JP3495283B2 - フィードフォワード型増幅器及びこれを用いた無線通信装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は増幅器に係り、特に
ＧＨｚ帯のようなＵＨＦ帯以上の周波数で通信を行う携
帯電話機などの無線通信装置における電力増幅器として
有用なフィードフォワード型増幅器及びこれを用いた無
線通信装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】無線通信装置間で通信を行うためには、
通信すべき情報により変調された変調波信号を増幅し、
所望の送信電力まで増幅するための送信用電力増幅器が
必須である。近年、ＧＨｚ帯の周波数を使用する携帯電
話などでは、周波数の有効利用の観点から各種の多値変
調方式が用いられ、多数のユーザの通信情報を広帯域の
変調波信号に乗せて通信している。

【０００３】多値変調方式では、一般に変調波信号の振
幅と位相に情報が含まれていることと、広帯域の信号チ
ャネルを複数チャネル並べた場合に隣接チャネルや次隣
接チャネルの信号と干渉を起こさないようにするため
に、このような電力増幅器には優れた線形性が要求され
る。一方で、無線通信装置の送信用電力増幅器には消費
電力の低減のために、効率の高いことが要求される。し
かし、一般的に電力増幅器の効率と線形性はトレードオ
フの関係にある。

【０００４】このような要求に応えるものとして、フィ
ードフォワード型増幅器が知られている。フィードフォ
ワード型増幅器は、入力信号を増幅する主たる増幅回路
として高効率の電力増幅器を用い、ここで発生する歪み
成分を抽出し、この歪み成分と同振幅、逆位相の歪みキ
ャンセル信号を生成して増幅回路の出力信号に足し合わ
せることによって歪み成分を除去する増幅器であり、高
効率と線形性を両立できるものである。送信用電力増幅
器の線形性を示すパラメータとして、自身が通信のため
に使っている周波数帯の隣接チャネルおよび次隣接チャ
ネルなどに漏れ出る電力が規定されているが、こうした
漏洩電力の低減のためにも、フィードフォワード型増幅
器は有効である。

【０００５】フィードフォワード型増幅器では、増幅回
路で発生する歪み成分と同振幅、逆位相の歪みキャンセ
ル信号をいかに作り出すかが課題となる。実際の増幅器
ではその構成部品に固有の振幅と位相の周波数特性があ
り、その周波数特性は平坦でない。従って、ある単一の
周波数では歪み成分と同振幅、逆位相の歪みキャンセル
信号を生成することは可能であるが、広い周波数帯域に
わたってこのような歪みキャンセル信号を得ることは原
理的に難しい。このため従来のフィードフォワード型増
幅器では、扱う信号の周波数帯域幅が広がると、歪み低
減効果が低下することになる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
のフィードフォワード型増幅器では、増幅器の構成部品
の振幅と位相の周波数特性により、広い周波数帯域にわ
たって増幅回路の出力信号の歪み成分と同振幅、逆位相
の歪みキャンセル信号を生成することができず、扱う信
号の周波数帯域が広くなると、歪み低減効果が低下して
しまうという問題点があった。

【０００７】本発明は、上記のような従来技術の問題点
を除去し、周波数帯域の広い入力信号に対しても良好な
歪み低減効果が得られるフィードフォワード型増幅器及
びこれを用いた無線通信装置を提供することを目的とす
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、本発明に係るフィードフォワード型増幅器は、入力
信号を増幅する増幅手段と、この増幅手段の出力端子と
バイアス電源との間に接続されたインダクタ及び前記出
力端子に一端が接続されたインピーダンス変換回路を含
み、増幅手段で発生する歪みを周波数軸上で非対称にさ
せる負荷回路と、増幅手段で発生する歪み成分を抽出し
て歪みキャンセル信号を生成する歪み成分抽出手段と、
この歪みキャンセル信号を増幅手段の出力信号と合成し
て歪みが低減された信号を出力する手段とを具備するこ
とを特徴とする。

【０００９】 本発明に係る他のフィードフォワード型
増幅器は、入力信号を増幅するための複数の端子を有す
る増幅手段と、この増幅手段の各端子とバイアス電源と
の間に接続されたインダクタ及び前記各端子に一端が接
続されたインピーダンス変換回路をそれぞれ含み、増幅
手段で発生する歪みを周波数軸上で非対称にさせる複数
の負荷回路と、増幅手段で発生する歪み成分を抽出して
歪みキャンセル信号を生成する歪み成分抽出手段と、こ
の歪みキャンセル信号を増幅手段の出力信号と合成する
手段とを具備することを特徴とする。

