JP5694035B2 - 電力増幅器および通信装置 - Google Patents

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本発明は、電力増幅器および通信装置に関する。
一般に、携帯電話等の無線通信装置では、アンテナの直前(送信側の出力部)に、送信用の電力増幅器が設けられている。この種の電力増幅器では、例えば、信号を増幅する増幅用素子は、抵抗分割により生成されたバイアス電圧を受ける。また、増幅用素子がMOSトランジスタで形成される電力増幅器では、増幅用の各MOSトランジスタに所望のドレイン電流を流すようにバイアス電圧を生成する構成が提案されている(例えば、特許文献1)。
特開2007−19784号公報
一般に、抵抗分割により生成されたバイアス電圧は、温度変動や製造ばらつきによる影響を受けにくい。なお、MOSトランジスタは、温度変動や製造ばらつきにより、閾値電圧等が変動する。このため、抵抗分割で生成したバイアス電圧をゲートで受けるMOSトランジスタでは、温度変動等により、ドレイン電流が変動する。ドレイン電流の変動により、例えば、MOSトランジスタのトランスコンダクタンスが変動する。したがって、抵抗分割で生成したバイアス電圧を増幅用のMOSトランジスタに供給する電力増幅器では、温度変動等による特性変動(利得等の変動)が大きくなる。
また、MOSトランジスタのドレイン電流を所望の大きさに制御したときにも、温度変動等に伴うキャリアの移動度の変動により、MOSトランジスタのトランスコンダクタンスが変動するおそれがある。このため、多段構成の電力増幅器では、各段のトランスコンダクタンスの変動が積み重なり、電力増幅器全体の利得変動が大きくなることもある。
本発明の目的は、温度変動や製造ばらつきに伴う利得変動を抑制することである。
本発明の一形態では、電力増幅器は、信号を増幅する複数の増幅部が多段接続された増幅回路と、複数の増幅部のうちの第1増幅部に、トランスコンダクタンスを安定させる第1バイアス電圧を供給する第1バイアス回路、および、複数の増幅部のうちの第1増幅部を除く第2増幅部に、バイアス電流を安定させる第2バイアス電圧を供給する第2バイアス回路を、外部からの制御信号に応じて複数の増幅部のいずれかに接続するバイアス供給回路とを備える
温度変動や製造ばらつきに伴う利得変動を抑制できる。
一実施形態における電力増幅器の例を示している。 図1に示した増幅回路の一例を示している。 図1に示したバイアス回路の一例を示している。 図1に示した別のバイアス回路の一例を示している。 電流/電圧変換比を可変にした電流/電圧変換部の一例を示している。 別の実施形態における電力増幅器の一例を示している。 図6に示したバイアス回路群の別の例を示している。 別の実施形態における電力増幅器の一例を示している。 図8に示した電力増幅器の測定結果の一例を示している。 別の実施形態における電力増幅器の一例を示している。 上述した実施形態の電力増幅器が搭載される通信装置の一例を示している。
以下、実施形態を図面を用いて説明する。図に記載した端子を介して供給される信号には、端子名と同じ符号を使用する。
図1は、一実施形態における電力増幅器10の例を示している。例えば、電力増幅器10は、携帯電話等の無線通信装置に搭載され、送信信号を増幅する。なお、電力増幅器10は、無線通信装置以外の装置に搭載されてもよい。電力増幅器10は、増幅回路AMPCおよびバイアス供給回路BSUPを有している。
増幅回路AMPCは、入力端子PINで受けた入力信号PINを増幅し、増幅した出力信号POUTを出力端子POUTから出力する。例えば、増幅回路AMPCは、信号を増幅する複数の増幅部AMP10、AMP20が多段接続されている。増幅部AMP10は、バイアス電圧VB10を端子VB10で受け、入力端子PINで受けた入力信号PINを増幅する。
増幅部AMP10の出力は、増幅部AMP20の入力に接続されている。増幅部AMP20は、バイアス電圧VB20を端子VB20で受け、増幅部AMP10から受けた信号(増幅部AMP10の出力)を増幅する。そして、増幅部AMP20は、増幅した出力信号POUTを出力端子POUTから出力する。出力端子POUTは、例えば、アンテナに接続される。
バイアス供給回路BSUPは、各増幅部AMP10、AMP20にバイアス電圧VB10、VB20を供給する。例えば、バイアス供給回路BSUPは、バイアス回路BA10、BA20を有している。バイアス回路BA10は、例えば、増幅部AMP10のトランスコンダクタンスを安定させるためのモード(以下、第1モードとも称する)で、バイアス電圧VB10を制御する。また、バイアス回路BA20は、例えば、増幅部AMP20のバイアス電流を安定させるためのモード(以下、第2モードとも称する)で、バイアス電圧VB20を制御する。
すなわち、増幅部AMP10、AMP20は、互いに異なるモードで制御されたバイアス電圧VB10、VB20をそれぞれ受ける。例えば、増幅部AMP10は、バイアス電圧VB10により、トランスコンダクタンスが一定になるように制御される。このため、増幅部AMP10では、温度変動や製造ばらつきに伴うトランスコンダクタンスの変動は、抑制される。したがって、増幅部AMP10では、温度変動や製造ばらつきに伴う利得変動は抑制される。
