JPH1070473A - 無線送信機及び電力増幅回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 十分な最大出力電力と消費電流の削減との両
立は困難であった。 【解決手段】 無線送信機にバイアス電圧制御回路を設
け、送信電力レベルの切り替えの際、当該送信電力レベ
ルに応じて、電力増幅器の出力段を構成する出力トラン
ジスタに印加するバイアス電圧を適切な大きさのバイア
ス電圧に切り替えることができるようにする。これによ
り、無線送信機が無線基地局から遠く、出力電力として
最大出力電力が要求される場合には、最大出力電力に見
合ったバイアス電圧を印加し、無線送信機と無線基地局
との距離が近く、出力電力が相対的に低くても構わない
場合には、出力電力に比例して消費電流を減少させるこ
とができるバイアス電圧を選択的に印加することが可能
になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、携帯電話機や携帯
情報端末等の無線送信機及びこれに用いる電力増幅回路
に関する。

【０００２】

【従来の技術】携帯電話システムや自動車電話システム
といった移動体通信システムでは、複数用意された無線
基地局を、互いの電波が届く範囲（以下、セルという）
が重なり合うように配置することにより、全体として広
いサービスエリアを確保している。この種のシステムで
は、無線基地局と携帯電話機との間での正常な情報伝送
を保証するため、携帯電話機とセル内にある無線基地局
との間の距離等に応じ、その送信電力レベルを段階的に
切り替え制御している。具体的には、送信電力レベルを
遠距離から近距離までの６段階に分け、遠距離ほど送信
電力レベルが大きくなるように制御している。

【０００３】かかる送信電力レベルの切り替えに関する
回路部分の例を図２に示す。この回路は、電力増幅器
６、方向性結合器１１、送信信号と受信信号とを分離す
るデュプレクサ７及びアンテナ８によって構成されてい
る。

【０００４】ここで、入力端子Ｐinから入力された送信
信号は、電力増幅器６によって電力増幅された後、方向
性結合器１１及びデュプレクサ７を経由してアンテナ８
から空中に放射される。なお、この送信信号の送信電力
レベルは、無線基地局（図示せず）からの要求に応じて
適切な送信電力レベルに調整される。

【０００５】かかる送信電力レベルの要求はアンテナ８
で受信される受信信号に含まれている。この要求は、受
信信号と共にデュプレクサ７で分離され、不図示の受信
回路によって復調される。不図示の制御回路は、受信し
た要求レベルに応じた電圧レベル信号Ｖapc を発生し、
これを送信レベル入力端子９７を介してオペアンプ９３
の一方の入力端子に供給する。

【０００６】送信信号の送信電力レベルは、方向性結合
器１１によって取り出される。方向性結合器１１におい
て取り出された電力増幅器６の出力信号の一部は、結合
コンデンサＣ１を介してダイオード９１及びコンデンサ
Ｃ２でなる整流器に供給されて整流され、直流電圧に変
換される。この直流電圧が送信電力レベル信号としてオ
ペアンプ９３の一方の入力端子に供給される。

【０００７】オペアンプ９３の他方の入力端子９７には
無線基地局からの要求レベルに応じた電圧レベル信号Ｖ
apc が供給されているので、オペアンプ９３の出力端子
には、送信電力レベルと無線基地局からの要求レベルの
差信号が出力される。この差信号が電力増幅器６にフィ
ードバックされ、電力増幅器６の送信電力レベルが無線
基地局からの要求レベルに一致するように制御される。
具体的にはオペアンプ９３の出力がトランジスタ９２の
ベースに供給されることによって、トランジスタ９２の
ベース電流が変化し、この変化に応じてトランジスタ９
２のコレクタ電圧が変化する。この後、電力増幅器６の
前段増幅器Ｑ１の動作電圧が変動し、前段増幅器Ｑ１の
出力レベルが変化し、後段の出力トランジスタＱ２の出
力電力が変化し、アンテナ４の送信出力電力が制御され
る。

【０００８】電力増幅器６の出力トランジスタＱ２とし
ては、低消費電力化のため、ＮチャンネルＧaＡs−ＦＥ
Ｔが用いられている。出力トランジスタＱ２のドレイン
にはバッテリー電圧（Ｖdd）が印加され、ゲートには電
力増幅器６のゲート電圧端子Ｖｇに供給される負電圧発
生器９６で発生した−2.5 [Ｖ]の電圧を分圧抵抗Ｒ１と
Ｒ４によって分圧し印加している。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】図３に、電力増幅器６
の出力段を構成する出力トランジスタＱ２のゲート電圧
依存特性を示す。図３において、左縦軸はアンテナの出
力電力[dBm ]を表し、横軸は電力増幅器６の前段増幅器
Ｑ１の制御電圧Ｖｃを表す。また、右縦軸は消費電流Ｉ
dsを表してる。図３（Ａ）は、出力トランジスタＱ２の
ゲート電圧端子Ｖｇに−2.5 [Ｖ]を供給した時のゲート
電圧依存特性を示すものであり、図３（Ｂ）は、ゲート
電圧端子Ｖｇに−3.3 [Ｖ]を供給した時のゲート電圧依
存特性を示すものである。

