JP2020156024A - Amplification device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、信号を増幅する増幅装置に関する。 The present invention relates to an amplification device that amplifies a signal.
無線通信において、多数の事業者の信号を同時に取り扱う場合、より広帯域にて送受信を行う必要がある。そのため、増幅器に対する出力電力および入力電力のダイナミックレンジが広いことが要求される。たとえば、2GHz帯で帯域幅が60MHzの場合、要求されるダイナミックレンジは10dB以上となる場合がある。 In wireless communication, when handling signals from a large number of operators at the same time, it is necessary to transmit and receive in a wider band. Therefore, a wide dynamic range of output power and input power for the amplifier is required. For example, when the bandwidth is 60 MHz in the 2 GHz band, the required dynamic range may be 10 dB or more.
また、近年、無線通信において、ピーク対アベレージ電力比(PAPR)の高い信号を取り扱うことが多い。通常の送信機に使用されている高出力増幅器で高PAPR信号を増幅する場合、増幅の線形性を維持しようとすると消費電力が大きくなる。 Further, in recent years, in wireless communication, a signal having a high peak-to-average power ratio (PAPR) is often handled. When a high-power amplifier used in a normal transmitter amplifies a high PAPR signal, power consumption increases when trying to maintain the linearity of the amplification.
特に、基地局では高出力増幅器の数が多く、システムの消費電力の大部分を占める場合がある。そこで、ドハティ(Doherty)、エンベロープトラッキング、アウトフェージング(Outphasing)等、増幅器の高効率化に関する様々な手法が研究されている。 In particular, base stations have a large number of high-power amplifiers, which may account for most of the power consumption of the system. Therefore, various methods for improving the efficiency of amplifiers such as Doherty, envelope tracking, and outphasing are being studied.
アウトフェージングは、入力信号を振幅一定で位相が異なる2つの信号に分離し、それぞれ別個の増幅器にて増幅した後に合成を行う。詳細には、入力信号が分離したときの位相の関係性が保たれるように、2つの信号を合成する。このとき、所望のバックオフ値で負荷変調が起きるように、2つの増幅器間で生じるリアクタンス成分を打ち消すための素子が実装された、シレー(Chireix)合成器で合成するのが一般的である。 In outfading, an input signal is separated into two signals having a constant amplitude and different phases, amplified by separate amplifiers, and then combined. Specifically, the two signals are combined so that the phase relationship when the input signals are separated is maintained. At this time, it is common to synthesize with a Chireix synthesizer equipped with an element for canceling the reactance component generated between the two amplifiers so that the load modulation occurs at a desired backoff value.
アウトフェージングは、設計した所望のバックオフ値で高効率化が可能であるが、設計値より低いバックオフ値では効率低下が著しい。そのため、出力電力や入力電力のダイナミックレンジが大きいシステムでは、全体として効率低下につながるという問題があった。 Outfading can be highly efficient at the desired backoff value designed, but the efficiency is significantly reduced at a backoff value lower than the design value. Therefore, in a system having a large dynamic range of output power and input power, there is a problem that the efficiency is lowered as a whole.
これに対して、入力電力に応じて、アウトフェージング増幅とドハティ増幅とを切り替える技術が開示されている(特許文献1)。この技術によれば、入力電力のダイナミックレンジが比較的大きいときでも、高効率が維持できるとされている。 On the other hand, a technique for switching between outfading amplification and Dougherty amplification according to the input power is disclosed (Patent Document 1). According to this technology, high efficiency can be maintained even when the dynamic range of the input power is relatively large.
ところで、回路規模を不要に拡大せず、ダイナミックレンジが広い場合でも高効率を実現する構成が求められている。 By the way, there is a demand for a configuration that realizes high efficiency even when the dynamic range is wide without unnecessarily expanding the circuit scale.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、回路規模を拡大せず、ダイナミックレンジが広い場合でも高効率を実現できる増幅装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide an amplification device capable of achieving high efficiency even when the dynamic range is wide without expanding the circuit scale.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る増幅装置は、複数の増幅器が並列に配置されて構成されており、増幅器の組み合わせによりアウトフェーズ増幅部とドハティ増幅部とを実現する増幅器群と、前記増幅器群の前段において、入力信号の振幅レベルを検出する検出部と、前記検出部で検出された前記入力信号の振幅レベルに応じて、前記アウトフェーズ増幅部で前記入力信号を増幅して出力する、または、前記ドハティ増幅部で前記入力信号を増幅して出力するかを選択する選択部と、前記増幅器群を構成する各増幅器に電力を供給する電源部と、を備え、前記電源部は、前記入力信号の振幅レベルに基づいて、前記ドハティ増幅部のバックオフ点を変更することを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problems and achieve the object, the amplification device according to one aspect of the present invention is configured by arranging a plurality of amplifiers in parallel, and an out-phase amplification unit and Doherty amplification are performed by combining the amplifiers. The amplifier group that realizes the unit, the detection unit that detects the amplitude level of the input signal in the previous stage of the amplifier group, and the out-phase amplification unit according to the amplitude level of the input signal detected by the detection unit. A selection unit that selects whether to amplify and output the input signal by the Doherty amplification unit or to amplify and output the input signal by the Doherty amplification unit, and a power supply unit that supplies power to each amplifier constituting the amplifier group. The power supply unit is characterized in that the backoff point of the Doherty amplification unit is changed based on the amplitude level of the input signal.
本発明の一態様に係る増幅装置は、前記電源部は、前記入力信号の振幅レベルに基づいて、前記ドハティ増幅部を構成する複数の増幅器に供給する電力を複数段階に変更して、前記ドハティ増幅部のバックオフ点を変更することを特徴とする。 In the amplification device according to one aspect of the present invention, the power supply unit changes the power supplied to the plurality of amplifiers constituting the Doherty amplification unit in a plurality of stages based on the amplitude level of the input signal, and the Doherty unit. It is characterized by changing the back-off point of the amplification unit.
