JP4611496B2 - 隣接および次隣接チャネル電力制御の負荷調整を行う電力増幅回路 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般に電力増幅器に関する。特に、本発明は効率および隣接チャネル電力を改善する電力増幅回路に関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
電力増幅器は、携帯用無線電話機を設計する際に要となる技術要素である。セルラ電話機において、電力増幅器は利用可能な通話時間に大きな影響を及ぼす。この理由は、電力増幅器はセルラ電話機内の他の回路に比較して多くの電力を消費するためである。電力増幅器がどの程度の電力を消費するかを定める一つのパラメータは、電力増幅器の効率である。
【０００３】
既存の電力増幅器には、信号レベルの条件に合致させるために電力増幅器のＤＣ供給電圧を連続的に変化させ、入力信号レベルの所定の範囲内で効率を改善しようとするものがある。そのような技術として、１９８２年６月１１日付けのThomas R. Apelによる“TWO LOOP AUTOMATIC LEVEL CONTROL FOR POWER AMPLIFIER”と題する米国特許番号第4,442,407号がある（以下、「`407特許」という。）。`407特許では、電力増幅器はＲＦ増幅器のＤＣ供給電圧を変調することによる改善された効率で動作し、これは、電力増幅器の負荷電流および供給電圧の大きさの重み付けされた総和に対応する信号と、変調信号の振幅との間の比較に応じて行われる。
【０００４】
しかしながら、`407特許で開示されているシステムは、セルラ電話システムで伝送される隣接(adjacent)および次隣接(alternate)チャネル電力という電力増幅器の他の重要な特性パラメータに配慮していない。セルラ電話システムでは、輻射された隣接チャネル電力は、他のセルラ・チャネルにおける干渉を引き起こし、その結果システム全体の性能特性を劣化させてしまう。隣接および次隣接チャネル電力（に関する）パラメータは、暫定規格(Interim Standard (IS)-136)時分割多重アクセス（ＴＤＭＡ）およびＩＳ−９５符号分割多重接続（ＣＤＭＡ）のような線形変調技術を利用するセルラ・システムにおいて、非常に重要である。隣接および次隣接チャネル電力特性に配慮せずに電力増幅器の効率を最適化すると、その電力増幅器は、特定のセルラ・システムに対する隣接および次隣接チャネル電力の仕様を満足することができないであろう。
【０００５】
電力増幅器の線形性および効率を同時に増加させる方法は、１９９０年１２月１日付けのYukio Ikeda, et al.による“LINEAR AMPLIFIER”と題する米国特許番号第5,101,172号（以下、「'172特許」という。）に開示されている。`172特許では、ＤＣ／ＤＣ変換器によりドレイン電圧を制御し、出力信号の振幅レベルに追従させている。このようにすると、電力増幅器の効率は増加するが、振幅変調（ＡＭ）歪みおよび位相変調（ＰＭ）歪みを導入させてしまう。電力増幅器により導入されるこの歪みに対処するための予備歪み(pre-distortion)を導入するため、位相および振幅比較器に関連する入力および出力包絡線検出器が使用される。従ってこのようなシステムでは、電力増幅器の歪みを正確に追跡することを必要とするが、それは一般に困難である。さらに、携帯用セルラ電話機で実現するとなると、複数のカプラおよび位相／振幅比較回路によりサイズおよびコストを大きくしてしまう。
【０００６】
電力増幅器の歪みを抑制する他の技術は、１９８０年３月２４日付けのShingo Kamiyaによる“POWER AMPLIFIER CIRCUIT WITH CHANGING MEANS FOR SUPPLY VOLTAGE”と題する米国特許第4,348,644号（以下、「`644特許」という。）に開示されている。`644特許では、電力増幅回路が、電力増幅器の出力信号のクレスト因子(crest factor)（例えば、ピーク-平均比）を検出する。クレスト因子が大きくなると、電力増幅器の供給電圧は上昇する。逆に、クレスト因子が小さくなると、供給電圧は低くなる。したがって、高いピーク平均比を取り扱うためには、より多くの電力増幅器供給電圧が必要となり、その供給電圧は上昇させられる。逆に、ピーク平均比が小さければ、供給電圧は低くされる。供給電力を上昇させることにより高いピークが正確に再生成され、必要に応じて電力増幅供給電圧を上昇および低下させることによって電力損失を抑制する。
【０００７】
`644特許の技術は、音楽信号を増幅する電子システムでは有益であろう。この種の用途では、許容忠実度(acceptable fidelity)を達成するために、音楽信号の正確な再生成が必要とされる。しかしながら、`644特許の技術は、コスト性の良い高効率の携帯用無線電話機を提供する場合における、忠実度と効率のトレードオフの必要性に配慮していない。
【０００８】
よって、電力増幅器により伝送される隣接および次隣接チャネル電力を、より正確に広範に制御する電力増幅器が望まれている。さらに、線形変調手法を効率的に行う電力増幅器が望まれている。また、携帯用無線電話機で使用される電力増幅器に関し、線形性と効率とのトレードオフに配慮した手法が望まれている。携帯用無線電話機における部品のばらつきを補償することによって、隣接チャネル電力、次隣接チャネル電力および効率の特性を制御することも望まれている。さらに、電力増幅器の線形性および効率を制御しつつ、電力増幅器の平均送信電力を制御することも望まれている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は、無線電話通信システム１００のブロック図である。無線電話通信システム１００は、遠隔トランシーバ１０と、携帯用無線電話機１２のような１以上の無線電話機とを含む。遠隔トランシーバ１０は、設計されている地理的領域内における携帯用無線電話機１２へＲＦ信号を送信し、および携帯用無線電話機１２からＲＦ信号を受信する。