また、例えば、増幅部AMP20は、バイアス電圧VB20により、バイアス電流が一定になるように制御される。このため、増幅部AMP20では、例えば、トランジスタの動作曲線が設計時の動作曲線から大きくずれることを抑制できる。これにより、電力増幅器10は、増幅部AMP20の利得を所望の値(設計時の値)に合わせたときに、増幅部AMP20により増幅された電圧が設計時の値から大きくずれることを抑制できる。したがって、電力増幅器10の特性は、多段接続された増幅部AMP10、AMP20のバイアス電圧を同じモードで制御する電力増幅器に比べて、向上する。例えば、電力増幅器10は、温度変動や製造ばらつきに伴う利得変動を抑制できる。このように、この実施形態では、利得変動を抑制できるため、所望の利得を達成できる。また、利得が安定化するため、歪みも安定化する。
図2は、図1に示した増幅回路AMPCの一例を示している。増幅部AMP20の構成は、増幅部AMP10と同じである。このため、増幅部AMP10について説明する。なお、増幅部AMP10、AMP20の利得は、例えば、増幅回路AMPCの利得が所望の値になるように、それぞれ設定される。
増幅部AMP10は、抵抗R10、nMOSトランジスタMN10および整合回路MT10を有している。nMOSトランジスタMN10のゲートは、端子VB10および抵抗R10を介して受けるバイアス電圧VB10でバイアスされている。そして、nMOSトランジスタMN10は、入力信号PINを、入力端子PINを介してゲートで受ける。また、nMOSトランジスタMN10は、ソースが接地され、ドレインが整合回路MT10のキャパシタC10に接続されている。
整合回路MT10は、増幅部AMP10、AMP20間のインピーダンス整合を実施する。例えば、整合回路MT10は、キャパシタC10およびコイルL10を有している。キャパシタC10は、一端がnMOSトランジスタMN10のドレインに接続され、他端がコイルL10の一端に接続されている。コイルL10の他端は、電源VDDに接続されている。nMOSトランジスタMN10により増幅された信号(増幅部AMP10の出力信号)は、キャパシタC10とコイルL10との接続ノードから出力される。
増幅部AMP20の構成は、符号VB10、R10、NM10、MT10、C10、L10を符号VB20、R20、NM20、MT20、C20、L20にそれぞれ読み替えることで説明される。例えば、nMOSトランジスタMN20は、増幅部AMP10の出力信号をゲートで受ける。そして、nMOSトランジスタMN20により増幅された出力信号POUTは、キャパシタC20とコイルL20との接続ノードである出力端子POUTから出力される。
ここで、図2の例では、増幅部AMP10のトランスコンダクタンスは、nMOSトランジスタMN10のトランスコンダクタンスである。また、増幅部AMP10のバイアス電流は、nMOSトランジスタMN10のドレイン電流である。そして、増幅部AMP20のトランスコンダクタンスは、nMOSトランジスタMN20のトランスコンダクタンスである。また、増幅部AMP20のバイアス電流は、nMOSトランジスタMN20のドレイン電流である。
なお、増幅回路AMPCの構成は、この例に限定されない。例えば、増幅回路AMPC内で扱う信号は、差動信号でもよい。あるいは、増幅回路AMPCは、差動信号を受け、差動信号を出力するように形成されてもよい。また、増幅部AMP10、AMP20の利得は、互いに同じでもよいし、互いに異なっていてもよい。例えば、増幅部AMPの各素子のサイズは、増幅部AMP10、AMP20で互いに同じでもよいし、増幅部AMP10、AMP20で互いに異なっていてもよい。
図3は、図1に示したバイアス回路BA10の一例を示している。なお、図3では、増幅部AMP10の抵抗R10およびnMOSトランジスタMN10も記載している。バイアス回路BA10は、例えば、抵抗R30、nMOSトランジスタMN30、MN40およびpMOSトランジスタMP10、MP20を有している。
抵抗R30、nMOSトランジスタMN30およびpMOSトランジスタMP10、MP20は、例えば、制御電流IR10、IR12を生成する電流生成部として機能する。例えば、nMOSトランジスタMN30は、ソースが抵抗R30を介して接地され、ゲートがpMOSトランジスタMP20のドレインに接続され、ドレインがpMOSトランジスタMP10のドレインに接続されている。
pMOSトランジスタMP10は、ソースが電源VDDに接続され、ゲートとドレインが互いに接続されている。pMOSトランジスタMP20は、ソースが電源VDDに接続され、ゲートがpMOSトランジスタMP10のゲートに接続されている。すなわち、pMOSトランジスタMP10、MP20は、カレントミラー回路を形成する。例えば、pMOSトランジスタMP10、MP20に流れる電流IR10、IR12の比は、pMOSトランジスタMP10、MP20のサイズ(ゲート幅/ゲート長)の比に一致する。
