JP2005513943A - 電力増幅器 - Google Patents

Abstract

本発明は、好ましくはモバイル通信デバイスに設けられると共にエンベロープトラッキング技術を使用する電力増幅器に関する。本発明の目的は、ユニット１１０のための供給電圧の、エンベロープ信号の速い変化への適用を同時に可能にすることによって、自身の効率について電力増幅器を改善することにある。当該目的は、ＲＦ出力信号の所要の出力電力を表す受信電力制御信号に応答して、様々なｎ＋１の電圧レベルとｎの閾値との両方を生成するための第二のＤＣ／ＤＣコンバータ１４０と、エンベロープ信号と前記ｎの閾値との間の比較結果に応答して、前記ユニット１１０のための供給電圧として前記ｎ＋１の電圧レベルのうちの一つを選択する第一のＤＣ／ＤＣコンバータ１３０とをもたらすことによって達成される。

Description

本発明は、ダイナミックエンベロープトラッキング技術（ｄｙｎａｍｉｃ ｅｎｖｅｌｏｐｅ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）を使用する、序文の請求項１による電力増幅器（パワーアンプ（ｐｏｗｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ））に関する。本電力増幅器は、好ましくは、携帯電話（ｃｅｌｌｕｌａｒ）／ワイヤレス通信端末（ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｔｅｒｍｉｎａｌ）の両方又は基地局（ｂａｓｅ ｓｔａｔｉｏｎ）に設けられるモバイル通信モジュールにもたらされる。本発明は、従属請求項及び実施例において記載される。

このような電力増幅器は、例えば米国マサチューセッツ州ボストンにおいて２０００年６月１１日乃至１６日開催のＩＥＥＥ ＭＴＴ−Ｓ国際マイクロ波シンポジウムダイジェスト（ＩＥＥＥ ＭＴＴ−Ｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｄｉｇｅｓｔ）第２巻８７３乃至８７６頁におけるＪ．Ｓｔａｕｄｉｎｇｅｒ氏他の文献“ダイナミックエンベロープトラッキング技術を使用する高効率ＣＤＭＡ ＲＦ電力増幅器（Ｈｉｇｈ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ＣＤＭＡ ＲＦ ｐｏｗｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｕｓｉｎｇ ｄｙｎａｍｉｃ ｅｎｖｅｌｏｐｅ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）”から当業者にかなり知られている。前記文献に開示されている電力増幅器が図６に示されている。当該電力増幅器は、受信ＲＦ入力信号を増幅することによってＲＦ出力信号を生成するための高周波ＲＦ電力増幅ユニット（ｒａｄｉｏ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ＲＦ ｐｏｗｅｒ ａｍｐｌｉｆｙｉｎｇ ｕｎｉｔ）６１０を有している。前記電力増幅器は、ＲＦ入力信号を更に受信すると共に、前記ＲＦ入力信号の実効値（ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｖａｌｕｅ）を表すエンベロープ信号を生成するためのエンベロープ検出器（ｅｎｖｅｌｏｐｅ ｄｅｔｅｃｔｏｒ）６２０を更に有している。前記エンベロープ信号は、前記エンベロープ信号に応答して前記ＲＦ電力増幅ユニット６１０に供給電圧をもたらすためのＤＣ／ＤＣコンバータ６３０に入力される。このように電力増幅器、特にＲＦ電力増幅ユニットの向上された効率は、特定の線形性（リニアリティ（ｌｉｎｅａｒｉｔｙ））で実現される。

ＲＦ入力信号のエンベロープ信号は速い変化を示す。第三世代ハンドセットの場合、当該変化は、４ｄＢから１２ｄＢ又はそれよりも大きな値の範囲を有する平均比率（ａｖｅｒａｇｅ ｒａｔｉｏ）に対してピークを備える、約４ＭＨｚのレート（ｒａｔｅ）でもたらされる。図６における電力増幅器が基づいているエンベロープトラッキングのような方法は、図６におけるＤＣ／ＤＣコンバータ６３０がＲＦ電力増幅ユニット６１０に対して供給電圧を生成するための高いスイッチング周波数をもたらし得るという事実によっている。しかしながら、高いスイッチング周波数は、所望されない高い損失（ロス（ｌｏｓｓ））をもたらし、その結果電力増幅器全体の低い効率をもたらす。

