JP2020022163A - 可変電力増幅器バイアスインピーダンス - Google Patents

可変電力増幅器バイアスインピーダンス Download PDF

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Abstract

【課題】利得特性、及び位相特性の線形性が改善された電力増幅器を提供する。【解決手段】バイアス電圧Ｖｂｉａｓを受けてバイアス信号を生成するべく構成されたバイアス回路３０と、入力無線周波数信号ＲＦＩＮを受信して出力信号ＲＦＯＵＴを生成するように構成された電力増幅器段４１とを含む電力増幅器２９であり、バイアス回路と電力増幅器段との間に、制御信号ＧＡＴＥ ＣＴＲＬによりインピーダンスを可変とするバイアスインピーダンスコンポーネント８１が結合されている。バイアスインピーダンスコンポーネントは、制御信号によって制御される可変インピーダンス素子ＦＥＴ９０を有し、制御信号に応じてバイアスインピーダンス素子のインピーダンス値を調整することにより、利得特性及び位相特性の線形性を改善する。【選択図】図５Ｂ

Description

開示の技術の実施形態は、電子システムに関し、詳しくは、無線周波数（ＲＦ）電子機器のための電力増幅器を含むシステムに関する。
関連出願の相互参照
本願は、２０１８年８月１日に出願された米国仮出願第６２／７１３，１５０の利益を主張し、その全体が参照によりここに組み入れられる。
ＲＦ電力増幅器は、相対的に低い電力のＲＦ信号の電力をブーストするべく使用することができる。その後、ブーストされたＲＦ信号は、送信器のアンテナを駆動することを含む様々な目的に使用することができる。
電力増幅器は、送信を目的としてＲＦ信号を増幅するべく携帯電話機に含めることができる。例えば、セルラー規格、無線ローカルエリアネットワーク（ＷＬＡＮ）規格、及び／又は任意の他の適切な通信規格を使用して通信する携帯電話機において、電力増幅器は、ＲＦ信号を増幅するべく使用することができる。ＲＦ信号の増幅を管理することが重要となり得る。誤った電力レベルまでＲＦ信号を増幅したり、当初のＲＦ信号に有意な歪みを導入したりすると、無線デバイスが、帯域外の送信や、認可された規格の準拠違反を引き起こし得るからである。電力増幅器デバイスのバイアス印加は、電力増幅器内の増幅デバイスの電圧及び／又は電流動作ポイントを決定することができるので、増幅を管理することの重要な部分である。
改善された電力増幅システムが必要とされている。さらに、電力増幅器のバイアス印加を改善することも必要とされている。
本開示の複数の側面は、電力増幅器のバイアス印加を改善するべく使用可能な技術及び電子システムに関する。例えば、一側面において、電力増幅器システムは、バイアス電圧を受けてバイアス信号を生成するべく構成されたバイアス回路と、入力無線周波数信号を受信して出力無線周波数信号を生成するべく構成された電力増幅器段とを含む。システムはさらに、バイアス回路と電力増幅器段との間に動作可能に結合されたバイアスインピーダンスコンポーネントを含む。バイアスインピーダンスコンポーネントは、制御信号を受信し、当該制御信号に応答してバイアスインピーダンスコンポーネントのインピーダンス値を調整するべく構成される。
本開示の他側面によれば、電力増幅器段の利得を調整する方法が与えられる。方法は、バイアス回路においてバイアス電圧を受けることと、当該バイアス電圧に基づいて当該バイアス回路によりバイアス信号を生成することと、バイアスインピーダンスコンポーネントにおいて当該バイアス電圧及び制御信号を受信することとを含む。方法はさらに、バイアスインピーダンスコンポーネントにおいて当該バイアスインピーダンスコンポーネントのインピーダンス値を、受信制御信号に基づいて調整することと、電力増幅器段において、当該バイアスインピーダンスコンポーネントからの入力無線周波数信号及びバイアス電圧を受けることと、当該入力無線周波数信号及びバイアス電圧に基づいて出力無線周波数信号を生成することとを含む。
本開示のさらなる他側面によれば、携帯デバイスが与えられる。携帯デバイスは、入力無線周波数信号を増幅して出力無線周波数信号を生成するべく構成された電力増幅器と、当該出力無線周波数信号に基づいて無線周波数送信信号を生成するべく構成された変調器とを含む。電力増幅器は、バイアス電圧を受けてバイアス信号を生成するべく構成されたバイアス回路と、入力無線周波数信号を受信して出力無線周波数信号を生成するべく構成された電力増幅器段と、当該バイアス回路と当該電力増幅器段との間に動作可能に結合されたバイアスインピーダンスコンポーネントとを含む。バイアスインピーダンスコンポーネントは、制御信号を受信し、当該制御信号に応答して当該バイアスインピーダンスコンポーネントのインピーダンス値を調整するべく構成される。
無線周波数（ＲＦ）信号を増幅する電力増幅器モジュールの模式的な図である。 図１の電力増幅器モジュールのうちの一つ以上を含み得る一例の無線デバイスの模式的なブロック図である。 電力増幅器システムの一つの例の模式的なブロック図である。 本開示の複数の側面に係る電力増幅器システムの他例の模式的なブロック図である。 本開示の複数の側面に係る電力増幅器システムのさらなる他例の模式的なブロック図である。 本開示の複数の側面に係る電力増幅器システムのなおもさらなる他例の模式的なブロック図である。 図６Ａ〜６Ｆは、本開示の複数の側面に係る電力増幅器特性へのバイアスインピーダンスの変化の効果を示すグラフである。 本開示の複数の側面に係る電力増幅器の出力段における利得を、出力電力の関数として示すグラフである。 図８Ａ〜８Ｄは、本開示の複数の側面に係る一定数の電力増幅器特性を示す。 本開示の複数の側面に係る多段電力増幅器システムの一実施形態を示す。 本開示の複数の側面に係る電力増幅器システムの他例の模式的なブロック図である。 本開示の複数の側面に係る電力増幅器システムのさらなる他例の模式的なブロック図である。
