JP2009165100A - 高周波増幅器及び高周波モジュール並びにそれらを用いた移動体無線機 - Google Patents

Abstract

【課題】高線形特性を持ち、集積が容易でプロセスばらつきによるトランジスタ特性の変動に強い高周波増幅器を提供する。
【解決手段】高周波の増幅を行う増幅素子をバイアスするバイアス回路を備えた高周波増幅器において、バイアス回路がフィードバック回路を含み、そのフィードバック回路のフィードバックループ内に、一端が接地された容量を有する低域通過特性を持つ回路を挿入する。これにより安定したバイアス電圧を供給し、高周波増幅器の線形性を改善することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は高周波アナログ信号の増幅を行う増幅器及び高周波モジュール並びにそれらを用いた移動体無線機に関し、特に、ＣＤＭＡ方式やＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）方式及びその拡張方式を採用した無線通信に適した、高周波増幅器
及び高周波モジュール及びそれらを用いた移動体無線機に関する。

高周波アナログ信号の増幅器として、従来は、特許文献１〜７に記載されたようなものが知られている。

特許文献１には、高周波用の増幅器として、信号増幅用のバイポーラトランジスタのバイアス回路がフィードバックループで構成されており、このバイアス回路に従来接地されていた自己バイアス用の抵抗を削除した、エミッタ接地増幅回路用バイアス回路が開示されている。特許文献１によれば、バイアス回路の抵抗を削除することで、入力端子から見た入力抵抗を大きく取ることができると記載されている。

特許文献２には、例えばその図５に、信号増幅用のバイポーラトランジスタ１０１のベース端子とベースバイアス供給端子との間に第１の抵抗を介して歪補償用ダイオードが接続され、温度保障用ダイオードを介して前記第１の抵抗と前記歪補償用ダイオードとの接続点を接地した電力増幅器が開示されている。特許文献２によれば、前記構成により、温度が変化したとしてもバイアス点の変化を抑制できると述べられている。

特許文献３には、例えばその図１に、高周波増幅トランジスタのベースに接続されたバイアス電圧供給点及び定電圧源を有し、このバイアス電圧供給点に整流用トランジスタと定電流源とを接続したバイアス電圧供給回路が開示されている。特許文献３によれば、前記バイアス電圧供給回路が、入力電力が大きくなるに従って一旦上昇し極点を過ぎると下降するバイアス特性を有しているので、優れた飽和特性を有する高周波増幅回路が得られると述べられている。

特許文献４には、例えばその図５に、電流信号の入力手段と、信号増幅用のトランジスタと、入力手段に接続され前記電流信号を分流する制御電流源とを含むフィードバックループを備えたプリアンプ（電流電圧変換器）が開示されている。特許文献４によれば、上記構成により、大入力時に電流分配比を自動的に調整することで、出力平均電位が一定なると述べられている。

特許文献５には、カレントミラーを構成する親側のトランジスタにはコレクタとベースを直接接続したトランジスタが使用されており、一対のトランジスタのベースに接続されたチップ外のインダクタと親側のトランジスタのベース、エミッタ間に接続されたコンデンサでローパスフィルタを構成した送信アンプが開示されている。特許文献５によれば、上記構成により、高周波信号が親側のトランジスタ側に入力されないようにし、これにより、高出力時にもベースバイアス電位が低下することがなく、高出力な送信アンプを実現できると述べられている。

特許文献６には、例えばその図６に、入力信号を電力増幅する増幅器と、カレントミラー回路を含み入力電力レベルに対応した入力信号の直流分を発生する基準増幅器と、この直流分を増幅し増幅器に供給する直流電流増幅器（ダミー回路）とを備えた電力増幅器モジュールが開示されている。特許文献６によれば、高効率かつ低歪の電力増幅器モジュールが再現性良く実現できると述べられている。

特許文献７には、ＭＯＳトランジスタのゲート端子に接続されたバイアス発生器と、入力信号の入力部と前記バイアス発生器との間に接続されたローパスフィルタ回路と、前記入力部と前記ＭＯＳトランジスタのゲート端子の間に接続されたハイパスフィルタ回路とを備えた半導体デバイスが開示されている。特許文献７の発明は、デバイスの温度変動及び／またはプロセス変動に起因するＭＯＳデバイスのバイアス条件の変動を正確に補償できる技術を提供することを目的としている。

また、非特許文献１に記載のデュアルバイアスフィード回路を備えた増幅器も知られている。図１２乃至図１４は、非特許文献１に開示された回路を示すものである。すなわち、非特許文献１では、図１２、図１３に示すインダクタバイアスフィード回路７１０と抵抗バイアスフィード回路８１０について言及し、図１４のデュアルバイアスフィード回路を提案している。

なお、図１２において、７０１-７０３はトランジスタ、７０４はインダクタ、７０５は抵抗である。図１３において、８０１-８０３はトランジスタ、８０４は容量、８０５-８０８は抵抗、８１０はＩＣ部、８２０-８２は整合回路である。また、図１４のデュアルバイアスフィード回路は、上記抵抗バイアスフィード回路８１０にダイオードバイアスフィード回路９００を追加した回路である。ダイオードバイアスフィード回路９００は、トランジスタ９０１-９０３、抵抗９０４を備えている。非特許文献１によれば、デュアルバイアスフィード回路の採用により、抵抗バイアスフィード回路の線形性が改善される
と記載されている。

