(57)【要約】【課題】デューティー比を変化させる際にＤ級電力増幅器の動作を制御することにより、出力不能な電圧が存在することを防ぎ、電力増幅器の線形性の劣化を抑制すること。【解決手段】制御部１０１は、デューティー比変換器１０３により搬送波信号のデューティー比を大きくする際に、動作するＤ級電力増幅器の個数を減らすデジタルコードを生成し、デューティー比変換器１０３により搬送波信号のデューティー比を小さくする際に、動作させるＤ級電力増幅器の個数を増やすデジタルコードを生成する。【選択図】図３
2015162882.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のＤ級電力増幅器を用いて送信信号を増幅する電力増幅装置であって、
所望の出力電圧に応じて、動作する前記Ｄ級電力増幅器の個数を変化させるデジタルコードを生成する制御部と、
前記出力電圧に応じて搬送波信号のデューティー比を変化させるデューティー比変換器と、
前記Ｄ級電力増幅器を有し、前記デューティー比変換器により前記デューティー比を変化させた前記搬送波信号に基づいて、前記制御部で生成した前記デジタルコードに従って動作する前記Ｄ級電力増幅器により所定の出力電圧の信号を生成する増幅部と、
を有し、
前記制御部は、
前記デューティー比変換器により前記デューティー比を大きくする際に、動作する前記Ｄ級電力増幅器の個数を減らす前記デジタルコードを生成し、前記デューティー比変換器により前記デューティー比を小さくする際に、動作させる前記Ｄ級電力増幅器の個数を増やす前記デジタルコードを生成する、
電力増幅装置。
【請求項２】
前記制御部は、
前記デューティー比変換器により前記デューティー比を大きくする際に、前記信号の出力電圧を低下させる前記デジタルコードを生成しないように制限し、前記デューティー比変換器により前記デューティー比を小さくする際に、前記信号の出力電圧を上昇させる前記デジタルコードを生成しないように制限する、
請求項１記載の電力増幅装置。
【請求項３】
前記デューティー比の最小値は、０．３７である、
請求項１又は請求項２記載の電力増幅装置。
【請求項４】
送信信号を増幅する複数のＤ級電力増幅器のうち動作する前記Ｄ級電力増幅器の個数をデジタルコードにより変化させる制御を行う制御方法であって、
所望の出力電圧に応じて前記デジタルコードを生成する制御ステップと、
前記出力電圧に応じて搬送波信号のデューティー比を変化させるデューティー比変換ステップと、
を有し、
前記制御ステップは、
前記デューティー比変換ステップにより前記デューティー比を大きくする際に、動作する前記Ｄ級電力増幅器の個数を減らす前記デジタルコードを生成し、前記デューティー比変換ステップにより前記デューティー比を小さくする際に、動作する前記Ｄ級電力増幅器の個数を増やす前記デジタルコードを生成する、
制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のＤ級電力増幅器を用いて送信信号を増幅する電力増幅装置及び制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、無線通信に用いられる送信機に搭載される電力増幅装置は、無線システムに必要な信号出力強度を得るために、入力信号の微弱な振幅を増幅して出力する。電力増幅装置は、入力信号の微弱な振幅を増幅して大きな出力電力の信号を得るために、無線ブロックの中で消費電力が大きい。消費電力は、特に携帯電話のように電池で駆動する無線機において、駆動時間に大きな影響を及ぼす。従って、電力増幅装置には、高い電力効率が求められる。
【０００３】
電力効率を上げる一つの手段としては、Ｄ級電力増幅器を用いることが考えられる。Ｄ級電力増幅器は、トランジスタの飽和動作を利用する増幅器であり、理想的にはスイッチングの期間だけ電流が流れ、不要な電流が流れないため高い電力効率を得ることができる。
【０００４】
