JP4536468B2 - Class E amplifier and EER modulation amplifier - Google Patents
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Description
本発明は、トランジスタ等の半導体素子をスイッチング動作させて電力増幅を行うＥ級増幅器及このＥ級増幅器を用いたＥＥＲ変調増幅装置に関し、特に、電源電圧の変動に対応して高効率で電力増幅を行うＥ級増幅器とＥＥＲ変調増幅装置に関する。 The present invention relates to a class E amplifier that performs power amplification by switching a semiconductor element such as a transistor, and an EER modulation amplifying apparatus using the class E amplifier, and in particular, power amplification with high efficiency corresponding to fluctuations in power supply voltage. The present invention relates to a class E amplifier and an EER modulation amplification apparatus.
従来より、高周波増幅器において高効率化を実現する一つの手段として、高周波増幅器に使用するトランジスタをスイッチとして扱うＥ級増幅器が提案されている。このようなＥ級増幅器は、使用するトランジスタを電圧制御電流源ではなく、理想的に瞬時に開閉するスイッチとして動作をさせることによって、トランジスタに大電流が流れるときのドレイン−ソース間電圧（またはコレクタ−エミッタ間電圧）は０Ｖとなり、かつ、トランジスタに電流が流れないときのドレイン−ソース間電圧（またはコレクタ−エミッタ間電圧）は限界電圧（通常は電源電圧）となるため、トランジスタによる電力損失が存在しないので理論効率は１００％になる。 2. Description of the Related Art Conventionally, as one means for realizing high efficiency in a high frequency amplifier, a class E amplifier that treats a transistor used in the high frequency amplifier as a switch has been proposed. Such a class E amplifier operates not as a voltage-controlled current source but as a switch that opens and closes in an ideal manner, so that the drain-source voltage (or collector) when a large current flows through the transistor is used. -Emitter voltage) is 0V, and the drain-source voltage (or collector-emitter voltage) when no current flows through the transistor is the limit voltage (usually the power supply voltage), so that the power loss due to the transistor is reduced. Since it does not exist, the theoretical efficiency is 100%.
しかし、現実のＥ級増幅器ではトランジスタのドレイン−ソース間（またはコレクタ−エミッタ）にコンデンサなどが付加されていたり、トランジスタ自身に浮遊容量が存在する。したがって、このような外付けのコンデンサや浮遊容量などの要因によって、トランジスタのＯＮ／ＯＦＦ時のスイッチングタイミングで電圧または電流の何れかがゼロになるような理論的なスイッチングを行うことは不可能である。言い換えれば、トランジスタの立上り／立下り期間で電圧と電流とが重なる期間が存在するため電力損失が発生する。そのため、トランジスタをスイッチング動作させて電力増幅を行うＥ級増幅器などにおいてはスイッチングによる効率低下は避けられない。 However, in an actual class E amplifier, a capacitor or the like is added between the drain and source (or collector and emitter) of the transistor, or stray capacitance exists in the transistor itself. Therefore, it is impossible to perform theoretical switching that causes either voltage or current to become zero at the switching timing when the transistor is turned ON / OFF due to factors such as an external capacitor and stray capacitance. is there. In other words, power loss occurs because there is a period in which the voltage and current overlap in the rise / fall period of the transistor. Therefore, in a class E amplifier that performs power amplification by switching a transistor, an efficiency reduction due to switching is inevitable.
このようなトランジスタの外部要因による高周波増幅器の効率低下を改善する方法としては、Ｂ級増幅動作をさせたトランジスタのバイアス点を入力電力に応じて制御する技術が報告されている。つまり、この技術は、入力整合回路とＦＥＴのゲートとの間に入力電力に応じてゲート電圧を制御するようなゲート電圧制御回路を設けることによって、入力電力に対する出力電力の線形性を保ちつつ出力電力を常に飽和状態で得ている。その結果、入出力整合回路の整合状態が崩れることなく、常に高効率な増幅動作を行うことができる（例えば、特許文献１参照）。 As a method for improving the efficiency reduction of the high-frequency amplifier due to the external factor of the transistor, a technique for controlling the bias point of the transistor that has been subjected to the class B amplification operation according to the input power has been reported. In other words, this technology provides a gate voltage control circuit that controls the gate voltage according to the input power between the input matching circuit and the gate of the FET, thereby maintaining output linearity with respect to the input power. Power is always obtained in saturation. As a result, a highly efficient amplification operation can always be performed without losing the matching state of the input / output matching circuit (see, for example, Patent Document 1).
