JP2008537414A - 電力増幅器のための適応保護回路 - Google Patents
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Abstract
無線周波数装置(200)は、電圧定在波比効果を最小にする保護回路(226)に動作可能に結合された無線周波数(RF)電力増幅器(PA)(224)を備える。当該保護回路(226)は、RFPA(224)に供給される電力に対してインデックシングされた電流リミタを備える。このようにして、保護回路は、直接フィードバックをバイアス制御を介して最終RFPA段に与えるため電流及び電圧増大の両方の検出を組み合わせる。
Description
本発明の好適な実施形態は、電力増幅器(PA)に関する。本発明は、無線通信装置の無線周波数電力増幅器のための適応保護回路であって、電圧定在波比(VSWR)に起因した高電流効果を阻止するよう構成された適応保護回路に適用可能であるが、それに限定されるものではない。
無線周波数(RF)電力増幅器(PA)の分野では、PAは、典型的には、50オーム負荷インピーダンスに「整合(マッチング)」されて、RF入力信号から、増幅されたRF出力信号への効率的な電力転送を保証するよう設計されている。これは、低い電力RF入力信号を増幅して、例えば、アンテナ・スイッチ及び/又はアンテナへ送られる最大量の増幅された信号を得ることを可能にする。このようにして、最大電力転送が、達成され、そして最小電力が、反射されてPA出力へ戻る。電力が反射して戻ることは、典型的には、例えば、アンテナ・スイッチ又はアンテナ負荷が50オーム負荷を呈しないような「負荷不整合(ミスマッチ)」のためである。これは、アンテナがその放射特性及びそれに対応してそのインピーダンス値に悪影響を及ぼす物体の近くに配置されるためである。
負荷不整合問題は、特に、高電力状態と、高バッテリ電圧が電力増幅器に印加されるときとの両方の場合の下で引き起こされることが分かった。この点に関して、DC電流が正常(50オーム負荷)状態の下で動作するときより多く増大することを観測することができる。DC電流の増大は、負荷不整合状態の下では、それが電力消費を増大させ、且つ電力増幅器のトランジスタ・デバイスを過負荷状態にすることによりそのトランジスタ・デバイスに損傷を与え、又はそれを故障させることになるので、(特に手で携帯可能である環境では)非常に望ましくない。
既知の機構は、前述した問題を解決しない。例えば、電圧リミタは、PAを高電流を招く不整合状態から守らない。更に、既存の電流リミタは、PAを不整合下でのバッテリ電圧変動から効率的に守らない。既知の解法は、PAがガリウム砒素(GaAs)上に配置されている場合、電力増幅器モジュールに対して外部にある回路を用いて上記の機能を実現する。これは、PAダイ上に余分な入力/出力(I/O)リードをもたらして望ましくない。代替として、例えば、PAがシリコン・ゲルマニウム(SiGe)上に製作されるモノリシック集積回路(IC)を用いる場合、ほぼ20%の追加のダイ・サイズが必要となる。
不整合問題に適応するため、保護回路が、多くの場合用いられる。標準電流リミタ保護回路が、図1に示されている。図1において、無線周波数入力信号(RFIN)105が、電力増幅器110のベース・ポートに入力される。電力トランジスタ110は、バッテリ電圧115からRFチョーク・インダクタ120を介して供給されて、RFの増幅された出力電圧125を与える。
RF電力トランジスタ110のエミタ・ポートは、接地への感知抵抗130を含む。RF電力トランジスタ110のエミタ・ポートはまた、保護回路140に動作可能に結合される。保護回路140は、感知抵抗130の両端間に生成された検出された電圧を受け取る乗算器回路145と、この乗算器回路145からの出力を基準電圧155と比較する比較器回路150とを備え、その比較器回路150は、選定された制限電流を設定する。比較器回路150の出力は、トランジスタ(Q1)に入力され、そのトランジスタ(Q1)は、乗算器145から来る電圧が基準電圧より大きいときバイアス回路135を「接地」へ切り替え、それにより電力増幅器110のバイアス電流を低減する。
