(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力端子と、
出力端子と、
コントロール端子と、
上記入力端子に接続された制御端子と、上記入力端子に供給された信号に応じた出力信号を出力する第１端子とを有する第１の半導体増幅素子と、
制御端子と、第１端子と、第２端子とを有し、上記第１の半導体増幅素子の第１端子と上記出力端子との間に設けられ、上記出力信号に応じた信号を出力する第２の半導体増幅素子と、
上記コントロール端子に接続され、上記コントロール端子に供給されるコントロール電圧に対して、特性が非線形となるように生成されているバイアスを上記第１の半導体増幅素子の制御端子に供給するバイアス回路とを有し、
上記第２の半導体増幅素子が動作した後上記第１の半導体増幅素子が動作するようにされ、
上記出力信号の出力電力は、上記コントロール電圧に応じて決定されていることを特徴とする高周波電力増幅モジュール。
【請求項２】
上記コントロール端子に接続され、上記コントロール端子に供給されるコントロール電圧に対して特性が非線形となるように生成されているバイアスを上記第２の半導体増幅素子の制御端子に供給するバイアス回路を有することを特徴とする請求項１に記載の高周波電力増幅モジュール。
【請求項３】
上記第１の半導体増幅素子の制御端子に供給される上記バイアスの特性が、上記コントロール電圧の変化に対して２段階に変化する非線形を示し、上記第２の半導体増幅素子の制御端子に供給されるバイアスの特性が、上記コントロール電圧の変化に対して１段階に変化または２段階に変化する非線形を示すことを特徴とする請求項２に記載の高周波電力増幅モジュール。
【請求項４】
入力端子と、
出力端子と、
コントロール端子と、
上記入力端子からの信号を受ける制御端子と、上記入力端子からの信号に応じた信号を出力する第１端子とを有する第１の半導体増幅素子と、
上記第１の半導体増幅素子の第１端子から出力された信号に応じた信号を受ける制御端子と、上記出力端子に接続され、上記信号に従った信号を出力する第１端子とを有する第２の半導体増幅素子と、
上記コントロール端子に接続され、上記コントロール端子に供給されるコントロール電圧に対して特性が非線形となるように生成されているバイアスを上記第１の半導体増幅素子の制御端子に供給するバイアス回路と、
上記第１の半導体増幅素子と上記第２の半導体増幅素子との間に従属接続された、前段の半導体増幅素子の第１端子に接続された制御端子および後段の半導体増幅素子の制御端子に接続された第１端子とを有する少なくとも１つの第３の半導体増幅素子とを具備し、
上記半導体増幅素子が、初段半導体増幅素子，中段半導体増幅素子および終段半導体増幅素子から形成された３段構成の増幅回路を構成し、
上記初段半導体増幅素子および上記終段半導体増幅素子に接続されるバイアス回路により供給されるバイアスの特性が、上記コントロール電圧の変化に対して２段階に変化する非線形であり、
上記中段半導体増幅素子に接続されるバイアス回路によって供給されるバイアスの特性が、上記コントロール電圧の変化に対して１段階に変化する非線形であることを特徴とする高周波電力増幅モジュール。
【請求項５】
送信側出力段に高周波電力増幅モジュールを有する無線通信装置であって、
入力端子と、
出力端子と、
コントロール端子と、
上記入力端子に接続された制御端子と、上記入力端子に供給された信号に応じた出力信号を出力する第１端子とを有する第１の半導体増幅素子と、
制御端子と、第１端子と、第２端子とを有し、上記第１の半導体増幅素子の第１端子と上記出力端子との間に設けられ、上記出力信号に応じた信号を出力する第２の半導体増幅素子と、
上記コントロール端子に接続され、上記コントロール端子に供給されるコントロール電圧に対して、特性が非線形となるように生成されているバイアスを上記第１の半導体増幅素子の制御端子に供給するバイアス回路とを有し、
上記第２の半導体増幅素子が動作した後上記第１の半導体増幅素子が動作するようにされ、
上記出力信号の出力電力は、上記コントロール電圧に応じて決定されている上記高周波電力増幅モジュールを有することを特徴とする無線通信装置。
【請求項６】
上記コントロール端子に接続され、上記コントロール端子に供給されるコントロール電圧に対して特性が非線形のバイアスを上記第２の半導体増幅素子の制御端子に供給するバイアス回路を有することを特徴とする請求項５に記載の無線通信装置。
【請求項７】
上記第１の半導体増幅素子の制御端子に供給される前記バイアスの特性が、上記コントロール電圧の変化に対して２段階に変化する非線形であり、上記第２の半導体増幅素子の制御端子に供給されるバイアスの特性が、上記コントロール電圧の変化に対して１段階に変化または２段階に変化する非線形であることを特徴とする請求項６に記載の無線通信装置。
【請求項８】
半導体増幅素子の従属接続によって形成される初段半導体増幅素子，中段半導体増幅素子，終段半導体増幅素子による３段構成の増幅回路と、
上記各半導体増幅素子の制御端子にコントロール電圧に対して特性が非線形のバイアスを供給するバイアス回路とを有し、
上記初段半導体増幅素子および終段半導体増幅素子に接続されるバイアス回路によって供給されるバイアスの特性が、上記コントロール電圧の変化に対して２段階に変化する非線形であり、
上記中段半導体増幅素子に接続されるバイアス回路によって供給されるバイアスの特性が、上記コントロール電圧の変化に対して１段階に変化する非線形であることを特徴とする無線通信装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は複数の半導体増幅素子を従属接続した多段構成の高周波電力増幅モジュール（可変電力増幅器）と、この高周波電力増幅モジュールを組み込んだ無線通信装置に係わり、特に、コントロール電圧による出力パワーの制御性を向上させる技術に適用して有効な技術に関する。