図７は、効率低下の改善を行う従来の高周波増幅器の構成図である。図７において、高周波増幅器は、入力信号を電力分配する電力分配器１６、トランジスタ２０の入力インピーダンスを整合するための入力整合回路１７、電力分配器１６から得られた入力信号レベルの変動に応じたゲート電圧とドレイン電圧とを発生させる電圧発生器１８、トランジスタ２０の出力側のインピーダンス整合を行う出力整合回路１９、及びＢ級増幅動作をさせるトランジスタ２０によって構成されている。
FIG. 7 is a configuration diagram of a conventional high-frequency amplifier that improves efficiency reduction. In FIG. 7, the high-frequency amplifier responds to fluctuations in the input signal level obtained from the
通常、トランジスタ２０をＢ級増幅動作させるように最適に使用するには、トランジスタ２０にバイアスするゲート電圧とドレイン電圧から、一義的にそのトランジスタ２０に応じた入力電圧レベルを加える必要がある。そのため、入力電圧レベルが変動した場合には、Ｂ級動作は最適な動作状態とはならない。そこで、図７に示す高周波増幅器おいては、電力分配器１６によって入力電圧レベルの変動を検出し、電圧発生器１８によって入力電圧レベルの変動に応じてゲート電圧とドレイン電圧を制御することによって、トランジスタ２０を高効率に動作させている。
しかしながら、図７に示すような高周波増幅器のゲート電圧とドレイン電圧の制御は、Ｂ級増幅器におけるトランジスタのバイアス点を入力電力に応じて制御することによって飽和領域の調整を行い、その結果、効率の向上を実現しているものである。したがって、トランジスタのスイッチングによる入出力電圧の立ち上がり時間と立ち下り時間における電流と電圧の重なりによる電力ロスについては何の対策もなされていない。また、前記の特許文献１の技術においても、飽和領域の調整によって効率を向上させる技術であって、増幅用トランジスタのスイッチングロスによる効率の改善策は何らなされていない。したがって、従来の高周波増幅器では、トランジスタのスイッチングによる入出力電圧の立ち上がり時間と立ち下り時間の制御を必要とするＥ級増幅器にとっては、効率改善の効果は極めて少ない。 However, the gate voltage and drain voltage of the high-frequency amplifier as shown in FIG. 7 is adjusted by adjusting the saturation region by controlling the bias point of the transistor in the class B amplifier according to the input power. The improvement is realized. Therefore, no countermeasure is taken against power loss due to the overlap of current and voltage during the rise and fall times of the input / output voltage due to transistor switching. The technique of Patent Document 1 is also a technique for improving the efficiency by adjusting the saturation region, and no measures for improving the efficiency due to the switching loss of the amplifying transistor have been made. Therefore, in the conventional high-frequency amplifier, the effect of improving the efficiency is extremely small for a class E amplifier that requires control of the rise time and fall time of the input / output voltage by transistor switching.
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、電源電圧の変動に応じて増幅用トランジスタのスイッチング時の立上がり時間と立下り時間を制御することにより、電源電圧の変動による効率の低下を防止するＥ級増幅器、及びこのＥ級増幅器を用いたＥＥＲ変調増幅装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above points, and by controlling the rise time and fall time at the time of switching of the amplifying transistor in accordance with the fluctuation of the power supply voltage, it prevents the efficiency from being lowered due to the fluctuation of the power supply voltage. It is an object of the present invention to provide a class E amplifier and an EER modulation amplification apparatus using the class E amplifier.
本発明のＥ級増幅器は、所定の増幅率を有する半導体素子をスイッチング動作させて電力増幅を行うＥ級増幅器であって、前記半導体素子への印加電圧を検出する電圧検出手段と、検出された前記印加電圧の電圧レベルに基づいて、前記半導体素子のスイッチング動作による電圧の立上り時間／立下り時間を短くし、かつ、前記半導体素子における電圧と電流が時間的に重なる領域が少なくなるように制御し、該制御結果を示す制御信号を生成する制御手段と、前記半導体素子と並列に接続され、前記制御信号に応じて自己の容量値を可変させる可変容量と、を備える構成を採る。 Class E amplifier of the present invention is a class E amplifier a semiconductor device having a predetermined amplification factor by switching operation performs power amplification, voltage detecting means for detecting a voltage applied to the semiconductor element, is detected Based on the voltage level of the applied voltage, the rise time / fall time of the voltage due to the switching operation of the semiconductor element is shortened, and the region where the voltage and current in the semiconductor element overlap in time is reduced. controlled, and control means for generating a control signal indicating the control result, is connected in parallel with the semiconductor device employs a configuration including a variable capacitance that is varied the capacitance value of the self in response to said control signal .
また、本発明のＥ級増幅器は、所定の増幅率を有する半導体素子をスイッチング動作させて電力増幅を行うＥ級増幅器であって、半導体素子の制御電圧となる入力信号レベルを検出する入力レベル検出手段と、入力レベル検出手段によって検出された入力信号レベルに応じた制御信号を生成する制御手段と、制御手段が生成した制御信号に応じて自己の容量値を可変させ、半導体素子のスイッチング動作による電圧の立上り時間／立下り時間を制御する可変容量とを具備する構成を採る。 The class E amplifier of the present invention is a class E amplifier that performs power amplification by switching a semiconductor element having a predetermined amplification factor, and detects an input signal level that becomes a control voltage of the semiconductor element. Means, a control means for generating a control signal according to the input signal level detected by the input level detection means, and a self-capacitance value is varied according to the control signal generated by the control means, and the switching operation of the semiconductor element A configuration including a variable capacitor for controlling the rise time / fall time of the voltage is adopted.
