JP5424345B2 - Δς変調器及びスイッチングアンプを有する増幅器、プログラム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、ΔΣ変調器及びスイッチングアンプを有する増幅器の技術に関する。

無線機の電力増幅器の高効率化技術として、ΔΣ変調器(Delta-sigma modulator)及びスイッチングアンプを組み合わせた増幅器がある。この技術によれば、高効率なスイッチングアンプを用いるために、入力信号をΔΣ変調器によって矩形波に変換している。ここで、ΔΣ変調の際に、希望信号に対して量子化雑音が付加される。そこで、ΔΣ変調器の次数や伝達関数を調整することによって、量子化雑音のスペクトラムの形を調整する。

「ΔΣ変調器」は、アナログ信号（又は離散時間信号）を、１ビット以上（数ビット）の振幅が離散化された信号に変調（符号化）する。これは、オーバサンプリング及びノイズシェーピングによって、希望信号帯域内の量子化雑音（又は、符号化によって生じる歪み）を低減する技術である。オーバサンプリングを用いて、信号帯域よりも十分に高い周波数でサンプリングし、量子化雑音を高い周波数にまで引き伸ばす。そして、ノイズシェーピングを用いて、全周波数に均等に引き伸ばされた量子化雑音を、高い周波数領域へ移行させる。ノイズシェーピングは、量子化器(quantizer)の前段に積分器（フィルタ）を備え、量子化器の出力値をその積分器にフィードバックさせる構成によって実現される。

「スイッチングアンプ」は、ΔΣ変調器から出力された矩形波の離散信号を、無線システムで必要とされる電力まで増幅する。ここで、希望信号に対して量子化雑音の電力が大きい場合がある。即ち、希望信号と量子化雑音電力との電力比（Ｓ／Ｎ比）が十分高い値を取れない場合である。この場合、ΔΣ変調器内の量子化器の出力値数を多値化し、スイッチングアンプを多段にすることによって、Ｓ／Ｎ比を改善することができる（例えば特許文献１参照）。

図１は、従来技術における増幅器の機能構成図である。

図１によれば、増幅器１は、ΔΣ変調器１１と、スイッチングアンプ１２とを有する。増幅器１は、入力信号をΔΣ変調器１１によって離散信号に変調し、その離散信号をスイッチングアンプ１２によって増幅する。増幅器１は、例えば無線機（送信機）に搭載されるものであって、データ信号をアンテナから送信するために増幅する。

ΔΣ変調器１１は、入力信号を、K個の出力値ｑ_k（k＝1,2,〜,K、K：量子化レベル）に量子化する。ここで、入力信号は、アナログ信号であってもよいし、サンプリング周波数ｆ_s＝１／ΔＴによってサンプリングされた離散時間信号であってもよい。

ΔΣ変調器１１は、量子化器１１１と、積分器１１２と、減算器１１３とを有する。量子化器１１１は、入力信号の連続的な振幅値を、K個の出力値ｑ_kに量子化する。その出力値ｑ_kは、入力信号に対して量子化雑音を含むものとなる。積分器１１２は、量子化器１１１の前段で、入力信号を積分する（伝達関数H(z)のフィルタ処理を行う）。これにより、減算器１１３は、量子化器１１１の出力値ｑ_kを入力信号へ帰還させることによって、ループを構成する。このループ構成とH(z)のフィルタ処理によって、ノイズシェーピングの伝達特性を実現する。

図１によれば、スイッチングアンプ１２は、ΔΣ変調器１１からの多値信号を入力する。スイッチングアンプ１２は、トランジスタを多段に接続している。トランジスタは、例えばＦＥＴ(Field Effect Transistor：電界効果トランジスタ）であってもよい。各トランジスタのドレインは結合される。結合された電流は、トランス１２３の入力側へ出力される。トランス１２３を介して各トランジスタの出力電流が合成される。トランス１２３の入力側と出力側とで信号が分離され、その出力側は、整合回路(Matching network)を介して、負荷Ｒload（例えば５０Ω）に接続される。ここで、信号の電力を効率良く出力するために、送信信号の周波数帯でマッチングを取る必要がある。整合回路は、負荷Ｒloadとのマッチングのために、インピーダンス変換がなされる。

