JP2010068077A - 半導体集積回路 - Google Patents

Abstract

【課題】バッテリー電圧が低下した場合もしくはアンテナでの負荷不整合が生じた場合での電力付加効率の低下を軽減する。
【解決手段】ＲＦ電力増幅回路２の送信出力Ｐoutは方向性結合器３の主線路３１を介してアンテナに供給され、方向性結合器３の副線路３２の検出電圧はＲＦ検波回路４の入力に供給され、ＲＦ検波回路４の出力のパワー検波電圧Ｖdetは誤差増幅器７の反転入力−に供給され、ＲＦ多段増幅器の各段のトランジスタにバイアス回路２４のバイアス電圧が供給される。誤差増幅器７の非反転入力＋に送信パワーレベル信号Ｖrampが供給され、誤差増幅器７の出力の自動パワー制御電圧Ｖapcがバイアス回路２４の入力に供給される。制御回路８、９の第１と第２の入力端子＋、−にＶrampとＶdetが供給され、その出力が増幅器７の非反転入力＋に供給され、ＶrampよりもＶdetが低くなると制御回路８、９の出力はＶapcが低下するように誤差増幅器７を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＲＦ電力増幅器およびその動作方法に関するもので、特にバッテリー電圧が低下した場合もしくはアンテナでの負荷不整合が生じた場合での電力増幅器の電力付加効率の低下を軽減するのに有益な技術に関する。

携帯電話に代表される移動体通信には、複数の通信方式が存在する。例えば欧州では、第２世代無線通信方式として普及しているＧＳＭおよびＧＳＭのデータ通信速度を向上したＥＤＧＥに加えて、近年サービスが開始された第３世代無線通信方式であるＷ−ＣＤＭＡがある。また、北米では第２世代無線通信方式であるＤＣＳ、ＰＣＳに加えて、第３世代無線通信方式であるｃｄｍａ１ｘが普及している。尚、ＧＳＭは、Global System for Mobile Communicationの略である。ＥＤＧＥは、Enhanced Data rate for GSM Evolutionの略である。Ｗ−ＣＤＭＡは、Wide-band Code Division Multiple Accessの略である。ＤＣＳは、Digital Cellar Systemの略である。ＰＣＳは、Personal Communication Systemの略である。ｃｄｍａ１ｘは、Code Division Multiple Access 1xの略である。

携帯電話端末が有する高周波電力増幅器の動作は、位相変調のみを使用する基本的なモードのＧＳＭでは飽和動作であり、位相変調と伴に振幅変調も使用するＥＤＧＥはＧＳＭの飽和動作点から数ｄＢのバックオフをとった動作点での線形動作である。また、位相変調と伴に振幅変調も使用するＷ−ＣＤＭＡおよびｃｄｍａ−１ｘでも、高周波電力増幅器の動作は線形動作である。

また、ＧＳＭおよびＥＤＧＥに対応する携帯電話端末の高周波回路部分おいて、高周波電力増幅器とアンテナとの間にはアンテナスイッチが配置される。アンテナスイッチは、ＴＤＭＡ(時分割マルチプルアクセス)方式の送信スロットと受信スロットとを切り換える機能を実行する。

一方、携帯電話端末における高周波回路構成に関する他の傾向として、高周波電力増幅器を有する高周波電力増幅器モジュールへの出力電力検出回路の内蔵化がある。例えば、下記非特許文献１には、電力増幅器により生成される電力を検出する方向性結合器を電力増幅器と伴に電力増幅器モジュールに集積化することか記載されている。方向性結合器の主線路は電力増幅器の出力とアンテナとの間に接続され、方向性結合器の副線路は終端抵抗と電力レベル制御部の入力との間に接続される。方向性結合器は、電力増幅器によって生成された進行波信号からの結合電圧と負荷により反射された反射波信号からの結合電圧とのベクトル和の検出電圧を検出することができる。

Ｊｅｌｅｎａ Ｍａｄｉｃ ｅｔ ａｌ， "Ａｃｃｕｒａｔｅ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｔｅｃｈｉｎｉｑｕｅ ｆｏｒ Ｈａｎｄｓｅｔ ＰＡ Ｍｏｄｕｌｅｓ ｗｉｔｈ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ Ｃｏｕｐｌｅｒｓ"， ２００３ ＩＥＥＥ Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ， ｐｐ．７１５−７１８．

前記非特許文献１に記載されたような電力増幅器モジュールに集積化された方向性結合器を使用することによって、電力増幅器により生成された進行波信号からの結合電圧と負荷により反射された反射波信号からの結合電圧とのベクトル和の検出電圧を検出することができる。一方、電力増幅器の送信出力電力を精密に制御するためには、送信出力電力レベルを検出して検出電力レベル信号と目標電力レベル信号とを比較して電力制御部による閉ループの出力電力制御を行う必要がある。この電力制御のための送信出力電力レベルの検出に、前記非特許文献１に記載された方向性結合器を採用することができる。

しかし、本発明者等の検討によって、携帯電話端末のバッテリー電圧が低下した場合もしくはアンテナでの負荷不整合が生じた場合には、目標電力レベル信号と比較して検出電力レベル信号が低くなって、電力増幅器のバイアス電圧が高い状態に制御されるので、電力増幅器の出力の飽和が通常の場合よりも速く開始するとことが明らかとされた。

通常の場合よりも速く電力増幅器の出力の飽和が開始されると、電力増幅器の直流電流が著しく増大するので、電力増幅器の電力付加効率(ＰＡＥ：Power Added Efficiency)が著しく低下すると言う問題が明らかとされた。一方、通常の場合よりも速く電力増幅器の出力の飽和が開始されると、トランジスタの非線形歪が著しく増大すると言う問題も明らかとされた。このような状態で電力増幅器は非線形動作となって出力も飽和スイッチング波形となるので、非線形歪はスイッチングスペクトラムと呼ばれる。

本発明は、以上のような本発明に先立った本発明者等の検討の結果、なされたものである。

従って、本発明の目的とするところは、バッテリー電圧が低下した場合もしくはアンテナでの負荷不整合が生じた場合での電力増幅器の電力付加効率の低下を軽減することにある。

