JP2002151982A - 高周波電力増幅回路及び無線通信機並びに無線通信システム - Google Patents

高周波電力増幅回路及び無線通信機並びに無線通信システム

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JP2002151982A
JP2002151982A JP2000347853A JP2000347853A JP2002151982A JP 2002151982 A JP2002151982 A JP 2002151982A JP 2000347853 A JP2000347853 A JP 2000347853A JP 2000347853 A JP2000347853 A JP 2000347853A JP 2002151982 A JP2002151982 A JP 2002151982A
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Koichi Matsushita
孔一 松下
Tomio Furuya
冨男 古屋
Tetsuaki Adachi
徹朗 安達
Hitoshi Akamine
均 赤嶺
Nobuhiro Matsudaira
信洋 松平
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Hitachi Information Technology Co Ltd
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Hitachi Ltd
Hitachi Communication Systems Inc
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 基地局からのパワーコントロール信号を使用
せずパワー制御する。 【解決手段】 送信用の高周波電力増幅回路と、高周波
電力増幅回路の出力を検出する検出手段と、検出手段に
よって得た情報を用いて高周波電力増幅回路の出力を制
御する自動出力制御回路とを有する無線通信機であっ
て、高周波電力増幅回路は、入力端子と出力端子との間
に接続された複数個の増幅段を有する増幅系と、各増幅
段のトランジスタにバイアスを供給するバイアス回路と
を有し、最終増幅段を除く増幅段にバイアスを供給する
バイアス回路は、複数の抵抗素子で構成され、入力され
るパワー制御信号を複数の抵抗により分圧して形成した
分圧電圧を増幅段の制御端子に供給し、バイアス電圧が
ローパワーモード用の線形特性を示し、最終増幅段にバ
イアスを供給するバイアス回路はバイアス電圧がハイパ
ワーモード用の非線形特性を示す回路を示すものとな
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は高周波電力増幅回路
(高周波回路モジュール)及びその高周波回路モジュー
ルを組み込んだ無線通信機並びに無線通信システムに関
し、特に高周波電力増幅器(パワーアンプ)の出力を高
精度に制御して安定した出力で通信する無線通信技術に
適用して有効な技術に関する。
【0002】
【従来の技術】自動車電話,携帯電話機等の無線通信機
(移動通信機)の送信機の送信側出力段には、MOSF
ET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Trans
istor)やGaAs−MES(Metal Semiconductor)F
ET等を多段に組み込んだ増幅器(パワーアンプ)が組
み込まれている。
【0003】一般に、携帯電話機(携帯端末)では使用
環境に合わせて基地局からのパワーコントロール信号に
よって周囲環境に適応するように出力を変えて通話を行
い、他の携帯電話機との間で混信を生じさせないような
システムが構築されている。
【0004】高周波電力増幅器(高周波パワーアンプ)
については、日経BP社発行「日経エレクトロニクス」
1997年1月27日号、P115〜P126に記載されている。この
文献には、北米の900MHz帯のセルラ方式携帯電話
の標準方式や欧州のGSM(Global System for Mobile
Communications)方式について記載されている。
【0005】また、日立評論社発行「日立評論」Vol.7
9,No.11(1997)、P63〜P68には「ディジタルセルラ規
格“GSM/EGSM”用高周波部アナログ信号処理I
C」について記載されている。この文献には方向性結合
器(カップラ)によるパワー検出信号によってパワーア
ンプモジュールを制御するブロック図が開示されてい
る。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】デジタル携帯電話シス
テム(セルラ電話システム)では、図17に示すよう
に、他との混信を避けるため、基地局1のアンテナ2か
ら移動端末(携帯電話機)3のアンテナ4に向かって、
発信パワーを交信に必要な最小限の出力となるようにパ
ワーコントロール信号が送られる。このパワーコントロ
ール信号は、ハイレベルパワー信号5やローレベルパワ
ー信号6で構成される。
【0007】移動端末では、上記コントロール信号に基
づいて動作する自動出力制御(APC:Automatic Powe
r Control)回路によって、送信側出力段の高周波パワ
ーアンプの制御端子に印加するパワー制御信号Vapcを
変化させて出力(パワー)を調整している。
【0008】携帯電話機は高出力利得、高効率と同時に
低出力時の消費電流の低減が望まれている。しかし、全
ての出力レベル範囲に亘ってこれらを満足することは難
しい。このため、現在は高周波パワーアンプの特性を外
部制御部により出力レベル29dBm付近を境にしてロ
ーパワーモードとハイパワーモードに切替え、低出力時
の消費電流低減と効率の向上を実現している。
【0009】図18及び図19は3個のトランジスタ
(MOSFET:Metal Oxide Semiconductor Field Ef
fect Transistor)を順次従属接続した3段増幅構成の
高周波パワーアンプを示す回路図である。各増幅段を構
成するトランジスタ、即ち、初段トランジスタ(1stT
r),2段トランジスタ(2ndTr)及び3段トランジ
スタ(3rdTr)はいずれもNチャンネルトランジスタ
(NMOS)で構成される。
【0010】高周波入力信号RFinが供給される入力端
子10は接合容量(容量素子)C10を介して1stTr
のゲート端子に接続され、1stTrの出力端子となるド