【０００２】
すなわち、高周波電力増幅モジュールの出力パワーを可変とする際に電力消費の大幅な増加なしに、ゲートバイアスにより相互コンダクタンスを変化させる方式の高周波電力増幅モジュールにおいて、出力パワーのコントロール電圧による制御性を向上させるために用いられる、ゲートバイアスすなわちドレイン電流の制御をするゲートバイアス制御回路を具備する高周波電力増幅モジュールに関する。
【０００３】
【従来の技術】
自動車電話，携帯電話機等の移動体通信機（無線通信装置）においては、その送信側出力段に高周波電力増幅モジュール（高周波電力増幅回路）が組み込まれている。この高周波電力増幅モジュールの出力（送信パワー）はＡＰＣ（Automatic Power Control）回路によって自動制御される構成になっている。
【０００４】
例えば、半導体増幅素子としてＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field-Effect-Transistor ）を複数従属接続させた高周波電力増幅モジュールにおいては、ゲートにバイアスされる正電圧（ｎチャネルＭＯＳＦＥＴの場合）によって出力コントロールが容易に行えるため、取り扱い上便利であり、従来から広く使われている。
【０００５】
特開平７−９４９７５号公報には、ＭＯＳＦＥＴを初段，中段，終段と従属接続させた３段構成の高周波ＨＩＣモジュール（高周波電力増幅モジュール）が開示されている。
【０００６】
この高周波ＨＩＣモジュールは、「第１のバイアス回路は、複数段のＭＯＳＦＥＴのうちの所定のＭＯＳＦＥＴのゲートを出力コントロール電圧に基づいてバイアスする構成にし、前記所定のＭＯＳＦＥＴ以外の残りのＭＯＳＦＥＴのゲートを固定電源に基づいてバイアスする第２のバイアス回路と、前記固定電源と前記第２のバイアス回路との経路を前記出力コントロール電圧に応じてスイッチングするスイッチ手段とを設けたもの」である。これにより、出力の制御性を高め、かつ効率の向上を図っている。
また、各バイアス回路はいずれも３個の抵抗と一つのキャパシタで構成されている。
【０００７】
しかしながら、上記文献には、コントロール電圧Ｖapcに基づいて変化するゲートバイアスを、出力パワーに応じて制御する技術については記載されていない。
【０００８】
また、通常、コントロール電圧Ｖapcに応じて変化するゲートバイアスの設定は、例えば出力パワーが大きい時に所望の高効率となるように、バイアス回路を構成する抵抗の値で決定される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の高周波ＨＩＣモジュールは、各段のＭＯＳＦＥＴのゲートに適当な電圧を印加することで、相互コンダクタンスを変化させており、出力パワーを可変とする際、出力パワーや効率に悪影響を及ぼすことなく小さな回路構成を可能とし、有効なものである。
【００１０】
一方、ゲートバイアスはコントロール電圧に対して一定の割合で変化するため、高周波電力増幅モジュールの出力パワーの変動に応じて、コントロール電圧に対する各段のバイアスを制御できず、出力パワーのコントロール性が悪く、利用上不便であった。つまり、モジュールとして良好な特性の得られるバイアスとするだけで、コントロール電圧Ｖapcに対して出力パワーが急峻に変化するのを防げていなかった。
【００１１】
上記文献には、出力コントロール電圧Ｖapcと出力Ｐoとの相関を示す図が開示されている。図１６は、本発明者によって追試験して得た上記同様のコントロール電圧Ｖapcに対する出力パワーＰoutの特性図である。
【００１２】
この特性図で分かるように、コントロール電圧の一部分（１．１Ｖ〜１．５Ｖ）で出力パワーの立ち上がりが急峻となっており、出力をコントロールするには利用上問題があることがわかる。
【００１３】
この立ち上がりが急峻な領域は、最後に動作（オン）する増幅用ＭＯＳＦＥＴに印加されるゲート電圧がしきい値電圧Ｖthの近くのときであり、このゲート電圧の領域では、ＭＯＳＦＥＴの利得が大きく変化し、同時に、インピーダンスの変化も大きく、整合回路の不整合損失も大きく変化するためである。
【００１４】
更に、近年のデバイス性能向上により相互コンダクタンスｇmが向上するに伴い、ゲートバイアスに対する各段に使用されるＭＯＳＦＥＴの利得変動は大きくなり、出力パワー変動はより急峻となる傾向にあり、一層出力の制御性が悪くなる。
【００１５】
尚、上記出力の低制御性の問題は、ＭＯＳＦＥＴに限定されるものでなく、制御端子に印加する制御バイアスによって利得が可変となる他の半導体増幅素子においても共通の問題である。
【００１６】
本発明の目的は、出力の制御性に優れた高周波電力増幅モジュールを提供することにある。
本発明の他の目的は、出力の制御性に優れた無線通信装置を提供することにある。
本発明の上記ならびにそのほかの目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面からあきらかになるであろう。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
【００１８】
半導体増幅素子としてＭＯＳＦＥＴを用いる高周波電力増幅モジュール（パワーモジュール）において、無線通信装置本体のパワーコントロール信号をもとに生成されるコントロール電圧Ｖapc に応じたゲート電圧が、増幅用各段ＭＯＳＦＥＴのしきい値電圧Ｖth付近の領域で、コントロール電圧Ｖapc に対する出力パワー変動が小さくなるバイアス手段を備える構成にすることによって、出力パワーの制御性（コントロール性）を考慮した取り扱いが便利なパワーモジュールとした。
