JPWO2009118824A1 - 低歪み増幅器および低歪み増幅器を用いたドハティ増幅器 - Google Patents

Abstract

トランジスタ近傍の設置スペースの確保と低インピーダンス化とを両立することのできる低歪み増幅器を得る。先端が高周波短絡用要素および低周波短絡用要素で短絡されたショートスタブを備えた低歪み増幅器であって、ショートスタブは、トランジスタのゲート端子またはドレイン端子の少なくとも一方の近傍に接続されるとともに、複数に分岐された線路で構成され、分岐されたそれぞれの線路の先端が高周波短絡用要素および低周波短絡用要素で短絡されている。

Description

本発明は、広帯域なデジタル変調波を歪みなく増幅するために用いられる低歪み増幅器、および低歪み増幅器を用いたドハティ増幅器に関する。

近年における移動体無線通信、マルチメディア無線通信の急速な発達により、大容量、高速なデータ通信が求められており、通信用送信増幅器には、広帯域なデジタル変調波を歪みなく増幅する低歪みな特性が要求されている。

増幅器で発生する歪みには、大きく分けると、キャリア周波数の高調波成分と、増幅周波数の近傍に現われる成分とがある。一般に、通信において問題となるものは、キャリア周波数の近傍に現われる成分である。高調波成分は、周波数が大きく離れているために、フィルタなどの外部回路で除去できる。しかしながら、キャリア周波数の近傍に現われる成分を除去するためには、非常に狭帯域なフィルタが要求され、一般に、実現が困難である。

キャリア周波数の近傍に現われる歪みは、増幅される高周波信号が変調され、変調の周波数によって時間的にエンベローブが変化することによって発生する。さらに、この歪みは、２つに分類され、増幅器の非線形性に起因する非線形歪み、およびヒステリシス特性のように増幅器の過去の状態が記憶（メモリ）され、現在の状態に影響を及ぼすメモリ効果歪みがある。

非線形歪みは、キャリア周波数での増幅器のＡＭ／ＡＭ特性、ＡＭ／ＰＭ特性の非線形性により発生する。メモリ効果歪みは、キャリア周波数以外で発生した歪みがキャリア信号と混変調される場合や、波形の時間的変化の仕方で歪みの発生が異なる場合に発生する。メモリ効果歪みは、熱の影響、増幅器の周波数特性、高調波成分との混変調、バイアス回路で発生するベースバンド周波数成分の歪みとの混変調等が原因と考えられている。

メモリ効果歪みを低減する手法の１つとして、バイアス回路のベースバンド周波数におけるインピーダンスを低減し、ベースバンド周波数成分の歪みとキャリア信号との混変調歪みを低減する手法が提案されている。

図１１は、ベースバンド周波数成分の歪みによってメモリ効果歪みが増幅器で発生するメカニズムを示す説明図である。通信用増幅器は、バックオフを取った領域で低消費電力化を図るため、通常、ＡＢ級〜Ｃ級のバイアス点に設定される。そのため、入力変調波信号の瞬時入力電力に応じてトランジスタに流れるドレイン電流の瞬時値が変化し、入力変調波信号のベースバンド周波数でドレイン電流が変化する。

ドレイン端子での電圧変化量は、ドレイン電流とバイアス回路のベースバンド周波数でのインピーダンスとの積であらわされる。このため、バイアス回路のインピーダンスに応じて、ドレイン端子電圧ＶｄＦＥＴは、ベースバンド周波数で変動する。これにより、キャリア信号が変調され、メモリ効果歪みが発生する。以上のメカニズムによると、バイアス回路のベースバンド周波数でのインピーダンスを０Ωに近づけることで、メモリ効果歪みを抑圧できると考えられる。

図１２は、従来の低歪み増幅器の構成図である。先端を高周波短絡用要素および低周波短絡用要素で短絡されたショートスタブ２本（Ｔｗｏ ｗａｙ ｂｉａｓ ｎｅｔｗｏｒｋ）をＦＥＴのドレイン端子近傍に設けることで、バイアス回路のベースバンド周波数におけるインピーダンスを低減し、メモリ効果歪みを抑圧している（例えば、非特許文献１参照）。

