JP2010114793A - Fet bias circuit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、FET(電界効果トランジスタ)のバイアス回路に関する。 The present invention relates to a bias circuit of an FET (Field Effect Transistor).
従来より、無線通信機の高周波回路では、FETを用いた高周波増幅器が一般的であり、特に携帯電話や携帯電話用基地局等に多く用いられている。近年、携帯電話の普及に伴い、基地局の出力、回線数及び通信方式(W−CDMA等)の採用による通信速度の向上が図られ、高周波増幅器の高出力化が進められた。 Conventionally, a high-frequency amplifier using an FET is generally used in a high-frequency circuit of a wireless communication device, and is often used particularly in a mobile phone, a mobile phone base station, and the like. In recent years, with the widespread use of mobile phones, the output of base stations, the number of lines and the communication speed (such as W-CDMA) have been improved, and the output of high-frequency amplifiers has been increased.
高周波増幅器の動作点における分類としてA級,AB級,B級があり、各動作を実現させるためにアイドル時のドレイン電流を制御するゲート電圧によって設定する。例えば、A級動作の場合には、ゲート電圧はアイドル時のドレイン電流をピンチオフ点と飽和点との間の中央になるようにバイアスを設定する。B級動作の場合には、ピンチオフ点の近くにバイアスを設定し、同様にしてAB級動作の場合には、A級のバイアス点とB級のバイアス点との間にバイアスを設定することになる。 There are class A, class AB and class B as operating points of the high-frequency amplifier, and in order to realize each operation, it is set by a gate voltage for controlling the drain current during idling. For example, in class A operation, the gate voltage is set so that the drain current during idling is in the middle between the pinch-off point and the saturation point. In the case of class B operation, a bias is set near the pinch-off point. Similarly, in the case of class AB operation, a bias is set between the class A bias point and the class B bias point. Become.
しかし、電界効果トランジスタであるFETは、製造プロセスにおいてピンチオフ電圧のばらつきを有し、このばらつきはドレイン電流のばらつきとなり、結果として高周波特性のばらつきとなる。このため、ドレイン電流を所定の電流値となるようにゲート電圧を調整することが必要となる。 However, an FET which is a field effect transistor has a variation in pinch-off voltage in the manufacturing process, and this variation becomes a variation in drain current, resulting in a variation in high-frequency characteristics. For this reason, it is necessary to adjust the gate voltage so that the drain current becomes a predetermined current value.
本願出願人は、特許文献1に示すように基準電圧発生回路に感温素子を用い、FETのゲート電圧が所定の基準電圧と等しくなるようにFETのゲートに印加する電圧を制御する閉ループ制御を行うバイアス回路に関する出願をした。
The applicant of the present application uses a temperature-sensitive element in the reference voltage generation circuit as shown in
図6の回路は特許文献1の高周波増幅器であり、FETバイアス回路を用いた高周波増幅器の構成を示している。図6に示すような回路構成としたことにより、FETのゲート側回路とドレイン側回路とを分離でき、従ってドレイン電流をより自由に設定可能とした。これにより、入力信号や温度変化で生じるゲート電流変動によるバイアス点変動を防ぎ、A級,AB級及びB級のいずれでもFETを動作可能とし、さらにFETの熱破壊をも防ぐことを可能としている。
The circuit of FIG. 6 is a high frequency amplifier disclosed in
また、特許文献2には、コンピュータを用いて閉ループ制御を実現するために、アナログ/デジタル変換器によりドレイン電流測定手段で測定された電流値から所定のドレイン電流を得るゲート電圧を推定し、デジタル/アナログ変換器の出力レベルの制御によりバイアス変動を低減させる技術が開示されている。
Further, in
上述した特許文献1では、FETのゲートに印可する電圧を制御する閉ループ制御を行う構成により、A級,AB級及びB級のいずれもでもFETを動作させることが可能となる。しかし、初期設定として感温素子の特性確認とFETのアイドル電流設定のボリューム調整とが必要であることから、複数の高周波増幅器を並列接続する場合では高周波増幅特性のばらつきを低減する調整作業が必要であった。
In
また、特許文献2では、コンピュータを用いて閉ループ制御によりバイアス変動を低減させることは可能であるが、特許文献1のようなA級,AB級及びB級のいずれでもFETを動作させるような制御はなされていなかった。
In
そこで、本発明のFETバイアス回路は、温度変動における複数の高周波増幅器間のバイアス変動特性のばらつきを低減することのできるFETバイアス回路を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the FET bias circuit of the present invention is to provide an FET bias circuit capable of reducing variations in bias fluctuation characteristics among a plurality of high-frequency amplifiers due to temperature fluctuations.
