JP5131201B2

JP5131201B2 - 電力増幅器

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Description

本発明は、入出力信号の平均電力を変化させても線形性が変化しない、高効率なポーラ変調型の電力増幅器に関する。

近年、携帯電話機等の無線通信に採用されている通信方式では、高い周波数利用効率を実現すると共に、無線信号に大きなピーク電力対平均電力比（ＰＡＰＲ: Peak to Average Power Ratio）を有している。無線通信の分野で従来から使用されているＡＢ級アンプを用いて振幅変調成分を有する信号を増幅するには、線形性を維持するために十分なバックオフをとる必要がある。

一般的には、このバックオフは少なくともＰＡＰＲと同程度必要になる。

これに対して、ＡＢ級アンプの効率は、飽和動作時に最良となり、バックオフが大きくなるほど低下する。そのため、ＰＡＰＲが大きな高周波変調信号ほど電力増幅器の電力効率を向上させることが困難になる。

このようなＰＡＰＲが大きな高周波変調信号を高効率に増幅する電力増幅器として、ポーラ変調型の電力増幅器がある。ポーラ変調型の電力増幅器は、振幅と位相の極座標成分で生成された、振幅変調成分及び位相変調成分を含む、無線通信信号である高周波変調信号の増幅に用いられる。ポーラ変調型の電力増幅器には、ＥＥＲ（Envelope Elimination and Restoration）と呼ばれる方式があり、ＡＢ級アンプと置き換え可能である。

図１は背景技術のＥＥＲ型電力増幅器の構成を示すブロック図である。

図１に示すように、ＥＥＲ型の電力増幅器に入力された信号１１０は、まず振幅信号増幅経路１０６と位相信号増幅経路１０３とに分割される。

振幅信号増幅経路１０６では、包絡線検波器１０５によって入力信号１１０から振幅変調成分である包絡線信号１０８が抽出され、線形アンプ１０４で増幅される。位相信号増幅経路１０３では、入力信号１１０からリミッタ１０２によって包絡線が一定な位相変調信号（位相変調成分）１０７が抽出され、高周波増幅器１０１で増幅される。

高周波増幅器１０１には、振幅信号増幅経路１０６の出力信号１０９が電源として与えられる。高周波増幅器１０１は、振幅信号増幅経路１０６の出力信号１０９でバイアスされ、常に飽和動作することで位相変調信号と包絡線信号とを合成した変調信号１１１を出力する。

図１に示したＥＥＲ型の電力増幅器が電力効率を向上できる理由は、線形アンプ１０４に高効率なスイッチングアンプを用いていることと、高周波増幅器１０１を常に飽和動作させていることにある。

図１に示した線形アンプ１０４の典型例を図２に示す。

図１に示した振幅信号増幅経路１０６で扱う信号帯域は、入力信号１１０の信号帯域と同程度であり、通常、数百ｋＨｚから数十ＭＨｚ程度である。このため、線形アンプ１０４は、図２に示すように、包絡線信号１０８をＰＤＭ（Pulse Density Modulation）等を利用してビット・ストリーム信号に変換するＡＤ（Analog to Digital）変換器２０１、スイッチングアンプ２０２及びローパスフィルタ２０３を備えたＤ級アンプ等で構成することが可能であり、理想的には電力損失が生じない。

また、一般的な高周波増幅器１０１は、飽和動作時に最も効率よく動作する特徴を持つ。ＥＥＲ型の電力増幅器の電力効率は、線形アンプ１０４の効率と高周波増幅器１０１の効率の積で与えられる。

図１に示したＥＥＲ型の電力増幅器は、変調信号１１１の平均電力が小さいときに効率が低下する傾向がある。このため、ＥＥＲ型電力増幅器の効率を向上させる各種の試みがなされている。このような例として、特開２００３−３０４１２７号公報に記載されている背景技術のＥＥＲ型の電力増幅器を図３に示す。

図３に示す回路は、図１に示した回路に電圧制御装置８０９及び出力電力計測部８０８を追加した構成である。入力端子８０１から入力された信号は包絡線検波器８０２とリミッタ８０３に入力される。包絡線検波器８０２に入力された信号からは包絡線信号のみが抽出され、線形アンプ８０４へ出力される。線形アンプ８０４は、入力された包絡線信号を増幅し、高周波増幅器８０５へ電源電圧として出力する。

リミッタ８０３に入力された信号は、包絡線が一定な位相変調信号に変換され、高周波増幅器８０５に出力される。高周波増幅器８０５は、線形アンプ８０４から出力された包絡線信号とリミッタ８０３から出力された位相変調信号とを乗算して出力する。

高周波増幅器８０５の出力信号は、出力端子８０７へ出力されると共に出力電力計測部８０８へ供給される。出力電力計測部８０８は、高周波増幅器８０５の出力電力を検出し、電圧制御装置８０９へ検出した出力電力の情報を与える。

電圧制御装置８０９は、出力電力計測部８０８から受け取った情報に基づいて線形アンプ８０４へ供給する電源電圧を制御する。線形アンプ８０４は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）回路、スイッチングアンプ及び出力フィルタを備えている。

