JP2005512375A

JP2005512375A - 電力合成を一体的に実行するスイッチモード電力増幅器

Info

Publication number: JP2005512375A
Application number: JP2003550250A
Authority: JP
Inventors: ジェームススチュアートワイト，
Original assignee: アイスファイアセミコンダクターコーポレーション
Priority date: 2001-12-03
Filing date: 2002-12-03
Publication date: 2005-04-28
Also published as: KR100926197B1; CN1647367A; US20040027199A1; USRE42448E1; US6937096B2; AU2002351903A8; US20030102915A1; US6603352B2; KR20050058266A; AU2002351903A1; WO2003049145A3; WO2003049145A2; CN100459422C

Abstract

スイッチモード電力増幅器は、その増幅器への複数の信号入力の電力増幅を実行し、かつ、一体的にそれらの信号を加算する（合成する）ために構成される。概念的には、これは、従来の３ポートコンバイナ（トリフィラ）または直列に接続された出力（２次側の）巻線を有する２つの変圧器の入力コンポーネントの構成と類似の態様で、従来の平衡型の変圧器接続の電圧スイッチング増幅器内の、変圧器のセンタタップ付入力巻線のコンポーネントを各入力信号のひとつである分離入力コンポーントと取り換えることによって達成される。したがって、増幅器の変圧器の入力巻線は、複数の入力コンポーネント／信号の各々の複数の直列に接続される巻線で構成される。

Description

本発明は、無線周波数（ＲＦ）送信器回路に関し、詳しくは電力増幅を一体的に合成する信号を供給する増幅回路に関する。

一般に、電力コンバイナは、並行電力増幅器の出力信号をワイヤレス送信のための１つの高電力ＲＦ出力信号に合成するためにＲＦ送信器において用いられる。これら公知の送信器構造において、これらの信号は、まず電力増幅器によって増幅され、その後、送信のための合成増幅信号を生成する電力コンバイナによって合成される。回路アーキテクチャおよび使用されている信号形式に依存するが、電力損失の減少と、コンバイナの入力信号間での絶縁を達成することとの間のトレードオフ（ｔｒａｄｅ−ｏｆｆ）を作成することが必要になる。

効率に対する必要性は、ワイヤレスローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）用に使用され、かつＯＦＤＭ（ＯｒｔｈｏｇｏｎａｌＦｒｅｑｕｅｎｃｙＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅｘ）等の変調フォーマットを使用するトランシーバの高度に統合される要件に対して、特に重要な設計要因である。さらに、発明者は、ＯＦＤＭ信号フォーマットを用いて、信号変調方法を開発し、それによって、情報信号は、独立コンポーネント信号に分解される。独立コンポーネント信号は、その後、アップコンバージョン、増幅および送信前の合成のために、当初の情報信号よりさらに効果的に処理および変調される。これらの独立した変調信号は、公知の電力増幅器およびコンバイナの固有の損失および絶縁制限による合成に後続される従来モデルの増幅を用いる場合、送信器の増幅／合成段階での効果を達成するさらなる課題を提供する。

非相互コンバイナは、低費用ワイヤレスのような用途では非経済的である。その代り、（４ポートまたは３ポート構造のどちらかで実現される）相互コンバイナは、そのような応用において便利である。４ポートコンバイナは各入力間で絶縁の利点を提供する（その意味は、増幅段階の出力インピーダンスはお互いに負荷ではない）が、増幅される信号が同一ではない場合（すなわち、統計的に独立である場合）、固有の損失は３ｄＢという結果になる（この損失は、信号が共振のために同一になる場合に消滅する）。それ故、４ポートコンバイナは、概して、増幅されつつある信号が同一である場合での使用に限り、適している。

３ポートコンバイナは、トリフィラ（ｔｒｉｆｉｌａｒ）としてまたは、直列に接続される出力（２次側の）巻線を有する２つの変圧器としても公知であり、３ポートコンバイナは、各入力間のある程度の絶縁を提供し得、この絶縁はコンバイナ出力に接続される負荷インピーダンスおよび電力を供給する増幅器の出力インピーダンスにも依存する。各増幅器の出力インピーダンスおよびコンバイナの出力負荷インピーダンスが同じである場合、絶縁が提供されず、結果として、固有損失が３ｄＢになる。一方、増幅器の出力インピーダンスが、コンバイナの出力負荷インピーダンスと比較して小さい場合、固有損失は減少し、かつ、０オーム出力インピーダンスに対する０ｄＢに近づく。

