JP2022528276A

JP2022528276A - 無線周波数電力増幅器システムおよびその出力信号を線形化する方法

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Publication number: JP2022528276A
Application number: JP2021560381A
Authority: JP
Inventors: マッツカールソン，
Original assignee: クウォンタルエアエフアーゲー
Priority date: 2019-04-02
Filing date: 2020-03-31
Publication date: 2022-06-09
Also published as: IL286855A; FI3719993T3; WO2020201298A1; KR20220030923A; EP3719993B1; EP3719993A1; CN113966579A; US20220190796A1

Abstract

本開示は、第１の入力ポート（１１４）と、第２の入力ポート（１２１）とを備える、無線周波数電力増幅器システム（２００）に関する。無線周波数電力増幅器システムは、入力（１０７）および出力（１０８）を有する、主要増幅器（１０１）と、個別の入力（１０９、１２９）および出力（１１０、１２８）を有する、第１の補助増幅器（１０２）および第２の補助増幅器（１２２）とを備える。無線周波数電力増幅器システムは、第１の補助増幅器の出力（１１０）に接続される、内部負荷（１０３）と、第１の補助増幅器の出力（１１０）に接続される、入力端（１１１）、および第１の補助増幅器（１０２）の入力（１０９）に接続される、出力端（１１２）とを有する、フィードバックネットワーク（１０４）とを備える。無線周波数電力増幅器システムはまた、入力（１２４）および出力（１３０）を有する、フィードフォワード増幅器（１２３）を備える。

Description

（発明の技術分野）
本発明の概念は、無線周波数電力増幅器システムの分野に関する。特に、本発明の概念は、その入力と出力信号との間の関係の線形化を可能にするデバイスおよびそのような線形化を行うための方法に関する。

（発明の背景）
無線周波数電力増幅器からの出力信号は、事前歪曲、フィードフォワード誤差補正、およびフィードバック等の種々の技法によって線形化されることができることが周知である。これらの技法は、教科書ならびに種々の科学誌および白書、例えば、ＡｌｌｅｎＫａｔｚ（ＬｉｎｅａｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＩｎｃ）による「ＬｉｎｅａｒｉｚｉｎｇＨｉｇｈＰｏｗｅｒＡｍｐｌｉｆｉｅｒｓ」と題された白書の両方に詳しく説明されており、以下のように要約され得る。

事前歪曲技法は、アナログまたはデジタルのいずれかの事前歪曲として実装されることができる。両方法では、電力増幅器の挙動が、特性評価され、その応答は、電力増幅器を駆動する、信号を意図的に歪曲させることによって補償される。入力信号上に印加される歪曲が、慎重に選択される場合、電力増幅器からの出力信号は、より線形となり得る。しかしながら、そのような技法に関する主要問題が、初期較正および訓練が、多くの場合、要求され、事前歪曲システムが、多くの場合、ドリフト、例えば、温度におけるドリフトに敏感であるという事実の中にある。

別の公知の技法は、フィードバック方法であり、これは、いわゆるデカルトフィードバックの使用によって説明されることができる。デカルトフィードバックシステムでは、電力増幅器からの応答が、下方変換され、ベース帯域ＩＱ信号と比較される。本アプローチは、ドリフトおよび電力増幅器の伝達関数の詳細な特性評価に関する問題を排除する。デカルトフィードバックシステムに関する主要短所は、安定性問題と、依然として、安定動作を維持しながら対処され得る、限定された帯域幅である。デカルトフィードバックは、したがって、信号帯域幅が数百ＭＨｚまで増加される、システム（例えば、最大帯域幅が１６０ＭＨｚである、無線通信規格８０２．１１ａｃ）のために好適ではない。デカルトフィードバックはまた、回路複雑性および電力消散を追加する。

線形フィードバックもまた、電力増幅器を線形化するために使用される。そのような技法は、電力増幅器出力からその入力へのフィードバックネットワークを伴う。本方法は、より優れた性能を与えるが、全ての異なる負荷条件のために安定性を得ることが非常に困難である。

上記に述べられた技法は、あるレベルの線形化を可能にするが、電力増幅器信号の線形化が改良されることを可能にする、技術の必要性が存在する。

（発明の要約）
本発明の概念の目的は、上記の懸念のうちの少なくともいくつかに対処する、技術を提供することである。本目的および以下で明白となるであろう他の目的は、独立請求項に定義されるような方法およびデバイスによって遂行される。好ましい実施形態は、従属請求項に定義される。

本発明の概念の第１の側面によると、それぞれ、第１および第２の入力信号を受信するように配列される、第１および第２の入力ポートを備える、無線周波数電力増幅器システムが、提供される。無線周波数電力増幅器システムは、入力および出力を有する、主要増幅器と、個別の入力および出力を有する、第１および第２の補助増幅器とを備える。無線周波数電力増幅器システムは、第１の補助増幅器の出力に接続される、内部負荷と、第１の入力信号を線形化するように配列され、第１の補助増幅器の出力に接続される、入力端、および第１の補助増幅器の入力に接続される、出力端を有する、フィードバックネットワークとを備える。無線周波数電力増幅器システムはまた、入力および出力を有する、フィードフォワード増幅器を備える。

主要増幅器および補助増幅器の入力は、共通入力ノードにおいて、第１の入力ポートと相互接続され、第２の補助増幅器の出力および第２の入力ポートは、共通ノードにおいて、フィードフォワード増幅器の入力と相互接続され、フィードフォワード増幅器および主要増幅器の出力は、共通出力ノードにおいて相互接続される。