【００１９】
すなわち、出力端子から出力される出力パワーＰout のコントロールを、バイアス供給端子に供給されるコントロール電圧Ｖapc の分割により生成されるゲート電圧の制御により行うパワーモジュールであって、Ｖapc に対する制御端子に供給されるゲート電圧Ｖgの変化を、ゲート電圧Ｖgが各ＭＯＳＦＥＴのしきい値電圧Ｖthより低い領域では大きく、Ｖth近傍では小さく、更にＶth近傍からＶapc 電圧の高い領域では、所望の特性が得られるゲート電圧になるように設定する手段を、ゲートバイアス回路に設けてパワーモジュールを構成する。
【００２０】
上記バイアス回路を多段のパワーモジュールに適用する場合、コントロール電圧が上記ゲートバイアス回路を介して各ＭＯＳＦＥＴの最適なゲートバイアスとなり、Ｖapc に対する各段ＭＯＳＦＥＴがオンとなるタイミングも、各段のゲートバイアスのＶapc に対する変動に応じて設定される。
【００２１】
次に、多段パワーモジュールのバイアス手段として、特に、各段のＭＯＳＦＥＴがオンとなるタイミングに関して、コントロール電圧に対する各段のゲート電圧の変化を示した図１２を用いて説明する。
【００２２】
図１２は、３個のＭＯＳＦＥＴを順次従属接続した３段パワーモジュールに適用した場合の初段ゲート電圧Ｖｇ１，中段ゲート電圧Ｖｇ２，終段ゲート電圧Ｖｇ３のコントロール電圧Ｖapc に対する変化状態を示したグラフである。このグラフで示すような特性のバイアス回路を有するパワーモジュールでは、コントロール電圧Ｖapc の上昇に対し、ゲート電圧の増加が小さい初段ＭＯＳＦＥＴ（Ｑ１）を最後にオフからオンとする。その時、コントロール電圧は、最後にオンとなる初段ＭＯＳＦＥＴのゲート電圧の変動が小さい領域とし、他のＭＯＳＦＥＴは、Ｖapc に対して利得変動が小さいゲートバイアスに設定する。また、最後にオンとなる初段ＭＯＳＦＥＴより先に、他のＭＯＳＦＥＴをオンにして安定動作状態にしておくことで、パワーモジュールの出力パワーが、オフ状態から徐々に増加するようにする。
【００２３】
以上の手段の有るバイアス回路を備えたパワーモジュールでは、Ｖthより低い領域ではＶapc に対するゲート電圧の変化が大きく、パワーモジュールの出力パワーをＶapc 電圧の低い領域からコントロールできるため、Ｖapc による出力パワーの可変範囲を広くできる。
【００２４】
また、Ｖth近傍の領域では、ゲート電圧の変化を少なく設定しているため、Ｖapc に対する出力パワーの変動を小さくできる。
【００２５】
また、Ｖth近傍より高い電圧の領域では、所望の高周波特性に基づいて、バイアスが設定できるため、上記出力パワーの制御性向上によりパワーモジュールの性能が低下するようなことはない。
【００２６】
また、各段のＭＯＳＦＥＴがオンとなるタイミングを設定できるため、図１２に例示されるように、最後にオンとなる初段ＭＯＳＦＥＴより先に他のＭＯＳＦＥＴをオンとし、モジュールのオフ状態から徐々に出力パワーが上昇するために、非常に低い出力パワーでのコントロール性が向上する。
【００２７】
更に、最後のＭＯＳＦＥＴ（Ｑ１）がオンとなる時に、他のＭＯＳＦＥＴは利得変動の少ない領域に設定し、出力パワーの変動は、最後にオンとなる初段のＭＯＳＦＥＴのゲート電圧で主に調整するため、出力パワーの急峻な立ち上がりが緩和される。
【００２８】
以上、本発明によれば、ゲート電圧に対して利得、インピーダンスが大きく変化するＶth近傍の領域で、ゲート電圧の変動を少なくしているため、出力パワーの急峻な立ち上がりを抑え、コントロール性を向上することがきる。また、本構成にしたところで、高出力、高効率が同時に実現できるゲート電圧は設定できるため、特性が劣化するようなことはない。また、ゲート電圧の制御により、出力をコントロールしているため、パワーモジュールの出力パワー、効率が低下するようなことはない。このように、パワーモジュールの高出力パワー、高効率を維持しながら、出力パワーのコントロール性が良好となり、取り扱いが便利となる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、発明の実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【００３０】
（実施形態１）
図１乃至図４は本発明の一実施形態（実施形態１）である高周波電力増幅モジュールおよびその高周波電力増幅モジュールを組み込んだ無線通信装置に係わる図である。
【００３１】
図２は無線通信装置の一部の機能構成を示すブロック図である。高周波電力増幅モジュール（パワーモジュール）１３は、図２に示すように、外部端子として、入力端子１，出力端子２，コントロール端子（バイアス供給端子）３，第１電圧端子４，第２電圧端子５を有している。高周波電力増幅モジュール１３を構成する高周波電力増幅器（ＨＰＡ）１４には入力端子１から入力電力Ｐinが入力され、高周波電力増幅器１４の出力電力Ｐout は出力端子２に出力される。
【００３２】
コントロール端子３に供給されるコントロール電圧Ｖapc はゲートバイアス回路（ＧＢＣ）２２を介して高周波電力増幅器１４に供給されて出力電力Ｐout がコントロールされる。第１電圧端子４の電源電圧Ｖddはドレインバイアス回路（ＤＢＣ）２３を介して高周波電力増幅器１４に供給される。上記ゲートバイアス回路２２およびドレインバイアス回路２３は抵抗とトランジスタとで構成されている。また、高周波電力増幅器１４を構成する半導体増幅素子としてはシリコン半導体によるＭＯＳＦＥＴを用いており、コントロール用端子３はゲートバイアス回路２２を介して、各ＭＯＳＦＥＴのゲートに接続されている。
