JP2021192476A - 電力増幅回路 - Google Patents

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Abstract

【課題】 ドハティ増幅器において1/4波長線路を用いず適切な負荷変調効果を生じさせる電力増幅回路を提供することを目的とする。【解決手段】 入力信号の電力レベルが第1レベル以上の領域において、前記入力信号から分配された第1信号を増幅して第2信号を出力する第1増幅器と、前記第1増幅器の出力側に接続される、前記第1増幅器の出力側のインピーダンスを変換させる第1変換器と、前記入力信号の電力レベルが前記第1レベルより高い第2レベル以上の領域において、前記入力信号から分配された第3信号を増幅して第4信号を出力する、少なくとも一つ以上の第2増幅器と、を備え、記第2増幅器それぞれの出力側は、前記第1変換器の出力側と直列に接続され、前記第1変換器は、前記第1増幅器の出力側のインピーダンスの絶対値を、前記第2増幅器それぞれの出力側のインピーダンスの絶対値よりも大きくする構成を有する。【選択図】図5

Description

本開示は、電力増幅回路に関する。
ドハティ増幅器は、高効率な電力増幅器(パワーアンプ)である。ドハティ増幅器は、一般的に、入力信号の電力レベルにかかわらず動作するキャリアアンプと、入力信号の電力レベルが小さい場合はオフとなり、大きい場合にオンとなるピークアンプとが並列に接続されている。そして、入力信号の電力レベルが大きい場合、キャリアアンプが飽和出力電力レベルで飽和を維持しながら動作する。すなわち、キャリアアンプのみが増幅動作しているバックオフ状態では、キャリアアンプのみが動作するのでピークアンプが不要な電流を消費せず効率が高くなる。また、ピークアンプが動作をする最小の電力から飽和状態になるまでの入力電力の範囲で、キャリアアンプのインピーダンスが半分に低下する負荷変調の効果がある。なお、本発明での負荷変調とは、キャリアアンプの負荷インピーダンスが、ピークアンプの出力電力増加にともない低下することを指しており、ピークアンプとキャリアアンプのサイズが同じ場合には,キャリアアンプの負荷インピーダンスが半分になるのが理想とされている。キャリアアンプの飽和出力電力は負荷インピーダンスに反比例するという性質から、負荷変調の効果によってキャリアアンプの飽和電力はピークアンプの出力の出力電力増加に伴い増加する。言い換えると、ピークアンプが動作をしている電力範囲においては、キャリアアンプが常に飽和電力に近いところで動作をしており高効率に動作をしているといえる。つまり,負荷変調の効果はドハティ増幅器の高効率動作を得るために重要な効果である。
しかし、ドハティ増幅器は、キャリアアンプの出力とピークアンプの出力とを合成する合成器を要する。当該合成器には、1/4波長線路が用いられるところ、1/4波長線路は小型化や広帯域特性を得るのに不向きである。そこで、1/4波長線路を用いないドハティ増幅器が開示されている(例えば、非特許文献1参照)。
Ercan Kaymaksut,Patrick Reynaert著,「A 2.4 GHz fully integrated Doherty power amplifier using series combining transformer」,Proceedings of ESSCIRC,2010年,pp. 302-305
非特許文献1に記載のドハティ増幅器は、1/4波長線路を用いず、トランスを二つ用いて構成されている.これにより、ドハティ増幅器の小型化や広帯域特性を得ることができる。しかし、非先行文献1に開示されているドハティ増幅器の構成では、バックオフ状態から飽和状態に遷移するときにキャリアアンプの負荷が半分になる負荷変調効果を得られないという問題が生じる虞があった。これにより、非先行文献1に開示されているドハティ増幅器では効率を向上できない問題が生じる虞があった。
そこで、本開示は、ドハティ増幅器において1/4波長線路を用いず適切な負荷変調効果を生じさせる電力増幅回路を提供することを目的とする。
本発明の一側面に係る電力増幅回路は、入力信号の電力レベルが第1レベル以上の領域において、前記入力信号から分配された第1信号を増幅して第2信号を出力する第1増幅器と、前記第1増幅器の出力側に接続される、前記第1増幅器の出力側のインピーダンスを変換させる第1変換器と、前記入力信号の電力レベルが前記第1レベルより高い第2レベル以上の領域において、前記入力信号から分配された第3信号を増幅して第4信号を出力する、少なくとも一つ以上の第2増幅器と、を備え、前記第2増幅器それぞれの出力側は、前記第1変換器の出力側と直列に接続され、前記第1変換器は、前記第1増幅器の出力側のインピーダンスの絶対値を、前記第2増幅器それぞれの出力側のインピーダンスの絶対値よりも大きくする構成を有する。
本発明の一側面に係る電力増幅回路は、入力信号の電力レベルが第3レベル以上の領域において、前記入力信号から分配された第5信号を増幅して第6信号を出力する第3増幅器と、前記第3増幅器の出力側に接続される、前記第3増幅器の出力側のインピーダンスを変換させる第3変換器と、前記入力信号の電力レベルが前記第3レベルより高い第4レベル以上の領域において、前記入力信号から分配された第7信号を増幅して第8信号を出力する、少なくとも一つ以上の第4増幅器と、を備え、前記第4増幅器それぞれの出力側は、前記第3変換器の出力側と並列に接続され、前記第3変換器は、前記第3増幅器の出力側のインピーダンスの絶対値を、前記第4増幅器それぞれの出力側のインピーダンスの絶対値よりも小さくする構成を有する。