電力増幅器の多くのクラスは大きく２つの分類、すなわち線形型とスイッチモードとに区分けされ得る。線形の増幅器は、アクティブデバイスに対するバイアス状態および負荷ラインから生じる出力インピーダンスを提供する（通常の場合、アクティブデバイスは、トランジスタである）。実際には、この出力インピーダンスは、通常５〜５０オームの範囲である。結果として、制限された絶縁のみを成し遂げるのは、３ポートコンバイナ（トリフィラ）を用いて２つの線形増幅器の出力を合成する場合である。従来のスイッチモード電力増幅器（ＤクラスまたはＥクラス）はアクティブ（スイッチング）デバイス、セントラル変圧器コンポーネントおよび共振器からなる出力コンポーネントからなる。分離したスイッチモード増幅器の出力信号を合成するためにトリフィラに適用することは、そのような設計を必要とする複数の変圧器の巻線に関係する費用および空間的要件（結果として、非効率的である）のため、非実用的である。

送信器内で、電力増幅および変調信号の合成を達成する、新しい効果的な手段が必要である。

（本発明の要約）
スイッチモード電力増幅器は、その増幅器への複数の信号入力（すなわち、アナログ位相変調信号）の電力増幅を実行し、かつ、一体的にそれらの信号を加算する（合成する）ために構成される。概念的には、これは、従来の３ポートコンバイナ（トリフィラ）または直列に接続された出力（２次側）巻線を有する２つの変圧器の入力コンポーネント構成と類似する態様で、従来の平衡型の変圧器接続の電圧スイッチング増幅器内の、センタタップを有する入力巻線の変圧器コンポーネントを各入力信号のひとつである分離した入力巻線コンポーネントと取り換えることによって達成される。したがって、増幅器の変圧器の入力巻線は、複数の入力コンポーネント／信号の各々の複数の直列に接続される巻線で構成される。

本明細書の本発明によって、増幅器への複数の信号入力を一体的に増幅および加算するためにスイッチモード電力増幅器が提供される。その増幅器は、複数の入力信号の各々に対して入力コンポーネント、出力共振器およびそれらの間の変圧器コンポーネントを含む。変圧器コンポーネントは複数の直列に結合している入力巻線および出力巻線を備える。各入力コンポーネントは、入力巻線および複数のアクティブデバイスを含む。その複数のアクティブデバイスにおいて、アクティブデバイスは交互に、その入力コンポーネントに対する入力信号によってスイッチングされるように構成され、その結果、入力巻線において入力信号に対応する増幅された信号を与える。各入力コンポーネントは、低出力インピーダンスを提供する。変圧器の入力巻線上の直列に接続される増幅された信号の結果として、出力の巻線が増幅された信号の加算に対応する加算信号を示すこととなる。

１つの好適な実施形態において、本発明の増幅器の入力コンポーネントは、２つのアクティブデバイスを備え、入力巻線はセンタタップ付巻線であり、そのセンタタップは、電圧レールに接続され、巻線の各終端は、アクティブデバイスのうちの１つによって供給される。

有利にも、アクティブデバイスは低出力インピーダンスと高出力インピーダンスとの間で交互にスイッチングを行い、その結果、並列出力インピーダンスは低くなる。結果として、複数の入力コンポーネントの直列に接続されるセンタタップ付巻線は、増幅器の共振器および負荷に印加される低出力インピーダンスソースの直列接続を構成する。これは、次に、増幅器入力コンポーネント間の高レベル絶縁を提供し、その結果、低レベルの損失になる。

別の好適な実施形態において、本発明の増幅器の入力コンポーネントは、入力巻線を有するブリッジ構成に並べられたアクティブデバイスの２つの結合している一対を備え、ここで、各一対は交互にスイッチングされ、各一対のうちの１つのアクティブデバイスは電圧レールに接続されて、各一対の他のアクティブデバイスはグランドと接続され、入力巻線はアクティブデバイスの各一対と共に結合している。

