JP2005176331A - 増幅器ならびにそれを用いた送信機および通信機器 - Google Patents

Abstract

【課題】 トランジスタの内部容量による利得低下を抑制し、広い周波数帯域に渡って利得の平坦性を改善すること。
【解決手段】 本発明は、高周波信号を増幅して出力する増幅器１００である。当該増幅器１００は、バイポーラトランジスタまたは電界効果トランジスタである増幅素子１１０と、増幅素子のベース・コレクタ間またはゲート・ドレイン間に接続されたインダクタ１２４とを備える。インダクタ１２４のインダクタンスは、所定の周波数帯域において、増幅素子１１０の寄生キャパシタ１２３と増幅素子１１０のベース・コレクタ間またはゲート・ドレイン間の真性キャパシタ１１１とで並列共振する値に設定されている。
【選択図】 図１Ａ

Description

本発明は、増幅器ならびにそれを用いた送信機および通信機器に関し、より特定的には、高周波で動作する増幅器ならびにそれを用いた送信機および通信機器に関する。

携帯電話の送信部などに用いる電力増幅器には、数Ｗクラスの信号を高利得で増幅することが要求される。

図１０は、弱い受信信号を増幅するための従来の受信信号用の増幅器９００の構成例を示す図である（例えば、非特許文献１参照）。

図１０に記載の増幅器９００では、端子９０１から入力された信号は、トランジスタ９１０のベースから入力されて増幅され、コレクタを通って出力端子９０２から取り出される。ベースには、抵抗９２１を介してバイアスＶｂが供給されている。コレクタには、インダクタ９２２を介してバイアスＶｃが供給されている。なお、コレクタバイアスとベースバイアスとを分離するために、基本周波数ｆｃで十分小さなインピーダンスを示す結合キャパシタ９２０がベース側に接続されている。

トランジスタ９１０のベースとコレクタとの間には、寄生キャパシタ９２３（容量はＣｐであるとする）が存在する。インダクタ９２４（リアクタンスはＬｘであるとする）は、寄生キャパシタ９２３に対して並列に接続されている。ここで、インダクタ９２４のリアクタンスＬｘは、増幅したい周波数ｆｃにおいて寄生キャパシタ９２３と並列共振し、周波数ｆｃ（角周波数ω＝２πｆｃ）で、
Ｌｘ×Ｃｐ＝１／ω² …（式１）
の関係を満たしているとする。このようなリアクタンスをインダクタ９２４が有することによって、インダクタ９２４と寄生キャパシタ９２３とは、ベース・コレクタ間で並列共振し、インピーダンスが最大となる。これによって、電力の帰還が抑制されることとなるので、トランジスタの利得の低下を防ぐことができる。以上のようにトランジスタの利得の低下を抑制することによって増幅器の電力付加効率の低下を抑制できる。

図１１は、増幅器の動作効率を積極的に向上することができる極座標変調（Ｐｏｌａｒ変調）動作の送信機９３０の構成例を示す図である（例えば、特許文献１参照）。図１１に示す送信機９３０において、π／４シフトＱＰＳＫ（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）変調されたデジタルベースバンド信号が、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）とＤＡＣ（Ｄｉｇｉｔａｌ ｔｏ Ａｎａｌｏｇ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）とからなる信号生成部９３１に入力される。信号生成部９３１は、デジタルベースバンド信号から位相成分を抽出し位相制御信号Ｅｐｈ（ｔ）として出力し、デジタルベースバンド信号から振幅成分を抽出し振幅変調信号Ｅｍａｇ（ｔ）として出力する。

位相制御信号Ｅｐｈ（ｔ）は、直交変調器９３２に入力される。直交変調器９３２は、位相制御信号Ｅｐｈ（ｔ）に基づいて、周波数ｆ０のキャリア信号を変調し、一定の包絡線を有するように、位相制御信号Ｅｐｈ（ｔ）が重畳された位相変調信号を出力する。フィルタ９３３は、位相変調信号から不必要な信号を除去する。フィルタ９３３から出力された信号は、ドライバ段増幅器９３４、段間増幅器９３５、終段増幅器９３６の順に、直列接続された３段構成の電力増幅段に入力される。

ドライバ段増幅器９３４には、電源端子９３７に電池を介して一定電圧が印加されている。ドライバ段増幅器９３４は、位相変調信号を増幅し、段間増幅器９３５に入力する。

一方、振幅変調信号Ｅｍａｇ（ｔ）は、高効率なＤ級動作増幅器９３８で増幅される。フィルタ９３９は、Ｄ級動作増幅器９３８から出力される信号の不必要な成分を除去して、振幅変調信号Ｅｆｍ（ｔ）として出力する。振幅変調信号Ｅｆｍ（ｔ）は、２分配される。振幅変調信号Ｅｆｍ（ｔ）は、それぞれ、段間増幅器９３５の電源部（図示せず）と終段増幅器９３６の電源部（図示せず）とに入力される。

段間増幅器９３５は、ドライバ段増幅器９３４から出力される位相変調信号を、電源部に入力される振幅変調信号Ｅｆｍ（ｔ）に応じて、増幅または減衰する。

終段増幅器９３６は、段間増幅器９３５から出力される位相変調信号と電源部に入力される振幅変調信号Ｅｆｍ（ｔ）とを混合して、キャリア信号に重畳されたπ／４シフトＱＰＳＫ変調信号を出力する。このπ／４シフトＱＰＳＫ変調信号の包絡線の電圧をＥｏ（ｔ）とする。

このように、デジタルベースバンド信号に基づいて位相変調信号と振幅変調信号とが生成され、終段増幅器９３６の電源部に入力される振幅変調信号と位相変調信号とが混合されることによって、デジタルベースバンド信号によって極座標変調（Ｐｏｌａｒ変調）された信号が出力されることとなる。
ベザド ラザヴィ（Ｂｅｈｚａｄ Ｒａｚａｖｉ）著，「アールエフ マイクロエレクトロニクス（ＲＦ Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）」、プレンティス ホール（Ｐｒｅｎｔｉｃｅ−Ｈａｌｌ）、１９９７年１１月１日，ｐ．１６９ 米国特許第６２５６４８２号明細書

