JPH08507192A - 無線電話装置で用いるのに適した増幅器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 増幅器（２０１）は、ＭＯＳＦＥＴトランジスタなどのトランジスタ（３０１，３０３）を電流ミラー構成で利用する。トランジスタ（３０１，３０３）は、表面実装デバイスとしてパッケージするのが簡単である。増幅器（２０１）の出力電力は、増幅段（２０１）を流れるバイアス電流を制御することによって制御される。さらに、増幅器は、制御信号閾値へのバイアス電流の変化に対する感度が低い。これらの特徴により、この増幅器は無線電話（１０３）などの無線送信機用として理想的である。

Description

【発明の詳細な説明】 無線電話装置で用いるのに適した増幅器 発明の分野 本発明は、一般に、増幅器に関し、さらに詳しくは、電流ミラー構成でＭＯＳ ＦＥＴ（金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）トランジスタを利用する電力 増幅器に関する。 発明の背景 従来、無線電話などの無線通信装置用の電力増幅器は、バイポーラ・トランジ スタを採用していた。増幅器を作成する最も簡単かつ最もコスト効率的な方法は 、バイポーラ・トランジスタ・ダイを業界標準のプラスチック表面実装可能なパ ッケージに実装し、このパッケージを回路板にはんだ付けすることである。 バイポーラ・トランジスタはバイポーラ・トランジスタ・ダイの一方側からで る出力信号およびヒート・シンクと、トランジスタ・ダイの他方側からでる入力 信号およびＲＦグランドとを有するので、多くの電力増幅器用途で標準的な表面 実装パッケージを利用することを非実際的にする問 題が生じた。ダイの一方側に出力信号用の低損失の電気経路および熱放散用の熱 伝導経路を設け、またダイの他方側に入力信号用の低損失の電気経路およびＲＦ グランド用の導電経路を設ける条件により、トランジスタを回路板に結合するた めオンボード・ダイ取り付けプロセスおよびワイヤボンド・プロセスを利用する ことが必要であった。 増幅器の設計では、とりわけ、所要利得，出力電力および効率を達成するため 、バイアス電流を最適レベルに設定する必要がある。さらに、無線電話用途では 、出力電力が制御可能である必要がある。良好な電力効率のため、バイアス電流 を変えることによって出力電力を制御することが有利である。バイアス電流は、 制御電圧信号の変化に応答する。各電力増幅段の出力電力の制御範囲は、上限で は増幅器利得によって制限され、下限では制御電圧、すなわちバイアス電流がゼ ロに設定されたときの入力から出力への分離によって制限される。この範囲内で 、出力電力はバイアス電流の二乗にほぼ比例する。バイアス電流が回路パラメー タの変化に極めて敏感なため、バイアス電流を最適値に維持できないとき、潜在 的な問題が存在する。 単一段増幅器では、出力電力制御ループを利用して、パラメータ・シフトを自 動補償することによって、この感度問題を緩和できる。しかし、多段バイポーラ 増幅器の最終段のみが出力電力制御ループによって最適制御できる。従って、回 路パラメータがシフトすると、多段増幅器は各段 において最適性能ポイントで適切にバイアスできない。さらに、極端なパラメー タ変化では、多段増幅器のドライバ段は、過剰なバイアス電流によって生じる過 剰放散によって破損することがある。 バイアス電流は、バイポーラ・トランジスタを利用する場合、制御電圧の変化 に指数的に関連する。この指数関係は、バイアス電流が回路パラメータのわずか な変化に非常に敏感なために潜在的な問題を発生することがあった。特に、バイ アス電流は、閾値電圧を越えるとバイアス電流が流れ始める閾値電圧の変化に主 に敏感である。幸運なことに、バイポーラ・トランジスタでは、閾値はシリコン ｐｎ接合のビルトイン電位（built-in potential）に主に依存するので、このパ ラメータの変化によるバイアス電流の変化は十分低かった。しかし、高価なオン ボード・ダイ取り付けおよびワイヤ・ボンディングは省くことができなかった。 パッケージが容易なデバイスを採用し、かつバイアス電流を変えることによっ て出力電力を制御可能にし、制御信号閾値変化に対するバイアス電流の感度が低 い、単一段または多段増幅器を設けることは有利である。 