また、本発明の他の目的とするところは、バッテリー電圧が低下した場合もしくはアンテナでの負荷不整合が生じた場合でのトランジスタの非線形歪の増大を軽減することにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される発明のうちの代表的なものについて簡単に説明すれば下記のとおりである。

すなわち、本発明の代表的なＲＦ電力増幅器は、ＲＦ電力増幅回路(２)、方向性結合器(３)、ＲＦ検波回路(４)、誤差増幅器(７)、制御回路(８、９)を具備する。

前記ＲＦ電力増幅回路(２)はＲＦ送信入力信号(Ｐin)の増幅によってＲＦ送信出力信号(Ｐout)を生成して前記方向性結合器(３)の主線路(３１)を介してアンテナに供給する。

前記方向性結合器(３)の副線路(３２)は前記ＲＦ検波回路(４)の入力に接続され、前記ＲＦ検波回路(４)の出力のパワー検波電圧(Ｖdet)が前記誤差増幅器(７)の反転入力端子(−)に供給される。

前記ＲＦ電力増幅回路(２)は多段増幅器(２１、２２、２３)とバイアス回路(２４)とを含み、前記多段増幅器(２１、２２、２３)の各段のトランジスタの制御入力電極に前記バイアス回路(２４)の出力から生成されるバイアス電圧供給される。

前記誤差増幅器(７)の非反転入力端子(＋)に送信パワーレベル信号(Ｖramp)が供給され、前記誤差増幅器(７)の出力の自動パワー制御電圧(Ｖapc)が前記バイアス回路(２４)の入力に供給される。

前記制御回路(８、９)の第１入力端子(＋)と第２入力端子(−)とに前記送信パワーレベル信号(Ｖramp)と前記パワー検波電圧(Ｖdet)がそれぞれ供給され、前記制御回路(８、９)の出力が前記誤差増幅器(７)の前記非反転入力端子(＋)に供給される。

前記送信パワーレベル信号(Ｖramp)のレベルよりも前記パワー検波電圧(Ｖdet)のレベルが低くなることに応答して前記制御回路(８、９)の前記出力は、前記自動パワー制御電圧(Ｖapc)のレベルが低下するように前記誤差増幅器(７)を制御する図１参照)。

本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば下記の通りである。すなわち、バッテリー電圧が低下した場合もしくはアンテナでの負荷不整合が生じた場合での電力増幅器の電力付加効率の低下を軽減することができる。

《代表的な実施の形態》
先ず、本願において開示される発明の代表的な実施の形態について概要を説明する。代表的な実施の形態についての概要説明で括弧を付して参照する図面の参照符号はそれが付された構成要素の概念に含まれるものを例示するに過ぎない。

〔１〕本発明の代表的な実施の形態によるＲＦ電力増幅器は、ＲＦ電力増幅回路(２)、方向性結合器(３)、ＲＦ検波回路(４)、誤差増幅器(７)、制御回路(８、９)を具備する。

前記ＲＦ電力増幅回路(２)はＲＦ送信入力信号(Ｐin)を増幅することによってＲＦ送信出力信号(Ｐout)を生成して前記方向性結合器(３)の主線路(３１)を介してアンテナに供給するものである。前記方向性結合器(３)の副線路(３２)は前記ＲＦ検波回路(４)の入力に接続され、前記ＲＦ検波回路(４)の出力からのパワー検波電圧(Ｖdet)が前記誤差増幅器(７)の反転入力端子(−)に供給される。前記ＲＦ電力増幅回路(２)は多段増幅器(２１、２２、２３)とバイアス回路(２４)とを含み、前記多段増幅器(２１、２２、２３)の各段のトランジスタの制御入力電極に前記バイアス回路(２４)の出力から生成されるバイアス電圧供給されるものである。

前記誤差増幅器(７)の非反転入力端子(＋)に送信パワーレベル信号(Ｖramp)が供給され、前記誤差増幅器(７)の出力から生成される自動パワー制御電圧(Ｖapc)が前記バイアス回路(２４)の入力に供給される。

前記制御回路(８、９)の第１入力端子(＋)に前記送信パワーレベル信号(Ｖramp)が供給され、前記制御回路(８、９)の第２入力端子(−)に前記パワー検波電圧(Ｖdet)が供給され、前記制御回路(８、９)の出力が前記誤差増幅器(７)の前記非反転入力端子(＋)に供給される。

前記送信パワーレベル信号(Ｖramp)のレベルよりも前記パワー検波電圧(Ｖdet)のレベルが低くなることに応答して前記制御回路(８、９)の前記出力は、前記自動パワー制御電圧(Ｖapc)のレベルが低下するように前記誤差増幅器(７)を制御するものである(図１参照)。

前記実施の形態によれば、携帯電話端末のバッテリー電圧が低下した場合もしくはアンテナでの負荷不整合が生じた場合に目標の送信パワーレベル信号(Ｖramp)と比較してパワー検波電圧(Ｖdet)が低くなり自動パワー制御電圧(Ｖapc)が高くなることが前記制御回路(８、９)によって防止され、ＲＦ電力増幅器の電力付加効率の低下を軽減することができる。

好適な実施の形態によれば、前記方向性結合器(３)の前記副線路(３２)は終端抵抗(３３)と前記ＲＦ検波回路(４)の前記入力との間に接続され、前記方向性結合器(３)の前記副線路(３２)の検出電圧が前記ＲＦ検波回路(４)の入力端子に供給される。

前記制御回路(８、９)は、前記送信パワーレベル信号(Ｖramp)の前記レベルと前記パワー検波電圧(Ｖdet)の前記レベルを比較する差動増幅器(８)と、前記差動増幅器(８)の出力電圧に応答して前記誤差増幅器(７)の前記非反転入力端子(＋)の電圧レベルを制御する出力制御回路(９)とを含む。

