JP2020516192A - 広帯域電力増幅器装置 - Google Patents

Abstract

入力信号を増幅して出力信号を生成する電力増幅器装置（２００）は、複数であるＮ個の増幅器セクション（２１２，２１３）と、複数のセグメントを含む第１の入力伝送ライン（２２１）と、複数のセグメントを含む第１の出力伝送ライン（２３１）と、を有する。各増幅器セクションは、第１の入力伝送ライン（２２１）および第１の出力伝送ライン（２３１）に沿って配置された１つまたは複数の第１のトランジスタ（Ｔ１）を有する。各増幅器セクションは、入力信号の一部を増幅して出力信号の一部を生成するように構成されている。入力信号の一部は、振幅ベースと時間ベースのいずれか１つまたは組み合わせで分割された入力信号のＮ個の部分の１つである。出力信号は、各増幅器セクションからの出力信号のＮ個の部分を構築することにより、第１の出力伝送ライン（２３１）の端部で生成される。【選択図】図２

Description

本明細書の実施形態は、入力信号を出力信号に増幅するための電力増幅器装置に関する。特に、それらは、入力伝送ラインおよび出力伝送ラインに沿って配置された複数の増幅器セクションを含む広帯域電力増幅器装置、および当該電力増幅器装置を有する電子デバイスに関する。

電力増幅器は、無線通信システムの無線基地局やユーザ装置などで広く使用されている。無線周波数（ＲＦ）電力増幅器は通常、高周波の入力信号を増幅して、無線送信の準備ができた出力信号にする。ＲＦ電力増幅器の設計では、一般に、消費電力量を削減するために高い効率が望まれる。

ＲＦ電力増幅器で高い効率を得るには、トランジスタを流れる電流が大きい場合に電力増幅器内のトランジスタの電圧降下を低くする必要があり、逆も同様である。これは、電流波形または電圧波形あるいはその両方を、各ＲＦ信号サイクルの適切な場所でゼロに近い長期の平坦な形状にすることで実現できる。この波形整形は、出力回路に共振器を配置することで実現でき、この共振器により、電力増幅器のトランジスタの出力ノードの波形に特定の高調波が存在するか、または存在しなくなる。

波形効率の高いＲＦ増幅器は、使用される波形に応じて特定のクラスを持つものとして指定される。たとえば、クラスＢは、すべての高調波信号を短絡するが基本波信号を許可する共振回路を使用して、電圧波形を正弦波に保ちながら、正弦波入力信号から取得された半波整流電流波形を使用する。平坦化された低電流部分は、各ＲＦ信号サイクル中に高電圧部分と一致し、これにより、両方の波形を正弦波にすることに比べて効率が向上する。クラスＦは、クラスＢと同じ形状の電流波形を使用するが、より複雑な共振器を介して電圧に奇数次高調波が含まれるようにする。電圧波形は、クラスＢと比較して下部で平坦になり、信号サイクルの高電流部分での電力損失が減少する。

これらの増幅器の共振クラスは、信号波形を整形して出力信号を正弦波にするために共振回路に依存しているため、通常は狭帯域である。より多くの高調波を使用すると、高調波信号帯域が基本信号帯域と重なるため、基本周波数信号の帯域幅が減少し、異なるインピーダンスを使用できなくなる。共振器は、効率を低下させる損失も追加する。さらに、トランジスタの出力容量などの寄生要素も帯域幅を削減する。

一般に、ＲＦ電力増幅器は、いわゆるバックオフ動作で駆動され得る。これは、電力増幅器が特定のレベルで動作することを意味し、たとえば、最大出力電力または振幅の下でデシベル（ｄＢ）数で表される。非特許文献１で説明されているドハティ（Doherty）増幅器は、バックオフ動作では、増幅器トランジスタを２つの部分に分割し、１つの増幅器トランジスタを低振幅で使用し、両方を高振幅で使用するため、単純な１トランジスタ増幅器よりも効率が良い。低振幅で使用されるものは負荷抵抗が高くなり、特定の出力電力を達成するために使用されるＲＦ電流が低くなることを意味する。中間の振幅では、２つの増幅器トランジスタは、一方のアンプトランジスタが他方の負荷抵抗を変調するとしばしば説明される方法で、相互作用する必要がある。これにより、直流（ＤＣ）消費はＲＦ電流にほぼ比例するため低下する。この分割機能をシームレスに実現するための構成は、通常は４分の１波長の伝送ラインまたは同等のインピーダンス反転回路で構成され、これは、効率の向上に関して増幅器を狭帯域化する結果となる。

