JP4210332B2 - 電力増幅器用バイアス回路 - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は、ドハーティ型増幅器（Doherty-type amplifier）を含むがこれには限定されない、線形電力増幅器に関するものである。
発明の背景
無線周波数（ＲＦ）電力増幅器は、非常に効率良くＲＦ信号を線形に増幅することが望ましい。しかしながら、最大効率と高い線形性との間にはトレードオフ（tradeoff）がある。効率は概略的に入力駆動レベルに比例し、高い効率は、通常、増幅器がその最大出力電力に近づくまで得られず、線形動作とは一致しない。ドハーティ型増幅器は、標準的なクラスＡＢおよびクラスＢ増幅器よりも、ピーク電力未満において、効率上の優位性を得ている。これは、部分的に、ＲＦ入力レベルが変化すると、それらのキャリア増幅器のロードライン（loadline）が瞬時的に変調するからである。言い換えると、ドハーティ型増幅器は、入力駆動レベルの変化に伴って増幅器のロードラインを連続的に変調し、高い効率を保持しようとするので、入力駆動レベルと効率との間の関係が一層良化する。加えて、ドハーティ型増幅器のバイアス電力は、標準的なクラスＡＢおよびクラスＢ増幅器よりも、格段に少ない。
”LINEAR POWER AMPLIFIER USING ACTIVE BIAS FOR HIGH EFFICIENCY AND METHOD THEREFOR”と題し、BERNARD E.SIGMON et al.の名義で1995年12月4日に出願された米国特許出願番号第０８／５６６，８１１号に、ドハーティ型増幅器をバイアスする方法が記載されている。この出願は、本願と譲受人が同一であり、その内容は本願でも使用可能である。この引用した出願に記載されている回路は、ゲートにおける変化即ちキャリア増幅器のベース・バイアス電流の変化を、当該素子に対するＲＦ入力電力を測定する方法としての拠り所としている。かかる機構は、ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）増幅素子には効果的ではない。何故なら、かかる素子は、いずれのＲＦ駆動レベルにおいても、バイアス電流を引き込まないからである。
したがって、ＭＯＳＦＥＴまたはその他のゼロ・バイアス電流増幅器に良好なバイアスを与える一方、動的なＲＦ入力駆動範囲全体にわたって効率的な、ドハーティ型増幅器用バイアス回路が必要とされている。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明によるバイアス制御を備えたドハーティ型電力増幅器のブロック図である。
第２図は、本発明によるバイアス制御を備えたドハーティ型電力増幅器の代替的な使用のブロック図である。
第３図は、本発明によるキャリア増幅器用バイアス制御回路のブロック図である。
第４図は、本発明によるピーク増幅器用バイアス制御回路のブロック図である。
第５Ａ図および第５Ｂ図は、本発明によるバイアス制御信号を表すグラフである。
第６図は、本発明によるキャリア増幅器またはピーク増幅器のブロック図である。
好適実施例の説明
以下に、ドハーティ型電力増幅器用バイアス制御装置および方法について記載する。ドハーティ電力増幅器は、キャリア増幅器（carrier amplifier）およびピーク増幅器（peaking amplifier）から成る。キャリア増幅器およびピーク増幅器に異なるバイアス信号を供給し、相互変調歪みを制限しつつ、一定の電力利得を与える。一実施例では、キャリア増幅器のバイアス信号は、ピーク増幅器のバイアス信号が増大するに連れて減少する。
