JP2008124559A - Power amplifier and communication device employing the same - Google Patents
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Description
本発明は電力増幅器およびそれを用いた通信装置に関し、特に、携帯電話機や無線LANを始めとする無線通信機器に用いられるマイクロ波帯などの高周波電力の増幅に使用される電力増幅器およびそれを用いた通信装置に関する。より特定的には本発明は、広帯域にわたる送信周波数帯の信号を低歪にて増幅する電力増幅器およびそれを用いた通信装置に関する。 The present invention relates to a power amplifier and a communication apparatus using the same, and more particularly to a power amplifier used for amplifying high-frequency power such as a microwave band used in a wireless communication device such as a mobile phone or a wireless LAN, and the same. Related to the communication device. More specifically, the present invention relates to a power amplifier that amplifies a signal in a transmission frequency band over a wide band with low distortion, and a communication apparatus using the power amplifier.
無線LANシステムや携帯電話機などの今日の無線通信システムでは、OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplex;直交周波数分割多重)やQPSK(Quadrature Phase Shift Keying;直交位相変調)などのディジタル変復調が主流となっている。これらのディジタル変復調方式では、信号の振幅および位相の両方で情報が伝送されるため、電力増幅器には信号を低歪にて増幅することが要求される。電力増幅器を低歪にて動作させる手法として、電力増幅器に用いられる電力増幅素子で発生する歪を補償する歪補償バイアス回路を設ける方法が提案されている(たとえば、特許文献1,2および非特許文献1参照)。
In today's wireless communication systems such as wireless LAN systems and mobile phones, digital modulation / demodulation such as OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) and QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) is the mainstream. In these digital modulation / demodulation systems, information is transmitted with both the amplitude and phase of the signal, so that the power amplifier is required to amplify the signal with low distortion. As a technique for operating a power amplifier with low distortion, a method of providing a distortion compensation bias circuit that compensates for distortion generated in a power amplification element used in the power amplifier has been proposed (for example,
図8は、そのような電力増幅器の要部を示す回路図である。図8において、この電力増幅器は、信号入力端子101、信号出力端子102、電力増幅素子103、歪補償バイアス回路104、およびバイアス端子105を備え、歪補償バイアス回路104は、ダイオード106、抵抗素子107,108、およびキャパシタ109を含む。ダイオード106のカソードは電力増幅素子103のベースに接続され、そのアノードは抵抗素子107を介してバイアス端子105に接続されている。バイアス端子105に電圧を印加すると、抵抗素子107およびダイオード106を介して電力増幅素子103のベースにバイアスが印加される。ダイオード106のアノードは、抵抗素子108およびキャパシタ109を介して接地されている。
FIG. 8 is a circuit diagram showing a main part of such a power amplifier. In FIG. 8, this power amplifier includes a signal input terminal 101, a
信号入力端子101から入力された信号は電力増幅素子103によって増幅され、信号出力端子102から出力されるが、入力された信号の一部は歪補償バイアス回路104に流れ、ダイオード106、抵抗素子108、およびキャパシタ109を介して接地電位GNDのラインへ流出する。
A signal input from the signal input terminal 101 is amplified by the
入力信号の電力が増加すると、電力増幅素子103のベースに流れる直流電流がそれに伴って増加するが、このとき抵抗素子107に流れる直流電流も増加するために抵抗素子107での電圧降下が増加する。これによって、電力増幅素子103に印加されるバイアス電圧が低下しようとするが、一方、ダイオード106に信号が入力されると、ダイオードが有する非線形動作特性の影響により、入力信号の電力の増加とともにダイオード106の端子間電圧は低下する。これにより、抵抗素子106で生じた電圧降下の増加分がダイオード106の端子間電圧の低下分によって補償され、電力増幅素子103に印加されるバイアス電圧の低下が抑制される。この結果、入力信号の電力増加に伴う出力信号の歪の発生が抑制される。
近年、無線通信システムでは、同じ通信方式でも国や地域によってシステムに割り当てられる周波数が若干異なる状況が存在する。たとえば、5GHz帯の無線LANシステムの場合、日本などでは5.2GHz近傍の周波数が用いられているのに対して、北米などでは5.8GHz近傍の周波数が用いられる。このようなシステムの状況に対応するため、近年の無線通信システムに用いられる送信用の電力増幅器では、1つの電力増幅器において広い周波数帯で動作させることが要求されている。 In recent years, in wireless communication systems, there are situations in which the frequency allocated to the system is slightly different depending on the country or region even in the same communication method. For example, in the case of a 5 GHz band wireless LAN system, a frequency near 5.2 GHz is used in Japan and the like, whereas a frequency near 5.8 GHz is used in North America and the like. In order to cope with such a system situation, a power amplifier for transmission used in a recent wireless communication system is required to operate in a wide frequency band in one power amplifier.
