JP5519558B2 - 高周波電力増幅装置 - Google Patents
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Description
《無線通信システムの概略構成》
図1は、本発明の実施の形態1による高周波電力増幅装置において、それを適用した無線通信システムの概略構成例を示すブロック図である。図1に示す無線通信システムは、例えば、W−CDMA用の携帯電話システムとなっている。当該無線通信システムは、アンテナANT、フロントエンドモジュールFEM、高周波電力増幅装置(高周波電力増幅モジュール)HPAMD、高周波信号処理装置RFIC、ベースバンドユニットBBU、スピーカSPK、およびマイクMIC等を備えている。ベースバンドユニットBBUは、マイクMICからのアナログ信号をデジタル変換し、これに対してデータ変調や拡散変調等を行うことでI信号およびQ信号を生成し、当該I信号およびQ信号を高周波信号処理装置RFICに向けて出力する。また、BBUは、RFICから入力されたI信号およびQ信号に対してデータ復調や拡散復調等を行うことデジタル信号を復調し、これをアナログ変換したのちスピーカSPKから出力する。
図2は、本発明の実施の形態1による高周波電力増幅装置において、その概略構成の一例を示すブロック図である。図1に示す高周波電力増幅装置(高周波電力増幅モジュール)HPAMD1は、例えばセラミック等の配線基板(PCB)によって構成される。PCB上には、高周波電力増幅チップHPAIC1および制御チップCTLIC1が実装されると共に、PCB上の配線層等を用いてインピーダンス整合回路IMNoが形成されている。HPAIC1は、所謂MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit)であり、インピーダンス整合回路IMN14,IMN2i,IMN3i,IMN5i,IMN2o,IMN3o,IMN5oと、電力増幅用トランジスタQ1〜Q5を備えている。Q1〜Q5には、外部端子から電源電圧VDDが供給される。
このように、図2の構成例は、主に、次のような特徴ならびに効果を備えている。第1の特徴として、3段階の電力モードに対応して3個の経路を備え、各経路上に複数段(ここでは2段)の電力増幅用トランジスタを配置した点が挙げられる。例えば、前述した特許文献2や特許文献3に示されるように、2段階の電力モードに対応すると共に1段の電力増幅用トランジスタを用いて電力増幅を行う構成では、幅広い出力レベルに対応できない恐れがある。そこで、図10に示したような幅広い出力レベルに対応させるためには、3段階以上の電力モードを設定可能とすることが望ましく、加えて、特に高い出力レベルに対応するため複数段の電力増幅用トランジスタを用いて電力増幅を行うことが望ましい。これによって、幅広い出力レベルにおいてトークカレントの低減が図れる。なお、図2の構成例では、最も使用頻度が高い0dBm付近を低パワー用電力モードで賄うことで、トークカレントの低減効果を向上させている。
図3は、図2の高周波電力増幅装置において、その詳細な構成例を示す回路図である。図3では、電力増幅用トランジスタQ1〜Q5が、それぞれエミッタ接地となるnpn型のヘテロ接合バイポーラトランジスタ(HBT)となっている。Q1〜Q3は、例えば、3×40μmのエミッタ面積を持つトランジスタを単位トランジスタ(フィンガと呼ばれる)として、それを所定の数だけ並列接続したような構造(マルチフィンガと呼ばれる)となっている。x個のフィンガからなる構造をxFとすると、例えばQ2:Q3:Q1:Q5:Q4=40F:16F:8F:1F:1F等である。
《高周波電力増幅モジュールの概略構成[2]》
