JP4322095B2 - RF power amplifier module - Google Patents
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Description
本発明は、高周波電力増幅器モジュールに関し、特に、移動体通信装置に搭載され、出力電力の安定性が要求される高周波電力増幅器モジュールに適用して有効な技術に関するものである。 The present invention relates to a high-frequency power amplifier module, and more particularly to a technique that is effective when applied to a high-frequency power amplifier module that is mounted on a mobile communication device and requires stability of output power.
近年、様々な通信方式に代表される移動体通信装置(いわゆる携帯電話機)が世界的に普及している。この通信方式としては、例えば、欧州でのGSM(Global System for Mobile Communications)方式、日本でのPDC(Personal Digital Cellular)方式、北米でのCDMA(Code Division Multiple Access)方式などが挙げられる。また、次世代の通信方式として、例えば、EDGE(Enhanced Data Rates for GSM Evolution)方式や、W(Wideband)−CDMA方式、cdma2000方式といったものが提案されている。 In recent years, mobile communication devices (so-called mobile phones) typified by various communication methods have become widespread worldwide. Examples of this communication method include a GSM (Global System for Mobile Communications) method in Europe, a PDC (Personal Digital Cellular) method in Japan, and a CDMA (Code Division Multiple Access) method in North America. As next-generation communication systems, for example, EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution) system, W (Wideband) -CDMA system, and cdma2000 system have been proposed.
このような携帯電話機は、主に、ベースバンドの処理を行う部分と無線処理を行う部分から構成される。送信時において、この無線処理を行う部分では、信号の変調や変調された信号の増幅などが行われ、変調された信号を増幅する際に、高周波電力増幅器モジュールが用いられる。高周波電力増幅器モジュールは、例えば、MOSトランジスタやGaAsトランジスタ等を順に接続した多段構成のトランジスタと、その多段構成のトランジスタにバイアス電流やバイアス電圧を印加するバイアス回路などを備えている。 Such a cellular phone mainly includes a portion that performs baseband processing and a portion that performs wireless processing. At the time of transmission, this radio processing performs signal modulation, amplification of the modulated signal, and the like, and a high frequency power amplifier module is used to amplify the modulated signal. The high-frequency power amplifier module includes, for example, a multistage transistor in which MOS transistors, GaAs transistors, and the like are sequentially connected, and a bias circuit that applies a bias current and a bias voltage to the multistage transistor.
ところで、本発明者が検討したところによれば、前記背景技術で述べたような高周波電力増幅器モジュールは、例えば図4に示すような構成となっている。図4は、本発明の前提として検討した従来の高周波電力増幅器モジュールにおいて、その構成の一例を示す回路図である。図4に示す高周波電力増幅器モジュールは、1st(1段目)、2nd(2段目)、3rd(3段目)の3段構成からなる電力増幅部と、それらの電力増幅部にバイアス電流を供給するバイアス回路40とを有している。
By the way, according to a study by the present inventor, the high-frequency power amplifier module as described in the background art has a configuration as shown in FIG. 4, for example. FIG. 4 is a circuit diagram showing an example of the configuration of a conventional high-frequency power amplifier module studied as a premise of the present invention. The high-frequency power amplifier module shown in FIG. 4 includes a power amplification unit having a three-stage configuration of 1st (first stage), 2nd (second stage), and 3rd (third stage), and a bias current to those power amplification parts. And a
各電力増幅部は、電源電圧Vddが供給されて電力増幅を行うMOSトランジスタQN1,QN2,QN3と、これらに対してそれぞれカレントミラー回路を構成するMOSトランジスタQN11,QN21,QN31などを有している。そして、バイアス回路40は、温度や電源電圧Vddなどに依存しない定電流I1,I2,I3を、それぞれ、前記MOSトランジスタQN11,QN21,QN31に対して供給する。
Each power amplifying unit includes MOS transistors QN1, QN2, and QN3 that are supplied with the power supply voltage Vdd and perform power amplification, and MOS transistors QN11, QN21, and QN31 that form current mirror circuits for these transistors, respectively. . The
これによって、前記MOSトランジスタQN1,QN2,QN3では、カレントミラー回路を構成する2つのトランジスタ(例えば、MOSトランジスタQN1とMOSトランジスタQN11)のトランジスタサイズの比率に応じてバイアス電流が印加される。前記MOSトランジスタQN1,QN2,QN3は、信号入力端子Pinより高周波信号が入力されると、前記バイアス電流に応じて1st、2nd、3rdの順に電力増幅を行い、その増幅された高周波信号を信号出力端子Poutより出力する。 Thereby, in the MOS transistors QN1, QN2, and QN3, a bias current is applied in accordance with the ratio of the transistor sizes of two transistors (for example, the MOS transistor QN1 and the MOS transistor QN11) constituting the current mirror circuit. When a high frequency signal is input from the signal input terminal Pin, the MOS transistors QN1, QN2, and QN3 perform power amplification in order of 1st, 2nd, and 3rd according to the bias current, and output the amplified high frequency signal as a signal. Output from terminal Pout.
