JP2009105726A - 高周波電力検波回路及び無線通信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】製造ばらつき、温度変動、電源電圧変動などに起因する検出誤差が小さく、さらに、回路面積を小さくすることができる高周波電力検波回路を提供する。
【解決手段】第１及び第２の包絡線検波回路（１０、２０）は、それぞれ、抵抗列（１１０、２１０）と、抵抗列に並列接続された容量素子（１２０、２２０）と、抵抗列と容量素子との接続点と所定の電圧ノードとの間に接続されたトランジスタ（１０１、２０１）とを有する。第１の包絡線検波回路（１０）におけるトランジスタ（１０１）のゲート又はベースにはレベルシフタ（３０）の出力が与えられる。第２の包絡線検波回路（２０）におけるトランジスタ（２０１）のゲート又はベースには所定の電圧が与えられる。検出部（４０）は、第２の包絡線検波回路（２０）における抵抗列の全体電圧又は中間端子電圧を基準にして、第１の包絡線検波回路（１０）における抵抗列の中間端子電圧を検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、高周波信号の電力検波回路に関し、特に、無線通信装置における自動利得制御や自動電力レベル制御などに有用な高周波電力検波回路に関する。

近年、携帯電話端末には電話機能以外にデジタルテレビ、ＦＭラジオ、ブルートゥース（登録商標）、無線ＬＡＮといった複数の無線システムが搭載されている。そして、無線通信端末とそれを構成するモジュールの小型化、低価格化に対する高い要求を満たすために、これまで集積化されていなかった高性能な回路システムが無線通信チップに集積化されつつある。高周波信号の電力検波回路（高周波電力検波回路）はその一例である。

無線通信装置において、高周波電力検波回路は、アンテナから入力された受信信号の強度に応じて受信系の増幅器やミキサの利得を自動制御するためや、電力増幅器の出力信号レベルを検出して送信系の電力増幅器の利得を自動制御するために用いられる。このような自動制御システムは、信頼性の高い無線通信を実現するためにほとんどの無線通信送受信装置に組み込まれている。

一般的に、自動利得制御は、集積回路（ＩＣ）内部で生成した基準信号と包絡線検波回路の出力信号との比較結果に基づいて行われる。したがって、制御システムの正確さは内部基準信号と包絡線検波回路の出力信号の精度によって決まる。このため、半導体プロセスの微細化に伴う電源電圧の低下や製造ばらつきの増加によって無線通信送受信用ＩＣの受信信号が歪み、また、雑音の混入が大きくなり、無線通信品質が悪化してしまう。

急速に普及している移動体向け地上波デジタルテレビ（ISDB-T、いわゆるワンセグ）は、広帯域の無線通信帯域を使用するという特徴を有する。このようなワンセグ受信用のＩＣは、携帯電話端末に組み込まれている場合が多いため、アンテナとワンセグチューナーとの間に高周波フィルタを設けても、帯域内外のさまざまな妨害波がアンテナと端末内輻射によってチューナーに入力されてしまう。また、通信品質を高めるために、受信チャンネルや電波状況に応じて検波電力レベルを動的に切り替える必要性もある。したがって、製造ばらつきの大きい半導体微細プロセスを用いつつ、低価格で従来よりもさらに精度の高い高周波電力検波回路を実現する必要がある。さらに、製品ライフサイクルの短縮化に対応するため、設計が容易で、可能な限り出荷前の製造ばらつき調整が不要な検波回路が求められる。

従来の高周波電力検波回路は、主としてトランジスタと電流源と容量からなる包絡線検波回路を多く用いている（例えば、非特許文献１参照）。また、検波誤差を低減するためにＤＣ基準電圧をＡＣ（方形波）基準電圧に変換する高周波電力検波回路などが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図５は、従来の高周波電力検波回路の構成を示す。入力された高周波信号はレベルシフタ１によってその中心レベルがシフトされてから包絡線検波回路２におけるトランジスタ２１のベースに入力される。包絡線検波回路２において、トランジスタ２１のコレクタは電源電圧ノードに接続されており、エミッタとグランドノードとの間には電流源２２と容量素子２３とが並列接続されている。ここで、容量素子２３の容量値を十分に大きくすることで、トランジスタ２１のエミッタから、ベースに入力された高周波信号の包絡線を取り出すことができる。