図１に示した電力増幅器では、変調信号１１１の平均電力が小さいときに線形アンプ１０４の効率が低下し、回路全体の効率が低下する問題があった。一方、図３に示す電力増幅器では、線形アンプ８０４の電源を電圧制御装置８０９から供給し、高周波増幅器８０５の出力電力に応じて線形アンプ８０４の電源電圧を変化させることで効率の低下を抑制している。

図１に示した背景技術のＥＥＲ型の電力増幅器では、上述した効率が低下する問題に加えて、電力増幅器の出力信号である変調信号１１１の平均電力が小さいときに、そのＳＮＲ（Signal to Noise Ratio）が劣化する問題があった。これは、線形アンプ１０４に備えるＡＤ変換器２０１の量子化ノイズが入力される包絡線信号１０８の大きさに依存せずに一定なためである。

一方、図３に示した電力増幅器では、回路全体の利得が高周波増幅器８０５の出力電力に依存して変動する欠点がある。これは、ＰＷＭ回路の利得が電源電圧によって変化するためである。特開２００３−３０４１２７号公報では、このような欠点を解消する具体的な方法について何ら開示していない。そのため、電力増幅器の利得を所望の値にすることができず、結果として電力増幅器の出力信号の電力を所望の値にすることができない。

そこで、本発明は、出力電力に依存せずに出力信号のＳＮＲを一定に保つことができる電力増幅器を提供することを目的とする。

また、本発明の他の目的は出力電力を所望の値に調整することが可能な電力増幅器を提供することにある。

上記目的を達成するため本発明の電力増幅器は、入力された高周波変調信号に含まれる包絡線信号の増幅を行う経路と、位相変調信号の増幅を行う経路とを有する。包絡線信号の増幅経路には、包絡線信号をパルス変調するＡＤ変換器と、ＡＤ変換器の出力信号を増幅するスイッチングアンプと、スイッチングアンプの出力信号から高周波ノイズを除去するローパスフィルタと、スイッチングアンプの電源電圧を制御する電圧制御装置とを備える。

位相変調信号の増幅経路には、包絡線が一定な位相変調信号を増幅し、ローパスフィルタの出力を電源とする高周波増幅器を備える。

本発明の電力増幅器では、出力電力が変動しても出力信号のＳＮＲが変化しない。これは、包絡線信号の増幅経路に備えるＡＤ変換器のＳＮＲを常に一定とするためである。その理由を以下に述べる。

理想的なＡＤ変換器における入力信号の大きさと出力信号のＳＮＲの関係を図４に示す。

理想的なＡＤ変換器の出力信号のＳＮＲ（ｄＢ）は、飽和しない入力範囲内において入力信号の電力（ｄＢｍ）の一次関数で表すことができる。このことは、例えばKluwer Academic Publishersから出版されているSystematic Design of Sigma-Delta Analog-to-Digital Converters（Ovidiu Bajdechi and Johan H. Huijsing 著）の図ure 2.6、あるいはKluwer Academic Publishersから出版されているBandpass Sigma Delta Modulators （Jurgen van Engelen and Rudy van de Plassche 著）の図ure 4.7等にも記載されている。

包絡線信号は、ＡＤ変換器に入力され、パルス変調された信号に変換される。本発明では、ＡＤ変換器の入力ダイナミックレンジが最も有効に利用できるように、電力制御手段を用いてＡＤ変換器に入力する包絡線信号の平均電力を一定な値とする。このため、ＡＤ変換器の出力信号のＳＮＲが常に一定となる。ＡＤ変換器の出力信号は、スイッチングアンプに入力されて増幅される。スイッチングアンプの出力はローパスフィルタを介して高周波増幅器へ電源電圧として供給される。ローパスフィルタの出力信号のＳＮＲはＡＤ変換器の出力信号のＳＮＲによって決まる。したがって、ローパスフィルタの出力信号のＳＮＲは常に一定となる。

ところで、スイッチングアンプは、印加される電源電圧によって利得が変化する。したがって、本発明では、スイッチングアンプへ供給する電源電圧を制御する電圧制御装置を備える。ポーラ変調型の電力増幅器の出力電力は、包絡線信号の増幅経路の出力電力によって決まる。本発明では、電力増幅器の出力信号の平均電力を、スイッチングアンプへ供給する電源電圧によって調整する。

本発明の電力増幅器と背景技術の電力増幅器の、出力信号の平均電力に対する出力信号のＡＣＰＲ（Adjacent Channel Power Ratio）の関係を図５に示す。

背景技術のＥＥＲ型電力増幅器では、出力信号の平均電力が低下すると、出力信号のＡＣＰＲが増大していた。この原因は、出力信号の平均電力を下げるためにはＡＤ変換器の入力信号を小さくする必要があり、結果としてＡＤ変換器の出力信号のＳＮＲが低下していたためである。本発明の電力増幅器では、ＡＤ変換器の入力信号の平均電力を一定な値とし、出力電力をスイッチングアンプの利得で調整する。そのため、理想的には出力信号のＡＣＰＲが常に一定となる。