【００１０】歪みキャンセル信号は、例えば歪み成分と
同振幅で逆位相の信号であり、これを増幅手段の出力信
号に加算すればよい。

【００１１】ここで、増幅手段で発生する歪みを周波数
軸上で非対称にさせる負荷回路は、より具体的には増幅
手段で発生する歪みを周波数軸上で基本波周波数を中心
にして片側に集中させるように構成される。

【００１２】また、この負荷回路は増幅手段で発生する
歪みを周波数軸上で非対称とするように、あるいは増幅
手段で発生する歪みが周波数軸上で基本波周波数を中心
にして片側に集中するように、その負荷インピーダンス
が選定されることによって実現される。

【００１３】このように本発明のフィードフォワード型
増幅器では、増幅手段で発生する歪みが負荷回路によっ
て周波数軸上で非対称とされる。これによって歪み電力
を信号帯域の片側、つまり基本波周波数の片側のみに集
中的に存在するようにすることにより、フィードフォワ
ード型増幅器としては片側の歪み電力のみを低減させば
よい。すなわち、歪みを低減させる対象となる周波数範
囲を狭くできる。従って、増幅器の構成部品の周波数特
性を考慮して、歪み低減量が最大となる周波数領域を片
側の歪み成分に合わせ込むことで、周波数帯域の広い入
力信号に対しても効果的な歪み低減が可能となる。

【００１４】本発明においては、負荷回路の負荷インピ
ーダンス、あるいは負荷回路のインピーダンスと増幅手
段のバイアス条件を増幅手段で発生する歪みが周波数軸
上で非対称となるように入力信号の周波数に応じて制御
する制御手段をさらに備えていてもよい。このようにす
ると、入力信号の周波数によらず常に良好な歪み低減効
果が得られる。

【００１５】また、負荷回路の負荷インピーダンス、あ
るいは負荷回路のインピーダンスと増幅手段のバイアス
条件を増幅手段で発生する歪みが周波数軸上で非対称と
なるように環境温度に応じて制御する制御手段をさらに
備えていてもよい。これにより温度の変化に対しても、
常に良好な歪み低減効果が得られる。

【００１６】さらに、本発明によると上述したフィード
フォワード型増幅器を送信用電力増幅器として用い、増
幅手段に入力信号として所定の変調波信号を入力して歪
みが効果的に低減された送信信号を出力する無線通信装
置が提供される。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。 （第１の実施形態）図１は、本発明の第１の実施形態に
係るフィードフォワード型増幅器の構成を示すブロック
図である。

【００１８】図１において、入力端子１００には増幅す
べき信号Ａ、例えば携帯電話機などの無線通信装置から
送信されるべき変調波信号が入力される。この入力信号
Ａは増幅回路１０１の入力側に供給される。増幅回路１
０１は、高効率の電力増幅器が用いられる。この増幅回
路１０１の出力側には、増幅回路１０１の出力インピー
ダンスの変換と増幅回路１０１へのバイアス供給のため
の負荷回路１０２が接続されている。

【００１９】ここで、従来のフィードフォワード型増幅
器では、増幅回路の出力側に接続される負荷回路の負荷
インピーダンスは、最大出力電力、電力利得または効率
のいずれかを最大にする値か、もしくはそれぞれのトレ
ードオフで決められた値に固定されている。特に電力増
幅器では、その使用目的に応じてどの特性を重視するか
によって、負荷インピーダンスの設計値が定められてい
る。

【００２０】これに対し、本実施形態によると、負荷回
路１０２の負荷インピーダンスは、後述するように増幅
回路１０１で発生する歪み成分が周波数軸上で非対称と
なるように、さらに詳しくは主たる歪み成分が基本波周
波数を中心にして片側に集中するように設定されてい
る。

【００２１】歪み成分抽出回路１０３は、入力信号Ａと
負荷回路１０２を介して取り出された増幅回路１０１の
出力信号を入力して、増幅回路１０１で発生する歪み成
分を抽出し、この歪み成分と同振幅、逆位相の歪みキャ
ンセル信号Ｃを生成する。加算器１０４は、この歪みキ
ャンセル信号Ｃを負荷回路１０２の出力信号Ｂと足し合
わせることによって、出力端子１０５へ歪みが低減され
た出力信号Ｄを出力する。

【００２２】次に、本実施形態のフィードフォワード型
増幅器の作用を説明する。入力信号Ａの周波数帯域が広
い場合には、特に増幅器の構成部品、特に歪み成分抽出
回路１０３の構成部品の周波数特性により、歪みを除去
できる周波数範囲が狭くなるために、歪み低減効果が減
少してしまうことは前述した通りである。そこで、本実
施形態では負荷回路１０２の増幅回路１０１側から見た
負荷インピーダンスを隣接チャネルや次隣接チャネルの
歪みスペクトラムが図１中の信号Ｂに示されるように非
対称となるように設定する。

