지스터(Q1)의 양단에 걸리는 전압을 V1로 나타내었다.
트랜지스터(Q2)의 베이스와 컬렉터는 서로 연결될 수 있으며, 트랜지스터(Q2)의 컬렉터는 트랜지스터(Q1)의 에미터에 연결될 수 있다. 트랜지스터(Q2)는 다이오드 연결 구조이며, 도 2에서 트랜지스터(Q2)의 양단에 걸리는 전압을 V2로 나타내었다.
트랜지스터(Q3)의 컬렉터는 트랜지스터(Q2)의 에미터에 연결될 수 있으며, 트랜지스터(Q3)의 베이스는 저항(R3)를 통해 기준 전압(Vref)에 연결될 수 있다. 트랜지스터(Q3)의 에미터는 저항(R2)을 통해 접지에 연결될 수 있다. 여기서, 기준 전압(Vref)은 전력 증폭기(1000)가 동작하는 경우(즉, ON시)에 외부로부터 공급받는 전원 전압이다. 기준 전압(Vref)은 전원 전압(Vcc)보다 낮은 전압으로 설정될 수 있다.
트랜지스터(Q4)의 컬렉터는 바이어스 회로(400)의 단자(N1)에 연결될 수 있으며, 트랜지스터(Q4)의 에미터는 접지에 연결될 수 있다. 그리고 트랜지스터(Q4)의 베이스는 트랜지스터(Q3)의 에미터에 연결될 수 있다. 즉, 트랜지스터(Q4)는 전원 전압(Vcc)이 소정이 임계 전압을 초과하는 경우 바이어스 회로(400)의 단자(N1)로부터 전류(Isink)를 싱크할 수 있다. 이때, 트랜지스터(Q4)의 켈렉터를 통해 흐르는 전류가 Isink이다. 트랜지스터(Q4)는 트랜지스터(Q4)의 베이스를 통해 인가되는 전압(Vb4)에 대응하여 전류(Isink)를 발생시킬 수 있다.
도 2에서, 트랜지스터(Q3)의 컬렉터 전압을 Vg3로 나타내었으며, 트랜지스터(Q3)의 에미터 전압(즉, 트랜지스터(Q4)의 베이스 전압)을 Vb4로 나타내었다. 그리고, 과전압 보호 회로(500)가 동작하는 경우 트랜지스터(Q1, Q2, Q3)를 통해 흐르는 전류를 Iq3로 나타내었다.
한편, 트랜지스터(Q3)는 트랜지스터(Q1, Q2, Q3)를 통해 흐르는 전류(Iq3)를 발생시키는 역할을 수행하므로, 과전압 보호 회로(500)의 동작 여부를 결정하는 기능을 할 수 있다. 전력 증폭기(1000)가 동작하지 않는 경우(특히, 전력 트랜지스터(200) 및 바이어스 회로(400)가 동작하는 않는 경우)에도 과전압 보호 회로(500)에 전원 전압(Vcc)이 인가될 수 있다. 이러한 경우, 과전압 보호 회로(500)로 누설 전류(leakage current)가 흐를 수 있고, 누설 전류가 한계 범위를 넘을 수 있다. 상기에서 설명한 바와 같이, 트랜지스터(Q3)의 베이스에 인가되는 기준 전압(Vref)은 전력 증폭기(1000)가 동작하는 경우(즉, ON시)에만 외부로부터 공급받는 전원 전압이므로, 트랜지스터(Q3)는 전력 증폭기(1000)가 동작하지 않는 경우(즉, OFF시)에는 동작하지 않는다. 즉, 트랜지스터(Q3)는 전력 증폭기(1000)가 동작하지 않는 경우에는 기준 전압(Vref)이 인가되지 않으므로, 과전압 보호 회로(500)는 동작하지 않는다. 다시 말하면, 트랜지스터(Q3)에 의해 불필요한 누설 전류를 막을 수 있다.