図１０に記載の増幅器の課題について説明する。実際には、トランジスタは、寄生キャパシタの他に、本質的に、トランジスタ内部にベース・コレクタ間容量（真性キャパシタ（真性容量）という）を有している。

図１２は、図１０におけるトランジスタ９１０の等価回路を示す概略図である。ベース・エミッタ間には、抵抗９１２とキャパシタ９１３とが存在する。コレクタ・エミッタ間には、定電流源９１４と出力抵抗９１５とが存在する。さらに、ベース・コレクタ間には、真性キャパシタ（ベース・コレクタ間容量）９１１が存在する。

送信信号用の増幅器は、受信信号用の増幅用と異なり、一般に大電力信号を出力するために、サイズの大きなトランジスタを有する。結果として、真性キャパシタ９１１の容量は、大きくなる。真性キャパシタ９１１の容量は、図１０に示す寄生キャパシタ９２３の容量よりも支配的となる。よって、非特許文献１で示されるように、図１０の寄生キャパシタ９２３に共振するインダクタ９２４を設けただけでは、共振周波数がずれて所望の周波数において利得低下を十分抑制することはできなくなる。これが、第１の課題である。

近年の通信方式では広い周波数帯域に渡って増幅器が一定の利得を有することが求められる。図１０に示す増幅器９００において、インダクタ９２４と寄生キャパシタ９２３とからなる並列共振回路のＱ値は、抵抗成分が低いため高くなる。Ｑ値が高いと共振回路のインピーダンスが周波数によって大きく異なることとなり、広い周波数帯域に渡って増幅器での利得を均一にすることができない。これが、第２の課題である。

次に、図１１に示した送信機の課題について説明する。まず、終段増幅器９３６の動作を詳細に説明する。一般に、携帯電話の送信機は、基地局との距離に応じて、出力電力の大きさをコントロールしなければならない。以下、出力電力の大きさをコントロールすることをパワーコントロールという。したがって、出力電力の大きさを調整するために、送信機は、広いダイナミックレンジを有していなければならない。ここでは、１０ｄＢｍから３０ｄＢｍまでの２０ｄＢｍに渡って、出力変調信号の平均出力電力を変化させなければならないとする。

図１３は、図１１に示す終段増幅器９３６における電源電圧Ｖｃｃと出力電圧Ｖｏとの関係を示す図である。終段増幅器９３６が常に飽和領域で動作していれば、基本的には、図１３の点線に示すように、出力電圧Ｖｏは、電源電圧Ｖｃｃに比例して増加する。

π／４ＱＰＳＫ変調信号は、時間とともに振幅が変化する信号である。π／４ＱＰＳＫ変調信号の振幅は、平均電力に対して、＋３ｄＢから−１５ｄＢまでの約１８ｄＢのダイナミックレンジを有する。

振幅変調信号Ｅｆｍ（ｔ）を電源電圧Ｖｃｃとして範囲Ａで変化させることによって、最大平均電力が３０ｄＢｍの変調信号を出力させることができる。範囲Ａにおいて、出力電圧Ｖｏは、電源電圧Ｖｃｃに対して、線形に変化する。したがって、終段増幅器９３６は、振幅変調信号Ｅｆｍ（ｔ）に比例した正確な振幅情報として、包絡線Ｅｏ（ｔ）を有するπ／４シフトＱＰＳＫ変調信号を出力する。

一方、振幅変調信号Ｅｆｍ（ｔ）を電源電圧Ｖｃｃとして範囲Ｂで変化させることによって、最小平均電力が１０ｄＢｍの変調信号を出力させることができる。範囲Ｂにおいて、出力電力Ｖｏは、電源電圧Ｖｃｃに対して、線形に変化しない。したがって、出力される変調信号は、歪んでしまう。つまり、包絡線Ｅｏ（ｔ）は、不正確な振幅情報を有することになる。結果として、通信品質が低下する。

電源電圧Ｖｃｃに対して線形に出力電圧Ｖｏが変化しない原因について説明する。

線形に出力電圧Ｖｏが変化するためには、終段増幅器９３６は、完全に飽和領域で動作していなくてはならない。

図１３における領域Ｘ，Ｙは、終段増幅器９３６が飽和領域で動作しないために、出力電圧Ｖｏが線形に変化しなくなっている領域である。

領域Ｘでは、入力電力は、電源電圧Ｖｃｃに対して相対的に小さい。そのため、終段増幅器９３６は、飽和しない。よって、電源電圧Ｖｃｃが増加しても、出力電圧Ｖｏが変化しない。

段間増幅器９３５の電源電圧は、終段増幅器９３６の電源電圧と同電位で変化する。したがって、領域Ｙにおいて、段間増幅器９３５は、終段増幅器９３６を十分飽和させるための電力を出力することができない。

領域Ｚは、終段増幅器９３６が飽和領域で動作しているにも関わらず、出力電圧Ｖｏが線形に変化していない領域である。領域Ｚでは、入力電力は、電源電圧Ｖｃｃに対して、相対的に非常に大きくなる。したがって、終段増幅器９３６の有する寄生キャパシタおよび真性キャパシタを介して、出力側に電力が漏れてしまうので、領域Ｙでは、出力電力が変化しない。

以上のように、三つの領域Ｘ，Ｙ，Ｚが原因となって、図１１に示す送信機は、ダイナミックレンジが狭いという第３の課題を有することとなる。

今後、無線通信が高速大容量化するに従って、送信回路には、従来にも増して、さらに低い出力レベルから高い出力レベルまで広いダイナミックレンジに渡って、高い効率で歪みなく変調信号を増幅することが求められる。上述のように、図１１に示す送信機には、ダイナミックレンジが狭いという第３の課題があった。加えて、図１１に示す送信機には、高い変調速度の場合に、さらにダイナミックレンジが狭くなるという第４の課題がある。理由は以下のようである。振幅変調信号Ｅｆｍ（ｔ）は２分配されるので、各振幅変調信号Ｅｆｍ（ｔ）は、段間増幅器９３５の電源部と終段増幅器９３６の電源部とに入力される。しかし、変調速度が高くなると、段間増幅器９３５から出力される信号において振幅が変動するタイミングと終段増幅器９３６が振幅変調するタイミングとがずれてしまう。結果、ダイナミックレンジがさらに狭くなってしまう。

