JP2021197586A

JP2021197586A - 電力増幅回路

Info

Publication number: JP2021197586A
Application number: JP2020101104A
Authority: JP
Inventors: 将史数野; Masafumi Kazuno
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2020-06-10
Filing date: 2020-06-10
Publication date: 2021-12-27
Also published as: CN215581071U; US11996811B2; US20210391835A1

Abstract

【課題】差動構成により電力を増幅する高効率な電力増幅回路を提供する。【解決手段】電力増幅回路１０は、入力信号ＲＦｉｎを増幅する増幅器１０１と、増幅器１０１の出力に接続された一次コイル１０４１と、一次コイル１０４１と電磁界結合された二次コイル１０４２とを有するトランス１０４と、二次コイル１０４２の一端に接続された増幅器１０２と、二次コイル１０４２の他端に接続された増幅器１０３と、一端が増幅器１０２の出力に接続され、他端が増幅器１０３の出力に接続された一次コイル１０５１と、一次コイル１０５１と電磁界結合された二次コイル１０５２とを有するトランス１０５と、二次コイル１０５２と接地との間に設けられる容量素子１０６と、一端が二次コイル１０５２の一端に接続され、他端が二次コイル１０５２の他端に接続された容量素子１０８と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、電力増幅回路に関する。

携帯電話などの移動体での通信においては、無線周波数（ＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙ：ＲＦ）信号を増幅する電力増幅回路が用いられる。電力増幅回路では、高効率化が求められる。電力増幅回路の高効率化のために、差動信号を用いて増幅を行う電力増幅回路がある。

特許文献１には、差動信号を用いて電力を増幅し、出力側にある容量素子の接続をスイッチにより切り替えることで、周波数帯域に応じて良好なインピーダンス整合を得る電力増幅回路が示される。

米国特許出願公開２０２０／００９９３４８号明細書

特許文献１に記載の電力増幅回路では、入力されたＲＦ信号をトランスにより不平衡平衡変換を行うことで、入力信号を２つの増幅器への差動信号として分配する。差動信号がトランスによって変換された場合、理想的には一方の信号に対する他方の信号の位相は１８０度異なり、振幅は等しくなる。しかし実際のトランスでは、トランスを構成するコイルの間に生じる寄生容量により、差動信号の理想的な位相差及び振幅差からのずれが発生する。差動信号が理想的な状態からずれることによって、差動信号を合成した出力信号の電力効率が低下する。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、差動構成により電力を増幅する高効率な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、入力信号を増幅する第１増幅器と、第１増幅器の出力に接続された第１一次コイルと、第１一次コイルと電磁界結合された第１二次コイルとを有する第１トランスと、第１二次コイルの一端に接続された第２増幅器と、第１二次コイルの他端に接続された第３増幅器と、一端が第２増幅器の出力に接続され、他端が第３増幅器の出力に接続された第２一次コイルと、第２一次コイルと電磁界結合された第２二次コイルとを有する第２トランスと、第２二次コイルと接地との間に設けられる第１容量素子と、一端が第２二次コイルの一端に接続され、他端が第２二次コイルの他端に接続された第２容量素子と、を備える。

本発明によれば、差動構成により電力を増幅する高効率な電力増幅回路を提供することができる。

本実施形態に係る電力増幅回路の回路図である。本実施形態に係る電力増幅回路における差動信号の振幅差及び位相差を説明する図である。本実施形態に係る電力増幅回路の他の回路図である。比較例に係る電力増幅回路の回路図である。比較例に係る電力増幅回路における差動信号の振幅差及び位相差を説明する図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を極力省略する。

図１には、本実施形態に係る電力増幅回路１０の回路図が示される。電力増幅回路１０は、増幅器１０１，１０２，１０３、トランス１０４，１０５、容量素子１０６，１０７，１０８，１０９及びスイッチ１１０を有する。

増幅器１０１（第１増幅器）には、入力信号ＲＦｉｎが入力される。増幅器１０１は、出力が一次コイル１０４１の一端及び容量素子１０９の一端に接続される。増幅器１０１には電源電圧Ｖｃｃ１が供給される。増幅器１０１は、入力信号ＲＦｉｎを増幅した信号をトランス１０４に出力する。

