JP2010506514A - 動作電力の広い範囲にわたるオンチップim3低減のためのシステムおよび方法 - Google Patents
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Abstract
数組の電力増幅器のブランチは、各増幅段内で電力合成され、各組のブランチは、異なるインピーダンス特性を持つバイアス回路によって、動作の異なる級にバイアスされる。その結果、電力レベルのある範囲にわたり、出力に存在する基本周波数成分は互いに同位相になり、IMD3成分は逆位相になる。RF入力信号は前段の出力により供給され、各段は数組の電力増幅器のブランチを電力合成することにより構成される。各ブランチは、IM3成分は部分的にまたは完全にキャンセルする一方で、基本波成分は付加的になるように、個別にバイアスされる。フィードフォワード制御ループを使用して入力電力を監視すること、および個々のブランチに給電する前記バイアス回路のバイアス電流とインピーダンス特性を適切に調整することにより、出力電力の広い範囲にわたって、更なるIM3の低減、または、キャンセルを提供することができる。
Description
本出願は、2006年10月6日に出願された米国特許仮出願第60/850146号に対する優先権を主張するもので、その全ての開示は参照により本明細書に組み込まれる。
本発明は、一般に、通信デバイスのための無線周波数/マイクロ波増幅器に関し、より詳細には、自動的に3次相互変調積レベルを低減し、周波数の広い範囲にわたって通信システムに対する信号歪を低減して高いデータレートを維持するためのシステムおよび方法に関する。
増幅器は、トランシーバからの変調信号を、携帯電話のフロントエンドを通して信号を流す前に増幅するために、全ての携帯電話の中で用いられる。フロントエンドは、典型的に、受動素子と、基地局へ信号を送信するアンテナへのスイッチとから成る。図1は、従来技術の携帯電話の中に含まれる回路の高レベルのトポグラフィー(topography)を示す。一般に、ベースバンド集積チップ1は、トランシーバ2に信号を供給する。トランシーバはRF信号を電力増幅器3に送り、電力増幅器3はRF信号をフロントエンドモジュール4に出力し、アンテナ5によって大気中に送出する。これらの全ての構成要素は典型的な携帯電話6の中に内蔵されている。
RF/マイクロ波電力増幅3の設計を推進する2つの重要な要因は、線形性と効率である。本明細書で使用されるように、線形性とは、歪なく増幅を行うデバイスの能力のことを言い、効率とは、無駄に消費するエネルギーを極力小さくしてDC電力をRF/マイクロ波電力に変換するデバイスの能力のことを言う。従来の電力増幅器の設計では、一方の領域での改善は、典型的に、他方の領域での性能劣化を引き起こす。RF/マイクロ波増幅器は、2つの動作領域を有する。すなわち、線形領域と非線形領域である。線形領域では、入力信号エンベロープは、増幅されて出力での歪は存在しない。大きなピークツーピークの入力信号レベルに対しては、増幅器は非線形の領域に入って出力信号は歪んでくる。
RF/マイクロ波増幅器における歪は、一般的に、振幅クリッピング、信号振幅の関数としての位相変動、および相互変調積によって引き起こされる。振幅クリッピングは、ピークツーピーク入力信号のエンベロープ振幅が増幅器の線形領域を超えて伸びるときに生ずる。信号振幅による位相変動もまた、ピークツーピーク入力信号のエンベロープ振幅が増幅器の線形領域を超えて伸びるときに生ずる。相互変調歪(IMD)は、増幅器の伝達関数の非線形性の結果として生じ、入力信号の和周波数と差周波数のところで生成されているミキシング積を生じさせる。
3次相互変調積(IMD3)は、周波数スペクトル上で、この積が搬送波信号に非常に近いので、重要な関心事である。IMD3は、搬送波信号に近い位置に位置するので、除去、またはその低減さえもが非常に困難であり、しばしば、RF/マイクロ波増幅器の線形性における制限要因となる。出力3次インターセプトポイント(OIP3、output third−order intercept point)は、OTOI(Output Third Order Intercept)としても知られ、基本波出力電力の1:1勾配の外挿線と3次相互変調積の3:1勾配の外挿線との交点として定義される。その外挿が線形領域の中でうまく行われた場合、OIP3(OTOI)は、電力増幅器の線形性の予測に対する有益な仕様となる。従って、OIP3(OTOI)点が高いほど、電力増幅器は高い線形性を有する。上記で述べたように、電力増幅器のIMDを低減することは、その線形性を改善し、従ってOIP3(OTOI)を改善する。
図2を参照すると、電力増幅器3は、ゼロ個以上の抵抗、容量、およびインダクタの回路トポロジーから成る整合ネットワーク8a、8b、8c...8nによって直列に接続された1つ以上の段(ステージ)7a、7b...7nを備える。各々の段7a、7b...7nは、並列に接続された幾つかのブランチ18a、18b...18nから成る。各々のブランチ18は、並列に接続された1つ以上のユニットセル20を有する。ユニットセルは、ゼロ個以上の抵抗、容量、およびインダクタの回路トポロジーの中の1つ以上のトランジスタから構成される。
各々の電力増幅段7は、典型的に、ブランチが単一の動作級(class)で動作するように、適切な電流または電圧を供給するバイアス回路(図示せず)によってバイアスされる。本明細書で使用されるように、動作級は、各ブランチの中のユニットセルがオン状態で電流を流している間、入力正弦波信号の割合によって決定される。例えば、A級動作では、ブランチは全て、入力正弦波信号の360度に対してオン状態で電流を流すように、バイアスされる。B級では、ブランチは、入力信号の180度に対してオン状態で電流を流している。近似B級(near-class B)にバイアスする条件は、ブランチがオン状態であって、導通角が180度に近いが180度より上である場合に対するものである。AB級では、ブランチは、典型的には270度またはその周辺の値でオン状態であり導通状態にあるが、180度から360度の間を変化してもよい。各動作級の限界は、厳密に設定されるわけではなく、本明細書では、増幅器の動作条件の一般的理解の目的のために使用される。
