JP5620812B2 - 高周波モジュールおよび無線通信システム - Google Patents
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Description
図1は、本発明の一実施の形態による無線通信システムにおいて、その主要部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、高周波信号処理装置RFICと、高周波モジュールRFMDと、高周波電力増幅装置HPAIC2と、デュプレクサDPXと、アンテナANTを備えている。RFMDは、例えば、1個の配線基板によって実現され、当該配線基板上に、高周波電力増幅装置HPAIC1とアンテナスイッチ装置ANTSWを備えている。RFICは、例えば、一つの半導体チップで構成され、ロウノイズアンプ回路LNAl,LNAh,LNAwと、受信用のミキサ回路MIXrl,MIXrh,MIXrwと、可変利得増幅回路VGAと、アナログ・デジタル変換回路ADCと、デジタル・アナログ変換回路DACと、送信用のミキサ回路MIXtl,MIXth,MIXtwを備えている。
図4は、図1の無線通信システムにおいて、そのGSM用高周波電力増幅装置に含まれるアンテナスイッチ用電圧制御回路VCTL周りの詳細な構成例を示す回路図である。図4に示すように、VCTL内の電圧生成回路VGEN1は、例えば、負帰還構成のアンプ回路AMPaによって実現される。AMPaは、基準電圧生成回路(バンドギャップリファレンス回路)BGRから生成された、外部環境(電源電圧(バッテリ電圧)や温度等)に依存しない基準電圧Vrefを受け、抵抗R1a,R2aの比率によって、(Vref×(R2a)/(R1a+R2a))で定められるアンテナスイッチ用電圧VSW1(例えば3.1V)を生成する。すなわち、仮にバッテリ電圧が4V前後で変動したような場合でも、常に一定の電圧レベルを生成する。
図5は、図4における昇圧回路BSTの詳細な動作例を示す波形図である。図5に示すように、ここでは、3.1Vレベルのクロック信号CLK1,CLK2を用いるものとし、各ダイオードD1〜D4の順方向電圧をVFとして、まず、ノードNaの電圧は、CLK2が‘L’レベルの際にC1によって(3.1−VF)Vに充電される。次いで、CLK2が‘H’レベルに遷移すると、Naの電圧は、C1の充電電圧にこのCLK2の遷移分が加算され、(2×3.1−VF)Vに昇圧される。Naの電圧は、CLK2の‘L’レベルおよび‘H’レベルへの遷移に応じて、(3.1−VF)Vと(2×3.1−VF)Vの間で遷移する。ただし、実際には、CLK2の発振周波数やアンテナスイッチ制御回路ANTCTLの消費電流等に応じた放電電圧ΔVが存在するため、Naにおける昇圧電圧は、(2×3.1−VF−ΔV)Vとなる。
図6は、図4における全体制御回路CTLCおよびアンテナスイッチ制御回路ANTCTLの詳細な動作例を示す真理値表である。ここでは、ベースバンドユニットBBUからのモード設定信号Mctl(TX_EN,BS1,BS2,TR_SW_ENの組み合わせ)に応じて、9個のモード(A〜E,G,H,J,K)が設定可能となっている。また、このMctlに応じて、ANTCTLは、アンテナスイッチ制御信号Sctlとしてそれぞれ電圧レベルが適宜制御された8本の制御信号(TXLBC,TXLBL,TXHBC,TXHBL,RX1800,RX900,TRXAC,TRXBC)を出力する。
図7は、図1の無線通信システムにおいて、そのアンテナスイッチ装置ANTSWの主要部の詳細な構成例を示す回路図である。図7に示すアンテナスイッチ装置ANTSWは、ここでは、10個のHEMT素子Qtl,Qth,Qsl,Qsh,Qrl,Qrh,Qtwa,Qtwb,Qswa,Qswbと、2個のゲート昇圧回路GBSTtl,GBSTthと、各種結合容量Ctl,Cth,Csl,Csh,Cswa,Cswbを備えている。Qtlは、GSMのロウバンド用の送信端子TXLBとアンテナANT用接続端子PNantの間にソース・ドレイン経路を備え、Qthは、GSMのハイバンド用の送信端子TXHBとPNantの間にソース・ドレイン経路を備える。Qrlは、GSMのロウバンド用の受信端子RXLBとPNantの間にソース・ドレイン経路を備え、Qrhは、GSMのハイバンド用の受信端子RXHBとPNantの間にソース・ドレイン経路を備える。Qtwaは、W−CDMAのバンドA用の送受信端子TRXAとPNantの間にソース・ドレイン経路を備え、Qtwbは、W−CDMAのバンドB用の送受信端子TRXBとPNantの間にソース・ドレイン経路を備える。Ctlは、TXLBとQtlの間に挿入され、Cthは、TXHBとQthの間に挿入される。
