JP5974921B2 - 増幅器及び無線通信装置 - Google Patents

Description

本発明は、増幅器及び無線通信装置に関する。

携帯電話や携帯通信端末（モバイル端末）等の携帯型の無線通信機器は、平均消費電流を低減することで、電池（バッテリー）による動作時間を長くすることが可能である。平均消費電流は、無線通信機器からアンテナを通して出力される電波の各出力電力に対する消費電流に実使用頻度を掛け合わせることで求まる。使用頻度の指標で一般的なものであるＤＧ０９の使用頻度分布を図７（Ａ）に示す。図７（Ａ）から、低出力である出力電力が０ｄＢｍ付近で使用頻度が高いことがわかり、平均消費電流を削減するためには０ｄＢｍ付近での電流削減が重要となる。

一方、パワーアンプ（増幅器）の増幅効率は、図７（Ｂ）に示すように、最大出力時に最大となり、低出力時には高くない。低出力時の増幅効率を上げて消費電流を削減し平均消費電流を削減する手法として、出力電力に応じて使用する増幅回路部を切り替えるパワーモード切り替え機能を有するパワーアンプが用いられている。パワーモード切り替え機能を有するパワーアンプは、図８（Ａ）に示す特性ＨＰＷを持つハイパワーモードの増幅回路部と、パワーアンプの最大出力には対応しないが低出力では増幅効率が高い特性ＬＰＷを持つローパワーモードの増幅回路部とを有する。すなわち、パワーモード切り替え機能を有するパワーアンプは、図８（Ｂ）に示すように入力Ｐｉｎと出力Ｐｏｕｔの間に、ハイパワーモードの増幅回路部（ＨＰＭ）３０１とは異なるローパワーモードの増幅回路部（ＬＰＭ）３０２をパワーアンプ内部に設けたものである。

図９は、パワーモード切り替え機能を有する従来のパワーアンプの回路構成例を示す図である。図９には、２段アンプ構成のパワーアンプにおける最終段（出力側）アンプ及び出力整合部分の回路構成例を示している（例えば、特許文献１参照）。図９に示すパワーアンプの出力側回路は、ローパワーモードでの動作時に駆動される２段目トランジスタＬＰＭ２Ｐ、ＬＰＭ２Ｎを含むローパワーモードの回路経路と、ハイパワーモードでの動作時に駆動される２段目トランジスタＨＰＭ２Ｐ、ＨＰＭ２Ｎを含むハイパワーモードの回路経路とを有する。これらの回路経路は、２次側に出力負荷ＲＬが接続されたトランスＴＲＯの１次側に並列に接続される。

また、ローパワーモードの回路経路は、トランジスタＬＰＭ２Ｐ、ＬＰＭ２Ｎの出力（ドレイン）間に接続されたインダクタＬと、トランジスタＬＰＭ２Ｐ、ＬＰＭ２Ｎの出力とトランスＴＲＯの１次側との間に直列に接続されたキャパシタＣＸとを有する。また、ハイパワーモードの回路経路は、トランジスタＨＰＭ２Ｐ、ＨＰＭ２Ｎのそれぞれの出力（ドレイン）に接続されたキャパシタＣＨを有する。マッチングキャパシタＣ１がトランスＴＲＯの１次側に並列に接続され、マッチングキャパシタＣ２がトランスＴＲＯの２次側に並列に接続されている。

米国特許第７７２８６６１号公報

前述したように図９に示した従来のパワーアンプでは、ローパワーモード動作時にはトランジスタＬＰＭ２Ｐ、ＬＰＭ２Ｎが動作し、トランジスタＨＰＭ２Ｐ、ＨＰＭ２Ｎは動作していないが、この非動作のトランジスタＨＰＭ２Ｐ、ＨＰＭ２Ｎへも電流が流れ電力損失が増加してしまう。また、ハイパワーモード動作時にはトランジスタＨＰＭ２Ｐ、ＨＰＭ２Ｎが動作し、トランジスタＬＰＭ２Ｐ、ＬＰＭ２Ｎは動作していないが、この非動作のトランジスタＬＰＭ２Ｐ、ＬＰＭ２Ｎへも電流が流れ電力損失が増加してしまう。例えば、ローパワーモード動作時には、実線４０１で示すトランジスタＬＰＭ２Ｐ、ＬＰＭ２Ｎから出力された電力は実線４０２で示すように流れるが、一部の電力は破線４０３で示すようにトランジスタＨＰＭ２Ｐ、ＨＰＭ２Ｎ側へ流れ込み損失となる。このようにパワーモード切り替え機能を有する従来のパワーアンプでは、非動作のトランジスタが動作している回路経路に直接に接続されており、非動作のトランジスタにより電力損失が増加する。