電力増幅器の応答を改善するために、幾つかの方法が試行されてきた。1つの方法は、RF/マイクロ波増幅器をより低い電力レベルで動作させてデバイスが線形領域に停まることを保証することである。この方法の欠点は、デバイスがより低い電力レベルで動作するときには、より高い電力レベルで動作するときより、少ない効率で動作していることである。
本発明は、電力増幅器のIM3レベルを低減しOIP3(OTOI)を改善することにより、RF/マイクロ波電力増幅器の出力応答を改善しようとする。この問題に対する1つの解決法は、線形領域および非線形領域において存在する歪を低減し、増幅器の動作をより高い電力レベルが実行できる非線形領域にまで延長できるようにすることである。
本発明は、従来技術の構造および方法についての、前述した検討等を認識し取り扱う。
これらのおよび/または他の目的は、個別増幅器の出力で少なくとも1つの歪成分をキャンセルする個別増幅器の1つの好ましい実施形態で達成される。この個別増幅器は、互いに並列接続の第1のブランチと第2のブランチを少なくとも有する第1の段と、互いに並列接続の第3のブランチと第4のブランチを少なくとも有する第2の段とを備える。第1のブランチと第2のブランチの各々は、互いに並列接続された1つ以上のユニットセルを有する1つ以上のトランジスタレッグで構成され、第3のブランチと第4のブランチの各々は、互いに並列接続された1つ以上のユニットセルを有する1つ以上のトランジスタレッグで構成される。個別増幅器は、第1のインピーダンスと第1のバイアスレベルとを有する第1のバイアス回路と、第2のインピーダンスと第2のバイアスレベルとを有する第2のバイアス回路と、第3のインピーダンスと第3のバイアスレベルとを有する第3のバイアス回路と、第4のインピーダンスと第4のバイアスレベルとを有する第4のバイアス回路とをさらに備える。第1のバイアス回路は、第1のブランチを第1の動作モードにバイアスするために第1の段の第1のブランチに動作可能に接続されており、第2のバイアス回路は、第2のブランチを第2の動作モードにバイアスするために第1の段の第2のブランチに動作可能に接続されており、第3のバイアス回路は、第3のブランチを第3の動作モードにバイアスするために第2の段の第3のブランチに動作可能に接続されており、第4のバイアス回路は、第4のブランチを第4の動作モードにバイアスするために第2の段の第4のブランチに動作可能に接続されている。第1の動作モードおよび第2の動作モードの内の少なくとも1つ、ならびに第3の動作モードおよび第4の動作モードの内の少なくとも1つは、第1の段と第2の段の内の少なくとも1つのそれぞれの出力で、少なくとも1つの歪成分が実質的にキャンセルされるように選択される。
別の実施形態では、第1のバイアス回路の第1のインピーダンスおよび第1のバイアスレベルは、第2のバイアス回路の第2のインピーダンスおよび第2のバイアスレベルと異なる。他の実施形態では、第1のバイアス回路および第2のバイアス回路のインピーダンスと、第1のブランチおよび第2のブランチのバイアスレベルは異なり、また、第3のバイアス回路および第4のバイアス回路のインピーダンスと、第3のブランチおよび第4のブランチのバイアスレベルは異なって、個別増幅器の第1の段および第2の段の内の少なくとも一方の出力で、少なくとも1つの歪成分のキャンセルを最大にするように選択される。
さらに他の実施形態では、第1のブランチと第2のブランチと第3のブランチと第4のブランチは、単一の集積回路チップの上に形成され、第1のバイアス回路と第2のバイアス回路と第3のバイアス回路と第4のバイアス回路は、電気的寄生を最小にするよう同じ単一の集積回路チップの上に物理的に設置され、少なくとも1つの歪成分のキャンセルを最大にしている。他の実施形態は、センシング回路をさらに備え、このセンシング回路は、個別増幅器への入力電力を感知し、バイアス回路の電流とインピーダンスの内の少なくとも1つを調整することにより、第1のバイアス回路および第2のバイアス回路および第3のバイアス回路および第4のバイアス回路のうちの少なくとも1つに、それぞれのブランチの動作モードを調整させる。結果として、少なくとも1つの歪成分のキャンセルが最大になる。
幾つかの実施形態では、第1のモードと第2のモードと第3のモードと第4のモードは、A級動作モードとB級動作モードとC級動作モードとAB級動作モードの内の1つから選択され、第1のバイアス回路と第2のバイアス回路と第3のバイアス回路と第4のバイアス回路は、それぞれのバイアス回路のインピーダンスを変化させて、少なくとも1つの歪成分のキャンセルを最大にするよう、調整される。
別の実施形態では、回路の出力における少なくとも1つの歪成分をキャンセルするための回路は、第1の入力ポート、第1の出力ポートおよび第2の出力ポートを有する電力分割器と、第1の入力ポート、第2の入力ポートおよび第1の出力ポートを有する電力合成器とを備える。電力分割器では、第1の信号は電力分割器の第1の入力ポートに入力され、電力分割器の第1の出力ポートにおける第2の信号と電力分割器の第2の出力ポートにおける第3の信号とに分割される。第1の増幅器は、電力分割器の第1の出力ポートに結合した入力ポートと、電力合成器の第1の入力ポートに結合した出力ポートを有する。第2の増幅器は、第1の増幅器と並列接続であり、この第2の増幅器は、電力分割器の第2の出力ポートに結合した入力ポートと、電力合成器の第2の入力ポートに結合した出力ポートを有する。少なくとも1つのバイアス回路は、第1の増幅器および第2の増幅器の一方が、第1の増幅器および第2の増幅器の他方とは異なった動作級にバイアスするために、第1の増幅器および第2の増幅器の内の1つに動作可能に接続される。そして、少なくとも1つの制御論理回路は、第1の信号を感知して、第1の増幅器および第2の増幅器の内の1つの少なくとも1つのサイズを、第1の信号に基づいて変化させ、第1の増幅器および第2の増幅器の内の1つのバイアスレベルの大きさを第1の信号に基づいて変化させる。第4の信号は、少なくとも1つの歪成分が低減されて、電力合成器の第1の出力ポートから出力される。