本発明によれば、包絡線信号の増幅経路において、ＡＤ変換器への入力信号の平均電力を一定な値とし、ＡＤ変換器の出力信号のＳＮＲを常に一定とすることで、出力信号のＳＮＲが常に一定なＥＥＲ型の電力増幅器が得られる。

また、包絡線信号の増幅経路において、スイッチングアンプの電源電圧を制御してスイッチングアンプの利得を調整することで、出力信号の平均電力の調整が可能なＥＥＲ型の電力増幅器が得られる。

図１は、背景技術のＥＥＲ型電力増幅器の構成を示すブロック図である。図２は、図１に示した線形アンプの構成例を示すブロック図である。図３は、背景技術のＥＥＲ型増幅器の他の構成例を示すブロック図である。図４は、ＡＤ変換器の入力信号に対する出力信号のＳＮＲの関係を示すグラフである。図５は、本発明の電力増幅器と背景技術の電力増幅器の、出力信号の平均電力に対する出力信号のＡＣＰＲの関係を示すグラフである。図６は、本実施形態の電力増幅器の構成を示すブロック図である。図７は、図６に示した電力増幅器の変形例を示すブロック図である。図８は、第１実施例の電力増幅器の構成を示すブロック図である。図９は、図８に示した第１実施例の電力増幅器の変形例を示すブロック図である。図１０は、図９に示した電力増幅器の他の変形例を示すブロック図である。図１１は、第２実施例の電力増幅器の構成を示すブロック図である。図１２は、図１１に示した第２実施例の電力増幅器の変形例を示すブロック図である。図１３は、第３実施例の電力増幅器の構成を示すブロック図である。図１４は、第４実施例の電力増幅器の構成を示すブロック図である。

次に本発明について図面を参照して説明する。

図６に示すように、本実施形態の電力増幅器は、位相変調信号３０１、包絡線信号３０２及び出力電力の制御信号３０３の、３種類の信号が入力される端子を備えている。

位相変調信号３０１は、図１に示した背景技術の電力増幅器における位相変調信号１０７に相当する。包絡線信号３０２は、図１に示した背景技術の電力増幅器における包絡線信号１０８に相当する。本実施形態では、包絡線信号３０２を常に一定な平均電力を有する信号とする。制御信号３０３は、電力増幅器の出力信号である変調信号３０９を所望の平均電力に制御するための情報を備えている。

位相変調信号３０１は、高周波増幅器３０４に入力されて増幅される。包絡線信号３０２は、ＡＤ変換器３０５、スイッチングアンプ３０６及びローパスフィルタ３０７によって増幅され、高周波増幅器３０４の電源として出力される。制御信号３０３は、電圧制御装置３０８に入力され、電圧制御装置３０８の出力信号はスイッチングアンプ３０６の電源電圧となる。電圧制御装置３０８の出力電圧は制御信号３０３によって制御される。高周波増幅器３０４は、位相変調信号３０１とローパスフィルタ３０７の出力信号とを乗算し、それらを合成した変調信号３０９を出力する。

本実施形態の電力増幅器では、包絡線信号３０２の平均電力を、ＡＤ変換器３０５の入力ダイナミックレンジが最も有効に利用できる一定な値とする。したがって、ＡＤ変換器３０５の出力信号のＳＮＲは、変調信号３０９の平均電力に依存せずに常に一定となる。

また、本実施形態の電力増幅器では、変調信号３０９の平均電力をスイッチングアンプ３０６の出力振幅を変化させることで調整する。スイッチングアンプ３０６の出力振幅は、電圧制御装置３０８から供給される電源電圧によって決まる。

上記のような電力増幅器では、理想的には、変調信号３０９の平均電力によってＳＮＲが変化しない。これは、ＡＤ変換器３０５の入力信号の平均電力を一定な値とすることで、変調信号のＳＮＲが常に一定となるためである。

図１に示した背景技術の電力増幅器では、低出力電力時にＡＤ変換器２０１のＳＮＲが低下するためＡＣＰＲが増大していた。これは、電力増幅器の出力信号の平均電力を下げるためにはＡＤ変換器２０１の入力信号を小さくする必要があり、結果としてＡＤ変換器２０１の出力信号のＳＮＲが低下していたためである。本実施形態の電力増幅器では、ＡＤ変換器３０５の入力信号の平均電力を一定な値とするため、理想的には出力信号のＡＣＰＲが常に一定となる。

なお、本実施形態の電力増幅器では、ＡＤ変換器３０５の入力信号の平均電力を、例えばルックアップテーブルを備えた制御回路等を用いることで、所望の出力電力に応じて所定の範囲内でステップ状または鋸状に変化させてもよい。このルックアップテーブルを備えた構成例を図７に示す。

図７に示す回路は、図６に示した回路に可変利得増幅器１１１０及びルックアップテーブル１１１１を追加した構成である。ルックアップテーブル１１１１は、制御信号１１０３に基づき可変利得増幅器１１１０の利得及び電圧制御装置１１０８の出力電圧を制御するための信号を生成する。

