(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力電力レベルに応じて入力電流が変化する第二の増幅器と、該第二増幅器の入力電流の直流分を検出および増幅する直流電流増幅器と、該直流電流増幅器で増幅された電流を入力電流として供給される第一の増幅器とで構成され、
前記第一の増幅器の入力端子と前記第二の増幅器の入力端子とが交流的に接続され、前記第一の増幅器の出力端子と前記第二の増幅器の出力端子とが交流的に接続されている
ことを特徴とする電力増幅器モジュール。
【請求項２】
入力電力レベルに応じて入力電流が変化する第二の増幅器と、該第二増幅器の入力電流の直流分を検出および増幅する直流電流増幅器と、該直流電流増幅器で増幅された電流を入力電流として供給される第一の増幅器とで構成され、
前記第一の増幅器の入力端子と前記第二の増幅器の入力端子とが交流的に接続され、該第二の増幅器の出力端子のみが内部終端されている
ことを特徴とする電力増幅器モジュール。
【請求項３】
入力電力レベルに応じて入力電流が変化する第二の増幅器と、該第二増幅器の入力電流の直流分を検出および増幅する直流電流増幅器と、該直流電流増幅器で増幅された電流を入力電流として供給される第一の増幅器とで構成され、
前記第一の増幅器の入力端子と前記第二の増幅器の出力端子とが交流的に接続されている
ことを特徴とする電力増幅器モジュール。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項において、
前記第二の増幅器の電源電流を直流電流増幅器で検出および増幅し、該電流を前記第一の増幅器の入力端子に供給するように構成されている
ことを特徴とする電力増幅器モジュール。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項の電力増幅器モジュールを単位増幅器として具備し、該単位増幅器を複数段接続して構成されることを特徴とする電力増幅器モジュール。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項において、
前記第二の増幅器の出力端子と第三の増幅器の入力端子とが交流的に接続され、且つ、該第三の増幅器の出力端子と前記第一の増幅器の入力端子とが交流的に接続され、且つ、前記直流電流増幅器から前記第一および第三の増幅器の入力端子に電流を供給するように構成されている
ことを特徴とする電力増幅器モジュール。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項において、
前記第一の増幅器と前記第二の増幅器と前記直流電流増幅器とがバイポーラトランジスタにより構成されている
ことを特徴とする電力増幅器モジュール。
【請求項８】
請求項７において、
前記第一の増幅器と前記第二の増幅器とをぞれぞれ構成するバイポーラトランジスタが同一チップ上に集積化されている
ことを特徴とする電力増幅器モジュール。
【請求項９】
請求項７において、
前記第一の増幅器と前記第二の増幅器とをぞれぞれ構成するバイポーラトランジスタがＧａＡｓ-ＨＢＴまたはＧａＡｓ電界効果トランジスタで構成され、且つ、前記直流電流増幅器がＳｉバイポーラトランジスタまたはＳｉ電界効果トランジスタで構成されている
ことを特徴とする電力増幅器モジュール。
【発明の詳細な説明】
【発明の属する技術分野】
本発明は移動体通信システムで使われる携帯端末機用電力増幅器モジュールに関し、特に、高い効率や線形性が求められるセルラ電話システム用電力増幅器モジュールに関する。
【従来の技術】
電力増幅器モジュールに関する従来技術としては、特開平７−１５４１６９号公報および米国特許第５，６２９，６４８号がある。
【発明が解決しようとする課題】