他の実施形態では、第4の信号内で少なくとも1つの歪成分が低減するよう、第1の増幅器および第2の増幅器の内の他方の増幅器を第1の増幅器および第2の増幅器の内の一方の増幅器と異なる動作級にバイアスするために、第2のバイアス回路が、第1の増幅器および第2の増幅器の内の他方の増幅器に動作可能に接続される。幾つかの実施形態では、この少なくとも1つの歪成分は、第1の信号の第三高調波である。さらに他の実施形態では、動作モードは、A級動作モード、B級動作モード、C級動作モード、AB級動作モードの内の1つから選択される。他の実施形態では、電力分割器と電力合成器は、直交ハイブリッドである。
本明細書に組み込まれてその一部を構成する付属図面は、本発明の1つ以上の実施形態を示し、本明細書の記述とともに、本発明の原理の説明に資する。
当業者の一人に向けられた本発明のベストモードを含む、本発明の完全かつ実施可能な開示は、本明細書で説明され、本明細書は添付図面について言及する。
本明細書および本図面において、繰り返し使用する参照記号は、本発明の同一または類似の特徴または要素を示すことが意図される。
ここでは、本発明の現在の好ましい実施形態へ詳細に言及が行われる。これらの実施形態の一つまたは複数の事例は添付の図面に図示される。各々の例は、本発明の限定のためではなく、本発明の説明のために提供される。実際、本発明において、本発明の範囲および趣旨から逸脱しなければ、変更と変形を行うことができることは、当業者にとって明らかであろう。例えば、一実施形態の一部として説明されまたは記述された特徴を、別の実施形態で使用して、さらなる実施形態を生み出すことができる。このように、本発明は、このような変更と変形を、添付された特許請求の範囲およびその均等物の範囲の中から生じるものとして網羅することが意図される。
本発明は、増幅器の構成要素レベルおよび構成要素より下のレベルの1つまたは両方において、電力増幅器におけるIM3レベルを低減しまたは大幅にキャンセルしようとする。図3に示される第1の実施形態では、構成要素レベルの直交平衡増幅器のトポロジーは、一般に、前置増幅器直交ハイブリッド110、並列かつ異なる動作級にバイアスされた2つの増幅器114および116からなる増幅段、および、後置増幅器直交ハイブリッド112とからなる。入力Vinは2つの異なる周波数における正弦波の和からなり、
と表される。
入力信号Vinは、増幅段の前に位置する直交ハイブリッド110に送られる。適切な直交ハイブリッドの1例は、Mid−Atlantic RF Systems社によって製造されているSHY550 90度ハイブリッドカプラである。入力は、同じ周波数成分を持つが、入力電力の何分の一かである2つの信号に分割され、一方の信号VIはπラジアンだけシフトし、他方の信号VQはπ/2ラジアンだけシフトする。その結果、90度の相対位相差が生じる。
その後これらの信号は、それぞれ、増幅器114および増幅器116に送られる。適切な増幅器の1例は、Excelics Semiconductor社によって製造されているModel EIC5359−8 10ボルト内部整合電力FETである。各増幅器によって実行される信号の増幅は、それぞれ、次の近似式を用いてモデル化することができる。
ここで、Kiは増幅器114の3次電圧伝達関数の係数を表し、Ki’は増幅器116の3次電圧伝達関数の係数を表す。この増幅器設計の1つの重要な特徴は、増幅器114におけるK3の項と増幅器116におけるK3’の項は、等しくかつ逆符号であることである。この条件に加えて、基本周波数成分の位相は実質的に等しく、その結果、基本波成分の最大電力合成が行われる。
下記の式によって1組のIMD3の項を調べる。他のIMD3の項も形において同様であり、同じ数学操作に従う。
114からの1つのIM3の項:
114からの1つのIM3の項:
恒等式
を用いて、
恒等式
を用いて、
116からの1つのIM3の項:
恒等式
を用いて、
恒等式
を用いて、
増幅器の出力は次に、第2のハイブリッド112に送られる。第2のハイブリッド112は、第1のハイブリッドと同じタイプであり、2つの増幅器の出力に存在するRF信号を、1つのRF出力信号に合成するのに使用される。ハイブリッドの適切な1例は、Midatlantic RF Systems社からのModel SHY 550 90度ハイブリッドカプラである。ハイブリッド112は2つの入力(ポート1とポート4)と2つの出力(ポート2とポート3)を有する。「上」の出力ポート、ポート2は、何分の一かの電力であってπラジアンだけシフトしたポート1からの信号と、何分の一かの電力であってπ/2ラジアンだけシフトしたポート4からの信号との加算よりなる。「下」の出力ポート、ポート3は、半分の電力であってπラジアンだけシフトしたポート4からの信号と、半分の電力であって位相がπ/2ラジアンだけシフトしたポート1からの信号との加算よりなる。下の出力ポートはデバイスの出力であると理解され、そして、理想的な条件下では、IMD3積は周波数スペクトルから実質的に取り除かれ、基本波はそのままである。次式は、「下」の出力ポート、VO2に存在するIMD3の項に何が発生するかを示す。
上記で導出されたこの1組のIMD3の項に対して、次式が得られる。
恒等式
を使用して、
上記からわかるように、K3=−K3’の場合には、この組のIMD3の項はキャンセルする。
同様に、他のIMD3の項の全てもキャンセルし、これがOIP3における改善につながる。特に、IMD3レベルにおける低減は、基本波出力電力の1:1勾配の外挿線と3次相互変調積の3:1勾配の外挿線との交点をより高い電力へ移動させ、その結果、より高いOIP3値を生じる。増幅器に存在する1次項を見ると、
