JP2004289492A

JP2004289492A - Doherty amplifier

Info

Publication number: JP2004289492A
Application number: JP2003078950A
Authority: JP
Inventors: Kazumi Shiikuma; 一実椎熊
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2003-03-20
Filing date: 2003-03-20
Publication date: 2004-10-14

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a Doherty amplifier capable of obtaining ideal linear amplification and power synthesis operations. <P>SOLUTION: An amplifier device (FET) is employed for a peak amplifier 2 of the Doherty amplifier, the amplifier device having a nearly equal saturation drain current to that of a carrier amplifier 1, the same gate width (equivalent to nearly equal saturation power) as that of the carrier amplifier 1, and about a half the pinch-off voltage of that of the carrier amplifier 1. Thus, the ideal linear amplification operations can be obtained with a very high overall efficiency. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明はドハーティ増幅器に関し、特に、増幅特性を改善したドハーティ増幅器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の携帯端末市場の爆発的な普及とそれに伴うインフラ整備により、基地局用の送信増幅器に対しても効率改善の市場からの要求は厳しく、ドハーティ増幅器を始めとし、高効率に信号を増幅する手法と、その低歪み化や最近の歪み補償技術との組み合わせによって、高性能、高効率な増幅器を構築しようという点に注目があつまってきている。
【０００３】
ドハーティ増幅器は、常に信号の増幅動作を行う増幅器（「キャリア増幅器」という。）と、高電力出力時のみに動作するピーク増幅器あるいは補助増幅器と呼ばれる増幅器（「ピーク増幅器」という。）とを有し、入力信号をキャリア増幅器側とピーク増幅器側に分配し、キャリア増幅器とピーク増幅器の出力を合成して出力する構成でなる（非特許文献１〜３、特許文献１、２参照）。また、同一のデバイスを２台から複数台並列に配置して構成したドハーティ増幅器も一般的であり、実際に低周波からミリ波にわたる周波数帯まで数多く実現されてきている。
【０００４】
【非特許文献１】
１９３６年のＷ．Ｈ．Ｄｏｈｅｒｔｙ “ＡＮｅｗＨｉｇｈＥｆｆｉｃｉｅｎｃｙＰｏｗｅｒＡｍｐｌｉｆｉｅｒｆｏｒＭｏｄｕｌａｔｅｄＷａｖｅｓ”，Ｐｒｏｃ．ＩＲＥ，Ｖｏｌ．２４，Ｎｏ．９，Ｓｅｐｔ．
【非特許文献２】
ＳｔｅｖｅＣ．Ｃｒｉｐｐｓ著“ＲＦＰｏｗｅｒＡｍｐｌｉｆｉｅｒｓｆｏｒＷｉｒｅｌｅｓｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ”，ＡｒｔｅｃｈＨｏｕｓｅ１９９９ｐ２３６
【非特許文献３】
ＳｔｅｖｅＣ．Ｃｒｉｐｐｓ著“ＡｄｖａｎｃｅｄＴｅｃｈｎｉｑｕｅｓｉｎＲＦＰｏｗｅｒＡｍｐｌｉｆｉｅｒｓ”，ＡｒｔｅｃｈＨｏｕｓｅ２００２ｐ５０
【特許文献１】
特開２００２−１２４８４０号公報
【特許文献２】
特開平７−２２８５２号公報
【特許文献３】
特表２０００−５１３５３５号公報
図３は、従来のドハーティ増幅器の構成を示す図であり、図３（ａ）は回路構成、図３（ｂ）は２つの増幅デバイスの動作特性である。常に信号の増幅動作を行うキャリア増幅器１０と、高電力出力時のみに増幅動作を行うピーク増幅器２０とを有し、キャリア増幅器１０とピーク増幅器２０の前段には、入力信号を分配するための、ピーク増幅器２０の伝達特性に応じて振幅成分を補償する利得補償器３０を含む入力分岐回路５０と、キャリア増幅器１０とピーク増幅器２０の出力段には、各増幅器出力を合成して出力する出力合成回路４０と、を有する。
