JP2015126411A

JP2015126411A - 電力増幅モジュール

Info

Publication number: JP2015126411A
Application number: JP2013270071A
Authority: JP
Inventors: 賢志齋藤; Kenji Saito
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2013-12-26
Filing date: 2013-12-26
Publication date: 2015-07-06
Anticipated expiration: 2033-12-26
Also published as: US20180342995A1; US10236848B2; US10050593B2; US20170085238A1; JP5880980B2; US20150188505A1; CN104753478A; CN104753478B; US9647616B2

Abstract

【課題】バイポーラトランジスタによる減衰器を備える電力増幅モジュールを提供する。
【解決手段】電力増幅モジュールは、無線周波数信号を増幅して出力する第１のバイポーラトランジスタと、無線周波数信号の減衰を制御するための制御電圧がベースに供給され、コレクタに電源電圧が供給される第２のバイポーラトランジスタと、無線周波数信号の第１のバイポーラトランジスタへの供給経路に一端が接続される第１の抵抗と、一端が第１の抵抗の他端に接続され、他端が第２のバイポーラトランジスタのコレクタに接続されるキャパシタと、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、電力増幅モジュールに関する。

無線周波数（ＲＦ：ＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙ）信号を増幅する電力増幅モジュールでは、低電力モード時に電力増幅モジュールのゲインを低減させるために、減衰器が設けられることがある。

例えば、特許文献１には、増幅トランジスタへのＲＦ信号の入力経路にシャント接続される減衰器が開示されている。具体的には、減衰器はＦＥＴを含んでおり、該ＦＥＴのゲートに印加される電圧を制御して該ＦＥＴのオン／オフを切り替えることにより、減衰制御を実現している。

特開２０１２−１３４６２７号公報

特許文献１に開示されているように、ＦＥＴを用いて減衰器を実現することが可能であるが、増幅トランジスタをバイポーラトランジスタとする場合、電力増幅モジュールは、バイポーラトランジスタとＦＥＴの混載となり、製造コストの増加につながる。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、バイポーラトランジスタによる減衰器を備える電力増幅モジュールを提供することを目的とする。

本発明の一側面に係る電力増幅モジュールは、無線周波数信号を増幅して出力する第１のバイポーラトランジスタと、無線周波数信号の減衰を制御するための制御電圧がベースに供給され、コレクタに電源電圧が供給される第２のバイポーラトランジスタと、無線周波数信号の第１のバイポーラトランジスタへの供給経路に一端が接続される第１の抵抗と、一端が第１の抵抗の他端に接続され、他端が第２のバイポーラトランジスタのコレクタに接続されるキャパシタと、を備える。

本発明によれば、バイポーラトランジスタによる減衰器を備える電力増幅モジュールを提供することができる。

本発明の一実施形態である電力増幅モジュールを含む送信ユニットの構成例を示す図である。電力増幅モジュールの構成の一例を示す図である。電力増幅モジュールの構成の他の一例を示す図である。電力増幅モジュールの構成の他の一例を示す図である。電力増幅モジュールの構成の他の一例を示す図である。電力増幅モジュールの構成の他の一例を示す図である。消費電流のシミュレーションを行った電力増幅モジュールの構成を示す図である。消費電流のシミュレーション結果を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。図１は、本発明の一実施形態である電力増幅モジュールを含む送信ユニットの構成例を示す図である。送信ユニット１００は、例えば、携帯電話等の移動体通信機において、音声やデータなどの各種信号を基地局へ送信するために用いられる。なお、移動体通信機は基地局から信号を受信するための受信ユニットも備えるが、ここでは説明を省略する。

図１に示すように、送信ユニット１００は、ベースバンド処理部１０１、変調部１０２、電力増幅モジュール１０３、フロントエンド部１０４、及びアンテナ１０５を含んで構成される。