増幅器114からの1次項:
増幅器114からの1次項:
増幅器116からの第1次項:
となる。これらの項による直交ハイブリッド112の出力は、次式であることがわかる。
この項は、
とまとめられる。K1の大きさと符号がK1’の大きさと符号に実質的に等しい場合は、基本波項が直交ハイブリッド112の出力に存在するだろう。K1の大きさと符号をK1’の大きさと符号に実質的に等しくすることは、また、両方の増幅器に対する基本波成分の位相が等しいことを保証する。
図4は増幅器のバイアスレベルに対するK3の依存性を示す。例えば、AB級の動作モードでは、増幅器は−αに等しいK3を有する。並列配置にある第2の増幅器がαに等しいK3’を達成するためには、この増幅器に対するバイアスレベルを、変化させなければならない。バイアスレベルが下がるにつれて、K3’の項は、ゼロ軸を渡って正符号になり、増幅器がB級の動作モードに近づくにつれてαに達する。このグラフから、K3が実質的に−K3’に等しい点にバイアス点を選択することにより、出力に存在するIMD3成分は、完全にキャンセルされないにしても、大幅に低減されるだろう。
さらに別の実施形態では、増幅器を利得圧縮(gain compression)モードまたは利得伸張(gain expansion)モードのいずれかで動作させることにより、K3の位相を変化させることができる。利得圧縮モードでは、入力電力の増加とともに増幅器の利得は減少する。これに対して、利得伸張モードでは、入力電力の増加とともに増幅器の利得は増加する。基本周波数での出力電力は、次の項を使用してモデル化することができる。すなわち、K1 *A+K3 *A3+K5 *A5である。ここで、Aは入力電圧信号の振幅であり、Kの項は入力電圧の伝達特性に対する増幅器出力電圧を記述するテイラー級数展開の係数を表す。偶数次のKの項は、IMD3成分に寄与せず、従って、この式の中には含まれていない。利得伸張に対しては、K1が正であれば、K3およびK5の項は正である。そして、利得圧縮に対しては、K3およびK5の項は負である。ツートーンの励起(two tone excitation)に対する3次IMD3成分も、同様にK3およびK5の項を含む。このことは、IMD3成分は、利得伸張の間は同位相であり、利得圧縮に対しては、基本波に対して180度位相がずれているということを意味する。RF増幅器では、バイアスレベルを変化させる、および/または、特定の入力インピーダンス値を持つバイアス回路ブロックを使用することにより、増幅器のバイアスを調整することにより、これを達成することができる。
増幅器114と増幅器116においてK3の項の大きさが実質的に等しいことを保証するために、各増幅器に対して正しいサイズが選択されなければならない。増幅器のサイズは、増幅器がどれくらいの電力を生成することができるのかに直接関係する。増幅器自体は、並列に接続された多くの単一トランジスタから作られる。各個々のトランジスタは、製作工程に依存した標準サイズを有する。トランジスタが並列に接続されるとき、各々のトランジスタもまた、全出力電力の一部に寄与する。並列に接続されるトランジスタの数が増加するにつれて、増幅器によって供給される全出力電力も増加する。従って、この場合には、サイズとは、トランジスタの数と各トランジスタの有効領域の量との積のことをいう。
本発明に使用するための増幅器を設計する場合、適切な数の並列トランジスタを使用することができるように、どのくらいの出力電力が必要であるかを知ることが重要である。ひいては、トランジスタのこの総数が増幅器のサイズを設定する。しかしながら、異なる点にバイアスされた同じサイズの2つの増幅器は、異なるIMD3レベルを生成するであろう。例えば、AB級の動作モードにバイアスされたあるサイズの増幅器は、近似B級の動作モードにバイアスされた同じサイズの増幅器より、同じ入力電力レベルにおいて、大幅に低いレベルのIMD3の項を生成するであろう。従って、近似B級モード増幅器は、そのIMD3の大きさが、同じ入力電力レベルにおいて、AB級モード増幅器のIMD3の大きさに実質的に等しいようなサイズでなければならない。サイズを決定する1つの方法は、適切な入力電力レベルに対して、異なったサイズの複数の近似B級モード増幅器を試験することにより、適切なIMD3の大きさを決定することである。すなわち、2つの並列増幅器のIMD3レベルが実質的に大きさで等しく位相で逆であったとしても、それらのIMD3の大きさの差が広がるにつれて、出力直交ハイブリッド112の出力で見たOIP3の改善は、それほどは大きくなくなるであろう。さらに、増幅器114および増幅器116のIMD3の大きさは、ある電力レベルでは実質的に等しくても、別の電力レベルでは等しくない可能性がある。
図7に示すように、この問題を克服する1つの方法は、ハイブリッド110でRF入力信号を監視することにより生成される訂正信号を使用することによって、増幅器116のサイズとバイアスレベルを制御することである。すなわち、RF入力信号Vinをサンプル化して制御論理ブロック118に供給する。制御論理ブロック118は、入力電力レベルVinをルックアップテーブルの中に格納されたレベルと比較することにより、デジタルワードまたは訂正信号を生成する。ルックアップテーブルの中に格納されたレベルは、近似B級増幅器116に対する適切なサイズとバイアスレベルとに関連づけられている。訂正信号は、近似B級増幅器のある部分をオン・オフすることで近似B級増幅器の中のアクティブな並列トランジスタの数を制御することにより、近似B級増幅器116のサイズを制御する。
さらに具体的には、制御論理118が近似B級増幅器のある部分をオフにするべきであると判定した場合には、近似B級増幅器中の幾つかのトランジスタは、それらのバイアスレベルをゼロまで減じることにより、遮断される。他方、制御論理118が近似B級増幅器のある部分をオンにするべきであると判定した場合には、ゼロでのバイアスレベルを有した幾つかのトランジスタは、近似B級のレベルまで引き上げられるであろう。バイアス制御論理118は近似B級増幅器116に対するバイアス回路の中に設置される。近似B級増幅器がサイズにおいて減少するにつれて、そのIMD3成分も減少する。同様に、近似B級増幅器がサイズにおいて増加するにつれて、これに伴うIMD3成分も増加する。サイズ調整機能の結果として、入力電力レベルの広い範囲にわたってOIP3の改善を見ることができる。
