JP3809777B2

JP3809777B2 - 電力増幅器

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Publication number: JP3809777B2
Application number: JP2001161918A
Authority: JP
Inventors: 信夫晴山
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2001-05-30
Filing date: 2001-05-30
Publication date: 2006-08-16
Anticipated expiration: 2021-05-30
Also published as: JP2002353751A; CN1388724A; US20020186076A1; US6700440B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スイッチング駆動する能動素子を用いた電力増幅器に関し、より詳細には、出力電力を連続的にコントロール可能にするとともに、増幅器の効率の改善を図った電力増幅器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ＲＦパワーアンプ等の高周波電力増幅器は、通信機のアンテナ出力段の増幅器等として用いられている。かかる増幅器には様々な特性を持つものがあるが、中でも、増幅器の効率が高いものは、デジタル携帯電話等のデジタル移動通信の通信機端末の送信部に好適である。それは、省電力のメリット、即ちバッテリの使用時間或いはその小型化、又熱の発生の抑制等、が携帯機にとって、より意味を持つことになるからに他ならない。
効率の高い高周波電力増幅器としては、増幅器に用いる能動素子（通常、電界効果トランジスタ：ＦＥＴを使用）を飽和状態で動作させる飽和型増幅器が知られている。飽和型増幅器によると、Ａ級増幅器よりも高い効率を持つＢ級、Ｃ級増幅器をさらに上回る、理論的には１００％に近い効率が得られる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、飽和型増幅器はＦＥＴを飽和状態で動作させるので、出力をコントロールすることが必要な場合、線形増幅器のように入力の変化により出力を変えることができない。
そこで、飽和型増幅器のＦＥＴのドレイン電圧で出力を変化させる方法を用いる。このドレイン電圧制御法では、ＤＣ−ＤＣコンバータで制御量に従い変換して得たドレイン印加電圧により出力を制御するという方法を用いている。従って、ＦＥＴを飽和状態で動作させるドレイン電圧制御法による場合には、ＤＣ−ＤＣコンバータの効率が直接、増幅器全体の効率に影響することになる。つまり、ＤＣ−ＤＣコンバータの効率は良くても８０％程度であるから、１００％に近い効率を持つ飽和状態で動作させるＦＥＴを用いても、ＤＣ−ＤＣコンバータにより増幅器全体の効率が８０％に下がってしまうことになる。
本発明は、従来の高周波電力増幅器における上記した問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、スイッチング駆動する能動素子を用い供給駆動電圧を変化させることにより増幅器出力を連続的にコントロール可能とした電力増幅器において、同様の方式をとる従来の増幅器よりもさらに改善された効率を持つ電力増幅器を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、スイッチング駆動する能動素子を用いた電力増幅器であって、並列に接続したスイッチング駆動する複数の能動素子と、この複数の能動素子の一部に固定の供給駆動電圧を印加する手段と、この複数の能動素子の他部に制御値に応じて可変の供給駆動電圧を印加する手段と、供給駆動電圧を固定したこの一部の能動素子の動作をオン・オフする手段と、この他部の能動素子の供給駆動電圧を制御することにより増幅器出力を可変とするとともに、高出力領域においてこの一部の能動素子の動作をオンし、動作をオンしたこの一部の能動素子の動作を低出力領域においてオフする出力制御手段を備え、この低出力領域における最大電力値とこの高出力領域における最小電力値とがオーバーラップするようにしたことを特徴とする電力増幅器である。
