JP4628175B2 - 増幅器 - Google Patents

Description

本発明は、携帯電話システムの基地局の送信機などに用いられる増幅器に係り、特に、低歪で高リニアリティの増幅器に関する。

携帯電話システムの基地局などにおいては、ＲＦ（Radio Frequency：無線周波）信号を送信するために、このＲＦ送信信号を電力増幅器で電力増幅する。この場合、かかる高周波信号の電力増幅器で歪みが生ずるため、この電力増幅器の前段に振幅補償のための減衰器と位相補償のための移相器とを設け、この電力増幅器による電力増幅前の送信信号と電力増幅後の送信信号とから振幅歪みと位相歪みとを検出し、検出した振幅歪みに応じて減衰器の補償特性を調整し、検出した位相歪みに応じて移相器の補償特性を調整するようにすることにより、電力増幅器の振幅，位相歪みを抑えるようにした技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

これに対し、最近では、かかる高周波信号の高出力電力増幅器として、高効率なドハーティ増幅器（Doherty Amplifier）が注目されている。これは、高周波出力の電力増幅器の出力効率を改善するものとして最初に提案されたものである（例えば、非特許文献１参照）。

図２はドハーティ増幅器の回路構成を示す図であって、１は入力端子、２は入力分配回路、３はキャリア増幅器、４はピーク増幅器、５は出力合成回路、６は出力端子である。

同図において、ドハーティ増幅器は、入力端子１から入力される信号を２つに分配する入力分配回路２と、この入力分配回路２の一方の出力信号を増幅するキャリア増幅器３と、この入力分配回路２の他方の出力信号を増幅するピーク増幅器４と、キャリア増幅器３とピーク増幅器４との出力信号を合成し、出力端子６から出力させる出力合成回路５とから構成されている。

入力分配回路２は入力端子１からの入力信号を２つに分配し、分配した一方の信号をキャリア増幅器３に供給するとともに、分配した他方の信号を１／４波長（λ／４）の伝送路２ａを介してピーク増幅器４に供給する。

キャリア増幅器３とピーク増幅器４は同一の特性を有するが、キャリア増幅器３はＡ級やＡＢ級，Ｂ級で動作し、ピーク増幅器４はＣ級で動作するようにして、キャリア増幅器３が飽和するとともに、ピーク増幅器４が増幅動作を行なうようにしている。即ち、入力分配回路２から供給される信号がキャリア増幅器３で飽和しない振幅範囲のときには、キャリア増幅器３をこの信号を増幅して出力するが、ピーク増幅器４は、オフ状態にあって、信号を出力しない。入力信号のレベルがキャリア増幅器３が飽和するレベルに達すると、ピーク増幅器４は入力信号のキャリア増幅器３が飽和するレベル以上の部分（これを、以下、ピーク部分という）について増幅を開始する。そして、キャリア増幅器３が飽和するレベル以上では、キャリア増幅器３は出力インピーダンスの低下によって飽和を保ったまま、さらに、出力を増大し、ピーク増幅器４はピーク部分を増幅して出力する。

キャリア増幅器３の出力信号は、出力合成回路５において、１／４波長の伝送路５ａを介してピーク増幅器４の出力信号と合成され、出力端子６から出力される。この１／４波長の伝送路５ａは、キャリア増幅器３の出力信号を効率良くピーク増幅器４の出力信号と合成するためのものであり、このとき、キャリア増幅器３の出力信号とピーク増幅器４の出力信号とが同相で合成されるように、上記のように、入力分配回路２に１／４波長の伝送路２ａが設けられている。

このように、ドハーティ増幅器は、主として作用する増幅器（上記のキャリア増幅器３）が飽和しても、それ以上のレベルのピーク部分を補助増幅器としての他の増幅器（上記のピーク増幅器４）で増幅し、これら２つの増幅器の出力信号を合成して出力する構成をなすものであるから、増幅効率が優れ、低周波からミリ波にわたって利用可能な高出力の電力増幅器として注目されている。

ところで、増幅器には、入力信号のレベルに対して利得や位相が変化し、これによって歪みが発生するが、ドハーティ増幅器の場合、キャリア増幅器３とピーク増幅器４が同一特性の増幅器であっても、キャリア増幅器３はＡ級，ＡＢ級もしくはＢ級で動作させ、ピーク増幅器４はＣ級で動作させるように、これら２つの増幅器のクラスが異なるため、夫々の増幅器に生ずる歪みが異なり、これら増幅器の出力信号を合成して得られるドハーティ増幅器の出力信号は入力信号に対するリニアリティが損なわれることになる。