また、本発明のＥ級増幅器は、所定の増幅率を有する半導体素子をスイッチング動作させて電力増幅を行うＥ級増幅器であって、半導体素子で増幅された出力信号レベルを検出する出力レベル検出手段と、出力レベル検出手段によって検出された出力信号レベルに応じた制御信号を生成する制御手段と、制御手段が生成した制御信号に応じて自己の容量値を可変させ、半導体素子のスイッチング動作による電圧の立上り時間／立下り時間を制御する可変容量とを具備する構成を採る。 The class E amplifier according to the present invention is a class E amplifier that performs power amplification by switching a semiconductor element having a predetermined amplification factor, and detects an output signal level amplified by the semiconductor element. And a control means for generating a control signal according to the output signal level detected by the output level detection means; and a voltage generated by the switching operation of the semiconductor element by varying its own capacitance value according to the control signal generated by the control means. And a variable capacitor for controlling the rise time / fall time.
また、本発明のＥＥＲ変調増幅装置は、入力された高周波信号を振幅信号と位相信号とに分離する信号分配手段と、位相信号を増幅すると共に振幅信号を電源として振幅変調を行う増幅手段とを備え、増幅手段は、請求項１に記載のＥ級増幅器を用いた構成を採る。 The EER modulation amplification apparatus according to the present invention includes a signal distribution unit that separates an input high-frequency signal into an amplitude signal and a phase signal, and an amplification unit that amplifies the phase signal and performs amplitude modulation using the amplitude signal as a power source. The amplifying means employs a configuration using the class E amplifier according to claim 1.
また、本発明のＥＥＲ変調増幅装置は、入力された高周波信号を振幅信号と位相信号とに分離する信号分配手段と、位相信号を増幅すると共に振幅信号を電源として振幅変調を行う増幅手段とを備え、増幅手段は、請求項２に記載のＥ級増幅器を用いた構成を採る。 The EER modulation amplification apparatus according to the present invention includes a signal distribution unit that separates an input high-frequency signal into an amplitude signal and a phase signal, and an amplification unit that amplifies the phase signal and performs amplitude modulation using the amplitude signal as a power source. The amplification means employs a configuration using the class E amplifier according to claim 2.
また、本発明のＥＥＲ変調増幅装置は、入力された高周波信号を振幅信号と位相信号とに分離する信号分配手段と、位相信号を増幅すると共に振幅信号を電源として振幅変調を行う増幅手段とを備え、増幅手段は、請求項３に記載のＥ級増幅器を用いた構成を採る。
The EER modulation amplification apparatus according to the present invention includes a signal distribution unit that separates an input high-frequency signal into an amplitude signal and a phase signal, and an amplification unit that amplifies the phase signal and performs amplitude modulation using the amplitude signal as a power source. The amplification means employs a configuration using the class E amplifier according to
本発明によれば、Ｅ級増幅器に使用する対グランドのコンデンサを外部信号によって制御できる可変容量とし、電源電圧の変動に応じてそのコンデンサの容量値を調整するように構成したので、Ｅ級増幅器における電源電圧の変動に起因する効率の低下を改善することができる。すなわち、本発明のＥ級増幅器は、電源電圧の電圧レベルを検出して、その電圧レベルに応じた制御信号を発生し、トランジスタに並列に接続された対グランドのコンデンサ（つまり、可変容量）の容量値を制御している。これによって、トランジスタのスイッチングＯＮ／ＯＦＦ時における電圧の立上り／立下り時間を制御することができるので、結果的に電源電圧の変動による効率の低下を防ぐことができる。 According to the present invention, the capacitor for grounding used in the class E amplifier has a variable capacity that can be controlled by an external signal, and the capacitance value of the capacitor is adjusted according to the fluctuation of the power supply voltage. It is possible to improve the decrease in efficiency due to the fluctuation of the power supply voltage. That is, the class E amplifier according to the present invention detects the voltage level of the power supply voltage, generates a control signal corresponding to the voltage level, and is connected to a grounded capacitor (that is, a variable capacitor) connected in parallel to the transistor. The capacity value is controlled. This makes it possible to control the rise / fall time of the voltage when the transistor is switched on / off, and as a result, it is possible to prevent a decrease in efficiency due to fluctuations in the power supply voltage.
また、本発明によれば、Ｅ級増幅器に使用する対グランドのコンデンサを外部信号によって制御できる可変容量とし、入力信号レベルの変動に応じてそのコンデンサの値を調整するように構成したので、Ｅ級増幅器における入力信号レベルの変動に起因する効率の低下を改善することができる。すなわち、本発明のＥ級増幅器は、入力信号レベルを検出して、そのレベルに応じた制御信号を発生し、トランジスタに並列に接続された対グランドのコンデンサ（つまり、可変容量）の容量値を制御している。これによって、トランジスタのスイッチングＯＮ／ＯＦＦ時における電圧の立上り／立下り時間を制御することができるので、結果的に入力信号レベルの変動による効率の低下を防ぐことができる。 In addition, according to the present invention, the capacitor for grounding used in the class E amplifier has a variable capacity that can be controlled by an external signal, and the value of the capacitor is adjusted according to the fluctuation of the input signal level. The reduction in efficiency due to the fluctuation of the input signal level in the class amplifier can be improved. That is, the class E amplifier of the present invention detects the input signal level, generates a control signal corresponding to the level, and sets the capacitance value of a capacitor to ground (that is, a variable capacitor) connected in parallel to the transistor. I have control. This makes it possible to control the rise / fall time of the voltage when the transistor is switched on / off, and as a result, it is possible to prevent a decrease in efficiency due to fluctuations in the input signal level.
