JP6384105B2 - 電力増幅器 - Google Patents

Description

本発明は、電力増幅器に関する。

従来、例えば、特開２００９−２６０４７２号公報に開示されているように、ドハティ増幅器を備えた電力増幅器が知られている。

特開２００９−２６０４７２号公報

ドハティ増幅器は、キャリア増幅回路およびピーク増幅回路を備えている。ピーク増幅回路は、Ｃ級動作する増幅器に加えて、その前段にＡＢ級動作する増幅器を有することがある。この場合、Ｃ級動作する増幅器が非動作の領域においてもＡＢ級動作する増幅器はバイアスが供給されることで待機状態となっており、その待機電流によりドハティ増幅器全体の動作電流を増加させるという問題があった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、待機電流を低減することができる電力増幅器を提供することを目的とする。

本発明にかかる電力増幅器は、入力電力が入力される入力端子と、前記入力端子に入力された入力電力を増幅するように直列に設けられた第一増幅器および第二増幅器を含むキャリア増幅回路と、前記入力端子に入力された入力電力を増幅する前段の増幅器と、前記前段の増幅器をＡ級、Ｂ級またはＡＢ級で動作させるバイアスを供給するバイアス回路と、前記前段の増幅器の出力を増幅しＣ級動作するようにバイアスされた後段の増幅器と、を含み、前記キャリア増幅回路と並列に設けられたピーク増幅回路と、前記キャリア増幅回路および前記ピーク増幅回路の出力信号が出力される出力端子と、前記キャリア増幅回路内の前記第一増幅器と前記第二増幅器との間の電力レベルに応じて、前記バイアス回路のオンオフを制御するバイアス制御回路と、を備える。

本発明によれば、電力レベルに応じてバイアス回路のオンオフを制御するようにしたので、待機電流を低減することができる。

本発明の実施の形態にかかる電力増幅器を示す回路ブロック図である。 本発明の実施の形態にかかる電力増幅器の動作を示す図である。 本発明の実施の形態にかかる電力増幅器の動作を示す図である。 本発明の実施の形態の変形例にかかる電力増幅器を示す回路ブロック図である。 本発明の実施の形態の変形例にかかる電力増幅器を示す回路ブロック図である。 本発明の実施の形態の変形例にかかる電力増幅器を示す回路ブロック図である。 本発明の実施の形態の変形例にかかる電力増幅器を示す回路ブロック図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態にかかる電力増幅器１０を示す回路ブロック図である。電力増幅器１０は、キャリア増幅回路１２およびピーク増幅回路１４を備えるドハティ増幅器である。電力増幅器１０は、ＣＤＭＡをはじめとする携帯電話基地局に用いることができる。図１に示すように、電力増幅器１０は、入力端子２と、増幅器ＰＡ１，ＰＡ２を含むキャリア増幅回路１２と、増幅器ＰＡ３、ＰＡ４およびバイアス回路３０を含みキャリア増幅回路１２と並列に設けられたピーク増幅回路１４と、出力端子４と、バイアス制御回路４０とを備える。ドハティ増幅器の基本的動作についてはすでに公知であり、新規な事項ではないので説明は省略する。