近年の変調方式としては、スペクトラム効率を上げるため、ワイヤレスＬＡＮで用いられている直交周波数分割多重（orthogonal frequency-division multiplexing）（以下、「ＯＦＤＭ」と記載する）方式が用いられる。ＯＦＤＭ方式は、周波数が異なる複数の搬送波の各々に変調をかけて多重化したものであり、各搬送波はお互いに直交している。ＯＦＤＭ方式は、搬送波の位相が重なったタイミングにおいて、平均電力に対して高い電力ピークを持つ。平均電力とピーク電力との比は、ピーク対平均電力（Peak Average Power Ratio）（以下、「ＰＡＰＲ」と記載する）で表され、ＯＦＤＭ方式において１０ｄＢ程度になることもある。ＯＦＤＭ方式では、原理的にＰＡＰＲが大きく、歪によって発生するシンボル間干渉などの影響を抑制するために、線形増幅器が必要となる。ピーク電力を電力増幅器の飽和電力とした場合、平均電力は飽和電力に対して小さい値をとる。この場合、平均電力の出力時における電力効率は、電力増幅器を電力効率の高い動作点で動かせないために低下する。ここで、最大電力と平均電力との差をバックオフ量と呼んでいる。電力増幅器は、バックオフ量が大きくなるほど、電力効率の低い動作点で動いていることになる。
【０００５】
電力効率を改善する一つの手段としては、スイッチトキャパシタ電力増幅器を用いることが考えらえる。スイッチトキャパシタ電力増幅器は、小サイズの増幅器セルを複数用意して、デジタルコードによって動作する増幅器セルの数を制御することによってその出力電圧を線形に制御することができる。このようなスイッチトキャパシタ電力増幅器は、非特許文献１に示されている。スイッチトキャパシタ電力増幅器は、デジタルコードで制御される振幅を持つ高周波信号を出力するＲＦ−ＤＡＣと言え、線形性の向上が課題である。なお、以下の説明では、この振幅を制御するデジタルコードを、ＡＭコードと呼ぶ。
【０００６】
スイッチトキャパシタ電力増幅器では、Ｎｃｈトランジスタ及びＰｃｈトランジスタのゲート電圧を搬送波信号により制御することにより、ＮｃｈトランジスタとＰｃｈトランジスタとが交互にＯＮして入力信号の振幅を増幅する。この際、ゲート電圧を制御する搬送波信号の波形は、配線の寄生抵抗又は寄生容量の影響によりなまることがある。この場合には、ＮｃｈトランジスタとＰｃｈトランジスタとが同時にＯＮし、ＰｃｈトランジスタからＮｃｈトランジスタに向けて不要な貫通電流が流れることにより、電力効率が低下する。これに対して、従来は、搬送波信号のデューティー比を変化させることにより、搬送波信号の波形がなまることに起因してＮｃｈトランジスタとＰｃｈトランジスタとが同時にＯＮする状態を防いでいる。
【０００７】
従来、入力される搬送波信号のデューティー比を変化させるスイッチトキャパシタ電力増幅器では、例えば図１に示すように出力電圧Ｖｏｕｔに応じて３つの異なるデューティー比Ｄα、Ｄβ、Ｄγ（０＜Ｄα＜Ｄβ＜Ｄγ≦０．５）に変化させる場合、ＡＭコードを大きくするほど大きな出力電圧を得られる。この場合、図２に示すように、デューティー比が変化した際に、出力できない電圧Ｖｏｕｔ（図２において、ΔＶａ及びΔＶｂの範囲）が存在する。このような従来のスイッチトキャパシタ電力増幅器では、線形性の劣化を招く。
【０００８】
これに対して、特許文献１に示されているように、複数の歪み補償テーブルを用いて歪み補償を行うことにより、線形性を向上させるものが知られている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】A Switched-Capacitor RF Power Amplifier Solid-State Circuits, IEEE Journal of Volume: 46 , Issue: 12  pp. 2977-2987, Dec.2011
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００８−１７２５１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記従来技術のように歪補償を行うためには歪補償後の最適値を出力する必要がある。しかしながら、歪補償後の最適値が図２に示すΔＶａ及びΔＶｂのように出力できない電圧になる場合、歪補償テーブルを用いても歪補償はできない。
