JP2002500846A - 低歪み電力増幅器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 歪みを低く抑えつつ効率的な電力増幅を行う方法および装置は、エンベロープ検出器（２２０），差動増幅器（１３０），エンベロープ増幅器（２７０），および電力増幅器（２６０）を含む。出力から第２エンベロープ検出器（１２０）を介して差動増幅器（１３０）まで、フィードバック経路を設ける。フィードバック回路は、ＲＦ帯域幅ではなく、ＲＦ信号のエンベロープの帯域幅に作用する。エンベロープ増幅器（２７０）は、差動増幅器（２７２），パルス幅変調器（２７５），ドライバ（２８０），スイッチング・トランジスタ（２８５），ロー・パス・フィルタ（２９０），および電圧スケーラ（２９２）を含む。エンベロープ増幅器内のフィードバック経路が、ロー・パス・フィルタ（２９０）によって引き起こされる時間遅延を減少させる。結合したフィードバック・ループは、協同して歪みを低減し、相互変調生成成分を低下させる。

Description

【発明の詳細な説明】 低歪み電力増幅器 発明の分野 本発明は、一般的に、電力増幅器に関し、更に特定すれば、高効率電力増幅器 に関するものである。 発明の背景 信号を増幅するには、種々の装置が利用可能である。変調信号の増幅および送 信を伴う増幅器の用途では、増幅器の効率が重視される。加えて、多くの変調信 号が信号の振幅エンベロープおよび位相内に情報を含むので、当該信号を忠実性 高く再生する能力も重視される。特に、増幅器は、非常に低い振幅歪みおよび非 常に低い位相歪みを呈することが好ましい。 振幅および位相双方に情報を有する信号を送信することが多い通信機器は、こ れらの品質が要求される用途の一例である。低歪みによって、通信機器はより信 頼性の高い通信をすることが可能となり、高効率によって、機器は１つのバッテ リで可能な動作が延長する。 効率向上を達成する１つの方法は、飽和増幅器を使用す ることである。Ｃ級増幅器のような飽和増幅器は、非線形化という犠牲を払って 、高効率という目標を達成する。しかしながら、非線形の増幅器は、振幅エンベ ロープ内に情報が含まれる用途には使用することはできない。何故なら、その情 報が、非線形の増幅によって転化するからである。振幅情報が非線形な増幅器に よって転化した場合、振幅歪みが発生している。 歪みおよび情報の損失に加えて、飽和型増幅器の非線形動作は、相互変調生成 成分(intermodulation product)の増大を招く。相互変調生成成分は、使用しよ うとする周波数帯域以外の周波数帯域にも望ましくない量のエネルギを与える原 因となる。この望ましくないエネルギは、一般的に、隣接チャネル電力（ＡＣＰ ：A djacent Channel Power）によって定量化され、このように称されている。 ＡＣＰが過剰に高いレベルとなると、増幅器は特定の用途には不適切となる可能 性がある。 従来より増幅器を飽和状態に駆動することによって効率を得ており、飽和状態 に増幅器を駆動すると相互変調生成成分の増大を招くので、高効率および低相互 変調生成成分は、以前から互いに対するトレード・オフとなる関係であった。し たがって、高効率の飽和増幅器において、相互変調生成成分の減少を達成するこ とにより、これら２つの間のトレードオフの必要性を未然に防ぐことができれば 非常に望ましいであろう。 このように、振幅応答が線形であり、その結果として振幅歪みが少ない高効率 飽和増幅器が必要とされている。また、相互変調生成成分が少ない高効率飽和増 幅器も必要とされている。 図面の簡単な説明 本発明は、添付の請求の範囲に特定して指摘されている。しかしながら、添付 図面と関連付けながら以下の詳細な説明を参照することにより、本発明のその他 の特徴は一層明確となり、本発明を最良に理解することになろう。 