Akio Wakejima, Kohji Matsunaga, Yasuhiro Okamoto, Kazuki Ota, Yuji Ando, Tatsuo Nakayama, and Hironobu Miyamoto, "370-W Output Power GaN-FET Amplifier with Low Distortion for W-CDMA Base Stations", pp. 1360-1363、 IEEE IMS2006

非特許文献１では、トランジスタのドレイン端子近傍に、従来は１本しか接続されていなかったショートスタブを２本に増やすことで、ベースバンド周波数でのバイアス回路の低インピーダンス化を図っている。理論的には、この非特許文献１で示したショートスタブを多数配置することで、一層の低インピーダンス化を実現できる。しかしながら、現実には、トランジスタ近傍のスペース的な制約から、ショートスタブの本数は、２本程度しか配置できないという問題がある。

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、トランジスタ近傍の設置スペースの確保と低インピーダンス化とを両立することのできる低歪み増幅器、および低歪み増幅器を用いたドハティ増幅器を得ることを目的とする。

本発明に係る低歪み増幅器は、先端が高周波短絡用要素および低周波短絡用要素で短絡されたショートスタブを備えた低歪み増幅器であって、ショートスタブは、トランジスタのゲート端子またはドレイン端子の少なくとも一方の近傍に接続されるとともに、複数に分岐された線路で構成され、分岐されたそれぞれの線路の先端が高周波短絡用要素および低周波短絡用要素で短絡されたものである。

また、本発明に係るドハティ増幅器は、本発明の低歪み増幅器をキャリアアンプまたはピークアンプの少なくとも一方に適用したものである。

本発明によれば、スペース的制約の強いトランジスタ近傍では、ショートスタブを構成する線路を１本に集約させ、高周波短絡用要素および低周波短絡用要素で短絡されている先端に向かって線路を複数に分岐させることで、ショートスタブを複数線路で構成することにより、トランジスタ近傍の設置スペースの確保と低インピーダンス化とを両立することのできる低歪み増幅器、および低歪み増幅器を用いたドハティ増幅器を得ることができる。

本発明の実施の形態１における低歪み増幅器の構成図である。 本発明の実施の形態１におけるショートスタブ２の試作パターンを示している。 本発明の実施の形態１におけるベースバンド周波数に対するインピーダンス特性の測定結果である。 本発明の実施の形態１におけるショートスタブ２の分岐数を増やした場合の例示図である。 本発明の実施の形態１において、ショートスタブからトランジスタに印加するバイアス電圧を給電する説明図である。 本発明の実施の形態１における２本＋２分岐のショートスタブからなる出力整合回路の例示図である。 本発明の実施の形態４における低歪み増幅器の構成図である。 本発明の実施の形態５における低歪み増幅器の構成図である。 本発明の実施の形態６における低歪み増幅器の構成図である。 本発明の実施の形態７における低歪み増幅器を用いたドハティ増幅器の構成図である。 ベースバンド周波数成分の歪みによってメモリ効果歪みが増幅器で発生するメカニズムを示す説明図である。 従来の低歪み増幅器の構成図である。

以下、本発明の低歪み増幅器の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における低歪み増幅器の構成図である。より具体的には、低歪み増幅器のトランジスタの出力回路を示したものである。図１における低歪み増幅器は、トランジスタのドレイン端子１、ショートスタブ２、高周波短絡用コンデンサ３、低周波短絡用コンデンサ４、出力整合回路５、出力端子６、およびマイクロストリップ線路７を含んで構成される。

なお、図中において、黒塗りした長方形にＣが記載されたものは、高周波短絡用コンデンサ３を意味し、白塗りした長方形にＣが記載されたものは、低周波短絡用コンデンサ４を意味している。また、高周波短絡用コンデンサ３は、高周波短絡用要素に相当し、低周波短絡用コンデンサ４は、低周波短絡用要素に相当する。この点は、以下の実施の形態および図面においても、同様である。

