(57)【要約】      （修正有）【課題】電流効率を改善でき、入力信号帯域に制限を生じさせない増幅回路を提供する。【解決手段】増幅回路２０は、非反転入力が増幅回路の入力に接続され、反転入力が増幅回路の出力に接続された演算増幅器２２を備え、演算増幅器２２の出力と増幅回路２０の出力との間に抵抗器Ｒｓｅｎｓｅが接続される。第１および第２の入力がそれぞれ演算増幅器２２の出力および増幅回路２０の出力に接続されたスイッチモード電源回路２４は、インダクタを介して増幅回路の出力に接続される。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
増幅回路であって、
前記増幅回路の入力に接続された第１の非反転入力と、前記増幅回路の出力に接続された第２の反転入力とを有する第１の演算増幅器と、
前記第１の演算増幅器の出力と前記増幅回路の出力との間に接続される抵抗器と、
前記第１の演算増幅器の前記出力および前記増幅回路の前記出力に夫々接続された第１および第２の入力を有するスイッチモード電源手段と、
前記スイッチモード電源手段の出力と前記増幅回路の出力との間に接続されるインダクタと、を備えることを特徴とする増幅回路。
【請求項２】
前記スイッチモード電源手段は、前記第１および第２の入力にそれぞれ接続される反転入力および非反転入力を有する差動増幅器を含むことを特徴とする請求項１に記載の増幅回路。
【請求項３】
前記スイッチモード電源手段は、前記差動増幅器の出力に接続された入力と、前記スイッチモード電源手段の出力に接続される出力とを有するスイッチモード電源回路を含み、
前記スイッチモード電源回路は、前記スイッチモード電源回路の入力に接続される非反転入力を有する第２の演算増幅器と、前記第２の演算増幅器の出力信号に基づき前記スイッチモード電源手段の出力を介し前記インダクタに電流を供給する電流供給手段と、を含み、
前記第２の演算増幅器の反転入力に前記電流供給手段からの信号をフィードバックすることを特徴とする請求項２に記載の増幅回路。
【請求項４】
前記電流供給手段からの信号に所望の信号を加減算する加減算手段を備え、前記第２の演算増幅器の反転入力に前記加減算した信号をフィードバックすることを特徴とする請求項３に記載の増幅回路。
【請求項５】
前記抵抗器の両端から、前記第１の演算増幅器の出力信号の振幅が検出されることを特徴とする請求項１に記載の増幅回路。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の増幅回路を備えたことを特徴とする送信機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、増幅回路に関するものであり、特に、電力増幅器システムの一部として、信号エンベロープを増幅する際に使用するのに好適な増幅回路（エンベロープ増幅回路）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
無線通信デバイスでは、送信機内の電力増幅器を高い効率で動作させることが有利に働くことが知られている。しかし、このような送信機では、入力信号の振幅、すなわち、送信するため増幅された信号の所望の振幅は、広範囲にわたって変化しうる。電力増幅器は、一般に、入力信号の振幅と供給電圧との間に特定の関係がある場合に最も効率よく動作するため、このように変動が広範囲だと、電力増幅器は効率よく動作しない可能性がある。
【０００３】
そこで、入力信号の振幅を検出し、電源電圧を変調するエンベロープ増幅回路を実現することが知られている。変調された電源電圧は、電力増幅器に印加され、さらに入力信号もその電力増幅器に印加される。その結果、電力増幅器は、より広い範囲にわたる入力信号振幅で効率よく動作できる。
【０００４】
