JP5469257B2 - 集積回路、無線通信ユニット及び電源を供給する方法 - Google Patents

集積回路、無線通信ユニット及び電源を供給する方法 Download PDF

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Description

本発明は、無線通信ユニット、送信アーキテクチャ及び電力供給を提供する回路の分野に関する。本発明は、線形送信機（linear transmitter）及び無線通信ユニットのための電源集積回路、並びにそのための電力増幅器の電源電圧の方法に適用できるが、これらに限定されない。本発明の主な焦点及び用途は、無線通信アプリケーションで使用可能な無線周波数（ＲＦ）電力増幅器の分野である。
無線通信システムのために利用可能な限られたスペクトルに対して引き続き存在している圧力は、スペクトル効率の良い線形変調スキームの開発を推し進めている。多数のこれらの線形変調スキームのエンベロープは変動するので、その結果、アンテナに分配される平均電力は最大電力よりも有意に低く、電力増幅器の粗悪な効率をもたらす。特に、この分野では、電力増幅器の「バックオフ（線形）」領域で高い性能を提供できる高効率トポロジの開発にかなりの量の研究努力が行われている。
線形変調スキームは、スペクトル再生からの不要な帯域外放射を最小化するために、変調信号の線形増幅を必要とする。しかしながら、典型的なＲＦ増幅装置で用いられる能動素子は、本質的に本来、非線形である。消費されるＤＣ電力の小部分がＲＦ電力に変換されるときのみ、増幅装置の伝達関数は、直線により、つまり理想的な線形増幅器などで近似することができる。この動作モードは、低い効率のＤＣからＲＦへの電力変換を提供する。これは、ポータブル（加入者）無線通信ユニットにとって許容できない。さらに、低い効率は、基地局にとって問題があると認識されている。
さらに、ポータブル（加入者）機器において重要なことは、バッテリ寿命を増大することである。線形性と効率の両方を達成するために、所謂、線形化技術が用いられ、より効率的な増幅器のクラス、例えば「ＡＢ」、「Ｂ」又は「Ｃ」級増幅器の線形性を向上させる。多数の且つ種々の線形化技術が存在する。これらは、カルテシアン・フィードバック、フィード・フォワード及び適応型先行歪ませ器のような線形送信機の設計で用いられる場合が多い。
例えばクラスＡＢのような線形増幅器の出力における電圧は、標準的に、最後のＲＦ電力増幅（ＰＡ）装置の要件により設定される。一般的に、ＰＡの最小電圧は、クラスＡＢの増幅器の出力素子により要求される電圧よりも有意に大きい。したがって、それらは、最も効率の良い増幅器技術ではない。送信機（主にＰＡ）の効率は、出力素子にかかる電圧により決定される。さらに、プルダウン素子部品にかかる過電圧は、ＰＡの最小電源電圧（Ｖｍｉｎ）要件に起因する。
アップリンク通信チャネルの送信で用いられるビットレートを増大させるために、より大きいコンステレーションの変調スキームが、振幅変調（ＡＭ）構成要素と共に、調査され、実際に必要とされてきている。１６ＱＡＭ（sixteen-bit quadrature amplitude modulation）のようなこれらの変調スキームは、線形ＰＡを必要とし、変調エンベロープは計の高い「波高因子」（つまり、変動の程度）と関連付けられる。これは、これまで多く用いられている一定エンベロープ変調スキームとは対照的であり、電力効率及び線形性の有意な低減をもたらしうる。
このような効率及び線形性の問題を克服するのを助けるため、多くの解決策が提案されている。ある使用される技術は、ＰＡ電源電圧を変調し、ＲＦ ＰＡにより送信されている無線周波数の波形のエンベロープを適合させることである。エンベロープ変調は、ＰＡ電源から増幅器の制御ポートの１つへの帰還信号を必要とする。エンベロープ変調を利用する提案されている解決策は、ＥＥＲ（envelope elimination and restoration）及びエンベロープ追跡（envelope tracking:ET）を含む。これらの両方の手法は、広帯域電源信号をＰＡの電源ポートに印加することを必要とする。
ＰＡ電源のＲＦエンベロープ追跡の使用により、高ＰＡＰＲ（peak-to-average power）高電力送信条件でのＰＡの効率と線形性の両方を向上させうることが知られている。図１は、２つの代替技術のグラフ表示１００を示す。第１の技術はＰＡへの定電圧源を提供する。第２の技術により、ＲＦエンベロープ波形１１５を追跡するために、ＰＡの電源電圧が変調される。定電源の場合には、増幅されている変調ＲＦ波形の特性に関係なく、過剰なＰＡ電源電圧の無歪限界１１０が用いられる（場合によっては無駄になる）。しかしながら、ＲＦ変調されたエンベロープを追跡するＰＡ電源電圧の例１１５では、過剰なＰＡ電源電圧の無歪限界は、ＲＦ ＰＡ電源を変調し、ＰＡ電源が瞬間的なＲＦエンベロープを正確に追跡できるようにすることにより、低減することができる１２０。
スイッチド・モード電源（switched-mode power supply：SMPS）技術は、効率の向上を提供するために用いられることが知られている。ＳＭＰＳは、高性能な電力変換のために、スイッチング・レギュレータを内蔵した電源である。他の種類の電源と同様に、ＳＭＰＳは、無線通信ユニットのバッテリのような電源から電力増幅器モジュールのような負荷への電力を変換すると共に、電圧及び電流特性を変換する。ＳＭＰＳは、通常、調整された出力電圧を典型的には入力電圧と異なるレベルで効率的に供給するために利用される。線形電源と異なり、スイッチング・モード電源のパストランジスタは、完全にオンの状態と完全にオフの状態との間で非常に高速に切り替わり、エネルギの消散を最小限に抑える。電圧調整は、「オフ」の時間に対する「オン」の時間の比を変化させることにより提供される。対照的に、線形電源は、出力を調整するために過電圧を消散しなければならない。このより高い効率は、スイッチド・モード電源の主な利点である。スイッチング・レギュレータは、より高効率、小型又は軽量の電源が必要とされるとき、線形レギュレータの代替品として用いられる。しかしながら、それらはより複雑であり、それらのスイッチング電流は、注意深く抑制しなければ電気的雑音の問題を引き起こし、単純なデザインは粗悪な力率を有しうる。
図２は、出力電力（Ｐｏｕｔ［ｄＢｍ］）２０５の入力電力（Ｐｉｎ［ｄＢｍ］）２１０に対するグラフ表示２００、エンベロープ追跡技術を用いるためにＰＡ電源（ドレイン）電圧が変調されるときに達成できる種々の機能上及び操作上の利点である。ＰＡ（ドレイン）電源電圧が瞬間ＲＦエンベロープ１１５を追跡できるようにすることにより、一連の振幅変調−振幅変調（ＡＭ−ＡＭ）曲線２２０にわたり、ＰＡは一定のゲインで適度な圧縮に保たれる。このような瞬間ＲＦエンベロープの電源電圧の追跡１１５は、（エンベロープ追跡を用いて、）送信機により達成されるべき線形性が同じとき、ＰＡの電源電圧にＰＡの瞬間ＲＦエンベロープを追跡させない技術と比べて、より高い出力電力容量を可能にする２２５。さらに、エンベロープ追跡グラフ２００から、定電源でのＰＡ利得を考慮したアーキテクチャに比べて、ＥＴを利用したときにＰＡ利得の低下に対応することができることも分かる２３０。当業者は、これが、エンベロープ追跡のために選択された動作条件下でのＰＡの動作点に依存することに加え、主にＰＡ特性の結果であることを理解するだろう。
したがって、有利なことに、エンベロープ追跡が利用されないときに達成されるＰＡの利得は、一定のＰＡ電源電圧を用いるＰＡ利得に比べて低減されうる２３０。エンベロープ追跡は、高ＰＡＰＲ条件の高効率利得の可能性にも対応できる。さらに、ＰＡは、同一の出力電力に対して、より低い温度で動作できるので、熱損失を低減し、効率を向上する。しかしながら、エンベロープ追跡は、高効率、高帯域幅の電源変調器を必要とすることも知られている。したがって、ＲＦエンベロープの正確な追跡は、実際の実装で達成することが困難である。
図３はエンベロープ・スペクトル密度（ＰＳＤ（Ｖ２／１００ＫｈＺ））３０５の、ＰＡ電源（ドレイン）電圧がエンベロープ追跡技術を用いて変調されるときに必要な周波数３１０に対するグラフ表示３００である。図３は、対応する統合された振幅変調された電力３５５の周波数３６０に対するグラフ表示３５０を更に示す。エンベロープ・スペクトル密度は、異なる変調の場合、例えば大部分のエネルギを包含する低周波数領域及び最大で例えば４〜８ＨＭｚまで再生されなければならない高周波数領域に対して、多数の共通の特徴を示す。図示されるように、２つのエネルギ領域は、少ないエネルギしか包含しない約１０ｋＨｚ〜４００ｋＨｚの範囲に渡る領域により分離される。
したがって、改良された電源集積回路、無線通信ユニット、及び上述の線形の効率的な送信機アーキテクチャ、特に電力効率の良い方法で電源電圧を供給できる広帯域電源アーキテクチャを用いた電力増幅器の電源電圧の制御のための方法が必要とされる。
米国特許第６６６１２１０号明細書 米国特許第７６５３３６６号明細書 米国特許第７４８２８６９号明細書 米国特許第７４５４２３８号明細書 米国特許第６５８３６６４号明細書
