JP5614273B2

JP5614273B2 - 増幅装置

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Publication number: JP5614273B2
Application number: JP2010284261A
Authority: JP
Inventors: 廣信本郷; 勝利石堂
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2010-12-21
Filing date: 2010-12-21
Publication date: 2014-10-29
Anticipated expiration: 2030-12-21
Also published as: JP2012134705A; US20120154035A1; US8536941B2

Description

本件は、信号を増幅する増幅装置の電力供給に関する。

近年、電子機器は、国際的な環境対策と相まって低消費電力化が求められている。例えば、携帯電話システムの基地局の送信部の最終段には、送信信号を増幅するための増幅装置が設けられ、その増幅装置の低消費電力化が求められている。

増幅装置の電力効率改善の手法として、エンベロープトラッキングがある。エンベロープトラッキングは、増幅装置の増幅器で増幅する信号の振幅に応じた電源電圧を増幅器に供給し、電力ロスを低減する技術である。

例えば、エンベロープトラッキングは、増幅する信号のエンベロープが所定の閾値以下の場合、高効率電源による固定電圧の電力のみを増幅器に供給する（固定電圧電力モード）。そして、エンベロープトラッキングは、増幅する信号のエンベロープが所定の閾値を超える場合に、前記の固定電圧の電力供給に加え、増幅する信号のエンベロープに応じた可変電圧の電力を、低効率電源より増幅器に供給する。このように、エンベロープトラッキングは、増幅する信号のエンベロープの大きさに基づいて電源を切換えることにより、電力効率の改善を図っている。

なお、従来、低出力時に増幅部を線形動作とすることで低出力側の動作限界を解消し、広い出力範囲での低歪かつ高効率動作を実現した高出力増幅器が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、電源回路の効率と高周波電力増幅器の効率改善を図る電力増幅装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
また、エンベロープトラッキング型増幅器において、高効率を維持しつつ、小入力時においても非線形性歪の発生を低減することができる電力増幅器が提案されている（例えば、特許文献３参照）。

さらに、出力増幅器の出力レベルによってレベルを変更する電源電圧回路のコイルを共通化した電力増幅装置が提案されている（例えば、特許文献４参照）。

特開２００５−１８４２７３号公報特開２００６−２５４３４５号公報国際公開番号ＷＯ２００８／０９９４８９号公報特開２０００−１６５１５１号公報

しかし、従来の増幅装置では、固定電圧電力モードにおいて、可変電圧の電力も増幅器に供給する場合があり、電力効率の低下が生じるという問題点があった。
本件はこのような点に鑑みてなされたものであり、電力効率の低下を抑制する増幅装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、信号を増幅する増幅装置が提供される。この増幅装置は、電力ノードに供給される電力によって入力信号を増幅する増幅部と、前記電力ノードに固定電圧の電力を供給する第１の電源部と、前記入力信号のエンベロープに基づくエンベロープ信号と前記電力ノードの電圧とに基づいて、前記電力ノードに可変電圧の電力を供給する第２の電源部と、前記第１の電源部が前記電力ノードに電力を供給し、前記第２の電源部が前記電力ノードに電力を供給しない固定電圧電力モードにおいて、前記電力ノードのインピーダンスを下げる制御を行うアクティブショート部と、前記固定電圧電力モードにおいて、前記第２の電源部が前記アクティブショート部による前記電力ノードの電圧変化によって前記電力ノードに電力を供給しないように、前記エンベロープ信号にキャンセル信号を合成する合成部と、を有する。

開示の増幅装置によれば、電力効率の低下を抑制することができる。

第１の実施の形態に係る増幅装置の一例を示した図である。図１の増幅装置の動作を説明する図である。第２の実施の形態に係る増幅装置の回路ブロックの一例を示した図である。図３の増幅装置に信号波形を加えた図である。電力効率の低減を説明する図である。図５の各部の電流波形を示した図である。図５の増幅装置の動作を説明する図である。電力ノードの電流と電圧の関係を説明する図である。デジタル信号処理部のブロック図である。図９の各部における信号波形を示した図である。ＡＳ信号の生成動作を説明するフローチャートである。エンベロープ信号の生成動作を説明するフローチャートである。増幅器に流れる負荷電流の実測結果を示した図である。増幅装置を無線装置に適用した場合の一例を示した図である。

以下、実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
［第１の実施の形態］
図１は、第１の実施の形態に係る増幅装置の一例を示した図である。図１に示すように、増幅装置は、増幅部１、電源部２、電源部３、ＡＳ（Active Short）部４、合成部５、および電力ノードＮ１を有している。

増幅部１には、増幅しようとする入力信号が入力される。入力信号は、例えば、変調された信号である。増幅部１は、電力ノードＮ１に供給される電力によって入力信号を増幅し、出力する。

電源部２は、電力ノードＮ１に固定電圧の電力を供給する。電源部２は、例えば、電源部３より高効率の電源である。増幅装置は、入力信号のエンベロープが所定の閾値電圧以下のとき、電源部２のみの電力を増幅部１に供給し（固定電圧電力モード）、入力信号のエンベロープが所定の閾値電圧を超えると、電源部２の電力に加え、さらに電源部３の電力を増幅部１に供給する（可変電圧電力モード）。

電源部３は、合成部５から出力される、増幅部１が増幅する入力信号のエンベロープに基づくエンベロープ信号と、電力ノードＮ１の電圧とに基づいて、電力ノードＮ１に可変電圧の電力を供給する。

