JP2010537453A - チューナブルインピーダンス整合回路 - Google Patents

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Abstract

チューナブルインピーダンス回路は、コンデンサC1、C2、インダクタL1及び、インダクタL1と磁気的に結合するインダクタL2を備える。可変な位相と振幅を持つ、制御回路13からの制御電流Icontrolは、インダクタL2に流れる。インダクタL1のインピーダンスは、制御電流Icontrolの位相と振幅を変化させることによって、変化される。出力インピーダンスは、インピーダンス回路12aの有効インダクタンスと有効クオリティファクタを、RF PA11の出力電流IRFに対する制御電流Icontrolの位相と振幅によって、最適に設定することによって、最適なレベルに設定される。
【選択図】図2

Description

本発明は、インピーダンスを調整できるチューナブルインピーダンス整合回路に関する。
集積RF電力増幅器(PA)は、アンテナのインピーダンス(一般に、50Ω)を、他の特性の中でも、最大出力パワー、線形性、効率及び安定性の点で良好な性能を促進するような最適なインピーダンスになるように変換する出力インピーダンス整合回路(回路)を用いる。この最適インピーダンスは、インピーダンス制御回路が、結果のインピーダンスのリアクティブ部を消去することを考えると、最適な抵抗(Ropt)としてみることができる。
optを決定するための基本は、非特許文献1に記載されているロードライン法である。一度Roptが決定されると、この値は、PAの性能を、例えば、効率や線形性の点で最適化するために、精度良くチューニングされる必要がある。
インピーダンス整合回路は、集積回路に集積したり、この外部に配置することができる。
図1は、典型的なRF電力増幅器及びインピーダンス整合回路の模式図である。
図1において、入力及び出力インピーダンスは、50Ohmであるとしている。入力インピーダンス整合回路10は、50Ohmの入力インピーダンスを、RF PA11の入力への最適なインピーダンスに整合させるために、RF電力増幅器(PA)11の入力に設けられる。出力インピーダンス整合回路12は、RF PA11の出力インピーダンスを50Ohmの出力インピーダンスに整合させるために、RF PA11の出力に設けられる。
今日手に入る数々のワイヤレス規格及び、これらに規定される周波数帯は、マルチ規格の、マルチ周波数RF電力増幅器(PA)を必要とする。このような装置は、問題の周波数帯をカバーするワイドバンドPAや、動作帯の変更があった場合に、中心周波数を調整できるナローバンドPAとすることができる。
この種の多くの電力増幅器においては、チューニング可能性の問題は、いつも、出力インピーダンス整合回路の設計の問題となる(非特許文献2、3及び特許文献1)。これは、出力インピーダンス整合回路を含むリアクタンスの値が周波数によって変化し、したがって、PAから見た負荷インピーダンスも変化し、よって、PAが、異なる動作帯域において、最適でない条件で動作しなくてはならなくなるという事実に基づいている。以前のチューナブル電力増幅器の構成においては、出力インピーダンス整合回路は、1以上の可変リアクタンスを用いることで、チューニング可能とされていた。しかし、コンデンサの容量を変えることは、インピーダンス整合回路のQ値を減少する結果となり、したがって、インピーダンス整合回路の損失を増大する結果となっていた。
非特許文献2においては、制御巻線に印加されるDCバイアス電流を介して、コアの透磁率を制御することによる可変インダクタが、飽和リアクタを実装するのに使われている。ここで、主な問題は、そのような装置は、集積化できないということである。RF電力増幅器と、トランシーバの他の全ての部分とを一緒に集積化することは、面積の節約という点で望ましく、結果として、トランシーバが使用される場合、もっと多くの機能を付け加える可能性という点で望ましい。この場合、CMOSは、高い集積レベル、低コスト、及び高い歩留まりのために、選択される技術となる。非特許文献3においては、MEMSは、インダクタとコンデンサをスイッチオン、オフし、チューナブルインピーダンス整合回路を構成するために使われる。したがって、この方法は、標準的なプロセスにおいては得ることのできないMEMSが使えるということによっている。特許文献1においては、可変リアクタンスのいくつかの可能性について提案がされているが、π回路の2つのコンデンサを可変するというのが主なアプローチの方法である。
したがって、ICに集積可能な周波数チューナブルRF PAを達成することが重要である。これを達成するために、ICに集積可能なチューナブルインピーダンス整合回路をどのように構成するかという問題を解くことが重要である。
米国特許7,202,734