近年，セルラ電話システムに代表される移動体通信市場の伸びは著しく，広帯域ＣＤＭＡ方式やＥＤＧＥ方式などの新しいシステムが導入されようとしている。この様なシステムでは、携帯端末機の高効率化や高線形性が要求されるが、特に、端末機の主要部品の一つである電力増幅器モジュールにはこれらの相反する性能要求を同時に実現することが大きな課題となっている。従来、この課題を解決しようとする多くの試みがなされている。その代表的な例としては、電力増幅器モジュールの入力電力レベルを検出し、この信号によって電力増幅器モジュールを構成する後段増幅器の動作状態を制御する方式が一般に考えられている。例えば、図３に示す先行検討技術例では後段増幅器１０１を構成するトランジスタ１１１のゲート電圧を、方向性結合器１０６、検波ダイオード１０７、ローパスフィルタ１０８で構成される直流電圧発生回路１０３にて前段増幅器１０２の出力信号を包絡線検波および平滑化して得た直流電圧により制御している。この直流電圧は端子１０４に入力される電力レベルに対応して増減する、即ち、後段増幅器１０１のゲート電圧は入力電力レベルに応じて制御されることになる。また、図４に示す先行検討技術例では第１の増幅器２０１の電源電流を電源電圧制御回路２０３で検出すると共にその電流値に対応した電源電圧を発生させ、第２の増幅器２０２の電源電圧を制御している。第１の増幅器２０１の電源電流は端子２０４に入力される電力レベルに対応して変化するので、結局、第２の増幅器２０２の電源電圧は入力電力レベルに応じて制御されることになる。
上述した図３の先行検討技術例では前段増幅器１０２の出力電力レベルを包絡線検波および平滑化するための直流電圧発生回路１０３が必要となる。しかし、この直流電圧発生回路１０３は増幅器１０１、１０２とは別に設ける必要があり、製造偏差や周囲温度、電源電圧等の環境条件変動に対して無調整で常に安定した特性を保証することが困難であるという問題点がある。さらに、方向性結合器１０６、検波ダイオード１０７、ローパスフィルタ１０８など性質の異なる部品で直流電圧発生回路１０３が構成されるので増幅器１０１、１０２との集積化が難しいという問題点がある。
図４の先行検討技術例では、第２の増幅器２０２を制御する電源電圧制御回路２０３としてＤＣ−ＤＣ変換器を用いる必要がある。しかし、ＤＣ−ＤＣ変換器の使用は増幅器との集積化を阻害する要因となる上、モジュールの大型化やコスト上昇をもたらすという問題点がある。
また、従来技術である上記米国特許第５，６２９，６４８号に開示された回路方式も考えられるが、この方式では、基準トランジスタの出力、すなわち本体トランジスタのベース入力であるバイアス点電圧が入力振幅の変化に伴ってほとんど変化しないため、本体トランジスタの動作点上下にはほとんど有効に作用しないという問題点がある。
本発明の目的は上記従来技術および先行検討技術の問題点を解決し、高効率、高線形性を有すると共に集積化が容易で、且つ、低コストな電力増幅器モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために、電力増幅器モジュールを構成する各段の増幅器の動作を模擬する基準増幅器を新たに設け、入力電力レベルに応じてこの基準増幅器の入力端に流れる電流を検出、増幅し、上記増幅器の入力電流として供給できるように電力増幅器モジュールを構成したことが特徴としている。
本発明では、入力信号は基準増幅器と各段増幅器に個別の容量を介して供給される。この時、基準増幅器の入力端には入力電力レベルに応じた電流が流れるが、各段増幅器の入力端には電流が流れない。それ故、基準増幅器の入力電流の直流分を検出、増幅して各段増幅器の入力に電流を供給すれば各段増幅器が高周波動作を始める。入力電力レベルが上がると基準増幅器の入力電流が増加するので、各段増幅器に供給される入力電流も増加する。反対に、入力電力レベルが下がった場合には基準増幅器の入力電流が減少し、各段増幅器に供給される入力電流も減少する。即ち、入力電力に対応した動作点が設定できるため、小さな入力電力時にも比較的高い効率を得ることができる。
【発明の実施の形態】
電力増幅器モジュールは一般に２段或いは３段の単位増幅器で構成される。図１は本発明における電力増幅器モジュールを構成する単位増幅器の一実施例を示したものである。本実施例の単位増幅器は、入力信号を電力増幅する増幅器１と入力電力レベルに対応した入力電流の直流分を発生する基準増幅器２とこの直流分を電流増幅し、その電流を増幅器１に供給する直流電流増幅器３および入出力整合回路８、９と結合容量６、７とで構成される。ここで、増幅器１および基準増幅器２を構成するトランジスタ１１と１２との寸法比がn:1の場合、直流電流増幅器３の電流増幅率はｎ倍以上に設定される。この電流増幅率が大きいほど大出力時の歪み低減効果が大きくなるので、設計段階で歪み低減の目標値に合わせて電流増幅率を設定する。本実施例では、基準増幅器２と増幅器１とで入出力整合回路８、９を共用するように構成されており、増幅器１と基準増幅器２の動作状態をほぼ同一にして高線形性が得られるようにしている。また、増幅器１および基準増幅器２を構成するトランジスタ１１、１２を同一チップ上に形成することにより、製造偏差や環境条件の変動があった場合でも線形性を保つことを可能としている。なお、トランジスタ１１、１２にはSiバイポーラトンジスタやGaAs-HBT、SiGe-HBT等を用いることができる。
