JP2004040644A - 電力増幅器及び電力増幅器の調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】無線通信機器の歩留まりの悪化や消費電力の増大を回避することができる電力増幅器を提供する。
【解決手段】一端が電源電圧ＶＳに接続されたインダクタンス負荷１の他端と接地電位との間に、ドレインとソースとが直列に接続された電力増幅用のＮチャネルＭＯＳトランジスタ３を備え、そのトランジスタ３のドレインに接続された信号出力端子７から、入力信号を電力増幅した信号を出力する電力増幅器１１には、電源電圧ＶＳを調整指令に応じて変えることで当該電力増幅器の出力電力を調整可能な調整回路１３に加え、トランジスタ３と並列に接続された複数のＮチャネルＭＯＳトランジスタ３’のうち、トランジスタ３と共に動作するものの数（即ち電力増幅用トランジスタのサイズ）を調整指令に応じて変えることで、当該電力増幅器の出力インピーダンスを調整可能な手段１５が備えられている。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波用の電力増幅器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、無線通信機器の送信部に使用される高周波用の電力増幅器は、図１２に示すように、電源電圧ＶＳに一端が接続された負荷素子としてのインダクタンス負荷１と、そのインダクタンス負荷１の他端側（電源電圧側とは反対側）にドレインが接続されると共に、ソースが基準電位としての接地電位（グランドライン＝０Ｖ）に接続された電力増幅用のＮチャネルＭＯＳトランジスタ３と、そのＮチャネルＭＯＳトランジスタ３のゲートに接続された信号入力端子５と、インダクタンス負荷１の上記他端側に接続された信号出力端子７とを備えており、ＮチャネルＭＯＳトランジスタ３が、信号入力端子５に入力される電力増幅対象の入力信号に応じて流れる電流を可変することにより、信号出力端子７から上記入力信号を電力増幅した信号を出力するようになっている。
【０００３】
そして、図１２の電力増幅器において、信号出力端子７には、無線通信機器への実装状態において、当該電力増幅器の後段に接続されるアンテナ８とのインピーダンス整合を図るための整合回路９が接続される。つまり、整合回路９は、電力増幅器の出力を効率良くアンテナ８などの後段素子へ与えるために設けられ、一般に、コンデンサとインダクタンスとを組合せて構成される。
【０００４】
ここで、無線通信機器では、電力増幅器の出力電力を所定値に調整することがある。例えば、特に微弱電波を利用した通信システム用の無線通信機器では、通信距離を確保するために、製造工程において、法律で規制される最大電力の電波が送出されるように、電力増幅器の出力電力を規制値ぎりぎりに調整することがある。
【０００５】
このため、従来より、電力増幅器には、その出力電力を調整するための手段が設けられていた。尚、電力増幅器の出力電力を調整するための手段としては、電力増幅器に供給する電源電圧（即ち、図１２において、インダクタンス負荷１の一端に印加される電源電圧ＶＳ）を調節可能な定電圧電源回路がある。つまり、電源電圧が変われば、出力電力も変わるからである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のように電力増幅器に出力電力を調整するための手段を設けても、電力増幅器を構成する電力増幅用トランジスタ３及びインダクタンス負荷１や、電力増幅器の次段に接続される整合回路９及びアンテナ８などの製造ばらつきにより、電力増幅器と後段回路とのインピーダンス整合がずれて、電力増幅器の出力電力を効率良く送信することができなかったり、必要以上に送信電力が大きくなってしまうことがある。
【０００７】
そして、必要以上に送信電力が大きくなった場合、規制される送信電力ぎりぎりを狙った機器では、歩留まりが悪化して、コスト増加を招いてしまう。送信電力が規制値を越えた製品は出荷できないからである。
また、電力増幅器の出力電力を効率良く送信することができない場合にも、要求以上の送信距離が確保されずに、やはり歩留まりを悪化させてしまう。
【０００８】
また更に、電力増幅器の出力電力を効率良く送信することができない場合には、所望の送信電力を実現できたとしても、必要以上に電力を消費することとなってしまい、特に電池駆動される機器では、使用時間の短縮を招いてしまう。
このように、製造ばらつきなどにより、電力増幅器とそれの後段回路とのインピーダンス整合がずれると、歩留まりの悪化や消費電力の増大を招いてしまう。
【０００９】
尚、こうしたインピーダンス整合のずれは、机上計算においては、各機器毎に、図１２における整合回路９の回路定数の値を変えることで解消できるが、前述したように、整合回路９は一般にコンデンサとインダクタンスとの組合せで実現されているため、机上計算された値のコンデンサやインダクタンスが工業的には存在しなかったり、これら部品のばらつきでインピーダンス整合が十分に得られないことが多々ある。また、インピーダンス整合を確実に達成するために、精度の良い部品（特性ばらつきが小さい部品）を用いなければならないため、余計にコスト増加を招いてしまう。精度の良い部品は、概して高価なためである。
【００１０】
本発明は、こうした問題に鑑みなされたものであり、無線通信機器の歩留まりの悪化や消費電力の増大を回避することができる電力増幅器の提供を目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
上記目的を達成するためになされた請求項１に記載の電力増幅器は、従来の電力増幅器と同様に、電源電圧に一端が接続された負荷素子と、該負荷素子の他端側と電源電圧よりも低い基準電位との間に２つの出力端子が直列に接続された電力増幅用トランジスタとを備えており、その電力増幅用トランジスタが入力信号に応じて流れる電流を可変することにより、負荷素子の他端側に接続された信号出力端子から入力信号を電力増幅した信号を出力する。
【００１２】
