JP2007142514A - 可変利得電力増幅器 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の増幅器では、所望の利得を高精度で得ることが困難である。
【解決手段】可変利得電力増幅器１は、電力増幅部１０および信号生成部２０を備えている。電力増幅部１０は、制御端子１２を有し、制御端子１２に与えられる制御信号によって利得が可変である。信号生成部２０は、制御端子１２に与える制御信号を生成する。この信号生成部２０は、２値信号によってオン状態またはオフ状態に制御されるスイッチ回路２２と、定電流を発生する定電流源２４と、可変電流を発生する可変電流源２６とを含んでいる。また、信号生成部２０は、スイッチ回路２２がオン状態のとき、電力増幅部１０をオンさせるとともに、上記定電流と上記可変電流との和の大きさに依存した大きさの制御信号を生成する。一方、信号生成部２０は、スイッチ回路２２がオフ状態のとき、電力増幅部１０をオフさせる大きさの制御信号を生成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、可変利得電力増幅器に関する。

近年、ISM（Industry Science Medical）帯や特定小電力無線等の通信機器においては、小型、低消費電力化および送信周波数の高精度化が求められ、多くの機能がIC化されるようになってきている。これらに用いられる送信機についても同様に、発振器、PLL周波数シンセサイザ、変調器、電力増幅器および制御用マイコン等の機能回路のICへの内蔵化が進んでいる。

特に、リモートキーレスエントリー（RKE）を主な用途とした送信機においては、自動車キーに内蔵するため、回路のIC化が要求されている。具体的には、必要な回路を必要最小限の機能ピンを配した小型パッケージに搭載し、簡単かつ少数の外付け部品で構成することが求められる。また、国内外の仕様に合うように、ASK変調（Amplitude Shift Keying）あるいはOOK変調（On-Off-Keying、オン／オフ制御によるEnable動作も含む）とFSK変調（Frequency Shift Keying）とが同一ICにて可能で、且つ出力電力を微調整可能であることが望まれる。

従来の電力増幅器としては、例えば特許文献１，２に記載されたものがある。図５は、特許文献１に記載された可変利得電力増幅器を示す回路図である。トランジスタ１０１は、抵抗１０２，１０３によって自己バイアスされた電力増幅部を構成している。トランジスタ１０１のベースには、可変電流源１１０が接続されている。可変電流源１１０は、トランジスタ１１１，１１２を含むカレントミラー回路として構成されている。この増幅器においては、端子１０４にカレントミラー制御用の入力電圧を加え、ベースバイアス電流を分流制御することによって利得制御を行なっている。

図６は、図５の可変利得電力増幅器における利得制御の特性例を示すグラフである。横軸がカレントミラー制御用の入力電圧（V）、縦軸が利得（dB）をそれぞれ表している。このように、電力増幅用トランジスタ１０１のベースに可変電流源１１０を付加し、制御電圧に応じてベース電流制御を行なうことによって利得制御が行われている。
特開平６−１６４２４９号公報 特開２０００−２９５０５０号公報

しかしながら、図５の増幅器においては、利得制御電圧の僅かな変動で電力利得が大きく変化し、所望の利得を高精度で得ることが困難である。

本発明による可変利得電力増幅器は、制御端子を有し、当該制御端子に与えられる制御信号によって利得が可変な電力増幅部と、上記制御端子に与える上記制御信号を生成する信号生成部と、を備え、上記信号生成部は、２値信号によってオン状態またはオフ状態に制御されるスイッチ回路と、定電流を発生する定電流源と、可変電流を発生する可変電流源とを含み、上記スイッチ回路がオン状態のとき、上記電力増幅部をオンさせるとともに、上記定電流と上記可変電流との和の大きさに依存した大きさの上記制御信号を生成し、上記スイッチ回路がオフ状態のとき、上記電力増幅部をオフさせる大きさの上記制御信号を生成することを特徴とする。