以上のような目的を達成するために、本発明に係るFETバイアス回路は、前段の増幅器で増幅された高周波信号を最終段のFETのゲートに入力し、その増幅信号をドレインから得る高周波増幅器に設けられたFETバイアス回路において、FETのドレイン電流を測定するドレイン電流測定手段と、FETの雰囲気温度を測定する温度測定手段と、FETのゲートバイアス設定手段と、複数の高周波増幅器の制御を行う制御手段と、を有し、制御手段は、ドレイン電流測定手段の電流値により得られたアイドル時のドレイン電流と、温度測定手段の雰囲気温度と、に基づいて予め決められたアイドル電流となるように各高周波増幅器のゲート電圧を制御することを特徴とする。 In order to achieve the above object, the FET bias circuit according to the present invention is a high frequency amplifier that inputs a high frequency signal amplified by a previous stage amplifier to the gate of the last stage FET and obtains the amplified signal from the drain. In the FET bias circuit provided, drain current measuring means for measuring the drain current of the FET, temperature measuring means for measuring the ambient temperature of the FET, gate bias setting means for the FET, and control for controlling a plurality of high-frequency amplifiers The control means has an idle current determined in advance based on the drain current during idling obtained from the current value of the drain current measuring means and the ambient temperature of the temperature measuring means. The gate voltage of each high-frequency amplifier is controlled.
また、本発明に係るFETバイアス回路において、制御手段は、ドレイン電流測定手段よりFET動作時の消費電流とアイドル時のドレイン電流とを取得して、予め記憶された温度補償テーブルに基づいてドレイン電流を予め決められた値に制御することで温度補償することを特徴とする。 In the FET bias circuit according to the present invention, the control means obtains the consumption current at the time of FET operation and the drain current at the time of idle from the drain current measurement means, and the drain current based on the temperature compensation table stored in advance. Is controlled to a predetermined value to compensate for the temperature.
また、本発明に係るFETバイアス回路において、各高周波増幅器のゲート電圧は制御手段によって制御され、制御手段は、各FETバイアス回路により各高周波増幅器の高周波特性のばらつきを低減させることを特徴とする。 In the FET bias circuit according to the present invention, the gate voltage of each high-frequency amplifier is controlled by a control means, and the control means reduces variations in high-frequency characteristics of each high-frequency amplifier by each FET bias circuit.
さらに、本発明に係るFETバイアス回路において、制御手段は、温度測定手段から取得した雰囲気温度が予め設定した温度より高くなった場合、過熱防止のために各高周波増幅器の高周波特性のばらつきを低減させながらゲート電圧を低下させることを特徴とする。 Furthermore, in the FET bias circuit according to the present invention, the control means reduces variation in high frequency characteristics of each high frequency amplifier in order to prevent overheating when the ambient temperature acquired from the temperature measurement means becomes higher than a preset temperature. However, the gate voltage is lowered.
本発明を用いることで、コンピュータによる閉ループ制御によりバイアス変動を低減させると共に、A級,AB級及びB級のいずれでもFETを動作させるような制御をすることが可能となる。また、本発明のFETバイアス回路は、温度変動における複数の高周波増幅器間のバイアス変動のばらつきを低減できるという効果がある。 By using the present invention, it is possible to reduce bias fluctuations by closed loop control by a computer and to control the FET to operate in any of class A, class AB, and class B. In addition, the FET bias circuit of the present invention has an effect that variation in bias fluctuation among a plurality of high frequency amplifiers due to temperature fluctuation can be reduced.
以下、本発明を実施するための最良の形態(以下実施形態という)を、図面に従って説明する。
(実施例)
Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention (hereinafter referred to as an embodiment) will be described with reference to the drawings.