次に、上記実施例の動作について説明する。端子４より入力された信号は結合容量６、７を介して夫々増幅器１および基準増幅器２に伝達される。入力信号は基準増幅器２によって増幅されるが、この時、基準増幅器２を構成するトランジスタ１２の非線形動作によって、基準増幅器２の入力電流に直流分が発生する。この直流分は入力電力レベルと１対１に対応して変化するので、この直流分を検出すれば、増幅器１に供給すべき入力電流値を知ることができる。トランジスタ１１の寸法はトランジスタ１２のそれより大きいので、基準増幅器２で検出された直流電流は直流電流増幅器３で増幅された後に増幅器１の入力電流として供給される。直流電流増幅器３から電流が供給されると増幅器１が動作し始める。実際には、増幅器１と基準増幅器２はほぼ同時に動作を開始する。増幅器１の入力電流は以上の動作機構により入力電力レベルに応じてダイナミックに変化する。この入力電流は入力電力レベルが大きい場合には増加し、増幅器１のトランジスタ１１の動作点が自動的に高く設定されるので、歪みの小さい電力増幅を行うことができる。また、逆に入力電力レベルが低い場合には入力電流が減少し、トランジスタ１１の動作点が下がるため無駄な消費電力を削減でき、入力電力レベルが低い領域での電力効率低下を軽減できる。
図２(a)および(b)は、図１に示す単位増幅器を用いて構成した２段および３段電力増幅器モジュールの実施例を夫々示したものである。２段電力増幅器モジュールはＣＤＭＡやＰＤＣシステム等に、また、３段電力増幅器モジュールはＧＳＭシステム等に多く適用されている。端子０６、０８から入力された信号は単位増幅器０１、０２或いは０３、０４、０５によって上記図１の説明で述べた動作に従って順次電力増幅され、端子０７、０９から夫々出力される。それ故、図２(a)、(b)では単位増幅器０１＜０２および０３＜０４＜０５の順に動作時の電力は大きなものになるから、単位増幅器０１、０２および０３、０４、０５を構成するトランジスタの寸法はシステム仕様から割当てられる電力配分によって変える必要がある。例えば、後段、特に、最終段増幅器では電力レベルが前段増幅器に比べて高くなるので最も寸法の大きなトランジスタが使われる。なお、各単位増幅器間の入力、出力整合回路は簡単な設計変更により共用することも可能である。この場合は小型化できるメリットがある。なお、今迄は増幅器１の入力電流を基準増幅器２の入力電流を供給、増幅して供給する場合であるが、基準増幅器２の入力電流の代わりに電源電流を検出、増幅した電流を増幅器１のベースに供給してもよい。この場合は、トランジスタ１２のベース電流の代わりににコレクタ電流を利用することになる。
図５は本実施例に基づき試作した電力増幅器モジュールの製造偏差を示したものである。出力電力は28dBmである。同図では、横軸が歪みの指標である隣接チャネル漏洩電力、縦軸が電力付加効率を表し、電力増幅器モジュールの製造偏差は実線で囲った領域で示されている。また、同図には比較のために先行検討技術の製造偏差も併せて示してある。斜線を施した領域は要求仕様の範囲を示す。先行検討技術では要求仕様を満たす電力増幅器モジュールの良品取得率は10%以下あったが、本実施例によるモジュールでは90%まで向上している。
