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JP7384318B1 - power amplifier - Google Patents

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JP7384318B1
JP7384318B1 JP2023516472A JP2023516472A JP7384318B1 JP 7384318 B1 JP7384318 B1 JP 7384318B1 JP 2023516472 A JP2023516472 A JP 2023516472A JP 2023516472 A JP2023516472 A JP 2023516472A JP 7384318 B1 JP7384318 B1 JP 7384318B1
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Abstract

n(nは2以上の整数)個のFETを有するスタック型回路(19)であって、FETの番号を1からnとし、iを2以上かつ(n-1)以下の整数とすると、1番目のFET(12)は、ゲート端子に入力信号が入力され、ドレイン端子が2番目のFETのソース端子に接続され、ソース端子はGNDに接続される端子であり、i番目のFETは、ドレイン端子が(i+1)番目のFETのソース端子に接続され、n番目のFET(18)は、ドレイン端子から出力信号が出力され、ドレイン端子は電源に接続される端子であるスタック型回路(19)と、スタック型回路(19)の2番目からn番目のFETのゲート端子にそれぞれ接続された抵抗と、抵抗のゲート端子とは反対側の電極にそれぞれ接続された容量と、抵抗と並列してそれぞれ接続された第1のスイッチと、を備える。A stacked circuit (19) having n FETs (n is an integer of 2 or more), where the FET numbers are 1 to n and i is an integer of 2 or more and (n-1) or less, 1 The input signal is input to the gate terminal of the th FET (12), the drain terminal is connected to the source terminal of the second FET, and the source terminal is a terminal connected to GND. A stack type circuit (19) whose terminal is connected to the source terminal of the (i+1)th FET, an output signal is output from the drain terminal of the nth FET (18), and the drain terminal is a terminal connected to the power supply. , a resistor connected to the gate terminals of the second to nth FETs of the stacked circuit (19), a capacitor connected to the electrode opposite to the gate terminal of the resistor, and a resistor connected in parallel with the resistor. and first switches connected to each other.

Description

本開示は、スタック型の電力増幅器に関する。 The present disclosure relates to a stacked power amplifier.

携帯端末用電力増幅器には、現在主としてGaAs HBT(Heterojunction Bipolar Transistor)を用いた電力増幅器が使われている。その理由として、ノーマリオフで単一電源動作が可能であること、3.7VのLiイオンバッテリ電圧で動作可能で、数W程度までの出力電力範囲ならGaAs FET(Field Effect Transistor)に比べて電力密度が高いため、集積回路にした場合のチップ面積が小さいこと、そしてGaAs系FETに比べて非常に高い歩留を実現できることなどが挙げられる。 Currently, power amplifiers mainly using GaAs HBTs (Heterojunction Bipolar Transistors) are used as power amplifiers for mobile terminals. The reason for this is that it is normally off, capable of single power supply operation, can be operated with a Li-ion battery voltage of 3.7V, and has a lower power density than a GaAs FET (Field Effect Transistor) in the output power range of several watts. Because of its high resistance, the chip area is small when integrated into an integrated circuit, and it is possible to achieve a much higher yield than GaAs-based FETs.

しかし、近年の電力増幅器、バンド切替スイッチおよびアンテナスイッチには、端末内の制御を簡便にするために、GaAs HBTとは別にディジタル制御を可能にするCMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)制御回路を増幅器、スイッチに搭載している。またSi系ではないGaAs HBTチップは、制御回路との集積化はできない、またCMOSチップに比べて量産時にはコスト高になるという背景から、電力増幅器のCMOS化が強く望まれてきた。 However, in recent years, power amplifiers, band switching switches, and antenna switches have been equipped with CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) control circuits that enable digital control in addition to GaAs HBTs in order to simplify control within terminals. Equipped with amplifier and switch. In addition, GaAs HBT chips, which are not Si-based, cannot be integrated with control circuits and are more expensive to mass produce than CMOS chips, so there has been a strong desire to use CMOS power amplifiers.

CMOS FETの標準電圧は65nmプロセスで1.2V、0.18μmプロセスで1.8Vであり、バッテリ電圧(3.7V)に比べてかなり低いため、1段のCMOS FETで構成された電力増幅器を用いることはできない。 The standard voltage of a CMOS FET is 1.2V for a 65nm process and 1.8V for a 0.18μm process, which is considerably lower than the battery voltage (3.7V). It cannot be used.

そのような背景の中で、できるだけ高電源電圧でCMOSを電力増幅器として動作させることに有効なスタック型の電力増幅器が注目を集めている(例えば非特許文献1参照)。 Against this background, stacked power amplifiers that are effective in operating CMOS as a power amplifier at as high a power supply voltage as possible are attracting attention (for example, see Non-Patent Document 1).

S. Pornpromlikit, et al., A Watt-Level Stacked-FET Linear Power Amplifier in Silicon-on-Insulator CMOS, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 58, no. 1, pp. 57-64, Jan. 2010.S. Pornpromlikit, et al. , A Watt-Level Stacked-FET Linear Power Amplifier in Silicon-on-Insulator CMOS, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 58, no. 1, pp. 57-64, Jan. 2010.