本発明の目的は、非動作のトランジスタによる電力損失を抑制することができるパワーモード切り替え機能を有するパワーアンプ（増幅器）を提供することにある。

増幅器の一態様は、増幅器の最大出力電力を有する信号を出力する第１の増幅回路部と、増幅器の入出力間に第１の増幅回路部と並列に設けられ、第１の増幅回路部よりも低い出力電力において第１の増幅回路部よりも増幅効率が高い第２の増幅回路部とを有し、第１の増幅回路部と第２の増幅回路部はそれぞれ、一方の増幅回路部が信号の電力増幅を行う動作状態にあるときには他方の増幅回路部が信号の電力増幅を行わない非動作状態になる増幅器である。第１の増幅回路部は、第１の増幅回路部の第１出力端にドレインが接続される第１のトランジスタと、第１の増幅回路部の第２出力端にドレインが接続される第２のトランジスタと、第１のトランジスタ及び第２のトランジスタのうちの一方のトランジスタのドレインと他方のトランジスタのゲートとの間に設けられたクロスカップルキャパシタとを有する。また、第２の増幅回路部は、その出力端に第１のキャパシタを介してドレインが接続される第３のトランジスタと、第３のトランジスタのドレインに接続される第１のインダクタと、第１の増幅回路部が動作状態にあるときに導通状態となり第２の増幅回路部が動作状態にあるときに非導通状態となる第１のスイッチと、第２のキャパシタとが、第３のトランジスタのドレインとグランドとの間に直列に接続された直列回路とを有する。

開示の増幅器は、一方の増幅回路部が信号の電力増幅を行う動作状態にあるときに他方の増幅回路部に漏れ込む電流を抑制することができ、他方の増幅回路部が有する非動作のトランジスタによる電力損失を抑制することができる。

本発明の実施形態におけるパワーアンプの構成例を示す図である。 本実施形態におけるパワーアンプの出力側の回路構成例を示す図である。 本実施形態におけるパワーアンプの入力側の回路構成例を示す図である。 本実施形態におけるパワーアンプの回路要素配置の例を示す図である。 本実施形態におけるパワーアンプを用いた無線通信装置の一例を示す図である。 本実施形態における無線通信装置の構成例を示す図である。 図７（Ａ）は使用頻度分布の例を示す図であり、図７（Ｂ）はパワーアンプの増幅効率特性の例を示す図である。 パワーモード切り替え機能を有するパワーアンプを説明するための図である。 パワーモード切り替え機能を有するパワーアンプの出力側の回路構成例を示す図である。 パワーモード切り替え機能を有するパワーアンプの入力側の回路構成例を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の一実施形態における増幅器としてのパワーアンプの構成例を示す図である。本実施形態におけるパワーアンプは、入力Ｐｉｎと出力Ｐｏｕｔとの間に、ハイパワーモード用の増幅回路部１０１及びローパワーモード用の増幅回路部１０２を並列に設けたパワーモード切り替え機能を有するパワーアンプである。また、本実施形態におけるパワーアンプは、差動回路で構成され、増幅回路部１０１、１０２のそれぞれを２段アンプ構成としている。

ハイパワーモード用の増幅回路部１０１は、パワーアンプに求められる最大出力電力を有する信号を出力する能力を有しており、ローパワーモード用の増幅回路部１０２は、パワーアンプに求められる最大出力電力を有する信号を出力する能力を有しないが低出力電力において増幅回路部１０１よりも増幅効率が高い。ハイパワーモード動作時には、ハイパワーモード用の増幅回路部１０１が入力された信号を増幅する動作状態、ローパワーモード用の増幅回路部１０２が入力された信号を増幅しない非動作状態になって、入力Ｐｉｎより入力された信号がハイパワーモード用の増幅回路部１０１で電力増幅されて、増幅された信号が出力Ｐｏｕｔから出力される。また、ローパワーモード動作時には、ハイパワーモード用の増幅回路部１０１が非動作状態、ローパワーモード用の増幅回路部１０２が動作状態になって、入力Ｐｉｎより入力された信号がローパワーモード用の増幅回路部１０２で電力増幅されて、増幅された信号が出力Ｐｏｕｔから出力される。

ハイパワーモード用の増幅回路部１０１は、１段目（入力側）のトランジスタＨＰＭ１Ｐ、ＨＰＭ１Ｎ、及び２段目（出力側）のトランジスタＨＰＭ２Ｐ、ＨＰＭ２Ｎを有する。トランジスタＨＰＭ１Ｐ、ＨＰＭ１Ｎは、入力（ゲート）がマッチングネットワーク（整合回路）１１１を介してトランスＴＲＩの２次側に接続され、出力（ドレイン）がトランスＴＲＣの１次側に接続される。また、トランジスタＨＰＭ２Ｐ、ＨＰＭ２Ｎは、入力（ゲート）がトランスＴＲＣの２次側に接続され、出力（ドレイン）がトランスＴＲＯの１次側に接続される。

