JP2690595B2 - 電力制御回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、ディジタルセルラ（移動通信）システムに
おけるセルラ移動通信用自動車電話のような無線送信機
等に設けられる電力制御回路に関するものである。

（従来の技術） 従来、このような分野の技術としては、信号技報89
［251］（1989）千葉・野島・富里著「双方向フィード
形ドレイン電圧制御増幅器（BDF−DVCA）」P.7−12等に
記載されるものがあった。

第２図は、セルラシステムにおけるセルラ移動通信用
自動車電話の無線送信機内に設けられた、従来の電力制
御回路の一構成例を示すブロック図である。

セルラシステムは、例えば上位に位置するローカル局
経由で一般電話網につながるセルラ交換局と、該セルラ
交換局の指示のもとに自動車電話機である移動局との間
で移動無線回線を設定する基地局と、該基地局経由のセ
ルラ交換局の指令で働くコンピュータを内蔵した自動車
電話機からなる移動局とで、構成されている。第２図の
電力制御回路は、自動車電話機内の送信機側に設けられ
ている。

この電力制御回路は、基地局との距離に応じて電力増
幅器10の出力電極レベルを例えば６〜８段程度、切換制
御する回路である。

電力増幅器10は、ドライバ用増幅器11、制御用増幅器
12、及び出力用増幅器13より構成されている。制御用増
幅器12の電源端子12aには、フィードバック電圧VFが印
加されると共に、出力用増幅器13の電源端子13aには、
電源電圧VCCが印加されている。

この電力増幅器10の出力端子には、出力伝送線路20a
及び結合伝送線路20bからなる高周波電力取出手段20、
及びアイソレータ21を介してアンテナ22が接続されてい
る。アイソレータ21には、図示されていないが受信機側
回路が接続されている。

結合伝送線路20bには、検波ダイオード23を介してモ
ニタ電圧出力点24が接続されている。モニタ電圧出力点
24は、抵抗分割器25、直流増幅段（以下、DC増幅段とい
う）26、比較器27、及び電流ドライバ段28を介して制御
用増幅器12の電源端子12aに接続されている。

次に、動作を説明する。

電力増幅器10に送信電力が入力されると、その入力電
力は、ドライバ用増幅器11で増幅されて制御用増幅器12
へ出力される。制御用増幅器12は、電源端子12aに印加
されるフィードバック電圧VFによりゲイン（利得）が制
御され、そのゲインに基づきドライバ用増幅器11の出力
電力を増幅する。この増幅された電力は、出力用増幅器
13で増幅され、高周波電力取出手段20内の出力伝送線路
20a、及びアイソレータ21を経てアンテナ22へ供給さ
れ、空中に放射される。

空中に放射された電波は、図示しない基地局に受信さ
れる。その基地局からの電波は、アンテナ22で受信さ
れ、図示しない受信機側に入力される。

電力増幅器10の出力電力の一部は、結合伝送線路20b
により取出され、検波ダイオード23で検波されてモニタ
電圧出力点24に、出力モニタ電圧VMが得られる。この出
力モニタで電圧VMは、抵抗分割器25により、基地局側で
受信した受信レベルに基づき求められた基地局までの距
離に応じた制御電力レベルに対応した電圧に、分圧され
る。

抵抗分割器25で分圧された電圧は、DC増幅段26で増幅
された後、比較器27により、基準電圧VRで比較される。
比較器27の出力電圧は、電流ドライバ段28で電流増幅さ
れ、フィードバック電圧VFの形で、制御用増幅器12の電
源端子12aに供給される。

セルラ移動通信用自動車電話機では、基地局との距離
に応じて電力増幅器10の出力電力レベルを、例えば６〜
８段程度に制御している。そのため、抵抗分割器25によ
り、６〜８段程度に分圧比を変化させて、それに応じた
フィードバック電圧VFを制御用増幅器12の電源端子12a
に印加する。すると、制御用増幅器12では、前記６〜８
段程度に切換えられたレベルに応じた電力を出力する。
この出力電力は、出力用増幅器13で増幅された後、出力
伝送線路20a、アイソレータ21及びアンテナ23を介して
空中に放射される。

一般に、従来の自動車電話送信機用電力増幅器10は、
電力効率の観点から出力用増幅器13にＣ級増幅器が用い
られている。即ち、この種の電力増幅器10では、ドライ
バ用増幅器11と、AB級の制御用増幅器12と、Ｃ級の出力
用増幅器13とで構成され、その出力用増幅器13の電源端
子13aには、一定の電源電圧VCCが印加される。

