JP2010017008A

JP2010017008A - 電源回路

Info

Publication number: JP2010017008A
Application number: JP2008175631A
Authority: JP
Inventors: Taizo Ito; 太造伊藤; Manabu Nakamura; 学中村; Yoichi Okubo; 陽一大久保
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2008-07-04
Filing date: 2008-07-04
Publication date: 2010-01-21

Abstract

【課題】高速かつ広帯域の無線通信システムの電力増幅器に適用可能な広帯域・高効率な電源回路を提供する。
【解決手段】入力端子ＩＮから広帯域の入力信号が入力される線形増幅器１１と、線形増幅器１１の出力側と出力端子ＯＵＴとの間に配置された電流―電圧変換器１２と、該電流―電圧変換器１２に生じる電圧差をコンパレータ１３である閾値と比較し、その比較結果に応じて電源電圧をスイッチングし電流に変換して出力端子ＯＵＴに出力するスイッチングレギュレータ１４とを備え、線形増幅器１１にドハティ増幅器を用いるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば無線通信を行う基地局装置において広帯域の高周波信号を電力増幅する電力増幅器に適した電源回路に関する。

無線通信を行う基地局装置に使用される電力増幅器は、コスト面から小型で高効率であることが求められている。一方、携帯電話などの無線通信では、通信速度の高速化、広帯域化が進んでおり、基地局装置向けの電力増幅器は広帯域・高効率であることが求められている。これを実現する手法の一つにＥＥＲ（Envelope Elimination and restoration）方式があり、その一例が特許文献１に開示されている。また、上記ＥＥＲ方式に用いられる電源回路、すなわち広帯域な包絡線信号を高効率に増幅する電源回路として、その一例が特許文献２に開示されている。

上記特許文献２に開示される電源回路には、トランジスタで構成されるインバータとインダクタとを備えたスイッチングレギュレータが採用されている。このスイッチングレギュレータの動作周波数は包絡線信号の周波数が速くなるほどほぼ包絡線信号の周波数と等しくなる。スイッチングレギュレータは動作周波数がある周波数を越えると効率が劣化し始める特性を有する。そのため、特許文献２に開示される電源回路では、線形増幅器を備え、スイッチングレギュレータの効率が劣化し始める周波数を持つ包絡線信号を入力すると、線形増幅器がスイッチングレギュレータの効率劣化分を補う形で動作する。しかし、線形増幅器は一般的に効率が高くない上に、帯域が広いわけでもない。

上記問題の解決を試みるものとして、広帯域な信号の周波数成分毎に最も効率の良い増幅器を使用することで広帯域な入力信号に対しても高い効率を得る電源回路が開発されている。この電源回路は、例えば低い周波数成分についてはスイッチングレギュレータが主として動作し、周波数が高くなりスイッチングレギュレータの効率が低下してくるような周波数成分については、線形増幅器が主として動作することで電源回路の効率の劣化を防ぎ、線形増幅器の効率が低下するさらに高い周波数成分については、高周波増幅器が動作することで広い帯域を有する信号の入力に対しても高い効率での動作が可能となるようにしたものである。

但し、近年の高速かつ広帯域な通信システムに用いられる信号は、最大電力と平均電力との差（ピークファクタ）が大きく、このような信号を線形増幅するためには最大電力まで増幅可能な増幅器を使用する必要がある。しかしながら、線形増幅器は最大出力電力から出力が小さくなるほど電力効率が低下してしまう特性を持つため、線形増幅器にピークファクタが大きな信号が入力した場合、線形増幅器の平均動作効率が低くなり、電源回路の全体効率も劣化してしまう。

米国特許第６２５６４８２号明細書

特表２００３−５３３１１６号公報。

以上述べたように、以前から無線通信システムの基地局装置における電力増幅器では、通信速度の増加に伴い、広帯域・高効率であることが要求されているが、その電源回路が上記の要求に応じられる能力に限界が生じている。
本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、高速かつ広帯域の無線通信システムの電力増幅器に適用可能な広帯域・高効率な電源回路を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る電源回路は、入力端子から供給される信号を線形増幅する線形増幅器と、前記線形増幅器の出力電流を電圧に変換する電流−電圧変換器と、前記電流−電圧変換器によって得られる電圧と閾値とを比較し、その比較結果に基づいて電源電圧をスイッチング出力し電流に変換する調整手段とを具備し、前記線形増幅器にドハティ増幅器を用い、前記電流−電圧変換器の出力と前記調整手段の出力とを合成して出力端子に導出する構成とする。