커패시터(C1)는 트랜지스터(Q1)의 컬렉터와 접지 사이에 연결될 수 있으며, 전원 전압(Vcc)에서 AC(Alternating Current) 성분을 제거하는 역할을 수행할 수 있다. 그리고 커패시터(C2)는 트랜지스터(Q4)의 베이스와 접지 사이에 연결될 수 있으며, 전압(Vb4)에서 AC(Alternating Current) 성분을 제거하는 역할을 수행할 수 있다.
트랜지스터(Q1, Q2, Q3)가 동작 상태(즉, active 영역에서 동작하는 상태)하는 경우, 트랜지스터(Q1, Q2, Q3)를 통해 흐르는 전류(Iq3)는 아래의 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00001
한편, 트랜지스터(Q3)의 베이스 전류는 전류(Iq3)에 비해 아주 적은 값이므로 무시할 수 있다. 이를 감안하면, 저항(R2)를 통해 흐르는 전류(즉, 트랜지스터(Q3)의 에미터 전류)는 전류(Iq3)에 해당한다. 이에 따라, 트랜지스터(Q4)의 베이스 전압(Vb4)은 아래의 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00002
상기 수학식 2에서 전류(Iq3)를 상기 수학식 1로 대체하면, 트랜지스터(Q4)의 베이스 전압(Vb4)은 아래의 수학식 3와 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00003
상기 수학식 3을 참조하면, 전원 전압(Vcc)가 증가하는 경우, 트랜지스터(Q4)의 베이스 전압(Vb4)이 증가한다. 트랜지스터(Q4)의 베이스 전압(Vb4)이 증가하는 경우, 트랜지스터(Q4)를 통해 흐르는 전류(Isink)가 증가한다. 즉, 전원 전압(Vcc)가 증가하는 경우, 전류(Isink)가 증가한다. 다시 말하면, 전원 전압(Vcc)이 소정의 임계 전압을 초과하여 과전압 보호 회로(500)가 동작하는 경우, 전류(Isink)는 전원 전압(Vcc)에 따라 증가한다.
트랜지스터(Q4)의 동작은 전력 증폭기(1000)의 과전압 상태(예를 들면, 강건성(ruggedness) 테스트 조건 또는 AMR(Absolute Maximum Rate) 테스트 조건)에서의 전원 전압(Vcc)에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, 과전압 상태에서의 전원 전압(Vcc)이 5V인 경우, 트랜지스터(Q1, Q2, Q3)의 동작 전압(Active 영역에서의 전압)과 저항(R1, R2)의 전압 강하를 고려하여, 트랜지스터(Q4)이 동작 전압이 되도록 과전압 보호 회로(500)는 설계될 수 있다. 여기서, 전원 전압(Vcc)이 4.6V ~ 4.95V인 경우, 트랜지스터(Q4)는 포화(saturation) 영역에서 동작할 수 있다. 트랜지스터(Q4)가 포화 영역에서 동작하는 경우, 전원 전압(Vcc)이 증가함에 따라 트랜지스터(Q4)를 통해 흐르는 전류(Isink)는 증가한다. 전류(Isink)가 증가함에 따라 바이어스 전류(Ibias)가 감소하며, 전력 트랜지스터(200)를 통해 흐르는 전류(Icc)도 감소한다. 그리고, 전원 전압(Vcc)이 4.95V를 초과하는 경우, 트랜지스터(Q4)는 액티브(Active) 영역에서 동작한다. 트랜지스터(Q4)가 액티브 영역에서 동작하는 경우, 트랜지스터(Q4)를 통과하는 전류(Isink)는 소정의 포화 전류(Isink_sat)로 된다. 전류(Isink)가 포화 전류(Isink_sat)인 경우, 바이어스 회로(400)가 동작하지 않게 되며, 전력 트랜지스터(200)을 통해 흐르는 전류(Icc)는 0A가 될 수 있다. 이를 통해, 과전압 보호 회로(500)는 전원 전압(Vcc)의 과전압 상태에서 전력 증폭기(1000)를 보호할 수 있다. 이러한 과전압 보호 회로(500)의 동작에 대해서는 아래의 도 3a 및 도 3b를 참조하여 좀 더 상세히 설명한다.
