JP5747008B2 - ドハティ増幅装置 - Google Patents

Description

本発明は、高周波用の電力増幅器としてのドハティ増幅装置に関し、より詳細には、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装置に関する。

近年、移動体通信や無線ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）などの進歩は著しく、特に、携帯電話の爆発的な普及と、それに伴うインフラ整備により、携帯端末のみならず基地局にも低消費電力化が要求されてきている。そこで、基地局において送信に使用される増幅器についても、効率及び線形性の向上に対する要求が一層高まってきている。

しかしながら、一般的な増幅器では、効率と線形性との間にはトレードオフの関係があり、また、効率は増幅器への入力レベルに比例する。したがって、高い効率は、増幅器の出力が最大出力電力に近づくまで得られないので、増幅器の線形性を実現することは難しい。そこで、ドハティ増幅器（Ｄｏｈｅｒｔｙ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）などのような高効率で信号を増幅する技術と、その低歪化やフィードフォワード等の歪補償技術とを組み合わせることにより、より高効率で低歪な増幅器が開発されている。このドハティ増幅器は、基本的にＡＢ級のキャリア増幅器とＣ級のピーク増幅器を組み合わせ、これらの増幅器の出力を合成して高効率の増幅を実現するものである。

図１は、従来のドハティ増幅器を説明するための回路構成図で、図中符号１は分配器、２はメイン増幅器（キャリア増幅器）、３はピーク増幅器、４，５は９０°移相器を示している。この従来のドハティ増幅器は、入力信号を２つの入力信号に分配する分配器１と、この分配器１の出力信号が直接入力されるメイン増幅器２と、分配器１の出力位相を９０°遅らせる９０°移相器５と、この９０°移相器５の出力信号を入力信号とするピーク増幅器３と、メイン増幅器２の出力位相を９０°移相させる９０°移相器４とで構成されている。

つまり、入力信号を分配器１により第１の入力信号と第２の入力信号とに分配し、互いに並列に配置された２つの増幅器２，３を有する。これらの増幅器２，３のうちのメイン増幅器２は、ＡＢ級増幅器モードで動作し、ピーク増幅器３は、Ｃ級増幅器モードで動作する。これらの増幅器２，３は、これらの入力端で、かつこれらの出力端で９０°移相器４，５により分離されている。出力移相器４は、メイン増幅器の最適負荷インピーダンスＲ_Ｌに等しくする必要がある特定の特性インピーダンスＺ_０を有する。入力信号は２つの増幅器２，３を駆動するように分離され、“インピーダンスインバータ”又は“ドハティ結合器”としての加算回路網は、ａ）２つの出力信号を合成する、ｂ）２つの出力信号間の位相差を補正する、ｃ）メイン増幅器の出力側から見たインピーダンスに対して反転されたインピーダンスをドハティ増幅器の出力端に生ぜしめるように動作する。

図２は、従来のドハティ増幅器における入力電力に対する電力付加効率特性を示す図である。横軸が入力電力（Ｐｉｎ）、縦軸が電力付加効率（Ｐｏｗｅｒ Ａｄｄｅｄ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ；ＰＡＥ）、Ｐｉｎ（ｂｒｅａｋ）はピーク増幅器が動作を開始する入力電力を示す図である。なお、図中に記載の「Ｂａｃｋ ｏｆｆ」とは、Ｂａｃｋ ｏｆｆ領域、Ｂａｃｋ ｏｆｆの大きさを意味している。

ドハティ増幅器は、入力信号が小さい時にはメイン増幅器のみが動作してピーク増幅器はオフ状態であり、入力信号が大きくなるとピーク増幅器がオンするという２つの動作状態を有することを特徴としている。つまり、ドハティ増幅器は、高出力時には２つの増幅器を同時に動作させるが、低出力時にはピーク増幅器の動作を休止して、メイン増幅器だけを動作させることで消費電力を低減できる。