また、本発明による可変利得電力増幅器は、制御端子を有し、当該制御端子に与えられる制御信号によって利得が可変な電力増幅部と、上記制御端子に与える上記制御信号を生成する信号生成部と、を備え、上記信号生成部は、定電流を発生する定電流源と、可変電流を発生する可変電流源とを含み、上記定電流と上記可変電流との和の大きさに依存した大きさの上記制御信号を生成することを特徴としてもよい。

これらの増幅器においては、定電流源からの定電流と可変電流源からの可変電流との和の大きさに依存した大きさの制御信号が電力増幅部の制御端子に与えられる。したがって、電力利得制御をアナログ的に行うことが可能である。

本発明によれば、高精度な利得調整が可能な可変利得電力増幅器が実現される。

以下、図面を参照しつつ、本発明による可変利得電力増幅器の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

（第１実施形態）
図１は、本発明による可変利得電力増幅器の第１実施形態を示すブロック図である。可変利得電力増幅器１は、電力増幅部１０および信号生成部２０を備えている。電力増幅部１０は、制御端子１２を有し、当該制御端子１２に与えられる制御信号によって利得が可変である。また、端子１４および端子１６は、それぞれ電力増幅部１０の入力端子および出力端子である。

電力増幅部１０の制御端子１２には、抵抗素子Ｒ１（第１の抵抗素子）を介して信号生成部２０が接続されている。信号生成部２０は、制御端子１２に与える制御信号を生成する。この信号生成部２０は、２値信号によってオン状態またはオフ状態に制御されるスイッチ回路２２と、定電流を発生する定電流源２４と、可変電流を発生する可変電流源２６とを含んでいる。また、信号生成部２０は、スイッチ回路２２がオン状態のとき、電力増幅部１０をオンさせるとともに、上記定電流と上記可変電流との和の大きさに依存した大きさの制御信号を生成する。一方、信号生成部２０は、スイッチ回路２２がオフ状態のとき、電力増幅部１０をオフさせる大きさの制御信号を生成する。

図２は、可変利得電力増幅器１の回路構成の一例を示す回路図である。本例において、電力増幅部１０は、バイポーラトランジスタＱ１を含んでいる。このバイポーラトランジスタＱ１のベース端子が制御端子１２に相当する。バイポーラトランジスタＱ１のエミッタ端子はグランド（GND）に接続されており、コレクタ端子は端子１６に接続されている。また、コレクタ端子と電源（Vcc）との間には、負荷Ｚ１が接続されている。また、バイポーラトランジスタＱ１のベース端子は、カップリングコンデンサＣ１を介して端子１４に接続されている。

上述のスイッチ回路２２は、互いに差動対を構成する２つのバイポーラトランジスタＱ４，Ｑ５を有している。バイポーラトランジスタＱ４，Ｑ５は、ＮＰＮ型のバイポーラトランジスタである。バイポーラトランジスタＱ４のベース端子には、参照電圧Vrefが印加される。この参照電圧Vrefは、電源電位Vccと接地電位０との間の値に設定される。一方、バイポーラトランジスタＱ５のベース端子は、ASK動作およびEnable動作のための制御電圧が印加される端子３２に接続されている。

定電流源２４は、バイポーラトランジスタＱ７および抵抗素子Ｒ７を有している。また、可変電流源２６は、バイポーラトランジスタＱ６および抵抗素子Ｒ６，Ｒ９を有している。ここで、抵抗素子Ｒ９は、可変抵抗素子であり、抵抗素子Ｒ６と直列に接続されている。可変電流源２６は、この抵抗素子Ｒ９の抵抗値に依存した大きさの電流を上記可変電流として発生する。可変利得電力増幅器１においては、例えば、抵抗素子Ｒ９が外付け抵抗として設けられ、抵抗素子Ｒ９以外の素子の全てが１つのＩＣに搭載される。

さらに、信号生成部２０は、電力増幅部１０の制御端子１２に一端が接続された抵抗素子Ｒ１の他端に接続されたバイアス回路２８を含んでいる。バイアス回路２８は、抵抗素子Ｒ２（第２の抵抗素子）を介してグランドに接続されたダイオードＤ１を有している。また、信号生成部２０は、バイポーラトランジスタＱ２，Ｑ３を有するカレントミラー回路を含んでいる。スイッチ回路２２（具体的にはバイポーラトランジスタＱ５のコレクタ端子）は、このカレントミラー回路を介して抵抗素子Ｒ１の上記他端に接続されている。

