증폭기용 적응형 바이어스 전류 회로 및 방법 document_id A220623030987

RF 응용을 위해서는 효율적인 증폭기의 사용이 중요하다. 일반적인 RF 장치는 휴대용 전원, 예를 들어 전지를 사용한다. RF 장치의 동작은 전지에 대한 필요성이 감소할 때 향상된다. 그러나, 휴대용 장치의 RF 회로는 휴대용 장치의 전원을 가장 크게 필요로 하는 것 중 하나이다. 구체적으로, RF 회로의 증폭기는 상당한 양의 전력을 소비한다. RF 신호 전송에는 여러 가지 방법이 있다. 일부 방법에서는 전송되는 정보가 전송된 RF 신호의 위상으로 완전히 코드화된다. GSM은 전송되는 정보가 RF 신호의 위상으로 완전히 코드화되는 경우의 전형적인 표준이다. 다른 방법으로는 적어도 일부의 정보가 RF 신호의 진폭으로 코드화된다. 후자의 경우, RF 증폭기 회로의 설계에 있어서 상반되는 목표들을 이루려는 시도가 중요하다. 첫 번째 목표는, 전원으로부터 유효 전력의 사용을 더 향상시킬 수 있는 높은 평균의 효율성이다. 두 번째 목표는, 진폭 신호를 전하는 정보를 증폭기가 왜곡시키지 않기 위한 높은 선형성이다. RF 신호에 의해 전해지는 정보의 일부 또는 전체를 위해 RF 진폭을 사용하는 많은 기술과 표준들이 있다. 최신의 무선 데이터 전송 방법은 RF 신호에 실려 전달되는 트래픽이 음성과, 텍스트 메시징에서 이미지 데이터, 비디오 데이터 및 인터넷 프로토콜 데이터까지 이르는 고용량(bit heavy) 데이터 트래픽을 포함하기 때문에 고속 데이터 레이트를 제공하도록 의도된다. 3세대(3G) 무선 통신 방법은 스펙트럼 상의 효율적인 가변-엔벨로프(variable-envelope) 변조 설계를 사용한다. 그러한 설계 중 하나로 광대역 코드 분할 다중 접속(WCDMA; wideband code division multiple access) 표준을 위하여 채택되었던 혼성 위상 편이 변조(HPSK; hybrid phase-shift keying) 설계가 있다. WCDMA에 있어서, 송신기 회로 왜곡으로 인한 스펙트럼 재성장은 엄격하게 제한된다. 이는 전송자 체인의 종단(end)을 구성하고 최고 신호 레벨을 조정하도록 할당된 무선 주파수(RF) 증폭기에 대해 엄격하고 도전적인 선형성 요건으로 종종 변형된다. 상반되기는 하지만, 또다른 중요한 설계적 기준은 증폭기 전력 소비이다. RF 증폭기는 휴대용 장치에서 상당한 양분의 전지 전력을 소비하기 때문에, 전력 효율성은 전원, 예를 들어 전지의 재충전 또는 교체 전의 장치 동작 기간에 직접적이고 결정적인 영향을 갖는다. 효율성은 증폭기의 피크 전력 레벨에서 증폭기의 선형성을 손상시키는 일 없이 최대화되어야 한다. 그러나, 그에 덧붙어 효율성은 또한 전력 백-오프(back-off) 중에도 높아야 한다. 실제로는 양쪽 모두의 상황에서의 효율성을 달성하는 것이 어렵다고 입증되어왔다. 예를 들어, WCDMA 표준은, 기지국의 커버리지 영역 내에서 핸드셋의 기지국으로부터의 거리에 상관없이, 기지국에 의해 수신된 신호의 등화를 전력 제어(감쇠)가 연속적으로 그리고 적응적으로 달성할 것을 요구한다. 그러므로 RF 증폭기는 전지 수명을 연장하기 위해 높은 평균 효율성을 나타내야 한다. 증폭기의 바이어스는 적응적(adaptive)이어야 한다. 소신호 조건에서는 효율성을 향상시키기 위해 대기 전류(quiescent current)가 그의 최소값으로 유지되어야 한다. 