JP2007288736A - 電力増幅回路 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で高周波入力信号の増加時におけるベースバイアス電流の抑制を防止する。
【解決手段】エミッタ接地された電力増幅用トランジスタ１のベースに、ベースバイアス電流供給用トランジスタ２のエミッタが抵抗器５を介して接続される一方、電力増幅用トランジスタ１のコレクタと、ベースバイアス電流供給用トランジスタ２のベースとの間には、インピーダンス回路ブロック３が接続されており、ＲＦ入力信号の増減に応じて、電力増幅用トランジスタ１のベース電流が増減されるようになっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓなどのヘテロ接合バイポーラトランジスタを用いてなる電力増幅回路に係り、特に、動作特性の改善を図ったものに関する。

従来、この種の回路としては、例えば、携帯電話等の移動体通信機器に使用される電力増幅回路があり、そのような用途に際しては、とりわけ低歪、低消費電流であることが所望される。そのため、かかる電力増幅回路に用いられるトランジスタには、高性能な特性が要求される。
近年、そのような高性能の特性を有するトランジスタとして、ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ等のヘテロ接合バイポーラトランジスタ（以下、「ＨＢＴ」と称する）が実用に供せられている。

図５には、ＨＢＴを用いて構成された電力増幅回路の一回路構成例が示されており、以下、同図を参照しつつこの従来回路について説明する。
この従来回路は、電力増幅用のＨＢＴ１Ａを用いた増幅回路が一段設けられたものとなっている。そして、かかる従来回路は、Ｂ級もしくはＡＢ級動作で用いられるものとなっており、そのため、ベースバイアス電流供給用のＨＢＴ２Ａと温度補償回路ブロック４Ａからなるベースバイアス回路３０Ａが設けられたものとなっている。また、ＨＢＴ１Ａの入力側には、入力整合回路（図５においては「Ｍ．Ｎ」と表記）７Ａが、出力側には、出力整合回路（図５においては「Ｍ．Ｎ」と表記）９Ａが、それぞれ設けられたものとなっている。

そして、電力増幅用のＨＢＴ１Ａは、エミッタ接地とされており、そのベースには、ベースバイアス電流供給用のＨＢＴ２Ａのエミッタが抵抗器５Ａを介して接続されたものとなっている。
また、ＨＢＴ１Ａのコレクタには、コレクタ電源端子１１Ａに外部から供給されるコレクタ電圧がインダクタ８Ａを介して印加され、ＨＢＴ２Ａのコレクタには、バイアス回路電源端子１２Ａに外部から供給されるバイアス回路用電圧が印加される一方、温度補償回路ブロック４Ａには、制御電源端子１３Ａに外部から供給される制御電圧が印加されるようになっている。

かかる構成において、ＲＦ信号入力端子６Ａに印加された高周波信号（ＲＦ信号）は、入力整合回路７Ａを介してＨＢＴ１Ａへ印加され、増幅されて出力整合回路９Ａを介してＲＦ信号出力端子１０Ａへ出力されるものとなっている。
なお、上述のような従来回路と同様な回路は、例えば、特許文献１などにおいて開示されている。

また、図６には、従来回路の他の回路構成例が示されており、以下、同図を参照しつつ、この従来回路について説明する。なお、図５に示された構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付してその詳細な説明を省略し、以下、異なる点を中心に説明する。
この従来回路は、出力歪みの改善のために、ＨＢＴ１Ａの入出力間、すなわち、ベース・コレクタ間に、抵抗器ＲとキャパシタＣとから構成されたインピーダンス回路ブロック３Ａが直列接続されて設けられたものである。

特開２００２−９５５９号公報（第５−１０頁、図１−図１２）

ところで、図５に示されたような従来回路において、電力増幅用のＨＢＴ１Ａを、Ｂ級もしくはＡＢ級で動作させた場合、ＨＢＴ１Ａのコレクタ電流はＲＦ入力信号電力と共に増加するため、ＨＢＴ１Ａベースには、コレクタ電流の増加に対応してバイアス電流を供給する必要がある。
しかしながら、図５に示された従来回路においては、ＲＦ入力信号によりＨＢＴ２Ａのベース電位が変動するため、ＨＢＴ１Ａのベース電位が低下し、ベースバイアス電流が抑制されてしまうという欠点がある。

このようにＨＢＴ１Ａのベースバイアス電流が抑制されると、１ｄＢ圧縮時出力電力（以下「Ｐ−１ｄＢ」と称する）の低下を招き、ひいては出力歪み特性の劣化をも招く虞がある。
なお、電力増幅回路の出力信号の歪みを改善する方策としては、先に図６に示されたように負帰還回路を設ける方法があるが、電力利得を低下させてしまうという欠点がある。

