JP2014116757A - 増幅回路及び通信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の増幅器を直列に接続して構成する多段増幅器において、駆動段の増幅器の飽和時の出力電力値を大きく維持しつつバックオフ電力時での高効率化を達成することが可能な増幅回路を提供する。
【解決手段】第１の増幅器及び第２の増幅器を含む２以上の増幅器が直列に接続され、前記第２の増幅器は前記第１の増幅器からの出力電力に応じて入力インピーダンスの変化する増幅器が接続され、前記第２の増幅器と、該第２の増幅器の直前に設けられる前記第１の増幅器との間に、該第１の増幅器の出力負荷インピーダンスを調整するインピーダンス調整部を備え、前記インピーダンス調整部は、前記第１の増幅器の出力負荷インピーダンスを前記第２の増幅器の入力インピーダンスの変化に応じて最適化させることを特徴とする、増幅回路が提供される。係る増幅回路は、駆動段の第１の増幅器の飽和時の出力電力値を高く維持しつつ、バックオフ電力時での高効率化を達成することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、増幅回路及び通信装置に関する。

近年、無線通信においてＬＴＥ（Ｌｏｎｇ Ｔｅｒｍ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）に代表される高速大容量通信が利用されており、ＰＡＰＲ（Ｐｅａｋ ｔｏ Ａｖｅｒａｇｅ Ｐｏｗｅｒ Ｒａｔｉｏ）の大きい変調信号が必要とされている。一般的に無線通信用増幅器において、ＰＡＰＲの大きい信号の場合、消費電力が大きくなり、動作効率の劣化が起こる。この問題を解決する手法として、広い出力範囲において高効率動作の行えるドハティ増幅器の検討が行われている。

ドハティ増幅器は、一般的に、キャリアアンプとピークアンプとを備えている（特許文献１等）。キャリアアンプは、信号を常時増幅する増幅器であり、ピークアンプは、一定電力以上の信号を増幅する増幅器である。

ドハティ増幅器の一般的な動作として、低電力時はＡＢ級にバイアスされているキャリアアンプのみ電力増幅を行い、Ｃ級にバイアスされたピークアンプでは電力増幅は行われない。高電力時にはキャリアアンプに加えてピークアンプでも電力増幅が行われる。ドハティ増幅器は、キャリアアンプとピークアンプの電力合成、およびピークアンプの動作状態によるキャリアアンプの出力負荷インピーダンスの変動により、所望の最大出力電力値を高く維持しつつ、バックオフ電力（変調信号時の平均出力電力）時での効率を高くすることが出来る。

ドハティ増幅器は、無線基地局において用いられることが多いが、無線通信を行なう端末においても、他モード化によりドハティ構成を有する増幅器を用いる検討が行われている。またドハティ増幅器の広帯域化についての検討も行われており、ドハティ増幅器の広帯域化を図る技術も開示されている（特許文献２）。

特開２００５−３２２９９３号公報 特開２０１２−２９２３９号公報

複数の増幅器を直列に接続して構成する多段増幅器において、最終段の増幅器をドハティ増幅器で構成することで、飽和時の出力電力値を高く維持しつつバックオフ電力時での高効率化を図ることができる。しかし、従来は、複数の増幅器を直列に接続して構成する多段増幅器の最終段の増幅器をドハティ増幅器で構成した場合に、ドハティ増幅器と、ドハティ増幅器の前段に設けられる駆動増幅器間の整合は５０Ω、または任意の固定インピーダンス（以下の説明は５０Ωとする）で行われていた。この場合、駆動増幅器の飽和時の出力電力値を高くしようとすると、バックオフ電力時の効率が低くなってしまい、逆にバックオフ電力時の効率を高くしようとすると、飽和時の出力電力値が低くなってしまう問題があった。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、複数の増幅器を直列に接続して構成する多段増幅器において、駆動段の増幅器の飽和時の出力電力値を高く維持しつつバックオフ電力時での高効率化を達成することが可能な、新規かつ改良された増幅回路及び通信装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、第１の増幅器及び第２の増幅器を含む２以上の増幅器が直列に接続され、前記第２の増幅器は前記第１の増幅器からの出力電力に応じて入力インピーダンスの変化する増幅器が接続され、前記第２の増幅器と、該第２の増幅器の直前に設けられる前記第１の増幅器との間に、該第１の増幅器の出力負荷インピーダンスを調整するインピーダンス調整部を備え、前記インピーダンス調整部は、前記第１の増幅器の出力負荷インピーダンスを前記第２の増幅器の入力インピーダンスの変化に応じて最適化させることを特徴とする、増幅回路が提供される。

