(57)【要約】【課題】高周波の電力増幅回路において、アナログ回路や帰還ループや大きな平滑容量のない構成にすること。広帯域信号に対して効率を落とすことなく対応できるようにすること。【解決手段】電力増幅器は、増幅器１１、複数のスイッチング電流源１５，１６，１７、複数の整流装置１８，１９，２０および変調器１４を備える。変調器１４は、高周波信号の包絡線成分に応じた制御信号を出力する。各スイッチング電流源１５，１６，１７は、変調器１４から出力された制御信号により制御された電流を流す。各スイッチング電流源１５，１６，１７から流れる電流は、整流装置１８，１９，２０により整流された後、合算され、増幅器１１へ供給される。増幅器１１は、供給された電流により高い電源効率で動作し、入力された高周波信号を増幅して、振幅の変化を伴う被変調波からなる信号を出力する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波信号を増幅する増幅器と、
前記増幅器に電流を供給する複数のスイッチング電流源と、
前記高周波信号の包絡線成分に応じて複数の前記スイッチング電流源から前記増幅器へ供給される電流量を制御する変調器と、
を備えることを特徴とする電力増幅器。
【請求項２】
前記スイッチング電流源は、前記変調器の出力信号に基づいて導通状態と非導通状態が切り替わるトランジスタと、該トランジスタが導通状態のときにエネルギーを蓄えるインダクタとからなり、
前記トランジスタが導通状態から非導通状態に変化した後に、前記インダクタに蓄えられたエネルギーを電流として前記増幅器へ流すことを特徴とする請求項１に記載の電力増幅器。
【請求項３】
複数の前記スイッチング電流源から流れる電流を合算して前記増幅器に供給することを特徴とする請求項１または２に記載の電力増幅器。
【請求項４】
複数の前記スイッチング電流源から流れる電流を整流する複数の整流装置をさらに備え、
複数の前記スイッチング電流源から流れる電流を前記整流装置により整流した後に合算することを特徴とする請求項３に記載の電力増幅器。
【請求項５】
高周波信号を増幅する増幅器と、
前記増幅器に電流を供給するスイッチング電流源と、
前記高周波信号の包絡線成分に応じて前記スイッチング電流源から前記増幅器へ供給される電流量を制御する変調器と、
を備えることを特徴とする電力増幅器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、増幅素子として半導体素子を用いた電力増幅器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、増幅素子として半導体素子を用いた電力増幅器が公知である。このような電力増幅器を高い電源効率で動作させるには、素子の出力端子における電流と電圧の積の時間積分が小さくなるように動作させて、素子内部での損失を減らすことが重要である。そのためには、増幅器を飽和動作させるのが有効である。
【０００３】
常に飽和動作している増幅素子から振幅被変調波を効率よく取り出すようにした増幅器が公知である。このような増幅器として、ＬＩＮＣ（Ｌｉｎｅａｒ  Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ  Ｕｓｉｎｇ  Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ  Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ）、ドハティ（Ｄｏｈｅｒｔｙ）増幅器、ＥＴ（Ｅｎｖｅｌｏｐ  Ｔｒａｃｋｉｎｇ）またはＥＥＲ（Ｅｎｖｅｌｏｐ  Ｅｌｉｍｉｎａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｒｅｓｔｏｒａｔｉｏｎ）などがある。
【０００４】
図２に、ＬＩＮＣの構成を示す。図２に示すように、ＬＩＮＣは、２つの増幅器１，２により構成される。各増幅器１，２は、それぞれ一定の振幅で、かつ位相が変化する信号を入力信号として飽和動作する。２つの増幅器１，２の出力信号は、合成部３で合成されて出力される。各増幅器１，２の入力信号の位相が変化すると、出力信号の振幅が変化する。
【０００５】
図３に、ドハティ増幅器の構成を示す。図３に示すように、ドハティ増幅器は、メイン増幅器４と補助増幅器５と２つの１／４波長線路６，７により構成される。補助増幅器５には、メイン増幅器４の入力信号を１／４波長線路６によりλ／４遅らせた信号が入力される。メイン増幅器４の出力信号を１／４波長線路７によりλ／４遅らせた信号と、補助増幅器５の出力信号が合成されて出力される。通常、メイン増幅器４は、Ａ級またはＡＢ級で動作させられ、補助増幅器５は、Ｂ級で動作させられる。入力電力を上げていくと、メイン増幅器４が先に飽和動作を開始し、高い効率が得られる。
【０００６】
図４に、ＥＴまたはＥＥＲの構成を示す。図４に示すように、ＥＴまたはＥＥＲは、高周波の高出力増幅器８と低周波増幅器９により構成される。ＥＥＲの場合、高周波の高出力増幅器８には、振幅が一定の信号が入力される。低周波増幅器９には、振幅情報を有する包絡線成分の信号が入力される。高周波の高出力増幅器８は、常に飽和動作しており、そのバイアスが低周波増幅器９の出力信号により変調されることによって、振幅変調成分を有する信号を出力する。ＥＴの場合には、高周波の高出力増幅器８に振幅が変動する信号が入力される。