このようなエンベロープ増幅回路は、例えば、特許文献１、特許文献２および非特許文献１において説明されている。図１、２は、従来技術のエンベロープ増幅回路を示す図である。図１、２に示すように、入力エンベロープ信号は、第１の出力電流を出力する第１の演算増幅器を備えるリニアステージに印加される。第１の出力電流は抵抗器を通り、この抵抗器の両端の電圧は差動増幅器に入力として供給され、差動増幅器の出力はスイッチング電源に供給される。このスイッチング電源は、インダクタを通過する第２の出力電流を発生する。第１および第２の出力電流が組み合わされて、全出力電流を発生するが、エンベロープ周波数の低い部分は、第２の出力電流からその多くが供給され、またエンベロープ周波数の高い部分は、第１の出力電流からその多くが供給される。
【０００５】
また、他のエンベロープ増幅回路として、図３に示すように、第１の演算増幅器の電流帰還ループにスイッチング電源とインダクタで接続したものがある（例えば、特許文献３参照。）。
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２００６／１１１８９１号パンフレット
【特許文献２】米国特許第６９３７０９５号明細書
【特許文献３】米国特許第５１７０１３２号明細書
【非特許文献１】Ｗａｎｇ著「Envelope Tracking Power Amplifier with Pre-Distortion Linearization for WLAN 802.11g」ＩＥＥＥ  ＭＩＴ−Ｓ  Ｄｉｇｅｓｔ  ２００４、  １５４３〜１５４６頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１、特許文献２および非特許文献１に開示されたエンベロープ増幅回路は、第１の演算増幅器がスイッチング電源の動作点電流まで供給する必要があり、かつ入力信号全体を増幅せざるを得ないという問題がある。また、特許文献３にあるインダクタを接続したエンベロープ増幅回路は、第１の演算増幅器の帰還ループにインダクタがあるため、第１の演算増幅器がエンベロープ周波数の高い部分に追従できずに信号に帯域制限が生じるという問題がある。
【０００８】
そこで、本発明は、上記の点に鑑み、第１の演算増幅器の電流効率を改善でき、入力信号帯域に制限を生じさせない増幅回路（エンベロープ増幅回路）を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決して本発明の目的を達成するため、本発明の増幅回路は、増幅回路であって、前記増幅回路の入力に接続された非反転入力と、前記増幅回路の出力に接続された反転入力を有する第１の演算増幅器と、前記第１の演算増幅器の出力と前記増幅回路の出力との間に接続される抵抗器と、前記演算増幅器の出力および前記増幅回路の出力に夫々接続される第１および第２の入力を有す得るスイッチモード電源手段と、前記スイッチモード電源手段出力と前記増幅回路の出力との間に接続されるインダクタと、を備えることを特徴とする。
【００１０】
さらに、前記スイッチモード電源手段は、前記第１および第２の入力にそれぞれ接続される反転入力および非反転入力を有する差動増幅器を含むことを特徴とする。
【００１１】
さらに、前記スイッチモード電源手段は、前記差動増幅器の出力に接続された入力と、前記スイッチモード電源手段の出力に接続される出力を有するスイッチモード電源回路を有し、前記スイッチモード電源回路は、前記スイッチモード電源回路の入力に接続される非反転入力を有する第２の演算増幅器と、前記第２の演算増幅器の出力信号に基づき前記スイッチモード電源手段の出力を介し前記インダクタに電流を供給する電流供給手段と、を含み、前記第２の演算増幅器の反転入力に前記電流供給手段からの信号をフィードバックすることを特徴とする。
【００１２】
さらに、前記電流供給手段からの信号に所望の信号を加減算する加減算手段を備え、前記第２の演算増幅器の反転入力に前記加減算した信号をフィードバックすることを特徴とする。
【００１３】
さらに、前記抵抗器の両端から、前記第１の演算増幅器の出力信号の振幅が検出されることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の送信機は、上記のいずれかの増幅回路を備えたことを特徴とする。
【００１５】
