JPS62114309A - 負帰還増幅器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、負帰還増幅器に関し、特に増幅器破壊を防ぐ
ための保護回路を含んだ負帰還増幅器に関する。

（従来技術とその問題点） 送信機の送信出力電力を大きくすることは、通信距離を
高めるのに必要なことであり、一般に電力増幅器が使用
される。

ところで、この電力増幅器は入出力特性が穫度の差はあ
れ、一般的には非線形性を示す。すなわち出力信号が単
に入力信号に比例して増幅される（線形性）のではなく
、入力信号の振幅に依存して、増幅率および位相が変化
する、いわゆる非線形歪みを生じ特性の劣化が起こる。

変調波の振幅が一定である周波数変調波などに対しては
もちろんこのような歪みは生じない。それ以外の、例え
ば、振幅変調波、県側波帯変調波など変調によって搬送
波の振幅が変化する変調方式については、必らずこのよ
うな問題が生ずる。非線形歪みを小さくするためには、
線形性に優れた増幅器、例えばＡ級増幅器を低信号レベ
ルで動作させることによって実現できるけれども、この
とき増幅器の電力効率が低下するという問題が生ずる。

このような問題を解決する手段として負帰還による歪抑
圧を行なった負帰還増幅器を用いる方法がある。負帰還
増幅器の最も基本的な従来例を第１５図に示した（茅陽
−著「自動制御工学」：共立出版）。

（第１の従来例） 第１５図において、入力端子１０１から入力した信号は
比較器１１０で負帰還信号と比較され、その差信号が前
段増幅器１９０と′電力増幅器１３０で増幅されて端子
１０２から出力される。出力の一部は減衰器１４０でレ
ベル調整されて負帰還信号として比較器１１０に入力す
る。

このような回路において、電力増幅器１３０が第１３図
（ａ）のような入出力振幅飽和特性をもち、前段増幅器
１９０は十分な線形領域をもち、第１５図の回路の入出
力利得が電力増幅器１３０の線形領域での利得と等しく
なるように設定されているとする。また、第１５図の回
路の利得をαとし、電力増幅器の飽和出力振幅をＶ　ｓ
ａｔとしの問題が生ずる。

第１５図の回路で入力振幅がしだいに大きくなっていく
と仮定すると、本回路は、出力振幅が入力振幅のα倍に
なるように働き、電力増幅器１３０の入出力の関係は第
１３図（ａ）に示した矢印Ａのように特性曲線上を動く
。例えば入力振幅がｖＬより小さいＶ、の時、電力増幅
器１３００Å出力振幅の関係は第１３図（ａ）の点Ｐと
なり、入力振幅がＶＬの時には回路出力振幅はＶ　ｓａ
ｔとなり電力増幅器１３０の入出力振幅関係は第１３図
（ａ）の点Ｑである。さらに入力振幅が７５以上（例え
ば第１３図（ａ）におけるＶｔ　）となると電力増幅器
１３０の出力はＶ　ｓａｔ以上にならないのに加えて、
第１５図の回路の機能は出力信号振幅を入力信号振幅の
α倍にする様に働くから、原理的には電力増幅器１３０
の入力は無限大になる（第１３図（ａ）の矢印Ｂ）。そ
の結果電力増幅器１３０はこわれる。第１５図の回路の
入出力信号振幅特性は第１３図（１））のようになる。

ここで、入力振幅Ｖ、以上になると増幅器のこわれる危
険があるためこの領域を危険領域と名付けておく。

変調された高い周波数の信号を線形増幅するための負帰
還増幅器として、第１５図の方式とは別に、出力信号の
変調信号成分のみを負帰還する方式がある。一つは、信
号の同相、直交ベースバンド成分を負帰還する方法で６
９〔アイにイー・イーΦコンファレンス・オン・レテイ
オ・スヘクトラム・コンバージ−ｒｙｅテクニック（Ｉ
　Ｅ　Ｅ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎ　Ｒａｄｉｏ　Ｓ
ｐｅｃｔｒｕｍ　Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｉ
ｑｕｅ）１９８３年９月、４４ページ〜４９ページ〕、
他の一つは信号の振幅と位相を負帰還する方法である〔
コミュニケーションズ′８２コンファレンス（Ｃｏｎｍ
ｕｎｉｃａｔｃｏｉｓ　　’　８２　　Ｃｏｎｆｅｒｅ
ｎｃｅ　）　１９８２年１４８ページ〜１５５ページ〕
。