図8(a)は、図7のアンテナスイッチ装置ANTSWにおいて、W−CDMAの送信動作時の動作例を示す説明図であり、図8(b)は図8(a)におけるオフスイッチのバイアス状態の一例を示す補足図である。図8(a)に示すように、例えば、送信端子TRXAとアンテナANT間で送信信号が通過する場合、スルー用のQtwaのゲートには、前述したように4.7V(VSW2レベル)の制御信号TRXACが印加されるため、Qtwaは、強いオン状態となる。この時、Qtwaのドレイン電圧およびソース電圧は、ゲート−ドレイン(ソース)間のSBDに伴い、その順方向電圧VF(約0.5V)分下がった約4.2Vとなる。また、TRXAに接続されたシャント用のQswaのドレインおよびソースは抵抗Rdsを介してTRXACと接続されているため、4.7Vが印加される。Qswaのゲートは0Vであることから、QswaはVgs(Vgd)=−4.7Vの逆バイアスとなり深いオフ状態となる。
図10は、図1の無線通信システムを用いることによる相互変調歪み(IMD:Inter modulation Distortion)の低減効果を検証した結果を示す図である。図10は、アンテナスイッチ装置ANTSWの送信端子から20dBmの送信信号(836MHz)を入力すると共にアンテナから−15dBmの妨害波(791MHz)を入力し、受信端子に現れる所定の周波数(881MHz=2×836−791)の電力レベルを観測したものである。この際には、アンテナスイッチ(HEMT素子)のゲート電圧(アンテナスイッチ用電圧VSW)を変動させて観測を行っている。W−CDMAでは、IMD特性の値として例えば−101dBm未満の値が望まれる。図10に示すように、VSWが小さい場合には、オフ状態のアンテナスイッチにおけるオフ容量Coffの影響でIMD特性が悪化する。例えば、VSW=3.1Vの場合には、−97dBmとなる。そこで、例えばVSW=4.7Vに設定すると、約7dBm程度改善効果により−104dBmを実現でき、W−CDMA時の目標を十分に満たすことが可能になる。
図11は、図1の無線通信システムにおいて、その高周波モジュールRFMDの模式的な外形例を示す平面図である。RFMDは、複数の配線層を含んだ配線基板(例えばセラミック基板やガラスエポキシ基板等)PCB上に、2個の半導体チップ(HPAIC1,ANTSW)が実装され、これらが配線層を介して適宜接続されることで構成される。前述したように、HPAIC1は、例えばシリコン基板等で実現され、ANTSWは、例えばGaAsを代表とする化合物半導体基板等で実現される。ここでは、HPAIC1の左側にGSMのロウバンド用の各種端子等が配置され、右側にGSMのハイバンド用の各種端子等が配置される。また、HPAIC1の上側にアンテナスイッチ制御信号Sctl用の各種端子が配置され、その上のANTSWが実装されている。
図12は、図1の無線通信システムにおいて、その高周波モジュールRFMD内に含まれるGSM用のパワーアンプ回路PAの構造例を示す断面図である。前述したように、GSM用のパワーアンプ回路PA1l〜PA3l,PA1h〜PA3hは、LDMOSFET(横方向拡散MOSFET)を用いて構成することができる。図12に示すように、p+型単結晶シリコンからなる半導体基板101の主面には、p−型単結晶シリコンからなるエピタキシャル層102が形成され、エピタキシャル層102の主面の一部には、LDMOSFETのドレイン領域からソース領域への空乏層の延びを抑えるパンチスルーストッパとしてのp型ウェル106が形成されている。p型ウェル106の表面には、酸化シリコン膜などからなるゲート絶縁膜107を介してLDMOSFETのゲート電極108が形成されている。ゲート電極108は、例えばn型の多結晶シリコン膜あるいはn型の多結晶シリコン膜と金属シリサイド膜の積層膜などからなり、ゲート電極108の側壁には、酸化シリコン膜などからなるサイドウォール111が形成されている。
