JP4895912B2 - 信号増幅装置 - Google Patents

Description

本発明は、信号を増幅して一定のレベルで出力する信号増幅装置に関する。

一般に、増幅器の特性は、増幅器の負荷インピーダンスによって変化する。携帯電話等の小型の無線通信装置では、アンテナが人体や金属に近接することによってアンテナ特性が大きく変わり、その結果、増幅器の負荷インピーダンスが変化する。増幅器と負荷としてのアンテナを直接接続した場合、アンテナ特性の変化により増幅器の消費電流や歪特性等が変化して送信特性が変化し、その結果、通信性能の劣化が起こり得る。このため、増幅器を使用する場合、増幅器が負荷の状態による影響を受けないよう、増幅器と負荷との間にアイソレータが設けられる。

特開２０００−２９５０５５号公報 特開２００３−０８７１２９号公報

アイソレータを設けると増幅器の特性は安定するが、回路面積が増加し、電力損失も増加する。電力損失の増加により、増幅器はアイソレータによる電力損失だけ高い出力が必要となるため、結果として増幅器の消費電力が増加する。

このため、アイソレータを設けずに、負荷変動によって増幅器の特性が変化しても増幅器出力の整合回路を調整する方法が提案されている。しかし、この方法では、可変負荷及び制御回路が新たに必要となり、アイソレータを削減したことによる無線部の小型化及び電力損失の低減が困難であった。また、送信出力を一定に保つために、増幅器出力の一部を検波し、その検波結果に応じて出力電力を制御する自動電力制御（Automatic Power Control：ＡＰＣ）を、アイソレータが設けられていない状態で用いると、検波特性が負荷インピーダンスによって変化するため、正確な送信電力制御が困難であった。

本発明の目的は、消費電力を上げずに安定した出力特性を確保することのできる信号増幅装置を提供することである。

本発明は、信号を増幅して一定のレベルで出力する信号増幅装置であって、ゲインが可変であり、入力信号を増幅する第１の増幅部と、ゲインが固定であり、前記第１の増幅部により増幅された信号をさらに増幅する第２の増幅部と、前記第２の増幅部の出力電力を検出する出力電力検出部と、前記第２の増幅部の消費電力を検出し、当該検出した消費電力と外部から入力された送信電力指定値に対応する基準消費電力との差から得られる電源電圧補正量を算出して、当該電源電圧補正量に基づいて前記第２の増幅部に供給する電源電圧を制御する電源電圧制御部と、前記出力電力検出部により検出された出力電力値と前記送信電力指定値との差から電力補正量を算出し、当該算出した電力補正量に基づいて前記送信電力指定値を調整して、当該調整した送信電力指定値に応じて前記第１の増幅部のゲインを制御する自動電力制御部と、を備え、前記第２の増幅部で増幅した信号を負荷に供給する信号増幅装置を提供する。

上記信号増幅装置では、前記電源電圧制御部は、前記第２の増幅部の消費電力が一定になるように前記第２の増幅部に供給する電源電圧を制御する。

上記信号増幅装置では、前記自動電力制御部は、前記電源電圧補正量に基づいて前記電力補正量を減少させる。

上記信号増幅装置では、前記自動電力制御部は、前記電源電圧補正量に基づいて前記送信電力指定値を調整するタイミングを遅くさせる。

本発明に係る信号増幅装置によれば、消費電力を上げずに安定した出力特性を確保することができる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の無線通信装置を示すブロック図である。図１に示すように、第１の実施形態の無線通信装置１００は、ベースバンド回路１０１と、無線送信部１５０と、アンテナ共用器１０７と、アンテナ１０８と、電流検出部１０９と、電圧検出部１１０と、電源電圧制御部１１１と、自動電力制御（ＡＰＣ）部１１２とを備える。無線送信部１５０は、局部発振器１０２と、ミキサ部１０３と、ゲインコントロールアンプ（ＧＣＡ）１０４と、パワーアンプ（ＰＡ）１０５と、出力電力検出部１０６とを有する。

ベースバンド回路１０１は、送信するデータであるベースバンド信号を生成する。無線送信部１５０が有する局部発振器１０２は、所定周波数の信号を出力する。ミキサ部１０３は、局部発振器１０２からの信号を用いてベースバンド信号を変調する。ゲインコントロールアンプ（ＧＣＡ）１０４は、ゲインが可変であり、ミキサ部の出力信号を増幅する。パワーアンプ（ＰＡ）１０５は、ゲインが固定であり、ゲインコントロールアンプ１０４の出力信号をさらに増幅する。出力電力検出部１０６は、ＰＡ１０５の出力電力を検出して、その結果（検出電力を示す情報Ｐｄｅｔ）をＡＰＣ部１１２に入力する。なお、自動電力制御（ＡＰＣ）に用いられる出力電力検出部には一般に方向性結合器等が用いられるが、あくまで正規化したインピーダンスで作られている。このため、図２に示すように、負荷インピーダンスが変化した場合は、結合量の変化により検出電力が変化するという特性がある。