個々の断片をより高い効率で増幅できるように、多数の断片または部分の波形を水平または垂直に分割する２つの方法は、非特許文献２に記載されている。「垂直スライス」信号の実装が提供され、すなわち、入力信号を時間ベースで垂直に非オーバーラップの複数のパルスに分割し、それらの高さ（つまりパルスのローカル振幅）に応じて異なる増幅管で増幅する。これに関する問題は、垂直にスライスされた信号の部分またはセクションが、オーバーラップしないように増幅管内でオンからオフへの非常に高速な遷移を必要とし、そうしないと効率が低下することになる。また、各増幅管は、短時間で目標の出力振幅に到達する必要がある。もう１つの問題は、ほとんどのサブ増幅器が個別に最大電力の大部分を出力できる必要があることである。これは、トランジスタのコストが従来の増幅器よりもかなり高いことを意味する。

波形をいくつかの断片または部分に水平に分割する、つまり振幅に基づいて入力信号をより小さい振幅スパンの複数の信号部分に分割することについて説明するが、このような「水平スライス」信号を高効率で増幅するための実装は存在しない。

W. H. Doherty, "A new high efficiency power amplifier for modulated waves", Proc. IRE, vol. 24, no. 9, pp. 1163-1182, Sept. 1936 S. T. Fisher, "A New Method of Amplifying with High Efficiency a Carrier Wave Modulated in Amplitude by a Voice Wave", Proc. IRE, Jan. 1946

したがって、本明細書の実施形態の目的は、効率および帯域幅を改善した電力増幅器装置を提供することである。

一態様によれば、この目的は、入力信号を増幅して出力信号を生成する電力増幅器装置によって達成される。電力増幅器装置は、複数であるＮ個の増幅器セクションを有し、ここで、Ｎ＝２，３，．．．である。電力増幅器装置は、複数のセグメントを含む第１の入力伝送ラインと、複数のセグメントを含む第１の出力伝送ラインと、をさらに有する。各増幅器セクションは、１つまたは複数の第１のトランジスタのゲートが第１の入力伝送ラインのそれぞれのセグメントに接続され、１つまたは複数の第１のトランジスタのドレインが第１の出力伝送ラインのそれぞれのセグメントに接続されるように、第１の入力伝送ラインおよび第１の出力伝送ラインに沿って分布する１つまたは複数の第１のトランジスタを備える。各増幅器セクションは、入力信号の一部を増幅して出力信号の一部を生成するように構成されている。入力信号の一部は、振幅ベースと時間ベースのいずれか１つまたは組み合わせで分割された入力信号のＮ個の部分の１つである。出力信号は、各増幅器セクションからの出力信号のＮ個の部分を構築することにより、第１の出力伝送ラインの端部で生成される。

言い換えれば、本明細書のいくつかの実施形態による電力増幅器装置は、それぞれが入力信号の一部を増幅し、増幅された信号部分を出力信号に追加する、連続する広帯域増幅器セクションを使用する。入力信号は水平方向にスライスされ得る。これは、入力信号の各部分が「フラットトップ（flat-topped）」であり、最大振幅と最小振幅の間の遷移時間が比較的短いため、ほとんどの場合、高い波形効率で増幅し得ることを意味する。そのような部分が多く使用される場合、フラットトップの信号部分は「矩形波」形状に近づくため、波形効率は、従来技術のクラスＢ増幅の場合よりも実質的に高くなり得る。波形は一般に振幅が増加するにつれてより矩形波状になるため、各増幅セクションの効率は出力信号の振幅が最大レベルを超えると増加する。したがって、本明細書のいくつかの実施形態による電力増幅器装置は、振幅がフィッシャー型（Fisher-type）水平分割され、各増幅セクション内の電圧および電流の両方に対してフラットトップ波形を有する、入力信号を達成および増幅する方法を提供する。

出力信号は、非常に高い波形効率で個別に生成される出力信号部分から構築または再構築される。共振器やフィルタは不要であるため、インピーダンスレベルは所望の周波数帯域で均一になり得る。スライスされた入力信号の周波数成分は、各増幅セクション内で同じスケールを有し、これは、入力信号の異なる周波数部分からの異なる高調波が、因果関係なしにオーバーラップし得ることを意味する。したがって、高効率動作では、相対的な帯域幅が非常に大きくなり得る。実装の不完全さを除けば、最終的に再構成された出力信号は「クリーン」であり得、フィルタリングの必要が無い。

したがって、本明細書の実施形態による電力増幅器装置は、広帯域幅内での高いバックオフ動作効率と組み合わされた高い波形効率で、任意の入力信号に対する最小のトランジスタコストで、改善された性能を有する。

