JP2003218654A - 高周波電力増幅器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 低ドレインあるいはコレクタ電圧時の利得低
下を抑制でき、かつ効率低下が少ない高周波電力増幅器
を提供する。 【解決手段】 入力部あるいは出力部に減衰回路３を有
する第１の電力増幅器と、前記減衰回路３の減衰量制御
手段４と、コレクタあるいはドレイン電圧供給手段２と
を具備し、前記電圧供給手段２の出力電圧に依存して、
前記減衰量制御手段４により前記減衰回路３の減衰量を
制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高周波増幅器に関
する。特に、近年の携帯電話機端末などに要求される高
い線形性と高い効率を必要とする増幅器に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、携帯電話に代表される小型通信端
末が爆発的に普及しており、その有用性がますます高く
なっている。新しい携帯電話のシステムでは、ＣＤＭＡ
（CodeDivision Multiple Access：符号分割多元接続）
が用いられるようになり、この通信システムでは出力電
力制御が行われる。ＣＤＭＡでは、電力制御の精度がシ
ステムの性能に大きく影響するため、高精度な出力制御
が必要になる。

【０００３】一方で、送信用電力増幅器は、通信端末内
で最大の信号電力を処理するため、送信機の端末電力消
費量に占める割合が大きく、携帯電話の通話、待ちうけ
のための駆動時間を伸ばすためには、出力電力制御時の
各出力電力における送信用電力増幅器の高効率化がきわ
めて重要な課題となっている。

【０００４】送信用電力増幅器は、シリコン半導体やガ
リウム砒素などの化合物半導体を用いたバイポーラトラ
ンジスタ、あるいは電界効果トランジスタで構成され
る。そして、出力電力を制御する従来の方法として、特
開２０００−１９６３８７号公報に開示されているよう
に、増幅素子のドレインバイアス電圧を制御する方法が
ある。

【０００５】出力電力は、ドレイン端の信号電圧振幅と
電流振幅の積に比例するが、一方で、増幅器の効率は、
ドレインバイアス電圧に反比例する。したがって、出力
電力が小さい（ドレイン端電圧振幅が小さい）時には、
ドレインバイアス電圧を低くするように制御することに
より、各出力電力での増幅器の効率は向上する。

【０００６】ただし、増幅素子として用いられる現実の
電界効果トランジスタやバイポーラトランジスタは、ド
レインあるいはコレクタ電圧が低下すると、ドレインあ
るいはコレクタのバイアス電流が低下し、利得低下や歪
みの増大を招くという問題がある。また、出力電力に依
存して増幅器の利得が変動すると出力電力の制御誤差が
大きくなってしまうという問題も生じる。一方、出力電
力の制御誤差を小さくしようとすると、端末の制御回路
が複雑化する。

【０００７】前記特開２０００−１９６３８７号公報の
回路においては、低ドレインバイアス電圧でのドレイン
バイアス電流の低下を防ぐため、図８に示すように、ド
レインバイアス電圧を比較器３６１で検出し、ゲートバ
イアス電圧へフィードバックし、ドレインバイアス電圧
が低いときには、ゲートバイアス電圧を上げることによ
ってドレインバイアス電流を一定に保ち、歪みの増大を
抑制している。

【０００８】しかし、上記例では、特開２０００−１９
６３８７号公報の図４に示されているように、ドレイン
バイアス電流を一定に保っても、ドレインバイアス電圧
が低下するにしたがい、増幅器の利得は低下しており、
制御誤差の増大あるいは端末制御回路の複雑化の課題が
残る。この利得低下は、ドレイン電圧が低下すると、一
定のドレインバイアス電流を保っても増幅用電界効果ト
ランジスタ自体の利得が低下してしまうというデバイス
の根源的な動作特性に起因するものであり、前記従来例
では不可避である。

