JP4836253B2 - 電力増幅装置および携帯電話端末 - Google Patents

Description

本発明は、電力増幅装置に係り、特に携帯電話用のＯＦＤＭ変調信号の電力増幅に適した電力増幅装置、およびこれを用いた携帯電話端末に関する。

携帯電話で扱う通信信号の速度の高速化と高い周波数利用効率を実現するために直交周波数多重（0rthogonal Frequency Division Multiplex：ＯＦＤＭ）方式が注目されている。これは、非常に狭い周波数帯域幅で非常に高速な通信速度を実現できるので、日本のように周波数資源が逼迫している環境においては魅力的な方式である。しかしながら、この方式は、いわゆるピークファクタ（尖頭電力と平均電力の比）が、従来のＣＤＭＡ等の３ｄＢ程度に比べて１０ｄＢ以上と非常に大きいために、携帯電話用電力増幅器にかかる負担が大きくなっている。

ＯＦＤＭ方式に適用する電力増幅器としては、従来のように単一のトランジスタで増幅させるものは、歪み補償を施したとしても、出力が高々数ｄＢ改善される程度で、１０ｄＢものピークファクタを有する信号に対しては効果が期待できない。そこで、低出力時の動作と高出力での動作を分け、各々の出力を合成する構成が適している。このような合成型の電力増幅装置としては、ＬＩＮＣ（LInear amplification with Nonlinear Component）や、Ｄｏｈｅｒｔｙ増幅器が挙げられるが、上述したＯＦＤＭ方式の特性を考慮すると、Ｄｏｈｅｒｔｙ増幅器を基本にした構成が適していると考える（特許文献１参照）。
特開平７−２２８５２号公報 特開２００５−１１７５９９号公報 特開２００５−５２５７２７号公報

Ｄｏｈｅｒｔｙ増幅器の実現上のポイントはいわゆるキャリアアンプとピークアンプの二つのアンプの出力合成部でのインピーダンス変動である。ピークアンプは所定の閾値を超える信号のみを増幅するように動作するアンプである。このＤｏｈｅｒｔｙ増幅器の出力合成部では、ピークアンプが動作していない場合の、その出力インピーダンスは高周波的に開放でなければならない。

しかしながら、このような理想的な状態は、以下の理由から得られない。例えばＦＥＴ系トランジスタをピークアンプに用いた場合、そのドレインコンダクタンスが、キャリア増幅器から有限の値として現れる。しかも、通常この値はドレイン電圧変動に対して大きな非線形性を有するので、キャリアアンプのみが動作している場合に、ピークアンプから不要輻射や歪みが発生するという課題がある。また、このドレインコンダクタンスは、デバイスのチャネルインピーダンスに起因するので、一般には一定値をとることはなく、結果として設計ばらつきの主要な原因となる。ＨＢＴ系トランジスタを用いた場合には、コレクタコンダクタンスのばらつきはＦＥＴ系に比較して少ないといえるが、その非線形性が大きく、歪み等に問題は依然として残る。

このように、現実には上記のような理想的な状態を実現できるデバイスは存在し得ないので、回路的な工夫を加えて、結果として開放と同様な動作を得ている。例えば、特許文献２に記載のものがある。これは、入力信号のレベルに応じて電力増幅器の動作するバックオフを変えた場合に生じる出力合成の損失を低減するものである。しかし、この技術では、バックオフ値を変えることにより、電力増幅装置全体としての効率が低下するという重大な問題が生じる。

また、別の従来例としては、特許文献３に記載のものがある。これは、複数の補助電力増幅器を用いて、電力に応じて順番にオンすることにより電力合成時のインピーダンス変化幅を大きくして安定化したものである。この技術では、補助増幅器の数が大幅に増加し、全体として大型になり、かつ効率が低下するという課題がある。

本発明はこのような背景においてなされたものであり、比較的大きいピークファクタを有する信号に対して、比較的簡単な構成で歪みや効率の問題を解決できる電力増幅装置を提供することを企図する。

