JP4946728B2 - 電力増幅器 - Google Patents

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Description

本発明は、アイドル電流の制御性が良く、素子バラツキの影響を受け難く、安定した温度特性を持つ電力増幅器に関するものである。
現在、CDMAをはじめとする携帯電話用電力増幅器として、GaAs−HBT(Heterojunction Bipolar Transistor)電力増幅器が広く用いられている。図13は、従来のGaAs−HBT電力増幅器を示す回路図である。点線枠内がGaAsチップであり、それ以外の回路素子はモジュール基板上にチップ部品や線路によって形成されている。
図中において、Tr1,Tr2はそれぞれ前段増幅素子,後段増幅素子である。Bias1は前段増幅素子を駆動する前段バイアス回路、Bias2は後段増幅素子を駆動する後段バイアス回路である。
Vc1,Vc2はそれぞれ前段,後段増幅素子用のコレクタ電源端子、Vcbはバイアス回路Bias1,Bias2の電源端子、Vrefはバイアス回路Bias1,Bias2に制御電圧を印加する端子である。INはRF信号入力端子、OUTはRF出力信号端子、R1〜R4は抵抗、C1〜C10は容量、L1,L2はインダクタである。L3〜L8は特定の電気長を有する線路でインダクタとして作用する。なお、最近では、モジュールの小型化のために、入力整合回路であるC1、C2、L1や、段間整合回路であるC3、C4、L2もGaAsチップ上に集積化する場合が多い。
図14は、従来のバイアス回路を示す回路図である。このバイアス回路は、上記の前段バイアス回路Bias1又は後段バイアス回路Bias2である。図中において、Vrefは外部から制御電圧が印加される端子、Trb1〜Trb3,Trb7,Trb8はGaAs−HBT、Trは増幅素子、Rb1〜Rb3,Rb5〜Rb8は抵抗である。
Trb1を含むエミッタフォロワ回路は、対応する増幅素子Trのベース(入力端子)に制御電圧に応じた電圧を印加する。そして、端子RFinから入力されたRF信号は、入力整合回路の容量Cを介して増幅素子Trのベースに入力される。そして、増幅されたRF信号が、増幅素子Trのコレクタから端子RFoutに出力される。
このバイアス回路は、電力増幅器の前段増幅素子及び後段増幅素子のアイドル電流を温度変化に対して一定に保つように動作する(例えば、特許文献1参照)。ここで、アイドル電流とは、RF入力電力が無い場合の電力増幅器のバイアス電流である。
図15は、従来のCDMA用HBT電力増幅器の入出力特性を示す図である。入力電力Pinが増加すると、アイドル電流Ictqは一定であるが、出力電力Poutが増加し、総動作電流Ictが増加する。
図16は、従来のCDMA用HBT電力増幅器の歪み特性を示す図である。歪み特性は、隣接チャネル漏洩電力(ACLR)で表される。出力電力Poutの増加と共にACLRが増加する。この時の出力電力Pout、電力利得Gp、及び効率PAEで電力増幅器の特性の良否が決まる。
図17は、郊外におけるCDMA端末機内の電力増幅器の出力電力について確率分布を示す図である。0dBm付近の低出力である確率が最も高く、27dBm付近の最大出力である確率は低い(例えば、非特許文献1参照)。このため、出力電力が低い時にはアイドル電流を低く抑え、出力電力が高い時にはアイドル電流を増加させて、歪み特性を満足しやすくすることが望まれる。例えば、図18に示すように、電力増幅器のアイドル電流Icqを所望の出力電力Poutに応じて変化させることにより、アイドル電流Icqを必要最低限に抑えることができる。しかし、この方式は複雑な制御回路を必要とする。
そこで、従来は、出力電力に応じて高いアイドル電流と低いアイドル電流をアナログ的に切り替える方式が多く採用されていた。この方式は、エンハンスメント型電界効果トランジスタ(Enhancement mode Field Effect Transistor)の場合、カレントミラー回路などを用いれば容易に実現することができる。しかし、アイドル電流をアナログ的に制御するGaAs−HBT電力増幅器について開示している文献は少ない。