例えば、電源部３は、ＮＭＯＳ（Negative-channel Metal-Oxide Semiconductor）のトランジスタで形成される。例えば、電源部３をトランジスタで形成する場合、ゲートは合成部５と接続され、ドレインは一定電圧の電源と接続され、ソースは電力ノードＮ１に接続される。トランジスタは、ソースの電力ノードＮ１の電圧に対し、ゲートのエンベロープ信号がトランジスタの閾値電圧を超えると、エンベロープ信号に応じた可変電圧の電力を電力ノードＮ１に供給する。

ＡＳ部４は、例えば、コンデンサＣ１およびスイッチＳＷ１を有している。スイッチＳＷ１は、固定電圧電力モードのとき、電力ノードＮ１を、コンデンサＣ１を介してグランドに接地する。また、スイッチＳＷ１は、可変電圧電力モードのとき、コンデンサＣ１を介した、電力ノードＮ１のグランド接地を開放する。すなわち、ＡＳ部４は、固定電圧電力モードのとき、電力ノードＮ１のインピーダンスを下げ、電力ノードＮ１の電圧が振れるのを抑制する。

合成部５は、固定電圧電力モードにおいて、電力ノードＮ１のＡＳ部４による電圧変化によって、電源部３が電力ノードＮ１に電力を供給しないように、エンベロープ信号にキャンセル信号を合成する。

例えば、ＡＳ部４は、抵抗成分を有さないのが好ましいが、実際には、コンデンサＣ１またはスイッチＳＷ１に抵抗成分が含まれる。固定電圧電力モード時、この抵抗成分に電流が流れ、電力ノードＮ１の電圧が低下する。この電力ノードＮ１の電圧低下によって、エンベロープ信号と電力ノードＮ１の電圧との間に、電源部３の電力を供給する電圧が生じると（例えば、トランジスタの閾値を超える電圧が生じると）、電源部３は、固定電圧電力モードにあるにもかかわらずオンし、電力を供給する。そこで、合成部５は、固定電圧電力モードにおいて、電源部３が電力を供給しないように（例えば、トランジスタがオンしないように）、エンベロープ信号にキャンセル信号を合成する。

図２は、図１の増幅装置の動作を説明する図である。図２の（Ａ）は、合成部５から出力されるエンベロープ信号を示している。図２の（Ｂ）は、電力ノードＮ１を流れる負荷電流を示している。図２の（Ｃ）は、電源部３から出力される電圧波形を示している。図２の（Ｄ）は、電源部３から出力される電流波形を示している。図２の区間Ｓ１〜Ｓ４は、電源部２のみが増幅部１に電力を供給する固定電圧電力モードを示している。

図２の（Ａ）の区間Ｓ１〜Ｓ４は、固定電圧電力モードであるので、本来、電源部３（例えば、トランジスタ）がエンベロープ信号に応じて電力を供給しないよう、エンベロープ信号は無信号状態（例えば、一定信号）である。しかし、エンベロープ信号には、図２の（Ａ）の区間Ｓ１〜Ｓ４に示すように、合成部５によってキャンセル信号（下向きの山の波形）が合成されている。

電力ノードＮ１を流れる負荷電流は、図２の（Ｂ）に示すように変化する。電力ノードＮ１を流れる負荷電流は、増幅部１の増幅作用によって変化するので、増幅部１に入力される入力信号のエンベロープに応じた変化をする。例えば、入力信号のエンベロープが大きければ、負荷電流も大きくなる。

固定電圧電力モード時、上記したように、ＡＳ部４にも負荷電流が流れる。このため、図２の（Ｃ）の区間Ｓ１〜Ｓ４に示すように、電源部３の出力（例えば、トランジスタのソース）は電圧が下がる。

この電圧の低下により、電源部３（例えば、トランジスタ）は、増幅部１に電力を供給しようとする。しかし、電源部３に入力されるエンベロープ信号には、図２の（Ａ）に示すように、電源部３が電力を供給しないよう（例えば、トランジスタがオンしないよう）、キャンセル信号が合成されている。キャンセル信号は、例えば、固定電圧電力モードにおける電力ノードＮ１の電圧変化と同様の変化をする信号である。

これにより、図２の（Ｄ）の区間Ｓ１〜Ｓ４に示すように、固定電圧電力モードにおいて、電源部３の可変電圧による電力供給が抑制され、電力効率低下が抑制される。
このように、増幅装置は、電源部３が固定電圧電力モードにおいて、ＡＳ部４による電力ノードＮ１の電圧変化によって電力ノードＮ１に電力を供給しないように、エンベロープ信号にキャンセル信号を合成する。これにより、増幅装置の電源部３は、固定電圧電力モードにおいて、可変電圧による電力を増幅部１に供給しなくなり、電力効率の低減を抑制することができる。

［第２の実施の形態］
次に、第２の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
図３は、第２の実施の形態に係る増幅装置の回路ブロックの一例を示した図である。図３に示すように、増幅装置は、デジタル信号処理部１１、ＤＡＣ（Digital to Analog Converter）１２，１６、発振器１３、乗算器１４、増幅器１５、コンデンサＣ１１〜Ｃ１３、バイアス電源１７、トランジスタＭ１１，Ｍ１２、インダクタＬ１１、およびＡＳ回路１８を有している。図３の増幅装置は、例えば、携帯電話システムの基地局に適用される。

図４は、図３の増幅装置に信号波形を加えた図である。図４において図３と同じものには同じ符号が付してある。
デジタル信号処理部１１には、例えば、波形Ｗ１１に示すような送信信号が入力される。送信信号は、例えば、携帯電話に無線送信しようとする信号である。送信信号は、デジタル値でデジタル信号処理部１１に入力されるが、波形Ｗ１１ではアナログの形で示している。デジタル信号処理部１１は、例えば、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）やＣＰＵ（Central Processing Unit）によって形成される。