nMOSトランジスタMN40は、制御電流IR12をバイアス電圧VB10に変換する電流/電圧変換部として機能する。nMOSトランジスタMN40は、ソースが接地され、ゲートとドレインが互いに接続されている。これにより、制御電流IR12に応じたバイアス電圧VB10が、nMOSトランジスタMN40のゲートに発生する。
なお、nMOSトランジスタMN40のゲートは、端子VB10および抵抗R10を介して、nMOSトランジスタMN10のゲートに接続されている。すなわち、nMOSトランジスタMN10、MN40は、カレントミラー回路を形成する。例えば、nMOSトランジスタMN10、MN40に流れる電流ID10、IR12の比は、nMOSトランジスタMN10、MN40のサイズの比に一致する。
ここで、pMOSトランジスタMP10、MP20のサイズが互いに同じで、かつ、nMOSトランジスタMN10のサイズがnMOSトランジスタMN40のN倍のとき、電流IR10、IR12、ID10の関係は、式(1)で表される。
IR10=IR12=1/N・ID10 ‥‥(1)
また、nMOSトランジスタMN10、MN30、MN40のゲート電圧は、互いに同じ(バイアス電圧VB10)である。したがって、nMOSトランジスタMN30のサイズがnMOSトランジスタMN40のK倍のとき、電流ID10、IR10は、nMOSトランジスタMN40のゲート幅Wおよびゲート長Lを用いて、式(2)、(3)でそれぞれ表される。なお、式(2)等のμは、キャリアの移動度であり、Coxは、単位面積当たりのゲート酸化膜容量である。そして、Vthは、nMOSトランジスタの閾値電圧である。
ID10=1/2・μ・Cox・N・(W/L)・(VB10−Vth)2 ‥‥(2)
IR10=1/2・μ・Cox・K・(W/L)・((VB10−IR10・R30)−Vth)2 ‥‥(3)
さらに、電流ID10は、式(1)−(3)に基づいて、式(4)で与えられる。また、nMOSトランジスタMN10のトランスコンダクタンスgmは、式(5)で表される。そして、トランスコンダクタンスgmは、式(4)を式(5)に代入することより、式(6)で与えられる。なお、式(5)の√は、外側の括弧内に含まれる式全体にかかる。
ID10=2・N/(μ・Cox・(W/L))・(1/R302)・(1−1/(√K))2 ‥‥(4)
gm=√(2・ID10・μ・Cox・N・(W/L)) ‥‥(5)
gm=2・N/R30・(1−1/(√K)) ‥‥(6)
MOSトランジスタのサイズ比(例えば、式(6)のNやK)は、温度変動や製造ばらつきによる影響を受けにくい。また、抵抗素子(例えば、抵抗R30)の温度変動等による特性の変動は、MOSトランジスタに比べて小さい。したがって、バイアス電圧VB10を受けるnMOSトランジスタMN10では、温度変動等によるトランスコンダクタンスgmの変動が抑制される。すなわち、nMOSトランジスタMN10のトランスコンダクタンスgmは、安定する。
このように、バイアス回路BA10は、例えば、小信号のトランスコンダクタンスgmが一定になるように、バイアス電圧VB10を調整する。例えば、図1に示した電力増幅器10では、バイアス回路BA10は、直列に接続された増幅部AMP10、AMP20のうち、小信号を増幅する前段の増幅部AMP10のバイアス電圧VB10を調整する。
図4は、図1に示したバイアス回路BA20の一例を示している。なお、図4では、増幅部AMP20の抵抗R20およびnMOSトランジスタMN20も記載している。バイアス回路BA20は、例えば、演算増幅器OP、抵抗R32、pMOSトランジスタMP12、MP22およびnMOSトランジスタMN42を有している。
演算増幅器OP、抵抗R32、pMOSトランジスタMP12、MP22は、例えば、制御電流IR20、IR22を生成する電流生成部として機能する。例えば、演算増幅器OPは、マイナス端子が抵抗R32を介して接地され、プラス端子が基準電圧VREFを受けている。これにより、抵抗R32には、例えば、基準電圧VREFと同じ電圧が印加される。
pMOSトランジスタMP12は、ソースが電源VDDに接続され、ゲートが演算増幅器OPの出力端子に接続され、ドレインが抵抗R30を介して接地されている。これにより、pMOSトランジスタMP12には、基準電圧VREFおよび抵抗R32に基づく電流IR20が流れる。
pMOSトランジスタMP22は、ソースが電源VDDに接続され、ゲートがpMOSトランジスタMP12のゲートに接続されている。すなわち、pMOSトランジスタMP12、MP22は、カレントミラー回路を形成する。例えば、pMOSトランジスタMP12、MP22に流れる電流IR20、IR22の比は、pMOSトランジスタMP20、MP22のサイズの比に一致する。
nMOSトランジスタMN42は、制御電流IR22をバイアス電圧VB20に変換する電流/電圧変換部として機能する。nMOSトランジスタMN42は、ソースが接地され、ゲートとドレインが互いに接続されている。これにより、制御電流IR22に応じたバイアス電圧VB20が、nMOSトランジスタMN42のゲートに発生する。