（８Ｊ２の従来例） 第１の信号の同相と直交成分を負帰還する方法は、第１
５図の破線部ｔｏｏｏを第１４図の回路とおきかえるこ
とで実現できる。置換えた結果得られる負帰還増幅器の
動作は、基本的には第１５図の回路と同じであることは
自明である。従って入力端子１０１から入力する信号振
幅が大きくなった時に生ずる電力増幅器破壊の問題は第
１５図の回路と全く同様に存在する。

欠に信号の振幅と位相を負帰還させる例を第１６図及び
第１７図に示す。

（第３の従来例） 第１６図の負帰還増幅器において入力端子２０１から入
力した信号は、位相および振幅の差を検出する検出回路
２６０の一方の入力となる。電力増幅器１３０の出力信
号は出力端子２０２より出力されるとともにその一部は
減衰器２３０を通った後、周波数混合器２５０に局部発
損器２４０の出力とともに入力されることによって周波
数変換され、検出回路２６０の他方の入力となる。この
検出回路２６０の出力のうち位相制御信号２８２は電圧
制御発振器２１０に入力され、機幅制御信号２８１は可
変利得増幅器２２０に入力される。以上の説明から理解
されるように、この負帰還増幅器は入力信号の振幅およ
び位相、したがって出力波形を忠実に追随する帰還ルー
プを構成していることになる。

ここで、電力増幅器１３０は線形性を有する必要はなく
、可変利得増幅器２３０と合わせて、端子２０１からの
入力信号のＷＬ＠に追随するだけでよいので、電力効率
の優れた非線形増幅器を吏用することができる。

ここでは、電力増幅器の出力を周波数変換器２５０によ
って一旦低い周波数に変換しているけれどもこれは原理
的には必ずしも必要なものではなく、周波数を低くする
ことによって、位相および振幅の差の検出回路２６０の
実現を容易にするためのものである。位相および振幅の
差の検出回路のブロック図を第１８図に示す。その動作
はブロック図より自明であるが、ここで簡単に説明して
おく。端子２０１からの信号は二分され、一方は振幅制
限器２６１に加えられ位相情報のみを残して、振幅情報
は消滅する。この信号と振幅制限器２６【の入力信号と
を混合器２６２に加えることによって、変調器の振幅成
分のみが得られる。

同様にして、混合器２６３の出力には電力増幅器１３０
の出力の振幅成分が得られる。これら、二つの振幅成分
は減算回路２６４に加えられ、差の信号が得られる。ま
た、振幅制限器２６１および２６５の出力信号は混合器
２６６に加えられ、二つの信号の位相差のみに比例した
信号が得られる。

低域通過フィルタ２６７はループの応答を決めるもので
あり、変調信号の帯域に応じて決められる。

第１６図の混合器２５０、第１８図の混合器２６２゜２
６３の出力には高次成分を取除くためのフィルターが必
要であるが、説明の本質には関係ないので省略した。

（第４の従来例） また第１７図の負帰還増幅器において、端子３０１から
入力した信号は電圧制御発振器３６０の出力とともに、
混合器３１０に加えられ、周波数変換された後、可変利
得増幅器３２０１電力増幅器１３０に加えられて、出力
端子３０２より出力される。電力増幅器」３０の出力の
一部は、減衰器３３０を通った後、混合器３４０によっ
て周波数変換されて、位相および振幅の差の検出回路２
６０の一方の入力信号となる。また端子３０１からの入
力信号の一部は検出回路２６０のもう一方の入力信号と
して加えられる。位相誤差の信号は位相制御信号３８２
となって電圧制御発振器３６０の入力信号となる。振幅
の誤差信号は振幅制御信号３８１となって、可変利得増
幅器３２０の制御入力端子に入力される。このように、
第１７図の負帰還増幅器は、電圧制御発振器３６０と混
合器３１０が位相を、可変利得増幅器が振幅をそれぞれ
独立に制御する位相振幅制御回路を備えている。このよ
うな構成の負帰還増幅器においても入力信号を忠実に増
幅することができる。