入力端子２には入力電力Ｐｉｎを有するＲＦ信号が入力される。増幅器ＰＡ１，ＰＡ２は、入力端子２に入力された入力電力Ｐｉｎを増幅する。増幅器ＰＡ３は、入力端子２に入力された入力電力Ｐｉｎを増幅し、増幅器ＰＡ４の前段に設けられている。増幅器ＰＡ４は、増幅器ＰＡ３の出力を増幅しＣ級動作するようにバイアスされ、増幅器ＰＡ３の後段に設けられる。増幅器ＰＡ１，ＰＡ２，ＰＡ３は、ＡＢ級動作するようにバイアス回路の動作点が設定されている。増幅器ＰＡ１はキャリア増幅回路１２のドライバ段増幅器であり、増幅器ＰＡ３はピーク増幅回路１４のドライバ段増幅器である。増幅器ＰＡ１，ＰＡ２それぞれのバイアス回路は図示を省略する。一方、ＰＡ４はＣ級動作するようにバイアス回路（図示せず）の動作点が設定されている。増幅器ＰＡ１〜ＰＡ４は、ＧａＡｓ−ＨＢＴ（ヘテロ接合バイポーラトランジスタ）を増幅トランジスタとして有する増幅器である。なお、増幅器ＰＡ１〜ＰＡ３を、Ａ級またはＢ級で動作させてもよい。なお、ＧａＡｓ−ＨＢＴに代えて、ＬＤＭＯＳ（横方向拡散ＭＯＳ）またはＧａＮ−ＨＥＭＴ（高電子移動度トランジスタ）等の増幅トランジスタを有する増幅器を用いてもよい。

バイアス回路３０は、増幅器ＰＡ３をＡＢ級で動作させるようにバイアスを供給する。バイアス回路３０の出力電圧をＶｂとする。バイアス回路３０には電源端子Ｖｃｂから電源が与えられている。バイアス回路３０は、同一ＧａＡｓチップ上に集積化されている。出力端子４には、キャリア増幅回路１２およびピーク増幅回路１４のＲＦ出力信号が出力され、このＲＦ出力信号は出力電力Ｐｏｕｔを有する。

バイアス制御回路４０は、入力電力Ｐｉｎの電力レベルに応じて、バイアス回路３０のオンオフを制御する。具体的には、バイアス制御回路４０は、入力端子２と接続した検知回路４２と、バイアス回路３０と接続する電力モニタ回路４４を備えている。検知回路４２は、入力電力Ｐｉｎの大きさがあらかじめ設定された閾値Ｐｔｈ以上であるときにハイ電圧を発し、そうでないときはロー電圧を発する。電力モニタ回路４４は、検知回路４２がハイ電圧を発したら、バイアス回路３０にバイアス供給を行わせるための制御信号を発する。

線路２１の一端はキャリア増幅回路１２の出力側（図１では増幅器ＰＡ２の出力端）と接続し、線路２１の他端は線路２４の一端に接続している。線路２２の一端は入力端子２と接続し、線路２２の他端はピーク増幅回路１４の入力側（図１では増幅器ＰＡ３の入力端）と接続している。線路２３の一端はピーク増幅回路１４の出力側（図１では増幅器ＰＡ４の出力端）と接続し、線路２３の他端は線路２４の一端に接続している。線路２４の他端は出力端子４に接続している。線路２１〜２４は、それぞれ特定の電気長を有しており、インダクタとして作用する。

図２および図３は、電力増幅器１０の動作を示す図である。図２は電力増幅器１０の入力電力Ｐｉｎと待機電流Ｉｄｌｅ Ｃｕｒｒｅｎｔの関係を示すグラフである。図３は入力電力Ｐｉｎと電力増幅器１０全体の動作電流Ｉｃｔの関係を示すグラフである。電力モニタ回路４４は、Ｃ級動作するようにバイアスされたＰＡ４が動作する直前の入力電力Ｐｉｎで増幅器ＰＡ３のバイアス回路３０を動作させるよう設計される。電力モニタ回路４４が発生させる制御信号によりバイアス回路３０のオンオフが切り替えられる。バイアス回路３０がオンオフされることで、電力増幅可能な待機状態とバイアス停止により待機電流が抑制された停止状態との間で増幅器ＰＡ３の状態が切り替えられる。これにより、増幅器ＰＡ３の待機電流を減らし、電力増幅器１０全体の動作電流Ｉｃｔを低減させることができる。

以上説明したとおり、電力増幅器１０によれば、入力電力Ｐｉｎに応じて増幅器ＰＡ３のオンオフ（つまり待機状態と停止状態）が切り替わるようにバイアス回路３０を制御するバイアス制御回路４０が設けられている。これにより、中低出力動作時における電力増幅器１０全体の動作電流Ｉｃｔを、ピーク増幅回路１４のドライバ段増幅器である増幅器ＰＡ３の待機電流分だけ低減することができる。

