(57)【要約】【課題】電力増幅器に入力される変調信号の電力が低い場合においても、エンベロープトラッキング電力増幅器の電力効率を高めるパルス幅変調回路を得ること。【解決手段】この発明のパルス幅変調回路は、三角波発生回路１から出力される三角波搬送波とエンベロープ信号とを比較してパルス幅変調信号を出力する第１のコンパレータ２と、エンベロープ信号と閾電圧V1とを比較して三角波発生回路１をON/OFFする制御信号を出力する第２のコンパレータ３と、エンベロープ信号と閾電圧V1よりも高い閾電圧V2とを比較して第１のコンパレータ２をON/OFFする制御信号を出力する第３のコンパレータ４と、を備えて構成し、パルス幅変調信号を生成する。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
搬送波を発生する搬送波発生手段と、
入力されたエンベロープ信号と前記搬送波とを比較してパルス幅変調信号を出力するパルス幅変調手段と、
入力されたエンベロープ信号と所定の閾電圧とを比較し、前記エンベロープ信号が前記閾電圧よりも高い場合には前記搬送波発生手段および前記パルス幅変調手段の動作を開始させ、前記エンベロープ信号が前記閾電圧よりも低い場合には前記搬送波発生手段および前記パルス幅変調手段の動作を停止させるように前記搬送波発生手段および前記パルス幅変調手段を制御する比較手段と、
を備え、
パルス幅変調信号を生成するパルス幅変調回路。
【請求項２】
搬送波を発生する搬送波発生手段と、
入力されたエンベロープ信号と前記搬送波とを比較してパルス幅変調信号を出力するパルス幅変調手段と、
入力されたエンベロープ信号と所定の第１の閾電圧とを比較し、前記エンベロープ信号が前記第１の閾電圧よりも高い場合には前記搬送波発生手段の動作を開始させ、前記エンベロープ信号が前記第１の閾電圧よりも低い場合には前記搬送波発生手段の動作を停止させるように前記搬送波発生手段を制御する第１の比較手段と、
入力されたエンベロープ信号と前記第１の閾電圧より高い所定の第２の閾電圧とを比較し、前記エンベロープ信号が前記第２の閾電圧よりも高い場合には前記パルス幅変調手段の動作を開始させ、前記エンベロープ信号が前記第２の閾電圧よりも低い場合には前記パルス幅変調手段の動作を停止させるように前記パルス幅変調手段を制御する第２の比較手段と、
を備え、
パルス幅変調信号を生成するパルス幅変調回路。
【請求項３】
電力増幅器と、
検波器と、
デジタルベースバンド信号を出力するデジタルベースバンド回路と、
入力された前記デジタルベースバンド信号をアナログベースバンド信号に変換するデジタル‐アナログ変換器と、
入力された前記アナログベースバンド信号を変調して変調信号を前記電力増幅器と前記検波器に出力する変調器と、
前記検波器から入力された前記変調信号から生成されたエンベロープ信号に基づいてパルス幅変調信号を生成する請求項１又は２記載のパルス幅変調回路と、
入力された前記パルス幅変調信号を増幅するスイッチング増幅器と、
前記スイッチング増幅器の出力を平滑化して前記電力増幅器へバイアス電圧として印加するLPF（Low Pass Filter）と、
を備えたエンベロープトラッキング電力増幅器。
【請求項４】
電力増幅器と、
デジタルベースバンド信号とデジタルベースバンド信号の波形に応じたデジタルエンベロープ信号を出力するデジタルベースバンド回路と、
入力された前記デジタルベースバンド信号をアナログベースバンド信号に変換するデジタル‐アナログ変換器と、
入力された前記デジタルエンベロープ信号をアナログエンベロープ信号に変換するアナログ‐デジタル変換器と、
前記アナログ‐デジタル変換器から入力された前記アナログエンベロープ信号に基づいてパルス幅変調信号を生成する請求項１又は２記載のパルス幅変調回路と、
入力された前記パルス幅変調信号を増幅するスイッチング増幅器と、
前記スイッチング増幅器の出力を平滑化して前記電力増幅器へバイアス電圧として印加するLPF（Low Pass Filter）と、
を備えたエンベロープトラッキング電力増幅器。
【請求項５】
