JP3877558B2 - 高周波電力増幅器、高周波電力増幅器モジュール及び携帯電話機 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＵＨＦ（Ultra High Frequency）からマイクロ波帯の高周波信号を増幅する電力増幅器に係り、特に携帯電話機の送信部に適用して好適な高周波電力増幅器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
移動体通信の携帯電話機は、その機能や構造、コスト低減に著しい進展があり、需要が近年急激に伸びている。そして、携帯電話機の送信部に用いられるトランジスタ高周波電力増幅器は、そのような状況のもとで、小型化、高効率化、低コスト化が追求されてきた。中でも出力電力の消費電力に対する比である効率(電力付加効率)は、高周波電力増幅器が携帯電話機において最も消費電力の大きいデバイスであることから、携帯電話機の連続送信時間即ち通話時のバッテリー寿命を長くするための重要な特性となっている。
【０００３】
さて、高周波電力増幅器に対しては、実際の携帯電話機の使用状態から、次の二つの異なる出力レベルにおいて高効率であることが要求される。一つは、最大出力付近、具体的にはおよそ１Ｗの高出力レベルである。これは、携帯電話機が基地局から遠い場合、または建物内などで基地局へ電波が届きにくい場合に必要となるレベルである。もう一つが通常の実使用状態で使用頻度が大きい１０ｍＷ〜１００ｍＷの低出力レベルである。これら２つの異なる出力レベルで高効率を実現した従来の高周波電力増幅器が例えば特開平７−３３６１６８に開示されている。
【０００４】
従来の高周波電力増幅器は、図１４に示すように、トランジスタとして電界効果トランジスタ（以下では「ＦＥＴ」という）を用いた２段構成の増幅器であり、後段がトランジスタHA2を用いた高出力の出力段100aとトランジスタLA3を用いた低出力の出力段100bとで構成され、切替によっていずれか一方が用いられる。また、IA1は初段増幅トランジスタ、IM1，M12，INM3，OM3及びOM2は整合回路である。SW1〜SW3は、ＦＥＴから構成されるスイッチ回路であり、高周波信号経路に対して直列に挿入されて高出力、低出力の切替動作を行なう。
【０００５】
トランジスタ増幅器は、トランジスタの大きさで決まる最大電力を出力するときに最も効率が高くなる性質があるので、高出力及び低出力に対してそれぞれに見合った大きさのトランジスタを用いることにより、高出力及び低出力のそれぞれで高い効率を得ることができる。
【０００６】
図４の高周波電力増幅器は、この原理に基づくもので、トランジスタHA2をトランジスタLA3よりも大きくすることによって、高出力及び低出力のそれぞれのレベルで高い電力付加効率を得ている。即ち、高周波電力増幅器は、高出力時に、トランジスタIA1及びHA2を動作状態とし、トランジスタLA3を非動作状態とし、スイッチ回路SW1をオン、スイッチ回路SW2及びSW3をオフとすることにより、サイズの大きい最終段のトランジスタHA2が高効率に高電力を出力する。また、低出力時に、トランジスタIA1及びLA3を動作状態とし、トランジスタHA2を非動作状態とし、スイッチ回路SW1をオフ、スイッチ回路SW2及びSW3をオンとすることにより、サイズの小さい最終段のトランジスタLA3が高効率に低電力を出力する。
【０００７】
なお、スイッチ回路SW1及びSW2は、高効率動作には寄与しないが、帰還ループが形成されて寄生発振を生じることを回避する目的で使われている。即ち、スイッチ回路SW2は、トランジスタHA2が動作状態のときの出力段100aの出力側と入力側の間に、トランジスタLA3が非動作状態になっている出力段100bの回路が電気的に接続されるのを遮断するために用いられ、一方、スイッチ回路SW1は、トランジスタLA3が動作状態のときの出力段100bの出力側と入力側の間に、トランジスタHA2が非動作状態になっている出力段100aの回路が電気的に接続されるのを遮断するために用いられる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術において、高周波電力増幅器の高効率化をさらに進めようとする場合、信号ラインに直列に挿入したスイッチ回路SW1〜SW3において発生する電力損失が無視できなくなる。このスイッチ回路における損失を少なくするためには、スイッチ回路のインピーダンスを下げる即ちスイッチ回路を構成するＦＥＴのサイズを大きくせざるを得ない。通常行なわれるように、３個のスイッチ回路と増幅用の各トランジスタとを１個の半導体チップ（半導体ペレット）に搭載する場合、そのようなスイッチ回路の大型化が半導体チップサイズを小型化して、低コスト化を進める上で障害となる。
【０００９】
本発明の目的は、少ないスイッチ回路数で発振を防止すると共に高電力と低電力を高効率に出力する小型の高周波電力増幅器、高周波電力増幅器モジュール及び携帯電話機を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の高周波電力増幅器は、並列に接続した増幅回路Ａ（第一の増幅回路）と増幅回路Ｂ（第二の増幅回路）とで構成され、増幅回路Ｂの出力段のトランジスタのサイズが増幅回路Ａの出力段のトランジスタの１／４以下であり、更に、増幅回路Ａの出力段より前方の信号ラインと接地端子の間にスイッチ回路が接続されていることを特徴とする。そして、増幅回路Ａは、増幅回路Ｂを構成するトランジスタが非動作状態でありかつスイッチ回路がオフのときに、高電力の高周波信号を出力し、増幅回路Ｂは、増幅回路Ａを構成するトランジスタが非動作状態でありかつスイッチ回路がオンのときに、低電力の高周波信号を出力する。
【００１１】
以上の構成により、信号ラインに直列に挿入する切替用のスイッチ回路が不要となり、高電力と低電力を従来以上に高効率に出力することが可能になる。そのような効果が上記のスイッチ回路の設置と出力段のトランジスタサイズ設定によって得ることができる。
【００１２】
即ち、低出力時に、高出力側の信号ラインに接続したスイッチ回路がオンになって接地されることにより、帰還ループが形成されず、寄生発振が回避される。一方、増幅回路Ｂの出力段のトランジスタは、非動作状態のときにそのサイズが小さいため寄生容量が小さい。従って、高出力時には、非動作状態のトランジスタの小さい寄生容量による高いインピーダンスにより、寄生発振を起こす程の帰還ループが形成されず、寄生発振が回避される。寄生発振を回避するため、増幅回路Ｂの出力段のトランジスタのサイズを増幅回路Ａの１／４以下とするのが好適である。
【００１３】
なお、スイッチ回路はトランジスタで構成されるので、増幅用のトランジスタと一緒に同一の半導体チップに集積可能である。そして、本発明ではスイッチ回路はこの寄生発振回避のためのもののみであり、切替用の複数のスイッチ回路が不要になることから、従来に比べ半導体チップの面積を縮小することができる。従って、高周波電力増幅器を小型にすることができる。
【００１４】
なお、スイッチ回路の位置については、本発明者による検討によれば、特に出力段トランジスタの入力端子と接地端子との間、或いは初段と出力段の間の整合回路と接地端子の間とする場合が寄生発振を抑圧するのに効果的であった。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る高周波電力増幅器、高周波電力増幅器モジュール及び携帯電話機を図面に示した実施例による発明の実施の形態を参照して更に詳細に説明する。
【００１６】
【実施例】
＜実施例１＞
本発明の第１の実施例を図１〜図６を用いて説明する。図１は高周波電力増幅器の構成図、図２は主要部分の回路図、図３，４，６は本発明の動作を説明するグラフ、図５は本発明の効果を示すグラフである。
【００１７】
