JP7222858B2 - 増幅器及び増幅方法 - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、増幅器及び増幅方法に関する。
スイッチング電力増幅器（PA：Power Amplifier）を用いた振幅シフトキーイング（ASK：Amplitude-Shift Keying）送信器では、不要波の放射を抑制するために、PAの出力パワーの立ち上がりと、立ち下がりを滑らかにする必要がある。これは、制御信号に基づいてRF入力信号を増幅するタイミングにおいて、急峻な立ち上がり、立ち下がりが発生すると、RF出力信号のエンベロープが矩形波に近い波形となるが、矩形波のフーリエ変換がf(x)=(4/π)[sin(x)+(1/3)sin(3x)+...]となることから、奇数倍の正弦波の項に対応するフーリエ係数に基づいたスペクトルが発生することとなる。この結果、例えば、急峻な立ち上がりが発生すると、不要波放射が大きくなり、電波法に違反する蓋然性が高くなる。
しかしながら、入力する信号に対して滑らかな出力パワーの制御を実現することは困難である。これは、トランジスタの特性により、バイアス電圧の制御、及び、オンするセル数の制御は、いずれも、その数値が小さいと粗く、数値が大きくなると飽和する伝達関数となるためである。
特開２０１５－１０６７９０号公報
一実施形態は、スイッチングにおけるパワー制御の精度の向上を実現する増幅器を提供する。
一実施形態によれば、増幅器は、第１回路と、第２回路と、複数の増幅回路と、を備える。第1回路は、イネーブル信号を制御する。第２回路は、バイアス信号を制御する。複数の増幅回路は、前記イネーブル信号に基づいて信号を出力する回路が決定され、出力する回路のそれぞれが前記バイアス信号に基づいて入力信号を増幅する。
一実施形態に係る増幅器の概略を示すブロック図。 一実施形態に係る増幅器の概略を示す回路図。 一実施形態に係る増幅器の使用例を示す図。 一実施形態に係る出力電圧の振幅値を示す図。 一実施形態に係る増幅器の出力例を示す図。 一実施形態に係る増幅器の実装例を示す図。 一実施形態に係る増幅器の使用例を示す図。
以下、図面を参照して実施形態について説明する。なお、説明において、信号の強度とは、信号の振幅の大きさに基づいた強度を表す単語として用いられる。
図１は、一実施形態に係る増幅器の概略を示すブロック図である。増幅器１は、制御回路１０と、複数の増幅回路２０と、を備え、制御信号に基づいて増幅回路２０によりRF入力信号を増幅して出力する。より具体的には、増幅器１は、複数ある増幅回路２０のうちいくつを用いて増幅するか、及び、増幅回路２０に印加するバイアス電圧を制御信号に基づいて制御回路１０により制御してRF入力信号を増幅し、１又は複数の増幅回路２０から出力された信号を重ね合わせて出力する。制御信号は、例えば、ベースバンド信号から生成される。
制御回路１０は、増幅回路２０の制御をする。この制御回路１０は、主に、複数の増幅回路２０のいずれの増幅回路２０をイネーブルするかの制御、及び、それぞれの増幅回路２０に掛けるバイアスを制御する。制御回路１０には、例えば、デジタルの制御信号（制御コード）が入力され、この信号に基づいて増幅回路２０を制御する制御信号が出力される。
増幅回路２０は、例えば、トランジスタを備えた増幅回路である。増幅回路２０は、イネーブル信号が印加されることにより入力信号を増幅して出力する。また、増幅回路２０は、バイアス信号に基づいて、増幅率が決定され、増幅した信号を出力する。
複数の増幅回路２０には、RF入力信号が入力され、制御回路１０によりイネーブルされる増幅回路２０においてこのRF入力信号が増幅され、それらの出力信号が重ね合わされて、増幅器１から出力される。それぞれの増幅回路２０におけるRF入力信号の増幅率は、制御回路１０から入力されるバイアス信号に基づいて決定される。
図２は、増幅器１の概略を示す回路図である。電源電圧等との接続は省略しているが、適切に電源電圧等と接続されているものとする。