ここで特に、請求項１の電力増幅器は、前記負荷素子の一端に電源電圧を供給すると共に、その電源電圧を変えることが可能な手段であって、その電源電圧の変化により当該電力増幅器の出力電力を調整可能な出力電力調整手段と、当該電力増幅器の出力インピーダンスを調整可能なインピーダンス整合調整手段とを備えている。
【００１３】
つまり、請求項１の電力増幅器では、出力電力調整手段により、負荷素子の一端に供給される電源電圧を変えることで、当該電力増幅器の出力電力を調整することができる上に、インピーダンス整合調整手段により、当該電力増幅器の出力インピーダンスをも調整できるようになっている。
【００１４】
よって、この請求項１の電力増幅器によれば、信号出力端子に接続された後段の外部回路とのインピーダンス整合が製造ばらつきなどによってずれても、インピーダンス整合調整手段により、当該電力増幅器の出力インピーダンスを調整して、後段の外部回路とのインピーダンス整合を確立させることができる。このため、前述した各問題を解決することができ、本電力増幅器が用いられる無線通信機器の歩留まりの悪化や消費電力の増大を回避することができる。
【００１５】
ところで、請求項１の電力増幅器において、出力電力調整手段としては、請求項２に記載のように、電池の出力電圧から該出力電圧よりも低い電圧を生成して、その生成した電圧を電源電圧として前記負荷素子の一端に供給する増幅率可変のシリーズレギュレータが好ましい。
【００１６】
つまり、請求項１の出力電力調整手段として用いることが可能な定電圧電源回路としては、スイッチングレギュレータとシリーズレギュレータとが考えられるが、スイッチングレギュレータは、供給される電圧よりも高い電圧を出力可能である反面、回路構成が複雑であると共に、ノイズを発生するという欠点がある。
【００１７】
これに対して、シリーズレギュレータは、供給される電圧よりも低い電圧しか出力することができないものの、回路構成が簡単であると共に、ノイズを発生しないという利点がある。そして特に、請求項１の出力電力調整手段としてシリーズレギュレータを用いれば、電源電圧は、必然的に且つ確実に電池の出力電圧よりも低い電圧となるため、電池の出力電圧が高くても、電力増幅用トランジスタの２つの出力端子間に印加される電圧を該トランジスタの耐圧以下に抑えるということを、特別な保護用回路や素子を設けることなく実現することができる。
【００１８】
次に、請求項３に記載の電力増幅器は、請求項１の電力増幅器と比較すると、出力電力調整手段が異なっている。
そして、この請求項３に記載の電力増幅器における出力電力調整手段は、前記負荷素子の他端側（電源電圧側とは反対側）と電力増幅用トランジスタの負荷素子側の出力端子との間に直列に挿入された抵抗値可変の手段（換言すれば、可変抵抗手段）であって、自身の抵抗値の変化により当該電力増幅器の出力電力を調整するものである。
【００１９】
つまり、電力増幅用トランジスタの負荷素子側の出力端子と負荷素子との間に直列に可変抵抗手段を挿入すると共に、その可変抵抗手段の抵抗値を変化させれば、後述する図５の一点鎖線の様に電力増幅器の出力インピーダンスを殆ど変化させることなく、電力増幅器の出力電力を変えることができる。
【００２０】
そこで、請求項３の電力増幅器では、電力増幅用トランジスタの負荷素子側の出力端子と負荷素子との間に直列に挿入した可変抵抗手段を、出力電力調整手段として用いているのである。
そして、このような請求項３の電力増幅器によっても、出力電力調整手段の抵抗値を変えることによって当該電力増幅器の出力電力を調整することができる上に、インピーダンス整合調整手段により当該電力増幅器の出力インピーダンスをも調整することができるため、請求項１の電力増幅器と同様の効果が得られる。そして更に、この請求項３の電力増幅器によれば、出力電力調整手段の構成が簡単なもので済むという利点がある。
【００２１】
ところで、請求項１〜３の電力増幅器において、インピーダンス整合調整手段としては、請求項４に記載のように、電力増幅用トランジスタに対して並列に接続された１つ以上の調整用トランジスタを有すると共に、電力増幅用トランジスタとして動作する前記調整用トランジスタの数を変えることが可能な手段であって、その数の変化により当該電力増幅器の出力インピーダンスを調整可能とするものを用いることができる。
【００２２】
つまり、電力増幅用トランジスタに対して並列に接続された予備の調整用トランジスタのうち、実際に電力増幅用トランジスタとして動作する（即ち、入力信号に応じて流れる電流を可変する）トランジスタの数を変えれば、本来の電力増幅用トランジスタと電力増幅用トランジスタとして動作する調整用トランジスタとからなる全トランジスタでの抵抗分（結局、電力増幅用トランジスタの抵抗分）が変わることとなり、電力増幅器の出力インピーダンスが変化するからである。
【００２３】
尚、請求項４の電力増幅器では、換言すれば、「電力増幅用トランジスタが、互いに並列に接続された複数のトランジスタからなると共に、インピーダンス整合調整手段は、その複数のトランジスタのうち、入力信号に応じて実際に動作する（流れる電流を可変する）トランジスタの数を変えることにより、当該電力増幅器の出力インピーダンスを調整するようになっている」とも言える。何れにしても、請求項４の電力増幅器では、入力信号に応じて流れる電流を可変する電力増幅用トランジスタのサイズ（トランジスタサイズ）を変えることで、出力インピーダンスが調整されるようにしている。
【００２４】
そして、このような請求項４の電力増幅器によれば、インピーダンス整合調整手段を設けることによる電力消費や発熱が殆ど無いため、電池駆動される無線通信機器に適用するのに有利である。
また、請求項１〜３の電力増幅器において、インピーダンス整合調整手段としては、請求項５に記載のように、電力増幅用トランジスタの基準電位側の出力端子と基準電位との間、或いは、電源電圧と前記負荷素子の一端との間に直列に挿入された抵抗値可変の手段（換言すれば、可変抵抗手段）であって、自身の抵抗値の変化により当該電力増幅器の出力インピーダンスを調整可能とするものを用いることができる。
