JP2005303401A

JP2005303401A - 高周波増幅器および高周波増幅装置

Info

Publication number: JP2005303401A
Application number: JP2004112663A
Authority: JP
Inventors: Shingo Enomoto; 真悟榎本
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-04-07
Filing date: 2004-04-07
Publication date: 2005-10-27

Abstract

【課題】高周波特性を劣化させることなく、バイポーラトランジスタの過電流によるり破壊を防ぐことができる高周波増幅器を提供する
【解決手段】高周波増幅用トランジスタ１のエミッタと電流モニタ用トランジスタ２のベースとが互いに接続され、高周波増幅用トランジスタ１のエミッタと電流モニタ用トランジスタ２のベースとの接続点が高周波電流検出用のインダクタ２０を介して接地されている。電流モニタ用トランジスタ２のエミッタは接地され、電流モニタ用トランジスタ２のコレクタは、高周波増幅用トランジスタ１にバイアスを与える制御電源回路６６に接続されている。
【選択図】図２

Description

本発明は高周波トランジスタ用いた高周波増幅器および高周波増幅装置に関するものである。

携帯電話等の無線通信用に用いられる増幅器においては、通常２〜３個の高周波増幅用の化合物半導体トランジスタを多段接続した構成が用いられている。化合物半導体トランジスタとしては、近年は単一正電源動作等の点からヘテロバイポーラトランジスタが主に用いられる。携帯電話端末用の出力電力１〜３Ｗ程度の増幅器に電流駆動型のバイポーラトランジスタを用いる場合、高周波増幅用のバイポーラトランジスタとともに、そのベースにエミッタフォロアでバイアス供給するためのもう一つのバイポーラトランジスタを含むバイアス回路が通常用いられている。

また、増幅器の出力電力を検出し、出力電力に応じて増幅器のバイアス電圧を制御するためには、方向性結合器と検波回路を用いた方式が、一般的に用いられている。

図１０は先行技術の高周波増幅器の一例を示す回路図である。この高周波増幅器は、高周波電力入力端子１７より高周波信号が入力され、高周波増幅用バイポーラトランジスタ１のベースに入り、そのコレクタから出力され、高周波電力出力端子１８より増幅された高周波信号が出力される。

入力整合回路９は、５０Ωのインピーダンスに対し高周波増幅用バイポーラトランジスタ1の入力インピーダンスを整合させる回路であり、出力整合回路１１は５０Ωインピーダンスに対し所望のパワーを取り出すよう高周波増幅用バイポーラトランジスタ１の出力側からみたインピーダンスを設定する回路である。

電圧源１３によりλ／４波長線路等のコレクタ電源供給回路１２を通して高周波増幅用バイポーラトランジスタ１のコレクタにバイアスが供給されている。また、電圧源１４からエミッタフォロワを構成するバイアス供給用バイポーラトランジスタ３により、高周波増幅用バイポーラトランジスタ１のベースバイアスが供給されている。電圧源１４の電圧および抵抗器８により、高周波増幅用バイポーラトランジスタ１のバイアス電流を調整する。抵抗器６は高周波増幅用バイポーラトランジスタ１の過剰ベース電流を抑制するものである。なお、符号１５はバイアス供給用バイポーラトランジスタ３のコレクタバイアスを供給する電圧源である。

図１１は出力電力に応じて、高周波トランジスタのバイアスを調整する機能を有する先行技術の高周波増幅器の一例である。高周波電力入力端子１７より高周波信号が入力される。高周波増幅器６１からの出力は方向性結合器６４を通り高周波出力端子１８より出力されるが、その一部は方向性結合器６４により検波回路６５に入力される。検波回路６５の出力レベルの大小に応じ制御電源回路６６の２つの出力電圧は所望の特性に制御される。そして、これらの電圧は、高周波増幅器６１のベースまたはゲート電圧供給用端子６２、コレクタまたはドレイン電圧供給用端子６３にそれぞれ供給される。
特開平７−０２２８５７号公報特開２００３−３３８７１４号公報

しかし、バイポーラトランジスタを用いた先行技術の高周波増幅器においては、高周波増幅器の出力負荷変動等が生じた場合、高周波増幅用バイポーラトランジスタのコレクタ電流が急激に増加するため、高周波増幅用バイポーラトランジスタの破壊が問題となる。バイポーラトランジスタの破壊を防ぐ方法としては、以下の方法が一般的に用いられる。
（１）高周波増幅用バイポーラトランジスタのコレクタまたはエミッタに抵抗を入れる。
（２）高周波増幅用バイポーラトランジスタのベースに抵抗を入れる。
（３）高周波増幅用バイポーラトランジスタのサイズを大きくし、許容電流を大きくする。
（４）高周波増幅器の出力電力を検出し、高出力電力時に高周波増幅器が破壊しないようバイアス電圧を制御する。

しかし、（１）の場合、高出力の増幅器では、抵抗損失により増幅器の電力付加効率(Power added efficiency)が大きく低下してしまう。

また、（３）の場合、高周波増幅用バイポーラトランジスタのサイズを大きくすることにより、電力利得が低下し、電力付加効率が低下する。また、半導体チップサイズが大きくなってしまう。

また、（２）の方法は、最も一般的ではあるが、抵抗での電圧降下はベース電流の増加に比例するため、出力負荷変動時の破壊を防ぐために十分な抵抗値を用いた場合、実使用領域での特性が劣化してしまう。

