JP2021118482A - Power amplifier - Google Patents

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信二 原
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Abstract

To provide a power amplifier that can improve the efficiency.SOLUTION: In a power amplifier 10, an amplification unit 16 amplifies an input signal and outputs the amplified signal from an output terminal T2. An inductive element 18 has one end to which a power supply voltage is supplied and the other end connected to the output terminal T2. The power supply voltage is set such that the reciprocal of the real part of the optimum load admittance of the amplification unit 16 whose output characteristic has a predetermined characteristic is substantially equal to the predetermined characteristic impedance. At the frequency of the input signal, the imaginary part of the admittance of the inductive element 18 is substantially equal to the imaginary part of the optimum load admittance.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本開示は、高周波信号を増幅する電力増幅器に関する。 The present disclosure relates to a power amplifier that amplifies a high frequency signal.

近年、無線通信システムや無線電力伝送システムの開発が進められている。これらの技術では、高周波信号を電力増幅し、増幅された信号を負荷に出力する電力増幅器が利用される(例えば、特許文献1参照)。 In recent years, the development of wireless communication systems and wireless power transmission systems has been promoted. In these techniques, a power amplifier that power-amplifies a high-frequency signal and outputs the amplified signal to a load is used (see, for example, Patent Document 1).

特開2000−165163号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-165163

特許文献1の技術では、電力増幅器のトランジスタのドレインと負荷との間に整合回路が接続される。整合回路は損失を有するため、出力電力が低下し、その結果、ドレイン効率と電力付加効率が低下する。 In the technique of Patent Document 1, a matching circuit is connected between the drain and the load of the transistor of the power amplifier. Since the matching circuit has a loss, the output power is reduced, and as a result, the drain efficiency and the power addition efficiency are reduced.

本開示はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その例示的な目的の一つは、効率を改善できる電力増幅器を提供することにある。 The present disclosure has been made in view of these issues, and one of its exemplary purposes is to provide a power amplifier that can improve efficiency.

上記課題を解決するために、本開示のある態様の電力増幅器は、入力信号を増幅し、増幅された信号を出力端子から出力する増幅部と、電源電圧が供給される一端と、出力端子に接続された他端とを有する誘導性素子と、を備える。出力特性が所定の特性となる増幅部の最適負荷アドミタンスの実部の逆数が所定の特性インピーダンスと実質的に等しくなるように、電源電圧が設定される。入力信号の周波数において、誘導性素子のアドミタンスの虚部は、最適負荷アドミタンスの虚部と実質的に等しい。 In order to solve the above problems, the power amplifier of a certain aspect of the present disclosure is provided to an amplification unit that amplifies an input signal and outputs the amplified signal from an output terminal, one end to which a power supply voltage is supplied, and an output terminal. It comprises an inductive element having a connected other end. The power supply voltage is set so that the reciprocal of the real part of the optimum load admittance of the amplification unit whose output characteristic has a predetermined characteristic is substantially equal to the predetermined characteristic impedance. At the frequency of the input signal, the imaginary part of the admittance of the inductive element is substantially equal to the imaginary part of the optimal load admittance.

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや、本開示の構成要素や表現を方法、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本開示の態様として有効である。 It should be noted that any combination of the above components and those in which the components and expressions of the present disclosure are mutually replaced between methods, systems and the like are also effective as aspects of the present disclosure.

本開示によれば、効率を改善できる電力増幅器を提供できる。 According to the present disclosure, it is possible to provide a power amplifier capable of improving efficiency.

比較例に係る電力増幅装置の回路図である。It is a circuit diagram of the power amplification device which concerns on a comparative example. 第1の実施の形態に係る電力増幅装置の回路図である。It is a circuit diagram of the power amplification apparatus which concerns on 1st Embodiment. 図2の増幅部の最適負荷アドミタンスの電源電圧依存性を示すアドミタンスチャートである。It is an admittance chart which shows the power supply voltage dependence of the optimum load admittance of the amplification part of FIG. 図2の増幅部の最適負荷アドミタンスの調整範囲を示すアドミタンスチャートである。It is an admittance chart which shows the adjustment range of the optimum load admittance of the amplification part of FIG. 図2の電力増幅器の出力電力、ゲイン、ドレイン効率および電力付加効率の入力電力依存性を示す図である。It is a figure which shows the input power dependence of the output power, gain, drain efficiency and power addition efficiency of the power amplifier of FIG. 第2の実施の形態に係る増幅部の回路図である。It is a circuit diagram of the amplification part which concerns on 2nd Embodiment.

本発明者らは、電力増幅器について研究し、以下の知見を得た。図1は、比較例に係る電力増幅装置100の回路図である。電力増幅装置100は、電力増幅器110と、直流電源112と、を備える。電力増幅器110は、入力整合回路114と、インダクタ(チョークコイル)118と、トランジスタ120と、出力整合回路122と、を備える。 The present inventors have studied power amplifiers and obtained the following findings. FIG. 1 is a circuit diagram of a power amplification device 100 according to a comparative example. The power amplification device 100 includes a power amplifier 110 and a DC power supply 112. The power amplifier 110 includes an input matching circuit 114, an inductor (choke coil) 118, a transistor 120, and an output matching circuit 122.

