JP2004040769A - バイアス電流制御回路を含む電力増幅器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】移動通信端末機用電力増幅器は、増幅用トランジスタQ1、バイアス回路101及びバイアス電流制御回路103を含み、増幅用トランジスタQ1は前記移動通信端末機の出力信号を生成し、バイアス回路101はバイアス用トランジスタQ2,Q3を含み、増幅用トランジスタQ1をバイアスするバイアス電流を出力し、バイアス電流制御回路103は制御信号に応じてバイアス電流を調節することにより増幅用トランジスタの動作電流を制御し、前記制御信号は、前記移動通信端末機の前記出力信号の電力レベルにより定められる。本発明によるバイアス電流制御回路103は、出力電力レベルが低い時、増幅用トランジスタのバイアス電流及び動作電流を減少させることにより、結果的に電力付加効率を向上させる。
【選択図】 図3
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は電力増幅器に関し、より詳しくは、本発明は増幅器の動作電流を効果的に減少させることにより、電力付加効率(power added efficiency:PAE)を向上させることのできるバイアス電流制御回路を含む電力増幅器に関する。
【0002】
【従来の技術】
周知のように、電力増幅器は無線通信端末機において、電力を多く消費する部品の1つである。図1及び2は、通常的なCDMA無線通信端末機に用いられる従来の電力増幅器モジュールを示す。
【0003】
図1の電力増幅器は、増幅回路にバイアス回路101が加えられた構造を有する。増幅回路は、エミッタが接地されている増幅用トランジスタQ1と、一端部にはVccが供給され、他端部はQ1のコレクタに連結されているインダクタLと、Q1のコレクタとRF_OUT端子との間にある出力コンデンサCoと、RF_IN端子とQ1のベースとの間にある入力コンデンサCiとを含む。
【0004】
バイアス回路101は、電流ミラー(current mirror)構造を有し、バイアス用トランジスタQ2及びQ3、抵抗Rbias、R2及びR3を含む。Q2のコレクタには基準電圧Vrefが供給され、Q3のエミッタは接地されており、Rbiasの一端部にはVrefが供給され、Rbiasの他端部はQ2のベース及びQ3のコレクタに連結されており、R2の一端部はQ3のベースに連結されており、R2の他端部はQ2のエミッタに連結されており、R3の一端部はCiとQ1のベースとの間のノードに連結されており、R3の他端部はQ2のエミッタに連結されている。
【0005】
図2の電力増幅器は、図1の増幅回路にバイアス回路102が加えられた構造を有する。バイアス回路102は電流ミラー構造を有し、バイアス用トランジスタQbiasと、エミッタベースダイオード(コレクタとベースが連結されているバイポーラトランジスタ)D1及びD2と、抵抗Rbiasとを含む。QbiasのコレクタにはVrefが供給され、D1のアノードはQbiasのベースに連結されており、D2のアノードはD1のカソードに連結されており、D2のカソードは接地されており、Rbiasの一端部にはVrefが供給され、Rbiasの他端部はD1のアノードに連結されている。
【0006】
図1及び図2を参照すれば、Vrefが一定の値を有する時、Q1のバイアス電流(Q1のベース電流のDC成分)IBは、出力電力に関わらず固定される。換言すれば、バイアス回路101または102が出力電力に関わらず一定のバイアス電流を供給することにより、Q1の動作電流になる静止電流、即ちQ1のコレクタ電流のDC成分ICも一定になる。
【0007】
最大出力電力は、このような電力増幅器の最も重要な性能特性のうちの1つである。しかし、このような電力増幅器は、最大出力電力(例えば、28dBm)で動作する場合が少なく、主に低出力レベル(例えば、16dBm以下)で動作する。従って、CDMA電力増幅器の電力付加効率(power added efficiency:PAE)を増加させるためには、低出力レベルで動作電流が減少するように動作電流を制御する必要がある。
【0008】