図5は、本発明の実施の形態2による高周波電力増幅装置において、その概略構成の一例を示すブロック図である。図5に示す高周波電力増幅装置(高周波電力増幅モジュール)HPAMD1aは、前述した図2の高周波電力増幅モジュールHPAMD1と比較して、カプラCPLが追加された点が異なっている。CPLは、モジュール配線基板(PCB)上の伝送線路によって形成され、一端がカプラ入力信号CPLin用の外部端子に接続され、他端がカプラ出力信号CPLo用の外部端子に接続される。当該伝送線路は、一部の区間においてインピーダンス整合回路IMNo(例えば、図3の伝送線路LNo)と近接かつ並行に配置されており、電磁結合によってIMNoを通過する電力の大きさを検出する。
《高周波電力増幅モジュールの概略構成[3]》
図6は、本発明の実施の形態3による高周波電力増幅装置において、その概略構成の一例を示すブロック図である。図6に示す高周波電力増幅装置(高周波電力増幅モジュール)HPAMD2は、前述した図2の高周波電力増幅モジュールHPAMD1と比較して、高周波電力増幅チップHPAIC2内のインピーダンス整合回路IMN3o,IMN5oの構成が異なっている。図6において、IMN3oは、電力増幅用トランジスタQ3の出力ノードに一端が接続された容量C3oに加えて、C3oの他端と接地電源電圧GNDの間に接続されたスイッチ回路SW3を備えている。同様に、IMN5oは、電力増幅用トランジスタQ5の出力ノードに一端が接続された容量C5oに加えて、C5oの他端とGNDの間に接続されたスイッチ回路SW5を備えている。ここでは、SW3,SW5は、制御チップCTLIC2内に設けられ、MOSトランジスタ等で実現される。
《高周波電力増幅モジュールの概略構成[4]》
図7は、本発明の実施の形態4による高周波電力増幅装置において、その概略構成の一例を示すブロック図である。図7に示す高周波電力増幅装置(高周波電力増幅モジュール)HPAMD3は、前述した図2の高周波電力増幅モジュールHPAMD1から、中パワー用のインピーダンス整合回路IMN3i、電力増幅用トランジスタQ3およびインピーダンス整合回路IMN3oを削除したような構成を備えている。その代わりに、図7の高周波電力増幅チップHPAIC3内では、前述した高パワー用電力モードの経路(IMN14→Q1→IMN2i→Q2→IMN2o→IMNo)が中パワー用電力モードを兼用し、電力増幅用トランジスタQ1,Q2のトランジスタサイズが可変設定可能な構成に変更されている。ここでは、Q1が入出力を共有する2個の電力増幅用トランジスタQ1a,Q1bに分割され、Q2も入出力を共有する2個の電力増幅用トランジスタQ2a,Q2bに分割され、この分割されたトランジスタ毎に活性化・非活性化が制御可能となっている。
《高周波電力増幅モジュールの概略構成[5]》
図9は、本発明の実施の形態5による高周波電力増幅装置において、その概略構成の一例を示すブロック図である。図9に示す高周波電力増幅装置(高周波電力増幅モジュール)HPAMD4は、前述した図2および図3の高周波電力増幅モジュールHPAMD1と比較して、高周波電力増幅チップHPAIC4内にスパイラルインダクタSLが追加された点が異なっている。SLは、電力増幅用トランジスタQ1の出力ノードとインピーダンス整合回路IMN2i,IMN3iの共通入力ノードとの間に接続される。例えば、前述したQ3の出力ノードとQ5の出力ノードとを接続する伝送線路LN35の配線長が長くなったような場合、これに伴うインダクタ成分が位相偏差の観点で無視できない場合が考えられる。そこで、図9の構成例では、このLN35のダミー素子としてSLが設けられている。
BBU ベースバンドユニット
BPN バイパス回路
C 容量
CPL カプラ
CTLIC 制御チップ
DRV ドライバ回路
FEM フロントエンドモジュール
HPAIC 高周波電力増幅チップ
HPAMD 高周波電力増幅モジュール
IBS バイアス電流源
IMN インピーダンス整合回路
IMN&PDIV インピーダンス整合回路及び電力分配回路
ITN インピーダンス変換回路
L インダクタ
LN 伝送線路
LNAロウノイズアンプ回路
MA メインアンプ回路
MIC マイク
MIX ミキサ回路
Q 電力増幅用トランジスタ
RFIC 高周波信号処理装置
SL スパイラルインダクタ
SPK スピーカ
SW スイッチ回路
VCTL バイアス制御回路