このような高周波電力増幅器モジュールにおいて、MOSトランジスタQN1,QN2,QN3には、高周波特性を向上させることなどから、近年、ゲート長が短いものが用いられる。しかしながら、ゲート長が短くなると、図5に示すように、ソース−ドレイン間の飽和電流Idsがソース−ドレイン間の電圧Vdsに応じてΔIds増加するという現象(所謂チャネル長変調効果)が顕著に現れてくる。 In such a high-frequency power amplifier module, MOS transistors QN1, QN2, and QN3 have recently been used with short gate lengths in order to improve high-frequency characteristics. However, when the gate length is shortened, as shown in FIG. 5, a phenomenon (so-called channel length modulation effect) that the source-drain saturation current Ids increases by ΔIds according to the source-drain voltage Vds appears remarkably. Come.
このチャネル長変調効果は、カレントミラー回路の電流特性に影響を及ぼし、これによって高周波電力増幅器モジュールの電力増幅特性にも影響を及ぼすことになる。すなわち、カレントミラー回路を構成する2つのトランジスタは、それぞれ飽和電流が流れるように動作するが、そのうちのMOSトランジスタQN1,QN2,QN3の方のみが電源電圧に依存してその飽和電流が変化する。このため、カレントミラー回路を構成するトランジスタのサイズ比によって設定した飽和電流の比率と、実際に流れる飽和電流の比率との間で、電源電圧に依存した誤差が発生する。これは、MOSトランジスタQN1,QN2,QN3に流すバイアス電流に設定誤差を生じさせることになり、電力増幅特性に影響を及ぼすことになる。 This channel length modulation effect affects the current characteristics of the current mirror circuit, thereby affecting the power amplification characteristics of the high-frequency power amplifier module. That is, the two transistors constituting the current mirror circuit operate so that a saturation current flows, but only the MOS transistors QN1, QN2, and QN3 change the saturation current depending on the power supply voltage. For this reason, an error depending on the power supply voltage occurs between the ratio of the saturation current set by the size ratio of the transistors constituting the current mirror circuit and the ratio of the saturation current that actually flows. This causes a setting error in the bias current flowing through the MOS transistors QN1, QN2, and QN3, and affects the power amplification characteristics.
そこで、本発明の目的は、電源電圧の変動によらず安定した電力増幅特性を有する高周波電力増幅器モジュールを提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a high frequency power amplifier module having stable power amplification characteristics regardless of fluctuations in power supply voltage.
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。 The above and other objects and novel features of the present invention will be apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。 Of the inventions disclosed in the present application, the outline of typical ones will be briefly described as follows.
本発明による高周波電力増幅器モジュールは、電源電圧が供給され電力増幅を行う半導体増幅素子と、前記半導体増幅素子に対してバイアス電流を供給する手段とを有するものである。そして、前記バイアス電流を供給する手段は、前記半導体増幅素子との間でカレントミラー回路を構成する第1のトランジスタと、前記電源電圧の変動に依存しない定電流を発生する手段と、前記電源電圧の変動によって生じる前記半導体増幅素子でのバイアス電流変動分を補償する第1の電流を発生する手段と、前記定電流から前記第1の電流を差し引いた第2の電流を前記第1のトランジスタに対して供給する手段とを有し、前記第2の電流を前記第1のトランジスタに対して供給することで、前記半導体増幅素子に対して前記バイアス電流を供給するものである。 The high-frequency power amplifier module according to the present invention includes a semiconductor amplifying element that performs power amplification by being supplied with a power supply voltage, and means for supplying a bias current to the semiconductor amplifying element. The means for supplying the bias current includes a first transistor that forms a current mirror circuit with the semiconductor amplifying element, a means for generating a constant current independent of fluctuations in the power supply voltage, and the power supply voltage. Means for generating a first current for compensating for a bias current fluctuation in the semiconductor amplifying element caused by the fluctuation of the first current, and a second current obtained by subtracting the first current from the constant current to the first transistor. Means for supplying the bias current to the semiconductor amplifying element by supplying the second current to the first transistor.
これによって、例えばMOSトランジスタで電力増幅を行う場合を例とすると、そのMOSトランジスタでのチャネル長変調効果による飽和電流の増加を、そのMOSトランジスタに供給する電流を減らして補償することができ、バイアス電流を安定させることが可能になる。 Thus, for example, when power amplification is performed by a MOS transistor, for example, an increase in saturation current due to the channel length modulation effect in the MOS transistor can be compensated by reducing the current supplied to the MOS transistor. It becomes possible to stabilize the current.
ここで、前記第1の電流を発生する手段は、例えば、前記半導体増幅素子と同一の電流変動特性を有し前記半導体増幅素子と同一の前記電源電圧が供給される第2のトランジスタを含み、前記電源電圧の変動によって生じる前記第2のトランジスタでの電流変動分を抽出し、その抽出した電流変動分に基づいて前記第1の電流を発生するものである。 Here, the means for generating the first current includes, for example, a second transistor having the same current fluctuation characteristics as the semiconductor amplifying element and supplied with the same power supply voltage as the semiconductor amplifying element, The current fluctuation in the second transistor caused by the fluctuation of the power supply voltage is extracted, and the first current is generated based on the extracted current fluctuation.
すなわち、前記半導体増幅素子での電流変動分が前記第2のトランジスタでの電流変動分に等しいとみなすことによって、前記半導体増幅素子における電流変動分を抽出することが可能になる。そして、その抽出した電流変動分を用いれば、前記第1の電流を発生させることも可能になる。 That is, it is possible to extract the current fluctuation in the semiconductor amplifying element by regarding that the current fluctuation in the semiconductor amplifying element is equal to the current fluctuation in the second transistor. If the extracted current fluctuation is used, the first current can be generated.