増幅器１０２（第２増幅器）は、入力が二次コイル１０４２の一端に接続され、出力が一次コイル１０５１の一端に接続される。増幅器１０２はトランス１０４からの信号を増幅して信号ＲＦ１を出力する。

増幅器１０３（第３増幅器）は、入力が二次コイル１０４２の他端に接続され、出力が一次コイル１０５１の他端に接続される。増幅器１０２はトランス１０４からの信号を増幅して信号ＲＦ２を出力する。

増幅器１０２，１０３には、後述する一次コイル１０５１を通じて、電源電圧Ｖｃｃ２が供給される。

増幅器１０１，１０２，１０３は、例えば、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ：ＨｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のトランジスタを含んで構成される。

トランス１０４（第１トランス）は、一次コイル１０４１（第１一次コイル）と二次コイル１０４２（第１二次コイル）を有する。一次コイル１０４１は二次コイル１０４２と電磁界結合している。一次コイル１０４１は、一端が増幅器１０１の出力に接続され、他端が容量素子１０７を通じて接地に接続される。

一次コイル１０４１には、増幅器１０１にて増幅された信号が入力される。トランス１０４は、増幅器１０１から入力された信号に対して不平衡平衡変換を行う。一次コイル１０４１に入力された信号に応じて、二次コイル１０４２の両端から信号が出力される。二次コイル１０４２の両端から出力される信号は、互いにほぼ逆相の信号である。

トランス１０５（第２トランス）は、一次コイル１０５１（第２一次コイル）と二次コイル１０５２（第２二次コイル）を有する。トランス１０５は、増幅器１０２，１０３から入力された信号に対して平衡不平衡変換を行う。トランス１０５は、例えば、電力増幅回路１０が設けられる基板の配線によって、一次コイル１０５１と二次コイル１０５２が構成されるように設けられてもよい。

一次コイル１０５１は、増幅器１０２，１０３に接続され、二次コイル１０５２と電磁界結合している。二次コイル１０５２は、一端が容量素子１０８の一端と接続し、さらにスイッチ１１０の入力に接続される。二次コイル１０５２は、他端が容量素子１０８の他端に接続される。二次コイル１０５２は、二次コイル１０５２の他端に接続される容量素子１０６を通じて接地に接続される。言い換えると、交流的に接地されている状態である。

トランス１０５は、一次コイル１０５１に入力される信号に応じた出力信号ＲＦｏｕｔを二次コイル１０５２から出力する。一次コイル１０５１には、増幅器１０２にて増幅された信号ＲＦ１及び増幅器１０３にて増幅された信号ＲＦ２が入力される。信号ＲＦ１と信号ＲＦ２に基づいて、二次コイル１０５２から出力信号ＲＦｏｕｔが出力される。トランス１０４によって不平衡平衡変換された入力信号ＲＦｉｎを、信号ＲＦ１と信号ＲＦ２として増幅した後に、トランス１０５によって平衡不平衡変換を行うことで、入力信号ＲＦｉｎを増幅した出力信号ＲＦｏｕｔが得られる。

容量素子１０６（第１容量素子）は、二次コイル１０５２と接地との間に設けられる。容量素子１０６は、増幅器１０２の出力又は増幅器１０３の出力から見た二次コイル１０５２のインピーダンスを調整する。容量素子１０６の容量値は、例えば２．５ｐＦである。

容量素子１０７（第３容量素子）は、一次コイル１０４１と接地との間に設けられる。容量素子１０７は、増幅器１０１の出力から見た一次コイル１０４１のインピーダンスを調整する。増幅器１０２の入力及び増幅器１０３の入力から、不平衡側にある一次コイル１０４１を見た場合のインピーダンスを容量素子１０６と同様に調整することができる。容量素子１０７の容量値は、例えば１．１ｐＦである。

容量素子１０８（第２容量素子）は、一端が二次コイル１０５２の一端に接続され、他端が二次コイル１０５２の他端に接続される。容量素子１０８は、増幅器１０２の出力又は増幅器１０３の出力から見た二次コイル１０５２のインピーダンスを調整する。容量素子１０８の容量値は、例えば０．２ｐＦである。容量素子１０８は、例えば、電力増幅回路１０が設けられる基板の配線によって、平板コンデンサのように設けられてもよい。あるいは、容量素子１０８は表面実装部品として設けられてもよい。

