JP2010068077A - 半導体集積回路 - Google Patents
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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
【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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
《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。
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
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)
- 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。 - 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。 - 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。
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。 - 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。
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。
- 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。
- 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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JP2008230643A JP2010068077A (ja) | 2008-09-09 | 2008-09-09 | 半導体集積回路 |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN104904119A (zh) * | 2012-10-30 | 2015-09-09 | 阿法克斯公司 | 具有dc-dc转换器的gsm-gprs-edge功率放大器中的杂散消除 |
-
2008
- 2008-09-09 JP JP2008230643A patent/JP2010068077A/ja not_active Withdrawn
Cited By (2)
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CN104904119A (zh) * | 2012-10-30 | 2015-09-09 | 阿法克斯公司 | 具有dc-dc转换器的gsm-gprs-edge功率放大器中的杂散消除 |
EP2915249A4 (en) * | 2012-10-30 | 2016-07-20 | Rfaxis Inc A Delaware Corp | PARASITE CANCELLATION IN CONTINUOUS-CONTINUOUS CONVERTER GSM-GPRS-EDGE POWER AMPLIFIERS |
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