【０００９】前記従来例において、低ドレインバイアス
電圧時にも利得を一定に保つか、もしくは利得低下をさ
らに抑制しようとすると、低ドレインバイアス電圧に
は、バイアス電流を上記一定値よりも大きくする必要が
ある。しかし、増幅器の効率は、Ａ級動作よりもＡＢ級
あるいはＢ級の方が高いように、一般にバイアス電流を
大きくすると、直流消費電流が増加し、効率が低下して
しまうという新たな課題が生じる。

【００１０】前記従来例では、増幅素子として電界効果
トランジスタが用いられているが、バイポーラトランジ
スタであっても同様の課題が生じる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明が
解決しようとする技術的課題は、上記従来の課題を解決
し、低ドレインあるいはコレクタ電圧時の利得低下を抑
制でき、かつ効率低下が少ない高周波電力増幅器を提供
することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段および作用・効果】本発明
は、上記技術的課題を解決するために、以下の構成の高
周波電力増幅器を提供する。

【００１３】高周波電力増幅器は、入力部あるいは出力
部に減衰回路を有する第１の電力増幅器と、前記減衰回
路の減衰量制御手段と、コレクタあるいはドレイン電圧
供給手段とを具備するものである。そして、前記電圧供
給手段の出力電圧に依存して、前記減衰量制御手段によ
り前記減衰回路の減衰量が制御される。

【００１４】本発明の高周波電力増幅器は、具体的には
以下のように種々の態様で構成することができる。

【００１５】電力増幅器複数の増幅段で構成されるもの
であり、上記構成の高周波電力増幅器が少なくともいず
れかの増幅段に含まれる。

【００１６】また、好ましくは、高周波電力増幅器は、
複数の増幅段で構成され、前記第１の電力増幅器以外の
増幅段のコレクタあるいはドレイン電圧供給手段の出力
電圧に依存して、前記減衰回路の減衰力が制御される。

【００１７】好ましくは、上記構成の第１の電力増幅器
は、最終の増幅段以外に配置される。

【００１８】好ましくは、高周波電力増幅器において、
電圧供給手段の出力電力は、高周波電力増幅器の出力電
力に依存して制御される。

【００１９】好ましくは、上記高周波電力増幅器におい
て、前記減衰量は、前記電圧供給手段の出力電圧の減少
に伴なって低減されるように制御される。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の各実施形態に係る
高周波電力増幅器について、図面を参照しながら説明す
る。

【００２１】図１は、本発明の第１実施形態にかかる高
周波電力増幅器の構造を示すブロック図である。高周波
電力増幅器１００は、図１に示すように、信号増幅用の
増幅素子１、ドレイン電圧供給手段２、減衰回路３及び
減衰量制御手段４を備える。信号増幅用の増幅素子１
は、電界効果トランジスタあるいはバイポーラトランジ
スタ（以下、電界効果トランジスタで代表する。）で構
成されている。ドレイン電圧供給手段２には、通信端末
に内蔵された電池あるいはＤＣ／ＤＣコンバータなどの
電池の出力電圧変換手段が含まれる。減衰量制御手段４
は、前記電圧供給手段２の出力電圧に依存して前記減衰
回路の減衰量を制御するものである。

【００２２】電界効果トランジスタ１の利得をＧａ(d
B)、減衰回路３の減衰量をＬ(dB)と表すと、該高周波電
力増幅器１００の利得Ｇ(dB)は、Ｇ=Ｇａ-Ｌの関係を有
する。ドレイン電圧供給手段２の出力電圧Ｖｄの低下に
伴なって電界効果トランジスタ１の利得Ｇａが低下する
が、上記実施例の高周波電力増幅器１００では、この出
力電圧低下に伴なって、減衰量制御手段によって減衰回
路３の減衰量Ｌを低減する。したがって、ドレイン電圧
供給手段２の出力電圧が低下したときの電界効果トラン
ジスタ１の利得Ｇａの低下が、減衰回路３の減衰量Ｌの
低減によって実効的に緩和され、利得Ｇの低下が抑制さ
れる。