ここに与えられる見出しは、いずれか存在する場合であっても、便宜のためにすぎず、必ずしも請求項に係る発明の範囲又は意味に影響を与えるわけではない。
電力増幅器にバイアスを印加する装置及び方法がここに開示される。所定の実装例において、電力増幅器及びバイアス回路を含む電力増幅器システムが与えられる。電力増幅器は、送信を目的として無線周波数（ＲＦ）信号を増幅するべく使用することができる。バイアス回路は、電力増幅器にバイアスを印加するためのバイアス電圧を生成するべく使用することができる。電力増幅器バイアス回路は、電力増幅器を有効又は無効にして当該電力増幅器の出力をパルス状にするべく使用することができる有効信号を受信することができる。
以下に詳述するように、バイアス回路により電力増幅器に与えられる信号のバイアスインピーダンスは、当該電力増幅器所定の特性、特に電力増幅器利得特性に影響を与え得る。すなわち、バイアス回路により与えられるバイアスインピーダンスの設計及び選択が、電力増幅器システム設計中に考慮するべき重要な設計特性となる。本開示の複数の側面は、調整可能バイアスインピーダンスを有し得る電力増幅器システムに関する。この調整可能バイアスインピーダンスは、電力増幅システムの設計及び／又は適用要求に応じて電力増幅器利得特性を選択するべく使用することができる。
電力増幅器システムの複数例の概要
図１は、無線周波数（ＲＦ）信号を増幅する電力増幅器モジュール１０の模式的な図である。図示の電力増幅器モジュール（ＰＡＭ）１０は、ＲＦ信号ＲＦ＿ＩＮを増幅して増幅ＲＦ信号ＲＦ＿ＯＵＴを生成するべく構成することができる。ここに記載するように、電力増幅器モジュール１０は、一つ以上の電力増幅器、例えば多段電力増幅器、を含み得る。
図２は、図１の電力増幅器モジュールを一つ以上含み得る一例の無線又は携帯デバイス１１の模式的なブロック図である。無線デバイス１１は、本開示の一つ以上の特徴を実装する電力増幅器バイアス回路を含み得る。
図２に描かれるこの例の無線デバイス１１は、マルチバンド／マルチモードの携帯電話機のような、マルチバンド及び／又はマルチモードのデバイスを表し得る。図示の構成において、無線デバイス１１は、スイッチ１２、送受信器１３、アンテナ１４、電力増幅器１７、制御コンポーネント１８、コンピュータ可読媒体１９、プロセッサ２０及び電池２１を含む。
送受信器１３は、アンテナ１４を介する送信のためのＲＦ信号を生成することができる。さらに、送受信器１３は、アンテナ１４から入来するＲＦ信号を受信することができる。
理解されることだが、ＲＦ信号の送信及び受信に関連付けられた様々な機能を、図２においてまとめて送受信器１３として表される一つ以上のコンポーネントによって達成することができる。例えば、一つのコンポーネントを、送信及び受信双方の機能を与えるべく構成することができる。他例において、送信及び受信の機能を別個のコンポーネントによって与えることもできる。
同様に、理解されることだが、ＲＦ信号の送信及び受信に関連付けられた様々なアンテナ機能を、図２においてまとめて送受信器１４として表される一つ以上のコンポーネントによって達成することができる。例えば、一つのアンテナを、送信及び受信双方の機能を与えるべく構成することができる。他例において、送信及び受信の機能を別個のアンテナによって与えることもできる。さらなる他例において、無線デバイス１１に関連付けられた異なる帯域には、異なるアンテナが与えられる。
図２において、送受信器１３からの一つ以上の出力信号が、一つ以上の送信経路１５を介してアンテナ１４に与えられるように描かれる。示される例において、異なる送信経路１５は、異なる帯域及び／又は異なる電力出力に関連付けられた出力経路を表し得る。例えば、示される２つの例の電力増幅器１７が、異なる電力出力構成（例えば低電力出力及び高電力出力）に関連付けられた増幅、及び／又は異なる帯域に関連付けられた増幅を表し得る。図２が、２つの送信経路１５を使用する構成を示すにもかかわらず、無線デバイス１１は、それよりも多い又は少ない送信経路１５を含むように適合させることができる。
電力増幅器１７は、多種多様なＲＦ信号を増幅するべく使用することができる。例えば、電力増幅器１７の一つ以上が、電力増幅器の出力をパルス状にして無線ローカルエリアネットワーク（ＷＬＡＮ）信号又は任意の他の適切なパルス状信号を送信するのを支援するべく使用することができる有効信号を受信してよい。所定の構成において、電力増幅器１７の一つ以上は、Ｗｉ−Ｆｉ信号を増幅するべく構成される。電力増幅器１７はそれぞれが、同じタイプの信号を増幅する必要はない。例えば、一つの電力増幅器がＷＬＡＮ信号を増幅できる一方、他の電力増幅器は、例えばＧＳＭ（登録商標）（Ｇｌｏｂａｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｍｏｂｉｌｅ）信号、ＣＤＭＡ（ｃｏｄｅ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ａｃｃｅｓｓ）信号、Ｗ−ＣＤＭＡ信号、ロングタームエボリューション（ＬＴＥ）信号、又はＥＤＧＥ信号を増幅することができる。
本開示の一つ以上の特徴を、上述した例のモード及び／又は帯域に、及び他の通信規格に実装することができる。
図２において、アンテナ１４からの一つ以上の検出信号が、一つ以上の受信経路１６を介して送受信器１３に与えられるように描かれる。示される例において、異なる受信経路１６は、異なる帯域に関連付けられた経路を表し得る。図２が、４つの受信経路１６を使用する構成を示すにもかかわらず、無線デバイス１１は、それよりも多い又は少ない受信経路１６を含むように適合させることができる。