本発明の一側面に係る電力増幅回路は、入力信号の電力レベルが第5レベル以上の領域において、前記入力信号から分配された第9信号を増幅して第10信号を出力する第5増幅器と、前記入力信号の電力レベルが前記第5レベルより高い第6レベル以上の領域において、前記入力信号から分配された第11信号を増幅して第12信号を出力する、少なくとも一つ以上の第6増幅器と、前記第6増幅器それぞれの出力側に接続される、前記第6増幅器それぞれの出力側のインピーダンスを変換させる第5変換器と、を備え、前記第5変換器それぞれの出力側は、前記第5増幅器の出力側と直列に接続され、前記第5変換器それぞれは、前記第5増幅器の出力側のインピーダンスの絶対値を、前記第6増幅器それぞれの出力側のインピーダンスの絶対値よりも小さくする構成を有する。
本開示によれば、ドハティ増幅器において1/4波長線路を用いず適切な負荷変調効果を生じさせる電力増幅回路を提供することができる。
第1実施形態に係る電力増幅回路の構成の概略を示す構成図である。 第1実施形態に係る電力増幅回路の変形例を示す構成図である。 電流源とみなせる変換器の一例を示す構成図である。 電圧源とみなせる変換器の一例を示す構成図である。 第1実施形態に係る電力増幅回路の構成の一例を示す構成図である。 第2実施形態に係る電力増幅回路の構成の概略を示す構成図である。 第2実施形態に係る電力増幅回路の変形例を示す構成図である。 第2実施形態に係る電力増幅回路の構成の一例を示す構成図である。 第3実施形態に係る電力増幅回路の構成の一例を示す構成図である。
以下、各図を参照しながら本開示の各実施形態について説明する。ここで、同一符号の回路素子は、同一の回路素子を示すものとし、重複する説明を省略する。
===第1実施形態に係る電力増幅回路100の構成===
図1〜図5を参照して、第1実施形態に係る電力増幅回路100の構成について説明する。図1は、第1実施形態に係る電力増幅回路100の構成の概略を示す構成図である。図2は、第1実施形態に係る電力増幅回路100の変形例を示す構成図である。図3は、電流源とみなせる変換器140の一例を示す構成図である。図4は、電圧源とみなせる変換器150の一例を示す構成図である。図5は、第1実施形態に係る電力増幅回路100の構成の一例を示す構成図である。
電力増幅回路100は、例えば、携帯電話機に搭載され、基地局に送信する信号の電力を増幅するために用いられる。電力増幅回路100は、例えば、2G(第2世代移動通信システム)、3G(第3世代移動通信システム)、4G(第4世代移動通信システム)、5G(第5世代移動通信システム)、LTE(Long Term Evolution)−FDD(Frequency Division Duplex)、LTE−TDD(Time Division Duplex)、LTE−Advanced、LTE−Advanced Proなどの通信規格の信号の電力を増幅することができる。なお、電力増幅回路100が増幅する信号の通信規格はこれらに限られない。
電力増幅回路100は、入力信号RFinを増幅し、出力信号RFoutを出力する。入力信号は無線周波数(RF:Radio−Frequency)信号であり、入力信号の周波数は、例えば数GHz程度である。
図1に示すように、電力増幅回路100は、例えば、分配器110、キャリアアンプ120、ピークアンプ130、変換器140、変換器150を備える。以下に、各構成要素について説明する。
分配器110は、例えば、入力される入力信号RFinを、信号RFin_a(第1信号,第5信号,第9信号)と、信号RFin_aより位相が略90度進んだ信号RFin_b(第3信号,第7信号,第11信号)とに分配する。なお、本実施形態においては、後述するようにキャリアアンプ120およびピークアンプ130が差動アンプであるため、信号RFin_a,RFin_bはさらに、それぞれ位相が180度異なる2つの入力信号に分配される。
キャリアアンプ120(第1増幅器)は、例えば、入力される信号RFin_aを増幅し、増幅信号RFamp_a(第2信号,第6信号,第10信号)を出力する。また、ピークアンプ130(第2増幅器)は、入力される信号RFin_bを増幅し、増幅信号RFamp_b(第4信号,第8信号,第12信号)を出力する。本実施形態においては、例えば、キャリアアンプ120はAB級となるようにバイアスされ、ピークアンプ130はC級となるようにバイアスされる。
すなわち、キャリアアンプ120は、入力信号RFinの電力レベルにかかわらず、電力レベルがゼロ(第1レベル)以上の領域において動作する。他方、ピークアンプ130は、入力信号RFinの電圧レベルが、最大レベルVmaxから所定レベル低いレベルVback(第2レベル)(以下「バックオフ」とも呼ぶ。)以上の領域において動作する。換言すると、ピークアンプ130は、入力信号RFinの電力レベルが、最大レベルから所定レベル(例えば、6dB程度)低く、ゼロ(第1レベル)より高いレベル(第2レベル)以上の領域において動作する。このように、入力信号の電力レベルに応じて2つのアンプの動作を組み合わせることにより、キャリアアンプ120が飽和出力で動作する領域が広がる。従って、一つのアンプのみから構成される電力増幅回路に比べて、電力効率が向上する。
キャリアアンプ120およびピークアンプ130は差動アンプにより構成される。差動アンプは、対をなす二つの増幅素子を備え、当該二つの増幅素子の各々に入力される同振幅逆位相の信号の電位差を増幅して出力する。したがって、2つの増幅素子の各々に同振幅同位相の信号(例えば、ノイズ等)が同時に入力される場合、当該同振幅同位相の信号は打ち消される。すなわち、キャリアアンプ120及びピークアンプ130に差動アンプを用いることにより、ノイズや入力信号の高調波の発生を抑制することができる。
なお、差動アンプが備える増幅素子は特に限定されないが、例えばヘテロ接合バイポーラトランジスタ(HBT:Heterojunction Bipolar Trnsistor)等のバイポーラトランジスタ、又はMOSFET(Metal−oxide−semiconductor Field Effect Transistor)などの電界効果トランジスタであってもよい。