第１図は、本発明の好適実施例による増幅回路の図である。 第２図は、本発明の好適実施例によるエンベロープ増幅器の図である。 第３図は、本発明の一実施例による通信機器の図である。 第４図は、本発明の一実施例にしたがって、電力増幅器に発生する歪みを低減 する方法のフロー・チャートを示す。 第５図は、本発明の好適実施例にしたがって、増幅器内の歪みを低減する方法 のフロー・チャートを示す。 図面の詳細な説明 概して言えば、本発明は、入力信号の位相とは別個に入 力信号のエンベロープを増幅し、出力信号のエンベロープを回路のフィードバッ クとして供給する電力増幅回路を提供することにより、先に確認した問題の解決 を図ろうとするものである。 第１図は、本発明の好適実施例による増幅回路の図を示す。第１図に示すよう な、エンベロープ消去および再現（ＥＥＲ：Envelope elimination and restora tion）型増幅器は、高効率増幅器として認識されている。 ＥＥＲは、効率は高いが非線形の無線周波数（ＲＦ）電力増幅器を、別の効率 が高い増幅器と組み合わせることにより、高効率線形増幅システムを得ることを 可能にする技法である。検出したエンベロープは、Ｓ級またはＲＦエンベロープ の帯域幅で動作すればよいその他の高効率電力増幅器によって、効率的に増幅す る。最終ＲＦ電力増幅器の振幅変調によって、位相変調キャリアにエンベロープ を復元し、入力信号を増幅したレプリカを形成する。 ＥＥＲ型増幅器１０は、電力デバイダ２１０，エンベロープ検出器２２０，差 動増幅器１３０，エンベロープ増幅器２７０，リミッタ２４０，電力増幅器２６ ０，カプラ２６２，およびエンベロープ検出器１２０を含む。ＥＥＲ型増幅器１ ０は、ＲＦ入力を電力デバイダ２１０に受信する。電力デバイダ２１０は、ＲＦ 入力信号を、エンベロープ検出器２２０に至る振幅経路，およびリミッタ２４０ に至る位相経路に分割する。 ＥＥＲ型増幅器１０の位相経路は、リミッタ２４０および電力増幅器２６０を 含む。リミッタ２４０は、電力デバイダ２１０からの信号出力を受信し、振幅が この信号を制限する。リミッタ２４０は、省略することができ、あるいは弱い制 限を行うことができるが、リミッタ２４０の出力が、振幅情報を殆どまたは全く 有さない位相情報を含むようにするには、リミッタ２４０が強い制限を行うこと が好ましい。振幅を制限されリミッタ２４０から出力された信号は、電力増幅器 ２６０に入力される。 第１図に示す好適実施例からは、従来の殆どのＥＥＲ型増幅器の位相経路にお いて見られる時間遅延素子が除去されていることが注目されよう。時間遅延素子 は、通常、振幅および位相経路における遅延のバランスを取るように機能する。 本発明の好適実施例は、遅延の一致を得るために他の手段を備えるので、時間遅 延素子を省略可能であるという利点がある。好適実施例のこの有利な特徴につい ては、以下で振幅経路およびエンベロープ増幅器との関連において更に論ずるこ とにする。 ＥＥＲ型増幅器１０の振幅経路は、エンベロープ検出器２２０，差動増幅器１ ３０，およびエンベロープ増幅器２７０を含む。エンベロープ検出器２２０は、 ＲＦ入力信号のエンベロープを検出し、元のＲＦ入力信号に含まれている振幅情 報を表すエンベロープ信号を出力する。エンベロープ検出器２２０はダイオード 検出器であることが好ましい が、二重平衡ミキサに基づく同期検出器のような、他の形式の検出器も使用可能 である。 差動増幅器１３０は、エンベロープ検出器２２０からの入力エンベロープ信号 を受信し、エンベロープ検出器１２０が発生した出力エンベロープ信号とこれを 比較する。差動増幅器１３０の出力は、入力エンベロープ信号が多少歪んだもの となっている。混入した歪みは、電力増幅器２６０が原因で含まれるいずれの歪 みとも等しくかつ逆であることが好ましい。