ここで、ショートスタブ２は、構成する線路が複数に分岐し、それぞれの先端が高周波短絡用コンデンサ３および低周波短絡用コンデンサ４で短絡されていることを特徴としている。また、ショートスタブ２あるいは出力整合回路５で使用されている高周波短絡用コンデンサ３および低周波短絡用コンデンサ４は、スルーホールでグランドに短絡されている。図１以降の図に示すコンデンサも同様に、スルーホールでグランドに短絡される。

次に、本実施の形態１における低歪み増幅器の動作について説明する。トランジスタに入力された変調波信号の瞬時入力電力に応じて、トランジスタに流れるドレイン電流の瞬時値が変化する。ショートスタブ２は、その先端が高周波短絡用コンデンサ３および低周波短絡用コンデンサ４で短絡されることで、コンデンサ分のインピーダンス低減がなされている。

また、ショートスタブ２を構成する線路が複数に分岐されることで、線路分のインダクタンス低減が図られている。これらにより、ショートスタブ２のインピーダンスが低減される。メモリ効果歪みは、ショートスタブ２のベースバンド周波数でのインピーダンスに応じて、ドレイン端子電圧が変動することで発生する。従って、ショートスタブ２のインピーダンス低減を図ることにより、メモリ効果歪みを低減することができる。

次に、ショートスタブ２により、ベースバンド周波数におけるインピーダンスが低減されることを、詳細に説明する。図２は、本発明の実施の形態１におけるショートスタブ２の試作パターンを示している。図２（ａ）は、ショートスタブ２を１本増やした場合を示している。また、図２（ｂ）は、ショートスタブ２を２本増やした場合を示している。さらに、図２（ｃ）は、ショートスタブ２を２本増やすとともに、それぞれを２分岐した場合を示している。

図２に示したような３種類のショートスタブ２を試作し、ベースバンド周波数に対するインピーダンスを、それぞれのショートスタブについて測定した。図３は、本発明の実施の形態１におけるベースバンド周波数に対するインピーダンス特性の測定結果である。ショートスタブ２を増やす本数を１本から２本にすることで、低インピーダンス化が図られていることが確認できる。

さらに、２本増やしたショートスタブ２を２分岐させることで、さらなる低インピーダンス化が図られていることがわかる。この結果からも、本発明のショートスタブの有効性が確認できる。

図２（ｃ）では、２本増やしたショートスタブを２分岐してなる出力整合回路を示したが、さらに分岐数を増やしてもよい。図４は、本発明の実施の形態１におけるショートスタブ２の分岐数を増やした場合の例示図である。図４（ａ）は、ショートスタブ２を２本増やすとともに、それぞれを３分岐した場合を示している。また、図４（ｂ）は、ショートスタブ２を２本増やすとともに、それぞれを４分岐した場合を示している。このように、分岐数を増やすことで、一層の低インピーダンス化を実現できる。

また、このようなショートスタブからは、トランジスタに印加するバイアス電圧を給電してもよい。図５は、本発明の実施の形態１において、ショートスタブからトランジスタに印加するバイアス電圧を給電する説明図である。このように、ショートスタブからバイアス電圧を給電することで、ベースバンド周波数における低インピーダンス機能とバイアス給電機能の共用化を図ることができる。

本発明においては、複数の線路からショートスタブが構成されるので、実効的なバイアス給電線路の線路幅を広くすることができ、片側から給電してもショートスタブの直流抵抗を低下させることができる。これにより、バイアス回路での損失を低減でき、増幅器の高効率化を図ることができる。

また、ショートスタブからトランジスタに印加するバイアス電圧を給電しなくてもよい。この場合には、直流抵抗による影響がないため、細い線路を用いることができる。この結果、分岐後の線路の面積を小さくすることで分岐数を増やすことができ、ベースバンド周波数におけるインピーダンスを一層低減することができる。また、ショートスタブの配置には自由度があるため、基板レイアウトに応じてさまざまな配置を取ることが可能となる。

図６は、本発明の実施の形態１における２本＋２分岐のショートスタブからなる出力整合回路の例示図であり、（ａ）〜（ｄ）の４通りを示している。この図６（ａ）〜（ｄ）に示したように、ショートスタブの配置方向は、必ずしも同じ方向にそろえて配置する必要はなく、主線路に対して対称形状である必要もない。また、ショートスタブは、一度分岐した後に再度分岐してもよい。