また、（４）の場合は、方向性結合器や検波回路が必要になり、方向性結合器や検波回路での損失による特性劣化が生じたり、高周波増幅器のサイズが大型化してしまう。

以上のように、先行技術では、増幅器の出力負荷変動などにより増幅器のコレクタ電流が増加した場合、高周波増幅用バイポーラトランジスタが破壊に至り、この破壊を防ぐためには、増幅器の高周波特性が劣化やサイズが大きくなるという課題があった。

本発明の目的は、高周波特性を劣化させることなく、高周波増幅用トランジスタの過電流による破壊を防ぐことができる高周波増幅器を提供することを目的とする。

第１の発明の高周波増幅器は、高周波増幅用トランジスタのエミッタまたはソースと電流モニタ用トランジスタのベースまたはゲートとが互いに接続され、高周波増幅用トランジスタのエミッタまたはソースと電流モニタ用トランジスタのベースまたはゲートとの接続点が高周波電流検出用素子を介して接地されている。

この構成によれば、高周波増幅器に高周波信号が入力され、高周波増幅器の出力電力が大きくなるにつれ、高周波増幅用トランジスタのエミッタ電流もしくはソース電流による高周波電圧振幅が高周波電流検出用素子の両端に生じ、電流モニタ用トランジスタのベース−エミッタ間ダイオードもしくはゲート−ソース間ダイオードに電圧振幅が生じる。ダイオードの非線形性により、高周波増幅器の出力電力の増加に伴い、電流モニタ用トランジスタのベース電流が急峻に流れる。電流モニタ用トランジスタのコレクタもしくはドレインを高周波増幅用トランジスタのベースバイアス回路もしくはゲートバイアス回路に接続しておけば、そのバイアス回路の動作を急峻に制御することができ、高周波増幅用トランジスタのベース電位もしくはゲート電位を急峻に低下させることが可能である。

以上のような構造により、高周波増幅用トランジスタに過電流が流れた場合、先行技術のようにベース側もしくはゲート側に抵抗を入れる場合に比べ、そのベース電圧もしくはゲート電圧を急峻に低下させることができるので、実際に使用する出力電力領域での高周波増幅器の高周波特性を損なうことなく高周波増幅用トランジスタの過電流による破壊を防ぐことができる。

第１の発明の高周波増幅器においては、高周波増幅用トランジスタのエミッタまたはソースと電流モニタ用トランジスタのベースまたはゲートとの接続点が高周波電流検出用素子と並列の高周波電圧振幅調整用キャパシタを介して接地されていることが好ましい。

また、第１の発明の高周波増幅器においては、電流モニタ用トランジスタのベースまたはゲートに直列に高周波電圧振幅調整用抵抗が挿入されていることが好ましい。

また、第１の発明の高周波増幅器においては、高周波電流検出用素子としてインダクタまたは抵抗を使用することができる。

また、第１の発明の高周波増幅器においては、高周波増幅用トランジスタに流れるエミッタ電流を電流モニタ用トランジスタで検出することにより出力電力を検出し、出力電力の検出結果に応じて高周波増幅用トランジスタのバイアス状態を制御することが好ましい。

上記のように、バイアス状態を制御する構成の場合、電流モニタ用トランジスタのエミッタまたはソースが接地され、電流モニタ用トランジスタのコレクタまたはドレインが高周波増幅用トランジスタにバイアス供給しているバイアス回路と接続されていることが好ましい。

第２の発明の高周波増幅器は、第１および第２の高周波増幅用トランジスタのそれぞれのベースまたはゲートが互いに接続されており、第１および第２の高周波増幅用トランジスタのそれぞれのコレクタまたはドレインが互いに接続されており、第１の高周波増幅用トランジスタのエミッタまたはソースが接地されており、第２の高周波増幅用トランジスタのエミッタまたはソースと電流モニタ用トランジスタのベースまたはゲートとが互いに接続され、第２の高周波増幅用トランジスタのエミッタまたはソースと電流モニタ用トランジスタのベースまたはゲートとの接続点が高周波電流検出用素子を介して接地されている。

この構成によれば、高周波増幅器に高周波信号が入力され、高周波増幅器の出力電力が大きくなるにつれ、第２の高周波増幅用トランジスタのエミッタ電流もしくはソース電流による高周波振幅が高周波電流検出用素子の両端に生じ、電流モニタ用トランジスタのベース−エミッタ間ダイオードもしくはゲート−ソース間ダイオードに電圧振幅が生じる。ダイオードの非線形性により、高周波増幅器の出力電力の増加に伴い、電流モニタ用トランジスタのベース電流が急峻に流れる。電流モニタ用トランジスタのコレクタもしくはドレインを第１および第２の高周波増幅用トランジスタのベースバイアス回路もしくはゲートバイアス回路に接続しておけば、そのバイアス回路の動作を急峻に制御することができ、高周波増幅用トランジスタのベース電位もしくはゲート電位を急峻に低下させることが可能である。

また、第１の発明の高周波増幅器では、高周波増幅用トランジスタのエミッタまたはソースがインダクタまたは抵抗などの高周波電流検出用素子を介して接地されているため、利得、出力パワー等の増幅器特性が劣化してしまう可能性がある。