【００１２】
本発明の目的は、Ｄ級電力増幅器に入力される搬送波信号のデューティー比を変化させる際に、Ｄ級電力増幅器の動作状態を制御することにより、出力不能な電圧が存在することを防ぎ、電力増幅器の線形性の劣化を抑制することができる電力増幅装置及び制御方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係る一態様に係る電力増幅装置は、複数のＤ級電力増幅器を用いて送信信号を増幅する電力増幅装置であって、所望の出力電圧に応じて、動作する前記Ｄ級電力増幅器の個数を変化させるデジタルコードを生成する制御部と、前記出力電圧に応じて搬送波信号のデューティー比を変化させるデューティー比変換器と、前記Ｄ級電力増幅器を有し、前記デューティー比変換器により前記デューティー比を変化させた前記搬送波信号に基づいて、前記制御部で生成した前記デジタルコードに従って動作する前記Ｄ級電力増幅器により所定の出力電圧の信号を生成する増幅部と、を有し、前記制御部は、前記デューティー比変換器により前記デューティー比を大きくする際に、動作する前記Ｄ級電力増幅器の個数を減らす前記デジタルコードを生成し、前記デューティー比変換器により前記デューティー比を小さくする際に、動作させる前記Ｄ級電力増幅器の個数を増やす前記デジタルコードを生成する。
【００１４】
本発明に係る一態様に係る制御方法は、送信信号を増幅する複数のＤ級電力増幅器のうち動作する前記Ｄ級電力増幅器の個数をデジタルコードにより変化させる制御を行う制御方法であって、所望の出力電圧に応じて前記デジタルコードを生成する制御ステップと、前記出力電圧に応じて搬送波信号のデューティー比を変化させるデューティー比変換ステップと、を有し、前記制御ステップは、前記デューティー比変換ステップにより前記デューティー比を大きくする際に、動作する前記Ｄ級電力増幅器の個数を減らす前記デジタルコードを生成し、前記デューティー比変換ステップにより前記デューティー比を小さくする際に、動作する前記Ｄ級電力増幅器の個数を増やす前記デジタルコードを生成する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、デューティー比を変化させる際にＤ級電力増幅器の動作を制御することにより、出力不能な電圧が存在することを防ぎ、電力増幅器の線形性の劣化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】電力増幅装置で使用するデューティー比の値を示す図
【図２】従来のデューティー比を変化させる場合のＡＭコードと出力電圧との関係を示す図
【図３】本発明の第１の実施形態に係る電力増幅装置の構成を示すブロック図
【図４】本発明の第１の実施形態におけるＡＭコード及びデューティー比を選択する際に用いるテーブルを示す図
【図５】本発明の第１の実施形態におけるデューティー比変換器の構成を示すブロック図
【図６】本発明の第１の実施形態におけるデューティー比変換器の入出力信号の波形図
【図７】本発明の第１の実施形態における増幅部の構成を示すブロック図
【図８】本発明の第１の実施形態におけるＡＭコードがｈｉｇｈレベルの場合のＤ級電力増幅器の等価回路図
【図９】本発明の第１の実施形態におけるＡＭコードがｌｏｗレベルの場合のＤ級電力増幅器の等価回路図
【図１０】本発明の第１の実施形態における増幅部の等価回路図
【図１１】本発明の第１の実施形態におけるデューティー比を変化させる場合の出力電圧とＡＭコードとの関係を示す図
【図１２】本発明の第２の実施形態におけるデューティー比を変化させる場合の、縦軸をＡＭコードとし横軸を出力電圧とした際の出力電圧とＡＭコードとの関係を示す図
【図１３】本発明の第２の実施形態におけるデューティー比を変化させる場合の、縦軸を出力電圧とし横軸をＡＭコードとした際の出力電圧とＡＭコードとの関係を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を適宜参照して、本発明の実施形態に係る電力増幅装置及び送信機につき、詳細に説明する。