制御回路１０は、第１回路１２と、第２回路１４と、を備える。第１回路１２及び第２回路１４には、制御信号が入力される。この制御信号は、例えば、０、１の２値を有するデジタル信号であるベースバンド信号を制御コードへと変換した信号である。また、別の例としては、制御回路１０が、ベースバンド信号をデジタル信号から制御コードへとコンバートする回路をさらに備え、当該コンバート回路の出力が第１回路１２及び第２回路１４と接続されてもよい。
第１回路１２は、いずれの増幅回路２０からの出力をアクティブにするかを選択する、イネーブル信号を出力する回路である。イネーブル信号は、制御コードに基づいて、どの増幅回路２０へと出力するかが決定される。このイネーブル信号により、増幅回路２０からの信号の出力が制御される。例えば、第１回路１２から出力されるイネーブル信号が入力された増幅回路２０が多いほど、増幅器１から出力される信号の強度が強くなる。
第２回路１４は、それぞれの増幅回路２０において、入出力間の増幅率を決定するバイアス信号を出力する回路である。バイアス信号は、制御コードに基づいてそれぞれの増幅回路２０へと出力される。このバイアス信号により、増幅回路２０から出力される信号の増幅率が制御される。例えば、バイアス信号の強度を上げることにより、それぞれの増幅回路２０から出力される信号の強度が強くなる。バイアス信号が電圧である場合には、第２回路１４が印加する電圧を高くすると、増幅回路２０から出力される信号の強度が強くなる。
これらの第１回路１２及び第２回路１４の出力は、複数の増幅回路２０にそれぞれ接続される。
増幅回路２０は、スイッチSwと、第１トランジスタQ1と、第２トランジスタQ2と、キャパシタCと、を備える。
スイッチSwは、例えば、第１トランジスタQ1のソースと接地点との間に備えられる。スイッチSwがオンすることにより、入力信号の振幅が増幅されて出力される。このスイッチSwは、適切に出力の制御ができるものであればよく、例えば、第１トランジスタQ1のゲートに接続されるように備えられてもよい。スイッチSwは、例えば、n型のMOSFETを備え、イネーブル信号、すなわち、第１回路１２からの出力がそのゲートに印加されるものであってもよいし、バイポーラトランジスタ、リレー回路等他のスイッチとなりうる回路であってもよい。
第１トランジスタQ1は、例えば、n型のMOSFETである。この第１トランジスタQ1は、ゲートに入力信号が印加される。スイッチSwがオンであり、かつ、印加された入力信号の電圧がしきい値電圧を超える場合に、第１トランジスタQ1のドレイン電流が流れ、振幅が増幅された信号が増幅回路２０から出力される。
第２トランジスタQ2は、例えば、n型のMOSFETである。この第２トランジスタQ2は、ゲートにバイアス信号、すなわち、第２回路１４からの出力が接続される。第２トランジスタQ2は、第１トランジスタQ1とカスコード接続される。
図に示すように、第２トランジスタQ2のゲートは、キャパシタCを介して接地してもよい。このようにキャパシタCを備えることにより、第２回路１４と第２トランジスタQ2との間において、高周波成分をカットすることができる。
第１回路１２は、複数の増幅回路２０のそれぞれのスイッチSwをオン／オフするように増幅回路２０と接続される。また、第２回路１４は、複数の増幅回路２０の第２トランジスタQ2のゲートにそれぞれ接続され、それぞれの増幅回路２０にバイアス信号を出力する。このように接続することにより、制御回路１０からの信号に基づいて、重ね合わせる増幅回路２０からの出力を制御することができ、増幅器１から出力する信号の強度を制御することができる。
図３は、本実施形態に係る増幅器１を使用した信号処理の例である。例えば、デジタル信号を変調し、送信する場合に、増幅器１が使用される。増幅器１は、例えば、ASK変調に用いられるが、FSK（Frequency Shift Keying）においても使用することができる。このように、スイッチングが必要な増幅器を用いて通信を行う場合に増幅器１を利用することができる。例えば、ETC（Electronic Toll Collection System）、キーレスエントリー、又は、RFIDタグ等に用いることができる。
