JP4773258B2 - 自動スイッチング機能を備えた電力増幅器 - Google Patents

Description

本発明は、自動スイッチング機能を備えた電力増幅器に関するもので、詳しくは、包絡線信号の大きさに応じて、大きな電力が必要であるときは、回路の全ての部分をオンにして動作させ、小さな電力が必要であるときは、回路の一部分をオフにして動作を中止させることで、回路の出力電力を可変に制御できるとともに、回路の円滑かつ自動的なスイッチングによって電力増幅器の効率及び動作領域を改善できる自動スイッチング機能を備えた電力増幅器に関するものである。

一般に、無線移動通信用電力増幅器には、出力電力の全動作領域における効率を増大するために、回路の一部を点滅する方法が多く用いられる。すなわち、大きな出力電力が必要であるときは、回路の全ての部分をオンにし、低い出力電力が必要であるときは、回路の一部をオフにすることで、出力電力の全動作領域における電力増幅器の効率を増大する方法が用いられる。

上記の方法は、［Hyun-Min Park，et al.，"Demonstration of on-chip appended power amplifier for improved efficiency at low power region" IEEE MTT-S International Microwave Symposium］の報告書に開示されている。

図１は、無線移動通信システムで用いられるポーラー構造の電力増幅器を示した回路構成図である。

図１に示すように、高周波入力信号は、振幅が一定であり、位相に情報がある信号である。また、包絡線信号は、位相信号と分離されて電力増幅器に印加される。

ここで、包絡線信号は、包絡線の情報が電圧の形態で示される信号であり、一般に高周波信号に比べて周波数が低い。

前記包絡線信号が電力増幅器に入力されると、電力増幅器は、スイッチングによってその動作が制御される。

多くの電力増幅器は、全動作領域の確保及び効率の改善のために、多数個の増幅段を含んで構成される。すなわち、高い出力電力が必要であるときは、全ての増幅段をオンにし、低い出力電力が必要であるときは、増幅段の一部をオフにする。

上記のように電力増幅器を構成すると、低い出力電力が必要であるとき、増幅段の一部をオフにすることで、全体システムの効率を改善できる。

特に、無線移動通信システムで用いられるポーラー構造用電力増幅器は、増幅段の一部をオフにすることで、動作領域をも改善できる。

図２は、三個の増幅段を備えた電力増幅器を示した回路構成図である。

図２に示したように、電力増幅器が多数個の増幅段を含んで構成される場合、包絡線信号大きさの変化、または、出力電力の変化によって、多数個の増幅段の一部がオフになる。このとき、これら増幅段のオフまたはオンを決定するために、外部から印加される制御信号２０１，２０２，２０３が追加的に必要となる。

しかしながら、上記の制御方法を適用する電力増幅器は、増幅段の一部をオフまたはオンにする外部の制御信号が追加的に必要となり、かつ、制御信号を発生するための外部調節回路が複雑になるという問題点があった。

すなわち、従来の電力増幅器は、出力電力の大きさが所定水準以下になると、回路の一部をオフにする制御信号が電力増幅器に印加されるため、外部の制御信号が必要になるという問題点があった。

さらに、従来の電力増幅器は、外部の制御信号によって電力増幅器の一部回路が突然オフまたはオンになると、回路の特性が突然変わり、システム全体の動作に悪影響を及ぼすという問題点があった。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、包絡線信号の大きさに応じて、大きな電力が必要であるときは、回路の全ての部分をオンにして動作させ、小さな電力が必要であるときは、回路の一部分をオフにして動作を中止させることで、回路の出力電力を可変に制御できるとともに、回路の円滑かつ自動的なスイッチングによって電力増幅器の効率及び動作領域を改善できる自動スイッチング機能を備えた電力増幅器を提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明は、包絡線信号が入力される多数個の電力増幅段と、多数個の電力増幅段の各前端や多数個の電力増幅段にそれぞれ設置され、各基準電圧に基づいて入力された包絡線信号の大きさに応じた個別的なスイッチングによって、多数個の電力増幅段を個別的にオン・オフにする多数個のスイッチング回路と、を含んで構成されることを特徴とする。

前記各基準電圧は、相異なる値を有することを特徴とする。

また、本発明に係る電力増幅器は、ポーラー構造の非線形電力増幅器や線形電力増幅器であることを特徴とする。

このとき、前記電力増幅器が線形電力増幅器である場合、前記電力増幅器から出力されるべき包絡線信号の大きさを検出して出力するための電力感知器をさらに含んで構成されることを特徴とする。

