JP2018007029A - バイアス回路 - Google Patents

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雅仁 沼波
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Abstract

【課題】入力信号の信号レベルにかかわらずバイアス電流を安定的に供給するバイアス回路を提供する。【解決手段】バイアス回路は、無線周波数信号を増幅する増幅器に第1バイアス電流又は電圧を供給するバイアス回路であって、ドレインに電源電圧が供給され、ソースから第1バイアス電流又は電圧を出力するFETと、コレクタがFETのゲートに接続され、ベースがFETのソースに接続され、エミッタが接地され、コレクタに定電流が供給される第1バイポーラトランジスタと、一端が第1バイポーラトランジスタのコレクタに接続される第1キャパシタであって、第1バイポーラトランジスタのコレクタ電圧の変動を抑制する第1キャパシタと、を備える。【選択図】図2

Description

本発明は、バイアス回路に関する。
携帯電話等の移動体通信機においては、基地局へ送信する無線周波数(RF:Radio Frequency)信号の電力を増幅するために電力増幅回路が用いられる。電力増幅回路では、増幅器にバイアス電圧又はバイアス電流を供給するためのバイアス回路が用いられる。例えば、特許文献1には、トランジスタQ1にバイアス電流を供給するトランジスタFb1と、基準電流に応じて一定量のバイアス電流が出力されようにトランジスタFb1のゲート電圧を調整するトランジスタQ1rと、を備えるバイアス回路が開示されている。
米国特許出願公開第2015/0349715号明細書
特許文献1に開示されている構成では、基準電流を生成する電流生成回路の出力端子にRF信号の振幅に応じた電圧が印加されるため、RF信号の振幅の変動が大きくなると基準電流の電流量が変動し得る。これにより、トランジスタQ1rによるバイアス電流の調整機能の精度が低下し、大信号入力時にバイアス電流が不足し得る。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、入力信号の信号レベルにかかわらずバイアス電流を安定的に供給するバイアス回路を提供することを目的とする。
本発明の一側面に係るバイアス回路は、無線周波数信号を増幅する増幅器に第1バイアス電流又は電圧を供給するバイアス回路であって、ドレインに電源電圧が供給され、ソースから第1バイアス電流又は電圧を出力するFETと、コレクタがFETのゲートに接続され、ベースがFETのソースに接続され、エミッタが接地され、コレクタに定電流が供給される第1バイポーラトランジスタと、一端が第1バイポーラトランジスタのコレクタに接続される第1キャパシタであって、第1バイポーラトランジスタのコレクタ電圧の変動を抑制する第1キャパシタと、を備える。
本発明によれば、入力信号の信号レベルにかかわらずバイアス電流を安定的に供給するバイアス回路を提供することが可能となる。
本発明の第1実施形態に係る電力増幅回路100の構成を示す図である。 本発明の第1実施形態に係る電力増幅回路100の構成例(電力増幅回路100A)を示す図である。 本発明の第1実施形態の変形例に係る電力増幅回路100の構成例(電力増幅回路100B)を示す図である。 本発明の第1実施形態の他の変形例に係る電力増幅回路100の構成例(電力増幅回路100C)を示す図である。 本発明の第2実施形態に係る電力増幅回路100の構成例(電力増幅回路100D)を示す図である。 本発明の第2実施形態の変形例に係る電力増幅回路100の構成例(電力増幅回路100E)を示す図である。 本発明の第2実施形態の他の変形例に係る電力増幅回路100の構成例(電力増幅回路100F)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、本発明の第1実施形態に係る電力増幅回路100の構成を示す図である。電力増幅回路100は、例えば、携帯電話等の移動体通信機において、入力される無線周波数信号を増幅して出力信号を出力する。入力信号RFinの周波数は、例えば数GHz程度である。
図1に示されるように、電力増幅回路100は、増幅器110,111、電流生成回路120、バイアス回路130,131、インダクタ140,141、及び整合回路150,151,152を備える。
増幅器110,111は、2段の増幅器を構成する。増幅器110(ドライブ段)は、入力される入力信号RFinを増幅して増幅信号RFampを出力する。増幅器111(パワー段)は、増幅器110から出力される増幅信号RFampを増幅して出力信号RFoutを出力する。増幅器110,111には、所定の電源電圧Vccがインダクタ140,141を通じて供給される。また、増幅器110,111には、それぞれ、バイアス回路130,131からバイアス電流又はバイアス電圧が供給される。なお、増幅器の段数は2段に限られず、1段であってもよいし、3段以上であってもよい。増幅器110,111の構成の詳細は後述する。