ERTL, Basic Considerations and Topologies of Switched-Mode Assisted Linear Power Amplifiers, １９９６ IEEE, pp.２０７-２１３ VAN DER ZEE, A Power Efficient Audio Amplifier Combining Switching and Linear Techniques, pp.２８８-２９１, Solid-State Circuits Conference, １９９８ YUNDT, Series- or Parallel-Connected Composite Amplifiers, IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, pp.４８-５４, VOL. PE-１, NO.１, JANUARY １９８６
したがって、本発明は、上述の１又は複数の不利点を単独で又は任意の組合せで緩和、軽減又は除去することを目的とする。本発明の態様は、集積回路、無線通信ユニット、及び従属請求項に記載されるようなスイッチ・モード電源を提供する方法を提供する。
本発明のこれらの及び他の目的は、以下の、種々の図面に示された好適な実施形態の詳細な説明を読んだ後に当業者に明らかになるだろう。
本発明の更なる詳細、態様及び実施形態は、単なる例として、図面を参照して記載される。図中の要素は、簡単のため明確のために示され、必ずしも縮尺通りではない。理解を容易にするために、個々の図面に同様の参照符号が含まれる。
ＰＡに定電圧源を提供する第１の電源技術、ＲＦエンベロープを追跡するためにＰＡ電源電圧が変調される第２の技術のグラフ表示を示す。 エンベロープ追跡技術を用いるためにＰＡ電源（ドレイン）電圧が変調されるときに達成できる種々の機能上及び操作上の利点のグラフ表示を示す。 電力スペクトル密度の、エンベロープ追跡技術を用いるためにＰＡ電源（ドレイン）電圧が変調されるときの周波数に対するグラフ表示を示す。 エンベロープ追跡に対応するために適応された無線通信ユニットの例示的なブロック図を示す。 エンベロープ追跡に対応するために適応された無線通信ユニットの送信チェーンの電源回路の一部の一例であるブロック図を示す。 エンベロープ追跡に対応するために適応された無線通信ユニットの送信チェーンの電源回路の一部の更なる例であるブロック図を示す。 エンベロープ追跡と固定ドレインの両方に対応するために適応された無線通信ユニットの送信チェーンの電源回路の一部の一例であるタイミング図を示す。 エンベロープ追跡に対応するために適応された無線通信ユニットの送信チェーンの電源回路の一部の更なる例であるブロック図を示す。 エンベロープ追跡に対応するために適応された無線通信ユニットの送信チェーンの電源回路の一部の更なる例であるブロック図を示す。 エンベロープ追跡に対応するために適応された無線通信ユニットの送信チェーンの電源回路の一部の更なる例であるブロック図を示す。 エンベロープ追跡に対応するために適応された無線通信ユニットの送信チェーンの電源回路の一部の更なる例であるブロック図を示す。 エンベロープ追跡の例示的なフローチャ―トを示す。 本発明の実施形態の信号処理機能を実施するために利用される標準的なコンピュータ・システムを示す。
本発明の例は、３ＧＰＰ（third generation partnership project）（登録商標）の専門用語ではユーザ機器のような無線通信ユニットで用いられる１又は複数の集積回路の観点から記載される。しかしながら、本願明細書に記載される発明概念は、線形性及び効率の向上から利益を享受しうる任意の種類の集積回路、無線通信ユニット又は無線送信機で実施できることが、当業者により理解されるだろう。本発明の幾つかの記載された例では、例えば線形送信機の一部としての電力増幅器の電源は、ＲＦ ＰＡに線形性及び効率の向上をもたらす広帯域電源に対応するために適応されている。本発明の例はエンベロープ追跡の設計に関して記載されているが、本発明は任意の送信機アーキテクチャで実施できると想定される。
さらに、本発明の例は主に振幅変調された波形の送信に関して記載されているが、本発明は任意の波形構造で、特に大部分のエネルギがＤＣに近い周波数に位置するところで実施できると想定される。
さらに、本発明の例は、効率の利益が、効率的なスイッチド・モード電源を用いて多くのエネルギを供給する利益を実現させる特定の特性を有する広帯域システムに最も関連するので、広帯域線形送信機アーキテクチャに関して記載されているが、本発明は、カルテシアン・フィードバック又は適応型先行歪ませ器のような狭帯域送信機アーキテクチャでも実施できると想定される。
本発明の幾つかの例では、無線周波数電力増幅器のスイッチド・モード電源と連携して用いられる線形増幅器（例えば、クラスＡＢの増幅器）出力のＤＣレベルを最適化するために、多数の制御メカニズムが提供される。知られているエンベロープ変調／エンベロープ追跡システムでは、エンベロープ波形の波高因子（peak to average ratio:PAR）は３ｄＢを超えるかも知れないが、一方で目標増幅器出力電圧の設定は、ＶＤＤ／２より低い範囲になるだろう。本発明の幾つかの例では、記載される制御メカニズムは、線形増幅器（例えば、クラスＡＢ）の出力により供給される電流に最小限のオーバーヘッドしか有さないか又は追加オーバーヘッドを有さない。さらに、本発明の幾つかの例では、制御メカニズムは、無線周波数電力増幅器へのスイッチド・モード電源に最小限の影響しか与えないか又は影響を与えない。
アーキテクチャは、変調器電源を提供するために記載される。一例は、無線周波数（ＲＦ）電力増幅器（ＰＡ）へのスイッチド・モード及び／又は低周波数部分と線形及び／又は高周波数部分とを有するコンポジット型／ハイブリッド型電源である。集積回路は、スイッチング・レギュレータを含む低周波数電源経路と高周波数電源経路とを有する。低周波数電源経路と高周波数電源経路との組合せは、一例ではＲＦ ＰＡの電源ポートのような、負荷に結合するための集積回路の出力ポートに電力供給を提供する。アーキテクチャは、幾つかの例では１又は複数の集積回路及び／又はコンポーネントを有してよく、電源信号を高周波数電源経路に駆動するよう構成された増幅器コアを更に有する。ここで、増幅器コアは、出力ポートからの電圧帰還を有する入力を有する。幾つかの例では、スイッチド・モード電源（ＳＭＰＳ）は、電圧帰還がＳＭＰＳ電圧の制御を提供する制御電流源として動作する。この電圧帰還ループは、スイッチド・モード電源と負荷のインピーダンスと相互作用する増幅器（例えば、ＰＡの電源ポート）とからの瞬間電流の合成である、負荷（例えば、ＲＦ ＰＡの電源ポート）の電圧が、目標基準電圧を追跡することを保証する。増幅器の出力は、電源経路に結合されたＡＣである。したがって、この方法で且つ同じ例示的な実施形態では、電力増幅器に線形性及び効率の向上した電源電圧を供給する、特に電力増幅器に広帯域電源電圧を供給する集積回路が記載される。
先ず図４を参照すると、本発明のある例示的な実施形態による無線通信ユニット（セルラ通信の文脈では移動加入者局（ＭＳ）と、３ＧＰＰ（３rd generation partnership project）（登録商標）通信システムの用語ではユーザ機器（ＵＥ）と表されることがある）が示される。無線通信ユニット４００は、望ましくは、無線通信ユニット４００内の受信チェーンと送信チェーンとの間の隔離を提供する複式フィルタ又はアンテナ・スイッチ４０４に結合されたアンテナ４０２を含む。
受信チェーン４１０は、従来知られているように、（受信、フィルタリング及び中間若しくはベースバンド周波数変換を効率的に提供する）受信フロントエンド回路４０６を含む。フロントエンド回路４０６は、信号処理機能４０８に結合される。信号処理機能４０８からの出力は、適切なユーザ・インタフェース４３０に供給される。ユーザ・インタフェース４３０は、スクリーン又はフラットパネル・ディスプレイを包含してもよい。制御部４１４は、全体的な加入者ユニットの制御を維持し、受信フロントエンド回路４０６及び（通常、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）により実現される）信号処理機能４０８に結合される。制御部４１４は、デコーディング／エンコーディング関数、同期パターン、コード・シーケンス等のような種々の運用規則（operating regime）を選択的に格納するメモリ装置４１６にも結合される。
本発明の例によると、メモリ装置４１６は、変調データ、無線通信ユニット４００により出力される信号処理機能４０８により処理された無線周波数波形のエンベロープを追跡するために電源電圧制御で用いる電源データを格納する。さらに、タイマ４１８は、動作のタイミング（無線通信ユニット４００内の時間依存性信号の送信及び受信、送信の場合にはＰＡ（ドレイン）電源電圧の時間領域の変動）を制御するために制御部４１４に結合される。