【００３３】
また、パワーモジュール１３の入力端子１には、高周波信号源（ＲＦＳ）２１から高周波信号が供給される。パワーモジュール１３の出力端子２から出力される出力電力Ｐout はフィルタ（ＦＩＬ）１６を通ってアンテナ（ＡＮＴ）１７から電波として空中に放射される。
【００３４】
出力端子２から出力される出力電力Ｐout はカプラ（ＣＰ）１５によって検出される。カプラ１５で検出された出力信号は検波器１８を通して送信電力制御回路１９に送り込まれる。送信電力制御回路１９では基準電圧Ｖref と比較され、ＡＰＣ（Automatic Power Contorol）が働いてコントロール端子（バイアス供給端子）３にコントロール電圧Ｖapc が印加される。
【００３５】
このような構成において、高周波電力増幅器１４の出力端子２から出た信号（Ｐout ）はカプラ１５，フィルタ１６を通ってアンテナ１７から発信される。また、カプラ１５で検出された出力信号は検波器１８を通して送信電力制御回路１９に送り込まれ、基準電圧Ｖref と比較され、ＡＰＣが働いてコントロール端子３にコントロール電圧Ｖapc が印加される。
【００３６】
本実施形態ではこのコントロール電圧Ｖapc を非線形に変化できるように調整されたゲートバイアス回路２２を介してゲートにバイアスすることで、出力パワーをコントロールする。
【００３７】
すなわち、コントロール端子３にコントロール電圧Ｖapc が印加されると、ゲートバイアス回路２２を構成する抵抗やトランジスタにより、上記出力コントロール電圧に応じてコントロール電圧が分圧され、高周波電力増幅器１４を構成するＭＯＳＦＥＴのゲートに印加される。このゲート電圧は、ゲートバイアス回路を構成する抵抗やトランジスタにより調整でき、コントロール電圧に対する出力パワーの変動が大きいＭＯＳＦＥＴのＶth近傍において、コントロール電圧に対して変動が少なくなるように設計する。
【００３８】
このようにコントロール電圧に対して、ゲート電圧を任意に設定することで、従来のように、出力コントロール電圧の上昇に伴って、出力パワーが急激に増加するようなゲートバイアスの印加を避けられるため、制御性が向上する。
【００３９】
つまり、本実施形態に係る電力増幅モジュールにおいては、ゲートバイアス回路２２でコントロール電圧に対するゲート電圧を出力パワーに応じて調整できるため、出力コントロール電圧の狭い範囲で、出力パワーをコントロールする必要は無くすことができる。
【００４０】
以上の効果は、上述のフィードバックを利用した構成に限定されるものでなく、コントロール電圧を外部制御回路CNT_Oより送る構成においても同様な効果が得られる。
【００４１】
以下、コントロール電圧に応じてゲート電圧を調整して分圧するゲートバイアス回路、すなわちゲートバイアス回路について説明する。
【００４２】
図３は本実施形態１におけるバイアス回路を示し、図１は同バイアス回路とその特性を示す図である。特性図は、コントロール電圧Ｖapcとドレイン電圧Ｖdとの相関を示すグラフと、コントロール電圧Ｖapcとゲート電圧Ｖgとの相関を示すグラフである。
【００４３】
本実施形態１のゲートバイアス回路は、２段階変化の非線形特性を示すバイアス回路であり、コントロール端子３にその一端が接続された第１の抵抗２５と、第１の抵抗２５の他端に接続された第２の抵抗２６と、第２の抵抗２６に対してダイオード接続され他端が接地されたトランジスタ２４と、第１の抵抗２５と第２の抵抗２６との接続部分と半導体増幅素子の制御端子２７との間に接続された高周波信号カット用の抵抗２８とによって構成されている。
【００４４】
トランジスタ２４のしきい値電圧Ｖthは高周波電力増幅器１４に使われている半導体増幅素子のしきい値電圧Ｖthと同じかまたは近接した低い値になっている。これは、ゲートバイアス回路に用いるＭＯＳＦＥＴが、小さいゲート幅Ｗｇで実現できる効果がある。
【００４５】
本実施形態１では、コントロール電圧Ｖapcに対するゲート電圧Ｖgの変化を、非線形に調整するのにＮチャネル型のＭＯＳＦＥＴ２４を使用している。ＭＯＳＦＥＴ２４のソースは接地されており、ドレイン端には第１の抵抗２５の一端が接続されており、第１の抵抗２５の他端にはＭＯＳＦＥＴ２４のゲートと、一端をコントロール用端子３に接続した第２の抵抗２６と、一端を増幅用ＭＯＳＦＥＴのゲートバイアス印加用端子２７に接続した抵抗２８が接続されている。
【００４６】
ここで第１の抵抗２５および第２の抵抗２６はコントロール電圧を分割するために使用され、抵抗２８は高周波信号成分のカットのためであり、増幅用ＭＯＳＦＥＴから高周波信号成分がＭＯＳＦＥＴ２４を介して漏洩し、高周波特性が劣化するのを防ぐために使用されている。また、コントロール用端子３には外部制御回路より正電圧が供給される。各抵抗はチップもしくは半導体製造技術によるプリント抵抗で構成され、プリント抵抗では、ＭＯＳＦＥＴ２４と１チップ化、更に、増幅用ＭＯＳＦＥＴと同じ半導体プロセス技術が適用でき、MMIC（Microwave Monolithic IC）化が可能である。
【００４７】
次に、本実施形態１のバイアス回路の動作について説明する。
ここで、ＭＯＳＦＥＴ２４のドレイン−ソース間抵抗は、上記ＭＯＳＦＥＴ２４のゲート電圧により制御され、コントロール電圧の上昇に伴うゲート電圧の増加において、Ｖth近傍より近似的に開放の状態から短絡の状態に変化する。
【００４８】
図１は、本実施形態のバイアス回路の一例として、コントロール電圧に対するゲートバイアス印加用端子電圧（ゲート電圧）Ｖg と上記ＭＯＳＦＥＴ２４のドレイン端の電圧Vdについて略して示した図である。
【００４９】
