JP2005057599A - 多段高出力増幅器 - Google Patents

Abstract

【課題】多段高出力増幅器において、高次のひずみ特性がより低ひずみで、高効率な特性を得ることを目的とする。
【解決手段】多段高出力増幅器において、少なくとも１つのドライバー段増幅器のドレイン（コレクタ）電圧を通常動作電圧よりも低電圧で動作させることにより、より低い出力レベルから利得コンプレッションが生じさせ、バックオフ１ｄＢでの利得コンプレッションを２．５ｄＢ以上とすることができ、高次（５，７，９次）のひずみを低減する。
【選択図】図９

Description

この発明は、衛星通信、地上マイクロ波通信、移動体通信等に使用する多段高出力増幅器に関するものである。

図１は文献“高木，森，「低ひずみ増幅器設計の基礎」，ＭＷＥ２０００ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ Ｄｉｇｅｓｔ，ｐｐ．４７１−４８４，２０００．”に示された従来の増幅器のひずみ補償方式の一つであるプリディストーション型リニアライザの動作原理を模式的に表した図である。増幅器のひずみの原因である増幅器の利得特性と位相特性の非線形性を、前段に設けたリニアライザに持たせた、逆の利得特性と位相特性の非線形性により打ち消し、ひずみ補償するというものである。実際には、増幅器は飽和するため、飽和出力電力Ｐｓａｔを考慮する必要がある。Ｐｓａｔを考慮した場合の最もひずみが小さくなる入出力位相特性としては、一般に、図２（ａ）に示す特性と考えられている。図２（ａ）の特性を横軸が出力電力で考えた利得特性と位相特性を図２（ｂ）に示す。利得は出力電力Ｐｏｕｔ＜Ｐｓａｔでは一定でＰｏｕｔ＝Ｐｓａｔとなると急激に減少する特性である。位相特性は常に一定である。

上記の文献に記述されているように、増幅器の入力信号の電圧をＶｉｎとしたときに、出力信号の電圧ＶｏｕｔはＶｉｎの多項式として次式（１）で表される。

係数ａ１，ａ２，ａ３・・・は増幅器の振幅特性より求まる。周波数の若干異なる２つの正弦波（周波数ｆ１、ｆ２）を入力した際の入力信号は次式（２）で与えられる。

このときの多段高出力増幅器で発生するひずみのスペクトルを図３に模式的に示す。図３（ａ）に入力信号、図３（ｂ）に出力信号のスペクトルを示す。図に示すように３次ひずみは（２ｆ１−ｆ２）と（２ｆ２−ｆ１）の周波数に、５次ひずみは（３ｆ１−２ｆ２）と（３ｆ２−２ｆ１）の周波数に、７次ひずみは（４ｆ１−３ｆ２）と（４ｆ２−３ｆ１）の周波数に、９次ひずみは（５ｆ１−４ｆ２）と（５ｆ２−４ｆ１）の周波数に発生する。また、文献に記述されているように、３次、５次、７次、９次・・・のひずみの大きさは、それぞれ、式（１）内の係数ａ３、ａ５、ａ７、ａ９・・・の大きさに比例している。

図１の従来例のようにひずみ補償を行った場合を考える。図１の通り、完全にひずみ補償がなされれば、式（１）のａ２＝ａ３＝ａ４＝・・・・＝０となり、全ての次数のひずみが補償されることとなる。しかし、現実には、飽和出力電力Ｐｓａｔ以上の出力電力は出ないため、増幅器の特性は図２のようになる。この場合、式（１）の係数を考えた場合、３次の係数ａ３は小さくなるため、３次のひずみについてはひずみ補償することが可能である。そのため、低次（３次）のひずみについては低ひずみな特性を実現することが可能である。

高木，森，「低ひずみ増幅器設計の基礎」，ＭＷＥ２０００ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ Ｄｉｇｅｓｔ，ｐｐ．４７１−４８４，２０００．

しかし、図２のように飽和出力電力Ｐｓａｔで出力電力が制限される現実の場合においては、高次である５次、７次、９次・・・の係数ａ５，ａ７，ａ９・・・については、出力電力がＰｓａｔになる瞬間に急激に飽和するため、かえって係数が大きくなってしまう。その結果、５次、７次、９次・・・といった高次のひずみについてはひずみが増加してしまう問題が発生する。特に出力電力が飽和に近い、すなわちバックオフが小さな領域（たとえばバックオフ１ｄＢ以下）では、顕著になると考えられる。

したがって、従来例においては、低次のひずみ（３次）についてはひずみ補償ができるが、高次（５次、７次、９次・・・）においてはひずみが増加してしまう問題がある。高次のひずみに低ひずみな特性が求められる高出力増幅器においては問題となるため、高次のひずみ特性を改善することが課題となる。

この発明は上記のような問題点を解決するためになされたもので、多段高出力増幅器において、高次（５次、７次、９次・・・）のひずみが小さい、低ひずみ、高効率な多段高出力増幅器を得ることを目的とする。

この発明に係る多段高出力増幅器は、多段高出力増幅器を構成する少なくとも一つのドライバー段増幅器が、バックオフ１ｄＢでの利得コンプレッションが２．５以上になるように構成されたものである。

また、他の発明に係る多段高出力増幅器は、多段高出力増幅器を構成する少なくとも一つのドライバー段増幅器は、そのドレイン電圧またはコレクタ電圧が通常動作電圧よりも低電圧で動作するように電圧供給器を備えたものである。

