JP5939404B2 - 無線周波数増幅回路及び電力増幅モジュール - Google Patents

無線周波数増幅回路及び電力増幅モジュール Download PDF

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Description

本発明は、無線周波数増幅回路、及びこの無線周波数増幅回路を用いて構成される電力増幅モジュールに関する。
携帯電話等の移動体通信機においては、基地局へ送信する無線周波数（ＲＦ：Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）信号の電力を増幅するために無線周波数増幅回路が用いられる。このようなＲＦ増幅回路には、ＲＦ信号を増幅する増幅回路と、該増幅回路を構成するトランジスタにバイアスをかけるためのバイアス回路が含まれている（例えば、特許文献１）。
特開平１１−３３０８６６号公報
図１６は、特許文献１において従来技術として記載されたものであって、増幅回路及びバイアス回路の一般的な構成を示す図である。増幅回路１６０１は、ベースに入力されるＲＦ信号（ＲＦIN）を増幅し、増幅されたＲＦ信号（ＲＦOUT）を出力する。バイアス回路１６０２は、増幅回路１６０１を構成するトランジスタ１６０３にバイアスをかけるためのものであり、エミッタフォロワ型の構成となっている。そして、バイアス回路１６０２を構成するトランジスタ１６０４のコレクタには、バッテリ電圧ＶBATが印加されることが多い。
このような構成において、トランジスタ１６０３，１６０４を、例えば、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ：Ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）とすると、各トランジスタのベース・エミッタ間電圧ＶBEは１．３Ｖ前後であるため、トランジスタ１６０４を駆動するためには、バッテリ電圧ＶBATは２．８Ｖ程度必要である。そのため、バッテリ電圧ＶBATの最低電圧は、例えば、２．９Ｖ程度とされることが一般的である。
ところで、近年、携帯電話等の移動体通信機においては、通話時間や通信時間を向上させるために、バッテリ電圧ＶBATの最低電圧を、例えば、２．５Ｖ程度まで低くすることが求められている。しかしながら、上述のようなエミッタフォロワ型のバイアス回路１６０２を用いる構成においては、バッテリ電圧ＶBATは２．８Ｖ程度必要であるため、このような要求に対応することができない。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、無線周波数増幅回路を低電圧で駆動可能とすることを目的とする。
本発明の一側面に係る無線周波数増幅回路は、整合回路を介してベースに入力される無線周波数信号を増幅して出力する増幅トランジスタと、増幅トランジスタと電流ミラー接続され、増幅トランジスタにバイアスを供給する第１のバイアス用トランジスタと、増幅トランジスタのベースにエミッタフォロワ接続され、増幅トランジスタにバイアスを供給する第２のバイアス用トランジスタと、を備える。
本発明によれば、後述する理由により、無線周波数増幅回路を低電圧で駆動することが可能となる。
本発明の一実施形態である電力増幅モジュールを含む送信ユニットの構成例を示す図である。 電力増幅モジュールの構成の一例を示す図である。 電力増幅モジュールの構成の他の一例を示す図である。 電力増幅モジュールの構成の他の一例を示す図である。 制御電圧生成回路の構成の一例を示す図である。 ＲＦ増幅回路の構成の一例を示す図である。 ＲＦ増幅回路の構成の他の一例を示す図である。 ＲＦ増幅回路の構成の他の一例を示す図である。 バイアス供給の原理を示す図である。 スイッチド・キャパシタの構成を示す図である。 電力増幅モジュールの構成の他の一例を示す図である。 電力増幅モジュールの構成の他の一例を示す図である。 電力増幅モジュールの構成の他の一例を示す図である。 制御電圧生成回路の構成の他の一例を示す図である。 ＲＦ増幅回路の構成の他の一例を示す図である。 ＲＦ増幅回路の構成の他の一例を示す図である。 ＲＦ増幅回路の構成の他の一例を示す図である。 図４Ａに示したＲＦ増幅回路における、制御電圧ＶCONTとゲイン特性との関係の一例を示す図である。 図９Ａに示したＲＦ増幅回路における、制御電圧ＶCONT1とゲイン特性との関係の一例を示す図である。 制御電圧ＶCONT1を所定レベルに維持した状態で、制御電圧ＶCONT2を変化させた場合のゲイン特性の変化の一例を示す図である。 電力増幅モジュールの構成の他の一例を示す図である。 電力増幅モジュールの構成の他の一例を示す図である。 電力増幅モジュールの構成の他の一例を示す図である。 電力増幅モジュールの構成の他の一例を示す図である。 電力増幅モジュールの構成の他の一例を示す図である。 電力増幅モジュールの構成の他の一例を示す図である。 電力増幅モジュールの構成の他の一例を示す図である。 電力増幅モジュールの構成の他の一例を示す図である。 電力増幅モジュールの構成の他の一例を示す図である。 増幅回路及びバイアス回路の一般的な構成を示す図である。 図４Ａに示したＲＦ増幅回路の変形例を示す図である。 図４Ａに示した構成における、増幅信号ＲＦOUTとゲインとの関係の一例を示すシミュレーション結果である。 図１７に示した構成における、増幅信号ＲＦOUTとゲインとの関係の一例を示すシミュレーション結果である。