前記出力制御回路(９)の内部では所定の値に設定されたオフセット電圧(Ｖoffset)が生成されて、前記オフセット電圧(Ｖoffset)よりも前記差動増幅器(８)の前記出力電圧(Ｐout_DiffAmp)のレベルが超過した場合に、前記制御回路(８、９)の前記出力は、前記自動パワー制御電圧(Ｖapc)のレベルが低下するように前記誤差増幅器(７)を制御するものである(図２参照)。

他の好適な実施の形態では、前記出力制御回路(９)は前記差動増幅器(８)の前記出力電圧を出力電流に変換する電圧／電流変換器であり、前記オフセット電圧(Ｖoffset)よりも前記差動増幅器(８)の前記出力電圧(Ｐout_DiffAmp)のレベルが超過した場合に、前記出力電流(Ｉconv)を前記電圧／電流変換器(９)が流し始めるものである(図２参照)。

更に他の好適な実施の形態では、前記ＲＦ電力増幅器は、前記電圧／電流変換器(９)の前記出力電流(Ｉconv)を電圧に変換する抵抗(Ｒ3、Ｒ4)を含むフィルタ(６)を更に具備する。

前記誤差増幅器(７)の前記非反転入力端子(＋)に、前記フィルタ(６)を介して、前記送信パワーレベル信号(Ｖramp)と前記制御回路(８、９)の出力電圧とが供給される。

より好適な実施の形態では、前記ＲＦ電力増幅器は出力整合回路(１０)を更に具備する。

前記ＲＦ送信出力信号(Ｐout)は、前記方向性結合器(３)の前記主線路(３１)と前記出力整合回路(１０)とを介して前記アンテナに供給されるものである。

更により好適な実施の形態では、前記ＲＦ電力増幅器は入力整合回路(１)を更に具備する。

前記ＲＦ送信入力信号(Ｐin)は前記入力整合回路(１)を介して前記ＲＦ電力増幅回路(２)の入力端子に供給されるものである。

具体的な一つの実施の形態では、前記ＲＦ電力増幅器はバッファアンプ(５)を更に具備する。

前記送信パワーレベル信号(Ｖramp)は前記バッファアンプ(５)を介して前記誤差増幅器(７)の前記非反転入力端子(＋)に供給されるものである。

より具体的な一つの実施の形態では、前記ＲＦ電力増幅器は携帯電話端末に搭載可能に構成され、前記ＲＦ電力増幅回路(２)の前記多段増幅器(２１、２２、２３)と前記バイアス回路(２４)とは前記携帯電話端末に搭載されるバッテリーで動作可能に構成されたものである。

更により具体的な一つの実施の形態では、前記ＲＦ電力増幅回路(２)の前記多段増幅器(２１、２２、２３)の前記各段の前記トランジスタは電界効果トランジスタである。

最も具体的な一つの実施の形態では、前記電界効果トランジスタはＬＤ(Laterally Diffused)型のＭＯＳ電界効果トランジスタである。

〔２〕本発明の別の観点の代表的な実施の形態は、ＲＦ電力増幅回路(２)、方向性結合器(３)、ＲＦ検波回路(４)、誤差増幅器(７)、制御回路(８、９)を具備するＲＦ電力増幅器の動作方法である。

前記ＲＦ電力増幅回路(２)はＲＦ送信入力信号(Ｐin)を増幅することによってＲＦ送信出力信号(Ｐout)を生成して前記方向性結合器(３)の主線路(３１)を介してアンテナに供給するものである。

前記方向性結合器(３)の副線路(３２)は前記ＲＦ検波回路(４)の入力に接続され、前記ＲＦ検波回路(４)の出力からのパワー検波電圧(Ｖdet)が前記誤差増幅器(７)の反転入力端子(−)に供給される。

前記ＲＦ電力増幅回路(２)は多段増幅器(２１、２２、２３)とバイアス回路(２４)とを含み、前記多段増幅器(２１、２２、２３)の各段のトランジスタの制御入力電極に前記バイアス回路(２４)の出力から生成されるバイアス電圧供給されるものである。

前記誤差増幅器(７)の非反転入力端子(＋)に送信パワーレベル信号(Ｖramp)が供給され、前記誤差増幅器(７)の出力から生成される自動パワー制御電圧(Ｖapc)が前記バイアス回路(２４)の入力に供給される。

前記制御回路(８、９)の第１入力端子(＋)に前記送信パワーレベル信号(Ｖramp)が供給され、前記制御回路(８、９)の第２入力端子(−)に前記パワー検波電圧(Ｖdet)が供給され、前記制御回路(８、９)の出力が前記誤差増幅器(７)の前記非反転入力端子(＋)に供給される。

前記送信パワーレベル信号(Ｖramp)のレベルよりも前記パワー検波電圧(Ｖdet)のレベルが低くなることに応答して前記制御回路(８、９)の前記出力は、前記自動パワー制御電圧(Ｖapc)のレベルが低下するように前記誤差増幅器(７)を制御するものである(図１参照)。

《実施の形態の説明》
次に、実施の形態について更に詳述する。尚、発明を実施するための最良の形態を説明するための全図において、前記の図と同一の機能を有する部品には同一の符号を付して、その繰り返しの説明は省略する。

《ＲＦ電力増幅器の構成》
図１は、本発明の１つの実施の形態による無線周波数(ＲＦ：Radio Frequency)電力増幅器の構成を示す図である。

すなわち、図１に示すＲＦ電力増幅器は、入力整合回路１、ＲＦ電力増幅回路２、方向性結合器３、ＲＦ検波回路４、バッファアンプ５、ランプフィルタ６、誤差増幅器７、差動増幅器８、電圧／電流変換器９、出力整合回路１０、ローパスフィルタ１１、アンテナスイッチ・アンテナフィルタ１２によって構成されている。