前記インピーダンス調整部は、前記第１の増幅器の出力負荷インピーダンスと前記第２の増幅器の入力インピーダンスとを整合させる整合回路を含んでいても良い。さらに前記インピーダンス調整部は、前記整合回路が出力する信号の位相を調整する位相調整器を含んでいてもよい。

前記第２の増幅器は、ドハティ増幅器であってもよい。

前記第２の増幅器は、エンベロープ・トラッキング増幅器であってもよい。

上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、上記増幅回路を備えることを特徴とする、通信装置が提供される。

以上説明したように本発明によれば、複数の増幅器を直列に接続して構成する多段増幅器において、駆動段の増幅器の飽和時の出力電力値を高く維持しつつバックオフ電力時での高効率化を達成することが可能な、新規かつ改良された増幅回路及び通信装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る増幅回路１００の機能構成例を示す説明図である。 本発明の一実施形態に係る増幅回路１００の回路構成例を示す説明図である。 ドハティ増幅器１３０の入力インピーダンスの変化をスミスチャートで示す説明図である。 駆動増幅器１１０の出力負荷インピーダンスの変化をスミスチャートで示す説明図である。 本発明の一実施形態に係る増幅回路１００の、駆動増幅器１１０の高周波特性を示す説明図である。 本発明の一実施形態に係る増幅回路１００を備えた通信装置１０の機能構成例を示す説明図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

＜１．本発明の一実施形態＞
［増幅器の機能構成例］
まず、本発明の一実施形態に係る増幅器の機能構成例について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る増幅回路１００の機能構成例を示す説明図である。以下、図１を用いて本発明の一実施形態に係る増幅回路１００の機能構成例について説明する。

図１に示したように、本発明の一実施形態に係る増幅回路１００は、駆動増幅器１１０と、インピーダンス調整部１２０と、ドハティ増幅器１３０と、を含んで構成される。

駆動増幅器１１０は、増幅回路１００に供給されてくる信号を増幅する。駆動増幅器１１０は、増幅した信号を、インピーダンス調整部１２０を介してドハティ増幅器１３０に供給する。

ドハティ増幅器１３０は、駆動増幅器１１０からインピーダンス調整部１２０を介して供給されてくる信号を増幅する。ドハティ増幅器１３０の詳細な構成については後述するが、ドハティ増幅器１３０は、キャリアアンプとピークアンプとを備えている。キャリアアンプは、信号を常時増幅する増幅器であり、ピークアンプは、一定電力以上の信号を増幅する増幅器である。

本発明の一実施形態に係る増幅回路１００は、複数の増幅器を直列に接続した構成を有する多段増幅器である。そして本発明の一実施形態に係る増幅回路１００は、最終段の増幅器を、図１に示すようにドハティ増幅器１３０で構成している。

このように、複数の増幅器を直列に接続し、最終段の増幅器を図１に示すようにドハティ増幅器１３０で構成した場合、インピーダンスを５０Ωで整合させると、駆動増幅器１１０の飽和時の出力電力値を高くしようとするとバックオフ電力時の効率が低くなってしまい、逆にバックオフ電力時の効率を高くしようとすると飽和時の出力電力値が低くなってしまう。