図8は、制御論理が、近似B級増幅器に加えられる変化を扱うステップを示す。入力電力レベルは、最初にステップ120で感知され、その情報は、ステップ124で使用されて、近似B級増幅器に何の変化が加えられるべきかを判定する。ステップ126およびステップ128で、IMD3のキャンセルを強化するため、それぞれ、増幅器のサイズを増加させるか減少させるか、および、増幅器のバイアスを増加させるか減少させるかの判定が行われるであろう。ステップ126およびステップ128において判定が行われると、ステップ130において近似B級増幅器に適切な変化が加えられ、2つの増幅器のIMD3成分の大きさは実質的に等しくなり、IMD3成分の位相は互いに180度位相がずれて、基本波の位相は等しくなる。
次に、本提案のトポロジーにおけるバイアスの効果の1例が、5.7GHzで民生部品を使用して得られた実験結果により説明される。図5は、OIP3のバイアスに対する依存性を示す。図6は、K3が実質的に−K3’に等しいようにバイアス点が選択されたときに見られるOIP3における改善を示す。2つの実験は両方とも、ここで提案するトポロジーおよび同じサイズの増幅器(Excelics Semiconductor社からのEIC5359‐8 10ボルト内部整合電力FET)を使用して行われた。入力ハイブリッドおよび出力ハイブリッドの両方に対して、Midatlantic RF Systems社からのSHY550 90度ハイブリッドカプラが選択された。1つの場合では、両方の増幅器はAB級動作モードの同じレベルにバイアスされ、図5のClassA&Aで示される。このバイアス点では、IMD3成分の大きさは実質的に等しい。しかし、IMD3成分は互いに同位相であり、従ってIMD3成分のキャンセルまたは低減は生じない。
第2の場合では、一方の増幅器は上記と同様にAB級動作モードにバイアスされたが、他方の増幅器は近似B級動作モードにバイアスされた。異なる動作モードの各増幅器により、IMD3成分は互いに180度位相がずれている。しかし、入力電力の狭い範囲にわたってそれらの大きさは実質的に等しい。この実験は、図5においてClassA&Bで示される。従って、異なる級にバイアスされた2つの増幅器により、入力電力レベルの狭い範囲にわたってOIP3の改善が存在する。数理的導出に関して、この実験的観察は、K3の項の入力電力に対する依存性の結果である。
図6は、入力電力レベルの狭い範囲に対して、4dBまでのOIP3の改善があることを示すことにより、図5に示された改善をさらに示す。実験が図7に示す制御ループ118を取り入れたならば、より広い電力範囲にわたってOIP3の改善があることとなる。従って、同様のサイズの増幅器を選択することにより改善は得られるが、近似B級増幅器のサイズとバイアスとを可変にすることは、広い電力範囲にわたってOIP3の改善を生じさせる。このように、近似B級増幅器のサイズおよび/またはバイアスレベルを調整することにより、近似B級増幅器のIMD3の大きさを、入力電力の広い範囲にわたってAB級増幅器のIMD3の大きさとよりよく整合するように調整することができ、その結果、入力電力のより広い範囲にわたってOIP3の改善をもたらす。
本発明のさらに別の実施形態では、IM3レベルを、サブコンポーネントのレベルで大幅に低減またはキャンセルすることができる。さらに詳細には、2つの別個のバイアス回路で電力増幅段中の2組のブランチを、動作級によって表されるような動作(すなわち、A級、B級、AB級)の異なる導通角にバイアスすることにより、電力増幅器3の各段7a,7b...7nにおけるIM3レベルを、大幅に低減またはキャンセルすることができる。各バイアス回路は、ベースバンド周波数で特に重要なインピーダンスを示す、別個の出力インピーダンスを有することとなる。ベースバンド周波数は、関心のある入力信号に対する変調周波数の範囲として定義され、典型的にはkHzから数10MHzに及ぶ。並列ブランチをバイアスすることにより、各々の組のブランチのIM3成分の間の位相差を180度に近づけることができる。加えて、バイアス回路のベースバンド周波数での出力インピーダンスの差異は、IM3成分に対するさらなる位相シフトを可能にし、IM3成分の間で180度の差を達成することができるようになる。各々の組におけるブランチの数は、IM3成分の大きさが実質的に等しくなるように調整される。すなわち、この組のブランチの増幅度を、実質的に等しくして性能を最大にしなければならないので、各々の組におけるブランチの数は、振幅利得の差異を補償するように調整される。
電力増幅器のブランチの動作(すなわち、A級、AB級、B級、近似B級)の導通角は、バイアス回路でブランチの直流動作電流を変化させることにより調整される。典型的には、制御電圧および/または制御電流がバイアス回路の中で変化され、直流動作電流が変化し、それにより動作導通角が変化する。ある実装では、バイアス回路のインピーダンスを、バイアス回路に直列の抵抗を使用することにより調整することができる。抵抗値を変化させて異なるインピーダンス値を得ることができる。
図9を参照すると、電力増幅器7aの1段は、3つの構成要素から構成される。すなわち、オンチップ電力分割器10と、2組のブランチ12および14と、それに続くオンチップ電力合成器16である。ブランチ12およびブランチ14は、ブランチの各々の組をバイアスする別のバイアス回路(図示せず)を持つ増幅器の1段に属する。ブランチ12およびブランチ14の各々の組は、セル20の1つ以上のブランチ18a、18b...18nを備える。セル20は、1つ以上のトランジスタと他の受動回路素子とから構成することができる。入力V1は、2つの異なる周波数での正弦波の和で構成される。