도 3a는 한 실시예에 따른 과전압 보호 회로(500)의 트랜지스터(Q4)가 포화 영역에서 동작하는 경우를 나타내는 도면이다.
도 3a에서, 전원 전압(Vcc)이 제1 임계값(Vth1) 이상이고 제2 임계값(Vth2)이하인 경우를 가정한다. 하나의 예로서, 전원 전압(Vcc)의 최대 전압이 5V로 설계된 경우, 제1 임계값(Vth1)은 4.6V이고 제2 임계값(Vth2)은 4.95V일 수 있다.
전원 전압(Vcc)이 제1 임계값(Vth1) 이상이고 제2 임계값(Vth2)이하인 경우, 트랜지스터(Q1, Q2, Q3)는 액티브 영역에서 동작할 수 있다. 그리고, 트랜지스터(Q4)는 포화(Saturation) 영역에서 동작할 수 있다. 상기 수학식 3을 참조하면, 전원 전압(Vcc)이 증가함에 따라 트랜지스터(Q4)의 베이스 전압(Vb4)이 증가한다. 이에 따라, 트랜지스터(Q4)를 통해 흐르는 전류(Isink)가 증가한다. 전류(Isink)가 증가함에 따라 바이어스 전류(Ibias)가 감소하며, 전력 트랜지스터(200)를 통해 흐르는 전류(Icc)도 감소한다.
도 3b는 한 실시예에 따른 과전압 보호 회로(500)의 트랜지스터(Q4)가 액티브 영역에서 동작하는 경우를 나타내는 도면이다.
도 3b에서, 전원 전압(Vcc)이 제2 임계값(Vth2)을 초과하는 경우를 가정한다. 하나의 예로서, 전원 전압(Vcc)의 최대 전압이 5V로 설계된 경우, 제2 임계값(Vth2)은 4.95V일 수 있다.
전원 전압(Vcc)이 제2 임계값(Vth2)을 초과하는 경우, 트랜지스터(Q1, Q2, Q3)는 액티브 영역에서 동작할 수 있으며, 트랜지스터(Q4)도 액티브(Active) 영역에서 동작할 수 있다. 상기 수학식 3을 참조하면, 전원 전압(Vcc)이 증가함에 따라 트랜지스터(Q4)의 베이스 전압(Vb4)이 증가한다. 트랜지스터(Q4)의 베이스 전압(Vb4)이 계속 증가할 시에, 트랜지스터(Q4)는 액티브 영역으로 진입한다. 이에 따라, 트랜지스터(Q4)를 통과하는 전류(Isink)는 소정의 포화 전류(Isink_sat)로 된다. 전류(Isink)가 포화 전류(Isink_sat)인 경우, 바이어스 회로(400)가 동작하지 않게 되며, 전력 트랜지스터(200)을 통해 흐르는 전류(Icc)는 0A가 될 수 있다.
도 4는 한 실시예에 따른 바이어스 회로를 나타내는 도면이다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 한 실시예에 따른 바이어스 회로(400)는 트랜지스터(Q5), 트랜지스터(Q6), 트랜지스터(Q7), 저항(R4), 저항(R5), 저항(R6), 그리고 커패시터(C3)를 포함할 수 있다.
트랜지스터(Q5 ~ Q7)는 이종접합 바이폴라 트랜지스터(Heterojunction Bipolar Transistor, HBT), 양극 접합 트랜지스터(Bipolar Junction Transistor, BJT), 절연게이트 바이이폴라 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT) 등 다양한 트랜지스터로 구현될 수 있다. 그리고 도 4에서는 트랜지스터(Q1 ~ Q4)를 npn 타입으로 나타내었지만 pnp 타입으로 대체될 수 있다.
트랜지스터(Q5)의 베이스와 컬렉터는 서로 연결될 수 있으며, 트랜지스터(Q5)의 컬렉터는 저항(R4)을 통해 전원 전류(Is)에 연결될 수 있다. 트랜지스터(Q5)는 다이오드 연결 구조이다. 트랜지스터(Q5)는 전원 전류(Is)로부터 전류(I2)를 싱크하는 역할을 수행한다.
