JP2010226249A - 増幅装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ドライブ回路を含めて増幅効率が高くかつ歪みの少ない増幅装置を提供する。
【解決手段】入力された無線周波信号を分配器１３で二分岐し、その一方をキャリア増幅器１１によりそのＡＢ級動作点に従い増幅する。また、上記分配器１３により二分岐された無線周波信号の他方を、移相器１４で移相したのち、ピーク増幅器１２によりＡＢ級動作点とＢ級動作点との間に設定された動作点に従い増幅する。そして、上記キャリア増幅器１１により増幅された無線周波信号と、上記ピーク増幅器１２により増幅された無線周波信号とをドハティ合成部１５により合成し、その合成された無線周波信号を出力端子１７から出力するようにしたものである。
【選択図】 図２

Description

この発明は、例えば移動通信システムで使用される無線通信装置において電力増幅用として用いられる増幅装置に関する。

例えば、符号分割多元接続（Code Division Multiple Access；ＣＤＭＡ）方式を採用した移動通信システムや、マルチキャリア方式を採用した無線システムで使用される無線通信装置においては、無線周波信号を電力増幅する場合、共通増幅器に歪み補償手段を付加し、共通増幅器の動作範囲を飽和領域付近まで拡げることで低消費電力化を図っている。しかし、歪み補償だけでは低消費電力化に限界が近づいていることから、電力増幅器としてドハティ方式を採用した高効率増幅器を使用することが、従来提案されている。ドハティ増幅器は、基本的にＡＢ級のキャリア増幅器とＣ級のピーク増幅器を組み合わせ、これらの増幅器の出力を合成して高効率の増幅を実現するものである（例えば、特許文献１を参照）。

また最近では、小信号レベルから大信号レベルまで高効率に増幅するために、ドハティ増幅器の前段にドライブ回路を配置した増幅装置も使用されている。ドライブ回路としては、例えば複数のＡＢ級増幅器を直列接続した回路が知られている。ＡＢ級増幅器を使用する理由は、小信号レベルから増幅できること、飽和レベルがＣ級増幅器に比べて高いこと、歪み特性がＣ級増幅器より良好なこと等の利点があるためである。

特開２００６−１５７９００号公報

ところが、ドハティ増幅器自体に種々の改良を行って増幅効率を高めても、前段にドライブ回路を設けると、このドライブ回路の影響を受けて増幅装置全体の増幅効率が低下してしまう。特に、ドライブ回路にＡＢ級増幅器を使用した場合には増幅効率の低下が無視できなくなる。一方、ドライブ回路にドハティ増幅器を使用することも考えられる。しかし、ドライブ回路にドハティ増幅器を使用すると増幅装置全体の歪み特性の劣化が避けられず、また飽和出力レベルの低下も招く。
この発明は上記事情に着目してなされたもので、その目的とするところは、ドライブ回路を設けているにもかかわらず増幅効率が高くかつ歪みの少ない増幅装置を提供することにある。

上記目的を達成するためにこの発明の一観点は、ドハティ増幅器からなる電力増幅器の前段にドライブ回路を配置し、このドライブ回路に、入力信号を二分岐して第１の入力信号と第２の入力信号を出力する信号分配回路と、バイアス点がＡＢ級動作点に設定され上記第１の入力信号を増幅して第１の増幅信号を出力するキャリア増幅器と、バイアス点がＡＢ級動作点とＢ級動作点との間に設定され所定量移相された上記第２の入力信号を増幅して第２の増幅信号を出力するピーク増幅器と、上記第１の増幅信号と上記第２の増幅信号とをドハティ合成してこの合成された増幅出力信号を上記電力増幅器に供給するドハティ合成部とを備えるように構成したものである。

したがって、ドライブ回路からは、キャリア増幅器によりＡＢ級動作点に従い増幅された信号と、ピーク増幅器によりＡＢ級動作点とＢ級動作点との間に設定された動作点に従い増幅された信号とがドハティ合成された信号が出力される。すなわち、ドライブ回路は準ドハティ増幅器として動作する。このため、ピーク増幅器にＣ級増幅器を使用した一般的なドハティ増幅器をドライブ回路として使用する場合に比べ歪み特性が優れ、一方ＡＢ級増幅器をドライブ回路として使用する場合に比べ増幅効率の高い増幅装置を提供することが可能となる。
すなわち、この発明の一観点によれば、ドライブ回路を設けているにもかかわらず増幅効率が高くかつ歪みの少ない増幅装置を提供することができる。