このような動作により、ドハティ増幅器は、飽和出力から大きく下がった出力電力のときも高効率に動作できる。つまり、２つの状態を有することで、ピーク増幅器のオン後の広いＰｉｎ入力範囲においてそのＰＡＥがほぼ一定、かつ高い値を保持するという特色を有している。
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。

例えば、特許文献１に記載のものは、移動通信システムで使用される無線通信装置において電力増幅器に関するもので、入力された無線周波信号を分配器で二分岐し、その一方をキャリア増幅器によりそのＡＢ級動作点に従い増幅し、分配器により二分岐された無線周波信号の他方を、移相器で移相したのち、ピーク増幅器によりＡＢ級動作点とＢ級動作点との間に設定された動作点に従い増幅し、キャリア増幅器により増幅された無線周波信号と、ピーク増幅器により増幅された無線周波信号とをドハティ合成部により合成し、その合成された無線周波信号を出力端子から出力するようにしたものである。

また、例えば、特許文献２に記載のものは、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装置の利得を所定範囲内に設定することが可能な電力増幅器に関するもので、温度を取得する取得部を備えている。
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。

このドハティ増幅器は、入力信号Ｓ１を入力信号Ｓ３と入力信号Ｓ４とに分配する分配器１６と、入力信号Ｓ３を増幅するメインアンプ１２と、入力信号Ｓ１の信号レベルが所定値以上である場合に、入力信号Ｓ４を増幅するピークアンプ１３と、メインアンプ１２から出力された出力信号Ｓ５と、ピークアンプ１３から出力された出力信号Ｓ６とを合成して出力する出力部１７と、メインアンプ１２及びピークアンプ１３の双方のゲートバイアス電圧Ｖｇｍ，Ｖｇｐを略線形関係で制御することによって、ドハティ増幅器の利得を所定範囲内に設定する制御部１９とを備えている。特に、取得部１８によって取得された温度に基づいてメイン増幅器及びピーク増幅器の双方のゲートバイアス電圧を制御することによって、各温度において電力増幅器の利得を所定範囲内に設定するものである。

一般に、ドハティ増幅器は、入力信号の強度に応じてシステムの状態を変化させる特徴を有するが、上述した特許文献２では、温度変化などで回路特性が変化した場合でも、ドハティ増幅器の利得を一定に保つことを特徴としている。この特許文献２では、データテーブルが必要であることが開示されている。
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。

近年の移動体通信基地局などで使用される高周波信号については、このピーク電力比の値が１１ｄＢ以上にも及ぶことがある。このようなピーク電力比の大きな高周波信号を瞬時ピーク時にも飽和させずに増幅するためには、高出力増幅器は実動作時の平均出力電力に比較して十分に大きな飽和電力を有していなければならない。増幅器の飽和電力が不十分であると、増幅器から出力される信号は瞬時電力の大きな部分が切り取られた波形を有するようになり、その結果として隣接するチャンネルへ漏洩する妨害波が大きくなること、送信される信号が劣化すること、および伝送誤りが大きくなること等の弊害が生じる。すなわち、増幅器は実動作時の平均出力電力と飽和電力との差として与えられるバックオフが十分に大きな状態で動作させる必要がある。また、飽和電力が大きく、かつ効率の良い増幅器を構成することは困難であった。言い換えれば、平均出力電力に比較して飽和電力が大きな状態すなわちバックオフが大きな状態では、一般的に増幅器の効率は大きく低下する。

図４は、上述した特許文献３に記載のドハティ増幅器の回路構成図で、図中符号３１は入力端子、３２は出力端子、３３はキャリア増幅器（第１の増幅器）、３４はピーク増幅器（第２の増幅器）、３５は１／４波長線路、３６は可変減衰器、３７は可変移相器、３９は温度センサ、４０はＲＯＭ（記憶手段）、４１は制御回路（制御手段）を示している。