次にFETの標準電圧が1.2Vの65nm CMOSプロセスを用いた4段スタックのスタック型電力増幅器を例に課題を説明する。この例の場合、各増幅用FETが均等に動作すると仮定すると、電源電圧4.8Vまで動作可能である。Liイオンバッテリの標準電圧は3.7Vであるが、高出力電力動作のために、DC-DCコンバータで4.8Vまでブーストされ、1Wの出力電力で動作すると仮定する。 Next, the problem will be explained using as an example a four-stage stack type power amplifier using a 65 nm CMOS process in which the standard voltage of the FET is 1.2V. In this example, assuming that each amplification FET operates equally, it is possible to operate up to a power supply voltage of 4.8V. The standard voltage of a Li-ion battery is 3.7V, but for high output power operation, assume that it is boosted to 4.8V with a DC-DC converter and operates with an output power of 1W.

移動体通信では、端末の出力電力は、基地局と端末の距離に応じて、出力電力を下げる場合がしばしば起こる。つまり距離が遠ければ最大出力電力に、距離が近ければ低出力電力に切り替えることが頻繁に行われる。例えば、都市部の場合では、比較的基地局と端末間の距離が近いため、端末の出力電力が数~数十mW程度と低くなることが多い。この出力電力制御は、電力増幅器の電源電圧を低下させることで実現される。高い電源電圧のままで入力電力だけ小さくして出力電力を低下させると、電力増幅器の効率が著しく低下するためである。 In mobile communications, the output power of a terminal is often reduced depending on the distance between the base station and the terminal. In other words, if the distance is long, the output power is switched to the maximum output power, and if the distance is short, the output power is switched to the low output power frequently. For example, in urban areas, the distance between the base station and the terminal is relatively short, so the output power of the terminal is often low, on the order of several to several tens of mW. This output power control is achieved by lowering the power supply voltage of the power amplifier. This is because if the output power is lowered by reducing the input power while keeping the power supply voltage high, the efficiency of the power amplifier will drop significantly.

しかし、スタック型電力増幅器の電源電圧を4.8Vから例えば2.4Vに下げてしまうと、FETの負荷線が同じままで電源電圧だけ低下するので、各段のFETの負荷線は最良の状態とは大きく異なり、出力電力の低下だけでなく、効率も大幅に低下してしまうという問題点が生じる。 However, if the power supply voltage of the stacked power amplifier is lowered from 4.8V to, for example, 2.4V, the power supply voltage will drop while the FET load line remains the same, so the FET load line of each stage will be in the best condition. This is very different from the conventional method, and the problem arises that not only the output power decreases, but also the efficiency significantly decreases.

本開示は上記の問題を解決するためになされたもので、電源電圧を下げても効率の低下が抑えられる電力増幅器を得ることを目的としている。 The present disclosure has been made to solve the above problems, and aims to provide a power amplifier that can suppress a decrease in efficiency even when the power supply voltage is lowered.

本開示にかかる電力増幅器は、nを2以上の整数とし、n個のFETを有するスタック型回路であって、FETの番号を1からnとし、iを2以上かつ(n-1)以下の整数とすると、1番目のFETは、ゲート端子に入力信号が入力され、ドレイン端子が2番目のFETのソース端子に接続され、ソース端子はGNDに接続される端子であり、i番目のFETは、ドレイン端子が(i+1)番目のFETのソース端子に接続され、n番目のFETは、ドレイン端子から出力信号が出力され、ドレイン端子は電源に接続される端子であるスタック型回路と、スタック型回路の2番目からn番目のFETのゲート端子にそれぞれ接続された抵抗と、抵抗のゲート端子とは反対側の電極にそれぞれ接続された容量と、抵抗と並列してそれぞれ接続された第1のスイッチと、を備える。 The power amplifier according to the present disclosure is a stacked circuit having n FETs, where n is an integer of 2 or more, and the FET numbers are 1 to n, and i is 2 or more and (n-1) or less. If it is an integer, the input signal is input to the gate terminal of the first FET, the drain terminal is connected to the source terminal of the second FET, the source terminal is the terminal connected to GND, and the i-th FET is the terminal that is connected to GND. , the drain terminal is connected to the source terminal of the (i+1)th FET, the output signal is output from the drain terminal of the nth FET, and the drain terminal is a terminal connected to the power supply. A resistor connected to the gate terminal of the second to nth FET in the circuit, a capacitor connected to the electrode opposite to the gate terminal of the resistor, and a first capacitor connected in parallel with the resistor, respectively. and a switch.

本開示によれば、電源電圧が低下した場合でも、効率の低下が抑えられる電力増幅器を得ることができる。 According to the present disclosure, it is possible to obtain a power amplifier that can suppress a decrease in efficiency even when the power supply voltage decreases.