本発明は、ＲＦ入力信号に結合され、ＲＦ入力信号から同相信号および直交位相信号を生成する電力デバイダを備えた電力増幅器を提供する。キャリア増幅器が、電力デバイダからの同相信号を増幅し、キャリア増幅器バイアス入力を有する。ピーク増幅器は、電力デバイダからの直交位相信号を増幅し、ピーク増幅器バイアス入力を有する。コンバイナが、キャリア増幅器の出力およびピーク増幅器の出力に結合されている。コンバイナは、キャリア増幅器の出力およびピーク増幅器の出力を、位相を加算するように結合する。第１バイアス回路がキャリア増幅器に結合され、キャリア増幅器のバイアス入力が第１バイアス回路によって供給され、電力増幅器のＲＦ入力信号の大きさを示す第１信号によって制御される。第２バイアス回路がピーク増幅器に結合され、ピーク増幅器のバイアス入力が第２バイアス回路によって供給され、電力増幅器のＲＦ入力信号の大きさを示す第２信号によって制御される。あるいは、第１信号および第２信号は、同一信号としてもよい。加えて、第１信号および／または第２信号は、ＲＦ入力信号に結合されたエンベロープ検出器の出力から得ることも可能である。更に、第１信号および／または第２信号は、キャリア増幅器によって引き込まれる電流に比例することも可能である。更にまた、ピーク増幅器のバイアス・レベルが増大するに連れて、キャリア増幅器のバイアス・レベルを減少させることも可能である。
電力増幅器を用いてＲＦ入力信号を増幅する方法は、ＲＦ入力信号を同相信号および直交位相信号に分離する段階を含む。キャリア増幅器のバイアス入力信号は、ＲＦ入力信号の大きさに対し相対的に変化する。ピーク増幅器のバイアス入力信号は、ＲＦ入力信号の大きさに対し相対的に変化する。キャリア増幅器を用いて同相信号を増幅し、第１増幅信号を生成する。ピーク増幅器を用いて直交位相信号を増幅し、第２増幅信号を生成する。第１増幅信号および第２増幅信号の位相を結合し、出力信号を生成する。あるいは、キャリア増幅器のバイアス入力信号を変化させる段階およびピーク増幅器のバイアス入力信号を変化させる段階は、ピーク増幅器のバイアス入力信号が増大する程キャリア増幅器のバイアス入力信号が減少するように実行してもよい。ＲＦ入力信号を検出するエンベロープを実行し、ＲＦ入力信号の大きさを導出する。ＲＦ入力信号の大きさは、キャリア増幅器によって引き込まれる電流から判定することも可能である。
バイアス制御を備えたドハーティ型電力増幅器のブロック図を第１図に示す。ＲＦ入力信号は、方向性カプラ（directional coupler）１０１に供給される。方向性カプラ１０１は、入力信号電力の大部分を主出力に供給（deliver）しつつ、入力信号の少量のサンプルをその結合出力に供給する機能を実行する。方向性カプラ１０１の主出力は、直交スプリッタ１０３に入力される。スプリッタによる分離によって、同相信号および直交位相信号は、ＲＦ入力信号よりも大きさが３ｄＢ小さくなる。直交スプリッタ１０３の同相（０°）出力は、キャリア増幅器１０５に入力される。直交スプリッタ１０３の直交位相（マイナス９０°）出力は、ピーク増幅器１０７に入力される。方向性カプラ１０１の結合出力は、検出器１０９に入力される。検出器は、Herbert L.Krauss et al.によるSolid State Radio Engineeringという書籍（John Wiley & Sons,New York,1980）の第９章に記載されているような、ダイオード・エンベロープ検出器とすればよい。
検出器１０９の出力は、ＲＦ入力信号のＲＦ入力電力レベル、およびＲＦ入力信号の大きさを示す。検出器１０９は、ピーク電力または平均電力のいずれかを示すように設定することができる。検出器の出力は、キャリア増幅器バイアス制御部１１１およびピーク増幅器バイアス制御部１１３に入力される。キャリア増幅器バイアス制御部１１１の出力は、ＣＡバイアス制御信号であり、キャリア増幅器１０５のバイアス制御入力に入力される。好適実施例では、キャリア増幅器は、検出器１０９の出力が低入力信号レベルを示す場合は、カットオフよりもやや高めにバイアスされる。このプロセスによって、キャリア増幅器は、低入力信号レベルにおいて線形な増幅を行う。ピーク増幅器バイアス制御部１１３の出力は、ＰＡバイアス制御信号であり、ピーク増幅器１０７のバイアス制御入力信号に入力される。好適実施例では、ピーク増幅器は、検出器１０９の出力が低入力信号レベルを示す場合、カットオフよりも低くバイアスされる。このプロセスは、ＲＦ入力信号がその最大許容振幅の約半分に到達するまで、ピーク増幅器に電流を引き込ませないことにより、低入力信号レベルにおける効率を改善する。
