JP4614238B2 - Rf電力増幅装置 - Google Patents

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Description

本発明は、基地局との通信を行う携帯電話端末のような通信端末機器中に搭載されるRF送信用のRF電力増幅装置に関し、特にWCDMA方式の1920MHz〜1980MHzの周波数(以下、本願発明ではWCDMA1900と称する)の送信信号と、PCS方式の1850MHz〜1910MHzの周波数の送信信号と、DCS方式の1710MHz〜1785MHzの周波数の送信信号とを1つのRF電力増幅器によって生成するのに有益な技術に関する。
世界中のどんな場所でも無線通信すると言う携帯電話端末等の通信端末機器の能力であるユビキタス・カバレージは、今日現実のものではなく、現在開発が進められている。
下記非特許文献1によれば、これらのモバイルシステムは、GSM(Global System for Mobile Communication)、GPRS(General Packet Radio Service)、EDGE(Enhanced Data for GSM Evolution; Enhanced Data for GPRS)、WCDMA(Wideband Code Division Multiple Access)のセルラーと、例えばIEEE 803.11−b、−a、−g等のネットワーク、例えばブルートゥース、ジグビー等のパーソナルエリアネットワーク等とを含んでいる。これらのシステムの特性は、一定包落線と包落線変化との信号、時分割とコード分割とのマルチプレックス、高(数ワット)から低(マイクロワット)への送信出力電力の広範囲な組み合わせに及んでいる。その結果、マルチモード応用でのRF電力増幅器への要望が、大きくなっている。
一方、下記非特許文献2には、GSM850、GSM900、DCS1800、PCS1900の周波数帯域を含むクワッドバンドを送信するRF電力増幅器モジュールが記載されている。尚、DCSはDigital Cellular Systemの略称、PCSはPersonal Communication Systemの略称である。このRF電力増幅器モジュールは、GSM850とGSM900との第1周波数帯域を持つ第1RF送信入力信号を増幅する第1電力増幅器と、DCS1800とPCS1900との第2周波数帯域を持つ第2RF送信入力信号を増幅する第2電力増幅器とを含んでいる。
GSM850、GSM900、DCS1800、PCS1900の通信では、複数のタイムスロットのそれぞれのタイムスロットを、アイドル状態と、基地局からの受信動作と、基地局への送信動作とのいずれかに時分割で設定可能であるTDMA方式が採用されている。尚、TDMAは、Time-Division Multiple Accessの略称である。このTDMA方式のひとつとして、位相変調のみを使用するGSM方式が知られている。このGSM方式と比較して、通信データ転送レートを改善する方式も知られている。この改善方式として、位相変調とともに振幅変調を使用するEDGE方式も最近注目されている。
一方、EDGE方式と同様に位相変調とともに振幅変調を使用することにより通信データ転送レートを改善したWCDMA方式も、近年注目を受けている。このWCDMA方式ではTDMA方式ではなく、基地局からの受信動作に2110MHz〜2170MHzの周波数を使用する一方、基地局への送信動作に1920MHz〜1980MHzの周波数を使用する周波数分割のCDMA方式が採用されている。尚、CDMAは、Code Division Multiple Accessの略称である。
下記非特許文献3には、WCDMA方式のRF電力増幅器のパワー制御では広い制御レンジと高いリニアリティーとが必要とされるので、RF電力増幅器の入力に可変アッテネータによる可変利得増幅器を接続することが記載されている。
一方、下記特許文献1には、RF電力増幅器をGSM(非線型動作)の最大出力36dBmとEDGE(線型動作)の最大出力29dBmとに対応させるためにデュアルゲート電界効果トランジスタのドレイン寄りの第1ゲートに利得制御電圧を印加してソース寄りの第2ゲートに利得制御電圧をモード切替スイッチにより制御される分圧回路で分圧したバイアス電圧とRF入力信号とを印加することが記載されている。非線型動作のGSMのモードではモード切替スイッチはオンに制御されて、分圧バイアス電圧による浅いバイアス電圧が第2ゲートに印加される。線型動作のEDGEのモードではモード切替スイッチはオフに制御されて、分圧されない利得制御電圧による深いバイアス電圧が第2ゲートに印加される。尚、下記の特許文献に対応する米国特許は、第6,443,639号 明細書である。
さらに、下記の非特許文献4には、MEMS(マイクロエレクトロメカニカルシステム)に基づくRF−MEMS・スイッチが紹介され、このスイッチは優れた高周波特性を示すとともにVLSIと類似の技術で設計され製造されると報告されている。
Earl McCune, "High−Efficiency, Multi−Mode, Multi−Band Terminal Power Amplifiers", IEEE microwave magazine, March 2005, PP.44〜55. Shuyun Zhang et al,"A Novel Power−Amplifier Module for Quad−Band Wireless Handset Applications", IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL.52, No.11, NOVEMBER 2003, PP.2203−2210. Gary Hau et al、"High Efficiency, Wide Dynamic Range Variable Gain and Power Amplifier MMICs for Wide−Band CDMA Handsets", IEEE MICROWAVE AND WIRELESS COMPONENTS LETTERS, VOL.11, No.1, JANUARY 2001, PP.13−15 Elliot R. Brown, "RF−MEMS Switches for Reconfiggurable Integrated Circuits", IEEE Transactions ON MICROWAVE THEORY AND TECHIQUES, VOL.46, NO.11,NOVEMBER 1998,PP.1868−1880, 特開2001−168647号公報
本発明者等は、本発明に先立ってGSM850、GSM900、DCS1800、PCS1900、WCDMA1900の5つの周波数帯域を送信するRF電力増幅器モジュールの開発に従事した。
この本発明に先立って開発されたRF電力増幅器モジュールでは、最大出力35dBmを出力するGSM850とGSM900とのために第1RF電力増幅器が使用され、最大出力33dBmを出力するDCS1800とPCS1900とのために第2RF電力増幅器が使用され、最大出力28〜29dBmを出力するWCDMA1900のために第3RF電力増幅器が使用された。GSM850の送信周波数は824MHz〜849MHzであり、GSM900の送信周波数は880MHz〜915MHzであり、0.8GHz〜1.0GHzの周波数帯域を第1RF電力増幅器がカバーする。また、DCS1800の送信周波数は1710MHz〜1785MHzであり、PCS1900の送信周波数は1850MHz〜1910MHzであり、WCDMA1900の送信周波数は1920MHz〜1980MHzであり、これら3つの方式の1.7GHz〜2.0GHzの周波数帯域を第2RF電力増幅器によって簡単にカバーできると思われるかも知れない。しかし、DCS1800とPCS1900とのためにはRF電力増幅器は最大出力33dBmを出力する必要があり、WCDMA1900のためにはRF電力増幅器は最大出力28〜29dBmを出力する必要がある。このDCS1800、PCS1900とWCDMA1900との最大出力の相違によって、最大出力33dBmを出力するDCS1800とPCS1900とのために第2RF電力増幅器が使用され、最大出力28〜29dBmを出力するWCDMA1900のために第3RF電力増幅器が使用された。
図1は、本発明に先立って開発された5つの周波数帯域をカバーするRF電力増幅器モジュールを搭載した携帯電話端末のシステム構成を示す図である。
同図に示すように、携帯電話のマイクMICの音声信号はベースバンドLSI(BB_LSI)のようなベースバンド信号処理ユニット(BB_SPU)により処理されて送信用ベースバンド信号が、RF集積回路RF_ICの送信信号処理ユニット(Tx_SPU)に供給される。RF集積回路RF_ICは、GSM850とGSM900とDCS1800とPCS1900とにおいて時分割のTDMA方式による受信スロットと送信スロットで受信動作と送信動作とを行い、WCDMA1900では周波数分割のCDMA方式による1920MHz〜1980MHzの送信周波数による常時送信動作と2110MHz〜2170MHzの受信周波数による常時受信動作との並列動作を行う。
携帯電話の受信動作は、次のように行われる。
すなわち、RF集積回路RF_ICの受信信号処理ユニット(Rx_SPU)には、スイッチSW1と第1表面弾性波フィルタSAW1とを介して携帯電話のアンテナANTで受信されたGSM850の受信周波数869MHz〜894MHzのRF受信信号とGSM900の受信周波数925MHz〜960MHzのRF受信信号と、スイッチSW2と第2表面弾性波フィルタSAW2とを介して携帯電話のアンテナANTで受信されたDCS1800の受信周波数1805MHz〜1880MHzのRF受信信号とPCS1900の受信周波数1930MHz〜1990MHzのRF受信信号と、分波器SPLを介して携帯電話のアンテナANTで受信されたWCDMA1900の受信周波数2110MHz〜2170MHzのRF受信信号とが供給される。受信信号処理ユニット(Rx_SPU)は、受信したRF受信信号を受信ベース信号に周波数ダウンコンバージョンして、ベースバンドLSI(BB_LSI)のようなベースバンド信号処理ユニット(BB_SPU)へ供給する。ベースバンド信号処理ユニット(BB_SPU)の信号処理により生成された音声信号は図示しない音声増幅器を介して携帯電話のスピーカーSPに供給される。
携帯電話の送信動作は、次のように行われる。
すなわち、ベースバンド信号処理ユニット(BB_SPU)により処理された送信用ベースバンド信号をRF集積回路RF_ICの送信信号処理ユニット(Tx_SPU)は、送信用ベースバンド信号をGSM850の送信周波数824MHz〜849MHzへ、もしくはGSM900の送信周波数880MHz〜915MHzへ、もしくはDCS1800の送信周波数1710MHz〜1785MHzへ、もしくはPCS1900の送信周波数1850MHz〜1910MHzへ、もしくWCDMA1900の送信周波数1920MHz〜1980MHzのいずれにも周波数アップコンバートを行う。周波数アップコンバートされたRF送信信号は、最大出力35dBmを出力するGSM850とGSM900とのための第1RF電力増幅器HPA1、最大出力33dBmを出力するDCS1800とPCS1900とのための第2RF電力増幅器HPA2、最大出力28〜29dBmを出力するWCDMA1900のための第3RF電力増幅器HPA3のいずれかで増幅されてアンテナスイッチのスイッチSW1、SW2もしくは分波器SPLを介して携帯電話のアンテナANTに供給される。
尚、最大出力35dBmを出力するGSM850とGSM900とのための第1RF電力増幅器HPA1と最大出力33dBmを出力するDCS1800とPCS1900とのための第2RF電力増幅器HPA2とは、クワッドバンドをカバーするRF電力増幅器モジュールRF_PAM1として構成される一方、最大出力28〜29dBmを出力するWCDMA1900のための第3RF電力増幅器HPA3はWCDMAをカバーするRF電力増幅器モジュールRF_PAM2として構成されている。