図６は上記本発明における単位増幅器の構成を具体化した一実施例を示したものである。最初に無信号時における動作を説明する。この場合には、トランジスタ１２に流れるコレクタ電流はトランジスタ１２とトランジスタ２３がカレントミラー回路となっているため、定電流源１４よりトランジスタ２３に供給される電流によって決まる。例えば、トランジスタ１２とトランジスタ２３の寸法比をｍ:1とすればトランジスタ１２のコレクタ電流は定電流源１４から供給される電流のｍ倍となる。トランジスタ１２にコレクタ電流が流れると該トランジスタには電流増幅率分の１の電流がベースに流れる。この電流はトランジスタ２４を介してトランジスタ２５に流れ、トランジスタ２５とカレントミラー回路を構成しているトランジスタ２６に伝達される。結局、トランジスタ２６に流れるこの電流がトランジスタ１１のベース電流として供給され、トランジスタ１１の無信号状態における動作点を決定する。ここで、トランジスタ２７、２８はカレントミラー回路あるが、トランジスタ１１が例えば単位トランジスタを１００〜２００本並列接続して構成される場合に要求される大きなベース電流を供給するための電流増幅機能を持つ。一般に、ＰＮＰトランジスタは電流供給能力が小さく、大きな電流を供給するにはトランジスタ寸法が非常に大きくなる。従って、トランジスタ２７、２８の電流増幅機能を利用すればトランジスタ２６の寸法を小さくできる。次に、信号が入力されている状態の動作について説明する。この場合は、先ず、結合容量６、７を介してトランジスタ１１、１２に信号が供給される。トランジスタ１２はその非線形性によってベース電流に直流分が発生する。この直流分の電流は高周波遮断用のインダクタ２９を介してトランジスタ２４に流れる。この時、トランジスタ１１には入力信号に対応したベース電流は供給されておらず、トランジスタ２４を流れる電流が前述した無信号時と同様な動作によりトランジスタ２５、２６、２７、２８を介して供給されてから動作が始まる。トランジスタ１２のベース電流値は入力電力レベルに応じて変化するので、それに追随してトランジスタ１１のベース電流値も変化し、信号入力時の動作点が自動的に設定される。
本実施例特有の効果として熱暴走抑制効果が挙げられる。例えば、ＧＳＭシステム向け電力増幅器モジュールのように36dBm(4W)の出力電力が要求される場合には、トランジスタ１１として単位トランジスタを100-200本並列接続した大規模トランジスタが用いられる。このような大規模なトラジスタを高密度でチップ内に配置すると熱抵抗が増大する。通常の場合はバイポーラトランジスタの熱抵抗が増大すると熱暴走が起こりやすくなり、チップ面積の縮小に限界が有った。熱暴走の起こり易さは熱抵抗以外にベースバイアス回路の電流供給能力にも依存するが、通常の電力増幅器モジュールでは定電圧バイアス回路のような電流供給能力の大きいバイアス回路を用いるので熱暴走を起こしやすい。熱暴走は大電力出力時に生じ易いが、本実施例ではトランジスタ１１に供給される電流は入力電力レベルで制限されるので熱暴走を起こし難い構成になっている。従って、本実施例ではチップ面積縮小とそれによるモジュールの小型化が可能となる。
なお、図６の実施例においてトランジスタ１１、１２、２３、２４をＧａＡｓＨＢＴ、トランジスタ２５、２６、２７、２８をＳｉバイポーラトランジスタ、或いは、ＭＯＳトランジスタで構成しても良い。更に、インダクタ２９を抵抗、或いは、抵抗とインダクタを直列接続したものに置き換えても良い。
図７は本実施例の単位増幅器の部品配置をに示したものである。同図は、図６に示す増幅器１、基準増幅器２をＧａＡｓチップ１６上に、また、直流電流増幅器３をＳｉチップ１７上に集積化する例を示す。これらのチップとモジュール基板上に実装した入出力整合回路８、９とで単位増幅器を構成している。このように本発明は単位増幅器の主要部分を集積化して部品点数を削減でき、モジュールの小型化に好適である。また、トランジスタ１１とトランジスタ１２は同一チップ上に作製するのでペア性に優れており、製造偏差や環境変動の影響を受けずに安定した動作が可能である。なお、上記熱暴走抑止効果を有効に働かせるためには、図７に示したようにトランジスタ１１とトランジスタ１２をチップ上で離して作製し、トランジスタ１２がトランジスタ１１の発熱の影響を受け難くすることが望ましい。
本発明の別の実施例を図８に示す。本実施例は出力終端回路１８を設け、基準増幅器２の出力をモジュール内部で終端している点が図１と異なる。基準増幅器２の出力を出力端子５から切り離すことにより、基準増幅器２の動作は負荷の影響を受けにくくなる。増幅器１の動作電流は基準増幅器で制御されるので、増幅器１の動作も負荷の影響を受けにくくなる。その直接の効果として負荷変動耐性が向上する。携帯端末機では、その使用時に電力増幅器モジュールの負荷となるアンテナの破損や金属への接触等が応々にして起こるが、この際に電力増幅器モジュールとアンテナ間の整合条件が破られるため、電力反射による大きな定在波が立つので電力増幅器モジュールが破損しやすくなる。本実施例ではアンテナからの反射電力が増大しても増幅器１の動作電流は殆ど変化しないので、増幅器１の破壊を免れることができる。
