JP4718175B2 - 電力増幅用回路 - Google Patents

Description

本発明は電力制御回路および方法に関するもので、特に高周波電力増幅器の出力電力の制御に関するものである。

最近の電気通信システムでは、移動体装置（携帯電話、コードレス電話、２方向ページャ、無線ＬＡＮ、ＡＭ／ＦＭアナログ送信機など）の出力電力を送信前および送信中に制御するのに無線周波数（ＲＦ）電力増幅器を用いる。かかるＲＦ電力増幅器は一般に５０ｍＷから３Ｗの範囲の出力電力を生成する。周知のＲＦ電力増幅器は、出力トランジスタをバイアスすることによりＲＦ負荷（一般にアンテナ）での出力電力を制御することができる。

一般にＲＦ電力増幅器では、装置内の望ましくない定在波（負荷での信号の反射により起こる）などの問題を防ぐために、出力トランジスタでのインピーダンスを負荷の名目インピーダンスと整合させなければならない。エネルギーの転送を最大にするため、アンテナを効率的に動作させるのにアンテナと回路装置とを整合させる必要がある。システム整合の質は電圧定在波比（ＶＳＷＲ）と呼ばれるパラメータで測られる。このパラメータは或るシステムが動作する周波数で決定される。ＲＦ電力増幅器の最適動作を行うには全ての関係する周波数で１：１のＶＳＷＲが必要である。残念ながら、多くの従来のアンテナはＶＳＷＲが高い（例えば、３：１より大きい）ので、何らかの形の補償整合網を用いなければ、特に広帯域アンテナで、効率が低下する。しかし、かかる補償整合網を用いるのは望ましくない。なぜなら、補償整合網は利用可能な送信電力を低下させ、システムの動作を遅らせるからである。

アンテナなどの負荷のインピーダンスは移動と位置によって変化するので、移動体装置ではインピーダンスが変動するのが普通である。インピーダンスが変動すると、ＲＦ電力増幅器の出力トランジスタのコレクタ電極にかかる電圧が揺れる。例えば、５０オームの名目インピーダンスを持つ携帯電話アンテナを駆動するＲＦ電力増幅器はしばしば高い出力トランジスタ・インピーダンスを駆動する必要があり、このためＶＳＷＲが２０：１にもなることがある。

負荷が実質的に整合しない（したがって、ＶＳＲＷが高い）と、ＲＦ電力増幅器の機能が低下する。この機能低下は、またはトランジスタの故障も、バイポーラ・トランジスタ（ここでは出力トランジスタ）に印加したとき「２次破壊」効果を生じない範囲内の安全なコレクタ・エミッタ電圧とコレクタ電流を超えるために起こる。

出力トランジスタは直流電流を引き出すことができないので（なぜなら、直流成分を除くためにコンデンサが用いられているため）、出力バイアス回路は高いバイアス電流を与え、そのため出力トランジスタへの入力電力が高くなる。システムのＶＳＷＲが高くかつ負荷インピーダンスが高く、したがって出力トランジスタのコレクタ電極の電圧の揺れが大きいと、出力増幅器に負の利得が起こることがある。

米国特許第５，４５５，９６８号（Pham）は、最終段増幅要素を含む可変電力増幅器を開示している。この要素をバイアス網に結合して、出力不整合条件が５：１のＶＳＷＲを超えるときに安定性を与えることを目指す。

日本の特開平１１−２８４５２２号公報は、高周波電力増幅器の出力電力を一定に保つシステムを記述している。第２の増幅器の出力信号を検出し、処理して、第１の増幅器に入力する。この装置は方向性結合器を用いる。
したがって、負荷のインピーダンスが変動する場合はＲＦ電力増幅器の出力電力を制御することが望ましいことが分かる。

本発明の第１の態様では、ドライバ段と出力段とを有する電力増幅器からの出力を制御する方法を提供する。この方法は、出力段の出力で第１および第２の電気的パラメータを検出し、第１のパラメータを第１の基準信号と共に処理してバイアス制御信号を生成し、第２のパラメータを第２の基準信号と共に処理してバイアス低減信号を生成し、バイアス制御信号をドライバ段と出力段の両方の入力に送り、バイアス低減信号をドライバ段の入力に送る。

本発明の第２の態様では、電力増幅器と、外部制御ループと、保護回路とで構成する電気回路を提供する。ここで保護回路は、電力増幅器の出力で電気的パラメータを検出する検出手段と、電力増幅器の入力にバイアス信号を与えるバイアス低減手段と、バイアス低減手段に結合する基準信号発生器とで構成する。
上に述べた電力増幅回路は移動体電気通信装置内に用いることができる。