S. C. Cripps, RF Power Amplifiers for Wireless Communications, 1st ed. Norwood: Artech House, 1999 F. H. Raab and D. Ruppe, "Rrequency-agile class-D power amplifier," in 9th International Conference on HF Radio Systems and Techniques, University of Bath, UK, June 23-26, 2003, pp. 81-85. J. L. Bartlett, et al., "Integrated tunable high efficiency power amplifier," 米国特許6.232,841、2001年5月15日
本発明の課題は、ICに容易に集積されるチューナブルインピーダンス整合回路を提供することである。
本発明による、外部回路の入力あるいは出力のインピーダンスを調整するチューナブルインピーダンス整合回路は、外部回路の電流を流す第1のインダクタと、第1のインダクタに接続されたコンデンサ部と、第1のインダクタに磁気的に結合し、外部回路の電流に対して、所定の位相及び振幅を有する制御電流を流す第2のインダクタと、第2のインダクタに制御電流を印加し、制御電流の位相と振幅の一方あるいは両方を変えることによって、第2のインダクタと磁気的に結合した第1のインダクタのインピーダンスを可変する制御回路とからなる。
本発明によれば、第1のインダクタのインダクタンスは、第1のインダクタと磁気的に結合する第2のインダクタに印加される制御電流の位相及び振幅を変えることによって、可変される。インピーダンスを、ただ電流を変えることによって変えることができるので、構成が単純で、ICに容易に集積できる。
RF電力増幅器の模式図である。 本発明の実施形態による、チューナブルインピーダンス整合回路を備える周波数チューナブルRF電力増幅器の模式図である。 πインピーダンス整合回路の模式図である。 結合インダクタによるチューナブルインダクタンスの模式図である。 本発明の実施形態による、チューナブルπインピーダンス整合回路の模式図である。 本発明の実施形態による、集積平面インターリーブド方形変圧器(integrated planar-interleaved-square transformer)のレイアウトである。 本発明の実施形態による、チューナブルインピーダンス整合回路を備える周波数チューナブルCMOS RF電力増幅器の回路図である。 本発明による周波数チューナブルRF電力増幅器と、固定出力インピーダンスの従来のRF電力増幅器との、出力パワー、効率、線形性についてのシミュレーション結果の比較図である。 本発明の実施形態による、制御電流を精密にチューニングすることのできる周波数チューナブルCMOS RF電力増幅器の回路図である。
本発明の実施形態は、例えば、無線送信機やトランシーバに使用されるRF電力増幅器の分野、特には、これらの増幅器を最適な性能で、異なる周波数帯で動作させる技術に適用可能なチューナブルインピーダンス整合回路に関する。
RF電力増幅器は、例えば、本実施形態のチューナブルインピーダンス整合回路を用いて、特定の動作周波数帯内で、周波数をチューニング可能とすることによって、改善される。本実施形態のインピーダンス整合回路は、結合インダクタを用いる。これらの結合インダクタの巻線の一つに制御電流を印加することにより、インピーダンス整合回路は、周波数チューニング可能となり、例えば、電力増幅器の負荷インピーダンスを、各動作帯において、最適値に設定することができる。
本発明の実施形態の応用においては、集積平面結合インダクタを用いた、出力チューナブルインピーダンス整合回路を用いた周波数チューナブルRF電力増幅器が提供される。しかし、本発明の応用は、以下の例に限定されるものではない。更に、以下の例では、本実施形のチューナブルインピーダンス整合回路は、出力インピーダンスを整合させるのに使用することが示される。しかし、本実施形態のチューナブルインピーダンス整合回路は、入力インピーダンスを整合させることにも使用可能である。更に、本実施形態のチューナブルインピーダンス整合回路と共に用いられる回路は、電力増幅器以外の任意の回路でよい。
図2は、本実施形態のチューナブルインピーダンス整合回路が適用される周波数チューナブル電力増幅器の模式図である。
図2において、図1と同様の構成要素には、同様の記号を付し、説明を省略する。
この増幅器は、ワイヤレスローカルエリアネットワーク(WLAN)装置のチャネルが配置される、2以上の、例えば、2.4GHz及び5.2GHzという異なる帯域で動作できる。この技術の利点は、2つある。一つは、1つだけの可変リアクタンスを用いて、インピーダンス変換を適用することができることで、二つ目は、インダクタのクオリティファクタ(Q)を改善する[5]、したがって、直列の寄生抵抗による、整合するときの、及び、抵抗によるロスを減少するということである。
上記技術は、以下の文献に記載されている。
[5]D. R. Pehlke, A. Burstein, and M. F. Chang, "Extremely high-Q tunable inductor for Si-based RF integrated circuit applications," in 1997 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM'97) Technical Digest, Washington, DC, Dec. 7-10, 1997, pp. 63-66.
