Amplifying device |
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申请号 | JP2006335657 | 申请日 | 2006-12-13 | 公开(公告)号 | JP5003134B2 | 公开(公告)日 | 2012-08-15 |
申请人 | 日本電気株式会社; | 发明人 | 和明 國弘; 清彦 高橋; | ||||
摘要 | A pulse modulator generates a pulse-modulated signal by pulse-modulating and amplifying the amplitude component of an input signal. A low-pass filter filters the pulse-modulated signal from the pulse modulator, and generates an amplified amplitude signal which is obtained by amplifying the amplitude component. An error corrector generates a corrected amplitude signal by correcting an error of the amplified amplitude signal from the low-pass filter by using the amplitude component of the input signal. A mixing unit generates the output signal by mixing the corrected amplitude signal from the error corrector and the phase component of the input signal. | ||||||
权利要求 | 振幅成分と位相成分を含む入力信号の前記振幅成分を増幅して前記位相成分と合成することにより前記入力信号を増幅した出力信号を生成する増幅装置において、 前記入力信号の前記振幅成分をパルス変調して増幅することでパルス変調信号を生成する第1のパルス変調部と、 前記第1のパルス変調部からの前記パルス変調信号を入力する第1の端子と、前記パルス変調信号をフィルタリングして、前記振幅成分を増幅した増幅振幅信号 を出力する第2の端子を備える低域フィルタと、 前記第2の端子に接続された第3の端子と、第4の端子を備える容量と、 前記入力信号の前記振幅成分を入力する第5の端子と、所定の減衰器を介して前記第2の端子に接続され、前記増幅振幅信号を入力する第6の端子と、前記第4の端子に接続され、前記振幅成分と前記増幅振幅信号の差分を増幅して補正振幅信号を出力する第7の端子を備える誤差アンプと、 を有 し、 該差分の信号をパルス変調して増幅することによりパルス信号を生成する第2のパルス変調部をさらに備え、 該パルス信号をフィルタリングした後に前記誤差アンプに負帰還する、ことを特徴とする増幅装置。 前記入力信号から前記振幅成分を取り出す包絡線検波器をさらに有する、請求項1に記載の増幅装置。 前記入力信号から前記位相成分を取り出すリミッタをさらに有する、請求項2に記載の増幅装置。 前記振幅成分を含んだままの前記入力信号を前記位相成分として用いる、請求項2に記載の増幅装置。 前段に配置されたベースバンド部からの前記振幅成分および前記位相成分を用いる、請求項1から4のいずれか1項に記載の増幅装置。 前記ベースバンド部からの位相成分にキャリア周波数を合成して用いる、 請求項 5に記載の増幅装置。 前記第1のパルス変調部は、その出力段において、スイッチングアンプを用いて電流増幅を行なう、請求項1から 6のいずれか1項に記載の増幅装置。 前記第1のパルス変調部は、前記入力信号の前記振幅成分をデルタ変調方式でパルス変調する、請求項1から 7のいずれか1項に記載の増幅装置。 前記第1のパルス変調部は、前記入力信号の前記振幅成分をシグマデルタ変調方式でパルス変調する、請求項1から 7のいずれか1項に記載の増幅装置。 前記第1のパルス変調部は、前記入力信号の前記振幅成分をパルス幅変調方式でパルス変調する、請求項1から 7のいずれか1項に記載の増幅装置。 前記第2のパルス変調部は、前記誤差アンプからの前記差分の信号をデルタ変調方式でパルス変調する、請求項 1に記載の増幅装置。 前記第2のパルス変調部は、前記誤差アンプからの前記差分の信号をシグマデルタ変調方式でパルス変調する、請求項 1に記載の増幅装置。 前記第2のパルス変調部は、前記誤差アンプからの前記差分の信号をパルス幅変調方式でパルス変調する、請求項 1に記載の増幅装置。 |