本発明の一態様に係る増幅装置は、前記電源部は、前記入力信号の振幅レベルとダイナミックレンジとに基づいて、前記ドハティ増幅部を構成する複数の増幅器に供給する電力を一または複数段階に変更して、前記ドハティ増幅部のバックオフ点を変更することを特徴とする。 In the amplification device according to one aspect of the present invention, the power supply unit supplies power to a plurality of amplifiers constituting the Dougherty amplification unit in one or a plurality of stages based on the amplitude level and dynamic range of the input signal. It is characterized in that the back-off point of the Dougherty amplification unit is changed by changing.
本発明の一態様に係る増幅装置は、前記増幅器群は、第1増幅器、第2増幅器、および第3増幅器が並列に配置されて構成されており、前記アウトフェーズ増幅部は、前記第1増幅器および前記第2増幅器の組み合わせにより実現し、前記ドハティ増幅部は、前記第2増幅器および前記第3増幅器の組み合わせにより実現することを特徴とする。 In the amplification device according to one aspect of the present invention, the amplifier group is configured by arranging a first amplifier, a second amplifier, and a third amplifier in parallel, and the out-phase amplification unit is the first amplifier. The Dougherty amplification unit is realized by the combination of the second amplifier and the second amplifier, and is characterized by being realized by the combination of the second amplifier and the third amplifier.
本発明の一態様に係る増幅装置は、前記アウトフェーズ増幅部により増幅されて出力された第1信号群を合成する第1合成点と、前記ドハティ増幅部により増幅されて出力された第2信号群を合成する第2合成点と、を有し、前記第2合成点は前記第2増幅器と前記第1合成点との間に配置され、かつ増幅器間で生じるリアクタンス成分を補償するリアクタンス補償素子が前記第3増幅器と前記第2合成点との間に配置される合成器をさらに備えることを特徴とする。 The amplification device according to one aspect of the present invention includes a first synthesis point that synthesizes a first signal group amplified and output by the out-phase amplification unit, and a second signal amplified and output by the Dougherty amplification unit. A reactance compensating element having a second synthesis point for synthesizing a group, the second synthesis point is arranged between the second amplifier and the first synthesis point, and the reactance component generated between the amplifiers is compensated. Further comprises a synthesizer arranged between the third amplifier and the second synthesis point.
本発明の一態様に係る増幅装置は、前記入力信号の振幅レベルが閾値より高い場合は、前記第1信号群を生成して前記アウトフェーズ増幅部に出力し、前記入力信号の振幅レベルが前記閾値以下の場合は、前記第2信号群を生成して前記ドハティ増幅部に出力する信号生成部を備えることを特徴とする。 When the amplitude level of the input signal is higher than the threshold value, the amplification device according to one aspect of the present invention generates the first signal group and outputs the first signal group to the out-phase amplification unit, and the amplitude level of the input signal is the said. When it is below the threshold value, it is characterized by including a signal generation unit that generates the second signal group and outputs it to the Doherty amplification unit.
本発明の一態様に係る増幅装置は、前記第1増幅器は、前記入力信号の振幅レベルが前記閾値より高い場合、第1バイアス電圧が供給され、前記入力信号の振幅レベルが前記閾値より低い場合、前記第1バイアス電圧とは異なる第2バイアス電圧が供給され、前記第2増幅器は、前記第1バイアス電圧が供給され、前記第3増幅器は、前記第2バイアス電圧が供給されることを特徴とする。 In the amplification device according to one aspect of the present invention, the first amplifier supplies a first bias voltage when the amplitude level of the input signal is higher than the threshold value, and the amplitude level of the input signal is lower than the threshold value. A second bias voltage different from the first bias voltage is supplied, the second amplifier is supplied with the first bias voltage, and the third amplifier is supplied with the second bias voltage. And.
本発明の一態様に係る増幅装置は、前記第3増幅器は、並列に配置される複数の増幅器により構成されることを特徴とする。 The amplification device according to one aspect of the present invention is characterized in that the third amplifier is composed of a plurality of amplifiers arranged in parallel.
本発明によれば、回路規模を拡大せず、ダイナミックレンジが広い場合でも高効率を実現できる。 According to the present invention, high efficiency can be realized even when the dynamic range is wide without expanding the circuit scale.
以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態により本発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The present invention is not limited to the embodiments described below. Further, in the description of the drawings, the same or corresponding elements are appropriately designated by the same reference numerals.
