JP2002290158A - 自励振動式電力増幅器 - Google Patents

自励振動式電力増幅器

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JP2002290158A
JP2002290158A JP2002017922A JP2002017922A JP2002290158A JP 2002290158 A JP2002290158 A JP 2002290158A JP 2002017922 A JP2002017922 A JP 2002017922A JP 2002017922 A JP2002017922 A JP 2002017922A JP 2002290158 A JP2002290158 A JP 2002290158A
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Michiel Steyaert
ミシエル・ステイエルト
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来技術の回路と比べてはるかによい電力効
率を有する電力増幅器を提供すること。 【解決手段】 電力増幅器は、入力信号が印加される比
較器COMP、帰還ローパスフィルタLPFBを介して
前記比較器COMPの第2の入力端子Cin2に結合さ
れたデジタルバッファBUFを備える。それによって、
帰還ローパスフィルタの帯域幅に関係する振動周波数を
もつ不安定ループが生成される。入力信号の存在下で、
この自励振動周波数はシステムを線形化し、その結果、
優れた電力効率をもつ電力増幅器となる。差動型タイプ
のものには、これらの自励振動ループが2つ設けられて
いる。それによって2つのループを結合することによ
り、高周波の自励振動が負荷に伝わらないようにする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、請求項1の非特徴
部分に記載のような電力増幅器に関する。
【0002】
【従来の技術】このような電力増幅器は、例えばD.S
uおよびW.McFarlandによる論文「An I
C for Linearizing RF Powe
r Amplifiers using Envelo
pe Eliminationand Restora
tion」、ISSCC 1998 Technica
l Digest、paper 3.6−2から当技術
分野ですでに知られている。その中で、D級緩衝器およ
びローパスフィルタと直列の比較器が抵抗負荷に結合さ
れている回路が図2aに示されている。この回路は、シ
ステムの出力から入力への直接帰還を有する。
【0003】このような回路の欠点は、その動作が、図
2bに明示されているように、明らかにクロックする必
要があるスイッチコンデンサに基づいていることであ
る。しかし、このような高周波のサンプリングクロック
の存在により、電力消費が非常に増大する。このこと
は、特に、出力増幅器の電力消費が非常に問題となるx
DSLシステムで、この回路の使用をひどく妨げる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は上記の
知られているタイプの電力増幅器でありながら、従来技
術の回路と比べてはるかに電力効率のよい電力増幅器を
提供することである。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、この目
的は、請求項1の特徴部分にさらに記載されているよう
に、増幅装置の帰還ループ内のローパスフィルタの存在
によって達成される。
【0006】このようにして、帰還パス内にローパスフ
ィルタを挿入することによって、このローパスフィルタ
の帯域幅に関係する振動周波数を有する、不安定な帰還
ループが作成される。このループ内でのリミットサイク
ル振動は、結果として、出力部でこの振動周波数をもつ
方形波となる。この不安定システムが、比較器の入力
で、この自励振動周波数よりも低い周波数を有する外部
信号Vinが加えられると、この自励振動またはリミッ
トサイクル振動はディザ(dither)として働き、
比較器の各入力間の差分信号または誤差信号が比較器の
入力でのリミットサイクル振幅よりも小さい限り、シス
テムを線形化する。出力は、自励振動周波数および増幅
