JP6131643B2

JP6131643B2 - 増幅装置

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Publication number: JP6131643B2
Application number: JP2013048375A
Authority: JP
Inventors: 恭明萬
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2013-03-11
Filing date: 2013-03-11
Publication date: 2017-05-24
Anticipated expiration: 2033-03-11
Also published as: JP2014175942A

Description

本発明は、増幅装置に関する。

信頼性の高い無線通信機器は、携帯電話等の基地局間の通信に使用されている。

無線通信機器の出力する電波の強度、周波数、帯域等は、各国の電波法で細かく規制されている。無線通信機器の製造者は、これらの法律で定められた規定を守って、無線通信機器を設計・製造することが求められる。

無線通信機器の出力パワー強度は、製造時の特性ばらつき、使用時の温度変化、及び電源電圧の変動等の影響を受けることにより、ばらつく。ばらつきを考慮して、無線通信機器の出力パワー強度に、十分なマージンを持たせると、無線通信距離は縮小し、無線通信機器の性能が劣化する。

特許文献１には、高周波増幅回路の利得変動を低減させる目的で、増幅段の手前に可変抵抗として動作する電界効果トランジスタを設置し、可変抵抗の抵抗値を変化させることで利得を調整する手段が開示されている。

無線通信機器の出力パワーは所定のものであって、且つ出力パワー強度の変動は、少ない方が好ましい。

出力パワー強度の変動を抑えるために、出力パワー強度を個別に調整すると、量産コストが高くなる。

また、無線通信機器に、出力パワー強度を検出する装置を備え、フィードバックして出力パワー強度を所望の値に合わせると、数ＧＨｚといった高周波の出力パワー強度を、高精度に検出するための回路が必要になるが、それは実現困難である。

また、出力増幅器の利得が一定になるようなバイアス電流を生成する場合、バイアス電流源の電流値を変化（バイアス条件を変化）させると、トランジスタの動作状態が変化し、線形性等の特性劣化が生じて、所望の電気的特性が得られないという問題がある。

特許文献１では、高周波増幅回路の利得変動を低減させているが、無線通信機器の出力パワー強度の変動を抑制させる目的には適用できない。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、数ＧＨｚの高周波であっても低コストで、電気的特性を劣化させずに、無線通信機器の出力パワー強度の変動を低減させることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の実施の形態の増幅装置は、並列に接続された複数の要素増幅器を含む増幅回路と、要素増幅器に含まれるトランジスタと同じ動作条件のトランジスタの利得を測定する利得測定回路と、利得測定回路によって測定された利得に基づいて、増幅回路における動作させる要素増幅器の割合を決定する決定手段と、決定手段より決定された割合に基づき、増幅回路内の要素増幅器のオン、オフを制御する制御回路とを有することを特徴とする。

本発明の実施の形態によれば、数ＧＨｚの高周波であっても低コストで、電気的特性を劣化させずに、無線通信機器の出力パワー強度の変動を低減させることができる。

実施形態に係る無線通信機器の送信回路の構成の一例を示す図である。実施形態に係るパワーアンプの構成の一例を示す図である。実施形態に係るパワーアンプ本体の構成の一例を示す図である。実施形態に係る要素増幅器の一例を示す回路図である。実施形態に係る利得測定回路の一例を示す回路図である。

図１は、本実施形態に係る無線通信機器の送信回路（送信装置）の構成の一例である。

無線トランシーバＩＣ（ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）8は、変調回路1、ディジタル−アナログ変換回路2、ローパスフィルタ3、アップコンバージョン・ミキサ4、パワーアンプ5、局部発振器6、アンテナ7から構成される。

変調回路1は、ディジタル回路である。変調回路1は、無線トランシーバＩＣ8が送信したいディジタル信号を変調して、変調した信号をディジタル−アナログ変換回路2へ供給する。

ディジタル−アナログ変換回路2は、変調回路1より取得したディジタル信号をアナログ信号に変換し、ローパスフィルタ3へ供給する。

ローパスフィルタ3は、ディジタル−アナログ変換回路2より取得したアナログ信号における不要な高周波成分を除去し、アップコンバージョン・ミキサ4へ供給する。

なお、ディジタル−アナログ変換回路2、ローパスフィルタ3は、低い周波数帯域の信号を扱っており、無線トランシーバＩＣ8の送信パワー強度の変動をおさえる技術が確立されている。