主要増幅器は、増加された利得を伴う、第１および第２の補助増幅器の複製であり、第２の補助増幅器は、第１の補助増幅器の複製である。

第２の入力信号と第１の入力信号入力の比率は、第２の補助増幅器によって提供される利得と第１の補助増幅器によって提供される利得の比率と同一である。

第２の補助増幅器、第２の入力ポート、およびフィードフォワード増幅器はともに、少なくとも部分的に、主要増幅器の出力からの逸脱を除去するように配列される、フィードフォワードネットワークを形成する。

本発明の概念の第２の側面によると、第１の側面による、無線周波数電力増幅器システムの出力信号の線形化の方法が、提供される。本方法は、
フィードバックネットワークを用いて、第１の補助増幅器の理想的応答からの逸脱を取得することと、第２の入力信号を第２の補助増幅器の出力から除去することによって、該逸脱を隔離することと、フィードフォワード増幅器を用いて、隔離された逸脱を増幅させることと、該増幅された逸脱を主要増幅器の出力に追加することとを含む。

本発明の概念の第１の側面において定義された無線周波数電力増幅器システムは、したがって、第２の側面の方法を実施するために使用されてもよい。

本発明の概念は、（ｉ）主要増幅器への間接フィードバックが、（ｉｉ）主要増幅器の出力にフィードフォワードされた逸脱と組み合わせられることを可能にし、無線周波数電力増幅器システムの入力信号と出力信号との間の伝達関数が改良されることを可能にする。

間接フィードバック（ｉ）に関して、第１の補助増幅器の周囲に配列される、フィードバックネットワークは、それに関して負荷条件が、既知であり、かつ安定している、内部負荷に接続される。そのような負荷条件は、フィードバック経路の安定化を可能にし、したがって、第１の補助増幅器によって処理される信号の線形化を可能にする。安定フィードバック経路はさらに、信号への第１の補助増幅器からの理想的応答が取得されることを可能にする。フィードバックループのループ利得は、典型的には、無限ではないため、該理想的応答からの逸脱もまた、取得される。さらに、共通入力ノードにおける相互接続は、主要増幅器の入力信号が、第１の補助増幅器の入力信号と同一であることを可能にする。主要増幅器は、第１の補助増幅器の複製を表すため、入力信号への主要増幅器の応答が、同一入力信号への第１の補助増幅器の応答の複製となることを可能にする。間接フィードバックは、したがって、主要増幅器の出力信号が線形化される（すなわち、殆ど歪曲されない）が、フィードバックループの有限ループ利得に依存する第１の補助増幅器の理想的応答からの増幅された逸脱を搬送することを可能にする。

フィードフォワードされる逸脱（ｉｉ）に関して、共通入力ノードにおける相互接続は、第２の補助増幅器の入力信号もまた、第１の補助増幅器の入力信号と同一であることを可能にする。第２の補助増幅器は、第１の補助増幅器の複製であるため、第２の補助増幅器の出力信号が、フィードバックループの有限ループ利得に起因して、第１の補助増幅器の出力信号に類似する、そこから増加される、または減少される、すなわち、第１の補助増幅器の理想的応答に類似する、そこから増加された、または減少された逸脱を備える、線形化された出力信号を可能にする。第２の補助増幅器、共通ノード、およびフィードフォワード増幅器から成り、主要増幅器と並列に接続される、フィードフォワードネットワークはさらに、該構成される逸脱が、第２の補助増幅器の総出力信号から隔離され、フィードフォワード増幅器によって増幅されることを可能にする。逸脱の隔離は、フィードフォワードネットワークの共通ノードを介して、第２の補助増幅器の出力信号からの第２の入力ポートによって提供される信号の減算によって可能となる。フィードフォワードネットワークは、次いで、増幅された逸脱が主要増幅器の出力信号に追加され、フィードバックループの有限ループ利得に依存する理想的応答からの逸脱の完全または少なくとも有意な除去をもたらすことを可能にする。

本発明の概念は、したがって、無線周波数電力増幅器内の入力信号と出力信号との間の関係の改良を可能にする。そのような概念は、入力信号を増幅させるときに発生される歪曲の除去を改良することによって、かつフィードバックループの有限ループ利得に依存する逸脱の完全または少なくとも有意な除去によって、動作のより広い周波数範囲にわたって、該関係の非線形性の抑制を可能にする。さらに、間接フィードバックとフィードフォワードされる逸脱の組み合わせは、本発明の概念が、先行技術に述べられた他の線形化技法と比較して、ドリフトへのその感度を減少させることを可能にする。本発明の概念は、電力消散損失の低減を可能にし、それに関して実装実施例が発明を実施するための形態にさらに解説されるであろう、ＣＭＯＳおよびバイポーラ技術の両方において、チップ統合のために非常に好適である。

本願では、主要増幅器および補助増幅器は、トランスコンダクタンス増幅器、電圧増幅器、電流増幅器、トランスインピーダンス増幅器、および／または電力増幅器を表すものと理解され得る。

フィードフォワード増幅器は、電流増幅器、電圧増幅器、トランスコンダクタンス増幅器、トランスインピーダンス増幅器、および／または電力増幅器を表すものと理解され得る。

増幅器の利得は、それによって信号が該増幅器の入力から出力に増加される、係数と理解され得る。増幅器の利得は、その出力信号とその入力信号の信号比率または振幅比率を表す。例えば、主要増幅器が、ｎＡの利得を有する場合、その出力信号は、係数ｎＡだけ増加されたその入力信号を表すであろう。

ループ利得は、フォワード増幅器経路内の利得によって乗算されるフィードバックネットワークによって提供される利得と理解され得る。例えば、増幅器（フォワード増幅器）が、Ａの利得を提供し、その周囲にβの利得を提供するフィードバック経路が接続される場合、フィードバックループのループ利得は、Ａβとなるであろう。