携帯電話端末に搭載されるＲＦアナログ信号処理半導体集積回路(ＲＦＩＣ)によって供給されるＲＦ送信入力信号Ｐinは入力整合回路１の入力端子に供給され、入力整合回路１の出力信号はＲＦ電力増幅回路２の入力端子に供給される。ＲＦ電力増幅回路２は、初段増幅器２１と、次段増幅器２２と、最終段増幅器２３と、バイアス回路２４とによって構成されている。入力整合回路１の出力信号は、ＲＦ電力増幅回路２の初段増幅器２１と次段増幅器２２と最終段増幅器２３とからなる多段増幅器によって増幅され、ＲＦ電力増幅回路２の出力信号は方向性結合器３に供給される。ＲＦ電力増幅回路２に含まれる初段増幅器２１と次段増幅器２２と最終段増幅器２３の各トランジスタのコレクタもしくはドレインの出力電極に供給される電源電圧は、携帯電話端末のバッテリー(図示せず)から供給される。ＲＦ電力増幅回路２に含まれる初段増幅器２１と次段増幅器２２と最終段増幅器２３の各トランジスタのベースもしくはゲートの制御入力電極に供給されるバイアス電圧は、バイアス回路２４から供給される。また更に、バイアス回路２４から生成されるバイアス電圧の電圧レベルは、誤差増幅器７の自動パワー制御電圧Ｖapcのレベルによって制御される。

尚、図１に示すＲＦ電力増幅器では、ＲＦ電力増幅回路２に含まれる初段増幅器２１と次段増幅器２２と最終段増幅器２３の各トランジスタは、高周波特性の良好なＬＤ型のＭＯＳ電界効果トランジスタによって構成されている。尚、ＬＤはLaterally Diffusedの略である。

《ＲＦ電力増幅器の動作》
図１に示す本発明の１つの実施の形態によるＲＦ電力増幅器は、下記のように動作する。

ＲＦ電力増幅回路２の出力信号は方向性結合器３に供給され、方向性結合器３は上記非特許文献１に記載された方向性結合器と同様に構成されている。すなわち、方向性結合器３の主線路３１はＲＦ電力増幅回路２の出力と出力整合回路１０のとの間に接続され、方向性結合器３の副線路３２は終端抵抗３３とＲＦ検波回路４の入力との間に接続される。方向性結合器３は、電力増幅器によって生成された進行波信号からの結合電圧と負荷により反射された反射波信号からの結合電圧とのベクトル和の検出電圧を検出することができる。方向性結合器３の出力から生成される検出電圧はＲＦ検波回路４の入力端子に供給されることによって、ＲＦ検波回路４の出力端子から生成されるパワー検波電圧Ｖdetは抵抗Ｒ1を介して誤差増幅器７の反転入力端子−に供給される。方向性結合器３の主線路３１を介して供給されるＲＦ電力増幅回路２の出力信号は、出力整合回路１０とローパスフィルタ１１とアンテナスイッチ・アンテナフィルタ１２とを介してＲＦ送信出力信号Ｐoutとして携帯電話端末のアンテナ(図示せず)に供給される。

バッファアンプ５の非反転入力端子＋には携帯電話端末に搭載されるベースバンド信号処理ＬＳＩ(ベースバンドＬＳＩ)から送信パワーレベル信号Ｖrampが供給され、バッファアンプ５の非反転入力端子−にはバッファアンプ５の出力信号が供給される。バッファアンプ５の出力信号は雑音低減用のランプフィルタ６を介して、誤差増幅器７の非反転入力端子＋に供給される。雑音低減用のランプフィルタ６は、２個の容量Ｃ2、Ｃ3、３個の抵抗Ｒ3、Ｒ4、Ｒ5を含んでいる。尚、誤差増幅器７の反転入力端子−と出力端子との間には抵抗Ｒ2と位相補償容量Ｃ1とが並列接続されている。

誤差増幅器７の自動パワー制御電圧Ｖapc(ＡＰＣ制御電圧)がＲＦ電力増幅回路２のバイアス回路２４に供給され、バイアス回路２４から生成されるバイアス電圧はＲＦ電力増幅回路２の初段増幅器２１と次段増幅器２２と最終段増幅器２３の各トランジスタのベースもしくはゲートの制御入力電極に供給される。ＲＦ電力増幅回路２の初段増幅器２１と次段増幅器２２と最終段増幅器２３の各増幅利得はバイアス回路２４から生成されるバイアス電圧によって制御され、このバイアス電圧は誤差増幅器７の自動パワー制御電圧Ｖapcによって制御される。ベースバンドＬＳＩからＲＦＩＣとバッファアンプ５とランプフィルタ６とを介して誤差増幅器７の非反転入力端子＋に供給される送信パワーレベル信号Ｖrampは、基地局と携帯電話端末との距離に応じて携帯電話端末の電力増幅器から送信されるＲＦ送信信号のレベルを示す信号である。携帯電話端末のバッファアンプ５、ランプフィルタ６、誤差増幅器７、ＲＦ電力増幅回路２、方向性結合器３、ＲＦ検波回路４の閉ループは、パワー検波電圧Ｖdetが送信パワーレベル信号Ｖrampと一致するようにＡＰＣ制御バイアス電圧Ｖapcのレベルを制御する。それによって、ＲＦ電力増幅器から送信されるＲＦ送信信号Ｐoutのレベルが、送信パワーレベル信号Ｖrampにより制御されることができる。

《飽和防止回路》
本発明の実施の形態に従って、携帯電話端末のバッテリー電圧が低下した場合もしくはアンテナでの負荷不整合が生じた場合でのＲＦ電力増幅器の出力の飽和を防止するために、差動増幅器８と電圧／電流変換器９とが特にＲＦ電力増幅器に配置されている。

一般的に、正常なＲＦ電力増幅器の動作期間では、検出電力レベル信号としてのパワー検波電圧Ｖdetのレベルが目標電力レベル信号としての送信パワーレベル信号Ｖrampのレベルと一致するように上述のバッファアンプ５、ランプフィルタ６、誤差増幅器７、ＲＦ電力増幅回路２、方向性結合器３、ＲＦ検波回路４の閉ループによってＡＰＣ制御バイアス電圧Ｖapcのレベルが適切な値に制御される。