なお、nMOSトランジスタMN42のゲートは、端子VB20および抵抗R20を介して、nMOSトランジスタMN20のゲートに接続されている。すなわち、nMOSトランジスタMN20、MN42は、カレントミラー回路を形成する。例えば、nMOSトランジスタMN20、MN42に流れる電流ID20、IR22の比は、nMOSトランジスタMN20、MN42のサイズの比に一致する。
ここで、pMOSトランジスタMP12、MP22のサイズが互いに同じで、かつ、nMOSトランジスタMN20のサイズがnMOSトランジスタMN42のJ倍のとき、電流ID20は、式(7)で表される。
ID20=J・IR22=J・IR20=J・(VREF/R32) ‥‥(7)
MOSトランジスタのサイズ比(例えば、式(7)のJ)および抵抗素子(例えば、抵抗R32)は、温度変動や製造ばらつきによる影響を受けにくい。したがって、バイアス電圧VB20を受けるnMOSトランジスタMN20では、温度変動等によるドレイン電流ID20の変動が抑制される。すなわち、nMOSトランジスタMN20のドレイン電流ID20は、安定する。このように、バイアス回路BA20は、nMOSトランジスタMN20のドレイン電流ID20が一定になるように、バイアス電圧VB20を調整する。
なお、バイアス回路BA10、BA20の構成は、この例に限定されない。例えば、バイアス回路BA10のnMOSトランジスタMN40およびバイアス回路BA20のnMOSトランジスタMN42は、図5に示すように、サイズが可変設定されてもよい。
図5は、電流/電圧変換比を可変にした電流/電圧変換部IVCの一例を示している。なお、図5は、図3に示したバイアス回路BA10に電流/電圧変換部IVCを形成したときの一例を示している。例えば、電流/電圧変換部IVCは、図3に示したnMOSトランジスタMN40の代わりに設けられる。なお、図4に示したバイアス回路BA20に電流/電圧変換部IVCを形成するときには、電流/電圧変換部IVCは、図4に示したnMOSトランジスタMN42の代わりに設けられる。
電流/電圧変換部IVCは、例えば、nMOSトランジスタMN50、MN51、MN52、MSW10、MSW12、MSW20、MSW22を有している。nMOSトランジスタMN50、MN51、MN52は、端子VB10と接地線(接地電圧が供給される電源線)との間に並列に接続されている。例えば、nMOSトランジスタMN50は、ソースが接地され、ゲートおよびドレインが端子VB10に接続されている。
また、nMOSトランジスタMN51のゲートは、nMOSトランジスタMSW10を介して端子VB10に接続され、nMOSトランジスタMSW12を介して接地されている。nMOSトランジスタMSW10は、ゲートで受ける制御信号A10に応じて、オンおよびオフのいずれかに設定される。また、nMOSトランジスタMSW12は、ゲートで受ける制御信号A10Zに応じて、オンおよびオフのいずれかに設定される。制御信号A10Zは、制御信号A10の反転信号である。例えば、nMOSトランジスタMSW10がオンしているとき、nMOSトランジスタMSW12は、オフする。
nMOSトランジスタMN52のゲートは、nMOSトランジスタMSW20を介して端子VB10に接続され、nMOSトランジスタMSW22を介して接地されている。nMOSトランジスタMSW20は、ゲートで受ける制御信号A20に応じて、オンおよびオフのいずれかに設定される。また、nMOSトランジスタMSW22は、ゲートで受ける制御信号A20Zに応じて、オンおよびオフのいずれかに設定される。制御信号A20Zは、制御信号A20の反転信号である。例えば、nMOSトランジスタMSW20がオンしているとき、nMOSトランジスタMSW22は、オフする。
nMOSトランジスタMN50、MN51、MN52のサイズ(ゲート幅/ゲート長)の合計は、制御端子A10、A10Z、A20、A20Zに基づいて、設定される。例えば、nMOSトランジスタMN50、MN51、MN52のサイズをそれぞれSZ10、SZ11、SZ12としたとき、nMOSトランジスタMN50、MN51、MN52のサイズの合計SZtは、式(8)で表される。なお、式(8)のA10、A20は、制御信号A10、A20が示す“0”および“1”のいずれかの値である。
SZt=SZ10+A10・SZ11+A12・SZ12 ‥‥(8)
このように、電流/電圧変換部IVCは、制御電流IR12をバイアス電圧VB10に変換するnMOSトランジスタのサイズSZtを、制御信号A10、A20に応じて変更する。これにより、電流/電圧変換部IVCの電流/電圧変換比が変更される。電流/電圧変換部IVCは、電流/電圧変換比を可変設定できるため、使用状況や信号振幅等に応じて、バイアス電圧VB10のレベルを適切に設定できる。
なお、電流/電圧変換部IVCの構成は、この例に限定されない。例えば、nMOSトランジスタMN52、MSW20、MSW22が省かれてもよい。あるいは、電流/電圧変換部IVCは、nMOSトランジスタMN51、MSW10、MSW12のトランジスタ郡(nMOSトランジスタMN52、MSW20、MSW22のトランジスタ郡)を3つ以上有してもよい。