送信チェーン４２０に関しては、基本的に、信号処理機能４０８を介して送信／変調回路４２２に直列に結合された、キーパッド又はタッチ・スクリーンを包含しうるユーザ・インタフェース４３０を含む。送信／変調回路４２２は、送信及び変調のために入力信号を処理し、これらの信号をアップコンバートして電力増幅器モジュール又は集積回路４２４で増幅するための無線周波数（ＲＦ）信号にする。ＰＡモジュール又はＰＡ集積回路４２４により増幅されたＲＦ信号は、アンテナ４０２に渡される。送信／変調回路４２２、電力増幅器４２４及びＰＡ電源電圧モジュール４２５は、それぞれ制御部４１４に応答する。ＰＡ電源電圧モジュール４２５は、送信／変調回路４２２からのエンベロープ変調波形に更に応答する。
送信チェーン内の信号処理機能４２８は、受信チェーン４１０内のプロセッサ４０８とは別個に実装されてもよい。或いは、信号プロセッサは、図４に示されるように、送信信号と受信信号の両方の処理を実施するために用いられてもよい。明らかに、無線通信ユニット４００内の種々の構成要素は、別個の又は統合された構成要素で実現することができるので、最終的な構造は単にアプリケーション特有であるか又は設計選択である。
さらに、本発明の例によると、送信／変調回路４２２は、電力増幅器４２４、ＰＡ電源電圧モジュール４２５、メモリ装置４１６、タイマ４１８及び制御部４１４と共に、ＰＡ４２４に印加される電源電圧を生成するよう適応される。例えば、広帯域線形電力増幅器に適する電力供給が生成され、ＰＡ４２４に印加されるエンベロープ波形を追跡するよう構成される。
図５を参照すると、例えば図４の無線通信ユニット４００のような無線通信ユニットの送信チェーンの電源回路５００の一部のある一般的な例であるブロック図が示される。図５の電源回路５００は、エンベロープ追跡に対応するように構成され及び／又は適応されている。電力増幅器（ＰＡ）４２４は、エンベロープ変調ＲＦ信号５０２を増幅されるべき入力ＲＦ信号として受信する。ＰＡ４２４は、ＲＦ信号を増幅し、増幅したエンベロープ変調ＲＦ信号をアンテナ４０２へ出力する。ＰＡ４２４は、示されるように、電源集積回路５２０から電力供給を受ける。バッテリ５０８のような電源は、ある例示的な実施形態では、ＰＡ４２４への電源の一部として、非常に効率的に低周波数電流５３４を供給するよう構成された、電源集積回路５２０内の低周波数経路の電源モジュール（ＬＦ電源）５１８に結合される。
バッテリ５０８は、ある例示的な実施形態では、スイッチド・モード電源のような電圧源を線形増幅器５０４に非常に効率的に供給するよう構成された高周波数経路の電源モジュール（ＨＦ電源）５０６にも結合される。代替の例では、高周波数経路の電源モジュール５０６はバイパスされ、線形増幅器５０４が電源、例えばバッテリ５０８から直接に給電されるようにしてもよい。線形増幅器５０４は、第１の入力（＋）としてエンベロープ信号（ＥＮＶ）５０３を受信する。エンベロープ信号（ＥＮＶ）５０３は、ＰＡ４２４に入力されるＲＦ信号５０２のエンベロープを追跡するために配置される。線形増幅器５０４は、ＰＡ４２４に印加された電圧５２８の電圧帰還５１０を受信する第２の入力（−）を有する。電圧帰還５１０は、負荷（例えば、ＰＡ４２４の電源ポート）における電圧を制御するために用いられる。
低周波数経路の電源モジュール５１８は、入力として、線形増幅器５０４の出力５１２に結合された電圧帰還信号５１４を受信する。線形増幅器５０４からの出力５１２は、ＰＡ４２４の電源ポートにおける電圧にもキャパシタ５３３を介して結合される。線形増幅器５０４は、一例ではクラスＡＢ構成であり、低周波数電源モジュール５１８により給電されない電源ＩＣ５２０の出力に電源信号エネルギを供給する。
一例の回路では、低周波数経路の電源モジュール５１８内に、誤差増幅器５２９が存在する。誤差増幅器５２９は、検知電圧Ｖｓｅｎｓｅを有する電圧帰還信号５１４を基準電圧Ｖｒｅｆを有する基準信号（ＲＥＦ）５３０と比較し、誤差電圧（Ｖｅｒｒ）５３１を生成する。幾つかの例では、誤差増幅器５２９は、帰還ループの安定性を保証するために周波数補償も含む。ある可能な例では、周波数補償は、積分特性を有し、基準電圧Ｖｒｅｆと検知電圧Ｖｓｅｎｓｅとの間の時間平均された差がゼロに推進されるようにする。積分器の単一利得帯域幅は、安定性を保証するために、帰還ループの他の動的要素よりも低い周波数になるよう抑制されうる。代替の例では、スイッチング・レギュレータで用いられる他の周波数補償技術が用いられることも予想される。このように、誤差電圧５３１は、パルス幅変調器（ＰＷＭ）５３２への入力として機能する。パルス幅変調器（ＰＷＭ）５３２は、低周波数電流５３４をインダクタ５１５に供給する。この構成は、スイッチング・レギュレータで一般に用いられる。一例では、パルス幅変調器５３２は、誤差電圧５３１を固定ランプ・レートの周期的な三角波と比較することにより動作する。この比較の結果は、低周波数電流５３４を生成するために用いることができるパルス幅変調された信号である。
定常状態の条件では、ＰＡ４２４の電源ポートに印加される低周波数電流５３４は、ＤＣ電流を供給するのに十分なように構成される。同時に、線形増幅器５０４はＡＣ電流を調達する。このように、電圧検知構成の使用は、上述のように、線形増幅器５０４の出力５１２の電圧の監視を実現する。低周波数経路の電源モジュール５１８は、線形増幅器５０４の出力５１２の電圧を、増幅器がその増幅器の設計された出力電圧範囲内で動作するようなレベルに維持する。これは、低周波数電流５３４のレベルを変化することにより提供される。電流検知は、幾つかの例では、スイッチング・レギュレータの応答を向上させるために用いることができる。したがって、線形増幅器５０４は、第２のスイッチ・モード電源（ＳＭＰＳ）、つまり高周波数経路の電源モジュール５０６から給電され、線形増幅器５０４の出力５１２は、負荷（つまり、ＰＡ４２４の電源ポート）に給電する出力に（高周波数経路結合素子５３３を介して）ＡＣ結合される。
有利なことに、高周波数電源信号をＩＣ５２０の出力ポートに結合キャパシタ５３３を用いてＡＣ結合することは、線形増幅器５０４の出力５１２におけるゼロ入力（quiescent）電圧動作点を電力増幅器４２４の電源要件から分離し、それにより線形増幅器５０４と電力増幅器４２４の電圧順守要件の相違を利用する。
図５の動作を一層理解するために、ＡＣ結合キャパシタ５３３が一定の電荷を蓄積し、一定電圧Ｖｃａｐを生じ、及び低周波数経路が不活性であるとする。線形増幅器５０４が出力電圧Ｖａｍｐを有する場合、ＰＡへの電源電圧はＶａｍｐ＋Ｖｃａｐになる。線形増幅器５０４の出力電圧が平均値Ｖａｍｐｄｃ及び時間変化値Ｖａｍｐａｃを有する場合、ＰＡへの電源電圧はＶａｍｐｄｃ＋Ｖａｍｐａｃ＋Ｖｃａｐになる。
したがって、ＰＡ４２４への電源電圧の平均値はＶｃａｐ＋Ｖａｍｐｄｃであり、最大値はＶｃａｐ＋ＶａｍｐｄｃにＶａｍｐａｃの最大値を足したもの、最小値はＶｃａｐ＋ＶａｍｐｄｃにＶａｍｐａｃの最小値を足したものである。レベル・シフト電圧Ｖｃａｐに適切な値を選択することにより、ＰＡ電源にＡＣ電圧振幅の全範囲を供給するのにちょうど十分なように、線形増幅器５０４への電源電圧を低減することが可能であるとともに、結合キャパシタ５３３が十分な電圧を追加してＰＡ電源に適正な平均電圧を供給できるようにする。このように線形増幅器への電源電圧の最小化は、電源変調集積回路５２０の電力消費も最小化する。実際の回路で正しく機能するこのスキームでは、低周波数経路の電源モジュール５１８は、ＡＣ結合キャパシタ５３３にかかる適正な電圧を維持するよう構成されるべきである。更なる例は、これがどのように達成できるかを詳細に説明する後述の図に示される。
図５の例は、主ＳＭＰＳの電流を制御するために、線形増幅器５０４の出力電圧における電圧を検知する制御ループを用いる。この例示的な構成では、ＡＣ結合キャパシタにかかる電圧は、線形増幅器５０４の出力５１２において検知された電圧により決定される。出力５１２において検知された電圧は、次にＰＡ負荷において検知された電圧と一緒に目標電圧と比較され、（差動）線形増幅器５０４に帰還され、（差動）線形増幅器５０４においてエンベロープ基準信号５０３と比較される。
線形増幅器５０４に給電するためにＳＭＰＳが用いられるとき、線形増幅器５０４に対するこの低減された電圧供給要件は、線形増幅器５０４がＰＡ負荷に直接結合される場合に比べて、主エネルギ源、例えばバッテリ５０８から引き出される電流が低いことを要する。その結果、全体的な効率の向上をもたらす。幾つかの例では、有利なことに、目標増幅器出力電圧は、増幅器の電源要件を最適化するために、異なる出力電力レベル及び送信変調スキームに調整できる。