電流生成回路120は、所定の電流量の基準電流(定電流)を生成し、バイアス回路130,131に供給する。電流生成回路120は、例えば、電流源及び電流ミラー接続されたMOSFETにより構成される。
バイアス回路130,131は、それぞれ、電流生成回路120から供給される基準電流に応じて、増幅器110,111にバイアス電流を供給する。バイアス回路130,131の構成の詳細は後述する。
インダクタ140,141は、電源電圧端子と増幅器110,111との間に接続され、高周波信号の電源回路への結合を抑制する。
整合回路(MN:Matching Network)150,151,152は、それぞれ、増幅器110,111の前後に設けられ、増幅器間のインピーダンスを整合させる。整合回路150,151,152は、例えば、キャパシタやインダクタを用いて構成される。
図2は、本発明の第1実施形態に係る電力増幅回路100の構成例(電力増幅回路100A)を示す図である。電力増幅回路100Aは、図1に示される増幅器110及びバイアス回路130の具体的な構成例(増幅器110A、バイアス回路130A)が示された図である。なお、図2〜図7においては、増幅器110(ドライブ段)に適用されたバイアス回路130を例に説明するが、当該バイアス回路の構成はいずれの段の増幅器に適用してもよい。
増幅器110Aは、トランジスタ200を備える。本実施形態においては、トランジスタ200はヘテロ接合バイポーラトランジスタ(HBT:Heterojunction Bipolar Transistor)等のバイポーラトランジスタである。なお、増幅トランジスタとして、バイポーラトランジスタの代わりに、電界効果トランジスタ(MOSFET:Metal−oxide−semiconductor Field Effect Transistor)を用いてもよい。
トランジスタ200は、コレクタにインダクタ140を通して電源電圧Vccが供給され、ベースに整合回路150を通して入力信号RFinが供給され、エミッタが接地される。また、トランジスタ200のベースには、バイアス回路130Aからバイアス電流Ibias1(第1バイアス電流)が供給される。これにより、トランジスタ200のコレクタから、入力信号RFinを増幅した増幅信号RFampが出力される。
バイアス回路130Aは、MOSFET210、トランジスタ220、抵抗素子230,231、及びキャパシタ240を備える。バイアス回路130Aは、電流生成回路120から出力される基準電流Irefに応じた電流量のバイアス電流を生成し、増幅器110Aに供給する。
MOSFET210は、ドレインに電源電圧Vbattが供給され、ゲートが電流生成回路120の出力端子及びトランジスタ220のコレクタに接続され、ソースが抵抗素子230,231の一端に接続される。MOSFET210のゲートには、トランジスタ220を流れる電流Iadjに応じた電圧が供給される。これにより、MOSFET210のソースから、ゲート・ソース間電圧に応じた電流が出力される。当該電流は、抵抗素子230,231の抵抗値に応じて、トランジスタ200のベースに供給されるバイアス電流Ibias1と、トランジスタ220のベースに供給されるバイアス電流Ibias1*に分岐される。
トランジスタ220(第1バイポーラトランジスタ)は、本実施形態においてはバイポーラトランジスタにより構成される。トランジスタ220は、コレクタに基準電流Irefが供給され、ベースが抵抗素子231の他端に接続され、エミッタが接地される。トランジスタ220のベースには、抵抗素子231を通してバイアス電流Ibias1*が供給される。
抵抗素子230は、一端がMOSFET210のソースに接続され、他端がトランジスタ200のベースに接続される。抵抗素子231は、一端がMOSFET210のソースに接続され、他端がトランジスタ220のベースに接続される。抵抗素子230,231はバイアス電流Ibias1,Ibias1*の配分を調整する。
キャパシタ240(第1キャパシタ)は、一端がトランジスタ220のコレクタに接続され、他端がトランジスタ220のベースに接続される。キャパシタ240の機能を説明する前に、キャパシタ240を備えない構成について説明する。
バイアス回路130Aにおいては、MOSFET210により、トランジスタ200及びトランジスタ220の各々に、同様の構成によってバイアス電流Ibias1,Ibias1*が供給される。従って、トランジスタ220には、素子サイズに応じてトランジスタ200に比例した電流Iadjが流れる。
