JP2006511143A - バイアス制御を伴う電力増幅器 - Google Patents

Abstract

移動体通信装置での使用に適した電力増幅器（１００）は、第１のステージ（２）と随意的な第２のステージ（２）とを有し、各ステージにはバイアス回路（４，５）が設けられている。明確な利得特性を与えるために、第１のステージ（１）では、信号増幅トランジスタ（Ｔ１）に対してバイアス電流（Ｉｂ１）が供給される。第１のバイアス回路（４）は、カレントミラー（４０）に結合された非線形電圧／電流変換器（４１）を備えている。異なるバイアスを必要とするＧＳＭおよびＵＭＴＳ等の他の用途に適するように、複数の電圧／電流変換器（４１，４２）が並列に設けられても良い。

Description

本発明は電力増幅器に関する。特に、本発明は、例えば移動体通信装置等の高周波用途で利用できる電力増幅器に関する。

電力増幅器は良く知られている。様々なステージで入力信号の適切な増幅を行なうため、増幅器は、一般に、動作点、したがって各ステージの利得を利得制御信号に決定させることができる。望ましい全体の利得特性、いわゆる電力制御曲線を得るためには、様々なステージの動作点の注意深い調整が必要である。

多段無線周波数電力増幅器は、米国特許第６，２５９，９０１号に開示されている。この周知の多段電力増幅器の第１および第２のステージは差動増幅器であり、各増幅器は、電流源として機能するバイポーラトランジスタを介してグランドに結合され、バイアス電流が供給される。各ステージのバイアス電流は、利得制御信号および１つの基準電圧を受けるバイアス回路によって供給される。バイアス電流回路の詳細については開示されていない。

この既知の電力増幅器は、安定した入力信号が前提であり、そのために差動増幅器が設けられている。しかしながら、多くの用途においては、安定した入力信号を得ることができず或いは安定した入力信号が望ましくない。さらに、多くの用途においては、明確でかつほぼ真直ぐな電力制御曲線を有していなければならない。そのような電力制御曲線は、前述したＵＳ特許から知られる電力増幅器によって保証はされない。

本発明の目的は、従来技術のこれらの問題および他の問題を解消することであり、明確な電力制御曲線を有する片側（不安定な）入力信号用の電力増幅器を提供することである。

本発明の他の目的は、増幅される信号に利得が依存しない電力増幅器を提供することである。

本発明の更なる目的は、無線周波数用途に適した電力増幅器を提供することである。

したがって、本発明は、
入力信号を増幅するための第１のステージと、
バイアス電流を上記第１のステージに供給するための第１のバイアス回路と、
を備え、
上記第１のバイアス回路は、制御電流源を備えるとともに、そのバイアス電流を上記第１のステージの信号増幅トランジスタの制御電極に対して供給するように構成された電力増幅器を提供する。

第１のステージの信号増幅トランジスタに対してバイアス電流を供給することにより、トランジスタの動作点、したがってその利得を注意深く制御することができる。制御電極は、バイポーラトランジスタのベースであることが好ましい。第１のステージは、１つのトランジスタだけを有していることが好ましいが、２つ以上のトランジスタが設けられる場合には、バイアス電流は信号経路で第１のトランジスタに対して供給されることが好ましい。しかしながら、他のトランジスタに対して同様にバイアス電流が供給されても良い。

好ましい実施形態において、バイアス回路は、好ましくはカレントミラーに結合された非線形電圧／電流変換器を備えている。すなわち、利得制御信号とバイアス電流との間の関係は非線形であることが好ましい。このようにすると、非常に有利な利得特性を得ることができる。しかしながら、ほぼ線形の電圧／電流変換器を使用することも可能である。

上記非線形電圧／電流変換器は、それぞれが基準電圧に結合された少なくとも１つの差動ステージを備えていることが好ましい。差動増幅器は、たった２つのトランジスタと１つの抵抗とから成っていても良く、これにより、非常にコンパクトで更に効率的な回路を形成することができる。トランジスタの非線形特性を利用することにより、電圧／電流変換器の任意の非線形特性を得ることができる。１つの変換器内で２つの差動ステ−ジが使用される場合には、各ステージは個別の基準電圧のそれぞれに対して結合されることが好ましい。