しかし、上記文献1〜3では、広い周波数帯で動作させた場合に発生する問題については何ら議論されていない。そこで、本願発明者が回路シミュレータを用いて従来の電力増幅器を広い周波数帯で動作させた場合の特性を検証した結果、従来の電力増幅器では、ある周波数に対して低歪にて信号を増幅するように抵抗素子108およびキャパシタ109を調整すると、それ以外の周波数では歪が増加することが分かった。したがって、従来の電力増幅器では、広い周波数帯にわたって低歪にて信号を増幅することはできない。
However, the documents 1 to 3 do not discuss any problems that occur when operating in a wide frequency band. Therefore, as a result of verifying characteristics when the present inventor operates a conventional power amplifier in a wide frequency band using a circuit simulator, the conventional power amplifier amplifies a signal with low distortion with respect to a certain frequency. Thus, it was found that when the
それゆえに、この発明の主たる目的は、広い周波数帯にわたって低歪にて信号を増幅することが可能な電力増幅器と、それを用いた通信装置を提供することである。 Therefore, a main object of the present invention is to provide a power amplifier capable of amplifying a signal with low distortion over a wide frequency band, and a communication device using the power amplifier.
この発明に係る電力増幅器は、第1の電極が接地電位のラインに接続され、入力電極に入力された信号を増幅して第2の電極に出力する電力増幅素子と、電力増幅素子の入力電極にバイアス電圧を与えるとともに電力増幅素子の歪を補償する第1のダイオードまたはバイポーラトランジスタを含む歪補償バイアス回路と、電力増幅素子の入力信号または出力信号を減衰させて電力増幅素子の歪を補償する第2のダイオードを含む非線形減衰回路とを備えたものである。 A power amplifier according to the present invention includes a power amplifying element having a first electrode connected to a ground potential line, amplifying a signal input to an input electrode and outputting the amplified signal to a second electrode, and an input electrode of the power amplifying element A bias compensation circuit including a first diode or a bipolar transistor for applying a bias voltage to the power amplifier and compensating for distortion of the power amplification element, and attenuating the input signal or output signal of the power amplification element to compensate for distortion of the power amplification element And a non-linear attenuation circuit including a second diode.
好ましくは、歪補償バイアス回路による歪補償量の周波数依存性と非線形減衰回路による歪補償量の周波数依存性とは互いに抑制し合うように設定されている。 Preferably, the frequency dependence of the distortion compensation amount by the distortion compensation bias circuit and the frequency dependence of the distortion compensation amount by the nonlinear attenuation circuit are set so as to suppress each other.
また好ましくは、電力増幅素子、歪補償バイアス回路および非線形減衰回路は同一半導体基板上に形成されている。 Preferably, the power amplification element, the distortion compensation bias circuit, and the nonlinear attenuation circuit are formed on the same semiconductor substrate.
また好ましくは、複数段の電力増幅素子を備え、非線形減衰回路は、複数段の電力増幅素子のうちの少なくとも1つの電力増幅素子の前段、または最終段の電力増幅器以外の少なくとも1つの電力増幅器の後段に設けられている。 Preferably, the power amplifier includes a plurality of stages of power amplifying elements, and the nonlinear attenuating circuit includes at least one power amplifier other than the power amplifier of the last stage or at least one of the power amplifying elements of the plurality of stages. It is provided in the latter part.
また好ましくは、第2のダイオードは信号経路と接地電位のラインとの間に接続されている。 Preferably, the second diode is connected between the signal path and the ground potential line.
また好ましくは、電力増幅素子の第2の電極に接続された出力整合回路を備え、出力整合回路の送信周波数帯域内の負荷インピーダンスの絶対値は送信周波数帯域の中心周波数における負荷インピーダンスの絶対値の±10%以内の範囲の値である。 Preferably, an output matching circuit connected to the second electrode of the power amplifying element is provided, and the absolute value of the load impedance in the transmission frequency band of the output matching circuit is the absolute value of the load impedance at the center frequency of the transmission frequency band. The value is within a range of ± 10%.
また好ましくは、電力増幅素子の第2の電極に接続された出力整合回路を備え、出力整合回路は、送信周波数帯域よりも高い周波数において短絡となるトラップ回路を含む。 Preferably, an output matching circuit connected to the second electrode of the power amplifying element is provided, and the output matching circuit includes a trap circuit that is short-circuited at a frequency higher than the transmission frequency band.
また好ましくは、出力整合回路は、電力増幅素子、歪補償バイアス回路および非線形減衰回路と同一半導体基板上に形成されている。 Preferably, the output matching circuit is formed on the same semiconductor substrate as the power amplification element, the distortion compensation bias circuit, and the nonlinear attenuation circuit.
また、この発明に係る通信装置は、上記電力増幅器を備えたものである。 A communication apparatus according to the present invention includes the power amplifier.
この発明に係る電力増幅器および通信装置では、歪補償バイアス回路と非線形減衰回路の両方が設けられている。したがって、歪補償バイアス回路による歪補償量の周波数依存性と非線形減衰回路による歪補償量の周波数依存性とが互いに抑制し合うので、広い周波数帯にわたって低歪にて信号を増幅することができる。 In the power amplifier and the communication device according to the present invention, both the distortion compensation bias circuit and the nonlinear attenuation circuit are provided. Accordingly, since the frequency dependence of the distortion compensation amount by the distortion compensation bias circuit and the frequency dependence of the distortion compensation amount by the nonlinear attenuation circuit are mutually suppressed, a signal can be amplified with low distortion over a wide frequency band.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付し、その説明は繰り返さない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and description thereof will not be repeated.
