JPH08501197A - 電力増幅器バイアス制御回路および方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 多重段電力増幅器用（ポータブル無線送信機におけるような）の制御回路は、周囲の温度、負荷、信号レベルおよび電源電圧における変動を補償する。制御電圧は、増幅器の入力信号レベルに関係したバイアスレベルを増幅器の最終段の電源電流に比例した電圧と比較することによって設定される。比較により生じる制御電圧は、電力増幅器の最終段の動作点を設定する。

Description

【発明の詳細な説明】 電力増幅器バイアス制御回路および方法発明の背景 発明の分野 本発明は、ＲＦ電力増幅器、特に、周囲の温度、負荷、および電源電圧の変動 にかかわらず、所定の出力電力に関する増幅器電流定数を維持することによって 実質上一定の動作特性を有するようにするＦＥＴ電力増幅器の利得制御に関する 。従来技術の説明 図１は、従来の無線送信機（例えば、自動車電話のようなバッテリ電源送信機 ）の送信回路を示す。増幅器段１、２、３は、第１の段の前置増幅器１、第２の 段の駆動増幅器２、および最終段増幅器３を含んでいるそれぞれ通常のＦＥＴ（ 電界効果トランジスタ）増幅器である。共通電源電圧Ｖ_DDは、端子４から増幅器 段１、２および３のドレイン端子に供給される。固定ゲートバイアス電圧ＶＧは 、端子５から増幅器段１、２のゲート端子に供給される。このような増幅器の１ 例は、富士通のＦＭＣ０８０８０２−２１型電力増幅器である。 ＲＦ（無線周波数）信号Sig Inは、第１の増幅器段１に入力端子６で供給され る。Sig Inは、増幅器段１、２、３によって連続して予め定められたレベルに増 幅され、段３の出力はアンテナ７によって受信機（図示されていない）へ送信さ れる。端子８で最終段増幅器３のゲート端子に供給されるバイアス制御電圧は、 典型的に一定であるように付加的な回路（図示されていない）によって制御され た大きさを有し、またはSig Inのレベルの関数として変化される。特に、Sig In のレベルが低いとき、バイアス電圧は段３のドレイン電流を減少させるために増 幅器段の動作点をシフトするように変化される。このバイアス制御は増幅器の電 力の消費を減少し、バッテリ電源携帯用電話機において良く知られている。 一般に、図１の増幅器の利得は周囲の温度の関数である。温度が上昇するとき 、各段におけるＦＥＴのドレイン電流は減少され、利得がかなり減少される。こ れは、２つの温度で図１の電力増幅器における利得およびドレイン電流とバイア ス制御電圧の関係を示している動作特性グラフである図２に示されている。図２ の曲線Ｇ₁は、室温でのバイアス制御電圧（水平軸）に対するｄＢにおける利得 （縦軸）を示す。曲線Ｉ_D1は、制御電圧の関数として室温でのドレイン電流の変 化をｍＡで示す。点ＡおよびＣは最大送信電力（バイアス制御電圧ａ）での利得 および電流を示し、点ＢおよびＤは最小送信電力（バイアス制御電圧ｂ）での利 得および電流を表す。点Ｂでの送信電力は最小であり、増幅器によって得られる （電力が消費される）ドレイン電流も最小となる。送信電力が増加されると、ド レイン電流も飽和を阻止し、直線性および増幅器の利得の損失を阻止するために 増加されなければならない。 曲線Ｇ₂およびＩ_D2は、室温での各曲線Ｇ₁およびＩ_D1に 対応している増加された周囲の温度での図１の増幅器の動作特性のグラフである 。曲線Ｇ₂上の点Ｂ′は最小送信電力の増幅器の利点を表し、曲線Ｉ_D2上の点Ｄ ′は最小送信電力のドレイン電流を表す。曲線Ｇ₂上の点Ａ′は最大送信電力の 利得を表し、曲線Ｉ_D2上の点Ｃ′は最大送信電力の電流を表す。 利得と電流の両方における減少は、室温での点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを上昇した温度 での各点Ａ′、Ｂ′、Ｃ′、Ｄ′と比較することによって認められる。 図３の（ａ）乃至（ｄ）は、図２に見られる変動を生じさせる機構を示す。図 ３の（ａ）および（ｂ）は、増幅器段３におけるＦＥＴのゲート電圧の関数とし てドレイン電圧（水平軸）対、ドレイン電流（縦軸）の特性のグラフである。