しかしながら、本発明に先立って開発された5つの周波数帯域をカバーするRF電力増幅器モジュールでは、3個の電力増幅器が使用されていたので、部品コストが高いとともに携帯電話端末内部のマザーボードの占有面積が大きいと言う問題が明らかとされた。
従って、本発明の目的とするところは、GSM850とGSM900とDCS1800とPCS1900とWCDMA1900との少なくとも5つのRF送信周波数を送信するRF電力増幅器モジュールにおいて、使用する電力増幅器の個数を低減するとともに携帯電話端末内部のマザーボードの占有面積を軽減することにある。
一方、GSM850とGSM900とDCS1800とPCS1900では、TDMA方式において送信スロットから受信スロットもしくはアイドル状態のスロットに移行する際に送信電力をGSMマスクと呼ばれるプロファイルでランプダウンする一方、受信スロットもしくはアイドル状態のスロットから送信スロットに移行する際に送信電力をGSMマスクと呼ばれるプロファイルでランプアップする必要がある。図8はGSM規格で定められた送信電力のランプダウンを示す図であり、図9はGSM規格で定められた送信電力のランプアップを示す図である。図8では送信電力のランプダウン特性L3は破線L1と破線L2との間に存在する必要があり、図9では送信電力のランプアップ特性L3は破線L1と破線L2との間に存在する必要がある。この送信電力のランプダウン特性と送信電力のランプアップ特性とがGSM規格を満足しないと、GSMで採用されているGMSK(Gaussian minimum-shift keying)のRF送信信号の周波数スペクトラムを満足することができない。規定のRF送信信号の周波数スペクトラムを満足できないと、不所望な隣接妨害信号レベルを十分抑圧できなくなる。
図10は、GMSKの規格により規定された携帯電話端末機器のRF送信信号の周波数スペクトラムを示し、太い実線PSDがGMSKの規格によって規定されたレベルである。中心周波数(RF送信周波数)の近傍±200KHzでの減衰量は−30dBm以下とされ、中心周波数(RF送信周波数)の近傍±400KHzでの減衰量は−60dBm以下とされている。細い実線は、この規格を満足する例を示している。
一方、上述のTDMAでのランプアップとランプダウンのためには、第2RF電力増幅器の多段増幅器の入力側増幅器と出力側増幅器との入力バイアス電圧を利得制御電圧の変化に高速に応答させるためバイアス回路と入力側増幅器の入力との間およびバイアス回路と出力側増幅器との入力との間に高駆動能力のボルテージフォロワーを接続する必要がある。一方、GSM850とGSM900とDCS1800とPCS1900ではRF電力増幅器の帯域幅は0.2MHzと狭帯域であるのに対して、WCDMA1900ではRF電力増幅器の帯域幅は3.84MHzと極めて広い帯域が必要である。しかし、上記の低送信出力モードの第2RF電力増幅器がWCDMA1900のRF送信信号を増幅する際に、ボルテージフォロワーの内部増幅器の出力雑音がWCDMA1900の低送信出力モードの第2RF電力増幅器の3.84MHzの広帯域特性によって増幅されてしまうと言う問題点も本発明者等の検討により明らかとされた。
従って、本発明の他の目的とするところは、GSM850とGSM900とDCS1800とPCS1900の高送信出力モードとWCDMA1900の低送信出力モードとの切り換えを第2RF電力増幅器の多段増幅器の入力側増幅器の利得切り換えで実行するに際して、GSM規格で定められたランプアップとランプダウンとのため入力バイアス電圧の高速制御と広帯域WCDMA1900の送信出力の雑音低減とを両立することにある。
本発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴とは、本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。
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、下記の通りである。
上記目的を達成するための本発明の基本的技術思想によれば、使用する電力増幅器の個数を低減するために、DCS1800の送信周波数1710MHz〜1785MHzと、PCS1900の送信周波数1850MHz〜1910MHzと、WCDMA1900の送信周波数1920MHz〜1980MHzとを共通の第2RF電力増幅器によって送信する。DCS1800とPCS1900では第2RF電力増幅器の送信出力を33dBmの高送信出力モードとする一方、WCDMA1900では第2RF電力増幅器の送信出力を28〜29dBmの低送信出力モードとする。本発明の基本的技術思想では、この高送信出力モードと低送信出力モードとの切り換えを、第2RF電力増幅器の多段増幅器の入力側増幅器の利得切り換えで実行する。もし、高送信出力モードと低送信出力モードとの切り換えを第2RF電力増幅器の多段増幅器の出力側増幅器の利得切り換えで実行するならば、多段増幅器の出力側増幅器の入力ダイナミックレンジに対して多段増幅器の入力側増幅器の出力が過大となって、WCDMA方式の送信で重要なリニアリティーが劣化する危険がある。このWCDMA方式の送信でのリニアリティー特性から、本発明の基本的技術思想による第2RF電力増幅器の多段増幅器の入力側増幅器の利得切り換えは有益である。
更に、本発明のひとつの形態によるRF電力増幅装置(RF_PAM1)は、GSM850とGSM900との第1RF送信入力信号(Pin_LB)を増幅する第1電力増幅器(HPA1)と、DCS1800とPCS1900とWCDMA1900との第2RF送信入力信号(Pin_HB)を増幅する第2電力増幅器(HPA2)とを具備する。
前記第1電力増幅器(HPA1)は、少なくとも第1入力側増幅器(1st_Stg_LB)と第1出力側増幅器(2nd_Stg_LB)とを含む第1多段増幅器で構成される。
前記第2電力増幅器(HPA2)は、少なくとも第2入力側増幅器(1st_Stg_HB)と第2出力側増幅器(2nd_Stg_HB)とを含む第2多段増幅器で構成される。
前記第2電力増幅器(HPA2)が前記WCDMA1900の前記第2RF送信入力信号(Pin_HB)を増幅する際に、所定の信号(ハイレベル)のモード信号(MODE)に応答して前記第2多段増幅器の前記第2入力側増幅器(1st_Stg_HB)の利得は低利得に設定される。
前記第2電力増幅器(HPA2)には前記DCS1800と前記PCS1900のいずれかの前記第2RF送信入力信号(Pin_HB)を増幅する際に、前記モード信号(MODE)が前記所定の信号と異なる信号(ローレベル)とされることに応答して、前記第2多段増幅器の前記第2入力側増幅器(1st_Stg_HB)の前記利得は前記低利得よりも高い高利得に設定される(図1、図2参照)。
本発明の前記ひとつの形態による手段によれば、下記の動作により当初の目的を達成することができる。
DCS1800とPCS1900とのための高い最大出力33dBmは前記第2多段増幅器の前記第2入力側増幅器(1st_Stg_HB)の高利得により実現することができ(図6の特性L1、L3参照)、WCDMA1900のためには低い最大出力28〜29dBmは前記第2多段増幅器の前記第2入力側増幅器(1st_Stg_HB)の低利得により実現することができる(図7の特性L2、L4参照)。
本発明のひとつの好適な形態によるRF電力増幅装置(RF_PAM1)では、前記第1電力増幅器(HPA1)の前記第1多段増幅器(1st_Stg_LB、2nd_Stg_LB)には第1ボルテージフォロワ(VF11、VF12)を含む第1バイアス回路(1st_BC_LB、2nd_BC_LB)が接続され、前記第2電力増幅器(HPA2)の前記第2多段増幅器(1st_Stg_HB、2nd_Stg_HB)には第2ボルテージフォロワ(VF21、VF22)を含む第2バイアス回路(1st_BC_HB、2nd_BC_HB)が接続される。
前記第1電力増幅器(HPA1)による前記GSM850もしくは前記GSM900のいずれかのGSM送信でのTDMA方式のランプアップおよびランプダウンのため、利得制御信号(Vramp)のレベルに応答して前記第1バイアス回路(1st_BC_LB、2nd_BC_LB)は前記第1ボルテージフォロワ(VF11、VF12)を用いることにより前記第1電力増幅器(HPA1)の前記第1多段増幅器(1st_Stg_LB、2nd_Stg_LB)の増幅素子(Q11、Q12)の入力電極に供給されるバイアス電圧のレベルを制御するものである。
前記第2電力増幅器(HPA2)による前記WCDMA1900の送信に際して、前記所定の信号(ハイレベル)の前記モード信号(MODE)に応答して前記第2バイアス回路(1st_BC_HB、2nd_BC_HB)の前記第2ボルテージフォロワ(VF21、VF22)は非活性状態に制御され、利得制御信号(Vramp)のレベルに応答して前記第2バイアス回路(1st_BC_HB、2nd_BC_HB)は前記第2電力増幅器(HPA2)の前記第2多段増幅器(1st_Stg_HB、2nd_Stg_HB)の増幅素子(Q21、Q22)の入力電極に供給されるバイアス電圧のレベルを制御するものである。
前記第2電力増幅器(HPA2)による前記DCS1800もしくは前記PCS1900のいずれかのGSM送信でのTDMA方式のランプアップおよびランプダウンのため、前記異なる信号(ローレベル)の前記モード信号(MODE)に応答して前記第2バイアス回路(1st_BC_HB、2nd_BC_HB)の前記第2ボルテージフォロワ(VF21、VF22)は活性状態に制御され、利得制御信号(Vramp)のレベルに応答して前記第2バイアス回路(1st_BC_HB、2nd_BC_HB)は前記活性状態に制御された前記第2ボルテージフォロワ(VF21、VF22)を用いることにより前記第2電力増幅器(HPA2)の前記第2多段増幅器(1st_Stg_HB、2nd_Stg_HB)の前記増幅素子(Q21、Q22)の前記入力電極に供給されるバイアス電圧のレベルを制御するものである。
本発明の前記ひとつの形態による手段によれば、前記第2電力増幅器(HPA2)が前記WCDMA1900の前記第2RF送信入力信号(Pin_HB)を増幅する際に、前記第2電力増幅器(HPA2)の前記第2バイアス回路(1st_BC_HB、2nd_BC_HB)の前記第2ボルテージフォロワ(VF21、VF22)は非活性状態に制御されるので、前記第2ボルテージフォロワ(VF21、VF22)の出力雑音が第2RF電力増幅器の広帯域特性によって増幅されることがなく、雑音特性を改善することができる(図3参照)。
本発明のひとつの好適な形態によるRF電力増幅装置(RF_PAM1)では、前記第1電力増幅器(HPA1)は、前記第1多段増幅器の前記第1入力側増幅器(1st_Stg_LB)のための第1入力側バイアス回路(1st_BC_LB)と、第1入力側ボルテージフォロワ(VF11)とを更に含む。前記第1入力側バイアス回路(1st_BC_LB)は、GSM通信でのTDMA方式でのランプアップおよびランプダウンのための利得制御信号(Vapc)のレベルに応答して変化する第1入力側バイアス電圧を発生する。前記第1入力側バイアス回路(1st_BC_LB)から発生された前記第1入力側バイアス電圧は、前記第1入力側ボルテージフォロワ(VF11)を介して、前記第1電力増幅器(HPA1)の前記第1多段増幅器の前記第1入力側増幅器(1st_Stg_LB)の第1入力側増幅素子(Q11)の入力電極に供給される。前記第2電力増幅器(HPA2)は、前記第2多段増幅器の前記第2入力側増幅器(1st_Stg_HB)のための第2入力側バイアス回路(1st_BC_HB)と、第2入力側ボルテージフォロワ(VF21)とを更に含む。前記第2入力側バイアス回路(1st_BC_HB)は、GSM通信でのTDMA方式でのランプアップおよびランプダウンのための利得制御信号(Vapc)のレベルに応答して変化する第2入力側バイアス電圧を発生する。前記第2入力側バイアス回路(1st_BC_HB)から発生された前記第2入力側バイアス電圧は、前記第2入力側ボルテージフォロワ(VF21)を介して、前記第2電力増幅器(HPA2)の前記第2多段増幅器の前記第2入力側増幅器(1st_Stg_HB)の第2入力側増幅素子(Q21)の入力電極に供給される。前記第2電力増幅器(HPA2)が前記WCDMA1900の前記第2RF送信入力信号(Pin_HB)を増幅する際に、前記所定の信号(ハイレベル)の前記モード信号(MODE)に応答して前記第2電力増幅器(HPA2)の前記第2入力側ボルテージフォロワ(VF21)は非活性状態に制御され、当該非活性状態に制御された前記第2入力側ボルテージフォロワ(VF21)をバイパスして前記第2入力側バイアス回路(1st_BC_HB)から発生された前記第2入力側バイアス電圧が前記第2入力側増幅素子(Q21)の入力電極に供給される(図3参照)。
