JP2006340137A - 増幅装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 信号を増幅する増幅装置で、高効率化を実現する。
【解決手段】 供給される制御値に応じた特性で増幅対象となる信号を増幅する非線形な能動素子１と、前記増幅対象となる信号のレベルを検出するレベル検出手段１１と、前記能動素子１について所定の入出力特性が実現されるように前記検出されたレベルに基づいて前記能動素子１へ供給する制御値を決定する決定手段１２、１３と、前記決定された制御値を前記能動素子１へ供給する供給手段（電圧変換トランス２１、コイルＡ１〜Ａ８と整流回路Ｂ１〜Ｂ８と充電回路Ｃ１〜Ｃ８を有する８系統の電源電圧部、マトリクス回路２２）と、を備えた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、信号を増幅する増幅装置に関し、特に、高効率化の技術に関する。

例えば、線形性及び効率の向上を図る増幅器として、ドハティ増幅器が用いられている。
図２（ａ）には、ドハティ増幅器の構成例を示してある。
図２（ｂ）には、横軸を入力レベルとして縦軸を出力レベルとして、ドハティ増幅器の入出力特性の一例と、Ｂ級増幅器の入出力特性の一例と、Ｃ級増幅器の入出力特性の一例を示してある。
図２（ａ）に示されるように、本例のドハティ増幅器は、キャリア増幅器６１と、ピーク増幅器６２と、２個のλ／４伝送線路６３、６４と、負荷６５を用いて構成されている。
本例のドハティ増幅器では、当該ドハティ増幅器に入力された高周波信号が、キャリア増幅器６１に入力されるとともに、λ／４伝送線路６４を介してピーク増幅器６２に入力される。キャリア増幅器６１は、通常、Ａ級又はＡＢ級の増幅器から構成され、ピーク増幅器６２は、通常、Ｃ級の増幅器から構成される。キャリア増幅器６１からの出力がλ／４伝送線路６３を通過したものとピーク増幅器６２からの出力とが合成されて、当該ドハティ増幅器からの出力となる。

ここで、キャリア増幅器６１として使用される例えばＡＢ級の電力増幅器などでは、通常、出力レベルが上がるとともに効率が上がるが、１ｄＢコンプレッションレベル（Ｐ１ ｄＢ）付近から効率が悪化する。そこで、ドハティ増幅器では、このようにキャリア増幅器６１の効率が悪化し始めるポイントからＣ級電力増幅器で構成されるピーク増幅器６２を動作させることで、キャリア増幅器６１により増幅することができなかった波形のピーク部分を増幅し、これら両方の増幅器６１、６２からの出力を合成することで、線形性及び効率が改善した電力増幅器を実現する。

なお、増幅器の高効率化の一例として、一対の増幅素子と、その増幅素子の入力側に各々の増幅素子を逆位相で励振するための位相反転形の分配回路と、出力側に同じく位相反転形の合成回路を設け、各々の増幅素子の出力側に設けた伝送線路の増幅素子の出力端から基本周波数の１／４波長の整数倍の位置に基本波の２倍の周波数で短絡となるスタブを設けると共に、前記各々の増幅素子の出力側に設けた伝送線路の間にコンデンサを設けた高周波電力増幅器が検討等されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開平５−０２９８５１号公報

