JP2006510256A - 能動デバイスの動的スイッチングによるアイソレータ無しの電力増幅器の直線性維持 - Google Patents

能動デバイスの動的スイッチングによるアイソレータ無しの電力増幅器の直線性維持 Download PDF

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Abstract

増幅器回路(100)は、予備増幅と予備増幅された信号の出力のための能動デバイス(140)を備えた駆動段(120)と、予備増幅された信号のさらなる増幅と増幅された信号の出力のための能動デバイス(180)を備えた出力段(160)とを含む。検出器(190)は増幅された信号の順方向部分または反射部分のレベルを測定し、制御回路(145)は、負荷変動時の増幅器回路(100)の直線性を実質的に維持するため、順方向信号または反射信号のレベルに応じて、駆動段または出力段(120,160)の能動デバイス(140,180)のオンとオフの切り替えを独立かつ選択的に制御する。

Description

本発明は、代表的にワイヤレス通信装置で使用され、負荷変動下で電力増幅器の直線性を維持するアイソレータ無しの電力増幅器回路に関する。より詳細には、直線性は電力増幅器回路の能動デバイスを動的に調整しスイッチングすることにより維持される。
電力増幅器は、無線周波数(RF)信号のような信号を増幅するために送信機で使用される。このような電力増幅器は、携帯電話機のようなワイヤレス通信装置の送信機に含まれる。電力増幅器は、典型的に増幅されたRF信号を空中伝送のためアンテナに供給する。
たとえば、携帯電話機に適用されるRFアンテナは、激しく変化する環境で動作し、その結果、アンテナ入力インピーダンスが変化し、4:1のVSWR(電圧定在波比)は稀である。特に高出力レベルでは、これにより、たとえば、CDMA(符号分割多元接続)、TDMA(時分割多元接続)、非固定包絡線を有するエッジまたはW−CDMA変調搬送波信号の深刻な歪みが生じる。
直線性を維持するために携帯電話の電力増幅器をアンテナ不整合条件から保護するための従来の解決策は、負荷インピーダンス変動が電力増幅器の性能に与える影響を制限するために、電力増幅器とアンテナのような出力負荷との間に設置されたサーキュレータのようなアイソレータを使用することである。サーキュレータは、アイソレータまたは第3のサーキュレータポート終端で反射された電力を消滅することによりアンテナ不整合条件下で電力増幅器の適切な50オームの負荷を確保する。電力フローの指向性は強磁性材料によって作られる。
従来技術の上記の面は、サーキュレータ14を用いて不整合アンテナ16から絶縁された電源12のために使用される配置10の基本的なブロック図を表す図1を参照して詳細に説明される。電流源18またはそのインピーダンスZは理想的な電源(RF−トランジスタ)12を表す。整合回路20はアンテナ16と電源12との間に接続され、別の端子22が接地される。
整合回路20からサーキュレータ14への電力Pinc_circの一部分はPinc_antとしてアンテナ16へ供給され、アンテナ16で一部の電力Prefl_antが反射してサーキュレータ14へ戻される。サーキュレータ14があるため、アンテナ16から反射された電力Prefl_antはソース12に向かって反射されることがなく、サーキュレータ負荷Pdissで消滅する。その結果として、サーキュレータ14から反射されて電源12へ向かう電力Prefl_circおよび整合回路20から反射されて電源12へ向かう電力Prefl_sourceはゼロである。これは、入射波と反射波が同相で足し合わされるときに起こる極端な状況を回避する。しかし、電力増幅器の直線性を維持し、(基地局の電界強度表示の制御下で)Pradを一定に保つことが望ましいので、電源12における信号電圧または電流を増大させる反射損失を解決するために、電源12からの入射電力Pinc_sourceを増加させ、これにより、ワット損を増加させることが必要である。かくして、サーキュレータ14は、アンテナ不整合条件下では電力増幅器の直線性を一部しか維持できない。その上、ワット損または消費は高い状態のままであるため、携帯電話機のバッテリ充電を必要とし、バッテリ寿命を短縮し、同時に、効率を低下させる。