本発明の前記ひとつの形態による手段によれば、前記第2電力増幅器(HPA2)が前記WCDMA1900の前記第2RF送信入力信号(Pin_HB)を増幅する際に、前記第2電力増幅器(HPA2)の前記第2入力側ボルテージフォロワ(VF21)は非活性状態に制御されるので、前記第2入力側ボルテージフォロワ(VF21)の出力雑音が第2RF電力増幅器の広帯域特性によって増幅されることがなく、雑音特性を改善することができる。
本発明のより好適な形態によるRF電力増幅装置(RF_PAM1)では、前記第1電力増幅器(HPA1)は、前記第1多段増幅器の前記第1出力側増幅器(2nd_Stg_LB)のための第1出力側バイアス回路(2nd_BC_LB)と、第1出力側ボルテージフォロワ(VF12)とを更に含む。前記第1出力側バイアス回路(2nd_BC_LB)は、GSM通信でのTDMA方式でのランプアップおよびランプダウンのための利得制御信号(Vapc)のレベルに応答して変化する第1出力側バイアス電圧を発生する。前記第1出力側バイアス回路(2nd_BC_LB)から発生された前記第1出力側バイアス電圧は、前記第1出力側ボルテージフォロワ(VF12)を介して、前記第1電力増幅器(HPA1)の前記第1多段増幅器の前記第1出力側増幅器(2nd_Stg_LB)の第1出力側増幅素子(Q12)の入力電極に供給される。前記第2電力増幅器(HPA2)は、前記第2多段増幅器の前記第2出力側増幅器(2nd_Stg)のための第2出力側バイアス回路(2nd_BC_HB)と、第2出力側ボルテージフォロワ(VF22_HB)とを更に含む。前記第2出力側バイアス回路(2nd_BC_HB)は、GSM通信でのTDMA方式でのランプアップおよびランプダウンのための利得制御信号(Vapc)のレベルに応答して変化する第2出力側バイアス電圧を発生する。前記第2出力側バイアス回路(2nd_BC_HB)から発生された前記第2出力側バイアス電圧は、前記第2出力側ボルテージフォロワ(VF22)を介して、前記第2電力増幅器(HPA2)の前記第2多段増幅器の前記第2出力側増幅器(2nd_Stg_HB)の第2出力側増幅素子(Q22)の入力電極に供給される。前記第2電力増幅器(HPA2)が前記WCDMA1900の前記第2RF送信入力信号(Pin_HB)を増幅する際に、前記所定の信号(ハイレベル)の前記モード信号(MODE)に応答して前記第2電力増幅器(HPA2)の前記第2出力側ボルテージフォロワ(VF22)は非活性状態に制御され、当該非活性状態に制御された前記第2出力側ボルテージフォロワ(VF22)をバイパスして前記第2出力側バイアス回路(2nd_BC_HB)から発生された前記第2出力側バイアス電圧が前記第2出力側増幅素子(Q22)の入力電極に供給される(図3参照)。
本発明の前記より好適な形態による手段によれば、前記第2電力増幅器(HPA2)が前記WCDMA1900の前記第2RF送信入力信号(Pin_HB)を増幅する際に、前記第2電力増幅器(HPA2)の前記第2出力側ボルテージフォロワ(VF22)は非活性状態に制御されるので、前記第2出力側ボルテージフォロワ(VF22)の出力雑音が第2RF電力増幅器の広帯域特性によって増幅されることがなく、雑音特性を改善することができる。
本発明のひとつの具体的な形態によるRF電力増幅装置(RF_PAM1)では、前記第2RF送信入力信号(Pin_HB)の周波数は前記第1RF送信入力信号(Pin_LB)の周波数の略2倍に設定され、前記第1電力増幅器(HPA1)は前記第1RF送信入力信号(Pin_LB)の2倍高調波を接地電位点にバイパスする高調波トラップ回路(HTC;L101、C101)を含む(図3参照)。
本発明のひとつの具体的な形態によるRF電力増幅装置(RF_PAM1)では、前記第2電力増幅器(HPA2)の前記第2多段増幅器の前記第2入力側増幅器(1st_Stg_HB)は負帰還増幅器で構成され、前記モード信号(MODE)が前記所定の信号(ハイレベル)の際の前記負帰還増幅器で構成された前記第2入力側増幅器(1st_Stg_HB)の負帰還量が、前記モード信号(MODE)が前記異なる信号(ローレベル)の際の前記負帰還増幅器で構成された前記第2入力側増幅器(1st_Stg_HB)の負帰還量よりも大きく設定される。
本発明の前記ひとつの具体的な形態による手段によれば、前記第2電力増幅器(HPA2)が前記WCDMA1900の前記第2RF送信入力信号(Pin_HB)を増幅する際に、前記負帰還増幅器で構成された前記第2入力側増幅器(1st_Stg_HB)の前記負帰還量が大きく設定されるので、前記第2電力増幅器(HPA2)の前記第2入力側増幅器(1st_Stg_HB)を低利得とすることができる。また、この際に負帰還量が大きく設定されているので、WCDMA方式のRF送信に好適な高いリニアリティーの特性を得ることができる。
本発明の他のひとつの具体的な形態によるRF電力増幅装置(RF_PAM1)では、前記第2電力増幅器(HPA2)の前記第2多段増幅器の前記第2入力側増幅器(1st_Stg_HB)は前記第2入力側増幅素子(Q21)の出力電極と入力電極との間に接続された負帰還可変抵抗(R23、R24、SW20)とを含む。前記モード信号(MODE)が前記所定の信号(ハイレベル)の際に、前記負帰還可変抵抗(R23、R24、SW20)の抵抗は低抵抗に制御され、前記モード信号(MODE)が前記異なる信号(ローレベル)の際に、前記負帰還可変抵抗(R23、R24、SW20)の前記抵抗は前記低抵抗よりも高い高抵抗に制御される(図3参照)。
本発明の他のひとつの具体的な形態によるRF電力増幅装置(RF_PAM1)では、前記第2電力増幅器(HPA2)の前記第2多段増幅器の前記第2入力側増幅器(1st_Stg_HB)は前記第2入力側増幅素子(Q21A)の出力電極と負荷素子(L21)との間に接続された制御増幅素子(Q21B)を更に含み、当該制御増幅素子(Q21B)の入力電極には利得制御電圧(V、V)が印加される。前記第2電力増幅器(HPA2)が前記DCS1800または前記PCS1900のいずれかの前記第2RF送信入力信号(Pin_HB)を増幅する際には前記利得制御電圧が高レベル(V)に設定され、前記第2電力増幅器(HPA2)が前記WCDMA1900の前記第2RF送信入力信号(Pin_HB)を増幅する際には前記利得制御電圧が前記高レベル(V)よりも低い低レベル(V)に設定される(図4参照)。
本発明の前記ひとつの具体的な形態による手段によれば、前記第2電力増幅器(HPA2)が前記WCDMA1900の前記第2RF送信入力信号(Pin_HB)を増幅する際に、前記第2入力側増幅器(1st_Stg_HB)の前記制御増幅素子(Q21B)の増幅率が低下されるので、前記第2電力増幅器(HPA2)の前記第2入力側増幅器(1st_Stg_HB)を低利得とすることができる。また、この際にソース接地もしくはエミッタ接地の前記第2入力側増幅素子(Q21A)とカスケード接続の前記制御増幅素子(Q21B)はゲート接地もしくはベース接地の素子として動作するので、WCDMA方式のRF送信に好適な高い周波数特性を得ることができる。
本発明の他のひとつの具体的な形態によるRF電力増幅装置(RF_PAM1)では、前記第1電力増幅器(HPA1)と前記第2電力増幅器(HPA2)の前記第1入力側増幅素子(Q11)と前記第2入力側増幅素子(Q21)と前記第1出力側増幅素子(Q12)と前記第2出力側増幅素子(Q22)とは、電界効果トランジスタである。
本発明の更に具体的な形態によるRF電力増幅装置では、前記電界効果トランジスタはLDMOSである。
本発明の他のひとつの具体的な形態によるRF電力増幅装置(RF_PAM1)では、前記第1電力増幅器(HPA1)と前記第2電力増幅器(HPA2)の前記第1入力側増幅素子(Q11)と前記第2入力側増幅素子(Q21)と前記第1出力側増幅素子(Q12)と前記第2出力側増幅素子(Q22)とは、バイポーラトランジスタである。
本発明の更に具体的な形態によるRF電力増幅装置では、前記バイポーラトランジスタはヘテロ接合型である。
本発明の最も更に具体的な形態によるRF電力増幅装置(RF_PAM1)では、前記第1電力増幅器(HPA1)と、前記第2電力増幅器(HPA2)と、前記第1電力増幅器(HPA1)と前記第2電力増幅器(HPA2)の送信出力レベルを検出するパワー検出器(DET)とは、RFパワーモジュールのパッケージに搭載されている(図12参照)。
更に、本発明の他のひとつの形態によるRF電力増幅装置(RF_PAM1)は、略0.8GHzから1.0GHzの第1周波数帯域を持ちTDMA方式の第1RF送信入力信号を増幅する第1電力増幅器(HPA1)と、略1.7GHzから2.0GHzの第2周波数帯域を持つTDMA方式の第2RF送信入力信号と略1.7GHzから2.0GHzの第3周波数帯域を持つWCDMA方式の第3RF送信入力信号とを増幅する第2電力増幅器(HPA2)とを具備する。
前記第1電力増幅器(HPA1)は、少なくとも第1入力側増幅器(1st_Stg_LB)と第1出力側増幅器(2nd_Stg_LB)とを含む第1多段増幅器で構成される。
前記第2電力増幅器(HPA2)は、少なくとも第2入力側増幅器(1st_Stg_HB)と第2出力側増幅器(2nd_Stg_HB)とを含む第2多段増幅器で構成される。
前記第2電力増幅器(HPA2)が前記WCDMA方式の前記第3RF送信入力信号を増幅する際に、所定の信号(ハイレベル)のモード信号(MODE)に応答して前記第2多段増幅器の前記第2入力側増幅器(1st_Stg_HB)の利得は低利得に設定される。
前記第2電力増幅器(HPA2)には前記TDMA方式の前記第2RF送信入力信号を増幅する際に前記モード信号(MODE)は前記所定の信号と異なる信号(ローレベル)とされることにより、前記第2多段増幅器の前記第2入力側増幅器(1st_Stg_HB)の前記利得は前記低利得よりも高い高利得に設定される(図1、図2参照)。
本発明の前記他のひとつの形態による手段によれば、下記の動作によって当初の目的を達成することができる。
前記TDMA方式の前記第2RF送信入力信号のための高い最大出力33dBmは前記多段増幅器の前記入力側増幅器(1st_Stg_HB)の高利得により実現することができ(図6の特性L1、L3参照)、前記WCDMA方式の前記第3RF送信入力信号のための低い最大出力28〜29dBmは前記多段増幅器の前記入力側増幅器(1st_Stg_HB)の低利得により実現することができる(図7の特性L2、L4参照)。
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、下記の通りである。
すなわち、本発明によれば、GSM850とGSM900とDCS1800とPCS1900とWCDMA1900との少なくとも5つのRF送信周波数を送信するRF電力増幅器モジュールにおいて、使用する電力増幅器の個数を低減するとともに携帯電話端末内部のマザーボードの占有面積を軽減することができる。