以下、図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。図１は、本発明の一実施形態である電力増幅モジュールを含む送信ユニットの構成例を示す図である。送信ユニット１００は、例えば、携帯電話等の移動体通信機において、音声やデータなどの各種信号を基地局へ送信するために用いられる。なお、移動体通信機は基地局から信号を受信するための受信ユニットも備えるが、ここでは説明を省略する。
図１に示すように、送信ユニット１００は、変調部１０１、送信電力制御部１０２、電力増幅モジュール１０３、フロントエンド部１０４、及びアンテナ１０５を含んで構成される。
変調部１０１は、ＨＳＵＰＡ（Ｈｉｇｈ Ｓｐｅｅｄ Ｕｐｌｉｎｋ Ｐａｃｋｅｔ Ａｃｃｅｓｓ）やＬＴＥ（Ｌｏｎｇ Ｔｅｒｍ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）等の変調方式に基づいて入力信号を変調し、無線送信を行うための高周波（ＲＦ：Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）信号を生成する。ＲＦ信号は、例えば、数百ＭＨｚから数ＧＨｚ程度である。
送信電力制御部１０２は、送信電力制御信号に基づいて、ＲＦ信号の電力を調整して出力する。送信電力制御信号は、例えば、基地局から送信される適応電力制御（ＡＰＣ：Ａｄａｐｔｉｖｅ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ）信号に基づいて生成される。例えば、基地局は、移動体通信機からの信号を測定することにより、移動体通信機における送信電力を適切なレベルに調整するためのコマンドとして、ＡＰＣ信号を移動体通信機に送信することができる。
電力増幅モジュール１０３は、送信電力制御部１０２から出力されるＲＦ信号（ＲＦIN）の電力を、基地局に送信するために必要なレベルまで増幅し、増幅信号（ＲＦOUT）を出力する。
フロントエンド部１０４は、増幅信号に対するフィルタリングや、基地局から受信する受信信号とのスイッチングなどを行う。フロントエンド部１０４から出力される増幅信号は、アンテナ１０５を介して基地局に送信される。
図２Ａは、電力増幅モジュール１０３の構成の一例を示す図である。図２Ａに示すように、電力増幅モジュール１０３は、制御電圧生成回路２０１、ＲＦ増幅回路２０２、及び整合回路（ＭＮ：Ｍａｔｃｈｉｎｇ Ｎｅｔｗｏｒｋ）２０３を含んでいる。また、ＲＦ増幅回路２０２は、バイアス回路２１１、増幅回路２１２、及び整合回路２１３を含んでいる。
図２Ａに示す構成では、制御電圧生成回路２０１及びＲＦ増幅回路２０２は、異なる基板に形成されている。例えば、制御電圧生成回路２０１は、ＭＯＳＦＥＴ（ＭＯＳ Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を用いて構成され、ＲＦ増幅回路２０２は、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）等のバイポーラトランジスタを用いて構成することができる。ＲＦ増幅回路２０２にＨＢＴを用いる場合、ＨＢＴを構成する基板の材料には、例えば、ＳｉＧｅ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮ等を用いることができる。なお、制御電圧生成回路２０１及びＲＦ増幅回路２０２が同一の基板に形成されていてもよい。
制御電圧生成回路２０１は、バッテリ電圧ＶBATから、バイアス回路２１１に供給される制御電圧ＶCONTを生成する。
バイアス回路２１１は、制御電圧生成回路２０１から供給される制御電圧ＶCONTを用いて、増幅回路２１２を構成するトランジスタにバイアスをかける。
増幅回路２１２は、入力されるＲＦ信号（ＲＦIN）を増幅し、増幅信号ＲＦOUTを出力する。なお、増幅回路２１２の前後に設けられた整合回路２１３，２０３は、入出力のインピーダンスを整合させるためのものであり、例えば、キャパシタやインダクタを用いて構成される。
なお、ＲＦ増幅回路２０２に供給される電源電圧は、例えば、図２Ａに示すように、バッテリ電圧ＶBATとすることができる。また、ＲＦ増幅回路２０２に供給される電源電圧は、例えば、図２Ｂに示すように、バッテリ電圧ＶBATからＤＣＤＣコンバータを介して生成された所定レベルの電圧ＶCCであってもよい。さらに、図２Ｃに示すように、バイアス回路２１１に供給される電源電圧をバッテリ電圧ＶBATとし、増幅回路２１２に供給される電源電圧を電圧ＶCCとすることもできる。