트랜지스터(Q6)의 베이스와 컬렉터는 서로 연결될 수 있으며, 트랜지스터(Q6)의 컬렉터는 트랜지스터(Q5)의 에미터에 연결될 수 있다. 여기서, 트랜지스터(Q6)의 컬렉터와 트랜지스터(Q5)의 에미터가 서로 연결되는 접점이 상기에서 설명한 바이어스 회로(400)의 단자(N1)이다. 바이어스 회로(400)의 단자(N1)는 과전압 보호 회로(500)(즉, 트랜지스터(Q4)의 컬렉터)에 연결될 수 있다. 트랜지스터(Q6)는 다이오드 연결 구조이며, 트랜지스터(Q6)의 에미터는 저항(R5)를 통해 접지에 연결될 수 있다.
트랜지스터(Q7)의 컬렉터는 저항(R6)를 통해 전원 전압(Vbat)에 연결 될 수 있으며, 트랜지스터(Q7)의 베이스는 트랜지스터(Q5)의 컬렉터에 연결될 수 있다. 그리고 트랜지스터(Q7)의 에미터는 전력 트랜지스터(200)의 입력 단자(B)에 연결될 수 있으며, 바이어스 전류(Ibias)를 전력 트랜지스터(200)에 공급할 수 있다. 전원 전압(Vbat)는 배터리로부터 공급되는 배터리 전압일 수 있다.
그리고 커패시터(C3)는 트랜지스터(Q7)의 베이스와 접지 사이에 연결될 수 있으며 트랜지스터(Q7)의 베이스로 흐르는 전류(I1)에서 AC(Alternating Current) 성분을 제거하는 역할을 수행할 수 있다.
도 4에서, 트랜지스터(Q5)를 통해 흐르는 전류를 I2로 나타내었으며, 트랜지스터(Q6)를 통해 흐르는 전류를 I3로 나타내었다. 그리고, 트랜지스터(Q7)의 베이스로 흐르는 전류를 I1로 나타내었다.
전원 전류(Is), 전류(I1), 그리고 전류(I2)는 서로 간에 아래의 수학식 4의 관계를 만족한다.
Figure pat00004
단자(N1)에서, 전류(I2), 전류(Isink), 전류(I3)는 서로 아래의 수학식 5의 관계를 만족한다.
Figure pat00005
상기 수학식 5에서, 전류(I3)는 고정 값이라고 가정하면, 전류(Isink)가 증가하는 경우, 전류(I2)는 증가한다. 상기 수학식 4를 참조하면, 전원 전류(Is)는 고정된 값이므로, 전류(I2)가 증가하는 경우, 전류(I1)이 감소한다. 전류(I1)와 바이어스 전류(Ibias)는 비례 관계를 가지므로, 전류(I1)이 감소하는 경우, 바이어스 전류(Ibias)가 감소한다. 즉, 전류(Isink)가 증가하는 경우, 바이어스 전류(Ibias)는 감소한다. 상기에서 설명한 바와 같이, 과전압 보호 회로(500)는 전원 전압(Vcc)이 증가함에 따라 전류(Isink)를 증가시킨다. 그리고, 전류(Isink)가 증가함에 따라, 바이어스 전류(Ibias)가 감소한다. 바이어스 전류(Ibias)가 감소하는 경우, 전력 트랜지스터(200)를 통해 흐르는 전류(Icc)가 감소한다. 이에 따라, 전력 트랜지스터(200)는 과전압 상태에서 보호될 수 있다. 한편, 전류(Isink)가 포화 전류(Isink_sat)가 된 경우, 전류(I1)이 0A가 되며, 바이어스 전류(Ibias)가 0A가 될 수 있다.
한편, 도 4에서 바이어스 회로(400)의 예를 나타내었지만, 바이어스 회로(400)는 다양한 구조로 대체될 수 있다.
