(57)【要約】【課題】簡単な構成で歪補償増幅回路の電力効率を大幅に改善する。【解決手段】遅延回路６からの対象信号振幅が主増幅器５からの対象信号振幅より大きく、かつ互いに逆位相となるように方向性結合器７にて結合されることで、補助増幅器１０に入力される検出信号は対象信号を含んでいる。主増幅器５と補助増幅器１０とで歪特性が略等しく設定されていることで、検出信号を補助増幅器１０で増幅する前後において歪成分の振幅周波数特性の傾きはほとんど変化しない。補助増幅器１０からの出力信号と遅延回路１２からの信号とを方向性結合器１１にて結合して出力端子２から出力する際に、歪成分同士を略同振幅かつ逆位相で結合すると同時に対象信号同士を同位相で結合することができるので、歪除去性能を低下させることなく電力効率を大幅に改善することができる。【選択図】　　　　図１
2004015506.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象信号を増幅する主増幅器を備え、対象信号の一部と主増幅器からの出力信号の一部とを、歪検出用の振幅及び位相の相互関係を調整して結合することで、主増幅器にて発生した歪成分を含む検出信号を生成する歪検出ループと、
検出信号を増幅する補助増幅器を備え、補助増幅器からの出力信号の一部と主増幅器からの出力信号とを、歪除去用の振幅及び位相の相互関係を調整して結合することで、歪成分が低減された低歪出力信号を生成する歪除去ループと、
を有する歪補償増幅回路であって、
主増幅器及び補助増幅器の歪特性が略等しく、
対象信号が検出信号中に含まれるように歪検出用の振幅及び位相の相互関係が調整されることで、低歪出力信号のレベルを増大させることを特徴とする歪補償増幅回路。
【請求項２】
請求項１に記載の歪補償増幅回路であって、
対象信号の一部側の対象信号レベルが主増幅器からの出力信号側の対象信号レベルより大きく、かつこれらの信号が互いに略逆位相で結合されるように、歪検出用の振幅及び位相の相互関係が調整されることを特徴とする歪補償増幅回路。
【請求項３】
請求項１または２に記載の歪補償増幅回路であって、
検出信号中の歪成分を補助増幅器で増幅した後の歪成分レベルが対象信号を補助増幅器で増幅する際に発生する歪成分レベルより大きくなるように、歪検出用の振幅及び位相の相互関係が調整されることを特徴とする歪補償増幅回路。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１に記載の歪補償増幅回路であって、　主増幅器及び補助増幅器の飽和出力が略等しく、
主増幅器へ入力される対象信号レベルと補助増幅器へ入力される対象信号レベルとが略等しくなるように、歪検出用の振幅及び位相の相互関係が調整されることを特徴とする歪補償増幅回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、携帯電話用基地局等を始め、無線通信、有線通信の分野で低歪増幅のため使用される歪補償増幅回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の歪補償増幅回路は、主増幅器にて発生した歪成分を検出するための歪検出ループと、この歪成分を除去するための歪除去ループとを備えている。歪検出ループにおいては、主増幅器への入力信号の一部と主増幅器からの出力信号の一部とを方向性結合器にて結合し、その際に振幅及び位相の相互関係を調整して結合することで歪成分を検出する。歪除去ループにおいては、歪成分の一部と主増幅器からの出力信号とを方向性結合器にて結合し、その際に振幅及び位相の相互関係を調整して結合することで歪成分が低減された低歪出力信号を生成する。このようにして入力信号を増幅するとともに、その際に発生する歪成分の低減を図っている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来の歪補償増幅回路においては、歪成分を除去するために、歪成分の一部と主増幅器からの出力信号とを方向性結合器にて結合する際に、歪成分の大部分及び入力信号の一部の電力が方向性結合器のダミーロードにて消費されてしまう。したがって、この従来の歪補償増幅回路においては、電力効率が悪化してしまうという課題があった。
