JP2014209673A

JP2014209673A - 電力増幅器

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Publication number: JP2014209673A
Application number: JP2013085792A
Authority: JP
Inventors: 茂藤原; Shigeru Fujiwara; 山本　和也; Kazuya Yamamoto; 和也山本; 宮下　美代; Miyo Miyashita; 美代宮下; 山部滋生; Shigeo Yamabe; 滋生山部; 小林　大介; Daisuke Kobayashi; 大介小林
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-04-16
Filing date: 2013-04-16
Publication date: 2014-11-06
Anticipated expiration: 2033-04-16
Also published as: KR20140125294A; KR101654221B1; JP6201391B2; US9041473B2; CN104113287A; US20140306761A1; CN104113287B

Abstract

【課題】アイドル電流などの他の特性を変化させることなくＡＭ−ＡＭ特性を調整することができる電力増幅器を得る。【解決手段】バイアス端子Ｔ１，Ｔ２にはそれぞれバイアスが供給される。トランジスタＭ１のゲートはバイアス端子Ｔ１に接続され、ソースは接地されている。トランジスタＭ２のゲートはバイアス端子Ｔ２に接続され、ソースはトランジスタＭ１のドレインに接続されている。固定容量Ｃ１と可変抵抗Ｒｖ１がトランジスタＭ２のゲートと接地点との間に直列に接続されている。【選択図】図１

Description

本発明は、主に携帯電話等の移動体通信用の電力増幅器に関する。

現在、ＣＤＭＡ（Code Division Multiple Access）などの携帯電話用高周波電力増幅器において、コストを低減するためにＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）のカスコードアンプを用いた電力増幅器の開発が活発になってきている。カスコードアンプの入力電力に対する利得の変動がＡＭ−ＡＭ特性であり、位相の変動がＡＭ−ＰＭ特性である。ＡＭ−ＡＭ特性と歪み特性は相関があり、ＡＭ−ＡＭの変化量を低減できると、歪み特性を改善することができる。

なお、カスコードアンプの０ＧＨｚ〜６０ＧＨｚでの利得の周波数特性Ｓ２１（一定の入力電力に対する利得の周波数依存性）、特に利得の跳ね上げ量を調整する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。しかし、この技術はカスコードアンプのＡＭ−ＡＭ特性（及びＡＭ−ＰＭ特性）を調整するものではない。

特開２００３−９２５２３号公報

従来は、カスコードアンプのＡＭ−ＡＭ特性（及びＡＭ−ＰＭ特性）を調整するにはトランジスタのゲート（ベース）バイアス、ドレイン（コレクタ）バイアス、入力電源インピーダンス、出力負荷インピーダンスを調整していた。しかし、ＡＭ−ＡＭ特性（及びＡＭ−ＰＭ特性）だけでなく、アイドル電流、効率、飽和出力電力など変化させたくない特性も変化してしまうという問題があった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的はアイドル電流などの他の特性を変化させることなくＡＭ−ＡＭ特性を調整することができる電力増幅器を得るものである。

本発明に係る電力増幅器は、それぞれバイアスが供給される第１及び第２のバイアス端子と、前記第１のバイアス端子に接続された第１の制御端子と、接地された第１の端子と、第２の端子とを有する第１のトランジスタと、前記第２のバイアス端子に接続された第２の制御端子と、前記第２の端子に接続された第３の端子と、第４の端子とを有する第２のトランジスタと、前記第２の制御端子と接地点との間に接続された容量と、前記第２の制御端子と接地点との間において前記容量に直列に接続された可変抵抗とを備えることを特徴とする。

本発明により、アイドル電流などの他の特性を変化させることなくＡＭ−ＡＭ特性を調整することができる。

本発明の実施の形態１に係るカスコードアンプを示す回路図である。本発明の実施の形態１に係る可変抵抗を示す回路図である。本発明の実施の形態１に係る電力増幅器を示す回路図である。可変抵抗の抵抗値とカスコードアンプのＡＭ−ＡＭ特性（ΔＧａｉｎ）とＡＭ−ＰＭ特性（ΔＰｈａｓｅ）の関係を示す図である。ＡＭ−ＡＭ特性（ΔＧａｉｎ）と歪み特性（ＡＣＬＲ５Ｍ）の関係を示す図である。本発明の実施の形態２に係る電力増幅器を示す回路図である。本発明の実施の形態２に係る電力増幅器の歪み特性（ＡＣＬＲ）の負荷依存性を示す図である。本発明の実施の形態３に係るカスコードアンプを示す回路図である。本発明の実施の形態３に係る電力増幅器を示す回路図である。本発明の実施の形態４に係る電力増幅器を示す回路図である。可変抵抗の抵抗値が一定の場合の温度変化に対する利得と歪み特性（ＡＣＬＲ５Ｍ）の関係を示す図である。本発明の実施の形態５に係る電力増幅器を示す回路図である。

