JP3300836B2 - Ｒｆ増幅器バイアス制御方法および装置 - Google Patents
Ｒｆ増幅器バイアス制御方法および装置Info
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- H03F1/0205—Modifications of amplifiers to raise the efficiency, e.g. gliding Class A stages, use of an auxiliary oscillation in transistor amplifiers
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Description
【発明の詳細な説明】 発明の分野 本発明は、一般に、RF増幅器に関し、さらに詳しく
は、RF電力増幅器に関する。
は、RF電力増幅器に関する。
発明の背景 RF電力増幅器は、さまざまな通信および他の電子用途
で用いられる。これらの増幅器は、一つまたはそれ以上
の縦続増幅段からなり、それぞれの接続増幅段はその段
の入力に印加される信号のレベルを段利得という量で増
加する。各段の出力伝達（output transfer）に対する
入力は線形であることが理想的であり、振幅が増加され
た入力信号の完全な複製（replica）が増幅器出力に現
れることが理想的である。しかし現実には、すべての電
力増幅器はその伝達特性にある程度の非線形性を有す
る。この非線形性は、利得性能，相互変調性能および効
率などのさまざまな増幅器動作特性に悪影響を及ぼす。
で用いられる。これらの増幅器は、一つまたはそれ以上
の縦続増幅段からなり、それぞれの接続増幅段はその段
の入力に印加される信号のレベルを段利得という量で増
加する。各段の出力伝達（output transfer）に対する
入力は線形であることが理想的であり、振幅が増加され
た入力信号の完全な複製（replica）が増幅器出力に現
れることが理想的である。しかし現実には、すべての電
力増幅器はその伝達特性にある程度の非線形性を有す
る。この非線形性は、利得性能，相互変調性能および効
率などのさまざまな増幅器動作特性に悪影響を及ぼす。
増幅器の非線形伝達特性により、利得拡大（gain exp
ansion）という現象が生じる。利得拡大は、ベース・エ
ミッタ間接合における入力信号電力の整流による増幅器
のベース・エミッタ間電圧の変化によって生じる。実質
的に、RF増幅器への入力信号電力は増幅器の休止動作点
（quiescent operating point）を変化させる。その結
果、電力増幅器の利得は入力信号電力の関数として増加
して、利得拡大現象が生じる。一般に利得拡大は、RF電
力増幅器が示す望ましくない特性である。このことは、
1992年３月20日出願で本出願と同じ譲受人に譲渡されて
いる米国特許出願第07/855,172号“HIGH DYNAMIC RANGE
MODULATION INDEPENDENT FEED FORWARD AMPLIFIER NET
WORK"に開示されるマルチトーン線形電力増幅器のよう
に、増幅器が広いダイナミック・レンジの入力信号で動
作しなければならない場合に特にいえる。このようなマ
ルチトーン用途では、広いダイナミック・レンジの入力
信号で一定の増幅器利得が必要とされる。
ansion）という現象が生じる。利得拡大は、ベース・エ
ミッタ間接合における入力信号電力の整流による増幅器
のベース・エミッタ間電圧の変化によって生じる。実質
的に、RF増幅器への入力信号電力は増幅器の休止動作点
（quiescent operating point）を変化させる。その結
果、電力増幅器の利得は入力信号電力の関数として増加
して、利得拡大現象が生じる。一般に利得拡大は、RF電
力増幅器が示す望ましくない特性である。このことは、
1992年３月20日出願で本出願と同じ譲受人に譲渡されて
いる米国特許出願第07/855,172号“HIGH DYNAMIC RANGE
MODULATION INDEPENDENT FEED FORWARD AMPLIFIER NET
WORK"に開示されるマルチトーン線形電力増幅器のよう
に、増幅器が広いダイナミック・レンジの入力信号で動
作しなければならない場合に特にいえる。このようなマ
ルチトーン用途では、広いダイナミック・レンジの入力
