JP4267980B2 - 線形電力増幅器 - Google Patents

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Description

本発明は、線形電力増幅器に関し、特に連続的な電力範囲で出力電力を制御できる線形電力増幅器に関し、またそのような線形電力増幅器を用いた無線送信機に関する。
従来、高効率の増幅を行うために複数個の電力増幅ユニットを並列に用いて線形電力増幅器を構成する技術が知られている(非特許文献1)。
図5に線形電力増幅器の基本構成の従来例を示す。この従来の線形電力増幅器は複数のF級増幅回路によって構成されている。各F級増幅回路は、電界効果トランジスタ(Filed
Effect Transistor, FETともいう)と、FETのドレインに接続されるλ/4伝送線と、キャパシターCと、同調回路と、負荷と、電圧Vddからの直流電源をFETに接続するためのRFチョークコイル(RFCともいう)と、FETに必要な信号入力レベルを供給するドライバーとから構成されている。各F級増幅回路のλ/4伝送線を出力側で結線することにより、送信出力信号は複数のF級増幅回路からの出力信号の合成となる。
また、ドライバーの出力をオフにすることにより対応するF級増幅回路の動作を停止させることができる。
各F級増幅回路は、一般的に図6に示すような入出力電力特性(入出力特性ともいう)、及び電源効率(すなわち出力信号の電力と電源の供給する直流電力との比、以下、単に効率という。)対入力電力特性を有する。出力電力が飽和出力電力Ps付近(或いは入力電力が飽和入力電力付近)にあるときには、高い効率が得られるが、入出力特性は強い非線形性となってしまう。また、入出力電力の小さい領域では、入出力特性は良い線形性を示すが、効率が著しく低下してしまう。
図5に示した従来の構成は、主に定振幅(振幅一定)の送信入力信号の増幅に用いられるため、入出力特性の非線形性があってもそれほど問題とならない。そのため、各F級増幅回路を飽和出力の状態で動作させることにより、高効率を得ることができる。図5の従来の構成では、動作するF級増幅回路の数を制御することにより複数の送信出力信号の電力レベルを得ることができる。すなわち送信電力制御を行うことができる。なお、異なる送信電力レベルにおいても高効率である。
また、無線送信機の送信周波数変化による合成出力信号の相互変調歪みの悪化を防止するために、並置トランジスタ電力増幅器の前段の可変減衰器の減衰量を制御して、2つのトランジスタ電力増幅回路の動作状態に大きな差異が生じないようにした従来技術も知られている(特許文献1)。
Alireza Shirvani, David K. Su, and Bruce A. Wooley,"A CMOS RFPower Amplifier With Parallel Amplificationfor Efficient Power Control, "IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS. VOL.37,NO.6,JUNE 2002. 特開2001−237651号公報
図5に示した従来の構成では、定振幅信号の高効率増幅及び送信電力制御には好適である。しかしながら、定振幅信号の場合の送信電力制御は電力レベルが離散的であって、連続的な出力電力レベルが得られないという問題があった。
また、この従来の構成を用いて非定振幅信号(振幅非一定信号)の電力増幅を行う場合には、各F級増幅回路の強い非線形性によって送信出力信号において大きな歪が発生してしまうという問題もあった。
さらに、非定振幅信号の送信出力信号の電力制御(すなわちその平均電力の制御)を行う場合でも、得られる平均電力レベルは離散的であって、連続的な平均電力レベルが得られないという問題があった。
