(57)【要約】本発明は、入力段および１つまたはそれ以上の出力段を含む増幅器回路の電力増幅器制御を提供する。入力段には比較的固定された電源によって出力段とは別に電力が供給される。１つまたはそれ以上の出力段には、制御可能な出力電圧を有する電圧調整器を通して電力が供給される。増幅器段と一体化した閉ループ制御によって、電圧調整器の電圧出力がＶＲＡＭＰのような調整可能な制御信号のプロファイルを追跡するように強制される。
2005518684.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力増幅器であって、
ａ）調整可能な電力制御信号に応答する出力ノードにおいて出力電圧を供給する電力調整器を含む電力制御回路と、
ｂ）無線周波入力信号を増幅するために出力増幅器段と直列接続されている入力増幅器段を含む電力増幅器回路であって、前記入力増幅器段が固定電圧ノードから電力を受信し、前記出力増幅器段が前記電力調整器の前記出力ノードを通して電力を受信する電力増幅器回路とを備え、
前記調整可能な電力制御信号が、前記出力増幅器段に供給される前記電圧を制御することにより前記電力増幅器回路が供給する出力電力を制御するために調整される電力増幅器。
【請求項２】
前記入力および出力増幅器段に一定のバイアスを供給するためのバイアス回路をさらに備える、請求項１に記載の電力増幅器。
【請求項３】
前記電力調整器が電圧調整器である、請求項１に記載の電力増幅器。
【請求項４】
前記電力調整器が線形閉ループ電圧調整器である、請求項３に記載の電力増幅器。
【請求項５】
前記電力制御回路が、
ａ）前記調整可能な電力制御信号を受信するための第１の入力と、第２の入力と、前記出力ノードにおける前記出力電圧を制御するための前記電力調整器に結合される出力とを有する誤差増幅器と、
ｂ）前記電力調整器の出力ノードと前記誤差増幅器の前記第２入力との間に結合される帰還回路網とをさらに備え、
前記誤差増幅器の出力が前記調整可能な電力制御信号と前記電力調整器の前記出力ノードからフィードバックされた電圧信号の両方に応答する、請求項１に記載の電力増幅器。
【請求項６】
前記電力増幅器回路が前記入力増幅器段と出力増幅器段との間に直列接続されている第２の出力増幅器段をさらに備え、前記第２の出力増幅器段が前記電力調整器の出力ノードを通して電力を受信し、前記調整可能な電力制御信号が前記出力増幅器段および前記第２の出力増幅器段に供給される電圧を制御することにより前記電力増幅器回路が供給する出力電力を制御するために調整される、請求項１に記載の電力増幅器。
【請求項７】
前記バイアス回路が前記第２の出力増幅器段に一定のバイアスをさらに供給する、請求項６に記載の電力増幅器。
【請求項８】
移動端末であって、
ａ）送信無線周波信号に対する出力電力を制御するために調整可能な電力制御信号を供給する制御システムと、
ｂ）前記制御システムに関連していて、
ｉ）調整可能な電力制御信号に応答する出力ノードにおいて出力電圧を供給する電力調整器を含む電力制御回路と、
ｉｉ）無線周波入力信号を増幅するために出力増幅器段と直列接続されている入力増幅器段を含む電力増幅器回路であって、前記入力増幅器段が固定電圧ノードから電力を受信し、前記出力増幅器段が前記電力調整器の出力ノードを通して電力を受信する電力増幅器回路とを備える通信電子回路とを備え、
前記調整可能な電力制御信号が、前記出力増幅器段に供給される電圧を制御することにより前記電力増幅器回路が供給する出力電力を制御するために調整される移動端末。
【請求項９】
前記入力および出力増幅器段に一定のバイアスを供給するためのバイアス回路をさらに備える、請求項８に記載の移動端末。
【請求項１０】
前記電力調整器が電圧調整器である、請求項８に記載の移動端末。
【請求項１１】
前記電力調整器が線形閉ループ電圧調整器である、請求項１０に記載の移動端末。
【請求項１２】
前記電力制御回路が、
ａ）前記調整可能な電力制御信号を受信するための第１の入力と、第２の入力と、前記出力ノードにおいて前記出力電圧を制御するために前記電力調整器に結合される出力とを有する誤差増幅器と、
ｂ）前記電力調整器の出力ノードと前記誤差増幅器の前記第２入力との間に結合される帰還回路網とをさらに備え、
前記誤差増幅器の出力が前記調整可能な電力制御信号と前記電力調整器の前記出力ノードからフィードバックされた電圧信号の両方に応答する、請求項８に記載の移動端末。
【請求項１３】
前記電力増幅器回路が、前記入力増幅器段と前記出力増幅器段との間に直列接続されている第２の出力増幅器段をさらに備え、前記第２の出力増幅器段が前記電力調整器の出力ノードを通して電力を受信して、前記出力増幅器段および前記第２の出力増幅器段に供給される電圧を制御することにより前記電力増幅器回路が供給する出力電力を制御するように前記調整可能な電力制御信号が調整される、請求項８に記載の移動端末。
【請求項１４】
前記バイアス回路が、さらに、前記第２の増幅器出力段に一定のバイアスを供給する、請求項１３に記載の移動端末。
【請求項１５】
前記調整可能な電力制御信号がＶＲＡＭＰである、請求項８に記載の移動端末。
【請求項１６】