特許第３１２５７２３号公報 特許第３５１４７２０号公報 特開２００５−２２８１９６号公報 特開平０９−１３０１５７号公報 特開２００１−９４３６２号公報 特開２００１−２８４９８４号公報 特開２００５−１８４８３８号公報 谷口英司、外６名、社団法人 電子情報通信学会 信学技報"デュアルバイアスフィードSiGe HBT線形低雑音増幅器"、MW2001-25, OPE2001-12 (2001-06)、p. 1-5

近年の無線規格としては、ＣＤＭＡ方式やＯＦＤＭ方式などのデジタル変調方式が、無線ＬＡＮやＷｉＭＡＸなど、多くの移動体無線に採用されている。また、これらのデジタル変調方式では増幅器に高い線形性が求められる。

すなわち、従来のＧＭＳＫ方式のようにＦＳＫ（周波数変調方式）をベースとする高周波信号の電力が時間的に変動しない方式と違い、ＣＤＭＡ方式やＯＦＤＭ方式では、高周波信号の電力が時間的に変動し、ピーク値は平均値に比べてかなり大きいという特徴がある。特に、ＯＦＤＭ方式では、Ｎ個の異なる周波数の搬送波が多重化されており、かつ、各信号の周波数間隔は狭いため、多重化された信号のピーク電力値は図１０に示すように平均電力値の５〜１６倍(7〜12dB)にも達する。従って、このようなピーク電力値と平均電力値の差が大きいアナログ信号の増幅を行なう用途における増幅器には、小信号動作時
から大信号動作時までの広い範囲にわたる入力信号に対して高い線形性が求められる。

しかし、従来の高周波増幅器では、この点に関して十分な配慮がなされていなかった。
すなわち、ＯＦＤＭ方式などのデジタル変調方式を対象とした場合、特許文献１に開示された増幅器では、大信号動作時におけるバイアス点の電位の低下は避けられず、広範囲の高周波数入力信号に対して高い線形性を得ることは困難であると考えられる。

同様に、特許文献２、３に開示された増幅器でも、広い範囲の高周波数入力信号に対して増幅器のバイアス点の電位が変動し、このような入力信号に対して高い線形性を得ることは困難であると考えられる。

また、特許文献４に開示された電流電圧変換器のフィードバックループは、回路全体の入力インピーダンスを調整するためのものであり、信号増幅用のトランジスタのバイアス点の電位を制御する機能はなく、広範囲の高周波数入力信号に対して高い線形性を得ることは困難であると考えられる。

さらに、特許文献５に開示されたローパスフィルタは、フィードバックループの外側に設けられている。しかも、半導体集積回路に外付けされており、集積化に難があり小型化に対して問題があると考えられる。
また、特許文献５に開示されたローパスフィルタのインダクタンスを抵抗に置き換えて半導体集積回路に集積した場合には、この抵抗がバイアス回路の出力インピーダンスを増加させることになり、大電力入力時のベースバイアス電流の増加により、バイアス電圧の降下が生じ、問題であると考えられる。

同様に、特許文献６に開示された電力増幅器モジュールは、基準増幅器の他にダミーの増幅器を設けており、小型化に対して問題があると考えられる。

さらに、特許文献７に開示された半導体デバイスは、チップの外で混合した高周波信号と直流電圧からバイアス回路の参照電圧を分離するためのローパスフィルタがあるが、このローパスフィルタはバイアス回路のフィードバックループの外側にあり、このような構成では広範囲の入力信号に対して高い線形性を得ることは困難であると考えられる。

一方、非特許文献１の図１２の例では、抵抗バイアスフィード回路８１０において、バイアス回路内に容量８０４が存在している。この容量８０４はバイアス回路の発振防止のためであり、可能な限り低い遮断周波数に設計されている。多くの場合、遮断周波数は数ＫＨz程度に設計される。また、大信号動作時は、図１５の大信号等価回路に示すように、容量８０４に直列に抵抗８０６が接続される形となり、高周波的には接地とはならず十分な信号減衰を実現できない。

そのため、遮断周波数を超えた高い周波数でもトランジスタ８０２のベースに信号が入力され、トランジスタ８０２の出力、トランジスタ８０３のベースへと信号が伝達し、トランジスタ８０３の出力が変動する。このような理由から、大信号動作時には、バイアス点８２０における電位低下が発生する。そのため、抵抗バイアスフィード回路は広範囲の入力信号に対して高い線形性を得ることは困難であるとされている。

これを踏まえて、非特許文献１では図１４に示すように、２種類のバイアス回路８１０，９００を組み合わせて線形性を改善したデュアルバイアスフィード回路が提案されている。しかし、非特許文献１のデュアルバイアスフィード回路は、回路規模が抵抗バイアスフィード回路の倍となり小型化の点で問題がある。すなわち、２種類の回路を組み合わせることから回路規模が増加するため、小型化に対して問題がある。

本発明の解決すべき課題は、上記問題点を改善し、回路規模を増加させることなく、広範囲の入力信号に対して高い線形性を有する高周波増幅器及び高周波モジュール並びにそれらを用いた移動体無線機を提供する事にある。