【００１０】通常、従来構成の装置では、ゲート電圧端
子Ｖｇに−2.5 [Ｖ]を供給するようになっているが、図
３（Ａ）に示すように、電力増幅器６の消費電流Ｉdsが
出力電力＝20[dBm ]以下では一定となり、出力電力レベ
ルを低くしてもそれが消費電流の低下につながらないと
いう問題があった。そこで、この問題を解決するため、
ゲート電圧端子Ｖｇに−3.3 [Ｖ]を供給することが考え
られる。このように出力トランジスタＱ２のゲート電圧
を下げると、図３（Ｂ）に示すように、消費電流を制御
電圧Ｖｃに比例させて低減させることができるが、最大
出力電力が図３（Ａ）で達成されていた28[dBm ]から26
[dBm ]程度に減少し、今度は最大出力電力が不足すると
いう問題があった。

【００１１】

【課題を解決するための手段】かかる課題を解決するた
め、本発明においては、送信信号を形成する送信回路
と、送信信号を電力増幅する電力増幅回路と、送信アン
テナと、当該送信アンテナより空間中へ放射される送信
信号の出力電力レベルを適応的に切り替え制御する出力
電力レベル切替回路とを備えた無線送信機において、以
下のようにしたことを特徴とする。

【００１２】すなわち、出力電力レベルを切り替える
際、電力増幅回路の出力段を構成する出力トランジスタ
に印加するバイアス電圧を、当該送信電力レベルに応じ
た適当な大きさに切替制御するバイアス電圧制御回路を
備えたことを特徴とする。

【００１３】また、無線送信機の電力増幅回路に、無線
基地局からの要求送信出力レベルと所定の基準レベルと
を比較する比較手段と、比較手段の比較結果に応じて、
出力段を構成する出力トランジスタに印加するバイアス
電圧を、当該送信電力レベルに応じた適当な大きさに切
替制御するバイアス電圧制御回路を備えたことを特徴と
する。

【００１４】このように、無線送信機及びその電力増幅
回路にバイアス電圧制御回路を設け、送信電力レベルの
切り替えの際、当該送信電力レベルに応じて、電力増幅
器の出力段を構成する出力トランジスタに印加するバイ
アス電圧を適切な大きさのバイアス電圧に切り替えるよ
うにしたことにより、無線送信機が無線基地局から遠
く、出力電力として最大出力電力が要求される場合に
は、最大出力電力を得ることができるバイアス電圧を印
加し、無線送信機と無線基地局との距離が近く、出力電
力が相対的に低くても構わない場合には、出力電力に比
例して消費電流を減少させることができるバイアス電圧
を選択的に印加することが可能になる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、図面について、本発明に係
る無線送信機の一実施形態として、携帯電話機を説明す
る。

【００１６】図１は、実施形態に係る携帯電話機の機能
ブロック図を示している。なお、図１は、図２との同
一、対応部分に同一、対応符号を付して示しており、該
当する部分の構成及び動作は図２の回路について説明し
た内容と同じである。

【００１７】携帯電話機は、マイク１、スピーカ２、音
声回路３、送信回路４、受信回路５、電力増幅回路６、
デュプレクサ７、アンテナ８、ＡＰＣ回路９、コントロ
ーラ１０等からなる。

【００１８】電力増幅回路６は、前段増幅器Ｑ１と、そ
の出力段として動作するＧaＡs−ＦＥＴ構成の出力トラ
ンジスタＱ２とで構成されている。

【００１９】ＡＰＣ回路９は、方向性結合器１１、コン
デンサＣ１、ダイオード９１、トランジスタ９２、オペ
アンプ９３、コンパレータ９４、トランジスタ９５、負
電圧発生回路９６等からなる。

【００２０】ここで、マイク１から入力された音声信号
は、音声回路３を介して送信回路４に供給され、上りチ
ャネルの送信信号に変換される。この送信信号が、電力
増幅器６の入力端子Ｐinに供給されてパワー増幅された
後、デュプレクサ７を介してアンテナ８に供給され、不
図示の無線基地局へ送信される。

