JP5267321B2

JP5267321B2 - 増幅器、送信装置および利得補償方法

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Publication number: JP5267321B2
Application number: JP2009120189A
Authority: JP
Inventors: 文弘冨澤; 竜彦田島
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2009-05-18
Filing date: 2009-05-18
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2029-05-18
Also published as: US8253489B2; EP2254238A1; EP2254238B1; JP2010268393A; US20100289585A1

Description

本発明は、信号を増幅する増幅器などに関する。

近年、信号を送受信する基地局では、ＦＥＴ（Field Effect Transistor）回路素子等を用いた増幅器が利用されている。これまでは、LDMOS-FET、GaAs-FET等の増幅器を利用してきた。しかし、最近では、かかる増幅器よりも省電力で動作することができる高効率のGaN（窒化ガリウム）-HEMT（高電子移動度トランジスタ）デバイスを利用した増幅器が主流になりつつある。以下の説明において、GaN-HEMTデバイスを利用した増幅器を高出力増幅器と表記する。

特開平８−３２３５７号公報特開平１０−２９４６２８号公報

しかしながら、上述した高出力増幅器は、GaN-HEMTデバイスの出力レベルを高出力から低出力に制御した場合に、アイドル電流（Idq）が規定値以下となるIdqドリフトが発生し、かかるIdqドリフトによりGaN-HEMTデバイスの利得が大幅に変動してしまうという問題があった。

一般的な増幅器で発生し得る小さな利得変動は、現状の装置内で補償を実施しているが、Idqドリフトによる大きな利得変動は、現状の装置内で補償が実施されていない。したがって、Idqドリフトにより大きな利得変動が発生した場合には、歪み補償の制御が不安定となり、利得変動の補償が完了するまでに時間を要してしまうという問題も発生する。

開示の技術は、上記に鑑みてなされたものであって、Idqドリフトにより発生する大きな利得変動を効率よく補償することが出来る増幅器、送信装置および利得補償方法を提供することを目的とする。

この増幅器は、ＧａＮを用いて信号を増幅するトランジスタのドレイン端子に流れる電流を電圧変換により電位差として検出する電圧検出部と、前記電圧検出部が検出した電位差に基づいて利得補償を行うか否かを判定する補償判定部と、前記補償判定部により利得補償を行うと判定された場合に、前記電位差に応じた利得補償を実行する利得補償部とを備えたことを要件とする。

この増幅器によれば、Idqドリフトにより発生する大きな利得変動を効率よく補償することが出来る。

図１は、GaN-HEMTのアイドル電流Idqと温度Ｔの関係を示す図である。図２は、GaN-HEMTのアイドル電流Idqと利得との関係を示す図である。図３は、GaN-HEMTデバイスに入力されるドレイン電流と利得の関係を示す図である。図４は、本実施例にかかる送信装置の概要を説明するための図である。図５は、本実施例にかかる送信装置の構成を示す図である。図６は、本実施例にかかる高出力増幅器の概要構成を示す図である。図７は、本実施例にかかる高出力増幅器の詳細構成を示す図である。図８は、本実施例にかかる高出力増幅器の処理手順を示すフローチャートである。

以下に、本願の開示する増幅器、送信装置および利得補償方法の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

まず、本実施例の説明を行う前に、GaN-HEMTのIdqドリフトについて説明する。Idqドリフトとは、例えば、高出力増幅器のGaN-HEMTデバイスにおける初期設定のアイドル電流（Idq）が各種の条件下で変動する現象である。なお、アイドル電流は、GaN-HEMTデバイスに信号が印加されていない状態での、ドレイン電流に対応する。

Idqドリフトが発生する条件としては、高出力増幅器の定格出力レベルから、装置仕様で決まっているダイナミックレンジ−２０ｄＢダウン等、出力レベルを下げた場合に発生する。特に、かかるIdqドリフトは、GaN-HEMTデバイスが低温の場合に顕著に発生し、高温の場合には発生しない。

図１は、GaN-HEMTのアイドル電流Idqと温度Ｔの関係を示す図である。図１に示すように、GaN-HEMTデバイスの通常のアイドル電流の設定値は、０．４Ａである。GaN-HEMTデバイスの温度低下にともなって、アイドル電流は大幅に低下する。例えば、−２０度の低温になると、GaN-HEMTデバイスのアイドル電流は、０．０５Ａとなる。なお、GaN-HEMTデバイスの温度上昇にともなうアイドル電流の変化量は僅かなものとなる。