以上の第１および第２の課題を鑑みて、本発明の第１の目的は、大きなサイズのトランジスタを用いた送信信号用の増幅器において、高い利得を得ることができ、広い周波数帯域に渡って利得を均一にすることができる増幅器を提供することである。

以上の第３および第４の課題を鑑みて、本発明の第２の目的は、複雑な制御なしに広いダイナミックレンジに渡って、高い効率で歪みなく変調信号を増幅することが可能な小型で安価な極座標変調動作の増幅器または送信機を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明は、以下のような特徴を有する。本発明は、高周波信号を増幅して出力する増幅器であって、バイポーラトランジスタまたは電界効果トランジスタである増幅素子と、増幅素子のベース・コレクタ間またはゲート・ドレイン間に接続されたインダクタとを備え、インダクタのインダクタンスは、所定の周波数帯域において、増幅素子の寄生キャパシタと増幅素子のベース・コレクタ間またはゲート・ドレイン間の真性キャパシタとで並列共振する値に設定されている。

好ましくは、インダクタに直列に接続された抵抗をさらに備えるとよい。

好ましくは、インダクタに並列に接続されたキャパシタをさらに備えるとよい。

好ましくは、キャパシタの容量は、所定の周波数帯域において、寄生キャパシタとベース・コレクタ間またはゲート・ドレイン間の真性キャパシタとインダクタとで並列共振する値に設定されているとよい。

好ましくは、キャパシタの容量は、所定の周波数帯域において、寄生キャパシタとバイアスによって時間的に変化するベース・コレクタ間またはゲート・ドレイン間の真性キャパシタとインダクタとで並列共振するように変動するとよい。

好ましくは、インダクタのインダクタンスは、所定の周波数帯域において、寄生キャパシタとバイアスによって時間的に変化するベース・コレクタ間またはゲート・ドレイン間の真性キャパシタとキャパシタとで並列共振するように変化するとよい。

好ましくは、インダクタを含む位相調整回路をさらに備え、位相調整回路のインピーダンスは、寄生キャパシタ、真性キャパシタ、および当該位相調整回路からなる回路を介した漏れ信号と増幅素子から増幅または減衰されて出力される増幅信号との位相差が−２／３πから２／３πとなるように設定されているとよい。

好ましくは、増幅素子は、飽和領域で動作し、インダクタのインダクタンスは、飽和領域において、寄生キャパシタとベース・コレクタ間またはゲート・ドレイン間の真性キャパシタとで並列共振する値に設定されているとよい。

好ましくは、増幅素子は、ベース端子またはゲート端子に入力される位相変調信号と、コレクタ端子またはドレイン端子に入力される振幅変調信号とを混合して、変調信号を出力するとよい。

また、本発明は、高周波信号を増幅器で増幅して送信する通信機器であって、増幅器は、バイポーラトランジスタまたは電界効果トランジスタである増幅素子と、増幅素子のベース・コレクタ間またはゲート・ドレイン間に接続されたインダクタとを備え、インダクタのインダクタンスは、所定の周波数帯域において、増幅素子の寄生キャパシタと増幅素子のベース・コレクタ間またはゲート・ドレイン間の真性キャパシタとで並列共振する値に設定されている。

また、本発明は、高周波信号を送信する送信機であって、ベースバンド信号の位相成分に基づいて位相制御信号を出力すると共に、ベースバンド信号の位相成分に基づいて振幅変調信号を出力する信号生成部と、信号生成部から出力される位相制御信号に基づいて、キャリア信号を変調して、位相変調信号を出力する直交変調器と、振幅変調信号をバイアス電圧とすることによって、位相変調信号と振幅変調信号とを混合して送信信号を出力する終段増幅器とを備え、終段増幅器は、バイポーラトランジスタまたは電界効果トランジスタである増幅素子と、増幅素子のベース・コレクタ間またはゲート・ドレイン間に接続されたインダクタとを備え、インダクタのインダクタンスは、所定の周波数帯域において、増幅素子の寄生キャパシタと増幅素子のベース・コレクタ間またはゲート・ドレイン間の真性キャパシタとで並列共振する値に設定されている。

好ましくは、さらに、直交変調器が出力する位相変調信号を増幅して出力するドライバ段増幅器と、ドライバ段増幅器から出力される増幅された位相変調信号を増幅して出力する段間増幅器とを備え、前記振幅変調信号は、前記バイアス電圧として、前記終段増幅器にのみ入力され、かつ、前記終段増幅器は、前記段間増幅器から出力される位相変調信号と前記振幅変調信号とを混合して送信信号を出力する。

本発明によれば、大きなサイズのトランジスタを用いた送信信号用の増幅器でも、送信周波数において、ベース・コレクタ間のインピーダンスを大きくすることができる。したがって、送信時の電力の帰還が抑制されることとなり、高い利得を得ることが可能となる。さらに、広い周波数帯域に渡って利得を均一にすることが可能となる上、電力増幅器のダイナミックレンジを向上することが可能な、小型で安価な増幅器、送信機、および通信機器が提供されることとなる。

インダクタに対して抵抗を直列に接続することによって、広い周波数帯域に渡って利得を均一（平坦）にすることができる。

インダクタに対してキャパシタを並列に接続することによって、インダクタを小さくすることができ、小型の増幅器が提供されることとなる。当該キャパシタの容量を変化させることによって、真性キャパシタが時間的に変化するような場合であっても、高い利得の増幅器を提供することができる。