信号で一定の増幅器利得が必要とされる。
この同じ非線形性は、増幅器の出力信号のひずみを生
じさせて、入力信号の完全な複製でなくなる。このひず
みは、相互変調成分と呼ばれるスプリアス信号成分を発
生する。相互変調成分は干渉，クロストーク、または増
幅器を採用するシステムの性能に他の悪影響を及ぼすの
で、相互変調成分は一般に望ましくない。重要な点は、
増幅器によって発生される相互変調成分の量は、増幅器
の入力に印加される信号の大きさに正比例することであ
る。
じさせて、入力信号の完全な複製でなくなる。このひず
みは、相互変調成分と呼ばれるスプリアス信号成分を発
生する。相互変調成分は干渉，クロストーク、または増
幅器を採用するシステムの性能に他の悪影響を及ぼすの
で、相互変調成分は一般に望ましくない。重要な点は、
増幅器によって発生される相互変調成分の量は、増幅器
の入力に印加される信号の大きさに正比例することであ
る。
非線形伝達によって妨害されるさらに別のRF増幅器の
動作特性として、増幅器の効率がある。定義上、増幅器
の効率は、POUT/PINによって決定される。増幅器の効率
が高くなると、所望の出力レベルを得るために要する入
力電力量は少なくてすむ。利得拡大は増幅器の出力電力
レベルをひずませる傾向にあるので、これは低出力電力
において増幅器の効率を低減するという望ましくない影
響を有する。
動作特性として、増幅器の効率がある。定義上、増幅器
の効率は、POUT/PINによって決定される。増幅器の効率
が高くなると、所望の出力レベルを得るために要する入
力電力量は少なくてすむ。利得拡大は増幅器の出力電力
レベルをひずませる傾向にあるので、これは低出力電力
において増幅器の効率を低減するという望ましくない影
響を有する。
そのため、従来の技術では、増幅器の一つまたはそれ
以上の動作特性を、一般に他の特性を犠牲にして改善す
るように設計された方法や装置を採用していた。理解さ
れるように、パラメータはすべて密接に関連しあってい
るので、一つのパラメータについて最適化することは他
のパラメータに悪影響を及ぼす。そのため、増幅器の休
止動作点を低くバイアスすることは増幅器の効率，相互
変調性能および飽和点を改善する傾向にあるが、そうす
ることで利用可能な最大利得および増幅器の利得の平坦
性（flatness）（広いダイナミック・レンジにおける一
定利得）が犠牲になる。逆に、増幅器の休止動作点を高
くバイアスすることは最大利得および増幅器利得の平坦
性を改善する傾向にあるが、そうすることで増幅器の効
率，相互変調性能および飽和点が犠牲になる。
以上の動作特性を、一般に他の特性を犠牲にして改善す
るように設計された方法や装置を採用していた。理解さ
れるように、パラメータはすべて密接に関連しあってい
るので、一つのパラメータについて最適化することは他
のパラメータに悪影響を及ぼす。そのため、増幅器の休
止動作点を低くバイアスすることは増幅器の効率，相互
変調性能および飽和点を改善する傾向にあるが、そうす
ることで利用可能な最大利得および増幅器の利得の平坦
性（flatness）（広いダイナミック・レンジにおける一
定利得）が犠牲になる。逆に、増幅器の休止動作点を高
くバイアスすることは最大利得および増幅器利得の平坦
性を改善する傾向にあるが、そうすることで増幅器の効
率，相互変調性能および飽和点が犠牲になる。
従って、広いダイナミック・レンジの入力でRF電力増
幅器の動作特性を等化でき、しかも従来技術の欠点を避
難けることのできる補償回路を提供することは極めて有
利である。
幅器の動作特性を等化でき、しかも従来技術の欠点を避
難けることのできる補償回路を提供することは極めて有
利である。
発明の概要 本発明は、RF増幅器のバイアス電流を制御する方法お
よび装置であり、RF増幅器の出力電力レベルPOUTに比例
する信号を検出する段階と、検出された信号を基準と比
較する段階と、RF電力増幅器のバイアス電流を比較の関
数として調整して、RF増幅器の休止動作点を制御し、そ
れにより利得拡大，相互変調性能および効率などの性能
特性について増幅器の動作を最適化する段階によって構
成される。
よび装置であり、RF増幅器の出力電力レベルPOUTに比例
する信号を検出する段階と、検出された信号を基準と比
較する段階と、RF電力増幅器のバイアス電流を比較の関
数として調整して、RF増幅器の休止動作点を制御し、そ
れにより利得拡大，相互変調性能および効率などの性能