前記スイッチング回路は、ドレーンが電力増幅器のスイッチング入力端に連結され、ゲートに基準電圧が印加され、ソースに包絡線信号が印加されるように連結されたｐＭＯＳトランジスタであることを特徴とする。

前記スイッチング回路は、ドレーンが電力増幅器のスイッチング入力端に連結され、ゲートに包絡線信号が印加され、ソースに基準電圧が印加されるように連結されたｐＭＯＳトランジスタであることを特徴とする。

本発明に係る包絡線信号は、電圧形態の情報を含むことを特徴とする。

本発明に係る電力増幅器は、多数個の駆動増幅段が相異なる基準電圧を有して設定された状態で、印加される包絡線信号によって駆動増幅段がスイッチングされ、電力増幅段の後端がオンまたはオフになることで、電力増幅器の回路の一部がオンまたはオフになって電力増幅器の効率及び動作領域を改善できる。さらに、本発明に係る電力増幅器は、抵抗値の変化によって駆動増幅段が円滑にスイッチングされることで、突然のスイッチングによってシステム全体の動作に及ぼす悪影響を防止できる。

本発明に係る自動スイッチング機能を備えた電力増幅器は、包絡線信号の大きさに応じて、大きな電力が必要である場合は、回路の全ての部分をオンにして動作させ、小さな電力が必要である場合は、回路の一部分をオフにして動作を中止させることで、出力電力を可変に制御できるという効果がある。

また、本発明に係る自動スイッチング機能を備えた電力増幅器は、円滑かつ自動的なスイッチングによって、システムの全体動作に及ぼす悪影響を防止し、出力電力の大きさに応じて回路の一部分をオフまたはオンにすることで、電力増幅器の効率及び動作領域を改善できるという効果がある。

以下、本発明の好ましい実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、本発明の実施形態は、本発明の権利範囲を限定するものではなく、例示として提示されたものに過ぎない。

図３は、本発明に係る自動スイッチング機能を備えた電力増幅器を示した回路構成図である。

図３に示すように、駆動増幅段は、スイッチング回路をそれぞれ適用している。すなわち、包絡線信号の入力端と駆動増幅段との間には、スイッチング回路としてのｐＭＯＳトランジスタが位置する。

例えば、包絡線信号が３.３Ｖから０Ｖに変わる場合、基準電圧としてのＶｇ１、Ｖｇ２及びＶｇ３は、２Ｖ、１Ｖ及び０Ｖを各増幅段に印加できる。また、スイッチとして用いたｐＭＯＳトランジスタが０.７Ｖのしきい電圧を有する場合、駆動増幅段３０１は、２.７Ｖ以下の包絡線信号が入力されたときにオフになる。また、包絡線信号の大きさが１.７Ｖ以下になる場合、駆動増幅段３０２もオフになる。したがって、外部信号の印加なしに、電力増幅器の回路が自動にオン／オフになる。

図４は、図３のスイッチング回路が連結された駆動増幅段を具体的に示した回路図である。

図４に示すように、駆動増幅段はＤ級出力段によって構成され、Ｄ級出力段と包絡線信号端との間には、自動スイッチングを行うためにｐＭＯＳトランジスタが位置する。

図５には、包絡線信号の変化時におけるノード４０１の電圧変化形態を示した。図５に示すように、包絡線信号の大きさがＶｇｌ＋Ｖｔｈ（Ｖｔｈは、ｐＭＯＳトランジスタのしきい電圧）以下になると、図５のグラフ５０２のような特性を有しながら、図４の回路は完全にオフになる。

自動スイッチング素子として用いられたｐＭＯＳトランジスタが回路に適用されない場合、ノード４０１の電圧は、図５のグラフ５０１のように変化する。その結果、回路は、所望の包絡線信号の大きさでオフまたはオンにならない。

しかしながら、図４のように自動スイッチング回路が構成されると、回路はグラフ５０２のような特性を有するが、実際にｐＭＯＳトランジスタのゲート電圧とソース電圧との差が減少すると、ｐＭＯＳトランジスタの抵抗成分が増加するため、回路は、図５のグラフ５０３のような特性を有するようになる。したがって、ｐＭＯＳトランジスタに連結された駆動増幅段は、突然ではなく徐々にオフになる。

