JP5624569B2 - 電力増幅装置 - Google Patents

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Description

電力増幅装置に関する。
従来、入力されたRF信号を増幅して出力する電力増幅装置がある。
米国特許7486137号明細書 米国特許7358807号明細書
RF出力信号の歪みを低減することが可能な電力増幅装置を提供する。
実施形態に従った電力増幅装置は、RF入力信号が入力される入力端子を備える。電力増幅装置は、RF出力信号を出力する出力端子を備える。電力増幅装置は、前記入力端子に入力が接続され、前記入力端子を介して入力されたRF入力信号の振幅を第1の利得で増幅し、得られた第1の増幅信号を出力する第1のパワーアンプを備える。電力増幅装置は、前記出力端子に出力が接続され、前記第1の増幅信号に基づいた信号を第2の利得で増幅し、得られた第2の増幅信号を出力する第2のパワーアンプを備える。電力増幅装置は、前記第2の増幅信号を低域又は帯域でフィルタリングしたフィルタ信号を出力する出力するフィルタを備える。電力増幅装置は、前記RF入力信号から生成される第1の比較信号の第1の振幅と、前記フィルタ信号から生成される第2の比較信号の第2の振幅とを比較し、この比較結果に基づいた振幅比較信号を出力する振幅比較器を備える。
前記第2のパワーアンプは、前記振幅比較信号に応じて、前記第1の振幅と前記第2の振幅とが等しくなるように、前記第2の利得を調整する。
図1は、第1の実施形態に係る電力増幅装置100の構成の一例を示す図である。 図2は、第1の実施形態の変形例に係る電力増幅装置100Aの構成の一例を示す図である。 図3は、第2の実施形態に係る電力増幅装置200の構成の一例を示す図である。 図4は、第3の実施形態に係る電力増幅装置300の構成の一例を示す図である。 図5は、第4の実施形態に係る電力増幅装置400の構成の一例を示す図である。 図6は、図5に示す第2のパワーアンプPA2の構成の一例を示す回路図である。
以下、実施形態について図面に基づいて説明する。
第1の実施形態
図1は、第1の実施形態に係る電力増幅装置100の構成の一例を示す図である。
図1に示すように、電力増幅装置100は、入力端子Tinと、出力端子Toutと、 第1のパワーアンプPA1と、第2のパワーアンプPA2と、フィルタFと、振幅比較器ACと、減衰器ATTと、バッファBと、を備える。
入力端子Tinは、RF入力信号RFinが入力されるようになっている。
出力端子Toutは、RF出力信号RFoutを出力するようになっている。
第1のパワーアンプPA1は、入力端子Tinに入力が接続されている。この第1のパワーアンプPA1は、入力端子Tinを介して入力されたRF入力信号RFinの振幅を第1の利得で増幅し、得られた第1の増幅信号Sa1を出力するようになっている。
第2のパワーアンプPA2は、出力端子Toutに出力が接続されている。この第2のパワーアンプPA2は、第1の増幅信号Sa1に基づいた信号を第2の利得で増幅し、得られた第2の増幅信号Sa2を出力するようになっている。
なお、図1に示す例では、第1のパワーアンプPA1の出力は、第2のパワーアンプPA2の入力に接続されている。そして、第2のパワーアンプPA2は、第1の増幅信号Sa1が入力され、入力された第1の増幅信号Sa1を増幅し、得られた信号を第2の増幅信号Sa2として出力するようになっている。
しかし、第1のパワーアンプPA1の出力と第2のパワーアンプPA2の入力との間に、1つ又は複数段の他のパワーアンプが備えられてもよい。この場合、第1の増幅信号Sa1は、1つ又は複数段の他のパワーアンプにより増幅され、得られた信号(すなわち、第1の増幅信号Sa1から生成された信号)が第2のパワーアンプPA2に入力される。