この発明の多段高出力増幅器によれば、バックオフ１ｄＢの時の利得コンプレッションが２．５よりも大きい特性（ゆっくり飽和する特性）とすることにより、高次のひずみを低ひずみとすることができる。また、これにより、よりバックオフの小さなところまで低ひずみで動作することが可能となるため、増幅器として高効率な特性を得ることができる。

また、他の発明の多段高出力増幅器によれば、少なくとも１つのドライバー段増幅器のドレイン電圧（コレクタ電圧）を通常動作電圧よりも低電圧で動作させることにより、利得特性として出力電力が飽和出力電力よりも小さいうちから利得が減少する特性が得られ、バックオフ１ｄＢでの利得コンプレッションを２．５ｄＢ以上とすることができ、高次のひずみを低ひずみにすることができる。これにより、よりバックオフの小さなところまで低ひずみで動作することが可能となるため、増幅器として高効率な特性を得ることができる。さらに、ドライバー段増幅器のドレイン電圧（コレクタ電圧）を通常動作電圧よりも低電圧で動作させることにより、位相特性についても、ひずみを補償することができ、高次のひずみについて低ひずみの特性を実現することができる。

実施の形態１．
図４はこの発明の多段高出力増幅器の特性を模式的に示した図である。図４（ａ）は、入出力位相特性を、図４（ｂ）は横軸を出力電力Ｐｏｕｔとした場合の利得特性と位相特性を示している。従来の特性である図２（ｂ）では、出力電力が飽和出力電力Ｐｓａｔにおいて、利得が急激に低下しているのに対して、図４（ｂ）では、出力電力Ｐｏｕｔが飽和出力電力Ｐｓａｔよりも小さなときから、徐々に利得が低下し、飽和出力電力Ｐｓａｔまでの利得の変化が滑らかな特性となっている。このため、式（１）の高次である５次、７次、９次・・・の係数であるａ５，ａ７，ａ９・・・の値が小さいと考えられ、高次のひずみにおいて、低ひずみ、高効率な特性が実現可能となる。

図５に、利得のバックオフ（出力電力）依存性の大きさが異なる増幅器の特性に対する例えば７次のＡＣＰＲの計算結果を示す。図５（ａ）が計算に用いた増幅器の利得、位相特性で、位相特性はバックオフ１ｄＢにて１３ｄｅｇ進む特性で固定した状態で、利得特性を、バックオフ１ｄＢにおいて、２．５〜６ｄＢまで変化させている。図５（ｂ）は図５（ａ）の特性それぞれに対するＡＣＰＲ（７次）の計算結果である。ここでの、ＡＣＰＲの定義は図６に示す通りである。図３に示した２波入力時のひずみ対応して、図６（ａ）に示すような変調波を増幅器に入力した場合に、図６（ｂ）のように出力信号はひずむ。図５より、特にバックオフが１ｄＢ以内の飽和に近い出力電力においては、バックオフ１ｄＢの時の利得コンプレッションが２．５ｄＢから６ｄＢの利得特性を有する増幅器のＡＣＰＲ（７次）が小さいことがわかる。したがって、３次のような低次のひずみの場合と異なり、利得特性がある程度ゆっくりと飽和する特性を有している場合に、高次のひずみ特性が低ひずみとできることがわかる。

次に、位相特性についても同様な検討を行った。図７に、位相特性のバックオフ（出力電力）依存性の大きさが異なる増幅器の特性に対する例えば７次のＡＣＰＲの計算結果を示す。図７（ａ）に計算に用いた増幅器の利得、位相特性を示す。利得特性はバックオフ１ｄＢにて３ｄＢの利得コンプレッションとなる特性で固定した状態で、位相特性をバックオフ１ｄＢにおいて、７〜４５ｄｅｇまで変化させている。図７（ｂ）は図７（ａ）の特性それぞれに対するＡＣＰＲ（７次）の計算結果である。図より、低次（３次）の場合と同様に、高次のひずみの場合にも、位相特性については一定に近い、すなわち、位相変化が０に近ければ近いほど低ひずみであることがわかる。

これらの計算結果をまとめて図８にバックオフ０．６ｄＢの場合のＡＣＰＲ（７次）の、バックオフ１ｄＢの時の利得コンプレッションおよびΔＰｈａｓｅ／ΔＰｉｎ（位相の入力に対する変化の傾き）依存性の計算結果を示す。図８より、利得特性については、位相特性の変化が小さい場合にはバックオフ１ｄＢの時の利得コンプレッションが２．５〜５．５ｄＢ程度が最も低ひずみであることがわかる。位相特性の変化が大きい場合には、バックオフ１ｄＢの時の利得コンプレッションが２．５よりも大きい場合に低ひずみにすることができることがわかる。

以上より、増幅器において、バックオフ１ｄＢの時の利得コンプレッションが２．５よりも大きい特性（ゆっくり飽和する特性）とすることにより、高次のひずみを低ひずみとすることができることがわかる。また、これにより、よりバックオフの小さなところまで低ひずみで動作することが可能となるため、増幅器として高効率な特性を得ることができる。