【００２５】
つまり、電力増幅用トランジスタの基準電位側の出力端子と基準電位との間に直列に可変抵抗手段を挿入すると共に、その可変抵抗手段の抵抗値を変化させれば、後述する図５の点線の様に電力増幅器の出力インピーダンスを変えることができる。
【００２６】
また、電源電圧と前記負荷素子の一端との間に直列に可変抵抗手段を挿入しても、その可変抵抗手段の抵抗値を変化させれば、後述する図５の実線の様に電力増幅器の出力インピーダンスを変えることができる。
そこで、請求項５の電力増幅器では、電力増幅用トランジスタの基準電位側の出力端子と基準電位との間に直列に挿入された可変抵抗手段ＶＲ１、或いは、電源電圧と前記負荷素子の一端との間に直列に挿入された可変抵抗手段ＶＲ２を、インピーダンス整合調整手段として用いているのである。
【００２７】
そして、このような請求項５の電力増幅器によれば、電力増幅用トランジスタの２つの出力端子間に印加される電圧を、可変抵抗手段ＶＲ１，ＶＲ２での電圧降下分だけ小さくすることができるため、電力増幅用トランジスタの耐圧に余裕を持たすことができるという点で有利である。
【００２８】
尚、請求項５に記載のインピーダンス整合調整手段を採用した請求項３の電力増幅器をＩＣ（ＬＳＩ）化すると共に、電力増幅用トランジスタの負荷素子がＩＣに内蔵し難い素子（例えばインダクタンス）である場合には、インピーダンス整合調整手段として、上記可変抵抗手段ＶＲ２を設ける構成よりも、上記可変抵抗手段ＶＲ１を設ける構成の方が有利な面がある。つまり、この場合には、負荷素子をＩＣの外部に設けることとなるが、その負荷素子の両端に接続される端子を２つ設ける必要がなく、その負荷素子と接続される端子が１つで済むからである。
【００２９】
次に、請求項６に記載の電力増幅器では、請求項４又は請求項５の電力増幅器において、インピーダンス整合調整手段が、更に、複数のコンデンサと、該各コンデンサの信号出力端子に対する電気的接続／非接続を切り換えるスイッチ手段とからなる可変容量手段を備えている。
【００３０】
そして、この電力増幅器によれば、信号出力端子と電気的に接続されるコンデンサの数を変えることにより、出力インピーダンスの虚部をより広い範囲で調整することができる。また、コンデンサならば当該電力増幅器をＩＣ化する際に簡単に内蔵することができる。
【００３１】
一方、請求項１〜請求項６の電力増幅器において、出力インピーダンス整合調整手段は、当該電力増幅器での信号出力に関与するものであるため、その出力インピーダンス整合調整手段によって出力インピーダンスを変えれば、出力電力も変化することとなる。
【００３２】
そこで、請求項１〜請求項６の電力増幅器の出力電力と出力インピーダンスとを調整する際には、請求項７に記載の如く、最初に、インピーダンス整合調整手段により出力インピーダンスの調整を行って、信号出力端子に接続される外部回路とのインピーダンス整合を確立させ、次いで、出力電力調整手段により出力電力を所望の値に調整すれば良い。つまり、出力インピーダンスを調整した後で、出力電力を調整すれば、出力インピーダンスの調整段階で出力電力が所望の値から大きくずれたとしても、後の出力電力調整段階で出力電力を所望の値に調整することができ、出力インピーダンスと出力電力とを１回の調整手順で最適値に調整することができる。
【００３３】
尚、請求項３の出力電力調整手段としての可変抵抗手段と、請求項５の出力インピーダンス整合調整手段としての可変抵抗手段は、例えば、下記（１）〜（３）の何れかの構成で実現することができる。
（１）：直列に接続された複数の抵抗と、その各抵抗と夫々並列に接続された複数のトランジスタとを備え、その各トランジスタのうち、オンするトランジスタの数を変えることで、上記複数の抵抗全体での抵抗値を変化させる構成。
【００３４】
（２）：互いに並列に接続された複数のトランジスタのうち、オンさせるトランジスタの数を変えることで、上記複数のトランジスタの出力端子間の抵抗値を変化させる構成。
（３）：ＭＯＳトランジスタのゲート電圧を変えることで、そのＭＯＳトランジスタの出力端子間の抵抗値（即ち、オン抵抗）を変化させる構成。
【００３５】
そして、上記（１）〜（３）の何れの構成を採用しても、ＩＣに内蔵可能な素子によって可変抵抗手段を構成することができ、電力増幅器をＩＣ化する際に有利である。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明が適用された実施形態の電力増幅器について、図面を用いて説明する。
まず図１は、第１実施形態の電力増幅器１１の構成図である。尚、図１において、前述した図１２と同じ構成要素については、同一の符号を付しているため、詳細な説明は省略する。
【００３７】
図１に示すように、本第１実施形態の電力増幅器１１は、図１２に示した従来の電力増幅器に対して、電池の出力電圧（以下、バッテリ電圧という）ＶＢから生成した電源電圧ＶＳをインダクタンス負荷１の一端に供給すると共に、その電源電圧ＶＳを変えることにより当該電力増幅器１１の出力電力を調整可能な供給電圧調整回路１３（請求項１の出力電力調整手段に相当）と、当該電力増幅器１１の出力インピーダンス（信号出力端子７から当該電力増幅器１１の内部側をみたインピーダンス）を調整可能なインピーダンス整合調整手段１５とを備えている点が異なっている。
【００３８】
そして、インピーダンス整合調整手段１５は、本来の電力増幅用ＮチャネルＭＯＳトランジスタ３に対して並列に接続された複数の調整用ＮチャネルＭＯＳトランジスタ３’と、当該電力増幅器１１の外部から与えられるインピーダンス調整指令に応じて、上記複数の調整用ＮチャネルＭＯＳトランジスタ３’のうち、信号入力端子５からの入力信号に応じて流れる電流を可変させるもの（即ち、電力増幅用トランジスタとして動作するもの）の数を変えるトランジスタ選択手段１７とを備えている。尚、トランジスタ選択手段１７は、各調整用ＮチャネルＭＯＳトランジスタ３’毎に、そのトランジスタ３’のゲートを上記インピーダンス調整指令に応じて信号入力端子５と接地電位（即ち、ＮチャネルＭＯＳトランジスタ３，３’のソース）との何れかに接続させるスイッチ手段１９を有している。そして、そのスイッチ手段１９によりゲートが信号入力端子５の方に接続された調整用ＮチャネルＭＯＳトランジスタ３’が、本来のＮチャネルＭＯＳトランジスタ３と共に電力増幅用トランジスタとして動作することとなる。