ただし、第１７回の回路の動作は第１５図に示した回路
の場合に比べて大きく異なる。このことは、仮に電力増
幅器として理想的な線形増幅器の場合を考えてみると理
解しやすい。まず、第１５図に示した回路においては、
入力信号の振幅と位相に対応して、可変増幅器２２０お
よび電圧制御発ｆｆ１２　Ｌ　Ｏへは常時制御信号が入
力されていることになる。ところが第１７図に示した回
路においては、′４力増幅器１３０を理想的な線形増幅
器と仮定したとき、振幅および位相の差検出回路２６０
においては、あらかじめ調整しておけば、差の信号は常
に零になり位相制御信号３８２、振幅制御信号３８１も
零になる。電力増幅器に対して設けた線形性の仮定を除
くと、非線形歪みが発生し、位相および振幅の差検出回
路は誤差を検出し制御信号を発生させる。この場合にで
も制御信号は電力増幅器で発生した歪みに対する誤差信
号のみであるからその値は小さいので、可変利得増幅器
の可変利得範囲は、第１６図の場合に比べて狭くてよい
。

以上示した第１６図、第１７図の負帰還増幅器において
も第１５図の場合と同様の問題がある。

つまり、電力増幅器１３０の入出力信号振幅特性を第１
３図（ａ）のように仮定すると、第１６図及び第１７図
の負帰還増幅器の入出力振幅特性はやはり第【３図（ｂ
）のようになる。従って負帰還増幅器の入力振幅がｖＬ
を越えると電力増幅器１３０の入力信号振幅は原理的に
無限大となり増幅器がこわれてしまう。

（発明の目的） 本発明の目的は、入力信号′Ｓ幅が大きくなったときに
も電力増幅器がこわれることのない負帰還増幅器を提供
することにある。

（目的を達成するための手段） 上記目的を達成するために本発明が提供する手段は、電
力増幅器の入力振幅が無限大にならないように、入力振
幅制限を行なうための回路を電力増幅器の前に設けたと
とを特徴とする。

（実施例） 第り図は、本発明の負帰還増幅器の第りの実施列の構成
図であるっ入力端子１０１からの入力信号は、比較器１
１０で負帰還信号との差をとり、信号レベル制限回路１
２０を通して電力増幅器【３０により差信号を増幅して
出力端子１０２から出力する。出力の一部は減衰器１４
０で利得調整されて負帰還信号として比較器１１０に入
力する。ここで信号レベル制限回路［２０の特性は第１
９図のようになればよく、その飽和出力ｖｘは、第１３
図の例で言うとｖ　ｍａｘ以下となるようにする。この
ような回路はリミタ増幅器を用いれば実現できる。この
ような負帰還増幅器により、従来例で示したような過入
力レベルによる電力増幅器の破壊を防ぐことができる。