レイン端子は接合容量(容量素子)C11を介して2nd
Trのゲート端子に接続され、2ndTrの出力端子とな
るドレイン端子は接合容量(容量素子)C12を介して
3rdTr(最終段トランジスタ)のゲート端子に接続さ
れ、3rdTrのドレイン端子は出力端子11に接続さ
れ、出力端子11から高周波出力信号RFoutを出力す
る構成になっている。
【0011】パワー制御信号Vapcはコントロール端子
12から各段のトランジスタ(1stTr,2ndTr,3
rdTr)の制御端子となるゲート端子に供給される。各
トランジスタのゲート端子に印加されるバイアス電圧
は、1stTrではパワー制御信号電圧Vapcを抵抗(抵
抗素子)R1と抵抗(抵抗素子)R2の分圧比によって
得た分圧電圧を印加し、2ndTrではパワー制御信号電
圧Vapcを抵抗(抵抗素子)R3と抵抗(抵抗素子)R
4の分圧比によって得た分圧電圧を印加する。
【0012】3rdTrでは、パワー制御信号電圧Vapc
を抵抗(抵抗素子)R5(例えば、10kΩ)と抵抗
(抵抗素子)R6(例えば、30kΩ)の分圧比によっ
て得た電圧を印加するが、二つのトランジスタQ11,
Q12を組み込んでさらに制御する回路構成になってい
る。スイッチトランジスタとなるトランジスタQ11は
ソース端子がグランドに接地され、ドレイン端子が上記
抵抗R6に接続される。トランジスタQ12はゲート端
子がトランジスタQ11のドレイン端子に接続され、ド
レイン端子が3rdTrのゲート端子に接続され、ソース
端子がグランド(GND)に接地される。
【0013】各段のトランジスタ(1stTr,2ndT
r,3rdTr)のドレイン端子は第1基準電圧端子(電
源電圧端子)13に接続され、電源電圧Vddが供給され
るようになっている。
【0014】そして、基地局1からハイレベルパワー信
号(Hレベル)が送られてくると、このハイレベルパワ
ー信号によってトランジスタQ11が動作し、トランジ
スタQ12のゲート端子はグランド電位になるため、図
3に示すように非線形特性となるVg3high-mode特性を
示す。
【0015】これに対して、基地局1からローレベルパ
ワー信号(Lレベル)が送られてくると、このローレベ
ルパワー信号によってトランジスタQ11は動作しない
ため、トランジスタQ12のゲート端子は抵抗R5と抵
抗R6の分圧点の電位となり、トランジスタQ12はO
Nする。この結果、3rdTrゲート電位は、図3に示す
ように、飽和形の特性(非線形特性)となるVg3low-mo
de特性を示す。
【0016】図3の特性図において、領域Aはローレベ
ルパワー信号6に基づくローパワーモード時の電位領域
であり、領域Bはハイレベルパワー信号5に基づくハイ
パワーモード時の電位領域である。
【0017】そこで、本発明者は、高周波パワーレベル
が29dBm近辺となる部分、即ち、パワー制御信号V
apcが1.25V程度の部分で3rdTrゲート電圧がVg
3low-mode(ローパワーモード)からVg3high-mode(ハ
イパワーモード)に移行するような特性をバイアス回路
で形成することを思い立ち本発明をなした。
【0018】本発明の目的は、基地局から送られて来る
パワーコントロール信号を使用することなくハイパワー
モードとローパワーモードの制御が自動的に行える高周
波電力増幅回路及び無線通信機を提供することにある。
【0019】本発明の他の目的は、出力特性を高精度に
制御することができる高周波電力増幅回路を提供するこ
とにある。
【0020】本発明の他の目的は、出力特性を高精度に
制御し、安定した通信を行うことができる無線通信機を
提供することにある。
【0021】本発明の前記ならびにそのほかの目的と新
規な特徴は、本明細書の記述および添付図面からあきら
かになるであろう。
【0022】
【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下
記のとおりである。
【0023】(1)送信用の高周波電力増幅回路と、上
記高周波電力増幅回路の出力を検出する検出手段と、上
記検出手段によって得た情報を用いて上記高周波電力増
幅回路の出力を制御する出力制御回路(自動出力制御回
路)とを有する無線通信機であって、上記高周波電力増
幅回路は、入力端子と出力端子との間に接続された複数
個の増幅段を有する増幅系と、上記各増幅段のトランジ
スタにバイアスを供給するバイアス回路とを有し、上記
複数個の増幅段のうち上記出力端子に結合されている第
1増幅段(最終増幅段)を除く増幅段にバイアスを供給
するバイアス回路は、複数の抵抗素子で構成され、入力
されるパワー制御信号を複数の抵抗素子により分圧して
形成した分圧電圧を増幅段の制御端子に供給し、バイア
ス電圧がローパワーモード用の線形特性を示し、上記第
1増幅段(最終増幅段)にバイアスを供給するバイアス
回路はバイアス電圧がハイパワーモード用の非線形特性
を示す回路を示すものとなる。
【0024】上記最終増幅段のバイアス回路は、上記パ
ワー制御信号における電圧を分圧して形成した分圧電圧
を上記最終増幅段の制御端子に供給する分圧回路と、制
御端子が上記分圧回路の分圧点に接続され、第2端子が
グランドに接続され、第1端子が上記分圧点よりも電位
が低くなる側に設けられた上記抵抗素子に接続される制
御トランジスタからなる。
【0025】基地局を介して無線通信機間で無線通信を
行う無線通信システムであって、上記基地局は上記各無
線通信機にパワーコントロール信号を送信する設備を持
たず、上記各無線通信機は上記パワーコントロール信号
によることなくパワーモードを制御するパワーモード制
御手段を有している。パワーモード制御手段は、上記高
周波電力増幅回路の上記最終増幅段に供給するバイアス
回路によって構成されている。
【0026】即ち、上記無線通信機は送信用の高周波電
力増幅回路と、上記高周波電力増幅回路の出力を検出す
る検出手段と、上記検出手段によって得た情報を用いて
上記高周波電力増幅回路の出力を制御する自動出力制御
回路とを有し、上記高周波電力増幅回路は、入力端子
と、出力端子と、パワー制御信号を受けるコントロール
端子と、上記入力端子と上記出力端子との間に接続され
た複数個の増幅段を有する増幅系と、上記コントロール
端子に接続され、上記コントロール端子に供給されるパ
ワー制御信号に対して非線形特性を示すバイアスを上記
最終増幅段に供給するバイアス回路を有し、上記最終増
幅段に供給するバイアス回路によって上記パワーモード
制御手段が構成されている。
【0027】(2)上記(1)の構成において、最終増
