JP2008547265A - Ｍｍｉｃに組み込まれた温度補償電圧レギュレータ - Google Patents

Abstract

モノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）電力増幅器に対して調整されたバイアス電流を供給する、ＭＭＩＣ電力増幅器に組み込まれた電圧レギュレータ。該ＭＭＩＣ電力増幅器は、温度及び電圧供給変動が補償される。前記レギュレータ回路は、カレントミラー（Ｑ１、Ｑ２）のためのＨＢＴトランジスタと、ベース−エミッタ電圧降下（Ｑ３）が類似のベースエミッタ電圧降下（Ｑ２）を該カレントミラー内において補償する電圧レギュレータとを含む。該レギュレータ回路は、Ｖｃｃ及び温度における変化に伴って、バイアス電圧とミラー電流とを一定に維持するように設計される。ＭＭＩＣ電力増幅器に対する、補償された一定バイアス電流が、該電力増幅器に対する動作パラメータを均一に維持する。

Description

本発明は、モノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ’ｓ）に関し、特に、マイクロ波電力増幅器の無線周波数（ＲＦ）デバイスをバイアスさせることに関する。

ワイヤレス通信に対する最近の増加される要求は、ＭＭＩＣ’ｓを用いるＲＦ電力モジュールを含む高性能なＲＦ電力増幅器モジュール（ＰＡＭ’ｓ）に対して増加される要求を激化させた。これらＰＡＭ’ｓは、電力増幅器チップと、該電力増幅器チップをバイアスさせる外部電圧レギュレータ回路とを含む。該電圧レギュレータは、ＤＣ電源内における変動に対するＰＡＭ’ｓの感度を排除するよう設計される。典型的には、ＤＣ電源は、充電／放電サイクル中に、実質的な電圧変動を有するバッテリである。

分離されたＰＡＭ’ｓ及びレギュレータモジュールは、高価であり、複雑であり、信頼性に欠け、及び最終的な組み立てにおいて不十分な空間を奪う。しかしながら、レギュレータモジュール内において用いられる従来のバイポーラ及び／又はＣＭＯＳ回路構成は、例えば温度の動作問題に起因して、電力増幅器と共に集積化することに適合不可能である。

図１は、典型的な調整されない（レギュレートされない）ミラーカレント回路と、Ｖｃｃ（ＤＣ供給電圧）及び温度に伴った、出力電流Ｉｃｃの変動とを示す。この回路において、Ｉｃｃは、Ｉｍのミラーである。グラフから理解できるように、温度が約０℃から８０℃にまで増加すると、Ｉｃｃは約１／３だけ増加し、ＤＣ電圧が増加すると、対応するＩｃｃの増加が存在する。典型的には、バッテリは、充電／放電サイクル中に、＋／−１０％ほどの大きさか又はそれよりも大きな変動を実証することになる。その結果、温度及びバッテリ電圧の変動に伴って、Ｉｃｃは、ほぼ２倍になる可能性がある。

図１のＱ１及びＱ２は、カレントミラーであり、温度及びＶｃｃの変動にわたって、Ｉｍがほぼ一定に保持される場合には、Ｉｃｃもまた一定となることになる。当該技術分野において既知のように、温度変動は、Ｒ１間の電圧降下と比較したその相対電圧によって漸減されたＱ２のベース／エミッタ電圧の温度感度となることになる。図１は、Ｖｃｃが変化する状態でＩｍを一定に保持する機構が無い。この回路において、Ｑ１とＱ２は、ＧａＡｓＨＢＴ’ｓ（ガリウム砒素ヘテロ接合バイポーラトランジスタ）である。該ＨＢＴ（ヘテロ接合バイポーラトランジスタ）の用語は、本明細書内において、ＧａＡｓＨＢＴを含むように定義される。これらのトランジスタは、非常に温度及びバイアスの感度が高いデバイスであり、典型的には、出力信号の線形性に影響を及ぼす。電圧レギュレータ内においてシリコンベースのデバイスが利用可能であるが、高性能なＲＦ ＧａＡｓ ＭＭＩＣ’ｓと共に用いられる時には、それらは追加的なチップ（ダイ）を、必要とし且つ分離する。ＧａＡｓＨＢＴ’ｓと共に組み込まれたＭＭＩＣは、より費用対効果があることとなり、電力モジュールの設計全体及び構築処理を簡単化する一方で、改善された周波数性能を提供する。しかしながら、温度バイアス（又はＶｃｃ）感度は、この組み込まれた用途に限定される。