温度センサ３９により周囲温度を検出して、当該検出された温度に対応する可変減衰器３６及び可変移相器３７の制御に係る設定値をＲＯＭ４０から読み出す。制御回路４１は、ＲＯＭ４０から読み出された設定値に応じて可変減衰器３６及び可変移相器３７を適宜制御する。なお、ＲＯＭ４０には、各温度においてキャリア増幅器３３及びピーク増幅器３４に係る利得の差及び通過位相量の差を補償するように設定された可変減衰器３６及び可変移相器３７に係る制御データが記憶されている。

特開２０１０−２２６２４９平号公報 特開２０１０−２７３０１８平号公報 特開２００２−１２４８４０平号公報

上述したように、ドハティ増幅器は、信号の平均電力とピーク電力との比（Ｐｅａｋ ｔｏ Ａｖｅｒａｇｅ Ｒａｔｉｏ；ＰＡＲ）が大きな場合大きな優位性を発揮する。そのため、周波数変調（ＦＭ）などの包絡線一定のシステムに適応されることはない。しかしながら、温度範囲の広い応用領域、例えば、車載用途、宇宙空間での利用、製鉄等のプラントでの利用においては出力が大きく変動する。したがって、本発明では、出力の温度による変動をＰＡＲに見立て、ドハティ増幅器を包絡線一定の系に用いることで、高効率且つ温度変動の少ないＦＭ変調用電力増幅器を実現するもので、電力増幅器、特に、温度範囲の広い応用領域に使われる回路を有するドハティ増幅器に関するもので、温度変動に対する出力変動を少なくすること、広い入力範囲にわたって高効率を維持すること、高温・高出力条件下での熱暴走を防止するものである。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、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装置を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、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（５０）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（５１）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（５２）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（５４）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（５３）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（５５）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（５６）と、を備えたドハティ増幅装置（６０）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（６１）と、該温度センサ（６１）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（６２）と、該調整信号発生回路（６２）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（６３）と、を備えていることを特徴とする。
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３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）がオンする場合、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６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）のバイアス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９に記載の発明は、請求項１乃至８のいずれかに記載の発明において、前記メイン増幅器（５２）及びピーク増幅器（５３）は、エミッタ接地増幅器であ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。

本発明によれば、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装置を実現することができる。
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。

従来のドハティ増幅器を説明するための回路構成図である。 従来のドハティ増幅器における入力電力に対する電力付加効率特性を示す図である。 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ある。 上述した特許文献３に記載のドハティ増幅器の回路構成図である。 電力増幅器の出力の温度ばらつきの例を示す図である。 温度変動による効率劣化の例を示す図である。 単体の電力付加（ＰＡ）とドハティ増幅器との出力電力（Ｐｏｕｔ）に対する電力付加効率（ＰＡＥ）との関係を示す図である。 ドハティ増幅器の総合効率とメイン増幅器対ピーク増幅器のパワー分配比の説明図である。 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ある。 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。 本発明に係るドハティ増幅装置の実施例１を説明するための回路構成図である。 （ａ）乃至（ｅ）は、図１１に示した分配比可変型分配器の例を示す図である。 （ａ）乃至（ｃ）は、分配比可変型分配器の更なる具体的な例を示す図である。 ＣｌａｓｓＡ，Ｂと動作点の関係を示す図である。 メイン増幅器とピーク増幅器の回路例を示す図である。 本発明に係るドハティ増幅装置の実施例２を説明するための回路構成図である。 本発明に係るドハティ増幅装置の実施例３を説明するための回路構成図である。 本発明に係るドハティ増幅装置の実施例４を説明するための回路構成図である。

まず、本発明に係るドハティ増幅器の実施例を説明する前に、ドハティ増幅器における温度変動について以下に説明する。
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。

図６は、温度変動による効率劣化の例を示す図である。横軸が出力電力（Ｐｏｕｔ）、縦軸が電力付加効率（Ｐｏｗｅｒ Ａｄｄｅｄ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ；ＰＡＥ）を示している。温度変動と電力付加効率変動は１対１で関連付けることができる。つまり、図６によって温度による出力変動を通常のドハティ増幅器のバックオッフに見立てる可能性が示唆されたことになる。