図19は、アイドル電流をアナログ的に制御する従来のGaAs−HBT電力増幅器を示す回路図である(例えば、非特許文献2参照)。図中において、Trは増幅素子、Vcは増幅段のコレクタ電源端子、Vcbはバイアス回路のコレクタ電源端子、Vrefは外部から参照電圧が印加される参照端子、Vmodは外部から制御電圧が印加される制御端子、Trb11〜Trb17はGaAs−HBT、Rb11〜Rb17は抵抗、Lは伝送線路、Cは容量である。端子RFinから入力されたRF信号は、入力整合回路の容量Cを介して増幅素子Trのベースに入力される。そして、増幅素子TrはRF信号を増幅して、コレクタから端子RFoutに出力する。また、Trb11〜Trb17及びRb11〜Rb17からなるベース回路は、端子Vmodに印加された制御電圧に応じた電圧を増幅素子Trのベースに印加する。
特開2004−343244号公報 B. Sahu and G.A.Rincon-Mora,"A high-efficiency linear RF power amplifier with a power-tracking dynamically adaptive buck-boost supply,"IEEE Trans.MTT vol.52、No.1, pp. 112-120,Jan. 2004 Y.-W. Kim, K.-C. Han, S.-Y. Hong, J.-H. Shin, "A 45% PAE/18mA quiescent current CDMA/PAM with a dynamic bias control circuit, "2004 IEEE Radio Frequency Interated Circuit (RFIC) Symposium, 2004 Digest of Technical Papers, PP. 365-368
図19の電力増幅器では、制御電圧とアイドル電流の関係が非線形となるため、アイドル電流の制御性が悪いという問題があった。また、アイドル電流の制御機能とバイアス機能が同一の回路に組み込まれているため、素子バラツキの影響を受けやすく、かつアイドル電流の温度特性(同一の制御電圧に対するアイドル電流の温度変化)を一定にしにくいという問題があった。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、アイドル電流の制御性が良く、素子バラツキの影響を受け難く、安定した温度特性を持つ電力増幅器を得るものである。
本発明に係る電力増幅器は、RF信号を増幅する第1の増幅素子と、出力端子が第1の増幅素子の出力端子に接続された第2の増幅素子と、参照端子に印加された参照電圧に応じた電圧を第2の増幅素子の入力端子に印加するエミッタフォロワ回路と、参照端子と第1の増幅素子の入力端子との間に直列に接続された第1,第2の抵抗と、コレクタが参照端子に接続され、ベースに制御電圧が印加される第1のトランジスタと、第1のトランジスタのエミッタと接地点との間に接続された第3の抵抗と、第1のトランジスタのコレクタから入力した電流に比例した電流を、第1の抵抗と第2の抵抗との接続点から引き抜くカレントミラー回路とを有する。本発明のその他の特徴は以下に明らかにする。
本発明により、アイドル電流の制御性が良く、素子バラツキの影響を受け難く、安定した温度特性を持つ電力増幅器を得ることができる。
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1に係る電力増幅器を示す回路図である。Tr1は第1の増幅素子、Tr2は第2の増幅素子である。Vcは増幅段のコレクタ電源端子、Vcbはバイアス回路のコレクタ電源端子、Vrefは外部から参照電圧(通常2.8〜2.9V)が印加される参照端子、Vconは外部から制御電圧が印加される制御端子である。Trb1〜Trb5,Tra1〜Tra3はGaAs−HBT、Rb1〜Rb6,Ra1〜Ra6は抵抗である。なお、入力整合回路及び出力整合回路は省略している。
端子RFinから入力されたRF信号は、入力整合回路の容量C1を介して第1の増幅素子Tr1のベース(入力端子)に入力される。そして、第1の増幅素子Tr1はRF信号を増幅して、コレクタ(出力端子)から端子RFoutに出力する。第2の増幅素子Tr2のコレクタ(出力端子)は第1の増幅素子Tr1のコレクタに接続され、両者は伝送線路Lを介して電源端子Vcに接続されている。第1の増幅素子Tr1のベースと第2の増幅素子Tr2のベースとの間に容量C2が接続され、第1の増幅素子Tr1と第2の増幅素子Tr2は容量結合されている。