アンテナ16に接続されたアイソレータまたはサーキュレータ14を取り除くことが望ましい。しかし、アイソレータの除去は、負荷インピーダンス変動が電力増幅器の性能、たとえば、直線性に悪影響を与えることを許してしまう。したがって、アイソレータが取り除かれた場合に、増幅器の性能または直線性が負荷インピーダンス変動にもかかわらず維持される電力増幅器が求められている。
本発明によれば、電力増幅器の直線性電力出力は、負荷変動にもかかわらず、負荷にアイソレータが接続されていなくても実質的に維持される。これは、順方向電力と反射電力との間の差に応じて、能動デバイス内または能動デバイス外で切り替える、例えば、選択的かつ独立に切り替えることによって実現される。
本発明による一実施形態において、増幅器の直線性を維持する増幅器回路が提供される。増幅器回路は、たとえば、ワイヤレス通信装置で使用される。増幅器回路は、予備増幅のための信号を受信し、予備増幅された信号を出力する複数の第1の能動デバイスの組を有する駆動段を含む。出力段は、さらなる増幅のための予備増幅された信号を受信し、増幅された信号を出力する複数の第2の能動デバイスの組を有する。検出器は増幅された信号の順方向信号または反射信号のレベルを測定する。増幅器回路は、負荷変動時の増幅器回路の直線性を実質的に維持するために、順方向信号または反射信号のレベルに応じてオンとオフの切り替え、または、第1の能動デバイスの組および/または第2の能動デバイスの組の切り替えを制御する制御回路をさらに含む。たとえば、制御回路は、第1の能動デバイスの組および/または第2の能動デバイスの組に含まれる能動デバイスのそれぞれのオンとオフとを選択的かつ独立に切り替える。
本発明による他の実施形態において、負荷変動下で増幅器の直線性を実質的に維持する方法が提供される。この方法は、増幅器出力で順方向信号または反射信号のレベルを測定するステップと、負荷変動時の増幅器回路の直線性を実質的に維持するために、測定された順方向信号または反射信号の差もしくはそれらの比のような測定されたレベルに応じて、増幅器回路の駆動段における複数の第1の能動デバイスの組または/または出力段における複数の第2の能動デバイスの組のオンとオフとを選択的かつ独立に切り替えるステップと、を含む。たとえば、オンとオフとの切り替え動作は、複数の第1の能動デバイスの組または/または第2の能動デバイスの組における各能動デバイスのオンとオフとを選択的かつ独立に切り替える。
本発明のさらなる特徴および効果は以下の説明の考察からより容易に明白になるであろう。
添付図面は本発明の好ましい実施形態を特定し説明し、同じ要素はすべての図面を通じて同一の参照符号によって指定される。
本発明は、付随する効果と共に、以下の本発明の好ましい実施例の詳細な説明を、添付図面と共に、参照することによって最もよく理解されるであろう。
たとえば、ワイヤレス通信装置で使用するための増幅器回路が記載され、実例として、RF電力増幅器がRFアンテナ回路に使用される。以下の説明中、様々な具体的な細部、たとえば、トランジスタの具体的なタイプまたは数は、本発明の十分な理解が得られるように記載されている。しかし、当業者に明らかであるように、本発明はこれらの具体的な細部を用いることなく実施される。その他の例では、周知の回路は、本発明を不必要に分かりにくくしないために詳細に記載されていない。
ワイヤレス通信装置は、たとえば、携帯電話機もしくはコードレス電話機、ポケットベル、インターネット機器、または、その他の消費者装置であり、代表的には通信システムの一部である。図2は、主局もしくは基地局(BS)50と複数個の従局もしくは移動局(MS)60を具備する携帯電話システム40のようなワイヤレス通信システムを表す。基地局50は、送受信機54に結合されたコンピュータのようなネットワークコントローラ52を具備し、送受信機54は次にアンテナ56のような無線伝送手段に結合されている。ワイヤ58のような接続手段はコントローラ52を公衆網または私設網に結合する。