ベースバンド処理部１０１は、入力信号に対するベースバンド処理を実行する。

変調部１０２は、ＧＳＭ（ＧｌｏｂａｌＳｙｓｔｅｍｆｏｒＭｏｂｉｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ）（登録商標）やＥＤＧＥ（ＥｎｈａｎｃｅｄＤａｔａＧＳＭＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ）等の変調方式に基づいてベースバンド信号を変調し、無線送信を行うための無線周波数（ＲＦ：ＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙ）信号を生成する。ＲＦ信号は、例えば、数百ＭＨｚから数ＧＨｚ程度である。

電力増幅モジュール１０３は、ＲＦ信号（ＲＦｉｎ）の電力を、基地局に送信するために必要なレベルまで増幅し、増幅信号（ＲＦｏｕｔ）を出力する。なお、電力増幅モジュール１０３の動作モードには、低電力モード（ＬＰＭ：ＬｏｗＰｏｗｅｒＭｏｄｅ）及び高電力モード（ＨＰＭ：ＨｉｇｈＰｏｗｅｒＭｏｄｅ）がある。電力増幅モジュール１０３の動作モードは、外部から供給される制御電圧Ｖｃｔｒｌによって制御される。後述するように、電力増幅モジュール１０３では、低電力モード時には、減衰器を動作させることによってゲインを低減させることができる。また、電力増幅モジュール１０３では、低電力モード時には、動作するトランジスタの数（フィンガー数）を減少させることもできる。

フロントエンド部１０４は、出力信号に対するフィルタリングや、基地局から受信する受信信号とのスイッチングなどを行う。フロントエンド部１０４から出力される信号は、アンテナ１０５を介して基地局に送信される。

図２は、電力増幅モジュール１０３の構成の一例を示す図である。電力増幅モジュール１０３Ａは、増幅器２００及び減衰器２１０Ａを含む。なお、電力増幅モジュール１０３Ａを構成する各トランジスタは、バイポーラトランジスタである。例えば、各トランジスタは、ＧａＡｓ等により構成される化合物半導体のヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ：ＨｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）とすることができる。また、図２においては、増幅器は一段しか示されていないが、電力増幅モジュール１０３は複数段の増幅器を有することができる。後述する他の構成においても同様である。

増幅器２００は、入力されるＲＦ信号（ＲＦｉｎ）を増幅し、増幅信号（ＲＦｏｕｔ）を出力する。図２に示すように、増幅器２００は、トランジスタ２２０，２２１、抵抗２２２，２２３、キャパシタ２２４、インダクタ２２５、及び整合回路（ＭＮ：ＭａｔｃｈｉｎｇＮｅｔｗｏｒｋ）２２６を含んで構成される。

トランジスタ２２０（第１のバイポーラトランジスタ）は、ＲＦ信号（ＲＦｉｎ）を増幅するための増幅素子である。トランジスタ２２０のベースには、キャパシタ２２４を介してＲＦ信号（ＲＦｉｎ）が入力され、トランジスタ２２０のコレクタには、インダクタ２２５を介して電源電圧（例えば、レギュレータから出力される電源電圧Ｖｃｃ）が供給される。そして、ＲＦ信号（ＲＦｉｎ）を増幅した増幅信号（ＲＦｏｕｔ）は、トランジスタ２２０のコレクタから整合回路２２６を介して出力される。

トランジスタ２２１は、トランジスタ２２０にバイアス電圧を供給するための素子である。トランジスタ２２１のベースには、抵抗２２２を介して、バイアスを制御するためのバイアス制御電圧Ｖｂｉａｓが供給される。また、トランジスタ２２１のコレクタには、電源電圧（例えば、バッテリ電圧Ｖｂａｔ）が供給される。そして、トランジスタ２２１のエミッタは、抵抗２２３を介して、トランジスタ２２０のベースに接続される。

減衰器２１０Ａは、低電力モード時に、電力増幅モジュール１０３Ａのゲインを低減させるためのものである。具体的には、減衰器２１０Ａは、低電力モード時に、トランジスタ２２０に供給されるＲＦ信号（ＲＦｉｎ）を減衰させることにより、電力増幅モジュール１０３Ａのゲインを低減させることができる。図２に示すように、減衰器２１０Ａは、トランジスタ２３０、抵抗２３１〜２３３及びキャパシタ２３４を含んで構成される。