本発明の代表的なものの一例を示せば以下の通りである。即ち、本発明の高周波増幅器は、高周波信号の入力端子及び出力端子と、ベース端子が前記入力端子に接続された高周波増幅用トランジスタと、前記高周波増幅用トランジスタの前記ベース端子をバイアスするカレントミラー型バイアス回路を備えて成り、前記バイアス回路のフィードバックループ内に、容量を含むローパスフィルタが挿入されており、前記容量は、前記フィードバックループを接地するシャント回路の一部を構成していることを特徴とする。

本発明によれば、回路規模を増加させることなく、高い線形特性を持ち、集積が容易でプロセスばらつきによるトランジスタ特性の変動に強い高周波増幅器及び高周波モジュール並びにそれらを用いた移動体無線機を提供することができる。

本発明の代表的な実施例によれば、高周波増幅用トランジスタをバイアスするバイアス回路を備えた高周波増幅器において、バイアス回路がフィードバック回路を含み、そのフィードバック回路のフィードバックループ内に、一端が接地された容量を有する低域通過特性を持つ回路が挿入されている。これにより入力信号が遮断周波数を超えた高い周波数ではトランジスタ８０３にフィードバックが掛からず、高周波増幅用トランジスタに安定したバイアス電圧を供給し、入力信号レベルが大きくなったときにおいても高周波増幅器の線形性を改善することができる。
以下本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の第１の実施例になる高周波増幅器の構成を示す図である。本実施例の高周波増幅器は、入力信号を増幅して出力する増幅動作トランジスタ（第１のトランジスタ）１０１と、この増幅動作トランジスタ１０１にバイアス電圧およびバイアス電流を供給するバイアス回路１１０を備えている。バイアス回路１１０は、（第２の）トランジスタ１０２及び（第３の）トランジスタ１０３、容量１０４、抵抗１０５及び（第１の）抵抗１０６で構成されている。トランジスタ１０２、１０３および増幅動作トランジスタ１０１はカレントミラー回路を構成している。そのため、プロセスのバラツキによるトラン
ジスタ特性の変動に強い回路構成である。

また、バイアス回路１１０は、増幅動作トランジスタ１０１とでフィートバック回路を有するカレントミラー回路を構成するバイアス回路であり、そのフィードバックループ内に、一端が直接接地された容量１０４を有するローパスフィルタ１１１を有している。一端が直接接地された容量１０４は、フィードバックループに対するシャント回路として機能する。増幅動作トランジスタ１０１の動作電流の値は、抵抗１０６および１０５により決定される。
また、前記フィードバックループとは、図１に記載の実施例では、トランジスタ１０３のエミッタ端子からトランジスタ１０２のベース端子への接続と、トランジスタ１０２のコレクタ端子からトランジスタ１０３のベース端子への接続とトランジスタ１０２及び１０３の内部の接続からなる接続経路であり、トランジスタ１０２及び１０３からなるバイアス回路のフィードバックループを構成している。
すなわち、本実施例の高周波増幅器は、高周波信号の入力端子及び出力端子と、ベース端子が前記入力端子に接続された高周波増幅用トランジスタと、前記高周波増幅用トランジスタの前記ベース端子をバイアスし、前記高周波増幅用トランジスタとでカレントミラー回路を構成するフィードバックループを有するバイアス回路を備えて成り、前記バイアス回路のフィードバックループ内に、容量を含むローパスフィルタが挿入されており、前記容量が、前記フィードバックループを接地するシャント回路の少なくとも一部を構成している。かかる点は他の実施例においても同様である。

バイアス回路１１０は、フィードバックループ内に一端が直接接地された容量１０４を有するローパスフィルタ１１１を有することで高周波信号の帰還を十分に抑制し、トランジスタ１０３を高周波に対して安定したエミッタフォロアとして動作させることで、バイアス点の電圧を一定に保っている。

本発明の特徴は、容量１０４の一端を接地することで、シャント回路を形成していることにある。
図１の実施例ではシャント回路が容量１０４で構成されているが、容量１０４はフィードバックループを接地するシャント回路の少なくとも一部を構成していればよい。

図２は、本実施例の大信号等価回路を示している。本実施例によれば、抵抗１０５の一端でありローパスフィルタ１１１の出力端である容量１０４との接続点と接地との間において、容量１０４に直列な抵抗成分がない。そのため、大信号動作時、ローパスフィルタ１１１の出力点は十分にグランドに接続されている。そのため大信号動作時でも、バイアス点１２０に制御された電位のバイアス電流を供給することができる。これにより、前記の問題点を解決し安定したバイアスを実現している。
なお、容量１０４に直列な抵抗成分がないとは、容量１０４に直列に接続される抵抗素子がないことをいう。

なお、ローパスフィルタ１１１の遮断周波数をｆ_Cとして、遮断周波数の最適な範囲の下限をｆ_L、上限をｆ_Hとすると、ｆ_Lは少なくとも高周波入力信号の変調周波数帯域の２〜３倍以上にし、ｆ_Hを高周波入力信号の周波数以下に設計するのが好ましい。

一例として、ＯＦＤＭ方式を使用している無線ＬＡＮの１１ａ規格を例とすると、ｆ_Hは５ＧＨｚ帯の周波数となる。また、１１ａでは変調帯域は約２０ＭＨｚであり、ｆ_Lは４０ＭＨｚ〜６０ＭＨｚとなる。
すなわち、ｆ_Lは少なくとも高周波入力信号の変調周波数帯域の２倍以上（４０ＭＨｚ以上）、より好ましくは３倍以上（６０ＭＨｚ以上）にすればよい。