図面の簡単な説明 第１図は、本発明を採用できる無線電話通信システムを示すブロック図である 。 第２図は、本発明による送信機を示すブロック図である。 第３図は、本発明による電力増幅器を示す詳細図である。 好適な実施例の説明 第１図は、無線電話通信システムのブロック図である。無線電話通信システム １００は、固定された地理的エリア内の無線電話に対して無線周波（ＲＦ）信号 を送受信する遠隔トランシーバを含む。無線電話１０３は、この地理的エリア内 に含まれる無線電話のことである。無線電話１０３は、アンテナ１０５，受信機 １０７，送信機１０９，コントローラ１１１およびユーザ・インタフェース１１ ３を含む。 ＲＦ信号の受信時に、無線電話１０３はアンテナ１０５を介してＲＦ信号を受 信する。アンテナ１０５は、受信機１０７によって用いるため、受信ＲＦ信号を 電気ＲＦ信号に変換する。受信機１０７は、電気ＲＦ信号を復調し、ＲＦ信号上 で送信されたデータを復元し、このデータをコントローラ１１１に出力する。コ ントローラ１１１は、ユーザ・インタフェース１１３によって用いるため、この データを認識可能な音声または情報にフォーマットする。ユーザ・インタフェー ス１１３は、受信情報または音声をユーザに通信する。一般に、ユーザ・インタ フェースは、デイスプレイ，キーパッド，スピーカおよびマイクロフォンを 含む。 無線電話１０３から遠隔トランシーバ１０１への無線周波信号の送信時に、ユ ーザ・インタフェース１０３は、ユーザ入力データをコントローラ１１１に送る 。コントローラ１１１は、一般に、マイクロプロセッサ，メモリおよび増幅器制 御回路を含む。コントローラ１１１は、ユーザ・インタフェースから得られた情 報をフォーマットし、これをデータ・ライン１１５を介してＲＦ変調信号に変換 するため送信機１０９に送る。さらに、コントローラ１１１は、電圧レベルを有 する制御信号１１７を送信機１０９に供給する。制御信号１１７の電圧レベルは 、送信機１０９から出力されるＲＦ信号の電力を決定する。好適な実施例では、 送信機１０９は、多段電力増幅器構成を内蔵する。制御信号１１７の電圧は、コ ントローラ１１１に内蔵される制御回路によって決定される。この制御回路は、 電力出力フィードバック信号１１９を利用して、制御信号１１７の適切な電圧を 決定する。 第２図は、第１図に示した送信機１０９のブロック図である。ここで、送信機 １０９は、第１電力増幅器モジュール２０１，第２電力増幅器モジュール２０３ およびレベル・シフタ（level shifter）２０５を含む。コントローラ１１１か ら出力されたデータ信号１１５は、第１電力増幅器モジュール２０１に入力され る。第１電力増幅器モジュールに流れるバイアス電流は、制御信号１１７の電圧 から導出 される制御電流と線形関係にある。両方ともGregory R．Blackによって発明され 、本出願と同じ譲受人に譲渡された米国特許第５，２２０，２９０号および第５ ，１６０，８９８号で説明されているように、レベル・シフタ２０５は、制御信 号１１７の電圧を所定量だけシフトしてから、この制御信号を第２電力増幅器モ ジュール２０３に入力する。好適な実施例では、制御信号の電圧は、０．７ボル トだけシフト・ダウンされる。出力ライン２０７上で第１電力増幅器段２０１か ら出力された増幅データは、第２電力増幅モジュール２０３に入力される。第２ 電力増幅モジュール２０３は、第２電力増幅器の増幅レベルを制御するバイアス 電流を有する。第２バイアス電流は、第２制御電流と線形関係にある。第２制御 電流は、レベル・シフタ２０５から出力された制御信号１１７のシフトされた制 御電圧から得られる。第２増幅データ信号２０９は、第２電力増幅器モジュール ２０３から出力される。第２増幅データ信号２０９は、第１図のアンテナ１０５ 上で出力するためのＲＦ変調・増幅されたデータを含む。さらに、第２増幅デー タ信号２０９は、フィードバック制御信号１１９を介して第１図のコントローラ １１１にフィードバックされる。フィードバック制御信号１１９は、第２電力増 幅段２０３からの電力出力レベルを、第１図のコントローラ１１１内に内蔵され る電力増幅器制御回路に指示する。 