JP4831571B2 - 増幅器ユニット及びその故障検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、増幅器ユニット及びその故障検出方法に関し、特に、キャリア増幅器及びピーク増幅器を有するドハティ増幅器型の増幅器ユニット及びその故障検出方法に関する。

ドハティ増幅器型の増幅器ユニットは、移動体通信システムの基地局の送信電力増幅において、電力消費の高効率な動作を実現する増幅器として近年注目されている。ドハティ増幅器は、キャリア増幅器とピーク増幅器の２つの増幅器から構成される。キャリア増幅器は、Ａ級増幅器又はＡＢ級増幅器として動作するようにバイアスされ、瞬時入力信号が小さい場合でも増幅動作を行って出力信号を出力する。

ピーク増幅器は、Ｂ級増幅器又はＣ級増幅器として動作するようにバイアスされ、瞬時入力信号が小さい場合には、入力信号の電力レベルがピーク増幅器をオンさせるには十分でないため、オフ状態のまま即ち増幅動作を行わず出力しない。また、ピーク増幅器の直流消費電力もゼロあるいは十分に小さいので、ドハティ増幅器全体として高効率となる。

一方、瞬時入力信号が大きい場合には、ピーク増幅器がオン状態となり、ピーク増幅器の入力信号を増幅して出力信号を発生する。そして、キャリア増幅器の出力電力とピーク増幅器の出力電力とを合成して出力する構成とすることで、より大きな飽和電力を有する効率の高い増幅器が得られる。

ドハティ増幅器型の増幅器ユニットにおいて、運用状態にて故障を検出する手段として、増幅器ユニット全体の利得変動を監視して故障検出を行っている。しかし、ドハティ増幅器型の増幅部の故障時の利得変化の検出は、以下の理由により難しい。

ドハティ増幅器は、キャリア増幅器とピーク増幅器の２つのデバイス構成から成っている。キャリア増幅器及びピーク増幅器の故障時における特性を図５及び図６に示す。図５の（ａ）は、キャリア増幅器及びピーク増幅器が正常なときの入出力特性と利得特性とを示している。図５の（ｂ）は、キャリア増幅器側が故障したときの入出力特性と利得特性とを示している。同図に示すように、キャリア増幅器側の故障時では、利得の大幅な低下（約２０ｄＢ以上）となるため、利得変動警報（ＡＬＭ）による故障検出が可能である。

図６はピーク増幅器側が故障したときの入出力特性と利得特性とを示している。同図の（ａ）は、ピーク増幅器のＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタデバイスのゲート抵抗が故障により低下し、３９．４Ω程度の半壊状態となったときのドハティ増幅器の入出力特性と利得特性とを示している。また、同図の（ｂ）は、ピーク増幅器のＭＯＳトランジスタデバイスのゲート抵抗が故障で１３．９Ω程度の半壊状態となったときのドハティ増幅器の入出力特性と利得特性とを示し、同図の（ｃ）は、ピーク増幅器のＭＯＳトランジスタデバイスのゲート抵抗が０．８Ω程度の絶縁破壊状態となったときのドハティ増幅器の入出力特性と利得特性とを示している。

同図に示すように、ピーク増幅器側の故障時は、定格出力以下では利得の低下が見られず、利得変動を監視して故障を検出することは不可能である。従って、ピーク増幅器側の故障に対して、利得変動警報（ＡＬＭ）による検出以外の手段で故障を検出することができるようにする必要がある。

ドハティ増幅器に関する先行技術文献としては、例えば下記の特許文献１等多数存在するが、商用化における高信頼化のための故障対策等について開示した文献は少ない。特許文献２には、ドハティ増幅器におけるキャリア増幅器及びピーク増幅器のうち一つが故障した場合に、入力信号に対する増幅された出力信号の非線形歪みを緩和することを目的として、キャリア増幅器及びピーク増幅器の各出力信号の有無を検出し、該出力信号の有無に応じて、信号を出力している増幅器のバイアスを制御する制御回路を備えたドハティ増幅器について開示されている。

上記の特許文献２に開示された故障増幅器識別回路は、キャリア増幅器及びピーク増幅器の各出力信号の有無を検出し、該出力信号が無い状態の増幅器を故障と判定するものである。上記の故障検出するための故障増幅器識別回路は、各増幅器の出力信号レベルを所定の閾値と比較して各増幅器の故障を判定するため、該故障増幅器識別回路を構成する部品数が多くなり、また、部品の電気特性のバラツキや特性劣化や故障等により故障判定を誤る確率が高い。そこで、部品点数を少なくし、シンプルな構成で確実に増幅器のトランジスタデバイスの故障を検出することができる回路が望まれている。
特開平９−１８１５３３号公報 特開２００６−６０３０１号公報

