JP5389567B2 - 高周波増幅器および高効率化方法 - Google Patents

高周波増幅器および高効率化方法 Download PDF

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Description

本発明は、高効率で直線性の良い高周波増幅器および高効率化方法に関する。
大量の情報を伝達する通信、放送等に利用されるCDMA、OFDMの変調方式は変調信号のピーク電力と平均電力の比が大きく、直線性を確保するため出力増幅器は飽和電力からバックオフをとる必要がある。しかし、バックオフをとると、A級、AB級動作では一般に増幅器の効率が低下するので、バックオフをとった動作点でも増幅器の効率低下を防ぐ増幅方法が求められている。
その1つの方法として入力信号にシグマデルタ (以下、ΣΔと記す。)変調をかけて後続のPA(電力増幅器)を1ビット動作させる方法がある(例えば、非特許文献1。)。本方法を用いれば、従来使用していた、送信周波数変換部等のユニットが不要となり、送信機の回路構成が簡素化される。
デジタルΣΔ変調方式に、バンドパスΣΔ方式があり、RF(無線電波)周波数の4倍ものサンプリング周波数でPAをスイッチングしなくてはならず、携帯電話等、数100MHz〜数GHzのRF信号に対して適応すると、PAのスイッチング゛損失が増大し、PAの効率が低下するという問題があった。
図5は、従来のΣΔ方式を用いた高周波増幅器の動作を説明する機能ブロック図である。
図5において、従来のΣΔ方式を用いた高周波増幅器は、無線送信する信号のベースバンドのデジタル信号を出力するデジタル処理部8、その出力されるベースバンド信号をΣΔ変調、即ち、1ビットのパルス列の変調信号に変換して出力するΣΔ変調器1、その変調信号をスイッチング増幅し信号電波として出力するパワーアンプ電力増幅器(以下、SWPAと記す。)2と、スイッチング増幅された信号電波から不要な雑音を抑圧し、図示されないアンテナから送信する為の所要の帯域の出力に整えるBPF3とを備える。
SWPA2が電圧制御型の電力増幅器(PA)の場合、その出力電圧のデューティ比が50%時に最大出力となる。SWPA2には高周波用のスイッチングアンプを使用するが、スイッチングをする毎にCout×Vd×1/2の損失が発生する。ここでCoutはSWPA2の出力容量、VdはSWPA2のドレイン電圧である。
非特許文献1の2517ページ表IIIに示されているように、電圧制御スイッチモードのD級アンプにΣΔ変調された正弦波を入力した場合にはそのアンプの効率は34%であるのに対し、ピーク出力と平均出力の比(PAR:peak to Average Power Ratio)が7.1dBのWCDMA信号では、同じく効率が7.1%であり、PARが10dBの場合は3.4%に劣化する。
この様に従来のΣΔ変調方式を用いた高周波増幅器は、PARが高い信号に対しては効率が悪い問題があった。
Thomas Johnson, Shawn P. Stapleton, RF Class-D Amplification With Bandpass Sigma-Delta Modulator Drive Signals. IEEE TRANSACTIONS ON CIRCUITS AND SYSTEMS-I: REGULAR PAPERS, VOL.53, NO.12, DECEMBER 2006 p.2507-2520
従来のΣΔ変調方式を用いた高周波増幅器は、ピークと平均とのレベル比(PAR)が高い信号を増幅すると、効率が低い問題があった。
