JP2006050053A - 無線通信装置および高周波電力増幅器 - Google Patents

Abstract

【課題】高周波電力増幅器において、高出力時のバイアス電流増加によるチョークインダクタの電位降下が原因となり、出力が低下するという課題があった。
【解決手段】高周波電力増幅器において、GaAs HBTによる高周波電力素子とバイアス電圧を決めるバイアス回路とバイアス電流を供給するバッファアンプとバッファアンプの供給電流を検出する電流検出回路と検出電流に比例した電圧を発生する電圧発生回路により構成し、チョークインダクタの電位降下と等価な電圧を電圧発生回路内で作ってバッファアンプにフィードバックすることにより出力低下を防ぐ。
【選択図】図２

Description

本発明は、無線通信装置および無線通信装置の送信部に用いられる高周波電力増幅器に関し、特に広範囲に出力電力を制御する必要のある携帯電話機等において、電力増幅素子としてGaAsヘテロ接合バイポーラトランジスタ（HBT）やSiGeバイポーラ接合トランジスタを用いた場合に有効な技術に関するものである。

携帯電話機では、基地局との距離に応じた出力電力制御や送信の開始・終了時の安定な送信電力制御が要求されている。例えば、欧州やアジアで普及しているGSM方式では、この出力電力制御を行うためにAPC(Automatic Power Control)と呼ばれる回路が採用されており、ベースバンド回路より出力されるランピングパルス(Ramping Pulse)と呼ばれる送信電力制御信号に応じて高周波電力増幅器の電力を決定する。従って、高周波電力増幅器では、APC回路からの制御電圧に応じて出力電力を変化させることが要求される。

高周波電力増幅器としては、従来GaAs FET(Field Effect Transistor)がよく用いられていたが、最近はGaAs HBTが採用され始めている。これは、GaAs HBTが負電源を必要としない、同じ電力を得るのに必要なチップサイズが小さい等の利点を有するためである。ところが、GaAs FETと異なり、GaAs HBTはベース電流により制御される素子であり、電力制御のためにはバイアス回路が重要になる。

図４は、バイアス回路を内蔵した高周波電力増幅器の一例の構成を示すブロック図である。高周波電力増幅器は２段により構成され、モジュールに搭載されている。

図４において、高周波電力増幅器3Bは、セラミック等のモジュール基板上に、入力整合回路30、段間整合回路31、出力整合回路32、チョークインダクタ34・35、第１の半導体チップ33、第２の半導体チップ36がマウントされることにより構成されている。Pin 11はRF入力端子、Pout 12はRF出力端子、Vapc 13は電力制御電圧入力端子である。第１の半導体チップ33は、GaAs基板上に高周波電力増幅素子のGaAs HBT 41・42と、HBT 41・42と同じ温度特性を持つダイオード接続されたトランジスタ40により構成されており、第２の半導体チップ36はシリコン基板上にバイポーラトランジスタを用いたバッファアンプ51・52と、定電流源53、抵抗54、電力制御電圧Vapcに応じて電流値が変化する電流源55を備えたバイアス回路50により構成されている。

RF信号はRF入力端子11より入力され、入力整合回路30、初段高周波電力素子41、段間整合回路31、後段高周波電力素子42、出力整合回路32を経てRF出力端子12より外部のアンテナ等へ出力される。第２の半導体チップ36では、定電流源53の電流I0を第１の半導体チップ33に構成されているHBT 40に流し込むことにより得た基準電位から抵抗54の両端の電位差を電位降下させた電位をバイアス電圧としてバッファアンプ51・52を通して高周波電力素子41・42のベースに供給する。図４において、２段の高周波増幅素子に対してバイアス回路50は１つであるが、各段でそれぞれバイアス回路を備えることも可能である。

定電流源53は、バンドギャップ回路等の採用により電流I0の温度依存性を小さくすることは容易であるため、HBT40で発生する電位VBEは温度依存性を示すが、高周波電力素子41・42のコレクタ電流および出力電力は温度依存性を小さくすることが出来る。

バイアス回路50では、HBT 40と電流I0で決まる基準電位VBEより抵抗54の両端の電位差(Rshift×Ictl)を電位降下させてバイアス電圧を決定する。このバイアス電圧は電流I0で決まるVBEを超えることはないため、自己発熱による温度上昇が発生した場合には温度上昇に伴って電位は下がり、高周波電力増幅素子が熱暴走を起こすことはない。また、電力制御電圧によるバイアス電圧の変化を線形にすることは容易であり、この線形変化をHBT 41・42のベースに与えた場合、HBT 41・42のコレクタ電流を指数関数的に広範囲に変化させることが出来る。このときの対数表示(dBm)された出力電力Poutの変化は線形であり、電力制御電圧Vapcに対する出力電力Pout(dBm)の関係が線形になることを意味する。

