JP5747008B2 - ドハティ増幅装置 - Google Patents
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Description
従来の電力増幅器は、飽和出力時に最大動作効率を達成するが、出力電力が減少するに従って動作効率が急激に劣化する特性を有している。一方、ドハティ増幅器は、図2に示すように、飽和出力時に加えて、飽和出力から低い出力電力の時にも最大動作効率を達成できる。しかしながら、ドハティ増幅器は、入力側に電力分配器、出力側にインピーダンス変換器を必要とするため、それらの回路を小型かつ低損失に実現することが困難であった。
図3は、上述した特許文献2に記載のドハティ増幅器の回路構成図で、図中符号12はメインアンプ、13はピークアンプ、16は分配器、17は出力部、18は取得部、19は制御部、21はデータテーブルを示している。
また、例えば、特許文献3に記載のものは、高周波帯域において変調波信号を増幅するための高出力増幅器に関するもので、特に、バックオフが大きな動作状態においても効率の高い高出力増幅器を実現するドハティ型増幅器に関するものである。
また、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記調整信号発生回路(62)が、前記第1の温度センサ(61)からの出力信号(Vt)と基準電圧部(162a,162b)からの基準電圧信号(V1,V2)とを比較し、所望の温度範囲内で電力付加効率が一定になるように、前記分配器(51)の分配比、前記メイン増幅器又はピーク増幅器のバイアス又は電源電圧の少なくとも一つを調整する比較器(162)を備えていることを特徴とする。
また、請求項4に記載の発明は、請求項3に記載の発明において、前記比較器(162)が、第1の温度において前記メイン増幅器(52)へ分配する比率を大きくし、前記第1の温度よりも高い第2の温度において前記ピーク増幅器(53)へ分配する比率を大きくすることを特徴とする。
また、請求項5に記載の発明は、請求項2乃至4のいずれかに記載の発明において、前記比較器(162)が、前記分配器(51)の伝送経路のインピーダンスを変化させることで、前記分配器(51)の分配比を調整することを特徴とする。
また、請求項7に記載の発明は、請求項2に記載の発明において、前記比較器(162)が、前記分配器(51)の分配比が一定の場合、前記メイン増幅器(52)の電力付加効率が最大に達した時に前記ピーク増幅器(53)がオンするように、前記メイン増幅器(52)及びピーク増幅器(53)の電源電圧を調整することを特徴とする。
また、請求項8に記載の発明は、請求項6又は7に記載の発明において、前記比較器(162)が、第1の温度において前記ピーク増幅器(53)がB級増幅動作を行うよう前記ピーク増幅器(53)の動作点を低く、前記第1の温度よりも高い第2の温度において前記ピーク増幅器(53)がA級増幅動作を行うように、前記ピーク増幅器(53)の動作点を高くすることを特徴とする。
また、請求項10に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記メイン増幅器(52)の近傍に配置されている第2の温度センサ(57)をさらに備え、前記調整信号発生回路が、前記第2の温度センサ(57)からの出力信号とICチップ内部の温度を測定する前記第1の温度センサ(61)からの基準電圧信号とを比較し、前記分配器の分配比、前記メイン増幅器又はピーク増幅器のバイアス又は電源電圧の少なくとも一つを調整する差動増幅器(163)を備えていることを特徴とする。
また、温度情報を利用して入力分配比を最適化し、使用可能温度を超えた時にはバイアス電流を下げて破壊を防止することができる。バイアス電流の調整を付加することで、高信頼性の用途である車載用途、宇宙空間、製鉄プラントなどの使用に耐えうることができる。
図5は、電力増幅器の出力の温度ばらつきの例を示す図である。横軸が入力電力(Pin)、縦軸が出力電力(Pout)を示している。電力増幅器の一般的な入出力特性を3つの温度状態T2<T1<T0で測定した場合を示している。T0は仕様上の最高温度、T1は仕様上の一般的温度、T2は仕様上の最低温度を意味している。温度T0時の増幅器の出力をPout(min)、温度T2時の増幅器の出力をPout(max)として、Pout(max)−Pout(min)=P(back off)と定義する。図5からT2<T1<T0の温度状態で温度変化がおきていることがわかっている。そこで、このような温度変化があったとしても、特性をフラットな状態を保ちたいというのが目的である。