【０００４】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、簡単な構成で電力効率を大幅に改善することができる歪補償増幅回路を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、第１の本発明に係る歪補償増幅回路は、対象信号を増幅する主増幅器を備え、対象信号の一部と主増幅器からの出力信号の一部とを、歪検出用の振幅及び位相の相互関係を調整して結合することで、主増幅器にて発生した歪成分を含む検出信号を生成する歪検出ループと、検出信号を増幅する補助増幅器を備え、補助増幅器からの出力信号の一部と主増幅器からの出力信号とを、歪除去用の振幅及び位相の相互関係を調整して結合することで、歪成分が低減された低歪出力信号を生成する歪除去ループと、を有する歪補償増幅回路であって、主増幅器及び補助増幅器の歪特性が略等しく、対象信号が検出信号中に含まれるように歪検出用の振幅及び位相の相互関係が調整されることで、低歪出力信号のレベルを増大させることを特徴とする。
【０００６】
このように、主増幅器及び補助増幅器の歪特性が略等しく、対象信号が検出信号中に含まれるように歪検出用の振幅及び位相の相互関係が調整されることで、歪除去ループにて補助増幅器からの出力信号の一部と主増幅器からの出力信号とを結合して低歪出力信号を生成する際に対象信号同士が結合される。歪除去ループにおいては、対象信号を含む検出信号を補助増幅器で増幅する際に歪成分が発生し、この歪成分が主増幅器にて発生した歪成分と干渉するが、主増幅器及び補助増幅器の歪特性が略等しいので、歪成分の干渉前後において歪成分の振幅周波数特性の傾きはほとんど変化しない。したがって、歪除去ループにて低歪出力信号を生成する際に、広周波数帯域で歪成分同士を略同振幅かつ逆位相で結合して歪成分を低減すると同時に対象信号同士を結合して低歪出力信号のレベルを大幅に増大させることができる。したがって、歪除去性能を低下させることなく、簡単な構成で電力効率を大幅に改善することができる。
【０００７】
第２の本発明に係る歪補償増幅回路は、第１の本発明に記載の回路であって、対象信号の一部側の対象信号レベルが主増幅器からの出力信号側の対象信号レベルより大きく、かつこれらの信号が互いに略逆位相で結合されるように、歪検出用の振幅及び位相の相互関係が調整されることを特徴とする。
【０００８】
第３の本発明に係る歪補償増幅回路は、第１または第２の本発明に記載の回路であって、検出信号中の歪成分を補助増幅器で増幅した後の歪成分レベルが対象信号を補助増幅器で増幅する際に発生する歪成分レベルより大きくなるように、歪検出用の振幅及び位相の相互関係が調整されることを特徴とする。
【０００９】
第４の本発明に係る歪補償増幅回路は、第１〜３の本発明のいずれか１に記載の回路であって、主増幅器及び補助増幅器の飽和出力が略等しく、主増幅器へ入力される対象信号レベルと補助増幅器へ入力される対象信号レベルとが略等しくなるように、歪検出用の振幅及び位相の相互関係が調整されることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）を、図面に従って説明する。
【００１１】
図１は、本発明の実施形態に係る歪補償増幅回路の構成を示すブロック図である。歪補償増幅回路は、主増幅器５にて発生した歪成分を含む検出信号を生成する歪検出ループ３１、この歪成分を出力信号中から除去または抑圧する歪除去ループ３２を備えている。歪検出ループ３１は、方向性結合器３、主増幅器５、遅延回路６及び方向性結合器７を備えており、歪除去ループ３２は、補助増幅器１０、方向性結合器１１及び遅延回路１２を備えている。
【００１２】