ドハティ増幅器型の増幅器ユニットにおいて、キャリア増幅器が故障した場合には、大幅な利得低下があるため、利得変動及び出力電力の低下の検出により、故障を検出することができる。しかし、ピーク増幅器が故障した場合には、利得低下が僅かであるため、利得変動及び出力電力の低下により故障を検出するのは困難である。これは、各増幅器のバイアス設定において、キャリア増幅器はＡ級又はＡＢ級増幅器バイアスとなっているため高利得であるが、ピーク増幅器はＢ級又はＣ級増幅器バイアスとなっているため低利得であるからである。

本発明は、ピーク増幅器の故障を簡易な構成で確実に検出してドハティ増幅器の故障を検出することができ、また、ドハティ増幅器型の増幅器ユニット全体の故障を検出することができる増幅器ユニット及びその故障検出方法を提供する。

本発明の増幅器ユニットは、キャリア増幅器とピーク増幅器とを有し、入力信号を前記キャリア増幅器とピーク増幅器とに分岐し、該キャリア増幅器及びピーク増幅器から出力される信号を合成して出力するドハティ増幅器型の増幅器ユニットにおいて、前記ピーク増幅器のトランジスタデバイスのゲートバイアス電圧を所定の閾値と比較する比較器と、前記比較器から出力される信号を基に故障の有無を示す信号を出力する故障検出回路と、を備えたことを特徴とする。

また、前記キャリア増幅器を少なくとも含む増幅器ユニット内の増幅器の総合利得を検出する利得検出回路を備え、前記故障検出回路に前記利得検出回路の出力信号を入力し、該故障検出回路は前記比較器から出力される信号及び該利得検出回路の出力信号を基に、故障の有無を示す信号を出力することを特徴とする。

また、本発明の増幅器ユニットの故障検出方法は、キャリア増幅器とピーク増幅器とを有し、入力信号を前記キャリア増幅器とピーク増幅器とに分岐し、該キャリア増幅器及びピーク増幅器から出力される信号を合成して出力するドハティ増幅器型の増幅器ユニットの故障検出方法において、前記ピーク増幅器のトランジスタデバイスのゲートバイアス電圧を所定の閾値と比較により比較し、該比較器から出力される信号を基に故障の有無を示す信号を出力することを特徴とする。

本発明によれば、ピーク増幅器のトランジスタデバイスのゲートバイアス回路からゲート電圧を取出し、該ゲート電圧を比較器により所定の閾値（異常検出電圧設定値）と比較する簡易な構成により、ピーク増幅器の故障を確実に検出することができる。また、ドハティ型の増幅器ユニットの利得検出を行い、該利得検出により得られる出力信号と前述の比較器の出力信号とを合成することにより、簡易な構成で誤動作がなく、検出結果にバラツキが少ない増幅器ユニット全体の故障検出を行うことができる。

図１は本発明によるドハティ増幅器型の増幅器ユニットにおける故障検出回路を示す。同図において、初段増幅器１−１、中段増幅器１−２及び最終段増幅器のキャリア増幅器１−３の総合利得については、故障時に大幅に利得が低下するため、増幅器ユニット（ＰＡ）の入力信号と出力信号とを分岐回路により取り出し、それらの信号のレベル差を増幅器ユニット（ＰＡ）利得検出回路１−５により測定し、該レベル差が所定の閾値を越えたことを検出することにより、上記増幅器の故障を判断することができる。

しかし、ピーク増幅器１−４の故障時は、利得の変動量が少ないため、該変動量を検出する感度を有する検出回路を構成することは困難である。そこで、本発明の故障検出回路１−６は、ピーク増幅器のゲートバイアス電圧を取り出し、該ゲートバイアス電圧が予め設定した電圧以下となったときに、ピーク増幅器１−４の故障と判断する回路を設けている。また、増幅器ユニット（ＰＡ）利得検出回路１−５による故障監視も行うことにより、増幅器ユニット（ＰＡ）全体での故障の検出が可能となる。

図２は、図１に示したドハティ増幅器型の増幅器ユニットの故障検出回路の構成例を示す。入力端子２−１から入力された無線周波数（ＲＦ）の信号は、方向性結合器２−７により初段増幅器２−８と電力検波回路２−１６への入力信号に分岐される。初段増幅器２−８及び中段増幅器２−９により順次入力信号が増幅され、最終段増幅器のドハティ増幅器を構成するキャリア増幅器２−１０及びピーク増幅器２−１１により更に増幅された後、方向性結合器２−１２により、送信出力端子２−２への無線周波数（ＲＦ）信号と信号減衰器１４への入力信号とに分岐される。