【００１０】
携帯用無線電話機１２は、アンテナ１４、送信機１６、受信機１８、制御部２０、シンセサイザ２２、デュプレクサ２４およびユーザ・インターフェース２６を備える。情報を受信するため、携帯用無線電話機１２は、アンテナ１４を介してデータを含むＲＦ信号を検出し、検出ＲＦ信号を生成する。受信機１８は、検出ＲＦ信号を電気的なベース・バンド信号に変換し、この電気的なベース・バンド信号を復調し、自動周波数制御情報を含むデータを復元し、そのデータを制御部２０に出力する。制御部２０は、そのデータを、ユーザ・インターフェース２６が利用するための、認識可能な音声情報またはデータ情報にフォーマット化する。
【００１１】
一般に、ユーザ・インターフェース２６としては、マイクロフォン、スピーカ、ディスプレイおよびキーパッド等がある。概してユーザ・インターフェース２６は、ユーザ入力情報を受信し、および遠隔トランシーバ１０から伝送された受信データを表示するためのものである。受信機１８は、低雑音増幅器、フィルタ、ダウン・コンバージョン・ミキサ（低域変換ミキサ）、直交ミキサおよび自動利得制御回路その他の既存の回路を含む。
【００１２】
携帯用無線電話機１２から遠隔トランシーバ１０への情報を含むＲＦ信号を送信するため、ユーザ・インターフェース２６は、ユーザ入力データを制御部へ向ける。概して制御ブロック２０は、ＤＳＰコア、マイクロコントローラ・コア、メモリ、クロック生成回路、ソフトウエアおよび出力電力制御回路を備える。制御部２０は、ユーザ・インターフェース２６から得られた情報をフォーマット化し、それをＲＦ変調信号に変換するために送信機１６に伝送する。送信機１６はＲＦ変調信号をアンテナ１４に伝送し、遠隔トランシーバ１０に伝送する。概して送信機１６は変調された情報信号を送信するためのものである。デュプレクサは、送信機１６によって伝送された信号と受信機１８によって受信された信号との間の分離を確保する。
【００１３】
携帯用無線電話機１２は、所定の周波数帯域にわたって動作することが可能である。シンセサイザ２２は受信機１８および送信機１６に対して適切な周波数に調整された信号を提供し、情報信号の受信および送信を可能にする。チャネル周波数のような受信機１８および送信機１６の機能に関する制御は、制御部２０により与えられる。制御部２０は、シンセサイザ２２に周波数合成に関するプログラム命令を提供する。
【００１４】
送信機１６により生成された信号の送信ピーク平均比が隣接チャネル電力および次隣接チャネル電力を予測するのに使用することが可能か否かを調べるために、標準的な（プロトタイプの）電力増幅器を利用した測定を行った。隣接チャネル電力は、送信機１６が目下動作しているチャネルに間近に隣接するチャネルで伝送される帯域内の電力量として定義される。次隣接チャネル電力は、送信機１６の動作チャネルから２番目のチャネルであるところのチャネルで伝送される帯域内の電力量として定義される。
【００１５】
たとえば、ＩＳ−９５ ＣＤＭＡセルラ電話システムでは、送信機は８３６ＭＨｚで動作することが可能である。この場合、隣接チャネルは８３６ＭＨｚ＋／−８８５ｋＨｚであり、次隣接チャネルは８３６ＭＨｚ＋／−１．９８ＭＨｚとなるであろう。
【００１６】
図２は、ピーク平均比測定を行うための試験装置２００のブロック図である。試験装置２００は、双方向カプラ４２を介してテスト中の電力増幅装置(DUT: device under test)４４の入力に結合される信号生成器４０を有する。ＤＵＴ４４の出力５６はカプラ４６に結合される。
【００１７】
信号生成器４０はＲＦ入力信号を生成する。入力信号の一部はポート４８に結合され、電力計５０を利用して測定される。双方向カプラ５３で生じたＲＦ入力信号の残余の部分はＤＵＴ４４に印加される。ＤＵＴの入力で反射されるＲＦ入力信号の部分は、電力計５４で測定されるポート５２に結合される。電力計５０および電力計５４の測定は、ＤＵＴ４４のリターン・ロス(return loss)の測定を可能にする。
【００１８】
ＲＦ入力信号はＤＵＴ４４で増幅され、ＤＵＴ出力５６に増幅信号を提供し、この増幅信号はカプラ４６に印加される。増幅信号の一部はポート５８を介してスペクトル・アナライザ６０に結合される。スペクトル・アナライザ６０では、増幅信号の動作チャネル電力に対する隣接チャネル電力および次隣接チャネル電力が、測定可能である。増幅信号の残余の部分はカプラ６６に生じ、ピークおよび平均電力が電力計６８により測定される。
【００１９】
供給電力７０は、ＤＵＴ４４の供給ポート７２に制御可能な供給電圧を提供する。試験用として、動作周波数を８３６ＭＨｚに設定し、信号生成器４０は、−９ｄＢｍから＋７ｄＢｍまで１ｄＢ刻みでＲＦ入力信号の電力を増加させるものとする。１ｄＢの入力電力の増加に関し、ＤＵＴ出力５６において生成される増幅信号の平均電力は、ＤＵＴ４４に印加される供給電圧（例えば、ＤＵＴ４４のＦＥＴ装置のドレイン電圧）を調整することにより一定に維持される。すなわち、ＤＵＴ４４の供給電圧は、ＤＵＴ４４の利得を調整するために調整され、異なる入力電力レベルに対して一定の平均出力電力を提供する。
【００２０】
