JP2014209672A

JP2014209672A - 電力増幅器

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Publication number: JP2014209672A
Application number: JP2013085783A
Authority: JP
Inventors: 滋生山部; Shigeo Yamabe; 宮下　美代; Miyo Miyashita; 美代宮下; 山本　和也; Kazuya Yamamoto; 和也山本; 小林　大介; Daisuke Kobayashi; 大介小林; 茂藤原; Shigeru Fujiwara
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-04-16
Filing date: 2013-04-16
Publication date: 2014-11-06
Anticipated expiration: 2033-04-16
Also published as: JP6372030B2

Abstract

【課題】トランジスタの動作級などの他の特性を変化させることなく利得を調整することができる電力増幅器を得る。【解決手段】バイアス端子Ｔ１，Ｔ２にはそれぞれバイアスが供給される。トランジスタＭ１のゲートはバイアス端子Ｔ１に接続され、ソースは接地されている。トランジスタＭ２のゲートはバイアス端子Ｔ２に接続され、ソースはトランジスタＭ１のドレインに接続されている。可変固定容量Ｃｖ１がトランジスタＭ２のゲートと接地点との間に接続されている。【選択図】図１

Description

本発明は、主に携帯電話等の移動体通信用の電力増幅器に関する。

現在、ＣＤＭＡ（Code Division Multiple Access）などの携帯電話用高周波電力増幅器において、コストを低減するためにＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）のカスコードアンプを用いた電力増幅器の開発が活発になってきている。なお、分布増幅器の利得を調整する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。しかし、この技術は高周波電力増幅器の利得を調整するものではない。

特開２００３−９２５２３号公報

従来は、電力増幅器の利得を調整するにはトランジスタのアイドル電流を調整していた。図１６は、アイドル電流と利得とＡＣＬＲの関係を示す図である。このようにアイドル電流を変化させると、利得だけでなく、トランジスタの動作級など変化させたくない特性も変化してしまうという問題があった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的はトランジスタの動作級などの他の特性を変化させることなく利得を調整することができる電力増幅器を得るものである。

本発明に係る電力増幅器は、それぞれバイアスが供給される第１及び第２のバイアス端子と、前記第１のバイアス端子に接続された第１の制御端子と、接地された第１の端子と、第２の端子とを有する第１のトランジスタと、前記第２のバイアス端子に接続された第２の制御端子と、前記第２の端子に接続された第３の端子と、第４の端子とを有する第２のトランジスタと、前記第２の制御端子と接地点との間に接続された可変容量とを備える。

本発明により、トランジスタの動作級などの他の特性を変化させることなく利得を調整することができる。

本発明の実施の形態１に係るカスコードアンプを示す回路図である。本発明の実施の形態１に係る可変抵抗を示す回路図である。本発明の実施の形態１に係る電力増幅器を示す回路図である。可変容量の容量値とカスコードアンプの利得の関係を示す図である。本発明の実施の形態２に係る電力増幅器を示す回路図である。受信帯域雑音と利得の関係を示す図である。本発明の実施の形態３に係るカスコードアンプを示す回路図である。本発明の実施の形態３に係るスイッチを示す回路図である。本発明の実施の形態３に係る電力増幅器を示す回路図である。本発明の実施の形態３に係る電力増幅器の利得の負荷依存性を示す図である。本発明の実施の形態４に係るカスコードアンプを示す回路図である。本発明の実施の形態４に係るスイッチを示す回路図である。本発明の実施の形態５に係る電力増幅器を示す回路図である。可変容量の容量値が一定の場合の温度変化に対する利得を示す図である。本発明の実施の形態６に係る電力増幅器を示す回路図である。アイドル電流と利得とＡＣＬＲの関係を示す図である。

本発明の実施の形態に係る電力増幅器について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るカスコードアンプを示す回路図である。トランジスタＭ１、Ｍ２はｎチャネルＭＯＳトランジスタである。入力端子ＩＮにはＲＦ入力信号が入力され、出力端子ＯＵＴからＲＦ出力信号が出力される。バイアス端子Ｔ１，Ｔ２にはそれぞれバイアスＶｇ１，Ｖｇ２が供給される。電源端子Ｔ３は電源に接続される。

トランジスタＭ１のゲートは、入力整合回路１を介して入力端子ＩＮに接続され、かつバイアス端子Ｔ１に接続される。トランジスタＭ１のソースは接地されている。従って、トランジスタＭ１はソース接地アンプである。トランジスタＭ２のゲートはバイアス端子Ｔ２に接続され、ソースはトランジスタＭ１のドレインに接続されている。トランジスタＭ２のドレインはフィードラインＬ１を介して電源端子Ｔ３に接続され、かつ出力整合回路２を介して出力端子ＯＵＴに接続されている。フィードラインＬ１は特定の電気長を有する線路でインダクタとして作用する。