さらに、本発明により、複数の入力信号を増幅し、かつ、加算するための方法を提供し、これにより共振器コンポーネントへの入力用の単一の増幅された加算信号を生成する。各入力信号は、低出力インピーダンスを有する分離した増幅器入力コンポーネントによって増幅され、入力コンポーネントの巻線内の入力信号に対応する増幅された信号を生成する。増幅するステップを実行するために、入力信号は、アクティブデバイスの交互のスイッチングを引き起こす入力コンポーネントのアクティブデバイスに印加される。入力コンポーネントの巻線は直列に結合されて、変圧器コンポーネントに効果的な入力巻線を提供する。それによって、加算信号は共振器コンポーネントへの出力のために構成された変圧器の出力巻線内に与えられる。

本発明の例示的で好適な実施形態を、以下の図面を参照して次に詳細に記載する。図面全てに渡って、同じ参照は同じ要素を意味する。

驚いたことに、発明者は改良された電力増幅器および電力コンバイナを達成する手段を発明かつ開発し、公知の、続いて結がる段階の電力増幅器およびコンバイナの設計をしのぐより効率の良いものを提供する。有利にも、本発明のスイッチモード増幅器は、一体的に信号入力の電力増幅およびコンバイナを実行する。本発明によると、複数の入力信号が増幅された後で、かつ、増幅器の共振器コンポーネントに印加される前に、電力増幅器内で合成（加算）され、それ故に、合成されて負荷インピーダンスに印加される。これは、公知の電力増幅器と著しく対照的であり、電力合成は完全な増幅のプロセスに続いて生じる。公知の（従来技術の）スイッチモード電力増幅器は図１に示され、公知の（従来技術の）３ポート電力コンバイナ（トリフィラ）は図２に示される。これらデバイス両方の動作態様は、当業者によって十分理解される。

図１に示される従来技術のスイッチモード電力増幅器は、変圧器結合の電圧スイッチングアーキテクチャを有し、入力巻線コンポーネント１０、２０および出力巻線４０で構成される平衡のセンタタップを有する入力巻線３０を備え、これらはともに増幅器の変圧器コンポーネントを構成する。この増幅器の動作の態様は、当業者には周知である。動作中、アクティブデバイス（トランジスタ）１６、１８の出力は、シーソースイッチとして機能し、信号ＶｉｎおよびＶｉｎ１２、１４の２つの入力レベル間で切換わる。ここで、ＶｉｎはＶｉｎの反転である（Ｖｉｎは、一定の包絡位相変調信号である）。この結果、各入力巻線コンポーネント１０、２０によって生成される信号は、入力信号Ｖｉｎの位相変化を追跡し、交互に電圧レールＶ_ＤＤとグランドとの間で切換わる。それ故、巻線コンポーネント１０および２０での信号は、２つの相補的な方形波電圧信号であり、その信号は、入力巻線３０によって合成され、入力信号Ｖｉｎに対応する増幅された信号を生成する。巻線の半分は平衡であり、効率目的のために巻線の間で高い結合係数を有する。結果的に、変圧器コンポーネントの出力巻線４０間に結果として生じる増幅された加算信号は、同調出力共振器（フィルタ）コンポーネントに直列に接続され、これは負荷インピーダンス（Ｒ）７８への出力のために、インダクタ（Ｌ）５０およびコンデンサ（Ｃ）６０を備える。

前述のスイッチモード増幅器のアクティブデバイス１６および１８は、これらアクティブデバイス間の電圧およびこれらアクティブデバイスを介する電流を同時に受けることはない。結果として、スイッチモード増幅器が、開回路と短絡回路との間で切換わる出力インピーダンスを与える。各それぞれのアクティブデバイスに対する出力インピーダンスは、１つが開回路である場合、他が短絡回路である他のアクティブデバイスのインピーダンスと相補的である。開回路が入力巻線３０の１つのコンポーネント１０または２０に与えられる場合、開回路は変圧器を負荷しない（特定入力巻線コンポーネント１０または２０を介して電流が流れないため）。変圧器に現れる合成インピーダンスは結果として、相補的な入力巻線コンポーネント２０または１０のそれぞれからの短絡回路（０オーム）のインピーダンスになる。なお、この例示的スイッチモード増幅器は電圧スイッチングを用いる。電圧スイッチングの代替は、電流ソースと開回路との間で切換わる電流スイッチングを用いる。しかし、実際、そのような代替は、一定電流ソースを提供する必要のため、ほとんど所望され得ない。