この発明に係わる増幅装置の第１の実施形態を示すブロック図である。 図１に示した増幅装置においてドライブ回路として設けられる準ドハティ増幅器の構成を示すブロック図である。 図２に示した準ドハティ増幅器を使用したドライブ回路の歪み特性の一例を示す図である。 ドハティ増幅器を使用したドライブ回路の歪み特性の一例を示す図である。 ＡＢ級増幅器を使用したドライブ回路の歪み特性の一例を示す図である。 この発明に係わる増幅装置の第２の実施形態を示すブロック図である。

以下、図面を参照してこの発明に係わる実施形態を説明する。
（第１の実施形態）
図１は、この発明に係わる増幅装置の第１の実施形態を示すブロック図である。この第１の実施形態の増幅装置は、ドハティ増幅器を使用した電力増幅器１と、この電力増幅器の前段に配置されたドライブ回路２とを備える。

ドライブ回路２は、少なくとも１以上の準ドハティ増幅器２１〜２ｎを直列接続したもので、各準ドハティ増幅器２１〜２ｎは以下のように構成される。図２はその構成を示すブロック図である。
すなわち、準ドハティ増幅器２１〜２ｎは、キャリア増幅器１１と、ピーク増幅器１２と、分配器１３と、移相器１４と、ドハティ合成部１５とを備えている。

分配器１３は、入力端子１６を介して入力された無線周波信号を二分岐する。この二分岐された無線周波信号の一方は上記キャリア増幅器１１に入力され、他方は移相器１４により所定量移相されたのち上記ピーク増幅器１２に入力される。移相器１４は、キャリア増幅器１１により増幅された無線周波信号と、ピーク増幅器１２により増幅された無線周波信号とを、ドハティ合成部１５で同相の状態で合成するためのもので、キャリア増幅器１１を含む経路の位相遅延量と、ピーク増幅器１２を含む経路の位相遅延量とに基づいて移相量が予め設定される。

キャリア増幅器１１は、バイアス入力端子１８を介して図示しない電源回路から印加されるバイアス電圧ＶB1により、バイアス点がＡＢ級動作点に設定されている。そして、この設定されたＡＢ級動作点に従い、上記分配器１３から分配出力された無線周波信号を増幅して、この増幅後の無線周波信号をドハティ合成部１５へ出力する。

ピーク増幅器１２は、バイアス入力端子１９を介して図示しない電源回路から印加されるバイアス電圧ＶB2により、バイアス点がＡＢ級動作点とＢ級動作点との間に設定されている。そして、このＡＢ級動作点とＢ級動作点との間に設定された動作点に従い、上記分配器１３から出力されたのち移相器１４により移相された無線周波信号を増幅して、この増幅後の無線周波信号を出力する。動作点をＡＢ級動作点とＢ級動作点との間のどの位置に設定するかは、歪み特性を優先するか或いは増幅効率を優先するかにより任意に設定できる。

なお、キャリア増幅器１１及びピーク増幅器１２はいずれも、増幅素子とその入力側及び出力側にそれぞれ配置されたインピーダンス整合回路とから構成される。増幅素子は例えばＬＤ−ＭＯＳ（Lateral Double-diffused ＭＯＳ）、ＧａＡｓ−ＦＥＴ、ＨＥＭＴ、ＨＢＴ等の半導体デバイスからなる。インピーダンス整合回路は、増幅素子とその入力側の回路または出力側の回路との間のインピーダンス整合をとる回路である。

ドハティ合成部１５は、インピーダンス変換器１５１と、このインピーダンス変換器１５１の出力点と上記ピーク増幅器１２の出力点とをワイヤードオア接続するノード１５２とから構成される。インピーダンス変換器１５１は、ノード１５２により合成される無線周波信号を出力負荷に整合させるもので、無線周波信号の周波数をλとしたとき、例えばλ／４変成器により構成される。なお、インピーダンス変換器１５１の長さはλ／４に限定されるものではなく、インピーダンス変換器１５１の他にピーク増幅器１２とノード１５２との間にもインピーダンス変換器を設け、これらのインピーダンス変換器の長さをλ／４以外の任意の長さに最適化することで、増幅効率及び歪み特性をさらに高めることが可能である。

