(57)【要約】      （修正有）【課題】大きいピーク対平均電力比（ＰＡＰＲ）を有する無線周波数信号を増幅するための増幅器を提供する。【解決手段】入力無線周波数信号を２つ以上の信号に分割するように構成された信号スプリッタと、２つ以上のスイッチング電力増幅器とを備え、スイッチング電力増幅器のそれぞれの出力端子でそれぞれの増幅信号を出力するように構成される。２つ以上のスイッチング電力増幅器の各々は、相異なる最大出力電力を有し、能動デバイスを選択的に活動化および非活動化するために、スイッチング電力増幅器の能動デバイスの各々のゲートに供給されるバイアス電圧を制御するために制御信号を発行するように構成された制御回路とをさらに備える。【選択図】図５
2019097143.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
無線周波数信号を増幅するための増幅器であって、
増幅されることになる入力無線周波数信号を受け取るための入力ノードと、
前記入力ノードに接続され、前記入力無線周波数信号を２つ以上の信号に分割するように構成された信号スプリッタと、
前記２つ以上の信号に対応する２つ以上のスイッチング電力増幅器と、ここにおいて、前記スイッチング電力増幅器の各々が、前記スイッチング電力増幅器が活動化されるとき、能動デバイスを使用して前記２つ以上の信号のそれぞれの信号を増幅し、前記スイッチング電力増幅器のそれぞれの出力端子でそれぞれの増幅信号を出力するように構成され、前記２つ以上のスイッチング電力増幅器の各々が、相異なる最大出力電力を有する、
増幅信号を合成し、合成増幅信号を出力する、前記スイッチング電力増幅器の前記出力端子の各々に接続された出力ノードと、
前記２つ以上のスイッチング電力増幅器に２つ以上の制御信号を発行するように構成された制御回路と
を備え、
各制御信号は、前記能動デバイスを選択的に活動化および非活動化するために、前記それぞれのスイッチング電力増幅器の前記能動デバイスのゲートに供給されるバイアス電圧を制御する、
を備える増幅器。
【請求項２】
スイッチング電力増幅器毎に、前記それぞれのバイアス電圧を前記それぞれの信号と合成してそれぞれの合成バイアス電圧を形成し、前記それぞれの合成バイアス電圧を前記それぞれの能動デバイスの前記ゲートに印加して前記それぞれの信号を増幅するように構成される、請求項１に記載の増幅器。
【請求項３】
前記２つ以上のスイッチング電力増幅器がＥ級電力増幅器である、請求項１に記載の増幅器。
【請求項４】
前記スイッチング電力増幅器の第１の増幅器の最大出力電力が、前記スイッチング電力増幅器の第２の増幅器の最大出力電力未満であり、
前記制御回路が、入力信号が第１の領域の範囲内にある振幅を有するとき、第１のスイッチング電力増幅器を活動化し、前記入力無線周波数信号の前記振幅が第２の領域の範囲内にあるとき、第２のスイッチング電力増幅器を活動化するように構成され、
前記第２の領域が前記第１の領域よりも高い、
請求項１に記載の増幅器。
【請求項５】
前記第１のスイッチング電力増幅器の前記最大出力電力が、前記入力無線周波数信号の平均電力に実質的に等しい、請求項４に記載の増幅器。
【請求項６】
前記制御回路が、前記入力無線周波数信号の前記振幅が第１のしきい値を超えるとき、前記第２のスイッチング電力増幅器を活動化し、前記入力無線周波数信号の前記振幅が第２のしきい値未満となるとき、前記第１のスイッチング電力増幅器を活動化するように構成される、請求項４に記載の増幅器。
【請求項７】
前記第１のしきい値と前記第２のしきい値とが同一である、請求項６に記載の増幅器。
【請求項８】
前記第２のしきい値が前記第１のしきい値よりも低い、請求項６に記載の増幅器。
【請求項９】
前記制御回路が、前記入力無線周波数信号の前記振幅が前記第１のしきい値を超えるとき、前記第１のスイッチング電力増幅器を非活動化し、前記入力無線周波数信号の電力が前記第２のしきい値未満となるとき、前記第２のスイッチング電力増幅器を非活動化するように構成される、請求項６に記載の増幅器。
【請求項１０】
前記制御回路が、スイッチング電力増幅器間でスイッチングするとき、スイッチング電力増幅器間を漸進的に遷移するように構成される請求項６に記載の増幅器。
【請求項１１】
スイッチング電力増幅器間を漸進的に遷移することが、前記第１のスイッチング電力増幅器から前記第２のスイッチング電力増幅器にスイッチングするとき、
前記第１のスイッチング電力増幅器の前記バイアス電圧を、前記入力無線周波数信号についての振幅の範囲にわたって、それぞれの活動化バイアスレベルからそれぞれの非活動化バイアスレベルに漸進的に変更することと、
前記第２のスイッチング電力増幅器の前記バイアス電圧を、前記入力無線周波数信号についての振幅の前記範囲にわたって、それぞれの非活動化バイアスレベルからそれぞれの活動化バイアスレベルに漸進的に変更することと
を備える、
請求項１０に記載の増幅器。
【請求項１２】
スイッチング電力増幅器間を漸進的に遷移することが、前記第２のスイッチング電力増幅器から前記第１のスイッチング電力増幅器にスイッチングするとき、
前記第２のスイッチング電力増幅器の前記バイアス電圧を、前記入力無線周波数信号についての振幅の範囲にわたって、それぞれの活動化バイアスレベルからそれぞれの非活動化バイアスレベルに漸進的に変更することと、
前記第１のスイッチング電力増幅器の前記バイアス電圧を、前記入力無線周波数信号についての振幅の前記範囲にわたって、それぞれの非活動化バイアスレベルからそれぞれの活動化バイアスレベルに漸進的に変更することと
を備える、
請求項１０に記載の増幅器。
【請求項１３】
スイッチング電力増幅器間を漸進的に遷移することが、前記入力無線周波数信号の前記振幅の単位変化当たりのそれぞれの事前定義された変更に基づいて、前記それぞれのスイッチング電力増幅器の前記それぞれのバイアス電圧を変更することを備える、請求項１０に記載の増幅器。
【請求項１４】
請求項１に記載の増幅器と、
前記入力無線周波数信号を生成し、前記入力無線周波数信号を前記増幅器に供給するように構成されたプロセッサと、