強化された信号を含む方形波である。リミットサイクル
振幅とは、外部入力信号が存在しない場合の比較器の各
入力の間の振幅を意味するものである。
【0007】この増幅器はスイッチング型増幅器である
ので、xDSLでのようにバッファリング信号が高い波
高率を持つときでさえも、高い効率を得ることができ
る。それゆえ、従来技術のシステムと比べて、クロック
を使用せず、電力効率が大いに改善される。
【0008】本発明の別の特徴的な点が、請求項2に記
載されている。
【0009】このようにして、増幅装置の出力と負荷の
間に追加のローパスフィルタを挿入することによって、
高周波の変調成分がフィルタリングされる。
【0010】本発明のさらに別の特徴的な点が、請求項
3に記載されている。
【0011】このことは、帰還パス内のローパスフィル
タのカットオフ周波数によって主に決定される最小自励
振動周波数が、増幅すべき入力信号の帯域幅より3倍大
きくするだけでよいことを意味している。すでに述べた
従来技術のシステムでは、スイッチングまたはクロック
周波数は、量子化雑音を十分に抑圧するためには一般に
入力信号の帯域幅よりも10倍以上大きくなければなら
ない。これは、従来技術のシステムでは、信号が不連続
振幅の、不連続時間信号によって表されるが、本増幅器
では、信号は、不連続振幅の、連続時間信号であるから
である。これは、より高い達成可能な帯域幅に関して、
本増幅器の付加的な利点をもたらす。
【0012】請求項4は、差動タイプの出力増幅装置を
記載している。
【0013】シングルエンドタイプのものに比べて、差
動型構造は、電源変調の除去とよりよい雑音余裕を提供
する。これは、本発明の増幅器で達成可能な最大信号対
雑音比を高める。
【0014】2つの振動ループが互いに引き寄せられる
ので、効率の増大が達成される。したがって主スイッチ
ング周波数は、負荷にとって共通のモードになるので、
負荷に転送されない。このこともまた電力効率を高め
る。
【0015】本発明のさらに別の特徴的な点が、請求項
7で述べられている。
【0016】変圧器を介して負荷を結合することによっ
て、高周波の共通モード成分を完全にフィルタリングす
ることができ、負荷は増幅器から直流電気的に(gal
vanically)減結合される。
【0017】本発明のさらに別の特徴的な点が、請求項
8で述べられている。
【0018】コンデンサの存在によって、2つの振動ル
ープ間の結合が改善され、よりよい信号の一体化(inte
grity)が得られる。また、このコンデンサと変圧器の
組合せにより、変圧器コイルの巻線の直列インピーダン
スが低下し、増幅器の効率がさらに改善される。
【0019】添付の図面に関連した実施形態についての
以下の記述を参照すると、本発明の上記および他の目的
および特徴がより明らかになり、本発明自体もまたよく
理解できるであろう。
【0020】
【発明の実施の形態】図1に、本発明の出力増幅装置A
Sのシングルエンドの略図を示す。この増幅装置は、入
力信号vinを供給することができる入力端子INを備
える。入力端子INは、比較器COMPの第1の入力端
子Cin1と結合される。この比較器は、第2の入力端
子Cin2を備え、また両入力端子に供給された入力信
号を互いに比較するように構成されている。この比較の
結果は、デジタルバッファBUFの入力端子Binとさ
らに結合された比較器の出力端子Coutに伝達され
る。デジタルバッファは、Binに存在するデジタル入
力信号を増幅して、出力増幅装置ASの出力端子OUT
とさらに結合されたその出力端子Boutに、増幅した
信号を伝達する。Boutはまた、帰還ループ内で、帰
還ローパスフィルタLPFBを介して比較器の第2の入
力端子Cin2に結合される。すなわち、BoutはL
PFBの入力端子LPFBinに結合されるが、このロ
ーパスフィルタの出力端子LPFBoutは、Cin2
に結合される。増幅装置ASは、増幅装置ASの出力端
子OUTをこの負荷インピーダンスの端子に結合するこ
とによって、負荷Rloadに電力を伝達することにな
る。図1に示す実施形態では、バッファ出力端子Bou
tと増幅装置の出力端子OUTの間に第2のローパスフ
ィルタLPSが示されている。しかし、まずこの第2の
ローパスフィルタLPSのない実施形態について、増幅
装置ASの機能性を説明する。
【0021】帰還ローパスループフィルタLPFBは、