実施の形態1にかかる電力増幅器の回路構成を示す図である。1 is a diagram showing a circuit configuration of a power amplifier according to a first embodiment; FIG. 実施の形態1にかかる電力増幅器のFETの負荷線を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing load lines of FETs of the power amplifier according to the first embodiment. 実施の形態1にかかる電力増幅器のFETの負荷線を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing load lines of FETs of the power amplifier according to the first embodiment. 実施の形態2にかかる電力増幅器の回路構成を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a circuit configuration of a power amplifier according to a second embodiment. 実施の形態3にかかる電力増幅器の回路構成を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing a circuit configuration of a power amplifier according to a third embodiment.

実施の形態1.
実施の形態1にかかる電力増幅器10の回路構成を図1に示す。電力増幅器10の製造には65nm CMOSプロセスが用いられ、FETの最大標準電圧は1.2Vであるとする。ここで最大標準電圧とは、そのCMOSプロセスで用いられる最も微細なゲート長を持つFETのドレイン・ソース端子間に印加可能であり、FETの長期信頼性が得られる最大直流電圧のことである。
Embodiment 1.
FIG. 1 shows a circuit configuration of a power amplifier 10 according to the first embodiment. It is assumed that a 65 nm CMOS process is used to manufacture the power amplifier 10, and that the maximum standard voltage of the FET is 1.2V. Here, the maximum standard voltage is the maximum DC voltage that can be applied between the drain and source terminals of an FET with the smallest gate length used in the CMOS process and that provides long-term reliability of the FET.

FET12は、入力端子22からゲート端子に入力信号が入力され、ドレイン端子がFET14のソース端子に接続され、ソース端子はGNDに接続される端子である。FET14は、ドレイン端子がFET16のソース端子に接続される。FET16は、ドレイン端子がFET18のソース端子に接続される。FET18は、ドレイン端子から出力信号が出力され、ドレイン端子は電源(Vdd)に接続される。これらの4つのFETからなる回路をスタック型回路19と称す。FET12、FET14、FET16およびFET18はn型FETである。図示しないが、入力端子22には入力整合回路が接続されている。出力端子24と第3のFET18のドレイン端子の間には出力整合回路20が接続されている。 The FET 12 is a terminal into which an input signal is input from the input terminal 22 to a gate terminal, a drain terminal is connected to a source terminal of the FET 14, and the source terminal is connected to GND. The drain terminal of the FET 14 is connected to the source terminal of the FET 16. The drain terminal of the FET 16 is connected to the source terminal of the FET 18. An output signal is outputted from the drain terminal of the FET 18, and the drain terminal is connected to the power supply (Vdd). A circuit made up of these four FETs is called a stack type circuit 19. FET12, FET14, FET16 and FET18 are n-type FETs. Although not shown, an input matching circuit is connected to the input terminal 22. An output matching circuit 20 is connected between the output terminal 24 and the drain terminal of the third FET 18.

バイアス端子50、バイアス端子52、バイアス端子54はそれぞれFET14、FET16、FET18のゲートバイアス端子であり、kΩ程度の抵抗38、抵抗40、抵抗42を介してFET14、FET16、FET18のゲート端子に接続されている。抵抗38、抵抗40、抵抗42のそれぞれと並列してFETスイッチ32、FETスイッチ34、FETスイッチ36が接続されている。これらのFETスイッチは抵抗をバイパスするスイッチとして機能する。FETスイッチ32、FETスイッチ34、FETスイッチ36はそれぞれスイッチ端子56、スイッチ端子58、スイッチ端子60によりオン/オフされる。 Bias terminal 50, bias terminal 52, and bias terminal 54 are gate bias terminals of FET14, FET16, and FET18, respectively, and are connected to the gate terminals of FET14, FET16, and FET18 via resistor 38, resistor 40, and resistor 42 of about kΩ. ing. FET switch 32, FET switch 34, and FET switch 36 are connected in parallel with resistor 38, resistor 40, and resistor 42, respectively. These FET switches function as resistor bypass switches. FET switch 32, FET switch 34, and FET switch 36 are turned on/off by switch terminal 56, switch terminal 58, and switch terminal 60, respectively.

バイアス端子50、バイアス端子52、バイアス端子54は、抵抗38、抵抗40、抵抗42のゲート端子とは反対側の端子であり、GNDとの間にそれぞれ容量44、容量46、容量48が接続されている。容量44、容量46、容量48は可変容量である。 Bias terminal 50, bias terminal 52, and bias terminal 54 are terminals on the opposite side from the gate terminals of resistor 38, resistor 40, and resistor 42, and capacitor 44, capacitor 46, and capacitor 48 are connected between them and GND, respectively. ing. Capacitor 44, capacitor 46, and capacitor 48 are variable capacitors.