受信経路及び送信経路間のスイッチングを容易にするべく、スイッチ１２を、選択された送信経路又は受信経路にアンテナ１４を電気的に接続するように構成することができる。すなわち、スイッチ１２は、無線デバイス１１の動作に関連付けられた一定数のスイッチング機能を与えることができる。所定の構成において、スイッチ１２は、例えば、異なる帯域間のスイッチング、異なる電力モード間のスイッチング、送信モード及び受信モード間のスイッチング、又はこれらの何らかの組み合わせに関連付けられた機能を与える一定数のスイッチを含み得る。スイッチ１２はまた、信号のフィルタリング及び／又はデュプレクシングを含む付加機能を与えることもできる。
図２は、所定の構成において、スイッチ１２、電力増幅器１７、及び／又は、バイアス回路のような他の動作コンポーネントの動作に関連付けられた様々な制御機能を制御するべく、制御コンポーネント１８を与えることができることを示す。制御コンポーネント１８の非制限的な複数例が、ここに詳述される。
所定の構成において、プロセッサ２０を、ここに記載される様々なプロセスの実装を容易にするべく構成することができる。プロセッサ２０は、コンピュータプログラム命令を使用して動作することができる。こうしたコンピュータプログラム命令は、プロセッサ２０に与えることができる。
所定の構成において、こうしたコンピュータプログラム命令はまた、コンピュータ可読メモリ１９に格納され、プロセッサ２０又は他のプログラム可能データ処理装置に特定の態様で動作させることができる。
電池２１は、無線デバイス１１において使用される任意の適切な電池としてよく、例えばリチウムイオン電池を含む。
図３は、電力増幅器システム２６の一つの例の模式的なブロック図である。図示される電力増幅器システム２６は、スイッチ１２、アンテナ１４、電池２１、方向性結合器２４、電力増幅器バイアス回路３０、電力増幅器３２及び送受信器３３を含む。図示される送受信器３３は、ベース帯域プロセッサ３４、Ｉ／Ｑ変調器３７、混合器３８、及びアナログデジタル変換器（ＡＤＣ）３９を含む。明確性を目的として図３に示さないにもかかわらず、送受信器３３は、一つ以上の受信経路を経由して信号を受信することに関連付けられた回路を含み得る。
ベース帯域信号プロセッサ３４は、所望の振幅、周波数及び位相の正弦波又は正弦信号を表すのに使用可能なＩ信号及びＱ信号を生成するべく使用することができる。例えば、Ｉ信号は、正弦波の同相成分を表すべく使用され、Ｑ信号は、正弦波の直交成分を表すべく使用される。これらは、正弦波の等価表現とすることができる。所定の実装例において、Ｉ信号及びＱ信号は、デジタルフォーマットでＩ／Ｑ変調器３７に与えられる。ベース帯域プロセッサ３４は、ベース帯域信号を処理するべく構成された任意の適切なプロセッサとしてよい。例えば、ベース帯域プロセッサ３４は、デジタル信号プロセッサ、マイクロプロセッサ、プログラム可能コア、又はこれらの任意の組み合わせを含んでよい。さらに、いくつかの実装において、電力増幅器システム２６には、２つ以上のベース帯域プロセッサ３４を含めることができる。
Ｉ／Ｑ変調器３７は、ベース帯域プロセッサ３４からのＩ信号及びＱ信号を受信し、当該Ｉ信号及びＱ信号を処理してＲＦ信号を生成するべく構成することができる。例えば、Ｉ／Ｑ変調器３７は、Ｉ信号及びＱ信号をアナログフォーマットに変換するべく構成されたＤＡＣと、Ｉ信号及びＱ信号を無線周波数にアップコンバートする混合器と、アップコンバートされたＩ信号及びＱ信号を結合して電力増幅器３２による増幅にとって適切なＲＦ信号にする信号結合器とを含んでよい。所定の実装例において、Ｉ／Ｑ変調器３７は、処理される信号の周波数内容をフィルタリングするべく構成された一つ以上のフィルタを含み得る。
電力増幅器バイアス回路３０は、有効信号ＥＮＡＢＬＥをベース帯域プロセッサ３４から、電池又は電力高電圧ＶＣＣを電池２１から受信することができ、有効信号ＥＮＡＢＬＥを使用して電力増幅器３２のためのバイアス電圧ＶＢＩＡＳを生成することができる。
図３が電力高電圧ＶＣＣを直接的に生成する電池２１を示すにもかかわらず、所定の実装例において、電力高電圧ＶＣＣは、電池２１を使用して電力供給されるレギュレータにより生成される調整済み電圧としてよい。一例において、電力高電圧ＶＣＣを生成するべく、バック及び／又はブースト変換器のようなスイッチングレギュレータを使用することができる。
電力増幅器３２は、送受信器３３のＩ／Ｑ変調器３７からＲＦ信号を受信し、増幅済みＲＦ信号を、スイッチ１２を介してアンテナ１４に与えることができる。
方向性結合器２４は、電力増幅器３２の出力とスイッチ１２の入力との間に位置決めすることができるので、スイッチ１２の挿入損失を含むことのない電力増幅器３２の出力電力測定が許容される。方向性結合器２４からのセンスされた出力信号は、混合器３８へと与えられる。混合器３８は、センスされた出力信号に、制御された周波数の基準信号を乗ずることができる。それにより、センスされた出力信号の周波数内容をダウンシフトさせてダウンシフト信号を生成することができる。ダウンシフト信号はＡＤＣ３９に与えられる。ＡＤＣ３９は、ダウンシフト信号を、ベース帯域プロセッサ３４による処理に適したデジタルフォーマットに変換することができる。
電力増幅器３２の出力とベース帯域プロセッサ３４との間にフィードバック経路を含むことにより、ベース帯域プロセッサ３４は、Ｉ信号及びＱ信号を動的に調整して電力増幅器システム２６の動作を最適化するべく構成することができる。例えば、電力増幅器システム２６をこの態様で構成することにより、電力増幅器３２の電力付加効率（ＰＡＥ）及び／又は線形性の制御を支援することができる。
電力増幅器バイアス