また、インダクタのインダクタンスを変化させることによって、真性キャパシタが時間的に変化するような場合であっても、高い利得の増幅器を提供することができる。

位相調整回路を設けることによって、ダイナミックレンジを広くすることができる。

また、トランジスタを飽和領域で動作させることによって、電力付加効率を高くすることができる。

本発明の増幅器を極座標変調する送信機に用いることによって、終段増幅器にのみ振幅変調信号を入力すればよいので、高い変調速度の場合にも広いダイナミックレンジを維持することができる。

本発明のこれらおよび他の目的、特徴、局面、効果は、添付図面と照合して、以下の詳細な説明から一層明らかになるであろう。

（第１の実施形態）
図１Ａは、本発明の第１の実施形態に係る増幅器１００の構成を示す図である。図１Ａにおいて、増幅器１００は、入力端子１０１と、出力端子１０２と、トランジスタ１１０と、結合キャパシタ１２０と、抵抗１２１と、インダクタ１２２と、インダクタ１２４とを備える。

図１Ａに記載の増幅器１００では、入力端子１０１から入力された高周波信号は、トランジスタ１１０のベースから入力されて増幅され、コレクタを通って出力端子１０２から送信信号として取り出される。ベースには抵抗１２１を介してバイアスＶｂが供給される。コレクタにはインダクタ１２２を介してバイアスＶｃが供給される。

トランジスタ１１０のベースとコレクタとの間には、寄生キャパシタ１２３と真性キャパシタ１１１とが各々並列に存在する。さらに、トランジスタ１１０のベースとコレクタとの間には、インダクタ１２４（インダクタンスはＬｘであるとする）が接続されている。本来、真性キャパシタ１１１は、トランジスタ１１０の内部に存在しているベース・コレクタ間容量であるが、ここでは理解しやすいようにあえてトランジスタ１１０の外に記述しておく。なお、本明細書において、寄生キャパシタとは、トランジスタをパッケージ化したときに寄生する容量のことをいい、ベース・コレクタ間容量とは異なるものである。

なお、コレクタバイアスとベースバイアスとを分離するために、基本周波数ｆｃで十分小さなインピーダンスを示す結合キャパシタ１２０が、ベース側に接続されている。

インダクタ１２４のインダクタンスＬｘは、増幅したい周波数帯域ｆｃにおいて寄生キャパシタ１２３（容量はＣｐであるとする）と真性キャパシタ１１１（容量はＣｂｃであるとする）とで並列共振するように設定されている。すなわち、基本周波数ｆｃ（角周波数ω＝２πｆｃ）において、
Ｌｘ×（Ｃｂｃ＋Ｃｐ）＝１／ω² …（式２）
の関係を満たすようにリアクタンスＬｘが設定されている。

図１Ｂは、各周波数における増幅器１００の利得を模式的に示す図である。図１Ｂにおいて、実線は、（式２）の関係を満たすようにインダクタンスＬｘの値を設定したとき、すなわち、インダクタ１２４が寄生キャパシタ１２３と真性キャパシタ１１１とで並列共振するように設定したときの増幅器１００における利得を示す。点線は、（式１）の関係を満たすようにインダクタＬｘの値を設定したとき、すなわち、インダクタ１２４が寄生キャパシタ１２３にのみ共振するように設定したときの利得を示す。図１Ｂに示すように、通信周波数をｆｃとした場合、周波数ｆｃにおいて実線の方が点線より高い利得が実現できていることが分かる。

このように、インダクタ１２４が寄生キャパシタ１２３と真性キャパシタ１１１とに並列共振するように設定することによって、送信周波数において、ベース・コレクタ間のインピーダンスを大きくすることができるので、送信時の電力の帰還が抑制されることとなり、増幅器の利得の低下を防ぐことができる。したがって、本実施形態に係る増幅器は、送信信号の増幅器として、有用である。

（第２の実施形態）
図２Ａは、本発明の第２の実施形態に係る増幅器２００の構成を示す図である。図２Ａに記載の増幅器２００では、図１Ａの増幅器１００のベース・コレクタ間にさらにキャパシタ２０１（容量はＣｘであるとする）を接続している以外は、第１の実施形態における増幅器１００の構成と同様である。

キャパシタ２０１が寄生キャパシタ１２３（容量Ｃｐ）と真性キャパシタ１１１（容量Ｃｂｃ）とに並列接続することによって、全体の容量値が大きくなる。したがって、
Ｌｘ×（Ｃｂｃ＋Ｃｐ＋Ｃｘ）＝１／ω² …（式３）
の関係を満たすようなリアクタンスＬｘの値は、（式２）の関係を満たすＬｘよりも小さくなる。

Ｌｘの値が小さくなると、それだけインダクタの物理的大きさを小さくできるので、したがって、第２の実施形態では、（式３）の関係を満たすリアクタンスＬｘを有するインダクタ１２４を用いることによって、第１の実施形態に比べて、回路を小型化できるという効果が生じる。

図２Ｂは、インダクタ１２４の一例を示す図である。図２Ｂでは、図２Ａに記載の増幅器２００のインダクタ１２４をスパイラルインダクタで形成している例を示している。スパイラルインダクタでは面積や巻き数が大きいほど大きなインダクタンスが得られる。従って、増幅器２００では、より面積の小さなインダクタ１２４で共振条件が実現できるため、回路を小型化できる。

（第３の実施形態）
図３Ａは、本発明の第３の実施形態に係る増幅器３００の構成を示す図である。図３Ｂは、増幅器３００の利得の周波数特性を示す図である。図３Ａに記載の増幅器３００では、インダクタ１２４に対して直列に抵抗３０１が接続されている以外は、図２Ａに示す構成と同様である。

ここで、増幅器３００における寄生キャパシタ１２３（容量Ｃｐ）と真性キャパシタ１１１（容量Ｃｂｃ）とインダクタ１２４（リアクタンスＬｘ）とキャパシタ２０１（容量Ｃｘ）とからなる並列共振回路３０２が抵抗成分を持たないと仮定する。この場合、並列共振回路３０２のＱ値は、非常に大きくなるので、周波数軸でのインピーダンスの変化は急峻となる。例えば、通信帯域ｆ１からｆ２において均一の利得を得たい場合、共振特性が急峻すぎると図３Ｂでの点線に示すように利得が周波数によって大きく変化することとなり、広い周波数帯に渡って利得を均一にするという目的を達成できない。

