JP4821618B2 - 高周波電力増幅器のための出力電力検波器 - Google Patents

Description

本発明は、主として各種無線機器、通信機器、測定器などに用いられる高周波電力増幅器などの増幅器に関するものである。

以下、従来の増幅器における検波器について説明する。

図１は、従来の多段構成の増幅器およびその電力検波器の回路構成を示している。図１において、１００は第一段アンプ１０１、第二段アンプ１０２、第三段アンプ１０３、第一段間整合１０４、第二段間整合１０５から構成されるパワーアンプ、出力電力を検波する検波用ダイオード１０６から構成される高周波電力増幅器である。

高周波信号が入力されるＲＦ信号入力端子１０７と第一段アンプ１０１の入力が接続され、前記アンプの出力は第一段間整合１０４に接続し、前記整合回路の他端は第二段アンプ１０２の入力に接続する。前記アンプの出力は第二段間整合１０５に接続し、前記整合回路の他端は第三段アンプ１０３の入力に接続する。前記アンプの出力は高周波信号を出力するＲＦ信号出力端子１０８に接続し、さらに出力電力の検波用ダイオード１０６にも接続する。前記ダイオードの他端は検波出力端子１０９に接続する。図１において、３段構成の増幅器が記載されているが、必ずしも３段構成である必要はなく、２段以上の４段や５段構成の増幅器であっても問題ない。

以上のように構成された増幅器について、以下その動作について説明する。

多段構成の増幅器とすることで、増幅器の利得を上げている。段間整合回路は、ロスが少ない容量やインダクタにより構成される。増幅器の出力電力をダイオードにより直流電圧に変換することで、検波出力を得ている。このような増幅器の検波器（例えば特許文献１参照）が、開示されている。
特開２００５−１９１７９１号公報

しかしながら、上記構成では、検波出力がダイオード特性を示すことから、増幅器の出力レベルが低いレンジにおいて、検波感度が低くなるため、増幅器の出力レベルが低いレンジでの制御性を考えた場合、有効な回路とはならない。また、電力増幅回路の出力を検波入力としているため、検波出力が出力インピーダンスの影響を受けてしまい、安定した検波出力を得ることができない。

本発明は上記従来技術の課題を解決するもので、検波出力の線形性を向上させ、増幅器の出力レベルが低いレンジでの制御性を向上させるとともに、検波出力に対する出力インピーダンスの影響を低減させることで、検波出力の安定性を向上させるといった増幅器を提供することを目的とする。

この課題を解決するために本発明は、高周波信号が入力される信号入力端子１０７と第一段アンプ１０１の入力が接続され、さらに第一段検波器４０１の入力に接続し、前記検波器は入力された信号をピークホールド検波部５０３にてピークホールド検波された結果と基準信号部５０２により生成された基準信号とをそれぞれ第一ＬＰＦ５０５、第二ＬＰＦ５０６を介して比較器５０４に入力し、前記比較器にて比較し、出力する。前記アンプの出力は第一段間整合１０４に接続し、さらに第二段検波器４０２の入力に接続する。前記整合回路の他端は第二段アンプ１０２の入力に接続し、前記アンプの出力は第二段間整合１０５に接続し、さらに第三段検波器４０３の入力に接続する。前記整合回路の他端は第三段アンプ１０３の入力に接続する。第一及び、第二、第三の検波器は同一の構成であるため、第二及び第三の説明を省略する。第一、第二、第三の検波器の出力を足し合わせ、電流電圧変換器４０４にて電流を電圧に変換し、これを出力電力検波器４００の出力として検波出力端子１０９にて検出する。前記アンプの出力は高周波信号を出力するＲＦ信号出力端子１０８に接続するように回路が構成されている。この構成とすることにより、この電力増幅器より得られる検波出力の線形性を高めることが可能となり、さらに検波出力に対する出力インピーダンスの影響を低減させることが可能となり、さらに検波出力の電源電圧依存性や温度依存性を低減することが可能となる。

以上のように、本発明によれば、多段構成の増幅器の各段の入力を検波器の入力としていることから、各段毎に検波出力も順次飽和していくため、これら各段の検波出力を足し合わせることにより、最終的な検波出力の線形性を高めることが可能となるとともに、検波入力が増幅器の出力ではないため、出力インピーダンスが変動した際の検波出力への影響を低減することが可能な増幅器が実現できるという効果が得られる。

本発明の実施の形態について、図２から図６を用いて説明する。

（実施の形態１）
図２は本発明の実施の形態１の一例を示すブロック図である。図２において、１００は第一段アンプ１０１、第二段アンプ１０２、第三段アンプ１０３、第一段間整合１０４、第二段間整合１０５にて構成されるパワーアンプ、４００は、第一段検波器４０１、第二段検波器４０２、第三段検波器４０３、電流電圧変換器４０４にて構成される出力電力検波器、から構成される高周波電力増幅器である。