(Example)
図1はFETバイアス回路を用いた多段式の高周波増幅器1の構成を示している。高周波増幅器1は、第1段増幅器10と、第1段増幅器10の後段に接続される第2段増幅器20と、第2段増幅器20の後段に並列接続される第3段A増幅器31及び第3段B増幅器41(A,Bを第3段増幅器30と呼ぶ)と、一部図を省略したが、第3段増幅器30を制御するA/D変換器13,CPU12,D/A変換器11と、を有している。第3段A増幅器31には、FET32と、ドレイン電流を測定するための抵抗Rdと、温度センサ34と、ゲート電圧Vgsを制御するための演算増幅器33と、コンデンサC1,C2と、を有している。
FIG. 1 shows a configuration of a multistage high-
高周波増幅器1の入力端子INに得られる入力信号は、第1段増幅器10と第2段増幅器20とで増幅され、第3段増幅器30に入力される。第3段A増幅器31に入力された入力信号はコンデンサC1を介して増幅素子であるFET32のゲートに供給される。このFET32には高周波特性の優れたGaAaFETが使用され、FET32のゲートにはゲート電圧Vgsの印加回路である抵抗Rg及びD/A変換器11の出力を増幅する演算増幅器33が接続されている。また、FET32のソースは接地され、FET32のドレインはコンデンサC2を介して出力端子OUTに接続されている。
An input signal obtained at the input terminal IN of the
FET32のドレインには、ドレイン電流Idsdcを測定するための抵抗Rdが接続され、抵抗Rdを介して電源VDDがFET32のドレインに供給されている。A/D変換器13は抵抗Rdを介してドレイン電流Idsdcを測定してその測定値をCPU12へ出力する。CPU12は、マイクロコンピュータなどの演算手段と記憶手段とを有し、A/D変換器13からのドレイン電流値と、FET32の雰囲気温度を測定する温度センサからの温度データと、を取得する。
A resistor Rd for measuring the drain current Idsdc is connected to the drain of the
図3は高周波増幅器の制御の流れを示している。図中のステップS1の初期設定及びステップS3の温度補償実動作はサブルーチンである。高周波増幅器の制御は主に高出力の第3段増幅器に関するもので、ステップS1では、第3段増幅器を雰囲気温度を変えることのできる恒温槽に入れて温度に対するドレイン電流Idsdcの変化から出力すべきゲート電圧Vgsrfを算出するための温度補償データを作成するものである。 FIG. 3 shows a control flow of the high frequency amplifier. The initial setting in step S1 and the actual temperature compensation operation in step S3 are subroutines. The control of the high-frequency amplifier is mainly related to the high-power third-stage amplifier. In step S1, the third-stage amplifier should be put in a thermostatic chamber capable of changing the ambient temperature and output from the change in the drain current Idsdc with respect to the temperature. The temperature compensation data for calculating the gate voltage Vgsrf is created.
ステップS1において、温度補償データが得られると、ステップS2において、そのデータをCPU12の記憶手段に記憶させる温度補償データロードを実行する。その後、ステップS3の温度補償実動作において、動作中の高周波増幅器のFET雰囲気温度を測定してアイドル時のドレイン電流Idsdcが予め決められた値になるようにゲート電圧Vgsを制御することになる。
When the temperature compensation data is obtained in step S1, a temperature compensation data load for storing the data in the storage means of the
図2には第3段増幅器の温度補償動作の特性図を示し、図中横軸はFET基板温度、縦軸はドレイン電流Idsdcを示している。図中点線は、温度補償が無い場合の特性を示し、常温における特性を維持するように温度補償を行うことにより一定の特性を得ることが可能となる。 FIG. 2 shows a characteristic diagram of the temperature compensation operation of the third stage amplifier, in which the horizontal axis indicates the FET substrate temperature, and the vertical axis indicates the drain current Idsdc. The dotted line in the figure indicates the characteristic when there is no temperature compensation, and it is possible to obtain a certain characteristic by performing temperature compensation so as to maintain the characteristic at room temperature.
数百ワット級のFETの場合には、FET雰囲気温度が、例えば、80度に近づくに従い、FETの性能劣化が顕著となることから、単なる温度補償だけでなく、過熱保護をする必要がある。そこで、図2に示すように別々に温度補償と過熱保護とを施したFET毎の制御では第3段A増幅器と第3段B増幅器との高周波特性が一致しない場合がある。高周波特性が一致しない場合には、高出力化を図るためにFETを並列接続する構成において、各FETの負荷が偏る可能性がある。 In the case of a FET of several hundred watts, as the FET ambient temperature approaches 80 degrees, for example, the performance deterioration of the FET becomes remarkable. Therefore, it is necessary to perform not only temperature compensation but also overheat protection. Therefore, as shown in FIG. 2, the high-frequency characteristics of the third-stage A amplifier and the third-stage B amplifier may not match in the control for each FET separately subjected to temperature compensation and overheat protection. If the high-frequency characteristics do not match, the load of each FET may be biased in a configuration in which FETs are connected in parallel in order to achieve high output.
一般的に、ゲート電圧Vgsの制御はFET毎に行われるため、FET毎に高周波特性のばらつきが生じることになる。そこで、本実施形態では、各FETの負荷の偏りを低減して図2の最終特性に一致させるために複数のFETの制御を行った。 In general, since the gate voltage Vgs is controlled for each FET, a variation in high-frequency characteristics occurs for each FET. Therefore, in the present embodiment, a plurality of FETs are controlled in order to reduce the load bias of each FET and match the final characteristics of FIG.