ローパワーモード用の増幅回路部１０２は、１段目（入力側）のトランジスタＬＰＭ１Ｐ、ＬＰＭ１Ｎ、及び２段目（出力側）のトランジスタＬＰＭ２Ｐ、ＬＰＭ２Ｎを有する。トランジスタＬＰＭ１Ｐ、ＬＰＭ１Ｎは、入力（ゲート）がマッチングネットワーク１２１Ｐ、１２１Ｎを介してトランスＴＲＩの２次側に接続される。トランジスタＬＰＭ１Ｐ、ＬＰＭ１Ｎの出力（ドレイン）とトランジスタＬＰＭ２Ｐ、ＬＰＭ２Ｎの入力（ゲート）とがマッチングネットワーク１２２Ｐ、１２２Ｎを介して接続される。また、トランジスタＬＰＭ２Ｐ、ＬＰＭ２Ｎは、出力（ドレイン）がマッチングネットワーク１２３Ｐ、１２３Ｎを介してトランスＴＲＯの１次側に接続される。

なお、トランスＴＲＩは、１次側がパワーアンプの入力Ｐｉｎに接続され、トランスＴＲＯは、２次側がパワーアンプの出力Ｐｏｕｔに接続されている。また、Ｐ、Ｎは、トランスＴＲＩの２次側と増幅回路部１０１、１０２の入力端との接続点を示しており、Ｐ’、Ｎ’は、増幅回路部１０１、１０２の出力端とトランスＴＲＯの１次側との接続点を示している。

前述のようにハイパワーモード動作時には、トランジスタＨＰＭ１Ｐ、ＨＰＭ１Ｎ、ＨＰＭ２Ｐ、ＨＰＭ２Ｎが駆動されてハイパワーモード用の増幅回路部１０１が動作状態になり、トランジスタＬＰＭ１Ｐ、ＬＰＭ１Ｎ、ＬＰＭ２Ｐ、ＬＰＭ２Ｎは駆動されない状態となってローパワーモード用の増幅回路部１０２が非動作状態になる。また、ローパワーモード動作時には、トランジスタＨＰＭ１Ｐ、ＨＰＭ１Ｎ、ＨＰＭ２Ｐ、ＨＰＭ２Ｎが駆動されない状態となってハイパワーモード用の増幅回路部１０１が非動作状態になり、トランジスタＬＰＭ１Ｐ、ＬＰＭ１Ｎ、ＬＰＭ２Ｐ、ＬＰＭ２Ｎが駆動されてローパワーモード用の増幅回路部１０２が動作状態になる。

図２は、本実施形態におけるパワーアンプの出力側１０の回路構成例を示す図である。この図２において、図１に示した構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付している。

トランジスタＨＰＭ２Ｐ、ＨＰＭ２Ｎは、ゲートが図１に示したトランスＴＲＣの２次側に接続され、ドレインがトランスＴＲＯの１次側に接続され、ソースがグランド（接地）に接続される。また、トランジスタＨＰＭ２Ｐ、ＨＰＭ２Ｎのうちの一方のトランジスタのドレインと他方のトランジスタのゲートとの間にクロスカップルキャパシタＣＸＣが設けられる。すなわち、トランジスタＨＰＭ２ＰのドレインがクロスカップルキャパシタＣＸＣＡの一方の電極に接続され、トランジスタＨＰＭ２ＮのゲートがクロスカップルキャパシタＣＸＣＡの他方の電極に接続される。また、トランジスタＨＰＭ２ＮのドレインがクロスカップルキャパシタＣＸＣＢの一方の電極に接続され、トランジスタＨＰＭ２ＰのゲートがクロスカップルキャパシタＣＸＣＢの他方の電極に接続される。

トランジスタＬＰＭ２Ｐ、ＬＰＭ２Ｎは、ゲートが図１に示したトランジスタＬＰＭ１Ｐ、ＬＰＭ１Ｎの出力（ドレイン）にマッチングネットワーク１２２Ｐ、１２２Ｎを介して接続され、ドレインがキャパシタＣ２Ｐ、Ｃ２Ｎを介してトランスＴＲＯの１次側に接続され、ソースがグランド（接地）に接続される。トランジスタＬＰＭ２Ｐ、ＬＰＭ２Ｎのドレイン間にインダクタＬ２が接続される。

また、トランジスタＬＰＭ２Ｐ、ＬＰＭ２Ｎのそれぞれに対してキャパシタＣＳ及びスイッチＳＷＣを有する直列回路を設ける。すなわち、トランジスタＬＰＭ２ＰのドレインにキャパシタＣＳＰの一方の電極が接続され、キャパシタＣＳＰの他方の電極がスイッチＳＷＣＰを介してグランド（接地）に接続される。トランジスタＬＰＭ２ＮのドレインにキャパシタＣＳＮの一方の電極が接続され、キャパシタＣＳＮの他方の電極がスイッチＳＷＣＮを介してグランド（接地）に接続される。スイッチＳＷＣＰ、ＳＷＣＮは、例えば図６に示す制御回路２０７により制御される。なお、Ｖｄｄは各トランジスタのドレインにつながる電源端子である。