特性について増幅器の動作を最適化する段階によって構
成される。
本発明の別の実施例によれば、RF増幅器の休止動作点
（バイアス電流）は、RF増幅器の被検出入力電力レベル
PINの関数として調整される。
（バイアス電流）は、RF増幅器の被検出入力電力レベル
PINの関数として調整される。
図面の簡単な説明 第１図は、本発明によるRF増幅器バイアス制御回路の
第１実施例である。
第１実施例である。
第２図は、本発明によるRF増幅器バイアス制御回路の
第２実施例である。
第２実施例である。
第３図は、本発明によるRF増幅器バイアス制御回路の
第３実施例である。
第３実施例である。
第４図は、第１図，第２図および第３図によるバイア
ス制御回路の伝達関数を示す。
ス制御回路の伝達関数を示す。
第５図は、第１図ないし第３図の増幅器回路網に予想
される一例としての信号環境を示す。
される一例としての信号環境を示す。
好適な実施例の詳細な説明 第１図において、本発明によるRF増幅器回路網100の
ブロック図を示す。この回路網の一例としての信号環境
は第５図に示す。第５図に示すように、回路網100の信
号では、例えば周波数分割多元接続（FDMA:Frequency D
ivision Multiple Access）方式および／または符号分
割多元接続（CDMA:Code Division Multiple Access）方
式など、狭帯域変調入力信号510および広帯域変調入力
信号520の両方が予想される。複数の変調方式からなる
ことの他に、RF増幅器回路網100の提唱される信号環境
はさらに、入力信号が広いダイナミック・レンジの入力
電力レベルを有するということを特徴とする。
ブロック図を示す。この回路網の一例としての信号環境
は第５図に示す。第５図に示すように、回路網100の信
号では、例えば周波数分割多元接続（FDMA:Frequency D
ivision Multiple Access）方式および／または符号分
割多元接続（CDMA:Code Division Multiple Access）方
式など、狭帯域変調入力信号510および広帯域変調入力
信号520の両方が予想される。複数の変調方式からなる
ことの他に、RF増幅器回路網100の提唱される信号環境
はさらに、入力信号が広いダイナミック・レンジの入力
電力レベルを有するということを特徴とする。
第１図に戻って、RF増幅器回路網100は、RF増幅器10
2,方向性結合器（directional coupler）104,DC増幅器1
06,DC反転増幅器108およびダイオード検出器112を含
む。動作中、増幅された出力信号POUTを与えるため、RF
入力信号PINはRF増幅器102によって増幅される。増幅さ
れた出力信号の一部は、方向性結合器104とダイオード
検出器112を介してDC増幅器106に送られ、これはRF出力
電力レベルPOUTをDC電圧に変換する。DC増幅器106は、
変換されたDC信号を基準Vrefと比較し、その差を増幅す
る。この増幅された差信号はDC反転増幅器108に送ら
れ、この増幅器108は、増幅器出力電力レベルPOUTが増
加するにつれて逓減するバイアス電圧VbiasをRF増幅器1
02に与え、それにより増幅器の休止動作点を制御するた
め、増幅器バイアス電流を出力電力レベルの関数として
調整する。ツェナ・ダイオードVREFは、この反転の基準
として機能する。理解されるように、第１図に示す経路
110においてRF増幅器102に注入されるダイナミック・バ
イアス伝達曲線の勾配を調整するために、VREFは適応で
きる。
2,方向性結合器（directional coupler）104,DC増幅器1
06,DC反転増幅器108およびダイオード検出器112を含
む。動作中、増幅された出力信号POUTを与えるため、RF
入力信号PINはRF増幅器102によって増幅される。増幅さ
れた出力信号の一部は、方向性結合器104とダイオード
検出器112を介してDC増幅器106に送られ、これはRF出力
電力レベルPOUTをDC電圧に変換する。DC増幅器106は、
変換されたDC信号を基準Vrefと比較し、その差を増幅す
る。この増幅された差信号はDC反転増幅器108に送ら
れ、この増幅器108は、増幅器出力電力レベルPOUTが増
加するにつれて逓減するバイアス電圧VbiasをRF増幅器1
02に与え、それにより増幅器の休止動作点を制御するた