【０００５】
また、従来のドハーティ増幅器では、図３（ｂ）に示すようにキャリア増幅器１０とピーク増幅器２０には、同等特性の増幅デバイスを用いている。例えば、増幅器デバイスの伝達コンダクタンス（出力電流／入力電圧）の特性、入力電圧に対する出力電流の変化の傾き特性が同等のもの、より具体的には増幅デバイスとして電界効果トランジスタ（「ＦＥＴ」という。）を使用する場合、伝達コンダクタンスｇｍ特性（ゲート電圧Ｖｇｓ対ドレイン電流Ｉｄ：Ｖｇｓ−Ｉｄ特性）の特性が同等なＦＥＴを使用する。なお、通常のドハーティ増幅器の動作原理については、たとえば最近の非特許文献３などの文献により当業者にとってよく知られているので、ここではその詳細を省略する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図３に示すようにキャリア増幅器とピーク増幅器に同等特性の増幅デバイスを用いたドハーティ増幅器では、特にピークアンプ側の動作に理想的な動作から差が生じるという問題があった。これは、使用する増幅デバイスの伝達コンダクタンス特性がキャリア増幅器とピーク増幅器とで同一の場合、そのままでは理想的な線形増幅作用や飽和出力電力が得られないというものである。これに対しては、いくつかの改善方法が提案されている（非特許文献２、３、特許文献１、２参照）。
【０００７】
たとえば、非特許文献２では、ピーク増幅器の入力に可変減衰器を備え、入力レベルの大小に応じて減衰量を制御して伝達特性を補償する手段を提案している。また、特許文献１では、前記可変減衰器による改善方法の外にピーク増幅器の入力信号レベルにより増幅器のバイアス条件を制御する手段を提案している。特に、非特許文献３では、具体的なブロック図等はみあたらないが、キャリア増幅器のバイアス設定を、入力信号レベルによって、Ｃ級バイアスだったものをＢ級バイアスにまで適応制御し、ドハーティ増幅器として最大電力を得る方法を提案している。
【０００８】
しかしながら、入力レベルに応じてピーク増幅器の入力の減衰量を制御するものや、増幅器のバイアス条件を制御するもの、バイアスを適応制御するもの等、従来のドハーティ増幅器は、いずれの構成のものも検波−判定−制御など、回路が複雑になるという問題がある。
【０００９】
（目的）
本発明の目的は、より簡易的な方法で、理想的な線形増幅、電力合成動作が得られるドハーティ増幅器を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明のドハーティ増幅器は、キャリア増幅器とピーク増幅器からなるドハーティ増幅器において、前記ピーク増幅器の増幅の開始電圧は前記キャリア増幅器の飽和領域までの中間値に設定され、前記キャリア増幅器と前記ピーク増幅器のそれぞれの飽和領域での飽和電流はほぼ等しく設定されたことを特徴とする。
【００１１】
また、キャリア増幅器とピーク増幅器からなるドハーティ増幅器において、ピーク増幅器に、キャリア増幅器と飽和ドレイン電流（Ｉｄｓｓ）がほぼ等しく、ゲート幅が同一（飽和電力がほぼ等しい）でピンチオフ電圧がおよそ半分のデバイスを使用すること特徴とする。また、キャリア増幅器に、ピーク増幅器と飽和ドレイン電流がほぼ等しく、ゲート幅が同一でピンチオフ電圧がおよそ倍のデバイスを使用することを特徴とする。
【００１２】
より具体的には、本発明のドハーティ増幅器は、図３に示すキャリア増幅器、ピーク増幅器、出力合成回路及び入力分岐回路からなりキャリア増幅器及びピーク増幅器にほぼ同等特性のデバイスを使用している構成のドハーティ増幅器に対して、ピーク増幅器にキャリア増幅器と飽和ドレイン電流がほぼ等しく、ゲート幅が同一でピンチオフ電圧がおよそ半分のデバイスを使用することにより、ドハーティ増幅器として、より理想的な高効率な電力増幅作用を得ることにある。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のドハーティ増幅器の一実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
（構成の説明）
図１は、本実施の形態のドハーティ増幅器を示す図である。本ドハーティ増幅器は、回路構成上は従来技術と類似しており、常に信号の増幅動作を行うキャリア増幅器１と、瞬時電力が高電力出力時にのみに動作するピーク増幅器２とを有する。
【００１４】
キャリア増幅器１の出力信号とピーク増幅器２の出力信号を同相で合成して出力するための位相器３と、キャリア増幅器１の後段のキャリア増幅器１とピーク増幅器２の出力を合成して出力する出力合成回路４と、入力信号をキャリア増幅器１側とピーク増幅器２側に分配する前記位相器３を含む入力分岐回路５とを有する。
【００１５】