増 幅器段３において、負荷曲線の動作点は、最大送信電力では飽和が生じないよう にゲート電圧およびドレイン電圧によって決定される。異なるドレイン電圧およ びゲート電圧は、異なるドレイン電流および異なる動作点を生じる。 図３の（ａ）は、室温での最大送信動作点を表す。選択されたゲートバイアス 電圧ＶＧは、所望の最大送信電力が達成されるように比較的大きなドレイン電流 に対応しなければならない。図３の（ｂ）は、もはや大きな電流は所望の出力電 力を達成するのに必要でない室温での最小送信動作点を表す。増幅器によって得 られたＤ．Ｃ．電力を減少させるために、ゲートバイアス電圧（Ｖ_G）は減少さ れる。最大ピーク値ＲＦ出力電圧は、ドレイン電圧軸と負荷曲線の交差点によっ て 表される。２つの動作点間の最大送信電力における減少は、交差点がＶ_D4である 図３の（ａ）、および交差点がＶ_D4より低いＶ_D1である図３の（ｂ）に見られる 。さらに、この減少は、ゲートバイアス電圧が低いときの利得の損失に対応する 。 図３の（ｃ）は、上昇した温度での最大送信動作点を表す。図３の（ａ）と比 較すると、所定の同じゲートバイアス電圧（Ｖ_G）を仮定すれば、ドレイン電流 は減少し、最大ピーク値ＲＦ出力電圧（ドレイン電圧軸と負荷曲線との交差によ って示される）も減少されることがわかる。変化は、温度の上昇のためであり、 図３の（ｃ）の負荷曲線は、ドレイン電圧およびドレイン電流軸の交差点の方へ 元の負荷曲線に平行に移動される。温度に関係するこの変化は、全てのＦＥＴの 一般的な特性である。 図３の（ｄ）は、上昇した温度での最大送信動作点を表す。同様に、最大送信 点および電流と最大ピーク値ＲＦ送信電圧とにおける減少は、図３の（ｄ）を図 ３の（ｂ）と比較することによって認められる。 上記グラフおよび説明は、周囲の温度における上昇に関し、逆の状態は周囲の 温度の低下のために生じる。 上記されたように、周囲の温度の変動はドレイン電流の変動を生じさせ、従来 の増幅器における利得の変動を生じさせる。利得における変動と増幅器ＦＥＴド レイン電流ならびに飽和点における変動との間には強い相関関係がある。このよ うな利得の変化はセル電話システム中では望ましくない。ＣＤＭＡシステムのよ うなデジタルセル電話システムにおいて、 ベース局で受信された信号がシステムの最大容量を達成するために非常に正確に 制御されることが要求される。それ故、送信機利得が温度よって変化することは 望ましくない。 さらに、利得は電源電圧および負荷の両方における変動によって変化する。こ のような場合、利得における変動とドレイン電流における変動の間には強力な相 関関係があるので、これらの変動は温度変動と同じ方法で補償される。発明の概要 多重段ＦＥＴ増幅器の最終増幅器段は、第１の段の入力ＲＦ信号のレベルある いは代りになるものとして所望のＲＦ送信出力電力に対応するバイアス制御電圧 が供給される。 本発明による装置および方法は、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）増幅器の動 作点を制御する。特に、生成された最大電力がかなりの量であり、さらに電流消 費が臨界的である大きなダイナミック範囲にわたってＦＥＴ増幅器が動作すると き、本発明は従来の技術にまさる利点を提供する。本発明によれば、温度、出力 負荷整合、およびドレイン電圧における変動中に飽和することなしに高い効率を 維持するためにＦＥＴ段（典型的に最後の段）のドレイン電流の直接的な制御が 存在する。電流消費が変化している状態にわたるＦＥＴ段の動作点の決定におけ る単一の最も安定したパラメータであるため、安定性が向上される。 本発明によれば、ＦＥＴ増幅器によって得られた電流を制御する回路は、電流 検出器および積分器を含む。電流検出器はＦＥＴ増幅器ドレイン電流に比例した 信号を生成し、通常、 ＦＥＴ増幅器のドレイン端子にＤ．Ｃ．電源と直列に結合される。積分器は、２ つの入力、すなわち電流検出器信号と、本発明の動作状態に関する予め定められ た増幅器電流消費に対応する基準信号とを受信する。