【００１８】
（第１の実施形態）
＜電力増幅装置の構成＞
本発明の第１の実施形態に係る電力増幅装置１００の構成につき、図３及び図４を参照しながら、以下詳細に説明する。
【００１９】
電力増幅装置１００は、制御部１０１と、位相信号発生器１０２と、デューティー比変換器１０３と、増幅部１０４と、から主に構成されている。
【００２０】
制御部１０１は、入力された所望の出力電圧を示す出力電圧設定信号に応じて、増幅部１０４を構成するＤ級電力増幅器の動作個数を制御するＡＭコードと、デューティー比変換器１０３におけるデューティー比変化量を制御するデューティー比変換器制御信号と、を生成する。制御部１０１は、生成したＡＭコードを増幅部１０４に出力し、生成したデューティー比変換器制御信号をデューティー比変換器１０３に出力する。ここで、ＡＭコードは、デジタルコードであり、動作するＤ級電力増幅器の個数を制御するために用いられる。
【００２１】
制御部１０１は、例えば図４に示すテーブルを記憶し、出力電圧設定信号Ｖ１〜Ｖ４０が入力された際に、図４のテーブルを参照して、入力された出力電圧設定信号Ｖ１〜Ｖ４０に対応付けられているＡＭコード及びデューティー比を選択する。制御部１０１は、選択したＡＭコードを生成し、選択したデューティー比にするデューティー比変換器制御信号を生成する。ここで、出力電圧設定信号においてＶ１からＶ４０に向かうほど電圧が大きくなり、ＡＭコードにおいて１から３３に向かうほど動作させるＤ級電力増幅器の個数が多くなり、０＜Ｄα＜Ｄβ＜Ｄγ≦０．５であるものとする。
【００２２】
制御部１０１は、図４のテーブルを参照して、例えばデューティー比をＤαからＤβに大きくする場合、ＡＭコード「２０」からＡＭコード「１７」にしてＡＭコードを小さくすることにより、動作するＤ級電力増幅器の個数を少なくする。また、制御部１０１は、図４のテーブルを参照して、例えばデューティー比をＤβからＤαに小さくする場合、ＡＭコード「１７」からＡＭコード「２０」にしてＡＭコードを大きくすることにより、動作するＤ級電力増幅器の個数を多くする。なお、デューティー比をＤβからＤγに大きくする場合、デューティー比をＤγからＤβに小さくする場合についても同様である。
【００２３】
位相信号発生器１０２は、例えば、電圧制御発振器又はフェーズロックトループ（ＰＬＬ）により構成されている。位相信号発生器１０２は、例えば１ＧＨｚの高周波数の固定のデューティー比を有する搬送波信号生成してデューティー比変換器１０３に出力する。
【００２４】
デューティー比変換器１０３は、制御部１０１から入力されたデューティー比変換器制御信号に応じて、位相信号発生器１０２から入力された搬送波信号のデューティー比を変化させて増幅部１０４に出力する。なお、デューティー比変換器１０３の構成の詳細については後述する。
【００２５】
増幅部１０４は、ＭＯＳトランジスタを用いたＤ級電力増幅器と、Ｄ級電力増幅器の出力端子に接続した容量と、を有する複数の回路を並列に接続して構成されている。増幅部１０４は、制御部１０１から入力されたＡＭコードと、デューティー比変換器１０３から入力された搬送波信号と、に基づいて、所定の出力電圧の信号を出力する。なお、増幅部１０４の構成の詳細は後述する。
【００２６】
＜デューティー比変換器の構成及び動作＞
本発明の第１の実施形態におけるデューティー比変換器１０３の構成及び動作につき、図５及び図６を参照しながら、以下詳細に説明する。
【００２７】
デューティー比変換器１０３は、しばしばノンオーバーラップクロックス生成器と呼ばれる。位相信号発生器１０２からデューティー比変換器１０３に入力された５０％デューティー比の搬送波信号は、Ｉｎｐｕｔ  Ｃｌｏｃｋ３０４に伝達される。
【００２８】