【００２３】図２は、負荷回路１０２の出力信号Ｂの周
波数特性を詳細に示している。この場合、入力信号Ａは
台形波であるが、これが増幅回路１０１の非線形性によ
り歪んだ波形となる。ここで、この歪みは負荷インピー
ダンスを適切に選定した負荷回路１０２によって図２に
示されるように周波数軸上で非対称となる。具体的に
は、図２の例では基本波成分に対して周波数軸上で高い
側にのみ３次および５次の歪みが集中して発生してい
る。ここで、歪み成分のうちで最も電力が大きく問題と
なる３次歪みに関する非対称性の量、つまり基本波周波
数の両側の３次歪みの差Ｄｉ［ｄＢ］は、所望の歪み改
善量をＤｄ［ｄＢ］とした場合、次式（１）を満たすよ
うに負荷回路１０２の負荷インピーダンスを選定する。 Ｄｉ≧Ｄｄ＋α （１） ただし、αは各構成部品の周波数特性から求められる定
数であり、０以上、３ｄＢ以下の値をとる。

【００２４】このようにして負荷回路１０２により周波
数軸上で非対称とされた歪み成分が歪み成分抽出回路１
０３で取り出され、さらに振幅と位相が調整されること
によって、増幅回路１０１の出力信号Ｂの歪み成分と同
振幅、逆位相の特性を持つ歪みキャンセル信号Ｃが生成
される。この歪みキャンセル信号Ｃが負荷回路１０２を
介して取り出された増幅回路１０１の出力信号に加算器
１０４で足し合わせられることにより、歪みが除去また
は低減された出力信号Ｄを出力端子１０５に取り出すこ
とができる。

【００２５】このように負荷回路１０２により歪み成分
を周波数軸上で非対称としたことによって、従来の歪み
成分が周波数軸上で対称の場合に比較して、歪み成分を
除去する周波数範囲をｎ／（２ｎ＋１）にすることがで
きる。ただし、ｎは１以上の正の整数、（２ｎ＋１）は
除去しようとする歪みの次数であり、例えば３次であ
る。

【００２６】これにより増幅器の構成部品として、振幅
と位相に関して平坦でない周波数特性を持つ部品を用い
た場合においても、歪み低減効果を大きく改善でき、高
効率で線形性の良い電力増幅器を実現できる。言い換え
れば、入力信号Ａが周波数帯域の広い信号であっても、
歪みが効果的に低減された出力信号Ｄを得ることができ
る。

【００２７】次に、図１の各部について具体的に説明す
る。図３は、負荷回路１０２の具体例を増幅回路１０１
と共に示している。増幅回路１０１はトランジスタ、こ
の例ではＦＥＴにより構成され、負荷回路１０２は増幅
回路１０１の出力インピーダンスを所望の値に変換する
ためのインピーダンス変換回路および増幅回路１０１の
ＦＥＴへのバイアス供給回路の機能を兼ね備えている。
すなわち、増幅回路１０１のＦＥＴのゲートは入力端子
１００に接続され、ソースは接地されている。また、Ｆ
ＥＴのドレインはインダクタＬ１を介してバイアス電源
Ｖｄｃに接続される。そして、ＦＥＴのドレインから、
インダクタＬ２とキャパシタＣ１，Ｃ２からなるインピ
ーダンス変換回路を介して出力信号ＲＦｏｕｔが取り出
される。

【００２８】ここで、実験的にはインダクタＬ１の値を
次式（２）を満たすように選定することによって、歪み
成分が図２に示したように周波数軸上で非対称となる。 ２π×ｆ×Ｌ１×Ｉ≧０．５ （２） ただし、ｆは入力端子１００に与えられる入力信号ＲＦ
ｉｎ（図１のＡ）である変調波信号のエンベロープ周波
数である。また、入力信号ＲＦｉｎとして二つの異なる
周波数の正弦波信号を入力した場合は、ｆは二つの正弦
波信号の差周波数であり、その場合は相互変調歪が歪み
成分となる。Ｉは、ＦＥＴに流れる信号電流である。

【００２９】このようにインダクタＬ１を適当な値に調
整して、負荷回路１０２の負荷インピーダンス（式
（２）の２π×ｆ×Ｌ１）を式（２）を満足するように
選定することによって、増幅回路１０１で発生する歪み
成分を周波数軸上で非対称にすることができる。