(実施形態1)
図1は、実施形態1に係る増幅装置の模式的な構成図である。増幅装置100は、信号生成器10と、第1増幅器1と、第2増幅器2と、第3増幅器3と、合成器の一形態であるシレー合成器20と、を備えている。増幅装置100の出力側は負荷Lに接続されている。なお、増幅装置100の出力側は負荷Lではなく、アンテナが接続される構成でもよい。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of the amplification device according to the first embodiment. The
信号生成器10は、信号処理部11としてのFPGA(Field Programmable Gate Array)と、DAコンバータ12、13、14と、ミキサ15、16、17とを備えている。信号処理部11は、検出部として機能する入力電力振幅判定部11aと、選択部として機能する制御部11bと、アウトフェーズ信号生成部11cと、ドハティ信号生成部11dと、を備えている。ミキサ15、16、17は、それぞれ、不図示のRFローカル信号が入力されている。
The
本実施形態では、複数の増幅器である第1増幅器1と、第2増幅器2と、第3増幅器3とが、並列に配置されて増幅器群を構成している。第1増幅器1と、第2増幅器2と、第3増幅器3とは、それぞれFET(Field Effect Transistor)を用いて構成されている。第1増幅器1と、第2増幅器2と、第3増幅器3とは、いずれも、入力される信号を増幅して出力する。第1増幅器1および第2増幅器2を組み合わせて利用することにより、アウトフェーズ増幅部30を実現している。また、第2増幅器2および第3増幅器3を組み合わせて利用することにより、ドハティ増幅部40を実現している。このように、増幅器群は、増幅器の組み合わせによりアウトフェーズ増幅部30とドハティ増幅部40とを実現する。
In the present embodiment, the
増幅装置100は、さらに電源部50を備えている。電源部50は、電圧制御を行う電圧制御部51を有している。電源部50は、増幅器群を構成する各増幅器に電力を供給する。本実施形態では、電源部50は、第1増幅器1と、第2増幅器2と、第3増幅器3とに、電源電圧(ドレイン電圧)を印加する。第1増幅器1に印加されるドレイン電圧はドレイン電圧Vd1である。第2増幅器2に印加されるドレイン電圧はドレイン電圧Vd2である。第3増幅器3に印加されるドレイン電圧はドレイン電圧Vd3である。これにより、第1乃至第3増幅器1〜3のそれぞれに電力が供給される。電圧制御部51は、後述するように、入力された指令信号に基づいて第1乃至第3増幅器1〜3のそれぞれに印加する電圧を制御する機能を有する。
The
シレー合成器20は、第1合成点21と、第2合成点22と、リアクタンス補償素子23、24と、調整部25、26と、を備えている。
The
つぎに、各構成要素の構成や機能について具体的に説明する。信号生成器10において、信号処理部11は、入力信号S0を受け付ける。信号処理部11において、入力電力振幅判定部11aは、増幅器群を構成する第1増幅器1、第2増幅器2および第3増幅器3の前段において、入力信号S0の振幅レベル(本実施形態では入力信号S0の電力の振幅レベル)を検出し、判定する。入力電力振幅判定部11aは、入力信号S0の電力の振幅レベルに応じて、制御部11bに指令信号を出力する。
Next, the configuration and function of each component will be specifically described. In the
制御部11bは、第1増幅器1、第2増幅器2および第3増幅器3のそれぞれの動作を制御する制御信号として、ゲート電圧(バイアス電圧)信号Vg1、Vg2、Vg3を生成し、第1増幅器1、第2増幅器2、第3増幅器3のそれぞれのゲート端子に出力する。また、入力電力振幅判定部11aは、入力信号S0の電力の振幅レベルに応じて、アウトフェーズ信号生成部11cまたはドハティ信号生成部11dに指令信号を出力する。さらに、入力電力振幅判定部11aは、入力信号S0の電力の振幅レベルに応じて、電源部50の電圧制御部51に指令信号を出力する。
The
本実施形態では、入力電力振幅判定部11aは、入力信号S0の電力の振幅レベルが閾値より高いか、閾値以下かを判定することとする。なお、入力電力振幅判定部11aが入力信号S0の電力の振幅レベルを判定する際には、所定期間内での平均電力の振幅レベルを判定してもよい。所定期間は、たとえば数〜数十ミリ秒、より具体的には10ミリ秒であるが、特に限定はされない。
In the present embodiment, the input power
以下に詳述するように、選択部として機能する制御部11bは、検出部として機能する入力電力振幅判定部11aで検出された入力信号S0の振幅レベルに応じて、アウトフェーズ増幅部30で増幅して出力する、またはドハティ増幅部40で増幅して出力するかを選択する。さらに、電源部50は、電圧制御部51の制御によって、入力電力振幅判定部11aで検出された入力信号S0の振幅レベルに基づいて、ドハティ増幅部40のバックオフ点を変更する。本実施形態では、電源部50は、入力信号S0の振幅レベルに基づいて、ドハティ増幅部40のバックオフ点を変更するようにドハティ増幅部40を構成する第1増幅器1および第3増幅器3のそれぞれに電力(ドレイン電圧)を供給する。
As described in detail below, the
(入力信号S0の電力の振幅レベルが閾値より高い場合)
入力信号S0の電力の振幅レベルが閾値より高い場合、制御部11bは、ゲート電圧信号Vg1として、第1増幅器1がAB級またはC級の増幅器となるようにバイアスする値の電圧信号を第1増幅器1に出力する。また、制御部11bは、ゲート電圧信号Vg2として、第2増幅器2が第1増幅器1と同級の増幅器となるようにバイアスする値の電圧信号を第2増幅器2に出力する。また、制御部11bは、ゲート電圧信号Vg3として、第3増幅器3がC級以下の増幅器となるようにバイアスする、または動作をオフする値の電圧信号(0Vである場合もある)を第3増幅器3に出力する。すなわち、入力信号S0の電力の振幅レベルが閾値より高い場合、第1増幅器1は、AB級に相当する電圧である第1バイアス電圧に対応するゲート電圧信号Vg1が供給される。第2増幅器2は、第1バイアス電圧に対応するゲート電圧信号Vg2が供給される。第3増幅器3は、第1バイアス電圧とは異なり、C級に相当する電圧(ゼロを含む)である第2バイアス電圧に対応するゲート電圧信号Vg3が供給される。
(When the power amplitude level of the input signal S0 is higher than the threshold value)
When the power amplitude level of the input signal S0 is higher than the threshold value, the
