JP2005260581A - 高効率広ダイナミックレンジ増幅回路 - Google Patents

Abstract

【課題】 広範なダイナミックレンジと高い電力効率を両立した高効率広ダイナミックレンジ増幅回路を簡易な構成によって実現することを目的とする。
【解決手段】 利得の制御が可能な可変利得増幅器と、上記可変利得増幅器の後段に直列に接続された電力増幅器と、上記電力増幅器に電源を供給し、電源電圧の制御が可能な可変電圧電源と、上記可変利得増幅器および可変電圧電源に共通に与えられる制御電圧のいずれか一方の経路内に接続され、制御電圧範囲を調整するレベル変換回路とを備える高効率広ダイナミックレンジ増幅回路により構成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は携帯端末における無線送信の電力増幅等に用いられる高効率広ダイナミックレンジ増幅回路に関する。

近年の携帯端末においては、アプリケーションの高度化に伴ってアプリケーションプロセッサにて消費する電力が大きくなってきている。しかしながら、携帯端末で使用できる電源容量は限られているので、携帯端末の通話時間を確保するためには他のハードウェアで消費する電力を小さくしなければならない。とりわけ、電力増幅器は送信時において携帯端末全体に対する電力消費の割合が大きい。そのため、回路の高効率化（低消費電力化）のための施策が直接、通話時間の延伸に結びつく。

電力増幅器の低消費電力化の手法は、大きく分けて次のようなものがある。

（１）出力電力に応じて電力増幅器のバイアス条件を変更し、低電力出力時にはバイアスを深くし、アイドル電流を絞って低消費電力化を図る。

（２）出力電力に応じて電力増幅器の電源条件を変更し、低電力出力時には電源電圧を低くすることで高効率化をはかる
（３）出力電力に応じて電力増幅器の段数を変更し、低電力出力時には大きなサイズのデバイス（ＦＥＴ等）をバイパスし、大きなサイズのデバイスが消費するアイドル電流を流さないようにすることで回路全体の消費電力を削減する。

上記（１）の例として特許文献１、２に開示があり、（２）の例として特許文献３〜５に開示があり、（３）の例として特許文献６に開示がある。

一方、最近の移動通信システムでは、高い精度での送信電力の制御を必要とすることから、高効率と同時に広い範囲のダイナミックレンジも要求されている。

ダイナミックレンジを確保するためには電力増幅器の前段に可変利得増幅器を配置し、利得を可変する必要がある。可変利得増幅器と電力増幅器を用い、可変利得増幅器の利得の制御と電力増幅器の電源条件の制御とを行うことにより、効率とダイナミックレンジを両立した例として、特許文献７に開示がある。
特開２０００−２５２９１４号公報 特開平９−４６１５２号公報 特開２００２−３１４３４５号公報 特開平５−７５３５１号公報 特開２００２−２９０２４７号公報 特開２００１−７６５３号公報 特開平７−１７０２０２号公報

ところで、特許文献７に示される増幅回路では、可変利得増幅器と電力増幅器とをそれぞれ別個に制御しており、そのため以下のような問題がある。

（ａ）可変利得増幅器と電力増幅器の制御系が２系必要である。制御端子のみではなく、制御のための信号経路、すなわち、検出系やＤ／Ａ（Digital-Analog）コンバータ等の信号生成系も全て２系必要となる。

（ｂ）制御系が２系あることにより、制御手順が複雑である。可変利得増幅器もしくは電力増幅器の一方の動作条件を変化させた場合、他方の条件も変化させる必要がある。一般に電力増幅器の電源条件を変更した場合、電力増幅器の利得も変わってしまうため、所望の出力を得るためには前段である可変利得増幅器の利得も変更しなければならない。

（ｃ）上記の点を考慮して回路を構成する場合、必要な回路規模の複雑化およびそれに伴うコストアップが発生する。

本発明は上記の従来の問題点に鑑み提案されたものであり、その目的とするところは、広範なダイナミックレンジと高い電力効率を両立した高効率広ダイナミックレンジ増幅回路を簡易な構成によって実現することにある。

上記の課題を解決するため、本発明にあっては、請求項１に記載されるように、利得の制御が可能な可変利得増幅器と、上記可変利得増幅器の後段に直列に接続された電力増幅器と、上記電力増幅器に電源を供給し、電源電圧の制御が可能な可変電圧電源と、上記可変利得増幅器および可変電圧電源に共通に与えられる制御電圧のいずれか一方の経路内に接続され、制御電圧範囲を調整するレベル変換回路とを備えるようにしている。