積分器は、ＦＥＴ増幅器の ゲート（制御）端子に結合される制御信号を出力する。ゲート端子の制御信号は 、固定した温度、出力負荷整合、およびドレイン電圧を与えるＦＥＴ増幅器のＦ ＥＴ増幅器動作点、およびドレイン電流を直接制御する。この方法において、Ｆ ＥＴ増幅器の電流は、ＦＥＴ増幅器のゲート端子に供給された信号を問接的に制 御することによって閉ループにおいて制御される。 基準信号は、入力あるいは出力ＲＦ電力の関数、あるいは１組の入力あるいは 出力ＲＦ電力しきい値に基づいた一連のステップ関数として連続的に変化するこ とができる。基準信号は、ＦＥＴ増幅器が高い出力ＲＦ電力で飽和し続けるのに 十分な電流に対応し、一方低い出力ＲＦ電力での効率を高めるために電流を制限 する。図面の簡単な説明 図１は、従来技術の電力増幅器を示す。 図２は、図１の増幅器に関する動作特性を示す。 図３のａ乃至ｄは、図１の増幅器に関する別の動作特性を示す。 図４は、本発明による電力増幅器を示す。 図５は、図４の電力増幅器の詳細図を示す。 図６は、図５の増幅器に関する動作特性を示す。実施例 図４は、図１におけるような電力増幅器の段３を示す。本発明によれば、電流 検出器９は段３のＦＥＴのドレイン端子に流れる電流を検出し、エラー増幅器16 の１つの入力端子に信号αＩ（ドレイン電流を示す）を供給し、その他方の入力 端子は端子８からのバイアス制御電圧を受ける。エラー増幅器16は、段３のゲー ト端子に制御信号（２つの入力信号を比較した結果）を出力し、それによって段 ３の動作点を制御する。 図５は、本発明の１実施例を示しており、図４をさらに詳細にしたものである 。（各段１、２、３は、図１に記載された対応している従来の段と同一である。 ）電源電圧Ｖ_DDは、段３のドレイン端子に抵抗11を介して供給される。抵抗11を 横切る電圧は、段３へのドレイン電流に比例する。抵抗11は、段３のＦＥＴのド レイン端子に流れる電流を検出し、１実施例において１オームに等しい、または １オームより小さい抵抗値（通常は０．１オーム）を有し、ドレイン端子に供給 される電圧における結果的な低下を最小にする（すなわち、検出抵抗11における 電力の消費を最小にする）。 抵抗11の各端部における電圧は、それぞれオペアンプ（演算増幅器）14の非反 転および反転端子に抵抗12、13を介して供給される。抵抗器12、13、15および20 は、演算増幅器14の利得を決定する。一般的な場合において、抵抗11の抵抗値Ｒ 11は、各抵抗12、13の抵抗値Ｒ12、Ｒ13より非常に低い。 ここで、Ｖ_DDはドレイン電源電圧であり、Ｖ_DDaPPliedはＲ11の出力、段３への 入力である。 １実施例において、抵抗12の抵抗値Ｒ12は抵抗13の抵抗値Ｒ13に等しく、抵抗 20の抵抗値Ｒ20は抵抗15の抵抗値Ｒ15に等しく、Ｖ_out＝−（Ｒ15／Ｒ13）Δで あり、Δは抵抗Ｒ11の両端間の電圧降下に等しい。 Ｒ12、Ｒ13、Ｒ15およびＲ20の値を決定するために、所望の制御電圧対出力電 力対ドレイン電流は決定され、この関係は応用によって変化する。１実施例にお いて、１０倍の利得にするために、抵抗13は１０Ｋオームであり、抵抗15は１０ ０Ｋオームである。 演算増幅器14の出力信号は、外部から供給されたバイアス制御電圧と共に、演 算増幅器（エラー増幅器）16の反転および非反転端子にそれぞれ入力される。キ ャパシタ17は演算増幅器16の反転端子と出力端子の間に接続されるので、演算増 幅器16は積分器を動作させる。 演算増幅器16はゲート電圧を制御し、したがって、段３のドレイン電流を間接 的に制御する。フィードバックループが閉じているとき、段３のドレイン電流に 比例している演算増幅器14の出力信号は制御電圧に等しくなる。抵抗12、13、15 および20の値は、制御電圧と段３のドレイン電流の間の所望の関係が達成される ように選択される。 増幅器段３への制御電圧入力は、増幅器段３からの所望の 出力ＲＦ電力に関係する。演算増幅器16の出力信号は、制御電圧として増幅器段 ３のＦＥＴのゲート（制御）端子に入力される。 この構成において、増幅器16からの制御電圧は、段３のゲート電圧を直接制御 することによって増幅器の段３によって得られる電流を間接的に制御する。