変換器140,150のそれぞれは、キャリアアンプ120およびピークアンプ130の出力側に接続されている。変換器140,150は、例えば、各アンプ120,130に関する特性(インピーダンスや位相等)を変換するとともに、増幅された電力を負荷1000に伝達する。以下では、図1に示すように、一つのピークアンプ130に接続される変換器150が負荷1000と直列に接続されているものとして説明する。なお、図2に示すように、複数のピークアンプ130に接続される変換器150のそれぞれが負荷1000と直列に接続されていてもよい。
変換器140,150によって、各アンプ120,130を構成する増幅素子に関する特性(インピーダンスや位相等)を実質的に変換させることで、各アンプ120,130を負荷1000側から見たときに、各アンプ120,130を電流源とみなせる電圧源とみなせるかが調整される。なお、各アンプ120,130を電流源とみなせるか電圧源とみなせるかは、各アンプ120,130の出力インピーダンスの絶対値の相対的な比較で決定される。ここで、出力インピーダンスは、各アンプ120,130のトランジスタにアイドル電流を流さない状態でバイアスしたときに、負荷1000側から測定した進行波と反射波とから求まる反射係数に基づき算出されてもよい。
第1実施形態に係る電力増幅回路100では、変換器140によってキャリアアンプ120側が電流源とみなせるように、変換器150によってピークアンプ130側が電圧源とみなせるように、変換器140および変換器150が構成される。換言すると、変換器140および変換器150は、キャリアアンプ120の出力側(変換器140の出力側)のインピーダンスの絶対値を、ピークアンプ130の出力側(変換器150の出力側)のインピーダンスの絶対値よりも大きくする構成を有する。
以下、図3、図4を参照して、変換器140、変換器150の構成の一例について説明する。
図3に示すように、電流源とみなせる変換器140は、例えば、第1トランス141、第1コンデンサ142、第2コンデンサ143を含む。
第1トランス141は、例えば、入力側巻線141aと出力側巻線141bとを含む巻線トランスであり、入力側巻線141aに入力された信号を出力側巻線141bに伝搬する。具体的には、第1トランス141は、入力側巻線141a(第1入力側巻線)にキャリアアンプ120から出力される増幅信号RFamp_a(電流Ia)が入力され、出力側巻線141b(第1出力側巻線)から出力する。
第1トランス141の入力側巻線141aの中点g1には、電源電圧Vccが供給される。ここで、中点g1には、キャリアアンプ120から逆位相の2つの入力信号が供給されるため、中点g1は仮想接地点となる。したがって、中点g1に電源電圧Vccが供給されることにより、電源回路に起因するノイズを抑制することができる。すなわち、電力増幅回路100は、電源用のチョークコイルやバイパスコンデンサを備える必要がない。これにより、電力増幅回路100は、電源用のチョークコイルやバイパスコンデンサを備える必要がなく、回路規模の削減を図ることができる。
なお、第1トランス141は、入力側巻線141a及び出力側巻線141bの巻線比を調整することにより、インピーダンス整合の機能を兼ねることができる。これにり、チップの外に出力整合回路を形成することなく、チップ上に形成された第1トランス141によりインピーダンスを整合することができる。したがって、電力増幅回路100は、回路規模の削減を図ることができる。
第1コンデンサ142は、例えば入力側巻線141aと並列に接続される。第2コンデンサ143は、例えば出力側巻線141bと直接に接続される。第1コンデンサ142および第2コンデンサ143は、例えば、第1トランス141の寄生インダクタンスの影響を考慮した場合における第1トランス141のインピーダンス整合のために設けられている。なお、第1コンデンサ142は、キャリアアンプ120に寄生する容量で代替えすることもできるため、省略されてもよい。
図4に示すように、電圧源とみなせる変換器150は、例えば、第2トランス151、第3コンデンサ152、第4コンデンサ153を含む。変換器150の各構成要素の特性は、変換器140の各構成要素の特性と同じであり、変換器140の第2コンデンサ143に替えて、第4コンデンサ153を出力用巻線と直列に接続したものである。ここでは、説明の便宜のため、変換器140と同じ構成要素については説明を省略する。
上述した図3、図4からわかるように、電力増幅回路100は、負荷1000側からみたときの変換器140の出力インピーダンスは、負荷1000側からみたときの変換器150の出力インピーダンスよりも大きくなるよう構成される。したがって、電力増幅回路100において、変換器140は相対的に電流源とみなされ、変換器150は相対的に電圧源とみなされる。
すなわち、電力増幅回路100では、キャリアアンプ120側を電流源とみなせ、ピークアンプ130側を電圧源とみなせることによって、負荷1000に流れる電流は電流源のみにより決定される。このため、電力増幅回路100では、1/4波長線路を用いずに、キャリアアンプ120における小信号状態から飽和状態への遷移に伴い、キャリアアンプ120の増幅素子から見た出力インピーダンスを適切に半分まで減少できる。したがって、小型かつ広帯域にドハティ増幅器が実現できるとともに、その高い効率を実現できる。
さらに言うと、電力増幅回路100に差動の増幅器を用いることで、電源ノイズに対して強い回路を実現できる。また、バイアス回路が簡単になることや優れた線形性を示す回路を実現できる。
なお、図1においては、電力増幅回路100の各アンプ120,130が概略的に示されているが、電力増幅回路100は、例えば、初段(ドライバ段)が一つのアンプにより構成され、出力段(パワー段)において上述のドハティ増幅器の構成が適用されていてもよい。また、電力増幅回路100は、出力段(パワー段)のキャリアアンプ120とピークアンプ130のそれぞれに、初段(ドライバ段)となるアンプが接続されてもよい。