また入力信号の存在下でループが不安定であるように構
成されている。これは、システムが外部入力信号の存在
なしに振動する自励振動周波数が、システムの入力周波
数の帯域幅より少なくとも3倍大きいように、ローパス
フィルタのオーダおよびカットオフ周波数を注意深く選
択することによって実現されている。この考えは、例え
ばA.GelbおよびW.Vander Velde著
の学習用ハンドブック「Multiple−input
describing functions and
non−linear system desig
n」、McGraw−Hill BookCompan
y、1968で見ることができる。この場合も、入力信
号の存在下で不安定性が保たれる。したがって、ループ
もまた、入力信号vinの存在下で、以下リミットサイ
クル振動数と呼ぶこの自励振動周波数で振動することに
なる。この状態では、リミットサイクルまたは振動サイ
クルはディザとして働き、比較器COMPの2つの入力
間の誤差信号が比較器の入力でのリミットサイクル振幅
よりも小さい限りシステムを線形化する。この場合、出
力はリミットサイクル振動数と駆動入力信号を含む方形
波である。リミットサイクル振幅とは、外部入力信号が
ない場合の比較器の入力間の振幅を意味する。
【0022】これらの高周波振動成分をフィルタリング
するために、バッファ出力端子Boutと増幅装置の入
力端子OUTの間に第2のローパスフィルタを結合する
ことができる。
【0023】線形化システムの伝達関数は、リミットサ
イクル振幅に依存している。このことは、以下の数学的
考察から理解することができる。
【0024】比較器COMP、バッファBUFおよび帰
還フィルタLPFBから成るシステムを、記述関数手法
を使用して解析することができる。この手法では、デジ
タルバッファBUFへと続く比較器COMPを、以下に
記載する関数N’(A)によってモデル化することがで
きる。
【数1】 ここで、pは比較器の1次の極であり、N(A)は、
入力振幅Aに依存する複素ゲインである。このゲイン
は、以下の方程式を用いて計算することができる。
【数2】
【0025】振幅Aを持つループ内に存在する、理想的
な比較器COMPおよびただ1つの周波数ωに対し
て、結果は以下のようになる。
【数3】
【0026】このことから、以下の複素方程式を解くこ
とによって、リミットサイクル振幅および振動数を計算
することができる。
【数4】 これは固有の非線形システムであるので、これらの方程
式を使用して入力INでの入力信号vinのシステム応
答を計算することはできない。これは、重ね合わせの原
理がもはや当てはまらないためである。これを解析する
ために二正弦波記述関数(Two−Sinusoid
Describing Function)を計算し
た。
【0027】
【数5】 N’は、入力信号vinを入力INに印加したときに
生じるcin1とcin2の間のリミットサイクル振幅
Aおよび誤差信号eの振幅に依存する卓越極(domi
nant pole)pおよび複素ゲインNによっ
て比較器COMPを表したものである。この複素振幅
は、以下のように計算することができる。
【数6】 ここで、F(y(x))は、比較器のDC伝達特性y
(x)のフーリエ変換であり、Jは、0次の第1種ベ
ッセル関数である。Jは、1次の第1種ベッセル関数
である。理想的な比較器のフーリエ変換を用いてこの方
程式を解くと、
【数7】
【数8】 となる。ここで、は、2次の分子(nomina
tor)および1次の分母(denominator)
を持つ超幾何関数である。e<Aのとき、は1に
なり、伝達関数は入力信号に依存せず、したがって、ひ
ずみを低下させる。この方程式は、あるひずみレベルが
要求されたときに最大出力電圧に制限を与える。COM
P、BUF、LPFBから成る完全なシステムの伝達関
数は、次のようになる。
【数9】
【0028】このことから、システムが自己適応性であ
ると考えることができる。変化する負荷条件が、デジタ
ルドライバの入出力特性に影響を与えるので、リミット
サイクル振幅および振動数が変化する。しかし、LPF
Bの伝達関数は影響されないので、加えられる信号につ
いての完全なシステムの伝達関数は変化しない。
【0029】リミットサイクル振幅がデジタルバッファ
に結合された負荷に依存することもまた明らかになるの