ハイパワーモード動作時には、従来構成ではトランジスタＨＰＭ２Ｐ、ＨＰＭ２Ｎから出力された電力が、接続点Ｐ’、Ｎ’で分岐され、非動作のトランジスタＬＰＭ２Ｐ、ＬＰＭ２Ｎ側に漏れ込む。そのため、非動作のトランジスタＬＰＭ２Ｐ、ＬＰＭ２Ｎの寄生成分により電力損失が発生して電力損失が増加し、消費電流が大きくなってしまう。本実施形態では、スイッチＳＷＣＰ、ＳＷＣＮをハイパワーモード動作時には閉状態（導通状態）にし、ローパワーモード動作時には開状態（非導通状態）にすることで、ハイパワーモード動作時における非動作のトランジスタＬＰＭ２Ｐ、ＬＰＭ２Ｎによる損失を抑制する。

本実施形態では、ハイパワーモード動作時において、スイッチＳＷＣＰ、ＳＷＣＮを閉状態（導通状態）にすることで、スイッチＳＷＣＰ、ＳＷＣＮが接続されているノードのインピーダンスがほぼ０になる。また、スイッチＳＷＣＰと接続点Ｐ’との間にあるインダクタＬ２及びキャパシタＣ２Ｐ、ＣＳＰ、及びスイッチＳＷＣＮと接続点Ｎ’との間にあるインダクタＬ２及びキャパシタＣ２Ｎ、ＣＳＮで、それぞれλ／４共振回路を構成する。なお、インダクタＬ２及びキャパシタＣ２Ｐ、ＣＳＰ、Ｃ２Ｎ、ＣＳＮは、スイッチＳＷＣＰ、ＳＷＣＮを閉状態（導通状態）にしたときに、λ／４共振回路を構成するような特性値を持つものを用いている。

これにより、接続点Ｐ’、Ｎ’から非動作のトランジスタＬＰＭ２Ｐ、ＬＰＭ２Ｎを見込んだインピーダンスは非常に高くなり、回路的にオープン状態になる。したがって、非動作のトランジスタＬＰＭ２Ｐ、ＬＰＭ２Ｎ側へ電力が流れにくくなり、ハイパワーモード動作時における非動作のトランジスタＬＰＭ２Ｐ、ＬＰＭ２Ｎの寄生成分による電力損失を抑制することができる。

ローパワーモード動作時においても、従来構成ではトランジスタＬＰＭ２Ｐ、ＬＰＭ２Ｎから出力された電力が、接続点Ｐ’、Ｎ’で分岐され、非動作のトランジスタＨＰＭ２Ｐ、ＨＰＭ２Ｎ側に漏れ込む。そのため、非動作のトランジスタＨＰＭ２Ｐ、ＨＰＭ２Ｎの寄生成分により電力損失が発生して電力損失が増加し、消費電流が大きくなってしまう。本実施形態では、ローパワーモード動作時において、クロスカップルキャパシタＣＸＣＡ、ＣＸＣＢによってトランジスタＨＰＭ２Ｐ、ＨＰＭ２Ｎのドレイン−ゲート間の寄生キャパシタンスＣＰＡ、ＣＰＢをキャンセルすることで、ローパワーモード動作時に非動作のトランジスタＨＰＭ２Ｐ、ＨＰＭ２Ｎへ漏れ込む電力を抑制する。

つまり、本実施形態では、ローパワーモード動作時において、寄生キャパシタンスＣＰＡとクロスカップルキャパシタＣＸＣＢに入力される信号は逆相の関係となり、寄生キャパシタンスＣＰＢとクロスカップルキャパシタＣＸＣＡに入力される信号も逆相の関係になる。したがって、クロスカップルキャパシタＣＸＣＢが、寄生キャパシタンスＣＰＡの電荷を打ち消すことでトランジスタＨＰＭ２Ｐのドレイン−ゲート間の寄生キャパシタンスＣＰＡをキャンセルし、非動作のトランジスタＨＰＭ２Ｐの寄生成分による電力損失を抑制することができる。同様に、クロスカップルキャパシタＣＸＣＡが、寄生キャパシタンスＣＰＢの電荷を打ち消すことでトランジスタＨＰＭ２Ｎのドレイン−ゲート間の寄生キャパシタンスＣＰＢをキャンセルし、非動作のトランジスタＨＰＭ２Ｎの寄生成分による電力損失を抑制することができる。

図２に示した本実施形態におけるパワーアンプでは、キャパシタＣＳＰ、スイッチＳＷＣＰ及びキャパシタＣＳＮ、スイッチＳＷＣＮがインダクタＬ２に並列に接続されるように構成されているが接続点Ｐ'、Ｎ'に接続する構成も考えられる。しかし、接続点Ｐ'、Ｎ'をトランジスタＨＰＭ２Ｐ、ＨＰＭ２Ｎから見込んだインピーダンスが低いため、スイッチＳＷＣＰ及びＳＷＣＮの直列寄生抵抗による損失がハイパワーモード動作時においては無視できない。したがって、本実施形態の様にインピーダンスの高いインダクタＬ２に並列に接続する方が適切である。