電力増幅器を実装する半導体であって、
ａ）調整可能な電力制御信号に応答する出力ノードにおいて出力電圧を供給する電力調整器を含む電力制御回路と、
ｂ）無線周波入力信号を増幅するために出力増幅器段と直列接続されている入力増幅器段を含む電力増幅器回路であって、前記入力増幅器段が固定電圧ノードから電力を受信し、前記出力増幅器段が前記電力調整器の出力ノードを通して電力を受信する電力増幅器回路とを備え、
前記出力増幅器段に供給される電圧を制御することにより前記電力増幅器回路が供給する出力電力を制御するために、前記調整可能な電力制御信号が調整される半導体。
【請求項１７】
前記入力および出力増幅器段に一定のバイアスを供給するためのバイアス回路をさらに備える、請求項１６に記載の半導体。
【請求項１８】
前記電力調整器が電圧調整器である、請求項１６に記載の半導体。
【請求項１９】
前記電力調整器が線形閉ループ電圧調整器である、請求項１８に記載の半導体。
【請求項２０】
前記電力制御回路が、
ａ）前記調整可能な電力制御信号を受信するための第１の入力と、第２の入力と、前記出力ノードにおいて前記出力電圧を制御するために前記電力調整器に結合される出力とを有する誤差増幅器と、
ｂ）前記電力調整器の出力ノードと前記誤差増幅器の前記第２の入力との間に結合される帰還回路網とをさらに備え、
前記誤差増幅器の前記出力が、前記調整可能な電力制御信号と、前記電力調整器の前記出力ノードからフィードバックされる電圧信号の両方に応答する、請求項１６に記載の半導体。
【請求項２１】
前記電力増幅器回路が、前記入力増幅器段と出力増幅器段との間に直列接続されている第２の出力増幅器段をさらに備え、前記第２の出力増幅器段が前記電力調整器の出力ノードを通して電力を受信して、前記出力増幅器段および前記第２の出力増幅器段に供給される電圧を制御することにより前記電力増幅器回路が供給する出力電力を制御するために前記調整可能な電力制御信号が調整される、請求項１６に記載の半導体。
【請求項２２】
前記バイアス回路が、さらに、前記第２の増幅器出力段に一定のバイアスを供給する、請求項２１に記載の半導体。
【請求項２３】
ａ）調整可能な電力制御信号に応答する調整された出力電圧を供給するステップと、
ｂ）無線周波入力信号を増幅するために出力増幅器段と直列に入力増幅器段を供給するステップと、
ｃ）固定電圧ノードから前記入力増幅器段に電力を供給するステップと、
ｄ）前記調整された出力電圧を通して前記出力増幅器段に電力を供給するステップとを含み、
前記出力増幅器段に供給される電圧を制御することによって供給される出力電力を制御するために、前記調整可能な電力制御信号が調整される方法。
【請求項２４】
前記入力および出力増幅器段に一定のバイアスを供給するステップをさらに含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
ａ）前記調整された出力電圧からのフィードバックを供給するステップと、
ｂ）前記調整可能な電力制御信号と前記調整された出力電圧からのフィードバックの両方に応答する前記調整された出力電圧を制御するための電圧制御信号を発生するステップとを含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２６】
前記増幅器回路が、さらに、前記入力増幅器段と前記出力増幅器段との間に直列接続されている第２の出力増幅器段を提供し、前記第２の出力増幅器段が前記電力調整器の出力ノードを通して電力を受信して、前記出力増幅器段および前記第２の出力増幅器段に供給される電圧を制御することによって、前記電力増幅器回路から供給される出力電力を制御するために、前記調整可能な電力制御信号が調整される、請求項２３に記載の方法。
【請求項２７】
前記第２の増幅器出力段に一定のバイアスを供給するステップをさらに含む、請求項２６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力増幅器の最終段に印加される電源電圧レベルを調整することによって多段無線周波数電力増幅器の出力電力を制御することに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、無線セルラー通信に対する世界的な需要が劇的に増加してきている。この芽生え始めた需要を満たすために製造される無線電話機は、移動通信用グローバル・システム（ＧＳＭ）標準などの標準を遵守しなければならない。もう１つの標準、デジタル・セルラー・システム（ＤＣＳ）標準は、ＧＳＭに基づいているが、より高いセル密度およびより低い電力に向けられている。第３の標準である所の、パーソナル通信サービス（ＰＣＳ）は、北アメリカにおいて稼働しているＧＳＭを含む多くのデジタル・セルラー・システムに対して「多様な対応を可能（catch all）とするもの」である。これらの標準はすべて、１つのセル内に置かれている送信機が、近傍のセル内の他の送信機からの伝送の受信と干渉することを防止するために、大きなダイナミック・レンジにわたる正確な出力電力制御を必要とする。  
【０００３】