入力信号が高周波の変調された信号の場合には、直接信
号レベルを制限する方法の他に、信号振幅の値から前段
の増幅器利得を制御する方法もあり、このような負帰還
増幅器の実施例（本発明の第２の実施例）が第２図に示
した構成図である。入力端子１０１から周波数ｆ０の搬
送波を変調した信号が入力する。入力信号は比較器Ｌ１
０で負帰還信号との差がとられ、その差の信号が可変利
得増幅器１７０に入力される。前段増幅器１８０と電力
増幅器１３０では可変利得増幅器１７０の出力を増幅し
て出力する。電力増幅器１３０の出力の一部は、減衰器
１４０で利得調整されて、負帰還信号として比較器１１
０に入力する。可変利得増幅器１７０の利得は、制御信
号発生回路１６０の出力によって決定される。制御信号
発生回路１６０は、比較器１１０出力の一部から検出し
た信号振幅検出回路１５０の出力の信号振幅を受けて制
御信号を出力する。このような回路において、例えば信
号振幅検出回路ｔＳＯとして第５図のような回路を用い
、制御信号発生回路１６０及び可変利得増幅器１７０と
して第６図及びＷ、７図の特性を持つ回路をそれぞれ用
いれば、本発明の目的を達成する負帰還増幅器が得られ
る。

第２図の実施例の制御動作を以下に説明する。

仮に、入力端子１０１から入力する信号振幅が大きくな
り、比較器１１０の出力の振幅が７５以上になったとす
る。この時制御信号発生回路［６０出力はｖ０以下とな
り、その結果可変利得増幅器［７０が減衰器を持つよう
になり、電力増幅器１３０人力が抑圧される。その結果
電力増幅器の動作点が第１３図（ｂ）における危険領域
に飛び出さなくなる。またこのような回路構成にすると
、入力端子１０１からの信号振幅が通常レベル（ｖＬ以
下）の時には可変利得増幅器１７０と前段増幅器ｔＳＯ
は線形動作をするから、第１図の実施例とちがい出力信
号のスペクトル劣化はない。第６図の特性を持つ回路は
、第８図に示したように、差動増幅器８１０、半波整流
器８２０、差動増幅器８３０を直列につなぐことで得ら
れる。差動増幅器８１０１半波整流器８２０及び差動増
幅器８３０はそれぞれ第９図（ａ）、　（ｂ）、　　及
び（ｃ）に示した入出力特性を持つ、よく知られた回路
である（岡村辿夫著ｒｏｐアンプ回路の設計ＪＣ（１出
版社）。また第７図に示した特性を持つ回路は、ダブル
バランスドミキサーを用いた電圧制御形の可変減衰器を
用いることで得られる（ミニサーキットラボラトリ−社
［ミキサー拳アプリケーションズ１１　／％ンドブツク
Ｍｉｘｅｒ　　ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓＨａｎｄｂｏ
ｏｋ　）。第り図及び第２図におりて、破線で囲った部
分ｔｏｏｏは、第１４図の回路で置き換えても全く問題
がない。

第３図に本発明の第３の実施例による負帰還増幅器の構
成図を示す。基本的な動作は第１６図に示した負帰還増
幅器と同じでおる。ただ相異点は、検出回路２６０の振
幅制御信号２８１が、信号制限回路２７０に入力し、そ
の後で可変利得増幅器２２０に入力する点である。例え
ば第３図におりて、信号制限回路２７０として第１０図
の特性を持つ回路を用い、可変利得増幅器２２０として
第７図の特性を持つ回路を用いることで、本発明の目的
を達成する回路を得ることができる。仮に変調器２１０
の出力の振幅が大きくなシ、電力増幅器１３０人力の振
幅がｖＬを越える場合には振幅制御信号２８１の値Ｖ、
を越えているとする。この時信号制限回路２７０によυ
振幅制御信号２８１を７２以上にならないようにすれば
、増幅器１３０の動作点が安全領域を飛び出ることがな
い。第【０図の特性を持つ回路は、第１１図に示した加
算器ｔｔｏｏとリミタ回路ｔｔｔｏによシ構成すること
ができる。リミタ回路１１１０におけるツェナーダイオ
ードＤ、のツェナー電圧はＶ、とする。加算器ｔｔｏｏ
とリミタ回路ｔｔｔｏの特性は第１２図（ａ）、　（ｂ
）にそれぞれ示した特性であり、よく知られている回路
でｂる（岡村辿夫著「０９７７１回路の設計Ｊ　：ＣＱ
出版社）。

