(57)【要約】【課題】出力電力レベルを選択でき、所望の電力レベル範囲全体にわたって電力効率の高い無線周波数電力増幅用の飽和増幅回路を提供する。【解決手段】互いに並列に接続した二つの増幅器を電力増幅器に備える。第２の増幅器の受ける入力は第１の増幅器の受ける入力の遅延バージョンとする。第１の増幅器の出力は、第２の増幅器の出力とほぼ同相になるように、遅延をかける。低出力電力動作の場合は第１の増幅器のみをイネーブルする。高出力電力動作の場合は第１の増幅器および第２の増幅器の両方をイネーブルする。これら第１および第２の増幅器を飽和増幅器として動作させる。第１の可変出力電力制御信号で第１の増幅器サブセクションの出力電力を制御し、第２の可変出力電力制御信号で第２の増幅器サブセクションの出力電力を制御する。
2006500884.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力信号を受け、それに応答して第１の出力信号を生ずるように構成した第１の増幅器サブセクションと、
前記入力信号に第１の遅延を与えて遅延入力信号を生ずるように構成した第１の遅延回路と、
前記遅延入力信号を受け、それに応答して第１の遅延出力信号を生ずるように構成した第２の増幅器サブセクションと、
インピーダンス反転を生ずるとともに前記第１の出力信号に第２の遅延を与えて第２の遅延出力信号を生ずるように構成したインピーダンス反転回路と、
前記第１の遅延出力信号および前記第２の遅延出力信号を合成して増幅出力信号を生ずる手段と、
前記第１の増幅器サブセクションをイネーブル時に飽和モードで動作させる第１の出力レベル制御信号と、前記第２の増幅器サブセクションをイネーブル時に飽和モードで動作させる第２の出力レベル制御信号とを生ずるように構成したレベル制御回路と
を含む電力増幅回路。
【請求項２】
前記第１の増幅器サブセクションおよび前記第２の増幅器サブセクションを互いに独立にイネーブルしディスエーブルするように構成したバイアス制御回路手段をさらに含む請求項１記載の電力増幅器。
【請求項３】
前記バイアス制御回路手段が、アナログレベル制御信号に応答して第１のバイアス電圧および第２のバイアス電圧を生ずるように構成したバイアス制御回路を含み、前記第１のバイアス電圧を前記第１の増幅器サブセクションに加え、前記第２のバイアス電圧を前記第２の増幅器サブセクションに加えた請求項２記載の電力増幅器。
【請求項４】
前記バイアス制御回路が、
前記アナログレベル制御信号が低電力モードを特定している場合に前記第１のバイアス電圧を活性化するとともに前記第２のバイアス電圧を非活性化する手段と、
前記アナログレベル制御信号が高電力モードを特定している場合に前記第１のバイアス電圧および前記第２のバイアス電圧の両方を活性化する手段と
を含む請求項２記載の電力増幅器。
【請求項５】
前記第１の出力レベル制御信号および前記第２の出力レベル制御信号がランプ波形信号である請求項１記載の電力増幅器。
【請求項６】
前記合成する手段が前記第１および第２の遅延出力信号を受けるように構成した出力端子を含み、出力信号を前記出力端子に生ずる請求項１記載の電力増幅器。
【請求項７】
前記第１の増幅器サブセクションが第１のトランジスタを含み、前記レベル制御回路が前記第１のトランジスタのコレクタと電圧源端子との間に接続した第１の制御トランジスタを含む請求項１記載の電力増幅器。
【請求項８】
前記第１のトランジスタのコレクタと前記第１の制御トランジスタとの間に接続したインダクタをさらに含む請求項７記載の電力増幅器。
【請求項９】
前記第２の増幅器サブセクションが第２のトランジスタを含み、前記レベル制御回路が前記第２のトランジスタのコレクタと電圧源端子との間に接続した第２の制御トランジスタを含む請求項７記載の電力増幅器。
【請求項１０】
前記第１のトランジスタのコレクタと前記第１の制御トランジスタとの間に接続したインダクタと、
前記第２のトランジスタのコレクタと前記第２の制御トランジスタとの間に接続したインダクタと
をさらに含む請求項９記載の電力増幅器。
【請求項１１】
前記第１の遅延回路がインダクタと一つ以上のキャパシタとを含む請求項１記載の電力増幅器。
【請求項１２】
前記インピーダンス反転回路がインダクタと一つ以上のキャパシタとを含む請求項１記載の電力増幅器。
【請求項１３】
前記第１の増幅器サブセクションが少なくとも一つのヘテロ接合バイポーラトランジスタを含み、前記第２の増幅器サブセクションが少なくとも一つのヘテロ接合バイポーラトランジスタを含む請求項１記載の電力増幅器。
【請求項１４】
前記第１の遅延が前記第２の遅延に等しい請求項１記載の電力増幅器。
【請求項１５】
入力信号を増幅する方法であって、
前記入力信号を第１の増幅器サブセクションに供給する過程と、
前記入力信号に応答して第１の出力信号を生ずるように前記第１の増幅器サブセクションを飽和モードの動作にイネーブルする過程と、
前記入力信号に第１の遅延を与えて遅延入力信号を生ずる過程と、
前記遅延入力信号を第２の増幅器サブセクションに供給する過程と、
前記遅延入力信号に応答して第１の遅延出力信号を生ずるように前記第２の増幅器サブセクションを飽和モードの動作にイネーブルする過程と、
前記第１の出力信号に第２の遅延を与えて第２の遅延出力信号を生ずる過程と、
前記第１の遅延出力信号および前記第２の遅延出力信号を合成して増幅出力信号を生ずる過程と
を含む方法。
【請求項１６】
前記第１の遅延出力信号と前記第２の遅延出力信号とがほぼ同相になるように前記第１の遅延を前記第２の遅延に等しく選ぶ過程をさらに含む請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