実施の形態２．
図９はこの発明の本実施の形態における多段高出力増幅器の回路図である。図において、１００は多段高出力増幅器、１は入力端子、２は出力端子、３は最終段増幅器、４はドライバー段増幅器、５はドレイン電圧（コレクタ電圧）を通常動作電圧よりも低電圧で動作させたドライバー段増幅器、６はドライバー段増幅器５のドレイン（コレクタ）バイアス端子、７は電圧供給器としてのドライバー段増幅器５のドレイン（コレクタ）バイアス回路である。

次に動作について説明する。入力端子１より入力された信号は、最終段増幅器３、ドライバー段増幅器４、ドライバー段増幅器５によって構成される多段高出力増幅器１００によって増幅された後、出力端子２より出力される。その際、ドライバー段増幅器５には、他のドライバー段増幅器４や最終段増幅器３とは別にドレイン電圧（コレクタ電圧）バイアス回路７が設けられ、同じく別に設けられたドレイン電圧（コレクタ電圧）バイアス端子６から通常の動作電圧よりは低い電圧が供給される。

次に、ドライバー増幅器５のドレイン（コレクタ）電圧を通常動作電圧よりも低電圧とすることで、バックオフ１ｄＢでの利得コンプレッションが２．５ｄＢ以上となり、高次のひずみが低ひずみとなる原理について説明する。

図１０に、ＧａＡｓＦＥＴで構成されたドライバー段増幅器の利得特性、位相特性のドレイン電圧依存性の測定結果を示す。このドライバー段増幅器は、通常ドレイン電圧１０Ｖで動作し、飽和出力電力が２４．５ｄＢｍの増幅器である。ドレイン電圧Ｖｄを５〜１１Ｖで変化させた場合の利得特性の測定結果を図１０（ａ）に、位相特性の測定結果を図１０（ｂ）にそれぞれ示す。図に示すように、ドレイン電圧を通常動作電圧１０Ｖから低電圧に下げた場合、飽和出力電力も低下するが、それに加えて、利得特性は出力電力が飽和出力電力よりも小さいうちから利得が減少し、出力電力ゆるやかに飽和していることがわかる。また、位相特性は、低電圧にすることで、通常動作電圧１０Ｖの動作と比較して位相が遅れる特性を示している。
なお、ＦＥＴにおける通常の動作電圧はブレイクダウン電圧の１／２から１／３程度の値である。

したがって、図９に示した、この実施の形態の多段高出力増幅器においては、ドライバー段増幅器５のドレイン電圧（コレクタ電圧）を通常動作電圧よりも低電圧で動作させることにより、利得特性として出力電力が飽和出力電力よりも小さいうちから利得が減少する特性が得られ、バックオフ１ｄＢでの利得コンプレッションを２．５ｄＢ以上とすることができ、高次のひずみを低ひずみにすることができる。これにより、よりバックオフの小さなところまで低ひずみで動作することが可能となるため、増幅器として高効率な特性を得ることができる。

さらに、多段高出力増幅器の位相特性は進む特性であるため、ドライバー段増幅器５のドレイン電圧（コレクタ電圧）を通常動作電圧よりも低電圧で動作させることにより、ドライバー段増幅器５の位相特性が図１０（ｂ）に示す通り遅れる特性となるため、位相特性についても、ひずみを補償することができ、高次のひずみについてさらに低ひずみな特性を実現することができる。

これらのことを確認するために、図１０に示す特性を有するドライバー段増幅器をＶｄ＝７Ｖの低電圧で動作［通常はドレイン電圧１０Ｖで動作する］した場合の多段高出力増幅器のひずみ特性を計算した。その結果を図１１（ａ），（ｂ）、図１２（ａ）に示す。図１１（ａ）、（ｂ）に、利得特性、位相特性の計算結果を、図１２にＡＣＰＲ（７次）の計算結果を示す。ドライバー段増幅器５以降のドライバー段増幅器４から最終段増幅器３までの後段増幅器は、飽和出力電力４７ｄＢｍの増幅器である。図中のパラメータΔＢａｃｋｏｆｆは、ドライバー段増幅器５以降のドライバー段増幅器４から最終段増幅器３までの後段増幅器の飽和出力電力を基準としたバックオフと、ドライバー段増幅器５の通常１０Ｖ動作時の飽和出力を基準としたバックオフの差を表している。この値が大きいほど、ドライバー段増幅器５の出力レベルは最終段増幅器３と比較してより線形なレベルで動作することになる。

図１１より、ドライバー段増幅器５を通常動作電圧よりも低電圧で動作させることによって、最終段増幅器のみの場合と比較して、利得特性はより出力電力が小さいところから減少し、位相特性はひずみが補償されていることがわかる。このことより、図１２（ａ）に示すようにＡＣＰＲ（７次）は出力電力４５．５ｄＢｍ以上（バックオフ１．５ｄＢ以内）において、ドライバー段増幅器５を通常動作電圧よりも低電圧で動作させていない通常の状態と比較して改善されていることが分かる。

以上より、ドライバー段増幅器５のドレイン電圧（コレクタ電圧）を通常動作電圧よりも低電圧で動作させることにより、利得特性として出力電力が飽和出力電力よりも小さいうちから利得が減少する特性が得られ、バックオフ１ｄＢでの利得コンプレッションを２．５ｄＢ以上とすることができ、高次のひずみを低ひずみにすることができる。これにより、よりバックオフの小さなところまで低ひずみで動作することが可能となるため、増幅器として高効率な特性を得ることができる。さらに、ドライバー段増幅器のドレイン電圧（コレクタ電圧）を通常動作電圧よりも低電圧で動作させることにより、位相特性についても、ひずみを補償することができ、高次のひずみについて低ひずみの特性を実現することができる。