また、本発明によれば、Ｅ級増幅器に使用する対グランドのコンデンサを外部信号によって制御できる可変容量とし、出力信号レベルの変動に応じてそのコンデンサの値を調整するように構成したので、Ｅ級増幅器における出力信号レベルの変動に起因する効率の低下を改善することができる。すなわち、本発明のＥ級増幅器は、出力信号レベルを検出して、そのレベルに応じた制御信号を発生し、トランジスタに並列に接続された対グランドのコンデンサ（つまり、可変容量）の容量値を制御している。これによって、トランジスタのスイッチングＯＮ／ＯＦＦ時における電圧の立上り／立下り時間を制御することができるので、結果的に出力信号レベルの変動による効率の低下を防ぐことができる。 In addition, according to the present invention, the capacitor for grounding used in the class E amplifier has a variable capacity that can be controlled by an external signal, and the value of the capacitor is adjusted according to the fluctuation of the output signal level. It is possible to improve the decrease in efficiency due to the fluctuation of the output signal level in the class amplifier. That is, the class E amplifier of the present invention detects the output signal level, generates a control signal according to the level, and determines the capacitance value of a ground capacitor (that is, a variable capacitor) connected in parallel to the transistor. I have control. This makes it possible to control the rise / fall time of the voltage when the transistor is switched on / off, and as a result, it is possible to prevent a decrease in efficiency due to fluctuations in the output signal level.
また、本発明によれば、電源電圧の変動、入力信号レベルの変動、あるいは出力信号レベルの変動に起因する効率の低下を改善したＥ級増幅器を用いてＥＥＲ変調増幅装置を実現している。したがって、電源電圧、入力信号レベル、あるいは出力信号レベルが変動しても高効率な増幅動作を維持できるＥＥＲ変調増幅装置を構築することができる。これによって、移動体通信における基地局装置や端末機器、地上波ディジタルのテレビ送信機、あるいは高速な無線データ通信装置などに本発明のＥＥＲ高周波増幅器に適用することができる。 In addition, according to the present invention, an EER modulation amplifier is realized using a class E amplifier that has improved efficiency reduction due to fluctuations in power supply voltage, input signal level, or output signal level. Therefore, it is possible to construct an EER modulation amplifier that can maintain a highly efficient amplification operation even when the power supply voltage, the input signal level, or the output signal level fluctuates. Thus, the EER high-frequency amplifier of the present invention can be applied to a base station apparatus and terminal equipment in mobile communication, a terrestrial digital television transmitter, a high-speed wireless data communication apparatus, and the like.
本発明は、Ｅ級増幅器の半導体素子（例えば、トランジスタ）に並列に接続される対グランドのコンデンサを外部信号によって制御することができる可変容量とし、電源電圧の変動に応じてそのコンデンサの容量値を調整するように構成した。これによって、電源電圧が変動しても、トランジスタのスイッチング時における立上り時間と立下り時間を制御することができるので、Ｅ級増幅器における電源電圧の変動による効率の低下を改善することが可能となる。このとき、シンプルで汎用性の高い回路構成によって、電源電圧の変動に対する効率低下の防止を実現することができるので、本発明のＥ級増幅器は殆んどコストアップすることはない。 In the present invention, a capacitor to ground that is connected in parallel to a semiconductor element (for example, a transistor) of a class E amplifier has a variable capacitance that can be controlled by an external signal, and the capacitance value of the capacitor according to fluctuations in power supply voltage. Configured to adjust. As a result, even when the power supply voltage fluctuates, the rise time and the fall time at the time of transistor switching can be controlled, so that it is possible to improve the efficiency reduction due to the power supply voltage fluctuation in the class E amplifier. . At this time, since a simple and versatile circuit configuration can prevent the efficiency from being reduced with respect to fluctuations in the power supply voltage, the cost of the class E amplifier of the present invention is hardly increased.
まず、本発明におけるＥ級増幅器の実施の形態を説明する前に、本発明の理解を容易にするためにＥ級増幅器の基本構成について説明する。図２は一般的なＥ級増幅器の基本構成を示す回路図である。図２に示すように、Ｅ級増幅器は、入力信号発生器５で生成された高周波信号Ｖｉｎを入力する増幅用のトランジスタ４と、トランジスタ４と電源との間に接続されていて動作周波数において十分なインピーダンスとなるＲＦＣと、一端がグランドに接地されていてトランジスタ４と並列に接続されている固定容量Ｃｐ７と、出力ラインに直列に接続されたＬ、Ｃとによって構成され、出力には負荷Ｒ６が接続されている。固定容量Ｃｐ７とＬ、Ｃ及び負荷Ｒ６の値は、トランジスタ４がＯＦＦするときにはトランジスタ４を流れる電流が０Ａとなるまでコレクタ電圧Ｖｘを低い値のまま維持し、トランジスタ４がＯＮする直前にはコレクタ電圧Ｖｘが０Ｖとなるように調整されている。
First, before describing an embodiment of a class E amplifier according to the present invention, a basic configuration of a class E amplifier will be described in order to facilitate understanding of the present invention. FIG. 2 is a circuit diagram showing a basic configuration of a general class E amplifier. As shown in FIG. 2, the class E amplifier is connected between the amplifying transistor 4 for inputting the high-frequency signal Vin generated by the
すなわち、図２に示すように構成されたＥ級増幅器は、トランジスタ４の出力回路の定数（つまり、Ｃｐ、Ｌ、Ｃ、及びＲ）を適切に選定することによって、入力電圧と出力電圧の立上り時間と立下り時間を短くして、トランジスタ４における電圧と電流が時間的に重なる領域が少なくなるように制御することによって、トランジスタ４における電力損失を削減して電力効率の向上化を図っている。 That is, the class E amplifier configured as shown in FIG. 2 has a rise in the input voltage and the output voltage by appropriately selecting the constants of the output circuit of the transistor 4 (ie, Cp, L, C, and R). By controlling the time and the fall time to be short so that the region where the voltage and current in the transistor 4 overlap in time is reduced, the power loss in the transistor 4 is reduced and the power efficiency is improved. .
