JP2006503459A - 低インピーダンス増幅器を用いるチャイレックス・アーキテクチャ - Google Patents

Abstract

振幅および位相変調信号を増幅するときに使用するための回路および方法。回路は、二重の並列信号増幅器と共に結合器を用い、これらの増幅器が結合器に信号を供給する。信号増幅器は低出力インピーダンスを有し、一方で結合器は、信号増幅器からの入力間の分離を提供しない。他のチャイレックス・アーキテクチャでのように、信号増幅器からの信号は、結合器に供給される前に位相変調される。その後、結合器はこれらの２つの信号を結合し、そしてこれらの２つの信号がどのように結合されるかによって、結合器の結果としての出力は、振幅変調される。信号増幅器は、信号の高効率増幅を提供するために、Ｄ級またはＦ級増幅器であってもよい。

Description

発明の分野
本発明は信号処理に関し、特に、限定するわけではないが、振幅および位相変調信号を増幅するための回路に適用可能である。

発明の背景
１９９０年代の通信革命により、データおよび音声通信の両方を移送するためのさらにより良い手段に対して、その必要性が増した。ますます多くのデータが無線手段によって伝送されるとともに、この革命の一支流として、無線通信における急成長があった。無線ハンドセット、無線ＰＤＡ（携帯情報端末）および他の無線装置にとって、１つの何よりも重要な問題は電力消費である。すなわち、装置が消費する電力が少なければ、それだけ望ましいということである。この目的のために、増幅器などのより効率的な構成要素が、これらの無線装置においては望ましい。

過去には用いられたが、最近は人気が落ちたアーキテクチャの一タイプとして、いわゆるチャイレックス（Ｃｈｉｒｅｉｘ）アーキテクチャがある。１９３５年にヘンリー・チャイレックス（Ｈｅｎｒｙ・Ｃｈｉｒｅｉｘ）によって最初に提案され、また「アウトフェージング（ｏｕｔｐｈｓｉｎｇ）」として知られているその技術には、２つの信号を別々に位相変調し、それらを結合器または結合ネットワークで再結合することが含まれる。２つの信号の位相変調をうまく調節することによって、結合された結果信号は、位相変調されると同様に振幅変調されたものとすることができる。この技術によって、振幅変調信号用に飽和増幅器またはスイッチング増幅器を用いることが可能となる。

ＲＣＡコーポレーション（ＲＣＡ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）によって、その無線送信器のいくつかで用いられたときには、また「アンプリフェーズ（ａｍｐｌｉｐｈａｓｅ）」と呼ばれるこの技術は、信号を増幅するときの、その外見上の適用不能性のために最近では人気を失った。以前の試みでは、Ａ級およびＡＢ級増幅器などの線形および飽和増幅器を用い、２つの信号を結合する前にそれらを増幅しようとした。残念なことに、結果回路が十分に効率的ではないと分かり、これらの努力によって生み出された結果は、許容できないものとなった。チャイレックスベースのアーキテクチャは、十分な効率で適切に作動する場合には、電力消費だけでなく他の領域でも同様に利点を提供するであろう。

上記に基づいて、先行技術の欠点を克服するかまたは少なくとも軽減する方法または回路が必要である。このような解決法によって、チャイレックスまたはアウトフェージングアーキテクチャの利点が提供され、一方では、有用で十分な増幅効率がもたらされるはずである。

本発明によって、振幅および位相変調信号を増幅するときに使用するための回路および方法が提供される。回路は、二重の並列信号増幅器と共に結合器を用い、これらの増幅器が結合器に信号を供給する。信号増幅器は低出力インピーダンスを有し、一方で結合器は、信号増幅器からの入力間の分離を提供しない。他のチャイレックス・アーキテクチャでのように、信号増幅器からの信号は、結合器に供給される前に位相変調される。その後、結合器はこれらの２つの信号を結合し、そしてこれらの２つの信号がどのように位相変調されているかによって、結合器の結果としての出力は、位相変調と同様に振幅変調される。信号増幅器は、信号の高効率増幅を提供するために、Ｄ級またはＦ級増幅器であってもよい。

