JP4197123B2 - スイッチモードｒｆ増幅器の可変バイアス制御方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＲＦ増幅器に関し、特にスイッチモードＲＦ増幅器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のＲＦ増幅器の構成は、増幅素子--即ちトランジスタ--が線形領域で動作するという線形的なアプローチに従っている。このような動作は比較的非効率ではあるが、そのことはよく理解されている。効率を改善するために、Sokalらによる米国特許第3,900823号において述べられているＥ級増幅器を最も注目すべき端緒として、さまざまなスイッチモード増幅器の構成が提案されており、この明細書の中にも引用することにより組み入れられている。Ｅ級動作では、増幅素子がスイッチとして作動し、その結果、非線形系になる。上述の特許は、非線形のスイッチモード増幅器の出力信号を制御するためにネガティブ・フィードバック技術を使用することについて述べている。
【０００３】
他の特許は、複数の非線形増幅段が組または群とされ、その出力信号が一体とされて線形出力信号を形成するという構成について述べている。このような特許の例には、米国特許第5,990,738号やその中で引用されている参考文献が含まれる。スイッチモードＲＦ増幅器が実施されてきた結果、フィードバック制御または重ね合わせの利用が一般に追求されてきた。
【０００４】
ひとつの例外は、本明細書中に引用することにより組み入れられたフランス特許第2,768,574号である。この特許は、出力増幅器の出力信号を制御するためにフィードバックによらないスイッチモードＲＦ増幅器の構成について述べている。それでもやはり、その提案された構成は、その特許では述べられていないさまざまな実際上の制約を受ける。特に、この提案された構成は明確な振幅変調周波数の制限を受け、且つその出力信号は限られたダイナミックレンジを呈するということを経験が示している。高周波動作およびワイドダイナミックレンジは、高速ワイヤレスデータコミュニケーションの第一歩への手がかりとなる。
【０００５】
効率を改善するため、動的なバイアス制御が従来のＲＦ増幅器の構成において提案されてきた。例えば米国特許第6,025,754号を参照されたい。バイアス制御は、前述した米国特許3,900,823号でも論じられている。しかしながら、過去の先行技術の何れもが、ワイドダイナミックレンジを有する出力信号を実現するために、スイッチモードＲＦ増幅器において動的なバイアス制御を効率的に利用することについては述べていない。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、概して言えば、ワイドダイナミックレンジを有する出力信号を実現するため、スイッチモードＲＦ増幅器における動的バイアス制御の効率的な利用を提供する。一態様では、可変出力信号を生成する増幅装置であって、制御端子を有する非線形の最終増幅段と、前記最終増幅段の前に設けられ、前記最終増幅段の制御端子に印加される駆動信号を生成する駆動段と、そして、前記最終増幅段の制御端子に印加される可変バイアス信号を生成する制御回路とを具備し、前記制御回路は、前記最終増幅段がスイッチング動作する期間において、所望の出力電力を動的に減少させる場合、前記最終増幅段の瞬間出力電力の関数となる前記バイアス信号を動的に減少させ、かつ前記最終増幅段の瞬間出力電力の関数となる前記駆動信号を動的に減少させる。