図５は、従来の高周波電力増幅器の一例におけるバイアス回路の具体的な回路図を示す。

図５において、バイアス回路50は、R1,R2からなるアッテネータ、Q1,Q2,R3からなる差動増幅器、Q3,Q4,R4,R5からなるカレントミラー、Q6,Q7,R6,R7からなるカレントミラー、ベース接地回路Q5、電流源I0、I1、I2、抵抗Rshiftにより構成されている。Vapc＜V1×(R1+R2)/R2の場合、電力制御電圧Vapcが増大するに伴ってQ2のコレクタ電流が減り、定電流I2と減算された後、Q7のコレクタ電流Ictlが増大することになる。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開２００３−３４７８５１号公報

上記の説明の様な電力制御を可能にした高周波電力増幅器の場合も、出力電力が大きくなると高周波電力増幅器のバイアス電流が増加してチョークインダクタの抵抗成分により高周波電力増幅器のベース電位が下がり、出力電力が低下して所望の電力が得られないという課題がある。

本発明は上記従来の課題を解決するものであり、高周波電力増幅素子のバイアス電流増加時のチョークインダクタの電位降下による出力電力低下を防ぐことのできる高周波電力増幅器およびそれを用いた無線通信装置を提供することを目的とする。

上記の目的を実現するために、本発明の請求項１記載の高周波電力増幅器は、GaAsヘテロバイポーラトランジスタからなり、入力された高周波信号を増幅する高周波電力増幅素子と、高周波電力増幅素子のベースに接続されるチョークインダクタと、高周波電力増幅素子にバイアス電圧を供給するバッファアンプと、バッファアンプの供給電流を検出する電流検出回路と、検出電流に比例した電圧を発生する電圧発生回路を備えている。

バッファアンプの電圧は、チョークインダクタを介して高周波電力増幅器に印加されると共に電圧発生回路にも印加され、検出電流に比例した電圧分だけ電位が下がってバッファアンプの負入力端子に入力される。

この構成によれば、バイアス電流とチョークインダクタによる電位降下に相当する電位降下を電圧発生回路で実現することにより、高周波電力増幅器のベース電位に等しい電位をバッファアンプにフィードバックすることができ、バイアス電流が増加した時のチョークインダクタにおける電位降下を原因とする出力電力の低下を防ぐことができる。

また、本発明の請求項２記載の無線通信装置は、ベースバンド回路と、このベースバンド回路からの出力信号を変調する変調回路部と、変調回路部の出力信号を高周波増幅してアンテナへ供給する高周波電力増幅器とで送信部が構成されており、高周波電力増幅器として請求項１記載の高周波電力増幅器を備えている。

この構成によれば、高周波電力増幅器が請求項１記載の高周波電力増幅器と同様の作用を有する。

本発明は、高周波電力増幅素子にバイアス電位を与えるバッファの供給する電流を検出する電流検出回路と検出電流に比例した電圧を発生する電圧発生回路とを備えることにより、バイアス電流増加時のチョークインダクタにおける電位降下を原因とする出力電力の低下を防ぐことを可能にした無線通信装置および高周波電力増幅器を提供できるという優れた効果がある。

高周波電力増幅器における、高出力時のバイアス電流増加によるチョークインダクタの電位降下を原因とする出力電力の低下を防ぐという目的を、電流検出回路と電圧発生回路のみの追加により実現した。

（実施の形態）
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

図１は、本発明の一実施形態における無線通信装置の送信部のブロック図である。

図１において、ベースバンド回路１は送信信号(Signal)と電力制御パルス(Ramping Pulse)を出力する。送信信号は、変調回路7と周波数変換回路8により構成される変調回路部2により所定のRF周波数に変換された後に、RF入力端子11とRF出力端子12と電力制御信号入力端子13を備えた高周波電力増幅器3において所定の電力に増幅されて、RFフィルタ4を通り、アンテナ5へ出力される。もう一方の電力制御パルスは電力制御回路6に入力される。電力制御回路6は、電力制御信号を高周波電力増幅器3の電力制御信号入力端子13へ出力する。

次にこのようなブロック構成の無線通信装置の動作を説明する。

ベースバンド回路１は、送信電力を上げる場合に電力制御パルスの電位を上昇させる。電力制御回路6では、前記電力制御パルスの電位に応じて電力制御電圧Vapcを変化させる。高周波電力増幅器３は、前記電力制御電圧Vapcの電位に対応して高周波電力増幅素子のバイアス電圧を変え、出力電力を変化させる。GSM方式の場合、この電力制御範囲は30dB以上に及ぶ。

