JP2002208823A - 増幅回路 - Google Patents
増幅回路Info
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Abstract
果的に改善出来るようにする。 【解決手段】 入力信号を電力増幅する増幅素子と、増
幅素子の前段で入力信号を検波する検波手段14と、検
波手段14の検波出力を所定の時定数で平均化する平均
化手段15と、平均化手段15で得られた入力信号の平
均レベルに基づいて増幅素子のバイアス電圧を可変設定
させる制御手段30とを備えて、そのときの入力レベル
に適したバイアス電圧による効率の良い増幅ができるよ
うにした。
Description
せる増幅回路に関し、特に携帯電話端末などの通信機器
における高周波電力増幅に適用して好適な増幅回路に関
する。
増幅器に求められる線形性は、通信の高速化、大容量化
に伴い厳しくなりつつあり、電力増幅器の電力効率の向
上を妨げる事態を生じさせている。
の電力利用効率を高めようとすると、非線形性が増し、
出力信号が歪んでしまうという問題がある。そこで、従
来より増幅器の前段に、その増幅器の逆特性を持つ補償
器を接続して、歪みをキャンセルする、プレディストー
ション法が用いられている。
には、増幅器の入力信号の振幅などを計算して、歪みが
発生する状況であるか否か判定し、歪みが発生する入力
レベルであるとき、振幅歪みを補正する信号を入力信号
に加えて、結果的に増幅器の出力に歪み成分が含まれな
いようにするものである。このプレディストーション処
理を行うように回路構成を組むことで、歪みのない電力
増幅が行える効果を有する。
トーション処理を行うようにすると、歪み補正信号を生
成させるための複雑な演算処理(振幅計算、逆正接関数
処理など)が常時必要であり、その演算処理のために消
費電力を増大させてしまう問題がある。この増幅器が組
み込まれる通信装置として、例えば電源としてバッテリ
を使用した携帯電話端末の場合には、バッテリの持続時
間の長時間化が重要であり、消費電力の増加は好ましく
ない。また、プレディストーション処理は、基本的に大
振幅時に出力が歪むのを補正する処理であり、小信号入
力時には、一定のバイアス電圧動作時において、必ずし
も電力増幅器の効率の改善にはなっていない。
ものであり、通信装置などが備える電力増幅器の効率を
効果的に改善出来るようにすることにある。
を電力増幅する増幅素子と、増幅素子の前段で入力信号
を検波する検波手段と、検波手段の検波出力を所定の時
定数で平均化する平均化手段と、平均化手段で得られた
入力信号の平均レベルに基づいて増幅素子のバイアス電
圧を可変設定させる制御手段とを備えたものである。
均レベルに基づいて増幅器を構成する増幅素子のバイア
ス電圧が可変設定され、そのときの入力レベルに適した
バイアス電圧による効率の良い増幅が可能になる。
段と、検波手段の検波出力レベルが所定のしきい値を越
えるか否か判定する判定手段と、判定手段でしきい値を
越えたと判定したとき入力信号の歪補償を行う歪補償手
段と、歪補償手段の出力を電力増幅する増幅素子と、判
定手段でしきい値を越えてないと判定したとき検波手段
の検波出力の平均レベルに基づいて増幅素子のバイアス
電圧を可変設定させる制御手段とを備えたものである。
大レベルが所定のしきい値を越えてない場合には、入力
信号の平均レベルに基づいて増幅器を構成する増幅素子
のバイアス電圧が可変設定され、そのときの入力レベル
に適したバイアス電圧による効率の良い増幅が可能にな
る。また、そのバイアス電圧の可変設定で対処できない
入力レベルになって、入力信号の最大レベルが所定のし
きい値を越えたことを検出したときには、歪補償手段で
の歪補償処理が行われ、入力レベルが大レベルのときの
歪みも無くすことができる。
発明の第1の実施の形態の増幅回路について説明する。
図である。本例の増幅回路は、携帯電話端末などの通信
装置の送信系回路が備える高周波信号の電力増幅回路と
してある。入力端子11に得られる入力信号は、カプラ
12に供給して、入力信号に比例してレベルが変化する
分岐信号を得る。例えば、入力信号から10dB程度下