また、前記第1の電流を発生する手段は、例えば、カレントミラー回路によって前記第2のトランジスタに前記定電流を供給する機能と、前記第2のトランジスタに流れる電流から前記定電流を差し引くことで前記電流変動分を抽出する機能と、前記抽出した前記電流変動分の大きさをカレントミラー回路のサイズ比を用いて調整する機能とを有し、前記調整した前記電流変動分を前記第1の電流とするものである。 Further, the means for generating the first current includes, for example, a function of supplying the constant current to the second transistor by a current mirror circuit, and subtracting the constant current from the current flowing through the second transistor. A function of extracting the current fluctuation amount; and a function of adjusting a size of the extracted current fluctuation amount using a size ratio of a current mirror circuit, and the adjusted current fluctuation amount is the first It is a current.
これによって、前記第1の電流は、前記第2のトランジスタでの電流変動分に対し、さらに、各種条件に応じた調整を加えた電流とすることが可能になる。 Accordingly, the first current can be a current obtained by further adjusting the current fluctuation in the second transistor according to various conditions.
なお、前述した半導体増幅素子は、短チャネルのMOSトランジスタであった場合に、より有益なものとなる。 The semiconductor amplifying element described above is more useful when it is a short channel MOS transistor.
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。 Among the inventions disclosed in the present application, effects obtained by typical ones will be briefly described as follows.
半導体増幅素子でのチャネル長変調効果によって増加する電流変動分を、その半導体増幅素子に供給する電流を減少させて補償することによって、半導体増幅素子において電源電圧の変動によらず安定したバイアス電流を流すことが可能になる。これによって、電源電圧の変動によらず安定した電力増幅特性を持った高周波電力増幅器モジュールを実現することができる。 By compensating for the current fluctuation that increases due to the channel length modulation effect in the semiconductor amplifying element by reducing the current supplied to the semiconductor amplifying element, a stable bias current can be obtained in the semiconductor amplifying element regardless of fluctuations in the power supply voltage. It becomes possible to flow. As a result, it is possible to realize a high-frequency power amplifier module having stable power amplification characteristics regardless of fluctuations in the power supply voltage.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that components having the same function are denoted by the same reference symbols throughout the drawings for describing the embodiment, and the repetitive description thereof will be omitted.
図1は、本発明の一実施の形態の高周波電力増幅器モジュールにおいて、その構成の一例を示す回路図である。 FIG. 1 is a circuit diagram showing an example of the configuration of a high-frequency power amplifier module according to an embodiment of the present invention.
図1に示す高周波電力増幅器モジュールは、前述した図4に示す回路において、例えば3rd電力増幅部内の構成を示すものである。その構成は、例えば、前記図4の3rd電力増幅部内と同一のMOSトランジスタを有する第4のカレントミラー回路4に加えて、第1,第2,第3のカレントミラー回路1,2,3と、それぞれ同一の大きさの定電流I3を供給する3個の定電流源5a,5b,5cと、インダクタンス素子としてチョークコイルL3と、交流結合コンデンサC3,C4などから構成されている。定電流源5a,5b,5cは、前記図4に示したバイアス回路40からの電流を意味し、温度や電源電圧の変動によらず一定の定電流I3を供給することができる。
The high-frequency power amplifier module shown in FIG. 1 shows a configuration in, for example, a 3rd power amplifier in the circuit shown in FIG. 4 described above. The configuration includes, for example, the first, second, and third
第4のカレントミラー回路4は、ソース端子を接地電位(GND:グラウンド)とし、電力増幅を行うnチャネルのMOSトランジスタQN3(半導体増幅素子)と、それとの間でカレントミラー回路を構成し、MOSトランジスタQN3にバイアス電流Ibiasを供給するMOSトランジスタQN31(第1のトランジスタ)と、MOSトランジスタQN3のゲート端子とMOSトランジスタQN31のゲート端子との間に設けられた抵抗素子Rとを有している。
The fourth
ここで、高周波信号は、信号入力端子Pin2より入力され、交流結合コンデンサC3によってその交流成分のみが通過し、MOSトランジスタQN3のゲート端子に入力される。MOSトランジスタQN3は、バイアス電流Ibiasの値に応じて電力増幅を行う。電力増幅が行われた高周波信号は、交流結合コンデンサC4を介して信号出力端子Poutから出力される。この際に、前記抵抗素子Rは、MOSトランジスタQN3のゲート端子に入力された高周波信号が、MOSトランジスタQN31に漏れ、その影響でカレントミラー回路の特性が変動するのを防止する役割を担う。 Here, the high frequency signal is input from the signal input terminal Pin2, only the AC component is passed through the AC coupling capacitor C3, and is input to the gate terminal of the MOS transistor QN3. The MOS transistor QN3 performs power amplification according to the value of the bias current Ibias. The high frequency signal subjected to the power amplification is output from the signal output terminal Pout via the AC coupling capacitor C4. At this time, the resistance element R plays a role of preventing a high-frequency signal input to the gate terminal of the MOS transistor QN3 from leaking to the MOS transistor QN31 and changing the characteristics of the current mirror circuit due to the influence.
