JP2008283407A - 電力増幅器 - Google Patents

Abstract

【課題】高い線形性を有する小型化可能な電力増幅器を提供する。
【解決手段】エミッタ接地のトランジスタ１５と、アノードがキャパシタ２３を介してトランジスタ１５のコレクタと接続され、カソードが接地されたダイオード２５、及び、一端をダイオード２５のアノードと接続され、他端をトランジスタ１５のベースに接続された抵抗２７を有するフィードバック回路２１と、トランジスタ１５のベースに接続されたバイアス回路３１とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、バイポーラトランジスタ等を用いた高周波の電力増幅器に関する。

移動体通信の端末等のアンテナに電力を供給する高周波用電力増幅器は、電力利得の他に、高効率及び小型化等の要求を満足させる必要がある。更に、近年のＣＤＭＡ（Code Division Multiple Access）方式を代表とするディジタル変調方式を利用する通信機向けの電力増幅器は、高性能、すなわち、高線形低歪が要求されている。

高い線形性を確保するために、トランジスタのバイアス条件がＡ級動作に設定され、電圧振幅に対しバイアス点変動がほとんど無視できるような回路設計が行われる。しかし、この場合、バイアス点が高くなり、電流が多く流れるために、電力付加効率（ＰＡＥ：Power Added Efficiency）が小さくなり、高効率の要求に応えられない。そこで、バイアス点を低くし、電力付加効率を改善する方法が採られるが、入力電力が大きくなるにしたがって、電圧振幅がバイアス点を大きく変動させることになり、等価的にバイアス点を高めることになる。その結果、電流増幅率等が増大し、結果的に利得が大きくなる現象が現れ、線形性が劣化するという問題が生じる。そこで、電力増幅器は、線形性と電力付加効率というトレードオフ関係の中で、最適なバイアス点（ＡＢ級動作）が選択されるように設計されて来た。

例えば、出力電力の一部を方向性結合器によって検波回路に取り出し、検波された直流電圧をバイアス制御回路に入力し、制御電圧をバイアス抵抗回路に印加する高周波の電力増幅器が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。

開示された電力増幅器は、出力電力の大きさに依存してバイアス点を変化させる回路を有するものであり、出力電力の大きさに応じてバイアス回路の電圧を制御し線形性を向上させると共に電力付加効率を改善させる。しかしながら、開示された電力増幅器は、電力増幅を行う回路の外に、出力電力を検出するために方向性結合器を有する電力分岐回路やバイアス点制御のためのバイアス制御回路等の、比較的規模の大きい追加回路が必要となるという問題を有している。すなわち、小型化という移動体通信の端末用部品等に必要な要求事項を満足させることが難しくなる。
特開平７−２２８５７号公報（第２、３頁、図１）

本発明は、高い線形性を有する小型化可能な電力増幅器を提供することを目的とする。

本発明の一態様の電力増幅器は、エミッタ接地の第１のトランジスタと、アノードが第１のキャパシタを介して前記第１のトランジスタのコレクタに接続され、カソードが接地された第１のダイオード、及び、一端を前記アノードに接続され、他端を前記第１のトランジスタのベースに接続された第１の抵抗を有する第１のフィードバック回路と、前記ベースに接続された第１のバイアス回路とを備えていることを特徴とする。

また、本発明の別態様の電力増幅器は、ベースに第２のキャパシタを介して入力信号が入力され、コレクタに増幅された出力信号が出力される、エミッタ接地の第１のトランジスタと、アノードが第１のキャパシタを介して前記第１のトランジスタのコレクタに接続され、カソードが接地された第１のダイオード、及び、一端を前記アノードに接続され、他端を前記第１のトランジスタのベースに接続された第１の抵抗を有する第１のフィードバック回路と、第２の抵抗を介して前記ベースに接続された第２のバイアス回路とを備えていることを特徴とする。

本発明によれば、高い線形性を有する小型化可能な電力増幅器を提供することができる。

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。以下に示す図では、同一の構成要素には同一の符号を付す。

