(57)【要約】【課題】アンプのゲインＶＧＡＩＮを任意に設定し、かつ、アンプの効率を向上させる。【解決手段】半導体集積回路装置１０は、所定のバイアス電圧に基づいて、入力信号を増幅させて出力信号を生成する増幅装置３０を制御するものであって、電流源から供給された電流を分配比に従って分配し、第１分配電流及び第２分配電流を生成する電流分配部１０２と、前記電流分配部１０２によって生成された第１分配電流と前記入力信号とを合成して第１合成電流を生成する第１電流合成部１０４と、前記電流分配部によって生成された第２分配電流と前記第１電流合成部によって生成された第１合成電流とを合成し、合成比に従って第２合成電流を生成し、前記第２合成電流を前記増幅装置に出力する第２電流合成部１０６と、を備えている。【選択図】図２
2008301202.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定のバイアス電圧に基づいて、入力信号を増幅させて出力信号を生成する増幅装置を制御する半導体集積回路装置であって、
電流源から供給された電流を分配比に従って分配し、第１分配電流及び第２分配電流を生成する電流分配部と、
前記電流分配部によって生成された第１分配電流と前記入力信号とを合成して第１合成電流を生成する第１電流合成部と、
前記電流分配部によって生成された第２分配電流と前記第１電流合成部によって生成された第１合成電流とを合成し、合成比に従って第２合成電流を生成し、前記第２合成電流を前記増幅装置に出力する第２電流合成部と、を備えたことを特徴とする半導体集積回路装置。
【請求項２】
前記第１電流合成部は、弱反転領域で動作する少なくとも１つのトランジスタを有する請求項１に記載の半導体集積回路装置。
【請求項３】
前記入力信号を生成する信号入力装置と接続され、前記入力信号の最大振幅の半分以下の振幅を有する信号を生成するように前記信号入力装置を制御し、前記合成比を変更するように前記第２電流合成部を制御する制御部をさらに備えた請求項１又は２に記載の半導体集積回路装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記入力信号の最大振幅の半分以上の振幅を有する信号を生成するように前記信号入力装置を制御し、前記分配比を変更するように前記電流分配部を制御する請求項３に記載の半導体集積回路装置。
【請求項５】
前記増幅装置によって生成された出力信号の出力特性を検出する検出部をさらに備え、
前記制御部は、前記検出部によって検出された出力特性に基づいて前記第１電流合成部又は前記電流分配部を制御する請求項１乃至４の何れか１項に記載の半導体集積回路装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体集積回路装置に関し、特に、無線通信システムのパワーアンプに用いられる半導体集積回路装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の無線通信技術の発達に伴い、無線通信システムのパワーアンプ（増幅器）の高効率化及び高線形化が求められている。一般的には、互いに特性の異なる多様なパワーアンプが知られている。
【０００３】
一般的なＡＢ級アンプは、非特許文献１に示されるように、トランジスタの非線形性を利用するものである。具体的には、トランジスタの入力信号振幅ＶＩＮと直流バイアス電流ＩＢＩＡＳの関係を利用して、アンプの高効率化及び高線形性化を図るものである。
【０００４】
トランジスタの直流バイアス電圧がＶＢＩＡＳ、入力信号振幅がＶＩＮ、出力信号振幅がＶＯＵＴとすると、一般的なＡＢ級アンプでは、入力信号振幅ＶＩＮが小さいときの直流バイアス電流ＩＢＩＡＳは、例えば、１０ｍＡ程度であるが、入力信号振幅ＶＩＮが大きくなるにつれてトランジスタの非線形特性により直流バイアス電流ＩＢＩＡＳが増加する。すなわち、一般的なＡＢ級アンプは、入力信号振幅ＶＩＮが大きいときにのみ、大きな直流バイアス電流ＩＢＩＡＳを流すという特性を有する。一般的なＡＢ級アンプの出力信号振幅ＶＯＵＴを大きくするためには、大きな直流バイアス電流ＩＢＩＡＳが必要である。ＡＢ級アンプを用いる場合には、大きな出力信号振幅ＶＯＵＴが必要なときにのみ大きな入力信号振幅ＶＩＮを与えれば良いので、ＡＢ級アンプは効率の良い回路といえる。