本発明の電力増幅器の好ましい実施形態において、少なくとも１つのバイアス回路は、２つの異なる利得制御電圧を変換するための少なくとも２つの異なる電圧／電流変換器を備えている。これにより、例えば携帯電話器の場合にはＧＳＭ、ＥｄｇｅおよびＵＭＴＳといった異なる動作モードに対して異なるバイアスを供給することができる。前述したように、少なくとも２つの変換器のそれぞれは、対応する利得制御電圧を電流に変換しても良い。しかしながら、本発明の特に有利な実施形態において、第１のバイアス回路は、バイアス電圧を上記第１のステージに対して更に供給するためのバイアス電圧手段を更に備えている。すなわち、第１のバイアス回路は、第１の利得制御信号に応じてバイアス電流を生成するとともに、第２の利得制御信号に応じてバイアス電圧を生成しても良い。このようにすれば、異なる要件を有する様々な異なる用途に対して本発明の電力増幅器を容易に適合させることができる。

更なる有利な実施形態では、第１のバイアス回路において、信号増幅トランジスタのＤＣ電流利得を補償するために、少なくとも１つの電圧／電流変換器と制御電流源との間に更なるトランジスタが結合される。

全体の利得を更に高めるため、本発明の電力増幅器は、第１のステージによって出力された信号を増幅するための第２のステージと、バイアス電流を上記第２のステージに対して供給するための第２のバイアス回路とを更に備え、随意的に、上記第２のステージによって出力された信号を増幅するための第３のステージと、バイアス電流を上記第３のステージに対して供給するための関連する第３のバイアス回路とを更に備えている。

本発明に係る電力増幅器は、例えば携帯電話で使用される信号等の高周波信号を増幅するように構成されていても良い。

本発明は、前述した電力増幅器を備える装置を更に提供する。この装置は、移動体通信装置であることが好ましく、ＧＳＭ電話機であることが更に好ましい。

以下、添付図面に示される代表的な実施形態を参照しながら、本発明について更に説明する。

単なる非制限的な実施例として図１に示される電力増幅器１００は、第１のステージ１と、第２のステージ２と、第３のステージ３とを備えている。各ステージは、関連するバイアス回路４，５，６を有している。図示の実施形態は、ＲＦ（無線周波数）用途のために設計されており、特にこの目的のために様々な構成要素、特にインダクタを有している。しかしながら、本発明はＲＦ用途に限定されず、当業者であれば分かるように、そのような専用の構成要素は、他の用途においては省かれても構わない。

図示の実施形態において、第１のステージ１は、ＮＰＮ型の第１のバイポーラトランジスタＴ_１を備えている。この実施例においてはＲＦ信号である入力信号Ｖ_ｉｎは、結合キャパシタＣ_１を介してトランジスタＴ_１のベースに供給される。トランジスタＴ_１のエミッタはグランドに接続され、一方、トランジスタＴ_１のコレクタは、インダクタＬ_２を介してプラスの供給電圧Ｖｓに接続されるとともに、更なる結合キャパシタＣ_２を介して第２のステージ２に接続されている。第１のステージ１は、第１のインダクタＬ_１と、Ｌ_１に対して並列に接続された第１の抵抗Ｒ_１と、キャパシタＣ_５とから成るフィルタ回路を更に備えている。このフィルタ回路はＲＦ信号を切り離すように設計されているため、その構成要素は本発明に欠かせないものではない。

第１のバイアス回路４は、第１のトランジスタＴ_１のベースに接続されており、（第１の）バイアス電流Ｉ_ｂ１を供給する。図１に示される実施形態において、第１のバイアス回路４は、トランジスタＴ_６およびＴ_７によって構成される制御カレントミラー４０と、２つの電圧／電流変換器４１および４２とを備えている。これらの変換器４１，４２は、利得制御信号Ｖ_ｃ１，Ｖ_ｃ２をそれぞれ受信しても良い。電力増幅器１００の特定の動作モード、例えばＧＳＭまたはＵＭＴＳに応じて、第１の利得制御信号Ｖ_ｃ１または第２の利得制御信号Ｖ_ｃ２のいずれかが与えられる。変換器４１または４２は、その対応する利得制御信号を、カレントミラー４０のトランジスタＴ_６から供給される電流に変換する。その結果、比例する大きさを有する電流Ｉ_ｂ１がトランジスタＴ_７からトランジスタＴ_１へと供給される。代表的にＤＣ電流であるこのバイアス電流Ｉ_ｂ１は、インダクタＬ_１によって影響されず、トランジスタＴ_１のベースへと効果的にかつ直接的に流れる。以上から明らかなように、バイアス電流Ｉ_ｂ１は、ＲＦ入力信号Ｖ_ｉｎとは全く無関係である。その結果、信号増幅トランジスタＴ_１の動作点および利得が入力信号と無関係になる。