しかし冒頭で説明したように、携帯電話端末のバッテリー電圧が低下した場合もしくはアンテナでの負荷不整合が生じた場合には、上述の閉ループが機能しなくなって、送信パワーレベル信号Ｖrampと比較してパワー検波電圧Ｖdetが低くなり、ＲＦ電力増幅回路２のバイアス電圧のＡＰＣ制御バイアス電圧Ｖapcが極めて高い状態に制御され、ＲＦ電力増幅器の出力が飽和することが本発明者等の検討によって明らかにされた。

このような出力飽和を防止するために、差動増幅器８と電圧／電流変換器９とが、特に使用される。すなわち、飽和開始パワーレベル信号に対応するオフセット電圧Ｖoffsetを電圧／電流変換器９を含んでいる。差動増幅器８の出力電圧のレベルが電圧／電流変換器９のオフセット電圧Ｖoffsetのレベルを超過すると、電圧／電流変換器９の出力に出力変換電流Ｉconvが流れ始める。電圧／電流変換器９の出力に出力変換電流Ｉconvが流れ始めると、ランプフィルタ６の抵抗Ｒ3、Ｒ4、に電圧降下が生じるので、誤差増幅器７の非反転入力端子＋の電圧が低下される。

従って、携帯電話端末のバッテリー電圧が低下した場合もしくはアンテナでの負荷不整合が生じた場合には、飽和開始パワーレベル信号に対応する電圧／電流変換器９のオフセット電圧Ｖoffsetのレベルより差動増幅器８の出力電圧のレベルが高くなり電圧／電流変換器９の出力に変換電流Ｉconvが流れ始め、ランプフィルタ６の抵抗Ｒ3、Ｒ4、に電圧降下が生じる。それによって、誤差増幅器７の非反転入力端子＋の電圧が低下されるので、誤差増幅器７の出力からのＡＰＣ制御バイアス電圧Ｖapcのレベルが低下するので、ＲＦ電力増幅回路２の出力の飽和を軽減することができる。

図２は、図１に示したＲＦ電力増幅器に配置された差動増幅器８および電圧／電流変換器９の構成を示す図である。

図２に示すように、差動増幅器８は差動アンプ８１と抵抗Ｒ11、Ｒ12、Ｒ13、Ｒ14とによって構成されている。パワー検波電圧Ｖdetは抵抗Ｒ11を介して差動アンプ８１の反転入力端子−に供給され、送信パワーレベル信号Ｖrampは分圧抵抗Ｒ12、Ｒ14によって分圧され、分圧抵抗Ｒ12、Ｒ14によって生成される分圧電圧が差動アンプ８１の非反転入力端子＋に供給される。差動増幅器８の出力としての差動アンプ８１の出力は抵抗Ｒ13を介して差動アンプ８１の反転入力端子−に供給されるとともに、電圧／電流変換器９の入力端子に供給される。

電圧／電流変換器９は、ＮチャンネルＭＯＳトランジスタＱn1、Ｑn2、Ｑn3、Ｑn4と、ＰチャンネルＭＯＳトランジスタＱp1、Ｑp2、Ｑp3、Ｑp4、Ｑp5、Ｑp6と、定電流源Ｉ0、Ｉ1、Ｉ2と、抵抗Ｒ15、Ｒ16と、位相補償容量Ｃ4とによって構成されている。ＰチャンネルＭＯＳトランジスタＱp1と定電流源Ｉ1とはソースフォロワを構成する一方、定電流源Ｉ2とＰチャンネルＭＯＳトランジスタＱp2と抵抗Ｒ15とはオフセット電圧Ｖoffsetを含むソースフォロワを構成するものである。このオフセット電圧Ｖoffsetは、定電流源Ｉ2と抵抗Ｒ15とによって設定される。ＮチャンネルＭＯＳトランジスタＱn1、Ｑn2のソースは定電流源Ｉ0を介して接地電圧ＧＮＤに接続され、ＮチャンネルＭＯＳトランジスタＱn1、Ｑn2のドレインは能動負荷のカレントミラーを構成するＰチャンネルＭＯＳトランジスタＱp2、Ｑp3のドレインに接続されている。

電圧／電流変換器９のＮチャンネルＭＯＳトランジスタＱn1のドレインとＰチャンネルＭＯＳトランジスタＱp2のドレインとの共通接続ノードから差動ＮチャンネルＭＯＳトランジスタＱn1、Ｑn2の出力電圧が生成されて、電圧／電流変換トランジスタとして機能するＰチャンネルＭＯＳトランジスタＱp5、Ｑp6のゲート入力電極に供給される。電圧／電流変換トランジスタとして機能するＰチャンネルＭＯＳトランジスタＱp5、Ｑp6は差動ＮチャンネルＭＯＳトランジスタＱn1、Ｑn2の出力電圧に応答して、変換電流Ｉoutを流すものである。抵抗Ｒ16での変換電流Ｉoutによる電圧降下は、定電流源Ｉ2とＰチャンネルＭＯＳトランジスタＱp2と抵抗Ｒ15とから構成されオフセット電圧Ｖoffsetを含むソースフォロワを介してＮチャンネルＭＯＳトランジスタＱn2のゲート入力電極に供給される。

差動増幅器８の出力電圧をＰout_DiffAmp、ＰチャンネルＭＯＳトランジスタＱp1のソース・ゲート電圧をＶsg p1とすると、ＮチャンネルＭＯＳトランジスタＱn1のゲート入力電極の電圧Ｖgn1は、次式により与えられる。

Ｖgn1＝Ｐout_DiffAmp＋Ｖsg p1 …(１式)
一方、ＰチャンネルＭＯＳトランジスタＱp2のソース・ゲート電圧をＶsg p2とすると、ＮチャンネルＭＯＳトランジスタＱn2のゲート入力電極の電圧Ｖgn2は、次式により与えられる。

Ｖgn2＝Ｒ16・Ｉout＋Ｖoffset＋Ｖsg p2 …(２式)
ＰチャンネルＭＯＳトランジスタＱp5と、抵抗Ｒ16と、定電流源Ｉ2とＰチャンネルＭＯＳトランジスタＱp2と抵抗Ｒ15とはオフセット電圧Ｖoffsetを含むソースフォロワとは１００％負帰還回路を構成するので、この１００％負帰還回路の機能によって差動ＮチャンネルＭＯＳトランジスタＱn1、Ｑn2の両ゲート入力電圧Ｖgn1、Ｖgn2のレベルは一致する。ＰチャンネルＭＯＳトランジスタＱp1のソース・ゲート電圧Ｖsg p1とＰチャンネルＭＯＳトランジスタＱp2のソース・ゲート電圧Ｖsg p2とが相互に等しい電圧値であるので、上記(１式)と上記(２式)とから、次式が与えられる。