入力信号への増幅器の理想的応答または理想的場合は、増幅器の完全線形挙動と理解され得る。そのような理想的応答は、増幅器の入力信号と出力信号との間の歪曲および他の非線形の不在を示す。

増幅器の複製は、同一入力信号に同様に応答するが、異なる利得を該信号に提供する、増幅器を定義すると理解され得る。増幅器の複製は、したがって、１つの増幅器によって提供される利得と別の増幅器によって入力信号に提供される利得との間の関係を定義し得る。例えば、本発明の概念の主要増幅器は、その中で該増幅器の利得間の関係が係数ｎ：１に従う、第１の補助増幅器の拡大された複製を表す、すなわち、第１の補助増幅器の利得が、Ａである場合、主要増幅器によって提供される利得は、ｎＡとなるであろう。

ノードまたは共通ノードは、増幅器の入力および出力のうちの少なくとも２つの間の相互接続と理解され得、総和器、減算器、または導体の一般的相互接続のうちの少なくとも１つによって表され得る。

ある実施形態によると、主要増幅器および補助増幅器は、同一応答を入力信号に提供するように構成されてもよい。第２の補助増幅器は、第１の補助増幅器の複製であり、主要増幅器もまた、第１の補助増幅器の複製であるため、全ての増幅器が同一入力信号に対して有する、応答は、線形性に関して類似し得る。そのような線形性は、全ての増幅器の入力が、該フィードバックループの内側の共通入力ノードにおいて相互接続されるため、フィードバックループによって改良され得る。第１の補助増幅器の理想的応答からの逸脱はまた、それらの全てが、フィードバックループの有限ループ利得に依存する、同一入力信号によって駆動されるため、第２の補助増幅器および主要増幅器を通して搬送される。しかしながら、利得は、主要増幅器が、第１の補助増幅器の拡大された複製であり、したがって、より大きい利得を提供するため、主要増幅器と補助増幅器との間で異なる。第２の補助増幅器はまた、第１の補助増幅器と比較して、異なる利得を提供してもよい。

ある実施形態によると、無線周波数電力増幅器システムの第１の入力ポートおよびフィードバックネットワーク出力端は、減算器を介して、共通入力ノードに接続されてもよい。そのような減算器は、フィードバック信号が、第１の補助増幅器の入力信号と出力信号との間の非線形性を抑制するために、第１の入力ポートの信号から減算されることを可能にする。そのような減算器は、別個の物理的回路である必要はなく、第１の入力ポートの入力信号から減算されるような状態では、それに対してフィードバック信号がフィードされる、接続ノードであってもよい。

ある実施形態によると、そこにおいて第２の補助増幅器の出力および第２の入力ポートが、フィードフォワード増幅器の入力と相互接続される、共通ノードは、減算器であってもよい。そのような減算器は、第２の入力ポートの入力信号が、第２の補助増幅器の出力信号から減算されることを可能にする。そのような減算は、第１の補助増幅器のフィードバックループの有限ループ利得に依存する逸脱が、第２の補助増幅器の総出力信号から隔離されることを可能にする。そのような減算器は、したがって、フィードフォワード増幅器の入力信号が、増幅され、主要増幅器の出力にフィードフォワードされるべき逸脱のみを表すことを可能にする。

ある実施形態によると、第２の入力ポートによって提供される入力信号と第１の入力ポートによって提供される入力信号の比率は、第２の補助増幅器によって提供される利得と第１の補助増幅器によって提供される利得の比率と同一であってもよい。本実施形態は、第２の補助増幅器の出力信号内で構成される逸脱が出力信号の残りから隔離され得ることを確実にするという点で、有利である。実際、第２の補助増幅器の入力信号は、第１の補助増幅器の入力信号と同一であるため、第２の補助増幅器の出力信号から減算されるべきである、第２の入力ポートによって提供される信号は、第１の入力ポートによって提供される信号に関連して、第１の補助増幅器に関連する第２の補助増幅器の拡大と同様に拡大されるべきである。換言すると、第２の補助増幅器が、第１の補助増幅器に関連して１：ｍの利得比率を有する場合、第２の入力ポートによって提供される入力信号は、第１の入力ポートによって提供される入力信号に関連して１：ｍの信号比率を有しなければならない。例えば、第２の補助増幅器が、０．５の利得をその入力信号に提供する場合、第２の入力ポートによって提供される入力信号は、第１の入力ポートによって提供される入力信号の半分を表すはずである。

ある実施形態によると、フィードフォワード増幅器は、その出力信号が、主要増幅器の出力信号と同一振幅であるが、反対位相を有するように、利得を提供するように構成されてもよい。本実施形態は、フィードフォワード増幅器の出力信号が、主要増幅器の出力信号内で構成される逸脱と同一振幅であるが、反対位相を有する、第１の補助増幅器のフィードバックネットワークの有限ループ利得によって発生される逸脱の増幅を表し、有限ループ利得に依存する該逸脱の完全または少なくとも有意な除去をもたらすことを可能にするという点で、有利である。さらに、フィードフォワード増幅器によって提供される利得は、第２の補助増幅器によって提供される利得に依存し得る。例えば、第２の補助増幅器によって提供される利得が、０．５であり、主要増幅器によって提供される利得が、４である場合、フィードフォワード増幅器によって提供される利得は、８であるはずである。主要増幅器の出力信号の振幅より低い振幅を有する、フィードフォワード増幅器からの出力信号は、該出力信号内で構成される逸脱の部分的除去を可能にし、したがって、依然として、改良された線形化をもたらすことに留意されたい。