この発明の構成によれば、エミッタまたはソースが接地されている第１の高周波増幅用トランジスタを主増幅器として用い、エミッタまたはソースがインダクタまたは抵抗を介して接地されている第２の高周波増幅用トランジスタを副増幅器と出力電力検出に用いるため、増幅器の特性劣化を最小限に押さえながら、実際に使用する出力電力領域での高周波増幅器の高周波特性を損なうことなく高周波増幅用トランジスタの過電流による破壊を防ぐことができる。

第２の発明の高周波増幅器においては、第２の高周波増幅用トランジスタのエミッタまたはソースと電流モニタ用トランジスタのベースまたはゲートとの接続点が高周波電流検出用素子と並列の高周波電圧振幅調整用キャパシタを介して接地されていることが好ましい。

また、第２の発明の高周波増幅器においては、電流モニタ用トランジスタのベースまたはゲートに直列に高周波電圧振幅調整用抵抗が挿入されていることが好ましい。

また、第２の発明の高周波増幅器においては、高周波電流検出用素子としては、インダクタまたは抵抗を使用することができる。

また、第２の発明の高周波増幅器においては、第２の高周波増幅用トランジスタに流れるエミッタ電流を電流モニタ用トランジスタで検出することにより出力電力を検出し、出力電力の検出結果に応じて第１および第２の高周波増幅用トランジスタのバイアス状態を制御することが好ましい。

上記のように、バイアス状態を制御する構成の場合、電流モニタ用トランジスタのエミッタまたはソースが接地され、電流モニタ用トランジスタのコレクタまたはドレインが第１および第２の高周波増幅用トランジスタにバイアス供給しているバイアス回路と接続されていることが好ましい。

第３の発明の高周波増幅器は、高周波増幅用トランジスタのエミッタまたはソースと電流モニタ用トランジスタのコレクタまたはドレインとが互いに接続され、高周波増幅用トランジスタのエミッタまたはソースと電流モニタ用トランジスタのコレクタまたはドレインとの接続点が高周波電流検出用素子を介して接地されている。

この構成によれば、高周波増幅器に高周波信号が入力され、高周波増幅器の出力電力が大きくなるにつれ、高周波増幅用トランジスタのエミッタ電流もしくはソース電流による高周波電圧振幅が高周波電流検出用素子の両端に生じ、電流モニタ用バイポーラトランジスタのベース−コレクタ間がオフし始めると、電流モニタ用バイポーラトランジスタのベース電流は減少する。電流モニタ用トランジスタのコレクタもしくはドレインを高周波増幅用トランジスタのベースバイアス回路もしくはゲートバイアス回路に接続しておけば、そのバイアス回路の動作を制御することができ、高周波増幅用トランジスタのベース電位もしくはゲート電位を連続的に増加させることが可能である。

以上のような構造により、高周波増幅器中の高周波トランジスタのバイアス電流を制御する高周波増幅器、例えば、出力電力が低いときにはトランジスタのバイアス電流を小さくして消費電流を小さくし、出力電力が高いときにはトランジスタのバイアス電流を大きくして高出力化を図るというような連続的なバイアス電流制御機能を有する高周波増幅器を実現することができる。

第３の発明の高周波増幅器においては、高周波増幅用トランジスタのエミッタまたはソースと電流モニタ用トランジスタのコレクタまたはドレインとの接続点が高周波電流検出用素子と並列の高周波電圧振幅調整用キャパシタを介して接地されていることが好ましい。

また、第３の発明の高周波増幅器においては、電流モニタ用トランジスタのコレクタまたはドレインに直列に高周波電圧振幅調整用抵抗が挿入されていることが好ましい。

また、第３の発明の高周波増幅器においては、高周波電流検出用素子としては、インダクタまたは抵抗を使用することができる。

また、第３の発明の高周波増幅器においては、高周波増幅用トランジスタに流れるエミッタ電流を電流モニタ用トランジスタで検出することにより出力電力を検出し、出力電力の検出結果に応じて高周波増幅用トランジスタのバイアス状態を制御することが好ましい。

上記のように、バイアス状態を制御する構成の場合、電流モニタ用トランジスタのエミッタまたはソースが接地され、電流モニタ用トランジスタのベースまたはゲートが高周波増幅用トランジスタにバイアス供給しているバイアス回路と接続されていることが好ましい。

第４の発明の高周波増幅器は、第１および第２の高周波増幅用トランジスタのそれぞれのベースまたはゲートが互いに接続されており、第１および第２の高周波増幅用トランジスタのそれぞれのコレクタまたはドレインが互いに接続されており、第１の高周波増幅用トランジスタのエミッタまたはソースが接地されており、第２の高周波増幅用トランジスタのエミッタまたはソースと電流モニタ用トランジスタのコレクタまたはドレインとが互いに接続され、第２の高周波増幅用トランジスタのエミッタまたはソースと電流モニタ用トランジスタのコレクタまたはドレインとの接続点が高周波電流検出用素子を介して接地されている。

第３の発明の高周波増幅器では、高周波増幅用トランジスタのエミッタまたはソースがインダクタまたは抵抗を介して接地されているため、利得、出力パワー等の増幅器特性が劣化してしまう可能性がある。

この発明の構成によれば、エミッタまたはソースが接地されている第１の高周波増幅用トランジスタを主増幅器として用い、エミッタまたはソースがインダクタまたは抵抗を介して接地されている第２の高周波増幅用トランジスタを副増幅器と出力電力検出に用いるため、増幅器の特性劣化を最小限に押さえながら、出力電力が低いときにはバイポーラトランジスタのバイアス電流を小さくして消費電流を小さくし、出力電力が高いときにはバイポーラトランジスタのバイアス電流を大きくして高出力化を図るというような連続的なバイアス電流制御機能を有する高周波増幅器を実現することができる。