本発明の別の実施例を図９に示す。本実施例は段間整合回路１９を設け、基準増幅器２の出力を増幅器１の入力に接続している点が図１と異なる。２段増幅器の構成になっており前段増幅器が基準増幅器を兼ねているので、別に基準増幅器を設ける必要がなくモジュールの構成を簡略化できる。基準増幅器２と出力端子５の間は増幅器１で隔てられているので、図８と同様に負荷変動に強いという利点もある。
図１０は３段電力増幅器モジュールに関する本発明の別の実施例を示したものである。図９の実施例とは、段間増幅器として増幅器５１と段間整合回路５２が追加されたことが異なる。この実施例では、図９と同様初段増幅器を基準増幅器２として兼用させ、そのベース電流によって２段目増幅器５１および３段目増幅器１を制御する構成となっている。この場合は各段の基準増幅器を省略できるため、構成を簡略化できる利点がある。
本発明の別の実施例を図１１に示した。本実施例は電界効果トランジスタへの応用例である。増幅器の基本構成は図９の実施例と同じであり、バイポーラトランジスタ１１、１２に代わり電界効果トランジスタ２１、２２を用いた点のみが異なる。本実施例では電界効果トランジスタ２２のドレイン電流の直流分を検出する。直流電流増幅器３の出力はトランジスタ３４で電圧に変換して、電界効果トランジスタ２１のゲートに印可する。入力電力に応じて動作点が自動的に設定され、再現性良く低歪み高効率動作を実現できる点は、前述の実施例と同様である。
【発明の効果】
本発明の構成によれば、基準増幅器と各段増幅器を構成するトランジスタは同種のものを用いることが出来るので集積化が容易であり、外部に特別な回路が必要なくなる。また、同一チップ上に各段増幅器と基準増幅器を集積化することにより、基準増幅器は高周波的にも、直流的にも各段増幅器とほぼ同じ動作をするため、トランジスタの製造偏差や環境条件の変動があっても、無調整で常に安定した特性を得ることができる。さらに、両増幅器で整合回路を共用できるので、部品点数を削減して小型化と併せて低コスト化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す図である。
【図２】本発明の一実施例を示す図である。
【図３】先行検討技術の例を示す図である。
【図４】先行検討技術の例を示す図である。
【図５】本発明の一実施例の製造偏差を示す図である。
【図６】本発明の一実施例の回路構成を示す図である。
【図７】本発明の一実施例の実装状態を示す図である。
【図８】本発明の一実施例を示す図である。
【図９】本発明の一実施例を示す図である。
【図１０】本発明の一実施例を示す図である。
【図１１】本発明の一実施例の回路構成を示す図である。
【符号の説明】
１  増幅器
２  基準増幅器
３  直流電流増幅器
４  入力端子
５  出力端子
６・７  キャパシタ
８  入力整合回路
９  出力整合回路
１１・１２  トランジスタ
１４  電流源
１５  電源端子
１６  GaAsチップ
１７  Siチップ
１８  出力終端回路
１９  段間整合回路
２０  電圧源
２１・２２  電界効果トランジスタ
２３〜２８  トランジスタ
２９  インダクタ
３２〜３４  電界効果トランジスタ
３５〜３７  インダクタ
０１〜０５  単位増幅器
０６・０８  入力端子
０７・０９  出力端子
５１  増幅器
５２  段間整合回路
５３  トランジスタ
１０１  後段増幅器
１０２  前段増幅器
１０３  直流電圧発生回路
１０４  入力端子
１０５  出力端子
１０６  方向性結合器
１０７  検波ダイオード
１０８  ローパスフィルタ
１１１・１１２  電界効果トランジスタ
２０１  第１の増幅器
２０２  第２の増幅器
２０３  電源電圧制御回路
２０４  入力端子
２０５  出力端子。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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