前記増幅器から前記合成増幅信号を受信し、前記合成増幅信号を送信するように構成されたアンテナと
を備える、通信デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、無線周波数信号を増幅するための増幅器に関する。詳細には、限定はしないが、本開示は、大きいピーク対平均電力比（ＰＡＰＲ）を有する無線周波数信号を増幅するための増幅器に関する。
【背景技術】
【０００２】
無線周波数（ＲＦ）電力増幅器は、伝送チャネルを介して（たとえば、アンテナを通じて）信号を送信することを可能にするように入力ＲＦ信号の電力を増大させるためにＲＦ通信システムで利用される。所与の電力増幅器の利得応答および効率は、その設計に依存する。多くの電力増幅器は、増幅器の一般的特性を指定するいくつかの級（すなわち、Ａ級、Ｂ級、Ｃ級、Ｅ級、Ｆ級、およびＪ級）の中に含まれる。
【０００３】
Ｌｏｎｇ−Ｔｅｒｍ  Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ（ＬＴＥ（登録商標））、Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｖｉｄｅｏ  Ｂｒｏａｄｃａｓｔｉｎｇ（ＤＶＢ）、Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｓｅｒｖｉｃｅｓ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｂｒｏａｄｃａｓｔｉｎｇ（ＩＳＤＢ）、８０２．１１ａｘなどの多くの通信、放送、およびワイヤレス規格は、直交周波数分割多重方式（ＯＦＤＭ）変調に基づく。加えて、Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｔｅｌｅｖｉｓｉｏｎｓ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  Ｃｏｍｍｉｔｔｅｅ（ＡＴＳＣ）は、ＯＦＤＭを将来の規格に導入することを計画している。ＯＦＤＭは非常にスペクトル効率が良いが、高いピーク対平均電力比（ＰＡＰＲ）を犠牲にしてそのようにする。
【０００４】
単一デバイス無線周波数電力増幅器が高い効率を達成することができるのは、そのピーク出力電力（ＰOUT）においてのみであり、ＰOUTが低下するにつれて効率は著しく低下する。ピーク出力電力に達し、それによって飽和点に達するのを回避するために、通信、放送、およびワイヤレス接続性信号は一般に、平均して電力増幅器がピーク出力電力よりかなり下で動作するとともに、依然として大きい信号ピークに対処できることを必要とする。最大電力未満の平均電力で増幅器を操作することは、「バッキングオフ」と呼ばれる。
【発明の概要】
【０００５】
したがって、高いＰＡＰＲを考慮したバッキングオフにより、単一のデバイス無線周波数電力増幅器についての平均効率が低くなる。したがって、高いＰＡＰＲを有するシステムに対する効率が改善された無線周波数電力増幅器が求められている。
【０００６】
単に例として作成され、図面とともに行われる以下の詳細な説明から、本発明の構成をより完全に理解し、諒解されよう。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】ドハティ電力増幅器の一例を示す図。
【図２】アウトフェージング増幅器の一例を示す図。
【図３】順次電力増幅器の一例を示す図。
【図４】電力制御スイッチト電力増幅器を示す図。
【図５】デジタル制御電力制御スイッチング増幅器の一例を示す図。
【図６】デジタルドハティ電力増幅器の一例を示す図。
【図７】一構成による増幅システムを示す図。
【図８】出力電力がピーク出力電力からバックオフされる量に応じて、図７の増幅器１および増幅器２の効率がどのように変動するかを示す図。
【図９】帯域フィルタのＱファクタＱが変動するときに、Ｅ級電力増幅器についての出力電力およびドレイン−ソースキャパシタンスがどのように変化するかを示す図。
【図１０】出力電力がピーク出力電力からバックオフされるときに、図７の増幅システムの効率がどのように変動するかを示す図。
【図１１】漸進的スイッチングを備える構成で効率がどのように変動するかを示す図。
【図１２】１３．５ｄＢｍでスイッチングする、図７によるシミュレートされるシステム内のＰOUTに応じてどのように効率および利得が変動するかを示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
第１の態様によれば、無線周波数信号を増幅するための増幅器が提供される。増幅器は、増幅されることになる入力無線周波数信号を受け取るための入力ノードと、入力ノードに接続され、入力無線周波数信号を２つ以上の信号に分割するように構成された信号スプリッタと、２つ以上の信号に対応する２つ以上のスイッチング電力増幅器とを備える。スイッチング電力増幅器の各々は、スイッチング電力増幅器が活動化されるとき、能動デバイスを使用して２つ以上の信号のそれぞれの信号を増幅し、スイッチング電力増幅器のそれぞれの出力端子でそれぞれの増幅信号を出力するように構成される。２つ以上のスイッチング電力増幅器の各々は、相異なる最大出力電力を有する。増幅器は、増幅信号を合成し、合成増幅信号を出力するために、スイッチング電力増幅器の出力端子の各々に接続された出力ノードと、２つ以上のスイッチング電力増幅器に２つ以上の制御信号を発行するように構成された制御回路とをさらに備える。各制御信号は、能動デバイスを選択的に活動化および非活動化するために、それぞれのスイッチング電力増幅器の能動デバイスのゲートに供給されるバイアス電圧を制御する。
【０００９】
相異なる最大出力電力を有する複数のスイッチング電力増幅器を利用し、スイッチング電力増幅器の能動デバイスのゲートに印加されるバイアス電圧を介してスイッチング電力増幅器を選択的に活動化および非活動化することによって、本明細書で説明される構成は、より単純でより効率的な、無線周波数信号を増幅するための増幅システムを提供する。さらに、そのゲートで電力増幅器を制御することは、バイアシング電圧が漸進的に増大および減少し得、代替システムによって提供され得るハードオン／オフスイッチングと比べて線型性を改善するので、電力増幅器間の漸進的スイッチングも可能にする。
