전력 증폭기의 효율 개선 장치 및 방법 document_id A220623109859

무선 송수신 시스템에서 전력 증폭기(Power Amplifier : PA)는 비용 측면에서 상당한 비중을 차지한다. 이에 많은 개발자들은 고효율 전력 증폭기를 개발하기 위해 많은 노력을 쏟고 있지만, 고효율, 광대역, 고출력의 조건을 모두 만족시키기는 쉽지가 않은 실정이다. 특히, 최근에는 전력 증폭기에, 기존의 LINC(LInear amplification using Nonlinear Components)나 도허티(doherty) 기술에 비해 효율 측면에서 이점이 있는 ET(Envelope Tracking)나 EER(Envelope Elimination and Restoration) 기술들의 적용이 시도되고 있다. ET 기술과 더불어 이론적으로 더욱더 고효율 특성을 가지고 있는 EER 기술이 적용된 전력 증폭기의 경우, 전체 효율은 포락선 증폭기(Envelope Amplifier)의 효율과 스위칭 모드 전력 증폭기(Switching mode PA) 효율의 곱으로 나타난다. 현재, 상기 스위칭 모드 전력 증폭기는 활발한 연구가 이루어져 많은 효율 개선이 이루어졌으나, 상기 포락선 증폭기는 여전히 많은 효율 개선이 필요한 실정이다. 도 1은 종래기술에 따른 EER 구조의 전력 증폭기의 구성을 도시한 도면이다. 상기 도 1을 참조하면, RF 신호는 각각 진폭(Amplitude) 성분과 위상(Phase) 성분으로 분리되어 증폭된다. 여기서, 진폭 검출기(Amplitude detector)(100)는 RF 신호로부터 진폭 성분을 검출하여 포락선(Envelope) 신호를 출력하고. 위상 검출기(Phase detector)(102)는 RF 신호로부터 위상 성분을 검출하여 위상 신호를 출력한다. 포락선 증폭기(Envelope Amplifier)(104)는 상기 진폭 검출기(100)로부터의 포락선 신호를 증폭하여 스위칭 모드 전력 증폭기(Switching mode PA)(106)로 출력한다. 상기 스위칭 모드 전력 증폭기(106)는 상기 위상 검출기(102)로부터의 위상 신호를 증폭하여 출력하며, 이때 상기 스위칭 모드 전력 증폭기(106)의 드레인 바이어스(drain bias)는 상기 포락선 증폭기(104)로부터 공급된다. 여기서, 상기 포락선 증폭기(104)는 드레인 바이어스 변조기(drain bias modulator)라 칭할 수도 있다. 따라서, 상기 스위칭 모드 전력 증폭기(106)가 포화상태(saturation mode)로 동작하는 경우, 상기 스위칭 모드 전력 증폭기(106)의 출력 신호의 포락선은 상기 포락선 증폭기(104)의 출력 파형(output waveform)을 따라가게 된다. 도 2는 종래기술에 따른 EER 구조의 전력 증폭기에서 포락선 증폭기의 상세 구성을 도시한 도면이다. 상기 도 2를 참조하면, 일반적으로 포락선 증폭기는 고효율 스위칭 증폭기(Switching amplifier)(200)와 광대역 전압 증폭기(Voltage amplifier)(202)로 구성된다. 상기 스위칭 증폭기(200)로서 벅 컨버터(buck converter)가 사용되며, 이는 전류원(current source)과 같이 동작하고, 상기 전압 증폭기(202)는 보통 푸쉬 풀 B급(class-B push-pull) 구조를 가지고 전압원(voltage source)과 같이 동작한다. 상기 벅 카운터는 85%이상의 높은 효율을 가지고 있으나, 스위칭 주파수가 높아질수록 스위칭 손실(switching loss)이 증가하므로, 고주파 동작에는 적합하지 않다. 반면, 푸쉬 풀 B급 구조의 전압 증폭기(202)는 낮은 효율을 가지고 있지만, 대역폭(bandwidth)을 넓게 설계할 수 있다. 따라서, 입력 신호의 저주파 부분은 상기 스위칭 증폭기(200)가 커버(cover)하고 고주파 부분은 상기 전압 증폭기(202)가 커버하도록 하면 이상적인 구조가 될 수 있다. OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 신호의 경우, 포락선 신호 전력의 80~85%가 저주파 영역(1MHz 이하)에 분포하므로, 스위칭 증폭기(200)가 대부분의 전력을 공급하게 된다. 그러나 상기 스위칭 증폭기(200)의 효율은 90% 이상인 반면 전압 증폭기(202)의 효율은 50% 정도에 불과하므로, 상기 전압 증폭기(202)의 효율이 높아짐에 따라 전체 포락선 증폭기(104)의 효율이 증대될수 있는 여지가 많이 남아있다. 기존 푸쉬 풀 B급 구조의 전압 증폭기(202)는 일반적으로 출력단(output stage)에 높은 전압(high power)을 공급해주기 위한 버퍼(buffer)로서 사용되고 있다. 이와 같은 기존 푸쉬 풀 B급 구조의 전압 증폭기는, 널리 알려진 바와 같이 포지티브(positive) 입력 전압에 대해서는 내부 NPN 트랜지스터가 턴 온(ON) 되고 네거티브(negative) 입력 전압에 대해서는 내부 PNP 트랜지스터가가 턴 온 되는 방식으로 동작한다. 이러한 기존 푸쉬 풀 B급 구조의 전압 증폭기의 효율은, 다른 일반적인 경우와 마찬가지로, 출력 신호 전압(Output Signal voltage : Vo)이 공급 전압(Supply voltage : Vs)까지 스윙(swing) 할때 최대의 효율을 나타내며, 그 값은 약 78.5%가 된다. 하지만 최근의 OFDM과 같이 높은 PAPR(Peak to Average Power Ratio)을 갖는 다중 반송파 통신 시스템(multi carrier communication system)에서는 평균 전력이 감소하게 되어 효율이 급격히 나빠질 수 밖에 없다. 이러한 효율 저하는, 도 3에서와 같이, 출력 신호 전압(Output Signal voltage : Vo)의 스윙 범위(swing range)와 공급 전압(Supply voltage : Vs)과의 차이가 클수록 특히 심해진다. 여기서, 상기 도 3은 상기 내부 NPN 트랜지스터의 출력 신호 전압의 스윙 범위를 예로 들어 도시하고 있으나, 상기 내부 PNP 트랜지스터의 경우도 극성만 반대일뿐 결과는 동일하다. 이러한 기존 푸쉬 풀 B급 구조의 전압 증폭기의 낮은 효율은 전체적인 전력 증폭기의 효율 저하를 가져온다. 따라서, 이러한 푸쉬 풀 B급 구조의 전압 증폭기의 효율 저하 최소화 방안이 필요하다.