Ｉｎｐｕｔ  ＣｌｏｃｋＢ３０５は、インバータ２０１によって得られる、Ｉｎｐｕｔ  Ｃｌｏｃｋ３０４の反転信号である。Ｉｎｐｕｔ  Ｃｌｏｃｋ３０４とＩｎｐｕｔ  ＣｌｏｃｋＢ３０５は、それぞれ同様にＮＡＮＤ２０２及びＮＡＮＤ２０３、インバータ２０４及びインバータ２０５を経由してＯｕｔｐｕｔ１  ３０１及びＯｕｔｐｕｔ２  ３０２へと伝達される。この際、Ｏｕｔｐｕｔ１  ３０１及びＯｕｔｐｕｔ２  ３０２へと伝達されるＩｎｐｕｔ  Ｃｌｏｃｋ３０４とＩｎｐｕｔ  ＣｌｏｃｋＢ３０５は、互いに逆側出力の信号を可変遅延時間ブロック２０６及び可変遅延時間ブロック２０７を通じて受け取る。これにより、Ｏｕｔｐｕｔ１  ３０１、Ｏｕｔｐｕｔ２  ３０２の波形は、図６に示した時間波形となる。
【００２９】
可変遅延時間ブロック２０６及び可変遅延時間ブロック２０７は、制御部１０１から入力されたデューティー比変換器制御信号に従って、ＮＡＮＤ２０２又はＮＡＮＤ２０３から入力された信号を所定時間遅延させて出力する。なお、可変遅延時間ブロック２０６及び可変遅延時間ブロック２０７の各々における遅延時間は、同じでもよいし、異なっても良い。
【００３０】
図６では、簡素化のため、可変遅延時間ブロック２０６の遅延時間ｄｔ１、及び可変遅延時間ブロック２０７の遅延時間ｄｔ２に対して、それ以外の素子遅延が非常に小さく無視できるものとして図示している。また、遅延時間ｄｔ１及び遅延時間ｄｔ２は、等しいものと仮定する（ｄｔ１＝ｄｔ２）。
【００３１】
時間ｔ１にて、Ｉｎｐｕｔ  Ｃｌｏｃｋ３０４がｌｏｗ（以下、「Ｌ」と省略する）になると、ＮＡＮＤ２０２の出力がｈｉｇｈ（以下、「Ｈ」と省略する）となり、この結果、インバータ２０４を経由したＯｕｔｐｕｔ１  ３０１はＬになる。前述のＮＡＮＤ２０２の出力がＨ、かつ、Ｉｎｐｕｔ  ＣｌｏｃｋＢ３０５がＨであるので、Ｏｕｔｐｕｔ２  ３０２はＨになるが、ＮＡＮＤ２０２の出力ＨがＮＡＮＤ２０３に伝達されるまでは、可変遅延時間ブロック２０６の遅延時間ｄｔ１を要するため、Ｏｕｔｐｕｔ２  ３０２は、遅延時間ｄｔ１だけ遅れてからＨに変化する。
【００３２】
続いて、時間ｔ２にて、Ｉｎｐｕｔ  ＣｌｏｃｋＢ３０５がＬになると、ＮＡＮＤ２０３の出力は、Ｈが確定し、Ｏｕｔｐｕｔ２  ３０２はＬになる。また、ＮＡＮＤ２０２の一方の入力であるＩｎｐｕｔ  Ｃｌｏｃｋ３０４はＨが確定しているが、他方の入力である可変遅延時間ブロック２０７の出力は、Ｈをｄｔ２だけ遅れて伝えるため、Ｏｕｔｐｕｔ１  ３０１は、ｄｔ２だけ遅れてＨに変わる。
【００３３】
このようにして、５０％デューティー比のＩｎｐｕｔ  Ｃｌｏｃｋ３０４からＯｕｔｐｕｔ１  ３０１、Ｏｕｔｐｕｔ２  ３０２といったＨの期間が遅延時間ｄｔ１，ｄｔ２だけ短くなった信号を作り出すことができる。つまり、周波数が変わらず、１周期に対するオン期間の比が変わっており、デューティー比が変換されたことを意味する。
【００３４】
デューティー比の最小値は、０．３５〜０．４にすることが望ましく、特に０．３７にすることが望ましい。これにより、必要な周波数の信号電力に対する不要な高次高調波の周波数の電力の和の比が最小になるため、電力効率を最大化することができる。また、増幅部１０４を例えばＦＳＫ（Frequency shift keying：周波数偏移変調）のような定振幅出力動作で使用する場合においても、電力効率を改善するためには最良のデューティー比設定である。
【００３５】
＜増幅部の構成及び動作＞
本発明の第１の実施形態における増幅部１０４の構成及び動作につき、図７〜図１０を参照しながら、以下詳細に説明する。図７に示す増幅部１０４は、スイッチトキャパシタ電力増幅器である。なお、図７において、Ｃｏｄｅ０〜ＣｏｄｅＮはＡＭコードであり、ＬＯはデューティー比変換器１０３から入力される搬送波信号である。
【００３６】
増幅部１０４は、搬送波出力器４０１−１〜４０１−ｎと、ＭＯＳトランジスタを用いたＤ級電力増幅器４０２−１〜４０２−ｎと、Ｄ級電力増幅器の出力側に接続される容量４０３−１〜４０３−ｎと、を接続した複数個の回路４００−１〜４００−ｎを並列に接続して構成されている。
【００３７】