第４の発明の高周波増幅器においては、第２の高周波増幅用トランジスタのエミッタまたはソースと電流モニタ用トランジスタのコレクタまたはドレインとの接続点が高周波電流検出用素子と並列の高周波電圧振幅調整用キャパシタを介して接地されていることが好ましい。

また、第４の発明の高周波増幅器においては、電流モニタ用トランジスタのコレクタまたはドレインに直列に高周波電圧振幅調整用抵抗が挿入されていることが好ましい。

また、第４の発明の高周波増幅器においては、高周波電流検出用素子としては、インダクタまたは抵抗を使用することができる。

また、第４の発明の高周波増幅器においては、第２の高周波増幅用トランジスタに流れるエミッタ電流を電流モニタ用トランジスタで検出することにより出力電力を検出し、出力電力の検出結果に応じて第１および第２の高周波増幅用トランジスタのバイアス状態を制御することが好ましい。

上記のように、バイアス状態を制御する構成の場合、電流モニタ用トランジスタのエミッタまたはソースが接地され、電流モニタ用トランジスタのベースまたはゲートが第１および第２の高周波増幅用トランジスタにバイアス供給しているバイアス回路と接続されていることが好ましい。

第５の発明の高周波増幅装置は、上記第１、第２、第３および第４の発明の高周波増幅器を２つ以上多段縦続接続することによって構成されている。

第５の発明の高周波増幅器においては、エミッタ電流検出を行う高周波増幅器とバイアス状態を制御する高周波増幅器とが異なることが好ましい。

また、第５の発明の高周波増幅器においては、バイアス状態を制御する高周波増幅器が初段の高周波増幅器であることが好ましい。

本発明の高周波増幅器は、高周波増幅用トランジスタのエミッタと接地間の高周波電流検出用素子に発生する高周波電圧を、電流モニタ用トランジスタを用いてベースバイアス回路もしくはゲートバイアス回路に帰還することにより、高周波増幅用トランジスタに過電流が流れた場合、そのベース電圧もしくはゲート電圧を急峻に低下させることができるので、高周波増幅器の高周波特性を損なうことなく高周波増幅用トランジスタの過電流による破壊を防ぐことができるという利点がある。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１の高周波増幅器の構成を示す回路図である。以下に、この高周波増幅器の動作原理を説明する。

この高周波増幅器においては、高周波電力入力端子１７より高周波信号が入力され、高周波増幅用バイポーラトランジスタ１のベースに入り、コレクタから出力され、高周波電力出力端子１８より増幅された高周波信号が出力される。

入力整合回路９は、５０Ωのインピーダンスに対し高周波増幅用バイポーラトランジスタ１の入力インピーダンスを整合させる回路であり、出力整合回路１１は５０Ωインピーダンスに対し所望のパワーを取り出すよう高周波増幅用バイポーラトランジスタ１の出力側からみたインピーダンスを設定する回路である。

高周波増幅用バイポーラトランジスタ１のベースより入力される高周波信号により、増幅されたコレクタ電流が高周波増幅用バイポーラトランジスタ１より出力されるが、それにほとんど等しい高周波振幅を持ったエミッタ電流がインダクタ２０に流れ、エミッタ電流による高周波電圧振幅がインダクタ２０の両端に生じる。

本実施の形態の高周波増幅器においては、高周波増幅用バイポーラトランジスタ１のエミッタと電流モニタ用バイポーラトランジスタ２のベースとが接続され、その接続点がインダクタ２０を介して接地されている。そのため、インダクタ２０の両端に生じる高周波電圧振幅は電流モニタ用バイポーラトランジスタ２のベース−エミッタ間に加わる。この高周波電力振幅が電流モニタ用バイポーラトランジスタ２のベース−エミッタ間ダイオードの閾値電圧より小さい場合、電流モニタ用バイポーラトランジスタ２のコレクタに電流が流れない。

高周波増幅用バイポーラトランジスタ１の出力電力が増加するに伴い、高周波増幅用バイポーラトランジスタ１のエミッタ電流が増加し、電流モニタ用バイポーラトランジスタ２のベース−エミッタ間ダイオードの閾値電圧より大きい電圧が電流モニタ用のバイポーラトランジスタ２のベース−エミッタ間に加わると、電流モニタ用バイポーラトランジスタ２のコレクタに電流が流れ始める。このとき、ダイオードの非線形性により、電流モニタ用バイポーラトランジスタ２のコレクタ電流は、出力電力の増加に対し、ある出力電力以上では急峻に増加する。

そして、この電流モニタ用バイポーラトランジスタ２のコレクタ電流をモニタする制御電源回路６６は、抵抗器６、λ／４波長線路等のコレクタ電源供給回路１２を通して高周波増幅バイポーラトランジスタ１のバイアス状態を変化させる。例えば、出力電力がある値以上になれば、バイアスを遮断し、高周波バイポーラトランジスタ１の破壊を防ぐことができる。

また、抵抗７およびキャパシタ６８により、電流モニタ用バイポーラトランジスタ２のベース−エミッタ間に生ずる高周波電圧振幅を調整することができる。抵抗７に関してはキャパシタ６８とインダクタ２０との間に用いても、同様の効果が得られる。