電力増幅モジュール１０３を構成する、制御電圧生成回路２０１及びＲＦ増幅回路２０２の構成例について説明する。
図３は、制御電圧生成回路２０１の構成の一例を示す図である。図３に示すように、制御電圧生成回路２０１は、バンドギャップ回路３０１、オペアンプ３０２、及び抵抗３０３，３０４を用いて構成することができる。
バンドギャップ回路３０１は、電源電圧（図３ではバッテリ電圧ＶBAT）から、温度や電源電圧の変動に依存しないバンドギャップ基準電圧ＶBGを生成する。バンドギャップ回路から出力される基準電圧ＶBGは、例えば、１．２Ｖ程度である。
オペアンプ３０２及び抵抗３０３，３０４は、非反転増幅回路を構成しており、基準電圧ＶBGを抵抗３０３，３０４の抵抗値に応じたゲインで増幅し、制御電圧ＶCONTを生成する。この制御電圧ＶCONTは、例えば、２．３５Ｖ程度とすることができる。ここで、オペアンプ３０２を構成するトランジスタは、例えば、ＭＯＳＦＥＴとすることができる。なお、オペアンプ３０２を構成するトランジスタを、バイポーラトランジスタとすることもできる。
また、制御電圧生成回路２０１は、増幅回路２１２のゲインを調整するために、制御電圧ＶCONTを調整可能に構成されていてもよい。例えば、制御電圧生成回路２０１は、外部から入力される制御信号に応じて、抵抗３０３または抵抗３０４の抵抗値を変更することにより、制御電圧ＶCONTを調整することができる。
図４Ａは、図２Ａに示したＲＦ増幅回路２０２の構成の一例を示す図である。また、図４Ｂ及び図４Ｃは、それぞれ、図２Ｂ及び図２Ｃに示したＲＦ増幅回路２０２の構成の一例を示す図である。図４Ａ〜図４ＣのＲＦ増幅回路２０２の構成は、供給される電源電圧の種類が異なる点を除いて同等であるため、図４Ａを参照して、ＲＦ増幅回路２０２の構成の一例について説明する。前述したように、ＲＦ増幅回路２０２は、バイアス回路２１１、増幅回路２１２、及び整合回路（キャパシタ）２１３を含んでいる。
バイアス回路２１１は、トランジスタ４０１〜４０３及び抵抗４０４〜４０９を含んで構成することができる。ここで、トランジスタ４０１〜４０３は、例えば、ＨＢＴ等のバイポーラトランジスタである。このような構成により、バイアス回路２１１は、増幅回路２１２に対してバイアスを供給することができる。バイアス回路２１１の詳細については後述する。
増幅回路２１２は、トランジスタ４１１（増幅トランジスタ）及びインダクタ４１２を含んで構成することができる。ここで、トランジスタ４１１は、例えば、ＨＢＴ等のバイポーラトランジスタである。
図４Ａに示すように、トランジスタ４１１のベースには、整合回路（キャパシタ）２１３を介してＲＦ信号（ＲＦIN）が入力されるとともに、バイアス回路２１１のバイアス出力が接続されている。また、インダクタ４１２の一端にはバッテリ電圧ＶBATが印加され、インダクタ４１２の他端が、トランジスタ４１１のコレクタに接続されている。そして、トランジスタ４１１のコレクタから、増幅信号ＲＦOUTが整合回路２０３を介して出力される。
バイアス回路２１１の詳細について説明する。図４Ａに示すように、トランジスタ４０１（バイアス用トランジスタ）は、ダイオード接続されるとともに、ベースが、抵抗４０５を介して、トランジスタ４１１のベースと接続されている。また、トランジスタ４０１のコレクタには、抵抗４０４を介して制御電圧ＶCONTが印加されている。すなわち、トランジスタ４０１は、トランジスタ４１１と電流ミラー接続されている。換言すると、トランジスタ４０１，４１１は、電流ミラー回路を構成している。したがって、トランジスタ４０１に流れる電流によって、トランジスタ４０１，４１１のサイズ比に応じた電流が、トランジスタ４１１に流れることとなる。
このように、トランジスタ４０１は、電流ミラー接続されたトランジスタ４１１に対してバイアスを供給することができる。ここで、トランジスタ４０１は、エミッタが接地されているため、制御電圧ＶCONTがトランジスタ４０１のベース・エミッタ間電圧ＶBE程度であっても電流を流すことができる。
しかしながら、ＲＦ信号（ＲＦIN）の信号レベルが大きくなるにつれて、トランジスタ４１１に流れる電流も大きくする必要があるが、電流ミラー回路によるバイアスだけでは、大電流に対応することができないことがある。そこで、バイアス回路２１１においては、ＲＦ信号（ＲＦIN）の信号レベルが所定レベルより大きい場合のバイアス供給用として、トランジスタ４１１にエミッタフォロワ接続されるトランジスタ４０２が設けられている。