トランジスタ２３０（第２のバイポーラトランジスタ）は、制御電圧Ｖｃｔｒｌに応じてオン／オフすることにより、減衰機能のオンオフを制御するための素子である。トランジスタ２３０のベースには、抵抗２３１を介して、制御電圧Ｖｃｔｒｌが供給される。また、トランジスタ２３０のコレクタには、抵抗２３２を介して、電源電圧（例えば、バッテリ電圧Ｖｂａｔ）が供給される。

抵抗２３３は、一端が、トランジスタ２２０へのＲＦ信号（ＲＦｉｎ）の供給経路に接続され、他端が、キャパシタ２３４の一端に接続される。そして、キャパシタ２３４の他端は、トランジスタ２３０のコレクタに接続される。抵抗２３３は、トランジスタ２３０がオンとなった場合に抵抗２３３に流れる電流によって、ＲＦ信号（ＲＦｉｎ）を減衰させるための素子である。また、キャパシタ２３４は、トランジスタ２２０へのＲＦ信号（ＲＦｉｎ）の供給経路に、トランジスタ２３０のコレクタの直流成分が供給されることを防ぐための、ＤＣカット素子である。

図２に示す電力増幅モジュール１０３Ａでは、制御電圧Ｖｃｔｒｌは、低電力モード時はハイレベル、高電力モード時はローレベルに制御される。低電力モード時に制御電圧Ｖｃｔｒｌがハイレベルになると、トランジスタ２３０がオンとなり、ＲＦ信号（ＲＦｉｎ）の一部が抵抗２３３を介してトランジスタ２３０に流れる。これにより、ＲＦ信号（ＲＦｉｎ）が減衰され、電力増幅モジュール１０３Ａのゲインが低減される。一方、高電力モード時に制御電圧Ｖｃｔｒｌがローレベルになると、トランジスタ２３０はオフとなり、ＲＦ信号（ＲＦｉｎ）は抵抗２３３に流れず、ＲＦ信号信号（ＲＦｉｎ）は減衰されずにトランジスタ２２０に供給される。

このように、図２に示す電力増幅モジュール１０３Ａでは、増幅器２００及び減衰器２１０Ａの両方を、バイポーラトランジスタを用いて構成することができる。従って、増幅器にバイポーラトランジスタを用い、減衰器にＦＥＴを用いる場合と比較して、電力増幅モジュールの製造コストを抑制することが可能となる。

図３は、電力増幅モジュールの構成の他の一例を示す図である。なお、図２に示した要素と同一の要素には、同一の符号を付して説明を省略する。図３に示すように、電力増幅モジュール１０３Ｂは、図２に示した電力増幅モジュール１０３Ａにおける減衰器２１０Ａに代えて、減衰器２１０Ｂを備えている。減衰器２１０Ｂは、減衰器２１０Ａが有する要素に加えて、トランジスタ３００を含んでいる。

トランジスタ３００（第３のバイポーラトランジスタ）は、ベースがコレクタと接続され、コレクタがトランジスタ２３０のエミッタと接続され、エミッタが接地される。即ち、トランジスタ３００は、ダイオード接続されており、トランジスタ２３０の接地側に接続される。このように、トランジスタ２３０の接地側に、ダイオード接続されたトランジスタ３００を設けることにより、トランジスタ２３０のベース−エミッタ間電圧を低下させ、低電力モード時にトランジスタ２３０に流れる直流電流（即ち、抵抗２３２に流れる電流Ｉ２）を低減することができる。

図４は、電力増幅モジュールの構成の他の一例を示す図である。なお、図２に示した要素と同一の要素には、同一の符号を付して説明を省略する。図４に示すように、電力増幅モジュール１０３Ｃは、図２に示した電力増幅モジュール１０３Ａにおける減衰器２１０Ａに代えて、減衰器２１０Ｃを備えている。減衰器２１０Ｃは、減衰器２１０Ａが有する要素に加えて、トランジスタ４００及び抵抗４０１〜４０３を含んでいる。