すべての無線電話機に共通の主要な構成要素は無線周波数（ＲＦ）電力増幅器である。現代のデジタル無線電話機においては、電力増幅器は周波数変調または位相変調された無線周波数搬送波を入力として受信する。その無線周波数搬送波はデジタル化された音声またはデータなどのデジタル情報をセルラー基地局に「運ぶ」ものである。電力増幅器に到達する前に、ＲＦ搬送波はセルラー基地局によって受信されるには弱過ぎる。従って、そのＲＦ搬送波の電力をブーストしてセルラー基地局によって受信されるのに十分なレベルにまで上げることが電力増幅器の機能である。
【０００４】
都合の悪いことに、簡単な１つの固定電力レベルはセルラー・ネットワーク内では正常には動作しない。１つの固定大電力設定において複数のセルを通過しながら送信しているモバイル・ユーザはいくつかのセルラー基地局を困惑させることになる。対照的に、低電力の設定で送信しているモバイル・ユーザは、１つのおそらくセルラー基地局との短距離通信において信頼できない結果となる。この問題を克服するために、調整的に複数の電力レベルを選択することができる電力増幅器を備えた無線電話機が設計された。
【０００５】
無線周波数増幅器によって放出される出力電力を正確かつ効率的に選択して制御することは非常に難しい仕事である。例えば、従来技術のシステムは方向性結合器などの高価な構成部品を使用してそれぞれの出力電力の一部分を迂回させることにより出力電力をサンプリングする。その迂回された電力は浪費され、その結果として非効率的となり、バッテリ寿命および通話時間を減らすことになる。
【０００６】
さらに、従来技術のシステムのほとんどが、また、順方向電力を整流して検出するために使用されるピーク電力ダイオード検出器回路によってＲＦ電力サンプルを検出する。その整流プロセスによって、出力電力の波形がある程度矩形の形状になる。この矩形化によって高調波成分が大きくなる。この高調波成分は国際通信規制に適合するために抑制されなければならないので、追加の、そして費用のかかるフィルタリングを必要とする。検出以外に、基準の電力レベルを検出されたＲＦ電力サンプルに対して比較するために種々の他の構成部品が採用されている。これらの構成部品としては、バッファ、減衰器、および抵抗器などの受動素子などがある。
【０００７】
究極的に、出力電力を適当なレベルに調整するために、いくつかの増幅器段の利得をバイアス制御回路が調整する。一般に、従来技術のバイアス制御回路は電力制御ループのバンド幅における大きな変動のために、複雑なものとなる。最も多いのは、従来技術の電力制御システムは選択された離散的電力レベルを保持するために必要な、複雑なバイアス調整を提供するための費用のかかる特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣＳ）になっている。
【０００８】
従来の増幅器のアーキテクチャが直面するもう１つの問題は、電力制御ループの安定性の問題である。従来技術のシステムにおいては、利得は電力レベルが異なると大きく変化する。全範囲の電力レベルにわたってデシベル単位で利得が１０倍程度変化するのが普通である。増幅器の利得は制御変数として考慮されるとき、制御スロープと呼ばれることが多い。
【０００９】
一般に調整可能な電力制御信号またはＡＰＣと呼ばれる電力制御信号がバイアス制御回路に印加されるときは常に、与えられたＡＰＣ電圧に対して与えられた増幅器利得が設定されなければならない。都合の悪いことに、従来技術のシステムにおいて本来的な大きな非線形制御スロープが、電源変動、温度変化および出力負荷変動などの外部変動のために絶えず変化している。大きな非線形性および制御スロープの首尾一貫性がないことの結果として、すべての制御スロープ領域にわたって制御ループの安定性を維持するために適切な制御ループのバンド幅を設計することが難しい。この結果、設計段階が増加し、市場に出すまでに時間がかかる。
【００１０】
ＧＳＭ無線電話機においては、調整可能な電力制御信号は「バースト・マスク」として周知の仕様に従わなければならない。バースト・マスクは調整可能な電力制御信号に関連する立上がり時間、立下がり時間、持続時間、および電力レベルを規定している。ＧＳＭ信号は８個の等しいタイム・スロットから構成されている。各タイム・スロットはバースト・マスクの仕様に従わなければならない。電話機のソフトウェアは、ＤＡ変換器によりＶＲＡＭＰと呼ばれる調整可能な電力制御信号を生成する。ＶＲＡＭＰのランプ・アップ時間およびランプ・ダウン時間はバースト・マスクの形状に適合しなければならない。ＶＲＡＭＰの振幅は出力電力を規定する。
【００１１】
従来技術に対して共通のさらにもう１つの問題は、温度および電源電圧の変動による入力電力変動によって生じる首尾一貫しないバースト・タイミングの問題である。バースト・タイミングは入力電力における減少とともに遅延され、入力電力における増加とともに進められる。従来技術のシステムはソフトウェアを使用してこの問題を解決しようとし、結果として貴重なコード空間が消費されることになる。
【００１２】