また、本発明によれば、GSM850とGSM900とDCS1800とPCS1900の高送信出力モードとWCDMA1900の低送信出力モードとの切り換えを第2RF電力増幅器の多段増幅器の入力側増幅器の利得切り換えで実行するに際して、GSM規格で定められたランプアップとランプダウンとのため入力バイアス電圧の高速制御と、より広帯域のWCDMA方式の送信出力の雑音低減とを両立することも可能である。
≪携帯電話の構成≫
図2は、本発明の1つの実施形態によるRF電力増幅装置RF_PAM1を搭載した基地局との通信を行う携帯電話のシステム構成を示す図である。
図1に示した本発明に先立って開発された携帯電話のシステム構成と比較すると、図2に示した携帯電話のシステム構成では、最大出力35dBmを出力するGSM850とGSM900とのための第1RF電力増幅器HPA1と、最大出力33dBmを出力するDCS1800とPCS1900と最大出力28〜29dBmを出力するWCDMA1900とのための第2RF電力増幅器HPA2との2個のRF電力増幅器のみで構成された1個のRFパワーモジュールRF_PAM1で5つのバンドをカバーすることが可能となる。従って、図1と比較すると、RF電力増幅器の数は3個から2個に削減され、RFパワーモジュールは2個から1個に削減されて、部品コストと携帯電話端末内部のマザーボートの占有面積とが削減されることができる。
≪RFパワーモジュールの構成≫
図3は、本発明の1つの実施形態によるRF電力増幅装置を示す回路図である。
同図に示すように本発明の1つの実施形態によるRF電力増幅装置は、1つのパッケージ中に組み込まれたRFパワーモジュールRF_PAM1として構成されている。
携帯電話端末のような通信端末機器中に搭載されるRF送受信アナログ信号処理集積回路(以下、RF ICと言う)からのGSM850とGSM900の略0.8GHz〜1.0GHzの第1周波数帯域を持つ第1RF送信入力信号Pin_LBと、DCS1800とPCS1900とWCDMA1900との略1.7GHz〜2.0GHzの第2周波数帯域を持つ第2RF送信入力信号Pin_HBとが、RFパワーモジュールRF_PAM1の第1RF電力増幅器HPA1と第2RF電力増幅器HPA2とにそれぞれ供給される。
GSM850のバンドのRF送信信号とGSM900のバンドのRF送信信号とは第1周波数帯域を持つ第1RF送信入力信号Pin_LBとして、第1RF電力増幅器HPA1の入力に供給される。尚、GSM850のバンドのRF送信信号の周波数帯域は824MHz〜849MHzで、GSM900のバンドのRF送信信号の周波数帯域は880MHz〜915MHzである。
DCS1800のバンドのRF送信信号とPCS1900のバンドのRF送信信号とは第2周波数帯域を持つ第2RF送信入力信号Pin_HBとして、第2RF電力増幅器HPA2の入力に供給される。また、WCDMA1900のバンドのRF送信信号も第2RF送信入力信号Pin_HBとして、第2RF電力増幅器HPA2の入力に供給されることもできる。尚、DCS1800のバンドのRF送信信号の周波数帯域は1710MHz〜1785MHzで、PCS1900のバンドのRF送信信号の周波数帯域は1850MHz〜1910MHzで、WCDMA1900のバンドのRF送信信号の周波数帯域は1920MHz〜1980MHzである。
図3に示したRF電力増幅装置RF_PAM1では、2つの第1RF電力増幅器HPA1と第2RF電力増幅器HPA2の基本的な増幅器としての構成は略同一となっている。
第1RF電力増幅器HPA1では、第1RF送信入力信号Pin_LBは結合容量C11を介して多段増幅器の入力側増幅器1st_StgのRF増幅素子Q11で増幅され、入力側増幅器1st_Stg_LBのRF増幅信号は高調波トラップ回路HTCと結合容量C12とを介して多段増幅器の出力側増幅器2nd_Stg_LBのRF増幅素子Q12で増幅されて、RF増幅素子Q12の出力より第1RF送信出力信号Pout_LBが得られる。入力側増幅器1st_Stg_LBのRF増幅素子Q11の出力電極には負荷素子としてのインダクターL11を介して、出力側増幅器2nd_StgLBのRF増幅素子Q12の出力電極には負荷素子としてのインダクターL12を介して動作電源電圧VLVDO_LBがAPC動作電源電圧供給制御回路APC_Pw_Spl_Cnt_LBから供給される。入力側増幅器1st_StgのRF増幅素子Q11の入力電極には内部増幅器OP11により構成された入力側ボルテージフォロワVF11を介して入力側バイアス回路1st_BC_LBで形成されたバイアス電圧が供給される。この入力側バイアス回路1st_BC_LBの入力バイアス電流I11は、APCバイアス制御回路APC_Bias_Cnt_LBの定電流素子Q31の出力電極から供給される。出力側増幅器2nd_Stg_LBのRF増幅素子Q12の入力電極には内部増幅器OP12により構成された出力側ボルテージフォロワVF12を介して出力側バイアス回路2nd_BC_LBで形成されたバイアス電圧が供給される。この出力側バイアス回路2nd_BCの入力バイアス電流I12は、APCバイアス制御回路APC_Bias_Cnt_LBの定電流素子Q32の出力電極から供給される。尚、ボルテージフォロワVF11、VF12は内部増幅器OP11、OP12により構成されているが、回路構成の簡単なソースフォロワやエミッタフォロワに置換することが可能である。
APCバイアス制御回路APC_Bias_Cnt_LBでは、第1RF送信出力信号Pout_LBの一部がパワーカップラーPCPL_LBとパワー検出器DET_LBとによって検出され、このパワー検出出力信号VDET_LBが第1差動増幅器DA1の反転入力端子−に供給される一方、第1差動増幅器DA1の非反転入力端子+にはランプ電圧Vrampが供給される。ランプ電圧VrampはベースバンドLSIのようなベースバンド信号処理ユニットからRF ICを介してRF電力増幅器に供給されるものであり、基地局と携帯電話端末との距離に比例したり、EDGE方式でのAM変調振幅に比例する送信電力指示信号である。第1差動増幅器DA1の出力端子のAPC(Automatic Power Control)制御電圧Vapcは第2差動増幅器DA2の反転入力端子−に供給される一方、第2差動増幅器DA2の非反転入力端子+にはオフセット電圧Voffsetが供給される。オフセット電圧Voffsetは、オフセット電流Ioffsetが抵抗R31に流れることにより発生される。パワー検出出力信号VDET_LBがランプ電圧Vrampよりも低レベルであると、APC制御電圧Vapcが高レベルとなる。APC制御電圧Vapcがオフセット電圧Voffsetのレベルよりも高くなると、第2差動増幅器DA2の出力電圧は低レベルとなる。すると、P−MOS Q30のドレイン電圧と第2差動増幅器DA2の非反転入力端子+の電圧とは、APC制御電圧Vapcのレベルに追従して増加する。すると、P−MOS Q30と抵抗R31とに流れる電流が増加する。また、P−MOS Q31のドレインからの電流I11も、P−MOS Q32のドレインからの電流I12も増加する。これらの電流I11、電流I12は、それぞれ入力側バイアス回路1st_BC_LBの電流源I11、出力側バイアス回路2nd_BCの電流源I12となっている。従って、パワー検出出力信号VDET_LBがランプ電圧Vrampよりも低レベルであると、入力側増幅器1st_Stg_LBのRF増幅素子Q11の入力端子のバイアス電圧と出力側増幅器2nd_Stg_LBの次段RF増幅素子Q12の入力端子のバイアス電圧とが増加する。その結果、第1RF電力増幅器HPA1の入力側増幅器1st_Stg_LBと出力側増幅器2nd_Stg_LBとの全てのRF増幅利得が増加する。
また、APC電源供給制御回路APC_Pw_Spl_Cnt_LBでは、APCバイアス制御回路APC_Bias_Cnt_LBの第1差動増幅器DA1の出力端子からのAPC制御電圧Vapcが第3差動増幅器DA3の反転入力端子−に供給され、非反転入力端子+にはP−MOS Q33と分圧抵抗R32、R33からの負帰還信号が供給されている。P−MOS Q33のソースに携帯電話端末のバッテリーからの電源電圧Vddが供給されることによって、APC電源供給制御回路APC_Pw_Spl_Cnt_LBはAPC制御電圧Vapcのレベルに追従する動作電源電圧VLVDO_LBを第1RF電力増幅器HPA1に供給する。その結果、APC入力バイアス制御とAPC電源電圧制御とにより、更に効果的なAPC制御が行われる。このAPCドレイン電源電圧制御は、GSM850とGSM900の通信で通信転送レートの高いEDGE方式でのAM変調を第1RF電力増幅器HPA1が実行する際に有効なAM変調のための方法となる。
また、図3のRF電力増幅装置RF_PAM1では、GSM850とGSM900のための第1RF電力増幅器HPA1の入力側増幅器Ist_Stg_LBのソース接地のN−MOS Q11のドレインには、インダクターL101、容量C101で構成された高調波トラップ回路HTCが接続されている。高調波トラップ回路HTCのインダクターL101、容量C101の直列共振周波数はGSM850、GSM900のRF送信入力信号RFPin_LBの周波数の2倍高調波の周波数(1700MHz〜1800MHz)に略共振するように設定されている。その結果、第1RF電力増幅器HPA1のソース接地のN−MOS Q11のドレインの2倍高調波は高調波トラップ回路HTCのインダクターL101、容量C101の極めて低い直列共振インピーダンスを介して接地電位点にバイパスされる。第1RF電力増幅器HPA1のソース接地のN−MOS Q11のドレインに接続された高調波トラップ回路HTCは、GSM850、GSM900のRF送信入力信号RFPin_LBの周波数の2倍高調波が妨害信号となってDCS1800とPCS1900のRF送信入力信号RFPin_HBを増幅する第2RF電力増幅器HPA2のN−MOS Q21、Q22に影響するのを低減する。
第2RF電力増幅器HPA2では、第2RF送信入力信号Pin_HBは結合容量C21を介して多段増幅器の入力側増幅器1st_Stg_HBのRF増幅素子Q21で増幅され、入力側増幅器1st_Stg_HBのRF増幅信号は結合容量C22とを介して多段増幅器の出力側増幅器2nd_Stg_HBのRF増幅素子Q22で増幅されて、RF増幅素子Q22の出力より第2RF送信出力信号Pout_HBが得られる。入力側増幅器1st_Stg_HBのRF増幅素子Q21の出力電極には負荷素子としてのインダクターL21を介して、出力側増幅器2nd_Stg_HBのRF増幅素子Q22の出力電極には負荷素子としてのインダクターL22を介して動作電源電圧VLVDO_HBがAPC動作電源電圧供給制御回路APC_Pw_Spl_Cnt_HBから供給される。入力側増幅器1st_Stg_HBのRF増幅素子Q21の入力電極には内部増幅器OP21により構成された入力側ボルテージフォロワVF21を介して入力側バイアス回路1st_BC_HBで形成されたバイアス電圧が供給される。この入力側バイアス回路1st_BC_HBの入力バイアス電流I21は、APCバイアス制御回路APC_Bias_Cnt_HBの定電流素子Q31の出力電極から供給される。出力側増幅器2nd_Stg_HBのRF増幅素子Q22の入力電極には内部増幅器OP22により構成された出力側ボルテージフォロワVF22を介して出力側バイアス回路2nd_BC_HBで形成されたバイアス電圧が供給される。この出力側バイアス回路2nd_BC_HBの入力バイアス電流I22は、APCバイアス制御回路APC_Bias_Cnt_HBの定電流素子Q32の出力電極から供給される。