直流電源112は、インダクタ118を介して電源電圧をトランジスタ120のドレインに供給する。インダクタ118は、バイアス電圧供給用インダクタであり、そのインダクタンスは、入力信号の周波数において十分に高いインピーダンスになるよう設定される。 The DC power supply 112 supplies a power supply voltage to the drain of the transistor 120 via the inductor 118. The inductor 118 is a bias voltage supply inductor, and its inductance is set so as to have a sufficiently high impedance at the frequency of the input signal.

入力整合回路114は、信号源30の信号源インピーダンスZとトランジスタ120の入力インピーダンスとのインピーダンス変換を行う。信号源インピーダンスZは、特性インピーダンスZと等しく、例えば50Ωである。 Input matching circuit 114 performs impedance conversion between the input impedance of the signal source impedance Z S of the transistor 120 of the signal source 30. The signal source impedance Z S is equal to the characteristic impedance Z 0 , for example, 50 Ω.

トランジスタ120は、信号源30から入力整合回路114を介してゲートに供給される入力信号を電力増幅し、増幅された信号をドレインから出力整合回路122に出力する。入力信号は高周波信号であり、その周波数は、例えば1GHz以上である。トランジスタ120の出力信号の電力は、例えば500mW以上である。そのため、トランジスタ120は大信号動作を行う。 The transistor 120 power-amplifies the input signal supplied from the signal source 30 to the gate via the input matching circuit 114, and outputs the amplified signal from the drain to the output matching circuit 122. The input signal is a high frequency signal, and its frequency is, for example, 1 GHz or more. The power of the output signal of the transistor 120 is, for example, 500 mW or more. Therefore, the transistor 120 performs a large signal operation.

トランジスタ120の大信号動作では、ドレインに接続されるインピーダンスに応じて、他の条件が一定であっても出力電力や効率などの出力特性が変化する。例えば、所定の入力電力、所定の入力周波数の入力信号が供給されたときに最大出力電力や最大効率が得られるインピーダンスは、最適負荷インピーダンスZoptと呼ばれる。入力信号の入力電力または入力周波数が変化すると、最適負荷インピーダンスZoptは変化し得る。この最大出力電力が得られる負荷インピーダンスZoptは、通常、最大のドレイン効率などの他の出力特性が得られる負荷インピーダンスZoptとは異なる。そこで、測定またはシミュレーションにより、出力や効率等の最適性能を満たす最適負荷インピーダンスZoptを求める。以下、最適負荷インピーダンスZoptについて説明する。 In the large signal operation of the transistor 120, the output characteristics such as output power and efficiency change depending on the impedance connected to the drain even if other conditions are constant. For example, the impedance at which the maximum output power and the maximum efficiency can be obtained when an input signal having a predetermined input power and a predetermined input frequency is supplied is called an optimum load impedance Zopt. The optimum load impedance Zopt may change as the input power or input frequency of the input signal changes. The load impedance Z opt at which this maximum output power is obtained is usually different from the load impedance Z opt at which other output characteristics such as maximum drain efficiency can be obtained. Therefore, the optimum load impedance Zopt that satisfies the optimum performance such as output and efficiency is obtained by measurement or simulation. Hereinafter, the optimum load impedance Zopt will be described.

出力整合回路122は、最適負荷インピーダンスZoptと負荷32の負荷インピーダンスZとのインピーダンス変換を行う。具体的には、出力整合回路122は、負荷インピーダンスZを最適負荷インピーダンスZoptに変換する。これにより、トランジスタ120のドレインに最適負荷インピーダンスZoptを見せることができ、所定の条件下でトランジスタ120は最適出力を出力できる。トランジスタ120から出力される出力信号は、出力整合回路122を介して負荷32に供給される。 The output matching circuit 122 performs impedance conversion between the optimum load impedance Z opt and the load impedance Z L of the load 32. Specifically, the output matching circuit 122 converts the load impedance Z L into the optimum load impedance Z opt. As a result, the optimum load impedance Zopt can be shown to the drain of the transistor 120, and the transistor 120 can output the optimum output under predetermined conditions. The output signal output from the transistor 120 is supplied to the load 32 via the output matching circuit 122.

トランジスタ120の出力側の等価回路は、ドレインとソースの間に並列接続された電流源とキャパシタで近似的に表される。従って、トランジスタ120の最適負荷インピーダンスZoptは、一般的に誘導性となる。 The equivalent circuit on the output side of the transistor 120 is approximately represented by a current source and a capacitor connected in parallel between the drain and the source. Therefore, the optimum load impedance Zopt of the transistor 120 is generally inductive.

ここで、キャパシタ成分と抵抗成分を無視した理想的なトランジスタについて考える。このトランジスタをB級増幅器として動作させた場合、最適負荷インピーダンスZoptを最適負荷抵抗Roptとみなし、出力電力Poutと最適負荷抵抗Roptの関係は次の式(1)で表せる。電源電圧をVdcとする。
opt=Vdc/2Pout (1)
Here, consider an ideal transistor that ignores the capacitor component and the resistance component. When operating the transistor as a class B amplifier, considers the optimum load impedance Z opt and the optimum load resistance R opt, relationship between the output power Pout and the optimum load resistance R opt is expressed by the following equation (1). Let the power supply voltage be Vdc.
R opt = Vdc 2 / 2Pout ( 1)

従って、数百mW以上の出力電力かつ数Vの電源電圧の場合、最適負荷抵抗Roptは50Ωより低い値である。例えば、1.25Wの出力電力、5Vの電源電圧の場合、最適負荷抵抗Roptは10Ωである。負荷インピーダンスZは特性インピーダンスZと等しく、例えば50Ωである。 Therefore, in the case of an output power of several hundred mW or more and a power supply voltage of several V, the optimum load resistance R opt is a value lower than 50Ω. For example, in the case of an output power of 1.25 W and a power supply voltage of 5 V, the optimum load resistance R opt is 10 Ω. The load impedance Z L is equal to the characteristic impedance Z 0, and is, for example, 50 Ω.