ある実施形態によると、フィードフォワード増幅器および主要増幅器の出力が相互接続される、共通出力ノードは、総和器であってもよい。そのような総和器は、フィードフォワード増幅器の出力信号を表す、増幅された逸脱が、主要増幅器の出力に追加される（すなわち、フィードフォワードされる）ことを可能にする。そのような総和は、したがって、主要増幅器の出力信号からのフィードバックループの有限ループ利得に依存する逸脱の完全または少なくとも有意な除去を可能にする。

ある実施形態によると、補助増幅器のそれぞれのものは、直列に接続される、第１のトランジスタと、第２のトランジスタとを備えてもよい。本発明の概念において使用されるトランジスタのタイプは、限定ではないが、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）および／またはバイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）を備えてもよい。そのようなトランジスタは、増幅された出力信号への入力信号の変調を可能にする。さらに、そのようなトランジスタは、電力信号、電圧、および／または電流信号の変調を可能にし得る。

ある実施形態によると、主要増幅器は、直列に接続される、第１のトランジスタと、第２のトランジスタとを備えてもよい。主要増幅器は、第１の補助増幅器の複製を表すため、該第１の補助増幅器と類似するが、より大きいサイズの第１および第２のトランジスタ（例えば、ＭＯＳＦＥＴ、ＢＪＴ等）を備え、入力信号のより大きい増幅を可能にする、すなわち、より大きい利得を提供する。

ある実施形態によると、フィードフォワード増幅器は、間接フィードバック増幅器を表してもよい。そのような間接フィードバック増幅器は、第１の補助増幅器の周囲に配列されるフィードバックネットワークと同一目的を果たす、すなわち、フィードフォワード増幅器の出力信号と入力信号との間の非線形性を低減させ得る、フィードバックネットワークを備えてもよい。そのようなフィードバックは、それに関して負荷条件が、既知であり、安定している、第２の内部負荷に接続され、したがって、フィードバックの安定性を可能にし得る。フィードフォワード増幅器のフィードバックネットワークは、したがって、第１の補助増幅器からの逸脱が、フィードフォワード増幅器によって潜在的に発生される任意の顕著な歪曲を伴わずに、増幅され、主要増幅器の出力にフィードフォワードされることを可能にする。

ある実施形態によると、無線周波数電力増幅器システムは、第１および第２の入力ポートにおいて、システムに先行するドライバ回路から提供され得る、入力信号を受信するように構成されてもよい。本実施形態の代替は、無線周波数電力増幅器システムが１つの入力ポートのみを備えるものであってもよい。該単一入力ポートにおいてシステムに先行するドライバ回路から受信される入力信号は、次いで、共通入力ノードおよび共通ノードに等しく供給され得る。

ある実施形態によると、無線周波数電力増幅器システムの出力信号は、負荷にフィードされてもよい。負荷およびその条件は、無線周波数電力増幅器システムから要求される負荷能力、すなわち、負荷に給電するためにシステムの入力信号と出力信号との間で必要とされる増幅を決定付け得る。そのような負荷は、機能するために増幅された入力信号を必要とする、任意の好適な電子デバイス、例えば、アンテナ、フィルタ、外部電力増幅器、ラウドスピーカ等によって表され得る。

ある実施形態によると、フィードフォワード増幅器、主要増幅器、および補助増幅器は、同一集積回路上に構成されてもよい。「集積回路」は、本明細書では、有意に小さい半伝導性材料片（例えば、シリコン）上に形成される、電子回路を意味する。本実施形態は、無線周波数電力増幅器システムの回路の組成物が有意に小サイズであることを可能にし、チップ統合用途または同等物のために効率的となることを可能にするという点で、有利である。

本発明の上記ならびに付加的目的、特徴、および利点は、本発明の実施形態の以下の例証的かつ非限定的詳細な実施形態を通して、より深く理解されるであろう。添付の図面を参照されたい。

図１は、間接フィードバックを伴う、無線周波数電力増幅器システムのブロック図を図示する。図２は、間接フィードバックがフィードフォワード逸脱と組み合わせられる、本発明による、無線周波数電力増幅器システムの実施形態のブロック図を図示する。図３は、図２の無線周波数電力増幅器のＣＭＯＳベースの実装の例示的回路を図示する。図４は、フィードフォワード増幅器の例示的回路が示される、図３の無線周波数電力増幅器の例示的回路を図示する。図５は、図１に示されるようなシステムの線形性性能と図３および４に示されるような本発明の実装の比較を図示する。

（実施形態の詳細な説明）
図１は、間接フィードバック線形化技法を実装する、無線周波数電力増幅器システムのブロック図を図示する。図１のブロック図は、入力１０７および出力１０８を有する、主要増幅器１０１と、入力１０９および出力１１０を有する、第１の補助増幅器１０２と、第１の補助増幅器の出力１１０に接続される、内部負荷１０３と、第１の補助増幅器１０２の出力１１０に接続される、入力端１１１、および減算器１１５を介して、第１の補助増幅器１０２の入力１０９に接続される、出力端１１２を有する、フィードバックネットワーク１０４とを示す。主要および第１の補助増幅器１０１、１０２の入力１０７、１０９は、共通入力ノード１１３において相互接続される。電力増幅器システム１００は、減算器１１５を介して、共通入力ノード１１３に接続される、第１の入力ポート１１４を有する。無線周波数電力増幅器システム１００は、図１ではアンテナによって表される、外部負荷１０５に接続される。

主要増幅器１０１は、第１の補助増幅器１０２の複製を構成する。多くの用途では、主要増幅器１０１と第１の補助増幅器１０２との間の倍率は、約２：１～８：１に及び得るが、しかしながら、他の関係も、同様に提供されてもよい。そのような倍率は、主要増幅器１０１の入力信号と出力信号との間の利得と第１の補助増幅器１０２の対応する利得との間の関係を定義する。したがって、例えば、４：１の倍率を用いると、主要増幅器１０１の利得は、第１の補助増幅器１０２の利得の４倍に匹敵する。

