JP2001028526A - 高周波電力増幅装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 信号品質を損なうことなしにその出力電力を
可変設定し、またその電力効率を十分高く確保すること
のできる高周波電力増幅装置を提供する。 【解決手段】 トランジスタ２１,２２を多段に接続し
て構成されて高周波信号を電力増幅する増幅器１３と、
要求される出力電力に応じて最終段のトランジスタ２２
のバイアス電流を可変設定してその電力効率を調整する
バイアス電流設定回路２３と、最終段のトランジスタの
出力を前段側のトランジスタに帰還して前記増幅器の全
体の利得を一定に保つ帰還回路２４とを備える。そして
その電力効率を高く維持しながら出力電力を可変し、増
幅器全体の利得を一定に保つことで信号品質を一定に維
持する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、アンテナ等の低イ
ンピーダンスの負荷を、要求された出力電力に応じて高
効率に駆動することのできる高周波電力増幅装置に関す
る。

【０００２】

【関連する背景技術】近時、限られた帯域幅の電波を複
数のユーザで同時に利用する技術の１つとして、Ｗ−Ｃ
ＤＭＡ（Wideband−Code Division Multiple Access；
広帯域符号分割多元接続）方式が注目されている。ＣＤ
ＭＡ方式は、基本的には限られた周波数帯域内に多くの
キャリアを設定し、各キャリアを複数ユーザで共有する
方式であり、雑音の混入、マルチパスやフェージングの
発生、更にはハンドオーバーの問題等を抑えて、その通
信品質を高く保ち得る等の利点を有する。

【０００３】ところでＷ−ＣＤＭＡの端末機（携帯電話
機）における送信部は、その使用環境に応じてその送信
出力電力を可変設定するように構成される。この際、ア
ンテナを介して送信する高周波信号のリニアリティ（直
線性）を充分に確保しながら、その出力電力を制御する
ことが重要となる。ちなみに最大送信電力が１ＷのＣＤ
ＭＡ端末機（携帯電話機）においては、例えば図４に示
すような頻度の割合でその送信出力電力が可変設定され
る。これ故、最大出力時における送信信号（高周波信
号）の品質を高めることは当然のことであるが、むしろ
１０ｍＷ以下の低出力時における信号品質を高め、同時
にそのときの電力効率を高めて全体的な省電力化を図る
ことが重要であると言える。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで従来、この種
の送信部を構成する高周波電力増幅装置は、専ら、ハイ
ブリッドＩＣにおいて実績のあるエミッタ接地型のシン
グルエンデッド回路を用いて実現されることが多い。し
かしながら、その送信出力電力を可変するべくシングル
エンデッド回路を構成するトランジスタのバイアス電流
を変えると、高周波信号に歪みが生じたり、発振等の異
常動作が生じ易くなる。しかもトランジスタの増幅特性
自体にばらつきが生じ易いので、その最大性能を引き出
し難く、また電力効率が大幅に低下すると言う問題があ
る。

【０００５】この点、電子特性に優れたヘテロ接合型Ｆ
ＥＴを用いて電力増幅器を構成し、その優れた電力効率
特性を利用するべくＤＣ-ＤＣコンバータを用いてその
ドレインバイアス電圧を調整することで出力電力を可変
設定し、これによって幅広い出力電力範囲においてその
電力効率を高める技術が提唱されている。しかしＤＣ-
ＤＣコンバータからのノイズの高周波信号への混入が新
たな問題となる。