図２は図１をさらに詳しく実際の回路に適用した場合の本発明の実施の形態１を示している。

電圧源１３によりλ／４波長線路等のコレクタ電源供給回路１２を通して高周波増幅用バイポーラトランジスタ１のコレクタにバイアスが供給されている。また、高周波増幅用バイポーラトランジスタ１のベースバイアスはエミッタフォロワを構成するバイアス供給用バイポーラトランジスタ３から供給されている。抵抗器６は高周波増幅用バイポーラトランジスタ１の過剰ベース電流を抑制するものであるが、本実施の形態では省略することもできる。なお、電圧源１５はバイアス供給用バイポーラトランジスタ３のコレクタバイアスを供給し、電圧源１４は抵抗８を介してバイアス供給用バイポーラトランジスタ３のベースバイアスを供給し、高周波増幅用バイポーラトランジスタ１のバイアス電流を決定する。

本発明の実施の形態１の高周波増幅器においては、高周波増幅用バイポーラトランジスタ１のエミッタと電流モニタ用バイポーラトランジスタ２のベースとが接続され、その接続点がインダクタ２０を介して接地されている。そのため、インダクタ２０の両端に生じる高周波電圧振幅は、電流モニタ用バイポーラトランジスタ２のベース−エミッタ間に加わる。よって、出力電力が増加すると、高周波増幅用バイポーラトランジスタ１のエミッタ電流が増加し、電流モニタ用バイポーラトランジスタ２のコレクタ電流が増加する。このとき、抵抗８での電圧降下が大きくなり、バイアス供給用バイポーラトランジスタ３のベース電圧が低下し、高周波増幅用バイポーラトランジスタ１のベース電位が低下する。

また、抵抗７、キャパシタ６８により、電流モニタ用バイポーラトランジスタ２のベース−エミッタ間に生ずる高周波電圧振幅を調整することができる。

ベース抵抗を用いた先行技術の場合と本実施の形態の場合とで、バイアス供給用バイポーラトランジスタのベース端子電位と高周波増幅バイポーラトランジスタのベース端子電位の出力電力に対する変化を比較したシミュレーション結果を図３に示す。本実施の形態を用いた場合、実使用出力でのベース電位はベース抵抗を用いた場合とほとんど同じであるが、高出力時で急峻にベース電位が低下しており、増幅器の出力負荷変動等によってコレクタ電流が急増した場合に、強制的にベース電圧がオフされ破壊に至らないことが分かる。

以上のように、本実施の形態を用いれば、容易に高周波増幅用バイポーラトランジスタのコレクタ電流の増加に応じた急峻なベース電圧の制御が可能であり、高周波増幅器の耐破壊性が改善される。

なお、本実施の形態ではバイポーラトランジスタの場合について説明したが、電界効果型トランジスタを用いた場合でも同様の効果が得られる。

また、本実施の形態では、高周波増幅用パイポーラトランジスタ１のエミッタ電流の検出のため、インダクタ２０を用いていたが、インダクタ２０に代えて抵抗を使用することもできる。

（第２の実施の形態）
図４および図５は本発明の実施の形態２の高周波増幅器の構成を示す回路図である。図４は、第１の実施の形態で説明した図２の回路図において、高周波増幅用バイポーラトランジスタ１のバイアス電流が温度変化に対し、一定となるようダイオード４Ａ，４Ｂ，４Ｃを付加した構成である。図５は、同じくダイオード４Ｃ，４Ｄを付加した構成である。

動作原理は第１の実施の形態と同じであるので、説明は省略するが、本実施の形態を用いれば、高周波増幅用バイポーラトランジスタ１のコレクタ電流の増加に応じた急峻なベース電圧の制御により高周波増幅器の耐破壊性が改善され、さらに高周波増幅用バイポーラトランジスタ１のバイアス電流の温度依存性を補償することができる。

（第３の実施の形態）
図６は本発明の第３の実施の形態の高周波増幅器の構成を示す回路図である。第１の実施の形態で説明した図２の回路に、第２の高周波増幅用バイポーラトランジスタ６７を加えている。第１の高周波増幅用バイポーラトランジスタ１と第２の高周波増幅用バイポーラトランジスタ６７とは、それぞれのベースが互いに接続されており、それぞれのコレクタが互いに接続されている。第２の高周波増幅用バイポーラトランジスタ６７のエミッタは接地されており、第１の高周波増幅用バイポーラトランジスタ１のエミッタと電流モニタ用バイポーラトランジスタ２のベースとが接続され、その接続点がインダクタ２０を介して接地されている。

高周波増幅器に用いられる高周波バイポーラトランジスタのエミッタまたは高周波電界効果トランジスタのソースと接地間の過剰な抵抗やインダクタンスは、高周波増幅器特性を劣化させる。この実施の形態の利点は、第２の高周波増幅用バイポーラトランジスタ６７を主増幅用としてエミッタ面積を大きく、高周波増幅用バイポーラトランジスタ1を副増幅用兼出力電力検出用としてエミッタ面積を小さく設定しておけば、高周波増幅器の特性を劣化させることなく、出力電力の検出ができるということである。

本実施の形態によれば、第１の実施の形態で述べたような高出力時の優れた耐破壊性を実現することができ、しかも、高周波増幅器の出力電力の検出は、エミッタサイズの小さい高周波増幅用バイポーラトランジスタ1で行い、高周波増幅器としての特性は第２の高周波増幅用バイポーラトランジスタ６７で決まるため、インダクタや抵抗の影響を受けない良好な高周波特性が得られる。