これにより、可変利得増幅器と電力増幅器の制御系が１系で済むこととなり、回路規模の複雑化およびそれに伴うコストアップを防止することができる。

また、請求項２に記載されるように、上記電力増幅器のバイアス条件を、制御電圧範囲を調整する他のレベル変換回路を介し上記外部からの制御電圧により共通に制御するようにすることができる。これにより、簡易な構成でより一層の効率化を図ることができる。

また、請求項３に記載されるように、上記レベル変換回路を演算増幅器により構成するようにすることができる。これにより、演算増幅器の持つアイソレーション特性により、制御線へ高周波信号が漏れることにより発生する発振現象を抑圧することができる。

本発明にあっては、広範なダイナミックレンジと高い電力効率を両立した高効率広ダイナミックレンジ増幅回路を簡易な構成によって実現することができる。

以下、本発明の好適な実施形態につき図面を参照して説明する。

図１は本発明の高効率広ダイナミックレンジ増幅回路の第１の実施形態を示す構成図である。

図１において、増幅対象の無線送信信号等が入力される入力端子１は利得の制御が可能な可変利得増幅器４の入力端子に接続され、可変利得増幅器４の出力端子は電力増幅器５の入力端子に接続され、電力増幅器５の出力端子は出力端子２に接続されている。すなわち、可変利得増幅器４と電力増幅器５が入力端子１と出力端子２の間に直列に接続されている。また、電力増幅器５に電源を供給し、その電源電圧Ｖｄｄの制御が可能な可変電圧電源６が設けられている。

一方、制御端子３を介して外部からの制御電圧が可変利得増幅器４の制御端子に与えられるとともに、制御端子３から、制御電圧範囲を調整するレベル変換回路７を介して可変電圧電源６の制御端子に制御電圧が共通に与えられるようになっている。なお、レベル変換回路７を制御端子３と可変電圧電源６の制御端子の途中の経路に設けてあるが、制御端子３を可変電圧電源６の制御端子に直接に接続し、制御端子３と可変利得増幅器４の制御端子の途中の経路にレベル変換回路７を設けるようにしてもよい。

動作にあたって、無線送信信号等が入力端子１に与えられ、電力レベルを制御する制御電圧が制御端子３に与えられると、可変利得増幅器４は制御端子３に与えられた制御電圧に応じた利得で増幅を行い、電力増幅器５は可変電圧電源６により与えられた電源電圧Ｖｄｄのもと電力増幅を行う。一般に可変電圧電源６の制御電圧可変範囲と可変利得増幅器４の利得可変制御電圧範囲は異なっているが、レベル変換回路７が一方の制御電圧範囲を他方の制御電圧範囲に合わせるように動作することで、両者を同一の制御電圧範囲とすることができる。例えば、可変利得増幅器４の制御電圧範囲を「0.3V〜2.5V」とし、可変電圧電源６の制御電圧範囲を「0.25V〜2.0V」とした場合、レベル変換回路７の入力電圧Vinと出力電圧Ｖoutの間の変換式を、
Ｖout＝ｍ・Vin＋ｂ
とすると、
ｍ＝0.8
ｂ＝0
となり、
Ｖout＝0.8 ×Vin
の特性を有するレベル変換回路７を設計することで適切な変換を行わせることができる。

このような構成とすることにより、単一の制御電圧によって可変利得増幅器４と可変電圧電源６を制御することが可能になり、簡易な構成により、可変利得増幅器４の利得制御による広ダイナミックレンジ化と、可変電圧電源６による電源電圧の制御による電力増幅器５の高効率化とを両立して実現することができる。

図２はレベル変換回路７の具体的な構成例を示したものであり、演算増幅器Ａ、抵抗Ｒ1，Ｒ2，Ｒf，Ｒgで構成している。

図２のレベル変換回路７における演算増幅器Ａの入力端子（正負の入力端子はヴァーチュアルショートにより同電圧）の電圧をＶ1とすると、入力端子７１と基準電圧Ｖrefとの間の経路に電圧分割の法則と重ね合わせの理を適用することにより、
Ｖ1＝（Ｒ2／（Ｒ1＋Ｒ2））Vin＋（Ｒ1／（Ｒ1＋Ｒ2））Ｖref
が得られ、更に、出力端子７２と抵抗Ｒf，Ｒgからグランド間の経路に電圧分割の法則を適用することで、
Ｖ1＝（Ｒg／（Ｒf＋Ｒg））Vout
が得られ、これらより、レベル変換回路７の入力電圧Vinと出力電圧Ｖoutの間の関係式は、
Vout＝Vin（Ｒ2／（Ｒ1＋Ｒ2））（（Ｒf＋Ｒg）／Ｒg））
＋Ｖref（Ｒ1／（Ｒ1＋Ｒ2））（（Ｒf＋Ｒg）／Ｒg））
となる。

