JP7009711B2 - ドハティアンプ - Google Patents

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Description

本発明はピークアンプを複数備えるドハティアンプに関する。
大概の通信システムでは、高効率と高線形性の両立がパワーアンプに要求されているが、効率と線形性はトレードオフの関係にある。さらに、移動通信の第2世代方式に属するGSM(Global System for Mobile Communications:携帯通信のための全地球システム)/及びその拡張型で第3世代の方式に属するEDGE(Enhanced data GSM Environment:高度データGSM環境)、あるいは、第3世代に属するWDCMA(Wideband Code Division Multiple Access:広帯域コード分割多チャンネルアクセス)/第4世代に属するLTE(Long Term Evolution:長期的進化)の各規格では、パワーアンプに広ダイナミックレンジ出力を要請する。最大出力で最高効率を発揮するパワーアンプを基地局向けに設計すると、低出力時にはその効率が低下してしまう。故に、基地局パワーアンプに対して、最大出力時のみならず、-6dB以下といった低出力時にも効率と線形性の両立をデジタル制御かつ低コストで実現するのは容易ではない。
欧州特許第2,403,135B号 米国特許公開公報第2013/0265107号 米国特許公開公報第2008/0284509号
ピークアンプを複数備えるドハティアンプでは、ピークアンプの出力を合成する出力合成器の構成が複雑となる。特に、低出力領域でオフされたピークアンプの出力をそのまま合成する回路では、アンプに付随する寄生容量、寄生インダクタンス、等の影響を受け、ピークアンプの出力を厳密にはオープンと見なせないことがある。その場合、オープンを前提とする出力結合ユニットでは所定の動作が期待できず、また、ドハティアンプ全体としての効率低下を招いてしまう。
本発明に係るドハティアンプは、1つのキャリアアンプと第1~第3のピークアンプを備え、入力分配器と、アンプユニットと、オフセットユニットと、出力結合器を含む。入力分配器は、入力信号をキャリアアンプと第1~第3のピークアンプに等しく分配する。アンプユニットは、これらキャリアアンプと第1~第3のピークアンプを含む。オフセットユニットは、キャリアアンプの出力に接続されたキャリアオフセット伝送線路第1~第3のピークアンプそれぞれの出力に接続された第1~第3のオフセット伝送線路を有する。出力結合器はこれらキャリアオフセット伝送線路および第1~第3のオフセット伝送線路の出力を結合する複数の結合伝送線路を含む。本発明に係るドハティアンプでは、キャリアオフセット伝送線路および第1~第3のオフセット伝送線路がそれぞれキャリアアンプ及び第1~第3のピークアンプがオフされている時の出力インピーダンスをショート状態に変換する伝送線路である。また、出力結合器は結合ノードを含み、キャリアオフセット伝送線路の出力は直接に、第1のピークアンプの出力に接続した第1のオフセット伝送線路の出力は第1の結合伝送線路を介して、第2のピークアンプの出力に接続した第2のオフセット伝送線路の出力は、第2の結合伝送線路及び第1の結合伝送線路を介して、第3のピークアンプの出力に接続した第3のオフセット伝送線路の出力は第3の結合伝送線路を介して、それぞれ結合ノードに接続する。
それぞれのアンプの出力がオープン状態の各アンプの出力インピーダンスを一旦ショートに変換するため、出力結合器における結合機能の安定化を図ることができる。
図1は従来のドハティアンプの構成を示すブロック図である。 図2は3段、4段のドハティンアンプの出力強度と効率の関係を模式的に示す図である。 図3は3段のドハティアンプの構成を示すブロック図である。 図4は4段のドハティアンプの構成を示すブロック図である。 図5Aはキャリアアンプ、ピークアンプの出力側の構成を模式的に示す図である。 図5Bは、図5Aに示す回路をスミスチャート上で示したものである。 図6は、図4に示すドハティアンプの出力特性である。
本願発明に係るドハティアンプの具体例を、以下に添付の図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、これら例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、また、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図されている。