容量素子１０９（第４容量素子）は、一端が一次コイル１０４１の一端に接続され、他端が一次コイル１０４１の他端に接続される。容量素子１０９は、増幅器１０１の出力から見た一次コイル１０４１のインピーダンスを調整する。１０９の容量値は、例えば０．２ｐＦである。

スイッチ１１０は、外部から入力される制御信号（不図示）によって、周波数帯域に応じて出力信号ＲＦｏｕｔの出力先を切り替えるバンドセレクトスイッチである。スイッチ１１０のそれぞれの出力には容量素子１１０１，１１０２のように容量素子が接続されている。容量素子１１０１，１１０２などの容量素子の容量値を調整することで、周波数帯域毎に適切なインピーダンスの調整を行うことができる。

図２には、電力増幅回路１０において、入力信号ＲＦｉｎの周波数を４．０ＧＨｚから５．４ＧＨｚまで変化させた場合の、信号ＲＦ１と信号ＲＦ２との位相差［度（ｄｅｇ）］及び振幅差［ｄＢ］のシミュレーション結果が示される。ここでは、信号ＲＦ１を基準として信号ＲＦ２との差分を示す。なお、ここでの位相差とは、信号ＲＦ１の位相をθとした場合の、信号ＲＦ２の位相の絶対値である１８０度―θとの差である。

図２の結果について比較例を参照して説明する。図４には、比較例としての電力増幅回路４０の回路図が示される。電力増幅回路４０は、電力増幅回路１０と比較して容量素子１０８，１０９を有しない点が異なる。また、増幅器１０２からの信号はＲＦ３、増幅器１０３からの信号はＲＦ４である。

図５には、電力増幅回路４０において、入力信号ＲＦｉｎの周波数を４．０ＧＨｚから５．４ＧＨｚまで変化させた場合の、信号ＲＦ３と信号ＲＦ４との位相差［ｄｅｇ］及び振幅差［ｄＢ］のシミュレーション結果が示される。ここでは、信号ＲＦ３を基準として信号ＲＦ４との差分を示す。位相差については図２と同様の算出方法である。

図５に示される位相差［ｄｅｇ］は、例えば、４．４ＧＨｚでは０．７５度、４．７ＧＨｚでは０．１度、５．０ＧＨｚでは１．４度である。振幅差［ｄＢ］は、４．４ＧＨｚでは１．０５ｄＢ、４．７ＧＨｚでは１．１１ｄＢ、５．０ＧＨｚでは０．９４ｄＢである。

電力増幅回路４０では、シミュレーションを行った帯域において、位相差の発生は抑制されている。一方で振幅差がこの帯域にわたって発生している。

図２に示される位相差［ｄｅｇ］は、例えば、４．４ＧＨｚでは−１．２３度、４．７ＧＨｚでは０．８８度、５．０ＧＨｚでは２．６９度である。振幅差［ｄＢ］は、４．４ＧＨｚでは０．０９ｄＢ、４．７ＧＨｚでは０．２２ｄＢ、５．０ＧＨｚでは０．２８ｄＢである。

電力増幅回路１０では、シミュレーションを行った帯域において、振幅差の発生を抑制できている。また、位相差について、４．４ＧＨｚから５．０ＧＨｚの帯域においては、位相差は０度の近くの値となっている。電力増幅回路１０は、電力増幅回路４０に比べて、位相差の発生を抑制しつつ、振幅差も抑制することができる周波数帯域を有する。よって、電力増幅回路１０は、差動信号の位相差及び振幅差を抑制可能である。

図３には、電力増幅回路３０の回路図が示される。電力増幅回路３０は容量素子１０９を有しない点で電力増幅回路１０と異なる。しかし、容量素子１０６，１０８によって増幅器１０２の出力及び増幅器１０３の出力から出力側を見たインピーダンスを調整することで、電力増幅回路１０と同様に差動信号の位相差及び振幅差を抑制することが可能である。

なお、電力増幅回路１０，３０において増幅器１０１は一つの増幅器によるものとして説明したが、複数の増幅器が直列に結合されて構成される構成であってもよい。この場合、トランス１０４によって差動信号を発生させた後に出力信号の増幅を行うことによって、出力信号の帰還による電力増幅回路の発振を抑制することが可能となる。