以下、図3〜図5を参照しつつ、変換器140、変換器150を構成する各素子のパラメータの決定方法の一例について説明する。図5には、キャリアアンプ120およびピークアンプ130が差動対であり、出力がシングルエンドの電力増幅回路100の構成の一例が示されている。
図5に示すように、電力増幅回路100は、例えば、差動対からなるキャリアアンプ120と、キャリアアンプ120に接続される変換器140と、差動対からなるピークアンプ130と、ピークアンプ130に接続される変換器150とを含む。
まず、図3を参照して、変換器140を構成する素子のパラメータについて説明する。電力増幅回路100では、変換器140を構成する素子のパラメータを適切に選定することにより、変換器140を負荷1000側からみて電流源とみなすことができる。具体的には、図3に示す変換器140において、以下の式(1),(2)の条件を満たすようにパラメータを選定すると、変換器140を電流源とみなすことができる。
ω0 2×La×Ca=1 ・・・ (1)
ω0 2×Lb×Cb=1/(1−kab 2) ・・・ (2)
式(1),式(2)において、ω0は角周波数(2πf)を示す。Laは入力側巻線141aのインダクタンスを示す。Lbは出力側巻線141bのインダクタンスを示す。Caは第1コンデンサ142のキャパシタンスを示す。Cbは第2コンデンサ143のキャパシタンスを示す。kabは第1トランス141の結合係数を示す。
上記の条件は、図3の変換器140が示す回路の従属行列を求め、当該従属行列の非対角成分が0となる条件である。図3に示す変換器140は、式(1),(2)を満足するようなコンデンサおよびインダクタが選定されると、式(3)に示す従属行列が示す動作をする。
Figure 2021192476
式(3)において、Vaは変換器140の入力電圧である。Vbは変換器140の出力電圧である。Iaは増幅信号RFamp_aに対応する変換器140の入力電流である。Ibは変換器140から負荷1000に出力する出力電流である。
式(3)に示す従属行列の特性を有する変換器140は、電圧と電流をそれぞれ定数倍にして出力する回路である。すなわち、変換器140の入力側にキャリアアンプ120のような電流源が接続されると、変換器140の出力側(負荷1000側)からみて、変換器140を電流源とみなすことができる。
次に、図4を参照して、変換器150を構成する素子のパラメータについて説明する。電力増幅回路100では、変換器150を構成する素子のパラメータを適切に選定することにより、変換器150を負荷1000側からみて電圧源とみなすことができる。具体的には、図4に示す変換器150において、以下の式(4),(5)の条件を満たすようにパラメータを選定すると、変換器150を電圧源とみなすことができる。
ω0 2×La×Ca=1/(1−kab 2) ・・・ (4)
ω0 2×Lb×Cb=1/(1−kab 2) ・・・ (5)
上記の条件は、図4の変換器150が示す回路の従属行列を求め、当該従属行列の対角成分が0となる条件である。図4に示す変換器150は、式(4),(5)を満足するようなコンデンサおよびインダクタが選定されると、式(6)に示す従属行列が示す動作をする。
Figure 2021192476
式(6)に示す従属行列の特性を有する変換器150は、電圧と電流をそれぞれ入れ替えて定数倍して出力する回路である。すなわち、変換器150の入力側にキャリアアンプ120のような電流源が接続されると、変換器150の出力側からみて、変換器150を電圧源とみなすことができる。
なお、キャリアアンプ120およびピークアンプ130を構成する増幅素子は、コンデンサと並列に接続されるよう示されることがあるが、その場合、当該コンデンサの容量を変換器140および変換器150の一次側の容量の一部であると考えて、パラメータを選択してもよい。
式(3),式(6)に示されるパラメータを満たす条件において、図5に示すように、キャリアアンプ120に変換器140を接続し、ピークアンプ130に変換器150を接続する。この状態において、キャリアアンプ120から見た出力インピーダンスZCは式(7)で示され、ピークアンプ130から見た出力インピーダンスZPは式(8)で示される。
Figure 2021192476
Figure 2021192476
式(7),式(8)において、RLは負荷1000のインピーダンスを示す。kCLは第1トランス141の結合係数である。kPLは第2トランス151の結合係数である。LCは変換器140の入力側巻線141aのインダクタンスである。LLcは変換器140の出力側巻線141b(負荷1000側)のインダクタンスである。LPは変換器150の入力側巻線141aのインダクタンスである。LLPは変換器150の出力側巻線(負荷1000側)のインダクタンスである。ICはキャリアアンプ120から出力される複素交流電流である。IPはキャリアアンプ120から出力される複素交流電流である。
なお、キャリアアンプ120およびピークアンプ130のそれぞれを構成する増幅素子の大きさが同じであるとすると、電流振幅の最大値は等しくなるため、(IP/IC)の絶対値は1となる。さらに、各アンプ120,130の増幅素子に最適な負荷1000のインピーダンスROPTも略等しいとみなせる。よって、図5に示す電力増幅回路100が飽和状態にあるとき、出力インピーダンスZC、ZPを負荷1000側のインピーダンスROPTに整合させるためには、第1トランス141につき式(9)の条件を満たすように、第2トランス151につき式(10)の条件を満たすように、各素子を選定する。
(1/kCL 2)×(LC/LLC)=ROPT/RL ・・・ (9)
(ω0 2×LP×LPL)×(1−kPL 22/kPL ・・・ (10)
さらに、具体的に述べると、高周波のシステムにおいて、負荷1000のインピーダンスRLは50Ωである。また、携帯電話のような移動体通信端末においては、数V程度の電源電圧で、最大数Wオーダーの電力を出力しなくてはならない。したがって、最適な負荷1000のインピーダンスROPTは数Ωとなる。よって、ROPT/RLは1よりも小さくなる。