理論上理想とされる電力増幅器は、電力増幅器の入力又は出力電力にかかわらず、線形利得特性及び位相特性を有する。電力増幅器の利得特性は、出力振幅変化対入力振幅変化を示すＡＭ／ＡＭグラフ上にプロットすることができる。ここで使用されるとき、ＡＭは振幅変動を言及し得る。理論上理想とされる電力増幅器は、ＡＭ／ＡＭプロットにおいて０ｄＢ／ｄＢの変動を有する。電力増幅器の位相特性は、出力位相変化対入力振幅変化を示すＡＭ／ＰＭグラフ上にプロットすることができる。ここで使用されるとき、ＰＭは位相変動を言及し得る。理想ＡＭ／ＡＭ特性と同様、理論上理想とされる電力増幅器は、ＡＭ／ＰＭプロットにおいて０ｄＢ／ｄＢの変動を有する。
実世界の電力増幅器は、理論上理想とされる電力増幅器の平坦な利得及び位相特性を達成することができないので、電力増幅器設計の一つの重要側面は、電力増幅器の利得特性及び位相特性の線形性を改善することである。所定の実装例において、電力増幅器の出力電力及び効率にマイナスの影響を与えないことと、電力増幅器の利得特性及び位相特性の達成可能な線形性には、トレードオフが存在し得る。多段電力増幅器システムにおいて、当該システムにおける各段の電力増幅器の利得特性及び位相特性は、利得特性及び位相特性全体が実質的に線形となるように選択することができる。
図４は、本開示の複数の側面に係る電力増幅器システムの他例の模式的なブロック図である。詳しくは、例示の電力増幅器システム２７は、電力増幅器バイアス回路３０、電力増幅器段４１、電流源７５及びバイアスインピーダンスコンポーネント８０を含む。電力増幅器バイアス回路３０は、トランジスタ７１、並びに２つのダイオード７３及び７４を含み得る。電力増幅器バイアス回路３０のコンポーネントは、電流源７５と一緒に、電力増幅器段４１により生成された電流をミラーリングする電流ミラーを生成するように配列させることができる。電力増幅器バイアス回路３０の出力はバイアスインピーダンスコンポーネント８０に供給される。バイアスインピーダンスコンポーネント８０は、バイアス信号を与えるべく電力増幅器段４１に結合される。
電力増幅器段４１は、入力ＲＦ信号ＲＦＩＮと、バイアスインピーダンスコンポーネント８０からのバイアス信号との双方を受信するべく構成される。電力増幅器段４１は、受信した信号に基づいて、出力ＲＦ信号ＲＦＯＵＴを生成するべく構成される。電力増幅器段４１は、理論上理想とされる電力増幅器（例えば利得特性及び位相特性が０ｄＢ／ｄＢのしきい範囲内に存在するように設計される）のものに近い利得特性及び位相特性を有する入力ＲＦ信号ＲＦＩＮの増幅バージョンとして出力ＲＦ信号ＲＦＯＵＴを生成するべく構成される。電力増幅器段４１は、トランジスタ６１、複数のキャパシタ５２、６５及び６４、並びに複数のインダクタ５３、６３及び６６を含む。キャパシタ５２、６５及び６４並びにインダクタ５３、６３及び６６は、入力ＲＦ信号ＲＦＩＮ及び電力供給電圧Ｖｃｃを受信して出力ＲＦ信号ＲＦＯＵＴを生成するトランジスタ６１に結合される。
トランジスタ６１のベースは、電力増幅器バイアス回路３０により生成されたバイアス信号を、バイアスインピーダンスコンポーネント８０を介して受信する。所定の実装例において、バイアスインピーダンスコンポーネント８０のインピーダンス値は、トランジスタ６１のベースに適用されるバイアスインピーダンス全体を支配するように選択してよい。所定の実装例において、トランジスタ６１のベースに適用されるバイアスインピーダンスは、トランジスタ７１の出力インピーダンスとバイアスインピーダンスコンポーネント８０のインピーダンス値との和に等しくてよい。すなわち、バイアスインピーダンスコンポーネント８０のインピーダンス値は、トランジスタ７１のインピーダンス値（例えばバイアスインピーダンスコンポーネント８０のインピーダンス値は、トランジスタ７１インピーダンス値よりも一桁以上大きな振幅としてよい）を支配するように選択することができる。典型的な実施形態において、トランジスタ７１の出力インピーダンスは、トランジスタ７１のトランスコンダクタンスに反比例する。その結果、トランジスタ７１に対して１０Ωのオーダーの出力インピーダンスがもたらされる。
所定の実施形態において、トランジスタ６１は、電力増幅器システム２７ｉが受信及び増幅するべく設計された高周波数信号に適合することができるヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）を含み得る。詳しくは、ＨＢＴは、ここに開示される実施形態に使用されるＲＦ電力増幅のための高い性能及び効率を有し得る。電力増幅器バイアス電流においてミラー電流を適切に生成するべく、トランジスタ７１はまた、所定の実施形態においてＨＢＴを含み得る。
電力増幅器の利得特性及び位相特性を調整する一つの技術は、トランジスタ６１のベースに供給されるバイアス信号に適用される固定バイアスインピーダンスを選択することである。特定のバイアスインピーダンスを、バイアスインピーダンスコンポーネント８０のインピーダンス値を選択することによって、電力増幅器段４１の設計及び開発中に選択して実装することができる。例えば、バイアスインピーダンスコンポーネント８０のインピーダンス値は、ダイバリアント（ｄｉｅ ｖａｒｉａｎｔ）及び／又はレーザトリム可能抵抗器を介して選択することができる。しかしながら、バイアスインピーダンスコンポーネント８０のインピーダンス値は、電力増幅器システム２７に対する利得特性及び位相特性の線形性を、単数の電力レベル、変調及び周波数を目的として調整及び／又は改善するべく選択することができる。すなわち、電力増幅器システム２７が、バイアスインピーダンスコンポーネント８０の値を選択するときに使用される値に由来する異なる電力レベル、変調及び／又は周波数において使用される場合、電力増幅器システムの利得特性及び／又は位相特性の線形性が損なわれ得る。
したがって、本開示の所定の側面は、電力増幅器にバイアスを印加するべく適用可能な可変バイアスインピーダンスコンポーネントの使用に関する。図５Ａは、本開示の複数の側面に係る電力増幅器システムのさらなる他例の模式的なブロック図である。図５Ａに示される電力増幅器システム２８のコンポーネントは、図４に示される電力増幅器システム２７と同様、又はこれと実質的に同じであり、同じ参照番号によって表され、その詳細な説明は、明確性を目的として省略され得る。