前記第２の増幅器サブセクションを低電力モードにおいてディスエーブルする過程をさらに含む請求項１５記載の方法。
【請求項１８】
前記第１の増幅器サブセクションを飽和モードの動作にイネーブルする過程が、
前記第１の増幅器サブセクションのベースに第１のバイアス電圧をかける過程と、
前記第１の増幅器サブセクションのコレクタに第１の出力レベル制御信号を加える過程と
を含む請求項１５記載の方法。
【請求項１９】
前記第１の出力レベル制御信号がランプ波形信号である請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
前記第２の増幅器サブセクションを飽和モードの動作にイネーブルする過程が、
前記第２の増幅器サブセクションのベースに第２のバイアス電圧をかける過程と、
前記第２の増幅器サブセクションのコレクタに第２の出力レベル制御信号を加える過程と
を含む請求項１７記載の方法。
【請求項２１】
前記第２の出力レベル制御信号がランプ波形信号である請求項２０記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
この出願は２００２年１１月１日提出のトーマス  アール．アペル名義の米国特許仮出願第６０／４２２，９８４号「複数の出力電力レベルを有する飽和電力増幅器」および２００２年９月２０日提出の同人名義の米国特許仮出願第６０／４１２，３４２号「周辺回路切換による効率的電力制御」の優先権を主張し、それら出願番号をここに参照してそれら出願の明細書の記載内容をこの明細書に組み入れる。
【技術分野】
【０００２】
この発明は電子回路による電力増幅器（ＰＡ）に関し、より詳しくいうと、複数の選択可能な出力電力レベルを生ずる無線周波数電力増幅器または飽和電力増幅器に関する。
【背景技術】
【０００３】
電子回路による電力増幅器は入力信号を受けて出力信号、すなわちその入力信号を大きくしたバージョンである出力信号を生ずる。周知のとおり、電子回路による増幅回路のごく概括的なカテゴリーとして、Ａ級、ＡＢ級、Ｂ級、Ｃ級増幅器がある（Ｄ級、Ｅ級、Ｆ２級などのスイッチングモード増幅器もある）。Ａ級およびＡＢ級増幅器は線形増幅動作を行い、Ｂ級およびＣ級増幅器は非線形増幅動作を行う。Ａ級、ＡＢ級、Ｂ級およびＣ級の区別は、特定の増幅器バイアス設定による増幅器負荷ライン上の休止時電流点（Ｑ点）の位置によって概括的に定まる。上記Ｑ点の位置は増幅回路構成部品におけるバイアスレベル（例えば電圧）により設定する。これら増幅器の分類は広帯域（非同調）増幅器への低信号入力にも該当する。
【０００４】
同調増幅器は特定の入力信号周波数で最大利得を生ずるように構成した増幅器である。例えば、ＲＦ同調増幅器は特定のＲＦ動作周波数、または特定のＲＦ動作周波数帯（例えば、行政庁が指定したセルラー電話（無線）周波数帯など）で最大利得をもたらす。この増幅器をその増幅器の中のキャパシタンス素子およびインダクタンス素子の共振回路で所望の周波数に同調させ、その周波数で最大利得を得る。
【０００５】
理想的な増幅器では、出力信号波形は入力信号波形に正確に対応し（すなわち線形の対応関係）、出力信号波形の大きさが増大し位相が遅れている（移相を受けている）ことだけが異なってくる。しかし、実際の増幅器は、増幅動作中に入力信号を歪ませ、その結果、入力信号と出力信号との間には少なくとも低レベルの非直線性が生ずる。例えば、増幅器にもともと備わっている特性（例えば動作中の非線形信号応答特性など）、または出力信号に影響を及ぼす外部信号（例えば雑音など）のために歪が生ずる。
【０００６】
無線（例えば無線周波数）通信システムでは、送信中の情報搬送信号は、通常は搬送波信号成分と変調信号成分との副産物である。変調信号は送信すべき情報を含み、搬送波信号波形を変える（変調する）のに用いられる。周知の変調手法として、振幅変調（ＡＭ）、周波数変調（ＦＭ）、パルス符号変調（ＰＣＭ）、ガウス最小位相偏移変調（ＧＭＳＫ）および符号化変調（例えば直交符号化周波数分割多重化（ＣＯＤＥＣ））などがある、無線通信システムでは、搬送波信号歪および変調信号歪の両方が重要な設計要素になる。増幅される信号の変調信号成分が情報を含んでいるので、変調信号歪を最小にする必要がある。
【０００７】
ＲＦ増幅器で問題になる歪として、増幅器への入力信号の高調波歪、その入力信号の変調信号成分の振幅歪（例えばＡＭ−ＡＭ包絡線歪）、および入力信号包絡線変動に起因する被変調信号の位相歪（例えばＡＭ−ＰＭ歪）の三つの種類の歪がある。ＲＦ用の増幅器は通常は同調増幅器であるから、入力信号の高調波成分は増幅器出力信号で許容可能なレベルまで抑圧される。しかし、ＲＦ増幅器による入力信号の増幅は、増幅出力信号の中の変調信号成分が許容可能な程度に直線性を保った（歪の影響を排除した）形の増幅でなければならない。Ａ級およびＡＢ級同調増幅器は、入力信号により飽和状態まで駆動されなければ、両方とも近年の無線電力増幅用（例えばセルラー電話ハンドセットからの送信電力増幅用）に必要な変調信号成分直線性をもたらす。
【０００８】