一方、包絡線検波回路３もまた包絡線検波回路２と同様に、トランジスタ３１と、そのエミッタに並列接続された電流源３２及び容量素子３３とから構成されている。トランジスタ３１のベースには基準電圧生成回路４で生成された基準電圧が印加され、エミッタから基準信号が出力される。そして、ローパスフィルタ５は、包絡線検波回路２及び３の出力差に基づいて高周波信号の電力検波結果を出力する。基準電圧生成回路４は印加するＤＣ基準電圧Ｖｒｅｆを変化させることで検知したい電力に対応した基準電圧を生成することができ、これにより、複数のレベルの電力を検波できるようになっている。このように、包絡線検波回路２とそのレプリカ（包絡線検波回路３）で高周波電力検波回路を構成することで、温度や電源電圧、製造工程におけるトランジスタのしきい値ばらつきなどによる検波出力の変動の低減を図っている。
特表２００６−５０５１９７号公報 Stephen L. Wong and Sifen Luo, "A 2.7-5.5 V, 0.2-1 W BiCMOS RF Driver Amplifier IC with Closed-Loop Power Control and Biasing Functions", IEEE JOUNAL OF SOLID STATE CIRCUITS, VOL. 33, NO. 12, DECEMBER 1998, PP. 2259-2264

しかし、従来の高周波電力検波回路では、基準電圧を生成するために電流源と抵抗列とが必須となるため、製造ばらつき、温度変動、電源電圧変動などにより抵抗の絶対値がばらつき、検波電力レベルに誤差が生じてしまう。また、包絡線検波回路とそのレプリカにおける電流源は、通常、カレントミラー回路で構成されるが、入力基準電流の誤差と、カレントミラー回路を構成するペアトランジスタのしきい値のミスマッチにより検波電力レベルに誤差が生じてしまう。さらに、従来の高周波電力検波回路は、二つの包絡線検波回路以外に基準電圧生成回路を必要とするため、回路規模が大きくなってしまう。

上記問題に鑑み、製造ばらつき、温度変動、電源電圧変動などに起因する検出誤差が小さく、さらに、回路面積を小さくすることができる高周波電力検波回路及びそのような回路を備えた無線通信装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために本発明が講じた手段は、入力された高周波信号の電力レベルを検波する高周波電力検波回路であって、抵抗列と、抵抗列に並列接続された容量素子と、抵抗列と容量素子との接続点と所定の電圧ノードとの間に接続されたトランジスタとを有する第１及び第２の包絡線検波回路と、高周波信号の中心レベルを所定の電圧にシフトするレベルシフタと、第２の包絡線検波回路における抵抗列の全体電圧又は中間端子電圧を基準にして、第１の包絡線検波回路における抵抗列の中間端子電圧を検出する検出部とを備えたものとする。ここで、第１の包絡線検波回路におけるトランジスタのゲート又はベースにはレベルシフタの出力が与えられ、第２の包絡線検波回路におけるトランジスタのゲート又はベースには上記所定の電圧が与えられる。

この構成によると、第１の包絡線検波回路によって高周波信号の包絡線が検波され、これと同じ回路構成の第２の包絡線検波回路によって電力レベルの検波のための基準電圧が生成され、検出部によって第２の包絡線検波回路の出力を基準にして第１の包絡線検波回路の出力が検出されることによって、入力された高周波信号の電力レベルが検波される。ここで、第１及び第２の包絡線検波回路は電流源を用いずに構成可能であり、さらに、基準電圧生成回路を別途設ける必要がないため抵抗素子の総数が少なくて済む。したがって、従来に比べて、製造ばらつき、温度変動、電源電圧変動などに対する耐性が向上して高周波電力検波の精度が向上するとともに小型化を図ることができる。

上記高周波電力検波回路に、検出部への入力として、第２の包絡線検波回路における抵抗列の全体電圧及び一又は複数の中間端子電圧の中からいずれか一つを選択するセレクタを追加してもよい。これによると、製造ばらつき、温度変動、電源電圧変動などに応じて好ましい基準電圧を選択することができる。