図５の一般的な例であるブロック図は、図６〜１０の例示的な実施形態において複製される少なくとも以下の共通回路構成要素又はコンポーネントを有する。つまり、例えばスイッチング・レギュレータに実装される低周波数電力経路、線形増幅器５０４が示すような例えばクラスＡＢの動作モードのような増幅器により駆動される高周波数電源経路、線形増幅器５０４の出力５１２から低周波数電源経路のスイッチング・レギュレータへの電圧帰還５１４、ＰＡ電源電圧５２８から線形（例えば、クラスＡＢ）増幅器５０４への電圧帰還５１０、高周波数経路及び低周波数電源経路を共に結合するキャパシタ５３３（及び幾つかの例ではインダクタ５１５）である。キャパシタ５３３（及び幾つかの例ではインダクタ５１５）を用いることにより、スイッチング・レギュレータ５１８からのＤＣ及び低周波数の電力を線形増幅器５０４からのより高い周波数のＡＣ電力と結合することができる。
したがって、図５は、電力効率の良い方法で広帯域電源を実施する手段を示す。電源は、ＲＦ電力増幅器（ＰＡ）のための電源、特に異なる負荷特性のＰＡを駆動するときに高効率を達成できるエンベロープ追跡電源のように、負荷に電力を供給するよう構成される。電源は、有利なことに、異なる変調フォーマットに対応する電源エンベロープを提供するよう構成されてもよい。
図６を参照すると、エンベロープ追跡に対応するために適応された無線通信ユニットの送信チェーンの電源回路６００の一部の更に詳細な例であるブロック図を示す。図５に参照して記載された要素の動作は、同様の参照符号が付され、理解を容易にするために図６の説明では繰り返されない。バッテリ及び高周波数経路電源は図６において図５と同じように用いられるが、それらの符号は明確化のために図６から削除されている。図６では、エンベロープ電圧（ＶＥＮＶ）６０２は、エンベロープ調整モジュール（「エンベロープ調整」と表記される）６０３に入力される。エンベロープ調整モジュール６０３は、エンベロープ信号特性を変更し制限するよう構成される。幾つかの例では、エンベロープ調整モジュール６０３は、例えば以下の動作のうちの１又は複数を含んでもよい。
（ｉ）ＰＡの要件を満たすように、電力供給の最小値を制限する。
（ｉｉ）エンベロープ信号のピーク・ツウ・ピーク電圧を低減し、効率を向上させる。
（ｉｉｉ）エンベロープ信号の信号帯域幅を制限する。
（ｉｖ）エンベロープ信号の必要な利得及びオフセットの整合を実行する。
（ｖ）差分とシングル・エンド表現との間の変換のような、信号フォーマット化を実施する。
発明者等は、エンベロープ追跡電源が、低い出力レベルが用いられるとき、又は特定の変調スキームが減少したＡＣ成分と共に用いられ、低いＰＡＲエンベロープ波形を生じるとき、限られた利点しか有しないことを特定した。このような低出力レベル及び／又は変調スキームでは、ＰＡに印加されるＤＣ電圧は大きな意義を有し、エンベロープのＡＣ成分の電力が有意に低減され、エンベロープ追跡及び効率性能の利得が低減されるのを打ち消す。したがって、これらのシナリオでは、一定ドレイン（ＦＤ）動作モードは、完全なスイッチング電源を十分に生かすことができる。ＤＣ成分及びＡＣ成分の利用が図６を参照して記載されたが、このような利用は多数の他の記載された例示的な実施形態にも共通であると想定される。
したがって、本発明の幾つかの例では、２つの動作モード、つまりエンベロープ追跡（ＥＴ）モード及び一定ドレイン（ＦＤ）モードに対応する。ＰＡに電源を供給するのに用いられるべきモードの選択は、モード制御モジュール（「モード制御」と表記される）６１６から生成される信号ＭＯＤＥにより実行される。
＜ＥＴモード＞
ＥＴモードでは、ＰＡの電力供給は、時間的に変化する信号であり、上述の効率の利益を達成するために、所望の信号エンベロープを追跡する。
ＥＴモードの使用を好む少なくとも２つの動作因子がある。つまり、高い波高因子の信号（つまり、エンベロープ信号のＰＡＲ（peak-to-average ratio）が高い場合）及び高い出力電力レベルである。これに対し、ＰＡの最小電圧要件及びＡＣ経路の電力オーバーヘッド（増幅器のゼロ入力電力を含む）はあまり重要ではない。したがって、一例では、モード制御モジュール６１６が電源をＥＴ動作モードに設定することの利益は、出力電力範囲の上部で、高い波高因子の電力エンベロープ信号をもたらす変調スキームを用いる信号で最大である。
ＥＴモード及びＦＤモードの両方で、電力供給スキームは、全電力スペクトル、つまり高周波数エネルギと低周波数エネルギの両方を提供しなければならない。ＥＴモードとＦＤモードは、両方とも、低周波数電力を供給するためにスイッチ・モード電源（ＳＭＰＳ）構成を用いる。しかしながら、２つの動作モードは、それらが高周波数要件を扱う方法が異なる。
ＥＴモードでは、スイッチ６１４は「開」に設定され、線形増幅器５０４及び高周波数経路電源モジュール５０６はイネーブルされ、低周波数経路電源モジュール５１８のＥＴ検知帰還入力（ＥＴｓｅｎｓｅ）５１４が選択される。線形増幅器５０４は、電圧帰還で動作し、出力電圧５２８を調整済みのエンベロープ電圧５０３と実質的に等しくする。ＥＴ検知帰還電圧５１４は、次に、基準電圧（ＲＥＦ）と比較される。基準電圧（ＲＥＦ）は、一例では、デジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）（示されない）を用いて生成される。
したがって、このように、ＥＴモードでは、ＡＣ結合キャパシタ５３３はＤＣレベル・シフタの機能を実行し、高周波数電力が線形増幅器５０４により供給される。このアクティブ経路を高周波数電力のために用いることは、出力電源がＲＦエンベロープを追跡できるようにし（図１、画像１２０を参照）、ＰＡ４２４で消散される電力を制限する。しかしながら、ＥＴモードでは、高周波数路電源５０６及び線形増幅器５０４の電源がオンにならなければならないので、電源モジュール内の電力消散は大きい。
ＥＴモードでは、図６の回路は、常に正の電荷がキャパシタ５３３に蓄えられているように、例えば出力５２８の電圧が増幅器の出力５１２の電圧より高いように、動作される。このように、出力電圧５２８は、線形増幅器５０４の出力範囲を超えることが可能である。高周波数経路電源モジュール５０６により生成された電力供給は、エンベロープ電圧６０２のＡＣ振幅を維持するのに十分な電圧であればよい。このように、線形増幅器内で消散される電力は最小限に抑えることができる。
電圧帰還ループは、反転段６２５及び低周波数経路電源モジュール５１８を有し、線形増幅器５０４の平均出力電圧及び結合キャパシタ５３３に係る電圧が適切なレベルに維持されることを保証する。反転段６２５は、線形増幅器の出力電圧５１２に対する相補的信号６２６を生成する。帰還電圧５１４は、次に、アナログ・マルチプレクサ６２８を通過する。アナログ・マルチプレクサ６２８は、ＥＴモードとＦＤモードとの間で選択するために用いられる。アナログ・マルチプレクサ６２８の出力は、次に、誤差増幅器５２９で基準電圧５３０と比較され、結果として誤差電圧（Ｖｅｒｒ）５３１が生成される。
ＦＤモードのように、誤差増幅器５２９は、ループを安定化させるために補償を含む。補償は、低域通過特性を有し、帰還電圧５１４に存在する高周波数情報をフィルタリングして除去するのを助ける。また、ＦＤモードのように、比較器６３０により形成されるパルス幅変調器及びランプ電圧（Ｖｒａｍｐ）６３１は、パルス幅変調された電力出力６２７を生成する。この電力出力は、ほぼ一定の電流を出力５２８に供給するために、インダクタ６２２によりフィルタリングされる。幾つかの例では、インダクタ６２２及びキャパシタ５３３は、低域通過フィルタを形成する。低域通過フィルタは、基準信号５３０の電力スペクトル密度の低エネルギ範囲で二極を示すように構成される。このように、帰還ループは、平均増幅器出力電圧５１２が基準信号５３０の基準電圧と等しく維持されるように動作する。
＜ＦＤモード＞
ＦＤモードでは、スイッチ６１４は「閉」に設定され、線形増幅器５０４及び高周波数経路電源モジュール５０６はディスエーブルされ、低周波数経路電源モジュール５１８のＦＤ検知帰還入力（ＦＤｓｅｎｓｅ）６２９が選択される。ＦＤモードでは、線形増幅器５０４からの出力５１２は、一定ドレイン（ＦＤ）モード・スイッチ６１４に結合される。一定ドレイン（ＦＤ）モード・スイッチ６１４は、閉に設定されると（例えば、モード制御モジュール６１６により設定される）、線形増幅器５０４からの出力５１２を接地する。このＦＤモードでは、送信されたエンベロープ波形に対応するために、ＰＡの電力供給は、例えば電力レベルの更新と更新の間の時間期間の間、（ＰＡ４２４の）最小電圧要件に固定される。
ＦＤモードでは、電源は、ＡＣ結合キャパシタ５３３をＤＣ−ＤＣ ＳＭＰＳのフィルタリング素子として用いるよう再構成されてもよい。この方法では、ＡＣ結合キャパシタ５３３は、ＰＡにより必要とされる高周波数電力を供給する。ＦＤモードでは、線形増幅器及び高周波数経路のレギュレータは、電力を節約するためにディスエーブルされてもよい。ＰＡ電源電圧５２８は、ＦＤモードではより高いレベルにあるが（図１の画像１１０を参照）、電源の零入力電流はより低い。