この場合、出力整合回路122は、負荷インピーダンスZの50Ωを最適負荷抵抗Roptの10Ωに変換する。出力整合回路122は、たとえばインダクタ、キャパシタ、伝送線路などのリアクタンス素子で構成され、リアクタンス素子が有する抵抗成分に起因して、50Ωを10Ωに変換する場合には約1dBの損失を有する。最適負荷抵抗Roptが小さいほど、出力整合回路122の損失は大きくなる。これらのことは、キャパシタ成分等を考慮した実際のトランジスタ120にも当てはまる。既述のように、この損失により出力電力が低下し、効率も低下する。 In this case, the output matching circuit 122 converts 50 Ω of the load impedance Z L into 10 Ω of the optimum load resistance R opt. The output matching circuit 122 is composed of reactance elements such as an inductor, a capacitor, and a transmission line, and has a loss of about 1 dB when converting 50 Ω to 10 Ω due to the resistance component of the reactance element. The smaller the optimum load resistance R opt, the larger the loss of the output matching circuit 122. These things also apply to the actual transistor 120 in consideration of the capacitor component and the like. As described above, this loss reduces the output power and the efficiency.

本発明者は、これらの知見に基づいて研究を重ね、電源電圧を高めることで最適負荷抵抗Roptを高めることができ、さらにバイアス電圧供給用のインダクタ118の値を適切に設定することで出力整合回路122を無くすことができ、効率を改善できることを見出した。実施の形態は、このような思索に基づいて案出されたもので、以下にその具体的な構成を説明する。 The present inventor has repeated research based on these findings, and can increase the optimum load resistance Ropt by increasing the power supply voltage, and further, output by appropriately setting the value of the inductor 118 for bias voltage supply. It has been found that the matching circuit 122 can be eliminated and the efficiency can be improved. The embodiment was devised based on such thoughts, and its specific configuration will be described below.

以下、図面を参照しながら、本開示を実施するための形態について詳細に説明する。なお、説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present disclosure will be described in detail with reference to the drawings. In the description, the same elements are designated by the same reference numerals, and duplicate description will be omitted as appropriate.

(第1の実施の形態)
図2は、第1の実施の形態に係る電力増幅装置1の回路図である。電力増幅装置1は、例えば無線通信システムや無線電力伝送システムのパワーアンプとして利用できる。電力増幅装置1は、電力増幅器10と、直流電源12とを備える。
(First Embodiment)
FIG. 2 is a circuit diagram of the power amplification device 1 according to the first embodiment. The power amplification device 1 can be used, for example, as a power amplifier for a wireless communication system or a wireless power transmission system. The power amplification device 1 includes a power amplifier 10 and a DC power supply 12.

電力増幅器10は、信号源30から供給される入力信号を電力増幅して、増幅された信号を負荷32に供給する。入力信号の周波数と出力信号の電力の範囲の一例は、比較例と同じである。直流電源12は、直流の電源電圧を電力増幅器10に供給する。 The power amplifier 10 power-amplifies the input signal supplied from the signal source 30 and supplies the amplified signal to the load 32. An example of the frequency of the input signal and the power range of the output signal is the same as that of the comparative example. The DC power supply 12 supplies a DC power supply voltage to the power amplifier 10.

電力増幅器10は、入力整合回路14と、増幅部16と、誘導性素子18とを有する。入力整合回路14は、信号源30の信号源インピーダンスZと増幅部16の入力インピーダンスとのインピーダンス変換を行う。 The power amplifier 10 includes an input matching circuit 14, an amplification unit 16, and an inductive element 18. Input matching circuit 14 performs impedance conversion of the signal source impedance Z S of the signal source 30 and the input impedance of the amplifier unit 16.

増幅部16は、制御端子T1、出力端子T2および接地端子T3を有し、入力整合回路14を介して制御端子T1に供給される入力信号を電力増幅し、増幅された信号を出力端子T2から出力する。接地端子T3は接地される。出力端子T2には、所定の特性インピーダンスZと実質的に等しい負荷インピーダンスZの負荷32が直接接続される。つまり、出力端子T2と負荷32の間に出力整合回路が存在しない。出力端子T2と負荷32は、特性インピーダンスZの伝送線路を介して直接接続されてもよい。特性インピーダンスZは、一般的には50Ωであるが、例えば10Ω〜100Ωの他の値であってもよい。負荷インピーダンスZは、出力信号が供給される次段の素子や回路の入力インピーダンスを表す。負荷32としてアンテナが接続されてもよい。 The amplification unit 16 has a control terminal T1, an output terminal T2, and a ground terminal T3, power-amplifies the input signal supplied to the control terminal T1 via the input matching circuit 14, and outputs the amplified signal from the output terminal T2. Output. The ground terminal T3 is grounded. A load 32 having a load impedance Z L substantially equal to a predetermined characteristic impedance Z 0 is directly connected to the output terminal T2. That is, there is no output matching circuit between the output terminal T2 and the load 32. The output terminal T2 and the load 32 may be directly connected via a transmission line having a characteristic impedance Z 0. The characteristic impedance Z 0 is generally 50Ω, but may be another value of, for example, 10Ω to 100Ω. The load impedance Z L represents the input impedance of the next-stage element or circuit to which the output signal is supplied. An antenna may be connected as the load 32.