一般にドハーティ増幅器は、飽和出力電力近傍で飽和を維持しながら動作するキャリア増幅器１を有することにより、飽和電力からバックオフをとった出力時においても、通常のＡ級、ＡＢ級増幅器より高い効率が実現される。キャリア増幅器１には、通常ＡＢ級やＢ級にバイアスされた増幅器が用いられることが多い。また、ピーク増幅器２は瞬時の信号電力が高出力時にのみ動作するよう、通常はＣ級にバイアスされて使用されることが多い。
【００１６】
キャリア増幅器１とピーク増幅器２の出力を結合する出力合成回路４は、トランスで構成されており、通常１／４波長の伝送線路からなる。入力分岐回路５は、ピーク増幅器２とキャリア増幅器１の出力信号の位相関係を、出力合成回路４の信号合成点で同相にするための１／４波長の伝送線路や、あるいは９０°ハイブリッド回路などで構成される。
【００１７】
ドハーティ増幅器はおおきく３つの動作領域に分けられる。すなわち低レベル領域、遷移領域、飽和領域に分けられる。本実施の形態では、図１に示すように、ピーク増幅器２のバイアスを、上記遷移領域から増幅動作を開始するようにＣ級に設定する。更にピーク増幅器２の飽和電流をキャリア増幅器１の飽和電流とほぼ等しく設定する。このような構成ににすることにより、入力電圧が最大となるとキャリア増幅器１及びピーク増幅器２のドレイン電流が飽和に達し、ドハーティ増幅器としての飽和最大出力に到達する。この結果、遷移領域から飽和点までの間、ドハーティ増幅器の総合効率は極めて高く維持される。
【００１８】
本実施の形態では、より具体的には、キャリア増幅器１とピーク増幅器２の増幅デバイスとしてＦＥＴ、特に、接合型ＦＥＴを使用し、ピーク増幅器２に使用するデバイスとしてキャリア増幅器１に使用するデバイスに対して飽和ドレイン電流が等しく、ゲート幅が同一（飽和電力が等しい）でピンチオフ電圧がおよそ半分のデバイスを使用する。
【００１９】
キャリア増幅器１とピーク増幅器２は、図１（ｂ）に示すようにバイアス設定が行われる。ピーク増幅器２のピンチオフ電圧はキャリア増幅器の飽和領域までの中間値に設定され、両増幅器１、２の飽和領域での飽和ドレイン電流が略一致するように設定される。
【００２０】
（動作の説明）
次に、本実施の形態のドハーティ増幅器の動作につき、図面を参照して説明する。
図２は、本実施の形態のドハーティ増幅器の動作における各増幅器の動作を示す図であり、図２（ａ）は従来の技術の動作状態、図２（ｂ）は本実施の形態の動作状態である。ドハーティ増幅器の動作領域を低レベル領域、遷移領域、飽和領域に分け、キャリア増幅器１とピーク増幅器２のそれぞれに印加される入力電圧の最大値を１として規格化した入力電圧Ｖｉｎをとり、該入力電圧Ｖｉｎに対し、ピーク増幅器２のドレイン電流Ｉｐ、キャリア増幅器１の出力電圧Ｖｃ、ドレイン電流Ｉｃ及びドハーティ増幅器の出力電圧Ｖｍの関係を示している。
【００２１】
まず始めに本実施の形態との比較のため、図２（ａ）に示すようにＢ級バイアスされたキャリア増幅器１、Ｃ級バイアスされたピーク増幅器２に同一特性のＦＥＴデバイスを用いてドハーティ増幅器を構成した場合の従来技術の動作について説明する。
【００２２】
ドハーティ増幅器の３つの動作領域、すなわち低レベル領域、遷移領域、飽和領域において、従来のドハーティ増幅器では同一特性のＦＥＴを用いるため、キャリア増幅器１のドレイン電流Ｉｃとピーク増幅器２のドレイン電流Ｉｐの特性の傾き（ｇｍ）は等しい。また、ピーク増幅器２は、Ｃ級にバイアスされ、通常のドハーティ増幅器の構成である規格化された入力電圧Ｖｉｎが０．５からドレイン電流が流れはじめて増幅動作を開始する。また、各デバイスのドレイン電流−ゲート電圧特性としては、図３（ａ）に示すようにそれぞれのスレショルド電圧からドレイン電流が流れ始め、伝達コンダクタンスｇｍは一定値である。
【００２３】
さて、Ｂ級バイアスされたキャリア増幅器１に入力信号Ｖｉｎが入力されると、それに比例して出力電圧Ｖｃが上昇する。この動作領域は低レベル領域である。次に、入力電圧Ｖｉｎが０．５（遷移点）に達すると、キャリア増幅器１は飽和し、出力電圧Ｖｃは一定値となる。この時点でドハーティ増幅器自体の効率も最大となり、理想的にはＢ級増幅器の理想効率である７８％（π／４）に達する。ただし、このときのキャリア増幅器１の飽和出力電力は、ドハーティ増幅器として得られるべき飽和電力の１／４である。
【００２４】
この遷移点から入力信号Ｖｉｎが増加すると、ピーク増幅器２も増幅動作を開始するが、これが出力合成回路４の伝送トランスを介してキャリア増幅器１の負荷インピーダンスを変調する結果、キャリア増幅器１の出力電流は入力電圧に対して線形に増加しつづけ、より大きな電力を負荷に供給することとなり、結果的にドハーティ増幅器としての線形な増幅特性が維持され、入力信号Ｖｉｎは所望の出力電力に線形増幅される。