また、トランジスタＨＰＭ２Ｐ、ＨＰＭ２ＮにクロスカップルキャパシタＣＸＣを設けたのと同様にトランジスタＬＰＭ２Ｐ、ＬＰＭ２Ｎにもクロスカップルキャパシタを設けた方が電力損失を抑制することができる。しかし、トランジスタＬＰＭ２Ｐ、ＬＰＭ２ＮはトランジスタＨＰＭ２Ｐ、ＨＰＭ２Ｎと比べて小さく、ドレイン−ゲート間の寄生キャパシタンスも小さい。そのためトランジスタＬＰＭ２Ｐ、ＬＰＭ２Ｎの寄生成分による電力損失は小さく、実用上ではクロスカップルキャパシタは必須でない。

以上のような理由から、図２に示したように本実施形態におけるパワーアンプでは、ローパワーモードの回路経路に対してはキャパシタＣＳ及びスイッチＳＷＣを有する直列回路を設け、ハイパワーモードの回路経路に対してはクロスカップルキャパシタＣＸＣを設けている。

ここで、パワーモード切り替え機能を有する従来のパワーアンプでは、入力側において以下のような問題がある。図１０は、パワーモード切り替え機能を有する従来のパワーアンプの入力側の回路構成例を示す図である。図１０には、２段アンプ構成のパワーアンプにおける初段（入力側）アンプ及び入力整合部分の回路構成例を示している。

ハイパワーモード動作時に駆動される１段目（入力側）のトランジスタＨＰＭ１Ｐ、ＨＰＭ１Ｎは、ゲートがトランスＴＲＩの２次側に接続され、ドレインがトランスＴＲＣの１次側に接続され、ソースがグランド（接地）に接続される。ローパワーモード動作時に駆動される１段目（入力側）のトランジスタＬＰＭ１Ｐ、ＬＰＭ１Ｎは、ゲートがキャパシタＣ１Ｐ、Ｃ１Ｎを介してトランスＴＲＩの２次側に接続され、ドレインがキャパシタＣＣＰ、ＣＣＮに接続され、ソースがグランド（接地）に接続される。トランジスタＬＰＭ１Ｐ、ＬＰＭ１Ｎのドレイン間にインダクタＬ１が接続される。なお、Ｖｇ＿ＨＰＭはトランジスタＨＰＭ１Ｐ、ＨＰＭ１Ｎにゲートバイアスを与える端子であり、Ｖｇ＿ＬＰＭはトランジスタＬＰＭ１Ｐ、ＬＰＭ１Ｎにゲートバイアスを与える端子であり、Ｖｄｄは各トランジスタのドレインにつながる電源端子である。

図１０に示す従来のパワーアンプにおいて、ローパワーモード動作時には、トランジスタＨＰＭ１Ｐ、ＨＰＭ１Ｎは、ゲートバイアス（Ｖｇ＿ＨＰＭ）が与えられておらず動作しない。しかし、入力ＰｉｎよりＲＦ信号（高周波アナログ信号）が入力されると、トランジスタＨＰＭ１Ｐ、ＨＰＭ１Ｎ、ＬＰＭ１Ｐ、ＬＰＭ１Ｎのゲートに電圧がかかる。入力ＰｉｎからのＲＦ信号によりトランジスタＨＰＭ１Ｐ、ＨＰＭ１Ｎのゲート電圧が閾値電圧Ｖｔｈを超えると、トランジスタＨＰＭ１Ｐ、ＨＰＭ１Ｎがオン状態となって不要な電流が流れてしまい、電力損失が増加する。なお、これはハイパワーモード動作時のトランジスタＬＰＭ１Ｐ、ＬＰＭ１Ｎでも起こり得る。

そこで、本実施形態におけるパワーアンプでは、図３に示すようにトランジスタＨＰＭ１Ｐ、ＨＰＭ１Ｎのドレインに電圧Ｖｄｄを印加するか否かをスイッチＳＷＨにより制御し、トランジスタＬＰＭ１Ｐ、ＬＰＭ１Ｎのドレインに電圧Ｖｄｄを印加するか否かをスイッチＳＷＬにより制御する。これにより、非動作のトランジスタに不要な電流が流れてしまうことを確実に防止して電力損失を抑制する。

図３は、本実施形態におけるパワーアンプの入力側２０の回路構成例を示す図である。この図３において、図１、図１０に示した構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付している。

トランジスタＨＰＭ１Ｐ、ＨＰＭ１Ｎは、ゲートがトランスＴＲＩの２次側に接続され、ドレインがトランスＴＲＣの１次側に接続され、ソースがグランド（接地）に接続される。トランジスタＬＰＭ１Ｐ、ＬＰＭ１Ｎは、ゲートがキャパシタＣ１Ｐ、Ｃ１Ｎを介してトランスＴＲＩの２次側に接続され、ドレインがキャパシタＣＣＰ、ＣＣＮの一方の電極に接続され、ソースがグランド（接地）に接続される。なお、キャパシタＣＣＰ、ＣＣＮの他方の電極が、図２に示したトランジスタＬＰＭ２Ｐ、ＬＰＭ２Ｎのゲートに接続される。トランジスタＬＰＭ１Ｐ、ＬＰＭ１Ｎのドレイン間にインダクタＬ１が接続される。