そこで、本発明は、以上の点に鑑みてなされたもので、定振幅信号の場合には連続的な電力範囲で出力電力を制御でき、一方、非定振幅信号の場合には高効率の線形増幅ができる線形電力増幅器を提供することを目的とし、また、連続的な電力範囲で平均出力電力を制御できる線形電力増幅器を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するための本発明の一特徴に従った、線形電力増幅器は、当該線形電力増幅器の入力信号の振幅を調整するN(Nは2以上の整数)個の並列的な振幅調整器;各振幅調整器からの信号をそれぞれ増幅する少なくともN個の電力増幅ユニット;電力増幅ユニットからの各信号を合成し、当該線形電力増幅器の出力信号として出力する電力合成器;出力信号の振幅が入力信号の振幅に対して実質的に連続的な関数になるように、N個の電力増幅ユニットから動作すべき電力増幅ユニットを選択して動作させ、かつ振幅調整器を制御する制御器;から構成される。
制御器は、入力信号の振幅に応じて、電力増幅ユニットを選択し、かつ振幅調整器を制御することができる。
制御器は、出力信号の振幅と入力信号の振幅が線形関係になるように、N個の電力増幅ユニットから動作すべき電力増幅ユニットを選択して動作させ、かつ振幅調整器を制御することができる。
N個の電力増幅ユニットの各々の最大出力電力が実質的に等しくされてもよい。
制御器は、電力が(r-1)PsからrPs(Psは電力増幅ユニットの最大出力電力、rは1からNまでの整数)までの範囲内にある出力信号を出力させる場合において、N個の電力増幅ユニットのうちr個の電力増幅ユニットを動作させ、かつこれらの動作する電力増幅ユニットに対応する振幅調整器を制御することにより、これらの動作する電力増幅ユニットのそれぞれを[(r-1)/r]PsからPsまでの範囲で同様の電力を出力させることもできる。
N個の電力増幅ユニットにおいて、i (i=2,...,N)番目の電力増幅ユニットの最大出力電力は(i-1)番目の電力増幅ユニットの最大出力電力の2倍にしてもよい。
制御器は、電力が(r-1)PsからrPs(Psは1番目の電力増幅ユニットの最大出力電力、rは1から(2N-1)までの整数)までの範囲にある出力信号を出力させる場合において、rをN桁の2進数で表したときにこの2進数において1になる各桁の番号(但しそのLSBを1桁目、MSBをN桁目とする)に対応する電力増幅ユニットを動作させ、かつこれらの動作する電力増幅ユニットに対応する振幅調整器を制御することにより、これらの動作する電力増幅ユニットのそれぞれを[(r-1)/r]2(i-1)Psから2(i-1)Ps (iは動作する電力増幅ユニットの番号)までの範囲で電力を出力させてもよい。
制御器は、振幅調整器を制御することによりさらに出力信号の電力制御を行ってもよい。
入力信号は電力制御用振幅調整器を通して各振幅調整器へ供給するようにしてもよい。
本発明に従った線形電力増幅器によれば、出力電力を入力電力に対して連続的な関数とすることができ、その結果、定振幅信号の送信電力制御を連続的な電力範囲でかつ高効率で行うことができる。
また、各電力増幅ユニットの入出力特性の非線形を補償して等価線形増幅器を構成し、かつ入力信号の瞬時電力に応じて等価線形増幅器を組み合わせることによって、線形かつ高効率の電力増幅器を構成することができる。それにより、非定振幅の送信入力信号に対しても、高効率かつ線形的な増幅を達成できる。さらに、N個の電力増幅ユニットを用いた場合において、Nを大きくすることにより、高効率でかつ増幅可能入出力電力レンジを拡大することもできる。この特徴は、ピーク対平均電力の大きな非定振幅信号を増幅する場合に特に有利である。さらに、この場合に、入力信号の平均電力を調整することにより出力信号の平均電力を連続的に制御することができる。
本発明は、特に無線通信送信機内の線形電力増幅器に適用可能であるが、これに限られず、他の用途の線形電力増幅器にも適用可能である。
図1に本発明の実施例1に従った線形電力増幅器1を示す。線形電力増幅器1は、N(Nは2以上の整数)個の電力増幅ユニット12,N個の振幅調整器13,電力合成器14,制御器15から構成されている。本実施例において、送信入力信号10の電力が各振幅調整器13により調整され、調整後の電力が各電力増幅ユニット12に供給される。制御器15は、各振幅調整器13の電力調整係数を制御し、かつ、電力増幅ユニット12のオン/オフの制御を行う。電力合成器14は、動作している(すなわちオンになっている)各電力増幅ユニット12からの出力信号をほぼ電力和となるように合成して、送信出力信号11として出力する。