本発明の優れている点は、従来の技術における出力電力制御に関連する問題を軽減できることである。また本発明は低電圧トランジスタ（およびその他の低電圧技術）を用いてよく、また最小の構成要素を用いて集積回路上で実現することができる。出力不整合条件が高いために回路のＶＳＷＲが高くなると、本発明は回路出力電力の変動を小さくするよう機能する。

本発明の別の利点は、ドライバ・トランジスタと出力トランジスタとが共に高すぎる電圧レベルになるのを防ぐことである。
この明細書では「備える」または「構成する」という用語はここに述べる機能、完全体（integers）、ステップ、構成要素を特定するために用いられるが、１つ以上の別の機能、完全体、ステップ、構成要素、またはこれらのグループを追加することを妨げるものではないことを強調したい。

図１はＲＦ電力増幅器１０を示す。ここでは、ＲＦ信号１２はドライバ・トランジスタ１４に入力する。ドライバ・トランジスタ１４のコレクタ電極はコンデンサ１６に結合し、コンデンサ１６は出力トランジスタ２０に結合する。出力バイアス回路１８は出力トランジスタ２０のベース電極に結合する。最後に、出力トランジスタ２０のコレクタ電極はＲＦ負荷２２に結合する。一般に、ＲＦ負荷２２はアンテナである。

動作を説明すると、ＲＦ信号１２をドライバ・トランジスタ１４により増幅し、コンデンサ１６は増幅された信号が出力トランジスタ２０に入力される前にその直流成分を全て除去する（交流成分だけ残す）。ほぼ一定のバイアス電流を出力バイアス回路１８から出力し、出力トランジスタ２０をバイアスして出力トランジスタのコレクタ電流を制御する。
コンデンサ１６は回路内のインピーダンスを整合する機能を有するものであり、任意の適当なインピーダンス整合要素で置き換えてよい。

図２で、ＲＦ増幅器は外部制御ループと保護回路とに結合する。詳しく述べると、ＲＦ電力増幅器内でＲＦ信号３２はドライバ・トランジスタ３４に入力する。ドライバ・トランジスタ３４のコレクタ電極はコンデンサ３６に結合し、コンデンサ３６は出力トランジスタ３８に結合する。出力トランジスタ３８のコレクタ電極はＲＦ負荷４０（一般に、アンテナ）に結合する。

または、コンデンサ３６は、ＲＦ電力増幅器内で必要なインピーダンス伝達特性により決まる他の適当なＲＦ整合手段（コンデンサと分路要素との直列回路または変圧器など）で置き換えてよい。

外部制御ループは直流電流検出器４２を含む。検出器４２は、ＲＦ電力増幅器のドライバ・トランジスタ３４と出力トランジスタ３８の両方のコレクタ電極に接続する。直流電流検出器４２と基準電流４６とは調整器４４に結合し、調整器４４はバイアス制御信号発生器４８に結合する。外部制御ループは更に、バイアス制御信号発生器４８からドライバ・トランジスタ３４のベース電極と出力トランジスタ３８のベース電極のそれぞれへの接続を備える。

保護回路は電圧包絡線検出器５０と保護レベル基準５２とで構成し、両者はバイアス低減回路５４に結合する。電圧包絡線検出器５０は出力トランジスタ３８のコレクタ電極に接続し、またバイアス低減回路５４はドライバ・トランジスタ３４のベース電極に接続する。

動作を説明すると、ＲＦ電力増幅器は図１のＲＦ電力増幅器１０と同様に機能する。直流電流検出器４２は出力トランジスタ３８のコレクタ電極の電圧の揺れ（ＲＦ負荷４０のインピーダンス変動により起こる）を全て検出する。

直流電流検出器４２は出力トランジスタ３８のコレクタ電極の直流電流を検出する。一般に、この電流の全ての変化はＲＦ負荷４０のインピーダンス変動により起こる。検出された電流は直流電流検出器４２から出力されて調整器４４に送られる。調整器４４は、検出された電流を基準電流４６と組み合わせて処理する。検出された電流が所定のしきい値より低い場合は調整器４４は高い調整出力電流を作り、検出された電流が所定のしきい値より高い場合は調整器４４は低い調整出力電流を作る。調整出力電流はバイアス制御信号発生器４８に送られる。発生器４８は適当なバイアス電流をドライバ・トランジスタ３４と出力トランジスタ３８とに与えて、ＲＦ負荷４０のインピーダンス変動を全て補償する。

電圧包絡線検出器５０は出力トランジスタ３８のコレクタ電極の電圧包絡線を検出する。この信号を保護レベル基準信号５２と組み合わせてバイアス低減回路５４内で処理する。得られた信号はドライバ・トランジスタ３４のベース電極に送られ、出力トランジスタ３８の電圧の揺れが過大なレベルにならないようにする。