幾つかの例では、ＦＤモードにおける回路の動作は、従来の電圧モード降圧（buck）レギュレータに似ている。ＦＤ検知帰還電圧６２９は、アナログ・マルチプレクサ６２８を通過する。ＦＤ検知帰還電圧６２９は、次に基準電圧（ＲＥＦ）５３０と比較される。基準電圧（ＲＥＦ）５３０は、一例ではデジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）（示されない）を用いて生成される。ＦＤ検知帰還電圧（ＦＤｓｅｎｓｅ）６２９と基準電圧（ＲＥＦ）５３０との間の差は、差動誤差増幅器５２９により増幅される。差動誤差増幅器５２９は、ループの安定性のために周波数補償を含む。結果として生じる誤差電圧（Ｖｅｒｒ）５３１は、比較器６３０によりランプ電圧（Ｖｒａｍｐ）６３１と比較される。
幾つかの例では、比較器６３０は、例えばクロック信号６３２による固定された周期的なレートでリセットされてもよい。それにより、固定レートで立ち上がり端を生じる。一方で、立ち下がり端は、例えば、比較器６３０の出力により決定される。それにより、パルス幅変調（ＰＷＭ）された電力出力６２７を生成する。幾つかの例では、ＰＷＭ電力出力は、次に、高周波数成分を除去し出力電源５２８を生成するために、例えばインダクタ６２２及び結合キャパシタ５３３によりフィルタリングされてもよい。帰還ループは、出力５２８における電圧を入力基準信号（ＲＥＦ）５３０に等しく維持するよう動作する。この構成は、スイッチド・モード電源で一般的に用いられ、「電圧モード」制御として知られている。
ＰＷＭ変調の代替として、制御電圧をデューティ・サイクルに変換する任意の数の良く知られた変調スキームが用いられてもよい。
＜ＥＴモードとＦＤモードとの間の遷移＞
図６の電源回路６００の一部の更に詳細な例であるブロック図の特有の特徴は、図７の例示的なタイミング図７００に示されるように、第１（例えばｎ−１）のタイム・スロット７０５でのＦＤモードから第２（例えばｎ）のタイム・スロット７１０でのＥＴモードへ、その後に、第２（例えばｎ）のタイム・スロット７１０でのＥＴモードから第３（例えばｎ＋１）のタイム・スロット７１５でのＦＤモードへの遷移に対応していることである。図６に示されるアーキテクチャは、電源出力（ＶＰＡ）５２８への外乱（disruption）を最小限に抑え迅速な遷移を保証する。同じ誤差電圧（Ｖｅｒｒ）５３１がＦＤモードとＥＴモードの両方で用いられる。これは、モード遷移の最中にデューティ・サイクルの急激な変化が観察されないことを保証する。第１（例えばｎ−１）のタイム・スロット７０５でのＦＤモードから第２（例えばｎ）のタイム・スロット７１０でのＥＴモードへ遷移するとき、線形増幅器５０４の出力５１２は、グランドから最終的な変調電圧まで徐々に遷移することが望ましい。これを保証するために、第１（例えばｎ−１）のタイム・スロット７０５でのＦＤモードから第２（例えばｎ）のタイム・スロット７１０でのＥＴモードへの遷移の最中に、調整されたエンベロープ電圧５０３のＤＣ値及びＡＣ値は、０ボルト７２０から最終値７２５まで徐々にランプアップされる。反対に、第２（例えばｎ）のタイム・スロット７１０でのＥＴモードから第３（例えばｎ＋１）のタイム・スロット７１５でのＦＤモードへ遷移するとき、調整されたエンベロープ電圧５０３のＤＣ値及びＡＣ値は、最終値７２５から０ボルト７２０まで徐々に減少する。このような傾斜したエンベロープ信号及び徐々に減るエンベロープ信号の使用を通じて、制御ループへの急激な攪乱は除去され、それにより、図７に示されるように、遷移を通して電源を規定の範囲内に保つことができる。
図８は、エンベロープ追跡に対応するよう適応された無線通信ユニットの送信チェーンの電源回路の一部の更に別の例示的なブロック図８００を示す。図８の更に別の例は、低周波数経路の電源モジュール５１８を制御する代替の方法を明らかにする。理解を容易にするために、また図８の説明を分かりにくく又はそれから逸れないように、前述の図面を参照して説明された送信チェーンの電子部品及び回路は、必要と考えられるより多くは再び説明されない。
任意の数の制御方法が、本発明の種々の例示的な実施形態において、ＦＤモードとＥＴモードの両方で低周波数経路の電源モジュール５１８内で用いられることが考えられる。例えば、図６に示されるように、良く知られた電圧モード制御手法が用いられてもよい。図８の例では、要素８０１、８０２及び６３０を含む電流モード帰還制御ループが用いられる。電流モード制御は、スイッチング・レギュレータで用いられる良く知られた方法である。電流モード制御では、インダクタを流れる電流が検知され、スイッチング・レギュレータを安定化させるために帰還制御が適用される。出力電圧を調整するために、電圧モード制御部のように、電圧帰還ループも用いられる。ＥＴ電圧帰還ループは、要素５１２、６２５、５１４、６２８、５２９、５３１、６３０、６２２を有する。ＦＤ電圧帰還ループは、要素６２９、６２８、５２９、５３１、６３０、６２２を有する。電流ループを加えることの利点は、特定の種類の遷移の攪乱に対する速い応答とともに、電圧ループのために必要な単純な補償を含むことである。
図８の例では、従来の電流モードのスイッチド・モード電源は、低周波数経路電源として用いられる。電流センサ８０１は、インダクタ６２２の瞬間電流を監視する。電流は、電流−電圧（Ｉ／Ｖ）変換器８０２により電圧に変換される。結果として生じる電圧はランプ電圧（Ｖｒａｍｐ）６３１として用いられる。ランプ電圧（Ｖｒａｍｐ）６３１は、比較器６３０により誤差電圧５３１と比較される。この帰還ループは、図６の回路のように、ＦＤモードとＥＴモードの両方で動作する。
図９は、エンベロープ追跡に対応するよう適応された無線通信ユニットの送信チェーンの電源回路の一部の更に別の例示的なブロック図９００を示す。図９の更に別の例は、電流モード帰還を実現する代替の方法を明らかにする。理解を容易にするために、また図９の説明を分かりにくく又はそれから逸れないように、前述の図面を参照して説明された送信チェーンの電子部品及び回路は、必要と考えられるより多くは再び説明されない。
図９の回路では、低周波数経路電源モジュール５１８は、２つの電流検知帰還入力を有する。インダクタ電流センサ８０１に加え、線形増幅器５０４の出力に電流センサ９０４がある。第２のアナログ・マルチプレクサ９０２は、２つの電流検知帰還入力の間で選択するよう構成される。選択された入力は、電流−電圧変換器８０２へ通される。低周波数経路電源からの電流センサ８０１は、図８のように、ＦＤモードで用いられる。ＥＴモードでは、増幅器電流センサ９０４が用いられる。増幅器が高周波数電流を供給するので、線形増幅器５０４の出力電流は、ＰＡ４２４により引き出された瞬間電流に関する高周波数情報を含む。この構成を用いて、ＰＡ４２４の電流要求に関する情報は、電圧ループよりも遙かに高い帯域幅を有するＳＭＰＳの電流ループを通じて帰還することができる。これは、図９の回路を用いて、低周波数経路電圧レギュレータがＰＡの要求に速く応答できる可能性があることを暗に示している。
図１０は、エンベロープ追跡に対応するよう適応された無線通信ユニットの送信チェーンのＰＡのため電源回路の一部の更に別の例示的なブロック図１０００を示す。理解を容易にするために、また図１０の説明を分かりにくく又はそれから逸れないように、前述の図面を参照して説明された送信チェーンの電子部品及び回路は、必要と考えられるより多くは再び説明されない。
エンベロープ調整モジュール６０３からの出力５０３は、線形増幅器１００４に入力される。図１０では、線形増幅器１００４の出力段を構成する素子は、明示的にｎチャネル・トランジスタ１００１及びｐチャネル・トランジスタ１００２として示される。図１０の例は、ＦＤモードにおいて結合キャパシタ５３３の下側プレートを接地する別個のスイッチを有しない。代わりに、線形増幅器１００４の出力素子（つまり、ｎチャネル・トランジスタ１００１及びｐチャネル・トランジスタ１００２）は、２通りに構成することができる。ＥＴモードでは、これら２つのトランジスタ／素子は、線形増幅器１００４の一部として動作する。ＦＤモードでは、ｎチャネル・トランジスタ１００１はオンにされ、ｐチャネル・トランジスタ１００２はオフにされる。このように、線形増幅器１００４の出力５１２はグランドに強結合され、それにより前述の例のスイッチをエミュレートする。この例は、ｎチャネル・トランジスタ１００１（例えばＮＭＯＳスイッチ）を介してグランドに切り替えるという観点から説明されたが、より一般的な例は、電源電圧でありうるＤＣ電圧に切り替えられてもよい。この場合には、ｐチャネル・トランジスタ１００２が用いられうる。増幅機能及び接地への切り替え機能を単一の素子に包含することにより、有利なことに回路の複雑性を低減することができる。
ある代替の実装では、図８及び図１０の方法及びアーキテクチャの両者の組合せを使用し、それから利益を得るために、線形増幅器１００４のＮＭＯＳ素子が補助スイッチ（示されない）と一緒に用いられてもよい。
図１１は、エンベロープ追跡に対応するよう適応された無線通信ユニットの送信チェーンのＰＡのため電源回路の一部の更に別の例示的なブロック図１１００を示す。図１１の例は、ＦＤ制御ループとＥＴ制御ループが互いに大部分が独立している、ＥＴモードのための制御ループを実装する代替の方法を示す。幾つかの例では、これは、２つの制御ループについて異なる特性が望ましい場合に有利である。理解を容易にするために、また図１１の説明を分かりにくく又はそれから逸れないように、前述の図面を参照して説明された送信チェーンの電子部品及び回路は、必要と考えられるより多くは再び説明されない。