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说明书全文 | 本発明は、増幅装置に関し、特に、振幅成分と位相成分を含む信号を増幅する増幅装置に関する。 近年の無線通信では、QPSK(Quadrature Phase Shift Keying)や多値QAM(Quadrature Amplitude Modulation)などのデジタル変調方式が用いられる。 QPSKや多値QAMでは、時間とともに高周波入力信号の振幅(包絡線)が変化する。 振幅の変化する信号のピーク電力と平均電力との比は、PAPR(Peak−to−Average Power Ratio)と呼ばれる。 PAPRの大きい信号を増幅する場合、ピーク電力に対して十分な線形性を確保するために、飽和電力よりも低い電力領域で余裕(バックオフ)を持たせて増幅器を動作させる必要がある。 一般の線形増幅器は、その飽和電力付近で効率が最大になり、バックオフが大きい領域で動作させると平均的な効率が低くなる。 無線LAN(Local Area Network)ではマルチキャリア伝送を実現するために直交波周波数分割多重(OFDM:Orthogonal Frequency Division Multiplexing)方式が採用されている。 この変調方式ではQPSKや多値QAMと比べてもPAPRが更に大きくため、増幅器の平均効率が更に低下する。 したがって、バックオフの大きい領域でも高い効率で動作する増幅器の実現が求められている。 この要求に対して、バックオフの大きい領域で、広いダイナミックレンジにわたって、高効率で増幅を行なうことのできる構成として、包絡線除去・復元(EER:Envelope Elimination and Restoration)が提案されている(非特許文献1参照)。 図16は、従来のEER方式の増幅器の構成を示すブロック図である。 図16を参照すると、従来のEER増幅器は、RFアンプ901、パルス変調器902、スイッチングアンプ903、低域フィルタ904、包絡線検波器905、およびリミッタ906を有している。 EER増幅器に入力した、デジタル変調された高周波入力アナログ信号は2つに分岐される。 そのうちの一方の信号が包絡線検波器905に、他方の信号がリミッタ906に入力される。 包絡線検波器905は、入力した信号からキャリア周波数成分を取り除いて振幅成分(包絡線)を取り出す。 包絡線検波器905の出力はパルス変調器902に入力する。 パルス変調器902は、入力した信号をパルス変調してスイッチングアンプ903に出力する。 スイッチングアンプ906は、パルス変調器902からの信号を、VCCのオン/オフにより電流増幅して低域フィルタ904に出力する。 低域フィルタ904はスイッチングアンプ906からの信号をフィルタリングする。 低域フィルタ904からの出力は、包絡線検波器905から出力された振幅信号を増幅したアナログの振幅信号となり、RFアンプ901に電源として供給される。 一方、分岐された他方の信号が入力したリミッタ6は、その入力信号を振幅が一定で、位相情報のみを含む位相信号に変換してRFアンプ901の入力となる。 RFアンプ901は、低域フィルタ904からの増幅された振幅信号を電源として、リミッタ906からの位相信号を増幅する。 これにより、低域フィルタ904からの振幅信号とリミッタ906からの位相信号が合成され、ERR増幅器の入力信号を増幅した高周波出力信号となる。 このEER増幅器によれば、RFアンプ901を常に効率が最大になる飽和電力付近で動作させることができる。 また、振幅信号側の構成を見ると、パルス変調部902はロジックレベルの信号を処理すればよく、その消費電力は少ない。 また、スイッチングアンプ903は、スイッチング動作として電源VCCをオン/オフさせるだけなので理想的には100%の効率で動作する。 また、低域フィルタ904は、無損失のインダクタと容量で構成することができる。 したがって、このEER増幅器は、RFアンプ901を単独でA級動作あるいはB級動作させるのに比べて、広いダイナミックレンジにわたって高効率で、デジタル変調された高周波入力信号を増幅することができる。 また、バックオフの大きい領域でも高い効率で増幅を行なうことができる他の構成として、包絡線追跡(ET:Envelope Tracking)も知られている(例えば非特許文献2参照)。 ET増幅器は、図16に示したEER増幅器からリミッタ906を除去した構成である。 ET増幅器は、RFアンプ901が飽和動作ではなく線形動作するので、EER増幅器と比べると効率はやや劣る。 しかし、ET増幅器においてもEER増幅器と同様に、パルス変調とスイッチング増幅を含む振幅信号側の出力電力に応じてRFアンプ901の電源電圧を変化させ、バックオフ領域においても必要最小限のDC電力だけをRFアンプ901に供給する。 そのため、単独のRFアンプ901で、固定電源で線形増幅した場合に比べれば高効率の増幅が可能となる。 EER増幅器やET増幅器に用いられるパルス変調器の変調方式は、従来、パルス幅変調(PWM:Pulse Width Modulation)が一般的であったが、その他に、より線形性に優れたデルタ変調(もしくはパルス密度変調(PDM:Pulse Density Modulation))を適用した構成が提案されている(特許文献1、2参照)。 図17は、デルタ変調を適用した従来のEER増幅器の構成を示すブロック図である。 図17を参照すると、従来の他のEER増幅器は、振幅経路911と位相経路920を有している。 振幅経路911は、デルタ変調増幅器910と包絡線検出器912を有している。 デルタ変調増幅器910は、包絡線検出器913、差分検出器914、量子化器915、D級増幅器916、低域フィルタ917、および減衰器918を有している。 位相経路920は、リミッタ921、非線形前置増幅器922、および出力段増幅器923を有している。 振幅経路911のデルタ変調増幅器910は、位相経路920の出力段増幅器923からの高周波出力を減衰器918で減衰し、包絡線検出器913で振幅成分を取り出す。 そして、差分検出部914が、包絡線検出器912で検出された高周波入力の振幅成分と、包絡線検出器913で検出された高周波出力の振幅成分との差分を求める。 