JP5095755B2 - 再構成可能なパワーアンプおよび移動電話通信の多標準増幅段での使用 - Google Patents

Description

この発明は、高周波パワーアンプに関し、より具体的には再構成可能(reconfigurable)なパワーアンプ（電力増幅器）に関する。

このような増幅器の特に有用な用途は、移動電話通信のハンドセット（送受話器）の増幅段の設計に関係し、より具体的には、多標準に設定可能なパワーアンプ、言い換えると種々の電話通信標準の規格に適合することができる増幅器の設計に関係する。

このような再構成可能なパワーアンプはUMTS(WCDMA)標準にしたがって動作可能でなければならず、またGSM、DCS、PCSにしたがっても動作可能でなければならない。

再構成可能という表現は、これらの増幅器が、所与の瞬間において使用中の標準にしたがってその特性を動的に修正することができなければならず、またそれに適用される入力信号の電力レベルにしたがって最適の電力レベルで動作するようその特性を動的に修正することができなければならないことを示している。

実際、いくつかの標準、特にGSM標準およびGSM 1800(DCS)標準では、使用する変調の形式のため、信号の電力が比較的高く、このことはRF用途に対し特有の制約を生じる。

この発明は、課される制約に動的に応答するため、特に電力に関し再構成可能な増幅器を提供することを目的とする。

第１の観点によると、この発明の再構成可能なパワーアンプは、少なくとも一つの増幅回路と、加えられる入力信号にしたがってその動作を適合させるようこの増幅回路を制御する手段とを備える。

増幅器の概略の構成によると、制御手段は、増幅回路の圧縮点を修正し、この修正された圧縮点のために回路の電力を加えられた効率(power added efficiency, PAE)を増大させるよう、回路の利得を適合させるための手段を備える。

こうして、圧縮点は、増幅器の線形性を動作状態にしたがって適合させるよう変化すようにされ、PAEは、修正された圧縮点で最大のPAEを得るよう動的に修正される。増幅器の効率が最大のとき最大の出力電力が得られ、効率が低いとき出力電力のレベルが低いことが観測されている。

最大PAEを修正された圧縮点のレベルに調整すると、低電力において増幅器の効率が改善される。

この発明のもう一つの特徴によると、制御手段は、前記回路に加えられるバイアス電流のレベルを適合させる手段を備える。

パワーアンプは第１増幅段および第２増幅段を含む２段増幅器であるのがよい。そして制御手段は、第１および第２の増幅段の動作をそれぞれ適合させるための第１および第２の制御手段を含む。

こうして、たとえば、第１の制御手段は、第１増幅段の圧縮点を適合させるための手段を備える。

第２の制御手段は、第２の増幅段の利得を適合させるための手段を備えるのがよい。

この発明のもう一つの面によると、増幅器は、前記増幅回路の増幅クラス（級）を修正するための手段を備える。

一実施形態では、これらの手段は、回路の出力ネットワークの等価インピーダンスを修正するための手段を備える。

たとえば、増幅器は、回路の出力に並列に構成されたキャパシタおよびインダクタを選択的に接続するためのスイッチ手段を備える。

バイアス電流のレベルを適合させるための手段に関する限り、一実施形態では、これは互いに並列に選択的に接続することができる電流源の組を備える。

この発明のその他の特徴および利点は、以下の説明および図面から明らかになる。ただし、これらの説明および図面は発明の例に関するものであって、発明を制限するものではない。

種々の電話通信標準（GSM、DCSおよびUMTS）の規格を示す。 この発明の再構成可能なパワーアンプの概略構造を示す回路図。 図２の増幅器で行われる動的補償の概念を示す図。 図２の増幅器の増幅回路におけるバイアス電流の生成を示す回路図。 図２の増幅器における第１増幅段の圧縮点の変化を示す図。 図２の増幅器における第１増幅段の圧縮点の変化を示す図表。 図２の増幅器のr.m.s.を加えた電力の変化を示す図。 図２の増幅器のr.m.s.を加えた電力の変化を示す図表。

図１を参照すると、再構成可能なパワーアンプは、それが準拠する電話通信標準に固有のいくつかの要求を満足しなければならない。

実際、現在の標準は異なる形式の変調を使用し、このことは、搬送するRF信号の形に違いがあることを意味している。

たとえば、GSMおよびGSM 1800 (DCS)標準はGMSK(Gaussian Minimum Shift Keying)形式の変調を使用するのに対し、UMTS標準は、QPSK(Quaternary Phase Shift Keying)変調を使用する。

UMTS標準に関しては、送信された信号は一定でない包絡線を持ち、このことは、RF信号の包絡線が時間の関数として変化することを意味する。しかし、それが有する情報が変えられるのを防ぐために保存されなければならない。したがって、信号の処理に使われるRF増幅器は、増幅中に包絡線にひずみが生じるのを防止するため良好な線形特性を持つ必要がある。しかし、出力電力の面での要求はそれほど厳しくない。