本発明は上記問題を解決するためになされたもので、広帯域でPARが高い信号を高効率で増幅する高周波増幅器、および高効率化方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の高周波増幅器は、無線送信されるデジタル信号をΣΔ変調して、スイッチングパワーアンプで電力増幅し、更にバンドパスフィルタを通して出力する高周波増幅器において、入力される2値化信号をスイッチング増幅した高周波信号を出力するスイッチングパワーアンプと、前記デジタル信号が入力され、それをΣΔ変調した2値化パルス信号にして前記スイッチングパワーアンプへ出力するΣΔ変調器と、電圧v2から最大電圧v1までの電圧を出力する電源供給手段と、前記ΣΔ変調器へ入力されるデジタル信号の送信信号レベルを監視し、その送信信号レベルが基準のレベル以下の場合、前記ΣΔ変調器に対して入力される前記送信信号レベルに対応してパルス幅が変化するΣΔ変調された前記パルス信号を前記ΣΔ変調器から前記スイッチングパワーアンプへ向けて出力させる制御および前記電源供給手段から前記スイッチングパワーアンプに前記v2の一定の電圧の電源を供給して前記スイッチングパワーアンプから一定の振幅の送信信号を出力させる制御と、前記基準のレベルを超過する場合には、前記ΣΔ変調器に対して前記基準レベル入力時に出力するパルス幅と同じパルス幅を維持したパルス信号を出力させる制御および前記電源供給手段から前記スイッチングパワーアンプに前記超過するレベルに対応して最大前記v1までの電源電圧を供給することにより、前記一定の振幅よりも更に振幅を大きくした送信信号を前記スイッチングパワーアンプから出力させる制御とを行う監視制御手段とを備えることを特徴とする。
また、本発明の高周波増幅器の高効率化方法は、スイッチングパワーアンプと、ΣΔ変調器と、電源供給手段と、監視制御手段とを備え、無線送信されるデジタル信号をΣΔ変調して、スイッチングパワーアンプで電力増幅した高周波信号を更にバンドパスフィルタを通して出力する高周波増幅器の高効率化方法において、前記ΣΔ変調器は、前記無線送信されるデジタル信号が入力され、それをΣΔ変調した2値化パルス信号にして前記スイッチングパワーアンプへ出力し、前記2値化パルスが入力される前記スイッチングパワーアンプは、入力された2値化信号に対応してスイッチングして電力増幅された高周波信号を出力し、前記監視制御手段は、前記ΣΔ変調器へ入力されるデジタル信号の送信信号レベルを監視し、その送信信号レベルが基準のレベル以下の場合、前記ΣΔ変調器に対して入力される送信信号レベルに対応してパルス幅が変化するΣΔ変調された前記パルス信号を前記ΣΔ変調器から前記スイッチングパワーアンプへ向けて出力させる制御と、前記電源供給手段からから前記スイッチングパワーアンプにv2の一定の電圧の電源を供給し、前記スイッチングパワーアンプから一定の振幅の送信信号を出力させる制御と、前記基準のレベルを超過する場合には、前記ΣΔ変調器に対して前記基準信号レベル入力時に出力するパルス幅と同じパルス幅を維持したパルス信号を出力させる制御と前記電源供給手段から前記スイッチングパワーアンプに前記超過するレベルに対応して前記電圧v2よりも高い最大電圧v1までの電圧の電源を供給することにより、前記一定の振幅よりも更に振幅を大きくした送信信号を前記スイッチングパワーアンプから出力させる制御とを行うことを特徴とする。
本発明によれば、広帯域でピークと平均の差が高い信号を高効率で増幅する高周波増幅器、および高効率化方法を提供することが出来る。
本発明の実施例に係わる高周波増幅器の動作を説明する機能ブロック図。 非特許引用文献1のスイッチングアンプ(CVSCD)の動作説明図。 SWPAの入力信号と出力の波形図。 本発明の実施例に係わる高周波増幅器の変形例の動作を説明する機能ブロック図。 従来のΣΔ方式を用いた高周波増幅器の動作を説明する機能ブロック図。
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
図1は、本発明の実施例に係わる高周波増幅器の動作を説明する機能ブロック図である。
図1において、本発明の実施例の高周波増幅器は、図5と同様な事項については説明を省略するが、図5に示される従来のΣΔ方式を用いた高周波増幅器の構成に更にD/Aコンバータ4、弁別増幅器5、スイッチトランジスタTr1、チョークコイル6、逆流防止のダイオード7が加えられている。