図１において、1Aは高出力側の増幅回路、1Bは低出力側の増幅回路であり、増幅回路1Aと増幅回路1Bの入力線が端子n11で相互に接続され、出力線が端子n22で相互に接続される。更に、端子n11に入力端子INが接続され、端子n22に出力端子が接続される。高出力側増幅回路1Aは、入力整合回路M1A、初段増幅トランジスタA1A、段間整合回路M2A、出力段増幅トランジスタA2A及び出力整合回路M3Aが直列に接続され、整合回路M2Aと出力段トランジスタA2Aを結ぶ信号ラインと接地端子の間にダイオードによるスイッチ回路SW10が接続されて構成される。
【００１８】
図２にダイオードスイッチ回路SW10とその周辺の回路を示す。スイッチ回路SW10は、出力段トランジスタA2Aの入力端子RFINに接続され、接地端子に対し短絡/開放の動作を行なう。出力段トランジスタA2A及びスイッチ回路SW10には高周波特性に優れたヘテロ接合バイポーラトランジスタが用いられる。
【００１９】
また、低出力側増幅回路1Bは、入力整合回路M1B、初段増幅トランジスタA1B、段間整合回路M2B、出力段増幅トランジスタA2B及び出力整合回路M3Bが直列に接続されて構成される。
【００２０】
出力段トランジスタA2Bのサイズは、出力段トランジスタA2Aのサイズの１／４以下に設定される。一例として、エミッタサイズが４μｍ×３０μｍのトランジスタを単位として、出力段トランジスタA2Aは、３６個の単位トランジスタによって構成され、出力段トランジスタA2Bは，６個の単位トランジスタによって構成される。
【００２１】
次に、増幅回路1A及び1Bの動作を説明する。増幅回路1Aの動作時には、スイッチ回路SW10の制御端子Vsw10を低レベル（ＬＯＷ）とすることによりスイッチ回路SW10がオフとなり、増幅回路1Bにおいて、初段増幅トランジスタA1Bの制御端子Vb3及び出力段増幅トランジスタA2Bの制御端子Vb4を低レベルとすることによりトランジスタA1B，A2Bが非動作状態となる。トランジスタA1Bの電源端子Vc3及びトランジスタA2Bの電源端子Vc4には電源電圧が供給されていても良く逆に供給されていなくても良い。
【００２２】
以上の状態で入力端子INに入力された信号は、増幅回路1Aの初段増幅トランジスタA1A（その制御端子Vb1が高レベル（ＨＩＧＨ）となり、電源端子Vc1に電源電圧が供給されている）及び出力段増幅トランジスタA2A（その制御端子Vb2が高レベルとなり、電源端子Vc2に電源電圧が供給されている）によって所望の出力電力まで増幅される。このとき、スイッチ回路SW10はオフ状態であり、信号ラインのインピーダンスに対し十分高インピーダンスになるため電力損失はほとんど生じない。
【００２３】
また、増幅回路1Bの動作時には、増幅回路1Aにおいて、制御端子Vsw10を高レベルとすることによりスイッチ回路SW10がオンとなり、制御端子Vb1、Vb2を低レベルとすることによりトランジスタA1A，A2Aが非動作状態となる。初段トランジスタA1Aの電源端子Vc1及び出力段トランジスタA2Aの電源端子Vc2には電源電圧が供給されていても良く逆に供給されていなくてもよい。
【００２４】
以上の状態で入力端子INに入力された信号は、増幅回路1Bの初段増幅トランジスタA1B（その制御端子Vb3が高レベルとなり、電源端子Vc3に電源電圧が供給されている）、出力段増幅トランジスタA2B（その制御端子Vb4が高レベルとなり、電源端子Vc4に電源電圧が供給されている）によって所望の出力電力まで増幅される。このとき、ダイオードスイッチ回路SW10はオン状態であるが、その両側に位置する非動作状態のトランジスタA1A，A2Aにより十分に分離されるため電力損失はほとんど生じない。
【００２５】
続いて、帰還ループによる寄生発振は、次のような動作により抑圧される。まず、増幅回路1Aの動作時には、発明者の検討によると、非動作状態にある増幅回路1Bの出力段増幅トランジスタA2Bの寄生容量の大きさが寄生発振抑圧に支配的に働く。図３は、非動作状態のトランジスタA2Bのベース-コレクタ間の寄生容量Coffを変化させたときの増幅回路全体の安定定数Ｋ値(代表値として０〜１０ＧＨｚの範囲での最小値Ｋminを記載した)のシミュレーション結果である。Ｋ値は、帰還ループ利得の逆数を基本にしたパラメータで、１以上であれば回路は発振を起こさず安定である。
【００２６】
図３に示す通り、トランジスタA2Bの寄生容量Coffが０．６ｐＦ以下であれば安定定数Ｋminが１以上になり、即ち増幅回路を安定化することができ、寄生発振を抑圧することができる。この寄生容量値を実現するには、トランジスタA2Bを単位トランジスタ９個以下で構成すれば良く、言い換えると単位トランジスタ３６個からなるトランジスタA2Aの１／４以下のサイズとすることで寄生発振を抑圧することができる。
【００２７】
次に、増幅回路1Bの動作時には、オン状態にあるスイッチ回路SW10の直列抵抗の大きさが寄生発振抑圧に支配的に働く。図４はスイッチ回路SW10での直列抵抗値Rshantを変化させたときの増幅回路全体の安定定数Ｋ値(代表値として０〜１０ＧＨｚの範囲での最小値Ｋminを記載した)のシミュレーション結果である。図４に示す通り、スイッチ回路SW10の直列抵抗値が１５Ω以下であれば安定定数Ｋminを１以上とすることができる。すなわち安定化することができ、増幅回路の寄生発振を抑圧することができる。この直列抵抗の値は、図２に示したダイオードスイッチ回路SW10に一例としてエミッタサイズ４μｍ×３０μｍの１個のヘテロ接合バイポーラトランジスタを用い、そのベース-コレクタ間のダイオードによって実現される。
【００２８】
以上に述べたスイッチ回路SW10を設けた場合の本実施形態の増幅特性を図５に示す。増幅回路1Bの動作時において、スイッチ回路SW10を設けない場合に２ＧＨｚ及び３ＧＨｚ付近に発振現象が現われるのに対し、スイッチ回路SW10を設けた場合はそのような不安定動作はなく、寄生発振が十分に抑圧されることが判明した。なお、ダイオードスイッチ回路SW10には１ｍＡの電流を流し、その時の直列抵抗値は約１０Ωであった。
【００２９】
図６にダイオードスイッチ回路SW10としてトランジスタのベース-コレクタ間のダイオード(ＢＣダイオード)を用いた場合と、ベース-エミッタ間のダイオード(ＢＥダイオード)を用いた場合の増幅回路1Bの安定定数Ｋ値(代表値として０〜１０ＧＨｚの範囲での最小値Ｋminを記載)のシミュレーション結果を示す。ここで両方の場合においてトランジスタは１個であり、エミッタサイズを４μｍ×３０μｍとした。
【００３０】
安定定数Ｋminを１以上にするには、ＢＥダイオードの場合２ｍＡ以上の電流を流す必要があるのに対し、ＢＣダイオードの場合は０．１ｍＡ〜２ｍＡの範囲で十分である。この結果から、図２に示したようにスイッチ回路SW10にＢＣダイオードを用いることにより、低電流で増幅回路1Bの発振を抑圧することができ、電力増幅器をより高効率にできるという効果が得られる。更に、流す電流が低電流で良いのでダイオードスイッチ回路SW10を小型にできる。本実施例において、増幅回路1AのトランジスタA1AからトランジスタA2Aの間の部分（スイッチ回路SW10や整合回路M2Aを含む）及び増幅回路1BのトランジスタA1BからトランジスタA2Bの間の部分（整合回路M2Bを含む）をそれぞれ１個の半導体ペレット（半導体チップ）に集積することができる。その場合、スイッチ回路SW10を小型にできるため、半導体ペレットを小型にでき、そのコストを低減できるという効果がある。
【００３１】
なお、図１において、ダイオードスイッチ回路SW10の位置を出力段増幅トランジスタA2Aの入力ノードとしたが、これに限らず、整合回路M2Aの内部の信号ノードを含む出力段トランジスタA2Aより前方の信号ライン、即ち高出力側の増幅回路1Aの信号ラインのいずれかと接地端子との間に接続しても良い。この場合には、スイッチ回路の直列抵抗値を図６に示した場合よりもさらに低くする必要があるものの、寄生発振を抑圧することが可能である。