すなわち、ドハティ増幅器は、飽和出力電力よりも低い出力電力において高い効率が得ることができるため、ピークファクタが大きな信号が入力した場合においても、高い平均動作効率が得られる。本発明はこの特性に着目し、線形増幅器にドハティ増幅器を用いて広帯域・高効率化を実現する。

以上のように、本発明によれば、高速かつ広帯域の無線通信システムの電力増幅器に適用可能な広帯域・高効率な電源回路を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は本発明に係る電源回路の第１の実施形態を示すブロック回路図である。図１において、入力端子ＩＮにはＤＣ成分や低い周波数成分、高い周波数成分までを含む広帯域の信号が供給される。この入力信号は線形増幅器１１に供給される。この線形増幅器１１には、ドハティ増幅器が用いられる。このドハティ増幅器は、比較的高い周波数領域においてピークファクタが大きな入力信号を高効率で増幅する機能を有している。この線形増幅器１１で増幅された伝送信号は、電流―電圧変換器１２を介して出力端子ＯＵＴに供給される。

上記電流―電圧変換器１２は、例えば抵抗値が数オーム程度の小さい抵抗器により構成されるもので、その両端（端子Ｔ１、Ｔ２間）に生じる電圧はコンパレータ１３に供給される。このコンパレータ１３は、端子Ｔ１，Ｔ２間の電圧差を所定の閾値と比較し、その比較結果に応じてハイレベル、ローレベルの２値信号を出力するもので、その出力はスイッチングレギュレータ１４に供給される。

上記スイッチングレギュレータ１４は、Ｄ級増幅器の機能を有し、低い周波数成分を持つ信号の電力を効率よく増幅する。Ｄ級の増幅器における増幅素子は単にスイッチのような働きをし、その出力信号は、電源を入力信号、すなわちコンパレータ１３からの２値信号に従ってＯＮ／ＯＦＦしたパルス列となる。このスイッチングレギュレータ１４の出力は合成点Ｔ３で電流−電圧変換器１２の出力と合成されて、出力端子ＯＵＴから出力される。

続いて、本実施形態の特徴とする線形増幅器１１に用いられるドハティ増幅器の構成について、図２に示すブロック回路図を参照して説明する。
図２において、このドハティ増幅器は、入力端子２１と、分配器２２と、移相器２３と、キャリア増幅回路２４と、ピーク増幅回路２５と、λ／４変換器２６と、λ／４変換器２７と、出力端子２８とから構成される。さらに、キャリア増幅回路２４は、入力整合回路２４ａと、増幅素子２４ｂと、出力整合回路２４ｃとから構成され、ピーク増幅回路２５は、入力整合回路２５ａと、増幅素子２５ｂと、出力整合回路２５ｃとから構成される。上記ピーク増幅回路２５の出力経路にはλ／４変換器２６の出力を合成するためのノード（合成点）Ｔ４が形成される。

各構成部分について説明する。
上記入力端子２１に供給される広帯域の信号は分配器２２によって２系統に分配され、一方は移相器２３に、他方はキャリア増幅回路２４に送られる。移相器２３は、分配器２２で分配された一方の信号の位相を、λ／４変換器２６によって生じる位相の遅れと同じだけ遅らせるもので、その出力はピーク増幅回路２５に供給される。

上記キャリア増幅回路２４において、入力整合回路２４ａは、前段の分配器２２の出力側と増幅素子２４ｂの入力側との整合をとる。増幅素子２４ｂは、ＡＢ級にバイアスされた増幅素子であり、入力電力レベルが低いときから動作する。出力整合回路２４ｃは、増幅素子２４ｂの出力側と後段のλ／４変換器２６との整合をとる。