【０００６】本発明はこのような事情を考慮してなされ
たもので、その目的は、アンテナ等の低インピーダンス
の負荷を駆動するに好適な高周波電力増幅装置であっ
て、特に信号品質を損なうことなしに電力消費を抑え
て、その電力効率を十分高く確保することのできる高周
波電力増幅装置を提供することにある。即ち、本発明は
電力増幅器をなすトランジスタのバイアス電流を可変し
てその電力効率の向上を図るものであって、バイアス電
流の可変に拘わらずその信号品質を一定に保つことがで
き、全体的な省電力化を図ることのできる実用性に優れ
た高周波電力増幅装置を提供することを目的としてい
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上述した目的を達成する
べく本発明に係る高周波電力増幅装置は、複数のトラン
ジスタ（バイポーラトランジスタや電界効果トランジス
タ）を多段に接続して構成されて高周波信号を電力増幅
する増幅器と、要求される出力電力に応じて最終段のト
ランジスタのバイアス電流を可変設定してその電力損失
を調整するバイアス電流設定回路と、上記最終段のトラ
ンジスタの出力を前段側のトランジスタに帰還して前記
増幅器の全体の利得を一定に保つ帰還回路とを具備した
ことを特徴としている。

【０００８】好ましくは前記最終段のトランジスタは、
請求項２に記載するように低インピーダンスの負荷、例
えばアンテナを駆動するものであって、この最終段のト
ランジスタをバイアス電流を要求出力電力に応じて設定
するように構成される。そして最終段のトランジスタの
バイアス電流を可変することで出力電力に応じて電力損
失を抑えてその電力効率を高く維持し、またその出力を
前段側のトランジスタに帰還して増幅器全体の利得を一
定に保つことで、出力電力の可変設定に拘わらずその信
号品質を一定に維持するようにしたことを特徴としてい
る。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の一
実施形態に係る高周波電力増幅装置について説明する。
図１はＷ-ＣＤＭＡ端末機（携帯電話機）の高周波部
に、ＰＦパワーモジュールとして組み込まれる高周波電
力増幅装置の概略構成を示している。この高周波電力増
幅装置は、例えば１チップのモノリシック集積回路化さ
れた高周波パワーアンプ（ＭＭＩＣ；Monolithic Micro
wave Integrated Circuit）として実現される。ちなみ
にこの高周波電力増幅装置は、ＲＦ変調器を介して変調
された２ＧＨｚ（具体的には中心周波数１.９ＧＨｚで
５ＭＨｚ幅の拡散信号）の高周波信号を所定の利得（例
えば３０ｄＢ以上）で増幅し、これをアンテナ（図示せ
ず）を介して送信出力する役割を担う。

【００１０】さて上記高周波電力増幅装置は、歪みの発
生を最小限に抑えて高周波信号を増幅する２段の直接結
合（直結）された増幅器１１,１２をその入力段に備え
ると共に、これらの増幅器１１,１２を介して増幅され
た高周波信号を電力増幅してアンテナに対して出力する
電力増幅器１３をその出力段に備えて構成される。特に
１段目の増幅器１１は、外部から与えられる利得制御信
号（要求出力電力）に応じて増幅器１１のバイアス電流
を可変設定し、これによって増幅器１１の増幅利得を設
定する利得設定回路１４を備えている。また電力増幅器
１３に設けられたバイアス電流設定回路１５は、外部か
ら与えられる要求出力電力（送信電力）に応じて電力増
幅器１３のバイアス電流を可変設定し、出力電力に応じ
た最適な直流バイアスを設定して電力効率を高める役割
を担う。

【００１１】ちなみに高周波信号に対する各段における
増幅利得は、例えば１０ｄＢ程度にそれぞれ設定され、
特に高周波信号の出力（送信出力）を可変する為の利得
制御は、利得設定回路１４により初段の増幅器１１にお
けるバイアス電流を可変調整することによって行われ
る。また増幅器１２のバイアス電流は、歪みが最も小さ
くなる値に設定される。そして初段の増幅器１１はその
出力段に直結された増幅器１２を備えることで該増幅器
１２を容量性負荷として作用させ、その発振を防止して
バイアス電流の可変設定に拘わることなく高周波信号を
歪みなく増幅し、安定な利得制御を実現するものとなっ
ている。