なお、スタック型回路が有するFETの数は4個に限らない。ここではスタック型回路が有するFETの数をn(nは2以上の数)として説明する。これらのFETの番号を1からnとし、iを2以上かつ(n-1)以下の整数とする。1番目のFETは図1におけるFET12に対応し、ゲート端子に入力信号が入力され、ドレイン端子が2番目のFETのソース端子に接続され、ソース端子はGNDに接続される端子である。i番目のFETは図1におけるFET14およびFET16に対応し、ドレイン端子が(i+1)番目のFETのソース端子に接続される。n番目のFETは図1におけるFET18に対応し、ドレイン端子から出力信号が出力され、ドレイン端子は電源(Vdd)に接続される端子である。 Note that the number of FETs included in the stacked circuit is not limited to four. Here, the number of FETs included in the stacked circuit will be explained as n (n is a number of 2 or more). The numbers of these FETs are 1 to n, and i is an integer greater than or equal to 2 and less than or equal to (n-1). The first FET corresponds to the FET 12 in FIG. 1, has a gate terminal to which an input signal is input, a drain terminal connected to the source terminal of the second FET, and the source terminal connected to GND. The i-th FET corresponds to FET14 and FET16 in FIG. 1, and its drain terminal is connected to the source terminal of the (i+1)-th FET. The n-th FET corresponds to the FET 18 in FIG. 1, an output signal is output from the drain terminal, and the drain terminal is a terminal connected to the power supply (Vdd).

スタック型回路が有するFETの数が4個の場合に戻り、説明を続ける。FETの最大標準電圧は1.2Vであるため、電力増幅器10の電源電圧は直流電圧で4.8Vまで上げられる。各FETのウェルは分離され、バックゲートがソースに接続されている。FETが完全空乏型のSOI(Silicon On Insulator)の場合は、バックゲートはフローティングでもよい。FETスイッチ32、FETスイッチ34、FETスイッチ36などの制御用FETも最大4.8Vの耐圧が必要であるため、制御用FETにはゲート酸化膜が厚い高耐圧のFETを使用する。 Returning to the case where the stack type circuit has four FETs, the explanation will be continued. Since the maximum standard voltage of the FET is 1.2V, the power supply voltage of the power amplifier 10 can be increased to 4.8V in DC voltage. The well of each FET is isolated, with the back gate connected to the source. If the FET is a fully depleted SOI (Silicon On Insulator), the back gate may be floating. Since the control FETs such as the FET switch 32, the FET switch 34, and the FET switch 36 also need to have a maximum withstand voltage of 4.8V, a high withstand voltage FET with a thick gate oxide film is used as the control FET.

電源電圧が最大の4.8Vの場合、電圧降下がなければFET18のドレイン端子には4.8Vの電圧が印加される。電圧降下がある場合はその分印加電圧は低下するが、ここでは電圧降下がないとして説明する。電源電圧が4.8Vの場合はFETスイッチ32、FETスイッチ34、FETスイッチ36を全て閉じ、抵抗38、抵抗40、抵抗42をバイパスする。こうすることでFET12、FET14、FET16、FET18のそれぞれのドレイン・ソース端子間に1.2Vの電圧が印加され、これらのFETが全て増幅動作をする。 When the power supply voltage is the maximum 4.8V, a voltage of 4.8V is applied to the drain terminal of the FET 18 if there is no voltage drop. If there is a voltage drop, the applied voltage will be reduced by that amount, but here the explanation will be made assuming that there is no voltage drop. When the power supply voltage is 4.8V, FET switch 32, FET switch 34, and FET switch 36 are all closed, and resistor 38, resistor 40, and resistor 42 are bypassed. By doing so, a voltage of 1.2V is applied between the drain and source terminals of each of FET12, FET14, FET16, and FET18, and these FETs all perform an amplifying operation.

次に電源電圧を3.6Vに下げた場合を考える。この場合、FETスイッチ32、FETスイッチ34を閉じ、FETスイッチ36は開く。よって抵抗42が有効になり、FET18はスイッチモードで動作する。ここでスイッチモードとは、FETのゲート端子が抵抗によりフローティングになることにより、ソース端子への入力がドレイン端子からほぼ損失無しで出力される動作状態のことである。残りのFET12、FET14、FET16は増幅動作をする。こうすることでFET18のドレイン・ソース端子間の電圧降下が最小に抑えられ、増幅動作をするFET12、FET14、FET16のドレイン・ソース端子間にはそれぞれほぼ1.2Vの電圧が印加されることになり、電力増幅動作に最適な状態を実現できる。すなわち、増幅時の電圧振幅及び電流振幅を十分に大きくできるようにFETが飽和領域で動作する。 Next, consider the case where the power supply voltage is lowered to 3.6V. In this case, FET switch 32 and FET switch 34 are closed, and FET switch 36 is opened. Resistor 42 is therefore enabled and FET 18 operates in switch mode. Here, the switch mode is an operating state in which the gate terminal of the FET is made floating by a resistor, so that the input to the source terminal is output from the drain terminal with almost no loss. The remaining FET12, FET14, and FET16 perform an amplification operation. By doing this, the voltage drop between the drain and source terminals of FET18 is minimized, and a voltage of approximately 1.2V is applied between the drain and source terminals of FET12, FET14, and FET16, which perform amplification operations. Therefore, the optimum state for power amplification operation can be achieved. That is, the FET operates in the saturation region so that the voltage amplitude and current amplitude during amplification can be made sufficiently large.