このように、抵抗要素が第１の増幅器の帰還ループ内にあるので、第１の増幅器は、スイッチモード電源とインダクタを介して接続する為、スイッチング電源の動作点電流まで供給する必要もなく、かつエンベロープの低周波成分を増幅しなくて済み、その結果、増幅回路の効率が改善されるという利点がある。また、インダクタが帰還ループ内になく、抵抗要素のみなので信号に帯域制限を生じさせないようにできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１７】
図４は、無線通信システム内の送信機１０の一部を示す、ブロック略図である。送信機１０は、例えば、無線通信システムの基地局内で使用することができるが、送信機１０が携帯電話または他のハンドヘルドデバイスなどの携帯型電池式デバイス内で使用される場合、本発明による高い効率は特に重要な特徴を有する。
【００１８】
送信機１０は、どんな無線通信システムにおいても使用でき、好ましい実施形態では、Ｗ−ＣＤＭＡシステムで使用することを目的としているが、ＩＥＥＥ８０２．１１で規定されているようなＯＦＤＭシステムを含む、他のシステムでも使用することができる。
【００１９】
よく知られているように、送信機１０は、送信に必要な情報を含み、関連する通信システムにより要求される形式に準拠している、高周波信号を発生するための信号処理回路１２を備える。したがって、高周波信号は、エンベロープ内にデータ信号を含み、エンベロープの振幅は、信号処理回路１２により決定される。例えば、送信機１０が、意図された受信機の近くにあることが知られている場合、エンベロープの振幅は、送信機１０が意図された受信機から遠くにあることが知られている場合よりも小さくできる。高周波信号は、電力増幅器ブロック１４に渡され、増幅された信号は、アンテナ１６に送られ、所望の１つまたは複数の受信機に送信される。
【００２０】
この場合、電力増幅ブロック１４は、電力増幅器１８を含み、さらに、送信機１０の効率を改善するために、エンベロープ検出器１９および増幅回路（エンベロープ増幅回路）２０を含む。信号処理回路１２は、電力増幅ブロック１４内の電力増幅器１８に接続され、電力増幅器１８はアンテナ１６に接続されている。
【００２１】
ここで、エンベロープ検出器１９の機能は、信号処理回路１２により発生した高周波信号のエンベロープの振幅を検出することであり、エンベロープ増幅回路２０の機能は、電力増幅器１８が効率よく動作できるように、エンベロープ検出器１９により検出されたエンベロープの振幅に基づき、電力増幅器１８に供給する電力を変調することである。つまり、高周波信号が大きな振幅を有する場合、比較的高い電源電圧を電力増幅器１８に供給する必要がある。しかし、高周波信号の振幅が小さいときに同じ電源電圧が電力増幅器１８に供給される場合、電力増幅器は、効率よく動作しない。振幅制限器（図示せず）を電力増幅器１８への入力のところに配置し、そこで振幅変動を除去することもできる。
【００２２】
図４は、エンベロープ検出器１９を電力増幅ブロック１４内のブロックとして示しているが、信号処理ブロック１２内にエンベロープ検出機能を備え、その出力をエンベロープ増幅回路２０に直接供給することも可能である。あるいはエンベロープ増幅回路２０内にエンベロープ検出器１９を含んでも良い。
【００２３】
図５は、本発明の一実施形態における、エンベロープ増幅回路２０の回路図である。この実施形態では、エンベロープ増幅回路２０は、線形増幅器段２２およびスイッチモード電源（switch-mode power supply）段２４を備える。線形増幅器段２２は線形増幅器Ａ1を有する。スイッチモード電源段２４は、差動増幅器Ａ2及びスイッチモード電源（ＳＭＰＳ）回路４０を含む。スイッチモード電源段２４は、受信した信号の低周波成分を効率よく増幅することができるが、高周波成分に反応することができない。その一方で、線形増幅器段２２は、これらの高周波成分を増幅するために用意されている。
【００２４】