図4は高周波増幅器の初期設定のサブルーチンの流れを示している。初期設定を開始するために、ステップS10において、図1の第3段増幅器30を恒温槽内に設置し、ドレイン電流IdsdcをA/D変換器13により測定し、FETの雰囲気温度を温度センサ34で測定し、予め決められたドレイン電流(アイドル電流)となるようにゲート電圧Vgsを調整する。
FIG. 4 shows a flow of a subroutine for initial setting of the high frequency amplifier. In order to start the initial setting, in step S10, the
次に、ステップS12において、恒温槽内を常温(例えば25度)に設定して、ドレイン電流IdsdcをA/D変換器13により測定し、FETの雰囲気温度を温度センサ34で測定し、予め決められたドレイン電流(アイドル電流)となるようにゲート電圧Vgsを調整し、調整したゲート電圧Vgsと雰囲気温度とを記憶する。
Next, in step S12, the inside of the thermostatic chamber is set to room temperature (for example, 25 degrees), the drain current Idsdc is measured by the A /
ステップS14において、恒温槽内を最低温度(例えば−20度)に設定して、ドレイン電流IdsdcをA/D変換器13により測定し、FETの雰囲気温度を温度センサ34で測定し、予め決められたドレイン電流(アイドル電流)となるようにゲート電圧Vgsを調整し、調整したゲート電圧Vgsと雰囲気温度とを記憶する。
In step S14, the inside of the thermostatic chamber is set to a minimum temperature (for example, −20 degrees), the drain current Idsdc is measured by the A /
ステップS16において、恒温槽内を最高温度(例えば50度)に設定して、ドレイン電流IdsdcをA/D変換器13により測定し、FETの雰囲気温度を温度センサ34で測定し、予め決められたドレイン電流(アイドル電流)となるようにゲート電圧Vgsを調整し、調整したゲート電圧Vgsと雰囲気温度とを記憶する。
In step S16, the inside of the thermostatic chamber is set to the maximum temperature (for example, 50 degrees), the drain current Idsdc is measured by the A /
ステップS18において、最低温度、常温及び最高温度における測定結果から、温度に対するゲート電圧の傾きを計算して温度補償テーブルを作成して、図3のフローチャートに戻る。図3のステップS2において、このようにして得られた温度補償データを統計データとして組み入れ、例えば、最小二乗法を適用して多項式近似式を求めて、代表値を作成する。量産時には完成した温度補償データの代表値のロードのみを行う。なお、初期設定中にアイドル電流設定値のばらつきを統計的に把握することで、ロット毎の特性把握が可能となる。ここで、本実施形態において、特徴的な事項の一つは、ステップS3の温度補償実動作において特性のばらつきを微調整することである。この微調整により、初期設定時の温度補償データは、おおよその特性を得るだけですみ、個々の特性をCPUに記憶する必要が無くなることである。 In step S18, the gradient of the gate voltage with respect to the temperature is calculated from the measurement results at the minimum temperature, the normal temperature, and the maximum temperature to create a temperature compensation table, and the process returns to the flowchart of FIG. In step S2 of FIG. 3, the temperature compensation data obtained in this way is incorporated as statistical data, and, for example, a polynomial approximate expression is obtained by applying the least square method to create a representative value. For mass production, only the representative values of completed temperature compensation data are loaded. Note that it is possible to grasp the characteristics of each lot by statistically grasping the variation in the idle current set value during the initial setting. Here, in this embodiment, one of the characteristic matters is to finely adjust the characteristic variation in the actual temperature compensation operation in step S3. By this fine adjustment, the temperature compensation data at the initial setting only needs to obtain an approximate characteristic, and it is not necessary to store each characteristic in the CPU.
図5は高周波増幅器の温度補償実動作のサブルーチンの流れを示している。実動作のステップS20において、温度センサによりFET雰囲気温度を測定する。ステップS22において、CPUはドレイン電流IdsdcをA/D変換器から取得して、一時記憶する。次に、ステップS24において、温度補償データに基づき、測定された温度に応じたゲート電圧をD/A変換器から出力した後に、ドレイン電流IdsdcをA/D変換器から取得して一時記憶した電流値との差分をその他のFETの差分と比較し、差分が最小となるように再度バイアス電圧を調整する。ステップS26において、調整された制御信号となるゲートバイアス電圧をD/A変換器から出力して最初に戻ることになる。 FIG. 5 shows a flow of a subroutine of the temperature compensation actual operation of the high frequency amplifier. In step S20 of actual operation, the FET ambient temperature is measured by the temperature sensor. In step S22, the CPU acquires the drain current Idsdc from the A / D converter and temporarily stores it. Next, in step S24, after outputting a gate voltage corresponding to the measured temperature from the D / A converter based on the temperature compensation data, the drain current Idsdc is obtained from the A / D converter and temporarily stored. The difference from the value is compared with the difference of the other FETs, and the bias voltage is adjusted again so that the difference is minimized. In step S26, the gate bias voltage serving as the adjusted control signal is output from the D / A converter, and the process returns to the beginning.