キャリア増幅器１０５の出力およびピーク増幅器１０７の出力は、コンバイナ１１５に入力される。好適実施例では、このコンバイナは、１／４波長（１／４）５０オーム伝送線１１７から成り、その出力は、ＲＦ出力ポート１１９において、ピーク増幅器の出力に接続されている。低入力信号レベルでは、ピーク増幅器はインアクティブであり、ＲＦ出力ポート１１９において、コンバイナ１１５に対して高インピーダンスとなる。好適実施例では、ＲＦ出力ポートにおけるインピーダンスは、公称２５オームであり、（１／４）５０オーム伝送線１１７は、このインピーダンスを、キャリア増幅器の出力において１００オームに変換する。キャリア増幅器は、公称５０オーム負荷を動作させるように設計されているので、１００オームの負荷を与えると、キャリア増幅器は、ＲＦ入力信号がその最大許容振幅の半分に到達した場合、その公称最大出力電力レベルの半分で飽和することになる。この時点において、ＲＦ入力信号の振幅が、ＲＦ出力ポート１１９への電力供給を、ピーク増幅器に開始させる。これらの状態の下で、（１／４）５０オーム伝送線１１７は、キャリア増幅器およびピーク増幅器双方の出力が、ＲＦ出力ポート１１９において位相を加算し、最大可能出力電力および効率を与えることも保証する。検出器１０９およびバイアス制御回路１１１，１１３間にフィルタを挿入し、相互変調歪みを悪化させ得る、あらゆるＡＣ成分および短期間のエンベロープ変動を検出器１０９の出力から除去させることも可能である。
キャリア増幅器１０５およびピーク増幅器１０７が前述のように理想的に動作する場合、バイアス・レベルは、ゼロ検出器出力において確立されるレベルに固定したままとなる。即ち、バイアス制御回路は全く不要となろう。この状況は、しかしながら、実際には実現することは殆どない。例えば、ピーク増幅器１０７にバイアスをかけた場合に、不適当な利得を有し、ＲＦ入力信号がその最大許容振幅の半分に達するまで、インアクティブのままとなる場合がある。この場合、ＲＦ入力信号がその最大許容振幅の半分を超過したときに、ピーク増幅器１０７のバイアスを増大させると有利である。加えて、キャリア増幅器１０５に対するバイアスを、いずれかの他のＲＦ入力信号レベルに減少させ、広い範囲の入力信号レベルにわたってドハーティ型電力増幅器において一定の利得を維持することも有利であろう。このプロセスによって、ドハーティ型電力増幅器の線形性が改善され、そのためにＲＦ出力ポート１１９における相互変調歪みのレベルが低下する。
検出器１０９は、回路内のどこに接続してもよく、キャリア増幅器１０５および／またはピーク増幅器１０７のＲＦ出力（群）またはＤＣ入力電流（群）のような異なる動作条件を監視することが可能である。検出器１０９の位置および機能の最終的な選択は、ドハーティ増幅器の全体的な特性（例えば、効率，利得，利得の平坦性，相互変調歪み等）を最適化するように行う。代替実施例を第２図に示す。
バイアス制御を備えたドハーティ型電力増幅器の代替実施例を第２図に示す。ＲＦ入力信号を直交スプリッタ２０３に供給する。直交スプリッタ２０３の同相（０°）出力は、キャリア増幅器２０５に入力される。直交スプリッタ２０３の直交位相（９０°）出力は、ピーク増幅器２０７に入力される。キャリア増幅器２０５のＤＣ電力入力と直列な抵抗ＲＳ間に、差動増幅器２０９が配置されている。この抵抗間の電圧は、キャリア増幅器２０５が引き込むＤＣ電流に比例し、一方この電流は、ＲＦ入力信号のＲＦ入力電力レベルに比例する。差動増幅器２０９の出力は、抵抗ＲＳ間の電圧を増幅した複製である。キャリア増幅器のバイアス制御回路２１１の出力は、キャリア増幅器２０５のバイアス制御部に入力される。ピーク増幅器のバイアス制御回路２１３の出力は、ピーク増幅器２０７のバイアス制御入力に入力される。キャリア増幅器２０５およびピーク増幅器の出力は、コンバイナ２１５において結合される。コンバイナ２１５は、１／４波長（１／４）５０オーム伝送線２１７を含み、第１図に関して説明したコンバイナ１１５の機能と同様に、ノード２１９に出力を生成する。