【０００５】
請求項２の発明は、請求項１に記載された電力増幅器において、前記複数の能動素子の出力側に回路定数を可変設定可能にしたマッチング回路と、増幅器出力に応じてこのマッチング回路の回路定数の設定を最適化する手段を備えたことを特徴とするものである。
【０００６】
請求項３の発明は、請求項２に記載された電力増幅器において、この回路定数の設定を最適化する手段が、この一部の能動素子の動作のオン・オフに合わせて、回路定数を切り替える手段であることを特徴とするものである。
【０００７】
請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載された電力増幅器において、この他部の能動素子に可変の供給駆動電圧を印加する手段が、印加する供給駆動電圧を連続的に制御できる手段であることを特徴とするものである。
【０００８】
請求項５の発明は、請求項４に記載された電力増幅器において、この連続的に供給駆動電圧を制御できる手段がＤＣ−ＤＣコンバータであることを特徴とするものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の電力増幅器を添付する図面とともに示す以下の実施例に基づき説明する。
本例は、スイッチング駆動するトランジスタのドレイン電圧を変化させることにより増幅器出力を連続的にコントロール可能とした高周波電力増幅器であり、同様の方式をとる従来の増幅器よりも効率をさらに改善することを目的とするものである。
高周波電力増幅器において、出力を連続的にコントロールすることを必要とする様々な場面が想定されるが、以下では、デジタル移動通信の通信機（携帯電話等）のアンテナ出力段の高周波電力増幅器へ用いた例を好適な実施例として示す。ここでは、アンテナ出力段の高周波電力増幅器において、基地局等の送信先への出力を必要以上の電力を使うことなく、適正な電力で行うようにするために、出力電力を連続的にコントロールする場合を例に、以下にその詳細を説明する。
かかる出力電力の連続コントロールは、図１のブロック図に例示するようなシステムにより行われる。
図１を参照すると、ＲＦパワーアンプ１の出力電力コントロールは、PA＿CONT(DC)信号によって所定ステップでコントロールし得るようにする。基地局（図示せず）から送られてくる指示値を目標値として、出力パワー検出器３による検出値（ここでは、ＲＦパワーアンプ１からマッチング回路２を通して出力されるパワーを検出している）が、この指示値になるようにＲＦパワーアンプ１にマイコンよりなるコントローラ（図示せず）からPA＿CONTを与え、指示パワーを出力する。
【００１０】
本例においては、図１に示すような出力パワーの連続コントロールが可能な高周波電力増幅器の増幅器効率を改善するために、スイッチング駆動する複数のトランジスタを並列に接続して用いる。並列接続した複数のトランジスタの一部には、固定のドレイン電圧を印加し、他部のトランジスタには制御値に応じて可変のドレイン電圧を印加する。また、ドレイン電圧を固定したトランジスタの動作のオン・オフをコントロールし得るようにする。
こうした構成をとることにより、高出力領域においては、ドレイン電圧を固定したトランジスタの動作をオンとし、高出力領域で動作をオンとしたドレイン電圧固定のトランジスタの動作を低出力領域においてオフするという動作を行わせ、ドレイン電圧固定のトランジスタの動作をオンとする高出力領域における効率を向上させ、かつ全領域における出力パワーの連続コントロールを可能とする。
【００１１】
図２は、効率を向上させるために上記の構成をとる本例の高周波電力増幅器を示す回路である。なお、図２中の（Ａ）は、回路全体を示し、（Ｂ）、（Ｃ）は、回路要素であるドレイン電圧制御手段の具体例をそれぞれ例示する。
図２に示すように、本実施例の高周波電力増幅器の回路は、基本的な回路要素として、並列接続したスイッチング駆動する複数のトランジスタ（なお、本実施例では、ＦＥＴを要素とするパワーアンプPA(1) １_１，PA(2) １_２として示されている）よりなるパワーアンプと、最大の増幅器出力を得るためのマッチング回路２とを備える。なお、負荷は同図中、出力端の負荷抵抗Roとして示す。