方向性結合器３は、入力側の一端がダミーロード４と接続されており、入力端子１からの対象信号を主増幅器５及び遅延回路６に分配する。主増幅器５は、入力端子１からの対象信号を増幅して方向性結合器７へ出力する。ただし、主増幅器５にて対象信号を増幅する際に歪成分が発生する。遅延回路６は分配された対象信号を遅延させ、方向性結合器７に供給する。方向性結合器７は、主増幅器５からの出力信号を遅延回路１２を介し方向性結合器１１に供給する一方で、主増幅器５からの出力信号の一部を分岐して遅延回路６からの信号と結合させ、その結果得られた検出信号を補助増幅器１０に供給する。このとき、結合される２種類の信号における歪検出用の振幅及び位相の相互関係が方向性結合器７にて調整される。補助増幅器１０は、方向性結合器７にて結合された後の検出信号を増幅して方向性結合器１１へ出力する。方向性結合器１１は、遅延回路１２により遅延された信号と補助増幅器１０にて増幅された信号を結合し、その結果得られた信号を出力端子２を介し後段の回路へ出力する。このとき、結合される２種類の信号における歪除去用の振幅及び位相の相互関係が方向性結合器１１にて調整される。また、方向性結合器１１の出力端子２７側はダミーロード８と接続されている。
【００１３】
本実施形態においては、主増幅器５からの出力信号の一部と遅延回路６からの信号とを方向性結合器７にて結合した検出信号を補助増幅器１０に供給する際に、検出信号が対象信号を含むように歪検出用の振幅及び位相の相互関係が調整される。また、主増幅器５と補助増幅器１０とで、除去対象とする歪成分の周波数帯域における歪特性が略等しく設定されている。ここで、以下に示す（１）〜（５）の項目を満たすことで、主増幅器５と補助増幅器１０とで歪特性を略等しくすることができる。
（１）トランジスタの構造（ＢＪＴ、ＭＥＳＦＥＴ、ＭＯＳＦＥＴ等）を主増幅器５と補助増幅器１０とで同一にする。
（２）トランジスタの製造プロセス（注入する不純物の種類、濃度等）を主増幅器５と補助増幅器１０とで同一にする。
（３）増幅器のバイアス方式（Ａ級、ＡＢ級、Ｂ級等）を主増幅器５と補助増幅器１０とで同一にする。例えば、主増幅器５と補助増幅器１０の両方をＡＢ級とすることで電力効率をさらに改善することができる。また、主増幅器５と補助増幅器１０の両方をＡ級とすることで歪除去性能を向上させることができる。従来においては、主増幅器５は電力効率を上げるためにＡＢ級、補助増幅器１０は線形性重視でＡ級であるのが一般的である。そのため従来においては、主増幅器５と補助増幅器１０とで歪特性が異なってくる。
（４）増幅器の回路（シングル回路、プッシュプル回路等）を主増幅器５と補助増幅器１０とで同一にする。例えば、主増幅器５と補助増幅器１０の両方をＡ級シングル、ＡＢ級シングル、ＡＢ級プッシュプルのいずれか一つとする。従来は主増幅器５がＡＢ級プッシュプルで補助増幅器１０がＡ級シングルであるのが一般的である。
（５）増幅器のバックオフ（増幅器の飽和出力からどの位低いレベルで増幅器を動作させるかを決定するパラメータ）を主増幅器５と補助増幅器１０とで略同一にする。従来は主増幅器５と補助増幅器１０とでバックオフは大きく異なり、主増幅器５については電力効率重視でバックオフは小さく、補助増幅器１０については線形性重視でバックオフは大きいのが一般的である。そのため従来においては、主増幅器５と補助増幅器１０とで歪特性が異なってくる。
【００１４】
主増幅器５と補助増幅器１０とで歪特性をさらに一致させるためには、以下に示す（６）の項目も満たすことがさらに好ましい。
（６）増幅器の飽和出力（トランジスタのサイズに依存）を主増幅器５と補助増幅器１０とで略同一にする。従来は主増幅器５の方が補助増幅器１０よりはるかに大きいのが一般的である。そのため従来においては、主増幅器５と補助増幅器１０とで歪特性が異なってくる。また、増幅器の飽和出力及びバックオフが略同一であるとき増幅器への入力信号電力は略同一となる。
【００１５】
次に本実施形態における動作について説明する。ただし、説明の便宜上、ここでは単位電力の対象信号が入力端子１に入力された場合について説明する。
【００１６】
入力端子１に入力された対象信号は方向性結合器３にて主増幅器５側の線路及び遅延回路６側の線路に分配される。主増幅器５側の信号は主増幅器５にて増幅されるが、主増幅器５からの出力信号には対象信号が増幅された実信号の他に歪成分が存在する。ここで、入力端子１における信号電力が方向性結合器３にて主増幅器５側の線路及び遅延回路６側の線路に分配される電力比をａ：１−ａ（０＜ａ＜１）、主増幅器５の電力利得をＧｍ、主増幅器５の歪特性としての歪率（出力における（歪成分電力／実信号電力））をＤとすると、主増幅器５の出力端子２１における実信号振幅は（ａ×Ｇｍ）０．５であり、歪成分振幅は（ａ×Ｄ×Ｇｍ）０．５である。また、遅延回路６の出力端子２５における実信号振幅は（１−ａ）０．５であり、歪成分は発生していない。