図13は、図1および図7の無線通信システムにおいて、その高周波モジュールRFMD内に含まれるアンテナスイッチ装置ANTSWの構造例を示す断面図である。前述したように、ANTSW内の各アンテナスイッチ回路は、HEMT素子を用いて構成することができる。図13において、半絶縁性基板200上には、エピタキシャル層201が形成されている。半絶縁性基板200とは、化合物半導体であるGaAs基板から構成される以下に示すような基板である。つまり、禁制帯幅の大きい化合物半導体では、ある種の不純物を添加すると、禁制帯の内部に深い準位が形成される。そして、この深い準位の電子および正孔が固定され、伝導帯の電子密度あるいは価電子帯の正孔密度が非常に小さくなり絶縁体に近くなる。このような基板を半絶縁性基板と呼ぶ。GaAs基板では、Cr、In、酸素などを添加したり、過剰に砒素を導入することにより深い準位が形成され、半絶縁性基板となる。
図14は、本発明の一実施の形態による無線通信システムにおいて、それを適用した携帯電話システムの構成例を示すブロック図である。図14の携帯電話システムは、ベースバンドユニットBBU、高周波システム部RFSYS、アンテナANT、スピーカSPK、およびマイクMICを備えている。BBUは、例えば、SPKやMICで用いるアナログ信号をデジタル信号に変換したり、通信に伴う様々なデジタル信号処理(変調、復調、デジタルフィルタ処理等)を行ったり、通信に伴う各種制御信号の出力等を行う。この各種制御信号の中には、前述した送信・受信等の各種動作モードを切り替えるモード設定信号Mctlや、送信電力を指示する電力指示信号Vrampが含まれている。
102 エピタキシャル層
103 溝
104 p型打抜き層
106 p型ウェル
107 ゲート絶縁膜
108 ゲート電極
109 n−型オフセットドレイン領域
110 n−型ソース領域
111 サイドウォール
112 n型オフセットドレイン領域
113 n+型ドレイン領域
114 n+型ソース領域
115 p+型半導体領域
121 絶縁膜
122 コンタクトホール
123 プラグ
124a ソース電極
124b ドレイン電極
125 絶縁膜
126 スルーホール
127 プラグ
128 配線
129 表面保護膜
130 裏面電極
200 半絶縁性基板
201 エピタキシャル層
202 バッファ層
203 AlGaAs層
204 n型GaAs層
205a オーミック電極
205b オーミック電極
206 ゲート電極
ADC アナログ・デジタル変換回路
AMP アンプ回路
ANT アンテナ
ANTCTL アンテナスイッチ制御回路
BBU ベースバンドユニット
BGR 基準電圧生成回路
BST 昇圧回路
BW ボンディングワイヤ
C 容量
CPL カプラ
CTLC 全体制御回路
D ダイオード
DAC デジタル・アナログ変換回路
DPX デュプレクサ
GBST ゲート昇圧回路
HPAIC 高周波電力増幅装置
IV インバータ回路
LNA ロウノイズアンプ回路
LPF ロウパスフィルタ
LS レベルシフト回路
MIC マイク
MIX ミキサ回路
MN インピーダンス整合回路
MP PMOSトランジスタ
OSC 発振回路
PA パワーアンプ回路
PABK パワーアンプ回路部
PCB 配線基板
PNant アンテナ接続用端子
Q HEMT素子
R 抵抗
RFIC 高周波信号処理装置
RFMD 高周波モジュール
RFSYS 高周波システム部
ROSC リングオシレータ回路
RXLB,RXHB 受信端子
S スイッチ回路
SAW SAWフィルタ
SBD ショットキーバリアダイオード
SPK スピーカ
SW アンテナスイッチ回路
TRXA,TRXB 送受信端子
TXLB,TXHB 送信端子
VCTL アンテナスイッチ用電圧制御回路
VGEN 電圧生成回路
VSEL 電圧選択回路
Claims (13)
- 第1および第2半導体チップと、
前記第1および第2半導体チップが実装される配線基板とを備え、
前記第1半導体チップは、