量子化部915がその差分を量子化し、量子化信号をD級増幅器916が増幅する。 D級増幅器916の出力を低域フィルタ917がフィルタリングして、位相経路920の出力段増幅器923に電源として供給する。 位相経路920では、リミッタ921が高周波入力から位相成分を取り出し、その位相成分の信号を非線形前置増幅器922が増幅する。 そして、非線形前置増幅器922の出力を最終的に出力段増幅器923が増幅して高周波出力を発生させている。 このように線形性に優れたデルタ変調方式を用いることにより、EER増幅器の線形性を改善することができる。 「PROCEEDINGS OF THE I.R.E.」(L.カーン)、1952年、Vol. 40、pp. 803−806、Fig. 2 「IEEE MTT−S Digest」2000年、Vol. 2、pp. 873−876、Fig. 1 しかしながら、EER方式やET方式を用いた従来の増幅装置は、通常の線形増幅装置に比べて雑音レベルが高いという問題がある。 例えば、図16に示した従来例のEER増幅器におけるパルス変調器902では、アナログ信号をパルス信号に変換するときに雑音が発生するからである。 パルス変調方式としてパルス幅変調を用いた場合、基準三角波形信号の周期に対応するスイッチング雑音が発生する。 また、パルス変調方式としてデルタ変調を用いた場合、白色の量子化雑音が主な雑音源となる。 パルス変調器902で発生した雑音は、低域フィルタ904である程度は低減される。 しかし、雑音が完全に除去される訳ではなく、残留雑音が重畳された振幅信号がRFアンプ901にて振幅信号と合成される。 その結果として出力信号に雑音成分が混入し、出力信号のスペクトルのSNR(Signalto noise ratio)が劣化することになる。 携帯電話など、近年のデジタル変調を用いた無線通信では、隣接したチャネルへの漏洩電力(ACPR:Adjacent Channel Leakage Power Ratio)を低く抑えることが通信規格で定められている。 パルス変調器902で発生した雑音によりSNRが劣化すると、このACPRの規格を満たせなくなる可能性がある。 パルス変調器902のSNRを向上するために、パルス幅変調方式では、入力信号との比較に用いる基準三角波形信号の周波数(スイッチング周波数)を高くするのが有効である。 また、デルタ変調方式では、サンプリング周波数を高くし、オーバーサンプル比を大きくするのが有効である。 オーバーサンプル比とは、入力信号帯域の2倍の周波数に対するサンプリング周波数の比である。 しかしながら、これらの手法を採ると、パルス変調器902内の信号処理回路の消費電力が増大したり、スイッチングアンプ903が遷移(スイッチング)するときに生じるロスが増大したりし、EER増幅器全体として消費電力が増大してしまうという問題があった。 このように、パルス変調方式におけるSNRの向上と消費電力の低減との間にはトレードオフが存在する。 一方、図17に示したEER増幅器では、出力段増幅器923からの帰還をデルタ変調器910に与えることによって、デルタ変調器910や出力段増幅器923の非線形性に起因する誤差を修正できるとしている。 しかし、負帰還ループがデルタ変調器910に戻される構成のため、デルタ変調器910内の量子化器915で発生する量子化誤差が再び重畳されることとなる。 そのため、この構成で非線形に起因する波形歪は改善できても、原理的に量子化雑音を取り除くことはできないと考えられる。 本発明の目的は、高効率かつ高品質の高周波増幅装置を提供することにある。 上記目的を達成するために、本発明の増幅装置は、 本発明によれば、第1のパルス変調部および低域フィルタにより振幅成分を増幅し、第1のパルス変調部で発生した量子化ノイズによる誤差を、第1のパルス変調部とは別個に構成された誤差補正部で補正するので、第1のパルス変調部の周波数を上げることなく高効率で誤差を低減し、高品質な出力信号を生成することができる。 また、前記誤差補正部は、自身の生成した前記補正振幅信号と前記入力信号の前記振幅成分とを比較し、その比較結果に基づいて前記低域フィルタからの前記増幅振幅信号を補正することとしてもよい。 また、前記誤差補正部は、前記出力信号の振幅成分を抽出して前記入力信号の前記振幅成分と比較し、その比較結果に基づいて前記低域フィルタからの前記増幅振幅信号を補正することとしてもよい。 これによれば、第1のパルス変調部で発生する誤差に加えて合成部で発生する誤差も誤差補正部で補正されるので、高効率かつ高品質の増幅をすることができる。 また、前記入力信号から前記振幅成分を取り出す包絡線検波器をさらに有することとしてもよい。 また、前記入力信号から前記位相成分を取り出すリミッタをさらに有することとしてもよい。 また、前記振幅成分を含んだままの前記入力信号を前記位相成分として用いることとしてもよい。 また、前段に配置されたベースバンド部からの前記振幅成分および前記位相成分を用いることとしてもよい。 これによれば、入力信号から振幅成分や位相成分を抽出する必要が無く、回路規模を削減することができる。 また、前記ベースバンド部からの位相成分にキャリア周波数を合成して用いることとしてもよい。 また、前記誤差補正部は、線形アンプを用いて前記振幅成分と前記増幅振幅成分の差分を増幅して負帰還することとしてもよい。 これによれば、入力信号の振幅成分と低域フィルタからの増幅振幅信号との小さな差分を線形アンプで増幅すればよいので、誤差補正部は小さな消費電力で誤差を補正することができる。 