さらにもう１つの問題は、バーストのアップ・ランプおよびダウン・ランプが滑らかでないか、あるいは形状が変化するときに発生する望ましくないスイッチングの過渡現象に起因して従来技術において発生する。これらのスイッチングの過渡現象は増幅器の制御スロープがその出力範囲内において屈曲点を有する場合、またはスロープが非常に急峻な場合にも発生する。結果として、従来技術のシステムがスイッチングの過渡現象を防止しようとしてそのような方法でバイアスおよび利得を変化させることは困難である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
従って、方向性結合器、検出器ダイオード、および電力制御ＡＳＩＣを組み込み、それと一緒に上記デバイスの採用に関連する問題点を有している従来の設計に対するニーズを解消している電力ループ制御を備えた電力増幅器モジュールに対するニーズが存在しているということである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、１つの入力段および１つまたはそれ以上の出力段を含む増幅器回路の電力増幅器制御を提供する。その入力段は比較的固定された電源によって出力段とは別に電力が供給されている。１つまたはそれ以上の出力段には制御可能な出力電圧を有する電圧調整器を通して電力が供給される。増幅器段と一体化した閉ループの制御によって、その電圧調整器の電圧出力が、ＶＲＡＭＰのような調整可能な制御信号のプロファイルを追跡するように強制される。
【００１５】
上記閉ループ制御は、好適には、誤差増幅器と、帰還回路網と、線形電圧調整器とを含むことが好ましい。誤差増幅器は、帰還回路網によってスケーリングされた調整器出力電圧のサンプルを調整可能な制御信号の電圧と比較する。そのサンプリングされた電圧と制御電圧信号との間の電圧の差が誤差増幅器によって増幅され、制御信号として電圧調整器に印加される。制御ループのバンド幅は、すべての実際的な目的に対して電圧調整器がその出力を瞬時に調整し、出力増幅器段のコレクタに印加される電圧を制御信号に対応させるようにするのに十分高いことが好ましい。好適には、入力段と出力段との間に接続されている一連の中間増幅器段には制御ループによって制御されている同じ電圧調整器から電力が供給されることが好ましい。
【００１６】
本発明の他の態様は、添付の図面を参照しながら、本発明の下記の詳細な説明を読めば、当業者なら理解することができるだろう。
本明細書に組み込まれ、その一部を形成している添付の図面は、本発明のいくつかの態様を示し、その説明と一緒に、本発明の原理を示す。
【発明の効果】
【００１７】
正確で離散的電力制御は電力増幅器の最終増幅器段のコレクタまたはドレインに供給される直流電圧を変えることによって達成することができる。従来技術とは違って、本発明の場合の無線周波数（ＲＦ）出力電力は、最終増幅器段に対する電源電圧が制御出力電力に対して調整されるときに、周波数、温度、または入力電力にはほとんど依存しない。増幅器段のバイアスを調整するのではなく、電源電圧を調整することの結果として、全範囲の電力にわたって滑らかで予測可能な制御が得られる。本発明を実施するために使用される回路は１つの半導体内に組み込まれるようにするか、あるいは複数の個々の構成部品を備えるようにすることができる。  
【００１８】
以下に説明される実施形態は、当業者なら本発明を実施できるようにするために必要な情報を提示し、本発明の実施の最良の形態を示す。添付の図面を参照しながら以下の説明を読むことにより、当業者であれば、本発明の概念を理解することができ、これらの概念の応用をここに取り上げられたものに限らず認識することができる。これらの概念および応用はその開示および特許請求の範囲内にあることを理解されたい。  
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明は、好適には、移動電話機、携帯情報端末などの移動端末２０に組み込まれることが好ましい。移動端末２０の基本アーキテクチャが図１に示されており、受信機フロント・エンド２２と、無線周波数送信機セクション２４と、アンテナ２６と、送受切換器またはスイッチ２８と、ベースバンド・プロセッサ３０と、制御システム３２と、周波数シンセサイザ３４と、インタフェース３６とを含むことができる。受信機フロント・エンド２２は基地局によって提供されている１つまたはそれ以上のリモート送信機から無線周波信号を運ぶ情報を受信する。低雑音増幅器３７はその信号を増幅する。フィルタ回路３８は受信信号内の広帯域干渉を最小化し、一方ダウンコンバータ４０は、フィルタされて受信信号を中間的な、あるいはベースバンド周波数信号にダウンコンバートし、それが次に１つまたはそれ以上のデジタル・ストリームにデジタル化される。受信機フロント・エンド２２は、通常、周波数シンセサイザ３４によって生成される１つまたはそれ以上の混合周波数を使用する。  
【００２０】
ベースバンド・プロセッサ３０はデジタル化された受信信号を処理し、その受信信号内に含まれている情報またはデータのビットを抽出する。この処理は、通常、復調、デコーディング、および誤り訂正演算を含む。従って、ベースバンド・プロセッサ３０は、一般に、１つまたはそれ以上のデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）で実施されている。