対照的にGSM標準およびGSM 1800 (DCS)標準では、使用するGMSK変調に依存して包絡線は比較的一定なので、非常に良好な線形特性での増幅は必要ない。一方、図１の図表が示すように、出力電力は比較的高くなければならない。移動電話のハンドセット（送受話器）用の再構成可能なパワーアンプの生産にとって比較的厳しい基準であるが、電力消費を低減するため、増幅器は十分高い動作、電力効率を持たねばならない。

この理由で、特にA級、B級またはAB級のパワーアンプでは、UMTS標準に従って動作するよう設計された電話通信装置の電力段の製造に、その優れた線形特性の故に正弦曲線級の動作が一般に使われている。一方、F級のパワーアンプは、GMS、DCS、またはPCS標準で動作する電話通信装置の電力段の設計に使用されている。

図２は、各標準に固有の制約を満足し、特に使用する標準によって線形性基準または効率基準を優先させることができる再構成可能なパワーアンプを示している。

この後詳しく説明するように、この高周波パワーアンプは、使用する一つまたは複数の増幅段の圧縮点（compression point, CP）を動的に修正し、増幅器の線形性を改善するためまたはその効率を改善するために、これらの段の増幅の級を修正するよう設計されている。

図２に示す実施例では、増幅器は増幅段E１および増幅段E２を備えており、増幅段E１が駆動段（E1）を形成し、増幅段E２が電力段（E2）を形成している。

各段は、トランジスタQd、Qpをそれぞれ備えている。第１段E1のトランジスタQdは２つのインダクタL11、L12に接続され、L11は直流（DC）電圧Vccに接続され、L12は接地されている。

同様にトランジスタQpは２つのインダクタL21、L22に接続され、L21は電圧Vccに接続され、L22は接地されている。

第１段のトランジスタQdの制御電極は入力整合回路網(input matching network)１を介して高周波信号RFinを受けとる。

トランジスタQdとインダクタL11との間の共通ノードは、段間の整合回路網(matching network)２を介して第２段のトランジスタQpの制御電極に接続されている。

インダクタL21とトランジスタQpの間の共通ノードは、本質的にRLC回路網を含む出力回路３を介して増幅された信号Sを供給する。

さらに各段は、トランジスタQd、Qpをバイアスするためのバイアス回路４および５を備えている。

増幅器は、信号RFinを入力とし、入力信号の関数として増幅段E1およびE2のトランジスタQdおよびQpをバイアスするためにバイアス回路４および５を駆動する処理ユニット６を備えている。

より具体的には、第１段E1の第１バイアス回路４は、トランジスタQdの制御電極に圧縮点（CP）を変えるために加えられるバイアス電流I_biasdを生成するよう設計されている。

第２段E2の第２バイアス回路５は、第２のトランジスタQpのためのバイアス電流I_biaspを生成するよう設計されている。さらに処理ユニット６は、出力回路網３の等価インピーダンスを修正して電力段の動作クラスを修正するために、出力回路網３に作用する。

こうして、図２の増幅器は、線形性を改善するため、または電力を加えられた効率（power added efficiency、PAE）を改善するために、本質的に増幅器の圧縮点を修正するものである。

この動作パラメータPAEは、加算された電力の間の比率によって実際に形成される。換言すると、所望のRF周波数において、各段を流れる電流の和と直流電圧Vccとの積に対する、出力電力と入力電力との間の線形差によって形成される。

言い換えると、２段増幅器についてPAEは次の式で与えられる。

この式において、P_RF(out)は、このRF周波数における増幅器の出力電力を示し、P_RF(in)は、入力信号RFinの電力を示す。I₁およびI₂は、QdおよびQpを流れる電流を示す。

先に述べたようにA級、B級、AB級、C級の増幅器のような正弦曲線級の増幅器は、良好な線形性を示すが、比較的に効率が低い。

対照的に、トランジスタがスイッチング・モードで動作するD級、E級およびF級のスイッチング・トランジスタは、線形性は悪いが効率は高い。

このため、UMTS標準では、駆動段にA級増幅器が一般に使われ、電力段にAB級の増幅器が使われ、GSM、DCSまたはPCS標準では、駆動段にAB級増幅器が使われ、電力段に高効率増幅器（F級）が使われる。

多標準モードで増幅器が動作することができるようにするためには、A級/AB級構成をAB級/F級に切り替えることができることが望まれる。

このことは、２段増幅器の構成をA/AB級からAB/F級に動的に切り替えることができることを意味すると考える。しかし、この発明は同様に、その他の電話通信標準に従って動作する電力増幅器の再構成にも適用することができる。

