JP2005197860A - High frequency power amplifier circuit - Google Patents

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Yasutaka Nihongi
恭隆 二本木
Fumimasa Morisawa
文雅 森沢
Shoji Suzuki
將司 鈴木
Takashi Soga
高志 曽我
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a high frequency power amplifier circuit where the output power can be controlled to be a desired level by means of a control loop even when the characteristic of a detection transistor is changed due to a temperature change in a wireless communication system wherein the output power of the high frequency power amplifier circuit is detected and feedback control is carried out. <P>SOLUTION: In an output power detection circuit comprising: an output detection transistor Q1 for receiving an AC signal extracted from an output section of the high frequency power amplifier circuit via a coupling capacitance at its control terminal and flowing a current proportional to the output power; a bias generating circuit 223 for giving an operating point to the control terminal of the transistor; current mirror circuits Q2, Q3 for tranferring the current flowing through the output detection transistor; and a current-voltage conversion circuit Q4 for converting the tranferred current into a voltage, the bias generating circuit is provided with a temperature detecting element or an element D1 whose temperature dependence is comparatively conspicuous. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、携帯電話機等の無線通信システムに使用され高周波の送信信号を増幅して出力する高周波電力増幅回路およびそれを組み込んだ電子部品に適用して有効な技術に関し、特に出力電力のフィードバック制御に必要な出力電力の検出回路に利用して有効な技術に関する。   The present invention relates to a high-frequency power amplifier circuit that is used in a radio communication system such as a cellular phone and amplifies a high-frequency transmission signal and outputs the same, and particularly to a technology effective when applied to an electronic component incorporating the same. The present invention relates to a technology that is effective for use in a detection circuit for output power required for the above.

一般に、携帯電話機等の無線通信装置(移動体通信装置)における送信側出力部には、変調後の送信信号を増幅する高周波電力増幅回路が設けられている。従来の無線通信装置においては、ベースバンド回路もしくはマイクロプロセッサ等の制御回路からの送信要求レベルに応じて高周波電力増幅回路の増幅率を制御するため、高周波電力増幅回路もしくはアンテナの出力電力を検出して帰還をかけることが行なわれている(例えば、特許文献1参照)。そして、出力電力の検出は、従来は一般に、カプラや検波回路などを使用して行なっており、検波回路は高周波電力増幅回路とは別個の半導体集積回路またはディスクリートの部品で構成されることが多い。
特開2000−151310号公報
In general, a transmission-side output unit in a wireless communication device (mobile communication device) such as a mobile phone is provided with a high-frequency power amplification circuit that amplifies a modulated transmission signal. In conventional wireless communication devices, the output power of a high-frequency power amplifier circuit or antenna is detected in order to control the amplification factor of the high-frequency power amplifier circuit according to the transmission request level from a control circuit such as a baseband circuit or a microprocessor Thus, a feedback is performed (see, for example, Patent Document 1). Conventionally, the detection of the output power is generally performed using a coupler, a detection circuit, or the like, and the detection circuit is often composed of a semiconductor integrated circuit or a discrete component separate from the high-frequency power amplification circuit. .
JP 2000-151310 A

カプラを使用した従来の高周波電力増幅回路の出力電力検出方式にあっては、カプラ自身の大きさもさることながら、その検出出力を検波するためダイオードが必要であり、高周波電力増幅回路とは別の半導体集積回路や電子部品を数多く使用しているため、モジュールの小型化を困難にしていた。また、カプラを使用すると、電力損失も比較的大きくなるという不具合がある。   In the conventional output power detection method of a high frequency power amplifier circuit using a coupler, a diode is required to detect the detection output in addition to the size of the coupler itself. Since many semiconductor integrated circuits and electronic components are used, it has been difficult to reduce the size of the module. In addition, when a coupler is used, there is a problem that power loss is relatively large.

さらに、近年の携帯電話機においては、880〜915MHz帯の周波数を使用するGSM(Global System for Mobile Communication)と呼ばれる方式の他に例えば1710〜1785MHz帯の周波数を使用するDCS(Digital Cellular System)のような方式の信号を扱えるデュアルバンド方式の携帯電話機が提案されている。かかる携帯電話機に使用される高周波電力増幅モジュール(パワーモジュール)では、出力パワーアンプも各バンドに応じて設けられるため、その出力電力を検出するカプラや検波回路も各バンドに応じてそれぞれ必要になる。そのため、一層モジュールの小型化が困難になる。   Furthermore, in recent mobile phones, in addition to a method called GSM (Global System for Mobile Communication) using a frequency of 880 to 915 MHz, for example, a DCS (Digital Cellular System) using a frequency of 1710 to 1785 MHz is used. Dual-band mobile phones that can handle various types of signals have been proposed. In a high-frequency power amplification module (power module) used in such a cellular phone, an output power amplifier is provided for each band, so that a coupler and a detection circuit for detecting the output power are also required for each band. . Therefore, it becomes difficult to further downsize the module.

無線通信システムにおける高周波電力増幅回路の出力電力検出回路に要求される特性のうち、特に重要な特性は次の5点である。第1に小型であること、第2に高感度であること、第3に挿入損失が低いこと、第4に電源電圧変動や温度変化など使用環境の変化の影響を受けにくいこと、第5に実際の電力増幅回路の出力状態とフィードバック制御による出力制御とのミスマッチにより電力増幅回路に異常な電流が流れたりそれによって電力増幅回路が破壊されないこと、である。従来のカプラを用いた検出方式は、上記第2と第4および第5の特性については、ほぼ要求を満たすものであったが、第1の小型化と第3の低挿入損失に関しては、充分に要求を満たすものではなかった。   Among the characteristics required for the output power detection circuit of the high frequency power amplifier circuit in the radio communication system, the following five points are particularly important characteristics. First, it is small, second is high sensitivity, third is low insertion loss, fourth is less susceptible to changes in the usage environment such as power supply voltage fluctuations and temperature changes, and fifth, This is because an abnormal current flows through the power amplifier circuit due to a mismatch between the actual output state of the power amplifier circuit and the output control by feedback control, and the power amplifier circuit is not destroyed thereby. The detection method using the conventional coupler almost satisfies the requirements for the second, fourth, and fifth characteristics, but the first miniaturization and the third low insertion loss are sufficient. Did not meet the demands.

そこで、本出願人は、カプラを使用しない高周波電力増幅回路の出力電力の検出方式として、高周波電力増幅回路の最終増幅段の後段に接続されたインピーダンス整合回路の途中から容量素子を介して出力電力の交流成分を取り出して出力電力検出回路で検出するようにした発明をなし、先に出願した(特願2003−123040)。   Therefore, the present applicant, as a detection method of the output power of the high frequency power amplifier circuit that does not use a coupler, output power through the capacitive element from the middle of the impedance matching circuit connected to the subsequent stage of the final amplifier stage of the high frequency power amplifier circuit. The present invention was filed earlier (Japanese Patent Application No. 2003-123040).

この先願発明にかかる出力電力検出回路は、カプラを使用する検出方式に比べて小型化や低挿入損失に関しては有利であるが、検出用トランジスタの特性が温度によって変化し出力電力検出回路から出力される検出電圧が温度依存性を有してしまう。その結果、ベースバンド部からの出力レベル指示信号と検出電圧とを比較してその電位差に応じて高周波電力増幅回路のバイアス電圧すなわちゲインを制御するフィードバック制御ループによる正確なパワー制御が行なえなくなり、温度の変化に応じて出力電力が変化してしまうという課題があることが明らかとなった。   The output power detection circuit according to the prior invention is advantageous in terms of downsizing and low insertion loss compared to a detection method using a coupler, but the characteristics of the detection transistor change depending on the temperature and are output from the output power detection circuit. The detected voltage has temperature dependency. As a result, the output level instruction signal from the baseband unit and the detected voltage are compared, and accurate power control by the feedback control loop that controls the bias voltage, that is, gain, of the high-frequency power amplifier circuit according to the potential difference cannot be performed. It has become clear that there is a problem that the output power changes in accordance with the change of.