また、バッファBは、入力が入力端子Tinに接続されている。このバッファBは、RF入力信号RFinが入力され、このRF入力信号RFinを第3の利得で増幅し、得られた信号を第1の比較信号S1として出力するようになっている。
すなわち、第1の比較信号S1は、バッファBにより、RF入力信号RFinから生成される。なお、このバッファBは、省略されてもよい。この場合、RF入力信号RFinが第1の比較信号S1に相当する。
フィルタFは、第2の増幅信号Sa2を低域又は帯域でフィルタリングしたフィルタ信号SFを出力する出力するようになっている。
このフィルタFは、例えば、図1に示すように、出力端子Toutと振幅比較器ACの入力との間に接続されている。この場合、RF出力信号RFoutは、第2の増幅信号Sa2である。
減衰器ATTは、フィルタ信号SFが入力され、このフィルタ信号SFの振幅を減衰させて得られた信号を第2の比較信号S2として出力するようになっている。
すなわち、第2の比較信号S1は、フィルタF及び減衰器ATTにより、第2の増幅信号Sa2から生成される。なお、この減衰器ATTは、省略されてもよい。この場合、フィルタ信号SFが第2の比較信号S2に相当する。
振幅比較器ACは、RF入力信号RFinから生成される第1の比較信号S1の第1の振幅と、フィルタ信号SFから生成される第2の比較信号S2の第2の振幅とを比較し、この比較結果に基づいた振幅比較信号Sgを出力するようになっている。
この振幅比較器ACは、例えば、図1に示すように、第1の振幅検出回路AD1と、第2の振幅検出回路AD2と、オペアンプOPと、を有する。
第1の振幅検出回路AD1は、入力がバッファBの出力に接続され、第1の比較信号S1が入力されるようになっている。また、振幅検出回路AD1は、出力がオペアンプOPの非反転入力端子に接続されている。
この第1の振幅検出回路AD1は、第1の比較信号S1の振幅を検出し、この検出結果に応じた第1の振幅検出信号SAD1を出力するようになっている。
なお、例えば、第1の振幅検出信号SAD1は、第1の比較信号S1の振幅に応じた電圧である。
また、第2の振幅検出回路AD2は、入力が減衰器ATTの出力に接続され、出力がオペアンプOPの反転入力端子に接続されている。
この第2の振幅検出回路AD2は、第2の比較信号S2の振幅を検出し、この検出結果に応じた第2の振幅検出信号SAD2を出力するようになっている
なお、例えば、第2の振幅検出信号SAD2は、第2の比較信号S2の振幅に応じた電圧である。
また、オペアンプOPは、第1の振幅検出信号SAD1と第2の振幅検出信号SAD2とを比較し、この比較結果に応じた信号を振幅比較信号Sgとして出力するようになっている。
そして、第2のパワーアンプPA2は、このオペアンプOPが出力した振幅比較信号Sgに応じて、第1の比較信号S1の第1の振幅と第2の比較信号S2の第2の振幅とが等しくなるように、その第2の利得を調整する。
以上のように、電力増幅装置100は、2段以上のパワーアンプからなるパワーアンプ回路の入力と出力を減衰したRF信号の振幅を検出し、それらを比較する。その結果を最終段のパワーアンプにフィードバックする。これにより、パワーアンプ回路の利得が減衰器の減衰比と一致するように制御することができる。
すなわち、電力増幅装置100は、RF入力信号RFinの入力に対して線形的に変化するRF出力信号することができる。これにより、RF出力信号RFoutの歪みを低減することができる。
以上のように、本実施形態に係る電力増幅装置によれば、RF出力信号の歪みを低減することができる。
なお、フィルタFの位置は、図1に示す例と異なっていてもよい。ここで、図2は、第1の実施形態の変形例に係る電力増幅装置100Aの構成の一例を示す図である。
図2に示すように、フィルタFは、例えば、第2のパワーアンプPA2の出力と出力端子Toutとの間に接続されていてもよい。この場合、RF出力信号RFoutは、フィルタ信号SFである。