飽和増幅器とは、過大入力信号で過剰駆動を受けて厳しい電圧制限状態にある増幅器（増幅器の等級に無関係）をいう。すなわち、飽和増幅器では、出力信号電圧がその増幅器への電源電圧により制限される（すなわち、トップレール電圧およびボトムレール電圧）。したがって、増幅出力電圧波形はクリップされた波形になる。出力電圧および出力電流の両方が増幅成分の利用可能な限界値を通じて変動する（例えば抵抗性／大電流領域およびカットオフ／高電圧領域の両方で）。飽和増幅器は非線形増幅器である（すなわち、出力信号波形は入力信号波形のクリップしたバージョンである）。しかし、入力信号の包絡線を一定にする変調手法を用いれば、飽和増幅器の振幅制限特性は許容可能になる。この種の変調手法は情報信号の搬送に位相または周波数の変動を用いる。飽和増幅器は低いＡＭ−ＰＭ歪で高いＤＣ駆動電力対ＲＦ出力電力効率をもたらすので有利である。
【０００９】
Doherty増幅器は１９３０年代以来周知であり、当初は無線周波数信号の放送に用いられた。Doherty増幅器は可変振幅入力信号に応答して動作する搬送波増幅器とピーキング増幅器とを含む。入力信号の包絡線ピーク値が入力閾値以下である場合は、搬送波増幅器は非飽和線形増幅器として動作し低電力増幅動作を行う。この段階ではピーキング増幅器はディスエーブルしてある。上記入力信号の包絡線ピーク値が入力閾値以上になった場合は、搬送波増幅器は飽和モードで動作し、ピーキング増幅器がイネーブルされる。ピーキング増幅器にはＢ級またはＣ級増幅動作を行うようにバイアスをかける。慣用のDoherty増幅器ではピーキング増幅器は飽和しない。
【００１０】
携帯用無線（無線周波数）送受信機（例えばセルラー電話ハンドセット）に利用できる電力は、電池の容量および所望の通話可能時間長により制限される。この種の送受信機の中の電力回路構成部分のうち、送信部の電力増幅器が通常は最大量の電力を消費する。この種の送受信機の小型化に伴って、消費電力が重要な設計検討項目になってきた。電池の使用可能時間を長くすることが求められるからである。出力信号を複数の選択可能な電力レベルで出力する送信部を備えた送受信機もある。例えば、ＧＳＭ方式で用いられている通常のセルラー電話ハンドセットでは、送信機最終段増幅器に供給されるＲＦ入力信号の電力は高く比較的一定にしてある。この最終段増幅器の出力電力はアナログ制御信号で制御する。このアナログ制御信号の低下に伴って最終段増幅器の出力電力は低下するが、電池電圧および電力増幅器負荷インピーダンスは一定であるので、ＤＣ対ＲＦ電力効率も低下する。
【００１１】
【特許文献１】ＵＳＰ  ５  １６２  ７５６
【特許文献２】ＵＳＰ  ４  １８９  ７３２
【特許文献３】US 2002/0190790 A1 (CHENG et al)19 December 2002, page 4, paragraph 0037
【特許文献４】ＵＳＰ  ６  ０６９  ５２５
【非特許文献１】HOLT, Electronic Circuits Digitaland Analog, John Wiley & Sons, 1978, p.500
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
したがって、選択可能な複数の出力電力レベルを有し出力電力レベルの広い範囲にわたって高い電力効率を示す飽和増幅回路が求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
したがって、この発明は、入力端子および出力端子の間で互いに並列に接続した第１の増幅器サブセクションおよび第２の増幅器サブセクションを含む電力増幅回路を提供する。第１の増幅器は、ＲＦ入力信号を受けそれに応答して第１の出力信号を生ずるように構成する。第１の遅延回路は上記入力信号に第１の遅延を与え、遅延入力信号を生ずるように構成する。第２の増幅器は、その遅延入力信号を受けそれに応答して第１の遅延出力信号を生ずるように構成する。インピーダンス反転回路は第１の出力信号に第２の遅延を与え、第２の遅延出力信号を生ずるように構成する。これら第１の遅延出力信号および第２の遅延出力信号を合成してＲＦ増幅出力信号を生ずる。第１の遅延および第２の遅延は互いに等しく設定し、上記第１の遅延出力信号と第２の遅延出力信号とが同相になるようにする。
【００１４】
この電力増幅回路をイネーブル制御信号に応答してイネーブル／ディスエーブルする。この電力増幅回路の出力電力レベルをアナログレベル制御信号に応答して制御する。この電力増幅回路は、イネーブルされた状態では、アナログレベル制御信号に応答して低電力範囲または高電力範囲で動作する。低電力範囲における動作時には、第１の増幅器サブセクションを飽和モードで動作するようにイネーブルし、第２の増幅器サブセクションはディスエーブルしておく。高電力範囲における動作時には、第１の増幅器サブセクションおよび第２の増幅器サブセクションの両方を飽和モードで動作するようにイネーブルする。
【００１５】
イネーブル時に第１の増幅器サブセクションを飽和モードで動作させる第１の出力レベル制御信号と、イネーブル時に第２の増幅器サブセクションを飽和モードで動作させる第２の出力レベル制御信号とを供給するようにレベル制御回路を構成する。このレベル制御回路はアナログレベル制御信号および増幅器イネーブル信号に応答して動作する。第１の増幅器サブセクションおよび第２の増幅器サブセクションを飽和モードで動作させることによって、高効率を達成できる。
【００１６】
この電力増幅器は、第１の増幅器サブセクションおよび第２の増幅器サブセクションを互いに独立にイネーブルしディスエーブルするように構成したバイアス制御回路をさらに含む。一つの実施例では、このバイアス制御回路は内部モード信号に応答して第１のバイアス制御電圧および第２のバイアス電圧を生ずるように構成したバイアス制御回路を含む。内部モード信号は低電力範囲か高電力範囲かを特定する。第１のバイアス電圧を第１の増幅器サブセクションに加え、第２のバイアス電圧を第２の増幅器サブセクションに加える。