すなわち、容量１０４と抵抗１０５により構成されるローパスフィルタ１１１において、このｆ_L以上ｆ_H以下の範囲で適切に遮断周波数ｆ_Cを調整することにより、利得特性を制御し高線形化を実現できる。

このように、本実施例によれば、バイアス回路１１０のフィートバックループ内のローパスフィルタ１１１は、シャント回路を介して一端が直接接地されるため、入力信号の高周波帯域では信号の減衰量が十分大きく、フィードバックが掛からないため、トランジスタ１０２のベースが直流的に安定する。このためトランジスタ１０３が安定したエミッタフォロア動作状態となり一定の電圧バイアス動作を実現する。特に、入力信号が大きくなる大信号動作時には、入力が正方向に振幅が振れたときに、トランジスタ１０３がオフとなり、高インピーダンスとなるため入力信号は増幅用トランジスタ１０１へ入力され、十
分な増幅動作が得られる。また、逆に負方向に振幅が振れた時には、トランジスタ１０３がエミッタフォロア回路に見え、一定の電圧に保たれるため、バイアス電位の電圧低下が発生せずに利得低下の現象を低減でき高い線形性を実現できる。

ＯＦＤＭ方式によるデジタル変調方式のアナログ信号は、一例として、無線ＬＡＮの１１ａでは、平均値が１８ｄＢであるのに対してそのピーク値は２６ｄＢに達する。このような振幅が大きくかつ高周波のアナログ入力信号であっても、本発明の高周波増幅器は、高い線形性で増幅することができる。また、第３次高調波歪も少ない。

図３は、図１の実施例において容量１０４を含むシャント回路がない場合、及びシャント回路の容量値を変えてローパスフィルタの遮断周波数を変えたときの、各入力信号の大きさに対するバイアス点１２０の電圧Vbiasと利得の関係をシミュレーションにて確認した結果である。フィードバックループに一端が接地された容量から構成されるローパスフィルタを有することで入力信号の増大に対するバイアス点１２０の電圧Vbiasの電位低下が抑制されていることが分かる。また、ローパスフィルタの遮断周波数の条件によっては電圧Vbiasを上昇させる効果があることが確認できる。
また、図３の容量１０４を変化させた範囲は２〜１０ｐFであり、抵抗１０５は１００Ωとした。なお、図３のローパスフィルタ有のバイアス回路に関する各グラフ線は、図の右側で見て、下から容量値が２ｐＦ、３ｐＦ、６ｐＦ、１０ｐＦの場合に対応する。この時、入力信号を−１０ｄＢｍから＋１７ｄＢｍに変化させたときのバイアス点（バイアス回路の出力電圧）の電圧変化を３５ｍＶ以下にすることが可能である。さらに、シャント回路の容量値が３〜１０ｐＦの範囲である場合は、前記電圧変化は１５ｍＶ以下である。この時の高周波入力信号は5GHz帯（１１ａで利用される周波数帯）の信号で、ローパスフィルタの遮断周波数の変化範囲は約１５０ＭＨｚ〜８００ＭＨｚである。また、ローパスフィルタの遮断周波数の条件（例えばシャント回路の容量値が６ｐＦ以上）によっては電圧Vbiasを上昇させる効果があることが確認できる。

更に、遮断周波数をｆ_L以上ｆ_H以下の範囲で適正に設定することで、図４から分かるように、入力信号に対する利得特性の制御が可能である。

すなわち、図４からも読み取れるように、利得に関しても利得低下を低減しており高線形性を実現している。また、ローパスフィルタの遮断周波数の条件によっては利得を上昇させる効果があることも確認できる。
また、図４の容量１０４を変化させた範囲は２〜１０ｐFであり、抵抗１０５は１００Ωとした。なお、図３のローパスフィルタ有のバイアス回路に関する各グラフ線は、図の右側で見て、下から容量値が２ｐＦ、３ｐＦ、６ｐＦ、１０ｐＦの場合に対応する。この時、入力信号を−１０ｄＢｍから＋１７ｄＢｍに変化させたときのバイアス点（バイアス回路の出力電圧）の電圧変化を３５ｍＶ以下にすることで、入力信号が−１０ｄＢｍから＋１７ｄＢｍに変化したときの利得の変化を１ｄＢ以下とすることができる。また、ローパスフィルタの遮断周波数の条件（例えばシャント回路の容量値が６ｐＦ以上）によっては利得を上昇させる効果があることが確認できる。

また、高周波信号が正側に触れたときにはトランジスタ１０３がオフしバイアス側のインピーダンスが高いインピーダンスなり、高周波信号のバイアス回路側への漏れが抑制される。

本実施例によれば、上記の構成により回路規模が小さく、高線形特性を持つ高周波増幅器を実現している。

このように、本発明の高周波増幅器は、１段において高線形性を実現することができる上に、入力信号の増大に対して利得の増加及び低下を制御できる特性を持っている。このことから、本発明の高周波増幅器を２段以上接続して、全体で線形性の向上を実現することも可能である。

本実施例によれば、回路規模を増加させることなく、集積化が容易で回路規模の小さい、かつ、広範囲の入力信号に対して高い線形性を有する、高周波増幅器及び高周波モジュールを提供する事ができる。

実施例１のローパスフィルタは、容量１０４の代わりにトランジスタ１０２のベース入力容量１３０を利用して構成して同様の効果が得られる。トランジスタの寄生容量と同様に、容量１０４の一端を接地に代わってトランジスタ１０２のエミッタに接続しても同様の効果が得られる。