また、トランスの結合係数の絶対値も1よりも小さくなるため、変換器140の第1トランス141の入力側のインダクタンスLCは、出力側のインダクタンスLLCよりも小さくなる。すなわち、入力側巻線141aの線路長は、出力側巻線141bの線路長よりも短く設計される。
一方、高周波の領域におけるトランスの設計においては、寄生成分の影響を抑制し、インダクタンスを設計するのは難しい。したがって、結合係数の設計についても制約が生じる。
これらを考慮すると、おおよそ0.28から0.99の間で結合係数kPLを設計する必要がある。さらに言うと、高周波の領域では0.99の結合係数を得ようとしても容易ではないことから、上限を考慮せず、結合係数kPLの下限0.28を考慮してトランスを設計すればよいことがわかる。
===第2実施形態に係る電力増幅回路200===
図6〜図8を参照しつつ、第2実施形態に係る電力増幅回路200について説明する。図6は、第2実施形態に係る電力増幅回路200の構成の概略を示す構成図である。図7は、第2実施形態に係る電力増幅回路200の変形例を示す構成図である。図8は、第2実施形態に係る電力増幅回路200の構成の一例を示す構成図である。第2実施形態に係る電力増幅回路200では、上述の実施形態と共通の事柄についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については逐次言及しない。
図6に示すように、電力増幅回路200は、第1実施形態に係る電力増幅回路100と比較して、一つのピークアンプ230(第4増幅器)に接続される変換器250(第4変換器)が負荷1000と並列に接続されている。また、図7に示すように、複数のピークアンプ230に接続される変換器250のそれぞれが負荷1000と並列に接続されていてもよい。さらに、図8に示すように、ピークアンプ230側の変換器を排除して構成されていてもよい。
電力増幅回路200は、第1実施形態に係る電力増幅回路100と比較して、変換器240(第3変換器)によってキャリアアンプ220(第3増幅器)側が電圧源とみなせるように、変換器250によってピークアンプ230側が電流源とみなせるように、変換器240および変換器250が構成されている。換言すると、変換器240および変換器250は、キャリアアンプ220の出力側(変換器240の出力側)のインピーダンスの絶対値を、ピークアンプ230(複数の場合は、ピークアンプ230それぞれ)の出力側(変換器250の出力側)のインピーダンスの絶対値よりも小さくする構成を有する。電力増幅回路200では、電圧源と電流源とが並列に接続されているため、電圧源と電流源とで抵抗に流れる電流が決定する。そして、電圧源から出る電流は、電流源から出る電流を差し引いたものとなる。
なお、変換器240は第1実施形態の変換器150と同じであり、変換器250は第1実施形態の変換器140と同じであるため、その説明を省略する。
以下、図8を参照しつつ、ピークアンプ230側の変換器250を排除した電力増幅回路200について説明する。図8に示すように、電力増幅回路200は、バラン260を用いて、負荷1000のインピーダンスRLと、ピークアンプ230から見た出力インピーダンスとを整合させる。バラン260は、例えば、整合用トランス261、入力用コンデンサ262、出力用コンデンサ263を含む。
整合用トランス261は、例えば、入力側巻線261aと、接地に接続される出力側巻線261bとを含む巻線トランスであり、入力側巻線261aに入力された信号を出力側巻線261bに伝搬する。具体的には、整合用トランス261は、入力側巻線261aにキャリアアンプ220から出力される増幅信号とピークアンプ230から出力される増幅信号とが合成された増幅信号が入力され、インピーダンス変換して出力側巻線261bから出力する。整合用トランス261の入力側巻線261aの中点g0には、電源電圧Vccが供給される。
入力用コンデンサ262は、例えば入力側巻線261aと並列に接続される。出力用コンデンサ263は、例えば出力側巻線261bと直接に接続される。入力用コンデンサ262および出力用コンデンサは、例えば、入力側トランスの寄生インダクタンスの影響を考慮した場合における整合用トランス261のインピーダンス整合のために設けられている。
なお、電力増幅回路200において、バラン260に替えてインピーダンス整合が可能な素子を備えていてもよい。
電力増幅回路200では、ピークアンプ230用の変換器250を排除しているため、上述した結合係数kPLの下限0.28を考慮する必要がなくなる。よって、結合係数の高いトランスを実現することが困難な設計条件の場合においても、適切なドハティ増幅器を実現できる。また、電力増幅回路200では、変換器250を排除しているため、ピークアンプ230を構成する増幅素子の出力インピーダンスを高めるように、変換器240のトランス241の二次漏れインダクタンス、またはバラン260の整合用トランス261の一次漏れインダクタンスによって容量を吸収させる。また、適切な箇所にインダクタンスを並列に接続して容量を吸収してもよい。
===第3実施形態に係る電力増幅回路300===
図9を参照しつつ、第3実施形態に係る電力増幅回路300について説明する。図9は、第3実施形態に係る電力増幅回路300の構成の一例を示す構成図である。第3実施形態に係る電力増幅回路300では、上述の実施形態と共通の事柄についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については逐次言及しない。
図9に示すように、電力増幅回路300は、第1実施形態に係る電力増幅回路100と比較して、キャリアアンプ320(第5増幅器)をシングルエンドで構成し、キャリアアンプ320側の変換器(電力増幅回路100の変換器340に対応する変換器)が排除されて構成されている。