で、完全なシステムは荷重変動に対して自己適応性にな
る。自励振動周波数をフィルタリングするエクストラロ
ーパスフィルタLPSの存在下では、この影響はあまり
目立たなくなる。
【0030】図2は、本発明の増幅装置の差動型タイプ
を示す。この実施形態は、主に第1の実施形態で記載し
たものと類似した2つのループから成る。第1のループ
は、比較器COMP1、デジタルバッファBUF1およ
びローパスフィルタLPFB1から成り、第2のループ
は、比較器COMP2、デジタルバッファBUF2およ
びローパスフィルタLPFB2から成る。第1のループ
は、差動増幅装置ADの第1差動入力端子IN1に結合
され、一方、第2のループは、差動増幅装置ADの第2
の差動入力端子IN2に結合される。両差動入力端子I
N1とIN2の間に、差動入力信号vdiffを印加す
ることができる。差動電力増幅装置ADは、負荷インピ
ーダンスRloadの2つの端子を結合することができ
る、1対の差動出力端子OUT1、OUT2を備える。
両ループは、両ループのリミットサイクル振動周波数が
同じになるように、類似した構成部品を備える。
【0031】差動型タイプのADの動作は、個々のルー
プが両方とも同じリミットサイクル振動周波数で振動す
るという意味で、シングルエンドタイプのASの動作と
類似している。また、この場合、入力信号の帯域幅を各
ループの自励振動周波数より少なくとも3分の1まで小
さくしなければならない。
【0032】負荷を介して2つの振動ループを結合する
ことによって、発振器はお互いのほうへ誘引され、リミ
ットサイクルを同位相で振動させる。したがって、増幅
された入力信号のみが負荷に転送され、高周波振動はこ
の負荷に伝わらないようにする。したがって、差動型構
造は、電源の変調を阻止する。リミットサイクル振動数
が負荷に転送されないので、図1のシングルエンドの実
施形態の場合でのように、追加のローパスフィルタを直
列に加える必要はない。
【0033】両振動ループ間の誘引は、図2にも示すよ
うな、負荷と並列の変圧器Tを用いて実現化されるよう
な誘導結合の存在によって高めることができる。そのよ
うにして、リミットサイクルは変圧器の1次巻線に対し
て共通モードになる。これが変圧器自体によって負荷か
ら減結合されるので、共通モード除去比(common
mode rejection ratio)が改善
される。これにより、雑音余裕が改善される。DSL出
力増幅器への適用においては、このような変圧器がライ
ンを減結合するために存在しているので、別個に設ける
必要はないことに留意されたい。
【0034】図2にも示すように、コンデンサCも、2
つの差動出力端子の間に結合することができる。コンデ
ンサは、低いインピーダンスを提供するという利点があ
り、2つのループ間の誘引を促進する。上記に述べた変
圧器Tと組み合わせると、このコンデンサは変圧器の高
い固有インピーダンスを低減させる。
【0035】図3は、図1および図2の異なる部品のト
ランジスタレベルでの詳細な実施形態を示す。ループフ
ィルタLPFB、LPFB1およびLPFB2は、図3
で「帰還フィルタ」と表示した、帰還電子回路内の高い
線形性を維持するための、3次のRCフィルタとして作
られている。比較器を通る転送時間を短縮するために、
COMP、COMP1およびCOMP2に正の帰還を用
いる3段階構造を選択して、自己バイアス型後増幅器
(self−biasing post amplif
ier)の前で迅速な比較ができるようにした。これ
は、図3で「比較器」と表示したブロック内にすべて含
まれる。スイッチング中の大きな貫通電流(shoot
−through current)を防止するため
に、非オーバーラップ(non−overlappin
g)スイッチング回路を加えた。この非オーバーラップ
信号体系の遅延をデジタルバッファと組み合わせて、大
型の出力ドライバの立上り時間を短縮させる。「DC電
流回路を組み込んでいないデジタルバッファ」と表示し
たブロック内に含まれるトランジスタはすべて、「出力
ドライバ」ブロック内のものと共に、図1のデジタルバ
ッファBUFと図2のBUF1およびBUF2の実施形
態を共に形成している。
【0036】図3に見られるように、この増幅器は、C
MOS技術を使用して実現することができる。図2の構
成を実現する特定の実施形態では、図3の回路は、0.