[実施の形態1]
図1は、本発明の実施の形態1による電力増幅器の構成を示す回路ブロック図である。図1において、この電力増幅器は、4.8〜6.0GHzの広い送信周波数帯を有し、信号入力端子1、信号出力端子2、電力増幅素子3、歪補償バイアス回路4、バイアス端子5,14,19、ダイオード6,16、抵抗素子7,8,17,18、キャパシタ9,10、入力整合回路11、出力整合回路12、出力側電源回路13、および非線形減衰回路15を備える。
[Embodiment 1]
FIG. 1 is a circuit block diagram showing a configuration of a power amplifier according to Embodiment 1 of the present invention. In FIG. 1, this power amplifier has a wide transmission frequency band of 4.8 to 6.0 GHz, and includes a signal input terminal 1, a
この電力増幅器はGaAs半導体基板上に形成されており、電力増幅素子3はGaAsヘテロ接合バイポーラトランジスタ(HBT)により構成されている。ダイオード6は、GaAs HBTのエミッタ−ベース接合からなるpn接合ダイオードによって構成されており、また、ダイオード16は、GaAs HBTのベース−コレクタ接合からなるpn接合ダイオードによって構成されている。キャパシタ9,10はGaAs半導体基板上に形成されたMIM(Metal-Insulator-Metal)キャパシタによって構成され、また、抵抗素子7,8,17,18はGaAs半導体基板上に形成された金属薄膜によって構成されている。これらは同一半導体基板上に形成されており、これによって電力増幅器の小型化および低コスト化を実現している。
This power amplifier is formed on a GaAs semiconductor substrate, and the power amplifying
信号入力端子1は入力整合回路11、非線形減衰回路15およびキャパシタ10を介して電力増幅素子3のベースに接続され、バイアス端子5は歪補償バイアス回路4を介して電力増幅素子3のベースに接続され、バイアス端子14は出力側電源回路13を介して電力増幅素子3のコレクタに接続されている。電力増幅素子3のエミッタは接地され、そのコレクタは出力整合回路12を介して信号出力端子2に接続されている。なお、本実施の形態1では、電力増幅素子3のエミッタは直接接地されているが、電力増幅素子3のエミッタは抵抗素子などを介して接地電位GNDのラインに接続されていてもよい。
The signal input terminal 1 is connected to the base of the
歪補償バイアス回路4は、ダイオード6、抵抗素子7,8、およびキャパシタ9を含む。ダイオード6のカソードは電力増幅素子3のベースに接続され、ダイオード6のアノードは抵抗素子7を介してバイアス端子5に接続されている。バイアス端子5に電圧を印加すると、抵抗素子7およびダイオード6を介して電力増幅素子3のベースにバイアスが印加される。ダイオード6のアノードは、抵抗素子8およびキャパシタ9を介して接地されている。
The distortion compensation bias circuit 4 includes a
非線形減衰回路15は、ダイオード16および抵抗素子17,18を含む。抵抗素子18は、入力整合回路11およびキャパシタ10間のノードN18とバイアス端子19との間に接続され、ダイオード16および抵抗素子17はノードN18と接地電位GNDのラインとの間に直列接続される。ダイオード16は、信号経路と接地電位GNDのラインとの間に接続されたいわゆるシャント型ダイオードとなっている。ダイオード16には順方向バイアスが印加されており、これによってダイオード16は非線形減衰機能を有する。
The
ここで、歪補償バイアス回路4および非線形減衰回路15の動作について説明する。信号入力端子1から入力された信号は電力増幅素子3によって増幅され、信号出力端子2から出力されるが、入力された信号の一部は非線形減衰回路15および歪補償バイアス回路4に流れる。非線形減衰回路15に流入した信号は、ダイオード16および抵抗素子17を介して接地電位GNDのラインへ流出する。歪補償バイアス回路4に流入した信号は、ダイオード6、抵抗素子8、およびキャパシタ9を介して接地電位GNDのラインへ流出する。
Here, operations of the distortion compensation bias circuit 4 and the
ダイオードに信号が入力されると、ダイオードの電流−電圧特性は、ダイオードの有する非線形動作特性の影響によって以下のように変化する。ダイオードにバイアス電圧Vdが印加されているときのダイオードの電流−電圧特性の非線形性は次式(1)によって表わされる。 When a signal is input to the diode, the current-voltage characteristic of the diode changes as follows due to the influence of the nonlinear operating characteristic of the diode. The nonlinearity of the current-voltage characteristic of the diode when the bias voltage Vd is applied to the diode is expressed by the following equation (1).
Id=Is・{exp(qVd/kT)−1} …(1)
ここで、Idはダイオードの電流、Isはダイオードの逆方向飽和電流、qは素電荷量(≒1.6×10−19C)、kはボルツマン定数(≒1.38×10−23J・K−1)、Tは絶対温度、Vdはダイオードに印加された直流バイアス電圧である。ここに、上述のようにダイオードに信号の電力が入力された場合、ダイオードに流れる電流は近似的に次式(2)で表わされる。
Id = Is · {exp (qV d / kT) −1} (1)
Here, Id is a diode current, Is is a reverse saturation current of the diode, q is an elementary charge (≈1.6 × 10 −19 C), k is a Boltzmann constant (≈1.38 × 10 −23 J · K −1 ), T is the absolute temperature, and V d is the DC bias voltage applied to the diode. When the signal power is input to the diode as described above, the current flowing through the diode is approximately expressed by the following equation (2).