本発明による電力増幅装置は、入力信号を受ける入力端子と、前記入力信号を増幅する、Ａ級またはＡＢ級動作にバイアス設定した第１の電力増幅器と、この第１の電力増幅器の出力が接続される出力端子と、前記入力信号の一部を分岐して入力し増幅する、Ｃ級動作にバイアス設定した第２の電力増幅器と、この第２の電力増幅器の出力と前記出力端子との間に接続したスイッチとを備えたことを特徴とする。

この構成において、入力信号の電力値が低いときは第１の電力増幅器のみが動作状態となり第２の電力増幅器は休止状態となる。このとき、スイッチはＯＦＦ状態となる。したがって、第２の電力増幅器から不要輻射や歪みが発生しても、スイッチにより出力端子から遮断される。入力信号が増加し、ある値を超えた場合に、第２の電力増幅器が動作状態となるとともに、スイッチがオンし、両電力増幅器の出力が合成される。

この電力増幅装置は、携帯電話端末においてＯＦＤＭ変調信号等の較的大きいピークファクタを有する信号の電力増幅を行う電力増幅装置として利用して好適である。

本発明の電力増幅装置によれば、Ｃ級動作の第２の電力増幅器がオフしている間は、そこから不要輻射や歪みが発生しても、スイッチでその電力合成点を遮断するので、Ａ級またはＡＢ級動作の電力増幅器の歪みを悪化させることなくＯＦＤＭ変調信号に対する高効率での電力増幅動作を行うことが可能となる。

以下、本発明の好適な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

本実施の形態の説明の前に、ＯＦＤＭ信号を電力増幅器（ＰＡ：Power Amplifier）で増幅する場合の問題について説明する。図３は、ＯＦＤＭ信号の電力変動の時間変化の例を示している。ＯＦＤＭ信号の特徴は、同図の“ｍｅａｎ”と示した平均電力値と“ｐｅａｋ”と示した尖頭電力値の差が非常に大きいということである。この差は、電力差で１０ｄＢ以上となることがある。このような尖頭電力値と平均電力値との差をピークファクタと称する。電力増幅器でこのようなピークファクタの大きい信号を極力無歪みで増幅するためには、例えば、平均出力２８ｄＢｍの出力が必要な場合、飽和出力が３８ｄＢｍ以上のＰＡが必要になる。ところが、送信時間の大部分は低い２８ｄＢｍ程度で動作するので、バックオフ１０ｄＢの動作点となる。通常の、電力増幅器の効率は、出力の低下と共に低下する。例えば飽和出力３８ｄＢｍの電力増幅器の場合、３８ｄＢｍでの効率が４０％程度とすると、２８ｄＢｍでは、効率５％程度となってしまい、電力損失が多く、携帯端末にとって、連続動作時間、発熱の点で重大な問題を生じることになる。

図１は、本発明の電力増幅装置の概略構成を示すブロック図である。この電力増幅装置は、第１の電力増幅器（ＰＡ＿１）１０と第２の電力増幅器（ＰＡ＿２）２０を組み合わせた合成型の電力増幅装置である。

第１の電力増幅器１０は、ＡＢ級動作にバイアス設定した電力増幅器である。（ＡＢ級の代わりにＡ級であってもよい。）第２の電力増幅器２０は、入力信号ｓｉｇｉｎの一部を分岐して入力として、Ｃ級動作にバイアス設定した電力増幅器である。両電力増幅器１０，２０の出力は、スイッチ（ＳＷ）３０を介して互いに接続されており、電力増幅器１０の出力端子が本電力増幅装置の出力端子ｓｉｇｏｕｔを兼ねている。この電力増幅装置は、入力信号ｓｉｇｉｎの電力値が低いときは電力増幅器１０が動作状態となり、電力増幅器２０は休止状態となる。このとき、スイッチ３０はＯＦＦ状態となる。入力信号ｓｉｇｉｎの電力値が増加し、ある値を超えた場合に、電力増幅器２０が動作状態となるとともに、スイッチ３０がオンし、両出力が合成される。このとき、電力増幅器１０および電力増幅器２０を通過する位相を共に同じ値に調整しておくことにより、両電力増幅器１０，２０の出力は同相で合成される。