ここで、前述した制御電圧範囲の例（可変利得増幅器４の制御電圧範囲を「0.3V〜2.5V」、可変電圧電源６の制御電圧範囲を「0.25V〜2.0V」）に当てはめてみると、その変換式である、
Ｖout＝0.8 ×Vin
から、Ｖrefに関する項はゼロであるため、Ｒ1は任意、Ｒ2は無限大（オープン）となり、
（Ｒf＋Ｒg）／Ｒg＝0.8
に簡略化することができる。従って、例えば、Ｒg＝４[kΩ]、Ｒf＝１[kΩ]と設定することができる。

図３はレベル変換回路７の他の構成例を示したものであり、図２と比較して、抵抗Ｒ1，Ｒ2の位置、および抵抗Ｒgの一端の接続位置が異なる。なお、レベル変換を行う値によっては他の構成とすることもできる。

ところで、従来では制御のための信号線が２系統存在するため、それを駆動させるために２系統のＤ／Ａコンバータが必要となり、Ｄ／Ａコンバータを構成するのに約4500程度のトランジスタ数が必要であったが、本発明ではＤ／Ａコンバータの代わりに演算増幅器を使用することで、大幅に少ないトランジスタ数(約150〜200)で同等の機能が実現可能である。

一方、レベル変換回路７を演算増幅器で構成することは、演算増幅器それ自身の持つアイソレーション特性により、制御端子間のアイソレーションをとり、高周波信号の制御信号経路への回り込みによる発振現象を抑圧する機能も兼ね備えている。すなわち、図１において、電力増幅器５より出力される高周波信号は非常にレベルが高いため電源系にも高周波信号が漏れていると考えられ、漏れた高周波信号は可変電圧電源６の制御線からレベル変換回路７を介し可変利得増幅器４の制御線を経てその出力に現れる。このとき制御線に漏れている信号レベルを十分に小さくしないと、可変利得増幅器４と電力増幅器５で相当な利得（例えば、80dB以上）を持っているため、正帰還がかかり、回路全体が発振してしまう。この点、レベル変換回路７を演算増幅器で構成することにより、演算増幅器の持つアイソレーション特性により漏れ電力の帰還量が減少する方向に作用することとなり、回路全体の動作が安定する方向になる。

図４は図１に示した第１の実施形態による高効率広ダイナミックレンジ増幅回路の制御電圧と全体利得との関係の例を示す図である。可変利得増幅器４と電力増幅器５の利得制御を１本の制御線で実現でき、可変利得増幅器４の増幅率設定のみで電力増幅器５の電源電圧の制御を可能とするとともに、制御電圧に対する全体利得の制御も高精度に行えることを示している。例えば第三世代通信システムの携帯端末では80dB程度のダイナミックレンジに渡り、精度1dB〜数dBの電力制御が必要であり、従来、これを満たすための制御手順は非常に複雑であったが、本発明の高効率広ダイナミックレンジ増幅回路によれば、簡易な構成でありながら十分に使用可能であることがわかる。

次に、図５は本発明の高効率広ダイナミックレンジ増幅回路の第２の実施形態を示す構成図である。この実施形態では、効率化のための施策として、図１に示した第１の実施形態における電力増幅器５の電源電圧を制御することにより消費電力を抑える手法の他に、電力増幅器５のバイアス条件を変え、低電力出力時にアイドル電流を絞ることにより、回路全体を流れる電流を抑え、電力増幅器５の消費電力を抑える手法を追加している。

構成としては、制御端子３より別のレベル変換回路８を介して電力増幅器５のバイアス電圧Ｖggを供給するようにした点が異なっている。ここで、レベル変換回路８の動作原理および構成方法はレベル変換回路７と同様であり、設定電圧範囲のみが異なっている。バイアス設定のために電力増幅器５のゲート端子等に印加する電圧は、例えば0V〜0.8V程度であり、制御端子３から与えられる共通の制御電圧に対し、その電圧範囲の値となるようにレベル変換回路８において電圧レベルの調整を行う。