次に本発明の無線通信装置を構成する高周波電力増幅器の実施形態について説明する。

図２は本発明の第１の実施の形態の高周波電力増幅器の構成を示すブロック図である。この高周波電力増幅器３Ａは、第１の高周波電力増幅器３として使用されるもので、GaAs HBTからなる２段の高周波電力増幅素子により構成され、モジュールに搭載されている。

図２において、高周波電力増幅器３Ａは、セラミック等によるモジュール基板上に、入力整合回路30と、段間整合回路31と、出力整合回路32と、チョークインダクタ34、35と、半導体チップ33と、半導体チップ36とがマウントされることにより構成されている。

モジュール基板上には、RF信号Pinが入力されるRF入力端子11と、RF信号Poutが出力されるRF出力端子12と、電力制御電圧Vapcが印加される電力制御電圧入力端子13とが設けられている。

半導体チップ33は、GaAs HBT基板上に、GaAs HBTからなる高周波電力増幅素子41、42と、高周波電力増幅素子41、42のバイアス回路のうちのダイオード接続されたGaAs HBTからなる基準電圧生成素子40とが形成された構造を有している。高周波電力増幅素子41、42は入力された高周波信号を増幅するための素子である。基準電圧生成素子40は、高周波電力増幅素子41、42のベースにバイアス電圧として与えるための基準電圧を生成するための素子、つまりバイアス電圧を決めるための素子である。これらの高周波電力増幅素子41、42と基準電圧生成素子40とは同一の温度特性を有している。

半導体チップ36は、シリコン基板上に、バイアス電圧を発生するバイアス回路50と、バイポーラトランジスタを用いて構成して高周波電力増幅素子41、42にそれぞれバイアス電圧を与えるバッファアンプ51、52と、バッファアンプ52の出力段電流を検出する電流検出回路56と、バッファアンプ52の出力電圧と前記検出電流が印加されてバッファアンプ52の帰還入力端子に電位を与える電圧発生回路57とが構成されている。

バイアス回路50は、バイポーラトランジスタを用いて構成した定電流源53、抵抗54、バイポーラトランジスタにより構成して電力制御電圧Vapcに応じて電流値Ictlが変化する可変電流源55を備えている。定電流源53は基準電圧発生素子40に接続され、抵抗54の両端が定電流源53と可変電流源55とにそれぞれ接続されている。

RF信号Pinは、RF入力端子11より入力され、入力整合回路30、初段の高周波電力増幅素子41、段間整合回路31、次段の高周波電力増幅素子42および出力整合回路32を経てRF出力端子12よりRF信号Poutとして外部のアンテナ等へ出力される。

半導体チップ36では、定電流源53の電流I0を基準電圧生成素子40に流し込むことにより定電流源53とトランジスタ40の接続点に基準電圧を得、この基準電圧より抵抗54の両端の電位差分を電位降下させた電圧を、抵抗54と可変電流源55の接続点に得るようしている。この電圧はバイアス電圧として、バッファアンプ51、52より高周波電力増幅素子41、42へそれぞれ供給される。一方、電流検出回路56は、バッファアンプ52の出力段の電流を検出して電圧発生回路57に供給し、電圧発生回路57では印加されているバッファアンプの出力電圧から前記検出電流に比例した電圧を電位降下させた電圧をバッファアンプ52の帰還入力端子にフィードバック入力される。

つぎに、本実施の形態による高周波電力増幅器の動作について説明する。高周波電力素子42にはバッファアンプ52よりバイアス電流Ibaseが供給されているが、出力電力が大きくなるとバイアス電流Ibaseが増大してチョークインダクタ35の持つ抵抗成分による電位降下Vbuf-Vbaseも大きくなってくる。ここで、Vbufはバッファアンプ52の出力電圧、Vbaseは高周波出力電力素子42のベース電圧である。

電流検出回路56ではバッファアンプの出力段電流Ibufを検出して電圧発生回路57に印加するが、高出力時にはこの出力段電流Ibufは高周波電力増幅素子42のバイアス電流Ibaseにほぼ等しい。電圧発生回路57では、検出電流Ibufに比例した電圧Vdownを得て、バッファアンプ52の出力電圧Vbufから電圧Vdown下がった電位Vbuf-Vdownをバッファアンプ52の帰還入力端子に与える。このとき、電流検出回路56および電圧発生回路57の回路定数を選び、Vdownを適切に設定することにより、Vdown≒Vbuf-Vbaseとすることができる。この状態では、電圧発生回路57内にチョークインダクタの電位降下分の電圧を発生して高周波電力素子42のベース電圧Vbaseとほぼ等しい電圧をバッファアンプ52にフィードバックしていることになる。これにより、バッファアンプ52はバイアス回路50により発生したバイアス電圧を高周波電力増幅素子42のベース電圧に印加することが可能になり、チョークインダクタ35におけるバイアス電流による電位降下を補正することができ、出力電力の低下を軽減することが出来ることになる。