【００３２】
また、安定定数Ｋ値は１以上としたが、余裕を考慮して更に高いＫ値を採用する場合等では、複数のスイッチ回路を配置して高いＫ値に対応させることが可能である。
【００３３】
更に、図１において、高周波電力増幅器を構成する能動素子をＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）などの化合物半導体電界効果トランジスタとしても良い。この場合、トランジスタの動作／非動作制御をゲート端子にかかる電圧で行なえるため、バイポーラトランジスタを用いる場合に必要となるバイアス回路を省くことができ、高周波電力増幅器の設計を簡易にすることができる。
【００３４】
更に、高周波電力増幅器を構成する能動素子は、Ｓｉ−ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semicondctor Field Effect Transistor）などのシリコン電界効果トランジスタや、或いはシリコンバイポーラトランジスタとしてもよい。この場合、安価な大口径シリコンウエハによるプロセスを用いることができるため、高周波増幅器をより低コストで提供できる。
【００３５】
更にまた、図１において、増幅回路1A及び1Bを初段と出力段による２段の増幅回路としたが、これを３段以上の増幅回路としても良い。２段増幅回路とした場合、電力利得として２２〜２７ｄＢが必要なＮ−ＣＤＭＡ（Narrowband-Code Division Multiple Access）システムやＷ−ＣＤＭＡ（Wideband-Code Division Multiple Access）システムに用いて好適であり、また３段増幅回路とした場合、さらに大きな電力利得(３２〜３５ｄＢ)が必要とされるＧＳＭ（Global System for Mobile Communication）システムやＤＣＳ（Digital Communication System）システムに用いて好適である。
＜実施例２＞
本発明の第２の実施例２を図７〜図１１を用いて説明する。本実施例２は、基本構成として上記実施例１を用い、これをヘテロ接合バイポーラトランジスタ回路により構成し、具体的にＷ−ＣＤＭＡ携帯電話機用の高周波電力増幅器モジュールとしたものである。図７は高周波電力増幅器モジュールの全体回路図、図８及び図９は図７における高周波電力増幅器の一部分の詳細回路図、図１０は図８に示した回路を具体的に半導体ペレット上に形成したときのレイアウト図、図１１は高周波電力増幅器の動作を制御する方法を説明するための表、図１２，１３はこの高周波増幅器を用いた携帯電話機の構成図である。
【００３６】
図７において、P1及びP2は、ガリウム砒素基板から成る半導体ペレットであり、セラミックから成るモジュール基板上に実装され、モジュール基板上の受動素子回路に接続される。入力整合回路は、チップ容量CM1，CM2、チップインダクタLM1、及びモジュール基板上に形成したマイクロストリップ線路SL1，SL2で構成される。出力整合回路は、チップ容量CM7〜CM10、チップインダクタLM4、及びモジュール基板上に形成したマイクロストリップ線路SL6，SL7により構成される。
【００３７】
電源端子Vccからトランジスタまでの電源ラインは、マイクロストリップ線路SL3，SL4，SL5及びバイパス容量用のチップ容量CB1，CB2により構成される。高周波電力増幅器モジュールの端子として、入力端子IN、出力端子OUT、電源端子Vcc、バイアス回路用電源端子Vcc_bias、動作モード切替端子Vmode、増幅回路の動作バイアス調整端子Vregが設けられる。以上の実装により、高周波電力増幅器モジュールMjが形成される。
【００３８】
図８及び図１０に高出力側の増幅回路の主要部分を示す。図８及び図１０において、Q1は初段増幅トランジスタ、Q2は出力段増幅トランジスタである。それぞれ単位トランジスタのエミッタサイズを４μｍ×３０μｍとして、入力増幅トランジスタQ1は６個の単位トランジスタにより構成され、出力段増幅トランジスタQ2は３６個の単位トランジスタにより構成される。トランジスタQ1及びQ2は、それぞれ、単位トランジスタの他、直流電流とRF信号を分離するための容量と抵抗、及びバラスト用の直列抵抗を内蔵している。SW10はスイッチ回路であり、トランジスタのベース-コレクタ間のダイオードが使用される。ダイオード用トランジスタは、エミッタサイズ４μｍ×３０μｍの１個のトランジスタである。段間整合回路M2Aは、ＭＩＭ(金属-絶縁物-金属)容量素子CM3，CM4及びスパイラルインダクタ素子LM2から構成される。CK1はトランジスタQ1，Q2へのベースバイアス電流を供給するためのバイアス回路である。図８に示す全ての素子は、同一半導体ペレットP1上に形成されている。
【００３９】
図９に低出力側の増幅回路の主要部分を示す。図９において、Q3は初段増幅トランジスタ、Q4は出力段増幅トランジスタである。単位トランジスタのエミッタサイズを4μm×30μmとして、入力増幅トランジスタQ3及び出力段増幅トランジスタQ4は共に６個の単位トランジスタにより構成される。トランジスタQ3及びQ4は、それぞれ、単位トランジスタの他、直流電流と高周波信号を分離するための容量と抵抗、及びバラスト用の直列抵抗を内蔵している。段間整合回路M2Bは、ＭＩＭ(金属-絶縁物-金属)容量素子CM5，CM6及びスパイラルインダクタ素子LM3から構成される。CK2は、トランジスタQ3，Q4へのベースバイアス電流を供給するためのバイアス回路である。図９に示す全ての素子は、同一半導体ペレットP2上に形成されている。
【００４０】
次に、図１１により、この高周波電力増幅器モジュールの動作を制御する方法を説明する。まず、高出力時には動作モード切替端子Vmodeにｌｏｗレベル（低レベル）の電圧を印加し、動作バイアス調整端子Vregにはｈｉｇｈレベル（高レベル）である所望の電圧を印加する。この制御により、高出力側の増幅トランジスタQ1，Q2が動作状態となり、低出力側の増幅トランジスタQ3，Q4が非動作状態になり、ダイオードスイッチ回路SW10がオフ状態となる。これにより高出力側の増幅回路が動作する。
【００４１】
低出力時には動作モード切替端子Vmodeにｈｉｇｈレベルの電圧を印加し、動作バイアス調整端子Vregにはｈｉｇｈレベルである所望の電圧を印加する。この制御により低出力側の増幅トランジスタQ3，Q4が動作状態になり、ダイオードスイッチ回路SW10がオン状態となり、高出力側の増幅トランジスタQ1，Q2が非動作状態となる。これにより低出力側の増幅回路が動作する。このとき、非動作状態である高出力側の増幅回路を介した帰還ループによる発振をオン状態のスイッチ回路SW10によって防止することができる。
【００４２】
電力増幅器の待機時には、動作モード切替端子Vmode及び動作バイアス調整端子Vregの双方にｌｏｗレベルの電圧を印加する。この制御により、増幅トランジスタQ1〜Q4の全てが非動作状態となり、ダイオードスイッチ回路SW10がオフ状態となる。また、バイアス回路CK1、CK2の端子電流も流れない状態になる。これにより待機時の消費電流を最小にすることができる。
【００４３】
なお、動作モード切替端子Vmodeにｈｉｇｈレベル、動作バイアス調整端子Vregにｌｏｗレベルの電圧を印加することは禁止される。これにより、ダイオードスイッチ回路SW10のみがオンとなる状態が禁止され、無駄な電流消費が避けられる。
【００４４】
