JP6565241B2 - ドハティ増幅器 - Google Patents

Description

本発明は、ドハティ増幅器に関し、特にドハティ増幅器の高効率化に関する。

電力増幅器に用いられるドハティ（Doherty）増幅器は、キャリア増幅器とピーク増幅器の２つの増幅器から構成される。入力信号が入力されるとドハティ増幅器では、キャリア増幅器はAB級バイアス又はA級バイアスで動作させて、入力信号のエンベロープの低いレベルを増幅し高いレベルは出力飽和する。ピーク増幅器はB級バイアス又はC級バイアスで動作させて、レベルの高い部分を主に増幅する。

電気代の高騰、環境意識の高まりから、無線装置等に使われる高周波増幅器の高効率化が要求されている。高効率方式としてドハティ増幅器が用いられるが、さらなる高効率化を進める必要がある。

特許文献１はキャリア増幅回路とピーク増幅回路の出力を合成して出力とする増幅器に関するものであり、増幅器のピーク増幅回路のバイアス電圧を制御することが提案されている。特許文献１ではこのバイアス電圧制御により、入力が低いときはC級増幅器として動作させ、入力が増えるに従ってアイドル電流の多いAB級に遷移させることが、提案されている。

特開２００７−１１６２５９号公報

ドハティ増幅器のピーク増幅器の故障を検出することが、難しかった。ピーク増幅器はピーク成分のみを増幅動作するため、常時動作しているわけではない。例えば、ドレイン電流のみで動作しているかどうかによって故障判別をしようとすると、ピーク成分がなくてドレイン電流が流れていないのか、故障してドレイン電流が流れていないのか、判別ができない。このため、故障を検出することが難しかった。

本発明の目的は、故障検出を容易にしたドハティ増幅器を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明に係るドハティ増幅器は、入力信号のエンベロープのレベルの低い部分を増幅するキャリア増幅手段と、上記入力信号のエンベロープのレベルの高い部分を主に増幅するピーク増幅手段と、入力信号を分配し、これに基づいて上記入力信号のエンベロープのピーク成分を抽出し、抽出されたピーク成分の期間に上記ピーク増幅手段へ一定のバイアス電圧を供給する方向性結合手段と、上記ピーク増幅手段を構成するデバイスに与えられる電圧や上記デバイスに流れる電流を監視する検出手段とを、有する。

本発明は、検出手段によりピーク増幅手段を構成するデバイスに与えられる電圧や上記デバイスに流れる電流を監視することにより、故障検出を容易に行える。

本発明の最上位概念の実施形態によるドハティ増幅器を説明するためのブロック図である。 本発明の第１実施形態によるドハティ増幅器を説明するためのブロック図である。 本発明の第２実施形態によるドハティ増幅器を説明するためのブロック図である。 図３のドハティ増幅器の各部動作波形を表した図である。 本発明の前提となるドハティ増幅器を説明するためのブロック図である。 図５のドハティ増幅器の各部動作波形を表した図である。 図５のドハティ増幅器におけるピーク増幅器の入出力特性を表した図である。 背景技術のドハティ増幅器におけるピーク増幅器の入出力特性を表した図である。 図５のドハティ増幅器におけるピーク増幅器の入出力特性を表した図である。 背景技術のドハティ増幅器におけるピーク増幅器のプリディストーションを行った場合の入出力動作を表した図である。

本発明は、キャリア増幅器とピーク増幅器の２つの増幅器から構成されるドハティ増幅器において、入力信号のピーク成分入力タイミングを検出して、ピーク増幅器におけるピーク成分増幅時以外はピーク増幅器での増幅動作を停止する。これにより消費電力を削減し、さらにピーク成分の増幅時には、ピーク増幅器をAB級又はA級バイアス動作をさせることで線形性に優れた増幅を行う。また、この特徴と共にピーク増幅器の確実な故障検出や増幅器に使用されるデバイスの保護を可能とするものである。