一方、ピーク増幅回路２５の入力整合回路２５ａは、前段の移相器２３の出力側と増幅素子２５ｂの入力側との整合をとる。増幅素子２５ｂは、Ｂ級又はＣ級にバイアスされた増幅素子であり、入力電力レベルが十分高いときに動作する。出力整合回路２５ｃは、増幅素子２５ｂの出力側とノードＴ４との整合をとる。

また、上記λ／４変換器２６は、キャリア増幅回路２４の出力をインピーダンス変換してノードＴ４と整合をとるものであり、ノードＴ４は、λ／４変換器２６からの出力とピーク増幅回路２５からの出力とを合成する。λ／４変換器２７は、ノードＴ４での合成信号をインピーダンス変換して、出力端子２８に接続される負荷との整合をとる。

すなわち、上記ドハティ増幅器において、キャリア増幅回路２４とピーク増幅回路２５とは、増幅素子２４ｂがＡＢ級にバイアスされ、増幅素子２５ｂがＢ級又はＣ級にバイアスされている点で異なる。そのため、入力信号が増幅素子２５ｂの動作レベルになるまでは増幅素子２４ｂが単独で動作し、増幅素子２４ｂが飽和領域に入る（増幅素子２４ｂの線形性が崩れ始める）と、増幅素子２５ｂが動作し始め、増幅素子２５ｂの出力が負荷に供給され、増幅素子２４ｂとともに負荷を駆動するようになる。

このとき、増幅出力整合回路２４ｃの負荷は、高い抵抗から低い抵抗へ移動するが、増幅素子２４ｂは飽和領域にあるので効率は良い。入力端子２１からの入力レベルが更に増加すると、増幅素子２５ｂも飽和し始めるが、増幅素子２４ｂ、２５ｂ共に飽和しているので、このときも効率は良い。

次に、上記構成によるドハティ増幅器の効率−出力電力特性について、図３を用いて説明する。
図３は、ドハティ増幅器と通常のＢ級増幅器の効率−出力電力特性を比較して示す特性図である。図３において、点線は一般的なＢ級増幅器の効率を示し、実線は簡単なモデルにおけるドハティ増幅器の理論効率を示している。

図３に示す入力レベルがＡ区間にあるときは、上記ドハティ増幅器は基本的にキャリア増幅回路２４のみが動作する。低入力レベルにおけるドハティ増幅器の効率は、通常のＢ級増幅器に比較して２倍の値を示す。このときのキャリア増幅回路２４は、その負荷インピーダンスが本来の値の２倍となるので、出力は本来の半分となる。

また、上記ドハティ増幅器では、バックオフ（増幅器の飽和出力電力に対する増幅器の平均出力電力）が−６ｄＢになる付近で、キャリア増幅回路２４が飽和し始め、その効率はＢ級増幅器の最大効率付近まで達する。ドハティ増幅器の最大出力をＰ_０とすると、このときキャリア増幅回路２４の出力は約Ｐ_０／４である。

続いて、上記ドハティ増幅器において、バックオフが−６ｄＢ以上のＢ区間では、ピーク増幅回路２５が動作を開始する。そして、キャリア増幅回路２４とピーク増幅回路２５とが並列運転を行うことにより、入力レベルの増加に伴ってキャリア増幅回路２４の負荷インピーダンスが下がって本来の値に近づき、出力は約Ｐ_０／４からＰ_０／２へ増加する。また、ピーク増幅回路２５の出力はほぼ０からＰ_０／２へ増加する。

このとき、キャリア増幅回路２４及びピーク増幅回路２５の出力電力の和は、入力端子２１への入力電力に対し、区間Ａのときと同じ比例定数による比例関係にある。ピーク増幅回路２５が動作し始めると効率はいったん低下するが、ピーク増幅回路２５も飽和し始めるコンプレッションポイントで再びピークを迎える。コンプレッションポイントにおいて、キャリア増幅回路２４とピーク増幅回路２５の出力は等しくなる。