【００１７】
増幅器イネーブル信号が活性化され、アナログレベル制御信号が制御範囲の低電力部分にあるときは、バイアス制御回路が第１のバイアス電圧を活性化するとともに第２のバイアス電圧を非活性化し、それによって第１の増幅器サブセクションをイネーブルするとともに第２の増幅器サブセクションをディスエーブルする。イネーブル信号が制御範囲の高電力部分を特定する場合は、バイアス制御回路は第１のバイアス電圧および第２のバイアス電圧の両方を活性化し、それによって第１の増幅器サブセクションおよび第２の増幅器サブセクションの両方をイネーブルする。
【００１８】
このように、この発明の電力増幅回路はDoherty増幅器および飽和増幅器の高効率を組み合わせる。また、電力増幅回路の消費電力を、第２の増幅器サブセクションをディスエーブルすることによって、低出力電力レベル時にさらに節減する。
【００１９】
第１の増幅器サブセクションは、コレクタを第１の制御トランジスタ経由でトップレール電圧源端子に接続したバイポーラトランジスタで実現できる。その第１の制御トランジスタがオンになると、アナログ制御電圧で制御された調整出力電圧がトップレール電圧源から得られる。第２の増幅器サブセクションの実現に同様の回路構成を用いることができる。
【００２０】
次に述べる説明および図面からこの発明はよりよく理解されよう。
【発明の効果】
【００２１】
選択可能な複数の出力電力レベルを有するとともに所望の出力電力レベルの範囲にわたって電力効率の高いＲＦ電力増幅器を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
発明の実施例をより明確に示すために特定の周知の電子回路（例えば電源供給線など）を省略して図面に示してあることは当業者には理解されよう。図面全体を通じて、同じ参照数字は各種実施例の中の同じ構成要素を示す。例えば、実施例は全体的にバイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）技術（例えばマルチセルへテロ接合バイポーラ接合トランジスタ（ＨＢＴ））によるものとして説明しているが、電界効果トランジスタまたは電子管をここに示した回路構成に採用できることは当業者には理解されよう。例えば、ＢＪＴに代えてＦＥＴまたは三極真空管を用いることもできる。
【００２３】
慣用のＧａＡｓ製造技術を用いてＧａＡｓ基板の上に形成できる実施例もある。上記以外の実施例ではそれ以外の半導体材料（例えばシリコン、リン化インジウムなど）を用いることもできる。
【００２４】
図１はこの発明の一つの実施例によるセルラー電話ハンドセット１００および受信アンテナ１０８のブロック図である。セルラー電話送受信機ハンドセット１００は最終段電力増幅器２００を含む。電力増幅器２００は可変で選択可能な出力電力レベルをアンテナ１０２に供給して、可変高電力無線周波数信号１０４または可変低電力無線周波数信号１０６が受信アンテナ１０８に送信されるようにする。なお、通常は電力増幅器２００とアンテナ１０２との間にデュプレクサまたはフィルタ（図示してない）を配置する。
【００２５】
図２はこの発明の一つの実施例による電力増幅回路２００の回路図である。この電力増幅回路２００は低電力増幅器サブセクション２０１と、高電力増幅器サブセクション２０２と、インピーダンス整合回路２１０と、入力端子２１１と、遅延素子２０４と、インピーダンス反転回路２０６と、中間出力ノード２０８と、バイアス制御回路２１８と、増幅器イネーブル回路２２２と、電圧レベル制御回路２２４と、電力制御回路２２８とを含む。
【００２６】
図２に示すとおり、増幅器サブセクション２０１および２０２からの出力信号を中間出力ノード２０８で合成する。増幅器サブセクション２０１乃至２０２は、単一のＨＢＴの中に複数のセルを含む多様なＢＪＴまたはＦＥＴから成るものの例示である。また、増幅器サブセクション２０１乃至２０２は共通の出力信号を生ずるように同相で結合した二つ以上の増幅器の例示である（例えば、ＨＢＴの中の複数のセルを、増幅器サブセクション２０１および増幅器サブセクション２０２を形成するように並列配置する）。
【００２７】
図２に示すとおり、無線周波数入力信号ＲＦＩＮを入力端子２１１に加える。後述の説明から明らかになるとおり、この発明の一つの実施例では、入力信号ＲＦＩＮの電力は増幅器サブセクション２０１および２０２を常に飽和モードで動作させるに十分な大きさを備える。その結果、電力増幅器２００は比較的高い電力効率を示す。
【００２８】
入力信号ＲＦＩＮを入力端子２１１から受けるように増幅器サブセクション２０１を入力端子２１１に直接に接続する。また、入力信号ＲＦＩＮの遅延バージョンを受けるように増幅器サブセクション２０２を遅延素子２０４経由で入力端子に接続する。すなわち、増幅器サブセクション２０２は増幅器サブセクション２０１の受けた入力信号の遅延バージョンを受ける。図２に示すとおり、増幅器サブセクション２０１の出力端子はインピーダンス反転回路２０６経由で中間出力ノード２０８に接続する。インピーダンス反転回路２０６は増幅器サブセクション２０１からの出力信号に遅延を与える。増幅器サブセクション２０２の出力端子は中間出力ノード２０８に直接に接続する。遅延素子２０４による信号遅延をインピーダンス反転回路２０６による信号遅延とほぼ等しく設定する。その結果、増幅器サブセクション２０１および２０２からの出力信号は中間出力ノード２０８に同相で到達する。無線周波数出力信号ＲＦＯＵＴは、この中間出力ノード２０８から、インダクタ２３１およびキャパシタ２３２乃至２３４を含むインピーダンス整合回路２１０経由で出力端子２１２に供給される。インピーダンス整合回路２１０の特定の回路構成はこの発明に必須ではない。すなわち、この回路２１０は出力端子２１２における負荷を中間出力ノード２０８における負荷レベルに変換するだけであるからである。回路２１０がない場合でもこの発明の主要側面には変化はない。