発明者は、スイッチモード増幅器のアクティブデバイス１６、１８によって与えられるこの超低出力インピーダンスが有利に、重ね合わせ（すなわち信号電圧の合成）を達成するように用いられ得ることを発見した。具体的に、発明者は、電圧信号のそのような重ね合わせが、上述の平衡スイッチモード電力増幅器アーキテクチャ（例えば、ＤクラスまたはＥクラス）のセンタタップを有する変圧器を３ポートコンバイナ（トリフィラ）（または、上述したような、直列に接続される２次側巻線を有する２つの変圧器）と類似の態様の、分離した入力段階と交換することによって達成される。

本発明の第１の実施形態の説明は、図３によって提供される。図３から、図１に示される従来技術の増幅器の変圧器の（巻線の半分１０および２０から構成される）入力巻線３０は、本発明のスイッチモード増幅器において、増幅かつ合成される２つの入力電圧信号Ｖｉｎ１およびＶｉｎ２の各信号のそれぞれに対する分離した入力コンポーネント７０および８０の入力巻線７２および７４と交換され、ここで、各入力コンポーネント７０，８０は、それぞれ、アクティブデバイス８２および８４、８６および８８、ならびに、それぞれ入力巻線７２、７４を備える。そのように、各入力コンポーネント７０、８０は１つのトリフィラ入力に類似した態様で機能する。

図３に示すように、信号Ｖｉｎ１、Ｖｉｎ１およびＶｉｎ２、Ｖｉｎ２はそれぞれ、アクティブデバイス８２、８４および８６、８８へ供給される（それによって、Ｖｉｎ１はＶｉｎ１の反転で、Ｖｉｎ２はＶｉｎ２の反転である）。巻線７２および７４はただ、巻線７２および７４を駆動するアクティブデバイス（すなわち、スイッチオンにされ、かつ、短絡回路を与えるアクティブデバイス）の超低出力インピーダンス（理論的には０）として考えられる。２つの入力コンポーネント巻線７２および７４は直列に結合され、重ね合わせにより、これらの巻線内に入力電圧信号Ｖｉｎ１およびＶｉｎ２によって生成される電流波形は、重ね合わせを引き起こされ、結果として、出力巻線４４内で２つの信号の加算になる。出力巻線４４は、１つの終端をグランドに、および他の終端を共振器コンポーネント５０、６０に接続される（本明細書中で示されるシングル巻線は代替の実施形態として、２つの直列に接続される出力巻線によって提供されることが理解される）。この加算は、増幅される前に増幅器の中で引き起こされ、加算信号は、共振器コンポーネント５０、６０に供給され、その後、負荷インピーダンス７８に供給される。そのように、シングル増幅器共振器は２つのスイッチモード増幅器入力信号Ｖｉｎ１およびＶｉｎ２の間で共有される。随意の代替的な実施形態において、出力巻線４４の終端は、（図３で示されるようにグランドに接続される１つの終端の代わりに）平衡態様で共振器コンポーネントに接続され得る。

有利にも、本発明の増幅器はそのような同一ではない（独立の）入力信号Ｖｉｎ１およびＶｉｎ２を、ほとんど損失なく（理論的には０）合成するようなことを達成する。本明細書中で図示された実施形態は、ただ２つの入力信号を用いる（Ｖｉｎ１およびＶｉｎ２はアナログの一定包絡位相信号変調である）が、多くの数の入力信号（すなわち、Ｖｉｎ１、Ｖｉｎ２、Ｖｉｎ３、．．．）は、本発明により類似の態様で増幅され得る。