信号生成器４０は、使用される変調手法に依存する平均電力およびピーク電力により特徴づけられる複素入力信号を生成するための変調成分を有する入力信号を提供する。図示した実施例では、その変調手法は、ベースバンド・フィルタ処理を行うＩＳ−９５ＣＤＭＡセルラ電話システム用のオフセット直交位相シフト・キーイング（ＯＱＰＳＫ）変調において使用されるものであり、これ自体は周知である。この変調手法は、５．２ｄＢの最大瞬間ピーク平均比を与える。この明細書を通じて、ピーク平均比なる用語は、ピーク−平均電力比を意味する。しかしながら、特段の創作能力を発揮することなく、本発明の概念を電圧レベルのピーク平均比に利用することも可能であろう。
【００２１】
各入力電力レベルにおいて、隣接および次隣接チャネル電力輻射がスペクトル・アナライザ６０により測定される。ＤＵＴ４４に対する供給電圧は、当該技術分野で既知のスイッチング・レギュレータ（図示せず）を利用してパルス幅変調を変化させることにより調整される。あるいは、線形レギュレータを利用して供給電圧を調整することも可能であろう。
【００２２】
図３は、入力電力に対する供給電圧、ＤＵＴ利得、有限期間にわたる最大瞬間ピーク平均比のグラフを示す。左側の縦軸９０は、ＤＵＴ４４の利得（ｄＢ）を示し、利得曲線９２に対するものである。右側の縦軸９４は、ＤＵＴ４４の供給電圧（ボルト）を示し、供給電圧曲線９６に対するものである。また、右側の縦軸９４は、有限期間にわたる最大ピーク平均比（ｄＢ）も示し、ピーク平均曲線９８に対するものでもある。
【００２３】
図３は、一定の出力電力を維持するために、入力電力の範囲にわたってＤＵＴ４４の供給電圧を変化させることが可能であることを示す。入力電力の線形な増加に対して、ＤＵＴへの供給電圧を変化させることによりＤＵＴ４４のゲインが線形に減少する。
【００２４】
ピーク平均曲線９８は、特定の期間にわたる最大ピーク平均比のグラフである。ピーク・ホールド測定技術を試験装置に利用して、各入力電力および供給電圧設定における最大瞬間ピーク平均比を調べる。例えば、信号生成器４０（図２）は、ＩＳ−９５ＣＤＭＡセルラ・システム用に使用されるものと同様なＯＱＰＳＫ変調を使用する入力信号を生成する。このため、入力信号の最大瞬間ピーク平均比は５．２ｄＢになる。ＤＵＴ４４が線形であって大きな歪みを導入しない場合は、測定される最大瞬間ピーク平均比は５．２ｄＢに近づくであろう。
【００２５】
入力電力が低く（例えば−９ｄＢｍ）、供給電圧が３．２Ｖである場合、ピーク平均曲線９８は、ＤＵＴ４４が線形であることを示す。このことは、−９ｄＢｍ入力において記録される最大瞬間ピーク平均比が約５．２ｄＢであるということからうかがえる。低入力電力レベルにあっては、ＤＵＴ４４は何らの歪み（例えば、ピーク信号クリッピング）も導入していない。
【００２６】
さらに、ピーク平均曲線９８は、ＤＵＴ４４への入力電圧が増加し、出力電力を一定に維持するためにＤＵＴ４４の供給電圧が調整されるにつれて、有限期間にわたる最大瞬間ピーク平均比が単調に(monotonic)減少することを示す。このピーク平均比の単調減少は、制御ループの中で差分操作(difference operation)を利用して、制御ループの安定性を維持しつつ有限期間にわたる所望の最大瞬間ピーク平均比を設定することが可能であることを示す。これらの成果は、様々な出力電力に応用することが可能であり、同一の半導体装置を使用する異なる電力増幅器の設計や、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）またはバイポーラ・トランジスタ技術のような異なる電力増幅装置でさえも応用することが可能である。
【００２７】
図４は入力電力に対する隣接チャネル電力、次隣接チャネル電力および有限期間にわたる最大ピーク平均電力比のグラフである。供給電圧を変化させることにより、出力電力は２０ｄＢｍの一定値に維持される。
【００２８】
左側の縦軸１１２はＤＵＴ４４の次隣接および隣接チャネル電力（ｄＢｍ）を示す。横軸１１４は入力電力（ｄＢｍ）を示す。隣接チャネル電力(AdjCP)低域曲線１１６は、動作チャネルの低域側における出力隣接チャネル電力を示す。例えば、動作している入力信号チャネルが８３６ＭＨｚに設定されているとする。この場合、低域側の隣接チャネル電力は、８３６ＭＨｚより８３５ｋＨｚ低い３０ｋＨｚ帯域幅における電力である。同様に、AdjCP#高域曲線１１８は、８３６ＭＨｚより８３５ｋＨｚ上の出力隣接チャネル電力のものである。
【００２９】
次隣接チャネル電力(AltCP)低域曲線１２０は、８３６ＭＨｚより１．９８ＭＨｚ低い出力された次隣接チャネル電力を示す。同様に、AltCP#高域曲線１２２は、８３６ＭＨｚより１．９８ＭＨｚ高い出力次隣接チャネル電力を示す。図４には、隣接チャネル電力の仕様限界（−４２ｄＢｃ）に対応する隣接仕様限界線１２４と、次隣接チャネル電力の仕様限界（−５４ｄＢｃ）に対応する隣接仕様限界線１２６とが図示されており、これら両者はＩＳ−９５ ＣＤＭＡ仕様に従うものである。一般に、仕様限界はセルラ規格が異なれば異なる。
【００３０】
右側の縦軸１２８は、ピーク平均曲線１３０に対応する有限期間にわたる最大瞬間ピーク平均比をｄＢで表現したものを示す。ピーク平均曲線１３０は、図３のピーク平均曲線９８と同一のものであり、両曲線は同じデータを表わす。
【００３１】
出力電力が一定に維持されつつ駆動入力(input drive)が増加するにつれて、隣接チャネル電力および次隣接チャネル電力は増加する。この場合において、約−５５ｄＢｃより低い隣接チャネルおよび次隣接チャネル電力に関し、測定値は試験装置の制約（例えば、図２のスペクトル・アナライザのダイナミック・レンジおよび信号生成器４０のスペクトル純度）によって制限されている点に留意されたい。しかしながら、隣接および次隣接チャネル電力がそれらの仕様限界と交差する付近におけるデータ点に関し、隣接および次隣接チャネル電力曲線は単調になっている。