本実施の形態の電力増幅装置を前述のＯＦＤＭに適用した場合の動作を説明する。入力信号ｓｉｇｉｎが図３に示すＯＦＤＭによる信号である場合、同図のｍｅａｎ時には、電力増幅器１０のみが動作する。図４に示すように、このとき、スイッチ３０はＯＦＦ状態となる。また、このときの効率は、４０％程度が可能となる。Ｓｉｇｉｎがｐｅａｋの場合、電力増幅器２０が動作するとともにスイッチ３０がＯＮ状態となる。これにより、電力増幅器１０と電力増幅器２０が同相で合成され、飽和出力が増加する。

なお、Ｃ級電力増幅器は本来高効率動作が可能（理論的には１００％だが、駆動段により多少劣化し、実用範囲では６５％程度）であるため、ｐｅａｋ時には２６％程度の効率で動作できる。Ｐｅａｋ時の効率はｍｅａｎ時より低下するが、そのような状態で動作する時間は非常に短いので、電池寿命や発熱に与える影響は無視できる。

図２は、本発明の実施の形態による電力増幅装置の具体的な第１の回路構成を示す。この電力増幅装置は、入力信号ｓｉｇｉｎの一部をコンデンサ３１（ＣＰ１）にて分岐させ、電力増幅器１０と電力増幅器２０に入力させている。スイッチ３０として、ＰＩＮダイオード３０ａ（ＰＩＮ＿ＳＷ）を用い、そのカソード端子に電力増幅器２０の出力端を接続し、アノード端子を出力端子ｓｉｇｏｕｔに接続する。電力増幅器１０の出力端はコイル３２（Ｌ１）を介して出力端子ｓｉｇｏｕｔに接続する。

電力増幅器１０および電力増幅器２０は各々ＦＥＴの２段従属構成の増幅器である。

電力増幅器１０は、２段のＦＥＴ１２，１６を有し、ＡＢ級バイアスされる。第１段のソース接地ＦＥＴ１２は、ゲート端子に整合回路１１を介して入力信号ｓｉｇｉｎを受け、ドレイン端子に電源供給コイル１３を介してドレイン電圧Ｖｄｄを供給される。ＦＥＴ１２のドレイン端子は整合回路１４を介して第２段のソース接地ＦＥＴ１６のゲート端子に接続される。ＦＥＴ１６のドレインには電源供給コイル１５（Ｌａｂ）を介してドレイン電圧Ｖｄｄを供給される。ＦＥＴ１６のドレイン端子は整合回路１７（Ｍ１）およびコイル３２（Ｌ１）を介して出力端子ｓｉｇｏｕｔに接続される。整合回路Ｍ１は、ドレイン端子に対して接続されたコイル１８と、このコイル１８の他端側と接地との間に接続されたコンデンサ１９とを有する。整合回路１７（Ｍ１）は最大電力を供給できる整合インピーダンスＺＬ１を実現できるように各定数を最適化する。

電力増幅器２０は、電力増幅器１０と同様に、２段のＦＥＴ２２，２６を有するが、増幅器１０と異なり、Ｃ級バイアスで駆動される。第１段のソース接地ＦＥＴ２２は、ゲート端子に、コンデンサ３１（ＣＰ１）および整合回路２１を介して入力信号ｓｉｇｉｎを受け、ドレイン端子に電源供給コイル２３を介してドレイン電圧Ｖｄｄを供給される。ＦＥＴ２２のドレイン端子は整合回路２４を介して第２段のソース接地ＦＥＴ２６のゲート端子に接続される。ＦＥＴ２６のドレイン端子には電源供給コイル２５（Ｌｃ）を介してドレイン電圧Ｖｄｄを供給される。ＦＥＴ２６のドレイン端子は整合回路２７（Ｍ２）および上記ＰＩＮダイオード３０ａにより構成されたスイッチ（ＰＩＮ＿ＳＷ）を介して出力端子ｓｉｇｏｕｔに接続される。整合回路２７（Ｍ２）は、ＦＥＴ２６のドレイン端子に対して接続されたコイル２８と、このコイル２８の他端側と接地との間に接続されたコンデンサ２９とを有する。整合回路２７（Ｍ２）は最大電力を供給できる整合インピーダンスＺＬ２を実現できるように各定数を最適化する。

