説明

電流共有増幅器を用いた信号増幅

【課題】電流共有増幅器を用いた信号増幅を提供する。
【解決手段】電力増幅器は増幅段を有する。増幅段はトランジスターを有する。また少なくとも1つの増幅段は駆動段を有する。増幅段は、第1のトランジスターと有し及び第1の出力電力と関連付けられた第1の増幅段、並びに第2の出力電力と関連付けられた第2のトランジスターを有する第2の増幅段、を有する。電流共有結合は、第1の増幅段と第2の増幅段を結合する。第1の増幅段と第2の増幅段は、電流共有結合を通じて電流を共有する。電流共有結合は、第1の出力電力と第2の出力電力のスケーリングを助ける。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、一般に電力増幅器の分野に関し、より詳細には電流共有増幅器を用いた信号増幅に関する。
【背景技術】
【0002】
電力増幅器は駆動段を有する。各駆動段は次の駆動段へ励起を供給する。各駆動段は動作するために電力を消費する。駆動段により消費される電力は、しかしながら、電力増幅器の電力付加効率を引き下げる。
【0003】
電力増幅器の電力付加効率を向上する技術が知られている。ある知られている技術によると、出力整合回路、又は電力増幅器の高調波端子は、増幅器の出力段のDC電力を低下するよう調整されて良い。効率負荷目標に整合させることにより出力段のDC電力を低下することは、電力付加効率を増大し得る。別の技術によると、駆動段の大きさが縮小され、駆動段により消費される電力を最小化し得る。駆動段による電力消費を最小化することは、電力付加効率を増大し得る。駆動段の大きさを縮小することは、しかしながら、低出力電力増幅器で機能しない。低出力電力増幅器の入力段は非常に小さいことが要求され得る。また非常に小さい段は整合することが困難である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
本発明によると、前述の信号を増幅する技術に関連する不利点及び問題は、低減又は除去される。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本発明のある実施例によると、電力増幅器は増幅段を有する。増幅段はトランジスターを有する。また少なくとも1つの増幅段は駆動段を有する。増幅段は、第1のトランジスターを有し及び第1の出力電力と関連付けられた第1の増幅段、並びに第2の出力電力と関連付けられた第2のトランジスターを有する第2の増幅段、を有する。電流共有結合は、第1の増幅段と第2の増幅段を結合する。第1の増幅段と第2の増幅段は、電流共有結合を通じて電流を共有する。電流共有結合は、第1の出力電力と第2の出力電力のスケーリングを助ける。
【0006】
本発明の特定の実施例は、1つ以上の技術的利点を提供し得る。ある実施例の技術的利点は、電流が電力増幅器の駆動段の間で供給されて良いことである。各段の出力電力は、駆動段による電力消費を制御するためにスケーリングされて良い。出力電力のスケーリングは、電力増幅器の電力付加効率を向上し得る。
【0007】
本発明の特定の実施例は、上述の技術的利点の何れも有さないか、いくつか又は全てを有して良い。1つ以上の他の技術的利点は、本願明細書に含まれる図、説明、及び請求項から当業者に直ちに明らかであろう。
【0008】
本発明並びに本発明の特長及び利点の完全な理解のため、添付の図面と共に以下の説明を参照する。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】信号を増幅するために使用され得る電力増幅器のある実施例の回路図である。
【図2】図1の実施例の例である電力増幅器の回路図である。
【図3】図1の実施例の例である電力増幅器の電圧に対する駆動装置性能を説明するグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0010】
本発明の実施例及び本発明の利点は、図1乃至3の図を参照することにより最も良く理解される。種々の図面の同様の及び対応する部分には同様の番号が使用されている。