送信信号は、増幅器１５の非線形性等によって歪が生じる。そこで、デジタル信号処理部１１は、歪補償処理を行った送信信号をＤＡＣ１２に出力する。
ＤＡＣ１２は、デジタル信号処理部１１から出力される送信信号をデジタル−アナログ変換する。波形Ｗ１２は、ＤＡＣ１２でデジタル−アナログ変換された送信信号を示している。

発振器１３は、送信信号を無線周波数の無線信号に変調するための発振信号を出力する。乗算器１４は、ＤＡＣ１２から出力される送信信号に、発振器１３から出力される発振信号を乗算して無線信号を出力する。波形Ｗ１３は、乗算器１４から出力される無線信号を示している。

増幅器１５は、電力ノードＮ１１を介して電力が供給される。増幅器１５は、電力ノードＮ１１から供給される電力によって、乗算器１４から出力される無線信号を増幅する。増幅された無線信号は、例えば、アンテナを介して携帯電話に無線送信される。波形Ｗ１４は、増幅器１５で増幅された無線信号を示している。

デジタル信号処理部１１は、増幅器１５で増幅される無線信号のエンベロープに基づくエンベロープ信号を出力する。ここで、増幅器１５で増幅される無線信号は、デジタル信号処理部１１に入力される送信信号を変調したものである。そこで、デジタル信号処理部１１は、入力される送信信号の所定の閾値（波形Ｗ１１に示すＶｔｈ）を超える信号をエンベロープ信号として出力する。波形Ｗ１５は、所定の閾値を超えた送信信号のエンベロープ信号を示している。

なお、デジタル信号処理部１１は、以下で詳細に説明するが、出力するエンベロープ信号にキャンセル信号を合成したエンベロープ信号を出力する。波形Ｗ１５に示すエンベロープ信号は、上記したように所定の閾値を超えた送信信号のエンベロープ信号を示し、キャンセル信号を含んでいない。

ＤＡＣ１６は、デジタル信号処理部１１から出力される、キャンセル信号が合成されたエンベロープ信号をデジタル−アナログ変換する。波形Ｗ１６は、ＤＡＣ１６でデジタル−アナログ変換されたエンベロープ信号を示している。波形Ｗ１６に示す下向きの山は、キャンセル信号成分を示している。以下では、キャンセル信号が合成されたエンベロープ信号を、単にエンベロープ信号と呼ぶこともある。

トランジスタＭ１１は、例えば、ＮＭＯＳのトランジスタである。トランジスタＭ１１のゲートには、コンデンサＣ１１を介して、エンベロープ信号が入力される。また、トランジスタＭ１１のゲートには、バイアス電源１７から、電圧Ｖｇのバイアス電圧が供給される。

トランジスタＭ１１のドレインには、電圧Ｖｄｓの電源が接続されている。トランジスタＭ１１のソースは、電力ノードＮ１１と接続されている。トランジスタＭ１１は、ゲートに入力されるエンベロープ信号の電圧とソース電圧（電力ノードＮ１１の電圧）とに基づいて、エンベロープ信号の変化に応じた電圧の電力を電力ノードＮ１１に供給する。

電圧Ｖｄｃの電源は、インダクタＬ１１を介して、電力ノードＮ１１と接続されている。また、電圧Ｖｄｃの電源は、コンデンサＣ１２を介して、グランドと接続されている。電圧Ｖｄｃの電源は、電圧Ｖｄｓの電源より電圧は低いが、高効率の電源である。電圧Ｖｄｃの電源は、固定電圧（Ｖｄｃ）の電力を電力ノードＮ１１に供給する。

ここで、トランジスタＭ１１は、エンベロープ信号と電力ノードＮ１１の電圧とに基づいて、電力ノードＮ１１に可変電圧の電力を供給するリニアアンプと言える。以下では、トランジスタＭ１１による電源をリニアアンプ、電圧Ｖｄｃの電源を固定電圧電源と呼ぶことがある。

インダクタＬ１１は、固定電圧電源の出力電圧とリニアアンプの出力電圧とを結合する。波形Ｗ１７は、固定電圧電源の出力電圧とリニアアンプの出力電圧とを結合した電圧波形を示している。

すなわち、増幅装置は、リニアアンプのゲートに、有信号のエンベロープ信号（例えば、波形Ｗ１６に示す上向きの山）が入力された場合、固定電圧電源の電力にリニアアンプの電力を重畳して増幅器１５に供給する。また、増幅装置は、リニアアンプのゲートに、無信号（例えば、波形Ｗ１６の水平部分）またはキャンセル信号のエンベロープ信号が入力された場合、固定電圧電源の電力を増幅器１５に供給する。

つまり、増幅装置は、増幅器１５に入力される無線信号のエンベロープが小さい場合、高効率電源の電力を増幅器１５に供給する。そして、増幅装置は、無線信号のエンベロープが大きい場合、低効率ではあるが高電圧を出力できる電源の電力を、そのエンベロープに応じてさらに供給する。これにより、増幅装置は、増幅器１５の効率改善を図っている。なお、固定電圧電源の電力を供給する期間が長く、かつ、その電圧を低く設定できるほど、電力削減に寄与することができる。

ＡＳ回路１８は、コンデンサＣ１３およびトランジスタＭ１２を有している。コンデンサＣ１３は、その一端が電力ノードＮ１１に接続され、他端がトランジスタＭ１２のドレインに接続されている。

