JP2004516736A - ダイナミックバイアス法を採用した線形ｃ級増幅器 - Google Patents

Abstract

電力増幅器は、増幅トランジスタと、増幅トランジスタにバイアスをかけて約１８０°より小さい導通角を得るＤＣバイアス回路とを備える。ＤＣバイアス回路は、電力増幅器回路への入力信号が増加するにつれ増幅トランジスタに供給されるＤＣバイアス信号を減少させるダイナミックバイアス回路を有している。この構成により増幅器回路は、Ｂ級増幅器と同様の実質的に線形な入力−出力関係を有するが、動作の効率がよりよい、線形Ｃ級増幅器として動作できるようになる。

Description

【０００１】
発明の背景
本発明は、トランジスタ増幅器回路の分野に関し、より詳しくは線形化のためのダイナミックバイアス回路を備えるＣ級電力増幅器回路に関する。
【０００２】
この種の増幅器は、無線通信装置の中で用いられるような、高周波数ＲＦ増幅器としての用途にしばしば用いられる。所望の線形入力−出力特性を得るために、一般的に出力段はＢ級またはＡＢ級で動作する。Ｃ級ではより効率がよくなるためＣ級で出力段を動作させるのが望ましいものの、線形増幅器特性が望ましい場合は可能ではなかった。Ｃ級モードは本質的に非線形であるためである。
【０００３】
Ｂ級やＡＢ級増幅器回路において、増幅器バイアスをブーストして最適な最大電力出力レベルを達成し、低い電力レベルでの電力損失を抑える技術が、シフェン・ルオ（Ｓｉｆｅｎ Ｌｕｏ）と本発明者により２０００年３月２８日に出願された米国特許出願０９／５３６，９４６に開示されている。この発明では、バイアス信号がブーストされ、Ｂ級またはＡＢ級の線形動作を維持するが、より効率的なＣ級モードで線形動作を行うことはできない。
【０００４】
故に、Ｃ級動作に特有の高効率性の利点があり、同時にＢ級増幅器と同様に実質的に線形な入力−出力関係がある電力増幅器回路を得ることが望ましい。
【０００５】
発明の概要
故に、本発明の目的は、Ｃ級動作に特有の高効率性の利点があり、同時にＢ級増幅器と同様に実質的に線形な入力−出力関係がある電力増幅器回路を提供することにある。
【０００６】
本発明によれば、この目的は、約１８０°より小さい導通角を有し、入力信号を増幅する新しい電力増幅器回路によって達成される。この回路は、増幅トランジスタと、増幅トランジスタにバイアスをかけて導通角を得るＤＣバイアス回路と、を備える。ＤＣバイアス回路は、電力増幅器回路への入力信号が増加するにつれ、増幅トランジスタに供給されるＤＣバイアス信号を減少させるダイナミックバイアス回路を有する。
【０００７】
本発明の好適な実施の形態では、電力増幅器回路は線形Ｃ級増幅器回路である。
【０００８】
本発明のさらなる好適な実施の形態では、ＤＣバイアス信号の減少量は、入力信号の振幅の増加量に比例する。説明を簡単にするために区分的に線形なトランジスタ特性があると想定すると、この比例ファクタは所望の導通角（通流角）を２で割ったものの余弦と等しくなる。
【０００９】
本発明の、さらに他の実施の形態では、入力信号の振幅の変化に対し、導通角は実質的に一定に保たれる。
【００１０】
本発明による電力増幅器は、以前は互いに相容れなかった二つの特徴、すなわち高効率と実質的に線形の動作が単一の回路で達成できるため、著しい改善が見られる。
【００１１】
本発明の様々なアスペクトは、以下に記載する実施の形態を参照することにより、明らかになる。
【００１２】
本発明は、以下の記載を添付の図面との関係で参照することにより、より完全に理解できよう。
【００１３】
図面中では、同じ符号は同じ構成要素を表すために用いられている。
【００１４】
好適な実施の形態の説明
図１は、本発明による電力増幅器回路１を簡単に示したブロック図である。この回路は、入力端Ｖｉｎと、電力増幅器段３に接続される出力端とを有するドライバ段２を備えている。電力増幅器段３の出力端は、マッチングネットワークおよび負荷４に接続されている。本発明によれば、この回路は電力増幅器段の増幅トランジスタをバイアスし、約１８０°より小さい、所望の導通角（通流角）を得る、ＤＣバイアス回路５をさらに備えている。ＤＣバイアス回路は、入力端Ｖｉｎへの入力が増加するにつれて増幅トランジスタに供給されるＤＣバイアス信号を減少させるダイナミックバイアス回路を有しており、これについては後により詳しく説明する。ＤＣバイアス回路５は、簡略化されたブロック図で表されており、サンプリング段６と平均化段７とを含み、Ｖｉｎと、増幅トランジスタを含む電力増幅器段３への入力端と、の間に接続されている。
【００１５】
電力増幅器回路１は、概略図である図２により詳細にあらわされる。基本増幅器は、ドライバトランジスタ１０を有し、通常Ｂ級で動作し、コンデンサ１２によって電力増幅器段３に容量結合されるドライバ段２を備えている。電力増幅器段は、Ｃ級で動作し、マッチングネットワーク４を介して負荷抵抗器１６に接続される出力端を有する増幅トランジスタ１４を有している。端子Ｖｉｎにおいて入力信号がコンデンサ１８を介してトランジスタ１０の入力端に加えられ、このトランジスタは抵抗器２０を介してバイアス電源Ｖｇ１からバイアスがかけられている。トランジスタ１０および１４は、それぞれインダクタ２２および２４を介して電源Ｖｄｄに接続される。
【００１６】
ＤＣバイアス回路５は、トランジスタ２６を有するサンプリング段６を備え、このトランジスタ２６の入力端がトランジスタ１０の入力端に接続され、出力端が電流ミラー２８に接続されており、この電流ミラー２８は、次に電流ミラー３０に接続される。各電流ミラーは、ＲＣフィルタ（３２，３４および３６，３８）を有し、平均値算出段７の平均値算出回路を形成しており、さらに、電流ミラー３０の出力端は、バイアス電源Ｖｇ２と接地（グランド）との間に直列に接続される抵抗器４０および４２から成る抵抗分割器に接続される。分割器回路の出力端は、トランジスタ１４の入力端に接続され、以下に説明する方法によって増幅トランジスタのダイナミックバイアスを実現する。
【００１７】
トランジスタ２６は、入力電圧に比例する電流を発生するトランスコンダクタンスとして動作する。トランジスタ１０がＢ級でバイアスがかけられている場合、トランジスタ２６はバイアス電圧をトランジスタ１０と共用する。トランジスタ１０がＢ級でバイアスがかけられていない場合は、トランジスタ２６は独自の抵抗バイアスを供給され、Ｂ級でバイアスがかけられ、Ｖｉｎまたはトランジスタ１０のドレインに容量結合される。
【００１８】
Ｃ級増幅器では、増幅トランジスタの導通角は約１８０°より小さい。ドレイン電流（バイポーラトランジスタの場合はコレクタ電流）は、デバイスが導通しているときには入力の周期の一部に従った波形を持ち、デバイスがカットオフされているときにはゼロである。従来技術では、導通角はバイアスレベルだけでなく、入力信号レベルにも依存し、その結果入力−出力関係は非線形であった。この非線形関係はＣ級増幅器の適用可能性を制限しており、これがなければより効率の高いＣ級増幅器はもっと広く使われていたはずである。
【００１９】
本発明は、電力増幅器回路への入力信号が増加するにつれ、増幅トランジスタへのＤＣバイアス信号を減少させる、ダイナミックバイアス回路を設けることにより、Ｃ級増幅器を線形化する。好適な実施の形態では、減少量は入力信号の振幅の増加量、または上述したように、所望の導通角を２で割ったものの余弦に比例する。こうして、導通角は入力信号の振幅の変化に対してほぼ一定に保たれ、増幅器は線形化してＢ級増幅器と実質的に同じように動作する。
【００２０】
この線形化は、図２の回路において、入力信号をサンプリングするのにトランジスタ２６を用い、電流ミラーとＲＣフィルタ（２８，３０、３２，３４、および３６，３８）がサンプリング信号の反射および平均値算出を行い、次にカレントミラー３０の出力を抵抗分割器（４０，４２）に加えて、電力増幅器回路への入力信号の増加に伴い減少するバイアス信号を増幅トランジスタ１４の入力端で発生させることにより達成される。よって、例えばＶｉｎの増加により、電流ミラーを流れる平均電流が増加し、結果として抵抗器４０と４２との接続ノードへ流れ出る電流が増加する。これにより抵抗器４０を流れる電流が大きくなり、また対応してこの抵抗器の電圧降下が大きくなり、よってトランジスタ１４の入力端に印加されるバイアス電圧である、抵抗器４２の両端の電圧が低くなる。同様に、Ｖｉｎが減少すると入力トランジスタ１４に印加されるバイアス電圧が増加する結果となる。
【００２１】
このように、本発明は、Ｃ級モードで得られる高い効率性を生かすべくＣ級モードで動作することが可能でありながら、同時にＢ級増幅器と同様に実質的に線形の入力−出力特性がある電力増幅器回路を提供する。
【００２２】
いくつかの好適な実施の形態を参照しながら本発明を詳細に示し、説明してきたが、本発明の主旨又は範囲から逸脱することなく、その形や細部を様々に変化させることができることは、当業者には理解できよう。例えば、特別な設計要件を満たすために、異なるタイプのトランジスタを採用したり、回路構成に変更することができるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明による電力増幅器回路の簡略化ブロック図。
【図２】
本発明の好適な実施例に従った電力増幅器回路の概略図。