また、前記誤差補正部は、線形アンプを用いて前記振幅成分と前記増幅振幅信号の差分を検出し、該差分の信号を第2のパルス変調部でパルス変調して増幅することによりパルス信号を生成し、該パルス信号をフィルタリングした後に前記線形アンプに負帰還することとしてもよい。 これによれば、入力信号の振幅成分と低域フィルタからの増幅振幅信号との差分を第2のパルス変調部で高い分解能でパルス変調して増幅でき、さらに前記差分が大きくなった場合でも、線形アンプのみで補正する場合に比べて小さな消費電力で誤差を補正することができる。 また、前記合成部は、前記誤差補正部からの前記補正振幅信号を電源として動作するアンプで前記位相成分を増幅することにより前記出力信号を生成することとしてもよい。 また、前記第1のパルス変調部は、その出力段において、スイッチングアンプを用いて電流増幅を行なうこととしてもよい。 これによれば、パルス変調した信号に基づいてスイッチングアンプをオン、オフすることにより増幅を行なうことができるので、元の入力信号のPAPRに関わらず高い効率での増幅が可能である。 また、前記第1のパルス変調部は、前記入力信号の前記振幅成分をデルタ変調方式でパルス変調することとしてもよい。 あるいは、前記第1のパルス変調部は、前記入力信号の前記振幅成分をシグマデルタ変調方式でパルス変調することとしてもよい。 あるいは、前記第1のパルス変調部は、前記入力信号の前記振幅成分をパルス幅変調方式でパルス変調することとしてもよい。 また、前記第2のパルス変調部は、前記線形アンプからの前記差分の信号をデルタ変調方式でパルス変調することとしてもよい。 あるいは、前記第2のパルス変調部は、前記線形アンプからの前記差分の信号をシグマデルタ変調方式でパルス変調することとしてもよい。 また、前記第2のパルス変調部は、前記線形アンプからの前記差分の信号をパルス幅変調方式でパルス変調することとしてもよい。 本発明によれば、パルス変調部の周波数を上げることなく誤差を低減し、高効率で高品質な出力信号を生成することができる。 本発明を実施するための形態について図面を参照して詳細に説明する。 (第1の実施形態) 高周波増幅装置10に入力した、デジタル変調された高周波入力アナログ信号は2つに分岐される。 そのうちの一方の信号が包絡線検波器15に、他方の信号がリミッタ16に入力される。 包絡線検波器15は、入力した信号からキャリア周波数成分を取り除いて振幅成分(包絡線)を取り出す。 包絡線検波器15の出力はパルス変調部22および誤差補正部13に入力する。 第1のパルス変調部12は、包絡線検波器15からの信号をパルス変調し、増幅して低域フィルタ14に出力する。 ここでは第1のパルス変調部12は一例としてデルタ変調器であるとする。 低域フィルタ14は第1のパルス変調部12からの信号をフィルタリングすることにより、包絡線検波器15からの振幅信号を増幅したアナログの振幅信号を生成し、誤差補正部13に与える。 低域フィルタ14は、例えば2次のLC低域フィルタで構成される。 誤差補正部13は、包絡線検波器15からの振幅信号と、自身の生成した振幅信号とを比較し、その比較結果から自身の生成する振幅信号の誤差を補正する。 誤差補正部13の出力する振幅信号はRFアンプ11に電源として供給される。 一方、リミッタ16は、高周波増幅装置10に入力した、デジタル変調された高周波入力アナログ信号の分岐されたもう一方の信号を、振幅が一定で、位相情報のみを含む位相信号に変換してRFアンプ11の入力とする。 RFアンプ11は、誤差補正部13からの振幅信号を電源として、リミッタ16からの位相信号を増幅する。 これにより、RFアンプの出力は、誤差補正部13からの振幅信号とリミッタ16からの位相信号が合成された信号となる。 図2は、第1の実施形態による高周波増幅装置の詳細な構成を示すブロック図である。 図2を参照すると、図1に示した第1のパルス変調部12は、減算器21、サンプルホールド回路22、比較器(量子化器)23、スイッチングアンプ24、減衰器25、および積分器26を有している。 包絡線検波器15で検出された高周波入力信号の振幅成分は、第1のパルス変調部12に入力される。 減算器21は、包絡線検波器15からの振幅成分と参照信号との差分をとり、サンプルホールド回路22に与える。 サンプルホールド回路22は、減算器21からの信号をサンプリングする。 比較器23は、サンプリングされた入力信号の値を閾値と比較することにより、入力と参照信号の大小関係を判定し、判定結果をスイッチングアンプ24の入力とする。 一例として、比較器23は、入力信号が参照信号より大きいときは“+1”を出力し、小さいときは“0”を出力する。 スイッチングアンプ24は、比較器23からの判定結果で電源電圧VCCをオン/オフすることによって、その判定結果を電流増幅する。 この電流増幅は、パルス変調のオンとオフの関係を保ったまま、電源電圧をスイッチングすることによって行われる。 スイッチングアンプ24はオン、オフのみの動作なので、元の入力信号のPAPRに関わらず高い効率での動作を保つことができる。 スイッチング動作が理想的であれば効率は100%となる。 スイッチングアンプ24の出力は、一部が低域フィルタ14に与えられ、他の一部が減衰器25に与えられる。 減衰器25は、スイッチングアンプ24の出力を適当なレベルに減衰し、積分器26に与える。 積分器26は、減衰器25からの信号を積分して参照信号を生成し、減算器21に与える。 