入力信号V1はオンチップ電力分割器10に送られる。適切なオンチップ電力分割器の1例は、特性インピーダンスZ0 *√2の2つの4分の1波長線路に分離された特性インピーダンスがZ0であるマイクロストリップ線路である。入力は、同じ周波数成分を持つが、入力電力の何文の一で、2つの信号に分割される。ここで、一方の信号をV2、他方の信号をV3とすると、それらは位相差を有しない。
これらの信号は次に、それぞれ、ブランチの組12および14に送られる。各増幅器により受信された信号は、増幅器の伝達関数に従って増幅され、それらは、下記のそれぞれの式を使用して近似的にモデル化することができる。
ここで、KiAはブランチの組12の3次電圧伝達関数の係数を表し、KiBはブランチの組14の3次電圧伝達関数の係数を表す。この増幅段の設計の一つの重要な特徴は、ブランチの組12におけるK3Aの項とブランチの組14におけるK3Bの項とは、実質的に等しくかつ反対であることである。この条件に加えて、基本周波数成分の位相は実質的に等しく、その結果、基本波成分の最大の電力合成が生じる。次式により1組のIMD3の項を調べる。その他のIMD3の項も形において同様であり、同じ数学操作に従う。
12からの1つのIM3の項:
12からの1つのIM3の項:
恒等式
を使用して、
と求められる。恒等式
を使用して、
と求められる。
14からの1つのIM3の項:
14からの1つのIM3の項:
恒等式
を使用して、
と求められる。恒等式
を使用して、
と求められる。
ブランチの組12および14の出力は、第2のオンチップ電力合成器16に送られる。第2のオンチップ電力合成器16は、第1のオンチップ電力分割器10と同じタイプであってもよいし同じタイプでなくともよく、2つのブランチの組の出力に存在するRF信号を1つのRF出力信号に合成するために使用される。上記で見ることができるように、K3A=−K3Bの場合には、この組のIMD3の項は相殺するだろう。同様に、他の全てのIMD3の項も同様に相殺し、OIP3における改善につながる。具体的には、IMD3レベルの低減は、基本波出力電力の1:1勾配の外挿線と3次相互変調積の3:1勾配の外挿線との間の交点をより高い電力へ移動させるだろう。その結果、より高いOIP3値を生じる。増幅器ブランチ12および増幅器ブランチ14に存在する1次項を見ると、
12からの1次項:
12からの1次項:
14からの1次項:
と求められる。
これらの項によるオンチップ電力合成器16の出力は次式のとおりである。
K1Aが実質的にK1Bに等しい場合、オンチップ電力合成器16の出力には基本波の項が存在するだろう。実質的にK1Bに等しいK1Aを有することはまた、両方のブランチの組に対し基本波成分の位相が等しいことを保証する。
ブランチ12および14の並列の組においてIMD3成分の大きさが実質的に等しいということを保証するためには、ブランチの各組に対して正しいサイズが選択されなければならない。ブランチの各組のサイズは、そのブランチの生成できる電力に直接に関係する。異なる点(すなわち、各々のブランチに対して動作の異なる導通角)にバイアスされている同じ数のユニットセルを持つ2つのブランチは、異なるIMD3レベルを生成するだろう。例えば、AB級動作モードにバイアスされた、ある数のユニットセル20を持つブランチは、近似B級動作モードにバイアスされた同じサイズのブランチより、同じ入力電力レベルで、大幅に低いIMD3の項を生成するだろう。このように、近似B級モード増幅器は、IMD3の大きさが、同じ入力電力レベルでAB級モード増幅器のIMD3の大きさと実質的に等しいようなサイズにしなければならない。サイズを決定するための1つの方法は、複数の近似B級モードのブランチの組を試験し、適切なIMD3の大きさを決定することである。すなわち、2つの並列のブランチの組のIMD3レベルが実質的に大きさにおいて等しく位相において逆であったとしても、それらのIMD3の大きさが異なるにつれて、出力電力合成器16の出力で見られるOIP3の改善は、それほど大きくはなくなるだろう。さらに、ブランチの組12および14に対するIMD3の大きさは、ある電力レベルでは実質的に等しくても、別の電力レベルでは等しくない可能性がある。
個々のブランチの組のサイズに加えて、特定の増幅段におけるブランチの組の数もまた、増幅器の適用に基づいて変えることができる。従って、電力増幅器でのある段が3つのブランチの組を有する場合、オンチップ電力分割器10および16は、入力V1を3方路に分割し、また3つのブランチの組の出力を単一の出力信号V6に合成するように設計しなければならない。このように、任意の1つの増幅段7におけるブランチの組の数は、電力増幅器3の適用によって変化する可能性があると理解されるべきである。
さらに別の実施形態では、増幅器を利得圧縮モードまたは利得伸張モードのいずれかで動作させることによって、K3の位相を変化させることができる。利得圧縮モードでは、ブランチまたはブランチの組の利得は、入力電力を増加させるに従って減少する。これに対して、利得伸張モードでは、ブランチ利得は、入力電力を増加させるに従って増加する。基本周波数における出力電力は、次の項を使用してモデル化することができる。すなわち、K1 *A+K3 *A3+K5 *A5において、Aは入力電圧信号の振幅であり、Kの項は、ブランチ出力電圧の入力電圧に対する伝達特性を記述するTaylor級数展開の係数を表す。偶数次のKの項はIMD3成分に寄与せず、従って式の中には含まれない。
利得伸張に対しては、K1が正であれば、K3の項とK5の項とは正であり、また、利得圧縮に対しては、K3の項とK5の項とは負である。ツートーンの励振に対する3次IMD成分もまた、K3の項とK5の項とを含む。このことは、IMD3成分は、利得伸張の間は基本波について同位相であり、利得圧縮に対しては基本波について逆位相であることを意味する。RF増幅器においては、このことは、バイアスレベルを変化させ異なるインピーダンスを持つバイアス回路を使用することにより、1つ以上のブランチのバイアスを調整することで達成することができる。