増幅部16は、半導体材料として化合物半導体を用いたトランジスタ20を含む。化合物半導体の一例として、窒化ガリウム(GaN)などの窒化物半導体が挙げられる。トランジスタ20は、窒化ガリウムを用いた高電子移動度トランジスタ、即ちGaN−HEMT(High Electron Mobility Transistor)であることが好ましい。増幅部16において、制御端子T1はトランジスタ20のゲートであり、出力端子T2はドレインであり、接地端子T3はソースである。 The amplification unit 16 includes a transistor 20 using a compound semiconductor as a semiconductor material. An example of a compound semiconductor is a nitride semiconductor such as gallium nitride (GaN). The transistor 20 is preferably a high electron mobility transistor using gallium nitride, that is, a GaN-HEMT (High Electron Mobility Transistor). In the amplification unit 16, the control terminal T1 is the gate of the transistor 20, the output terminal T2 is the drain, and the ground terminal T3 is the source.

誘導性素子18は、インダクタンスL1のインダクタであり、直流電源12から電源電圧が供給される一端と、増幅部16の出力端子T2に接続された他端とを有する。誘導性素子18の一端は、図示しないキャパシタなどにより、入力信号の周波数において交流的に接地される。誘導性素子18は、バイアス電圧供給用のインダクタとして機能する。誘導性素子18は、ショートスタブなどの伝送線路であってもよい。
増幅部16の制御端子T1にも図示しないバイアス回路からバイアス電圧が供給される。
The inductive element 18 is an inductor having an inductance L1 and has one end to which a power supply voltage is supplied from the DC power supply 12 and the other end connected to the output terminal T2 of the amplification unit 16. One end of the inductive element 18 is AC grounded at the frequency of the input signal by a capacitor (not shown) or the like. The inductive element 18 functions as an inductor for supplying a bias voltage. The inductive element 18 may be a transmission line such as a short stub.
A bias voltage is also supplied to the control terminal T1 of the amplification unit 16 from a bias circuit (not shown).

増幅部16の出力特性が所定の特性となる最適負荷アドミタンスYopt(=1/Zopt)は、増幅部16の出力端子T2から負荷32側を見たアドミタンスである。出力特性が所定の特性となるとは、例えば、出力電力が最大となること、ドレイン効率または電力付加効率が最大となることなどを意味する。 The optimum load admittance Y opt (= 1 / Z opt ) in which the output characteristic of the amplification unit 16 has a predetermined characteristic is the admittance when the load 32 side is viewed from the output terminal T2 of the amplification unit 16. When the output characteristic becomes a predetermined characteristic, for example, it means that the output power is maximized, the drain efficiency or the power addition efficiency is maximized, and the like.

最適負荷は、既述のように誘導性であり、最適負荷抵抗RoptとインダクタLoptの並列接続で表される。そのため、最適負荷アドミタンスYoptは式(2)で表せる。
opt=1/Ropt+1/jωLopt (2)
The optimum load is inductive as described above, and is represented by the parallel connection of the optimum load resistor R opt and the inductor L opt. Therefore, optimum load admittance Y opt is expressed by equation (2).
Y opt = 1 / R opt + 1 / jωL opt (2)

図3は、図2の増幅部16の最適負荷アドミタンスYoptの電源電圧依存性を示すアドミタンスチャートである。既述の式(1)からも分かるように、出力電力を一定として電源電圧を増加させると、最適負荷抵抗Roptは増加する。そのため、電源電圧を増加させると、最適負荷アドミタンスYoptは、コンダクタンスが低くなる方向にアドミタンスチャート上を移動する。よって、最適負荷アドミタンスYoptを、コンダクタンスが1/Zより大きい点P1から、コンダクタンスが1/Zである等コンダクタンス円C10上の点P2に移動させることができる。 Figure 3 is a admittance chart showing a power supply voltage dependence of the optimum load admittance Y opt of the amplifier 16 of FIG. As can be seen from the above equation (1), when the power supply voltage is increased while the output power is constant, the optimum load resistance Rot increases. Therefore, increasing the power supply voltage, the optimum load admittance Y opt moves on admittance chart in the direction in which the conductance is low. Therefore, the optimum load admittance Y opt, conductance from 1 / Z 0 greater than point P1, the conductance can be moved to the point P2 on 1 / Z 0 is a constant conductance circle C10.