特に、固定容量Ｃｐ７をトランジスタ４の出力回路に並列に挿入することによって、トランジスタ４のスイッチングによるＯＮ／ＯＦＦ時にコレクタ電圧Ｖｘが立下り／立上りするのに時間がかかるため、トランジスタ４での電力損失を抑えることができる。このように、トランジスタ４がＯＮ／ＯＦＦするときの立上り時間／立下り時間は固定容量Ｃｐ７の値によって決定される。尚、Ｌ、Ｃ、Ｒは、トランジスタ４がＯＦＦするときの出力電圧の過渡応答を調整するための定数である。 In particular, by inserting the fixed capacitor Cp7 in parallel with the output circuit of the transistor 4, it takes time for the collector voltage Vx to fall / rise at the time of ON / OFF due to switching of the transistor 4; Can be suppressed. Thus, the rise time / fall time when the transistor 4 is turned on / off is determined by the value of the fixed capacitor Cp7. L, C, and R are constants for adjusting the transient response of the output voltage when the transistor 4 is turned off.
ところが、Ｅ級増幅器で最も重要となる固定容量Ｃｐ７の値は、電源電圧Ｖｄｄ、動作周波数ｆ、及び出力電力Ｐｏｕｔに依存されるため、これらの条件が変動した場合には、固定容量Ｃｐ７の値が最適な定数から外れてしまうことがある。このうち、特に、電源電圧Ｖｄｄについては実際の使用状態において変動することが多い。例えば、温度変化や経年変化などによって電源電圧Ｖｄｄが変動すると効率が低下することがある。 However, since the value of the fixed capacitor Cp7 that is most important in the class E amplifier depends on the power supply voltage Vdd, the operating frequency f, and the output power Pout, the value of the fixed capacitor Cp7 is changed when these conditions change. May deviate from the optimal constant. Among these, in particular, the power supply voltage Vdd often fluctuates in an actual use state. For example, when the power supply voltage Vdd varies due to temperature change or aging change, the efficiency may decrease.
一般的に知られている固定容量Ｃｐ７の単純化した算出式は次の式（１）に示す通りである。
但し、Ｃｐは増幅トランジスタの出力段に並列に接続されるコンデンサの容量値、Ｐoutは出力電力、ωは動作角周波数、Ｖｄｄは電源電圧である。
A generally known formula for calculating the fixed capacitance Cp7 is as shown in the following formula (1).
Where Cp is the capacitance value of a capacitor connected in parallel to the output stage of the amplification transistor, Pout is the output power, ω is the operating angular frequency, and Vdd is the power supply voltage.
図６は、上記の式（１）から算出されたＣｐ値の一例を示した特性図である。つまり、図６は、一般的なＥ級増幅器に適用される、電源電圧と固定容量Ｃｐとの関係を示す特性図であって、高周波信号の周波数ｆ＝８５０ＭＨｚ、トランジスタのスイッチＯＮの流通角が１１０度のときの固定容量Ｃｐ７の最適値を示している。図６に示すように、電源電圧Ｖｄｄが低いときは固定容量Ｃｐ７の値は大きくてもよいが、電源電圧Ｖｄｄが高くなるほど固定容量Ｃｐ７の値を小さくして立上り時間／立下り時間を速くする必要がある。このようにして電源電圧Ｖｄｄに応じて固定容量Ｃｐ７の値を制御することにより、トランジスタのスイッチングロスを抑えて効率低下の改善を図ることができる。 FIG. 6 is a characteristic diagram showing an example of the Cp value calculated from the above equation (1). That is, FIG. 6 is a characteristic diagram showing the relationship between the power supply voltage and the fixed capacitor Cp, which is applied to a general class E amplifier. The frequency f of the high frequency signal is f = 850 MHz, and the flow angle of the transistor switch ON is The optimum value of the fixed capacitor Cp7 at 110 degrees is shown. As shown in FIG. 6, when the power supply voltage Vdd is low, the value of the fixed capacitor Cp7 may be large. However, as the power supply voltage Vdd increases, the value of the fixed capacitor Cp7 is decreased to increase the rise time / fall time. There is a need. In this way, by controlling the value of the fixed capacitor Cp7 according to the power supply voltage Vdd, the switching loss of the transistor can be suppressed and the reduction in efficiency can be improved.