可変利得増幅器１１１０は、包絡線信号１１０２をルックアップテーブル１１１１からの制御信号で決まる利得で増幅し、ＡＤ変換器１１０５へ出力する。ここで、図７に示す回路では、変調信号１１０９が所望の電力となるように制御信号１１０３の値を調整することが望ましい。具体的には、可変利得増幅器１１１０の利得の変化比率とスイッチングアンプ１１０６の出力振幅の変化比率の積を一定にすればよい。このようにルックアップテーブル１１１１を用いて利得制御を行うことで、電圧制御装置１１０８の効率が向上すると共にノイズを容易に低減できる。

本実施形態の電力増幅器では、増幅対象である高周波変調信号の変調方式が動的に変化する場合、変調方式が替わるたびに包絡線信号３０２の平均電力を調整することが望ましい。具体的には、包絡線信号３０２の振幅がＡＤ変換器３０５の入力ダイナミックレンジを越えないようにすればよい。

また、本実施形態の電力増幅器では、高周波増幅器３０４に位相変調成分及び振幅変調成分を含む高周波変調信号を入力する構成も可能である。この場合、本実施形態の電力増幅器はエンベロープ・トラッキング（Envelope Tracking）と呼ばれる周知の方式で動作する。

上記説明では、包絡線信号３０２をＡＤ変換器３０５によりＰＤＭ（Pulse Density Modulation）等のビット・ストリーム信号に変換する例を示しているが、ＡＤ変換器３０５は、包絡線信号をパルス変調（ＡＤ変換）する回路であればどのような回路でもよく、例えばＰＷＭ（Pulse Width Modulation）変調器やＰＦＭ（Pulse Frequency Modulation）変調器を用いることも可能である。高周波増幅器３０４には、Ｃ級、Ｄ級、Ｅ級、Ｆ級などの高効率な増幅器を用いることが望ましい。

（第１実施例）
図８に示すように、第１実施例の高周波増幅器は、包絡線検波器４０２、リミッタ４０３、電力計測器４０４、可変利得増幅器４０５、ＡＤ変換器４０６、電圧制御装置４０７、スイッチングアンプ４０８、ローパスフィルタ４０９及び高周波増幅器４１０を備えている。

第１実施例の電力増幅器は、図８の破線で囲った部位が図６に示した電力増幅器と同様の構成である。この部位は図６に示した電力増幅器と同様に動作し、リミッタ４０３の出力信号が図６に示した位相変調信号３０１に相当し、可変利得増幅器４０５の出力信号が図６に示した包絡線信号３０２に相当し、電力計測器４０４から電圧制御装置４０７へ出力する信号が図６に示した制御信号３０３に相当する。

図８に示す電力増幅器に入力された信号４０１はリミッタ４０３及び包絡線検波器４０２に入力される。リミッタ４０３に入力された信号は包絡線が一定な位相変調信号に変換され、高周波増幅器４１０に出力される。

一方、包絡線検波器４０２に入力された信号からは高周波信号の包絡線成分である包絡線信号が抽出され、可変利得増幅器４０５、ＡＤ変換器４０６、スイッチングアンプ４０８及びローパスフィルタ４０９により増幅されて高周波増幅器４１０に電源電圧として出力される。また、包絡線検波器４０２の出力信号は、電力計測器４０４にも入力される。電力計測器４０４は、包絡線検波器４０２の出力信号の平均電力を計測し、可変利得増幅器４０５へ利得を決めるための制御信号を出力し、電圧制御装置４０７へ出力電圧を決めるための制御信号を出力する。

電圧制御装置４０７の出力信号はスイッチングアンプ４０８へ電源として供給される。高周波増幅器４１０は、リミッタ４０３の出力信号とローパスフィルタ４０９の出力信号とを乗算し、それらを合成した出力信号４１１を生成する。

第１実施例の電力増幅器では、電力計測器４０４により包絡線検波器４０２の出力信号（包絡線信号）の平均電力を計測し、可変利得増幅器４０５により包絡線信号をＡＤ変換器４０６の入力ダイナミックレンジが最も有効に活用できる大きさに増幅する。すなわち、電力計測器４０４及び可変利得増幅器４０５から成る電力制御手段によってＡＤ変換器４０６の入力信号の平均電力を一定な値にする。したがって、理想的には、入力信号４０１の平均電力が変化しても、可変利得増幅器４０５の出力信号の平均電力は変化しない。

また、第１実施例の電力増幅器では、出力信号４１１の平均電力を、スイッチングアンプ４０８の利得を制御することで調整する。このため、本実施例の電力増幅器の利得を一定値とする場合、可変利得増幅器４０５の利得とスイッチングアンプ４０８の利得の積は常に一定となる。スイッチングアンプ４０８の利得は、電圧制御装置４０７の出力電圧で調整する。

第１実施例の電力増幅器は、理想的には、変調信号４１１のＳＮＲがその平均電力によって変化しない。これは、ＡＤ変換器４０６の出力信号のＳＮＲがその入力信号の平均電力によって変化しないためである。

