JP5606364B2

JP5606364B2 - 無線装置

Info

Publication number: JP5606364B2
Application number: JP2011051894A
Authority: JP
Inventors: 俊介平野
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2011-03-09
Filing date: 2011-03-09
Publication date: 2014-10-15
Anticipated expiration: 2031-03-09
Also published as: JP2012191342A; US20130148769A1; WO2012120777A1

Description

本発明は、デジタルベースバンド部と高周波回路とを備えた無線装置に関する。

無線装置において、特に高周波信号増幅用アンプは、半導体製造プロセスのプロセス変動、あるいは実動作時の温度変動などによって、性能変化が大きい。例えば、プロセス変動によって、アンプを構成するトランジスタの電流が少なくなると、最大発振周波数ｆ_ｍａｘが低くなるため、周波数特性の劣化を招く。また、温度が高くなると、トランジスタの動作遅延が大きくなり、周波数特性が劣化する。

プロセス変動または温度変動による性能劣化の課題を解決するために、回路の電源電圧を調整する電源電圧調整装置が提案されている（特許文献１参照）。

図１５は、特許文献１に記載の従来例の電源電圧調整装置の構成を示す図である。集積回路２０は、主要回路２１と、発振器２２と、発振器の出力信号をカウントし周波数を求めるカウンタ２３と、発振器の出力の周波数に基づいて電源供給回路２５の出力電圧を調整する信号を出力する制御部２４とを含む構成である。

発振器２２は、リングオシレータによって構成される。図１６は、リングオシレータの構成の一例を示す図である。リングオシレータは、奇数個のインバータ３１〜３５が直列接続され、出力側のインバータ３５から出力される出力信号が入力側のインバータ３１の入力へフィードバックされる。リングオシレータに電源を供給すると、インバータの動作遅延時間に依存する周波数において発振する。

国際公開第２００７／０３４５４０号公報

発振器２２のリングオシレータにおいて、インバータの動作遅延時間はプロセス変動によって変化する。例えば、トランジスタの閾値電圧Ｖｔｈがプロセス変動によって低くなると、インバータの動作遅延時間が短くなり、リングオシレータの発振周波数が高くなる。反対にトランジスタの閾値電圧Ｖｔｈがプロセス変動によって高くなると、インバータの動作遅延時間が長くなり、リングオシレータの発振周波数が低くなる。

また、インバータの動作遅延時間は温度変動でも変化する。例えば、温度が低くなるとインバータの動作遅延時間が短くなり、リングオシレータの発振周波数が高くなる。反対に温度が高くなるとインバータの動作遅延時間が長くなり、リングオシレータの発振周波数が低くなる。

上述したリングオシレータの特徴を活かして、図１５の電源電圧調整装置では、発振器２２の出力周波数を観測することによって、等価的にプロセス変動と温度変動を検出している。そして、検出結果に基づいた電源電圧の調整によって、主要回路の性能劣化を防いでいる。反対に、主要回路の動作マージンが増える方向にプロセスまたは温度が変動した場合は、電源電圧を下げて動作マージンを減らし低消費電力化を図ることができる。

しかしながら、プロセス変動と温度変動を検出するための発振器を別途集積回路上に搭載することは、チップ面積が増加し、コストを増加させるという別の課題を招く。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、検出用の発振器等の回路を別途設けることなく、プロセス変動または温度変動が発生した場合にも性能を最適化しうる無線装置を提供することにある。

本発明は、無線装置として、制御電圧に応じた周波数の信号を発振する電圧制御発振器を有するＰＬＬと、前記制御電圧に基づいて出力電圧を変化させる出力可変レギュレータと、前記出力可変レギュレータの出力電圧が電源電圧として供給される高周波回路と、を含むものである。
上記構成により、温度変動またはプロセス変動に伴って電圧制御発振器の制御電圧が変化し、制御電圧に基づいて高周波回路の電源電圧が制御されるため、温度変動またはプロセス変動が発生した場合の性能劣化が補償される。