トランジスタＭ２のゲートと接地点との間に可変容量Ｃｖ１が接続されている。従って、トランジスタＭ２は、ゲートが可変容量Ｃｖ１を介して高周波的に接地されたゲート接地アンプである。トランジスタＭ１とトランジスタＭ２はカスコード接続されている。トランジスタＭ１，Ｍ２と可変容量Ｃｖ１がカスコードアンプＣＡ１を構成する（図１の点線枠内）。

図２は、本発明の実施の形態１に係る可変容量を示す回路図である。固定容量Ｃａ，Ｃｂ，Ｃｃが互いに並列に接続され、それらにそれぞれスイッチＳＷａ，ＳＷｂ，ＳＷｃが直列に接続されている。固定容量Ｃａ，Ｃｂ，ＣｃはＣＭＯＳプロセスで得られるＭＯＳ容量である。スイッチＳＷａ，ＳＷｂ，ＳＷｃを切り替えることで容量値を調整することができる。

図３は、本発明の実施の形態１に係る電力増幅器を示す回路図である。バイアス回路３はバイアス端子Ｔ１，Ｔ２にそれぞれバイアスＶｇ１，Ｖｇ２を供給する。出力電力検知回路４は、電力増幅器の出力線路に設けられた方向性結合器５と、その方向性結合器５に接続された検波器６とを有する。出力電力検知回路４は、カスコードアンプＣＡ１から出力された出力信号の電力を検知して電気信号に変換する。

発振器７がスイッチ８を介してカスコードアンプＣＡ１の入力に接続されている。この発振器７とスイッチ８がＢＩＳＴ（Built-in self test）を構成する。制御回路９のデジタル回路１０がスイッチ８をオンし発振器７を起動することで、発振器７は既知の数ポイントの入力電力を持つテスト信号を発生してカスコードアンプＣＡ１に入力させる。出力電力検知回路４は、カスコードアンプＣＡ１から出力された出力信号の電力を検知する。デジタル回路１０は、既知の数ポイントの入力電力と検知した出力電力に基づいて電力増幅器の初期の利得（異なる数ポイントの利得）を求める。

デジタル回路１０は、求めた初期の利得を、デジタルインターフェイスを介してベースバンドＬＳＩ１１に送信する。ベースバンドＬＳＩ１１は、予め設定値として内部に保持する所望の利得と、デジタル回路１０が求めた初期の利得とを比較することで、デジタルインターフェイスを介して利得の増減指令をデジタル回路１０へ伝送する。メモリ１２は、所望の容量値にセットするために必要な情報を保持する。デジタル回路１０は、カスコードアンプＣＡ１の利得が所望の値になるように可変容量Ｃｖ１の制御電圧ｃｏｎｔを決定し、可変容量Ｃｖ１の容量値を制御する。

図４は、可変容量の容量値とカスコードアンプの利得の関係を示す図である。主に携帯電話の送信周波数に用いられる７００ＭＨｚ〜２ＧＨｚの帯域においては可変容量Ｃｖ１の容量値が大きいほど利得が高くなることがわかる。この関係性を利用し、電圧制御などで可変容量Ｃｖ１の容量値を変化させることにより電力増幅器の歪特性（ＡＣＬＲ）など他の特性への影響を与えることなく利得のみを調整することができる。

本実施の形態では、カスコードアンプＣＡ１の利得が初期状態から所望の値になるように可変容量Ｃｖ１の容量値を制御する。これにより、トランジスタの動作級などの他の特性を変化させることなく利得を調整することができる。このため、電力増幅器内の能動素子や受動素子の製造ばらつきに起因する歪みばらつきを抑制することができる。

なお、本実施の形態では利得調整機能のない増幅器は省略しているが、電力増幅器は多段構成でもよく、利得調整機能のあるカスコードアンプを複数段設けてもよい。

実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２に係る電力増幅器を示す回路図である。実施の形態１の発振器７とスイッチ８の代わりに入力電力検知回路１３が設けられている。入力電力検知回路１３は、電力増幅器の入力線路に設けられた方向性結合器１４と、その方向性結合器１４に接続された検波器１５とを有する。入力電力検知回路１３は、カスコードアンプＣＡ１に入力される入力信号の電力を検知する。制御回路９は、入力信号の電力と出力信号の電力から利得を求め、この求めた利得が任意の動作状態において所望の値になるように可変容量Ｃｖ１の容量値を制御する。