アンテナ共用器１０７は、出力電力検出部１０６の後段に設けられ、図示しない無線受信部とアンテナ１０８を共用する。アンテナ１０８は、アンテナ共用器１０７に接続され、無線信号を外部へ送出又は外部から受信する。

電流検出部１０９は、ＰＡ１０５の電源電流を電圧値として検出して、その結果を電源電圧制御部１１１に入力する。なお、電流検出部１０９で検出された電圧値は電源電圧制御部１１１でＶ−Ｉ変換される。電圧検出部１１０は、ＰＡ１０５に供給される電源電圧を検出して、その結果を電源電圧制御部１１１に入力する。電源電圧制御部１１１は、ＰＡ１０５の消費電力が一定となるよう、電流検出部１０９が得た情報、電圧検出部１１０が得た情報、及び送信電力指定値に基づいて、ＰＡ１０５に供給する電源電圧を制御する。電源電圧制御部１１１の詳細は後述する。

自動電力制御（ＡＰＣ）部１１２は、出力電力検出部１０６からの検出電力Ｐｄｅｔと電源電圧制御部１１１からの電源電圧補正量ΔＶｃｃとに基づいて、送信電力指定値に応じた電力でＰＡ１０５が増幅信号を出力するようＧＣＡ１０４のゲインを制御する。ＡＰＣ部１１２の詳細は後述する。

以下、電源電圧制御部１１１の詳細について、図３を参照して説明する。図３に示すように、電源電圧制御部１１１は、電源電圧算出部２０１と、Ｖ−Ｉ変換部２０２と、消費電力算出部２０３と、基準消費電力格納部２０４と、消費電力誤差算出部２０５と、電源電圧補正量算出部２０６と、電源部２０７とを有する。

電源電圧算出部２０１は、送信電力指定値に基づいてＰＡ１０５に供給する電源電圧Ｖｃｃを算出する。Ｖ−Ｉ変換部２０２は、電流検出部１０９から入力された電圧値を電流値に変換する。消費電力算出部２０３は、Ｖ−Ｉ変換部２０２から得られた電流値と電圧検出部１１０から入力された電源電圧値とに基づいて、ＰＡ１０５の消費電力Ｐｃｃを算出する。基準消費電力格納部２０４は、送信電力指定値に対応したＰＡ１０５の消費電力値を記憶し、送信電力指定値に応じた基準消費電力Ｐｃｃ＿ｒｅｆを示す情報を出力する。

消費電力誤差算出部２０５は、消費電力算出部２０３で算出されたＰＡ１０５の消費電力値Ｐｃｃと基準消費電力格納部２０４から入力された基準消費電力を比較し、その誤差を算出する。電源電圧補正量算出部２０６は、消費電力誤差算出部２０５で算出された消費電力誤差ΔＰｃｃに基づいて、ＰＡ１０５に供給する電源電圧の補正量（電源電圧補正量）ΔＶｃｃを算出する。電源部２０７は、電源電圧算出部２０１で算出された電源電圧Ｖｃｃに電源電圧補正量算出部２０６で算出された電源電圧補正量ΔＶｃｃを加算した電源電圧ＰＡＶｃｃをＰＡ１０５に供給する。なお、電源電圧補正量算出部２０６で算出された電源電圧補正量ΔＶｃｃは、ＡＰＣ部１１２にも送られる。

図４及び図５を参照して、電源電圧制御部１１１の動作について説明する。図４は、異なる負荷インピーダンス時の、パワーアンプに供給する電源電圧（Ｖｃｃ）と当該パワーアンプの歪特性（ＡＣＬＲ）との関係を示すグラフである。図５は、異なる負荷インピーダンス時の、パワーアンプに供給する電源電圧（Ｖｃｃ）と当該パワーアンプの消費電力（Ｐｃｃ）との関係を示すグラフである。