【００３０】一方、図４に歪み成分抽出回路１０３の詳
細な構成例を示す。入力端子１００からの入力信号は、
電圧増幅器３０１および遅延器３０３を介して加算器３
０４の非反転入力に、負荷回路１０２からの出力信号
は、電圧増幅器３０２を介して加算器３０４の反転入力
にそれぞれ入力される。電圧増幅器３０１，３０２は、
入力端子１００からの入力信号と負荷回路１０２からの
出力信号が同振幅となるようにするための振幅調整を行
う。遅延器３０３は、電圧増幅器３０１からの出力信号
を増幅回路１０１と負荷回路１０２の合計の遅延時間だ
け遅延させ、加算器３０４の二つの入力が時間的に一致
するようにする。

【００３１】このような構成により、加算器３０４の出
力信号として、増幅回路１０１で発生され、かつ負荷回
路１０２により周波数軸上で非対称となった歪み成分の
みの信号が得られる。

【００３２】この加算器３０４から出力される歪み成分
の信号は、振幅調整器３０５および位相調整器３０６に
より位相と振幅が負荷回路１０２からの出力信号に含ま
れる歪み成分と同振幅かつ逆位相となるように調整さ
れ、歪みキャンセル信号Ｃとして歪み成分抽出回路１０
３の出力から取り出される。なお、振幅調整器３０５に
ついては例えば可変利得増幅器、また位相調整器３０６
については例えば可変移相器によりそれぞれ実現でき
る。 （第２の実施形態）図５は、本発明の第２の実施形態に
係るフィードフォワード型増幅器を示している。図１と
相対応する部分に同一符号を付して説明すると、本実施
形態では増幅回路１０１を構成するトランジスタ（ＦＥ
Ｔ）の３つの端子（ゲート、ドレイン、ソース）に、増
幅回路１０１で発生する歪み成分が周波数軸上で非対称
となるように負荷インピーダンスが選定された負荷回路
１０２−１，１０２−２，１０２−３を付加している点
が第１の実施形態と異なっている。

【００３３】この場合、３つの負荷回路１０２−１，１
０２−２，１０２−３を総合的に調整することにより、
増幅回路１０１から周波数軸上で非対称の歪みが発生
し、負荷回路１０２−２から増幅回路１０１の出力信号
が取り出されるようにすればよい。なお、増幅回路１０
１の各端子に接続された負荷回路１０２−１，１０２−
２，１０２−３の構成は同一でもよいし、異なっていて
も構わない。

【００３４】（第３の実施形態）図６は、本発明の第３
の実施形態に係るフィードフォワード型増幅器を示して
いる。図５と相対応する部分に同一符号を付して説明す
ると、本実施形態では負荷回路１０２−１，１０２−
２，１０２−３の負荷インピーダンスを可変とし、さら
にバイアス調整回路１０６−１，１０６−２，１０６−
３と、負荷回路１０２−１，１０２−２，１０２−３の
負荷インピーダンスおよび増幅回路１０１のバイアスを
入力端子１０１への入力信号Ａの周波数に応じて制御す
るための制御部１０７を付加している。

【００３５】このような構成とすることにより、入力信
号Ａとしてどのような周波数の信号が入力された場合に
おいても、増幅回路１０１で発生する歪みが周波数軸上
で非対称となるように負荷回路１０２−１，１０２−
２，１０２−３の負荷インピーダンスとバイアス条件を
制御して、良好な歪み低減効果を得るようにすることが
できる。

【００３６】さらに、本実施形態によれば外的要因、例
えば温度の変化によって起こる動作条件の変化に対して
も、制御部１０７でそれらの変化を感知し、それに応じ
て負荷インピーダンスとバイアス条件の可変を行うよう
にしてもよい。これにより外的な変化に対しても、常に
良好な歪み低減効果を得ることができる。

【００３７】（第４の実施形態）図７は、本発明の第４
の実施形態に係るフィードフォワード型増幅器を示して
いる。本実施形態は、複数（図の例では２個）の増幅回
路１０１−１，１０１−２を並列に接続して、それぞれ
の出力を合成して取り出すフィードフォワード型増幅器
に適用した例である。この場合、増幅回路１０１−１，
１０１−２のそれぞれの負荷回路１０２−１，１０２−
４の負荷インピーダンスを合成後の増幅回路１０１−
１，１０１−２の出力信号の歪み成分が周波数軸上で非
対称となるように調整することにより、良好な歪み低減
効果が得られる。