Ｖｇ＿ＨＰＭはトランジスタＨＰＭ１Ｐ、ＨＰＭ１Ｎにゲートバイアスを与える端子であり、Ｖｇ＿ＬＰＭはトランジスタＬＰＭ１Ｐ、ＬＰＭ１Ｎにゲートバイアスを与える端子であり、Ｖｄｄは各トランジスタのドレインにつながる電源端子である。本実施形態では、スイッチＳＷＨによりトランジスタＨＰＭ１Ｐ、ＨＰＭ１Ｎにドレイン電圧を与えるか否かを制御し、スイッチＳＷＬによりトランジスタＬＰＭ１Ｐ、ＬＰＭ１Ｎにドレイン電圧を与えるか否かを制御する。スイッチＳＷＨ、ＳＷＬは、例えば図６に示す制御回路２０７により制御される。

例えば、ハイパワーモード動作時には、スイッチＳＷＨを閉状態（導通状態）にし、スイッチＳＷＬを開状態（非導通状態）にする。したがって、トランジスタＨＰＭ１Ｐ、ＨＰＭ１Ｎには、ゲートバイアス（Ｖｇ＿ＨＰＭ）が与えられるとともに、電圧Ｖｄｄがドレイン電圧として印加され、トランジスタＨＰＭ１Ｐ、ＨＰＭ１Ｎが動作状態となる。一方、トランジスタＬＰＭ１Ｐ、ＬＰＭ１Ｎはゲートバイアス（Ｖｇ＿ＬＰＭ）が与えられておらず動作しない。また、非動作のトランジスタＬＰＭ１Ｐ、ＬＰＭ１Ｎにはドレイン電圧も印加されないので、入力Ｐｉｎに大きなＲＦ信号（高周波アナログ信号）が到達したとしても、非動作のトランジスタＬＰＭ１Ｐ、ＬＰＭ１Ｎに不要な電流が流れてしまうことを防止し電力損失を抑制することができる。

また、例えば、ローパワーモード動作時には、スイッチＳＷＨを開状態（非導通状態）にし、スイッチＳＷＬを閉状態（導通状態）にする。したがって、トランジスタＬＰＭ１Ｐ、ＬＰＭ１Ｎには、ゲートバイアス（Ｖｇ＿ＬＰＭ）が与えられるとともに、電圧Ｖｄｄがドレイン電圧として印加され、トランジスタＬＰＭ１Ｐ、ＬＰＭ１Ｎが動作状態となる。一方、トランジスタＨＰＭ１Ｐ、ＨＰＭ１Ｎはゲートバイアス（Ｖｇ＿ＨＰＭ）が与えられておらず動作しない。また、非動作のトランジスタＨＰＭ１Ｐ、ＨＰＭ１Ｎにはドレイン電圧も印加されないので、入力Ｐｉｎに大きなＲＦ信号が到達したとしても、非動作のトランジスタＨＰＭ１Ｐ、ＨＰＭ１Ｎに不要な電流が流れてしまうことを防止し電力損失を抑制することができる。

前述した本実施形態におけるパワーアンプの出力側１０において、トランジスタＨＰＭ２Ｐ、ＨＰＭ２Ｎのドレイン−ゲート間の寄生キャパシタンスをクロスカップルキャパシタＣＸＣによりキャンセルするには、接続点Ｐ’、Ｎ’での差動信号がバランスしていることが求められる。例えば、図４に示すように、ハイパワーモード動作に係る回路要素を中心部に配置するとともに、ローパワーモード動作に係る回路要素を差動信号の信号毎に２つに分割してハイパワーモード動作に係る回路に対して対称（線対称）に配置することで、接続点Ｐ’、Ｎ’での差動信号のバランスを保つことができる。２つに分割したローパワーモード動作に係る回路要素は、互いに同一の回路特性を有する。

図４は、本実施形態におけるパワーアンプの回路要素配置（レイアウト）の例を示す図である。この図４において、図２、図３に示した構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。図４において、スパイラルインダクタＬ１Ａ、Ｌ１Ｂは、図３に示したインダクタンスＬ１を２つに分割したものに相当し、スパイラルインダクタＬ２Ａ、Ｌ２Ｂは、図２に示したインダクタンスＬ２を２つに分割したものに相当する。また、スパイラルインダクタＬ１Ａ、Ｌ１Ｂは、差動間でスパイラルインダクタの磁界結合を均一にするために、巻数は同じで、巻方向を逆として差動信号のバランスを保てるようにする。同様に、スパイラルインダクタＬ２Ａ、Ｌ２Ｂも、巻数は同じで、巻方向を逆として差動信号のバランスを保てるようにする。