図４Ａに示すように、トランジスタ４０２（バイアス用トランジスタ）のベースには、抵抗４０６を介して制御電圧ＶCONTが印加されている。また、トランジスタ４０２のコレクタには、バッテリ電圧ＶBATが印加されている。そして、トランジスタ４０２のエミッタは、抵抗４０７を介してトランジスタ４１１のベースに接続されている。ここで、トランジスタ４１１，４０２のベース・エミッタ間電圧ＶBEを１．３Ｖ程度であるとすると、トランジスタ４０２を常時駆動するためには、トランジスタ４０２のベースに印加される電圧ＶBIASを２．７Ｖ程度より高くする必要がある。したがって、制御電圧ＶCONTが例えば２．３５Ｖである場合、トランジスタ４０２を常時駆動することはできない。
このように、バイアス回路２１１では、トランジスタ４０２を常時駆動することはできないが、ＲＦ信号（ＲＦIN）の信号レベルが大きい領域では、トランジスタ４０２を駆動し、トランジスタ４１１にバイアスを供給することができる。以下に、トランジスタ４０２からバイアスが供給される原理について説明する。
図５は、トランジスタ４０２からトランジスタ４１１にバイアスが供給される原理を説明するための図である。図５に示すように、トランジスタ４０２のベースには、電圧ＶBIASが印加されている。ここで、制御電圧生成回路から供給される制御電圧ＶCONTが例えば２．３５Ｖである場合、電圧ＶBIASは２．３５Ｖ以下となる。したがって、トランジスタ４０２及びトランジスタ４１１のベース・エミッタ間電圧ＶBEを考慮すると、トランジスタ４０２を常時オンにすることはできない。
図５に示すように、トランジスタ４１１のベースには、キャパシタ２１３を介してＲＦ信号（ＲＦIN）が入力されている。したがって、ＲＦ信号（ＲＦIN）が負の領域においては、トランジスタ４０２のベースとエミッタとの間の電位差が大きくなる。そして、ＲＦ信号（ＲＦIN）の信号レベルが所定レベルより大きい領域では、この電位差がトランジスタ４０２のベース・エミッタ間電圧ＶBEより大きくなり、トランジスタ４０２がオン状態となる。一方、トランジスタ４１１は、ＲＦ信号（ＲＦIN）が負の領域においてオフ状態となる。
また、ＲＦ信号（ＲＦIN）が正の領域においては、トランジスタ４０２のベースとエミッタとの間の電位差が小さくなるため、トランジスタ４０２がオフ状態となる。一方、トランジスタ４１１は、ＲＦ信号（ＲＦIN）が正の領域においてオン状態となる。
そして、トランジスタ４１１のベースには、キャパシタ２１３が接続されているから、ＲＦ信号（ＲＦIN）の信号レベルが所定レベルより大きい領域においては、トランジスタ４０２，４１１及びキャパシタ２１３は、ＤＣ的には、図６に示すように、スイッチド・キャパシタと等価と見なすことができる。
ここで、ＲＦ信号（ＲＦIN）の周波数をｆRF、キャパシタ２１３の容量をＣINとすると、図６に示したスイッチド・キャパシタの抵抗値は１／（ｆRF・ＣIN）となり、トランジスタ４１１のベースには、ＤＣバイアス電流ＩBIAS＝ＶBIAS・ｆRF・ＣINが供給されることとなる。したがって、ＲＦ信号（ＲＦIN）の信号レベルが所定レベルより大きい領域においては、トランジスタ４１１に対して、電流ミラー接続されたトランジスタ４０１からのバイアスに加えて、エミッタフォロワ接続されたトランジスタ４０２からのバイアスも供給されることとなる。このような構成により、制御電圧ＶCONTが例えば２．３５Ｖ程度であっても、トランジスタ４１１に対してバイアスを供給することが可能となる。すなわち、ＲＦ増幅回路２０２を低電圧で駆動することができる。
図４Ａに戻り、トランジスタ４０３及び抵抗４０８，４０９により構成される電圧調整回路４２０について説明する。トランジスタ４０３は、コレクタがトランジスタ４０２のベースに接続され、エミッタが接地されている。そして、トランジスタ４０３のベース・コレクタ間には抵抗４０８が接続され、トランジスタ４０３のベース・エミッタ間には抵抗４０９が接続されている。ここで、トランジスタ４０３のベース・エミッタ間電圧をＶBE、抵抗４０８，４０９の抵抗値をそれぞれＲ1，Ｒ2とすると、トランジスタ４０３のコレクタの電圧、すなわち、トランジスタ４０２のベースに印加される電圧ＶBIASは、ＶBE（１＋（Ｒ1／Ｒ2））となる。したがって、トランジスタ４０２のベースに印加される電圧ＶBIASを、抵抗４０８，４０９の抵抗値に応じた所定レベルに設定することができる。また、ベース・エミッタ間電圧ＶBEについて、トランジスタ４０３はトランジスタ４０２と同等の温度特性を有するため、トランジスタ４０２の温度特性に応じて電圧ＶBIASを調整することができる。また、プロセスに起因したダイオード電位のばらつきについても補償できる。これにより、トランジスタ４０２からトランジスタ４１１に供給されるバイアスが温度によって変化することを抑制し、ＲＦ増幅回路２０２の線形性を高めることができる。
