JP3517777B2 - 線形高出力増幅装置 - Google Patents
線形高出力増幅装置Info
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Description
信、移動通信、衛星通信等のように概ね数百MHz帯以上
で使用される線形高出力増幅装置に係わり、特にバッテ
リ小型化への要求が厳しく低電圧動作が要求される携帯
端末用として好適な線形高出力増幅装置に関するもので
ある。
の普及に伴い、携帯端末の一層の小型化・低消費電力化
への要求が高まっている。このため、特に多くの電力を
消費する電力増幅器を小型化・高効率化することならび
に低電圧で動作可能にすることは、極めて重要になって
いる。
形化はトレードオフの関係にある。このため、効率を向
上したために線形性が損なわれると、相互変調歪みによ
り隣接チャネル漏洩電力の増大を招き、通信品質が劣化
する。従って、線形性を確保しつつ効率を向上すること
が求められている。
バイアスを入力信号の振幅に応じて制御し、線形化する
方法が知られている。この従来の方法は、入力信号の振
幅が小さくなった時に出力電流が小さくなるように制御
することにより、線形性を確保しつつ消費電力を低減し
たり、あるいは、入出力振幅特性の線形化を図ることが
可能な技術である。
構成では、ダイナミックレンジが小さくなり高効率とな
る飽和領域近傍で制御ができず、また、ドレインバイア
スを制御する構成では、DC−DCコンバータによる消
費電力が大きくなるという問題点がある。
スコード接続FETにおけるゲート接地FETのゲート
バイアスを制御する構成が考案された。1995 IEEE GaAs
IC Symp.Dig.,pp.288-291に記載されたこの構成を図1
4に示す。
ス接地FET51Aとゲート接地FET51Bからなる
カスコードFET回路51の出力電力をゲート接地FE
T51Bのゲートバイアスで制御できることに基づいて
おり、ゲートバイアス制御法のDC−DCコンバータが
不要という利点と、ドレインバイアス制御法の飽和領域
まで制御可能という利点を合わせた構成といえる。12
A、12Bは整合回路、52は高周波接地用キャパシ
タ、53は高周波カット用チョークインダクタである。
合回路12Aを介してカスコードFET回路51に入力
する他に、包絡線検波器2に入力されて振幅が検出さ
れ、A/Dコンバータ3でディジタル化され、LUTと
してのROM4でその振幅特性が変換され、D/Aコン
バータ5でアナログ化されてゲート電圧Vcに変換され
る。ここで、ROM4のデータを増幅器の入出力特性が
線形になるように設定しておくことにより、効率が高く
なる飽和領域近傍において歪みを低減することが可能と
なる。
来例においては、FETを2個使用するため、FETが
1段の増幅器のほぼ2倍のデバイスサイズが必要な上、
ソース接地とゲート接地の2つのFET51A,51B
に直列にバイアスを供給する必要があるため、低電圧動
作が困難であるという問題点があった。これは、チョー
クインダクタ53を介して印加される電圧(Vdd)が、
ソース接地FET51Aとゲート接地FET51Bで分
圧されることに起因する。
るLiイオン電池の場合、3V程度の給電となるが、カ
スコードFET回路51の構成で3V動作のパワーアン
プを構成する場合、出力に寄与する後段のゲート接地F
ET51Bの電圧は2V程度以下に制限される。このた
め、3V動作のFET1段の増幅器と同一出力を得よう
とした場合、電流を増大させるためにゲート幅を2倍程
度大きくする必要があり、小型化が困難なこと、ならび
にデバイスサイズに比例するコスト増を招いてしまうと
いう問題点があった。
制御できる手法として、可変負帰還増幅器の構成があ
る。しかしながら、高出力FETの実現には、比較的小
さな単位セルの直列/並列合成で総ゲート幅の大きいF
ETを構成することが行われるため、入出力間に一括し
て共通の帰還回路で可変負帰還をかけた場合には、(1)
帰還回路の配線長がFETサイズにほぼ比例して長くな