35μmCMOS技術で実現され、標準の変圧器Tおよ
び標準の結合コンデンサCが使用された。この完全な回
路は、下は2.4Ohmまでのどんな負荷の駆動も実現
可能であることが確認された。このことは、技術のスケ
ーリングに関して重要である。実際、DSL出力増幅器
として使用するとき、ライン上の信号レベルは同じ大き
さ(15V)を保つものであるが、電源電圧は各技術世
代で低下する。この問題を克服し、電流絶縁(galv
anic isolation)を行うために変圧器を
使用する。なお、その場合抵抗は変圧率の平方だけ減少
する。
【0037】3.3Vの電源電圧、2.4Ohmの抵抗
負荷、40nFの線形オーディオコンデンサ(audi
ocapacitor)、1:1の比率のADTT1−
6変圧器について、ピークトゥピーク1.2Vの出力電
圧、0.9の電圧ゲインおよび48%の効率が、ピーク
トゥピーク1.3Vの入力信号に対して得られた。この
効率は、使用した変圧器の損失を含むことに留意された
い。変圧器の損失を較正して除去した場合、61%の効
率が達成される。効率は準線形的(sub−linea
r)に低下し、結果として、1.2以上の波高率をもつ
入力信号に対して、理想的なB級増幅器の効率よりもよ
い効率になることに留意することが重要である。
【0038】図4は、変圧器および結合コンデンサを備
えるこのように実現された差動増幅構造の20MHzま
での出力スペクトルを示す。200kHzの入力信号を
印加した。自励振動周波数は3.8MHzに等しい。こ
の図から、両ループを結合することによって、自励振動
周波数およびその高調波が明らかに抑制されている。こ
の図は、約1MHzまでのより高い信号周波数に対して
もほとんど変わらない。800kHzの入力信号に対し
ては、54.4dBのスピリアスフリーダイナミックレ
ンジ、SFDRと略記される、が計測される。900k
Hzの入力信号に対しては、SFDRは51.2dBの
レベルまで低下する。より高い信号周波数に対しては、
この場合入力信号が自励振動周波数より少なくとも3倍
小さくなければならないということを示す条件が満たさ
れないので、線形化の影響は劇的に低下する。
【0039】特殊な装置との関連で本発明の原理を上記
で説明してきたが、この説明は、実施例としてのみ行わ
れるものであり、頭記の請求項で定義するような本発明
の範囲を制限するものではないことを明確に理解された
い。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のシングルエンド型増幅装置ASの概略
図である。
【図2】本発明の差動増幅装置ADの概略図である。
【図3】図1および図2に示す異なるブロックのトラン
ジスタレベルの実施形態を示す図である。
【図4】図3のような構造ブロックの実施形態を用い
て、図2のような差動構造で計測した出力スペクトルを
示す図である。
【符号の説明】
AD 差動電力増幅装置 AS 電力増幅装置 BUF デジタルバッファ BUF1 第1のデジタルバッファ BUF2 第2のデジタルバッファ Bin バッファ入力端子 Bout バッファ出力端子 C コンデンサ Cin1 比較器の第1の入力端子 Cin2 比較器の第2の入力端子 Cout 比較器の出力端子 COMP 比較器 COMP1 第1の比較器 COMP2 第2の比較器 IN 入力端子 IN1、IN2 差動入力端子 LPFB 帰還ローパスフィルタ LPFB1 第1のローパスフィルタ LPFB2、LPS 第2のローパスフィルタ LPFBin LPFB入力端子 LPFBout LPFB出力端子 OUT 出力端子 OUT1、OUT2 差動出力端子 Rload 負荷 T 変圧器 vin 入力信号 Vin 外部信号 vdiff 差動入力信号
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5J091 AA01 AA41 CA36 FA17 HA09 HA25 HA29 HA35 HA39 KA03 KA42 MA11 MA21 5J092 AA01 AA41 CA36 FA17 HA09 HA25 HA29 HA35 HA39 KA03 KA42 MA11 MA21