特定の特徴および利点を含む、本明細書に開示される実施形態の様々な態様は、以下の詳細な説明および添付の図面から容易に理解されるであろう。

信号波の水平部分および垂直部分への分割を示す図である。 本明細書の実施形態による電力増幅器構成を示す概略ブロック図である。 本明細書の実施形態による電力増幅器装置を示す概略ブロック図である。 本明細書の実施形態による電力増幅器装置を示す概略ブロック図である。 本明細書の実施形態による入力信号部分および分散電力増幅器セクションの例を示す略図である。 本明細書の実施形態による電力増幅器装置の一例を示す概略ブロック図である。 本明細書の実施形態による電力増幅器セクションの一例を示す概略ブロック図である。 本明細書の実施形態による電力増幅器装置の効率曲線を示す図である。 入力信号の形状の例を示す図である。 本明細書の実施形態による電力増幅器装置が実装され得る電子デバイスを示すブロック図である。

以下の説明を通して、適用可能な場合、要素、ユニット、モジュール、回路、ノード、部分、アイテムなどの類似の特徴を示すために類似の参照番号が使用されている。

本明細書の実施形態の開発の一部として、信号波形をいくつかのかけらまたは部分に水平または垂直に分割する２つの方法を最初に説明する。

図１（ａ）は、正弦波の水平方向（つまり振幅ベース）での複数の部分への分割を示す。各部分が最適な矩形波形に近づくように（すなわち可能な限り方形波に近づくように）信号波形を複数の部分に分割する。

図１（ｂ）は、正弦波の垂直方向（つまり時間ベース）での複数の部分への分割を示す。信号波形は、一連のパルスに分割またはスライスされ、各パルスの形状は、必要な矩形形状により近くなる。

信号波形を分割するこれら２つの方法は、任意の波形の変調信号に適用し得る。信号波形は、振幅ベースと時間ベースの組み合わせで分割し得る。例えば、振幅ベースで分割された信号の一部は、時間ベースでさらに分割され得、その逆もされ得る。

信号波形の複数の部分は、高効率で増幅器装置で個別に増幅し、より高い電力で元の信号波形の出力信号を生成するために再結合され得る。

図２は、入力信号を増幅して高効率で出力信号を生成するための、本明細書の実施形態によるそのような電力増幅器装置２００を示す。電力増幅器装置２００は、複数のＮ個の増幅器セクション２１１，２１２，．．．を備え、ここで、Ｎ＝２，３，．．．である。

電力増幅器装置２００は、複数のセグメントを含む第１の入力伝送ライン２２１と、複数のセグメントを含む第１の出力伝送ライン２３１と、をさらに含む。

各増幅器セクション２１１，２１２，．．．は、１つまたは複数の第１のトランジスタＴ１のゲートが第１の入力伝送ライン２２１のそれぞれのセグメントに接続され、１つまたは複数の第１のトランジスタＴ１のドレインが第１の出力伝送ライン２３１のそれぞれのセグメントに接続されるように、第１の入力伝送ライン２２１および第１の出力伝送ライン２３１に沿って分布する１つまたは複数の第１のトランジスタＴ１を備える。

各増幅器セクション２１１，２１２，．．．は、入力信号ＩＮの一部を増幅して出力信号の一部を生成するように構成される。出力信号ＯＵＴは、各増幅器セクション２１１，２１２．．．からの出力信号のＮ個の部分を構築することにより、第１の出力伝送ライン２２１の端部で生成される。

上述のように、入力信号の一部は、振幅ベース、時間ベース、または振幅ベースと時間ベースの組み合わせで区分された入力信号のＮ個の部分の１つであり得る。

つまり、高効率の増幅は、入力信号波を、たとえば振幅ベースで、Ｎ個の部分（例えばＮ＝３）に分割し、各入力信号の部分を電力増幅器セクションで増幅し、その後、多数の増幅器セクションの出力を第１の出力伝送ライン２３１で合成し、第１の出力伝送ラインの端部で元の信号波形を有する高い電力の出力信号が再び得られるようにすることにより達成される。

本明細書のいくつかの実施形態によれば、入力信号のＮ個の部分は、各増幅器セクションに入力する前に、デジタルまたはアナログ整形回路によって区分されうる。つまり、入力信号のＮ個の部分は事前整形され得る。事前整形された信号により、同様の出力に対して駆動信号の振幅が小さくなるため、増幅器のゲインが高くなる。

Ｎ個の部分を、振幅ベースで増幅器トランジスタ自体で完全にまたは部分的に分割することも可能である。たとえば、トランジスタのターンオン特性は、入力信号波形の下部を選択解除するために使用でき、トランジスタの電圧飽和はトランジスタ内の電流の自己調整による上向きの電圧変動を自然に制限する。

したがって、本明細書のいくつかの実施形態によれば、入力信号のＮ個の部分は、Ｎ個の増幅器セクションによって振幅ベースで区分され得る。各増幅器セクションは、入力信号の各部分の振幅に応じて出力信号の一部を生成するために入力信号の一部を増幅するように構成され得る。

Ｎ個の部分区分を、増幅トランジスタ自体で時間ベースで完全にまたは部分的に一連のパルスに分割することも可能である。たとえば、各増幅器セクションのゲート駆動とゲートバイアスを個別に調整して、同時にではなく順番に電流を流すことができ、これは、一連のパルスで信号を入力するのと同じ効果がある。