このようにドハティ増幅器は、飽和出力電力よりも低い出力電力において高い効率が得ることができるため、ピークファクタが大きな信号が入力した場合においても、高い平均動作効率が得られる。本発明はこの特性に着目し、線形増幅器１１にドハティ増幅器を用いて広帯域・高効率化を実現するものである。この場合、信号のピークファクタに応じて高い効率が得られるようにドハティ増幅器の構成を適宜変更すると効果的である。

ところで、図１に示す電源回路では、さらにスイッチングレギュレータ１４がＤ級増幅器の機能を有し、低い周波数成分を持つ信号の電力を効率よく増幅する。Ｄ級の増幅器における増幅素子は単にスイッチのような働きをし、その出力信号は、電源を入力信号に従ってＯＮ／ＯＦＦしたパルス列となる。ＯＮ／ＯＦＦのスイッチ動作は素子の抵抗も最小であるため、さらに高効率の増幅器を実現することができる。

以上のように、本実施形態に係る電源回路によれば、入力端子ＩＮから広帯域の入力信号が入力される線形増幅器１１と、線形増幅器１１の出力側と出力端子ＯＵＴとの間に配置された電流―電圧変換器１２と、該電流―電圧変換器１２に生じる電圧差をコンパレータ１３である閾値と比較し、その比較結果に応じて電源電圧をスイッチングし電流に変換して出力端子ＯＵＴに出力するスイッチングレギュレータ１４とを備え、線形増幅器１１にドハティ増幅器を用いるようにしたので、高速かつ広帯域の無線通信システムの電力増幅器に適用可能な広帯域・高効率な電源回路を提供することができる。

（第２の実施形態）
次に、第１の実施形態の構成より高い効率が得られる構成を第２の実施形態として説明する。
図４は、本発明に係る電源回路の第２の実施形態を示すブロック回路図である。尚、図４において、図１と同一部分には同一符号を付して示し、重複する説明を省略する。

図４に示す電源回路は、前述の線形増幅器１１、電流−電圧変換器１２、第１のコンパレータ１３、スイッチングレギュレータ１４に加え、第２のコンパレータ１５及び高周波増幅器１６を備えている。この実施形態では、電流―電圧変換器１２の両端（端子Ｔ１、Ｔ２間）に生じる電圧差が比較電圧として、接続点Ｔ５、Ｔ６経由で第１、第２のコンパレータ１３，１５それぞれに供給される。第１のコンパレータ１３の比較結果は前述のスイッチングレギュレータ１４に送られ、第２のコンパレータ１５の比較結果は高周波増幅器１６に供給される。この高周波増幅器１６の出力は接続点Ｔ７において線形増幅器１１の出力に重畳される。

本実施形態においても、線形増幅器１１はドハティ増幅器であり、比較的高い周波数領域においてピークファクタが大きな入力信号を高い効率で増幅する機能を有している。線形増幅器１１は、信号のピークファクタに応じて高い効率が得られるようドハティ増幅器の構成を変えてもよい。

また、第１の実施形態と同様に、スイッチングレギュレータ１４はＤ級増幅器の機能を有し、低い周波数成分を持つ信号の電力を効率よく増幅する。Ｄ級の増幅器における増幅素子は単にスイッチのような働きをし、その出力信号は、電源を入力信号に従ってＯＮ／ＯＦＦしたパルス列となる。ＯＮ／ＯＦＦのスイッチ動作は素子の抵抗も最小であるため、高効率の増幅器を構成することができる。

さらに、本実施形態が備える高周波増幅器１６は、線形増幅器１１よりも狭帯域の高周波入力信号をより高効率に増幅する機能を有する飽和（デジタル）アンプ、もしくはリニアアンプである。この高周波増幅器１６には、例えばＥ級の増幅器を用いる。すなわち、本実施形態では、高周波増幅器１６によって、線形増幅器１１の効率が劣化する、より高い周波数の信号を高効率に増幅することで、広帯域な信号が入力した場合にも、電源回路全体として高い効率を得ることができる。