図５Ａに示されるように、電力増幅器システム２８は、電力増幅器バイアス回路３０、電力増幅器段４１、電流源７５及びバイアスインピーダンスコンポーネント８１を含む。図５Ａにおいて、バイアスインピーダンスコンポーネントは、可変バイアスインピーダンスコンポーネント８５として実装することができる。図４の電力増幅器システム２７と同様に、図５Ａの実施形態において、電力増幅器バイアス回路３０の出力は、可変バイアスインピーダンスコンポーネント８５に供給される。可変バイアスインピーダンスコンポーネント８５は、電力増幅器段４１に結合されてバイアス信号を与える。可変バイアスインピーダンスコンポーネント８５は、可変バイアスインピーダンスコンポーネント８５のインピーダンス値を調整するべく構成された制御信号ＣＴＲＬを受信するべく構成することができる。したがって、可変バイアスインピーダンスコンポーネント８５のインピーダンス値は、制御信号ＣＴＲＬの電圧に基づいて調整することができる。図示の例において、可変バイアスインピーダンスコンポーネント８５は、制御信号ＣＴＲＬによって制御される任意の可変インピーダンス素子（例えば可変抵抗器）を使用して実装することができる。
所定の可変インピーダンス技術は、すべての電力増幅器システム２８にとって、詳しくは、送信されるＲＦ信号を増幅するべく携帯電話機に実装され得る電力増幅器にとって、現実的というわけではない。上述したように、所定のＲＦ電力増幅器アプリケーションにおいて、増幅器段４１のトランジスタ６１をＨＢＴトランジスタとして実装することが望ましい。ＨＢＴは、ＲＦ電力増幅器において使用されるのが望ましい性能特性及び効率特性を有し得るからである。いくつかの半導体作製技術において、単数の半導体ダイにおいて異なるデバイス技術を組み合わせることは困難となり得る。例えば、ＨＢＴと電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）とを同じ半導体ダイ上へと組み合わせると、所望のトランジスタ特性を有するデバイスを得ることができない。その全体がここに参照により組み入れられる、２０１５年８月１１日に特許された米国特許第９，１０５，４８８（Ｂ２）号明細書に説明されるように、ＦＥＴをＧａＡｓのＨＢＴプロセスに統合しようとする試みがいくつかなされたが、ｎ型ＦＥＴデバイスが得られただけであった。しかしながら、米国特許第９，１０５，４８８（Ｂ２）号明細書により例示される作製技術における最近の開発では、単数の半導体ダイへのＨＢＴ及びＦＥＴの作製が可能となっている。
ＨＢＴ技術及びＦＥＴ技術双方を有する半導体デバイスの製造を可能にする技術を使用した図５Ａの電力増幅器２８の一実施形態が、図５Ｂに示される。図５Ｂは、本開示の複数の側面に係る電力増幅器システムのなおもさらなる他例の模式的なブロック図である。図５Ｂに示される電力増幅器２９は、電力増幅器バイアス回路３０、電力増幅器段４１及び電流源７５を含み、これらはそれぞれが、図５Ａに関連して上述されたものと同じ又は同様としてよい。電力増幅器２９はさらに、図５Ａの可変バイアスインピーダンスコンポーネント８５の代わりにＦＥＴ９０を含むバイアスインピーダンスコンポーネント８１を含む。ＦＥＴ９０は、ゲートにおいて制御信号ＣＴＲＬを、オプションの抵抗器９５を介して受信するべく構成され得る。制御信号は、ＦＥＴ９０のインピーダンス値を調整するべく構成される。したがって、ＦＥＴ９０のインピーダンス値は、制御信号ＣＴＲＬの電圧を選択することによって調整することができる。典型的な実施形態において、ＦＥＴ９０は、制御信号ＣＴＲＬの電圧を選択することにより、トライオードにおいて動作させることができる。当業者であればわかることだが、ＦＥＴ９０のトライオード領域とは、ＦＥＴ９０が抵抗器と同様の態様で動作するように（例えばＦＥＴ９０は、トライオードにおいて動作している間に実質的に線形の応答を有し得る）ＦＥＴ９０のゲートに適用可能な一定範囲の電圧を言及する。すなわち、ＦＥＴ９０がトライオード領域内で動作しているとき、ＦＥＴ９０のインピーダンスは制御信号ＣＴＲＬによって制御することができる。
増幅器段４１のトランジスタ６１のベースに供給されるバイアスインピーダンスの値は、電力増幅器２８又は２９の利得特性及び位相特性に影響を与え得る。特に、図６Ａ〜６Ｆは、本開示の複数の側面に係る電力増幅器特性へのバイアスインピーダンスの変化の効果を示すグラフである。図６Ａ〜６Ｃが、相対的に高いインピーダンスが電力増幅器のトランジスタに適用されたときの電力増幅器特性を示す一方、図６Ｄ〜６Ｆは、相対的に低いインピーダンスが電力増幅器のトランジスタに適用されたときの電力増幅器特性を示す。図６Ａ〜６Ｆは、バイアスインピーダンス値を増加又は減少させることが電力増幅器特性にどのような影響を与えるのかを示すことのみを意図しているので、図示のグラフをもたらすバイアスインピーダンス値の特定の値は限定的ではない。所定の実施形態において、「低い」インピーダンス値は、実質的にゼロのインピーダンスとしてよく、「高い」インピーダンス値は、無限インピーダンス値としてよい。
図６Ａ及び６Ｄは、電力増幅器におけるトランジスタ（例えば図５Ａ又は５Ｂのトランジスタ６１）のベース・コレクタ電圧（Ｖ）及びベース電流（Ａ）を、「高い」及び「低い」バイアスインピーダンスのもとでのトランジスタへの入力電力（ｄＢｍ）の関数として示すグラフである。注目されるのは、図６Ａの高いバイアスインピーダンスにおいて入力電力の増加に伴いベース・コレクタ電圧（Ｖ）が減少する一方、図６Ｄの低いバイアスインピーダンスにおいては、入力電力が増加してもベース・コレクタ電圧（Ｖ）が実質的に固定されていることである。