がったレベルの分岐信号を得る。カプラ12を通過した
入力信号は、増幅器20に供給し、この増幅器20が備
える増幅素子で増幅させる処理を行い、その増幅された
信号を出力信号として出力端子13に供給する。増幅器
20の詳細構成については後述するが、増幅素子のバイ
アス電圧が可変設定できる構成としてある。
4に供給し、エンベロープ検波を行い、検波信号Venv
を得る。この検波信号Venv は、ローパスフィルタ15
に供給して平均化処理を行い、平均化信号Vavを得る。
ローパスフィルタ15は、例えば抵抗器,コンデンサな
どの素子で構成され、これらの素子の値の選定で平均化
される時定数が選定される。
号Vavは、制御ルックアップテーブル部30に供給す
る。制御ルックアップテーブル部30では、供給される
平均化信号Vavに対応した増幅素子のバイアス電圧の値
を判定する。そして、制御ルックアップテーブル部30
で判定されたバイアス電圧値を、増幅器20内の増幅素
子のバイアス電圧として設定させる。本例の場合には、
増幅器20内の増幅素子として電界効果トランジスタ
(FET)を使用し、ゲート電圧Vggを可変設定させる
ようにしてある。
の構成例を示した図で、ローパスフィルタ15から供給
される平均化信号Vavを、アナログ/デジタルコンバー
タ31に供給して、デジタルデータ化する。このデジタ
ルデータ化された平均レベルデータは、ルックアップテ
ーブルを構成するROM32に供給する。ROM32
は、例えば図3に示すように、平均化信号Vavの値と、
バイアス電圧であるゲート電圧Vggの値との対応が予め
記憶させてあるメモリであり、平均化信号Vavのデータ
を記憶することで、対応したバイアス電圧Vggのデータ
が読出される構成としてある。ROM32から読出され
たバイアス電圧Vggのデータは、図2に示すように、デ
ジタル/アナログコンバータ33に供給してアナログ電
圧信号(バイアス電圧信号Vgg)とし、このバイアス電
圧信号Vggを増幅器20内の増幅素子のゲートにバイア
ス電圧として印加させる。
との対応としては、本例の場合には、平均化信号Vavの
レベルが低いとき、低いゲート電圧Vggを設定させ、平
均化信号Vavのレベルが高いとき、高いゲート電圧Vgg
を設定させるように可変設定させるようにしてある。
ある。入力端子21には、カプラ12を通過した入力信
号PINが供給される。この入力端子21を、コンデンサ
C1を介して増幅素子である電界効果トランジスタ22
のゲートに接続する。このトランジスタ22のゲートに
は、ゲート電圧VggがコイルL1 を介して供給される。
トランジスタ22のソースは接地させてあり、ドレイン
はコンデンサC2 を介して出力端子23に接続してあ
る。ドレインには、ドレイン電圧VddがコイルL 2 を介
して供給される。
子21に得られる入力信号PINが、トランジスタ22で
増幅されて、出力端子23に増幅された出力信号PO が
得られるようになる。そして本例の場合には、トランジ
スタ22のゲートのバイアス電圧Vggが、上述した制御
ルックアップテーブル部30の出力で設定される。なお
本例の場合にはトランジスタ22のドレイン電圧Vddは
一定値としてある。
6の特性図を参照して説明する。本例のような電界効果
トランジスタを使用した電力増幅器の電力付加効率(Po
werAdded Effciency:PAE)は、次式で定義される。
信号である。また、Pdc=Idd *Vddであり、Iddは増
幅素子のドレイン電流、Vddは増幅素子のドレイン電圧
である。
イン電圧Vddとゲート電圧Vggを操作することにより、
負荷直線を設定することにより決定される。本例の場合
には、ゲート電圧Vggを可変設定するようにしたもので
ある。
静特性の図を用いる。図5は縦軸をドレイン電流Id と
し、横軸をゲート電圧Vg としたときの負荷曲線を示し
たものである。図6は縦軸をドレイン電流Id とし、横
軸をドレイン電圧Vd として負荷直線を示してあり、ゲ
ートのバイアス電圧Vggの変化による特性曲線を同時に
示してある。
ングはドレイン電流Id のスイングとなることが判る。
また図6に示すように、ドレイン電流Id のスイング
