JP2014121071A - 電力増幅器 - Google Patents

Abstract

【課題】２つの電力増幅経路のアイソレーション機能を確保しながら、回路損失を低減する。
【解決手段】増幅器Ａ１，Ａ２が入力端子ＩＮと出力端子ＯＵＴの間に接続されている。接続点Ｐ１が入力端子ＩＮと増幅器Ａ１，Ａ２の入力の間に存在する。接続点Ｐ２が出力端子ＯＵＴと増幅器Ａ１，Ａ２の出力の間に存在する。入力端子ＩＮから増幅器Ａ１，Ａ２を介して出力端子ＯＵＴに至る経路において、接続点Ｐ２はインピーダンスが最も低くなる点である。増幅器Ａ３が接続点Ｐ１と接続点Ｐ２の間に増幅器Ａ１，Ａ２に対して並列に接続されている。接続点Ｐ３が増幅器Ａ３の出力と接続点Ｐ２の間に存在する。キャパシタＣ１が接続点Ｐ３とグラウンドの間に接続されている。スイッチＳＷが接続点Ｐ３とグラウンドの間においてキャパシタＣ１に直列に接続されている。スイッチＳＷは、増幅器Ａ３がＯＮする時にＯＦＦし、増幅器Ａ１，Ａ２がＯＮする時にＯＮする。
【選択図】図１

Description

本発明は、携帯端末等の無線機器に用いられる電力増幅器に関する。

電力増幅器は、全電力レベルにおいて電力負荷効率を上げるために、出力電力レベルに応じて２つ以上の電力増幅経路を切替える機能を有する。そして、各経路の接続部分にシリーズ型高周波スイッチを挿入して、各経路のトランジスタ同士のアイソレーションを確保し、ＯＦＦ時のトランジスタに不要な電圧振幅を与えないようにしている。

また、出力側にシャント型高周波スイッチを挿入し、高周波スイッチがＯＮ状態になることで理想的な短絡状態を実現し、高周波スイッチが挿入された経路のインピーダンスを制御する電力増幅器もある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−１８５２７０号公報

出力側にシリーズ型の高周波スイッチを挿入した電力増幅器では、高周波スイッチ自体の損失が電力負荷効率の低下に直結する。このため、高周波スイッチの損失が大きいＳｉなどのデバイスでは、シリーズ型の高周波スイッチを挿入することが困難である。また、高周波スイッチの損失を小さくするために、スイッチサイズを大きくする必要があり、小型化が困難になる。

また、シャント型高周波スイッチだけを挿入した電力増幅器では、高周波スイッチがＯＮした時、高周波スイッチに流れる直流電流を遮断する必要がある。そして、シャント型高周波スイッチで短絡したところへ電力増幅器の送信周波数帯域の高周波信号が漏れ込まないような整合回路を構成することが必要であるため、シャント型高周波スイッチ回路が挿入された経路上の整合回路に制約が出る場合がある。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は２つの電力増幅経路のアイソレーション機能を確保しながら、回路損失を低減することができる電力増幅器を得るものである。

本発明に係る電力増幅器は、入力端子と、出力端子と、前記入力端子と前記出力端子の間に接続された第１の増幅器と、前記入力端子と前記第１の増幅器の入力の間に存在する第１の接続点と、前記出力端子と前記第１の増幅器の出力の間に存在する第２の接続点と、前記第１の接続点と前記第２の接続点の間に前記第１の増幅器に対して並列に接続された第２の増幅器と、前記第２の増幅器の出力と前記第２の接続点の間に存在する第３の接続点と、前記第３の接続点とグラウンドの間に接続された第１のキャパシタと、前記第３の接続点とグラウンドの間において前記第１のキャパシタに直列に接続されたスイッチとを備え、前記入力端子から前記第１の増幅器を介して前記出力端子に至る経路において、前記第２の接続点はインピーダンスが最も低くなる点であり、前記スイッチは、前記第２の増幅器がＯＮする時にＯＦＦし、前記第１の増幅器がＯＮする時にＯＮすることを特徴とする。

本発明により、２つの電力増幅経路のアイソレーション機能を確保しながら、回路損失を低減することができる。

本発明の実施の形態１に係る電力増幅器を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る電力増幅器を示す図である。 本発明の実施の形態３に係る電力増幅器を示す図である。 本発明の実施の形態４に係る電力増幅器を示す図である。 本発明の実施の形態５に係る電力増幅器を示す図である。 本発明の実施の形態６に係る電力増幅器を示す図である。 本発明の実施の形態７に係る電力増幅器を示す図である。

本発明の実施の形態に係る電力増幅器について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る電力増幅器を示す図である。増幅器Ａ１，Ａ２が入力端子ＩＮと出力端子ＯＵＴの間に直列に接続されている。接続点Ｐ１が入力端子ＩＮと増幅器Ａ１の入力の間に存在する。接続点Ｐ２が出力端子ＯＵＴと増幅器Ａ２の出力の間に存在する。入力端子ＩＮから増幅器Ａ１，Ａ２を介して出力端子ＯＵＴに至る経路において、接続点Ｐ２はインピーダンスが最も低くなる点（例えば増幅器Ａ２のコレクタ端又はドレイン端）である。