したがって、本明細書のいくつかの実施形態によれば、入力信号のＮ個の部分は、Ｎ個の増幅器セクションによって時間ベースで一連のパルスに区分され得る。各増幅器セクションは、入力信号の各部分の時間に応じて出力信号の一部を生成するために入力信号の一部を増幅するように構成され得る。

図２に示されるように、各増幅器セクションのトランジスタの給電は、多くの場合、トランジスタのゲートに沿って全体的に本質的に同じインピーダンスを有し、その後抵抗Ｒで終端する伝送ラインによって行われる。したがって、本明細書のいくつかの実施形態によれば、第１の入力伝送線２２１の各セグメントは、均一なインピーダンスを有し得る。

電力増幅器装置２００がうまく機能するためには、増幅器セクション２１１，２１２．．．にいくつかの要件がある。第１に、いくつかの高調波がセクション間を通過し、これを基本波と同じ速度とスケールで行う必要がある。つまり、「スライスされた」信号部分が後続の処理を通じてその形状の大部分を保持するために、十分に広い帯域幅と十分に低い分散が存在すべきである。これは、より短いセグメントで変換ライン（例えば第１の出力伝送ライン２３１）を設計することにより達成され得る。さらに、不規則な伝送ラインセグメント長または不等な伝送ラインセグメント長が、過剰な数のセグメントを使用せずに高調波に十分な擬似ハイパス応答を作成するために使用され得る。出力伝送ラインセグメントの長さは、一般に、第１の出力伝送ライン２３１の開始および終了領域でより長くなる。

したがって、本明細書のいくつかの実施形態によれば、第１の出力伝送線セグメントの長さは不等であり得る。

図２に示される増幅器構造は、シングルエンド構造である。出力は、高調波を除去することにより回復される。このタイプの実装では、正弦波信号に対して１６％の効率ペナルティを有する。高調波が基本信号の可能帯域内にある場合、高調波は静的フィルタではフィルタリングされ得ないため、狭帯域幅内でのみ使用され得る。したがって、フィルタリングされたシングルエンドバージョンの帯域幅は、２次高調波のフィルタリングに起因して通常１オクターブ未満である。

図３は、正および負の信号を有する差動入力信号を増幅するための差動構造を備えた電力増幅器装置３００を示す。

図３に示されるように、電力増幅器装置３００は、複数であるＮ個の増幅器セクション３１１，３１２を有する。１つまたは複数の第１のトランジスタＴ１に加えて、各増幅器セクション３１１，３１２．．．は、１つまたは複数の第２のトランジスタＴ２をさらに有する。１つまたは複数の第２のトランジスタＴ２は、それぞれの１つまたは複数の第１のトランジスタＴ１と同じタイプであり、それぞれの１つまたは複数の第１のトランジスタＴ１と差動接続することにより、それぞれの第１のトランジスタＴ１とプッシュプル結合され得る。

第１の入力伝送ライン３２１および第１の出力伝送ライン３３１に加えて、電力増幅器装置３００は、複数のセグメントを含む第２の入力伝送ライン３２２および複数のセグメントを含む第２の出力伝送ライン３３２をさらに有する。１つまたは複数の第２のトランジスタＴ２のゲートは第２の入力伝送ライン３２２のそれぞれのセグメントに接続され、１つまたは複数の第２のトランジスタＴ２のドレインは第２の出力伝送ライン３３２のそれぞれのセグメントに接続される。

正および負の入力信号ＩＮ＋，ＩＮ−は、広帯域の不平衡−平衡変圧器で取得され得る。正の入力信号の部分は第１の入力伝送ライン３２１に印加され、負の入力信号の部分は第２の入力伝送ライン３２２に印加され得る。

直流（ＤＣ）を差動接続された２つのトランジスタＴ１，Ｔ２に給電するために、電力増幅器装置３００は、負結合インダクタペアまたはセンタータップインダクタ（不図示）をさらに有し得る。

各増幅器セクション３１１，３１２．．．は、正の入力信号の一部を増幅して第１の出力伝送ライン３３１で正の出力信号の一部を生成し、負の入力信号の一部を増幅して第２の出力伝送ライン３３２で負の出力信号の一部を生成するように構成される。

電力増幅器装置３００は、第１および第２の出力伝送ライン３３１，３３２からの正および負の出力信号ＯＵＴ＋，ＯＵＴ−を合成するための広帯域カプラ、または広帯域１８０度カプラ、またはバランまたは平衡−不平衡変圧器（不図示）をさらに有し得る。