（第４の実施の形態）
図７は本発明の第４の実施の形態の高周波増幅器の構成を示す回路図である。第１の実施の形態の図２の回路図に比較して、インダクタ２０の替わりに抵抗５を用いており、電流モニタ用バイポーラトランジスタ２の接続が異なっている。この構成により、第１の実施の形態の図２とは反対に、出力電力の増加に伴い、電流モニタ用バイポーラトランジスタ２のベース電流が減少する。

本発明の実施の形態４の高周波増幅器においては、高周波増幅用バイポーラトランジスタ１のエミッタと電流モニタ用バイポーラトランジスタ２のコレクタが接続され、その接続点が抵抗５を介して接地されている。

抵抗５の両端に生じる高周波電圧振幅は、電流モニタ用バイポーラトランジスタ２のコレクタに加わる。高周波増幅器に入力電力が無い場合、電流モニタ用バイポーラトランジスタ２のベース−エミッタ間ダイオードおよびベース−コレクタ間ダイオードには順方向の電流が流れている。高周波電力振幅が電流モニタ用バイポーラトランジスタ２のベース−コレクタ間ダイオードの閾値電圧より小さい場合、電流モニタ用バイポーラトランジスタ２のベース電流はベース−コレクタ間ダイオード、ベース−エミッタ間ダイオードを流れる電流の和である。高周波増幅用バイポーラトランジスタ１の出力電力が増加するに伴い、高周波増幅用バイポーラトランジスタ１のエミッタ電流が増加し、電流モニタ用バイポーラトランジスタ２のベース−コレクタ間がオフし始めると、電流モニタ用バイポーラトランジスタ２のベース電流は減少する。その結果、抵抗８での電圧降下が減少し、バイアストランジスタ３と増幅トランジスタ１のベース電位が高くなる。

本実施の形態を用いた場合の高周波増幅バイポーラトランジスタのベース端子電位の出力電力に対する変化を図８に示す。低出力電力領域から出力電力が増加するにつれ、高周波増幅用バイポーラトランジスタのベース端子電位が連続的に増加する。

以上のように、本実施の形態を用いれば、高周波増幅器中の高周波バイポーラトランジスタのバイアス電流を制御する高周波増幅器、例えば、出力電力が低いときにはバイポーラトランジスタのバイアス電流を小さくして消費電流を小さくし、出力電力が高いときにはバイポーラトランジスタのバイアス電流を大きくして高出力化を図るというような連続的なバイアス電流制御機能を有する高周波増幅器を実現することができる。

また、本実施の形態では、高周波増幅用パイポーラトランジスタ１のエミッタ電流の検出のため、抵抗５を用いていたが、抵抗５に代えてインダクタを使用することもできる。

また、図６の実施の形態と同様に、高周波増幅用トランジスタ６７を追加すれば、第３の実施の形態で説明したのと同様の効果が得られる。

（第５の実施の形態）
図９は本発明の第５の実施の形態における２段構成の高周波増幅装置の構成を示す回路図である。この高周波増幅装置は、例えば実施の形態１で示したような高周波増幅器を２段縦続接続したものである。縦続接続数は３段以上であってもよい。

この高周波増幅装置は、高周波電力入力端子１７より高周波信号が入力され、高周波電力出力端子１８より出力される。

入力整合回路９は、５０Ωのインピーダンスに対し高周波増幅用バイポーラトランジスタ１の入力インピーダンスを整合させる回路であり、段間整合回路１０は高周波増幅用バイポーラトランジスタ６８の出力インピーダンスと高周波増幅用バイポーラトランジスタ１の入力インピーダンスを整合させる回路であり、出力整合回路１１は５０Ωインピーダンスに対し所望のパワーを取り出すよう高周波増幅用バイポーラトランジスタ１の出力側からみたインピーダンスを設定する回路である。

電圧源１３によりλ／４波長線路等のコレクタ電源供給回路１２を通して高周波増幅用バイポーラトランジスタ１のコレクタにバイアスが供給されている。また、電圧源１６によりλ／４波長線路等のコレクタ電源供給回路７０を通して高周波増幅用バイポーラトランジスタ６８のコレクタにバイアスが供給されている。

また、バイアス回路１９は高周波増幅用バイポーラトランジスタ１にベースバイアスを供給している。

また、高周波増幅用バイポーラトランジスタ６８のベースバイアスはエミッタフォロワを構成するバイアス供給用バイポーラトランジスタ３から供給されている。抵抗５、抵抗６は高周波増幅用バイポーラトランジスタ６８、高周波増幅用バイポーラトランジスタ１の過剰ベース電流を抑制するものであるが、本実施の形態では省略することもできる。なお、電圧源１５はバイアス供給用バイポーラトランジスタ３のコレクタバイアスを供給し、電圧源１４は抵抗８を介してバイアス供給用バイポーラトランジスタ３のベースバイアスを供給し、高周波増幅用バイポーラトランジスタ１のバイアス電流を決定する。