より具体的には、入力エンベロープ信号は、エンベロープ増幅回路２０の入力ノードから線形増幅器Ａ1の非反転入力に印加される。線形増幅器Ａ1は、電圧帰還ループ２３を持ち、その出力は比較的低い値の検出抵抗器Ｒsenseの第１端に接続され、検出抵抗器Ｒsenseの第２端は抵抗器２６を通して線形増幅器Ａ1の反転入力に接続されている。線形増幅器Ａ1の反転入力は、他の抵抗器２８を通して接地される。線形増幅器Ａ1は、静電容量３０を通して接地されている電圧源ＶLINから給電される。
【００２５】
この例示されている実施形態では、線形増幅器Ａ1の利得は、抵抗器２６、２８の値により設定され、適当に選択された抵抗器により所望の値に設定することができる。例えば、他の実施形態では、線形増幅器Ａ1は、電圧フォロワとして構成することができる。
【００２６】
第２の増幅器Ａ2は、差動増幅器として作動する。差動増幅器Ａ2の非反転入力は、抵抗器Ｒa1を通して、検出抵抗器Ｒsenseの第１の端に接続される。差動増幅器Ａ2の反転入力は、抵抗器Ｒa1と同じ抵抗値の他の抵抗器Ｒa2を通して、検出抵抗器Ｒsenseの第２端に接続される。
【００２７】
差動増幅器Ａ2の出力は、抵抗器Ｒb1を通して反転入力に接続されて戻るが、差動増幅器Ａ２の非反転入力は、抵抗器Ｒb1と同じ抵抗値の他の抵抗器Ｒb2、及び、コンデンサＣ3と並列に接続されている抵抗器Ｒ3と可変抵抗器Ｒ4とからなるＲＣ回路網を通して接地される。
【００２８】
差動増幅器Ａ2は、静電容量３２、３４を通して接地されている電圧源ＶBATTから給電される。上述の電圧源ＶLINは、電圧源ＶBATTから導かれる。
【００２９】
差動増幅器Ａ2の出力は、抵抗器３６を通して、さらにコンデンサ３８を通して接地されると共に、バックコンバータ（buck converter）の形のスイッチモード電源（ＳＭＰＳ）回路４０の入力に接続される。
【００３０】
ＳＭＰＳ回路４０は、増幅器増Ａ2からの信号が非反転入力に入力される増幅器Ａ3と、増幅器Ａ3の出力に接続されＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号発生器と、電圧源ＶBATTと接地との間に直列接続された２つのトランジスタを備え、２つのトランジスタはＰＷＭ信号に基づき開閉し、その接続点より出力電流を出力する。本発明の例示されているこの実施形態では、ＳＭＰＳ回路４０は電圧源ＶBATTから給電され、増幅器Ａ3の出力はコンデンサ４２と抵抗器４４とを通して接地される。
【００３１】
ＳＭＰＳ回路４０は、インダクタ４６を通して、出力電流を出力ノード４８に送る。この出力ノード４８は、コンデンサ５０を通して接地され、インダクタＬ2を通してエンベロープ増幅回路２０の出力ノード５２に接続されと共に、増幅器Ａ3の反転入力に入力される。
【００３２】
インダクタ４６およびコンデンサ５０は一体になってローパスフィルタを形成する。
【００３３】
そのため、ＳＭＰＳ回路４０は、コンデンサ４２と抵抗器４４、およびインダクタ４６とコンデンサ５０と一体になって、ＬＣ出力フィルタ回路を持つバック（buck）ＳＭＰＳコンバータを形成する。このバックＳＭＰＳコンバータの構成を変更して、昇圧動作を行うブーストコンバータや昇降圧動作を行う、同じバック・ブーストコンバータの機能を実現できることは、当業者であれば理解するであろう。
【００３４】
検出抵抗器Ｒsenseの第２端は、さらに、エンベロープ増幅回路２０の出力ノード５２にも接続される。
【００３５】
そのため、エンベロープ増幅回路２０の出力ノード５２を通して供給される出力電流は、ＳＭＰＳ回路４０により出力される出力電流と線形増幅器Ａ1により出力される出力電流との総和である。インダクタＬ2は、線形増幅器Ａ1からの高周波出力電流がＳＭＰＳ回路４０の出力に入るのを妨げる。
【００３６】
したがって、出力ノード５２に負荷を接続して、出力電流を負荷に供給することができる。出力電流は、入力エンベロープ信号を正確に増幅して得られる信号であり、したがって、図５に示されている実施形態では、増幅された出力信号は、送信のため信号増幅に使用される電力増幅器への変調電源として使用することができる。
【００３７】