電力増幅ユニット12は、例えばFET等の増幅素子を用いた増幅回路であってよい。その入出力特性及び効率特性は、一般的に図6に示したF級増幅器の特性と類似している。電力増幅ユニット12の飽和出力電力をPsとすれば、出力がその飽和電力Psに近いほど高効率となる。
制御器15は、マイクロプロセッサを含む回路であってよく、送信入力信号10からの情報をもとに、他の回路素子を制御することができる。
振幅調整器13は、公知のいかなる調整器であってよく、制御器15からの制御信号に応答して、送信入力信号の振幅を調整する。
制御器15は、送信出力信号11の振幅が送信入力信号10の振幅に対して連続関数となるように、N個の電力増幅ユニット12のオン/オフ制御、及び振幅調整器13の電力調整係数を制御する。この制御について、一般性を失うことなくN=2の場合において図7を参照して説明する。
図7に示すグラフにおいて、曲線a, bはそれぞれ、電力増幅ユニット12-1及び12-2の入出力特性を表す。送信入力信号10の電力と所望の送信出力信号11の電力との関係を例えば曲線cとする。この場合、2個の電力増幅ユニット12-1及び12-2の飽和出力電力をそれぞれPs1,
Ps2(Ps1<Ps2)とし、それぞれに対応する入力電力をPa, Pbとし、かつ送信入力信号10の電力をxとする。
予め定めた入力電力レベルP1,
P2及びP3に関して、送信入力信号電力xがx≦P1の範囲にある場合には、電力増幅ユニット12-1のみが選択される。そして振幅調整器13-1の電力調整係数を調整することによって、xが0〜P1まで変化するときに電力増幅ユニット12-1への入力が0〜Paまで変化するようにする。これにより、電力増幅器12-1が0〜Ps1までの電力を出力することになる。
次に、送信入力信号電力xがP1<x≦P2の範囲にある場合には、電力増幅ユニット12-2のみが選択される。そして振幅調整器13-2の電力調整係数を調整することによって、xがP1〜P2まで変化するときに電力増幅ユニット12-2の出力がPs1〜Ps2の電力を出力するように調整する。
さらに、送信入力信号電力xがP2<x≦P3の範囲にある場合には、電力増幅ユニット12-1と12-2がともに選択され、振幅調整器13-1と13-2をともに調整することによって、xがP2〜P3まで変化するときに電力増幅器12-1と12-2の出力電力の和がPs2〜Ps1+Ps2になるように調整する。
これにより、送信出力信号11の電力が0から(Ps1+Ps2)の範囲において、図7の曲線で示すように連続的な入出力特性が得られる。なお、送信入力信号電力xがP1以上の範囲において、電力増幅ユニット12-1及び12-2のそれぞれを飽和出力電力に近い領域内で動作させることが可能であるため、高効率を得ることが可能である。
一般的に、図1に示す本実施例の構成では、出力電力が0からΣPsi (Psiは各電力増幅ユニット12-iの飽和出力電力)までの範囲で連続的な入出力特性を実現することができる。また、送信入力信号電力xがPs1(仮にPs1<Psi, i=2, 3,...,N)以上の電力の範囲で高効率を得ることが可能である。なお、入出力電力特性が連続関数になる場合、入出力振幅特性も連続関数になる。
図2に本発明の実施例2に従った線形電力増幅器2を示す。線形電力増幅器2は線形電力増幅器1と類似するが、線形電力増幅器2においては、振幅調整器13と電力増幅ユニット12との間に、電力増幅ユニット12の非線形性を補償するためのプリディストータ(Pre-distorter,
PDともいう)16が挿入されている。各PD16と各電力増幅ユニット12はN個の等価線形増幅器17を形成する。各等価線形増幅器17は等しい利得値Gを有する。図8に各等価線形増幅器17の入出力特性(曲線a)及びその基礎となる電力増幅ユニット12の入出力特性(曲線b)を示す。電力増幅ユニット12の飽和出力電力をPsとすれば、等価線形増幅器17は0〜Psまでの出力範囲で直線的な入出力特性を持つことができる。また、等価線形増幅器17の効率は、特定の出力電力(例えば図8におけるP0)において、電力増幅ユニット12の効率に等しい。このため、等価線形増幅器17の効率は、出力がその最大出力電力Psに近いほど高効率となる。