さらに、トランジスタとショートスタブの間で直流が阻止されている場合には、コンデンサを用いることなく、ショートスタブ先端を直接グランドに接続してもよい。これにより、良好な短絡特性を実現することができる。

また、先の図１では、ショートスタブがトランジスタの出力側に接続されている場合を例示しているが、トランジスタの入力側に接続してもよい。このように、ショートスタブを入力側に接続した場合には、出力側から漏れこんできたベースバンド周波数の信号、あるいはトランジスタの入力側におけるゲート容量の非線形性等より発生したベースバンド周波数の信号に対して、インピーダンスを低減し、トランジスタのゲート端での電圧変動を小さくすることができる。

このベースバンド周波数での信号は、トランジスタでキャリアと混変調されメモリ効果歪みとなる。従って、入力側でのベースバンド周波数の低インピーダンス化は、増幅器のメモリ効果歪みを低減する利点がある。

また、先の図１では、ショートスタブを構成する線路にマイクロストリップ線路を用いた場合を例示している。しかしながら、ショートスタブを構成する線路としては、集中定数のインダクタ、ストリップ線路、ワイヤ、トリプレート線路、またはコプレーナ線路のうちの少なくとも１つを用いて構成してもよい。これらを用いることで、小型化を図ることができ、特に、周波数が低い場合に有効である。

以上のように、実施の形態１によれば、スペース的制約の強いトランジスタ近傍では、ショートスタブを構成する線路を１本に集約させ、高周波短絡用要素および低周波短絡用要素で短絡されている先端に向かって線路を複数に分岐させている。このように、ショートスタブを複数線路で構成することにより、トランジスタ近傍の設置スペースの確保と低インピーダンス化とを両立することのできる低歪み増幅器を得ることができる。

なお、上述した実施の形態１では、トランジスタパッケージの外部にショートスタブが設けられている場合について説明した。しかしながら、本発明の低歪み増幅器は、このような構成に限定されるものではない。ショートスタブは、トランジスタのパッケージ内部に構成する、あるいは、半導体上にトランジスタと一体形成することもできる。このような構成とすることで、真性トランジスタ直近でベースバンド周波数におけるインピーダンスを低下させることができる。この結果、メモリ効果歪みを一層低減した低歪み増幅器を得ることができる。

実施の形態２．
本実施の形態２では、ショートスタブの高周波短絡点の直近に低周波短絡点を設ける場合について、先の図１を用いて説明する。図１の構成においては、高周波短絡用コンデンサ３が高周波短絡点に相当し、低周波短絡用コンデンサ４が低周波短絡点に相当する。

基本的動作は、先の実施の形態１と同じである。高周波短絡点（高周波短絡用コンデンサ３）の直近に低周波短絡点（低周波短絡用コンデンサ４）を設けることで、低周波短絡点をトランジスタに最も近づけることができる。これにより、ショートスタブを構成する線路のインピーダンスを最小にすることができる。さらに、ショートスタブの低インピーダンス化に伴って、メモリ効果歪みの小さい低歪み増幅器を実現できる。

以上のように、実施の形態２によれば、ショートスタブの高周波短絡点の直近に低周波短絡点を設けた構成としている。これにより、ショートスタブを構成する線路のインピーダンスを最小にすることができ、メモリ効果歪みの小さい低歪み増幅器を実現できる。

実施の形態３．
本実施の形態３では、ショートスタブの、主線路との接続点から電気長が等しい位置に高周波短絡点を設ける場合について、先の図１を用いて説明する。図１の構成においては、高周波短絡用コンデンサ３が高周波短絡点に相当し、低周波短絡用コンデンサ４が低周波短絡点に相当する。

さらに、図１において、上側に示されたショートスタブ２内に設けられた２つの高周波短絡点（高周波短絡用コンデンサ３）と、下側に示されたショートスタブ２内に設けられた２つの高周波短絡点（高周波短絡用コンデンサ３）は、ともに主線路との接続点から電気長が等しい位置に設けられている。