トランジスタＭ１２は、例えば、ＮＭＯＳのトランジスタである。トランジスタＭ１２のゲートは、デジタル信号処理部１１と接続されている。トランジスタＭ１２のソースは、グランドに接続されている。

電力ノードＮ１１は、トランジスタＭ１２のオン・オフによって、コンデンサＣ１３を介し、グランドに接地される。デジタル信号処理部１１は、固定電圧電源のみが電力ノードＮ１１に電力を供給する固定電圧電力モードにおいて、電力ノードＮ１１を、コンデンサＣ１３を介してグランドに接地するようＡＳ信号を出力する。

すなわち、ＡＳ回路１８は、アクティブにバイパスコンデンサ（コンデンサＣ１３）を制御する回路で、固定電圧電力モードにおいて、電力ノードＮ１１のインピーダンスを低減する。以下では、電力ノードＮ１１を、コンデンサＣ１３を介してグランドに接地することをＡＳと呼ぶことがある。また、固定電圧電源とリニアアンプとが電力ノードＮ１１に電力を供給するときを、可変電圧電力モードと呼ぶことがある。

キャンセル信号の合成について詳細に説明する前に、ＡＳ回路１８に流れる電流による電力効率の低減について説明する。
図５は、電力効率の低減を説明する図である。図５には、図３に示した増幅装置の一部が示してある。また、図５には、リニアアンプに入力されるエンベロープ信号の波形Ｗ２１が示してある。図５において、図３と同じものには同じ符号を付し、その説明を省略する。なお、ＡＳ回路１８に示す抵抗Ｒ１１は、トランジスタＭ１２またはコンデンサＣ１３に含まれる抵抗成分を示している。抵抗Ｒ１１の抵抗値は、例えば、０．６Ωである。

ＡＳ回路１８のトランジスタＭ１２は、固定電圧電力モードのときオンする。電力ノードＮ１１を流れる負荷電流（増幅器１５に供給される電流）は、増幅器１５の無線信号の増幅作用により変化し、この負荷電流は、固定電圧電力モード時において抵抗Ｒ１１にも流れる。このため、固定電圧電源の固定電圧が変動する。そして、固定電圧電源の固定電圧が変動すると電力ノードＮ１１の電圧が変動し、リニアアンプ（トランジスタＭ１１）のソース電圧が変動するため、固定電圧電力モードにもかかわらず、リニアアンプから電力ノードＮ１１に電流が供給される場合がある。

例えば、固定電圧電力モード時では、トランジスタＭ１１に入力されるエンベロープ信号は、波形Ｗ１１に示すように無信号状態である。トランジスタＭ１１のゲートには、例えば、Ｂ級動作するためのバイアス電圧がバイアス電源１７から供給されており、トランジスタＭ１１は、無信号状態のエンベロープ信号が入力されているとき、オフしている。

ここで、固定電圧電力モード時において、抵抗Ｒ１１に流れる負荷電流によって電力ノードＮ１１の電圧が低下し、トランジスタＭ１１のソース電圧が低下したとする。このソース電圧の低下によって、図５の両矢印Ａ１１に示すゲート−ソース間の電圧がトランジスタＭ１１の閾値電圧を超えると、トランジスタＭ１１がオンする。すなわち、固定電圧電力モード時にもかかわらず、リニアアンプから電力ノードＮ１１に電流が供給され、電力効率が低下する。

図６は、図５の各部の電流波形を示した図である。図６の（Ａ）は、図５のトランジスタＭ１１のゲートに入力されるエンベロープ信号を示している。図６の（Ｂ）は、電力ノードＮ１１を流れる負荷電流を示している。図６の（Ｃ）は、図５のトランジスタＭ１１のソース電圧を示している。図６の（Ｄ）は、図５のトランジスタＭ１１のソースから出力される電流を示している。

図６の（Ａ）に示す区間Ｓ１１〜Ｓ１４は、固定電圧電力モードを示し、エンベロープ信号は無信号である。従って、図６の（Ｂ）に示す区間Ｓ２１〜Ｓ２４では、本来、リニアアンプは電力を供給せず、固定電圧電源のみが電力を供給する。

固定電圧電力モード時、負荷電流は、ＡＳ回路１８の抵抗Ｒ１１にも流れ、トランジスタＭ１１のソース電圧が低下する。すなわち、図６の（Ｃ）の矢印Ａ２１〜Ａ２５に示すように、トランジスタＭ１１のソース電圧が低下する。

トランジスタＭ１１のゲートには、トランジスタＭ１１がＢ級動作をするよう、固定電圧電源の電圧Ｖｄｃを基準電圧として、電圧Ｖｇのバイアス電圧が供給されている。前記したように、トランジスタＭ１１のソース電圧は、ＡＳ回路１８の抵抗Ｒ１１に流れる電流によって低下し、トランジスタＭ１１がオンする。このため、トランジスタＭ１１（リニアアンプ）は、図６の（Ｄ）の矢印Ａ３１〜３５に示すように、固定電圧電力モードにおいても、電力ノードＮ１１に電流（電力）を供給する。これにより、増幅装置の電力効率が低下する。

図７は、図５の増幅装置の動作を説明する図である。図７のグラフの横軸は電圧を示し、縦軸は、電流を示す。
ＡＳ回路１８に抵抗成分がない場合、すなわち、図５に示した抵抗Ｒ１１が存在しない場合、電力ノードＮ１１に流れる電流は、図７に示す直線Ｄ１１上で変化する。すなわち、電力ノードＮ１１に流れる電流は、固定の電圧Ｖｄｃにおいて変化する。