このようなＣ級電力増幅器10をアナログセルラシステ
ムに用いて、リニア・アンプとして応用した時の構成方
法の一例が第３図に示されている。

前記文献に記載されているように、第２図Ｃ級電力増
幅器10をリニア・アンプとして応用しようとする場合、
電力効率の観点から、増幅素子を飽和領域で使用するこ
とが重要である。この場合、電力増幅のためのフィード
バッ電圧VFはＣ級増幅器13の電源端子13aに印加し、AB
級増幅器12の電源端子12aには一定の電源電圧VCCを印加
する方式が用いられる。このような方式を採用すれば、
電力増幅器10を動作させた場合、出力電力を小さくする
時には、Ｃ級増幅器13のフィードバック電圧VFが低くな
るので、電源効率が向上する。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上記構成の電力制御回路では、次のよ
うな課題があった。

（ａ） 第３図に示すように、Ｃ級電力増幅器10を用い
て電力制御を行う場合、出力電力を小さくするために、
Ｃ級増幅器13のフィードバック電圧VFが非常に小さくな
ると、そのＣ級増幅器13を構成しているトランジスタに
おけるコレクタ・ベース間接合が逆バイアス状態にな
り、帰還容量が増大して発振等の不安定動作に至るとい
う問題があった。

第４図はＣ級増幅器13の構成例を示す回路図、及び第
５図はその動作波形図である。

第４図に示すように、Ｃ級増幅器13は、NPN形トラン
ジスタＱを有し、そのトランジスタＱのコレクタ側が電
源電圧VCCに、エミッタ側がグランドにそれぞれ接続さ
れている。またトランジスタＱのベースには、入力用キ
ャパシタＣが接続されると共に、リアクタンスＬを介し
てグランドに接続されている。

このようなＣ級増幅器において、トランジスタＱのベ
ースのバイアス電圧は0Vであるので、そのトランジスタ
Ｑのベースへの交流電圧振幅が、該トランジスタＱのベ
ース・エミッタ間電圧（オン電圧）Vbeを越えた時にコ
レクタ電流Iccが流れ、Ｃ級増幅動作が行われる。

ここで、Ｃ級増幅器13に電力制御のためのフィードバ
ック電圧VFがかかって第４図のVCCが1V未満程度になる
と、トランジスタＱがオンとなる瞬時に、ベース電圧Vb
がコレクタ電圧Vcよりも高くなる状態に至る。トランジ
スタＱのコレクタ・ベース間は非常、逆バイアス状態で
用いられているが、これが順バイアスとなってしまう。

一般に、トランジスタＱのPN接合空乏層容量Cjとバイ
アス電圧Vbiの関係（階段接合におけるPN接合空乏層容
量のバイアス依存性）は、第６図のようになり、順バイ
アスの時に、空乏層容量Cjが激増する。従って、トラン
ジスタＱの順バイアス、即ちベース電圧Vb＞コレクタ電
圧Vcとなった時に、コレクタ・ベース間の接合容量＝帰
還容量が増大する。この時、Ｃ級増幅器は著しく不安定
動作に陥り、発振に至る。

（ｂ） 前記（ａ）で説明したように、第３図のＣ級電
力増幅器10の出力電力を小さくするため、それに印加す
るフィードバック電圧VFが小さくなると、Ｃ級増幅器13
が発振等の不安定動作となり、出力電力の低レベル側の
電力制御に制限を受ける。そのため、電力制御範囲が狭
いという問題があった。

本発明は、前記従来技術が持っていた課題として、制
御電力レベルが低い時にトランジスタが発振等の不安定
動作となる点、及び電力制御範囲が狭いという点につい
て解決した電力制御回路を提供するものである。

（課題を解決するための手段） 前記課題を解決するために、本発明は、基地局に対し
て通信を行う移動局内に設けられる電力制御回路におい
て、入力電力を増幅する制御段、及びフィードバック信
号で制御されるゲインに基づき該制御段の出力電力を増
幅して出力する出力段を有する電力増幅器と、前記基地
局側で受信した受信信号レベルに基づき、該基地局まで
の距離を求めてこの距離に応じた制御信号を発生する制
御信号発生手段と、前記出力段の出力電力をモニタ電圧
の形で検出する検出手段と、前記制御信号に基づいて前
記モニタ電圧の分圧レベルを可変する電圧分圧手段と、
前記電圧分圧手段の出力電圧を基準電圧と比較し、この
比較結果に応じた前記フィードバック信号を生成して前
記力段へ供給するフィードバック手段と、前記制御信号
に基づいて前記制御段のゲインを変えるゲイン可変手段
とを、備えている。