ここで、４０１、４０２、４０３に示す各段の検波器は全て同一の構成であり、図３に示すように、ピークホールド検波部５０３、基準信号部５０２、比較器５０４、第一ＬＰＦ５０５、第二ＬＰＦ５０６より構成される検波器である。

高周波信号が入力されるＲＦ信号入力端子１０７はパワーアンプ１００の入力に接続し、前記アンプの出力はＲＦ信号出力端子１０８に接続する。前記アンプは増幅段が複数ある多段構成の増幅器となっており、前記増幅器の各増幅段の段間には容量やインダクタにて構成される段間整合回路が挿入される。出力電力検波器４００の入力は、各増幅段の入力を入力とする。さらに、前記増幅段の各段において、段間整合回路が存在する場合は、段間整合回路を介する前を検波入力とする。本例においては、前記入力端子は第一段アンプ１０１の入力に接続され、さらに第一段検波器４０１の入力に接続し、前記アンプの出力は第一段間整合１０４に接続し、さらに第二段検波器４０２の入力に接続し、前記整合回路の他端は第二段アンプ１０２の入力に接続し、前記アンプの出力は第二段間整合１０５に接続し、さらに第三段検波器４０３の入力に接続し、前記整合回路の他端は第三段アンプ１０３の入力に接続し、第一、第二、第三の検波器の出力を接続し電流電圧変換器４０４に接続し、前記変換器の出力を検波出力端子１０９に接続し、前記アンプの出力は高周波信号を出力するＲＦ信号出力端子１０８に接続するように回路が構成されている。

また、第一段検波器４０１の入力はピークホールド検波部５０３の入力に接続し、前記検波部の出力は第一ＬＰＦ５０５を介して比較器５０４の入力に接続する。基準信号部５０２の出力は第二ＬＰＦ５０６を介して前記比較器の他方の入力に接続し、前記比較器の出力は他の増幅段にて同様に検波された検波器の出力と接続され、電流電圧変換器４０４の入力に接続する。第二段検波器４０２、第三段検波器４０３は第一段検波器４０１と同一の構成となるため説明を省略する。

また、本実施形態において、４０１や４０２、４０３といった各段の検波器において第一ＬＰＦ５０５、第二ＬＰＦ５０６が挿入されているが、これらのＬＰＦは必ずしも必要ではなく、短絡となっていても構わない。

本実施形態においては増幅段が三段の増幅器を例として記載しているが、三段に限るものではなく、ニ段以上の複数の増幅段を有する増幅器において有効な構成となり、増幅段と同数だけ４０１や４０２、４０３に示す検波器と同一の構成の検波器が必要な構成となる。

以上のように構成された増幅器について、以下その動作について説明する。

ＲＦ信号入力端子１０７より入力されたＲＦ信号をパワーアンプ１００により、前記信号の振幅を増幅させる。前記アンプにより増幅された信号はＲＦ信号出力端子１０８より出力される。

出力電力検波器４００は、前記出力端子に出力される電力レベルを検知する。４０３に示す検波器の一例を図４に示す。図４において、ピークホールド検波部５０３の入力には直流成分遮断容量６００を介して増幅段からの信号が入力される。前記検波部に入力された信号振幅のピーク電圧を前記検波部にて検出する。基準信号は直流電圧にて基準電圧を作成し、比較器５０４は、差動増幅回路にて実現する。図４に示す比較器５０４の場合、前記検波部の出力と基準信号部にて生成された直流電圧が前記比較器の入力として入力されるため、前記比較器の出力は、前記検波部の出力と前記直流電圧との差分が電流として出力される。ここで、ピークホールド検波部５０３と基準信号部５０２は対称性を有する構成とすることで、差動増幅回路の入力の直流成分を等しくすることができる。これにより、前記差動増幅回路の出力は直流成分の影響を無視できるようになり、前記比較器の出力は入力された信号成分を検波した成分のみが出力される。さらに、前記検波器の検波出力の電源電圧変動の影響を無視できるようになる。また、第一ＬＰＦ５０５を挿入することで、前記検波部にて検知された出力成分をより滑らかな信号を前記比較器に入力することが可能となる。電流電圧変換器４０４は例えば抵抗で実現できる。

また、本例ではバイポーラトランジスタにて比較器５０４の差動アンプやカレントミラーを構成しているが、ＣＭＯＳで同様の構成とすることで、低電源電圧での駆動も可能となる。また、電流源の温度依存性を調整することで検波出力の温度依存性を調整することが可能であることから、温度依存性の少ない検波出力を得ることが可能となる。