各移動局60は、マイクロコントローラ(μC)または/またはデジタル信号プロセッサ(DSP)のようなプロセッサ62を具備する。代表的に、DSPは音声信号を処理し、一方、μCは移動局60の動作を管理する。プロセッサ62は、無線伝送手段、たとえば、アンテナ66に結合された送受信機手段64に結合される。EPROMまたはRAMのようなメモリ68は、プロセッサ62に結合され、移動局60の動作または構成に関するデータを記憶する。基地局50から移動局60への通信は下りリンクチャネル72で行われ、一方、移動局60から基地局50への通信は上りリンクチャネル74で行われる。移動局60はまた、キーボードまたはスクリーンのようなユーザインタフェース、並びに、送受信機64の送信部門すなわち送信部に結合されたマイクロホン、および、送受信機64の受信部に結合されたスピーカを含む。
送受信機64の送信部は上りリンクチャネル74を介して信号を送信し、送受信機64の受信部は下りリンクチャネル72を介して信号を受信する。送受信機64は送信部の電力増幅器(PA)または受信部の低雑音増幅器(LNA)をアンテナ66へ選択的に結合するために選択手段を含む。一例として、選択手段は、周波数レンジをそれぞれ送信または受信するために調整されたデュプレクサまたは帯域通過フィルタを含む。技術的によく知られているように、送受信機64は、また、受信された無線周波数(RF)信号を中間周波数および/またはベースバンド信号へ変換するダウンコンバータと、復調器/復号器のようなその他の回路を受信部に含む。これに対して、送受信機64の送信部はアップコンバータおよび変調器/符号器を含む。アナログ形式とデジタル形式との間を変換する変換器は、また、代表的に送受信機64に設けられる。
図3は、一例として、ワイヤレス通信装置内でRF信号を増幅するために電力増幅器回路として使用される、本発明による実施形態に従った増幅器回路100を示す図である。たとえば、増幅器回路100は図2に示された移動局60の送受信機64の一部であり、より詳細には、送信機64の送信部にある。代表的に、増幅器回路の入力は変調器に結合され、増幅のための変調されたRF信号を受信する。増幅器出力は、アンテナ66のような負荷に結合され、そのアンテナ66では、増幅されたRF信号が、たとえば、上りリンクチャネル74で空中伝送される。
図3に示されるように、増幅器回路100は、増幅器回路100の入力を一時的に記憶し、その入力インピーダンスを、そこに結合された回路、たとえば、変調器の出力インピーダンスとマッチングさせる入力整合回路110を具備する。入力整合回路110の出力は、複数のDC阻止キャパシタ130を介して駆動段120に結合される。変調された信号のような増幅されるべき信号は、入力整合回路110によってキャパシタ130へ供給され、キャパシタ130は続いてDC成分を阻止し、実質的にDCオフセットを含まない信号を駆動段120へ供給する。
駆動段120は、トランジスタ140のような複数個の能動デバイスを具備し、この能動デバイスは、キャパシタ130から実質的にDCを含まない信号を受け取り、第1のレベルまで予備増幅する。一例として、NPNトランジスタ140のような3つの予備増幅バイポーラトランジスタが使用され、それぞれが対応するキャパシタ130に結合されたベースを有する。各ベースは、適切なDCバイス信号を供給するバイアス制御回路145へさらに独立に結合されている。これは、バイアス制御回路145が各トランジスタ140を独立かつ選択的に制御すること、たとえば、オンまたはオフを切り替えることを可能にする。各トランジスタ140のエミッタはグランドと結合され、一方、各トランジスタ140の出力すなわちコレクタ147は、バッファリングと、駆動段120と出力段160の入力との間のインピーダンス整合とのために用いられる中間段整合回路150に結合される。
駆動段120からの予備増幅された信号は、中間段整合回路150と、複数のDC阻止キャパシタ130と同様にDC信号を実質的に阻止する複数のDC阻止キャパシタ170とを介して、出力段160の入力へ供給される。