第１実施例の電力増幅器においても、図６に示した電力増幅器と同様に、ＡＤ変換器４０６の入力信号の平均電力を、例えばルックアップテーブルを備えた制御回路等を用いることで、所望の出力電力に応じて所定の範囲内でステップ状または鋸状に変化させてもよい。このルックアップテーブルを備えた構成例を図９に示す。

図９に示す回路は、図８に示した第１実施例の電力増幅器が備える電力計測器４０４を利得制御部１２０４に置き換えた構成である。

利得制御部１２０４は、電力計測器１２０４ａ及びルックアップテーブル１２０４ｂを備え、包絡線検波器１２０２の出力信号に基づいて可変利得増幅器１２０５の利得及び電圧制御装置１２０７の出力電圧を制御するための制御信号を生成する。

図９に示す回路では、電力増幅器の出力信号１２１１が所望の電力となるようにスイッチングアンプ１２０８の利得を調整することが望ましい。具体的には、可変利得増幅器１２０５の利得とスイッチングアンプ１２０８の利得の積を一定にすればよい。

また、本実施例の電力増幅器では、増幅対象である高周波変調信号の変調方式が動的に変化する場合、変調方式が替わるたびにＡＤ変換器４０６の入力信号の平均電力を調整することが望ましい。具体的には、ＡＤ変換器４０６の入力信号がＡＤ変換器４０６の入力ダイナミックレンジを越えないように調整すればよい。このため、電力計測器４０４に、入力信号のＰＡＰＲを計測する機能を有するか、外部から入力された変調方式の情報に基づいて電圧制御装置の制御信号を生成する制御信号生成装置を備えていればよい。このような回路は、図１０に示すように、図９に示したルックアップテーブル１２０４ｂを、変調情報入力端子を有する制御信号生成装置１４０４ｂに置き換えることで実現できる。

制御信号生成装置１４０４ｂは、変調情報入力端子１４１２を有し、外部からの情報に基づいて可変利得増幅器１４０５の利得と電圧制御装置１４０７の出力電圧を制御する。この場合、制御信号生成装置１４０４ｂは、増幅する信号の変調方式と生成する制御信号の対応関係を示すルックアップテーブルを備えていることが望ましい。

（第２実施例）
図１１に示すように、第２実施例の高周波増幅器は、包絡線検波器５０２、リミッタ５０３、電力計測器５０４、オペアンプ５０５、ＡＤ変換器５０６、電圧制御装置５０７、スイッチングアンプ５０８、ローパスフィルタ５０９、高周波増幅器５１０及び減衰器５１２を備えている。

図１１に示す電力増幅器に入力された信号５０１は、リミッタ５０３及び包絡線検波器５０２に供給される。リミッタ５０３に入力された信号は包絡線が一定な信号に変換され、高周波増幅器５１０に出力される。

一方、包絡線検波器５０２に入力された信号からは、高周波信号の包絡線成分のみが抽出され、オペアンプ５０５の非反転入力、ＡＤ変換器５０６、スイッチングアンプ５０８及びローパスフィルタ５０９により増幅されて、高周波増幅器５１０に電源電圧として出力される。ローパスフィルタ５０９の出力信号は減衰器５１２を介してオペアンプ５０５の反転入力へ帰還される。また、包絡線検波器５０２の出力信号は電力計測器５０４にも入力される。

電力計測器５０４は、包絡線検波器５０２の出力信号の平均電力を計測し、電圧制御装置５０７へ出力電圧を決めるための信号を出力する。電圧制御装置５０７の出力信号はスイッチングアンプ５０８へ電源として供給される。高周波増幅器５１０は、リミッタ５０３の出力信号とローパスフィルタ５０９の出力信号とを乗算処理し、それらを合成した出力信号５１１を生成する。

第２実施例の電力増幅器は、図８に示した第１実施例の電力増幅器の可変利得増幅器４０５をオペアンプ５０５に置き換えた構成である。

第２実施例の電力増幅器においても、第１実施例と同様に、オペアンプ５０５により包絡線信号をＡＤ変換器５０６の入力ダイナミックレンジが最も有効に活用できる大きさに増幅する。すなわち、電力計測器５０４及びオペアンプ５０５から成る電力制御手段によってＡＤ変換器５０６の入力信号の平均電力を一定な値にする。このようにＡＤ変換器５０６の入力信号（包絡線信号）の大きさを調整することで、電力増幅器の出力信号のＳＮＲを向上させることができる。ここで、減衰器５１２を含む帰還回路によりオペアンプ５０５の利得とスイッチングアンプ５０８の利得の積は常に一定となっている。したがって、オペアンプ５０５の利得は、スイッチングアンプ５０８の利得を決めると自動的に調整される。スイッチングアンプ５０８の利得は、電力計測器５０４によって包絡線検波器５０２の出力信号（包絡線信号）の平均電力を計測し、電圧制御装置５０７の出力電圧を変化させることで調整する。

第２実施例の電力増幅器においても、図６に示した電力増幅器と同様に、ＡＤ変換器５０６の入力信号の平均電力を、例えばルックアップテーブルを備えた制御回路等を用いることで、所望の出力電力に応じて所定の範囲内でステップ状または鋸状に変化させてもよい。ルックアップテーブルを備えた構成例を図１２に示す。