前記検波器に代えて、前記パルス幅変調回路へ入力される前記エンベロープ信号の複数のそれぞれの経路に、前記変調器から出力された前記変調信号がそれぞれ入力され、入力された変調信号から個別にエンベロープ信号を生成する検波器を設けたことを特徴とする請求項３記載のエンベロープトラッキング電力増幅器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば携帯電話端末などの通信装置に用いられる、エンベロープトラッキング電力増幅器を構成するパルス幅変調回路および該パルス幅変調回路を備えたエンベロープトラッキング電力増幅器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に電力増幅器は飽和出力付近で最も電力効率が高いが、例えば携帯電話端末では電力増幅器の電力効率が低い小出力で運用することが多い。また、基地局ではピーク電力に比べ平均電力が小さいOFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)のような変調信号を増幅するため、電力増幅器の電力効率が低くなる。そこで、低い電力の入力信号においても電力効率の高い電力増幅器の実現が求められている。
【０００３】
比較的低い電力の入力信号において電力増幅器の電力効率を向上する方式の一つにエンベロープトラッキング方式がある。エンベロープトラッキング方式は、送信信号のエンベロープ波形に応じて電力増幅器の電源バイアスを制御する方式である。電源バイアスを制御することにより、電力増幅器を常に飽和出力付近で動作させることが可能となるため、比較的低い電力の入力信号においても電力効率が向上する。
このようなエンベロープトラッキング電力増幅器が有するパルス幅変調回路として、三角波発生回路とコンパレータとを用いた三角波比較方式の構成が一般的に知られている（例えば、非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】本田潤，“D級ディジタル・アンプの設計と製作，” CQ出版社，2004．（p.58，p.60，図4-2，図4-3 ）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来のパルス幅変調回路は、三角波発生回路から出力される三角波搬送波とエンベロープ信号とをコンパレータを用いて比較し、エンベロープ信号電圧が三角波搬送波電圧よりも高い（あるいは低い）時間に相当する幅のパルス信号（パルス幅変調信号）を出力する構成である。
エンベロープトラッキング方式では、比較的低い電力の入力信号において増幅器の電力効率を向上するのには有効であるが、入力信号の電力がさらに低くなると、その効果が小さくなり、電力増幅器のバイアス電圧を一定にする場合と大差がなくなる。この場合、パルス幅変調回路は動作する必要がない。しかしながら、電力増幅器に入力される変調信号の電力が低い場合においても、三角波発生回路及びコンパレータが常に動作するため、この間に消費される電力により、エンベロープトラッキング電力増幅器全体の電力効率が低くなる問題があり、この消費電力を低減することが求められる。
【０００６】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、エンベロープトラッキング電力増幅器の電力効率を高めるパルス幅変調回路を得ることを目的とする。
また、この発明に係わるパルス幅変調回路を備えた電力効率の高いエンベロープトラッキング電力増幅器を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係わるパルス幅変調回路は、搬送波を発生する搬送波発生手段と、入力されたエンベロープ信号と前記搬送波とを比較してパルス幅変調信号を出力するパルス幅変調手段と、入力されたエンベロープ信号と所定の閾電圧とを比較し、前記エンベロープ信号が前記閾電圧よりも高い場合には前記搬送波発生手段および前記パルス幅変調手段の動作を開始させ、前記エンベロープ信号が前記閾電圧よりも低い場合には前記搬送波発生手段および前記パルス幅変調手段の動作を停止させるように前記搬送波発生手段および前記パルス幅変調手段を制御する比較手段と、を備え、パルス幅変調信号を生成するものである。