【００２１】
送信側において、ベースバンド・プロセッサ３０は制御システム３２からデジタル化されたデータを受信し、それを送信のためにコード化する。そのコード化データが送信機２４に出力され、そこでそれは変調器４２によって使用されて所望の送信周波数において搬送波信号を変調する。電力増幅器回路４４は、変調された搬送波信号をアンテナ２６からの送信のために適当なレベルにまで増幅する。  
【００２２】
以下にさらに詳細に記述されるように、電力増幅器回路４４は電力制御回路４６の制御下で送信される信号に対する利得を提供する。それは、好適には、ＶＲＡＭＰ信号７４を使用して制御システム３２によって制御されることが好ましい。好適には、増幅器回路４４に対するバイアスは電力とは無関係に比較的安定であり、増幅器回路４４に供給される電圧を変化させることによって、実際の電力レベルが制御される。制御システム３２は送信の期間において電力増幅器回路４４および電力制御回路４６を効果的にオンするために送信イネーブル（ＴＸ  ＥＮＡＢＬＥ）９４も供給することができる。
【００２３】
ユーザはインタフェース３６を通して移動端末２０と対話することができ、インタフェース３６はマイクロホン５０、スピーカ５２、キーパッド５４、およびディスプレイ５６に関連するインタフェース回路４８を含むことができる。インタフェース回路４８は、通常、ＡＤ変換器、ＤＡ変換器、増幅器などを含む。さらに、インタフェース回路は音声エンコーダ／デコーダを含むことができ、その場合、インタフェース回路はベースバンド・プロセッサ３０と直接通信することができる。
【００２４】
マイクロホン５０は、通常、ユーザの声などの音声入力を電気信号に変換し、その信号が次にデジタル化されてベースバンド・プロセッサ３０に直接または間接に渡される。受信信号内のコード化されたオーディオ情報はベースバンド・プロセッサ３０によって回復され、Ｉ／Ｏおよびインタフェース回路４８によってスピーカ５２を駆動するのに適したアナログ信号に変換される。キーパッド５４およびディスプレイ５６によって、ユーザは移動端末２０と対話し、ダイヤルする番号、アドレス・ブック情報など、およびモニタ呼出し進捗情報を入力することができる。  
【００２５】
ここで図２について説明すると、電力増幅器回路４４は電力制御回路４６と関連付けられている。電力増幅器回路４４は、主として３つの増幅器段、すなわち、第１増幅器段６０と、第２増幅器段６２と、第３増幅器段６４とを含み、および３つの増幅器段６０、６２、および６４のそれぞれに対してバイアスを提供するバイアス回路網６６を含む。電力制御回路４６は誤差増幅器６８と、電圧調整器７０と、帰還回路網７２とを含むのが好ましい。
【００２６】
調整可能な電力制御信号７４（ＶＲＡＭＰ）は、誤差増幅器６８を形成している演算増幅器の負入力７６によって受信することができる。電圧調整器７０の出力７８は帰還回路網７２を通してフィードバックされ、誤差増幅器６８の正入力８０によって受信される。誤差増幅器６８からの出力信号８２は、電圧調整器７０の調整された出力７８を制御する電圧調整器７０の制御入力８４に与えられる。電圧調整器７０は第２および第３の増幅器段６２、６４のレール８６、８８に対してそれぞれ供給される電圧を調整する。これらのレール８６、８８は、通常、当業者なら理解されるように、それぞれの増幅器段を形成しているバイポーラ・トランジスタのコレクタまたは電界効果型トランジスタのドレインである。
【００２７】
第１の増幅器段６０のレール９０は、固定の電源、あるいは一次電源ＶＰＲＩＭに直接に接続され、それはまたバッテリの正電位に対する端子に接続されることが好ましい。また、ＶＰＲＩＭは電圧調整器の入力端子９２にも接続されることが好ましい。注記されたように、バイアス回路網６６は第２および第３の増幅器段６２、６４に供給されるコレクタ／ドレイン電圧とは無関係に、３つの電力増幅器段６０、６２、６４に対して固定のバイアスを供給することが好ましい。固定のバイアスは一定のバイアスを維持するように構成されている従来のＶＡＰＣ信号を組み込む。
【００２８】
送信機制御信号９４、ＴＸ  ＥＮＡＢＬＥは、３つの増幅器段６０、６２、６４のそれぞれからバイアスを取り除くことによって、誤差増幅器６８および増幅器回路４４を同時に作動（enable）または不作動（disable）するために使用される論理信号である。増幅される無線周波信号（ＲＦＩＮ）は、第１段の増幅器６０の入力９６において供給され、３つの増幅器段６０、６２、６４によって増幅されて第３の増幅器段６４から増幅された出力信号９８（ＲＦＯＵＴ）を供給する。
【００２９】
典型的なＶＲＡＭＰ信号の電圧プロファイルが図３に示されている。本発明のこの実施形態はＶＲＡＭＰ信号を＋１．８Ｖまでに制限しているが、本発明の他の実施形態はＶＲＡＭＰ入力を駆動するためにそれより小さいか、あるいはそれより大きい電圧を使用することができる。ここで図４について説明すると、この図は、図３のＶＲＡＭＰ信号の関数としての出力電力レベルを示す。注目すべきこととして、電力レベルは、ＶＲＡＭＰ信号を追跡し、この好ましい実施形態の場合の＋５ｄＢｍの最小値から＋３５ｄＢｍの最大値までの範囲にわたっている。