不要な高周波が除去された信号は、アップコンバージョン・ミキサ4により、局部発振器６で生成された高周波信号と混合されて、高周波に周波数変換される。

パワーアンプ5は、高周波に周波数変換された信号を増幅して、アンテナ7へ供給する。

アンテナ7は、パワーアンプ5より増幅された信号を電波として送信する。

図１に示す無線トランシーバＩＣ8において、送信パワー強度の変動が生じる主な原因は、高い周波数帯域の信号を扱うアップコンバージョン・ミキサ4及びパワーアンプ5である。特にパワーアンプ5の利得の変動は、無線トランシーバＩＣ8の送信パワー強度の変動の支配的要因となっている。

（増幅装置の構成）
図２は、本実施形態に係るパワーアンプ（増幅装置）5の概略構成の一例である。

パワーアンプ5は、パワーアンプ本体10（増幅回路）、利得測定回路40、決定手段70、制御回路80を含む。

パワーアンプ本体10は、後述する並列に接続された複数の要素増幅器を含む。

利得測定回路40は、要素増幅器に含まれる増幅段トランジスタと同じ動作条件で動作する計測用トランジスタの利得を測定する。パワーアンプ5は、この利得を基準として、要素増幅器の利得に基づいて、動作させる要素増幅器の割合を決定し、パワーアンプ5の出力パワー強度を調整することができる。

決定手段70は、利得測定回路40によって測定された利得に基づいて、パワーアンプ本体10に含まれる動作させる要素増幅器の割合を決定する。

制御回路80は、決定手段70により決定された割合に基づいて、パワーアンプ本体10に含まれる複数の要素増幅器のオン・オフ（動作・休止）を制御する。

制御回路80は、複数の要素増幅器を、任意に動作させたり、休止させたりすることができる。動作させる要素増幅器の数が多ければ、パワーアンプ本体10全体の出力（利得）は大きくなる。休止させる要素増幅器の数が多ければ、パワーアンプ本体10全体の出力（利得）は小さくなる。動作させる要素増幅器の割合を変更し、パワーアンプ本体10の利得を調整することで、パワーアンプ5の出力パワー強度を一定として、変動を抑えることができる。

また、パワーアンプ本体10を構成する要素増幅器に含まれる増幅段トランジスタには、定電流が流れている。従って、温度変化、環境変化、及び電源電圧の変動等による影響を受け難く、増幅段トランジスタの動作状態は、大きく変動することが無い。増幅段トランジスタを比較的容易に飽和領域で動作させることができるため、出力パワー強度の変動を抑えることによる副作用が生じ難く、実用性がある。

また、要素増幅器に含まれる増幅段トランジスタと、利得測定回路40に含まれる計測用トランジスタとは、動作条件が等しいため、利得測定回路40は、パワーアンプ本体10を実際に使用した際における使用条件での利得に近い値を測定することができる。従って、この値に基づいて、パワーアンプ本体10の利得を、的確に調整することができるため、精度良くパワーアンプ5の出力パワー強度の変動を抑制できる。

（増幅回路の構成）
図３は、本実施形態に係るパワーアンプ本体10の概略構成の一例である。

パワーアンプ本体10は、要素増幅器（小パワーアンプ）15-1、要素増幅器15-2、要素増幅器15-3を含む。要素増幅器15-1、15-2、15-3は、回路構成が同じである。

なお、図３に示すパワーアンプ本体10には、要素増幅器が３個備えられているが、要素増幅器の個数は特に限定されない。

また、本実施形態に係るパワーアンプ本体10に含まれる各々の要素増幅器のサイズは、全て同じである。

要素増幅器15-1は、入力端子21-1、22-1、出力端子23-1、24-1、制御端子32-1を含む。要素増幅器15-2は、入力端子21-2、22-2、出力端子23-2、24-2、制御端子32-2を含む。要素増幅器15-3は、入力端子21-3、22-3、出力端子23-3、24-3、制御端子32-3を含む。

要素増幅器15-1、要素増幅器15-2、要素増幅器15-3は、それぞれ並列に接続されている。即ち、入力端子21-1と、入力端子21-2と、入力端子21-3とは電気的に接続され、且つ入力端子22-1と、入力端子22-2と、入力端子22-3とは電気的に接続されている。

また、出力端子23-1と、出力端子23-2と、出力端子23-3とは電気的に接続され、出力端子24-1と、出力端子24-2と、出力端子24-3とは電気的に接続されている。