Trb1のエミッタは抵抗Rb1を介してTr1のベースに接続されている。Trb1のベースは抵抗Rb2を介して参照端子Vrefに接続されている。Trb1のコレクタは電源端子Vcbに接続されている。
Trb2のコレクタは抵抗Rb3を介してTrb1のエミッタに接続されている。Trb2のエミッタは接地されている。Trb3のベースは抵抗Rb2,Rb4を介して参照端子Vrefに接続されている。Trb3のコレクタは抵抗Rb5を介して電源端子Vcbに接続されている。Trb3のエミッタは、Trb2のベースに接続され、抵抗Rb6を介して接地されている。Trb4のベース及びコレクタは、抵抗Rb2を介して参照端子Vrefに接続されている。Trb5のベース及びコレクタはTrb4のエミッタに接続されている。Trb5のエミッタは接地されている。
上記の抵抗Rb3〜Rb6及びTrb1〜Trb3からなるエミッタフォロワ回路は、参照端子Vrefに印加された参照電圧に応じた電圧を第2の増幅素子Tr2のベースに印加する。
また、参照端子Vrefと第1の増幅素子Tr1のベースとの間に、第1の抵抗Ra1と第2の抵抗Ra2が直列に接続されている。第1のトランジスタTra1のコレクタは、抵抗Ra3を介して参照端子Vrefに接続されている。制御端子Vconに印加された制御電圧が、抵抗Ra4を介して第1のトランジスタTra1のベースに印加される。第1のトランジスタTra1のエミッタと接地点との間に第3の抵抗Ra5が接続されている。
トランジスタTra2のベース及びコレクタは抵抗Ra6を介して第1のトランジスタTra1のコレクタに接続され、エミッタは接地されている。トランジスタTra3のベースはトランジスタTra2のコレクタに接続され、コレクタは第1の抵抗Ra1と第2の抵抗Ra2の接続点に接続され、エミッタは接地されている。これらのトランジスタTra2,Tra3はカレントミラー回路を構成し、第1のトランジスタTra1のコレクタから入力した電流に比例した電流を、第1の抵抗Ra1と第2の抵抗Ra2との接続点から引き抜く。これにより、電流Ia2は、制御電圧に応じて線形に変化する。
端子Vconに印加された制御電圧がLow(GaAsのpn接合のビルトイン電圧Vbより小さい電圧、例えば1.2V)の場合は、第1のトランジスタTra1はOFFとなる。このため、電流Ia3は全て電流Ia4としてトランジスタTra2に流れる。Tra2とTra3はカレントミラーを構成するため、電流Ia4をミラー倍したカレント電流IcがTra3に流れる。このカレント電流Icが電流Ia1を全て吸収するように回路定数を設定しておくと、電流Ia2が流れないので、アイドル電流Icq1は流れない。
一方、端子Vconに印加された制御電圧がHigh(例えば2.5V)の場合に、第1のトランジスタTra1はONとなる。この場合に電流Ia3がほとんど電流Ia5となり、電流Ia6がほとんど流れないように回路定数を設定しておくと、カレントミラー電流Icも流れないので、電流Ia1は全て電流Ia2として第1の増幅素子Tr1のベースに給電され、アイドル電流Icq1が流れる。ただし、本実施の形態では、第2の増幅素子Tr2のアイドル電流Icq2は、制御電圧がHighかLowかに関わらず一定である。
本実施の形態では、制御端子Vconに印加される制御電圧に応じて、アイドル電流をアナログ的に制御することができる。そして、高抵抗エミッタ負荷である抵抗Ra5とカレントミラー回路であるTra2,Tra3を設けたことで、図2に示すように、制御電圧とアイドル電流の関係を線形に保つことができる。従って、アイドル電流の制御性が良い。
また、増幅素子にバイアスを印加するエミッタフォロワ回路(Rb3〜Rb6,Trb1〜Trb3)と、増幅素子のアイドル電流を制御する回路(Ra1〜Ra6,Tra1〜Tra3)とを分割することにより、素子バラツキの影響を受け難く、安定した温度特性を持つことができる。
なお、エミッタフォロワ回路のTrb1及びダイオード接続のTrb4をエンハンスメント型電界効果トランジスタに変更してもよい。これにより、参照電圧(約2.8〜2.9V)を2.0V以下に低減することができる。
実施の形態2.