【０００５】
しかし、実際には、入力信号振幅ＶＩＮとＡＢ級アンプのゲインＶＧＡＩＮ（ＶＯＵＴ／ＶＩＮ）の関係は直流バイアス電圧ＶＢＩＡＳに大きく依存する。例えば、直流バイアス電圧ＶＢＩＡＳが大き過ぎるときには、入力信号振幅ＶＩＮの増加分に対して直流バイアス電流ＩＢＩＡＳの増加分が小さいので、ＡＢ級アンプのゲインＶＧＡＩＮはすぐに下がってしまう。一方、直流バイアス電圧ＶＢＩＡＳが小さ過ぎるときには、入力信号振幅ＶＩＮの増加分に対して直流バイアス電流ＩＢＩＡＳの増加分が大きく、入力信号振幅ＶＩＮに応じてＡＢ級アンプのゲインＶＧＡＩＮが増加し過ぎてしまい、線形特性を維持したまま増幅することができない。従って、ＡＢ級アンプの線形特性を維持したまま増幅することができるのは、直流バイアス電圧ＶＢＩＡＳの大きさが適当な値であるときだけであり、ＡＢ級アンプのゲインＶＧＡＩＮを自由に設定することができないという問題がある。
【０００６】
また、一般的なＡＢ級アンプでは、信号電流が電源とグラウンド（ＧＮＤ）の間を流れるために、電源又はＧＮＤの寄生インピーダンス、特に、寄生抵抗と寄生インダクタンスに弱いという問題がある。
【０００７】
これに対して、差動構成のアンプを採用することにより、電源又はＧＮＤの寄生インピーダンスの影響は緩和される。しかし、一般的なＡ級アンプでは、同相モード除去比が小さいという問題や２倍波など偶数時の高調波が発生するという問題がある。
【０００８】
これに対して、差動対構成のアンプ（Ａ級アンプ）を採用することにより、差動構成の問題を回避することができる。しかし、差動対構成のアンプでは、直流バイアス電流ＩＢＩＡＳが入力信号振幅ＶＩＮに応じて増加しないので、アンプの効率が低下するという問題がある。
【特許文献１】特許３３４３２６０号
【非特許文献１】“RＦ Power Amplifiers for Wireless Communications”、Artech House Microwave Library社、Steve C. Cripps（著）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、アンプのゲインＶＧＡＩＮを任意に設定し、かつ、アンプの効率を向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１態様によれば、所定のバイアス電圧に基づいて、入力信号を増幅させて出力信号を生成する増幅装置を制御する半導体集積回路装置であって、電流源から供給された電流を分配比に従って分配し、第１分配電流及び第２分配電流を生成する電流分配部と、前記電流分配部によって生成された第１分配電流と前記入力信号とを合成して第１合成電流を生成する第１電流合成部と、前記電流分配部によって生成された第２分配電流と前記第１電流合成部によって生成された第１合成電流とを合成し、合成比に従って第２合成電流を生成し、前記第２合成電流を前記増幅装置に出力する第２電流合成部と、を備えたことを特徴とする半導体集積回路装置が提供される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、アンプのゲインＶＧＡＩＮを任意に設定し、かつ、アンプの効率を向上させることができ、ひいては、多様な無線通信規格に対応し、かつ、出力信号を効率的に増幅させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。なお、以下の実施例は、本発明の実施の一形態であって、本発明の範囲を限定するものではない。
【実施例１】
【００１３】
はじめに、本発明の実施例１について説明する。
【００１４】
図１は、本発明の実施例１の無線通信システム１の構成を示すブロック図である。本発明の実施例１の無線通信システム１は、半導体集積回路装置１０、信号入力装置２０、アンプ（増幅器）３０及びアンテナ４０を備える。
【００１５】
半導体集積回路装置１０は、図示しない外部回路から入力電流Ｉ１を入力し、入力信号振幅ＶＩＮに依存する直流バイアス電流ＩＢＩＡＳを生成し、アンプ３０に出力する。
【００１６】
信号入力装置２０は、入力信号振幅ＶＩＮを生成し、半導体集積回路装置１０及びアンプ３０に出力する。
【００１７】
アンプ３０は、直流バイアス電流ＩＢＩＡＳ及び入力信号振幅ＶＩＮに基づいて出力信号振幅ＶＯＵＴを生成し、アンテナ４０に出力する。