携帯電話などの移動体端末において、受信帯域雑音という利得と相関が見られる重要な特性がある。図６は、受信帯域雑音と利得の関係を示す図である。高周波電力増幅器の受信帯域雑音が大きくなる出力電力が大きな場合においてのみ、電力増幅器の利得を規格値内で低下させるように調整することで、受信帯域雑音を改善することができる。

実施の形態３．
図７は、本発明の実施の形態３に係るカスコードアンプを示す回路図である。ゲート幅の異なるトランジスタＭ２，Ｍ３，Ｍ４が並列に接続されている。トランジスタＭ２，Ｍ３，Ｍ４のゲートと接地点の間にそれぞれ可変容量Ｃｖ１，Ｃｖ２，Ｃｖ３が接続されている。また、トランジスタＭ２，Ｍ３，Ｍ４のソースとトランジスタＭ１のドレインとの間にそれぞれスイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３が接続されている。

ゲート幅の異なるトランジスタＭ２，Ｍ３，Ｍ４をスイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３で切り替え選択することにより、利得の調整範囲を広げるだけでなく、カスコードアンプの出力電力も調整することができ、用途に応じて使い分けることができる。

なお、ここではゲート接地トランジスタを３個配置しているが、ゲート接地トランジスタが複数であればよく、数は問わない。また、トランジスタＭ２，Ｍ３，Ｍ４のゲート幅サイズが異なっていれば利得や出力電力の調整範囲を広くできるが、これらのゲート幅サイズは同一であってもよい。

図８は、本発明の実施の形態３に係るスイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３を示す回路図である。トランジスタＴｒ１のドレインＤにドレインバイアスＶｄが印加され、ゲートにゲート抵抗Ｒ１を介してゲートバイアスＶｇ１が印加されると、ドレインＤとソースＳの間が導通する。

図９は、本発明の実施の形態３に係る電力増幅器を示す回路図である。制御回路９は、スイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３を制御して、ゲート幅の異なるトランジスタＭ２，Ｍ３，Ｍ４の１つを選択してトランジスタＭ１に接続する。これにより、高周波電力増幅器の利得だけでなく、出力電力も所望の値に制御することができる。

携帯電話などの移動体端末において、アンテナのインピーダンスは移動体端末の使用状況により変化する。以前は送信電力増幅器の出力端子からアンテナまでの経路にアイソレータが設けられていたため、アンテナのインピーダンスが変化しても送信電力増幅器の出力負荷インピーダンスは所定のインピーダンス（例えば５０Ω）に固定されていた。しかし、小型化、低コスト化のため近年はアイソレータを配置しないため、アンテナのインピーダンスの変化に伴い送信電力増幅器の出力負荷インピーダンスは変化する。

図１０は、本発明の実施の形態３に係る電力増幅器の利得の負荷依存性を示す図である。本実施の形態により負荷変動に対する高周波電力増幅器の利得の変動量を補償することができるため、任意の出力負荷インピーダンスにおいて一定の利得を得ることができる。

実施の形態４．
図１１は、本発明の実施の形態４に係るカスコードアンプを示す回路図である。トランジスタＭ１，Ｍ２及び可変容量Ｃｖ１からなる前段のカスコードアンプの後に、トランジスタＭ５，Ｍ６及び可変容量Ｃｖ４からなる後段のカスコードアンプがスイッチＳＷ４を介して接続されている。なお、本実施の形態ではカスコードアンプを２段配置しているが、カスコードアンプの段数は問わない。

図１２は、本発明の実施の形態４に係るスイッチＳＷ４を示す回路図である。トランジスタＴｒ２のドレインＤにドレインバイアスＶｄが印加され、ゲートにゲート抵抗Ｒ２を介してゲートバイアスＶｇ２が印加されると、ドレインＤとソースＳ１との間が導通する。トランジスタＴｒ３のドレインＤにドレインバイアスＶｄが印加され、ゲートにゲート抵抗Ｒ３を介してゲートバイアスＶｇ３が印加されるとドレインＤとソースＳ２との間が導通する。

電力増幅器を示す回路図は実施の形態１と同様であるが、制御回路９がスイッチＳＷ４も制御する点が異なる。本実施の形態では、制御回路９は、スイッチＳＷ４を制御して、前段のカスコードアンプを後段のカスコードアンプに接続させるかどうかを切り替える。これにより、前段のカスコードアンプの単段経路と、前段と後段のカスコードアンプの多段経路の何れかを選択することができるため、利得調整範囲を拡大することができる。