【０００８】
また、この発明に係わるエンベロープトラッキング電力増幅器は、電力増幅器と、検波器と、デジタルベースバンド信号を出力するデジタルベースバンド回路と、入力された前記デジタルベースバンド信号をアナログベースバンド信号に変換するデジタル‐アナログ変換器と、入力された前記アナログベースバンド信号を変調して変調信号を前記電力増幅器と前記検波器に出力する変調器と、前記検波器から入力された前記変調信号から生成されたエンベロープ信号に基づいてパルス幅変調信号を生成するパルス幅変調回路と、入力された前記パルス幅変調信号を増幅するスイッチング増幅器と、前記スイッチング増幅器の出力を平滑化して前記電力増幅器へバイアス電圧として印加するLPF（Low Pass Filter）と、を備えたものである。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、エンベロープ信号の電圧が、エンベロープトラッキング方式の適用による電力増幅器の電力効率向上の効果が高くなる、所定の閾電圧以上になった場合にのみパルス幅変調回路が動作するため、パルス幅変調回路の消費電力が低減され、エンベロープトラッキング電力増幅器の電力効率を高める効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】この発明の実施の形態１に係わるパルス幅変調回路を示す構成説明図である。
【図２】エンベロープ信号の電圧とパルス幅変調回路の状態との関係を示す図である。
【図３】この発明の実施の形態１によるパルス幅変調回路を適用したエンベロープトラッキング電力増幅器の一例を示す構成説明図である。
【図４】この発明の実施の形態１によるパルス幅変調回路を適用したエンベロープトラッキング電力増幅器の他の一例を示す構成説明図である。
【図５】実施の形態４で示した、この発明の実施の形態１に係わるパルス幅変調回路を適用したエンベロープトラッキング電力増幅器の変形例を示す構成説明図である。
【図６】検波器１２、第１の検波器１６、第２の検波器１７、第３の検波器１８に求められる特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係わるパルス幅変調回路を示す構成説明図である。図において、１は三角波発生回路であり、三角波搬送波を出力する。２は第１のコンパレータであり、三角波発生回路１から出力される三角波搬送波とエンベロープ信号とを比較してパルス幅変調信号を出力する。３は第２のコンパレータであり、エンベロープ信号と閾電圧V1とを比較して三角波発生回路１をON/OFFする制御信号を出力する。４は第３のコンパレータであり、エンベロープ信号と閾電圧V2とを比較して第１のコンパレータ２をON/OFFする制御信号を出力する。ここで閾電圧V2は閾電圧V1よりも高いものとする。
【００１２】
次に動作について説明する。エンベロープ信号が第２のコンパレータ３及び第３のコンパレータ４に入力されると、それぞれ閾電圧V1及び閾電圧V2と比較される。図２にエンベロープ信号の電圧とパルス幅変調回路の状態との関係を示す。まず、エンベロープ信号の電圧が閾電圧V1よりも低い場合は、第２のコンパレータ３から三角波発生回路の動作をOFFにする制御信号が出力され、第３のコンパレータ４から第１のコンパレータ２の動作をOFFにする制御信号が出力される。このときパルス幅変調回路全体がOFFとなり何も出力されない。
なお、上記OFF状態では、このパルス幅変調回路を備えて構成されたエンベロープトラッキング電力増幅器の電力増幅器には一定のバイアス電圧が印加される。
【００１３】
次に、エンベロープ信号の電圧が閾電圧V1よりも高く、閾電圧V2よりも低い場合は、第２のコンパレータ３から三角波発生回路の動作をONにする制御信号が出力され、第３のコンパレータ４から第１のコンパレータ２の動作をOFFにする制御信号が出力される。このとき三角波発生回路１は動作し始めるが、すぐに所望の三角波搬送波は出力されず、過渡的な波が出力される。一方、第１のコンパレータ２はOFF状態であるため、結局パルス幅変調回路全体からは何も出力されない。つまり、この状態は三角波発生回路１から所望の三角波搬送波が出力されるまで待機する待機状態である。