無線送信するためのデジタル処理部8から出力されたベースバンド信号は、D/Aコンバータ4でアナログ変換後、例えば、包絡線検波されたレベルモニタ信号が弁別増幅器5へ入力される。弁別増幅器5は、レベルモニタ信号に対して予め信号存在確率の高い平均レベルよりも高めに設定された閾値Vthが設定され、この閾値Vthを越えた場合、トランジスタTr1をオンにして、入力電圧に比例した電圧を出力する。
例えば、閾値Vthは、PARが8dBの時、平均出力レベルから約6dB高いレベルに対応する値で、確率は数%程度になる様に設定される。SWPA2は、通常、電圧v2の電源V2がチョークコイル6とダイオード7を経由してドレインに供給される。一方トランジスタTr1のコレクタには電源V2よりも高い電圧v1の電源V1が供給されている。高周波増幅器への入力信号のレベルが閾値Vth以下で有れば、SWPA2へ電源V2が供給され、閾値Vthを越えると電源V1が供給される。電源V1の電圧v1は、平均入力レベルよりも10dB程大きいピーク入力に対しても出力出来る様な電圧に設定されていると良い。
さて、ここで、一旦、ΣΔ変調器からの信号を増幅するスイッチングパワーアンプの動作について考察する。
図2は、非特許引用文献のスイッチングアンプ(CVSCD :Complementary-Voltage Switched Class-D アンプ)の動作説明図である。
図2(a)は、CVSCDアンプの模式図(非特許引用文献 Fig6)、図2(b)(非特許引用文献 Fig7(a))は、一定振幅で50%デューティ比の信号を電流ゼロの時にスイッチング(零電流スイッチング)する状態図、図2(c)(非特許引用文献 Fig7(b))は、ΣΔ変調信号が入力され、零電流スイッチングではない場合の状態図を示している。
WCDMA信号は、平均出力レベルとピークレベルとのレベル差が大きい信号ではあるものの、ピークレベルの信号を出力する確率は大きくなく、大半の時間で信号の振幅は平均出力レベルである。
そこで、本発明の実施例では、増幅器(SWPA2)の入力信号のレベルが規定値(閾値)以下の場合は、電源としてスイッチングアンプのドレイン端子に固定電圧(v2)を与えてΣΔ変調器の出力信号をそのまま入力するスイッチング動作で一定振幅の送信信号を出力する。
一方、PARが大きくなる信号が入力した場合、言い換えると閾値以上のピークレベルが大きい信号では、ΣΔ変調器から増幅器への出力信号を入力信号のレベルに対応して変化するパルス幅(デューティ)を一定のパルス幅に保持する動作に切り替える。そして、増幅器のドレイン端子に供給される電源電圧を制御して振幅方向の変調をかけた送信信号を出力することにより効率の改善を図っている。
即ち、図1におけるCVSCDアンプであるSWPA2に対して閾値のVth以上ではパルスのデューティ比ではなく、最高で電圧がv1になるように電源電圧を制御することにより、振幅変調がかかるようにする。閾値Vthを前述のように平均レベルより所定のレベルだけ高いポイントまで通常のΣΔ変調を行う様に設定すれば、SWPA2は、閾値Vth以下ではピーク時に必要な電圧(v1)よりも低い電圧(v2)で動作する。
つまりWCDMAの様にPARが大きい信号では、ピーク出力になる確率は低いので、大半の時間は低いドレイン電圧v2で動作するので効率低下を防ぐことが出来る。
上述の様に高周波増幅器への入力信号が、それに対応する弁別増幅器5への入力レベルの閾値Vth以下で有れば、トランジスタTr1はオフのままでSWPA2へ電源V2が供給され、閾値Vthを越えるとトランジスタTr1がオンになり電源V1が供給される。
また同時に、弁別増幅器5から出力するトランジスタTr1をオンにする電圧までは、ΣΔ変調器1が入力信号振幅に比例してパルス幅を変化させる通常の動作をする様に制御する制御信号(閾値情報)、または電圧が、デジタル処理部8、または弁別増幅器5からΣΔ変調器1に入力される。