制御器15は、N個の電力増幅ユニット12のオン/オフ制御(すなわち等価増幅器17のオン/オフ制御)をし、かつ振幅調整器13の電力調整係数を適切に制御する。この制御について、一般性を失うことなくN=2の場合において図9を参照して説明する。
2個の等価線形増幅器17-1及び17-2の最大出力電力をPs1,
Ps2(Ps1 <Ps2)とし、送信入力信号10の電力をxがx≦(Ps1/G)の範囲にある場合には、等価線形増幅器17-1のみが選択される。そして振幅調整器13-1の電力調整係数を1に設定する。これにより送信出力信号11の電力はGxとなる。
次に、送信入力信号電力xが(Ps1/G)<x≦(Ps2/G)の範囲にある場合には、等価線形増幅器17-2のみが選択される。そして振幅調整器13-2の電力調整係数を1に設定する。このときの送信出力信号11の電力もGxとなる。
さらに、送信入力信号電力xが(Ps2/G)<x≦[(Ps1+Ps2)/G]の範囲にある場合には、等価線形増幅器17-1と17-2がともに選択されて動作し、振幅調整器13-1,13-2の電力調整係数をそれぞれPs1/(Ps1+Ps2)、Ps2/(Ps1+Ps2)に設定する。その結果、送信出力信号11の電力はG[Ps1/(Ps1+Ps2)]x+G[Ps2/(Ps1+Ps2)]x=Gxとなる。従って、送信出力信号11が0から(Ps1+Ps2)の範囲において線形的な入出力特性が保たれる。なお送信入力信号電力xがPs1/G以上になる場合において、等価線形増幅器17-1及び17-2はそれぞれの最大出力電力に近い領域内で動作するため高効率である。
一般的に、図2に示す本実施例の構成では、出力電力が0からΣPsi (Psiは各等価線形増幅器17-iの飽和出力電力)までの範囲で連続的な入出力特性を実現することができる。また、送信入力信号電力xがPs1/G(仮にPs1<Psi, i=2, 3,...,N)以上の電力の範囲で高効率を得ることが可能である。
一方、送信入力信号10が非定振幅信号である場合、制御器15は、送信入力信号10の瞬時電力に応じて上記のように等価線形増幅器17の選択と振幅制御器13の制御を行うことにより、線形増幅を達成することができる.
図3に本発明の実施例3に従った線形電力増幅器3を示す。線形電力増幅器3は線形増幅器2と類似するが、線形増幅器3においては、電力増幅ユニット12の非線形性を補償するためのPD16の機能が振幅調整器13により実行される点で異なる。本実施例での振幅調整器13の電力調整量は、電力増幅ユニット12の非線形性を補償した等価線形増幅器19を構成するようにするための第1調整量と、送信入力信号10の電力を等価線形増幅器19の入力範囲内に調整するための第2調整量の2部分からなる。
各振幅調整器13は先ず、利得がG、最大出力がPsの等価線形増幅器19が形成されているとし、図2に示した実施例2と同様の方法で第2調整量を設定する。この第2調整量により調整された後の送信入力信号10の電力を図10においてx1とする。次にx1に対応する所望の出力電力11はGx1であるため、調整器13は電力増幅ユニット12がGx1を出力するように、x1をさらにx2に調整する。振幅調整器13のトータルの電力調整量は第1調整量と第2調整量との積となる。
図2または図3に示す構成において、各等価線形増幅器17,19の最大出力電力を等しく設定することもできる。この場合において、制御器15は、以下の通りに電力増幅ユニット12及び振幅調整器13を制御することができる。すなわち、各等価線形増幅器17、19の最大出力電力をPsとし、rを1からNまでの整数とする。送信入力信号10の電力xが[(r-1)Ps/G]<x≦(rPs/G)にあるときに、r個の電力増幅ユニット12を選択し、それぞれに対応する振幅調整器13の電力制御係数を1/rに設定する。これにより、各々の動作する等価線形増幅器17,19がG(1/r)xの電力を出力するため、送信出力信号11の電力はGxとなる。