本発明の実施例１に係る電力増幅器について、図１乃至図４を参照しながら説明する。図１は電力増幅器の回路構成を模式的に示す図である。図２は電力増幅器のバイアス回路を模式的に示す図である。図３は電力増幅器の出力電力の信号振幅及びその影響を模式的に示す図である。図４は、電力増幅器の利得特性を比較例とともに示す模式的な図である。

図１に示すように、電力増幅器１は、エミッタ接地の第１のトランジスタであるトランジスタ１５と、アノードが第１のキャパシタであるキャパシタ２３を介してトランジスタ１５のコレクタと接続され、カソードが接地された第１のダイオードであるダイオード２５、及び、一端をダイオード２５のアノードと接続され、他端をトランジスタ１５のベースに接続された第１の抵抗である抵抗２７を有する第１のフィードバック回路であるフィードバック回路２１と、トランジスタ１５のベースに接続された第２のバイアス回路であるバイアス回路３１とを備えている。

より詳しくは、トランジスタ１５は、ベースに直流成分をカットする第２のキャパシタであるキャパシタ１３を介して入力信号が入力され、コレクタに増幅された出力信号が出力される。フィードバック回路２１は、キャパシタ２３の一端、抵抗２７の一端、及び、ダイオード２５のアノードが共通の接続点で接続され、キャパシタ２３の他端がトランジスタ１５のコレクタと接続され、第２の抵抗である抵抗２７の他端がトランジスタ１５のベースと接続され、ダイオード２５のカソードが接地されている。バイアス回路３１は、抵抗３３を介してトランジスタ１５のベースと接続されている。上述の構成要素は、例えば、同一半導体基板の上に、モノリシックに集積されている。

なお、図示を省略しているが、電力増幅器１は、例えば、入力端子１１側に、５０Ωと整合を取るための整合回路、及び、出力端子１７側に、出力インピーダンスを所望の値に設定するための出力整合回路が接続される。電力増幅器１は、入力及び出力整合回路が接続されて、例えば、１つの電力増幅器モジュールに組み立てられて、移動体通信の端末器等に使用されることが可能である。

トランジスタ１５は、ヘテロ接合バイポーラ型であり、例えば、ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ系の材料で構成される。トランジスタ１５は、複数のトランジスタが並列に接続され、出力電力の大きさに応じたエミッタ領域が確保される。

フィードバック回路２１の直流成分をカットするキャパシタ２３は、例えば、約１ｐＦに設定され、抵抗２７は約１ｋΩに設定されている。ダイオード２５は、トランジスタのベースとコレクタを接続した構成であり、トランジスタ１５を構成する複数のトランジスタの内の１つと同様に形成することが可能である。なお、キャパシタ２３と抵抗２７は、トランジスタ１５の出力電力特性、バイアス回路３１の特性等に基づいて、より適する値に調整することが可能である。

バイアス回路３１は、例えば、図２に示すように、エミッタフォロワ回路を利用した低出力インピーダンスの構成をなす。制御用の抵抗４３は、一端が制御電圧電源端子４２に接続され、他端がダイオード４４のアノードに接続されている。ダイオード４５は、アノードがダイオード４４のカソードに接続され、カソードが接地されている。トランジスタ４７は、コレクタがバイアス回路電源端子４６に接続され、ベースがダイオード４４のアノードに接続され、エミッタが抵抗４８を介して接地されている。トランジスタ４７のエミッタは、抵抗３３の一端に接続され、抵抗３３の他端からトランジスタ１５のベースに接続される。なお、ダイオード４４、４５は、ダイオード２５と同様に、トランジスタのベース・コレクタを接続した構成である。制御電圧電源端子４２、抵抗４３は、バイアス条件を制御するために設けられている。

また、抵抗３３は小さな抵抗値（例えば、数Ω〜十数Ω）で機能させることが可能である。この場合、最終的にはバイアス回路３１の持つ内部抵抗が、抵抗３３として働く程度にまで低減することができ、抵抗３３そのものを零Ωとする構成が実現される。その結果、バイアス回路３１とトランジスタ１５のベースとの間に、見かけ上、抵抗がない回路構成とすることが可能となる。