幅段のバイアス回路は、上記パワー制御信号電圧を複数
の抵抗素子により分圧して形成した分圧電圧を上記最終
増幅段の制御端子に供給する分圧回路と、制御端子が上
記分圧回路の分圧点に接続され、第2端子がグランドに
接続され、第1端子が上記分圧点よりも電位が低くなる
側に設けられた上記抵抗素子に接続される制御トランジ
スタと、上記最終増幅段のトランジスタの制御端子に制
御端子が接続され、第1端子からカレントセンス電圧を
出力するカレントセンス用トランジスタとからなってい
る。
【0028】前記(1)の手段によれば、(a)高周波
電力増幅回路においては、最終増幅段のバイアス回路の
パワー制御信号Vapcに対する3rdTrゲート電圧が
1.25V付近で非線形から線形特性に変化する。これ
は、あたかも基地局からパワーコントロール信号を受け
てローパワーモードからハイパワーモードに出力が切り
替わるのと同様な作用となる。
【0029】(b)上記(a)から、基地局から受ける
パワーコントロール信号の処理部が不要となり、無線通
信機における部品点数の削減が可能になる。
【0030】(c)従来の高周波電力増幅回路では、高
周波電力増幅回路を構成する半導体チップにおいて、パ
ワーモード切り替えスイッチ部は、高周波電力増幅回路
を構成する半導体チップにモノリシックに形成されてい
るが、本発明の高周波電力増幅回路ではパワーコントロ
ール信号(パワーモード制御信号)の受入れが不要にな
ることから、半導体チップ上のスイッチトランジスタと
その入力信号用端子(パッド)が不要となり、半導体チ
ップのチップ面積の削減が可能となる。
【0031】(d)上記(c)により、半導体チップの
チップ面積の削減が可能となることから、半導体チップ
の小型化が達成できる。
【0032】(e)上記(d)により、高周波電力増幅
回路を構成する半導体チップの小型化が達成できること
から、一枚の半導体基板(ウエハ)から取得する半導体
チップ数の数量の増大を図ることができ、歩留りの向上
が図れるとともに、半導体チップの低コスト化が達成で
きる。
【0033】(f)パワーモード切り替えが不要となる
ことから、無線通信システムにおいて、全ての携帯電話
機をパワーモード切り替え不要型とすることにより、基
地局にはパワーコントロール信号を送信する設備が不要
となり、基地局側の負担が軽減できる。
【0034】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。なお、発明の実施の形態を
説明するための全図において、同一機能を有するものは
同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【0035】(実施形態1)図1乃至図7は本発明の一
実施形態(実施形態1)である高周波電力増幅回路(高
周波回路モジュール)及び無線通信機に係わる図であ
る。高周波回路モジュールとは、本明細書では少なくと
も高周波電力増幅器(高周波パワーアンプ:PA)を含
むモジュールである。
【0036】高周波回路モジュール(高周波電力増幅回
路)は、図示はしないが、配線基板の上面にキャップが
重ねられ、外観的には偏平な矩形体構造になっている。
また、配線基板の下面から側面に亘って外部電極端子が
それぞれ設けられ、表面実装型となっている。外部電極
端子は、入力端子,出力端子,コントロール端子,第1
基準電圧端子(電源電圧端子),第2基準電圧端子(グ
ランド:GND)等からなる。上記配線基板には、トラ
ンジスタ等を形成した半導体チップ,チップ抵抗(抵抗
素子)及びチップコンデンサ(容量素子)等が搭載さ
れ、所定の電極と配線はソルダーまたはワイヤで接続さ
れている。
【0037】また、高周波回路モジュールは単一の増幅
系を有する構成または複数の通信システムに対応できる
ように複数の増幅系を組み込んだ構成になっている。複
数の増幅系を有する構成あるいは機能を追加した構成で
は、外部電極端子の種類は当然にして増大する。このよ
うな高周波回路モジュールは無線通信機、例えば携帯電
話機(携帯端末:移動端末)に組み込まれてセルラ電話
システムで使用される。
【0038】図1は本発明に係わる高周波電力増幅回路
の等価回路図である。本実施形態1の高周波電力増幅回
路20は、3個のトランジスタ(MOSFET)を順次
従属接続した3段増幅構成の高周波パワーアンプとなっ
ている。各増幅段を構成するトランジスタ、即ち、初段
トランジスタ(1stTr),2段トランジスタ(2ndT
r)及び3段トランジスタ(3rdTr)はいずれもNチ
ャンネルトランジスタ(NMOS)で構成されている。
【0039】高周波入力信号RFinが供給される入力端
子10は接合容量(容量素子)C10を介して1stTr
のゲート端子に接続され、1stTrの出力端子となるド
レイン端子は接合容量(容量素子)C11を介して2nd
Trのゲート端子に接続され、2ndTrの出力端子とな
るドレイン端子は接合容量(容量素子)C12を介して
3rdTr(最終段トランジスタ)のゲート端子に接続さ
れ、3rdTrのドレイン端子は出力端子11に接続さ
れ、出力端子11から高周波出力信号RFoutを出力す
る構成になっている。
【0040】パワー制御信号Vapcはコントロール端子
12から各段のトランジスタ(1stTr,2ndTr,3
rdTr)の制御端子となるゲート端子に供給される。各
トランジスタのゲート端子に印加されるバイアス電圧
は、1stTrではパワー制御信号電圧Vapcを抵抗(抵
抗素子)R1と抵抗(抵抗素子)R2の分圧比によって
得た分圧電圧を印加し、2ndTrではパワー制御信号電
圧Vapcを抵抗(抵抗素子)R3と抵抗(抵抗素子)R
4の分圧比によって得た分圧電圧を印加する。
【0041】3rdTrでは、パワー制御信号電圧Vapc
を抵抗(抵抗素子)R7(例えば、8kΩ)と抵抗(抵
抗素子)R8(例えば、15kΩ)の分圧比によって得
た分圧電圧を印加するが、トランジスタQ15を組み込
んでさらに制御する回路構成になっている。トランジス
タQ15はゲート端子(制御端子)が抵抗R7と抵抗R
8の分圧点と接続され、ドレイン端子(第1端子)が抵
抗R8に接続され、ソース端子(第2端子)がグランド
(GND)に接続されている。
【0042】各段のトランジスタ(1stTr,2ndT
r,3rdTr)のドレイン端子は第1基準電圧端子(電
源電圧端子)13に接続され、電源電圧Vddが供給され
るようになっている。
【0043】このような高周波電力増幅回路20は、図
2のグラフに示すように、パワー制御信号Vapcが1.