図１２に示す回路は、図１１に示した第２実施例の電力増幅器が備える電力計測器５０４を利得制御部１３０４に置き換えた構成である。

利得制御部１３０４は、電力計測器１３０４ａ及びルックアップテーブル１３０４ｂを備え、包絡線検波器１３０２の出力信号に基づいて電圧制御装置１３０７の出力電圧を制御するための制御信号を生成する。図１２に示す回路では、スイッチングアンプ１３０８の利得を調整すると、オペアンプ１３０５の負帰還回路によってＡＤ変換器１３０６へ入力される信号の平均電力が変化する。

なお、第２実施例の電力増幅器では、増幅対象である高周波変調信号の変調方式が動的に変化する場合、変調方式が替わるたびにＡＤ変換器５０６の入力信号の平均電力を調整することが望ましい。具体的には、ＡＤ変換器５０６の入力信号がＡＤ変換器５０６の入力ダイナミックレンジを越えないように調整すればよい。このため、電力計測器５０４に、入力信号のＰＡＰＲを計測する機能を有するか、外部から入力された変調方式の情報に基づいて電圧制御装置の制御信号を生成する制御信号生成装置を備えていればよい。このような回路は、第１実施例と同様に、図１２に示したルックアップテーブル１３０４ｂを、変調情報入力端子を有する制御信号生成装置１４０４ｂに置き換えることで実現できる。

（第３実施例）
図１３に示すように、第３実施例の電力増幅器は、包絡線検波器６０２、リミッタ６０３、電力計測器６０４、可変利得増幅器６０５、ＡＤ変換器６０６、２ポート入力の乗算器６０７、電圧制御装置６０８、高周波増幅器６０９及びバンドパスフィルタ６１０を備えている。

図１３に示す電力増幅器に入力された信号６０１はリミッタ６０３及び包絡線検波器６０２に入力される。リミッタ６０３に入力された信号は包絡線が一定な信号に変換され、乗算器６０７の第１の入力端子に出力される。

一方、包絡線検波器６０２に入力された信号からは、高周波信号の包絡線成分のみが抽出され、可変利得増幅器６０５及び電力計測器６０４に出力される。可変利得増幅器６０５に入力された包絡線信号は増幅され、ＡＤ変換器６０６を介して乗算器６０７の第２の入力端子に入力される。乗算器６０７に入力された２つの信号は乗算され、高周波増幅器６０９に出力される。

高周波増幅器６０９は乗算器６０７の出力信号を増幅する。高周波増幅器６０９で増幅された信号は、バンドパスフィルタ６１０によって不要な帯域外ノイズが除去され、出力信号６１１となる。

電力計測器６０４は、包絡線検波器６０２の出力信号の平均電力を計測し、可変利得増幅器６０５へ利得を決めるための信号を出力し、電圧制御装置６０８へ出力電圧を決めるための信号を出力する。電圧制御装置６０８の出力信号は高周波増幅器６０９へ電源として供給される。

第３実施例の電力増幅器では、乗算器６０７によってリミッタ６０３から出力された位相変調信号とＡＤ変換器６０６から出力された包絡線信号の積を高周波増幅器６０９へ入力している。包絡線信号は、ＡＤ変換器６０６によってビット・ストリーム信号に変換されている。そのため、乗算器６０７の出力信号は、「１」または「０」の信号と位相変調信号の積となり、バースト状の信号となる。乗算器６０７の出力信号を増幅する高周波増幅器６０９は、信号入力時に飽和動作するように設計する。結果として、高周波増幅器６０９は、アイドル動作と飽和出力動作を繰り返すことになり、理想的には効率が飽和動作と等しくなる。

第３実施例の電力増幅器では、電力計測器６０４により包絡線検波器６０２の出力信号（包絡線信号）の平均電力を計測し、可変利得増幅器６０５により包絡線信号をＡＤ変換器６０６の入力ダイナミックレンジが最も有効に活用できる大きさに増幅する。すなわち、電力計測器６０４及び可変利得増幅器６０５から成る電力制御手段によってＡＤ変換器６０６の入力信号の平均電力を一定な値にする。したがって、理想的には、入力信号６０１の平均電力が変化しても、可変利得増幅器６０５の出力信号の平均電力は変化しない。

また、第３実施例の電力増幅器では、出力信号６１１の平均電力を高周波増幅器６０９の利得を変化させることで調整する。このため、図１３に示した電力増幅器の利得を一定値とする場合、可変利得増幅器６０５の利得と高周波増幅器６０９の利得の積が常に一定となる。本実施例の電力増幅器では、高周波増幅器６０９が飽和動作をしているため、その利得は電圧制御装置６０８から供給する電源電圧を変化させることで調整する。

上記のように構成された第３実施例の電力増幅器では、理想的には、変調信号６１１のＳＮＲが平均電力によって変化しない。これは、ＡＤ変換器６０６の出力信号のＳＮＲが、その入力信号の平均電力によって変化しないためである。