最適負荷アドミタンスYoptの実部の逆数、つまり最適負荷抵抗Roptが所定の特性インピーダンスZと実質的に等しくなるように、電源電圧が予め設定される。なお、最適負荷アドミタンスYoptの実部の逆数が特性インピーダンスZの−10%〜20%の範囲にあるとき、最適負荷アドミタンスYoptの実部の逆数が特性インピーダンスZと実質的に等しいという。最適負荷アドミタンスYoptの実部の逆数は、特性インピーダンスZの±5%の範囲内に設定することが好ましく、最適負荷アドミタンスYoptの実部の逆数と特性インピーダンスZの差は小さい方が好ましい。なぜなら、差が小さいほど最適出力電力に近い値の出力電力を得られるためである。なお、電源電圧は、トランジスタ20のソース・ドレイン間電圧の最大定格を超えないように設定される。ここで、最適負荷抵抗Roptが特性インピーダンスZの−10%〜20%の範囲にあるとしているのは以下の理由による。実際のトランジスタではON抵抗と呼ばれる抵抗成分Ronを有し、例えばB級アンプの場合、その効率は以下の式(3)となる。

Figure 2021118482
すなわち、最適負荷抵抗Roptが大きい方が整合回路損失を無視した場合の効率は高くなる。よって、最適負荷抵抗Roptが特性インピーダンスZと等しくないにもかかわらず整合回路を設けなかった場合は不整合損が生じるが、最適負荷抵抗Roptが特性インピーダンスZより大きい方が特性インピーダンスZより小さい場合に比べて有利なためである。 The power supply voltage is preset so that the reciprocal of the real part of the optimum load admittance Y opt , that is, the optimum load resistance R opt is substantially equal to the predetermined characteristic impedance Z 0. Incidentally, the inverse of the real part of the optimum load admittance Y opt is when it is in the range of -10% to 20% of the characteristic impedance Z 0, the inverse of the real part of the optimum load admittance Y opt is the characteristic impedance Z 0 and substantially equal to That is. Inverse of the real part of the optimum load admittance Y opt is preferably set within a range of ± 5% of the characteristic impedance Z 0, towards the difference between reciprocal and characteristic impedance Z 0 of the real part of the optimum load admittance Y opt is small Is preferable. This is because the smaller the difference, the closer the output power to the optimum output power can be obtained. The power supply voltage is set so as not to exceed the maximum rating of the source-drain voltage of the transistor 20. Here, the reason why the optimum load resistance R opt is in the range of -10% to 20% of the characteristic impedance Z 0 is as follows. An actual transistor has a resistance component Ron called an ON resistance, and in the case of a class B amplifier, for example, its efficiency is given by the following equation (3).
Figure 2021118482
That is, the larger the optimum load resistance R opt, the higher the efficiency when the matching circuit loss is ignored. Therefore, if the matching circuit is not provided even though the optimum load resistance R opt is not equal to the characteristic impedance Z 0 , a mismatch loss occurs, but the one where the optimum load resistance R opt is larger than the characteristic impedance Z 0 is the characteristic impedance. This is because it is more advantageous than the case where it is smaller than Z 0.

図4は、図2の増幅部16の最適負荷アドミタンスYoptの調整範囲を示すアドミタンスチャートである。直流電源12から供給される電源電圧を調整することにより、最適負荷アドミタンスYoptは、図4の斜線の領域70内に予め調整される。Z1=0.9Z、Z2=1.2Zとして、領域70は、コンダクタンスが1/Z1である等コンダクタンス円C1と、コンダクタンスが1/Z2である等コンダクタンス円C2とで囲まれる領域のうち、サセプタンスが負の領域、即ち誘導性の領域である。 Figure 4 is a admittance chart showing an adjustment range of the optimum load admittance Y opt of the amplifier 16 of FIG. By adjusting the power supply voltage supplied from the DC power supply 12, the optimum load admittance Yopt is preliminarily adjusted within the shaded area 70 of FIG. Assuming that Z1 = 0.9Z 0 and Z2 = 1.2Z 0 , the region 70 is a region surrounded by an equal conductance circle C1 having a conductance of 1 / Z1 and an equal conductance circle C2 having a conductance of 1 / Z2. , The susceptance is the negative region, that is, the inductive region.

入力信号の周波数において、誘導性素子18のアドミタンスの虚部(−1/ωL1)は、最適負荷アドミタンスYoptの虚部(−1/ωLopt)と実質的に等しい。つまり、誘導性素子18のインダクタンスL1は、Loptと実質的に等しい。最適負荷アドミタンスYoptの誘導性成分は、誘導性素子18で実現されているとも言える。なお、誘導性素子18のアドミタンスの虚部が最適負荷アドミタンスYoptの虚部の±10%の範囲にあるとき、誘導性素子18のアドミタンスの虚部が最適負荷アドミタンスYoptの虚部と実質的に等しいという。誘導性素子18のアドミタンスの虚部は、最適負荷アドミタンスYoptの虚部の±5%の範囲内に設定することが好ましく、誘導性素子18のアドミタンスの虚部と最適負荷アドミタンスYoptの虚部との差も、小さい方が好ましい。なぜなら、差が小さいほど最適出力電力に近い値の出力電力を得られるためである。 At the frequency of the input signal, the imaginary part (-1 / ωL1) of the admittance of the inductive element 18 is substantially equal to the imaginary part (-1 / ωL opt ) of the optimum load admittance Y opt. That is, the inductance L1 of the inductive element 18, L opt substantially equal. Inductive component of optimum load admittance Y opt can be said to have been achieved by the inductive element 18. Incidentally, when the imaginary part of the admittance of the inductive element 18 is in the range of ± 10% of the imaginary part of the optimum load admittance Y opt, the imaginary part and the real of the imaginary part of the admittance of the inductive element 18 is optimum load admittance Y opt Is said to be equal. The imaginary part of the admittance of the inductive element 18, optimum load admittance Y opt for is preferably set within a range of ± 5% of the imaginary part, imaginary imaginary part and optimum load admittance Y opt admittance of inductive element 18 It is preferable that the difference from the part is also small. This is because the smaller the difference, the closer the output power to the optimum output power can be obtained.