電力増幅装置100Aのその他の構成・機能は、図1に示す電力増幅装置100と同様であり、同様の作用効果を奏することができる。
以下の実施形態においても、図2に示すようにしてフィルタFを第2のパワーアンプPA2の出力と出力端子Toutとの間に接続するようにしてもよい。
第2の実施形態
図3は、第2の実施形態に係る電力増幅装置200の構成の一例を示す図である。なお、図3において、図1の符号と同じ符号は、第1の実施形態と同様の構成を示す。
図3に示すように、電力増幅装置200は、第1の実施形態に係る電力増幅装置100と比較して、制御回路CONをさらに備える。
この制御回路CONは、振幅比較信号Sg、又は、第1、第2の振幅検出信号SAD1、SAD2が入力されるようになっている(すなわち、制御回路CONは、第1の比較信号S1の第1の振幅と第2の比較信号S2の第2の振幅の大小関係に関する情報を取得可能になっている)。
この制御回路CONは、制御信号SB、SPA1、SATT、SOPを出力して、第1の比較信号S1の第1の振幅と第2の比較信号S2の第2の振幅とが等しくなるように、第1のパワーアンプPA1の第1の利得、第3の利得、振幅比較器ACの利得、又は、減衰器ATTの減衰率の少なくとも何れか1つを調整するようになっている。
例えば、制御回路CONは、第1の振幅が第2の振幅より大きい場合には、第1の利得を下げ、又は、第3の利得を下げ、又は、振幅比較器ACの利得を下げ、又は減衰率を上げる。
一方、制御回路CONは、第1の振幅が第2の振幅より小さい場合には、第1の利得を上げ、又は、第3の利得を上げ、又は、振幅比較器ACの利得を上げ、又は減衰率を下げる。
これにより、第1の比較信号S1の第1の振幅と第2の比較信号S2の第2の振幅とが等しくなるように制御され、第1、第2のパワーアンプPA1、PA2の利得と減衰器ATTの減衰率が等しくなるように制御されることとなる。すなわち、RF出力信号RFoutの歪みを低減することができる。
また、制御回路CONは、第1の比較信号S1が入力されるようになっている。そして、制御回路CONは、第1の比較信号S1の第1の振幅が予め設定された閾値よりも小さい場合には、第1の利得を上げ、及び/又は第3の利得を上げる。
電力増幅装置200は、RF入力信号RFinの振幅が或るレベルよりも小さい場合、十分に入力と出力の差を補正できない(ループ利得が小さい)。
そこで、制御回路CONは、RF入力信号RFinの振幅が予め設定された閾値よりも小さい場合、減衰比と利得が一致するように、キャリブレーションをする。
これにより、十分に入力と出力の差をより適切に補正できるようになる。
なお、電力増幅装置200のその他の構成及び機能は、第1の実施形態の電力増幅装置100と同様である。
すなわち、本実施形態に係る電力増幅装置によれば、第1の実施形態と同様に、RF出力信号の歪みを低減することができる。
第3の実施形態
より好ましくは、RF出力信号の振幅の歪みを低減するだけでなく、RF出力信号の位相の歪みに関しても別途線形化する必要がある。
そこで、本実施形態では、RF出力信号の位相の歪みを低減するための構成の一例について説明する。
図4は、第3の実施形態に係る電力増幅装置300の構成の一例を示す図である。なお、図4において、図1の符号と同じ符号は、第1の実施形態と同様の構成を示す。
図4に示すように、電力増幅装300は、第1の実施形態に係る電力増幅装置100と比較して、位相比較器PCをさらに備える。
位相比較器PCは、第1の比較信号S1の第1の位相と、第2の比較信号S2の第2の位相とを比較し、この比較結果に基づいた位相比較信号Scを出力するようになっている。すなわち、この位相比較信号Scには、第1の比較信号S1の第1の位相と、第2の比較信号S2の第2の位相との関係に関する情報が含まれる。