好適な実施例では、増幅器モジュールをなすアクティブ・ デバイスとして用いられるトランジスタは、接地ソース構成（grounded source configuration）で接続されたｎチャネル・エンハンスメント・モード・シリコ ンＭＯＳＦＥＴである。ＭＯＳＦＥＴは、導電シリコン・ウェハから処理され、 ソース・ポートはバルク・シリコン・ウェハ材料を介してダイの背面に接続され る。熱を排除するための熱経路を大きくでき、しかも同時にグランドへの電気経 路を改善するので、シリコンＭＯＳＦＥＴの背面ソースはパッケージ設計を大幅 に簡単にする。他の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）など、他の同様に十分なト ランジスタのこの用途での利用が考えられる。 ＭＯＳＦＥＴでは、バイアス電流は、トランスコンダクタンス・パラメータβ に比例し、ゲート電圧Ｖ_gと閾値電圧Ｖ_tとの差の二乗に比例する。 Ｉ_d＝（β／２）＊［（Ｖ_g−Ｖ_t）］² ゲート電圧と閾値電圧との間の二乗法の関係のため、増幅器バイアス電流がＶ_t の変化により大幅に変化する可能性がある。閾値電圧がシリコンの固有特性に依 存するバイポーラ・トランジスタの場合とは異なり、ＭＯＳＦＥＴ閾値電圧は、 処理で異なりうるドーピング濃度に依存する。Ｖ_tの変化は、一般に±５０％と 規定される。Ｖ_tに対するＩ_dの感度は、次のように算出される。 Ｓ_vt＝∂（Ｉ_d）／∂（Ｖ_t） ＝β＊（Ｖｇ₊Ｖ_t） 感度は、制御電圧Ｖ_gが増加すると増加する。閾値の変化による不正確なバイア ス電流の問題を解決するいくつかの手法がある。まず第１に、利得や出力電力な どの主要属性の多くが閾値変化に耐える十分な余裕を有するように、増幅器を設 計できる。第２に、被測定閾値に基づいてデバイスをグレード評価し、デバイス の各グレードに対して異なるバイアス抵抗器キットを採用できる。第３に、モジ ュール・アセンブリ中に、トリミング方法を利用してバイアス抵抗器を調整でき る。最後に、好適な方法では、参照番号２０１で示すように構成された、バイア ス回路における電流ミラーを採用する。第１トランジスタ３０１と第２トランジ スタ３０３のゲート長の比率をＫ，抵抗素子３０７をＲ_set，および制御電圧を Ｖ_refとすると、第１トランジスタのバイアス電流Ｉ_dは、次式によって近似的に 与えられる。 Ｉ_d＝Ｋ＊（Ｖ_ref−Ｖ_t）／Ｒ_set Ｉ_dとＶ_refとの間の線形関係は、ミラー構成がバイアス電流を閾値電圧の変化に 対して感度を低くする理由である。この場合、制御電圧が増加しても、感度は一 定のままであ り、従って、高制御電圧ではこれまでよりも小さくなる。 Ｓ_vt＝∂（Ｉ_d）／∂（Ｖ_t） ＝Ｋ／Ｒ_set 第３図は、第２図の電力増幅器モジュール２０１の詳細図である。好適な実施 例では、第２電力増幅器モジュール２０３は、デバイス・サイズおよびバイアス 設定抵抗器が各段のピーク電力条件に基づいて決められる点を除いて、第１電力 増幅器モジュール２０１と同一である。あるいは、第２電力増幅器は、電流ミラ ーなしにＭＯＳＦＥＴを利用できるが、その場合、出力電力制御ループが出力段 の最適バイアス・ポイントの制御電圧を設定するので、各段の間の閾値不整合に より第１段におけるバイアス変化が高くなる。 説明の便宜上、第１電力増幅器モジュール２０１のみを図示する。第１電力増 幅器モジュール２０１は、ドレイン，ソースおよびゲートを有する第１トランジ スタ３０１と、ドレイン，ソースおよびゲートを有する第２トランジスタと、第 １抵抗素子３０７と、第１誘導素子３０５と、電気グランド３０９とを含む。デ ータ入力信号１１５は、第１トランジスタ３０１のゲートに結合される。制御信 号１１７は、第１抵抗素子３０７を介して、第１トランジスタのドレインおよび ゲートと、第３トランジスタ３０３のゲー トとに結合される。好適な実施例では、第１抵抗素子３０７は、５１０Ωの値を 有する抵抗器である。第１トランジスタ３０１のソースは、第２トランジスタ３ ０３のソースに結合され、これらのソースは電気グランド３０９に結合される。 第２トランジスタのドレインは、第１誘導素子３０５を介してバイアス電圧Ｖ_B+ に結合される。