【００１８】
アンテナ４０は、出力信号振幅ＶＯＵＴに基づいて無線信号Ｗを生成し、図示しない外部の回路に出力する。
【００１９】
図２は、本発明の実施例１の半導体集積回路装置１０の構成を示すブロック図である。
【００２０】
図３は、本発明の実施例１の半導体集積回路装置１０の回路例を示す回路図である。
【００２１】
本発明の実施例１の半導体集積回路装置１０は、電流分配部１０２、第１電流合成部１０４及び第２電流合成部１０６を備える。
【００２２】
電流分配部１０２は、図示しない外部回路から入力電流Ｉ１を入力し、所定の分配比α（０＜α＜１）に基づいて入力電流Ｉ１を分配し、第１分配電流αＩ１及び第２分配電流（１−α）Ｉ１を生成する。
【００２３】
第１電流合成部１０４は、図示しない信号入力装置２０から入力信号振幅ＶＩＮを入力し、電流分配部１０２によって生成された第１分配電流αＩ１と入力信号振幅ＶＩＮとを合成し、入力信号振幅ＶＩＮに依存する第１合成電流αＩ１＋αＩ（ＶＩＮ）を生成する。図３に示されるように、第１電流合成部１０４の回路構成は、ＡＢ級アンプ３０と同様である。
【００２４】
第２電流合成部１０６は、所定の合成比（ミラー比）Ｋ（０＜Ｋ＜１）に基づいて電流分配部１０２によって生成された第２分配電流（１−α）Ｉ１と第１電流合成部１０４によって生成された第１合成電流αＩ１＋αＩ（ＶＩＮ）とを合成し、直流バイアス電流ＩＢＩＡＳ＝Ｋ｛Ｉ１＋αＩ（ＶＩＮ）｝を生成し、図示しないアンプ３０に出力する。
【００２５】
本発明の実施例１の半導体集積回路装置１０は、分配比αを変えることにより、入力信号振幅ＶＩＮに応じて直流バイアス電流ＩＢＩＡＳの増加分を変えることができる。また、本発明の実施例１の半導体集積回路装置１０は、合成比Ｋを変えることにより、入力信号振幅ＶＩＮが小さいときの直流バイアス電流ＩＢＩＡＳを変えることができる。
【００２６】
本発明の実施例１によれば、電流分配部１０２の分配比α又は合成比Ｋに応じて直流バイアス電流ＩＢＩＡＳの大きさが変わるので、ＡＢ級アンプの任意のゲインＶＧＡＩＮにおいて線形特性を得ることができ、ひいては、携帯電話（PDC、W-CDMA）、UWB、Bluetooth、WLAN等の多様な無線通信規格の増幅を１つのアンプで行うことができる。
【００２７】
また、入力信号振幅ＶＩＮに応じて直流バイアス電流ＩＢＩＡＳが変わるので、ＡＢ級アンプのゲインＶＧＡＩＮの線形特性を維持したま、効率的に増幅することができる。
【実施例２】
【００２８】
次に、本発明の実施例１について説明する。本発明の実施例１では、ＡＢ級アンプに出力する直流バイアス電流ＩＢＩＡＳの大きさを変える例について説明したが、本発明の実施例２では、ＡＢ級アンプ以外のアンプに出力する直流バイアス電流ＩＢＩＡＳの大きさを変える例について説明する。なお、本発明の実施例１と同様の内容についての説明は省略する。
【００２９】
図４は、本発明の実施例２の差動構成のアンプのための半導体集積回路装置１０の回路例を示す回路図である。
【００３０】
図５は、本発明の実施例２のＡ級アンプのための半導体集積回路装置１０の回路例を示す回路図である。
【００３１】
図４に示されるように、差動構成のアンプのための半導体集積回路装置１０の第１電流合成部１０４の回路構成は、差動構成のアンプ３０の回路構成と同様である。
【００３２】
図５に示されるように、Ａ級アンプのための半導体集積回路装置１０の第１電流合成部１０４の回路構成は、Ａ級アンプ３０の回路構成と同様である。
【００３３】
本発明の実施例２によれば、第１電流合成部１０４の回路構成をアンプ３０（例えば、差動構成のアンプ又はＡ級アンプ）の回路構成に合わせるので、アンプの種類によらず、実施例１と同様の効果を得ることができる。
【実施例３】
【００３４】
次に、本発明の実施例３について説明する。本発明の実施例１及び２では、アンプに出力する直流バイアス電流ＩＢＩＡＳを変える例について説明したが、実施例３では、アンプから出力された出力信号振幅ＶＯＵＴに応じて、直流バイアス電流ＩＢＩＡＳを変える例について説明する。なお、本発明の実施例１及び２と同様の内容についての説明は省略する。
【００３５】