Id≒Is・exp{q(Vd+|vind|・cos(ωt))/kT} …(2)
ここで、vindは入力信号の電圧振幅、ωは角周波数、tは時間である。数式(2)より、信号の電力が入力されている場合におけるダイオードに流れる直流電流を求めると、直流電流Iddcは次式(3)で表わされる。
Id≈Is · exp {q (V d + | v ind | · cos (ωt)) / kT} (2)
Here, v ind is the voltage amplitude of the input signal, ω is the angular frequency, and t is time. From the equation (2), when the direct current flowing through the diode when the signal power is input, the direct current Id dc is represented by the following equation (3).
Iddc=Is・exp(qVd/kT)・I0(q|vind|/kT) …(3)
ここで、数式(3)中の関数I0(x)は第1種0次変形ベッセル関数であり、xに対する単調増加関数である。数式(3)より、ダイオードに流れる直流電流は、ダイオードに印加される電圧Vd、および、ダイオードに入力される信号の電圧振幅vindによって変化することが分かる。この直流電流の変化によって、ダイオードは入力された信号の強度に応じて電流−電圧特性の変わる可変インピーダンス素子として機能することとなる。
Id dc = Is · exp (qV d / kT) · I 0 (q | v ind | / kT) (3)
Here, the function I 0 (x) in the equation (3) is a first type 0th-order modified Bessel function, which is a monotonically increasing function with respect to x. From Equation (3), it can be seen that the direct current flowing through the diode varies depending on the voltage Vd applied to the diode and the voltage amplitude v ind of the signal input to the diode. Due to the change of the direct current, the diode functions as a variable impedance element whose current-voltage characteristics change according to the intensity of the input signal.
ここで、ダイオードに入力される信号の電力と信号の電圧振幅との関係について考える。ダイオードに入力される信号の電力をPindとすると、ダイオードの端子間電圧vindは次式(4)で表わされる。 Here, consider the relationship between the power of the signal input to the diode and the voltage amplitude of the signal. When the power of the signal input to the diode is P ind , the voltage v ind between the terminals of the diode is expressed by the following equation (4).
vind=√(Pind/Yd) …(4)
ここで、Ydはダイオードのアドミタンスであり、Ydは信号の角周波数ωとダイオードのコンダクタンスgd、接合容量Cjおよび拡散容量Cdを用いて次式(5)で表わされる。
v ind = √ (P ind / Y d ) (4)
Here, Y d is the admittance of the diode, and Y d is expressed by the following equation (5) using the angular frequency ω of the signal, the conductance g d of the diode, the junction capacitance C j, and the diffusion capacitance C d .
Yd=gd+jω(Cj+Cd) …(5)
これらの数式(4)(5)より、vindは信号の電力Pindだけでなく信号の周波数によっても変化することが分かる。たとえば、vindはダイオードに入力される信号の電力が増加すると増加し、また、同じ電力の信号でも信号の周波数が高くなるとvindは減少する。以上の数式(1)〜(5)より、ダイオードのインピーダンスは、入力される信号の電力の大きさだけでなく、信号の周波数によっても変化することが分かる。
Y d = g d + jω (C j + C d ) (5)
From these equations (4) and (5), it can be seen that v ind changes not only with the signal power P ind but also with the frequency of the signal. For example, v ind increases as the power of a signal input to the diode increases, and v ind decreases as the signal frequency increases even for a signal of the same power. From the above formulas (1) to (5), it can be seen that the impedance of the diode changes not only with the magnitude of the power of the input signal but also with the frequency of the signal.