これは、インピーダンスを５０Ωで整合させると、ドハティ増幅器１３０の入力インピーダンスの変動を、駆動増幅器１１０からの出力負荷インピーダンスにおいてうまく利用していないからである。

そこで、本発明の一実施形態に係る増幅回路１００は、駆動段の駆動増幅器１１０と、最終段のドハティ増幅器１３０との間に、インピーダンス調整部１２０を挟んだ構成を有する。インピーダンス調整部１２０は、ドハティ増幅器１３０の入力インピーダンスと整合される駆動増幅器１１０の出力負荷インピーダンスを調整する。具体的には、インピーダンス調整部１２０は、高電力を出力する時には高電力負荷整合となり、バックオフ電力時には高効率負荷整合となるように駆動増幅器１１０の出力負荷インピーダンスを調整する。

このように、駆動段の駆動増幅器１１０と、最終段のドハティ増幅器１３０との間に、インピーダンス調整部１２０を挟み、駆動増幅器１１０の出力負荷インピーダンスをインピーダンス調整部１２０で調整することで、駆動増幅器１１０の飽和時の出力電力値を高くしつつ、バックオフ電力時の高効率化を達成することが出来る。

以上、図１を用いて本発明の一実施形態に係る増幅回路１００の機能構成例について説明した。なお、図１では駆動増幅器１１０とドハティ増幅器１３０の２つの増幅器のみを図示しているが、本発明は係る例に限定されるものではない。駆動段の増幅器が複数設けられ、最終段にドハティ増幅器が設けられるような構成であってもよい。次に、本発明の一実施形態に係る増幅回路１００の具体的な回路構成例について説明する。

［増幅器の回路構成例］
図２は、本発明の一実施形態に係る増幅回路１００の回路構成例を示す説明図である。以下、図２を用いて本発明の一実施形態に係る増幅回路１００の回路構成例について説明する。

図２に示したように、本発明の一実施形態に係る増幅回路１００は、駆動増幅器１１０と、インピーダンス調整部１２０と、ドハティ増幅器１３０と、を含んで構成される。そして、インピーダンス調整部１２０は、整合回路１２１と、位相調整器２２と、を含んで構成される。そしてドハティ増幅器１３０は、電力分配器１３１と、キャリアアンプ１３２と、ピークアンプ１３３と、インピーダンス変成器１３４、１３５と、を含んで構成される。電力はインピーダンス変成器１３４、１３５の接合部で合成される。

駆動増幅器１１０は、増幅回路１００に供給されてくる信号を増幅する。駆動増幅器１１０は、増幅した信号を、整合回路１２１、位相調整器１２２を介してドハティ増幅器１３０に供給する。

整合回路１２１は、駆動増幅器１１０が増幅した信号のインピーダンスをドハティ増幅器１３０の入力インピーダンスと整合させる回路であり、例えばコイルとコンデンサとの組み合わせで構成される。整合回路１２１は、インピーダンス整合後の信号を位相調整器１２２へ供給する。位相調整器１２２は、整合回路１２１がインピーダンス整合させた信号に対して位相を調整する。位相調整器１２２は、位相を調整した後の信号を電力分配器１３１に供給する。

ドハティ増幅器の入力インピーダンスは電力の大きさに応じて変化し、この整合回路１２１、位相調整器１２２によって、電力の大きさに応じて駆動増幅器１１０の出力負荷インピーダンスが最適化される。具体的には、整合回路１２１、位相調整器１２２は、増幅回路１００から高電力を出力する時には高電力負荷整合となり、バックオフ電力時には高効率負荷整合となるように、駆動増幅器１１０の出力負荷インピーダンスを調整する。

電力分配器１３１は、位相調整器１２２から供給される信号を、第１の信号と第２の信号とに分配する。電力分配器１３１は、第１の信号をキャリアアンプ１３２に供給し、第２の信号をピークアンプ１３３に供給する。