図２は、GaN-HEMTのアイドル電流Idqと利得との関係を示す図である。図２に示すように、GaN-HEMTデバイスの通常の利得は２３ｄＢ程度である。しかし、温度低下の影響を受け、アイドル電流が下がり、アイドル電流が低い状態で、出力レベルを下げると、著しくGaN-HEMTデバイスの利得が低下する。例えば、アイドル電流が０．０５Ａの場合に、出力レベルを下げるとGaN-HEMTデバイスの利得が通常の２３ｄＢから２０ｄＢに低下してしまう。GaN-HEMTデバイスの温度上昇にともなうアイドル電流の変化量は僅かなものとなるため、高温においては、利得に大きな変動は発生しない。

続いて、Idqドリフトが発生した場合におけるGaN-HEMTデバイスに入力されるドレイン電流と利得の関係について説明する。図３は、GaN-HEMTデバイスに入力されるドレイン電流と利得の関係を示す図である。図３に示すように、GaN-HEMTデバイスの通常の利得は２３ｄＢ程度である。GaN-HEMTデバイスのドレイン端子に入力されるドレイン電流が低下すると、利得が下がる。

ここで、図２と図３を比較すると、アイドル電流と利得の関係は、ドレイン電流と利得の関係と相関していることがわかる。したがって、ドレイン電流の電流値が規定値を下回った場合には、IdqドリフトによるGaN-HEMTデバイスの利得が低下しているものと考えられる。アイドル電流はGaN-HEMTデバイスに電流を入力していない状態での電流であるため、アイドル電流そのものをモニタしながら利得補償を実行することは出来ない。

一方、ドレイン電流は、GaN-HEMTデバイスに電流を入力している状態でもモニタできるため、かかるドレイン電流に基づいて利得補償を動的に実行すれば、IdqドリフトによるGaN-HEMTデバイスの利得が大幅に変動してしまうという問題を解消できる。

次に、本実施例にかかる送信装置の概要について説明する。図４は、本実施例にかかる送信装置の概要を説明するための図である。図４に示すように、本実施例にかかる送信装置は、GaN-HEMTデバイスのドレイン端子に入力するドレイン電流をモニタし、ドレイン電流の電流値が規定値未満となるか否かを判定する。そして、送信装置は、ドレイン電流の電流値が規定値未満となる場合に、ドレイン電流に応じた利得補償を実行する。

例えば、図４において、ドレイン電流をモニタした結果、ドレイン電流が０．１Ａの場合には、GaN-HEMTデバイスの利得が基準値の２３ｄＢから２０ｄＢに低下するため、送信装置は、利得が２３ｄＢに戻るように利得補償を実行する。

このように、本実施例にかかる送信装置は、ドレイン電流に基づいて利得補償を実行することで、IdqドリフトによるGaN-HEMTデバイスの利得が大幅に変動してしまうという問題を解決することが出来る。

次に、本実施例にかかる送信装置の構成について説明する。図５は、本実施例にかかる送信装置の構成を示す図である。図５に示すように、この送信装置１００は、歪補償部１１０、Ｄ／Ａコンバータ１２０、ＱＭＯＤ１３０、高出力増幅器１４０、ＤＵＰ１５０、Ａ／Ｄコンバータ１６０を有する。

このうち、歪補償部１１０は、ＡＰＤやＦＰＧＡを有し、高出力増幅器１４０からフィードバックされる信号の情報を取得し、取得した情報を基にして信号の歪み補償する処理部である。

Ｄ／Ａコンバータ１２０は、歪補償部１１０からデジタル信号を取得し、アナログ信号に変換し、変換したアナログ信号をＱＭＯＤ１３０に出力する処理部である。ＱＭＯＤ（直交変調器）１３０は、Ｄ／Ａコンバータ１２０から信号を取得した場合に、取得した信号に対して直交変調を実行する処理部である。ＱＭＯＤ１３０は、直交変調した信号を高出力増幅器１４０に出力する。

高出力増幅器１４０は、ＱＭＯＤ１３０から信号を取得し、GaN-HEMTデバイスを利用して、信号を増幅させる増幅器である。この高出力増幅器１４０は、増幅した信号をカプラにより分割し、増幅した信号をＤＵＰ１５０とＡ／Ｄコンバータ１６０に出力する。また、高出力増幅器１４０は、図４で説明したように、GaN-HEMTデバイスのドレイン電流に基づいて、利得補償を実行する。