キャリア増幅器用バイアス制御回路のブロック図を第３図に示す。キャリア増幅器のバイアス制御回路１１１または２１１は、ＣＡバイアス制御信号を出力し、キャリア増幅器１０５または２０５に入力する。演算増幅器３０１は、その電源入力がＶ_ccに結合され、その正入力が基準電圧Ｖ_osに結合されている。Ｖ_osは、オフセット電圧基準である。演算増幅器３０１の負入力は、バイアス制御回路への入力と直列な抵抗Ｒ₁を有する。第１図の場合、バイアス制御回路の入力信号は、検出器１０９の出力信号である。第２図の場合、バイアス制御回路の入力信号は、差動増幅器２０９の出力である。演算増幅器３０１の負入力と、演算増幅器３０１の出力との間に、抵抗Ｒ₂が直列に結合されている。
ピーク増幅器用バイアス制御回路のブロック図を第４図に示す。ピーク増幅器のバイアス制御回路１１３または２１３は、ＰＡバイアス制御信号を出力し、ピーク増幅器１０７または２０７に入力する。演算増幅器４０１は、その電源入力がＶ_ccに結合され、その正入力が、バイアス制御回路１１３または２１３への入力信号に結合されている。第１図の場合、バイアス制御回路の入力信号は、検出器１０９の出力信号である。第２図の場合、バイアス制御回路の入力信号は、差動増幅器２０９の出力である。基準電圧Ｖ_osと差動増幅器の負入力との間に、直列抵抗Ｒ₃が配置されている。また、演算増幅器４０１の負入力と演算増幅器４０１の出力との間に、別の直列抵抗Ｒ₄が直列に結合されている。
図示のバイアス制御回路１１１，１１３，２１１，２１３は、正電圧をそれらの入力信号として扱うように設計されている。バイアス制御回路１１１，１１３，２１１，２１３は、負入力信号を扱うように、当業者によって容易に変更可能である。
ＣＡバイアス制御信号の検出器出力に対するグラフを第５Ａ図に示す。ＣＡバイアス制御信号は、検出器１０９または２０９の出力と逆方向に追跡する。ＣＡバイアス制御信号は、検出器１０９または２０９の出力（Ｖ_det）がほぼＶ_os＋（Ｖ_os−Ｖ_cc）Ｒ₁／Ｒ₂のレベルに到達するまで、Ｖ_cc付近に留まる。次いで、ＣＡバイアス制御信号は、ゼロ付近のレベルに到達するまで、比率−Ｒ₂／Ｒ₁によって決定される勾配で低下する。
例えば、検出器１０９または２０９の出力が４Ｖから５Ｖになる場合に、ＣＡバイアス制御信号が５Ｖから０Ｖに変化する必要があると仮定する。この場合、傾斜は−５となる。第１段階は、Ｖ_cc＝５Ｖを設定し、ＣＡバイアス制御信号に所望の変化範囲を得る。次に、比率Ｒ₂／Ｒ₁を５に等しくし、所望の傾斜を得なければならない。これを達成するには、Ｒ₁＝１０００オームおよびＲ₂＝５０００オームと設定する。最後に、Ｖ_det＝４ＶおよびＶ_cc＝５Ｖとして、前述の式をＶ_osについて解き、Ｖ_osに必要な値、約４．１７Ｖを得る。
尚、第３図のキャリア増幅器のバイアス制御回路は、差動増幅器２０９にも使用可能であることを注記しておく。この場合、電源ＤＣに最も近いＲ_sの端部に基準電圧Ｖ_osを接続し、ＩＮＰＵＴと称する端子をＲ_sの対向端部に接続する。全体の電流および電圧の伝達関数は、Ｒ_sＲ₂／Ｒ₁となる。
ＰＡバイアス制御信号の検出器出力に対するグラフを第５Ｂ図に示す。ＰＡバイアス制御信号は、検出器１０９または２０９の出力と同じ方向に追跡する。ＰＡバイアス制御信号は、検出器１０９または２０９の出力（Ｖ_det）がほぼ（Ｖ_os）Ｒ₄／（Ｒ₃＋Ｒ₄）のレベルに到達するまで、ゼロ付近に留まる。次いで、ＰＡバイアス制御信号は、Ｖ_cc付近のレベルに到達するまで、比率（Ｒ₃＋Ｒ₄）／Ｒ₃によって決定される勾配で上昇する。