図４に示すように、パワーアンプに供給する電源電圧が同一であっても、負荷インピーダンスによって当該パワーアンプの歪特性は大きく変化する。また、図５に示すように、パワーアンプに供給する電源電圧が同一であっても、負荷インピーダンスによって当該パワーアンプの消費電力も変化する。さらに、消費電力が大きいと歪特性は良く、消費電力が小さいと歪特性は劣化する。電源電圧制御部１１１は、ＰＡ１０５の消費電力が一定となるよう、ＰＡ１０５に供給する電源電圧を図５に示すΔＶ_Ａ又はΔＶ_Ｂだけ調整する。このような電源電圧制御部１１１による電源電圧の調整により、図４に示す電源電圧調整前のＰＡ１０５の動作点をＡ, ＢからポイントＡ’，Ｂ’へと変更することで歪特性の変化を防ぎ、ＰＡ１０５の歪特性を安定化することができる。

次に、ＡＰＣ部１１２の詳細について、図６を参照して説明する。図６に示すように、ＡＰＣ部１１２は、電力誤差算出部５０１と、電力補正量算出部５０２と、ＡＰＣ動作調整部５０３と、ＧＣＡ設定値算出部５０４と、初期状態保持部５０５を有する。

電力誤差算出部５０１は、出力電力検出部１０６からの検出電力Ｐｄｅｔが示す電力値と送信電力指定値との差を電力誤差として算出する。電力補正量算出部５０２は、電力誤差算出部５０１で算出された電力誤差から電力補正量を算出する。ＡＰＣ動作調整部５０３は、電力補正量算出部５０２で算出された電力補正量と、電源電圧制御部１１１から入力された電源電圧補正量ΔＶｃｃとに基づいて、送信電力指定値を調整する。ＧＣＡ設定値算出部５０４は、ＡＰＣ動作調整部５０３からの送信電力補正値と送信電力指定値に基づいて、ＧＣＡ１０４のゲインを設定するための設定値を算出する。初期状態保持部５０５は、ＡＰＣ動作調整部５０３の設定の初期状態を保持する。

以下、本実施形態の無線通信装置１００の動作について説明する。図７は、ＰＡ１０５に供給する電源電圧の制御とＡＰＣ部１１２による自動電力制御（ＡＰＣ）を同時に行った場合の制御電圧を示す図である。図７に示す時間ｔ１で負荷インピーダンスが変化して、図５に示すようにＰＡ１０５の消費電力が変化し、ＰＡ１０５の電源電流ＰＡＩｃｃが増加したとする。また、このとき、負荷インピーダンスの位相により、出力電力検出部１０６による検出電力Ｐｄｅｔが減少したとする。その後、時間ｔ２に、電源電圧制御部１１１は、ＰＡ１０５の消費電力を一定に保つため、ＰＡ１０５に供給する電源電圧ＰＡＶｃｃを下げるよう制御する。次に、時間ｔ１で出力電力検出部１０６による検出電力Ｐｄｅｔが減少したため、時間ｔ３で、ＡＰＣ部１１２がＧＣＡ１０４の制御電圧を上げてゲインを上げることで送信電力を増加させる。送信電力の増加によりＰＡ１０５の消費電力は増加するため、ＰＡ１０５の電源電流ＰＡＩｃｃが増加する。このため、時間ｔ４に、電源電圧制御部１１１は、ＰＡ１０５の消費電力を一定に保つため、ＰＡ１０５に供給する電源電圧ＰＡＶｃｃをさらに下げるよう制御する。

以上説明したように、電源電圧制御部１１１は、ＰＡ１０５の消費電力が一定となるよう、ＰＡ１０５に供給する電源電圧を制御している。一方、ＡＰＣ部１１２は、ＰＡ１０５の出力電力が一定となるようＧＣＡ１０４のゲインを変え、ＰＡ１０５の入力電力を制御している。ＰＡ１０５に供給する電源電圧を下げ、ＰＡ１０５の入力電力を上げるとＰＡ１０５の歪特性の劣化を招き、無線通信装置１００が無線通信端末としての規格を満たせない可能性がある。したがって、本実施形態では、負荷インピーダンスが変化したときはＡＰＣ動作調整部５０３によりＡＰＣ制御の動作状態を変更し、送信性能の確保を行なう。

図８は、負荷インピーダンスの変化に応じてＰＡ１０５の歪特性を維持する際の、本実施形態の無線通信装置１００の動作を示すフローチャートである。本実施形態の無線通信装置１００は図８に示す動作を定期的に繰り返し実行する。