また、電力増幅器10の構成は、この例に限定されない。例えば、増幅部AMP10のバイアス電圧VB10がバイアス回路BA20により制御され、増幅部AMP20のバイアス電圧VB20がバイアス回路BA10により制御されてもよい。すなわち、第1モードで制御される増幅部AMPは、第2モードで制御される増幅部AMPより、後段に配置されてもよい。
例えば、後段の増幅部AMPは、大信号を扱うため、前段の増幅部AMPに比べて、動作温度が高くなる。このため、後段の増幅部AMPでは、前段の増幅部AMPに比べて、温度変動が大きくなるおそれがある。したがって、例えば、温度変動が大きくなる状況等では、後段の増幅部AMPのバイアス電圧VBを第1モード(後段の増幅部AMPのトランスコンダクタンスを安定させるためのモード)で制御した方がよいときもある。
また、バイアス回路BA10、BA20は、制御対象の増幅部AMPを切り替え可能に形成されてもよい。さらに、電力増幅器10は、MOSトランジスタ以外のトランジスタを有してもよい。例えば、電力増幅器10の一部は、バイポーラトランジスタで形成されてもよい。
以上、この実施形態では、互いに異なるモードで制御されたバイアス電圧VB10、VB20をそれぞれ受ける増幅部AMP10、AMP20を有している。すなわち、この実施形態では、各段の増幅部AMP10、AMP20で独立したパラメータ(例えば、コンダクタンスやドレイン電流)を安定化させることができる。これにより、この実施形態では、多段接続された増幅部AMP10、AMP20のバイアス電圧を同じモードで制御する電力増幅器に比べて、電力増幅器10の特性を向上できる。例えば、この実施形態では、温度変動や製造ばらつきに伴う利得変動を抑制できる。また、この実施形態では、利得変動を抑制できるため、所望の利得を達成できる。また、利得が安定化するため、歪みも安定化する。
図6は、別の実施形態における電力増幅器12の一例を示している。上述した実施形態で説明した要素と同一の要素については、同一の符号を付し、これ等については、詳細な説明を省略する。電力増幅器12は、図1に示したバイアス供給回路BSUPの代わりにバイアス供給回路BSUP2を有している。電力増幅器12のその他の構成は、上述した実施形態と同じである。例えば、電力増幅器12は、携帯電話等の無線通信装置に搭載される。
バイアス供給回路BSUP2は、バイアス回路群BAG10、BAG20を有している。例えば、バイアス供給回路BSUP2のバイアス回路群BAG10、BAG20は、増幅部AMPのバイアス電圧VBを制御する際のモードを第1モードおよび第2モード間で切り替えるための制御信号SCNT10、SCNT20をそれぞれ受ける。なお、バイアス回路群BAG20の構成は、バイアス回路群BAG10と同じである。このため、バイアス回路群BAG10について説明する。
バイアス回路群BAG10は、バイアス回路BA10a、BA20aおよびスイッチSW10aを有している。バイアス回路BA10aの構成は、例えば、図3に示したバイアス回路BA10と同じである。また、バイアス回路BA20aの構成は、例えば、図4に示したバイアス回路BA20と同じである。バイアス回路BA10a、BA20bの出力は、スイッチSW10aを介して端子VB10に接続されている。スイッチSW10aは、制御信号SCNT10に応じて、バイアス回路BA10a、BA20bの出力(バイアス電圧)のいずれかを端子VB10に出力する。
バイアス回路群BAG20の構成は、符号BA10a、BA20a、SW10a、SCNT10、VB10を符号BA10b、BA20b、SW10b、SCNT20、VB20にそれぞれ読み替えることで説明される。例えば、スイッチSW10bは、制御信号SCNT20に応じて、バイアス回路BA10b、BA20bの出力(バイアス電圧)のいずれかを端子VB20に出力する。以下、バイアス回路BA10a、BA10bをバイアス回路BA10とも称し、バイアス回路BA20a、BA20bをバイアス回路BA20とも称する。
このように、電力増幅器12は、バイアス電圧VBを制御するモード(第1モード、第2モード)を増幅部AMP毎に選択可能に形成される。例えば、各増幅部AMPは、バイアス回路BA10、BA20から選択的にバイアス電圧VBを受ける。なお、バイアス回路BA10の各素子のサイズは、バイアス回路群BAG10、BAG20で互いに同じでもよいし、バイアス回路群BAG10、BAG20で互いに異なっていてもよい。また、バイアス回路BA20の各素子のサイズは、バイアス回路群BAG10、BAG20で互いに同じでもよいし、バイアス回路群BAG10、BAG20で互いに異なっていてもよい。
なお、バイアス回路群BAG10、BAG20の構成は、この例に限定されない。例えば、図7に示すように、各バイアス回路群BAG(BAG10、BAG20)のバイアス回路BA10、BA20は、電流/電圧変換部として機能するnMOSトランジスタMN40等を共有してもよい。
図7は、図6に示したバイアス回路群の別の例を示している。なお、図7では、増幅部AMP10の抵抗R10およびnMOSトランジスタMN10も記載している。図7に示したバイアス回路群BAG10は、pMOSトランジスタMP20およびnMOSトランジスタMN40を電流生成部IGEN10、IGEN20で共有している。例えば、バイアス回路群BAG10は、電流生成部IGEN10、IGEN20、スイッチSW12、SW14、pMOSトランジスタMP20およびnMOSトランジスタMN40を有している。