【００３２】
隣接チャネル電力に対する仕様限界付近の領域１３６および次隣接チャネル電力に対する仕様限界付近の領域１３８において、有限期間にわたる最大瞬間ピーク平均比は、隣接および次隣接チャネル電力の両者に反比例している。このＤＵＴ４４については、入力電力が増加するにつれて、次隣接チャネル電力に関する仕様限界に達する前に、隣接チャネル電力に関する仕様限界に達している。したがって、ＤＵＴ４４のように使用された特定の電力増幅器に関し、有限期間にわたる最大瞬間ピーク平均比を監視し、供給電圧を調整し、所望のチャネル電力の調整を行うことが可能であり、このことはまた次隣接チャネル電力に対する仕様を満足することを保証することになるであろう。
【００３３】
有限期間わたる最大瞬間ピーク平均比を予測して制御することが可能であるので、隣接チャネル電力もまたそのように制御されることが可能である。電力増幅器の出力において有限期間にわたる最大瞬間ピーク平均比を制御することにより、隣接チャネルおよび次隣接チャネル電力が間接的に制御される。このようにして、隣接および次隣接チャネル電力を効率的に予測可能に制御することができる。
【００３４】
例として、ＩＳ−９５ ＣＤＭＡセルラ・システムの場合、隣接チャネル電力に対する仕様限界は−４２ｄＢｃである。隣接チャネル電力がその仕様限界と交差する交点１５０（図４）は、破線１５２で示されるように、約２．６ｄＢの有限期間にわたる最大瞬間ピーク平均比に相当する。したがって、ＤＵＴ４４より成る電力増幅器を使用する送信機に対しては、有限期間にわたる最大瞬間ピーク平均比は約２．６ｄＢに維持され、隣接および次隣接チャネル出力電力は仕様範囲内に維持される。いくらかのマージンを与えるため、電力増幅回路が、有限期間にわたる最大瞬間ピーク平均比を２．８ｄＢないし３ｄＢに維持することも可能であろう。
【００３５】
図５は、送信機１６（図１）で使用される電力増幅回路３００のブロック図を示す。電力増幅回路３００は、可変インピーダンス・ネットワーク１７４に結合された電力増幅器１７２を備える。包絡線検出器１７８は電力増幅器の出力１７３に結合される。図示した実施例では、包絡線検出器１７８は可変インピーダンス・ネットワーク１７４の出力に結合される。包絡線検出器１７８はピーク平均検出器１８０に結合され、ピーク平均検出器１８０はコントローラ１８４に結合される。なお、コントローラを制御部２０（図１）内に設けることも可能である。コントローラは可変インピーダンス・ネットワーク１７４に結合される。
【００３６】
ピーク平均検出器は、アナログ・ディジタル変換器（ＡＤＣ）１９２に結合されたピーク平均差分検出器１８２と、ディジタル回路１９４を備える。ピーク平均差分検出器１８２は、ピーク検出器１８６、平均回路１８８および差分回路１９０を備える。
【００３７】
変調されたＲＦ入力信号が、入力１７０を介して電力増幅器１７２に印加される。電力増幅器１７２は、出力１７４に増幅された信号を与える。増幅された信号の一部は包絡線検出器１７８に結合される。
【００３８】
包絡線検出器は、増幅された信号からＲＦキャリア信号を除去するよう機能する。その結果生じる信号は、ピーク平均差分検出器１８２に印加される。ピーク平均差分検出器１８２は、増幅された信号のピーク・レベルと増幅された信号の平均電力を検出し、所定の期間にわたってそのピーク・レベルおよび平均電力を示すものを提供する。
【００３９】
ピーク検出器１８６はピーク・レベルを調べ、平均回路１８８は平均電力を調べる。差分回路１９０は、ピーク・レベルと平均電力との間の差分を調べ、差分信号を生成する。サンプリングは所定の期間にわたる平均値のものであるため、このサンプリングは低速で行われる。例えば、ＩＳ−１３６ ＴＤＭＡセルラ・システムでは、このサンプリングは約１５０ｋＨｚのオーダーで行われ（例えば、各バーストについて１つの平均）、ＣＤＭＡセルラ・システムではそのサンプリングは約２０ｋＨｚのオーダーで行われる（例えば、５０μ秒毎に１つの平均）。
【００４０】
差分信号は、ディジタル・ワードとも言及されるディジタル・サンプルに変換するためにＡＤＣ１９２に印加される。そのディジタル・ワードは、ディジタル回路１９４内の差分相関テーブル(difference correlation table)１９６と比較される。そして、ピーク平均差分値に応じて、ディジタル回路１９４内でピーク平均比が生成される。ディジタル回路は、既存の論理回路および当該技術分野で周知の状態マシーン(state machine)を備える。相関テーブルとの比較は、ディジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）またはマイクロプロセッサで実行することも可能であろう。
【００４１】
その結果生じるピーク平均比はコントローラ１８４に印加される。コントローラ１８４は、増幅された信号のピーク・レベルおよび平均電力の間の差分の指示に応答して負荷制御信号を生成し、これは可変インピーダンス・ネットワーク１７４に印加される。可変インピーダンス・ネットワーク１７４は、増幅された信号のピーク・レベルおよび平均電力の間の差分の指示に応じて（例えば、負荷制御信号に応じて）、電力増幅器の出力１７３に異なるインピーダンスを与える。電力増幅器の出力１７３に提供されたインピーダンスは、出力１７６に生じる増幅信号のピーク平均比が所定のレベルに実質的に一致するまで調整される。言い換えれば、現実のピーク平均比が所望のピーク平均比に一致するまで、インピーダンスが調整される。増幅された信号のピーク平均比を維持することによって、電力増幅回路３００は、輻射される隣接チャネル電力および次隣接チャネル電力を制御することが可能になる。