第1周波数帯の入力信号を増幅し、前記第1周波数帯の送信信号を出力する第1電力増幅回路と、
第1電圧レベルか、第2電圧レベルを選択して出力する電圧選択回路と、
前記第1周波数帯か第2周波数帯を表すモード設定信号を受けて、前記第1電力増幅回路および前記電圧選択回路の制御と、前記電圧選択回路の出力を用いて第1制御信号及び第2制御信号の出力を行う制御回路とを有し、
前記第2半導体チップは、
前記第1電力増幅回路からの前記第1周波数帯の送信信号が入力される第1送信端子と、
前記第2周波数帯の送信信号が入力される第2送信端子と、
アンテナ接続用端子と、
前記第1送信端子と前記アンテナ接続用端子の間に設けられ、前記第1制御信号の電圧レベルによってオン・オフが制御される第1スイッチと、
前記第2送信端子と前記アンテナ接続用端子の間に設けられ、前記第2制御信号の電圧レベルによってオン・オフが制御される第2スイッチとを有し、
前記電圧選択回路は、発振回路を含み、前記発振回路からのクロック信号を用いて前記第1電圧レベルを昇圧することで前記第2電圧レベルを生成し、
前記制御回路は、
前記モード設定信号によって前記第2周波数帯が選択された際には、前記電圧選択回路に前記第2電圧レベルを選択させ、接地電圧レベルと前記第2電圧レベルの振幅を持つ前記第1および第2制御信号を出力することで、前記第1スイッチをオフに、前記第2スイッチをオンにそれぞれ駆動し、
前記モード設定信号によって前記第1周波数帯が選択された際には、前記電圧選択回路の前記発振回路を停止させると共に前記電圧選択回路に前記第1電圧レベルを選択させ、前記接地電圧レベルと前記第1電圧レベルの振幅を持つ前記第1および第2制御信号を出力することで、前記第1スイッチをオンに、前記第2スイッチをオフにそれぞれ駆動し、
前記第2半導体チップは、更に、前記第1スイッチをオンに制御する際に、前記第1送信端子に入力される電力を用いて前記第1制御信号の電圧レベルを昇圧し、当該昇圧電圧を用いて前記第1スイッチをオンに制御する第1昇圧回路を有する、ことを特徴とする高周波モジュール。 - 請求項1記載の高周波モジュールにおいて、
前記第1および第2スイッチは、HEMT素子であることを特徴とする高周波モジュール。 - 請求項2記載の高周波モジュールにおいて、
前記第1電力増幅回路は、増幅素子としてMISFETを備えることを特徴とする高周波モジュール。 - 請求項1記載の高周波モジュールにおいて、
前記電圧選択回路は、前記発振回路に加えて更に、
外部環境に依存しない基準電圧を生成する基準電圧生成回路と、
前記基準電圧を用いて前記第1電圧レベルを生成する第1電圧生成回路と、
前記第1電圧レベルと前記発振回路からの前記クロック信号を用いてチャージポンプ動作を行うことで前記第2電圧レベルを生成する第2昇圧回路と、
前記第1電圧レベルか前記第2電圧レベルかを選択する選択スイッチとを有することを特徴とする高周波モジュール。 - 請求項4記載の高周波モジュールにおいて、
前記第2昇圧回路は、
前記第1電圧レベルと前記発振回路からの前記クロック信号の正極側を用いてチャージポンプ動作を行う第1チャージポンプ回路と、
前記第1電圧レベルと前記発振回路からの前記クロック信号の負極側を用いてチャージポンプ動作を行う第2チャージポンプ回路と、
前記第1チャージポンプ回路からの出力電圧と前記第2チャージポンプ回路からの出力電圧を前記クロック信号の半周期毎に交互に合成することで前記第2電圧レベルを生成する合成回路とを有することを特徴とする高周波モジュール。 - 請求項1記載の高周波モジュールにおいて、
前記第1周波数帯は、GSM用の周波数帯であり、
前記第2周波数帯は、W−CDMA用の周波数帯であることを特徴とする高周波モジュール。 - それぞれ異なる半導体チップで構成された第1電力増幅装置、第2電力増幅装置およびアンテナスイッチ装置と、デュプレクサとを備え、
前記第2電力増幅装置は、第2周波数帯の入力信号を増幅し、前記第2周波数帯の送信信号を前記デュプレクサに向けて出力する第2電力増幅回路を有し、
前記第1電力増幅装置は、
第1周波数帯の入力信号を増幅し、前記第1周波数帯の送信信号を出力する第1電力増幅回路と、
第1電圧レベルか、第2電圧レベルを選択して出力する電圧選択回路と、