1V程度までは3rdTrゲート電圧はVg3low-mode特性
と同じ特性を示すが、1.1V程度から3rdTrゲート
電圧の増加傾向が大きくなり、1.25V程度からゲー
ト電圧は所定電圧低いがVg3high-mode特性に類似する
特性を示す。
【0044】図2の領域Aは、基地局から移動端末に向
けて送られるパワーコントロール信号によって選択され
るローパワーモードでのゲート電圧状態を示すものであ
るが、本実施形態1の高周波電力増幅回路20では、基
地局から移動端末に向けて送られるパワーコントロール
信号がなくても、バイアス回路によってローパワーモー
ド時の出力を出せることになる。このことは領域Bのハ
イパワーモード域においても同様であり、基地局から移
動端末に向けて送られるパワーコントロール信号がなく
ても、バイアス回路によってハイパワーモード時の出力
を出せることになる。
【0045】図3は3rdTrの電流〔A〕とパワー制御
信号Vapc〔V〕との相関を示すグラフ、図4はパワー
制御信号Vapc〔V〕と高周波電力増幅回路20の出力
〔dBm〕と相関を示すグラフ、図5は高周波電力増幅
回路20の出力〔Pout:dBm〕と効率〔%〕との相
関を示すグラフである。
【0046】図4に示すように、0dBm出力のときの
Vapcは1V程度になる。Vapcが1Vのときのハイモー
ド時の3rdTr電流は、図3に示すように、250mA
程度であるが、本発明による高周波電力増幅回路では1
00mA程度と大幅に低下し、消費電流の低減を図るこ
とができる。
【0047】図2のグラフではA領域の特性(3rdTr
電流)は、本発明の場合ではVg3high-modeよりも低い
が、図4に示すように、パワーには悪い影響がなく、パ
ワーはHigh-mode(Vg3high-mode)と略同じ程度にな
る。効率は、図5に示すように、High-modeよりも高く
なる。
【0048】図6は本実施形態1のようなパワーモード
制御手段を有し、かつ増幅系を二つ有するデュアルバン
ド用高周波電力増幅回路20aを組み込んだ携帯電話機
(移動端末)の一部のブロック図である。図6のブロッ
ク図はベースバンド信号処理部からアンテナまでの部分
を示す図である。
【0049】図6において、デュアルバンド用高周波電
力増幅回路20aの外部電極端子は図示しないが、送信
系dの入力端子,出力端子及び増幅系jの3段の増幅段
j1,j2,j3の出力コントロールを行うためのパワ
ー制御信号Vapcを供給するコントロール端子を有す
る。また、外部電極端子として送信系eの入力端子,出
力端子及び増幅系kの3段の増幅段k1,k2,k3の
出力コントロールを行うためのパワー制御信号Vapcを
供給するコントロール端子を有する。また、両増幅系
j,kの共通外部電極端子として電源電圧端子とグラン
ド端子を有する。
【0050】増幅段j1,j2,j3及び増幅段k1,
k2,k3はそれぞれトランジスタ(1stTr,2ndT
r,3rdTr)で構成されている。そして、増幅系j,
kはそれぞれ図1に示す回路構成になっている。
【0051】携帯電話機3は、図6に示すように、ベー
スバンド信号処理部25を有する。ベースバンド信号処
理部25には高周波信号処理部26が接続されている。
また、アンテナ4はデュプレクサ(duplexer)35に接
続されている。そして、ベースバンド信号処理部25と
デュプレクサ35との間に2系統の通信系(送信系dと
受信系f、送信系eと受信系g)を有し、二つの通信シ
ステム(デュアルバンド通信方式)に使用できるもので
ある。
【0052】一方の通信システムは送信系dと受信系f
で構成される。送信系dは高周波信号処理部26に接続
されるデュアルバンド用高周波電力増幅回路20aの増
幅系j(増幅段j1,j2,j3)、増幅系jに接続さ
れるフィルタ28d、フィルタ28dとデュプレクサ3
5との間に接続配置されるスイッチ29dを有する。ま
た、増幅系jの出力を検出するために、検出手段として
カップラ27dが増幅系jの出力側の線路に設けられて
いる。このカップラ27dの出力は自動出力制御回路
(APC)30dに入力される。また、このAPC30
dにはベースバンド信号処理部25から基準信号が入力
されるようになっている。そして、比較によって得られ
た出力が増幅系jの各増幅段j1,j2,j3のトラン
ジスタ(1stTr,2ndTr,3rdTr)のゲート端子
(制御端子)に供給されるようになっている。
【0053】受信系fはスイッチ29dに接続されるフ
ィルタ31fと、このフィルタ31fに接続され高周波
信号処理部26に出力する低雑音増幅器(LNA)32
fを有する。
【0054】他方の通信システムは送信系eと受信系g
で構成される。送信系eは高周波信号処理部26に接続
されるデュアルバンド用高周波電力増幅回路20aの増
幅系k(増幅段k1,k2,k3)、増幅系kに接続さ
れるフィルタ28e、フィルタ28eとデュプレクサ3
5との間に接続配置されるスイッチ29eを有する。ま
た、増幅系kの出力を検出するために、検出手段として
カップラ27eが増幅系kの出力側の線路に設けられて
いる。このカップラ27eの出力は自動出力制御回路
(APC)30eに入力される。また、このAPC30
eにはベースバンド信号処理部25から基準信号が入力
されるようになっている。そして、比較によって得られ
た出力が増幅系kの各増幅段k1,k2,k3のトラン
ジスタ(1stTr,2ndTr,3rdTr)のゲート端子
(制御端子)に供給されるようになっている。
【0055】受信系gはスイッチ29eに接続されるフ
ィルタ31gと、このフィルタ31gに接続され高周波
信号処理部26に出力する低雑音増幅器(LNA)32
gを有する。
【0056】デュプレクサ35による切り替えによって
二つの通信システムのうち一方、または他方の通信シス
テムが選択されて通信が行われる。また、それぞれの通
信システムにおいては、送信受信切替スイッチ信号によ
ってスイッチ29dまたはスイッチ29eが動作して、
送信または受信が選択される。
【0057】このような携帯電話機では、基地局からの
パワーコントロール信号を使用しなくても、バイアス回