負荷 曲線に対する電流は、負荷曲線に対するゲート電圧よりも温度、負荷の変化およ びドレイン電圧に関してあまり変化しないので、図５に示されたような回路は図 １の従来の回路よりこれらのパラメータに関してさらに安定している。増幅器段 ３の利得における温度依存変化を抑制する補償回路は、増幅器段３および演算増 幅器14、16を含んでいるフィードバックループによって供給される。 以下の実施例において、増幅器段１へのSig Inのレベル（振幅）が固定され（ それ故、Sig Inレベルに関係した外部から供給されたバイアス制御基準電圧も固 定される）、増幅器段３および温度補償のために構成された演算増幅器14、16が 閉ループ状態であると仮定する。「閉ループ状態」は、演算増幅器16の出力がド レイン電流に生じるゲート電圧を生成し、それは所望の制御電圧に等しい演算増 幅器14からの出力信号を生成することを意味する。換言すると、閉ループは動作 しており、演算増幅器16の出力は範囲の中央にあり、その範囲の１端部に「位置 しない」。 周囲の温度がこの閉ループ状態において上昇するとき、制御回路における後続 する変化は次の通りである。 （ａ）周囲の温度が上昇するとき、ドレイン電流は減少され、したがって利得 における下落が生じる。 （ｂ）演算増幅器14の反転端子の電圧は、電流検出抵抗11を通って流れる電流 の減少のために増加する。それ故、演算増幅器14の出力電圧は減少される。同時 に、演算増幅器16の２つの入力電圧間のバランスは失われ、演算増幅器16はその 入力における電圧差を積分し始める。 （ｃ）演算増幅器16の出力信号（増幅器段３のＦＥＴゲートに接続される）は 増加し、それ故、ＦＥＴドレイン電流は増加する。ドレイン電流における増加は 、飽和しないために負荷線上の動作点のシフトによって、利得の上昇を導く。 （ｄ）（ａ），（ｂ）および（ｃ）と反対の作用を生じ、ループは新しい定常 状態の閉ループ状態に安定する。 上記の結果として、図６において曲線Ｇ２′、Ｉ_D2′で示されたような上昇し た温度における利得およびドレイン電流は、室温における利得Ｇ₁およびドレイ ン電流Ｉ_D1′に実質上等しいため、温度の影響は減少される。 上記説明は、周囲の温度が上昇する場合に関する。周囲の温度が低下する場合 、補償は補足的な作用によって行われる。 さらに、本発明は、ＦＥＴの動作点に影響を及ぼす様々な温度以外の要因によ って生じる変化を克服する。例えば、負荷および電源電圧における変動は、ＦＥ Ｔの動作点における変化を導く。本発明によれば、このような利得変化は補償さ れる。 それ故、本発明によれば、温度およびその他の変動に関す る利得における変化を抑制し、電力増幅器の効率を制御することは可能である。 増幅器の他の（２つ）の段の制御は、それらが大きなＲＦ出力信号電力を生成し ないためにそれだけ大きい電流が得られないので、臨界的でない。前の段は、か なりの電力量を犠牲にすることなしにＲＦ出力電力で飽和点から離れてバイアス されることができる。 上記説明は、例示的なものであり、限定されるものではない。本発明による回 路および方法は、当業者に明白な適当な変化によって、ＦＥＴを使用している別 のタイプの増幅器およびバイポーラトランジスタを使用している別のタイプの増 幅器に適用可能である。本発明はまた、ＲＦ増幅器には限定されず、ベースバン ドあるいはＡＧＣ増幅器のような別のタイプのアナログ増幅器に適用される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＣＡ， ＣＨ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＨＵ，Ｊ Ｐ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＵ，ＭＧ，ＭＮ，ＭＷ ，ＮＬ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ， ＳＫ，ＵＡ，ＶＮ (72)発明者 ウエイランド、アナ・エル アメリカ合衆国、カリフォルニア州 92024、エンシニタス、シェリダン．ロー ド 2042 (72)発明者 岡崎 三也 福島県相馬市粟津字粟津152―９