図７は、単体の電力付加（ＰＡ）とドハティ増幅器との出力電力（Ｐｏｕｔ）に対する電力付加効率（ＰＡＥ）との関係を示す図である。ドハティ増幅器にバックオッフの概念を導入することで、単体の電力付加（ＰＡ）では得られなかった広い出力パワー範囲に渡る高効率領域／状態の実現が可能になることを理解することが出来る。バックオッフ領域での効率を高めるため、また、バックオッフ領域での効率変動を減少させるため、メイン増幅器の効率＜ピーク増幅器の効率の条件を満たすことが好ましい。

図８は、ドハティ増幅器の総合効率とメイン増幅器対ピーク増幅器のパワー分配比の説明図である。横軸は増幅器の入力をピーク増幅器に分配する割合であるものの高温では出力が低い入力から飽和し始めることから、横軸を温度に置き換えて考えると、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、ピーク増幅器、ドハティ増幅器の総合効率を示している。メイン増幅器の電力付加効率（ＰＡＥ）Ｍａｘ達成時にピーク増幅器がオンすると仮定する。

ドハティ増幅器のバックオッフ領域で電力付加効率（ＰＡＥ）を一定に保つには、入力配分比の最適化が必要になることが分かった。この結果を出力振幅が一定であることを要求される（例えば、ＦＭ変調）システムに適用した場合。温度変動に起因する出力変動をドハティ増幅器のバックオッフに見立てることで増幅器の電力付加効率（ＰＡＥ）を最適化できる。

その１つの方法は、動作温度条件における電力付加効率（ＰＡＥ）が平坦になるように、メイン増幅器とピーク増幅器の入力信号比を選ぶことである。ただし、メイン増幅器が電力付加効率（ＰＡＥｍａｘ）に到達したときにピーク増幅器がオンするようにドハティ増幅器はプリセットされているものと仮定する。
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。

また、比較器１６２は、第１の温度においてメイン増幅器５２へ分配する比率を大きくし、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へ分配する比率を大きくする。
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。

メイン増幅器が最高効率に達するＰｏｕｔの近傍で、ピーク増幅器がオンするように設計することが、ドハティ増幅器の高効率化やドハティ増幅器の高効率領域での効率一定化のために好ましいことが分かった。つまり、メイン増幅器対ピーク増幅器の入力比が一定の場合は、メイン増幅器の電力付加効率（ＰＡＥ）がＭａｘになるＰｏｕｔとピーク増幅器のオンするＰｏｕｔとを適切に選ぶことでも同様な結果が得られることがわかった。

つまり、比較器１６２は、分配器５１の分配比が一定の場合、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がオンするように、メイン増幅器５２及びピーク増幅器５３のバイアス又は電源電圧を調整する。
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。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
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。

本発明のドハティ増幅装置６０は、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５０を備えている。温度センサ６１は、装置本体の周囲温度を検出するものである。また、調整信号発生回路６２は、温度センサ６１からの出力信号に基づいて、ドハティ増幅器５０のバイアス調整又は分配比調整を行うためのものである。また、スイッチ回路６３は、調整信号発生回路６２からの出力信号に基づいてバイアス調整又は分配比調整を切り替えるものである。また、ドハティ増幅器５０は、スイッチ回路６３によりバイアス調整又は分配比調整を行うものである。

つまり、本発明のドハティ増幅装置６０は、バイアス調整端子６３ａと分配比調整端子６３ｂとを有するドハティ増幅器５０と、温度センサ６１と、この温度センサ６１からの温度センサ信号を基に調整信号を発生する調整信号発生回路６２と、調整信号を少なくとも一方の調整端子６３ａ，６３ｂに供給するためのスイッチ（ＳＷ）６３とで構成されている。