【００４２】
電力増幅回路３００は、平均出力電力を制御するための回路を備えるよう構築することも可能である。送信機１６（図１）の平均出力電力は、変更可能な所望の平均出力電力にしたがって変化することが可能である。そして、コントローラは、平均出力電力の全ダイナミック・レンジの一部にわたって、電力増幅出力１７３に対する異なるインピーダンスを可変インピーダンス・ネットワーク１７４に生じさせる。
【００４３】
本実施例ではゲイン増幅器２０６である可変利得回路は、その入力１７０を電力増幅器１７２の入力に結合する。平均回路１８８は、平均出力電力のライン１９１上に指示信号を生成する。ＡＤＣ１９２は、平均出力電力の指示信号をディジタル信号に変換し、ディジタル回路１９４はディジタル信号をコントローラ１８４に印加する。コントローラ１８４は、ＶＧＡ２０６の利得を制御するためにＶＧＡ２０６に印加される利得制御信号を生成し、これにより、所望の平均出力電力が維持される。
【００４４】
図６は、ピーク平均検出器１８０（図５）に関して使用されるピークおよび差分検出器１８２の実施例を示す。このピークおよび差分検出器１８２は、平均回路１８８、第１オペ・アンプ(op-amp)２６６、差分回路１９０、ピーク検出器１８６および第２オペ・アンプ(op-amp)２７２を備える。
【００４５】
平均回路１８８は、分流コンデンサ(shunt capacitor)２７８および分流抵抗器２８０に結合された直列抵抗器２７６を有する。ピーク検出器１８８は、分流コンデンサ２９４および分流抵抗器２９６に結合されたダイオード検出器２９２を有する。
【００４６】
差分回路１９０は、直列抵抗器２８２を介してオペ・アンプ２８４の負入力に結合された第１入力３０４を有する。差分回路の第２入力３０６は、直列抵抗器２８６および分流抵抗器２８８を介してオペ・アンプ２８４の正入力に結合される。オペ・アンプ２８４の出力は、ピークおよび差分検出出力２６２である。
【００４７】
包絡線検出器１７８（図５）により生成された包絡信号は、ピークおよび差分検出器入力２６０に結合される。包絡信号は平均回路１８８およびピーク検出器１８６に印加される。包絡信号のピークは、ピーク検出器１８６により生成され、包絡信号の平均値は平均回路１８８により生成される。
【００４８】
第１オペ・アンプ２６６および第２オペ・アンプ２７２は、平均回路１８８と差分回路１９０との間、およびピーク検出器１８６と差分回路１９０との間の絶縁性を確保するための電圧フォロワ(voltage follower)である。バッファされた平均電圧は第１入力３０４に印加され、バッファされた検出ピーク信号は第２入力３０６に印加される。ピークおよび平均信号間の差分は出力２６２において生成される。
【００４９】
図５の電力増幅器の他の実施例としては、ピークおよび差分検出器１８２が差分回路１９０を有しないものとすることが考えられる。この場合、ピーク検出器１８６および平均回路１８８が、ADC１９２により直接的にサンプルされる。そして、ディジタル回路１９４またはコントローラ１８４はピーク平均比を計算する。このような実施例によれば、相関テーブル１９６の必要性を排除し、簡易な回路構成とすることが可能になるであろう。単独のピーク検出器１８６および単独の平均回路１８８を利用する場合に２０ｄＢのオーダーのダイナミック・レンジを十分に確保するには、ＡＤＣ１９２は１２ビットのオーダーの高解像度を有する必要がある。
【００５０】
図５の電力増幅器の更なる他の実施例としては、ピーク平均検出器１８０がピークおよび差分検出器１８２を有しないものとすることが考えられる。この場合、包絡線検出器１７８により生成された包絡線信号が、ライン１７９を介してＡＤＣ１９２に直接的に印加される。ピーク平均比はソフトウエアを利用して計算される。ＩＳ−１３６ＴＤＭＡセルラ電話システムでは、ＡＤＣ１９２は約５０ｋＨｚで包絡線信号をサンプリングする必要がある。ＩＳ−９５ＣＤＭＡセルラ・システムでは、ＡＤＣ１９２は約２．５ＭＨｚで包絡信号をサンプリングする必要がある。
【００５１】
ＡＤＣ１９２が、包絡線検出器１７８により生成された検出ベースバンド信号を直接的にサンプリングする場合、電力増幅器が選択的なベースバンド・ピーク検出器１７５を備え、より高いサンプリング・レートの必要性を排除するようにすることも可能である。送信機１６（図１）は、情報信号を受信し、ディジタルＩ−Ｑストリームを生成するディジタル・ベースバンド回路を有する（これは、たとえば、当該技術分野でよく知られてた図示されていないエンコーダを介して行われる。）。送信機１６（図１）は更に、当該技術分野でよく知られているように、ディジタル・ストリームを無線周波数（ＲＦ）入力信号に変換する送信回路を有する。たとえば、送信回路は、周波数変換ミキサ、直交変調器およびフィルタを有する。
【００５２】
ディジタル・ピーク検出器１７５は、ポート１７１を介して、ディジタル・ベースバンド回路（図示せず）により生成されたディジタル・ストリームを監視し、ＲＦ入力信号中のピークが発生した時点を調べる。ディジタル・ピーク検出器１７５は、遅延部１８１に印加されるピーク指示信号を生成する。遅延部はディジタル遅延回路であり、この回路は、ディジタル・ストリームが送信機１６を介して伝送され出力１７６（図５）に生成されるであろう遅延を補償する。遅延信号はＡＤＣ１９２のサンプル・ホールド回路に印加され、ＡＤＣ１９２をトリガを与え、適切な時刻においてピークをサンプルする。ＡＤＣ１９２はディジタル・ピーク値を生成する。
【００５３】