搬送波出力器４０１−１には、動作する個数を制御するＡＭコード（Ｃｏｄｅ０）と搬送波信号ＬＯとが入力される。搬送波出力器４０１−１は、入力されるＣｏｄｅ  Ｎがｈｉｇｈレベルになった際に、入力された搬送波信号ＬＯを出力する。
【００３８】
図８は、ＡＭコードがｈｉｇｈレベルでＤ級電力増幅器４０２−１が動作するモードの模式図を示している。この場合、Ｄ級電力増幅器４０２−１を構成するＰｃｈトランジスタ５０１とＮｃｈトランジスタ５０２のゲートには高周波の矩形波に近い電圧波形が入力され、Ｄ級電力増幅器４０２−１は矩形波の信号を出力するＤ級動作を行う。Ｄ級電力増幅器４０２−１は、トランジスタが切り替わる瞬間だけ電流が流れるため電力効率が高い。
【００３９】
図９はＡＭコードがｌｏｗレベルであってＤ級電力増幅器４０２−１が動作しないモードを示している。この場合、Ｐｃｈトランジスタ５０１とＮｃｈトランジスタ５０２のゲートにはｈｉｇｈレベルの信号が入力されることで、Ｐｃｈトランジスタ５０１はＯＦＦされ、Ｎｃｈトランジスタ５０２のドレイン電圧はｌｏｗレベルに接地され、Ｄ級電力増幅器４０２−１の出力ノードに直列接続されている容量４０３−１は等価的には接地面ＶＳＳに接続されることになる。なお、Ｄ級電力増幅器４０２−２〜４０２−ｎについては、Ｄ級電力増幅器４０２−１と同一であるので、その説明を省略する。
【００４０】
図１０は動作するＤ級電力増幅器４０２−１〜４０２−ｎの個数をｎ、Ｄ級電力増幅器４０２−１〜４０２−ｎの総数をＮ、各Ｄ級電力増幅器４０２−１〜４０２−ｎに属する容量４０３−１〜４０３−ｎの容量値をＣとした場合の増幅部１０４全体の等価回路を示している。
【００４１】
図８に示すＮｃｈトランジスタ５０２のドレインン端子の電圧波形は、接地面ＶＳＳから電源電圧ＶＤＤまで変動する方形波になる。増幅部１０４の出力電圧Ｖｏｕｔは、図１０に示すように、前記方形波を、動作するｎ個のＤ級電力増幅器４０２−１〜４０２−ｎに接続する容量４０３−１〜４０３−ｎの総容量値ｎＣ対して、動作していない残りの（Ｎ−ｎ）個のＤ級電力増幅器４０２−１〜４０２−ｎに接続する容量４０３−１〜４０３−ｎの総容量値（Ｎ−ｎ）Ｃで容量分割した波形になる。増幅部１０４の出力電圧Ｖｏｕｔは、最大電圧が（ｎ／Ｎ）ＶＤＤの方形波になる。これにより、増幅部１０４の出力電圧Ｖｏｕｔは、動作させるＤ級電力増幅器４０２−１〜４０２−ｎの個数ｎに比例する。
【００４２】
＜電力増幅装置の動作＞
本発明の第１の実施形態に係る電力増幅装置の動作につき、以下詳細に説明する。
【００４３】
制御部１０１は、ＡＭコードによって動作させるＤ級電力増幅器の数を制御して、図８に示す動作をするＤ級電力増幅器の個数と、図９に示す動作をするＤ級電力増幅器の個数と、の比率を変えることで振幅を制御する。
【００４４】
また、制御部１０１は、ＡＭコードに応じて搬送波のデューティー比を変える制御を行う。電力増幅装置１００では、ＡＭコードにより動作するＤ級電力増幅器の個数を増やした場合、電流が増加し、電源配線の寄生抵抗による電圧降下が大きくなり、その影響によって出力電圧は飽和してくるため線形性が低下する。
【００４５】
出力電圧の飽和による影響を低減するために、出力電圧が飽和してくるＡＭコードにおいて、デューティー比を大きくして動作時間を長くすることによって出力電圧を増加させる。一方、出力すべき電圧値が小さい場合は、上述した通りデューティー比を小さくして動作時間を短くすることによって、ＰｃｈトランジスタからＮｃｈトランジスタに向けて流れる不要な貫通電流の発生を抑制し電力効率の低下を防ぐ。
【００４６】
出力信号がＯＦＤＭ信号である場合には、飽和電圧に近い電圧を出力する頻度は少ないため、飽和電圧に近い電圧を出力する際の効率が劣化しても、平均的な電力効率への影響は小さい。これに対して、小さい振幅の電圧を出力する頻度は多いため、小さい振幅の電圧を出力する際の電力効率を向上させることにより、平均的な電力効率を改善できる。
【００４７】
デューティー比と出力電圧Ｖｏｕｔとの関係は、デューティー比の値をＤとすると（１）式で表される。
【数１】