この位相比較器PCは、例えば、図4に示すように、第1のリミッタ回路L1と、第2のリミッタ回路L2と、ミキサ回路Mと、を有する。
第1のリミッタ回路L1は、第1の比較信号S1が入力されるようになっている。この第1のリミッタ回路L1は、第1の比較信号S1の振幅を予め決められた設定値に制限した第1のリミット信号を出力するようになっている。
第2のリミッタ回路L2は、第2の比較信号S2が入力され、第2の比較信号S2の振幅を該設定値に制限した第2のリミット信号を出力するようになっている
ミキサ回路Mは、第1のリミット信号と第2のリミット信号とを混合し、得られた混合信号を位相比較信号Scとして出力するようになっている。
ここで、第2のパワーアンプPA2は、位相比較信号Scに応じて、第1の比較信号S1と第2の比較信号S2と間の位相差が予め設定された目標値なるように、第1の増幅信号Sa1に基づいた信号(ここでは、第1の増幅信号Sa1)と第2の増幅信号Sa2との間の位相差を調整する。
ここで、この場合における第2のパワーアンプPA2の構成の一例について説明する。図5は、図4に示す第2のパワーアンプPA2の構成の一例を示す回路図である。
図5に示すように、第2のパワーアンプPA2は、可変容量Cと、抵抗Rと、nMOSトランジスタTrと、を有する。
可変容量Cは、第1の増幅信号Sa1に基づいた信号(ここでは第1の増幅信号Sa1)が一端に入力され、接地に他端が接続されている。この可変容量Cは、位相比較信号Scにより容量値が制御されるようになっている。
抵抗Rは、振幅比較信号Sgが一端に入力され、可変容量Cの一端に他端が接続されている。
nMOSトランジスタTrは、接地にソースが接続され、抵抗Rの他端にゲートが接続されている。このnMOSトランジスタTrは、第2の増幅信号Sa2をドレインから出力するようになっている。
例えば、位相比較信号Scにより、可変容量Cの容量値が大きくなるように制御されると、第1の増幅信号Sa1の位相を基準として、第2の増幅信号Sa2の位相が遅くなるように制御される。
一方、位相比較信号Scにより、可変容量Cの容量値が小さくなるように制御されると、第1の増幅信号Sa1の位相を基準として、第2の増幅信号Sa2の位相が早くなるように制御される。
このように、第2のパワーアンプPA2の位相は、可変容量(Varactor)で制御することができる。
既述のように、より好ましくは、振幅だけでなく、位相に関しても別途線形化する必要がある。
そこで、振幅と同様に入力と出力の位相を比較して、その位相(差)が等しくなるように、最終段のパワーアンプの位相を調整する。位相の検出には、リミッタにより振幅を一定とし、ミキサ回路により位相を比較することができる。その比較した結果での位相を制御し、位相差が一定となるようにすることができる。
通常、振幅の異なる信号の位相(差)を正しく検出するのは回路自身の出力位相が振幅に依存してしまう問題により困難である。しかし、電力増幅装置300においては、第1の比較信号S1と第2の比較信号S2の振幅が等しくなるように制御される。
これにより、第1、第2のリミッタ回路L1、L2には、振幅が等しくなるように制御された第1、第2の比較信号S1、S2が入力される。したがって、第1、第2のリミッタ回路L1、L2の能力が低くても、より正確に位相(差)を検出することができる。
なお、電力増幅装置300のその他の構成及び機能は、第1の実施形態の電力増幅装置100と同様である。
すなわち、本実施形態に係る電力増幅装置によれば、第1の実施形態と同様に、RF出力信号の歪みを低減することができる。
第4の実施形態
本第4の実施形態においては、ミキサ回路のオフセット及び/又は極性を調整するための構成例について、説明する。