【００３９】
換言すれば、本第１実施形態の電力増幅器１１においては、ドレイン側にインダクタンス負荷１が接続される電力増幅用トランジスタを、互いに並列な複数のトランジスタ３，３’，…に分割すると共に、その複数のトランジスタ３，３’，…のうち、入力信号に応じて実際に流れる電流を可変させるトランジスタ（以下、有効なトランジスタという）の数を可変にしており、何れにしても、電力増幅用トランジスタのトランジスタサイズをインピーダンス調整指令に応じて変えることができるようにしている。
【００４０】
一方、本第１実施形態の電力増幅器１１において、供給電圧調整回路１３としては、図２に示すような増幅率可変のシリーズレギュレータが用いられている。即ち、供給電圧調整回路１３は、反転入力端子（−端子）に一定の基準電圧Ｖｒｅｆ（＜ＶＢ）が入力された演算増幅器（オペアンプ）２１と、バッテリ電圧ＶＢにソースが接続され、演算増幅器の出力端子にゲートが接続された電圧出力用のＰチャネルＭＯＳトランジスタ２３と、演算増幅器２１の非反転入力端子（＋端子）と接地電位との間に接続された抵抗２５と、トランジスタ２３のドレインと演算増幅器２１の非反転入力端子との間に接続された帰還用の可変抵抗手段（抵抗値が可変の手段）２７とから構成されている。
【００４１】
また、可変抵抗手段２７は、トランジスタ２３のドレインと演算増幅器２１の非反転入力端子との間に直列に接続された複数の抵抗２８と、その複数の抵抗２８のうちの１つ以外の各々と並列に接続された複数のＮチャネルＭＯＳトランジスタ２９とを備えており、各トランジスタ２９のうち、オンするトランジスタの数を変えることで、上記直列接続された複数の抵抗２８全体での抵抗値（即ち、本可変抵抗手段２７の抵抗値）を変化させるようになっている。つまり、図示は省略しているが、この可変抵抗手段２７には、図１のインピーダンス整合調整手段１５におけるトランジスタ選択手段１７と同様のトランジスタ選択手段が設けられており、そのトランジスタ選択手段が、当該電力増幅器１１の外部から与えられる電力調整指令に応じて、上記複数のトランジスタ２９のうち、ゲートをバッテリ電圧ＶＢに接続させるもの（即ち、オンさせるもの）の数と、ゲートを接地電位に接続させるもの（即ち、オフさせるもの）の数とを変えることで、当該可変抵抗手段２７の抵抗値が変わるようになっている。
【００４２】
そして、このような供給電圧調整回路１３では、抵抗２５の抵抗値をＲ２５とし、可変抵抗手段２７の抵抗値をＲ２７とすると、Ｒ２７に応じて当該シリーズレギュレータの増幅率（１＋Ｒ２７／Ｒ２５）が変わることとなり、トランジスタ２３のドレインから、バッテリ電圧ＶＢよりも低い範囲で、下記式１の如くＲ２７に応じて変化する電源電圧ＶＳが出力される。
【００４３】
ＶＳ＝（１＋Ｒ２７／Ｒ２５）×Ｖｒｅｆ…式１
次に、以上のような本第１実施形態の電力増幅器１１において、出カ電力と出カインピーダンスとが調整可能なことを、図３を用いて説明する。
まず、図３（ａ）は、図１の構成において、供給電圧調整回路１３が出力する電源電圧ＶＳを変えて、出カ電力と出カインピーダンスとをシミュレーションした結果を表すグラフである。尚、図３（ａ）において、横軸は電源電圧ＶＳの規格化値（ある電圧値を１とした場合の相対値）であり、縦軸は出カインピーダンスと出力電力である。
【００４４】
この図３（ａ）より、インダクタンス負荷１に供給する電源電圧ＶＳを変化させると、出力電カは変化するが、出カインピーダンスは概ね一定であることが分かる。つまり、電源電圧ＶＳを変化させると、電カ増幅器１１から外部へ供給される電圧，電流とも変化するため、出力電力は変化する。これに対して、電源端子（即ち、インダクタンス負荷１の電源電圧ＶＳが印加される端子）は、インピーダンスが小さく等価的に接地電位に短絡したのと同じため、出カインピーダンスは、供給される電源電圧ＶＳとは関係なくなり理論的にも変化しない。
【００４５】
次に、図３（ｂ）は、図１の構成において、ＮチャネルＭＯＳトランジスタ３と共に電力増幅用トランジスタとして動作する調整用ＮチャネルＭＯＳトランジスタ３’の数を変えることにより、電力増幅用トランジスタとして動作する有効なトランジスタのサイズ（チャネルの幅であり、有効なトランジスタの数に相当）Ｗを変化させて、出力電カと出カインピーダンスとをシミュレーションした結果を表すグラフである。尚、図３（ｂ）においては、横軸が有効なトランジスタのサイズＷであり、縦軸が出カインピーダンスと出カ電カである。
【００４６】
この図３（ｂ）より、有効なトランジスタのサイズ（即ち、電力増幅用トランジスタのサイズ）Ｗを変化させると、出カインピーダンスが変化することが分かる。つまり、有効なトランジスタを多くすると、電力増幅用トランジスタのオン抵抗が低下し、逆に有効なトランジスタを少なくすると、電力増幅用トランジスタのオン抵抗が増加するので、出カインピーダンスは変化する。
【００４７】
また、有効なトランジスタのサイズＷが大きくなると、当該電力増幅器１１から外部へ供給される電流が大きくなるため、出カ電カも変化する。
そこで、本電力増幅器１１が搭載される無線通信機器の製造工程等において、本電力増幅器１１が図１のように整合回路９やアンテナ８等と共に無線通信機器に搭載された状態で、本電力増幅器１１の出力電圧と出力インピーダンスとを調整する場合には、最初に、インピーダンス整合調整手段１５へのインピーダンス調整指令により、電力増幅用トランジスタのサイズＷを変えて、出力インピーダンスを調整することにより、信号出力端子７に接続される外部回路としての整合回路９とのインピーダンス整合を確立させ、その次に、供給電圧調整回路１３への電力調整指令により、電源電圧ＶＳを変えて、出力電力を所望の値に調整すると良い。
【００４８】