本発明の実施の形態に係る電力増幅器について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るカスコードアンプを示す回路図である。トランジスタＭ１、Ｍ２はｎチャネルＭＯＳトランジスタである。入力端子ＩＮにはＲＦ入力信号が入力され、出力端子ＯＵＴからＲＦ出力信号が出力される。バイアス端子Ｔ１，Ｔ２にはそれぞれバイアスＶｇ１，Ｖｇ２が供給される。電源端子Ｔ３は電源に接続される。

トランジスタＭ１のゲートは、入力整合回路１を介して入力端子ＩＮに接続され、かつバイアス端子Ｔ１に接続される。トランジスタＭ１のソースは接地されている。従って、トランジスタＭ１はソース接地アンプである。トランジスタＭ２のゲートはバイアス端子Ｔ２に接続され、ソースはトランジスタＭ１のドレインに接続されている。トランジスタＭ２のドレインはフィードラインＬ１を介して電源端子Ｔ３に接続され、かつ出力整合回路２を介して出力端子ＯＵＴに接続されている。フィードラインＬ１は特定の電気長を有する線路でインダクタとして作用する。

トランジスタＭ２のゲートと接地点との間に固定容量Ｃ１と可変抵抗Ｒｖ１が直列に接続されている。従って、トランジスタＭ２は、ゲートが固定容量Ｃ１と可変抵抗Ｒｖ１を介して高周波的に接地されたゲート接地アンプである。トランジスタＭ１とトランジスタＭ２はカスコード接続されている。トランジスタＭ１，Ｍ２と固定容量Ｃ１と可変抵抗Ｒｖ１がカスコードアンプＣＡ１を構成する（図１の点線枠内）。

図２は、本発明の実施の形態１に係る可変抵抗を示す回路図である。固定抵抗Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｃが互いに並列に接続され、それらにそれぞれスイッチＳＷａ，ＳＷｂ，ＳＷｃが直列に接続されている。スイッチＳＷａ，ＳＷｂ，ＳＷｃを切り替えることで抵抗値を調整することができる。

図３は、本発明の実施の形態１に係る電力増幅器を示す回路図である。バイアス回路３はバイアス端子Ｔ１，Ｔ２にそれぞれバイアスＶｇ１，Ｖｇ２を供給する。出力電力検知回路４は、電力増幅器の出力線路に設けられた方向性結合器５と、その方向性結合器５に接続された検波器６とを有する。出力電力検知回路４は、カスコードアンプＣＡ１から出力された出力信号の電力を検知して電気信号に変換する。

発振器７がスイッチ８を介してカスコードアンプＣＡ１の入力に接続されている。この発振器７とスイッチ８がＢＩＳＴ（Built-in self test）を構成する。制御回路９のデジタル回路１０がスイッチ８をオンし発振器７を起動することで、発振器７は既知の数ポイントの入力電力を持つテスト信号を発生してカスコードアンプＣＡ１に入力させる。出力電力検知回路４は、カスコードアンプＣＡ１から出力された出力信号の電力を検知する。デジタル回路１０は、既知の数ポイントの入力電力と検知した出力電力に基づいて電力増幅器の初期のＡＭ−ＡＭ特性（異なる数ポイントの利得の差ΔＧａｉｎ）を求める。

デジタル回路１０は、求めた初期のＡＭ−ＡＭ特性を、デジタルインターフェイスを介してベースバンドＬＳＩ１１に送信する。ベースバンドＬＳＩ１１は、予め設定値として内部に保持する所望のＡＭ−ＡＭ特性と、デジタル回路１０が求めた初期のＡＭ−ＡＭ特性とを比較することで、デジタルインターフェイスを介してΔＧａｉｎの増減指令をデジタル回路１０へ伝送する。メモリ１２は、所望の可変抵抗値にセットするために必要な情報を保持する。デジタル回路１０は、カスコードアンプＣＡ１のＡＭ−ＡＭ特性が所望の特性になるように可変抵抗Ｒｖ１の制御電圧ｃｏｎｔを決定し、可変抵抗Ｒｖ１の抵抗値を制御する。

図４は、可変抵抗の抵抗値とカスコードアンプのＡＭ−ＡＭ特性（ΔＧａｉｎ）とＡＭ−ＰＭ特性（ΔＰｈａｓｅ）の関係を示す図である。可変抵抗Ｒｖ１の抵抗値が大きいほどΔＧａｉｎとΔＰｈａｓｅの絶対値は大きくなる。この関係性を利用し、電圧制御などで可変抵抗Ｒｖ１の抵抗値を変化させることにより電力増幅器のＡＭ−ＡＭ特性とＡＭ−ＰＭ特性を調整することができる。