図6は、第4の実施形態に係る電力増幅装置400の構成の一例を示す図である。なお、図6において、図4の符号と同じ符号は、第3の実施形態と同様の構成を示す。また、図6においては、制御回路CONが位相比較器PCを制御する構成を記載している。さらに、図6において、制御回路CONの構成のうち、図4に示す構成と同様の部分は省略している。すなわち、第4の実施形態における制御回路CONは、図6に示す構成に加えて、第3の実施形態で説明した構成・機能をも備える。
図6に示すように、電力増幅装置400は、第3の実施形態に係る電力増幅装置300と同様に、制御回路CONを備える。
この制御回路CONは、位相比較信号Scに応じて、ミキサ回路Mのオフセット及び/又は極性を調整するようになっている。
例えば、ミキサ回路Mにおいて、第1の比較信号S1と第2の比較信号S2の位相差は、必ずしもπ/2ではない。
このため、ミキサ回路Mの出力は、絶えずオフセットが存在する。さらに、第1の比較信号S1と第2の比較信号S2の位相のどちらが進んでいるかによって、制御する向きも変える必要がある。
そこで、制御回路CONは、ミキサ回路の出力である位相比較信号Scが、例えば、適当な電圧になるように、極性、及び/又はオフセットを制御する。
これにより、位相比較器PCは、より適切に位相比較信号Scを出力することができる。すなわち、第2のパワーアンプPA2は、この位相比較信号Scに基づいて、より適切に位相を制御することができる。
なお、電力増幅装置400のその他の構成及び機能は、第3の実施形態の電力増幅装置300と同様である。
すなわち、本実施形態に係る電力増幅装置によれば、第3の実施形態と同様に、RF出力信号の歪みを低減することができる。
なお、実施形態は例示であり、発明の範囲はそれらに限定されない。
100、100A、200、300、400 電力増幅装置
Tin 入力端子
Tout 出力端子
PA1 第1のパワーアンプ
PA2 第2のパワーアンプ
F フィルタ
AC 振幅比較器
ATT 減衰器
B バッファ

Claims (8)

  1. RF入力信号が入力される入力端子と、
    RF出力信号を出力する出力端子と、
    前記入力端子に入力が接続され、前記入力端子を介して入力されたRF入力信号の振幅を第1の利得で増幅し、得られた第1の増幅信号を出力する第1のパワーアンプと、
    前記出力端子に出力が接続され、前記第1の増幅信号に基づいた信号を第2の利得で増幅し、得られた第2の増幅信号を出力する第2のパワーアンプと、
    前記第2の増幅信号を低域又は帯域でフィルタリングしたフィルタ信号を出力するフィルタと、
    前記RF入力信号から生成される第1の比較信号の第1の振幅と、前記フィルタ信号から生成される第2の比較信号の第2の振幅とを比較し、この比較結果に基づいた振幅比較信号を出力する振幅比較器と、
    前記フィルタ信号の振幅を減衰させて得られた信号を前記第2の比較信号として出力する減衰器と、
    前記RF入力信号を第3の利得で増幅し、得られた信号を前記第1の比較信号として出力するバッファと、
    前記第1のパワーアンプの前記第1の利得、前記第3の利得、前記振幅比較器の利得、又は、前記減衰器の減衰率の少なくとも何れか1つを調整する制御回路と、を備え、
    前記第2のパワーアンプは、前記振幅比較信号に応じて、前記第1の振幅と前記第2の振幅とが等しくなるように、前記第2の利得を調整し、
    前記制御回路は、前記第1の振幅が予め設定された閾値よりも小さい場合には、前記第1の利得を上げ、及び/又は前記第3の利得を上げる
    ことを特徴とする電力増幅装置。
  2. 前記フィルタは、前記出力端子と前記振幅比較器の入力との間に接続され、
    前記RF出力信号は、前記第2の増幅信号であることを特徴とする請求項1に記載の電力増幅装置。
  3. 前記フィルタは、前記第2のパワーアンプの出力と前記出力端子との間に接続され、
    前記RF出力信号は、前記フィルタ信号であることを特徴とする請求項1に記載の電力増幅装置。
  4. 前記制御回路は、