別の一態様によれば、可変出力信号を生成する増幅装置であって、制御端子を有する非線形の最終増幅段と、前記最終増幅段の前に設けられ、前記最終増幅段の制御端子に印加される駆動信号を生成する駆動段と、そして、前記最終増幅段の制御端子に印加される可変バイアス信号及び、前記駆動信号の振幅を制御するために前記駆動段に印加されるドライバ供給電圧を生成する制御回路とを具備し、前記制御回路は、前記最終増幅段がスイッチング動作する期間において、所望の出力電力を動的に減少させる場合、前記最終増幅段の瞬間出力電力の関数となる前記バイアス信号を動的に減少させ、かつ前記最終増幅段の瞬間出力電力の関数となる前記駆動信号を動的に減少させる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
さて、図１を参照すると、本発明の代表的な実施形態によるＲＦ増幅器のブロックダイアグラムが示されている。その増幅回路の不必要な詳細については、説明を明確にするために省略されている。ＲＦ入力信号ＲＦ_inは、キャパシタＣ１を介して、増幅素子を有する駆動増幅段の制御端子に印加され、この例ではこの増幅素子は、ＦＥＴ（たとえばＭＥＳＦＥＴ）Ｍ_dryとして示されている。この増幅段Ｍ_dryは、例えば図２に示されるようなトランスコンダクタンスを有していてもよい。このＲＦ入力信号は、好ましくは一定ピーク振幅の信号であり、かつ、一般には位相変調されている。この駆動増幅段は、増幅された出力信号を生成し、この出力信号はキャパシタＣ２を介して最終増幅段の制御端子に印加される。この最終増幅段は、この例ではＦＥＴ Ｍ_finとして示される増幅素子を有している。この最終増幅段は、さらに増幅された出力信号を生成し、この出力信号は共振回路網１０１に供給される。この共振回路網１０１の出力信号は、このＲＦ増幅器の出力信号であるＲＦ_outを形成する。
【０００９】
それら増幅素子Ｍ_dry，Ｍ_finは、その制御端子にバイアス電圧を印加し、且つもうひとつの端子（たとえばドレイン端子）には作動電圧(operational voltage)をそれぞれ印加している。とりわけ、バイアス電圧Ｖ_{ＢＩＡＳＳｄｒｙ}が、制御回路１０３により発生され、且つ抵抗Ｒ１を介して増幅素子Ｍ_dryの制御端子に印加されると共に、作動電圧Ｖ_Ｄｄｒｙが、同様に制御回路１０３により発生され、負荷インピーダンスＺ２を介して増幅素子Ｍ_dryのドレインに印加される。同様にして、バイアス電圧Ｖ_{ＢＩＡＳｆｉｎ}は、制御回路１０３により生成され、かつ抵抗Ｒ３を介して増幅素子Ｍ_finの制御端子に印加されると共に、作動電圧Ｖ_Ｄｆｉｎが、同様に制御回路１０３により生成され、負荷インピーダンスＺ４を介して増幅素子Ｍ_finのドレインに供給される。この図示された実施例において、バイアス電圧Ｖ_{ＢＡＩＡＳｄｒｙ}は固定されている。他方、バイアス電圧Ｖ_{ＢＡＩＡＳｆｉｎ}は可変である。
【００１０】
制御回路１０３は、入力ライン１０５上で受信される制御情報（たとえば振幅または出力電力の情報）に応答し且つパワーコンバータ１０７と共同してそのバイアス電圧および作動電圧を生成し、パワーコンバータ１０７は入力ライン１０９上の供給電圧Ｖ_{ＳＵＰＰＬＹ}を受ける。制御回路１０３は、ひとつまたはそれ以上の制御ライン１１１を介してパワーコンバータ１０７を制御する。これに応答して、上記パワーコンバータは、ひとつまたはそれ以上の電圧を発生し、これら電圧は制御回路に供給される。これらひとつまたはそれ以上の電圧は、制御回路によって直接的に使用され、または上記バイアスおよび作動電圧を発生するために上記制御回路によって修正される。
【００１１】
図１の増幅器に関するさらなる詳細が、制御回路１０３およびパワーコンバータ１０７を含めて、国際特許公報01/10013に見出される。
固定バイアス条件下においては、ＭＥＳＦＥＴは、一般には約１８ｄＢと３５ｄＢとの間の出力振幅制御範囲を呈する。さらに詳細に図３を参照すると、所望のスイッチ電流および実際のスイッチ電流がピーク駆動電圧の関数に従う固定バイアスについて示されている。オン状態の間のそのスイッチ電流およびオフ状態の間のスイッチ電流の双方が示されている。理想的には、もちろん、オン状態の間のその実際のスイッチ電流が、基準線（ｙ＝ｘ）によって示される所望のスイッチ電流に等しくなると共に、オフ状態の間のその実際のスイッチ電流がゼロになるはずである。この例では、上記バイアス電圧は−２Ｖに固定されており、それはピーク出力電力に対する最適条件に近い。このピーク駆動電圧は、ゼロ付近から約２Ｖの範囲におよぶ。