特許文献1は多段のドハティ増幅に構成を開示している。特許文献1に開示されたドハティアンプ100は、図1の機能ブロックが示す様に、それ以前に知られていた構成を有する。キャリアアンプ10とピークアンプ10~10を有する一般的なドハティアンプの出力を、複数のλ/4伝送線路TL~TLを介して順次接続する構成を備える。ここで、アンプ10はキャリアアンプであり、アンプ10n(n=1~3)はピークアンプである。飽和出力時には全てのアンプ10~10がオン状態にあり、飽和出力より12dB以上小さい時にキャリアアンプ10のみがオン、ピークアンプ10~10の出力全てがオープン状態となるため、伝送線路TLによりノードNがショートとみなされ、ノードNから見込んだピークアンプ10~10は全てオープンとみなせる。出力端子RFOUTに50Ωの負荷が接続された場合に、キャリアアンプ10の負荷インピーダンスは502/(252/50)=200Ωで与えられる。飽和出力に対し-12dB~-6dBの出力では、キャリアアンプ10とピークアンプ10がオンとなり、その時のキャリアアンプ10から負荷を見込んだインピーダンスと、ピークアンプ10から負荷を見込んだインピーダンスはともに100Ωとなり、ノードNから負荷を見込んだインピーダンスは12.5Ωとなって出力端子RFOUTから負荷を見込んだインピーダンスが50Ωに整合する。次いで出力を増加させるとさらに第2のピークアンプ10も導通する。その時第1のピークアンプ10から負荷を見込んだインピーダンスと、第2のピークアンプ10から負荷を見込んだインピーダンスはともに50Ωとなり、結合ノードNから負荷を見込んだインピーダンスが12.5Ωとなって、インピーダンス整合が実現される。さらに出力を増すと第3のピークアンプ10がオンすることにより、広出力領域で高い効率を維持する増幅動作が可能となる。なお、ここで云う「見込んだ」という記載の技術的な意味は以下のようなものである。あるノード(例えば、N)から負荷RFOUT側をみた時には、RFOUTに接続される終端抵抗と伝送線TLのZが直列に接続されたインピーダンスを設定することができる。一方、Nからアンプ10~10側を見ると、各アンプの出力インピーダンス、オフセットラインのインピーダンス、伝送線TL~TLのインピーダンスが直並列の複雑な接続関係をもって設定される。この様に、インピーダンスは厳密には、あるノードから何処を見込んだものであるか、という規定が必要となる。
しかしながら、図1の構成では、ピークアンプ10~10の出力がオフとなることを前提とするドハティアンプの構成である。アンプの寄生素子、例えば、増幅素子として用いている電界効果トランジスタのドレイン-ソース間の寄生容量、ドレイン、ソースに接続するボンディングワイヤの有する寄生インダクタンス、等を考慮すると、低出力域においてピークアンプの出力がオフされることを前提とするよりも、ピークアンプの出力がショートと見なせる状況を前提とする方が、ドハティアンプの設計が容易となる。また、安定に増幅動作も行うことができる。
図3は3段のドハティアンプの機能ブロック図であって、キャリアアンプ10、二つのピークアンプ、10、10それぞれの出力に伝送線路TL00~TL02を挿入することにより、伝送線路の出力からそれぞれのアンプを見込んだインピーダンスをショートとする構成である。端子RFINに与えられる高周波信号は1:3の入力分配器20に入力し、同相で強度の同じ三つの出力に分岐される。入力分配器20については、たとえば、ウィルキンソン型の1:3分配器が挙げられる。そして、キャリアアンプ10に入力する信号のみ、λ/2長の伝送線路を介することで、この信号の位相を180°遅らせる。各アンプ10~10の出力は同様の構成を有する(インピーダンスZ0、線路長Lの伝送線路TL00~TL02)オフセットユニット(位相器)30を介して出力結合器40に入力する。ここでインピーダンスZ、線路長Lは、ピークアンプ10、10がオフの時に、オフセットユニット(位相器)30の各出力からピークアンプ10、10を見込んだインピーダンスをショートとするインピーダンスZであり、線路長Lである。伝送線路TL00~TL02の作用、効果の詳細については後述する。キャリアアンプ10、ピークアンプ10、10とも同じ構成のアンプであるので、オフとなった時には同様の出力インピーダンス(そのドレイン端子からアンプ内部を見込んだインピーダンス)を有する。伝送線路TL00~TL02もキャリアアンプ10、ピークアンプ10、10に対して同様の構成とする。この3段の対称ドハティアンプは図2に示す様に三つの効率極値を示し、その最大バックオフは9dBcで与えられる。