図６は、本発明の実施例３の半導体集積回路装置１０の構成を示すブロック図である。本発明の実施例３の半導体集積回路装置１０は、本発明の実施例１の半導体集積回路装置１０と同様の構成に加えて、制御部１１２及び検出部１１４を備える。
【００３６】
制御部１１２は、検出部１１４の検出結果（出力信号振幅ＶＯＵＴの値）に応じて、電流分配部１０２の分配比α及び第２電流合成部１０６の合成比Ｋの少なくとも一方を変える。また、制御部１１２は、任意の入力信号振幅ＶＩＮを得るために、図示しない信号入力装置２０を制御する。
【００３７】
検出部１１４は、図示しないアンプ３０の出力信号振幅ＶＯＵＴの値（振幅値又はパワー）を検出し、検出結果を制御部１１２へ出力する。
【００３８】
はじめに、制御部１１２は、最大入力信号振幅の半分以下の入力信号振幅ＶＩＮを出力するように図示しない信号発生装置２０を制御する。例えば、このときの入力信号振幅ＶＩＮ１は、−１０［ｄＢｍ］以下である。
【００３９】
次に、検出部１１４は、小さい入力信号振幅ＶＩＮに対応するアンプの出力信号振幅ＶＯＵＴの値を検出し、検出結果を制御部１１２に出力する。
【００４０】
次に、制御部１１２は、検出部１１４から出力された検出結果に基づいて、アンプのゲインＶＧＡＩＮが所望の値になるように、合成比Ｋを制御する。
【００４１】
次に、制御部１１２は、最大入力信号振幅の半分以上の入力信号振幅ＶＩＮを出力するように図示しない信号発生装置２０を制御する。例えば、このときの入力信号振幅ＶＩＮ２は、所望するゲインＶＧＡＩＮによって異なるが、−５から５ｄＢｍ程度である。
【００４２】
次に、検出部１１４は、図示しないアンプ３０によって増幅された出力信号振幅ＶＯＵＴの値を検出し、検出結果を制御部１１２に出力する。
【００４３】
次に、御部１１２は、検出部１１４から出力された検出結果に基づいて、アンプのゲインＶＧＡＩＮが所望の値になるように、分配比αを制御する。
【００４４】
本発明の実施例３によれば、制御部１１２が出力信号振幅に応じて分配比α又は合成比Ｋを変えるので、本発明の実施例１よりも適切にＡＢ級アンプのゲインＶＧＡＩＮの線形特性を維持したまま、効率的に増幅させることができる。
【比較例】
【００４５】
次に、本発明の比較例について説明する。本発明の比較例では、本発明の実施例の半導体集積装置１０を設けない場合のＡＢ級アンプのゲインとの比較について説明する。
【００４６】
図７は、一般的なＡＢ級アンプの回路例を示す回路図である。
【００４７】
図８は、図７に示されるような一般的なアンプの入力信号振幅ＶＩＮと直流バイアス電流ＩＢＩＡＳの関係を示すグラフである。
【００４８】
図９は、一般的なＡ級アンプの回路例を示す回路図である。
【００４９】
図８に示されるように、図７に示されるような一般的なアンプの入力信号振幅ＶＩＮと直流バイアス電流ＩＢＩＡＳの関係は、入力信号振幅ＶＩＮが小さい領域（約−１０ｄＢｍ以下）で直流バイアス電流ＩＢＩＡＳが一定の値（約１０．０ｍＡ）を示し、入力信号振幅ＶＩＮが大きい領域（約−１０ｄＢｍ以上）で直流バイアス電流ＩＢＩＡＳが大きい値を示すという非線形特性を有する。すなわち、一般的なＡＢ級アンプは、所定の値以上の入力信号振幅ＶＩＮに対してのみ、直流バイアス電流ＩＢＩＡＳが増加するという効率的な増幅特性を有する。
【００５０】
図１０は、実際のアンプの入力信号振幅ＶＩＮとゲインＶＧＡＩＮの関係を示すグラフである。実際の入力信号振幅ＶＩＮとゲインＶＧＡＩＮの関係は、直流バイアス電圧ＶＢＩＡＳの大きさに大きく依存する。
【００５１】
その結果、図１０（１）に示されるように、直流バイアス電圧ＶＢＩＡＳが図７のトランジスタの閾値電圧に比べて２５０ｍＶ以上大きい場合には、入力信号振幅ＶＩＮの増加分に対する直流バイアス電流ＩＢＩＡＳの増加分は小さい。従って、入力信号振幅ＶＩＮが所定の値（約―５ｄＢｍ）を超える場合には線形特性を維持することができず、ゲインＶＧＡＩＮが減少する。
【００５２】
また、図１０（２）に示されるように、直流バイアス電圧ＶＢＩＡＳが図７のトランジスタの閾値電圧に比べて１００ｍＶ以上小さい場合には、入力信号振幅ＶＩＮの増加分に対する直流バイアス電流ＩＢＩＡＳの増加分は大きい。従って、入力信号振幅ＶＩＮが所定の値（約―５ｄＢｍ）を超える場合には線形特性を維持することができず、ゲインＶＧＡＩＮが減少する。
【００５３】