本発明の好ましい実施形態について説明する前に、本発明の前提となるドハティ増幅器を説明する。図５は、本発明の前提となるドハティ増幅器を説明するためのブロック図である。図６は、図５のドハティ増幅器の各部動作波形を表した図である。図７は、図５のドハティ増幅器におけるピーク増幅器の入出力特性を表した図である。図８は、背景技術のドハティ増幅器におけるピーク増幅器の入出力特性を表した図である。図９は、図５のドハティ増幅器におけるピーク増幅器の入出力特性を表した図である。図１０は、背景技術のドハティ増幅器におけるピーク増幅器のプリディストーションを行った場合の入出力動作を表した図である。

図５のドハティ増幅器は、方向性結合器１と、入力信号エンベロープ検出器２と、ピーク成分判別器３と、バイアス電圧制御器４と、遅延調整器５と、１／４波長線路６、９、１０と、ピーク増幅器７と、キャリア増幅器８とを、有する。

キャリア増幅器８は、入力信号のエンベロープのレベルの低い部分を増幅する。ピーク増幅器７は、入力信号のエンベロープのレベルの高い部分を主に増幅する。言い換えるとピーク増幅器７は、キャリア増幅器８では出力が飽和してしまうような振幅（ピーク成分）の入力信号を、増幅する。

入力信号エンベロープ検出器２は、入力信号のエンベロープ振幅を検波する。

ピーク成分判別器３は、上記エンベロープからキャリア増幅器８で飽和してしまうような振幅となるレベルを閾値Vg-1として比較することで、ピーク成分が入力されている期間を判別し、ピーク成分の期間だけパルスを出す。

バイアス電圧制御器４は、ピーク成分の期間だけピーク増幅器に一定のバイアス電圧Vgを供給する。

遅延調整器５は、ピーク増幅器７に入力される入力信号のピーク成分とバイアス電圧制御器４から供給するバイアス電圧Vgとのタイミングが同一となるように、調整する。

図５のドハティ増幅器では、方向性結合器１で入力信号を分配する。入力信号エンベロープ検出器２は、入力信号のエンベロープ振幅を検出する。入力信号エンベロープ検出器２で検出した入力信号のエンベロープ(1)-a（図６参照）を、ピーク成分判別器３へ入力する。ピーク成分判別器３では、閾値より高い値の期間をピーク成分と判別して、ピーク成分の期間だけパルス(2)-a（図６参照）を出力する。ピーク成分判別器３で出力したパルスを、バイアス電圧制御器４ではパルスの期間だけピーク増幅器７に一定のバイアス電圧(3)-a（図６参照）を供給する。

図５のドハティ増幅器では、ピーク増幅器７の入力は入力信号のエンベロープ(1)-aとバイアス電圧制御器出力波形(3)-aを合わせた波形３１となる（図６参照）。ピーク増幅器７は、入出力特性のよいレベルでピーク成分を増幅することで、出力信号波形３２のようにピーク成分のみを線形性がよい波形で増幅する。

入力信号がキャリア増幅器とピーク増幅器に入力されるとドハティ型の増幅器では、キャリア増幅器はAB級バイアス又はA級バイアスで動作させて、入力信号のエンベロープの低いレベルを増幅し高いレベルは出力飽和する。ピーク増幅器はB級バイアス又はC級バイアスで動作させて、レベルの高い部分を主に増幅する。

従い、ピーク増幅器は図８のようにC級バイアス又はB級バイアスで動作している。入力信号波形４１に対して出力信号波形４２が図８のようになり、ピーク増幅器として増幅しなくてもよいレベル信号でも動作しており、電圧Vg-2〜電圧Vg-3のゲートバイアス電圧４４の動作部分は無駄な電力を消費している。

そこで、ゲートバイアス電圧４４の出力動作をしないようにするために、図９で示すようにバイアス電圧をピーク成分時のみ供給し、ピーク増幅器の入力が入力信号とバイアス電圧制御器４出力の合成波形５１のような波形となるようにする。すなわちピーク増幅器は、入力信号とバイアス電圧制御器４出力の合成波形５１が入力されると、出力信号波形５２を出力する。これにより、図８のピーク増幅器で無駄な消費電力部分４４で示す動作を止めることができる。ピーク増幅器の効率を上げることとなる。

ピーク増幅器もAB級バイアス動作をさせれば線形性がよいレベルで増幅できるが、ピーク成分のみの増幅動作ができず、図８の無駄な消費電力部分４４の信号増幅動作で消費電力が増加する。このために、B級又はC級バイアス動作でないと消費電力を抑えられなかったところが、ピーク増幅器もAB級バイアス動作が可能となる。