図2において、本実施形態のチューナブルインピーダンス整合回路は、出力インピーダンス整合回路12aとして適用される。チューナブルインピーダンス整合回路12aは、インダクタL1、インダクタL1の入力に接続されたコンデンサC1、インダクタL1の出力に接続されたコンデンサC2,及び、結合定数kで、インダクタL1と磁気的に結合し、制御電流Icontrolを流すインダクタL2からなる。制御回路13は、入力インピーダンス整合回路10の出力電流を受け、インダクタL2に供給する制御電流Icontrolを生成する。インダクタL1のインピーダンスは、交流電流である制御電流の振幅と位相を変えることにより、変えることができる。
上述したように、2つのシャントコンデンサと直列接続されたインダクタを備えるπ整合回路を用いることにより、1つだけの可変リアクタンスを用いて、負荷インピーダンスを調整することが可能になる。
図3は、π整合回路を示す。
このような回路を選択する1つの理由は、変換ファクタ(R→Ropt)とその全体のクオリティファクタ(Q)の両方を選択することができるからである。他の理由は、十分な容量値を用いることによって、インダクタンス(L1)の値のみを変えるだけで、異なる周波数に対し、同様の最適な変換ファクタを得ることができるからである。このことは、チューナブルインピーダンス整合回路の目的であり、したがって、インダクタをチューニングすることは、コンデンサをチューニングすることよりもより効果的である。例えば、20Ωの最適抵抗に対し、アンテナインピーダンスは、50Ωであるべきであり、これは、2.5という変換ファクタとなる。この変換ファクタは、C1=5.65pF、C2=3.8pFと選択することにより得られる。インダクタの値が、5.2GHzで0.4nHから2.4GHzで1.6nHまで変化する場合、最適抵抗値は、これらの2つの周波数で、20Ωである。インダクタの値が固定で、0.4nHである場合には、2.4GHzでの変換のための結果の抵抗値は、1.5Ωである。
π整合回路の1つの重要な、非理想的なことは、直列のインダクタが有限のクオリティファクタQを持っていることである。これは、直列の抵抗Rが、インダクタに加えられることによって、2つの主な欠点を導入することを意味する。第1は、Rにおける散逸のためのパワーロスであり、第2は、インダクタの線路に配置される直列の抵抗によって回路に導入されるミスマッチによるパワーロスである。したがって、インダクタのクオリティファクタが大きければ大きいほど、最大出力電力、及び、効率という点で、電力増幅器の性能が良くなる。
チューナブルインダクタは、アクティブインダクタ[6,7]、MEMSスイッチ[非特許文献2]、飽和リアクタ[非特許文献2]、結合パッシブインダクタ[5、8−10]を使って作ることが出来る。
詳細については、以下の文献を参照されたい。
[6]R. Mukhopadhyay, et al., "Frequency-agile CMOS RFICs for multi-mode RF front-end," in Proceedings of the 7th European Conference on Wireless Technology, Amsterdam, Holland, Oct. 11-12, 2004, pp. 9-12.
[7]J. H. Sinsky and C. R. Westgate, "A new approach to designing active MMIC tuning elements using second-generation current conveyors," IEEE Microwave and Guided Wave Letters, vol. 6, no. 9, pp. 326-328, Sept. 1996.
[8]Y.-C. Wu and M. F. Chang, "On-chip high-Q (>3000) transformer-type spiral inductors," Electronics Letters, vol. 38, no. 3, pp. 112-113, Jan. 31st, 2002.
[9]B. Georgescu, et al., "Tunable coupled inductor Q-enhancement for parallel resonant LC tanks," IEEE Transactions on Circuits and Systems- Part II: Analog and Digital Signal Processing, vol. 50, no. 10, pp. 750-713, Oct. 2003.
[10]W. A. Gee and P. E. Allen, "CMOS integrated transformer-feedback Q-enhanced LC bandpass filter for wireless receivers," in Proceedings of the International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS'2004), vol. 4, Vancouver, Canada, May 23-26, 2004, pp. 253-256.