図2(a)(b)は、図8に示した従来の電力増幅器の振幅歪および位相歪の出力電力依存性が周波数によってどのように変化するかを示した図である。この電力増幅器では、5.4GHzの周波数において振幅歪および位相歪が最も小さくなるように歪補償バイアス回路104が設計されており、図2(a)(b)では4.8GHz、5.4GHzおよび6.0GHzにおける特性が示されている。図2(a)(b)に示すように、周波数の低い4.8GHzでは振幅歪が正の方向へ増加し、位相歪は負の方向に増加している。このような特性の変化は、特許文献2によれば、歪補償バイアス回路104による補償量が大きくなったことを示している。
FIGS. 2A and 2B are diagrams showing how the output power dependency of the amplitude distortion and phase distortion of the conventional power amplifier shown in FIG. 8 changes depending on the frequency. In this power amplifier, the distortion
一方、周波数の高い6.0GHzにおいては振幅歪が負の方向へ増加し、位相歪は正の方向に増加している。これは歪補償バイアス回路104による補償量が小さくなったことを示している。歪補償バイアス回路104の補償量がこのように周波数によって増加もしくは低下するのは、数式(1)〜(5)で示したように、ダイオードのインピーダンスがダイオードに入力される信号の周波数が低くなると増加し、高くなると減少するからである。このように従来の電力増幅器では、ダイオードの非線形性が周波数によって変化するため、広い周波数帯にわたって低歪にて信号を増幅させることができない。
On the other hand, at a high frequency of 6.0 GHz, the amplitude distortion increases in the negative direction, and the phase distortion increases in the positive direction. This indicates that the amount of compensation by the distortion
図3(a)(b)は、図1に示した非線形減衰回路15の利得および位相偏差の入力電力による変化が周波数によって変化する様子を示す図である。図3(a)(b)に示すように、周波数が4.8GHzから6.0GHzへと高くなると利得および位相偏差とも変化量が小さくなっている、すなわち、非線形減衰回路15の機能が周波数が高くなるにつれて弱くなることが分かる。このように非線形減衰回路15の機能が周波数が低くなると強く、低くなると弱くなるという特性を示すのは、数式(1)〜(5)で示したように、ダイオードのインピーダンスがダイオードに入力される信号の周波数が低くなると増加し、高くなると減少するからである。
FIGS. 3A and 3B are diagrams showing how changes in the gain and phase deviation of the
以上図2(a)(b)および図3(a)(b)から分かるように、周波数が高くなると、歪補償バイアス回路4では振幅歪は負の方向へ、位相歪は正の方向へそれぞれ増加するのに対して、非線形減衰回路15では利得は正の方向へ、位相偏差は負の方向へそれぞれ変化する。負の方向に変化する振幅歪は正の方向に変化する利得によってその歪が抑制される。また、正の方向に変化する位相歪は負の方向に変化する位相偏差によってその歪が抑制される。したがって、歪補償バイアス回路4と非線形減衰回路15の両方を備えた本発明による電力増幅器では、歪補償バイアス回路4による歪の補償量の周波数依存性と非線形減衰回路15による歪の補償量の周波数依存性とが互いに抑制し合うこととなる。
As can be seen from FIGS. 2A and 2B and FIGS. 3A and 3B, when the frequency is increased, the amplitude distortion in the distortion compensation bias circuit 4 is in the negative direction and the phase distortion is in the positive direction. In contrast to the increase, in the
図4(a)(b)は、図1の電力増幅器の振幅歪および位相歪の出力電力依存性が周波数によってどのように変化するかを示す図である。この電力増幅器では、送信周波数帯である4.8GHzから6.0GHzの広い周波数帯域において振幅歪および位相歪が最も小さくなるように歪補償バイアス回路4および非線形減衰回路15が設計されている。図4(a)(b)では、4.8GHz、5.4GHzおよび6.0GHzにおける特性が示されている。
FIGS. 4A and 4B are diagrams showing how the output power dependency of the amplitude distortion and phase distortion of the power amplifier of FIG. 1 changes depending on the frequency. In this power amplifier, the distortion compensation bias circuit 4 and the
出力整合回路12は、4.8GHzから6.0GHzの広い周波数帯域において負荷インピーダンスがほぼ一定の値となるように設計されている。ここで、ほぼ一定の値とは、出力整合回路12の所望の送信周波数帯域内の負荷インピーダンスの絶対値が所望の送信周波数帯域の中心周波数における負荷インピーダンスの絶対値の±10%以内の範囲の値となることをいい、この範囲内であれば振幅歪および位相歪を小さくすることが可能であることを回路シミュレータによって確認している。図4(a)(b)に示すように、本実施の形態1による電力増幅器では、図2(a)(b)に示した従来の電力増幅器の特性と比較して、振幅歪、位相歪とも周波数による変化が抑制されていることが分かる。
The
この実施の形態1では、歪補償バイアス回路4による歪補償量の周波数依存性と非線形減衰回路15による歪補償量の周波数依存性とが互いに抑制し合うので、広い周波数帯にわたって低歪にて信号を増幅することができる。また、電力増幅器を同一半導体基板上に形成するので、電力増幅器の小型化および低コスト化を図ることができる。
In the first embodiment, the frequency dependence of the distortion compensation amount by the distortion compensation bias circuit 4 and the frequency dependence of the distortion compensation amount by the