図１のように、コントロール電圧の上昇に伴いＭＯＳＦＥＴ２４のドレイン端の電圧Ｖd は、ＭＯＳＦＥＴ２４のゲート電圧がＶth近傍まではＭＯＳＦＥＴ２４がオフのため上昇し、それ以降は下降し、再びほぼ０電位まで低下する。そのため、ゲートバイアス印加用端子電圧Ｖg は、Ｖth近傍まではコントロール電圧とほぼ同じ電圧が出力され、Ｖth近傍の領域では、ドレイン端電圧Ｖd の低下を利用することで、Ｖth近傍での変化が少ない電圧が出力され、更に高いゲートバイアス印加用端子電圧Ｖg の領域では、ＭＯＳＦＥＴ２４がオン状態なため、主に抵抗２５，２６の分圧比で決定される電圧が出力される。
【００５０】
以上のように、コントロール電圧に対するゲートバイアス印加用端子電圧の変化が、コントロール電圧の値により異なり、その変化量から、動作領域が３つの領域に大きく分けられ、上記各領域は、コントロール電圧に対するゲートバイアス印加用端子電圧の変化が、ゲートバイアス印加用端子電圧がＭＯＳＦＥＴ２４のＶth近傍までは急峻であり、Ｖth近傍の領域は変化が少なく、更に高いゲートバイアス印加用端子電圧の領域では高く、２段階変化の非線形制御となっている。その各領域のコントロール電圧に対するゲートバイアス印加用端子電圧の変化量の設定は、ＭＯＳＦＥＴ２４のゲート幅、ゲート長、Ｖth等のパラメータと抵抗２５，２６を調整することにより可能である。
【００５１】
例えば、本バイアス回路が適用されるパワーモジュールに使用される増幅用ＭＯＳＦＥＴのＶthが０．８Ｖで、このパワーモジュールのＲＦ特性として、効率と出力パワーのバランスがとれた所望の性能を得るには、バイアス電圧を１．２Ｖとする必要がある場合、所望の性能を損なわず、コントロール電圧による制御性を向上させるには、図４のような特性を示すゲートバイアス回路となる。図４は、コントロール電圧Ｖapcに対するゲート電圧Ｖgを示した図である。図のように、ゲートバイアス印加用端子電圧の変動を０．８Ｖ近傍で少なくして、出力パワーの急峻な変化を防ぎ、所望の特性が得られるゲートバイアス印加用端子電圧１．２Ｖを、コントロール電圧の制御範囲内で設定する。ここで、使用するＭＯＳＦＥＴ２４のＶthは、増幅用ＭＯＳＦＥＴと同じ０．８Ｖにできるため、同一半導体プロセス技術を用いることが可能である。これにより、抵抗２５，２６，２８を含めて同一チップにでき、歩留まり向上、チップ取得数向上に役立ち、製造コスト低減に効果がある。
【００５２】
尚、半導体増幅素子としてＭＯＳＦＥＴの代わりにＧａＡｓとＡｌＧａＡｓのような異なる材質の接合を利用したヘテロバイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）を用いるとき、バイアス回路にも同様にＭＯＳＦＥＴ２４の代わりにＨＢＴを利用でき、抵抗についても上記ＭＯＳＦＥＴを用いる場合と同様な部材が適用できる。
【００５３】
以上のように、上記実施形態のバイアス回路では、コントロール電圧に対するゲート電圧の変化を、出力パワーの変動に応じて制御しているため、出力パワーの急峻な変化が緩和され、出力パワーの制御性が向上する。
【００５４】
また、高出力，高効率といった所望の特性が得られる最適なバイアスを設定可能なため、その特性を劣化させることはない。
【００５５】
従って、本実施形態１の高周波電力増幅モジュールを組み込んだ無線通信装置は、出力パワーの制御性が良好であることから、基地局から指示される送信電力情報に高精度に適用でき、最も望ましい出力によって通話を行うことができる。これにより、内蔵する電池の長寿命化が達成できる。
【００５６】
尚、上記ダイオード接続のトランジスタに変えてダイオードを使用しても上記実施形態同様の効果が得られる。
【００５７】
（実施形態２）
図５は本発明の他の実施形態（実施形態２）に係わる高周波電力増幅モジュールの一部を示す図である。本実施形態２は高周波電力増幅モジュールを３段（初段，中段，終段）構成の高周波電力増幅モジュールとし、この多段構成の高周波電力増幅モジュールに上記実施形態１のバイアス回路を組み込んだ例である。
【００５８】
本実施形態の高周波電力増幅モジュールにおけるバイアス回路は、上記実施形態１のバイアス回路において、コントロール用端子３と接続される第２の抵抗２６の一端と直列に、段数に応じて適当な値の抵抗を直列接続挿入し、各接続点にゲートバイアス印加用端子を追加することができる。例えば、３段パワーモジュールに適用する場合、図５に示すように、上記第２の抵抗２６のコントロール用端子側に抵抗２９，３０を直列に接続し、その接続点より各バイアスを得る。上記各接続点はそれぞれ中段または終段のＭＯＳＦＥＴの制御端子１０，１１に接続される。
【００５９】
多段構成の高周波電力増幅モジュールに上記実施形態１のバイアス回路を適用した場合においても、上記実施形態と同様な効果を得ることができる。
【００６０】
（実施形態３）
図６および図７は本発明の他の実施形態（実施形態３）である高周波電力増幅モジュールにおけるバイアス回路に係わる図である。上記実施形態１および実施形態２はゲートバイアスを２段階変化の非線形制御としているが、制御方法は２段階変化の非線形制御に限定されるものではない。本実施形態３では、１段階変化の非線形特性を示すバイアス回路について説明する。
【００６１】
本実施形態３のバイアス回路は上記実施形態１のバイアス回路において、ＭＯＳＦＥＴ２４のゲートを直接ドレインに接続した構成となり、図１におけるＲＦカット用の抵抗２８は設けられていない構成になっている（図６参照）。
【００６２】
図７は図６のバイアス回路におけるコントロール電圧に対するゲートバイアス印加用端子電圧（ゲート電圧）ＶgとＭＯＳＦＥＴ２４のゲート端の電圧Ｖg24について略して示す。
【００６３】