図１の無線周波数電力増幅器システム１００は、以下のように動作する。すなわち、入力信号が、第１の入力ポート１１４からシステムに供給され、そこから、フィードバック信号、すなわち、フィードバックネットワーク１０４の出力が、減算器１１５において減算される。フィードバックネットワーク１０４は、第１の補助増幅器１０２の周囲に接続されるため、フィードバックネットワーク１０４は、第１の補助増幅器１０２を線形化し、その出力１０６における出力信号を殆ど歪曲させない。第１の補助増幅器１０２の周囲のフィードバックネットワーク１０４の動作は、内部負荷１０３が、既知であり、外側からアクセス不可能であるため、安定されることができる。換言すると、負荷条件は、既知であり、変動しない。第１の補助増幅器１０２内の非線形性は、したがって、フィードバックネットワーク１０４に起因して抑制される。主要増幅器１０１が、次いで、その入力が両方とも共通入力ノード１１３において相互接続されるため、第１の補助増幅器１０２と同一入力信号によって駆動される。主要増幅器１０１は、第１の補助増幅器１０２の複製であるため、第１の補助増幅器１０２と同一方法において、該同一入力信号に応答し、また、主要増幅器１０１の入力信号と出力信号との間の抑制された非線形性をもたらすであろう。主要増幅器１０１の出力信号は、次いで、増加された線形性を伴って、負荷１０５に供給される。

しかしながら、第１の補助増幅器１０２と、フィードバックネットワーク１０４とを備える、フィードバックループによって提供される、有限ループ利得は、信号を第１の補助増幅器の理想的応答から逸脱させ得、これは、本実施形態では補償され得ない。そのような逸脱は、主要増幅器１０１を通して搬送され、したがって、線形化される信号の残りとともに増幅され得る。

図２は、フィードフォワードネットワーク１２０の追加を伴う、図１の無線周波数電力増幅器システム１００を備える、無線周波数電力増幅器システム２００のブロック図を示す。図１に説明される構成要素およびその機能が、したがって、図２において同じように表される。図２のフィードフォワードネットワーク１２０は、入力１２９と、出力１２８とを伴う、第２の補助増幅器１２２を備える。第２の補助増幅器１２２は、第１の補助増幅器１０２の複製である。したがって、補助増幅器１０２、１２２は両方とも、同一方法において入力信号に応答する。フィードフォワードネットワーク１２０はさらに、入力１２４と、出力１３０とを有する、フィードフォワード増幅器１２３を備える。第２の補助増幅器１２２の入力１２９は、共通入力ノード１１３において、主要増幅器１０１および第１の補助増幅器１０２の入力（１０７、１０９）と相互接続される。第２の補助増幅器１２２の出力１２８および第２の入力ポート１２１は、減算器１２７において、フィードフォワード増幅器１２３の入力１２４と相互接続され、フィードフォワード増幅器１２３の出力１３０および主要増幅器１０１の出力１０８は、総和器によって表される、共通出力ノード１２５において相互接続される。フィードフォワードネットワーク１２０は、したがって、主要増幅器１０１と並列に接続される。

第１の補助増幅器１０２の周囲に配列される、フィードバックネットワーク１０４によって、主要増幅器１０１に提供される、間接フィードバックは、図１を参照して上記に説明される無線周波数電力増幅器システム１００の動作に従って機能する。間接フィードバックに加え、無線周波数電力増幅器システム２００のフィードフォワードネットワーク１２０は、以下のように動作する。すなわち、第２の補助増幅器１２２の入力信号は、第１の補助増幅器１０２の入力信号と同一であり、これは、フィードバックループの有限ループ利得によって発生される逸脱を備える、線形化された信号を表す。第２の補助増幅器１２２は、第１の補助増幅器１０２の複製であるため、第２の補助増幅器１２２の出力信号は、第１の補助増幅器１０２の出力信号に類似する、それから増加される、または減少される。加えて、第２の入力ポート１２１に提供される入力信号は、第１の入力ポート１１４に提供される入力信号に対して、第２の補助増幅器１２２の利得と第１の補助増幅器１０２の利得の比率と同一比率で拡大される。第２の入力ポート１２１の入力信号は、減算器１２７において、第２の補助増幅器１２２の出力信号から減算され、したがって、第１の補助増幅器１０２の理想的応答からの逸脱を出力１２８の出力信号の残りから隔離する。フィードフォワード増幅器１２３の入力信号１２４は、したがって、該逸脱のみを表し、これは、次いで、フィードフォワード増幅器１２３によって、１８０°位相偏移、すなわち、反対位相を伴って、主要増幅器の出力１０８によって搬送される逸脱と同一振幅を備えるような方法において増幅される。総和器１２５は、次いで、増幅された逸脱を主要増幅器１０１の出力１０８に追加し、線形化される、出力信号１２６をもたらし、そこから電力増幅器の理想的応答からの逸脱が、完全または少なくとも有意に除去される。出力信号１２６は、次いで、負荷１０５に供給される。

無線周波数電力増幅器システム２００の別の例示は、フィードフォワード増幅器１２３によって隔離された逸脱の増幅が、主要増幅器１０１の出力１０８によって実施される逸脱と同一位相であるが、共通出力ノード１２５が、減算器によって表されるようなものであり得ることを理解されたい。さらに、無線周波数電力増幅器２００の別の例示は、第２の入力ポート１２１の入力信号が、第１の入力ポート１１４の入力信号と比較して、１８０°位相偏移を備えるが、共通ノード１２７が、総和器によって表されるようなものであり得ることを理解されたい。