電力増幅回路300は、負荷1000のインピーダンス(RL)と、ピークアンプ330(第6増幅器)の出力側のインピーダンスとを整合させるために、インピーダンス整合回路360を有する。インピーダンス整合回路360は、図9では一例として、インダクタ361およびコンデンサ362で形成される一段のローパスフィルタを示しているが、多段のローパスフィルタ、ハイパスフィルタ、それらを組み合わせたバンドパスフィルタ、またはトランスを用いた整合回路などであってもよく、特に限定されない。
また、電力増幅回路300は、シングルエンドで構成されたキャリアアンプ320の後段に、キャリアアンプ320へのバイアスを供給するバイアス回路370を有する。バイアス回路370の構成は特に限定されない。ただし、バイアス回路370に含まれるインダクタ371は、キャリアアンプ320を構成する増幅素子の出力アドミタンスの虚部と同じサセプタンスになるよう選定されることが望ましい。これにより、キャリアアンプ320の出力インピーダンスの絶対値を上げることができるため、変換器340のような動作をさせることができる。
電力増幅回路300は、第1実施形態に係る電力増幅回路100と比較して、キャリアアンプ320の変換器を省略できるため、回路のサイズを小さくできる。また、キャリアアンプ320がシングルエンドで構成されているため、その測定が容易となる。
===まとめ===
本開示の例示的な実施形態に係る電力増幅回路100は、入力信号RFin(入力信号)の電力レベルが第1レベル以上の領域において、入力信号から分配された信号RFin_a(第1信号)を増幅して増幅信号RFamp_a(第2信号)を出力するキャリアアンプ120(第1増幅器)と、キャリアアンプ120(第1増幅器)の出力側に接続される、キャリアアンプ120(第1増幅器)の出力側のインピーダンスを変換させる変換器140(第1変換器)と、入力信号RFin(入力信号)の電力レベルが第1レベルより高い第2レベル以上の領域において、入力信号RFin(入力信号)から分配された信号RFin_b(第3信号)を増幅して増幅信号RFamp_b(第4信号)を出力する、少なくとも一つ以上のピークアンプ130(第2増幅器)と、を備え、ピークアンプ130(第2増幅器)それぞれの出力側は、変換器140(第1変換器)の出力側と直列に接続され、変換器140(第1変換器)は、キャリアアンプ120(第1増幅器)の出力側のインピーダンスの絶対値を、ピークアンプ130(第2増幅器)それぞれの出力側のインピーダンスの絶対値よりも大きくする構成を有する。これにより、1/4波長線路を用いず適切な負荷変調効果を生じさせることができる。
また、本開示の例示的な実施形態に係る電力増幅回路100の変換器140(第1変換器)は、増幅信号RFamp_a(第2信号)が入力される入力側巻線141a(第1入力側巻線)と、入力側巻線141a(第1入力側巻線)と電磁界結合される出力側巻線141b(第1出力側巻線)と、を含む第1トランス141と、入力側巻線141a(第1入力側巻線)と並列に接続される第1コンデンサ142と、出力側巻線141b(第1出力側巻線)と直列に接続される第2コンデンサ143とを含む。これにより、変換器140をシンプルな構成で実現できる。
また、本開示の例示的な実施形態に係る電力増幅回路100は、ピークアンプ130(第2増幅器)それぞれの出力側に接続され、ピークアンプ130(第2増幅器)に関する特性を変換させる変換器150(第2変換器)をさらに備え、ピークアンプ130(第2増幅器)それぞれの出力側は、変換器150(第2変換器)を通じて、変換器140(第1変換器)の出力側と直列に接続され、変換器140(第1変換器)および変換器150(第2変換器)は、キャリアアンプ120(第1増幅器)の出力側のインピーダンスの絶対値を、ピークアンプ130(第2増幅器)それぞれの出力側のインピーダンスの絶対値よりも大きくする構成を有する。これにより、より適切にインピーダンス整合が可能となる。
また、本開示の例示的な実施形態に係る電力増幅回路100の変換器150(第2変換器)は、第4信号が入力される入力側巻線151a(第2入力側巻線)と、入力側巻線151a(第2入力側巻線)と電磁界結合される出力側巻線151b(第2出力側巻線)と、を含む第2トランス151と、入力側巻線151a(第2入力側巻線)と並列に接続される第3コンデンサ152と、出力側巻線151b(第2出力側巻線)と並列に接続される第4コンデンサ153とを含む。これにより、変換器150をシンプルな構成で実現できる。
また、本開示の例示的な実施形態に係る電力増幅回路100のキャリアアンプ120(第1増幅器)は、差動の増幅器である。これにより、電源ノイズに対して強い回路を実現でき、さらに、バイアス回路が簡単になることや優れた線形性を示す回路を実現できる。
また、本開示の例示的な実施形態に係る電力増幅回路100のピークアンプ130(第2増幅器)は、差動の増幅器である。これにより、電源ノイズに対して強い回路を実現でき、さらに、バイアス回路が簡単になることや優れた線形性を示す回路を実現できる。
本開示の例示的な実施形態に係る電力増幅回路200は、入力信号の電力レベルが第3レベル以上の領域において、入力信号RFin(入力信号)から分配された信号RFin_a(第5信号)を増幅して増幅信号RFamp_a(第6信号)を出力するキャリアアンプ220(第3増幅器)と、キャリアアンプ220(第3増幅器)の出力側に接続される、キャリアアンプ220(第3増幅器)の出力側のインピーダンスを変換させる変換器240(第3変換器)と、入力信号RFin(入力信号)の電力レベルが第3レベルより高い第4レベル以上の領域において、入力信号RFin(入力信号)から分配された信号RFin_b(第7信号)を増幅して増幅信号RFamp_b(第8信号)を出力する、少なくとも一つ以上のピークアンプ230(第4増幅器)と、を備え、ピークアンプ230(第4増幅器)それぞれの出力側は、変換器240(第3変換器)の出力側と並列に接続され、 変換器240(第3変換器)は、キャリアアンプ220(第3増幅器)の出力側のインピーダンスの絶対値を、ピークアンプ230(第4増幅器)それぞれの出力側のインピーダンスの絶対値よりも小さくする構成を有する。これにより、1/4波長線路を用いず適切な負荷変調効果を生じさせることができる。