【００１２】基本的には上述した如く構成される高周波
電力増幅装置において本発明が特徴とするところは、ア
ンテナを駆動する電力増幅器１３が、図２にその機能的
な構成を示すように複数段（ここでは２段）の直結され
たトランジスタ２１,２２により構成され、主として電
力増幅を司る最終段のトランジスタ２２のバイアス電流
を可変設定すると共に、その出力を前段側のトランジス
タ２１に帰還して、その全体の増幅利得を一定に保つよ
うに構成されている点にある。

【００１３】即ち、図２においてはｎｐｎ型の２つのバ
イポーラトランジスタ２１,２２をそれぞれエミッタ接
地して実現される高周波増幅器１３の機能的な構成を示
しているように、初段のトランジスタ２１は入力抵抗Ｒ
inを介して高入力インピーダンスで高周波信号を入力
し、例えばトランジスタ２２からの負帰還を見込んで２
６ｄＢ程度の利得で増幅する如く構成される。そしてト
ランジスタ２１のコレクタ出力を高周波結合コンデンサ
を介して入力する最終段のトランジスタ２２は、そのベ
ースに加えられるバイアス電流が前述したようにバイア
ス電流調整回路２３にて可変設定されるようになってお
り、バイアス電流の調整により６〜２６ｄＢ程度の利得
を持つように構成される。このトランジスタ２２は、そ
のコレクタに接続された負荷ＲＬを駆動する電力を得る
ものであり、またそのコレクタ出力は抵抗Ｒfを含む帰
還回路２４を介して初段のトランジスタ２１のベースに
帰還されている。この帰還回路２４は、トランジスタ２
１,２２からなる２段の電力増幅器１３の全体の利得
を、例えば１０±０.５ｄＢ程度に一定に保つべく機能
する。

【００１４】尚、負荷ＲＬは、例えば２ＧＨzの高周波
信号に対して５Ω程度の低インピーダンスを有するアン
テナからなる。また帰還回路２４は、実際には高周波信
号の位相回転を考慮してトランジスタ２２のコレクタ出
力を１８０°反転させてトランジスタ２１のベースに負
帰還するように設定される。ちなみに帰還回路２４を備
えて構成される電力増幅器１３の全体の利得Ｇは、負荷
ＲＬのインピーダンスに比較して入力抵抗Ｒinおよび帰
還抵抗Ｒfが十分大きい場合、 Ｇ≒−(Ｒf＋ＲＬ)／Ｒin≒−Ｒf／Ｒin＝１０±０.５
ｄＢ として一定に保たれる。

【００１５】かくしてこのように最終段のトランジスタ
２２のバイアス電流を可変設定可能に構成され、帰還回
路２４を備えて構成される電力増幅器１３によれば、要
求出力電力の抑制に応じてトランジスタ２２のバイアス
電流を可変してエミッタ電流を減らしてその省電力化を
図っても、電力増幅器１３としての利得Ｇを一定に保つ
ことができ、前段の増幅器１１,１２にて利得調整され
て増幅された高周波信号を安定に電力増幅することがで
きる。しかもその負荷ＲＬが低インピーダンスのアンテ
ナであっても、該アンテナを駆動するに必要な出力電力
を安定に得ることが可能となる。

【００１６】また上述した如く構成される高周波電力増
幅装置（ＰＦパワーモジュール）における電力損失は、
専ら、最終段のトランジスタ２２の電力損失に依存し、
該トランジスタ２２の電力損失はその駆動電圧と、バイ
アス電流によって規定されるエミッタ電流との積によっ
て表される。このような電力損失を、要求された出力電
力に応じてバイアス電流を調整し、トランジスタ２２の
エミッタ電流を低減することで抑えるようにした電力増
幅器１３によれば、アンテナを介する高周波信号の送信
出力に応じてその消費電力を抑えることができるので、
効果的に省電力化を図ることが可能となる。しかもトラ
ンジスタ２２のエミッタ電流の低減に伴う利得の変動を
招くことなく、高品質な電力増幅を行うことが可能とな
る。