なお、Ｖｇ＿ＨＰＭ１はトランジスタＨＰＭ１Ｐ、ＨＰＭ１Ｎにゲートバイアスを与える端子であり、Ｖｇ＿ＬＰＭ１はトランジスタＬＰＭ１Ｐ、ＬＰＭ１Ｎにゲートバイアスを与える端子である。また、Ｖｇ＿ＨＰＭ２はトランジスタＨＰＭ２Ｐ、ＨＰＭ２Ｎにゲートバイアスを与える端子であり、Ｖｇ＿ＬＰＭ２はトランジスタＬＰＭ２Ｐ、ＬＰＭ２Ｎにゲートバイアスを与える端子である。

図５は、本実施形態におけるパワーアンプ（増幅器）を用いた無線通信装置の一例を示す図である。本実施形態におけるパワーアンプ（増幅器）は、例えば携帯電話や携帯通信端末（モバイル端末）等の無線通信機器が有する、図５に示すようなフロントエンド部２０１の高出力増幅器２０４として使用可能である。図５に示すフロントエンド部２０１は、ベースバンド信号処理回路２０２で生成される送信データを含むデジタル信号をＲＦ信号処理回路２０３がデジタル−アナログ変換してデジタル信号の周波数よりも高周波のアナログ信号に変換し、高出力増幅器２０４でアナログ信号を増幅してアンテナ２０５から放射する。高出力増幅器２０４は、ＲＦ信号処理回路２０３からのパワーモード切り替え制御信号ＰＭＣＴＬに応じて、ハイパワーモードで動作するかローパワーモードで動作するかが切り替えられる。

図６は、本実施形態における無線通信装置の構成例を示す図である。図６には、無線通信装置におけるフロントエンド部を示している。この図６において、図５に示した構成要素と同一の機能を有する構成要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。フィルタデュプレクサ２０６は、送信信号・受信信号を切り分けるフィルタである。

高出力増幅器２０４は、制御回路２０７、ハイパワーモード用の増幅回路部２０８、及びローパワーモード用の増幅回路部２０９を有する。ハイパワーモード用の増幅回路部２０８は図１に示したハイパワーモード用の増幅回路部１０１に相当し、ローパワーモード用の増幅回路部２０９は図１に示したローパワーモード用の増幅回路部１０２に相当する。制御回路２０７は、ＲＦ信号処理回路２０３からの制御信号ＰＭＣＴＬを受けて、当該制御信号ＰＭＣＴＬに応じた制御処理等を行う。制御信号ＰＭＣＴＬは、高出力増幅器２０４をハイパワーモードで動作させるか、ローパワーモードで動作させるかを示す制御信号である。制御回路２０７は、例えば制御信号ＰＭＣＴＬに応じて、トランジスタのバイアスを制御し、ハイパワーモード用の増幅回路部２０８やローパワーモード用の増幅回路部２０９が有するトランジスタやスイッチのオン／オフ制御を行ったりする。

図６に示す無線通信装置では、例えば高出力増幅器２０４がハイパワーモードで動作しているときに、アンテナ２０５で受信した受信信号に出力電力を下げる要求が含まれる場合には、ＲＦ信号処理回路２０３は、それを解釈してローパワーモード動作への切り替えを指示する制御信号ＰＭＣＴＬを高出力増幅器２０４に出力する。その制御信号ＰＭＣＴＬを受けた高出力増幅器２０４の制御回路２０７は、ハイパワーモード用の増幅回路部２０８をオフ状態（非動作状態）にしローパワーモード用の増幅回路部２０９をオン状態（動作状態）にするよう制御を行い、高出力増幅器２０４の動作状態をローパワーモードに切り替える。

なお、前記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化のほんの一例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

１０１ 増幅回路部（ハイパワーモード用）
１０２ 増幅回路部（ローパワーモード用）
１１１、１２１、１２２、１２３ マッチングネットワーク（整合回路）
ＨＰＭ１Ｐ、ＨＰＭ１Ｎ トランジスタ（ハイパワーモード入力側）
ＨＰＭ２Ｐ、ＨＰＭ２Ｎ トランジスタ（ハイパワーモード出力側）
ＬＰＭ１Ｐ、ＬＰＭ１Ｎ トランジスタ（ローパワーモード入力側）
ＬＰＭ２Ｐ、ＬＰＭ２Ｎ トランジスタ（ローパワーモード出力側）
Ｃ２Ｐ、Ｃ２Ｎ、ＣＳＰ、ＣＳＮ キャパシタ
ＳＷＣＰ、ＳＷＣＮ、ＳＷＬ、ＳＷＨ スイッチ
ＣＸＣＡ、ＣＸＣＢ クロスカップルキャパシタ

Claims (7)