本発明によれば、検出用の発振器等の回路を別途設けることなく、プロセス変動または温度変動が発生した場合にも性能を最適化できる。

無線装置の構成を示すブロック図高周波信号増幅用アンプの構成の一例を示す回路図トランジスタの代表的な特性を表すグラフ本発明の第１の実施形態における無線装置の構成を示すブロック図出力可変レギュレータの構成を示す図ＰＬＬがロックしていないリングオシレータの発振周波数の温度依存性の一例を示すグラフＰＬＬがロックしていないリングオシレータの発振周波数のプロセス変動依存性の一例を示すグラフＰＬＬがロックしたＶＣＯ制御電圧の温度依存性の一例を示すグラフＰＬＬがロックしたＶＣＯ制御電圧のプロセス変動依存性の一例を示すグラフ温度変動に対するアンプの電源電圧特性の一例を示すグラフプロセス変動に対するアンプの電源電圧特性の一例を示すグラフ本発明の第２の実施形態における無線装置の構成を示すブロック図変調部の構成を示す図本発明の第３の実施形態における無線装置の構成を示すブロック図従来例の電源電圧調整装置の構成を示す図リングオシレータの構成の一例を示す図

本発明に係る実施形態の説明に先立ち、一般的な無線装置の構成および動作について説明する。

図１は、無線装置の構成を示すブロック図である。無線装置は、デジタルベースバンド部１、変調部２、アンプ３、電池４、ＰＬＬ１０、レギュレータ１２を有して構成される。

デジタルベースバンド部１は、ＰＬＬ１０から出力される所定の周波数のクロック信号によって動作し、送信データから送信用のベースバンド信号を生成する。変調部２は、デジタルベースバンド部１から出力されるベースバンド信号を変調して高周波変調信号を生成する。アンプ３は、高周波信号増幅用アンプであり、変調部２から出力される高周波変調信号を増幅し、送信出力信号を出力する。レギュレータ１２は、電池４の出力電圧を入力して所定の電圧を生成し、アンプ３の電源端子に供給する。

図２は、高周波信号増幅に用いるアンプ３の構成の一例を示す回路図である。アンプ３は、増幅用のトランジスタＱ１を有して構成される。入力信号はトランジスタＱ１のゲートに入力される。トランジスタＱ１のソースは、グランド接地される。トランジスタＱ１のドレインは負荷Ｌ１を介して電源に接続される。トランジスタＱ１のドレインと負荷Ｌ１の接続点より出力信号が出力される。トランジスタＱ１のドレイン・ソース間電流をＩ_ＤＳ、トランジスタＱ１のドレイン・ソース間電圧をＶ_ＤＳとする。

図３は、トランジスタの代表的な特性を表すグラフである。図３において、縦軸は最大発振周波数ｆ_ｍａｘ、横軸はドレイン・ソース間電流Ｉ_ＤＳを示している。トランジスタは最大発振周波数ｆ_ｍａｘが高いほど高周波特性が良い。ドレイン・ソース間電流Ｉ_ＤＳを増やすと、所定の周波数までは最大発振周波数ｆ_ｍａｘが上昇するが、いずれ頭打ちし、電流を流しすぎると最大発振周波数ｆ_ｍａｘは低下する。また、ドレイン・ソース間電圧Ｖ_ＤＳが大きいほど最大発振周波数ｆ_ｍａｘが高くなる特徴もある。回路の設計においては、所望の最大発振周波数ｆ_ｍａｘが得られるように、Ｉ_ＤＳおよびＶ_ＤＳを決定する。

アンプ３は、半導体製造プロセスのプロセス変動、あるいは実動作時の温度変動などによって、性能変化が大きい。例えば、プロセス変動によって、アンプを構成するトランジスタの電流が少なくなると、最大発振周波数ｆ_ｍａｘが低くなるため、周波数特性が劣化する。また、温度が高くなると、トランジスタの動作遅延が大きくなり、周波数特性が劣化する。アンプの電源電圧を上げると、ドレイン・ソース間電圧Ｖ_ＤＳが大きくなるので、トランジスタの性能を上げることができる。

