JP2014030257A - 電流共有増幅器を用いた信号増幅 - Google Patents

Abstract

【課題】電流共有増幅器を用いた信号増幅を提供する。
【解決手段】電力増幅器は増幅段を有する。増幅段はトランジスターを有する。また少なくとも１つの増幅段は駆動段を有する。増幅段は、第１のトランジスターを有し及び第１の出力電力と関連付けられた第１の増幅段、並びに第２の出力電力と関連付けられた第２のトランジスターを有する第２の増幅段、を有する。電流共有結合は、第１の増幅段と第２の増幅段を結合する。第１の増幅段と第２の増幅段は、電流共有結合を通じて電流を共有する。電流共有結合は、第１の出力電力と第２の出力電力のスケーリングを助ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般に電力増幅器の分野に関し、より詳細には電流共有増幅器を用いた信号増幅に関する。

電力増幅器は駆動段を有する。各駆動段は次の駆動段へ励起を供給する。各駆動段は動作するために電力を消費する。駆動段により消費される電力は、しかしながら、電力増幅器の電力付加効率を引き下げる。

電力増幅器の電力付加効率を向上する技術が知られている。ある知られている技術によると、出力整合回路、又は電力増幅器の高調波端子は、増幅器の出力段のＤＣ電力を低下するよう調整されて良い。効率負荷目標に整合させることにより出力段のＤＣ電力を低下することは、電力付加効率を増大し得る。別の技術によると、複数の駆動段の大きさが縮小され、該複数の駆動段により消費される電力を最小化し得る。複数の駆動段による電力消費を最小化することは、電力付加効率を増大し得る。複数の駆動段の大きさを縮小することは、しかしながら、低出力電力増幅器で電力付加効率を向上する技術としては有効ではない。なぜなら、電力付加効率を向上するために低出力電力増幅器の増幅段を更に小さくしていくと、非常に小さい段になってしまうため整合することが困難になってしまうという問題が生じ、限界があるからである。

本発明によると、駆動段の大きさを整合不可能な大きさまで縮小することなく、電力付加効率を向上された電力増幅器が提供される。

本発明のある実施例によると、電力増幅器は増幅段を有する。増幅段はトランジスターを有する。また少なくとも１つの増幅段は駆動段を有する。増幅段は、第１のトランジスターを有し及び第１の出力電力と関連付けられた第１の増幅段、並びに第２の出力電力と関連付けられた第２のトランジスターを有する第２の増幅段、を有する。電流共有結合は、第１の増幅段と第２の増幅段を結合する。第１の増幅段と第２の増幅段は、電流共有結合を通じて電流を共有する。

本発明の特定の実施例は、１つ以上の技術的利点を提供し得る。ある実施例の技術的利点は、電流が電力増幅器の駆動段の間で共有されて良いことである。各段に印加される電圧は、駆動段による電力消費を制御するためにスケーリングされて良い。駆動段による電力消費を制御することは、電力増幅器の電力付加効率を向上し得る。

本発明の特定の実施例は、上述の技術的利点の何れも有さないか、いくつか又は全てを有して良い。１つ以上の他の技術的利点は、本願明細書に含まれる図、説明、及び請求項から当業者に直ちに明らかであろう。

信号を増幅するために使用され得る電力増幅器のある実施例の回路図である。 図１の実施例の例である電力増幅器の回路図である。 図１の実施例の例である電力増幅器の電圧に対する駆動装置性能を説明するグラフである。

本発明並びに本発明の特長及び利点の完全な理解のため、添付の図面と共に以下の説明を参照する。

本発明の実施例及び本発明の利点は、図１乃至３の図を参照することにより最も良く理解される。種々の図面の同様の及び対応する部分には同様の番号が使用されている。

図１は、信号を増幅するために使用され得る電力増幅器のある実施例の回路図である。一般に、電流は増幅器１０の駆動段の間で共有されて良い。各段の出力電力は、駆動段による電力消費を制御するためにスケーリングされて良い。出力電力のスケーリングは、電力増幅器の電力付加効率を向上し得る。

図示された実施例によると、示されるように増幅器１０は集積回路２０と結合される。増幅器１０は、信号を受信し、当該信号を増幅し、及び当該増幅された信号を送信して良い。集積回路は、半導体材料、例えばシリコンを有する回路を参照して良い。回路の構成要素及び接続は半導体材料の領域を加工することにより形成されて良い。増幅器１０は、しかしながら、如何なる適切な回路と結合されても良い。例えば、増幅器１０はハイブリッド回路と結合されて良い。半導体能動素子は、バイアス経路を配し及び整合を提供するために使用される二次材料の上に配置されて良い。