従来技術から始めて本発明の目的は、ＲＦ入力信号のエンベロープの高速変化に対して前記電力増幅器のＲＦ電力増幅ユニットに対する供給電圧の追従（適応（ａｄａｐｔａｔｉｏｎ））を同時に可能にすることによって、知られている電力増幅器を、その効率に関して改善することにある。

当該目的は、請求項１の要旨によって解決される。更に特定されることに、本目的は、ＲＦ電力増幅ユニットのＲＦ出力信号の、所要の出力電力を表す受信電力制御信号に応答して様々なｎ＋１の電圧レベルとｎの閾値との両方を生成するための第二のＤＣ／ＤＣコンバータをもたらすことによって、更には、第一のＤＣ／ＤＣコンバータが、エンベロープ信号と前記ｎの閾値との間の比較結果に応答して前記ＲＦ電力増幅ユニットに対する前記供給電圧として前記ｎ＋１の電圧レベルのうちの一つを選択するように具現化されることによって、知られている電力増幅器に対して解決される。

有利なことに、本発明によれば、前記電圧レベル供給はエンベロープトラッキングから分離される。換言すると、前記電圧レベルをもたらす第二のＤＣ／ＤＣコンバータはＲＦ入力信号のエンベロープに追従しなくてもよい。従って動作中、第二のＤＣ／ＤＣコンバータは、高いスイッチング周波数のために高い損失を示さず、当該コンバータの効率がより高くなる。

本発明は、自身の出力供給電圧ＶｃｃＤＹによって表される第一のＤＣ／ＤＣコンバータによってもたらされる直流電力と前記出力信号（ＲＦｏｕｔ）の電力との間の比率によって規定される、ＲＦ電力増幅ユニットの効率を最大化させることを主な目的とする。しかしながら有利なことに、ＲＦ電力増幅ユニットの効率を同時に最大化させることによって、電力増幅器全体の効率が増大させられ、前記効率はＲＦ電力増幅ユニットの出力信号の電力と、外部電圧Ｖｃｃｅｘｔによって表される外部電力供給部によってもたらされる直流電力との間の比率によって規定される。

第二のコンバータとは異なり、第一のＤＣ／ＤＣコンバータは、非常に速く動作するように具現化される。本発明によれば、このことは第二のＤＣ／ＤＣコンバータに対して前記電圧レベルを外部からもたらすことによって実現される。それ故に、前記電圧レベルを生成することは第一のＤＣ／ＤＣコンバータのタスク（ｔａｓｋ）とならないが、前記コンバータはエンベロープ信号と前記ｎの閾値との間の比較結果に応答してこれら電圧レベルのうちの一つを選択しなければならない。前記電圧レベルがもたらされない場合、前記選択のみが非常に速い態様でなされ得る。

本発明によれば、前記電圧レベルの別個の供給と別個のエンベロープトラッキングとが電力増幅器内で組み合わされる。当該組み合わせのために電力増幅器は、最新の通信標準規格によって規定される高い効率と速度との両方の要求仕様を満足する。

本発明の第一の実施例によれば、ＲＦ電力増幅ユニットのコレクタ又はドレインが供給電圧によってバイアスされるだけでなく、前記ＲＦ増幅ユニットのベースもＲＦ入力信号のエンベロープに応答してバイアスされる。このことは、ＲＦ増幅ユニットの効率が更に改善されるという利点を有している。

他の実施例によれば、ＲＦ増幅ユニットは、電力増幅器の効率を最大化させるために個別にオン又はオフのスイッチングさせられ得るいくつかの増幅段を有している。更に、ＲＦ出力信号の電力が、節電（ｓａｖｅ）されている場合よりも大きな電力をそのとき消費するために所定の閾値よりも低い場合、追従可能なコレクタ／ドレイン及び／又はベースバイアスとエンベロープトラッキングとはスイッチオフされ得る。この場合、段のスイッチングのみが使用され得る。