クオリティファクタを改善する可能性のあるチューナブルフィルタの唯一の種類は、結合パッシブインダクタである。したがって、本実施形態に使われる出力インピーダンス整合回路は、結合パッシブインダクタを使う。
図には、2つのコンデンサを有するπ整合回路のみが示されているが、コンデンサが1個のみの回路も可能である。
図4は、インダクタが、どのようにして、相互インダクタンスを用いてチューニングできるかを示す。
L1を流れるRF電流(IRF)と同じ振幅を有する、制御電流(Icontrol)をL2に印加することによって、L1に接続されたRF回路から見た全インダクタンスは、これらの2つの電流の位相シフト(φ)が0のならば、Leq=L1+Mとなる。この式において、Mは、L1とL2間の相互インダクタンスを示し、M=k・√(L1・L2)となる(ここで、L1とL2間の結合ファクタをkとする)。しかし、φが、180度の場合、全インダクタンスは、Leq=L1−Mとなる。したがって、これらの2つの電流間の位相シフトを変えることにより、RF回路からみた全インダクタンスを、L1−MからL1+Mまでチューニングすることができる。
インダクタンスの変化のほかに、RF回路からみたインピーダンスに直列に、抵抗部が現れる。Icontrolの振幅が、IRFの振幅のr倍であり、rが可変とすると、相互インダクタンスによって加えられる抵抗部は、負の値を取り得、L1の有効直列寄生抵抗値RLs1_effを減少させ、RLs1_eff<RLs1となる。
L1=L2=L、RLs1=RLs2=RLsの場合、RF回路からみた有効インダクタンス及び、対応するクオリティファクタは、以下のように書ける。
上記式は、Leffが、Icontrolの振幅と位相に依存したチューニングレンジを有しており、そのクオリティファクタQeffは、k・r sinφ・Qの項が1に近い、1より小さい値となるようにされた場合、増加することを示している。ここで、Qは、Icontrolが印加されなかった場合のクオリティファクタである。
図5は、結合インダクタに基づくチューナブル出力π整合回路を示す。
図6は、上層(top-layer)平面インタリーブド方形変圧器を示す。
結合インダクタは、集積4端子平面インタリーブド変圧器として実装する。変圧器の形は、方形、八角形、円形などとすることができる。その巻線は、単一の上層メタルレイヤとして、あるいは、スタックドメタルレイヤとして、構成することができる。変圧器の種類をどう選ぶかは、回路が耐えられる電流及び、インダクタの値に依存し、それらは、最終的なクオリティ及び結合ファクタに影響を与える。
制御回路は、チューナブルRF電力増幅器が使われる周波数帯におけるIRFに対する制御された位相(φ)と振幅比(r)を持つ、L2内の電流Icontrolを注入するものである。
図5において、コンデンサC1、C2及びインダクタL1は、π整合回路を構成する。インダクタL1は、インダクタL2に磁気的に結合する。制御電流回路20は、インダクタL2に、制御電流Icontrolを注入する。制御電流Icontrolは、可変の振幅と位相を有する交流である。
図6において、集積4端子平面インタリーブド変圧器は、2つの巻線からなる。各巻線は、幅wを有しており、互いに幅sの隙間で隔てられている。(1)の入力及び出力端子は、インダクタL1のそれらであり、RF回路の電流IRFを流す。(2)の入力及び出力端子は、インダクタL2のそれらであり、制御電流Icontrolを流す。結合インダクタの幅は、doutである。
図7は、本実施形態のチューナブルインピーダンス整合回路を備える、チューナブルRF PAの例示的回路図である。
図7においては、制御回路の具体的回路構成が示されている。入力インピーダンス整合回路21は、1つのコンデンサC3、1つのインダクタL3、及び、バイアス電圧電源を有する、従来のインピーダンス整合回路である。本実施形態のチューナブルインピーダンス回路は、出力インピーダンス整合回路22a、22bに適用される。回路22a、22bは、別の回路として示されているが、両回路のインダクタL1とインダクタL2は、磁気的に結合しており、したがって、両回路は、1つの回路と考えることができる。制御回路23は、2つのトランジスタM2、M3及びバイアス電圧電源を備える。RFチョークコイルは、トランジスタM1のドレイン端子に接続されている。
トランジスタM1は、C3、L3、C1、L1、及びC2によって構成されるチューナブルπ出力インピーダンス整合回路と共に固定入力整合を行なう電力増幅器の中心部である。L1は、L2に磁気的に結合されており、これらは、図6に示されるような、集積平面変圧器によって実装される。制御電流は、カスコード接続されたトランジスタM2、M3で構成される制御回路がPAの入力信号と同じ入力信号を有しているので、RF電流と関係がある。トランジスタM3は、トランジスタM2を流れる電流のアイソレーションを増加するために設けられる。トランジスタM1への入力IRFの交流成分は、トランジスタM2のゲートに印加されるので、制御電流Icontrolの周波数は、トランジスタM1への入力IRFの周波数と同じになる。電流IcontrolとIRFの間の位相シフトと振幅比は、トランジスタの寸法と、インダクタ、コンデンサの値によって設定することができるが、振幅比は、他の方法でも変えることができる。制御回路のカスコード接続と、PA内のコンデンサCstab及び抵抗RstabからなるRCフィードバックは、全ての周波数で、無条件な安定性を保証するために用いられる。