次に、フィードバック回路２１を有する電力増幅器１の動作について説明する。トランジスタ１５は、バイアス回路３１により、ＡＢ級動作をするように設定されている。トランジスタ１５の出力電力が小さいレベルにおいては、キャパシタ２３を介してダイオード２５のアノード側に現れる電圧振幅が小さく、特にダイオード２５がフィードバック回路２１に影響を与えることはないか、無視できる程度に小さい。すなわち、フィードバック回路２１は、単にキャパシタ２３と抵抗２７で構成された回路と同様な動作をする。

一方、図３に示すように、トランジスタ１５の出力電力が大きなレベルになると、キャパシタ２３を介してダイオード２５のアノード側に現れる電圧振幅が無視できなくなり、順方向電圧ＶＦが一定値を越えると、電圧振幅がダイオード２５をオンさせることになる。ダイオード２５がオンすると、バイアス回路３１、抵抗３３、２７、及びダイオード２５を結ぶ流路が導通し、破線で示される電流がバイアス回路３１側から供給されることになる。その結果、ダイオード２５に供給される電流により電圧降下が生じ、トランジスタ１５のベースのバイアス点が下がることになる。

図４に、横軸に入力電力、縦軸に利得を取って示すように、フィードバック回路２１を有する電力増幅器１の利得（出力電力の入力電力に対する比。実線表示。）は、入力電力が次第に増大して０ｄＢｍＷの近傍まで、横軸に平行な理想的な線形特性を示す直線（一点鎖線表示）にほぼ沿って推移する。一方、フィードバック回路２１を取り外した比較例の電力増幅器の利得（破線表示）は、横軸の入力電力が０ｄＢｍＷの近傍まで増大するに連れて、線形特性を示す直線に対して、徐々に乖離が増大する。すなわち、電力増幅器１の入力電力が小さく、出力電力が小さな場合も、入力電力が大きく、出力電力が大きい場合も、比較例の電力増幅器に対して、電力増幅器１の出力電力はより高い線形特性を有している。

上述したように、電力増幅器１は、エミッタ接地のトランジスタ１５、フィードバック回路２１、及び、抵抗３３を介してトランジスタ１５のベースに接続されたバイアス回路３１を備え、フィードバック回路２１において、ダイオード２５は、アノードがトランジスタ１５のコレクタとキャパシタ２３を介して接続され、カソードが接地され、また、抵抗２７は、両端をダイオード２５のアノード及びトランジスタ１５のベースと、それぞれ、接続されている。

その結果、トランジスタ１５の出力電力が大きくなると、フィードバックされる電圧振幅が大きくなり、ダイオード２５がオンして、ダイオード２５にバイアス回路３１から供給される電流により、抵抗２７、３３には電圧降下が生じ、トランジスタ１５のベースのバイアス点を下げることが可能となる。バイアス点が下げられるため、出力電力が減少されて、利得の増加を抑制することができる。つまり、電力増幅器１の出力電力は高い線形特性を確保することが可能となる。

また、フィードバック回路２１は、比較的小さなキャパシタ２３、抵抗２７、及び、ダイオード２５であり、半導体基板にモノリシックに集積しても、占有面積の増加は比較的小さい。つまり、高い線形性を確保できる回路としては、面積の増加が抑制されている。また、これらの構成要素は、フィードバック回路２１の付加に関係なく、電力増幅器の構成要素として使用されているものと同種であるので、新たなプロセスの追加を必要とせず形成可能である。すなわち、電力増幅器１は、追加プロセスを必要とせずに、小規模な回路の追加により、高い線形特性を有する出力電力を実現可能である。

本発明の実施例２に係る電力増幅器について、図５を参照しながら説明する。図５は電力増幅器の回路構成を模式的に示す図である。実施例１の電力増幅器１とは、増幅器構成が２段であって、前段のトランジスタがフィードバック回路を有する点が異なる。なお、実施例１と同一構成部分には同一の符号を付して、その説明は省略する。