動作にあっては、制御端子３に与えられる制御電圧が高く、可変利得増幅器４の出力が大きい時にはレベル変換回路８の出力電圧も高くなり、バイアスを浅くして電力増幅器５から大電力を出力できるようになる。また、制御端子３に与えられる制御電圧が低く、可変利得増幅器４からの出力が小さい時には、レベル変換回路７および可変電圧電源６により電力増幅器５の電源電圧が低くなると同時に、レベル変換回路８の出力電圧も低くなり、電力増幅器５のバイアスを深くして消費電力の更なる削減を実現する。

なお、レベル変換回路８を図２もしくは図３のように演算増幅器で構成した場合、演算増幅器の持つアイソレーション特性により、前述したのと同様に高周波信号の漏れによる発振を防止する効果があり、回路全体の動作が安定する。

次に、図６は本発明の第３の実施形態の特徴点を示したものであり、図１における制御端子３に与えられる制御電圧と、電力増幅器５に電源を供給する可変電圧電源６に与える制御電圧、すなわちレベル変換回路７の出力電圧との関係を示している。すなわち、図１に示した第１の実施形態では、図６に破線で示した特性１０１のように制御するものであったが、これを改良し、実線で示した特性１０２のように、外部からの制御電圧が低い状態で最小設定の一定値とし、外部からの制御電圧が所定の値になってから上昇する特性で変化させるようにしている。別言すれば、出力電力が小さい時には電力増幅器５の電源電圧は最小設定で一定とし、可変利得増幅器４の出力がある程度の大きさになってから電力増幅器５の電源電圧を上げ始めるように制御している。

図７は制御電圧と可変利得増幅器出力電力および電力増幅器許容入力との関係の例を示す図であり、特性１０３は可変利得増幅器４の出力電力を示し、特性１０４は図１に示した第１の実施形態における電力増幅器５の許容入力を示している。電力増幅器５は電源電圧が低い、ドレイン電圧等が最小の条件でも、ある程度の出力までは歪まずに増幅することが可能である。その結果、制御電圧が最大値付近では可変利得増幅器４の出力電力と電力増幅器５の入力許容電力が近接しているため不要なバイアス電流が流れることはないが、制御電圧が低くなってくると、可変利得増幅器４の出力電力（特性１０３）に比して許容入力（特性１０４）に余裕ができている。これは電力増幅器５に必要以上の電源電圧がかかっていることを意味しており、全体の効率低下の原因となっている。従って、第３の実施形態においては、図６の特性１０２で示すように可変電圧電源６に与える制御電圧を変化させることにより、可変利得増幅器４の出力電力と電力増幅器５の許容入力とを近接させ、より一層の効率向上を達成している。

図６の特性１０２で示すように可変電圧電源６に与える制御電圧を変化させた場合の電力増幅器５の許容入力を示したのが、図７における特性１０５である。電力増幅器５の許容入力は電源電圧によって決まるため、制御電圧が低い領域では最小値で一定となり、可変利得増幅器４の出力電力の増加に伴って上昇していくものとなっている。なお、このような特性であっても全体特性に影響を与えることはない。そして、図から明らかなように、電力増幅器５の許容入力（特性１０５）を可変利得増幅器４の出力電力（特性１０３）を若干上回る程度に近接させているため、制御電圧範囲の全域にわたって不要なバイアス電流が流れることがなくなり、電力増幅器５の一層の効率向上の効果が見込めるものである。

図８は上記の特性を実現するレベル変換回路の構成例を示したものであり、演算増幅器Ａ、抵抗Ｒ1，Ｒ2，Ｒf，Ｒg、ダイオードＤ、オフセット電圧生成用電源Ｖofs、抵抗Ｒ3で構成している。そして、抵抗Ｒ1，Ｒ2，Ｒf，Ｒg，Ｒ3を適切な値にすることにより、図６の区間ａの傾きが設定でき、ｂの電圧はダイオードＤの電圧降下にて設定でき、cの電圧はオフセット電圧生成用電源Ｖofsの電圧にて設定できる。なお、回路の構成はこれに限られない。

図９は上述した第３の実施形態による出力電力と回路効率との関係の例を示す図であり、第１の実施形態における特性１０６に比し、特性１０７に示すように、出力電力が0dBm以上の領域において効率が向上しており、本手法の効果が認められている。

次に、図１０は本発明の第４の実施形態にかかる電力増幅モジュールの構成図であり、高効率広ダイナミックレンジ増幅回路の構成部品を同一パッケージ内に配置することで、機器への実装の容易化、制御線の簡略化、試験容易化（高周波部のみの試験を容易にする）を図ったものである。図１０において、電力増幅モジュール１０は、同一のパッケージ上に、可変利得増幅器４、電力増幅器５、可変電圧電源６、およびレベル変換回路７，８が適切に配置されて構成されている。