増幅器Ａ３が接続点Ｐ１と接続点Ｐ２の間において増幅器Ａ１，Ａ２に対して並列に接続されている。増幅器Ａ３の出力電力は増幅器Ａ１，Ａ２の出力電力より小さい。接続点Ｐ３が増幅器Ａ３の出力と接続点Ｐ２の間に存在する。キャパシタＣ１が接続点Ｐ３とグラウンドの間に接続されている。スイッチＳＷが接続点Ｐ３とグラウンドの間においてキャパシタＣ１に直列に接続されている。

キャパシタＣ１とスイッチＳＷはシャント型高周波スイッチ回路を構成する。スイッチＳＷは、増幅器Ａ３がＯＮする時にＯＦＦし、増幅器Ａ１，Ａ２がＯＮする時にＯＮする。こうしてスイッチＳＷは、出力電力レベルに応じて増幅器Ａ１，Ａ２の経路と増幅器Ａ３の経路を切替える。

キャパシタＣ１の容量値は、送信周波数帯域に対して十分大きく、かつスイッチＳＷがＯＮしたときのインピーダンスがスミスチャート上の反射係数として−９０度から９０度の間になるように設定する。これにより、スイッチＳＷがＯＮしたとき、シャント型高周波スイッチ回路より先の回路をオープンに見せることができる。

高周波スイッチＳＷをシャント型で挿入することで、シリーズ型で挿入した場合よりも回路損失を低減することができる。さらに、増幅器Ａ３の経路を増幅器Ａ１，Ａ２の経路でインピーダンスが最も低いところに挿入することで、高周波スイッチがＯＮしたとき、キャパシタＣ１が見えることによって低インピーダンスになっても、電力増幅器の送信周波数帯域の高周波信号がシャント型高周波スイッチ回路へ漏れ込み難くなり、回路全体の損失が低下する。キャパシタＣ１によりグラウンドへ流れる直流電流を遮ることができる。キャパシタＣ１の容量値を送信周波数帯域に対して十分大きくすることでシャント型高周波スイッチ回路でもシリーズ型高周波スイッチと同程度のアイソレーションを確保することができる。

実施の形態２．
図２は本発明の実施の形態２に係る電力増幅器を示す図である。インダクタＬが増幅器Ａ３の出力と増幅器Ａ１，Ａ２の経路（接続点Ｐ２）の間に接続されている。この直列インダクタＬによって、増幅器Ａ１，Ａ２の経路から見たときのシャント型高周波スイッチ回路のキャパシタＣ１の容量値をさらに大きく見せることができ、シャント型高周波スイッチ回路のＱ値を上げることができる。これにより、実際に使うキャパシタＣ１の容量値を下げることができ、レイアウトの小型化が可能になる。また、Ｑ値を上げることで、シャント型高周波スイッチ回路より先の回路をよりオープンに見せることができ、各経路のアイソレーションを向上させることができる。

実施の形態３．
図３は本発明の実施の形態３に係る電力増幅器を示す図である。接続点Ｐ４が増幅器Ａ３の出力と接続点Ｐ２の間に存在する。キャパシタＣ２が接続点Ｐ４とグラウンドの間に接続されている。その他の構成は実施の形態２と同様である。増幅器Ａ１，Ａ２と増幅器Ａ３では、最適インピーダンスが異なるため、それらの経路を接続するとき、インピーダンス変換が必要となる。そこで、直列インダクタＬとシャントキャパシタＣ２からなるＬＣ回路を両経路の間に挿入することで、インピーダンスを変換できる。このようにインピーダンス変換を複数回行うことでインピーダンス変換損失を低減できるため、回路損失を更に低減できる。

実施の形態４．
図４は本発明の実施の形態４に係る電力増幅器を示す図である。直列インダクタＬとシャントキャパシタＣ２を増幅器Ａ３の出力とシャント型高周波スイッチ回路の間に挿入している。このＬＣ回路でもインピーダンスを変換できるため、実施の形態３と同様の効果を得ることができる。

実施の形態５．
図５は本発明の実施の形態５に係る電力増幅器を示す図である。実施の形態１のキャパシタＣ１の代わりに、互いに並列に接続された複数のキャパシタＣ１ａ〜Ｃ１ｄを増幅器Ａ３の周囲に配置している。これにより、増幅器Ａ１，Ａ２が増幅する高周波信号が増幅器Ａ３へ漏れ込むのを抑制しつつ、増幅器Ａ３が増幅する高周波信号が増幅器Ａ１，Ａ２の経路へ漏れ込むのも抑制することができる。この結果、増幅器Ａ１，Ａ２の経路と増幅器Ａ３の経路のアイソレーションを向上させることができる。