【００１０】
合成増幅器信号を供給するために、スイッチング電力増幅器の出力が出力ノードで組み合わされる。この合成は、一度にただ１つのスイッチング電力増幅器が活動化され得るので、経時的な合成の形態であり得、したがって、合成信号は、スイッチング電力増幅器が経時的に活動化および非活動化されるときの相異なるスイッチング電力増幅器からの相異なる出力の合成である。あるいは、複数のスイッチング電力増幅器が活動化される何らかの期間があり得、合成増幅信号は複数の増幅信号の加算である。
【００１１】
一構成では、スイッチング電力増幅器は純粋にリアクタンス性回路である。このことは、スイッチング電力増幅器が、非活動化されるときであってもシステムに対して大きい負荷を課さないので、スイッチング電力増幅器を互いに分離する必要がないことを意味する。このことは、（出力ノードの向こう側の）どんな合成回路の必要も回避することによって、システムの複雑さを低減する助けとなる。したがって、一構成では、各スイッチング電力増幅器の出力端子が、どんなリアクタンス性整合回路網、スイッチ、または伝送線路も用いずに、互いに直接的に接続される。
【００１２】
制御信号は、制御信号を、能動デバイスのゲートをスイッチングするための正しい電圧の範囲にするために、それぞれのバイアシング回路によってそれぞれのバイアス電圧に変換され得る。あるいは、制御信号はバイアス電圧自体であり得、したがって制御信号を能動デバイスのゲートに直接的に印加することができ得る。
【００１３】
一構成によれば、増幅器は、各スイッチング電力増幅器について、それぞれの信号を増幅するために、それぞれの合成バイアス電圧を形成し、それぞれの合成バイアス電圧を能動デバイスのゲートに印加するために、それぞれのバイアス電圧をそれぞれの信号と合成するように構成される。したがって、各スイッチング電力増幅器について、バイアス電圧はゲートをオンおよびオフし、信号は、信号を増幅するようにゲートを制御する。
【００１４】
さらなる構成によれば、２つ以上のスイッチング電力増幅器はＥ級電力増幅器である。Ｅ級電力増幅器は、代替スイッチング電力増幅器（たとえばＦ級電力増幅器）よりも効率的である。加えて、Ｅ級電力増幅器は、より高いレベルの高調波をフィルタ除去し、したがって多量の空間を占有する（Ｆ級のような）１／４波長変圧器の必要を回避するための帯域フィルタ（または低域フィルタ）を含む。したがって、Ｅ級電力増幅器はより小さい形状因子を有する。
【００１５】
一構成によれば、スイッチング電力増幅器の第１の増幅器の最大出力電力は、スイッチング電力増幅器の第２の増幅器の最大出力電力未満であり、制御回路は、入力信号が第１の領域の範囲内にある振幅を有するとき、第１のスイッチング電力増幅器を活動化し、入力無線周波数信号の振幅が第２の領域の範囲内にあるとき、第２のスイッチング電力増幅器を活動化するように構成され、第２の領域は第１の領域よりも高い。入力無線周波数信号の振幅は、信号の電圧の振幅または瞬間電力の振幅であり得る。
【００１６】
入力無線周波数信号がエンベロープ変調される場合、振幅はエンベロープ電圧であり得る。第１の領域は、入力ＲＦ信号のダイナミックレンジの下側領域をカバーし得、第２の領域は、入力ＲＦ信号のダイナミックレンジの上側領域をカバーし得る。２つのスイッチング電力増幅器は、相異なる最大出力電力、したがって相異なる電力定格を有する。このことは、異なる電力増幅器構成、それぞれの能動デバイスについての相異なる供給電圧、および／または（Ｅ級について）スイッチング電力増幅器用の出力フィルタについての相異なるＱファクタを介して達成され得る。
【００１７】
さらなる構成では、第１のスイッチング電力増幅器の最大出力電力は、入力無線周波数信号の平均電力に実質的に等しい。第２のスイッチング電力増幅器の最大出力電力は、増幅器についての予想最大出力電力に実質的に等しい。最大出力電力を厳密にこれらの値に設定する必要はなく、最良の性能を達成するために数ｄＢだけ調整され得る。平均電力は、エンベロープ変調入力信号の包絡関数の全波長にわたる平均電力であり得る。したがって、第１のスイッチング電力増幅器は平均出力電力について最適化され得、第２のスイッチング電力増幅器はピーク出力電力について最適化され得る。
【００１８】
さらなる構成では、制御回路は、入力無線周波数信号の振幅が第１のしきい値を超えるとき、第２のスイッチング電力増幅器を活動化し、入力無線周波数信号の振幅が第２のしきい値未満となるとき、第１のスイッチング電力増幅器を活動化するように構成される。
【００１９】
一構成では、第１のしきい値と第２のしきい値とは同一である。このことは、ヒステリシスのない均一なスイッチングを実現する。このことは、単に単一のしきい値を使用して実装され得、しきい値より上では第２の増幅器が活動化され、しきい値より下では第１の増幅器が活動化される。このことは効率の改善を実現する。
【００２０】
代替構成では、第２のしきい値は第１のしきい値より低い。このことはスイッチングにヒステリシスを与え、線型性を改善する。
【００２１】
線型性を改善するためのさらなるオプションは、デジタルプリディストーション技法（または他の線形技法）の使用を含む。信号忠実度を改善するためにリニアライザが入力無線周波数信号および／または制御信号に加えられ得る。このことは、増幅器によって導入されるひずみの逆の変調を加えることによって、増幅器の非線形応答があればそれを補正し得る。
【００２２】
さらなる構成では、制御回路は、入力無線周波数信号の振幅が第１のしきい値を超えるとき、第１のスイッチング電力増幅器を非活動化し、入力無線周波数信号の電力が第２のしきい値未満となるとき、第２のスイッチング電力増幅器を非活動化するように構成される。このことは、２つのスイッチング電力増幅器デバイス間のはっきりしたスイッチングを実現し、効率を改善する。
【００２３】