図２に示したパワーアンプPA(1) １_１，PA(2) １_２は、いずれも図３にその回路の内部構成を示すように、スイッチング駆動するＴｒ（ＦＥＴ）１１，１２を２段に接続して構成するもので、スイッチング駆動するＦＥＴを用いたパワーアンプとして、これまで一般的に利用されているものである。また、図２に示すように、パワーアンプPA(1) １_１，PA(2) １_２それぞれのＦＥＴにドレイン電圧を印加する。このときに、パワーアンプPA(2) １_２には固定の電圧（ＤＣ）+Bを与え、他方のパワーアンプPA(1) １_１には可変の電圧を印加するために、電圧（ＤＣ）+Bを制御値に応じ変換するドレイン電圧制御手段１１を備える。ドレイン電圧制御手段１１は、図２（Ｂ）に示す、DC-DC コンバータ４のように制御値に応じ連続してドレイン電圧を制御するものが望ましい。又、同様の機能を持つ図２（Ｃ）に示すＦＥＴ５を使用した制御回路を用いることもできる。
【００１２】
図２に示したマッチング回路２は、パワーアンプPA(1) １_１の出力端からは、コンデンサC12 ，C13 及びインダクタL11 ，L12 を、又、パワーアンプPA(2) １_２の出力端からは、コンデンサC22 及びインダクタL21 をそれぞれ負荷抵抗Roに直列に接続するとともに、負荷抵抗Roに並列に、パワーアンプPA(1) １_１の出力端側にはコンデンサC11 、パワーアンプPA(2) １_２の出力端側にはコンデンサC21 を、又、負荷抵抗Ro側にはコンデンサC14 ，C15 を接続して構成する。マッチング回路２の回路要素の中のコンデンサC13 とインダクタL11 、コンデンサC14 、及びコンデンサC22 とインダクタL21 の接続・切り離しを行い、整合をとるためにマッチング回路２の回路定数を変える。
なお、図２に示したマッチング回路２の回路定数の具体例を示すと、C11=7pF 、C12 ，C13=34pF、L11=1.7nH 、L12=2.9nH 、C14=5pF 、C15=24pF、C21=7pF 、C22=17pF、L21=4.5nH として、実施することができる。
また、図２中に示されるSW20、SW21は、出力パワーの領域によりパワーアンプPA(2) １_２の動作をオン・オフするための切り替えスイッチである。同様に、SW11、SW12は、出力パワーの領域に応じてパワーアンプPA(2) １_２の動作をオン・オフしたために変化する整合条件に合わせて、マッチング回路２における上記した回路要素の接続・切り離しを行い、回路定数を切り替えるためのスイッチである。
【００１３】
次いで、図２に示した高周波電力増幅器の動作を説明する。
本実施例の増幅器では、２個のパワーアンプPA(1) １_１，PA(2) １_２を用いており、パワーアンプPA(1) １_１，PA(2) １_２を両方動作させる場合（高出力領域の動作）と、パワーアンプPA(1) １_１のみを動作させる場合（低出力領域の動作）があり、いずれの場合も出力の連続コントロールは、パワーアンプPA(1) １_１のドレイン電圧を制御することによる。
高出力領域の目標値が指示されたときには、パワーアンプPA(1) １_１，PA(2) １_２を両方動作させるためのコントロール信号CONT(2) がコントローラから送信され、この信号によりSW20をオフ、SW21をオンし、パワーアンプPA(2) １_２を動作状態にする。このとき、コントロール信号CONT(2) は、SW11をオフし、即ちコンデンサC13 とインダクタL11 を接続状態にすると同時に、SW12をオフし、即ちコンデンサC14 を切り離すことにより、パワーアンプPA(1) １_１，PA(2) １_２を両方動作させたときの整合条件にマッチング回路２の回路定数を設定する。このように動作条件を設定して、増幅器出力を目標値にコントロールするためのCONT(1) 信号に応じて電圧+Bをドレイン電圧制御手段１１により変化させ、パワーアンプPA(1) １_１のドレイン電圧として印加する。この時、ドレイン電圧制御手段１１として、DC-DC コンバータ４（図２（Ｂ））を用いた場合、電圧+Bを制御信号（CONT(1) 信号）に応じて変換係数を変えることにより、パワーアンプPA(1) １_１のドレインへの印加電圧を制御する。また、ＦＥＴ５による制御回路（図２（Ｃ））を用いた場合、電圧+Bを制御信号によるＦＥＴ５のゲートコントロールにより変化させ、パワーアンプPA(1) １_１のドレインへの印加電圧を制御する。