トランジスタ４００（第４のバイポーラトランジスタ）のベースには、抵抗４０１を介して、制御電圧Ｖｃｔｒｌが供給される。また、トランジスタ４００のコレクタには、抵抗４０２（第２の抵抗）及び抵抗４０３（第３の抵抗）を介して、電源電圧（例えば、バッテリ電圧Ｖｂａｔ）が供給される。また、トランジスタ２３０のベースは、抵抗２３１を介して、抵抗４０２，４０３の接続点と接続される。

電力増幅モジュール１０３Ｃでは、図２に示した電力増幅モジュール１０３Ａとは異なり、制御電圧Ｖｃｔｒｌは、低電力モード時はローレベル、高電力モード時はハイレベルに制御される。即ち、減衰器２１０Ｃは、図２に示した減衰器２１０Ａとは異なり、制御電圧Ｖｃｔｒｌがローレベルの時に減衰機能がオンとなる。

低電力モード時に制御電圧Ｖｃｔｒｌがローレベルになると、トランジスタ４００はオフとなり、バッテリ電圧Ｖｂａｔがトランジスタ２３０のベースに供給され、トランジスタ２３０がオンとなる。これにより、ＲＦ信号（ＲＦｉｎ）の一部が抵抗２３３を介してトランジスタ２３０に流れ、ＲＦ信号（ＲＦｉｎ）が減衰される。

一方、高電力モード時に制御電圧Ｖｃｔｒｌがハイレベルになると、トランジスタ４００がオンとなる。このとき、トランジスタ２３０のベースには、バッテリ電圧Ｖｂａｔを抵抗４０２，４０３により分圧した電圧が、抵抗２３１を介して供給される。即ち、トランジスタ２３０のベースに供給される電圧が低下し、トランジスタ２３０がオフとなる。これにより、ＲＦ信号（ＲＦｉｎ）は抵抗２３３に流れず、ＲＦ信号信号（ＲＦｉｎ）は減衰されずにトランジスタ２２０に供給される。

このように、電力増幅モジュール１０３Ｃでは、制御電圧Ｖｃｔｒｌがローレベルの時に低電力モードとすることができる。即ち、電力増幅モジュール１０３Ｃは、低電力モード時の制御電圧Ｖｃｔｒｌがローレベルに設計されている送信モジュールへの適用に適している。

図５は、電力増幅モジュールの構成の他の一例を示す図である。なお、図４に示した要素と同一の要素には、同一の符号を付して説明を省略する。図５に示すように、電力増幅モジュール１０３Ｄは、図４に示した電力増幅モジュール１０３Ｃにおける減衰器２１０Ｃに代えて、減衰器２１０Ｄを備えている。減衰器２１０Ｄは、減衰器２１０Ｃが有する要素に加えて、トランジスタ５００，５０１を含んでいる。

トランジスタ５００（第５のバイポーラトランジスタ）のベースは、抵抗２３１を介して、抵抗４０２，４０３の接続点と接続される。また、トランジスタ５００のコレクタには、抵抗２３２を介して、電源電圧（例えば、バッテリ電圧Ｖｂａｔ）が供給される。また、トランジスタ５００のエミッタは、トランジスタ２３０のベースと接続される。即ち、トランジスタ２３０，５００は、ダーリントン接続されている。

トランジスタ５０１（第６のバイポーラトランジスタ）のベースには、抵抗４０１を介して、制御電圧Ｖｃｔｒｌが供給される。また、トランジスタ５０１のコレクタには、抵抗４０２，４０３を介して、電源電圧（例えば、バッテリ電圧Ｖｂａｔ）が供給される。また、トランジスタ５０１のエミッタは、トランジスタ４００のベースと接続される。即ち、トランジスタ４００，５０１は、ダーリントン接続されている。

減衰器２１０Ｄの動作は、図４に示した減衰器２１０Ｃと同様である。即ち、低電力モード時に制御電圧Ｖｃｔｒｌがローレベルになると、トランジスタ４００，５０１がオフ、トランジスタ２３０，５００がオンとなり、ＲＦ信号（ＲＦｉｎ）の減衰が行われる。一方、高電力モード時に制御電圧Ｖｃｔｒｌがハイレベルになると、トランジスタ４００，５０１がオン、トランジスタ２３０，５００がオフとなり、ＲＦ信号（ＲＦｉｎ）の減衰が行われない。