なお、上記待機状態では、このパルス幅変調回路を備えて構成されたエンベロープトラッキング電力増幅器の電力増幅器には一定のバイアス電圧が印加される。
【００１４】
さらに、エンベロープ信号の電圧が閾電圧V2よりも高くなると、第２のコンパレータ３から三角波発生回路の動作をONにする制御信号が出力され、第３のコンパレータ４から第１のコンパレータ２の動作をONにする制御信号が出力される。このときパルス幅変調回路がONとなり、パルス幅変調回路からはエンベロープ信号電圧に応じたパルス幅を有するパルス幅変調信号が出力される。
【００１５】
ここで、三角波発生回路１及び第１のコンパレータ２を動作させるためにはバイアス電圧を印加する必要があり、これにより三角波発生回路１及び第１のコンパレータ２で電力を消費する。しかしながら、以上のようにこの発明の実施の形態１に係わるパルス幅変調回路では、エンベロープ信号の閾電圧がV2より低い範囲、つまり変調信号の入力電力がP2よりも低い場合においては、エンベロープ信号電圧に応じたパルス幅変調信号が出力されないため、パルス幅変調回路の消費電力が低減される。
【００１６】
したがって、この発明の実施の形態１に係わるパルス幅変調回路を備えて構成されたエンベロープトラッキング電力増幅器全体の電力効率が高まるという効果がある。
【００１７】
実施の形態２．
実施の形態１に係わるパルス幅変調回路では、三角波発生回路１から所望の三角波搬送波がすぐに出力されないとし、所望の三角波搬送波が出力されるまで待機する待機状態を設けたが、所望の三角波搬送波が出力されるまでの時間が無視できるほど短い場合は、待機状態を設けずに、ON状態とOFF状態のみを設定しても良い。
この場合、パルス幅変調回路の構成としては、図１の構成説明図に示した第２のコンパレータ３は不要となり、第３のコンパレータ４においてエンベロープ信号と閾電圧V2とを比較し、エンベロープ信号が閾電圧V2より低い場合は三角波発生回路１及び第１のコンパレータ２の動作をOFFにし、エンベロープ信号が閾電圧V2より高い場合は三角波発生回路１及び第１のコンパレータ２の動作をONにする制御信号を、第３のコンパレータ４から三角波発生回路１及び第１のコンパレータ２に出力すればよい。
【００１８】
以上のことから、この発明の実施の形態２に係わるパルス幅変調回路では、エンベロープ信号の閾電圧がV2より低い範囲、つまり変調信号の入力電力がP2よりも低い場合においては、エンベロープ信号電圧に応じたパルス幅変調信号が出力されないため、パルス幅変調回路の消費電力が低減される。
【００１９】
したがって、この発明の実施の形態２に係わるパルス幅変調回路を備えて構成されたエンベロープトラッキング電力増幅器全体の電力効率が高まるという効果がある。
【００２０】
実施の形態３．
以上の実施の形態では、パルス幅変調回路として三角波発生回路とコンパレータとを用いた三角波比較方式の構成で説明したが、パルス幅変調回路として矩形波発生回路とデルタシグマ変調回路とを用いたデルタシグマ変調方式の構成としても良い。デルタシグマ変調方式の構成とする場合は、図１において、三角波発生回路１を矩形波発生回路に、第１のコンパレータ２をデルタシグマ変調回路に置き換えれば良い。
【００２１】
実施の形態４．
図３は、この発明の実施の形態１に係わるパルス幅変調回路を適用したエンベロープトラッキング電力増幅器の一例を示す構成説明図である。図３において、図１と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。５は電力増幅器で、例えばOFDMなどの変調が施された変調信号の電力を増幅して出力する。６はパルス幅変調回路で、変調信号のエンベロープ波形（エンベロープ信号）の電圧に応じた幅のパルス波形（パルス幅変調信号）に変換する。７はスイッチング増幅器、８はLPF（Low Pass Filter）であり、パルス幅変調回路６から出力されるパルス幅変調信号をスイッチング増幅器７で増幅した後、平滑化し、これを電力増幅器５のバイアス電圧とする。また、９はデジタルベースバンド回路であり、デジタルベースバンド信号を出力する。１０はデジタル-アナログ変換器（DAC: Digital-to-Analog Converter）であり、デジタルベースバンド信号をアナログベースバンド信号に変換する。１１は変調器であり、アナログベースバンド信号で変調された変調信号を出力する。１２は検波器であり、変調信号を検波してエンベロープ信号を出力する。
