JP5255744B2 - E/f級スイッチング電力増幅器 - Google Patents
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Description
本発明は、高効率の電力増幅器に関するものであり、より具体的には、新たなクラスのスイッチング電力増幅器であって、E級と逆F級(F-1級)のハイブリッド電力増幅器に関するものである。
電力増幅器は、回路トポロジーと動作原理に関連した根本的特徴に基づき、A、AB、B、C、D、E、F、S等の幾つかの異なるカテゴリーによって分類される。各クラスは、例えば、線形性、電力効率、帯域幅、周波数応答等の動作特徴において相対的な長所と短所があり、使用条件に基づいて選ばれる。
E級増幅器は、他の種類のスイッチング増幅器で発生するスイッチング電力損失、即ち容量性の放電に関連した損失の主な原因を実質上取り除くことにより、高周波数にて高い効率を達成する。殆どのあらゆるスイッチングモード電力増幅器において、キャパシタンスCsが、事実上、電源スイッチをシャントする。最小の場合、このキャパシタンスは、回路部品(トランジスタ)及び配線の固有の寄生キャパシタンスCoutである。回路設計者は、追加キャパシタンスを追加することを意図的に望むであろう。他の種類のスイッチング増幅器(E級増幅器は除く)において、このシャントキャパシタンスは、一般的に望ましくない。その理由は、スイッチ及びそのシャントキャパシタンスに亘る電圧がゼロでないときにスイッチが入ると、充電済のキャパシタンスに貯えられていたエネルギーは、熱となって失われるからである。エネルギーは、CsV2/2であって、Csは、スイッチをシャントする容量であり、Vは、スイッチが閉じられているときのスイッチに亘る(従ってキャパシタンスに亘る)電圧である。スイッチング周波数がf 0 である場合、電力損失はC s V 2 f 0 /2となる。電力損失は、スイッチング周波数に直接的に比例する点に留意されたい。従って、高周波電力増幅器にとっては、この電力損失は深刻な不利益となり、しばしば電力損失構造の主要因となりうる。更に、スイッチがこのキャパシタを放電している間、スイッチは、キャパシタ電圧と放電電流の両方を同時に受ける。同時的な電圧及び電流が十分大きい場合、それらは、パワートランジスタの破壊的な損傷及び/又は性能低下を惹き起こす可能性がある。
F級は、スイッチング型増幅器の、もう一つの周知の級である。F級増幅器は、複数の共振器の負荷ネットワークを用いて、能動素子の出力電圧波形及び/又は電流波形の調波成分を制御することにより、効率を向上させる。F級回路を実現する際、能動素子は、主にスイッチとして作動し、負荷ネットワークは、一般に、基本周波数の偶数調波のときには短絡回路インピーダンス、基本周波数の奇数調波のときには開回路インピーダンスを生じるよう設計されている。
本発明は、これらのニーズに対応するものであり、少なくとも1つの基本周波数を含む高周波入力信号を増幅するための高性能スイッチング電力増幅器に属しており、負荷を駆動するように作られている。該増幅器は、高速能動素子、及びハイブリッドE/F級負荷ネットワークを含んでいる。能動素子は、事実上スイッチとして動作するスイッチ要素、及び該スイッチ要素と並列に存在する寄生キャパシタンスCoutを含んでいる。ハイブリッドE/F級負荷ネットワークは、能動素子に接続されている。
本発明は、従来のE級及びF-1級増幅器が有する優れた特徴の幾つかを単一設計に組み入れることによって、それら増幅器の何れよりも高性能を実現することを可能にする。