【０００７】
ところで、増幅素子として半導体素子を用いた高周波増幅器として、次の構成のものが公知である。半導体増幅素子の制御電極に印加される入力信号の包絡線成分を検出する回路と、この回路が検出する包絡線成分にほぼ比例して半導体素子のドレイン電極またはコレクタ電極に印加する電圧を変化させる電圧制御回路とを備える。この電圧制御回路は、内部抵抗の低い電圧の異なる複数の直流電源を含み、ドレイン電極またはコレクタ電極に印加する電圧に応じてこの複数の直流電源から異なる電源電圧を取り出す切換手段を備える（例えば、特許文献１参照。）。
【０００８】
【特許文献１】特開昭６２−２７７８０６号公報（２．特許請求の範囲（１））
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上述した従来の増幅器には、次のような問題点がある。ＬＩＮＣでは、２つの増幅器の出力を効率よく合成するのが困難である。ドハティ増幅器では、メイン増幅器および補助増幅器のマッチング回路や移相回路を総合した透過帯域が狭くなる。ＥＴやＥＥＲでは、高周波の高出力増幅器のバイアスを包絡線成分の信号の速い振幅変化に対応させるのが困難である。また、従来の電力増幅器では、アナログ回路や帰還ループや大きな平滑容量が設けられており、また、電源回路自体の省電力のため、ＥＴ電源を広帯域信号に追随させるには限界がある。さらに、従来の電力増幅器では、電源電圧が短い時間に大きく変化すると、効率が下がってしまう。
【００１０】
この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、アナログ回路や帰還ループや大きな平滑容量が不要な電力増幅回路を提供することを目的とする。また、この発明は、広帯域信号に対して効率を落とすことなく対応できる電力増幅回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる電力増幅器は、増幅器、複数のスイッチング電流源、複数の整流装置および変調器を備える。変調器は、高周波信号の包絡線成分に応じた制御信号を出力する。各スイッチング電流源は、変調器から出力された制御信号により制御された電流を流す。各スイッチング電流源から流れる電流は、整流装置により整流された後、合算され、増幅器へ供給される。増幅器は、供給された電流により高い電源効率で動作し、入力された高周波信号を増幅して、振幅の変化を伴う被変調波からなる信号を出力する。
【００１２】
この発明によれば、アナログ回路や帰還ループや大きな平滑容量がなくても、十分に高速に高周波信号を高い電源効率で増幅することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明にかかる電力増幅器によれば、アナログ回路や帰還ループや大きな平滑容量が不要になるという効果を奏する。また、広帯域信号に対して効率を落とすことなく対応できるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる電力増幅器の好適な実施の形態を詳細に説明する。図１は、この発明の実施の形態にかかる電力増幅器の構成を示す図である。図１に示すように、電力増幅器は、増幅器１１、オープンスタブにより構成される１／４波長線路１２、インダクタ１３、変調器（ＭＯＤ）１４、ｍ個のスイッチング電流源１５，１６，１７、およびｍ個の整流装置１８，１９，２０を備えている。ここで、ｍは、自然数である。
【００１５】
増幅器１１は、特に限定しないが、例えば、ソース接地のＭＯＳトランジスタで構成されている。このＭＯＳトランジスタは、そのゲート端子に入力された高周波信号を増幅し、その増幅された信号をドレイン端子から出力する。このドレイン端子には、増幅器１１にバイアス（ドレイン電圧）を供給する前記インダクタ１３と、１／４波長線路１２が接続されている。このバイアスは、前記スイッチング電流源１５，１６，１７により変調される。
【００１６】
変調器１４は、ｎビットのデジタルエンベロープ信号ｅ0，ｅ1，ｅn-1をΔΣ変調して、一定時間幅のＲＺ（Ｒｅｔｕｒｎ  ｔｏ  Ｚｅｒｏ）信号に波形成形されたｍビットの制御信号ｐ0，ｐ1，ｐm-1を出力する。デジタルエンベロープ信号ｅ0，ｅ1，ｅn-1は、増幅器１１で増幅される高周波信号の包絡線成分のデジタル信号である。ここで、ｎは、自然数である。
【００１７】
第１のスイッチング電流源１５は、電源と接地点の間に、インダクタ２１とＭＯＳトランジスタ２２を直列に接続した構成となっている。このＭＯＳトランジスタ２２には、インダクタ２１を介してドレイン電圧が供給される。ＭＯＳトランジスタ２２のソース端子は、接地されている。ＭＯＳトランジスタ２２のゲート端子は、変調器１４の、前記制御信号ｐ0を出力する端子に接続されている。ＭＯＳトランジスタ２２のドレイン端子は、第１の整流装置１８の入力端子に接続されている。
【００１８】
第２のスイッチング電流源１６は、インダクタ２３とＭＯＳトランジスタ２４により、第１のスイッチング電流源１５と同様に構成されている。ＭＯＳトランジスタ２４のゲート端子は、変調器１４の、前記制御信号ｐ1を出力する端子に接続されている。ＭＯＳトランジスタ２４のドレイン端子は、第２の整流装置１９の入力端子に接続されている。