【００３０】
図５は、従来技術の従来の増幅器回路に対するバイアスを通常制御する調整可能な電力制御信号（ＶＡＰＣ）と出力電力との間の非線形関係を示す。電圧利得が増幅器回路の電力制御信号に対するＲＦ出力電圧の比によって表されている。増幅器回路の利用可能な出力電圧が出力電力に対応する。
【００３１】
対照的に、図６は本発明において利得を制御するために使用されるＶＲＡＭＰと実際の出力電力との間の線形関係を示す。本発明はスロープにおける変動がずっと小さいことを示しており、ループの安定性の問題および非線形利得制御特性を解消している。さらに、ループのバンド幅は内部バンド幅およびＲＦ出力負荷によってのみ決定され、従って、ループのバンド幅は出力電力レベルに関しては変化しない。
【００３２】
本発明は３バンドＧＳＭ／ＤＣＳ／ＰＣＳ電力増幅器モジュールによって送信される電力を制御するための間接的な閉ループ電圧調整器を含むことが好ましい。閉ループの間接性によって、制御の方法が第三者の設計技術者に対して本質的に見えなくなる。これは冗長で複雑な制御ループ設計の必要性をなくすことによって電話機の設計を簡単にする。実際に、間接的閉ループはユーザにとって開ループとして見え、ＤＡ変換器の出力から直接に駆動することができる。
【００３３】
従来技術のほとんどのＧＳＭ電力制御システムは順方向電力を検出するか、あるいはコレクタ／ドレイン電流を検出する。本発明は電力検出器を使用せず、代わりに、増幅器の出力段に印加されるコレクタまたはドレインの電圧を調整するために高速制御を組み込むことができ、一方、入力段は一定のバイアスに保たれる。
【００３４】
配送される電力を調整することによって、出力段はすべての電力レベルにわたって飽和状態に保たれる。従来技術の制御システムはすべての電力レベルにわたって出力段を飽和状態に保つことはできない。電力レベルが全出力からゼロにまで減少するにつれて、出力段に印加されるコレクタまたはドレインの電圧が減少する。出力電力とコレクタ電圧との間の関係を式１に示すことができる。
【００３５】
【数１】
2005518684.tif 000003
【００３６】
電力増幅器は移動無線電話機における最大電流消費を考慮に入れるので、通話時間および電力管理は送信機の設計における重要な関心事である。電力増幅器の効率を考えるだけではシステム全体の効率の真の評価を提供しない。実効的効率が考慮されなければならない。実効的効率は電力増幅器とアンテナとの間の損失を考慮し、そして電力管理および通話時間を評価するための、ずっと良好な性能指数である。実効的効率は下記の式２によって計算することができる。
【００３７】
【数２】
2005518684.tif 000004
【００３８】
ここで、ＰＮはすべての正および負のＲＦ電力の合計であり、ＰＩＮは入力電力であり、ＰＤＣは供給される直流電力である。デシベル単位では、この式は式３となる。  
【００３９】
【数３】
2005518684.tif 000005
【００４０】
ここで、ＰＰＡは電力増幅器からの出力電力であり、ＰＬＯＳＳは挿入損失であり、ＰＩＮは電力増幅器に対する入力電力であり、ＶＢＡＴはバッテリまたは電源の電圧であり、ＩＢＡＴはバッテリまたは電源の電流である。  
【００４１】
本発明は、式３のＰＬＯＳＳの項を最小化することによって実効的効率を改善する。方向性結合器は送信経路において０．４ｄＢ〜０．５ｄＢの挿入損失を導入する可能性がある。下記の例によって示されているような本発明によって提供される実効的効率の改善を考慮されたい。  
【００４２】
【表１】
2005518684.tif 000006
【００４３】
この例においては、本発明は効率をほぼ５％改善する。  
【００４４】
本発明では、出力電力は普通の動作状態において電源電圧による変動はなく、ＶＲＡＭＰが電源電圧またはバッテリ電圧より十分に低くなっている。最終の増幅器段に印加されるレール電圧を調整することによって電圧感度が実際的に消去される。
【００４５】
通常、ＶＲＡＭＰは電源電圧より十分に小さくなる。しかし、電源電圧がバッテリの放電のために低くなってきて、その低い電力範囲に近付くにつれて、電力増幅器からの最大出力電力が僅かに降下する。この場合、ＶＲＡＭＰも減少させて電力制御ループがスイッチングの過渡現象を誘起しないように防止することが重要である。これらのスイッチングの過渡現象はＶＲＡＭＰの機能としての調整している電力ではなく、制御ループのスロー・ダウンの結果として発生する。補正用ソフトウェアが式４によってカバーされる極端な関係に対して低いバッテリ状態に起因するスイッチングの過渡現象を制御する。
【００４６】
【数４】
2005518684.tif 000007
【００４７】
電力増幅器の出力に結合されている構成部品は、周波数に関して変化する挿入損失を持つことが多い。これまでは、第三者の設計技術者はこれらの変動を考慮しなければならない。その周波数における変動に対する感度のために、方向性結合器および検出器ダイオードは設計の制約を生じる。設計の制約が追加される結果、設計時間が増加する。都合のよいことに、本発明は電力を効果的に制御するために方向性結合器または検出器ダイオードを必要としない。  