【００２３】より望ましくは、電界効果トランジスタ１
の利得Ｇａの低下量と減衰回路３の減衰量Ｌの低減量が
等しくなるように、減衰量制御手段を設定することによ
り、ドレイン電圧供給手段２の出力電圧Ｖｄが低いとき
であっても、前記従来例のようにドレインバイアス電流
を増加させることなく、高周波電力増幅器の利得Ｇを一
定にすることができ、増幅器の効率向上と出力電力の制
御誤差抑制が可能となる。

【００２４】図１中のＡ−Ｂ間に配置された減衰回路と
しては、図２（Ａ）に示すような可変抵抗素子を用いた
π型減衰回路を用いることができる。

【００２５】また、図２（Ｂ）に示すように減衰量が
Ａ，Ｂ，Ｃなどの複数の減衰回路を設け、それらを図中
のスイッチ５で切り替えることによって減衰量を制御し
てもよい。スイッチ５の切り替えは、減衰量制御手段４
によってなされる。

【００２６】ここで、図２（Ａ）中の減衰回路３の具体
的構成としては図３に示すように、可変抵抗素子として
電界効果トランジスタ６，７を使用することができる。
減衰量制御手段４の出力電圧を電界効果トランジスタ
６，７のゲートに印加することによって、ドレイン−ソ
ース間のチャネル抵抗値を制御し、減衰回路３の減衰量
を制御することができる。

【００２７】ドレイン電圧供給手段２の出力電圧が低く
なったときは、減衰量制御手段４から電界効果トランジ
スタ６のゲートへ出力される制御電圧を高くすることに
よって、チャネル抵抗を減少させるか、もしくは、電界
効果トランジスタ７のゲートへ出力される制御電圧を低
くすることによってチャネル抵抗を増大させることによ
り、減衰回路３の減衰力を低減することによって電界効
果トランジスタ１の利得低下を補償し、増幅器全体とし
ての利得を一定に保つことができる。

【００２８】なお、可変抵抗素子としては、バイポーラ
トランジスタのベース−エミッタ接合などのダイオード
特性素子を用いてもよい。さらに、ベースで制御された
コレクタ−エミッタ間を可変抵抗として用いてもよい。

【００２９】減衰量制御手段４としては、電圧供給手段
の出力電圧を単に抵抗で分割したもの、オペアンプなど
を用いて増幅／電圧シフトなどを行ったもの、マイクロ
コンピュータを用いて電圧供給手段の出力電圧を検知
し、その電圧値から計算により適切な制御信号を発生さ
せるものなどが好適に用いられる。

【００３０】電圧供給手段２として、通信端末に内蔵さ
れた電池にＤＣ／ＤＣコンバータや可変抵抗を接続し、
制御信号によりドレイン電圧を可変できるものを用いる
ことができる。また、複数の電池を直列に接続し、ドレ
イン電圧出力点を電池の各接続点に切り替えることによ
っても電圧を可変することが可能である。

【００３１】本高周波電力増幅器１００の出力電力によ
り、ドレイン電圧を制御したときの入力電力、出力電
力、電界効果トランジスタ６のゲートに印加される減衰
量制御電圧、及び増幅器の利得とドレイン電圧との関係
を図４に示す。ドレイン電圧一定の場合には、出力電力
が小さくなるにしたがって、アンプの効率が低下する。
しかし、ドレイン電圧を増幅器の歪みが許容される電圧
まで低下させることにより、低い高周波出力電力におい
ても、高い効率を得ることができる。

【００３２】しかし、ドレイン電圧の変化により増幅器
の利得が変化する場合には、出力電力に応じて最適なド
レイン電圧を設定しても、増幅器の利得の変化による出
力電力誤差が生じるため、再びドレイン電圧を設定する
という繰り返しが必要となる。本実施形態の高周波電力
増幅器１００では、ドレイン電圧が低くなると、減衰量
制御電圧が上昇し、減衰量が低減することによって利得
は一定に保持される。したがって、ドレイン電圧が変化
しても利得は変化しないため、容易に出力電力に最適な
ドレイン電圧を設定することができる。また、出力電力
と入力電力が１対１の関係を有するため、簡単で精度の
高い出力電力制御を行うことができる。