また、電流Iadjと、電流生成回路120から供給される基準電流Irefとが略同量となるように、MOSFET210のゲート電圧Vgに負帰還がかかる。例えば、バイアス電流Ibias1の電流量が増加した場合、トランジスタ220に流れる電流Iadjの電流量は、トランジスタ200を流れるベース電流又はコレクタ電流に比例するように増加する。しかし、トランジスタ220は基準電流Irefと同量の電流が流れるように動作するため、トランジスタ220に流れる電流は基準電流Irefにより制限される。これにより、トランジスタ220のコレクタ電圧(=MOSFET210のゲート電圧Vg)の上昇が抑制されるため、MOSFET210を流れる電流量が安定する。上述の構成により、入力信号RFinの供給によりバイアス電流Ibias1が変動しても、当該変動に伴ってバイアス電流Ibias1*もまた変動し、バイアス電流Ibias1が基準電流Irefに応じた一定の電流量となるように負帰還がかかる。
一方、入力信号RFinが大信号となると、トランジスタ220のベースに漏れ出るRF信号の振幅に伴って、トランジスタ220のコレクタ電圧が変動する。これにより、RF信号の振幅の変動が、トランジスタ220を通して電流生成回路120の出力端子に影響を与え、電流生成回路120が出力する基準電流Irefが変動し得る。具体的には、例えば、電流生成回路120が、電流源と、電流ミラー接続されたMOSFETとにより構成され、当該MOSFETのドレインから基準電流Irefが出力される場合がある。この場合、トランジスタ220のコレクタ電圧の上昇に伴って当該MOSFETのドレイン・ソース間電圧が低下し、所望の電流量の基準電流が出力されないことがある。
一方、バイアス回路130Aは、トランジスタ220のベース・コレクタ間にキャパシタ240を備える。ここで、キャパシタ240の容量値をCbc、トランジスタ220の電圧利得をgm、トランジスタ220のコレクタから見た電流生成回路120側のインピーダンスをZとする。キャパシタ240の構成は、トランジスタ220のベースから見て、ミラー効果によりCbcの(1+gm×Z)倍の容量値でトランジスタ220のベースをAC接地するキャパシタと等価となる。従って、当該キャパシタにより、RF信号の振幅に伴うトランジスタ220のベース電圧の変動が抑制される。これにより、トランジスタ220のコレクタ電圧の変動もまた抑制されるため、基準電流Irefが安定して供給されることとなる。従って、大信号入力時にも所定量のバイアス電流Ibias1が供給されることとなる。
上述の構成により、バイアス回路130Aは、入力信号RFinの信号レベルにかかわらず、バイアス電流を安定的に供給することができる。なお、キャパシタ240は、ミラー効果が得られるため、比較的小さな容量値のキャパシタを用いることができる。これにより、バイアス回路の回路面積の増大を抑制しつつ、キャパシタ240を備えることができる。キャパシタ240の容量値は、例えば、MOSFET210のゲート・ソース間容量の寄生容量値より大きく、かつ、トランジスタ220が適切に動作する程度の容量値(例えば、2pF〜6pF程度)とすることが好ましい。
図3は、本発明の第1実施形態の変形例に係る電力増幅回路100の構成例(電力増幅回路100B)を示す図である。電力増幅回路100Bは、図2に示されるバイアス回路130Aの代わりに、バイアス回路130Bを備える。バイアス回路130Bは、図2に示されるバイアス回路130Aと比較して、キャパシタ240の代わりにキャパシタ300を備える。
キャパシタ300は、一端がトランジスタ220のコレクタに接続され、他端が接地される。すなわち、キャパシタ300はトランジスタ220のコレクタをAC接地する。これにより、RF信号の振幅に起因するトランジスタ220のコレクタ電圧の変動を抑制することができる。このような構成においても、電力増幅回路100Aと同様に、基準電流Irefの変動が抑制され、大信号入力時にもバイアス電流Ibias1が安定的に供給される。
なお、バイアス回路130Bにおけるキャパシタ300は、上述のミラー効果が得られないため、バイアス回路130Aにおけるキャパシタ240より大きな容量値を必要とする。一方、キャパシタ300は、トランジスタ220のベースの代わりにコレクタを直接AC接地する。従って、バイアス回路130Bは、図2に示されるバイアス回路130Aと異なり、トランジスタ220による負帰還に影響を与えずに、トランジスタ220のコレクタ電圧(すなわち、MOSFET210のゲート電圧Vg)の変動を抑制することができる。これにより、バイアス回路130Bは、当該負帰還によるバイアス電流Ibias1の調整機能を維持しつつ、入力信号RFinの振幅に起因する基準電流Irefの変動を抑制することができる。
図4は、本発明の第1実施形態の他の変形例に係る電力増幅回路100の構成例(電力増幅回路100C)を示す図である。電力増幅回路100Cは、図2に示されるバイアス回路130Aの代わりに、バイアス回路130Cを備える。バイアス回路130Cは、図2に示されるバイアス回路130Aと比較して、キャパシタ240の代わりにキャパシタ400を備える。
キャパシタ400は、一端がMOSFET210のゲートに接続され、他端がMOSFET210のソースに接続される。キャパシタ400は、図3に示されるキャパシタ300と同様に、入力信号RFinの振幅に起因するトランジスタ220のコレクタ電圧(すなわち、MOSFET210のゲート電圧Vg)の変動を抑制する。