図４は、本発明の代替的な実施形態を示し、本発明は図３の実施形態の平衡型アーキテクチャ（および図１に示される従来技術増幅器）ではなく増幅器入力コンポーネント１００および１１０のブリッジアーキテクチャを備える。この実施形態において、各入力コンポーネント１００および１１０の全入力コンポーネント巻線１４０、１５０は、信号入力（Ｖｉｎ１およびＶｉｎ２）の各スイッチサイクルに対して用いられる。これは、図３の実施形態の平衡型アーキテクチャとは異なり、図３において、半分の巻線だけが、任意の所定の時間にエネルギを与えられ、それ故、巻線の半分は、強く結合されなければならない。示されるように、各入力コンポーネント１００および１１０に対して、ブリッジ構成された（すなわち、クロス配置された）一対のアクティブデバイス（トランジスタ）の１１２および１１８、１１４および１１６、並びに１２０および１２６、１２２および１２４のそれぞれは開回路と短絡回路との間で交互にスイッチされる。その結果、巻線１４０、１５０の各々を通って流れる電流の向きは、信号の各半サイクルで切換わり、全巻線は、常に用いられる。それ故、この実施形態は、図３の実施形態と関連する、強く結合している半分の巻線を確実にする必要性は無効になる。

上述の記載された実施形態で用いられた個々の電子的およびプロセッシング機能は、それぞれ、当業者によく理解される。多様な他の実装は置換のために当業者に工夫され得ることが、理解される。電子および通信設計分野の当業者は、本発明を所定の用途のために適切な実装に容易に適用し得る。

結果として、図示によって本明細書中に示されかつ記載された特定の実施形態は、添付の請求項によって定義され、発明者によって主張される発明の範囲を制限するように意図されない。

図１は、電圧スイッチングアーキテクチャを有する、従来技術の平衡スイッチモード電力増幅器（ＤクラスまたはＥクラス）を示す。図２は、従来技術の３ポート電力コンバイナ（トリフィラ）を示す。図３は、複数の信号入力の電力増幅を実行し、かつ、一体的に信号を加算（合成）するために構成された、スイッチモード電力増幅器（ＤクラスまたはＥクラス）を示し、ここで、増幅器の各入力コンポーネントのセンタタップを有する巻線の半分の１つは、信号入力（Ｖｉｎ１およびＶｉｎ２）の各半サイクルに対して用いられ、本実施形態において、出力（２次側の）巻線はトリフィラの出力巻線である（しかし、当業者には、代替の実施形態に対して、この出力巻線が２つの変圧器の２つの直列に接続される２次側の巻線によって提供されることが理解される）。図４は、複数の信号入力の電力増幅を実行し、かつ、一体的に信号を加算（合成）するために構成されたスイッチモードの電力増幅器（ＤクラスまたはＥクラス）を示し、ここで、増幅器の各入力コンポーネントの全ての巻線は、図３の実施形態のセンタタップを有する（すなわち、半分の）巻線とは異なって、信号入力（Ｖｉｎ１またはＶｉｎ２）の各半サイクルに対して用いられる。