従って、図示のように、保護回路の使用が、検出された電圧を基準電圧155(それは、追加の外部回路により設定される。)に対して生成/比較するため要求される余分の回路/部品(典型的には2つの演算増幅器)に関して、電力増幅器回路のサイズ及び複雑さに大きく加わる。
しかしながら、保護回路の効力は、演算増幅器オフセット電圧ε1(これは検出された電圧Vdetに匹敵する。)に起因して、また感知抵抗130のばらつき(dispersion)に関係したVdetの変動に起因して損なわれる。低い値の抵抗は、高い値の抵抗よりプロセス変動に対して敏感であることに注目すべきである。その上、電力トランジスタ110のコレクタ効率は、感知抵抗130により低下する。更に、保護回路の複雑さは、典型的には、高ループ利得に起因した望ましくないループ安定性問題を招く場合がある。
従って、極端なVSWR状態の下での高電流を防止する、無線通信ユニット及びRF PAモジュールのような改善されたRF装置及びその装置のための動作方法であって、従来技術の構成にかかわる前述の問題を実質的に軽減する改善されたRF装置及びその装置のための動作方法に対する必要性が存在する。
本発明の局面に従って、添付特許請求の範囲で定義されるような、高電流をVSWR及び高いバッテリ電圧の下で防止する無線周波数装置、PAモジュール、及びその動作方法が提供される。
本発明の例示的実施形態が、ここで、添付図面を参照して、例示としてのみ説明されるであろう。
本発明の好適な実施形態は、移動電話器のような無線通信ユニットにおける無線周波数(RF)電力増幅器(PA)モジュールの実施形態に関して説明されるであろう。しかしながら、本明細書で説明される本発明の概念がいずれのタイプのRF増幅器ユニットにおいて具現化さる得ることが当業者には認められるであろう。要約すると、本発明の発明概念は、例えば、とりわけバッテリ電圧に対してインデックシング(index)されて、バッテリ電圧範囲にわたり極端なVSWR状態下で電力増幅器(PA)の耐久性(ruggedness)を改善するコスト及びサイズに関して効率的な電流リミタを有するモノリシックに集積されたPAモジュールを提案する。
移動装置の文脈において、既知の従来技術では、電流スレッショルド又は電流制限は、或る基準電圧がバッテリについて用いられているので、固定である。しかしながら、バッテリ電圧は、変動する。従って、そして以降で説明される本発明の概念により対処されるように、バッテリ電圧が降下するにつれて変わる電流スレッショルド又は電流制限を有することは重要である。本明細書では、この関係は、「インデックシング(indexing)」と呼ばれ、例えば、電流スレッショルドがバッテリ電圧に関して変わる。
ここで図2を参照すると、本発明の好適な実施形態の発明概念をサポートすることができる無線通信ユニット200のブロック図が、示されている。理解し易いように、無線通信ユニット200は、2つの別個の部分、即ち、受信器チェーン210(これは完全であるので簡単に説明されるであろう。)と送信器チェーン220とに分けて示されている。
無線通信ユニット200は、好ましくはアンテナ・スイッチ204に結合されたアンテナを含み、当該アンテナ・スイッチ204は、無線通信ユニット200における無線周波数(RF)信号の信号制御、並びに受信器チェーン210と送信器チェーン220との分離を与える。アンテナ・スイッチ204は、当業者には既知であるように、周波数デュープレックス(複式)通信ユニット用のデュープレックス・フィルタと置き換えられることができるであろうことは明らかである。