出力段160は、駆動段120と類似し、複数のキャパシタ170から実質的にDCを含まない信号を受けて、出力レベルまで増幅する複数個のトランジスタ180をさらに具備する。一例として、3つの増幅NPNトランジスタ180が使用され、それぞれが対応した1つのキャパシタ170に結合されたベースを有する。各ベースは、適切なDCバイアス信号を供給するバイアス制御回路145へさらに独立に結合される。これにより、バイアス制御回路145は、各トランジスタ180を独立かつ選択的に制御すること、たとえば、オンまたはオフを切り替えることが可能となる。このようにして、能動デバイスのすべての制御ポート、たとえば、トランジスタ140、180のすべてのベースは、トランジスタ140、180のそれぞれを独立かつ選択的に制御可能とし、それによって駆動段および出力段120、160の増幅度すなわち利得を調整するバイアス制御回路145へ独立に結合される。各トランジスタ180のエミッタはグランドと結合され、一方、各トランジスタ180の出力すなわちコレクタ187は、アイソレータを介在させることなく、負荷へ直接的にまたは間接的に結合されている。さらに、各能動デバイス140,180のエミッタ領域は、所与の負荷、中間段または電源条件に対して最適性能が得られるように選択される。
一例として、電力増幅器が30dBmの出力電力を50オーム負荷に供給する場合を考える。電力増幅器の最終段の出力が直線性動作のため1.4ボルトのピーク電圧振幅を有するならば、負荷と電力増幅器を分離する無損失インピーダンス整合ネットワークは51:1のインピーダンス変換比をもつ必要がある。
一定VSWRの位相全体に対して最悪ケースの不整合条件を想定する。インピーダンスの両極端は高負荷と低負荷である。前者のケースでは、低電圧振幅が最終段の出力の向こう側に現れ、高ACインピーダンスの始まりを原因とするクリッピングの形態で非直線性を引き起こす。後者のケースでは、出力電流に対する要求は低ACインピーダンスの始まりを原因として高まる。入射電力レベルまたは反射電力レベルを監視することにより、インピーダンス条件の測定が図4のブロック200に示されるように得られる。ブロック210において、インピーダンスレベルまたは不整合が検査され、正常すなわち整合レベルが得られるならば、正常な整合動作がブロック220で継続される。インピーダンスレベルがブロック210で決定されたときに、正常ではないか、または、不整合であるならば、測定された順方向信号と反射信号との差または比が大きいか、または、小さいかがブロック230において判定される。それが大きいならば、順方向信号が比較的大きいということを示し、次に、ブロック240において、たとえば、スイッチを入れるトランジスタの数を少なくすることにより、スイッチが入れられる能動領域が小さくなる。ブロック230における決定によって、測定された順方向信号と反射信号との差または比が小さいということが示されるならば、すなわち、順方向信号が比較的小さいということが示されるならば、ブロック250では、たとえば、スイッチが入れられるトランジスタの個数を多くすることにより、スイッチが入れられる能動領域が大きくなる。一例として、所望の出力電力または直線性に従って負荷インピーダンス変動が小さい変動から大きい変動へ変わると、スイッチが入れられる能動領域は小さくなる。次に、インピーダンス条件は、ブロック200へ戻ることにより再測定され、これらの動作は整合レベルがブロック210で得られるまで繰り返され、正常の整合動作がブロック220で継続される。ブロック200におけるインピーダンスの監視または測定は、連続的にまたは断続的に検査され、ブロック220の整合条件へ達するよう必要に応じて、調整が行われる。
図3を参照すると、電力検出器190のような検出器がまた各トランジスタ180の出力に結合され、出力段160の出力で増幅されたRF信号のレベル、たとえば、電力レベルを検出する。電力検出器190は次にバイアス制御回路145に結合される。増幅器回路100の出力はアイソレータを介在させることなくアンテナに結合される。
電力検出器190は、DCバイアス制御回路145に増幅器回路100の順方向または反射出力電力の測定値を提供する。順方向電力レベルまたは反射電力レベルに応じて、DCバイアス制御回路145は、増幅器回路100の出力に結合された負荷のインピーダンスの変動にもかかわらず、増幅器回路100の最適な性能および一定の直線性を実質的に維持するために、駆動段120および出力段160のそれぞれの複数のトランジスタ140または180をそれぞれ独立かつ選択的に制御する。特に、バイアス制御回路145は、能動デバイス140、180のそれぞれのベースに適切な直流電流(DC)バイアスを加えることにより、独立に各能動デバイスのオンとオフとを切り替え、したがって、順方向電力レベルと反射電力レベルとの差に応じて、スイッチが入れられる能動デバイス140、180の数を増減させる。