増幅器１０は、示されるように結合された抵抗器３０、端子３４、及び段３８を有する。増幅器１０は受信した信号を増幅し、及び如何なる適切な電力増幅利得を有しても良い。例えば、増幅器１０は、４０デシベルより少ない、例えば３０又は２０デシベルより少ない電力増幅利得を有して良い。増幅器１０は、如何なる適切な入力電力及び出力電力を有しても良い。例えば、増幅器１０は、約−３０ｄＢｍ乃至＋１５ｄＢｍの入力電力、約０ｄＢｍ乃至＋３０ｄＢｍの出力電力を有して良い。

電圧は端子３４に印加されて良い。端子は、装置の、電圧が印加される点を参照して良い。ゲート電圧Ｖｇは端子３４ｂに印加されて良い。またドレイン電圧Ｖ_ｄは端子３４ａに印加されて良い。ゲート電圧Ｖ_ｇは約−０．５Ｖのような、約−０．１乃至−０．７ボルト（Ｖ）であって良い。またドレイン電圧Ｖ_ｄは約７Ｖのような、約２乃至８Ｖであって良い。

段は、増幅器の、信号を処理する段を参照して良い。段の例は、駆動段及び出力段を有する。駆動段３８は、次の段３８へ励起を供給する。駆動段は、電流、電力又は電圧励起のような励起を次の段へ供給する増幅段を参照して良い。また駆動段は、電界効果トランジスター、及び配線、抵抗器、及びトランジスターの間のキャパシターのような調整構成要素を有する整合回路を有して良い。図示された実施例によると、駆動段３８ａは駆動段３８ｂへ励起を供給し、また駆動段３８ｂは駆動段３８ｃへ励起を供給する。各段３８は、如何なる適切な利得を有し、如何なる適切な電力増幅利得を生成しても良い。例えば、マイクロ波振動数では、段３８は約１０デシベル（ｄＢ）の利得を有し、約３０ｄＢの電力増幅利得を生成して良い。

駆動段３８は、最低でも、キャパシター４２及びトランジスター４６を有する。キャパシターは、誘電体により分離された金属電極を有する受動電子回路構成要素を参照して良い。キャパシター４２は如何なる適切なキャパシタンスを有しても良い。例えば、キャパシター４２ａは約１．５ピコファラッド（ｐＦ）のような、約０．１乃至１０ｐＦのキャパシタンスを有して良い。キャパシター４２ｂは約７ｐＦのような、約０．１乃至１０ｐＦのキャパシタンスを有して良い。キャパシター４２ｃは約３ｐＦのような、約０．１乃至１０ｐＦのキャパシタンスを有して良い。

トランジスターは、信号を増幅する半導体素子を参照して良い。トランジスター４６は如何なる適切なトランジスターを有して良い。ある実施例によると、トランジスター４６ａはトランジスター４６ｂとほぼ同一の大きさであって良い。例えば、トランジスター４６ａ及び４６ｂは、約２００マイクロメーター（μｍ）のような、約３０乃至２５０μｍであって良い。

トランジスター４６ａ及び４６ｂは、他の適切な同様の特長を有して良い。トランジスター４６ａ及び４６ｂのドレイン−ソース電圧Ｖ_ＤＳは、約１乃至６Ｖであって良い。例えば、トランジスター４６ａは約３．１Ｖのドレイン−ソース電圧Ｖ_ＤＳを有して良い。またトランジスター４６ｂは約３．９Ｖのドレイン−ソース電圧Ｖ_ＤＳを有して良い。トランジスター４６ａ及び４６ｂのピーク電流Ｉ_Ｐは、約３５乃至４０ミリアンペア（ｍＡ）であって良い。例えば、ピーク電流Ｉ_Ｐは約３８ｍＡであって良い。

トランジスター４６ａ及び４６ｂはまた、トランジスターの大きさ、印加電圧、及び後段の増幅段を駆動するために必要な電力に基づき、如何なる適切な負荷目標抵抗値（Ｒ_Ｐ）を有しても良い。例えば、トランジスター４６ａは、約８オーム・ミリメーター（Ωｍｍ）のような、約５乃至４０Ωｍｍの抵抗値Ｒ_Ｐを有して良い。またトランジスター４６ｂは、約１８Ωｍｍのような、約５乃至４０Ωｍｍの抵抗値Ｒ_Ｐを有して良い。負荷目標及び印加電圧に基づき、トランジスター４６ａ及び４６ｂの電力出力Ｐ_ｏｕｔは、約−２０乃至２５ｄＢｍ（１ミリワットに対するデシベル）であって良い。例えば、トランジスター４６ａは約１０ｄＢｍＶの出力電力容量を有して良い。またトランジスター４６ｂは約１８ｄＢｍの出力電力容量を有して良い。トランジスター４６ａ及び４６ｂにより消費されるＤＣ電力は、トランジスターに渡る全電圧Ｖｄ及びトランジスターを通じて流れる等価電流から計算される。値は、１０５ｍＷのＤＣ電力消費に対応し、例えば７Ｖ及び１５ｍＡであって良い。ＤＣ電力消費は、出力阻止の電力容量の１５パーセントより少なくて良い。