さらに、入力信号S0の電力の振幅レベルが閾値より高い場合、制御部11bは、アウトフェーズ信号生成部11cに指令信号を出力する。アウトフェーズ信号生成部11cは、入力信号S0に基づいて、アウトフェーズ信号S11、S12を生成する。ここで、アウトフェーズ信号S11、S12は、周知のように、入力信号S0を、一定振幅であって位相が異なる2つの信号に分離した信号である。アウトフェーズ信号S11、S12は、アウトフェーズ増幅部30で増幅させる2つの信号であり、第1信号群を構成している。アウトフェーズ信号生成部11cは、アウトフェーズ信号S11、S12のそれぞれを、DAコンバータ12、13のそれぞれに出力する。
Further, when the power amplitude level of the input signal S0 is higher than the threshold value, the
DAコンバータ12、13は、それぞれ、第1信号群であるアウトフェーズ信号S11、S12のそれぞれをDA変換し、DA変換後の信号をミキサ15、16のそれぞれに出力する。
The
ミキサ15、16は、それぞれ、DA変換されたアウトフェーズ信号S11、S12のそれぞれをRF信号にアップコンバートして、アウトフェーズ増幅部30を構成する第1増幅器1および第2増幅器2のそれぞれに出力する。
The
第1増幅器1および第2増幅器2は、それぞれ、RF信号とされたアウトフェーズ信号S11、S12のそれぞれを増幅してシレー合成器20に出力する。このとき、第1増幅器1および第2増幅器2は、それぞれ飽和状態で動作している。
The
シレー合成器20は、増幅されて出力された第1信号群であるアウトフェーズ信号S11、S12を、第1合成点21において合成し、負荷Lに出力する。なお、調整部25は、第1増幅器1から第1合成点21までの伝送路の電気長がλ/4の奇数倍となるように調整する機能を有する。調整部26は、第2増幅器2から第1合成点21までの伝送路の電気長がλ/4の奇数倍となるように調整する機能を有する。また、リアクタンス補償素子23、24は、それぞれ、第1増幅器1および第2増幅器2から第1合成点21までの伝送路のそれぞれにシャント接続されている。リアクタンス補償素子23、24は、互いに極性が逆であるキャパシタまたはインダクタであり、第1増幅器1と第2増幅器2との増幅器間で生じるリアクタンス成分を打ち消し合って補償し、効率の低下を抑制する。
The
(入力信号S0の電力の振幅レベルが閾値以下の場合)
入力信号S0の電力の振幅レベルが閾値以下の場合、制御部11bは、ゲート電圧信号Vg1として、第1増幅器1がC級以下の増幅器となるようにバイアスする、または動作をオフする値の電圧信号(0Vである場合もある)を第1増幅器1に出力する。また、制御部11bは、ゲート電圧信号Vg2として、第2増幅器2がA級、AB級、またはB級の増幅器となるようにバイアスする値の電圧信号を第2増幅器2に出力する。また、制御部11bは、ゲート電圧信号Vg3として、第3増幅器3がC級の増幅器となるようにバイアスする値の電圧信号を第3増幅器3に出力する。これにより、第2増幅器2はキャリア増幅器として動作し、第3増幅器3はピーク増幅器として動作する。すなわち、入力信号S0の電力の振幅レベルが閾値より低い場合、第1増幅器1は、第2バイアス電圧に対応するゲート電圧信号Vg1が供給される。第2増幅器2は、第1バイアス電圧に対応するゲート電圧信号Vg2が供給される。第3増幅器3は、第2バイアス電圧に対応するゲート電圧信号Vg3が供給される。
(When the power amplitude level of the input signal S0 is less than or equal to the threshold value)
When the power amplitude level of the input signal S0 is equal to or less than the threshold value, the
また、入力電力振幅判定部11aは、入力信号S0の電力の振幅レベルが閾値以下の場合は、さらに当該振幅レベルと第1判定値、第2判定値との大小関係を判定する。そして、その判定結果に応じて、第2増幅器2および第3増幅器3に印加するドレイン電圧を変更する指令信号を電圧制御部51に出力する。電源部50は、電圧制御部51の制御によって、以下のようにドレイン電圧を印加し、電力を供給する。
Further, when the power amplitude level of the input signal S0 is equal to or less than the threshold value, the input power
電源部50は、図2(a)、(b)に示すように、入力信号S0の振幅レベルが閾値以下かつ第1判定値より高い場合は、第2増幅器2にドレイン電圧Vd2として第1電力に相当する第1ドレイン電圧を印加するとともに第3増幅器3にドレイン電圧Vd3として第2電力に相当する第2ドレイン電圧を印加する。また、電源部50は、入力信号S0の振幅レベルが第1判定値以下かつ第2判定値より高い場合は、第2増幅器2にドレイン電圧Vd2として第1電力よりも低い第3電力に相当する第3ドレイン電圧(第1ドレイン電圧よりも低い)を印加するとともに第3増幅器3にドレイン電圧Vd3として第2電力よりも低い第4電力に相当する第4ドレイン電圧(第2ドレイン電圧よりも低い)を印加する。さらに、電源部50は、入力信号S0の振幅レベルが第2判定値以下の場合は、第2増幅器2にドレイン電圧Vd2として第3電力よりも低い第5電力に相当する第5ドレイン電圧(第3ドレイン電圧よりも低い)を印加するとともに第3増幅器3にドレイン電圧Vd3として第4電力よりも低い第6電力に相当する第6ドレイン電圧(第4ドレイン電圧よりも低い)を印加する。このように、電源部50は、入力信号S0の振幅レベルに基づいて、ドハティ増幅部40を構成する第2増幅器2および第3増幅器3に供給する電力を複数段階(本実施形態では3段階)に変更する。
As shown in FIGS. 2A and 2B, when the amplitude level of the input signal S0 is equal to or lower than the threshold value and higher than the first determination value, the
これにより、入力信号S0の振幅レベルが低下するにつれて、第1判定値、第2判定値を境界として第2増幅器2および第3増幅器3のそれぞれに供給される電力(印加させるドレイン電圧)が段階的(本実施形態では3段階)に低下する。これに応じて、ドハティ増幅部40のバックオフ点も第1判定値、第2判定値を境界として段階的(本実施形態では3段階)に低下する。
As a result, as the amplitude level of the input signal S0 decreases, the power (drain voltage to be applied) supplied to each of the