増幅器ユニット（ＰＡ）利得検出回路では、方向性結合器２−７から取り出した増幅器ユニット（ＰＡ）の入力信号を電力検波回路２−１６によって電力検波し、そのＤＣ電圧を取り出す。また、方向性結合器２−１２から取り出した増幅器ユニット（ＰＡ）出力信号を減衰器１４によって減衰して電力検波回路２−１５によって電力検波し、そのＤＣ電圧を取り出す。

増幅器ユニット（ＰＡ）出力信号のラインにのみ減衰器２−１４が挿入されているのは、２つの電力検波回路２−１５，２−１６の信号入力レベルを合せるためである。両者の出力のＤＣ電圧は、比較器１７により比較され、増幅器ユニット（ＰＡ）が定格利得の場合に、比較器２−１７より所定の電圧Ｘが出力される。もし、定格より利得が小さい場合には、電圧Ｘより低い電圧Ｘ−α、大きい場合には電圧Ｘより高い電圧Ｘ＋αが比較器２−１７から出力される。

ピーク増幅器２−１１のバイアス電圧の供給として、ピーク増幅器２−１１のＭＯＳトランジスタのゲートバイアス電圧（Ｖｇｓ）２−４とドレインバイアス電圧（Ｖｄｓ）２−５を印加する。ゲートバイアス抵抗２−１３は、高周波的にインピーダンスを高くしてバイアス回路周りでの発振を抑えるために接続される。

ゲートバイアス回路から取り出したゲートバイアス電圧は、比較器２−１８により異常検出設定電圧２−６と比較される。ピーク増幅器２−１１が正常動作している場合は、比較器２−１８からローレベルの電圧Ｌｏが出力され、ピーク増幅器２−１１のＭＯＳトランジスタデバイスのゲート電極の絶縁破壊によりゲート抵抗が低下した場合は、ゲートバイアス回路から取り出したゲートバイアス電圧が低下し、それにより比較器２−１８からハイレベルの電圧Ｈｉが出力される。

次に利得検出回路の比較器２−１７からの利得検出電圧と、故障検出回路の比較器２−１８からのピーク増幅器故障検出電圧とを、加算器２−１９により合成し、該合成した電圧を増幅器ユニット（ＰＡ）の警報信号２−３として出力する。

このように構成することにより、増幅器ユニット（ＰＡ）の利得に不具合があった場合は、増幅器ユニット（ＰＡ）利得検出回路の比較器２−１７からの出力電圧で故障発生と判断され、ピーク増幅器２−１１に不具合があった場合には、故障検出回路の比較器２−１８からの出力電圧によって故障と判断され、何れの場合でも増幅器ユニット（ＰＡ）の警報信号２−３が出力される。

よって、本発明ではドハティ増幅器の回路構成におけるピーク増幅器２−１１の故障時における利得変動を認識し難い場合でも、ピーク増幅器２−１１の故障及び増幅器ユニット（ＰＡ）ユニット内の他の増幅器を含む増幅器全体の故障を検出することができる。

図３は本発明の故障検出回路のシミュレーションによる回路構成例を示す。同図において、（Ａ）点は図２のピーク増幅器２−１１の（Ａ）点のゲートバイアス電圧に相当し、通常時は３．００ｖ、異常時は１．００ｖになるものとする。演算増幅器３−１は図２の比較器２−１８に該当し、その入力には（Ａ）点のゲートバイアス電圧と、異常検出電圧設定値１．５０ｖとが入力される。

演算増幅器３−１（比較器２−１８）からは、通常時は０．０５６ｖ、異常時は２．６９６ｖの電圧が出力され、その分圧出力が通常時０．０１３８ｖ、異常時０．６５８ｖとして、演算増幅器３−２及び３−３から構成される加算器に入力される。該加算器は図２の加算器２−１９に該当する。

演算増幅器３−２及び３−３から構成される加算器には、他方、増幅器ユニット（ＰＡ）利得検出電圧をシミュレーションにより設定した電圧０．９０ｖが入力され、上記の演算増幅器３−１（比較器２−１８）の出力電圧の分圧電圧と増幅器ユニット（ＰＡ）利得検出電圧とが該演算増幅器３−２により加算され、演算増幅器３−２から通常時−０．９１０ｖ、異常時−１．５５５ｖが出力される。演算増幅器３−２の出力電圧は、演算増幅器３−３で反転され、演算増幅器３−３から通常時０．９０４ｖ、異常時１．５４６ｖの電圧が出力される。