バイアスを制御する回路を付加してPAEを増加させる多様の方法が知られている。例えば、T. Sato et al.,“Intelligent RF power module using automatic bias control(ABC)system for PCS CDMA applications”、IEEE MTT−S Int. Microwave Simp. Dig., 1998、pp.201−204には、Vrefを調節して低出力レベルでバイアス電流を減少させるABC(automatic bias control)システムが提示されている。しかし、ABCシステムは、電力増幅器が内蔵されているMMIC(monolithic microwave integrated circuit)とは別に付加的なABCチップを必要とするため、電力増幅器モジュールの大きさは増加するようになる。
【0009】
他の例として、包絡線検波(envelope detection)に基づき、動的電源電圧及び電流を調節する方式が提案されており、これはdc−dcコンバータ、包絡線検波器及びカップラのような付加的な構成要素が必要である(例えば、M. Ranjan etal.,“Microwave power amplifiers with digitally−controlled power supplyvoltage for high efficiency and high linearity”, IEEE MTT−S Int. Microwave Simp. Dig., 2000, pp. 493−496、及びYang Kyounghoon et al.,“High efficiency class−A power amplifiers with a dual−bias−control scheme”, IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 47, pp. 1426−1432, Aug. 1999参照)。しかし、このような構成の場合、その構成要素の大きさ及び複雑性のため、付加的な構成要素(即ち、dc−dcコンバータ、包絡線検波器及びカップラ)をMMIC内に電力増幅器とともに集積するのは難しい。
【0010】
前述のように、CDMA電力増幅器のバイアスを制御する従来技術は、チップの大きさ及び電力消費を増加させる付加的な要素が必要であるという問題点を有している。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、チップの大きさ及び電力消費をほとんど増加させない移動通信端末機用バイアス電流制御回路を含む電力増幅器モジュールを提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
このような目的を実現するために、本発明による移動通信端末機用電力増幅器は、増幅用トランジスタ、バイアス回路及びバイアス電流制御回路を含み、増幅用トランジスタは前記移動通信端末機の出力信号を生成し、バイアス回路はバイアス用トランジスタを含み、増幅用トランジスタをバイアスするバイアス電流を出力し、バイアス電流制御回路は制御信号に応じてバイアス電流を調節することにより増幅用トランジスタの動作電流を制御し、前記制御信号は前記移動通信端末機の前記出力信号の電力レベルにより定められる。
【0013】
【発明の実施の形態】
図3には本発明による電力増幅器が示されており、図1の電力増幅器に本発明の第1実施例によるバイアス電流制御回路103が付加されている。
バイアス電流制御回路103は、電流ミラー構造を有し、制御用トランジスタQ4、補助トランジスタQ5及び抵抗Rmode1、Rmode2を含む。Q4のコレクタはR1とQ3との間のノードに連結されており、Q5のエミッタは接地されており、Rmode1の一端部には制御電圧Vmodeが供給され、Rmode1の他端部はQ4のベース及びQ5のコレクタに連結されており、Rmode2の一端部はQ4のエミッタ及びQ5のベースに連結されており、Rmode2の他端部は接地されている。Q4のコレクタは、R1とQ3のコレクタとの間のノードに連結されることにより、バイアス回路101に新しい電流経路を付加することと同様の役割をする。バイアス回路101からバイアス電流制御回路103に流れるバイパス電流IQ4は、Vmode、Rmode1及びRmode2により定められる。
【0014】