このような構成であるから、各準ドハティ増幅器２１〜２ｎでは、入力端子１６に無線周波信号が入力されると、この無線周波信号は先ず分配器１３で二分岐されたのち、その一方がキャリア増幅器１１によりそのＡＢ級動作点に従い増幅されて出力される。また、上記分配器１３により二分岐された無線周波信号の他方は、移相器１４により例えばπ／２移相されたのち、ピーク増幅器１２によりＡＢ級動作点とＢ級動作点との間に設定された動作点に従い増幅されて出力される。そして、上記キャリア増幅器１１により増幅された無線周波信号は、ドハティ合成部１５のインピーダンス変換器１５１によりインピーダンス変換されたのち、上記ピーク増幅器１２により増幅された無線周波信号とノード１５２で合成され、出力端子１７から次段の準ドハティ増幅器または電力増幅器１へ出力される。

したがって、このような増幅装置によれば以下のような効果が奏せられる。すなわち、いま例えば、電力増幅器１としてドレイン効率が５０％、出力１、ゲイン９dBのドハティ増幅器を使用し、かつドライブ回路２にドレイン効率２８％、出力１２dBのこの発明の第１の実施形態に係わる準ドハティ増幅器２１を使用したとする。この場合、増幅装置全体の効率は、
（１−１／１２８）／（１／０．５＋１／８／０．２８）＝４１％
となる。図３にこの場合の増幅装置の歪み特性を示す。

ちなみに、図４にドライブ回路２にドレイン効率３５％、出力１２dBのドハティ増幅器を使用した場合の増幅装置全体の歪み特性を、また図５にドライブ回路２にドレイン効率２０％、出力１２dBのＡＢ級増幅器を使用した場合の増幅装置全体の歪み特性をそれぞれ示す。

上記図３と図４及び図５との比較から明らかなように、この発明の第１の実施形態に係わる増幅装置、つまりドライブ回路２に準ドハティ増幅器２１を用いた装置によれば、ドライブ回路にＡＢ級増幅器を使用した場合と比べると増幅装置全体の歪み特性は劣化するが、ドライブ回路に一般的なドハティ増幅器を用いた場合に比べ歪み特性を改善することが可能となる。

一方、増幅装置の効率の面で見ると、ドライブ回路２に準ドハティ増幅器２１を用いたこの発明の第１の実施形態の増幅装置では、上記したように４１％の効率が得られる。これに対し電力増幅器１としてドレイン効率が５０％、出力１、ゲイン９dBのドハティ増幅器を使用し、かつドライブ回路２にドレイン効率２０％、出力１２dBのＡＢ級増幅器を使用した場合、増幅装置全体の効率は、
（１−１／１２８）／（１／０．５＋１／８／０．２０）＝３７．８％
となる。

すなわち、ドライブ回路２に準ドハティ増幅器２１を用いたこの発明の第１の実施形態に係わる増幅装置によれば、ドライブ回路に一般的なドハティ増幅器を用いた場合に比べると効率は低いものの、ドライブ回路にＡＢ級増幅器を使用した場合に比べ効率を高めることが可能となる。

以上のように第１の実施形態では、入力された無線周波信号を分配器１３で二分岐し、その一方をキャリア増幅器１１によりそのＡＢ級動作点に従い増幅する。また、上記分配器１３により二分岐された無線周波信号の他方を、移相器１４で例えばπ／２移相したのち、ピーク増幅器１２によりＡＢ級動作点とＢ級動作点との間に設定された動作点に従い増幅する。そして、上記キャリア増幅器１１により増幅された無線周波信号と、上記ピーク増幅器１２により増幅された無線周波信号とをドハティ合成部１５により合成し、その合成された無線周波信号を出力端子１７から出力するようにしている。