第４図に本発明の′７ｓ４の実施例による負帰還増幅器
の構成図を示す。第４図の回路は基本的には第１７図の
回路とその動作は同じである。相異点は、振幅制御信号
３８１を信号制限回路３９０で信号レベルを制限する点
である。このことによって電力増幅器１３０の動作点を
°安全領域に保つことができる。例えば信号制限回路３
９０として第１０図の特性をもつ回路を用い、可変利得
増幅器３２０として第７図の入出力特性をもつ回路を用
いれば、本発明の目的を達成する負帰還増幅器が得られ
る。

（発明の効果） 本発明によれば、以上に説明したように、過大入力があ
っても増幅器が破壊することのない負帰還増幅器が得ら
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を示す構成図であり、第
２図は本発明の第２の実施例を示す構成図でＴｏシ、第
３図は本発明の第３の実施例を示す構成図で６９、第４
図は本発明の第４の実施例を示す構成図でちゃ、第５図
は第２図における信号振幅検出回路の一具体例を示すブ
ロック図であり、第６図は第２図における制御信号発生
回路の特性図であシ、第７図は第２図、第３図及び第４
図における可変利得増幅器の特性の一例を示す図であシ
、第８図は第６図の特性を示す回路の一例の回路図であ
υ、第９図（ａ）〜（ｃ）は第８図の回路各部の特性を
示す図であり、第１０図は第３図及び第４図の制御信号
制限回路の特性の一例を示す図であり、第１１図は第１
０図の特性を実現する回路の一例の回路図でアシ、第１
２図（ａ）及び（１，、）は第１１図の回路各部の特性
を示す図でちゃ、第１３図（、）は電力増幅器の入出力
振幅特性の一例を示す図であり、第１３図（ｂ）は第１
３図（１）の特性を持つ電力増幅器を用いた負帰還増幅
器の入出り振幅特性図であり、第１４図は同相・直交負
帰還に用いる回路の構成図であり、第１５図は第１の従
来例を示す構成図であり、第１６図は第３の従来例を示
す構成図であり、第１７図は第４の従来例を示す構成図
であり、第１８図は第３図、第４図、第１６図及び第１
７図における位相及び振幅の誤差を検出する回路の一例
を示す回路図であり、第１９図は第１図の信号レベル制
限回路の特性を示す図である。 図において、１０１．２０１．ａｏｔは入力端子、１１
０，７２０，７２１，２６４は比較器、１２０は信号レ
ベル制限回路、１５０は信号振幅検出回路、１６０は制
御信号発生回路、１７０゜２２０．３２０は可変利得増
幅器、ｔｓｏ、１９０は前段増幅器、１３０は電力増幅
器、１０２゜２０２１　３０２は出力端子、１４０１　
２３０゜３３０は減衰器、２１０，３６０は電圧制御発
振器、２５０９　３１０９　３４０９　７１０ラ　７１
１゜７３０．７３１，７４０ｖ　　７４１，２６２，２
６３゜２６６は混合器、２４０，３５０，７６０は発振
器、２６０は位相と振幅の差を検出する検出回路、２８
１１３８１は振幅制御信号、２８２，３８２は位相制御
信号、２７０，３９０は信号制限回路、８１０．８３０
は差動増幅器、８２０．１１１０は半波整流器、ｔｔｏ
ｏは加算器、７５０は位相変化分配益、２６１，２６５
はリミタ、２６７は低域ｆ波器。 代理人　弁理士　本　庄　伸　介 第１図 第２図 第３図 第４図 第５図 第６図 Ｖ’Ｌ　　　　　入力を圧 第７図 第８図 人 Ｌ し１．。 図（ａ）　　　第９図（Ｉ））　　第９図（Ｃ）第１０
図 第１１図 第１３図 ベカ倣中畠 第１４図 第１５図 第１６図 第１７図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 電力増幅器と、その電力増幅器に入力する信号の振幅を
   制限する回路とを含むことを特徴とする負帰還増幅器。