しかし、ＡＳ回路１８のトランジスタＭ１２またはコンデンサＣ１３には、抵抗成分が含まれるため、図７の直線Ｄ１２に示すように電圧と電流との間に傾きが生じる。すなわち、固定電圧電力モード時において、電力ノードＮ１１の電圧は、ΔＶ変化する。なお、直線Ｄ１２の傾きは、ＡＳ回路１８が有する抵抗成分の抵抗値を示す。

図７に示す斜線部分は、トランジスタＭ１１がオンする領域を示している。すなわち、トランジスタＭ１１は、電力ノードＮ１１の電圧が電圧Ｖｄｃより小さくなるとオンし、固定電圧電力モードにもかかわらず電流を電力ノードＮ１１に供給する。

可変電圧電力モードでは、電力ノードＮ１１の電圧と電流は、図７に示す直線Ｄ１３の関係を有する。すなわち、電圧と電流が比例した関係を有する。図７に示す電流Ｉｏは、固定電圧電力モードと可変電圧電力モードとが切換わるときの電流値を示している（ゼロクロス）。

図８は、電力ノードの電流と電圧の関係を説明する図である。図８の（Ａ）は、可変電圧電力モード時の電流と電圧との関係を示している。図８の（Ｂ）は、固定電圧電力モード時の電圧と電流との関係を示している。図８の（Ｃ）は、可変電圧電力モード時と固定電圧電力モード時の電流と電圧との関係を示している。

可変電圧電力モード時では、電力ノードＮ１１を流れる電流と電圧は、図７に示した直線Ｄ１３の関係を有する。従って、図８の（Ａ）に示すように、電圧が上昇すると電流も上昇している。なお、電力ノードＮ１１（増幅器１５）に供給される電流は、増幅器１５に入力される無線信号のエンベロープに応じた変化をする。

固定電圧電力モード時では、電力ノードＮ１１を流れる電流と電圧は、ＡＳ回路１８が有する抵抗成分により、図７に示した直線Ｄ１２の関係を有する。従って、図８の（Ｂ）に示すように、電流が上昇すると電圧が下がる。

図８の（Ｃ）に示す実線波形は、固定電圧電力モードにおける電流と電圧の関係を示し、その関係は、図７の直線Ｄ１２の関係を有している。図８の（Ｃ）に示す破線波形は、可変電圧電力モードにおける電流と電圧の関係を示し、その関係は、図７の直線Ｄ１３の関係を有している。なお、図７の（Ｃ）に示す斜線部分は、トランジスタＭ１１がオンする領域を示し、図７の斜線部分に対応する。

図８の（Ｂ）で説明したように、固定電圧電力モード時は、電流が増加すると、電圧が低下する。従って、電力ノードＮ１１の電圧は、図８の（Ｃ）に示すように、トランジスタＭ１１がオンする領域が生じる。

これにより、Ｂ級動作するリニアアンプは、本来、オフ期間、すなわち、固定電圧電力モード時には、電力ノードＮ１１に電流を供給しないが、ＡＳ回路１８に流れる電流によってオンし、電流を供給する場合が生じる。その結果、この電流が無駄電流となって電力効率の低下を引き起こす。

以下、キャンセル信号の合成について詳細に説明する。図３に示した増幅装置は、固定電圧電力モードにおいて、リニアアンプがオンして電力を電力ノードＮ１１に供給しないように、エンベロープ信号にキャンセル信号を合成する。

図９は、デジタル信号処理部のブロック図である。デジタル信号処理部１１は、上記したように、例えば、ＤＳＰやＣＰＵによって形成され、メモリに記憶されているプログラムを実行することにより、図９に示すような機能を有する。図９に示すように、デジタル信号処理部１１は、エンベロープ抽出部２１、ＡＳ信号生成部２２、歪補償処理部２３、エンベロープ信号出力部２４、キャンセル信号生成部２５、および信号合成部２６を有している。

エンベロープ抽出部２１には、送信信号が入力される。エンベロープ抽出部２１は、所定の閾値より大きい送信信号を抽出する。なお、増幅器１５に入力される無線信号は、送信信号を変調した信号である。従って、エンベロープ抽出部２１に入力される送信信号は、無線信号のエンベロープといえる。

ＡＳ信号生成部２２には、送信信号が入力される。ＡＳ信号生成部２２は、送信信号のエンベロープが、第１の閾値より大きい区間において、第１の閾値より大きい第２の閾値を超えている場合、その第１の閾値より大きい区間において、ＡＳ回路１８が電力ノードＮ１１をＡＳから開放（トランジスタＭ１２をオフ）するＡＳ信号を生成する。例えば、ＡＳ信号生成部２２は、前記区間においては、トランジスタＭ１２をオフするＬ状態のＡＳ信号を生成し、その他の区間では、トランジスタＭ１２をオンするＨ状態のＡＳ信号を生成する。

第１の閾値としては、例えば、ＡＣ（Alternating Current）電流がゼロ付近となるゼロクロスレベルを設定する。第２の閾値としては、固定電圧電力モードから可変電圧電力モードに移行するためのレベルを設定する。

歪補償処理部２３には、送信信号が入力される。歪補償処理部２３は、送信信号の歪補償処理を行って、ＤＡＣ１２に出力する。
エンベロープ信号出力部２４は、エンベロープ抽出部２１によって抽出された信号と、ＡＳ信号生成部２２から出力されるＡＳ信号とに基づいて、エンベロープ信号を出力する。例えば、エンベロープ信号出力部２４は、ＡＳ信号がＬ状態のとき、エンベロープ抽出部２１によって抽出された信号をエンベロープ信号として出力し、ＡＳ信号がＨ状態のとき、固定電圧（無信号、例えば、０Ｖ）をエンベロープ信号として出力する。すなわち、エンベロープ信号出力部２４は、可変電圧電力モード（ＡＳ信号がＬ状態）のとき、エンベロープ抽出部２１によって抽出された信号を出力し、固定電圧電力モード（ＡＳ信号がＨ状態）のとき、無信号を出力する。