しかしながら、図２（ａ）に示されるような従来のドハティ増幅器では、主となる高周波信号（メインの高周波信号）を増幅するキャリア増幅器６１がＡ級又はＡＢ級で構成されるため、大幅な効率改善には至っていないといった問題があった。
本発明は、このような従来の事情に鑑み為されたもので、高効率化を実現することができる増幅装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る増幅装置では、次のような構成により、信号を増幅する。
すなわち、非線形な能動素子が、供給される制御値に応じた特性で、増幅対象となる信号を増幅する。これに際して、レベル検出手段が、前記増幅対象となる信号のレベルを検出し、決定手段が、前記能動素子について所定の入出力特性が実現されるように、前記検出されたレベルに基づいて前記能動素子へ供給する制御値を決定し、供給手段が、前記決定された制御値を前記能動素子へ供給する。
従って、増幅対象となる信号の入力レベルに基づいて、非線形な能動素子で所定の入出力特性が実現されるように、当該能動素子への制御値が決定されて供給されるため、非線形な能動素子を用いて所望の入出力特性を実現することができる。一例として、所定の入出力特性として線形な入出力特性を用いて、非線形な能動素子で線形な入出力特性が実現されるように当該能動素子への制御値を決定して供給することにより、非線形な能動素子を用いて線形な増幅処理を実現することができる。
このように、一般に高効率である非線形な能動素子を用いて、所定の入出力特性を有する高効率な増幅装置を実現することができる。

ここで、増幅対象となる信号としては、種々な信号が用いられてもよく、例えば、無線通信などされる高周波数の信号などを用いることができる。
また、非線形な能動素子としては、種々なものが用いられてもよく、例えば、ドレイン・ソース間の電圧（ＶＤＳ）の値を制御値とする電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などを用いることができる。
また、信号のレベルとしては、例えば、振幅のレベルや、電力のレベルなど、種々なものが用いられてもよい。
また、非線形な能動素子で実現されるようにする所定の入出力特性としては、種々な特性が用いられてもよく、例えば、線形な特性を用いることができる。

また、所定の入出力特性が実現されるようにする態様としては、種々な態様が用いられてもよく、例えば、増幅対象となる信号のレベルと制御値との対応関係をテーブルなどにより記憶しておいて当該対応関係に基づいて制御値を決定する態様や、或いは、増幅対象となる信号のレベルをパラメータとして制御値を演算する式などを記憶しておいて当該式などに基づいて制御値を決定する態様などを用いることができる。
また、例えば、増幅対象となる信号のレベルばかりでなく、信号の周波数や、能動素子或いはその付近の温度などに基づいて、制御値を決定するような態様が用いられてもよい。
また、制御値を供給する態様としては、例えば、あらかじめ定められた複数の異なる制御値を生成する機能を有して決定された制御値を選択して供給する態様や、或いは、連続的に可変な制御値を生成する機能を有して決定された制御値を生成して供給する態様などを用いることができる。

以上説明したように、本発明に係る増幅装置によると、増幅対象となる信号のレベルを検出し、非線形な能動素子について所定の入出力特性が実現されるように、当該検出したレベルに基づいて当該能動素子へ供給する制御値を決定し、当該決定した制御値を当該能動素子へ供給し、当該能動素子が供給される制御値に応じた特性で増幅対象となる信号を増幅するようにしたため、所定の入出力特性で動作する増幅装置において、高効率化を実現することができる。

本発明に係る一実施例を図面を参照して説明する。
図１には、本例の増幅装置の構成例を示してある。
本例の増幅装置は、例えば増幅素子である電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）から構成された能動素子１と、能動素子１の前段（入力側）の整合回路２と、能動素子１の後段（出力側）のλ／４伝送線路３と、その後段の整合回路４と、その後段の負荷５と、能動素子１とその前段の整合回路２との間のゲートバイアス回路６と、能動素子１とその後段のλ／４伝送線路３との間のドレインバイアス回路７を備えている。
また、本例の増幅装置は、能動素子１の前段の整合回路２への入力信号のレベルを検出するレベル検出回路１１と、温度テーブルや周波数テーブルをメモリに記憶して構成されたテーブル部１２と、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）１３を備えている。