本実施形態では、無線装置におけるアンプ等の回路において、プロセス変動または温度変動による性能劣化の課題を解決するために、対象の回路に対して電源電圧を変化させて供給する構成を持つ。

（第１の実施形態）
図４は、本発明の第１の実施形態における無線装置の構成を示すブロック図である。第１の実施形態は、無線装置における送信回路に適用した構成例を示す。

無線装置は、デジタルベースバンド部（マップ部）１−１、変調部２、アンプ３、電池４、出力可変レギュレータ５、ＰＬＬ１０を有して構成される。デジタルベースバンド部１−１、変調部２、アンプ３、出力可変レギュレータ５、ＰＬＬ１０は、集積回路１１上に形成される。特に、少なくともアンプ３とＰＬＬ１０は同一チップ上に形成される。

デジタルベースバンド部１−１は、ＰＬＬ１０から出力される所定の周波数のクロック信号によって動作し、送信データから送信ベースバンド信号として直交信号のＩ信号およびＱ信号を生成して出力する。つまり、デジタルベースバンド部１−１は、送信データをＩＱ平面上の信号点にマッピングする。
変調部２は、デジタルベースバンド部１−１から出力されるＩ信号およびＱ信号を変調して高周波変調信号を生成する。アンプ３は、変調部２から出力される高周波変調信号を増幅し、送信出力信号を出力する。

出力可変レギュレータ５は、ＰＬＬ１０から出力されるＶＣＯ制御電圧に基づいてアンプ３の電源電圧を変化させる。出力可変レギュレータ５の入力には、外部電源端子を介して電池４が接続され、電池４の出力電圧が供給される。出力可変レギュレータ５の出力には、アンプ３の電源端子が接続され、アンプ３にＶＣＯ制御電圧に応じた可変の電源電圧が供給される。

図５は、出力可変レギュレータ５の構成を示す図である。出力可変レギュレータ５は、電圧変換回路６１、オペアンプ６２、トランジスタＱ２を有して構成される。ＰＬＬ１０からのＶＣＯ制御電圧が入力される出力制御電圧端子には、電圧変換回路６１の入力端が接続され、電圧変換回路６１の出力端がオペアンプ６２の負側入力端に接続される。電圧変換回路６１は、ＶＣＯ制御電圧をオペアンプ６２の入力電圧レベルに変換する回路である。

オペアンプ６２の出力端には、トランジスタＱ２のゲートが接続され、トランジスタＱ２のドレインが接続される外部電源端子に電池４からの出力電圧が供給される。トランジスタＱ２のソースが出力端子に接続され、出力端子よりアンプ３の電源端子に出力可変レギュレータ５の出力電圧が供給される。また、トランジスタＱ２のソースは、直列接続された抵抗Ｒ１、Ｒ２を介して接地され、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との接続点がオペアンプ６２の正側入力端に接続される。これにより、出力可変レギュレータ５の出力電圧が抵抗Ｒ１、Ｒ２により分圧されてオペアンプ６２に帰還される。

ＰＬＬ１０は、電圧制御発振器（ＶＣＯ）６と、ＶＣＯ６の出力周波数をカウントするカウンタ７と、基準信号とカウンタ７の出力信号の位相を比較し、誤差信号を出力する位相比較器８と、位相比較器８の出力の誤差信号の交流成分を取り除くフィルタ９と、を含む構成である。フィルタ９の出力は、ＶＣＯ６の出力周波数を制御するためのＶＣＯ制御電圧として、ＶＣＯ６へフィードバック入力される。また、ＶＣＯ制御電圧は、出力可変レギュレータ５の出力制御電圧端子にも入力される。