なお、図９では、初段のドライバー段増幅器を通常動作電圧よりも低電圧で動作させているが、他の増幅段のドライバー段増幅器を通常動作電圧よりも低電圧で動作させても構わないし、また、１段だけでなく複数段のドライバー段増幅器を通常動作電圧よりも低電圧で動作させても構わない。

実施の形態３．
図１３はこの発明の本実施の形態における多段高出力増幅器の回路図である。図において、１００は多段高出力増幅器、１は入力端子、２は出力端子、３は最終段増幅器、４はドライバー段増幅器、５はドレイン電圧（コレクタ電圧）を通常動作電圧よりも低電圧で動作させたドライバー段増幅器、６はドライバー段増幅器５のドレイン（コレクタ）バイアス端子、８はドライバー段増幅器５以外の増幅器のドレイン（コレクタ）バイアス端子、９は電圧降圧器、１０はＤＣ電源である。

次に動作について説明する。図９に示す実施の形態の多段高出力増幅器は、ドライバー段増幅器５のドレイン（コレクタ）電圧をバイアス回路７から印加しているが、図１３のこの実施の形態における多段高出力増幅器は、他の最終段増幅器３及びドライバー段増幅器４のドレイン電圧（コレクタ電圧）を供給しているＤＣ電源１０から電圧降圧器９を介して印加することでドライバー段増幅器５を通常動作電圧よりも低電圧で動作させている点が異なる。したがって、図９の多段高出力増幅器と同様に、ドライバー段増幅器５のドレイン電圧（コレクタ電圧）を通常動作電圧よりも低電圧で動作させることにより、高次のひずみを低ひずみにすることができる。これにより、よりバックオフの小さなところまで低ひずみで動作することが可能となるため、増幅器として高効率な特性を得ることができる。

さらに、ドライバー段増幅器５のドレイン（コレクタ）バイアス回路７を必要とせず、他の増幅器と共通のＤＣ電源１０からバイアスを供給することができるため、より小形にすることができ、低コストにすることができる。図１３に示した電圧降圧器９としては、単なる直列抵抗、抵抗分割回路で構成しても構わないし、ＤＣ−ＤＣコンバータを用いても構わない。

実施の形態４．
図１４はこの実施の形態における多段高出力増幅器の回路図である。図において、１００は多段高出力増幅器、１は入力端子、２は出力端子、３は最終段増幅器、４はドライバー段増幅器、５はドレイン電圧（コレクタ電圧）を通常動作電圧よりも低電圧で動作させたドライバー段増幅器、６はドライバー段増幅器５のドレイン（コレクタ）バイアス端子、７はドライバー段増幅器５のドレイン（コレクタ）バイアス回路、８はドレイン電圧（コレクタ電圧）を通常動作電圧よりも低電圧動作させたドライバー段増幅器５以外のドライバー段増幅器４のドレイン（コレクタ）バイアス端子、９は電圧降圧器、１０はＤＣ電源、１１は可変減衰器、１２は可変減衰器の制御端子である。

次に動作について説明する。図１４（ａ），（ｂ）のこの実施の形態の多段高出力増幅器は、図９、図１３の多段高出力増幅器と比較して、ドレイン電圧（コレクタ電圧）を通常動作電圧よりも低電圧で動作させたドライバー段増幅器５とその後段のドライバー段増幅器４の間に可変減衰器１１が挿入され、その制御端子１２が設けられている点が異なる。したがって、図９、図１３の多段高出力増幅器と同様に、ドライバー段増幅器５のドレイン電圧（コレクタ電圧）を通常動作電圧よりも低電圧で動作させることにより、高次のひずみを低ひずみにすることができる。これにより、よりバックオフの小さなところまで低ひずみで動作することが可能となるため、増幅器として高効率な特性を得ることができる。

さらに、可変減衰器１１がドレイン電圧（コレクタ電圧）を通常動作電圧よりも低電圧動作させたドライバー段増幅器５とその後段のドライバー段増幅器４の間に挿入されているために、ドライバー段増幅器５とドライバー段増幅器４から最終段増幅器３までの後段増幅器の間の動作レベルを調整することができる。既にドライバー段増幅器５を通常動作電圧よりも低電圧で動作させた場合のひずみ特性について図１１、１２に示しているが、その際に、ΔＢａｃｋｏｆｆというパラメータを変化させている。図１１では、利得特性、位相特性が低電圧動作させているドライバー段増幅器５の影響によって変化を始める出力レベルが変わっている。それに合わせて、図１２（ａ）では、ＡＣＰＲ（７次）が変化している。図１２（ａ）より、ΔＢａｃｋｏｆｆには、低ひずみ特性を得るための最適な値が存在することがわかる。多段高出力増幅器のバックオフが０．６ｄＢの場合のＡＣＰＲ（７次）のドライバー段増幅器のドレイン電圧およびΔＢａｃｋｏｆｆ依存性を図１２（ｂ）に示す。図１２（ｂ）からも、ΔＢａｃｋｏｆｆには、低ひずみ特性を得るための最適な値が存在することがわかる。