入力信号ｓｉｇｉｎが図３に示すようなＯＦＤＭによる信号の場合、同図のｍｅａｎ時には、電力増幅器１０のみが動作し、電力増幅器２０はＯＦＦ状態となる。このとき、図４に示したように、ＰＩＮダイオード３０ａのＳＷには電流が流れずＯＦＦとなる。入力信号ｓｉｇｉｎがｐｅａｋの場合、電力増幅器２０がＯＮとなり、コイルＬｃを介して電流がＦＥＴ２６のドレイン端子に流れ込むが、同時に、電力増幅器１０側のコイルＬａｂを介して、Ｖｄｄ−Ｌａｂ−Ｍ１中のコイル１８−ＰＩＮダイオード３０ａ−Ｍ２中のコイル２８−電力増幅器２０出力ＦＥＴ２６のドレインという経路で、ＰＩＮダイオード３０ａにも電流が流れる。従って、ＰＩＮダイオード３０ａがオンする。以降の動作は、前述した通りである。

図２の回路構成によれば、入力信号に応じたスイッチ３０の切り替えタイミングが自立的に定まるので、スイッチ３０の特別な制御回路が不要となる利点がある。

図５は、図２の回路構成に代わる第２の回路構成を示している。図２に示したと同様の構成要素には同じ参照番号を付して重複した説明は省略する。本実施の形態においては、スイッチ３０としてＦＥＴ３０ｂ（ＦＥＴ＿ＳＷ）を用い、このＦＥＴ３０ｂのソース端子を出力端子ｓｉｇｏｕｔに接続する。ＦＥＴ３０ｂのドレイン端子には第１の電力増幅器１０の出力端子を接続し、ゲート端子にスイッチ切り替えを行うための制御信号（電圧）を発生させる制御信号発生回路としての検波回路４０を接続する。この検波回路４０は、入力信号ｓｉｇｉｎからコンデンサＣ１を用いてその一部を分岐し、検波用ダイオード４５（ＤＩ）、抵抗４２（Ｒ２）、コンデンサ４１（Ｃ２）を用いて検波出力を生成する検波回路を用いる。この回路により包絡線成分を抽出し、スイッチＦＥＴ３０ｂのゲート電圧として印加する。なお、検波用ダイオード４５（ＤＩ）のカソードには、抵抗４３（Ｒ１）を介して、基準電圧Ｖｒｅｆを印加する。これは、スイッチがＯＮ／ＯＦＦの切り替わりの電力レベル（閾値）を設定するためである。

上記と同様に図３に示したようなＯＦＤＭ信号の場合を説明する。図４に示したように、入力信号ｓｉｇｉｎがｍｅａｎ時には、電力増幅器１０のみが動作し、電力増幅器２０はＯＦＦ状態となる。このとき検波回路４０の出力は低く、スイッチＦＥＴ３０ｂをオンできない。ｓｉｇｉｎがｐｅａｋとなった場合、電力増幅器２０がＯＮ状態となったとき、検波回路４０の出力が高くなり、スイッチＦＥＴ３０ｂをオンする。

なお、図５の回路構成においては検波回路４０による制御信号の生成に遅延が生じうる。この遅延によってＦＥＴ３０ｂのＯＮ／ＯＦＦタイミングが入力信号ｓｉｇｉｎのピークからずれてしまう不具合を防止するためには、図６に示すように、電力増幅器１０の前段に入力信号ｓｉｇｉｎを所定時間遅延させる遅延回路５２を挿入する。遅延回路５２は、検波回路４０での制御信号の遅延に見合うだけの遅延時間を生じるよう、例えば抵抗およびコンデンサの組み合わせ回路により構成することができる。