特開２００８−１４８２１２公報

スイッチングアンプ１２は、トランジスタを多段に接続するために、ＯＮとなるトランジスタ（ベース電圧がHighとなる場合）の数によって、回路のインピーダンスが変動する。しかしながら、トランジスタのＯＮ／ＯＦＦの全ての組合せについて、整合回路１２４におけるインピーダンスのマッチングを最適点（５０Ω）にすることはできない。

図２は、ΔΣ変調器からの出力値と、スイッチングアンプの出力電圧とを表すグラフである。

図２（ａ）は、ΔΣ変調器の量子化器について、閾値ｘ_k（横軸）に対する出力値ｑ_k（縦軸）を表す。これは、量子化器の以下のように動作を意味する。
閾値ｘ_k（k＝1,2,〜,K、K：量子化レベル）であって、
入力信号が、区間Ｑ_k＝｛ｘ：ｘ_k-1＜ｘ≦ｘ_k｝（ｘ₀＝0，ｘ_K＝∞）にある場合、
出力値ｑ_kを出力する。
ここで、閾値ｘの変化に対応する出力値ｑの変化（ステップ幅）は、Δｋで表されている。ここで、ΔΣ変調器が一様量子化器(uniform quantizer)を備えている場合、出力値ｑ_k（k＝1,2,〜,K）のステップ幅Δｋ（＝ｑ_k−ｑ_k-1）は、一定である。

図２（ｂ）は、スイッチングアンプについて、時間経過(nsec)（横軸）に対する出力電圧(mV)（縦軸）を表す。スイッチングアンプ内でＯＮとなるトランジスタの数に合わせて、出力電圧も階段状に変化している。ここで、ΔΣ変調器の出力値のステップ幅が一定であるのに対し、スイッチングアンプの出力電圧のステップ幅が一定ではない。これは、ＯＮとなるトランジスタの数と、整合回路のインピーダンス変換とが比例していないことに基づく。そのために、スイッチングアンプからの出力信号の電圧波形が歪んでしまう。特に、スイッチングアンプの最大の出力電圧については数十mVも足りなくなっている。

そこで、本発明は、スイッチングアンプにおけるＯＮのトランジスタの数に応じて、インピーダンスの不整合に基づく出力信号の歪みを低減することができる増幅器、プログラム及び方法を提供することを目的とする。

本発明によれば、入力信号をΔΣ変調器によって離散信号に変調し、その離散信号をスイッチングアンプによって増幅する増幅器において、
ΔΣ変調器は、出力値ｑ・閾値ｘを制御可能な量子化器を有し、
スイッチングアンプは、離散信号に応じてスイッチングされる複数のトランジスタと、トランジスタからの出力信号を合成するトランスと、該トランスの出力側に接続される整合回路と、該整合回路及び負荷Ｒloadの間の出力電力における電力値を検出する電力検出器とを有し、
更に、スイッチングアンプに対してＯＮとなるトランジスタの数Ｎを変化させてスイッチングを制御し、スイッチングアンプの電力検出器から電力値Ｐを入力し、ΔΣ変調器の量子化器に対して、電力値Ｐに応じた出力値ｑ・閾値ｘを設定する制御部を更に有する
ことを特徴とする。

本発明の増幅器における他の実施形態によれば、制御部は、ＯＮとなるトランジスタ数Ｎが奇数である場合、電力値Ｐ_Ｎの平方根Ｉ_Ｎ＝√(Ｐ_Ｎ)を用いて、量子化器の出力値ｑを、±Ｉ_ｋ／Ｉ_ａ（ｋ＝１，３，・・・，Ｎ、ａ＝１）に設定することも好ましい。

本発明の増幅器における他の実施形態によれば、制御部は、ＯＮとなるトランジスタ数Ｎが偶数である場合、電力値Ｐ_Ｎの平方根Ｉ_Ｎ＝√(Ｐ_Ｎ)を用いて、量子化器の出力値ｑを、±Ｉ_ｋ／Ｉ_ａ（ｋ＝２，４，・・・，Ｎ、ａ＝２）に設定することも好ましい。