キャンセル信号生成部２５は、エンベロープ抽出部２１によって抽出された信号と、ＡＳ信号生成部２２から出力されるＡＳ信号とに基づいて、キャンセル信号を生成する。例えば、キャンセル信号生成部２５は、エンベロープ抽出部２１によって抽出された信号と、ＡＳ信号生成部２２から出力されるＡＳ信号とに基づいて、固定電圧電力モードにおける電力ノードＮ１１の電圧変化と同様の変化をするキャンセル信号を生成する。より具体的には、キャンセル信号生成部２５は、固定電圧電力モードにあるとき、エンベロープ抽出部２１によって抽出された信号を反転し、振幅調整したキャンセル信号を生成する。

信号合成部２６は、エンベロープ信号出力部２４から出力されるエンベロープ信号に、キャンセル信号を合成して、トランジスタＭ１１のゲートに出力する。
図１０は、図９の各部における信号波形を示した図である。図１０の（Ａ）は、エンベロープ抽出部２１、ＡＳ信号生成部２２、および歪補償処理部２３に入力される送信信号の波形を示している。図１０の（Ｂ）は、エンベロープ抽出部２１から出力される信号の波形を示している。図１０の（Ｃ）は、ＡＳ信号生成部２２から出力されるＡＳ信号の波形を示している。図１０の（Ｄ）は、エンベロープ信号出力部２４から出力されるエンベロープ信号の波形を示している。図１０の（Ｅ）は、キャンセル信号生成部２５から出力されるキャンセル信号の波形を示している。図１０の（Ｆ）は、信号合成部２６から出力されるエンベロープ信号の波形を示している。図１０の（Ａ）に示す閾値Ｖｔｈ１は、第１の閾値を示し、閾値Ｖｔｈ２は、第２の閾値を示す。Ｖｔｈ１＜Ｖｔｈ２の関係がある。

エンベロープ抽出部２１は、図１０の（Ａ），（Ｂ）に示すように、閾値Ｖｔｈ１でスライスした送信信号を抽出する。例えば、エンベロープ抽出部２１は、入力される送信信号が閾値Ｖｔｈ１より大きければ、送信信号をそのまま出力し、送信信号が閾値Ｖｔｈ１以下であれば、無信号（例えば、０Ｖの固定電圧）を出力する。

ＡＳ信号生成部２２は、図１０の（Ａ），（Ｃ）に示すように、送信信号が閾値Ｖｔｈ１より大きいか否かを判断し、閾値Ｖｔｈ１以下であれば、Ｈ状態のＡＳ信号を出力する。また、ＡＳ信号生成部２２は、送信信号が閾値Ｖｔｈ１より大きい連続区間において、送信信号が閾値Ｖｔｈ２を超えるのであれば、Ｌ状態のＡＳ信号を出力し、送信信号が閾値Ｖｔｈ２以下であれば、Ｈ状態のＡＳ信号を出力する。

エンベロープ信号出力部２４は、図１０の（Ｄ）に示すように、ＡＳ信号がＬ状態のとき、すなわち、可変電圧電力モードのとき、エンベロープ抽出部２１によって抽出された信号をエンベロープ信号として出力する。エンベロープ信号出力部２４は、ＡＳ信号がＨ状態のとき、すなわち、固定電圧電力モードのとき、無信号（例えば、０Ｖの固定電圧）をエンベロープ信号として出力する。

キャンセル信号生成部２５は、図１０の（Ｂ），（Ｃ），（Ｅ）に示すように、ＡＳ信号がＨ状態のときのエンベロープ抽出部２１によって抽出された信号を反転し、振幅調整してキャンセル信号を生成する。振幅調整については以下で詳細に説明する。

信号合成部２６は、図１０の（Ｄ），（Ｅ），（Ｆ）に示すように、エンベロープ信号出力部２４から出力されるエンベロープ信号と、キャンセル信号生成部２５から出力されるキャンセル信号とを合成する。キャンセル信号が合成されたエンベロープ信号は、トランジスタＭ１１のゲートに入力される。なお、図１０に示す区間Ｓ３１〜Ｓ３５は、固定電圧電力モードを示している。

ここで、例えば、図６の（Ｃ）で説明したように、トランジスタＭ１１のソース電圧は、固定電圧電力モード時において低下する場合がある（矢印Ａ２１〜Ａ２５）。このため、トランジスタＭ１１のゲート−ソース間電圧が閾値を超え、トランジスタＭ１１はオンし、図６の（Ｄ）で説明したように、無駄な電流が増幅器１５に供給される。

しかし、図３や図９に示す増幅装置では、固定電圧電力モードにおいてトランジスタＭ１１がオンしないように、エンベロープ信号にキャンセル信号が合成される。例えば、図６の（Ｃ）の矢印Ａ２１〜Ａ２５に示すように、トランジスタＭ１１のソース電圧が低下しても、図１０の（Ｆ）の区間Ｓ３１〜Ｓ３５に示すように、トランジスタＭ１１のゲートに供給されるエンベロープ信号の電圧が下がるので、トランジスタＭ１１はオンしない。すなわち、増幅装置は、固定電圧電力モードにおいてエンベロープ信号に、電力ノードＮ１１の電圧変化と同様の変化をするキャンセル信号を合成することにより、リニアアンプから増幅器１５に電力を供給しないようにする。これにより、増幅装置は、電力効率の低下を抑制することができる。