また、上記高周波電力検波回路に、第２の包絡線検波回路における抵抗列の中間端子電圧であって検出部に入力されるものとは異なるものを基準にして、第１の包絡線検波回路から検出部に入力される中間端子電圧を検出する第２の検出部を追加してもよい。これによると、入力された高周波信号の電圧レベルの上限及び下限を検波することができる。

さらに、第２の検出部への入力として、第２の包絡線検波回路における抵抗列の複数の中間端子電圧の中からいずれか一つを選択する第２のセレクタを追加してもよい。これによると、製造ばらつき、温度変動、電源電圧変動などに応じて好ましい基準電圧を選択することができる。

以上説明したように、本発明によると、高周波電力検波回路について、製造ばらつき、温度変動、電源電圧変動などに起因する検出誤差を小さくすることができる。さらに、高周波電力検波回路を小型化してＩＣ上での占有面積を小さくすることができる。そして、このような高周波電力検波回路を無線通信装置に搭載することによって、送受信システムの通信品質を向上させることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る高周波電力検波回路の構成を示す。本実施形態に係る高周波電力検波回路は、二つの包絡線検波回路１０及び２０、レベルシフタ３０及び検出部４０を備えている。包絡線検波回路１０において、Ｎチャネル電界効果トランジスタ１０１のドレインは電源電圧Ｖｄｄに接続され、ソースには直列接続された二つの抵抗素子１１１及び１１２からなる抵抗列１１０と、容量素子１２０とが並列接続されている。もう一つの包絡線検波回路２０は、包絡線検波回路１０と同じ回路構成をしている。すなわち、包絡線検波回路２０において、Ｎチャネル電界効果トランジスタ２０１のドレインは電源電圧Ｖｄｄに接続され、ソースには直列接続された二つの抵抗素子２１１及び２１２からなる抵抗列２１０と、容量素子２２０とが並列接続されている。包絡線検波回路１０及び２０において互いに対応する素子の特性値も同じとなっている。例えば、容量素子１２０と容量素子２２０とは同じ静電容量を有する。

レベルシフタ３０は、入力された高周波信号の中心レベルを所定の電圧にシフトする。具体的には、レベルシフタ３０は、容量素子３０１で高周波信号のＤＣ成分をカットし、代わりに抵抗素子３０２を介してバイアス電圧Ｖｂを印加するような構成となっている。なお、バイアス電圧Ｖｂは、電力レベルの絶対値を決めるＤＣ参照電圧であるため、製造ばらつき、温度変動、電源電圧変動によって変化しにくいものであることが望ましい。

レベルシフタ３０の出力は包絡線検波回路１０におけるトランジスタ１０１のゲートに入力される。トランジスタ１０１は、ゲートに入力された信号を整流して容量素子１２０を充電する。この作用により、トランジスタ１０１のソース電圧は、高周波信号の振幅に応じた値になる。ここで、抵抗列１１０の全体抵抗と容量素子１２０の容量の積で決まる時定数が入力される高周波信号の１周期よりも十分に大きければ、トランジスタ１０１のソース電圧は高周波信号の包絡線に応じた値になる。

一方、包絡線検波回路２０におけるトランジスタ２０１のゲートには高周波信号の中心レベルに相当するバイアス電圧Ｖｂが与えられる。包絡線検波回路２０は包絡線検波回路１０のレプリカであるため、トランジスタ２０１のソース電圧は、高周波信号が入力されないときのトランジスタ１０１のソース電圧相当となる。したがって、トランジスタ２０１のソース電圧を基準電圧として、当該基準電圧と包絡線検波回路１０による検波信号とを比較することで、入力された高周波信号の電力レベルを検波することができる。

しかし、高周波信号が入力されているときには、トランジスタ１０１のソース電圧はトランジスタ２０１のソース電圧よりも必ず高くなるため、単にこれらソース電圧を比較しても高周波信号の電力レベルを検波することはできない。そこで、包絡線検波回路１０における抵抗列１１０の中間端子電圧、すなわち、抵抗素子１１１と抵抗素子１１２との接続点の電圧を包絡線検波回路１０の出力とする。抵抗素子１１１と抵抗素子１１２の抵抗比を適当な値にすれば、抵抗列１１０の中間端子電圧をトランジスタ２０１のソース電圧以下にすることが可能である。