さらに、入力信号S0の電力の振幅レベルが閾値以下の場合、制御部11bは、ドハティ信号生成部11dに指令信号を出力する。ドハティ信号生成部11dは、入力信号S0に基づいて、ドハティ信号S21、S22を生成する。ここで、ドハティ信号S21、S22は、周知のように、入力信号S0を2つの信号に分離した信号である。ただし、ドハティ信号S22はドハティ信号S21に対して位相が90°遅れている。ドハティ信号S21、S22は、ドハティ増幅部40で増幅させる2つの信号であり、第2信号群を構成している。ドハティ信号生成部11dは、ドハティ信号S21、S22のそれぞれを、DAコンバータ13、14のそれぞれに出力する。
Further, when the power amplitude level of the input signal S0 is equal to or less than the threshold value, the
DAコンバータ13、14は、それぞれ、第2信号群であるドハティ信号S21、S22のそれぞれをDA変換し、DA変換後の信号をミキサ16、17のそれぞれに出力する。
The
ミキサ16、17は、それぞれ、DA変換されたドハティ信号S21、S22のそれぞれをRF信号にアップコンバートして、ドハティ増幅部40を構成する第2増幅器2および第3増幅器3のそれぞれに出力する。
The
第2増幅器2および第3増幅器3は、それぞれ、RF信号とされたドハティ信号S21、S22のそれぞれを増幅してシレー合成器20に出力する。
The
シレー合成器20は、増幅されて出力された第2信号群であるドハティ信号S21、S22を、第2合成点22において合成し、第1合成点21を経由して負荷Lに出力する。ここで、第2合成点22は第2増幅器2と第1合成点21との間の伝送路に配置されている。また、リアクタンス補償素子24は第3増幅器3と第2合成点22との間の伝送路に配置されている。なお、第2増幅器2から第2合成点22までの伝送路の電気長は、λ/4の奇数倍となるように調整されている。また、第3増幅器3から第2合成点22までの、リアクタンス補償素子24も含む伝送路の電気長は、第2合成点22においてドハティ信号S21、S22が同位相で合成されるように調整されている。
The
入力信号S0の電力の振幅レベルと閾値との関係に対するゲート電圧信号Vg1、Vg2、Vg3を表1に例示する。
増幅装置100の動作状態に対するドレイン電圧Vd1、Vd2、Vd3を表2に例示する。ここで、動作状態の一つである「アウトフェーズ」とは、入力信号S0の電力の振幅レベルが閾値より高く、アウトフェーズ増幅部30が増幅を行っている状態を示す。動作状態の一つである「ドハティA」とは、入力信号S0の電力の振幅レベルが閾値以下かつ第1判定値より高く、ドハティ増幅部40が増幅を行っている状態を示す。動作状態の一つである「ドハティB」とは、入力信号S0の電力の振幅レベルが第1判定値以下かつ第2判定値より高く、ドハティ増幅部40が増幅を行っている状態を示す。動作状態の一つである「ドハティC」とは、入力信号S0の電力の振幅レベルが第2判定値以下であり、ドハティ増幅部40が増幅を行っている状態を示す。各ドレイン電圧Vd1、Vd2、Vd3は、「アウトフェーズ」の状態に対する相対値として示してある。表2に示すように、ドレイン電圧Vd2、Vd3は、「ドハティA」、「ドハティB」、「ドハティC」と状態が遷移するにつれて値が低くなる。具体的には、Vd1:Vd2:Vd3は、「アウトフェーズ」では、1:1:1、であるが、「ドハティA」では、1:0.73:1、であり、「ドハティA」では、1:0.584:0.8、であり、「ドハティA」では、1:0.438:0.6、である。なお、表2に例示する比率は一例であって、所望のバックオフ点を実現するように比率を変更できる。
上記のように構成された増幅装置100では、第1増幅器1、第2増幅器2、および第3増幅器3の3つの増幅器を用い、アウトフェーズ増幅部30とドハティ増幅部40とで第2増幅器2を共有した構成としている。そして、増幅装置100では、入力信号の電力の振幅レベルに応じてアウトフェーズ増幅とドハティ増幅とを切り替えている。これにより、増幅装置100は、ダイナミックレンジが広い場合でも高効率であり、かつ回路規模が小さいものとなる。また、特許文献1の構成と比較して、アウトフェーズ増幅を行う際の合成点を削減できるので、合成損失を低減でき、より高効率となる。
In the
さらに、上記のように構成された増幅装置100では、ドハティ増幅部40のバックオフ点が第1判定値、第2判定値を境界として複数段階(本実施形態では3段階)で低下する。これにより、増幅装置100は、ダイナミックレンジをより広くしながらも高効率を維持し、かつ消費電力を低減できる。
Further, in the
上記のように構成された増幅装置100における、入力信号のバックオフ値に対する電力効率ηの例を、図3を参照して説明する。図3において、バックオフ値は、設計された最大入力信号電力(ピーク電力)を基準とした、入力信号電力の平均レベルを示している。すなわち、バックオフ値は、(平均電力/ピーク電力)である。バックオフ値は、図3ではdB単位で表示している。曲線L1はアウトフェーズ増幅部30で増幅した場合の入力信号のバックオフ値に対する電力効率ηの関係を示す曲線である。曲線L1はアウトフェーズ増幅部30で増幅した場合のバックオフ点が−6dBdBとなるように設計した場合である。アウトフェーズ増幅部30におけるバックオフ点は、アウトフェーズ増幅部30が飽和動作するバックオフ値の最小値である。また、曲線L2は「ドハティA」状態にあるドハティ増幅部40で増幅した場合の入力信号のバックオフ値に対する電力効率ηの関係を示す曲線である。曲線L3は「ドハティB」状態にあるドハティ増幅部40で増幅した場合である。曲線L4は「ドハティC」状態にあるドハティ増幅部40で増幅した場合である。ドハティ増幅部40における、最大入力信号電力値に対するキャリア増幅器(第2増幅器2)のみが動作するバックオフ値の最大値を、バックオフ点とすると、「ドハティA」、「ドハティB」、「ドハティC」のいずれの状態においても、バックオフ点は−7.5dBである。また、図3に示す例では、閾値Th1は曲線L1と曲線L2とが交差する点、閾値Th2は曲線L1と曲線L3とが交差する点、閾値Th3は曲線L1と曲線L4とが交差するとしている。閾値Th1は閾値であり、バックオフ値は約−9dBである。閾値Th2は第1判定値であり、バックオフ値は約−11dBである。閾値Th3は第2判定値であり、バックオフ値は約−13dBである。
An example of the power efficiency η with respect to the backoff value of the input signal in the
図3に示す例では、閾値Th1、Th2、Th3となるバックオフ値を、アウトフェーズ増幅部30で増幅した場合のバックオフ点以下、かつ「ドハティA」、「ドハティB」、「ドハティC」のいずれかの状態のドハティ増幅部40で増幅した場合のバックオフ動作領域の値であって、かつ曲線L1と曲線L2、曲線L3または曲線L4との交差点としている。これにより、増幅装置100は、曲線L5で示すような特性となるので、電力効率ηが約0.6以上という高効率な状態において、約−13dBというダイナミックレンジの広さを実現することができる。したがって、たとえばこの増幅装置100の運用中に所望の効率とすべきピーク電力が変化しても、ドハティ増幅部40のバックオフ点を変更することで対応することができる。さらには、ドレイン電圧Vd2、Vd3を複数段階(図3に示す例では3段階)に変更させるので、ドレイン電圧を連続的に変更させる場合よりも電源部50に必要な帯域は狭くなり、増幅装置100の回路規模の小型化に寄与し、かつ制御処理も軽減される。さらには、入力信号S0の振幅レベルに応じてドレイン電圧Vd2、Vd3を変更して「ドハティA」、「ドハティB」、「ドハティC」の各状態を実現しているので、ドレイン電圧Vd2、Vd3が過剰な電圧値に設定されることを抑制できる。その結果、増幅装置100の低消費電力化が実現され、より一層の高効率を実現できる。