【００１７】
方向性結合器７においては、主増幅器５からの出力信号の一部と遅延回路６からの信号とが結合され、結合後の検出信号が補助増幅器１０に入力される。このとき、遅延回路６からの実信号振幅が主増幅器５からの実信号振幅より大きく、かつ互いに逆位相となるように結合される。ここで、主増幅器５の出力端子２１における信号電力が方向性結合器７にて補助増幅器１０側の線路及び遅延回路１２側の線路に分配される電力比がｂ：１−ｂ（０＜ｂ＜１）であるとすると、補助増幅器１０の入力端子２２における実信号振幅及び歪成分振幅は以下のようになる。
実信号振幅：（（１−ａ）×（１−ｂ））０．５−（ａ×ｂ×Ｇｍ）０．５
歪成分振幅：（ａ×ｂ×Ｄ×Ｇｍ）０．５
【００１８】
ここで、遅延回路６からの実信号振幅が主増幅器５からの実信号振幅より大きいためには、以下の（１）式を満たす必要があり、この式を満たすようにａ、ｂ、Ｇｍの値が設定されることで、歪検出用の振幅及び位相の相互関係が調整される。
【数１】
（１−ａ）×（１−ｂ）＞ａ×ｂ×Ｇｍ　　　（１）
【００１９】
次に、結合後の検出信号は補助増幅器１０にて増幅されるが、実信号を増幅する際に歪成分が発生する。この歪成分は、主増幅器５にて発生し補助増幅器１０の入力端子２２にて存在している歪成分と逆位相となり、互いに打ち消し合う。ただし、入力端子２２にて存在している歪成分を補助増幅器１０で増幅した後の振幅が補助増幅器１０にて発生する歪成分振幅より大きくなるように、主増幅器５からの出力信号と遅延回路６からの信号との結合が調整される。ここで、補助増幅器１０の歪率については、除去対象とする歪成分の周波数帯域において主増幅器５の歪率Ｄと略等しく設定されている。補助増幅器１０の歪率をＤと近似し、補助増幅器１０の電力利得をＧｓとすると、補助増幅器１０の出力端子２３における実信号振幅及び歪成分振幅は以下のようになる。
実信号振幅：（（１−ａ）×（１−ｂ）×Ｇｓ）０．５−（ａ×ｂ×Ｇｍ×Ｇｓ）０．５
歪成分振幅：２×（ａ×ｂ×Ｄ×Ｇｍ×Ｇｓ）０．５　　　　　　−（（１−ａ）×（１−ｂ）×Ｄ×Ｇｓ）０．５
【００２０】
ここで、入力端子２２にて存在している歪成分を補助増幅器１０で増幅した後の振幅が補助増幅器１０にて発生する歪成分振幅より大きくなるためには、以下の（２）式を満たす必要があり、この式を満たすようにａ、ｂ、Ｇｍの値が設定されている。
【数２】
（１−ａ）×（１−ｂ）＜４×ａ×ｂ×Ｇｍ　　　（２）
【００２１】
また、遅延回路１２の出力端子２６においては、実信号振幅及び歪成分振幅は以下のようになる。
実信号振幅：（ａ×（１−ｂ）×Ｇｍ）０．５＋（（１−ａ）×ｂ）０．５
歪成分振幅：（ａ×（１−ｂ）×Ｄ×Ｇｍ）０．５
【００２２】
方向性結合器１１においては、補助増幅器１０からの出力信号の一部と遅延回路１２からの信号とが結合され、結合後の信号が出力端子２から出力される。このとき、遅延回路１２からの歪成分と補助増幅器１０からの歪成分とが同振幅かつ互いに逆位相となるように結合されることで、出力端子２から歪成分が低減された低歪出力信号が出力される。このとき、遅延回路１２からの実信号と補助増幅器１０からの実信号とは、互いに同位相となるように結合されて出力端子２から出力される。ここで、補助増幅器１０の出力端子２３における信号電力が方向性結合器１１にて出力端子２及び出力端子２７に分配される電力比がｃ：１−ｃ（０＜ｃ＜１）であるとすると、出力端子２における実信号振幅及び歪成分振幅は以下のようになる。
実信号振幅：（（１−ａ）×（１−ｂ）×ｃ×Ｇｓ）０．５　　　　　　−（ａ×ｂ×ｃ×Ｇｍ×Ｇｓ）０．５＋（ａ×（１−ｂ）×（１−ｃ）×Ｇｍ）０．５　　　　　　＋（（１−ａ）×ｂ×（１−ｃ））０．５
歪成分振幅：２×（ａ×ｂ×ｃ×Ｄ×Ｇｍ×Ｇｓ）０．５　　　　　　−（（１−ａ）×（１−ｂ）×ｃ×Ｄ×Ｇｓ）０．５　　　　　　−（ａ×（１−ｂ）×（１−ｃ）×Ｄ×Ｇｍ）０．５
【００２３】
出力端子２にて歪成分が除去されるためには、以下の（３）式を満たす必要があり、この式を満たすようにａ、ｂ、ｃ、Ｇｍ、Ｇｓの値が設定されている。
【数３】
２×（ａ×ｂ×ｃ×Ｇｍ×Ｇｓ）０．５＝（（１−ａ）×（１−ｂ）×ｃ×Ｇｓ）０．５＋（ａ×（１−ｂ）×（１−ｃ）×Ｇｍ）０．５　　　（３）
【００２４】