図６は、カスコード（Ｃａｓｃｏｄｅ）増幅段に適用された自動スイッチング回路を示した回路構成図である。

図６に示すように、電力増幅段６０２のｎＭＯＳトランジスタ６０３のゲートは、自動スイッチング回路６０１に連結される。すなわち、図６の電力増幅段はカスコード構造となっており、カスコード電力増幅段６０２のｎＭＯＳトランジスタ６０３は、自動スイッチング回路６０１においてｐＭＯＳトランジスタ及び抵抗に連結される。したがって、ｐＭＯＳトランジスタのゲート電圧値によって、回路のオフレベルが調節される。すなわち、自動スイッチング回路６０１のｐＭＯＳトランジスタは、包絡線信号の大きさが所定値以下になって自動にオフになると、電力増幅段６０２のカスコードｎＭＯＳトランジスタ６０３のゲートが接地されることで、カスコードトランジスタがオフになり、電力増幅段６０２の一部がオフになる。

したがって、上記の原理を用いて、図２のように多数個の電力増幅段を構成すると、自動スイッチング回路では、包絡線信号の変化によって、多数個の電力増幅段の一部分がオンまたはオフになる。

図７は、カスコード構造でない電力増幅段に適用された自動スイッチング回路を示した回路構成図である。

図７に示すように、変化する包絡線信号がｐＭＯＳトランジスタ７０３のゲートに印加される。Ｖｃｔｒｌの値によって、所定電圧以下に包絡線信号の大きさが減少すると、ｐＭＯＳトランジスタ７０３がオンになることで、ｎＭＯＳトランジスタ７０４もオンになる。この状態で、電力増幅段７０５のゲートの電圧がしきい電圧以下になって、電力増幅段７０５がオフになる。

上記の原理を用いて、回路を図２のように構成すると、包絡線信号の大きさの変化によって、回路の増幅段が自動にオンまたはオフになる自動スイッチング回路を構成できる。

したがって、上記の原理を用いて、図２のように多数個の電力増幅段を構成すると、自動スイッチング回路では、包絡線信号の変化によって、多数個の電力増幅段の一部分がオンまたはオフになる。

また、上記の自動スイッチング回路を用いて電力増幅器を設計し、その設計結果を通して自動スイッチング回路の動作を確認することができる。

図８は、図４に示した自動スイッチング技法を適用した電力増幅器の回路であり、この構成によると、包絡線信号の大きさが所定値以下になる場合、駆動増幅段の一部及び電力増幅段の一部が共にオフになる。

図示したように、基準電圧Ｖｇ２，Ｖｇ１は、それぞれ０Ｖ及び２Ｖである。このとき、包絡線信号８０２を変化しながら、回路の出力電力及び効率をコンピュータでシミュレートした。すなわち、包絡線信号の大きさが０.９Ｖから３.３Ｖに変化すると、包絡線信号が所定電圧以下に減少し、電力増幅段８０４のｎＭＯＳトランジスタ８０５及びこのｎＭＯＳトランジスタ８０５に連結された駆動増幅段８０３がオフになる。その結果、ｎＭＯＳトランジスタ８０６及びｎＭＯＳトランジスタ８０６に連結された駆動増幅段がオンになる。この場合は、低い出力電力が必要である場合であり、回路の一部がオフになったため、回路における電流消耗が減少して回路全体の効率が増加する。

図９は、本発明に係る自動スイッチング機能を備えた電力増幅器のコンピュータシミュレーショングラフである。

図示したように、グラフ９０１は、自動スイッチング回路を用いてない場合であり、グラフ９０２は、自動スイッチング回路を用いた場合である。すなわち、自動スイッチング回路によって包絡線信号が小さくなるとき、電力増幅器において大きな電力を出力する部分がオフになり、小さな電力を出力する部分のみがオンになって回路の効率が増加する。このように、低い電力を出力するときは、電力増幅器の一部分がオフになるので、自動スイッチング回路を用いていない場合に比べて回路の動作領域が広くなる。

上記の実施形態では、無線移動通信システムで用いられる非線形電力増幅器による自動スイッチングの使用形態を説明した。ポーラー構造では、包絡線信号と位相信号とが分離されて電力増幅器に入力される。

しかしながら、一般的な線形電力増幅器では、位相信号と包絡線信号とが混合された形態の高周波信号が印加されるため、線形電力増幅器における自動スイッチング回路を用いるためには、電力増幅器から出力される包絡線信号の大きさを検出すべきである。

したがって、図１０に示すように、電力感知器を通して包絡線情報を電圧形態の包絡線信号に変える。また、検出された包絡線信号が自動スイッチング回路に入力されると、上述した非線形電力増幅器の場合と同様に、電力増幅器の一部がオフになる。