前記第1周波数帯か前記第2周波数帯を表すモード設定信号を受けて、前記第1電力増幅回路および前記電圧選択回路の制御と、前記電圧選択回路の出力を用いて第1制御信号及び第2制御信号の出力を行う制御回路とを有し、
前記アンテナスイッチ装置は、
前記第1電力増幅回路からの前記第1周波数帯の送信信号が入力される第1送信端子と、
前記第2電力増幅回路から前記デュプレクサを介して出力された前記第2周波数帯の送信信号が入力されると共に、前記デュプレクサに向けて前記第2周波数帯の受信信号を出力する第1送受信端子と、
アンテナ接続用端子と、
前記第1送信端子と前記アンテナ接続用端子の間に設けられ、前記第1制御信号の電圧レベルによってオン・オフが制御される第1スイッチと、
前記第1送受信端子と前記アンテナ接続用端子の間に設けられ、前記第2制御信号の電圧レベルによってオン・オフが制御される第2スイッチとを有し、
前記電圧選択回路は、発振回路を含み、前記発振回路からのクロック信号を用いて前記第1電圧レベルを昇圧することで前記第2電圧レベルを生成し、
前記制御回路は、
前記モード設定信号によって前記第2周波数帯が選択された際には、前記電圧選択回路に前記第2電圧レベルを選択させ、接地電圧レベルと前記第2電圧レベルの振幅を持つ前記第1および第2制御信号を出力することで、前記第1スイッチをオフに、前記第2スイッチをオンにそれぞれ駆動し、
前記モード設定信号によって前記第1周波数帯が選択された際には、前記電圧選択回路の前記発振回路を停止させると共に前記電圧選択回路に前記第1電圧レベルを選択させ、前記接地電圧レベルと前記第1電圧レベルの振幅を持つ前記第1および第2制御信号を出力することで、前記第1スイッチをオンに、前記第2スイッチをオフにそれぞれ駆動し、
前記アンテナスイッチ装置は、更に、前記第1スイッチをオンに制御する際に、前記第1送信端子に入力される電力を用いて前記第1制御信号の電圧レベルを昇圧し、当該昇圧電圧を用いて前記第1スイッチをオンに制御する第1昇圧回路を有する、ことを特徴とする無線通信システム。 - 請求項7記載の無線通信システムにおいて、
前記第1および第2スイッチは、HEMT素子であることを特徴とする無線通信システム。 - 請求項8記載の無線通信システムにおいて、
前記第1電力増幅回路は、増幅素子としてMISFETを備え、
前記第2電力増幅回路は、増幅素子としてヘテロ接合バイポーラトランジスタを備えることを特徴とする無線通信システム。 - 請求項7記載の無線通信システムにおいて、
前記電圧選択回路は、前記発振回路に加えて更に、
外部環境に依存しない基準電圧を生成する基準電圧生成回路と、
前記基準電圧を用いて前記第1電圧レベルを生成する第1電圧生成回路と、
前記第1電圧レベルと前記発振回路からの前記クロック信号を用いてチャージポンプ動作を行うことで前記第2電圧レベルを生成する第2昇圧回路と、
前記第1電圧レベルか前記第2電圧レベルかを選択する選択スイッチとを有することを特徴とする無線通信システム。 - 請求項10記載の無線通信システムにおいて、
前記第2昇圧回路は、
前記第1電圧レベルと前記発振回路からの前記クロック信号の正極側を用いてチャージポンプ動作を行う第1チャージポンプ回路と、
前記第1電圧レベルと前記発振回路からの前記クロック信号の負極側を用いてチャージポンプ動作を行う第2チャージポンプ回路と、
前記第1チャージポンプ回路からの出力電圧と前記第2チャージポンプ回路からの出力電圧を前記クロック信号の半周期毎に交互に合成することで前記第2電圧レベルを生成する合成回路とを有することを特徴とする無線通信システム。 - 請求項7記載の無線通信システムにおいて、
前記第1周波数帯は、GSM用の周波数帯であり、
前記第2周波数帯は、W−CDMA用の周波数帯であることを特徴とする無線通信システム。 - 請求項7記載の無線通信システムにおいて、
前記第1電力増幅装置と前記アンテナスイッチ装置は、同一のモジュール配線基板上に実装され、
前記第2電力増幅装置および前記デュプレクサは、前記モジュール配線基板以外の箇所に配置されていることを特徴とする無線通信システム。
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