【００２５】
従来技術では、キャリア増幅器１、ピーク増幅器２には同等特性を有するデバイスが用いられるため、たとえば図３（ｂ）に示すように同等のｇｍ（Ｖｇｓ−Ｉｄ特性）を示していた。これは、クラシカルドハーティと呼ばれる構成である。たとえば、ドハーティ増幅器の飽和電力を１００Ｗにしたいという場合には、キャリア増幅器１及びピーク増幅器２は各々５０Ｗ飽和電力の同一のデバイスを選択するのが一般的である。
【００２６】
この場合の主要なパラメータの入出力特性は図２（ａ）に図示するとおりである。ピーク増幅器２の最大電流値が、入力電圧が最大となった場合でも最大値とならず、半分の値にしか達していない。このため、ドハーティ増幅器として理想的な動作ができていない。簡単な計算によれば、このときの最大入力時の効率は５８．９％、出力電力は理想状態の５６％に低下、入出力の線形性は入力１に対して出力０．５に劣化する。以上のようにキャリア増幅器１及びピーク増幅器２に同一特性のデバイスを用いてドハーティ増幅器を構成した場合には、ドハーティ増幅器の理想的な特性が得られず、飽和電力付近での効率低下や飽和電力の低下、線形性の劣化が生じてしまう。
【００２７】
本実施の形態においては、ピーク増幅器２に、キャリア増幅器１と出力飽和電流がほぼ等しく、キャリア増幅器１の遷移領域で増幅動作が開始する特性を設定している。特に、増幅デバイスとしてＦＥＴを使用する本実施の形態においては、図２（ｂ）に示すようにピーク増幅器２に使用するＦＥＴは、キャリア増幅器１に使用するＦＥＴに対し、飽和ドレイン電流が等しく、ゲート幅が同一（飽和電力が等しい）でピンチオフ電圧がおよそ半分のデバイスを使用する。
【００２８】
本実施の形態の場合には、図１に示すように、ピーク増幅器２のバイアスを上記遷移点から増幅動作を開始するようにＣ級に設定する。このように構成することにより、入力電圧が最大となると、ピーク増幅器２のドレイン電流も飽和に達し、ドハーティ増幅器としての飽和最大出力に到達する。この遷移点から飽和点までの間、ドハーティ増幅器の総合効率は極めて高く維持され、図１（ｂ）に示すように出力電圧Ｖｍの直線性も良好に維持され、理想的な線形増幅動作が得られる。
【００２９】
以上のように本実施の形態は、具体的には増幅デバイスとしてＦＥＴを使用し、キャリア増幅器１とピーク増幅器２との特性の関係として、飽和ドレイン電流が互いにほぼ等しく、ゲート幅が同一でピンチオフ電圧がおよそ１／２又は倍の関係のデバイスを使用するように構成するものであるが、本発明としては、これにとらわれるものではなく、飽和ドレイン電流は、ピーク増幅器２がキャリア増幅器１より大きい特性及びゲート幅が１対２の関係から若干ずれたとしても、遷移点から飽和点までの間のドハーティ増幅器の総合効率を高めることが可能であるかぎり、両増幅デバイスの適用が可能である。また、飽和電力の異なるデバイスを選択する拡張型ドハーティと呼ばれる構成を採用することも可能であることは云うまでもない。
【００３０】
【発明の効果】
以上のように、本発明においては、ピーク増幅器の増幅の開始電圧はキャリア増幅器の飽和領域までの中間値（遷移領域）に設定され、キャリア増幅器とピーク増幅器のそれぞれの飽和領域での飽和電流はほぼ等しく設定されたことにより、入力電圧が最大となると、ピーク増幅器のドレイン電流も飽和に達し、ドハーティ増幅器としての飽和最大出力に到達するので総合効率は極めて高く維持することが可能である。
【００３１】
また、増幅デバイスとしてＦＥＴを使用する場合、ピーク増幅器にキャリア増幅器と飽和ドレイン電流がほぼ等しく、ゲート幅が同一でピンチオフ電圧がおよそ半分のデバイスを使用しているので、入力電圧が最大となるとピーク増幅器のドレイン電流も飽和に達し、ドハーティ増幅器としての飽和最大出力に到達する。この場合、遷移点から飽和点までの間、ドハーティ増幅器の総合効率は理想状態のように極めて高く維持され、理想的な線形増幅動作が得られるという効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のドハーティ増幅器の一実施の形態を示す図である。
【図２】本実施の形態の動作特性を示す図である。
【図３】従来のドハーティ増幅器の構成を示す図である。
【符号の説明】
１、１０キャリア増幅器
２、２０ピーク増幅器
３、３０位相器
４、４０出力合成回路
５、５０入力分岐回路[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a Doherty amplifier, and more particularly to a Doherty amplifier with improved amplification characteristics.