図６Ｂ及び６Ｅは、電力増幅器におけるトランジスタの利得（ｄＢ）及び出力電力（ｄＢｍ）を、「高い」及び「低い」バイアスインピーダンスのもとでのトランジスタへの入力電力（ｄＢｍ）の関数として示すグラフである。ここで、図６Ｂの高いバイアスインピーダンスにおいて、入力電力の増加に伴い利得が「圧縮」又は「減少」する一方、図６Ｅの低いバイアスインピーダンスにおいては、入力電力の増加に伴い利得が増加する。すなわち、図示された「高い」値と「低い」値との間にある値によりバイアスインピーダンスを選択することによって、利得出力を平坦にし、ひいては利得線形性を改善することとなるので、電力増幅器の利得特性を改善することができる。
図６Ｃ及び６Ｆは、電力増幅器におけるトランジスタの出力電流（Ａ）を、「高い」及び「低い」バイアスインピーダンスのもとでのトランジスタへの入力電力（ｄＢｍ）の関数として示すグラフである。ここで、図６Ｃの高いバイアスインピーダンスにおいて、入力電力に関してＤＣ出力電流が実質的に固定である一方、図６Ｆの低いバイアスインピーダンスにおいて、入力電力の増加に伴いＤＣ出力電流は増加する。
図７は、本開示の複数の側面に係る電力増幅器の出力段における利得を、出力電力の関数として示すグラフである。凡例に示されるように５Ωのインピーダンスから１０００Ωのインピーダンスまでの範囲にわたる異なるインピーダンスバイアスレベルでの様々な利得（Ｇａｉｎ）曲線が図７に示される。バイアスインピーダンスが増加するにつれて、出力電力の増加に伴い利得は下がる。図示の実施形態において、実質的に平坦な利得をもたらすべく５０Ωのインピーダンスバイアスを選択することができる。しかしながら、他の電力増幅器トポロジによれば、異なる出力段利得プロットがもたらされ得るので、実質的に平坦な利得をもたらす固有のインピーダンスバイアスは、電力増幅器の特定の実装に依存し得る。
図８Ａ〜８Ｄは、本開示の複数の側面に係る一定数の電力増幅器特性を示す。詳しくは、図８Ａは、一定数の異なるバイアスインピーダンス値における電力増幅器に対する利得（ｄＢ）を出力電力の関数として示し、図８Ｂは、異なるバイアスインピーダンス値における電力増幅器に対する位相（ｄｅｇ）を出力電力の関数として示し、図８Ｃは、異なるバイアスインピーダンス値における電力増幅器に対する電力増幅器効率（％）を出力電力の関数として示し、図８Ｄは、異なるバイアスインピーダンス値における電力増幅器に対するトランジスタコレクタ電流（ｍＡ）を出力電力の関数として示す。
図８Ｂ〜８Ｄに示されるように、バイアスインピーダンス値は、電力増幅器の位相、電力増幅器効率又はトランジスタコレクタ電流特性には有意な効果を有しない。しかしながら、図８Ａに示されるように、バイアスインピーダンス値は、ゲート制御電圧の増加（例えばバイアスインピーダンスの増加）に伴い電力増幅器の利得特性に影響を与えるので、出力電力の関数として利得が増加することがもたらされる。すなわち、バイアスインピーダンスの調整が、電力増幅器の位相、電力増幅器効率及びトランジスタコレクタ電流特性に有意な影響を与えることなく電力増幅器の利得特性を調整するための有効なツールとなり得る。
図９は、本開示の複数の側面に係る多段電力増幅器システムの一実施形態を示す。詳しくは、図９Ａの電力増幅器システム１２１は、ＲＦ入力ポートＲＦＩＮとＲＦ出力ポートＲＦＯＵＴとの間に直列に接続された第１電力増幅器１２０及び第２電力増幅器１２５を含む。第１電力増幅器１２０及び第２電力増幅器１２５は、図５Ｂに示される電力増幅器２９と同じ又は同様としてよい。よって、各構成コンポーネントの詳細な説明は与えないこととする。図９の実施形態において、電力増幅器１２０及び１２５それぞれのトランジスタ６１のベースに供給されるバイアスインピーダンス値は、第１電力増幅器１２０及び第２電力増幅器１２５それぞれにおける増幅器段４１及び電力増幅器バイアス回路３０の特定の実装に応じて個々に選択してよい。さらに、各増幅器段４１に適用されるゲート制御電圧ＧＡＴＥ ＣＴＲＬによって選択されるバイアスインピーダンスは、電力増幅器システム１２１の全体的な利得（例えば入力ポートＲＦＩＮに適用される信号に対する出力ポートＲＦＯＵＴでの利得）が十分に平坦となるように選択することができる。よって、所定の実装例において、第１電力増幅器１２０及び第２電力増幅器１２５それぞれの利得は、電力増幅器システム１２１の全体的な利得が、０ｄＢ／ｄＢの理想的な変動から、一定しきい値未満の変動を有する限り、実質的に平坦とはならない。
図１０は、本開示の複数の側面に係る電力増幅器システムの他例の模式的なブロック図である。図１０に示される電力増幅器１３０は、電力増幅器バイアス回路３０、電力増幅器段４１及び電流源７５を含み、これらはそれぞれが、図５Ａ及び図５Ｂに関連して上述されたものと同じ又は同様としてよい。電力増幅器１３０はさらに、図５Ｂの単数のＦＥＴ９０の代わりに一対のＦＥＴ９１及び９２を含むバイアスインピーダンスコンポーネント８１を含む。制御信号ＣＴＲＬを、ＦＥＴ９１及び９２それぞれのゲートに、対応する抵抗器９５及び９７を介して適用することができる。実装に応じて、２つのＦＥＴ９１及び９２の使用により、ＦＥＴ９１及び９２の組み合わせにより与えられるインピーダンスバイアスの値の範囲を、ＦＥＴ９１及び９２をトライオードに維持したまま増加させることができる。図１０に示されないにもかかわらず、正しい電流ミラー比を保持するべく同様の構造の回路（２つのＦＥＴ及び入力抵抗器を含む）を電力増幅器バイアス回路に含めることができる。