コントロール電圧の上昇に伴いＭＯＳＦＥＴ２４のゲート端の電圧Ｖg24は、Ｖth近傍まではＭＯＳＦＥＴ２４がオフのため上昇し、それ以降は、ほぼ飽和の状態となる。そのため、ゲートバイアス印加用端子電圧Ｖgは、Ｖth近傍まではコントロール電圧とほぼ同じ電圧が出力され、Ｖth近傍の領域では、Ｖth近傍での変化が少ない電圧が出力され、更に高いゲートバイアス印加用端子電圧Ｖgの領域では、ＭＯＳＦＥＴ２４がオン状態なため、主に抵抗２５,２６の分圧比で決定される電圧が出力される。
【００６４】
以上のように、コントロール電圧に対するゲートバイアス印加用端子電圧の変化が、コントロール電圧の値により異なり、その変化量から、動作領域が２つの領域に大きく分けられ、上記各領域は、コントロール電圧に対するゲートバイアス印加用端子電圧の変化が、ゲートバイアス印加用端子電圧がＭＯＳＦＥＴ２４のＶth近傍までは急峻であり、Ｖth近傍の領域は変化が少なく、１段階変化の非線形制御となっている。その各領域のコントロール電圧に対するゲートバイアス印加用端子電圧の変化量の設定は、ＭＯＳＦＥＴ２４のゲート幅、ゲート長、Ｖth等のパラメータと抵抗２５,２６を調整することにより可能である。
【００６５】
本構成においても、コントロール電圧による出力パワーの制御範囲が広くできるため、出力パワーの急峻な変化を緩和でき、コントロール性を向上できる。
【００６６】
尚、本構成では、図１における高周波信号成分カット用の抵抗は必要なく、上記バイアス回路の実施形態と同様に１チップ化、多段化ができる。また、ＭＯＳＦＥＴ２４の代わりにダイオード等のダイオード特性を有する部材を使用することができ、上記２段階変化のバイアス回路の実施形態と同様にＧａＡｓとＡｌＧａＡｓのような異なる材質の接合を利用したヘテロバイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）を用いることもできる。
【００６７】
（実施形態４）
図８乃至図１０は本発明の他の実施形態（実施形態４）である３段構成の高周波電力増幅モジュールに係わる図である。本実施形態４では初段半導体増幅素子，中段半導体増幅素子，終段半導体増幅素子と３段増幅構成の高周波電力増幅モジュール（パワーモジュール）に適用した例について説明する。
【００６８】
図８は、本実施形態４の３段増幅のパワーモジュールの回路ブロック図である。このパワーモジュールは、入力端子１と出力端子２との間に３個の半導体増幅素子（トランジスタ）Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３をそれぞれ整合回路ＭＣ１，ＭＣ２，ＭＣ３，ＭＣ４を介して従属接続した構成になっている。トランジスタはＮチャネル型のＭＯＳＦＥＴからなっている。各トランジスタＱ１，Ｑ２，Ｑ３のドレイン端子はマイクロストリップライン６，７，８を介して第１電圧端子４（電源電圧Ｖdd）に接続されている。また、トランジスタＱ１，Ｑ２間のマイクロストリップライン６，７間には容量Ｃ１が設けられるとともに、トランジスタＱ２，Ｑ３間のマイクロストリップライン７，８間には容量Ｃ２が設けられている。また、各トランジスタＱ１，Ｑ２，Ｑ３の制御端子は外部制御回路よりコントロール電圧Ｖapc が供給されるコントロール端子３にゲートバイアス回路（ＧＢＣ）２２を介して接続されている。
【００６９】
ここで、通常トランジスタＱ１，Ｑ２，Ｑ３のバイアスは、終段，中段，初段の順に動作（オン）する形態をとるため、初段がオンとなるときに出力パワーの変動が大きい。
【００７０】
したがって、ゲートバイアス回路をパワーモジュールに適用する場合の実施形態の形態として、初段ＭＯＳＦＥＴのバイアスを上記実施形態の２段階変化もしくは１段階変化の非線形バイアスとする。初段ＭＯＳＦＥＴのバイアスを２段階変化もしくは１段階変化の非線形バイアスとすることで、出力パワーの変動が大きいＶth近傍のゲート電圧変動を少なくでき、出力パワーの急峻な変化を抑制できる。特に、２段階変化の非線形バイアスでは、初段がオンとなるときに、中段，終段は出力パワー変動の少ないゲート電圧の領域のため、効果が大きい。バイアス回路のＭＯＳＦＥＴのＶthと、増幅用ＭＯＳＦＥＴのＶthとの関係は、同じであるか、近接した値とするため、バイアス用ＭＯＳＦＥＴを増幅用ＭＯＳＦＥＴと同一半導体プロセス技術で形成できるため、ばらつき低減ができ、同一チップ化も可能である。
【００７１】
図９には２段階変化の非線形バイアスを適用した場合を例示する。図において、ＭＯＳＦＥＴＱ１，２４、抵抗２５，２６，２８を同一チップ３１化することにより、ばらつきを抑制できる。
【００７２】
トランジスタＱ２，Ｑ３の制御端子とコントロール端子３との間には分圧回路を形成する抵抗３５〜３８が設けられている。
【００７３】
本実施形態４の高周波電力増幅モジュールでは、図１０に示すような特性を示す。同図はコントロール電圧Ｖapc に対するゲート電圧Ｖg の変化を示すグラフであり、例えば０．８ＶがトランジスタＱ１，Ｑ２，Ｑ３のしきい値電圧Ｖthである。
【００７４】
トランジスタＱ２，Ｑ３は線形特性を示すが、トランジスタＱ１は非線形特性を示し、かつ２段階変化をする。しきい値電圧Ｖthおよびそれ以下の領域ではゲート電圧Ｖgの変化率が小さいため、ゲート電圧Ｖgの制御性、すなわち、出力パワーＰout の制御性が良くなる。また、初段トランジスタが最後に動作するとともに、この動作時には他のトランジスタＱ２，Ｑ３の動作は安定していることから、安定した増幅が行えるようになる。
【００７５】
（実施形態５）
図１１および図１２は本発明の他の実施形態（実施形態５）である３段構成の高周波電力増幅モジュールに係わる図である。本実施形態５は、初段ＭＯＳＦＥＴのバイアスを２段階変化の非線形バイアスとし、中段ＭＯＳＦＥＴのバイアスを１段階変化の非線形バイアスとし、終段のＭＯＳＦＥＴのバイアスを２段階変化の非線形バイアスとするものである。