最終的に、歪補償ユニット（プリディストーションユニット（ｐｒｅｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ ｕｎｉｔ））が、前記ＲＦ増幅ユニットによって生成される歪はかなり低減される態様でＲＦ入力信号をＲＦ増幅ユニットに入力される前に歪補償するためにもたらされ得る。

前記コンバータの更なる有利な実施例は、従属請求項の要旨となっている。

本記載には七つの図が添付されている。

以下、本発明の好ましい実施例が図１乃至５を参照することによって開示されるであろう。

図１は、本発明による電力増幅器の第一の実施例を示している。前記電力増幅器は、受信ＲＦ入力信号を増幅すると共にＲＦ出力信号を生成するためのＲＦ電力増幅ユニット１１０を有している。前記ＲＦ増幅ユニット１１０の最大の効率を実現させるために、それの供給電圧ＶｃｃＤＹが、前記ＲＦ電力増幅ユニット１１０によって出力されるＲＦ信号の所要の電力に対して、更にはＲＦ入力信号のエンベロープに対して制御される。

電力増幅器の制御は、ＲＦ入力信号のエンベロープを検出すると共に対応するエンベロープ信号を生成するためのエンベロープ検出器１２０を有している。前記エンベロープ信号は、前記ＲＦ電力増幅ユニット１１０に前記供給電圧ＶｃｃＤＹをもたらすための第一のＤＣ／ＤＣコンバータ１３０に入力される。前記第一のＤＣ／ＤＣコンバータ１３０は、前記ＲＦ電力増幅ユニット１１０によって出力されるＲＦ信号の所要の出力電力を表す電力制御信号に応答して、第二のＤＣ／ＤＣコンバータ１４０によってもたらされるｎ＋１の電圧レベルとｎの閾値との両方を更に受信する。前記出力電力は、例えば通信システムの基地局によって外部から前もって決定される。第二のＤＣ／ＤＣコンバータ１４０は、高い周波数スイッチングによる損失を低減させるために比較的低い周波数で自身の供給電圧Ｖｃｃｅｘｔをスイッチングすることによって所要の出力電力レベルに対して前記ｎ＋１の電圧レベルを生成する。それ故に、前記第二のＤＣ／ＤＣコンバータ１４０の効率は比較的高くなる。

図１による電力増幅器は、内部非線形性に起因して前記ＲＦ増幅ユニット１１０によって生成される歪が低減される態様でＲＦ増幅ユニット１１０に入力される前にＲＦ入力信号を歪補償するための歪補償ユニット１６０を更に有している。しかしながら、バイアスにおける速い変化のために、ユニット１１０の非線形性及び特性があるレートで変化し得る。それ故に、ユニット１１０の特性に歪補償ユニット１６０内の歪補償アルゴリズムを適応させるために速いフィードバック（図示略）が必要とされる。

第一のＤＣ／ＤＣコンバータ１３０の動作がこの場合図２を参照して説明される。第一のＤＣ／ＤＣコンバータ１３０は、エンベロープ信号と前記閾値Ｔ１．．．Ｔｎとの間の比較を実行するために前記第二のＤＣ／ＤＣコンバータ１４０によってもたらされる前記ｎの閾値及びエンベロープ検出器１２０によってもたらされるエンベロープ信号を受信するための論理ユニット１３２を有している。図２において、通常数ｎは任意に選択され得るが、ｎ＝２となっている。前記比較が実行されるとき、論理ユニット１３２は、エンベロープ信号の振幅（ａｍｐｌｉｔｕｄｅ）又は実効値と前記閾値との間の相関関係（ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）を検査（ｃｈｅｃｋ）する。すなわち前記ユニットは、エンベロープ信号の振幅が、ｉ）Ｔ１よりも低いか、ｉｉ）Ｔ２＞Ｔ１の場合にＴ１とＴ２との間にあるか、又はｉｉｉ）Ｔ２を超えているかの何れに該当しているかを検査する。ｉ）の場合、第二のＤＣ／ＤＣコンバータ１４０によってもたらされる電圧レベルＶ１が、ＲＦ電力増幅ユニット１１０に対する供給電圧ＶｃｃＤＹとして選択される。これと異なり、ｉｉ）の場合、電圧レベルＶ２が供給電圧ＶｃｃＤＹとして選択され、ｉｉｉ）の場合、電圧レベルＶ３が供給電圧ＶｃｃＤＹとして選択される。選択は、選択信号を介して選択電圧レベルを制御するスイッチＳ１．．．Ｓ３のうちの一つをスイッチオンすることによって論理ユニット１３２により実行される。残りのスイッチはスイッチオフされる。