制御電圧Vmodeは、通常的なCDMA移動通信端末機に内蔵されているモバイルステーションモデム(mobile station modem:MSM)チップにより供給されるので、制御電圧Vmodeをバイアス電流制御回路103に供給するための付加的な回路は必要ではない。例えば、図5及び6に示すVmodeは出力電力Poutが16dBmより高い時(高出力電力モード)にはロー(low)、即ち約0V〜0.45Vであり、出力電力Poutが16dBm以下である時(低出力モード)にはハイ(high)、即ち約2.85V〜3.3Vである。
【0015】
Poutが高出力電力モードになる時、Vmodeはロジックロー(約0V〜0.45V)になるので、トランジスタQ4及びQ5はオフ(OFF)になる。この場合、バイアス回路101からバイアス電流制御回路103に電流が流れないので、図3の電力増幅器は図1に示す従来の電力増幅器と等価になる。
【0016】
Poutが低出力電力モードになる時、Vmodeはロジックハイ(約2.85V〜3.3V)になるので、トランジスタQ4及びQ5はオン(on)になる。この場合、バイアス電流制御回路103がバイアス回路101から電流IQ4を引っ張ることにより、抵抗R1を通じて流れる電流IR1が増加し、R1の両端間の電圧降下が大きくなる。従って、Q2のベース電位が下降することにより、Q2のベースに印加される電流が減少し、結果的にIB及びICが減少する。
【0017】
図4には本発明による電力増幅器が示されており、図2の電力増幅器に本発明の第1実施例によるバイアス電流制御回路103が付加されている。図4のバイアス電流制御回路103は、図3のバイアス電流制御回路103と同一である。図示のように、Q4のコレクタは、RbiasとD1との間のノードに連結されている。後述のように、図4の電力増幅器は、図3の電力増幅器と同様の方式で作動する。
【0018】
Poutが高出力になる時、Vmodeはロー電圧(約0V〜0.45V)を印加するので、トランジスタQ4及びQ5はオフになる。この場合、バイアス回路102からバイアス電流制御回路103に電流が流れないので、図4に示す電力増幅器は図2に示す従来の電力増幅器と等価になる。
【0019】
Poutが低出力になる時、Vmodeはハイ電圧(約2.85V〜3.3V)を印加するので、トランジスタQ4及びQ5はオンになる。この場合、バイアス電流制御回路103がバイアス回路102から電流IQ4を引っ張ることにより、抵抗Rbiasを通じて流れる電流IRが増加し、Rbiasの両端間の電圧降下が大きくなる。従って、Qbiasのベース電位が降下することにより、Qbiasのベースに印加される電流が減少し、結果的にIB及びICが減少する。
【0020】
図7には、本発明による電力増幅器が図示されており、図1の電力増幅器に本発明の第2実施例によるバイアス電流制御回路104が付加されている。
【0021】
バイアス電流制御回路104は電流ミラー構造を有し、制御用トランジスタQ6、エミッタベースダイオードD3及びD4、並びに抵抗Rmode3及びRmode4を含む。Q6のコレクタはR1とQ3との間に連結されており、D3のアノードはQ6のベースに連結されており、D4のアノードはD3のカソードに連結されており、D4のカソードは接地されており、Rmode3の一端部には制御電圧Vmodeが供給され、Rmode3の他端部はQ6のベース及びD3のアノードに連結されており、Rmode4の一端部はQ6のエミッタに連結されており、Rmode4の他端部は接地されている。Q6のコレクタはR1とQ3のコレクタとの間のノードに連結されることにより、バイアス回路101に新しい電流経路を付加したのと同じ役割をする。バイアス回路101からバイアス電流制御回路104に流れる電流IQ6は、Vmode、Rmode3及びRmode4により定められる。
【0022】
図3の電力増幅器と同様に、Poutが高出力で、Vmodeがロー(約0V〜0.45V)である時、トランジスタQ6はオフになる。この場合、バイアス回路101からバイアス電流制御回路104に電流が流れないので、図7の電力増幅器は図1に示す従来の電力増幅器と等価になる。
【0023】
同様に、低出力電力モードではVmodeがハイ(約2.85V〜3.3V)になるので、トランジスタQ6はオンになる。この場合、バイアス電流制御回路104がバイアス回路101から電流IQ6を引っ張ることにより、抵抗R1を通じて流れる電流IR1が増加し、R1の両端間の電圧降下が大きくなる。従って、Q2のベース電位が下降することにより、Q2のベースに印加される電流が減少し、結果的にIB及びICが減少する。