ＶＣＯ６は、リングオシレータによって構成される。図６は、ＰＬＬ１０がロックしていないリングオシレータの発振周波数の温度依存性の一例を示すグラフである。図６において、横軸はＶＣＯ制御電圧、縦軸は発振周波数を示している。図６に示すように、低温になると、発振周波数−ＶＣＯ制御電圧のカーブは、周波数が高くなる方向にシフトする。高温になると、低温とは逆に周波数が低くなる方向にシフトする。リングオシレータを構成するインバータの動作遅延時間が低温では短くなり、高温では長くなるためである。ｆｃｋは、ＰＬＬ１０がロックした周波数を表す。

図７は、ＰＬＬ１０がロックしていないリングオシレータの発振周波数のプロセス変動依存性の一例を示すグラフである。図７において、横軸はＶＣＯ制御電圧、縦軸は発振周波数を示している。図７に示すように、リングオシレータにおけるトランジスタの閾値電圧Ｖｔｈが低くなる方にプロセス変動が発生すると、発振周波数−ＶＣＯ制御電圧のカーブは、周波数が高くなる方向にシフトする。トランジスタの閾値電圧Ｖｔｈが高くなる方向にプロセス変動が発生すると、逆に周波数が低くなる方向にシフトする。リングオシレータを構成するインバータの動作遅延時間が、トランジスタの閾値電圧Ｖｔｈが低いと短くなり、トランジスタの閾値電圧Ｖｔｈが高いと長くなるためである。

無線装置の動作時においては、ＰＬＬ１０はロックし、ＶＣＯ６の出力周波数は所定の周波数ｆｃｋに固定されている。図６から、周波数ｆｃｋを発振する場合のＶＣＯ制御電圧は、温度に依存して変化する。同様に、図７から、周波数ｆｃｋを発振する場合のＶＣＯ制御電圧は、トランジスタの閾値電圧Ｖｔｈに依存して変化する。図８は図６に対応し、図９は図７に対応する。

図８は、ＰＬＬ１０がロックしたＶＣＯ制御電圧の温度依存性の一例を示すグラフである。図８において、横軸は温度、縦軸はＶＣＯ制御電圧を示している。図９は、ＰＬＬ１０がロックしたＶＣＯ制御電圧のプロセス変動依存性の一例を示すグラフである。図９において、横軸はトランジスタの閾値電圧Ｖｔｈ、縦軸はＶＣＯ制御電圧を示している。図８および図９から、ＶＣＯ制御電圧の観測によって、温度またはプロセスの変動を検出できる。

特許文献１の電源電圧調整装置では、リングオシレータの出力周波数の観測によって、温度またはプロセスの変動を検出していた。しかし、検出用のリングオシレータを別途備える必要があった。

本実施形態では、デジタルベースバンド部１−１のクロック信号を生成するＰＬＬ１０のリングオシレータを流用し、新たに検出用の回路として別のリングオシレータを設けない構成としている。動作時においてはＰＬＬ１０がロックし、出力周波数が固定されてしまうため、特許文献１の電源電圧調整装置において用いられた出力周波数の観測では、温度またはプロセスの変動は検出が困難である。したがって、本実施形態では、ＶＣＯ制御電圧の観測によって、等価的に集積回路１１における温度またはプロセスの変動を検出する。

本実施形態では、ＶＣＯ制御電圧を出力可変レギュレータ５に入力し、ＶＣＯ制御電圧の変化に応じて出力可変レギュレータ５の出力電圧を変化させる。これによって、集積回路１１において温度またはプロセスの変動があった場合に、温度またはプロセスの変動に応じてアンプ３の電源電圧を制御できる。図１０は、温度変動に対するアンプの電源電圧特性の一例を示すグラフ、図１１は、プロセス変動に対するアンプの電源電圧特性の一例を示すグラフである。

先に述べたように、温度が高くなるとアンプの周波数特性が劣化するが、図１０のようにアンプの電源電圧が上がるので、周波数特性劣化が補償される。反対に温度が下がった場合はアンプの周波数特性が良化するので、アンプの電源電圧を下げることで低消費電力化を図ることができる。