この歪み機能を得るために、差動増 幅器１３０は、差を増幅する前に、入力エンベロープ信号，出力エンベロープ信 号，または双方のいずれかにスケーリングを行うとよい。エンベロープ信号また は差動信号の非線形スケーリングを行うことが有利な場合、これは差動増幅器１ ３０によって行うことができる。差動増幅器１３０は、種々の既知の方法で実施 可能であるが、演算増幅器とすることが好ましい。 エンベロープ検出器１２０およびエンベロープ検出器２２０を整合させること により、これら双方が回路に同じ効果を与えるようにすることが好ましい。双方 のエンベロープ検出器が整合した場合、不整合のために混入する可能性のある歪 みが減少する。更に、エンベロープ検出器１２０およびエンベロープ検出器２２ ０は、同一パッケージ内に配置し、同一基板上に製造することが好ましい。 カプラ２６２は、フィードバックのための出力信号をサ ンプリングするために用いられる。勿論、カプラ２６２の代わりにも、出力信号 をサンプリングするあらゆる手段が使用可能であり、その場合も本発明を実施す ることに変わりはない。カプラ２６２は、ＲＦ出力波形のサンプルを取り込み、 エンベロープ検出器１２０を介して振幅経路にそれをフィード・バックする。こ のフィードバック構成によって、非常に高い周波数の信号をフィードバックする 必要なく、非常に高い周波数で動作する増幅器にフィードバックするという既知 の利点が得られる。ループの帯域幅の要件は、ＲＦ帯域幅ではなく、エンベロー プの帯域幅によって決まるので、ＲＦ信号の周波数が高くなっても、前述のフィ ードバックの利点を実現し続けることができる。 実際に、実験の結果から、第１図に示すようなＥＥＲ型増幅器におけるエンベ ロープ・フィードバックにより、相互変調生成成分に格段の改善がもたらされた ことが示された。第１図に具体化した本発明の方法および装置は、ＥＥＲ型増幅 器の相互変調性能を十分に改善するので、最大電力飽和動作が可能であり、しか も他の場合には満たすことができない、厳しい隣接チャネルの電力要件も満たす ことができる。 エンベロープ増幅器２７０は、差動増幅器１３０からのエンベロープ信号出力 を増幅し、電力増幅器２６０のドレイン・バイアスを駆動する。エンベロープ増 幅器２７０は、ＲＦ増幅器のかなり高いＲＦ帯域幅ではなく、エンベロー プの帯域幅で動作しさえすればよいので、エンベロープ増幅器２７０は、帯域幅 の要件緩和のため、安価で効率的な増幅器とすることができる。エンベロープ増 幅器２７０を実施するには多くの可能な方法があることを当業者は認めようが、 好適実施例では、エンベロープ増幅器２７０はＳ級増幅器である。 エンベロープ増幅器２７０は、所望の出力と同一レベルにエンベロープ信号を 増幅する。エンベロープ増幅器の出力は、ＲＦ電力増幅器２６０への電源となる 。その結果位相変調ＲＦキャリアが再変調されてエンベロープが復元され、入力 信号を増幅したレプリカが得られる。 第２図は、本発明の好適実施例によるエンベロープ増幅器の図を示す。エンベ ロープ増幅器２７０は、差動増幅器２７２，パルス幅変調器（ＰＷＭ）２７５， ドライバ２８０，スイッチング・トランジスタ２８５，ロー・パス・フィルタ２ ９０，および電圧スケーラ２９２を含む。 差動増幅器２７２は、エンベロープ増幅器２７０への入力を受信し、エンベロ ープ増幅器２７０の出力をスケーリングしたものと比較する。エンベロープ増幅 器２７０の出力をスケーリングしたものは、エンベロープ増幅器２７０の出力を サンプリングし、その得られた信号を電圧スケーラ２９２を用いてスケーリング することによって生成する。この信号経路は、エンベロープ増幅器２７０内部で フィードバックを与える。出力のサンプリングは直接接続が好ま しいが、回路に加わる負荷が少ないサンプリング手段も適している。 