次に電源電圧を2.4Vに下げた場合を考える。この場合、FETスイッチ32を閉じ、FETスイッチ34、FETスイッチ36は開く。よってFET16、FET18のゲート端子の抵抗40、抵抗42が有効になり、FET16、FET18はスイッチモードで動作する。残りのFET12、FET14は増幅動作をする。こうすることでFET16、FET18のドレイン・ソース端子間の電圧降下が最小に抑えられ、増幅動作をするFET12、FET14のドレイン・ソース端子間にはそれぞれほぼ1.2Vの電圧が印加されることになり、十分に増幅動作できる。 Next, consider the case where the power supply voltage is lowered to 2.4V. In this case, the FET switch 32 is closed, and the FET switches 34 and 36 are opened. Therefore, the resistors 40 and 42 at the gate terminals of the FETs 16 and 18 become effective, and the FETs 16 and 18 operate in the switch mode. The remaining FET12 and FET14 perform an amplification operation. By doing this, the voltage drop between the drain and source terminals of FET16 and FET18 is minimized, and a voltage of approximately 1.2V is applied between the drain and source terminals of FET12 and FET14, which perform amplification operations. Therefore, sufficient amplification operation is possible.

次に電源電圧を1.2Vに下げた場合を考える。この場合、FETスイッチ32、FETスイッチ34、FETスイッチ36を全て開く。よってFET14、FET16、FET18のゲート端子の抵抗38、抵抗40、抵抗42が有効になり、FET14、FET16、FET18はスイッチモードで動作する。残りのFET12は増幅動作をする。こうすることでFET14、FET16、FET18のドレイン・ソース端子間の電圧降下が最小に抑えられ、増幅動作をするFET12のドレイン・ソース端子間にはほぼ1.2Vの電圧が印加されることになり、十分に増幅動作できる。 Next, consider the case where the power supply voltage is lowered to 1.2V. In this case, FET switch 32, FET switch 34, and FET switch 36 are all opened. Therefore, the resistors 38, 40, and 42 at the gate terminals of FET14, FET16, and FET18 become effective, and FET14, FET16, and FET18 operate in the switch mode. The remaining FET 12 performs an amplification operation. By doing this, the voltage drop between the drain and source terminals of FET14, FET16, and FET18 is minimized, and a voltage of approximately 1.2V is applied between the drain and source terminals of FET12, which performs amplification operation. , can perform sufficient amplification operation.

なお、電源電圧を下げた場合にFETスイッチを開く順番は、上記のように上段のFETスイッチ36からでなくてもよい。 Note that when the power supply voltage is lowered, the order in which the FET switches are opened does not have to be from the upper FET switch 36 as described above.

これまでの説明を一般化する。スタック型回路が有するFETの数をn(nは2以上の整数)とし、前述のようにFETに番号を付すとする。これらのFETはいずれも最大標準電圧がVmであるとし、n番目のFETのドレイン端子に印加される電圧をVdとし、jを1以上かつn以下の整数とすると、(j-1)×Vm<Vdd≦j×Vmの場合に、FETスイッチのうち(j-1)個を閉じ、残りを開く。 Let us generalize the previous explanation. Assume that the number of FETs included in the stacked circuit is n (n is an integer of 2 or more), and the FETs are numbered as described above. Assuming that the maximum standard voltage of all these FETs is Vm, and the voltage applied to the drain terminal of the n-th FET is Vd, and j is an integer greater than or equal to 1 and less than or equal to n, then (j-1) x Vm If <Vdd≦j×Vm, (j-1) of the FET switches are closed and the rest are opened.

このように電源電圧を下げても、電源電圧の低下のレベルに応じてFETスイッチ32、FETスイッチ34、FETスイッチ36を適切に開くことで、増幅動作をするFETのドレイン・ソース端子間にFETが飽和領域で動作するのに十分な電圧が印加されるようにすることができる。 Even if the power supply voltage is lowered in this way, by appropriately opening the FET switch 32, FET switch 34, and FET switch 36 according to the level of the power supply voltage drop, the FET can be connected between the drain and source terminals of the FET that performs amplification operation. A voltage sufficient to operate in the saturation region can be applied.

FET12、FET14、FET16、FET18の各FETの負荷線が等しくなるように容量の容量値を設定してもよい。各FETが全て増幅動作をする場合の負荷線を模式的に表したのが図2である。各FETの負荷線を等しくするには、FET14、FET16、FET18の入力インピーダンスをZi(i=1,2,3)とし、1段のFETの最適な負荷抵抗をRoptとすると、Z1=Ropt、Z2=2×Ropt、Z3=3×Roptとするのがよい。4×Roptは、FET18のドレイン端子から見た負荷インピーダンスと等しくなるようにする。例えば出力整合回路20のインピーダンスが50Ωであれば、Roptは12.5Ωである。こうするとFET12、FET14、FET16、FET18の負荷線が等しくなる。 The capacitance values of the capacitors may be set so that the load lines of each of FET12, FET14, FET16, and FET18 are equal. FIG. 2 schematically shows a load line when all FETs perform an amplifying operation. To make the load lines of each FET equal, let the input impedance of FET14, FET16, and FET18 be Zi (i=1, 2, 3), and let Ropt be the optimal load resistance of the first stage FET, then Z1=Ropt, It is preferable that Z2=2×Ropt and Z3=3×Ropt. 4×Ropt is made equal to the load impedance seen from the drain terminal of the FET 18. For example, if the impedance of the output matching circuit 20 is 50Ω, Ropt is 12.5Ω. This makes the load lines of FET12, FET14, FET16, and FET18 equal.