そのため、第３の実施形態では、インダクタ１２４に直列に抵抗３０１を接続することによって、並列共振回路３０２のＱ値を低下させて、周波数に対する共振特性が緩やかになるようにしている。これによって、図３Ｂでの実線に示すように、通信帯域ｆ１からｆ２において利得の変化を小さくすることができ、広い周波数帯に渡って利得を均一にするという目的を達成することができる。

（第４の実施形態）
図４は、本発明の第４の実施形態に係る増幅器４００の構成を示す図である。図４に記載の増幅器４００は、図３に示す増幅器３００におけるインダクタ１２４およびキャパシタ２０１を可変インダクタ４０１および可変キャパシタ４０２に置き換えた構成である。なお、ここでは、インダクタ１２４およびキャパシタ２０１が、それぞれ、可変インダクタ４０１および可変キャパシタ４０２に置き換えられた構成を示しているが、いずれか一方が置き換わった構成であってもよい。すなわち、インダクタ１２４のみが可変インダクタ４０１に置き換わった構成であってもよいし、キャパシタ２０１のみが可変キャパシタ４０２に置き換わった構成であってもよい。

外部の制御部（図示せず）は、バイアスの時間的変化に応じてベース・コレクタ間で生じる電圧Ｖｂｃ（ｔ）（ｔは時間を示す）の時間変化に応じて、可変インダクタ４０１または可変キャパシタ４０２の値を変化させる。ベース・コレクタ間電圧Ｖｂｃ（ｔ）が変化すれば、真性キャパシタ１１１の容量Ｃｂｃ（ｔ）も変化する。そのため、各時間で共振回路の共振条件が変化してしまい、高い利得が得られなくなってしまう。そこで、制御部は、可変キャパシタ４０２の容量Ｃｘ（ｔ）を、ベース・コレクタ間電圧Ｖｂｃ（ｔ）の変化に応じて、変化させることによって、送信に用いる所定の周波数帯において、共振条件を満たすようにすることができる。これによって、時間的にベース・コレクタ間電圧が変化するような場合でも、高い利得の増幅器を提供することができる。また、可変インダクタ４０１のリアクタンスＬｘ（ｔ）をベース・コレクタ間電圧Ｖｂｃ（ｔ）の変化に応じて、変化させるようにしてもよい。この場合も、送信に用いる所定の周波数帯において、共振条件を満たすようにすることができ、時間的にベース・コレクタ間電圧が変化するような場合でも、高い利得の増幅器を提供することができる。また、抵抗３０１が接続されているので、広い周波数帯に渡って利得を平坦に保つことができる。

たとえば、コレクタ電圧Ｖｃ（ｔ）を振幅変動させて、増幅器４００で振幅変調を行う場合を考える。この場合、変調速度に応じてベース・コレクタ間電圧Ｖｂｃ（ｔ）が変化し、トランジスタ１１０の真性キャパシタ１１１（容量Ｃｂｃ（ｔ））もベース・コレクタ間電圧Ｖｂｃ（ｔ）に応じて変化する。その結果、各時間で共振回路の共振条件が変化し、高い利得が得られなくなってしまう。そこで、可変インダクタ４０１のインダクタンスＬｘ（ｔ）を、真性キャパシタ１１１の容量Ｃｂｃ（ｔ）に応じて変化させて、寄生キャパシタ１２３とバイアスによって時間的に変化する真性キャパシタ１１１と可変キャパシタ４０２とで並列共振するようにすることにより、基本周波数ｆｃでの並列共振条件を保持し、高い利得を実現することができる。また、同様の効果は、可変キャパシタ４０２の容量Ｃｘ（ｔ）を容量Ｃｂｃ（ｔ）に応じて変化させ、寄生キャパシタ１２３とバイアスによって時間的に変化する真性キャパシタ１１１と可変インダクタ４０１とで並列共振するようにすることにより、共振条件を保持させることによっても実現することが可能である。このような場合、たとえば、制御部は、コレクタ電圧Ｖｃ（ｔ）の大きさに応じて、可変キャパシタ４０２または可変インダクタ４０１の値を制御するようにすればよい。

（第５の実施形態）
図５は、本発明の第５の実施形態に係る増幅器６００の構成を示す図である。図５に記載の増幅器６００は、インダクタ１２４を含む位相調整回路７０１を備える。それ以外は、第１の実施形態と同様である。

位相調整回路７０１のインピーダンスは、寄生キャパシタ１２３、真性キャパシタ１１１、および当該位相調整回路７０１からなる回路を介した漏れ信号とトランジスタ１１０から増幅または減衰されて出力される増幅信号との位相差が−２／３πから２／３πとなるように設定されている。より好ましくは、位相調整回路７０１のインピーダンスは、寄生キャパシタ１２３、真性キャパシタ１１１、および位相調整回路７０１からなる回路を介した漏れ信号とトランジスタ１１０から増幅または減衰されて出力される増幅信号との位相差がπとなるように設定されているとよい。

図６Ａおよび図６Ｂは、寄生キャパシタ１２３、真性キャパシタ１１１、および当該位相調整回路７０１からなる回路を介した漏れ信号とトランジスタ１１０から増幅または減衰されて出力される増幅信号との位相関係を示す図である。図６Ａ，６Ｂでは、増幅信号のベクトルをベクトルＡとし、漏れ信号のベクトルをベクトルＢとし、漏れ信号と増幅信号との合成信号のベクトルを合成ベクトルＣとしている。図６Ａでは、漏れ信号と増幅信号との位相差が−２／３πから２／３πの場合（ベクトルＡに対するベクトルＢの成す角度が−２／３πから２／３πの範囲内）が示されている。図６Ｂでは、漏れ信号と増幅信号との位相差が−２／３πから２／３π以外の場合（ベクトルＡに対するベクトルＢの成す角度が−２／３πから２／３π以外の範囲内）が示されている。