[実施の形態2]
図5は、本発明の実施の形態2による電力増幅器の構成を示す回路ブロック図である。図5において、この電力増幅器は、3.1〜3.9GHzの広い送信周波数帯を有し、信号入力端子1、信号出力端子2、電力増幅素子3,41、歪補償バイアス回路20,42、バイアス端子5,14,19,43,45、ダイオード16、抵抗素子7,17,18,21,22,27,28、キャパシタ9,10,23,36〜38、入力整合回路11、出力整合回路12、出力側電源回路13,44、非線形減衰回路15、バイポーラトランジスタ24〜26、インダクタ31〜35、トラップ回路39,40、バイアス回路46、および段間整合回路47,48を備える。
[Embodiment 2]
FIG. 5 is a circuit block diagram showing the configuration of the power amplifier according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 5, this power amplifier has a wide transmission frequency band of 3.1 to 3.9 GHz, and includes a signal input terminal 1, a
この電力増幅器は実施の形態1と同様、GaAs半導体基板上に形成されており、インダクタ31〜35はGaAs半導体基板上に形成されたマイクロストリップ線路およびスパイラルインダクタによって構成されている。これらを同一半導体基板上に形成することにより、電力増幅器の小型化および低コスト化を実現している。
This power amplifier is formed on a GaAs semiconductor substrate as in the first embodiment, and the
信号入力端子1は入力整合回路11を介して電力増幅素子41のベースに接続され、バイアス端子43は歪補償バイアス回路42を介して電力増幅素子41のベースに接続され、バイアス端子45は出力側電源回路44を介して電力増幅素子41のコレクタに接続されている。電力増幅素子41のエミッタは接地され、そのコレクタは段間整合回路47を介して非線形減衰回路15のノードN18に接続されている。
The signal input terminal 1 is connected to the base of the
ノードN18は、抵抗素子18およびバイアス回路46を介してバイアス端子19に接続されるとともに、段間整合回路48およびキャパシタ10を介して電力増幅素子3のベースに接続されている。抵抗素子21、キャパシタ23および抵抗素子22は、キャパシタ10の端子間に直列接続されている。バイアス端子5は歪補償バイアス回路20および抵抗素子21を介して電力増幅素子3のベースに接続され、バイアス端子14は出力側電源回路13を介して電力増幅素子3のコレクタに接続されている。電力増幅素子3のエミッタは接地され、そのコレクタは出力整合回路12を介して信号出力端子2に接続されている。
Node N18 is connected to bias terminal 19 through
歪補償バイアス回路20は、図1の歪補償バイアス回路4とは若干異なり、バイポーラトランジスタ24〜26、抵抗素子7,27,28,およびキャパシタ9を含む。この歪補償バイアス回路20では、図1のダイオード6の代わりにバイポーラトランジスタ26を用いて歪補償の機能を実現しており、実施の形態1と同様の機能を有する歪補償特性を得ている。トランジスタ24,25および抵抗素子28は、環境温度の変化に伴い電力増幅素子3のバイアス電流が大きく変動するのを抑制するために設けられている。初段の電力増幅素子41用の歪補償バイアス回路42も、最終段の電力増幅素子3用の歪補償バイアス回路20と同じ構成である。
The distortion
なお、最終段では、歪補償バイアス回路20は抵抗素子21を介して電力増幅素子3のベースに接続されている。この抵抗素子21は、温度上昇によって電力増幅素子3が熱暴走するのを防ぐために設けられている。この抵抗素子21によって、歪補償バイアス回路20へ入力される電力が低下し、歪補償の機能が低下してしまう。これを回避するために、抵抗素子22およびキャパシタ23からなるバイパス回路を設け、バイパス回路を介して歪補償バイアス回路20へ信号の一部が入力されるような構成とし、歪補償の機能を高めている。
In the final stage, the distortion
非線形減衰回路15は、初段の電力増幅素子41の後段であり、かつ最終段の電力増幅素子3の前段である段間部に設けられている。この非線形減衰回路15では、実施の形態1と同じく、ダイオード16は信号経路と接地電位GNDのラインとの間に接続されたシャント型ダイオードとなっているが、バイアス端子19に与える電圧をバイアス端子5に与える電圧を共通化するためにバイアス回路46を介してダイオード16に順方向バイアスを印加する構成としている。このように、バイアス端子5,19に与える電圧を共通化することによって、バイアス電圧を供給する電源を余分に設ける必要をなくし、システム全体の小型化および低コスト化を実現している。
The
出力整合回路12は、インダクタ31〜35とキャパシタ36〜38を用いて3.1GHzから3.9GHzの広い周波数帯域において負荷インピーダンスがほぼ一定の値となるように設計されている。出力整合回路12内のトラップ回路39は、インダクタ31,33間のノードと接地電位GNDのラインとの間に直列接続されたインダクタ32およびキャパシタ36からなる直列共振回路である。トラップ回路40は、インダクタ33およびキャパシタ38間のノードと接地電位GNDのラインとの間に直列接続されたインダクタ34およびキャパシタ37からなる直列共振回路である。
The
電力増幅素子3に近い側に配置されたトラップ回路39は、送信周波数帯の3倍の周波数帯までトラップするトラップ回路として作用させるため、その共振周波数は10.5GHzとされている。また、このトラップ回路39によって電力増幅素子3のコレクタからみたときの送信周波数帯の2倍の周波数帯の周波数における出力整合回路12のインピーダンスをほぼ短絡とするため、インダクタ31,32およびキャパシタ36からなる直列共振回路の共振周波数が3.7GHzになるようにインダクタ31の値を定めている。
Since the
一方、電力増幅素子3から遠い側に配置されたトラップ回路40は、送信周波数帯の中心周波数の2倍の周波数より低い周波数帯までトラップするトラップ回路として作用させるために、その共振周波数は6.0GHzとされている。また、トラップ回路39,40におけるインダクタ32とキャパシタ36およびインダクタ34とキャパシタ37の各値は、これらの直列共振回路が送信周波数帯の周波数に対しては容量成分となることを考慮し、キャパシタ38およびインダクタ35も含め、出力整合回路12が3.1〜3.9GHzの広帯域で整合のとれる回路となる値にそれぞれ調整されている。