図１４の多段高出力増幅器は、可変減衰器１１がドレイン電圧（コレクタ電圧）を通常動作電圧よりも低電圧で動作させたドライバー段増幅器５とその後段のドライバー段増幅器４の間に挿入されているために、ドライバー段増幅器５とドライバー段増幅器４から最終段増幅器３までの後段増幅器の間の動作レベルを調整、最適化することができるため、より低ひずみな特性を実現することが可能である。
なお、図１４では、通常動作電圧よりも低電圧動作させているドライバー段増幅器５の直後に可変減衰器１１を挿入しているが、それ以降のドライバー段増幅器の後に可変減衰器１１を挿入しても構わない。

実施の形態５．
図１５はこの実施の形態における多段高出力増幅器の回路図である。図において、１００は多段高出力増幅器、１は入力端子、２は出力端子、３は最終段増幅器、４はドライバー段増幅器、５はドレイン電圧（コレクタ電圧）を通常動作電圧よりも低電圧で動作させたドライバー段増幅器、６はドライバー段増幅器５のドレイン（コレクタ）バイアス端子、７はドライバー段増幅器５のドレイン（コレクタ）バイアス回路、８はドライバー段増幅器５以外の増幅器のドレイン（コレクタ）バイアス端子、９は電圧降圧器、１０はＤＣ電源、１３は可変利得増幅器、１４は可変利得増幅器制御端子である。

次に動作について説明する。図１５（ａ），（ｂ）のこの実施の形態の多段高出力増幅器は、図９、図１３の多段高出力増幅器と比較して、ドレイン電圧（コレクタ電圧）を通常動作電圧よりも低電圧で動作させたドライバー段増幅器５の直後のドライバー段増幅器４の代わりに可変利得増幅器１３が設けられ、その制御端子１４が設けられている点が異なる。したがって、図９、図１３の多段高出力増幅器と同様に、ドライバー段増幅器５のドレイン電圧（コレクタ電圧）を通常動作電圧よりも低電圧で動作させることにより、高次のひずみを低ひずみにすることができる。これにより、よりバックオフの小さなところまで低ひずみで動作することが可能となるため、増幅器として高効率な特性を得ることができる。

さらに、低電圧動作させているドライバー段増幅器５の後段に可変利得増幅器１３が存在するために、ドライバー段増幅器５とドライバー段増幅器４から最終段増幅器３までの後段増幅器の間の動作レベルを調整、最適化することができるため、図１４の多段高出力増幅器と同様により低ひずみな特性を実現することが可能である。

なお、図１５では、通常動作電圧よりも低電圧動作させているドライバー段増幅器５の直後の増幅器を可変利得増幅器１３としているが、それ以降のドライバー段増幅器４の代わりに可変利得増幅器１３を設けても構わないし、複数段を可変利得増幅器としても構わない。

実施の形態６．
図１６はこの実施の形態における多段高出力増幅器の回路図である。図において、１００は多段高出力増幅器、１は入力端子、２は出力端子、３は最終段増幅器、４はドライバー段増幅器、５はドレイン電圧（コレクタ電圧）を通常動作電圧よりも低電圧で動作させたドライバー段増幅器、６はドライバー段増幅器５のドレイン（コレクタ）バイアス端子、７はドライバー段増幅器５のドレイン（コレクタ）バイアス回路、８はドライバー段増幅器５以外の増幅器のドレイン（コレクタ）バイアス端子、９は電圧降圧器、１０はＤＣ電源、１１は可変減衰器、１２は可変減衰器の制御端子、１５は多段高出力増幅器の温度を検出する温度検出器である。

次に動作について説明する。図１６（ａ），（ｂ）のこの実施の形態における多段高出力増幅器は、図１４（ａ），（ｂ）に示す多段高出力増幅器と比較して、温度検出器１５が設けられ、温度検出器１５で検出した情報に基づき、可変減衰器１１の制御電圧を変化させる構成になっている点が異なる。したがって図１４の多段高出力増幅器と同様に、ドライバー段増幅器５のドレイン電圧（コレクタ電圧）を通常動作電圧よりも低電圧で動作させることにより、高次のひずみを低ひずみにすることができる。これにより、よりバックオフの小さなところまで低ひずみで動作することが可能となるため、増幅器として高効率な特性を得ることができる。

増幅器の利得は温度によって変化し、一般的には温度が上がると利得が低くなる。実施の形態４で述べたように、可変減衰器１１がドレイン電圧（コレクタ電圧）を通常動作電圧よりも低電圧で動作させたドライバー段増幅器５とその後段のドライバー段増幅器４の間に挿入されているために、ドライバー段増幅器５とドライバー段増幅器４から最終段増幅器３までの後段増幅器の間の動作レベルを調整、最適化することができるため、より低ひずみな特性を実現することが可能である。しかし、温度が変わると、ドライバー段増幅器４から最終段増幅器３までの後段増幅器の利得が変動し、最適な動作レベルからずれることになる。そこで、図１６のように、可変減衰器１１の減衰量を制御し動作レベルを調整、最適化するために制御端子１２に加える電圧を温度検出器１５で検出した情報をもとに制御することにより変化し、温度が変わっても最適な動作レベルを維持することができる。これにより、全ての温度に対して、高次のひずみが低ひずみな特性を実現することができる。

一般的には温度が上がるとドライバー段増幅器４から最終段増幅器３までの後段増幅器の利得が低くなるため、可変減衰器１１の減衰量が小さくなるように制御端子１２に加える電圧を制御する。なお、図１６では、通常動作電圧よりも低電圧動作させているドライバー段増幅器５の直後に可変減衰器１１を挿入しているが、可変減衰器１１はそれ以降のドライバー段増幅器の後に挿入しても構わない。