まず、高出力の場合、すなわち、ベクトルＡの大きさが大きい場合を考える。この場合、図６Ａ，Ｂに示すように、ベクトルＢの大きさは、合成ベクトルＣの大きさに、殆ど影響を与えない。

次に、低出力の場合、すなわち、ベクトルＡの大きさが小さい場合を考える。図６Ａに示すように、ベクトルＡとベクトルＢとの角度差が−２／３πから２／３πである場合（漏れ信号と増幅信号との位相差が−２／３πから２／３πである場合）と、図６Ｂに示すように、ベクトルＡとベクトルＢとの角度差が−２／３πから２／３π以外である場合（漏れ信号と増幅信号との位相差が−２／３πから２／３π以外である場合）とを比較すると、ベクトルＡとベクトルＢとの角度差が−２／３πから２／３πである場合の方が、合成ベクトルＣの大きさが顕著に小さくなる。

したがって、ベクトルＡとベクトルＢとの角度差が−２／３πから２／３πとなるように、すなわち、漏れ信号と増幅信号との位相差が−２／３πから２／３πとなるように、位相調整回路７０１のインピーダンスが設定されていることによって、トランジスタの電源電圧（コレクタまたはドレイン電圧）を低下して低電力を出力する場合、より低いレベルまで出力電力を低下させることが可能となる。その結果、ベクトルＢに起因する低出力側のダイナミックレンジの低下を抑制することができる。したがって、ダイナミックレンジが広くなる。また、漏れ信号と増幅信号との位相差がπとなるように設定されていれば、必ず、合成信号を増幅信号よりも小さくすることができるので、ダイナミックレンジが広くなる。

上記のような位相調整回路７０１は、以下のようにして設計すればよい。まず、寄生キャパシタ１２３、真性キャパシタ１１１を介した漏れ信号が抑圧されるように、真性キャパシタ１１１と並列共振するインダクタ１２４を選択する。次に、選択されたインダクタ１２４によって、寄生キャパシタ１２３、真性キャパシタ１１１、および位相調整回路を介した漏れ信号の位相がどの程度回転しているかを調べる。漏れ信号の位相と増幅信号の位相との差が、−２／３πから２／３πであれば、位相調整回路７０１は、インダクタ１２４のみで構成可能である。一方、漏れ信号の位相と増幅信号の位相との差が、−２／３πから２／３πでないならば、漏れ信号の位相を−２／３πから２／３πとするために、キャパシタまたはインダクタをインダクタ１２４に直列または並列に接続する。このようにして、位相調整回路７０１が設計される。

なお、第２〜第４の実施形態においても、位相調整回路を設けるようにしてもよい。

なお、トランジスタ１１０は、高出力で動作する時に最も電力を消費する。したがって、トランジスタ１１０が飽和領域で動作し、かつ利得が高いと、総合的に、電力付加効率は、高くなる。したがって、第１〜第５の実施形態において、トランジスタ１１０に接続するインダクタ１２４または４０１のインダクタンスは、トランジスタ１１０が飽和領域で動作している場合の真性キャパシタ１１１の容量Ｃｂｃに並列共振するように設定されるのが好ましい。

なお、第１〜第５の実施形態において、本発明において、トランジスタ１１０としては、バイポーラトランジスタに代えて電界効果トランジスタ等の増幅素子を用いてもかまわない。トランジスタ１１０として、電界効果トランジスタを用いる場合には、真性キャパシタは、ゲート・ドレイン間容量となる。

（第６の実施形態）
図７は、本発明の第６の実施形態に係る極座標変調動作の送信機５００の構成を示す図である。図７において、送信機５００は、信号生成部５０１と、直交変調器５０２と、フィルタ５０３と、ドライバ段増幅器５０４と、段間増幅器５０５と、終段増幅器５０６と、Ｄ級動作増幅器５０７と、フィルタ５０８とを備える。

図７に示す送信機５００において、π／４シフトＱＰＳＫ変調されたデジタルベースバンド信号が、ＤＳＰとＤＡＣとからなる信号生成部５０１に入力される。信号生成部５０１は、デジタルベースバンド信号から位相成分を抽出し位相制御信号Ｅｐｈ（ｔ）を出力し、デジタルベースバンド信号から振幅成分を抽出し振幅変調信号Ｅｍａｇ（ｔ）を出力する。

位相制御信号Ｅｐｈ（ｔ）は、直交変調器５０２に入力される。直交変調器５０２は、位相制御信号Ｅｐｈ（ｔ）に基づいて、周波数ｆ０のキャリア信号を変調し、一定の包絡線を有するように、位相制御信号Ｅｐｈ（ｔ）が重畳された位相変調信号を出力する。フィルタ５０３は、位相変調信号から不必要な信号を除去する。フィルタ５０３から出力された信号は、ドライバ段増幅器５０４、段間増幅器５０５、終段増幅器５０６の順に、直列接続した３段構成の電力増幅段に入力される。

ドライバ段増幅器５０４および段間増幅器５０５には、電源端子５０９に電池等の電源部（図示せず）を介して一定電圧が印加されている。ドライバ段増幅器５０４および段間増幅器５０５は、位相変調信号を増幅して、増幅した位相変調信号を終段増幅器５０６に入力する。

一方、振幅変調信号Ｅｍａｇ（ｔ）は、高効率なＤ級動作増幅器５０７で増幅される。フィルタ５０８は、Ｄ級動作増幅器５０７から出力される信号の不必要な成分を除去して、振幅変調信号Ｅｆｍ（ｔ）として出力する。振幅変調信号Ｅｆｍ（ｔ）は、終段増幅器５０６の電源部に入力される。

終段増幅器５０６は、第１〜第５の実施形態に係るいずれかの増幅器である。終段増幅器５０６は、段間増幅器５０５から出力される位相変調信号と電源部に入力される振幅変調信号Ｅｆｍ（ｔ）とを混合して、キャリア信号に重畳されたπ／４シフトＱＰＳＫ変調信号を出力する。このπ／４シフトＱＰＳＫ変調信号の包絡線の電圧をＥｏ（ｔ）とする。