検出部４０は、包絡線検波回路２０におけるトランジスタ２０１のソース電圧、すなわち、抵抗列２１０の全体電圧を基準にして、包絡線検波回路１０における抵抗列１１０の中間端子電圧を検出する。具体的には、検出部４０は、比較器で構成することができる。この場合、検出部４０は、包絡線検波回路２０におけるトランジスタ２０１のソース電圧、すなわち、抵抗列２１０の全体電圧とを比較する。そして、当該比較結果から、入力された高周波信号の電力レベルを知ることができる。なお、図５に示したローパスフィルタやＡ／Ｄ変換器などで検出部４０を構成してもよい。

以上、本実施形態によると、包絡線検波回路が電流源を用いずに構成され、さらに、独立した基準電圧生成回路を設けずに包絡線検波回路のレプリカによって基準電圧が生成されるため、従来に比べて、製造ばらつき、温度変動、電源電圧変動などに対する耐性が向上して高周波電力検波の精度が向上するとともに小型化を図ることができる。

なお、トランジスタ１０１及び１０２をＰチャネル電界効果トランジスタに置き換えてもよい。この場合、抵抗列１１０及び２１０並びに容量素子１２０及び２２０は電源電圧に接続することとなる。また、トランジスタ１０１及び１０２として、バイポーラトランジスタなどの他のタイプのトランジスタを用いてもよい。また、高周波電力検波回路を構成する各抵抗素子及び各容量素子はトランジスタを用いて実現することができる。

また、抵抗列１１０及び２１０は、３つ以上の抵抗素子を直列接続したものであってもよい。この場合、トランジスタ２０１のソース電圧ではなく抵抗列２１０の中間端子電圧を検出部４０に入力するようにしてもよい。

（第２の実施形態）
図２は、第２の実施形態に係る高周波電力検波回路の構成を示す。一般的な受信器の自動利得制御システムでは、フィードバック制御系は安定性を保つためにヒステリシス制御を行う。このため、高周波信号の電力レベルの上限と下限の二つを検波する必要がある。本実施形態に係る高周波電力検波回路は、入力された高周波信号の電力レベルを二つの基準電圧で検出可能になっている。具体的には、本実施形態に係る高周波電力検波回路は、第１の実施形態に係る高周波電力検波回路に検出部５０を追加した構成となっている。以下、第１の実施形態と異なる点についてのみ説明する。

包絡線検波回路１０において、抵抗列１１０は、直列接続された３つの抵抗素子１１１、１１２及び１１３からなる。包絡線検波回路１０は、抵抗列１１０の中間端子電圧のうちグランドノードにもっとも近いもの、すなわち、抵抗素子１１２と抵抗素子１１３との接続点の電圧を出力する。包絡線検波回路２０において、抵抗列２１０は、直列接続された３つの抵抗素子２１１、２１２及び２１３からなる。包絡線検波回路２０は、第１の基準電圧として抵抗列２１０の全体電圧（トランジスタ２０１のソース電圧）を出力し、第２の基準電圧として抵抗素子２１１と抵抗素子２１２との接続点の電圧を出力する。検出部４０は、第１の基準電圧に対して包絡線検波回路１０の出力を検出する。検出部５０は、第２の基準電圧に対して包絡線検波回路１０の出力を検出する。検出部５０は、比較器、ローパスフィルタ、Ａ／Ｄ変換器などで構成可能である。ここで、抵抗列２１０における抵抗素子２１１、２１２及び２１３の抵抗比を適当な値にすることで、第１及び第２の基準電圧を高周波信号の電力レベルの上限及び下限相当にすることができる。

以上、本実施形態によると、入力された高周波信号の電力レベルの上限及び下限を検波することができるため、自動利得制御システムのフィードバックループを安定的に制御することができる。