積分器26は、例えば1次のRC低域フィルタで構成される。 以上説明した第1のパルス変調部12の各部の動作により、入力信号が増加傾向だと比較器23の出力に“+1”の割合が増え、減少傾向だと“0”の割合が増えるので、第1のパルス変調部12は、入力信号の増減によってパルス密度が変化するデルタ変調器として動作する。 第1のパルス変調部12からのデルタ変調信号を低域フィルタ14に通すと、元のアナログの振幅信号を増幅した信号が再生される。 このとき再生された信号には、比較器23による判定で発生した量子化ノイズが除去しきれずに残っている。 誤差補正部13は、この量子化ノイズを除去する。 誤差補正部13は、誤差アンプ31、加算器32、および減衰器33を有している。 低域フィルタ14を通過した信号は、加算器32に与えられる。 加算器32は、低域フィルタ14からの信号と誤差アンプ31からの補正信号を加算する。 加算器32は、一例として結合容量で構成される。 加算器32の出力は分岐され、一方がRFアンプ11に電源として供給されるとともに、一方が減衰器33で減衰されて誤差アンプ31に与えられる。 誤差アンプ31は、包絡線検波器15からの信号と、減衰器33からの信号とを比較して差分を求め、加算器32に補正信号として与える。 以上説明した誤差補正部13の各部の動作により、差分が信号経路に負帰還されるので、誤差アンプ31の利得が十分に高ければ、量子化雑音による残留誤差成分が補正され、RFアンプ11からの出力の波形は、高周波増幅装置10への入力信号の波形に近づく。 この誤差補正部13の誤差アンプ31には線形アンプが用いられる。 線形アンプの消費電力は通常は小さくない。 しかし、本発明では、一旦第1のパルス変調部12でスイッチング増幅して波形が再現されているので、誤差補正部13による補正量は量子化ノイズにより生じる小さな値である。 図12には、デルタ変調器の入力信号と出力信号が示されている。 誤差補正部13が補正すべきは、これら入力信号と出力信号の差分であり、図12からも小さい値であることが分かる。 したがって、誤差補正部13で消費される電力は小さい。 これに対して、例えば、第1のパルス変調器(デルタ変調器)12内でSNRを向上するには、サンプルホールド回路22のサンプリング周波数を高くする必要がある。 サンプリング周波数を2倍にすれば、SNRは約9dB向上する。 しかし、スイッチングアンプ24のスイッチング時に発生する電力消費は周波数に比例して増大するので、サンプリング周波数を向上させれば第1のパルス変調部12の消費電力が増大することとなる。 以上説明したように、本実施形態では、振幅変動のある高周波入力信号から振幅成分と位相成分を抽出し、第1のパルス変調部12を用いて振幅成分を増幅して位相成分と合成するEER方式の高周波増幅装置10において、第1のパルス変調部12で発生する量子化ノイズによる誤差を、第1のパルス変調部12とは別個に構成された、消費電力の小さい誤差補正部13で補正する。 EER増幅器は、元来、原理的に高効率での増幅が可能である。 また、本実施形態によれば、第1のパルス変調部12でのサンプリング周波数を上げることなく誤差を低減することができるので、高効率(低消費電力)かつ高品質(低SNR)で高周波信号を増幅することができる。 誤差補正部13では、線形アンプを用いて誤差を補正するのでそこで電力の消費が発生するが、第1のパルス変調器12で生じる小さな誤差を補正するだけなので、消費電力は小さくて済む。 なお、ここでは、図2に示したように、第1のパルス変調部12にデルタ変調器を用いる例を示したが、本発明はこの構成に限定されるものではない。 他の構成例として、第1のパルス変調部12に任意の次数のシグマデルタ変調器を用いてもよい。 シグマデルタ変調器を用いることによって、ノイズの分布を高周波側に移動することができ、信号帯域付近では、より高いSN比を得ることが可能となる。 また、図2に示した誤差補正部13の構成は一例であり、本発明はこの構成に限定されるものではない。 図3は、第1の実施形態における誤差補正部の他の構成例を示すブロック図である。 図3を参照すると、第1のパルス変調部12は図2に示したものと同じ構成である。 一方、誤差補正部13は、図2に示したものと異なり、線形アンプ31、加算器32、減衰器33、第2のパルス変調部41、および低域フィルタ42を有している。 図3の例でも、図2と同様に、低域フィルタ14からの振幅信号の誤差成分を、入力信号と比較することにより線形アンプ31で検出する。 ただし、図2の例では、減衰器33による帰還量の調整により、線形アンプ31の利得を第1のパルス変調部12の利得と同じにし、線形アンプ31のみで誤差成分を所望のレベルまで増幅して、加算器32に直接補正信号を入力していた。 しかし、図3の例では、減衰器33による帰還量を大きくし、線形アンプ31の増幅率を意図的に小さくして用いる。 そして、線形アンプ31の出力は、第2のパルス変調部41に入力される。 このとき、第2のパルス変調部41では、誤差成分のみをサンプリングするので、第1のパルス変調部12よりも、実質的に高い分解能で元信号をサンプリングすることになる。 第2のパルス変調部41で、所望のレベルまでパルス増幅された後、低域フィルタ42で増幅された誤差成分を再生し、加算器32に入力する。 このような構成をとることにより、入力信号に対して、第1のパルス変調器12のサンプリング精度が低く、低域フィルタ14の出力に含まれる誤差が大きい場合でも、線形アンプ31のみを用いた場合に比べ、小さい消費電力で誤差成分を補正することができる。 