【００２１】一方、無線基地局から受信された下りチャ
ネルの無線信号は、アンテナ８により受信され、デュプ
レクサ７を通じて受信回路５に供給される。この受信回
路５によって相手の音声信号が取り出され、この音声信
号が音声回路３を通じてスピーカ２から再生されるので
ある。

【００２２】コントローラ１０と、送信回路４及び受信
回路５とは不図示のモデム回路を介して接続されてお
り、コントローラ１０と無線基地局との間で所定のコマ
ンド信号等のデータがアクセスされるようになってい
る。また、無線基地局からのコマンド信号又はデータに
従って、コントローラ１０により、音声回路３、送信回
路４及び受信回路５が制御される。

【００２３】なお、電話番号は操作キー１２から入力さ
れ、コントローラ１０に取り込まれる。その他、無線基
地局からの要求レベル信号も受信回路５、モデム回路を
通じてコントローラ１０に取り込まれ、要求レベル信号
に応じたデジタルレベル信号Ｖapc が発生される。この
デジタルレベル信号Ｖapc は、Ｄ／Ａコンバータ回路１
３でアナログ電圧信号Ｖapc に変換され、ＡＰＣ回路９
の送信レベル入力端子９７の供給される。

【００２４】このＡＰＣ回路９は、次の通り動作する。
方向性結合器１１は、電力増幅器６からアンテナ８を介
して放射される出力信号の一部を取り出し、これを結合
コンデンサＣ１を介してダイオード９１及びコンデンサ
Ｃ２よりなる整流器に供給する。この整流器による整流
作用によって出力信号は直流電圧に変換され、送信電力
レベル信号としてオペアンプ９３の一方の入力端子に供
給される。

【００２５】オペアンプ９３の他方の入力端子９７には
無線基地局から与えられた要求レベルに応じた電圧レベ
ルの信号Ｖapc が供給されているので、オペアンプ９３
の出力端子には、送信信号の実際の送信電力レベルと無
線基地局から与えられた要求レベルとの差信号が出力さ
れる。

【００２６】この差信号が電力増幅器６にフィードバッ
クされ、電力増幅器６の送信電力レベルが無線基地局か
らの要求レベルに一致するように制御される。具体的に
はオペアンプ９３の出力がトランジスタ９２のベースに
供給されることによって、トランジスタ９２のベース電
流が変化し、これに応じてトランジスタ９２のコレクタ
電圧が変化する。そして、電力増幅器６の前段増幅器Ｑ
１の動作電圧が変動し、前段増幅器Ｑ１の出力レベルが
変化する。これにより、後段に位置する出力トランジス
タＱ２の出力電力が変化し、アンテナ８の送信電力レベ
ルが制御される。

【００２７】電力増幅器６の出力段を構成する出力トラ
ンジスタＱ２には、低消費電力化のため、Ｎチャンネル
ＧaＡs−ＦＥＴが用いられている。この出力トランジス
タＱ２のドレインにはバッテリー電圧（Ｖdd）が印加さ
れ、ゲートにはゲート電圧端子Ｖｇの電圧が印加されて
いる。ここで、ゲート電圧端子Ｖｇの電圧は、負電圧発
生器８で発生された−5.0 [Ｖ]の電圧を分圧抵抗Ｒ１及
びＲ４によって分圧した電圧である。以上の構成部分
は、図２に示した回路の動作と同じである。

【００２８】この実施形態に係る携帯電話機に特有の回
路部分は、ゲート電圧制御回路９９の部分である。この
ゲート電圧制御回路９９は、ＮチャンネルＧaＡs−ＦＥ
Ｔのゲートバイアス電圧依存特性に着目するものであ
り、アンテナ送信電力が低くても良い場合には、出力ト
ランジスタＱ２のゲート電圧端子Ｖｇに印加するゲート
バイアス電圧を相対的に低くし、高いアンテナ送信電力
が要求される場合には、ゲート電圧端子Ｖｇに印加する
ゲートバイアス電圧を相対的に高く設定する。

【００２９】このため、ゲート電圧制御回路９９には、
リファレンス入力端子９８が設けられ、コントローラ１
０から供給されるリファレンス信号Ｖref と無線基地局
から与えられる要求レベルＶapc とを比較し、無線基地
局からの要求レベルＶapc がリファレンス信号Ｖref よ
り低い時には電力増幅回路６の出力トランジスタＱ２の
ゲートに印加されるゲートバイアス電圧Ｖｇを相対的に
低く設定し、要求レベルＶapc が高い時にはゲートバイ
アス電圧Ｖｇを相対的に高く設定する。