め、増幅器バイアス電流を出力電力レベルの関数として
調整する。ツェナ・ダイオードVREFは、この反転の基準
として機能する。理解されるように、第１図に示す経路
110においてRF増幅器102に注入されるダイナミック・バ
イアス伝達曲線の勾配を調整するために、VREFは適応で
きる。
第２図において、本発明によるRF増幅器回路網200の
第２実施例のブロック図を示す。RF増幅器回路網200
は、RF増幅器202,抵抗R1,DC増幅器206,ツェナ・ダイオ
ードVREFおよびDC反転増幅器208を含む。動作中、RF増
幅器202の出力電力POUTは、経路204においてRF増幅器20
2に注入されるコレクタ電流ICollectorの関数として検
出される。理解されるように、コレクタ電流はRF増幅器
202の出力電力に正比例する。この点、電源電圧VCCと直
列の抵抗R1は、ICollector電流センサとして用いられ
る。
第２実施例のブロック図を示す。RF増幅器回路網200
は、RF増幅器202,抵抗R1,DC増幅器206,ツェナ・ダイオ
ードVREFおよびDC反転増幅器208を含む。動作中、RF増
幅器202の出力電力POUTは、経路204においてRF増幅器20
2に注入されるコレクタ電流ICollectorの関数として検
出される。理解されるように、コレクタ電流はRF増幅器
202の出力電力に正比例する。この点、電源電圧VCCと直
列の抵抗R1は、ICollector電流センサとして用いられ
る。
本好適な実施例によれば、R1は極めて低いインピーダ
ンスの抵抗であり、一般に0.05〜１オームの値である。
このインピーダンスは、R1両端に電圧降下を発生する傾
向にあり、この電圧降下は検出できるが、十分小さいた
め増幅器全体的の性能の劣化を避けることができる。そ
れにより、電圧降下はDC動作増幅器206によって増幅さ
れ、DC反転増幅器208に送られる。
ンスの抵抗であり、一般に0.05〜１オームの値である。
このインピーダンスは、R1両端に電圧降下を発生する傾
向にあり、この電圧降下は検出できるが、十分小さいた
め増幅器全体的の性能の劣化を避けることができる。そ
れにより、電圧降下はDC動作増幅器206によって増幅さ
れ、DC反転増幅器208に送られる。
反転増幅器208は、出力電力POUTが増加するにつれ
て、逓減するバイアス電圧VbiasをRF増幅器202に与え、
それにより増幅器の休止動作点を制御するため、増幅器
バイアス電流を出力電力レベルの関数として調整する。
ツェナ・ダイオードVREFはこの反転のための基準として
機能する。理解されるように、経路210においてRF増幅
器202に注入されるダイナミック・バイアス伝達曲線の
勾配を調整するために、VREFは適応できる。
て、逓減するバイアス電圧VbiasをRF増幅器202に与え、
それにより増幅器の休止動作点を制御するため、増幅器
バイアス電流を出力電力レベルの関数として調整する。
ツェナ・ダイオードVREFはこの反転のための基準として
機能する。理解されるように、経路210においてRF増幅
器202に注入されるダイナミック・バイアス伝達曲線の
勾配を調整するために、VREFは適応できる。
第３図において、本発明によるRF増幅器回路網300の
さらに別の実施例を示す。RF増幅器回路網300は、第１
図の説明に実質的に基づいて動作するが、RF増幅器バイ
アス電流が、RF出力信号電力レベルPOUTではなく、RF入
力信号電力レベルPINの関数として調整される点が異な
る。方向性結合器312は、RF入力信号PINをバイアス制御
回路306〜310に送り、バイアス制御回路306〜310は、増
幅器入力電力レベルPINが増加するにつれて、逓減する
バイアス電圧VbiasをRF増幅器302に与え、それにより増
幅器の休止動作点を制御するために、増幅器バイアス電
流を入力電力レベルの関数として調整する。
さらに別の実施例を示す。RF増幅器回路網300は、第１
図の説明に実質的に基づいて動作するが、RF増幅器バイ
アス電流が、RF出力信号電力レベルPOUTではなく、RF入
力信号電力レベルPINの関数として調整される点が異な
る。方向性結合器312は、RF入力信号PINをバイアス制御
回路306〜310に送り、バイアス制御回路306〜310は、増
幅器入力電力レベルPINが増加するにつれて、逓減する
バイアス電圧VbiasをRF増幅器302に与え、それにより増
幅器の休止動作点を制御するために、増幅器バイアス電