【００３３】したがって、本実施形態の高周波電力増幅
器は、ＣＤＭＡやＷ−ＣＤＭＡなどの増幅器に低歪みが
要求され、かつ送信電力の制御が行われる通信端末用高
周波電力増幅器に用いられると、端末規格を満たしつつ
端末消費電力を低減することができる。

【００３４】また、制御方法として、ドレイン電圧に応
じて出力電力を制御することも可能である。これは、ド
レイン電圧により高周波電力増幅器の入力電力と減衰量
を制御することによって実現できる。

【００３５】次に図５を用いて本発明の第２実施形態に
かかる高周波電力増幅器について説明する。図５は、本
発明の第２実施形態にかかる高周波電力増幅器の構成を
示すブロック図である。高周波電力増幅器２００は、上
記第１実施形態にかかる高周波電力増幅器１００を複数
段で構成される電力増幅器の少なくともいずれかの増幅
段に用いる。

【００３６】送信用電力増幅器は、その前段のドライバ
増幅器の利得との兼ね合いにより、通常複数段で構成さ
れることが一般的であるが、本高周波電力増幅器２００
は、三段増幅器で構成されており、上記第１実施形態に
かかる高周波電力増幅器１００は初段に配置されてい
る。以降、２段目の増幅器８、最終段の増幅器９が配置
される。これらの増幅器８，９は、第１実施形態にかか
る高周波電力増幅器１００であってもよい。

【００３７】本実施形態にかかる高周波電力増幅器２０
０は、低ドレイン電圧時の増幅素子の利得低下を減衰回
路の減衰量の低減によって補償し、三段増幅器全体とし
ての利得を一定に保持することができる。なお、各段で
の信号増幅により、後段ほど扱う信号電力が大きくなる
ため、後段ほど減衰回路部での無効電力消費が大きくな
る。したがって、高周波電力増幅器の消費電力抑制の観
点からみると、上記第１実施形態の電力増幅器１００
は、より前段の増幅段に用いたほうが低消費電力化の効
果が高い。なお、増幅器の段数は、本実施形態のように
３段である必要はなく、２段でも３段以上であってもよ
い。

【００３８】また、この場合の上記第１実施形態の高周
波電力増幅器１００の利得のドレイン電圧依存性は、図
４に示すように一定ではなく、電力増幅器８，９の利得
低下分を補償できるようにドレイン電圧が下がるにした
がって利得が高くなる特性となるようにすることが望ま
しい。

【００３９】さらに、図５で示される高周波電力増幅器
２００の利得ドレイン電圧依存性は一定である必要はな
く、高周波電力増幅器２００の前段に設置されるドライ
バアンプやミキサなどが電源電圧の変化により特性変動
する量を補正するように設定することも可能である。

【００４０】次に図６を用いて本発明の第３実施形態に
かかる高周波電力増幅器について説明する。図６は、本
発明の第３実施形態にかかる高周波電力増幅器の構成を
示すブロック図である。本実施形態にかかる高周波電力
増幅器３００は、上記第２実施形態にかかる高周波電力
増幅器２００と同様に３段構成の電力増幅器であるが、
入力部に減衰回路３を有する電力増幅器１０１が配置さ
れ、以降に２段目増幅器８、最終段増幅器９が配置され
る。そして、ドレイン電圧供給手段２によって最終段増
幅器９のドレインバイアス電圧が制御され、減衰量制御
手段４によって電力増幅器１０１中の減衰回路３の減衰
量が、前記ドレインバイアス電圧に依存して制御され
る。