例えば、検出器１０９または２０９の出力が２．５Ｖから５Ｖになる際に、ＰＡバイアス制御信号が０Ｖから５Ｖに変化する必要があると仮定する。この場合、傾斜は２となる。第１段階は、Ｖ_cc＝５Ｖと設定し、ＰＡバイアス制御信号に所望の変化範囲を得ることである。次に、比率（Ｒ₃＋Ｒ₄）／Ｒ₃を２に等しくし、所望の傾斜を得なければならない。これを達成するには、Ｒ₃＝１０００オームおよびＲ₄＝１０００オームに設定する。最後に、Ｖ_det＝２．５ＶおよびＶ_cc＝５Ｖとして、前述の式をＶ_osについて解き、Ｖ_osに必要な値を得る。これは５Ｖである。
キャリア増幅器１０５または２０５あるいはピーク増幅器１０７または２０７のブロック図を第６図に示す。第６図の増幅器の入力は、入力整合回路６０１に接続されている。入力整合回路の出力は、ＲＦ電力増幅素子６０３のゲートに接続されている。電力増幅素子６０３は、ＭＯＳＦＥＴ電力増幅素子、例えば、ＶＭＯＳまたはＬＤＭＯＳとすればよい。入力整合回路６０１の機能は、典型的に約１オームのＭＯＳＦＥＴ素子６０３のゲートにおけるＲＦインピーダンスを、ＲＦ入力源の最適な機能に必要な、典型的に５０オームのレベルに変圧することである。入力整合回路は、前述のHerbert L.Krauss et al.によるSolid State Radio Engineeringという書籍（John Wiley & Sons,New York,1980）に記載されているように、リアクタ・コンポーネント，変圧器，および伝送線の様々な組み合わせを用いることによって構成することができる。トランジスタ６０３のゲートは、抵抗Ｒ₅を介して、電圧電源Ｖ_ggに接続されている。トランジスタ６０３のゲートは、抵抗Ｒ₆を介して接地にも接続されている。トランジスタ６０３のソースは接地に接続されている。トランジスタ６０３のドレインは、ＲＦチョーク６０５を介して、電源電圧Ｖ_ddに接続されている。バイアス制御入力は、抵抗Ｒ_gcを介して、トランジスタ６０３のゲートに接続されている。Ｒ_gcは、検出器の出力が最少から最大に移行する際に、ゲート・バイアス電圧Ｖ_gに所望の変化を与えるように選択する。このＶ_gの変化は、Ｒ₅＝Ｒ₆＝２０００オームと仮定すると、ほぼＶ_cc ^*１０００／（１０００＋Ｒ_gc）となる。次に、接続されている適切なバイアス制御回路１１１，１１３，２１１，または２１３によって、検出器１０９または２０９の最小出力において所望のＶ_gを与えるように、Ｖ_ggを設定する。トランジスタ６０３のドレインは、出力整合回路６０７に接続されている。出力整合回路６０７は、典型的に約１オームであるＭＯＳＦＥＴ素子６０３のドレインにおけるインピーダンスを、典型的に５０オームであるＲＦ出力ポート１１９におけるインピーダンスに変換する。出力整合回路は、前述のHerbert L.Krauss et al.によるSolid State Radio Engineeringという書籍（John Wiley & Sons,New York,1980）に記載されているように、リアクタ・コンポーネント，変圧器，および伝送線の様々な組み合わせを用いることによって構成することができる。出力整合回路は、増幅器のＲＦ出力を出力する。
本発明は、ゼロ・バイアス電流を有するドハーティ電力増幅器のバイアス制御を備える。上述のバイアス方式は、ＭＯＳＦＥＴ素子を用いた従来技術のドハーティ増幅器と比較して、キャリア増幅器がその飽和点に達するまで、ピーク増幅器を強くカットオフに維持することによって、効率の向上を図るものである。また、このバイアス方式は、ドハーティ電力増幅器における電力レベルの関数として、電源利得を一層安定して維持する。何故なら、キャリア増幅器へのバイアスは、ピーク増幅器へのバイアスが増大するに連れて減少するからである。この利得変動の減少によって、ドハーティ電力増幅器における相互変調歪みの減少（線形性の改善）に至る。