図3は、本発明の実施の形態2に係る電力増幅器を示す回路図である。第1の抵抗Ra1と第2の抵抗Ra2との接続点と第2の増幅素子Tr2のベース(入力端子)との間に、第4の抵抗Ra7が接続されている。その他の構成は実施の形態1と同様である。これにより、図4に示すように、第1の増幅素子Tr1だけでなく第2の増幅素子Tr2についても、制御電圧とアイドル電流の関係を線形に保つことができる。従って、第2の増幅素子Tr2のアイドル電流を高出力電力動作時に増加させることができるので、より歪みにくい出力特性を得ることができる。
実施の形態3.
図5は、本発明の実施の形態3に係る電力増幅器を示す回路図である。第2のトランジスタTra4のベース及びコレクタが参照端子Vrefに接続されている。第1の抵抗Ra1と第2の抵抗Ra2との接続点と第2のトランジスタTra4のエミッタとの間に接第5の抵抗Ra8が接続されている。その他の構成は実施の形態1と同様である。
実施の形態1では、制御電圧が一定であれば第1の増幅素子Tr1のアイドル電流Icq1は温度が変化しても一定である。そして、アイドル電流が一定であればHBT電力増幅器の利得は温度上昇に伴って低下する。従って、電力増幅器の利得が温度上昇に伴って低下するという問題があった。一方、本実施の形態3では、温度上昇に伴って第1の増幅素子Tr1のアイドル電流Icq1を増加させることができる。従って、温度上昇に対して電力増幅器の利得を一定に保つことができる。
実施の形態4.
図6は、本発明の実施の形態4に係る電力増幅器を示す回路図である。第1の抵抗Ra1と第2の抵抗Ra2との接続点と第2の増幅素子Tr2のベース(入力端子)との間に、第4の抵抗Ra7が接続されている。その他の構成は実施の形態3と同様である。これにより、実施の形態1〜3の効果を得ることができる。
実施の形態5.
図7は、本発明の実施の形態5に係る電力増幅器を示す回路図である。容量C2が無く、第1の増幅素子Tr1のベース(入力端子)と第2の増幅素子Tr2のベース(入力端子)が短絡されている。その他の構成は実施の形態1と同様である。これにより、図8に示すように、アイドル電流の制御量は小さくなる。しかし、実施の形態1に比べて回路を簡単化(小型化)することができる。
実施の形態6.