り、これが波長に比べて無視できなくなると、可変負帰
還信号に周波数特性が生じる、(2)小さな単位セル間の
配置間隔に比例して可変負帰還信号に位相差が生じると
いう現象が生じるため、帯域制限を招いたり、線形化制
御が困難になる、という問題点がある。特に、マイクロ
波帯以上の超高周波領域で使用する場合では、周波数が
高くなればなるほどこれが顕著になるという問題点があ
った。
し、携帯端末に容易に適用できる小型で低電圧動作が可
能で経済的な線形高出力増幅装置を提供することにあ
る。
第1の発明は、入力信号を増幅して出力する可変負帰還
増幅器と、前記入力信号の振幅に応じて前記可変負帰還
増幅器の帰還量を制御するための制御信号を発生する制
御信号発生手段とを備えた線形高出力増幅装置におい
て、前記可変負帰還増幅器は共通入力端子と共通出力端
子との間に並列接続且つ並列配置された複数の同一の単
位セルを有し、該各単位セルは、一端の第1の接続点が
前記共通入力端子に接続され他端の第2の接続点が前記
共通出力端子に臨むゲートを備え、ソースが接地されド
レインが前記共通出力端子に接続された増幅用FET
と、ソース又はドレインの一方が前記第2の接続点に接
続され他方が前記共通出力端子に第1のキャパシタを介
して接続されゲートが前記制御信号発生手段に接続され
る制御配線に接続された可変抵抗用FETとを含み、前
記可変抵抗用FETは、前記第2の接続点と前記共通出
力端子との間に前記増幅用FETと横並びで配置されて
いるよう構成した。第2の発明は、第1の発明におい
て、前記第2の接続点又は前記共通出力端子と前記可変
抵抗用FETのソース又はドレインとの間に固定抵抗が
接続されているよう構成した。第3の発明は、第1又は
第2の発明において、前記可変抵抗用FETのゲート
は、第2のキャパシタを介して前記増幅用FETのソー
スに接続されているよう構成した。第4の発明は、第3
の発明において、前記第2のキャパシタが、前記各単位
セル内において、前記増幅用FETのソースと前記可変
抵抗用FETのゲートとの間に配置されているよう構成
した。第5の発明は、第1乃至第4のいずれか1つの発
明において、前記増幅用FETを増幅用バイポーラトラ
ンジスタに置換し、前記可変抵抗用FETを可変抵抗用
バイポーラトランジスタに置換して構成した。
幅装置の回路構成を示す図である。本実施形態の線形高
出力増幅装置は、入力信号を分配する分配器1、入力信
号の包絡線の振幅を検出する包絡線検波器2、包絡線信
号をディジタル信号に変換するるA/Dコンバータ3、
LUTとしてのROM4、ディジタル信号をアナログの
制御電圧Vcに変換するD/Aコンバータ5を従来例と
同様に具備し、さらにこの制御電圧Vcが入力する制御
端子6を備えた可変負帰還増幅器7を有する。
増幅用FET8、帰還回路を構成する可変抵抗用FET
9、および同様に帰還回路を構成するDCカット用キャ
パシタ10からなる回路を単位セル11として、これを
6個並列に入力側の整合回路12Aと出力側の整合回路
12Bに接続することにより構成されている。また、可
変抵抗用FET9のゲートバイアス端子である制御端子
6は、キャパシタ13を介して高周波的に接地されてい
る。本構成は、増幅器として可変負帰還増幅器7を使用
した以外は図14に示した従来例と同じである。
Bを除く可変負帰還増幅器7のパタンレイアウト例を示
す。この可変負帰還増幅器7では、2本のゲート21、
ドレイン22、ソース23、そのソース23間を相互に
接続するエアブリッジ24Aにより2ゲートフインガ型
の単位増幅セル25(前記増幅用FET8)を形成し
て、これを6個並列に配置接続している。
1のゲート接続点26Aにより配線31を介して共通ゲ
ート端子(共通入力端子)27に接続され、第2のゲー
ト接続点26Bにより配線32を介して単位可変抵抗セ
ル28(前記可変抵抗用FET9)のソースに接続され
ている。この単位可変抵抗セル28も2ゲートフィンガ
型であり、各ドレインは所定の容量値を有するキャパシ
タ10を介して共通ドレイン端子(共通出力端子)29