制御端子32-1は、要素増幅器15-1のオン・オフを制御する信号が供給される端子である。制御端子32-2は、要素増幅器15-2のオン・オフを制御する信号が供給される端子である。制御端子32-3は、要素増幅器15-3のオン・オフを制御する信号が供給される端子である。

なお、要素増幅器15をオフする際に、制御端子32に供給される信号は、例えば、ＧＮＤ信号であってもよい。

制御端子32-2は、要素増幅器15-2のオン・オフを制御することができる。制御端子32-3は、要素増幅器15-3のオン・オフを制御することができる。

要素増幅器15-1、要素増幅器15-2、及び要素増幅器15-3を、選択的に動作させることによって、パワーアンプ本体10全体の利得を変更することができる。

なお、本実施形態に係るパワーアンプ本体10では、各々の要素増幅器のサイズが、全て等しい。従って、各々の要素増幅器に含まれる定電流源を流れる電流は、全て等しく、且つ各々の要素増幅器に含まれる増幅段トランジスタのトランジスタサイズは、全て等しくなっている。

なお、パワーアンプ本体10に含まれる各々の要素増幅器のサイズは、異なっていても良い。異なっている場合は、要素増幅器に含まれる電流源31とカレント・ミラー・トランジスタ30のサイズを変更せずに、Ｎｃｈ増幅段トランジスタ25、26、Ｐｃｈ負荷トランジスタ27、28、カレント・ミラー・トランジスタ29のサイズを、サイズ比を一定に保ったまま変更する。こうすることで、各々の要素増幅器に含まれる定電流源を流れる電流を一定に保ったまま、要素増幅器のサイズを変更することが可能になる。

いずれの場合においても、各々の要素増幅器に含まれる増幅段トランジスタの動作条件と、利得測定回路40に含まれる計測用トランジスタの動作条件が等しくなっていれば良い。

（増幅回路の回路図）
図４は、図３に示す要素増幅器15の具体的な回路図の一例である。なお、図４には、一般的な差動型増幅器の回路図を一例として示すが、特に限定されない。

要素増幅器15は、入力端子21、22、出力端子23、24、Ｎｃｈ増幅段トランジスタ25、26、Ｐｃｈ負荷トランジスタ27、28、カレント・ミラー・トランジスタ対29、30、バイアス電流源31、制御端子32、を含む。

Ｎｃｈ増幅段トランジスタ25、Ｎｃｈ増幅段トランジスタ26を流れるバイアス電流は、バイアス電流源31、カレント・ミラー・トランジスタ対29、30によって定まる。

カレント・ミラー・トランジスタ対29、30には、バイアス電流源31と同一の電流が流れる。

次に要素増幅器15の動作について説明する。

バイアス電流源31の電流が、カレント・ミラー・トランジスタ対29、30によって、カレント・ミラー・トランジスタ29に流れる。カレント・ミラー・トランジスタ29を流れる電流は、入力端子21及び入力端子22に印加される信号に対応して分流されて、Ｎｃｈ増幅段トランジスタ25及びＮｃｈ増幅段トランジスタ26に流れる。なお、Ｎｃｈ増幅段トランジスタ25、Ｎｃｈ増幅段トランジスタ26を流れるバイアス電流の和は、一定値（I₃₁）となる。

信号は、入力端子21及び入力端子22に差動（逆相）で与えられる。Ｎｃｈ増幅段トランジスタ25、Ｎｃｈ増幅段トランジスタ26を流れる電流は、入力端子21及び入力端子22に印加される電圧によって定まる。その結果、入力端子21及び入力端子22に印加された電圧は、Ｎｃｈ増幅段トランジスタ25、Ｎｃｈ増幅段トランジスタ26によって、電流に変換される。

これらの電流は、Ｐｃｈ負荷トランジスタ27、Ｐｃｈ負荷トランジスタ28、によって電流から電圧に変換され、出力端子23、出力端子24から電圧として出力される。

なお、バイアス電流源31によりＮｃｈ増幅段トランジスタ25、26を流れるバイアス電流は一定値に制御されているため、Ｎｃｈ増幅段トランジスタ25、26は、比較的容易に飽和領域で動作することができる。