ステップＳ８０１では、電源電圧制御部１１１がＰＡ１０５の消費電力Ｐｃｃを算出する。次に、ステップＳ８０２では、電源電圧制御部１１１が、算出された消費電力Ｐｃｃと基準消費電力Ｐｃｃ＿ｒｅｆとの差から消費電力誤差ΔＰｃｃを算出する。ステップＳ８０３では、電源電圧制御部１１１が、消費電力誤差ΔＰｃｃを予め指定された消費電力閾値ΔＰｃｃ＿ｔｈと比較する。消費電力誤差ΔＰｃｃが消費電力閾値ΔＰｃｃ＿ｔｈよりも大きい場合は、負荷インピーダンスが変化したと判断してステップＳ８０４に進む。一方、消費電力誤差ΔＰｃｃが消費電力閾値ΔＰｃｃ＿ｔｈ以下の場合は、負荷インピーダンスが変化していない、又はＰＡ１０５に供給する電源電圧Ｖｃｃの補正が完了していると判断し、ステップＳ８０６に進む。

ステップＳ８０４では、負荷インピーダンスの変化に伴ってＰＡ１０５の歪特性が劣化しないよう、ＡＰＣ動作調整部５０３によりＡＰＣ動作を調整する。次に、ステップＳ８０５では、ＰＡ１０５の消費電力が一定となるよう、電源電圧制御部１１１が、ＰＡ１０５に供給する電源電圧を制御する。

一方、ステップＳ８０６では、電源電圧制御部１１１が、電源電圧補正量ΔＶｃｃを予め設定された電源電圧補正量閾値ΔＶｃｃ＿ｔｈと比較する。電源電圧補正量ΔＶｃｃが電源電圧補正量閾値ΔＶｃｃ＿ｔｈ以下の場合は、負荷インピーダンスが変化しておらず、かつ、ＰＡ１０５に供給する電源電圧Ｖｃｃの補正は行われていないと判断してステップＳ８０７に進む。一方、電源電圧補正量ΔＶｃｃが電源電圧補正量閾値ΔＶｃｃ＿ｔｈよりも大きい場合は、負荷インピーダンスは変化したが、ＰＡ１０５に供給する電源電圧Ｖｃｃの補正は完了していると判断して処理を終了する。ステップＳ８０７では、ＡＰＣ部１１２がステップＳ８０４で行われるＡＰＣ動作調整部５０３によるＡＰＣ動作の調整が行われているかを初期状態保持部５０５と現在の設定値との比較により判断し、ＡＰＣ動作の調整が行われていた場合はステップＳ８０８に進み、ＡＰＣ動作の調整が行われていない場合は処理を終了する。ステップＳ８０８では、ＡＰＣ部１１２はＡＰＣ動作調整部５０３により変更されたＡＰＣ動作の設定を初期状態保持部５０５の値に初期化して処理を終了する。

以上説明したように、本実施形態の無線通信装置１００は、負荷インピーダンスが変化していないときは通常のＡＰＣを行い、人体や金属等の近接によるアンテナ１０８の特性変化により負荷インピーダンスが変化したときにはＡＰＣの動作を調整する。このため、アイソレータを用いなくても、負荷インピーダンスの変化に起因するＰＡ１０５の歪特性の劣化を抑えることができる。

（第２の実施形態）
図９は、第２の実施形態の無線通信装置が備えるＡＰＣ部が有するＡＰＣ動作調整部を示すブロック図である。図９に示すように、第２の実施形態のＡＰＣ動作調整部５１３は、補正量調整部９０１と、タイミング調整部９０２とを有する。補正量調整部９０１は、１回のＡＰＣ動作で補正する補正量をループゲインの変更等によって調整する。タイミング調整部９０２は、ＡＰＣ動作のタイミングをカウンタのカウント等で調整する。

本実施形態では、第１の実施形態のＡＰＣ動作調整部５０３の調整において補正量調整部９０１を制御する。第２の実施形態では、補正量調整部９０１は、アンテナ１０８の特性変化により負荷インピーダンスが変化したときには、ＡＰＣによる補正量を減少若しくはゼロにすることで、ＡＰＣによる歪特性の劣化を抑える。そして、負荷インピーダンスが元の状態に戻ったときには、ＡＰＣの補正量を元の状態に戻し、従来のＡＰＣを行う。この動作によってアンテナ１０８の特性変化により負荷インピーダンスが変化してもＡＰＣ動作を緩やかにするため、出力特性を確保できる。

（第３の実施形態）
図１０は、第３の実施形態の無線通信装置が備えるＡＰＣ部が有するＡＰＣ動作調整部を示すブロック図である。図１０に示すように、第３の実施形態のＡＰＣ動作調整部５２３は、補正量調整部１００１と、タイミング調整部１００２とを有する。補正量調整部１００１は、１回のＡＰＣ動作で補正する補正量をループゲインの変更等によって調整する。タイミング調整部１００２は、ＡＰＣ動作のタイミングをカウンタのカウント等で調整する。