第2のパルス変調部41は、第1のパルス変調部12と同様の構成であってもよく、具体的にデルタ変調器、任意の次数のシグマデルタ変調器、あるいはパルス幅変調器であってもよい。 また、第1のパルス変調部12のサンプリング精度が低い場合などは、第1のパルス変調部12の入力にアンチエリアスフィルタ(低域フィルタ)を設けてもよい。 図4は、第1の実施形態における誤差補正部の他の構成例を示すブロック図である。 図4を参照すると、第1のパルス変調部12は図2に示したものと同じ構成である。 一方、誤差補正部13は、図2に示したものと異なり、複数(図4では2つ)の帰還ループを有する。 図4によれば、誤差補正部13は、誤差アンプ34,37、加算器35,38、および減衰器36,39を有している。 誤差アンプ34、加算器35、および減衰器36で第1の帰還ループが構成され、誤差アンプ37、加算器38、および減衰器39で第2の帰還ループが構成されている。 各帰還ループの動作は、図2に示した、誤差アンプ31、加算器32、および減衰器33で構成された帰還ループと同様である。 図4の例では、低域フィルタ14からの振幅信号の誤差を第1の帰還ループで補正し、さらに第2の帰還ループで補正している。 これにより、誤差アンプ34,37の各々の利得が残留誤差を補正するのに十分でなくても、残留誤差成分を補正することができる。 また、図2,3,4では第1パルス変調部12にデルタ変調器を用いたが、他の例としてパルス幅変調器を用いてもよい。 図5は、第1の実施形態における第1の変調部の他の構成例を示すブロック図である。 図5を参照すると、第1のパルス変調部12が、減算器21、比較器23、およびスイッチングアンプ24を有するパルス幅変調回路である点で図2に示したものと異なる。 その他の部分は図2に示したものと同じ構成である。 包絡線検波器15で検波された振幅信号の一部が減算器21に与えられる。 減算器21は、その振幅信号と、基準となる三角波形信号との差分をとり、その差分を比較器23に与える。 比較器23は、その差分と閾値を比較することにより、振幅信号と三角波形信号の大小関係を判定する。 ここでは振幅信号が三角波形信号より大のときの出力は“+1”であり、小のときの出力は“0”であるとする。 比較器23の出力パルス列は、三角波形との比較から、幅信号が大きいほど“+1”の領域が多く、振幅成分が小さいほど“0”の領域が多くなる。 その結果、比較器23の出力は、包絡線検波器15で検波された振幅信号をパルス幅変調した信号となる。 比較器23から出力されるパルス幅変調信号はスイッチングアンプ24に与えられる。 スイッチングアンプ24は、比較器23からのパルス幅変調信号で電源電圧VCCをオン/オフすることにより、パルス幅変調信号を電流増幅して低域フィルタ14に与える。 パルス幅変調信号が低域フィルタ14を通過すると、元のアナログの振幅信号を増幅した信号となる。 第1のパルス変調部12のパルス幅変調信号には、基準三角波形信号の周期に対応した残留スイッチングノイズが含まれている。 そのため、この残留スイッチングノイズによる誤差を誤差補正部13によって補正している。 誤差補正部13は図2,3,4に示したものと同じ構成である。 この例によれば、第1のパルス変調部12にて、高効率なパルス幅変調でスイッチング増幅した後、誤差補正部13にて、消費電力の小さい線形アンプを用いて微小な残留誤差を除去するので、高効率で高品質な増幅が可能となっている。 図6は、第1の実施形態における第1のパルス変調部の更に他の構成例を示すブロック図である。 図6を参照すると、第1のパルス変調部12が、オペアンプ27、シュミット回路28、スイッチングアンプ24、容量29、および抵抗30,30'を有するパルス幅変調回路である点で図2に示したものと異なる。 その他の部分は図2に示したものと同じ構成である。 オペアンプ27、容量29、および抵抗30が反転積分器を構成されている。 シュミット回路28は、低電圧側および高電圧側の2つの閾値を持つヒステリシスコンパレータである。 シュミット回路28の出力が抵抗30を介してオペアンプ27の入力に帰還されているので、シュミット回路28の出力レベルが上がるとオペアンプ27の出力は反転積分され、レベルが低下する。 オペアンプ27の出力レベルが下がり、シュミット回路28の低電圧側閾値に達すると、シュミット回路28の出力は高レベルから低レベルに遷移する。 その結果として反転積分器の入力の極性が変化するので、オペアンプ27の出力レベルは上がり始める。 オペアンプ27の出力レベルが上がり、シュミット回路28の高電圧側閾値に達すると、シュミット回路28の出力は低レベル側から高レベル側に遷移する。 振幅信号が入力されなければ、反転積分器は、この動作を繰り返すことにより、自励的に一定周期のパルス列を生成し続ける。 図6を参照すると、包絡線検波器15で検波された振幅信号の一部が抵抗30'を介してオペアンプ27に与えられる。 振幅信号が入力することでオペアンプ27の入力にオフセットがかかり入力レベルが上がると、パルス幅が広くなる。 したがって、この第1のパルス変調部12は全体としてパルス幅変調器として動作する。 特に、この構成では、図5に示した例のように外部からの基準となる三角波形信号を与える必要が無く、自励的にパルス幅変調信号を発生する。 そのため、図6の例は、図5のものよりも全体の構成を簡略化することができる。 反転積分器で生成され、シュミット回路28から出力されたパルス幅変調信号は、スイッチングアンプ24に与えられる。 