Claims (17)
- 第1電力信号が入力される第1端子と、
前記第1電力信号を増幅した第2電力信号が出力される第2端子と、
前記第2端子と第1ノードの間に設けられる第1インピーダンス整合回路と、
前記第1端子から前記第1ノードまでの信号伝送経路であり、前記第2電力信号の電力レベルを設定する電力指示信号に応じて切り替えられる第1信号経路および第2信号経路とを備え、
前記第1信号経路上には、
最終段となる第1電力増幅用トランジスタを含んだ複数段の電力増幅用トランジスタと、
前記第1電力増幅用トランジスタの出力ノードと前記第1ノードの間に設けられる第2インピーダンス整合回路を含んだ複数のインピーダンス整合回路とが備わり、
前記第2信号経路上には、
最終段となる第2電力増幅用トランジスタを含んだ複数段の電力増幅用トランジスタと、
前記第2電力増幅用トランジスタの出力ノードと前記第1ノードの間に設けられる第3インピーダンス整合回路を含んだ複数のインピーダンス整合回路とが備わり、
前記第1信号経路上の前記複数段の電力増幅用トランジスタの段数は、前記第2信号経路上の前記複数段の電力増幅用トランジスタの段数と同一であり、
前記第1信号経路上の前記複数のインピーダンス整合回路の個数は、前記第2信号経路上の前記複数のインピーダンス整合回路の個数と同一であることを特徴とする高周波電力増幅装置。 - 請求項1記載の高周波電力増幅装置において、さらに、
前記第1端子と第2ノードの間に設けられる第4インピーダンス整合回路と、
前記第2ノードを共通の入力とする第5および第6インピーダンス整合回路とを備え、
前記第4および第5インピーダンス整合回路は、前記第1信号経路上の前記複数のインピーダンス整合回路の一部であり、
前記第4および第6インピーダンス整合回路は、前記第2信号経路上の前記複数のインピーダンス整合回路の一部であることを特徴とする高周波電力増幅装置。 - 請求項1記載の高周波電力増幅装置において、
更に、前記第1端子から前記第1ノードまでの信号経路であり、前記電力指示信号に応じて切り替えられる第3信号経路を備え、
前記第3信号経路上には、
最終段となる第3電力増幅用トランジスタを含んだ複数段の電力増幅用トランジスタと、
前記第3電力増幅用トランジスタの出力ノードと前記第1ノードの間に設けられる第7インピーダンス整合回路を含んだ複数のインピーダンス整合回路とが備わり、
前記第3信号経路上の前記複数段の電力増幅用トランジスタの段数は、前記第1および第2信号経路上の前記複数段の電力増幅用トランジスタの段数と同一であり、
前記第3信号経路上の前記複数のインピーダンス整合回路の個数は、前記第1および第2信号経路上の前記複数のインピーダンス整合回路の個数と同一であることを特徴とする高周波電力増幅装置。 - 請求項1記載の高周波電力増幅装置において、
前記第1信号経路上の前記複数のインピーダンス整合回路に含まれる容量素子の数は、前記第2信号経路上の前記複数のインピーダンス整合回路に含まれる容量素子の数と同一であり、
前記第1信号経路上の前記複数のインピーダンス整合回路に含まれるインダクタ素子の数は、前記第2信号経路上の前記複数のインピーダンス整合回路に含まれるインダクタ素子の数と同一であることを特徴とする高周波電力増幅装置。 - 請求項3記載の高周波電力増幅装置において、
前記第2インピーダンス整合回路は、前記第1電力増幅用トランジスタの出力ノードと電源電圧ノードの間に直列に挿入される第1容量素子であり、
前記第3インピーダンス整合回路は、前記第2電力増幅用トランジスタの出力ノードと前記電源電圧ノードの間に直列に挿入される第2容量素子であり、
前記第7インピーダンス整合回路は、前記第3電力増幅用トランジスタの出力ノードと前記電源電圧ノードの間に直列に挿入される第3容量素子であることを特徴とする高周波電力増幅装置。 - 請求項5記載の高周波電力増幅装置において、
前記第3インピーダンス整合回路は、更に、前記第2容量素子と前記電源電圧ノードの間に直列に挿入される第1スイッチを備え、