また、制御端子32に所定の電圧が供給されると、Ｎｃｈ増幅段トランジスタ25、26は、オンとなり、要素増幅器15は動作する。

一方、制御端子32に、例えばＧＮＤ信号が供給されると、Ｎｃｈ増幅段トランジスタ25、26は、オフとなり、要素増幅器15は休止する。

なお、要素増幅器15を休止する際に、制御端子32にＧＮＤ信号が供給された場合、Ｎｃｈ増幅段トランジスタ25及びＮｃｈ増幅段トランジスタ26がオフし、また、Ｐｃｈ負荷トランジスタ27及びＰｃｈ負荷トランジスタ28がオフする。従って、出力端子23及び出力端子24のインピーダンスが高くなる。休止する要素増幅器の出力インピーダンスが十分に大きいため、動作する他の要素増幅器に悪影響は与えない。

上述のように要素増幅器15は、入力端子21に入力された信号と、入力端子22に入力された信号との差分を一定係数（差動利得）で増幅し、出力端子23及び出力端子24から、出力信号を出力している。この一定係数が、後述する利得測定回路の電圧電流変換比に対応する。また、要素増幅器15に含まれる制御端子32は、Ｎｃｈ増幅段トランジスタ25、 26をオン・オフすることにより要素増幅器15のオン・オフを制御している。

（利得測定回路の回路図）
図５は、本実施形態に係る利得測定回路40の回路図の一例である。

利得測定回路40は、定電圧入力端子41、電流調整用抵抗42、定電圧差生成用抵抗43、端子44、端子45、計測用Ｎｃｈトランジスタ46、47、バイアス電流源（定電流源）48、Ｐｃｈトランジスタ49、50、電流比較用の定電流源51、52、53、出力バッファ54、アンプ55、電流源Ｐｃｈトランジスタ56、57、出力端子60を含む。

定電圧入力端子41には、一定の電圧が与えられている。例えば、バンドギャップ・リファレンス回路を用いる。

まず、アンプ55を使って、抵抗42にかかる電圧が、定電圧入力端子41の電圧と等しくなるような電流を、電流源Ｐｃｈトランジスタ56に流す。電流源Ｐｃｈトランジスタ56に流れる電流と同じ電流を、電流源Ｐｃｈトランジスタ57にも流すことにより、定電圧差生成用抵抗43における電圧降下が一定となり、端子44と端子45との電圧差ΔVを一定値に保つことが可能になる。

なお、電流調整用抵抗42、定電圧差生成用抵抗43の抵抗値は製品ごとに大きくばらつくが（一般的には±10%〜20%の変動を見込んでおく必要がある）、同じ製品における電流調整用抵抗42と定電圧差生成用抵抗43との相対的なばらつきは小さいと考えられる。

計測用Ｎｃｈトランジスタ46のゲート端子には、端子44の電圧が印加される。一方、計測用Ｎｃｈトランジスタ47のゲート端子の電圧には、端子45の電圧が印加される。

計測用Ｎｃｈトランジスタ46のソース端子と、計測用Ｎｃｈトランジスタ47のソース端子は、共通であるため、計測用Ｎｃｈトランジスタ47のゲート端子−ソース端子間の電圧は、計測用Ｎｃｈトランジスタ46のゲート端子−ソース端子間の電圧と比較して、電圧差ΔVだけ小さいことになる。

計測用Ｎｃｈトランジスタ46には、バイアス電流源48により定まる一定のバイアス電流I₄₈が流れている。

計測用Ｎｃｈトランジスタ47を流れる電流は、出力端子60より、計測することができる。具体的には、計測用Ｎｃｈトランジスタ47を流れる電流を、カレント・ミラー・トランジスタ対（Ｐｃｈトランジスタ49、50）で受け、受けた電流を、電流比較用の定電流源51、52、53（既知の電流が流れている）を流れる電流と比較する。電流比較用の定電流源51、52、53のスイッチのオン・オフを制御し、それぞれの定電流源51、52、53を流れる電流と、Ｐｃｈトランジスタ50を流れる電流とを比較することで、計測用Ｎｃｈトランジスタ47を流れる電流を取得できる。その後、出力バッファ54を経て、得られた電流の情報をディジタル化して出力端子60より出力する。

計測用Ｎｃｈトランジスタ47を流れる電流を計測し、バイアス電流源48を流れる電流に対する、計測用Ｎｃｈトランジスタ47を流れる電流の変化量を取得することで、利得測定回路40の電圧電流変換比を取得することができる。

電圧電流変換比は、計測用Ｎｃｈトランジスタ46のゲート端子に印加される電圧と計測用Ｎｃｈトランジスタ47のゲート端子に印加される電圧との電圧差（ΔV）と、計測用Ｎｃｈトランジスタ46を流れる電流と計測用Ｎｃｈトランジスタ47を流れる電流との電流差（ΔＩ）との比である。