トランジスター４６ｃはトランジスター４６ａ及び４６ｂより大きくて良い。ある実施例によると、トランジスター４６ｃは、約４００乃至６００μｍ、例えば約４５０又は５５０μｍであって良い。トランジスター４６ｃは、約７Ｖのような、約３乃至１０Ｖのドレイン−ソース電圧Ｖ_ＤＳを有して良い。ピーク電流Ｉ_Ｐは、約７８ｍＡのような、約７０乃至１０００ｍＡであって良い。負荷目標抵抗値Ｒ_Ｐは、約３８Ωｍｍのような、約３０乃至４０Ωｍｍであって良い。出力電力は、約２５ｄＢｍのような、約２０乃至３０ｄＢｍであって良い。ＤＣ電力は、約１０００ｄＢｍのような、約５００乃至２０００ｍＷであって良い。

抵抗器３０及び５０は、駆動段３８ａのゲート電圧を設定するために使用されて良い。電流共有の場合、第１の駆動段３８ａのゲート電圧は正であり、電圧分割を調整するために使用されて良い。例えば、トランジスターを動作するための公称ゲート−ソース電圧が−０．４Ｖであり、電圧の３分の１を駆動段３８ａにかける場合、抵抗器３０及び５０により設定される電圧はＶ_ｄ／３−０．４Ｖである。

ある実施例によると、増幅器１０の段３８は電流を共有して良い。例えば、段３８ａ及び３８ｂは、電流共有結合５２を通じて電流を共有して良い。電流共有結合５２は、電流を伝達するよう機能する如何なる適切な接続を有しても良い。電流共有は、段３８ａ及び３８ｂの間で実質的に等価な電流を生成する。電流共有は、駆動段に電流を共有させ、ほぼ同一の大きさのトランジスターを有することを可能にし得る。例えば、トランジスター４６ａはトランジスター４６ｂとほぼ同一の大きさであって良い。

増幅器１０の電力付加効率（ＰＡＥ）は、次式に従い定められて良い。

ここでＰ_ｏｕｔは増幅器１０の出力電力を表し、Ｐ_ｉｎは増幅器１０の入力電力を表し、ＤＣ_ｏｓは出力段の直流（ＤＣ）電力を表し、及びＤＣ_ｄｓは駆動段３８のＤＣ電力を表す。従って、駆動段３８のＤＣ電力ＤＣ_ｄｓが増大すると、電力付加効率が減少する。

ある実施例によると、駆動段３８のＤＣ電力ＤＣ_ｄｓは、トランジスターの大きさ及び段３８の間の電圧比を調整することにより減少され得る。第１及び第２の段の間の電圧比は、第１の段の第１のトランジスターに印加される電圧の第２の段の第２のトランジスターに印加される電圧に対する比を参照して良い。実施例によると、段３８ａ及び３８ｂに、段３８ｃより低い電圧が印加されて良い。ゲート電圧は調整され、駆動段３８のＤＣ電力を低減するため、段３８ａ及び３８ｂと段３８ｃとの間の所望の比を得る電圧比に設定されて良い。所望の比は約２対１であって良いが、５対１と同じ高さであって良い。例えば、段３８ａ及び３８ｂに印加される電圧は、段３８ａで約３．１Ｖ、段３８ｂで約３．９Ｖのような、約２乃至４Ｖであって良い。段３８ｃに印加される電圧は、約７．０Ｖのような、約６乃至８Ｖであって良い。

段３８ｂは、電力付加効率を最適化させるよう動作して良い。ある実施例によると、電流共有は、段３８ｂに電流を設定させ、最適な電力付加効率において電流を増大させ得る。

動作中、電力増幅器１０は信号を受信する。駆動段３８ａは、駆動段３８ｂへ伝わる受信した信号に励起を加える。駆動段３８ｂは信号に励起を加える。電流は駆動段３８ａ及び３８ｂの間で共有されて良い。駆動段３８ａ及び３８ｂに印加される電圧は、電力消費を制御するためにスケーリングされて良い。各段に印加される電圧は、各段３８のゲート電圧、トランジスターの大きさ、抵抗値、又はこれらの如何なる組み合わせをスケーリングすることにより、スケーリングされて良い。各段に印加される電圧のスケーリングは、電力増幅器１０の電力付加効率を向上し得る。駆動段３８ｃは信号に励起を加え、増幅された信号を出力する。