また、ドハティ増幅器５０は、入力信号を２つの入力信号に分配する分配器５１と、この分配器５１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５２と、分配器５１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５４と、この第１の移相器５４からの信号が入力されるピーク増幅器５３と、メイン増幅器５２からの信号の位相を９０度遅らせる第２の移相器５５と、ピーク増幅器５３からの信号と第２の移相器５５からの信号を加算する加算器５６とを備えている。

また、本発明に用いられるドハティ増幅器５０は、半導体基板上に形成されるＧＨｚ以上の信号を取り扱う電力増幅器を想定しており、その温度とＰｉｎ対Ｐｏｕｔの関係を図５になると考え得る。例えば、調整信号発生回路６２が、バイアス調整端子６３ａと接続された場合、温度が低ければ、ピーク増幅器５３の入力が大きくなるまで動作しないように、バイアスをＣｌａｓｓＢに近付け、温度が高ければ、メイン増幅器５２が最大出力に達する入力が低くなるので、ピーク増幅器５３も低い入力でオンするように、バイアスをＣｌａｓｓＡ側に動かして動作される。

また、調整信号発生回路６２が、分配比調整端子６３ｂと接続された場合は、温度が低ければ、ピーク増幅器５３の入力が大きくなるまで動作しないように、メイン増幅器５２への分配比を大きくし、温度が高ければ、メイン増幅器５２が最大出力に達する入力が低くなるので、ピーク増幅器５３も低い入力でオンするように、ピーク増幅器５３への分配比を大きくする。

本発明は、バックオッフの領域で電力付加効率（ＰＡＥ）がほぼ一定となるドハティ増幅器５０の特性を利用することで、温度変動に対する電力付加効率（ＰＡＥ）が一定になるように、図８及び図９に示すいずれかの制御方法を用いることを特徴としている。

図１１は、本発明に係るドハティ増幅装置の実施例１を説明するための回路構成図である。図中符号１６２は比較器、１６２ａは第１の基準電圧部、１６２ｂは第２の基準電圧部を示している。なお、図１０と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。
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。

つまり、本実施例１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とを比較する比較器１６２とを備え、この比較器１６２の出力は、分配器５１の出力の設定信号となる。ドハティ増幅器５０は、入力信号を２つの経路に分配する分配比可変型分配器５１と、メイン増幅器５２と、分配比可変型分配器５１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５４と、この第１の移相器５４からの信号が入力されるピーク増幅器５３と、メイン増幅器５２からの信号の位相を９０度遅らせる第２の移相器５５と、ピーク増幅器５３からの信号と第２の移相器５５からの信号を加算する加算器５６とを備え、分配比可変型分配器５１は、比較器１６２の出力にしたがって、ドハティ増幅器５０の入力をメイン増幅器５２とピーク増幅器５３の２つの増幅器に分配する分配比を可変するという特徴を有する。

本実施例１におけるドハティ増幅器５０は、図８に示した原理に基づいて動作する。つまり、本実施例１におけるドハティ増幅器５０は、メイン増幅器５２の出力が飽和する入力と、ピーク増幅器５３がオンする入力とをそろえることである。増幅器の状態は、温度が低い時には、入力が大きくなっても出力が飽和しにくく、温度が高い時には、入力が比較的小さい時も出力が飽和してしまう。従って、温度が低い時には、メイン増幅器への分配比を大きき設定し、温度の高い時には、メイン増幅器への分配比を小さく設定することで、メイン増幅器の飽和点と、ピーク増幅器の動作開始点とを揃えることが出来る。