図７Ａ〜図７Ｃは、電力増幅モジュール１０３の構成の他の一例を示す図である。ここで、図７Ａ〜図７Ｃの電力増幅モジュール１０３の構成は、ＲＦ増幅回路７０２に供給される電源電圧の種類が異なる点を除いて同等であるため、図７Ａを参照して、電力増幅モジュール１０３の構成の一例について説明する。なお、図２Ａに示した構成と同等の要素には同一の番号を付して説明を省略する。図７Ａに示すように、電力増幅モジュール１０３Ａは、図２Ａに示した制御電圧生成回路２０１及びＲＦ増幅回路２０２の代わりに、制御電圧生成回路７０１及びＲＦ増幅回路７０２を含んでいる。制御電圧生成回路７０１は、２つの制御電圧ＶCONT1，ＶCONT2を生成し、バイアス回路７１１に供給する。バイアス回路７１１は、制御電圧ＶCONT1，ＶCONT2に基づいて、増幅回路２１２を構成するトランジスタにバイアスをかける。
図８は、制御電圧生成回路７０１の構成の一例を示す図である。図８に示すように、制御電圧生成回路７０１は、バンドギャップ回路３０１、オペアンプ８０１，８０２、及び抵抗８０３〜８０６を含んで構成されている。なお、バンドギャップ回路３０１は、図３に示したバンドキャップ回路３０１と同等である。
図８に示す構成において、オペアンプ８０１及び抵抗８０３，８０４は、制御電圧ＶCONT1を生成する電圧生成回路を構成している。また、オペアンプ８０２及び抵抗８０５，８０６は、制御電圧ＶCONT2を生成する電圧生成回路を構成している。なお、制御電圧ＶCONT1，ＶCONT2の生成動作は、図３に示した制御電圧生成回路２０１と同等であるため説明を省略する。
図９Ａは、図７Ａに示したＲＦ増幅回路７０２の構成の一例を示す図である。また、図９Ｂ及び９Ｃは、それぞれ、図７Ｂ及び図７Ｃに示したＲＦ増幅回路７０２の構成の一例を示す図である。図９Ａ〜図９ＣのＲＦ増幅回路７０２の構成は、供給される電源電圧が異なる点を除いて同等であるため、図９Ａを参照して、ＲＦ増幅回路７０２の構成の一例について説明する。なお、図４Ａに示した構成と同等の要素には同一の番号を付して説明を省略する。図９Ａに示すように、ＲＦ増幅回路７０２は、図４Ａにおけるバイアス回路２１１の代わりに、バイアス回路７１１を含んでいる。
バイアス回路７１１の内部構成は、外部から供給される制御電圧が異なる点を除き、図４Ａに示したバイアス回路２１１と同等である。具体的には、バイアス回路７１１では、制御電圧ＶCONT1が、トランジスタ４０１のコレクタ側に印加され、制御電圧ＶCONT2が、トランジスタ４０２のベース側に印加されている。このように、バイアス回路７１１では、トランジスタ４０１からのバイアスと、トランジスタ４０２からのバイアスとが、異なる制御電圧によって制御される。このように、バイアスを制御するための制御電圧を、制御電圧ＶCONT1，ＶCONT2の２つとすることにより、ＲＦ増幅回路７０２の線形性を高めることができる。以下に、この点について説明する。
ＲＦ増幅回路では、ＲＦ増幅回路のゲインを調整するために、制御電圧を変化させる場合がある。図１０は、図４Ａに示したＲＦ増幅回路２０２における、制御電圧ＶCONTとゲイン特性との関係を示す図である。図１０に示すように、ＲＦ増幅回路２０２では、制御電圧ＶCONTを低下させると線形性が低下することがある。これは、ＲＦ増幅回路２０２では、１つの制御電圧ＶCONTによって、トランジスタ４０１からのバイアスと、トランジスタ４０２からのバイアスとが制御されていることが影響している。ゲインを下げるためにトランジスタ４０１のベース・コレクタ電位を低下させると、同時にトランジスタ４０２のベース電位も低下する。この場合、より大きなＲＦ信号が入力されないとトランジスタ４０２が動作を開始しない。トランジスタ４０１のみでバイアスされる場合はＲＦ入力電力が増えてもトランジスタ４１１に流れる電流に制限がかかり、増幅器の利得は低下する。トランジスタ４０２がこの利得低下の前に動かないと図１０のような線形性の低下が起こる。
この現象を実証するために、図９Ａに示したバイアス回路７１１を採用した場合における、制御電圧ＶCONT1とＲＦ増幅回路７０２のゲイン特性との関係を実験で確認した。なお、実験において、制御電圧ＶCONT2は、制御電圧ＶCONT1によらず所定レベル（例えば２．３５Ｖ）に維持されている。図１１は、この実験の結果を示す図である。図１１に示すように、制御電圧ＶCONT2を所定レベルに維持したまま、制御電圧ＶCONT1を低下させることにより、図１０に示した場合と比較して線形性を向上させることができた。
また、図１２は、ＲＦ増幅回路７０２において、制御電圧ＶCONT1を所定レベル（例えば２．３５Ｖ）に維持した状態で、制御電圧ＶCONT2を変化させた場合のゲイン特性の変化の一例を示す図である。図１２に示すように、制御電圧ＶCONT2を例えば２．３５Ｖから低下させることにより、線形性が低下していることがわかる。この結果からも、制御電圧ＶCONT2を所定レベル（例えば２．３５Ｖ）に維持しておくことが、ＲＦ増幅回路７０２の線形性を向上させるために有効であることがわかる。