つまり、電源電圧ＶＳを変化させても出カインピーダンスは変化しないため、出力インピーダンスを調整した後で、出力電力を調整すれば、出力インピーダンスと出力電力とを１回の調整手順で最適値に調整することがき、調整プロセスが簡単になる。
【００４９】
以上のような本第１実施形態の電力増幅器１１によれば、信号出力端子７に接続された後段の整合回路９とのインピーダンス整合が製造ばらつきなどによってずれても、インピーダンス整合調整手段１５により、当該電力増幅器１１の出力インピーダンスを調整して、後段の回路９とのインピーダンス整合を確立させることができる。このため、本電力増幅器１１が用いられる無線通信機器の歩留まりの悪化や消費電力の増大を回避することができる。
【００５０】
そして更に、本電力増幅器１１では、出力電力調整手段としての供給電圧調整回路１３とインピーダンス整合調整手段１５とが、ＩＣに内蔵可能な素子によって構成されているため、それらをインダクタンス負荷１以外の他の部品と共に１つのＩＣ内に形成することで、部品増加を招かずに上記の効果を得ることができ、また、コスト増加も無いか或いは最小限で済む。
【００５１】
また、この電力増幅器１１によれば、インピーダンス整合調整手段１５での電力消費や発熱が殆ど無いため、電池の消耗を抑えるのに有利である。
一方、近年、ＭＯＳプロセスの微細化が進んだことによりＭＯＳトランジスタの動作速度が向上したため、ＭＯＳトランジスタによるＲＦ（Ｒａｄｉｏ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）回路が実現可能となったが、微細化されたＭＯＳトランジスタは、ゲート酸化膜の厚さが簿いことなどにより、概して耐圧が小さい。そして特に、本実施形態の電力増幅器１１のようなインダクタンス負荷１の場合、ドレイン電圧は電源電圧ＶＳ以上に振れるため、リチウムイオン電池のような出力電圧＝３〜３．６Ｖの電池では、トランジスタの耐圧を満足できない可能性がある。
【００５２】
そこで、インダクタンス負荷１に対してもドレイン電圧が耐圧以下となるような低い電圧で、電源電圧ＶＳを制御する必要がある。
よって、電源電圧ＶＳを可変の供給電圧調整回路１３としては、図２に示したような増幅率可変のシリーズレギュレータが好ましい。つまり、シリーズレギュレータであれば、回路構成が簡単である上に、電源電圧ＶＳは、必然的に且つ確実にバッテリ電圧ＶＢよりも低い電圧となるからである。
【００５３】
次に、第２実施形態の電力増幅器について説明する。
まず図４は、第２実施形態の電力増幅器３１の構成図である。尚、図４において、前述した図１及び図１２と同じ構成要素については、同一の符号を付しているため、詳細な説明は省略する。
【００５４】
図４に示すように、本第２実施形態の電力増幅器３１は、図１に示した第１実施形態の電力増幅器１１と比較すると、インピーダンス整合調整手段１５に代わるインピーダンス整合調整手段３３を備えている。
つまり、本第２実施形態の電力増幅器３１では、電力増幅用のＮチャネルＭＯＳトランジスタ３のソース（基準電位側の出力端子に相当）と接地電位との間に直列に挿入された可変抵抗手段（抵抗値が可変の手段）を、インピーダンス整合調整手段３３としている。
【００５５】
そして、そのインピーダンス整合調整手段３３としての可変抵抗手段は、ＮチャネルＭＯＳトランジスタ３のソースと接地電位との間に直列に接続された複数の抵抗３５と、その各抵抗３５と夫々並列に接続された複数のＮチャネルＭＯＳトランジスタ３７とを備えており、各トランジスタ３７のうち、オンするトランジスタの数を変えることで、上記直列接続された複数の抵抗３５全体での抵抗値（即ち、本可変抵抗手段の抵抗値）を変化させるようになっている。つまり、図示は省略しているが、このインピーダンス整合調整手段３３としての可変抵抗手段には、図１のインピーダンス整合調整手段１５におけるトランジスタ選択手段１７と同様のトランジスタ選択手段が設けられており、そのトランジスタ選択手段が、当該電力増幅器３１の外部から与えられるインピーダンス調整指令に応じて、上記複数のトランジスタ３７のうち、ゲートを所定の電圧（例えばバッテリ電圧ＶＢ又は電源電圧ＶＳ）に接続させてオンさせるものの数と、ゲートを接地電位に接続させてオフさせるものの数とを変えることで、当該可変抵抗手段の抵抗値が変わるようになっている。例えば、トランジスタ３７の全てがオンされると、抵抗値は等価的に０となり、トランジスタ３７の全てがオフされると、抵抗値は全直列抵抗３５の抵抗値の和となる。
【００５６】
次に、以上のような本第２実施形態の電力増幅器３１において、出カ電力と出カインピーダンスとが調整可能なことを、図５及び図６を用いて説明する。
まず図５は、インダクタンス負荷１とＮチャネルＭＯＳトランジスタ３とからなる電力増幅器の基本構成（即ち、図１２に示した電力増幅器）に対して、以下の▲１▼〜▲３▼の３通りの各箇所に可変抵抗手段を直列に挿入して、その電力増幅器の出カインピーダンスの変化をシミュレーションした結果である。
【００５７】
▲１▼：インダクタンス負荷１の電源電圧ＶＳ側とは反対側と、トランジスタ３のドレインとの間であって、より詳しくは、インダクタンス負荷１の電源電圧ＶＳ側とは反対側と信号出力端子７との接続点と、トランジスタ３のドレインとの間（図５では、ドレイン側と記している）。
【００５８】
▲２▼：トランジスタ３のソースと、接地電位との間（図５では、ソース側と記している）。
▲３▼：電源電圧ＶＳと、インダクタンス負荷１の一端との間（図５では、電源側と記している）。
【００５９】
ここで、▲１▼の箇所に可変抵抗手段を挿入した場合（以下単に、▲１▼の場合という）には、図５の一点鎖線に示される様に、可変抵抗手段の抵抗値を変化させても、電力増幅器の出力インピーダンスは殆ど変化しない。これは、トランジスタ３がオフしている時、信号出力端子７の電圧は、挿入した可変抵抗手段の抵抗値に依存せず（換言すれば、信号出力端子７側から可変抵抗手段が見えず）、また、トランジスタ３がオンした時、トランジスタ３に流れる電流は該トランジスタ３のゲート−ソース間電圧で決まるが、可変抵抗手段の抵抗値が変化しても、ゲート−ソース間電圧は変わらず、トランジスタ３に流れる電流は変化しないからである。