대신호 조건에서는 높은 선형성이 이루어지도록 전류가 자동적으로 상승하여야 한다. 통상 RF 증폭기에 AB급(또는 B급) 바이어스가 사용되어 적응형 바이어스 전류를 제공한다. 적응형 바이어스 전류를 달성하는 다양한 유형의 증폭기들이 있다. 증폭기의 한 유형으로 인덕터 베이스 바이어스 피드 증폭기(inductor base bias feed amplifier)라 언급되는 증폭기가 있다. 이 증폭기에서 인덕터는 출력 트랜지스터의 베이스와 전류 바이어스 회로의 출력 사이에서 결합된다. 변형으로는 전류 증배 효과를 높이기 위해 전류 바이어스 회로에 피드백을 위한 전류 미러(current mirror)를 추가하는 셀프 베이스 바이어스 제어 회로가 있다. 인덕터 베이스 바이어스 피드 증폭기의 전류 미러 피드백 변형(셀프 베이스 바이어스 제어)에 대해서는 2002년 7월 IEICE Trans. Electron., vol.E85-C, no.7, pp.1404-1411에서 Shinjo, 등의“Low Quiescent Current SiGe HBT Driver Amplifier Having Self Base Bias Control Circuit"에서 논의되었다. 인덕터를 사용한 이들 또는 다른 증폭기 회로에 관하여 알려져 있는 문제점으로는 인덕터에 의해 점유되는 공간량을 포함한다. 통상적으로 작은 양의 폴리실리콘인 저항은 인덕터보다 매우 적은 공간을 차지한다. 저항 베이스 바이어스 피드 회로는 인덕터를 생략하지만, 회로의 백워드(backward) 임피던스 요건은 고저항값을 필요로 한다. 그러나 출력 트랜지스터의 베이스 전류가 증가함에 따라, 출력 트랜지스터의 베이스에 연결된 저항 양단간의 전압 강하도 증가한다. 따라서 공통-이미터 증폭기(commom-emitter amplifier)의 베이스 전류의 임의의 증가는 베이스에서 전압 강하를 야기한다. 대신호 조건에서의 이후의 베이스-이미터 전압(Vbe) 감소는 전류 부스트(boost)를 크게 제한한다. 저항 값이 높아질수록(임피던스 요건에 좋은), 바이어스 회로는 더욱 정전류 바이어스(콜렉터 전류가 입력 전력(Pin)이 증가함에 따라 높아질 수 없는)에 가까워진다. 저항 베이스 바이어스 피드의 변형으로는 출력 트랜지스터의 베이스로 전류를 공급하기 위해 부가적인 전류 바이어스 회로를 추가한다. 저항 베이스 바이어스의 듀얼 바이어스 회로에 대해서는 2003년 2월 IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol.51, no.2, pp.414-421에서 Tanmiguchi 등의“A Dual Bias-Feed Circuit Design for SiGe HBT Low-Noise Linear amplifier"에 논의되었다. 선형성을 이루기 위해 디제너레이션(degenaration) 저항이 사용되지만, 이는 증폭기의 이득이 소비되어 사용된다. 저항은 출력 트랜지스터의 이미터에 연결된다. 이러한 회로 구성에서, 이미터 저항은 출력 트랜지스터의 이미터에서 전압을 상승시키고, 이로써, 베이스-이미터 전압 강하(VBE)와, 따라서 상술된 바이어스 설계의 전류 부스트 효과를 감소시킨다. 디제너레이션 인덕터는 이미터 전압의 상승을 방지하지만, 상술된 바와 같이, 인덕터는 인덕터를 수용하기 위해 필요한 공간량 때문에 제조상의 문제점을 제공한다.