本発明は、これらの問題に対処して、電力モジュール内に組み込まれたＨＢＴトランジスタを有利に利用させる。従来のバイポーラ及び／又はＣＭＯＳデバイスよりも高い温度において動作する間、ＨＢＴデバイスは有効な利得を提供することができる。更には、ＨＢＴデバイスは、例えば、６ＧＨｚか又はその程度にまで高く、非常に高い周波数において有効な利得を提供するように作られることが可能である。

以下の詳細な説明が、例示的な実施形態、図面、及び使用法に関連させられて進められることになるが、本発明がこれらの実施形態及び使用法に限定されることを意図していないことが、当業者であれば理解されよう。それどころか、本発明は、広範囲に関するものであり、添付の特許請求の範囲内において記載されたものとしてのみ画定されることが意図される。

本発明は、レギュレータ機能を、モノリシックマイクロ波（ＲＦ）集積増幅器チップ上に組み込むことによる利点を提供することに向けられている。温度及びＶｃｃ変動に対して実質的には鈍感なバイアス電流を該レギュレータは提供する。ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ’ｓ）の使用は、レギュレータをＲＦ電力増幅器に組み込む能力を容易にする。

組み込まれた電圧レギュレータは、互いにカレントミラーとして構成された２つのＨＢＴ ＮＰＮトランジスタを含む。直列な２つの抵抗は、１つのＨＢＴトランジスタのコレクタと電圧供給源（Ｖｃｃ）とから機能的に接続される。２つの抵抗の間の地点にレギュレータ回路が接続される。その地点において、Ｖｃｃが変化した時には、レギュレータ回路は、前記２つの抵抗の間の地点で一定の電圧を維持するように、負のフィードバック構成において反応する。その地点における電圧が一定である時には、前記カレントミラーにおける電流は、一定に維持され、従って、ＭＭＩＣ電力増幅器に対する電流バイアスが一定である。該電力増幅器に対する該一定のバイアス電流が、ＭＭＩＣ電力増幅器の動作パラメータを均一に維持させる。

本発明の一例において、第３のＨＢＴトランジスタがレギュレータ回路内において用いられる。該回路内において、そのベースエミッタ電圧降下が構成されて、ミラートランジスタのベースエミッタ電圧降下における温度変化が補償される。

本発明の以下の説明は、添付図面を参照する。

図２は、Ｑ２すなわちＨＢＴトランジスタを通る一定電流Ｉｍを維持するアプローチを示す。検査の結果、Ｖｒｅｇが一定に保持されるのであれば、Ｉｍは、Ｖｃｃにおける変動に対して一定になることになる。Ｖｃｃが大きさにおいて変動するのであれば、Ｒ１を通る電流における変化を、Ｉｃにおける対応する変化によって補償することができる。Ｉ１はＩｃ＋Ｉｍに等しいので、ある値によってＩ１が変化し、Ｉｃがその同じ値によって変化するのであれば、Ｉｍ及びＶｒｅｇは、一定のままとなるであろう。

図２に関して、Ｉｍの温度変動を決定付ける要因は、Ｒ２の温度感度、及びＱ２のベース−エミッタ電圧降下である。温度の変化にわたってＲ２が一定のままであると仮定すると、該ベース−エミッタ電圧降下が、実質的には、Ｉｍの温度感度を決定する。典型的には、温度の増加に伴って、Ｖｂｅが減少し、従って、Ｒ２間の電圧は増加することになり、電流Ｉｍが増加し、従って、Ｉｍのミラーである（図１内のＩｃｃのような）任意のミラー電流が増加する。

図３は、本発明の一実施形態である。この回路内において、Ｉｃは、図２のＩｃと同等であり、従って、図２と図３とが、合わせて説明される。ＩｃはＶｃｃに伴って線形に変動し、Ｑ２のＶｂｅの温度変動は、Ｉｃ及びＩｍを更に増加させることに作用することとなる。しかしながら、図３に関して、Ｑ３のＶｂｅの温度変動は、温度によるＤ１間のより低い電圧降下によって、打ち消されることになる。それにより、Ｉ３を安定に維持する結果になることとなる。

上述のように、本発明は、電力増幅器回路のＲＦデバイスと共に組み込むのに適合可能なヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４、等の使用を含む。ＨＢＴデバイスは、組み合わせるのに非常に適切であり、別個の調整された（レギュレートされた）モジュール及び別個の接続の必要性を排除する。そのようなトランジスタのＶｂｅは、典型的には約１．３Ｖであることに留意されたい。