図４は、本明細書のいくつかの実施形態による、正および負の信号を有する差動入力信号を増幅するための別の例示的な電力増幅器装置４００を示す。図３に示される電力増幅器装置３００のように、各増幅器セクション４１１，４１２．．．は、１つまたは複数の第２のトランジスタＴ２をさらに有する。１つまたは複数の第２のトランジスタＴ２は、それぞれの１つまたは複数の第１のトランジスタＴ１と積層され得、すなわち、それぞれの第１および第２のトランジスタＴ１，Ｔ２はプッシュプル結合される。プッシュプル結合が異なるタイプのトランジスタ（ＰチャネルとＮチャネルのＦＥＴなど）を積層することによって達成される場合、通常１本の出力伝送ラインのみが使用され、コンバイナは不要である。

したがって、この実施形態では、第１の入力伝送ライン４２１に加えて、電力増幅器装置４００は、複数のセグメントを含む第２の入力伝送ライン４２２をさらに有し得、１つまたは複数の第２のトランジスタＴ２のゲートは第２の入力伝送ライン４２２のそれぞれのセグメントに接続され、１つまたは複数の第２のトランジスタのドレインは第１の出力伝送ライン４３１のそれぞれのセグメントに接続される。

各増幅器セクション４１１，４１２．．．は、正の入力信号の一部および負の入力信号の一部を増幅して、第１の出力伝送ライン４３１で正の出力信号の一部および負の出力信号の一部を生成するように構成される。

プッシュプル結合の構成は、不要な信号電力が生成されないため、最高の理論効率を提供する構成の１つである。

本明細書のいくつかの実施形態によれば、１つまたは複数の第２のトランジスタＴ２は、それぞれの１つまたは複数の第１のトランジスタＴ１と同じタイプであり、出力信号の正または負の部分を独立して生成し得る。すなわち、１つまたは複数の第２のトランジスタＴ２は、それぞれの１つまたは複数の第１のトランジスタＴ１と結合されない。２つの出力は、電圧と電流の両方で独立した「半信号（half-signals）」となり、信号のコモンモード部分を破棄して差動部分を出力する広帯域カプラで再構築され得る。「半信号」を生成するための理論的な漸近効率は１００％であるが、この信号は、ある程度の電力を有する不要な信号を含んでいる。不要なコモンモード成分が廃棄されるため、プッシュプル結合の構成と比較して、正弦波信号に対する効率は約１６％低下する。

図５は、出力信号の正と負の部分を独立して生成し得る正と負のセクションを含む、このような増幅器装置を示すスケッチである。正と負の入力信号の事前整形された部分の例も示されている。図５に示されるように、入力信号は、たとえば３つの正の部分と３つの負の部分に分割され得、それぞれが小三角形の記号で示される１つまたは複数のトランジスタを含む増幅器セクションに供給される。後続のセクションには、一般に、台形形状５３１，５３２として示される変換伝送ラインセクションに沿って分布するいくつかの増幅器トランジスタが必要である。このようにして、すべてのセクションの最大電圧振幅を同じレベルに保つことができ、共通の供給電圧が使用され得る。

図６は、４つの増幅器セクション６１１，６１２，６１３，６１４を有する電力増幅器装置６００の例を示す。図６に示されるように、第１の増幅器セクション６１１は、入力および出力伝送ライン６２１，６３１の開始点に接続された第１のトランジスタを有する。この点での出力伝送ライン６３１の特性インピーダンスは、電力増幅器装置への負荷インピーダンスおよび実装される増幅器セクションの数に応じて、例えば１００オームであり得る。後続のセクション、例えば第２の増幅器セクション６１２は、変換伝送ラインセクションに沿って分布する１６個の等しいサイズのトランジスタを有し得、すなわち、出力伝送ライン６３１の一部は、例えば５０オームの特性インピーダンスで終わる。これら１６個のトランジスタの総出力電力は、第１のトランジスタの出力電力と同じであり得る。１６個のセグメントと１６個のトランジスタを配置した変換伝送ラインセクション７００の回路図が図７に示される。１６個のセグメントの変換伝送ラインセクションの総電気的長さは、低カットオフ周波数で０．５４波長であり得、周波数スパンは、基本周波数に対して１０：１になるように設計され得る。伝送ラインセグメントの長さは、一般に、出力伝送ラインの変換伝送ラインセクション７００の開始および終了領域でより長くなる。出力伝送ラインセグメントのアドミタンスは１／１６で増加し得、すなわち、各セグメントに対して１／１６００ジーメンスであり、１／１００ジーメンスで始まり１／５０ジーメンスで終わる。入力伝送ラインのインピーダンスは均一である。スパンが１０：１の場合、中心周波数（例えば５．５）での１６セグメントの電気的長さの度数は、たとえば、ｅ１＝４３．２、ｅ２＝８９．３、ｅ３＝８８．１、ｅ４＝８４．３、ｅ５＝７７．２、ｅ６＝６０．３、ｅ７＝６１．０、ｅ８＝５９，９、ｅ９＝５１．０、ｅ１０＝４８．３、ｅ１１＝５５．４、ｅ１２＝５８．６、ｅ１３＝５６．０、ｅ１４＝７３．８、ｅ１５＝７７．５、ｅ１６＝８４．９である。