したがって、ドライブ回路２からは、キャリア増幅器１１によりＡＢ級動作点に従い増幅された信号と、ピーク増幅器１２によりＡＢ級動作点とＢ級動作点との間に設定された動作点に従い増幅された信号とがドハティ合成された信号が出力される。このため、ドライブ回路として、ピーク増幅器１２にＣ級増幅器を使用した一般的なドハティ増幅器を使用する場合に比べ歪み特性が優れ、一方ドライブ回路としてＡＢ級増幅器を使用する場合に比べ増幅効率の高い増幅装置を提供することができる。

（第２の実施形態）
この発明の第２の実施形態は、第１の実施形態で述べた増幅装置、つまり電力増幅器１にドハティ増幅器を使用し、かつドライブ回路２に準ドハティ増幅器２１〜２ｎを使用した増幅装置に、歪み補償回路を付加したものである。

図６は、この発明の第２の実施形態に係わる増幅装置の構成を示すブロック図である。なお、同図において前記図１と同一部分には同一符号を付して詳しい説明は省略する。
歪み補償回路５は、ディジタル・プリディストーション（ＤＰＤ）方式を採用したものである。プリディストーション方式は、増幅回路の非線形特性であるＡＭ−ＡＭ変換、ＡＭ−ＰＭ変換の逆特性を増幅回路に入力される送信信号に予め与えることにより、増幅回路の出力信号の非線形歪みを補償する方式である。逆特性を与える方式の１つとして歪み補償テーブル（Look Up Table；ＬＵＴ）を使用する。

歪み補償回路５は、歪み補償部５１と、入力信号電力測定部５２と、歪み検出部５３と、歪み補償テーブル制御部（ＬＵＴ制御部）５４と、歪み補償テーブル（ＬＵＴ）５５とを備えている。

歪み補償部５１は減衰器及び移相器を有し、この減衰器及び移相器により、図示しないベースバンドユニットから出力されたＩ相，Ｑ相の送信ベースバンド信号（入力信号）の振幅及び位相を可変する。そして、この振幅及び位相が可変された送信ベースバンド信号（歪み補償後信号）を出力する。この歪み補償後信号は、図示しない周波数変換器により無線周波数にアップコンバートされたのちドライブ回路２に入力される。

ＬＵＴ５５は、ハードウエアとして例えば１０ビットのアドレス空間を持つメモリにより構成され、このメモリには電力増幅器１及びドライブ回路２の非線形特性であるＡＭ−ＡＭ変換、ＡＭ−ＰＭ変換を補償するための歪み補償特性を表す補償データが、送信ベースバンド信号（入力信号）の種々の入力レベルの各々に対応付けて記憶される。歪み補償特性は、電力増幅器１及びドライブ回路２で発生する非線形特性の逆特性となるように設定され、その補償データは振幅補償データと位相補償データとから構成される。

入力信号電力測定部５２は、図示しないベースバンドユニットから出力された送信ベースバンド信号（入力信号）の電力レベルを検出するもので、その電力検出値をＬＵＴ５５に与える。

歪み検出部５３は、例えば電力増幅器１から出力された無線周波信号の帯域外歪み電力を帰還信号として取り込んでその電力値を検出するもので、例えば以下のように構成される。すなわち、先ず電力増幅器１から出力された無線周波信号の一部をミキサで搬送波信号と混合して周波数をダウンコンバートしたのち、バンドパスフィルタに通す。そして、その出力信号を周波数変換器によりＡ／Ｄ変換に適した周波数にさらにダウンコンバートしてＡ／Ｄ変換器によりディジタル信号に変換し、このディジタル信号を上記電力増幅器１で発生した非線形歪みを表す値（歪み量）としてＬＵＴ制御部５４に入力する。

ＬＵＴ制御部５４は、例えばＣＰＵにソフトウエアを実行させることにより実現されるもので、上記歪み検出部５３により得られる歪み量の検出値に基づいて、この歪み量を零に近づけるように、ＬＵＴ５５に記憶されている歪み補償特性を表す補償データを更新する。これにより、電力増幅器１の出力信号における歪み量を漸近的に零に近づけることができる。

この補償データの更新には摂動法と呼ばれるアルゴリズムのほか、種々のアルゴリズムを用いることができる。摂動法は、帰還信号として取り込んだ帯域外歪み電力を評価関数とし、ＬＵＴ５５に記憶された補償データを変化させたときに評価関数が小さい方を選択してＬＵＴ５５の補償データを収束させる方法である。