は、トランジスタの出力インピーダンスZ0 を通してド
レイン電圧Vd のスイングを伴って出力信号out として
出力される。
V、−0.05V、−0.1V、−0.2V、−0.2
5Vの5段階に変化させた例を示してある。例えばバイ
アス電圧Vgg=−0.2Vを設定したときの動作点Aで
は、入力信号のレベルが低い場合(1点鎖線で示した波
形例)でも、高い場合(実線で示した波形例)でも、出
力信号の波形は歪まない。これに対して、例えばバイア
ス電圧Vgg=−0.25Vを設定したときの動作点Bで
は、入力信号のレベルが低いときの出力波形(1点鎖線
で示した波形例)は歪まないが、入力信号のレベルが高
いときの出力波形(実線で示した波形例)は、電圧Vdd
を越えた部分がクリップしてしまい歪んだものになって
しまう。
の動作点B)は、図5に示すように、ドレイン電流Id
が減少する。ここで、〔数1〕式に示したPdc=Idd *
Vddであるので、〔数1〕式による電力増幅器の電力付
加効率PAEが向上していることが判る。ところが、こ
のように高い入力電力の信号は歪んでしまい、このよう
に歪んだ信号を扱うことはできない。バイアス電圧Vgg
を高くすると(例えば図6の動作点A)、入力電力が高
くても歪まずに出力させることができるが、電力付加効
率PAEが減少する。
きには低いバイアス電圧Vggを設定し、入力電力が高い
ときには高いバイアス電圧Vggを設定するようにしたの
で、出力波形を歪ませない範囲で、そのときの入力電力
で最も高い電力付加効率PAEとなるように設定でき
る。このように、出力波形を歪ませないようにした上で
常時最も高い電力付加効率PAEとなるように設定する
ことができることで、結果的に効率の良い増幅が行える
ようになる。本例の場合には、入力電力(入力レベル)
の平均値を検出して、その平均レベルに応じて増幅素子
のバイアス電圧を可変設定させるだけで良いので、プレ
ディストーション処理などで増幅効率を改善させる場合
のような複雑な演算処理構成が必要なく、非常に簡単な
構成で実現できる効果を有する。
施の形態の増幅回路について説明する。
態と同様に、携帯電話端末などの通信装置の送信系回路
が備える高周波信号の電力増幅回路としたものである。
本例の場合には、第1の実施の形態で説明した増幅素子
のバイアス電圧の制御処理と、歪補償処理とを組み合わ
せた例としたものである。
図である。本例の増幅回路は、入力端子51に得られる
入力信号は、歪補償回路部60内のカプラ61に供給し
て、入力信号に比例してレベルが変化する分岐信号を得
る。例えば、入力信号から10dB程度下がったレベル
の分岐信号を得る。カプラ61を通過した入力信号は、
可変利得部62及び移相器63を介して、増幅器52に
供給し、この増幅器52が備える増幅素子で増幅させる
処理を行い、その増幅された信号を出力信号として出力
端子53に供給する。本例の増幅器52は、増幅素子の
バイアス電圧が可変設定できる構成としてある。この増
幅器52の詳細な構成は、例えば第1の実施の形態で図
4に示した構成と同一の構成とする。
た分岐信号は検波器64に供給し、エンベロープ検波を
行い、検波信号を得る。この検波信号は、コンパレータ
54に供給し、予め設定されたしきい値と検波信号の最
大レベルとを比較し、検波信号の最大レベルがしきい値
を越えたとき、そのときの検波信号を歪補償回路部60
内の振幅補償計算部65及び位相補償ルックアップテー
ブル部66に供給する。
信号のレベルに応じて発生する振幅歪の補償量を計算す
る。位相補償ルックアップテーブル部66では、供給さ
れる検波信号のレベルに対応した位相の補償量を、メモ
リで構成されるルックアップテーブルを参照して得る。
そして、振幅補償計算部65で計算された振幅歪の補償
量に相当する利得を可変利得部62に設定して、振幅歪
を補償させる。また、位相補償ルックアップテーブル部
66で得られた位相歪の補償量だけ、移相器63で信号
位相を偏移させ、位相歪を補償させる。
波信号の最大レベルがしきい値を越えてないとき、その
ときの検波信号をローパスフィルタ55に供給して平均
化処理を行い、平均化信号を得る。ローパスフィルタ5