以下、本発明のＥ級増幅器において、電源電圧の変動に応じてトランジスタと並列に接続されるコンデンサの値を制御することにより効率低下の改善を図る実施の形態の幾つかを説明する。尚、以下の各実施の形態に用いる図面で共通する構成要素は同一の符号を付し、かつ、重複する説明は可能な限り省略する。 Hereinafter, in the class E amplifier of the present invention, some embodiments for improving the efficiency reduction by controlling the value of the capacitor connected in parallel with the transistor according to the fluctuation of the power supply voltage will be described. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same component in drawing used for each following embodiment, and the overlapping description is abbreviate | omitted as much as possible.
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるＥ級増幅器の回路図である。このＥ級増幅器は、電源電圧Ｖｄｄを検出する電源電圧検出部１と、電源電圧Ｖｄｄに応じて可変容量Ｃｐ３の容量値を制御する制御部２と、トランジスタ４のＯＮ／ＯＦＦ時における電圧の立上り／立下り時間を制御する可変容量Ｃｐ３と、Ｅ級増幅器を構成してスイッチング動作を行うトランジスタ４と、入力高周波信号Ｖｉｎを発生する入力信号発生器５と、Ｌ、Ｃ及びＲＦＣが接続された構成となっていて、負荷Ｒ６が接続されている。なお、ＲＦＣは、トランジスタ４と電源との間に接続されていて、トランジスタ４の動作周波数において十分なインピーダンスとなるように定数が選定されている。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a circuit diagram of a class E amplifier according to Embodiment 1 of the present invention. This class E amplifier includes a power supply voltage detection unit 1 that detects the power supply voltage Vdd, a control unit 2 that controls the capacitance value of the variable capacitor Cp3 in accordance with the power supply voltage Vdd, and a voltage rise when the transistor 4 is turned on / off. / The variable capacitor Cp3 that controls the fall time, the transistor 4 that constitutes the class E amplifier and performs the switching operation, the
図１において、電源電圧検出部１は電源電圧Ｖｄｄの電圧レベルを検出し、その電圧レベルを制御部２へ供給する。すると、制御部２は、電圧レベルに対応した制御信号を生成し、可変容量Ｃｐ３の容量値が電源電圧Ｖｄｄの電圧レベルに応じた最適値となるように、制御信号によって可変容量Ｃｐ３を制御する。このようにして電源電圧Ｖｄｄに応じて可変容量Ｃｐ３の容量値を可変させるＥ級増幅器を採用したことにより、電源電圧Ｖｄｄが変動してもＥ級増幅器の増幅動作を自動的に最適な効率に調整することができる。 In FIG. 1, the power supply voltage detection unit 1 detects the voltage level of the power supply voltage Vdd and supplies the voltage level to the control unit 2. Then, the control unit 2 generates a control signal corresponding to the voltage level, and controls the variable capacitor Cp3 with the control signal so that the capacitance value of the variable capacitor Cp3 becomes an optimum value according to the voltage level of the power supply voltage Vdd. . By adopting the class E amplifier that varies the capacitance value of the variable capacitor Cp3 in accordance with the power supply voltage Vdd in this way, the amplification operation of the class E amplifier is automatically optimized for optimum efficiency even when the power supply voltage Vdd varies. Can be adjusted.
図１に示す可変容量Ｃｐ３は、電圧制御型の可変容量であるバリキャップなどで構成することが最も簡単であるが、それ以外に、複数のコンデンサを例えば並列に接続して制御信号によって並列個数の切り替えを行ってもよい。また、当然のことながら、容量と類似の機能を有する他の構成部品を用いてもよい。 The variable capacitor Cp3 shown in FIG. 1 is most easily configured by a varicap or the like, which is a voltage-controlled variable capacitor. In addition, a plurality of capacitors are connected in parallel, for example, and the number of parallel capacitors Cp3 is controlled by a control signal. May be switched. Of course, other components having a function similar to that of the capacitor may be used.