実施の形態６．
図６は本発明の実施の形態６に係る電力増幅器を示す図である。高周波信号のグラウンドは僅かなインダクタ成分によって理想的なグラウンドではなくなり、グラウンドを経由して高周波信号が伝搬を意図しない経路に回りこむ恐れがある。そこで、本実施の形態では、実施の形態５のシャント型高周波スイッチ回路のキャパシタＣ１ａ〜Ｃ１ｄのグラウンドと増幅器Ａ３のグラウンドを共通にしている。これにより、グラウンドを経由し、他の経路へ高周波信号が回り込むことを抑制することができる。この結果、増幅器Ａ１，Ａ２の経路と増幅器Ａ３の経路のアイソレーションを向上させることができる。

実施の形態７．
図７は本発明の実施の形態７に係る電力増幅器を示す図である。実施の形態１とはスイッチ回路の構成が異なる。キャパシタＣ１，Ｃ２が増幅器Ａ３の出力と接続点Ｐ２の間に直列に接続されている。接続点Ｐ３がキャパシタＣ１とキャパシタＣ２の間に存在する。インダクタＬが接続点Ｐ３とグラウンドの間に接続されている。スイッチＳＷが接続点Ｐ３とグラウンドの間においてインダクタＬに直列に接続されている。

実施の形態１ではシャント型高周波スイッチ回路にキャパシタＣ１を用いているが、本実施の形態ではインダクタＬを用い、各経路の接続部分に直列キャパシタＣ１，Ｃ２を設けている。これにより、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。ただし、シャント型高周波スイッチ回路がＯＮしたときのインピーダンスが、スミスチャート上の反射係数として−９０度から９０度の間になるように、インダクタＬと直列キャパシタＣ１，Ｃ２の値を設定する必要がある。

なお、高周波スイッチＳＷとしてＦＥＴ／ＨＥＭＴ、ＭＥＭＳ、ダイオードなどを用いることができる。また、電力増幅経路が２経路の場合について説明したが、３経路以上の形態にも本発明を同様に適用できる。また、経路分離の目的として高周波スイッチをシャント型で挿入しているため直流電流の経路としては分離されておらず、トランジスタ等のアクティブ素子と電源の間に直列キャパシタを設けない場合でも電源供給経路を分離しなくてよい。

Ａ１，Ａ２，Ａ３ 増幅器、Ｃ１，Ｃ２，Ｃ１ａ〜Ｃ１ｄ キャパシタ、ＩＮ 入力端子、Ｌ インダクタ、ＯＵＴ 出力端子、Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４ 接続点、ＳＷ スイッチ

Claims (6)

1. 入力端子と、
   出力端子と、
   前記入力端子と前記出力端子の間に接続された第１の増幅器と、
   前記入力端子と前記第１の増幅器の入力の間に存在する第１の接続点と、
   前記出力端子と前記第１の増幅器の出力の間に存在する第２の接続点と、
   前記第１の接続点と前記第２の接続点の間に前記第１の増幅器に対して並列に接続された第２の増幅器と、
   前記第２の増幅器の出力と前記第２の接続点の間に存在する第３の接続点と、
   前記第３の接続点とグラウンドの間に接続された第１のキャパシタと、
   前記第３の接続点とグラウンドの間において前記第１のキャパシタに直列に接続されたスイッチとを備え、
   前記入力端子から前記第１の増幅器を介して前記出力端子に至る経路において、前記第２の接続点はインピーダンスが最も低くなる点であり、
   前記スイッチは、前記第２の増幅器がＯＮする時にＯＦＦし、前記第１の増幅器がＯＮする時にＯＮすることを特徴とする電力増幅器。
2. 前記第２の増幅器の出力と前記第２の接続点の間に接続されたインダクタを更に備えることを特徴とする請求項１に記載の電力増幅器。
3. 前記第２の増幅器の出力と前記第２の接続点の間に存在する第４の接続点と、
   前記第４の接続点とグラウンドの間に接続された第２のキャパシタとを更に備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の電力増幅器。
4. 前記第１のキャパシタは、互いに並列に接続された複数のキャパシタを有し、
   前記複数のキャパシタは前記第２の増幅器の周囲に配置されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の電力増幅器。
5. 前記第１のキャパシタのグラウンドと前記第２の増幅器のグラウンドを共通にすることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の電力増幅器。
6. 入力端子と、
   出力端子と、
   前記入力端子と前記出力端子の間に接続された第１の増幅器と、
   前記入力端子と前記第１の増幅器の入力の間に存在する第１の接続点と、
   前記出力端子と前記第１の増幅器の出力の間に存在する第２の接続点と、
   前記第１の接続点と前記第２の接続点の間に接続された第２の増幅器と、
   前記第２の増幅器の出力と前記第２の接続点の間に直列に接続された第１及び第２のキャパシタと、
   前記第１のキャパシタと前記第２のキャパシタの間に存在する第３の接続点と、
   前記第３の接続点とグラウンドの間に接続されたインダクタと、
   前記第３の接続点とグラウンドの間において前記インダクタに直列に接続されたスイッチとを備え、
   前記入力端子から前記第１の増幅器を介して前記出力端子に至る経路において、前記第２の接続点はインピーダンスが最も低くなる点であり、
   前記スイッチは、前記第２の増幅器がＯＮする時にＯＦＦし、前記第１の増幅器がＯＮする時にＯＮすることを特徴とする電力増幅器。

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