また、プロセス変動によりトランジスタの閾値電圧Ｖｔｈが高くなるとアンプの周波数特性が劣化するが、図１１のようにアンプの電源電圧が上がるので、周波数特性劣化が補償される。反対にトランジスタの閾値電圧Ｖｔｈが下がった場合はアンプの周波数特性が良化するので、アンプの電源電圧を下げることで低消費電力化を図ることができる。

以上のように、デジタルベースバンド部のクロック生成用ＰＬＬのＶＣＯ制御電圧に基づいてアンプの電源電圧を制御することによって、リングオシレータのような変動検出用の回路を別途専用に設けることなく、温度変動またはプロセス変動が発生した場合にも性能を最適化しうる無線装置を提供できる。

特に、ミリ波帯を用いて無線通信する無線装置においては、信号の周波数が高いため、より大きな効果を得ることができる。例えば、６０ＧＨｚのミリ波帯を用いた無線装置では、高周波回路の最大発振周波数ｆ_ｍａｘが１００ＧＨｚ程度であり、高周波信号の周波数と近いため、最大発振周波数ｆ_ｍａｘが回路性能に大きく作用する。したがって、高周波回路の電源電圧のＶＣＯ制御電圧に応じた制御によって、温度変動またはプロセス変動による性能劣化を適切に補償できる。

なお、上述した第１の実施形態では、アンプの電源電圧を可変レギュレータにより変化させる構成としたが、ＶＣＯ制御電圧に応じた電源電圧の制御によって性能劣化を補償する対象としては、アンプに限らない。また、第１の実施形態では送信回路の構成例を示したが、送信回路に限らない。

（第２の実施形態）
図１２は、本発明の第２の実施形態における無線装置の構成を示すブロック図である。第２の実施形態は、第１の実施形態の変形例であり、アンプと同様に変調部の電源電圧をＶＣＯ制御電圧に基づいて変化させる無線装置である。

出力可変レギュレータ５の出力端子は、アンプ３の電源端子に接続され、変調部２の電源端子に接続される。その他の構成は図４に示した第１の実施形態と同様であり、説明を省略する。

図１３は、変調部２の構成を示す図である。変調部２は、基準信号を基にローカル信号を生成するＰＬＬ５０と、ローカル信号によって直交信号のＩ信号およびＱ信号を変調する直交変調器５１とを含む構成である。ＰＬＬ５０は、発振器５２と、発振器５２の出力周波数をカウントするカウンタ５３と、基準信号とカウンタ５３の出力信号の位相を比較し、誤差信号を出力する位相比較器５４と、位相比較器５４の出力の誤差信号の交流成分を取り除くフィルタ５５と、を含む構成である。

直交変調器５１と発振器５２を含む高周波回路部５６には、電源電圧として、出力可変レギュレータ５の出力電圧が供給される。

第２の実施形態では、第１の実施形態と同様に、ＰＬＬ１０のＶＣＯ制御電圧の変化に応じて出力可変レギュレータ５の出力電圧を変化させ、出力電圧をアンプ３および変調部２に電源電圧として供給する。集積回路１１の温度変動またはプロセス変動に伴ってＶＣＯ制御電圧が変化し、ＶＣＯ制御電圧に応じて変調部２の電源電圧が可変される。

以上のように、デジタルベースバンド部のクロック生成用ＰＬＬのＶＣＯ制御電圧に基づいて変調部の電源電圧を制御することによって、リングオシレータのような変動検出用の回路を別途専用に設けることなく、温度変動またはプロセス変動が発生した場合にも変調部の性能を最適化しうる無線装置を提供できる。特に、ミリ波帯を用いて無線通信する無線装置においては、信号の周波数が高いため、より大きな効果を得ることができる。

（第３の実施形態）
図１４は、本発明の第３の実施形態における無線装置の構成を示すブロック図である。第３の実施形態は、無線装置における受信回路に適用した構成例を示す。