本開示の例示的な実施形態に係る電力増幅回路200の変換器240(第3変換器)は、増幅信号RFamp_a(第6信号)が入力される入力側巻線241a(第3入力側巻線)と、入力側巻線241a(第3入力側巻線)と電磁界結合される出力側巻線241b(第3出力側巻線)と、を含むトランス241(第3トランス)と、入力側巻線241a(第3入力側巻線)と並列に接続されるコンデンサ242(第5コンデンサ)と、出力側巻線241b(第3出力側巻線)と並列に接続されるコンデンサ243(第6コンデンサ)とを含む。これにより、変換器240をシンプルな構成で実現できる。
本開示の例示的な実施形態に係る電力増幅回路200は、ピークアンプ230(第4増幅器)それぞれの出力側に接続され、ピークアンプ230(第4増幅器)に関する特性を変換させる変換器250(第4変換器)、をさらに備え、ピークアンプ230(第4増幅器)それぞれは、変換器250(第4変換器)を通じて、変換器240(第3変換器)の出力側と並列に接続され、変換器240(第3変換器)および変換器250(第4変換器)は、キャリアアンプ220(第3増幅器)の出力側のインピーダンスの絶対値を、ピークアンプ230(第4増幅器)それぞれの出力側のインピーダンスの絶対値よりも小さくする構成を有する。これにより、より適切にインピーダンス整合が可能となる。
本開示の例示的な実施形態に係る電力増幅回路200の変換器250(第4変換器)は、第8信号が入力される入力側巻線251a(第4入力側巻線)と、入力側巻線251a(第4入力側巻線)と電磁界結合される出力側巻線251b(第4出力側巻線)と、を含むトランス251(第4トランス)と、入力側巻線251a(第4入力側巻線)と並列に接続されるコンデンサ252(第7コンデンサ)と、出力側巻線251b(第4出力側巻線)と直列に接続されるコンデンサ253(第8コンデンサ)とを含む。これにより、変換器250をシンプルな構成で実現できる。
本開示の例示的な実施形態に係る電力増幅回路200のキャリアアンプ220(第3増幅器)は、差動の増幅器である。これにより、電源ノイズに対して強い回路を実現でき、さらに、バイアス回路が簡単になることや優れた線形性を示す回路を実現できる。
本開示の例示的な実施形態に係る電力増幅回路200のピークアンプ230(第4増幅器)は、差動の増幅器である。これにより、電源ノイズに対して強い回路を実現でき、さらに、バイアス回路が簡単になることや優れた線形性を示す回路を実現できる。
本開示の例示的な実施形態に係る電力増幅回路300は、入力信号の電力レベルが第5レベル以上の領域において、入力信号RFin(入力信号)から分配された信号RFin_a(第9信号)を増幅して増幅信号RFamp_a(第10信号)を出力するキャリアアンプ320(第5増幅器)と、入力信号RFin(入力信号)の電力レベルが第5レベルより高い第6レベル以上の領域において、入力信号RFin(入力信号)から分配された信号RFin_b(第11信号)を増幅して増幅信号RFamp_b(第12信号)を出力する、少なくとも一つ以上のピークアンプ330(第6増幅器)と、ピークアンプ330(第6増幅器)それぞれの出力側に接続される、ピークアンプ330(第6増幅器)の出力側のインピーダンスを変換させる変換器350(第5変換器)と、を備え、変換器350(第5変換器)それぞれの出力側は、キャリアアンプ320(第5増幅器)の出力側と直列に接続され、変換器350(第5変換器)それぞれは、キャリアアンプ320(第5増幅器)の出力側のインピーダンスの絶対値を、ピークアンプ330(第6増幅器)の出力側のインピーダンスの絶対値よりも小さくする構成を有する。これにより、1/4波長線路を用いず適切な負荷変調効果を生じさせることができる。
本開示の例示的な実施形態に係る電力増幅回路300の変換器350(第5変換器)は、増幅信号RFamp_b(第12信号)が入力される入力側巻線351a(第5入力側巻線)と、入力側巻線351a(第5入力側巻線)と電磁界結合される出力側巻線351b(第5出力側巻線)と、を含むトランス351(第5トランス)と、入力側巻線351a(第5入力側巻線)と並列に接続されるコンデンサ352(第9コンデンサ)と、出力側巻線351b(第5出力側巻線)と並列に接続されるコンデンサ353(第10コンデンサ)とを含む。これにより、変換器350をシンプルな構成で実現できる。
本開示の例示的な実施形態に係る電力増幅回路300のピークアンプ330(第6増幅器)は、差動の増幅器である。これにより、電源ノイズに対して強い回路を実現でき、さらに、バイアス回路が簡単になることや優れた線形性を示す回路を実現できる。
以上説明した実施形態は、本開示の理解を容易にするためのものであり、本開示を限定して解釈するためのものではない。本開示は、その趣旨を逸脱することなく、変更又は改良され得るとともに、本開示にはその等価物も含まれる。すなわち、実施形態に当業者が適宜設計変更を加えたものも、本開示の特徴を備えている限り、本開示の範囲に包含される。実施形態が備える素子及びその配置などは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。
100,200,300…電力増幅回路、110…分配器、120,220,320…キャリアアンプ、130,230,330…ピークアンプ、140,240,340…変換器、141…第1トランス、142…第1コンデンサ、143…第2コンデンサ、150,250,350…変換器、151…第2トランス、152…第3コンデンサ、153…第4コンデンサ。

Claims (15)

  1. 入力信号の電力レベルが第1レベル以上の領域において、前記入力信号から分配された第1信号を増幅して第2信号を出力する第1増幅器と、
    前記第1増幅器の出力側に接続される、前記第1増幅器の出力側のインピーダンスを変換させる第1変換器と、