次に、図２の回路の動作を説明する。端子３２にHighレベルの制御信号（>Vref）を印加したとき、バイポーラトランジスタＱ５に流れる電流I3は、上述のカレントミラー回路によって折り返される。すると、電流I5が流れ、あるバイアスがバイアス回路２８に発生する。これによってバイポーラトランジスタＱ１に電流が流れ、電流I6と負荷Ｚ１とで電力増幅部１０の出力電力が決まる。このとき、I3=I1+I2、I4≒0、I6∝I3であり、PoutはI6の関数となる。したがって、可変電流源２６の電流I2の変化に伴い、出力電力も変化することになる。

ここで、可変電流I2の値は、上述のとおり、抵抗素子Ｒ９の抵抗値を調整することにより設定することができる。例えば、抵抗素子Ｒ９の抵抗値が無限大（すなわちオープン状態）のとき、I2=0、I3=I1となり、バイポーラトランジスタＱ１のベースバイアスおよびコレクタ電流は共に最小となる。したがって、電力増幅部１０の出力電力も最小となる。一方、抵抗素子Ｒ９の抵抗値が０（すなわちショート状態）のとき、I3=I1+I2となり、バイポーラトランジスタＱ１のベースバイアスおよびコレクタ電流は共に最大となる。したがって、電力増幅部１０の出力電力も最大となる。

端子３２にLowレベルの制御信号（<Vref）を印加したとき、I3≒０、I4＝I1+I2となるため、I6≒０となる。したがって、抵抗素子Ｒ９の抵抗値に関係なく、バイポーラトランジスタＱ１はオフ状態となり、増幅は行われないことになる。

図３は、図２の回路の動作特性を示すグラフである。横軸が抵抗素子Ｒ９の抵抗値（ｋΩ）、縦軸が出力電力（dBm）および回路電流（mA）である。線Ｌ１および線Ｌ２が、それぞれ出力電力および回路電流に対応する。このグラフから、抵抗素子Ｒ９の抵抗値を1ｋΩから100ｋΩまで変化させたとき、10dB以上の出力変化量が得られることがわかる。すなわち、入力ダイナミックレンジを大きくとれるとともに、抵抗素子Ｒ９の抵抗値の微調整により出力電力を高精度で調整できることがわかる。さらに、回路電流が出力の増減に比例して増減することがわかる。このことは、回路の低消費電流化に寄与する。

続いて、本実施形態の効果を説明する。可変利得電力増幅器１においては、定電流源２４からの定電流と可変電流源２６からの可変電流との和の大きさに依存した大きさの制御信号が電力増幅部１０の制御端子１２に与えられる。したがって、電力利得制御をアナログ的に行うことが可能である。よって、高精度な利得調整が可能な可変利得電力増幅器１が実現されている。

さらに、信号生成部２０がスイッチ回路２２を含んでいる。そして、そのスイッチ回路２２のオンおよびオフに伴い、電力増幅部１０もそれぞれオンおよびオフに制御されるように構成されている。また、スイッチ回路２２がオン状態のときには、定電流源２４からの定電流と可変電流源２６からの可変電流との和の大きさに依存した大きさの制御信号が電力増幅部１０の制御端子１２に与えられる。したがって、電力利得制御をアナログ的に行うとともに、電力増幅部１０のオン／オフ動作をデジタル的に行うことが可能である。よって、出力のオン／オフ制御とともに高精度な利得調整が可能な可変利得電力増幅器１が実現されている。ただし、信号生成部２０にスイッチ回路２２を設けることは必須ではない。