第1のカレントミラー回路1は、nチャネルのMOSトランジスタQN311(第3のトランジスタ)とnチャネルのMOSトランジスタQN312(第2のトランジスタ)とを有している。MOSトランジスタQN311には、定電流源5a(第1の定電流源)より定電流I3が供給され、これによって、MOSトランジスタQN311とMOSトランジスタQN312のサイズ比に応じた電流I3aがMOSトランジスタQN312側に流れる。
The first
第2のカレントミラー回路2は、pチャネルのMOSトランジスタQP311(第4のトランジスタ)とpチャネルのMOSトランジスタQP312(第5のトランジスタ)とを有している。MOSトランジスタQP311とMOSトランジスタQN312のドレイン端子(第1のノード)は共通に接続されており、これによって、MOSトランジスタQP311には前記電流I3aが供給される。そして、MOSトランジスタQP312には、MOSトランジスタQP311とMOSトランジスタQP312のサイズ比に応じた電流I3bが流れる。
The second
第3のカレントミラー回路3は、nチャネルのMOSトランジスタQN313(第6のトランジスタ)とnチャネルのMOSトランジスタQN314(第7のトランジスタ)とを有している。MOSトランジスタQN313には、前記MOSトランジスタQP312と定電流源5b(第2の定電流源)との間に設けられたノード(第2のノード)によって電流I3cが供給される。この電流I3cは、前記電流I3bより前記定電流I3を差し引いた値となる。そして、電流I3cが供給されると、MOSトランジスタQN313とMOSトランジスタQN314のサイズ比に応じた電流I3dがMOSトランジスタQN314側に流れる。
The third
また、前記第4のカレントミラー回路4のMOSトランジスタQN31には、定電流源5cと前記MOSトランジスタQN314との間に設けられたノードによって、電流I3eが供給される。この電流I3eは、前記定電流I3より前記電流I3dを差し引いた値となる。そして、電流I3eが供給されると、前記MOSトランジスタQN31と前記MOSトランジスタQN3のサイズ比に応じて、前記MOSトランジスタQN3には、前記バイアス電流Ibiasが発生する。
Further, the current I3e is supplied to the MOS transistor QN31 of the fourth
なお、前述した各カレントミラー回路を構成する各トランジスタのサイズ(チャネル幅W/チャネル長L)は、例えば、MOSトランジスタQN311,QN312,QN31が共に100μm/0.3μm、MOSトランジスタQP311,QP312,QN313が共に100μm/5μm、MOSトランジスタQN314が(k×100μm)/5μm(kは変数)、MOSトランジスタQN3が(n×100μm)/0.3μm(nは変数)とする。 Note that the size (channel width W / channel length L) of each transistor constituting each current mirror circuit described above is, for example, that the MOS transistors QN311, QN312 and QN31 are both 100 μm / 0.3 μm, and the MOS transistors QP311, QP312 and QN313. Are 100 μm / 5 μm, the MOS transistor QN314 is (k × 100 μm) / 5 μm (k is a variable), and the MOS transistor QN3 is (n × 100 μm) /0.3 μm (n is a variable).
これにより、前記第1,第2のカレントミラー回路1,2内のトランジスタサイズ比は共に1:1、前記第3のカレントミラー回路3内のトランジスタサイズ比は1:k、前記第4のカレントミラー回路4内のトランジスタサイズ比は1:nとなる。また、前記第1のカレントミラー回路1内のMOSトランジスタQN311,QN312と、前記第4のカレントミラー回路4内のMOSトランジスタQN31,QN3は、共に短チャネルのMOSトランジスタであり、例えばLD−MOS(Laterally Diffused−MOS)などを用いる。
Thus, the transistor size ratio in the first and second
そして、前記第1〜第4のカレントミラー回路において、それぞれペアとなるトランジスタ(例えばMOSトランジスタQN311とMOSトランジスタQN312)は、レイアウト上で近傍に設けられる。これによって、ペアのトランジスタ間で、製造ばらつきや温度変化などによる電気的特性のばらつきを相殺することができ、カレントミラー回路の特性を安定させることができる。 In the first to fourth current mirror circuits, paired transistors (for example, the MOS transistor QN311 and the MOS transistor QN312) are provided in the vicinity in the layout. As a result, variations in electrical characteristics due to manufacturing variations and temperature changes can be offset between the pair of transistors, and the characteristics of the current mirror circuit can be stabilized.
このような構成を備えた高周波電力増幅器モジュールは、以下に説明するような動作によって、電源電圧Vddの変動によらず一定のバイアス電流Ibiasを発生することが可能になる。この説明に際し、まずは動作の流れを簡単に説明し、それ以降に具体的な式を用いて詳細な説明を行う。 The high-frequency power amplifier module having such a configuration can generate a constant bias current Ibias regardless of fluctuations in the power supply voltage Vdd by the operation described below. In this description, first, the flow of operation will be briefly described, and then detailed description will be given using specific equations.