好適な実施例では、第１誘導素子３０５は、３９ｎＨの値を有す るインダクタである。あるいは、第１誘導素子は、多層プリント回路板上の信号 トレースおよびグランド・トレースからなる伝送線でもよい。また、第２トラン ジスタのドレインは、増幅データ出力信号２０７に結合される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ， ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，Ｔ Ｄ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ)，ＡＭ，Ａ Ｔ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ， ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＴ，Ｌ Ｕ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＮ，ＭＷ，ＮＬ，ＮＯ，ＮＺ ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＩ，ＳＫ， ＴＪ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者 ハッダッド，ケニース・ロバート アメリカ合衆国イリノイ州アーリントン・ ハイツ、ウエスト・ジョージ・スリート 912

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．バイアス制御ポート，バイアス・ポート，入力ポートおよび出力ポートを有 する増幅器であって、前記入力ポートは入力電力レベルを有する入力信号を受信 し、前記出力ポートは、出力電力レベルを有する出力信号を発信し、前記バイア ス制御ポートは、制御電流を有するバイアス制御信号を受信し、前記バイアス・ ポートはバイアス電流を受信する増幅器であって： 第１ドレイン・ポート，第１ソース・ポート，第１ゲート・ポートおよび第１ 閾値電圧を有する第１トランジスタであって、前記第１ドレイン・ポートは前記 信号出力および前記バイアス入力に結合される、第１トランジスタ；および 第２ドレイン・ポート，第２ソース・ポート，第２ゲート・ポートおよび第２ 閾値電圧を有する第２トランジスタであって、前記第１ゲート・ポート，前記第 ２ゲート・ポートおよび前記第２ドレイン・ポートは、前記信号入力および前記 バイアス制御入力に結合され、前記第１ソースおよび前記第２ソースは、電気グ ランドに結合され、前記第１閾値電圧および前記第２閾値電圧は実質的に等しい 、第２トランジスタ； によって構成されることを特徴とする増幅器。 ２．前記バイアス制御入力は、第１抵抗器を介して、前記 第１ゲート・ポート，前記第２ゲート・ポートおよび前記第１ドレイン・ポート に結合されることを特徴とする請求項１記載の増幅器。 ３．前記バイアス入力は、第１誘導素子を介して第１ドレイン・ポートに結合さ れることを特徴とする請求項１記載の増幅器。 ４．前記バイアス入力は、第１伝送線を介して前記第１ドレイン・ポートに結合 されることを特徴とする請求項１記載の増幅器。 ５．前記第１トランジスタおよび前記第２トランジスタは、バルク・シリコンが 導電性を有する第１ダイ上に設けられ、前記第１ソースおよび前記第２ソースは 、前記バルク・シリコンに接続されることを特徴とする請求項１記載の増幅器。 ６．制御電圧を有する第１制御信号； 第１バイアス電流，第１制御電流および第１閾値電圧を有する第１トランジス タ増幅段であって、前記第１制御電流は、前記制御電圧および前記第１閾値電圧 から導出され、前記第１バイアス電流は、前記第１制御電流と線形関係にあり、 前記トランジスタ増幅段は： 第１ドレイン・ポート，第１ソース・ポートおよび第１ゲート・ポートを 揺する第１トランジスタであって、前記第１ドレイン・ポートが信号出力および バイアス入力に結合された、第１トランジスタと； 第２ドレイン・ポート，第２ソース・ポート，第２ゲート・ポートおよび 第２閾値電圧を有する第２トランジスタであって、前記第１ゲート・ポート，前 