電圧レベルＶ１、Ｖ２、及びＶ３は、供給電圧ＶｃｃＤＹが、電力増幅器の線形性を保証するのに十分なほど大きくなるようにもたらされる。電圧レベルは、現時点で必要とされている出力電力レベルに対して更にもたらされるか、又は選択される。更に閾値Ｔ１．．．Ｔｎは、論理ユニット１３２が供給電圧を最適な電圧レベルにスイッチするのに十分な期間を許容するように選択される。

通常本発明によれば、閾値レベルＴ１．．．Ｔｎ及びもたらされた電圧レベルＶ１．．．Ｖｎは、前記ＲＦ増幅ユニット１１０のＲＦ信号出力に対する所定の平均電力要求仕様に従ってダイナミックに変化させられる。

電圧レベルＶ１．．．Ｖｎの限定された数のために、これらの電圧レベルからの供給電圧の選択は、論理ユニット１３２によって高速且つ効果的な態様で実現され得る。高速なスイッチング、すなわち電圧レベルの選択により、ユニット１１０に対して選択された供給電圧は比較的大きなダイナミックレンジをカバーすることが保証される。更にｎ＋１の電圧レベルは所要の出力電力に従って第二のＤＣ／ＤＣコンバータ１４０によってもたらされるため、最終的に選択された供給電圧は所要の出力電力に対して適切な値となっている。換言すると、ユニット１１０に対する供給電圧として、もたらされた電圧レベルのうちの一つを選択するためのスイッチＳ１、Ｓ２、及びＳ３と論理ユニット１３２とは、制限されたダイナミックレンジに基づいてエンベロープトラッキング技術を実現するように設計される。前記エンベロープ信号は高速な変化を備えている。これと異なり、第二のＤＣ／ＤＣコンバータ１４０は、比較的遅く変化する出力電力要求仕様をに対して、供給電圧における最も効果的なダイナミックレンジを実現するために最適な電圧レベルを生成するとき、比較的効率的に動作する。

図１に戻ると、電力増幅器の効率は、ＲＦ増幅ユニット１１０のベースをバイアスすることによって更に増大させられる。本発明は、このようなベースバイアスを実現するための二つの代案を提供する。第一の代案は図１に示されており、第二の代案は図３に示されている。

図１によれば、ベースバイアスはベースバイアス電圧ＶｂｅＤＹをＲＦ入力信号に加えることによって実現される。前記ベースバイアス電圧は、ＲＦ入力信号のエンベロープの実効値に応答して第三のＤＣ／ＤＣコンバータ１５０’によってもたらされる。

図３は、本発明による電力増幅器の第二の実施例を示している。これは図１に示されている実施例にほぼ対応している。しかしながら、ベースバイアス電圧ＶｂｅＤＹは他の態様で生成される。図３によれば、前記ベースバイアス電圧は、ＲＦ増幅ユニット１１０に対する供給電圧と同様に生成されている。更に特定されることに、第二のＤＣ／ＤＣコンバータ１４０は、前記ユニット１１０によって出力されるＲＦ信号の所要の出力電力を表す電力制御信号に応答して第三のＤＣ／ＤＣコンバータ１５０’’に対するｍの閾値及びｍ＋１の電圧レベルを更に生成する。更に、エンベロープ信号は前記第三のＤＣ／ＤＣコンバータ１５０’’に入力される。