無線装置は、デジタルベースバンド部（デマップ部）１−２、復調部１８、アンプ１９、電池４、出力可変レギュレータ５、ＰＬＬ１０を有して構成される。デジタルベースバンド部１−２、復調部１８、アンプ１９、出力可変レギュレータ５、ＰＬＬ１０は、集積回路１１上に形成されている。特に、少なくともアンプ１９とＰＬＬ１０は同一チップ上に形成される。

アンプ１９は、高周波信号増幅用アンプであり、高周波変調信号である受信入力信号を増幅し、復調部１８に出力する。復調部１８は、アンプ１９により増幅された受信入力信号を復調し、受信ベースバンド信号として直交信号のＩ信号およびＱ信号を出力する。
デジタルベースバンド部１−２は、ＰＬＬ１０から出力される所定の周波数のクロック信号により動作し、復調部１８おいて復調されたＩ信号およびＱ信号から受信データを取得する。つまり、デジタルベースバンド部１−２は、ＩＱ平面上マッピングされた信号点から受信データをデマップする。

出力可変レギュレータ５の出力端子は、アンプ１９の電源端子に接続される。ＰＬＬ１０、出力可変レギュレータ５等の構成は第１の実施形態と同様であり、説明を省略する。

第３の実施形態では、第１の実施形態と同様に、ＰＬＬ１０のＶＣＯ制御電圧の変化に応じて出力可変レギュレータ５の出力電圧を変化させ、出力電圧を受信回路のアンプ１９に電源電圧として供給する。集積回路１１の温度変動またはプロセス変動に伴ってＶＣＯ制御電圧が変化し、ＶＣＯ制御電圧に応じてアンプ１９の電源電圧が可変される。

以上のように、デジタルベースバンド部のクロック生成用ＰＬＬのＶＣＯ制御電圧に基づいて受信回路のアンプの電源電圧を制御することによって、リングオシレータのような変動検出用の回路を別途専用に設けることなく、温度変動またはプロセス変動が発生した場合にも性能を最適化しうる無線装置を提供できる。特に、ミリ波帯を用いて無線通信する無線装置においては、信号の周波数が高いため、より大きな効果を得ることができる。

なお、第２の実施形態と同様にして、復調部の高周波回路部等にも出力可変レギュレータ５の出力電圧を供給し、温度変動またはプロセス変動による性能劣化に対して補償できる。

なお、本発明は、本発明の趣旨ならびに範囲を逸脱することなく、明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者が様々な変更、応用することも本発明の予定するところであり、保護を求める範囲に含まれる。また、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上記実施形態における各構成要素を任意に組み合わせてもよい。

本発明は、検出用の発振器等の回路を別途設けることなく、プロセス変動または温度変動が発生した場合にも性能を最適化できる効果を有し、デジタルベースバンド部と高周波回路とを備えた無線装置等として有用である。

１デジタルベースバンド部
１−１デジタルベースバンド部（マップ部）
１−２デジタルベースバンド部（デマップ部）
２変調部
３アンプ
４電池
５出力可変レギュレータ
６電圧制御発振器（ＶＣＯ）
７、５３カウンタ
８、５４位相比較器
９、５５フィルタ
１０ＰＬＬ
１１集積回路
１２レギュレータ
１８復調部
１９アンプ
５１直交変調器
５２発振器
６１電圧変換回路
６２オペアンプ
Ｑ１、Ｑ２トランジスタ
Ｌ１負荷

Claims

制御電圧に応じた周波数の信号を発振する電圧制御発振器を有するＰＬＬと、
前記制御電圧に基づいて出力電圧を変化させる出力可変レギュレータと、
前記出力可変レギュレータの出力電圧が電源電圧として供給される高周波回路と、
を備えた無線装置。
請求項１に記載の無線装置であって、
前記ＰＬＬと前記高周波回路とが、同一の集積回路上に構成される無線装置。
請求項２に記載の無線装置であって、
前記高周波回路は、高周波信号増幅用アンプ、変調部の高周波回路部、復調部の高周波回路部のうちの、少なくとも一つを含む無線装置。