この電圧電流変換比は、パワーアンプ本体10の利得と対応させることができる。

利得測定回路40の定電圧入力端子41より供給される電圧、バイアス電流源48を流れるバイアス電流に基づいて、計測用Ｎｃｈトランジスタ47を流れる電流を正確に計測することで、利得測定回路40は、パワーアンプ本体10を実際に使用した際における使用条件での利得に近い値と対応させて、該電圧電流変換比を測定することができる。

（パワーアンプの出力パワー強度と、電圧電流変換比との関係）
パワーアンプ5の出力パワー強度と、利得測定回路40により測定される電圧電流変換比との関係について具体的に説明する。

電圧電流変換比は、バイアス電流源48を流れる電流と、計測用Ｎｃｈトランジスタ47を流れる電流との電流差（ΔＩ）が大きい場合、大きくなる。従って、計測用Ｎｃｈトランジスタ46と同一の動作条件で動作しているＮｃｈ増幅段トランジスタ25及びＮｃｈ増幅段トランジスタ26の利得は大きくなる。

このような場合、決定手段70は、動作させる要素増幅器の割合を少なくすると決定し、制御回路80は、休止させる要素増幅器15の割合を増やす。

パワーアンプ本体10の利得と、利得測定回路40の電圧電流変換比を対応させ、パワーアンプ本体10の利得を小さくする。この結果、出力パワー強度を小さくすることができるため、パワーアンプ5の出力パワー強度が大きくなりすぎることを防げる。

また、電圧電流変換比は、バイアス電流源48を流れる電流と、計測用Ｎｃｈトランジスタ47を流れる電流との差が小さい場合、小さくなる。従って、計測用Ｎｃｈトランジスタ46と同一の動作条件で動作しているＮｃｈ増幅段トランジスタ25及びＮｃｈ増幅段トランジスタ26の利得は小さくなる。

このような場合、決定手段70は、動作させる要素増幅器の割合を多くすると決定し、制御回路80は、動作させる要素増幅器15の割合を増やす。

パワーアンプ本体10の利得と、利得測定回路40の電圧電流変換比を対応させ、パワーアンプ本体10の利得を大きくする。この結果、出力パワー強度を大きくすることができるため、パワーアンプ5の出力パワー強度が小さくなりすぎることを防げる。

即ち、要素増幅器15の利得は、パワーアンプ5の出力に影響するので、パワーアンプ本体10の利得の変動を、利得測定回路40により測定し、動作させる要素増幅器15の割合を、適宜的確に調整することで、パワーアンプ5の出力パワー強度の変動を抑えることができる。即ち利得変動に基づき出力パワー強度を調整することが可能になる。

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の実施形態の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。

5 パワーアンプ（増幅装置）
10 パワーアンプ本体（増幅回路）
15 要素増幅器
25,26 Ｎｃｈ増幅段トランジスタ
31 バイアス電流源
40 利得測定回路
46,47 計測用Ｎｃｈトランジスタ
70 決定手段
80 制御回路

特開２００８−２０６２０８号公報

Claims

並列に接続された複数の要素増幅器を含む増幅回路と、
前記要素増幅器に含まれるトランジスタと同じ動作条件のトランジスタの利得を測定する利得測定回路と、
前記利得測定回路によって測定された利得に基づいて、前記増幅回路における動作させる前記要素増幅器の割合を決定する決定手段と、
前記決定手段より決定された前記割合に基づき、前記増幅回路内の要素増幅器のオン、オフを制御する制御回路と、
を有する増幅装置。
各々の前記要素増幅器のバイアス電流は、一定値である
請求項１に記載の増幅装置。
前記動作条件は、前記バイアス電流とトランジスタサイズとで定まる
請求項２に記載の増幅装置。
各々の前記要素増幅器は、サイズが同じである
請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の増幅装置。
請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の増幅装置と、変調回路と、ローパスフィルタと、アップコンバージョン・ミキサと、局部発振器とを有する送信装置。
並列に接続された複数の要素増幅器を含む増幅装置における増幅方法であって、
前記要素増幅器に含まれるトランジスタと同じ動作条件のトランジスタの利得を測定するステップと、
前記利得測定回路によって測定された利得に基づいて、前記増幅回路における動作させる前記要素増幅器の割合を決定するステップと、
前記決定手段より決定された前記割合に基づき、前記増幅回路内の要素増幅器のオン、オフを制御するステップを有する増幅装置における増幅方法。