5は、例えば抵抗器,コンデンサなどの素子で構成さ
れ、これらの素子の値の選定で平均化される時定数が選
定される。
号は、制御ルックアップテーブル部56に供給し、平均
化信号に対応した増幅素子のバイアス電圧の値を判定す
る。そして、制御ルックアップテーブル部56で判定さ
れたバイアス電圧値を、増幅器52内の増幅素子のバイ
アス電圧として設定させる。本例の場合には、増幅器5
2内の増幅素子として例えば電界効果トランジスタ(F
ET)を使用し、ゲート電圧Vggを可変設定させる。ゲ
ート電圧の可変設定処理としては、第1の実施の形態で
説明したように、入力電力が低いときには低いバイアス
電圧Vggを設定し、入力電力が高いときには高いバイア
ス電圧Vggを設定し、そのときの入力電力で最も高い電
力付加効率となるようにする。また、コンパレータ54
での比較で、検波信号の最大レベルがしきい値を越えた
ことが検出されたときには、バイアス電圧Vggを高い値
に固定させる。制御ルックアップテーブル部56の構成
についても、例えば第1の実施の形態で図2に示した構
成が適用できる。
る増幅素子のバイアス電圧の可変処理で対処できるレベ
ルの信号が入力したときには、バイアス電圧を可変設定
し、バイアス電圧の可変だけで対処できない程度の大レ
ベルの信号が入力したときには、歪補償回路部60で振
幅歪補償及び位相歪補償が行われ、入力信号レベルの大
小に係わらず良好な増幅が行える。即ち、入力レベルが
歪補償をする必要がない場合には、歪補償回路部60を
作動させる必要がなく、バイアス電圧を制御するだけの
簡単な処理で、効率の良い増幅が行える。そして、増幅
素子で歪が発生するような大振幅波形の増幅が必要なと
きには、バイアス電圧が高い値に固定設定された上で、
歪補償処理が行われ、歪の少ない大振幅の出力信号が良
好に得られるようになる。
補償処理及び位相歪補償処理については、従来から知ら
れている各種歪補償処理が適用できる。また、ここでは
振幅歪補償処理と位相歪補償処理の双方を行うようにし
たが、いずれか一方の歪補償処理だけを行うようにして
も良い。
では、携帯電話端末などの通信装置の送信回路が備える
高周波増幅回路に適用した例としたが、その他の装置が
備える高周波信号を増幅する増幅回路にも適用できるこ
とは勿論である。また、図6などで説明したバイアス電
圧の値については、一例を示したものであり、この値に
限定されるものではない。
では、増幅回路が備える増幅素子として電界効果トラン
ジスタを使用したが、その他の増幅素子を使用しても良
い。また、制御されるバイアス電圧として、ゲート電圧
としたが、その他のバイアス電圧を制御するようにして
も良い。
では、入力信号の平均レベルに基づいてバイアス電圧を
生成させる制御手段として、メモリを使用したルックア
ップテーブルを使用したが、演算処理などでバイアス電
圧を生成させるようにしても良い。
信号の平均レベルに基づいて増幅器を構成する増幅素子
のバイアス電圧が可変設定され、そのときの入力レベル
に適したバイアス電圧による効率の良い増幅が可能にな
る。この場合、入力信号の平均レベルを検出して、その
平均レベルに基づいてバイアス電圧を制御するだけの簡
単な構成で効率の良い増幅が行え、消費電流の小さい小
規模な回路で、高効率増幅が実現できる。
1に記載した発明において、制御手段は、増幅素子のゲ
ート電圧を可変設定させることで、ゲート電圧の制御で
効率の良い良好な増幅が行える。
1に記載した発明において、平均化手段は、ローパスフ
ィルタで構成したことで、ローパスフィルタを構成する
素子の抵抗値などの値の選定で時定数を適正に設定で
き、簡単に所望の特性の平均化手段が得られるようにな
る。
1に記載した発明において、制御手段は、平均レベルの
値とバイアス電圧との対応を記憶したメモリを備えたこ
とで、メモリによるテーブルの参照で、簡単に適正なバ
イアス電圧を設定できるようになる。
号の最大レベルが所定のしきい値を越えてない場合に
は、入力信号の平均レベルに基づいて増幅器を構成する
増幅素子のバイアス電圧が可変設定され、そのときの入
力レベルに適したバイアス電圧による効率の良い増幅が
可能になる。また、そのバイアス電圧の可変設定で対処