【００４１】上述のように、他段構成の高周波電力増幅
器は後段程消費電力が大きくなるので、他段増幅器の出
力電力を制御する場合には、本実施形態の増幅器のよう
に少なくとも最終段のドレイン電圧を制御することが３
段増幅器全体としての低消費電力化に効果的である。さ
らに、最終段より前段の少なくともいずれかの増幅段に
前記電力増幅器１０１を配置し、減衰回路３の減衰量を
制御した方が、上述したように高周波電力増幅器の低消
費電力化の効果が顕著になる。また、この場合には、最
終段以外の増幅器のドレイン電圧は、一定であってもよ
い。

【００４２】本実施形態にかかる高周波電力増幅器３０
０においては、増幅素子として電界効果トランジスタを
用いているが、バイポーラトランジスタであってもよ
い。すなわち、増幅素子としてバイポーラトランジスタ
を用いた場合であっても、低コレクタ電圧時に利得低下
が起こるため、有効に効果が発揮される。

【００４３】また、本実施形態にかかる高周波電力増幅
器３００においては、電圧供給手段として、出力電圧が
可変できる場合について記載されているが、通信端末に
内蔵された電池のみで電圧可変手段を含んでいない場合
であっても、効果が期待できる。電池の出力電圧は電池
の消費とともに低下するため、従来の高周波増幅器で
は、利得が変化し、出力電力が設定値からずれるという
問題が発生するが、本実施形態の高周波増幅器３００に
よれば、電池の出力電圧により前記減衰回路３の減衰量
を制御することにより、出力電力が設定値からずれるこ
とがない。

【００４４】（実施例）図７は、本発明にかかる高周波
電力増幅器を用いた通信端末の構成を示すブロック図で
ある。通信端末１００１は、図７に示すように、本発明
にかかる高周波電力増幅器１００２及び電圧供給手段１
００３、通信装置の主電源としてのバッテリ１００４、
フィルタ１００５とドライバ増幅器段１００６などの送
信部ＲＦ回路、ＲＦ信号をＩＦ信号に変換する周波数変
換部１００７、低雑音増幅器やフィルタなどで構成され
る受信用ＲＦ部１００８、ＩＦ／ベースバンド部１００
９、デュプレクサ１０１０及びアンテナ１０１１とを備
える。高周波電力増幅器１００２は、所定のアンテナ出
力を得るための利得に応じた段数Ｎの電力増幅器１００
２１〜１００２Ｎで構成され、ドライバ増幅器段１００
６、電力増幅器１００２１〜１００２Ｎの少なくともい
ずれかに上記実施形態にかかる高周波電力増幅器が用い
られている。

【００４５】また、電圧供給手段１００３から電力増幅
器を動作させるためのバイアス電圧Ｖ１〜ＶＭが供給さ
れる。電力増幅器１００２がバイポーラトランジスタで
構成されている場合には、これらのバイアス電圧Ｖ１，
Ｖ２，・・・，ＶＭにより、バイポーラトランジスタの
ベースあるいはコレクタがバイアスされる。

【００４６】ドライバ増幅器１００６や電力増幅器段１
００２で構成される送信部は、端末内で最大の信号電力
を扱うため、増幅器の消費電力が大きく、かつ出力電力
制御時の歪みも生じやすいが、本実施例の通信装置１０
０１においては、送信部の電力増幅器に上記実施形態に
かかる低歪みで出力電力の制御精度の高い高周波電力増
幅器が用いられているため、低歪みかつ低消費電力での
所定のアンテナ出力までの送信信号の増幅が可能とな
り、通信装置の低消費電力化が可能となる。また、本実
施形態のごとく、通信装置１００１がバッテリ駆動型で
ある場合、バッテリ切れまでの通信時間を伸ばすことが
可能となる。逆に、従来と同一の通信時間であれば、よ
り小型のバッテリを使用することが可能であり、通信装
置１００１を小型化あるいは軽量化することができる。