差動増幅器２７２は、差を増幅する前に、その入力信号のいずれかまたは双方 をスケーリングすることができる。エンベロープ信号または差信号に非線形のス ケーリングを行うことが有利な場合、差動増幅器２７２はこれを行うことができ る。第２図に示す好適実施例では、電圧スケーラ２９２がサンプル出力をスケー リングし、差動増幅器２７２はその入力信号のいずれもスケーリングしない。差 動増幅器２７２は、種々の周知の方法で実施可能であるが、演算増幅器とするこ とが好ましい。 ＰＷＭ２７５は、差動増幅器２７２からのエンベロープ信号出力のパルス幅変 調を行い、エンベロープ信号の振幅に比例するデューティ・サイクルを有するパ ルス幅変調信号を生成する。次に、パルス幅変調信号をドライバ２８０に供給す る。スイッチング・トランジスタ２８５およびロー・パス・フィルタ２９０は、 ドライバ２８０に応答して、差動増幅器２７２の出力を増幅した信号を生成する 。 この回路構成では、差動増幅器２７２の出力がＰＷＭ２７５に入力されるので あり、エンベロープ信号が直接ＰＷＭ２７５に入力されるのではない。このよう なフィードバックにより、エンベロープ増幅器２７０の出力は、振幅および位相 双方が、エンベロープ増幅器２７０の入力と非常に密接に整合することになる。 ロー・パス・フィルタ２９０ の出力は、ＰＷＭ２７５の入力に対して遅延するが、フィードバックの効果のた め、エンベロープ増幅器２７０の入力に対しては遅延しない。 従来のＥＥＲ型増幅器は、パルス幅変調器に続くロー・パス・フィルタにおい て混入する遅延のために、エンベロープ増幅器において著しい時間遅延を呈する 。第２図に示す本発明の好適実施例では、ロー・パス・フィルタ２９０に起因す る遅延の影響は、フィードバックによって除去されている。エンベロープ増幅器 ２７０内に遅延がないことの重要性は、ＥＥＲ型増幅器１０を全体的に検討する 際に明らかとなる。 既に述べたように、従来のＥＥＲ型増幅器は、エンベロープ増幅器のロー・パ ス・フィルタにおける遅延と一致するように、位相経路に遅延素子を含む。多く の場合、この遅延は非常に密接に一致しなければならず、そのための多大な出費 を意味する可能性がある。ここに例示する好適実施例におけるように、増幅経路 において遅延を解消することにより、位相経路における遅延を解消することがで き、その結果コスト削減および回路の複雑度低下がもたらされる。 第１図および第２図の回路を組み合わせることにより、２つのフィードバック ・ループを有し、一方が他方の中に埋め込まれたＥＥＲ型増幅器が形成される。 第２図に示す閉ループ・エンベロープ増幅器は、内部フィードバック・ループを 形成する。外部フィードバック・ループは、ＥＥ Ｒ型増幅器の出力において復元されるエンベロープの検出によって形成される。 差動増幅器を用いて、この出力において検出されたエンベロープをＲＦ入力エン ベロープと比較し、エンベロープ増幅器を駆動する新たな信号を発生する。この 新たな信号は、入力および出力エンベロープをほぼ同一とし増幅プロセスにおけ る歪みを低減するために必要な歪みを含む。 第３図は、本発明の好適実施例による通信機器の図を示す。通信機器３００は 、電力増幅回路３２０およびアンテナ３１０を含む。電力増幅回路３２０は、本 発明の低歪み増幅器のいずれとしてもよく、例えば、ＥＥＲ型増幅器１０（第１ 図）を含む。通信機器３００は、通信が可能な多くの異なる機器の１つとすれば よい。その例には、衛星通信システムにおける個々の加入者ユニット，アマチュ ア無線機，業務帯域無線機，双方向ページャ，およびセルラ・フォンが含まれる が、これらに限定される訳ではない。 第４図は、本発明の一実施例にしたがって、電力増幅器において発生する歪み を低減する方法のフローチャートを示す。方法４００は、ステップ４１０から開 始し、ここで入力信号を振幅成分および位相成分に分割する。