以下、本発明の実施形態につき付記する。
（付記１） 利得の制御が可能な可変利得増幅器と、
上記可変利得増幅器の後段に直列に接続された電力増幅器と、
上記電力増幅器に電源を供給し、電源電圧の制御が可能な可変電圧電源と、
上記可変利得増幅器および可変電圧電源に共通に与えられる制御電圧のいずれか一方の経路内に接続され、制御電圧範囲を調整するレベル変換回路とを備えたことを特徴とする高効率広ダイナミックレンジ増幅回路。
（付記２） 上記外部からの制御電圧を上記可変利得増幅器に直接に与えると共に、上記外部からの制御電圧を上記レベル変換回路を介して上記可変電圧電源に与えることを特徴とする付記１に記載の高効率広ダイナミックレンジ増幅回路。
（付記３） 上記電力増幅器のバイアス条件を、制御電圧範囲を調整する他のレベル変換回路を介し上記外部からの制御電圧により共通に制御することを特徴とする付記１または２のいずれか一項に記載の高効率広ダイナミックレンジ増幅回路。
（付記４） 上記レベル変換回路を演算増幅器により構成することを特徴とする付記１乃至３のいずれか一項に記載の高効率広ダイナミックレンジ増幅回路。
（付記５） 上記可変電圧電源に与える制御電圧を、上記外部からの制御電圧が低い状態で最小設定の一定値とし、上記外部からの制御電圧が所定の値になってから上昇する特性で変化させることを特徴とする付記１乃至４のいずれか一項に記載の高効率広ダイナミックレンジ増幅回路。
（付記６） 利得の制御が可能な可変利得増幅器と、
上記可変利得増幅器の後段に直列に接続された電力増幅器と、
上記電力増幅器に電源を供給し、電源電圧の制御が可能な可変電圧電源と、
外部から上記可変利得増幅器および可変電圧電源に共通に与えられる制御電圧のいずれか一方の経路内に接続され、制御電圧範囲を調整するレベル変換回路とを、
同一パッケージ内に配置したことを特徴とする電力増幅モジュール。
（付記７） 利得の制御が可能な可変利得増幅器と、上記可変利得増幅器の後段に直列に接続された電力増幅器と、上記電力増幅器に電源を供給し、電源電圧の制御が可能な可変電圧電源とを備えた増幅回路の制御方法であって、
外部からの制御電圧を、上記可変利得増幅器もしくは可変電圧電源のいずれか一方に対して制御電圧範囲を調整し、共通に与えることを特徴とする電力増幅制御方法。

本発明の高効率広ダイナミックレンジ増幅回路の第１の実施形態を示す構成図である。 レベル変換回路の構成例を示す図（その１）である。 レベル変換回路の構成例を示す図（その２）である。 高効率広ダイナミックレンジ増幅回路の制御電圧と全体利得との関係の例を示す図である。 本発明の高効率広ダイナミックレンジ増幅回路の第２の実施形態を示す構成図である。 本発明の第３の実施形態にかかる制御電圧とレベル変換回路の出力電圧との関係の例を示す図である。 制御電圧と可変利得増幅器出力電力および電力増幅器許容入力との関係の例を示す図である。 レベル変換回路の構成例を示す図（その３）である。 出力電力と回路効率との関係の例を示す図である。 本発明の第４の実施形態にかかる電力増幅モジュールの構成図である。

符号の説明

１ 入力端子
２ 出力端子
３ 制御端子
４ 可変利得増幅器
５ 電力増幅器
６ 可変電圧電源
７ レベル変換回路
８ レベル変換回路
１０ 電力増幅モジュール

Claims (3)

1. 利得の制御が可能な可変利得増幅器と、
   上記可変利得増幅器の後段に直列に接続された電力増幅器と、
   上記電力増幅器に電源を供給し、電源電圧の制御が可能な可変電圧電源と、
   上記可変利得増幅器および可変電圧電源に共通に与えられる制御電圧のいずれか一方の経路内に接続され、制御電圧範囲を調整するレベル変換回路とを備えたことを特徴とする高効率広ダイナミックレンジ増幅回路。
2. 上記電力増幅器のバイアス条件を、制御電圧範囲を調整する他のレベル変換回路を介し上記外部からの制御電圧により共通に制御することを特徴とする請求項１に記載の高効率広ダイナミックレンジ増幅回路。
3. 上記レベル変換回路を演算増幅器により構成することを特徴とする請求項１または２のいずれか一項に記載の高効率広ダイナミックレンジ増幅回路。
   

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