次に、本実施例２による高周波電力増幅器モジュールを用いた携帯電話機の構成を図１２を用いて説明する。図１２に示した携帯電話機は、Ｗ−ＣＤＭＡシステムにおいて使用される。この携帯電話機は、ベースバンド回路BB、受信系回路Rx、並びに送信系回路Tx及びアンテナ系ANTから構成される。そして、送信系回路Txは、送信局部発振器LO、アップコンバータUpConv、自動利得調整アンプAGC及び電力増幅器PAからなる。電力増幅器PAに本実施例２の高周波電力増幅器モジュールを適用し、ベースバンド回路BBより制御端子Vreg、調整端子Vmodeに制御信号を与えることにより切替動作が行なわれる。なお、制御端子Vreg、調整端子Vmodeの制御信号については、基地局からの出力電力要求値をベースバンド回路BBにて再生／判定し、自動利得調整アンプAGCと電力増幅器PAを連動する形で制御信号を形成することが好ましい。
【００４５】
次に、本実施例２による高周波電力増幅器モジュールを用いた他の携帯電話機の構成を図１３を用いて説明する。図１３に示した携帯電話機は、ＧＳＭ，ＤＣＳ及びＷ−ＣＤＭＡの３システムにおいて使用することができる複合システム用の携帯電話機である。この携帯電話機は、ベースバンド回路BB、受信系回路Rx、高周波回路RF-IC、並びに送信系回路及びアンテナ系ANTから構成される。
【００４６】
そのうちＷ−ＣＤＭＡシステムの送信系回路は、図１３に示すように送信局部発振器LO、アップコンバータUpConv、自動利得調整アンプAGC、電力増幅器PA1からなる。電力増幅器PA1に本実施例２の高周波電力増幅器モジュールを適用し、ベースバンド回路BBより制御端子Vreg、調整端子Vmodeに制御信号を与えることにより切替動作が行なわれる。なお、制御端子Vreg、調整端子Vmodeへの制御信号については、基地局からの出力電力要求値をベースバンド回路BBにて再生/判定し、自動利得調整アンプAGCと電力増幅器PAを連動する形で制御信号を形成することが好ましい。またＧＳＭシステムの送信系回路及びＤＣＳシステムの送信系回路には、各々別の電力増幅器PA2，PA3が用いられる。これらの電力増幅器により増幅された出力電力は、アンテナスイッチAnt.SW１，Ant.SW2及びダイプレクサDipを介して３周波数合分波器であるトリプレクサTriplexerによりアンテナANTに供給される。
【００４７】
上述した携帯電話機は、本発明の高周波電力増幅器を用いることにより、高電力及び低電力の双方を高効率に出力することができると共に、低消費電力、小型化を実現することができる。
【００４８】
【発明の効果】
本発明によれば、発振防止のためのスイッチ回路を備えることによって回路に直列に挿入されるスイッチ回路を不要にすることができるので、高電力と低電力を共に高効率に出力し、かつ、小型で低コストの高周波電力増幅器及びそのモジュールを実現することができる。この高周波電力増幅器モジュールを採用することにより、小型で高効率の携帯電話機を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る高周波電力増幅器の第１の実施例を説明するための構成図。
【図２】第１の実施例の高周波電力増幅器の主要部であるスイッチ回路部及び出力トランジスタを説明するための回路図。
【図３】本発明の高周波電力増幅器の安定定数を説明するための曲線図。
【図４】本発明の高周波電力増幅器の安定定数を説明するための別の曲線図。
【図５】本発明の高周波電力増幅器の効果を説明するための曲線図。
【図６】本発明の高周波電力増幅器の安定定数を説明するための更に別の曲線図。
【図７】本発明の高周波電力増幅器の第２の実施例を説明するための構成図。
【図８】第２の実施例の高出力側の増幅回路の主要部分を説明するための回路図。
【図９】第２の実施例の低出力側の増幅回路の主要部分を説明するための回路図。
【図１０】第２の実施例の高出力側の増幅回路の主要部分を説明するための平面図。
【図１１】第２の実施例の高周波電力増幅器の動作を説明するための図。
【図１２】本発明の高周波増幅器を用いた携帯電話機を説明するための構成図。
【図１３】本発明の高周波増幅器を用いた別の携帯電話機を説明するための構成図。
【図１４】従来技術による高周波電力増幅器を説明するための構成図。
【符号の説明】
1A…増幅回路（高出力側）、1B…増幅回路（低出力側）、A1…初段増幅トランジスタ、A2…出力段増幅トランジスタ、M1…入力整合回路、M2…段間整合回路、M3…出力整合回路、SW10…ダイオードスイッチ回路、IN…入力端子、OUT…出力端子、P1，P2…半導体ペレット、CK1，CK2…バイアス回路、Vb…制御端子、Vsw10…スイッチ制御端子、Vc，Vcc…電源端子、Vcc_bias…バイアス回路用電源端子、Vmode…動作モード切替端子、Vreg…増幅回路の動作バイアス調整端子。
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＵＨＦ（Ultra High Frequency）からマイクロ波帯の高周波信号を増幅する電力増幅器に係り、特に携帯電話機の送信部に適用して好適な高周波電力増幅器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
移動体通信の携帯電話機は、その機能や構造、コスト低減に著しい進展があり、需要が近年急激に伸びている。そして、携帯電話機の送信部に用いられるトランジスタ高周波電力増幅器は、そのような状況のもとで、小型化、高効率化、低コスト化が追求されてきた。中でも出力電力の消費電力に対する比である効率(電力付加効率)は、高周波電力増幅器が携帯電話機において最も消費電力の大きいデバイスであることから、携帯電話機の連続送信時間即ち通話時のバッテリー寿命を長くするための重要な特性となっている。
【０００３】
さて、高周波電力増幅器に対しては、実際の携帯電話機の使用状態から、次の二つの異なる出力レベルにおいて高効率であることが要求される。一つは、最大出力付近、具体的にはおよそ１Ｗの高出力レベルである。これは、携帯電話機が基地局から遠い場合、または建物内などで基地局へ電波が届きにくい場合に必要となるレベルである。もう一つが通常の実使用状態で使用頻度が大きい１０ｍＷ〜１００ｍＷの低出力レベルである。これら２つの異なる出力レベルで高効率を実現した従来の高周波電力増幅器が例えば特開平７−３３６１６８に開示されている。
【０００４】
従来の高周波電力増幅器は、図１４に示すように、トランジスタとして電界効果トランジスタ（以下では「ＦＥＴ」という）を用いた２段構成の増幅器であり、後段がトランジスタHA2を用いた高出力の出力段100aとトランジスタLA3を用いた低出力の出力段100bとで構成され、切替によっていずれか一方が用いられる。また、IA1は初段増幅トランジスタ、IM1，M12，INM3，OM3及びOM2は整合回路である。SW1〜SW3は、ＦＥＴから構成されるスイッチ回路であり、高周波信号経路に対して直列に挿入されて高出力、低出力の切替動作を行なう。
【０００５】
トランジスタ増幅器は、トランジスタの大きさで決まる最大電力を出力するときに最も効率が高くなる性質があるので、高出力及び低出力に対してそれぞれに見合った大きさのトランジスタを用いることにより、高出力及び低出力のそれぞれで高い効率を得ることができる。
【０００６】
図４の高周波電力増幅器は、この原理に基づくもので、トランジスタHA2をトランジスタLA3よりも大きくすることによって、高出力及び低出力のそれぞれのレベルで高い電力付加効率を得ている。即ち、高周波電力増幅器は、高出力時に、トランジスタIA1及びHA2を動作状態とし、トランジスタLA3を非動作状態とし、スイッチ回路SW1をオン、スイッチ回路SW2及びSW3をオフとすることにより、サイズの大きい最終段のトランジスタHA2が高効率に高電力を出力する。また、低出力時に、トランジスタIA1及びLA3を動作状態とし、トランジスタHA2を非動作状態とし、スイッチ回路SW1をオフ、スイッチ回路SW2及びSW3をオンとすることにより、サイズの小さい最終段のトランジスタLA3が高効率に低電力を出力する。