図５は、本発明の第２の実施例を示す図である。基本的な構成は実施例１と同じで、増幅動作トランジスタ１０１とトランジスタ１０２及び１０３と抵抗１０５及び１０６からなるバイアス回路１１０からなる高周波増幅器である。
増幅動作トランジスタ１０１及びトランジスタ１０２、１０３はカレントミラー回路を構成しているため、プロセスのバラツキによるトランジスタ特性の変動に強い回路構成である。また、増幅動作トランジスタ１０１のバイアス電流は抵抗１０６および１０５により決定される。また、ローパスフィルタを抵抗１０５とトランジスタ１０２のベース入力容量１３０で構成することで、容量素子を不要とすることが可能で更なる回路の小型化を実現できる。また、抵抗１０７と容量１０８の並列接続回路はトランジスタ１０１の熱暴走を防ぐバラスト回路の一例であり、実施例１に使用しても同様の効果を示す。
前記バラスト回路は前記第３のトランジスタのエミッタ端子と前記第１のトランジスタのベース端子との間であって、前記入力端子と前記第１のトランジスタのベース端子との間に接続されている。この点は後述の実施例においても同様である。
さらに、前記ベース入力容量１３０とトランジスタの寄生容量の関係を具体的に述べると、前記ベース入力容量１３０として主要な寄生容量はベース・エミッタ間のベース・エミッタ寄生容量であり、前記トランジスタの寄生容量は前記ベース・エミッタ寄生容量のことである。また、トランジスタ１０２として実用的に利用するトランジスタの入力容量は数十ｆＦ〜数百ｆＦ程度であり、抵抗１０５を数ｋΩ〜数百ｋΩの値とすることで、図３で変化させた遮断周波数を実現できる。

このように、本実施例によれば、回路規模を増加させることなく、集積化が容易で回路規模の小さい、かつ、広範囲の入力信号に対して高い線形性を有する、高周波増幅器及び高周波モジュールを提供する事ができる。

図６は、本発明の第３の実施例を示す図である。この実施例では、抵抗１０６の一端が容量１０９を介して接地されている。また、トランジスタ１０３のエミッタ端子とトランジスタ１０１のベース端子とを接続する（第2の）抵抗１０７と、入力端子とトランジスタ１０３のエミッタ端子とを接続する（第３の）抵抗１１３、および入力端子と第1のトランジスタ１０１のベース端子とを接続する容量１０８からなるバラスト回路により、第３のトランジスタ１０３のエミッタ端子と第１のトランジスタ１０１のベース端子が接続されている。
図６に示す、抵抗１０７及び１１３と容量１０８からなるバラスト回路は図１の抵抗１０７と容量１０８からなるバラスト回路と比べ、バイアス回路側からみて、トランジスタ１０１のバイアスであるDC電圧の信号経路と高周波信号の信号経路と分離することで、高周波信号に対してより高いインピーダンスを実現することができ、バラスト回路での高周波信号の減衰を少なくできる特徴がある。

本実施例では、実施例１のバイアス回路に、一端を接地した容量１０９を追加することで抵抗１０６と容量１０９からなる第２のローパスフィルタ１１２を、フィードバックループ内にさらに追加している。これにより、高周波信号をより減衰させトランジスタ１０３のエミッタフォロア動作をより安定にすることができる。また、抵抗１０７及び１１３と容量１０８で構成する回路は、実施例２で示したバラスト回路の別の例であり、ほかの実施例に適用した場合にも同様に、トランジスタ１０１の熱暴走を防ぐ効果がある。
また、前記第２のローパスフィルタを構成している抵抗１０６及び容量１０９はトランジスタ１０２のコレクタ端子に接続されており、ここでは高周波信号は前記トランジスタ１０２のコレクタ端子から電流信号として伝達されているため、前記第２のローパスフィルタは前記フィードバックループを有するバイアス回路１１０のフィードバックループに含まれるローパスフィルタとして動作している。

このように、本実施例によれば、回路規模を増加させることなく、集積化が容易で回路規模の小さい、かつ、広範囲の入力信号に対して高い線形性を有する、高周波増幅器及び高周波モジュールを提供する事ができる。

図７は、本発明の第４の実施例を示す図である。本実施例では、フィードバックループが、容量１０４と抵抗１０５、及び容量１４０と抵抗１４１で構成される複数のローパスフィルタを備えている。また、トランジスタ１０３のエミッタ端子とトランジスタ１０１のベース端子とを接続する抵抗１０７と、入力端子とトランジスタ１０３のエミッタ端子とを接続する抵抗１１３とを備えている。また、入力端子と第１のトランジスタ１０１のベース端子と接続する（第４の）抵抗１１４とこの抵抗１１４に並列に接続した容量１０８で構成するバラスト回路により、トランジスタ１０３のエミッタ端子とトランジスタ１
０１のベース端子が接続されている。すなわち、実施例１のバイアス回路のローパスフィルタ１１１を構成する容量１０４と抵抗１０５に、容量１４０及び抵抗１４１を加えて２段のローパスフィルタとした。実施例３と同様に、高周波信号をより減衰させてトランジスタ１０３のエミッタフォロア動作を安定にした別の実施例である。また、抵抗１０７、１１３及び１１４と容量１０８からなる回路は実施例２及び３と同様の効果を持つバラスト回路の一例である。