図２に説明される無線周波数電力増幅器２００の動作はさらに、数学的表現において解説され得る。第１および第２の補助増幅器１０２、１２２によって提供される利得は、同じであり、Ａに等しく、主要増幅器１０１によって提供される利得は、ｎＡ（すなわち、補助増幅器１０２、１２２の利得よりｎ倍大きい）であり、フィードフォワード増幅器１２３によって提供される利得は、－ｎ（すなわち、１８０°位相偏移を伴う、ｎの利得）であり、フィードバックネットワーク１０４によって提供される利得は、βであると見なすと、減算器１１５後の信号Ｓ_１１３は、以下のように表され得る。

Ｓ_ｉｎは、第１の入力ポート１１４の入力信号を表し、Ａβは、ここでは項

によって表される第１の補助増幅器１０２の理想的応答からの逸脱を発生させる、フィードバックループの有限ループ利得を表す。同様に、主要増幅器１０１の出力信号および第２の補助増幅器１２２の出力信号は、以下のように表され得る。

減算器１２７からの出力信号は、以下のように表され得る。

減算器１２７の出力信号Ｓ_１２４は、次いで、フィードフォワード増幅器１２３によって増幅され、主要増幅器１０１の出力信号Ｓ_１０８に追加され、以下の方程式において表されるような出力信号１２６をもたらす。

上記の方程式は、ループ利得Ａβの依存性、すなわち、無線周波数電力増幅器システム２００の出力と入力との間の関係における増幅器の理想的応答からの逸脱が、除去されることを示す。

故に、先行技術の線形化技法と対照的に、追加されるフィードフォワードネットワーク１２０を用いて実施される信号処理は、出力信号と入力信号との間のより良好に定義された関係をもたらし、改良された線形性をもたらす。

図３は、本発明の概念のＣＭＯＳベースの実装の実施例を示す。図３は、その中で両半分が同じである、上側半分３０１と、下側半分３０２とから成る、差動実装を図示する。各半分３０１、３０２は、個別の第１および第２の入力ポート、すなわち、上側半分３０１のためのＩＮ１＋およびＩＮ２＋ならびに下側半分３０２のためのＩＮ１－およびＩＮ２－に接続される、入力信号によって駆動される。２つの入力ポートは、同じであるが、位相が反対の電流ｉ_ｓ３０４、３０５によってフィードされ、これは、無線周波数電力増幅器システムに先行するドライバ回路から発生され、差動出力ポートＯＵＴ＋およびＯＵＴ－は、それぞれ、変圧器３０６に接続され、これは、差動出力信号を負荷３０７に供給される単端出力信号ＯＵＴに変換する。図２に図示される無線周波数電力増幅器システム２００の異なるブロックは、ＣＭＯＳベースの実装の上側半分３０１に関して下記に説明される。

主要増幅器は、静電容量Ｃ２と、それぞれ、２つのトランジスタデバイス、すなわち、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴまたはＮＭＯＳである、Ｎ３およびＮ４とを備えてもよい。第１の補助増幅器は、静電容量Ｃ１と、２つのトランジスタデバイス、すなわち、それぞれ、並列共振回路３０８から成る内部負荷に接続される、ＮＭＯＳである、Ｎ１およびＮ２とともに実装される。第１の補助増幅器は、主要増幅器と類似方法において実装される、すなわち、２つの増幅器は、同一応答を入力信号に提供する。フィードバックネットワークは、トランジスタＮ１のドレインから入力ポートＩＮ１＋までの短絡回路３０９を備えてもよい。２つの静電容量Ｃ１、Ｃ２は、動作の周波数において、短絡回路と見なされ得、無線周波数電力増幅器システムの挙動のために不可欠ではない。第２の補助増幅器は、静電容量Ｃ３と、２つのトランジスタデバイス（ＮＭＯＳ）、すなわち、Ｎ５およびＮ６とともに実装される。

第２の補助増幅器は、主要増幅器と並列に接続されるが、本実装では、利得を提供するために拡大されない、すなわち、第２の補助増幅器によって提供される利得は、第１の補助増幅器内の利得と同一である。補助増幅器は、本実装では、同じ複製であるため、トランジスタデバイスＮ５およびＮ６は、それぞれ、トランジスタデバイスＮ１およびＮ２とサイズが等しくあるはずである。このように、トランジスタデバイスＮ５、Ｎ６内の電流ｉ_ｄ２は、間接フィードバックに起因して、トランジスタデバイスＮ１、Ｎ２内の電流ｉ_ｄ１に等しくなる。さらに、フィードフォワード増幅器３０３は、電流増幅器によって表され、その出力信号が、主要増幅器の出力信号と同一振幅であるが、反対位相を有し得るように、利得を提供し得る。

本発明の無線周波数電力増幅器のＣＭＯＳ実装の動作は、以下のように、数学的表現を用いて解説され得る。すなわち、第１の入力ポートＩＮ１＋の中にフィードされる、入力信号（電流ｉ_ｓ３０４）は、第１の入力ポートＩＮ１＋における電圧、それによって、トランジスタデバイスＮ２のゲートにおける電圧を発生させる。トランジスタデバイスＮ２のゲートにおける電圧は、トランジスタデバイスＮ１およびＮ２を通して、電流ｉ_ｄ１を発生させる。図２の方程式（２）と同様に、電流ｉ_ｄ１と入力電流ｉ_ｓ３０４との間の関係は、以下の方程式によって表され得る。