キャリアアンプ１３２は、電力分配器１３１から供給される第１の信号を増幅する。キャリアアンプ１３２は、Ｂ級、ＡＢ級又はＡ級で動作する様にバイアスされているアンプであり、供給されてくる第１の信号を常時増幅する。キャリアアンプ１３２は、第１の信号を増幅すると、増幅した信号をインピーダンス変成器１３４に供給する。

ピークアンプ１３３は、電力分配器１３１から供給される第２の信号を増幅する。ピークアンプ１３３は、Ｃ級で動作する様にバイアスされており、入力される第２の信号が一定以上の電力の場合、入力される第２の信号を増幅する。ピークアンプ１３３は、第２の信号を増幅すると、増幅した信号をインピーダンス変成器１３５に供給する。

インピーダンス変成器１３４は、キャリアアンプ１３２が増幅した信号に対してインピーダンスを変換するものであり、例えばλ／４変成器で構成される。インピーダンス変成器１３４は、キャリアアンプ１３２が増幅した信号に対してインピーダンスを変換すると、変換後の信号をインピーダンス変成器１３５に供給する。

インピーダンス変成器１３５は、ピークアンプ１３３が増幅した信号及びインピーダンス変成器１３４でインピーダンス変換された信号に対してインピーダンスを変換するものであり、例えばλ／４変成器で構成される。

なお、ドハティ増幅器１３０は、キャリアアンプとピークアンプの経路を入れ替えた、逆ドハティ増幅器であってもよい。またドハティ増幅器１３０は、キャリアアンプとピークアンプのインピーダンスを直列に接続した、直列接続型ドハティ増幅器であってもよい。

ここで、ドハティ増幅器１３０の入力インピーダンスの変化について説明する。上述したように、ピークアンプ１３３は、Ｃ級で動作する様にバイアスされており、入力電力に応じて動作状態が変化する。従って、ドハティ増幅器１３０の入力インピーダンスは、入力電力に応じたピークアンプ１３３の動作状態に伴って大きく変化する。

図３は、ドハティ増幅器１３０の入力インピーダンスの変化をスミスチャートで示す説明図である。図３のスミスチャート上に符号３０１で示した点は、低電力時の入力インピーダンスの例であり、符号３０２で示した点は、高電力時の入力インピーダンスの例である。図３に示したように、ドハティ増幅器１３０の入力インピーダンスは、ドハティ増幅器１３０に入力される電力に応じて、ピークアンプ１３３の動作状態に伴い変化する。

図４は、駆動増幅器１１０の後段に設けられる整合回路１２１及び位相調整器１２２による、駆動増幅器１１０の出力負荷インピーダンスの変化をスミスチャートで示す説明図である。図４のスミスチャート上に符号４０１で示した点は、低電力時の出力負荷インピーダンスの例であり、符号４０２で示した点は、高電力時の出力負荷インピーダンスの例である。

図４に示すように、ドハティ増幅器１３０の入力インピーダンスの変化を利用し、整合回路１２１及び位相調整器１２２を最適化することにより、低電力時と高電力時とで、駆動増幅器１１０の出力負荷インピーダンスを変化させる。駆動増幅器１１０の出力負荷インピーダンスを変化させることで、駆動増幅器１１０の飽和時の出力電力値を高くしつつ、バックオフ電力時の高効率化を達成することが出来る。

なお、整合回路１２１及び位相調整器１２２によって駆動増幅器１１０の出力負荷インピーダンスを変化させる場合には、駆動増幅器１１０の出力負荷インピーダンスは、電力の大きさの変化に追従して変化されても良い。

図５は、本発明の一実施形態に係る増幅回路１００の、駆動増幅器１１０の高周波特性を示す説明図である。図５に示したグラフは、横軸が出力電力Ｐｏｕｔ［ｄＢｍ］であり、縦軸がＰＡＥ（Ｐｏｗｅｒ Ａｄｄｅｄ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ；電力付加効率）［％］である。