本発明の目的は、高周波電力増幅回路の出力電力を検出してフィードバック制御を行なう無線通信システムにおいて、温度が変化して検出用トランジスタの特性が変化しても検出出力が変化しないようにすることができる出力電力検出回路を提供することにある。   An object of the present invention is to prevent a detection output from changing even if a temperature changes and a characteristic of a detection transistor changes in a wireless communication system that performs feedback control by detecting output power of a high-frequency power amplifier circuit. It is an object to provide an output power detection circuit capable of

本発明の他の目的は、高周波電力増幅回路の出力電力を検出してフィードバック制御を行なう無線通信システムにおいて、温度が変化して検出用トランジスタの特性が変化しても制御ループによって高周波電力増幅回路の出力電力を所望のレベルになるように制御することができる高周波電力増幅回路およびそれを用いた高周波電力増幅用電子部品を提供することにある。   Another object of the present invention is to provide a radio communication system that performs feedback control by detecting output power of a high frequency power amplifier circuit, and the high frequency power amplifier circuit is controlled by a control loop even when the temperature changes and the characteristics of the detection transistor change. It is an object of the present invention to provide a high frequency power amplifier circuit capable of controlling the output power of the power source to a desired level and an electronic component for high frequency power amplification using the same.

この発明の前記ならびにそのほかの目的と新規な特徴については、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。   The above and other objects and novel features of the present invention will be apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.

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説明すれば、下記のとおりである。
すなわち、高周波電力増幅回路の出力部(最終増幅段から出力端子まで)から結合容量を介して取り出された交流信号を制御端子に受け出力電力に比例した電流を流す出力検出用トランジスタと、該トランジスタの制御端子に動作点を与えるバイアス生成回路と、上記出力検出用トランジスタに流れる電流を転写するカレントミラー回路と、転写された電流を電圧に変換する電流−電圧変換回路とからなる出力電力検出回路において、バイアス生成回路に温度検出素子もしくは温度依存性の比較的顕著な素子を設け、該素子の温度特性を利用して出力検出用トランジスタに流されるバイアス電流を温度に応じて変化させることで、温度が変化しても出力検出用トランジスタの相互コンダクタンスが一定になるようにしたものである。
Outlines of representative ones of the inventions disclosed in the present application will be described as follows.
That is, an output detection transistor that receives an AC signal taken out from an output section (from the final amplification stage to the output terminal) of the high-frequency power amplifier circuit via a coupling capacitor to a control terminal and flows a current proportional to the output power, and the transistor Output power detection circuit comprising: a bias generation circuit for giving an operating point to the control terminal of the output current; a current mirror circuit for transferring the current flowing through the output detection transistor; and a current-voltage conversion circuit for converting the transferred current into a voltage. In the bias generation circuit, a temperature detection element or a temperature-dependent element having a relatively remarkable temperature is provided, and the bias current passed through the output detection transistor is changed according to the temperature using the temperature characteristics of the element. The mutual conductance of the output detection transistor is made constant even when the temperature changes.

上記した手段によれば、温度が変化しても出力検出用トランジスタの相互コンダクタンスが一定にされるため、出力電力検出回路から出力される検出電圧を温度にかかわらずほぼ一定にすることができ、これによって温度が変化しても制御ループによって高周波電力増幅回路の出力電力を所望のレベルになるように制御することができるとともに、カプラの代わりに結合容量と出力検出用トランジスタを含む検波回路を用いて出力電力を検出する回路を構成するようにした場合に、出力検出用トランジスタの特性が温度で変化して検出出力が変化し正しい出力電力制御が行なえなくなるような状態を回避しつつ検出回路の小型化を図ることができる。   According to the above-described means, since the mutual conductance of the output detection transistor is made constant even when the temperature changes, the detection voltage output from the output power detection circuit can be made almost constant regardless of the temperature. As a result, the output power of the high-frequency power amplifier circuit can be controlled to a desired level by the control loop even when the temperature changes, and a detection circuit including a coupling capacitor and an output detection transistor is used instead of the coupler. When the circuit that detects the output power is configured to avoid the situation where the characteristics of the output detection transistor change with temperature, the detection output changes, and correct output power control cannot be performed. Miniaturization can be achieved.

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。
すなわち、本発明に従うと、高周波電力増幅回路の出力部から結合容量を介して入力される交流信号に基づいて出力電力のレベルを検出する出力電力検出回路を備え、該出力電力検出回路の検出出力に基づいて高周波電力増幅回路のバイアス電圧のフィードバック制御を行なう無線通信システムにおいて、温度が変化して検出用トランジスタの特性が変化しても検出電圧が一定となり、温度変化に伴う高周波電力増幅回路の出力電力の変化を防止することができる。
The effects obtained by the representative ones of the inventions disclosed in the present application will be briefly described as follows.
That is, according to the present invention, an output power detection circuit that detects an output power level based on an AC signal input from the output unit of the high-frequency power amplifier circuit via a coupling capacitor is provided, and the detection output of the output power detection circuit In the wireless communication system that performs feedback control of the bias voltage of the high frequency power amplifier circuit based on the detection voltage, the detection voltage becomes constant even if the temperature changes and the characteristics of the detection transistor change. A change in output power can be prevented.

以下、本発明の好適な実施例を図面に基づいて説明する。
図1は、本発明の出力電力検出回路を適用した高周波電力増幅器(以下、パワーモジュールと称する)の実施例を示したものである。なお、本明細書においては、表面や内部にプリント配線が施されたセラミック基板のような絶縁基板に複数の半導体チップとディスクリート部品が実装されて上記プリント配線やボンディングワイヤで各部品が所定の役割を果たすように結合されることであたかも一つの電子部品として扱えるように構成されたものをモジュールと称する。
Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 shows an embodiment of a high frequency power amplifier (hereinafter referred to as a power module) to which the output power detection circuit of the present invention is applied. In this specification, a plurality of semiconductor chips and discrete components are mounted on an insulating substrate such as a ceramic substrate with printed wiring on the surface or inside, and each component has a predetermined role in the printed wiring or bonding wire. A module that can be handled as a single electronic component is called a module.

この実施例のパワーモジュール200は、入力高周波信号Pinを増幅する電力増幅用FET(電界効果トランジスタ)を含む高周波電力増幅部210と、該高周波電力増幅部210の出力電力を検出する出力電力検出回路220と、前記高周波電力増幅部210の各段の電力増幅用FETにバイアス電圧を与えて各FETに流すアイドル電流を制御するバイアス回路230と、外部のベースバンド部から供給される出力電力レベル指示信号Vrampと前記出力電力検出回路220からの検出電圧Vdetとを比較してその電位差に応じた制御電圧Vapcを前記バイアス回路230へ与える誤差アンプ(APC回路)250とからなる。   The power module 200 of this embodiment includes a high frequency power amplification unit 210 including a power amplification FET (field effect transistor) that amplifies an input high frequency signal Pin, and an output power detection circuit that detects output power of the high frequency power amplification unit 210. 220, a bias circuit 230 that controls the idle current that flows through each FET by applying a bias voltage to the power amplification FET in each stage of the high-frequency power amplifier 210, and an output power level instruction that is supplied from an external baseband unit It comprises an error amplifier (APC circuit) 250 that compares the signal Vramp with the detection voltage Vdet from the output power detection circuit 220 and supplies a control voltage Vapc according to the potential difference to the bias circuit 230.

特に制限されるものでないが、この実施例の高周波電力増幅部210は、3個の電力増幅用FET211、212、213を備え、このうち後段のFET212,213はそれぞれ前段のFET211,212のドレイン端子にゲート端子が接続され、全体で3段の増幅回路として構成されている。また、各段のFET211,212,213のゲート端子には、バイアス回路230から供給されるゲートバイアス電圧Vb1,Vb2,Vb3が印加され、これらの電圧に応じたアイドル電流が各FET211,212,213にそれぞれ流されるようにされている。   Although not particularly limited, the high-frequency power amplifying unit 210 of this embodiment includes three power amplifying FETs 211, 212, and 213, and the latter FETs 212 and 213 are the drain terminals of the preceding FETs 211 and 212, respectively. The gate terminal is connected to the first and second amplifier circuits as a whole. Further, gate bias voltages Vb1, Vb2, and Vb3 supplied from the bias circuit 230 are applied to the gate terminals of the FETs 211, 212, and 213 in each stage, and an idle current corresponding to these voltages is applied to each FET 211, 212, and 213. It is made to be shed by each.