また、本例の増幅装置は、可変電源電圧回路として、電圧変換トランス２１と、８個の電源電圧部と、マトリクス回路２２を備えている。
それぞれの電源電圧部は、コイルＡ１〜Ａ８と整流回路Ｂ１〜Ｂ８と充電回路Ｃ１〜Ｃ８を接続して構成されている。
また、それぞれの電源電圧部は、＋２８Ｖ、＋１４Ｖ、・・・、＋０．１Ｖといったようにそれぞれ異なる電圧値と対応しており、例えば、回路定数を除いては同様な構成を有している。
具体的には、図１に示されるように、整流回路Ｂ１〜Ｂ８は４個の整流器４１ａ〜４１ｄ及びコイル４２から構成されており、充電回路Ｃ１〜Ｃ８は２個のコンデンサ５１ａ、５１ｂ及び４個のスイッチ５２ａ〜５２ｄから構成されている。なお、図１では、１個の電源電圧部（＋２８Ｖに対応する最も上側のもの）のみを代表させて、これらの符号を付してある。
また、電圧変換トランス２１は、それぞれの電源電圧部のコイルＡ１〜Ａ８と、これらに共通であり交流（ＡＣ）電源入力側のコイル３１とを対として構成されている。

本例の増幅装置において行われる動作の一例を示す。
本例の増幅装置に入力された増幅対象となる高周波信号は、入力側の整合回路２を介して能動素子１に入力される。
入力側の整合回路２は、本例の増幅装置の入力側と能動素子１との整合を取る。
ゲートバイアス回路６は、例えば電圧源（ＶＧＳ）及びコイル（インダクタンス）から構成されており、能動素子１の動作点を決めるための電圧を供給する。本例では、この電圧はＦＥＴのゲートへ供給される。
ドレインバイアス回路７は、例えば電圧源（ＶＤＳ）及びコイル（インダクタンス）から構成されており、能動素子１へ電力を供給する。本例では、この電圧はＦＥＴのドレインへ供給される。
能動素子１は、入力される高周波信号を増幅してλ／４伝送線路３へ出力する。本例では、ＦＥＴのゲートに入力された高周波信号が増幅されてドレインから出力される。また、ソースは接地されている。

また、能動素子１は、本例では、非線形なＦ級電力増幅器に相当し、スイッチング動作をする。
５０オーム（Ω）のλ／４伝送線路３が、このスイッチング動作を理想的に実現させる。本線路は、能動素子１のドレイン・ソース間から出力側を見た時のインピーダンスを、基本波の周波数に対して奇数次の高調波成分については無限大オームに見えるようにし、偶数次の高調波成分については０オームに見えるようにする。これにより、能動素子１は理想的にはスイッチング動作を行い、ドレイン効率は理論上では１００パーセント（％）となる。

但し、実際にはドレイン・ソース間にはオン（ＯＮ）抵抗が存在するため、ドレイン効率が１００パーセントになることはない。
しかしながら、Ｆ級電力増幅器は他の非線形増幅器に比べて効率が高く有効な非線形増幅器であることから、本例では、ドレイン・ソース間の電源電圧を可変電源電圧回路により制御して、高周波信号の入力レベルに応じて高周波信号の出力レベルを制御することにより、高効率を維持した線形電力増幅を行う増幅装置を実現する。
出力側の整合回路４は、λ／４伝送線路３を介して入力される高周波信号から基本波成分を取り出すとともに、出力側の負荷５と整合を取る。

レベル検出回路１１は、例えば整合回路２に入力される高周波信号の一部を結合器により取得して、整合回路２に入力される高周波信号のレベルを検出し、検出したレベルの情報（レベル情報）をＣＰＵ１３へ出力する。
テーブル部１２は、信号の周波数や温度の変化に対応して、高周波信号の入力レベルと出力レベルとの組を実現するために必要なドレインバイアス回路７への電源電圧（ＶＤＳ）の値を格納している。このような情報は、例えば、あらかじめ、周波数や温度や入力レベルや出力レベル毎に必要とする電源電圧のデータを理論或いは実験などにより取得して、当該取得したデータに基づいて得ることができる。