【００４８】
入力インピーダンスの変動がほとんどのＧＳＭ電力増幅器において見られる。これはバイアス電圧に関してベース‐エミッタ間およびコレクタ‐ベース間のキャパシタンスにおける変動に起因している。これは送信の電圧制御発振器（ＶＣＯ）の周波数を範囲外に引っ張ることによって、従来技術のいくつかの設計において問題を提示する可能性がある。この問題は本発明においては存在し得ない。何故なら、第１の増幅器段、すなわち、入力増幅器段６０のバイアス点が一定に保たれているからである。これはＶＣＯに対して一定の負荷を提示する。  
【００４９】
従来技術の電力増幅器において電力を下げるときに、雑音電力が問題となることが多い。この理由は、バイアス電圧の変動がすべての段における利得を変化させ、図５によって示されているような雑音の式に従って、雑音指数がすべての段における雑音係数および利得に依存するからである。従来技術に対する１つの改善として、本発明は常に第１増幅器段６０に対する利得を一定の高い値に保ち、従って、総合の雑音電力は出力電力を下げているときに増加しない。  
【００５０】
【数５】
2005518684.tif 000008
【００５１】
さらに、第２および第３の増幅器段６２、６４は、すべての電力レベルにおいて飽和状態に保たれることが好ましい。これは出力電力の減少時における利得の拡大を防止し、結果として低い電力レベルにおける雑音の増加の問題を回避する。  
【００５２】
電力制御回路の安定性は、送信機の設計に対して多くの課題を提示することが多い。電力制御回路４６の設計は、安定性、過渡スペクトル、およびバースト・タイミングに影響する工学的なトレードオフを含む。従来技術のシステムにおいては、電力増幅器の利得（制御スロープとも呼ばれる）は、異なる電力レベルにわたって変化し、結果としてループのバンド幅も変化する。いくつかの電力増幅器では、デシベル／Ｖで測定される制御スロープが１０倍も変化する可能性がある。従来技術の電力増幅器を組み込んでいる移動端末２０を設計する際に提示される課題は、ループのバンド幅を十分広く保ち、低い制御スロープ領域におけるバースト・マスク仕様に適合するようにし、一方同時に、高い制御スロープ領域における安定性を維持することである。  
【００５３】
本発明の制御ループのバンド幅は内部のバンド幅およびＲＦ出力負荷によってのみ決定される。ループのバンド幅は電力レベルに関しては変化しない。何故なら、バイアス電圧が変化せず、高いバンド幅ループを有するループの安定性を維持するのが容易だからである。  
【００５４】
従来技術の電力増幅器では、バースト・タイミングは、ＶＣＯからの入力電力が温度または電源電圧における変動に起因して変化する時に影響される。低いＶＣＯ電力レベルにおいては、バースト・タイミングは遅延され、ソフトウェアによる補正を必要とする。バースト・タイミングの遅延を補正するために書かれたコードは、追加的な電話の機能などのために使用される可能性のある貴重なコード空間を取る。本発明は、第１の増幅器段６０に印加されるバイアスが一定であることの結果として、入力電力における変化には感じない。従って、バースト・タイミングは一定であり補正を必要としない。
【００５５】
この好ましい実施形態においては、オン抵抗が５０ミリオーム以下である簡単なＣＭＯＳ電圧調整器が、第２および第３の増幅器段６２、６４に対する電圧を調整するために使用されている。そのような低いオン抵抗の電圧調整器７０を使用することによって、全出力における効率の低下が大幅に制限される。さらに、この好ましい実施形態においては増幅器回路４４の入力、すなわち、最初の増幅器段６０に対する電圧は調整されていない。最初の増幅器段６０に対するレール９０を変化させないことによって、雑音指数における影響が少なくなり、より一定の入力インピーダンスとなる。
【００５６】
スイッチングの過渡現象は従来技術に固有のもう１つの問題である。スイッチングの過渡現象はバーストの立上がりおよび立下がりが滑らかでないときに発生する可能性がある。また、それらは出力の電力範囲内に時々現れる屈曲点からの結果である可能性がある。制御スロープそのものの急峻性もスイッチングの過渡現象の防止を困難にする可能性がある。本発明は、すべての増幅器段を一定にバイアスすることによってスイッチングの過渡現象を防止する。
【００５７】
望ましくない高調波の周波数が高効率の電力増幅器の設計の避けられない産物である。理想的なクラス「Ｆ」の飽和型の電力増幅器は完全な矩形波を発生する。都合の悪いことに、矩形波には大きな高調波成分がある。この問題は従来技術のシステムにおいては順方向電力を整流して検出するために使用されるピーク電力ダイオードの使用によって複雑化している。本発明はこの問題に対してピーク電力ダイオードに対する必要性をなくすることによって対策する。これは電力制御ＡＳＩＣ、方向性結合器、バッファ、減衰器、各種の受動素子などの、出力電力を制御するために使用される従来の設計の外部構成部品のほとんどをなくすことによって達成される。
【００５８】