【００１２】
概ね半分の出力では、スイッチング動作を維持するために、上記駆動信号をさらに減少させることは不可能になるということに注意されたい。ゆえに、上記駆動信号のピーク振幅は、或る固定されたレベルよりも低く一定に保持される。即ち、或る点では上記入力駆動信号の振幅は、上記出力トランジスタＭ_finに長くスイッチさせることなく、さらには減じ得ない。これは、そのドライブから出力へのリークの最小値を定める。
【００１３】
上述したリークの影響は、図４において見られ、この図は、図３で確認される複数の異なる駆動レベルでの複数のサイクルにわたるスイッチ電流波形を示している。上記駆動信号のピーク振幅が或る固定されたレベルよりも低く一定に保持されている状態のまま、上記出力トランジスタをオンさせるための能力は保たれる。しかしながら、上記出力トランジスタを完全にオフさせるための能力は失われる。即ち、寄生成分やリークのため、上記出力トランジスタは、そのＲＦ出力信号がゼロまたは実質的にゼロになるように駆動され得ない。結果として、固定バイアスの増幅段のダイナミックレンジが制限されることになる。
【００１４】
対数スケール上では図４の歪は比較的穏やかであるが、動作では、その影響はダイナミックになり得る。図５を参照すると、比較によるプロットは、従来技術と本願発明を用いた回路とのＡＭ−ＰＭ歪特性を例示している。ＡＭ−ＰＭ歪は、駆動信号と出力トランジスタの出力信号とが見かけ上１８０°だけ位相がずれているために起こる。このことから、リーク信号が出力信号に比較して極めて小さい場合であっても、結果として生じる組み合わせの位相は重大な影響を受けるであろう。図５において、もし駆動信号が比較的ハイパワーな駆動信号であれば、小出力振幅では出力信号の位相がフック状の曲線に沿ったものになることに注目されたい。もし、駆動信号が比較的ローパワーな駆動信号であれば、ここで述べたように可変バイアス制御によって容易化され、そして小出力振幅で、出力信号の位相が直線に近いパスに沿ったものになる。
【００１５】
図６を参照すると、可変バイアス増幅段の動作の一例が示されている。この例では、駆動信号がゼロ近くから２Ｖよりわずかに少ない範囲にあるのに対し、バイアス電圧は−３Ｖから−２Ｖよりわずかに高い範囲にある。この可変バイアス動作の結果として、その実際および所望の電流は、オン状態およびオフ状態の双方について驚くべき一致を示すことに注意されたい。
【００１６】
出力信号のダイナミックレンジに関する一致の効果は図７に示されている。駆動レベルがフルスケールから低レベルに減少するにつれ、電流ピークは、それらがより緩やかに且つより急ではなくなるにもかかわらず、はっきりと区別されたままに残される。各駆動レベルでのピーク出力電流は、所望のピーク出力電流と極めてよく符合する。このことから、可変バイアスを用いたこのスイッチモード増幅器のダイナミックレンジは、実質的に増加する。
【００１７】
好ましい実施形態において、十分なオーバドライブをオンおよびオフのスイッチ状態に与えるためには、そのバイアスおよび駆動状態は、次の数式に従って制御される。
【００１８】
【数１】

【数２】

【００１９】
ここで、Ｋ＝０．１５，Ｖ_th＝−３．０Ｖ，そしてＩ_swは上記所望のオンスイッチ電流である。この所望のオンスイッチ電流は、代わって(in turn)所望の瞬間出力電力の関数となる。
【００２０】
これらの関係の一般的形式は、ＦＥＴデバイスに特有なものであって、このＦＥＴデバイスでは、可変バイアスおよびピーク駆動電圧の双方が、所望のスイッチオン電流の一次および平方根の項の和となることに注意されたい。