路によって、例えば、29dBm付近を境として大きい
領域(領域B)では出力パワーはハイパワーモードとな
り、小さい領域(領域A)では出力パワーはローパワー
モードとなる。
【0058】従って、特に図示して説明はしないが、基
地局を介して無線通信機間で無線通信を行う無線通信シ
ステムにおいて、各携帯電話機に上記のようなパワーモ
ードを制御するパワーモード制御手段を設けておけば、
基地局は各無線通信機にパワーコントロール信号を送信
する設備を設けなくてもよいことになり、基地局の設備
の軽減が図れることになる。
【0059】本実施形態1によれば以下の効果を有す
る。
【0060】(1)高周波電力増幅回路20において
は、最終増幅段を構成するトランジスタのバイアス回路
のパワー制御信号Vapcに対する3rdTrゲート電圧が
1.25V付近で非線形から線形特性に変化する。これ
は、あたかも基地局からパワーコントロール信号を受け
てローパワーモードからハイパワーモードに出力が切り
替わるのと同様な作用となる。
【0061】(2)上記(1)から、携帯電話機(無線
通信機)においては、基地局から受けるパワーコントロ
ール信号の処理部が不要となり、携帯電話機における部
品点数の削減が可能になる。従って、携帯電話機の小型
化が図れるとともに、コストの低減が達成できる。
【0062】(3)従来の高周波電力増幅回路では、高
周波電力増幅回路を構成する半導体チップにおいて、パ
ワーモード切り替えスイッチ部は、高周波電力増幅回路
を構成する半導体チップにモノリシックに形成されてい
るが、本発明の高周波電力増幅回路ではパワーコントロ
ール信号(パワーモード制御信号)の受入れが不要にな
ることから、半導体チップ上のスイッチトランジスタと
その入力信号用端子(パッド)が不要となり、半導体チ
ップのチップ面積の削減が可能となる。
【0063】(4)上記(3)により、半導体チップの
チップ面積の削減が可能となることから、半導体チップ
の小型化が達成できる。
【0064】(5)上記(4)により、高周波電力増幅
回路を構成する半導体チップの小型化が達成できること
から、一枚の半導体基板(ウエハ)から取得する半導体
チップ数の数量の増大を図ることができ、歩留りの向上
が図れるとともに、半導体チップの低コスト化が達成で
きる。
【0065】(6)パワーモード切り替えが不要となる
ことから、無線通信システムにおいて、全ての携帯電話
機をパワーモード切り替え不要型とすることにより、基
地局にはパワーコントロール信号を送信する設備が不要
となり、基地局側の負担が軽減できる。
【0066】(実施形態2)図7及び図8は本発明の他
の実施形態(実施形態2)に係わる図である。本実施形
態2は、実施形態1において、高周波電力増幅回路の出
力を検出する検出手段がカップラと異なる検出手段とな
っている点が異なる。即ち、本実施形態2では、高周波
電力増幅回路(高周波回路モジュール)については、実
施形態1と同様の回路構成からなる高周波電力増幅回路
20bにカレントセンス回路40を設けた点が異なる。
【0067】カレントセンス回路40は、最終段トラン
ジスタ(3rdTr)と、この3rdTrを形成する半導体
チップにモノリシックに形成するカレントセンス用トラ
ンジスタQ17とによって構成されている。即ち、カレ
ントセンス用トランジスタQ17のゲート端子は3rdT
rのゲート端子に接続され、ソース端子はグランドに接
地され、ドレイン端子は検出電流を高周波電力増幅回路
の外部電極端子に出力する構成になっている。また、カ
レントセンス用トランジスタQ17は3rdTrの1/N
の大きさになっている。従って、カレントセンス用トラ
ンジスタQ17には3rdTrと相関のとれたドレイン電
流が流れる。
【0068】携帯電話機では、図7に示すように、自動
出力制御回路(APC)30を有している。本実施形態
2では電流を電圧に変換するI−V変換回路45を設
け、このI−V変換回路45の出力信号をAPC30に
入力し、APC30に入力されるパワー指定信号との差
分をパワー制御信号Vapcと出力するようになってい
る。
【0069】I−V変換回路45はドレイン端子がいず
れも電源電圧Vddに接続され、ゲート端子同士が相互に
接続されたカレントミラー構成の二つのPMOSからな
るトランジスタQ21,Q22と、抵抗(抵抗素子)R
15とによって構成されている。トランジスタQ22の
ドレイン端子はカレントセンス用トランジスタQ17の
ドレイン端子に接続されている。トランジスタQ21の
ドレイン端子はトランジスタQ21のゲート端子に接続
されるとともに、APC30に接続されている。また、
トランジスタQ21のドレイン端子は抵抗R15を介し
てグランドに接続されている。
【0070】この結果、3rdTrにDC信号(バイアス
電圧)とAC信号が掛かると、カレントセンス用トラン
ジスタQ17のゲート端子にも電圧が掛かり、カレント
センス用トランジスタQ17に3rdTrに対応したドレ
イン電流が流れる。このドレイン電流はI−V変換回路
45の抵抗R15によって電圧に変換されてAPC30
にフィードバックされる。
【0071】従って、3rdTrの電流変化に対応するパ
ワー制御信号VapcがAPC30から出力され、高周波
電力増幅回路を構成する各増幅段のトランジスタが制御
され、実施形態1の場合と同様に図2に示すような本発
明による特性を得ることができる。
【0072】図8は本実施形態2によるデュアルバンド
用の携帯電話機の一部を示すブロック図である。図8の
ブロック図は図6のブロック図において、カップラが不
要になり、高周波電力増幅回路20bの各増幅系j,k
が直接フィルタ28d,28eに接続される構成になる
とともに、増幅系j,kの最終増幅段j3,k3のトラ
ンジスタ3rdTrのゲート端子にゲート端子が接続され
るカレントセンス用トランジスタQ17j,Q17kの
ドレイン電流が電圧に変換されてAPC30d,30e
にフィードバックされる点が異なる。
【0073】このような携帯電話機3によれば、基地局
から送られてくるパワーコントロール信号を使用しなく
ても、自動的にパワーコントロールができ、消費電力を