つまり、比較器162は、メイン増幅器52の電力付加効率が最大に達した時にピーク増幅器53がオンする場合、分配器51の分配比を調整する。
図9は、ドハティ増幅器の総合効率とピーク増幅器がオンする増幅器の入力の大きさとの関係を示す図で、バックオッフの大きさによるドハティ増幅器の電力付加効率(PAE)変動の様子を示している。横軸はピーク増幅器がオンする増幅器の入力の大きさであるが、こちらも図8での同様の議論によって、左から順番に、温度T0,T1,T2に対応しているとみなすことが出来る。縦軸は、上から順番に、メイン増幅器、メイン増幅器、ドハティ増幅器の総合効率を示している。
また、比較器162は、第1の温度においてピーク増幅器53がB級増幅動作を行うようピーク増幅器53の動作点を低く、第1の温度よりも高い第2の温度においてピーク増幅器53がA級増幅動作を行うようにピーク増幅器53の動作点を高くする。
図10は、本発明に係るドハティ増幅装置の実施形態を説明するための回路構成図である。図中符号50はドハティ増幅器、51は分配器、52はメイン増幅器、53はピーク増幅器、54は第1の90°移相器、55は第2の90°移相器、56は加算器、60はドハティ増幅装置、61は第1の温度センサ、62は調整信号発生回路、63はスイッチ(SW)を示している。
調整信号発生回路62は、温度センサ61からの出力信号Vtと基準電圧部162a,162bからの基準電圧信号V1,V2とを比較し、所望の温度範囲内で電力付加効率が一定になるように、分配器51の分配比、メイン増幅器52又はピーク増幅器53のバイアス又は電源電圧の少なくとも一つを調整する比較器162を備えている。
伝送線路は、信号伝達方向に沿った、いわゆるシリーズ・インダクタLsと、信号線とグランドの間に存在する、いわゆるシャント・キャパシタンスCpとで表現される。この時、特性インイーダンスZoは、Zo=Sqrt(Ls/Cp) となる事が知られている。信号線を太くする事は、Lsを小・Cpを大に変更することと等価であり、Zo’=Sqrt(Ls−deltaLs)/(Cp+deltaCp))<Zoを得る。
トレース幅は、所望のインピーダンス中、最も高いインピーダンスになるように設計する。また、λ/4トレースに対して等間隔に2個以上ので、ヴァラクタ間隔<λ/10となるように、対グランドヴァラクタを挿入する。また、制御電圧を変化させることでトレースのインピーダンスを制御する。
図14は、ClassA,Bと動作点の関係を示す図である。効率は、ClassA<ClassB<ClassCの関係にあり、線形性は、ClassA>ClassB>ClassCの関係にある。
本実施例2のドハティ増幅装置60は、ドハティ増幅器50と、温度センサ61と、基準電圧部(162a,162b)と、温度センサ61の出力と基準電圧を入力とする比較器162と、スイッチ(SW)63とで構成されている。比較器162の出力は、メイン増幅器52又はピーク増幅器53の少なくともどちらか一方のバイアス条件を可変する。
本実施例3のドハティ増幅装置60は、ドハティ増幅器50と、温度センサ61と、基準電圧部(162a,162b)と、温度センサ61の出力と基準電圧を入力とする比較器162と、スイッチ(SW)63とで構成されている。比較器162の出力は、メイン増幅器52のバイアス、電源、ピーク増幅器53のバイアス、電源又はドハティ増幅器50の内部の分配器の分配比のうちの少なくともいずれか1つを可変することで、図8及び図9に示した動作にしたがって動作温度による出力変動をバックオッフに見立てたドハティ動作を実現する。
本実施例4のドハティ増幅装置60は、ドハティ増幅器50と、このドハティ増幅器50から遠くのチップ内部の温度を検出する第1の温度センサ61と、ドハティ増幅器50の直近の温度を検出する第2の温度センサ57と、第1の温度センサ61と第2の温度センサ57との出力を入力する差動増幅器163と、この差動増幅器163の出力にしたがって、メイン増幅器52のバイアス、電源、ピーク増幅器53のバイアス、電源の少なくとも1つの状態を制御することで、図8及び図9に示した動作電圧による出力変動をバックオッフに見立てたドハティ動作を実現する。
以上のように、本実施例1乃至4によれば、温度変動に対する出力変動を少なくし、広い入力範囲にわたって高効率を維持し、高温・高出力条件下での熱暴走を防止することにより、温度変化等に起因して回路特性が変化した場合であっても増幅器の利得を所定範囲内に設定することが可能なドハティ増幅器を実現することができる。