このように、本実施例によれば、回路規模を増加させることなく、集積化が容易で回路規模の小さい、かつ、広範囲の入力信号に対して高い線形性を有する、高周波増幅器及び高周波モジュールを提供する事ができる。
なお、図７に示す２段のローパスフィルタのうち１段のローパスフィルタ回路を構成している容量１４０および抵抗１４１の代りに、抵抗１４１を接続することもできる。容量１０４および抵抗１０５を用いて構成された１段のローパスフィルタとトランジスタ１０２のベース端子との間に接続された該抵抗１４１の抵抗値を調整することで、抵抗１０６及びローパスフィルタの遮断周波数を決める抵抗１０５の値を変更せずに、高周波増幅用トランジスタ１０１に流れるバイアス電流を調整することができ、バイアス回路の設計自由度を上げることができる。

図８は、本発明の第５の実施例である。すでに述べた各実施例におけるバイアス回路のローパスフィルタ１１１として、容量１０４に加えてインダクタ１１８を追加して構成しても良い。このインダクタ１１８は、ＩＣ回路のバックビアやワイヤボンドなどを利用して形成してもよい。一例として、容量は１００ｐＨ以下、インダクタは１ｎＨ以下とする。
また、図８に示す実施例では、トランジスタ１０２のエミッタと容量１０４とを共通インダクタ１１８を介して接地して構成を簡略化している。容量１０４とトランジスタ１０２のエミッタとで別々のインダクタを介して接地することもできる。また、容量１０４だけをインダクタを介して接地することもできる。

このように、フィードバック回路のフィードバックループ内に、通信周波数で低インピーダンスとなるシャント回路を備えた低域通過特性を持つフィルタを設けることで、回路規模を増加させることなく、高い線形特性を持ち、集積が容易でプロセスばらつきによる
トランジスタ特性の変動に強い高周波増幅器を提供することができる。

図９は、本発明の第７の実施例になる高周波増幅器の構成を示す図である。本実施例の高周波増幅器１３１０は、実施例１の高周波増幅器と同じ構成を、ＭＯＳトランジスタを用いて実現したものである。すなわち、トランジスタ１３０１〜１３０３がＭＯＳ構造であり、ローパスフィルタ１３１１を設けたことによる作用、効果は、実施例１と同じである。

本発明の高周波電力増幅器及び高周波低雑音増幅器に基づいた半導体ＩＣ、と高周波スイッチ及びフィルタ機能を多層誘電体基板に実装及び内装して高周波モジュールとすることで、通信機器の小型化も実現できる。

図１１は、本発明の第７の実施例になる高周波モジュールを備えた移動体無線機の一構成例を示す機能ブロック図である。

高周波モジュール１２０１は、高周波電力増幅器１２０２、高周波低雑音増幅器１２０３、フィルタ１２０５及び高周波スイッチ１２０４を含みこれらが１つの多層誘電体基板へ実装されモジュール化されている。高周波スイッチ１２０４は信号の送信経路及び受信経路の切り替えを行い外部アンテナ１２０８と接続されている。
以下、具体的に説明する。前記高周波モジュール１２０１は、周波数多重変調方式の電波を用いて無線通信を行うためのモジュールである。また前記高周波電力増幅器１２０２及び高周波低雑音増幅器１２０３は、それぞれ送信経路の信号、受信経路の信号を増幅する高周波増幅器である。前記高周波スイッチ１２０４は送受信経路を介して外部アンテナ１２０４と接続されており、送信経路及び受信経路の切り替えを行うことで信号経路の変更を実現している。
図１６には、かかる高周波モジュールの斜視図を示す。多層誘電体基板１２０９表面に高周波電力増幅器１２０２、高周波低雑音増幅器１２０３及び高周波スイッチ１２０４のＩＣチップが実装され、フィルタ１２０５は多層誘電体基板の内部に構成されている。フィルタ１２０５は送信信号の不要スペクトルや妨害波を除去する。多層誘電体基板の裏面には高周波スイッチの送受信経路を外部アンテナに接続するためのアンテナ端子、送信経路の信号を入力するための送信端子、受信経路の信号を出力するための受信端子等が設けられている。多層誘電体基板には、例えばセラミック基板や樹脂基板等を用いる。また、送信経路の信号または受信経路の信号を増幅する高周波増幅器の一部は、高周波モジュールを構成する多層誘電体基板以外の部分に配置してもよい。
高周波モジュールの構成は図１１に示したものに限らない。すなわち、送信経路と受信経路の切り替えを行う高周波スイッチと、前記送信経路の高周波信号または前記受信経路の高周波信号を増幅する少なくとも一つの高周波増幅器とを備え、周波数多重変調方式の電波を用いて無線通信を行うための高周波モジュールを用いることができる。かかる高周波増幅器に上述の実施例に係る構成を用いる。高周波スイッチの後段（外部アンテナ側とは反対側）の送信経路および受信経路に分波回路を設けて、マルチバンド通信用の高周波モジュールを構成することもできる。かかる場合、通信帯域毎に本発明に係る高周波増幅器を用いることができる。
図１１に示す移動体無線機は、高周波モジュールとアンテナを有し、前記高周波モジュールは、高周波電力増幅器及び変調部を含む送信ユニットと、高周波低雑音増幅器及び復調部を含む受信ユニットと、高周波スイッチとを備えて成り、前記高周波電力増幅器及び前記高周波低雑音増幅器は、各々少なくとも１つの高周波アナログ増幅器を備えている。送信ユニットの高周波電力増幅器１２０２と、受信ユニットの高周波低雑音増幅器１２０３は高周波モジュール１２０１に設けられている。一方、変調部および復調部はＲＦ−ＩＣ１２０６内に構成され、該ＲＦ−ＩＣ１２０６はベースバンドＩＣ１２０７に接続されている。