各段のFET211,212,213のドレイン端子にはそれぞれインダクタL1,L2,L3を介して電源電圧Vddが印加されている。初段のFET211のゲート端子と入力端子Inとの間には、インピーダンス整合回路241および直流カットの容量素子C1が設けられ、これらの回路及び素子を介して高周波信号PinがFET211のゲート端子に入力される。   The power supply voltage Vdd is applied to the drain terminals of the FETs 211, 212, and 213 at each stage through inductors L1, L2, and L3, respectively. An impedance matching circuit 241 and a DC cut capacitive element C1 are provided between the gate terminal of the first stage FET 211 and the input terminal In, and a high frequency signal Pin is input to the gate terminal of the FET 211 via these circuits and elements. The

初段のFET211のドレイン端子と2段目のFET212のゲート端子との間には、インピーダンス整合回路242および直流カットの容量素子C2が接続されている。また、2段目のFET212のドレイン端子と最終段のFET213のゲート端子との間には、インピーダンス整合回路243および直流カットの容量素子C3が接続されている。そして、最終段のFET213のドレイン端子がインピーダンス整合回路244および容量素子C4を介して出力端子OUTに接続されており、高周波入力信号Pinの直流成分をカットし交流成分を増幅した信号Poutを出力端子OUTより出力する。   Between the drain terminal of the first-stage FET 211 and the gate terminal of the second-stage FET 212, an impedance matching circuit 242 and a DC-cut capacitive element C2 are connected. An impedance matching circuit 243 and a DC cut capacitive element C3 are connected between the drain terminal of the second stage FET 212 and the gate terminal of the final stage FET 213. The drain terminal of the FET 213 at the final stage is connected to the output terminal OUT via the impedance matching circuit 244 and the capacitive element C4, and a signal Pout obtained by cutting the DC component of the high-frequency input signal Pin and amplifying the AC component is output to the output terminal OUT. Output from OUT.

この実施例の出力電力検出回路220は、最終段の電力増幅EFT213のドレイン端子とモジュールの出力端子OUTとの間に設けられたインピーダンス整合回路244の内部ノードに一方の端子が接続された抵抗Riおよび該抵抗と直列に接続された容量Ciと、該容量Ciの他方の端子がゲートに接続されたNチャネルMOSトランジスタQ1、該トランジスタQ1と直列に接続されたPチャネルMOSトランジスタQ2、該トランジスタQ2とカレントミラー接続されたMOSトランジスタQ3、該トランジスタQ3と直列に接続された電流−電圧変換用MOSトランジスタQ4からなる検波部221と、Q4により変換された電圧をインピーダンス変換して次段に供給するバッファ回路222と、上記MOSトランジスタQ1にゲートバイアス電圧を与えるバイアス生成回路223と、該バイアス生成回路223で生成されたバイアス電圧をインピーダンス変換して次段に供給するバッファ回路224と、バッファ回路222の出力からバッファ回路224の出力を差し引いた電圧を出力する減算回路225とから構成されている。バッファ回路222と224には、ボルテージフォロワを用いることができる。   The output power detection circuit 220 of this embodiment includes a resistor Ri having one terminal connected to an internal node of an impedance matching circuit 244 provided between the drain terminal of the power amplification EFT 213 at the final stage and the output terminal OUT of the module. And a capacitor Ci connected in series with the resistor, an N-channel MOS transistor Q1 having the other terminal of the capacitor Ci connected to the gate, a P-channel MOS transistor Q2 connected in series with the transistor Q1, the transistor Q2 A current mirror-connected MOS transistor Q3, a current-voltage converting MOS transistor Q4 connected in series with the transistor Q3, and a voltage converted by Q4 is impedance-converted and supplied to the next stage. The buffer circuit 222 and the MOS transistor Q1 are gated. A bias generation circuit 223 that provides a bias voltage, a buffer circuit 224 that impedance-converts the bias voltage generated by the bias generation circuit 223 and supplies it to the next stage, and an output of the buffer circuit 224 is subtracted from an output of the buffer circuit 222 And a subtracting circuit 225 for outputting a voltage. A voltage follower can be used for the buffer circuits 222 and 224.

上記抵抗Riの抵抗値としては30〜3kΩ程度が、また容量Ciの容量値としては2〜100pF程度が望ましい。なお、インピーダンス整合回路244から高周波電力増幅部210の出力電力をモニタする電圧を取り出す場合、交流成分を抽出すれば良いので容量素子のみでも可能であるが、実施例のようにこの容量素子とインピーダンス整合回路の接続ノードとの間に抵抗素子Riを設けることにより、最終段の電力増幅用トランジスタ213からは抵抗Riの先の容量Ciが見えにくくなるので、結合容量の挿入損失を低減することができる。   The resistance value of the resistor Ri is preferably about 30 to 3 kΩ, and the capacitance value of the capacitor Ci is preferably about 2 to 100 pF. In addition, when taking out the voltage which monitors the output power of the high frequency power amplifier 210 from the impedance matching circuit 244, it is possible to extract only the AC component, so that it is possible to use only the capacitive element. By providing the resistor element Ri between the connection node of the matching circuit and the capacitor Ci before the resistor Ri becomes difficult to see from the power amplification transistor 213 in the final stage, the insertion loss of the coupling capacitor can be reduced. it can.

本実施例においては、電力増幅用FET211〜213として、チップ上で横方向に電極を拡散させたいわゆるLDMOS(Laterally Diffused MOSFET)と呼ばれるMOSトランジスタが用いられており、出力電力検出回路220の検出用MOSトランジスタQ1および電圧変換用MOSトランジスタQ4は、電力増幅用FET211〜213と同じ構造のLDMOSにより構成されている。これにより、電力増幅用FET211〜213が製造ばらつきでその特性がばらついたとしても検出回路220のトランジスタQ1,Q4が同じようにばらつくことで検出電圧Vdetの精度を高めることができる。   In this embodiment, as the power amplification FETs 211 to 213, MOS transistors called LDMOS (Laterally Diffused MOSFET) in which electrodes are diffused in the horizontal direction on the chip are used, and are used for detection of the output power detection circuit 220. The MOS transistor Q1 and the voltage conversion MOS transistor Q4 are configured by LDMOS having the same structure as the power amplification FETs 211 to 213. As a result, even if the characteristics of the power amplification FETs 211 to 213 vary due to manufacturing variations, the transistors Q1 and Q4 of the detection circuit 220 vary in the same manner, thereby improving the accuracy of the detection voltage Vdet.

本実施例では、バイアス生成回路223から上記出力検出用MOSトランジスタQ1のゲートに与えるバイアス電圧の値として、該トランジスタQ1をB級増幅動作させることができるように、Q1のしきい値電圧に近い電圧値が設定されている。これにより、MOSトランジスタQ1には、容量Ciを介して入力される交流波形に比例しそれを半波整流したような電流が流され、Q1のドレイン電流は入力交流信号の振幅に比例した直流成分を含むようにされる。   In this embodiment, the bias voltage value applied from the bias generation circuit 223 to the gate of the output detection MOS transistor Q1 is close to the threshold voltage of Q1 so that the transistor Q1 can be operated in class B amplification. The voltage value is set. As a result, a current that is proportional to the AC waveform input through the capacitor Ci and half-wave rectified flows through the MOS transistor Q1, and the drain current of Q1 is a DC component proportional to the amplitude of the input AC signal. To be included.

このトランジスタQ1のドレイン電流IdがQ2とQ3のカレントミラー回路によりQ3側に転写され、ダイオード接続のトランジスタQ4によって電圧に変換される。ここで、MOSトランジスタQ1とQ4およびQ2とQ3は、それぞれ所定のサイズ比になるように設定されている。これにより、例えば製造バラツキでMOSトランジスタQ1とQ2の特性(特にしきい値電圧)がばらつくと、これらと対を成すMOSトランジスタQ4とQ3の特性も同じようにばらつく。その結果、特性ばらつきによる影響が相殺され、MOSトランジスタQ4のドレイン端子にはMOSトランジスタのばらつきの影響を受けない出力検出電圧(V5)が現われるようになる。   The drain current Id of the transistor Q1 is transferred to the Q3 side by the current mirror circuit of Q2 and Q3, and is converted into a voltage by the diode-connected transistor Q4. Here, the MOS transistors Q1 and Q4 and Q2 and Q3 are set to have a predetermined size ratio. Thus, for example, if the characteristics (particularly the threshold voltage) of the MOS transistors Q1 and Q2 vary due to manufacturing variations, the characteristics of the MOS transistors Q4 and Q3 that form a pair with the MOS transistors Q1 and Q2 also vary in the same way. As a result, the influence due to the characteristic variation is canceled out, and the output detection voltage (V5) which is not affected by the variation of the MOS transistor appears at the drain terminal of the MOS transistor Q4.