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．信号を増幅し、電源端子を有する制御端子で制御信号を受信する増幅器段と 、 前記増幅器段に供給された電源電流を検出し、前記電源電流に比例した信号を 供給する電流検出器と、 基準信号を前記電流検出器によって供給された前記信号と比較し、前記バイア ス制御信号に応じて前記増幅器段に供給する回路とを具備している電力増幅器。 ２．前記増幅器段の利得が前記電源電流の関数である請求項１記載の増幅器。 ３．前記制御信号が前記増幅器段の動作点を設定する請求項１記載の増幅器。 ４．前記電流検出器が、前記電源端子と電源の間に接続された第１の抵抗を具備 する請求項１記載の増幅器。 ５．前記比較回路が、前記電流検出器によって供給された前記信号を受信するた めに接続された第１の入力端子と、前記基準信号を受信するために接続された第 ２の入力端子と、前記増幅器段の前記制御端子に接続された出力端子とを有する 演算増幅器を具備する請求項１記載の増幅器。 ６．前記電流検出器が、前記抵抗の第１の端部に接続された第１の入力端子と、 前記抵抗の第２の端部に接続された第２の入力端子と、前記電源電流に比例した 前記信号を供給する出力端子とを有する演算増幅器をさらに具備する請求項４記 載の増幅器。 ７．前記増幅器段によって増幅される前記信号を供給する少なくとも１つの付加 的な増幅器段をさらに具備する請求項１記載の増幅器。 ８．前記増幅器段が、前記制御信号を受信するために接続されたゲート端子を有 する少なくとも１つの電界効果トランジスタを具備する請求項１記載の増幅器。 ９．前記基準信号が前記電力増幅器への信号入力のレベルに関係する請求項１記 載の増幅器。 １０．制御端子を有する増幅器段と、 前記増幅器段への電源電流を検出し、それに応じて信号を供給する検出器と、 前記増幅器段の制御端子に、前記検出器によって供給された前記信号によって 少なくとも部分的に決定される制御信号を供給する回路とを具備している電力増 幅器。 １１．前記制御信号が、前記電力増幅器への入力信号のレベルに関係し、前記検 出器によって供給された信号によって決定される請求項１０記載の増幅器。 １２．前記電源電流が前記増幅器段の利得に関係する請求項１０記載の装置。 １３．前記検出器が、電源と前記増幅器段の電源端子の間に接続された抵抗を具 備する請求項１２記載の増幅器。 １４．前記制御信号が第１の入力信号および第２の入力信号の２つの入力信号を 有する演算増幅器の出力信号であり、第１の入力信号が入力信号のレベルに関係 した前記信号であり、第２の入力信号が前記検出器によって供給された前記信号 で ある請求項１２記載の増幅器。 １５．前記増幅器段が前記制御端子に接続されたゲートを有する少なくとも１つ の電界効果トランジスタを具備する請求項１２記載の増幅器。 １６．入力信号を増幅し、少なくとも１つの増幅器段を有する増幅器を動作させ 、前記増幅器段の動作点が前記増幅器段の制御端子に供給された信号によって決 定される増幅器の動作方法において、 前記増幅段への電源電流のレベルを検出し、 前記電源電流レベルに比例した電圧を供給し、 基準信号を供給し、 前記基準信号を前記比例した電圧と比較し、それに応じて信号を生成し、 前記制御端子に生成された信号を供給することを特徴とする増幅器動作方法。 １７．前記基準信号が、前記入力信号の特定のレベルにおける前記増幅器の予め 定められた動作点を示す請求項１６記載の方法。 １８．前記電源電流のレベルが前記増幅器段の利得に関係する請求項１６記載の 方法。 １９．入力信号を増幅し、供給される制御信号によって設定される動作点を有す る少なくとも１つの増幅器段を有する電力増幅器を動作させる方法において、 前記入力信号のレベルに関係した第１の信号を供給し、 前記少なくとも１つの増幅器段の利得に関係した第２の信 号を供給し、 前記第１および第２の信号を比較し、それに応じて信号を生成し、 前記制御信号として前記少なくとも１つの増幅段に前記生成された信号を供給 することを特徴とする増幅器の動作方法。