本実施形態では、第１の実施形態のＡＰＣ動作調整部５０３の調整においてタイミング調整部１００２を制御する。第３の実施形態では、アンテナ１０８の特性変化により負荷インピーダンスが変化したときには、ＡＰＣのタイミングを遅くして調整回数を少なくすることで、同一時間内での調整量を減らして、ＡＰＣによる歪特性の劣化を抑える。そして、負荷インピーダンスが元の状態に戻ったときは、ＡＰＣの制御タイミングを元の状態に戻し、従来のＡＰＣを行う。この動作によってアンテナ１０８の特性変化により負荷インピーダンスが変化してもＡＰＣ動作を緩やかにするため、出力特性を確保できる。

本発明に係る信号増幅装置は、アイソレータを使用しない増幅回路等として有用である。

第１の実施形態の無線通信装置を示すブロック図 出力電力検出部の特性を示す図 電源電圧制御部を示すブロック図 異なる負荷インピーダンス時の、パワーアンプに供給する電源電圧（Ｖｃｃ）と当該パワーアンプの歪特性（ＡＣＬＲ）との関係を示すグラフ 異なる負荷インピーダンス時の、パワーアンプに供給する電源電圧（Ｖｃｃ）と当該パワーアンプの消費電力（Ｐｃｃ）との関係を示すグラフ ＡＰＣ部を示すブロック図 ＰＡ１０５に供給する電源電圧の制御とＡＰＣ部１１２による自動電力制御（ＡＰＣ）を同時に行った場合の制御電圧を示す図 負荷インピーダンスの変化に応じてＰＡ１０５の歪特性を維持する際の、本実施形態の無線通信装置１００の動作を示すフローチャート 第２の実施形態の無線通信装置が備えるＡＰＣ部が有するＡＰＣ動作調整部を示すブロック図 第３の実施形態の無線通信装置が備えるＡＰＣ部が有するＡＰＣ動作調整部を示すブロック図

符号の説明

１００ 無線通信装置
１０１ ベースバンド回路
１５０ 無線送信部
１０７ アンテナ共用器
１０８ アンテナ
１０９ 電流検出部
１１０ 電圧検出部
１１１ 電源電圧制御部
１１２ 自動電力制御（ＡＰＣ）部
１０２ 局部発振器
１０３ ミキサ部
１０４ ゲインコントロールアンプ（ＧＣＡ）
１０５ パワーアンプ（ＰＡ）
１０６ 出力電力検出部
２０１ 電源電圧算出部
２０２ Ｖ−Ｉ変換部
２０３ 消費電力算出部
２０４ 基準消費電力格納部
２０５ 消費電力誤差算出部
２０６ 電源電圧補正量算出部
２０７ 電源部
５０１ 電力誤差算出部
５０２ 電力補正量算出部
５０３，５１３，５２３ ＡＰＣ動作調整部
５０４ ＧＣＡ設定値算出部
５０５ 初期状態保持部

Claims (4)

1. 信号を増幅して一定のレベルで出力する信号増幅装置であって、
   ゲインが可変であり、入力信号を増幅する第１の増幅部と、
   ゲインが固定であり、前記第１の増幅部により増幅された信号をさらに増幅する第２の増幅部と、
   前記第２の増幅部の出力電力を検出する出力電力検出部と、
   前記第２の増幅部の消費電力を検出し、当該検出した消費電力と外部から入力された送信電力指定値に対応する基準消費電力との差から得られる電源電圧補正量を算出して、当該電源電圧補正量に基づいて前記第２の増幅部に供給する電源電圧を制御する電源電圧制御部と、
   前記出力電力検出部により検出された出力電力値と前記送信電力指定値との差から電力補正量を算出し、当該算出した電力補正量に基づいて前記送信電力指定値を調整して、当該調整した送信電力指定値に応じて前記第１の増幅部のゲインを制御する自動電力制御部と、を備え、
   前記第２の増幅部で増幅した信号を負荷に供給する信号増幅装置。
2. 前記電源電圧制御部は、前記第２の増幅部の消費電力が一定になるように前記第２の増幅部に供給する電源電圧を制御する請求項１に記載の信号増幅装置。
3. 前記自動電力制御部は、前記電源電圧補正量に基づいて前記電力補正量を減少させる請求項１または請求項２に記載の信号増幅装置。
4. 前記自動電力制御部は、前記電源電圧補正量に基づいて前記送信電力指定値を調整するタイミングを遅くさせる請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の信号増幅装置。

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