Claims (9)

1. 電力増幅器であって：
   ＲＦ入力信号に結合され、該ＲＦ入力信号から同相信号および直交位相信号を生成する電力スプリッタ；
   前記電力スプリッタからの前記同相信号を増幅するキャリア増幅器であって、キャリア増幅器バイアス入力を有するキャリア増幅器；
   前記電力デバイダからの前記直交位相信号を増幅するピーク増幅器であって、ピーク増幅器バイアス入力を有するピーク増幅器；
   前記キャリア増幅器の出力および前記ピーク増幅器の出力に結合されたコンバイナであって、前記キャリア増幅器の出力および前記ピーク増幅器の出力を結合するコンバイナ；
   前記キャリア増幅器に結合された第１バイアス回路であって、前記キャリア増幅器バイアス入力は、前記第１バイアス回路によって与えられ、前記第１バイアス回路は前記電力増幅器の前記ＲＦ入力信号の大きさを示す第１信号によって、該第１信号が第１の所定値に達した後に前記キャリア増幅器バイアス入力のレベルが低下するように制御される、第１バイアス回路；
   前記ピーク増幅器に結合された第２バイアス回路であって、前記ピーク増幅器バイアス入力は、前記第２バイアス回路によって与えられ、前記第２バイアス回路は前記電力増幅器の前記ＲＦ入力信号の大きさを示す第２信号によって、該第２信号が前記第１の所定値よりも小さい第２の所定値に達した後に前記ピーク増幅器バイアス入力のレベルが上昇するように制御される、第２バイアス回路；
   を備えることを特徴とする電力増輻器。
2. 前記第１信号および前記第２信号は同一の信号であることを特徴とする請求項１記載の電力増幅器。
3. 前記第１信号は、前記ＲＦ入力信号に結合されたエンベロープ検出器の出力から導出されることを特徴とする請求項１記載の電力増幅器。
4. 前記第２信号は、前記ＲＦ入力信号に結合されたエンベロープ検出器の出力から導出されることを特徴とする請求項１記載の電力増幅器。
5. 前記キャリア増幅器は電源から電流を引き込み、前記第１信号は該電流に比例することを特徴とする請求項１記載の電力増幅器。
6. 前記キャリア増幅器は電源から電流を引き込み、前記第２信号は該電流に比例することを特徴とする請求項１記載の電力増幅器。
7. キャリア増幅器バイアス入力信号によって制御されるキャリア増幅器と、ピーク増幅器バイアス入力信号によって制御されるピーク増幅器とを含む電力増幅器を用いてＲＦ入力信号を増幅する方法であって：
   前記ＲＦ入力信号を、同相信号および直交位相信号に分離する段階；
   前記ＲＦ入力信号の大きさを示す第１の信号に基づいて、該第１の信号が第１の所定値に達した後に前記キャリア増幅器バイアス入力信号が低下するように前記キャリア増幅器バイアス入力信号を変化させる段階；
   前記ＲＦ入力信号の大きさを示す第２の信号に基づいて、該第２の信号が前記第１の所定値よりも小さい第２の所定値に達した後に前記ピーク増幅器バイアス入力信号が上昇するように前記ピーク増幅器バイアス入力信号を変化させる段階；
   キャリア増幅器を用いて前記同相信号を増幅し、第１増幅信号を生成する段階；
   ピーク増幅器を用いて前記直交位相信号を増幅し、第２増幅信号を生成する段階；
   前記第１増幅信号および前記第２増幅信号を結合し、出力信号を生成する段階；
   を備えることを特徴とする方法。
8. 前記ＲＦ入力信号のエンベロープ検出を行い、前記ＲＦ入力信号の大きさを導出する段階を更に備えることを特徴とする請求項７記載の方法。
9. 前記キャリア増幅器によって引き込まれる電流から、前記ＲＦ入力信号の大きさを決定する段階を更に備えることを特徴とする請求項７記載の方法。

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