B級又はC級バイアス動作では利得が低いために、ピーク成分が必要な出力を得られない場合がある。そこで入力信号のピーク成分のみを、図１０の歪補償などのプリディストーションで上げた部分６２（斜線部）のように上げることで、図１０のピーク増幅器として必要な出力信号部分６４で示すようにピーク増幅器で必要な出力レベルまで上げる方法がある。

しかし、ピーク増幅器として必要な出力信号部分６４の入力信号はキャリア増幅器にも入力されることになり、キャリア増幅器では飽和レベルを超える振幅の信号がさらに大きく入力され、過入力及び消費電力の上昇、歪の増加となる弊害が起きてしまう。

そこで、図５のドハティ増幅器では、ピーク増幅器をAB級バイアス動作させると、ピーク成分増幅の利得が高くなることでピーク成分の入力レベルを過剰に上げる必要がない。キャリア増幅器への振込み量は低減され、キャリア増幅器での飽和による歪量や消費電力は軽減できる。また、ピーク増幅器の増幅線形性もよくなるのでピーク増幅器出力での波形歪が改善できる。

次に、本発明の最上位概念の実施形態によるドハティ増幅器を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の最上位概念の実施形態によるドハティ増幅器を説明するためのブロック図である。

図１のドハティ増幅器は、ピーク増幅手段１１と、キャリア増幅手段１２と、方向性結合手段１３と、検出手段１４とを、有する。

キャリア増幅手段１２は、入力端子に与えられる入力信号のエンベロープの低いレベルを増幅する。ピーク増幅手段１１は、入力端子に与えられる入力信号のエンベロープのレベルの高い部分を主に増幅する。これら増幅手段の出力は合成されて、出力端子から出力される。

方向性結合手段１３は、入力端子とピーク増幅手段１１及びキャリア増幅手段１２との経路に挿入され、入力信号を分配する。図１のドハティ増幅器は、方向性結合手段１３により分配された入力信号を元に、入力信号のエンベロープ振幅を検出する。さらに図１のドハティ増幅器は、検出した入力信号のエンベロープと、設定した閾値とを比較して、閾値より高い値の期間をピーク成分と判別する。さらに図１のドハティ増幅器は、ピーク成分の期間だけパルスを生成し、このパルスの期間だけピーク増幅手段１１に一定のバイアス電圧を供給する。

さらに図１のドハティ増幅器では、検出手段１４がピーク増幅手段１１を構成するデバイスに与えられる電圧を監視し、予め設定した規定値以下にならないように制御する。或いは、図１のドハティ増幅器では、検出手段１４がピーク成分で増幅動作するタイミングでピーク増幅手段１１を構成するデバイスに電流が流れているかどうかを判別する。

図１のドハティ増幅器によれば、方向性結合手段１３が入力信号を分配し、これに基づいて入力信号のエンベロープのピーク成分を抽出し、ピーク成分の期間だけピーク増幅手段１１に一定のバイアス電圧を供給している。これにより、ドハティ増幅器の消費電力を削減し、ドハティ増幅器を高効率化することができる。

さらに、図１のドハティ増幅器によれば、検出手段１４がピーク増幅手段１１を構成するデバイスに与えられる電圧を監視し、予め設定した規定値以下にならないように制御するので、ピーク増幅手段１１を構成するデバイスを保護することができる。又は検出手段１４が、ピーク成分で増幅動作するタイミングでピーク増幅手段１１を構成するデバイスに電流が流れているかどうかを判別するので、ピーク増幅器の故障判断ができる。以下に、本発明の好ましい実施形態について、より詳細に説明する。

〔第１実施形態〕
次に、本発明の第１実施形態によるドハティ増幅器について、説明する。図２は、本発明の第１実施形態によるドハティ増幅器を説明するためのブロック図である。

本実施形態のドハティ増幅器は、図２に示すように、方向性結合器１と、入力信号エンベロープ検出器２と、ピーク成分判別器３と、バイアス電圧制御器４と、遅延調整器５と、１／４波長線路６、９、１０と、ピーク増幅器７と、キャリア増幅器８とを、有する。さらに、本実施形態のドハティ増幅器は、検出手段の一例としての電流検出回路９１及び判別器９２を有する。