パワーアンプ１００の出力から検波入力をとるのではなく、各増幅段の入力から検波入力を取ることにより、インピーダンスの変動が前記アンプの出力にて検波した場合に比べ小さくなることから、検波出力の出力インピーダンスによる影響度を低減することが可能となる。

図５に各段の検波出力の電流のグラフを示す。図５に示すように、第三段検波器出力７０３が飽和し、次に第ニ段アンプ１０２の利得分ずれたレベルにて、第二段検波器出力７０２が飽和し、さらに第一段アンプ１０１の利得分ずれたレベルにて、第一段検波器出力７０１が飽和するというように、後段の増幅段から順に検波出力が飽和していく。このことより、これらの出力を重ね合わせ、電流を電圧に変換して検波出力端子１０９にて得られる出力は、図６に示すように、増幅器の幅広い出力レンジにて線形性を有する検波出力を得ることが可能となる。

以上のように、本実施形態によれば、多段構成の増幅器において、各段の入力を検波器の入力とすることで、各段毎にピークホールド検波した結果を足し合わせることができ、これにより、増幅器の検波出力の線形性を向上させることが可能となるため、増幅器の出力レベルが低いレンジにおける検波感度が高くなり、増幅器の制御性を高めることができる。さらに増幅器の出力にて検波していないことから、出力インピーダンスの変動による検波電圧への影響を低減することができるため、安定した検波出力を得ることができ、さらに電流源の温度依存性を調整することで検波出力の温度依存性を低減することができ、さらに電源電圧変動の影響を受けない検波出力を得ることができるという作用を有する。

本発明は、検波出力の線形性を向上させ、増幅器の出力レベルが低いレンジでの制御性を向上させるとともに、検波出力に対する出力インピーダンスの影響を低減させることで、検波出力の安定性を向上させるという効果を有し、各種無線機器、通信機器、測定器などに用いられる高周波電力増幅器などの増幅器として有用である。

ダイオード検波の電力増幅器の回路図 本発明における電力増幅器のブロック図 本発明における検波器のブロック図 本発明における検波器の例を示す図 本発明による各増幅段における検波出力を示す図 本発明による検波出力およびダイオード検波方式出力を示す図

符号の説明

１００ パワーアンプ
１０１ 第一段アンプ
１０２ 第二段アンプ
１０３ 第三段アンプ
１０４ 第一段間整合
１０５ 第二段間整合
１０６ 検波用ダイオード
１０７ ＲＦ信号入力端子
１０８ ＲＦ信号出力端子
１０９ 検波出力端子
４００ 出力電力検波器
４０１ 第一段検波器
４０２ 第ニ段検波器
４０３ 第三段検波器
４０４ 電流電圧変換器
５０２ 基準信号部
５０３ ピークホールド検波部
５０４ 比較器
５０５ 第一ＬＰＦ
５０６ 第二ＬＰＦ
６００ 直流成分遮断容量
７０１ 第一段検波器出力
７０２ 第二段検波器出力
７０３ 第三段検波器出力
８０１ 本発明における検波器出力
８０２ ダイオード検波方式出力

Claims (6)

1. ＲＦ信号が入力され、前記ＲＦ信号を増幅する電力増幅器と、
   前記増幅器の出力電力を検波する検波器を具備し、
   前記検波器は、前記増幅器の各増幅段の入力を検波器の入力とし、
   前記増幅段に入力される信号のピーク電圧を検出するピークホールド検波部と、
   前記ピークホールド検波部の出力と比較するための基準信号を出力する基準信号部と、
   前記ピークホールド検波部の出力と前記基準信号を比較する比較器と、
   前記増幅段のそれぞれの入力に対して検波した出力を足し合わせた電流を電圧に変換して出力する電流電圧変換器を有することを特徴とする電力増幅器。
2. 前記増幅器は、複数の増幅段と各増幅段の間に挿入された段間整合回路とを有する請求項１に記載の電力増幅器。
3. 前記ピークホールド検波部の出力と前記比較器の入力の間および前記基準信号部の出力と前記比較器の間に低域通過フィルタを具備する請求項１又は２に記載の電力増幅器。
4. 前記検波器および前記増幅器はＣＭＯＳで構成することで、低電源電圧にて駆動可能となることを特徴とする請求項１乃至３記載の電力増幅器。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の電力増幅器を用いた無線機器。
6. 前記ピークホールド検波部は、前記増幅段から入力される信号の直流成分を除去する直流成分遮断容量を備え、
   前記ピークホールド検波部から前記比較器に入力される信号と、前記基準信号部から前記比較器に入力される前記基準信号の直流成分が等しくされるよう制御することを特徴とする請求項１乃至４記載の電力増幅器。

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