次に、実験結果を説明する。特性インピーダンスZを27Ωとした。トランジスタ20としてGaN−HEMTである市販のCGH40025F(Cree社製)を利用し、図2の電力増幅器10を基板上に作製した。このGaN−HEMTのモデルを用いてロードプルシミュレーションを行い、電源電圧40V、入力信号の周波数2.45GHzにおいて、45dBmの最大出力電力が得られる最適負荷アドミタンスYoptの実部の逆数は27Ωであった。最適負荷アドミタンスYoptの虚部を誘導性素子18で実現した。この構成において電力増幅器10の出力電力等を測定した結果を図5に示す。 Next, the experimental results will be described. The characteristic impedance Z 0 was set to 27Ω. A commercially available CGH40025F (manufactured by Cree), which is a GaN-HEMT, was used as the transistor 20, and the power amplifier 10 of FIG. 2 was manufactured on a substrate. To load pull simulation using a model of the GaN-HEMT, the power supply voltage 40V, in the frequency 2.45GHz of the input signal, the inverse of the real part of the optimum load admittance Y opt for the maximum output power of 45dBm is obtained 27Ω met rice field. The imaginary part of the optimum load admittance Y opt is realized by inductive element 18. FIG. 5 shows the results of measuring the output power and the like of the power amplifier 10 in this configuration.

図5は、図2の電力増幅器10の出力電力、ゲイン、ドレイン効率および電力付加効率の入力電力依存性を示す。図5は、測定結果とシミュレーション結果を示す。測定結果では、出力電力Poutが45.3dBmのとき、ドレイン効率DEは82.3%、電力付加効率PAEは78.8%、利得Gainは13.6dBであった。ドレイン効率と電力付加効率は、比較例の構成と比較して改善した。なお、出力電力は50Ω換算の値である。 FIG. 5 shows the input power dependence of the output power, gain, drain efficiency, and power addition efficiency of the power amplifier 10 of FIG. FIG. 5 shows the measurement result and the simulation result. According to the measurement results, when the output power Pout was 45.3 dBm, the drain efficiency DE was 82.3%, the power addition efficiency PAE was 78.8%, and the gain Gain was 13.6 dB. The drain efficiency and the power addition efficiency were improved as compared with the configuration of the comparative example. The output power is a value converted to 50Ω.

本実施の形態によれば、最適負荷アドミタンスYoptの実部の逆数が特性インピーダンスZと実質的に等しく、その虚部がバイアス電圧供給用の誘導性素子18で実現されているため、増幅部16の出力端子T2に特性インピーダンスZの負荷32を直接接続することで、概ね最適負荷アドミタンスYoptを増幅部16の出力端子T2に見せることができる。これにより、電力増幅器10は、概ね所望の最適出力電力を出力できる。比較例と比較して、出力整合回路を用いる必要がないので出力電力の損失を低減できる。よって、比較例に対してドレイン効率と電力付加効率を改善できる。また、比較例に対して電力増幅器10を小型化、軽量化することもできる。 According to this embodiment, since the inverse of the real part of the optimum load admittance Y opt is the characteristic impedance Z 0 substantially equal to, its imaginary part is realized by the inductive element 18 of the bias voltage supply, amplification by the output terminal T2 of the part 16 connecting the load 32 of the characteristic impedance Z 0 can directly show a generally optimum load admittance Y opt to an output terminal T2 of the amplifier 16. As a result, the power amplifier 10 can output substantially desired optimum output power. Compared with the comparative example, it is not necessary to use an output matching circuit, so that the loss of output power can be reduced. Therefore, the drain efficiency and the power addition efficiency can be improved as compared with the comparative example. Further, the power amplifier 10 can be made smaller and lighter than the comparative example.

また、化合物半導体のトランジスタ20を用いることで、シリコン(Si)のトランジスタと比較してソース・ドレイン間電圧の最大定格が高いため、電源電圧を高めることができ、最適負荷アドミタンスYoptの実部の選択の幅を広げることができる。 Further, by using a compound semiconductor of the transistor 20, because of the high maximum rating of the source-drain voltage as compared with the transistor of silicon (Si), it is possible to increase the power supply voltage, the real part of the optimum load admittance Y opt You can expand the range of choices.

また、窒化物半導体のトランジスタ20を用いることで、ガリウムヒ素(GaAs)などのトランジスタと比較してソース・ドレイン間電圧の最大定格がより高いため、電源電圧をより高めることができ、最適負荷アドミタンスYoptの実部の選択の幅をより広げることができる。 Further, by using the nitride semiconductor transistor 20, the maximum rating of the source-drain voltage is higher than that of a transistor such as gallium arsenide (GaAs), so that the power supply voltage can be further increased and the optimum load admittance. The range of choices for the real part of Yopt can be further expanded.