ドハーティ増幅器において、信号レベルに対する増幅器の利得変化に伴うリニアリティの劣化を改善する方法として、従来、ピーク増幅器４の前段に利得補償器を設けるようにし、信号レベルに応じたピーク増幅器４の利得変化をこの利得補償器で補償するようにした技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

また、ドハーティ増幅器において、信号レベルに対する増幅器の出力位相の変化（以下、この位相歪みをＡＭ（振幅）ーＰＭ（位相）歪みという）によるリニアリティの劣化を改善する方法として、従来、キャリア増幅器３とピーク増幅器４夫々毎に、それらの前段に前置歪み補償回路を設け、信号レベルに応じたキャリア増幅器及びピーク増幅器のＡＭ−ＰＭ歪みをこれら前置歪み増幅回路で補償し、ドハーティ増幅器のリニアリティを改善するようにした技術も提案されている（例えば、特許文献３参照）。

このように、ドハーティ増幅器は、歪みを低減することにより、高リニアリティの高出力が得られるものであることから、携帯電話システムの基地局などの送信機の電力増幅器への適用が注目されている。
特開２００３ー２７３６５９ W.H.Doherty著 "A New High Efficiency Power Amplifier for Modulated Waves",Proc.IRE,Vol.24,No.9,Sept.1936 特開２００４ー２２１６４６ 特開２００４ー２２２１５１

ところで、上記特許文献２に記載の技術は、キャリア増幅器とピーク増幅器とが同一特性としており、このため、ピーク増幅器の利得が理想の利得よりも小さくなってしまうため、利得補償器でこのピーク増幅器の利得の不足を補うものである。

一方、増幅器では、その処理する信号のレベルに応じてＡＭ−ＰＭ歪みが生ずる。このため、キャリア増幅器とピーク増幅器との２つの増幅器を用いるドハーティ増幅器では、これら夫々の増幅器にＡＭ−ＰＭ歪みが生ずることになる。上記特許公報３に記載の技術では、キャリア増幅器，ピーク増幅器夫々毎に前置歪み補償回路を設けることにより、これらキャリア増幅器，ピーク増幅器のＡＭ−ＰＭ歪みを抑えるようにしているものである。

しかしながら、キャリア増幅器がＡ級，ＡＢ級あるいはＢ級で動作するのに対し、ピーク増幅器がＣ級で動作するため、キャリア増幅器に比べてピーク増幅器のＡＭ−ＰＭ歪みが大きい（即ち、入力レベルによって位相が大きく変化する）。このために、上記特許文献３に記載の技術では、ピーク増幅器のＡＭ−ＰＭ歪みを補正する前置歪み補償回路としては、かかる大きく変動するＡＭ−ＰＭ歪みを補正する必要があり、大型の前置歪み補償回路を必要として、ドハーティ増幅器の構成が大型化し、高コストで高消費電力のものとなるという問題がある。

本発明の目的は、かかる問題を解消し、ＡＭ−ＰＭ歪みを効果的に抑制することができ、小型で低コスト，低消費電力の高出力電力増幅器を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、入力信号を分配する入力分配回路と、この入力分配回路の一方の出力信号を増幅するキャリア増幅器と、この入力分配回路の他方の出力信号で該キャリア増幅器が飽和する入力レベル以上のレベルのピーク分を増幅するピーク増幅器と、キャリア増幅器の出力信号とピーク増幅器の出力信号とを合成する出力合成回路とを備えた増幅器であって、入力分配回路の入力側に、キャリア増幅器で生ずるＡＭ−ＰＭ歪みをキャンセルする第１の補償用歪みを入力信号に付加して、入力分配回路に供給する第１の歪み補償回路を設け、かつ、入力分配回路とピーク増幅器との間に、第１の歪み補償回路で第１の補償用歪みが付加された入力分配回路の他方の出力信号に、第１の補償用歪みとでピーク増幅器で生ずるＡＭ−ＰＭ歪みをキャンセルする第２の補償用歪みを付加して、ピーク増幅器に供給する第２の歪み補償回路を設け、第１及び第２の歪み補償回路は、入力レベルの増加に伴い、同じ向きの位相を与えるものである。