従来の構成においては、第１のステージの第１の信号増幅トランジスタに対してバイアス電圧が印加される。本発明者等は、バイアス電圧ではなく、バイアス電流が増幅器の第１のステージについて非常に良好に明確な動作点を与えることを見出した。

本発明のバイアス回路４，５および６は、良好で明確なバイアス電流を与えるのに特に適している。変換器４１および４２と、これらの対応部分５１，５２および６１，６２については、後ほど図４を参照して更に詳細に説明する。なお、各バイアス回路４，５および６においては、原理上、１つの変換器（バイアス回路４においては４１または４２）で十分である。しかしながら、本発明の更なる態様においては、複数の利得制御信号を独立に使用できるように、各バイアス回路毎に複数の変換器が設けられる。

第２のステージ５は、トランジスタＴ_２，Ｔ_３から成るカレントミラーを備え、これらのトランジスタのベースがインダクタＬ_３によって結合されているという点で、第１のステージ１と異なっている。第１のステージ１によって増幅されたＲＦ信号は、結合キャパシタＣ_２を介して、第３のトランジスタＴ_３のベースに供給される。トランジスタＴ_１と同様に、トランジスタＴ_３のコレクタは、インダクタＬ_４を介してプラスの供給電圧Ｖｓに接続されるとともに、更なる結合キャパシタＣ_３を介して第３のステージ３に接続されている。トランジスタＴ_２のコレクタは第２のバイアス回路５に結合されており、第２のバイアス回路５は、図示の実施形態においては、第１のバイアス回路４および第３のバイアス回路６と同一である。第１のバイアス回路４の場合と同様に、第１のバイアストランジスタＴ_８および第２のバイアストランジスタＴ_９はカレントミラー５０を形成しており、トランジスタＴ_８は、利得制御電圧信号を適切な電流に変換する変換器５１および５２に接続されている。第１のステージとは異なり、第２のバイアストランジスタＴ_９のコレクタは、信号増幅トランジスタＴ_３に対して直接に接続されていないが、トランジスタＴ_２のコレクタに対して接続されている。トランジスタＴ_２は、トランジスタＴ_３とともにカレントミラーを構成している。トランジスタＴ_１２は、そのコレクタが供給電圧Ｖｓに接続されており、トランジスタＴ_２およびＴ_３に対して適切なベース電流を供給する（ベース電流補償）。その結果、第２のステージ２の信号増幅トランジスタＴ_３のバイアスは、第１のステージ１の場合のような電流バイアスではなく、電圧バイアスである。このステージにおいて電流バイアスも可能であるが、良く知られたアバランシェ効果によって生じるブレークダウンを防止するために、高いステージにおいては電流バイアスが避けられる。

第３のステージ３は、第２のステージ２と略同一であり、トランジスタＴ_４およびＴ_５を備えている。トランジスタＴ_４のコレクタは、第３のバイアス回路６に結合されているとともに、ベース電流補償トランジスタＴ_１３のベースに結合されている。電力増幅器１００の出力信号Ｖ_ｏｕｔはトランジスタＴ_５のコレクタにおいて生成され、この出力信号は、図示の実施形態においてはインピーダンス整合回路７を介する。

図１の電力増幅器１００は、２つの異なる動作モードに対応する２つの利得制御信号を受信できるようにダブルセットの変換器（４１＆４２；５１＆５２；６１＆６２）を有するように示されているが、必ずしもそうである必要はなく、多くの実施形態においては、シングルセットの変換器が設けられる。すなわち、各バイアス回路毎に１つの変換器だけが設けられる。一方、３つ以上の異なる動作モードに対応する３つ以上の利得制御信号を受信できるように、各バイアス回路毎に３個以上の変換器を設けることもできる。