In the example shown in FIG. 3, the backoff values having the thresholds Th1, Th2, and Th3 are equal to or less than the backoff point when the out-
また、電源部50は、入力信号S0の振幅レベルが閾値以下の場合、入力信号S0のダイナミックレンジに基づいて、第2増幅器2および第3増幅器3に供給する電力を一または複数段階で変更する構成でもよい。例えば、入力信号S0を所定時間計測したときのダイナミックレンジが図3に示す範囲D1の場合、電源部50は、閾値Th1において「ドハティA」に切り替えるようにドレイン電圧Vd2,Vd3を変更し、また、閾値Th2において「ドハティB」に切り替えるようにドレイン電圧Vd2,Vd3を変更する。なお、電源部50は、閾値Th1および閾値Th2のいずれか一方のみでドレイン電圧を変更する構成でもよい。
Further, when the amplitude level of the input signal S0 is equal to or less than the threshold value, the
また、入力信号S0を所定時間計測したときのダイナミックレンジが図3に示す範囲D2の場合、電源部50は、閾値Th1において「ドハティA」に切り替えるようにドレイン電圧Vd2,Vd3を変更し、また、閾値Th2において「ドハティB」に切り替えるようにドレイン電圧Vd2,Vd3を変更し、閾値Th3において「ドハティC」に切り替えるようにドレイン電圧Vd2,Vd3を変更する。なお、電源部50は、閾値Th1、閾値Th2および閾値Th3のいずれか一つ、またはいずれか二つでドレイン電圧を変更する構成でもよい。なお、入力信号S0のダイナミックレンジは、入力電力振幅判定部11aによって算出される。入力電力振幅判定部11aは、入力信号S0を所定時間計測し、入力信号S0の最小値と最大値とに基づいてダイナミックレンジを算出する。
Further, when the dynamic range when the input signal S0 is measured for a predetermined time is in the range D2 shown in FIG. 3, the
(実施形態2)
図4は、実施形態2に係る増幅装置の模式的な構成図である。増幅装置100Aは、図1に示す実施形態1に係る増幅装置100において、信号生成器10を信号生成器10Aに置き換え、第3増幅器3を削除して第3増幅器3A、3Bを追加した構成を有する。第3増幅器3A、3Bはいずれも第3増幅器3と同様の構成を有するが、第3増幅器3A、3Bの2つで第3増幅器3と同じ機能を有するように構成されている。第2増幅器2および第3増幅器3A、3Bを組み合わせて利用することにより、ドハティ増幅部40Aを実現している。すなわち、並列に配置された複数(本実施形態では2つ)の増幅器である第3増幅器3A、3Bが、第3増幅器3に相当する構成となっている。第1増幅器1、第2増幅器2および第3増幅器3A、3Bが増幅器群を構成している。
(Embodiment 2)
FIG. 4 is a schematic configuration diagram of the amplification device according to the second embodiment. The
信号生成器10Aは、信号生成器10の構成において、DAコンバータ14を削除して、DAコンバータ14A、14Bを追加し、ミキサ17を削除してミキサ17A、17Bを追加した構成を有する。DAコンバータ14A、14BはいずれもDAコンバータ14と同様の構成を有する。ミキサ17A、17Bはいずれもミキサ17と同様の構成を有する。また、第1増幅器1に印加されるドレイン電圧はドレイン電圧Vd1Aである。第2増幅器2に印加されるドレイン電圧はドレイン電圧Vd2Aである。第3増幅器3Aに印加されるドレイン電圧はドレイン電圧Vd3Aである。第3増幅器3Bに印加されるドレイン電圧はドレイン電圧Vd3Bである。
The
増幅装置100Aは、ピークアンプとして動作する2つの第3増幅器3A、3Bを有することによって、増幅装置100とは増幅装置100Aとは異なる動作をする。
The
(入力信号S0の電力の振幅レベルが閾値より高い場合)
この場合、増幅装置100Aの動作は上述した増幅装置100と同様である。
(When the power amplitude level of the input signal S0 is higher than the threshold value)
In this case, the operation of the
(入力信号S0の電力の振幅レベルが閾値以下の場合)
入力信号S0の電力の振幅レベルが閾値以下の場合、制御部11bは、ゲート電圧信号Vg1Aとして、第1増幅器1がC級以下の増幅器となるようにバイアスする、または動作をオフする値の電圧信号(0Vである場合もある)を第1増幅器1に出力する。また、制御部11bは、ゲート電圧信号Vg2Aとして、第2増幅器2がA級、AB級、またはB級の増幅器となるようにバイアスする値の電圧信号を第2増幅器2に出力する。また、制御部11bは、ゲート電圧信号Vg3Aとして、第3増幅器3AがC級の増幅器となるようにバイアスする値の電圧信号を第3増幅器3に出力する。また、制御部11bは、ゲート電圧信号Vg3Bとして、第3増幅器3BがC級の増幅器となるようにバイアスする値の電圧信号を第3増幅器3Bに出力する。これにより、第2増幅器2はキャリア増幅器として動作し、第3増幅器3A、3Bはピーク増幅器として動作する。すなわち、入力信号S0の電力の振幅レベルが閾値より低い場合、第1増幅器1は、第2バイアス電圧に対応するゲート電圧信号Vg1Aが供給される。第2増幅器2は、第1バイアス電圧に対応するゲート電圧信号Vg2Aが供給される。第3増幅器3A、3Bは、第2バイアス電圧に対応するゲート電圧信号Vg3A、Vg3Bが供給される。
(When the power amplitude level of the input signal S0 is less than or equal to the threshold value)
When the power amplitude level of the input signal S0 is equal to or less than the threshold value, the
