JP2005528835A - 電力増幅器 - Google Patents

Abstract

ドライバ・ステージ及び出力ステージを有する電力増幅器の出力電力を制御する方法。ドライバ電流が測定され、測定されたドライバ電流に依存して出力ステージがバイアスされる。

Description

本発明は、電力増幅器に関する。

ＧＳＭのようなシステムでは、送信機の送信モードにおける出力電力は、電力増幅器（ＰＡ）によって制御される。一般に、電力増幅器は、電力増幅器から取り出される電流を制御することによって制御される。この電流は、出力電力に比例している。別の方法として、出力電力に比例するその他のパラメータを調整することもできる。

電力増幅器に供給される電流を検出し、電力増幅器の制御入力にフィードバックするために、それを誤差増幅器に送ることによって、電力増幅器の出力を制御するように電力増幅器のバイアスを変化させることができる。一般には、システムに導入される雑音の量を制限するために、フィードバック・ループ中にフィルタが使用される。

しかし、電力増幅器の典型的な伝達関数あるいはそれの利得（消費電流または出力電力への制御信号）は、一定でない。アンテナで不整合が発生すると、電力増幅器の負荷が変化する。このことは、また、与えられた電圧定在波比（ＶＳＷＲ）レベルに対して出力電力誤差がより大きくなることを意味する。上述のように、一般には、電力増幅器に供給される直流電流が制御されるが、このことは、電力出力と直流電流との間の関係が既知であるのは、ＰＡの出力における負荷が一定である場合だけであることを意味する。アンテナの負荷が変動すると、ＰＡからの出力電力は、高ＶＳＷＲにおいて、異なる位相に対して異なった変動を示す。例えば、８：１のＶＳＷＲにおいて出力の異なる位相に対して、もし電力出力を制限するものがほかになければ電力は、＋／−９ｄＢもの変動を示す。これは次の式、Ｐ＝Ｉ^２Ｒ_Ｌ／２に従うケースであることを示すことができる。ここで実部Ｒ_Ｌは、ＶＳＷＲが８：１のときに６．２５オームから４００オームまで変化する。従って、もしもっと優れた制御が必要であれば、電力増幅器に供給される合計の直流電力の代わりに出力電力あるいは反射電力に関する情報を用いるべきである。

従って、負荷が変動する場合の出力電力の進歩した制御を得ることが望まれる。このことは、ＶＳＷＲが１：１から５：１までの帯域で変動する非常に狭い帯域のアンテナにおいて特に望まれる。

本発明に従えば、電力増幅器からの出力電力を制御する方法が提供され、その方法は、電力増幅器のドライバ・ステージに供給される直流電流を測定する工程と、直流ドライバ電流の測定に基づいて電力増幅器のドライバ・ステージ及び出力ステージのバイアス制御信号を供給する工程とを含む。

ここで注意しておくが、「含む」あるいは「含んでいる」という用語は、この特別な明細書の中では、言及した特徴、単位、工程、あるいは構成要素の存在を意味するが、１または複数のその他の特徴、単位、工程、あるいは構成要素、あるいはそれらの組み合わせを追加することを排除しないということである。

図１は、本発明を実施する電力増幅器回路のブロック図である。この回路は、ＲＦ入力２を含み、それは、ドライバ・ステージ１２及びＲＦ整合ステージ１６を介して出力ステージ電力増幅器１０に接続されている。ＰＡの出力ステージ１０の出力は、ＲＦ負荷１４（通常はアンテナ）に接続される。本発明の１つの実施の形態では、直流電流検出器２０がドライバ・ステージ１２及び出力ステージ１０の両方に供給される直流電流を検出する。電流検出器２０は、電池２１から電力を供給される。直流電流検出器２０は、レギュレータ２２に供給するためのＩ_{ｄｒｉｖｅｒ}＋Ｋ×Ｉ_{ｏｕｔｐｕｔ}に等価な出力信号を生成する。Ｋの値の選択については、以下で述べる。レギュレータ２２は、基準電流入力２４を受信し、それを直流電流検出器２０の出力と組み合わせて、バイアス制御信号ユニット２６に供給する信号を生成する。バイアス制御信号ユニット２６は、ドライバ・ステージ１２及び出力ステージ１０のバイアス信号を提供する。これらのバイアス信号（それぞれ、２８及び３０）は、それぞれ、ドライバ・ステージ１２及び出力ステージ１０への入力にバイアスを与える。