代替構成では、制御回路は、スイッチング電力増幅器間でスイッチングするとき、スイッチング電力増幅器間を漸進的に遷移するように構成される。このことは、効率を犠牲にして線型性を改善する。このことは、入力振幅電圧のスイッチング領域にわたって、以前に高のバイアス電圧を漸進的に低減し、以前に低のバイアス電圧を漸進的に増大させることによって達成され得る。スイッチング電力増幅器間のスイッチングは、１つのスイッチング電力増幅器を漸進的に非活動化することと、別のスイッチング電力増幅器を漸進的に活動化することとを備え得る。
【００２４】
一構成では、スイッチング電力増幅器間を漸進的に遷移することは、第１のスイッチング電力増幅器から第２のスイッチング電力増幅器にスイッチングするとき、第１のスイッチング電力増幅器のバイアス電圧を、入力無線周波数信号についての振幅の範囲にわたって、それぞれの活動化バイアスレベルからそれぞれの非活動化バイアスレベルに漸進的に変更することと、第２のスイッチング電力増幅器のバイアス電圧を、入力無線周波数信号についての振幅の範囲にわたって、それぞれの非活動化バイアスレベルからそれぞれの活動化バイアスレベルに漸進的に変更することとを備える。
【００２５】
活動化バイアスレベルは、それぞれのスイッチング電力増幅器を完全にオンにするのに十分なバイアスレベルであり得る。非活動化バイアスレベルは、それぞれのスイッチング電力増幅器を完全にオフにするのに十分なもので得る。活動化および非活動化バイアスレベルは、各スイッチング電力増幅器について同一である必要はない。
【００２６】
一構成では、スイッチング電力増幅器間を漸進的に遷移することは、第２のスイッチング電力増幅器から第１のスイッチング電力増幅器にスイッチングするとき、第２のスイッチング電力増幅器のバイアス電圧を、入力無線周波数信号についての振幅の範囲にわたって、それぞれの活動化バイアスレベルからそれぞれの非活動化バイアスレベルに漸進的に変更することと、第１のスイッチング電力増幅器のバイアス電圧を、入力無線周波数信号についての振幅の範囲にわたって、それぞれの非活動化バイアスレベルからそれぞれの活動化バイアスレベルに漸進的に変更することとを備える。
【００２７】
一構成では、スイッチング電力増幅器間を漸進的に遷移することは、入力無線周波数信号の振幅の単位変化当たりのそれぞれの事前定義された変更に基づいて、それぞれのスイッチング電力増幅器のそれぞれのバイアス電圧を変更することを備える。
【００２８】
さらなる構成によれば、前述のような増幅器と、入力無線周波数信号を生成し、増幅器に入力無線周波数信号を供給するように構成されたプロセッサと、増幅器から合成増幅信号を受信し、合成増幅信号を送信するように構成されたアンテナとを備える通信デバイスが提供される。
【００２９】
本明細書で説明される構成は、複雑さおよびサイズが低減されたシステムで高いＰＡＰＲを有するＲＦ信号を増幅する効率の改善を実現する。
【００３０】
電力増幅器についてのピーク効率が、その最大出力電力（ＰOUT）で達成される。電力増幅器の効率は、ＰOUTが最大ＰOUT未満に低下したときに著しく低下する。このことは、高いＰＡＰＲを有する信号を増幅するときの効率に著しく影響を及ぼし得る。
【００３１】
出力電力が低下するときの効率の低下を軽減するために、複数の電力増幅器が並列に使用され得る。異なる電力増幅器は異なる最大出力電力を有し得る。複数の電力増幅器を並列に使用することによって、システム全体の電力効率が、より広い範囲のＰOUT（大きいＰＡＰＲ）にわたって改善され得る。
【００３２】
大きいＰＡＰＲで信号を増幅するときの増幅器効率を改善するために複数の電力増幅器を実装する方法の例として、ドハティ増幅器、エンベロープ追跡（ＥＴ）、動的負荷変調（ＤＬＭ）、およびアウトフェージングがある。これらはすべて高性能が可能であるが、これには一般には高度な複雑さが伴う。このことは、増幅器のサイズとコストとを増大させ得、それらのどちらも、特にモバイル通信の分野では重要な特徴である。
【００３３】
したがって、設計の複雑さを低減して実装される、高いＰＡＰＲ信号に対する効率が改善された新しい電力増幅器が求められている。
【００３４】
図１は、ドハティ電力増幅器の一例を示す。ドハティ電力増幅器は、互いに並列に接続された２つの電力増幅器を含む。第１の電力増幅器は搬送波増幅器である。搬送波増幅器は、入力信号の全体にわたって動作し得る（たとえば、搬送波増幅器はＡＢ級増幅器であり得る）。第２の電力増幅器はピーキング増幅器である。ピーキング増幅器は、変調信号振幅の上半分にわたって動作するだけである（たとえば、ピーキング増幅器はＣ級増幅器であり得る）。ピーキング増幅器は、入力電力が高であるときにＯＮであり、入力電力が低であるときにＯＦＦである。
【００３５】
無線周波数入力が、クアドラチュアカプラに接続された入力端子で受信される。クアドラチュアカプラは、入力信号を、互いに９０°だけ位相外れの２つの信号に分割する電力スプリッタである。電力スプリッタの第１の出力は搬送波増幅器に接続される。電力スプリッタの第２の出力はピーキング増幅器に接続される。
【００３６】
２つの増幅器の出力は、１／４波長（λ／４）変圧器を介して互いに接続される。このケースでは、搬送波増幅器の出力線は１／４波長変圧器に接続され、１／４波長変圧器はピーキング増幅器の出力線に接続される。１／４波長変圧器は、２つの出力信号を互いに同相に戻す。このことは、増幅信号（ＲＦ出力）を形成するために出力が共に組み合わされることを意味する。
【００３７】
ピーキング増幅器と搬送波増幅器とは互いに分離されないので、ピーキング増幅器の存在は、搬送波増幅器の出力に与えられるインピーダンスを変更する。これは負荷変調と呼ばれる。
【００３８】
図２はアウトフェージング増幅器の一例を示す。ドハティ増幅器の場合と同じく、アウトフェージング増幅器は、並列に接続された２つの増幅器を備える。このケースでは、両方の増幅器が信号の全体にわたって動作する。
【００３９】
信号セパレータが、２つの電力増幅器の間で入力ＲＦ信号を分割する。信号セパレータは、入力信号を２つの位相および振幅変調信号に分割し、各々はそれぞれの電力増幅器を駆動する。