Zi(i=1,2,3)を上記の値に設定するには、数1式を用いて、容量44、容量46、容量48の容量値を所定の値に設定すればよい(非特許文献1参照)。 In order to set Zi (i=1, 2, 3) to the above values, the capacitance values of capacitance 44, capacitance 46, and capacitance 48 can be set to predetermined values using equation 1 (non-patent (See Reference 1).

Figure 0007384318000001
Figure 0007384318000001

ここでCgsはFET14、FET16、FET18のゲート・ソース間容量、Ci(i=1,2,3)は容量44、容量46、容量48の容量値、gmはFET14、FET16、FET18の相互コンダクタンスである。なおここでは、FET14、FET16、FET18の相互コンダクタンスおよびゲート・ソース間容量は等しく、動作周波数はこれらのFETの遮断周波数より十分低いとしている。 Here, Cgs is the gate-source capacitance of FET14, FET16, and FET18, Ci (i=1, 2, 3) is the capacitance value of capacitor 44, capacitor 46, and capacitor 48, and gm is the mutual conductance of FET14, FET16, and FET18. be. Here, it is assumed that the mutual conductance and gate-source capacitance of FET14, FET16, and FET18 are equal, and the operating frequency is sufficiently lower than the cutoff frequency of these FETs.

電源電圧を下げた場合、そのままでは各FETの負荷線が変化する。例えば電源電圧を3.6Vに下げ、FETスイッチ36は開いてFET18をスイッチモードで動作させたとする。この場合、FET18の入力インピーダンスZ3は4×Roptになる。すると、FET18の負荷線は図3のように、破線で描かれた最適な負荷線からずれてしまう。 If the power supply voltage is lowered, the load line of each FET will change. For example, assume that the power supply voltage is lowered to 3.6V, the FET switch 36 is opened, and the FET 18 is operated in switch mode. In this case, the input impedance Z3 of the FET 18 is 4×Ropt. Then, the load line of the FET 18 deviates from the optimal load line drawn with a broken line, as shown in FIG.

負荷線の変化を小さくするには、容量44、容量46の可変容量の容量値を変化させるのがよい。具体的には、容量44の容量値C1を、Z1=1/3×4×Roptとなるように設定し、容量46の容量値C2を、Z2=2/3×4×Roptとなるように設定する。こうすることで、FET12、FET14、FET16の負荷線の変化を抑えられる。 In order to reduce changes in the load line, it is preferable to change the capacitance values of the variable capacitors 44 and 46. Specifically, the capacitance value C1 of the capacitor 44 is set so that Z1=1/3×4×Ropt, and the capacitance value C2 of the capacitor 46 is set so that Z2=2/3×4×Ropt. Set. By doing so, changes in the load lines of FET12, FET14, and FET16 can be suppressed.

同様に、電源電圧を2.4Vに下げ、FETスイッチ34、FETスイッチ36は開いてFET16、FET18をスイッチモードで動作させた場合は、容量44の容量値C1を、Z1=1/2×4×Roptとなるように設定する。 Similarly, when the power supply voltage is lowered to 2.4V, FET switch 34 and FET switch 36 are opened and FET16 and FET18 are operated in switch mode, the capacitance value C1 of capacitor 44 is Z1=1/2×4 Set so that ×Ropt.

これまでの説明を一般化する。スタック型回路が有するFETの数をn(nは2以上の整数)とし、前述のようにFETに番号を付すとする。n番目のFETのドレイン端子から見た負荷インピーダンスをZ0とする。2番目からn番目のFETの中で増幅動作をするFETの数をmとし、増幅動作をするFETの番号を、スタック型回路のFETの番号の小さいほうから順に、1からmとする。kを1以上かつm以下の整数とすると、増幅動作をするk番目のFETのソース端子から見た入力インピーダンスを(k-0.5)/(m+1)×Z0から(k+0.5)/(m+1)×Z0の範囲内に設定すればよい。入力インピーダンスはk/(m+1)×Z0に設定するのが理想だが、上記程度の幅を持たせてもよい。 Let us generalize the previous explanation. Assume that the number of FETs included in the stacked circuit is n (n is an integer of 2 or more), and the FETs are numbered as described above. Let Z0 be the load impedance seen from the drain terminal of the n-th FET. The number of FETs performing an amplification operation among the second to n-th FETs is assumed to be m, and the numbers of the FETs performing an amplification operation are 1 to m in order from the smallest number of FETs in the stacked circuit. If k is an integer greater than or equal to 1 and less than or equal to m, the input impedance seen from the source terminal of the k-th FET that performs amplifying operation is calculated from (k-0.5)/(m+1)×Z0 to (k+0.5)/( It is sufficient to set it within the range of m+1)×Z0. Ideally, the input impedance is set to k/(m+1)×Z0, but it may have a width of the above range.