【0011】
図1は、信号を増幅するために使用され得る電力増幅器のある実施例の回路図である。一般に、電流は増幅器10の駆動段の間で共有されて良い。各段の出力電力は、駆動段による電力消費を制御するためにスケーリングされて良い。出力電力のスケーリングは、電力増幅器の電力付加効率を向上し得る。
【0012】
図示された実施例によると、示されるように増幅器10は集積回路20と結合される。増幅器10は、信号を受信し、当該信号を増幅し、及び当該増幅された信号を送信して良い。集積回路は、半導体材料、例えばシリコンを有する回路を参照して良い。回路の構成要素及び接続は半導体材料の領域を加工することにより形成されて良い。増幅器10は、しかしながら、如何なる適切な回路と結合されても良い。例えば、増幅器10はハイブリッド回路と結合されて良い。半導体能動素子は、バイアス経路を配し及び整合を提供するために使用される二次材料の上に配置されて良い。
【0013】
増幅器10は、示されるように結合された抵抗器30、端子34、及び段38を有する。増幅器10は受信した信号を増幅し、及び如何なる適切な電力増幅利得を有しても良い。例えば、増幅器10は、40デシベルより少ない、例えば30又は20デシベルより少ない電力増幅利得を有して良い。増幅器10は、如何なる適切な入力電力及び出力電力を有しても良い。例えば、増幅器10は、約−30dBm乃至+15dBmの入力電力、約0dBm乃至+30dBmの出力電力を有して良い。
【0014】
電圧は端子34に印加されて良い。端子は、装置の、電圧が印加される点を参照して良い。ゲート電圧Vgは端子34bに印加されて良い。またドレイン電圧Vdは端子34aに印加されて良い。ゲート電圧Vgは約−0.5Vのような、約−0.1乃至−0.7ボルト(V)であって良い。またドレイン電圧Vdは約7Vのような、約2乃至8Vであって良い。
【0015】
段は、増幅器の、信号を処理する段を参照して良い。段の例は、駆動段及び出力段を有する。駆動段38は、次の段38へ励起を供給する。駆動段は、電流、電力又は電圧励起のような励起を次の段へ供給する増幅段を参照して良い。また駆動段は、電界効果トランジスター、及び配線、抵抗器、及びトランジスターの間のキャパシターのような調整構成要素を有する整合回路を有して良い。図示された実施例によると、駆動段38aは駆動段38bへ励起を供給し、また駆動段38bは駆動段38cへ励起を供給する。各段38は、如何なる適切な利得を有し、如何なる適切な電力増幅利得を生成しても良い。例えば、マイクロ波振動数では、段38は約10デシベル(dB)の利得を有し、約30dBの電力増幅利得を生成して良い。
【0016】
駆動段38は、最低でも、キャパシター42及びトランジスター46を有する。キャパシターは、誘電体により分離された金属電極を有する受動電子回路構成要素を参照して良い。キャパシター42は如何なる適切なキャパシタンスを有しても良い。例えば、キャパシター42aは約1.5ピコファラッド(pF)のような、約0.1乃至10pFのキャパシタンスを有して良い。キャパシター42bは約7pFのような、約0.1乃至10pFのキャパシタンスを有して良い。キャパシター42cは約3pFのような、約0.1乃至10pFのキャパシタンスを有して良い。
【0017】
トランジスターは、信号を増幅する半導体素子を参照して良い。トランジスター46は如何なる適切なトランジスターを有して良い。ある実施例によると、トランジスター46aはトランジスター46bとほぼ同一の大きさであって良い。例えば、トランジスター46a及び46bは、約200マイクロメーター(μm)のような、約30乃至250μmであって良い。
【0018】
トランジスター46a及び46bは、他の適切な同様の特長を有して良い。トランジスター46a及び46bのドレイン−ソース電圧VDSは、約1乃至6Vであって良い。例えば、トランジスター46aは約3.1Vのドレイン−ソース電圧VDSを有して良い。またトランジスター46bは約3.9Vのドレイン−ソース電圧VDSを有して良い。トランジスター46a及び46bのピーク電流IPは、約35乃至40ミリアンペア(mA)であって良い。例えば、ピーク電流IPは約38mAであって良い。