[0002]
[Prior art]
Due to the explosive spread of the mobile terminal market in recent years and the accompanying infrastructure development, demands from the market for improving the efficiency of transmission amplifiers for base stations are strict, and amplifying signals with high efficiency, including Doherty amplifiers Attention has been focused on constructing high-performance and high-efficiency amplifiers by combining the method with the distortion reduction and recent distortion compensation techniques.
[0003]
The Doherty amplifier includes an amplifier that constantly performs a signal amplification operation (referred to as a “carrier amplifier”) and an amplifier called an peak amplifier or an auxiliary amplifier (referred to as a “peak amplifier”) that operates only at high power output. , The input signal is distributed to the carrier amplifier side and the peak amplifier side, and the outputs of the carrier amplifier and the peak amplifier are combined and output (see Non-Patent Documents 1 to 3 and Patent Documents 1 and 2). Further, a Doherty amplifier in which two to a plurality of the same devices are arranged in parallel is also generally used, and a large number of frequency bands from low frequencies to millimeter waves have actually been realized.
[0004]
[Non-patent document 1]
W. 1936 H. Doherty "A New High Efficiency Power Amplifier for Modulated Waves", Proc. IRE, Vol. 24, no. 9, Sept.
[Non-patent document 2]
Steve C. Cripps, "RF Power Amplifiers for Wireless Communications", Arttech House 1999 p236.
[Non-Patent Document 3]
Steve C. Cripps, "Advanced Technologies in RF Power Amplifiers", Arttech House 2002 p50.
[Patent Document 1]
JP 2002-124840 A [Patent Document 2]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-22852 [Patent Document 3]
FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a conventional Doherty amplifier. FIG. 3A shows a circuit configuration, and FIG. 3B shows operation characteristics of two amplifying devices. It has a carrier amplifier 10 that always performs an amplification operation of a signal, and a peak amplifier 20 that performs an amplification operation only at the time of high power output, and a former stage of the carrier amplifier 10 and the peak amplifier 20 for distributing an input signal. An input combining circuit 50 including a gain compensator 30 for compensating an amplitude component according to a transfer characteristic of the peak amplifier 20 and an output combining unit for combining and outputting respective amplifier outputs at an output stage of the carrier amplifier 10 and the peak amplifier 20. And a circuit 40.
[0005]
Further, in the conventional Doherty amplifier, as shown in FIG. 3B, the carrier amplifier 10 and the peak amplifier 20 use amplification devices having the same characteristics. For example, the characteristics of the transfer conductance (output current / input voltage) of the amplifier device and the gradient characteristics of the change of the output current with respect to the input voltage are equivalent, and more specifically, a field effect transistor ("FET") as the amplification device. Are used, FETs having the same transfer conductance gm characteristics (gate voltage Vgs vs. drain current Id: Vgs-Id characteristics) are used. Since the operating principle of a normal Doherty amplifier is well known to those skilled in the art, for example, from recent literature such as Non-Patent Document 3, detailed description thereof will be omitted here.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
As shown in FIG. 3, the Doherty amplifier using the amplifier devices having the same characteristics as the carrier amplifier and the peak amplifier has a problem that the operation on the peak amplifier side is different from the ideal operation. This means that if the transfer conductance characteristics of the used amplifier device are the same for the carrier amplifier and the peak amplifier, ideal linear amplification and saturated output power cannot be obtained as it is. For this, several improvement methods have been proposed (see Non-Patent Documents 2 and 3 and Patent Documents 1 and 2).