ディジタル・ピーク検出器１７５はディジタル論理回路より成り、この回路は、特定用途向け集積回路(ASIC: application specific integrated circuit)で実現することが可能である。ディジタル・ピーク検出器１７５は、前もって知られているビット・パターンに関してＩＱビット・ストリームを監視し、包絡線検出器１７８により生成される法絡信号中のピーク振幅を生じさせる。このようなディジタル・ピーク検出機能は、ソフトウエアを利用して実現することも可能であり、また、コントローラ１８４（図５）で実行することも可能である。ピークに関するディジタルベースバンド信号を監視する事例は、"DIGITAL MODULATOR WITH COMPENSATION"と題する１９９６年８月に出願された米国特許出願番号第０８/６９４/００４に開示されており、本願でも利用可能である。
【００５４】
図７は、ＲＦ信号を増幅する方法を説明するフローチャートを示す。このフローは、ブロック３５０から始まり、ブロック３５２において携帯用無線電話機１２（図１）の電源投入が行われる。可変インピーダンス・ネットワーク１７４（図５）は、ブロック３５４において初期インピーダンスに設定される。これは例えば、ディジタル・ワード「００００」を可変インピーダンス・ネットワーク４０２（図９）に伝送することにより行われる。この初期インピーダンスは、携帯用無線電話機が隣接および次隣接チャネル電力仕様を満足させるための既知のインピーダンス開始点である。
【００５５】
ブロック３５６において、所望の平均電力が選択され、その所望の平均電力を達成するためにＶＧＡ２０６（図５）のゲインが設定される。平均出力電力を定常的に監視し、所望の平均出力電力を維持するためにＶＧＡ２０６（図５）のゲインを調整することにより、出力電力ループはロックされつづける。
【００５６】
ブロック３５８において、増幅された信号のピーク平均比が検出され、判定ブロック３６０において、検出されたピーク平均比が所定のレベルまたは制限内にあるか否かが調べられる。検出されたピーク平均比が所定のレベル内にあれば、この方法が行われたか否かが調べられる（例えば、信号の伝送が完了する。）。この方法が行われている場合はブロック３７４で終了し、そうでない場合はブロック３５６に戻る。
【００５７】
上記の所定のレベルは、任意の隣接チャネル輻射電力および任意の次隣接チャネル輻射電力に対応して知られている所定のピーク平均比である。例えば、ＩＳ−９５ＣＤＭＡ携帯用無線電話機の場合、所定のピーク平均比を約３ｄＢとすることが可能であろう。
【００５８】
判定ブロック３６０において、ピーク平均比が所定のレベルに充分に接近したものでないと判定された場合（例えば、所定のレベルに対して+／-0.5ｄＢの範疇のような所定の量のプラス・マイナスの範囲内にない場合）、判定ブロック３６２において、検出されたピーク平均比が所定のレベルより大きいか否かが調べられる。検出されたピーク平均比が所定のレベルより大きい場合、判定ブロック３６４において、可変インピーダンス・ネットワーク１７４（図５）が、電力増幅出力１７３（図５）に対して異なるインピーダンスを与える更なるインピーダンス調整範囲を有するか否かが調べられる。
【００５９】
可変インピーダンス・ネットワーク１７４（図５）から利用可能なダイナミック・レンジが一切存在しない場合、可変インピーダンス・ネットワーク１７４の既存の設定が維持され、フローはブロック３５６に戻る。例えば、可変インピーダンス・ネットワーク４０２（図９）に印加される現在のディジタル・ワードが「１１１１」である場合、可変インピーダンス・ネットワーク１７４（図５）を増加させるための利用可能な状態は存在しない。
【００６０】
更なる利用可能なダイナミック・レンジが存在する場合（例えば、現在のディジタル・ワードが「１１１１」より小さい場合）、ブロック３６６において、不可制御信号を変更して、可変インピーダンス・ネットワーク１７４（図５）を調整する。例えば、可変インピーダンス・ネットワーク４０２（図９）に対して、可変インピーダンス・ネットワーク４０２を調整するステップは、ディジタル制御ワード（例えば、負荷制御信号）を、１１１０から１１１１のように、より高い状態に増加させるステップより成る。このフローは、ブロック３５６に続く。
【００６１】
ブロック３６２において、検出されたピーク平均比が所定のレベルより小さい場合、ブロック３６８において、可変インピーダンス・ネットワーク１７４（図５）内に取り去るダイナミック・レンジが存在しないかどうかを調べる。例えば、図９において、可変インピーダンス・ネットワーク４０２に対する負荷制御信号が現在「００００」であるとすると、負荷制御信号はこれ以上減少させることができない。もしダイナミック・レンジが残されていない場合は、可変インピーダンス・ネットワーク１７４（図５）の既存の設定が維持され、ブロック３５６に続く。
【００６２】
可変インピーダンス・ネットワーク１７４（図５）に関する利用可能なダイナミック・レンジが更に存在する場合、ブロック３７０において負荷制御信号が変更され、可変インピーダンス・ネットワーク１７４が調整される。例えば、可変インピーダンス・ネットワーク４０２（図９）に関し、可変インピーダンス・ネットワーク４０２を調整するステップは、ディジタル制御ワード（例えば、負荷制御信号）を、０００１から００００のような更に低い状態に減少させるステップより成る。このフローは、ブロック３５６に続く。
【００６３】