【００１７】換言すれば一般的には高周波信号に対して
歪みを発生させることなくトランジスタ２２をリニアに
増幅動作させるべく設定されるバイアス電流を、ここで
は要求された出力電力に応じて敢えて可変設定し、特に
出力電力を絞り込む際にバイアス電流を低減してその電
力損失を小さく抑えるようにしている。その際、バイア
ス電流の低減に伴う増幅利得の低下を、帰還回路２４に
よる出力信号の帰還作用により補償してその全体的な利
得を一定に保ち、これによって安定な電力増幅と信号品
質の安定化を図っている。従って出力電力に応じて電力
消費を抑えながら、アンテナを安定に、且つ効率的に駆
動することが可能となる。

【００１８】尚、機能的には上述した如く構成される高
周波電力増幅装置は、例えばトランジスタとして高周波
用ＦＥＴを用いて図３に示すように構成するようにすれ
ば良い。この場合、増幅対象とする高周波信号の周波数
が２ＧＨzと高いので、各ＦＥＴ（トランジスタ）の負
荷としてそれぞれインダクタンスを用いるようにすれば
良い。またトランジスタ２２からトランジスタ２１に対
する帰還回路２４については高周波信号の位相回転を考
慮した上で補償用インダクタンスにて位相補償し、その
位相を１８０°反転させて帰還する（負帰還する）よう
に設定すれば良い。

【００１９】またここではシングルエンデッド回路にて
高周波電力増幅装置を実現する例について示したが、前
段の増幅器１１,１２を高周波信号を平衡入力して増幅
する差動増幅器にて構成し、電力増幅器１３をプッシュ
プル型の増幅回路として構成することも勿論可能であ
る。このようにして高周波信号を平衡させて増幅するよ
うに構成することで、その信号品質を更に高安定に保つ
ことが可能となる。また図３においては、最終段のトラ
ンジスタ２２を２個のＦＥＴを並列接続して実現してい
るが、要求される最大出力電力に応じて複数のトランジ
スタを並列接続して電力増幅するように構成することも
勿論可能である。その他、本発明はその要旨を逸脱しな
い範囲で種々変形して実施することができる。

【００２０】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、高
周波信号を電力増幅する最終段のトランジスタのバイア
ス電流を、その要求された出力電力に応じて可変するこ
とでその電力損失を抑えると共に、その出力を前段側の
トランジスタに帰還することでその全体の利得を一定に
保つので、バイアス電流の低減に伴う利得の低下を防ぎ
ながら安定で高品質な電力増幅を行い得る。これ故、Ｗ
-ＣＤＭＡ端末機（携帯電話機）の送信アンプとして組
み込む等して、その省電力化を図り得る等の実用上多大
なる利点が奏せられる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る高周波電力増幅装置
の全体的な概略構成図。

【図２】図１に示す高周波電力増幅装置における最終段
の電力増幅器の機能的な構成を示す図。

【図３】図１に示す高周波電力増幅装置の構成例を示す
図。

【図４】Ｗ-ＣＤＭＡ端末機（携帯電話機）において可
変設定される送信出力電力の頻度割合を示す図。

【符号の説明】

１１ 増幅器（利得設定用） １２ 増幅器（一定利得） １３ 電力増幅器（バイアス電流可変） ２１ 初段のトランジスタ ２２ 最終段のトランジスタ ２３ バイアス電流設定回路 ２４ 帰還回路

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数のトランジスタを多段に接続して構
   成されて高周波信号を電力増幅する増幅器と、要求され
   る出力電力に応じて最終段のトランジスタのバイアス電
   流を可変設定するバイアス電流設定回路と、上記最終段
   のトランジスタの出力を前段側のトランジスタに帰還し
   て前記増幅器の全体の利得を一定に保つ帰還回路とを具
   備したことを特徴とする高周波電力増幅装置。
2. 【請求項２】 前記最終段のトランジスタは、低インピ
   ーダンスの負荷を駆動するものであって、バイアス電流
   の可変設定により要求出力電力に応じた電流で駆動され
   るものである請求項１に記載の高周波電力増幅装置。