図9は、本発明の実施の形態6に係る電力増幅器を示す回路図である。実施の形態1とは、増幅素子のアイドル電流を制御する回路の構成が異なる。即ち、第1のトランジスタTra11のドレインが参照端子に接続されている。制御端子Vconに印加された制御電圧が、抵抗Ra11を介して、第1のトランジスタTra11のゲートに印加される。第1のトランジスタTra11のソースと接地点との間に抵抗Ra12が接続されている。第1の抵抗Ra13の一端が第1のトランジスタTra11のソースに接続されている。第2のトランジスタTra12のゲート及びドレインが第1の抵抗Ra13の他端に接続され、ソースが接地されている。第2のトランジスタTra12のドレインと第1の増幅素子Tr1のゲート(入力端子)との間に第2の抵抗Ra14が接続されている。なお、抵抗Ra12が無くても動作上支障はない。
ここで、本実施の形態6に係る電力増幅器は、単なるHBTプロセスではなく、BiFFrプロセスの使用を前提にしている。即ち、第1の増幅素子Tr1及び第1,第2のトランジスタTra11,Tra12をエンハンスメント型電界効果トランジスタで形成している。
エンハンスメント型電界効果トランジスタの閾値電圧Vthは0.1〜0.2Vであり、GaAsのpn接合のビルトイン電圧Vb(1.2V)に比べて低い。従って、制御端子Vconに印加された制御電圧をそのままTra12,Tr1のカレントミラーの参照電流に使用することができる。即ち、制御電圧が0Vの場合は、電流Ia11が流れないので、第1の増幅素子Tr1のアイドル電流Icq1も流れない。一方、制御電圧がHigh(2.5V)の場合は、電流Ia11が流れるので、電流Ia11をミラー倍したアイドル電流Icq1が第1の増幅素子Tr1に流れる。
本実施の形態では、制御端子Vconに印加される制御電圧に応じて、アイドル電流をアナログ的に制御することができる。そして、制御電圧の増加に対して電流Ia11の増加は線形なので、図10に示すように、制御電圧とアイドル電流の関係を線形に保つことができる。従って、アイドル電流の制御性が良い。
また、増幅素子にバイアスを印加するエミッタフォロワ回路(Rb3〜Rb6,Trb1〜Trb3)と、増幅素子のアイドル電流を制御する回路(Ra11〜Ra14,Tra11〜Tra12)とを分割することにより、素子バラツキの影響を受け難く、安定した温度特性を持つことができる。
また、増幅素子のアイドル電流を制御する回路においてエンハンスメント型電界効果トランジスタを用いたため、制御電圧の最低値を図2のVbe(約1.2V)から2Vth(約0.2〜0。4V)に低減することができる。
実施の形態7.
図11は、本発明の実施の形態7に係る電力増幅器を示す回路図である。第2のトランジスタTra12のドレインと第2の増幅素子Tr2のベース(入力端子)との間に第3の抵抗Ra15が接続されている。その他の構成は実施の形態6と同様である。これにより、図12に示すように、第1の増幅素子Tr1だけでなく第2の増幅素子Tr2についても、制御電圧とアイドル電流の関係を線形に保つことができる。従って、第2の増幅素子Tr2のアイドル電流を高出力電力動作時に増加させることができるので、より歪みにくい出力特性を得ることができる。
本発明の実施の形態1に係る電力増幅器を示す回路図である。 図1の電力増幅器における制御電圧とアイドル電流の関係を示す図である。 本発明の実施の形態2に係る電力増幅器を示す回路図である。 図3の電力増幅器における制御電圧とアイドル電流の関係を示す図である。 本発明の実施の形態3に係る電力増幅器を示す回路図である。 本発明の実施の形態4に係る電力増幅器を示す回路図である。 本発明の実施の形態5に係る電力増幅器を示す回路図である。 図7の電力増幅器における制御電圧とアイドル電流の関係を示す図である。 本発明の実施の形態6に係る電力増幅器を示す回路図である。 図9の電力増幅器における制御電圧とアイドル電流の関係を示す図である。 本発明の実施の形態7に係る電力増幅器を示す回路図である。 図11の電力増幅器における制御電圧とアイドル電流の関係を示す図である。 従来のGaAs−HBT電力増幅器を示す回路図である。 従来のバイアス回路を示す回路図である。 従来のCDMA用HBT電力増幅器の入出力特性を示す図である。 従来のCDMA用HBT電力増幅器の歪み特性を示す図である。 郊外におけるCDMA端末機内の電力増幅器の出力電力について確率分布を示す図である。 アイドル電流を出力電力に応じて変化させる方式を説明するための図である。 アイドル電流をアナログ的に制御する従来のGaAs−HBT電力増幅器を示す回路図である