また、この「オン」にするが制御信号加わっている間は、入力信号が閾値Vth相当の入力時と同じパルス幅と振幅になるようにΣΔ変調器1からの出力が維持される。言い換えれば、ΣΔ変調器1は、入力信号のレベルが閾値Vthを越えている場合には、出力する変調信号のパルス幅が固定される様に設定されている。
そして、入力信号のレベルが閾値Vthを越える場合には、SWPA2の電源には、弁別増幅器5によってオンになったトランジスタTr1を経由して振幅が変化する最大v1の電圧が供給され、結果として、入力信号が閾値Vth以下の場合の通常のΣΔ変調器の出力の振幅に、入力信号が閾値Vthを越えた分に対応して振幅が増した送信信号がBPF3へ出力される。
図3は、SWPA2の入力信号と出力の波形図である。
図3は、入力信号がVthを越えると出力振幅が増加する振幅変調が行われる状態を示している。
トランジスタTr1をリニヤ、例えばA級に近い動作をさせるため、一見電源を含めた効率は良くないがCDMA、OFDMの様な変調信号のピーク電力と平均電力の比が大きな信号では、入力信号が閾値Vth以上となる存在確率が低くなるように閾値Vthを設定しているので全体としての高周波増幅器の効率は向上する。
図4は、本発明の実施例に係わる高周波増幅器の変形例の動作を説明する機能ブロック図である。
図4において、高周波増幅器は、図1の構成に、エミッタが共通接続された2つのトランジスタTr2、Tr3、バイアス部9、デカップリングコンデンサであるキャパシタCとを更に備えている。
また高周波増幅器のSWPA2のドレインには、高出力時に供給される電圧v1のバイアスと低出力時用の電圧v2のバイアスの2種類のバイアス電源が供給される。弁別増幅器5の出力はバイアス部9へ入力され、入力信号のレベルが規定値(Vth)以下の時は、バイアス部9により、Tr3がオフ、Tr2がオンとなる。
バイアス部9は、弁別増幅器5で出力電圧が制御される可変電圧電源である。この可変電圧電源が、Tr3、Tr2のベース電圧を制御する。即ち、入力信号レベルが閾値Vth以下で有れば、Tr3がオフ、Tr2がオンとなり、閾値Vth以上で有れば、Tr3がオン、Tr2がオフとなる様にベース電圧を制御する。回路構成としては、入力信号の大小を比較する弁別増幅器5からの入力に応じて上述の電圧を出力する能動素子回路、または、DSP回路等で構成すればよい。
Tr3がオフ、Tr2がオンとなると、電圧v2の電源V2が、チョークコイル6、ダイオード7を介してSWPA2に印加される。この時、Tr2のコレクタ側にはキャパシタCが接続されているので、SWPA2の出力端子から電源系統側を見たベースバンド信号におけるインピーダンスは低インピーダンスとなる。
SWPA2は高効率のスイッチングアンプであり、D級で動作する。この時、ベースバンド信号における電源系統のインピーダンスが高いと、SWPA2の電源電流の変動に伴い、電源電圧も変化してドレイン変調がかかる。
その結果、高周波増幅器の歪特性が劣化し、特にデジタル処理部8の中にDPD(デジタルプリディストーション回路)を用いた増幅回路では、メモリエフェクトと呼ばれる歪劣化特性を引き起こす。これを更に補正するためDPDが大規模になるという問題があった。本実施例の高周波幅器のSWPA2は、電源系統のインピーダンスを低くしているので、メモリエフェクトによる劣化を抑えることができる。
また、入力信号のレベルが規定値Vth以上の時は、バイアス部9がTr3をオン、Tr2をオフとする。そしてTr3はエミッタフォロワとして動作するので、増幅器のコレクタ、またはドレイン(電源)電圧は弁別増幅器5が出力する入力信号へ追従して動作するようになる。
Tr3のコレクタに供給される電源V1の電圧v1は、v1>v2となるようにしているので、従来の簡易な増幅器と異なり、SWPA2のコレクタ電圧が不連続に変化することなく、入力レベルの検波電圧に対応して変化するので、SWPA2の歪特性を改善することができるとともに振幅変調を与えることが出来る。