ＤＵＰ（Duplexer）１５０は、アンテナ共用器であり、高出力増幅器１４０から出力される信号や、アンテナから受信した信号の伝送損失を低下させる。Ａ／Ｄコンバータ１６０は、高出力増幅器１４０からアナログ信号を取得し、取得したアナログ信号をデジタル信号に変換し、変換後のデジタル信号を歪補償部１１０に出力する処理部である。

次に、図５に示した高出力増幅器１４０の概要構成について説明する。図６は、本実施例にかかる高出力増幅器１４０の概要構成を示す図である。図６に示すように、この高出力増幅器１４０は、GaN-HEMTデバイス１４１、電圧検出部１４２、利得補償判定回路１４３、制御回路１４４、利得補償回路１４５を有する。

このうち、GaN-HEMTデバイス１４１は、Ｖｇ（ゲートバイアス）とＶｄ（ドレインバイアス）に接続され、図５に示したＱＭＯＤ１３０が出力する信号を増幅する回路である。電圧検出部１４２は、GaN-HEMTデバイス１４１のドレイン端子に流れる電流を電圧変換により電位差（電圧）として検出する処理部である。電圧検出部１４２は、検出結果となる電圧の値を利得補償判定回路１４３と制御回路１４４に出力する。

利得補償判定回路１４３は、電圧検出部１４２から電圧の値を取得し、取得した電圧の値に基づいて、利得補償を実行するか否かを判定する回路である。具体的に、利得補償判定回路１４３は、電圧の値が規定値未満の場合に利得補償を実行すると判定し、電圧の値が規定値以上の場合に利得補償を実行しないと判定する。利得補償判定回路１４３は、判定結果を制御回路１４４に出力する。

制御回路１４４は、利得補償判定回路１４３から判定結果を取得し、電圧検出部１４２から電圧の値を取得すると共に、判定結果に応じて電圧の値を利得補償回路１４５に出力する。具体的に、制御回路１４４は、利得補償を実行する旨の判定結果を取得した場合に、電圧の値を利得補償回路１４５に出力する。一方、制御回路１４４は、利得補償を実行しない旨の判定結果を取得した場合に、電圧の値を利得補償回路１４５に出力しない。

利得補償回路１４５は、制御回路１４４から電圧の値を取得した場合に、取得した電圧の値に応じて、利得補償を実行する回路である。例えば、利得補償回路１４５は、信号線を伝送する信号の減衰量を電圧の値に応じて調整することで、利得補償を実行する。

次に、図６に示した高出力増幅器１４０の構成をより具体的に説明する。図７は、本実施例にかかる高出力増幅器１４０の詳細構成を示す図である。同図に示すように、この高出力増幅器１４０は、GaN-HEMTデバイス１４１、電圧検出部１４２、利得補償判定回路１４３、制御回路１４４、利得補償回路１４５を有する。なお、信号を伝送する信号線は、信号の直流成分をカットするＤＣカットコンデンサ１０を有する。

GaN-HEMTデバイス１４１は、Ｖｇ（ゲートバイアス）とＶｄ（ドレインバイアス）に接続され、図５に示したＱＭＯＤ１３０が出力する信号を増幅する回路である。なお、ＶｇとGaN-HEMTデバイス１４１をつなぐ線は、複数のコンデンサ１１に接続される。また、ＶｄとGaN-HEMTデバイス１４１をつなぐ線は、複数のコンデンサ１１、抵抗１４１ａに接続される。

電圧検出部１４２は、複数の抵抗Ｒ_１〜Ｒ_４を含む差動増幅回路１４２ａを有し、抵抗１４１ａの一方に接続された線から印加される電圧Ｖ_１と、もう一方に接続された線から印加されるＶ_２との電圧差分を増幅する。そして、電圧検出部１４２は、増幅した電圧差分Ｖ_ｏｕｔを利得補償判定回路１４３と制御回路１４４に出力する。