さらに、トランジスタ20としてGaN−HEMTを用いることで、FETと比較して高速動作でき、1GHz以上の周波数において出力電力などの特性を向上させることもできる。 Further, by using GaN-HEMT as the transistor 20, it is possible to operate at a higher speed than the FET, and it is possible to improve characteristics such as output power at a frequency of 1 GHz or more.

(第2の実施の形態)
第1の実施の形態において、トランジスタ20の特性、所望の最大出力電力、所望の最適負荷アドミタンスYoptの実部によっては、印加すべき電源電圧がトランジスタ20のソース・ドレイン間電圧の最大定格を超える場合が想定される。そこで第2の実施の形態では、増幅部16を構成するトランジスタの数を増やす。以下、第1の実施の形態との相違点を中心に説明する。
(Second Embodiment)
In the first embodiment, depending on the characteristics of the transistor 20, the desired maximum output power, and the actual part of the desired optimum load admittance Yopt , the power supply voltage to be applied determines the maximum rating of the source-drain voltage of the transistor 20. It is expected that it will exceed. Therefore, in the second embodiment, the number of transistors constituting the amplification unit 16 is increased. Hereinafter, the differences from the first embodiment will be mainly described.

図6は、第2の実施の形態に係る増幅部16の回路図である。増幅部16は、トランジスタ20と、トランジスタ22と、キャパシタ24とを有する。トランジスタ20とトランジスタ22は、カスコード接続されている。トランジスタ20のドレインは、トランジスタ22のソースに接続されている。トランジスタ22のゲートは、キャパシタ24の一端に接続されている。キャパシタ24の他端は、トランジスタ20のソース、即ち接地端子T3に接続されている。キャパシタ24の容量値は、入力信号の周波数においてトランジスタ22のゲートが交流的に接地されるよう、設定される。トランジスタ22のドレインは、増幅部16の出力端子T2である。トランジスタ22のゲートにも図示しないバイアス回路からバイアス電圧が供給される。このように、トランジスタ20はソース接地増幅回路を構成し、トランジスタ22はゲート接地増幅回路を構成する。 FIG. 6 is a circuit diagram of the amplification unit 16 according to the second embodiment. The amplification unit 16 includes a transistor 20, a transistor 22, and a capacitor 24. The transistor 20 and the transistor 22 are cascode-connected. The drain of the transistor 20 is connected to the source of the transistor 22. The gate of the transistor 22 is connected to one end of the capacitor 24. The other end of the capacitor 24 is connected to the source of the transistor 20, that is, the ground terminal T3. The capacitance value of the capacitor 24 is set so that the gate of the transistor 22 is AC grounded at the frequency of the input signal. The drain of the transistor 22 is the output terminal T2 of the amplification unit 16. A bias voltage is also supplied to the gate of the transistor 22 from a bias circuit (not shown). In this way, the transistor 20 constitutes a source grounded amplifier circuit, and the transistor 22 constitutes a gate grounded amplifier circuit.

これにより、トランジスタ20のソース・ドレイン間電圧と、トランジスタ22のソース・ドレイン間電圧との和が電源電圧になるため、トランジスタ20,22のそれぞれのソース・ドレイン間電圧の最大定格を超える電源電圧を印加できる。例えば、第1の実施の形態と同じ最大定格のトランジスタ20,22の場合、第1の実施の形態の2倍の電源電圧まで印加できる。よって、トランジスタ20,22、最大出力電力、最適負荷アドミタンスYoptの実部の選択の幅を広げることができ、電力増幅装置1の設計の自由度を高めることができる。 As a result, the sum of the source-drain voltage of the transistor 20 and the source-drain voltage of the transistor 22 becomes the power supply voltage, so that the power supply voltage exceeds the maximum rating of the source-drain voltage of the transistors 20 and 22, respectively. Can be applied. For example, in the case of the transistors 20 and 22 having the same maximum rating as in the first embodiment, a power supply voltage twice as high as that in the first embodiment can be applied. Thus, the transistor 20 and 22, the maximum output power, it is possible to increase the width of the real part of the selection of the optimum load admittance Y opt, it is possible to increase the freedom of design power amplifier 1.

なお、カスコード接続されるトランジスタの数は2つに限らず、3つ以上であってもよい。この場合、トランジスタ20のドレインとトランジスタ22のソースとの間にゲート接地増幅回路を構成する1以上の別のトランジスタを挿入し、それらのトランジスタの電流経路を直列に接続すればよい。 The number of transistors connected by cascode is not limited to two, and may be three or more. In this case, one or more other transistors constituting the gate grounded amplifier circuit may be inserted between the drain of the transistor 20 and the source of the transistor 22, and the current paths of those transistors may be connected in series.

以上、本開示を実施の形態にもとづいて説明した。本開示は上記実施の形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本開示の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。 The present disclosure has been described above based on the embodiment. It will be understood by those skilled in the art that the present disclosure is not limited to the above-described embodiment, various design changes are possible, various modifications are possible, and such modifications are also within the scope of the present disclosure. It is about to be.