ベースバイアス電圧ＶｂｅＤＹを生成するための前記第二の実施例における前記第三のＤＣ／ＤＣコンバータ１５０’’の動作が図４に示されている。前記動作は、図２を参照することによって上記の第一のＤＣ／ＤＣコンバータ１３０の動作にほぼ対応している。しかしながら、ｍの閾値及びｍ＋１の電圧レベルが前記第二のＤＣ／ＤＣコンバータ１４０によってもたらされる。図２においてｍ＝２となっている。更にベースバイアス電圧ＶｂｅＤＹが生成される。

図１及び図３に示されているような、ベースバイアス電圧ＶｂｅＤＹを生成するための両方の実施例において、電力増幅器全体、特にＲＦ増幅ユニット１１０の効率を更に向上させるために、制御されたベースバイアス電圧ＶｂｅＤＹが使用される。

図５は、二つの増幅段１１２及び１１４を有するＲＦ増幅ユニット１１０の実施例を示している。ＲＦ出力信号の所要の出力電力が第一の所定の電力閾値よりも低い場合、第二のＤＣ／ＤＣコンバータ１４０は、電力制御信号に応答して、電力増幅器全体の効率を最大化させるためにスイッチ１１５−３を介して段１１４のスイッチオフを決定する段制御信号を生成する。

スイッチオフ段１１４は、出力部に達する入力信号を決定するためにバイパスされる。当該バイパスは、前記段制御信号を介してスイッチ１１５−１及び１１５−２を制御することによって可能になる。少なくとも一つの増幅器がスイッチオフされるときはいつでも、追従可能なベースバイアス（ａｄａｐｔｉｖｅ ｂａｓｅ ｂｉａｓｉｎｇ）及び適切な供給電圧ＶｃｃＤＹをもたらすためのエンベロープトラッキング技術が、残りのスイッチオンされている段の効率を最大化させるように適用される。図５において、第一の段１１２はＲＦ電力増幅ユニット１１０に対応している。

通常ＲＦ増幅ユニット１１０は、個別にスイッチオン又はオフされ得る任意の数ｋの増幅段を有し得る。しかしながら、スイッチオフされるすべての段がバイパスされなければならず、これにより入力信号は出力部に達し得る。

すっとより低い所要の出力電力レベルにおいて、すなわち所要の出力電力が第二の所定の電力閾値よりも低くなる限り、第一のＤＣ／ＤＣコンバータ１３０は、前記ＲＦ電力増幅ユニット１１０に対する供給電圧として前記第二のＤＣ／ＤＣコンバータ１４０によってもたらされる固定電圧レベルを選択するであろう。特定の所要の出力電力に対してユニット１１０の効率を最大化させるため、ＲＦ増幅ユニット１１０の増幅段１１２及び１１４は別個にスイッチオン又はオフされ得る。

いかなる場合にも、ＲＦ出力信号は、アンテナ２００に出力される。

本発明による電力増幅器の第一の実施例を示している。 電力増幅器の第一及び第二の実施例における第一のＤＣ／ＤＣコンバータの詳細図を示している。 本発明による電力増幅器の第二の実施例を示している。 電力増幅器の第二の実施例において使用される第三のＤＣ／ＤＣコンバータの詳細図を示している。 本発明によるＲＦ増幅ユニットの実施例を示している。 当業者に知られている電力増幅器を示している。 本発明による電力増幅器を有しているモバイル電話を示している。

Claims (11)