図１１の回路のＥＴモード制御ループは、低周波数経路レギュレータから独立している比例積分（proportional integral：ＰＩ）制御部１１０１を有する。ＰＩ制御部１１０１内には、電流センサ９０１からの電流情報を電圧に変換する電流−電圧（Ｉ／Ｖ）変換器１１０２がある。また、線形増幅器５０４の出力電圧５１２と基準電圧（ＲＥＦ＿ＥＴ）１１０４との間の差を増幅する差分増幅器１１０３もある。基準電圧（ＲＥＦ＿ＥＴ）１１０４は、線形増幅器５０４の所望の平均出力電圧を表す。差分増幅器１１０３の出力は、積分器１１０５により積分される。積分器１１０５の出力電圧とＩ／Ｖ変換器１１０２の出力電圧との間の差は、次に、加算回路（「Σ」により示される）１１０６により計算される。
加算回路１１０６の出力電圧１１１０は、線形増幅器５０４の出力における瞬間電流に、線形増幅器５０４の出力電圧５１２とその所望の値（ＲＥＦ＿ＥＴ）１１０４との間の差の積分を反映したゆっくり変化する項を足したものを表す。したがって、出力電圧１１１０は、結合回路網に適用するための適切な電流を生成するために、パルス幅変調器への制御電圧として直接用いることができる。アナログ・マルチプレクサ１１０７は、この電圧１１１０を比較器６３０へと通過させる。比較器６３０は、電圧１１１０を、アナログ・マルチプレクサ１１０９を通過した定電圧（ＴＨＲ＿ＥＴ）１１０８と比較する。ＴＨＲ＿ＥＴ１１０８の電圧は、制御ループ内のオフセット、例えばインダクタ６２２を通じた電流リップルから生じる有限のオフセットをゼロにするよう選択することができる。結果として生じるＰＷＭ波形は、他の例示的な実施形態では、インダクタ６２２を通る電流を制御するために用いることができる。
閉ループの動作では、ＥＴモードの制御ループは、線形増幅器５０４の平均出力電圧５１２を所望の値（ＲＥＦ＿ＥＴ）１１０４に等しくさせる傾向がある。また、ＥＴモードの制御ループは、線形増幅器の出力電流が高いとき、より多くの電流を低周波数経路を通じて供給することにより、線形増幅器の瞬間出力電流をゼロにさせる傾向もある。
図１１の回路のＦＤモードの制御ループは、図８と同様に動作する。唯一の違いは、アナログ・マルチプレクサ１１０７及び１１０９の回路内の位置である。
このようなＥＴアーキテクチャでは、エンベロープ波形のピークの完全性は維持されなければならないが、十分な電圧の無歪限界が維持されているならば、エンベロープ波形の谷の完全性は重要ではない。波形の谷は、高い電圧スルー（slew）レートと関連する。したがって、本発明の幾つかの例では、ＰＡ４２４に供給される変調された電圧供給５２８は、変更されたエンベロープ波形を表しうる。ここで、エンベロープ波形の谷は、クリッピング又は除去される。つまり、エンベロープ波形の谷の深さは減少される。谷を除去することは、電圧波形から高周波数成分を減少させ、一方で電圧波形のＤＣ成分を増加させる。この概念は、以下で「谷の除去（de-troughing）」と称する。
エンベロープ波形の谷は、ＰＡ４２４からの最小出力電力の期間に対応する。したがって、エンベロープ波形の谷のクリッピング又は除去（de-troughing）は、全体のＰＡ電力消散に最小限の（又は少なくとも低減された）影響しか与えない。実際には、ＰＡ４２４の動作領域の結果として、ＰＡ４２４は抵抗器と言うより電流シンクの特性を示し、電流は瞬間電力の関数である。線形増幅器５０４に引き込まれる電力は、ＩａｃＶａｍｐである。ここで、Ｖａｍｐは増幅器の電源電圧である。
ＰＡ４２４に供給される電流は基本的に同一であるが、ＰＡの電源ポートの電圧は増大するので、谷の除去は、ＰＡ４２４により消散される電力を増大させる。しかしながら、谷の除去は、最低出力電力の位置で適用されるので、影響は最小限に抑えられる。基準波形の谷の除去も、高周波数経路に関連するピーク・ツウ・ピーク電圧を低減し、それにより増幅器の電源要件を軽減し、第２のＳＭＰＳの使用を介して全体効率を向上させる。
したがって、有利なことに、図示されたＡＣ結合アーキテクチャでは、波形の谷の除去は、ピーク・ツウ・ピーク値（ＡＣ成分）を低減し、一方でＤＣ値を増大させる効果を有し、それにより線形増幅器の電源要件を軽減させる。実際には、高周波数電源増幅器から供給される電圧の低減が効率的であり、より効率の良いＳＭＰＳからの低周波数エネルギの増大と好適にトレードされるとき、ＰＡ電力供給における更なる効率の良さが、低周波数電源経路の効率を増大させることにより達成される。
例示的な一実施形態では、線形増幅器５０４に加えられるエンベロープ信号６０２は、ＰＡ４２４のＲＦ性能に少しの又は最小限の影響しか与えずに、エンベロープ信号の無歪限界を減少させるために、谷の除去により事前に調整することができる。幾つかの例では、谷の除去による事前調整は、基準波形の最小値を、ＰＡ付加の最小電圧要件のような固定値に制限するような単純な手順を含んでもよい。代替として、他の例では、最小値は、エンベロープ波形の平均又はｒｍｓ（二乗平均平方根）値（例えば、ｒｍｓ値より低い９ｄＢ）に関連してもよい。一実施形態では、線形増幅器５０４に印加されるエンベロープ信号６０２の谷の除去は、例えばフィルタリングにより更に事前に調整されてもよい。
図１２は、送信チェーンでエンベロープ追跡（ＥＴ）に対応するための簡易な例示的なフローチャート１２００を示す。フローチャートはステップ１２０５で開始する。ステップ１２０５では、例えば送信機は電力レベル更新処理を開始する。送信機は、ステップ１２１０で、例えば予め決定した変調スキームを用いて送信のために信号の変調を開始し、ステップ１２１５で、送信機の初期無線周波数出力電力レベルを設定する。次に、ステップ１２２０に示されるように、エンベロープ追跡が要求されるか否かについての決定が行われる。ステップ１２２０で、エンベロープ追跡が有益であるか又は必要な場合、ステップ１２２５で、現在の使用されているモードがエンベロープ追跡か否かに関する決定が行われる。ステップ１２２５で現在の動作モードがエンベロープ追跡である場合、ステップ１２３０で１又は複数の変調器パラメータが送信チェーン内で調整され、ＥＴからＥＴへの遷移が実行され、ステップ１２４０で処理が終了する。
しかしながら、ステップ１２２５で現在の動作モードがエンベロープ追跡でない場合、ステップ１２５０で１又は複数の変調器パラメータが送信チェーン内で調整され、ステップ１２５５でＦＤからＥＴへの遷移が実行され、ＦＤモードが無効にされＥＴモードが有効にされて、ステップ１２４０で処理が終了する。
ステップ１２２０に戻ると、要求される動作モードがエンベロープ追跡でない場合、ステップ１２４５に示されるように、現在の動作モードがＦＤか否かに関する決定が行われる。ステップ１２４５で現在の動作モードがＦＤである場合、ステップ１２５０で１又は複数の変調器パラメータが送信チェーン内で調整され、ステップ１２５５でＦＤからＦＤへの遷移が実行され、ステップ１２４０で処理が終了する。しかしながら、現在の動作モードがＦＤでない場合、ステップ１２７０で変調器パラメータが送信チェーン内で調整される。その後、ステップ１２７５でＥＴからＦＤへの遷移が実行され、ステップ１２７５で、エンベロープ追跡動作モードが無効にされ、固定ドレイン・モードが有効にされ、ステップ１２４０で処理が終了する。
幾つかの例では、フローチャートに示された一部の又は全てのステップがハードウェアで実施され、及び／又はフローチャートに示された一部の又は全てのステップがソフトウェアで実施されてもよい。幾つかの例では、図１２の前述のステップは、順序を変更され、同一の又は類似の利益を提供してもよい。
以上の例は、改良された電源集積回路、無線通信ユニット及び電力増幅器の電源電圧制御の方法を提供した。これらは、線形の効率的な送信機アーキテクチャ、特に、電力効率の良い方法で電源電圧を供給できる広帯域電源アーキテクチャを用いた。有利なことに、ＡＣ結合アーキテクチャに基づく本発明の幾つかの実施形態は、ＤＣ結合ソリューションより優れた改善された効率を提供することができる。例えば、線形増幅器の出力がＰＡ電源（つまり、変調器の出力）に直接接続されるＤＣ結合システムでは、出力は、出力素子と関連付けられた順方向バイアス・ダイオードを有しないで、線形増幅器の供給を超えることができない。しかしながら、上述のＡＣ結合システムでは、キャパシタは関連するコストを有する追加構成要素である。しかしながら、２つの動作モードの提供は、記載された種々のアーキテクチャにおいて、二重の用途の結合キャパシタに対応する。これらのアーキテクチャは、結合キャパシタが、固定ドレイン・モードにおけるＳＭＰＳのためのフィルタリング・キャパシタとして及びエンベロープ追跡モードにおけるＡＣ結合キャパシタとしての両方で機能させる。