1. 複数の増幅回路部を有する増幅器であって、
   前記増幅器の最大出力電力を有する信号を出力する第１の増幅回路部と、
   前記増幅器の入出力間に前記第１の増幅回路部と並列に設けられ、前記第１の増幅回路部よりも低い出力電力において前記第１の増幅回路部よりも増幅効率が高い第２の増幅回路部とを有し、
   前記第１の増幅回路部と前記第２の増幅回路部はそれぞれ、一方の増幅回路部が信号の電力増幅を行う動作状態にあるときには他方の増幅回路部が信号の電力増幅を行わない非動作状態になり、
   前記第１の増幅回路部は、
   前記第１の増幅回路部の第１出力端にドレインが接続される第１のトランジスタと、
   前記第１の増幅回路部の第２出力端にドレインが接続される第２のトランジスタと、
   前記第１のトランジスタ及び前記第２のトランジスタのうちの一方のトランジスタのドレインと他方のトランジスタのゲートとの間に設けられたクロスカップルキャパシタとを有し、
   前記第２の増幅回路部は、
   第１のキャパシタと、
   前記第２の増幅回路部の出力端に前記第１のキャパシタを介してドレインが接続される第３のトランジスタと、
   前記第３のトランジスタのドレインに接続される第１のインダクタと、
   前記第１の増幅回路部が前記動作状態にあるときに導通状態となり前記第２の増幅回路部が前記動作状態にあるときに非導通状態となる第１のスイッチと、第２のキャパシタとが、前記第３のトランジスタのドレインとグランドとの間に直列に接続された直列回路とを有することを特徴とする増幅器。
2. 前記増幅器で増幅する信号は差動信号であり、
   前記第２の増幅回路部が有する回路要素のうちの前記差動信号の一方の信号に係る第１の回路要素と、前記第２の増幅回路部が有する回路要素のうちの前記差動信号の他方の信号に係る第２の回路要素とが、前記第１の増幅回路部に対して対称に配置されていることを特徴とする請求項１記載の増幅器。
3. 前記第１の増幅回路部に対して対称に配置された前記第１の回路要素と前記第２の回路要素は互いに同一の回路特性を有することを特徴とする請求項２記載の増幅器。
4. 前記第１の増幅回路部は、
   前記第１の増幅回路部の入力端にゲートが接続される第４のトランジスタと、
   前記第２の増幅回路部が前記動作状態にあるときに前記第４のトランジスタのドレイン電圧の供給を遮断する第２のスイッチとを有し、
   前記第２の増幅回路部は、
   前記第２の増幅回路部の入力端にゲートが接続される第５のトランジスタと、
   前記第１の増幅回路部が前記動作状態にあるときに前記第５のトランジスタのドレイン電圧の供給を遮断する第３のスイッチとを有することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の増幅器。
5. 前記第１の増幅回路部と前記第２の増幅回路部のいずれを前記動作状態とするかを示す制御信号を受け、前記制御信号に基づいて前記スイッチの各々を制御する制御回路を有することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の増幅器。
6. 送信データを含むデジタル信号を前記デジタル信号の周波数よりも高周波のアナログ信号に変換する信号処理回路と、
   前記信号処理回路により変換された前記アナログ信号を増幅して出力する増幅器とを有し、
   前記増幅器は、
   前記増幅器の最大出力電力を有する信号を出力する第１の増幅回路部と、
   前記増幅器の入出力間に前記第１の増幅回路部と並列に設けられ、前記第１の増幅回路部よりも低い出力電力において前記第１の増幅回路部よりも増幅効率が高い第２の増幅回路部とを有し、
   前記第１の増幅回路部と前記第２の増幅回路部はそれぞれ、一方の増幅回路部が信号の電力増幅を行う動作状態にあるときには他方の増幅回路部が信号の電力増幅を行わない非動作状態になり、
   前記第１の増幅回路部は、
   前記第１の増幅回路部の第１出力端にドレインが接続される第１のトランジスタと、
   前記第１の増幅回路部の第２出力端にドレインが接続される第２のトランジスタと、
   前記第１のトランジスタ及び前記第２のトランジスタのうちの一方のトランジスタのドレインと他方のトランジスタのゲートとの間に設けられたクロスカップルキャパシタとを有し、
   前記第２の増幅回路部は、
   第１のキャパシタと、
   前記第２の増幅回路部の出力端に前記第１のキャパシタを介してドレインが接続される第３のトランジスタと、
   前記第３のトランジスタのドレインに接続される第１のインダクタと、
   前記第１の増幅回路部が前記動作状態にあるときに導通状態となり前記第２の増幅回路部が前記動作状態にあるときに非導通状態となる第１のスイッチと、第２のキャパシタとが、前記第３のトランジスタのドレインとグランドとの間に直列に接続された直列回路とを有することを特徴とする無線通信装置。
7. 前記信号処理回路は、前記第１の増幅回路部と前記第２の増幅回路部のいずれを前記動作状態とするかを示す制御信号を、前記増幅器に出力し、
   前記増幅器は、前記制御信号に基づいて前記第１のスイッチを制御する制御回路を有することを特徴とする請求項６記載の無線通信装置。

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