本実施例の移動体無線機は、ＣＤＭＡ方式やＯＦＤＭ方式及びその拡張方式を採用した周波数多重変調方式の電波を用いて無線通信を行う機能を備えている。高周波モジュール１２０１は無線機のアナログフロントエンド部を構成しており、高周波電力増幅器１２０２と高周波低雑音増幅器１２０３は、アナログフロントエンド部でキーとなるブロックであり高周波アナログ信号の増幅を行う増幅器として、前記本発明の各実施例のいずれかの増幅器が用いられる。
特に、送信信号を増幅する高周波電力増幅器として本発明に係る高周波増幅器を用いることが好ましい。
本発明に係る移動体無線機は図１１に示す構成にかぎるものではない。すなわち、本発明に係る、周波数多重変調方式の電波を用いて無線通信を行うための移動体無線機は、送信経路と受信経路の切り替えを行う高周波スイッチと、前記送信経路の高周波信号または前記受信経路の高周波信号を増幅する少なくとも一つの高周波増幅器とを備えた高周波モジュールと、高周波信号の変調部と、高周波信号の復調部と、アンテナを有していればよい。かかる高周波増幅器に上述の本発明に係る構成を適用する。本発明に係る移動体無線機の一例としては、携帯電話やパーソナルコンピュータ等であるが、これに限るものではない。

本実施例によれば、広範囲の入力信号に対して高い線形性を有すると共に集積化が容易なので回路規模が小さい高周波モジュール及びそれらを用いた移動体無線機を提供する事ができる。

本発明の第１の実施例になる高周波増幅器の構成を示す図である。 実施例１の大信号等価回路を示す図である。 実施例１の、入力電力[dBm]に対する電圧Vias[V]の依存性を示す図である。 実施例１の、入力電力[dBm]に対する利得[dB]特性を示す図である。 本発明の第２の実施例になる高周波増幅器の構成を示す図である。 本発明の第３の実施例になる高周波増幅器の構成を示す図である。 本発明の第４の実施例になる高周波増幅器の構成を示す図である。 本発明の第５の実施例になる高周波増幅器の構成を示す図である。 本発明の第６の実施例になる高周波増幅器の構成を示す図である。 ＯＦＤＭ方式の高周波信号電力の時間変動の一例を示す図である。 本発明の第７の実施例になる高周波モジュールを備えた移動体無線機の一構成例を示す機能ブロック図である。 従来例になるインダクタバイアスフィード回路を示す図である。 従来例になる抵抗バイアスフィード回路を示す図である。 従来例になるデュアルバイアスフィード回路を示す図である。 図１３の従来例の大信号動作時における等価回路図である。 本発明に係る高周波モジュールの一実施例を示す斜視図である。

符号の説明

１０１-１０３…トランジスタ、１０４…容量、１０５-１０７…抵抗、１０８-１０９…
容量、１１０…バイアス回路、１１１-１１２…ローパスフィルタ、１１３-１１４…抵抗、１１８…インダクタ、１２０…バイアス点、１３０…トランジスタの入力容量、７０１-７０３…トランジスタ、７０４…オンチップインダクタ、７０５…抵抗、８０１-８０３…トランジスタ、８０４…容量、８０５-８０８…抵抗、８３０-８３１…整合回路、９０１-９０３…トランジスタ、９０４…抵抗、１１０１-１１０３…トランジスタの大信号モデル、２８０１-２８０３…トランジスタの大信号モデル、１２０１…高周波モジュール、１２０２-１２０３…本発明を使った高周波増幅器ＩＣ、１２０４…高周波スイッチ。

Claims (20)