次の増幅器セクション、すなわち第３セクション６１３は、今説明したもののように見え得るが、電力が約２倍に拡大され得る。この増幅器セクションのトランジスタは、前のセクションのトランジスタの２倍の量または２倍の数になり得る。同じ供給電圧の場合、これは、このセクションの合計の出力伝送ラインインピーダンスが、上述の値の半分であることを意味する。したがって、この増幅器セクションの出力伝送ラインのインピーダンスは、５０オームで始まり２５オームで終わり得る。同じことを実現する別の方法は、前のセクションと同じサイズの２つの増幅器セクションを並べて接続することです。次の増幅器セクション、つまり第４セクション６１４は、再び２倍に拡大される可能性があり、トランジスタ電力が第１セクションの４倍になり、先行するドレインラインインピーダンスの半分となる（つまり２５オームで始まり１２．５オームで終わる）。

本明細書の実施形態による電力増幅器装置６００の特徴および利点を示すために、１０：１の周波数スパン対信号振幅にわたって取られた効率曲線のコレクションが図８に示されている。低振幅でアクティブなトランジスタとセクションは後続のすべてのセクションの変換不完全性を累積するため、効率は低振幅でより変化する。ただし、周波数スパンは１０：１で非常に広く、いくつかの高調波が関係し、各セクションには１６の等しいアドミタンスステップしかないことに注意されたい。効率のリップルは簡単に小さくなり、そのため、極端な帯域幅ではなく各セクションのアドミタンスステップが小さい場合、平均効率は高くなる。

この例では、「水平」信号分割の実装に重点が置かれ、これは、「垂直」分割よりも大きな利点があると考えられるためである。電力増幅器装置２００，３００，４００，６００の広帯域増幅器セクションはそれぞれ、「水平にスライスされた」信号部分を出力信号に追加する。これは、電圧と電流が「フラットトップ」であり、最大値と最小値の間の遷移時間が比較的短いため、ほとんどが高い波形効率で増幅されることを意味する。そのようなセクションが多く使用される場合、フラットトップの信号部分は「方形波」形状に近づく。しかしながら、本明細書の実施形態による電力増幅器装置２００，３００，４００，６００は、修正を加えて、垂直信号分割にも使用され得る。これは、通常のスイッチング増幅器とは異なり、垂直信号の分割がローカル波形の振幅に基づいて行われるためである。図１に示されるように、水平にスライスされた信号の場合、信号部分はトップレベルに到達したときに信号電圧が反対方向で通過するまでそのトップレベルに留まるが、垂直にスライスされた信号部分では信号部分はこれらのポイントにおいてゼロに戻る。そのため、垂直に分割された信号には、より多くのオフ遷移とオン遷移がある。これらの垂直信号の遷移は急峻であるため、電力損失なしで行うことは困難である。水平に分割された信号の場合の電圧範囲は部分に分割され、各部分は全体の電圧範囲よりも低い振幅を有する。垂直に分割された信号の場合、各部分の振幅は異なり増加しているため、増幅器セクションはそれぞれ、分割された最大振幅のフルの電力を提供する必要がある。振幅分割が等しいと仮定される場合、水平分割の場合に各増幅器セクションから追加される電力は、振幅の二乗間の差である。したがって、３つの増幅器セクションを備えた電力増幅器装置では、総電力は、垂直分割の場合は１＋４＋９＝１４、水平分割の場合は１＋３＋５＝９になる。４つの増幅器セクションを備えた電力増幅器装置の場合、総電力は、垂直分割で１＋４＋９＋１６＝３０、水平分割で１＋３＋５＋７＝１６になる。したがって、垂直分割信号を増幅するための総電力は、４つの増幅器セクションを備えた電力増幅器装置において、水平分割信号を増幅するための総電力の２倍になり得る。この問題は、単位時間あたりにより多くのトランジスタ電力とより多くのオン／オフ遷移が必要になるため、高効率を得るために信号分割を細かくすると悪化し得る。ただし、従来の垂直信号フィッシャー増幅器を超える利点は、異なる増幅器セクションからの信号パルス間のオーバーラップが問題にならないことである。これは、２つの積層されたトランジスタが同時に導通することなく、信号パルスの立ち上がりと立ち下がりの側面がオーバーラップし得ることを意味する。他の信号分割、たとえば垂直分割と水平分割の組み合わせも可能である。したがって、フィッシャー型の水平または垂直信号分割、または垂直および水平信号分割の組み合わせは、電力増幅器装置２００，３００，４００，６００の特別に設計され駆動される複数の広帯域増幅器セクションによって可能となる。