なお、上記のTr3、Tr2はバイポーラトランジスタでもよいし、FETでもよい。また片側がバイポーラトランジスタ、もう片側がFETの組合せの構成でもよい。
なお、バイポーラトランジスタの場合は、コレクタ電圧が制御され、FETの場合で有れば、ドレイン電圧が制御されるが、ここでは、これら制御される電圧を何れもバイアス電圧と総称する。また、バイポーラトランジスタとFETの場合、コレクタをドレイン、エミッタをソース、ベースをゲートとそれぞれ読み替えればよい。
なお、本発明は、上記主旨を脱しない範囲で、構成、組合せ、処理手順等を変更することが出来る。例えば、上記D/A変換器4、弁別増幅器5、バイアス部9は、独立した構成になっているが、弁別増幅器5の信号レベル比較は、デジタル的に行われ、バイアス部9はそのデジタル変換された値から各トランジスタを制御するバイアス電圧を生成するバイアス信号生成手段であっても良い。
1 ΣΔ変調器
2 SWPA(スイッチングパワーアンプ)
3 BPF
4 D/Aコンバータ
5 弁別増幅器
6 チョークコイル
7 逆電圧防止ダイオード
8 デジタル処理部
9 バイアス部
Tr1、Tr2、Tr3 スイッチトランジスタ

Claims (7)

  1. 無線送信されるデジタル信号をΣΔ変調して、スイッチングパワーアンプで電力増幅し、更にバンドパスフィルタを通して出力する高周波増幅器において、
    入力される2値化信号をスイッチング増幅した高周波信号を出力するスイッチングパワーアンプと
    前記デジタル信号が入力され、それをΣΔ変調した2値化パルス信号にして前記スイッチングパワーアンプへ出力するΣΔ変調器と、
    電圧v2から最大電圧v1までの電圧を出力する電源供給手段と、
    前記ΣΔ変調器へ入力されるデジタル信号の送信信号レベルを監視し、
    その送信信号レベルが基準のレベル以下の場合、
    前記ΣΔ変調器に対して入力される前記送信信号レベルに対応してパルス幅が変化するΣΔ変調された前記パルス信号を前記ΣΔ変調器から前記スイッチングパワーアンプへ向けて出力させる制御および前記電源供給手段から前記スイッチングパワーアンプに前記v2の一定の電圧の電源を供給して前記スイッチングパワーアンプから一定の振幅の送信信号を出力させる制御と、
    前記基準のレベルを超過する場合には、
    前記ΣΔ変調器に対して前記基準レベル入力時に出力するパルス幅と同じパルス幅を維持したパルス信号を出力させる制御および前記電源供給手段から前記スイッチングパワーアンプに前記超過するレベルに対応して最大前記v1までの電源電圧を供給することにより、前記一定の振幅よりも更に振幅を大きくした送信信号を前記スイッチングパワーアンプから出力させる制御とを行う監視制御手段とを
    備えることを特徴とする高周波増幅器。
  2. 前記監視制御手段は、
    前記基準のレベルを、前記入力される送信信号レベルの想定する平均入力レベル以上かつ、最大ピークレベル未満の値に設定していることを
    特徴とする請求項1記載の高周波増幅器。
  3. 前記電源供給手段は、第1と第2の電源とを備え
    前記v2の電圧を出力する第2の電源は、逆流防止ダイオードを経て前記スイッチングパワーアンプの電源端子に接続され、
    前記v1の電圧を出力する第1の電源は、トランジスタのコレクタに接続され、そのエミッタが前記スイッチングパワーアンプの電源端子に接続され、そのベースが前記監視制御手段へ接続され、
    前記監視制御手段は、
    前記入力される送信信号レベルが前記基準のレベル以下の場合前記トランジスタをオフにして前記第2の電源からの出力を前記スイッチングパワーアンプへ供給し、
    前記入力される送信信号レベルが前記基準のレベル以上の場合前記トランジスタをオンにして前記第1の電源から最大前記v1までの電源電圧を前記スイッチングパワーアンプへ供給することにより、前記基準のレベルを越えた電圧に対応して前記スイッチングパワーアンプの送信信号の振幅が前記一定の振幅よりも大きくなる制御信号を前記トランジスタのベースに出力する