典型的高周波数実装では、ループ利得Ａβは、約－１０であり、電流ｉ_ｄ１が入力電流ｉ_ｓ３０４の約９０％のみとなることをもたらし得る。したがって、それに関して電流ｉ_ｄ１が、無限ループ利得Ａβと仮定して、入力電流ｉ_ｓ３０４に等しい、第１の補助増幅器の理想的応答からの逸脱ｉ_Δ１は、第１の補助増幅器の負荷インピーダンスを横断して電圧から発生される電流によって表される。そのような関係は、以下のように表され得る。

本実装の第２の補助増幅器は、第１の補助増幅器の同じ複製であり、増幅器は両方とも、同一入力信号を有するため、有限フィードバックループによって発生される逸脱は、第２の補助増幅器を通して搬送され、以下のように表される、トランジスタデバイスＮ５、Ｎ６の電流をもたらし得る。

そこから逸脱が、以下のように表され得る。

第２の補助増幅器は、本実装では、利得を提供しない（ｉ_ｄ１＝ｉ_ｄ２）ため、かつ入力ポートＩＮ１＋、ＩＮ２＋の入力電流は、同じであるため、第２の補助増幅器の理想的応答からの逸脱は、第１の補助増幅器の理想的応答からの逸脱に等しい。

逸脱ｉ_Δ２は、次いで、主要増幅器の出力に追加される前に、－ｎの利得を用いて、フィードフォワード増幅器３０３によって増幅される。出力ポートＯＵＴ－における出力信号の式は、したがって、以下のように記述され得る。

式中、ｉ_ｄ３は、主要増幅器のトランジスタデバイスＮ３、Ｎ４における電流を表す。主要増幅器は、第１の補助増幅器の複製であり、主要増幅器の電流利得は、フィードフォワード増幅器のうちの１つと同一であるため、電流ｉ_ｄ３は、以下のように表され得る。

出力ポートＯＵＴ－における出力信号は、したがって、以下のように書き換えられ得る。

ＣＭＯＳベースの用途において実装される本発明の概念は、したがって、有限ループ利得によって引き起こされる増幅器の理想的応答からの逸脱を除去する。

図４は、フィードフォワード増幅器３０３の回路に関する追加詳細とともに、図３の無線周波数電力増幅器のＣＭＯＳ実装の例示的回路を示す。図４では、フィードフォワード増幅器３０３は、電流増幅器によって表され得、静電容量Ｃ１１と、それぞれ、並列共振回路３１０から成る内部負荷に接続される、トランジスタデバイス（ＮＭＯＳ）Ｎ１１およびＮ１２とを備えてもよい。フィードフォワード増幅器３０３は、したがって、トランジスタＮ１１のドレインから電流増幅器３０３の入力までの短絡回路３１１から成る、フィードバックネットワークを有する。フィードフォワード増幅器３０３はさらに、第２の静電容量Ｃ１２と、それぞれ、第２の対のトランジスタデバイス（ＮＭＯＳ）Ｎ１３およびＮ１４とを備える。増幅器３０３の例示的回路は、フィードフォワード増幅器３０３の入力信号と出力信号との間の関係を線形化するために、間接フィードバック技法を用いて動作する。ここに提示されるフィードバックループはまた、その有限ループ利得に起因して、理想的場合からの逸脱を発生させる。しかしながら、本逸脱は、フィードフォワード増幅器への入力信号レベルが、フィードフォワード増幅器が対処し得る最大信号と比較して小さいため、それほど顕著ではないであろう。本実装では、フィードフォワード増幅器への入力信号は、主要増幅器１０１への入力信号よりはるかに弱い信号を表し得る。したがって、その逸脱は、無視可能である。

図５は、図１に示されるシステムの線形性性能と図３および４に示されるような本発明の実装の比較を示す。実施例によると、線形性性能は、８０ＭＨｚ８０２．１１ａｃ入力信号を用いてシミュレートされている。両シミュレーションにおける出力電力レベルは、＋２０ｄＢｍであり、図１の無線周波数電力増幅器の応答は、出力スペクトル５０１に示され、実装される発明の応答は、出力スペクトル５０２に示される。これらの結果から分かるように、実装される発明のＥＶＭ（誤差ベクトルの大きさ）性能は、－１０のループ利得によって発生される典型的逸脱を表す、先行技術と比較して約１５ｄＢ改良される。改良されたＥＶＭに加え、本発明は、先行技術と比較して、利得を約０．７ｄＢ増加させる。

本発明は、図面および前述の説明に図示され、詳細に説明されているが、そのような例証および説明は、例証的または例示的であって、制限的ではないと見なされるものとする。本発明は、開示される実施形態に限定されない。

開示される実施形態の他の変形例も、請求される発明を実践する当業者によって、図面、本開示、および添付の請求項の精査から、理解され、もたらされることができる。請求項では、単語「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（～を備える）」は、他の要素またはステップを除外せず、不定冠詞「ａ」または「ａｎ」は、複数形を除外しない。ある測定値が相互に異なる従属請求項に列挙されるという単なる事実は、これら測定値の組み合わせが有利に使用されることができないことを示すものではない。請求項における任意の参照記号は、範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