【００２２】
次に動作について説明する。デジタルベースバンド回路９、デジタル-アナログ変換器１０、変調器１１を介して出力される変調信号は２つに分けられ、一方は電力増幅器５により電力が増幅されて出力される。他方は検波器１２により検波され、変調信号のエンベロープがエンベロープ信号として出力される。エンベロープ信号はパルス幅変調回路６により、エンベロープ信号の電圧に応じたパルス幅を有するパルス幅変調信号として出力され、スイッチング増幅器７で増幅した後、LPF８で平滑され、これを電力増幅器５のバイアス電圧とする。その結果、電力増幅器５には検波器１２から出力されるエンベロープ信号の電圧に応じたバイアス電圧が出力される。
【００２３】
また、パルス幅変調回路６は、エンベロープ信号の電圧に応じてOFF状態、待機状態、ON状態を切り替えることができるため、電力増幅器５に入力される変調信号の入力電力が低く、電力増幅器５のバイアス電圧をエンベロープ信号の電圧に応じて制御する必要がない場合に、パルス幅変調回路６の消費電力を低減することが可能となるため、エンベロープトラッキング電力増幅器全体の電力効率が高まるという利点を有する。
【００２４】
実施の形態５．
図４は、この発明の実施の形態１に係わるパルス幅変調回路を適用したエンベロープトラッキング電力増幅器の他の一例を示す構成説明図である。図４において、図１及び図３と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。１３はデジタルベースバンド回路であり、デジタルベースバンド信号及びデジタルエンベロープ信号を出力する。１４はデジタル-アナログ変換器（DAC: Digital-to-Analog Converter）であり、デジタルエンベロープ信号をアナログエンベロープ信号に変換する。
【００２５】
次に動作について説明する。図４に示す構成では、デジタルベースバンド回路１３から出力するデジタルベースバンド信号の波形に応じてエンベロープ信号のデジタル波形を演算して出力し、デジタル-アナログ変換器１４でアナログエンベロープ信号に変換して出力するものである。なお、図４に示す構成に対して、パルス幅変調回路６は図３に示した構成と同様に動作する。
【００２６】
したがって、パルス幅変調回路６は、エンベロープ信号の電圧に応じてOFF状態、待機状態、ON状態を切り替えることができるため、電力増幅器５に入力される変調信号の入力電力が低く、電力増幅器５のバイアス電圧をエンベロープ信号の電圧に応じて制御する必要がない場合に、パルス幅変調回路６の消費電力を低減することが可能となるため、エンベロープトラッキング電力増幅器全体の電力効率が高まるという利点を有する。
【００２７】
ここで、上記実施の形態４及び実施の形態５では、実施の形態１に示したパルス幅変調回路を備えたトラッキング電力増幅器の構成について説明したが、実施の形態２または実施の形態３に示したパルス幅変調回路に置き換えても良い。
【００２８】
実施の形態６．
図５は、上記実施の形態４で示した、この発明の実施の形態１に係わるパルス幅変調回路を適用したエンベロープトラッキング電力増幅器の変形例を示す構成説明図である。図５において、図３と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。ここで、１５はパルス幅変調回路で、変調器１１から出力される変調信号を入力し、パルス幅変調信号を出力する。また、パルス幅変調回路１５は、三角波発生回路１、第１のコンパレータ２、第２のコンパレータ３、第３のコンパレータ４、第１の検波器１６、第２の検波器１７、第３の検波器１８から構成される。第１の検波器１６、第２の検波器１７、第３の検波器１８はいずれも変調器１１から出力される変調信号を検波し、出力されるエンベロープ信号をそれぞれ第１のコンパレータ２、第２のコンパレータ３、第３のコンパレータ４に入力する。