図３を参照すると、例えば、Ｖｃｃが増加する時には、Ｖ１における電圧が増加し、Ｑ３のベース内への電流Ｉ３が増加し、従って、Ｉｃが増加する。図１の先行技術において、Ｖｃｃが増加した場合には、Ｉｍ及びＩｃｃが増加することに留意されたい。図３の本発明の回路内において、Ｖｃｃが増加した場合には、Ｉｃが増加して、Ｒ１を通るその増加された電流を吸収し、これにより、Ｖｃｃにおける増加の影響を打ち消し、従って、ＩｍとＶｒｅｇとが一定に保持される結果となる。図３の回路の検査の結果、Ｑ３のベース電流のうちのいくらか（Ｉ４として示される）が、Ｒ６を介して伝搬する。このフィードバックのリンクは、負のリンクである。該負のリンクはまた、Ｖｃｃの増加に伴って、線形にＩｃを増加させる結果となり、従って、ＩｍとＶｒｅｇとを実質的には一定に維持する。すなわち、初期にはＶｒｅｇは、Ｖｃｃが増加するにつれて増加し、Ｉ２とＩ４とがその結果として増加して、Ｑ３をよりヘビーにターンオンさせて、その結果として、Ｉｃが増加し、Ｖｒｅｇが減少する。

温度が上昇すると、Ｑ２のＶｂｅは減少し、Ｉｍは増加することになる。しかしながら、Ｑ３のＶｂｅが、それに対応して減少し、Ｑ３のベース電流が増加する。この増加は、Ｖｒｅｇをより低く駆動し、それにより、Ｉｍを（従ってＩｃｃを）一定に保つ結果となる。

図３内のダイオードＤ１、及び抵抗Ｒ３、Ｒ４、及びＲ５は、Ｑ３の駆動において、期待される変動と、実際の回路実施形態内において生じる変動とを一致させるため、フレキシビリティを提供するために用いられる。実際には、Ｒ５及びＲ６は、同じ事例において、削除されることが可能である。

図４は、本発明の一実施形態を示す。ここで、図３のダイオードＤ１は、ダイオード接続されたトランジスタＱ４によって置き換えられている。Ｑ３、Ｑ４、Ｒ１、Ｒ２、及びＲ６が含まれたサブ回路は、Ｖｒｅｇにおける電圧を調整する。Ｒ１及びＱ１は、Ｑ３に対する基準バイアス電圧を提供する。Ｒ３は、Ｑ３の応答を線形化する。Ｒ６は、Ｉｃｃの温度応答の傾き制御を提供する。選択されたＶｃｃに基づき、Ｒ４は、休止したＩｃｃ値を設定する。調整されたサブ回路の影響を制限することをＲ２が助けるように、Ｒ２が使用されることが可能である。Ｒ１とＬ５とは、ＲＦチョーキング、及びＱ１のベース電流制限回路の一部である。

図１内において、Ｖｃｃが３．０Ｖから３．６Ｖに変動すると、Ｖｒｅｇは１０ｍＶ変動する。Ｉｃに対する図４の補償回路４０により、Ｖｒｅｇの変動は約２ｍＶである。図４内のレギュレータ回路は、Ｖｒｅｇを必ずしも一定に保つ必要は無いが、所望のＩｃｃに影響を及ぼすために、Ｖｒｅｇが制御される。例えば、ＲＦ ＭＭＩＣのいくつかの段（ステージ）において、（他の段（ステージ）において温度によって比較的一定にＩｃｃを維持する間、）温度に対するＩｃｃの傾きを生成することが望ましい場合がある。しかしながら、Ｖｃｃの変動に対して、Ｉｃｃの、非常に狭い（タイトな）変動を生じさせることは、ほとんど全ての場合において有益である。

図１を図５と比較する。図５内において、温度が上昇すると、Ｖｒｅｇは変動する。この変動は、Ｑ２のＶｂｅの温度変動を補償し、それにより、Ｉｍを保持するように働き、従って、Ｉｃｃはほぼ一定となる。ここで、Ｉｃｃは、図１のグラフ内において約３０ｍＡだけ変動するのと比較して、図５内において約１０ｍＡだけ変動する。