【０００７】
なお、スイッチ回路SW1及びSW2は、高効率動作には寄与しないが、帰還ループが形成されて寄生発振を生じることを回避する目的で使われている。即ち、スイッチ回路SW2は、トランジスタHA2が動作状態のときの出力段100aの出力側と入力側の間に、トランジスタLA3が非動作状態になっている出力段100bの回路が電気的に接続されるのを遮断するために用いられ、一方、スイッチ回路SW1は、トランジスタLA3が動作状態のときの出力段100bの出力側と入力側の間に、トランジスタHA2が非動作状態になっている出力段100aの回路が電気的に接続されるのを遮断するために用いられる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術において、高周波電力増幅器の高効率化をさらに進めようとする場合、信号ラインに直列に挿入したスイッチ回路SW1〜SW3において発生する電力損失が無視できなくなる。このスイッチ回路における損失を少なくするためには、スイッチ回路のインピーダンスを下げる即ちスイッチ回路を構成するＦＥＴのサイズを大きくせざるを得ない。通常行なわれるように、３個のスイッチ回路と増幅用の各トランジスタとを１個の半導体チップ（半導体ペレット）に搭載する場合、そのようなスイッチ回路の大型化が半導体チップサイズを小型化して、低コスト化を進める上で障害となる。
【０００９】
本発明の目的は、少ないスイッチ回路数で発振を防止すると共に高電力と低電力を高効率に出力する小型の高周波電力増幅器、高周波電力増幅器モジュール及び携帯電話機を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の高周波電力増幅器は、並列に接続した増幅回路Ａ（第一の増幅回路）と増幅回路Ｂ（第二の増幅回路）とで構成され、増幅回路Ｂの出力段のトランジスタのサイズが増幅回路Ａの出力段のトランジスタの１／４以下であり、更に、増幅回路Ａの出力段より前方の信号ラインと接地端子の間にスイッチ回路が接続されていることを特徴とする。そして、増幅回路Ａは、増幅回路Ｂを構成するトランジスタが非動作状態でありかつスイッチ回路がオフのときに、高電力の高周波信号を出力し、増幅回路Ｂは、増幅回路Ａを構成するトランジスタが非動作状態でありかつスイッチ回路がオンのときに、低電力の高周波信号を出力する。
【００１１】
以上の構成により、信号ラインに直列に挿入する切替用のスイッチ回路が不要となり、高電力と低電力を従来以上に高効率に出力することが可能になる。そのような効果が上記のスイッチ回路の設置と出力段のトランジスタサイズ設定によって得ることができる。
【００１２】
即ち、低出力時に、高出力側の信号ラインに接続したスイッチ回路がオンになって接地されることにより、帰還ループが形成されず、寄生発振が回避される。一方、増幅回路Ｂの出力段のトランジスタは、非動作状態のときにそのサイズが小さいため寄生容量が小さい。従って、高出力時には、非動作状態のトランジスタの小さい寄生容量による高いインピーダンスにより、寄生発振を起こす程の帰還ループが形成されず、寄生発振が回避される。寄生発振を回避するため、増幅回路Ｂの出力段のトランジスタのサイズを増幅回路Ａの１／４以下とするのが好適である。
【００１３】
なお、スイッチ回路はトランジスタで構成されるので、増幅用のトランジスタと一緒に同一の半導体チップに集積可能である。そして、本発明ではスイッチ回路はこの寄生発振回避のためのもののみであり、切替用の複数のスイッチ回路が不要になることから、従来に比べ半導体チップの面積を縮小することができる。従って、高周波電力増幅器を小型にすることができる。
【００１４】
なお、スイッチ回路の位置については、本発明者による検討によれば、特に出力段トランジスタの入力端子と接地端子との間、或いは初段と出力段の間の整合回路と接地端子の間とする場合が寄生発振を抑圧するのに効果的であった。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る高周波電力増幅器、高周波電力増幅器モジュール及び携帯電話機を図面に示した実施例による発明の実施の形態を参照して更に詳細に説明する。
【００１６】
【実施例】
＜実施例１＞
本発明の第１の実施例を図１〜図６を用いて説明する。図１は高周波電力増幅器の構成図、図２は主要部分の回路図、図３，４，６は本発明の動作を説明するグラフ、図５は本発明の効果を示すグラフである。
【００１７】
図１において、1Aは高出力側の増幅回路、1Bは低出力側の増幅回路であり、増幅回路1Aと増幅回路1Bの入力線が端子n11で相互に接続され、出力線が端子n22で相互に接続される。更に、端子n11に入力端子INが接続され、端子n22に出力端子が接続される。高出力側増幅回路1Aは、入力整合回路M1A、初段増幅トランジスタA1A、段間整合回路M2A、出力段増幅トランジスタA2A及び出力整合回路M3Aが直列に接続され、整合回路M2Aと出力段トランジスタA2Aを結ぶ信号ラインと接地端子の間にダイオードによるスイッチ回路SW10が接続されて構成される。
【００１８】
図２にダイオードスイッチ回路SW10とその周辺の回路を示す。スイッチ回路SW10は、出力段トランジスタA2Aの入力端子RFINに接続され、接地端子に対し短絡/開放の動作を行なう。出力段トランジスタA2A及びスイッチ回路SW10には高周波特性に優れたヘテロ接合バイポーラトランジスタが用いられる。
【００１９】
また、低出力側増幅回路1Bは、入力整合回路M1B、初段増幅トランジスタA1B、段間整合回路M2B、出力段増幅トランジスタA2B及び出力整合回路M3Bが直列に接続されて構成される。
【００２０】
出力段トランジスタA2Bのサイズは、出力段トランジスタA2Aのサイズの１／４以下に設定される。一例として、エミッタサイズが４μｍ×３０μｍのトランジスタを単位として、出力段トランジスタA2Aは、３６個の単位トランジスタによって構成され、出力段トランジスタA2Bは，６個の単位トランジスタによって構成される。
【００２１】
次に、増幅回路1A及び1Bの動作を説明する。増幅回路1Aの動作時には、スイッチ回路SW10の制御端子Vsw10を低レベル（ＬＯＷ）とすることによりスイッチ回路SW10がオフとなり、増幅回路1Bにおいて、初段増幅トランジスタA1Bの制御端子Vb3及び出力段増幅トランジスタA2Bの制御端子Vb4を低レベルとすることによりトランジスタA1B，A2Bが非動作状態となる。トランジスタA1Bの電源端子Vc3及びトランジスタA2Bの電源端子Vc4には電源電圧が供給されていても良く逆に供給されていなくても良い。
【００２２】
以上の状態で入力端子INに入力された信号は、増幅回路1Aの初段増幅トランジスタA1A（その制御端子Vb1が高レベル（ＨＩＧＨ）となり、電源端子Vc1に電源電圧が供給されている）及び出力段増幅トランジスタA2A（その制御端子Vb2が高レベルとなり、電源端子Vc2に電源電圧が供給されている）によって所望の出力電力まで増幅される。このとき、スイッチ回路SW10はオフ状態であり、信号ラインのインピーダンスに対し十分高インピーダンスになるため電力損失はほとんど生じない。
【００２３】
また、増幅回路1Bの動作時には、増幅回路1Aにおいて、制御端子Vsw10を高レベルとすることによりスイッチ回路SW10がオンとなり、制御端子Vb1、Vb2を低レベルとすることによりトランジスタA1A，A2Aが非動作状態となる。初段トランジスタA1Aの電源端子Vc1及び出力段トランジスタA2Aの電源端子Vc2には電源電圧が供給されていても良く逆に供給されていなくてもよい。
【００２４】