図４〜図７は、本発明の実施の形態の変形例にかかる電力増幅器１１０、２１０、３１０、４１０それぞれを示す回路ブロック図である。図４に示す電力増幅器１１０では、バイアス制御回路４０は、増幅器ＰＡ１の出力端からの出力電力Ｐｍｉｄの電力レベルに応じて、バイアス回路３０のオンオフを制御する。このようにした場合、電力増幅器１０の効果に加えて、検知回路４２に入力される電力の振幅が増幅器ＰＡ１で増幅された分だけ大きくなり、信号処理も容易となる。また、電力増幅器１０の出力段よりも手前で電力モニタを行うので出力負荷変動の影響を受けにくくすることができる。

図５に示す電力増幅器２１０では、バイアス制御回路４０は、出力端子４に出力される出力電力Ｐｏｕｔの電力レベルに応じて、バイアス回路３０のオンオフを制御する。このようにした場合、電力増幅器１０の効果に加えて、検知回路４２に入力される電力の振幅はキャリア増幅回路１２で増幅された分だけ大きくなり、信号処理も容易となる。また、電力増幅器２１０全体の電力を把握できるので、増幅器ＰＡ４の動作直前の電力まで増幅器ＰＡ３をオフさせる動作を高精度に実現でき、増幅器ＰＡ３の待機電流をより大きく低減できる。

図６に示す電力増幅器３１０は、電力増幅器１０を多分配構成としたものである。電力増幅器３１０は、ｎ個（ただしｎは２以上の正の整数）のピーク増幅回路３１４１〜３１４ｎが互いに並列に設けられている。したがって、電力増幅器３１０では、キャリア増幅回路１２およびピーク増幅回路３１４１〜３１４ｎによる分配数がｎ＋１である。

ピーク増幅回路３１４１〜３１４ｎには、それぞれ増幅器ＰＡ３１〜ＰＡ３ｎおよびバイアス回路３３１〜３３ｎが設けられている。ｎ個のバイアス回路３３１〜３３ｎ（ただしｎは２以上の正の整数）は、複数のピーク増幅回路３１４１〜３１４ｎそれぞれのバイアス回路３３１〜３３ｎのオンオフを制御する。増幅器ＰＡ３１〜ＰＡ３ｎはＡＢ級で動作するようにバイアスされる。増幅器ＰＡ４１〜ＰＡ４ｎはＣ級で動作するようにそれぞれのバイアス回路（図示せず）の動作点が設定されている。特定の電気長を有する線路２２１〜２２ｎおよび線路２３１〜２３ｎが、互いに並列に並ぶｎ個のピーク増幅回路３１４１〜３１４ｎの入力側と出力側にそれぞれ設けられている。線路２２１〜２２ｎおよび線路２３１〜２３ｎはそれぞれインダクタとして作用する。バイアス制御回路３４０は、入力電力Ｐｉｎに応じ、増幅器ＰＡ３１〜ＰＡ３ｎそれぞれに接続したバイアス回路３３１〜３３ｎを個別にオンオフすることができる。ただし、バイアス制御回路３４０は入力電力Ｐｉｎに応じてＰＡ３１〜ＰＡ３ｎを一括してオンオフしてもよい。

電力増幅器３１０を用いた場合、電力増幅器１０の効果に加えて、電力増幅器３１０全体の出力飽和電力を電力増幅器１０よりも（ｎ−１）×３ｄＢ大きくすることができる（ただし、分配数ｎ＋１が３以上、つまりｎが２以上の場合）。また、多分配とすることでＰＡ４１〜ＰＡ４ｎが非動作時のキャリア増幅回路１２の出力インピーダンスが１００Ω以上に設定され、電力増幅器３１０全体の動作電流Ｉｃｔを低減することができる。