このような減衰器２１０Ｄでは、トランジスタ４００，５０１がダーリントン接続されていることにより、減衰器２１０Ｃと比較して、抵抗４０１に流れるベース電流Ｉ３を低減させることができる。

また、減衰器２１０Ｄでは、トランジスタ２３０，５００がダーリントン接続されていることにより、減衰器２１０Ｃにおいてトランジスタ２３０がオンとなる閾値電圧と比較して、トランジスタ２３０，５００がオンとなる閾値電圧が高い。これにより、減衰器２１０Ｃと比較して、特にＲＦ信号（ＲＦｉｎ）の信号レベルが高い場合に、高電力モード時にトランジスタ２３０にリーク電流が流れることを抑制することが可能となる。

図６は、電力増幅モジュールの構成の他の一例を示す図である。なお、図３または図５に示した要素と同一の要素には、同一の符号を付して説明を省略する。図６に示すように、電力増幅モジュール１０３Ｅは、図５に示した電力増幅モジュール１０３Ｄにおける減衰器２１０Ｄに代えて、減衰器２１０Ｅを備えている。減衰器２１０Ｅは、減衰器２１０Ｄにおけるトランジスタ５００を有さず、代わりに、図３に示したトランジスタ３００を有している。図３に示した減衰器２１０Ｂの場合と同様に、トランジスタ３００はダイオード接続され、トランジスタ２３０の接地側に設けられている。

図７は、消費電流のシミュレーションを行った電力増幅モジュールの構成を示す図である。図７に示すように、電力増幅モジュール１０３Ｆは、二段の増幅器２００Ａ，２００Ｂと、減衰器２１０とを含んでいる。増幅器２００Ａ，２００Ｂは、それぞれ、図２〜図６に示された増幅器２００と同等の構成を有している。シミュレーションは、減衰器２１０として、図２〜図６に示した減衰器２１０Ａ〜２１０Ｅの各々を採用した構成において行った。なお、シミュレーションにおいては、増幅器２００Ｂを構成するトランジスタ２２０のフィンガー数を１６とし、低電力モード時には、動作させるフィンガー数を１２に減少させた。

図８は、消費電流のシミュレーション結果を示す図である。電流Ｉ１〜Ｉ４は、順に、図２〜図６に示した減衰器２１０Ａ〜２１０Ｅにおける、抵抗２３１，２３２，抵抗４０１，４０３に流れる電流である。なお、図８に示す表において、減衰器の項目の値として示されているＡ〜Ｅは、それぞれ、減衰器２１０Ａ〜２１０Ｅに対応する。図８に示すように、いずれの構成においても、低電力モード時のゲインは約２０ｄＢ、高電力モード時のゲインは約２５ｄＢとなっている。

減衰器２１０Ａの場合と減衰器２１０Ｂの場合を比較すると、減衰器２１０Ｂの場合の方が、消費電流が低減されていることがわかる。これは、前述したように、減衰器２１０Ｂでは、トランジスタ２３０の接地側に、ダイオード接続されたトランジスタ３００が設けられていることにより、電流Ｉ２が低減されるためである。

また、減衰器２１０Ｃの場合と減衰器２１０Ｄの場合を比較すると、減衰器２１０Ｄの場合の方が、低電力モード時の消費電流が低減されていることがわかる。これは、前述したように、減衰器２１０Ｄでは、トランジスタ４００，５０１がダーリントン接続されていることによる。

以上、本実施形態について説明した。本実施形態によれば、増幅器２００及び減衰器２１０の両方を、バイポーラトランジスタを用いて構成することができる。従って、増幅器にバイポーラトランジスタを用い、減衰器にＦＥＴを用いる場合と比較して、電力増幅モジュールの製造コストを抑制することが可能となる。