以上の状態で入力端子INに入力された信号は、増幅回路1Bの初段増幅トランジスタA1B（その制御端子Vb3が高レベルとなり、電源端子Vc3に電源電圧が供給されている）、出力段増幅トランジスタA2B（その制御端子Vb4が高レベルとなり、電源端子Vc4に電源電圧が供給されている）によって所望の出力電力まで増幅される。このとき、ダイオードスイッチ回路SW10はオン状態であるが、その両側に位置する非動作状態のトランジスタA1A，A2Aにより十分に分離されるため電力損失はほとんど生じない。
【００２５】
続いて、帰還ループによる寄生発振は、次のような動作により抑圧される。まず、増幅回路1Aの動作時には、発明者の検討によると、非動作状態にある増幅回路1Bの出力段増幅トランジスタA2Bの寄生容量の大きさが寄生発振抑圧に支配的に働く。図３は、非動作状態のトランジスタA2Bのベース-コレクタ間の寄生容量Coffを変化させたときの増幅回路全体の安定定数Ｋ値(代表値として０〜１０ＧＨｚの範囲での最小値Ｋminを記載した)のシミュレーション結果である。Ｋ値は、帰還ループ利得の逆数を基本にしたパラメータで、１以上であれば回路は発振を起こさず安定である。
【００２６】
図３に示す通り、トランジスタA2Bの寄生容量Coffが０．６ｐＦ以下であれば安定定数Ｋminが１以上になり、即ち増幅回路を安定化することができ、寄生発振を抑圧することができる。この寄生容量値を実現するには、トランジスタA2Bを単位トランジスタ９個以下で構成すれば良く、言い換えると単位トランジスタ３６個からなるトランジスタA2Aの１／４以下のサイズとすることで寄生発振を抑圧することができる。
【００２７】
次に、増幅回路1Bの動作時には、オン状態にあるスイッチ回路SW10の直列抵抗の大きさが寄生発振抑圧に支配的に働く。図４はスイッチ回路SW10での直列抵抗値Rshantを変化させたときの増幅回路全体の安定定数Ｋ値(代表値として０〜１０ＧＨｚの範囲での最小値Ｋminを記載した)のシミュレーション結果である。図４に示す通り、スイッチ回路SW10の直列抵抗値が１５Ω以下であれば安定定数Ｋminを１以上とすることができる。すなわち安定化することができ、増幅回路の寄生発振を抑圧することができる。この直列抵抗の値は、図２に示したダイオードスイッチ回路SW10に一例としてエミッタサイズ４μｍ×３０μｍの１個のヘテロ接合バイポーラトランジスタを用い、そのベース-コレクタ間のダイオードによって実現される。
【００２８】
以上に述べたスイッチ回路SW10を設けた場合の本実施形態の増幅特性を図５に示す。増幅回路1Bの動作時において、スイッチ回路SW10を設けない場合に２ＧＨｚ及び３ＧＨｚ付近に発振現象が現われるのに対し、スイッチ回路SW10を設けた場合はそのような不安定動作はなく、寄生発振が十分に抑圧されることが判明した。なお、ダイオードスイッチ回路SW10には１ｍＡの電流を流し、その時の直列抵抗値は約１０Ωであった。
【００２９】
図６にダイオードスイッチ回路SW10としてトランジスタのベース-コレクタ間のダイオード(ＢＣダイオード)を用いた場合と、ベース-エミッタ間のダイオード(ＢＥダイオード)を用いた場合の増幅回路1Bの安定定数Ｋ値(代表値として０〜１０ＧＨｚの範囲での最小値Ｋminを記載)のシミュレーション結果を示す。ここで両方の場合においてトランジスタは１個であり、エミッタサイズを４μｍ×３０μｍとした。
【００３０】
安定定数Ｋminを１以上にするには、ＢＥダイオードの場合２ｍＡ以上の電流を流す必要があるのに対し、ＢＣダイオードの場合は０．１ｍＡ〜２ｍＡの範囲で十分である。この結果から、図２に示したようにスイッチ回路SW10にＢＣダイオードを用いることにより、低電流で増幅回路1Bの発振を抑圧することができ、電力増幅器をより高効率にできるという効果が得られる。更に、流す電流が低電流で良いのでダイオードスイッチ回路SW10を小型にできる。本実施例において、増幅回路1AのトランジスタA1AからトランジスタA2Aの間の部分（スイッチ回路SW10や整合回路M2Aを含む）及び増幅回路1BのトランジスタA1BからトランジスタA2Bの間の部分（整合回路M2Bを含む）をそれぞれ１個の半導体ペレット（半導体チップ）に集積することができる。その場合、スイッチ回路SW10を小型にできるため、半導体ペレットを小型にでき、そのコストを低減できるという効果がある。
【００３１】
なお、図１において、ダイオードスイッチ回路SW10の位置を出力段増幅トランジスタA2Aの入力ノードとしたが、これに限らず、整合回路M2Aの内部の信号ノードを含む出力段トランジスタA2Aより前方の信号ライン、即ち高出力側の増幅回路1Aの信号ラインのいずれかと接地端子との間に接続しても良い。この場合には、スイッチ回路の直列抵抗値を図６に示した場合よりもさらに低くする必要があるものの、寄生発振を抑圧することが可能である。
【００３２】
また、安定定数Ｋ値は１以上としたが、余裕を考慮して更に高いＫ値を採用する場合等では、複数のスイッチ回路を配置して高いＫ値に対応させることが可能である。
【００３３】
更に、図１において、高周波電力増幅器を構成する能動素子をＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）などの化合物半導体電界効果トランジスタとしても良い。この場合、トランジスタの動作／非動作制御をゲート端子にかかる電圧で行なえるため、バイポーラトランジスタを用いる場合に必要となるバイアス回路を省くことができ、高周波電力増幅器の設計を簡易にすることができる。
【００３４】
更に、高周波電力増幅器を構成する能動素子は、Ｓｉ−ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semicondctor Field Effect Transistor）などのシリコン電界効果トランジスタや、或いはシリコンバイポーラトランジスタとしてもよい。この場合、安価な大口径シリコンウエハによるプロセスを用いることができるため、高周波増幅器をより低コストで提供できる。
【００３５】
更にまた、図１において、増幅回路1A及び1Bを初段と出力段による２段の増幅回路としたが、これを３段以上の増幅回路としても良い。２段増幅回路とした場合、電力利得として２２〜２７ｄＢが必要なＮ−ＣＤＭＡ（Narrowband-Code Division Multiple Access）システムやＷ−ＣＤＭＡ（Wideband-Code Division Multiple Access）システムに用いて好適であり、また３段増幅回路とした場合、さらに大きな電力利得(３２〜３５ｄＢ)が必要とされるＧＳＭ（Global System for Mobile Communication）システムやＤＣＳ（Digital Communication System）システムに用いて好適である。
＜実施例２＞
本発明の第２の実施例２を図７〜図１１を用いて説明する。本実施例２は、基本構成として上記実施例１を用い、これをヘテロ接合バイポーラトランジスタ回路により構成し、具体的にＷ−ＣＤＭＡ携帯電話機用の高周波電力増幅器モジュールとしたものである。図７は高周波電力増幅器モジュールの全体回路図、図８及び図９は図７における高周波電力増幅器の一部分の詳細回路図、図１０は図８に示した回路を具体的に半導体ペレット上に形成したときのレイアウト図、図１１は高周波電力増幅器の動作を制御する方法を説明するための表、図１２，１３はこの高周波増幅器を用いた携帯電話機の構成図である。
【００３６】
図７において、P1及びP2は、ガリウム砒素基板から成る半導体ペレットであり、セラミックから成るモジュール基板上に実装され、モジュール基板上の受動素子回路に接続される。入力整合回路は、チップ容量CM1，CM2、チップインダクタLM1、及びモジュール基板上に形成したマイクロストリップ線路SL1，SL2で構成される。出力整合回路は、チップ容量CM7〜CM10、チップインダクタLM4、及びモジュール基板上に形成したマイクロストリップ線路SL6，SL7により構成される。
【００３７】