APCバイアス制御回路APC_Bias_Cnt_HBでは、第2RF送信出力信号Pout_HBの一部がパワーカップラーPCPL_HBとパワー検出器DET_HBとによって検出され、このパワー検出出力信号VDET_HBが第1差動増幅器DA1の反転入力端子−に供給される一方、第1差動増幅器DA1の非反転入力端子+にはランプ電圧Vrampが供給される。第1差動増幅器DA1の出力端子のAPC制御電圧Vapcは第2差動増幅器DA2の反転入力端子−に供給される一方、第2差動増幅器DA2の非反転入力端子+にはオフセット電圧Voffsetが供給される。オフセット電圧Voffsetは、オフセット電流Ioffsetが抵抗R31に流れることにより発生される。パワー検出出力信号VDET_HBがランプ電圧Vrampよりも低レベルであると、APC制御電圧Vapcが高レベルとなる。APC制御電圧Vapcがオフセット電圧Voffsetのレベルよりも高くなると、第2差動増幅器DA2の出力電圧は低レベルとなる。すると、P−MOS Q30のドレイン電圧と第2差動増幅器DA2の非反転入力端子+の電圧とは、APC制御電圧Vapcのレベルに追従して増加する。すると、P−MOS Q30と抵抗R31とに流れる電流が増加する。また、P−MOS Q31のドレインからの電流I21も、P−MOS Q32のドレインからの電流I22も増加する。これらの電流I21、電流I22は、それぞれ入力側バイアス回路1st_BC_HBの電流源I21、出力側バイアス回路2nd_BC_HBの電流源I22となっている。従って、パワー検出出力信号VDET_HBがランプ電圧Vrampよりも低レベルであると、入力側増幅器1st_Stg_HBのRF増幅素子Q21の入力端子のバイアス電圧と出力側増幅器2nd_Stg_HBの次段RF増幅素子Q22の入力端子のバイアス電圧とが増加する。その結果、第2RF電力増幅器HPA2の入力側増幅器1st_Stg_HBと出力側増幅器2nd_Stg_HBとの全てのRF増幅利得が増加する。
また、APC電源供給制御回路APC_Pw_Spl_Cnt_HBでは、APCバイアス制御回路APC_Bias_Cnt_HBの第1差動増幅器DA1の出力端子からのAPC制御電圧Vapcが第3差動増幅器DA3の反転入力端子−に供給され、非反転入力端子+にはP−MOS Q33と分圧抵抗R32、R33からの負帰還信号が供給されている。P−MOS Q33のソースに携帯電話端末のバッテリーからの電源電圧Vddが供給されることによって、APC電源供給制御回路APC_Pw_Spl_Cnt_HBはAPC制御電圧Vapcのレベルに追従する動作電源電圧VLVDO_HBを第2RF電力増幅器HPA2に供給する。その結果、APC入力バイアス制御とAPC電源電圧制御とにより、更に効果的なAPC制御が行われる。このAPCドレイン電源電圧制御は、DCS1800とPCS900の通信で通信転送レートの高いEDGE方式でのAM変調とWCDMA1900の広帯域AM変調とを第2RF電力増幅器HPA2が実行する際に有効なAM変調のための方法となる。
≪第2RF電力増幅器HPA2によるDCS1800またはPCS1900の送信動作≫
第2RF電力増幅器HPA2がDCS1800の1710MHz〜1785MHzの周波数の第2RF送信入力信号Pin_HBまたはPCS1900の1850MHz〜1910MHzの周波数の第2RF送信入力信号Pin_HBを電力増幅することにより、入力されたRF送信入力信号の周波数と同一の周波数の第2RF送信出力信号Pout_HBを出力して、携帯電話のアンテナから送信する動作を以下に説明する。
このDCS1800もしくはPCS1900の送信時には、第2RF電力増幅器HPA2は最大33dBmの第2RF送信出力信号Pout_HBを出力する高送信出力モードが必要とされる。この時には、低レベルのモード信号MODEがRFパワーモジュールRF_PAM1に供給される。低レベルのモード信号MODEに応答して、第2RF電力増幅器HPA2の多段増幅器の入力側増幅器1st_Stgは高利得状態に設定されることにより、第2RF電力増幅器HPA2は最大33dBmのDCS1800もしくはPCS1900の第2RF送信出力信号Pout_HBを出力することができる。
図3の実施形態では、第2RF電力増幅器HPA2の多段増幅器の入力側増幅器1st_Stg_HBは負帰還増幅器で構成され、この負帰還増幅器で構成された入力側増幅器1st_Stg_HBは低レベルのモード信号MODEに応答して小さな負帰還量に制御されることにより、入力側増幅器1st_Stg_HBは高利得状態に設定されることができる。
入力側増幅器1st_Stg_HBのN−MOS Q21のドレインとゲートとの間には負帰還可変抵抗が接続され、低レベルのモード信号MODEに応答して負帰還可変抵抗の抵抗値は高い抵抗に制御される。負帰還可変抵抗は、抵抗R23の両端に抵抗R24とモード信号MODEによりオン・オフが制御されるスイッチSW20との直列接続されることにより構成されている。尚、容量C23は、N−MOS Q21のドレインとゲートとの間を直流的に分離するものである。DCS1800もしくはPCS1900の送信時には、低レベルのモード信号MODEに応答してスイッチSW20はオフ状態に制御されるので、負帰還可変抵抗の抵抗値は抵抗R23のみによる高抵抗となる。WCDMA1900の送信時には、モード信号MODEは高レベルとなり、スイッチSW20はオン状態に制御されるので、負帰還可変抵抗の抵抗値は抵抗R23、R24の並列接続による低抵抗となる。尚、スイッチSW20は、例えば図3の左中央に示すようにN−MOS QNSとP−MOS QPSとの並列接続とインバータINVとにより構成されたC−MOSアナログスイッチにより構成される。低レベルのモード信号MODEに応答してN−MOS QNSはオフとなり、インバータINVの高レベルの出力に応答してP−MOS QPSもオフとなる。また、スイッチSW20は、上記非特許文献4に記載されたようなRF−MEMS・スイッチを使用することもできる。
図6は、DCS1800もしくはPCS1900の送信時での本発明の実施形態によるRFパワーモジュールRF_PAM1の第2RF電力増幅器HPA2のRF送信出力電力Pout(dBm)対RF送信出力電力利得Gain(dB)の特性を示す図である。図6の特性L1は、図3の実施形態において、低レベルのモード信号MODEに応答して入力側増幅器1st_Stg_HBのN−MOS Q21のドレインとゲートとの間の負帰還可変抵抗のスイッチSW20がオフ状態に制御された状態での第2RF電力増幅器HPA2の特性を示している。特性L1では、33dBmのRF送信入力電力Poutの場合に、33.8dBの比較的高いRF送信出力電力利得Gain(dB)が得られている。
ところで、半導体集積回路のバイアス回路としては、半導体製造プロセスの変動や温度変化等によるバイアス電流の変動を補償するために、良く知られているように、カレントミラー型のバイアス方式が採用される。半導体集積回路内部で同一の半導体製造プロセスで製造される2つの増幅素子のペア性能が良好なことを利用して、2つの増幅素子の一方の素子のゲートやベースの入力電極とソースやエミッタの接地電極との間に2つの増幅素子の他方の素子の一端と他端とが並列に接続される。この他方の素子の一端は他方の素子のドレインやコレクタの出力電極とベースの入力電極との電気的接続であり、他方の素子の他端は他方の素子のソースやエミッタの接地電極である。このカレントミラー型のバイアス方式を採用することにより、半導体製造プロセスの変動や温度変化等による増幅素子のスレッシュホールド電圧の変動によるバイアス電流やアイドリング電流の変動を補償することができる。
図3の実施形態では、第1RF電力増幅器HPA1の多段増幅器の入力側増幅器1st_Stg_LBのN−MOS Q11と入力側バイアス回路1st_BC_LBのダイオード接続されたN−MOS Q14とが内部増幅器OP11によるボルテージフォロワVF11を介して上記のカレントミラー型のバイアス方式の形態で接続され、第1RF電力増幅器HPA1の多段増幅器の出力側増幅器2nd_Stg_LBのN−MOS Q12と出力側バイアス回路2nd_BC_LBのダイオード接続されたN−MOS Q15とが内部増幅器OP12によるボルテージフォロワVF12を介して上記のカレントミラー型のバイアス方式の形態で接続されている。同様に、第2RF電力増幅器HPA2の多段増幅器の入力側増幅器1st_Stg_HBのN−MOS Q21と入力側バイアス回路1st_BC_HBのダイオード接続されたN−MOS Q24とが内部増幅器OP21によるボルテージフォロワVF21を介して上記のカレントミラー型のバイアス方式の形態で接続され、第2RF電力増幅器HPA2の多段増幅器の出力側増幅器2nd_Stg_HBのN−MOS Q22と出力側バイアス回路2nd_BC_HBのダイオード接続されたN−MOS Q25とが内部増幅器OP22によるボルテージフォロワVF22を介して上記のカレントミラー型のバイアス方式の形態で接続されている。
第1RF電力増幅器HPA1の内部増幅器OP11によるボルテージフォロワと内部増幅器OP12によるボルテージフォロワとは、第1RF電力増幅器HPA1がGSM850もしくはGSM900の送信動作を実行する際に、GSM規格で定められた図8に示したランプダウン特性L3と図9に示したランプアップ特性L3とを達成するように、ランプ電圧Vrampの変化に対して第1RF電力増幅器HPA1の多段増幅器の入力側増幅器1st_Stg_LBのN−MOS Q11のバイアス電圧と出力側増幅器2nd_Stg_LBのN−MOS Q12のバイアス電圧とを高速応答するように動作するものである。
同様に、第2RF電力増幅器HPA2の内部増幅器OP21によるボルテージフォロワVF21と内部増幅器OP22によるボルテージフォロワVF22とは、第2RF電力増幅器HPA2がDCS1800もしくはPCS1900の送信動作を実行する際に、GSM規格で定められた図8に示したランプダウン特性L3と図9に示したランプアップ特性L3とを達成するように、ランプ電圧Vrampの変化に対して第2RF電力増幅器HPA2の多段増幅器の入力側増幅器1st_Stg_HBのN−MOS Q21のバイアス電圧と出力側増幅器2nd_Stg_HBのN−MOS Q22のバイアス電圧とを高速応答するように動作する。
≪第2RF電力増幅器HPA2によるWCDMA1900の送信動作≫
第2RF電力増幅器HPA2がWCDMA1900の1920MHz〜1980MHzの周波数の第2RF送信入力信号Pin_HBを電力増幅することにより、入力されたRF送信入力信号の周波数と同一の周波数の第2RF送信出力信号Pout_HBを出力して、携帯電話のアンテナから送信する動作を以下に説明する。
このWCDMA1900の送信時には、第2RF電力増幅器HPA2は最大28dBm〜29dBmの第2RF送信出力信号Pout_HBを出力する低送信出力モードが必要とされる。この時には、高レベルのモード信号MODEがRFパワーモジュールRF_PAM1に供給される。高レベルのモード信号MODEに応答して、第2RF電力増幅器HPA2の多段増幅器の入力側増幅器1st_Stg_HBは低利得状態に設定されることにより、第2RF電力増幅器HPA2は最大28dBm〜29dBmのWCDMA1900の第2RF送信出力信号Pout_HBを出力することができる。
図3の実施形態では、高レベルのモード信号MODEに応答して入力側増幅器1st_Stg_HBのN−MOS Q21のドレインとゲートとの間の負帰還可変抵抗のスイッチSW20はオン状態に制御されるので、負帰還可変抵抗の抵抗値は抵抗R23、R24の並列接続による低抵抗となって、入力側増幅器1st_Stg_HBは低利得状態となる。
図7は、WCDMA1900の送信時での本発明の実施形態によるRFパワーモジュールRF_PAM1の第2RF電力増幅器HPA2のRF送信出力電力Pout(dBm)対RF送信出力電力利得Gain(dB)の特性を示す図である。図7の特性L2は、図3の実施形態において、高レベルのモード信号MODEに応答して入力側増幅器1st_StgのN−MOS Q21のドレインとゲートとの間の負帰還可変抵抗のスイッチSW20がオン状態に制御された状態での第2RF電力増幅器HPA2の特性を示している。特性L2では、29dBmのRF送信出力電力Pout(dBm)の場合に、28.8dBの比較的低いRF送信出力電力利得Gain(dB)が得られている。尚、WCDMA1900の送信時での図7の特性L2に示したRF送信出力電力利得Gain(dB)は、DCS1800もしくはPCS1900の送信時での図6の特性L1に示したRF送信出力電力利得Gain(dB)よりも全体的に低い利得となっていることが理解できる。