完全性のため、無線通信ユニット200の受信器チェーン210は、簡単に説明されるであろう。受信器チェーン210は、受信器フロント−エンド回路206(これは受信、フィルタリング、及び中間又はベースバンド周波数変換を実際上与える。)を含む。受信器フロント−エンド回路206は、信号処理機能部(これは一般的に少なくとも1つのデジタル信号プロセッサ(DSP)により実現される。)208に直列に結合される。制御器214は、受信器フロント−エンド回路206に動作可能に結合され、それにより受信器が受信ビット誤り率(BER)又はフレーム誤り率(FER)、又は受信された信号強度の指示(RSSI)212機能部を介して回復された情報から類似のリンク品質測定データを計算することができる。RSSI212機能部は、受信器フロント−エンド回路206に動作可能に結合される。メモリ装置216は、線形の安定な出力を保証するため、復号/符号化機能及び類似のもののような幅広アレイのデータ、並びに振幅及び位相設定を格納することが好ましい。タイマ218は、制御器214に動作可能に結合されて、動作のタイミング、即ち、時間に依存した信号の送信又は受信を制御する。
送信チェーン220については、これは、実際のところ、変調及びアップコンバータ回路222に動作可能に結合された信号プロセッサ228、及び電力増幅器モジュール224を含む。信号プロセッサ228及び変調及びアップコンバータ回路222は、制御器214に動作的に応答する。電力増幅器モジュール224は、本発明の好適な実施形態に従って適合された保護回路226に動作可能に結合される。
本発明の好適な実施形態に従って適合された電力増幅器モジュール及び保護回路が更に、図3に示されている。ここで、図3を参照すると、無線周波数入力信号(RFIN)305が、電力増幅器トランジスタ224のベース・ポートに入力される。電力増幅器トランジスタ224は、バッテリ電圧315によりRFチョーク・インダクタ320を介して供給されて、RFの増幅された出力電圧325を与える。とりわけ、電力増幅器トランジスタ224のエミタ・ポートが、接地されている。
詳細には、電力増幅器トランジスタ224の出力325は、保護回路226に動作可能に結合される。保護回路226は、PAダイ上に一体化され、そして第1のトランジスタ355を備え、その第1のトランジスタ355のコレクタ・ポートは、出力325に動作可能に結合され、そして第1のトランジスタ355のベース・ポート350は、電力増幅トランジスタ224のベース・ポートに動作可能に結合される。保護回路226の第1のトランジスタ355のエミタ・ポートは、接地に結合された並列の抵抗365−キャパシタ370(R−C)回路、及び第2のトランジスタ360のベース・ポートに動作可能に結合される。第2のトランジスタ360のコレクタ380は、バイアス回路335に結合され、そのバイアス回路335は、RF電力トランジスタ224のベース・ポートに動作可能に結合される。
極端なVSWR状態及び高いバッテリ電圧の下では、電力トランジスタ224のコレクタ電流は、50オーム負荷の下で予想されるであろう大きさより増大するであろう。基本トランジスタ355を流れる電流は、電力トランジスタ224の電流に比例して増大する。感知抵抗365の両端間に生成される検出電圧もまた、前述の電流と共に増大する。並列キャパシタ370の機能が、検出電圧Vdetをロー・パス・フィルタリングするよう構成されている。次いで、この検出DC電圧は、第2の基本トランジスタ360のベースに入力される。検出DC電圧Vdetが第2の基本トランジスタ360のターンオン電圧Vbeonを超えるとき、第2の基本トランジスタ360は、バイアス回路335を接地へ切り替え、従って、電力トランジスタ224のバイアス電流を低減する。
多段電力増幅器の最も共通のケースにおいては、バッテリ電圧が増大するとき、電力トランジスタ224のベース上(、並びに第1の基本トランジスタ355のベース上)のRF入力信号RFIN305は、増大し、従って、より高い電流が感知抵抗365を流れる。従って、これは、より高い検出電圧Vdetを招く。次いで、第1の基本トランジスタ355のより低いコレクタ電流のために、従って電力トランジスタ224のより低い電流のために、第2の基本トランジスタ360のターンオン電圧に達する。
このようにして、本発明の概念は、バッテリ電圧315にインデックシングされるモノリシックに集積された電流リミタ保護回路226であって、PAの耐久性を改善する電流リミタ保護回路226を提案する。バッテリ電圧315に依存する電力増幅器DC電流は、このように感知され、高い値の感知抵抗365の両端間の電圧Vdetに変換され、そして(第2の基本トランジスタ360のターンオン電圧により設定された)スレッショルド電圧値と比較される。このようにして、スレッショルド電圧値が、感知された電力増幅器DC電流に結合された検出電圧と比較される。検出電圧がこのスレッショルド電圧値を超えたとき、電力増幅器をバイアスすることを解除(de−bias)することにより、DC電流が望ましくないレベルへ増大することを阻止する。