図１２（ａ）乃至（ｅ）は、図１１に示した分配比可変型分配器の例を示す図で、図１２（ａ）は等分配器、図１２（ｂ）は、図１２（ａ）に示した等分配器の等価回路、図１２（ｃ）は非（不）等分配器、図１２（ｄ）は、図１２（ｃ）に示した非（不）等分配器の等価回路、図１２（ｅ）は本発明に用いられる非（不）等分配器を示している。図１２（ａ）に示した等分配器と、図１２（ｃ）に示した非（不）等分配器とを比較することで、分配比は、伝送線路のインピーダンスを変化することで実現できることが理解できる。つまり、図１２（ｅ）には、等分配器にヴァラクタを付加することで実現した回路を示している。λ／４ライン中に等間隔に２つ以上のヴァラクタを配置する。Ｚ０＝√Ｌ／Ｃ⇒Ｚ０’＝√Ｌ／（Ｃ＋ΔＣ） Ｚ０＞Ｚ０’ ΔＣはヴァラクタ容量である。図１２（ｅ）は、図１２（ｄ）に示したＺ１乃至Ｚ５に対応している。

Ｐ１からＰ２のパスに対してグランドのヴァラクタを挿入し、その制御端子を全て結合し、分配比制御信号端子とする。制御信号Ｌの時にヴァラクタはオフ、したがって、図１２（ｅ）は等配分が達成できる。これに対して、制御信号Ｈの時にヴァラクタはオン、したがって、伝送線路の対接地容量が増加し、特性インピーダンスが低下し、図１２（ｃ）を実現することにより非（不）等配分が達成できる。

図１２（ｅ）において、ヴァラクタ容量を付加することで等価的に配線幅を太くし、特性インイーダンスを低くすると、等配分が非等配分になる。
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。

図１３（ａ）乃至（ｃ）は、分配比可変型分配器の更なる具体的な例を示す図で、図１３（ａ）は等分配器の等価回路と、図１３（ｂ）は非（不）等分配器の等価回路で、Ｐｏｕｔ（Ｐ２）＝Ｐｏｕｔ（Ｐ３）＋３ｄＢの分配器の等価回路、図１３（ｃ）は本発明に用いられる非（不）等分配器を示している。
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。

分配比可変のために実現すべき回路定数を以下の表１に示す。なお、全ての伝送線路の電気長はλ／４とする。

図１３（ｃ）において、ヴァラクタオフの時に高インピーダンス状態（＊の値）になるように設計する。また、ヴァラクタを伝送線路上に等間隔に配置する。このときの間隔は、λ／１０以下（２個以上配置）とする。可能ならばλ／２０以下となることが好ましい。また、ヴァラクタオンで低インピーダンス状態を実現する。また、等分配時は、インピーダンス制御２，４，５をオフとし、インピーダンス制御３をオンとする。また、非等分配時は、インピーダンス制御２，４，５をオンとし、インピーダンス制御３をオフとする。このように、インピーダンス制御状態を増やすことで任意の分配比を実現できる。

つまり、比較器１６２は、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、分配器５１の分配比を調整する。
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。

図１５は、メイン増幅器とピーク増幅器の回路例を示す図である。高利得、低消費電流、位相マッチングなどの観点からコモンエミッタの単一段（ｓｉｎｇｌｅ ｓｔａｇｅ）増幅器、つまり、エミッタ接地増幅器が好ましい。利得・効率の要求から、メイン増幅器をＡ級又はＡＢ級とし、ピーク増幅器をＣ級の動作点で設計することが多い。この場合、メイン増幅器とピーク増幅器は、同じ回路を用い、ＶＢＭ（メイン増幅器のバイアス）とＶＢＰ（ピーク増幅器のバイアス）のＤＣ動作点を適切に選ぶことで動作Ｃｌａｓｓを使い分けることが上述した位相マッチングの要求から望まれる。つまり、メイン増幅器５２及びピーク増幅器５３は、エミッタ接地増幅器であることが望ましい。これにより、バイアス電圧の変更で動作点を変えることができる。

図１６は、本発明に係るドハティ増幅装置の実施例２を説明するための回路構成図である。図１０と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。
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。