    前記入力信号の電力レベルが前記第1レベルより高い第2レベル以上の領域において、前記入力信号から分配された第3信号を増幅して第4信号を出力する、少なくとも一つ以上の第2増幅器と、
    を備え、
    前記第2増幅器それぞれの出力側は、前記第1変換器の出力側と直列に接続され、
    前記第1変換器は、前記第1増幅器の出力側のインピーダンスの絶対値を、前記第2増幅器それぞれの出力側のインピーダンスの絶対値よりも大きくする構成を有する、
    電力増幅回路。
  2. 前記第1変換器は、
    前記第2信号が入力される第1入力側巻線と、前記第1入力側巻線と電磁界結合される第1出力側巻線と、を含む第1トランスと、
    前記第1入力側巻線と並列に接続される第1コンデンサと、
    前記第1出力側巻線と直列に接続される第2コンデンサとを含む、
    請求項1に記載の電力増幅回路。
  3. 前記第2増幅器それぞれの出力側に接続され、前記第2増幅器それぞれの出力側のインピーダンスを変換させる第2変換器、
    をさらに備え、
    前記第2増幅器それぞれの出力側は、前記第2変換器を通じて、前記第1変換器の出力側と直列に接続され、
    前記第1変換器および前記第2変換器は、前記第1増幅器の出力側のインピーダンスの絶対値を、前記第2増幅器それぞれの出力側のインピーダンスの絶対値よりも大きくする構成を有する、
    請求項1または2に記載の電力増幅回路。
  4. 前記第2変換器は、
    前記第4信号が入力される第2入力側巻線と、前記第2入力側巻線と電磁界結合される第2出力側巻線と、を含む第2トランスと、
    前記第2入力側巻線と並列に接続される第3コンデンサと、
    前記第2出力側巻線と並列に接続される第4コンデンサとを含む、
    請求項3に記載の電力増幅回路。
  5. 前記第1増幅器は、差動の増幅器である、
    請求項1から4のいずれか一項に記載の電力増幅回路。
  6. 前記第2増幅器は、差動の増幅器である、
    請求項1から5のいずれか一項に記載の電力増幅回路。
  7. 入力信号の電力レベルが第3レベル以上の領域において、前記入力信号から分配された第5信号を増幅して第6信号を出力する第3増幅器と、
    前記第3増幅器の出力側に接続される、前記第3増幅器の出力側のインピーダンスを変換させる第3変換器と、
    前記入力信号の電力レベルが前記第3レベルより高い第4レベル以上の領域において、前記入力信号から分配された第7信号を増幅して第8信号を出力する、少なくとも一つ以上の第4増幅器と、
    を備え、
    前記第4増幅器それぞれの出力側は、前記第3変換器の出力側と並列に接続され、
    前記第3変換器は、前記第3増幅器の出力側のインピーダンスの絶対値を、前記第4増幅器それぞれの出力側のインピーダンスの絶対値よりも小さくする構成を有する、
    電力増幅回路。
  8. 前記第3変換器は、
    前記第6信号が入力される第3入力側巻線と、前記第3入力側巻線と電磁界結合される第3出力側巻線と、を含む第3トランスと、
    前記第3入力側巻線と並列に接続される第5コンデンサと、
    前記第3出力側巻線と並列に接続される第6コンデンサとを含む、
    請求項7に記載の電力増幅回路。
  9. 前記第4増幅器それぞれの出力側に接続され、前記第4増幅器それぞれの出力側のインピーダンスを変換させる第4変換器、
    をさらに備え、
    前記第4増幅器それぞれは、前記第4変換器を通じて、前記第3変換器の出力側と並列に接続され、
    前記第3変換器および前記第4変換器は、前記第3増幅器の出力側のインピーダンスの絶対値を、前記第4増幅器それぞれの出力側のインピーダンスの絶対値よりも小さくする構成を有する、
    請求項7または8に記載の電力増幅回路。
  10. 前記第4変換器は、
    前記第8信号が入力される第4入力側巻線と、前記第4入力側巻線と電磁界結合される第4出力側巻線と、を含む第4トランスと、
    前記第4入力側巻線と並列に接続される第7コンデンサと、
    前記第4出力側巻線と直列に接続される第8コンデンサとを含む、
    請求項9に記載の電力増幅回路。
  11. 前記第3増幅器は、差動の増幅器である、
    請求項7から10のいずれか一項に記載の電力増幅回路。
  12. 前記第4増幅器は、差動の増幅器である、
    請求項7から11のいずれか一項に記載の電力増幅回路。
  13. 入力信号の電力レベルが第5レベル以上の領域において、前記入力信号から分配された第9信号を増幅して第10信号を出力する第5増幅器と、
    前記入力信号の電力レベルが前記第5レベルより高い第6レベル以上の領域において、前記入力信号から分配された第11信号を増幅して第12信号を出力する、少なくとも一つ以上の第6増幅器と、
    前記第6増幅器それぞれの出力側に接続される、前記第6増幅器それぞれの出力側のインピーダンスを変換させる第5変換器と、
    を備え、
    前記第5変換器それぞれの出力側は、前記第5増幅器の出力側と直列に接続され、
    前記第5変換器それぞれは、前記第5増幅器の出力側のインピーダンスの絶対値を、前記第6増幅器それぞれの出力側のインピーダンスの絶対値よりも小さくする構成を有する、
    電力増幅回路。
  14. 前記第5変換器は、
    前記第12信号が入力される第5入力側巻線と、前記第5入力側巻線と電磁界結合される第5出力側巻線と、を含む第5トランスと、
    前記第5入力側巻線と並列に接続される第9コンデンサと、
    前記第5出力側巻線と並列に接続される第10コンデンサとを含む、
    請求項13に記載の電力増幅回路。
  15. 前記第6増幅器は、差動の増幅器である、
    請求項13または14に記載の電力増幅回路。
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