なお、ＲＦ増幅回路７０２においては、トランジスタ４０２のベースに印加される電圧ＶBIASは、トランジスタ４０３及び抵抗４０８，４０９によって決定される。具体的には、トランジスタ４０３のベース・エミッタ間電圧をＶBE、抵抗４０８，４０９の抵抗値をそれぞれＲ1，Ｒ2とすると、トランジスタ４０２のベースに印加される電圧ＶBIASは、ＶBE（１＋（Ｒ1／Ｒ2））となる。したがって、例えば、ＶBEが１．３Ｖである場合、制御電圧ＶCONT2を２．３５Ｖ以上とし、Ｒ1を８ｋΩ、Ｒ2を１０ｋΩとすれば、ＶBIASを２．３５Ｖとすることができる。
図１３Ａ〜図１３Ｃは、電力増幅モジュール１０３の構成の他の一例を示す図である。ここで、図１３Ａ〜図１３Ｃの電力増幅モジュール１０３の構成は、ＲＦ増幅回路１３０１に供給される電源電圧の種類が異なる点を除いて同等であるため、図１３Ａを参照して、電力増幅モジュール１０３の構成の一例について説明する。なお、図２Ａに示した構成と同等の要素には同一の番号を付して説明を省略する。図１３Ａに示すように、電力増幅モジュール１０３Ｂは、図２ＡにおけるＲＦ増幅回路２０２の代わりに、ＲＦ増幅回路１３０１を含んでいる。
ＲＦ増幅回路１３０１は、２段の増幅回路１３１１，１３１２を含んでいる。増幅回路１３１１，１３１２のそれぞれの構成は、図４Ａに示した増幅回路２１２と同等である。また、ＲＦ増幅回路１３０１は、増幅回路１３１１，１３１２用のバイアス回路１３１３，１３１４を含んでいる。バイアス回路１３１３，１３１４のそれぞれの構成は、図４Ａに示したバイアス回路２１１と同等である。そして、バイアス回路１３１３，１３１４には、制御電圧ＶCONTが供給されている。また、ＲＦ増幅回路１３０１は、入出力のインピーダンスを整合させるための整合回路１３１５，１３１６を含んでいる。
図１３Ａに示すように、増幅回路を２段の構成とすることにより、ＲＦ増幅回路のゲインを大きくすることができる。このような構成においても、バイアス回路１３１３，１３１４は、図４Ａに示したバイアス回路２１１と同様に、例えば２．３５Ｖ程度の低い電圧で動作させることが可能である。すなわち、ＲＦ増幅回路１３０１を低電圧で駆動することができる。
図１４Ａ〜図１４Ｃは、電力増幅モジュール１０３の構成の他の一例を示す図である。ここで、図１４Ａ〜図１４Ｃの電力増幅モジュール１０３の構成は、ＲＦ増幅回路１４０１に供給される電源電圧の種類が異なる点を除いて同等であるため、図１４Ａを参照して、電力増幅モジュール１０３の構成の一例について説明する。なお、図１３Ａに示した構成と同等の要素には同一の番号を付して説明を省略する。図１４Ａに示すように、電力増幅モジュール１０３Ｃは、図１３Ａに示した制御電圧生成回路２０１及びＲＦ増幅回路１３０１の代わりに、制御電圧生成回路７０１及びＲＦ増幅回路１４０１を含んでいる。制御電圧生成回路７０１は、図８に示した制御電圧生成回路７０１と同等の構成である。ＲＦ増幅回路１４０１は、制御電圧ＶCONT1，ＶCONT2の入力端子を有する点以外は、図１３Ａに示したＲＦ増幅回路１３０１と同等の構成である。このような構成においては、バイアス回路１３１３，１３１４に、それぞれ異なる制御電圧ＶCONT1，ＶCONT2が供給される。これにより、ＲＦ増幅回路１４０１におけるバイアス制御をより精密に行うことが可能となる。
図１５Ａ〜図１５Ｃは、電力増幅モジュール１０３の構成の他の一例を示す図である。ここで、図１５Ａ〜図１５Ｃの電力増幅モジュール１０３の構成は、ＲＦ増幅回路１５０１に供給される電源電圧の種類が異なる点を除いて同等であるため、図１５Ａを参照して、電力増幅モジュール１０３の構成の一例について説明する。なお、図１４Ａに示した構成と同等の要素には同一の番号を付して説明を省略する。図１５Ａに示すように、電力増幅モジュール１０３Ｄは、図１４ＡにおけるＲＦ増幅回路１４０１の代わりに、ＲＦ増幅回路１５０１を含んでいる。
ＲＦ増幅回路１５０１は、図１４Ａに示したＲＦ増幅回路１４０１におけるバイアス回路１３１３，１３１４の代わりに、バイアス回路１５１１，１５１２を含んでいる。バイアス回路１５１１，１５１２のそれぞれの構成は、図９Ａに示したバイアス回路７１１と同等である。そして、バイアス回路１５１１，１５１２には、制御電圧ＶCONT1，ＶCONT2が供給されている。このように、増幅回路を２段構成とする場合においても、各段のバイアス回路に供給される制御電圧を２つ用意し、図９Ａに示した回路構成と同様の効果を得ることができる。なお、バイアス回路１５１１に供給される制御電圧ＶCONT1，ＶCONT2と、バイアス回路１５１２に供給される制御電圧ＶCONT1，ＶCONT2とを別々に制御可能な構成としてもよい。
図１７は、図４Ａに示したＲＦ増幅回路２０２の変形例を示す図である。なお、図４Ａに示したＲＦ増幅回路２０２と同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。図１７に示すように、ＲＦ増幅回路２０２は、図４に示す構成に加えて、キャパシタ１７００を含んでいる。キャパシタ１７００は、一端がトランジスタ４０１のベースに接続され、他端が接地されている。このようにキャパシタ１７００を設けることにより、ＲＦ増幅回路２０２の線形性を向上させることができる。以下、説明する。