本開示の一態様の概要は、次の通りである。本開示のある態様の電力増幅器は、入力信号を増幅し、増幅された信号を出力端子から出力する増幅部と、電源電圧が供給される一端と、前記出力端子に接続された他端とを有する誘導性素子と、を備え、出力特性が所定の特性となる前記増幅部の最適負荷アドミタンスの実部の逆数が所定の特性インピーダンスと実質的に等しくなるように、前記電源電圧が設定され、前記入力信号の周波数において、前記誘導性素子のアドミタンスの虚部は、前記最適負荷アドミタンスの虚部と実質的に等しい。 The outline of one aspect of the present disclosure is as follows. The power amplifier of a certain aspect of the present disclosure has an amplification unit that amplifies an input signal and outputs the amplified signal from an output terminal, one end to which a power supply voltage is supplied, and the other end connected to the output terminal. The power supply voltage is set so that the inverse number of the real part of the optimum load admittance of the amplification unit having the inductive element and the output characteristic having a predetermined characteristic is substantially equal to the predetermined characteristic impedance. At the frequency of the input signal, the imaginary part of the admittance of the inductive element is substantially equal to the imaginary part of the optimum load admittance.

この態様によると、効率を改善できる。 According to this aspect, efficiency can be improved.

前記増幅部は、化合物半導体のトランジスタを含んでもよい。この場合、最適負荷アドミタンスの実部の選択の幅を広げることができる。 The amplification unit may include a transistor of a compound semiconductor. In this case, the range of selection of the real part of the optimum load admittance can be expanded.

前記トランジスタは、窒化物半導体のトランジスタであってもよい。この場合、最適負荷アドミタンスの実部の選択の幅をより広げることができる。 The transistor may be a nitride semiconductor transistor. In this case, the range of selection of the real part of the optimum load admittance can be further expanded.

前記トランジスタは、GaN−HEMTであってもよい。この場合、高周波における出力電力などの特性を向上させることもできる。 The transistor may be GaN-HEMT. In this case, characteristics such as output power at high frequencies can be improved.

前記入力信号の周波数は、1GHz以上であってもよく、前記出力端子から出力される出力信号の電力は、500mW以上であってもよい。この場合、電力増幅器を高周波のパワーアンプとして利用できる。 The frequency of the input signal may be 1 GHz or more, and the power of the output signal output from the output terminal may be 500 mW or more. In this case, the power amplifier can be used as a high frequency power amplifier.

前記増幅部は、カスコード接続された複数のトランジスタを有してもよい。この場合、トランジスタ、最大出力電力、最適負荷アドミタンスの実部の選択の幅を広げることができる。 The amplification unit may have a plurality of transistors connected by cascode. In this case, the selection of the real part of the transistor, the maximum output power, and the optimum load admittance can be expanded.

1…電力増幅装置、T1…制御端子、T2…出力端子、T3…接地端子、10…電力増幅器、12…直流電源、16…増幅部、18…誘導性素子、20,22…トランジスタ、32…負荷。 1 ... Power amplifier, T1 ... Control terminal, T2 ... Output terminal, T3 ... Ground terminal, 10 ... Power amplifier, 12 ... DC power supply, 16 ... Amplifier, 18 ... Inductive element, 20, 22 ... Transistor, 32 ... load.

Claims (6)

入力信号を増幅し、増幅された信号を出力端子から出力する増幅部と、
電源電圧が供給される一端と、前記出力端子に接続された他端とを有する誘導性素子と、
を備え、
出力特性が所定の特性となる前記増幅部の最適負荷アドミタンスの実部の逆数が所定の特性インピーダンスと実質的に等しくなるように、前記電源電圧が設定され、
前記入力信号の周波数において、前記誘導性素子のアドミタンスの虚部は、前記最適負荷アドミタンスの虚部と実質的に等しい、
ことを特徴とする電力増幅器。
An amplification unit that amplifies the input signal and outputs the amplified signal from the output terminal,
An inductive element having one end to which a power supply voltage is supplied and the other end connected to the output terminal.
With
The power supply voltage is set so that the reciprocal of the real part of the optimum load admittance of the amplification unit having a predetermined characteristic is substantially equal to the predetermined characteristic impedance.
At the frequency of the input signal, the imaginary part of the admittance of the inductive element is substantially equal to the imaginary part of the optimum load admittance.
A power amplifier characterized by that.
前記増幅部は、化合物半導体のトランジスタを含む、
ことを特徴とする請求項1に記載の電力増幅器。
The amplification unit includes a transistor of a compound semiconductor.
The power amplifier according to claim 1.
前記トランジスタは、窒化物半導体のトランジスタである、
ことを特徴とする請求項2に記載の電力増幅器。
The transistor is a nitride semiconductor transistor.
The power amplifier according to claim 2.
前記トランジスタは、GaN−HEMTである、
ことを特徴とする請求項3に記載の電力増幅器。
The transistor is a GaN-HEMT.
The power amplifier according to claim 3.
前記入力信号の周波数は、1GHz以上であり、
前記出力端子から出力される出力信号の電力は、500mW以上である、
ことを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の電力増幅器。
The frequency of the input signal is 1 GHz or more, and
The power of the output signal output from the output terminal is 500 mW or more.
The power amplifier according to any one of claims 1 to 4.
前記増幅部は、カスコード接続された複数のトランジスタを有する、
ことを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の電力増幅器。
The amplification unit has a plurality of transistors connected by cascode.
The power amplifier according to any one of claims 1 to 5.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023171125A1 (en) * 2022-03-11 2023-09-14 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 Low-noise amplifier and sensor device

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