도 5는 한 실시예에 따른 전력 증폭기(1000)의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 5의 시뮬레이션에서, 가로축은 전원 전압(Vcc)을 나타내며, 세로축은 전력 트랜지스터(200)를 통해 흐르는 전류(Icc)를 나타낸다. 전원 전압(Vcc)이 4.0V에서 5.5V로 상승하는 구간에서, 전원 전압(Vcc)의 제1 임계값(Vth1)은 4.6V이며, 전원 전압(Vcc)의 제2 임계값(Vth2)는 4.95V라고 가정한다.
제1 구간(5100)은 트랜지스터(Q4)가 포화(Saturation) 영역에서 동작하는 구간이다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 제1 구간(5100)에서, 전원 전압(Vcc)은 증가함에 따라 전류(Icc)는 감소한다. 제1 구간(5100)에서, 전원 전압(Vcc)이 증가함에 따라 트랜지스터(Q4)의 베이스 전압(Vb4)이 증가한다. 이에 따라, 트랜지스터(Q4)를 통해 흐르는 전류(Isink)가 증가한다. 전류(Isink)가 증가함에 따라 바이어스 전류(Ibias)가 감소하며, 전류(Icc)도 감소한다.
제2 구간(5200)은 트랜지스터(Q4)가 액티브(Active) 영역에서 동작하는 구간이다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 제2 구간(5200)에서, 전류(Icc)는 0A가 된다. 전원 전압(Vcc)이 제2 임계값(Vth2)를 초과하는 경우, 트랜지스터(Q4)는 액티브 영역으로 진입한다. 이에 따라, 트랜지스터(Q4)를 통과하는 전류(Isink)는 소정의 포화 전류(Isink_sat)로 된다. 전류(Isink)가 포화 전류(Isink_sat)인 경우, 바이어스 회로(400)가 동작하지 않게 되며, 전력 트랜지스터(200)을 통해 흐르는 전류(Icc)는 0A가 된다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
1000: 전력 증폭기
100: 입력 매칭 네트워크
200: 전력 트랜지스터
300: 출력 매칭 네트워크
400: 바이어스 회로
500: 과전압 보호 회로

Claims (18)

  1. 전원 전압을 공급 받는 전력 트랜지스터, 그리고 상기 전력 트랜지스터에 바이어스 전류를 제공하는 바이어스 회로를 포함하는 전력 증폭기를 보호하는 보호 회로로서,
    바이어스 회로의 단자와 접지 사이에 연결되며, 상기 바이어스 회로의 상기 단자로부터 제1 전류를 싱크하는 제1 트랜지스터, 그리고
    상기 전원 전압에 제1 단자가 연결되고 상기 제1 트랜지스터의 제어 단자에 제2 단자가 연결되며, 기준 전압에 제어 단자가 연결되는 제2 트랜지스터를 포함하는 보호 회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전류는 상기 전원 전압에 따라 변동되는 보호 회로.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전원 전압이 제1 임계 전압 이상으로 증가하는 경우, 상기 제1 전류가 증가하며,
    상기 제1 전류가 증가하는 경우, 상기 전력 트랜지스터를 통해 흐르는 제2 전류는 감소하는 보호 회로.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 전원 전압이 상기 제1 임계 전압 이상으로 증가하는 경우, 상기 제2 트랜지스터의 상기 제2 단자에서의 전압이 증가하며, 상기 제1 트랜지스터의 상기 제어 단자에서의 전압이 증가하는 보호 회로.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전력 증폭기가 동작하는 경우, 상기 기준 전압은 상기 제1 트랜지스터의 상기 제어 단자로 인가되며,
    상기 전력 증폭기가 동작하지 않는 경우, 상기 기준 전압은 상기 제1 트랜지스터의 상기 제어 단자로 인가되지 않는 보호 회로.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 전원 전압이 상기 제1 임계 전압 이상이고 제2 임계 전압 이하인 경우, 상기 제1 트랜지스터는 포화 영역에서 동작하고,