キャンセル信号生成部２５の振幅調整について説明する。増幅器１５は、入力される無線信号のエンベロープに比例した電力を消費する。従って、電力ノードＮ１１に流れる電流は、無線信号のエンベロープに応じた変化をする。そして、電力ノードＮ１１に流れる電流は、ＡＳ回路１８に含まれる抵抗Ｒ１１を流れ、トランジスタＭ１１のソース電圧は、図８の（Ｂ）に示すように、電力ノードＮ１１に流れる電力の正負を反転したエンベロープに応じた変化をする。

すなわち、キャンセル信号の振幅は、ＡＳ回路１８に含まれる抵抗Ｒ１１の抵抗値および増幅器１５の負荷電流に基づいて予め算出することができる。例えば、抵抗Ｒ１１の抵抗値と負荷電流とから、反転したエンベロープの振幅の調整すべき比を予め算出することができる。キャンセル信号生成部は、予め算出された比を、反転したエンベロープに乗算して、キャンセル信号の振幅調整をすることができる。

なお、図９に示す各部は、信号合成部２６から出力されるエンベロープ信号、ＡＳ信号生成部２２から出力されるＡＳ信号、および歪補償処理部２３から出力される送信信号のタイミングが図１０に示すように一致するように処理を行う。

図１１は、ＡＳ信号の生成動作を説明するフローチャートである。
［ステップＳ１］ＡＳ信号生成部２２は、入力される送信信号が閾値Ｖｔｈ１より大きいか否か判断する。ＡＳ信号生成部２２は、入力される送信信号が閾値Ｖｔｈ１より大きければ、ステップＳ２へ進む。ＡＳ信号生成部２２は、入力される送信信号が閾値Ｖｔｈ１以下であれば、ステップＳ４へ進む。

［ステップＳ２］ＡＳ信号生成部２２は、送信信号が閾値Ｖｔｈ１より大きい区間において、送信信号が閾値Ｖｔｈ２より大きい箇所があるか否か判断する。閾値は、Ｖｔｈ１＜Ｖｔｈ２の関係を有している。ＡＳ信号生成部２２は、前記の区間において、入力される送信信号に閾値Ｖｔｈ２より大きい箇所があれば、ステップＳ３へ進む。ＡＳ信号生成部２２は、前記の区間において、入力される送信信号に閾値Ｖｔｈ２より大きい箇所がなければ、ステップＳ４へ進む。

［ステップＳ３］ＡＳ信号生成部２２は、Ｌ状態のＡＳ信号を生成する。
［ステップＳ４］ＡＳ信号生成部２２は、Ｈ状態のＡＳ信号を生成する。
図１２は、エンベロープ信号の生成動作を説明するフローチャートである。

［ステップＳ１１］エンベロープ抽出部２１は、送信信号を入力する。
［ステップＳ１２］エンベロープ抽出部２１は、入力した送信信号が閾値Ｖｔｈ１より大きいか否か判断する。エンベロープ抽出部２１は、入力した送信信号が閾値Ｖｔｈ１より大きければ、ステップＳ１３へ進む。エンベロープ抽出部２１は、入力した送信信号が閾値Ｖｔｈ１以下であれば、ステップＳ１４へ進む。

［ステップＳ１３］エンベロープ抽出部２１は、入力された送信信号を出力する。
［ステップＳ１４］エンベロープ抽出部２１は、無信号を出力する。以下のステップＳ１５ａ〜１７ａの処理とステップＳ１５ｂ〜１７ｂの処理は、並行して行われる。

［ステップＳ１５ａ］エンベロープ信号出力部２４は、ＡＳ信号生成部２２から出力されるＡＳ信号がＬ状態であるか否か判断する。エンベロープ信号出力部２４は、ＡＳ信号生成部２２から出力されるＡＳ信号がＬ状態である場合、ステップＳ１６ａへ進む。エンベロープ信号出力部２４は、ＡＳ信号生成部２２から出力されるＡＳ信号がＨ状態である場合、ステップＳ１７ａへ進む。

［ステップＳ１６ａ］エンベロープ信号出力部２４は、エンベロープ抽出部２１によって抽出された送信信号を信号合成部２６に出力する。
［ステップＳ１７ａ］エンベロープ信号出力部２４は、無信号を信号合成部２６に出力する。

［ステップＳ１５ｂ］キャンセル信号生成部２５は、ＡＳ信号生成部２２から出力されるＡＳ信号がＨ状態であるか否か判断する。キャンセル信号生成部２５は、ＡＳ信号生成部２２から出力されるＡＳ信号がＨ状態である場合、ステップＳ１６ｂへ進む。キャンセル信号生成部２５は、ＡＳ信号生成部２２から出力されるＡＳ信号がＬ状態である場合、ステップＳ１７ｂへ進む。

［ステップＳ１６ｂ］キャンセル信号生成部２５は、エンベロープ抽出部２１によって抽出された送信信号を反転し、振幅調整したキャンセル信号を生成して、信号合成部２６に出力する。

［ステップＳ１７ｂ］キャンセル信号生成部２５は、無信号を信号合成部２６に出力する。
［ステップＳ１８］信号合成部２６は、エンベロープ信号出力部２４から出力されるエンベロープ信号に、キャンセル信号生成部２５から出力されるキャンセル信号を合成し、リニアアンプに出力する。