図１１は、本開示の複数の側面に係る電力増幅器システムのさらなる他例の模式的なブロック図である。図１１に示される電力増幅器１３１は、図１０に示される電力増幅器１３０と同様であるが、３つ以上のＦＥＴ９１〜９２がバイアスインピーダンスコンポーネント８１に含まれる点が異なる。ここで、付加的なＦＥＴを含めることが、省略記号によって示される。３つ以上のＦＥＴ９１〜９２をバイアスインピーダンスコンポーネント８１に含めることにより、ＦＥＴ９１及び９２をトライオードに維持しながら生成可能なバイアスインピーダンス値の範囲が増加する。図１０に関連して上述したように、電流ミラー比を保持するべく同じ構造（同数のＦＥＴ及び抵抗器）を電力増幅器バイアス回路に含めることができる。
むすび
本明細書及び特許請求の範囲全体にわたり、文脈上そうでないことが明らかでない限り、「含む」等の用語は、排他的又は網羅的な意味とは反対の包括的意味に、すなわち「〜を含むがこれらに限られない」との意味に解釈すべきである。ここで一般に使用される単語「結合」は、直接接続されるか又は一つ以上の中間要素を介して接続されるかのいずれかとなり得る２つ以上の要素を言及する。同様に、ここで一般に使用される単語「接続」は、直接接続されるか又は一つ以上の中間要素を介して接続されるかのいずれかとなり得る２つ以上の要素を言及する。加えて、単語「ここ」、「上」、「下」及び同様の趣旨の単語は、本アプリケーションにおいて使用される場合、本アプリケーション全体を言及し、本アプリケーションの任意の固有部分を言及するわけではない。文脈が許容する場合、単数又は複数を使用する上述の詳細な説明における用語はそれぞれ、複数又は単数をも含み得る。２つ以上の項目のリストを言及する単語「又は」及び「若しくは」は、当該単語の以下の解釈のすべてをカバーする。すなわち、当該リストの任意の項目、当該リストのすべての項目、及び当該リストの項目の任意の組み合わせである。
さらに、とりわけ「できる」、「し得る」、「してよい」、「かもしれない」、「例えば」、「のような」等のようなここに記載の条件付き言語は一般に、特にそうでないことが述べられ、又は使用の文脈上そうでないことが理解される場合を除き、所定の実施形態が所定の特徴、要素及び／又は状態を含む一方で他の実施形態がこれらを含まないことを伝えるように意図される。すなわち、かかる条件的言語は、特徴、要素及び／若しくは状態が一つ以上の実施形態にとって必要な任意の態様にあること、又は一つ以上の実施形態が必ず、筆者のインプット若しくは促しありで若しくはなしで、これらの特徴、要素及び／若しくは状態が任意の固有実施形態に含まれ若しくは当該実施形態で行われるか否かを決定するロジックを含むこと、を示唆することを一般には意図しない。
本発明の実施形態の上記詳細な説明は、排他的であることすなわち本発明を上記開示の正確な形態に制限することを意図しない。本発明の及びその例の特定の実施形態が例示を目的として上述されたが、当業者が認識するように、本発明の範囲において様々な均等の修正も可能である。例えば、プロセス又はブロックが所与の順序で提示されるが、代替実施形態は、異なる順序でステップを有するルーチンを行うこと又はブロックを有するシステムを用いることができ、いくつかのプロセス又はブロックは削除、移動、追加、細分化、結合、及び／又は修正することができる。これらのプロセス又はブロックはそれぞれが、様々な異なる態様で実装することができる。また、プロセス又はブロックが直列的に行われるように示されることがあるが、これらのプロセス又はブロックは、その代わりに、並列して行い又は異なる時に行うこともできる。
ここに与えられた本発明の教示は、必ずしも上述のシステムに限られることがなく、他のシステムにも適用することができる。上述の様々な実施形態要素及び行為は、さらなる実施形態を与えるべく組み合わせることができる。
本発明のいくつかの実施形態が記載されたが、これらの実施形態は、例のみとして提示されており、本開示の範囲を制限することを意図しない。実際のところ、ここに記載される新規な方法及びシステムは、様々な他の形態で具体化することができる。さらに、ここに記載される方法及びシステムの形態における様々な省略、置換及び変更が、本開示の要旨から逸脱することなくなし得る。添付の特許請求の範囲及びその均等物が、本開示の範囲及び要旨に収まるかかる形態又は修正をカバーすることが意図される。

Claims (20)

  1. 電力増幅器システムであって、
    バイアス電圧を受けてバイアス信号を生成するべく構成されたバイアス回路と、
    入力無線周波数信号を受信して出力無線周波数信号を生成するべく構成された電力増幅器段と、
    前記バイアス回路と前記電力増幅器段との間に動作可能に結合されたバイアスインピーダンスコンポーネントと
    を含み、
    前記バイアスインピーダンスコンポーネントは、制御信号を受信し、前記制御信号に応答して前記バイアスインピーダンスコンポーネントのインピーダンス値を調整するべく構成される、電力増幅器システム。
  2. 前記バイアスインピーダンスコンポーネントはトランジスタを含み、
    前記制御信号は、トライオードにおけるトランジスタとともに動作するべく構成された電圧を有する、請求項１の電力増幅器システム。
  3. 前記トランジスタは電界効果トランジスタを含み、
    前記電力増幅器は、前記入力無線周波数信号を増幅させるべく構成されたヘテロ接合バイポーラトランジスタを含む、請求項２の電力増幅器システム。
  4. 前記電界効果トランジスタ及び前記ヘテロ接合バイポーラトランジスタは、単数の半導体ダイ上に作製される、請求項３の電力増幅器システム。
  5. 前記バイアスインピーダンスコンポーネントのインピーダンス値は、前記電力増幅器段の利得の変動が０ｄＢ／ｄｍから一定しきい値未満となるように選択される、請求項１の電力増幅器システム。
  6. 前記バイアス電圧を受けて付加バイアス信号を生成するべく構成された付加バイアス回路と、
    前記電力増幅器段から前記出力無線周波数信号を受信して付加無線周波数出力信号を生成するべく構成された付加電力増幅器段と、