2 メイン増幅器(キャリア増幅器)
3 ピーク増幅器
4,5 90°移相器
12 メインアンプ
13 ピークアンプ
16 分配器
17 出力部
18 取得部
19 制御部
21 データテーブル
31 入力端子
32 出力端子
33 キャリア増幅器(第1の増幅器)
34 ピーク増幅器(第2の増幅器)
35 1/4波長線路
36 可変減衰器
37 可変移相器
39 温度センサ
40 ROM(記憶手段)
41 制御回路(制御手段)
50 ドハティ増幅器
51 分配器
52 メイン増幅器
53 ピーク増幅器
54 第1の90°移相器
55 第2の90°移相器
56 加算器
57 第2の温度センサ
60 ドハティ増幅装置
61 第1の温度センサ
62 調整信号発生回路
63 スイッチ(SW)
162 比較器
162a 第1の基準電圧部
162b 第2の基準電圧部
163 差動増幅器
Claims (10)
- 温度変化に起因して回路特性が変化した場合であっても増幅器の利得を所定範囲内に設定することを可能にするドハティ増幅器を備え、
前記ドハティ増幅器が、入力信号を2つの入力信号に分配する分配器と、該分配器からの分配された一方の入力信号が入力されるメイン増幅器と、前記分配器から分配された他方の入力信号の位相を90度遅らせる第1の移相器と、該第1の移相器からの信号が入力されるピーク増幅器と、前記メイン増幅器からの信号の位相を90度遅らせる第2の移相器と、前記ピーク増幅器からの信号と第2の移相器からの信号を加算する加算器と、を備えたドハティ増幅装置において、
装置本体の周囲温度を検出する第1の温度センサと、
該温度センサからの出力信号に基づいて、前記メイン増幅器又はピーク増幅器のバイアス調整又は電源電圧調整又は前記分配器の分配比調整を行うための調整信号発生回路と、
該調整信号発生回路からの出力信号に基づいて前記バイアス調整又は前記電源電圧調整又は前記分配比調整を切り替えるスイッチ回路と、
を備えていることを特徴とするドハティ増幅装置。 - 前記調整信号発生回路が、前記第1の温度センサからの出力信号と基準電圧部からの基準電圧信号とを比較し、所望の温度範囲内で電力付加効率が一定になるように、前記分配器の分配比、前記メイン増幅器又はピーク増幅器のバイアス又は電源電圧の少なくとも一つを調整する比較器を備えていることを特徴とする請求項1に記載のドハティ増幅装置。
- 前記比較器が、前記メイン増幅器の電力付加効率が最大に達した時に前記ピーク増幅器がオンする場合、前記分配器の分配比を調整することを特徴とする請求項2に記載のドハティ増幅装置。
- 前記比較器が、第1の温度において前記メイン増幅器へ分配する比率を大きくし、前記第1の温度よりも高い第2の温度において前記ピーク増幅器へ分配する比率を大きくすることを特徴とする請求項3に記載のドハティ増幅装置。
- 前記比較器が、前記分配器の伝送経路のインピーダンスを変化させることで、前記分配器の分配比を調整することを特徴とする請求項2乃至4のいずれかに記載のドハティ増幅装置。
- 前記比較器が、前記分配器の分配比が一定の場合、前記メイン増幅器の電力付加効率が最大に達した時に前記ピーク増幅器がオンするように、前記メイン増幅器及びピーク増幅器のバイアスを調整することを特徴とする請求項2に記載のドハティ増幅装置。
- 前記比較器が、前記分配器の分配比が一定の場合、前記メイン増幅器の電力付加効率が最大に達した時に前記ピーク増幅器がオンするように、前記メイン増幅器及びピーク増幅器の電源電圧を調整することを特徴とする請求項2に記載のドハティ増幅装置。
- 前記比較器が、第1の温度において前記ピーク増幅器がB級増幅動作を行うよう前記ピーク増幅器の動作点を低く、前記第1の温度よりも高い第2の温度において前記ピーク増幅器がA級増幅動作を行うように、前記ピーク増幅器の動作点を高くすることを特徴とする請求項6又は7に記載のドハティ増幅装置。
- 前記メイン増幅器及びピーク増幅器は、エミッタ接地増幅器であることを特徴とする請求項1乃至8のいずれかに記載のドハティ増幅装置。
- 前記メイン増幅器の近傍に配置されている第2の温度センサをさらに備え、
前記調整信号発生回路が、前記第2の温度センサからの出力信号とICチップ内部の温度を測定する前記第1の温度センサからの基準電圧信号とを比較し、前記分配器の分配比、前記メイン増幅器又はピーク増幅器のバイアス又は電源電圧の少なくとも一つを調整する差動増幅器を備えていることを特徴とする請求項1に記載のドハティ増幅装置。
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