（作 用） 本発明によれば、以上のように電力制御回路を構成し
たので、入力電力は電力増幅器の制御段で増幅された
後、出力段で増幅されて出力される。出力段の出力電力
は、検出手段によってモニタ電圧の形で検出され、制御
信号発生手段で発生した制御電力レベルに応じた制御信
号に基づき、電圧分圧手段によって該モニタ電圧が所定
レベルに分圧された後、フィードバック手段によって基
準電圧と比較されて該比較結果に応じたフィードバック
信号が生成され、電力増幅器の出力段へ供給される。

ゲイン可変手段では、制御電力レベルに応じた前記制
御信号に基づき、制御段のゲインを変える。すると、制
御段は、そのゲインに基づいて入力電力を増幅し、出力
段に与える。出力段では、フィードバック手段からのフ
ィードバック信号によりゲインが変化し、その変化した
ゲインに基づき、制御段の出力電力を増幅して出力す
る。

制御信号に基づき電力増幅器の出力電力が小さくなる
時、その制御信号に応じてゲイン可変手段により、電力
増幅器の制御段のゲインが小さくなる。そのため、出力
段への電力レベルが小さく抑えられ、該出力段での発振
等といった不安定動作が除去され、該出力段が安定して
動作する。さらに、電力増幅器の制御段のゲインを小さ
くしてそれらの出力電力を抑えるので、電力増幅器全体
での出力電力制御範囲が広くなる。従って、前記課題を
解決できるのである。

（実施例） 第１図は、本発明の実施例を示すもので、ディジタル
セルラシステムにおけるセルラ移動通信用自動車電話機
の無線送信機内に設けられる、電力制御回路の構成ブロ
ック図である。

この電力制御回路は、出力電力がフィードバック制御
される電力増幅器30を備えている。電力増幅器30は、入
力電力を増幅する前段側の２段の制御段増幅器31,32
と、１段の出力段増幅器33とで構成されている。前段側
増幅器31,32の内、増幅器31は、入力電力を増幅するド
ライバ用の回路であり、その電源端子31aには可変電源
電圧VA1が印加される。増幅器32は、増幅器31の出力電
力を増幅する回路であり、出力の大きな例えばAB級増幅
器等で構成され、その電源端子32aには、可変電源電圧V
A2が印加される。出力段増幅33は、増幅器32の出力電力
を増幅する回路であり、電力効率の大きなＣ級増幅器等
で構成され、その電源端子33aには、フィードバック信
号（例えば、フィードバック電圧）VFが印加される。

これらの各増幅器31,32,33は、それぞれ１段あるいは
複数段の増幅段でそれぞれ構成されている。

電力増幅器30の出力端子には、高周波電力取出手段40
が接続されている。この高周波電力取出手段40は、例え
ばストリップラインからなる出力伝送線路40a及び結合
伝送線路40bより、構成されている。出力伝送線路40a
は、非可逆的な二開口受動素子であるアイソレータ41を
介してアンテナ42に接続されている。アイソレータ41に
は、図示されていない受信機側回路が接続されている。

結合伝送線路40bは、電力増幅器30の出力電力の一部
を取出すもので、その出力側には、検出手段（例えば、
検波ダイオード43a等で構成された検波回路）43が接続
されている。この検波回路43は、モニタを行うための信
号源である結合伝送線路40bからの、例えば数百MHzの高
周波の入力電力レベルをモニタ（検出）し、モニタ電圧
出力点44より出力モニタ電圧VMを出力する回路である。

モニタ電圧出力点44には、制御信号S49によって分圧
比が切換えられる電圧分圧手段（例えば、電圧分圧器）
45が接続されている。この電圧分圧器45の出力端子に
は、直流増幅器からなるDC増幅段46を介して、比較器47
の（−）側入力端子が接続されている。比較器47は、DC
増幅段46の出力電圧と、（＋）側入力端子に印加された
基準電圧VRとを、比較する回路であり、反転増幅器等で
構成されている。比較器47の出力端子には、フィードバ
ック電圧VFを出力する電流駆動増幅器からなる電流ドラ
イバ段48を介して、出力段増幅器33の電源端子33aが接
続されている。このようなDC増幅段46、比較器47及び電
流ドライバ段48により、電力制御用のフィードバック手
段が構成されている。

また、この電力制御回路には、制御信号発生手段（例
えば、電力制御信号発生器）49が設けられ、その出力側
が、電圧分圧器45に接続されると共に、可変電圧源50,5
1を介して前段側増幅器31,32の各電源端子31a,32aにそ
れぞれ接続されている。