節約しつつ良好な通話ができるようになる。
【0074】ここでカレントセンス方式について検討し
た結果について、図9〜図15を参照しながら説明す
る。図9(a),(b)は検波器の数の違いによる3rd
Trの出力(パワー)と検波電流との相関を示す特性図
である。図9(a)は、検波器を二つ用意して、パワー
に応じて検波器を選択して使用する例である。これに対
して、図9(b)は一つの検波器で3rdTrのパワーを
検出する例である。
【0075】検波器を二つ用意して、パワーに対応して
検波器を使用する構成では、電流変化ΔIの変化率が大
きく、検波電流を高精度に検出することができる。
【0076】本発明によるパワーモード制御手段を有す
る携帯電話機では、図10に示すように、検波器が二つ
の場合を合わせた特性になっている。検波感度的には、
小パワー時検波器が二つある場合に及ばないが、検波感
度が急激には低下せず実用可能な範囲である。従って、
パワーにより検波器を切り替える必要はなくなる。
【0077】ばらつきについて考察してみると、ばらつ
きが関係してくるのは、ハイパワーモード及びローパワ
ーモードがある場合と、本発明による自動切替時を比較
した時である。ハイパワーモード時は、図11に示すよ
うに、ゲート電位はVapc電位を抵抗分割したものが加
わっているため、温度等により閾電圧値Vthが変化する
と、それがそのままドレイン電流Idの変化になり検波
電流も同様に変化する。パワー大時はトランジスタ(3
rdTr)が飽和しているため、図12に示すように、検
波電流変動が小さくなる。ローパワーモード時は、図1
3に示すように、3rdTr及びトランジスタQ15並び
にカレントセンス用トランジスタQ17はカレントミラ
ー回路を構成するので、3rdTrのドレイン電流Id及
びカレントセンス用トランジスタQ17のドレイン電流
Isence共、温度変化によるVthばらつきの影響は、図
14に示すように小さい。
【0078】図14はローパワーモード時のパワーと検
波電流との相関を示すものである。特性曲線は平行な2
本の線で示してあるが、これは変動は零ではないので微
小間隔の2本の線で示してある。
【0079】本発明による自動切替の場合の検波電流変
動は、図15に示すような特性を示す。この特性図にお
いても、変動は零ではないことから2本線で示してあ
る。
【0080】以上のことから、検波感度においては、本
発明のように自動切替構成にすると、検波感度が急激に
低下しないため検波器を切り替えない構成でもよいこと
が分かる。また、検波電流ばらつきにおいては、本発明
のような自動切替構成にすると、3rdTrのドレイン電
流Idの変動が小さいため、カレントセンス用トランジ
スタQ17のドレイン電流Isenceの変動も小さい。
【0081】図16は本実施形態2の変形例であるI−
V変換回路を含む回路図である。I−V変換回路45a
は差動増幅器46と、この差動増幅器46の差動2入力
端子間に抵抗(抵抗素子)R25を接続した構成になっ
ている。差動2入力端子のうちの高電位側の端子は電源
電圧Vddに接続され、低電位側の端子はカレントセンス
用トランジスタQ17のドレイン端子に接続されてい
る。差動増幅器46の出力端にはフィードバック電圧が
出力され、このフィードバック電圧は図示しないAPC
に入力される。
【0082】この変形例においても前記実施形態2と同
様にパワー制御信号Vapcの変動に伴って、あたかも基
地局からパワーコントロール信号を受けてローパワーモ
ードからハイパワーモードに出力が切り替わるのと同様
に自動切替を行うことができる。
【0083】以上本発明者によってなされた発明を実施
形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施形
態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範
囲で種々変更可能であることはいうまでもない、たとえ
ば、実施形態では増幅段を構成トランジスタとして電界
効果トランジスタを用いた例について説明したが、トラ
ンジスタとしては、シリコンバイポーラトランジスタ,
SiGeFETトランジスタ,GaAs−MESFE
T,高電子移動度トランジスタ(HEMT),ヘテロバ
イポーラトランジスタ(HBT)等他のトランジスタで
も同様に適用でき、同様の効果を得ることができる。
【0084】
【発明の効果】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
記のとおりである。
【0085】(1)基地局から送られて来るパワーコン
トロール信号を使用することなくハイパワーモードとロ
ーパワーモードの制御が自動的に行える高周波電力増幅
回路及び無線通信機を提供することができる。即ち、携
帯電話機においては、基地局から受けるパワーコントロ
ール信号の処理部が不要となり、携帯電話機における部
品点数の削減が可能になる。従って、携帯電話機の小型
化が図れるとともに、コストの低減が達成できる。
【0086】(2)出力特性を高精度に制御できる小型
でかつ安価な高周波電力増幅回路を提供することができ
る。
【0087】(3)出力特性を高精度に制御し、安定し
た通信を行うことができる無線通信機を提供することが
できる。
【0088】(4)パワーモード切り替えが不要となる
ことから、無線通信システムにおいて、全ての携帯電話
機をパワーモード切り替え不要型とすることにより、基
地局にはパワーコントロール信号を送信する設備が不要
となり、基地局側の負担が軽減できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態(実施形態1)である高周
波電力増幅回路の等価回路図である。
【図2】パワー制御信号Vapcと3rdTrゲート電圧と
の相関を示すグラフである。
【図3】パワー制御信号Vapcと3rdTrの電流との相
関を示すグラフである。
【図4】パワー制御信号Vapcと高周波電力増幅回路2
0の出力との相関を示すグラフである。
【図5】高周波電力増幅回路の出力(Pout)と効率と
の相関を示すグラフである。