図５は、ＡＭ−ＡＭ特性（ΔＧａｉｎ）と歪み特性（ＡＣＬＲ５Ｍ）の関係を示す図である。ＡＭ−ＡＭ特性と歪み特性は相関があり、ＡＭ−ＡＭの変化量を低減できると、歪み特性を改善できる。

本実施の形態では、カスコードアンプＣＡ１のＡＭ−ＡＭ特性が初期状態から所望の特性になるように可変抵抗Ｒｖ１の抵抗値を制御する。これにより、トランジスタの動作級やアイドル電流などの他の特性を変化させることなく、電力増幅器の動作時に所望のＡＭ−ＡＭ特性を得ることができる。このため、電力増幅器内の能動素子や受動素子の製造ばらつきに起因する歪みばらつきを抑制することができる。

なお、電力増幅器は多段構成でもよいが、ここではＡＭ−ＡＭ特性調整機能のない増幅器は省略している。また、検出が容易になるように本実施の形態ではＡＭ−ＡＭ特性のみを検出して調整しているが、ＡＭ−ＰＭ特性を検出して調整してもよい。

実施の形態２．
図６は、本発明の実施の形態２に係る電力増幅器を示す回路図である。実施の形態１の発振器７とスイッチ８の代わりに入力電力検知回路１３が設けられている。入力電力検知回路１３は、電力増幅器の入力線路に設けられた方向性結合器１４と、その方向性結合器１４に接続された検波器１５とを有する。入力電力検知回路１３は、カスコードアンプＣＡ１に入力される入力信号の電力を検知する。

制御回路９は、入力信号の電力と出力信号の電力からＡＭ−ＡＭ特性（ΔＧａｉｎ）を求め、この求めたＡＭ−ＡＭ特性が任意の動作状態において所望の特性になるように可変抵抗Ｒｖ１の抵抗値を制御する。ここで「任意の動作状態」として、周波数依存性、出力負荷インピーダンス依存性、Ｖｃ依存性などが挙げられる。これらの値によってＡＭ−ＡＭ特性（ΔＧａｉｎ）が変化する。

この中の出力負荷インピーダンス依存性について説明する。携帯電話などの移動体端末において、アンテナのインピーダンスは移動体端末の使用状況により変化する。以前は送信電力増幅器の出力端子からアンテナまでの経路にアイソレータが設けられていたため、アンテナのインピーダンスが変化しても送信電力増幅器の出力負荷インピーダンスは所定のインピーダンス（例えば５０Ω）に固定されていた。しかし、小型化、低コスト化のため近年はアイソレータを配置しないため、アンテナのインピーダンスの変化に伴い送信電力増幅器の出力負荷インピーダンスは変化する。

図７は、本発明の実施の形態２に係る電力増幅器の歪み特性（ＡＣＬＲ）の負荷依存性を示す図である。出力負荷インピーダンスが変化すると、歪み特性（ＡＣＬＲ）が変化することが分かる。そこで、本実施の形態により負荷変動に対する高周波電力増幅器の歪み特性の変動量を補償することで、任意の出力負荷インピーダンスにおいても良好な歪み特性（ＡＣＬＲ）を得ることができる。

実施の形態３．
図８は、本発明の実施の形態３に係るカスコードアンプを示す回路図である。２段のカスコードアンプＣＡ１，ＣＡ２が接続されている。トランジスタＭ１，Ｍ２と固定容量Ｃ１と可変抵抗Ｒｖ１がカスコードアンプＣＡ１を構成し、トランジスタＭ３，Ｍ４と固定容量Ｃ２と可変抵抗Ｒｖ２がカスコードアンプＣＡ２を構成する。

トランジスタＭ２のドレインに印加されたドレインバイアスＶｄがトランジスタＭ３のゲートに印加されないよう、トランジスタＭ２のドレインとトランジスタＭ３のゲートの間に固定容量Ｃ３が設けられている。

図９は、本発明の実施の形態３に係る電力増幅器を示す回路図である。制御回路９は、カスコードアンプＣＡ１，ＣＡ２のＡＭ−ＡＭ特性が所望の特性になるように制御信号ｃｏｎｔ１，ｃｏｎｔ２を出力して、それぞれのカスコードアンプＣＡ１，ＣＡ２の可変抵抗Ｒｖ１，Ｒｖ２の抵抗値を制御する。これにより、カスコードアンプ１段のみの場合に比べ、ＡＭ−ＡＭ特性（及びＡＭ−ＰＭ特性）の調整範囲を広げることができる。なお、カスコードアンプは２段に限らず３段以上でもよい。