【００２９】
一つの実施例では、出力信号ＲＦＯＵＴでアンテナ（例えばアンテナ１０２）を負荷として駆動する。したがって、整合回路２１０のインピーダンスがアンテナに伴うインピーダンスに整合するように設計する。
【００３０】
一つの実施例では、遅延素子２０４およびインピーダンス反転回路２０６はＬＣ回路で構成する。他の例では、上記以外の遅延装置およびインピーダンス反転回路（例えば、四分の一波長遅延線）を用いることもできる。
【００３１】
増幅器サブセクション２０１はバイアス制御回路２１８から増幅器バイアス信号ＢＩＡＳ１を受ける。下に詳述するとおり、この信号ＢＩＡＳ１は増幅器サブセクション２０１の中の増幅用トランジスタのベースに加えるＤＣバイアス電圧である。同様に、増幅器サブセクション２０２はバイアス制御回路２１８から増幅器バイアス信号ＢＩＡＳ２を受ける。下に詳述するとおり、この信号ＢＩＡＳ２は増幅器サブセクション２０２の中の増幅用トランジスタのベースに加えるＤＣバイアス電圧である。これらバイアス信号ＢＩＡＳ１およびＢＩＡＳ２は二つの互いに不連続的な状態の一方の状態をとる。これらバイアス信号ＢＩＡＳ１およびＢＩＡＳ２が第１の状態に活性化されると、対応の増幅器サブセクション２０１および２０２がイネーブルされる。これらバイアス信号ＢＩＡＳ１およびＢＩＡＳ２が第２の状態に非活性化されると、対応の増幅器サブセクション２０１および２０２がディスエーブルされる。
【００３２】
上述の実施例によると、電力増幅器２００は、動作を二つのサブ動作範囲に分割することによって、電力制御範囲全体にわたり動作することができる。この電力制御範囲の低電力部分および高電力部分に伴うバイアスモードおよび制御モードをそれぞれ低電力モード（または範囲）または高電力モード（または範囲）と呼ぶ。低電力モードでは、バイアス制御回路２１８が第１の状態で信号ＢＩＡＳ１を活性化し、第２の状態で信号ＢＩＡＳ２を非活性化し、それによって増幅器サブセクション２０１をイネーブルするとともに増幅器サブセクション２０２をディスエーブルする。高電力モードでは、バイアス制御回路２１８が第１の状態で信号ＢＩＡＳ１およびＢＩＡＳ２の両方を活性化し、それによって増幅器サブセクション２０１および２０２の両方をイネーブルする。増幅器サブセクション２０１および２０２は、イネーブル時には、深いＡＢ級増幅器（Ｂ級増幅器に近い）として動作するようにバイアスされ、入力信号ＲＦＩＮで駆動されると飽和する。下に詳述するとおり、この飽和モードの動作は増幅器サブセクション２０１および２０２へのコレクタ電圧の制御によって達成する。
【００３３】
バイアス制御回路２１８は、増幅器イネーブル回路２２２からの内部モード信号（ＭＯＤＥ）によって制御する。内部モード信号の値がバイアス信号ＢＩＡＳ１およびＢＩＡＳ２の状態を定める。増幅器イネーブル回路２２２は、電力増幅器２００を低電力モードで動作させようとするとき第１の状態をとり、高電力モードで動作させようとするとき第２の状態をとる信号ＭＯＤＥを生ずる。一つの実施例では、信号ＭＯＤＥは電力増幅器２００をディスエーブルしようとするとき第３の状態をとる。その実施例では、この信号ＭＯＤＥは複数ビット信号である。増幅器イネーブル回路２２２は、電力増幅器２００を慣用の形で（すなわち、低／高電力モードを特定する制御信号に応答して）低電力バイアスモードで動作させるか高電力バイアスモードで動作させるかを定める。なお、この増幅器イネーブル回路２２２は電力制御回路２２８からの電力範囲モード選択信号（ＰＷＲ＿ＲＡＮＧＥ）で制御する。電力制御回路２２８はアナログレベル制御信号が電力制御範囲の低電力部分にあるか高電力部分にあるかを判定し、信号ＰＷＲ＿ＲＡＮＧＥをそれに伴って設定する。
【００３４】
電圧レベル制御回路２２４を、増幅器サブセクション２０１および２０２に出力電力レベル電圧Ｖ１およびＶ２をそれぞれ供給するように接続する。下に詳述するとおり、出力電力レベル電圧Ｖ１を増幅器サブセクション２０１の中の増幅用ＢＪＴトランジスタのコレクタまたは増幅用ＦＥＴトランジスタのドレーンに供給する。同様に、出力電力レベル電圧Ｖ２を増幅器サブセクション２０２の中の増幅用ＢＪＴトランジスタのコレクタまたは増幅用ＦＥＴトランジスタのドレーンに供給する。後述のとおり、出力電力レベル電圧Ｖ１およびＶ２によって出力信号ＲＦＯＵＴの出力電力が定まる。出力電力レベル電圧Ｖ１およびＶ２はアナログレベル制御信号で制限する。
【００３５】
より詳細に述べると、電圧レベル制御回路２２４は電力制御回路２２８からの電力レベル制御信号ＰＬに応答して出力電力レベル電圧Ｖ１およびＶ２を生ずる。すなわち、電圧レベル制御回路２２４は、電力制御回路２２８から受けた電力レベル制御信号ＰＬに応答して、増幅器サブセクション２０１への出力電力レベル電圧Ｖ１および増幅器サブセクション２０２への出力電力レベル電圧Ｖ２を生ずる。上述の実施例では、アナログレベル電力制御回路２２８が制御信号および増幅器イネーブル信号ＥＮに応答して電力レベル制御信号ＰＬを生ずる。しかし、他の実施例では電力制御信号２２８を上記以外の信号で制御することもある。
【００３６】