に接続されている。すなわち、この単位可変抵抗セル2
8は、単位増幅セル25の第2のゲート接続点26Bと
共通ドレイン端子29の間に配置されている。以上によ
り、各々の単位増幅セル25毎にそのドレインからその
ゲートに対して個々の単位可変抵抗セル28により可変
負帰還がかけられる構成となっている。
共通ドレイン端子29はエアブリッジ24Bで接続され
ている。また、単位可変抵抗セル28のゲートは第3の
ゲート接続点26Cにより制御配線30に接続され、さ
らにこの制御配線30を介して制御端子6に接続されて
いる。この制御配線30は、単位可変抵抗セル28の寄
生容量の影響による位相変化量を減少させるため、所定
の容量値のキャパシタ13と接地配線33を介してソー
ス23に接続され、高周波的に接地されている。また、
この制御配線30を下層配線で形成し、第2のゲート接
続点26Bと単位可変抵抗セル28のソースを接続する
配線32を上層配線で形成することにより、制御電圧の
印加を可能にしている。
する可変抵抗値は概ね数百Ω以上であるため、その可変
抵抗用FET9としての単位可変抵抗セル29のゲート
幅は増幅用FET8としての単位増幅セル25のゲート
幅に比べて大幅に小さくすることができる。
め、装置の小型化、簡易化を図ることができる、 (2)増幅用の素子はソース接地FET一段で構成してい
るため、低電圧動作が可能である、 (3)単位増幅セルの共通ドレイン端子側に第2のゲート
接続点を設け、そのゲート接続点と共通ドレイン端子の
間に可変抵抗用FETからなる可変負帰還回路を配置し
ているため、単位増幅セルのゲート幅の大小に関係な
く、その単位可変抵抗セルを最短に接続できる、 (4)特に半導体基板上にFET、抵抗、キャパシタ等を
一体的に形成するMMICの場合、単位セルの数の大小
に関係なく、各単位増幅セル毎に設けた可変負帰還用の
単位可変抵抗セルの物理的な長さを全く同一にできる、
のような特徴点がある。
リへの負担軽減を要求される携帯端末に容易に適用可能
となっている。また、上記の(3)、(4)の効果により、出
力を増大するために単位増幅セル25のゲート幅を長く
したり単位セル11の数を増やした場合においても、超
高周波領域に至るまで帰還回路のインダクタンスの影響
を大幅に低減でき、かつ各単位増幅セル25間で帰還振
幅/位相を同一に保つことができるため、高出力化、高
周波化にも容易に対応できる。
発明の可変負帰還増幅回路7の入力電力に対する利得の
帰還量依存性を測定した特性を示す図である。この図3
に示すように、可変負帰還効果により利得を制御できる
ことがわかる。ここで、図中の●印に示すように、入力
レベルに応じて帰還量を制御すれば、矢印で示したよう
にAM−AM変換特性を大幅に改善でき、増幅器の線形
化を達成できることがわかる。
検波器2で検出された振幅を、A/Dコンバータ3、R
OM4、D/Aコンバータ5を経て制御電圧Vcに変換
する際、ROM4のデータを可変負帰還増幅器7のAM
−AM変換特性(入力信号レベル/利得特性)が線形に
なるように設定しておくことにより、効率が高くなる飽
和領域近傍においても歪みを低減することが可能とな
る。
タンレイアウトを示す図であり、1ゲートフィンガ型で
ソース接地FET8の単位増幅セル25’と可変抵抗用
FET9の単位可変抵抗セル28’を形成することによ
り単位セル11を構成し、この単位セル11を6並列し
たものである。なお、ここでは単位増幅セル25’のド
レイン22はキャパシタ10の下面において共通ドレイ
ン端子29に直接的に接続されている。また、単位可変
抵抗セル28’では、ドレインが単位増幅セル25’の
ゲートに、ソースがキャパシタ10を介して単位増幅セ
ル25’のドレインに接続されているが、可変抵抗用F
ETではソースとドレインを入れ替えても同一の機能が
実現できるので、問題ない。
帰還増幅器7の等価回路を示す図である。本実施形態の
特徴は、可変抵抗用FET9のソース・ドレイン間に並
列に所定の抵抗値を持つ固定抵抗14を配置接続して単