AB級およびF級のトランジスタの構造は比較的似ている。本質的な相違は、バイアス点および出力インピーダンスだけである。

したがって、バイアス電流I_biasdおよびI_biaspに作用し、出力段の構成を修正することによって、各トランジスタQdおよびQpが動作する級を修正することができる。

図３を参照すると、曲線Iは、入力電力Pinの関数として出力電力Poutの変化を示し、曲線IIは、入力電力の関数としてPAEの変化を表す。増幅器、特に第１段E1のバイアス回路４は、動作点（Pout, a; Pin, a）に対応する圧縮点（飽和点）CP1を、矢印Fで示すように動作点（Pout, b; Pin, b）に対応する動作点CP1’に向けて低下させるようトランジスタQdのバイアス電流I_biasdを修正する。

しかし、それ自体は知られているように、PAEは最大出力電力で最大であり、低い電力レベルでは効率は低い。

したがって、圧縮点の修正は、修正された圧縮点CP1’で最大のPAEを得るようPAE曲線を調整するために、利得補償と組み合わされる。

図４、図５、図６において、OCP1およびICP1は、１ｄBにおける圧縮点での出力電力および入力電力をそれぞれ示し、先に示したように圧縮点の変化はバイアス電流I_biasdを修正することにより達成される。

たとえば、バイアス回路４は、並列に配置され、スイッチC1、C2、C3、….CNと関連する電流源I1、I2、….Inの連続により形成することができる。このスイッチC1、C2、C3、….CNは、トランジスタQdに加えるバイアス電流I_biasdを生成するよう信号RFinの関数として処理ユニット６によって制御される。

この目的のため、処理ユニット６は、たとえば入力電力が減少するとき圧縮点を下げるために入力信号RFinの電力レベルを検出する検出器を備えている。図５を参照すると、これは、バイアス電流I_biasdを入力電力レベルの関数として増加または減少させることによって達成される。

同様に図７および図８を参照すると、PAEは、バイアス電流I_biasdを増加または減少させることにより修正することができる。

再び図２を参照すると、増幅器、特に第２段E2の増幅級の修正は、出力網３の等価インピーダンスを修正することによって達成される。

図２に示すように、第２段E2の出力網３は、第２段E2の出力において２つのスイッチ７および８に関連したインダクタL’およびキャパシタC’の並列接続によって形成される共振器を備えている。スイッチ７は、減結合（decoupling、デカプリング）キャパシタC’’と共振器L’C’との間に配置されている。スイッチ８は、共振器L’C’と出力網３の出力インピーダンスRLCとの間に配置されている。

スイッチ７および８は、共振器LCをバイパス線９によって短絡させるよう中央処理ユニット６によって制御される。このように出力網３は、たとえば検出される入力信号RFinの電力レベルに依存して、AB級のトランジスタの形で、またはF級のトランジスタの形で、電力段２を構成設定するよう、中央処理ユニット６の制御の下に選択的に構成設定される。

Claims (8)

1. 少なくとも一つの増幅回路（E1、E2）、および前記増幅回路への入力信号(RFin)に従って該回路の動作を適合させるよう該回路を制御するための手段(6)を有する再構成可能な電力増幅器であって、
   制御手段が、前記増幅回路の圧縮点（CP1、CP1’）を修正し、該修正された圧縮点のために該回路の電力加算された効率（PAE）を増大させるよう該回路の利得を適合させるための手段(4)と、
   前記増幅回路の動作級を修正するための手段と、を備え、
   前記動作級を修正するための手段が、前記回路の出力網(3)の等価インピーダンスを修正するための手段を備える、再構成可能な電力増幅器。
2. 前記制御手段が前記回路に加えられるバイアス電流（I_biasd）のレベルを適合させるための手段を備える、請求項１に記載の電力増幅器。
3. 前記電力増幅器が、第１増幅段（E1）および第２増幅段（E2）を備え、前記制御手段が、該第１増幅段および第２増幅段の動作をそれぞれ適合させるための第１および第２の手段（４、５）を備える、請求項１または２に記載の電力増幅器。
4. 第１制御手段が第１増幅段（E1）の圧縮点を適合させるための手段を備える、請求項３に記載の電力増幅器。
5. 第２制御手段が前記第２増幅段の利得を適合させるための手段(5)を備える、請求項３または４に記載の電力増幅器。
6. 前記電力増幅器が前記回路の出力に並列に構成されたキャパシタ（C’）およびインダクタ(L’)を選択的に接続するための切り替え手段(7、8)を備える、請求項１に記載の電力増幅器。
7. 前記制御手段が前記増幅回路に加えられるバイアス電流のレベルを適合させるための手段を備え、該バイアス電流のレベルを適合させるための手段が、互いに並列に選択的に接続されることができる電力源の組（I1、I2、……In）からなる、請求項１から６のいずれかに記載の電力増幅器。
8. 請求項１から７のいずれかに記載される電力増幅器を用いた移動電話通信のハンドセット用の多標準増幅段。

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