図１において、各バイアス回路は、１つのカレントミラー回路を有するように示されている（バイアス回路４においては、４０；Ｔ_６＆Ｔ_７）。しかしながら、図２に示される代替的な実施形態において、第１のバイアス回路４は２つのカレントミラー４０および４０’を備えている。トランジスタＴ_６およびＴ_７から成りかつ利得制御信号Ｖ_ｃ１に応じてバイアス電流を供給するために変換器４１に結合されたカレントミラー４０は、図１の第１のステージ１の場合と同様に接続されており、それにより、バイアス電流をトランジスタＴ_１のベースに対して供給する。トランジスタＴ_６’ およびＴ_７’から成りかつ変換器４２に結合された更なるカレントミラー４０’は、図１の第２のステージ２および第３のステージ３の場合と同様に、バイアス電流ではなくバイアス電圧を供給するように構成されている。この目的のため、トランジスタＴ_１と共にＤＣ信号用のカレントミラー回路を構成する更なるトランジスタＴ_１４が設けられる。図１の場合と同様に、トランジスタＴ_１６は、トランジスタＴ_１のための適切なベース電流を供給する。

図２の構成により、電流バイアスと電圧バイアスとを二者択一的に使用することができる。すなわち、利得制御電圧Ｖ_ｃ１およびＶ_ｃ２に応じて適切なバイアスモードを選択することができる。更なる利得制御信号を受信してそれを適切なバイアス電流またはバイアス電圧に変換できるように、更なる変換器を設けることができることがわかるであろう。また、図２の構成を使用してバイアス電流とバイアス電圧とを同時に供給することも考えられる。

第１のバイアス回路４の他の代替的な更なる実施形態が図３に示されている。この実施形態においては、変換器４１とカレントミラー４０との間に補償トランジスタＴ_１５が配置されている。この補償トランジスタＴ_１５は、信号増幅トランジスタＴ_１の電流利得係数βの任意の変化を補償する機能を果たす。補償トランジスタＴ_１５がランジスタＴ_１と一致し、それにより、両方のトランジスタが実質的に同じ電流利得係数βを有することが好ましい。トランジスタＴ_１５は、βによってカレントミラー４０の（バイアス）電流を効果的に分割する。一方、トランジスタＴ１は、この電流とβとを掛け合わせることにより、βを効果的に相殺する。その結果、バイアス電流がβと無関係になる。この構成を図１および図２の両方の回路に適用できることがわかるであろう。

更なる有利な実施形態（図示せず）においては、１つの電圧／電流変換器が、２つ以上の並列な第１のステージ１に対して、あるいは、１つの第１のステージ１における並列な第１の信号増幅トランジスタＴ_１，Ｔ_１’に対してバイアス電流を供給する。

前述した実施形態の特徴を所望のとおり組み合わせることができることがわかるであろう。例えば、第１のステージは、β補償トランジスタと、電圧バイアス回路および電流バイアス回路の組み合わせとの両方を有していても良い。

電圧／電流変換器の特に有利な実施形態が図４に示されている。図４の変換器は、図１の変換器４１，４２，５１，５２，６１および６２のいずれか或いは全てを構成していても良く、基本的に、トランジスタＴ_２１およびＴ_２２によって構成される差動ステージ回路から成る。図示の実施形態において、これらのトランジスタＴ_２１，Ｔ_２２はバイポーラＮＰＮ型トランジスタであり、そのエミッタ同士が抵抗Ｒ_２１を介して接続されている。トランジスタＴ_２１のベースは、抵抗Ｒ_２２を介して制御電圧Ｖｃを受け、一方、トランジスタＴ_２２は、抵抗Ｒ_２３を介して基準電圧Ｖ_ｒ１を受ける。トランジスタＴ_２２のコレクタは供給電圧Ｖｓに接続されており、一方、トランジスタＴ_２１のコレクタは図１のカレントミラー４０，５０，６０のうちの１つに接続されている。Ｔ_２１，Ｔ_２２のエミッタにはそれぞれ電流源Ｓ_１およびＳ_２が接続されている。好ましい実施形態において、電流源Ｓ_１およびＳ_２の電流は、ほぼ等しい大きさである。出力電流Ｉ_ｏｕｔは、Ｔ_２１のコレクタへと流れる電流によって構成されている。