【００２９】
次に動作について説明する。図３に示した構成では、変調器１１から出力される変調信号を１つの検波器１２で検波し、検波器１２から出力されるエンベロープ信号を３つに分け、それぞれ第１のコンパレータ２、第２のコンパレータ３、第３のコンパレータ４に入力するが、図５に示す構成では、変調器１１から出力される変調信号を３つに分け、それぞれ第１の検波器１６、第２の検波器１７、第３の検波器１８で検波し、出力されるエンベロープ信号をそれぞれ第１のコンパレータ２、第２のコンパレータ３、第３のコンパレータ４に入力する。
【００３０】
第１の検波器１６から出力されるエンベロープ信号は、三角波発生回路１から出力される三角波搬送波と第１のコンパレータ２で比較され、エンベロープ信号電圧が三角波搬送波電圧よりも高い（あるいは低い）時間に相当する幅のパルス信号を出力する。第２の検波器１７から出力されるエンベロープ信号は、第２のコンパレータ３で閾電圧V1と比較され、エンベロープ信号電圧が閾電圧V1より高い場合に三角波発生回路１を動作させる制御信号を出力する。同様に、第３の検波器１８から出力されるエンベロープ信号は、第３のコンパレータ４で（閾電圧V1より高い）閾電圧V2と比較され、エンベロープ信号電圧が閾電圧V2より高い場合に第１のコンパレータ２を動作させる制御信号を出力する。
【００３１】
図６に、図３に示した検波器１２と図５に示した第１の検波器１６、第２の検波器１７、第３の検波器１８に求められる特性を示す。図５において、第１のコンパレータ２は変調器１１から出力される変調信号の入力電力がP2より高い場合にのみ動作するため、第１の検波器１６はP2以上の入力電力で検波できれば良い。また、第２のコンパレータ３及び第３のコンパレータ４は、エンベロープ信号の電圧がそれぞれV1、V2より高いか低いかを判別できれば良いので、第２の検波器１７及び第３の検波器１８の検波特性は、変調器１１から出力される変調信号の入力電力がそれぞれP1、P2付近になる場合のみ変化すれば良い。
【００３２】
一方、図３に示した検波器１２は、その出力であるエンベロープ信号が、３つのコンパレータ（第１のコンパレータ２、第２のコンパレータ３、第３のコンパレータ４）に入力されるため、検波器１２はP1、P2を含む広い範囲で検波する必要がある。
【００３３】
一般的に検波する電力範囲が狭いほど検波器の構成が簡単になるため、第１の検波器１６、第２の検波器１７、第３の検波器１８は、検波器１２よりも構成が簡単になる利点があり、実施の形態６で示すパルス幅変調回路１５の構成は、トラッキング電力増幅器の構成に用いる一つの検波器で広い検波特性を実現することが困難な場合に有効である。
【００３４】
また、上記検波器１２の機能を複数の検波器（第１の検波器１６、第２の検波器１７及び第３の検波器１８）に分担させる構成は、上記実施の形態２または実施の形態３で説明したパルス幅変調回路を適用したエンベロープ電力増幅器についての変形例としても同様に適用できるものである。
【００３５】
さらに、上記説明では、複数の検波器（第１の検波器１６、第２の検波器１７及び第３の検波器１８）がパルス幅変調回路１５の内に設けられた場合の構成を例示して説明したが、複数の検波器はパルス幅変調回路１５の外に設けても良く、その場合も上記同様の効果を奏する。
【符号の説明】
【００３６】
１  三角波発生回路、２  第１のコンパレータ、３  第２のコンパレータ、４  第３のコンパレータ、５  電力増幅器、６  パルス幅変調回路、７  スイッチング増幅器、８  LPF、９  デジタルベースバンド回路、１０  デジタル-アナログ変換器（DAC）、１１  変調器、１２  検波器、１３  デジタルベースバンド回路、１４  デジタル-アナログ変換器（DAC）、１５  パルス幅変調回路、１６  第１の検波器、１７  第２の検波器、１８  第３の検波器。
【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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