【００４０】
各増幅器の出力は合成地点で組み合わされる。各増幅器の出力線は、それぞれの１／４波長変圧器（λ／４）を介して合成地点に接続される。
【００４１】
キャパシタンスＣ1を有するキャパシタが、第１の増幅器の出力線とグランドとの間に接続される。インダクタンスＬ1を有するインダクタが、第２の増幅器の出力線とグランドとの間に接続される。インダクタンスＬ1の大きさは、キャパシタンスＣ1の大きさに等しい（Ｌ1＝−Ｃ1）。このことは、バックオフでの効率を向上させる分路補償を実現する。
【００４２】
図３は順次電力増幅器の一例を示す。順次電力増幅器は、常にＯＮであるメイン増幅器と、入力信号が高であるときにのみＯＮであるピーキング増幅器とを利用するという点で、ドハティ増幅器と同様である。
【００４３】
ドハティ増幅器とは対照的に、２つの増幅器の出力は、ハイブリッド結合器を使用して組み合わされる。さらに、スプリッタは負荷変調を適用しない。
【００４４】
図４は電力制御スイッチト電力増幅器を示す。増幅器は、低電力増幅器と高電力増幅器とを備える。低電力増幅器は、低電力入力信号に対して効果的に動作するように構成される。高電力増幅器は、高電力入力信号に対して効果的に動作するように構成される。
【００４５】
３路スイッチが、入力電力に応じて低電力増幅器と高電力増幅器との間で入力をスイッチングすることを可能にする。このことは、ピーク入力電力に応じて最も効率的な増幅器が利用されていることを保証する。
【００４６】
対応する３路スイッチが、現在選択されている電力増幅器の出力を出力線に接続するために使用される。
【００４７】
図５はデジタル制御スイッチング電力増幅器の一例を示す。このケースでは、３つのＦ級スイッチング増幅器が使用される。
【００４８】
このシステムは、一定のエンベロープを有するＲＦ入力とともに動作する（ＲＦ入力の振幅は変化しない）。ＲＦ入力は、３つのスイッチング増幅器に対する入力を供給するために３路スプリッタで分割される。
【００４９】
スイッチング増幅器は、相異なるピーク出力電力のために構成される。したがって、増幅量は、電力増幅器のどの組合せが活動化されるかをデジタルに選択することによって選択され得る。
【００５０】
各スイッチング増幅器の出力線は、それぞれの１／４波長変圧器に接続される。これらの１／４波長変圧器の出力が、２つの分岐の出力を合成するために互いに接続される。出力信号は抵抗器ＲLを介して出力される。
【００５１】
どのスイッチング増幅器がオンにされるかを制御するために、３つのスイッチング信号（電力制御入力１、２、および３）が供給される。これらのスイッチング信号は、増幅器のそれぞれの分岐をオンおよびオフにする。
【００５２】
各スイッチング増幅器についての出力線は、それぞれの無線周波数スイッチに接続される。ＲＦスイッチは、それぞれの分岐についてのスイッチング信号によって制御される。スイッチング信号は、分岐をスイッチオフするために出力線をグランドに選択的に結合する。このことは低インピーダンスを生成し、低インピーダンスは１／４波長変圧器で高インピーダンスに変換される。
【００５３】
ＲＦスイッチは、所望のスイッチング増幅器からの信号が回路を通じて望ましくないスイッチング増幅器の出力に戻り得るので必要である。これらの信号は１／４波長変圧器を通過することになるので、このプロセスは、所望の増幅器の効率を低下させることになる負荷を与えることになる。非活動化された分岐をグランドに短絡することによって、望ましくない分岐上の１／４波長変圧器の両端間に高インピーダンスがセットアップされ、望ましくない分岐を通じて信号が戻るのを防止するために分岐を分離する。それでも、ＲＦスイッチと１／４波長変圧器とを含むことは、増幅器の全体の複雑さとサイズとを増大させる。さらに、出力をグランドに短絡することによって分岐がオフにされた場合であっても、各増幅器が常にオンであるので、システム内で電力が失われる。
【００５４】
図６はデジタルドハティ電力増幅器の一例を示す。ドハティ電力増幅器の場合と同じく、デジタルドハティ電力増幅器は、搬送波増幅器とピーキング増幅器とを備える。このケースでは、デジタルドハティ電力増幅器はデジタル入力信号を増幅することができる。
【００５５】
デジタルベースバンド入力がデジタル信号プロセッサに供給される。デジタル信号プロセッサは信号を２つの信号に分割し、その各々は増幅器のそれぞれの分岐に供給される。各分岐上で、それぞれの信号は、エンベロープデルタシグマ変調器を使用して変調される。変調後信号はそれぞれの電力増幅器（分岐に応じて、搬送波増幅器またはピーキング増幅器）に供給される。次いで、２つの増幅器の出力は、２つの増幅器の出力線間に接続される１／４波長変圧器で組み合わされる。
【００５６】
図１〜６の例はすべて、様々な分岐からの信号を効果的に合成するために、負荷変調や出力コンバイナなどの、電力増幅器に対する追加の回路を必要とする。このことは、回路のサイズと複雑さとを増大させる。
【００５７】
本明細書で説明される構成は、高いＰＡＰＲを有するＲＦ信号を増幅するときの効率を改善し、しかしながら２つの増幅器の出力信号を合成するための何らかの負荷変調または何らかの回路の必要を回避するための、複数の増幅器アーキテクチャを含む。したがって、構成は、よりコンパクトで、複雑さがより低い増幅システムを提供する。
【００５８】
図７は、一構成による増幅システムを示す。増幅器１および増幅器２という２つのスイッチング増幅器が使用される。この構成では、２つの増幅器はＥ級増幅器であるが、他の級の増幅器が実装され得る。同様に、増幅器の数が、この構成での２つから、３つ以上に増加され得る。
【００５９】
ＲＦ入力が電力スプリッタに印加されるが、他のタイプの信号分割回路網が使用され得る。電力スプリッタは、入力を両方の増幅器に同時に駆動する。増幅器１は能動デバイスＱ1からなる。この例では、能動デバイスは電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）デバイスであるが、バイポーラトランジスタまたは他の形態の能動デバイスがその代わりに使用され得る。
【００６０】