実施の形態７．
図１７はこの実施の形態における多段高出力増幅器の回路図である。図において、１００は多段高出力増幅器、１は入力端子、２は出力端子、３は最終段増幅器、４はドライバー段増幅器、５はドレイン電圧（コレクタ電圧）を通常動作電圧よりも低電圧で動作させたドライバー段増幅器、６はドライバー段増幅器５のドレイン（コレクタ）バイアス端子、７はドライバー段増幅器５のドレイン（コレクタ）バイアス回路、８はドライバー段増幅器５以外の増幅器のドレイン（コレクタ）バイアス端子、９は電圧降圧器、１０はＤＣ電源、１３は可変利得増幅器、１４は可変利得増幅器制御端子、１５は多段高出力増幅器の温度を検出する温度検出器である。

次に動作について説明する。図１７（ａ），（ｂ）のこの実施の形態の多段高出力増幅器は、図１５（ａ），（ｂ）の多段高出力増幅器と比較して、温度検出器１５で検出した情報に基づき、可変利得増幅器１３の制御電圧を変化させる構成になっている点が異なる。したがって図１５の多段高出力増幅器と同様に、ドライバー段増幅器５のドレイン電圧（コレクタ電圧）を通常動作電圧よりも低電圧で動作させることにより、高次のひずみを低ひずみにすることができる。これにより、よりバックオフの小さなところまで低ひずみで動作することが可能となるため、増幅器として高効率な特性を得ることができる。

増幅器の利得は温度によって変化し、一般的には温度が上がると利得が低くなる。実施の形態５で述べたように、可変利得増幅器１３がドレイン電圧（コレクタ電圧）を通常動作電圧よりも低電圧で動作したドライバー段増幅器５の後段存在しているために、ドライバー段増幅器５とドライバー段増幅器４から最終段増幅器３までの後段増幅器の間の動作レベルを調整、最適化することができるため、より低ひずみな特性を実現することが可能である。しかし、温度が変わると、ドライバー段増幅器４から最終段増幅器３までの後段増幅器の利得が変動し、最適な動作レベルからずれることになる。そこで、図１７のように、温度検出器１５で検出した情報をもとに、可変利得増幅器１３の利得を制御端子１４に加える電圧を制御することにより変化し、温度が変わっても、最適なレベルを維持することができ、結果として、全ての温度に対して、高次のひずみが低ひずみな特性を実現することができる。

一般的には温度が上がるとドライバー段増幅器４から最終段増幅器３までの後段増幅器の利得が低くなるため、可変利得増幅器１３の利得が大きくなるように制御端子１４に加える電圧を制御する。なお、図１７では、通常動作電圧よりも低電圧動作させているドライバー段増幅器５の直後の増幅器を可変利得増幅器１３としているが、それ以降のドライバー段増幅器の代わりに可変利得増幅器を設けても構わないし、複数段を可変利得増幅器としても構わない。

実施の形態８．
図１８はこの実施の形態における多段高出力増幅器の回路図である。図において、１００は多段高出力増幅器、１は入力端子、２は出力端子、３は最終段増幅器、４はドライバー段増幅器、５はドレイン電圧（コレクタ電圧）を通常動作電圧よりも低電圧で動作させたドライバー段増幅器、６はドライバー段増幅器５のドレイン（コレクタ）バイアス端子、８はドライバー段増幅器５以外の増幅器のドレイン（コレクタ）バイアス端子、１０はＤＣ電源、１１は可変減衰器、１２は可変減衰器制御端子、１５は多段高出力増幅器の温度を検出する温度検出器、１６はドレイン（コレクタ）電圧制御回路、１７は可変電圧降圧器である。

次に動作について説明する。図１８（ａ）のこの実施の形態における多段高出力増幅器は，図１６（ａ）の多段高出力増幅器と比較して、ドレイン電圧（コレクタ電圧）を通常動作電圧よりも低電圧で動作させたドライバー段増幅器５のドレイン（コレクタ）バイアス回路７の代わりに、ドレイン（コレクタ）電圧制御回路１６が挿入され、温度検出器１５の情報に基づいて、ドレイン（コレクタ）電圧制御回路１６から出力されるドレイン（コレクタ）電圧が制御される点が異なる。
また、図１８（ｂ）のこの実施の形態における多段高出力増幅器は，図１６（ｂ）の多段高出力増幅器と比較して、電圧降圧器９の代わりに、可変電圧降圧器１７が設けられ、温度検出器１５の情報に基づいて、可変電圧降圧器１７から出力されるドレイン（コレクタ）電圧が制御される点が異なる。

したがって、図１６の多段高出力増幅器と同様に、ドライバー段増幅器５のドレイン電圧（コレクタ電圧）を通常動作電圧よりも低電圧で動作させることにより、高次のひずみを低ひずみにすることができる。これにより、よりバックオフの小さなところまで低ひずみで動作することが可能となるため、増幅器として高効率な特性を得ることができる。さらにドライバー段増幅器５とドライバー段増幅器４から最終段増幅器３までの後段増幅器の間の動作レベルを調整し、最適化する可変減衰器１１の減衰量を制御するため制御端子１２に加える電圧を、温度検出器１５で検出した情報をもとに変化させ、温度が変わっても、最適なレベルを維持することができるようにする。その結果として、全ての温度に対して、高次のひずみが低ひずみな特性を実現することができる。