ステップ４１０の 後、入力信号の振幅成分および位相成分は、他方に影響を与えることなく、各々 変更することができる。 次に、ステップ４２０において、入力信号および出力信号の振幅成分の関数と して、増幅したエンベロープ信号を 生成する。これを行うために、出力信号のエンベロープ検出したものを振幅経路 にフィードバックする。得られた増幅エンベロープ信号は、入力エンベロープお よび出力エンベロープからの情報を含む。増幅エンベロープ信号は出力信号から の情報を含むので、増幅エンベロープ信号は、増幅器チェーンにおいて増幅エン ベロープ信号に追従して発生する歪みの影響を減少するように予め歪ませてある 。好適実施例では、増幅エンベロープ信号は、入力エンベロープと出力エンベロ ープとの差として生成する。この機能は、差動増幅器１３０（第１図）として例 示されている。 ステップ４２０の後、ステップ４３０において、増幅エンベロープ信号によっ て位相成分を変調し、出力信号を生成する。この変調は、電界効果トランジスタ （ＦＥＴ）増幅器のドレインを変調することによって行うことができる。このよ うに、増幅エンベロープ信号は、最終ＲＦ増幅器の電源として機能する。方法４ ００におけるステップの結果として、出力信号は、従来の方法で得ることができ るものよりも、入力信号を一層忠実に再生したものとなる。 第５図は、本発明の好適実施例にしたがって、増幅器における歪みを低減する 方法のフローチャートを示す。ステップ５１０において、入力信号のエンベロー プを検出し、入力エンベロープ信号を生成する。次に、ステップ５２０において 、出力信号のエンベロープをサンプリングし、出力エンベロープ信号を生成する 。入力エンベロープ信号を検 出し、出力エンベロープ信号をサンプリングした後、ステップ５３０において、 ２つのエンベロープ信号の関数として、第１信号を生成する。 この第１信号は、従来のフィードバック・システムにおける「誤差」信号に類 似する。何故なら、これは、入力および出力双方からの情報を含むからである。 好適実施例では、出力エンベロープ信号にスケーリングを行い、次いで、入力エ ンベロープ信号とスケーリングを行った出力エンベロープ信号との間の差を取る ことにより、第１信号を生成する。 次に、ステップ５４０において、第１信号を増幅し、増幅エンベロープ信号を 生成する。第１信号を増幅する増幅器の一例を、エンベロープ増幅器２７０（第 ２図）として示す。第１信号を増幅するステップ５４０において、増幅器はフィ ードバック・ループを含むことが好ましい。増幅器の出力は、スケーリングの後 、増幅器の入力にフィードバックする。次に、スケーリングした出力を第１信号 と比較し、第２信号を生成する。第２信号をＳ級増幅器によって増幅する。Ｓ級 増幅器は、第２信号に比例するデューティ・サイクルを有するパルス幅変調信号 を発生し、次にこのパルス幅変調信号をロー・パス・フィルタに通過させ、増幅 エンベロープ信号を生成する。 次に、ステップ５５０において、増幅エンベロープ信号によって増幅段を変調 する。方法５００におけるステップ の結果として、出力信号は、従来の方法で得られるものよりも入力信号を一層忠 実に再生したものとなる。 要約すれば、本発明の方法および装置は、相互変調生成成分を容認し得る程度 に低く抑えつつ、最大電力で飽和増幅器を動作させる手段を提供する。加えて、 記載した本発明の方法および装置は、効率の高い線形電力増幅器において歪み低 減を達成する多様な方法を表すものである。非常に効率が高くしかも歪みが少な い線形増幅器は、振幅および位相双方に情報を含む変調信号の増幅に非常に有用 である。振幅および位相双方に情報を有する信号を送信することが多い通信機器 は、本発明の装置および方法から、多大な恩恵を得ることになる。