また、方向性結合器１１にて結合された補助増幅器１０からの信号及び遅延回路１２からの信号は出力端子２７へも出力され、この信号はダミーロード８にて消費される。ここで、出力端子２７へ出力される信号については、補助増幅器１０からの実信号と遅延回路１２からの実信号とが同振幅かつ互いに逆位相となるように結合されることで、ダミーロード８にて消費される実信号電力が低減される。出力端子２７における実信号振幅及び歪成分振幅は以下のようになる。
実信号振幅：（ａ×（１−ｂ）×ｃ×Ｇｍ）０．５　　　　　　＋（（１−ａ）×ｂ×ｃ）０．５　　　　　　−（（１−ａ）×（１−ｂ）×（１−ｃ）×Ｇｓ）０．５　　　　　　＋（ａ×ｂ×（１−ｃ）×Ｇｍ×Ｇｓ）０．５
歪成分振幅：（ａ×（１−ｂ）×ｃ×Ｄ×Ｇｍ）０．５　　　　　　＋２×（ａ×ｂ×（１−ｃ）×Ｄ×Ｇｍ×Ｇｓ）０．５　　　　　　−（（１−ａ）×（１−ｂ）×（１−ｃ）×Ｄ×Ｇｓ）０．５
【００２５】
実信号電力がダミーロード８にて消費されないためには、以下の（４）式を満たす必要があり、この式を満たすようにａ、ｂ、ｃ、Ｇｍ、Ｇｓの値が設定されている。
【数４】
（ａ×（１−ｂ）×ｃ×Ｇｍ）０．５＋（（１−ａ）×ｂ×ｃ）０．５＝（（１−ａ）×（１−ｂ）×（１−ｃ）×Ｇｓ）０．５−（ａ×ｂ×（１−ｃ）×Ｇｍ×Ｇｓ）０．５　　　（４）
【００２６】
また、増幅器の飽和出力及びバックオフの両方が主増幅器５と補助増幅器１０とで同一である場合は、各増幅器への入力信号電力は等しくなる。したがって、この場合はさらに以下の（５）式を満たすようにａ、ｂ、Ｇｍの値が設定される。なお、このときＧｍ＝Ｇｓである。
【数５】
（（１−ａ）×（１−ｂ））０．５−（ａ×ｂ×Ｇｍ）０．５＝ａ０．５　　　（５）
【００２７】
本実施形態においては、主増幅器５と補助増幅器１０とで歪特性が略等しく設定されている。そして、遅延回路６からの実信号振幅が主増幅器５からの実信号振幅より大きく、かつ互いに逆位相となるように方向性結合器７にて結合されることで、補助増幅器１０に入力される検出信号中には歪成分だけでなく実信号も含まれている。ここで、補助増幅器１０に入力される検出信号中に実信号が含まれているときは、この実信号を補助増幅器１０で増幅する際に歪成分が発生し、この歪成分が主増幅器５にて発生した歪成分と干渉する。主増幅器５と補助増幅器１０とで歪特性が異なる場合は、歪成分の干渉前後において歪成分の振幅周波数特性の傾きが異なってくるため、補助増幅器１０からの出力信号と遅延回路１２からの信号とを方向性結合器１１にて結合して出力端子２から出力する際に、広周波数帯域で歪成分同士を同振幅かつ逆位相で結合できなくなり、歪除去性能が低下してしまう。しかし本実施形態では、主増幅器５と補助増幅器１０とで歪特性を略等しく設定していることで、歪成分の干渉前後において歪成分の振幅周波数特性の傾きはほとんど変化しない。したがって、補助増幅器１０に入力される検出信号中に高レベルの実信号が含まれていても、方向性結合器１１では広周波数帯域で歪成分同士を略同振幅かつ逆位相で結合することができる。そして、主増幅器５にて発生した歪成分を補助増幅器１０で増幅した後の振幅が補助増幅器１０にて発生する歪成分振幅より大きくなるように、主増幅器５からの出力信号と遅延回路６からの信号との結合が調整されることで、方向性結合器１１から出力端子２へ出力する信号については、歪成分同士を略同振幅かつ逆位相で結合すると同時に実信号同士を同位相で結合することができる。さらにこのとき、方向性結合器１１からダミーロード８へ出力する信号については、実信号同士を同振幅かつ逆位相で結合することができる。したがって本実施形態では、歪除去性能を低下させることなく、出力端子２からの低歪出力信号の電力を大幅に増大させ、ダミーロード８にて消費される信号電力を大幅に削減することができるので、簡単な構成で電力効率を大幅に改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る歪補償増幅回路の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
３，７，１１　方向性結合器、５　主増幅器、８　ダミーロード、１０　補助増幅器、３１　歪検出ループ、３２　歪除去ループ。
【図１】
2004015506.tif 000003