さらに、図１８のこの実施の形態における多段高出力増幅器は、温度検出器１５の情報に基づいて、ドレイン（コレクタ）電圧制御回路１６もしくは可変電圧降圧器１７から出力されるドレイン（コレクタ）電圧を変化させている。実施の形態２の図１０に示したように、ドライバー段増幅器５の利得特性および位相特性はドレイン（コレクタ）電圧によって変わる。図１２（ｂ）は、ＡＣＰＲ（7次）のドライバー段増幅器５のドレイン（コレクタ）電圧およびΔＢａｃｋｏｆｆ依存性を示しているが、図１２（ｂ）に示すとおり、高次のひずみであるＡＣＰＲ（7次）はドライバー段増幅器５のドレイン（コレクタ）電圧によって変動し、ドライバー段増幅器５のドレイン（コレクタ）電圧には最適値が存在することがわかる。温度が変わった場合に、ドライバー段増幅器４から最終段増幅器３までの後段増幅器の利得特性、位相特性自体も変化し、ドライバー段増幅器５のドレイン（コレクタ）電圧の最適値も温度によって変化する。

したがって、図１８のこの実施の形態における多段高出力増幅器は、温度検出器１５の情報に基づいて、ドレイン（コレクタ）電圧制御回路１６もしくは可変電圧降圧器１７から出力されるドレイン（コレクタ）電圧を変化させているため、全ての温度に対して、ドライバー段増幅器５のドレイン（コレクタ）電圧を最適値に設定することができ、より高次のひずみを低ひずみにすることができる。
なお、図１８は、実施の形態６の図１６の可変減衰器１１を用いた多段増幅器で温度検出器１５の情報に基づいて可変減衰器１１の制御電圧を制御する場合に対して適用した例であるが、実施の形態２〜７の全ての多段高出力増幅器に対しても適用可能であり、同様の効果を得ることができる。

実施の形態９．
図１９はこの実施の形態における多段高出力増幅器の回路図である。図において、１００は多段高出力増幅器、１は入力端子、２は出力端子、３は最終段増幅器、４はドライバー段増幅器、５はドレイン電圧（コレクタ電圧）を通常動作電圧よりも低電圧で動作させたドライバー段増幅器、６はドライバー段増幅器５のドレイン（コレクタ）バイアス端子、８はドライバー段増幅器５以外の増幅器のドレイン（コレクタ）バイアス端子、１０はＤＣ電源、１１は可変減衰器、１２は可変減衰器制御端子、１５は多段高出力増幅器の温度を検出する温度検出器、１６はドレイン（コレクタ）電圧制御回路、１７は可変電圧降圧器、１８はドライバー段増幅器５のゲート（ベース）バイアス端子である。

次に動作について説明する。図１９のこの実施の形態における多段高出力増幅器は図１８の多段高出力増幅器と比較して、ドレイン電圧（コレクタ電圧）を通常動作電圧よりも低電圧で動作させたドライバー段増幅器５にゲートバイアス端子１８を設け、温度検出器１５からの情報に基づいて、ゲートバイアス端子１８に印加するゲート電圧を制御する点が異なる。したがって、図１８に示す多段高出力増幅器と同様に、ドライバー段増幅器５のドレイン電圧（コレクタ電圧）を通常動作電圧よりも低電圧で動作させることにより、高次のひずみを低ひずみにすることができる。これにより、よりバックオフの小さなところまで低ひずみで動作することが可能となるため、増幅器として高効率な特性を得ることができる。

さらにドライバー段増幅器５とドライバー段増幅器４から最終段増幅器３までの後段増幅器の間の動作レベルを調整し、最適化する可変減衰器１１の減衰量を制御するため制御端子１２に加える電圧を、温度検出器１５で検出した情報をもとに変化させ、温度が変わっても、最適なレベルを維持することができるようにする。その結果として、全ての温度に対して、高次のひずみが低ひずみな特性を実現することができる。さらに、温度検出器１５の情報に基づいて、ドレイン（コレクタ）電圧制御回路１６もしくは可変電圧降圧器１７から出力されるドレイン（コレクタ）電圧を変化することができるため、全ての温度に対して、ドライバー段増幅器５のドレイン（コレクタ）電圧を最適値に設定することができ、より高次のひずみを低ひずみにすることができる。

さらに、図１９の実施の形態における多段高出力増幅器では、温度検出器１５からの情報に基づいて、ドライバー段増幅器５のゲートバイアス端子１８に印加するゲート電圧を制御することが可能である。図２０にドライバー段増幅器の利得特性、位相特性のゲート電圧依存性の測定結果を示す。図２０（ａ）が利得特性、図２０（ｂ）が位相特性の測定結果である。図より、ゲート電圧Ｖｇを変化すると、ドライバー段増幅器５の利得特性、位相特性を細かく調整することができる。したがって、図１９に示すこの実施の形態の多段高出力増幅器では、温度検出器１５からの情報に基づいて、ゲートバイアス端子１８に印加するゲート電圧を制御することにより、高次のひずみに対してより精度の良く低ひずみな特性を実現することができる。