【００７６】
図１１に示すように、本実施形態５の回路構成は上記実施形態４の回路構成において、ゲートバイアス回路（ＧＢＣ）２２の構成が異なる以外は他は同じである。
【００７７】
本実施形態５においては、トランジスタＱ１の制御端子にはバイアス回路としてＭＯＳＦＥＴ２４ａ，第１の抵抗２５ａ，第２の抵抗２６ａ，高周波信号成分カット用の抵抗２８を接続して非線形特性が２段階変化する構成としてある。なお、第２の抵抗２６ａの一端は抵抗２９を介してコントロール端子３が接続される構造になっている。
【００７８】
また、トランジスタＱ２の制御端子にはバイアス回路としてＭＯＳＦＥＴ２４ｂ，第１の抵抗２５ｂ，第２の抵抗２６ｂを接続し、高周波信号成分カット用の抵抗を設けない非線形特性が１段階変化する構成としてある。
【００７９】
また、トランジスタＱ３の制御端子は上記トランジスタＱ１のバイアス回路において、第２の抵抗２６ａと抵抗２９との接続部分に接続する構造となり、非線形特性が２段階変化する構成となっている。
【００８０】
本実施形態５の高周波電力増幅モジュールの特性、すなわち、コントロール電圧Ｖapcとゲート電圧Ｖgとの相関は図１２に示すグラフのようになる。
【００８１】
各ＭＯＳＦＥＴがオンとなるタイミングとしては、終段、中段を初段より先にオンとなるように設定し、出力段用バイアスは、コントロール電圧の上昇に出力パワーが追従するように２段階変化に設計される。バイアス回路各段ＭＯＳＦＥＴのＶthと、増幅用各段ＭＯＳＦＥＴのＶthとの関係は、少なくとも初段は同じであるか近接した低い値とする。
【００８２】
本実施形態５のパワーモジュールでは、初段ＭＯＳＦＥＴがオンとなる前に、終段、中段ＭＯＳＦＥＴがオンとなり、終段，中段には利得の得られるバイアスが印加されるため、初段がオンする前の低コントロール電圧領域で、出力パワーが急峻に変化するのを緩和できる。
【００８３】
また、初段ＭＯＳＦＥＴがオンとなるコントロール電圧の領域では、初段のゲートバイアスはＶth近傍で変動を小さく、その時の中段，終段のゲートバイアスは、利得変動の少ない領域にバイアスされるため、この領域の出力パワーの変動も少なくできる。
【００８４】
更に、高出力時に所望の特性が得られるバイアスが、各段のＭＯＳＦＥＴに対して印加できるため、コントロール性の向上で特性が損なわれることはない。
【００８５】
更にまた、大きな出力パワーを必要とするコントロール電圧の高い領域では、終段ＭＯＳＦＥＴ用のバイアス回路を２段階変化の非線形バイアスにしているため、コントロール電圧の増加に対して、出力パワーが飽和するのを防ぐことができる。
【００８６】
尚、バイアス回路に用いるＭＯＳＦＥＴを増幅用ＭＯＳＦＥＴと同一半導体プロセス技術で形成できるため、ばらつき低減が図れ、上記実施形態と同様に同一チップ化もできる。
【００８７】
（実施形態６）
図１３および図１４は本発明の他の実施形態（実施形態６）である３段構成の高周波電力増幅モジュールに係わる図であり、図１３は回路図、図１４はコントロール電圧とゲート電圧の相関を示すグラフである。
【００８８】
本実施形態６は、図１３に示すように、全てのＭＯＳＦＥＴ（トランジスタＱ１，Ｑ２，Ｑ３）のバイアスを２段階変化の非線形バイアスとした構成である。初段ＭＯＳＦＥＴＱ１，ＭＯＳＦＥＴ２４および抵抗２５，２６，２８，２９，３０を同一チップ３１で形成してある。また、各ＭＯＳＦＥＴ（Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３）がオンとなるタイミングとしては、終段，中段を初段より先にオンとなるように設定し、出力段用バイアスは、コントロール電圧の上昇に出力パワーが追従するように２段階変化に設計される。バイアス回路に用いるＭＯＳＦＥＴは各段共通にでき、そのＶthを増幅用各段ＭＯＳＦＥＴのＶthと同じであるか近接した低い値とする。
【００８９】
本実施形態６のバイアスされたパワーモジュールは、図１４のグラフで示すように、初段ＭＯＳＦＥＴがオンとなる前に、終段，中段ＭＯＳＦＥＴがオンとなっており、初段ＭＯＳＦＥＴがオンとなるコントロール電圧の領域では、初段のゲートバイアスはＶth近傍で変動を小さく、その時の中段，終段のゲートバイアスは、利得変動の少ない領域にバイアスされるため、この領域の出力パワーの変動も少なくできる。
【００９０】
更に、高出力時に所望の特性が得られるバイアスが、各段のＭＯＳＦＥＴに対して印加できるため、コントロール性の向上で特性が損なわれることはない。
【００９１】
更にまた、大きな出力パワーを必要とするコントロール電圧の高い領域では、終段ＭＯＳＦＥＴ用のバイアス回路を２段階変化の非線形バイアスにしているため、コントロール電圧の増加に対して、出力パワーが飽和するのを防ぐことができる。
【００９２】
尚、バイアス回路に用いるＭＯＳＦＥＴを増幅用ＭＯＳＦＥＴと同一半導体プロセス技術で形成できるため、ばらつき低減が図れ、同一チップ化ができる。
【００９３】
（実施形態７）
図１５は本発明の他の実施形態（実施形態７）である３段構成の高周波電力増幅モジュールのバイアス回路によるコントロール電圧に対するゲート電圧の相関を示すグラフである。
本実施形態７の高周波電力増幅モジュールにおけるバイアス回路は、上記実施形態２で示す図５のバイアス回路において、抵抗２５を設けないバイアス回路構成にしたものである。この場合、図１５に示すように全てのトランジスタＱ１，Ｑ２，Ｑ３は１段階変化の非線形特性を示すようになる。そこで、終段，中段を初段より先にオンとなるように設定しておけば、上記各実施形態の場合のバイアス回路と同様に出力パワーＰout の制御性を高めることができる。