本発明の１つの実施形態は少なくとも２つの増幅器段と、１つの入力段と、１つの出力段とを含む。入力段には比較的固定された電源によって出力段から分離されている電力が供給される。出力段にはバッテリまたはいくつかの他の直流電源に接続されている電圧調整器７０により電力が供給される。増幅器段６０、６２、６４と一体化した閉ループ制御が、電圧調整器７０の電圧出力が、ＶＲＡＭＰのような調整可能な制御信号７４のプロファイルを追跡するように強制する。
【００５９】
この閉ループ制御は、誤差増幅器６８と、電圧帰還回路網と、線形電圧調整器７０とを含む。誤差増幅器６８は、帰還回路網によってスケーリングされた調整器出力電圧のサンプルをＶＲＡＭＰ信号の電圧と比較する。そのサンプリングされた電圧とＶＲＡＭＰ電圧信号との間の電圧差が誤差増幅器６８によって増幅され、電圧調整器７０の制御入力に制御信号として印加される。制御ループのバンド幅は十分に高く、すべての実際的な目的に対して電圧調整器７０がその出力を瞬時に調整し、出力増幅器段のコレクタに印加される電圧がＶＲＡＭＰと同じプロファイルの電圧となるようにする。
【００６０】
本発明のもう１つの実施形態においては、中間増幅器段が入力段と出力段との間に直列接続されている。この中間段には前の実施形態において述べたのと同じ制御ループによって制御される同じ電圧調整器７０により電力が供給される。
【００６１】
さらに、線形に制御されたスイッチング・レギュレータを使用することができ、それは増幅器の総合効率を増加させる。
【００６２】
本発明の１つの利点は、一体化した閉ループの調整がユーザから本質的に隠されていることである。言い換えれば、一体化されているために、ユーザは本発明をあたかも簡単な開ループ制御を有しているものとして使用することができる。この特徴の結果として、本発明は従来技術より移動端末設計において、より容易に実施することができる。
【００６３】
本発明のもう１つの利点は制御スロープ曲線の単純性である。従来技術のシステムの制御スロープは大きく変化し、すべての電力レベルに対して制御ループの安定性が最善になるようにすることが難しい。さらに、どの離散的電力レベルの精度も制御が実行される領域において制御スロープがどの程度急峻であるかによって部分的に支配される。
【００６４】
本発明のさらにもう１つの利点は、電力増幅器の制御ループにおいてしばしば見逃される問題、すなわち、調整可能な電力制御信号とその出力電力の変化の応答との間の遅延の問題に対処することである。また、入力段の利得が固定で高くなっているので、ＲＦ入力電力の温度または電源電圧の変動に起因する変動によってバースト・タイミングが時間的に右側にシフトすることはない。これらの理由のためにバースト・タイミングは本発明においては一定であり、ソフトウェアによる補正を必要としない。
【００６５】
本発明のもう１つの利点は、外付け部品数が減少しており、価格およびボード空間の両方が大幅に節減されることである。本発明は、方向性結合器や、他のタイプの無線周波数サンプラまたは測定を必要としない。さらに、本発明は従来技術において見られた多くの電力制御システムにおいて存在していたピーク電力ダイオード検出器を組み込んでいない。ピーク電力ダイオード検出器がない結果として、出力電力周波数スペクトルの高調波成分が減るという追加のメリットが生じる。さらに、本発明はコストの大きい電力制御用ＡＳＩＣインタフェースを使用せずにソフトウェアによって制御することができる。能動素子数が減ることの結果として、抵抗器、キャパシタ、およびインダクタなどの受動素子も減少する。
【００６６】
本発明に対する代案の使用はログ・ポーラ変調として周知の変調技術について実現することができる。ログ・ポーラ変調は別々の入力に対して適用される振幅変調および位相変調から構成されている。本発明の場合、位相変調が増幅器の入力段に対して適用され、振幅変調がＶＲＡＭＰ信号に重畳されている。
【００６７】
上記説明を読めば、当業者であれば他の種々の修正および改良を思い付くことができるだろう。さらに、本発明は、構成部品、すなわち、抵抗器、キャパシタ、インダクタ、トランジスタなどの特定の組合せにより実現されてきた。また、これらの構成部品の組合せは動作周波数などのファクタに依存して特定の条件下で交換可能であることも理解することができるだろう。そのようなすべての変更および改善は、簡潔性と読みやすさのためにここでは削除されてきたが、特許請求の範囲内に含まれることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明により構築された移動端末の概略図である。
【図２】本発明の好ましい実施形態を示す回路図である。
【図３】調整可能な電力制御信号ＶＲＡＭＰのプロファイルを示すグラフである。
【図４】出力電力と調整可能な電力制御信号ＶＲＡＭＰとの間の関係を示すグラフである。
【図５】従来技術のアーキテクチャに対する、制御スロープとしても周知の電力増幅器利得を示すグラフである。
【図６】本発明に対する制御スロープを示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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