能動デバイスＱ1は、入力整合回路網（Ｉｎｐｕｔ  ＭＮ）およびバイアシング回路網を通じてＲＦ信号によって駆動されるゲートを有する。
【００６１】
入力整合回路網は、電力スプリッタからのそれぞれの出力と、能動デバイスのゲートとの間に接続される。入力整合回路網は、入力信号のインピーダンス整合のためのものである。
【００６２】
バイアシング回路網は、入力整合回路網と並列にゲートに接続される。バイアシング回路網の他方の側は、第１の入力信号Ｄ1を受け取るノードに接続される。入力信号Ｄ1は、信号が高であるときに増幅器１をオンにし、信号が低であるときに増幅器１をオフにするスイッチング信号である。バイアシング回路網は入力デジタル信号（Ｄ1）を、能動デバイスをスイッチオンおよびオフするための適切な電圧の信号に変換するように構成される。
【００６３】
この構成では、２つの増幅器の能動デバイスはどちらも、しきい電圧０．３Ｖを有する。それでもやはり、代替構成では、異なるしきい電圧を有する代替能動デバイスが利用され得る。加えて、能動デバイスが同一のしきい電圧を有する必要はない。しきい電圧は、デバイス技術およびその物理的サイズに応じて変動する。
【００６４】
第１のＤＣ信号ＶDC1が第１のインダクタＬ1に供給され、第１のインダクタＬ1は能動デバイスのドレインに接続される。第１のインダクタは、ＲＦ動作周波数で高インピーダンスを有する高値インダクタ、またはＲＦチョークである。能動デバイスのソースはグランドに接続される。
【００６５】
このケースでは、ＮチャネルＦＥＴが使用される。したがって、低電圧がゲートに印加されるとき、ＦＥＴの伝導率が低下し、それによってドレインでの電圧が上昇する。逆に、高電圧がゲートに印加されるとき、ＦＥＴの伝導率が増大し、ドレイン電圧をグランドに向かって低下させる。したがって、能動デバイスは、ソースで出力される供給電圧の割合を制御することによって入力信号を増幅する。
【００６６】
ドレインはまた、第２のインダクタＬ2およびキャパシタＣ1に接続される。キャパシタＣ1は、能動デバイスおよび第２のインダクタＬ2と並列にグランドに接続される。Ｃ1とＬ2の組合せの結果、増幅器１にＥ級増幅器として働かせる波形成形が得られる。いくつかの構成では、第１のキャパシタＣ1は不要であり、その代わりにキャパシタンスＣ1が、能動デバイスＱ1のドレイン−ソースキャパシタンスＣdsによって実現される。
【００６７】
第２のインダクタＬ2の向こう側は帯域フィルタ（ＢＰＦ1）に接続される。このことは、能動デバイスによって生成されるどんな高調波もが増幅器１の出力に到達する代わりに、反射して能動デバイスに向かって戻されることを確実にする。
【００６８】
増幅器２は、それぞれの入力信号Ｄ2、バイアシング回路網、入力整合回路網、ゲートＱ2、第１のインダクタＬ3、第２のインダクタＬ4、キャパシタＣ2、および帯域フィルタＢＰＦ2とともに、同一の方式で構成される。それでもやはり、２つの増幅器は、以下で論じられるように、相異なるピーク出力電力を有するように構成される。
【００６９】
増幅器１および増幅器２の出力は、合成出力信号を形成するために出力ノードで互いに直接的に接続される。直接的接続は、追加の構成要素が２つの増幅器の出力端子間に配置されないことを意味する。次いで、合成出力信号は（たとえばアンテナに）出力され得る。この構成では、アンテナは抵抗器ＲLによって表される。増幅器システムの出力のインピーダンスを、アンテナまたは適切な負荷インピーダンス、すなわち５０Ωに整合するために、出力整合回路網も必要とされ得る。
【００７０】
広範な入力電力にわたって効率の改善を実現するために、増幅器１および増幅器２は、相異なる電力定格向けに調整される。
【００７１】
図８は、出力電力がピーク出力電力からバックオフされる量に応じて、図７の増幅器１および増幅器２の効率がどのように変動するかを示す。増幅器２は、増幅器１よりも高い電力定格を有する。増幅器１は、増幅器２のピーク出力電力からのピーク出力電力−ＸｄＢ（たとえば−８ｄＢ）に達する。この構成では、高いＰＡＰＲを有する信号が増幅されるとき、増幅器２は、送信される信号のピークに等しい電力定格を有し、増幅器１は平均電力にほぼ等しい電力定格を有する。
【００７２】
相異なる出力電力を有する２つ以上のＥ級増幅器を生成することは、いくつかの方式で達成され得る。
【００７３】
１）相異なる電力定格を有する相異なる物理的サイズのデバイス。その結果、Ｃ1およびＣ2について相異なる値となる。
【００７４】
２）相異なる供給電圧（ＶDC1およびＶDC2）を有する同一のデバイス構造。
【００７５】
３）同一の供給電圧を有するが、別様に調整された回路構成要素を有する同一のデバイス構造。
【００７６】
図７の構成は、いくつかの点で図１〜６のアーキテクチャと比較して固有のものである。
【００７７】
１）出力合成回路網が欠如している結果、物理的により小型の設計が得られ、そのことは、低電力応用例（たとえば８０２．１１ａｘ）および高電力での削減された容積（たとえばＤＶＢ放送送信機）のための相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）集積に向いている。対照的に、ドハティ増幅器（たとえば図１）は１／４波長伝送線路を使用する。
【００７８】
２）増幅器１は（ピーク未満の）低電力で動作するだけである。増幅器１は、増幅器２よりも物理的に小型のデバイスを使用し得、それによってコストとサイズとを低減する。それでもやはり、図８について使用される構成では、２つの増幅器は同一のサイズであり、ＰOUTは他の手段によって変動する。
【００７９】
３）増幅器１および２が独立して動作するので、ドハティおよびアウトフェージングアーキテクチャで受ける「負荷プリング」効果がない。この構成では、１つの増幅器が動作中のとき、他方の増幅器は、そのゲート端子に負のバイアスを印加することによって動作不能にされる。このことはトランジスタをスイッチオフし、その結果、動作不能にされた増幅器は、単にそのドレイン−ソースキャパシタンス（Ｃds）によるキャパシタンスのように見える。スイッチオフされるとき、動作不能にされた増幅器は、アクティブな増幅器の動作にほとんど影響を及ぼさない。