有利なことに、本発明の例示的な実施形態の幾つかは、電源電圧（Ｖｂａｔ）より高い負荷を引き出す能力を提供することもできる。例えば、線形増幅器は、単一の（unity）利得より大きく実施されてもよい。これは、バッテリ電圧より高い出力電圧をバッテリ電圧より低い入力にマッピングさせることを可能にする。ＤＣ（平均）出力電圧は、ＬＦ電源のＳＭＰＳに従って設定され、降圧（バック）レギュレータが用いられる場合には、バッテリ電圧より低い電圧に制限される。しかしながら、変調器の出力はＤＣ成分とＡＣ成分との組合せ（加算）である。正のＡＣ電圧は、増幅器の出力に印加され、平均レベルより高い、つまりバッテリ電圧より高い出力を引き出すだろう。これは過渡的方法でのみ動作し、ＤＣ電圧は、依然としてバッテリ電圧より低いままであり、ＤＣ電圧を維持しレベル・シフタとして動作するキャパシタの能力に依存する。変調器の出力とＬＦ電源のＳＭＰＳのスイッチング素子との間のインダクタの存在は、電圧が瞬間的にバッテリ電圧を超えることができるようにするために必要である。
有利なことに、本発明の幾つかの例示的な実施形態は、主な動作条件に依存して、ＥＴ動作モードとＦＤ動作モードとの間で切り替える機能を提供する。特に、ＳＭＰＳ電源をＥＴ動作モードから固定ドレイン動作モードへ、少なくともある時間期間の間、再構成する機能は、ＡＣ結合キャパシタがＦＤ動作モードでフィルタ・キャパシタとして再利用されるので、アーキテクチャのキャパシタンスのコストを無効にするか又は低減する。
図１３を参照すると、本発明の実施形態で信号処理機能を実施するために用いられうる一般的なコンピュータ・システム１３００が示される。この種のコンピュータ・システムは、アクセス・ポイント及び無線通信ユニットで用いることができる。当業者は、本発明を他のコンピュータ・システム又はアーキテクチャを用いてどのように実施するかを理解するだろう。コンピュータ・システム１３００は、例えば、任意の汎用目的コンピュータ装置を表してもよく、所与のアプリケーション又は環境に望ましい又は適切なものであってもよい。コンピュータ・システム１３００は、プロセッサ１３０４のような１又は複数のプロセッサを有しうる。プロセッサ１３０４は、例えばマイクロプロセッサ、マイクロコントローラ又は他の制御モジュールのような汎用又は特定用途向け処理エンジンを用いて実施されうる。この例では、プロセッサ１３０４は、バス１３０２又は他の通信媒体に接続される。
コンピュータ・システム１３００は、また、ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）又は他のダイナミック・メモリのような、情報及びプロセッサ１３０４により実行されるべき命令を格納する主記憶１３０８を有しうる。主記憶１３０８は、プロセッサ１３０４により実行されるべき情報の実行中に、一時変数又は他の中間的情報を格納するために用いられてもよい。コンピュータ・システム１３００は、同様に、バス１３０２に結合され、静的情報及びプロセッサ１３０４のための命令を格納する読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）又は他の静的記憶装置を有してもよい。
コンピュータ・システム１３００は、例えばメディア・ドライブ１３１２及び取り外し可能な記憶装置インタフェース１３２０を含む情報記憶システム１３１０を有してもよい。メディア・ドライブ１３１２は、ハードディスク・ドライブ、フロッピー（登録商標）・ディスク・ドライブ、磁気テープ・ドライブ、光ディスク・ドライブ、コンパクト・ディスク・ドライブ（ＣＤ）若しくはデジタル・ビデオ・ドライブ（ＤＶＤ）読み出し若しくは書き込みドライブ（Ｒ又はＲＷ）又は他の取り外し可能な若しくは固定メディア・ドライブのような固定の又は取り外し可能な記憶媒体に対応するドライブ又は他の機構を有してもよい。記憶媒体１３１８は、例えば、ハードディスク、フロッピー（登録商標）・ディスク、磁気テープ、光ディスク、ＣＤ若しくはＤＶＤ、又はメディア・ドライブ１３１２により読み取り及び書き込みされる他の固定若しくは取り外し可能な媒体を含んでもよい。これらの例が示すように、記憶媒体１３１８は、特定のコンピュータ・ソフトウェア又は格納されたデータを有するコンピュータ読み取り可能な記憶媒体を含んでもよい。
代替の実施形態では、情報記憶システム１３１０は、コンピュータ・プログラム又は他の命令若しくはデータをコンピュータ・システム１３００に読み込ませることができる他の類似の構成要素を有してもよい。このような構成要素は、例えば、プログラム・カートリッジ及びカードリッジ・インタフェース、取り外し可能なメモリ（例えば、フラッシュ・メモリ又は他の取り外し可能なメモリ・モジュール）及びメモリ・スロット、並びにソフトウェア及びデータを取り外し可能な記憶ユニット１３１８からコンピュータ・システム１３００に転送できるようにするための他の取り外し可能な記憶ユニット１３２２及びインタフェース１３２０のような取り外し可能な記憶ユニット１３２２及び取り外し可能な記憶インタフェース１３２０を含んでもよい。
コンピュータ・システム１３００は、通信インタフェース１３２４も有しうる。通信インタフェース１３２４は、ソフトウェア及びデータをコンピュータ・システム１３００と外部装置との間で転送できるようにするために用いることができる。通信インタフェース１３２４の例は、モデム、（Ｅｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）又は他のＮＩＣカードのような）ネットワーク・インタフェース、（例えば、ＵＳＢポート、ＰＣＭＣＩＡスロット及びカード等のような）通信ポートを含みうる。通信インタフェース１３２４を介して転送されるソフトウェア及びデータは、電子、電磁気であってよい信号、又は通信インタフェース１３２４により受信可能な他の信号の形式である。これらの信号は、チャネル１３２８を介して通信インタフェース１３２４に供給される。このチャネル１３２８は、信号を伝達し、無線媒体、有線若しくはケーブル、光ファイバ又は他の通信媒体を用いて実施されてもよい。チャネルの幾つかの例は、電話線、セルラ電話回線、ＲＦリンク、ネットワーク・インタフェース、ローカル・エリア・ネットワーク若しくは広域ネットワーク、及び他の通信チャネルを含む。
本願明細書では、「コンピュータ・プログラム・プロダクト」、「コンピュータ可読媒体」等の用語は、概して、例えば、主記憶１３０８、記憶媒体１３１８又は取り外し可能な記憶ユニット１３２２のような媒体を表すために用いられうる。上述の及び他の形式のコンピュータ可読媒体は、プロセッサ１３０４により使用されプロセッサ１３０４に特定の動作を実行させるための１又は複数の命令を格納してもよい。このような命令は、概して、実行されると、コンピュータ・システム１３００に本発明の実施形態の機能を実行させる「コンピュータ・プログラム・コード」（これは、コンピュータ・プログラムの形式で又は他の分類に分類されてもよい）として参照される。コードは、直接的に、プロセッサに特定の動作を実行させ、そうするようコンパイルされ、及び／又は他のソフトウェア、ハードウェア及び／若しくはファームウェア構成要素（例えば、標準機能を実行するライブラリ）と組み合わされても良いことに留意する。
構成要素がソフトウェアを用いて実施される実施形態では、ソフトウェアは、コンピュータ可読媒体に格納され、例えば取り外し可能な記憶ユニット１３２２、メディア・ドライブ１３１２又は通信インタフェース１３２４を用いてコンピュータ・システム１３００に読み込まれてもよい。制御モジュール（この例では、ソフトウェア命令又はコンピュータ・プログラム・コード）は、プロセッサ１３０４により実行されると、プロセッサ１３０４に本願明細書に記載された本発明の機能を実行させる。
特に、前述の新規な概念は、半導体製造業者によりＰＡのための電力供給回路を有する任意の集積回路に適用されうることが予想される。さらに、例えば、半導体製造業者は、本発明の概念を、電源モジュールのようなスタンドアロン型装置、又は特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）及び／又は任意の他のサブシステム構成要素の設計で用いることができると予想される。或いは、本発明の例は、分散型回路又は構成要素の組合せで実現されてもよい。
明確化のために、上述の説明は、異なる機能ユニット及びプロセッサを参照して本発明の実施形態を記載したことが理解されるだろう。しかしながら、任意の適切な機能の分散が、異なる機能ユニット又はプロセッサ間で、例えば電源回路又は信号調整回路又は増幅器回路に関して、本発明から逸脱することなく用いられてもよいことが理解されるだろう。例えば、別個のプロセッサ又は制御部により実行されるべきであると説明された機能は、同一のプロセッサ又は制御部により実行されてもよい。したがって、特定の機能ユニットへの参照は、単に記載された機能を提供する適切な手段への参照であり、厳密な論理的又は物理的構造若しくは機構を示すものではないことが分かる。