本明細書の実施形態による電力増幅器装置２００，３００，４００，６００は、「十分な」数の高調波が生成され、増幅器セクション間で搬送され、同様に、広帯域および多帯域信号の相互変調積に対して十分な応答が必要である場合にうまく機能する。言い換えれば、「スライスされた」信号部分の形状は、後続の処理を通じて可能な限り無傷のままであるべきである。リップル、出力信号の非線形性、および効率の低下は、増幅器セクションの周波数応答が不十分な場合に発生し得る。これらの問題の一部は、静的な振幅関数を使用する代わりに、非線形フィルタリングによって部分信号を前処理することで対処し得る。この手法は、たとえば相互変調側波帯の部分を効率的に増幅したり、増幅器セクション間で転送したりできない場合に役立ち得る。このタイプの整形された信号スペクトルは、図９に示されるように、たとえば低周波数範囲での悪い応答を回避するのに役立つ。図９に示されるように、スペクトル形状は非対称である。低周波数側波帯はフィルタで除去されるため存在しないが、時間領域での形状は可能な限り最適に保持される（つまり、フィルタが非線形であるためオーバーシュートはない）。

広帯域増幅セクションは、ほとんどの出力信号を出力に向けて送信するように設計され得、これにより、リップル電圧が低くなり、トランジスタの最悪の場合の電力損失が低くなる。出力信号は、非常に高い波形効率で個別に生成された部分から構築される。共振器やフィルタは不要であるため、インピーダンスレベルは所望の周波数帯域で均一になり得る。スライスされた入力信号の周波数成分は、各増幅セクション内で同じスケールを有し、これは、入力信号の異なる周波数部分からの異なる高調波が、因果関係なしにオーバーラップし得ることを意味する。したがって、高効率動作では、相対的な帯域幅が非常に大きくなり得る。実装の不完全さを除けば、最終的に再構成された出力信号は「クリーン」であり得、フィルタリングの必要が無い。

上記の議論を要約すると、電力増幅器装置２００，３００，４００，６００は、広帯域幅内での高いバックオフ動作効率と組み合わされた高い波形効率を、任意の入力信号に対する最小のトランジスタコストで、達成し得る。

本明細書の実施形態による電力増幅器装置２００，３００，４００，６００は、様々な電子デバイスで使用され得る。図１０は、電子デバイス１０００のブロック図を示し、例えば、無線通信システムにおける無線周波数送受信機、無線通信デバイス、ユーザ装置、モバイルデバイス、基地局または無線ネットワークノードなど、または電力増幅器を必要とする一般的な電子回路または装置であり得る。電子デバイス１０００は、処理部１０１０が示される他のユニットを備え得る。

用語「含む（comprise）」または「含む（comprising）」を使用する場合、それは非限定的、すなわち「少なくとも〜からなる（consist at least of）」の意味として解釈されるものとする。

本明細書の実施形態は、上述の実施形態に限定されない。さまざまな代替物、修正物、および等価物が使用され得る。したがって、上述の実施形態は、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

波形をいくつかの断片または部分に水平に分割する、つまり振幅に基づいて入力信号をより小さい振幅スパンの複数の信号部分に分割することについて説明するが、このような「水平スライス」信号を高効率で増幅するための実装は存在しない。
以下の文献は電力増幅器の例を開示している：ＵＳ２０１６／２６１２３７ Ａ１は、特定の分布増幅器を開示している。ＷＯ２０１６／０５６９５２ Ａ１は、増幅器装置を開示している。ＵＳ２０１０／１７６８８５ Ａ１は、電力追跡を有するＮウェイのドハティ分布電力増幅器に関連している。ＷＯ２０１２／０７６９２４ Ａ１は、ＲＦ増幅器回路および電機システムに関連している。

Claims (12)