図８は、可変インピーダンス・ネットワーク４００の第１実施例を示し、これは、電力増幅器１７２（図５）にさまざまなインピーダンスを提供するために使用される。可変インピーダンス・ネットワーク４００は、第１伝送線４０８と、接地電位４１６に結合された固定分流コンデンサ４１２と、第２伝送線４１０と、接地電位４１６に結合された少なくとも１つの可変素子４１８を備える。可変素子４１８は、バラクタ・ダイオードおよび電圧可変コンデンサより成る郡から選択されることが可能である。負荷制御信号は、可変素子４１８の容量を変化させるための電圧として入力４０３に印加される。矢線４０４は、入力４０６に生じるインピーダンスが、様々な出力電力レベルに関して電力増幅器１７２（図５）に対する実質的に最適なインピーダンスとなることが維持されることを示す。コントローラ１８４（図５）は、負荷制御信号としてのアナログ電圧を生成する。このため、コントローラは、アナログ信号を生成するディジタル・アナログ変換器（ＤＡＣ）を備えることも可能である。
【００６４】
インピーダンス・ネットワーク４００を構成する様々な他の手法が考えられるであろう。例えば、点在する素子またはある範囲に分布した誘導素子、付加的な伝送線およびコンデンサ、および付加的な可変素子のような付加回路を備えることも可能である。
【００６５】
図９は、可変インピーダンス・ネットワーク４０２の第２実施例を示す。可変インピーダンス・ネットワーク４０２は、第１伝送線４４２、接地電位４４８に結合された固定分流コンデンサ４４６、第２伝送線４４４、および接地電位４４８に結合された少なくとも１つの可変素子４５２を備える。少なくとも１つの可変素子４５２は、ＰＩＮダイオードまたは微細機構(micro-mechanical)スイッチを利用して、電力増幅出力１７３（図５）に交互に結合または結合されていない複数のコンデンサ４５４より成る。負荷制御信号は入力４５０に印加され、複数のコンデンサ４５４を電力増幅器の出力１７３（図５）に結合する複数のスイッチを開閉する。矢線４５８は、入力４４０に生じるインピーダンスが維持されることを示す。
【００６６】
図示した実施例では、コントローラ１８４（図５）は、複数のスイッチ４５６を制御するために４ビットのディジタル制御信号を生成する。コントローラは、ディジタル制御信号を負荷制御信号としての４ビット並列ワードに変換するためのシフト・レジスタ（図示せず）を有する。他の実施例では、シフト・レジスタを電力増幅器１７３（図５）に関するマルチ・チップ・モジュール上に構成することも可能であろう。このようにして、可変インピーダンス・ネットワーク４０２に関し、互いに異なる１６個のインピーダンスを与えることが可能になる。
【００６７】
可変インピーダンス・ネットワークは、少なくとも１つの可変素子を有する。この可変素子は、バラクタ・ダイオード、電圧可変コンデンサおよび複数のコンデンサより成る郡から選択することが可能であり、そのコンデンサは、微細電気機械スイッチまたはＰＩＮダイオードを利用して信号増幅器の出力に交互に結合または結合されないものである。
【００６８】
本発明の精神から逸脱することなく、更なる他の構成を採用して、可変インピーダンス・ネットワーク４０２を構築することも可能であろう。例えば、点在する素子またはある範囲に分布した誘導素子、付加的な伝送線およびコンデンサ、ならびに付加的な可変素子のような付加的な素子を備えることも可能である。可変インピーダンス・ネットワーク４００および可変インピーダンス・ネットワーク４０２を組み合わせて、利用可能なインピーダンスの範囲を増加させることも可能であろう。さらに、負荷制御信号は、異なる可変インピーダンス素子を別々に制御するための複数の信号とすることも可能であろう。
【００６９】
図１０は、例えば可変インピーダンス・ネットワーク４０２（図９）に関連するインピーダンス状態の範囲を示すスミス・チャート(Smith chart)４７０を示す。最初のインピーダンス状態４７２は、初期インピーダンス状態とも呼ばれ、「００００」の負荷制御信号に対応するものである。最終のインピーダンス状態４７４は、「１１１１」の負荷制御信号に対応するものである。
【００７０】
以上実施例を含む本発明の説明により、当業者は、負荷を調整する電力増幅器を使用および製造することが可能になるであろう。また、当業者であればこれらの実施例の更なる変形も容易であり、本発明の精神から逸脱することなく、他の実施例を形成することも可能であろう。例えば、１以上の周波数帯域で動作する送信機とともに電力増幅器を使用することも可能であろう。この場合、負荷は、動作周波数帯域に関連するピーク平均比に基づいて調整されるであろう。
【００７１】
本発明による電力増幅回路によれば、隣接チャネルおよび次隣接チャネル電力の仕様を満足させつつ電力増幅器の効率を改善する高効率化の手法が提供される。次隣接および隣接チャネル電力は、電力増幅器から実質的に生じる。また、隣接および次隣接チャネル電力は、伝送経路内で電力増幅器に先行する他の回路からも生じ得る。さらに、電力増幅回路は、携帯用無線電話機内に存在する部品のばらつきに対して、隣接および次隣接チャネル電力を制御することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 受信機および送信機を有する無線電話機のブロック図である。
【図２】 ピーク平均比の測定を行うための試験装置のブロック図である。
【図３】 図２の試験装置による入力電力に対する供給電圧、ゲインおよび有限期間にわたる最大ピーク平均電力比のグラフである。
【図４】 図２の試験装置による入力電力に対する隣接チャネル電力、次隣接チャネル電力および有限期間にわたる最大ピーク平均電力比のグラフである。
【図５】 図１の送信機で使用するための電力増幅器のブロック図である。
【図６】 図５の電力増幅回路で使用するためのピーク平均電力差検出器のブロック図である。
【図７】 ＲＦ信号を増幅する方法を示すフローチャートである。
【図８】 図５の電力増幅回路で使用することが可能な可変インピーダンス・ネットワークである。