なお、第３実施例の電力増幅器では、図６に示した電力増幅器と同様に、包絡線検波器６０２、リミッタ６０３、電力計測器６０４及び可変利得増幅器６０５を省略して、位相変調信号を乗算器６０７に直接入力し、包絡線信号をＡＤ変換器６０６に直接入力し、出力電力の制御信号を電圧制御装置６０８に直接入力してもよい。

また、第３実施例の電力増幅器において、ＡＤ変換器６０６へ入力する信号の平均電力は、ルックアップテーブルを用いて所望の出力電力に応じてステップ状または鋸状に変化させてもよい。その場合、第１実施例と同様に、電力計測器６０４を電力計測器とルックアップテーブルを備えた利得制御部に置き換えればよい。このとき、電力増幅器の出力信号の振幅が所望の電力となるように高周波増幅器６０９の利得を調整することが望ましい。具体的には、可変利得増幅器６０５の利得と高周波増幅器６０９の利得の積を一定とすればよい。

また、第３実施例の電力増幅器では、増幅対象である高周波変調信号の変調方式が動的に変化する場合、変調方式が替わるたびにＡＤ変換器６０６の入力信号の平均電力を調整することが望ましい。具体的には、ＡＤ変換器６０６の入力信号がＡＤ変換器６０６の入力ダイナミックレンジを越えないように調整すればよい。このため、電力計測器６０４に、入力信号のＰＡＰＲを計測する機能を有するか、外部から入力された変調方式の情報に基づいて電圧制御装置の制御信号を生成する制御信号生成装置を備えていればよい。このような回路は、第１実施例と同様に、上記ルックアップテーブルを、変調情報入力端子を有する制御信号生成装置に置き換えることで実現できる。

（第４実施例）
図１４に示すように、第４実施例の電力増幅器は、包絡線検波器７０２、リミッタ７０３、電力計測器７０４、オペアンプ７０５、ＡＤ変換器７０６、乗算器７０７、電圧制御装置７０８、高周波増幅器７０９、バンドパスフィルタ７１０、減衰器７１２及び包絡線検波器７１３を備えている。

図１４に示す電力増幅器に入力された信号７０１はリミッタ７０３及び包絡線検波器７０２に入力される。リミッタ７０３に入力された信号は包絡線が一定な信号に変換され、乗算器７０７の第１の入力端子に出力される。

一方、包絡線検波器７０２に入力された信号からは、高周波信号の包絡線成分のみが抽出され、オペアンプ７０５の非反転入力端子及び電力計測器７０４に出力される。オペアンプ７０５の非反転入力端子に入力された包絡線信号は増幅され、ＡＤ変換器７０６を介して乗算器７０７の第２の入力端子に入力される。乗算器７０７に入力された２つの信号は乗算され、高周波増幅器７０９に出力される。

高周波増幅器７０９は乗算器７０７の出力信号を増幅する。高周波増幅器７０９で増幅された信号は、バンドパスフィルタ７１０によって不要な周波数成分が除去され、変調信号７１１として出力される。包絡線検波器７１３は、変調信号７１１の包絡線成分を抽出し、減衰器７１２を介してオペアンプ７０５の反転入力端子へ帰還する。

電力計測器７０４は、包絡線検波器７０２の出力信号の平均電力を計測し、電圧制御装置７０８へ出力電圧を決めるための信号を出力する。電圧制御装置７０８の出力信号は高周波増幅器７０９へ電源として供給される。

第４実施例は、図１３に示した第３実施例の電力増幅器の可変利得増幅器６０５をオペアンプ７０５に置き換えた構成である。第４実施例においても、第２実施例と同様に、オペアンプ７０５により包絡線信号をＡＤ変換器７０６の入力ダイナミックレンジが最も有効に活用できる大きさに増幅する。すなわち、電力計測器７０４及びオペアンプ７０５から成る電力制御手段によってＡＤ変換器７０６の入力信号の平均電力を一定な値にする。このようにＡＤ変換器７０６の入力信号（包絡線信号）の大きさを調整することで、電力増幅器の出力信号のＳＮＲを向上させることができる。ここで、減衰器７１２を含む帰還回路によりオペアンプ７０５の利得と高周波増幅器７０９の利得の積は常に一定となっている。したがって、オペアンプ７０５の利得は、高周波増幅器７０９の利得を決めると自動的に調整される。高周波増幅器７０９の利得は、電力計測器７０４によって包絡線検波器７０２の出力信号（包絡線信号）の平均電力を計測し、電圧制御装置７０８の出力電圧を変化させることで調整する。

第４実施例の電力増幅器においても、図６に示した電力増幅器と同様にＡＤ変換器７０６へ入力する信号の平均電力を、ルックアップテーブルを用いて、所望の出力電力に応じてステップ状または鋸状に変化させてもよい。その場合、第２実施例と同様に、電力計測器７０４を電力計測器及びルックアップテーブルを備えた利得制御部に置き換えればよい。このとき、高周波増幅器７０９の利得を調整すると、オペアンプ７０５の負帰還によってＡＤ変換器７０６の入力信号の平均電力が変化する。