1. 入力信号を増幅して出力信号を生成するための電力増幅器装置（２００，３００，４００，６００）であって、
   複数であるＮ個の増幅器セクション（２１２，２１３，３１２，３１３，４１２，４１３，６１２，６１３）（Ｎ＝２，３，．．．）と、
   複数のセグメントを含む第１の入力伝送ライン（２２１，３２１，４２１，６２１）と、
   複数のセグメントを含む第１の出力伝送ライン（２３１，３３１，４３１，６３１）と、
   を有し、
   各増幅器セクションは、前記第１の入力伝送ライン（２２１，３２１，４２１，６２１）と前記第１の出力伝送ライン（２３１，３３１，４３１，６３１）とに沿って配置された１つまたは複数の第１のトランジスタ（Ｔ１）を有し、前記１つまたは複数の第１のトランジスタ（Ｔ１）のゲートは前記第１の入力伝送ラインのそれぞれのセグメントに接続され、前記１つまたは複数の第１のトランジスタのドレインは前記第１の出力伝送ラインのそれぞれのセグメントに接続され、
   各増幅器セクションは、前記入力信号の一部を増幅して前記出力信号の一部を生成するように構成され、
   前記入力信号の一部は、振幅ベースと時間ベースとのいずれか１つまたは組み合わせで分割された前記入力信号のＮ個の部分の１つであり、
   前記出力信号は、各増幅器セクションからの前記出力信号のＮ個の部分を構築することにより、前記第１の出力伝送ライン（２３１，３３１，４３１，６３１）の端部で生成される
   電力増幅器装置（２００，３００，４００，６００）。
2. 前記入力信号のＮ個の部分は、各増幅器セクションに入力する前に、デジタルまたはアナログの整形回路によって分割される
   請求項１に記載の電力増幅器装置（２００，３００，４００，６００）。
3. 前記入力信号のＮ個の部分は、前記Ｎ個の増幅器セクションによって振幅ベースで分割され、各増幅器セクションは、前記入力信号の各部分の振幅に応じて前記出力信号の一部を生成するために前記入力信号の一部を増幅するように構成される
   請求項１に記載の電力増幅器装置（２００，３００，４００，６００）。
4. 前記入力信号のＮ個の部分は、前記Ｎ個の増幅器セクションによって時間ベースで分割され、各増幅器セクションは、前記入力信号の各部分の時間に応じて前記出力信号の一部を生成するために前記入力信号の一部を増幅するように構成される
   請求項１に記載の電力増幅器装置（２００，３００，４００，６００）。
5. 前記第１の出力伝送ラインの複数のセグメントの長さが等しくない
   請求項１乃至４の何れか１項に記載の電力増幅器装置（２００，３００，４００，６００）。
6. 各増幅器セクション（３１１，３１２，４１１，４１２）は、１つまたは複数の第２のトランジスタ（Ｔ２）をさらに有し、前記電力増幅器装置は、複数のセグメントを含む第２の入力伝送ライン（３２２，４２２）と、複数のセグメントを含む第２の出力伝送ライン（３３２）と、をさらに有し、前記１つまたは複数の第２のトランジスタ（Ｔ２）のゲートは前記第２の入力伝送ライン（３２２，４２２）のそれぞれのセグメントに接続され、前記１つまたは複数の第２のトランジスタ（Ｔ２）のドレインは前記第２の出力伝送ライン（３３２）のそれぞれのセグメントに接続され、各増幅器セクションは、正の入力信号の一部を増幅して正の出力信号の一部を前記第１の出力伝送ライン（３３１）で生成し、負の入力信号の一部を増幅して負の出力信号の一部を前記第２の出力伝送ライン（３３２）で生成する、ように構成される
   請求項１乃至５の何れか１項に記載の電力増幅器装置（２００，３００，４００，６００）。
7. 前記第１および第２の出力伝送ラインからの正および負の出力信号を合成するための広帯域カプラをさらに有する
   請求項６に記載の電力増幅器装置（２００，３００，４００，６００）。
8. 前記１つまたは複数の第２のトランジスタ（Ｔ２）は、それぞれの前記１つまたは複数の第１のトランジスタ（Ｔ１）と同じタイプであり、それぞれの前記１つまたは複数の第１のトランジスタと差動接続される
   請求項６に記載の電力増幅器装置（２００，３００，４００，６００）。
9. 前記差動接続された２つのトランジスタ（Ｔ１，Ｔ２）に直流（ＤＣ）を供給するための負結合インダクタペアまたはセンタータップインダクタをさらに有する
   請求項８に記載の電力増幅器装置（２００，３００，４００，６００）。
10. 前記第１および第２の出力伝送ライン（３３１，３３２）からの正および負の出力信号を合成するためのバランまたは平衡−不平衡変圧器または広帯域１８０度カプラをさらに有する
    請求項８または９に記載の電力増幅器装置（２００，３００，４００，６００）。
11. 各増幅器セクションは、それぞれの前記１つまたは複数の第１のトランジスタと積層された１つまたは複数の第２のトランジスタ（Ｔ２）をさらに有し、前記電力増幅器装置は、複数のセグメントを含む第２の入力伝送ライン（４２２）をさらに有し、前記１つまたは複数の第２のトランジスタ（Ｔ２）のゲートは前記第２の入力伝送ライン（４２２）のそれぞれのセグメントに接続され、前記１つまたは複数の第２のトランジスタのドレインは前記第１の出力伝送ライン（４３１）のそれぞれのセグメントに接続され、各増幅器セクションは、正の入力信号の一部と負の入力信号の一部とを増幅して正の出力信号の一部と負の出力信号の一部とを前記第１の出力伝送ライン（４３１）で生成する、ように構成される
    請求項１乃至５の何れか１項に記載の電力増幅器装置（２００，３００，４００，６００）。
12. 請求項１乃至１１の何れか１項に記載の電力増幅器装置（２００，３００，４００，６００）を有する電子デバイス（１０００）。

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