【００３０】具体的には、要求レベルＶapc がリファレ
ンス信号Ｖref より低い時にはゲートバイアス電圧Ｖｇ
を−3.3 [Ｖ]にし、要求レベルＶapc が高い時にはゲー
トバイアス電圧Ｖｇを−2.5 [Ｖ]に設定する。

【００３１】このゲート電圧制御回路９９は、オペアン
プからなるコンパレータ９４、トランジスタ９５及び抵
抗Ｒ４に対して並列接続された抵抗Ｒ５を備えてなる。
ゲート電圧制御回路９９は、出力トランジスタＱ２のゲ
ート端子にバイアス電圧を印加する分圧抵抗の分圧比を
トランジスタ９５のオン／オフで切り替えるよう動作す
る。

【００３２】なお、この実施態様に示すコンパレータ９
４では、そのリファレンス入力端子９８にアンテナ送信
電力Ｐｏ≦24[dBm ]に対応したリファレンス電圧Ｖref
が設定されているので、無線基地局からの要求レベルＶ
apc がアンテナ送信電力Ｐｏ＝24[dBm ]を越える要求レ
ベルの場合にはゲート電圧Ｖｇを−2.5 [Ｖ]にし、無線
基地局からの要求レベルＶapc がアンテナ送信電力Ｐｏ
＝24[dBm ]以下の場合にはゲート電圧Ｖｇを−3.3 [Ｖ]
になるように分圧抵抗の抵抗比を切り替え動作する。

【００３３】さらに、このゲート電圧制御回路９９によ
る切替動作を詳しく説明する。ここでは、切替動作を、
２つの場合、すなわち、(1) 無線基地局からの要求レベ
ルＶapc がリファレンス電圧Ｖref よりも大きい場合
と、(2) 無線基地局からの要求レベルＶapc がリファレ
ンス電圧Ｖref よりも小さい場合とに分けて説明する。

【００３４】まず、(1) の場合、要求レベルＶapc は、
コンパレータ９４のリファレンス電圧Ｖref よりも大き
くなるため、コンパレータ９４の出力ＶssはＶdd（＞０
[Ｖ]）となり、トランジスタ９５はオフとなる。従って
負電圧発生器９６の出力電圧Ｖｏは抵抗Ｒ４及び抵抗Ｒ
１によって分圧され、次の(1) 式で与えられるゲートバ
イアス電圧Ｖｇ１が出力トランジスタＱ２のゲートに供
給される。

【００３５】 Ｖｇ１＝｛Ｒ１／（Ｒ４＋Ｒ１）｝×Ｖｏ ……(1) 次に、(2) の場合、要求レベルＶapc は、コンパレータ
９４のリファレンス電圧Ｖref よりも小さくなるため、
コンパレータ９４の出力Ｖssは負電圧発生器９６の出力
電圧Ｖｏと等しくなり、トランジスタ９５はオンする。
従って負電圧発生器９６の出力電圧Ｖｏは抵抗Ｒ４、Ｒ
５及び抵抗Ｒ１により分圧され、次の(2) で与えられる
ゲートバイアス電圧Ｖｇ２が出力トランジスタＱ２のゲ
ートに供給される。

【００３６】 Ｖｇ２＝｛Ｒ１／（Ｒｔ＋Ｒ１）｝×Ｖｏ 但し、Ｒｔ＝（Ｒ４×Ｒ５）／（Ｒ４＋Ｒ５） ……(2) ここで、抵抗Ｒ１、Ｒ４、Ｒ５の抵抗値が全て５[kΩ]
であるとすると、(1)式のゲートバイアス電圧Ｖｇ１は
−2.5 [Ｖ]、(2) 式のバイアス電圧Ｖｇ２＝−3.3[Ｖ]
（但し、Ｖｏ＝−5.0 [Ｖ]）となる。

【００３７】このように、要求レベルＶapc の電圧に応
じて出力トランジスタＱ２のゲート電極に引加するゲー
トバイアス電圧Ｖｇを切り替えることにより、十分な最
大出力電力と、消費電流Ｉdsの削減とを両立できた。な
お、図４に、本実施形態によって実現される消費電流Ｉ
dsの削減効果例を示す。例えば、アンテナ送信電力Ｐｏ
＝20[dBm ]の場合、215[mＡ]−185[mＡ]＝30[mＡ] の電
流削減効果が有る。これを通話時間に換算すると、約11
分の通話時間の延長に相当する。同様に、アンテナ送信
電力Ｐｏ＝ 8[dBm ]の場合、200[mＡ]−110[mＡ]＝90[m
Ａ] の電流削減効果が有る。これを通話時間に換算する
と、約50分の通話時間の延長に相当する。