本発明に係る電圧／電流変換器の他の実施形態が図５に示されている。この変換器の一部は、図４のそれと同じであり、前述したように接続されたトランジスタＴ_２１およびＴ_２２と抵抗Ｒ_２１，Ｒ_２２，Ｒ_２３と電流源Ｓ_１およびＳ_２とを有する第１の差動ステージ回路を構成している。トランジスタＴ_２３およびＴ_２４と抵抗Ｒ_２４およびＲ_２５と電流源Ｓ_３およびＳ_４とから成る第２の差動ステージ回路は、第１の差動ステージ回路に対して並列に接続されている。トランジスタＴ_２２およびＴ_２４は、抵抗Ｒ_２３およびＲ_２５をそれぞれ介して、基準電圧Ｖ_ｒ１およびＶ_ｒ２を受け、一方、トランジスタＴ_２１およびＴ_２３は共に、抵抗Ｒ_２２を介して制御電圧Ｖｃを受ける。好ましい実施形態においては、基準電圧Ｖ_ｒ１およびＶ_ｒ２は等しくなく、その結果、各回路毎の「オープニングポイント（opening points）」が異なる。すなわち、特定の回路が通電し始める制御電圧Ｖｃの値が異なる。トランジスタＴ_２１のコレクタを流れる電流Ｉ_ｏｕｔ１およびトランジスタＴ_２３のコレクタを流れる電流Ｉ_ｏｕｔ２は共に出力電流Ｉ_ｏｕｔを形成している。

図５の回路は、２つの差動ステージを利用して、入力電圧Ｖｃと出力電流Ｉ_ｏｕｔとの間の非線形的な関係を実現している。本発明者等は、この非線形的な関係が図１〜図３の回路の場合と同様にバイアス電流を生成するのに特に適していることを見出した。また、図５の回路は、比較的単純であり経済的である。

図５の回路における入力電圧Ｖｃと出力電流Ｉ_ｏｕｔとの間の非線形的な関係が図６に概略的に示されている。特定の閾値電圧よりも下側では、出力電流Ｉ_ｏｕｔがほぼゼロであり、この領域が図６にＩで示されている。第２の領域ＩＩにおいては、第１の差動ステージ（トランジスタＴ_２１およびＴ_２２）だけが通電し、出力電流Ｉ_ｏｕｔ（＝Ｉ_ｏｕｔ１）が制御電圧Ｖｃにほぼ比例して増大する。その後、他の閾値電圧に達すると、領域IIIにおいて、両方の差動ステージが通電し、その結果、全出力電流Ｉ_ｏｕｔ（＝Ｉ_ｏｕｔ１＋Ｉ_ｏｕｔ２）が制御電圧Ｖｃの比例よりも大きく増大する。したがって、変換器が全体として非線形的な作用を示すことが分かる。これが電力増幅器においてバイアス電流を供給するのに非常に適していることを本発明者等は見出した。領域Ｉ，IIおよびIII、および、曲線の傾きは、抵抗によって良好に規定される。バランスがとれた（安定した）構造により、出力電流は、温度および供給電圧に依存しなくなり、また、プロセスのばらつき（spread）に影響されなくなる。また、図５の回路は比較的単純であり経済的である。

前述した回路、特に図１〜図３に示された回路では、現実に即した実施形態において、例えば様々なカレントミラーのトランジスタの動作点をフィルタリングし或いは設定する目的で、更なる構成要素が設けられても良い。図３の回路では、例えば、トランジスタＴ_６のベースとトランジスタＴ_７のベースとの間に２つの抵抗を設けることができる。この場合、これらのトランジスタの接合点はＴ_６のコレクタに接続される。ノイズを抑制するために、トランジスタＴ_７のベースと電源との間にキャパシタを接続することができる。トランジスタＴ_７のコレクタとグランドとの間に他のキャパシタを接続することもでき、また、Ｔ_７のコレクタと第１のステージ１との間に抵抗を接続することもできる。そのような構成要素は、本発明に不可欠なものではなく、特定の実施形態においては必要に応じて加えることができ或いは省くことができることがわかる。