まず、電力増幅を行うMOSトランジスタQN3と同じチャネル長変調係数(電流変動特性)を有し、同じ電源電圧Vddが供給されている第1のカレントミラー回路1内のMOSトランジスタQN312に対して、定電流源5aとMOSトランジスタQN311によって定電流I3を供給する。
First, the MOS transistor QN312 in the first
つぎに、第2のカレントミラー回路2と定電流I3を発生する定電流源5bを用いて、このMOSトランジスタQN312で実際に流れる電流から定電流I3を差し引くことによって、MOSトランジスタQN312でのチャネル長変調効果によって増加した電流変動分のみを抽出する。この抽出した電流変動分は、電流I3cとなる。
Next, by using the second
そして、この抽出した電流変動分の大きさを、第3のカレントミラー回路3でのトランジスタサイズ比(1:k)によって調整し、電流I3d(第1の電流)を発生する。第4のカレントミラー回路4内のMOSトランジスタQN31には、定電流源5cによって供給される定電流I3から、前記調整した電流変動分(電流I3d)を差し引いた電流I3e(第2の電流)が供給される。この電流I3eをMOSトランジスタQN31に流すことによって、MOSトランジスタQN3においてバイアス電流Ibiasが供給される。
Then, the magnitude of the extracted current fluctuation is adjusted by the transistor size ratio (1: k) in the third
すなわち、図1に示した回路は、MOSトランジスタQN3においてチャネル長変調効果で増加するバイアス電流変動分を、MOSトランジスタQN31に供給する電流I3eを減少させることで補償する回路である。そして、その電流I3eを減少させる大きさは電流I3dによって決められ、その電流I3dは、MOSトランジスタQN3と同じチャネル長変調係数を有し、同じ電源電圧Vddが供給されているMOSトランジスタQN312での電流変動分を反映した値となっている。 In other words, the circuit shown in FIG. 1 is a circuit that compensates for the bias current fluctuation that increases in the MOS transistor QN3 due to the channel length modulation effect by reducing the current I3e supplied to the MOS transistor QN31. The magnitude of the decrease in the current I3e is determined by the current I3d. The current I3d has the same channel length modulation coefficient as the MOS transistor QN3, and the current in the MOS transistor QN312 supplied with the same power supply voltage Vdd. The value reflects the fluctuation.
以上のような動作の流れを、式を用いて詳細に説明すると以下のようになる。 The above operation flow will be described in detail using equations as follows.
第1のカレントミラー回路1において、MOSトランジスタQN311とMOSトランジスタQN312のサイズ比が1:1であり、電源電圧Vddが供給されるMOSトランジスタQN312においてチャネル長変調効果が発生することから、電流I3aの値は次式で表される。
In the first
I3a=I3(1+λVdd) (1)
ここで、λはMOSトランジスタQN312におけるチャネル長変調係数であり、MOSトランジスタQN312のソース端子−ドレイン端子間電圧は、近似により電源電圧Vddとしている。
I3a = I3 (1 + λVdd) (1)
Here, λ is a channel length modulation coefficient in the MOS transistor QN312 and the voltage between the source terminal and the drain terminal of the MOS transistor QN312 is approximated to the power supply voltage Vdd.
この電流I3aは、第2のカレントミラー回路2によって、MOSトランジスタQP312側に伝わり、その電流I3bは、I3b=I3aとなる。したがって、第3のカレントミラー回路3に入力される電流I3cは次式となる。
The current I3a is transmitted to the MOS transistor QP312 side by the second
I3c=I3b−I3=I3×λVdd (2)
第3のカレントミラー回路3に電流I3cが入力されると、MOSトランジスタQN313とMOSトランジスタQN314のサイズ比が1:kであることから、MOSトランジスタQN314側の電流I3dは次式で表される。
I3c = I3b−I3 = I3 × λVdd (2)
When the current I3c is input to the third
I3d=k×I3×λVdd (3)
したがって、第4のカレントミラー回路4に入力される電流I3eは次式となる。
I3d = k × I3 × λVdd (3)
Therefore, the current I3e input to the fourth
I3e=I3−I3d=I3−kI3λVdd (4)
第4のカレントミラー回路4では、MOSトランジスタQN31とMOSトランジスタQN3のサイズ比が1:nであり、電源電圧Vddが供給されるMOSトランジスタQN3においてチャネル長変調効果が発生する。この際のチャネル長変調係数は、MOSトランジスタQN3の構造がMOSトランジスタQN312をn個並列接続したような構造となっていることから、QN312のチャネル長変調係数λと等しくなる。したがって、MOSトランジスタQN3に供給されるバイアス電流Ibiasは次式で表される。
I3e = I3-I3d = I3-kI3λVdd (4)
In the fourth
Ibias=nI3e(1+λVdd)
=nI3(1−kλVdd)(1+λVdd) (5)
ここで、式(5)において、電源電圧Vddの変動に対して係数値(1−kλVdd)(1+λVdd)の変動幅が少なければ、電源電圧によらず近似的に一定のバイアス電流を供給できることになる。そこで、この電源電圧Vddと係数値(1−kλVdd)(1+λVdd)との関係の一例を図2に示す。
Ibias = nI3e (1 + λVdd)
= NI3 (1-kλVdd) (1 + λVdd) (5)
Here, in Equation (5), if the fluctuation range of the coefficient value (1-kλVdd) (1 + λVdd) is small with respect to the fluctuation of the power supply voltage Vdd, an approximately constant bias current can be supplied regardless of the power supply voltage. Become. An example of the relationship between the power supply voltage Vdd and the coefficient value (1-kλVdd) (1 + λVdd) is shown in FIG.