本発明の増幅器における他の実施形態によれば、制御部は、量子化器の閾値ｘを、出力値ｑの中間値に設定することも好ましい。

本発明によれば、入力信号をΔΣ変調器によって離散信号に変調し、その離散信号をスイッチングアンプによって増幅する増幅器について、
ΔΣ変調器は、出力値ｑ・閾値ｘを制御可能な量子化器を有し、
スイッチングアンプは、離散信号に応じてスイッチングされる複数のトランジスタと、トランジスタからの出力信号を合成するトランスと、該トランスの出力側に接続される整合回路と、該整合回路及び負荷Ｒloadの間の出力電力における電力値を検出する電力検出器とを有する
増幅器に搭載されたコンピュータを機能させるプログラムであって、
スイッチングアンプに対してＯＮとなるトランジスタの数Ｎを変化させてスイッチングを制御する第１のステップと、
スイッチングアンプの電力検出器から電力値Ｐを入力する第２のステップと、
ΔΣ変調器の量子化器に対して、電力値Ｐに応じた出力値ｑ・閾値ｘを設定する第３のステップと
してコンピュータを実行させることを特徴とする。

本発明の増幅器用のプログラムにおける他の実施形態によれば、第３のステップについて、ＯＮとなるトランジスタ数Ｎが奇数である場合、電力値Ｐ_Ｎの平方根Ｉ_Ｎ＝√(Ｐ_Ｎ)を用いて、量子化器の出力値ｑを、±Ｉ_ｋ／Ｉ_ａ（ｋ＝１，３，・・・，Ｎ、ａ＝１）に設定することも好ましい。

本発明の増幅器用のプログラムにおける他の実施形態によれば、第３のステップについて、ＯＮとなるトランジスタ数Ｎが偶数である場合、電力値Ｐ_Ｎの平方根Ｉ_Ｎ＝√(Ｐ_Ｎ)を用いて、量子化器の出力値ｑを、±Ｉ_ｋ／Ｉ_ａ（ｋ＝２，４，・・・，Ｎ、ａ＝２）に設定することも好ましい。

本発明の増幅器用のプログラムにおける他の実施形態によれば、制御部は、量子化器の閾値ｘを、出力値ｑの中間値に設定することも好ましい。

本発明によれば、入力信号をΔΣ変調器によって離散信号に変調し、その離散信号をスイッチングアンプによって増幅する増幅器について、
ΔΣ変調器は、出力値ｑ・閾値ｘを制御可能な量子化器を有し、
スイッチングアンプは、離散信号に応じてスイッチングされる複数のトランジスタと、トランジスタからの出力信号を合成するトランスと、該トランスの出力側に接続される整合回路と、該整合回路及び負荷Ｒloadの間の出力電力における電力値を検出する電力検出器とを有する
増幅器における制御方法であって、
スイッチングアンプに対してＯＮとなるトランジスタの数Ｎを変化させてスイッチングを制御する第１のステップと、
スイッチングアンプの電力検出器から電力値Ｐを入力する第２のステップと、
ΔΣ変調器の量子化器に対して、電力値Ｐに応じた出力値ｑ・閾値ｘを設定する第３のステップと
を有することを特徴とする。

本発明の増幅器、プログラム及び方法によれば、スイッチングアンプにおけるＯＮのトランジスタの数に応じて、インピーダンスの不整合に基づく出力信号の歪みを低減することができる。

従来技術における増幅器の機能構成図である。 ΔΣ変調器からの出力値と、スイッチングアンプの出力電圧とを表すグラフである。 本発明おける増幅器の機能構成図である。 制御部の制御内容を表す説明図である。 ΔΣ変調器の量子化器の量子化を表す説明図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。

図３は、本発明おける増幅器の機能構成図である。

図３によれば、図１と比較して、ΔΣ変調器１１は、出力値ｑ・閾値ｘを制御可能な量子化器１１１を有する。また、スイッチングアンプ１２は、整合回路１２４と負荷１２５との間に、分配器(Coupler)１２６を有する。分配器１２６の一方が、電力検出器(Power
detector)１２７に接続される。電力検出器１２７は、出力電力の電力値Ｐを検出する。