本発明の電力増幅器は、様々な技術で具現化される複数の部分に適切に分割されても良い。図１の実施形態において、例えば、第３のステージ３および可能な限り第２のステージ２は、ＧａＡｓ（ガリウムヒ素）中に有利に実装することができ、また、電力増幅器の残りの部分はＳｉ（シリコン）中に実装され、これにより、ＧａＡｓ中に設けられた回路の有利な高周波特性を利用する。

本発明は、信号増幅トランジスタに供給される明確なバイアス電流により増幅器ステージが明確な利得を得ることができるという見識に基づいている。本発明は、非線形的なバイアス回路により非常に望ましい全増幅特性を得ることができるという更なる見識を利用する。

なお、この文書で使用される任意の用語は、本発明の範囲を限定するように解釈されるべきではない。特に、用語「備える（含む）」および「備えている（含んでいる）」は、具体的に述べられていない任意の要素を排除しようとするものではない。１つの（回路）素子を複数の（回路）素子あるいはその均等物に取って代えても良い。

以上、多段電力増幅器に関して本発明の様々な態様を説明してきたが、本発明の教示内容はこれらの態様に限定されないことは言うまでもない。したがって、前述した方法で適切なバイアス電流を信号増幅トランジスタのベースに供給することは、例えば単段増幅器および非ＲＦ増幅器においても有益である。同様に、１または複数の利得制御信号に基づいて複数の異なるバイアス信号をバイアス回路に供給できる前述した「マルチモード」構成も同様に単段増幅器に対して好適に適用することができる。また、この「マルチモード」構成は、独立に、すなわち、前述したバイアス電流手段無しに、利用され得る。

したがって、当業者であれば分かるように、本発明は、前述した実施形態に限定されず、添付の請求項に規定された本発明の範囲から逸脱することなく多くの変更および付加を与えることができる。

本発明に係る電力増幅器による好ましい実施形態を概略的に示している。 本発明に係る電力増幅器による第１のステージの代替的な第１の実施形態を概略的に示している。 本発明に係る電力増幅器による第１のステージの代替的な第２の実施形態を概略的に示している。 本発明に係る電力増幅器で使用するための非線形電圧／電流変換回路を概略的に示している。 本発明に係る電力増幅器で使用するための非線形電圧／電流変換回路の代替的な実施形態を概略的に示している。 図５の変換回路の電圧／電流特性を概略的に示している。

Claims (9)

1. 入力信号を増幅するための第１のステージと、
   バイアス電流を前記第１のステージに供給するための第１のバイアス回路と、
   を備え、
   前記第１のバイアス回路は、制御電流源を備えるとともに、そのバイアス電流を前記第１のステージの信号増幅トランジスタの制御電極に対して供給するように構成された、電力増幅器。
2. 少なくとも１つのバイアス回路は、好ましくはカレントミラーに結合された非線形電圧／電流変換器を備えている、請求項１に記載の電力増幅器。
3. 前記非線形電圧／電流変換器は、基準電圧に結合された少なくとも１つの差動ステージ、好ましくは対応する基準電圧にそれぞれ結合された２つの差動ステージを備えている、請求項２に記載の電力増幅器。
4. 前記少なくとも１つのバイアス回路は、２つの異なる利得制御電圧を変換するための２つの異なる電圧／電流変換器を備えている、請求項１に記載の電力増幅器。
5. 前記第１のバイアス回路は、バイアス電圧を前記第１のステージに対して更に供給するためのバイアス電圧手段を更に備えている、請求項１に記載の電力増幅器。
6. 前記第１のバイアス回路においては、前記信号増幅トランジスタのＤＣ電流利得を補償するために、前記電圧／電流変換器と前記制御電流源との間に更なるトランジスタが結合されている、請求項１に記載の電力増幅器。
7. 前記第１のステージによって出力された信号を増幅するための第２のステージと、バイアス電流を前記第２のステージに対して供給するための第２のバイアス回路とを更に備え、随意的に、前記第２のステージによって出力された信号を増幅するための第３のステージと、バイアス電流を前記第３のステージに対して供給するための関連する第３のバイアス回路とを更に備えている、請求項１に記載の電力増幅器。
8. 高周波信号を増幅するように構成された、請求項１に記載の電力増幅器。
9. 請求項１に記載の電力増幅器が設けられた、装置。

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