また、ドハティ増幅器５０は、入力信号を２等分する等分配器５１と、メイン増幅器５２と、分配器５１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５４と、この第１の移相器５４からの信号が入力されるピーク増幅器５３と、メイン増幅器５２からの信号の位相を９０度遅らせる第２の移相器５５と、ピーク増幅器５３からの信号と第２の移相器５５からの信号を加算する加算器５６とを備えている。本実施例２は、上述した図９に示したバックオッフ制御で動作する。

つまり、本実施例２におけるドハティ増幅器５０は、メイン増幅器５２の出力が飽和する入力と、ピーク増幅器５３がオンする入力とをそろえることである。増幅器の状態は、温度が低い時には、入力が大きくなっても出力が飽和しにくく、温度が高い時には、入力が比較的小さい時も出力が飽和してしまう。従って、温度が低い時には、ピーク増幅器の動作開始入力レベルが大きくなるように、ピーク増幅器の動作バイアスを設定し、温度の高い時には、ピーク増幅器の動作開始入力レベルが小さくなるように、ピーク増幅器の動作バイアスを設定することで、メイン増幅器の飽和点と、ピーク増幅器の動作開始点とを揃えることが出来る

図１７は、本発明に係るドハティ増幅装置の実施例３を説明するための回路構成図である。図１０と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。
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。

また、ドハティ増幅器５０は、入力信号を２等分する分配比可変型分配器５１と、メイン増幅器５２と、分配比可変型分配器５１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５４と、この第１の移相器５４からの信号が入力されるピーク増幅器５３と、メイン増幅器５２からの信号の位相を９０度遅らせる第２の移相器５５と、ピーク増幅器５３からの信号と第２の移相器５５からの信号を加算する加算器５６とを備えている。

本実施例３におけるドハティ増幅器５０は、メイン増幅器５２の出力が飽和する入力と、ピーク増幅器５３がオンする入力とをそろえることである。増幅器の状態は、温度が低い時には、入力が大きくなっても出力が飽和しにくく、温度が高い時には、入力が比較的小さい時も出力が飽和してしまう。従って、温度が低い時には、メイン増幅器への分配比を大きき設定し、温度の高い時には、メイン増幅器への分配比を小さく設定することで、メイン増幅器の飽和点と、ピーク増幅器の動作開始点とを揃えることが出来る。若しくは温度が低い時には、ピーク増幅器の動作開始入力レベルが大きくなるように、ピーク増幅器の動作バイアスを設定し、温度の高い時には、ピーク増幅器の動作開始入力レベルが小さくなるように、ピーク増幅器の動作バイアスを設定することでも、メイン増幅器の飽和点と、ピーク増幅器の動作開始点とを揃えることが出来る。本実施例では、上記２例の制御方法の少なくともいずれか一方を用いて、温度変動をバックオフに見立てたドハティ動作を実現することを特徴とする。もちろん２つの制御方法を同時に用いることで、設計の自由度が上がり、より精度の高い制御が行えるようになる。

図１８は、本発明に係るドハティ増幅装置の実施例４を説明するための回路構成図である。図中符号５７は第２の温度センサ、１６３は差動増幅器を示している。なお、図１０と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。
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。

また、ドハティ増幅器５０は、入力信号を２等分する分配比可変型分配器５１と、メイン増幅器５２と、このメイン増幅器５２の直近に配置された第２の温度センサ５７と、分配比可変型分配器５１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５４と、この第１の移相器５４からの信号が入力されるピーク増幅器５３と、メイン増幅器５２からの信号の位相を９０度遅らせる第２の移相器５５と、ピーク増幅器５３からの信号と第２の移相器５５からの信号を加算する加算器５６とを備えている。

つまり、第２の温度センサ５７が、メイン増幅器５２の近傍に配置されている。また、上述した基準電圧部１６２ａ，１６２ｂが、ＩＣチップ内部の温度を測定する第１の温度センサ６１である。
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。

１ 分配器
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)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. 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。
10. 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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