電流生成部IGEN10は、例えば、図3に示したバイアス回路BA10からpMOSトランジスタMP20およびnMOSトランジスタMN40を省いた部分に対応する。例えば、電流生成部IGEN10は、図3に示した抵抗R30、nMOSトランジスタMN30およびpMOSトランジスタMP10を有し、制御電流IR10を生成する。
例えば、電流生成部IGEN10の出力OT10(図3のpMOSトランジスタMP10のゲート)は、スイッチSW12を介して、pMOSトランジスタMP20のゲートに接続されている。また、電流生成部IGEN10の出力OT12(図3のnMOSトランジスタMN30のゲート)は、スイッチSW14を介して、pMOSトランジスタMP20のドレインに接続されている。
電流生成部IGEN20は、例えば、図4に示したバイアス回路BA20からpMOSトランジスタMP22およびnMOSトランジスタMN42を省いた部分に対応する。例えば、電流生成部IGEN20は、図4に示した演算増幅器OP、抵抗R32、pMOSトランジスタMP12を有し、制御電流IR20を生成する。例えば、電流生成部IGEN20の出力OT20(図4のpMOSトランジスタMP12のゲート)は、スイッチSW12を介して、pMOSトランジスタMP20のゲートに接続されている。
スイッチSW12は、制御信号SCNT10に応じて、電流生成部IGEN10の出力OT10および電流生成部IGEN20の出力OT20のいずれかをpMOSトランジスタMP20のゲートに接続する。また、スイッチSW14は、制御信号SCNT10に応じて、電流生成部IGEN10の出力OT12をpMOSトランジスタMP20のドレインに接続する。なお、スイッチSW14は、電流生成部IGEN10の出力OT10とpMOSトランジスタMP20のゲートとが接続されているときにオンし、電流生成部IGEN20の出力OT20とpMOSトランジスタMP20のゲートとが接続されているときにオフする。
例えば、電流生成部IGEN10の出力OT10とpMOSトランジスタMP20のゲートとが接続されているとき、バイアス電圧VB10は、第1モード(増幅部AMP10のトランスコンダクタンスを安定させるためのモード)で制御される。すなわち、電流生成部IGEN10、pMOSトランジスタMP20およびnMOSトランジスタMN40は、図3に示したバイアス回路BA10に対応する。
また、電流生成部IGEN20の出力OT20とpMOSトランジスタMP20のゲートとが接続されているとき、バイアス電圧VB10は、第2モード(増幅部AMP10のバイアス電流を安定させるためのモード)で制御される。すなわち、電流生成部IGEN20、pMOSトランジスタMP20およびnMOSトランジスタMN40は、図4に示したバイアス回路BA20に対応する。
なお、バイアス回路群BAG20の構成は、バイアス回路群BAG10と同じである。したがって、この実施形態では、各増幅部AMPのバイアス電圧VBを、第1モードで制御されるバイアス電圧VBと第2モードで制御されるバイアス電圧VBとから選択できる。
以上、この実施形態においても、上述した実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、この実施形態では、各増幅部AMPのバイアス電圧VBは、制御信号SCNTに応じて、第1モードで制御されるバイアス電圧VBと第2モードで制御されるバイアス電圧VBとから選択される。例えば、各増幅部AMPは、バイアス回路BA10、BA20から選択的にバイアス電圧VBを受ける。したがって、この実施形態では、使用状況や信号振幅等に応じて、各増幅部AMPで安定化させたい特性(例えば、コンダクタンスやドレイン電流)を適切に選択して設定できる。
図8は、別の実施形態における電力増幅器14の一例を示している。上述した実施形態で説明した要素と同一の要素については、同一の符号を付し、これ等については、詳細な説明を省略する。電力増幅器14では、増幅部AMP14およびバイアス回路BA12が図1に示した電力増幅器10に追加されている。また、増幅部AMP20が増幅部AMP10の前段に配置されている。電力増幅器14のその他の構成は、上述した実施形態と同じである。例えば、電力増幅器14は、携帯電話等の無線通信装置に搭載される。
増幅回路AMPC2は、直列に多段接続された増幅部AMP20、AMP10、AMP12を有している。例えば、入力信号PINは、増幅部AMP20に入力され、出力信号POUTは、増幅部AMP12から出力される。増幅部AMP12の構成は、例えば、図2に示した増幅部AMP20の構成と同じである。なお、増幅部AMP12の利得は、増幅部AMP20の利得と同じでもよいし、増幅部AMP20の利得と異なっていてもよい。例えば、増幅部AMP10、AMP12、AMP20の利得は、増幅回路AMPC2の利得が所望の値になるように、それぞれ設定される。