【図6】本実施形態1のようなパワーモード制御手段を
有し、かつ増幅系を二つ有する高周波電力増幅回路を組
み込んだ携帯電話機(移動端末)の一部のブロック図で
ある。
【図7】本発明の他の実施形態(実施形態2)である高
周波電力増幅回路の等価回路図である。
【図8】本実施形態2による携帯電話機の一部を示すブ
ロック図である。
【図9】検波器の数の違いによる3rdTrの出力(パワ
ー)と検波電流との相関を示す特性図である。
【図10】本発明によるパワーモード制御手段を有する
例を含むパワーと検波電流との相関を示すグラフであ
る。
【図11】ハイパワーモード時の3rdTrのバイアス部
分を含む等価回路図である。
【図12】ハイパワーモード時のVthばらつきによる検
波電流変動のグラフである。
【図13】ローパワーモード時の3rdTrのバイアス部
を含む等価回路図である。
【図14】ローパワーモード時のVthばらつきによる検
波電流変動のグラフである。
【図15】ローパワーモード時のVthばらつきによる検
波電流変動のグラフである。
【図16】本実施形態2の変形例であるI−V変換回路
を含む回路図である。
【図17】基地局と移動端末を含む無線通信システムを
示す模式図である。
【図18】スイッチトランジスタにハイレベルパワー信
号が供給された状態の従来の高周波電力増幅回路の等価
回路図である。
【図19】スイッチトランジスタにローレベルパワー信
号が供給された状態の従来の高周波電力増幅回路の等価
回路図である。
【符号の説明】
1…基地局、2…アンテナ、3…移動端末(携帯電話
機)、4…アンテナ、5…ハイレベルパワー信号、6…
ローレベルパワー信号、10…入力端子、11…出力端
子、12…コントロール端子、13…第1基準電圧端子
(電源電圧端子)、20…高周波電力増幅回路、20
a,20b…デュアルバンド用高周波電力増幅回路、2
5…ベースバンド信号処理部、26…高周波信号処理
部、27d,27e…カップラ、28d,28e…フィ
ルタ、29d,29e…スイッチ、30d,30e…自
動出力制御回路(APC)、31f,31g…フィル
タ、32f,32g…低雑音増幅器(LNA)、35…
デュプレクサ、40…カレントセンス回路、45,45
a…I−V変換回路、46…差動増幅器。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 古屋 冨男 東京都小平市上水本町五丁目20番1号 株 式会社日立製作所半導体グループ内 (72)発明者 安達 徹朗 東京都小平市上水本町五丁目20番1号 株 式会社日立製作所半導体グループ内 (72)発明者 赤嶺 均 東京都小平市上水本町五丁目20番1号 株 式会社日立製作所半導体グループ内 (72)発明者 松平 信洋 神奈川県横浜市戸塚区戸塚町180番地 日 立通信システム株式会社内 Fターム(参考) 5J069 AA01 AA41 CA00 CA87 CA92 FA10 HA06 HA10 HA11 HA12 HA24 HA25 HA29 HA32 HA38 KA00 KA02 KA09 KA12 KA27 KA28 KA41 KA55 KA68 MA08 MA21 SA14 TA01 TA02 5J091 AA01 AA41 CA00 CA87 CA92 FA10 HA06 HA10 HA11 HA12 HA24 HA25 HA29 HA32 HA38 KA00 KA02 KA09 KA12 KA27 KA28 KA41 KA55 KA68 MA08 MA21 SA14 TA01 TA02 UW08 5J100 AA02 AA24 BA03 BB02 BC02 CA02 CA05 CA21 DA07 EA02 FA01 5K060 HH06 HH11 JJ02 JJ04 JJ08 JJ16 KK06 LL01 LL25

Claims (19)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】入力端子と、 出力端子と、 パワー制御信号を受けるコントロール端子と、 上記入力端子と上記出力端子との間に接続された複数個
    の増幅段を有する増幅系と、 上記コントロール端子に接続され、上記コントロール端
    子に供給されるパワー制御信号に対して非線形特性を示
    すバイアスを、上記複数個の増幅段のうち上記出力端子
    に結合されている第1増幅段に供給するバイアス回路を
    有する高周波電力増幅回路。
  2. 【請求項2】上記バイアス回路は、 上記パワー制御信号の絶対値電圧が所定の値より小さい
    領域では少なくとも一部で非線形特性を示し、 上記所定パワー制御信号の絶対値電圧が上記所定の値よ
    り大きい領域では線形特性を示すことを特徴とする請求
    項1に記載の高周波電力増幅回路。
  3. 【請求項3】上記バイアス回路は、 上記パワー制御信号における電圧を複数の抵抗素子によ
    り分圧比して形成した分圧電圧を上記第1増幅段の制御
    端子に供給する分圧回路と、 制御端子が上記分圧回路の分圧点に接続され、第2端子
    がグランドに接続され、第1端子が上記分圧点よりも電
    位が低くなる側に設けられた抵抗素子に接続される制御
    トランジスタとを含むことを特徴とする請求項1に記載
    の高周波電力増幅回路。
  4. 【請求項4】上記バイアス回路は、 上記パワー制御信号における電圧を分圧して形成した分
    圧電圧を上記第1増幅段の制御端子に供給する分圧回路
    と、 制御端子が上記分圧回路の分圧点に接続され、第2端子
    がグランドに接続され、第1端子が上記分圧点よりも電
    位が低くなる側に設けられた抵抗素子に接続される制御
    トランジスタと、 上記第1増幅段のトランジスタの制御端子にその制御端
    子が接続され、その第1端子からカレントセンス電圧を
    出力するカレントセンス用トランジスタとを含むことを
    特徴とする請求項1に記載の高周波電力増幅回路。
  5. 【請求項5】上記第1増幅段を除く増幅段のバイアス
    は、複数の抵抗素子を有し、上記パワー制御信号におけ