歪みが少ない ために、通信機器は一層信頼性高く通信することが可能となり、更に高い効率の ために、機器は１つのバッテリで動作可能な時間が延長する。 これまでの特定実施例の説明は、本発明の全体的な特徴を余すことなく明示し たので、他の者は、全体的な概念から逸脱することなく、現在の知識を適用する ことによって、種々の用途のために容易にかかる特定実施例を変更および／また は改造することが可能である。したがって、かかる改造および変更は、開示した 実施例の均等の意味および範囲に該当すると理解することを意図するものである 。例えば、カプラ２６２およびエンベロープ検出器１２０を単一の機能に結合す ること、あるいは電力増幅器２６０は多く の増幅段で構成することが可能である。 尚、ここで採用した表現や用語は、記述の目的のためであり、限定を目的とす るものでないことは理解されよう。したがって、本発明は、添付する請求の範囲 の精神および広範な範囲に該当する代替物，変更物，等価物および変形を全て包 含することを意図するものである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジャクソン，ロバート・マイケル アメリカ合衆国アリゾナ州ギルバート、イ ースト・マークエット・ドライブ1902

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．電力増幅器において発生する歪みを低減する方法であって： 入力信号を振幅経路および位相経路に分割する段階； 前記位相経路における増幅段を、前記振幅経路からの増幅エンベロープ信号に よって変調する段階；および 前記電力増幅器の出力を前記振幅経路にフィードバックする段階； から成ることを特徴とする方法。 ２．前記フィードバック段階は： 前記電力増幅器の前記出力をエンベロープ検出し、出力エンベロープ信号を生 成する段階；および 前記増幅エンベロープ信号を、前記入力信号および前記出力エンベロープ信号 の関数として生成する段階； を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。 ３．増幅器であって： 入力信号のエンベロープを検出し、入力エンベロープ信号を生成する第１エン ベロープ検出器； 出力信号のエンベロープを検出し、出力エンベロープ信号を生成する第２エン ベロープ検出器； 前記入力エンベロープ信号および前記出力エンベロープ 信号に応答して、第１差信号を生成する第１差動増幅器； 前記第１差信号を増幅し、増幅エンベロープ信号を生成するエンベロープ増幅 器；および 前記出力信号を生成する電力増幅器； から成り、前記電力増幅器を、前記増幅エンベロープ信号によって変調すること を特徴とする増幅器。 ４．前記エンベロープ増幅器はＳ級増幅器であることを特徴とする請求項３記載 の増幅器。 ５．前記第１差動増幅器は、前記第１差信号を生成する前に、前記出力エンベロ ープ信号にスケーリングを行うことを特徴とする請求項３記載の増幅器。 ６．前記第１差動増幅器は、前記第１差信号を生成する前に、前記入力エンベロ ープ信号にスケーリングを行うことを特徴とする請求項３記載の増幅器。 ７．前記エンベロープ増幅器は： 前記第１差信号および前記増幅エンベロープ信号に応答し、第２差信号を生成 する第２差動増幅器；および 前記第２差信号に応答し、前記増幅エンベロープ信号を生成する増幅段； から成ることを特徴とする請求項３記載の増幅器。 ８．前記第２差信号に応答する前記増幅段は、Ｓ級増幅器であることを特徴とす る請求項７記載の増幅器。 ９．前記第１エンベロープ検出器および前記第２エンベロープ検出器が整合して いることを特徴とする請求項３記載の増幅器。 １０．前記第１エンベロープ検出器および前記第２エンベロープ検出器を、共通 パッケージに内蔵することを特徴とする請求項３記載の増幅器。