【図９】 可変インピーダンス・ネットワークの第２実施例である。
【図１０】 可変インピーダンス・ネットワークのインピーダンスを示すグラフである。

Claims (11)

1. 電力増幅回路（３００）であって：
   入力信号を増幅し、増幅された信号を生成する電力増幅器（１７２）；
   前記電力増幅器（１７２）の出力に結合された可変インピーダンス・ネットワーク（１７４）であって、負荷制御信号に応じて前記電力増幅器（１７２）の前記出力に異なるインピーダンスを生じさせる前記可変インピーダンス・ネットワーク；
   前記電力増幅器（１７２）の出力に結合されたピーク平均差分検出器（１８０）であって、前記増幅された信号のピーク・レベルおよび前記増幅された信号の平均電力を検出し、前記ピークレベルおよび前記平均電力の間の差分を表す信号を提供する前記ピーク平均差分検出器（１８０）；および
   前記ピーク平均差分検出器（１８０）および前記可変インピーダンス・ネットワーク（１７４）に結合されたコントローラ（１８４）であって、前記増幅された信号の前記ピーク・レベルおよび前記平均電力の間の差分を表す信号に応じて、前記負荷制御信号を生成することにより、前記可変インピーダンス・ネットワーク（１７４）に、前記電力増幅器（１７２）の前記出力へ異なるインピーダンスを提供させて、前記ピーク・レベルおよび平均電力の間の差を実質的に所定のレベルに等しく維持するようにする前記コントローラ（１８４）；
   を備えることを特徴とする電力増幅回路（３００）。
2. 前記コントローラ（１８４）が、前記ピーク・レベルおよび前記平均電力の間の差分に基づいて前記増幅された信号のピーク平均比を調べ、前記ピーク平均比に応じて負荷制御信号を生成することを特徴とする請求項１記載の電力増幅回路。
3. 前記平均出力電力が、所望の可変平均出力電力に従って変化し、前記平均出力電力の全ダイナミック・レンジの一部のみにわたって、前記コントローラ（１８４）が、前記可変インピーダンス・ネットワーク（１７４）に、前記電力増幅器（１７２）の出力に異なるインピーダンスを生じさせることを特徴とする請求項１記載の電力増幅回路。
4. 更に、前記電力増幅器（１７２）の入力に結合された可変利得回路（２０６）を備え、前記コントローラ（１８４）が、平均電力を表す信号に応じて前記可変利得回路（２０６）の利得を調整し、前記平均電力を所望の平均出力電力に実質的に等しくさせることを特徴とする請求項１記載の電力増幅回路。
5. 前記ピーク平均差分検出器（１８０）が、所定の期間にわたる増幅信号のピーク・レベルおよび平均電力を検出することを特徴とする請求項１記載の電力増幅回路。
6. 電力増幅回路（３００）であって：
   入力信号を増幅し、増幅された信号を生成する電力増幅器（１７２）；
   前記電力増幅器（１７２）の出力に結合された可変インピーダンス・ネットワーク（１７４）であって、負荷制御信号に応じて前記電力増幅器（１７２）の前記出力に異なるインピーダンスを生じさせる可変インピーダンス・ネットワーク；
   前記電力増幅器（１７２）の出力に結合されたピーク平均検出器（１８０）であって、前記増幅された信号のピーク平均比を提供するピーク平均検出器（１８０）；および
   前記ピーク平均検出器（１８０）および前記可変インピーダンス・ネットワーク（１７４）に結合されたコントローラ（１８４）であって、前記増幅された信号の前記ピーク平均比に応じて、前記負荷制御信号を生成することにより、前記可変インピーダンス・ネットワーク（１７４）に、前記電力増幅器（１７２）の出力へ異なるインピーダンスを提供させて、前記増幅された信号の前記ピーク平均比を所定のレベルに実質的に等しくさせるようにする、前記コントローラ（１８４）；
   を備えることを特徴とする電力増幅回路（３００）。
7. 所望の可変平均出力電力に従って前記平均出力電力が変化し、前記コントローラ（１８４）が、前記可変インピーダンス・ネットワーク（１７４）に、前記平均出力電力の全ダイナミック・レンジの一部のみにわたって、前記電力増幅器（１７２）の出力に異なるインピーダンスを生じさせることを特徴とする請求項６記載の電力増幅回路。
8. 更に、前記電力増幅器（１７２）の入力に結合された可変利得回路（２０６）を備え、前記ピーク平均検出器（１８０）が平均出力電力を表す信号を提供し、前記コントローラ（１８４）が前記平均電力を表す信号に応じて前記可変利得回路（２０６）の利得を調整し、前記平均電力を所望の平均出力電力に実質的に等しくさせることを特徴とする請求項６記載の電力増幅回路。
9. 前記ピーク平均検出器（１８０）が、所定の期間にわたって前記増幅された信号のピーク平均比を検出することを特徴とする請求項６記載の電力増幅回路。
10. 無線周波数（ＲＦ）信号を増幅する方法であって、当該方法は：
    電力増幅器（１７２）を利用して前記ＲＦ信号を増幅し、増幅された信号を生成する段階；
    前記増幅された信号のピーク平均比を検出する段階（３５８）；
    前記ピーク平均比に応じて、前記電力増幅器の出力に提供されるインピーダンスを変更することにより、前記電力増幅器の前記出力に提供される前記インピーダンスが、前記増幅された信号の前記ピーク平均比を所望のピーク平均比に実質的に等しくするようにする段階（３６６，３７０）；
    より成ることを特徴とする方法。
11. 前記増幅された信号の平均出力電力が、所望の可変出力電力に従って変化し、前記電力増幅器の前記出力に提供されるインピーダンスが、前記平均電力の全ダイナミック・レンジの一部のみにわたって変化することを特徴とする請求項１０記載の方法。

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