なお、検出部及び基準電圧をさらに増やすことで、より細かく高周波信号の電力レベルを検波することができることは言うまでもない。

（第３の実施形態）
図３は、第３の実施形態に係る高周波電力検波回路の構成を示す。本実施形態に係る高周波電力検波回路は、第２の実施形態に係る高周波電力検波回路に、包絡線検波回路２０が出力する第１及び第２の基準電圧を切り替えるためのセレクタ６０及び７０を追加した構成となっている。以下、第２の実施形態と異なる点についてのみ説明する。

包絡線検波回路１０において、抵抗列１１０は、直列接続された６つの抵抗素子１１１、１１２、１１３、１１４、１１５及び１１６からなる。包絡線検波回路１０は、抵抗列１１０の中間端子電圧のうちグランドノードにもっとも近いもの、すなわち、抵抗素子１１５と抵抗素子１１６との接続点の電圧を出力する。包絡線検波回路２０において、抵抗列２１０は、直列接続された６つの抵抗素子２１１、２１２、２１３、２１４、２１５及び２１６からなる。

セレクタ６０は、抵抗列２１０の全体電圧（トランジスタ２０１のソース電圧）、抵抗素子２１１と抵抗素子２１２との接続点の電圧、及び抵抗素子２１２と抵抗素子２１３との接続点の電圧の中からいずれか一つを第１の基準電圧として出力する。セレクタ７０は、抵抗素子２１３と抵抗素子２１４との接続点の電圧、抵抗素子２１４と抵抗素子２１５との接続点の電圧、及び抵抗素子２１５と抵抗素子２１６との接続点の電圧の中からいずれか一つを第２の基準電圧として出力する。

以上、本実施形態によると、第１及び第２の基準電圧を切り替えることができるため、例えば、製造ばらつき、温度変動、電源電圧変動、受信システムの動作モードなどに応じて好ましい基準電圧を選択することができる。また、例えば、第１及び第２の基準電圧を時分割で切り替えることにより、二つの検出部４０及び５０で最大６つの電力レベルを検波することができる。なお、セレクタ６０及び７０のいずれか一方を省略して、第１及び第２の基準電圧のいずれか一方を固定値にしてもよい。

（無線通信装置の実施形態）
図４は、第１から第３のいずれかの実施形態に係る高周波電力検波回路を備えた無線通信装置の一実施形態を示す。本実施形態に係る無線通信装置の受信系では、アンテナ１００１が受信した高周波信号は、高周波フィルタ１００２及び送受信切り替えスイッチ１００３を介して可変利得の低雑音増幅器１００４に入力される。低雑音増幅器１００４で増幅された受信信号は、高周波電力検波回路１０１３及びミキサ１００５に供給される。ミキサ１００５は、低雑音増幅器１００４の出力とローカル信号発生器１０１２から出力されるローカル信号とを混合して、受信信号をベースバンド周波数にダウンコンバージョンする。ミキサ１００５の出力は、ベースバンドフィルタ１００６を介して可変利得のベースバンド増幅器１００７に供給される。ベースバンド増幅器１００７で増幅された受信信号は、Ａ／Ｄ変換器１０１６及びベースバンド電力検波回路１０１５に供給される。

Ａ／Ｄ変換器１０１６は、入力された受信信号をデジタル信号に変換する。デジタル信号プロセッサ１０１７は、Ａ／Ｄ変換器１０１６のデジタル出力を処理する。ここで、高周波電力検波回路１０１３及びベースバンド電力検波回路１０１５は、低雑音増幅器１００４及びベースバンド増幅器１００７の出力電力レベルを検波する。自動利得制御回路１０１８は、その検出結果に基づいて、低雑音増幅器１００４及びベースバンド増幅器１００７のそれぞれの利得を、上記両電力レベルに適応した値となるようにフィードバック制御する。例えば、最小受信感度レベルであった入力信号の電力レベルが高くなった場合、Ａ／Ｄ変換器１０１６の入力信号が歪まないように、ベースバンド増幅器１００７の利得を下げてから低雑音増幅器１００４の利得を下げるように最適制御を行う。逆に、例えば、許容最大入力レベルであった電力レベルが低くなった場合、低雑音増幅器１００４の利得をＡ／Ｄ変換器１０１６の入力受信信号が歪まないレベルにまで上げてからベースバンド増幅器１００７の利得を上げるように最適制御を行う。