実施の形態４．
図１０は、本発明の実施の形態４に係る電力増幅器を示す回路図である。出力線路Ｌ_ＯＵＴがカスコードアンプＣＡ１の出力に接続されている。温度検知回路１６は出力線路Ｌ_ＯＵＴの温度を検知する。制御回路９は、検知された温度に応じて可変抵抗Ｒｖ１の抵抗値を制御してＡＭ−ＡＭ特性が所望の特性になるようにする。具体的には、制御回路９のデジタル回路１０は、メモリ１２に予め設定された温度特性データと検知された温度に基づいて可変抵抗Ｒｖ１の抵抗値を所望の値にセットし、温度変化に対しＡＭ−ＡＭ特性が所望の特性になるようにする。

図１１は、可変抵抗の抵抗値が一定の場合の温度変化に対する利得と歪み特性（ＡＣＬＲ５Ｍ）の関係を示す図である。温度変化に伴って利得と歪み特性が変化する。そこで、本実施の形態では温度に応じてＡＭ−ＡＭ特性（ΔＧａｉｎ）を調整することで、温度変化に対する歪み特性の変動を抑制することができる。

実施の形態５．
図１２は、本発明の実施の形態５に係る電力増幅器を示す回路図である。可変抵抗Ｒｖ１の抵抗値を電圧制御する制御信号が供給される外部端子１７が設けられている。これにより、通信機器用端末基板上に実装後でもユーザーが可変抵抗Ｒｖ１の抵抗値を外部から直接調整して、高周波電力増幅器のＡＭ−ＡＭ特性（ΔＧａｉｎ）を所望の値に調整することができる。従って、複数の変調や周辺状況に応じた最適な歪み特性（ＡＣＬＲ）が得られるため、高周波電力増幅器の品種のバリエーションを抑えられ、開発効率を改善することができる。

４出力電力検知回路、７発振器、９制御回路、１３入力電力検知回路、１６温度検知回路、１７外部端子、Ｃ１固定容量（容量）、ＣＡ１，ＣＡ２カスコードアンプ、Ｍ１，Ｍ３トランジスタ（第１のトランジスタ）、Ｍ２，Ｍ４トランジスタ（第２のトランジスタ）、Ｒｖ１可変抵抗、Ｔ１バイアス端子（第１のバイアス端子）、Ｔ２バイアス端子（第２のバイアス端子）

Claims

それぞれバイアスが供給される第１及び第２のバイアス端子と、
前記第１のバイアス端子に接続された第１の制御端子と、接地された第１の端子と、第２の端子とを有する第１のトランジスタと、
前記第２のバイアス端子に接続された第２の制御端子と、前記第２の端子に接続された第３の端子と、第４の端子とを有する第２のトランジスタと、
前記第２の制御端子と接地点との間に接続された容量と、
前記第２の制御端子と接地点との間において前記容量に直列に接続された可変抵抗とを備えることを特徴とする電力増幅器。
前記第１及び第２のトランジスタと前記容量と前記可変抵抗がカスコードアンプを構成し、
前記カスコードアンプの入力電力に対する利得の変動であるＡＭ−ＡＭ特性が所望の特性になるように前記可変抵抗の抵抗値を制御する制御回路を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の電力増幅器。
前記カスコードアンプの入力にテスト信号を供給する発振器と、
前記カスコードアンプから出力された出力信号の電力を検知する出力電力検知回路とを更に備え、
前記制御回路は、前記テスト信号の電力と前記出力信号の電力から前記ＡＭ−ＡＭ特性を求め、この求めた前記ＡＭ−ＡＭ特性が所望の特性になるように前記可変抵抗の抵抗値を制御することを特徴とする請求項２に記載の電力増幅器。
前記カスコードアンプに入力される入力信号の電力を検知する入力電力検知回路と、
前記カスコードアンプから出力された出力信号の電力を検知する出力電力検知回路とを更に備え、
前記制御回路は、前記入力信号の電力と前記出力信号の電力から前記ＡＭ−ＡＭ特性を求め、この求めた前記ＡＭ−ＡＭ特性が所望の特性になるように前記可変抵抗の抵抗値を制御することを特徴とする請求項２に記載の電力増幅器。
前記カスコードアンプが複数段接続され、
前記制御回路は、複数段の前記カスコードアンプのＡＭ−ＡＭ特性が所望の特性になるようにそれぞれのカスコードアンプの前記可変抵抗の抵抗値を制御することを特徴とする請求項２〜４の何れか１項に記載の電力増幅器。
前記カスコードアンプの出力に接続された出力線路と、
前記出力線路の温度を検知する温度検知回路とを更に備え、
前記制御回路は、検知された前記温度に応じて前記可変抵抗の抵抗値を制御することを特徴とする請求項２に記載の電力増幅器。
前記可変抵抗の抵抗値を制御する制御信号が供給される外部端子を更に備えることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の電力増幅器。