    前記付加バイアス回路と前記付加電力増幅器段との間に動作可能に結合された付加バイアスインピーダンスコンポーネントと
    をさらに含み、
    前記付加バイアスインピーダンスコンポーネントは、付加制御信号を受信し、前記付加制御信号に応答して前記付加バイアスインピーダンスコンポーネントのインピーダンス値を調整するべく構成される、請求項１の電力増幅器システム。
  7. 前記バイアスインピーダンスコンポーネントのインピーダンス値と前記付加バイアスインピーダンスコンポーネントのインピーダンス値とは、前記電力増幅器段及び前記付加電力増幅器段の全体的な利得の変動が０ｄＢ／ｄｍから一定しきい値未満となるように選択される、請求項６の電力増幅器システム。
  8. 前記バイアスインピーダンスコンポーネントと前記電力増幅器段との間に動作可能に結合された付加バイアスインピーダンスコンポーネントをさらに含み、
    前記付加バイアスインピーダンスコンポーネントは、前記制御信号を受信し、前記制御信号に応答して前記付加バイアスインピーダンスコンポーネントのインピーダンス値を調整するべく構成される、請求項１の電力増幅器システム。
  9. 電力増幅器段の利得を調整する方法であって、
    バイアス回路においてバイアス電圧を受けることと、
    前記バイアス回路によって、前記バイアス電圧に基づくバイアス信号を生成することと、
    バイアスインピーダンスコンポーネントにおいて、前記バイアス電圧及び制御信号を受信することと、
    前記バイアスインピーダンスコンポーネントにおいて、受信した前記制御信号に基づいて前記バイアスインピーダンスコンポーネントのインピーダンス値を調整することと、
    電力増幅器段において、入力無線周波数信号と、前記バイアスインピーダンスコンポーネントからのバイアス電圧とを受けることと、
    前記入力無線周波数信号と前記バイアス電圧とに基づいて出力無線周波数信号を生成することと
    を含む、方法。
  10. 前記バイアスインピーダンスコンポーネントはトランジスタを含み、
    前記制御信号は、トライオードにおけるトランジスタとともに動作するべく構成された電圧を有する、請求項９の方法。
  11. 前記トランジスタは電界効果トランジスタを含み、
    前記電力増幅器はヘテロ接合バイポーラトランジスタを含み、
    前記方法はさらに、前記ヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて前記入力無線周波数信号を増幅することを含む、請求項１０の方法。
  12. 前記電界効果トランジスタ及び前記ヘテロ接合バイポーラトランジスタは、単数の半導体ダイ上に作製される、請求項１１の方法。
  13. 前記電力増幅器段の利得の変動が０ｄＢ／ｄｍから一定しきい値未満となるように前記バイアスインピーダンスコンポーネントのインピーダンス値をもたらすべく、前記制御信号の電圧を選択することをさらに含む、請求項９の方法。
  14. 付加バイアスインピーダンスコンポーネントにおいて、前記バイアスインピーダンスコンポーネントからのバイアス電圧と前記制御信号とを受けることと、
    前記付加バイアスインピーダンスコンポーネントにおいて、受信した前記制御信号に基づいて前記付加バイアスインピーダンスコンポーネントのインピーダンス値を調整することと
    をさらに含み、
    前記付加バイアスインピーダンスコンポーネントは、前記バイアスインピーダンスコンポーネントと前記増幅器段との間に動作可能に結合される、請求項９の方法。
  15. 携帯デバイスであって、
    入力無線周波数信号を増幅して出力無線周波数信号を生成するべく構成された電力増幅器と、
    前記出力無線周波数信号に基づいて無線周波数送信信号を生成するべく構成された変調器と
    を含み、
    前記電力増幅器は、
    バイアス電圧を受けてバイアス信号を生成するべく構成されたバイアス回路と、
    前記入力無線周波数信号を受信して前記出力無線周波数信号を生成するべく構成された電力増幅器段と、
    前記バイアス回路と前記電力増幅器段との間に動作可能に結合されたバイアスインピーダンスコンポーネントと
    を含み、
    前記バイアスインピーダンスコンポーネントは、制御信号を受信し、前記制御信号に応答して前記バイアスインピーダンスコンポーネントのインピーダンス値を調整するべく構成される、携帯デバイス。
  16. 前記バイアスインピーダンスコンポーネントはトランジスタを含み、
    前記制御信号は、トライオードにおけるトランジスタとともに動作するべく構成された電圧を有する、請求項１５の携帯デバイス。
  17. 前記トランジスタは電界効果トランジスタを含み、
    前記電力増幅器は、前記入力無線周波数信号を増幅させるべく構成されたヘテロ接合バイポーラトランジスタを含む、請求項１６の携帯デバイス。
  18. 前記電界効果トランジスタ及び前記ヘテロ接合バイポーラトランジスタは、単数の半導体ダイ上に作製される、請求項１７の携帯デバイス。
  19. 前記バイアスインピーダンスコンポーネントのインピーダンス値は、前記電力増幅器段の利得の変動が０ｄＢ／ｄｍから一定しきい値未満となるように選択される、請求項１５の携帯デバイス。
  20. 前記電力増幅器はさらに、前記バイアスインピーダンスコンポーネントと前記電力増幅器段との間に動作可能に結合された付加バイアスインピーダンスコンポーネントを含み、
    前記付加バイアスインピーダンスコンポーネントは、前記制御信号を受信し、前記制御信号に応答して前記付加バイアスインピーダンスコンポーネントのインピーダンス値を調整するべく構成される、請求項１５の携帯デバイス。

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