【００９４】
以上本発明者によってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない、たとえば、上記実施形態ではシリコンによって形成されたＭＯＳＦＥＴやＧａＡｓとＡｌＧａＡｓのような異なる材質の接合を利用したヘテロバイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）による高周波電力増幅モジュールについて本発明を適用した例について説明したが、他のトランジスタを用いた高周波電力増幅モジュールにも同様に適用でき同様の効果を得ることができる。例えばシリコンによって形成された他の構造からなるＭＩＳＦＥＴ(Metal-Insulator Semiconductor-FET）、ＧａＡｓによって形成されたＭＥＳＦＥＴ（Metal-Semiconductor-FET）、化合物半導体によって形成されたＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor)、ＳｉとＧｅによって形成されるトランジスタ等を用いた高周波電力増幅モジュールやその高周波電力増幅モジュールを組み込んだ無線通信装置にも適用できる。
【００９５】
以上の説明では主として本発明者によってなされた発明をその背景となった利用分野である移動体通信機（携帯電話機）に適用した場合について説明したが、それに限定されるものではない。
本発明は少なくとも無線通信装置には適用できる。
【００９６】
【発明の効果】
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
【００９７】
（１）本発明によれば、パワーモジュールの出力パワーを、外部制御回路から出るコントロール電圧に基づいてバイアスされる、消費電力の少ないゲート電圧による制御を行う場合において、高出力，高効率といった所望の特性となるバイアスをバイアス回路により発生するとともに、コントロール電圧に対するゲート電圧の変化を、パワーモジュールに用いるＭＯＳＦＥＴのＶthより低いゲート電圧の領域では多くし、上記Ｖth近傍では少なくし、更に、高出力が必要な場合には、高いゲート電圧の領域で多くする。このように、コントロール電圧に対するゲート電圧の変化が、非線形性を有するバイアス回路を、パワーモジュールに設けることで、パワーモジュールの所望の特性を損なうことなく、コントロール電圧に対して出力パワーが急峻に変化するのを防ぎ、出力パワーのコントロール性が向上できる。従って、パワーモジュールが利用上便利となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態（実施形態１）である高周波電力増幅モジュールにおけるバイアス回路とその特性を示すグラフである。
【図２】本実施形態１の無線通信装置の一部の構成を示すブロック図である。
【図３】本実施形態１の高周波電力増幅モジュールにおけるバイアス回路図である。
【図４】本実施形態１の高周波電力増幅モジュールにおける具体的なバイアス回路における特性を示すグラフ等である。
【図５】本発明の他の実施形態（実施形態２）である３段構成の高周波電力増幅モジュールに組み込まれるバイアス回路図である。
【図６】本発明の他の実施形態（実施形態３）である高周波電力増幅モジュールにおけるバイアス回路図である。
【図７】本実施形態３のバイアス回路とその特性を示すグラフである。
【図８】本発明の他の実施形態（実施形態４）である３段構成の高周波電力増幅モジュールを示すブロック図である。
【図９】本実施形態４の高周波電力増幅モジュールを示す回路図である。
【図１０】本実施形態４の高周波電力増幅モジュールのバイアス回路によるコントロール電圧に対するゲート電圧の相関を示すグラフである。
【図１１】本発明の他の実施形態（実施形態５）である３段構成の高周波電力増幅モジュールを示す回路図である。
【図１２】本実施形態５の高周波電力増幅モジュールのバイアス回路によるコントロール電圧に対するゲート電圧の相関を示すグラフである。
【図１３】本発明の他の実施形態（実施形態６）である３段構成の高周波電力増幅モジュールを示す回路図である。
【図１４】本実施形態６の高周波電力増幅モジュールのバイアス回路によるコントロール電圧に対するゲート電圧の相関を示すグラフである。
【図１５】本発明の他の実施形態（実施形態７）である３段構成の高周波電力増幅モジュールのバイアス回路によるコントロール電圧に対するゲート電圧の相関を示すグラフである。
【図１６】本発明者の追試験によって得られたコントロール電圧に対する出力電力の相関を示すグラフである。
【符号の説明】
１…入力端子、２…出力端子、３…コントロール端子（バイアス供給端子）、４…第１電圧端子、５…第２電圧端子、６，７，８…マイクロストリップライン、１３…高周波電力増幅モジュール（パワーモジュール）、１４…高周波電力増幅器（ＨＰＡ）、１５…カプラ（ＣＰ）、１６…フィルタ（ＦＩＬ）、１７…アンテナ（ＡＮＴ）、１８…検波器（ＤＥＴ）、１９…送信電力制御回路（ＣＮＴ）、２１…高周波信号源（ＲＦＳ）、２２…ゲートバイアス回路（ＧＢＣ）、２３…ドレインバイアス回路（ＤＢＣ）、２４，２４ａ，２４ｂ…トランジスタ（Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴ）、２５，２５ａ，２５ｂ…第１の抵抗、２６，２６ａ，２６ｂ…第２の抵抗、２７…制御端子、２８〜３０…抵抗、３１…チップ３１、３５〜３８…抵抗。
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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