Claims

複数の信号入力を一体的に増幅かつ加算するために構成されるスイッチモード電力増幅器であって、該増幅器は、該複数の入力信号の各々に対する入力コンポーネント、出力共振器コンポーネントおよびこれらの間にある変圧器コンポーネントを備え、該変圧器コンポーネントは複数の直列に接続される入力巻線および出力巻線を備え、各該入力コンポーネントは、該入力巻線のうちの１つおよび複数のアクティブデバイスを備え、該アクティブデバイスは、該入力巻線の該入力信号に対応する増幅された信号および低インピーダンスを与えるために該入力信号によって交互にスイッチされるように構成され、該出力巻線は、該増幅された信号の加算に対応する加算信号を与える、スイッチモード電力増幅器。
前記信号は、アナログ位相変調信号である、請求項１に記載のスイッチモード電力増幅器。
各前記入力コンポーネントは、２つのアクティブデバイスを備え、各前記入力巻線はセンタタップ付巻線であり、該センタタップは電圧レールに接続され、該巻線の各終端は該アクティブデバイスの１つによって供給される、請求項２に記載のスイッチモード電力増幅器。
各前記入力コンポーネントは、前記入力巻線とともにブリッジ構成に並べられたアクティブデバイスの２つの結合された一対を備え、各該一対は、交互にスイッチされ、各該一対の１つのアクティブデバイスが電圧レールに接続され、各該一対の他のアクティブデバイスはグランドに接続され、該入力巻線はアクティブデバイスの各該一対に共に結合される、請求項２に記載のスイッチモード電力増幅器。
前記出力巻線は、該巻線の１つの終端でグランドに接続され、かつ、該巻線の他の終端で前記共振器コンポーネントに接続される、請求項３に記載のスイッチモード電力増幅器。
２つの出力共振器を備え、前記出力巻線は、該巻線の各終端で１つの該共振器コンポーネントと平衡型態様で接続される、請求項３に記載のスイッチモード電力増幅器。
前記増幅器は、ＤクラスまたはＥクラスのうちの１つである、請求項５に記載のスイッチモード電力増幅器。
前記増幅器は、ＤクラスまたはＥクラスのうちの１つである、請求項６に記載のスイッチモード電力増幅器。
前記出力巻線は、該巻線の１つの終端でグランドに接続され、かつ、該巻線の他の終端で前記共振器コンポーネントに接続される、請求項４に記載のスイッチモード電力増幅器。
２つの出力共振器コンポーネントを備え、前記出力巻線は、該巻線の各終端で該共振器コンポーネントと平衡型態様で接続される、請求項４に記載のスイッチモード電力増強器。
前記増幅器は、ＤクラスまたはＥクラスのうちの１つである、請求項９に記載のスイッチモード電力増幅器。
前記増幅器は、ＤクラスまたはＥクラスのうちの１つである、請求項１０に記載のスイッチモード電力増幅器。
複数の信号入力を一体的に増幅かつ加算するために構成されるスイッチモード電力増幅器であって、前記増幅器は、該複数の入力信号の各々に対する入力コンポーネント、負荷に接続するための出力共振器コンポーネントおよび該入力と共振器コンポーネントの間の変圧器コンポーネントとを備え、該変圧器コンポーネントは、複数の直列に接続される入力巻線および出力巻線を備え、各該入力コンポーネントは、該入力巻線のうちの１つおよび複数のアクティブデバイスを備え、該アクティブデバイスは、該入力コンポーネントの該入力信号によって交互にスイッチングするように構成され、それによって該直列に接続される入力コンポーネント巻線は、該共振器コンポーネントおよび該負荷に印加される低出力インピーダンスの直列接続を構成する、スイッチモード電力増幅器。
前記出力巻線は、直列に接続される巻線を備える、請求項１に記載のスイッチモード電力増幅器。
前記出力巻線は、直列に接続される巻線を備える、請求項１３に記載のスイッチモード電力増幅器。
共振器コンポーネントへの入力のためのシングルの増幅された加算信号を生成するように複数の入力信号を増幅かつ加算する方法であって、該方法は、
（ａ）該入力コンポーネントの巻線内の該入力信号に対応する増幅された信号を生成するように低出力インピーダンスを有する分離した増幅器入力コンポーネントによって各該入力信号を増幅するステップであって、該増幅するステップは、アクティブデバイスの交互のスイッチングを引き起こすために該入力コンポーネントのアクティブデバイスへ該入力信号を印加するステップを包含する、ステップと、
（ｂ）変圧器コンポーネントに対して効果的な入力巻線を提供するように該入力コンポーネントの該巻線を直列に結合するステップであって、これによって該加算信号は該共振器コンポーネントへの出力のために構成された該変圧器の出力巻線内に与えられる、ステップと
を包含する、方法。
各前記入力信号は、２つの前記アクティブデバイスに印加される方法であって、各前記入力巻線はセンタタップ付巻線であり、該センタタップは電圧レールに接続され、該巻線の各終端は、１つの該アクティブデバイスによって供給される、請求項１６に記載の方法。
各前記入力信号は、前記入力巻線とともにブリッジ構成に並べられたアクティブデバイスの２つの結合された一対の各アクティブデバイスに印加され、各該一対は、交互にスイッチされ、各該一対の１つのアクティブデバイスが電圧レールに接続され、かつ、各該一対の前記他のアクティブデバイスはグランドに接続され、該入力巻線はアクティブデバイスの各該一対に共に接続される、請求項１６に記載の方法。
前記出力巻線は、直列に接続される巻線を備える、請求項１６に記載の方法。