図３はこの発明の一つの実施例による電力レベル制御信号ＰＬ、出力電力レベル電圧Ｖ１、および出力電力レベル電圧Ｖ２の時間経過に対する変動の波形図である。上述の実施例において、信号ＰＬ、Ｖ１およびＶ２は常時可変であり、電力レベル制御信号ＰＬはアナログレベル制御信号を追跡する。上記以外の実施例では、これら信号は一連の微小不連続電圧ステップを表すこともあり得る。
【００３７】
時点Ｔ０では電力増幅回路２００はオフ状態にあり、信号ＰＬ、Ｖ１およびＶ２はすべて電圧０ボルトである。この時点では、イネーブル信号ＥＮは第３の状態にあり、バイアス信号ＢＩＡＳ１およびＢＩＡＳ２は非活性の状態にあるので、増幅器サブセクション２０１および２０２はディスエーブルされている。
【００３８】
電力増幅回路２００を動作させたいときは外部イネーブル信号ＥＮを活性化する。時点Ｔ０の直後にアナログレベル制御信号が漸増を始める。アナログレベル制御信号が零でなくなることによって、電力制御回路２２８から第１の状態を有する信号ＰＷＲ＿ＲＡＮＧＥが増幅器イネーブル回路２２２に供給され、低電力モードがイネーブルされる。この時点で信号ＢＩＡＳ１が活性化され、増幅器サブセクション２０１をイネーブルする。また、電力制御回路２２６が、信号ＰＬの電圧を、アナログレベル制御信号による制御のもとに、時点Ｔ０における０ボルトから時点Ｔ１における電圧ＶＣ１に増加させる。これに応答して、電圧レベル制御回路２２４は出力電力レベル電圧Ｖ１を時点Ｔ１で電圧レベルＶＣＣ１に達するように増加させる。この電圧レベルＶＣＣ１は、関連の増幅器サブセクション２０１が飽和モードで動作し所望の出力電力を生ずることを確実にするように設定する。電圧レベル制御回路２２４は出力電力レベル電圧Ｖ２を低電力モード活性状態の期間中にわたり（例えば時点Ｔ１まで）０ボルトに維持する。その結果、増幅器サブセクション２０２は時点Ｔ１でディスエーブルされた状態に留まる。時点Ｔ１では増幅器２０１だけがイネーブルされているので、電力増幅回路２００は時点Ｔ１で低い電力を有する出力信号ＲＦＯＵＴを生ずる。しかし、増幅器サブセクション２０１は飽和モードで動作するので電力増幅回路２００の効率は相対的に高い。なお、電力増幅回路２００はＴ０からＴ１に至る範囲で低電力モードで表される電力レベル全体において飽和モードで動作するので有利である。出力電力レベルに対するアナログ制御は、アナログレベル制御信号に応答してもたらされる。
【００３９】
時点Ｔ１の直後において、アナログレベル制御電圧がさらに増加するために、電力制御回路２２８は信号ＰＷＲ＿ＲＡＮＧＥを第２の状態に活性化し、高電力モードをイネーブルする。この時点において、信号ＢＩＡＳ１およびＢＩＡＳ２は両方とも活性化されており、それによって、時点Ｔ１およびＴ２の間の期間に増幅器サブセクション２０１および２０２をイネーブルする。また、増加中のアナログレベル制御信号に応答して、電力制御回路２２８が信号ＰＬの電圧を時点Ｔ１におけるＶＣ１から時点Ｔ２における電圧ＶＣ２に増加させる。これに応答して、電圧レベル制御回路２２４は出力電力レベル電圧Ｖ２を時点Ｔ１における零ボルトから時点Ｔ２における第２の電圧レベルＶＣＣ２に増加させる。また、電圧レベル制御回路２２４はさらに出力電力レベルＶ１を電圧ＶＣＣ１に留める。電圧ＶＣＣ２は、関連の増幅器サブセクション２０２が飽和モードで動作し所望の電力出力を生ずることを確実にするように設定する。時点Ｔ１のあとは増幅器サブセクション２０１および２０２の両方がイネーブルされるので、電力増幅器２００は、時点Ｔ２で相対的に高い電力を有する出力信号ＲＦＯＵＴを生ずる。しかし、これら増幅器サブセクション２０１および２０２は飽和モードで動作するので、電力増幅回路の効率は相対的に高い。なお、電力増幅器２００は時点Ｔ１からＴ２の範囲における高電力モードで表される全電力レベルで飽和モードで動作するので有利である。出力電力レベルに対するアナログ制御はアナログレベル制御信号に応答してもたらされる。
【００４０】
一つの実施例では、電圧ＶＣＣ１およびＶＣＣ２は携帯用セルラー電話送受信ハンドセットで利用できる最大電源電圧（「トップレール電圧」、例えば＋３．３Ｖ）に等しい。
【００４１】
図２を再び参照すると、電力レベルがほぼ一定の入力信号ＲＦＩＮで電力増幅回路２００を動作させる。入力信号ＲＦＩＮの値は増幅器サブセクション２０１および２０２を常時飽和状態で駆動するのに十分な値（信号ＢＩＡＳ１、ＢＩＡＳ２、Ｖ１およびＶ２がもたらす上述のバイアスに関連して）を備える。増幅器サブセクション２０１および２０２の出力電力レベルを各増幅器へのＤＣ電源電圧（Ｖ１およびＶ２）を変動させることによって制御する。
【００４２】
要約すると、電力増幅器が送信出力を生じていないときは、電池の節約のためにバイアス制御回路が増幅回路サブセクション２０１および２０２の両方をオフ状態にする。電力増幅回路２００が低出力電力レベル（アナログレベル制御信号が指示する）で送信出力を生ずるときは、バイアス制御回路２１８は電池節約のために増幅器サブセクション２０１をオン状態にし増幅器サブセクション２０２はオン状態にしない。電力増幅器２００が高出力電力レベル（アナログレベル制御信号が指示する）で送信出力を生ずるときは、バイアス制御回路２１８は増幅器サブセクション２０１および２０２の両方をオン状態にする。高効率（ＲＦ出力電力／ＤＣ供給電力）を確保するために、増幅器サブセクション２０１のイネーブル時にはこの増幅器サブセクションを飽和増幅器として動作させ、その出力電力レベルを出力電力レベル電圧Ｖ１（アナログレベル制御信号で制御する）で制御する。同様に、増幅器サブセクション２０２のイネーブル時にはこの増幅器２０２を飽和増幅器として動作させ、その出力電力レベルを出力電力レベル電圧Ｖ２（アナログレベル制御信号で制御する）で制御する。