図５の符号５０１は、飽和時の出力電力値を高くするようにインピーダンス整合させた場合の駆動増幅器１１０の高周波特性である。図５の符号５０２は、バックオフ電力時に高効率が得られるようにインピーダンス整合させた場合の駆動増幅器１１０の高周波特性である。そして、図５の符号５０３は、駆動増幅器１１０の後段に設けられる整合回路１２１及び位相調整器１２２によってインピーダンス整合された駆動増幅器１１０の高周波特性である。

図５に示したように、駆動増幅器１１０の後段に設けられる整合回路１２１及び位相調整器１２２によって、駆動増幅器１１０の出力負荷インピーダンスを調整すると、駆動増幅器１１０の飽和時の出力電力値を高くしつつ、バックオフ電力時に効率の高い周波数特性が得られる。

さらに、駆動増幅器１１０の後段に設けられる整合回路１２１及び位相調整器１２２によって、駆動増幅器１１０の出力負荷インピーダンスを調整することで、動作点が大きく振れても、歪が少なくなり、ダイナミックレンジを拡大させることができる。特に、ＰＡＰＲの大きい変調信号においてはバックオフ電力時の効率を高くすることが望ましく、特に図５に示したグラフの、出力電力ＰｏｕｔがＡ点付近における効率を高くすることが求められる。従って、本発明の一実施形態に係る増幅回路１００は、バックオフ電力時に高効率が求められるＰＡＰＲの大きい変調信号による無線伝送の際に特に効果的に増幅させることができるものである。

なお、上述してきた本発明の一実施形態に係る増幅回路１００は、複数の増幅器が直列に接続されており、最終段の増幅器がドハティ増幅器で構成されているものを示したが、最終段の増幅器はドハティ増幅器に限られない。電力に応じて入力インピーダンスが変化するような増幅器であればその他の増幅器を用いることが可能であり、そのような増幅器として、例えばエンベロープ・トラッキング増幅器がある。

エンベロープ・トラッキング増幅器は、信号の包絡線に同期して電力増幅器の増幅素子であるＦＥＴのドレイン電圧を変動させるエンベロープ・トラッキング方式を採用した増幅器である。エンベロープ・トラッキング増幅器は、信号レベルが低い場合には、ドレイン電圧を下げて増幅器のピーク電力を下げ、バックオフを小さくすることにより高効率化を図ることができる。そのようなエンベロープ・トラッキング増幅器を最終段の増幅器として用いることでも、増幅回路１００は、駆動増幅器１１０の飽和時の出力電力値を高くしつつ、バックオフ電力時に効率の高い周波数特性が得られる。

［無線基地局の機能構成例］
最後に、本発明の一実施形態に係る増幅回路１００を備える無線基地局の機能構成例について説明する。

図６は、本発明の一実施形態に係る増幅回路１００を備える無線基地局１０の機能構成例を示す説明図である。図６に示した無線基地局１０は、本発明の通信装置の一例である。以下、図６を用いて本発明の一実施形態に係る増幅回路１００を備える無線基地局１０の機能構成例について説明する。

図６に示したように、無線基地局１０は、入力インタフェース（Ｉ／Ｆ）１１と、デジタル回路１２と、周波数コンバータ１３と、増幅回路１００と、アイソレータ１４と、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１５と、アンテナ１６と、を含んで構成される。

入力インタフェース（Ｉ／Ｆ）１１は、信号の入力を受けるインタフェースである。入力インタフェース１１は、信号をデジタル回路１２に供給する。デジタル回路１２は、無線基地局１０に入力された信号に対してデジタル処理を施す。デジタル回路１２は、デジタル処理を施した後の信号を周波数コンバータ１３に供給する。