従って、感知された電流は、保護回路226に関するバッテリ電圧315にインデックシングされる。更に、そして好ましくは、保護回路226は、保護されるべきRFトランジスタ224と同じタイプのデバイスを用いる。これは、モノリシックICに統合化することによりダイ間の余分の入力/出力ピンを取り除けることを容易にすることが有利である。
更に、保護回路226は、少ない部品点数であり、それにより保護されるPAシステムのサイズを低減することが促進されることが有利である。
一方では、改善された保護回路226は、図4に示されるように50オーム負荷に対するRF PA性能を低下させない。そのような状態の下では、保護回路226は、「オフ」であり、そしてその電流消費は、電力トランジスタ224のコレクタ電流と比較したとき無視し得る程小さい。他方、第1の基本トランジスタ355の低い電流は、高い値の抵抗365の使用を可能にし、それは、プロセス変動に対する敏感さが一層小さいことが有利である。
基本トランジスタ(これは感知抵抗を組み込んでいる。)は、電力トランジスタの小型版である。
これは、高い電流が図1の電力増幅器110を流れる従来技術の問題(そこでは、PA性能低下を最小にするため低い値の感知抵抗130のみを用いることができる。)を解決する。
ここで図4を参照すると、改善された保護回路226の有る場合と無い場合のPA性能のグラフ400による比較が、示されている。図示されるように、同じ入力RF電力レベル(RFIN)410に対して、同じ利得405、420及び同じRF電力出力レベル415、425が、前述した本発明の概念を用いたRF電力増幅器トランジスタ224、並びに本発明の概念を用いないで構成されているRF電力増幅器トランジスタ224により達成されることができる。
ここで図5を参照すると、10:1の電圧定在波比(VSWR)でのコレクタ電流505対位相510が、示されている。グラフ500は、本発明の好適な実施形態を用いることと関連した電流制限を強調表示している。グラフ500は、回路が前述の改善された保護回路226を有するよう構成されていないとき、コレクタ電流515がほぼ3.5Aのピーク・コレクタ電流を120度の位相で有することを示す。
前述した本発明の概念の改善された保護回路226を用いるとき、保護回路226の電力トランジスタのコレクタ電流は、2.5Aを超えない。この制限は、感知抵抗365の適切な値を設定することにより選択される。
ここで図6を参照すると、フロー・チャート600は、本発明の好適な実施形態に従った電流制限保護プロセスの概要を示す。RF入力電力は、RFPAに印加され、そしてRF PAがステップ605においてオンにされると、RF PAにより引き出されたDC電流は、ステップ610で感知される。この感知されたDC電流は、感知されたDC電圧に変換され、次いで、ステップ615において保護回路によりスレッショルド値と比較される。従って、スレッショルド電圧値は、感知された電力増幅器DC電流と結合された検出電圧と比較される。感知されたDC電圧がステップ620においてスレッショルド値を超えない場合、コレクタ電流についての制限は、生じない。
しかしながら、感知されたDC電圧がステップ620においてスレッショルド値を超えた場合、保護回路は、ステップ625に示されるように、PAをバイアスすることを解除することによりRFPAにより引き出される電流を制限する。次いで、この感知プロセスは、ステップ610に続いて、更なる電流制限がPAのバイアスを更に解除することにより実行されることが必要であるかどうかを決定する。
当業者は、他の応用において、代替の機能/回路/デバイス及び/又は他の技術を用い得ることを認めるであろう。本発明の好適な実施形態がVSWR効果に起因した高電流効果に対処する移動通信応用に関して説明されたが、本発明の概念は、出力電力を検出し、そして線形化技術のようないずれの他の目的のための感知された電流情報を用いるいずれの応用に対して等しく適用可能であることを想定している。更に、感知抵抗を組み込む他のR−Cトポグラフィーを用い得ることを想定している。