    前記第1の振幅が前記第2の振幅より大きい場合には、前記第1の利得を下げ、又は前記減衰率を上げ、一方、前記第1の振幅が前記第2の振幅より小さい場合には、前記第1の利得を上げ又は前記減衰率を下げる
    ことを特徴とする請求項に記載の電力増幅装置。
  5. RF入力信号が入力される入力端子と、
    RF出力信号を出力する出力端子と、
    前記入力端子に入力が接続され、前記入力端子を介して入力されたRF入力信号の振幅を第1の利得で増幅し、得られた第1の増幅信号を出力する第1のパワーアンプと、
    前記出力端子に出力が接続され、前記第1の増幅信号に基づいた信号を第2の利得で増幅し、得られた第2の増幅信号を出力する第2のパワーアンプと、
    前記第2の増幅信号を低域又は帯域でフィルタリングしたフィルタ信号を出力するフィルタと、
    前記RF入力信号から生成される第1の比較信号の第1の振幅と、前記フィルタ信号から生成される第2の比較信号の第2の振幅とを比較し、この比較結果に基づいた振幅比較信号を出力する振幅比較器と、
    前記第1の比較信号の第1の位相と、前記第2の比較信号の第2の位相とを比較し、この比較結果に基づいた位相比較信号を出力する位相比較器と、を備え、
    前記第2のパワーアンプは、前記振幅比較信号に応じて、前記第1の振幅と前記第2の振幅とが等しくなるように、前記第2の利得を調整し、
    前記第2のパワーアンプは、前記位相比較信号に応じて、前記第1の比較信号と前記第2の比較信号との間の位相差が予め設定された目標値になるように、前記第1の増幅信号に基づいた前記信号と前記第2の増幅信号との間の位相差を調整し、
    前記位相比較器は、
    前記第1の比較信号が入力され、前記第1の比較信号の振幅を設定値に制限した第1のリミット信号を出力する第1のリミッタ回路と、
    前記第2の比較信号が入力され、前記第2の比較信号の振幅を前記設定値に制限した第2のリミット信号を出力する第2のリミッタ回路と、
    前記第1のリミット信号と前記第2のリミット信号とを混合し、得られた信号を前記位相比較信号として出力するミキサ回路と、を有し、
    前記電力増幅装置は、
    前記位相比較信号に応じて、前記ミキサ回路のオフセット及び/又は極性を調整する制御回路をさらに備える
    ことを特徴とする電力増幅装置。
  6. 前記第2のパワーアンプは、
    前記第1の増幅信号に基づいた前記信号が一端に入力され、接地に他端が接続され、前記位相比較信号により容量値が制御される可変容量と、
    前記振幅比較信号が一端に入力され、前記可変容量の一端に他端が接続された抵抗と、
    前記接地にソースが接続され、前記抵抗の他端にゲートが接続され、前記第2の増幅信号をドレインから出力するnMOSトランジスタと、を有する
    ことを特徴とする請求項に記載の電力増幅装置。
  7. 前記振幅比較器は、
    前記第1の比較信号の振幅を検出し、この検出結果に応じた第1の振幅検出信号を出力する第1の振幅検出回路と、
    前記第2の比較信号の振幅を検出し、この検出結果に応じた第2の振幅検出信号を出力する第2の振幅検出回路と、
    前記第1の振幅検出信号と前記第2の振幅検出信号とを比較し、この比較結果に応じた信号を前記振幅比較信号として出力するオペアンプと、を有する
    ことを特徴とする請求項に記載の電力増幅装置。
  8. 前記第1のパワーアンプの出力は、前記第2のパワーアンプの入力に接続され、
    前記第2のパワーアンプは、前記第1の増幅信号が入力され、入力された前記第1の増幅信号を増幅し、得られた信号を前記第2の増幅信号として出力する
    ことを特徴とする請求項に記載の電力増幅装置。
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