図５に示すように、電力増幅器２は、実施例１の電力増幅器１の入力端子１１に、次のような前段の回路の出力が接続される構成である。つまり、電力増幅器２は、ベースに入力信号を入力し、コレクタからキャパシタ１３に増幅された出力信号を出力する前段の第２のトランジスタであるトランジスタ５３と、第３のキャパシタであるキャパシタ５６の一端と第３の抵抗である抵抗５７の一端とが接続され、キャパシタ５６の他端がトランジスタ５３のコレクタと接続され、抵抗５７の他端がトランジスタ５３のベースと接続された第２のフィードバック回路であるフィードバック回路５５と、第４の抵抗である抵抗６３を介してトランジスタ５３のベースと接続された第３のバイアス回路であるバイアス回路６１とを、更に備えている。

電力増幅器２の後段に当たるトランジスタ１５のフィードバック回路２１は、ダイオード２５を有しているが、前段のトランジスタ５３のフィードバック回路５５は、キャパシタ５６と抵抗５７が直列に接続された構成である。

フィードバック回路５５は、トランジスタ５３の出力電力をフィードバックすることにより、前段の利得調整を行うことが可能である。電力増幅器２の後段、つまり、実施例１で生じるフィードバック回路２１による利得低下分を、フィードバック回路５５により補うことが可能となっている。そして、後段のフィードバック回路２１は、前段及び後段全体として発生する利得変動を合わせて、調整及び抑制することが可能である。

上述したように、電力増幅器２は、フィードバック回路５５による前段の利得、及び、フィードバック回路２１による後段の利得の調整を行うことが可能である。また、フィードバック回路５５を構成するキャパシタ５６及び抵抗５７の占有面積分の増加はあるものの、実施例１で述べたように、新たなプロセスを必要としない比較的小さな増加に抑えられる。その結果、電力増幅器２は、利得低下が抑制され、更に、実施例１の効果と同様に、追加プロセスを必要とせずに、小規模な回路の追加により、高い線形特性を有する出力電力を実現可能である。

本発明の実施例３に係る電力増幅器について、図６を参照しながら説明する。図６は電力増幅器の回路構成を模式的に示す図である。実施例１の電力増幅器１とは、フィードバック回路２１に並列に、別のフィードバック回路を有する点が異なる。なお、実施例１及び２と同一構成部分には同一の符号を付して、その説明は省略する。

図６に示すように、電力増幅器３は、実施例１の電力増幅器１のフィードバック回路２１に並列に、次のような第３のフィードバック回路である別のフィードバック回路７１が配設される構成である。つまり、電力増幅器３は、第４のキャパシタであるキャパシタ７３の一端と第５の抵抗である抵抗７５の一端とが接続され、キャパシタ７３の他端がトランジスタ１５のコレクタと接続され、抵抗７５の他端がトランジスタ１５のベースと接続されたフィードバック回路７１を、更に備えている。

フィードバック回路７１は、実施例２で用いた前段の利得調整と同様に、トランジスタ１５の出力電力の利得を下げる方向の調整を行うことができる。一方、フィードバック回路２１は、実施例１及び２と同様に、利得変動の調整及び抑制することが可能である。その結果、電力増幅器３は、フィードバック回路２１にフィードバック回路７１を加えることによって、より高い線形性を有する出力電力を実現可能である。その他、電力増幅器３は、実施例１及び２の効果と同様に、追加プロセスを必要とせずに、小規模な回路の追加により実現可能である。

また、図示を省略するが、本実施例３の変形例の電力増幅器として、実施例２の電力増幅器２の前段のフィードバック回路５５に並列に、更に、上述のフィードバック回路２１を配設することが可能である。つまり、本変形例の電力増幅器は、実施例３の電力増幅器３のトランジスタ１５に接続される、並列に配設されたフィードバック回路２１、７１の関係が、前段のトランジスタ５３にも適用されている。その結果、本変形例の電力増幅器は、利得を調整しつつ、線形性を改善するための調節機能を前段の増幅回路に持たせることが可能となる。前段の増幅回路が消費する電力は、後段のトランジスタ１５を有する増幅回路が消費する電力に比べ格段に小さいことから、実施例２で生じていた後段の増幅回路での利得低下に伴うわずかな効率（（出力電力−入力電力）／消費電力）低下も回避することができるという利点を、更に、有している。