図３は、本発明の第１の実施の形態の高周波電力増幅器におけるバイアス回路50、バッファアンプ51、52、電流検出回路56、電圧発生回路57の具体的な構成を示す回路図である。

図３において、バイアス回路50は抵抗R1、R2からなるアッテネータ、トランジスタQ1、Q2および抵抗R3からなる差動増幅器、トランジスタQ3、Q4および抵抗R4、R5からなるカレントミラー、トランジスタQ6、Q7および抵抗R6、R7からなるカレントミラー、トランジスタQ5からなるベース接地回路、電流源I0、I1、I2、抵抗Rshift、定電圧源V1、V2により構成され、電流検出回路56はトランジスタQ50、Q51、Q52からなるカレントミラーにより構成され、電圧発生回路57はトランジスタQ53、Q54からなるカレントミラー、抵抗R50により構成されている。

以上のような構成において、電流検出回路56のカレントミラーのミラー比と電圧発生回路57の抵抗R50の値を適切に設定することにより抵抗R50における電位降下Vdownを
Vdown=α×Ibuf×R50≒Vbuf-Vbase
とすることができる。ここで、αは電流検出回路56のミラー比、Vbufはバッファアンプ52の出力電圧、Vbaseは高周波電力増幅素子42のベース電圧を示す。

このとき、バッファアンプ52の負入力端子に印加される電圧Vfbは
Vfb=Vbuf-Vdown≒Vbase
となり、高周波電力増幅素子42のベース電圧Vbaseにほぼ等しい電圧Vfbをフィードバックすることができ、チョークインダクタによる電位降下を補正することが可能になる。

本発明は、高周波電力増幅素子にバイアス電位を与えるバッファの供給する電流を検出する電流検出回路と検出電流に比例した電圧を発生する電圧発生回路とを備えることにより、バイアス電流増加時のチョークインダクタにおける電位降下を原因とする出力電力の低下を防ぐことを可能にした無線通信装置および高周波電力増幅器を提供できるという優れた効果がある。

本発明が適用される無線通信装置の送信部の構成を示すブロック図 本発明の実施形態の高周波増幅器の構成を示すブロック図 本発明の実施形態の高周波増幅器におけるバイアス回路・バッファアンプ・電流検出回路・電圧制御回路の構成を示す回路図 従来の高周波増幅器の一例を示すブロック図 従来の高周波増幅器の一例におけるバイアス回路の回路図

符号の説明

１ ベースバンド回路
２ 変調回路部
３、３Ａ、３Ｂ 高周波電力増幅器
４ RFフィルタ
５ アンテナ
６ 電力制御回路
７ 変調回路
８ 周波数変換回路
１１ RF入力端子
１２ RF出力端子
１３ 電力制御電圧入力端子
３０ 入力整合回路
３１ 段間整合回路
３２ 出力整合回路
３３ 第１の半導体チップ
３４、３５ チョークインダクタ
３６ 第２の半導体チップ
４０ HBT
４１、４２ HBT電力増幅素子
５０ バイアス回路
５１、５２ バッファアンプ
５３、５５ 電流源
５４ 抵抗
５６ 電流検出回路
５７ 電圧発生回路
Ｑ１〜Ｑ７，Ｑ５０〜Ｑ５４ バイポーラトランジスタ
Rshift,Ｒ１〜Ｒ７，Ｒ５０ 抵抗
Ｉ０〜Ｉ２,Ｉｃｔｌ，Ｉｂｕｆ 電流源

Claims (2)

1. GaAsへテロ接合バイポーラトランジスタからなり入力された高周波信号を増幅する高周波電力増幅素子と、
   前記高周波電力増幅素子のベースに接続されるチョークインダクタと、
   前記チョークインダクタに接続されて前記高周波電力増幅素子にバイアス電圧を与えるバッファアンプと、
   外部から印加される電力制御電圧によりバイアス電圧を決定するバイアス回路と、
   前記バッファアンプの供給電流を検出する電流検出回路と、
   前記電流検出回路において得られた検出電流に比例した電圧を発生する電圧発生回路とを備え、
   前記バッファアンプの出力電圧より前記検出電流に比例した電圧だけシフトした電圧を前記バッファアンプにフィードバックすることを特徴とする高周波電力増幅器。
2. ベースバンド回路と、このベースバンド回路からの出力信号を変調する変調回路部と、前記変調回路部の出力信号を高周波増幅してアンテナへ供給する高周波電力増幅器とで送信部が構成された無線通信装置であって、
   前記高周波電力増幅器として請求項１記載の高周波電力増幅器を備えたことを特徴とする無線通信装置。

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