このように、デジタルベースバンド信号に基づいて位相変調信号と振幅変調信号とが生成され、終段増幅器５０６の電源部に入力される振幅変調信号と位相変調信号とが混合されることによって、デジタルベースバンド信号によって極座標変調（Ｐｏｌａｒ変調）された信号が出力されることとなる。

次に、終段増幅器５０６に第１〜第５の実施形態に係るいずれかの増幅器を用いることによって広いダイナミックレンジに渡って、歪み無く変調信号を増幅することができる原理について説明する。ここでは、変調信号の出力電力が−１０ｄＢｍから＋３０ｄＢｍまでの４０ｄＢｍに渡ってパワーコントロールされると想定する。

図８Ａは、終段増幅器５０６として、入出力間にインダクタを接続しない従来の増幅器を用いた場合において、入力電力を大きくしたときの電源電圧Ｖｃｃと出力電力Ｖｏとの関係を示す図である。図８Ｂは、終段増幅器５０６として、入出力間にインダクタを接続しない従来の増幅器を用いた場合において、入力電力を小さくしたときの電源電圧Ｖｃｃと出力電力Ｖｏとの関係を示す図である。図８Ｃは、終段増幅器５０６として、入出力間にインダクタが接続された第１〜第５の実施形態に係る増幅器を用いた場合において、電源電圧Ｖｃｃと出力電力Ｖｏとの関係を示す図である。なお、電源電圧Ｖｃｃは、振幅変調信号Ｅｆｍ（ｔ）に相当する。

終段増幅器５０６の入出力間にインダクタを接続しない場合、利得が低くなる。よって、所望の高い出力電圧（＋３０ｄＢｍ相当）以上を実現するためには、終段増幅器５０６への入力電力を大きくしなければならない。入力電力を大きくすると、出力電圧が低い領域において、大きな入力電力が、終段増幅器５０６の真性キャパシタを介して漏れる。したがって、図８Ａに示すように、電源電圧Ｖｃｃを低くしても、所望の低い電圧値（−１０ｄＢｍ相当）より高い出力電圧Ｖｏが出力されてしまう。逆に、終段増幅器５０６への入力電力を低くすれば、図８Ｂに示すように、所望の低い電圧値（−１０ｄＢｍ相当）より低い出力電圧Ｖｏが実現される。しかし、所望の高い出力電圧（＋３０ｄＢｍ相当）以上は得られない。このように、終段増幅器５０６の入出力間にインダクタを接続しない場合、ダイナミックレンジが狭くなる。

一方、終段増幅器５０６の入出力間にインダクタを接続した場合、利得が高くなる。よって、入力電力を図８Ｂに示すようなレベルに低くしたとしても、所望の高い出力電圧（（＋３０ｄＢｍ相当）以上が得られる。あわせて、所望の低い電圧値（−１０ｄＢｍ相当）より低い出力電圧Ｖｏが得られる。

このように、終段増幅器５０６の入出力間にインダクタを接続することによって、ダイナミックレンジが広くなる。

また、ダイナミックレンジが広くなるので、終段増幅器５０６だけに振幅変調信号Ｅｆｍ（ｔ）を入力すればよい。よって、高い変調速度の場合にも広いダイナミックレンジを維持することができる。

なお、第１〜第５の実施形態に係る増幅器は、極座標変調動作する送信機以外の通信機器に用いられてもよい。また、通信機器以外に用いてもよいことは言うまでもない。

なお、本発明の増幅器が適用される通信機器として、例えば、携帯電話がある。図９は、本発明の増幅器を適用した携帯電話の正面図である。本発明の増幅器は送信信号用の増幅器として適用され、当該増幅器を備えた、たとえば図７に示す本発明の送信機５００が、当該携帯電話に適用される。これにより、広いダイナミックレンジ、低歪み、高効率な通信機器が実現される。

以上、本発明を詳細に説明してきたが、前述の説明はあらゆる点において本発明の例示にすぎず、その範囲を限定しようとするものではない。本発明の範囲を逸脱することなく種々の改良や変形を行うことができることは言うまでもない。

本発明にかかる増幅器によれば高い利得を得ることができ、通信機器の送信信号増幅器などに有用である。さらに、広いダイナミックレンジ、低歪み、かつ高効率な送信機を容易に実現することができるので、無線通信機器の送信機などに有用である。

本発明の第１の実施形態に係る増幅器１００の構成を示す図 各周波数における増幅器１００の利得を模式的に示す図 本発明の第２の実施形態に係る増幅器２００の構成を示す図 インダクタ１２４の一例を示す図 本発明の第３の実施形態に係る増幅器３００の構成を示す図 増幅器３００の利得の周波数特性を示す図 本発明の第４の実施形態に係る増幅器４００の構成を示す図 本発明の第５の実施形態に係る増幅器６００の構成を示す図 寄生キャパシタ１２３、真性キャパシタ１１１、および当該位相調整回路７０１からなる回路を介した漏れ信号とトランジスタ１１０から増幅または減衰されて出力される増幅信号との位相関係（漏れ信号と増幅信号との位相差が−２／３πから２／３πの場合）を示す図 寄生キャパシタ１２３、真性キャパシタ１１１、および当該位相調整回路７０１からなる回路を介した漏れ信号とトランジスタ１１０から増幅または減衰されて出力される増幅信号との位相関係（漏れ信号と増幅信号との位相差が−２／３πから２／３π以外の場合）を示す図 本発明の第６の実施形態に係る極座標変調動作の送信機５００の構成を示す図 終段増幅器５０６として、入出力間にインダクタを接続しない従来の増幅器を用いた場合において、入力電力を大きくしたときの電源電圧Ｖｃｃと出力電力Ｖｏとの関係を示す図 終段増幅器５０６として、入出力間にインダクタを接続しない従来の増幅器を用いた場合において、入力電力を小さくしたときの電源電圧Ｖｃｃと出力電力Ｖｏとの関係を示す図 終段増幅器５０６として、入出力間にインダクタが接続された第１〜第５の実施形態に係る増幅器を用いた場合において、電源電圧Ｖｃｃと出力電力Ｖｏとの関係を示す図 本発明の増幅器を適用した携帯電話の正面図 弱い受信信号を増幅するための従来の受信信号用の増幅器９００の構成例を示す図 増幅器の動作効率を積極的に向上することができる極座標変調（Ｐｏｌａｒ変調）動作の送信機９３０の構成例を示す図 図１０におけるトランジスタ９１０の等価回路を示す概略図 図１１に示す終段増幅器９３６における電源電圧Ｖｃｃと出力電圧Ｖｏとの関係を示す図