【００６０】
但し、▲１▼の場合、トランジスタ３に流れる電流は変化しないが、可変抵抗手段の抵抗値が変われば、トランジスタ３がオンした時の信号出力端子７の電圧は変わるため、信号出力端子７から外部へ供給される電力（即ち、出力電力）は変化することとなる。よって、▲１▼の場合には、可変抵抗手段の抵抗値により、出力インピーダンスは殆ど変わらないが、出力電圧は変わることとなる。
【００６１】
一方、▲２▼の箇所に可変抵抗手段を挿入した場合（以下単に、▲２▼の場合という）には、可変抵抗手段の抵抗値を変えれば、トランジスタ３のゲート−ソース間電圧が変わり、トランジスタ３に流れる電流も変わるため、図５の点線に示される様に、可変抵抗手段の抵抗値を変えれば、電力増幅器の出力インピーダンスが変化することとなる。
【００６２】
尚、▲２▼の場合には、可変抵抗手段の抵抗値を変えると、電力増幅器の出力電力も図６のように変化することとなる。これは、トランジスタ３に流れる電流が変わることで、信号出力端子７から外部へ供給される電流が変化するためである。また、▲３▼の箇所に可変抵抗手段を挿入した場合（以下単に、▲３▼の場合という）にも、可変抵抗手段の抵抗値を変えれば、図５の実線に示される様に、電力増幅器の出力インピーダンスが変化することとなる。これは、主に、トランジスタ３がオフしている時に、信号出力端子７側から可変抵抗手段が見えるためである。
【００６３】
尚、▲３▼の場合、▲１▼の場合と同様にトランジスタ３に流れる電流は変化しないが、可変抵抗手段の抵抗値が変われば、信号出力端子７の電圧が変わるため、電力増幅器の出力電力も変化することとなる。よって、▲３▼の場合には、▲２▼の場合と同様に、可変抵抗手段の抵抗値により、出力インピーダンスと出力電力との両方が変わることとなる。
【００６４】
よって、出力インピーダンスを可変にするためには、上記▲２▼又は▲３▼の箇所に可変抵抗手段を挿入すれば良い。
そこで、本第２実施形態の電力増幅器３１では、上記▲２▼の箇所に挿入した可変抵抗手段を、インピーダンス整合調整手段３３として用いている。
【００６５】
以上のような本第２実施形態の電力増幅器３１によっても、供給電圧調整回路１３とインピーダンス整合調整手段３３との各々により、当該電力増幅器３１の出力電圧と出力インピーダンスとを調整することができ、このため、本電力増幅器３１が用いられる無線通信機器の歩留まりの悪化や消費電力の増大を回避することができる。また、本電力増幅器３１でも、出力電力調整手段としての供給電圧調整回路１３とインピーダンス整合調整手段３３とが、ＩＣに内蔵可能な素子によって構成されているため、それらを他の部品と共に１つのＩＣ内に形成することで、部品増加及びコスト増加を招かずに上記の効果を得ることができる。
【００６６】
また、この電力増幅器３１によれば、トランジスタ３のドレイン−ソース間に印加される電圧を、インピーダンス整合調整手段３３での電圧降下分だけ小さくすることができるため、トランジスタ３の耐圧に余裕を持たすことができる。
尚、本第２実施形態の電力増幅器３１においても、インピーダンス整合調整手段３３により出カインピーダンスを調整することで変化した出力電力は、供給電圧調整回路１３からの電源電圧ＶＳを変化させて調整することができるため、前述したように、最初に出カインピーダンスを調整した後、出力電カを調整するのが望ましい。そして、このことは、後述する他の実施形態についても同様である。
【００６７】
また、本第２実施形態の電力増幅器３１において、インピーダンス整合調整手段３３は、上記▲３▼の箇所、即ち、図４において供給電圧調整回路１３とインダクタンス負荷１との間に挿入しても良い。
次に、図７は、第３実施形態の電力増幅器４１の構成図である。尚、図７において、前述した図１及び図１２と同じ構成要素については、同一の符号を付しているため、詳細な説明は省略する。
【００６８】
図７に示すように、本第３実施形態の電力増幅器４１は、図４に示した第２実施形態の電力増幅器３１と比較すると、トランジスタ３のソースと接地電位との間に、インピーダンス整合調整手段３３に代わるインピーダンス整合調整手段４３としての可変抵抗手段を備えている。
【００６９】
そして、このインピーダンス整合調整手段４３としての可変抵抗手段は、互いに並列に接続された複数のＮチャネルＭＯＳトランジスタ４５と、その複数のトランジスタ４５のうち、オンさせるトランジスタの数を外部から与えられるインピーダンス調整指令に応じて変えることで、その複数のトランジスタ４５全体でのドレイン−ソース間の抵抗値（即ち、本可変抵抗手段の抵抗値）を変化させるトランジスタ選択手段４７とから構成されている。
【００７０】
つまり、複数のトランジスタ４５のうちの１つのゲートには、電源電圧ＶＳがトランジスタ選択手段４７とは無関係に常時印加されているが、他のトランジスタ４５のゲートには、トランジスタ選択手段４７が、上記インピーダンス調整指令に応じて、電源電圧ＶＳと接地電位の電圧（＝０Ｖ）との何れかをスイッチ手段４９により択一的に印加するようになっている。このため、インピーダンス調整指令により、ゲートに電源電圧ＶＳが印加されてオンするトランジスタ４５の数を増やすと、本可変抵抗手段の抵抗値は小さくなり、逆に、ゲートに０Ｖが印加されてオフするトランジスタ４５の数を増やすと、本可変抵抗手段の抵抗値は大きくなる。
【００７１】
そして、このような本第３実施形態の電力増幅器４１によっても、第２実施形態の電力増幅器３１と同様の効果を得ることができる。
尚、本第３実施形態の電力増幅器４１においても、インピーダンス整合調整手段４３は、上記▲３▼の箇所、即ち、供給電圧調整回路１３とインダクタンス負荷１との間に挿入しても良い。
【００７２】
次に、図８は、第４実施形態の電力増幅器５１の構成図である。尚、図８において、前述した図１及び図１２と同じ構成要素については、同一の符号を付しているため、詳細な説明は省略する。