無線移動通信システムで用いられるポーラー構造の電力増幅器を示した回路構成図である。 三個の増幅段を備えた電力増幅器を示した回路構成図である。 本発明に係る自動スイッチング機能を備えた電力増幅器を示した回路構成図である。 図３のスイッチング回路が連結された駆動増幅段を具体的に示した回路図である。 包絡線信号の大きさによって電力増幅段に印加される電圧を示したグラフである。 カスコード増幅段に適用された自動スイッチング回路を示した回路構成図である。 カスコード構造でない電力増幅段に適用された自動スイッチング回路を示した回路構成図である。 本発明に係る自動スイッチング機能を備えた電力増幅器の他の実施形態を示した回路構成図である。 本発明に係る自動スイッチング機能を備えた電力増幅器のコンピュータシミュレーショングラフである。 本発明に係る自動スイッチング回路が適用された線形電力増幅器を示した回路構成図である。

符号の説明

２０１，２０２，２０３ 制御信号
３０１，３０２，３０３ 駆動増幅段
４００ スイッチング回路が適用された駆動増幅段
４０１ スイッチング入力ノード
５０１ 自動スイッチング回路が適用されないとき、駆動増幅段の出力端に印加される電圧グラフ
５０２ 自動スイッチング回路が適用されたとき、駆動増幅段の出力端に印加される電圧グラフ
５０３ 自動スイッチング回路が適用されたとき、駆動増幅段の出力端に実際に印加される電圧グラフ
６０１ 自動スイッチング回路
６０２ カスコード電力増幅段
６０３ ｎＭＯＳトランジスタ
７０１ 自動スイッチング回路
７０２ 電力増幅段
７０３ ｐＭＯＳトランジスタ
７０４ ｎＭＯＳトランジスタ
８０１ １次駆動増幅段の電源電圧
８０２ ２次駆動増幅段及び電力増幅段に印加される包絡線信号
８０３ 自動スイッチング回路が含まれた駆動増幅段
８０４ 電力増幅段
８０５ 大きな電力を出力するための電力増幅段のトランジスタ
８０６ 小さな電力を出力するための電力増幅段のトランジスタ
９０１ 自動スイッチング回路が適用されてない電力増幅器のグラフ
９０２ 自動スイッチング回路が適用された電力増幅器のグラフ

Claims (6)

1. 包絡線信号が入力される多数個の電力増幅段と、
   多数個の電力増幅段に対してそれぞれ設置され、各電力増幅段を駆動するためにそれぞれ設定された各基準電圧に基づき、入力された包絡線信号の大きさに応じて個別的にスイッチングを行うことによって、多数個の電力増幅段を個別的にオン・オフにする多数個のスイッチング回路と、を含んで構成され、
   前記スイッチング回路は、ドレーンが電力増幅器のスイッチング入力端に連結され、ゲートに基準電圧が印加され、ソースに包絡線信号が印加されるように連結されたｐＭＯＳトランジスタであることを特徴とする自動スイッチング機能を備えた電力増幅器。
2. 包絡線信号が入力される多数個の電力増幅段と、
   多数個の電力増幅段に対してそれぞれ設置され、各電力増幅段を駆動するためにそれぞれ設定された各基準電圧に基づき、入力された包絡線信号の大きさに応じて個別的にスイッチングを行うことによって、多数個の電力増幅段を個別的にオン・オフにする多数個のスイッチング回路と、を含んで構成され、
   前記スイッチング回路は、ドレーンが電力増幅器のスイッチング入力端に連結され、ゲートに包絡線信号が印加され、ソースに基準電圧が印加されるように連結されたｐＭＯＳトランジスタであることを特徴とする請求項１に記載の自動スイッチング機能を備えた電力増幅器。
3. 前記各基準電圧は、異なる値を有することを特徴とする請求項１または２に記載の自動スイッチング機能を備えた電力増幅器。
4. 前記電力増幅器は、ポーラー構造の非線形電力増幅器や線形電力増幅器であることを特徴とする請求項１または２に記載の自動スイッチング機能を備えた電力増幅器。
5. 前記電力増幅器が線形電力増幅器である場合、前記電力増幅器へ入力される包絡線信号の大きさを検出して出力するための電力感知器をさらに含んで構成されることを特徴とする請求項４に記載の自動スイッチング機能を備えた電力増幅器。
6. 前記包絡線信号は、電圧形態の情報を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の自動スイッチング機能を備えた電力増幅器。