図７に示す電力増幅器４１０は、電力増幅器１０の増幅段数を増加したものである。ピーク増幅回路４１４の内部においてＡＢ級動作する増幅器ＰＡ３１〜ＰＡ３ｎがｎ個直列に設けられている（ただしｎは正の整数）。増幅器ＰＡ３ｎの後段にはＣ級動作する増幅器ＰＡ４が設けられている。また、キャリア増幅回路４１２の内部においてＡＢ級動作する増幅器ＰＡ１、ＰＡ２１〜ＰＡ２ｎが直列に設けられている（ただしｎは正の整数）。キャリア増幅回路４１２とピーク増幅回路４１４それぞれが備える増幅器の段数はいずれもｎ＋１である。バイアス回路４３１〜４３ｎは、増幅器ＰＡ３１〜ＰＡ３ｎそれぞれに設けられている。バイアス制御回路４４０は、バイアス回路４３１〜４３ｎをそれぞれ制御する。増幅器ＰＡ１、ＰＡ２１〜ＰＡ２ｎはＡＢ級で動作するようにバイアス回路（図示せず）の動作点が設定されている。一方、ＰＡ４はＣ級で動作するようにバイアス回路（図示せず）の動作点が設定されている。Ｖｂ１〜Ｖｂｎはそれぞれバイアス回路４３１〜４３ｎの出力電圧である。電力増幅器４１０を用いた場合、電力増幅器１０の効果に加えて、増幅器の組み合わせにより電力増幅器４１０全体の利得を所望値に設定することができる。

２１、２２、２３、２４、２２１〜２２ｎ、２３１〜２３ｎ 線路、２ 入力端子、４ 出力端子、１０、１１０、２１０、３１０、４１０ 電力増幅器、１２、４１２ キャリア増幅回路、１４、３１４１〜３１４ｎ、４１４ ピーク増幅回路、３０、３３１〜３３ｎ、４３１〜４３ｎ バイアス回路、４０、３４０、４４０ バイアス制御回路、４２ 検知回路、４４ 電力モニタ回路、ＰＡ１〜ＰＡ４、ＰＡ３１〜ＰＡ３ｎ、ＰＡ４１〜ＰＡ４ｎ 増幅器

Claims (5)

1. 入力電力が入力される入力端子と、
   前記入力端子に入力された入力電力を増幅するように直列に設けられた第一増幅器および第二増幅器を含むキャリア増幅回路と、
   前記入力端子に入力された入力電力を増幅する前段の増幅器と、前記前段の増幅器をＡ級、Ｂ級またはＡＢ級で動作させるバイアスを供給するバイアス回路と、前記前段の増幅器の出力を増幅しＣ級動作するようにバイアスされた後段の増幅器と、を含み、前記キャリア増幅回路と並列に設けられたピーク増幅回路と、
   前記キャリア増幅回路および前記ピーク増幅回路の出力信号が出力される出力端子と、
   前記キャリア増幅回路内の前記第一増幅器と前記第二増幅器との間の電力レベルに応じて、前記バイアス回路のオンオフを制御するバイアス制御回路と、
   を備える電力増幅器。
2. 前記ピーク増幅回路が互いに並列に複数設けられ、
   前記バイアス制御回路は、前記複数のピーク増幅回路それぞれの前記バイアス回路のオンオフを制御する請求項１に記載の電力増幅器。
3. 前記バイアス制御回路は、前記バイアス回路それぞれのオンオフを個別に制御する請求項２に記載の電力増幅器。
4. 前記ピーク増幅回路の内部において前記前段の増幅器が複数直列に設けられ、
   前記バイアス回路は、前記複数の前記前段の増幅器それぞれに設けられ、
   前記バイアス制御回路は、前記複数の前記前段の増幅器それぞれのバイアス回路を制御する請求項１〜３のいずれか１項に記載の電力増幅器。
5. 前記増幅器の増幅素子は、ＬＤＭＯＳまたはＧａＮ−ＨＥＭＴである請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力増幅器。

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