スイッチングアンプ24は、パルス幅変調信号によって電源電圧VCCをオン、オフすることで、パルス幅変調信号を電流増幅する。 そして、スイッチングアンプ24の出力が低域フィルタ14を通過することで元のアナログの振幅信号が増幅された信号が再生される。 このとき再生された信号には、自励発振周波数に対応した残留スイッチングノイズが含まれている。 誤差補正部13は、この残留スイッチングノイズによる誤差を補正する。 誤差補正部13の構成および動作は、図2,3,4に示したものと同じである。 なお、図1〜5に示した第1の実施形態は、入力信号の位相成分を取り出すリミッタ16を備えたEER増幅器に本発明を適用した例を示したが、図1〜5に示したEER構成からリミッタ16を省いたET増幅器にも本発明は適用可能である。 (第2の実施形態) 図7は、第2の実施形態による高周波増幅装置の構成を示すブロック図である。 図7を参照すると、高周波増幅装置20は、RFアンプ11、第1のパルス変調部12、誤差補正部13、低域フィルタ14、包絡線検波器15、リミッタ16、および包絡線検波器17を有している。 第2の実施形態による高周波増幅器20は、図1に示した第1の実施形態には無い包絡線検波器17を有している。 第2の実施形態では、その包絡線検波器17が、RFアンプ11により生成された高周波出力信号から振幅成分を取り出し、誤差補正部13が包絡線検波器17により取り出された振幅成分の信号を、包絡線検波器15からの振幅信号と比較し、その比較結果を用いて誤差を補正する。 図8は、第2の実施形態による高周波増幅装置の詳細な構成を示すブロック図である。 図8を参照すると、図7に示した第1のパルス変調部12は、減算器21、サンプルホールド回路22、比較器(量子化器)23、スイッチングアンプ24、減衰器25、および積分器26を有している。 これは図1に示したものと同じ構成である。 図8の誤差補正部13は、包絡線検波器17、誤差アンプ31、加算器32、および減衰器33を有している。 なお、図7では包絡線検波器17が誤差補正部13の外部にあり、図8では外部にあるが、どちらの構成であってもよい。 RFアンプ11からの高周波出力信号は出力端と減衰器33に分岐され、減衰器33によって適当なレベルに減衰された信号が包絡線検波器17に与えられている。 包絡線検波器17は、RFアンプ11からの出力信号の振幅成分を取り出して誤差アンプ31に与える。 図8に示した誤差補正部13の他部分の構成は、図1に示したものと同様である。 誤差アンプ31は、包絡線検波器15からの信号と、包絡線検波器17からの信号とを比較して差分を求め、加算器32に補正信号として与える。 加算器32は、低域フィルタ14からの信号と誤差アンプ31からの補正信号を加算し、RFアンプ11に電源として供給する。 本実施形態によれば、第1のパルス変調部12で発生する量子化ノイズによる誤差に加えてRFアンプ11で発生する波形歪をも、第1のパルス変調部12とは別個に構成された、消費電力の小さい誤差補正部13で補正することができる。 したがって、本実施形態によれば、第1のパルス変調部12でのサンプリング周波数を上げることなく、第1のパルス変調部12およびRFアンプ11で生じる誤差を補正することができるので、高効率(低消費電力)かつ高品質(低SNR)で高周波信号を増幅することができる。 なお、図7,8では、RFアンプ11の出力信号から方向性結合器を用いて振幅信号を取り出しているが、本発明はこの構成に限定されるものではない。 減衰器33のインピーダンスを十分に高くし、減衰器33をRF信号経路に直接接続することとしてもよい。 また、図8の誤差補正部13の代わりに、図3に示したような第2のパルス変調部を有する構成を採用してもよい。 また、図8の誤差補正部13の代わりに、図4に示したような複数の帰還ループを有する構成を採用してよい。 また、図8の第1のパルス変調部12の代わりに、任意の次数のシグマデルタ変調器を用いてもよい。 あるいは、図8の第1のパルス変調部12の代わりに、図5または図6に示したようなパルス幅変調器を用いてもよい。 また、第2の実施形態においても、図7,8に示したEER構成からリミッタ16を省いたET増幅器に本発明を適用できる。 (第3の実施形態) 図9は、第3の実施形態による高周波増幅装置の構成を示すブロック図である。 図9を参照すると、高周波増幅装置30は、RFアンプ11、第1のパルス変調部12、誤差補正部13、低域フィルタ14、および周波数変換器19を有している。 高周波増幅装置30には、同じ無線装置(不図示)内に備えられたベースバンド部40から振幅信号および位相信号が入力されている。 図1に示した第1の実施形態では包絡線検波器15からの振幅信号が第1のパルス変調部12および誤差補正部13に与えられていたが、本実施形態では、ベースバンド部40からの振幅信号が第1のパルス変調部12および誤差補正部13に与えられる。 また、図1に示した第1の実施形態ではリミッタ16からの位相信号がRFアンプ11に与えられていたが、本実施形態では、ベースバンド部40からの位相信号を周波数変換器19でキャリア周波数の位相信号に変換してRFアンプ11に与えている。 キャリア周波数は典型的にはギガヘルツ帯である。 周波数変換器19は、ローカル信号発生器92とミキサ91を有している。 ローカル信号発生器92がキャリア周波数の発振信号を生成し、ミキサ91がその発振信号とベースバンド部40からの位相信号を合成し、キャリア周波数の位相信号を生成する。 