本発明は、上記実状に鑑みてなされたもので、簡易な構成で、電力利得の低下や１ｄＢ圧縮時出力電力の低下を招くことなく、高周波入力信号の増加時におけるベースバイアス電流の抑制を防止することができる電力増幅回路を提供するものである。
本発明の他の目的は、高周波入力信号の増加時におけるベースバイアス電流の抑制を防止すると共に、従来に比して歪特性が改善された電力増幅回路を提供
することにある。

上記本発明の目的を達成するため、本発明に係る電力増幅回路は、
エミッタ接地された電力増幅用の第１のヘテロ接合バイポーラトランジスタのベースに、ベースバイアス電流供給用の第２のヘテロ接合バイポーラトランジスタのエミッタが、直接、又は、インピーダンス素子を介して接続されてなる電力増幅回路であって、
前記第１のヘテロ接合バイポーラトランジスタのコレクタ又は当該コレクタに接続された出力整合回路内の任意の点と、前記第２のヘテロ接合バイポーラトランジスタのベースとの間に、インピーダンス回路ブロックが接続されてなるものである。
かかる構成において、前記電力増幅用の第１のヘテロ接合バイポーラトランジスタが複数用いられて増幅段が多段に構成されると共に、少なくとも一つの増幅段において、前記インピーダンス回路ブロックが設けられてなるものも好適である。
また、前記インピーダンス回路ブロックは、キャパシタンス素子と抵抗素子が直列接続されてなるものが好適である。

本発明によれば、簡易な構成で実現できるインピーダンス回路ブロックを追加するだけで、ベースバイアス電流の抑制現象を確実に防止することができ、そのため、従来と異なり、入力信号の増加の際に電力利得を低下させることがなく、１ｄＢ圧縮時出力電力特性や歪特性の良好な電力増幅回路を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図１乃至図４を参照しつつ説明する。
なお、以下に説明する部材、配置等は本発明を限定するものではなく、本発明の趣旨の範囲内で種々改変することができるものである。
最初に、本発明の実施の形態における電力増幅回路の基本回路構成例について、図１を参照しつつ説明する。
本発明の実施の形態における電力増幅回路は、電力増幅用トランジスタ１
により一段の増幅回路が構成されてなるもので、この電力増幅用トランジスタ１と、電力増幅用トランジスタ１へのベースバイアス電流の供給を行うベースバイアス回路３０と、ベースバイアス電流の安定化のためのインピーダンス回路ブロック３とを主たる構成要素してなるものである。

以下、具体的に回路接続について説明すれば、まず、電力増幅用トランジスタ１は、本発明の実施の形態においては、ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓなどのヘテロ接合バイポーラトランジスタが用いられており、そのエミッタはグランドに接続される一方、ベースは入力整合回路７を介してＲＦ入力信号端子６に接続されたものとなっている。
また、電力増幅用トランジスタ１のコレクタは、出力整合回路９を介してＲＦ信号出力端子１０に接続されると共に、インダクタ８を介してコレクタ電源端子１１に接続されており、外部からコレクタ電圧が印加されるようになっている。

本発明の実施の形態におけるベースバイアス回路３０は、ベースバイアス電流供給用トランジスタ２と、温度補償回路ブロック４とを具備して構成されたものとなっている。
本発明の実施の形態においては、ベースバイアス電流供給用トランジスタ２には、ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓなどのヘテロ接合バイポーラトランジスタが用いられている。
このベースバイアス電流供給用トランジスタ２のコレクタは、バイアス回路電源端子１２に接続されており、外部からコレクタ電圧が印加されるようになっている。

また、ベースバイアス電流供給用トランジスタ２のエミッタは、抵抗器５を介して電力増幅用トランジスタ１のベースに接続される一方、ベースバイアス電流供給用トランジスタ２のベースは、次述するように温度補償回路ブロック４に接続されたものとなっている。なお、ベースバイアス電流供給用トランジスタ２のエミッタは、抵抗器５を介することなく電力増幅用トランジスタ１のベースに直接接続するようにしてもよく、また、抵抗器以外のインピーダンス素子を介して接続するようにしてもよい。

本発明の実施の形態における温度補償回路ブロック４は、抵抗器１４と２つのダイオード１５ａ，１５ｂとを具備してなり、これらは次述するように直接接続されて設けられている。
すなわち、２つのダイオード１５ａ，１５ｂは、同一の方向となるようにして接続され、一方のダイオード１５ａのカソードがグランドに接続される一方、他方のダイオード１５ｂのアノードには、抵抗器１４の一端が接続され、この抵抗器１４の他端は、制御電源端子１３に接続されており、外部から所定の制御電圧が印加されるようになっている。
そして、抵抗器１４とダイオード１５ｂのアノードとの接続点は、ベースバイアス電流供給用トランジスタ２のベースに接続されたものとなっている。