図１３は、増幅器に流れる負荷電流の実測結果を示した図である。図１３の（Ａ）は、エンベロープ信号にキャンセル信号を合成しない場合の負荷電流の実測結果を示し、図１３の（Ｂ）は、エンベロープ信号にキャンセル信号を合成した場合の負荷電流の実測結果を示している。

図１３の（Ａ），（Ｂ）に示す波形Ｗ３１ａ，３１ｂは、リニアアンプ（トランジスタＭ１１のソース）の出力電圧を示し、３２ａ，３２ｂは、増幅器１５に供給される電流を示している。図１３の波形Ｗ３３ａ，３３ｂに示すように、エンベロープ信号にキャンセル信号を合成した場合、増幅器１５の負荷電流が低減されている。

図１４は、増幅装置を無線装置に適用した場合の一例を示した図である。図３に示す増幅装置は、例えば、携帯電話システムの基地局の送信部に適用される。
図１４に示すように、送信部３０は、ベースバンド処理部３１、デジタル処理部３２、ＤＶＣ（Dynamic Voltage Control）電源部３３、およびＲＦ（Radio Frequency）部３４を有している。デジタル処理部３２は、ＤＶＣ信号処理部３２ａ、ＤＡＣ３２ｂ，３２ｄ、歪補償処理部３２ｃ、変調部３２ｅ、周波数変換部３２ｆ、およびＡＤＣ（Analog to Digital Converter）３２ｇを有している。ＤＶＣ電源部３３は、電源３３ａを有している。ＲＦ部３４は、増幅器３４ａを有している。

ベースバンド処理部３１には、送信信号が入力される。ベースバンド処理部３１は、送信信号のベースバンド処理を行う。
デジタル処理部３２のＤＶＣ信号処理部３２ａおよび歪補償処理部３２ｃは、例えば、図３のデジタル信号処理部１１に対応する。ＤＡＣ３２ｂ，３２ｄは、例えば、図３のＤＡＣ１６，１２に対応する。変調部３２ｅは、例えば、図３の発振器１３および乗算器１４に対応する。

ＡＤＣ３２ｇおよび周波数変換部３２ｆは、図３には図示されていない。周波数変換部３２ｆは、増幅器３４ａで増幅された無線信号の周波数をダウンコンバートし、ＡＤＣ３２ｇは、ダウンコンバートされた無線信号のデジタル−アナログ変化を行う。歪補償処理部３２ｃは、ベースバンド処理部３１から出力される送信信号と、ＡＤＣ３２ｇから出力されるフィードバック信号とに基づいて、ＤＡＣ３２ｄに出力する送信信号の歪補償処理を行う。

電源３３ａは、例えば、図３のコンデンサＣ１１，Ｃ１２、トランジスタＭ１１、バイアス電源１７、インダクタＬ１１、およびＡＳ回路１８に対応する。増幅器３４ａは、例えば、図３の増幅器１５に対応する。

このように、増幅装置は、固定電圧電力モードにおいて、リニアアンプがＡＳ回路１８による電力ノードＮ１１の電圧変化によって、電力ノードＮ１１に電力を供給しないように、エンベロープ信号にキャンセル信号を合成する。これにより、増幅装置のリニアアンプは、固定電圧電力モードにおいて、電力を増幅器１５に供給しなくなり、電力効率の低減を抑制することができる。

１増幅部
２，３電源部
４ＡＳ部
５合成部
Ｎ１電力ノード

Claims

信号を増幅する増幅装置において、
電力ノードに供給される電力によって入力信号を増幅する増幅部と、
前記電力ノードに固定電圧の電力を供給する第１の電源部と、
前記入力信号のエンベロープに基づくエンベロープ信号と前記電力ノードの電圧とに基づいて、前記電力ノードに可変電圧の電力を供給する第２の電源部と、
前記第１の電源部が前記電力ノードに電力を供給し、前記第２の電源部が前記電力ノードに電力を供給しない固定電圧電力モードにおいて、前記電力ノードのインピーダンスを下げる制御を行うアクティブショート部と、
前記固定電圧電力モードにおいて、前記第２の電源部が前記アクティブショート部による前記電力ノードの電圧変化によって前記電力ノードに電力を供給しないように、前記エンベロープ信号を打ち消すためのキャンセル信号を当該エンベロープ信号に合成する合成部と、
を有することを特徴とする増幅装置。
所定の閾値より大きい前記入力信号のエンベロープを抽出する抽出部と、
前記抽出部によって抽出された信号と前記アクティブショート部のインピーダンスを制御するアクティブショート信号とに基づいて、前記エンベロープ信号を出力する出力部と、
をさらに有することを特徴とする請求項１記載の増幅装置。
前記入力信号のエンベロープが、第１の閾値より大きい区間において前記第１の閾値より大きい第２の閾値を超えている場合、前記第１の閾値より大きい区間において、前記アクティブショート部が前記電力ノードの低インピーダンス状態から開放する前記アクティブショート信号を生成するアクティブショート信号生成部をさらに有することを特徴とする請求項２記載の増幅装置。
前記アクティブショート信号生成部から出力される前記アクティブショート信号と前記抽出部から出力される信号とに基づいて前記キャンセル信号を生成するキャンセル信号生成部をさらに有することを特徴とする請求項３記載の増幅装置。
前記キャンセル信号生成部は、前記アクティブショート信号生成部からインピーダンスを下げる前記アクティブショート信号が出力されているとき、前記抽出部から出力される信号を反転し、振幅調整して前記キャンセル信号を生成することを特徴とする請求項４記載の増幅装置。
前記キャンセル信号は、前記固定電圧電力モードにおける前記電力ノードの電圧変化と同様の変化をする信号であることを特徴とする請求項１記載の増幅装置。