2015162882.tif 000003
【００４８】
（１）式より、出力電圧Ｖｏｕｔは、デューティー比の値Ｄを変化させることにより変動する。
【００４９】
Ｄ級電力増幅器においては、ＮｃｈトランジスタとＰｃｈトランジスタとが交互にＯＮするように、Ｎｃｈトランジスタのゲート電圧及びＰｃｈトランジスタのゲート電圧が搬送波信号によって制御される。この際、配線の寄生抵抗又は寄生容量のような寄生素子の影響によってゲート電圧の波形がなまることがある。例えば、デューティー比が０．５の場合において波形がなまる場合には、ＮｃｈトランジスタとＰｃｈトランジスタとが同時にオンする場合があり、この場合、不要な貫通電流が発生して電力効率の低下を招く。従って、制御部１０１は、波形がなまることに起因してＮｃｈトランジスタとＰｃｈトランジスタとが同時にオンすることを防ぐために、デューティー比を小さくするデューティー比変換器制御信号を生成してデューティー比変換器１０３に出力する。
【００５０】
デューティー比の変化に伴って変化する出力電圧の変化量は、デューティー比の変化量によっては、ＡＭコード１つ分の出力電圧の変化量よりも大きくなる。具体的には、図２に示すように、デューティー比の値Ｄαとデューティー比の値Ｄβとのデューティー比の変化量が大きい場合には、デューティー比の変化の前後において、例えばＡＭコード数個分の出力電圧の変動（図２のΔＶａ）に相当する出力電圧の変動を生じる。これにより、ＡＭ−ＡＭ特性の低下を招き、隣接チャネル漏洩電力比などの歪特性の劣化を招く。
【００５１】
従って、制御部１０１は、デューティー比を変化させる際に、ＡＭ−ＡＭ特性の低下を防ぐための適切なＡＭコードを生成して増幅部１０４に出力する。
【００５２】
ＡＭ−ＡＭ特性の低下を防ぐ制御について、図１１を用いて更に詳細に説明する。
【００５３】
制御部１０１は、例えば、図１に示すように、３つのデューティー比Ｄα、Ｄβ、Ｄγに変化させる制御を行う。制御部１０１は、デューティー比Ｄαを設定した際に、図１１に示す設定したデューティー比Ｄαの直線Ｌ１に沿ってＡＭコードを生成して、出力電圧Ｖｏｕｔが変化するように制御する。制御部１０１は、デューティー比Ｄβを設定した際に、図１１に示す設定したデューティー比Ｄβの直線Ｌ２に沿ってＡＭコードを生成して、出力電圧Ｖｏｕｔが変化するように制御する。制御部１０１は、デューティー比Ｄγを設定した際に、図１１に示す設定したデューティー比Ｄγの直線Ｌ３に沿ってＡＭコードを生成して、出力電圧Ｖｏｕｔが変化するように制御する。なお、制御部１０１は、図２のテーブルを用いてＡＭコードを選択することにより上記の制御を行う。
【００５４】
制御部１０１は、デューティー比をＤαからＤβに変化させる場合、ＡＭコードをＨ１だけ小さくする。これにより、デューティー比を変化させる直前の出力電圧と直後の出力電圧は、図１１に示すように、Ｖｑを維持した状態になる。従って、出力電圧Ｖｏｕｔは、デューティー比の変化の前後において連続的に変化する。なお、デューティー比をＤβからＤγに変化させる場合も上記と同様である。
【００５５】
また、制御部１０１は、デューティー比をＤγからＤβに変化させる場合、ＡＭコードをＨ２だけ大きくする。これにより、デューティー比を変化させる直前の出力電圧と直後の出力電圧は、図１１に示すように、Ｖｒを維持した状態になる。従って、出力電圧Ｖｏｕｔは、デューティー比の変化の前後において連続的に変化する。なお、デューティー比をＤβからＤαに変化させる場合も上記と同様である。
【００５６】
このように、本実施形態によれば、デューティー比を変化させた時の出力電力の変動を抑えることが可能になり、電力増幅器単体でも出力信号の良好な線形性を得ることができ、隣接チャネル漏洩電力比などの歪特性を改善することができる。すなわち、本実施の形態によれば、Ｄ級電力増幅器に入力される搬送波信号のデューティー比を変化させる際に、Ｄ級電力増幅器の動作状態を制御することにより、出力不能な電圧が存在することを防ぎ、電力増幅器の線形性の劣化を抑制することができる。
【００５７】