【0019】
トランジスター46a及び46bはまた、トランジスターの大きさ、印加電圧、及び後段の増幅段を駆動するために必要な電力に基づき、如何なる適切な負荷目標抵抗値(RP)を有しても良い。例えば、トランジスター46aは、約8オーム・ミリメーター(Ωmm)のような、約5乃至40Ωmmの抵抗値RPを有して良い。またトランジスター46bは、約18Ωmmのような、約5乃至40Ωmmの抵抗値RPを有して良い。負荷目標及び印加電圧に基づき、トランジスター46a及び46bの電力出力Poutは、約−20乃至25dBm(1ミリワットに対するデシベル)であって良い。例えば、トランジスター46aは約10dBmVの出力電力容量を有して良い。またトランジスター46bは約18dBmの出力電力容量を有して良い。トランジスター46a及び46bにより消費されるDC電力は、トランジスターに渡る全電圧Vd及びトランジスターを通じて流れる等価電流から計算される。値は、105mWのDC電力消費に対応し、例えば7V及び15mAであって良い。DC電力消費は、出力阻止の電力容量の15パーセントより少なくて良い。
【0020】
トランジスター46cはトランジスター46a及び46bより大きくて良い。ある実施例によると、トランジスター46cは、約400乃至600μm、例えば約450又は550μmであって良い。トランジスター46cは、約7Vのような、約3乃至10Vのドレイン−ソース電圧VDSを有して良い。ピーク電流IPは、約78mAのような、約70乃至1000mAであって良い。負荷目標抵抗値RPは、約38Ωmmのような、約30乃至40Ωmmであって良い。出力電力は、約25dBmのような、約20乃至30dBmであって良い。DC電力は、約1000dBmのような、約500乃至2000mWであって良い。
【0021】
抵抗器30及び50は、駆動段38aのゲート電圧を設定するために使用されて良い。電流共有の場合、第1の駆動段38aのゲート電圧は正であり、電圧分割を調整するために使用されて良い。例えば、トランジスターを動作するための公称ゲート−ソース電圧が−0.4Vであり、電圧の3分の1を駆動段38aにかける場合、抵抗器30及び50により設定される電圧はVd/3−0.4Vである。
【0022】
ある実施例によると、増幅器10の段38は電流を共有して良い。例えば、段38a及び38bは、電流共有結合52を通じて電流を共有して良い。電流共有結合52は、電流を伝達するよう機能する如何なる適切な接続を有しても良い。電流共有は、段38a及び38bの間で実質的に等価な電流を生成する。電流共有は、駆動段に電流を共有させ、ほぼ同一の大きさのトランジスターを有することを可能にし得る。例えば、トランジスター46aはトランジスター46bとほぼ同一の大きさであって良い。
【0023】
増幅器10の電力付加効率(PAE)は、次式に従い定められて良い。
【0024】
【数1】

ここでPoutは増幅器10の出力電力を表し、Pinは増幅器10の入力電力を表し、DCosは出力段の直流(DC)電力を表し、及びDCdsは駆動段38のDC電力を表す。従って、駆動段38のDC電力DCdsが増大すると、電力付加効率が減少する。
【0025】
ある実施例によると、駆動段38のDC電力DCdsは、トランジスターの大きさ及び段38の間の電圧比を調整することにより減少され得る。第1及び第2の段の間の電圧比は、第1の段の第1のトランジスターに印加される電力の第2の段の第2のトランジスターに印加される電力に対する比を参照して良い。実施例によると、段38a及び38bに、段38cより低い電圧が印加されて良い。ゲート電圧は調整され、駆動段38のDC電力を低減するため、段38a及び38bと段38cとの間の所望の比を得る電圧比に設定されて良い。所望の比は約2対1であって良いが、5対1と同じ高さであって良い。例えば、段38a及び38bに印加される電圧は、段38aで約3.1V、段38bで約3.9Vのような、約2乃至4Vであって良い。段38cに印加される電圧は、約7.0Vのような、約6乃至8Vであって良い。