符号の説明

１００，２００，３００，４００，６００ 増幅器
１０１ 入力端子
１０２ 出力端子
１１０ トランジスタ
１１１ 真性キャパシタ
１２０，２０１ キャパシタ
１２１，３０１ 抵抗
１２２，１２４ インダクタ
１２３ 寄生キャパシタ
１２４ インダクタ
３０２ 並列共振回路
４０１ 可変インダクタ
４０２ 可変キャパシタ
７０１ 位相調整回路
５００ 送信機
５０１ 信号生成部
５０２ 直交変調器
５０３，５０８ フィルタ
５０４ ドライバ段増幅器
５０５ 段間増幅器
５０６ 終段増幅器
５０７ Ｄ級動作増幅器

Claims (12)

1. 高周波信号を増幅して出力する増幅器であって、
   バイポーラトランジスタまたは電界効果トランジスタである増幅素子と、
   前記増幅素子のベース・コレクタ間またはゲート・ドレイン間に接続されたインダクタとを備え、
   前記インダクタのインダクタンスは、所定の周波数帯域において、前記増幅素子の寄生キャパシタと前記増幅素子のベース・コレクタ間またはゲート・ドレイン間の真性キャパシタとで並列共振する値に設定されていることを特徴とする、増幅器。
2. 前記インダクタに直列に接続された抵抗をさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載の増幅器。
3. 前記インダクタに並列に接続されたキャパシタをさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載の増幅器。
4. 前記キャパシタの容量は、前記所定の周波数帯域において、前記寄生キャパシタと前記ベース・コレクタ間またはゲート・ドレイン間の真性キャパシタと前記インダクタとで並列共振する値に設定されていることを特徴とする、請求項３に記載の増幅器。
5. 前記キャパシタの容量は、前記所定の周波数帯域において、前記寄生キャパシタとバイアスによって時間的に変化する前記ベース・コレクタ間またはゲート・ドレイン間の真性キャパシタと前記インダクタとで並列共振するように変動することを特徴とする、請求項３に記載の増幅器。
6. 前記インダクタのインダクタンスは、前記所定の周波数帯域において、前記寄生キャパシタとバイアスによって時間的に変化する前記ベース・コレクタ間またはゲート・ドレイン間の真性キャパシタと前記キャパシタとで並列共振するように変化することを特徴とする、請求項４に記載の増幅器。
7. 前記インダクタを含む位相調整回路をさらに備え、
   前記位相調整回路のインピーダンスは、前記寄生キャパシタ、前記真性キャパシタ、および当該位相調整回路からなる回路を介した漏れ信号と前記増幅素子から増幅または減衰されて出力される増幅信号との位相差が−２／３πから２／３πとなるように設定されていることを特徴とする、請求項１に記載の増幅器。
8. 前記増幅素子は、飽和領域で動作し、
   前記インダクタのインダクタンスは、前記飽和領域において、前記寄生キャパシタと前記ベース・コレクタ間またはゲート・ドレイン間の真性キャパシタとで並列共振する値に設定されていることを特徴とする、請求項１に記載の増幅器。
9. 前記増幅素子は、ベース端子またはゲート端子に入力される位相変調信号と、コレクタ端子またはドレイン端子に入力される振幅変調信号とを混合して、変調信号を出力することを特徴とする、請求項１に記載の増幅器。
10. 高周波信号を増幅器で増幅して送信する通信機器であって、
    前記増幅器は、
    バイポーラトランジスタまたは電界効果トランジスタである増幅素子と、
    前記増幅素子のベース・コレクタ間またはゲート・ドレイン間に接続されたインダクタとを備え、
    前記インダクタのインダクタンスは、所定の周波数帯域において、前記増幅素子の寄生キャパシタと前記増幅素子のベース・コレクタ間またはゲート・ドレイン間の真性キャパシタとで並列共振する値に設定されていることを特徴とする、通信機器。
11. 高周波信号を送信する送信機であって、
    ベースバンド信号の位相成分に基づいて位相制御信号を出力すると共に、前記ベースバンド信号の振幅成分に基づいて振幅変調信号を出力する信号生成部と、
    前記信号生成部から出力される位相制御信号に基づいて、キャリア信号を変調して、位相変調信号を出力する直交変調器と、
    前記振幅変調信号をバイアス電圧とすることによって、前記位相変調信号と前記振幅変調信号とを混合して送信信号を出力する終段増幅器とを備え、
    前記終段増幅器は、
    バイポーラトランジスタまたは電界効果トランジスタである増幅素子と、
    前記増幅素子のベース・コレクタ間またはゲート・ドレイン間に接続されたインダクタとを備え、
    前記インダクタのインダクタンスは、所定の周波数帯域において、前記増幅素子の寄生キャパシタと前記増幅素子のベース・コレクタ間またはゲート・ドレイン間の真性キャパシタとで並列共振する値に設定されていることを特徴とする、送信機。
12. さらに、前記直交変調器が出力する前記位相変調信号を増幅して出力するドライバ段増幅器と、
    前記ドライバ段増幅器から出力される増幅された前記位相変調信号を増幅して出力する段間増幅器とを備え、
    前記振幅変調信号は、前記バイアス電圧として、前記終段増幅器にのみ入力され、
    かつ、前記終段増幅器は、前記段間増幅器から出力される位相変調信号と前記振幅変調信号とを混合して送信信号を出力することを特徴とする、請求項１１に記載の送信機。

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