二つのピークアンプ10、10がオフとされる低出力域では、ノードNからピークアンプ10、10を見込んだインピーダンスはオフセットユニット(位相器)30の出力がショートとみなせ、かつ、この疑似ショート端子にλ/4の線路長を有する伝送線路TL、TLが接続されているので、オープンとみなすことができる。従って、三つのアンプ10~10の出力に対する結合ノードNからこのノードNを見込んだインピーダンスは、それぞれがλ/4の線路長を有する二つの伝送線路TL、TLを介して接続されているので、これもオープンとみなすことができる。従って、ピークアンプ10、10がオフとなる低出力域では、ノードNに対して伝送線路TL以下の構成は何らの寄与もしない。
RFOUT端子が50Ωで終端されている時は(RFOUT端子に50Ωの特性インピーダンスを有する伝送線路が接続されている時)、ノードNからこの終端を見込んだインピーダンスは、Z2/50で与えられ、キャリアアンプ10に対するオフセットユニット(位相器)30の出力からノードN側を見込んだインピーダンスは(Z/Z)2*50で与えられる。伝送線路TL00の線路長L、そのインピーダンスZ、及びインピーダンス比(Z/Z)を設定することにより、従来の2段のドハティアンプで一般的な、キャリアアンプのみが動作する低出力域で、キャリアアンプの負荷を数百Ωとすることは容易である。
入力信号強度が増加し、第1のピークアンプ10も動作する最初のバックオフ領域になると、ノードNから第2のピークアンプ10を見込むインピーダンスは依然としてオープン状態にあるが、第1のピークアンプ10を見込むインピーダンスが有意な値となる。この場合、結合ノードNにおいてキャリアアンプの出力は伝送線路TL00、TLを介して、一方第1のピークアンプ10の出力は伝送線路TL01、TL、TL、TLを介して結合する。キャリアアンプ10とピークアンプ10は同一構成であるので、両アンプの生ずる信号の位相遅れは同様であり、また、二つの伝送線路TL00、TL01で生ずる位相遅れも同様である。故に、キャリアアンプ10の出力に対して第1のピークアンプ10の出力は、λ/4の伝送線路の数の差、すなわちλ/4×2=λ/2の位相差が生ずる(第1のピークアンプ10の出力が遅れる)。キャリアアンプ10の入力信号がピークアンプ10、10の入力信号に対して、伝送線路25を挿入することにより既にλ/2遅れているので、第1のピークアンプの出力は伝送線路TL、TL、TLを介して結合ノードNにキャリアアンプ10からの出力と同相で到達し、安定的に結合する。この時、第2のピークアンプ10は依然としてオフ状態にあるので、第2のピークアンプ10に対するオフセットユニット(位相器)30の出力、すなわち、伝送線路TL02の出力はショートとみなせ、ノードNから見込んだ伝送線路TLはオープン状態になり、第1のピークアンプ10の出力に影響をしない。
出力がさらに増加し、第2のピークアンプ10も動作するバックオフ領域になると、第2のピークアンプ10の出力と第1のピークアンプ10の出力は、ノードNにて同相で結合し、これは、キャリアアンプ10の出力に関するノードNの位相とπ異なる。そして、ノードNにて結合された二つのピークアンプ10、10の出力は、それぞれがλ/4の長さ(π/2)を有する二つの伝送線路TL、TLを介して、すなわち、πだけ位相を遅らせてノードNにてキャリアアンプ10の出力と同相で結合する。
図4は4段の反転型ドハティアンプの構成を模式的に示す。端子RFINに入力したRF信号は、2段の3dBの入力カプラ20a~20cで4分岐される。入力カプラ20a~20cの一方の出力(入力と接続した出力)は、他方の出力(入力と結合した出力)に対して位相が90°遅れる。従って、4分岐されたうちの一の入力を受けるキャリアアンプ10に入力するRF信号の位相は、入力端RFINに対して180°遅れ、その強度が1/4である。ピークアンプ10に入力するRF信号は90°、ピークアンプ10に入力するRF信号は0°、ピークアンプ10に入力するRF信号は90°、それぞれ入力端RFINに対して位相遅れが生ずる。
キャリアアンプ10、及び各ピークアンプ10(n=1~3)の出力はそれぞれ、オフセットユニット(位相器)30内の伝送線路TL00~TL03を介して出力結合器40に入力する。伝送線路TL00~TL03のインピーダンスZ、線路長Lを有する。
出力結合器40では、キャリアアンプ10の直接の出力に対して、各ピークアンプ10~10の出力を、それぞれ伝送線路TL01~TL03を介して結合する。すなわち、ピークアンプ10の出力は伝送線路TL01を介して、第2のピークアンプ10の出力は伝送線路TL02、TL01を介して、そして、第3のピークアンプ10の出力は伝送線路TL03を介して、キャリアアンプ10の出力とノードNにて合成される。ここで、キャリアアンプ10の入力は入力端RFINに対して180°遅れた位相を有していた。従って、結合ノードNには180°位相遅れに加えてキャリアアンプ10での遅れ、及び伝送線路TL00による遅れを加えた位相で現れる。