図3の実施形態では、高レベルのモード信号MODEに応答して第2RF電力増幅器HPA2の内部増幅器OP21によるボルテージフォロワVF21と内部増幅器OP22によるボルテージフォロワVF22とは非活性状態に制御される一方、内部増幅器OP21の入出力間のバイパススイッチSW21と内部増幅器OP22の入出力間のバイパススイッチSW22とはオン状態に制御される。従って、第2電力増幅器HPA2がWCDMA1900の第2RF送信入力信号Pin_HBを増幅する際に、第2電力増幅器HPA2の第2入力側ボルテージフォロワVF21と第2出力側ボルテージフォロワVF22は非活性状態に制御されるので、第2入力側ボルテージフォロワVF21の出力雑音と第2出力側ボルテージフォロワVF22の出力雑音とが第2RF電力増幅器HPA2の3.58MHzの広帯域特性によって増幅されることがなく、雑音特性を改善することができる。尚、バイパススイッチSW21、SW22は、入力側増幅器1st_Stg_HBのN−MOS Q21のドレインとゲートとの間の負帰還可変抵抗のスイッチSW20と同様にC−MOSアナログスイッチでもRF−MEMS・スイッチでも構成されることができる。
第1RF電力増幅器HPA1の多段増幅器の入力側増幅器1st_Stg_LBのN−MOS Q11と出力側増幅器2nd_Stg_LBのN−MOS Q12と、第2RF電力増幅器HPA2の多段増幅器の入力側増幅器1st_Stg_HBのN−MOS Q21と出力側増幅器2nd_Stg_HBのN−MOS Q22との全てはLDMOS(Lateral Diffused MOS)と呼ばれるRF増幅に適したNチャンネルパワーMOSトランジスタであるが、HBT(ヘテロバイポーラトランジスタ)等の他のRFパワー増幅素子によって置換されることもできる。
≪変形実施形態≫
図4は、本発明の他の1つの実施形態によるRF電力増幅装置を示す回路図である。
図4の実施形態が図3の実施形態と相違するのは、第2RF電力増幅器HPA2の多段増幅器の入力側増幅器1st_Stg_HBの回路構成である。
図3では、第2RF電力増幅器HPA2の多段増幅器の入力側増幅器1st_Stg_HBは、ソース接地のN−MOS Q21のドレインとゲートとの間の負帰還可変抵抗の抵抗値をモード信号により制御する負帰還増幅器で構成されていた。
図4では、第2RF電力増幅器HPA2の多段増幅器の入力側増幅器1st_Stg_HBは、ソース接地のN−MOS Q21Aと負荷素子としてのインダクターL21との間に接続された制御増幅素子Q21Bとにより構成され、制御増幅素子Q21Bの入力端子には利得制御電圧V、Vが印加される。第2電力増幅器HPA2がDCS1800またはPCS1900のいずれかの第2RF送信入力信号Pin_HBを増幅する際には利得制御電圧が例えば2.3ボルトの高レベルVに設定され、第2電力増幅器HPA2がWCDMA1900の第2RF送信入力信号Pin_HBを増幅する際には利得制御電圧が例えば1.8ボルトの低い低レベルVに設定される。
DCS1800またはPCS1900のいずれかの第2RF送信出力信号Pout_HBを出力する際に、低レベルのモード信号MODEに応答して2.3ボルトの高レベルVがスイッチSW20を介して制御増幅素子Q21Bの入力端子に供給されて、制御増幅素子Q21Bの相互コンダクタンスが高い状態に制御される。従って、第2RF電力増幅器HPA2の多段増幅器の入力側増幅器1st_Stg_HBは高利得の状態に制御されて、第2RF電力増幅器HPA2はDCS1800またはPCS1900の最大35dBmの第2RF送信出力信号Pout_HBを出力することができる。図6の特性L3は、図4の実施形態において、低レベルのモード信号MODEに応答して2.3ボルトの高レベルVがスイッチSW20を介して制御増幅素子Q21Bの入力端子に供給された状態での第2RF電力増幅器HPA2の特性を示している。特性L3では、33dBmのRF送信出力電力Pout(dBm)の場合に、33.8dBの比較的高いRF送信出力電力利得Gain(dB)が得られている。
WCDMA1900の第2RF送信出力信号Pout_HBを出力する際に、高レベルのモード信号MODEに応答して1.8ボルトの低レベルVがスイッチSW20を介して制御増幅素子Q21Bの入力端子に供給されて、制御増幅素子Q21Bの相互コンダクタンスが低い状態に制御される。従って、第2RF電力増幅器HPA2の多段増幅器の入力側増幅器1st_Stgは低利得の状態に制御されて、第2RF電力増幅器HPA2はWCDMA1900の最大28dBm〜29dBmの第2RF送信出力信号Pout_HBを出力することができる。図7の特性L4は、図4の実施形態において、低レベルのモード信号MODEに応答して1.8ボルトの低レベルVがスイッチSW20を介して制御増幅素子Q21Bの入力端子に供給された状態での第2RF電力増幅器HPA2の特性を示している。特性L4では、29dBmのRF送信出力電力Pout(dBm)の場合に、26.7dBの比較的低いRF送信出力電力利得Gain(dB)が得られている。尚、WCDMA1900の送信時での図7の特性L4に示したRF送信出力電力利得Gain(dB)は、DCS1800もしくはPCS1900の送信時での図6の特性L3に示したRF送信出力電力利得Gain(dB)よりも全体的に低い利得となっていることが理解できる。
また、入力側増幅器1st_Stg_HBでは、ソース接地もしくはエミッタ接地の入力側増幅素子Q21Aとカスケード接続の制御増幅素子Q21Bはゲート接地もしくはベース接地の素子として動作するので、送信周波数が1920MHz〜1980MHzと極めて高いWCDMA1900のRF送信に好適な高い周波数特性を得ることができる。
尚、入力側増幅器1st_Stg_HBのソース接地のN−MOS Q21Aとゲート接地のN−MOS Q21Bとは、デュアルゲート構造を有する1個のLDMOSにより構成されることができる。
図5は、本発明の更に他の1つの実施形態によるRF電力増幅装置を示す回路図である。
図5の実施形態が図3と図4の実施形態と相違するのは、第1RF電力増幅器HPA1の多段増幅器の入力側増幅器1st_Stg_LBの増幅素子Q11と出力側増幅器2nd_Stg_LBの増幅素子Q12と入力側バイアス回路1st_BC_LBのバイアス素子Q14と出力側バイアス回路2nd_BC_LBのバイアス素子Q15と、第2RF電力増幅器HPA2の多段増幅器の入力側増幅器1st_Stg_HBの増幅素子Q21と出力側増幅器2nd_Stg_HBの増幅素子Q22と入力側バイアス回路1st_BC_HBのバイアス素子Q24と出力側バイアス回路2nd_BC_HBのバイアス素子Q25との全てが、SiGeまたはGaAs、InP、InGaP等のHBT(ヘテロバイポーラトランジスタ)により構成されていることである。更に、第2RF電力増幅器HPA2の多段増幅器の入力側増幅器1st_Stg_HBは、エミッタ接地のHBT Q21Aと負荷素子としてのインダクターL21との間に接続されたHBT Q21Bと、このHBT Q21Bと2つのエミッタ抵抗Reを介して接続されたHBT Q21Cとにより構成されている。HBT Q21Bのベース入力端子には利得制御電圧V、Vが印加され、HBT Q21Cのベース入力端子には利得制御電圧V、Vの中間レベルのVrefが印加される。第2電力増幅器HPA2がDCS1800またはPCS1900のいずれかの第2RF送信入力信号Pin_HBを増幅する際には利得制御電圧が例えば2.3ボルトの高レベルVに設定され、第2電力増幅器HPA2がWCDMA1900の第2RF送信入力信号Pin_HBを増幅する際には利得制御電圧が例えば1.8ボルトの低い低レベルVに設定される。
DCS1800またはPCS1900のいずれかの第2RF送信出力信号Pout_HBを出力する際に、低レベルのモード信号MODEに応答して2.3ボルトの高レベルVがスイッチSW20を介してHBT Q21Bのベース入力端子に供給される。従って、HBT Q21Bのエミッタ電流はHBT Q21Cのエミッタ電流よりも増加して、HBT Q21Bの相互コンダクタンスが高い状態に制御される。従って、第2RF電力増幅器HPA2の多段増幅器の入力側増幅器1st_Stg_HBは高利得の状態に制御されて、第2RF電力増幅器HPA2はDCS1800またはPCS1900の最大35dBmの第2RF送信出力信号Pout_HBを出力することができる。
WCDMA1900の第2RF送信出力信号Pout_HBを出力する際には、高レベルのモード信号MODEに応答して1.8ボルトの低レベルVがスイッチSW20を介してHBT Q21Bのベース入力端子に供給される。従って、HBT Q21Bのエミッタ電流はHBT Q21Cのエミッタ電流よりも減少して、HBT Q21Bの相互コンダクタンスが低い状態に制御される。従って、第2RF電力増幅器HPA2の多段増幅器の入力側増幅器1st_Stg_HBは低利得の状態に制御されて、第2RF電力増幅器HPA2はWCDMA1900の最大28dBm〜29dBmの第2RF送信出力信号Pout_HBを出力することができる。
≪RFパワーモジュールの具体的な構成≫
図11は、本発明の更に他の1つの実施形態によるRFパワーモジュールRF_PAM1の具体的な構成を示す図である。
同図に示すように本発明の更に他の1つの実施形態によるRFパワーモジュールRF_PAM1は、1つのパッケージ中に組み込まれている。図3の実施形態と同様に全ての増幅素子がNチャンネルのLDMOSとパワー制御やバイアス制御などのための内部増幅器OP11…OP22や差動増幅器DA1、DA2を構成するためのPチャンネルMOSFETなどは1個のシリコン半導体集積回路Si ICのチップ上に形成されている。シリコン半導体集積回路Si ICのチップの下部にはGSM850とGSM900とを送信するための第1RF電力増幅器HPA1が配置され、チップの上部にはDCS1800とPCS1900とWCDMA1900とを送信するための第2RF電力増幅器HPA2が配置され、チップの中央にはパワー検出器DETと電圧レギュレータVregとモード信号MODEが供給されるモードスイッチ制御回路Mode Switchとが配置されている。このシリコン半導体集積回路Si ICはRFパワーモジュールRF_PAM1の配線基板上に配置されるとともに、この配線基板上には負荷素子としてのインダクターL11、L12、L21、L22や多数の容量素子C12、C22・・・の受動素子と2個のパワーカップラーPCPL_LB、PCPL_HBと2個の出力用のストリップラインOUT_SL_LB、OUT_SL_HB等も配置されている。
第1RF電力増幅器HPA1の出力側増幅器2nd_Stg_LBは並列接続された2個の増幅器で構成され、同様に第2RF電力増幅器HPA2の出力側増幅器2nd_Stg_HBも並列接続された2個の増幅器で構成されている。第1RF電力増幅器HPA1の並列接続された2個の出力側増幅器2nd_Stg_LBの2個の入力は入力側増幅器1st_Stg_LBの出力により並列に駆動され、同様に第2RF電力増幅器HPA2の並列接続された2個の出力側増幅器2nd_Stg_HBの2個の入力も入力側増幅器1st_Stg_HBの出力により並列に駆動される。第1RF電力増幅器HPA1の並列接続された2個の出力側増幅器2nd_Stg_LBの2個の出力はY字型の出力合成用ストリップラインOUT_SL_LBの2つの入力に供給され、Y字型の出力合成用ストリップラインOUT_SL_LBの出力よりGSM850とGSM900のいずれかの第1RF送信出力信号Pout_LBが出力される。同様に、第2RF電力増幅器HPA2の並列接続された2個の出力側増幅器2nd_Stg_HBの2個の出力もY字型の出力合成用ストリップラインOUT_SL_HBの2つの入力に供給され、Y字型の出力合成用ストリップラインOUT_SL_HBの出力よりDCS100とPCS1900とWCDMA1900のいずれかの第2RF送信出力信号Pout_HBが出力される。また、RFパワーモジュールRF_PAM1の右側から、パワー検出器DETのパワー検出信号VDETが出力されている。RFパワーモジュールRF_PAM1の左側から、GSM850とGSM900のいずれかの第1RF送信入力信号Pin_LBと、DCS100とPCS1900とWCDMA1900のいずれかの第2RF送信入力信号Pin_HBと、モード信号MODEと、APC利得制御信号Icontとが供給される。