本技術は異なる半導体IC工程で使用されるので、改善が観測される電力レベルの範囲を変化させることができる。また、制御ループの組み込みは、広い電力範囲にわたっての改善を保証することができる。共通の課題は、数学的導出式に関連するK3の項がRF入力電力の関数として変化し得ることである。従って、制御ループを使用して、両方の電力増幅器ブランチの組のバイアスレベル(すなわち、導通角)とバイアス回路のインピーダンスを調整することにより、K3の変化を補うことができる。RF電力の関数としてのK3の変化に対するこの動的補償は、入力電力の広い範囲にわたる最適なIM3キャンセル/低減のために、IMD3の大きさと位相とを調整することを可能にする。
図10を参照すると、入力V1から増幅段7aのブランチの組12および14に対するバイアス回路(図示せず)へ制御ループ22が接続されて示される。訂正信号24は、RF入力信号V1を監視することにより生成され、電力の関数として、ブランチの組12および14のバイアスレベルとバイアス回路(図示せず)のインピーダンスを制御する。すなわち、RF入力信号V1はサンプルされて制御論理ブロック22に供給され、制御論理ブロック22は印加されたRF電力に対する適切なバイアスレベルを生成する。これらのバイアスレベルを、あらゆる手段によって、例えば、入力電力レベルV1をルックアップテーブルに格納されたレベルと比較すること、または、特定の入力電力レベルに対してそれぞれのバイアスレベルを直接生成する回路ブロックを使用ことによって(これらに限定はされない)、生成することができる。訂正信号24は、バイアス回路(図示せず)に対する制御電圧を変化させることにより、ブランチの組12および14のバイアスレベルとバイアス回路インピーダンスとを制御する。より具体的には、制御論理22がブランチの組14がよりAB級モードの方へバイアスされるべきであると判定した場合、バイアス回路の制御電圧は、それに従って調整されるだろう。一実施形態では、バイアス制御論理22は、ブランチの組14に対するバイアス電気回路の中に、そして、ブランチの組12の中にも設置することができる。さらに、バイアス回路のインピーダンスは、並列抵抗アレイ(図示せず)のセグメントを開閉するスイッチを用いて調整することもできる。バイアス回路(図示せず)のバイアス/インピーダンス調整機能の結果として、電力レベルの広い範囲にわたってOIP3の改善を得ることができる。
図11には、制御論理22に対するフローチャートが示されている。最初に、ステップ26において入力電力レベルV1が感知される。そして、感知した信号を、例えば、(1)ステップ28において、ルックアップテーブルの中に格納された値と比較することにより、または、(2)感知した信号をバイアス回路に対するそれぞれのバイアス/インピーダンスレベルに変換することにより、その情報を使用してブランチの組12および14に与えるべき変化を決定する。バイアス回路に対する可能な変化は、(1)バイアス回路のインピーダンスの変化、ステップ34または、(2)ブランチのバイアスの増加/減少、ステップ32である。制御論理ブロック22の中で決定がなされると、ステップ36においてブランチの組12および14には適切な変化が与えられ、ブランチの組12および14のIMD3成分の大きさは実質的に等しくなり、IMD3成分の位相は互いに180度位相がずれて、基本波の位相は大体等しくなる。
上記のIM3の低減に対する増幅器の改善は、非常に広帯域な解決法をもたらすもので、完全にオンチップで実装することができる。本技術は、増幅器のブランチレベルにおける新規なバイアス技術と組み合わされた独自の電力増幅器の回路方式に基づいている。本技術は非常に柔軟性に富み、いずれのIC工程(すなわち、Si CMOS、SiGe BiCMOS、GaAs HBT等)にも適用することができる。
本発明の範囲と趣旨を逸脱することなく、本発明に種々の変更と変形を加えることができることが、当業者によって理解されるべきである。本発明は、このような変更と変形を、添付の特許請求の範囲の範囲と趣旨、およびこれらの均等物内で生じるとして、包含することを意図している。
Claims (19)
- 個別増幅器の出力における少なくとも1つの歪成分をキャンセルするための個別増幅器であって、
a 少なくとも互いに並列に接続された第1のブランチおよび第2のブランチを有する第1の段において、前記第1および第2のブランチの各々は、互いに並列に接続された1つ以上のユニットセルを有する1つ以上のトランジスタレッグより構成された第1の段と、
b 少なくとも互いに並列に接続された第3のブランチおよび第4のブランチを有する第2の段において、前記第3および第4のブランチの各々は、互いに並列に接続された1つ以上のユニットセルを有する1つ以上のトランジスタレッグより構成された第2の段と、
c 第1のインピーダンスと第1のバイアスレベルとを有する第1のバイアス回路であって、前記第1のブランチを第1の動作モードにバイアスするために前記第1の段の第1のブランチに動作可能に接続された第1のバイアス回路と、
d 第2のインピーダンスと第2のバイアスレベルとを有する第2のバイアス回路であって、前記第2のブランチを第2の動作モードにバイアスするために前記第1の段の第2のブランチに動作可能に接続された第2のバイアス回路と、
e 第3のインピーダンスと第3のバイアスレベルとを有する第3のバイアス回路であって、前記第3のブランチを第3の動作モードにバイアスするために前記第2の段の第3のブランチに動作可能に接続された第3のバイアス回路と、
f 第4のインピーダンスと第4のバイアスレベルとを有する第4のバイアス回路であって、前記第4のブランチを第4の動作モードにバイアスするために前記第2の段の第4のブランチに動作可能に接続された第4のバイアス回路と
を備え、
a 前記第1の動作モードおよび前記第2の動作モードと、
b 前記第3の動作モードおよび前記第4の動作モードと