第1のピークアンプ10については、このピークアンプ10に入力するRF信号が既に端子RFINにおける位相に対して90°遅れたものになっている。換言すると、第1のピークアンプ10の入力は、キャリアアンプ10の入力に対して90°その位相が進んでいる。そして第1のピークアンプ10の出力は、第1の伝送線路TLを介して結合ノードNで、キャリアアンプ10出力と合成される。伝送線路TLはλ/4長を有しているので、この伝送線路TLで位相が90°遅れることになる。従って、第1のピークアンプ10の出力は、入力端RFINでの位相に対して、入力段のカプラ20cで90°、伝送線路TLで90°、そして、第1のピークアンプ10内および伝送線路TLでの遅れを生じて結合ノードNに至る。すなわち、キャリアアンプ10の出力の位相と同位相をもって結合ノードNにて合成さえる。
第2のピークアンプ10に対しては、その入力RF信号は入力カプラ20a、20cでの位相遅れを伴わずに入力する。すなわち、キャリアアンプ10の入力に対して180°進んだ位相で第2のピークアンプ10に入力する。が、第2のピークアンプ10の出力は、二つの伝送線路TL、TLを介して結合ノードNに至る。二つの伝送線路TL、TLはそれぞれλ/4の長さを有しているので、この二つの伝送線路TL、TLで合計180°の位相遅れが生ずる。入力端RFINに対しては、この180°の遅れに加えて、第2のピークアンプ10での遅れ、及び伝送線路TL00での遅れを加味した遅れとなる。アンプ構成、伝送線路TL00~TL03の構成は同様であるので、これらアンプと伝送線路ではキャリアアンプ10と第2のピークアンプ10の出力に位相差は実質生じない。故に、第2のピークアンプ10の出力はノードNにて、キャリアアンプ10、第1のピークアンプ10の出力と同相で合成される。
第3のピークアンプ10に対しては、入力カプラ20aで90°遅れた信号が入力し、第3のピークアンプ10の出力は、伝送線路TLを介して結合ノードNに至る。伝送線路TLはλ/4の長さを有しているので、90°の位相遅れが生ずる。その結果、第3のピークアンプ10の出力は、キャリアアンプ10の出力に対して同位相でノードNにて各アンプ10~10の出力と適切に結合される。
合成回路におけるインピーダンスの変化について説明する。キャリアアンプ10のみが動作する低出力領域では、ピークアンプ10~10はオフ状態にある。しかし、その出力インピーダンスが無限(∞)にあるわけではなく、たとえば、ピークアンプ10~10が単体の電界効果トランジスタ(FET)で構成されている場合には、ドレイン-ソース間の接合容量、ドレイン電極に対するボンディングワイヤの有する寄生インダクタンス、等により、その出力がオープンと見なせない場合がほとんどである。図5Aはキャリアアンプ10、ピークアンプ10~10のドレイン側を模式的に示した回路図であり、図5Bはその時のスミスチャートを示す。
各アンプが含むFETのドレイン負荷にはドレイン-ソース間の接合容量が、ドレイン電極を引き出すためのボンディングワイヤに起因する寄生インダクタンスが必然的に存在する。この時、FETの電極からFET内部を見込んだインピーダンスをZOUT_OFFとすると、これはスミスチャート上では、たとえば、図5Bの点Aに相当する。FETのドレイン出力には、キャパシタC、インダクタLで構成される整合回路が挿入されている。図4における容量CはFETのドレインとグランドとの間に接続された容量で寄生成分ではない。また、インダクタLは、この整合回路の容量Cとオフセット伝送線路を接続するボンディングワイヤに由来するインダクタンス成分を示す。このマッチング回路により、スミスチャート上の点ZOUT_OFFはチャートの外縁に沿って右回りに点ZLC_OFFまで移動する。
オフセットユニット(位相器)30に含まれる伝送線路TL00~TL03はこの点ZLC_OFFを左端のショート(0Ω)にまで移動させる長さを有する。点ZLC_OFFがチャット上の縁に存在しているので、オフセット伝送線路TL00~TL03のインピーダンスはZ、その伝送路長Lが点ZLC_OFFから左端(Z=0)までに相当する。なぜならば、スミスチャート上で右端の点から右回りに左端の点までの距離がλ/4に相当するので、図6の例では、伝送線路TL00~TL03はほぼλ/16の長さを有するものである。