第2RF電力増幅器HPA2がDCS100とPCS1900のいずれかの第2RF送信出力信号Pout_HBが出力する際は、低レベルのモード信号MODEに応答して第2RF電力増幅器HPA2の入力側増幅器1st_Stg_HBは利得制御回路Gain_Cntによって高利得の状態に制御される。この時には、第2RF電力増幅器HPA2の入力側バイアス回路1st_BC_HBと出力側バイアス回路2nd_BC_HBの内部のボルテージフォロワが活性化されて、TDMAのランプアップとランプダウンとに必要なランプ電圧変化に対するバイアス電圧の高速応答が実現される。
第2RF電力増幅器HPA2がWCDMA1900の第2RF送信出力信号Pout_HBが出力する際には、高レベルのモード信号MODEに応答して第2RF電力増幅器HPA2の入力側増幅器1st_Stg_HBは利得制御回路Gain_Cntによって低利得の状態に制御される。この時には、第2RF電力増幅器HPA2の入力側バイアス回路1st_BC_HBと出力側バイアス回路2nd_BC_HBの内部のボルテージフォロワが非活性化されて、3.84MHzの広帯域特性のWCDMA方式の低雑音特性に有害なボルテージフォロワの出力雑音が抑圧される。
以上本発明者によってなされた発明を実施形態に基づいて具体的に説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは言うまでもない。
例えば、図3おいて、RF電力増幅器の送信パワーを検出する送信出力電力レベルを検出するためのパワーカップラーPCPL_LB、PCPL_HB以外に、カレントセンス形検出器も採用することができる。このカレントセンス形検出器は、RF電力増幅器の最終段パワー増幅素子と並列に検出増幅素子を接続して、最終段パワー増幅素子のDC・AC動作電流に比例する小さな検出DC・AC動作電流を検出増幅素子に流すものである。
更に、図3の実施形態において、第2RF電力増幅器HPA2の入力側増幅器1st_Stg_HBのN−MOS Q21のドレインとゲートとの間の負帰還可変抵抗として、オン抵抗の高い第1のCMOSアナログスイッチとオン抵抗の低い第2のCMOSアナログスイッチとの並列接続を使用することもできる。DCS1800もしくはPCS1900の送信時には、低レベルのモード信号MODEに応答してオン抵抗の高い第1のCMOSアナログスイッチをオンさせ、オン抵抗の低い第2のCMOSアナログスイッチをオフさせることにより、入力側増幅器1st_Stg_HBは高利得状態に設定されることができる。WCDMA1900の送信時には、高レベルのモード信号MODEに応答してオン抵抗の高い第1のCMOSアナログスイッチをオフさせ、オン抵抗の低い第2のCMOSアナログスイッチをオンさせることにより、入力側増幅器1st_Stg_HBは低利得状態に設定されることができる。
更に図5において、出力側増幅器2nd_Stg_LBのHBT Q12と出力側増幅器2nd_Stg_HBのQ22の熱暴走を抑圧するために、ベースバラストもしくはエミッタバラスト抵抗をHBTに接続することが推奨される。
更にパワー増幅素子としては、LDMOSやヘテロバイポーラトランジスタ以外にGaAsやInP等の化合物半導体のMESFETやHEMTのNチャンネルの電界効果トランジスタに置換することもできる。
図1は、本発明に先立って開発された5つの周波数帯域をカバーするRF電力増幅器モジュールを搭載した携帯電話端末のシステム構成を示す図である。 図2は、本発明の1つの実施形態によるRF電力増幅装置RF_PAM1を搭載した基地局との通信を行う携帯電話のシステム構成を示す図である。 図3は、本発明の1つの実施形態によるRF電力増幅装置を示す回路図である。 図4は、本発明の他の1つの実施形態によるRF電力増幅装置を示す回路図である。 図5は、本発明の更に他の1つの実施形態によるRF電力増幅装置を示す回路図である。 図6は、DCS1800もしくはPCS1900の送信時での本発明の実施形態によるRFパワーモジュールの第2RF電力増幅器のRF送信出力電力対RF送信出力利得の特性を示す図である。 図7は、WCDMA1900の送信時での本発明の実施形態によるRFパワーモジュールの第2RF電力増幅器のRF送信出力電力対RF送信出力利得の特性を示す図である。 図8は、GSM規格で定められた送信電力のランプダウンを示す図である。 図9は、GSM規格で定められた送信電力のランプアップを示す図である。 図10は、GMSKの規格により規定された携帯電話端末機器のRF送信信号の周波数スペクトラムを示す図である。 図11は、本発明の更に他の1つの実施形態によるRFパワーモジュールRF_PAM1の具体的な構成を示す図である。
符号の説明
Pin_LB 第1RF送信入力信号
Pin_HB 第2RF送信入力信号
HPA1 第1RF電力増幅器
HPA2 第2RF電力増幅器
Pout_LB 第1RF送信出力信号
Pout_HB 第2RF送信出力信号
CPL_LB、CPL_HB カップラー
MODE モード信号
1st_Stg_LB 第1入力側増幅器
2nd_Stg_LB 第1出力側増幅器
1st_BC_LB 第1入力側バイアス回路
2nd_BC_LB 第1出力側バイアス回路
1st_Stg_HB 第2入力側増幅器
2nd_Stg_HB 第2出力側増幅器
1st_BC_HB 第2入力側バイアス回路
2nd_BC_HB 第2出力側バイアス回路
Gain_Cnt 利得制御回路

Claims (26)

  1. GSM850とGSM900との第1RF送信入力信号を増幅する第1電力増幅器と、DCS1800とPCS1900とWCDMA1900との第2RF送信入力信号を増幅する第2電力増幅器とを具備しており、
    前記第1電力増幅器は、少なくとも第1入力側増幅器と第1出力側増幅器とを含む第1多段増幅器で構成され、
    前記第2電力増幅器は、少なくとも第2入力側増幅器と第2出力側増幅器とを含む第2多段増幅器で構成され、
    前記第2電力増幅器が前記WCDMA1900の前記第2RF送信入力信号を増幅する際に、所定の信号のモード信号に応答して前記第2多段増幅器の前記第2入力側増幅器の利得は低利得に設定され、
    前記第2電力増幅器が前記DCS1800と前記PCS1900のいずれかの前記第2RF送信入力信号を増幅する際に、前記モード信号が前記所定の信号と異なる信号とされることに応答して、前記第2多段増幅器の前記第2入力側増幅器の前記利得は前記低利得よりも高い高利得に設定されるRF電力増幅装置。
  2. 前記第1電力増幅器の前記第1多段増幅器には第1ボルテージフォロワを含む第1バイアス回路が接続され、前記第2電力増幅器の前記第2多段増幅器には第2ボルテージフォロワを含む第2バイアス回路が接続され、
    前記第1電力増幅器による前記GSM850もしくは前記GSM900のいずれかのGSM送信でのTDMA方式のランプアップおよびランプダウンのため、利得制御信号のレベルに応答して前記第1バイアス回路は前記第1ボルテージフォロワを用いることにより前記第1電力増幅器の前記第1多段増幅器の増幅素子の入力電極に供給されるバイアス電圧のレベルを制御するものであり、
    前記第2電力増幅器による前記WCDMA1900の送信に際して、前記所定の信号の前記モード信号に応答して前記第2バイアス回路の前記第2ボルテージフォロワは非活性状態に制御され、利得制御信号のレベルに応答して前記第2バイアス回路は前記第2電力増幅器の前記第2多段増幅器の増幅素子の入力電極に供給されるバイアス電圧のレベルを制御するものであり、
    前記第2電力増幅器による前記DCS1800もしくは前記PCS1900のいずれかのGSM送信でのTDMA方式のランプアップおよびランプダウンのため、前記異なる信号の前記モード信号に応答して前記第2バイアス回路の前記第2ボルテージフォロワは活性状態に制御され、利得制御信号のレベルに応答して前記第2バイアス回路は前記活性状態に制御された前記第2ボルテージフォロワを用いることにより前記第2電力増幅器の前記第2多段増幅器の前記増幅素子の前記入力電極に供給されるバイアス電圧のレベルを制御するものである請求項1に記載のRF電力増幅装置。
  3. 前記第1電力増幅器は、前記第1多段増幅器の前記第1入力側増幅器のための第1入力側バイアス回路と、第1入力側ボルテージフォロワとを更に含み、前記第1入力側バイアス回路は、GSM通信でのTDMA方式でのランプアップおよびランプダウンのための利得制御信号のレベルに応答して変化する第1入力側バイアス電圧を発生して、前記第1入力側バイアス回路から発生された前記第1入力側バイアス電圧は、前記第1入力側ボルテージフォロワを介して、前記第1電力増幅器の前記第1多段増幅器の前記第1入力側増幅器の第1入力側増幅素子の入力電極に供給され、
    前記第2電力増幅器は、前記第2多段増幅器の前記第2入力側増幅器のための第2入力側バイアス回路と、第2入力側ボルテージフォロワとを更に含み、前記第2入力側バイアス回路は、GSM通信でのTDMA方式でのランプアップおよびランプダウンのための利得制御信号のレベルに応答して変化する第2入力側バイアス電圧を発生して、前記第2入力側バイアス回路から発生された前記第2入力側バイアス電圧は、前記第2入力側ボルテージフォロワを介して、前記第2電力増幅器の前記第2多段増幅器の前記第2入力側増幅器の第2入力側増幅素子の入力電極に供給され、
    前記第2電力増幅器が前記WCDMA1900の前記第2RF送信入力信号を増幅する際に、前記所定の信号の前記モード信号に応答して、前記第2電力増幅器の前記第2入力側ボルテージフォロワは非活性状態に制御され、当該非活性状態に制御された前記第2入力側ボルテージフォロワをバイパスして前記第2入力側バイアス回路から発生された前記第2入力側バイアス電圧が前記第2入力側増幅素子の入力電極に供給される請求項1に記載のRF電力増幅装置。
  4. 前記第1電力増幅器は、前記第1多段増幅器の前記第1出力側増幅器のための第1出力側バイアス回路と、第1出力側ボルテージフォロワとを更に含み、前記第1出力側バイアス回路は、GSM通信でのTDMA方式でのランプアップおよびランプダウンのための利得制御信号のレベルに応答して変化する第1出力側バイアス電圧を発生して、前記第1出力側バイアス回路から発生された前記第1出力側バイアス電圧は、前記第1出力側ボルテージフォロワを介して、前記第1電力増幅器の前記第1多段増幅器の前記第1出力側増幅器の第1出力側増幅素子の入力電極に供給され、
    前記第2電力増幅器は、前記第2多段増幅器の前記第2出力側増幅器のための第2出力側バイアス回路と、第2出力側ボルテージフォロワとを更に含み、前記第2出力側バイアス回路は、GSM通信でのTDMA方式でのランプアップおよびランプダウンのための利得制御信号のレベルに応答して変化する第2出力側バイアス電圧を発生して、前記第2出力側バイアス回路から発生された前記第2出力側バイアス電圧は、前記第2出力側ボルテージフォロワを介して、前記第2電力増幅器の前記第2多段増幅器の前記第2出力側増幅器の第2出力側増幅素子の入力電極に供給され、
    前記第2電力増幅器が前記WCDMA1900の前記第2RF送信入力信を増幅する際に、前記所定の信号の前記モード信号に応答して、前記第2電力増幅器の前記第2出力側ボルテージフォロワは非活性状態に制御され、当該非活性状態に制御された前記第2出力側ボルテージフォロワをバイパスして前記第2出力側バイアス回路から発生された前記第2出力側バイアス電圧が前記第2出力側増幅素子の入力電極に供給される請求項3に記載のRF電力増幅装置。