【0026】
段38bは、電力付加効率を最適化させるため圧縮条件下で動作して良い。ある実施例によると、電流共有は、段38bが電流を設定可能なように逆にされて良い。これは電流が圧縮条件下で増大することを可能にし得る。
【0027】
動作中、電力増幅器10は信号を受信する。駆動段38aは、駆動段38bへ伝わる受信した信号に励起を加える。駆動段38bは信号に励起を加える。電流は駆動段38a及び38bの間で共有されて良い。駆動段38a及び38bの出力電力は、電力消費を制御するためにスケーリングされて良い。出力電力は、各段38の電圧、トランジスターの大きさ、抵抗値、又はこれらの如何なる組み合わせをスケーリングすることにより、スケーリングされて良い。出力電力のスケーリングは、電力増幅器10の電力付加効率を向上し得る。駆動段38cは信号に励起を加え、増幅された信号を出力する。
【0028】
本発明の範囲から逸脱することなく、増幅器10に変更、追加又は省略が行われて良い。増幅器10の構成要素は、特定の必要に応じて統合又は分離されて良い。更に、増幅器10の動作は、より多くの、より少ない、又は他の構成要素により実行されて良い。本願明細書で使用されるように、「各」は一式のうちの各部材又は一式のうちの下位のセットの各部材を参照する。
【0029】
図2は、図1の実施例の例である電力増幅器100の回路図である。電力増幅器100は駆動段120、124、及び128を有する。駆動段120はトランジスター140を有し、駆動段124はトランジスター144を有し、及び駆動段128はトランジスター148を有する。駆動段120及び124は、電流共有結合130により結合される。
【0030】
表1、2及び3は、電力増幅器100の構成要素の例である値を提供する。提供された値は単なる例である。他の例である電力増幅器の値は、表1、2及び3に提示された値と異なって良い。
【0031】
表1は、電力増幅器100のキャパシターの例である値を提示する。
【0032】
【表1】

表2は、電力増幅器100のトランジスターの例である値を提示する。
【0033】
【表2】

表3は、電力増幅器100の抵抗器の例である値を提示する。
【0034】
【表3】

本発明のある実施例によると、段120及び124のトランジスター140及び144に印加される電圧は、それぞれ、駆動段120及び124による電力消費を制御するためスケーリングされて良い。スケーリングは、電力増幅器100の電力付加効率を向上し得る。
【0035】
本発明の範囲から逸脱することなく、増幅器100に変更、追加又は省略が行われて良い。増幅器100の構成要素は、特定の必要に応じて統合又は分離されて良い。更に、増幅器100の動作は、より多くの、より少ない、又は他の構成要素により実行されて良い。
【0036】
図3は、図1の実施例の例である電力増幅器の電圧に対する駆動装置性能を説明するグラフである。例である電力増幅器は、0dBmの入力電力を有し室温で動作していて良い。グラフによると、44%より大きい帯域平均付加効率は、約19乃至25dBmの出力電力範囲に渡り達成され得る。
【0037】
本発明の範囲から逸脱することなく、当該グラフに変更、追加又は省略が行われて良い。
【0038】
本発明の特定の実施例は、1つ以上の技術的利点を提供し得る。ある実施例の技術的利点は、電流が電力増幅器の駆動段の間で供給されて良いことである。格段の出力電力は、駆動段による電力消費を制御するためにスケーリングされて良い。出力電力のスケーリングは、電力増幅器の電力付加効率を向上し得る。
【0039】
本開示は特定の実施例に関し記載され及び一般的に方法に関連付けられたが、実施例及び方法の変更及び置換は当業者に明らかである。従って、例である実施例の以上の記載は、本開示を制約しない。他の変更、置換、及び変形はまた、請求項により定められる本開示の精神及び範囲から逸脱することなく可能である。
【符号の説明】
【0040】
10,100 電力増幅器
20 集積回路
30,50 抵抗器
34 端子
38,120,124,128 駆動段
42 キャパシター