また、この実施例においては、バイアス生成回路223で生成され出力検出用MOSトランジスタQ1のゲート端子に印加されるバイアス電圧(V4)と同一の電圧がバッファ回路224を介して減算回路225に供給され、出力検出電圧からバイアス電圧を差し引いた電圧が減算回路225から出力される。これにより、減算回路225の出力は、バイアス生成回路223により付与される直流成分を含まない純粋な出力電力の交流成分に比例した検出電圧Vdetとなる。   In this embodiment, the same voltage as the bias voltage (V4) generated by the bias generation circuit 223 and applied to the gate terminal of the output detection MOS transistor Q1 is supplied to the subtraction circuit 225 via the buffer circuit 224. The voltage obtained by subtracting the bias voltage from the output detection voltage is output from the subtraction circuit 225. As a result, the output of the subtraction circuit 225 becomes a detection voltage Vdet proportional to the AC component of pure output power not including the DC component applied by the bias generation circuit 223.

さらに、本実施例の出力電力検出回路220は、バイアス生成回路223で生成されたバイアス電圧を減算回路225に伝えるバッファ224の前段に直流オフセットVoffを与える電圧源227が設けられており、減算回路225のアンプの反転入力端子の電位を若干低くするようにしている。これは、出力レベル指示信号Vrampを供給するベースバンド回路の特性として出力レベルを「0」にしたい場合にも完全に0VのVramp信号を出力することができない場合があり、そのような場合に出力電力検出回路220から誤差アンプ250の反転入力端子に供給される電圧Vdetが0Vであると、出力制御電圧Vapcが0Vよりも高くなって出力電力Poutが出てしまうおそれがあるためである。直流電圧源227を設ける位置はバッファ224と減算回路225との間であっても良い。   Further, the output power detection circuit 220 of the present embodiment is provided with a voltage source 227 that provides a DC offset Voff before the buffer 224 that transmits the bias voltage generated by the bias generation circuit 223 to the subtraction circuit 225. The potential of the inverting input terminal of the 225 amplifier is slightly lowered. This is because, as a characteristic of the baseband circuit that supplies the output level instruction signal Vramp, there is a case where the Vramp signal of 0 V cannot be completely output even when the output level is set to “0”. This is because if the voltage Vdet supplied from the power detection circuit 220 to the inverting input terminal of the error amplifier 250 is 0V, the output control voltage Vapc is higher than 0V and the output power Pout may be output. The position where the DC voltage source 227 is provided may be between the buffer 224 and the subtraction circuit 225.

なお、この実施例のパワーモジュール200は、破線で囲まれた部分が半導体集積回路化されている。すなわち電力増幅部210の各素子(インダクタL1〜L3およびインピーダンス整合回路244を除く)およびバイアス回路230の各素子と、出力電力検出回路220の各素子(抵抗Riおよび容量iを除く)、直流成分をカットする容量素子C1,C2,C3が、単結晶シリコンのような1個の半導体チップ上に半導体集積回路IC1として構成されている。そして、この半導体集積回路IC1と、電力増幅部210のインダクタL1〜L3と、出力電力検出回路220の抵抗Riおよび容量iとが、1つのセラミック基板上に実装されてパワーモジュールとして構成されている。インピーダンス整合回路241〜244を構成するインダクタは、半導体チップのパッド間に接続されたボンディングワイヤあるいはモジュール基板上に形成されたマイクロストリップラインにより形成することができる。   In the power module 200 of this embodiment, a portion surrounded by a broken line is formed as a semiconductor integrated circuit. That is, each element (excluding inductors L1 to L3 and impedance matching circuit 244) of power amplifier 210, each element of bias circuit 230, each element of output power detection circuit 220 (excluding resistor Ri and capacitor i), DC component Are formed as a semiconductor integrated circuit IC1 on a single semiconductor chip such as single crystal silicon. The semiconductor integrated circuit IC1, the inductors L1 to L3 of the power amplifier 210, and the resistor Ri and the capacitor i of the output power detection circuit 220 are mounted on one ceramic substrate to constitute a power module. . Inductors constituting the impedance matching circuits 241 to 244 can be formed by bonding wires connected between pads of a semiconductor chip or microstrip lines formed on a module substrate.

このように、本実施例の出力電力検出方式を適用したパワーモジュールにおいては、カプラを使用しないためモジュールを小型化できるとともに、出力電力検出回路220を電力増幅部210およびそのバイアス回路230の主要部とともに半導体集積回路化することが容易となるため、部品点数を減らしモジュールを小型化することができるようになる。また、特に制限されるものでないが、この実施例では、誤差アンプ(APC回路)250が電力増幅回路210や出力電力検出回路220と同一の半導体チップ上に形成されているにもかかわらず、出力電力検出回路220により検出された検出電圧Vdetをチップ外部へ出力する外部端子P1が設けられている。この外部端子P1は、例えば製造後に出力電力検出回路220の感度のばらつきを測定したり、制御系のオープンループ特性を調べたりするのに利用することができる。   As described above, in the power module to which the output power detection method of this embodiment is applied, the module can be reduced in size because the coupler is not used, and the output power detection circuit 220 is replaced with the power amplification unit 210 and the main part of the bias circuit 230 thereof. In addition, since it becomes easy to make a semiconductor integrated circuit, the number of parts can be reduced and the module can be downsized. Although not particularly limited, in this embodiment, the error amplifier (APC circuit) 250 is output on the same semiconductor chip as the power amplifier circuit 210 and the output power detection circuit 220. An external terminal P1 for outputting the detection voltage Vdet detected by the power detection circuit 220 to the outside of the chip is provided. The external terminal P1 can be used, for example, to measure the variation in sensitivity of the output power detection circuit 220 after manufacture or to check the open loop characteristics of the control system.

図2は、出力電力検出回路220内のバイアス生成回路223の具体的な回路例を示す。
この実施例のバイアス生成回路223は、外部からの電源電圧Vccに基づいて温度依存性のない定電圧V0を生成する定電圧発生回路CVGと、生成された定電圧V0を分圧して所望のレベルの参照電圧V2を生成する直列抵抗R1,R2と、該抵抗R1,R2により生成された電圧V2が非反転入力端子に印加された差動アンプAMP0と、電源端子と接地点との間に直列に接続されたMOSトランジスタQ5および抵抗R3並びに温度検出素子としてのダイオードD1と、MOSトランジスタQ5と同一のゲート電圧をゲートに受けてQ5のドレイン電流に比例した電流を流すMOSトランジスタQ6と、該トランジスタQ6と直列に接続されたMOSトランジスタQ7とからなる。なお、前記トランジスタQ5と抵抗R3は、差動アンプAMP0の出力段とみなすことができる。
FIG. 2 shows a specific circuit example of the bias generation circuit 223 in the output power detection circuit 220.
The bias generation circuit 223 of this embodiment includes a constant voltage generation circuit CVG that generates a constant voltage V0 having no temperature dependency based on an external power supply voltage Vcc, and a desired level by dividing the generated constant voltage V0. Series resistors R1 and R2 for generating a reference voltage V2 of the current, a differential amplifier AMP0 in which the voltage V2 generated by the resistors R1 and R2 is applied to the non-inverting input terminal, and a power supply terminal and a ground point in series. A MOS transistor Q5 and a resistor R3 connected to each other, a diode D1 as a temperature detecting element, a MOS transistor Q6 that receives the same gate voltage as that of the MOS transistor Q5 at the gate and flows a current proportional to the drain current of Q5, and the transistor It comprises a MOS transistor Q7 connected in series with Q6. The transistor Q5 and the resistor R3 can be regarded as an output stage of the differential amplifier AMP0.

上記トランジスタQ7は、そのゲートとドレインとが結合されたいわゆるダイオード接続のトランジスタとされ、そのゲートが抵抗R5を介して前記出力検出用MOSトランジスタQ1のゲートに接続されることによりQ7とQ1はカレントミラーを構成し、Q7に流れる電流に比例した電流を出力検出用MOSトランジスタQ1に流すことでQ1にバイアスを与えるようにされている。また、トランジスタQ7のゲート接地点との間には容量C11が接続されている。   The transistor Q7 is a so-called diode-connected transistor whose gate and drain are coupled. The gate of the transistor Q7 is connected to the gate of the output detection MOS transistor Q1 via a resistor R5. A mirror is formed, and a current proportional to the current flowing through Q7 is passed through the output detection MOS transistor Q1, thereby biasing Q1. A capacitor C11 is connected between the gate grounding point of the transistor Q7.