前記第7インピーダンス整合回路は、更に、前記第3容量素子と前記電源電圧ノードの間に直列に挿入される第2スイッチを備えることを特徴とする高周波電力増幅装置。 - 請求項3記載の高周波電力増幅装置において、
前記高周波電力増幅装置は、W−CDMA用であることを特徴とする高周波電力増幅装置。 - 第1電力信号が入力される第1端子と、
前記第1電力信号を増幅した第2電力信号が出力される第2端子と、
第1電力増幅用トランジスタと、
前記第1電力増幅用トランジスタよりも小さいトランジスタサイズを持つ第2電力増幅用トランジスタと、
前記第2電力増幅用トランジスタよりも小さいトランジスタサイズを持つ第3電力増幅用トランジスタと、
前記第1電力増幅用トランジスタの出力ノードと第1ノードの間に設けられる第1出力インピーダンス整合回路と、
前記第2電力増幅用トランジスタの出力ノードと前記第1ノードの間に設けられる第2出力インピーダンス整合回路と、
前記第3電力増幅用トランジスタの出力ノードと前記第1ノードの間に設けられる第3出力インピーダンス整合回路と、
前記第1ノードと前記第2端子の間に設けられる共通出力インピーダンス整合回路と、
前記第1および第2電力増幅用トランジスタの前段に共通して設けられる第4電力増幅用トランジスタと、
前記第4電力増幅用トランジスタの出力ノードと前記第1電力増幅用トランジスタの入力ノードの間に設けられる第1段間インピーダンス整合回路と、
前記第4電力増幅用トランジスタの出力ノードと前記第2電力増幅用トランジスタの入力ノードの間に設けられる第2段間インピーダンス整合回路と、
前記第3電力増幅用トランジスタの前段に設けられ、前記第4電力増幅用トランジスタよりも小さいトランジスタサイズを持つ第5電力増幅用トランジスタと、
前記第5電力増幅用トランジスタの出力ノードと前記第3電力増幅用トランジスタの入力ノードの間に設けられる第3段間インピーダンス整合回路と、
前記第1端子と第2ノードの間に設けられる共通入力インピーダンス整合回路と、
前記第2ノードと前記第4電力増幅用トランジスタの入力ノードの間に設けられる第1入力インピーダンス整合回路と、
前記第2ノードと前記第5電力増幅用トランジスタの入力ノードの間に設けられる第2入力インピーダンス整合回路と、
前記第2電力信号の電力レベルを設定する電力指示信号に応じて、前記第1〜第3電力増幅用トランジスタのいずれか1個と共に前記第4および第5電力増幅用トランジスタの一方を活性状態に制御し、残りの電力増幅用トランジスタを非活性状態に制御する制御回路とを有することを特徴とする高周波電力増幅装置。 - 請求項8記載の高周波電力増幅装置において、
前記第1出力インピーダンス整合回路は、前記第1電力増幅用トランジスタの出力ノードと電源電圧ノードの間に直列に挿入される第1容量素子であり、
前記第2出力インピーダンス整合回路は、前記第1容量素子よりも大きい容量値を持ち、前記第2電力増幅用トランジスタの出力ノードと前記電源電圧ノードの間に直列に挿入される第2容量素子であり、
前記第3出力インピーダンス整合回路は、前記第2容量素子よりも大きい容量値を持ち、前記第3電力増幅用トランジスタの出力ノードと前記電源電圧ノードの間に直列に挿入される第3容量素子であることを特徴とする高周波電力増幅装置。 - 請求項9記載の高周波電力増幅装置において、
前記第1入力インピーダンス整合回路は、前記第2ノードと前記第4電力増幅用トランジスタの入力ノードの間に直列に挿入される第4容量素子であり、
前記第2入力インピーダンス整合回路は、前記第2ノードと前記第5電力増幅用トランジスタの入力ノードの間に直列に挿入される第5容量素子であることを特徴とする高周波電力増幅装置。 - 請求項10記載の高周波電力増幅装置において、
前記第2出力インピーダンス整合回路は、更に、前記第2容量素子と前記電源電圧ノードの間に直列に挿入される第1スイッチを備え、
前記第3出力インピーダンス整合回路は、更に、前記第3容量素子と前記電源電圧ノードの間に直列に挿入される第2スイッチを備えることを特徴とする高周波電力増幅装置。 - 請求項8記載の高周波電力増幅装置において、