    상기 전원 전압이 상기 제2 임계 전압을 초과하는 경우, 상기 제2 트랜지스터는 액티브 영역에서 동작하는 보호 회로.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 트랜지스터가 상기 포화 영역에서 동작하는 경우, 상기 전원 전압이 증가함에 따라 상기 제2 전류가 감소하며,
    상기 제2 트랜지스터가 상기 액티브 영역에서 동작하는 경우, 상기 제2 전류는 흐르지 않는 보호 회로.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2 트랜지스터의 상기 제어 단자는 제1 저항을 통해 상기 기준 전압에 연결되는 보호 회로.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2 트랜지스터의 상기 제2 단자는 제2 저항을 통해 접지에 연결되는 보호 회로.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 전원 전압과 상기 제2 트랜지스터의 상기 제1 단자 사이에 연결되며, 다이오드 구조를 가지는 적어도 하나의 트랜지스터를 더 포함하는 보호 회로.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 전원 전압과 상기 적어도 하나의 트랜지스터 사이에 연결되는 제3 저항을 더 포함하는 보호 회로.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 바이어스 회로는,
    전원 전류에 제1 단자가 연결되며 상기 전원 전류로부터 소정의 전류를 싱크하는 제3 트랜지스터, 그리고
    상기 전원 전류에 제어 단자가 연결되며, 상기 바이어스 전류를 공급하는 제4 트랜지스터를 포함하며,
    상기 바이어스 회로의 상기 단자는 상기 제3 트랜지스터의 제2 단자인 보호 회로.
  13. 입력되는 RF(Radio Frequency) 신호를 증폭하는 전력 트랜지스터,
    상기 전력 트랜지스터에 바이어스 전류를 공급하는 바이어스 회로, 그리고
    상기 전력 트랜지스터에 공급되는 전원 전압을 감지하며, 바이어스 회로의 단자로부터 제1 전류를 상기 전원 전압에 대응하여 싱크하는 과전압 보호 회로를 포함하며,
    상기 과전압 보호 회로는,
    상기 전원 전압에 제1 단자가 연결되며, 제2 단자로 상기 전원 전압에 대응하는 제1 전압을 출력하는 제1 트랜지스터, 그리고
    상기 제1 트랜지스터의 상기 제2 단자에 제어 단자가 연결되고 상기 바이어스 회로의 상기 단자에 제1 단자가 연결되며, 상기 제1 전압에 대응하여 상기 제1 전류를 싱크하는 제2 트랜지스터를 포함하는 전력 증폭기.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 트랜지스터의 제어 단자는 기준 전압에 연결되며,
    상기 전력 증폭기가 동작하는 경우, 상기 기준 전압은 상기 제1 트랜지스터의 상기 제어 단자로 인가되는 전력 증폭기.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 전력 증폭기가 동작하지 않는 경우, 상기 기준 전압은 상기 제1 트랜지스터의 상기 제어 단자로 인가되지 않는 전력 증폭기.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 과전압 보호 회로는,
    상기 전원 전압과 상기 제1 트랜지스터의 상기 제1 단자 사이에 연결되며 다이오드 구조를 가지는 적어도 하나의 트랜지스터, 그리고
    상기 제1 트랜지스터의 상기 제2 단자와 접지 사이에 연결되는 제1 저항을 더 포함하는 전력 증폭기.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 전원 전압이 증가하는 경우, 상기 제1 전류가 증가하며,
    상기 제1 전류가 증가하는 경우, 상기 전력 트랜지스터를 통해 흐르는 제2 전류가 감소하는 전력 증폭기.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 바이어스 회로는,
    전원 전류에 제1 단자가 연결되며 상기 전원 전류로부터 소정의 전류를 싱크하는 제3 트랜지스터, 그리고
    상기 전원 전류에 제어 단자가 연결되며, 상기 바이어스 전류를 공급하는 제4 트랜지스터를 더 포함하며,
    상기 바이어스 회로의 상기 단자는 상기 제3 트랜지스터의 제2 단자인 전력 증폭기.
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