以上、本発明の例示的な実施形態について説明した。電力増幅回路１０は、入力信号ＲＦｉｎを増幅する増幅器１０１と、増幅器１０１の出力に接続された一次コイル１０４１と、一次コイル１０４１と電磁界結合された二次コイル１０４２とを有するトランス１０４と、二次コイル１０４２の一端に接続された増幅器１０２と、二次コイル１０４２の他端に接続された増幅器１０３と、一端が増幅器１０２の出力に接続され、他端が増幅器１０３の出力に接続された一次コイル１０５１と、一次コイル１０５１と電磁界結合された二次コイル１０５２とを有するトランス１０５と、二次コイル１０５２と接地との間に設けられる容量素子１０６と、一端が二次コイル１０５２の一端に接続され、他端が二次コイル１０５２の他端に接続された容量素子１０８と、を備える。

電力増幅回路１０では、容量素子１０６と１０８によって増幅器１０２の出力及び増幅器１０３の出力から、電力増幅回路１０の出力側を見たインピーダンスを調整することで、差動信号の位相差及び振幅差の発生を抑制することが可能である。位相差及び振幅差の発生を抑制することによって、差動信号を合成した出力信号の電力効率を向上させることができる。

電力増幅回路１０は、一次コイル１０４１と接地との間に設けられる容量素子１０７と、一端が一次コイル１０４１の一端に接続され、他端が一次コイル１０４１の他端に接続された容量素子１０９と、をさらに備える。これにより、差動信号の位相差及び振幅差の発生より抑制することが可能である。

電力増幅回路１０では、トランス１０５は電力増幅回路１０が設けられる基板の配線によって一次コイル１０５１及び二次コイル１０５２が構成されてもよい。これにより、部品としてトランス１０５を実装する場合に比べて、実装部品の部品点数を削減することが可能となる。

電力増幅回路１０では、容量素子１０８は、電力増幅回路１０が設けられる基板の配線によって構成されてもよい。これにより、実装部品の部品点数を削減することが可能となる。

電力増幅回路１０では、増幅器１０１は、複数の増幅器が直列に結合されて構成されてもよい。

なお、以上説明した各実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更／改良され得るとともに、本発明にはその等価物も含まれる。即ち、各実施形態に当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、各実施形態が備える各要素及びその配置、条件などは、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。また、各実施形態は例示であり、異なる実施形態で示した構成の部分的な置換又は組み合わせが可能であることは言うまでもなく、これらも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。

１０，３０，４０…電力増幅回路、１０１，１０２，１０３…増幅器、１０４，１０５…トランス、１０４１，１０５１…一次コイル、１０４２，１０５２…二次コイル、１０６，１０７，１０８，１０９…容量素子

Claims

入力信号を増幅する第１増幅器と、
前記第１増幅器の出力に接続された第１一次コイルと、前記第１一次コイルと電磁界結合された第１二次コイルとを有する第１トランスと、
前記第１二次コイルの一端に接続された第２増幅器と、
前記第１二次コイルの他端に接続された第３増幅器と、
一端が前記第２増幅器の出力に接続され、他端が前記第３増幅器の出力に接続された第２一次コイルと、前記第２一次コイルと電磁界結合された第２二次コイルとを有する第２トランスと、
前記第２二次コイルと接地との間に設けられる第１容量素子と、
一端が前記第２二次コイルの一端に接続され、他端が前記第２二次コイルの他端に接続された第２容量素子と、を備える、電力増幅回路。
請求項１に記載の電力増幅回路であって、
前記第１一次コイルと接地との間に設けられる第３容量素子と、
一端が前記第１一次コイルの一端に接続され、他端が前記第１一次コイルの他端に接続された第４容量素子と、をさらに備える、電力増幅回路。
請求項１又は２に記載の電力増幅回路であって、
前記第２トランスは、前記電力増幅回路が設けられる基板の配線によって、前記第２一次コイル及び前記第２二次コイルが構成される、電力増幅回路。
請求項１から３のいずれか一項に記載の電力増幅回路であって、
前記第２容量素子は、前記電力増幅回路が設けられる基板の配線によって構成される、電力増幅回路。
請求項１から４のいずれか一項に記載の電力増幅回路であって、
前記第１増幅器は、複数の増幅器が直列に結合されて構成される、電力増幅回路。