ところで、上述した図５の増幅器においては、ベースバイアス制御に使うカレントミラー回路がトランジスタ１０１のベース・エミッタ間に挿入されているため、正常動作時でもトランジスタ１１１のコレクタ・エミッタ間電圧は約0.7Vである。したがって、制御電圧の上昇により、カレントミラー電流が増大し、抵抗１１３による電圧降下が増大すると、トランジスタ１１１のコレクタ・エミッタ間電圧は更に小さくなり、飽和領域に近づいて行くため、高精度な制御が難しくなる。

また、トランジスタ１０１をC級バイアスにすると、無信号時にはベース・エミッタ間電圧は０V付近になり、トランジスタ１１１のコレクタ・エミッタ間電圧も０V付近になり、飽和してしまう。この点に関し、低消費電力化の観点からは、電力増幅器には、歪みが小さく低電力効率のA級動作よりも、歪みは大きいが高効率なC級動作の方が強く望まれている。さらに、図５の回路においては、電圧によって利得制御が行なわれるため、わずかな電圧変化でも大きく出力が変化してしまう。すなわち、入力ダイナミックレンジが小さくなってしまう。

これに対し、可変利得電力増幅器１においては、所望の出力電力を抵抗（抵抗素子Ｒ９）1つで高精度かつ任意に調整でき、且つその状態でASK、OOK変調等のオン／オフ制御が可能である。さらに、バイアス回路２８への供給電流I5を制御し、ダイオードＤ１と抵抗素子Ｒ２とでバイアス電圧を発生している。これにより、無入力時にバイポーラトランジスタＱ１のベース電位が低く、オフ状態にあっても飽和するトランジスタがないため、C級バイアス状態でも使用可能である。このようにすると、入力ダイナミックレンジを大きくとることができ、利得の微調整が可能となる。これは、利得調整用の抵抗（抵抗素子Ｒ９）を大きく変化させても、分流電流の変化に負帰還がかかることによりバイアス回路２８に流れる電流が抑制され、利得の急激な変化を回避できるためである。

さらに、１つの回路でバイアス電流の設定機能とオン／オフ動作の機能とを兼ね備えているため、利得調整を簡単に精度良く行え、且つ高速制御が可能である。また、可変利得電力増幅器１は、回路構成が簡潔なため、チップレイアウト面積を小さくでき、ＩＣ化に適している。このため、小型化を要求されるRKE等の送信機に好適に適用できる。しかも、可変利得電力増幅器１は、駆動電圧をVce=0.7VとするとVcc≧2.1Vで動作可能なため、低電圧動作に適している。

また、可変利得電力増幅器１は、オン／オフ制御をデジタル的に行っているため、端子３２から入るノイズに強い。このため、図５の増幅器とは異なり、制御電圧源が不要である。さらに、同一回路内にスイッチ回路２２が設けられているため、出力電力をある値に設定した状態でオン／オフ制御を容易かつ高速に行なうことができる。

以上の効果を奏する可変利得電力増幅器１は、近距離データ通信、ＲＫＥおよびホームセキュリティ等のISM帯あるいは特定小電力無線の送信機に、好適に適用することができる。

（第２実施形態）
図４は、本発明による可変利得電力増幅器の第２実施形態を示す回路図である。可変利得電力増幅器２は、電力増幅部１０および信号生成部２０を備えている。電力増幅部１０の構成は、図２で説明したとおりである。本実施形態の信号生成部２０においては、スイッチ回路を構成するバイポーラトランジスタＱ４，Ｑ５がＰＮＰ型のバイポーラトランジスタである。また、図２の信号生成部２０においては定電流源および可変電流源がスイッチ回路のグランド側に設けられていたのに対して、本実施形態においては定電流源および可変電流源がスイッチ回路の電源側に設けられている。可変利得電力増幅器２の動作は、図２の可変利得電力増幅器１と同様である。

かかる構成の可変利得電力増幅器２は、上述の可変利得電力増幅器１が奏する効果に加えて、次の効果を奏することができる。すなわち、スイッチ回路をPNPトランジスタの差動対を用いて構成することによって、さらに構成素子数を減らし、IC化に一層適した回路を実現できる。また、カレントミラーの折り返しを1段減らせ、各トランジスタのhFE低下やバラツキ等に起因するベース電流増加による誤差が減り、より高精度な利得調整が可能となる。