一方、本実施形態に係る無線通信装置の送信系では、デジタル信号プロセッサ１０１７から出力されたデジタル信号は、Ｄ／Ａ変換器１０１９によってアナログ信号に変換される。当該アナログ信号は、ベースバンドフィルタ１０１１を介してミキサ１０１０に供給される。ミキサ１０１０は、ベースバンドフィルタ１０１１の出力信号とローカル信号発生器１０１２から出力されるローカル信号とを混合して、送信信号を高周波にアップコンバージョンする。この高周波送信信号は、可変利得のドライバー増幅器１００９及び電力増幅器１００８によって所望の電力レベルに増幅され、高周波電力検波回路１０１４及び送受信切り替えスイッチ１００３に供給される。そして、高周波送信信号は、送受信切り替えスイッチ１００３及び高周波フィルタ１００２を介してアンテナ１００１から送信される。高周波電力検波回路１０１４は、電力増幅器１００８の出力電力レベルを検波する。自動利得制御回路１０２０は、その検出結果に基づいて、電力増幅器１００８の利得を、上記両電力レベルに適応した値となるようにフィードバック制御する。

なお、一つの高周波電力検波回路で高周波電力検波回路１０１３及び１０１４を兼用するようにしてもよい。また、上記の無線通信装置の受信系及び送信系をそれぞれ独立させて無線信号受信器及び無線信号送信器を構成することが可能である。

本発明に係る高周波電力検波回路は、高周波信号の電力レベルを精度よく検波することができ、また、小型化が可能であるため、携帯電話機などの携帯無線端末に有用である。

第１の実施形態に係る高周波電力検波回路の構成図である。 第２の実施形態に係る高周波電力検波回路の構成図である。 第３の実施形態に係る高周波電力検波回路の構成図である。 無線通信装置の構成図である。 従来の高周波電力検波回路の構成図である。

符号の説明

１０ 包絡線検波回路（第１の包絡線検波回路）
２０ 包絡線検波回路（第２の包絡線検波回路）
３０ レベルシフタ
４０ 検出部
５０ 検出部（第２の検出部）
６０ セレクタ
７０ セレクタ（第２のセレクタ）
１０１３、１０１４ 高周波電力検波回路

Claims (5)

1. 入力された高周波信号の電力レベルを検波する高周波電力検波回路であって、
   抵抗列と、前記抵抗列に並列接続された容量素子と、前記抵抗列と前記容量素子との接続点と所定の電圧ノードとの間に接続されたトランジスタとを有する第１及び第２の包絡線検波回路と、
   前記高周波信号の中心レベルを所定の電圧にシフトするレベルシフタと、
   前記第２の包絡線検波回路における前記抵抗列の全体電圧又は中間端子電圧を基準にして、前記第１の包絡線検波回路における前記抵抗列の中間端子電圧を検出する検出部とを備え、
   前記第１の包絡線検波回路における前記トランジスタのゲート又はベースには前記レベルシフタの出力が与えられ、前記第２の包絡線検波回路における前記トランジスタのゲート又はベースには前記所定の電圧が与えられる
   ことを特徴とする高周波電力検波回路。
2. 請求項１に記載の高周波電力検波回路において、
   前記検出部への入力として、前記第２の包絡線検波回路における前記抵抗列の全体電圧及び一又は複数の中間端子電圧の中からいずれか一つを選択するセレクタを備えた
   ことを特徴とする高周波電力検波回路。
3. 請求項１に記載の高周波電力検波回路において、
   前記第２の包絡線検波回路における前記抵抗列の中間端子電圧であって前記検出部に入力されるものとは異なるものを基準にして、前記第１の包絡線検波回路から前記検出部に入力される前記中間端子電圧を検出する第２の検出部を備えた
   ことを特徴とする高周波電力検波回路。
4. 請求項３に記載の高周波電力検波回路において、
   前記第２の検出部への入力として、前記第２の包絡線検波回路における前記抵抗列の複数の中間端子電圧の中からいずれか一つを選択する第２のセレクタを備えた
   ことを特徴とする高周波電力検波回路。
5. 請求項１から４のいずれか一つに記載の高周波電力検波回路を備えた
   ことを特徴とする無線通信装置。

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