電源端子Vccからトランジスタまでの電源ラインは、マイクロストリップ線路SL3，SL4，SL5及びバイパス容量用のチップ容量CB1，CB2により構成される。高周波電力増幅器モジュールの端子として、入力端子IN、出力端子OUT、電源端子Vcc、バイアス回路用電源端子Vcc_bias、動作モード切替端子Vmode、増幅回路の動作バイアス調整端子Vregが設けられる。以上の実装により、高周波電力増幅器モジュールMjが形成される。
【００３８】
図８及び図１０に高出力側の増幅回路の主要部分を示す。図８及び図１０において、Q1は初段増幅トランジスタ、Q2は出力段増幅トランジスタである。それぞれ単位トランジスタのエミッタサイズを４μｍ×３０μｍとして、入力増幅トランジスタQ1は６個の単位トランジスタにより構成され、出力段増幅トランジスタQ2は３６個の単位トランジスタにより構成される。トランジスタQ1及びQ2は、それぞれ、単位トランジスタの他、直流電流とRF信号を分離するための容量と抵抗、及びバラスト用の直列抵抗を内蔵している。SW10はスイッチ回路であり、トランジスタのベース-コレクタ間のダイオードが使用される。ダイオード用トランジスタは、エミッタサイズ４μｍ×３０μｍの１個のトランジスタである。段間整合回路M2Aは、ＭＩＭ(金属-絶縁物-金属)容量素子CM3，CM4及びスパイラルインダクタ素子LM2から構成される。CK1はトランジスタQ1，Q2へのベースバイアス電流を供給するためのバイアス回路である。図８に示す全ての素子は、同一半導体ペレットP1上に形成されている。
【００３９】
図９に低出力側の増幅回路の主要部分を示す。図９において、Q3は初段増幅トランジスタ、Q4は出力段増幅トランジスタである。単位トランジスタのエミッタサイズを4μm×30μmとして、入力増幅トランジスタQ3及び出力段増幅トランジスタQ4は共に６個の単位トランジスタにより構成される。トランジスタQ3及びQ4は、それぞれ、単位トランジスタの他、直流電流と高周波信号を分離するための容量と抵抗、及びバラスト用の直列抵抗を内蔵している。段間整合回路M2Bは、ＭＩＭ(金属-絶縁物-金属)容量素子CM5，CM6及びスパイラルインダクタ素子LM3から構成される。CK2は、トランジスタQ3，Q4へのベースバイアス電流を供給するためのバイアス回路である。図９に示す全ての素子は、同一半導体ペレットP2上に形成されている。
【００４０】
次に、図１１により、この高周波電力増幅器モジュールの動作を制御する方法を説明する。まず、高出力時には動作モード切替端子Vmodeにｌｏｗレベル（低レベル）の電圧を印加し、動作バイアス調整端子Vregにはｈｉｇｈレベル（高レベル）である所望の電圧を印加する。この制御により、高出力側の増幅トランジスタQ1，Q2が動作状態となり、低出力側の増幅トランジスタQ3，Q4が非動作状態になり、ダイオードスイッチ回路SW10がオフ状態となる。これにより高出力側の増幅回路が動作する。
【００４１】
低出力時には動作モード切替端子Vmodeにｈｉｇｈレベルの電圧を印加し、動作バイアス調整端子Vregにはｈｉｇｈレベルである所望の電圧を印加する。この制御により低出力側の増幅トランジスタQ3，Q4が動作状態になり、ダイオードスイッチ回路SW10がオン状態となり、高出力側の増幅トランジスタQ1，Q2が非動作状態となる。これにより低出力側の増幅回路が動作する。このとき、非動作状態である高出力側の増幅回路を介した帰還ループによる発振をオン状態のスイッチ回路SW10によって防止することができる。
【００４２】
電力増幅器の待機時には、動作モード切替端子Vmode及び動作バイアス調整端子Vregの双方にｌｏｗレベルの電圧を印加する。この制御により、増幅トランジスタQ1〜Q4の全てが非動作状態となり、ダイオードスイッチ回路SW10がオフ状態となる。また、バイアス回路CK1、CK2の端子電流も流れない状態になる。これにより待機時の消費電流を最小にすることができる。
【００４３】
なお、動作モード切替端子Vmodeにｈｉｇｈレベル、動作バイアス調整端子Vregにｌｏｗレベルの電圧を印加することは禁止される。これにより、ダイオードスイッチ回路SW10のみがオンとなる状態が禁止され、無駄な電流消費が避けられる。
【００４４】
次に、本実施例２による高周波電力増幅器モジュールを用いた携帯電話機の構成を図１２を用いて説明する。図１２に示した携帯電話機は、Ｗ−ＣＤＭＡシステムにおいて使用される。この携帯電話機は、ベースバンド回路BB、受信系回路Rx、並びに送信系回路Tx及びアンテナ系ANTから構成される。そして、送信系回路Txは、送信局部発振器LO、アップコンバータUpConv、自動利得調整アンプAGC及び電力増幅器PAからなる。電力増幅器PAに本実施例２の高周波電力増幅器モジュールを適用し、ベースバンド回路BBより制御端子Vreg、調整端子Vmodeに制御信号を与えることにより切替動作が行なわれる。なお、制御端子Vreg、調整端子Vmodeの制御信号については、基地局からの出力電力要求値をベースバンド回路BBにて再生／判定し、自動利得調整アンプAGCと電力増幅器PAを連動する形で制御信号を形成することが好ましい。
【００４５】
次に、本実施例２による高周波電力増幅器モジュールを用いた他の携帯電話機の構成を図１３を用いて説明する。図１３に示した携帯電話機は、ＧＳＭ，ＤＣＳ及びＷ−ＣＤＭＡの３システムにおいて使用することができる複合システム用の携帯電話機である。この携帯電話機は、ベースバンド回路BB、受信系回路Rx、高周波回路RF-IC、並びに送信系回路及びアンテナ系ANTから構成される。
【００４６】
そのうちＷ−ＣＤＭＡシステムの送信系回路は、図１３に示すように送信局部発振器LO、アップコンバータUpConv、自動利得調整アンプAGC、電力増幅器PA1からなる。電力増幅器PA1に本実施例２の高周波電力増幅器モジュールを適用し、ベースバンド回路BBより制御端子Vreg、調整端子Vmodeに制御信号を与えることにより切替動作が行なわれる。なお、制御端子Vreg、調整端子Vmodeへの制御信号については、基地局からの出力電力要求値をベースバンド回路BBにて再生/判定し、自動利得調整アンプAGCと電力増幅器PAを連動する形で制御信号を形成することが好ましい。またＧＳＭシステムの送信系回路及びＤＣＳシステムの送信系回路には、各々別の電力増幅器PA2，PA3が用いられる。これらの電力増幅器により増幅された出力電力は、アンテナスイッチAnt.SW１，Ant.SW2及びダイプレクサDipを介して３周波数合分波器であるトリプレクサTriplexerによりアンテナANTに供給される。
【００４７】
上述した携帯電話機は、本発明の高周波電力増幅器を用いることにより、高電力及び低電力の双方を高効率に出力することができると共に、低消費電力、小型化を実現することができる。
【００４８】
【発明の効果】
本発明によれば、発振防止のためのスイッチ回路を備えることによって回路に直列に挿入されるスイッチ回路を不要にすることができるので、高電力と低電力を共に高効率に出力し、かつ、小型で低コストの高周波電力増幅器及びそのモジュールを実現することができる。この高周波電力増幅器モジュールを採用することにより、小型で高効率の携帯電話機を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る高周波電力増幅器の第１の実施例を説明するための構成図。
【図２】第１の実施例の高周波電力増幅器の主要部であるスイッチ回路部及び出力トランジスタを説明するための回路図。
【図３】本発明の高周波電力増幅器の安定定数を説明するための曲線図。
【図４】本発明の高周波電力増幅器の安定定数を説明するための別の曲線図。
【図５】本発明の高周波電力増幅器の効果を説明するための曲線図。
【図６】本発明の高周波電力増幅器の安定定数を説明するための更に別の曲線図。