以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、上記で言及した以外にも種々の変形、変更を行うことが可能である。例えば、増幅用トランジスタとしてＦＥＴを用いる例を示したが、バイポーラトランジスタを用いてもよい。特に電力増幅器２０としてバイポーラトランジスタを用いれば、電力増幅器２０のオフ状態をより確実にすることができる。

本発明の電力増幅装置の概略構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態による電力増幅装置の具体的な第１の回路構成を示す図である。 ＯＦＤＭ信号の電力変動の時間変化の例を示す図である。 ＯＦＤＭ信号に対するスイッチの切り替え状態を示す図である。 図２の回路構成に代わる第２の回路構成を示す図である。 図５の回路構成の変形例を示す図である。

符号の説明

１０…電力増幅器、１１…整合回路、１２…ＦＥＴ、１３…電源供給コイル、１４…整合回路、１５…電源供給コイル、１６…ＦＥＴ、１８…コイル、１９…コンデンサ、２０…電力増幅器、２１…整合回路、２２…ＦＥＴ、２３…電源供給コイル、２４…整合回路、２５…電源供給コイル、２６…ＦＥＴ、２８…コイル、２９…コンデンサ、３０…スイッチ、３０ａ…ＰＩＮダイオード、３０ｂ…スイッチＦＥＴ、３１…コンデンサ、３２…コイル、４０…検波回路（制御回路）、４１…コンデンサ、４２…抵抗、４３…抵抗、４５…検波用ダイオード、５２…遅延回路

Claims (2)

1. 入力信号を受ける入力端子と、
   前記入力信号を増幅する、Ａ級またはＡＢ級動作にバイアス設定した第１の電力増幅器と、
   この第１の電力増幅器の出力が接続される出力端子と、
   前記入力信号の一部を分岐して入力し増幅する、Ｃ級動作にバイアス設定した第２の電力増幅器と、
   この第２の電力増幅器の出力と前記出力端子との間に接続したスイッチとを備え、
   前記スイッチは、カソード端子に前記第２の電力増幅器の出力を受け、アノード端子が前記出力端子に接続されたＰＩＮダイオードを含み、
   入力信号の電力値に応じて、前記電力値が低いときは前記第１の電力増幅器が動作状態となり前記第２の電力増幅器は休止状態となるとともに前記ＰＩＮダイオードはＯＦＦ状態にあり、入力信号の電力値に応じて、前記電力値が増加し、ある値を超えた場合に、前記第２の電力増幅器が動作状態となるとともに、前記ＰＩＮダイオードがオンし、前記第１および第２の電力増幅器の出力が合成される
   ことを特徴とする電力増幅装置。
2. ＯＦＤＭ変調信号の電力増幅を行う電力増幅装置を備えた携帯電話端末であって、
   前記電力増幅装置は、
   入力信号を受ける入力端子と、
   前記入力信号を増幅する、Ａ級またはＡＢ級動作にバイアス設定した第１の電力増幅器と、
   この第１の電力増幅器の出力が接続される出力端子と、
   前記入力信号の一部を分岐して入力し増幅する、Ｃ級動作にバイアス設定した第２の電力増幅器と、
   この第２の電力増幅器の出力と前記出力端子との間に接続したスイッチとを備え、
   前記スイッチは、カソード端子に前記第２の電力増幅器の出力を受け、アノード端子が前記出力端子に接続されたＰＩＮダイオードを含み、
   入力信号の電力値に応じて、前記電力値が低いときは前記第１の電力増幅器が動作状態となり前記第２の電力増幅器は休止状態となるとともに前記ＰＩＮダイオードはＯＦＦ状態にあり、入力信号の電力値に応じて、前記電力値が増加し、ある値を超えた場合に、前記第２の電力増幅器が動作状態となるとともに、前記ＰＩＮダイオードがオンし、前記第１および第２の電力増幅器の出力が合成される
   ことを特徴とする携帯電話端末。

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