本発明の態様は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア又はそれらの任意の組み合わせを含む任意の適切な形式で実施されてもよい。本発明は、任意的に、少なくとも部分的に、１又は複数のデータ・プロセッサ及び／又はデジタル信号プロセッサ若しくはフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）素子のようなコンフィギュラブル・モジュール構成要素で実行されるコンピュータ・ソフトウェアとして実施されてもよい。したがって、本発明の実施形態の要素及び構成要素は、物理的に、機能的に及び論理的に任意の適切な方法で実施されてもよい。実際に、機能は、単一のユニットで、複数のユニットで又は他の機能ユニットの一部として実施されてもよい。
本発明は幾つかの実施形態に関連して記載されたが、本願明細書に説明された特定の形式に限定されるものではない。むしろ、本発明の範囲は添付の請求の範囲によってのみ限定される。さらに、特徴は特定の実施形態に関連して記載されたように見えるが、当業者は、記載された実施形態の種々の特徴が本発明に従って結合されうることを理解するだろう。請求の範囲において、用語「有する（comprising）」は、他の要素又はステップの存在を除外しない。
さらに、個々に列挙されたが、複数の手段、要素又は方法のステップは、例えば単一のユニット又はプロセッサにより実施されてもよい。さらに、個々の特徴は異なる請求項に含まれうるが、これらは場合によっては有利なことに組み合わさられてもよく、異なる請求項に含まれることは特徴の組み合わせが実施可能及び／又は有利でないことを示唆するものではない。また、あるカテゴリの請求項に特徴が含まれることは、このカテゴリへの限定を示唆せず、むしろ、その特徴が他の請求項のカテゴリにも適切な場合には等しく適用可能であることを示す。
さらに、請求項内の特徴の順序は、その特徴が実行されなければならない順序を示唆しない。特に方法の請求項における個々のステップの順序は、ステップがその順序で実行されなければならないことを示唆しない。むしろ、ステップは任意の適切な順序で実行されてもよい。さらに、単数の表記は複数を除外しない。したがって、単数の表記「１つの」、「第１の」、「第２の」（a、an、first、second）等は複数を排除しない。
以上に、改良された電源集積回路、無線通信ユニット及び電力増幅器の電源電圧制御の方法が説明された。これらは、線形の効率的な送信機アーキテクチャ、特に、電力効率の良い方法で電源電圧を供給できる広帯域電源アーキテクチャを用い、前述の従来技術の欠点を大幅に軽減した。
当業者は、本発明の教示を守りつつ、装置及び方法の多くの変更及び代替に直ちに気付くだろう。したがって、上述の開示は、添付の請求の範囲の境界によってのみ限定されると考えられるべきである。
［関連出願の参照］
本願は、米国仮出願番号第６１／４３８，３４７号（２０１１年２月１日出願）及び米国仮出願番号第６１／５６３，３１６号（２０１１年１１月２３日出願）の利益を主張する。これら仮出願の全内容は、参照されることにより本願明細書に組み込まれる。

Claims (15)

  1. 無線周波数（ＲＦ）電力増幅器（ＰＡ）への電源を供給する集積回路であって、該集積回路は、
    スイッチング・レギュレータを有する低周波数電源経路、
    負荷に結合するための前記集積回路の出力ポートにおいて、結合された電源の出力電圧を調整するよう構成された高周波数電源経路であって、前記結合された電源は前記低周波数電源経路と前記高周波数電源経路とにより供給される、高周波数電源経路、
    により特徴付けられ、
    前記高周波数電源経路は、
    電圧帰還を受ける第１の入力と変調されたエンベロープ入力信号を受ける第２の入力とを有し、前記高周波数電源経路に電源信号を駆動するよう構成された増幅器、
    前記増幅器の出力に結合され、前記電源信号のＤＣ電圧レベル・シフトを実行するよう構成されたキャパシタ、
    を有し、
    前記増幅器がエンベロープ追跡動作モードで動作するとき、前記低周波数電源経路は前記増幅器の出力と基準信号とに基づき制御される、集積回路。
  2. 前記増幅器は線形増幅器である、請求項１に記載の集積回路。
  3. 前記集積回路は、前記線形増幅器に結合されたエンベロープ調整モジュールを更に有し、
    前記エンベロープ調整モジュールは、
    前記変調されたエンベロープ入力信号を受け、前記変調されたエンベロープ入力信号の少なくとも１つの信号の谷をクリッピング又は除去し、前記クリッピング又は谷の除去された少なくとも１つの変調されたエンベロープ入力信号を前記線形増幅器に供給し、又は
    少なくとも１つのエンベロープ信号特性を、
    前記電源の最小限度を前記電力増幅器の要件を満たすよう設定すること、
    前記少なくとも１つのエンベロープ信号の信号帯域幅を制限すること、
    前記少なくとも１つのエンベロープ信号の利得及び／又はオフセット整合を実行すること、
    差動信号及びシングル・エンド信号の間の変換のような、前記少なくとも１つのエンベロープ信号の信号フォーマットを実施すること、
    のうちの少なくとも１つに従って変更する、よう構成される、請求項２に記載の集積回路。
  4. 前記低周波数電源経路の前記スイッチング・レギュレータは、積分器として動作するキャパシタを用いて、前記増幅器の平均出力電圧を制御する、請求項１に記載の集積回路。
  5. 前記集積回路は、少なくとも前記増幅器のエンベロープ追跡動作モードと固定ドレイン動作モードとの間で選択するよう構成されたモード制御モジュール、を更に有する請求項１に記載の集積回路。
  6. 前記集積回路は、前記モード制御モジュールに結合され、前記増幅器の前記エンベロープ追跡動作モードと前記固定ドレイン動作モードとの間のモード遷移を生じさせる少なくとも１つのスイッチ、を更に有する請求項５に記載の集積回路。
  7. 前記モード制御モジュールは、前記増幅器の前記エンベロープ追跡動作モードと前記固定ドレイン動作モードとの間を、前記電力増幅器の出力電力レベルと、低い波高因子を有する変調スキームの使用と、を含むグループからの少なくとも１つに基づき選択するよう構成される、請求項５に記載の集積回路。
  8. 前記増幅器の第２の入力は、前記エンベロープ追跡動作モードと前記固定ドレイン動作モードとの間の遷移中に、ランプされ低減された変調されたエンベロープ入力信号を受けるよう構成される、請求項５に記載の集積回路。
  9. 前記増幅器は、少なくとも１つのｎチャネル・トランジスタとｐチャネル・トランジスタとを有し、固定ドレイン・モードで動作しているとき、
    前記ｎチャネル・トランジスタがオンに切り替えられ、前記ｐチャネル・トランジスタがオフに切り替えられ、前記増幅器がスイッチとして動作するようにする、又は
    前記ｐチャネル・トランジスタがＤＣ電圧に切り替えられる、
    のうちの少なくとも１つの設定が実行される、請求項５に記載の集積回路。
  10. 前記少なくとも１つのスイッチは、インダクタに更に結合され、該インダクタは、前記キャパシタと組み合わされ、前記少なくとも１つのスイッチが固定電圧に接続されるとき、前記固定ドレイン動作モードで前記電源に適用されるフィルタとして動作するよう構成される、請求項６に記載の集積回路。
  11. 前記集積回路は、前記インダクタに結合され、該インダクタを流れる瞬間電流を監視する第１の電流検知と、前記増幅器の出力に結合され、負荷電流の指標を提供するよう構成された第２の電流検知と、を含むグループからの少なくとも１つを更に有する請求項１０に記載の集積回路。
  12. 前記エンベロープ追跡動作モードにおいて、前記低周波数電源経路の帰還信号は、前記キャパシタにかかるレベル・シフト電圧を決定するために、目標ＤＣ電圧と比較される前記線形増幅器の出力を入力として取り入れる、請求項１１に記載の集積回路。
  13. 前記集積回路は、前記低周波数電源経路に結合され、前記低周波数電源経路と独立であり、前記増幅器の出力において出力電圧及び／又は出力電流を検知するよう構成された比例積分制御部、を更に有する請求項１に記載の集積回路。
  14. 前記低周波数電源経路は、前記比例積分制御部からの制御信号に応答して低周波数出力電流を生成するよう構成されたパルス幅変調器を有する、請求項１３に記載の集積回路。
  15. 無線周波数電力増幅器に電源を供給する方法であって、
    スイッチング・レギュレータを用いて、前記無線周波数電力増幅器に低周波数電源を供給するステップ、
    高周波数電源経路を介して、前記無線周波数電力増幅器に高周波数電源を供給するステップ、
    前記高周波数電源経路の電圧帰還を受ける第１の入力と変調されたエンベロープ入力信号を受ける第２の入力とを有する増幅器から、前記無線周波数電力増幅器のために電源を駆動するステップ、
    前記高周波数電源経路の電源信号のＤＣ電圧レベル・シフトを実行するステップ、
    前記増幅器がエンベロープ追跡動作モードで動作するとき、前記低周波数電源経路を前記増幅器の出力と基準信号とに基づき制御するステップ、
    により特徴付けられる方法。
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