この容量C11は上記トランジスタQ7とQ1のゲート端子間の抵抗R5と共にロウパスフィルタを構成し、容量Ciを介して入力される交流信号ACiの交流成分がトランジスタQ7のゲート側に洩れてバイアス電流Ibiasが変動するのを防止する働きを有する。上記抵抗R5の抵抗値としては10k〜30kΩ程度が、また容量C11の容量値としては10〜50pF程度が望ましい。実施例では、温度検出素子としてダイオードD1を設けているが、ダイオードD1の代わりにサーミスタを用いるようにしても良い。   The capacitor C11 forms a low-pass filter together with the resistor R5 between the gate terminals of the transistors Q7 and Q1, and the AC component of the AC signal ACi input through the capacitor Ci leaks to the gate side of the transistor Q7 and the bias current Ibias. Has the function of preventing fluctuations. The resistance value of the resistor R5 is desirably about 10 to 30 kΩ, and the capacitance value of the capacitor C11 is desirably about 10 to 50 pF. In the embodiment, the diode D1 is provided as the temperature detection element, but a thermistor may be used instead of the diode D1.

この実施例のバイアス生成回路223は、トランジスタQ5と抵抗R3との接続ノードの電位V3が差動アンプAMP0の反転入力端子にフィードバックされることにより、V3をV2に一致させるような電流IAがMOSトランジスタQ5に流される。そして、トランジスタQ5とQ6のゲート幅が所定のサイズ比となるように形成されることにより、Q6にはIAに比例した電流が流され、この電流がトランジスタQ7へバイアス電流Ibiasとして供給されるようにされている。   In the bias generation circuit 223 of this embodiment, the potential IA of the connection node between the transistor Q5 and the resistor R3 is fed back to the inverting input terminal of the differential amplifier AMP0, so that the current IA that makes V3 coincide with V2 is MOS. Flowed through transistor Q5. By forming the gate widths of the transistors Q5 and Q6 so as to have a predetermined size ratio, a current proportional to IA flows through Q6, and this current is supplied to the transistor Q7 as a bias current Ibias. Has been.

この実施例のバイアス生成回路223は、トランジスタQ5のドレイン端子と接地点との間に抵抗R3と直列にダイオードD1が接続されているため、ダイオードD1が持つ負の温度特性により、トランジスタQ5のドレイン電流IAさらにはトランジスタQ7へバイアス電流Ibiasが温度に応じて変化するようにされる。   In the bias generation circuit 223 of this embodiment, since the diode D1 is connected in series with the resistor R3 between the drain terminal of the transistor Q5 and the ground point, the drain temperature of the transistor Q5 is reduced due to the negative temperature characteristic of the diode D1. The bias current Ibias is changed according to the temperature to the current IA and further to the transistor Q7.

具体的には、差動アンプAMP0のイマジナリショート作用により入力電圧V2と出力電圧V3は等しいため、電圧V0,V2,V3間には、次式
V2=V3=V0・R2/(R1+R2)
なる関係が成立し、ダイオードD1の順方向電圧をVFとおくと、トランジスタQ5に流れる電流IAは、次式
IA=(V3−VF)/R3
で表わされる。
Specifically, the input voltage V2 and the output voltage V3 are equal due to the imaginary short action of the differential amplifier AMP0.
And the forward voltage of the diode D1 is VF, the current IA flowing through the transistor Q5 is expressed by the following equation IA = (V3-VF) / R3
It is represented by

ここで、V0は温度依存性がないため図3(A)に示すように、V2とV3は一定であるが、ダイオードD1の順方向電圧VFは負の温度特性を有するため、抵抗R3とダイオードD1との接続ノードの電位V1は温度が高くなるほど低くなる。そのため、差動アンプAMP0は、温度が高くなってダイオードD1のアノードの電位V1が低くなるとこれを高めようとMOSトランジスタQ1に流す電流IAを増加させるように動作する。これにより、トランジスタQ7に流れるバイアス電流Ibiasは、図3(B)に示すように、温度が高くなるほど増加する電流となり、これに応じて出力検出用MOSトランジスタQ1のゲート電圧Vgs1は、図4(A)に示すように、温度が高くなるほど大きくなる。   Here, since V0 has no temperature dependence, as shown in FIG. 3A, V2 and V3 are constant, but the forward voltage VF of the diode D1 has a negative temperature characteristic, so that the resistor R3 and the diode The potential V1 of the connection node with D1 decreases as the temperature increases. Therefore, the differential amplifier AMP0 operates so as to increase the current IA that flows through the MOS transistor Q1 so as to increase the potential V1 of the anode of the diode D1 when the temperature increases and the anode potential V1 decreases. As a result, the bias current Ibias flowing through the transistor Q7 increases as the temperature increases, as shown in FIG. 3B, and the gate voltage Vgs1 of the output detection MOS transistor Q1 corresponding to this increases as shown in FIG. As shown in A), the temperature increases as the temperature increases.

なお、この実施例では、トランジスタQ5とQ6は同一サイズとされることにより、電流IAとIbiasは同一の電流値となるようにされているが、Q5とQ6のサイズ比を適当に設定することにより正の温度特性を有する任意の大きさのバイアス電流IbiasとをトランジスタQ7に流すようにすることができる。定電圧発生回路CVGは、バンドギャップリファランス回路のような基準電圧回路とボルテージフォロワなどで構成することができる。そして、この定電圧発生回路CVGにより生成された定電圧を、外部からの電源電圧Vccの代わりに出力検出用トランジスタQ1を含む検波回路221の部分の電源電圧とすることができる。   In this embodiment, the transistors Q5 and Q6 have the same size, so that the currents IA and Ibias have the same current value. However, the size ratio of Q5 and Q6 should be set appropriately. Thus, a bias current Ibias having an arbitrary magnitude having a positive temperature characteristic can be supplied to the transistor Q7. The constant voltage generation circuit CVG can be composed of a reference voltage circuit such as a band gap reference circuit and a voltage follower. The constant voltage generated by the constant voltage generation circuit CVG can be used as the power supply voltage of the detection circuit 221 including the output detection transistor Q1 instead of the external power supply voltage Vcc.

また、実施例のバイアス生成回路223の場合、負の温度特性を有するダイオードD1と直列の抵抗R3はオンチップの素子の場合一般に正の温度特性を有するので、ダイオードD1の温度特性を利用したバイアス電流の制御の効果は減少される。従って、抵抗R3としてオンチップの素子の代わりに、外付けの抵抗素子を用いるようにしても良い。ディスクリート部品からなる抵抗素子には温度特性のほとんどないものが提供されているので、それを利用することで本発明による効果を有効に発揮させることが容易となる。ただし、一般にはダイオードD1の温度特性の方が抵抗の温度特性よりも顕著であるので、抵抗R3としてオンチップの素子を用いるようにしても構わない。   In the case of the bias generation circuit 223 of the embodiment, the resistor R3 in series with the diode D1 having the negative temperature characteristic generally has a positive temperature characteristic in the case of an on-chip element, so that the bias utilizing the temperature characteristic of the diode D1 is used. The effect of current control is reduced. Therefore, an external resistor element may be used as the resistor R3 instead of the on-chip element. Since resistance elements made of discrete components are provided that have almost no temperature characteristics, it is easy to effectively exhibit the effects of the present invention by using the resistance elements. However, since the temperature characteristic of the diode D1 is generally more prominent than the temperature characteristic of the resistor, an on-chip element may be used as the resistor R3.

次に、出力検出用MOSトランジスタQ1と、カレントミラー回路を構成するMOSトランジスタQ2、Q3および電流−電圧変換用MOSトランジスタQ4からなる検波回路の特性と動作を説明する。
本実施例の出力電力検出回路220においては、上記のようにバイアス生成回路223によって出力検出用MOSトランジスタQ1のゲート電圧Vgs1が、図4(A)に示すように、温度が高くなるほど大きくなるようにされているため、ゲートに入力される交流信号ACiの直流レベルが同一であっても温度が高くなるとMOSトランジスタQ1に流れるドレイン電流Idsは増加するようになる。一方、トランジスタQ1に用いているLDMOSは一般に温度が高くなるほどしきい値電圧が高くなり、ゲート電圧が一定であれば温度が高くなるほどドレイン電流は減少する。つまり、MOSトランジスタの相互コンダクタンスgm(=ΔIds/ΔVgs)は負の温度特性を有する。
Next, the characteristics and operation of the detection circuit comprising the output detection MOS transistor Q1, the MOS transistors Q2 and Q3 constituting the current mirror circuit, and the current-voltage conversion MOS transistor Q4 will be described.
In the output power detection circuit 220 of this embodiment, as described above, the bias generation circuit 223 causes the gate voltage Vgs1 of the output detection MOS transistor Q1 to increase as the temperature increases, as shown in FIG. Therefore, even if the DC level of the AC signal ACi input to the gate is the same, the drain current Ids flowing through the MOS transistor Q1 increases as the temperature increases. On the other hand, the LDMOS used for the transistor Q1 generally has a higher threshold voltage as the temperature becomes higher, and the drain current decreases as the temperature becomes higher if the gate voltage is constant. That is, the mutual conductance gm (= ΔIds / ΔVgs) of the MOS transistor has a negative temperature characteristic.