【0024】
図8には、本発明による電力増幅器が図示されており、図2の電力増幅器に本発明の第2実施例によるバイアス電流制御回路104が付加されている。図8のバイアス電流制御回路104は、図7のバイアス電流制御回路104と同じである。図8において、Q6のコレクタはRbiasとD1との間のノードに連結されている。後述のように、図8の電力増幅器は図7の電力増幅器と同じ方式で作動する。
【0025】
Vmodeがロー(約0V〜0.45V)である時、トランジスタQ6はオフになる。この場合、バイアス回路102からバイアス電流制御回路104に電流が流れないので、高出力電力モードが維持される間、図8の電力増幅器は図2に示す従来の電力増幅と等価になる。
【0026】
Vmodeがハイ(約2.85V〜3.3V)である時、トランジスタQ6はオンになる。この場合、バイアス電流制御回路104がバイアス回路102から電流IQ6を引っ張ることにより、抵抗Rbiasを通じて流れる電流IRが増加し、Rbiasの両端間の電圧降下が大きくなる。従って、Qbiasのベース電位が降下することにより、Qbiasのベースに印加される電流が減少し、結果的に低出力電力モードではIB及びICが減少する。
【0027】
前述のように、本発明はバイアス電流制御回路を含む電力増幅器を提供し、前記バイアス電流制御回路は出力電力レベルが低い時、増幅用トランジスタのバイアス電流及び動作電流を減少させることにより、結果的にPAEを向上させる。本発明によるバイアス電流制御回路は、2つの抵抗及び2〜3個のトランジスタのみを用いて具現することができるので、チップの大きさ及び電力消費をあまり増加させず、通常的なMMICチップ内に電力増幅器とともに集積することができる。
【0028】
図9は、本発明によるバイアス電流制御回路を含むMMIC電力増幅器のPAEを示すグラフである。このグラフにおいて、PAEは出力電力が16dBmである時1.3倍増加する。
【0029】
通常的なMSMチップにより印加される制御電圧Vmodeは、高出力電力モード(または低出力電力モード)が維持される間にも一定の値を維持するのではなく、0.45Vの範囲内で変動する。Q1の静止電流は、このような変動により影響をあまり受けないのが好ましい。実験によると、本発明による電力増幅器において、Vmodeが0.45Vの範囲内で変動する時、ICの変動幅は1.5mA以下の小さい値を有する。
【0030】
制御電圧Vmodeは、前述とは異なる方式で設定することができる。例えば、移動通信端末機の構成により、低出力電力モードである時Vmodeがロジックローになり、高出力電力モードである時Vmodeがロジックハイになるように設定することができる。ロジックロー及びロジックハイ電圧範囲も前述した実施例での0V〜0.45V及び2.85V〜3.3Vとは相違するように設定することができる。同様に、低出力電力モードと高出力電力モードとの間の境界値も必ずしも16dBmである必要はなく、他の値を有することもできる。出力電力の最大値も28dBmと異なる値を有することもできる。
【0031】
例えば、Vmode端子にインバータを付加するか、バイアス電流制御回路にP型トランジスタを用いるなどの変更は、該当技術分野における当業者にとって本発明の前述した実施例から容易に想到することができる。
【0032】
上記において、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明の請求範囲を逸脱することなく、当業者は種々の改変をなし得るであろう。
【0033】
【発明の効果】
従って、本発明はバイアス電流制御回路を含む電力増幅器を提供し、前記バイアス電流制御回路は出力電力レベルが低い時、増幅用トランジスタのバイアス電流及び動作電流を減少させることにより、結果的にPAEを向上させる。本発明によるバイアス電流制御回路は、2つの抵抗及び2〜3個のトランジスタのみを用いて具現することができるので、チップの大きさ及び電力消費をあまり増加させず、通常的なMMICチップ内に電力増幅器とともに集積することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】増幅用トランジスタQ1にバイアス電流IBを印加するバイアス回路101を含む従来の電力増幅器を示す回路図である。
【図2】増幅用トランジスタQ1にバイアス電流IBを印加するバイアス回路102を含む他の従来の電力増幅器を示す回路図である。