本例では、テーブル部１２が有する温度テーブルには、温度と入力レベルと出力レベルの組み合わせ毎に、必要となる電源電圧の値を格納している。
また、本例では、テーブル部１２が有する周波数テーブルには、周波数と入力レベルと出力レベルの組み合わせ毎に、必要となる電源電圧の値を格納している。
なお、温度と周波数との両方が変動する場合には、種々な周波数毎に温度テーブルが設けられ、或いは、種々な温度毎に周波数テーブルが設けられる。つまり、本例では、温度と周波数と入力レベルと出力レベルが特定された場合に、それを実現するための電源電圧を特定することができるようになっている。
あらかじめ情報が用意される温度や周波数としては、例えば、変動し得る範囲内の種々な値が用いられてもよい。また、入力レベルと出力レベルとの組み合わせとしては、種々なものが用いられてもよく、例えば、線形増幅する場合には、入力レベルと出力レベルとが一定の比例係数で比例関係にあるような組み合わせが用いられる。

本例では、本例の増幅装置に入力される増幅対象となる高周波信号の周波数を特定する情報や、本例の増幅装置或いはその付近の温度を特定する情報を含む制御信号が、ＣＰＵ１３に入力される。この制御信号は、例えば、本例の増幅装置が設けられた通信装置などの制御部（図示せず）から出力される。周波数は例えば通信で使用する周波数の切り替え状態などに基づいて特定され、温度は温度検出器（図示せず）による検出結果に基づいて特定される。
ＣＰＵ１３は、レベル検出回路１１から入力されるレベル情報に基づいて入力レベルを検出し、入力される制御信号に基づいて信号の周波数や温度を検出し、これらの検出結果に応じてテーブル部１２を参照して、例えば、入力レベルに一定の比例係数で比例する出力レベルを実現するために必要な電源電圧を検出する。そして、ＣＰＵ１３は、検出した電源電圧（ＶＤＳ）がドレインバイアス回路７により能動素子１へ供給されるように、可変電源電圧回路を制御するための電源電圧制御信号を可変電源電圧回路へ出力する。
なお、本例では、あらかじめテーブル部１２に格納された情報をＣＰＵ１３が読み出す構成としたが、例えば、ＣＰＵ１３が周波数や温度や入力レベル（又は、更に出力レベル）をパラメータとして演算を行うことで必要な電源電圧を検出するような構成が用いられてもよい。

可変電源電圧回路は、複数の異なる値の電圧を発生させることが可能であり、ＣＰＵ１３から入力される電源電圧制御信号により指示される値の電圧を発生させてドレインバイアス回路７へ出力する。本例では、この電圧は、電源電圧（ＶＤＳ）として、ＦＥＴのドレイン・ソース間に供給される。また、本例では、可変電源電圧回路は、＋０．１Ｖから＋２８Ｖまでの幾つかの値の電圧を発生させることができる。
具体的には、可変電源電圧回路は、それぞれ異なる値の電圧を生成する８系統の電源電圧部を有している。それぞれの電源電圧部では、電圧変換トランス２１を介して入力される交流電源を整流回路Ｂ１〜Ｂ８を通して直流化し、この直流電源電圧を充電回路Ｃ１〜Ｃ８に充電してマトリクス回路２２へ出力する。そして、マトリクス回路２２により、例えば必要な電圧を生成する電源電圧部を選択することなどにより、必要とする電圧を発生させて、能動素子１のドレイン・ソース間に印加する。本例では、ＣＰＵ１３からの電源電圧制御信号により、それぞれの電源電圧部のスイッチ５２ａ〜５２ｄのオンオフ切替や、マトリクス回路２２による電源電圧部の選択などが制御される。