電流検出回路９１は、ピーク増幅器７を構成するデバイスの一例としてのトランジスタのドレインと電源電位Vdとの間に挿入された抵抗素子と、この抵抗素子の両端間の電圧を検出する比較器とを、含む。電流検出回路９１は、ピーク増幅器７を構成するトランジスタのドレイン電流を監視する。

判別器９２は、ピーク成分判別器３の出力と、電流検出回路９１の出力とを受けて、ピーク成分判別器３が判別した入力信号のエンベロープのピーク成分の期間において、電流検出回路９１の出力を監視する。ピーク成分がピーク増幅器７に入力されているのにドレイン電流が流れていない場合には、ピーク増幅器７が故障していると判別器９２は判断する。

本実施形態のドハティ増幅器によれば、ドハティ増幅器の高効率化と共に、ピーク成分判別器３が判別した入力信号のエンベロープのピーク成分の期間において、ピーク増幅器７を構成するトランジスタのドレイン電流を監視することができる。これにより、ピーク増幅器７の故障を判別することができる。

〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態によるドハティ増幅器について、説明する。図３は、本発明の第２実施形態によるドハティ増幅器を説明するためのブロック図である。図４は、図３のドハティ増幅器の各部動作波形を表した図である。

本実施形態のドハティ増幅器は、図３に示すように、方向性結合器１と、入力信号エンベロープ検出器２と、ピーク成分判別器３と、バイアス電圧制御器４と、遅延調整器５と、１／４波長線路６、９、１０と、ピーク増幅器７と、キャリア増幅器８とを、有する。さらに、本実施形態のドハティ増幅器は、検出手段の一例としてのクリッピング回路７１を有する。クリッピング回路７１は、ピーク増幅器７を構成するデバイスの一例としてのトランジスタのゲート-ソース間電圧Vgsを監視し、ゲート-ソース間電圧Vgsが規定値以下とならないようにクリップする。

図３のクリッピング回路７１は、バイアス電圧制御器４が出力するバイアス電圧信号線と電源電位Vpとの間に挿入されたダイオードを含む。

ピーク増幅器７を構成するデバイス、例えばトランジスタではゲート-ソース間電圧Vgsの最小値（Vgs-min）が規定されているが、B級バイアス及びC級バイアスでは入力信号によっては規定最小値Vgs-min以下となる場合がある。

特にLD-MOS(Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor)デバイスのようにゲート電圧がマイナス電位には弱いデバイスを使用する際は、図３で示すようにゲート-ソース間電圧Vgsが規定値以下とならないようにするクリッピング回路７１を設ける。クリッピング回路７１は、図４の入力信号とパルスゲートバイアス電圧の合成信号波形８１が、クリッピングレベル８４で示すような規定最小値Vgs-min以下にならないように、機能する。

クリッピング回路７１を用いるのではなく、他の手段で図４の入力信号とパルスゲートバイアス電圧の合成信号波形８１が、規定値８４で示すような規定最小値Vgs-min以下にならないようにすることもできる。すなわち、ゲート-ソース間電圧Vgsを規定最小値Vgs-min以下としない方法としては、バイアス電圧制御器４がピーク成分ではないタイミングで供給する低い側の電圧Vg-Lを、デバイスのVgs-min より高い電圧Vg-Lとする。かつ、高い電圧Vg-Lの出力時にはバイアス電圧制御器４の出力インピーダンスを、ピーク増幅器７のゲート側から見て低いインピーダンスにする。これにより、入力信号を電圧Vg-Lに吸収し、電圧Vg-L以下の電圧とならないようにすることも可能である。

本実施形態のドハティ増幅器によれば、クリッピング回路７１がピーク増幅器７を構成するトランジスタのゲート-ソース間電圧Vgsを監視し、ゲート-ソース間電圧Vgsが規定値以下とならないようにクリップする。これにより、ドハティ増幅器の高効率化と共に、LD-MOSデバイスのようにゲート電圧がマイナス電位には弱いデバイスを使用してピーク増幅器７を構成した場合でも、ピーク増幅器７を構成するデバイスを保護することができる。