電源部50は、図5(a)、(b)に示すように、入力信号S0の振幅レベルが閾値以下かつ第1判定値より高い場合は、第2増幅器2にドレイン電圧Vd2Aとして第1電力に相当する第1ドレイン電圧を印加するとともに第3増幅器3A、3Bにドレイン電圧Vd3A、Vd3Bとして第2電力に相当する第2ドレイン電圧を印加する。また、電源部50は、入力信号S0の振幅レベルが第1判定値以下かつ第2判定値より高い場合は、第2増幅器2にドレイン電圧Vd2Aとして第1電力よりも低い第3電力に相当する第3ドレイン電圧(第1ドレイン電圧よりも低い)を印加するとともに第3増幅器3A、3Bにドレイン電圧Vd3A、Vd3Bとして第2電力よりも低い第4電力に相当する第4ドレイン電圧(第2ドレイン電圧よりも低い)を印加する。さらに、電源部50は、入力信号S0の振幅レベルが第2判定値以下の場合は、第2増幅器2にドレイン電圧Vd2Aとして第3電力よりも低い第5電力に相当する第5ドレイン電圧(第3ドレイン電圧よりも低い)を印加するとともに第3増幅器3A、3Bにドレイン電圧Vd3A、Vd3Bとして第4電力よりも低い第6電力に相当する第6ドレイン電圧(第4ドレイン電圧よりも低い)を印加する。このように、電源部50は、入力信号S0の振幅レベルに基づいて、ドハティ増幅部40を構成する第2増幅器2および第3増幅器3A、3Bに供給する電力を複数段階(本実施形態では3段階)に変更する。
As shown in FIGS. 5A and 5B, when the amplitude level of the input signal S0 is equal to or less than the threshold value and higher than the first determination value, the
これにより、入力信号S0の振幅レベルが低下するにつれて、ドハティ増幅部40Aのバックオフ点も第1判定値、第2判定値を境界として複数段階(本実施形態では3段階)で段階的に低下する。
As a result, as the amplitude level of the input signal S0 decreases, the backoff point of the
さらに、入力信号S0の電力の振幅レベルが閾値以下の場合、制御部11bは、ドハティ信号生成部11dに指令信号を出力する。ドハティ信号生成部11dは、入力信号S0に基づいて、ドハティ信号S21、S22A、S22Bを生成する。ここで、ドハティ信号S21、S22A、S22Bは、入力信号S0を周知のように2つのドハティ信号S21、S22に分離し、ドハティ信号S22をさらにドハティ信号S22A、S22Bに分離した信号である。ただし、ドハティ信号22A、S22Bはドハティ信号S21に対して位相が90°遅れている。ドハティ信号S21、S22A、S22Bは、ドハティ増幅部40Aで増幅させる第2信号群を構成している。ドハティ信号生成部11dは、ドハティ信号S21、S22A、S22Bのそれぞれを、DAコンバータ13、14A、14Bのそれぞれに出力する。
Further, when the power amplitude level of the input signal S0 is equal to or less than the threshold value, the
DAコンバータ13、14A、14Bは、それぞれ、ドハティ信号S21、S22A、S22BのそれぞれをDA変換して、ミキサ16、17A、17Bのそれぞれに出力する。
The
ミキサ16、17A、17Bは、それぞれ、DA変換されたドハティ信号S21、S22A、S22BのそれぞれをRF信号にアップコンバートして、ドハティ増幅部40Aを構成する第2増幅器2および第3増幅器3A、3Bのそれぞれに出力する。
The
第2増幅器2および第3増幅器3A、3Bは、それぞれ、RF信号とされたドハティ信号S21、S22A、S22Bのそれぞれを増幅してシレー合成器20に出力する。リアクタンス補償素子24の前段においてドハティ信号S22A、S22Bは同位相で合成される。
The
シレー合成器20は、増幅されて出力されたドハティ信号S21、増幅されて出力された後合成されたドハティ信号S22A、S22Bを、第2合成点22において同位相で合成し、第1合成点21を経由して負荷Lに出力する。
The
増幅装置100Aにおける、入力信号S0の電力の振幅レベルと閾値との関係に対するゲート電圧信号Vg1A、Vg2Aは、表1に例示するゲート電圧信号Vg1、Vg2の値と同じであってよい。ゲート電圧信号Vg3A、Vg3Bは、表1に例示するゲート電圧信号Vg3の値と同じであってよい。
The gate voltage signals Vg1A and Vg2A with respect to the relationship between the power amplitude level of the input signal S0 and the threshold value in the
また、増幅装置100Aの動作状態に対するドレイン電圧Vd1A、Vd2Aは、表2に例示するドレイン電圧Vd1、Vd2の値と同じであってよい。ドレイン電圧Vd3A、Vd3Bは、表2に例示するドレイン電圧Vd3の値と同じであってよい。
Further, the drain voltages Vd1A and Vd2A with respect to the operating state of the
上記のように構成された増幅装置100Aでは、増幅装置100と同様に、電力効率ηが高効率な状態において、広いダイナミックレンジを実現することができる。また、特許文献1の構成と比較して、アウトフェーズ増幅を行う際の合成点を削減できるので、合成損失を低減でき、より高効率となる。
In the
さらに、上記のように構成された増幅装置100Aでは、ドハティ増幅部40Aのバックオフ点を第1判定値、第2判定値を境界として低下することにより、ダイナミックレンジをより広くしながらも高効率を維持し、かつ消費電力を低減できる。
Further, in the
上記のように構成された増幅装置100Aにおける、入力信号のバックオフ値に対する電力効率ηの例は、図3と同様に表すことができる。したがって、たとえばこの増幅装置100Aの運用中に所望の効率とすべきピーク電力が変化しても、ドハティ増幅部40Aのバックオフ点を変更することで対応することができる。さらには、ドレイン電圧Vd2、Vd3A、Vd3Bを複数段階に変更させるので、電源部50に必要な帯域は狭くなり、増幅装置100Aの回路規模の小型化に寄与し、かつ制御処理も軽減される。さらには、増幅装置100Aの低消費電力化が実現され、より一層の高効率を実現できる。
An example of the power efficiency η with respect to the backoff value of the input signal in the
なお、実施形態1、2において、第1増幅器、第2増幅器、および第3増幅器は、最大出力電力が等しくてもよいし、異なっていてもよい。 In the first and second embodiments, the first amplifier, the second amplifier, and the third amplifier may have the same maximum output power or may be different from each other.