符号の説明
C2 容量
Ra1 第1の抵抗
Ra2 第2の抵抗
Ra5 第3の抵抗
Ra7 第4の抵抗
Ra8 第5の抵抗
Ra11 第1の抵抗
Ra13 第2の抵抗
Ra14 第3の抵抗
Ra15 第4の抵抗
Rb3〜Rb6 抵抗(エミッタフォロワ回路)
Tr1 第1の増幅素子
Tr2 第2の増幅素子
Tra1 第1のトランジスタ
Tra2,Tra3 GaAs−HBT(カレントミラー回路)
Tra4 第2のトランジスタ
Tra11 第1のトランジスタ
Tra12 第2のトランジスタ
Trb1〜Trb5 GaAs−HBT(エミッタフォロワ回路)
Vref 参照端子

Claims (6)

  1. RF信号を増幅する第1の増幅素子と、
    出力端子が前記第1の増幅素子の出力端子に接続され、前記RF信号を増幅する第2の増幅素子と、
    参照端子に印加された参照電圧に応じた電圧を前記第2の増幅素子の入力端子に印加するエミッタフォロワ回路と、
    前記参照端子と前記第1の増幅素子の入力端子との間に直列に接続された第1,第2の抵抗と、
    コレクタが前記参照端子に接続され、ベースに制御電圧が印加される第1のトランジスタと、
    前記第1のトランジスタのエミッタと接地点との間に接続された第3の抵抗と、
    前記第1のトランジスタのコレクタから入力した電流に比例した電流を、前記第1の抵抗と前記第2の抵抗との接続点から引き抜くカレントミラー回路とを有することを特徴とする電力増幅器。
  2. 前記第1の抵抗と前記第2の抵抗との接続点と前記第2の増幅素子の入力端子との間に接続された第4の抵抗を更に有することを特徴とする請求項1に記載の電力増幅器。
  3. ベース及びコレクタが前記参照端子に接続された第2のトランジスタと、
    前記第1の抵抗と前記第2の抵抗との接続点と前記第2のトランジスタのエミッタとの間に接続された第5の抵抗とを更に有することを特徴とする請求項1又は2に記載の電力増幅器。
  4. 前記第1の増幅素子の入力端子と前記第2の増幅素子の入力端子との間に接続された容量を更に有することを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の電力増幅器。
  5. 前記第1の増幅素子の入力端子と前記第2の増幅素子の入力端子が短絡されていることを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の電力増幅器。
  6. RF信号を増幅する第1の増幅素子と、
    出力端子が前記第1の増幅素子の出力端子に接続され、前記RF信号を増幅する第2の増幅素子と、
    参照端子に印加された参照電圧に応じた電圧を前記第2の増幅素子の入力端子に印加するエミッタフォロワ回路と、
    ドレインが前記参照端子に接続され、ゲートに制御電圧が印加される第1のトランジスタと、
    一端が前記第1のトランジスタのソースに接続された第1の抵抗と、
    ゲート及びドレインが前記第1の抵抗の他端に接続され、ソースが接地された第2のトランジスタと、
    前記第2のトランジスタのドレインと前記第1の増幅素子の入力端子との間に接続された第2の抵抗とを有し、
    前記第1の増幅素子及び前記第1,第2のトランジスタは、エンハンスメント型電界効果トランジスタであり、
    前記第2のトランジスタのドレインと前記第2の増幅素子の入力端子との間に接続された第3の抵抗を更に有することを特徴とする電力増幅器。
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