位セル11A(図5)を構成し、又は可変抵抗用FET
9のソースと増幅用FET8のゲートとの間に固定抵抗
15に配置接続して単位セル11B(図6)を構成して
いることである。
の、可変抵抗用FET9の寄生容量の影響による位相変
化量をさらに減少させることができるため、可変負帰還
動作の安定化を図ることができる。
た図6に対応した実施の形態の可変負帰還増幅器7のパ
タンレイアウト例を示す図である。ここでは、図2に示
したパタンレイアウトにおいて、第2のゲート接続点2
6Bと単位可変抵抗セル28(9)のソースに接続され
た配線32との間に固定抵抗15を配置した構成となっ
ている。
より、第1の実施形態と同様に、単位可変抵抗セル28
(9)を最短で単位増幅セル25のドレイン・ゲート間
に配置できる。このため単位可変抵抗セル28(9)の
物理長をほとんど無視でき、インダクタンスや位相回り
の影響のない理想的な可変負帰還特性を広帯域に実現す
ることが可能になる。なお、固定抵抗15は共通ドレイ
ン端子29と単位可変抵抗セル28(9)のドレインと
の間に接続することもできる。
の単位増幅セル25’(8)、単位可変抵抗セル28’
(9)に変形したパタンレイアウトの例であり、図7の
構成と全く同様な効果が実現できる。
抵抗14を使用する場合のパタンレイアウトを示す図
で、1ゲートフィンガ型の単位増幅セル25’(8)、
単位可変抵抗セル28’(9)に適用して、その単位可
変抵抗セル28’(9)と共通ドレイン端子29との間
に固定抵抗14を配置して接続したものである。41,
42は固定抵抗14を単位可変抵抗セル28’(9)の
ソース・ドレイン間に接続するための配線である。
係わる可変負帰還増幅器7の等価回路を示す図である。
ここで、図10は図1の可変負帰還増幅器7を発展さ
せ、図11および図12は、図5および図6の可変負帰
還増幅器7を発展させた形態を示している。
C(11D,11Eも同じ)の可変抵抗用FET9のゲ
ートをキャパシタ13aにより高周波的に接地したもの
である。これにより、単位セル11C、11D、11E
の数の増大に伴い制御端子6(制御配線30)の物理長
が長くなることに起因するインダクタンス成分を無視で
きる程度にまで低減できるため、より一層、可変抵抗用
FET9の寄生容量の影響を低減できる。
器7のパタンレイアウトを示す図である。ここでは、図
8に示したパタンレイアウト中で、単位可変抵抗セル2
8’(9)のゲートをキャパシタ13aを介して最短距
離で同一単位セル11E内の単位増幅セル25’(8)
のソース22に接続した構成となっている。このような
パタンレイアウトにすることにより、全ての単位可変抵
抗セル28’(9)のゲートを同一の接続距離でかつ最
短に高周波的に接地することが可能になる。
負帰還制御を全く同一にできる上、可変抵抗用FET9
の寄生容量の影響を大幅に除去した極めて理想的な可変
負帰還を実現することが可能になる。なお、図としては
示さないが、図7に示した2ゲートフインガ構成にも同
様に適用可能である。
いては、入力信号の包絡線の振幅を高出力増幅器の前段
で検出しているが、増幅器の前段に限定されるものでは
なく、増幅器の内部や出力段で検出しても構わない。ま
た、入力信号のレベル検出は、包絡線検波によらず、そ
のレベルをそのまま検出して制御信号としても良い。
トランジスタとしてFETを使用しているが、パイポー
ラトランジスタを用いても当然ながら同様な効果が期待
できる。このとき、ゲートはベースと、ドレインはコレ
クタと、ソースはエミッタと、共通ゲート端子は共通ベ
ース端子と、共通ドレイン端子は共通コレクタ端子と、
それぞれ置換される。
できるため装置の小型化、簡易化を図ることができる、 (2)増幅用の素子は一段で構成しているため低電圧動作
が可能である、 (3)可変抵抗セルが単位増幅セルと共通出力端子との間
に設けられることになるため、単位増幅セルのサイズの
大小に関係なく、その単位可変抵抗セルを最短に接続で
きる、 (4)半導体基板上に増幅素子、抵抗、キャパシタ等を一
体的に形成するMMICの場合では、単位セルの数の大