（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２におけるＥ級増幅器の回路図である。実施の形態２が実施の形態１と異なるところは、可変容量Ｃｐ３を制御するための検出点を電源電圧の検出位置から入力高周波信号の検出位置へ変えた点である。すなわち、実施の形態１では電源電圧検出部１が電源電圧Ｖｄｄを検出して制御部２によって可変容量Ｃｐ３を制御していたが、実施の形態２では入力レベル検出部８が入力信号発生器５の入力高周波信号Ｖｉｎを検出して制御部９によって可変容量Ｃｐ３を制御している。それ以外の構成及び動作は実施の形態１と同じであるので重複する説明は省略する。
(Embodiment 2)
FIG. 3 is a circuit diagram of the class E amplifier according to Embodiment 2 of the present invention. The second embodiment differs from the first embodiment in that the detection point for controlling the variable capacitor Cp3 is changed from the detection position of the power supply voltage to the detection position of the input high-frequency signal. That is, in the first embodiment, the power supply voltage detection unit 1 detects the power supply voltage Vdd and the control unit 2 controls the variable capacitor Cp3. However, in the second embodiment, the input level detection unit 8 uses the
図３に示す実施の形態２において、入力レベル検出部８は入力高周波信号Ｖｉｎの電圧レベルを検出して制御部９へ供給する。すると、制御部９は、入力高周波信号Ｖｉｎの電圧レベルに応じた制御信号を生成し、可変容量Ｃｐ３の容量値が入力高周波信号Ｖｉｎの電圧レベルに応じた最適値となるように、制御信号によって可変容量Ｃｐ３の容量値を制御する。このようにして入力高周波信号Ｖｉｎの電圧レベルに応じて可変容量Ｃｐ３の容量値を可変させるＥ級増幅器を採用したことにより、入力高周波信号Ｖｉｎの電圧レベルが変動してもＥ級増幅器の増幅動作を自動的に最適な効率に調整することができる。
In the second embodiment shown in FIG. 3, the input level detector 8 detects the voltage level of the input high-frequency signal Vin and supplies it to the
（実施の形態３）
図４は、本発明の実施の形態３におけるＥ級増幅器の回路図である。実施の形態３が実施の形態１と異なるところは、可変容量Ｃｐ３を制御するための検出点を電源電圧の位置から負荷側の位置へ変えた点である。すなわち、実施の形態１では電源電圧検出部１が電源電圧Ｖｄｄを検出して制御部２によって可変容量Ｃｐ３を制御していたが、実施の形態３では出力レベル検出部１０が負荷Ｒ６に流れる出力高周波信号Ｖｏｕｔの電圧レベルを検出して、制御部１１によって可変容量Ｃｐ３を制御している。それ以外の構成及び動作は実施の形態１と同じであるので重複する説明は省略する。
(Embodiment 3)
FIG. 4 is a circuit diagram of the class E amplifier according to
図４に示す実施の形態３において、出力レベル検出部１０は出力高周波信号Ｖｏｕｔの電圧レベルを検出して制御部１１へ供給する。すると、制御部１１は、出力高周波信号Ｖｏｕｔの電圧レベルに応じた制御信号を生成し、可変容量Ｃｐ３の値が出力高周波信号Ｖｏｕｔの電圧レベルに応じた最適値となるように、制御信号によって可変容量Ｃｐ３を制御する。このようにして出力高周波信号Ｖｏｕｔの電圧レベルに応じて可変容量Ｃｐ３の容量値を可変させるＥ級増幅器を採用したことにより、出力高周波信号Ｖｏｕｔの電圧レベルが変動してもＥ級増幅器の増幅動作を自動的に最適な効率に調整することができる。
In the third embodiment shown in FIG. 4, the output
（実施の形態４）
図５は、ＥＥＲ(envelope elimination and restoration )変調増幅装置の基本的なブロック図である。このＥＥＲ変調増幅装置は、高周波入力信号ＲＦin１２を入力して振幅信号と位相信号に分配する信号分配器１３と、振幅信号を電源として位相信号の増幅を行うことにより位相信号と振幅信号とを再合成して振幅変調を行い、高周波出力信号ＲＦout１５を出力する高周波増幅器１４とを備えた構成となっている。
(Embodiment 4)
FIG. 5 is a basic block diagram of an EER (envelope elimination and restoration) modulation amplification apparatus. This EER modulation amplification device receives a high-frequency input signal RFin12 and distributes it to an amplitude signal and a phase signal, and amplifies the phase signal by using the amplitude signal as a power source to regenerate the phase signal and the amplitude signal. A high-frequency amplifier 14 that performs synthesis and amplitude modulation and outputs a high-frequency output signal RFout15 is provided.
図５に示すＥＥＲ変調増幅装置においては、高周波入力信号ＲＦin１２を入力した信号分配部１３は、その高周波入力信号ＲＦin１２を振幅信号と位相信号に分配する。したがって、高周波増幅器１４は振幅情報のない位相信号のみを増幅し、トランジスタ（図示せず）で構成された高周波増幅器１４において、トランジスタの電源電圧により利得が変わる特性を利用して、振幅信号に応じて電源電圧を制御することによって振幅変調を行う。これによって、振幅成分と位相成分が再結合されて線形に増幅された高周波出力信号ＲＦout１５が出力される。このような構成により、高周波増幅器１４では振幅信号の増幅を行わないため、高周波増幅器１４には効率の優れる飽和アンプを使用することができる。その結果として、ＥＥＲ変調増幅の効率を向上させることが可能となる。
In the EER modulation amplification apparatus shown in FIG. 5, the
しかし、図５に示すようなＥＥＲ変調増幅装置の構成においては、常に高周波増幅器１４の電源電圧が変動するため、Ｅ級増幅器を高周波増幅器１４に採用する場合には、対グランドのコンデンサの容量値が最適な値とはならないため、振幅レベルに応じて効率が変動してしまう。そこで、実施の形態４では、ＥＥＲ変調増幅装置に使用する高周波増幅器１４を前述の実施の形態１で説明した図１に示すようなＥ級増幅器を採用する。これによって高周波増幅器１４におけるトランジスタの電源電圧に振幅変調を加えても、高周波増幅器１４を自動的に最適な効率に調整することができる。 However, in the configuration of the EER modulation amplifying apparatus as shown in FIG. 5, the power supply voltage of the high-frequency amplifier 14 always fluctuates. Therefore, when a class E amplifier is used for the high-frequency amplifier 14, the capacitance value of the capacitor to ground Is not an optimum value, and the efficiency varies depending on the amplitude level. Therefore, in the fourth embodiment, the class E amplifier as shown in FIG. 1 described in the first embodiment is used as the high-frequency amplifier 14 used in the EER modulation amplification apparatus. As a result, even if amplitude modulation is applied to the power supply voltage of the transistor in the high-frequency amplifier 14, the high-frequency amplifier 14 can be automatically adjusted to the optimum efficiency.