当業者に周知であるように、電力検出器190によって測定された順方向電力レベルまたは反射電力レベルの変化は、負荷インピーダンスの変化、たとえば、図2に示されたアンテナ66のインピーダンスの変化に関連付けられる。特に、増幅器回路100の出力の出力インピーダンスに実質的に整合した負荷インピーダンスの場合に、順方向電力レベルと反射電力レベルとの間の比または差は大きく、一方、実質的に整合しないインピーダンスの場合には、その比または差は小さい。参照によって本明細書にその全内容が組み入れられた米国特許第5,423,082号は、アイソレータ無しで可変アンテナ負荷を補償することが可変利得段の利得を調整することにより一定の全体的なループ利得を維持するため反射出力エネルギーを考慮して達成された閉ループフィードバックを含む送信機を開示する。
参照によって本明細書にその全内容が組み入れられた米国特許第5,442,322号または第5,712,593号に開示されているようなバイアス制御回路もまた技術的に周知である。米国特許第5,442,322号において、バイアス制御回路はバイアス制御電圧を能動デバイス内の電流を表す値と比較し、能動デバイスの動作点を制御するために制御信号を能動デバイスの制御端子に供給する。電力増幅器のバイアス点は、米国特許第5,712,593号では、基準値をRF出力信号のフィルタリングされた部分と比較した結果に応じて制御回路によって同様に制御される。増幅器のバイアス点の変更は、負荷インピーダンス変動が増幅器の性能に与える影響を制限する。参照によって本明細書にその全内容が組み入れられた米国特許第6,064,266号は、同様に負荷インピーダンス変動が増幅器の性能に与える影響の制限に関連し、この制限は、閾値検出器が所定の値を上回る負荷インピーダンスの変動を検出したときに出力インピーダンスと並列である抵抗器に切り替えることによって、DCバイアスではなく、RF出力信号パスを変更することによって達成される。
本増幅器回路100のバイアス制御回路145は、電力検出器190によって測定された順方向電力レベルまたは反射電力レベルを少なくとも1個の閾値と比較するプロセッサまたはコンパレータを含む。この比較に基づいて、DCバイアス制御回路145は、負荷変動時の増幅器回路100の直線性を実質的に一定に維持するために、必要に応じて、すなわち、順方向信号または反射信号のレベルに応じて、駆動段または出力段の複数のトランジスタ140、180のターンオンまたはターンオフを選択的かつ独立に制御する。
図5は本発明によるアイソレータ無しの増幅器回路の性能を維持する方法のフローチャート300を表す。ブロック310において、電力検出器は、増幅器回路の出力で順方向電力レベルまたは反射電力レベルを測定し、この情報をバイアス制御回路145へ提供する。測定された順方向電力レベルまたは反射電力レベル、例えば、それらの差または比の値に応じて、ブロック320において、制御回路145は、図3に示された増幅器回路100の最適な性能または一定の直線性を実質的に維持するために、たとえば、適切なDCバイアスを加えることにより、能動デバイス140、160のオンまたはオフを選択的かつ独立に切り替える。
本発明はその特定の例示的な実施形態を参照して特に詳細に説明されているが、様々な変形または変更が請求項に記載された本発明のより広義の意図された精神または範囲から逸脱することなくそれらの実施形態に加えられることもまた認識されるべきである。明細書または図面は、したがって、例示のための様態として考慮されるべきであり、請求項に記載された事項の範囲を制限することを意図しない。
サーキュレータを用いて不整合アンテナから絶縁された従来技術の電源のブロック図である。 本発明によるワイヤレス通信システムを表す図である。 本発明によるアイソレータ無しの増幅器回路を表す図である。 本発明によるアイソレータ無しの増幅器回路の性能、たとえば、直線性を維持する方法のフローチャートである。 本発明によるアイソレータ無しの増幅器回路の性能、たとえば、直線性を維持する方法の要約されたフローチャートである。

Claims (18)

  1. 予備増幅のための信号を受信し、予備増幅された信号を出力する複数の第1の能動デバイスを有する駆動段と、
    さらなる増幅のための前記予備増幅された信号を受信し、増幅された信号を出力する複数の第2の能動デバイスを有する出力段と、