変調する対象となるデジタル信号（ベースバンド信号）は、デジタル回路３０により、制御コードへと変換される。デジタル回路３０は、例えば、ベースバンド信号の帯域を制限するデジタルフィルタと、当該デジタルフィルタの出力を増幅器１の制御コードに変換する回路と、を備える。制御コードは、例えば、初期値は０として設定され、信号の立ち上がりを検知すると、最大値ＭＡＸまで所定時間ごとに１ずつ増加する。逆に、制御コードは、例えば、信号の立ち下がりを検知すると、ＭＡＸから０まで所定時間ごとに１ずつ減少する。デジタル回路３０は、このような制御コードを生成する。
増幅器１の制御回路１０には、この変換された制御コードが入力される。制御回路１０は、制御コードに基づいて、制御信号を増幅回路２０へと出力する。
増幅回路２０には、変調に用いるRF入力信号が入力されている。RF入力信号は、図２に示す第１トランジスタQ1のゲートに印加され続ける。イネーブル信号が制御回路１０から入力された増幅回路２０は、このRF入力信号を増幅して出力する。増幅率は、制御回路１０から入力されたバイアス信号に基づいて決定される。
すなわち、イネーブル信号が入力された増幅回路２０の数、及び、バイアス信号の大きさにより、出力される変調信号の強度が決定される。このように、制御回路１０により、制御コードに基づいて増幅回路２０が制御される。
より具体的には、制御コードが小さい場合には、オンする増幅回路２０の数、バイアス信号の大きさをともに小さくする。制御コードが大きくなるにしたがい、オンする増幅回路２０の数を多くし、バイアス信号の強度を高くする。このように、制御回路１０の第１回路１２及び第２回路１４により、複数の増幅回路２０の挙動を制御する。
図４は、本実施形態に係る増幅器１において、第１回路１２による制御と、第２回路１４による制御と、を交互に行った場合の出力信号の強度を示す図である。比較例として、バイアス信号を一定値にしてオンする増幅回路２０の数の制御だけをしたもの、オンする増幅回路２０の数を一定値にしてバイアス信号の制御だけをしたものを示している。横軸は、制御コードを示し、縦軸は、出力電圧を示す。なお、縦軸は、出力を１Vとした場合について記載したものであり、この出力電圧の大きさは、電源電圧による制限の範囲内において任意に変更することが可能である。
交互に行うとは、例えば、次のような処理のことである。第１回路１２は、例えば、０個からｎ個までの増幅回路２０に対してイネーブル信号を任意に出力できる。第２回路１４は、例えば、出力できる最小値から最大値までの間における、所定のステップ数の徐々に高くなるバイアス信号を出力できる。このステップ数は、例えば、第２回路１４に備えられるトランジスタ等の特性により決定される。
第１回路１２は、初期状態（例えば、制御コード＝０）において、０個の増幅回路２０に対してイネーブル信号を出力する。一方、第２回路１４は、初期状態において、出力可能である１番低い状態のバイアス信号を、それぞれの増幅回路２０に出力する。
制御コードが１となるタイミングにおいて、第１回路１２は、１個の増幅回路２０に対してイネーブル信号を出力する。
制御コードが２となるタイミングにおいて、第２回路１４は、２番目に低い状態のバイアス信号（最小値より１ステップ増やした状態のバイアス信号）をそれぞれの増幅回路２０に出力する。
制御コードが３となるタイミングにおいて、第１回路１２は、２個の増幅回路２０に対してイネーブル信号を出力する。
この制御を繰り返すことにより、信号を出力する増幅回路２０の数、及び、それぞれの増幅回路２０における増幅率を制御して、増幅された信号を出力する。なお、交互に制御を行う場合、第２回路１４から制御を始めてもよい。また、第２回路１４の初期値を０としてもよい。
この図４を見て分かるように、出力する増幅回路２０の数と、バイアス信号の強さとを交互に制御することにより、比較例よりも連続的に、かつ、線形的又は正弦波状に出力信号の強度が変化している。
図４の例においては、第１回路１２の出力、第２回路１４の出力を交互に高めた場合の一例を示したが、この制御は、交互である必要はない。より適切なエンベロープの形状となるように、制御コードに基づいて、第１回路１２の出力、第２回路１４の出力を制御してもよい。
例えば、出力信号のエンベロープが立ち上がり、立ち下がりにおいて直線又は正弦波の一部の形状に近づく場合、急激な立ち上がり及び立ち下がりを有する矩形波と比較して、所望周波数以外の周波数成分が小さくなり、不要波の放射を抑制することが可能となる。