基本的動作は、先の実施の形態１と同じである。ショートスタブのインピーダンスは、主線路との接続点から電気長が最も短いショートスタブの影響が最も大きく、このスタブの電気的特性で全体のスタブの特性がおおむね決定される。そのため、ショートスタブを構成する個々のスタブの電気長をそろえることで、ショートスタブを構成する線路のインピーダンスの総和を最小にすることができる。

従って、それぞれのショートスタブにおいて、主線路との接続点から電気長が等しい位置に高周波短絡点を設けることで、ショートスタブ全体での低インピーダンス化を達成できる。この結果、メモリ効果歪みの小さい低歪み増幅器を実現できる。

以上のように、実施の形態３によれば、それぞれのショートスタブの主線路との接続点から電気長が等しい位置に高周波短絡点を設けた構成としている。これにより、ショートスタブ全体での低インピーダンス化を達成でき、メモリ効果歪みの小さい低歪み増幅器を実現できる。

実施の形態４．
図７は、本発明の実施の形態４における低歪み増幅器の構成図である。図７における低歪み増幅器は、トランジスタのゲート端子およびドレイン端子の近傍にショートスタブがそれぞれ２本接続されている。

基本的動作は、先の実施の形態１と同じである。複数本のショートスタブをトランジスタのゲート端子およびドレイン端子に接続することで、ベースバンド周波数でのインピーダンスを一層低減できる利点がある。これにより、メモリ効果歪みを一層低減できる。

以上のように、実施の形態４によれば、複数本のショートスタブをトランジスタのゲート端子およびドレイン端子に接続する構成としている。これにより、ベースバンド周波数でのインピーダンスを一層低減することができ、メモリ効果歪みを一層低減させた低歪み増幅器を実現できる。

実施の形態５．
図８は、本発明の実施の形態５における低歪み増幅器の構成図である。本実施の形態５における低歪み増幅器は、ショートスタブの線路幅が分岐前後で異なっている。

基本的動作は、先の実施の形態１と同じである。分岐後のショートスタブの線路幅を、分岐前のショートスタブの線路幅よりも細くした場合には、高密度に線路を配置することができ、分岐数を増加できる利点がある。一方、分岐後のショートスタブの線路幅を、分岐前のショートスタブの線路幅よりも太くした場合には、線路のインピーダンスを低減できる利点がある。

これらの利点により、ショートスタブのインピーダンスを低減することができる。なお、ショートスタブ内で太い線路と細い線路が混在してもよい。このような構成を備えることにより、増幅器のメモリ効果歪みを低減できる。

以上のように、実施の形態５によれば、ショートスタブの線路幅が分岐前後で異なる構成としている。これにより、ショートスタブのインピーダンスを低減することができ、メモリ効果歪みを低減させた低歪み増幅器を実現できる。

実施の形態６．
図９は、本発明の実施の形態６における低歪み増幅器の構成図である。ショートスタブを構成する複数本の分岐した線路のすべてまたは一部を束ね、幅の太い線路を構成している。さらに、その束ねられた線路を、高周波短絡用要素および低周波短絡用要素で短絡される直前に、複数の線路に再度分岐し、それぞれの分岐先の先端を短絡している。

基本的動作は、先の実施の形態１と同じである。ショートスタブを構成する複数本の分岐した線路のすべてまたは一部を束ねることで、分岐した複数本の線路間にも導体を配置でき、線路のインピーダンスを低減できる。

また、その束ねられた線路は、高周波短絡用要素および低周波短絡用要素で短絡される直前に複数の線路に再度分岐され、それぞれの分岐先の先端が短絡される。この結果、良好な短絡特性を得ることができる。従って、ショートスタブを低インピーダンス化できる利点があり、低歪み増幅器のメモリ効果歪みを低減できる。

以上のように、実施の形態６によれば、ショートスタブの複数本に分岐した線路を束ねた後に再度分岐する構成としている。これにより、ショートスタブのインピーダンスを低減することができ、メモリ効果歪みを低減させた低歪み増幅器を実現できる。