図１８は、図４Ａに示した構成（キャパシタ１７００がない構成）における、増幅信号ＲＦOUTとゲインとの関係の一例を示すシミュレーション結果である。図１８に示すように、増幅信号ＲＦOUTの信号レベルが中程度の領域（図１８では２０ｄＢｍ付近）において、ゲインが若干低下している。
前述したように、図４Ａに示すＲＦ増幅回路２０２では、ＲＦ信号（ＲＦIN）の信号レベルが小さい領域（即ち、増幅信号ＲＦOUTの信号レベルが小さい領域）においては、トランジスタ４１１と電流ミラー接続されたトランジスタ４０１によってバイアスが供給される。また、ＲＦ信号（ＲＦIN）の信号レベルが大きい領域（即ち、増幅信号ＲＦOUTの信号レベルが大きい領域）においては、電流ミラーによるバイアスに加えて、トランジスタ４１１にエミッタフォロワ接続されるトランジスタ４０２からバイアスが供給される。図１８に示したゲインの低下は、例えば、エミッタフォロワによるバイアス供給が開始されるタイミング等において、一時的にバイアス不足が生じているためであると考えられる。
図１９は、図１７に示した構成（キャパシタ１７００がある構成）における、増幅信号ＲＦOUTとゲインとの関係の一例を示すシミュレーション結果である。図１７に示すＲＦ増幅回路２０２においては、電流ミラーによるバイアス供給が行われている際に、キャパシタ１７００に電荷が蓄積される。そして、キャパシタ１７００に蓄積された電荷がトランジスタ４１１のベースに供給されることにより、バイアス不足が補われる。従って、図１９に示すように、図１８において見られたゲインの低下が改善され、ＲＦ増幅回路２０２の線形性を向上させることができる。
なお、図４Ａに示したＲＦ増幅回路２０２にキャパシタ１７００を追加する構成を説明したが、図４Ｂ及び図４Ｃに示したＲＦ増幅回路２０２においても同様に、キャパシタ１７００を追加することにより、線形性を向上させることができる。ＲＦ増幅回路２０２を多段構成とする場合においても同様である。
以上、本実施の形態について説明した。本実施形態によれば、制御電圧ＶCONTが２．３５Ｖ程度の低電圧であっても、ＲＦ信号（ＲＦIN）の信号レベルが小さい領域においては、増幅トランジスタと電流ミラー接続されたバイアス用トランジスタによってバイアスを供給し、ＲＦ信号（ＲＦIN）の信号レベルが大きい領域においては、増幅トランジスタにエミッタフォロワ接続されたバイアス用トランジスタによってバイアスを供給することができる。すなわち、ＲＦ増幅回路を低電圧で駆動することができる。
また、本実施形態によれば、増幅トランジスタと電流ミラー接続されたバイアス用トランジスタに供給される制御電圧と、増幅トランジスタにエミッタフォロワ接続されたバイアス用トランジスタに供給される制御電圧とを個別に制御することができる。これにより、例えば、増幅トランジスタにエミッタフォロワ接続されたバイアス用トランジスタに供給される制御電圧は所定レベルに維持したまま、増幅トランジスタと電流ミラー接続されたバイアス用トランジスタに供給される制御電圧のみを変更することにより、ＲＦ増幅回路のゲインを調整することができる。このように、増幅トランジスタにエミッタフォロワ接続されたバイアス用トランジスタに供給される制御電圧を所定レベルに維持することにより、ＲＦ増幅回路の線形性を向上させることが可能となる。
なお、増幅トランジスタと電流ミラー接続されたバイアス用トランジスタに供給される制御電圧と、増幅トランジスタにエミッタフォロワ接続されたバイアス用トランジスタに供給される制御電圧とを同一とすることにより、制御電圧供給用の端子を１つとし、チップサイズを小さくすることとしてもよい。
また、本実施形態によれば、増幅トランジスタにエミッタフォロワ接続されたバイアス用トランジスタに供給される制御電圧を、該バイアス用トランジスタの温度特性に応じて調整することができる。これにより、該バイアス用トランジスタから増幅トランジスタに供給されるバイアスが温度によって変化することを抑制し、ＲＦ増幅回路の線形性を高めることができる。
また、本実施形態によれば、増幅回路を２段の構成とする場合においても、上述した効果を得ることができる。なお、増幅回路を３段以上の構成とする場合においても同様である。
また、本実施形態によれば、増幅トランジスタと電流ミラー接続されたバイアス用トランジスタのベースに一端が接続され、他端が接地されたキャパシタを設けることにより、増幅トランジスタへのバイアス不足を補い、ＲＦ増幅回路の線形性を向上させることができる。
なお、本実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更／改良され得るととともに、本発明にはその等価物も含まれる。
１００ 送信ユニット
１０１ 変調部
１０２ 送信電力制御部
１０３，１０３Ａ，１０３Ｂ，１０３Ｃ，１０３Ｄ 電力増幅モジュール
１０４ フロントエンド部