On the other hand, the
この実施の形態2では、実施の形態1と同じ効果が得られる他、出力整合回路12に所望の送信周波数帯よりも高い周波数において短絡となるトラップ回路39を設けることによって、高調波電力の放射を抑制することができる。
In the second embodiment, the same effect as in the first embodiment can be obtained, and the
[実施の形態3]
図6は、本発明の実施の形態3による通信装置50の要部を示すブロック図である。図6において、この通信装置50は、送信用RF部51、受信用RF部55、周波数変換部58、IF/ベースバンド部59、スイッチ60、およびアンテナ61を備える。送信用RF部51は、実施の形態2で示した電力増幅器を含む多段電力増幅器52とフィルタ53とドライバ増幅段54を含み、受信用RF部55は低雑音増幅器56やフィルタ57を含む。
[Embodiment 3]
FIG. 6 is a block diagram showing a main part of
アンテナ61は、RF信号の送受信に使用される。スイッチ60により、送信RF信号と受信RF信号とを分離する。受信RF信号は、受信用RF部55を通過した後、周波数変換部58でIF信号に変換される。IF信号は、IF/ベースバンド部59で信号処理される。IF/ベースバンド部59から出力される信号は、周波数変換部58でRF信号に変換される。RF信号は、送信用RF部51で増幅され、アンテナ61から送信される。
The
送信用RF部51は通信装置50内で最大の信号電力を扱うため、多段電力増幅器52の消費電力が大きく、増幅時の歪も生じやすいが、本実施の形態3では、多段電力増幅器52として図5の電力増幅器を用いることによって、広い周波数帯域において低歪で動作する通信装置50を実現することができる。また、非線形減衰回路15にバイアス回路46を設けることによってバイアス電圧を供給する電源を増やす必要をなくすことができ、通信装置50の小型化および低コスト化を図ることができる。
Since the
以上、本発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。 Although the present invention has been specifically described above based on the embodiment, the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention. Needless to say.
たとえば、上記実施の形態では、電力増幅素子3,41としてGaAs HBTを用いたが、SiバイポーラトランジスタやSiGe HBT、InP HBTなど他のバイポーラトランジスタを用いてもよい。また、上記実施の形態では電力増幅素子3,41としてバイポーラトランジスタを用いているが、電力増幅素子3,41として電界効果トランジスタを用いてもよい。
For example, although GaAs HBT is used as the
また、上記実施の形態では、非線形減衰回路15として、信号経路と接地電位GNDのラインとの間に接続されたダイオードを含むシャント型ダイオードを用いた回路について説明したが、図7(a)(b)に示すように、ダイオード16が信号経路に対して直列に挿入されているシリーズ型ダイオードを用いた構成の非線形減衰回路を用いてもよい。図7(a)の回路では、ダイオード16のアノードが入力ノードN1に接続され、そのカソードが出力ノードN2に接続され、抵抗素子18は入力ノードN1とバイアス端子19との間に接続され、出力ノードN2と接地電位GNDのラインとの間にインダクタ72が接続される。図7(b)の回路では、さらに、ダイオード73のアノードが出力ノードN2に接続され、そのカソードが入力ノードN1に接続される。
In the above embodiment, a circuit using a shunt type diode including a diode connected between the signal path and the ground potential GND line as the
ただし、シリーズ型ダイオードを用いた場合には、入力信号の全てがダイオードを通過することから、ダイオードに比較的大きな直流電流を流して低抵抗化する必要があり、非線形減衰回路の消費電力が増大するとともに、ダイオードにおける損失が電力増幅器の利得を下げることになる。したがって、シリーズ型ダイオードを用いるよりもシャント型ダイオードを用いる方が有利である。 However, when a series type diode is used, since all of the input signal passes through the diode, it is necessary to reduce the resistance by flowing a relatively large direct current through the diode, increasing the power consumption of the nonlinear attenuation circuit. At the same time, the loss in the diode reduces the gain of the power amplifier. Therefore, it is more advantageous to use a shunt type diode than to use a series type diode.
また、上記実施の形態では、非線形減衰回路15を最終段の電力増幅素子3の前段に設けたが、非線形減衰回路15を初段の電力増幅素子41の前段または後段に設けてもよい。ただし、最終段の電力増幅素子3の後段では信号の電力が増幅器の中で最も大きくなるので、非線形減衰回路15による損失の影響が大きくなり、電力増幅器の効率低下を招く。したがって、非線形減衰回路15は、複数段の電力増幅素子のうちの少なくとも1つの電力増幅素子の前段、または最終段の電力増幅器以外の少なくとも1つの電力増幅器の後段に設けることが好ましい。
In the above embodiment, the
また、上記実施の形態では、非線形減衰回路15を段間整合回路47,48の間に設けたが、段間整合回路47,48の前段または後段に設けてもよい。
In the above embodiment, the
また、上記実施の形態では、電力増幅素子を1段または2段用いた電力増幅器について説明したが、3段以上の電力増幅素子を用いてもよい。 In the above embodiment, the power amplifier using one or two power amplifying elements has been described. However, three or more power amplifying elements may be used.