図３によれば、増幅器１は、ΔΣ変調器１１及びスイッチングアンプ１２に対する制御部１３を更に有する。制御部１３は、スイッチング制御部１３１と、電力値記憶部１３２と、量子化制御部１３３とを有する。これら機能構成部は、増幅器に搭載されたコンピュータを機能させるプログラムを実行することによって実現される。

スイッチング制御部１３１は、スイッチングアンプ１２の制御信号生成部(Control signal generator)１２１に対して、ＯＮとなるトランジスタの数Ｎを変化させてスイッチングを制御する。例えば、１個のトランジスタのみがＯＮになる１つ以上のスイッチングに切り替え、次に、２個のトランジスタのみがＯＮになる１つ以上のスイッチングに切り替える。このようなスイッチング制御を、入力信号の多値数に応じて順次実行する。

電力値記憶部１３２は、スイッチングアンプ１２の電力検出器１２７から電力値Ｐを入力し、記憶する。電力Ｐは、ＯＮとなるトランジスタの個数に応じて記憶される。例えば、１個のトランジスタのみがＯＮになった場合の電力値、２個のトランジスタのみがＯＮになった場合の電力値、これを順次記憶する。

量子化制御部１３３は、ΔΣ変調器１１の量子化器１１１に対して、電力値Ｐに応じた出力値ｑ・閾値ｘを設定する。

図４は、制御部の制御内容を表す説明図である。また、図５は、ΔΣ変調器の量子化器の量子化を表す説明図である。

図４によれば、スイッチングアンプ１２の制御信号発生部１２１は、入力信号からトランジスタへの制御信号を生成する。ここで、入力信号が［＋３，＋１，−１，−３］の４値であるとする。
［トランジスタの動作］
（＋３）：アンプS0〜S2＝High、 S3〜S5 ＝Low
（＋１）：アンプS0 ＝High、 S1〜S5 ＝Low
（−１）：アンプS3 ＝High、 S0〜S2,S4,S5＝Low
（−３）：アンプS3〜S5＝High、 S0〜S2 ＝Low
［制御信号発生部の動作］
（＋３）Control1：High Control2：High Control3：Low Control4：Low
（＋１）Control1：High Control2：Low Control3：Low Control4：Low
（−１）Control1：Low Control2：Low Control3：High Control4：Low
（−３）Control1：Low Control2：Low Control3：High Control4：High

例えば、量子化器は、最初に以下のように設定されているとする（図５（ａ）参照）。
量子化器の出力値［−３， −１， ＋１， ＋３］
閾値 ［−２， ０， ＋２］

図４によれば、スイッチング制御部１３１は、以下のようにスイッチングアンプ１２の制御信号生成部１２１を制御する。
（第１のスイッチング）
ＯＮとなるトランジスタの数Ｎ＝１
（＋１）Control1：High Control2：Low Control3：Low Control4：Low
（−１）Control1：Low Control2：Low Control3：High Control4：Low
このとき、スイッチング制御部１３１は、電力検出器１２７で検出された電力値Ｐ_１を、制御部１３へ出力する。そして、制御部１３の電力値記憶部１３２が、電力値Ｐ_１を記憶する。
（第２のスイッチング）
ＯＮとなるトランジスタの数Ｎ＝３
（＋３）Control1：High Control2：High Control3：Low Control4：Low
（−３）Control1：Low Control2：Low Control3：High Control4：High
このとき、スイッチング制御部１３１は、電力検出器１２７で検出された電力値Ｐ_３を、制御部１３へ出力する。そして、制御部１３の電力値記憶部１３２が、電力値Ｐ_３を記憶する。

そして、制御部１３の量子化制御部１３３は、ΔΣ変調器１１の量子化器１１１を制御する。ここで、トランジスタから負荷に対して流れる電流の比（Ｉ₃／Ｉ₁：トランジスタが１個ＯＮの場合と３個ＯＮの場合の電流の比）を推定するために、電力検出器の出力を用いる。電力は電流の２乗に比例することから、電力検出器出力の平方根を用いて電流の比を求める。尚、電力検出器ではなく、電流検出器を用いてもよく、その場合は、電流検出器の出力の比を、電流の比として使用する。