[0007]
For example, Non-Patent Document 2 proposes means for providing a variable attenuator at the input of a peak amplifier and controlling the amount of attenuation according to the level of the input level to compensate for the transfer characteristics. Patent Document 1 proposes a means for controlling a bias condition of an amplifier based on an input signal level of a peak amplifier, in addition to the improvement method using the variable attenuator. In particular, in Non-Patent Document 3, although a specific block diagram or the like is not found, the bias setting of the carrier amplifier is adaptively controlled from class C bias to class B bias depending on the input signal level, and as a Doherty amplifier A method for obtaining maximum power is proposed.
[0008]
However, conventional Doherty amplifiers, such as those that control the amount of attenuation of the input of the peak amplifier according to the input level, those that control the bias conditions of the amplifier, and those that adaptively control the bias, detect both types of configurations. There is a problem that the circuit becomes complicated, such as -judgment-control.
[0009]
(Purpose)
An object of the present invention is to provide a Doherty amplifier that can achieve an ideal linear amplification and power combining operation by a simpler method.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The Doherty amplifier of the present invention is a Doherty amplifier comprising a carrier amplifier and a peak amplifier, wherein the amplification start voltage of the peak amplifier is set to an intermediate value up to a saturation region of the carrier amplifier, and the carrier amplifier and the peak amplifier respectively. Is characterized in that the saturation current in the saturation region is set substantially equal.
[0011]
In a Doherty amplifier including a carrier amplifier and a peak amplifier, a device in which the carrier amplifier and the saturation drain current (Idss) are almost equal, the gate width is the same (saturation power is almost equal), and the pinch-off voltage is approximately half is used as the peak amplifier. The feature is to use. Further, the carrier amplifier is characterized by using a device having substantially the same drain current as the peak amplifier, the same gate width, and approximately twice the pinch-off voltage.
[0012]
More specifically, the Doherty amplifier of the present invention comprises a carrier amplifier, a peak amplifier, an output synthesizing circuit, and an input branching circuit shown in FIG. 3, and uses devices having substantially the same characteristics as the carrier amplifier and the peak amplifier. Compared to the Doherty amplifier, the carrier amplifier and the saturation drain current are almost equal to the peak amplifier, the gate width is the same, and the pinch-off voltage is about half the device. To get the action.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the Doherty amplifier of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(Description of configuration)
FIG. 1 is a diagram illustrating a Doherty amplifier according to the present embodiment. This Doherty amplifier has a circuit configuration similar to that of the related art, and includes a carrier amplifier 1 that always performs a signal amplification operation, and a peak amplifier 2 that operates only when instantaneous power is high power output.
[0014]
A phase shifter 3 for combining and outputting the output signal of the carrier amplifier 1 and the output signal of the peak amplifier 2 in phase, and an output for combining and outputting the outputs of the carrier amplifier 1 and the peak amplifier 2 at the subsequent stage of the carrier amplifier 1 It has a combining circuit 4 and an input branching circuit 5 including the phase shifter 3 for distributing an input signal to the carrier amplifier 1 and the peak amplifier 2.
[0015]
In general, a Doherty amplifier has a carrier amplifier 1 that operates while maintaining saturation in the vicinity of a saturated output power, so that even at the time of output backing off from the saturation power, a higher efficiency than a normal class A or class AB amplifier can be obtained. Is achieved. As the carrier amplifier 1, an amplifier normally biased to class AB or class B is often used. In addition, the peak amplifier 2 is usually used with a class C bias so that it operates only when the instantaneous signal power is high.
[0016]
An output combining circuit 4 that couples the outputs of the carrier amplifier 1 and the peak amplifier 2 is constituted by a transformer, and usually comprises a quarter-wave transmission line. The input branching circuit 5 is a quarter-wavelength transmission line for making the phase relationship between the output signals of the peak amplifier 2 and the carrier amplifier 1 in phase at the signal combining point of the output combining circuit 4, or a 90 ° hybrid circuit. It consists of.
[0017]
Doherty amplifiers are largely divided into three operating regions. That is, it is divided into a low level region, a transition region, and a saturation region. In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the bias of the peak amplifier 2 is set to class C so that the amplification operation starts from the transition region. Further, the saturation current of the peak amplifier 2 is set substantially equal to the saturation current of the carrier amplifier 1. With this configuration, when the input voltage becomes maximum, the drain currents of the carrier amplifier 1 and the peak amplifier 2 reach saturation, and reach the saturation maximum output as the Doherty amplifier. As a result, the overall efficiency of the Doherty amplifier is kept extremely high from the transition region to the saturation point.