また、上記実施の形態では、キャパシタおよびインダクタとして半導体基板上に形成されたMIMキャパシタ、マイクロストリップ線路およびスパイラルインダクタを用いたが、チップ部品によるキャパシタやボンディングワイヤなどの、半導体基板上に形成されないキャパシタおよびインダクタを用いてもよい。 In the above embodiment, MIM capacitors, microstrip lines, and spiral inductors formed on a semiconductor substrate are used as capacitors and inductors, but capacitors that are not formed on a semiconductor substrate, such as capacitors and bonding wires formed by chip components. Alternatively, an inductor may be used.
また、上記実施の形態では、トラップ回路39,40としてキャパシタとインダクタを直列に接続した直列共振回路を用いたが、オープンスタブや他の形態の共振回路などによるトラップ回路を用いてもよい。
In the above embodiment, a series resonance circuit in which a capacitor and an inductor are connected in series is used as the
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
1,101 信号入力端子、2,102 信号出力端子、3,41,103 電力増幅素子、4,20,42,104 歪補償バイアス回路、5,14,19,43,45,105 バイアス端子、6,16,106 ダイオード、7,8,17,18,21,22,27,28,107,108 抵抗素子、9,10,23,36〜38,109 キャパシタ、11 入力整合回路、12 出力整合回路、13,44 出力側電源回路、15 非線形減衰回路、24〜26 バイポーラトランジスタ、31〜35,72 インダクタ、39,40 トラップ回路、46 バイアス回路、47,48 段間整合回路、50 通信装置、51 送信用RF部、52 多段電力増幅器、53,57 フィルタ、54 ドライバ増幅段、55 受信用RF部、56 低雑音増幅器、58 周波数変換部、59 IF/ベースバンド部、60 スイッチ、61 アンテナ。 1, 101 signal input terminal, 2, 102 signal output terminal, 3, 41, 103 power amplification element, 4, 20, 42, 104 distortion compensation bias circuit, 5, 14, 19, 43, 45, 105 bias terminal, 6 , 16, 106 Diode, 7, 8, 17, 18, 21, 22, 27, 28, 107, 108 Resistance element, 9, 10, 23, 36-38, 109 Capacitor, 11 Input matching circuit, 12 Output matching circuit , 13, 44 Output side power supply circuit, 15 Non-linear attenuation circuit, 24-26 Bipolar transistor, 31-35, 72 Inductor, 39, 40 Trap circuit, 46 Bias circuit, 47, 48 Interstage matching circuit, 50 Communication device, 51 RF section for transmission, 52 multistage power amplifier, 53, 57 filter, 54 driver amplification stage, 55 RF section for reception, 56 Noise amplifier, 58 frequency conversion section, 59 IF / baseband section, 60 switches, 61 antenna.
Claims (9)
前記電力増幅素子の入力電極にバイアス電圧を与えるとともに前記電力増幅素子の歪を補償する第1のダイオードまたはバイポーラトランジスタを含む歪補償バイアス回路と、
前記電力増幅素子の入力信号または出力信号を減衰させて前記電力増幅素子の歪を補償する第2のダイオードを含む非線形減衰回路とを備えた、電力増幅器。 A power amplifying element having a first electrode connected to a ground potential line, amplifying a signal input to the input electrode and outputting the amplified signal to the second electrode;
A distortion compensation bias circuit including a first diode or a bipolar transistor that applies a bias voltage to an input electrode of the power amplification element and compensates for distortion of the power amplification element;
A power amplifier comprising: a non-linear attenuation circuit including a second diode that attenuates an input signal or an output signal of the power amplification element to compensate for distortion of the power amplification element.
前記非線形減衰回路は、前記複数段の電力増幅素子のうちの少なくとも1つの電力増幅素子の前段、または最終段の電力増幅器以外の少なくとも1つの電力増幅器の後段に設けられている、請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載の電力増幅器。 Provided with multiple stages of power amplification elements,
The non-linear attenuating circuit is provided in a stage preceding at least one power amplifying element of the plurality of stages of power amplifying elements, or in a stage subsequent to at least one power amplifier other than the power amplifier in the final stage. The power amplifier according to claim 1.
前記出力整合回路の送信周波数帯域内の負荷インピーダンスの絶対値は前記送信周波数帯域の中心周波数における負荷インピーダンスの絶対値の±10%以内の範囲の値である、請求項1から請求項5までのいずれか1項に記載の電力増幅器。 An output matching circuit connected to the second electrode of the power amplification element;
The absolute value of the load impedance within the transmission frequency band of the output matching circuit is a value within a range of ± 10% of the absolute value of the load impedance at the center frequency of the transmission frequency band. The power amplifier according to any one of the above.
前記出力整合回路は、送信周波数帯域よりも高い周波数において短絡となるトラップ回路を含む、請求項1から請求項6までのいずれか1項に記載の電力増幅器。 An output matching circuit connected to the second electrode of the power amplification element;
The power amplifier according to any one of claims 1 to 6, wherein the output matching circuit includes a trap circuit that is short-circuited at a frequency higher than a transmission frequency band.
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