【００４７】さらに、通信装置１００１が、ＣＤＭＡ、
Ｗ−ＣＤＭＡ、ＰＤＣ、ＰＨＳ、ＩＭＴ−２０００、無
線ＬＡＮ（ＨＹＰＥＲＬＡＮ、ＨｉＳＷＡＮ、ＩＥＥＥ
８０２．１１）などの送信用電力増幅器に隣接チャネル
漏洩電力規格に代表される厳しい低歪み特性が要求され
る通信システムで使用される場合、送信用電力増幅器の
低歪みと高効率の両立が可能であり、より好適である。
さらに、上述したように、出力電力の制御精度が高く、
低歪みで電力の消費が低い通信端末を実現することがで
きるので、低歪みで出力電力制御が要求されるＣＤＭＡ
やＷ−ＣＤＭＡ、ＨＹＰＥＲＬＡＮ、ＨｉＳＷＡＮなど
の通信端末に用いられると、特に好適に使用される。

【００４８】以上説明したように、本発明によれば、出
力電力の制御精度が高く、低歪みで消費電力が低い高周
波電力増幅器及び通信端末を実現することができる。

【００４９】なお、本発明は上記実施形態に限定される
ものではなく、その他種々の態様で実施可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１実施形態にかかる高周波電力増
幅器の構造を示すブロック図である。

【図２】 図１の高周波電力増幅器の減衰回路の構成例
を示す図である。

【図３】 図２の減衰回路の具体的構成を示す図であ
る。

【図４】 ドレイン電圧を制御したときの入力電力、出
力電力、電界効果トランジスタのゲートに印加される減
衰量制御電圧、及び増幅器の利得とドレイン電圧との関
係を示すグラフである。

【図５】 本発明の第２実施形態にかかる高周波電力増
幅器の構成を示すブロック図である。

【図６】 本発明の第３実施形態にかかる高周波電力増
幅器の構成を示すブロック図である。

【図７】 本発明にかかる高周波電力増幅器を用いた通
信端末の構成を示すブロック図である。

【図８】 従来の高周波電力増幅器の回路構成を示す図
である。

【符号の説明】

１ 増幅素子 ２ 電圧供給手段 ３ 減衰回路 ４ 減衰量制御手段 ５ スイッチ ６，７ 電界効果トランジスタ ８ ２段目増幅器 ９ 最終段増幅器 １００，２００，３００ 高周波電力増幅器 １００１ 通信装置

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Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入力部あるいは出力部に減衰回路を有す
   る第１の電力増幅器と、前記減衰回路の減衰量制御手段
   と、コレクタあるいはドレイン電圧供給手段とを具備
   し、 前記電圧供給手段の出力電圧に依存して、前記減衰量制
   御手段により前記減衰回路の減衰量が制御されることを
   特徴とする高周波電力増幅器。
2. 【請求項２】 複数の増幅段で構成される電力増幅器で
   あって、請求項１記載の高周波電力増幅器が少なくとも
   いずれかの増幅段に含まれることを特徴とする高周波電
   力増幅器。
3. 【請求項３】 複数の増幅段で構成される電力増幅器で
   あって、前記第１の電力増幅器以外の増幅段のコレクタ
   あるいはドレイン電圧供給手段の出力電圧に依存して、
   前記減衰回路の減衰力が制御されることを特徴とする請
   求項２記載の高周波電力増幅器。
4. 【請求項４】 前記第１の電力増幅器は、最終の増幅段
   以外に配置されることを特徴とする、請求項２または３
   に記載の高周波電力増幅器。
5. 【請求項５】 前記電圧供給手段の出力電力は、高周波
   電力増幅器の出力電力に依存して制御されることを特徴
   とする請求項１〜４いずれか１つに記載の高周波電力増
   幅器。
6. 【請求項６】 前記減衰量は、前記電圧供給手段の出力
   電圧の減少に伴なって低減されるように制御されること
   を特徴とする、請求項１〜５いずれか記載の高周波電力
   増幅器。
7. 【請求項７】 請求項１〜６いずれか１つに記載の高周
   波電力増幅器を用いた通信装置。