本発明の範囲から逸脱することなく、増幅器１０に変更、追加又は省略が行われて良い。増幅器１０の構成要素は、特定の必要に応じて統合又は分離されて良い。更に、増幅器１０の動作は、より多くの、より少ない、又は他の構成要素により実行されて良い。本願明細書で使用されるように、「各」は一式のうちの各部材又は一式のうちの下位のセットの各部材を参照する。

図２は、図１の実施例の例である電力増幅器１００の回路図である。電力増幅器１００は駆動段１２０、１２４、及び１２８を有する。駆動段１２０はトランジスター１４０を有し、駆動段１２４はトランジスター１４４を有し、及び駆動段１２８はトランジスター１４８を有する。駆動段１２０及び１２４は、電流共有結合１３０により結合される。

表１、２及び３は、電力増幅器１００の構成要素の例である値を提供する。提供された値は単なる例である。他の例である電力増幅器の値は、表１、２及び３に提示された値と異なって良い。

表１は、電力増幅器１００のキャパシターの例である値を提示する。

表２は、電力増幅器１００のトランジスターの例である値を提示する。

表３は、電力増幅器１００の抵抗器の例である値を提示する。

本発明のある実施例によると、段１２０及び１２４のトランジスター１４０及び１４４に印加される電圧は、それぞれ、駆動段１２０及び１２４による電力消費を制御するためスケーリングされて良い。スケーリングは、電力増幅器１００の電力付加効率を向上し得る。

本発明の範囲から逸脱することなく、増幅器１００に変更、追加又は省略が行われて良い。増幅器１００の構成要素は、特定の必要に応じて統合又は分離されて良い。更に、増幅器１００の動作は、より多くの、より少ない、又は他の構成要素により実行されて良い。

図３は、図１の実施例の例である電力増幅器の電圧に対する駆動装置性能を説明するグラフである。例である電力増幅器は、０ｄＢｍの入力電力を有し室温で動作していて良い。グラフによると、４４％より大きい帯域平均付加効率は、約１９乃至２５ｄＢｍの出力電力範囲に渡り達成され得る。

本発明の範囲から逸脱することなく、当該グラフに変更、追加又は省略が行われて良い。

本発明の特定の実施例は、１つ以上の技術的利点を提供し得る。ある実施例の技術的利点は、電流が電力増幅器の駆動段の間で供給されて良いことである。格段の出力電力は、駆動段による電力消費を制御するためにスケーリングされて良い。出力電力のスケーリングは、電力増幅器の電力付加効率を向上し得る。

本開示は特定の実施例に関し記載され及び一般的に方法に関連付けられたが、実施例及び方法の変更及び置換は当業者に明らかである。従って、例である実施例の以上の記載は、本開示を制約しない。他の変更、置換、及び変形はまた、請求項により定められる本開示の精神及び範囲から逸脱することなく可能である。

１０ 増幅器
２０ 集積回路
３０、５０ 抵抗器
３８ 駆動段
４６ トランジスター
５２ 電流共有結合

電力増幅器の電力付加効率を向上する技術が知られている。ある知られている技術によると、出力整合回路、又は電力増幅器の高調波端子は、増幅器の出力段のＤＣ電力を低下するよう調整されて良い。効率負荷目標に整合させることにより出力段のＤＣ電力を低下することは、電力付加効率を増大し得る。別の技術によると、複数の駆動段の大きさが縮小され、該複数の駆動段により消費される電力を最小化し得る。複数の駆動段による電力消費を最小化することは、電力付加効率を増大し得る。複数の駆動段の大きさを縮小することは、しかしながら、低出力電力増幅器で電力付加効率を向上する技術としては有効ではない。なぜなら、電力付加効率を向上するために低出力電力増幅器の増幅段を更に小さくしていくと、非常に小さい段になってしまうため整合することが困難になってしまうという問題が生じ、限界があるからである。

Claims (1)

1. 電力増幅器であって、信号を増幅し、
   電力増幅器の複数の増幅段、及び
   第１の増幅段と第２の増幅段を結合するよう機能する電流共有結合、を有し、
   増幅段は前記電力増幅器により受信された信号を処理し、増幅段はトランジスターを有し、少なくとも１つの増幅段は次の段に励起を供給するよう機能する駆動段を有し前記信号を増幅し、前記複数の増幅段は、
   第１の増幅段は第１の出力電力と関連付けられ、第１のトランジスターを有する第１の増幅段、及び
   第２の増幅段は第２の出力電力と関連付けられ、第２のトランジスターを有する第２の増幅段、を有し、前記第１の増幅段及び前記第２の増幅段は前記電流共有結合を通じ電流を共有し、前記電流共有結合は前記第１の出力電力及び前記第２の出力電力のスケーリングを助けるよう機能する、電力増幅器。

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