【００８０】
４）この構成の増幅器は、その能動デバイスのゲートに印加される電圧にバイアスをかけることによって制御される。したがって、この構成は、電力増幅器の出力上にスイッチを設ける必要を回避する。対照的に、図５のデジタル制御スイッチング電力増幅器は、出力端子をグランドに短絡するために各増幅器の出力でスイッチを含む。１／４波長変圧器（λ／４）は、このスイッチの効果を低減するために、出力端子でこの短絡を高インピーダンスに変換することが必要となる。１／４波長変圧器は、一般にはシステムの全サイズを大幅に増大させる大型の構成要素である。この構成は、１／４波長変圧器またはスイッチの必要を回避し、それによって回路のサイズと複雑さとを低減する。
【００８１】
したがって、本明細書で説明される構成は、複雑さおよびサイズが低減された実装でも、高いＰＡＰＲを有する信号を増幅する効率の改善を実現する。
【００８２】
本明細書で提示される結果について、図７による構成が評価され、２つの電力増幅器は、別様に調整された構成要素を有する。前述のように、Ｅ級動作では、性能は、大部分はデバイスの漂遊Ｃdsによって決定される。Ｅ級増幅器では、Ｃdsと出力電力（ＰOUT）の両方が、帯域フィルタ（ＢＰＦ）のＱファクタ（Ｑ）への依存を有する。
【００８３】
図９は、Ｅ級電力増幅器についての出力電力およびドレイン−ソースキャパシタンスが、帯域フィルタのＱファクタＱが変動するにつれてどのように変化するかを示す。０．８＜Ｑ＜１０では、ＱはＰOUTに対して大きな影響を及ぼし、Ｃ1に対する影響はより小さい（＋／−２０％）ことが分かる。したがって、帯域フィルタのＱファクタＱが、電力増幅器の性能を調整するために使用され得る。
【００８４】
Ｅ級増幅器では一般に、Ｑは高いと仮定される。この仮定は増幅器２について成り立つ。ＢＰＦ1のＱは、増幅器２に比べて、増幅器１の電力定格を低減するために低く設計される。たとえば、ＢＰＦ1のＱが１であり、ＢＰＦ2のＱが１０である場合、増幅器１の電力定格は、増幅器２の１４．５％、すなわち−８．４ｄＢとなる。この構成は、ＬＴＥおよびＤＶＢで見られるような、約８ｄＢのＰＡＰＲを有する信号によく適している。
【００８５】
【表１】
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【００８６】
この構成と図１〜６の例との間の主な構造的な違いは、図示される２つの増幅器がどのように互いに接続されるかということである。この構成では、２つの増幅器の出力が互いに直接的に接続される。
【００８７】
この構成と図１〜６の例との間のさらなる違いが、表１に示されている。
【００８８】
この構成と図１〜６の例との間の中心的な動作の違いは、送信される信号のダイナミックレンジにわたって２つの増幅器がどのように相互作用するかである。このことが、表１の列２〜４で強調されている。増幅器１および増幅器２の動作は、図１０に示されるように、電圧の振幅または入力信号の電力に応じてスイッチングされる。エンベロープ変調システムでは、電圧の振幅はエンベロープ電圧である。
【００８９】
図１０は、図７の増幅システムの効率が、出力電力がピーク出力電力からバックオフされるときにどのように変動するかを示す。入力信号Ｄ1およびＤ2が、効率のプロットの下に示されている。
【００９０】
システムは２つの動作領域（モード）にわたって動作する。第１のモードでは、出力電力は低く、したがって（より低い電力定格を有する）増幅器１が利用される。したがって、Ｄ1は、増幅器１をオンにするために高にセットされ、Ｄ2は、増幅器２をオフにするために低にセットされる。
【００９１】
出力電力が増大するとき、増幅器１の効率も向上する。この場合も、増幅器２のピーク出力電力からの−ＸｄＢのバックオフで、増幅器１のピーク出力電力に達する。このケースでは、増幅器１のピーク出力電力に達したとき、システムは第２のモードにスイッチングする。
【００９２】
第２のモードでは、Ｄ2が高にセットされ、Ｄ1が低にセットされる。このことは増幅器１をオフにし、増幅器２をオンにする。増幅器２はそのピーク出力電力未満で動作効率が低くなるので、この時点で効率は低下する。しかしながら、増幅器２のより高い出力電力は、電力が増幅器１のピーク出力電力を超えて増大し続けることを可能にする。電力が増大するとき、効率は、増幅器２のピーク出力電力で最大値まで増大する。
【００９３】
２つの動作領域間の粗い遷移は、ひずみを導入する可能性が高い。これに対する一解決策は、スイッチングに何らかのヒステリシスを導入することである。このケースでは、電力が増大しているときにスイッチングが行われるしきい値は、電力が低下しているときにスイッチングが行われるしきい値よりも高い。
【００９４】
あるいは、図１１に示されるように、増幅器１動作と増幅器２動作との間の遷移は、漸進的であり得る。
【００９５】
図１１は、漸進的スイッチングを備える構成で効率がどのように変動するかを示す。動作は図１１の動作と非常に似ているが、増幅器１についてのピーク出力電力に達するとき、システムは増幅器１と増幅器２との間で滑らかにスイッチングされる。これを達成するために、Ｄ1は、遷移領域にわたって高から低に漸進的に遷移する。同時に、Ｄ2は、低から高に漸進的に遷移する。この構成は、全体の効率が低下することを代償として、線型性を向上させる。
【００９６】
一度に１つのＰＡだけを操作することによって、この構成は、ドハティおよびアウトフェージング増幅器のように「負荷変調」を利用しない。ドハティおよびアウトフェージングでは、２つのＰＡ間の相互作用が、効率を向上させるために意図的に利用される。
【００９７】
さらなる顕著な特徴が表１で見出され得る。一般には、アウトフェージング電力増幅器が２つの等しい電力定格増幅器を使用することがわかる。この構成での２つの異なる電力定格増幅器の使用は、２つの増幅器が送信された信号のダイナミックレンジの相異なる部分を代替的に増幅し得ることを保証する。
【００９８】