1. −受信ＲＦ入力信号を増幅することによってＲＦ出力信号を生成するためのＲＦ電力増幅ユニットと、
   −前記ＲＦ入力信号のエンベロープを表すエンベロープ信号を生成するためのエンベロープ検出器と、
   −前記エンベロープ信号に応答して前記ＲＦ電力増幅ユニットに供給電圧をもたらすための第一のＤＣ／ＤＣコンバータと
   を有する電力増幅器であって、
   −前記ＲＦ電力増幅ユニットの前記ＲＦ出力信号の所要の出力電力を表す受信電力制御信号に応答して、様々なｎ＋１の電圧レベルとｎの閾値との両方を生成するための第二のＤＣ／ＤＣコンバータと、
   −前記エンベロープ信号と前記ｎの閾値との間の比較に応答して、前記ＲＦ電力増幅ユニットのための前記供給電圧として前記ｎ＋１の電圧レベルのうちの一つを選択するための前記第一のＤＣ／ＤＣコンバータと
   を更に有する電力増幅器。
2. 前記第一のＤＣ／ＤＣコンバータが、前記エンベロープ信号と前記閾値との間の前記比較を実行すると共に前記比較結果に応答して選択信号を生成するための第一の論理ユニットを有し、前記選択信号は、前記第二のＤＣ／ＤＣコンバータによってもたらされる前記様々なｎ＋１の電圧レベルから前記ＲＦ電力増幅ユニットのための前記供給電圧を選択するために使用される請求項１に記載の電力増幅器。
3. 前記エンベロープ信号に応答して、前記ＲＦ電力増幅ユニットのベースにベースバイアス電圧をもたらすための第三のＤＣ／ＤＣコンバータを有する請求項１に記載の電力増幅器。
4. 前記第三のＤＣ／ＤＣコンバータが、前記エンベロープ信号の実効値に応答して継続的に制御される前記ベースバイアス電圧をもたらす請求項３に記載の電力増幅器。
5. −前記第二のＤＣ／ＤＣコンバータが、前記ＲＦ電力増幅ユニットの前記ＲＦ出力信号の前記所要の出力電力を表す前記電力制御信号にも応答して、様々なｍ＋１の電圧レベルとｍの閾値との両方を更に生成し、
   −前記第三のＤＣ／ＤＣコンバータが、前記エンベロープ信号と前記ｍの閾値との間の比較結果に応答して、前記ＲＦ電力増幅ユニットの前記ベースのための前記ベースバイアス電圧として前記ｍ＋１の電圧レベルのうちの一つを選択する
   請求項３に記載の電力増幅器。
6. 前記第三のＤＣ／ＤＣコンバータが、前記エンベロープ信号と前記ｍの閾値との間の前記比較を実行すると共に前記比較結果に応答して第二の選択信号を生成するための第二の論理ユニットを有し、前記第二の選択信号は、前記第二のＤＣ／ＤＣコンバータによってもたらされる前記様々なｍ＋１の電圧レベルから前記ＲＦ電力増幅ユニットの前記ベースのための前記ベースバイアス電圧を選択するために使用される請求項５に記載の電力増幅器。
7. 前記ＲＦ増幅ユニットが、個別にスイッチオン又はスイッチオフされ得るいくつかの増幅段を有する請求項１に記載の電力増幅器。
8. 前記第二のＤＣ／ＤＣコンバータは、前記ＲＦ出力信号の出力電力が第一の所定の電力閾値よりも低いとき、前記スイッチオフ段をバイパスすると共に、少なくとも一つの前記増幅段をスイッチオフするための段制御信号を生成する請求項７に記載の電力増幅器。
9. 前記第一のＤＣ／ＤＣコンバータは、前記電力制御信号によって必要とされる前記出力電力が第二の所定の電力閾値よりも低くなる限り、前記ＲＦ電力増幅ユニットのための供給電圧として前記第二のＤＣ／ＤＣコンバータによってもたらされる固定電圧レベルを選択する請求項７に記載の電力増幅器。
10. 前記ＲＦ増幅ユニットによって生成される歪をかなり低減させるために前記ＲＦ入力信号を、前記ＲＦ増幅ユニットに入力される前に歪補償するための歪補償ユニット有する請求項１に記載の電力増幅器。
11. 請求項１乃至１０の何れか一項に記載の電力増幅器を有するモバイル電話デバイス。

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