できない入力レベルになって、入力信号の最大レベルが
所定のしきい値を越えたことを検出したときには、歪補
償手段での歪補償処理が行われ、入力レベルが大レベル
のときの歪みも無くすことができる。従って、増幅素子
で歪みなく増幅できる入力レベルの場合には、増幅素子
の能力を生かした効率の良い増幅が行われ、歪みが発生
するような状況の場合になったとき、その歪みの補正に
ついても行うことができる。
5に記載した発明において、歪補償手段は、振幅歪の補
償を行う手段と、位相歪の補償を行う手段で構成したこ
とで、振幅歪と位相歪の双方を補償した良好な歪補償が
行える。
5に記載した発明において、制御手段は、増幅素子のゲ
ート電圧を可変設定させることで、ゲート電圧の制御で
効率の良い良好な増幅が行える。
5に記載した発明において、平均化手段は、ローパスフ
ィルタで構成したことで、ローパスフィルタを構成する
素子の抵抗値などの値の選定で時定数を適正に設定で
き、簡単に所望の特性の平均化手段が得られるようにな
る。
5に記載した発明において、制御手段は、平均レベルの
値とバイアス電圧との対応を記憶したメモリを備えたこ
とで、メモリによるテーブルの参照で、簡単に適正なバ
イアス電圧を設定できるようになる。
体構成の例を示す構成図である。
ップテーブルの例を示す構成図である。
示す説明図である。
例を示す回路図である。
流−電圧特性)の説明に供する特性図である。
イアス電圧の変化特性)の説明に供する特性図である。
体構成の例を示す構成図である。
…検波器、15…ローパスフィルタ(LPF)、20…
増幅器、21…入力端子、22…増幅素子、23…出力
端子、30…制御ルックアップテーブル、31…アナロ
グ/デジタル変換器、32…ROM、33…デジタル/
アナログ変換器、51…入力端子、52…増幅器、53
…出力端子、54…コンパレータ、55…ローパスフィ
ルタ、56…制御ルックアップテーブル、60…歪補償
回路部、61…カプラ、62…可変利得部、63…移相
器、64…検波器、65…振幅補償計算部、66…位相
補償ルックアップテーブル部
Claims (9)
- 【請求項1】 入力信号を電力増幅する増幅素子と、 上記増幅素子の前段で入力信号を検波する検波手段と、 上記検波手段の検波出力を所定の時定数で平均化する平
均化手段と、 上記平均化手段で得られた入力信号の平均レベルに基づ
いて、上記増幅素子のバイアス電圧を可変設定させる制
御手段とを備えた増幅回路。 - 【請求項2】 請求項1記載の増幅回路において、 上記制御手段は、上記増幅素子のゲート電圧を可変設定
させる増幅回路。 - 【請求項3】 請求項1記載の増幅回路において、 上記平均化手段は、ローパスフィルタで構成した増幅回
路。 - 【請求項4】 請求項1記載の増幅回路において、 上記制御手段は、平均レベルの値とバイアス電圧との対
応を記憶したメモリを備えた増幅回路。 - 【請求項5】 入力信号を検波する検波手段と、 上記検波手段の検波出力レベルが所定のしきい値を越え
るか否か判定する判定手段と、 上記判定手段でしきい値を越えたと判定したとき、上記
入力信号の歪補償を行う歪補償手段と、 上記歪補償手段の出力を電力増幅する増幅素子と、 上記判定手段でしきい値を越えてないと判定したとき、
上記検波手段の検波出力の平均レベルに基づいて、上記
増幅素子のバイアス電圧を可変設定させる制御手段とを
備えた増幅回路。 - 【請求項6】 請求項5記載の増幅回路において、 上記歪補償手段は、振幅歪の補償を行う手段と、位相歪
の補償を行う手段で構成した増幅回路。 - 【請求項7】 請求項5記載の増幅回路において、 上記制御手段は、上記増幅素子のゲート電圧を可変設定
させる増幅回路。 - 【請求項8】 請求項5記載の増幅回路において、 上記検波手段の出力を所定の時定数のローパスフィルタ
で平均化して、上記平均レベルを得るようにした増幅回
路。 - 【請求項9】 請求項5記載の増幅回路において、 上記制御手段は、平均レベルの値とバイアス電圧との対
応を記憶したメモリを備えた増幅回路。
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