Claims (6)

1. 約１８０°より小さい導通角を有し、入力信号を増幅する電力増幅器回路（１）であって、
   増幅トランジスタ（１４）と、
   前記増幅トランジスタ（１４）にバイアスをかけて前記導通角を得るＤＣバイアス回路（５）と、
   を備え、
   前記ＤＣバイアス回路（５）は、前記電力増幅器回路（１）への前記入力信号が増加するにつれ、前記増幅トランジスタ（１４）に供給されるＤＣバイアス信号を減少させるダイナミックバイアス回路（６，７）を有することを特徴とする、電力増幅器回路。
2. 前記電力増幅器回路（１）は、線形Ｃ級増幅器回路であることを特徴とする、請求項１に記載の電力増幅器回路。
3. 前記ＤＣバイアス信号の減少量は、所望の導通角を２で割ったものの余弦に比例することを特徴とする、請求項１に記載の電力増幅器回路。
4. 入力信号の振幅の変化に対し、前記導通角は実質的に一定に保たれることを特徴とする、請求項１に記載の電力増幅器回路。
5. 前記ダイナミックバイアス回路（６，７）は、前記入力信号に接続されるサンプリング段（６）と、前記サンプリング段（６）に接続される入力端と前記増幅トランジスタ（１４）の入力端に接続される出力端とを有する少なくとも一つの平均値算出段（７）と、を有することを特徴とする、請求項１に記載の電力増幅器回路。
6. 前記ＤＣバイアス信号の減少量は、前記入力信号の振幅の増加量に比例することを特徴とする、請求項１に記載の電力増幅器回路。

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