実施の形態７．
本実施の形態７では、上述した実施の形態１〜６に示した低歪み増幅器を、ドハティ増幅器に適用する場合について説明する。図１０は、本発明の実施の形態７における低歪み増幅器を用いたドハティ増幅器の構成図である。より具体的には、先の実施の形態１〜６で説明した低歪み増幅器を、ドハティ増幅器の構成要素であるキャリアアンプおよびピークアンプに適用している。

本実施の形態７における図７に示したユニットアンプ（すなわち、キャリアアンプおよびピークアンプ）の基本的動作は、先の実施の形態１と同じである。ドハティ増幅器は、キャリアアンプとピークアンプで構成される。そして、小出力領域では、ＡＢ級動作のキャリアアンプのみが動作する。一方、大出力領域では、ＡＢ級動作のキャリアアンプおよびＣ級動作のピークアンプの両方が動作する。このような動作により、低出力領域から高出力領域まで高い効率を実現している。

ピークアンプは、Ｃ級で動作する。このため、ドレイン電流の瞬時的な変化量が大きく、大きなメモリ効果歪みが発生する。そこで、本発明の低歪み増幅器をピークアンプに適用することで、メモリ効果歪みを低減することができる。

また、ドハティ増幅器では、キャリアアンプおよびピークアンプで動作級が異なるために、異なるメモリ効果歪みが発生している。そのため、合成後のメモリ効果歪みは、非常に複雑な歪みとなる。この結果、デジタルプリディストータで歪み補償をおこなう場合には、歪み補償量が大幅に低下する問題が発生する。

そこで、本発明の低歪み増幅器をキャリアアンプおよびピークアンプに適用することで、キャリアアンプおよびピークアンプのメモリ効果歪みを低減できる。この結果、歪み補償量を改善できる利点がある。

以上のように、実施の形態７によれば、ドハティ増幅器の構成要素であるキャリアアンプおよびピークアンプに本発明の低歪み増幅器を適用している。これにより、キャリアアンプおよびピークアンプのメモリ効果歪みを低減することができ、歪み補償量を改善することができる。

Claims (8)

1. 先端が高周波短絡用要素および低周波短絡用要素で短絡されたショートスタブを備えた低歪み増幅器であって、
   前記ショートスタブは、トランジスタのゲート端子またはドレイン端子の少なくとも一方の近傍に接続されるとともに、複数に分岐された線路で構成され、分岐されたそれぞれの線路の先端が高周波短絡用要素および低周波短絡用要素で短絡された低歪み増幅器。
2. 請求項１に記載の低歪み増幅器において、
   前記ショートスタブは、分岐されたそれぞれの線路における前記高周波短絡用要素の直近に前記低周波短絡用要素が設けられた低歪み増幅器。
3. 請求項１に記載の低歪み増幅器において、
   前記ショートスタブは、分岐されたそれぞれの線路における主線路との接続点から高周波短絡用要素までの線路長がともに等しい低歪み増幅器。
4. 請求項１に記載の低歪み増幅器において、
   前記ショートスタブは、トランジスタのゲート端子またはドレイン端子の少なくとも一方の近傍に複数本接続された低歪み増幅器。
5. 請求項１に記載の低歪み増幅器において、
   前記ショートスタブは、分岐後の線路幅が分岐前の線路幅と異なる線路を含む低歪み増幅器。
6. 請求項１に記載の低歪み増幅器において、
   前記ショートスタブは、分岐された線路において、分岐されたすべての線路または一部の線路を束ね、線路幅の太い部分を構成するとともに、短絡される直前に複数の線路に再度分岐し、それぞれの分岐先の先端が前記高周波短絡用要素および前記低周波短絡用要素で短絡された低歪み増幅器。
7. 請求項１に記載の低歪み増幅器において、
   前記ショートスタブは、トランジスタのパッケージ内部に構成される、あるいは前記トランジスタと同一半導体上に一体形成される低歪み増幅器。
8. 請求項１ないし７に記載の低歪み増幅器をキャリアアンプまたはピークアンプの少なくとも一方に適用した、低歪み増幅器を用いたドハティ増幅器。

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