【図3】本発明による第1実施例によるバイアス電流制御回路103を含む電力増幅器を示す回路図である。
【図4】本発明による第1実施例によるバイアス電流制御回路103を含む電力増幅器を示す回路図である。
【図5】本発明による電力増幅器の静止電流ICを出力電力Poutに対する関数で示すグラフである。
【図6】本発明による電力増幅器の制御電圧Vmodeを出力電力Poutに対する関数で示すグラフである。
【図7】本発明の第2実施例によるバイアス電流制御回路104を含む電力増幅器を示す回路図である。
【図8】本発明の第2実施例によるバイアス電流制御回路104を含む電力増幅器を示す回路図である。
【図9】本発明によるPAE向上を説明するグラフである。
【符号の説明】
101、102…バイアス回路 103、104…バイアス電流制御回路
Claims (9)
- 移動通信端末機用電力増幅器であって、
前記移動通信端末機の出力信号を生成する増幅用トランジスタと、
バイアス用トランジスタを含み、前記増幅用トランジスタをバイアスするバイアス電流を出力するバイアス回路と、
制御信号に応じて前記バイアス電流を調整し、前記増幅用トランジスタの動作電流を制御するバイアス電流制御回路とを含み、
前記制御信号は、前記移動通信端末機の前記出力信号の電力レベルにより定められることを特徴とする移動通信端末機用電力増幅器。 - 前記バイアス電流制御回路は、電流ミラー構造を有することを特徴とする請求項1に記載の移動通信端末機用電力増幅器。
- 前記バイアス電流制御回路は、前記制御信号に応じて前記バイアス回路からバイパス電流を引っ張ることにより、前記バイアス電流を減少させる手段を含むことを特徴とする請求項1に記載の移動通信端末機用電力増幅器。
- 前記移動通信端末機は高出力電力モード及び低出力電力モードのうち1つのモードで動作し、
前記バイアス電流は前記移動通信端末機が前記低出力電力モードにある時、減少することを特徴とする請求項3に記載の移動通信端末機用電力増幅器。 - 前記制御信号は、前記移動通信端末機が高出力電力モードにある時、第1論理レベルであり、前記移動通信端末機が低出力電力モードにある時、第2論理レベルであることを特徴とする請求項4に記載の移動通信端末機用電力増幅器。
- 前記バイパス電流を引っ張る前記手段は制御用トランジスタを含み、
前記制御用トランジスタは、前記制御信号が前記第1論理レベルである時にはオフされ、前記制御信号が前記第2論理レベルである時にはオンされることにより、前記バイパス電流が前記制御用トランジスタを通じて流れるようにすることを特徴とする請求項5に記載の移動通信端末機用電力増幅器。 - 前記制御信号は、前記低出力電力モードでロジックハイであり、前記高出力電力モードでロジックローであることを特徴とする請求項6に記載の移動通信端末機用電力増幅器。
- 前記バイアス電流制御回路は、補助トランジスタ、第1抵抗及び第2抵抗をさらに含み、
前記補助トランジスタのエミッタは接地されており、
前記第1抵抗の第1端部には前記制御信号が供給され、前記第1抵抗の第2端部は前記制御用トランジスタのベースと前記補助トランジスタのコレクタとの間のノードに連結されており、
前記第2抵抗の第1端部は前記制御用トランジスタのエミッタと前記補助トランジスタのベースとの間のノードに連結されており、前記第2抵抗の第2端部は接地されていることを特徴とする請求項7に記載の移動通信端末機用電力増幅器。 - 前記バイアス電流制御回路は第1ダイオード、第2ダイオード、第1抵抗及び第2抵抗をさらに含み、
前記第1ダイオード及び前記第2ダイオードは、カソード及びアノードを含み、バイポーラ接合トランジスタのコレクタとベースを連結することで具現され、前記第2ダイオードのカソードは接地されており、前記第2ダイオードのアノードは前記第1ダイオードのカソードに連結されており、
前記第1抵抗の第1端部には前記制御信号が供給され、前記第1抵抗の第2端部は前記制御用トランジスタのベースと前記第1ダイオードのアノードとの間のノードに連結されており、
前記第2抵抗の第1端部は前記制御用トランジスタのエミッタに連結されており、前記第2抵抗の第2端部は接地されていることを特徴とする請求項7に記載の移動通信端末機用電力増幅器。
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