（ＯＮとなるトランジスタ数Ｎが奇数である場合）
電力値Ｐ_Ｎの平方根Ｉ_Ｎ＝√(Ｐ_Ｎ)を用いて、量子化器の出力値を、±Ｉ_ｋ／Ｉ_ａ（ｋ＝１，３，・・・，Ｎ、ａ＝１）に設定する。
Ｉ_１＝√（Ｐ_１）
Ｉ_３＝√（Ｐ_３）
量子化器の出力値［−Ｉ_３／Ｉ_１， −１， ＋１， ＋Ｉ_３／Ｉ_１］
閾値 ［（−１−Ｉ_３／Ｉ_１）／２， ０， （１＋Ｉ_３／Ｉ_１）／２］
例えば、Ｉ_３／Ｉ_１＝２．８とする。これは、Ｉ_３／Ｉ_１＝３が理想的であるにもかかわらず、スイッチングアンプのトランジスタによって２．８に歪んでいることを意味する。そうすると、量子化器の出力値及び閾値は、以下のように設定される。
量子化器の出力値［−２．８， −１， ＋１， ＋２．８］
閾値 ［（−１−２．８）／２， ０， （１＋２．８）／２］
＝［−１．９， ０， ＋１．９］
従って、本発明によれば、量子化器における設定状態は、図５（ｂ）のように設定される。

尚、量子化器の閾値ｘは、出力値ｑの中間値になるように設定される。例えば、出力値が［−２．８， −１， ＋１， ＋２．８］である場合、中間値［−１．９， ０， ＋１．９］を閾値ｘとして設定する。

（ＯＮとなるトランジスタ数Ｎが偶数である場合）
電力値Ｐ_Ｎの平方根Ｉ_Ｎ＝√(Ｐ_Ｎ)を用いて、量子化器の出力値を、±Ｉ_ｋ／Ｉ_ａ（ｋ＝２，４，・・・，Ｎ、ａ＝２）に設定する。

尚、出力値及び閾値については、前述の値を定数倍したものであってもよい。また、スイッチングアンプの段数が多数になった場合であっても、本発明における量子化器の設定方法を用いることができる。

以上、詳細に説明したように、本発明の増幅器、プログラム及び方法によれば、スイッチングアンプにおけるＯＮのトランジスタの数に応じて、インピーダンスの不整合に基づく出力信号の歪みを低減することができる。

前述した本発明の種々の実施形態について、本発明の技術思想及び見地の範囲の種々の変更、修正及び省略は、当業者によれば容易に行うことができる。前述の説明はあくまで例であって、何ら制約しようとするものではない。本発明は、特許請求の範囲及びその均等物として限定するものにのみ制約される。

１ 増幅器
１１ ΔΣ変調器
１１１ 量子化器
１１２ 積分器
１１３ 減算器
１２ スイッチングアンプ
１２１ 制御信号発生部
１２２ 電解効果トランジスタ
１２３ トランス
１２４ 整合回路、マッチング回路
１２５ 負荷、５０Ω抵抗
１２６ 分配器、カプラ
１２７ 電力検出器
１３ 制御部
１３１ スイッチング制御部
１３２ 電力値記憶部
１３３ 量子化制御部

Claims (9)