【００３８】なお、上述の実施形態においては、バイア
ス抵抗Ｒ１に直列接続されたバイアス抵抗Ｒ４に選択的
にバイアス抵抗Ｒ５を並列接続する構成を、ゲート電圧
制御回路９９の一例として示したが、その他の回路にも
適用できる。例えば、図５に示すように、バイアス抵抗
Ｒ４に選択的にバイアス抵抗Ｒ６を直列接続するように
構成し、スイッチングトランジスタ９５’で選択的にバ
イアス抵抗Ｒ６をバイパスするように構成しても良い。
このとき、スイッチングトランジスタ９５’がオンして
いるときのゲートバイアス電圧ＶｇはＶｇ３＝｛Ｒ１／
（Ｒ４＋Ｒ１）｝×Ｖｏであり、スイッチングトランジ
スタ９５’がオフしているときのゲートバイアス電圧Ｖ
ｇはＶｇ４＝｛Ｒ１／（Ｒ４＋Ｒ１＋Ｒ６）｝×Ｖｏと
なる。なお、図５ではゲート電圧制御回路９９とそれに
接続された要部のみを記載して有るが、他は図１の回路
と同じ構成で良い。

【００３９】また、上述の実施形態においては、無線送
信機の一例として携帯電話機について述べたが、本発明
はこれに限らず、携帯情報端末などバッテリー電圧で駆
動される通信装置に適用し得る。

【００４０】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、出力電力
レベルを切り替える際、電力増幅回路の出力段を構成す
る出力トランジスタに印加するバイアス電圧を、当該送
信電力レベルに応じた適当な大きさに切替制御するよう
にしたことにより、出力電力として最大出力電力が要求
される場合には、最大出力電力に見合ったバイアス電圧
を印加し、出力電力が相対的に低くても構わない場合に
は、出力電力に比例して消費電流を減少させることがで
きる。このように選択的にバイアス電圧を印加できるよ
うにしたことにより、十分な最大出力電力と消費電流Ｉ
dsの削減とを両立でき、送信時間を従来に比して一段と
延長することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態に係る携帯電話機の全体構成を示す説
明図である。

【図２】従来回路例を示す説明酢である。

【図３】電力増幅器のゲート電圧依存特性を示す特性曲
線図である。

【図４】ゲート電圧の変更に応じた消費電流の変化を示
す図表である。

【図５】他の実施携帯に係るゲート電圧制御回路を示す
接続図である。

【符号の説明】

１…マイク、２…スピーカ、３…音声回路、４…送信回
路、５…受信回路、６…電力増幅回路、７…デュプレク
サ、８…アンテナ、９…ＡＰＣ回路、９１…ダイオー
ド、９２…トランジスタ、９３…オペアンプ、９４…コ
ンパレータ、９５…トランジスタ、９６…負電圧発生回
路、９７…送信レベル入力端子、９８…リファレンス入
力端子、９９…ゲート電圧制御回路、１０…コントロー
ラ、１１…方向性結合器、１２…操作キー、１３…Ｄ／
Ａコンバータ回路。

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成８年１０月９日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図２

【補正方法】変更

【補正内容】

【図２】従来回路例を示す説明図である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 送信信号を形成する送信回路と、送信信
   号を電力増幅する電力増幅回路と、送信アンテナと、当
   該送信アンテナより空間中へ放射される送信信号の出力
   電力レベルを適応的に切り替え制御する出力電力レベル
   切替回路とを備えた無線送信機において、 上記出力電力レベルを切り替える際、上記電力増幅回路
   の出力段を構成する出力トランジスタに印加するバイア
   ス電圧を、当該送信電力レベルに応じた適当な大きさに
   切替制御するバイアス電圧制御回路を備えたことを特徴
   とする無線送信機。
2. 【請求項２】 上記バイアス電圧制御回路は、 無線基地局から受信された要求送信出力レベルと所定の
   基準レベルとを比較する比較手段と、分圧比に応じた電
   圧を上記出力トランジスタの入力端子にバイアス電圧と
   して印加する分圧手段と、上記比較手段の比較結果に応
   じて、上記分圧手段の分圧比を切り替える切替手段とを
   備えたことを特徴とする請求項１に記載の無線送信機。
3. 【請求項３】無線基地局からの要求送信出力レベルと所
   定の基準レベルとを比較する比較手段と、上記比較手段
   の比較結果に応じて、出力段を構成する出力トランジス
   タに印加するバイアス電圧を、当該送信電力レベルに応
   じた適当な大きさに切替制御するバイアス電圧制御回路
   を備えたことを特徴とする無線送信機の電力増幅回路。