ＷＣＤＭＡ（広帯域符号分割多元接続）信号の場合、エネルギーの大半は、ＤＣ成分にあるが、有意な成分は、５００ｋＨｚから４ＭＨｚまでの周波数範囲内に置かれ、ごくわずかの割合が、ＤＣから５００ｋＨｚまでの範囲内にある。上述のエンベロープ増幅回路２０では、ＳＭＰＳ回路４０を使用して入力信号のＤＣおよび低周波成分を増幅し、その一方で線形増幅器Ａ1を使用して高周波ＡＣ成分を増幅することにより、これらの特性を利用する。
【００３８】
さらに、検出抵抗器Ｒsenseは、帰還ループ２３内に置かれているため、ＳＭＰＳ回路４０からの出力は、線形増幅器Ａ1の帰還経路２３に実際にフィードバックされる。この結果、線形増幅器Ａ1による入力信号のＤＣまたは低周波成分の増幅は、この（ＳＭＰＳ回路４０からの）帰還によりキャンセルされ、したがって、線形増幅器Ａ1は、高周波ＡＣ成分を増幅するためにしか使用されない。これは、回路は全体として、高い効率で動作することが可能であり、線形増幅器Ａ1についての出力電流駆動／シンクに対する要求が低減されることを意味する。
【００３９】
帰還動作に関して、抵抗器３６およびコンデンサ３８の動作は、ＳＭＰＳ回路４０への帰還のループ帯域幅を制御することであることに留意されたい。
【００４０】
ＳＭＰＳ回路４０への帰還の動作は、電流の平均レベルを摂動する（perturb）ことであることにも留意されたい。この電流の平均レベルは、可変抵抗器Ｒ4の選択された抵抗値の関数である、ＤＣオフセット電圧により決定される。そのため、この選択された抵抗値を調節することで、増幅の効率およびシステムの安定性を改善することができる。また、増幅器Ａ3の非反転入力または反転入力にＤＣオフセット電圧を印加することにより同様の効果が得られる。
【００４１】
さらに、ＳＭＰＳ回路４０自体に平均出力電圧の調整機能を持つＳＭＰＳコンバータを作成することも、ＳＭＰＳ回路のフィードバック電圧（ノード４８）に対して、外部からの電圧を加減算することで容易に実現できる。例えば、ＳＭＰＳ回路４０内に帰還される出力ノード４８にアナログ加減算器（図示せず）を設け、外部から所望の電圧を供給することにより、出力ノード５２からの出力電流を制御することができる。
【００４２】
例示されている実施形態には多くの変更形態が考えられ、回路の好ましい構成は回路の使用法、および利用可能な集積回路コンポーネントの特性に依存することは明らかであろう。
【００４３】
したがって、高い効率で、ＤＣ成分とＡＣ成分を持つ、エンベロープ信号を増幅することができるエンベロープ増幅回路が実現される。
【００４４】
以上説明したように、本発明の増幅器（エンベロープ増幅回路）は、抵抗要素が演算増幅器の帰還ループ内にあるので、演算増幅器は、スイッチモード電源とインダクタを介して接続する為、スイッチング電源の動作点電流まで供給する必要もなく、かつエンベロープの低周波成分を増幅しなくて済み、その結果、増幅回路の効率が改善されるという利点がある。また、インダクタが帰還ループ内になく、抵抗要素のみなので信号に帯域制限を生じさせないようにできる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】従来技術のエンベロープ増幅回路を示す図である。
【図２】従来技術のエンベロープ増幅回路を示す図である。
【図３】従来技術のエンベロープ増幅回路を示す図である。
【図４】送信増幅システム内の送信機の一部を示すブロック略図である。
【図５】本発明の一実施形態における増幅回路の回路図である。
【符号の説明】
【００４６】
１０  送信機
１２  信号処理回路
１４  電力増幅器ブロック
１６  アンテナ
１８  電力増幅器
１９  エンベロープ検出器
２０  増幅回路（エンベロープ増幅回路）
２２  線形増幅器段
２４  スイッチモード電源段
４０  ＳＭＰＳ回路
Ａ1  線形増幅器
Ａ2  差動増幅器
Ｒsense  検出抵抗器
Ｌ2  インダクタ
【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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