図８に示すように、本第４実施形態の電力増幅器５１は、図４に示した第２実施形態の電力増幅器３１と比較すると、トランジスタ３のソースと接地電位との間に、インピーダンス整合調整手段３３に代わるインピーダンス整合調整手段５３としての可変抵抗手段を備えている。
【００７３】
そして、このインピーダンス整合調整手段５３としての可変抵抗手段は、１つのＮチャネルＭＯＳトランジスタ５５と、そのトランジスタ５５のゲート−ソース間電圧を外部から与えられるインピーダンス調整指令に応じて変化させることで、そのトランジスタ５５のドレイン−ソース間の抵抗値（即ち、本可変抵抗手段の抵抗値）を変化させる電圧生成回路５７とから構成されている。よって、この可変抵抗手段では、インピーダンス調整指令により、トランジスタ５５のゲート−ソース間電圧を大きくすると、本可変抵抗手段の抵抗値は小さくなり、逆に、ゲート−ソース間電圧を小さくすると、本可変抵抗手段の抵抗値は大きくなる。
【００７４】
そして、このような本第４実施形態の電力増幅器５１によっても、第２実施形態の電力増幅器３１と同様の効果を得ることができる。
尚、本第４実施形態の電力増幅器５１においても、インピーダンス整合調整手段５３は、上記▲３▼の箇所、即ち、供給電圧調整回路１３とインダクタンス負荷１との間に挿入しても良い。
【００７５】
次に、図９は、第５実施形態の電力増幅器６１の構成図である。尚、図９において、前述した図１及び図１２と同じ構成要素については、同一の符号を付しているため、詳細な説明は省略する。
図９に示すように、本第５実施形態の電力増幅器６１は、図１に示した第１実施形態の電力増幅器１１と比較すると、供給電圧調整回路１３が設けられておらず、インダクタンス負荷１の一端にバッテリ電圧ＶＢが供給されている（即ち、可変ではないバッテリ電圧ＶＢが電源電圧になっている）点と、前述した▲１▼の箇所（即ち、インダクタンス負荷１の電源電圧側とは反対側と信号出力端子７との接続点と、トランジスタ３の負荷素子側の出力端子であるドレインとの間）に、出力電力調整手段としての可変抵抗手段６３が挿入されている点とが異なっている。
【００７６】
つまり、前述したように、▲１▼の箇所に可変抵抗手段を挿入すれば、その可変抵抗手段の抵抗値を変えることにより、出力インピーダンスを変化させることなく出力電圧だけを調整することができる。
そこで、本第５実施形態の電力増幅器６１では、第１実施形態の電力増幅器１１（図１）に対して、出力電カ調整手段を、電源電圧を変化させる供給電圧調整回路１３から、トランジスタ３のドレインとインダクタンス負荷１との間に挿入した可変抵抗手段６３に置き換えているのである。尚、可変抵抗手段６３は、図４，図７，図８のインピーダンス整合調整手段３３，４３，５３の何れかと同様の構成で実現することができる。
【００７７】
そして、このような第５実施形態の電力増幅器６１によっても、第１実施形態の電力増幅器１１と同様の効果を得ることができる。そして特に、この電力増幅器６１によれば、出力電力調整手段の構成が簡単なもので済む。
次に、図１０は、第６実施形態の電力増幅器７１の構成図である。尚、図１０において、前述した図１、図９及び図１２と同じ構成要素については、同一の符号を付しているため、詳細な説明は省略する。
【００７８】
図１０に示すように、本第６実施形態の電力増幅器７１は、図９に示した第５実施形態の電力増幅器６１に対し、インピーダンス整合調整手段１５を、トランジスタ３のソースと接地電位との間に挿入した第２の可変抵抗手段７３に置き換えたものである。尚、この第２の可変抵抗手段７３も、可変抵抗手段６３と同様に、図４，図７，図８のインピーダンス整合調整手段３３，４３，５３の何れかと同様の構成で実現することができる。
【００７９】
そして、このような第６実施形態の電力増幅器７１によっても、インピーダンス整合調整手段としての第２の可変抵抗手段７３により出力インピーダンスを調整することができ、また、出力電力調整手段としての可変抵抗手段６３により出力電力を調整することができるため、前述した各実施形態と同様の効果が得られる。
【００８０】
尚、本第６実施形態の電力増幅器７１において、インピーダンス整合調整手段としての第２の可変抵抗手段７３は、上記▲３▼の箇所、即ち、図１０において電源電圧としてのバッテリ電圧ＶＢとインダクタンス負荷１との間に挿入しても良い。
【００８１】
次に、図１１は、第７実施形態の電力増幅器８１の構成図である。尚、図７において、前述した図１、図４及び図１２と同じ構成要素については、同一の符号を付しているため、詳細な説明は省略する。
図１１に示すように、本第７実施形態の電力増幅器８１は、図４に示した第２実施形態の電力増幅器３１に対して、トランジスタ３のドレインとソースとの間に、その間の静電容量を変化させる可変容量手段８５を追加したものである。
【００８２】
この可変容量手段８５は、複数のコンデンサ８７と、トランジスタ３のドレイン−ソース間への（延いては、信号出力端子７に対する）上記各コンデンサ８７の電気的接続／非接続を夫々切り換える複数のスイッチ手段８９とから構成されており、各スイッチ手段８９が外部からの調整指令に応じてオン／オフすることで、当該可変容量手段８５全体での静電容量が変化するようになっている。
【００８３】
そして更に、本第７実施形態の電力増幅器８１では、上記可変容量手段８５と、図４に示したインピーダンス整合調整手段３３としての可変抵抗手段とが、当該電力増幅器８１の出力インピーダンスを調整するためのインピーダンス整合調整手段８３になっている。
【００８４】
このような本第７実施形態電力増幅器８１によれば、トランジスタ３のドレイン−ソース間に接続されるコンデンサ８７の数を変えることにより、出力インピーダンスの虚部をより広い範囲で調整することができる。
尚、図１１のような可変容量手段８５は、第２実施形態の電力増幅器３１に対してだけではなく、前述した他の各実施形態の電力増幅器に対して同様に追加しても良い。
【００８５】
また、可変容量手段８５を設けた場合には、まず、その可変容量手段８５により、出力インピーダンスの虚部を調整してから、可変抵抗手段の抵抗値或いは電力増幅用トランジスタのサイズＷにより、出力インピーダンスの実部を調整し、最後に、出力電カを調整する、といった手順で出力インピーダンスと出力電圧とを調整すれば、その調整作業を円滑に行うことができる。