この様にインピーダンスをLCマッチング回路及びオフセット伝送線路により変換することで、伝送線路TL00~TL03の出力端では、そのインピーダンスがショート(Z=0)と見なせることになる。したがって、伝送線路TL00~TL03の各出力端に、あらためて線路長λ/4の伝送線路TL~TLを接続すると、その負荷側の出力端では各アンプがオフの時に理想的にオープンと見なすことが可能となる。
全てのアンプ10~10がその飽和動作を行う最大出力時について考える。また、出力端子RFOUTにはその負荷として50Ωのインピーダンスが接続されているとする。最大出力時には、全てのアンプ10~10の出力インピーダンスは50Ωに整合されるので、結合ノードNにおける合成インピーダンスは12.5Ωとなる。出力伝送線路TLによりこの合成インピーダンス12.5Ωが50Ωに変換されるので、出力伝送線路のインピーダンスは25Ωとなる。
キャリアアンプ10のみが動作する低出力領域では、キャリアアンプ10の出力インピーダンスは12.5Ωとなる様に、LCマッチング回路の定数が設定される。すなわち、その出力端インピーダンス12.5Ωと、キャリアアンプ10の出力インピーダンスZOUT_ONとの間のインピーダンス変換をLCマッチング回路により行う。同様に、キャリアアンプ10と第1のピークアンプ10が飽和出力動作をし、他の二つのピークアンプ10、10がオフされている時には、キャリアアンプ10についてのオフセット伝送線路TL00の出力端、および第1のピークアンプ10についてオフセット伝送線路TL01の出力端のインピーダンスがともに25Ωに設定される様に、LCマッチング回路の定数が設定される。キャリアアンプ10と二つのピークアンプ10、10が飽和動作する時も同様に考えることができる。
図6は、図4に示す4段の反転ドハティアンプのRFOUT端子における強度とその時観測された効率を示したものである。-12dBcのバックオフは出力電流50dBmで得られ、その時の効率は60%を超えている。出力が50dBmまではキャリアアンプ10のみが動作し、50dBm~62dBmの間でピークアンプ10~10が順次動作を開始する。また、その時の実質的な効率の低下は観測されていない。
10:キャリアアンプ、10~10:ピークアンプ、20:入力分配器、20a~20c:入力カプラ、Z:終端抵抗、30:オフセットユニット(位相器)、TL00~TL03;オフセット伝送線路、TL~TL、TL~TL:合成伝送線路、TL:出力伝送線路、40:出力結合器。

Claims (4)

  1. 1つのキャリアアンプと第1~第3のピークアンプを備えるドハティアンプであって、
    入力信号を前記キャリアアンプと前記第1~第3のピークアンプに等しく分配する入力分配器と、
    前記キャリアアンプと前記第1~第3のピークアンプを含むアンプユニットと、
    前記キャリアアンプの出力に接続されたキャリアオフセット伝送線路、前記第1~第3のピークアンプそれぞれの出力に接続された第1~第3のオフセット伝送線路を有するオフセットユニットと、
    前記キャリアオフセット伝送線路および前記第1~第3のオフセット伝送線路の出力を複数の結合伝送線路を介して結合する出力結合器と、を備え、
    前記キャリアオフセット伝送線路および前記第1~第3のオフセット伝送線路は、前記キャリアアンプ及び前記第1~第3のピークアンプがオフされている時の出力インピーダンスをショート状態に変換する伝送線路であ
    前記出力結合器は結合ノードを含み、前記キャリアオフセット伝送線路の出力は直接に、前記第1のピークアンプの出力に接続した前記第1のオフセット伝送線路の出力は第1の結合伝送線路を介して、前記第2のピークアンプの出力に接続した前記第2のオフセット伝送線路の出力は、第2の結合伝送線路及び前記第1の結合伝送線路を介して、前記第3のピークアンプの出力に接続した前記第3のオフセット伝送線路の出力は第3の結合伝送線路を介して、それぞれ前記結合ノードに接続する、
    ドハティアンプ。
  2. 前記ドハティアンプの出力は、前記結合ノードに接続した出力伝送線路を介して取り出される、請求項に記載のドハティアンプ。
  3. 前記キャリアオフセット伝送線路、前記第1~第3のオフセット伝送線路、及び前記第2、第3の結合伝送線路はλ/4の線路長を有し、かつ、インピーダンスが負荷インピーダンスに等しく、
    前記第1の結合伝送線路は、λ/4の線路長を有し、かつ、負荷インピーダンスの1/2のインピーダンスを有する、請求項に記載のドハティアンプ。
  4. 前記出力伝送線路はλ/4の線路長を有し、負荷インピーダンスの1/2のインピーダンスを有する、請求項に記載のドハティアンプ。
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