このような構成においても、バイアス回路130A,130Bと同様に、トランジスタ220のコレクタ電圧の変動が抑制されるため、基準電流Irefの変動もまた抑制される。従って、大信号入力時にもバイアス電流Ibias1が安定的に供給される。
図5は、本発明の第2実施形態に係る電力増幅回路100の構成例(電力増幅回路100D)を示す図である。電力増幅回路100Dは、図2に示されるバイアス回路130Aの代わりに、バイアス回路130Dを備える。バイアス回路130Dは、図2に示されるバイアス回路130Aと比較して、トランジスタ500、抵抗素子510、及びキャパシタ520をさらに備える。トランジスタ500、抵抗素子510、及びキャパシタ520は、トランジスタ200のバイアス電流の供給経路であって、MOSFET210を含む供給経路と異なる追加的な経路を構成する。
トランジスタ500(第2バイポーラトランジスタ)は、本実施形態においてはバイポーラトランジスタにより構成される。トランジスタ500は、コレクタに電源電圧Vbattが供給され、ベースに制御電圧Vaが供給され、エミッタが抵抗素子510及びキャパシタ520の一端に接続されるエミッタフォロア回路を構成する。トランジスタ500は、制御電圧Vaに応じてエミッタからバイアス電流Ibias2(第2バイアス電流)を出力し、抵抗素子510を通じてトランジスタ200のベースに供給する。
抵抗素子510は、一端がトランジスタ500のエミッタに接続され、他端がトランジスタ200のベースに接続される。抵抗素子510は、トランジスタ200に供給されるバイアス電流Ibias2を調整する。
キャパシタ520(第2キャパシタ)は、一端がトランジスタ500のエミッタに接続され、他端に入力信号RFinが供給される。キャパシタ520を通じて入力信号RFinがトランジスタ500のエミッタに供給されることにより、入力信号RFinの振幅に応じてトランジスタ500のエミッタ電圧を変動させることができる。これにより、入力信号RFinの大信号時には、当該入力信号の振幅に応じてトランジスタ500のエミッタ電圧が下がる場合にトランジスタ500がオンとなり、追加的なバイアス電流Ibias2がトランジスタ200のベースに供給されることとなる。
バイアス回路130Dにおいては、トランジスタ500を含む供給経路により、バイアス電流Ibias1に加えてバイアス電流Ibias2がトランジスタ200のベースに供給される。具体的には、例えば、入力信号RFinの小信号時にはトランジスタ500がオフとなり、大信号時にはトランジスタ500がオンとなるように制御電圧Vaを調整することができる。これにより、入力信号RFinの大信号時にはバイアス電流Ibias2が追加的に供給され、トランジスタ200のベースに供給されるバイアス電流の合計量が増加する。従って、大信号入力時におけるバイアス電流の不足が抑制される。
このような構成においても、電力増幅回路100Aと同様に、トランジスタ220のコレクタ電圧の変動が抑制されるため、基準電流Irefの変動もまた抑制される。従って、大信号入力時にもバイアス電流を安定的に供給することができる。また、電力増幅回路100Dは、電力増幅回路100Aと比較して、大信号入力時におけるバイアス電流の不足が抑制される。
図6は、本発明の第2実施形態の変形例に係る電力増幅回路100の構成例(電力増幅回路100E)を示す図である。電力増幅回路100Eは、図5に示されるバイアス回路130Dの代わりに、バイアス回路130Eを備える。バイアス回路130Eは、図5に示されるバイアス回路130Dと比較して、キャパシタ240の代わりにキャパシタ300を備える。
キャパシタ300については、図3に示されるキャパシタ300と同様であるため、詳細な説明は省略する。このような構成においても、電力増幅回路100Dと同様の効果を得ることができる。また、バイアス回路130Eは、トランジスタ220が構成する負帰還によるバイアス電流Ibias1の調整機能を維持しつつ、入力信号RFinの振幅に起因する基準電流Irefの変動を抑制することができる。
図7は、本発明の第2実施形態の他の変形例に係る電力増幅回路100の構成例(電力増幅回路100F)を示す図である。電力増幅回路100Fは、図5に示されるバイアス回路130Dの代わりに、バイアス回路130Fを備える。バイアス回路130Fは、図5に示されるバイアス回路130Dと比較して、キャパシタ240の代わりにキャパシタ400を備える。
キャパシタ400については、図4に示されるキャパシタ400と同様であるため、詳細な説明は省略する。このような構成においても、電力増幅回路100D,100Eと同様の効果を得ることができる。
以上、本発明の例示的な実施形態について説明した。電力増幅回路100A〜100Fは、ソースから第1バイアス電流又は電圧を出力するMOSFET210と、コレクタがMOSFET210のゲートに接続され、ベースがMOSFET210のソースに接続され、エミッタが接地され、コレクタに基準電流Irefが供給されるトランジスタ220と、一端がトランジスタ220のコレクタに接続されるキャパシタと、を備える。これにより、RF信号の振幅に伴うトランジスタ220のベース電圧及びコレクタ電圧の変動が抑制される。従って、大信号入力時にも基準電流Irefの電流量が安定し、入力信号の信号レベルにかかわらずバイアス電流が安定的に供給される。