周波数コンバータ１３は、デジタル回路１２が出力する信号の周波数を変換する。周波数コンバータ１３は、周波数を変換した後の信号を増幅回路１００に供給する。

アイソレータ１４は、増幅回路１００で増幅された信号のアイソレーションを行なって、ローパスフィルタ１５に供給する。ローパスフィルタ１５は、アイソレータ１４からの出力に対してノイズ成分を除去する。アンテナ１６は、ローパスフィルタ１５でノイズ成分が除去された信号を出力する。

図６に示したような構成を有する無線基地局１０に、図１等で示した増幅回路１００を用いることで、無線基地局１０は、駆動増幅器１１０の飽和時の出力電力値を高くしつつ、バックオフ電力時に効率の高い周波数特性が得られる。

なお、ここでは本発明の一実施形態に係る増幅回路１００を備える無線基地局の機能構成例を説明したが、本開示は係る例に限定されるものではない。本発明の一実施形態に係る増幅回路１００を無線アクセスポイントや携帯電話等に用いることで、同様に駆動増幅器１１０の飽和時の出力電力値を高くしつつ、バックオフ電力時に効率の高い周波数特性が得られることが出来る。

＜２．まとめ＞
以上説明したように本発明の一実施形態によれば、複数の増幅器を直列に接続して構成する多段増幅器において、駆動段の増幅器の飽和時の出力電力値を大きく維持しつつバックオフ電力時での高効率化を達成することが可能な増幅器が提供される。

本発明の一実施形態にかかる増幅回路１００は、駆動増幅器１１０とドハティ増幅器１３０との間に、駆動増幅器１１０の出力負荷インピーダンスを調整するインピーダンス調整部１２０を設ける。インピーダンス調整部１２０は、駆動増幅器１１０からの出力電力に応じて駆動増幅器１１０とドハティ増幅器１３０との間で整合されるインピーダンスを調整する。

本発明の一実施形態にかかる増幅回路１００は、駆動増幅器１１０からの出力電力に応じて駆動増幅器１１０とドハティ増幅器１３０との間で整合されるインピーダンスを可変的に最適化することで、図５に示したように、駆動増幅器１１０の飽和時の出力電力値を高くしつつ、バックオフ電力時に効率の高い周波数特性が得られる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１０ 無線基地局
１１ 入力インタフェース
１２ デジタル回路
１３ 周波数コンバータ
１４ アイソレータ
１５ ローパスフィルタ
１６ アンテナ
１００ 増幅器
１１０ 駆動増幅器
１２０ インピーダンス調整部
１２１ 整合回路
１２２ 位相調整器
１３０ ドハティ増幅器
１３１ 電力分配器
１３２ キャリアアンプ
１３３ ピークアンプ
１３４、１３５ インピーダンス変成器

Claims (6)

1. 第１の増幅器及び第２の増幅器を含む２以上の増幅器が直列に接続され、
   前記第２の増幅器は前記第１の増幅器からの出力電力に応じて入力インピーダンスの変化する増幅器が接続され、
   前記第２の増幅器と、該第２の増幅器の直前に設けられる前記第１の増幅器との間に、該第１の増幅器の出力負荷インピーダンスを調整するインピーダンス調整部を備え、
   前記インピーダンス調整部は、前記第１の増幅器の出力負荷インピーダンスを前記第２の増幅器の入力インピーダンスの変化に応じて最適化させることを特徴とする、増幅回路。
2. 前記インピーダンス調整部は、
   前記第１の増幅器の出力負荷インピーダンスと前記第２の増幅器の入力インピーダンスとを整合させる整合回路を含むことを特徴とする、請求項１に記載の増幅回路。
3. 前記インピーダンス調整部は、
   前記整合回路が出力する信号の位相を調整する位相調整器を含むことを特徴とする、請求項２に記載の増幅回路。
4. 前記第２の増幅器は、ドハティ増幅回路であることを特徴とする、請求項１に記載の増幅器。
5. 前記第２の増幅器は、エンベロープ・トラッキング増幅器であることを特徴とする、請求項１に記載の増幅回路。
6. 請求項１に記載の増幅回路を備えることを特徴とする、通信装置。
   

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