ところで、前述の先願発明(特願2003−123040)においては、図2に示されている差動アンプAMP0やトランジスタQ5,Q6がなく、Q6の代わりに抵抗素子をトランジスタQ7のドレイン端子と電源電圧端子との間に接続した構成であったため、温度が変化してもバイアス電流Ibiasおよび出力検出用MOSトランジスタQ1のゲート電圧Vgsはほぼ一定であった。そのため、図4(B)に破線Bで示すように、温度が高くなるほど出力検出用MOSトランジスタQ1の相互コンダクタンスgm(=ΔIds/ΔVgs)は下がっていた。   By the way, in the above-mentioned prior application (Japanese Patent Application No. 2003-123040), the differential amplifier AMP0 and the transistors Q5 and Q6 shown in FIG. 2 are not provided, and instead of Q6, a resistance element is connected to the drain terminal of the transistor Q7 and the power source. Since it is connected to the voltage terminal, the bias current Ibias and the gate voltage Vgs of the output detection MOS transistor Q1 are substantially constant even when the temperature changes. Therefore, as indicated by the broken line B in FIG. 4B, the mutual conductance gm (= ΔIds / ΔVgs) of the output detection MOS transistor Q1 decreases as the temperature increases.

これに対し、本実施例の出力電力検出回路220においては、上記のようにバイアス生成回路223によって出力検出用MOSトランジスタQ1のゲート電圧Vgs1が、図4(A)に示すように、温度が高くなるほど大きくなるようにされているため、図4(B)に実線Aで示すように、温度に対してMOSトランジスタQ1のgm(=ΔIds/ΔVgs)をほぼ一定にすることができる。   On the other hand, in the output power detection circuit 220 of the present embodiment, the gate voltage Vgs1 of the output detection MOS transistor Q1 is increased by the bias generation circuit 223 as described above, as shown in FIG. As shown in FIG. 4B, as indicated by the solid line A, the gm (= ΔIds / ΔVgs) of the MOS transistor Q1 can be made substantially constant with respect to the temperature.

ところで、上述したように、温度に対してMOSトランジスタQ1のgm(=ΔIds/ΔVgs)をほぼ一定にするために温度が高くなるほどMOSトランジスタQ1に流れるドレイン電流Idsを増加させるようにした場合、Q1のゲートバイアス点が高くなるため、図5(A)に示すように検波電圧が一定でも減算回路225に入力される電圧(Q4のドレイン電圧)V5は、温度が高くなるほど高くなる。しかるに、本実施例の出力電力検出回路220においては、バイアス生成回路223で生成され出力検出用MOSトランジスタQ1のゲートに印加される電圧と同一レベルのバイアス電圧Vbiasがバッファ224を介して減算回路225の他方の入力端子に供給されており、このバイアス電圧Vbias自身が、図5(B)に示すように温度が高くなるほど高くなる。そのため、差分は「0」であり、温度が変化しても出力電力検出回路220の検出電圧Vdetは、図5(C)に示すようにほぼ一定になる。その結果、該検出電圧Vdetを誤差アンプ250へ供給して高周波電力増幅回路210の出力電力を制御する場合に、温度変化に対する出力電力の変動を抑制することができる。   By the way, as described above, when the gm (= ΔIds / ΔVgs) of the MOS transistor Q1 is substantially constant with respect to the temperature, the drain current Ids flowing through the MOS transistor Q1 is increased as the temperature is increased. Therefore, even if the detection voltage is constant, the voltage (the drain voltage of Q4) V5 input to the subtraction circuit 225 becomes higher as the temperature becomes higher, as shown in FIG. However, in the output power detection circuit 220 of the present embodiment, the bias voltage Vbias having the same level as the voltage generated by the bias generation circuit 223 and applied to the gate of the output detection MOS transistor Q1 is supplied via the buffer 224 to the subtraction circuit 225. The bias voltage Vbias itself becomes higher as the temperature becomes higher as shown in FIG. 5B. Therefore, the difference is “0”, and even if the temperature changes, the detection voltage Vdet of the output power detection circuit 220 becomes substantially constant as shown in FIG. As a result, when the detected voltage Vdet is supplied to the error amplifier 250 to control the output power of the high-frequency power amplifier circuit 210, fluctuations in the output power with respect to temperature changes can be suppressed.

図6に、前述の先願発明(特願2003−123040)と実施例の出力電力検出回路220を用いたパワーモジュールにおいて、温度が変化したときの出力電力Poutと出力電力検出電圧Vdetとの関係をシミュレーションによって調べた結果を示す。図6において、(A)は本実施例の出力電力検出回路220を用いたパワーモジュールにおける出力電力Poutと出力電力検出電圧Vdetとの関係、(B)は先願発明の出力電力検出回路を用いたパワーモジュールにおける出力電力Poutとその検出電圧Vdetとの関係を示す。図6より、本実施例の出力電力検出回路220を用いたパワーモジュールの方が先願発明の出力電力検出回路を用いたパワーモジュールよりも温度が変化したときの出力電力Poutとその検出電圧Vdetとの相関の変動が小さいことが分かる。   FIG. 6 shows the relationship between the output power Pout and the output power detection voltage Vdet when the temperature changes in the power module using the above-mentioned prior invention (Japanese Patent Application No. 2003-123040) and the output power detection circuit 220 of the embodiment. The result of having been investigated by simulation is shown. 6A shows the relationship between the output power Pout and the output power detection voltage Vdet in the power module using the output power detection circuit 220 of this embodiment, and FIG. 6B shows the output power detection circuit of the prior invention. The relationship between the output power Pout and the detected voltage Vdet in the power module is shown. From FIG. 6, the power module using the output power detection circuit 220 of the present embodiment and the detected power Vdet when the temperature changes compared to the power module using the output power detection circuit of the prior invention. It can be seen that the fluctuation of the correlation with is small.

図7は、前記実施例のパワーモジュールを適用して有効な無線通信システムの一例として、GSMとDCSの2つの通信方式の無線通信が可能なシステムの概略の構成を示す。   FIG. 7 shows a schematic configuration of a system capable of wireless communication using two communication systems, GSM and DCS, as an example of an effective wireless communication system to which the power module of the embodiment is applied.

図7において、ANTは信号電波の送受信用アンテナ、100はGSMやDCSのシステムにおけるGMSK変調や復調を行なうことができる変復調回路や送信データ(ベースバンド信号)に基づいてI,Q信号を生成したり受信信号から抽出されたI,Q信号を処理する回路を有する高周波信号処理回路(ベースバンド回路)110や受信信号を増幅するロウノイズアンプLNA1,LNA2等が1つの半導体チップ上に形成されてなる高周波信号処理用半導体集積回路(ベースバンドIC)と送信信号から高調波成分を除去するバンドパスフィルタBPF1,BPF2、受信信号から不要波を除去するバンドパスフィルタBPF3,BPF4などが1つのパッケージに実装されてなる電子デバイス(以下、RFデバイスと称する)である。Tx‐MIX1,Tx-MIX2は各々GSMとDCSの送信信号をアップコンバートするミキサ、Rx‐MIX1,Rx-MIX2は各々GSMとDCSの受信信号をダウンコンバートするミキサである。   In FIG. 7, ANT is an antenna for transmitting and receiving signal radio waves, 100 is a modulation / demodulation circuit capable of performing GMSK modulation and demodulation in GSM and DCS systems, and I and Q signals are generated based on transmission data (baseband signals). A high-frequency signal processing circuit (baseband circuit) 110 having a circuit for processing I and Q signals extracted from received signals, low noise amplifiers LNA1 and LNA2 for amplifying received signals, and the like are formed on one semiconductor chip. A high-frequency signal processing semiconductor integrated circuit (baseband IC), bandpass filters BPF1 and BPF2 for removing harmonic components from a transmission signal, bandpass filters BPF3 and BPF4 for removing unnecessary waves from a reception signal, etc. in one package A mounted electronic device (hereinafter referred to as an RF device)Tx-MIX1 and Tx-MIX2 are mixers for up-converting GSM and DCS transmission signals, and Rx-MIX1 and Rx-MIX2 are mixers for down-converting GSM and DCS reception signals.