図３は図２のＲＦ電力増幅器の詳細を示す。共通の要素を示す場合は共通の参照番号が用いられている。詳しく述べると、追加した詳細として、第１のチョーク要素３５と第２のチョーク要素３９とが、直流電流検出器４２と、ドライバ・トランジスタ３４と出力トランジスタ３８との間にそれぞれ結合されているのが分かる。

外部制御ループでは、直流電流検出器４２は調整器４４からの入力線に接続する抵抗器４２０を含む。図に示すように、調整器４４は抵抗器４４０とＡＮＤゲート４４１とを含む。

保護回路では、電圧包絡線検出器５０は直列に接続されたダイオード５００と第１の抵抗器５０１とを含む。コンデンサ５０２はダイオード５００の出力と接地との間に結合し、第２の抵抗器５０３は第１の抵抗器５０１と接地との間に結合する。保護レベル基準５２は接地と保護レベル基準出力との間に結合する抵抗器５２０を含む。この出力はバイアス低減回路５４内にあるトランジスタ５４０のエミッタ電極に接続する。また、ドライバ・トランジスタ３４のベース電極に接続する第１の抵抗器ブロック５６と、出力トランジスタ３８のベース電極に接続する第２の抵抗器ブロック５８とが示されている。
図３の回路の動作については図２に関連して上に述べた。

図４に示すように、本発明の動作の第１の段階は出力トランジスタのコレクタ電極で２つのパラメータ（すなわち、直流電流と電圧包絡線）を検出する６０，６２ことを含む。検出された直流電流を基準電流に対して調整し６４、調整された信号を用いてバイアス制御信号を生成する６６。バイアス制御信号を出力トランジスタとドライバ・トランジスタのそれぞれのベース電極に送る６８，７０と制御ループは完了する。

検出された電圧包絡線に戻ると、検出された電圧包絡線を用いて基準電圧に対してバイアス信号を生成する７２。バイアス低減信号をドライバ・トランジスタのベース電極に送って７０、保護機能を行う。制御ループ機能と保護機能とはＲＦ電力増幅器の動作中は連続的に行われる。

当業者に明らかなように、上に述べた回路構造は網羅的ではなく、この構造の変形を用いても、同じ新しい概念を用いて同じ結果を得ることができる。
したがって、本発明は従来の装置より大きな利点を有する電力増幅回路を提供することが分かる。

ＲＦ電力増幅器の略図である。 本発明の或る実施の形態に係るＲＦ電力増幅器の略図である。 図２のＲＦ電力増幅器の詳細を示す略図である。 本発明の動作段階を示す流れ図である。

Claims (5)

1. ドライバ段と出力段とを有する電力増幅器からの出力を制御する方法であって、
   前記出力段の出力で第１および第２の電気的パラメータを検出し、
   前記第１のパラメータを第１の基準信号と共に処理してバイアス制御信号を生成し、
   前記第２のパラメータを第２の基準信号と共に処理してバイアス低減信号を生成し、
   前記バイアス制御信号を前記ドライバ段と出力段の両方の入力に送り、
   前記バイアス低減信号を前記ドライバ段の入力に送り、前記電力増幅器の出力を保護するために前記バイアス制御信号により供給されるバイアスを低下させる、
   ことを含む、電力増幅器からの出力を制御する方法。
2. 前記第１の電気的パラメータは電流である、請求項１記載の電力増幅器からの出力を制御する方法。
3. 前記第２の電気的パラメータは出力電圧包絡線である、請求項１記載の電力増幅器からの出力を制御する方法。
4. ドライバ段と出力段とを有する電力増幅器と、外部制御ループと、保護回路と、を備えた電気回路であって、
   前記外部制御ループは、
   前記出力段における第１の電気的パラメータを検出する検出手段と、
   第１の基準信号を発生させる第１の基準信号発生器と、
   前記第１の基準信号を受信して、検出された前記第１の電気的パラメータを前記第１の基準信号と共に処理してバイアス制御信号を生成し、前記ドライバ段と前記出力段との両方のバイアス入力に、前記バイアス制御信号を供給するバイアス手段と
   を備え、
   前記保護回路は、
   前記電力増幅器の前記出力段における出力で第２の電気的パラメータを検出する検出手段と、
   第２の基準信号を発生させる第２の基準信号発生器と、
   前記第２の基準信号を受信して、検出された前記第２の電気的パラメータを前記第２の基準信号と共に処理してバイアス低減信号を生成し、前記電力増幅器のドライバ段のバイアス入力に前記バイアス低減信号を与え、前記電力増幅器の出力を保護するために前記バイアス制御信号により供給されるバイアスを低下させるバイアス低減手段と、
   を有する電気回路。
5. 請求項４に記載の電気回路を含む移動体電気通信装置。

Images