    ことを特徴とする請求項1または2記載の高周波増幅器。
  4. 前記電圧v1は、前記平均入力レベルに対して略10dB大きいピーク信号に対応出来る前記振幅変調が可能な電圧であることを特徴とする
    請求項1乃至3の何れか1つに記載の高周波増幅器。
  5. 前記電源供給手段は、第1と第2の電源とを備え
    前記v2の電圧を出力する第2の電源は、逆流防止ダイオードを経て前記スイッチングパワーアンプの電源端子に接続され、
    前記v1の電圧を出力する第1の電源は、ベースが前記監視制御手段の出力端子へ接続され、コレクタがキャパシタを介して接地される第2のトランジスタと、ベースが前記監視制御手段の出力端子へ接続され、コレクタが前記第1の電源に接続され、エミッタが前記第2のトランジスタのエミッタに接続されると共に前記スイッチングパワーアンプの電源端子に接続される第3のトランジスタとを備え、
    前記監視制御手段は、
    前記入力する送信信号レベルが前記基準の信号レベル以下で有る場合、
    前記スイッチングパワーアンプへ前記第2の電源からv2の電圧を供給するために前記第3のトランジスタをオフ、前記第2のトランジスタをオンに設定し、
    前記送信信号が前記基準の信号レベルを越えた場合、
    前記スイッチングパワーアンプに前記第1の電源から最大前記v1までの電源電圧を供給するために前記第2のトランジスタをオフ、前記第3のトランジスタをオンに設定する制御信号を前記第2および第3のトランジスタのベースに出力する
    ことを特徴とする請求項1または2に記載の高周波増幅器。
  6. スイッチングパワーアンプと、ΣΔ変調器と、電源供給手段と、監視制御手段とを備え、
    無線送信されるデジタル信号をΣΔ変調して、スイッチングパワーアンプで電力増幅した高周波信号を更にバンドパスフィルタを通して出力する高周波増幅器の高効率化方法において、
    前記ΣΔ変調器は、前記無線送信されるデジタル信号が入力され、それをΣΔ変調した2値化パルス信号にして前記スイッチングパワーアンプへ出力し、
    前記2値化パルスが入力される前記スイッチングパワーアンプは、入力された2値化信号に対応してスイッチングして電力増幅された高周波信号を出力し、
    前記監視制御手段は、
    前記ΣΔ変調器へ入力されるデジタル信号の送信信号レベルを監視し、
    その送信信号レベルが基準のレベル以下の場合、
    前記ΣΔ変調器に対して入力される送信信号レベルに対応してパルス幅が変化するΣΔ変調された前記パルス信号を前記ΣΔ変調器から前記スイッチングパワーアンプへ向けて出力させる制御と、前記電源供給手段からから前記スイッチングパワーアンプにv2の一定の電圧の電源を供給し、前記スイッチングパワーアンプから一定の振幅の送信信号を出力させる制御と、
    前記基準のレベルを超過する場合には、
    前記ΣΔ変調器に対して前記基準信号レベル入力時に出力するパルス幅と同じパルス幅を維持したパルス信号を出力させる制御と
    前記電源供給手段から前記スイッチングパワーアンプに前記超過するレベルに対応して前記電圧v2よりも高い最大電圧v1までの電圧の電源を供給することにより、前記一定の振幅よりも更に振幅を大きくした送信信号を前記スイッチングパワーアンプから出力させる制御とを行うことを
    特徴とする高周波増幅器の高効率化方法。
  7. 前記監視制御手段は、
    前記基準のレベルを、想定する前記入力する信号レベルの平均入力レベル以上かつ、最大ピークレベル未満の値に設定していることを
    特徴とする請求項6記載の高周波増幅器の高効率化方法。
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