本発明の概念がRF電力増幅器を用いるいずれの製品に、その製品の周波数又は関連の技術に拘わらず適用されることができることが本発明の意図内である。それはまた、本発明の概念がバイポーラ・トランジスタ又はヘテロ接合バイポーラ・トランジスタ(HBT)のような技術に関係無く、いずれのRF電力トランジスタと使用することに対して等しく適用可能であることが想定されている。
前述したように、高い電流がRF PAにより極端なVSWR状態の下で引き出されることを防止する改善されたRF装置、例えば、移動電話器のような無線通信ユニット、RFPAモジュール、及びそのための動作方法は、次の利点のうちの少なくとも1つ又はそれより多くの利点を与えることを目指していることが理解されるであろう。
(i)RF電力増幅器トランジスタに対するVSWRの効果を検出する必要がない。
(ii)本発明の概念は、電流及び供給電圧の両方の増大の検出を組み合わせる。主に高いコレクタ電流が電力トランジスタの恒久的故障を招くので、本発明の概念は、コレクタ電流を制限し、従ってこの電流を非破壊的動作値内に維持する。
(iii)本発明の概念は、DCバイアス回路を介して最終のRF電力増幅器段自体に直接フィードバックを与える。
(iv)本発明の概念は、改善された保護回路が少ない部品点数を有する点で実現が容易である。例えば、改善された保護回路は、僅か2つのトランジスタしか必要としないで、またいずれの演算増幅器の使用も必要としない。これは、より小さいダイ・サイズの実現を促進する。
(v)本発明の概念は、供給(バッテリ)電圧に依存している。
(vi)本発明の概念は、保護回路に高い値の抵抗を用いるので、プロセス変動に対する感度が低い。
(vii)本発明の概念は、いずれのコレクタ電流制限値に対しても最適化されることができる。
(viii)本発明の概念は、追加のI/Oピンを必要としないで、GaAs上に統合化されることができる。
特に、前述の発明の概念は、保護回路を有するいずれの電力増幅器モジュールに対して半導体製造業者により適用されることができることを想定している。更に、例えば、半導体製造業者が、RF電力増幅器モジュール、又は特定用途向け集積回路(ASIC)及び/又はいずれの他のサブシステム構成要素のようなスタンドアロン装置の設計に本発明の概念を用いることを想定している。
本発明の特定で好適な実施形態が上記で説明されたが、当業者がそのような発明の概念の変形及び変更を容易に適用することができるであろうことが明らかである。
従って、特に、高い電流がRF PAにより極端なVSWR状態の下で引き出されることを防止するための無線通信ユニットのような改善されたRF装置、RFPAモジュール、及びそのための動作方法が、説明され、それでは、従来技術の構成による前述の欠点が実質的に軽減された。
Claims (15)
- 電圧定在波比効果を最小にする保護回路(226)に動作可能に結合された無線(RF)電力増幅器(PA)(224)を備える無線周波数装置(200)であって、
前記保護回路(226)が、前記RF PA(224)の入力ポートとコレクタ・ポートとの間に動作可能に結合され、
前記保護回路(226)が、前記電力増幅器のDC電流を感知する電流感知機能部と、前記RF PA(224)に供給される電力に対してインデックシング(index)された電流リミタであって前記の感知された電流に応答して前記電力増幅器のDC電流を制限する電流リミタとを備えることを特徴とする無線周波数装置(200)。 - 前記電流リミタが、モノリシックに集積された電流リミタである請求項1記載の無線周波数装置(200)。
- 前記無線周波数装置(200)が、無線通信ユニットであり、
前記RF PAに供給される電力が、バッテリからである
請求項1又は2記載の無線周波数装置(200)。 - 比較器機能部が、前記電流感知機能部に動作可能に結合され、且つスレッショルド電圧値を、前記の感知された電力増幅器のDC電流に結合された検出された電圧と比較するよう構成されている請求項1から3のいずれか一項に記載の無線周波数装置(200)。