前記高周波電力増幅装置は、W−CDMA用であることを特徴とする高周波電力増幅装置。 - 第1電力信号が入力される第1端子と、
前記第1電力信号を増幅した第2電力信号が出力される第2端子と、
第1電力増幅用トランジスタと、
前記第1電力増幅用トランジスタよりも小さいトランジスタサイズを持つ第2電力増幅用トランジスタと、
前記第1電力増幅用トランジスタの出力ノードと第1ノードの間に設けられる第1出力インピーダンス整合回路と、
前記第2電力増幅用トランジスタの出力ノードと前記第1ノードの間に設けられる第2出力インピーダンス整合回路と、
前記第1ノードと前記第2端子の間に設けられる共通出力インピーダンス整合回路と、
前記第1電力増幅用トランジスタの前段に設けられる第3電力増幅用トランジスタと、
前記第3電力増幅用トランジスタの出力ノードと前記第1電力増幅用トランジスタの入力ノードの間に設けられる第1段間インピーダンス整合回路と、
前記第2電力増幅用トランジスタの前段に設けられ、前記第3電力増幅用トランジスタよりも小さいトランジスタサイズを持つ第4電力増幅用トランジスタと、
前記第4電力増幅用トランジスタの出力ノードと前記第2電力増幅用トランジスタの入力ノードの間に設けられる第2段間インピーダンス整合回路と、
前記第1端子と第2ノードの間に設けられる共通入力インピーダンス整合回路と、
前記第2ノードと前記第3電力増幅用トランジスタの入力ノードの間に設けられる第1入力インピーダンス整合回路と、
前記第2ノードと前記第4電力増幅用トランジスタの入力ノードの間に設けられる第2入力インピーダンス整合回路と、
前記第2電力信号の電力レベルを設定する電力指示信号に応じて、前記第1〜第4電力増幅用トランジスタのそれぞれを活性状態又は非活性状態に制御する制御回路とを備え、
前記第1電力増幅用トランジスタは、第1A電力増幅用トランジスタと第1B電力増幅用トランジスタの並列接続によって構成され、
前記第3電力増幅用トランジスタは、第3A電力増幅用トランジスタと第3B電力増幅用トランジスタの並列接続によって構成され、
前記制御回路は、前記電力指示信号に応じて、「前記第1A、第1B、第2電力増幅用トランジスタ」を、それぞれ、「活性状態、活性状態、非活性状態」又は「活性状態、非活性状態、非活性状態」あるいは「非活性状態、非活性状態、活性状態」に制御し、更に、「前記第3A、第3B、第4電力増幅用トランジスタ」を、それぞれ、「活性状態、活性状態、非活性状態」又は「活性状態、非活性状態、非活性状態」あるいは「非活性状態、非活性状態、活性状態」に制御することを特徴とする高周波電力増幅装置。 - 請求項13記載の高周波電力増幅装置において、
前記第1出力インピーダンス整合回路は、前記第1電力増幅用トランジスタの出力ノードと電源電圧ノードの間に直列に挿入される第1容量素子であり、
前記第2出力インピーダンス整合回路は、前記第1容量素子よりも大きい容量値を持ち、前記第2電力増幅用トランジスタの出力ノードと前記電源電圧ノードの間に直列に挿入される第2容量素子であることを特徴とする高周波電力増幅装置。 - 請求項14記載の高周波電力増幅装置において、
前記第1入力インピーダンス整合回路は、前記第2ノードと前記第3電力増幅用トランジスタの入力ノードの間に直列に挿入される第3容量素子であり、
前記第2入力インピーダンス整合回路は、前記第2ノードと前記第4電力増幅用トランジスタの入力ノードの間に直列に挿入される第4容量素子であることを特徴とする高周波電力増幅装置。 - 請求項15記載の高周波電力増幅装置において、
前記第2出力インピーダンス整合回路は、更に、前記第2容量素子と前記電源電圧ノードの間に直列に挿入される第1スイッチを備えることを特徴とする高周波電力増幅装置。 - 請求項13記載の高周波電力増幅装置において、
前記高周波電力増幅装置は、W−CDMA用であることを特徴とする高周波電力増幅装置。
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