利得補償判定回路１４３は、コンパレータ１４３ａと抵抗Ｒ_５、Ｒ_６を有し、電圧差分Ｖ_ｏｕｔの値が、抵抗Ｒ_５、Ｒ_６を結ぶ線から印加される電圧よりも大きいか否かを判定する。利得補償判定回路１４３は、電圧差分Ｖ_ｏｕｔの値が、抵抗Ｒ_５、Ｒ_６を結ぶ線から印加される電圧よりも小さい場合に、Ｈ信号を制御回路１４４に出力する。一方、利得補償判定回路１４３は、電圧差分Ｖ_ｏｕｔの値が、抵抗Ｒ_５、Ｒ_６を結ぶ線から印加される電圧より大きい場合に、Ｌ信号を制御回路１４４に出力する。

制御回路１４４は、トランジスタスイッチ１４４ａを有し、利得補償判定回路１４３からＨ信号を取得した場合には、電圧差分Ｖ_ｏｕｔを利得補償回路１４５に出力する。一方、制御回路１４４は、利得補償判定回路１４３からＬ信号を取得した場合には、電圧差分Ｖ_ｏｕｔを利得補償回路１４５に出力しない。

利得補償回路１４５は、Ｖ−ＡＴＴ（アッテネータ）１４５ａを有し、制御回路１４４から電圧差分Ｖ_ｏｕｔを取得した場合に、電圧差分Ｖ_ｏｕｔに応じた減衰量を信号に与えることで、利得補償を実行する。なお、電圧差分Ｖ_ｏｕｔと減衰量の関係を示す電圧傾斜は、利得補償回路１４５の特性と差分増幅回路１４２の特性に基づいて調整されているものとする。

次に、本実施例にかかる高出力増幅器１４０の処理手順について説明する。図８は、本実施例にかかる高出力増幅器１４０の処理手順を示すフローチャートである。図８に示すように、高出力増幅器１４０は、電圧検出部１４２がＶｄに接続された抵抗１４１ａの前後の電圧差分を出力する（ステップＳ１０１）。

利得補償判定回路１４３は、電圧差分に基づいて、利得補償を実行するか否かを判定し（ステップＳ１０２）、実行しない場合には（ステップＳ１０３，Ｎｏ）、ステップＳ１０１に移行する。一方、利得補償判定回路１４３が、利得補償を実行すると判定した場合に（ステップＳ１０３，Ｙｅｓ）、利得補償回路１４５は、電圧差分に応じて減衰量を制御し（ステップＳ１０４）、ステップＳ１０１に移行する。

上述してきたように、本実施例にかかる送信装置１００は、高出力増幅器１４０が、GaN-HEMTデバイスに接続されたドレインバイアスの抵抗１４１ａ前後の電圧に基づいて、電圧差分を出力し、電圧差分に基づいて利得補償を実行するか否かを判定する。そして、高出力増幅器１４０は、利得補償を実行する場合に、電圧差分に基づいて減衰量を特定し、特定した減衰量を信号線に与えることで利得補償を実行するので、Idqドリフトにより発生する大きな利得変動を効率よく補償することが出来る。

なお、本実施例では一例として、電圧差分に基づいて、利得補償を実行するか否かを判定し、電圧差分に応じた減衰量を特定しているが電圧差分の代わりにドレイン電流を用いても構わない。

ところで、本実施例において説明した各処理のうち、自動的におこなわれるものとして説明した処理の全部または一部を手動的におこなうこともでき、あるいは、手動的におこなわれるものとして説明した処理の全部または一部を公知の方法で自動的におこなうこともできる。この他、上記文書中や図面中で示した処理手順、制御手順、具体的名称、各種のデータやパラメータを含む情報については、特記する場合を除いて任意に変更することができる。

以上の各実施例を含む実施形態に関し、さらに以下の付記を開示する。

（付記１）ＧａＮを用いて信号を増幅するトランジスタのドレイン端子に流れる電流を電圧変換により電位差として検出する電圧検出部と、
前記電圧検出部が検出した電位差に基づいて利得補償を行うか否かを判定する補償判定部と、
前記補償判定部により利得補償を行うと判定された場合に、前記電位差に応じた利得補償を実行する利得補償部と
を備えたことを特徴とする増幅器。

（付記２）前記電圧検出部は、前記トランジスタのドレイン端子に接続する線の異なる２点間の差分電圧を検出し、前記利得補償部は、前記差分電圧に応じて前記信号の減衰量を調整することで利得補償を実行することを特徴とする付記１に記載の増幅器。