〔他の実施形態〕
上述した第１実施形態及び第２実施形態のドハティ増幅器では、キャリア増幅器１つとピーク増幅器１つの基本的なドハティ増幅器での構成で説明したが、本発明はこれに限られるものではない。また、ドハティ増幅器のピーク増幅器をＮ個構成とした場合には、ピーク成分判別器でピークとしての判別をＮ段階に分けて実施することもできる。この場合、例えばピーク成分判別器にお互いに異なるＮ個の閾値を用意しておき、入力信号のエンベロープを順番に或いは同時にＮ個の閾値と比較して、Ｎ段階のピーク成分の判別を行えばよい。

本発明の実施形態による効果を改めて記載する。第一に、ピーク増幅器でピーク成分を増幅するとき以外は増幅動作させないことで、不必要な信号まで増幅させて無駄に消費していた電力を削減できる。

第二に、ピーク増幅器でピーク成分を増幅する際にB級又はC級バイアスでは増幅率が低いために入力信号のピーク成分をより高くする必要がある。そうするとキャリア増幅器もピーク成分がより高くなった信号が入力されるために、キャリア増幅器は過入力となりさらに出力飽和による歪が大きくなる。本発明の実施形態によれば、それが避けられるようになる。

第三に、ピーク増幅器は常に動作しているわけではないのでドレイン電流の監視だけでは故障の判別が難しかったが、動くべきときに電流が流れていないことが判別でき故障が正確に検出できるようになる。

第四に、デバイスによりゲート-ソース間電圧の最小値Vgs-minが規定されているが、B級バイアス及びC級バイアスでは入力信号によっては規定最小値Vgs-min以下となる場合がある。本発明の実施形態によれば、ゲート-ソース間電圧の最小値以下としない保護機能を有することで、故障を無くすことができる。

以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、図２に示される第１実施形態のドハティ増幅器に対し、図３に示されるドハティ増幅器のクリッピング回路７１を組み合わせて、ピーク増幅器を構成するトランジスタを保護するよう、構成することも考えられる。特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で、種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲に含まれることはいうまでもない。

１ 方向性結合器
２ 入力信号エンベロープ検出器
３ ピーク成分判別器
４ バイアス電圧制御器
５ 遅延調整器
６、９、１０ １／４波長線路
７ ピーク増幅器
８ キャリア増幅器
１１ ピーク増幅手段
１２ キャリア増幅手段
１３ 方向性結合手段
１４ 検出手段
７１ クリッピング回路
９１ 電流検出回路
９２ 判別器

Claims (5)

1. 入力信号のエンベロープのレベルの低い部分を増幅するキャリア増幅手段と、前記入力信号のエンベロープのレベルの高い部分を主に増幅するピーク増幅手段と、入力信号を分配し、これに基づいて前記入力信号のエンベロープのピーク成分を抽出し、抽出されたピーク成分の期間に前記ピーク増幅手段へ一定のバイアス電圧を供給する方向性結合手段と、前記ピーク増幅手段を構成するデバイスに与えられる電圧及び前記デバイスに流れる電流のうち少なくとも前記デバイスに流れる電流を監視する検出手段とを、有し、
   前記検出手段は、ピーク増幅手段を構成するデバイスに流れる電流を検出する電流検出回路と、前記ピーク増幅手段がピーク成分で増幅動作するタイミングで電流が流れているかどうかを判別する判別器とを含むドハティ増幅器。
2. 前記判別器は、前記方向性結合手段により分配され、抽出された前記入力信号のエンベロープのピーク成分の期間を元に、前記電流検出回路の検出出力を判別する、請求項１に記載のドハティ増幅器。
3. 前記検出手段は、前記ピーク増幅手段を構成するデバイスに与えられる電圧を監視し、予め設定した規定値以下にならないように制御するクリッピング回路を含む、請求項１又は請求項２に記載のドハティ増幅器。
4. 前記クリッピング回路は、前記ピーク増幅手段へ供給される前記バイアス電圧の信号線と、ある電源電位との間に挿入されたダイオードを含む、請求項３に記載のドハティ増幅器。
5. 前記ピーク増幅手段は、Ｎ個（Ｎは２以上の整数）のピーク増幅器を含み、
   前記方向性結合手段により分配され、抽出された前記入力信号のエンベロープのピーク成分をＮ段階に分けて判別する、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載のドハティ増幅器。

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