【００８６】
一方、出力インピーダンスの虚部を広範囲に可変とするためには、インダクタンスを用いることも考えられるが、コンデンサの方が、電力増幅器をＩＣ化する際に簡単に内蔵することができ有利である。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。
【００８７】
例えば、　上記各実施形態では、電力増幅器を構成するトランジスタとして、ＭＯＳトランジスタを用いたが、トランジスタとしては、バイポーラトランジスタなど、ＭＯＳトランジスタ以外のトランジスタであっても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の電力増幅器の構成図である。
【図２】供給電圧調整回路の構成図である。
【図３】第１実施形態の電力増幅器の作用を表す図である。
【図４】第２実施形態の電力増幅器の構成図である。
【図５】第２実施形態の電力増幅器を説明するための図のその１である。
【図６】第２実施形態の電力増幅器を説明するための図のその２である。
【図７】第３実施形態の電力増幅器の構成図である。
【図８】第４実施形態の電力増幅器の構成図である。
【図９】第５実施形態の電力増幅器の構成図である。
【図１０】第６実施形態の電力増幅器の構成図である。
【図１１】第７実施形態の電力増幅器の構成図である。
【図１２】従来の電力増幅器の構成図である。
【符号の説明】
１…インダクタンス負荷（負荷素子）、３…電力増幅用ＮチャネルＭＯＳトランジスタ、３’…調整用ＮチャネルＭＯＳトランジスタ、５…信号入力端子、７…信号出力端子、８…アンテナ、９…整合回路、１１，３１，４１，５１，６１，７１，８１…電力増幅器、１３…供給電圧調整回路、１５，３３，４３，５３，８３…インピーダンス整合調整手段、１７，４７…トランジスタ選択手段、１９，４９，８９…スイッチ手段、２７，６３，７３…可変抵抗手段、２１…演算増幅器、２５，２８，３５…抵抗、２３…ＰチャネルＭＯＳトランジスタ、２９，３７，４５，５５…ＮチャネルＭＯＳトランジスタ、５７…電圧生成回路、８５…可変容量手段、８７…コンデンサ

Claims (7)

1. 電源電圧に一端が接続された負荷素子と、
   該負荷素子の他端側と前記電源電圧よりも低い基準電位との間に２つの出力端子が直列に接続された電力増幅用トランジスタとを備え、
   前記電力増幅用トランジスタが入力信号に応じて流れる電流を可変することにより、前記負荷素子の他端側に接続された信号出力端子から前記入力信号を電力増幅した信号を出力する電力増幅器において、
   前記負荷素子の一端に前記電源電圧を供給すると共に、その電源電圧を変えることが可能な手段であって、前記電源電圧の変化により当該電力増幅器の出力電力を調整可能な出力電力調整手段と、
   前記出力電力調整手段とは別に設けられ、当該電力増幅器の出力インピーダンスを調整可能なインピーダンス整合調整手段と、
   を備えていることを特徴とする電力増幅器。
2. 請求項１に記載の電力増幅器において、
   前記出力電力調整手段は、電池の出力電圧から該出力電圧よりも低い電圧を生成して、その生成した電圧を前記電源電圧として前記負荷素子の一端に供給する増幅率可変のシリーズレギュレータであること、
   を特徴とする電力増幅器。
3. 電源電圧に一端が接続された負荷素子と、
   該負荷素子の他端側と前記電源電圧よりも低い基準電位との間に２つの出力端子が直列に接続された電力増幅用トランジスタとを備え、
   前記電力増幅用トランジスタが入力信号に応じて流れる電流を可変することにより、前記負荷素子の他端側に接続された信号出力端子から前記入力信号を電力増幅した信号を出力する電力増幅器において、
   前記負荷素子の他端側と前記電力増幅用トランジスタの前記負荷素子側の出力端子との間に直列に挿入された抵抗値可変の手段であって、自身の抵抗値の変化により当該電力増幅器の出力電力を調整可能な出力電力調整手段と、
   前記出力電力調整手段とは別に設けられ、当該電力増幅器の出力インピーダンスを調整可能なインピーダンス整合調整手段と、
   を備えていることを特徴とする電力増幅器。
4. 請求項１ないし請求項３の何れか１項に記載の電力増幅器において、
   前記インピーダンス整合調整手段は、前記電力増幅用トランジスタに対して並列に接続された１つ以上の調整用トランジスタを有すると共に、前記電力増幅用トランジスタとして動作する前記調整用トランジスタの数を変えることが可能な手段であって、その数の変化により当該電力増幅器の出力インピーダンスを調整可能であること、
   を特徴とする電力増幅器。
5. 請求項１ないし請求項３の何れか１項に記載の電力増幅器において、
   前記インピーダンス整合調整手段は、前記電力増幅用トランジスタの前記基準電位側の出力端子と前記基準電位との間、或いは、前記電源電圧と前記負荷素子の一端との間に直列に挿入された抵抗値可変の手段であって、自身の抵抗値の変化により当該電力増幅器の出力インピーダンスを調整可能であること、
   を特徴とする電力増幅器。
6. 請求項４又は請求項５に記載の電力増幅器において、
   前記インピーダンス整合調整手段は、複数のコンデンサと、該各コンデンサの前記信号出力端子に対する電気的接続／非接続を切り換えるスイッチ手段とからなる可変容量手段を備えていること、
   を特徴とする電力増幅器。
7. 請求項１ないし請求項６の何れか１項に記載の電力増幅器の出力電力と出力インピーダンスとを調整する方法であって、
   最初に、前記インピーダンス整合調整手段により出力インピーダンスの調整を行って、前記信号出力端子に接続される外部回路とのインピーダンス整合を確立させ、
   次いで、前記出力電力調整手段により出力電力を所望の値に調整すること、
   を特徴とする電力増幅器の調整方法。

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