【００４３】
低電力から高電力への遷移の制御がDoherty増幅器の場合のように信号ＲＦＩＮの閾値レベル以上の包絡線ピーク値に応答して得られるわけではないことに注意を要する。すなわち、ＲＦ電力出力レベルは、電力増幅器サブセクション２０１および２０２へのコレクタ電圧およびベースバイアス電圧の制御によりアナログレベル制御信号に応答して定まるのである。増幅器サブセクション２０１および２０２が飽和状態から逸脱して動作することはないので、電力増幅器２００に伴う入力閾値は存在しない。
【００４４】
図２には二つの増幅器サブセクション２０１および２０２が示してあるが、上記以外の実施例では三つ以上の増幅器サブセクションを用いることもできる。追加した増幅器サブセクションの各々は対応の遅延素子、バイアス制御回路、および出力電力レベル電圧に接続する。それらの実施例において、増幅器イネーブル回路２２２からのモード選択信号に応答して増幅器サブセクションをイネーブルしまたはディスエーブルするための追加のバイアス信号はバイアス回路２１８から供給する。
【００４５】
図４はこの発明のもう一つの実施例による電力増幅回路４００の回路図である。電力増幅回路４００は増幅器サブセクション２０１乃至２０２、インピーダンス整合回路２１０、入力端子２１１、出力端子２１２、遅延素子２０４および２０６、中間出力ノード２０８、バイアス制御回路２１８、増幅器イネーブル回路２２２、電圧レベル制御回路２２４および電力制御回路２２８を含むが、これらは図２に関連づけて上に述べたものである。この電力増幅回路４００において、遅延素子２０４はインダクタ４３１およびキャパシタ４４１乃至４４２で構成されるインピーダンス反転回路であり、インピーダンス反転回路２０６はインダクタおよびキャパシタ４４３乃至４４４で構成されるインピーダンス反転回路である。電圧レベル制御回路２２４は電圧制御回路２２５と、エンハンスメントモードＦＥＴ４１６および４１８と、インダクタ４３３および４３４とを含む。また、電力増幅回路４００は入力インピーダンス整合回路４０４と、増幅段４０６および４０８と、段間インピーダンス整合回路４１０、４１２および４１４と、バイアス抵抗器４２１乃至４１４と、キャパシタ４４５乃至４４６とを含む。
【００４６】
電力増幅回路４００は、例えばＧａＡｓ集積回路技術を用いて形成する。図４に示した実施例において、増幅器サブセクション２０１および２０２はＨＢＴ電力増幅器４０２の中のセルである。これら増幅器２０１および２０２の各々を単一のＨＢＴセルとする例もある。他の例では、二つ以上のＨＢＴセルを、増幅器サブセクション２０１および２０２の各々を構成するように接続する。さらに他の例では、増幅器サブセクション２０１および２０２を上記以外の増幅用デバイス（例えばＢＪＴ、ＦＥＴ）を用いて構成する。増幅器サブセクション２０１および２０２の増幅用素子（例えば複数のＨＢＴセル）を互いに別々のバイアス信号で制御する実施例では、出力電力レベルの数をさらに追加することができる。例えば、増幅器サブセクション２０１を単一のＨＢＴセルで構成し増幅器サブセクション２０２を二つのＨＢＴセルで構成した実施例では、増幅器サブセクション２０１の中の単一のＨＢＴセルだけをイネーブルすることによって低出力電力レベルが得られる。また、増幅器サブセクション２０１の中の単一のＨＢＴセルおよび増幅器サブセクション２０２の中の両ＨＢＴセルをイネーブルすることによって高出力電力レベルが得られる。この実施例では、増幅器サブセクション２０１および２０２は深いＡＢ級増幅器として動作するようにバイアスをかける。
【００４７】
また、電力増幅器４００は単一のＢＪＴでそれぞれ構成した中間段増幅器４０６および４０８を含む。多様な増幅器（例えばＦＥＴ、演算増幅器）も用い得ることは当業者には明らかであろう。これら段間増幅器４０６および４０８は、増幅器４０８を電圧飽和動作させるに十分な利得を備えるＡＢ級増幅器として通常は動作する。
【００４８】
ベースバイアス抵抗器４２１乃至４２４を、バイアス制御回路２１８と、増幅器サブセクション２０１乃至２０２構成用トランジスタおよび増幅器４０６および４０８構成用トランジスタの各々のベースとの間にそれぞれ接続する。バイアス制御回路２１８は、モード選択信号が低電力モードまたは高電力モードを選択するたびごとに、ベースバイアス電圧を増幅器４０６および４０８に加える。この実施例では、二つの中間段増幅器４０６および４０８を用いているが、他の実施例ではそれ以外の数の中間段増幅器を用いることができる。
【００４９】
入力信号ＲＦＩＮを入力端子２１１に受け、入力インピーダンス整合回路４０４経由で第１の中間段増幅器４０６に加える。この増幅器４０６からの増幅出力を段間インピーダンス整合回路４１０経由で第２の中間段増幅器４０８に加える。この増幅器４０８からの増幅出力を増幅器サブセクション２０１および２０２に加える。より詳細に述べると、第２の中間段増幅器４０８の増幅出力信号を部分段間インピーダンス整合回路４１２および４１４経由で増幅器サブセクション２０１のベースに加える。また、同じ増幅器４０８の増幅出力信号を、部分段間インピーダンス整合回路４１２、遅延素子２０４および部分段間インピーダンス整合回路４１４経由で増幅器サブセクション２０２のベースに加える。
【００５０】