  5. 前記第2RF送信入力信号の周波数は前記第1RF送信入力信号の周波数の略2倍に設定され、前記第1電力増幅器は前記第1RF送信入力信号の2倍高調波を接地電位点にバイパスする高調波トラップ回路を含む請求項1から請求項4までのいずれかに記載のRF電力増幅装置。
  6. 前記第2電力増幅器の前記第2多段増幅器の前記第2入力側増幅器は負帰還増幅器で構成され、前記モード信号が前記所定の信号の際の前記負帰還増幅器で構成された前記第2入力側増幅器の負帰還量が、前記モード信号が前記異なる信号の際の前記負帰還増幅器で構成された前記第2入力側増幅器の負帰還量よりも大きく設定される請求項1から請求項4までのいずれかに記載のRF電力増幅装置。
  7. 前記第2電力増幅器の前記第2多段増幅器の前記第2入力側増幅器は前記第2入力側増幅素子の出力電極と入力電極との間に接続された負帰還可変抵抗とを含み、
    前記モード信号が前記所定の信号の際に、前記負帰還可変抵抗の抵抗は低抵抗に制御され、前記モード信号が前記異なる信号の際に、前記負帰還可変抵抗の前記抵抗は前記低抵抗よりも高い高抵抗に制御される請求項6に記載のRF電力増幅装置。
  8. 前記第2電力増幅器の前記第2多段増幅器の前記第2入力側増幅器は前記第2入力側増幅素子の出力電極と負荷素子との間に接続された制御増幅素子を更に含み、当該制御増幅素子の入力電極には利得制御電圧が印加され、
    前記第2電力増幅器が前記DCS1800または前記PCS1900のいずれかの前記第2RF送信入力信号を増幅する際には前記利得制御電圧が高レベルに設定され、前記第2電力増幅器が前記WCDMA1900の前記第2RF送信入力信号を増幅する際には前記利得制御電圧が前記高レベルよりも低い低レベルに設定される請求項1から請求項4までのいずれかに記載のRF電力増幅装置。
  9. 前記第1電力増幅器と前記第2電力増幅器の前記第1入力側増幅素子と前記第2入力側増幅素子と前記第1出力側増幅素子と前記第2出力側増幅素子とは、電界効果トランジスタである請求項1から請求項8までのいずれかに記載のRF電力増幅装置。
  10. 前記電界効果トランジスタはLDMOSである請求項9に記載のRF電力増幅装置。
  11. 前記第1電力増幅器と前記第2電力増幅器の前記第1入力側増幅素子と前記第2入力側増幅素子と前記第1出力側増幅素子と前記第2出力側増幅素子とは、バイポーラトランジスタである請求項1から請求項8までのいずれかに記載のRF電力増幅装置。
  12. 前記バイポーラトランジスタはヘテロ接合型である請求項11に記載のRF電力増幅装置。
  13. 前記第1電力増幅器と、前記第2電力増幅器と、前記第1電力増幅器と前記第2電力増幅器の送信出力レベルを検出するパワー検出器とは、RFパワーモジュールのパッケージに搭載されている請求項1から請求項8までのいずれかに記載のRF電力増幅装置。
  14. 略0.8GHzから1.0GHzの第1周波数帯域を持ちTDMA方式の第1RF送信入力信号を増幅する第1電力増幅器と、略1.7GHzから2.0GHzの第2周波数帯域を持つTDMA方式の第2RF送信入力信号と略1.7GHzから2.0GHzの第3周波数帯域を持つWCDMA方式の第3RF送信入力信号とを増幅する第2電力増幅器とを具備しており、
    前記第1電力増幅器は、少なくとも第1入力側増幅器と第1出力側増幅器とを含む第1多段増幅器で構成され、
    前記第2電力増幅器は、少なくとも第2入力側増幅器と第2出力側増幅器とを含む第2多段増幅器で構成され、
    前記第2電力増幅器には前記WCDMA方式の前記第3RF送信入力信号を増幅する際に所定の信号のモード信号が供給されることにより、前記第2多段増幅器の前記第2入力側増幅器の利得は低利得に設定され、
    前記第2電力増幅器には前記TDMA方式の前記第2RF送信入力信号を増幅する際に前記モード信号が前記所定の信号と異なる信号とされることにより、前記第2多段増幅器の前記第2入力側増幅器の前記利得は前記低利得よりも高い高利得に設定されるRF電力増幅装置。
  15. 前記第1電力増幅器の前記第1多段増幅器には第1ボルテージフォロワを含む第1バイアス回路が接続され、前記第2電力増幅器の前記第2多段増幅器には第2ボルテージフォロワを含む第2バイアス回路が接続され、
    前記第1電力増幅器による前記第1RF送信入力信号の増幅による送信でのTDMA方式のランプアップおよびランプダウンのため、利得制御信号のレベルに応答して前記第1バイアス回路は前記第1ボルテージフォロワを用いることにより前記第1電力増幅器の前記第1多段増幅器の増幅素子の入力電極に供給されるバイアス電圧のレベルを制御するものであり、
    前記第2電力増幅器による前記WCDMA方式の前記第3RF送信入力信号の増幅による送信に際して、前記所定の信号の前記モード信号に応答して前記第2バイアス回路の前記第2ボルテージフォロワは非活性状態に制御され、利得制御信号のレベルに応答して前記第2バイアス回路は前記第2電力増幅器の前記第2多段増幅器の増幅素子の入力電極に供給されるバイアス電圧のレベルを制御するものであり、
    前記第2電力増幅器による前記TDMA方式の前記第2RF送信入力信号の増幅による送信のランプアップおよびランプダウンのため、前記異なる信号の前記モード信号に応答して前記第2バイアス回路の前記第2ボルテージフォロワは活性状態に制御され、利得制御信号のレベルに応答して前記第2バイアス回路は前記活性状態に制御された前記第2ボルテージフォロワを用いることにより前記第2電力増幅器の前記第2多段増幅器の前記増幅素子の前記入力電極に供給されるバイアス電圧のレベルを制御するものである請求項14に記載のRF電力増幅装置。
  16. 前記第1電力増幅器は、前記第1多段増幅器の前記第1入力側増幅器のための第1入力側バイアス回路と、第1入力側ボルテージフォロワとを更に含み、前記第1入力側バイアス回路は、GSM通信でのTDMA方式でのランプアップおよびランプダウンのための利得制御信号のレベルに応答して変化する第1入力側バイアス電圧を発生して、前記第1入力側バイアス回路から発生された前記第1入力側バイアス電圧は、前記第1入力側ボルテージフォロワを介して、前記第1電力増幅器の前記第1多段増幅器の前記第1入力側増幅器の第1入力側増幅素子の入力電極に供給され、
    前記第2電力増幅器は、前記第2多段増幅器の前記第2入力側増幅器のための第2入力側バイアス回路と、第2入力側ボルテージフォロワとを更に含み、前記第2入力側バイアス回路は、GSM通信でのTDMA方式でのランプアップおよびランプダウンのための利得制御信号のレベルに応答して変化する第2入力側バイアス電圧を発生して、前記第2入力側バイアス回路から発生された前記第2入力側バイアス電圧は、前記第2入力側ボルテージフォロワを介して、前記第2電力増幅器の前記第2多段増幅器の前記第2入力側増幅器の第2入力側増幅素子の入力電極に供給され、
    前記第2電力増幅器が前記WCDMA方式の前記第3RF送信入力信号を増幅する際に、前記所定の信号の前記モード信号に応答して、前記第2電力増幅器の前記第2入力側ボルテージフォロワは非活性状態に制御され、当該非活性状態に制御された前記第2入力側ボルテージフォロワをバイパスして前記第2入力側バイアス回路から発生された前記第2入力側バイアス電圧が前記第2入力側増幅素子の入力電極に供給される請求項14に記載のRF電力増幅装置。
  17. 前記第1電力増幅器は、前記第1多段増幅器の前記第1出力側増幅器のための第1出力側バイアス回路と、第1出力側ボルテージフォロワとを更に含み、前記第1出力側バイアス回路は、GSM通信でのTDMA方式でのランプアップおよびランプダウンのための利得制御信号のレベルに応答して変化する第1出力側バイアス電圧を発生して、前記第1出力側バイアス回路から発生された前記第1出力側バイアス電圧は、前記第1出力側ボルテージフォロワを介して、前記第1電力増幅器の前記第1多段増幅器の前記第1出力側増幅器の第1出力側増幅素子の入力電極に供給され、
    前記第2電力増幅器は、前記第2多段増幅器の前記第2出力側増幅器のための第2出力側バイアス回路と、第2出力側ボルテージフォロワとを更に含み、前記第2出力側バイアス回路は、GSM通信でのTDMA方式でのランプアップおよびランプダウンのための利得制御信号のレベルに応答して変化する第2出力側バイアス電圧を発生して、前記第2出力側バイアス回路から発生された前記第2出力側バイアス電圧は、前記第2出力側ボルテージフォロワを介して、前記第2電力増幅器の前記第2多段増幅器の前記第2出力側増幅器の第2出力側増幅素子の入力電極に供給され、
    前記第2電力増幅器が前記WCDMA方式の前記第3RF送信入力信号を増幅する際に、前記所定の信号の前記モード信号に応答して、前記第2電力増幅器の前記第2出力側ボルテージフォロワは非活性状態に制御され、当該非活性状態に制御された前記第2出力側ボルテージフォロワをバイパスして前記第2出力側バイアス回路から発生された前記第2出力側バイアス電圧が前記第2出力側増幅素子の入力電極に供給される請求項16に記載のRF電力増幅装置。
  18. 前記第2RF送信入力信号と前記第3RF送信入力信号の周波数は前記第1RF送信入力信号の周波数の略2倍に設定され、前記第1電力増幅器は前記第1RF送信入力信号の2倍高調波を接地電位点にバイパスする高調波トラップ回路を含む請求項14から請求項17までのいずれかに記載のRF電力増幅装置。
  19. 前記第2電力増幅器の前記第2多段増幅器の前記第2入力側増幅器は負帰還増幅器で構成され、前記モード信号が前記所定の信号の際の前記負帰還増幅器で構成された前記第2入力側増幅器の負帰還量が、前記モード信号が前記異なる信号の際の前記負帰還増幅器で構成された前記第2入力側増幅器の負帰還量よりも大きく設定される請求項14から請求項17までのいずれかに記載のRF電力増幅装置。
  20. 前記第2電力増幅器の前記第2多段増幅器の前記第2入力側増幅器は前記第2入力側増幅素子の出力電極と入力電極との間に接続された負帰還可変抵抗とを含み、
    前記モード信号が前記所定の信号の際に、前記負帰還可変抵抗の抵抗は低抵抗に制御され、前記モード信号が前記異なる信号の際に、前記負帰還可変抵抗の前記抵抗は前記低抵抗よりも高い高抵抗に制御される請求項19に記載のRF電力増幅装置。
  21. 前記第2電力増幅器の前記第2多段増幅器の前記第2入力側増幅器は前記第2入力側増幅素子の出力電極と負荷素子との間に接続された制御増幅素子を更に含み、当該制御増幅素子の入力電極には利得制御電圧が印加され、
    前記第2電力増幅器が前記TDMA方式の前記第2RF送信入力信号を増幅する際には前記利得制御電圧が高レベルに設定され、前記第2電力増幅器が前記WCDMA方式の前記第3RF送信入力信号を増幅する際には前記利得制御電圧が前記高レベルよりも低い低レベルに設定される請求項14から請求項17までのいずれかに記載のRF電力増幅装置。
  22. 前記第1電力増幅器と前記第2電力増幅器の前記第1入力側増幅素子と前記第2入力側増幅素子と前記第1出力側増幅素子と前記第2出力側増幅素子とは、電界効果トランジスタである請求項14から請求項21までのいずれかに記載のRF電力増幅装置。
  23. 前記電界効果トランジスタはLDMOSである請求項22に記載のRF電力増幅装置。
  24. 前記第1電力増幅器と前記第2電力増幅器の前記第1入力側増幅素子と前記第2入力側増幅素子と前記第1出力側増幅素子と前記第2出力側増幅素子とは、バイポーラトランジスタである請求項14から請求項21までのいずれかに記載のRF電力増幅装置。
  25. 前記バイポーラトランジスタはヘテロ接合型である請求項24に記載のRF電力増幅装置。
  26. 前記第1電力増幅器と、前記第2電力増幅器と、前記第1電力増幅器と前記第2電力増幅器の送信出力レベルを検出するパワー検出器とは、RFパワーモジュールのパッケージに搭載されている請求項14から請求項21までのいずれかに記載のRF電力増幅装置。
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