ＬＵＴ５５は、入力信号測定部５２から与えられた入力信号の電力検出値に基づいて、当該電力検出値に対応する振幅補償データ及び位相補償データを読み出して上記歪み補償部５１の減衰器及び移相器に与え、これにより減衰量及び位相量を制御する。

このような構成であるから、ベースバンドユニットから出力されたＩ相，Ｑ相のベースバンド信号（入力信号）は歪み補償部５１で歪み補償され、さらに図示しない周波数変換器で無線周波数にアップコンバートされた後、ドライブ回路２及び電力増幅器１で増幅されて図示しないアンテナから送信される。

上記送信動作が開始されると、上記ＬＵＴ５５は、入力信号電力測定部５２により得られた入力信号の電力検出値を取り込み、当該電力検出値に対応する振幅補償データ及び位相補償データを読み出して上記歪み補償部５１の減衰器及び移相器に与える。これにより減衰量及び位相量を制御して電力増幅器１の出力信号における歪み量を低減させる。また、上記送信動作が開始されると、上記電力増幅器１から出力された無線周波信号（出力信号）の一部が歪み検出部５３に取り込まれ、その帯域外の歪み電力値が上記ドライブ回路２及び電力増幅器１で発生する歪み量として検出される。ＬＵＴ制御部５４は、上記歪み検出器５３において得られた歪み量の検出値を取り込み、この取り込んだ歪み量の検出値に基づいて、当該歪み量を零に近づけるように、上記ＬＵＴ５５に記憶された補償データを更新する。

したがって、ＬＵＴ５５からは、補償データが読み出され、この補償データが歪み補償部５１に与えられる。この結果歪み補償部５１では、補償データに基づいて、送信ベースバンド信号の振幅及び位相が可変制御される。以後、送信動作中においては、上記歪み補償動作が一定の時間間隔で繰り返し行われる。

以上詳述したように第２の実施形態によれば、歪み補償回路５を付加したことにより、ドライブ回路２及び電力増幅器１により発生する歪みは補償される。したがって、ドライブ回路２として準ドハティ増幅器２１〜２ｎを使用したことにより、ＡＢ級増幅器を使用する場合よりも劣化する歪み特性は改善される。

（その他の実施形態）
ドライブ回路２を構成する準ドハティ増幅器の数やその回路構成、準ドハティ増幅器２１〜２ｎにおけるピーク増幅器１２の動作点の設定位置、歪み補償回路の回路構成やその処理手順と処理内容等については、この発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施できる。

要するにこの発明は、上記各実施形態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、上記各実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、各実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

１…電力増幅器、２…ドライブ回路、３…入力端子、４…出力端子、５…歪み補償回路、１１…キャリア増幅器、１２…ピーク増幅器、１３…分配器、１４…移相器、１５…ドハティ合成部、１６…入力端子、１７…出力端子、１８，１９…バイアス端子、２１〜２ｎ…準ドハティ増幅器、５１…歪み補償部、５２…入力信号電力測定部、５３…歪み検出部、５４…ＬＵＴ制御部、５５…ＬＵＴ、１５１…インピーダンス変換器、１５２…ノード、ＶB1…ＡＢ級設定用バイアス電圧、ＶB2…ＡＢ−Ｂ級設定用バイアス電圧。

Claims (1)

1. ドハティ増幅器からなる電力増幅器と、
   前記電力増幅器の前段に配置されたドライブ回路と
   を具備し、
   前記ドライブ回路は、
   入力信号を二分岐し、第１の入力信号と、第２の入力信号を出力する信号分配回路と、
   バイアス点がＡＢ級動作点に設定され、前記第１の入力信号を増幅して第１の増幅信号を出力するキャリア増幅器と、
   バイアス点がＡＢ級動作点とＢ級動作点との間に設定され、所定量移相された前記第２の入力信号を増幅して第２の増幅信号を出力するピーク増幅器と、
   前記第１の増幅信号と前記第２の増幅信号とをドハティ合成し、合成された増幅出力信号を前記電力増幅器に供給するドハティ合成部と
   を備えることを特徴とする増幅装置。

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