記第２ゲートポートおよび前記第２ドレイン・ポートは、前記信号入力および前 記バイアス制御入力に結合され、前記第１ソースおよび前記第２ソースは、電気 グランドに結合され、前記第１閾値電圧および前記第２閾値電圧は実質的に等し く、出力パワー・レベルが入力パワー・レベルおよび前記第１バイアス電流と関 連し、前記第１バイアス電流が前記第１制御電流と線形関係にある、第２トラン ジスタと； からなる第１トランジスタ増幅段；および 第２バイアス電流，第２制御電流および第３閾値電圧を有する第２トランジス タ増幅段であって、前記第２制御電流は前記制御電圧および前記第３閾値電圧か ら導出される第２トランジスタ増幅段； によって構成されることを特徴とする多段増幅器回路。 ７．前記第２トランジスタ増幅段は： 第１ドレイン・ポート，第１ソース・ポート，第１ゲート・ポートおよび第１ 閾値電圧を有する第１トランジスタであって、前記第１ドレイン・ポートが前記 信号出力および前記バイアス入力に結合される、第１トランジスタ；および 第２ドレイン・ポート，第２ソース・ポート，第２ゲート・ポートおよび第２ 閾値電圧を有する第２トランジスタ であって、前記第１ゲート・ポート，前記第２ゲート・ポートおよび前記第２ド レイン・ポートは、前記信号入力および前記バイアス制御入力に結合され、前記 第１ソースおよび前記第２ソースは、電気グランドに結合され、前記第１閾値電 圧および前記第２閾値電圧は実質的に等しく、出力電力レベルは入力電カレベル およびバイアス電流と関連し、前記バイアス電流は、前記制御電流と線形関係に ある、第２トランジスタ； をさらに含んで構成されることを特徴とする請求項６記載の多段増幅器。 ８．制御電圧を有する第１制御信号を生成するコントローラ； 送信機であって： 第１バイアス電流，第１制御電流および第１閾値電圧を有する第１トランジ スタ増幅段であって、前記第１制御電流は、前記制御電圧および前記第１閾値電 圧から導出され、前記第１バイアス電流は前記第１制御電流と線形関係にあり、 前記第１トランジスタ増幅段は： 第１ドレイン・ポート，第１ソース・ポートおよび第１ゲート・ポートを 有する第１トランジスタであって、前記第１ドレイン・ポートは信号出力および バイアス入力に結合された、第１トランジスタと、 第２ドレイン・ポート，第２ソース・ポート，第２ゲート・ポートおよび 第２閾値を有する第２トランジスタ であって、前記第１ゲート・ポート，前記第２ゲート・ポートおよび前記第２ド レイン・ポートは、信号入力およびバイアス制御入力に結合され、前記第１ソー スおよび前記第２ソースは、電気グランドに結合され、前記第１閾値電圧および 前記第２閾値電圧は実質的に等しく、出力電力レベルは入力電力レベルおよび前 記第１バイアス電流に関連し、前記第１バイアス電流は、前記第１制御電流と線 形関係にある、第２トランジスタと をさらに含んでなる、第１トランジスタ増幅段；および 第２バイアス電流，第２制御電流および第３閾値電圧を有する第２トラン ジスタ増幅段であって、前記第２制御電流は、前記制御電圧および前記第２閾値 電圧から導出される、第２トランジスタ増幅段； からなる送信機； によって構成される無線電話。 ９．前記第２バイアス電流は、前記第２制御電流と線形関係にあることを特徴と する請求項８記載の無線電話。 １０．前記第２トランジスタ増幅段は： 第１ドレイン・ポート，第１ソース・ポート，第１ゲート・ポートおよび第１ 閾値電圧を有する第１トランジスタであって、前記第１ドレイン・ポートは、信 号出力およびバイアス入力に結合される、第１トランジスタ；および 第２ドレイン・ポート，第２ソース・ポート，第２ゲート・ポートおよび第２ 閾値電圧を有する第２トランジスタ であって、前記第１ゲート・ポート，前記第２ゲート・ポートおよび前記第２ド レイン・ポートは、信号入力およびバイアス制御入力に結合され、前記第１ソー スおよび前記第２ソースは、電気グランドに結合され、前記第１閾値電圧および 前記第２閾値電圧は実質的に等しく、出力電力レベルが入力電力レベルおよび前 記バイアス電流に関連し、前記バイアス電流は前記制御電流と線形関係にある、 第２トランジスタ； をさらに含んで構成されることを特徴とする請求項８記載の無線電話。