終段増幅用の高周波増幅用バイポーラトランジスタ１のエミッタと電流モニタ用バイポーラトランジスタ２のベースとが接続され、その接続点がインダクタ２０を介して接地されているので、第１の実施の形態で説明したように終段増幅用の高周波増幅用バイポーラトランジスタ1の出力電力が大きくなる程、初段増幅用の高周波増幅用バイポーラトランジスタ６８のベース電位は低下し、過出力時の破壊を防ぐことができる。なお、抵抗７、キャパシタ６９により、電流モニタ用バイポーラトランジスタ２のベース−エミッタ間に生ずる高周波電圧振幅を調整することができる。

本実施の形態は大電力を出力する終段のバイポーラトランジスタの破壊を防ぐために、終段の高周波増幅器の高周波増幅用バイポーラトランジスタの出力電力を検出し、初段の高周波増幅器の高周波増幅用バイポーラトランジスタの動作を制限していることが特徴である。

また、本実施の形態は、初段の高周波増幅器の入力電力−出力電力の関係をバイアス制御することにより、終段の高周波増幅器の振幅歪を補正できる線形アンプへの適用も可能である。

なお、この実施の形態のような複数段の高周波増幅器の縦続接続構成は、電流モニタ用バイポーラトランジスタ２が図７のような構成になっている場合にも、適用できる。

本発明の高周波増幅器は、高周波増幅用バイポーラトランジスタのエミッタと接地間のインダクタに発生する高周波電圧を、電流モニタ用バイポーラトランジスタを用いてベースバイアス回路に帰還することにより、バイポーラトランジスタに過電流が流れた場合、そのベース電圧を急峻に低下させ、増幅器の高周波特性を損なうことなくバイポーラトランジスタの過電流による破壊を防ぐことができるので、アンテナのインピーダンス変動の大きい無線端末用の増幅器として有用である。

本発明の第1の実施の形態における高周波増幅器の構成を示す回路図である。本発明の第1の実施の形態における高周波増幅器の具体的構成を示す回路図である。ベース抵抗を用いた先行技術の場合と本実施の形態の場合とで、バイアス供給用バイポーラトランジスタのベース端子電位と高周波増幅バイポーラトランジスタのベース端子電位の出力電力に対する変化を比較したシミュレーション結果を示す特性図である。本発明の第２の実施の形態における高周波増幅器の構成を示す回路図である。本発明の第２の実施の形態における高周波増幅器の他の構成を示す回路図である。本発明の第３の実施の形態における高周波増幅器の構成を示す回路図である。本発明の第４の実施の形態における高周波増幅器の構成を示す回路図である。本発明の第４の実施の形態における高周波増幅器における高周波増幅バイポーラトランジスタのベース端子電位の出力電力に対する変化を示す特性図である。本発明の第５の実施の形態における高周波増幅器の構成を示す回路図である。高周波増幅器の先行技術を示す回路図である。高周波増幅器の先行技術の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１高周波増幅用バイポーラトランジスタ
２電力モニタ用バイポーラトランジスタ
３バイアス供給用バイポーラトランジスタ
４ダイオード用バイポーラトランジスタ
５抵抗
６抵抗
７抵抗
８抵抗
９入力整合回路
１０段間整合回路
１１出力整合回路
１２コレクタ電源供給回路
１３電圧源
１４電圧源
１５電圧源
１６電圧源
１７高周波電力入力端子
１８高周波電力出力端子
１９バイアス回路
２０インダクタ
６１高周波増幅器
６２高周波増幅器のベースまたはゲート電圧供給用端子
６３高周波増幅器のコレクタまたはドレイン電圧供給用端子
６４方向性結合器
６５検波回路
６６制御電源回路
６７第２の高周波増幅用バイポーラトランジスタ
６８高周波増幅用バイポーラトランジスタ
６９キャパシタ
７０コレクタ電源供給回路