また、図7において、200はベースバンドIC100から供給される高周波信号を増幅する前記実施例のパワーモジュール、300は送信信号に含まれる高調波などのノイズを除去するフィルタLPF1,LPF2、GSMの信号とDCSの信号を合成したり分離したりする分波器DPX1,DPX2、送受信の切替えスイッチT/R−SWなどを含むフロントエンド・モジュールである。   In FIG. 7, reference numeral 200 denotes the power module of the above-described embodiment that amplifies the high-frequency signal supplied from the baseband IC 100, and 300 denotes filters LPF 1, LPF 2, and GSM signals that remove noise such as harmonics included in the transmission signal. And a duplexer DPX1, DPX2 that synthesizes and separates DCS signals, a transmission / reception changeover switch T / R-SW, and the like.

図7に示されているように、この実施例では、ベースバンドIC100からバイアス回路230に対してGSMかDCSかを示すモード選択信号VBANDが供給され、バイアス回路230はこの制御信号VBANDに基づいて、モードに応じたバイアス電流を生成しパワーアンプ210aと210bのいずれかに供給する。また、ベースバンドIC100からパワーモジュール200内のAPC回路(誤差アンプ)250へ出力レベル指示信号Vrampが供給され、APC回路(誤差アンプ)250は出力レベル指示信号Vrampと出力電力検出回路220からの検出電圧Vdetとを比較してバイアス回路230に対する出力制御信号Vapcを生成し、バイアス回路230は出力制御信号Vapcに応じてパワーアンプ210a,210bのゲインを制御し、これに応じてパワーアンプ210a,210bの出力電力が変化するように制御される。   As shown in FIG. 7, in this embodiment, a mode selection signal VBAND indicating GSM or DCS is supplied from the baseband IC 100 to the bias circuit 230, and the bias circuit 230 is based on the control signal VBAND. A bias current corresponding to the mode is generated and supplied to one of the power amplifiers 210a and 210b. The output level instruction signal Vramp is supplied from the baseband IC 100 to the APC circuit (error amplifier) 250 in the power module 200, and the APC circuit (error amplifier) 250 detects from the output level instruction signal Vramp and the output power detection circuit 220. The voltage Vdet is compared to generate an output control signal Vapc for the bias circuit 230. The bias circuit 230 controls the gains of the power amplifiers 210a and 210b according to the output control signal Vapc, and the power amplifiers 210a and 210b according to this. The output power is controlled to change.

なお、図7には示されていないが、上記デバイスやモジュール以外に、RFデバイス100に対する制御信号やパワー制御信号PCSの基になる出力レベル指示信号を生成してシステム全体を制御するマイクロプロセッサ(CPU)を設けるようにしても良い。   Although not shown in FIG. 7, in addition to the devices and modules described above, a microprocessor (not shown) that generates an output level instruction signal that is a basis of a control signal for the RF device 100 and a power control signal PCS to control the entire system ( CPU) may be provided.

以上本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施例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。例えば実施例においては、インピーダンス整合回路244内のマイクロストリップラインの途中に直列の抵抗Riおよび容量Ciを接続して出力電力の交流成分を出力電力検出回路220に伝えて出力電力の大きさを検出するようにした例が示されているが、最終増幅段のFET213のドレイン端子、あるいはモジュールの出力端子OUTまたはFET213のドレイン端子と出力端子OUTの両方から容量や抵抗等を介して、出力電力検出回路220の検出用MOSトランジスタQ1のゲートに交流信号を入力して出力電力の大きさを検出するように構成する変形例も考えられる。その場合にも、出力電力検出回路220に温度検出素子を有し温度に応じて出力検出用MOSトランジスタQ1のバイアス状態を変化させることができるバイアス生成回路223を設けるようにした前記実施例を適用することができる。   The invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiments. However, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Nor. For example, in the embodiment, a series resistor Ri and a capacitor Ci are connected in the middle of the microstrip line in the impedance matching circuit 244 to transmit the AC component of the output power to the output power detection circuit 220 to detect the magnitude of the output power. In this example, the output power is detected from the drain terminal of the FET 213 in the final amplification stage, or from the output terminal OUT of the module or from both the drain terminal and the output terminal OUT of the FET 213 via a capacitor, a resistor, and the like. A modification in which an AC signal is input to the gate of the detection MOS transistor Q1 of the circuit 220 to detect the magnitude of the output power is also conceivable. Even in such a case, the output power detection circuit 220 is provided with a temperature detection element and the bias generation circuit 223 capable of changing the bias state of the output detection MOS transistor Q1 according to the temperature is applied. can do.

さらに、前記実施例の高周波電力増幅回路では、電力増幅FETを3段接続しているが、2段構成としたり、4段以上の構成としても良い。また、実施例では、電力増幅用素子211〜213として、LDMOSが使用されているが、通常のCMOSプロセスで形成されるMOSFETやバイポーラ・トランジスタ、GaAsMESFET、ヘテロ接合バイポーラ・トランジスタ(HBT)、HEMT(High Electron Mobility Transistor)等他のトランジスタを用いても良い。ただし、その場合、検出用トランジスタQ1や電流−電圧変換用トランジスタQ2も電力増幅用素子211〜213と同一構造の素子で構成するのが望ましい。   Furthermore, in the high-frequency power amplifier circuit of the above embodiment, three stages of power amplifier FETs are connected, but a two-stage structure or a structure of four or more stages may be used. In the embodiment, the LDMOS is used as the power amplification elements 211 to 213. However, a MOSFET, a bipolar transistor, a GaAs MESFET, a heterojunction bipolar transistor (HBT), a HEMT ( Other transistors such as High Electron Mobility Transistor) may be used. However, in that case, it is desirable that the detection transistor Q1 and the current-voltage conversion transistor Q2 are also composed of elements having the same structure as the power amplification elements 211 to 213.

さらに、前記実施例では、ベースバンド部からの出力レベル指示信号Vrampと出力電力検出回路220からの検出電圧Vdetとを比較してバイアス回路230へ出力制御電圧Vapcを生成する誤差アンプ(APC回路)250が電力増幅回路210や出力電力検出回路220と同一の半導体チップ上に形成されている場合を説明したが、誤差アンプ(APC回路)250は別個の半導体チップ上に形成されていても良い。   Further, in the above embodiment, the error amplifier (APC circuit) that generates the output control voltage Vapc to the bias circuit 230 by comparing the output level instruction signal Vramp from the baseband unit and the detection voltage Vdet from the output power detection circuit 220. Although the case where 250 is formed on the same semiconductor chip as the power amplifier circuit 210 and the output power detection circuit 220 has been described, the error amplifier (APC circuit) 250 may be formed on a separate semiconductor chip.

また、出力電力検出回路220からの検出電圧Vdetを外部端子P1からベースバンド部へ供給して、ベースバンド部側に設けられている誤差アンプ(APC回路)250で送信信号を増幅する可変利得アンプの利得を制御する制御電圧Vapcを生成するのに用いるようにすることができる。かかる方式は、例えば電力増幅回路210のバイアス電圧すなわち利得を固定して入力信号Pinの振幅を出力要求レベルに応じて増幅するようなシステムに適用すると有効である。   A variable gain amplifier that supplies the detection voltage Vdet from the output power detection circuit 220 to the baseband unit from the external terminal P1 and amplifies the transmission signal by an error amplifier (APC circuit) 250 provided on the baseband unit side. It can be used to generate a control voltage Vapc that controls the gain of. Such a method is effective when applied to a system in which, for example, the bias voltage, that is, the gain of the power amplifier circuit 210 is fixed and the amplitude of the input signal Pin is amplified according to the required output level.