以上、上述したように、本実施形態に係るFETバイアス回路は、コンピュータを用いて閉ループ制御によりバイアス変動を低減させると共に、A級,AB級及びB級のいずれもでもFETを動作させるような制御をすることが可能となる。また、FETバイアス回路は、温度変動における複数の高周波増幅器間のバイアス変動のばらつきを低減できる。本実施形態で説明した高周波増幅器は、基地局アンテナの近傍もしくは高所に配置され、日照により高温となりうるため、温度特性の良い高周波増幅器は重要である。 As described above, the FET bias circuit according to the present embodiment reduces bias fluctuation by closed loop control using a computer, and controls to operate the FET in any of class A, class AB, and class B. It becomes possible to do. In addition, the FET bias circuit can reduce variations in bias fluctuation among a plurality of high-frequency amplifiers due to temperature fluctuation. The high-frequency amplifier described in the present embodiment is disposed near or at a high place in the base station antenna, and can be heated by sunlight, so a high-frequency amplifier with good temperature characteristics is important.
1 高周波増幅器、10 第1段増幅器、11 D/A変換器、12 CPU、13 A/D変換器、20 第2段増幅器、30 第3段増幅器、31 第3段A増幅器、32 FET、33 演算増幅器、34 温度センサ、41 第3段B増幅器、C1,C2 コンデンサ、Rd,Rg 抵抗、Vgsdc,Vgsrf ゲート電圧、Vdsdc ドレイン電圧、Idsdc,Idsrf ドレイン電流。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
FETのドレイン電流を測定するドレイン電流測定手段と、
FETの雰囲気温度を測定する温度測定手段と、
FETのゲートバイアス設定手段と、
複数の高周波増幅器の制御を行う制御手段と、
を有し、
制御手段は、ドレイン電流測定手段の電流値により得られたアイドル時のドレイン電流と、温度測定手段の雰囲気温度と、に基づいて予め決められたアイドル電流となるように各高周波増幅器のゲート電圧を制御することを特徴とするFETバイアス回路。 In the FET bias circuit provided in the high frequency amplifier that inputs the high frequency signal amplified by the amplifier in the previous stage to the gate of the FET in the final stage and obtains the amplified signal from the drain,
Drain current measuring means for measuring the drain current of the FET;
Temperature measuring means for measuring the ambient temperature of the FET;
FET gate bias setting means;
Control means for controlling a plurality of high-frequency amplifiers;
Have
The control means sets the gate voltage of each high-frequency amplifier so that the idle current is determined in advance based on the drain current during idling obtained from the current value of the drain current measuring means and the ambient temperature of the temperature measuring means. An FET bias circuit characterized by controlling.
制御手段は、ドレイン電流測定手段よりFET動作時の消費電流とアイドル時のドレイン電流とを取得して、予め記憶された温度補償テーブルに基づいてドレイン電流を予め決められた値に制御することで温度補償することを特徴とするFETバイアス回路。 The FET bias circuit of claim 1, wherein
The control means obtains the current consumption during FET operation and the drain current during idle operation from the drain current measurement means, and controls the drain current to a predetermined value based on a pre-stored temperature compensation table. An FET bias circuit characterized by temperature compensation.
各高周波増幅器のゲート電圧は制御手段によって制御され、制御手段は、各FETバイアス回路により各高周波増幅器の高周波特性のばらつきを低減させることを特徴とするFETバイアス回路。 The FET bias circuit according to claim 1 or 2,
An FET bias circuit characterized in that the gate voltage of each high-frequency amplifier is controlled by control means, and the control means reduces variation in high-frequency characteristics of each high-frequency amplifier by each FET bias circuit.
制御手段は、温度測定手段から取得した雰囲気温度が予め設定した温度より高くなった場合、過熱防止のために各高周波増幅器の高周波特性のばらつきを低減させながらゲート電圧を低下させることを特徴とするFETバイアス回路。 The FET bias circuit according to claim 1 or 2,
The control means is characterized in that when the ambient temperature acquired from the temperature measurement means becomes higher than a preset temperature, the gate voltage is lowered while reducing the variation in the high frequency characteristics of each high frequency amplifier in order to prevent overheating. FET bias circuit.
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