図2は、本発明の一実施の形態の高周波電力増幅器モジュールにおいて、電源電圧の変動に対するバイアス電流の増加傾向の一例を、従来技術での場合も含めて示すグラフである。図2においては、前述した図4における従来技術での場合も併せて示しており、この従来技術における係数値は、(1+λVdd)となる。また、チャネル長変調係数λの値は0.1と仮定し、図1において前記第3のカレントミラー回路3のトランジスタサイズ比であるkの値は0.75に設定している。なお、このkの値は、式(5)から判るように、電源電圧Vddの使用範囲などに応じて最適な値を設定することになる。
FIG. 2 is a graph showing an example of an increasing tendency of the bias current with respect to the fluctuation of the power supply voltage in the high-frequency power amplifier module according to the embodiment of the present invention, including the case of the related art. 2 also shows the case of the prior art in FIG. 4 described above, and the coefficient value in this prior art is (1 + λVdd). Further, the value of the channel length modulation coefficient λ is assumed to be 0.1, and in FIG. 1, the value of k, which is the transistor size ratio of the third
図2では、例えば、電源電圧の使用範囲である3Vから4Vの間において、従来技術における係数値(1+λVdd)の変動幅が10%((1.4−1.3)/1)程度であるのに対し、本発明における係数値(1−kλVdd)(1+λVdd)の変動幅は、極めて小さい値となっており、約3%程度である。電源電圧の使用範囲が広くなると、これらの格差は更に大きいものとなる。 In FIG. 2, for example, the fluctuation range of the coefficient value (1 + λVdd) in the conventional technique is about 10% ((1.4−1.3) / 1) between 3 V and 4 V, which is the use range of the power supply voltage. On the other hand, the fluctuation range of the coefficient value (1−kλVdd) (1 + λVdd) in the present invention is an extremely small value, which is about 3%. As the power supply voltage is used in a wider range, these disparities become even greater.
以上、これまでの説明から判るように、本発明の一実施の形態である図1の高周波電力増幅器モジュールを用いることで、電源電圧の変動によらず一定のバイアス電流を供給することができる。そして、これによって、電源電圧の変動によらず安定した電力増幅特性を得ることができる。なお、図1においては、従来技術である図4での3rd電力増幅部内の構成例を示したが、3rd電力増幅部に限らず、1st,2nd電力増幅部にも同様に適用することができる。 As described above, as can be seen from the above description, by using the high-frequency power amplifier module of FIG. 1 which is an embodiment of the present invention, a constant bias current can be supplied regardless of fluctuations in the power supply voltage. As a result, stable power amplification characteristics can be obtained regardless of fluctuations in the power supply voltage. In FIG. 1, the configuration example in the 3rd power amplification unit in FIG. 4, which is the prior art, is shown, but the present invention is not limited to the 3rd power amplification unit and can be similarly applied to the 1st and 2nd power amplification units. .
また、図1でのMOSトランジスタQN311,QN312,QN31,QN3は、チャネル長を0.3μmとしたが、これらのチャネル長が更に短くなるにつれてチャネル長変調効果がより顕著に表れ、電力増幅特性もより不安定なものとなる。したがって、より短チャネルのMOSトランジスタになる程、本発明による効果がより重要度を増してくると考えられる。 Further, although the MOS transistors QN311, QN312, QN31, and QN3 in FIG. 1 have channel lengths of 0.3 μm, the channel length modulation effect becomes more prominent as the channel lengths become shorter, and the power amplification characteristics are also improved. It becomes more unstable. Accordingly, it is considered that the effect of the present invention becomes more important as the MOS transistor has a shorter channel.
ところで、これまでに説明した本発明の一実施の形態の高周波電力増幅器モジュールは、特に携帯電話機などに適用して有益なものとなる。図3に、本発明の一実施の形態の高周波電力増幅器モジュールを用いた携帯電話機の構成の一例を示す。 By the way, the high-frequency power amplifier module according to the embodiment of the present invention described so far is particularly useful when applied to a mobile phone or the like. FIG. 3 shows an example of the configuration of a mobile phone using the high frequency power amplifier module according to one embodiment of the present invention.