アウトフェージング電力増幅器では、両方の増幅器が常に動作するのに対して、ドハティ電力増幅器、順次電力増幅器、および本明細書で説明される構成では、ただ１つの増幅器が低い出力電力で動作し、両方の増幅器が高い出力電力で動作する。このことが表１に詳述されている。
【００９９】
この構成のスイッチングは、電力制御の目的で相異なる増幅器間でスイッチングする図４のものとは異なる。図４のスイッチングは、（数秒程度の）電力制御速度で行われる。対照的に、この構成は、信号帯域幅で動的にスイッチングする。
【０１００】
本明細書で説明される構成は、電力増幅器効率を改善するための複雑さの低い技法に関する。この技法は、その出力で互いに接続された２つの増幅器（たとえばＥ級増幅器）を伴う。２つの増幅器は、相異なる出力電力（ＰOUT）での高効率のために最適化される。たとえば、ピーク送信電力で、および８ｄＢバックオフで、信号ＰＡＰＲを整合させるためである。この構成では、２つの異なる出力電力が回路設計によってスケーリングされるが、他のタイプ、すなわち各増幅器についての相異なる供給電圧が利用可能である。
【０１０１】
この技法は、ＰOUTおよび動作周波数においてスケーラブルであり、広範な応用例に適している。適切な能動デバイス（トランジスタ）が利用可能であることを条件として、この技法は、低電力デバイスだけでなく、高電力放送応用例にも適用され得る。
【０１０２】
本明細書で説明される構成は、低い複雑さで高い効率を実現する。任意の効率改善機構の目標は、最小のオーバヘッドで性能を改善することである。
【０１０３】
図１２は、１３．５ｄＢｍでスイッチングする、図７によるシミュレートされるシステム内のＰOUTに応じて効率および利得がどのように変動するかを示す。効率応答は、図１０のものと同様である。利得は、広いＰOUT範囲にわたって比較的安定しており、アクティブな増幅器がスイッチングされる電力の近くで利得が低下する。
【０１０４】
図１２の結果は、２つの小型ＧａＡｓ  ＦＥＴデバイスを使用して９００ＭＨｚに対して最適化された増幅器をシミュレートすることによって得られた。増幅器２は、２２ｄＢｍのＰOUTに対して最適化され、ＢＰＦ2のＱは１０であった。増幅器１は１３．５ｄＢｍ（８．５ｄＢバックオフ）に対して最適化され、ＢＰＦ1のＱは１であった。
【０１０５】
ＰOUTに対する効率および利得のプロファイルが図１２に示されており、切換え地点が増幅器１の３ｄＢ圧縮地点（Ｐ3dB、すなわち過励振のために利得が３ｄＢだけ低下したところ）と定義される。このことが、増幅器が切り替わるときに減少する利得曲線にはっきりと示されている。スイッチング地点は、利得圧縮の下側の値に設定され得るが、それは平均効率を低下させることになる。スイッチング地点は、１ｄＢと５ｄＢとの間の利得値に設定され得る。
【０１０６】
最適なスイッチング地点を決定することは、どの程度ひずみが許容されるかに依存する。たとえば、外部デジタルプリディストーションの支援なしに放射マスクが満たされることが望ましい場合。結果は、８ｄＢのＰＡＰＲを有する信号について＞６０％の効率を示唆し、これは、そのような単純な設計に対して著しいものである。
【０１０７】
図１２の結果は、この構成が、単一のＲＦ入力と、２つのデジタル制御信号Ｄ１およびＤ２の複雑さが追加されるだけで、広いＰOUTダイナミックレンジにわたって高い効率を達成できることを証明する。
【０１０８】
上記の説明では、出力電力バックオフ、または瞬間電力が論じられる。このことは、その時の信号の電圧の振幅に関係する。エンベロープ変調信号では、電圧（エンベロープ電圧）の振幅は経時的に変動する。上記の構成は、エンベロープ周波数以上の速度で電力増幅器間でスイッチングするように構成される。
【０１０９】
２つのスイッチング増幅器が使用される場合、この構成は、平均エンベロープ電圧（ピークとトラフの中ほど）の周りでスイッチングする。したがって、スイッチングはエンベロープ周波数の２倍で行われる。
【０１１０】
しかしながら、本明細書で説明される構成はデュアル増幅器実装に限定されない。３つ以上のスイッチング増幅器が使用され得、各々は、異なる範囲の入力電圧に対して効率的となるように構成される。たとえば、３つのスイッチング増幅器が使用される場合、第１はエンベロープのトラフの周りで活動化され得、第２はエンベロープの中間点の周りで活動化され得、第３はエンベロープのピークの周りで活動化され得る。
【０１１１】
このスイッチングを実装するために、各スイッチング増幅器がその中で活動化される電圧領域を定義するために、しきいエンベロープ電圧が使用される。上記で論じられたように、ヒステリシスが追加され得、その結果、特定のスイッチング増幅器をオフするためのしきい値は、増幅器をオンするためのしきい値よりも高いものであり得る。このことは、システムの線型性を向上させる助けとなり得るが、このことは全体の効率を犠牲にして行われる。
【０１１２】
図７の構成はｎチャネル電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を介して増幅を実現するが、代替のタイプの能動デバイス、および代替のタイプのドーピングが使用され得る。たとえば、ｐチャネルＦＥＴ（またはｎもしくはｐドープバイポーラ接合トランジスタ）が使用され得、出力がＦＥＴのドレイン（ｎもしくはｐドープバイポーラ接合トランジスタのコレクタ）に接続される。
【０１１３】
図７の構成は帯域フィルタを利用しているが、各電力増幅器の出力からより高い高調波をフィルタ除去するために、低域フィルタも使用され得る。
【０１１４】
いくつかの構成が説明されたが、構成は単に例として提示されたものであり、本発明の範囲を限定するものではない。実際には、本明細書で説明される新規な方法およびデバイスは、様々な他の形態で具現化され得る。さらに、本明細書で説明される方法およびシステムの形態の様々な省略、置換、および変更が行われ得る。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【外国語明細書】
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