電力制御信号発生器49は、図示しない基地局での受信
電波レベルに基づき、その基地局までの距離を検出し、
その距離に応じてアンテナ42からの出力電力レベルを変
化させるために、制御信号S49によって電圧分圧器45及
び可変電圧源50,51を制御するものであり、CPU（中央処
理装置）等で構成されている。可変電圧源50,51は、制
御信号S49に基づき、それに応じた可変電源電圧VA1,VA2
を前段側増幅器31,32の各電源端子31a,32aへ供給する回
路であり、該増幅器31,32のゲインを変えるゲイン可変
手段としての機能を有している。次に、動作を説明す
る。

送信電力が電力増幅器30に入力されると、その入力電
力は、各可変電源電圧VA1,VA2で制御されるゲインに基
づき、前段側増幅器31,32でそれぞれ増幅される。その
後、フィードバック電圧VFで制御されるゲインに基づ
き、出力段増幅器33で増幅される。出力段増幅器33の出
力電力は、高周波電力取出手段40内の出力伝送線路40
a、及びアイソレータ41を経てアンテナ42へ供給され、
空中に放射される。空中に放射された電波は、図示しな
い基地局に受信される。その基地局からの電波は、アン
テナ42で受信され、図示しない受信機側に入力される。

電力制御信号発生器49では、基地局側で受信した受信
レベルに基づき、基地局までの距離を求め、その距離に
応じた制御信号S49を電圧分圧器45及び可変電圧源50,51
に与える。

電力増幅器30内における出力段増幅器33の出力電力の
一部は、結合伝送線路40bにより取出され、検波回路43
で検波された後、出力モニタ電圧VMがモニタ電圧出力点
44から出力される。この出力モニタ電圧VMは、制御信号
S49により切換え制御される電圧分圧器45により、電力
制御レベルに応じた電圧に分圧される。

電圧分圧器45で分圧された電圧は、DC増幅段46で増幅
された後、比較器47により、基準電圧VRと比較される。
比較器47の出力電圧は、電流ドライバ段48によって電流
増幅され、フィードバック電圧VFの形で、電力増幅器30
内の出力段増幅器33の電源端子33aに印加される。する
と、出力段増幅器33では、フィードバック電圧VFに応じ
たゲインで、前段側増幅器32の出力電力を増幅して出力
する。

可変電圧源50,51では、電力制御信号発生器49からの
制御信号S49に基づき、制御電力レベルに応じた可変電
源電圧VA1,VA2を出力し、前段側増幅器31,32の各電源端
子31a,32aにそれぞれ印加する。そのため、前段側増幅
器31,32では、電源端子31a,32aに印加された可変電源電
圧VA1,VA2によりゲインがそれぞれ変化し、その変化し
たゲインに基づき、入力電力を増幅する。この出力電力
は、出力段増幅器33で増幅された後、出力伝送線路40
a、アイソレータ41及びアンテナ42を介して空中に放射
される。

本実施例の特徴は、フィードバック電圧VFにより出力
段増幅器33の出力電力レベルを制御する構成の他に、前
段側増幅器31,32の出力電力レベルを可変電圧源50,51に
よって変化させる構成にしたことである。従って、これ
についてさらに説明する。

電力制御信号発生器49からは、制御電力レベルに応じ
た制御信号S49が電圧分圧器45に供給されると共に、可
変電圧源50,51に供給されている。そのため、電圧分圧
器45の分圧比が切換えられると共に、可変電圧源50,51
から出力される可変電源電圧VA1,VA2が変化し、その可
変電源電圧VA1,VA2により、前段側増幅器31,32の出力電
力レベルが変化する。

ここで、電力増幅器30の出力電力を小さく制御してフ
ィードバック電圧VFが、例えば1V程度と非常に小さくな
る場合、それに応じて可変電源電圧VA1,VA2も小さくな
る。そのため、出力段増幅器33への入力電力レベルが小
さく抑えられ、該出力段増幅器33を構成するトランジス
タのベース・コレクタ接合が常に逆バイアスとなるよう
に作用する。これにより、出力段増幅器33は、発振等の
不安定動作が防止され、該出力段増幅器33から安定した
電力レベルの出力が可能となる。この際、前段側増幅器
31,32の出力電力レベルも低レベルとなり、その増幅器3
1,32での消費電流も低減するので、電力効率が向上す
る。さらに、前段側増幅器31,32での出力電力を抑える
ので、電力増幅器全体での出力電力制御範囲も広くな
る。