図3に示す携帯電話機は、例えば、信号電波送受信用のアンテナ21と、このアンテナ21につながるアンテナ送受信切換器22と、送受信を制御する機能などを持つベースバンド処理回路23を含むRF(Radio Frequency)リニア回路24と、前述した高周波電力増幅器モジュール(PA:Power Amplifier)25などを含み、送信信号を変調する機能などを持つ送信系回路26と、受信信号を復調する機能などを持つ受信系回路27などから構成される。
The mobile phone shown in FIG. 3 includes, for example, an RF (Radio Frequency) including an antenna 21 for signal radio wave transmission / reception, an antenna transmission /
アンテナ送受信切換器22は、たとえば送信と受信を切り換える送受信切換スイッチ22a、受信側に接続されたコンデンサ22b、送信側に接続されたフィルタ22cなどから構成される。このアンテナ送受信切換器22の送受信切換スイッチ22aは、たとえばベースバンド処理回路23などからの制御信号により送信側、受信側への切り換えが制御される。
The antenna transmission /
ベースバンド処理回路23は、たとえば図示しないDSP(Digital Signal Processor)やマイクロプロセッサ、半導体メモリなどから構成され、送信時に音声信号をベースバンド信号に変換したり、受信時に受信信号を音声信号に変換したり、その他各種制御信号を生成する機能などが設けられている。
The
送信系回路26は、たとえばベースバンド処理回路23に接続され、複数の周波数帯の発振信号を発生するVCO(Voltage Controlled Oscillator)26a、このVCO26aからの発振信号に基づいた搬送波によりIQ信号を変調するミキサ(MIX)26b、RFリニア回路24に接続されたCPU26c、このCPU26cの演算処理に基づき出力フィードバックをかけて電力制御を行うAPC(Automatic Power Control)26d、ミキサ26bからの変調信号に対してAPC26dのフィードバック制御に基づいてゲインを制御するAGC(Automatic Gain Control)26e、このAGC26eからの出力信号を増幅する前述した高周波電力増幅器モジュール25、この高周波電力増幅器モジュール25に接続された出力レベル検出用のカップラ26fなどから構成される。
The
受信系回路27は、たとえばアンテナ送受信切換器22のコンデンサ22bに接続され、受信信号から不要波を除去するフィルタ27a、このフィルタ27aに接続されたLNA(Low Noise Amplifier)27bなどから構成される。
The
携帯電話機における送信時の出力電力は、電波干渉などの問題により基地局との距離に応じて変更する必要がある。このため、APC26dは、AGC26eや高周波電力増幅器モジュール25に対して、出力電力を設定する制御信号Vapcなどを出力する。高周波電力増幅器モジュール25は、この制御信号Vapcに応じてバイアス電流などを設定し、電力増幅を行う。なお、高周波電力増幅器モジュール25の出力変動は、カップラ26fによって検出され、この検出値は、前記APC26dにフィードバックされる。
The output power at the time of transmission in the mobile phone needs to be changed according to the distance from the base station due to problems such as radio wave interference. Therefore, the
このような携帯電話機において、高周波電力増幅器モジュールの電源電圧はバッテリによって供給される。ところが、バッテリの電圧は、充電が行われて以降、時間の経過とともに低下していく傾向にある。従来技術における高周波電力増幅器モジュールでは、このバッテリ電圧の低下とともにバイアス電流が変化し、出力電力にばらつきが発生することが起こり得た。なお、この出力電力のばらつきは、カップラ26fからAPC26dへのフィードバックによってある程度抑制することはできるが、カップラ26fの性能が不十分であったり、APC26dの負担が大きくなったりなどの問題が考えられた。
In such a mobile phone, the power supply voltage of the high frequency power amplifier module is supplied by a battery. However, the battery voltage tends to decrease with time after charging. In the high-frequency power amplifier module in the prior art, it is possible that the bias current changes as the battery voltage decreases, and the output power varies. This variation in output power can be suppressed to some extent by feedback from the
そこで、本発明の一実施の形態の高周波電力増幅器モジュールを用いると、それ自身でバッテリ電圧の変動に対して出力電力を安定させることが可能になるため、このような問題を解決することが可能になる。また、高周波電力増幅器モジュールの一般的な製品仕様の面からも、電源電圧の変動によらず安定したパワー特性を備えることは有益な技術である。 Therefore, when the high-frequency power amplifier module according to the embodiment of the present invention is used, the output power can be stabilized against the fluctuation of the battery voltage by itself, so that such a problem can be solved. become. Also, from the viewpoint of general product specifications of the high-frequency power amplifier module, it is a useful technique to provide stable power characteristics regardless of fluctuations in the power supply voltage.
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。 As mentioned above, the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiment. However, the present invention is not limited to the embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say.
例えば、これまでの説明では、MOSトランジスタのチャネル長変調効果を例に説明をしてきたが、MOSトランジスタに限らず、バイポーラトランジスタのアーリー効果に対しても同様な構成を適用することができる。また、図1に示したような構成は、高周波電力増幅器モジュールに限らず、一般的なカレントミラー回路の電流特性をより安定化させる手法としても適用可能である。 For example, in the description so far, the channel length modulation effect of the MOS transistor has been described as an example, but the same configuration can be applied not only to the MOS transistor but also to the Early effect of the bipolar transistor. Further, the configuration as shown in FIG. 1 is not limited to the high frequency power amplifier module, but can be applied as a method for further stabilizing the current characteristics of a general current mirror circuit.
1,2,3,4 カレントミラー回路
5a,5b,5c 定電流源
21 アンテナ
22 アンテナ送受信切換器
22a 送受信切換スイッチ
22b コンデンサ
22c,27a フィルタ
23 ベースバンド処理回路
24 RFリニア回路
25 PA
26 送信系回路
26a VCO
26b ミキサ
26c CPU
26d APC
26e AGC
26f カップラ
27 受信系回路
27a フィルタ
27b LNA
40 バイアス回路
C1,C2,C3,C4 交流結合コンデンサ
L1,L2,L3 チョークコイル
R 抵抗素子
QN1,QN2,QN3,QN11,QN21,QN31,QN311,QN312,QN313,QN314,QP311,QP312 MOSトランジスタ
Pin,Pin2 信号入力端子
Pout 信号出力端子
1, 2, 3, 4
26
26d APC
26e AGC
40 Bias circuit C1, C2, C3, C4 AC coupling capacitor L1, L2, L3 Choke coil R Resistance element QN1, QN2, QN3, QN11, QN21, QN31, QN311, QN312, QN313, QN314, QP311, QP312 MOS transistor Pin, Pin2 signal input terminal Pout signal output terminal
Claims (5)
前記バイアス電流を供給する手段は、
前記半導体増幅素子との間でカレントミラー回路を構成する第1のトランジスタと、
前記電源電圧の変動に依存しない定電流を発生する手段と、
前記電源電圧の変動によって生じる前記半導体増幅素子でのバイアス電流変動分を補償する第1の電流を発生する手段と、
前記定電流から前記第1の電流を差し引いた第2の電流を前記第1のトランジスタに対して供給する手段とを有し、
前記第2の電流を前記第1のトランジスタに対して供給することで、前記半導体増幅素子に対して前記バイアス電流が供給されることを特徴とする高周波電力増幅器モジュール。 A high-frequency power amplifier module having a semiconductor amplifying element supplied with a power supply voltage and performing power amplification, and means for supplying a bias current to the semiconductor amplifying element;
The means for supplying the bias current comprises:
A first transistor constituting a current mirror circuit with the semiconductor amplifying element;
Means for generating a constant current independent of fluctuations in the power supply voltage;
Means for generating a first current that compensates for a bias current fluctuation in the semiconductor amplifying element caused by fluctuations in the power supply voltage;
Means for supplying a second current obtained by subtracting the first current from the constant current to the first transistor;
The high frequency power amplifier module according to claim 1, wherein the bias current is supplied to the semiconductor amplifying element by supplying the second current to the first transistor.