実施の形態５．
図１３は、本発明の実施の形態５に係る電力増幅器を示す回路図である。出力線路Ｌ_ＯＵＴがカスコードアンプＣＡ１の出力に接続されている。温度検知回路１６は出力線路Ｌ_ＯＵＴの温度を検知する。制御回路９は、検知された温度に応じて可変容量Ｃｖ１の容量値を制御して利得が所望の値になるようにする。具体的には、制御回路９のデジタル回路１０は、メモリ１２に予め設定された温度特性データと検知された温度に基づいて可変容量Ｃｖ１の容量値を所望の値にセットし、温度変化に対し利得が所望の値になるようにする。

図１４は、可変容量の容量値が一定の場合の温度変化に対する利得を示す図である。温度変化に伴って利得が変化する。そこで、本実施の形態では温度変化に伴う利得の変化を補償することで、温度変化に対する利得の変動を抑制することができる。また、ある温度において任意の利得に調整することもできる。

実施の形態６．
図１５は、本発明の実施の形態６に係る電力増幅器を示す回路図である。可変容量Ｃｖ１の容量値を電圧制御する制御信号が供給される外部端子１７が設けられている。これにより、通信機器用端末基板上に実装後でもユーザーが可変容量Ｃｖ１の容量値を外部から直接調整して、高周波電力増幅器の利得を所望の値に調整することができる。従って、ユーザーの調整によって１つの高周波電力増幅器で異なる利得が得られるため、高周波電力増幅器の品種のバリエーションを抑えられ、開発効率を改善することができる。

４出力電力検知回路、７発振器、９制御回路、１３入力電力検知回路、１６温度検知回路、１７外部端子、Ｃｖ１可変容量、ＣＡ１，ＣＡ２カスコードアンプ、Ｍ１，Ｍ５トランジスタ（第１のトランジスタ）、Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４，Ｍ６トランジスタ（第２のトランジスタ）、Ｔ１バイアス端子（第１のバイアス端子）、Ｔ２バイアス端子（第２のバイアス端子）

Claims

それぞれバイアスが供給される第１及び第２のバイアス端子と、
前記第１のバイアス端子に接続された第１の制御端子と、接地された第１の端子と、第２の端子とを有する第１のトランジスタと、
前記第２のバイアス端子に接続された第２の制御端子と、前記第２の端子に接続された第３の端子と、第４の端子とを有する第２のトランジスタと、
前記第２の制御端子と接地点との間に接続された可変容量とを備えることを特徴とする電力増幅器。
前記第１及び第２のトランジスタと前記可変容量がカスコードアンプを構成し、
前記カスコードアンプの利得が所望の値になるように前記可変容量の容量値を制御する制御回路を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の電力増幅器。
前記カスコードアンプの入力にテスト信号を供給する発振器と、
前記カスコードアンプから出力された出力信号の電力を検知する出力電力検知回路とを更に備え、
前記制御回路は、前記テスト信号の電力と前記出力信号の電力から前記利得を求め、この求めた前記利得が所望の値になるように前記可変容量の容量値を制御することを特徴とする請求項２に記載の電力増幅器。
前記カスコードアンプに入力される入力信号の電力を検知する入力電力検知回路と、
前記カスコードアンプから出力された出力信号の電力を検知する出力電力検知回路とを更に備え、
前記制御回路は、前記入力信号の電力と前記出力信号の電力から前記利得を求め、この求めた前記利得が所望の値になるように前記可変容量の容量値を制御することを特徴とする請求項２に記載の電力増幅器。
前記第２のトランジスタは、ゲート幅の異なる複数のトランジスタを有し、
前記制御回路は、前記複数のトランジスタの１つを選択して前記第１のトランジスタに接続することを特徴とする請求項２〜４の何れか１項に記載の電力増幅器。
前記カスコードアンプは、前段のカスコードアンプと、後段のカスコードアンプとを有し、
前記制御回路は、前記前段のカスコードアンプを前記後段のカスコードアンプに接続させるかどうかを切り替えることを特徴とする請求項２〜４の何れか１項に記載の電力増幅器。
前記カスコードアンプの出力に接続された出力線路と、
前記出力線路の温度を検知する温度検知回路とを更に備え、
前記制御回路は、検知された前記温度に応じて前記可変容量の容量値を制御することを特徴とする請求項２に記載の電力増幅器。
前記可変容量の容量値を制御する制御信号が供給される外部端子を更に備えることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の電力増幅器。