図４は上記本発明のシミュレーション回路例におけるピーク増幅器２−１１のＭＯＳトランジスタのゲート電圧と、演算増幅器３−２から出力される異常検出電圧と、演算増幅器３−３から出力される反転増幅出力電圧とを示している。同図の（ａ）は、ピーク増幅器２−１１のＭＯＳトランジスタのゲートバイアス電圧が通常（正常）時の場合の３．０ｖである場合を示し、同図の（ｂ）は、ピーク増幅器２−１１のＭＯＳトランジスタのゲートバイアス電圧が異常時の場合の１．０ｖの場合を示している。

図４に示すように、図３のシミュレーション回路により本発明の故障検出回路と利得検出回路の動作が確認され、実際の回路構成で増幅器ユニット（ＰＡ）の故障判断が可能であることが確認された。また、本発明の故障検出回路のシミュレーションによる回路構成例は、ＬＤＭＯＳ（Laterally Diffused MOS）を用いたドハティ増幅器に対する故障検出に対しても、特性に変化が無く、同様に故障判断が可能であることが確認された。

本発明による増幅器ユニット及びその故障検出方法は、移動体通信システムの基地局において、消費電力の高効率化を目途としてドハティ増幅器を用いた送信信号増幅器の故障検出手段として有効的に利用可能である。

本発明によるドハティ増幅器型の増幅器ユニットにおける故障検出回路を示す図である。 本発明のドハティ増幅器型の増幅器ユニットの故障検出回路の構成例を示す図である。 本発明の故障検出回路のシミュレーションによる構成例を示す図である。 本発明のシミュレーション回路構成例におけるピーク増幅器のゲート電圧、異常検出電圧及び反転増幅出力電圧を示す図である。 正常時及びキャリア増幅器の故障時における特性を示す図である。 ピーク増幅器の故障時における特性を示す図である。

符号の説明

１−１ 初段増幅器
１−２ 中段増幅器
１−３ キャリア増幅器
１−４ ピーク増幅器
１−５ 増幅器ユニット（ＰＡ）利得検出回路
１−６ 故障検出回路

Claims (2)

1. Ａ級増幅器又はＡＢ級増幅器として動作するようにバイアスされたキャリア増幅器と、Ｂ級増幅器又はＣ級増幅器として動作するようにバイアスされたピーク増幅器とを有し、入力信号を前記キャリア増幅器とピーク増幅器とに分岐し、該キャリア増幅器及びピーク増幅器から出力される信号を合成して出力するドハティ増幅器型の増幅器ユニットにおいて、
   前記ピーク増幅器のトランジスタデバイスのゲートバイアス電圧を所定の閾値と比較し、比較結果を基に、故障が無い場合にはローレベルの電圧、故障が有る場合にはハイレベルの電圧を示す信号を出力する比較器を有する故障検出回路と、
   前記キャリア増幅器を少なくとも含む増幅器ユニット内の増幅器の総合利得を検出し、該総合利得に対応する利得検出電圧を示す信号を前記故障検出回路に出力する利得検出回路を備え、
   該故障検出回路は、前記比較器から出力される信号及び該利得検出回路から出力される信号それぞれが示す電圧を合成して、該合成した電圧を前記増幅器ユニットの故障の有無を示す信号として出力することを特徴とするドハティ増幅器型の増幅器ユニット。
2. Ａ級増幅器又はＡＢ級増幅器として動作するようにバイアスされたキャリア増幅器と、Ｂ級増幅器又はＣ級増幅器として動作するようにバイアスされたピーク増幅器とを有し、入力信号を前記キャリア増幅器とピーク増幅器とに分岐し、該キャリア増幅器及びピーク増幅器から出力される信号を合成して出力するドハティ増幅器型の増幅器ユニットの故障検出方法において、
   前記ピーク増幅器のトランジスタデバイスのゲートバイアス電圧を所定の閾値と比較により比較し、比較結果を基に、故障が無い場合にはローレベルの電圧、故障が有る場合にはハイレベルの電圧を示すピーク増幅器信号を出力し、
   前記キャリア増幅器を少なくとも含む増幅器ユニット内の増幅器の総合利得を検出し、該総合利得に対応する利得検出電圧を示すキャリア増幅器信号を出力し、
   前記ピーク増幅器信号及び前記キャリア増幅器信号それぞれが示す電圧を合成して、該合成した電圧を前記増幅器ユニットの故障の有無を示す信号として出力する
   ことを特徴とするドハティ増幅器型の増幅器ユニットの故障検出方法。

Images