Ｐout_DiffAmp＋Ｖsg p1＝Ｒ16・Ｉout＋Ｖoffset＋Ｖsg p2
Ｉout =(Ｐout_DiffAmp−Ｖoffset)／Ｒ16 …(３式)
この(３式)から理解されるように、差動増幅器８の出力電圧Ｐout_DiffAmpのレベルが電圧／電流変換器９のオフセット電圧Ｖoffsetのレベルを超過すると、電圧／電流変換トランジスタとして機能するＰチャンネルＭＯＳトランジスタＱp5、Ｑp6に変換電流Ｉoutが流れ始める。ＰチャンネルＭＯＳトランジスタＱp6の変換電流Ｉoutは、電圧／電流変換器９の出力カレントミラーとして機能するＮチャンネルＭＯＳトランジスタＱn3、Ｑn4によって出力変換電流Ｉconvに変換される。出力カレントミラーとして機能するＮチャンネルＭＯＳトランジスタＱn3、Ｑn4の有効素子面積がＮ：Ｍと仮定すれば、出力変換電流Ｉconvは次式によって与えられる。

Ｉconv＝Ｍ・Ｉout／Ｎ …(４式)
《飽和防止特性》
図３は、図１に示すＲＦ電力増幅器に配置された差動増幅器８および電圧／電流変換器９による飽和防止の効果の１つである送信パワーレベル信号Ｖramp対送信パワーＰoutの特性を示す図である。

図３で破線Ｌ１は差動増幅器８および電圧／電流変換器９が配置されていない一般的なＲＦ電力増幅器の特性であり、送信パワーレベル信号Ｖrampが略２．３ボルトとなると、送信パワーＰoutは略３３．５ｄＢｍで飽和することが理解できる。

図３で実線Ｌ２は差動増幅器８および電圧／電流変換器９が配置された図１の本発明の１つの実施の形態によるＲＦ電力増幅器の特性であり、送信パワーレベル信号Ｖrampが略２．３ボルトとなっても、送信パワーＰoutは略３３．４ｄＢｍで飽和せずに微増することが理解できる。

図４は、図１に示すＲＦ電力増幅器に配置された差動増幅器８および電圧／電流変換器９による飽和防止の効果の１つである送信パワーＰout対電力効率の特性を示す図である。

図４で破線Ｌ１は差動増幅器８および電圧／電流変換器９が配置されていない一般的なＲＦ電力増幅器の特性であり、送信パワーＰoutが最大の略３３．４５ｄＢｍとなると、電力効率は略３５．３％まで低下することが理解できる。

図４で実線Ｌ２は差動増幅器８および電圧／電流変換器９が配置された図１の本発明の１つの実施の形態によるＲＦ電力増幅器の特性であり、送信パワーＰoutが最大の略３３．３８ｄＢｍとなっても、電力効率は略３５．９％までしか低下することが理解できる。

図５は、図１に示すＲＦ電力増幅器に配置された差動増幅器８および電圧／電流変換器９による飽和防止の効果の１つである送信パワーレベル信号Ｖramp対バイアス電圧Ｖgs3の特性を示す図である。

尚、図５の縦軸のバイアス電圧Ｖgs3は、図１に示すＲＦ電力増幅器のＲＦ電力増幅回路２の最終段増幅器２３に含まれたＬＤ型のＭＯＳ電界効果トランジスタのゲート・ソース間にバイアス回路２４から供給されるバイアス電圧の値である。

図５で破線Ｌ１は差動増幅器８および電圧／電流変換器９が配置されていない一般的なＲＦ電力増幅器の特性であり、送信パワーレベル信号Ｖrampが略２．４ボルトとなると、バイアス電圧Ｖgs3は略１．４ボルトの付近まで増加することが理解できる。

図５で実線Ｌ２は差動増幅器８および電圧／電流変換器９が配置された図１の本発明の１つの実施の形態によるＲＦ電力増幅器の特性であり、送信パワーレベル信号Ｖrampが略２．４ボルトとなっても、バイアス電圧Ｖgs3は略１．３５ボルトの付近までしか増加しないことが理解できる。

図６は、図１に示すＲＦ電力増幅器に配置された差動増幅器８および電圧／電流変換器９による飽和防止の効果の１つであるスイッチングスペクトラム対周波数の特性を示す図である。

図６の左側の特性(Ａ)、特性(Ｂ)、特性(Ｃ)は差動増幅器８および電圧／電流変換器９が配置されていない一般的なＲＦ電力増幅器で電源電圧Ｖddが４．７ボルト、３．５ボルト、３．１ボルトにそれぞれ変化した場合の特性である。また、図６の右側の特性(Ｄ)、特性(Ｅ)、特性(Ｆ)は差動増幅器８および電圧／電流変換器９が配置された図１の本発明の１つの実施の形態によるＲＦ電力増幅器で電源電圧Ｖddが４．７ボルト、３．５ボルト、３．１ボルトにそれぞれ変化した場合の特性である。

携帯電話のＧＭＳＫの規格によって中心周波数から±０．４ＭＨｚ離れた周波数での非線形歪であるスイッチングスペクトラムの値は、−１０ｄＢｍ以下と定められている。

差動増幅器８および電圧／電流変換器９が配置されていない一般的なＲＦ電力増幅器では電源電圧Ｖddが３．１ボルトに低下すると、中心周波数から＋０．４ＭＨｚ離れた周波数での非線形歪であるスイッチングスペクトラムの値は−１０ｄＢｍ以上となってＧＭＳＫ規格を満足できないことが、図６の左側の特性(Ｃ)から理解できる。