1. 高周波信号の入力端子及び出力端子と、
   ベース端子が前記入力端子に接続された高周波増幅用トランジスタと、
   前記高周波増幅用トランジスタの前記ベース端子をバイアスするカレントミラー型バイアス回路を備えて成り、
   前記バイアス回路のフィードバックループ内に、容量を含むローパスフィルタが挿入されており、
   前記容量は、前記フィードバックループを接地するシャント回路の一部を構成していることを特徴とする高周波増幅器。
2. 請求項１において、
   前記容量は、一端が直接接地されていることを特徴とする高周波増幅器。
3. 請求項１において、
   前記容量は、一端がインダクタを介して接地されていることを特徴とする高周波増幅器。
4. 請求項１において、
   前記容量は、前記フィードバックループの一部を構成するトランジスタのベース入力容量であることを特徴とする高周波増幅器。
5. 請求項１において、
   前記フィードバックループは、複数の前記ローパスフィルタを備えていることを特徴とする高周波増幅器。
6. 請求項１において、
   前記高周波増幅用トランジスタとして機能する第１のトランジスタと、第２のトランジスタ及び第３のトランジスタにより前記カレントミラー型バイアス回路が構成され、
   制御電圧または電源と前記フィードバックループとの間に接続され前記バイアス回路のバイアス電流を決定する機能を有する第１の抵抗を備えて成り、
   前記第２のトランジスタは、コレクタ端子が前記第１の抵抗の一端に接続されており、エミッタ端子が接地されており、
   前記第３のトランジスタのベース端子が前記第１の抵抗の一端に接続されており、
   前記フィードバックループは、前記第３のトランジスタのエミッタ端子から前記第２のトランジスタのベース端子及びコレクタ端子を通り、前記第３のトランジスタのベース端子を結んで構成されていることを特徴とする高周波増幅器。
7. 請求項６において、
   前記フィードバックループ内に、一端を接地または前記第２のトランジスタのエミッタ端子に接続された少なくとも一つ以上の容量を含む前記ローパスフィルタを有することを特徴とする高周波増幅器。
8. 請求項６において、
   一端が接地され他端が前記容量に接続されたインダクタを有する
   ことを特徴とする高周波増幅器。
9. 請求項６において、
   前記第１のトランジスタは、コレクタが前記出力端子に接続されており、 前記第３のトランジスタのエミッタ端子と前記第１のトランジスタのベース端子が接続されていることを特徴とする高周波増幅器。
10. 請求項７において、
    前記第１のトランジスタは、コレクタが前記出力端子に接続されており、 前記第３のトランジスタのエミッタ端子と前記入力端子を接続した接続点と前記第１のトランジスタのベース端子とが、少なくとも一つ以上の抵抗と一つ以上の容量を並列接続したバラスト回路で接続されていることを特徴とする高周波増幅器。
11. 請求項９において、
    前記第３のトランジスタのエミッタ端子と前記第１のトランジスタのベース端子とを接続する第2の抵抗と、前記入力端子と前記第３のトランジスタのエミッタ端子とを接続する第３の抵抗、および前記入力端子と前記第1のトランジスタのベース端子とを接続する容量からなるバラスト回路により、前記第３のトランジスタのエミッタ端子と前記第１のトランジスタのベース端子が接続されていることを特徴とする高周波増幅器。
12. 請求項９において、
    前記第３のトランジスタのエミッタ端子と前記第１のトランジスタのベース端子とを接続する第２の抵抗と、
    前記入力端子と前記第３のトランジスタのエミッタ端子とを接続する第３の抵抗とを備えて成り、
    前記入力端子と前記第１のトランジスタのベース端子と接続する第４の抵抗と該第４の抵抗に並列に接続した容量で構成するバラスト回路により、前記第３のトランジスタのエミッタ端子と前記第１のトランジスタのベース端子が接続されている
    ことを特徴とする高周波増幅器。
13. 請求項１において、
    前記高周波増幅用トランジスタを構成する第１のトランジスタと、前記フィードバックループを構成する第２のトランジスタ及び第３のトランジスタが、各々ＭＯＳトランジスタにより構成されていることを特徴とする高周波増幅器。
14. 高周波増幅器と高周波スイッチとを備え、
    周波数多重変調方式の電波を用いて無線通信を行う機能を備えて成り、
    前記高周波増幅器は、高周波信号の入力端子及び出力端子と、
    ベース端子が前記入力端子に接続された高周波増幅用トランジスタと、
    前記高周波増幅用トランジスタの前記ベース端子をバイアスするカレントミラー型バイアス回路バイアス回路を備えて成り、
    前記バイアス回路のフィードバックループ内に挿入され、前記無線通信に使用される通信周波数で低インピーダンスとなるシャント回路を有するローパスフィルタを備えて成る ことを特徴とする高周波モジュール。
15. 請求項１４において、
    前記シャント回路は一端が接地された容量を有することを特徴とする高周波モジュール。
16. 請求項１４において、
    前記シャント回路は一端がインダクタを介して接地された容量を有することを特徴とする高周波モジュール。
17. 請求項１４において、
    前記周波数多重変調方式がＯＦＤＭ変調方式であり、
    前記高周波増幅器が多層誘電体基板へ実装されモジュール化されて成ることを特徴とする高周波モジュール。
18. 高周波モジュールとアンテナを有し、周波数多重変調方式の電波を用いて無線通信を行う機能を備えて成り、
    前記高周波モジュールは、高周波電力増幅器及び変調部を含む送信機ユニットと、高周波低雑音増幅器及び復調部を含む受信ユニットと、高周波スイッチとを備えて成り、
    前記高周波電力増幅器及び前記高周波低雑音増幅器は、各々少なくとも１つの高周波アナログ増幅器を備えており、
    前記高周波アナログ増幅器は、高周波信号の入力端子及び出力端子と、
    ベース端子が前記入力端子に接続された高周波増幅用トランジスタと、
    前記高周波増幅用トランジスタの前記ベース端子をバイアスするカレントミラー型バイアス回路を備えて成り、
    前記バイアス回路のフィードバックループ内に挿入され、前記無線通信に用いられる通信周波数で低インピーダンスとなるシャント回路を有するローパスフィルタを備えて成ることを特徴とする移動体無線機。
19. 請求項１８において、
    前記周波数多重変調方式がＯＦＤＭ変調方式であり、
    前記高周波モジュールが多層誘電体基板へ実装されモジュール化されて成る
    ことを特徴とする移動体無線機。
20. 請求項１８において、
    前記ローパスフィルタは容量を含み、
    該容量は、前記フィードバックループを接地する前記シャント回路の一部を構成していることを特徴とする移動体無線機。

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