本発明によれば、キャリア増幅器の歪みを補償する第１の歪み補償回路を、ピーク増幅器の歪みを補償するために設けられた第２の歪み補償回路とともに、ピーク増幅器の歪みを補償するために用いるものであるから、第２の歪み補償回路としては、それ自体だけでピーク増幅器の歪みを補償するような大型の回路構成とする必要がなく、ピーク増幅器の歪みも効果的に抑圧することが可能となる。

以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。

図１は本発明による増幅器の一実施形態を示す回路構成図であって、７は前置歪み補償回路、８はドライブ増幅器、９は前置歪み補償回路、１０，１１はドライブ増幅器であり、図２に対応する部分には同一符号をつけて重複する説明を省略する。

同図において、入力端子１と入力分配回路２との間には、前置歪み補償回路７とドライブ増幅器８とが直列に設けられ、入力分配回路２とキャリア増幅器３との間にドライブ増幅器１０が設けられ、入力分配器２とピーク増幅器４との間に前置歪み補償回路９とドライブ増幅器１１とが直列に設けられている。

前置歪み補償回路７は、少なくとも非飽和状態におけるキャリア増幅器３でのＡＭ−ＰＭ歪みを補償する歪み補償特性を有するものであって、入力端子１から入力された信号にキャリア増幅器３で生ずるＡＭ−ＰＭ歪みをキャンセルする（つまり、反対の）ＡＭ−ＰＭ歪み（以下、補償用歪みという）を付加する。また、前置歪み補償回路９は、前置歪み補償回路７とともに、ピーク増幅器４で生ずるＡＭ−ＰＭ歪みを補償する補償特性を有するものであって、前記歪み補償回路７で補償用歪みが付加されて歪み補償された信号に、ピーク増幅器４で生ずるＡＭ−ＰＭ歪みをキャンセルできるように、ＡＭ−ＰＭ歪み（以下、補償用歪みという）を付加する。かかる前置歪み補償回路７，９としては、例えば、ショットキーダイオードや小信号トランジスタ，ＦＥＴなどで構成する小電流回路とすることができる。

かかる構成において、入力端子１から入力された信号は、前置歪み補償回路７でキャリア増幅器３で生ずるＡＭ−ＰＭ歪みをキャンセルする補償用歪みが付加され、ドライブ増幅器８でレベルが調整された後、入力分配回路２に供給されてキャリア増幅器３側とピーク増幅器４側とに分配される。キャリア増幅器３側に分配された信号Ａは、ドライブ増幅器１０でレベル調整された後、キャリア増幅器３で増幅される。また、ピーク増幅器４側に分配された信号Ｂは、前置歪み補償回路９に供給される。この前置歪み補償回路９では、前置歪み補償回路７で補償用歪みが付加された信号Ｂに、ピーク増幅器４で生ずるＡＭ−ＰＭ歪みがキャンセルされるように、さらに、補償用歪みが付加される。前置歪み補償回路９から出力される信号Ｂは、ドライブ増幅器１１でレベルが調整された後、ピーク増幅器４に供給される。

ここで、キャリア増幅器３はＡ級，ＡＢ級またはＢ級で動作し、また、ピーク増幅器４はＣ級で動作するように、夫々バイアスが設定されていて、キャリア増幅器３が飽和するまでは、ピーク増幅器４はカットオフ状態にあるが、キャリア増幅器３が飽和に達すると、ピーク増幅器４は急激に出力を増加させ、キャリア増幅器３の利得の不充分を補うように動作する。

なお、キャリア増幅器３とピーク増幅器４とは、例えば、同種（同型名）の半導体デバイスにより増幅を行ない、バイアスが異なっても、ＡＭ−ＰＭ特性は同じ傾向（例えば、レベルの増大に伴い、位相が単調に同じ向きにシフトする）を示す。例えば、ＬＤＭＯＳの場合、入力レベルが小さいときには、ＡＭ−ＰＭ特性は平坦であるが、ある値を越えた辺りから位相の遅れが顕著になる。

また、キャリア増幅器３で生ずるＡＭ−ＰＭ歪みは前置歪み補償回路７で付加された補償用歪みによってキャンセルされ、ピーク増幅器４で生ずるＡＭ−ＰＭ歪みは前置歪み補償回路７，９で付加された補償用歪みによってキャンセルされる。