46,140,144 トランジスター
52,130 電流共有結合

【特許請求の範囲】
【請求項1】
信号を増幅する電力増幅器であって、
前記電力増幅器の複数の増幅段を有し、
増幅段は前記電力増幅器により受信された前記信号を処理し、増幅段はトランジスターを有し、少なくとも1つの増幅段は前記信号を増幅するよう次の段に励起を供給する駆動段を有し、
前記複数の増幅段は、
第1の出力電力と関連付けられ、第1のトランジスターを有する第1の増幅段、及び
第2の出力電力と関連付けられ、第2のトランジスターを有し、圧縮条件下で動作可能な第2の増幅段、を有し、
前記電力増幅器は、前記第1の増幅段のソースと前記第2の増幅段のドレインを結合する電流共有結合、を更に有し、
前記第1の増幅段及び前記第2の増幅段は前記電流共有結合を通じ電流を共有し、前記電流共有結合は前記第1の出力電力及び前記第2の出力電力のスケーリングを助ける、電力増幅器。
【請求項2】
前記第1のトランジスター及び前記第2のトランジスターに電圧を印加し、前記第1の出力電力及び前記第2の出力電力のスケーリングを助ける電圧源、を更に有する請求項1記載の電力増幅器。
【請求項3】
前記第1のトランジスターは第1の大きさを有し、及び
前記第2のトランジスターは第2の大きさを有し、前記第1の大きさ及び前記第2の大きさは前記第1の出力電力及び前記第2の出力電力のスケーリングを助けるために選択される、請求項1記載の電力増幅器。
【請求項4】
前記第1の増幅段は第1の抵抗値を有し、及び
前記第2の増幅段は第2の抵抗値を有する第2の負荷目標を有し、
前記第1の抵抗値及び前記第2の抵抗値は前記第1の出力電力及び前記第2の出力電力のスケーリングを助けるために選択される、請求項1記載の電力増幅器。
【請求項5】
信号を増幅する方法であって、
電力増幅器の複数の増幅段で前記信号を受信する段階、を有し、
増幅段は前記信号を処理し、増幅段はトランジスターを有し、少なくとも1つの増幅段は前記信号を増幅するよう次の段に励起を供給する駆動段を有し、
前記複数の増幅段は、
第1の出力電力と関連付けられ、第1のトランジスターを有する第1の増幅段、及び
第2の出力電力と関連付けられ、第2のトランジスターを有する第2の増幅段、を有し、
前記方法は、
前記第1の増幅段のソースと前記第2の増幅段のドレインを電流共有結合で結合する段階、
前記第2の増幅段を圧縮条件下で動作させる段階、及び
前記電流共有結合を通じて前記第1の増幅段及び前記第2の増幅段の間で電流を共有する段階、を更に有し、
前記電流共有結合は前記第1の出力電力及び前記第2の出力電力のスケーリングを助ける、方法。
【請求項6】
前記第1のトランジスター及び第2のトランジスターに電圧を印加し、前記第1の出力電力及び前記第2の出力電力のスケーリングを助ける段階、を更に有する請求項5記載の方法。
【請求項7】
前記第1のトランジスターは第1の大きさを有し、及び
前記第2のトランジスターは第2の大きさを有し、前記第1の大きさ及び前記第2の大きさは前記第1の出力電力及び前記第2の出力電力のスケーリングを助けるために選択される、請求項5記載の方法。
【請求項8】
前記第1の増幅段は第1の抵抗値を有し、及び
前記第2の増幅段は第2の抵抗値を有する第2の負荷目標を有し、前記第1の抵抗値及び前記第2の抵抗値は前記第1の出力電力及び前記第2の出力電力のスケーリングを助けるために選択される、請求項5記載の方法。
【請求項9】
信号を増幅する電力増幅器であって、
前記電力増幅器の複数の増幅段を有し、
増幅段は前記電力増幅器により受信された前記信号を処理し、増幅段はトランジスターを有し、少なくとも1つの増幅段は前記信号を増幅するよう次の段に励起を供給する駆動段を有し、
前記複数の増幅段は、
第1の出力電力と関連付けられ、第1のトランジスターを有する第1の増幅段、
第2の出力電力と関連付けられ、第2のトランジスターを有し、圧縮状態で動作可能な第2の増幅段、及び
第3の出力電力と関連付けられ、第3のトランジスターを有する第3の増幅段、を有し、
前記電力増幅器は、前記第1の増幅段のソースと前記第2の増幅段のドレインを結合する電流共有結合、を有し、