バイアス供給回路BSUP3では、バイアス回路BA12が図1に示したバイアス供給回路BSUPに追加されている。例えば、バイアス回路BA12は、増幅部AMP12のトランスコンダクタンスを安定させるためのモード(第1モード)で、増幅部AMP12のバイアス電圧VB12を制御する。バイアス回路BA12の構成は、例えば、バイアス回路BA10と同じである。なお、バイアス回路BAの各素子のサイズは、バイアス回路BA10、BA12で互いに同じでもよいし、バイアス回路BA10、BA12で互いに異なっていてもよい。
なお、電力増幅器14の構成は、この例に限定されない。例えば、バイアス回路BA20で制御される増幅部AMP20(第2モードで制御される増幅部AMP)は、増幅部AMP10と増幅部AMP12との間に配置されてもよいし、増幅部AMP12の後段に配置されてもよい。また、増幅回路AMPC2は、第2モードで制御される2つの増幅部AMPと、第1モードで制御される1つの増幅部AMPとを有してもよい。あるいは、増幅回路AMPC2は、4つ以上の増幅部AMPを有してもよい。
また、バイアス回路BA10、BA12、BA20は、制御対象の増幅部AMPを切り替え可能に形成されてもよい。あるいは、電力増幅器14は、図6および図7に示したように、バイアス電圧VBを制御するバイアス回路BAを増幅部AMP毎に選択可能に形成されてもよい。また、増幅部AMP10、AMP12の一方は、第1モードおよび第2モード以外のモード(例えば、バイアス電圧VBを一定にするためのモード)で制御されてもよい。
図9は、図8に示した電力増幅器14の測定結果の一例を示している。図の横軸は電力増幅器14の利得を示し、縦軸は入力信号PINの電力を示している。図中の円形、三角形、四角形のマークは、低温、常温および高温のときの測定結果をそれぞれ示している。なお、黒塗りのマーク(円形、三角形、四角形)は、図8に示した電力増幅器14の測定結果を示し、白抜きのマーク(円形、三角形、四角形)は、比較例の測定結果を示している。比較例では、全ての増幅部AMPは、第2モード(増幅部AMPのバイアス電流を安定させるためのモード)で制御されている。
例えば、小信号の入力信号PINでは、低温時の利得は、常温時の利得より大きく、高温時の利得は、常温時の利得より小さい。また、比較例の低温時の利得は、電力増幅器14の低温時の利得より大きく、比較例の高温時の利得は、電力増幅器14の高温時の利得より小さい。このように、比較例の利得の変動D2は、電力増幅器14の利得の変動D1より大きい。すなわち、この実施形態では、温度変動による利得の変動を小さくできる。
以上、この実施形態においても、上述した実施形態と同様の効果を得ることができる。
図10は、別の実施形態における電力増幅器16の一例を示している。上述した実施形態で説明した要素と同一の要素については、同一の符号を付し、これ等については、詳細な説明を省略する。電力増幅器16は、図1に示した増幅回路AMPCの代わりに増幅回路AMPC3を有している。電力増幅器16のその他の構成は、上述した実施形態と同じである。例えば、電力増幅器16は、携帯電話等の無線通信装置に搭載される。
増幅回路AMPC3は、並列に多段接続された増幅部AMP10、AMP20を有している。例えば、入力端子PINは、増幅部AMP10、AMP20の入力に接続され、出力端子POUTは、増幅部AMP10、AMP10の出力に接続されている。増幅部AMP10、AMP20の構成は、例えば、図1−図5に示した実施形態と同じである。
なお、電力増幅器16の構成は、この例に限定されない。例えば、バイアス回路BA10、BA20は、制御対象の増幅部AMPを切り替え可能に形成されてもよい。あるいは、電力増幅器16は、図6および図7に示したように、バイアス電圧VBを制御するバイアス回路BAを増幅部AMP毎に選択可能に形成されてもよい。また、増幅回路AMPC3は、3つ以上の増幅部AMPを有してもよい。さらに、電力増幅器16は、並列に多段接続された増幅部AMPと、直列に多段接続された増幅部AMPとを混在して有してもよい。
以上、この実施形態においても、上述した実施形態と同様に、互いに異なるモードで制御されたバイアス電圧VB10、VB20をそれぞれ受ける増幅部AMP10、AMP20を有しており、各段の増幅部AMP10、AMP20で独立したパラメータ(例えば、コンダクタンスやドレイン電流)を安定化させることができる。これにより、並列に多段接続された増幅部AMP10、AMP20のバイアス電圧を同じモードで制御する電力増幅器に比べて、電力増幅器16の特性を向上できる
図11は、上述した実施形態の電力増幅器が搭載される通信装置SYSの一例を示している。なお、図11は、図1に示した電力増幅器10が搭載される通信装置SYSの一例を示している。図6−図10に示した電力増幅器12、14、16のいずれかが搭載される通信装置SYSは、電力増幅器10の代わりに電力増幅器12、14、16のいずれか搭載されることを除いて、図11の通信装置SYSと同じである。
通信装置SYSは、例えば、無線通信装置であり、電力増幅器10および送受信機20を有している。送受信機20は、信号を送受信する。例えば、送信信号PINを電力増幅器10に出力する。また、送受信機20は、例えば、バイアス供給回路BSUPを制御する制御信BCNTをバイアス供給回路BSUPに出力する。例えば、制御信BCNTには、図5に示した制御信号A10、A10Z、A20、A20Zが含まれる。この場合、電流/電圧変換比は、制御信BCNTにより設定される。