このように電源電圧を下げても、FETの入力インピーダンスを適切に設定することで、増幅動作をするFETの負荷線を等しくすることが出来る。 Even if the power supply voltage is lowered in this way, by appropriately setting the input impedance of the FET, it is possible to equalize the load lines of the FET that performs the amplification operation.

以上より、この実施の形態によれば、電源電圧を下げた場合でも、増幅動作をするFETのドレイン・ソース端子間にFETが飽和領域で動作するのに十分な電圧が印加されるようにすることができる。そのため電力増幅器の効率の低下が抑えられる。 As described above, according to this embodiment, even when the power supply voltage is lowered, a voltage sufficient for the FET to operate in the saturation region is applied between the drain and source terminals of the FET that performs the amplifying operation. be able to. Therefore, a decrease in efficiency of the power amplifier can be suppressed.

また、電源電圧を下げた場合でも、増幅動作をするFETの負荷線を等しくすることができる。そのため電力増幅器の効率の低下が抑えられる。 Furthermore, even when the power supply voltage is lowered, the load lines of the FETs that perform amplifying operation can be made equal. Therefore, a decrease in efficiency of the power amplifier can be suppressed.

また、FETスイッチによる切り替えを採用しているため、高周波信号を伝達する箇所に高周波バイパス回路のような付加経路が不要である。そのため回路面積を縮小できる。 Furthermore, since switching is performed using an FET switch, there is no need for an additional path such as a high-frequency bypass circuit at a location where high-frequency signals are transmitted. Therefore, the circuit area can be reduced.

実施の形態2.
実施の形態2にかかる電力増幅器では、実施の形態1にかかる電力増幅器10の容量44、容量46、容量48に加えて、FETスイッチで接続をオン/オフ可能な追加容量を追加している。
Embodiment 2.
In the power amplifier according to the second embodiment, in addition to the capacitors 44, 46, and 48 of the power amplifier 10 according to the first embodiment, an additional capacitor whose connection can be turned on/off by an FET switch is added.

ここではFET14のゲート端子付近のみを示した図4を用いて説明する。図4のように、容量44に加えて、FETスイッチ64と追加容量62、およびFETスイッチ70と追加容量68が追加されている。追加容量62はFETスイッチ64でオン/オフ可能である。追加容量68はFETスイッチ70でオン/オフ可能である。 Here, explanation will be made using FIG. 4, which shows only the vicinity of the gate terminal of the FET 14. As shown in FIG. 4, in addition to the capacitor 44, an FET switch 64 and an additional capacitor 62, and an FET switch 70 and an additional capacitor 68 are added. The additional capacitor 62 can be turned on/off with a FET switch 64. The additional capacitor 68 can be turned on/off with a FET switch 70.

実施の形態1にかかる電力増幅器10と同様に、この実施の形態にかかる電力増幅器も増幅に関わるFETは4つとしているため、実施の形態1での説明から分かるように、FET14のゲート端子に接続される容量の容量値は3つの値のいずれかに設定できるとよい。この実施の形態では、FETスイッチ64とFETスイッチ70のオン/オフにより、3つの容量値の切り替えが可能である。 Like the power amplifier 10 according to the first embodiment, the power amplifier according to this embodiment also has four FETs involved in amplification, so as can be seen from the explanation in the first embodiment, the gate terminal of the FET 14 is It is preferable that the capacitance value of the connected capacitor can be set to one of three values. In this embodiment, three capacitance values can be switched by turning on/off the FET switch 64 and the FET switch 70.

なお、上記はFET14だけでなく、FET16、FET18においても同様に適用可能である。 Note that the above is applicable not only to the FET 14 but also to the FET 16 and FET 18.

以上により、この実施の形態では容量値の切り替えを通常のFETを用い、ディジタル的に変化させることができる。そのため、アナログ的に可変な容量に比べ、制御が簡単であり、回路面積も縮小できる。 As described above, in this embodiment, the capacitance value can be changed digitally using a normal FET. Therefore, compared to analog variable capacitors, control is easier and the circuit area can be reduced.

実施の形態3.
実施の形態3にかかる電力増幅器110は、図5に示すように、実施の形態1にかかる電力増幅器10の回路構成を差動化したものである。これに伴い、入力信号も差動信号になり、この差動信号が入力端子122、入力端子123に入力される。差動化することで、Si系LSI上に搭載した単相の増幅器でしばしば問題になるGNDインダクタンスによる利得低下の影響を大幅に抑制できる。また、実施の形態2にかかる電力増幅器を差動化してもよい。
Embodiment 3.
As shown in FIG. 5, power amplifier 110 according to the third embodiment has a differential circuit configuration of power amplifier 10 according to the first embodiment. Accordingly, the input signal also becomes a differential signal, and this differential signal is input to the input terminal 122 and the input terminal 123. Differentialization can significantly suppress the influence of gain reduction due to GND inductance, which is often a problem with single-phase amplifiers mounted on Si-based LSIs. Furthermore, the power amplifier according to the second embodiment may be made differential.