[0018]
In the present embodiment, more specifically, FETs, particularly junction type FETs, are used as amplifying devices of the carrier amplifier 1 and the peak amplifier 2, and a device used for the carrier amplifier 1 is used as a device for the peak amplifier 2. On the other hand, a device having the same saturation drain current, the same gate width (saturation power) and a pinch-off voltage of about half is used.
[0019]
Bias setting is performed on the carrier amplifier 1 and the peak amplifier 2 as shown in FIG. The pinch-off voltage of the peak amplifier 2 is set to an intermediate value up to the saturation region of the carrier amplifier, and the saturation drain currents of the two amplifiers 1 and 2 in the saturation region are set to substantially match.
[0020]
(Description of operation)
Next, the operation of the Doherty amplifier of the present embodiment will be described with reference to the drawings.
2A and 2B are diagrams illustrating the operation of each amplifier in the operation of the Doherty amplifier according to the present embodiment. FIG. 2A illustrates an operation state according to the related art, and FIG. 2B illustrates an operation state according to the embodiment. It is. The operation region of the Doherty amplifier is divided into a low level region, a transition region, and a saturation region, and an input voltage Vin standardized by setting the maximum value of the input voltage applied to each of the carrier amplifier 1 and the peak amplifier 2 to 1 is taken. The relationship between the voltage Vin, the drain current Ip of the peak amplifier 2, the output voltage Vc of the carrier amplifier 1, the drain current Ic, and the output voltage Vm of the Doherty amplifier is shown.
[0021]
First, for comparison with the present embodiment, as shown in FIG. 2A, a Doherty amplifier using FET devices having the same characteristics as the carrier amplifier 1 biased in class B and the peak amplifier 2 biased in class C is used. The operation of the related art in the case of the above configuration will be described.
[0022]
In the three operation regions of the Doherty amplifier, namely, the low-level region, the transition region, and the saturation region, the conventional Doherty amplifier uses FETs having the same characteristics. Have the same slope (gm). Further, the peak amplifier 2 is biased to the class C, and the amplifying operation starts when the drain current starts flowing from the standardized input voltage Vin of 0.5, which is the configuration of the normal Doherty amplifier. As for the drain current-gate voltage characteristics of each device, as shown in FIG. 3A, the drain current starts to flow from each threshold voltage, and the transfer conductance gm is constant.
[0023]
When the input signal Vin is input to the carrier amplifier 1 which is biased in the class B, the output voltage Vc increases in proportion thereto. This operation area is a low level area. Next, when the input voltage Vin reaches 0.5 (transition point), the carrier amplifier 1 is saturated, and the output voltage Vc becomes a constant value. At this point, the efficiency of the Doherty amplifier itself also becomes maximum, and ideally reaches 78% (π / 4), which is the ideal efficiency of the class B amplifier. However, the saturation output power of the carrier amplifier 1 at this time is １／ of the saturation power to be obtained as a Doherty amplifier.
[0024]
When the input signal Vin increases from this transition point, the peak amplifier 2 also starts the amplifying operation, which modulates the load impedance of the carrier amplifier 1 via the transmission transformer of the output synthesizing circuit 4, and as a result, the output current of the carrier amplifier 1 Keeps increasing linearly with respect to the input voltage, and supplies more power to the load.As a result, the linear amplification characteristic of the Doherty amplifier is maintained, and the input signal Vin is linearly amplified to the desired output power. You.
[0025]
In the prior art, since devices having equivalent characteristics are used for the carrier amplifier 1 and the peak amplifier 2, for example, the same gm (Vgs-Id characteristic) was shown as shown in FIG. This is a configuration called a classical doherty. For example, when it is desired to set the saturation power of the Doherty amplifier to 100 W, the carrier amplifier 1 and the peak amplifier 2 generally select the same device having a saturation power of 50 W.
[0026]
The input / output characteristics of the main parameters in this case are as shown in FIG. The maximum current value of the peak amplifier 2 does not become the maximum value even when the input voltage becomes the maximum, and has reached only half the value. Therefore, an ideal operation as a Doherty amplifier has not been achieved. According to a simple calculation, the efficiency at the time of the maximum input at this time is 58.9%, the output power is reduced to 56% of the ideal state, and the linearity of the input / output is deteriorated to 0.5 with respect to the input 1. . As described above, when the Doherty amplifier is configured by using devices having the same characteristics for the carrier amplifier 1 and the peak amplifier 2, the ideal characteristics of the Doherty amplifier cannot be obtained. And the linearity deteriorates.