また、インピーダンス回路ブロック３は、その一端がベースバイアス電流供給用トランジスタ２のベースに、他端が電力増幅用トランジスタ１のコレクタに、それぞれ接続されている。
ここで、インピーダンス回路ブロック３は、例えば、キャパシタンス素子や抵抗素子などで構成されたものが好適である。

次に、かかる構成における動作について説明する。
ＲＦ信号入力端子６に印加された高周波信号（ＲＦ信号）が電力増幅用トランジスタ１により増幅されＲＦ信号出力端子１０から出力される基本的な増幅動作は、従来と同様であるので、ここでの詳細な説明は省略し、以下、本発明の実施の形態における電力増幅回路の特徴的な動作について説明することとする。
すなわち、本発明の実施の形態における電力増幅回路においては、電力増幅用トランジスタ１のコレクタに出力されるＲＦ信号出力電流の一部がインピーダンス回路ブロック３を介してベースバイアス電流供給用トランジスタ２のベースに帰還され、その帰還されたＲＦ信号は、ベースバイアス電流供給用トランジスタ２により増幅されてエミッタから電力増幅用トランジスタ１のベースへ供給されるようになっている。

ここで、電力増幅用トランジスタ１のコレクタから帰還されてベースバイアス電流供給用トランジスタ２のベースへ入力されるＲＦ信号電流は、電力増幅用トランジスタ１のコレクタ側に得られるＲＦ信号出力電力の増加に伴い増加し、減少に伴い減少するため、ベースバイアス電流供給用トランジスタ２のエミッタから出力されるＲＦ出力電流も上述のＲＦ信号出力電力の増加に伴い増加する一方、減少に伴い減少することとなる。

したがって、電力増幅用トランジスタ１のベースバイアス電流には、直流バイアス電流にＲＦ信号出力電力に対応したＲＦ出力電流が重畳されたものとなり、従来のようなＲＦ入力信号の増減に起因するベースバイアス電流の抑圧が防止されて、安定した出力が得られることとなる。

次に、電力増幅回路のより具体的な第２の構成例について、図２を参照しつつ説明する。なお、図１に示された構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付してその詳細な説明を省略し、以下、異なる点を中心に説明する。
この構成例は、特に、インピーダンス回路ブロック３の具体回路例を示したものである。
すなわち、インピーダンス回路ブロック３は、抵抗器１６とキャパシタンス素子１７とを具備してなり、これらが直列接続されて構成されたものとなっている。

そして、抵抗器１６の一端がベースバイアス電流供給用トランジスタ２のベースに、キャパシタンス素子１７の一端が電力増幅用トランジスタ１のベースに、それぞれ接続されたものとなっている。
かかる構成における動作は、図１に示された基本回路例で説明したと同一であるので、ここでの再度の説明は省略することとする。

次に、本発明の実施の形態における電力増幅回路の具体的な特性について、従来回路との比較を交えながら図３及び図４を参照しつつ説明する。
最初に、ＲＦ信号出力電力に対する電力増幅用トランジスタ１のベースバイアス電流の変化について、図３を参照しつつ説明する。
図３において、横軸はＲＦ信号出力電力（ｄＢｍ）を、縦軸はベースバイアス電流（ｍＡ）を、それぞれ示している。

ここで、この図３及び次述する図４に示された特性例は、まず、電力増幅用トランジスタ１として、ダブルエミッタ構成のＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ（エミッタサイズは２.６μｍ×３０μｍ×２）を用い、これを８個並列に接続した回路とする一方、ベースバイアス電流供給用トランジスタ２としては、同様にダブルエミッタ構成のＩｎＧａＰ／ＧａＡｓを一個用いた構成として、周波数２.４５ＧＨｚで得られたものである。
そして、本発明の実施の形態の第２の構成例における抵抗器１６は９５０Ωに、キャパシタンス素子１７は０.２ｐＦに、それぞれ設定したものである。
一方、従来回路は、図６に示された構成において、インピーダンス回路ブロック３の抵抗器Ｒを４００Ωに、キャパシタＣを２ｐＦに、それぞれ設定したものである。

図３において、一点鎖線の特性線は、本発明の実施の形態の第２の構成例に示された電力増幅回路の出力電力変化に対するベースバイアス電流の変化を示すものであり、実線の特性線は、従来回路における同様な特性を示すものである。
同図によれば、本発明の実施の形態における電力増幅回路は、従来回路に比して、ベースバイアス電流が確実に増加していることが確認できる。