の内の少なくとも1つは、少なくとも1つの歪成分が前記第1の段および前記第2の段の内の少なくとも1つのそれぞれの出力において実質的にキャンセルされるように選択されることを特徴とする個別増幅器。 - 前記第1のバイアス回路の第1のインピーダンスおよび第1のバイアスレベルは、前記第2のバイアス回路の第2のインピーダンスおよび第2のバイアスレベルと異なることを特徴とする請求項1に記載の個別増幅器。
- a 前記第1および第2のバイアス回路の前記インピーダンスと、前記第1および第2のブランチの前記バイアスレベルとは異なり、
b 前記第3および第4のバイアス回路の前記インピーダンスと、前記第3および第4のブランチの前記バイアスレベルとは異なり、
前記個別増幅器の前記第1の段および前記第2の段の内の少なくとも1つの出力において、前記少なくとも1つの歪成分のキャンセルを最大にするように選択されることを特徴とする請求項1に記載の個別増幅器。 - 前記第1の、前記第2の、前記第3の、および前記第4のブランチは、単一集積回路チップの上に形成され、前記第1のバイアス回路、前記第2のバイアス回路、前記第3のバイアス回路および前記第4のバイアス回路は、前記同一の単一集積回路チップの上に物理的に配置され、電気的寄生を最小にし、前記少なくとも1つの歪成分のキャンセルを最大にすることを特徴とする請求項1に記載の個別増幅器。
- 前記個別増幅器への入力電力を感知して、前記バイアス回路レベルおよびインピーダンスの内の少なくとも1つを調整することにより、前記第1の、前記第2の、前記第3の、および前記第4のバイアス回路の内の少なくとも1つに、それぞれのブランチの動作モードを調整させて、前記少なくとも1つの歪成分のキャンセルを最大にするセンシング回路をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の個別増幅器。
- 前記第1のモード、前記第2のモード、前記第3のモードおよび前記第4のモードは、A級、B級、C級、およびAB級の動作モードの内の1つから選択されることを特徴とする請求項1に記載の個別増幅器。
- 前記第1、前記第2、前記第3および前記第4のバイアス回路は、前記それぞれのバイアス回路のインピーダンスを変化させ、前記少なくとも1つの歪成分のキャンセルを最大にするよう調整されることを特徴とする請求項6に記載の個別増幅器。
- 前記第1のブランチの第1のモードおよび前記第2のブランチの第2のモードは、少なくとも1つの高調波の実質的なキャンセルを引き起こすことを特徴とする請求項6に記載の個別増幅器。
- 前記第3のブランチの第3のモードおよび前記第4のブランチの第4のモードは、3次相互変調歪成分の実質的なキャンセルを引き起こすことを特徴とする請求項6に記載の個別増幅器。
- 前記第1の段の第1のブランチおよび前記第1の段の第2のブランチの内の1つは、複数のトランジスタレッグを有し、前記第1の段の第1のブランチおよび前記第1の段の第2のブランチの内の前記1つの出力電力を増加させることを特徴とする請求項6に記載の個別増幅器。
- 前記第1の段と前記第2の段とは直列に接続されることを特徴とする請求項1に記載の個別増幅器。
- 個別増幅器の出力における少なくとも1つの歪成分をキャンセルするための個別増幅器であって、
a 第1の信号を受信するための入力ポートと、
b 前記第1の信号に関連する第2の信号を出力するための出力ポートと、
c 前記入力ポートと前記出力ポートとに動作可能に接続された第1のブランチと、前記第1のブランチに並列に接続され前記入力ポートと前記出力ポートとに動作可能に接続された第2のブランチと、
d 前記第1のブランチを第1の動作モードにバイアスするために前記第1のブランチに動作可能に接続された第1のバイアス回路と、
e 前記第2のブランチを第2の動作モードにバイアスするために前記第2のブランチに動作可能に接続された第2のバイアス回路と
を備え、
前記第1の動作モードおよび前記第2の動作モードは、前記第2の信号の中の前記少なくとも1つの歪成分が実質的に低減されるように選択され、
前記第1のブランチ、前記第2のブランチ、前記第1のバイアス回路および前記第2のバイアス回路は、単一集積回路チップの上に配置され、電気的寄生を最小にして前記少なくとも1つの歪成分のキャンセルを最大にすることを特徴とする個別増幅器。 - 前記少なくとも1つの歪成分は、前記第1の信号の第三高調波であることを特徴とする請求項12に記載の個別増幅器。
- 前記少なくとも1つの歪成分は、前記第1の信号の3次相互変調歪成分であることを特徴とする請求項12に記載の個別増幅器。
- 前記動作モードは、A級、B級、C級、およびAB級の動作モードの内の1つから選択されることを特徴とする請求項12に記載の個別増幅器。
- 前記第1の信号を感知して、バイアス回路レベルとバイアスインピーダンスのうちの少なくとも1つを調整することにより、前記第1のバイアス回路および前記第2のバイアス回路のうちの少なくとも1つにそれぞれのブランチの動作モードを変化させて、前記少なくとも1つの歪成分のキャンセルを最大にするセンシング回路をさらに備えることを特徴とする請求項12に記載の個別増幅器。
- 前記第1のバイアス回路の第1のインピーダンスおよび第1の電流は、前記第2のバイアス回路の第2のインピーダンスおよび第2の電流とは異なることを特徴とする請求項12に記載の個別増幅器。
- 前記第1のバイアス回路および前記第2のバイアス回路は、前記それぞれのバイアス回路のインピーダンスを変化させ、前記少なくとも1つの歪成分のキャンセルを最大にするよう調整されることを特徴とする請求項16に記載の個別増幅器。
- 前記第1のブランチおよび前記第2のブランチの内の1つは、複数のトランジスタレッグを有し、前記第1のブランチおよび前記第2のブランチの内の前記1つの出力電力を増加させることを特徴とする請求項12に記載の個別増幅器。
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