（実施の形態５）
本発明の実施の形態５では、図５に示すＥＥＲ変調増幅装置に使用する高周波増幅器１４として、前述の実施の形態２で説明した図３に示すようなＥ級増幅器を採用する。これによって高周波増幅器１４におけるトランジスタの電源電圧に振幅変調を加えても、高周波増幅器１４を自動的に最適な効率に調整することができる。
(Embodiment 5)
In the fifth embodiment of the present invention, the class E amplifier as shown in FIG. 3 described in the second embodiment is employed as the high frequency amplifier 14 used in the EER modulation amplification apparatus shown in FIG. As a result, even if amplitude modulation is applied to the power supply voltage of the transistor in the high-frequency amplifier 14, the high-frequency amplifier 14 can be automatically adjusted to the optimum efficiency.
（実施の形態６）
本発明の実施の形態６では、図５に示すＥＥＲ変調増幅装置に使用する高周波増幅器１４として、前述の実施の形態３で説明した図４に示すようなＥ級増幅器を採用する。これによって高周波増幅器１４におけるトランジスタの電源電圧に振幅変調を加えても、高周波増幅器１４を自動的に最適な効率に調整することができる。
(Embodiment 6)
In the sixth embodiment of the present invention, the class E amplifier shown in FIG. 4 described in the third embodiment is employed as the high frequency amplifier 14 used in the EER modulation amplification apparatus shown in FIG. As a result, even if amplitude modulation is applied to the power supply voltage of the transistor in the high-frequency amplifier 14, the high-frequency amplifier 14 can be automatically adjusted to the optimum efficiency.
以上説明したように、本発明のＥ級増幅器を用いることにより、電源電圧が変動しても高効率な増幅動作を維持することができる。したがって、本発明のＥ級増幅器をＥＥＲ高周波増幅器に採用すれば、移動体通信における基地局装置や端末機器のみならず、地上波ディジタルのテレビ送信機や高速な無線データ通信装置などにも適用することができる。 As described above, by using the class E amplifier of the present invention, a highly efficient amplification operation can be maintained even if the power supply voltage fluctuates. Therefore, if the class E amplifier of the present invention is employed in an EER high-frequency amplifier, it can be applied not only to base station apparatuses and terminal equipment in mobile communication, but also to terrestrial digital television transmitters and high-speed wireless data communication apparatuses. be able to.
１ 電源電圧検出部
２，９，１１ 制御部
３ 可変容量Ｃｐ
４ トランジスタ（半導体素子）
５ 入力信号発生器
６ 負荷Ｒ
７ 固定容量Ｃｐ
８ 入力レベル検出部
１０ 出力レベル検出部
１２ 高周波入力信号ＲＦｉｎ
１３ 信号分配部
１４ 高周波増幅器
１５ 高周波出力信号ＲＦｏｕｔ
1 Power supply
4 Transistor (semiconductor element)
5
7 Fixed capacitance Cp
8
13 Signal Distribution Unit 14
Claims (2)
前記半導体素子への印加電圧を検出する電圧検出手段と、
検出された前記印加電圧の電圧レベルに基づいて、前記半導体素子のスイッチング動作による電圧の立上り時間／立下り時間を短くし、かつ、前記半導体素子における電圧と電流が時間的に重なる領域が少なくなるように制御し、該制御結果を示す制御信号を生成する制御手段と、
前記半導体素子と並列に接続され、前記制御信号に応じて自己の容量値を可変させる可変容量と、
を備えるＥ級増幅器。 A class E amplifier that performs power amplification by switching a semiconductor element having a predetermined amplification factor,
Voltage detecting means for detecting a voltage applied to the semiconductor element;
Based on the voltage level of the test out the the applied voltage, the rise time / fall time of the voltage due to the switching operation of the semiconductor device is short and less space to voltage and current overlap in time in the semiconductor device And control means for generating a control signal indicating the control result ,
Which is connected in parallel to the semiconductor element, a variable capacitance that is varied the capacitance value of the self in response to said control signal,
E-class amplifier Ru equipped with.
前記位相信号を増幅すると共に前記振幅信号を電源として振幅変調を行う増幅手段とを備え、
前記増幅手段は、請求項１記載のＥ級増幅器によって構成される、ＥＥＲ変調増幅装置。 Signal distribution means for separating the input high-frequency signal into an amplitude signal and a phase signal;
Amplifying means for amplifying the phase signal and performing amplitude modulation using the amplitude signal as a power source;
It said amplifying means, Ru is constituted by the class E amplifier according to claim 1, EER modulator amplifier.
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