以上のように、本例の増幅装置では、高効率なＦ級非線形電力増幅器を用いて、電源電圧を高周波信号の入力レベルに応じて可変することで、非線形増幅器の高周波信号の出力レベルを高周波信号の入力レベルに応じて可変することが行われる。これにより、非線形増幅器の利点である高効率化を維持しつつ、線形性を維持することができる。
例えば、本例の増幅装置では、ドハティ増幅器の問題点である大幅な高効率化を妨げるＡ級或いはＡＢ級の増幅器を使用せずに、非線形増幅器であるＦ級の電力増幅器を使用してその電源電圧を制御することにより、Ｆ級電力増幅器の特徴である高効率を維持しつつ、線形性を維持することができる。
このように、本例の増幅装置では、例えば、非線形増幅器を使用するため消費電力を低減させることができ、高効率が期待でき、ＭＴＢＦ（平均無故障時間）の向上が期待でき、高効率であるため小型化や軽量化を実現することができる。

なお、本例の増幅装置では、非線形な能動素子１として電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）が用いられており、電界効果トランジスタのドレイン・ソース間の電圧（ＶＤＳ）の値が制御値として用いられており、レベル検出回路１１の機能によりレベル検出手段が構成されており、テーブル部１２の機能やＣＰＵ１３の機能により決定手段が構成されており、可変電源電圧回路（本例では、電圧変換トランス２１と、８系統の電源電圧部と、マトリクス回路２２）の機能により供給手段が構成されている。

ここで、本発明に係る増幅装置などの構成としては、必ずしも以上に示したものに限られず、種々な構成が用いられてもよい。また、本発明は、例えば、本発明に係る処理を実行する方法或いは方式や、このような方法や方式を実現するためのプログラムや当該プログラムを記録する記録媒体などとして提供することも可能であり、また、種々な装置やシステムとして提供することも可能である。
また、本発明の適用分野としては、必ずしも以上に示したものに限られず、本発明は、種々な分野に適用することが可能なものである。
また、本発明に係る増幅装置などにおいて行われる各種の処理としては、例えばプロセッサやメモリ等を備えたハードウエア資源においてプロセッサがＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）に格納された制御プログラムを実行することにより制御される構成が用いられてもよく、また、例えば当該処理を実行するための各機能手段が独立したハードウエア回路として構成されてもよい。
また、本発明は上記の制御プログラムを格納したフロッピー（登録商標）ディスクやＣＤ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｃ）−ＲＯＭ等のコンピュータにより読み取り可能な記録媒体や当該プログラム（自体）として把握することもでき、当該制御プログラムを当該記録媒体からコンピュータに入力してプロセッサに実行させることにより、本発明に係る処理を遂行させることができる。

本発明の一実施例に係る増幅装置の構成例を示す図である。 （ａ）はドハティ増幅器の構成例を示す図であり、（ｂ）は入出力特性の一例を示す図である。

符号の説明

１・・能動素子（ＦＥＴ）、 ２、４・・整合回路、 ３・・λ／４伝送線路、 ５、６５・・負荷、 ６・・ゲートバイアス回路、 ７・・ドレインバイアス回路、 １１・・レベル検出回路、 １２・・テーブル部、 １３・・ＣＰＵ、 ２１・・電圧変換トランス、 ２２・・マトリクス回路、 ３１、４２、Ａ１〜Ａ８・・コイル（インダクタンス）、 ４１ａ〜４１ｄ・・整流器、 ５１ａ、５１ｂ・・コンデンサ、 ５２ａ〜５２ｄ・・スイッチ、 Ｂ１〜Ｂ８・・整流回路、 Ｃ１〜Ｃ８・・充電回路、

Claims (1)

1. 信号を増幅する増幅装置において、
   供給される制御値に応じた特性で増幅対象となる信号を増幅する非線形な能動素子と、
   前記増幅対象となる信号のレベルを検出するレベル検出手段と、
   前記能動素子について所定の入出力特性が実現されるように、前記検出されたレベルに基づいて前記能動素子へ供給する制御値を決定する決定手段と、
   前記決定された制御値を前記能動素子へ供給する供給手段と、
   を備えたことを特徴とする増幅装置。

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