Claims

無線周波数電力増幅器システム（２００）であって、
それぞれ、第１および第２の入力信号を受信するように配列されている、第１の入力ポート（１１４）および第２の入力ポート（１２１）と、
入力（１０７）および出力（１０８）を有する、主要増幅器（１０１）と、
個別の入力（１０９、１２９）および出力（１１０、１２８）を有する、第１の補助増幅器（１０２）および第２の補助増幅器（１２２）と、
前記第１の補助増幅器（１０２）の出力（１１０）に接続された内部負荷（１０３）と、
前記第１の入力信号を線形化するように配列され、前記第１の補助増幅器（１０２）の出力（１１０）に接続された入力端（１１１）と、前記第１の補助増幅器（１０２）の入力（１０９）に接続された出力端（１１２）とを有する、フィードバックネットワーク（１０４）と、
入力（１２４）および出力（１３０）を有する、フィードフォワード増幅器（１２３）と
を備え、
前記主要増幅器（１０１）と前記補助増幅器（１０２、１２２）との入力（１０７、１０９、１２９）は、共通入力ノード（１１３）において前記第１の入力ポート（１１４）と相互接続され、
前記第２の補助増幅器（１２２）の出力（１２８）および前記第２の入力ポート（１２１）は、共通ノード（１２７）において前記フィードフォワード増幅器（１２３）の入力（１２４）と相互接続され、
前記フィードフォワード増幅器（１２３）と前記主要増幅器（１０１）との出力（１３０、１０８）は、共通出力ノード（１２５）において相互接続され、
前記主要増幅器（１０１）は、増加された利得を伴う、前記第１および第２の補助増幅器（１０２、１２２）の複製であり、
前記第２の補助増幅器（１２２）は、前記第１の補助増幅器（１０２）の複製であり、
前記第２の入力信号と前記第１の入力信号入力の比率は、前記第２の補助増幅器（１２２）によって提供される利得と前記第１の補助増幅器（１０２）によって提供される利得の比率と同一であり、
前記第２の補助増幅器（１２２）、前記第２の入力ポート（１２１）、および前記フィードフォワード増幅器（１２３）はともに、少なくとも部分的に、前記主要増幅器（１０１）の出力（１０８）からの逸脱を除去するように配列されている、フィードフォワードネットワーク（１２０）を形成する、無線周波数電力増幅器システム。
前記主要増幅器および前記補助増幅器は、入力信号に対して同一応答を提供するように構成されている、請求項１に記載の無線周波数電力増幅器システム。
前記第１の入力ポートおよび前記フィードバックネットワーク出力端は、減算器（１１５）を介して、前記共通入力ノードに接続されている、請求項１または２に記載の無線周波数電力増幅器システム。
前記共通ノードは、減算器である、前記請求項のいずれか１項に記載の無線周波数電力増幅器システム。
前記フィードフォワード増幅器（１２３）は、その出力信号（１３０）が、前記主要増幅器（１０１）の出力信号（１０８）と同一振幅であるが、反対位相を有するように、利得を提供するように構成されている、前記請求項のいずれか１項に記載の無線周波数電力増幅器システム。
前記共通出力ノードは、総和器である、前記請求項のいずれか１項に記載の無線周波数電力増幅器システム。
前記補助増幅器のそれぞれのものは、直列に接続されている、第１のトランジスタ（Ｎ１、Ｎ５）と、第２のトランジスタ（Ｎ２、Ｎ６）とを備える、前記請求項のいずれか１項に記載の無線周波数電力増幅器システム。
前記主要増幅器は、直列に接続されている、第１のトランジスタ（Ｎ３）と第２のトランジスタ（Ｎ４）とを備える、前記請求項のいずれか１項に記載の無線周波数電力増幅器システム。
前記フィードフォワード増幅器は、間接フィードバック増幅器を表す、前記請求項のいずれか１項に記載の無線周波数電力増幅器システム。
前記第１および第２の入力ポートにおいて、前記無線周波数電力増幅器システムに先行するドライバ回路から入力信号を受信するように構成されている、請求項２に記載の無線周波数電力増幅器システム。
前記システムの出力信号を負荷（１０５）にフィードするように構成されている、前記請求項のいずれか１項に記載の無線周波数電力増幅器システム。
前記フィードフォワード増幅器、前記主要増幅器、および前記補助増幅器は、同一集積回路上に構成されている、前記請求項のいずれかに記載の無線周波数電力増幅器システム。
無線周波数電力増幅器システムの出力信号の線形化の方法であって、
前記無線周波数電力増幅器システムは、
それぞれ、第１および第２の入力信号を受信するように配列されている、第１および第２の入力ポートと、
入力および出力を有する、主要増幅器と、
個別の入力および出力を有する、第１および第２の補助増幅器と、
前記第１の補助増幅器の出力に接続された内部負荷と、
前記第１の入力信号を線形化するように配列され、前記第１の補助増幅器の出力に接続された入力端と、前記第１の補助増幅器の入力に接続された出力端とを有する、フィードバックネットワークと、
入力および出力を有する、フィードフォワード増幅器と
を備え、
前記主要増幅器と前記補助増幅器との入力は、共通入力ノードにおいて前記第１の入力ポートと相互接続され、
前記第２の補助増幅器の出力および前記第２の入力ポートは、共通ノードにおいて前記フィードフォワード増幅器の入力と相互接続され、
前記フィードフォワード増幅器と前記主要増幅器との出力は、共通出力ノードにおいて相互接続され、
前記主要増幅器は、増加された利得を伴う、前記第１および第２の補助増幅器の複製であり、
前記第２の補助増幅器は、前記第１の補助増幅器の複製であり、
前記第２の入力信号と前記第１の入力信号入力の比率は、前記第２の補助増幅器（１２２）によって提供される利得と前記第１の補助増幅器（１０２）によって提供される利得の比率と同一であり、
前記方法は、
前記フィードバックネットワークを用いて、前記第１の補助増幅器上の理想的応答からの逸脱を取得することと、
前記第２の入力信号を前記第２の補助増幅器の出力から除去することによって、前記逸脱を隔離することと、
前記フィードフォワード増幅器を用いて、前記隔離された逸脱を増幅させることと、
前記増幅された逸脱を前記主要増幅器の出力に追加することと
を含む、方法。