本実施形態の第1のパルス変調部12は、図2に示したデルタ変調器であっても、図5,6に示したパルス幅変調器であってもよい。 また、誤差補正部13は、図3に示したように第2のパルス変調部を有するものや、図4に示したように複数の帰還ループを有するものであってもよい。 あるいは、誤差補正部13は、図7に示したようにRFアンプ11の高周波出力信号から包絡線検波器を通して得た参照信号を用いる構成であってもよい。 図10,11は、第3の実施形態による高周波増幅装置における第1のパルス変調部および誤差補正部の周辺の具体的な構成例を示すブロック図である。 図10,11に共通する部分として、図9の第1のパルス変調部12に該当する部分が、パルス変調器50、スイッチングアンプ24、減衰器25、および積分器26で構成されている。 パルス変調器50は、図2に示した減算器21、サンプルホールド回路22、比較器23で構成される。 また、図10,11における積分器26は、RCの1次の低域フィルタである。 減衰器25は、2つの抵抗器で構成されており、そのうちの1つは積分器26の抵抗器を兼ねている。 低域フィルタ14は、無損失の2次LC低域フィルタで構成される。 さらに、図10,11に共通する部分として、図9の誤差補正部13に該当する部分が、誤差アンプ31、加算器32、および減衰器33で構成されている。 減衰器33は、2つの抵抗器で構成されている。 加算器32は容量で構成されている。 図10と図11とで異なる部分として、図10の例では、スイッチングアンプ24は、PMOSトランジスタとNMOSトランジスタからなるインバータである。 一方、図11の例では、スイッチングアンプ24は、PMOSトランジスタとダイオードから構成される。 また、図10の例では、低域フィルタ14は、無損失の2次LC低域フィルタで構成される。 この場合、2次LC低域フィルタで発生する位相ずれを補正するために、遅延線路18を誤差アンプ31の一方の入力に設けると、誤差補正の効果が一層高まる。 一方、図10の例では、低域フィルタ14は、無損失の1次Lフィルタで構成される。 この場合、低域フィルタ14で位相ずれは発生しないので、遅延線路は不要である。 なお、フィルタ14の次数とスイッチングアンプ24の組み合わせは、逆でも良いことは言うまでもない。 また、図10と図11の例では、加算器32は容量で構成されているが、トランスを用いてもよい。 さらに、帰還ループには、位相補償やDCオフセットの影響を低減するために、適宜、並列容量や直列容量を付加してもよい。 以上説明した本発明の各実施形態によれば、以下に示すような効果を得ることができる。 図12は、デルタ変調器の入力信号と出力信号を示すグラフである。 図13は、デルタ変調器の出力信号の周波数スペクトルを示すグラフである。 図12,12において、入力信号は2MHzの正弦波である。 出力信号は、本実施形態(例えば図2)における低域フィルタ14の出力を示している。 図12の出力信号を見ると、2MHzの正弦波に、図2に示した比較器23の量子化ノイズに起因するノイズが重畳している。 図13の周波数スペクトルで見ると、信号成分である2MHz以外に、大量の残留誤差成分が低周波域から高周波域にわたって分布しており、出力信号のSN比を劣化させている。 図16に示したような従来の高周波増幅装置では、この出力信号を補正せずにRFアンプの電源として用いていた。 図14は、デルタ変調器の入力信号と、デルタ変調器の出力に対して誤差を補正した出力信号とを示すグラフである。 図15は、デルタ変調器の出力に対して誤差を補正した出力信号の周波数スペクトルを示すグラフである。 図14の出力信号を見ると、図12の出力信号に比べてノイズや歪が低減されていることが分かる。 図15の周波数スペクトルで見ると、残留誤差は残っているものの図13に比べて大幅に低減され、出力信号のSN比が大幅に改善している。 この誤差の補正を行なう誤差補正部13は、図12における入力信号と出力信号の差分として示された、量子化ノイズに起因する誤差の分だけを増幅できればよいので、少ない消費電力で誤差を補正し、高品質の増幅振幅信号を得ることができる。 なお、これらの効果は、入力信号の振幅や周波数が変化した場合でも、デルタ変調方式の原理により、自律的に最適なパルス変調信号が生成されるので、維持される。 また、本発明の各実施形態では、入力信号の振幅成分の波形が変化しても高周波増幅装置が自律的に適応してパルス変調信号を生成し、常に適当なDC電流をRFアンプに供給する。 そのため、本発明の各実施形態によれば、広いダイナミックレンジにわたり、高いPAPRを持つ高周波入力信号に対して常に高効率かつ高品質の増幅が可能である。 また、異なる複数種類の通信方式の高周波入力信号に対しても常に高効率かつ高品質の増幅が可能である。 例えば、複数レベルの電源電圧VCCを用意しておき、入力振幅レベルに応じて階段的に電源電圧を変化させる従来方法では、所定の入力レベルあるいは所定の振幅波形に対して最適化できても、入力レベルあるいは振幅波形が変化したときに最適なDC電流をRFアンプに供給できなくなる場合がある。 これに対して、本発明の実施形態によれば常に高効率で高品質な増幅が可能である。 10 高周波増幅装置 11 RFアンプ 12 第1のパルス変調部 13 誤差補正部 14 低域フィルタ 15 包絡線検波器 16 リミッタ 17 包絡線検波器 18 遅延線路 19 周波数変換器 20 高周波増幅装置 21 減算器 22 サンプルホールド回路 23 比較器(量子化器) |