第１の態様において、本発明は、
信号を増幅するための回路であって、
−信号結合器と、
−それぞれが信号を受信および増幅する少なくとも２つの信号増幅器であって、信号増幅器が結合器と並列に結合され、信号増幅器のそれぞれが電圧源の役割を果たし、かつ低出力インピーダンスを有する増幅器と、
を備え、
−信号増幅器のそれぞれによって受信および増幅される各信号が位相変調され、
−信号増幅器それぞれの出力が、結合器によって加算されて、結果信号を生成し、
−結合器からの結果信号の振幅変調および位相変調が、出力の加算によって達成される回路を提供する。

信号を増幅するための回路であって、
第２の態様において、本発明は、
−それぞれが信号を受信および増幅し、かつそれぞれが増幅器出力を生成し、電圧源としての役割を果たす少なくとも２つの信号増幅器と、
−並列の増幅器出力のそれぞれを受信する結合器であって、増幅器出力間の分離を提供しない信号結合器と、
を備え、
−信号増幅器のそれぞれによって受信および増幅される各信号が位相変調され、
−増幅器出力が、結合器によって加算されて、結果信号を生成し、
−結合器からの結果信号の振幅変調が、増幅器出力の加算によって達成される回路を提供する。

次の図面に関連して以下の詳細な説明を考察することにより、本発明のよりよい理解が得られるであろう。

詳細な説明
図１を参照すると、本発明の一態様による回路１０のブロック図が示されている。信号増幅器２０Ａ、２０Ｂによって、出力４０を生成する結合器３０に信号が供給される。信号増幅器２０Ａ、２０Ｂは、低出力インピーダンス増幅器であり、一方で結合器３０はチャイレックス・アーキテクチャに相応しい結合器である。

周知のチャイレックス・アーキテクチャにおけるように、信号増幅器２０ａ、２０Ｂが受信および増幅する信号は、位相変調信号である。これらの位相変調信号は、信号増幅器２０Ａ、２０Ｂによって増幅された後に、結合器３０によって結合または加算され、結果として出力信号４０が得られる。相応しい位相変調器（図示せず）を用いて信号をうまく位相変調することによって、２つの信号の加算から結果として得られる信号４０は、振幅変調信号になる。それだけでなく、結果信号は、実際には、位相および振幅変調信号の増幅されたバージョンである。

図１に示すものと類似のアーキテクチャが過去に試みられたことに、注目すべきである。しかしながら、以前の試みにおける回路の低効率は、著しい出力インピーダンスを有するＡ級およびＡＢ級増幅器などの低効率の増幅器を用いたことに由来する。このような線形および飽和増幅器は、その著しい出力インピーダンスのために、それらにもたらされた負荷インピーダンスの動的調節に正確に応答しなかった。

負荷インピーダンスの動的な性質は、チャイレックス・アーキテクチャに相応しい結合器の結果である。このような相応しい結合器は、結果信号４０に振幅変調を再挿入するだけではなく、また、信号増幅器の各々にもたらされる負荷インピーダンスの動的調節を提供する。負荷インピーダンスのこのアウトフェージング調節では、各信号増幅器を通るＤＣ電流が、結合出力振幅が減少するとともに減少し、それによって、高い効率を維持するようにする。

２つの相応しい結合器が、図２および３に示されている。図２は、修正平衡磁気トランスを示す。当該技術分野において周知のように、磁気トランス結合器は、通常、センタータップ−グランド接続部を備えている。図２の修正トランスにおいて、タップ−グランド接続部は存在しない。見て分かるように、入力巻線６０の２つの端子５０Ａ、５０Ｂのそれぞれは、信号入力部、またはこの場合には対応する信号増幅器の対応する出力部に結合されることになる。出力７０が、出力巻線８０の一端子から取られ、もう一方の端子９０がグランド１００に結合されている。

別の相応しい結合器は、図３に示すような修正ウィルキンソン（Ｗｉｌｋｉｎｓｏｎ）結合器１１０である。周知のように、ウィルキンソン結合器には、通常入力部間に結合される分離抵抗器がある。図３の修正ウィルキンソン結合器において、入力部１２０Ａ、１２０Ｂのどちらも分離抵抗器１３０に結合されていない。この分離抵抗器は、図３の修正結合器に、実際上は存在しない。抵抗器１３０は、単に例証のために設けられている。非結合抵抗器１３０に関するこの修正以外では、修正ウィルキンソン結合器１１０は、他の周知のウィルキンソン結合器と、カップリングおよび特性において類似している。