【００３８】この場合、複数の増幅回路１０１−１，１
０１−２の動作条件は同じでもよいし、異なっていても
よい。また、複数の増幅回路を縦続接続したフィードフ
ォワード型増幅器にも本発明を同様に適用することがで
きる。

【００３９】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば構成
部品の振幅と位相の周波数特性が平坦でないために増幅
部で発生する非線形歪みの低減効果を改善し、広帯域の
信号に対しても大きな歪み低減効果を達成して、高効率
と線形性を両立できるフィードフォワード型増幅器を提
供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係るフィードフォワ
ード型増幅器の概略構成を示すブロック図

【図２】同実施形態における増幅回路の出力信号スペク
トラムを示す図

【図３】同実施形態における負荷回路の具体例を示す回
路図

【図４】同実施形態における歪み成分抽出回路の具体例
を示すブロック図

【図５】本発明の第２の実施形態に係るフィードフォワ
ード型増幅器の概略構成を示すブロック図

【図６】本発明の第３の実施形態に係るフィードフォワ
ード型増幅器の概略構成を示すブロック図

【図７】本発明の第４の実施形態に係るフィードフォワ
ード型増幅器の概略構成を示すブロック図

【符号の説明】

１００…入力端子 １０１，１０１−２〜１０１−２…増幅回路 １０２，１０２−１〜１０２−４…負荷回路 １０３…歪み成分抽出回路 １０４…加算器 １０５…出力端子 １０６−１〜１０６−２…バイアス調整回路 １０７…制御部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H03F 1/32 H03F 1/30

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】入力信号を増幅する増幅手段と、 前記増幅手段の出力端子とバイアス電源との間に接続さ
   れたインダクタ及び前記出力端子に一端が接続されたイ
   ンピーダンス変換回路を含み、前記増幅手段で発生する
   歪みを周波数軸上で非対称にさせる負荷回路と、 前記増幅手段で発生する歪み成分を抽出して歪みキャン
   セル信号を生成する歪み成分抽出手段と、 前記歪みキャンセル信号を前記増幅手段の出力信号と合
   成して歪みが低減された信号を出力する手段とを具備す
   ることを特徴とするフィードフォワード型増幅器。
2. 【請求項２】入力信号を増幅する、複数の端子を有する
   増幅手段と、 前記増幅手段の各端子とバイアス電源との間に接続され
   たインダクタ及び前記各端子に一端が接続されたインピ
   ーダンス変換回路をそれぞれ含み、前記増幅手段で発生
   する歪みを周波数軸上で非対称にさせる複数の負荷回路
   と、 前記増幅手段で発生する歪み成分を抽出して歪みキャン
   セル信号を生成する歪み成分抽出手段と、 前記歪みキャンセル信号を前記増幅手段の出力信号と合
   成して歪みが低減された信号を出力する手段とを具備す
   ることを特徴とするフィードフォワード型増幅器。
3. 【請求項３】前記負荷回路は、前記増幅手段で発生する
   歪みを周波数軸上で基本波周波数を中心にして片側に集
   中させるように構成されることを特徴とする請求項１ま
   たは２に記載のフィードフォワード型増幅器。
4. 【請求項４】前記インピーダンス変換回路は、インダク
   タとキャパシタを組み合わせて構成されることを特徴と
   する請求項１または２に記載のフィードフォワード型増
   幅器。
5. 【請求項５】前記負荷回路の負荷インピーダンスである
   ２π×ｆ×Ｌ１（ｆは前記入力信号のエンベロープ周波
   数、Ｌ１は前記インダクタのインダクタンス）を前記増
   幅手段で発生する歪みが周波数軸上で非対称となるよう
   に前記入力信号の周波数に応じて制御する制御手段をさ
   らに備えたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか
   １項に記載のフィードフォワード型増幅器。
6. 【請求項６】前記負荷回路の負荷インピーダンスである
   ２π×ｆ×Ｌ１（ｆは前記入力信号のエンベロープ周波
   数、Ｌ１は前記インダクタのインダクタンス）を前記増
   幅手段で発生する歪みが周波数軸上で非対称となるよう
   に環境温度に応じて制御する制御手段をさらに備えたこ
   とを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の
   フィードフォワード型増幅器。
7. 【請求項７】前記制御手段は、前記負荷回路の負荷イン
   ピーダンスと共に前記増幅手段のバイアス条件を制御す
   ることを特徴とする請求項５または６に記載のフィード
   フォワード型増幅器。
8. 【請求項８】請求項１乃至７のいずれか１項に記載のフ
   ィードフォワード型増幅器を送信用電力増幅器として用
   い、前記増幅手段に前記入力信号として所定の変調波信
   号を入力することを特徴とする無線通信装置。