なお、全ての実施の形態にかかる電力増幅器において、CMOSに替えてGaAs FET、InP FETなどを用いることもできる。GaAs、InPを用いる場合、通常バックゲートはフローティングである。 Note that in the power amplifiers according to all embodiments, GaAs FETs, InP FETs, etc. can also be used instead of CMOS. When using GaAs or InP, the back gate is usually floating.

12,14,16,18 FET、38,40,42 抵抗、44,46,48 容量、32,34,36,64,70 FETスイッチ、20 出力整合回路、62,68 追加容量、19 スタック型回路 12, 14, 16, 18 FET, 38, 40, 42 resistor, 44, 46, 48 capacitor, 32, 34, 36, 64, 70 FET switch, 20 output matching circuit, 62, 68 additional capacitor, 19 stack type circuit

Claims (6)

nを2以上の整数とし、n個のFETを有するスタック型回路であって、
前記FETの番号を1からnとし、iを2以上かつ(n-1)以下の整数とすると、
1番目のFETは、ゲート端子に入力信号が入力され、ドレイン端子が2番目のFETのソース端子に接続され、ソース端子はGNDに接続される端子であり、
i番目のFETは、ドレイン端子が(i+1)番目のFETのソース端子に接続され、
n番目のFETは、ドレイン端子から出力信号が出力され、ドレイン端子は電源に接続される端子である
スタック型回路と、
前記スタック型回路の2番目からn番目のFETのゲート端子にそれぞれ接続された抵抗と、
前記抵抗の前記ゲート端子とは反対側の電極にそれぞれ接続された容量と、
前記抵抗と並列してそれぞれ接続された第1のスイッチと、
を備えた電力増幅器。
A stacked circuit having n FETs, where n is an integer of 2 or more ,
If the numbers of the FETs are 1 to n, and i is an integer of 2 or more and (n-1) or less,
The first FET has a gate terminal to which an input signal is input, a drain terminal connected to a source terminal of the second FET, and a source terminal connected to GND.
The i-th FET has its drain terminal connected to the source terminal of the (i+1)-th FET,
The n-th FET has a stacked circuit in which an output signal is output from the drain terminal, and the drain terminal is a terminal connected to a power supply.
Resistors connected to the gate terminals of the second to nth FETs of the stacked circuit, respectively;
a capacitor each connected to an electrode on the opposite side of the gate terminal of the resistor;
a first switch each connected in parallel with the resistor;
Power amplifier with.
前記第1のスイッチはFETスイッチで構成された
請求項1に記載の電力増幅器。
The power amplifier according to claim 1, wherein the first switch is a FET switch.
前記スタック型回路のFETはいずれも最大標準電圧がVmであるとし、
前記スタック型回路のn番目のFETのドレイン端子に印加される電圧をVdとし、
jを1以上かつn以下の整数とすると、
(j-1)×Vm<Vd≦j×Vmの場合に、前記スイッチのうち(j-1)個を閉じ、残りを開く
請求項1または2に記載の電力増幅器。
It is assumed that the maximum standard voltage of the FETs in the stacked circuit is Vm,
Let Vd be the voltage applied to the drain terminal of the n-th FET of the stacked circuit,
If j is an integer greater than or equal to 1 and less than or equal to n,
The power amplifier according to claim 1 or 2, wherein (j-1) of the switches are closed and the remaining switches are opened when (j-1)×Vm<Vd≦j×Vm.
前記スタック型回路のn番目のFETのドレイン端子から見た負荷インピーダンスをZ0とし、
mを1以上の整数とし、前記スタック型回路の2番目からn番目のFETの中で増幅動作をするFETの数がmであり
前記増幅動作をするFETの番号を、前記スタック型回路のFETの番号の小さいほうから順に、1からmとし、
kを1以上かつm以下の整数とすると、
前記増幅動作をするk番目のFETのソース端子から見た入力インピーダンスを(k-0.5)/(m+1)×Z0から(k+0.5)/(m+1)×Z0の範囲内に設定する
請求項1に記載の電力増幅器。
Let Z0 be the load impedance seen from the drain terminal of the n-th FET of the stacked circuit,
m is an integer greater than or equal to 1, and the number of FETs that perform an amplification operation among the second to nth FETs of the stacked circuit is m ;
The numbers of the FETs that perform the amplification operation are set from 1 to m in order from the smallest number of the FETs of the stacked circuit,
If k is an integer greater than or equal to 1 and less than or equal to m,
The input impedance seen from the source terminal of the k-th FET that performs the amplification operation is set within the range of (k-0.5)/(m+1)×Z0 to (k+0.5)/(m+1)×Z0. The power amplifier according to item 1.
前記容量と並列に、第2のスイッチによってオン/オフ可能な追加容量を備え、
前記第2のスイッチのオン/オフによって前記入力インピーダンスを設定する
請求項4に記載の電力増幅器。
an additional capacitor that can be turned on/off by a second switch in parallel with the capacitor;
The power amplifier according to claim 4, wherein the input impedance is set by turning on/off the second switch.
前記第2のスイッチはFETスイッチで構成された
請求項5に記載の電力増幅器。
The power amplifier according to claim 5, wherein the second switch is comprised of a FET switch.
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