図５は、上述のように交互に第１回路１２及び第２回路１４における制御を行った場合の出力信号のエンベロープを示す図である。縦軸は、出力された信号の強度を規格化したもの、横軸は、時間を示す。
破線で示しているのが、理論的にベースバンド信号の立ち上がり及び立ち下がりに基づいて増幅を行ったものであり、０から１、１から０への遷移が瞬間的に行われているものである。これに対して、実線で示しているのが上述の実施形態に係る制御を行った場合の出力強度である。このように、増幅器１によるRF信号増幅の制御を行うことにより、立ち上がり、立ち下がりの遷移が滑らかになっていることが分かる。この滑らかな立ち上がりの波形になることをランプアップ、滑らかな立ち下がりの波形になることをランプダウンと記載する。
以上のように、本実施形態によれば、高周波信号を用いてデジタル信号をエンコードした場合に、急峻な変化を回避し、滑らかに変化させることができるので、不要波の放射を抑制することが可能となる。増幅器１によれば、変調された信号の波形をランプアップ及びランプダウンされた波形とすることが可能である。このように、パワー制御の精度の向上をすることにより、不要波の放射の抑制を図ることが可能となる。
図６は、増幅器１の一実装例を示す図である。第１回路１２は、上述したように、入力信号に基づいて増幅回路２０に対してイネーブル信号を出力する。
第２回路１４は、例えば、参照電流に対する多重化されたカレントミラーを備えて構成される。各カレントミラーにより出力される電流は、重ね合わされて、例えば、ダイオード接続されるn型MOSFETを介して接地する。このn型MOSFETは、さらに、複数の第２トランジスタQ2とカレントミラーを形成し、複数の増幅回路２０へとバイアス信号を出力する。
第２回路１４のカレントミラーを多重化することにより、多くのカレントミラーがアクティブになるほど、n型MOSFETのソースに印加する電圧が上がり、第１トランジスタQ1、第２トランジスタQ2を流れる平均電流が増大していく。このように、第２回路１４は、駆動するカレントミラーの出力回路の数を制御することによりバイアス信号を制御する。
図７は、本実施形態に係る増幅器１の使用例を示す図である。例えば、自動車等のキーレスエントリーに図７の通信装置４が備えられる。通信装置４は、アンテナ４０と、RF送受信器４２と、復調器４４と、MCU４６と、変調器４８と、が備えられる。通信装置４は、デジタル信号をRF信号へと変換し、送信する、送信機能と、受信した信号をデジタル信号へと変換する、受信機能と、を備える。なお、図７においては、送受信の機能を有するものを示したが、これには限られず、送信機能のみを有する通信装置であってもよい。
アンテナ４０は、通信装置４からの信号の送信、又は、外部からの信号の受信をするアンテナである。図では１つのアンテナ４０が示されているが、これには限られず、複数のアンテナが備えられていてもよい。
RF送受信器４２は、アンテナ４０が受信した受信信号の処理、及び、増幅器１が増幅した送信信号の送信処理を行う。例えば、RF送受信器４２は、送受信回路と、PLL（Phase Locked Loop）回路を備える。PLL回路は、MCU４６に制御され、所定周波数の発振出力を出力する。送信において、送受信回路は、PLL回路の出力を用いてRF信号を発生する。受信において、送受信回路は、アンテナ４０からの受信信号を復調器４４へと出力する。
復調器４４は、RF送受信機４２の変調方式に対応した復調方式で受信信号を復調し、さらに復号してMCU４６へと出力する。
MCU４６は、送受信装置全体の制御を行う。例えば、スマートキーにおけるMCU４６は、キーレスエントリーのためのデジタル信号を生成し、増幅器１によりアナログ信号への変換、及び、増幅、RF送受信器４２を介してアンテナ４０から送信、一連の制御を行う。
変調器４８は、MCU４６からの指令に基づいて、信号の変換を行い、通信を行うための信号の変調を行う。変調器４８は、変調した信号をRF送受信器４２へと出力する。