本発明の新規な回路トポロジーは、種々の回路に実施される。図4に示すような単一能動素子型の設計は、極めて簡単な方法でE/F設計を実施するために使用され得る。例えば、E/F3増幅器を構成するために、図4Bに示すような回路が利用される。該回路は、シャントキャパシタンスCS(106')と並列に存在する能動素子(102')を具えている。これら(106')(102')には、3次調波を短絡するために同調された直列LC共振器(111')が接続されており、さらに、基本周波数で共振するように同調された第2の直列LC共振器(112')を介して、誘導性負荷が接続されている。該誘導性負荷は、駆動される負荷RL(116')及び位相補正インダクタLL(114')から成る。チョーク(104')は、dc電源機構への接続を行う。したがって、該回路は、3次調波で短絡回路、基本波で誘導性負荷、及び残りの倍音で容量性インピーダンスを与えることにより、E/F3条件を満たす。キャパシタンスCSは、設計者によって加えられる明示的な要素ではなくともよいが、能動素子の寄生的出力キャパシタンスの一部又は全体を成す、と理解されるべきである。勿論、この回路の多くの変形物は、例えば、基本周波数共振器(112')と位相補正インダクタLL(114')を組み合わせて1つの要素にし、それによって要素の総数を減らすことなどは、当該分野の専門家によって容易に考案されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】
負荷に接続されたスイッチング電力−増幅器を組み入れている、従来のRF電力伝達装置を簡略化したブロック図である。
【図2】
従来のE級電力増幅回路の概念ブロック図である。
【図3】
従来のF-1級電力増幅回路の概念ブロック図である。
【図4】
図4は、本発明の新規なE/F級電力増幅器の1つの回路トポロジーを示す概念ブロック図である。
【図4B】
図4Bは、調波同調を実現するために2つの共振器を使用している、新規なE/F3級増幅器の望ましい一実施例の概略図である。
【図4C】
図4Cは、調波同調を実現するために2つの共振器を使用している、新規なE/F2,3級増幅器の望ましい一実施例の概略図である。
【図4D】
図4Dは、調波同調を実現するために2重共振フィルタを使用している、新規なE/F2,3級増幅器の望ましい一実施例の概略図である。
【図5】
プッシュプル式増幅器を使用している、本発明の新規なE/Fodd級増幅器の望ましい一実施例の概念図である。
【図6】
図5に示したE/Fodd級プッシュプル式増幅回路に代わる設計の概念図であって、負荷は、変圧器を介して回路に結合されている。
【図7】
図5に示した回路の改良形である、E/Fx,odd級プッシュプル式増幅器の概念図であって、偶数調波同調が含まれている。
【図8】
図5に示したプッシュプル式増幅回路のさらに別の改良形であって、E/F2,odd級に対する級の増幅器の概念図であって、偶数調波同調が含まれている。
【図9】
本発明に従って設計された、新規な準E/F級増幅器回路の概念図である。
Claims (2)
- 少なくとも1つの基本周波数を有する高周波入力信号を増幅し、抵抗性負荷を駆動するように構成された高効率スイッチング電力増幅器であって、
(a)スイッチとして作動する第1スイッチ要素と、前記第1スイッチ要素と並列の寄生キャパシタンスCout1とを含む高速な第1能動素子と、
(b)スイッチとして作動する第2スイッチ要素と、前記第2スイッチ要素と並列の寄生キャパシタンスCout2とを含む高速な第2能動素子と、
(c)(i)前記第1能動素子に接続された第1ポートと、
(ii)前記第2能動素子に接続された第2ポートと、
(iii)前記抵抗性負荷に接続された第3ポートと、
を有する3ポートのE/F級の負荷ネットワークと、
を具えており、
前記第1及び第2能動素子は、プッシュプル式構成で駆動され、前記負荷ネットワークは、
(i)全ての基本周波数にて、前記抵抗性負荷と直列の誘導性負荷に、
(ii)N次調波までの、各基本周波数に対する1又は2以上の偶数倍音にて、開回路に、
(iii)N次調波までの、各基本周波数に対する全奇数倍音にて、短絡回路に、
(iv)N次調波までの残りの全ての倍音にて、容量性インピーダンス負荷に、
なる、高効率スイッチング電力増幅器。
- 変圧器を更に含み、前記変圧器は、前記第1及び第2能動素子の出力部と前記抵抗性負荷に接続され、前記抵抗性負荷は、前記変圧器を介して、前記第1及び第2能動素子の出力部からdc絶縁された、請求項1の増幅器。
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