なお、図１９に示す多段高出力増幅器は、図１８に示す実施の形態８の可変減衰器１１を用いた多段増幅器で温度検出器１５の情報に基づいて可変減衰器１１の制御電圧およびドライバー段増幅器５のドレイン（コレクタ）電圧を制御する場合に対して適用した例であるが、実施の形態２〜７の全ての多段増幅器に対しても適用可能であり、同様の効果を得ることができる。

バックオフの小さなところまで低ひずみで動作することが可能となり、増幅器として高効率な特性を得られ、衛星通信、地上マイクロ波通信、移動体通信等の増幅器に適用される。

従来の多段高出力増幅器のひずみ補償の動作原理図。 従来の多段高出力増幅器の特性図。 ２波入力時の多段高出力増幅器で発生するひずみのスペクトル図。 実施の形態１の多段高出力増幅器の特性図。 増幅器の特性に対するＡＣＰＲ（７次）の計算結果図。 ＡＣＰＲの定義図。 増幅器の特性に対するＡＣＰＲ（７次）の計算結果図。 ＡＣＰＲ（７次）の利得コンプレッションおよびΔＰｈａｓｅ／ΔＰｉｎ依存性の計算結果図。 実施の形態２の多段高出力増幅器の回路図。 ライバー段増幅器の利得特性、位相特性のドレイン電圧依存性の測定結果図。 多段高出力増幅器の利得特性、位相特性の計算結果図。 多段高出力増幅器のＡＣＰＲ（７次）の計算結果図。 実施の形態３の多段高出力増幅器の回路図。 実施の形態４の多段高出力増幅器の回路図。 実施の形態５の多段高出力増幅器の回路図。 実施の形態６の多段高出力増幅器の回路図。 実施の形態７の多段高出力増幅器の回路図。 実施の形態８の多段高出力増幅器の回路図。 実施の形態９の多段高出力増幅器の回路図。 ドライバー段増幅器の利得特性、位相特性のゲート電圧依存性の測定結果図。

符号の説明

１ 入力端子
２ 出力端子
３ 最終段増幅器
４ ドライバー段増幅器
５ ドレイン電圧（コレクタ電圧）を低電圧動作させたドライバー段増幅器
６ ドレイン（コレクタ）バイアス端子
７ ドレイン（コレクタ）バイアス回路
８ ドレイン（コレクタ）バイアス端子
９ 電圧降圧器
１０ ＤＣ電源
１１ 可変減衰器
１２ 可変減衰器の制御端子
１３ 可変利得増幅器
１４ 可変利得増幅器制御端子
１５ 温度検出器
１６ ドレイン（コレクタ）電圧制御回路
１７ 可変電圧降圧器
１８ ゲート（ベース）バイアス端子
１００ 多段高出力増幅器

Claims (9)

1. 多段高出力増幅器を構成する少なくとも一つのドライバー段増幅器は、バックオフ１ｄＢでの利得コンプレッションが２．５以上になるように構成されたことを特徴とする多段高出力増幅器。
2. 多段高出力増幅器を構成する少なくとも一つのドライバー段増幅器が、そのドレイン電圧またはコレクタ電圧が通常動作電圧よりも低電圧で動作するよう上記ドライバー段増幅器に電圧供給する電圧供給器を備えたことを特徴とする請求項１記載の多段高出力増幅器。
3. 前記各段増幅器のドレイン電圧またはコレクタ電圧が共通のＤＣ電源より供給され、かつ、多段増幅器の中の少なくとも一つのドライバー段増幅器のドレイン電圧またはコレクタ電圧は、前記共通のＤＣ電源の電圧を降圧して通常動作電圧よりも低電圧が供給される電圧供給器としての電圧降圧器を備えたことを特徴とする請求項２記載の多段高出力増幅器。
4. ドレイン電圧またはコレクタ電圧が通常動作電圧よりも低電圧で動作されるドライバー段増幅器とこのドライバー段増幅器より後段の増幅器との間に各増幅器間の動作レベルを調整する可変減衰器が設けられたことを特徴とする請求項２または３に記載の多段高出力増幅器。
5. ドレイン電圧またはコレクタ電圧が通常動作電圧よりも低電圧で動作されるドライバー段増幅器より後段の増幅器のうち少なくとも１つの増幅器は各増幅器間の動作レベルを調整する可変利得増幅器であることを特徴とする請求項２または３に記載の多段高出力増幅器。
6. 多段高出力増幅器の温度を検出する温度検出器を設け、その検出した温度に基づいて前記可変減衰器の減衰量を制御する制御回路を設けたことを特徴とする請求項４記載の多段高出力増幅器。
7. 多段高出力増幅器の温度を検出する温度検出器を設け、その検出した温度に基づいて前記可変利得増幅器の利得を制御する制御回路を設けたことを特徴とする請求項５記載の多段高出力増幅器。
8. 多段高出力増幅器の温度を検出する温度検出器を設け、その検出した温度に基づいてドレイン電圧またはコレクタ電圧が通常動作電圧よりも低電圧で動作されるドライバー増幅器のドレイン電圧またはコレクタ電圧を制御する制御回路を設けたことを特徴とする請求項２乃至７の何れかに記載の多段高出力増幅器。
9. 多段高出力増幅器の温度を検出する温度検出器を設け、その検出した温度に基づいてドレイン電圧またはコレクタ電圧が通常動作電圧よりも低電圧で動作されるドライバー増幅器のゲート電圧またはベース電圧を制御する制御回路を設けたことを特徴とする請求項２乃至８の何れかに記載の多段高出力増幅器。

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