本発明による可変利得電力増幅器は、上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態においてはバイポーラトランジスタの代わりに電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を用いてもよい。その場合も、バイポーラトランジスタを用いた場合と同様の動作が可能であり、チップレイアウト面積の更なる縮小化および高集積のIC化が実現する。

本発明による可変利得電力増幅器の第１実施形態を示すブロック図である。 図１の可変利得電力増幅器の回路構成の一例を示す回路図である。 図２の回路の動作特性を示すグラフである。 本発明による可変利得電力増幅器の第２実施形態を示す回路図である。 従来の可変利得電力増幅器を示す回路図である。 図５の可変利得電力増幅器における利得制御の特性例を示すグラフである。

符号の説明

１ 可変利得電力増幅器
２ 可変利得電力増幅器
１０ 電力増幅部
１２ 制御端子
１４ 端子
１６ 端子
２０ 信号生成部
２２ スイッチ回路
２４ 定電流源
２６ 可変電流源
２８ バイアス回路
３２ 端子
Ｃ１ カップリングコンデンサ
Ｄ１ ダイオード
Ｑ１〜Ｑ８ バイポーラトランジスタ
Ｒ１〜Ｒ９ 抵抗素子
Ｚ１ 負荷

Claims (8)

1. 制御端子を有し、当該制御端子に与えられる制御信号によって利得が可変な電力増幅部と、
   前記制御端子に与える前記制御信号を生成する信号生成部と、を備え、
   前記信号生成部は、
   ２値信号によってオン状態またはオフ状態に制御されるスイッチ回路と、定電流を発生する定電流源と、可変電流を発生する可変電流源とを含み、
   前記スイッチ回路がオン状態のとき、前記電力増幅部をオンさせるとともに、前記定電流と前記可変電流との和の大きさに依存した大きさの前記制御信号を生成し、
   前記スイッチ回路がオフ状態のとき、前記電力増幅部をオフさせる大きさの前記制御信号を生成することを特徴とする可変利得電力増幅器。
2. 請求項１に記載の可変利得電力増幅器において、
   前記スイッチ回路は、互いに差動対を構成する２つのトランジスタを有している可変利得電力増幅器。
3. 請求項２に記載の可変利得電力増幅器において、
   前記トランジスタは、ＰＮＰ型トランジスタである可変利得電力増幅器。
4. 請求項１乃至３いずれかに記載の可変利得電力増幅器において、
   前記可変電流源は、可変抵抗素子を有しており、当該可変抵抗素子の抵抗値に依存した大きさの電流を前記可変電流として発生する可変利得電力増幅器。
5. 請求項１乃至４いずれかに記載の可変利得電力増幅器において、
   前記信号生成部は、前記電力増幅部の前記制御端子に一端が接続された第１の抵抗素子の他端に接続されたバイアス回路を含み、
   当該バイアス回路は、第２の抵抗素子を介してグランドに接続されたダイオードを有している可変利得電力増幅器。
6. 請求項５に記載の可変利得電力増幅器において、
   前記信号生成部は、カレントミラー回路を含み、
   前記スイッチ回路は、当該カレントミラー回路を介して前記第１の抵抗素子の前記他端に接続されている可変利得電力増幅器。
7. 請求項１乃至６いずれかに記載の可変利得電力増幅器において、
   前記電力増幅部は、バイポーラトランジスタを含み、
   当該バイポーラトランジスタのベース端子が前記制御端子に相当する可変利得電力増幅器。
8. 制御端子を有し、当該制御端子に与えられる制御信号によって利得が可変な電力増幅部と、
   前記制御端子に与える前記制御信号を生成する信号生成部と、を備え、
   前記信号生成部は、
   定電流を発生する定電流源と、可変電流を発生する可変電流源とを含み、
   前記定電流と前記可変電流との和の大きさに依存した大きさの前記制御信号を生成することを特徴とする可変利得電力増幅器。

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