また、電力増幅回路100Aは、キャパシタ240の他端がトランジスタ220のベースに接続される。これにより、キャパシタ240はミラー効果が得られるため、比較的小さな容量値とすることができる。従って、バイアス回路130Aの回路面積の増大を抑制しつつ、キャパシタ240を備えることができる。
また、電力増幅回路100Bは、キャパシタ300の他端が接地される。これにより、トランジスタ220による負帰還に影響を与えずに、トランジスタ220のコレクタ電圧の変動を抑制することができる。従って、バイアス電流Ibias1の調整機能を維持しつつ、基準電流Irefの変動を抑制することができる。
また、図4に示されるように、キャパシタ400は、他端がMOSFET210のソースに接続されていてもよい。なお、キャパシタ400の構成はこれに限られない。
また、電力増幅回路100D〜100Fは、コレクタに電源電圧Vbattが供給され、ベースに制御電圧Vaが供給され、エミッタからバイアス電流Ibias2をトランジスタ200に供給するトランジスタ500と、一端がトランジスタ500のエミッタに接続され、他端に入力信号RFinが供給されるキャパシタ520をさらに備える。これにより、入力信号RFinの大信号時にはバイアス電流Ibias2が追加的に供給されるため、トランジスタ200のベースに供給されるバイアス電流の合計量が増加する。従って、大信号入力時におけるバイアス電流の不足が抑制される。
なお、バイアス回路130A〜130Fはいずれも、キャパシタ240,300,400のうちいずれが一つのキャパシタを含む構成であるが、バイアス回路130の構成はこれに限られず、これらのキャパシタ240,300,400のうち複数のキャパシタを備えていてもよい。
以上説明した各実施形態は、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、変更又は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。即ち、各実施形態に当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、各実施形態が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、各実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
100,100A,100B,100C,100D,100E,100F 電力増幅回路
110,111,110A 増幅器
120 電流生成回路
130,131,130A,130B,130C,130D,130E,130F バイアス回路
140,141 インダクタ
150,151,152 整合回路
200,220,500 トランジスタ
210 MOSFET
230,231,510 抵抗素子
240,300,400,520 キャパシタ

Claims (5)

  1. 無線周波数信号を増幅する増幅器に第1バイアス電流又は電圧を供給するバイアス回路であって、
    ドレインに電源電圧が供給され、ソースから前記第1バイアス電流又は電圧を出力するFETと、
    コレクタが前記FETのゲートに接続され、ベースが前記FETのソースに接続され、エミッタが接地され、コレクタに定電流が供給される第1バイポーラトランジスタと、
    一端が前記第1バイポーラトランジスタのコレクタに接続される第1キャパシタであって、前記第1バイポーラトランジスタのコレクタ電圧の変動を抑制する第1キャパシタと、
    を備える、バイアス回路。
  2. 請求項1記載のバイアス回路であって、
    前記第1キャパシタは、他端が前記第1バイポーラトランジスタのベースに接続される、バイアス回路。
  3. 請求項1記載のバイアス回路であって、
    前記第1キャパシタは、他端が接地される、バイアス回路。
  4. 請求項1記載のバイアス回路であって、
    前記第1キャパシタは、他端が前記FETのソースに接続される、バイアス回路。
  5. 請求項1〜4のいずれか一項に記載のバイアス回路であって、
    前記バイアス回路は、
    コレクタに前記電源電圧が供給され、ベースに制御電圧が供給され、エミッタから第2バイアス電流又は電圧を前記増幅器に供給する第2バイポーラトランジスタと、
    第2キャパシタと、
    をさらに備え、
    前記第2キャパシタの一端が前記第2バイポーラトランジスタのエミッタに接続され、前記第2キャパシタの他端に前記無線周波数信号が供給される、バイアス回路。
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