本発明の実施例４に係る電力増幅器について、図７を参照しながら説明する。図７は電力増幅器の回路構成を模式的に示す図である。実施例１の電力増幅器１とは、バイアス回路の構成、及び、バイアス回路をトランジスタに接続する抵抗が省略されている点が異なる。なお、実施例１乃至３と同一構成部分には同一の符号を付して、その説明は省略する。

図７に示すように、電力増幅器４は、実施例１の電力増幅器１のトランジスタ１５のベースに、第１のバイアス回路であるバイアス回路８１が抵抗を介さずに接続されている。バイアス回路８１は、実施例１のバイアス回路３１と同様に、エミッタフォロワ回路を利用した低出力インピーダンスの構成をなしている。バイアス回路８１がバイアス回路３１と異なる点は、トランジスタ８５のエミッタが、インダクタ８３を介して、出力されている。また、実施例１で、バイアス回路３１とトランジスタ１５のベースとの間の抵抗３３は、バイアス回路８１の中に取り込まれて、トランジスタ８５及びインダクタ８３等の抵抗成分で補償されている。なお、トランジスタ８５及びインダクタ８３等の抵抗成分を抑制して、合計して所望の抵抗となるように、実施例１等の抵抗３３に類似の抵抗を、インダクタ８３とトランジスタ１５のベースとの間に、挿入することは可能である。

電力増幅器４は、バイアス回路８１のインダクタ８３により、交流成分がカットされた直流バイアス成分がトランジスタ１５のベースに印加されるので、よりノイズの少ない入力信号を供給可能となる。また、インダクタ８３は、構成要素の中では比較的大きな面積を有するが、抵抗を１つ省略可能なので、占有面積の増加を抑制可能である。インダクタ８３は、新たなプロセスの追加を必要とせず形成可能である。つまり、電力増幅器４は、実施例１の効果と同様に、追加プロセスを必要とせずに、小規模な回路の追加により、高い線形特性を有する出力電力を実現可能であり、更に、高い品質の出力信号を出力可能である。

また、バイアス回路８１は、実施例１乃至３におけるバイアス回路３１及び抵抗３３を置き換えることは可能である。

以上、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変形して実施することができる。

例えば、実施例では、ダイオードは、コレクタとベースを接続したｎｐｎ型バイポーラトランジスタを構成とする例を示したが、これをｐｎ接合からなるダイオードに置き換えることは可能である。

本発明は、以下の付記に記載されるような構成が考えられる。
（付記１） ベースに第２のキャパシタを介して入力信号が入力され、コレクタに増幅された出力信号が出力される、エミッタ接地の第１のトランジスタと、アノードが第１のキャパシタを介して前記第１のトランジスタのコレクタに接続され、カソードが接地された第１のダイオード、及び、一端を前記アノードに接続され、他端を前記第１のトランジスタのベースに接続された第１の抵抗を有する第１のフィードバック回路と、第２の抵抗を介して前記ベースに接続された第２のバイアス回路とを備えている電力増幅器。

（付記２） 前記第２のバイアス回路は、カソードが接地された第２のダイオード、カソードが前記第２のダイオードに接続されアノードが第６の抵抗を介して制御電源に接続される第３のダイオード、コレクタがバイアス回路電源に接続され、ベースが前記第３のダイオードのアノードに接続され、エミッタが第７の抵抗を介して接地される第３のトランジスタ、及び、一端が前記第３のトランジスタエミッタに接続され、他端が前記第１のトランジスタのベースに接続されるインダクタを備えている付記１に記載の電力増幅器。