図１のブロック図で用いる増幅器の適切な選択に関して、Ｄ級またはＦ級電力増幅器のいずれもが、上記で言及したような負荷インピーダンスの動的な性質に正確に応答できることが発明者らによって見出された。これらのＤ級またはＦ級電力増幅器によって、チャイレックス・アーキテクチャが位相変調信号および振幅変調信号の両方を増幅することを可能にする望ましい非常に低い出力インピーダンスが提供される。このようなＦ級電力増幅器が、図４に示されている。このＦ級増幅器１５０は、グランド１７０とコンデンサ１８０との間に結合された抵抗器負荷１６０からなる。またコンデンサ１８０と直列に結合されたインダクタ１９０は、信号の基本波を抵抗器負荷１６０へ渡す共振器を形成する。インダクタ１９０とグランドとの間に、高域フィルタ２００および別の抵抗器２１０が直列に結合されている。抵抗器２１０の抵抗値は、負荷抵抗器１６０よりはるかに高い。短絡された４分の１波長伝送線２２０は、全ての偶数次高調波電圧を効率的に短絡させ、一方で基本波を始めとする全ての奇数次高調波電圧は通過させられる。スイッチング電圧入力２３０は、トランジスタ２３０を通して供給される。

周知のように、Ｆ級増幅器は、全ての偶数次高調波電圧を「短絡」し、かつ全ての奇数次高調波電圧を「サポート」することによって、装置の出力端子全体に渡って電圧方形波によく似た波形を供給する。その結果、装置の出力端子全体に渡る電圧波形には、奇数次高調波成分のみが含まれる。さらに、この奇数次高調波および偶数次高調波の分類によって、基本波および偶数次高調波成分のみを含んだ、装置の出力端子を通過する電流が結果として得られる。

高調波のこの「短絡」および「サポート」は、図４に示すように、装置の出力端子全体に渡って接続される、短絡された４分の１波長の分路スタブでうまく達成される。スタブは、偶数次高調波を「短絡」し、奇数次高調波を「サポート」する。各高調波は、電圧成分または電流成分のみを含むので、装置は、基本波の場合を除いて、電力を吸収しない。

スタブが、第二高調波電圧だけを効果的に短絡し、基本波と第三高調波電圧だけを通過させる実際的な状況で、電力付加効率は８５％を超えることができる。

本発明で使用可能なＤ級増幅器の例として、図５は、Ｄ級増幅器のブロック図を示している。見て分かるように、Ｄ級増幅器は、構造において図４のＦ級増幅器に多少似ている。インダクタ１９０、コンデンサ１８０および抵抗器負荷１６０が、直列回路を形成する。インダクタ１９０は、トランスコイル２４０の一端部と直列に結合され、トランスコイル２４０の他端部は、グランド１７０に結合されている。もう一方のトランスコイル２５０は、接地されたコンデンサ２６０に結合された電圧源（Ｖｃｃ）によってタップされている。このもう一方のトランスコイル２５０は、トランジスタ２８０Ａ、２８０Ｂを介して、各端部でスイッチング電圧入力部２７０Ａ、２７０Ｂに結合されている。

このようなＤ級（電圧スイッチング）増幅器については、アクティブ装置は、その出力端子全体に渡る電圧が電圧レールであるときには、その出力端子間に電流を通さず、その出力端子全体に渡る電圧がゼロであるときには、その出力端子間に最大電流を通過させる。その結果、装置は電力を少しも吸収せず、バイアス電源から取られる電力はすべて、出力信号に変換される（１００％の電力付加効率）。

図１における増幅器ペア２０Ａ、２０Ｂの増幅器は、同じタイプにすべきことに注目する必要がある。そのようなものとして、１つの増幅器２０ＡがＤ級増幅器である場合には、もう一方の増幅器２０ＢもまたＤ級増幅器であるべきである。同様に、１つの増幅器がＦ級増幅器である場合には、もう一方もまたＦ級増幅器であるべきである。これらの２つの増幅器の級は、非常に低い出力インピーダンスと共に、必要なスイッチモード動作を提供する。他の増幅器の級は、スイッチモード動作を有しているかもしれないが、しかし、それらの出力インピーダンスは、所望の非常に低い値ではない。

図１の回路は、単に、並列の２つの信号増幅器を示しているだけだが、相応しい結合器と共に、多数の信号増幅器を並列に用いてもよいことにまた注目すべきである。このような構成には同じタイプまたは級の多数の並列の信号増幅器を用いて、全ての並列信号増幅器が、単一のマルチ入力ポート結合器に信号を供給してもよい。しかしながら、上述に述べたように、これら多数の信号増幅器は、必要なスイッチモード動作および低出力インピーダンスを有しているべきである。理想的には、このようなマルチ並列配置では、単にＤ級かまたはＦ級電力増幅器を使用するであろう。