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 入力信号(vin)源に結合するための
    入力端子(IN)を備える電力増幅装置(AS)であっ
    て、前記増幅装置が比較器(COMP)をさらに備え、
    比較器の第1の入力端子(Cin1)が前記増幅装置の
    前記入力端子(IN)に結合され、比較器の出力端子
    (Cout)が前記増幅装置のデジタルバッファ(BU
    F)の入力端子(Bin)に結合され、前記デジタルバ
    ッファのバッファ出力端子(Bout)が前記増幅装置
    (AS)の出力端子(OUT)と、前記比較器(COM
    P)の第2の入力端子(Cin2)とに結合され、 前記バッファ出力端子(Bout)が、前記増幅装置
    (AS)の帰還ローパスフィルタ(LPFB)を介して
    前記比較器(COMP)の前記第2の入力端子(Cin
    2)に結合されていることを特徴とする装置。
  2. 【請求項2】 前記バッファ出力端子(Bout)が、
    前記増幅装置(AS)の第2のローパスフィルタ(LP
    S)を介して前記出力端子(OUT)に結合されている
    ことを特徴とする請求項1に記載の電力増幅装置(A
    S)。
  3. 【請求項3】 前記入力信号(vin)の帯域幅が、前
    記電力増幅装置の自励振動周波数より少なくとも3倍小
    さいことを特徴とする請求項1に記載の電力増幅装置
    (AS)。
  4. 【請求項4】 差動入力電圧(vdiff)を印加する
    ことのできる1対の差動入力端子(IN1、IN2)、
    および負荷(Rload)に結合するための1対の差動
    出力端子(OUT1、OUT2)を備える差動電力増幅
    装置(AD)であって、 前記差動電力増幅装置が、前記1対の差動入力端子の第
    1の端子(IN1)に結合された入力端子を備える第1
    の自励振動ループを備え、前記第1の自励振動ループ
    が、第1のデジタルバッファ(BUF1)に結合された
    第1の比較器(COMP1)を備え、第1のデジタルバ
    ッファの出力端子が第1のローパスフィルタ(LPFB
    1)を介して前記第1の比較器の第2の入力端子に結合
    されており、 前記差動電力増幅装置が、前記1対の差動入力端子の第
    2の端子(IN2)に結合された入力端子を備える第2
    の自励振動ループを備え、前記第2の自励振動ループ
    が、第2のデジタルバッファ(BUF2)に結合された
    第2の比較器(COMP2)を備え、第2のデジタルバ
    ッファの出力端子が第2のローパスフィルタ(LPFB
    2)を介して前記第2の比較器の第2の入力端子に結合
    されている、差動電力増幅装置。
  5. 【請求項5】 前記第1の自励振動ループが、前記第2
    の自励振動ループとほぼ同一であることを特徴とする請
    求項4に記載の差動電力増幅装置(AD)。
  6. 【請求項6】 前記差動入力信号(vdiff)の帯域
    幅が、前記差動電力増幅装置(AD)の自励振動周波数
    より少なくとも3倍小さいことを特徴とする請求項5に
    記載の差動電力増幅装置(AD)。
  7. 【請求項7】 前記負荷が、変圧器を介して前記1対の
    差動出力端子に結合されており、変圧器の1次巻線が前
    記1対の差動出力端子(OUT1、OUT2)の間に結
    合され、変圧器の2次巻線が前記負荷と並列に結合され
    ていることを特徴とする請求項4に記載の差動電力増幅
    装置(AD)。
  8. 【請求項8】 前記負荷が、前記1対の差動出力端子
    (OUT1、OUT2)の間に結合されたコンデンサ
    (C)と並列に結合されていることを特徴とする請求項
    4または7に記載の差動電力増幅装置(AD)。
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