それに対して、差動増幅器８および電圧／電流変換器９が配置された図１の本発明の１つの実施の形態によるＲＦ電力増幅器では電源電圧Ｖddが３．１ボルトに低下しても、中心周波数から＋０．４ＭＨｚ離れた周波数での非線形歪であるスイッチングスペクトラムの値は−１０ｄＢｍ以下となってＧＭＳＫ規格を満足できることが、図６の右側の特性(Ｆ)から理解できる。尚、図６の左側の特性(Ａ)、特性(Ｂ)、特性(Ｃ)と図６の右側の特性(Ｄ)、特性(Ｅ)、特性(Ｆ)の全てで、中心周波数は１．９ＧＨｚの周波数に設定されたものである。

以上本発明者によってなされた発明を実施形態に基づいて具体的に説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは言うまでもない。

例えば、本発明は図１に示すＲＦ電力増幅器でＲＦ電力増幅回路２に含まれる初段増幅器２１と次段増幅器２２と最終段増幅器２３の各トランジスタがＬＤ型のＭＯＳ電界効果トランジスタに限定されるものではなく、例えば最終段増幅器２３のトランジスタをヘテロ接合型バイポーラトランジスタ(ＨＢＴ)に置換することもできる。

また、本発明のＲＦ電力増幅器は、ＧＳＭ／ＥＤＧＥ方式でＧＳＭ８００、ＧＳＭ８５０、ＤＣＳ１８００、ＰＣＳ１９００の各方式とＷＣＤＭＡ２１００等の方式とをサポートするマルチモード携帯電話端末に搭載するマルチモードＲＦ電力増幅器に適用することができる。

図１は、本発明の１つの実施の形態によるＲＦ電力増幅器の構成を示す図である。 図２は、図１に示したＲＦ電力増幅器に配置された減衰器および差動増幅器の構成を示す図である。 図３は、図１に示すＲＦ電力増幅器に配置された減衰器および差動増幅器による飽和防止の効果の１つである送信パワーレベル信号対送信パワーの特性を示す図である。 図４は、図１に示すＲＦ電力増幅器に配置された減衰器および差動増幅器による飽和防止の効果の１つである送信パワー対電力効率の特性を示す図である。 図５は、図１に示すＲＦ電力増幅器に配置された差動増幅器８および電圧／電流変換器９による飽和防止の効果の１つである送信パワーレベル信号対バイアス電圧の特性を示す図である。 図６は、図１に示すＲＦ電力増幅器に配置された減衰器および差動増幅器による飽和防止の効果の１つであるスイッチングスペクトラム対周波数の特性を示す図である。

符号の説明

１ 入力整合回路
２ ＲＦ電力増幅回路
３ 方向性結合器
４ ＲＦ検波回路
５ バッファアンプ
６ ランプフィルタ
７ 誤差増幅器
８ 差動増幅器
９ 電圧／電流変換器
１０ 出力整合回路
１１ ローパスフィルタ
１２ アンテナスイッチ・アンテナフィルタ

Claims (20)