なお、例えば、バイアス回路BA10、BA20が制御対象の増幅部AMPを切り替え可能に形成されているとき、制御対象の増幅部AMPを切り替えるための制御信号が制御信BCNTに含まれる。また、電力増幅器12等が搭載された通信装置SYSでは、例えば、図6に示した制御信号SCNT10、SCNT20が制御信BCNTに含まれる。すなわち、制御信BCNTには、第1モードと第2モードとを切り替えるための制御信号(例えば、制御信号SCNT10、SCNT20)および電流/電圧変換比を設定するための制御信号(例えば、制御信号A10、A10Z、A20、A20Z)の少なくとも1つが含まれる。
以上の詳細な説明により、実施形態の特徴点および利点は明らかになるであろう。これは、特許請求の範囲がその精神および権利範囲を逸脱しない範囲で前述のような実施形態の特徴点および利点にまで及ぶことを意図するものである。また、当該技術分野において通常の知識を有する者であれば、あらゆる改良および変更に容易に想到できるはずであり、発明性を有する実施形態の範囲を前述したものに限定する意図はなく、実施形態に開示された範囲に含まれる適当な改良物および均等物に拠ることも可能である。
10、12、14、16‥電力増幅器;AMP10、AMP12、AMP20‥増幅部;AMPC、AMPC2、AMPC3‥増幅回路;BA10、BA12、BA20‥バイアス回路;BAG10、BAG20‥バイアス回路群;BSUP、BSUP2、BSUP3‥バイアス供給回路;C10、C20‥キャパシタ;IGEN10、IGEN20‥電流生成部;IVC‥電流/電圧変換部;L10、L20‥コイル;MN10−MN52、MSW10−MSW22‥nMOSトランジスタ;MT10、MT20‥整合回路;MP10−MP22‥pMOSトランジスタ;OP‥演算増幅器;R10−R32‥抵抗;SW10、SW12、SW14‥スイッチ

Claims (8)

  1. 信号を増幅する複数の増幅部が多段接続された増幅回路と、
    前記複数の増幅部のうちの第1増幅部に、トランスコンダクタンスを安定させる第1バイアス電圧を供給する第1バイアス回路、および、前記複数の増幅部のうちの前記第1増幅部を除く第2増幅部に、バイアス電流を安定させる第2バイアス電圧を供給する第2バイアス回路を、外部からの制御信号に応じて前記複数の増幅部のいずれかに接続するバイアス供給回路とを備えること
    を特徴とする電力増幅器。
  2. 前記第2増幅部は、前記第1増幅部の前段に接続されること
    を特徴とする請求項1記載の電力増幅器。
  3. 前記第1増幅部および前記第2増幅部は、直列に多段接続されること
    を特徴とする請求項1記載の電力増幅器。
  4. 前記第1バイアス回路および前記第2バイアス回路の少なくとも一方は、
    制御電流を生成する電流生成部と、
    電流/電圧変換比が可変設定され、設定された電流/電圧変換比に基づいて、前記制御電流をバイアス電圧に変換する電流/電圧変換部とを備えること
    を特徴とする請求項1記載の電力増幅器。
  5. 前記バイアス供給回路は、バイアス電圧を制御する際のモードをトランスコンダクタンスを安定させるための第1モードおよびバイアス電流を安定させるための第2モード間で切り替えるための前記制御信号に応じて、前記複数の増幅部のいずれかのバイアス電圧を前記第1モードで制御される前記第1バイアス電圧と前記第2モードで制御される前記第2バイアス電圧とから選択すること
    を特徴とする請求項1記載の電力増幅器。
  6. 前記第1増幅部および前記第2増幅部は、並列に多段接続されること
    を特徴とする請求項1記載の電力増幅器。
  7. 電力増幅器で増幅した信号を出力する通信装置において、
    前記電力増幅器は、
    信号を増幅する複数の増幅部が多段接続された増幅回路と、
    前記複数の増幅部のうちの第1増幅部に、トランスコンダクタンスを安定させる第1バイアス電圧を供給する第1バイアス回路、および、前記複数の増幅部のうちの前記第1増幅部を除く第2増幅部に、バイアス電流を安定させる第2バイアス電圧を供給する第2バイアス回路を、外部からの制御信号に応じて前記複数の増幅部のいずれかに接続するバイアス供給回路とを備えること
    を特徴とする通信装置。
  8. 前記制御信号を前記バイアス供給回路に出力する送受信機を備え、
    前記第1バイアス回路および前記第2バイアス回路は、電流を電圧に変換することによりバイアス電圧を生成し、
    前記制御信号は、バイアス電圧を制御する際のモードをトランスコンダクタンスを安定させるための第1モードおよびバイアス電流を安定させるための第2モード間で切り替えるための切り替え制御信号と、バイアス電圧を生成する際の電流/電圧変換比を設定するための変換制御信号とのうち、少なくとも前記切り替え制御信号を含むこと
    を特徴とする請求項7記載の通信装置。
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