以上のように、本実施形態の電源回路は、入力端子ＩＮから広帯域の入力信号が入力される線形増幅器１１と、前記線形増幅器１１の出力側と出力端子ＯＵＴとの間に配置された電流―電圧変換器１２と、該電流―電圧変換器１２に生じる電圧と閾値とを比較する第１のコンパレータ１３と、その比較結果に基づいて電源電圧をスイッチング出力し電流に変換して前記出力端子に出力するスイッチングレギュレータ１４と、前記電流−電圧変換器１２に生じる電圧と閾値とを比較する第２のコンパレータ１５と、その比較出力を増幅し電流に変換して出力する高周波増幅器１６とを具備し、前記高周波増幅器１６の出力電流が前記線形増幅器１６の出力電流に加算されて前記電流―電圧変換器１２に供給されるよう構成され、前記線形増幅器１１にドハティ増幅器を用いる構成としている。

このように構成することで、第１の実施形態で得られた効果に加え、高周波増幅器１６によって、線形増幅器１１の効率が劣化する、より高い周波数の信号を高効率に増幅することが可能となり、広帯域な信号が入力した場合にも、電源回路全体として高い効率を得ることができる。

（第３の実施形態）
次に、本発明に係る電源回路を利用した第３の実施形態になる広帯域ＥＥＲ方式による電力増幅器（以下、ＥＥＲ型増幅器）について説明する。
図５は上記ＥＥＲ型増幅器の構成を示すブロック回路図である。図５において、このＥＥＲ型増幅器は、電源回路３１、包絡線検波回路３２とリミッタ３３と搬送波増幅器３４から構成される。電源回路３１には、前述の第１または第２の実施形態で述べたいずれかの電源回路が採用されるものとする。

次に、このＥＥＲ型増幅器の動作を説明する。
高周波信号である入力信号から、包絡線検波回路３２によって振幅情報（ＡＭ）が抽出される。一方、リミッタ３３によって入力信号から位相情報（ＰＭ）が抽出される。振幅情報（ＡＭ）は電源回路３１で増幅されて搬送波増幅器３４の電源端子に供給される。また、位相情報（ＰＭ）は搬送波増幅器３４の入力端子に供給される。

入力信号の振幅情報はリミッタ３３により一旦失われるが、搬送波増幅器３４の電源端子に振幅情報が供給されるので、失われた振幅情報が搬送波増幅器３４において回復される。ＥＥＲ型増幅器は、入力電力によらず搬送波増幅器３４が常に飽和動作するように設計されており、また、振幅情報を増幅する電源回路３１も高効率であるため、全体として高効率である。

すなわち、広帯域かつピークファクタの大きな信号が入力されても、振幅情報を増幅する電源回路３１は常に高効率増幅動作が可能である。これにより、数１００ｋＨｚ程度から１００ＭＨｚ程度の広帯域の動作周波数帯域で基地局向けに適用できる程度の高い変換効率のＥＥＲ型増幅器を得ることができる。
このように、本実施形態のＥＥＲ型増幅器では、第１、第２の実施形態に記載した電源回路３１を用いるため、従来の電源回路では対応できないような高速広帯域な通信信号が入力された場合でも、高効率な動作を実現することができる。

なお、ＡＭ−ＰＭ歪みやＡＭ−ＡＭ歪み等を補正するために、搬送波増幅器３４の出力信号と入力信号を比較するフィードバックを行ってもよい。さらにはプリディストーションを行ってもよい。
以上のように本実施形態によれば、高速広帯域な無線通信方式において、高効率なＥＥＲ型増幅器を提供することができる。

要するに、本実施形態の電力増幅器は、入力信号の振幅情報を抽出する包絡線検波回路３２と、該入力信号の位相情報を抽出するリミッタ３３と、前記包絡線検波回路の検波出力信号を処理する電源回路３１と、前記リミッタ３３のリミッタ出力信号を入力として、前記電源回路３１の変換出力信号を電源として前記入力信号の電力を増幅する搬送波増幅器３４とを備え、前記電源回路３１に、第１の実施形態の構成（入力端子ＩＮから広帯域の入力信号が入力される線形増幅器１１と、線形増幅器１１の出力側と出力端子ＯＵＴとの間に配置された電流―電圧変換器１２と、該電流―電圧変換器１２に生じる電圧差をコンパレータ１３である閾値と比較し、その比較結果に応じて電源電圧をスイッチングし電流に変換して出力端子ＯＵＴに出力するスイッチングレギュレータ１４とを備え、線形増幅器１１にドハティ増幅器を用いる）による広帯域・高効率な電源回路を採用するようにしているので、高速かつ広帯域の無線通信システムに用いて好適な電力増幅器を実現することが可能となる。