なお上記のxの範囲において、各々の動作する等価線形増幅器17、19の出力電力は[Ps(r-1)/r]からPsの範囲にある。r=1の場合以外(すなわちxがPs/G以上)では、各々の動作する等価線形増幅器17,19は最大出力電力に近い領域内で動作するため高効率である。この高効率で増幅できる入出力電力の範囲は10log(N)(dB)である。
図2または図3に示す構成において、各等価線形増幅器17,19のi(i=1, 2,...,N)番目の最大出力電力を2(i-1)Psに設定することができる。この場合において、制御器15は、以下の通りに電力増幅ユニット12及び振幅調整器13を制御することができる。すなわち、rを1から(2N−1)までの整数とすると、送信入力信号10の電力xが[(r-1)Ps/G]<x≦(rPs/G)にあるときに、rをN桁の2進数で表し、この2進数において1になる各桁の番号(但しそのLSBは1桁目、MSBはN桁目とする)に対応する等価線形増幅器17,19を動作させる。そしてi番目の動作する等価線形増幅器17,19に対応する振幅調整器13の電力調整係数を2(i-1)/rに設定する。これにより、i番目の動作する等価線形増幅器17、19はG[2(i-1)/r]xの電力を出力し、送信出力信号11の電力はΣ{G[2(i-1)/r]x} (iは動作する等価線形増幅器の番号)であり、Σ2(i-1)= rであるから、送信出力信号11の電力は結果としてGxとなる。
なお、上記xの範囲において各々の動作する等価線形増幅器17,19の出力電力は、[Ps(r-1)/r]からPsの範囲内にある。r=1の場合以外(すなわちxがPs/G以上)では、各々の動作する等価線形増幅器17、19は最大出力電力に近い領域内で動作するため高効率である。この高効率で増幅できる入出力電力の範囲は10log(2N-1)(dB)である。
前述の実施例のいずれかにおいて、制御器15は、所望の送信出力信号11の平均電力に基づき振幅調整器13に対して電力調整量αを設定することができる。すなわち、制御器15は、前述の実施例で示した送信入力信号10の瞬時電力に応じて設定した電力調整係数と、電力調整量αとの積を各振幅調整器13に与えることができる。電力調整量αは、所望の送信出力信号11の平均電力に応じて設定することができる。本実施例を、前述の実施例に適用した場合には、定振幅信号に対して、連続的な電力範囲での送信電力制御を行うことができる。また、本実施例を実施例2乃至5に適用した場合には、非定振幅信号に対して、連続的な電力範囲での送信電力制御を行うことができる。
図4に本発明の実施例7に従った線形電力増幅器4を示す。線形電力増幅器4は図1に示した線形電力増幅器1と類似するが、線形電力増幅器4においては、送信入力信号10が送信電力制御用振幅調整器18を介して各振幅調整器13へ供給される点が特徴である。制御器15は、所望の送信出力信号11の平均電力に応じて送信電力制御用振幅調整器18に一定の電力調整量αを設定することができる。
なお、図4では図3の構成において送信電力制御用振幅調整器18を設けた例を示しているが、図1又は図2に示す実施例の構成においても送信電力制御用振幅調整器18を設けることができる。
なお、請求項1、2は実施例1に対応し、請求項3は実施例3に対応し、請求項4、5は実施例4に対応する。また、請求項6,7は実施例5に対応し、請求項8は実施例6に対応し、請求項9は実施例7に対応する。
本発明に従った、線形電力増幅器は、例えば移動電話システムの基地局や移動局内の送信機に用いることができ、多種多様な線形電力増幅を必要とする技術分野において利用することができる。
本発明の実施例1に従った線形電力増幅器のブロック図である。 本発明の実施例2に従った線形電力増幅器のブロック図である。 本発明の実施例3に従った線形電力増幅器のブロック図である。 本発明の実施例7に従った線形電力増幅器のブロック図である。 従来例の線形電力増幅器のブロック図である。 F級増幅回路の入出力電力特性を示すグラフである。 本発明の実施例1の線形電力増幅器の入出力電力特性を示すグラフである。 本発明の実施例2の線形電力増幅器の入出力電力特性を示すグラフである。 本発明の実施例2の等価線形増幅器の入出力電力特性を示すグラフである。 本発明の実施例3の振幅調整器による電力増幅ユニットの非線形性を補償する方法を説明するための図である。