小に関係なく単位可変抵抗セルの物理的な長さを全く同
一にできる、のような特徴点がある。
低歪み化、高効率化ならびにバッテリへの負担軽減を達
成できることに加えて、出力を増大するため単位セルの
サイズを大きくしたりセル数を増やした場合において
も、超高周波領域に至るまで帰還回路のインダクタンス
の影響を大幅に低力でき、かつ単位セル間で帰還振幅/
位相を同一に保つことができるため、高出力化、高周波
化にも容易に対応できる。
パーソナル無線通信、移動通信、衛星通信等に使用され
る概ね数百MHz帯以上の高出力増幅器の広帯域化・低歪
み化・低コスト化に寄与できる携帯端末用の高出力増幅
器の小型化、経済化に寄与するところが大である。
置のブロック図である。
型の単位セルを使用したパタンレイアウト図である。
利得の特性図である。
型の単位セルを使用したパタンレイアウト図である。
である。
の回路図である。
型の単位セルを使用したパタンレイアウト図である。
型の単位セルを使用したパタンレイアウト図である。
型の単位セルを使用したパタンレイアウト図である。
図である。
器の回路図である。
増幅器の回路図である。
ンガ型の単位セルを使用したパタンレイアウト図であ
る。
ある。
タ、4:ROM、5:D/Aコンバータ、6:制御端
子、7:可変負帰還増幅器、8:増幅用FET、9:可
変抵抗用FET、10:キャパシタ、11、11A〜1
1E:単位セル、12A,12B:整合回路、13:キ
ャパシタ、14,15:固定抵抗、21:ゲート、2
2:ドレイン、23:ソース、24A、24B:エアー
ブリッジ、25:単位増幅セル、26A、26B、26
C:ゲート接続点、27:共通ゲート端子(共通入力端
子)、28:単位可変抵抗セル、29:共通ドレイン端
子(共通出力端子)、30:制御配線、31,32:配
線、33:接地配線、41,42:配線。
Claims (5)
- 【請求項1】入力信号を増幅して出力する可変負帰還増
幅器と、前記入力信号の振幅に応じて前記可変負帰還増
幅器の帰還量を制御するための制御信号を発生する制御
信号発生手段とを備えた線形高出力増幅装置において、 前記可変負帰還増幅器は共通入力端子と共通出力端子と
の間に並列接続且つ並列配置された複数の同一の単位セ
ルを有し、 該各単位セルは、一端の第1の接続点が前記共通入力端
子に接続され他端の第2の接続点が前記共通出力端子に
臨むゲートを備え、ソースが接地されドレインが前記共
通出力端子に接続された増幅用FETと、 ソース又はドレインの一方が前記第2の接続点に接続さ
れ他方が前記共通出力端子に第1のキャパシタを介して
接続されゲートが前記制御信号発生手段に接続される制
御配線に接続された可変抵抗用FETとを含み、 前記可変抵抗用FETは、前記第2の接続点と前記共通
出力端子との間に前記増幅用FETと横並びで配置され
ている、 ことを特徴とする線形高出力増幅装置。 - 【請求項2】請求項1に記載の線形高出力増幅装置にお
いて、前記第2の接続点又は前記共通出力端子と前記可
変抵抗用FETのソース又はドレインとの間に固定抵抗
が接続されていることを特徴とする線形高出力増幅装
置。 - 【請求項3】請求項1又は2に記載の線形高出力増幅装
置において、前記可変抵抗用FETのゲートは、第2の
キャパシタを介して前記増幅用FETのソースに接続さ
れていることを特徴とする線形高出力増幅装置。 - 【請求項4】請求項3に記載の線形高出力増幅装置にお
いて、前記第2のキャパシタが、前記各単位セル内にお
いて、前記増幅用FETのソースと前記可変抵抗用FE
Tのゲートとの間に配置されていることを特徴とする線
形高出力増幅装置。 - 【請求項5】請求項1乃至4にのいずれか1つに記載の
線形高出力増幅装置において、前記増幅用FETを増幅
用バイポーラトランジスタに置換し、前記可変抵抗用F
ETを可変抵抗用バイポーラトランジスタに置換したこ
とを特徴とする線形高出力増幅装置。
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