1. 入力信号をΔΣ変調器によって離散信号に変調し、その離散信号をスイッチングアンプによって増幅する増幅器において、
   前記ΔΣ変調器は、出力値ｑ・閾値ｘを制御可能な量子化器を有し、
   前記スイッチングアンプは、前記離散信号に応じてスイッチングされる複数のトランジスタと、前記トランジスタからの出力信号を合成するトランスと、該トランスの出力側に接続される整合回路と、該整合回路及び負荷Ｒloadの間の出力電力における電力値を検出する電力検出器とを有し、
   更に、前記スイッチングアンプに対してＯＮとなるトランジスタの数Ｎを変化させてスイッチングを制御し、前記スイッチングアンプの前記電力検出器から前記電力値Ｐを入力し、前記ΔΣ変調器の前記量子化器に対して、前記電力値Ｐに応じた出力値ｑ・閾値ｘを設定する制御部を更に有する
   ことを特徴とする増幅器。
2. 前記制御部は、ＯＮとなるトランジスタ数Ｎが奇数である場合、電力値Ｐ_Ｎの平方根Ｉ_Ｎ＝√(Ｐ_Ｎ)を用いて、前記量子化器の出力値ｑを、±Ｉ_ｋ／Ｉ_ａ（ｋ＝１，３，・・・，Ｎ、ａ＝１）に設定することを特徴とする請求項１に記載の増幅器。
3. 前記制御部は、ＯＮとなるトランジスタ数Ｎが偶数である場合、電力値Ｐ_Ｎの平方根Ｉ_Ｎ＝√(Ｐ_Ｎ)を用いて、前記量子化器の出力値ｑを、±Ｉ_ｋ／Ｉ_ａ（ｋ＝２，４，・・・，Ｎ、ａ＝２）に設定することを特徴とする請求項１に記載の増幅器。
4. 前記制御部は、量子化器の閾値ｘを、出力値ｑの中間値に設定することを特徴とする請求項２又は３に記載の増幅器。
5. 入力信号をΔΣ変調器によって離散信号に変調し、その離散信号をスイッチングアンプによって増幅する増幅器について、
   前記ΔΣ変調器は、出力値ｑ・閾値ｘを制御可能な量子化器を有し、
   前記スイッチングアンプは、前記離散信号に応じてスイッチングされる複数のトランジスタと、前記トランジスタからの出力信号を合成するトランスと、該トランスの出力側に接続される整合回路と、該整合回路及び負荷Ｒloadの間の出力電力における電力値を検出する電力検出器とを有する
   増幅器に搭載されたコンピュータを機能させるプログラムであって、
   前記スイッチングアンプに対してＯＮとなるトランジスタの数Ｎを変化させてスイッチングを制御する第１のステップと、
   前記スイッチングアンプの前記電力検出器から前記電力値Ｐを入力する第２のステップと、
   前記ΔΣ変調器の前記量子化器に対して、前記電力値Ｐに応じた出力値ｑ・閾値ｘを設定する第３のステップと
   してコンピュータを実行させることを特徴とする増幅器用のプログラム。
6. 第３のステップについて、ＯＮとなるトランジスタ数Ｎが奇数である場合、電力値Ｐ_Ｎの平方根Ｉ_Ｎ＝√(Ｐ_Ｎ)を用いて、前記量子化器の出力値ｑを、±Ｉ_ｋ／Ｉ_ａ（ｋ＝１，３，・・・，Ｎ、ａ＝１）に設定することを特徴とする請求項５に記載の増幅器用のプログラム。
7. 第３のステップについて、ＯＮとなるトランジスタ数Ｎが偶数である場合、電力値Ｐ_Ｎの平方根Ｉ_Ｎ＝√(Ｐ_Ｎ)を用いて、前記量子化器の出力値ｑを、±Ｉ_ｋ／Ｉ_ａ（ｋ＝２，４，・・・，Ｎ、ａ＝２）に設定することを特徴とする請求項５に記載の増幅器用のプログラム。
8. 前記制御部は、量子化器の閾値ｘを、出力値ｑの中間値に設定することを特徴とする請求項６又は７に記載の増幅器用のプログラム。
9. 入力信号をΔΣ変調器によって離散信号に変調し、その離散信号をスイッチングアンプによって増幅する増幅器について、
   前記ΔΣ変調器は、出力値ｑ・閾値ｘを制御可能な量子化器を有し、
   前記スイッチングアンプは、前記離散信号に応じてスイッチングされる複数のトランジスタと、前記トランジスタからの出力信号を合成するトランスと、該トランスの出力側に接続される整合回路と、該整合回路及び負荷Ｒloadの間の出力電力における電力値を検出する電力検出器とを有する
   増幅器における制御方法であって、
   前記スイッチングアンプに対してＯＮとなるトランジスタの数Ｎを変化させてスイッチングを制御する第１のステップと、
   前記スイッチングアンプの前記電力検出器から前記電力値Ｐを入力する第２のステップと、
   前記ΔΣ変調器の前記量子化器に対して、前記電力値Ｐに応じた出力値ｑ・閾値ｘを設定する第３のステップと
   を有することを特徴とする増幅器用の制御方法。

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