（付記３） 前記第２のバイアス回路は、カソードが接地された第２のダイオード、カソードが前記第２のダイオードに接続されアノードが第６の抵抗を介して制御電源に接続される第３のダイオード、コレクタがバイアス回路電源に接続され、ベースが前記第３のダイオードのアノードに接続され、エミッタが第７の抵抗を介して接地される第３のトランジスタを備えている付記１に記載の電力増幅器。

（付記４） 前記第２のバイアス回路は、エミッタフォロワ回路を含む付記１に記載の電力増幅器。

本発明の実施例１に係る電力増幅器の回路構成を模式的に示す図。 本発明の実施例１に係る電力増幅器のバイアス回路を模式的に示す図。 本発明の実施例１に係る電力増幅器の出力電力の信号振幅及びその影響を模式的に示す図。 本発明の実施例１に係る電力増幅器の利得特性を比較例とともに示す模式的な図。 本発明の実施例２に係る電力増幅器の回路構成を模式的に示す図。 本発明の実施例３に係る電力増幅器の回路構成を模式的に示す図。 本発明の実施例４に係る電力増幅器の回路構成を模式的に示す図。

符号の説明

１、２、３、４ 電力増幅器
１１、５１ 入力端子
１３、２３、５６、７３ キャパシタ
１５、４７、５３、８５ トランジスタ
１７ 出力端子
２１、５５、７１ フィードバック回路
２５、４４、４５ ダイオード
２７、３３、４３、４８、５７、６３、７５ 抵抗
３１、６１、８１ バイアス回路
４２ 制御電圧電源端子
４６ バイアス回路電源端子
５９ コレクタ端子
８３ インダクタ

Claims (5)

1. エミッタ接地の第１のトランジスタと、
   アノードが第１のキャパシタを介して前記第１のトランジスタのコレクタに接続され、カソードが接地された第１のダイオード、及び、一端を前記アノードに接続され、他端を前記第１のトランジスタのベースに接続された第１の抵抗を有する第１のフィードバック回路と、
   前記ベースに接続された第１のバイアス回路と、
   を備えていることを特徴とする電力増幅器。
2. ベースに第２のキャパシタを介して入力信号が入力され、コレクタに増幅された出力信号が出力される、エミッタ接地の第１のトランジスタと、
   アノードが第１のキャパシタを介して前記第１のトランジスタのコレクタに接続され、カソードが接地された第１のダイオード、及び、一端を前記アノードに接続され、他端を前記第１のトランジスタのベースに接続された第１の抵抗を有する第１のフィードバック回路と、
   第２の抵抗を介して前記ベースに接続された第２のバイアス回路と、
   を備えていることを特徴とする電力増幅器。
3. ベースに入力信号を入力し、コレクタから前記第２のキャパシタに増幅された出力信号を出力する前段の第２のトランジスタと、第３のキャパシタの一端と第３の抵抗の一端とが接続され、前記第３のキャパシタの他端が前記第２のトランジスタのコレクタと接続され、前記第３の抵抗の他端が前記第２のトランジスタのベースと接続された第２のフィードバック回路と、
   第４の抵抗を介して前記第２のトランジスタのベースと接続された第３のバイアス回路と、
   を更に備えていることを特徴とする請求項２に記載の電力増幅器。
4. 第４のキャパシタの一端と第５の抵抗の一端とが接続され、前記第４のキャパシタの他端が前記第１のトランジスタのコレクタと接続され、前記第５の抵抗の他端が前記第１のトランジスタのベースと接続された第３のフィードバック回路が、更に配設されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電力増幅器。
5. 前記第１のバイアス回路は、カソードが接地された第２のダイオード、カソードが前記第２のダイオードに接続されアノードが第６の抵抗を介して制御電源に接続される第３のダイオード、コレクタがバイアス回路電源に接続され、ベースが前記第３のダイオードのアノードに接続され、エミッタが第７の抵抗を介して接地される第３のトランジスタ、及び、一端が前記第３のトランジスタエミッタに接続され、他端が前記第１のトランジスタのベースに接続されるインダクタを備えていることを特徴とする請求項１または４に記載の電力増幅器。

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