また、本実施形態によれば、最大出力時においては、デューティー比を大きくして最大出力電圧を増加させるため、飽和電圧を伸ばしてさらにＡＭ-ＡＭ特性の線形性を改善でき、出力可能な電圧値を大きくすることができる。この場合、前述通り平均電力効率は劣化しない。これは、電力増幅器の数を増やすことなく振幅を制御するＡＭコードの数が増えたことと等価であり、出力電力を細かく制御することができる。
【００５８】
なお、本実施形態において、デューティー比を異なる３つの値にしたが、デューティー比を異なる２つの値又は異なる４つ以上の値にしてもよく、特に制限されるものではない。
【００５９】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る電力増幅装置の構成は図１と同一構成であるので、その説明を省略する。なお、本実施形態において、図１の符号を用いて説明する。
【００６０】
＜電力増幅装置の動作＞
本発明の第２の実施形態に係る電力増幅装置の動作について、図１２及び図１３を用いて、詳細に説明する。
【００６１】
本発明の第２の実施形態において、例えば図１２に示すデューティー比の値をＤαからＤβに上げる場合において、デューティー比の値がＤαの場合の最大ＡＭコードをｎαで表し、デューティー比の値がＤβの場合の最少ＡＭコードをｎβで表す。ここでｎαとｎβは離散的な値である。制御部１０１は、ｎβが（２）式で表されたｎβを満たす範囲までしか小さくならないように制限してＡＭコードを生成する。
【数２】
2015162882.tif 000004
【００６２】
この場合には、図１３に示すように、デューティー比変換器制御信号とＡＭコードとを変えるデューティー比の切り替えの前後で、デューティー比の値Ｄα及びＡＭコードｎαの場合の出力電圧Ｖｏｕｔαに対して、デューティー比の値Ｄβ及びＡＭコードｎβの場合の出力電圧Ｖｏｕｔβを必ず大きくすることができる。
【００６３】
なお、制御部１０１は、デューティー比を下げる場合においても、（２）式を変形した不等式を満たす範囲に制限してＡＭコードを生成する。
【００６４】
このように、本実施形態によれば、上記第１の実施形態の効果に加えて、例えば出力電圧を観測しながらＡＭコードを選択する等の複雑な制御工程を経ることなくＡＭコードの制御を行うことができるので、簡易なシステムの送信機を構成することができる。
【００６５】
なお、本実施形態において、寄生成分の効果を考慮して、（２）式を満たす限界値までＡＭコードの制御値を設けるのではなく、多少余裕を持たせてＡＭコードの制御値を設けても良い。
【００６６】
また、本実施形態において、デューティー比をＤαからＤβに上げる場合、デューティー比の値の変化の前後で出力電圧を上げるようにＡＭコードに制限を設けたが、デューティー比の値の変化の前後で出力電圧を低下させないようにＡＭコードに制限を設けるようにしてもよい。また、デューティー比をＤβからＤαに下げる場合、デューティー比の値の変化の前後で出力電圧を上昇させないようにＡＭコードに制限を設けるようにしてもよい。
【００６７】
以上、本発明の各実施の形態について説明した。
【００６８】
なお、上記実施の形態において、制御部１０１が記憶する図４に示すようなテーブルは、製品出荷時等の検査において製品個別に決定される方法、一意に決定される方法、もしくは使用中の立ち上げ時又は動作環境変化時等の随時適応型の更新による方法、等によって決定されてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明に係る電力増幅装置及び制御方法は、複数のＤ級電力増幅器を用いて送信信号を増幅するのに好適である。
【符号の説明】
【００７０】
１００  電力増幅装置
１０１  制御部
１０２  位相信号発生器
１０３  デューティー比変換器
１０４  増幅部
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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