Claims

高周波増幅用トランジスタのエミッタまたはソースと電流モニタ用トランジスタのベースまたはゲートとが互いに接続され、前記高周波増幅用トランジスタのエミッタまたはソースと前記電流モニタ用トランジスタのベースまたはゲートとの接続点が高周波電流検出用素子を介して接地されている高周波増幅器。
前記高周波増幅用トランジスタのエミッタまたはソースと前記電流モニタ用トランジスタのベースまたはゲートとの接続点が前記高周波電流検出用素子と並列の高周波電圧振幅調整用キャパシタを介して接地されている請求項１記載の高周波増幅器。
前記電流モニタ用トランジスタのベースまたはゲートに直列に高周波電圧振幅調整用抵抗が挿入されている請求項１または２記載の高周波増幅器。
前記高周波電流検出用素子がインダクタまたは抵抗である請求項１、２または３記載の高周波増幅器。
前記高周波増幅用トランジスタに流れるエミッタ電流を前記電流モニタ用トランジスタで検出することにより出力電力を検出し、前記出力電力の検出結果に応じて前記高周波増幅用トランジスタのバイアス状態を制御する請求項１、２、３または４記載の高周波増幅器。
前記電流モニタ用トランジスタのエミッタまたはソースが接地され、前記電流モニタ用トランジスタのコレクタまたはドレインが前記高周波増幅用トランジスタにバイアス供給しているバイアス回路と接続されている請求項５記載の高周波増幅器。
第１および第２の高周波増幅用トランジスタのそれぞれのベースまたはゲートが互いに接続されており、前記第１および第２の高周波増幅用トランジスタのそれぞれのコレクタまたはドレインが互いに接続されており、前記第１の高周波増幅用トランジスタのエミッタまたはソースが接地されており、前記第２の高周波増幅用トランジスタのエミッタまたはソースと電流モニタ用トランジスタのベースまたはゲートとが互いに接続され、前記第２の高周波増幅用トランジスタのエミッタまたはソースと前記電流モニタ用トランジスタのベースまたはゲートとの接続点が高周波電流検出用素子を介して接地されている高周波増幅器。
前記第２の高周波増幅用トランジスタのエミッタまたはソースと前記電流モニタ用トランジスタのベースまたはゲートとの接続点が前記高周波電流検出用素子と並列の高周波電圧振幅調整用キャパシタを介して接地されている請求項７記載の高周波増幅器。
前記電流モニタ用トランジスタのベースまたはゲートに直列に高周波電圧振幅調整用抵抗が挿入されている請求項７または８記載の高周波増幅器。
前記高周波電流検出用素子がインダクタまたは抵抗である請求項７、８または９記載の高周波増幅器。
前記第２の高周波増幅用トランジスタに流れるエミッタ電流を前記電流モニタ用トランジスタで検出することにより出力電力を検出し、前記出力電力の検出結果に応じて前記第１および第２の高周波増幅用トランジスタのバイアス状態を制御する請求項７、８、９または１０記載の高周波増幅器。
前記電流モニタ用トランジスタのエミッタまたはソースが接地され、前記電流モニタ用トランジスタのコレクタまたはドレインが前記第１および第２の高周波増幅用トランジスタにバイアス供給しているバイアス回路と接続されている請求項１１記載の高周波増幅器。
高周波増幅用トランジスタのエミッタまたはソースと電流モニタ用トランジスタのコレクタまたはドレインとが互いに接続され、前記高周波増幅用トランジスタのエミッタまたはソースと前記電流モニタ用トランジスタのコレクタまたはドレインとの接続点が高周波電流検出用素子を介して接地されている高周波増幅器。
前記高周波増幅用トランジスタのエミッタまたはソースと前記電流モニタ用トランジスタのコレクタまたはドレインとの接続点が前記高周波電流検出用素子と並列の高周波電圧振幅調整用キャパシタを介して接地されている請求項１３記載の高周波増幅器。
前記電流モニタ用トランジスタのコレクタまたはドレインに直列に高周波電圧振幅調整用抵抗が挿入されている請求項１３または１４記載の高周波増幅器。
前記高周波電流検出用素子がインダクタまたは抵抗である請求項１３、１４または１５記載の高周波増幅器。
前記高周波増幅用トランジスタに流れるエミッタ電流を前記電流モニタ用トランジスタで検出することにより出力電力を検出し、前記出力電力の検出結果に応じて前記高周波増幅用トランジスタのバイアス状態を制御する請求項１３、１４、１５または１６記載の高周波増幅器。
前記電流モニタ用トランジスタのエミッタまたはソースが接地され、前記電流モニタ用トランジスタのベースまたはゲートが前記高周波増幅用トランジスタにバイアス供給しているバイアス回路と接続されている請求項１７記載の高周波増幅器。
第１および第２の高周波増幅用トランジスタのそれぞれのベースまたはゲートが互いに接続されており、前記第１および第２の高周波増幅用トランジスタのそれぞれのコレクタまたはドレインが互いに接続されており、前記第１の高周波増幅用トランジスタのエミッタまたはソースが接地されており、前記第２の高周波増幅用トランジスタのエミッタまたはソースと電流モニタ用トランジスタのコレクタまたはドレインとが互いに接続され、前記第２の高周波増幅用トランジスタのエミッタまたはソースと電流モニタ用トランジスタのコレクタまたはドレインとの接続点が高周波電流検出用素子を介して接地されている高周波増幅器。
前記第２の高周波増幅用トランジスタのエミッタまたはソースと前記電流モニタ用トランジスタのコレクタまたはドレインとの接続点が前記高周波電流検出用素子と並列の高周波電圧振幅調整用キャパシタを介して接地されている請求項１９記載の高周波増幅器。
前記電流モニタ用トランジスタのコレクタまたはドレインに直列に高周波電圧振幅調整用抵抗が挿入されている請求項１９または２０記載の高周波増幅器。
前記高周波電流検出用素子がインダクタまたは抵抗である請求項１９、２０または２１記載の高周波増幅器。
前記第２の高周波増幅用トランジスタに流れるエミッタ電流を前記電流モニタ用トランジスタで検出することにより出力電力を検出し、前記出力電力の検出結果に応じて前記第１および第２の高周波増幅用トランジスタのバイアス状態を制御する請求項１９、２０、２１または２２記載の高周波増幅器。
前記電流モニタ用トランジスタのエミッタまたはソースが接地され、前記電流モニタ用トランジスタのベースまたはゲートが前記第１および第２の高周波増幅用トランジスタにバイアス供給しているバイアス回路と接続されている請求項２３記載の高周波増幅器。
請求項１〜４、７〜１０、１３〜１６、１９〜２２の何れか１項に記載の高周波増幅器を２つ以上多段縦続接続した高周波増幅装置。
請求項５、６、１１、１２、１７、１８、２３、２４の何れか１項に記載の高周波増幅器を２つ以上多段縦続接続した高周波増幅装置。
エミッタ電流検出を行う高周波増幅器とバイアス状態を制御する高周波増幅器とが異なる請求項２６記載の高周波増幅装置。
バイアス状態を制御する高周波増幅器が初段の高周波増幅器である請求項２７記載の高周波増幅装置。