1. ＲＦ電力増幅回路、方向性結合器、ＲＦ検波回路、誤差増幅器、制御回路を具備して、
   前記ＲＦ電力増幅回路はＲＦ送信入力信号を増幅することによってＲＦ送信出力信号を生成して前記方向性結合器の主線路を介してアンテナに供給するものであり、
   前記方向性結合器の副線路は前記ＲＦ検波回路の入力に接続され、前記ＲＦ検波回路の出力からのパワー検波電圧が前記誤差増幅器の反転入力端子に供給され、
   前記ＲＦ電力増幅回路は多段増幅器とバイアス回路とを含み、前記多段増幅器の各段のトランジスタの制御入力電極に前記バイアス回路の出力から生成されるバイアス電圧供給されるものであり、
   前記誤差増幅器の非反転入力端子送信パワーレベル信号が供給され、前記誤差増幅器の出力から生成される自動パワー制御電圧が前記バイアス回路の入力に供給され、
   前記制御回路の第１入力端子に前記送信パワーレベル信号が供給され、前記制御回路の第２入力端子に前記パワー検波電圧が供給され、前記制御回路の出力が前記誤差増幅器の前記非反転入力端子に供給され、
   前記送信パワーレベル信号のレベルよりも前記パワー検波電圧のレベルが低くなることに応答して前記制御回路の前記出力は、前記自動パワー制御電圧のレベルが低下するように前記誤差増幅器を制御するものであるＲＦ電力増幅器。
2. 前記方向性結合器の前記副線路は終端抵抗と前記ＲＦ検波回路の前記入力との間に接続され、前記方向性結合器の前記副線路の検出電圧が前記ＲＦ検波回路の入力端子に供給され、
   前記制御回路は、前記送信パワーレベル信号の前記レベルと前記パワー検波電圧の前記レベルを比較する差動増幅器と、前記差動増幅器の出力電圧に応答して前記誤差増幅器の前記非反転入力端子の電圧レベルを制御する出力制御回路とを含み、
   前記出力制御回路の内部では所定の値に設定されたオフセット電圧が生成されて、前記オフセット電圧よりも前記差動増幅器の前記出力電圧のレベルが超過した場合に、前記制御回路の前記出力は、前記自動パワー制御電圧のレベルが低下するように前記誤差増幅器を制御するものである請求項１に記載のＲＦ電力増幅器。
3. 前記出力制御回路は前記差動増幅器の前記出力電圧を出力電流に変換する電圧／電流変換器であり、前記オフセット電圧よりも前記差動増幅器の前記出力電圧のレベルが超過した場合に、前記出力電流を前記電圧／電流変換器が流し始めるものである請求項２に記載のＲＦ電力増幅器。
4. 前記ＲＦ電力増幅器は、前記電圧／電流変換器の前記出力電流を電圧に変換する抵抗を含むフィルタを更に具備して、
   前記誤差増幅器の前記非反転入力端子に、前記フィルタを介して、前記送信パワーレベル信号と前記制御回路の出力電圧とが供給される請求項３に記載のＲＦ電力増幅器。
5. 前記ＲＦ電力増幅器は、出力整合回路を更に具備して、
   前記ＲＦ送信出力信号は、前記方向性結合器の前記主線路と前記出力整合回路とを介して前記アンテナに供給されるものである請求項３に記載のＲＦ電力増幅器。
6. 前記ＲＦ電力増幅器は、入力整合回路を更に具備して、
   前記ＲＦ送信入力信号は前記入力整合回路を介して前記ＲＦ電力増幅回路の入力端子に供給されるものである請求項５に記載のＲＦ電力増幅器。
7. 前記ＲＦ電力増幅器は、バッファアンプを更に具備して、
   前記送信パワーレベル信号は前記バッファアンプを介して前記誤差増幅器の前記非反転入力端子に供給されるものである請求項６に記載のＲＦ電力増幅器。
8. 前記ＲＦ電力増幅器は携帯電話端末に搭載可能に構成され、前記ＲＦ電力増幅回路の前記多段増幅器と前記バイアス回路とは前記携帯電話端末に搭載されるバッテリーで動作可能に構成されたものである請求項７に記載のＲＦ電力増幅器。
9. 前記ＲＦ電力増幅回路の前記多段増幅器の前記各段の前記トランジスタは電界効果トランジスタである請求項８に記載のＲＦ電力増幅器。
10. 前記電界効果トランジスタはＬＤ型のＭＯＳ電界効果トランジスタである請求項９に記載のＲＦ電力増幅器。
11. ＲＦ電力増幅回路、方向性結合器、ＲＦ検波回路、誤差増幅器、制御回路を具備したＲＦ電力増幅器の動作方法であって、
    前記ＲＦ電力増幅回路はＲＦ送信入力信号を増幅することによってＲＦ送信出力信号を生成して前記方向性結合器の主線路を介してアンテナに供給するものであり、
    前記方向性結合器の副線路は前記ＲＦ検波回路の入力に接続され、前記ＲＦ検波回路の出力からのパワー検波電圧が前記誤差増幅器の反転入力端子に供給され、
    前記ＲＦ電力増幅回路は多段増幅器とバイアス回路とを含み、前記多段増幅器の各段のトランジスタの制御入力電極に前記バイアス回路の出力から生成されるバイアス電圧供給されるものであり、
    前記誤差増幅器(７)の非反転入力端子送信パワーレベル信号が供給され、前記誤差増幅器の出力から生成される自動パワー制御電圧が前記バイアス回路の入力に供給され、
    前記制御回路の第１入力端子に前記送信パワーレベル信号が供給され、前記制御回路の第２入力端子に前記パワー検波電圧が供給され、前記制御回路の出力が前記誤差増幅器の前記非反転入力端子に供給され、
    前記送信パワーレベル信号のレベルよりも前記パワー検波電圧のレベルが低くなることに応答して前記制御回路の前記出力は、前記自動パワー制御電圧のレベルが低下するように前記誤差増幅器を制御するものであるＲＦ電力増幅器の動作方法。
12. 前記方向性結合器の前記副線路は終端抵抗と前記ＲＦ検波回路の前記入力との間に接続され、前記方向性結合器の前記副線路の検出電圧が前記ＲＦ検波回路の入力端子に供給され、
    前記制御回路は、前記送信パワーレベル信号の前記レベルと前記パワー検波電圧の前記レベルを比較する差動増幅器と、前記差動増幅器の出力電圧に応答して前記誤差増幅器の前記非反転入力端子の電圧レベルを制御する出力制御回路とを含み、
    前記出力制御回路の内部では所定の値に設定されたオフセット電圧が生成されて、前記オフセット電圧よりも前記差動増幅器の前記出力電圧のレベルが超過した場合に、前記制御回路の前記出力は、前記自動パワー制御電圧のレベルが低下するように前記誤差増幅器を制御するものである請求項１１に記載のＲＦ電力増幅器の動作方法。
13. 前記出力制御回路は前記差動増幅器の前記出力電圧を出力電流に変換する電圧／電流変換器であり、前記オフセット電圧よりも前記差動増幅器の前記出力電圧のレベルが超過した場合に、前記出力電流を前記電圧／電流変換器が流し始めるものである請求項１２に記載のＲＦ電力増幅器の動作方法。
14. 前記ＲＦ電力増幅器は、前記電圧／電流変換器の前記出力電流を電圧に変換する抵抗を含むフィルタを更に具備して、
    前記誤差増幅器の前記非反転入力端子に、前記フィルタを介して、前記送信パワーレベル信号と前記制御回路の出力電圧とが供給される請求項１３に記載のＲＦ電力増幅器の動作方法。
15. 前記ＲＦ電力増幅器は、出力整合回路を更に具備して、
    前記ＲＦ送信出力信号は、前記方向性結合器の前記主線路と前記出力整合回路とを介して前記アンテナに供給されるものである請求項１３に記載のＦ電力増幅器。
16. 前記ＲＦ電力増幅器は、入力整合回路を更に具備して、
    前記ＲＦ送信入力信号は前記入力整合回路を介して前記ＲＦ電力増幅回路の入力端子に供給されるものである請求項１５に記載のＲＦ電力増幅器の動作方法。
17. 前記ＲＦ電力増幅器は、バッファアンプを更に具備して、
    前記送信パワーレベル信号は前記バッファアンプを介して前記誤差増幅器の前記非反転入力端子に供給されるものである請求項１６に記載のＲＦ電力増幅器の動作方法。
18. 前記ＲＦ電力増幅器は携帯電話端末に搭載可能に構成され、前記ＲＦ電力増幅回路の前記多段増幅器と前記バイアス回路とは前記携帯電話端末に搭載されるバッテリーで動作可能に構成されたものである請求項１７に記載のＲＦ電力増幅器の動作方法。
19. 前記ＲＦ電力増幅回路の前記多段増幅器の前記各段の前記トランジスタは電界効果トランジスタである請求項１８に記載のＲＦ電力増幅器の動作方法。
20. 前記電界効果トランジスタはＬＤ型のＭＯＳ電界効果トランジスタである請求項１９に記載のＲＦ電力増幅器の動作方法。

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