    前記増幅された信号の順方向信号のレベルまたは反射信号のレベルを測定する検出器と、
    負荷変動時の増幅器回路の直線性を実質的に維持するために、前記順方向信号のレベルまたは反射信号のレベルに応じて前記複数の第1の能動デバイスおよび前記複数の第2の能動デバイスのオンとオフとの切り替えを制御する制御回路とを具備する増幅器回路。
  2. 前記出力段は、前記出力段と前記負荷との間に絶縁装置を介在させることなく負荷に結合されていることを特徴とする請求項1に記載の増幅器回路。
  3. 前記制御回路は、前記複数の第1の能動デバイスと前記複数の第2の能動デバイスとのそれぞれを独立に制御することを特徴とする請求項1に記載の増幅器回路。
  4. 前記制御回路は、前記複数の第1の能動デバイスのそれぞれを独立に制御することを特徴とする請求項1に記載の増幅器回路。
  5. 前記制御回路は、前記複数の第2の能動デバイスのそれぞれを独立に制御することを特徴とする請求項1に記載の増幅器回路。
  6. 前記複数の第1の能動デバイスまたは前記複数の第2の能動デバイスがNPNトランジスタであることを特徴とする請求項1に記載の増幅器回路。
  7. 前記増幅器回路の入力と前記駆動段との間に結合され、前記増幅器回路の入力インピーダンスを前記入力に結合された装置の出力インピーダンスに整合させる入力整合回路をさらに具備することを特徴とする請求項1に記載の増幅器回路。
  8. 前記入力整合回路と前記駆動段との間に結合された少なくとも1つのキャパシタをさらに具備することを特徴とする請求項7に記載の増幅器回路。
  9. 前記増幅器回路の入力と前記駆動段との間に結合された少なくとも1つのキャパシタをさらに具備することを特徴とする請求項1に記載の増幅器回路。
  10. 前記駆動段の出力と前記出力段の入力との間に結合され、前記出力段の入力インピーダンスを前記駆動段の出力インピーダンスに整合させる中間段整合回路をさらに具備することを特徴とする請求項1に記載の増幅器回路。
  11. 前記中間段整合回路と前記出力段との間に結合された少なくとも1つのキャパシタをさらに具備することを特徴とする請求項10に記載の増幅器回路。
  12. 前記中間段整合回路と前記出力段との間に結合された少なくとも1つのキャパシタをさらに具備することを特徴とする請求項1に記載の増幅器回路。
  13. 請求項1に記載の前記増幅器回路を具備することを特徴とするワイヤレス通信装置。
  14. 予備増幅のための信号を受信し、予備増幅された信号を出力する複数の第1の能動デバイスの組を有する駆動段と、
    さらなる増幅のための前記予備増幅された信号を受信し、増幅された信号を出力する複数の第2の能動デバイスの組を有する出力段と、
    前記増幅された信号の順方向信号のレベルまたは反射信号のレベルを測定する検出器と、
    負荷変動時の前記増幅器回路の直線性を実質的に維持するために、前記順方向信号のレベルまたは前記反射信号のレベルに応じて前記複数の第1の能動デバイスの組および前記複数の第2の能動デバイスの組における各能動デバイスのスイッチングを独立かつ選択的に制御する制御回路とを具備する増幅器回路。
  15. 増幅器回路の出力に接続された負荷の変動時に前記増幅器回路の直線性を実質的に維持する方法であって、
    前記出力で順方向信号のレベルまたは反射信号のレベルを測定するステップと、
    前記レベルに応じて前記増幅器回路の駆動段の第1の能動デバイスと前記増幅器回路の出力段の第2の能動デバイスのオンとオフとを切り替えるステップとを含む方法。
  16. 前記オンとオフとを切り替える動作は、前記第1の能動デバイスおよび前記第2の能動デバイスのそれぞれのオンとオフとを独立に切り替えることを特徴とする請求項15に記載の方法。
  17. 前記オンとオフとを切り替える動作は、前記第1の能動デバイスのそれぞれのオンとオフとを独立に切り替えることを特徴とする請求項15に記載の方法。
  18. 前記オンとオフとを切り替える動作は、前記第2の能動デバイスのそれぞれのオンとオフとを独立に切り替えることを特徴とする請求項15に記載の方法。
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