前記第1の電流を発生する手段は、
前記半導体増幅素子と同一の電流変動特性を有し前記半導体増幅素子と同一の前記電源電圧が供給される第2のトランジスタを含み、前記電源電圧の変動によって生じる前記第2のトランジスタでの電流変動分を抽出し、その抽出した電流変動分に基づいて前記第1の電流を発生することを特徴とする高周波電力増幅器モジュール。 The high frequency power amplifier module according to claim 1,
The means for generating the first current is:
A second transistor having the same current fluctuation characteristic as that of the semiconductor amplifying element and supplied with the same power supply voltage as that of the semiconductor amplifying element, and a current fluctuation in the second transistor caused by the fluctuation of the power supply voltage; A high frequency power amplifier module that extracts a minute and generates the first current based on the extracted current fluctuation.
前記第1の電流を発生する手段は、
カレントミラー回路によって前記第2のトランジスタに前記定電流を供給する機能と、
前記第2のトランジスタに流れる電流から前記定電流を差し引くことで前記電流変動分を抽出する機能と、
前記抽出した前記電流変動分の大きさをカレントミラー回路のサイズ比を用いて調整する機能とを有し、
前記調整した前記電流変動分を前記第1の電流とすることを特徴とする高周波電力増幅器モジュール。 The high frequency power amplifier module according to claim 2,
The means for generating the first current is:
A function of supplying the constant current to the second transistor by a current mirror circuit;
A function of extracting the current fluctuation by subtracting the constant current from the current flowing in the second transistor;
A function of adjusting the size of the extracted current fluctuation using a size ratio of a current mirror circuit;
The high-frequency power amplifier module according to claim 1, wherein the adjusted current fluctuation is the first current.
前記第1の電流を発生する手段は、
第3のトランジスタと前記第2のトランジスタから構成される第1のカレントミラー回路と、
第4のトランジスタと第5のトランジスタから構成される第2のカレントミラー回路と、
第6のトランジスタと第7のトランジスタから構成される第3のカレントミラー回路と、
前記定電流を発生する第1の定電流源および第2の定電流源とを有し、
前記第3のトランジスタは、前記第1の定電流源と接地電位との間に設けられ、前記第2のトランジスタは、第1のノードと前記接地電位との間に設けられ、前記第4のトランジスタは、前記電源電圧と前記第1のノードとの間に設けられ、前記第5のトランジスタは、前記電源電圧と前記第2の定電流源との間に設けられ、前記第6のトランジスタは、前記第5のトランジスタと前記第2の定電流源との間の第2のノードと前記接地電位との間に設けられ、前記第2のノードは、前記第5のトランジスタに流れる電流から前記第2の定電流源による前記定電流を差し引いた電流を前記第6のトランジスタに対して供給し、前記第3のカレントミラー回路によって前記第7のトランジスタから前記第1の電流を発生することを特徴とする高周波電力増幅器モジュール。 The high frequency power amplifier module according to claim 2,
The means for generating the first current is:
A first current mirror circuit composed of a third transistor and the second transistor;
A second current mirror circuit composed of a fourth transistor and a fifth transistor;
A third current mirror circuit composed of a sixth transistor and a seventh transistor;
A first constant current source and a second constant current source for generating the constant current;
The third transistor is provided between the first constant current source and a ground potential, and the second transistor is provided between a first node and the ground potential, and the fourth transistor The transistor is provided between the power supply voltage and the first node, the fifth transistor is provided between the power supply voltage and the second constant current source, and the sixth transistor is , Provided between a second node between the fifth transistor and the second constant current source and the ground potential, the second node from the current flowing through the fifth transistor A current obtained by subtracting the constant current from a second constant current source is supplied to the sixth transistor, and the first current is generated from the seventh transistor by the third current mirror circuit. Characteristic high circumference Power amplifier module.
前記半導体増幅素子は、短チャネルのMOSトランジスタであることを特徴とする高周波電力増幅器モジュール。 The high frequency power amplifier module according to any one of claims 1 to 4,
2. The high frequency power amplifier module according to claim 1, wherein the semiconductor amplifying element is a short channel MOS transistor.
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