以上の説明では主として本発明者によってなされた発明をその背景となった利用分野であるGSMとDCSの2つの通信方式による送受信が可能なデュアルモードの無線通信システムを構成するパワーモジュールに適用した場合を説明したが、本発明はそれに限定されるものでなく、他の通信方式や、GSMとDCSとPCS(Personal Communications System)など3以上の通信方式による送受信が可能なマルチモードの携帯電話機や移動電話機などの無線通信システムを構成するパワーモジュールあるいは無線LAN用の高周波電力増幅回路およびパワーモジュールに利用することができる。   In the above description, when the invention made mainly by the present inventor is applied to a power module constituting a dual-mode wireless communication system capable of transmission / reception by two communication systems, GSM and DCS, which are the fields of use behind it. However, the present invention is not limited to this, and a multi-mode mobile phone or mobile device capable of transmission / reception by other communication methods, or three or more communication methods such as GSM, DCS, and PCS (Personal Communications System). It can be used for a power module constituting a wireless communication system such as a telephone or a high frequency power amplifier circuit and a power module for a wireless LAN.

本発明に係る出力電力検出回路およびそれを適用した高周波電力増幅器(パワーモジュール)の実施例を示す回路構成図である。1 is a circuit configuration diagram showing an embodiment of an output power detection circuit according to the present invention and a high-frequency power amplifier (power module) to which the output power detection circuit is applied. 出力電力検出回路およびバイアス生成回路の具体的な回路例を示す回路構成図である。It is a circuit block diagram which shows the specific circuit example of an output electric power detection circuit and a bias generation circuit. (A)は実施例のバイアス生成回路における温度と内部の電圧V1,V2,V3との関係を示すグラフ、(B)は温度とバイアス電流Ibiasとの関係を示すグラフである。(A) is a graph showing the relationship between the temperature and the internal voltages V1, V2, V3 in the bias generation circuit of the embodiment, and (B) is a graph showing the relationship between the temperature and the bias current Ibias. (A)は実施例の出力電力検出回路における温度と出力検出用トランジスタのゲート電圧Vgsとの関係を示すグラフ、(B)は温度と出力検出用トランジスタのgm(相互コンダクタンス)との関係を示すグラフである。(A) is a graph showing the relationship between the temperature and the gate voltage Vgs of the output detection transistor in the output power detection circuit of the embodiment, and (B) shows the relationship between the temperature and gm (mutual conductance) of the output detection transistor. It is a graph. (A),(B)は実施例の出力電力検出回路における温度と減算回路の入力電圧V4,V5との関係を示すグラフ、(C)は温度と検出電圧Vdetとの関係を示すグラフである。(A) and (B) are graphs showing the relationship between the temperature in the output power detection circuit of the embodiment and the input voltages V4 and V5 of the subtraction circuit, and (C) is a graph showing the relationship between the temperature and the detection voltage Vdet. . (A)は本実施例の出力電力検出回路220を用いたパワーモジュールにおける出力電力Poutと出力電力検出電圧Vdetとの関係を示すグラフ、(B)は先願発明の出力電力検出回路を用いたパワーモジュールにおける出力電力Poutと出力電力検出電圧Vdetとの関係を示すグラフである。(A) is a graph showing the relationship between the output power Pout and the output power detection voltage Vdet in a power module using the output power detection circuit 220 of this embodiment, and (B) is the output power detection circuit of the prior invention. It is a graph which shows the relationship between the output electric power Pout in a power module, and the output electric power detection voltage Vdet. 本発明のパワーモジュールを適用したGSMとDCSの2つの通信方式の無線通信が可能なシステムの概略の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the schematic structure of the system which can perform radio | wireless communication of the two communication systems of GSM and DCS to which the power module of this invention is applied.

符号の説明Explanation of symbols

100 RFデバイス
110 ベースバンド回路
200 パワーモジュール
210,210a,210b 高周波電力増幅回路
211,212,213 電力増幅用FET
220 出力電力検出回路
221 検波部
222,224 バッファ回路
223 バイアス生成回路
225 減算回路
227 直流電圧源
230 バイアス回路
241〜244 インピーダンス整合回路
250 誤差アンプ(APC回路)
300 フロントエンド・モジュール
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 RF device 110 Baseband circuit 200 Power module 210, 210a, 210b High frequency power amplification circuit 211, 212, 213 Power amplification FET
220 Output power detection circuit 221 Detection unit 222, 224 Buffer circuit 223 Bias generation circuit 225 Subtraction circuit 227 DC voltage source 230 Bias circuit 241 to 244 Impedance matching circuit 250 Error amplifier (APC circuit)
300 Front-end module

Claims (5)

高周波信号を増幅する電力増幅回路と、該電力増幅回路の出力部から結合容量を介して入力される交流信号に基づいて出力電力のレベルを検出する出力電力検出回路とを備えた高周波電力増幅用半導体集積回路であって、
前記出力電力検出回路は、前記結合容量を介して取り出された交流信号を制御端子に受け出力電力に比例した電流を流す出力検出用トランジスタと、該トランジスタの制御端子に動作点を与えるバイアス生成回路と、上記出力検出用トランジスタに流れる電流を転写するカレントミラー回路と、転写された電流を電圧に変換する電流−電圧変換回路とを備え、
前記バイアス生成回路は、温度検出素子を有し、該温度検出素子の温度特性を利用して温度が変化しても出力検出用トランジスタの相互コンダクタンスが一定になるように前記出力検出用トランジスタに流されるバイアス電流を変化させることを特徴とする高周波電力増幅用半導体集積回路。
A high-frequency power amplifying circuit comprising: a power amplifier circuit that amplifies a high-frequency signal; and an output power detection circuit that detects a level of output power based on an AC signal input from the output section of the power amplifier circuit via a coupling capacitor A semiconductor integrated circuit,
The output power detection circuit includes an output detection transistor that receives an AC signal extracted via the coupling capacitor at a control terminal and supplies a current proportional to the output power, and a bias generation circuit that provides an operating point to the control terminal of the transistor And a current mirror circuit that transfers the current flowing through the output detection transistor, and a current-voltage conversion circuit that converts the transferred current into a voltage,
The bias generation circuit includes a temperature detection element, and flows to the output detection transistor so that the mutual conductance of the output detection transistor becomes constant even when the temperature changes using the temperature characteristics of the temperature detection element. A semiconductor integrated circuit for high-frequency power amplification, characterized by changing a bias current.
前記バイアス生成回路は、前記出力検出用トランジスタとカレントミラー接続された第1トランジスタと、第1入力端子に定電圧が印加された差動アンプと、該差動アンプの出力電圧が制御端子に印加され前記温度検出素子と直列に接続された第2トランジスタと、該第2トランジスタの制御電圧と同一の電圧が制御端子に印加され前記第1トランジスタと直列に接続された第3トランジスタと、前記第2トランジスタのドレイン電圧もしくはエミッタ電圧が前記差動アンプの第2入力端子へ帰還されるように構成さ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用半導体集積回路。   The bias generation circuit includes a first transistor connected to the output detection transistor in a current mirror connection, a differential amplifier having a constant voltage applied to a first input terminal, and an output voltage of the differential amplifier applied to a control terminal. A second transistor connected in series with the temperature detection element; a third transistor connected in series with the first transistor by applying a voltage equal to the control voltage of the second transistor to the control terminal; 2. The semiconductor integrated circuit for high frequency power amplification according to claim 1, wherein a drain voltage or an emitter voltage of two transistors is fed back to a second input terminal of the differential amplifier. 前記出力検出用トランジスタの制御端子と前記第1トランジスタの制御端子との間にロウパスフィルタが設けられていることを特徴とする請求項2に記載の高周波電力増幅用半導体集積回路。   3. The semiconductor integrated circuit for high frequency power amplification according to claim 2, wherein a low pass filter is provided between a control terminal of the output detection transistor and a control terminal of the first transistor. 前記電流−電圧変換用トランジスタにより変換された電圧と前記バイアス生成回路により前記出力検出用トランジスタに付与される電圧との差に応じた電圧を検出信号として出力する減算回路とを備えていることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の高周波電力増幅用半導体集積回路。   A subtraction circuit that outputs a voltage corresponding to a difference between the voltage converted by the current-voltage conversion transistor and the voltage applied to the output detection transistor by the bias generation circuit as a detection signal. The high-frequency power amplification semiconductor integrated circuit according to any one of claims 1 to 3. 前記電力増幅回路の最終段の増幅用トランジスタと前記出力検出用トランジスタは、同一構造のMOSトランジスタであることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の高周波電力増幅用半導体集積回路。   5. The high frequency power amplification semiconductor integrated circuit according to claim 1, wherein the amplification transistor and the output detection transistor at the final stage of the power amplification circuit are MOS transistors having the same structure.
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