- 前記保護回路(226)に動作可能に結合された電力増幅器バイアス回路(335)を備え、それにより、前記電力増幅器のDC電流が前記スレッショルド電圧に等しいか又はそれを超えたとき、前記保護回路(226)が、前記電力増幅器バイアス回路(335)を介して前記RF電力増幅器(224)に供給される電力をバイアスすることを解除する(de−biase)ことにより前記電力増幅器のDC電流が増大することを防止することを更に特徴とする請求項4記載の無線周波数装置(200)。
- 前記保護回路(226)及び前記RF PA(224)が、類似のタイプの能動型装置を実質的に用いることを更に特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載の無線周波数装置(200)。
- 前記の感知された電力増幅器のDC電流は、前記保護回路(226)が電流及び供給電圧増大の両方を感知し且つ当該感知に応答して前記RFPA(224)に印加されるバイアス・レベルを制御するように、前記RF PA(224)に供給される電圧と関連することを更に特徴とする請求項5又は6記載の無線周波数装置(200)。
- 前記無線周波数装置(200)が、無線周波数(RF)電力増幅器(PA)モジュール(300)である請求項1から7のいずれか一項に記載の無線周波数装置(200)。
- 前記電流感知機能部が、第1のトランジスタ(335)を備え、
前記第1のトランジスタ(335)が、前記RF電力増幅器のDC電流を受け取るよう動作可能に結合されたコレクタ・ポートと、前記RFPA(224)のベース・ポートに動作可能に結合されたベース・ポートとを有する
請求項1から8のいずれか一項に記載の無線周波数装置(200)。 - 前記電流感知機能部が更に、前記第1のトランジスタ(335)のエミッタ・ポートに動作可能に結合されて、前記RF電力増幅器のDC電流を感知する感知抵抗(365)を備えることを更に特徴とする請求項9記載の無線周波数装置(200)。
- 前記電流感知機能部が更に、前記感知抵抗(365)に対して並列接続に配置されたキャパシタを備えることを更に特徴とする請求項9又は10記載の無線周波数装置(200)。
- 前記電流感知機能部が更に、前記第1のトランジスタ(355)のエミッタ・ポートに動作可能に結合された第2のトランジスタであって前記の感知された電流に応答してRF電力増幅器のDC電流を制限するよう構成された前記第2のトランジスタを備えることを更に特徴とする請求項9から11のいずれか一項に記載の無線周波数装置(200)。
- 保護回路(226)に動作可能に結合された無線周波数(RF)電力増幅器(PA)モジュール(224)に供給される電流を制限する方法(600)であって、
前記RF PA(224)の入力ポートとコレクタ・ポートとの間に結合された保護回路(226)の中の前記RFPAに印加される電力増幅器直流(DC)電流を感知するステップと、
前記保護回路により、スレッショルド電圧値を、前記の感知された電力増幅器DC電流に結合された検出された電圧と比較するステップと、
前記保護回路(226)により、前記の感知されたRF PA直流電流が前記スレッショルド値に等しいか又はそれを超えた場合、前記RFPAに印加される直流電流を制限するステップと
を備えることを特徴とする、RF PAモジュール(224)に供給される電流を制限する方法(600)。 - 前記制限するステップが、前記RF電力増幅器のトランジスタ(224)のベース・ポートに供給される電流をバイアスすることを解除するステップを備える請求項13記載のRFPAモジュール(224)に供給される電流を制限する方法(600)。
- 直流電流を感知する前記ステップが、前記保護回路のトポグラフィーの結果として、前記RF PAのトランジスタに供給される電圧を感知するステップを備える請求項13又は14に記載のRF PAモジュール(224)に供給される電流を制限する方法(600)。
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