（付記３）ＧａＮを用いて信号を増幅するトランジスタのドレイン端子に流れる電流を電圧変換により電位差として検出する電圧検出部と、
前記電圧検出部が検出した電位差に基づいて利得補償を行うか否かを判定する補償判定部と、
前記補償判定部により利得補償を行うと判定された場合に、前記電圧に応じた利得補償を実行する利得補償部と
を備えたことを特徴とする送信装置。

（付記４）前記電圧検出部は、前記トランジスタのドレイン端子に接続する線の異なる２点間の差分電圧を検出し、前記利得補償部は、前記差分電圧に応じて前記信号の減衰量を調整することで利得補償を実行することを特徴とする付記３に記載の送信装置。

（付記５）増幅器が、
ＧａＮを用いて信号を増幅するトランジスタのドレイン端子に流れる電流を電圧変換により電位差として検出する検出ステップと、
前記検出ステップにより検出された電位差に基づいて利得補償を行うか否かを判定する判定ステップと、
前記判定ステップにより利得補償を行うと判定された場合に、前記電位差に応じた利得補償を実行する補償ステップと
を含んだことを特徴とする利得補償方法。

（付記６）前記検出ステップは、前記トランジスタのドレイン端子に接続する線の異なる２点間の差分電圧を検出し、前記補償ステップは、前記差分電圧に応じて前記信号の減衰量を調整することで利得補償を実行することを特徴とする付記５に記載の利得補償方法。

１０ＤＣカットコンデンサ
１１コンデンサ
１００送信装置
１１０歪補正部
１２０Ｄ／Ａコンバータ
１３０ＱＭＯＤ
１４０高出力増幅器
１４０ａ抵抗
１４１ GaN-HEMTデバイス
１４２電圧検出部
１４３利得補償判定回路
１４４制御回路
１４５利得補償回路
１５０ＤＵＰ
１６０Ａ／Ｄコンバータ

Claims

ＧａＮを用いて信号を増幅するトランジスタのドレイン端子に流れる電流を電圧変換により電位差として検出する電圧検出部と、
前記電圧検出部が検出した電位差に基づいて利得補償を行うか否かを判定する補償判定部と、
前記補償判定部により利得補償を行うと判定された場合に、前記電位差に応じた利得補償を実行し、利得補償後の利得によって前記トランジスタに信号を増幅させ、前記補償判定部により利得補償を行わないと判定された場合に、利得補償の行われていない利得によって前記トランジスタに信号を増幅させる利得補償部と
を備えたことを特徴とする増幅器。
前記電圧検出部は、前記トランジスタのドレイン端子に接続する線の異なる２点間の差分電圧を検出し、前記利得補償部は、前記差分電圧に応じて前記信号の減衰量を調整することで利得補償を実行することを特徴とする請求項１に記載の増幅器。
ＧａＮを用いて信号を増幅するトランジスタのドレイン端子に流れる電流を電圧変換により電位差として検出する電圧検出部と、
前記電圧検出部が検出した電位差に基づいて利得補償を行うか否かを判定する補償判定部と、
前記補償判定部により利得補償を行うと判定された場合に、前記電圧に応じた利得補償を実行し、利得補償後の利得によって前記トランジスタに信号を増幅させ、前記補償判定部により利得補償を行わないと判定された場合に、利得補償の行われていない利得によって前記トランジスタに信号を増幅させる利得補償部と
を備えたことを特徴とする送信装置。
前記電圧検出部は、前記トランジスタのドレイン端子に接続する線の異なる２点間の差分電圧を検出し、前記利得補償部は、前記差分電圧に応じて前記信号の減衰量を調整することで利得補償を実行することを特徴とする請求項３に記載の送信装置。
増幅器が、
ＧａＮを用いて信号を増幅するトランジスタのドレイン端子に流れる電流を電圧変換により電位差として検出する検出ステップと、
前記検出ステップにより検出された電位差に基づいて利得補償を行うか否かを判定する判定ステップと、
前記判定ステップにより利得補償を行うと判定された場合に、前記電位差に応じた利得補償を実行し、利得補償後の利得によって前記トランジスタに信号を増幅させ、前記補償判定部により利得補償を行わないと判定された場合に、利得補償の行われていない利得によって前記トランジスタに信号を増幅させる補償ステップと
を含んだことを特徴とする利得補償方法。