【００１９】
第ｍのスイッチング電流源１７は、インダクタ２５とＭＯＳトランジスタ２６により、第１のスイッチング電流源１５と同様に構成されている。ＭＯＳトランジスタ２６のゲート端子は、変調器１４の、前記制御信号ｐm-1を出力する端子に接続されている。ＭＯＳトランジスタ２６のドレイン端子は、第ｍの整流装置２０の入力端子に接続されている。
【００２０】
第１の整流装置１８、第２の整流装置１９および第ｍの整流装置２０は、第１のスイッチング電流源１５、第２のスイッチング電流源１６および第ｍのスイッチング電流源１７からそれぞれ供給される電流を整流する。第１の整流装置１８、第２の整流装置１９および第ｍの整流装置２０のそれぞれにより整流された電流は、合算されて、増幅器１１のドレイン端子に電源電流として供給される。スイッチング電流源１５，１６，１７は、予め重み付けされているので、合算された電流値は、多ビットの精度を有する。
【００２１】
各整流装置１８，１９，２０として、例えば、通常の整流用の半導体ダイオードを用いることができる。より好ましくは、各整流装置１８，１９，２０を、順方向電圧の低下が小さいショットキーダイオードや、順方向電圧の低下がほとんどないＭＯＳトランジスタからなる能動整流装置で構成するとよい。
【００２２】
次に、図１に示す構成の電力増幅器の動作について説明する。変調器１４に、デジタルエンベロープ信号ｅ0，ｅ1，ｅn-1が入力されると、その入力信号に応じて、変調器１４から出力される制御信号ｐ0，ｐ1，ｐm-1が適宜アサートされ、高レベル（“１”）となる。
【００２３】
各スイッチング電流源１５，１６，１７のＭＯＳトランジスタ２２，２４，２６は、制御信号ｐ0，ｐ1，ｐm-1が高レベルの期間だけ、導通する。それによって、ＭＯＳトランジスタが導通したスイッチング電流源においては、スイッチング電流源のインダクタに電流が流れる。ＭＯＳトランジスタが導通しなかったスイッチング電流源のインダクタには、電流が流れない。電流が流れたインダクタ２１，２３，２５には、エネルギーが蓄えられる。
【００２４】
アサートされた制御信号ｐ0，ｐ1，ｐm-1は、一定期間が経過すると、低レベル（“０”）に戻る。その信号レベルの反転によって、スイッチング電流源１５，１６，１７の導通状態にあるＭＯＳトランジスタ２２，２４，２６が、非導通状態に戻る。そして、スイッチング電流源１５，１６，１７のインダクタ２１，２３，２５に蓄えられたエネルギーが電流となってそれぞれの整流装置１８，１９，２０を流れ、合算されて、増幅器１１に電源電流として供給される。増幅器１１は、その供給された電源電流により、高い電源効率で動作し、振幅の変化を伴う被変調波からなる信号を出力する。
【００２５】
以上説明したように、実施の形態によれば、アナログ回路や帰還ループや大きな平滑容量がなくても、増幅器１１を高い電源効率で十分に高速に動作させて、高周波信号を増幅することができる。従って、アナログ回路や帰還ループや大きな平滑容量が不要になるという効果を奏する。また、広帯域信号に対して効率を落とすことなく対応できるという効果を奏する。
【００２６】
また、電力増幅器の消費電力が小さく、電力増幅器が高い電源効率特性を有するので、実施の形態にかかる電力増幅器を、携帯電話システムやその他の無線通信システムに適用する場合には、次のような効果が得られる。移動機に適用する場合には、必要なＲＦ電力を小型軽量な電池を用いて長時間出力可能な装置を実現することができる。固定局または基地局に適用する場合には、消費電力と発熱が小さくなるので、装置の小型化、高信頼化および長寿命化を図ることができる。また、装置を設置する際の利便性が向上する。
【００２７】
以上において本発明は、上述した実施の形態に限らず、種々変更可能である。例えば、スイッチング電流源は、１つでもよい。この場合には、変調器１４から１ビットの制御信号が出力される。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
以上のように、本発明にかかる電力増幅器は、広帯域のマイクロ波からミリ波の電気信号を増幅する電力増幅器に有用であり、特に、携帯電話システムやその他の無線通信システムの移動機や、固定局または基地局において、送信信号または受信信号を増幅する電力増幅器に適している。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】この発明の実施の形態にかかる電力増幅器の構成を示す図である。
【図２】従来の電力増幅器の一つであるＬＩＮＣの構成を示す図である。
【図３】従来の電力増幅器の一つであるドハティ増幅器の構成を示す図である。
【図４】従来の電力増幅器の一つであるＥＴまたはＥＥＲの構成を示す図である。
【符号の説明】
【００３０】
１１  増幅器
１４  変調器
１５，１６，１７  スイッチング電流源
１８，１９，２０  整流装置
２１，２３，２５  インダクタ
２２，２４，２６  トランジスタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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