また、第４実施例の電力増幅器では、増幅対象である高周波変調信号の変調方式が動的に変化する場合、変調方式が替わるたびにＡＤ変換器７０６の入力信号の平均電力を調整することが望ましい。具体的には、ＡＤ変換器７０６の入力信号がＡＤ変換器７０６の入力ダイナミックレンジを越えないように調整すればよい。このため、電力計測器７０４に、入力信号のＰＡＰＲを計測する機能を有するか、外部から入力された変調方式の情報に基づいて電圧制御装置の制御信号を生成する制御信号生成装置を備えていればよい。このような回路は、第１実施例と同様に、上記ルックアップテーブルを、変調情報入力端子を有する制御信号生成装置に置き換えることで実現できる。

なお、上述した第１及び第２実施例の電力増幅器は、図６に示した電力増幅器と同様に、エンベロープ・トラッキング（Envelope Tracking）方式で動作させても、電力増幅器の出力信号のＳＮＲが向上する効果に変わりはない。この場合、リミッタを削除することで、位相変調信号に代えて位相変調成分及び振幅変調成分を含む高周波変調信号を乗算器あるいは高周波増幅器に入力すればよい。

また、上述した第１〜第４実施例では、包絡線信号をＡＤ変換器によりＰＤＭ（Pulse Density Modulation）等のビット・ストリーム信号に変換する例を示しているが、ＡＤ変換器は、包絡線信号をパルス変調（ＡＤ変換）する回路であればどのような回路でもよく、例えばＰＷＭ（Pulse Width Modulation）変調器やＰＦＭ（Pulse Frequency Modulation）変調器を用いることも可能である。また、高周波増幅器には、Ｃ級、Ｄ級、Ｅ級、Ｆ級などの高効率な増幅器を用いることが望ましい。

この出願は、２００７年１月２４日に出願された特願２００７−０１３７３８号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

Claims

振幅変調成分及び位相変調成分を含む高周波変調信号を増幅する電力増幅器であって、
前記振幅変調成分である包絡線信号をパルス変調するＡＤ変換器と、
前記位相変調成分である包絡線が一定な位相変調信号と前記ＡＤ変換器の出力信号を合成する乗算器と、
前記乗算器の出力信号を増幅する高周波増幅器と、
前記高周波増幅器の出力信号から帯域外ノイズを除去するバンドパスフィルタと、
前記高周波増幅器へ電源電圧を供給し、外部から供給される前記高周波増幅器の出力信号の平均電力を制御するための制御信号にしたがって該電源電圧を変化させる電圧制御装置と、
を有する電力増幅器。
前記ＡＤ変換器の入力信号の平均電力を一定な値にする電力制御手段を有する請求項１記載の電力増幅器。
前記電力制御手段は、
前記ＡＤ変換器の入力信号の平均電力を、前記高周波変調信号の変調方式に応じて切り替える利得制御部を有する請求項２記載の電力増幅器。
前記高周波変調信号から前記包絡線信号を抽出する包絡線検波器と、
前記高周波変調信号から前記位相変調信号を抽出し、前記乗算器に出力するリミッタと、
を有し、
前記電力制御手段は、
前記包絡線検波器の出力信号を、外部からの制御信号によって決まる所望の利得で増幅し、前記ＡＤ変換器へ出力する可変利得増幅器と、
前記包絡線検波器の出力信号に基づき、前記可変利得増幅器の利得を設定するための制御信号及び前記電圧制御装置の出力電圧を設定するための制御信号を生成する電力計測器と、
を備える請求項１から３のいずれか１項記載の電力増幅器。
前記高周波変調信号から前記包絡線信号を抽出する第１の包絡線検波器と、
前記バンドパスフィルタの出力信号の包絡線を示す包絡線信号を抽出する第２の包絡線検波器と、
前記高周波変調信号から前記位相変調信号を抽出し、前記乗算器に出力するリミッタと、
を有し、
前記電力制御手段は、
前記第２の包絡線検波器の出力信号のレベルを減衰する減衰器と、
前記第１の包絡線検波器の出力信号が非反転入力端子に入力され、前記減衰器の出力信号が反転入力端子へ入力されるオペアンプと、
前記第２の包絡線検波器の出力信号に基づき、前記電圧制御装置の出力電圧を設定するための制御信号を生成する電力計測器と、
を備える請求項１から３のいずれか１項記載の電力増幅器。
振幅変調成分及び位相変調成分を含む高周波変調信号を増幅するための電力増幅方法であって、
ＡＤ変換器で前記振幅変調成分である包絡線信号をパルス変調し、
前記位相変調成分である包絡線が一定な位相変調信号と前記ＡＤ変換器の出力信号を乗算器で合成し、
外部から供給される前記高周波増幅器の出力信号の平均電力を制御するための制御信号にしたがって、電源電圧が変化する高周波増幅器で前記乗算器の出力信号を増幅し、
バンドパスフィルタで前記高周波増幅器の出力信号から帯域外ノイズを除去する電力増幅方法。