流を入力電力レベルの関数として調整する。
第４図は、第１図，第２図および第３図のバイアス制
御回路の伝達関数を示すことが当業者に理解される。
御回路の伝達関数を示すことが当業者に理解される。
以上、本明細書で説明してきたいくつかのバイアス制
御回路の全体的な効果は、低出力電力レベル時にRF増幅
器に対するバイアス電圧を増加し、しかも高出力レベル
時にRF増幅器のバイアス電圧を逓減して、利得拡大の現
象を克服し、かつ相互変調性能や効率などの選択された
動作性能特性について増幅器の動作を最適化することで
ある。
御回路の全体的な効果は、低出力電力レベル時にRF増幅
器に対するバイアス電圧を増加し、しかも高出力レベル
時にRF増幅器のバイアス電圧を逓減して、利得拡大の現
象を克服し、かつ相互変調性能や効率などの選択された
動作性能特性について増幅器の動作を最適化することで
ある。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−314431（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−170206（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−212009（ＪＰ，Ａ) 米国特許4760347（ＵＳ，Ａ) 米国特許4547746（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H03G 3/20 - 3/34
Claims (8)
- 【請求項１】入力と、出力と、供給電圧と、RF増幅器の
バイアス電流によって設定される休止動作点に応答する
複数の動作性能と、を有する前記RF増幅器に用いられる
バイアス制御回路であって： 前記RF増幅器に結合され、前記RF増幅器によって前記供
給電圧から導かれるDC電流を検出する手段；および 前記検出する手段と前記RF増幅器とに結合され、前記RF
増幅器のバイアス電流を前記検出されたDC電流の関数と
して調整し、前記RF増幅器の休止動作点を制御する手
段； によって構成されることを特徴とする回路。 - 【請求項２】前記検出する手段は、DC電流検出器からな
ることを特徴とする請求項１記載の回路。 - 【請求項３】前記検出する手段は、前記供給電圧に接続
された直列抵抗からなることを特徴とする請求項１記載
の回路。 - 【請求項４】前記調整する手段は、DC増幅器からなるこ
とを特徴とする請求項１記載の回路。 - 【請求項５】前記RF増幅器の動作性能特性は、利得性
能、相互変調性能および効率の少なくとも１つからなる
ことを特徴とする請求項１記載の回路。 - 【請求項６】入力と、出力と、供給電圧と、複数の動作
性能とを有し、前記RF増幅器のバイアス電流によって設
定される休止動作点に応答するRF増幅器において、前記
バイアス電流を制御する方法は： 前記RF増幅器によって前記供給電圧から導かれるDC電流
を検出する段階；および 前記RF増幅器のバイアス電流を前記検出されたDC電流の
関数として調整し、前記RF増幅器の休止動作点を制御す
る段階； からなることを特徴とする方法。 - 【請求項７】前記RF増幅器のバイアス電流を調整する段
階は、さらに： 前記検出されたDC電流レベルが増加するとき、前記RF増
幅器へのバイアス電圧を減少させる段階；および 前記検出されたDC電流レベルが減少するとき、前記RF増
幅器へのバイアス電圧を増加させる段階； からなることを特徴とする請求項６記載の方法。 - 【請求項８】入力と、出力と、供給電圧と、RF増幅器の
バイアス電流によって設定される休止動作点に応答する
複数の動作性能と、を有する前記RF増幅器に用いられる
バイアス制御回路であって： 前記RF増幅器に結合され、前記RF増幅器によって前記供
給電圧から導かれるDC電流を検出し、前記供給電圧と前
記RF増幅器との間に結合された抵抗と前記抵抗の端子に
結合された第１および第２入力を有し、前記電流を検出
して出力信号を提供する差動増幅器を含み；および 前記出力信号に応答して、前記RF増幅器のバイアス電流
を可変する手段； からなることを特徴とする回路。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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