また、本実施形態の電力増幅器は、入力信号の振幅情報を抽出する包絡線検波回路３２と、該入力信号の位相情報を抽出するリミッタ３３と、前記包絡線検波回路の検波出力信号を処理する電源回路３１と、前記リミッタ３３のリミッタ出力信号を入力として、前記電源回路３１の変換出力信号を電源として前記入力信号の電力を増幅する搬送波増幅器３４とを備え、前記電源回路３１に、第２の実施形態の構成（入力端子ＩＮから広帯域の入力信号が入力される線形増幅器１１と、前記線形増幅器１１の出力側と出力端子ＯＵＴとの間に配置された電流―電圧変換器１２と、該電流―電圧変換器１２に生じる電圧と閾値とを比較する第１のコンパレータ１３と、その比較結果に基づいて電源電圧をスイッチング出力し電流に変換して前記出力端子に出力するスイッチングレギュレータ１４と、前記電流−電圧変換器１２に生じる電圧と閾値とを比較する第２のコンパレータ１５と、その比較出力を増幅し電流に変換して出力する高周波増幅器１６とを具備し、前記高周波増幅器１６の出力電流が前記線形増幅器１６の出力電流に加算されて前記電流―電圧変換器１２に供給されるようにし、前記線形増幅器１１にドハティ増幅器を用いる）による広帯域・高効率な電源回路を採用するようにしているので、第１の実施形態で得られた効果に加え、高周波増幅器１６によって、線形増幅器１１の効率が劣化する、より高い周波数の信号を高効率に増幅することが可能となり、広帯域な信号が入力した場合にも、電源回路全体として高い効率を得ることができ、より高速かつ広帯域の無線通信システムに用いて好適な電力増幅器を実現することが可能となる。

なお、本発明は、上記実施形態例そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態例に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種種の発明を形成できる。例えば、実施形態例に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除しても良い。更に、異なる実施形態例に亘る構成要素を適宜組み合わせても良い。

本発明に係る電源回路の第１の実施形態を示すブロック回路図。第１の実施形態の特徴とする線形増幅器に用いられるドハティ増幅器の構成を示すブロック回路図。第１の実施形態で用いられるドハティ増幅器と通常のＢ級増幅器の効率−出力電力特性を比較して示す特性図。本発明に係る電源回路の第２の実施形態を示すブロック回路図。本発明に係る電源回路を利用した第３の実施形態になる広帯域ＥＥＲ方式による電力増幅器の構成を示すブロック回路図。

符号の説明

１１…線形増幅器（ドハティ増幅器）、１２…電流―電圧変換器、１３…第１のコンパレータ、１４…スイッチングレギュレータ、１５…第２のコンパレータ、１６…高周波増幅器、２１…入力端子、２２…分配器、２３…移相器、２４…キャリア増幅回路、２４ａ…入力整合回路、２４ｂ…増幅素子、２４ｃ…出力整合回路、２５…ピーク増幅回路、２５ａ…入力整合回路、２５ｂ…増幅素子、２５ｃ…出力整合回路、２６…λ／４変換器、２７…λ／４変換器、２８…出力端子、３１…電源回路、３２…包絡線検波回路、３３…リミッタ、３４…搬送波増幅器。

Claims

入力端子から供給される信号を線形増幅する線形増幅器と、
前記線形増幅器の出力電流を電圧に変換する電流−電圧変換器と、
前記電流−電圧変換器によって得られる電圧と閾値とを比較し、その比較結果に基づいて電源電圧をスイッチング出力し電流に変換する調整手段と
を具備し、
前記線形増幅器にドハティ増幅器を用い、
前記電流−電圧変換器の出力と前記調整手段の出力とを合成して出力端子に導出することを特徴とする電源回路。