【図７】本発明の高周波電力増幅器の第２の実施例を説明するための構成図。
【図８】第２の実施例の高出力側の増幅回路の主要部分を説明するための回路図。
【図９】第２の実施例の低出力側の増幅回路の主要部分を説明するための回路図。
【図１０】第２の実施例の高出力側の増幅回路の主要部分を説明するための平面図。
【図１１】第２の実施例の高周波電力増幅器の動作を説明するための図。
【図１２】本発明の高周波増幅器を用いた携帯電話機を説明するための構成図。
【図１３】本発明の高周波増幅器を用いた別の携帯電話機を説明するための構成図。
【図１４】従来技術による高周波電力増幅器を説明するための構成図。
【符号の説明】
1A…増幅回路（高出力側）、1B…増幅回路（低出力側）、A1…初段増幅トランジスタ、A2…出力段増幅トランジスタ、M1…入力整合回路、M2…段間整合回路、M3…出力整合回路、SW10…ダイオードスイッチ回路、IN…入力端子、OUT…出力端子、P1，P2…半導体ペレット、CK1，CK2…バイアス回路、Vb…制御端子、Vsw10…スイッチ制御端子、Vc，Vcc…電源端子、Vcc_bias…バイアス回路用電源端子、Vmode…動作モード切替端子、Vreg…増幅回路の動作バイアス調整端子。
Claims (10)
- 第一のトランジスタからなる第一の出力段を有する第一の増幅回路と、該第一のトランジスタの１／４以下のサイズの第二のトランジスタからなる第二の出力段を有する第二の増幅回路と、該第一の出力段より前方の該第一の増幅回路における信号ラインと接地端子との間に接続され、かつ、容量素子を介して該第一の出力段のベース端子と交流的に接続されたスイッチ回路と、該第一の増幅回路の入力線及び該第二の増幅回路の入力線を相互に接続してなる入力端子と、該第一の増幅回路の出力線及び該第二の増幅回路の出力線を相互に接続してなる出力端子とを備え、
該第一の増幅回路は、該スイッチ回路がオフ状態でかつ該第二の増幅回路が非動作状態のときに第一の出力レベルの高周波信号を該出力端子に出力するものであり、
該第二の増幅回路は、該スイッチ回路がオン状態でかつ該第一の増幅回路が非動作状態のときに該第一の出力レベルより低い第二の出力レベルの高周波信号を該出力端子に出力するものである
ことを特徴とする高周波電力増幅器。 - 増幅すべき高周波信号が入力される入力端子と、
増幅された高周波信号が出力される出力端子と、
該入力端子に入力された信号を増幅する第一のトランジスタ、該第一のトランジスタの出力信号を増幅する第二のトランジスタ、該第一のトランジスタの出力と該第二のトランジスタの入力の間に接続された第一の整合回路、該第二のトランジスタの出力と該出力端子の間に接続された第二の整合回路、及び該第一のトランジスタと該第二のトランジスタとを結合する信号ラインと接地端子との間に接続された少なくとも１個のスイッチ回路を有する第一の増幅回路と、
該入力端子に入力された高周波信号を増幅する第三のトランジスタ、該第三のトランジスタの出力信号を増幅する第四のトランジスタ、該第三のトランジスタの出力と該第四のトランジスタの入力の間に接続された第三の整合回路、及び該第四のトランジスタの出力と該出力端子の間に接続された第四の整合回路を有する第二の増幅回路とを備え、
該第四のトランジスタは、該第二のトランジスタの１／４以下のサイズを有し、
上記第一及び第二のトランジスタは、上記第三及び第四のトランジスタを非動作状態にしかつ該少なくとも１個のスイッチ回路をオフにしたとき、第一の電力レベルの高周波信号を出力するものであり、
上記該第三及び第四のトランジスタは、上記第一及び第二のトランジスタを非動作状態にしかつ該少なくとも１個のスイッチ回路をオンにしたとき、該第一の電力レベルより小さい第二の電力レベルの高周波信号を出力するものであることを特徴とする高周波電力増幅器。 - 増幅すべき高周波信号が入力される入力端子と、
増幅された高周波信号が出力される出力端子と、
該入力端子に入力された信号を増幅する第一のトランジスタ、該第一のトランジスタの出力信号を増幅する第二のトランジスタ、該第一のトランジスタの出力と該第二のトランジスタの入力の間に接続された第一の整合回路、該第二のトランジスタの出力と出力端子の間に接続された第二の整合回路、及び該第二のトランジスタの入力端子又は第一の整合回路中の信号ノードと接地端子の間に接続された少なくとも１個のスイッチ回路を有する第一の増幅回路と、
該入力端子に入力された高周波信号を増幅する第三のトランジスタ、該第三のトランジスタの出力信号を増幅する第四のトランジスタ、該第三のトランジスタの出力と該第四のトランジスタの入力の間に接続された第三の整合回路、及び該第四のトランジスタの出力と該出力端子の間に接続された第四の整合回路を有する第二の増幅回路とを備え、
該第四のトランジスタは、該第二のトランジスタの１／４以下のサイズを有し、
上記第一及び第二のトランジスタは、上記第三及び第四のトランジスタを非動作状態にしかつ該少なくとも１個のスイッチ回路をオフにしたとき、第一の電力レベルの高周波信号を出力するものであり、
上記第三及び第四のトランジスタは、上記第一及び第二のトランジスタを非動作状態にしかつ該少なくとも１個のスイッチ回路をオンにしたとき、該第一の電力レベルより小さい第二電力レベルの高周波信号を出力するものであることを特徴とする高周波電力増幅器。 - 請求項２又は請求項３記載の高周波電力増幅器において、上記第一乃至第四のトランジスタがヘテロ接合バイポーラトランジスタであることを特徴とする高周波電力増幅器。
- 請求項２又は請求項３記載の高周波電力増幅器において、上記第一乃至第四のトランジスタが電界効果トランジスタであることを特徴とする高周波電力増幅器。
- 請求項２又は請求項３記載の高周波電力増幅器において、上記第一及び上記第二のトランジスタ並びに上記少なくとも１個のスイッチ回路が同一の半導体チップ上のヘテロ接合バイポーラ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電力増幅器。
- 同一絶縁基板上に請求項１乃至請求項３のいずれか一に記載の高周波電力増幅器が形成されてなることを特徴とする高周波電力増幅器モジュール。
- 請求項７記載の高周波電力増幅器モジュールを具備したことを特徴とするＣＤＭＡ（Code Division Multiple Access）システム用の携帯電話機。
- 請求項７記載の高周波電力増幅器モジュールをＣＤＭＡ（Code Division Multiple Access）システム用に具備したことを特徴とする複合システム用の携帯電話機。
- 請求項２記載の高周波電力増幅器において、上記第一乃至第四のトランジスタ及び上記少なくとも１個のスイッチ回路の動作を制御するための動作モード切替端子と動作バイアス調整端子とを具備し、
第一の電力レベルの高周波信号を出力するときには、該動作モード切替端子に低レベルの電圧を印加し、該動作バイアス調整端子に高レベルである所望の電圧を印加することにより、上記第一及び第二のトランジスタが動作状態になり、更に上記第三及び第四のトランジスタが非動作状態になりかつ上記少なくとも１個のスイッチ回路がオフになり、
第二の電力レベルの高周波信号を出力するときには、該動作モード切替端子に高レベルの電圧を印加し、該動作バイアス調整端子に高レベルである所望の電圧を印加することにより、上記第三及び第四のトランジスタが動作状態になりかつ上記少なくとも１個のスイッチ回路がオンになり、更に上記第一及び第二のトランジスタが非動作状態になり、
待機時には、該動作モード切替端子及び該動作バイアス調整端子の双方に低レベルの電圧を印加することにより、上記第一乃至第四のトランジスタが非動作状態になりかつ上記少なくとも１個のスイッチ回路がオフになることを特徴とする高周波電力増幅器。
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