ドライバ・ステージ１２の出力は、ＲＦ整合回路１６を介して出力ステージ１０の入力に接続される。整合回路は、出力ステージの入力の低インピーダンスをドライバ・ステージの出力におけるより高い負荷インピーダンスと整合させるものである。整合回路は、理想的には、位相シフトがゼロ度を有するか、あるいは出力ステージの出力における高い抵抗負荷がドライバ・ステージの出力における低い抵抗負荷にトランスファ（ｔｒａｎｓｆｅｒ）する位相シフトを有するように選ばれるべきである。

一般的に、出力トランジスタは、反転要素であり、より小さい電流スイング（より高い抵抗負荷における）は、エミッタのインダクタンスから得られる入力へのより小さい同相のフィードバック電圧を与える。出力における、より大きい電圧スイングは、出力ステージのベースとエミッタとの間の容量を介することによってインピーダンスを低下させる。フィードバック経路は、すべて同じ方向に働くため、高い抵抗負荷は、入力における低い抵抗負荷に変換され、またその逆にもなる。

もし出力トランジスタの入力とドライバ・ステージの出力との間の整合ネットワークがゼロ度の位相シフトで実現できれば、出力トランジスタにおける高抵抗負荷は、ドライバ・ステージにおける低抵抗負荷に変換される。このことは、出力ステージにおける高抵抗負荷に対してドライバは、増大した直流電流を受け取り、また出力ステージは、それらの合計が一定に保たれるとすれば減少した直流電流を受け取ることを意味する。従って、出力電力は、電圧限度、スイングあるいはドライバの電流密度が消費最大電流を制限するまで、あるいは、合計の直流電流がＶＳＷＲが小さい場合のそれに達するまで増大できる。この状況は、非常に劇的である。というのは、ＶＳＷＲが大きい場合、出力ステージの利得は、負になることもあるからである。

従って、本発明の実施の形態では、上述のように、ドライバ・ステージの電流を用いて出力ステージ及びドライバ・ステージを制御（バイアス）することができる。

図２は、負荷が変動する場合に出力電力を制御するためには合計の電流よりもドライバ電流のほうが適した変数であることを示している。図２ａは、ドライバ・ステージ及び出力ステージの電流を示しており、他方、図２ｂは、出力電力の変動を示す。

理想的には、ドライバ・ステージ及び出力ステージは、両方ともに飽和モードで動作すべきである。

Ｉ_{ｄｒｉｖｅｒ}＋Ｋ×Ｉ_{ｏｕｔｐｕｔ}を出力する直流電流検出器では、Ｋは、出力ステージの出力電力が理想的には直線になるように選ばれるべきである。Ｋは、一般には、出力ステージの利得や増幅器の各ステージでの効率等、多くの因子に依存して選ばれる。

本発明を実施する電力増幅器回路のブロック図。 図１の回路からの電流及び出力信号を示す図。

Claims (8)

1. 電力増幅器であって、
   ＲＦ入力信号を受信する入力及びドライバ信号を供給する出力を有するドライバ・ステージと、
   ドライバ信号を受信する入力及びＲＦ出力信号を供給する出力を有する出力ステージと、及び
   ドライバ・ステージに供給される電流を測定して、そこからドライバ電流測定値を生成し、また、ドライバ電流測定値に依存して出力ステージにバイアス信号を供給するバイアス制御ユニットと、
   を含む前記増幅器。
2. 請求項１に記載の増幅器であって、ドライバ・ステージの出力と出力ステージの出力との間に接続されたＲＦ整合ステージを含む前記増幅器。
3. 請求項１または２に記載の増幅器であって、バイアス制御ユニットは、出力ステージに供給される電流を測定して、そこから出力電流測定値を生成し、またドライバ電流測定値及び出力電流測定値に依存して出力ステージにバイアス信号を供給する前記増幅器。
4. 請求項１、２または３に記載の増幅器であって、バイアス制御ユニットは、ドライバ電流測定値に依存してドライバ・ステージにバイアス信号を供給する前記増幅器。
5. 請求項３に記載の増幅器であって、バイアス制御ユニットは、ドライバ電流測定値に依存して、また出力電流測定値に依存して、ドライバ・ステージにバイアス信号を供給する前記増幅器。
6. 請求項４に記載の増幅器であって、ＲＦ整合ステージは、ドライバ・ステージの出力と出力ステージの出力との間に本質的に０°の位相シフトを生成する前記増幅器。
7. 請求項６に記載の増幅器であって、ＲＦ整合ステージは、出力ステージの出力における高抵抗負荷がドライバ・ステージの出力における低抵抗負荷にトランスファする位相シフトを生成する前記増幅器。
8. 無線周波数入力を受信するドライバ・ステージと、無線周波数出力信号を供給する出力ステージとを有する電力増幅器の出力電力を制御する方法であって、ドライバ電流を測定する工程と、測定したドライバ電流に依存して出力ステージをバイアスする工程とを含む前記方法。