このように、ワイドダイナミックレンジを有する出力信号を実現するため、スイッチモードＲＦ増幅器における動的バイアス制御の効率的な利用を提供する方法および装置が説明された。少なくとも増幅器の最終増幅段のバイアス電圧を動的に制御することにより、小信号レベルであっても、その増幅トランジスタがスイッチとして動作している限り、実際のピークスイッチ電流と所望のピークスイッチ電流とがよく符合する。この結果得られる高度な制御は、ワイドダイナミックレンジを呈するＥＤＧＥのような複素信号の集合に対してさえ、その出力信号のフィードバック制御を無用にする。
【００２１】
説明された本実施形態では、ＦＥＴ増幅段に対し動的な電圧バイアス制御を用いたが、本発明は、同様に例えばバイポーラ増幅段に対する動的な電流バイアス制御にも適用可能である。
本発明が、その精神またはその本質的な特性からはじめることなく、他の特有な形式で実現され得ることは、この技術分野の通常の知識を有する者には明白である。従って、上述した実施形態は、全ての点において例示的なものであって、限定的なものではないということが意図されたものである。本発明の範囲は、前述の説明よりもむしろ添付された請求項によって示され、そしてその等価な意味および範囲内で生じる変形はその中に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 代表的な実施形態に係る増幅器のブロックダイアグラムである。
【図２】 図1の増幅素子の典型的なトランスコンダクタンスのプロットである。
【図３】 固定バイアス条件下での最終増幅段内部の関連する信号のプロットである。
【図４】 固定バイアス条件下における種々の駆動レベルでの最終増幅段内部の電流のプロットである。
【図５】 従来技術および本発明を用いた回路のＡＭ−ＰＭ歪特性を図解する比較プロットである。
【図６】 可変バイアス条件下における最終増幅段内部の関連する信号のプロットである。
【図７】 可変バイアス条件下における種々の駆動レベルでの最終増幅段内部の電流のプロットである。
【符号の説明】
１０１；共振回路網
１０３；制御回路
１０５；入力ライン
１０７；パワーコンバータ
１１１；制御ライン
Ｃ１，Ｃ２；キャパシタ
Ｍ_dry，Ｍ_fin；ＦＥＴ
Ｒ１，Ｒ３；抵抗
Ｚ２，Ｚ４；負荷インピーダンス

Claims (2)

1. 可変出力信号を生成する増幅装置であって、
   制御端子を有する非線形の最終増幅段と、
   前記最終増幅段の前に設けられ、前記最終増幅段の制御端子に印加される駆動信号を生成する駆動段と、そして、
   前記最終増幅段の制御端子に印加される可変バイアス信号を生成する制御回路とを具備し、
   前記制御回路は、前記最終増幅段がスイッチング動作する期間において、所望の出力電力を動的に減少させる場合、前記最終増幅段の瞬間出力電力の関数となる前記バイアス信号を動的に減少させ、かつ前記最終増幅段の瞬間出力電力の関数となる前記駆動信号を動的に減少させることを特徴とする増幅装置。
2. 可変出力信号を生成する増幅装置であって、
   制御端子を有する非線形の最終増幅段と、
   前記最終増幅段の前に設けられ、前記最終増幅段の制御端子に印加される駆動信号を生成する駆動段と、そして、
   前記最終増幅段の制御端子に印加される可変バイアス信号及び、前記駆動信号の振幅を制御するために前記駆動段に印加されるドライバ供給電圧を生成する制御回路とを具備し、
   前記制御回路は、前記最終増幅段がスイッチング動作する期間において、所望の出力電力を動的に減少させる場合、前記最終増幅段の瞬間出力電力の関数となる前記バイアス信号を動的に減少させ、かつ前記最終増幅段の瞬間出力電力の関数となる前記駆動信号を動的に減少させることを特徴とする増幅装置。

Images