なお、本発明は、図示の実施例に限定されず、種々の
変形が可能である。その変形例としては、例えば次のよ
うなものがある。

（ａ） 上記実施例では、電力増幅器30を２段の前段側
増幅器31,32と１段の出力増幅器33とで構成したが、制
御電力レベルに応じて、前段側の増幅器を追加したり、
あるいはその増幅器31を省略しても良い。さらに、増幅
器32をAB級増幅器以外のＢ級等の増幅器で構成したり、
出力段増幅器33をＣ級以外の増幅器で構成することも可
能である。

（ｂ） 上記実施例において、可変電圧源50,51で構成
されるゲイン可変手段は、前段側増幅器31,32に印加す
る電源電圧を変えることにより、その増幅器31,32のゲ
インを変える構成にしたが、該増幅器31,32のバイアス
電圧等を変えることにより、ゲインを変える構成にして
も良い。さらに、可変電圧源50,51を共通の回路構成に
しても良い。

（ｃ） 電力増幅器30をフィードバック制御する回路
は、図示以外の回路構成にしても良い。例えば第１図の
高周波電力取出手段40は、結合コンデンサ等の他の回路
構成により、電力増幅器30からの出力電力の一部を取出
すようにしても良い。

（ｄ） 第１図のアイソレータ41は、送信機と受信機と
を共用しない場合、それを省略しても良い。

（ｅ） 上記実施例では、ディジタルセルラ移動通信用
自動車電話の無線送信機内に設けられる電力制御回路に
ついて説明したが、無線送信機以外の装置にも、本発明
の電力制御回路の適用が可能である。

（発明の効果） 以上詳細に説明したように、本発明によれば、制御信
号発生手段で発生させた制御信号に基づき、電圧分圧手
段によってモニタ電圧を所定レベルに分圧し、フィード
バック手段で生成したフィードバック信号により、電力
増幅器の出力段をフィードバック制御すると共に、前記
制御信号で制御されるゲイン可変手段によって電力増幅
器の制御段のゲインを可変する構成にしたので、電力増
幅器の出力段の出力電力が小さくなった場合、その制御
段の出力電力レベルも小さくなる。そのため、出力段を
構成するトランジスタのベース電圧が常にコレクタ電圧
よりも小さくなり、そのトランジスタの帰還容量の増大
が抑制され、出力段の安定した電力制御動作が可能とな
る。しかも、電力増幅器の出力電力を小さく制御する
時、制御段の出力電力も低下してその制御段の消費電力
の低減化が図れるので、電力効率が向上する。その上、
制御段での出力電力を抑えるので、電力増幅器全体の出
力電力制御範囲を広くすることが可能となる。従って、
本発明の電力制御回路を種々の装置や回路に用いれば、
良好な電力制御が行える。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す電力制御回路の構成ブロ
ック図、第２図は従来の電力制御回路の構成ブロック
図、第３図は従来のリニア・アンプの構成図、第４図は
第３図におけるＣ級増幅器の回路図、第５図は第４図の
動作波形図、第６図はNPN形トランジスタにおけるPN接
合空乏層容量Cjのバイアス依存性（階段接合）を示す図
である。 30……電力増幅器、31,32……前段側増幅器、33……出
力段増幅器、40……高周波電力取出手段、43……検波回
路、45……電圧分圧器、47……比較器、49……電力制御
信号発生器、50,51……可変電圧源、S49……制御信号、
VA1,VA2……可変電源電圧、VF……フィードバック電
圧、VM……出力モニタ電圧。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基地局に対して通信を行う移動局内に設け
   られる電力制御回路において、 入力電力を増幅する制御段、及びフィードバック信号で
   制御されるゲインに基づき該制御段の出力電力を増幅し
   て出力する出力段を有する電力増幅器と、 前記基地局側で受信した受信信号レベルに基づき、該基
   地局までの距離を求めてこの距離に応じた制御信号を発
   生する制御信号発生手段と、 前記出力段の出力電力をモニタ電圧の形で検出する検出
   手段と、 前記制御信号に基づいて前記モニタ電圧の分圧レベルを
   可変する電圧分圧手段と、 前記電圧分圧手段の出力電圧を基準電圧と比較し、この
   比較結果に応じた前記フィードバック信号を生成して前
   記出力段へ供給するフィードバック手段と、 前記制御信号に基づいて前記制御段のゲインを変えるゲ
   イン可変手段とを、備えたことを特徴とする電力制御回
   路。