次に、出力電力の変化に対する出力利得変化特性（以下、「ＡＭ−ＡＭ特性」と称する）について、図４を参照しつつ説明する。
図４において、横軸はＲＦ信号出力電力（ｄＢｍ）を、縦軸は出力電力利得（ｄＢｍ）を、それぞれ示している。
図４において、点線で示された特性線は、本発明の実施の形態の第２の構成例に示された電力増幅回路のＡＭ−ＡＭ特性である。また、同図において、実線で示された特性線は、図５に示された従来回路（従来例１）のＡＭ−ＡＭ特性であり、一点鎖線で示された特性線は、図６に示された従来回路（従来例２）のＡＭ−ＡＭ特性である。

図４によれば、従来回路の場合、一点鎖線の特性線で示された従来回路（従来例２）は、実線の特性線で示された従来回路（従来例１）よりも、１ｄＢ圧縮時出力電力（従来例１では２３ｄＢｍ、従来例２では２４ｄＢｍ）は改善するものの、ＡＭ−ＡＭ特性は改善せず、電力利得が低下していることが確認できる。
これに対して、本発明の実施の形態における電力増幅回路（第２の構成例）では、電力増幅用トランジスタ１のベースバイアス電流が増加したことにより、ＡＭ−ＡＭ特性が改善されるだけでなく、１ｄＢ圧縮時出力電力（本発明の実施の形態における電力増幅回路では２４ｄＢｍ）も改善し、電力利得の低下が生じていないことが確認できる。

電力増幅回路の歪特性において、１ｄＢ圧縮時出力電力の向上は勿論のこと、ＡＭ−ＡＭ特性の向上は重要である。
携帯電話やＷ−ＬＡＮ等に使用される電力増幅回路の歪特性として、隣接チャンネル漏洩電力比（以下、「ＡＣＬＲ」と称する）やError Vector Magnitude（以下、「ＥＶＭ」と称する）があるが、ＡＣＬＲやＥＶＭは電力増幅回路のＡＭ−ＡＭ特性を改善することにより向上することが知られている。

上述した本発明の実施の形態においては、インピーダンス回路ブロック３の一端を、電力増幅用トランジスタ１のコレクタに接続した構成としているが、出力整合回路９内の任意の点に接続しても同様の作用、効果を得ることができる。
また、本発明の実施の形態においては、１個の電力増幅用トランジスタ１により増幅回路を１段としたが、多段増幅回路としてもよいことは勿論である。その場合、各々の増幅段において、本発明の実施の形態の回路構成を適用するようにしてもよいし、また、一部の増幅段に本発明の実施の形態の回路構成を適用しても、いずれでもよい。なお、一部の増幅段に本発明の実施の形態の回路構成を適用する場合には、ＲＦ信号出力電力の大きな最終段において適用するようにするとより高い効果を得ることができ好適である。

本発明の実施の形態における電力増幅回路の基本回路構成例を示す構成図である。 本発明の実施の形態における電力増幅回路の具体回路構成例を示す回路図である。 本発明の実施の形態における電力増幅回路の出力電力変化に対するベースバイアス電流変化特性を従来回路の同様の特性と共に示す特性線図である。 本発明の実施の形態における電力増幅回路の出力電力変化に対する出力利得変化特性を従来回路の同様の特性と共に示す特性線図である。 従来回路の第１の回路構成例を示す回路図である。 従来回路の第２の回路構成例を示す回路図である。

符号の説明

１…電力増幅用トランジスタ
２…ベースバイアス電流供給用トランジスタ
３…インピーダンス回路ブロック
１１…コレクタ電源端子
１２…バイアス回路電源端子
１３…制御電源端子
１６…抵抗器
１７…キャパシタンス素子

Claims (3)

1. エミッタ接地された電力増幅用の第１のヘテロ接合バイポーラトランジスタのベースに、ベースバイアス電流供給用の第２のヘテロ接合バイポーラトランジスタのエミッタが、直接、又は、インピーダンス素子を介して接続されてなる電力増幅回路であって、
   前記第１のヘテロ接合バイポーラトランジスタのコレクタ又は当該コレクタに接続された出力整合回路内の任意の点と、前記第２のヘテロ接合バイポーラトランジスタのベースとの間に、インピーダンス回路ブロックが接続されてなることを特徴とする電力増幅回路。
2. 前記電力増幅用の第１のヘテロ接合バイポーラトランジスタが複数用いられて増幅段が多段に構成されると共に、少なくとも一つの増幅段において、前記インピーダンス回路ブロックが設けられてなることを特徴とする請求項１記載の電力増幅回路。
3. 前記インピーダンス回路ブロックは、キャパシタンス素子と抵抗素子が直列接続されてなることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の電力増幅回路。

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