一つの実施例では、インピーダンス整合回路４０４、４１０、４１２および４１４を構成するのに慣用のＬＣ回路を用いる。これらのインピーダンス整合回路の構成に上記以外の多様な回路素子を使えることは当業者には明らかであろう。これらのＬＣ回路のインダクタおよびキャパシタの定数は増幅回路４００の所望の動作周波数（例えば８５０ＭＨｚまたは１．９ＧＨｚ）に従って選ぶ。
【００５１】
増幅器サブセクション２０１および２０２のトップレール電圧は慣用の電池（例えば、セルラー電話送受信ハンドセットの＋３．３ボルト電池）から供給する。エンハンスメントモードＦＥＴ４１６および４１８（図４にはＰＭＯＳトランジスタとして図示）のソース電極はトップレール電池電圧ＶＢＡＴ＋を受けるように接続する。ＦＥＴ４１６のドレーン電極はインダクタ４３３経由で増幅器サブセクション２０１のコレクタ電極に接続する。同様に、ＦＥＴ４１８のドレーン電極はインダクタ４３４経由で増幅器サブセクション２０２のコレクタ電極に接続する。インダクタ４３３および４３４は増幅器サブセクション２０１および２０２からのＲＦ出力信号をそれぞれ阻止する。ＦＥＴ４１６および４１８のゲート電極は電圧制御回路２２５からの制御電圧Ｃ１およびＣ２をそれぞれ受けるように接続する。
【００５２】
低電力モードでは電圧制御回路２２５は論理ロウ電圧Ｃ１および論理ハイ電圧Ｃ２を生ずる。この状態ではＦＥＴ４１６はオンになりＦＥＴ４１８はオフになる。その結果、出力レベル制御電圧Ｖ１は所望の電力出力に応じてＶボルトとＶＢＡＴ＋との間のレベルにプルアップされ、増幅器サブセクション２０１を飽和モードで動作するようにイネーブルする。逆に、出力レベル制御電圧Ｖ２はプルアップされず、増幅器サブセクション２０２をディスエーブルする。
【００５３】
高電力モードでは、電圧制御回路２２５は論理ロウの電圧Ｃ１および論理ロウの電圧Ｃ２を生ずる。この状態では、ＦＥＴ４１６および４１８は両方ともオンになる。その結果、出力レベル制御電圧Ｖ１はＶＢＡＴ＋にプルアップされ、出力レベル制御電圧Ｖ２は０ボルトとＶＢＡＴ＋との間の電圧にプルアップされ、それによって増幅器サブセクション２０１および２０２を飽和モードで動作するようにイネーブルする。
【００５４】
増幅器サブセクション２０１および２０２からの増幅ＲＦ信号を出力端子２０８で合成する。この合成で得られた出力信号ＲＦＯＵＴを出力インピーダンス整合回路２１０経由で出力端子２１２に供給する。
【００５５】
図４に示した実施例はこの発明の多様な実施例の一つの例示である。例えば、図４に示した遅延素子２０４は部分段間インピーダンス整合回路４１２および４１４の間に配置してある。段間インピーダンス整合回路の回路４１２および４１４への仕切りは回路４１４への入力におけるインピーダンスがほぼ実部になる内部基準面に通常生ずる。これ以外の例では、遅延素子２０４を中間増幅器４０６および４０８の一方の前段の上記以外の位置に移すことができる。
【００５６】
図５は中間増幅器４０６および４０８の間に配置した遅延素子２０４を含む電力増幅回路５００の回路図である。この実施例では、増幅器４０８を増幅器サブセクション４０８Ａおよび４０８Ｂを備えるように変形してある。遅延素子２０４を増幅器サブセクション４０８Ａおよび４０８Ｂのベースの間に接続する。なお、バイアス抵抗器４２４をバイアス回路２１８と増幅器サブセクション４０８Ａのベースとの間に接続してある。また、追加のバイアス抵抗器４２５をバイアス回路２１８と増幅器サブセクション４０８Ｂのベースとの間に追加してある。さらに、部分段間インピーダンス整合回路４１２および４１３は単一の段間インピーダンス整合回路４１５に置換してある。この電力増幅回路５００は電力増幅回路（図４）と同様に動作する。
【００５７】
実施例についてこの発明を上に説明してきたが、多様な変形が可能であることは当業者には明らかであろう。例えば、この発明による回路技術は最終段電力増幅用に限定されず、電子回路の他の部分に用いることもできる。したがって、この発明の技術的範囲は特許請求の範囲の記載のみによって限定される。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
ＣＤＭＡ方式などによるセルラー電話システムのハンドセットの製造に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】この発明の一つの実施例によるセルラー電話ハンドセットおよび受信アンテナのブロック図。
【図２】この発明の一つの実施例による低電力制御範囲および高電力制御範囲を有する電力増幅回路のブロック図。
【図３】この発明の一つの実施例による電力レベル制御信号、第１の出力電力レベル電圧、および第２の出力電力レベル電圧の波形図。
【図４】この発明のもう一つの実施例による低電力制御範囲および高電力制御範囲を有する電力増幅回路の回路図。
【図５】この発明のもう一つの実施例による低電力制御範囲および高電力制御範囲を有する電力増幅回路の回路図。
【符号の説明】
【００６０】
１００      セルラー電話ハンドセット
２００      最終段電力増幅器
１０２      アンテナ
１０４      高電力無線周波数信号
１０６      低電力無線周波数信号
１０８      受信用アンテナ
２００，４００，５００      終段電力増幅回路
【図１】
2006500884.tif 000003
【図２】
2006500884.tif 000004
【図３】
2006500884.tif 000005
【図４】
2006500884.tif 000006
【図５】
2006500884.tif 000007
【国際調査報告】
2006500884.tif 000008