本発明を理解する人は、今や上記の代替構造および実施形態または変更を考えられるであろうが、それらは全て、特許請求の範囲において定義するように、本発明の範囲内になるように意図されている。

図面の詳細な説明
本発明の一態様による、チャイレックス・アーキテクチャを用いた増幅器システムのブロック図である。 図１のシステムにおいて結合器として使用可能な修正平衡磁気トランスのブロック図である。 図１のシステムにおいて結合器として使用可能な修正ウィルキンソン結合器のブロック図である。 図１のシステムにおいて増幅器として使用可能なＦ級電力増幅器のブロック図である。 図１のシステムにおいて増幅器として使用可能なＤ級電力増幅器のブロック図である。

Claims (16)

1. 信号を増幅するための回路であって、
   −信号結合器と、
   −それぞれが信号を受信および増幅する少なくとも２つの信号増幅器であって、前記信号増幅器が前記結合器と並列に結合され、前記信号増幅器のそれぞれが低出力インピーダンスを有し、かつ電圧源の役割を果たす信号増幅器と、
   を備え、
   −前記信号増幅器のそれぞれによって受信および増幅される各信号が位相変調され、
   −前記信号増幅器それぞれの出力が、前記結合器によって加算されて、結果信号を生成し、
   −前記結合器からの前記結果信号の振幅変調が、前記出力の加算によって達成される回路。
2. 前記結合器が、前記信号増幅器の前記出力間の分離を最小にする、請求項１に記載の回路。
3. 前記結合器が、前記信号増幅器の前記出力間の分離を提供しない請求項１に記載の回路。
4. 前記結合器が、修正平衡磁気トランスであり、前記トランスが、センタータップ−グランド接続を欠いており、前記信号増幅器出力が、前記トランスの入力巻線の端子に結合されている、請求項３に記載の回路。
5. 前記結合器が、分離抵抗器に接続されている前記信号増幅器の前記出力を備えていない修正ウィルキンソン結合器である、請求項３に記載の回路。
6. 前記増幅器のそれぞれが、スイッチモード動作を有する、請求項１に記載の回路。
7. 前記増幅器のそれぞれが、
   −Ｄ級信号増幅器と、
   −Ｆ級信号増幅器と、
   を含む群から選択される、請求項６に記載の回路。
8. 前記少なくとも２つの信号増幅器の全てが同じタイプである、請求項１に記載の回路。
9. 信号を増幅するための回路であって、
   −それぞれが信号を受信および増幅し、かつそれぞれが増幅器出力を生成する少なくとも２つの信号増幅器と、
   −並列の前記増幅器出力のそれぞれを受信する信号結合器であって、前記増幅器出力間の分離を提供しない信号結合器と、
   を備え、
   −前記信号増幅器のそれぞれによって受信および増幅される各信号が位相変調され、
   −前記増幅器出力が、前記結合器によって加算されて、結果信号を生成し、
   −前記結合器からの前記結果信号の振幅変調が、前記増幅器出力の加算によって達成される回路。
10. 前記信号増幅器のそれぞれが、非常に低い出力インピーダンスを有する、請求項９に記載の回路。
11. 前記信号増幅器のそれぞれが、スイッチモード動作を有する、請求項１０に記載の回路。
12. 前記信号増幅器のそれぞれが、
    −Ｄ級信号増幅器と、
    −Ｆ級信号増幅器と、
    を含む群から選択される、請求項１１に記載の回路。
13. 前記信号増幅器のそれぞれが、
    −Ｄ級信号増幅器と、
    −Ｆ級信号増幅器と、
    を含む群から選択される、請求項９に記載の回路。
14. 前記結合器が、修正平衡磁気トランスであり、前記トランスが、センタータップ−グランド接続を欠いており、前記信号増幅器出力が、前記トランスの入力巻線の端子に結合されている、請求項９に記載の回路。
15. 前記結合器が、分離抵抗器に接続されている前記信号増幅器の前記出力を備えていない修正ウィルキンソン結合器である、請求項９に記載の回路。
16. 前記少なくとも２つの信号増幅器の全てが同じタイプである、請求項９に記載の回路。

Images