上述の実施形態における増幅器１は、例えば、RF送受信器４２内に備えられ、増幅を前述のように実行する。RF送受信器４２は、この増幅された信号をアンテナ４０から送信する。このように、前述の実施形態に係る増幅器１は、例えば、スマートキーにおけるキーレスエントリーのための信号の変調及び増幅に用いることができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
例えば、前述の実施形態において、n型のMOSFETは、状況に応じてp型のMOSFETとしてもよいし、逆も同様である。また、トランジスタはMOSFETであるものとしたが、バイポーラ等別のトランジスタで適切に置換してもよい。
１：増幅器、
１０：制御回路、
１２：第１回路、
１４：第２回路、
２０：増幅回路
３０：デジタル回路、
４：通信装置、
４０：アンテナ、
４２：RF送受信器
４４：復調器
４６：MCU
４８：変調器

Claims (9)

  1. イネーブル信号を制御する、第１回路と、
    バイアス信号を制御する、第２回路と、
    前記第１回路及び前記第２回路と接続され、前記イネーブル信号に基づいて信号を出力する回路が決定され、出力する回路のそれぞれが前記バイアス信号に基づいて入力信号を増幅する、複数の増幅回路と、
    を備え、
    前記バイアス信号は、電圧の制御による信号であり、
    前記第１回路は、前記複数の増幅回路のうち、２以上の増幅回路を同じタイミングで駆動させる制御が可能である、増幅器。
  2. 前記第１回路と、前記第２回路は、独立に前記複数の増幅回路を制御する、
    請求項１に記載の増幅器。
  3. 前記第１回路と、前記第２回路により、信号がオンしたタイミングにおける立ち上がりの波形、及び、前記入力信号がオフしたタイミングにおける立ち下がりの波形を制御する、
    請求項１又は請求項２に記載の増幅器。
  4. 前記第１回路と、前記第２回路により、立ち上がりの波形がランプアップとなる制御、及び、立ち下がりの波形がランプダウンとなる制御をする、
    請求項３に記載の増幅器。
  5. 前記第１回路と、前記第２回路と、をそれぞれ独立に制御する、制御回路、
    をさらに備える、請求項１から請求項４のいずれかに記載の増幅器。
  6. 前記制御回路は、前記第１回路と、前記第２回路と、を所定のタイミングで制御して出力波形を制御する、
    請求項５に記載の増幅器。
  7. 前記制御回路は、前記第１回路と、前記第２回路と、を交互に制御して出力波形を制御する、
    請求項６に記載の増幅器。
  8. 複数の増幅回路について、
    第１回路が、入力信号に基づいて、前記複数の増幅回路のうち、信号を出力する回路の数を決定するイネーブル信号を出力し、
    第２回路が、前記入力信号に基づいて、前記信号を出力する回路に印加するバイアス信号を制御し、
    前記入力信号を増幅して出力する、
    方法であって、前記バイアス信号は、電圧の制御による信号であり、
    前記第１回路は、前記複数の増幅回路のうち、２以上の増幅回路を同じタイミングで駆動させる制御が可能である、
    増幅方法。
  9. 制御端子にRF信号が印加されることにより第１端から第１信号が出力される、第１トランジスタと、
    第２端が前記第１トランジスタの第１端と接続され、制御端子にバイアス信号が印加されることにより、第１トランジスタが出力する前記第１信号にバイアスを掛け、第１端からバイアスが掛けられた前記第１信号を出力する、第２トランジスタと、
    前記第１トランジスタの第２端と、接地電位との間に備えられ、前記第１トランジスタ及び前記第２トランジスタからの信号を出力するか否かを選択する、スイッチと、
    を備える、複数の増幅回路と、
    前記複数の増幅回路のスイッチを制御し、前記複数の増幅回路のうちいずれの増幅回路から前記第１信号を出力するかを制御する、第１回路と、
    前記複数の増幅回路の前記第２トランジスタと接続され、前記複数の増幅回路に対する前記バイアスの大きさを制御する、第２回路と、
    を備える、増幅器。
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