前記第1の増幅段及び前記第2の増幅段は前記電流共有結合を通じ電流を共有し、前記電流共有結合は前記第1の出力電力及び前記第2の出力電力のスケーリングを助ける、電力増幅器。
【請求項10】
前記第1のトランジスター及び前記第2のトランジスターに電圧を印加し、前記第1の出力電力及び前記第2の出力電力のスケーリングを助ける電圧源、を更に有する請求項9記載の電力増幅器。
【請求項11】
前記第1のトランジスターは第1の大きさを有し、及び
前記第2のトランジスターは第2の大きさを有し、前記第1の大きさ及び前記第2の大きさは前記第1の出力電力及び前記第2の出力電力のスケーリングを助けるために選択される、請求項9記載の電力増幅器。
【請求項12】
前記第1の増幅段は第1の抵抗値を有し、及び
前記第2の増幅段は第2の抵抗値を有する第2の負荷目標を有し、前記第1の抵抗値及び前記第2の抵抗値は前記第1の出力電力及び前記第2の出力電力のスケーリングを助けるために選択される、請求項9記載の電力増幅器。
【請求項13】
信号を増幅するシステムであって、
電力増幅器の複数の増幅段で前記信号を受信する手段、を有し、
増幅段は前記信号を処理し、増幅段はトランジスターを有し、少なくとも1つの増幅段は前記信号を増幅するよう次の段に励起を供給する駆動段を有し、
前記複数の増幅段は、
第1の出力電力と関連付けられ、第1のトランジスターを有する第1の増幅段、及び
第2の出力電力と関連付けられ、第2のトランジスターを有し、圧縮条件下で動作可能な第2の増幅段、を有し、
前記システムは、
前記第1の増幅段のソースと前記第2の増幅段のドレインを電流共有結合で結合する手段、及び
前記電流共有結合を通じて前記第1の増幅段及び前記第2の増幅段の間で電流を共有する手段、を更に有し、
前記電流共有結合は前記第1の出力電力及び前記第2の出力電力のスケーリングを助ける、システム。
【請求項14】
信号を増幅する電力増幅器であって、
電力増幅器の複数の増幅段を有し、
前記増幅段は前記電力増幅器により受信された信号を処理し、増幅段はトランジスターを有し、少なくとも1つの増幅段は前記信号を増幅するよう次の段に励起を供給する駆動段を有し、
前記複数の増幅段は、
第1の大きさを有する第1のトランジスターを有し、第1の出力電力と関連付けられ、第1の抵抗値を有する第1の負荷目標を有する第1の増幅段、及び
第2の大きさを有する第2のトランジスターを有し、第2の出力電力と関連付けられ、第2の抵抗値を有する第2の負荷目標を有する第2の増幅段を有し、
前記第1の大きさ及び前記第2の大きさは前記第1の出力電力及び前記第2の出力電力のスケーリングを助けるよう選択され、
前記第1の抵抗値及び前記第2の抵抗値は前記第1の出力電力及び前記第2の出力電力のスケーリングを助けるよう選択され、
前記第2の増幅段は圧縮条件下で動作し、
前記電力増幅器は、
前記第1の増幅段のソース及び前記第2の増幅段のドレインを結合する電流共有結合、及び
前記第1のトランジスター及び前記第2のトランジスターに電圧を印加し、第1の出力電力及び第2の出力電力のスケーリングを助ける電圧源、を更に有し、
前記第1の増幅段及び前記第2の増幅段は前記電流共有結合を通じて電流を共有し、前記電流共有結合は前記第1の出力電力及び前記第2の出力電力のスケーリングを助ける、電力増幅器。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【公開番号】特開2012−120245(P2012−120245A)
【公開日】平成24年6月21日(2012.6.21)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2012−29623(P2012−29623)
【出願日】平成24年2月14日(2012.2.14)
【分割の表示】特願2008−506458(P2008−506458)の分割
【原出願日】平成18年3月2日(2006.3.2)
【出願人】(503455363)レイセオン カンパニー (244)
【Fターム(参考)】