    る電圧を上記複数の抵抗素子による分圧で形成された分
    圧電圧であることを特徴とする請求項1に記載の高周波
    電力増幅回路。
  6. 【請求項6】上記増幅系が複数設けられていることを特
    徴とする請求項1に記載の高周波電力増幅回路。
  7. 【請求項7】送信用の高周波電力増幅回路と、 上記高周波電力増幅回路の出力を検出する検出手段と、 上記検出手段によって得た情報を用いて上記高周波電力
    増幅回路の出力を制御する出力制御回路とを有し、 上記高周波電力増幅回路は、 入力端子と、 出力端子と、 パワー制御信号を受けるコントロール端子と、 上記入力端子と上記出力端子との間に接続された複数個
    の増幅段を有する増幅系と、 上記コントロール端子に接続され、上記コントロール端
    子に供給されるパワー制御信号に対して非線形特性を示
    すバイアスを、上記複数個の増幅段のうち上記出力段に
    結合される第1増幅段に供給するバイアス回路を有する
    ことを特徴とする無線通信機。
  8. 【請求項8】上記検出手段は上記高周波電力増幅回路の
    出力を検出するカップラを有し、該カップラの出力信号
    が上記出力制御回路に供給されることを特徴とする請求
    項7に記載の無線通信機。
  9. 【請求項9】上記検出手段は上記高周波電力増幅回路の
    上記第1増幅段に含まれるトランジスタの制御端子にそ
    の制御端子が接続されるカレントセンス用トランジスタ
    を含み、該カレントセンス用トランジスタの出力電流は
    電圧変換されて上記出力制御回路に供給されることを特
    徴とする請求項7に記載の無線通信機。
  10. 【請求項10】上記高周波電力増幅回路の上記バイアス
    回路は、 上記パワー制御信号の絶対値電圧が所定値よりも小さい
    領域では少なくとも一部で非線形特性を示し、 上記パワー制御信号の絶対値電圧が上記所定値よりも大
    きい領域では線形特性を示すことを特徴とする請求項7
    に記載の無線通信機。
  11. 【請求項11】上記高周波電力増幅回路の上記バイアス
    回路は、 上記パワー制御信号における電圧を複数の抵抗素子によ
    り分圧して形成した分圧電圧を上記第1増幅段の制御端
    子に供給する分圧回路と、 その制御端子が上記分圧回路の分圧点に接続され、その
    第2端子がグランドに接続され、その第1端子が上記分
    圧点よりも電位が低くなる側に設けられた抵抗素子に接
    続される制御トランジスタとを含むことを特徴とする請
    求項7に記載の無線通信機。
  12. 【請求項12】上記高周波電力増幅回路の上記第1増幅
    段のバイアス回路は、 上記パワー制御信号における電圧を複数の抵抗素子によ
    り分圧して形成した分圧電圧を上記第1増幅段の制御端
    子に供給する分圧回路と、 その制御端子が上記分圧回路の分圧点に接続され、その
    第2端子がグランドに接続され、その第1端子が上記分
    圧点よりも電位が低くなる側に設けられた抵抗素子に接
    続される制御トランジスタと、 上記第1増幅段のトランジスタの制御端子にその制御端
    子が接続され、その第1端子からカレントセンス電流を
    出力するカレントセンス用トランジスタとを含むことを
    特徴とする請求項7に記載の無線通信機。
  13. 【請求項13】上記高周波電力増幅回路の上記第1増幅
    段を除く増幅段のバイアスは、複数の抵抗素子を含み、
    上記パワー制御信号における電圧を上記複数の抵抗素子
    により形成した分圧電圧であることを特徴とする請求項
    7に記載の無線通信機。
  14. 【請求項14】上記増幅系が複数設けられていることを
    特徴とする請求項7に記載の無線通信機。
  15. 【請求項15】基地局を介して無線通信機間で無線通信
    を行う無線通信システムであって、上記基地局は上記各
    無線通信機にパワーコントロール信号を送信する設備を
    持たず、上記各無線通信機は上記パワーコントロール信
    号によることなくパワーモードを制御するパワーモード
    制御手段を有していることを特徴とする無線通信システ
    ム。
  16. 【請求項16】上記無線通信機は送信用の高周波電力増
    幅回路と、 上記高周波電力増幅回路の出力を検出する検出手段と、 上記検出手段によって得た情報を用いて上記高周波電力
    増幅回路の出力を制御する出力制御回路とを有し、 上記高周波電力増幅回路は、 入力端子と、 出力端子と、 パワー制御信号を受けるコントロール端子と、 上記入力端子と上記出力端子との間に接続された複数個
    の増幅段を有する増幅系と、 上記コントロール端子に接続され、上記コントロール端
    子に供給されるパワー制御信号に対して非線形特性を示
    すバイアスを上記複数個のの増幅段のうち上記出力端子
    に結合される第1増幅段へ供給するバイアス回路を有
    し、 上記第1増幅段に供給するバイアス回路によって上記パ
    ワーモード制御手段を構成することを特徴とする請求項
    15に記載の無線通信システム。
  17. 【請求項17】上記検出手段は上記高周波電力増幅回路
    の出力を検出するカップラを有し、該カップラの出力信
    号が上記出力制御回路に入力することを特徴とする請求
    項16に記載の無線通信システム。
  18. 【請求項18】上記検出手段は上記高周波電力増幅回路
    の第1増幅段に含まれるトランジスタの制御端子にその
    制御端子が接続されるカレントセンス用トランジスタを
    含み、該カレントセンス用トランジスタの出力電流は電
    圧変換され上記出力制御回路に供給されることを特徴と
    する請求項16に記載の無線通信システム。
  19. 【請求項19】上記増幅系が複数設けられていることを
    特徴とする請求項15に記載の無線通信システム。
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