１０５ アンテナ
２０１，７０１ 制御電圧生成回路
２０２，７０２，１３０１，１４０１，１５０１ ＲＦ増幅回路
２０３，２１３，１３１５，１３１６ 整合回路
２１１，７１１，１３１３，１３１４，１５１１，１５１２，１６０２ バイアス回路
２１２，１６０１ 増幅回路
３０１ バンドギャップ回路
３０２，８０１，８０２ オペアンプ
３０３，３０４，４０４〜４０９，８０３〜８０６ 抵抗
４０１〜４０３，４１１ トランジスタ
４１２ インダクタ
４２０ 電圧調整回路
１７００ キャパシタ

Claims (12)

  1. 整合回路を介してベースに入力される無線周波数信号を増幅して出力する増幅トランジスタと、
    前記増幅トランジスタと電流ミラー接続され、前記増幅トランジスタにバイアスを供給する第１のバイアス用トランジスタと、
    前記増幅トランジスタのベースにエミッタフォロワ接続され、前記増幅トランジスタにバイアスを供給する第２のバイアス用トランジスタと、
    一端が、前記第２のバイアス用トランジスタのエミッタに接続され、他端が、前記増幅トランジスタのベースと接続され、前記無線周波数信号に応じて前記第２のバイアス用トランジスタのエミッタ電圧を交流的に変化させる抵抗と、
    を備える無線周波数増幅回路。
  2. 請求項１に記載の無線周波数増幅回路であって、
    前記第１のバイアス用トランジスタのコレクタ側に印加される第１の制御電圧の入力端子と、前記第２のバイアス用トランジスタのベース側に印加される第２の制御電圧の入力端子とが個別に形成されている、
    無線周波数増幅回路。
  3. 請求項１に記載の無線周波数増幅回路であって、
    前記第１のバイアス用トランジスタのコレクタ側に印加される第１の制御電圧の入力端子と、前記第２のバイアス用トランジスタのベース側に印加される第２の制御電圧の入力端子とが共通の端子で形成されている、
    無線周波数増幅回路。
  4. 請求項１〜３の何れか一項に記載の無線周波数増幅回路であって、
    前記第２のバイアス用トランジスタのベースに印加される電圧を該トランジスタの温度特性に応じて調整する電圧調整回路をさらに備える、
    無線周波数増幅回路。
  5. 請求項４に記載の無線周波数増幅回路であって、
    前記電圧調整回路は、前記第２のバイアス用トランジスタと同等のベース・エミッタ間電圧の温度特性を有する電圧調整用トランジスタを含み、該電圧調整用トランジスタのベース・エミッタ間電圧に応じた電圧を前記第２のバイアス用トランジスタのベースに供給する、
    無線周波数増幅回路。
  6. 請求項１〜５の何れか一項に記載の無線周波数増幅回路であって、
    一端が前記第１のバイアス用トランジスタのベースに接続され、他端が接地されたキャパシタを、さらに備える無線周波数増幅回路。
  7. 請求項１に記載の無線周波数増幅回路であって、
    前記増幅トランジスタから整合回路を介してベースに入力される無線周波数信号を増幅して出力する第２の増幅トランジスタと、
    前記第２の増幅トランジスタと電流ミラー接続され、前記第２の増幅トランジスタにバイアスを供給する第３のバイアス用トランジスタと、
    前記第２の増幅トランジスタのベースにエミッタフォロワ接続され、前記第２の増幅トランジスタにバイアスを供給する第４のバイアス用トランジスタと、
    をさらに備える無線周波数増幅回路。
  8. 請求項７に記載の無線周波数増幅回路であって、
    前記第１及び第３のバイアス用トランジスタのコレクタ側に印加される第１の制御電圧の入力端子と、前記第２及び第４のバイアス用トランジスタのベース側に印加される第２の制御電圧の入力端子とが個別に形成されている、
    無線周波数増幅回路。
  9. 請求項７に記載の無線周波数増幅回路であって、
    前記第１及び第３のバイアス用トランジスタのコレクタ側に印加される第１の制御電圧の入力端子と、前記第２及び第４のバイアス用トランジスタのベース側に印加される第２の制御電圧の入力端子とが共通の端子で形成されている、
    無線周波数増幅回路。
  10. 請求項７〜９の何れか一項に記載の無線周波数増幅回路であって、
    前記第２及び第４のバイアス用トランジスタのベースに印加される電圧を該トランジスタの温度特性に応じて調整する電圧調整回路をさらに備える、
    無線周波数増幅回路。
  11. 請求項１〜１０の何れか一項に記載の無線周波数増幅回路であって、
    該無線周波数増幅回路を構成するトランジスタがヘテロ接合バイポーラトランジスタである、無線周波数増幅回路。
  12. 請求項１〜１１の何れか一項に記載の無線周波数増幅回路と、
    前記無線周波数増幅回路に供給される制御電圧を生成する制御電圧生成回路と、
    を備える電力増幅モジュール。
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