[0027]
In the present embodiment, the characteristic that the output saturation current is almost equal to that of the carrier amplifier 1 and the amplification operation starts in the transition region of the carrier amplifier 1 is set to the peak amplifier 2. In particular, in the present embodiment using an FET as an amplifying device, the FET used for the peak amplifier 2 has the same saturation drain current as the FET used for the carrier amplifier 1 as shown in FIG. Use devices with the same gate width (equal saturation power) and approximately half the pinch-off voltage.
[0028]
In the case of the present embodiment, as shown in FIG. 1, the bias of the peak amplifier 2 is set to the class C so that the amplification operation is started from the transition point. With this configuration, when the input voltage becomes maximum, the drain current of the peak amplifier 2 also reaches saturation, and reaches a saturation maximum output as a Doherty amplifier. From this transition point to the saturation point, the overall efficiency of the Doherty amplifier is maintained at an extremely high level, and the linearity of the output voltage Vm is also maintained as shown in FIG. Can be
[0029]
As described above, in the present embodiment, specifically, an FET is used as an amplifying device, and the characteristics of the carrier amplifier 1 and the peak amplifier 2 are such that the saturation drain currents are substantially equal to each other, the gate width is the same, and the pinch-off is performed. Although the present invention is configured to use a device whose voltage is about half or double, the present invention is not limited to this, and the saturation drain current is larger than that of the carrier amplifier 1 when the peak amplifier 2 is larger than the carrier amplifier 1. Even if the characteristics and the gate width slightly deviate from the one-to-two relationship, both amplifying devices can be applied as long as the overall efficiency of the Doherty amplifier from the transition point to the saturation point can be increased. Needless to say, a configuration called an extended Doherty that selects devices having different saturation powers can be employed.
[0030]
【The invention's effect】
As described above, in the present invention, the amplification start voltage of the peak amplifier is set to an intermediate value (transition region) up to the saturation region of the carrier amplifier, and the saturation current in the saturation region of each of the carrier amplifier and the peak amplifier is When the input voltage is maximized, the drain current of the peak amplifier also reaches saturation and reaches the saturation maximum output of the Doherty amplifier, so that the overall efficiency can be kept extremely high.
[0031]
When an FET is used as an amplifying device, a carrier amplifier and a saturated drain current are almost the same as the peak amplifier, a device with the same gate width and a pinch-off voltage of about half is used. The drain current of the amplifier also reaches saturation, and reaches the saturation maximum output of the Doherty amplifier. In this case, from the transition point to the saturation point, the overall efficiency of the Doherty amplifier is maintained extremely high as in an ideal state, and there is an effect that an ideal linear amplification operation can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing one embodiment of a Doherty amplifier of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing operation characteristics of the present embodiment.
FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration of a conventional Doherty amplifier.
[Explanation of symbols]
1, 10 carrier amplifier 2, 20 peak amplifier 3, 30 phase shifter 4, 40 output combining circuit 5, 50 input branching circuit

Claims

In a Doherty amplifier consisting of a carrier amplifier and a peak amplifier,
The starting voltage of the amplification of the peak amplifier is set to an intermediate value up to the saturation region of the carrier amplifier, and the saturation currents of the carrier amplifier and the peak amplifier in the respective saturation regions are set substantially equal. Doherty amplifier.

In a Doherty amplifier consisting of a carrier amplifier and a peak amplifier,
The pinch-off voltage of the peak amplifier is set to an intermediate value up to the saturation region of the carrier amplifier, and the saturation drain currents in the respective saturation regions of the carrier amplifier and the peak amplifier are set to be substantially equal. Doherty amplifier.

In a Doherty amplifier using a field effect transistor as an amplifying element of a carrier amplifier and a peak amplifier,
The field-effect transistor used for the peak amplifier has a saturation drain current substantially equal to the field-effect transistor used for the carrier amplifier, a gate width substantially equal to the field effect transistor, and a pinch-off voltage substantially half. Doherty amplifier.

With respect to the input voltage standardized with the maximum value as 1, the point at which the input voltage of the carrier amplifier has an input voltage of 0.5 is defined as a transition point, amplification is started from the transition point of the input voltage, and saturation occurs. A Doherty amplifier characterized in that a peak amplifier whose output current substantially matches the output current of the carrier amplifier is used.