一方、図１０（３）に示されるように、直流バイアス電圧ＶＢＩＡＳが所定の最適値である場合には、入力信号振幅ＶＩＮの増加分に対する直流バイアス電流ＩＢＩＡＳの増加分が適切な値を示す。従って、入力信号振幅ＶＩＮが所定の値（約―５ｄＢｍ）を超えても線形特性を維持することができる。その結果、ゲインＶＧＡＩＮの減少を抑制することができる。
【００５４】
しかし、図１０（３）に示されるような線形特性を維持するためには、直流バイアス電圧ＶＢＩＡＳが所定の最適値である必要がある。従って、直流バイアス電圧ＶＢＩＡＳの値が最適値以外である場合には、線形特性を維持することはできない。
【００５５】
また、一般的なＡＢ級アンプは、信号電流が電源とグラウンドの間を流れるために、電源とグラウンドの間の寄生インピーダンス（特に、寄生抵抗及び寄生インダクタンス）に弱いという問題がある。
【００５６】
これに対して、一般的な差動構成のアンプは、寄生インピーダンスに関する問題を解決することができるが、２倍波等の偶数時の高調波が発生してしまうという問題がある。
【００５７】
これらに対して、図９に示されるような一般的なＡ級アンプは、これらの問題を解決することができるが、直流バイアス電流ＩＢＩＡＳが入力信号振幅ＶＩＮに応じて増加するという特性（図８を参照）を有していないため、アンプの効率が低下するという問題がある。
【００５８】
図１１は、本発明の実施例の半導体集積回路装置１０と接続されるアンプの入力信号振幅ＶＩＮとゲインＶＧＡＩＮの関係を示すグラフである。
【００５９】
図１１（１）′〜（３）′に示されるように、本発明の実施例の半導体集積回路装置１０と接続されるアンプは、バイアス電圧ＶＢＩＡＳの値の大きさによらずに、図９（２）に示されるような線形特性を維持することができる。
【００６０】
また、本発明の実施例の半導体集積回路装置１０は、アンプの回路構成によらずに同様の効果を奏するので、上記に示されるような一般的なＡＢ級アンプ、差動構成のアンプ及びＡ級アンプの問題を解決し、かつ、効率的に増幅させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の実施例１の無線通信システム１の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施例１の半導体集積回路装置１０の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施例１の半導体集積回路装置１０の回路例を示す回路図である。
【図４】本発明の実施例２の差動構成のアンプのための半導体集積回路装置１０の回路例を示す回路図である。
【図５】本発明の実施例２のＡ級アンプのための半導体集積回路装置１０の回路例を示す回路図である。
【図６】本発明の実施例３の半導体集積回路装置１０の構成を示すブロック図である。
【図７】一般的なＡＢ級アンプの回路例を示す回路図である。
【図８】図７に示されるような一般的なアンプの入力信号振幅ＶＩＮと直流バイアス電流ＩＢＩＡＳの関係を示すグラフである。
【図９】一般的なＡ級アンプの回路例を示す回路図である。
【図１０】実際のアンプの入力信号振幅ＶＩＮとゲインＶＧＡＩＮの関係を示すグラフである。
【図１１】本発明の実施例の半導体集積回路装置１０と接続されるアンプの入力信号振幅ＶＩＮとゲインＶＧＡＩＮの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６２】
１０  半導体集積回路装置
２０  信号入力装置
３０  アンプ（増幅装置）
４０  アンテナ
１０２  電流分配部
１０４  第１電流合成部
１０６  第２電流合成部
１１２  制御部
１１４  検出部
【図１】
2008301202.tif 000003
【図２】
2008301202.tif 000004
【図３】
2008301202.tif 000005
【図４】
2008301202.tif 000006
【図５】
2008301202.tif 000007
【図６】
2008301202.tif 000008
【図７】
2008301202.tif 000009
【図８】
2008301202.tif 000010
【図９】
2008301202.tif 000011
【図１０】
2008301202.tif 000012
【図１１】
2008301202.tif 000013