図４は、本実施例の増幅器の特性を示すもので、横軸にパワーアンプPA(1) １_１のＦＥＴに印加したドレイン電圧Vcont(Volt) 、縦軸に増幅器出力パワー(dBm) をとっている。この高出力領域の動作状態において、CONT(1) によりドレイン電圧制御手段１１をコントロールした時の増幅器の特性は、図４中に特性（Ｈ）にて示すように、ドレイン電圧Vcont を2.5V〜1.5Vの範囲で変化させると、規格上必要な値（例えば33dBm:2W）をカバーする最大パワーからA 点（≒31dBm ）をカバーする範囲で連続して出力パワーを変化させることができる。
【００１４】
低出力領域の目標値が指示されたとき、例えば、A 点よりもさらにパワーを下げるときには、パワーアンプPA(2) １_２の動作をオフする（パワーアンプPA(1) １_１，は動作状態を維持する）。そのためのコントロール信号CONT(2) がコントローラから送信され、この信号によりSW20をオン、SW21をオフし、パワーアンプPA(2) １_２の動作をオフし、アンプPA(2) １_２をメインのアンプPA(1) １_１から切り離す。このとき、コントロール信号CONT(2) は、SW11をオンし、即ちコンデンサC13 とインダクダL11 を切り離すと同時に、SW12をオンし、即ちコンデンサC14 を接続することにより、低出力動作、即ちこの実施例においてはパワーアンプPA(1) １_１，のみの動作、における整合条件にマッチング回路２の回路定数を設定する。このように動作条件を設定して、増幅器出力を目標値にコントロールするためのCONT(1) 信号を設定し直し、新たに設定したCONT(1) 信号に応じて電圧+Bをドレイン電圧制御手段１１により変換して、パワーアンプPA(1) １_１のドレイン電圧として印加する。
つまり、低出力領域の動作状態において、CONT(1) によりドレイン電圧制御手段１１をコントロールした時の増幅器の特性は、図４中に特性（Ｌ）にて示すように、高出力から低出力に切り替える特性（Ｈ）のA 点に相当する出力を設定する特性（Ｌ）上のA1点から最小パワー（≒22.5dBm ）を出力するA2点間を新たにドレイン電圧Vcont を2.5V〜1.5Vの範囲で設定すると、設定値に応じて連続して出力パワーを変化させることができる。この場合、図４に示す如く低出力領域における最大電力値と高出力領域における最小電力値とがオーバーラップするようにする。
【００１５】
上記したように、本実施例の増幅器では、A(A1) 点でドレイン電圧固定のパワーアンプPA(2) １_２の動作をオフ（オン）することにより、規格上必要な値（例えば33dBm:2W）をカバーする最大パワーから最小パワー（≒22.5dBm ）を出力するA2点までの全域の出力パワーを連続してコントロールできる。その上、パワーアンプPA(1) １_１単独、即ちドレイン電圧固定のパワーアンプPA(2) １_２なしで、全域の出力パワーをドレイン電圧制御手段を用いて連続してコントロールする場合に比べて、本例の増幅器では、ドレイン電圧固定のパワーアンプPA(2) １_２の動作をオンする（ドレイン電圧制御手段が不要な分だけ効率を向上できる）高出力領域における効率を向上させることができる。また、ドレイン電圧固定のパワーアンプPA(2) １_２の動作をオン・オフするときに、マッチング回路４の回路定数を変えて最大の出力パワーを得るための整合を行うことにより、さらに効率の向上を図ることができる。マッチング回路は、今後スイッチ回路を含めＩＣ化される方向であり、効率の向上に果たす役割は大きくなるものと考えられる。