符号の説明
1, 2,
3, 4 線形電力増幅器
10 送信入力信号
11 送信出力信号
12 電力増幅ユニット
13 振幅調整器
14 電力合成器
15 制御器
16 プリディストータ
17, 19 等価線形増幅器
18 送信電力制御用振幅調整器

Claims (9)

  1. 線形電力増幅器であって:
    当該線形電力増幅器の入力信号の振幅を調整するN(Nは2以上の整数)個の並列的な振幅調整器;
    各前記振幅調整器からの信号をそれぞれ増幅する少なくともN個の電力増幅ユニット;
    前記電力増幅ユニットからの各信号を合成し、当該線形電力増幅器の出力信号として出力する電力合成器;
    前記出力信号の振幅が前記入力信号の振幅に対して実質的に連続的な関数になるように、前記N個の電力増幅ユニットから動作すべき電力増幅ユニットを選択して動作させ、かつ前記振幅調整器を制御する制御器;
    から構成される線形電力増幅器。
  2. 請求項1に記載の線形電力増幅器であって:
    前記制御器は、前記入力信号の振幅に応じて、前記電力増幅ユニットを選択し、かつ前記振幅調整器を制御することを特徴とする線形電力増幅器。
  3. 請求項1又は2に記載の線形電力増幅器であって:
    前記制御器は、前記出力信号の振幅と前記入力信号の振幅が線形関係になるように、前記N個の電力増幅ユニットから動作すべき電力増幅ユニットを選択して動作させ、かつ前記振幅調整器を制御することを特徴とする線形電力増幅器。
  4. 請求項1乃至3のいずれかに記載の線形電力増幅器であって:
    前記N個の電力増幅ユニットの各々の最大出力電力が実質的に等しくされることを特徴とする線形電力増幅器。
  5. 請求項4に記載の線形電力増幅器であって:
    前記制御器は、電力が(r-1)PsからrPs(Psは前記電力増幅ユニットの最大出力電力、rは1からNまでの整数)までの範囲内にある前記出力信号を出力させる場合において、前記N個の電力増幅ユニットのうちr個の電力増幅ユニットを動作させ、かつこれらの動作する電力増幅ユニットに対応する前記振幅調整器を制御することにより、これらの動作する電力増幅ユニットのそれぞれを[(r-1)/r]PsからPsまでの範囲で同様の電力を出力させることを特徴とする線形電力増幅器。
  6. 請求項1乃至3のいずれかに記載の線形電力増幅器であって:
    前記N個の電力増幅ユニットにおいて、i (i=2,...,N)番目の前記電力増幅ユニットの最大出力電力は(i-1)番目の前記電力増幅ユニットの最大出力電力の2倍であることを特徴とする線形電力増幅器。
  7. 請求項6に記載の線形電力増幅器であって:
    前記制御器は、電力が(r-1)PsからrPs(Psは前記1番目の電力増幅ユニットの最大出力電力、rは1から(2N-1)までの整数)までの範囲にある前記出力信号を出力させる場合において、rをN桁の2進数で表したときにこの2進数において1になる各桁の番号(但しそのLSBを1桁目、MSBをN桁目とする)に対応する前記電力増幅ユニットを動作させ、かつこれらの動作する電力増幅ユニットに対応する前記振幅調整器を制御することにより、これらの動作する電力増幅ユニットのそれぞれを[(r-1)/r]2(i-1)Psから2(i-1)Ps (iは動作する前記電力増幅ユニットの番号)までの範囲で電力を出力させることを特徴とする線形電力増幅器。
  8. 請求項1乃至7のいずれかに記載の線形電力増幅器であって:
    前記制御器は、前記振幅調整器を制御することによりさらに出力信号の電力制御を行うことを特徴とする線形電力増幅器。
  9. 請求項1乃至8のいずれかに記載の線形電力増幅器であって:
    前記入力信号は電力制御用振幅調整器を通して前記各振幅調整器へ供給されることを特徴とする線形電力増幅器。
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