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이동통신 단말기용 전력 증폭기의 효율 향상을 위한 온도 보상 바이어스 회로 설계

Temperature compensation bias circuit design to improve the efficiency of power amplifiers for mobile communication terminals

  • 김욱현 (Kim Uk Hyun, 강릉원주대학교 일반대학원)

초록/요약 도움말

본 논문에서는 이동통신 단말기에 사용되는 전력 증폭기의 효율을 향상시키기 위한 온도 보상 바이어스 회로 설계 기법에 대하여 기술하였다. 현재 휴대 단말기의 경우, 배터리 사용 시간은 사용자의 편의를 결정하는 매우 중요한 부분 중 하나이다. 모바일 기기의 전력 증폭기가 송신기에서 가장 많은 전력을 소비하기 때문에 모바일 기기의 고효율 특성을 위한 설계가 필수적이다. 큰 back-off 전력에서 동작하는 전력 증폭기의 낮은 효율을 개선하기 위해 Dynamic Supply Switching (DSS), Quadrature Phase Shift Keying (QPSK), Average Power Tracking (APT) 및 Envelope Tracking (ET) 의 서플라이 변조 기법이 도입되었다. 대표적인 변조 기법은 APT와 ET이다. APT는 high power mode (HPM)와 low power mode (LPM)로 나누어져 있다. 큰 출력 전력에서는 APT의 HPM보다 ET가 효과적인 성능 개선을 이루지만, 노이즈, 손실 및 가격으로 인해 적용 가능한 기기가 제한적이다. 낮은 출력 전력에서는 효율을 극대화하기 위해 APT의 LPM를 사용한다. ET는 큰 성능 개선을 이루지만 dynamic range로 인해 제한적으로 사용 가능하다는 단점으로 인해 이동 통신 단말기에서는 APT 방식을 많이 적용한다. 낮은 출력 전력에서는 효율 향상을 위해 낮은 바이어스 전류를 요구하지만, 선형성을 고려하여 적절한 바이어스 포인트에서 설계하게 된다. 하지만 상온에서 최적의 바이어스 포인트로 설계하더라도 저온에서 바이어스 포인트가 더 낮아지면서 효율은 상승하지만, 선형성이 악화되는 문제가 생긴다. 일반적으로 저온에서 선형성 악화를 고려하여 상온에서 최적의 바이어스 포인트보다 높게 설정하기 때문에 효율을 극대화할 수 없다. 본 논문은 온도에 대한 바이어스 전류 변화를 최소화하여 낮은 전력에서 효율을 개선 시킬 수 있는 간단한 설계 기술을 제시하였다. 새로이 제시된 방법은 온도 변화에 대하여 전력 증폭기의 바이어스 전류가 안정적인 영역 내의 값을 가지도록 하는 여러 복잡한 바이어스 회로와 달리 매우 간단한 구조를 사용하였다. 제시된 설계 기술을 검증하기 위해 상용 수준의 이동통신 단말기용 전력 증폭기를 설계하고 이를 적용하여 GaAs Heterojunction Bipolar Transistor (HBT)로 제작하였다. 그 결과 온도에 대하여 증폭기가 안정적인 바이어스 전류 특성을 가짐으로써 특히 취약한 낮은 출력 전력에서 저온의 바이어스 전류를 효율적으로 개선 시킬 수 있었다. 본 연구에서 제안된 방법은 갈수록 우수한 성능을 요구받고 있는 이동통신 단말기용 전력 증폭기가 다양한 형태로 성능 개선을 시도할 때 온도 변화에 대한 문제를 간단한 구조로 해결할 수 있도록 도와줌으로써 전력 증폭기를 보다 우수한 형태로 진화할 수 있는데 필요한 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다.

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목차 도움말

1. 서론
1. 외부 조건에 의한 RF 회로 민감도
2. 이동 통신 단말기의 저전력 효율 개선 필요성 및 한계
3. 온도에 의한 RF 전력 증폭기의 민감도를 낮추기 위한 접근법
4. 목적과 개요

2. 전력 증폭기의 효율을 향상 시키기 위한 기법
1. Bias control
2. Average power tracking
3. Envelope tracking

3. GaAs HBT RF 전력 증폭기용 온도보상 바이어스 회로
1. 기존의 온도보상 바이어스 회로
2. 제안하는 온도보상 바이어스 회로
1) Type.Ⅰ
2) Type.Ⅱ

4. 결론 및 향후 연구 계획

5. 참고문헌

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