また、上記実施形態では、各DAコンバータの後段に、RF信号へのアップコンバージョンを行うミキサが設けられている。ただし、各DAコンバータとして、DA変換して直接RF信号を出力できるRF DACを用いれば、ミキサを設けなくてもよい。 Further, in the above embodiment, a mixer for up-conversion to the RF signal is provided after each DA converter. However, if an RF DAC capable of DA conversion and directly outputting an RF signal is used as each DA converter, it is not necessary to provide a mixer.
また、上記実施形態では、第2増幅器および第3増幅器に印加するドレイン電圧を3段階で変更しているが、4段階以上で変更してもよいし、2段階で変更してもよい。 Further, in the above embodiment, the drain voltage applied to the second amplifier and the third amplifier is changed in three steps, but it may be changed in four steps or more, or may be changed in two steps.
また、上記実施形態により本発明が限定されるものではない。上述した各実施形態の構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。 Moreover, the present invention is not limited by the above-described embodiment. The present invention also includes those configured by appropriately combining the components of each of the above-described embodiments. Further, further effects and modifications can be easily derived by those skilled in the art. Therefore, the broader aspect of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made.
1 第1増幅器
2 第2増幅器
3、3A、3B 第3増幅器
10、10A 信号生成器
11 信号処理部
11a 入力電力振幅判定部
11b 制御部
11c アウトフェーズ信号生成部
11d ドハティ信号生成部
12、13、14、14A、14B DAコンバータ
15、16、17A、17B ミキサ
20 シレー合成器
21 第1合成点
22 第2合成点
23、24 リアクタンス補償素子
25、26 調整部
30 アウトフェーズ増幅部
40、40A ドハティ増幅部
50 電源部
51 電圧制御部
100、100A 増幅装置
L 負荷
S0 入力信号
S11、S12 アウトフェーズ信号
S21、S22、S22A、S22B ドハティ信号
Th1、Th2、Th3 閾値
Vd1、Vd2、Vd3、Vd3A、Vd3B ドレイン電圧
Vg1、Vg2、Vg3、Vg3A、Vg3B ゲート電圧信号
1
Claims (8)
前記増幅器群の前段において、入力信号の振幅レベルを検出する検出部と、
前記検出部で検出された前記入力信号の振幅レベルに応じて、前記アウトフェーズ増幅部で前記入力信号を増幅して出力する、または、前記ドハティ増幅部で前記入力信号を増幅して出力するかを選択する選択部と、
前記増幅器群を構成する各増幅器に電力を供給する電源部と、を備え、
前記電源部は、前記入力信号の振幅レベルに基づいて、前記ドハティ増幅部のバックオフ点を変更することを特徴とする増幅装置。 A group of amplifiers that are configured by arranging multiple amplifiers in parallel and realize an out-phase amplification unit and a Dougherty amplification unit by combining amplifiers, and
In the previous stage of the amplifier group, a detection unit that detects the amplitude level of the input signal and
Whether the out-phase amplification unit amplifies and outputs the input signal, or the Doherty amplification unit amplifies and outputs the input signal according to the amplitude level of the input signal detected by the detection unit. Selection part to select, and
A power supply unit that supplies electric power to each amplifier constituting the amplifier group is provided.
The power supply unit is an amplification device characterized in that the back-off point of the Doherty amplification unit is changed based on the amplitude level of the input signal.
前記アウトフェーズ増幅部は、前記第1増幅器および前記第2増幅器の組み合わせにより実現し、
前記ドハティ増幅部は、前記第2増幅器および前記第3増幅器の組み合わせにより実現することを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の増幅装置。 The amplifier group includes a first amplifier, a second amplifier, and a third amplifier arranged in parallel.
The out-phase amplification unit is realized by a combination of the first amplifier and the second amplifier.
The amplification device according to any one of claims 1 to 3, wherein the Doherty amplification unit is realized by a combination of the second amplifier and the third amplifier.
前記第2増幅器は、前記第1バイアス電圧が供給され、
前記第3増幅器は、前記第2バイアス電圧が供給される
ことを特徴とする請求項6に記載の増幅装置。 The first amplifier is supplied with a first bias voltage when the amplitude level of the input signal is higher than the threshold value, and is different from the first bias voltage when the amplitude level of the input signal is lower than the threshold value. Bias voltage is supplied,
The first bias voltage is supplied to the second amplifier.
The amplification device according to claim 6, wherein the third amplifier is supplied with the second bias voltage.
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