図６は、３段の電力増幅器の代表的な回路ブロック図である。第１段において、入信号が、コンデンサを介してＱ１０のベースに提供される。ミラートランジスタＱ１２と、上述のような電圧レギュレータ回路６０とによってＱ１０はバイアスさせられる。第２段及び第３段は、レギュレータ６０’、及び６０’’によってそれぞれバイアスさせられる。第１段のためのレギュレータは、構成要素６２によってチューニングされ、第２段が構成要素６４によってチューニングされ、及び第３段が構成要素６６によってチューニングされる。それぞれが、別々にチューニングされる。何故ならば、別々のバイアス電流が、各段の電力増幅器にとって必要とされ、異なるＨＢＴトランジスタサイズがその特定の設計に依存するからである。

上述の実施形態が本明細書内において例として示されており、その多くのバリエーションとその代替とが可能であることが理解されるべきである。従って、本発明は、添付の特許請求項の範囲内の記載によってのみ画定されているものとして、広範囲にとらえられるべきである。

先行技術のカレントミラーの概略回路図及びグラフを示す図である。 先行技術の制限に対する発明のアプローチの概略図である。 本発明の一実施形態の概略回路図である。 本発明の別の実施形態の概略回路図である。 温度とＶｃｃの感度を示すＩｃｃのグラフである。 複数段のＲＦ電力増幅器の概略図である。

Claims (6)

1. モノリシックマイクロ波集積電力増幅器回路のための電圧レギュレータであって、
   第１のコレクタ電流を有する第１のＨＢＴトランジスタと、
   前記第１のＨＢＴトランジスタによるカレントミラーとして構成された第２のＨＢＴトランジスタであって、該第２のＨＢＴトランジスタのコレクタ電流が、前記第１のコレクタ電流をミラーリングすることからなる、第２のＨＢＴトランジスタと、
   前記第１のＨＢＴトランジスタのコレクタと、電圧源との間に、直列に配置された第１及び第２の抵抗器であって、該第１及び第２の抵抗器が、前記第１のコレクタ電流のための経路を提供し、該第１の抵抗器と該第２の抵抗器との間の地点が第１の電圧を電気的に画定することからなる、第１及び第２の抵抗器と、
   前記電圧源の電圧変化に応答して、前記第１の電圧地点に流入する電流を制御するための、前記第１の電圧に接続された手段であって、該第１の電圧地点における電圧が、ほぼ一定のままになることからなる、手段
   とを備える、電圧レギュレータ。
2. 前記電流を制御するための手段が、
   前記第１の電圧地点に接続されたコレクタと、アースに接続されたエミッタとを有する第３のＨＢＴトランジスタと、
   前記第３のトランジスタのベースと、前記電圧源との間に配置された第３の抵抗器と、
   前記第３のＨＢＴトランジスタのコレクタとベースとの間に配置された第４の抵抗器
   とを備え、
   前記電圧源の値が増加すると、前記第３のトランジスタのベースを駆動する電流が増加し、
   前記第３のＨＢＴトランジスタが、前記第１の電圧地点から更に電流を減少させて、前電圧源の値が低減した時には、前記第３のトランジスタのベースを駆動する電流が減少し、
   前記第３のＨＢＴトランジスタが、前記第１の電圧地点から、より少ない電流を減少させ、
   更に、前記第３のＨＢＴトランジスタにわたるベースエミッタ電圧降下の温度感度が、前記第１のＨＢＴトランジスタにわたるベースエミッタ電圧降下の温度感度を補償し、及び、
   前記第１のＨＢＴトランジスタのコレクタ電流が、電圧源の値の変動に伴ってほぼ一定のままとなり、及び温度変化に伴って一定のままとなるか又は制御されることからなる、請求項１に記載の電圧レギュレータ。
3. 前記レギュレータと、前記モノリシック回路電力増幅器とが、同じチップ上に組み込まれることからなる、請求項１に記載の電圧レギュレータ。
4. 前記モノリシックマイクロ波集積回路が、電力増幅器であることからなる、請求項１に記載の電圧レギュレータ。
5. 前記第３のＨＢＴトランジスタのベースと、前記電圧源との間に配置されたダイオードを更に含む、請求項２に記載の電圧レギュレータ。
6. 複数段のモノリシック電力増幅器回路であって、
   調整されたバイアス電流を、各々の前記複数段の電力増幅器回路に提供するよう構成された、請求項１において画定されたような電圧レギュレータ回路を備え、
   前記電圧レギュレータ回路の各々が、各段のバイアス電流要件に依存して、異なるようにチューニングされることからなる、複数段のモノリシック電力増幅器回路。

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