また、本実施形態によれば、図３に示したように、トランジスタ２３０の接地側に、ダイオード接続されたトランジスタ３００を設けることにより、消費電流を低減させることができる。

また、本実施形態によれば、図４に示したように、トランジスタ４００及び抵抗４０１〜４０３を設けることにより、制御電圧Ｖｃｔｒｌがローレベルの時に減衰機能がオンとなるように制御することが可能となる。

また、本実施形態によれば、図５に示したように、トランジスタ４００，５０１をダーリントン接続することにより、消費電流を低減させることができる。また、トランジスタ２３０，５００をダーリントン接続することにより、ＲＦ信号（ＲＦｉｎ）の信号レベルが高い時にトランジスタ２３０にリーク電流が流れることを抑制することができる。

また、本実施形態によれば、図６に示したように、トランジスタ２３０の接地側に、ダイオード接続されたトランジスタ３００を設けることにより、消費電流を低減させることができる。

なお、本実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更／改良され得るととともに、本発明にはその等価物も含まれる。

１００送信ユニット
１０１ベースバンド処理部
１０２変調部
１０３電力増幅モジュール
１０４フロントエンド部
１０５アンテナ
２００増幅器
２１０減衰器
２２０，２２１，２３０，３００，４００，４０１，５００，５０１トランジスタ
２２２，２２３，２３１〜２３３，４０１〜４０３抵抗
２２４，２３４キャパシタ
２２５インダクタ
２２６整合回路

Claims

無線周波数信号を増幅して出力する第１のバイポーラトランジスタと、
前記無線周波数信号の減衰を制御するための制御電圧がベースに供給され、コレクタに電源電圧が供給される第２のバイポーラトランジスタと、
前記無線周波数信号の前記第１のバイポーラトランジスタへの供給経路に一端が接続される第１の抵抗と、
一端が前記第１の抵抗の他端に接続され、他端が前記第２のバイポーラトランジスタのコレクタに接続されるキャパシタと、
を備える電力増幅モジュール。
請求項１に記載の電力増幅モジュールであって、
ベースがコレクタと接続され、コレクタが前記第２のバイポーラトランジスタのエミッタに接続される第３のバイポーラトランジスタをさらに備える、
電力増幅モジュール。
請求項１に記載の電力増幅モジュールであって、
第２の抵抗と、
前記第２の抵抗と直列に接続される第３の抵抗と、
前記制御電圧がベースに供給され、前記電源電圧が前記第２及び第３の抵抗を介してコレクタに供給される第４のバイポーラトランジスタと、
をさらに備え、
前記第２のバイポーラトランジスタのベースは、前記第２及び第３の抵抗の接続点に接続される、
電力増幅モジュール。
請求項３に記載の電力増幅モジュールであって、
ベースが前記第２及び第３の抵抗の接続点に接続され、コレクタが前記第２のバイポーラトランジスタのコレクタに接続され、エミッタが前記第２のバイポーラトランジスタのベースに接続される第５のバイポーラトランジスタと、
前記制御電圧がベースに供給され、コレクタが前記第４のバイポーラトランジスタのコレクタに接続され、エミッタが前記第４のバイポーラトランジスタのベースに接続される第６のバイポーラトランジスタと、
をさらに備える電力増幅モジュール。
請求項２に記載の電力増幅モジュールであって、
第２の抵抗と、
前記第２の抵抗と直列に接続される第３の抵抗と、
前記電源電圧が前記第２及び第３の抵抗を介してコレクタに供給される第４のバイポーラトランジスタと、
前記制御電圧がベースに供給され、コレクタが前記第４のバイポーラトランジスタのコレクタに接続され、エミッタが前記第４のバイポーラトランジスタのベースに接続される第６のバイポーラトランジスタと、
をさらに備え、
前記第２のバイポーラトランジスタのベースは、前記第２及び第３の抵抗の接続点に接続される、
電力増幅モジュール。
請求項１〜５の何れか一項に記載の電力増幅モジュールであって、
各バイポーラトランジスタは、化合物半導体のトランジスタである、
電力増幅モジュール。