なお、図２に示した本実施例の回路では、２種類のパワーアンプPA(1) １_１，PA(2) １_２を一個づつ用いた例を示したが、アンプはこの数に限定するものではなく、任意の数でよい。要は２種類のアンプが上記に示したような態様で動作をしさえすれば、所期の目的を達成し得るものである。
【００１６】
ところで、上記した実施例では、好適に実施しうる対象として携帯電話とし、携帯電話のアンテナ出力段に用いる高周波電力増幅器に適応する場合を示したが、分野や出力パワーを上記した実施例に限定する趣旨ではなく、スイッチング駆動するトランジスタを用いた電力増幅器を用いるラジオ、テレビ、ＡＶ機器、通信機器等の様々な分野の増幅器として適用、実施し得る。
【００１７】
【発明の効果】
（１）請求項１の発明に対応する効果
並列に接続したスイッチング駆動する複数のトランジスタの中の固定のドレイン電圧を印加した側の動作を高出力領域においてオンし、低出力領域においてオフする出力制御手段を備えた本発明の電力増幅器によると、制御値に応じてドレイン電圧を可変としたトランジスタ側に生じる効率低下（かかる方式を採用した従来装置の問題点であった）を最小限に抑え、高効率を保持しながら、増幅器出力を制御することが可能になる。
（２）請求項２，３の発明に対応する効果
上記（１）の効果に加えて、増幅器出力に応じてマッチング回路の回路定数の設定を最適化する手段を備えたことにより、効率の改善とともに安定度の向上を図ることが可能になる。しかも、トランジスタの動作のオン・オフに合わせて、回路定数を切り替えるようにしたことにより、共通のコントローラを用いて容易に動作が実行可能になる。
（３）請求項４，５の発明に対応する効果
上記（１）、（２）の効果に加えて、トランジスタに印加するドレイン電圧を連続的に制御可能な手段（DC-DC コンバータ）を備えたことにより、出力パワーを最適に調整でき、電力を無駄に消費することがなく、最適動作を行うことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】アンテナ出力段の高周波電力増幅器の出力パワーを連続的にコントロールするシステムの一例を示す。
【図２】本発明の電力増幅器に係わる実施例回路を示す。
【図３】図２の電力増幅器に用いたパワーアンプPA(1) ，PA(2) の回路の内部構成を示す。
【図４】図２の電力増幅器の特性として、ドレインバイアス制御電圧に対する出力パワーの関係を示す。
【符号の説明】
１…ＲＦパワーアンプ、１_１…パワーアンプPA(1) 、１_２…パワーアンプPA(2) 、２…マッチング回路、３…パワー検出器、４…ＤＣ−ＤＣコンバータ、５…ＦＥＴ、１１…ドレイン電圧制御手段。

Claims

スイッチング駆動する能動素子を用いた電力増幅器であって、並列に接続したスイッチング駆動する複数の能動素子と、該複数の能動素子の一部に固定の供給駆動電圧を印加する手段と、前記複数の能動素子の他部に制御値に応じて可変の供給駆動電圧を印加する手段と、供給駆動電圧を固定した前記一部の能動素子の動作をオン・オフする手段と、前記他部の能動素子の供給駆動電圧を制御することにより増幅器出力を可変とするとともに、高出力領域において前記一部の能動素子の動作をオンし、動作をオンした前記一部の能動素子の動作を低出力領域においてオフする出力制御手段を備え、前記低出力領域における最大電力値と前記高出力領域における最小電力値とがオーバーラップするようにしたことを特徴とする電力増幅器。
請求項１に記載された電力増幅器において、前記複数の能動素子の出力側に回路定数を可変設定可能にしたマッチング回路と、増幅器出力に応じて前記マッチング回路の回路定数の設定を最適化する手段を備えたことを特徴とする電力増幅器。
請求項２に記載された電力増幅器において、前記回路定数の設定を最適化する手段が、前記一部の能動素子の動作のオン・オフに合わせて、回路定数を切り替える手段であることを特徴とする電力増幅器。
請求項１乃至３のいずれかに記載された電力増幅器において、前記他部の能動素子に可変の供給駆動電圧を印加する手段が、印加する供給駆動電圧を連続的に制御できる手段であることを特徴とする電力増幅器。
請求項４に記載された電力増幅器において、前記連続的に供給駆動電圧を制御できる手段がＤＣ−ＤＣコンバータであることを特徴とする電力増幅器。