キャリア増幅器３が飽和していないときには、ピーク増幅器４はオフ状態にあるので、キャリア増幅器３の出力信号が、出力合成回路５を介して、出力端子６からドハーティ増幅器の出力信号として出力端子６から出力される。また、キャリア増幅器３が飽和したときには、ピーク増幅器４から急激に増加する信号が出力され、キャリア増幅器３の飽和した出力信号とその不足分を補うピーク増幅器４の出力信号とが出力合成回路５で合成されて、ドハーティ増幅器の出力信号として出力端子６から出力される。

このようにして、この実施形態によると、キャリア増幅器３やピーク増幅器４でのＡＭ−ＰＭ歪みを効率良く補正することができて、低歪でリニアリティが改善された低消費電力かつ高出力電力の増幅器を実現でき、例えば、携帯電話システムの基地局での送信機の電力増幅器などに用いることにより、低消費電力で低歪のリニアリティが優れた高出力の電力増幅が可能となる。

ここで、前置歪み補償回路７は入力信号の全レベルにわたってＡＭ−ＰＭ歪みを補償するものであり、前置歪み補償回路９は少なくともキャリア増幅器３が飽和するレベル以上でＡＭ−ＰＭ歪みを補償する歪み特性を有している。ドハーティ増幅器では、ピーク増幅器４が動作し始めるレベル付近で、出力インピーダンスの変化などの影響により、通常とは反対向きに位相がずれることがあるので、前置歪み補償回路９は、バイアスなどの調整により、前置歪み増幅器７よりも大きなレベル（例えば、ピーク増幅器４が動作し始めるレベルより０〜１０ｄＢ大きいレベル）以上で前置歪みを発生するようにするとよい場合がある。

また、簡易的には、これら前置歪み補償回路７，９が同一のＡＭ−ＰＭ歪み補償特性を持つ回路構成としてもよく、その場合には、ピーク増幅器４では、キャリア増幅器３でのＡＭ−ＰＭ歪みの補償の２倍の歪み補償がなされることになる。このために、ピーク増幅器４のＡＭ−ＰＭ歪みの補償には、上記特許文献３に記載の技術のような大きな歪み特性を有する前置歪み補償回路が不要として、低歪で高リニアリティの高出力信号が得られることになる。勿論、前置歪み補償回路９と前置歪み補償回路７とで補償量が異なる場合でも、前置歪み補償回路９としては、上記特許文献３に記載の技術でのピーク増幅器のＡＭ−ＰＭ歪みを補償する前置歪み補償回路よりも低補償量の小型で低消費電力の構成のものとすることができる。

なお、図１において、ドライブ増幅器８，１０，１１は、上記のように、信号レベルを調整するためのものであって、必ずしも必要なものではない。

本発明による増幅器の一実施形態を示す回路構成図である。 ドハーティ増幅器を示す回路構成図である。

符号の説明

１ 入力端子
２ 入力分配回路
２ａ １／４波長の伝送路
３ キャリア増幅器
４ ピーク増幅器
５ 出力合成回路
６ 出力端子
７ 前置歪み補償回路
８ ドライブ増幅器
９ 前置歪み補償回路
１０，１１ ドライブ増幅器

Claims (1)

1. 入力信号を分配する入力分配回路と、該入力分配回路の一方の出力信号を増幅するキャリア増幅器と、該入力分配回路の他方の出力信号での該キャリア増幅器が飽和する入力レベル以上のレベルのピーク分を増幅するピーク増幅器と、該キャリア増幅器の出力信号と該ピーク増幅器の出力信号とを合成する出力合成回路とを備えた増幅器において、
   該入力分配回路の入力側に、該キャリア増幅器で生ずるＡＭ−ＰＭ歪みをキャンセルする第１の補償用歪みを該入力信号に付加して、該入力分配回路に供給する第１の歪み補償回路を設け、
   かつ、該入力分配回路と該ピーク増幅器との間に、該第１の歪み補償回路で該第１の補償用歪みが付加された該入力分配回路の該他方の出力信号に、該第１の補償用歪みとで該ピーク増幅器で生ずるＡＭ−ＰＭ歪みをキャンセルする第２の補償用歪みを付加して、該ピーク増幅器に供給する第２の歪み補償回路を設け、
   該第１及び第２の歪み補償回路は、入力レベルの増加に伴い、同じ向きの位相を与える
   ことを特徴とする増幅器。

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