図7においては、制御電流Icontrolの位相は、チューナブルインピーダンス整合回路22a、22bのクオリティファクタが最適になるように、固定される。インダクタL1のインダクタンスは、バイアス電圧電源BIAS2の電圧を可変することによって変えることのできる、制御電流Icontrolの振幅によって制御される。ここで、最適なクオリティファクタは、チューナブルインピーダンス整合回路のロスが最小になることを意味する。
図8Bは、チューナブルPAと、固定出力インピーダンス整合回路を用いた同様のPA(ただし、同じL1)に対する、電力増幅器の出力パワー対3次インターモジュレーション劣化(IMD3)のシミュレーション結果を示す。
この例では、チューナブル電力増幅器は、5.2GHz帯で動作するよう設計されている。
図8Aには、回路のパワーアデッド効率(PAE)の測定結果が示されている。
この図から、チューナブルPAは、5.2GHz帯において、より高い出力パワーを、より高い効率で出力できる(−35dBc IMD3の限界を考慮すると)ことが見て取れる。
図9は、本実施形態のチューナブルインピーダンス整合回路を用いたチューナブルRF PAの他の例示的回路図を示す。
図7の回路の構成要素の大きさが決定されると、制御電流とRF電流の位相関係は固定される。IcontrolとIRFの間の関係を調整できるように、この回路の更なるフレキシビリティを増やすために、トランジスタM2、M3を、M2a、M2b、及び、M2cと、M3a、M3b及びM3cに分割し、図9の制御回路23aに示されるように、平行なブランチa、b、cを形成することができる。M3bとM3cのゲートを接地することにより、これらのブランチはOFFにされ、これらを、VDDに接続することによって、ONにすることができる。異なる位相シフト特性を有するこれらの平行ブランチをON,OFFすることによって、IcontrolとIRF間の位相及び振幅関係を可変することができ、したがって、電力増幅器からみた最適な抵抗値を調整可能とすることができる。このフレキシビリティにより、回路を、問題の周波数レンジにおいて、適切な動作のための精密なチューニングすることができる。これらのブランチをON,OFFするために、スイッチS1、S2を用いることができる。ビットb0、b1は、これらのビットがHIGHのとき、ブランチb、cをOFFし、図9のボックス内に詳細に示されたように、実装することができる。これらのビットがLOWのときは、これらのビットは、ブランチb、cをONする。よりフレキシビリティが欲しいときは、トランジスタM3、M2を更に多くのブランチに分割することができる。

Claims (9)

  1. 外部回路の入力あるいは出力のインピーダンスを調整するチューナブルインピーダンス整合回路において、
    該外部回路の電流を流す第1のインダクタと、
    該第1のインダクタと接続されたコンデンサ部と、
    該第1のインダクタと磁気的に結合し、該外部回路の該電流に対し、所定の位相及び振幅を有する制御電流を流す第2のインダクタと、
    該第2のインダクタに該制御電流を印加し、該第2のインダクタに磁気的に結合した該第1のインダクタのインピーダンスを、該制御電流の該位相及び該振幅の一方、あるいは、両方を可変することにより、可変する制御回路と、
    を備えることを特徴とするチューナブルインピーダンス整合回路。
  2. 前記コンデンサ部は、
    前記第1のインダクタの入力に接続された第1のコンデンサと、
    前記第1のインダクタの出力に接続された第2のコンデンサと、
    を含む
    ことを特徴とする請求項1に記載のチューナブルインピーダンス整合回路。
  3. 前記制御回路は、前記第1のインダクタと前記コンデンサ部とを備える回路のクオリティファクタが最適になるように、前記制御電流の前記位相及び前記振幅を設定することを特徴とする請求項1に記載のチューナブルインピーダンス整合回路。
  4. 前記制御電流の周波数は、前記外部回路の前記電流のそれに等しいことを特徴とする請求項1に記載のチューナブルインピーダンス整合回路。
  5. 前記外部回路の出力に接続された請求項1に記載のチューナブルインピーダンス整合回路。
  6. 前記外部回路の入力に接続された請求項1に記載のチューナブルインピーダンス整合回路。
  7. 請求項1のチューナブルインピーダンス整合回路によって構成された周波数チューナブル増幅器。
  8. 入力側で、請求項1のチューナブルインピーダンス整合回路に接続された周波数チューナブル増幅器。
  9. 出力側で、請求項1のチューナブルインピーダンス整合回路に接続された周波数チューナブル増幅器。
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