JP2011155482A

JP2011155482A - 電力増幅器

Info

Publication number: JP2011155482A
Application number: JP2010015580A
Authority: JP
Inventors: Taiyo Oishi; 太洋大石
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2010-01-27
Filing date: 2010-01-27
Publication date: 2011-08-11

Abstract

【課題】回路動作の安定化を図りつつ、高利得及び高出力の増幅特性を有する電力増幅器を提案する。
【解決手段】電力増幅器１１は、多段接続される複数のトランジスタセル１１０，１４０を備える。最前段のトランジスタセル１１０は、並列接続される複数のトランジスタ１１１を含む。最終段のトランジスタセル１４０は、並列接続される複数のトランジスタ１４１を含む。トランジスタ１４１のベース抵抗値は、トランジスタ１１１のベース抵抗値よりも小さい。このような回路設計によれば、最終段のトランジスタセル１４０を構成するトランジスタ１４１のベース抵抗による電力損失を抑制し、所望のＰ１ｄＢを得るとともに、最前段のトランジスタセル１１０を構成するトランジスタ１１１のベース抵抗によるベース電流制限により回路動作の安定化を実現できる。
【選択図】図１

Description

本発明は多段接続される複数のトランジスタセルを備える電力増幅器に関する。

ＯＦＤＭ方式（直交周波数分割多重方式）は、地上波デジタル放送、無線ＬＡＮ、電力線モデム等で用いられるデジタル変調方式の１つであり、フェージングやマルチパスの影響を受け難い高品質な通信を可能とする利点を有している。この種のデジタル変調方式に用いられる電力増幅器には、高出力化や高効率化とともに低歪み化が要求されている。一般に、トランジスタは、入力信号の増加に対して出力信号が線形的に増加する線形領域と、入力信号の増加に対して出力信号の利得圧縮が生じる飽和領域とを有する入出力特性を有しており、飽和領域での信号増幅は出力信号の歪みをもたらすことが知られている。ＯＦＤＭ方式では、多数のシンボルが多重されるため、送信信号波形はガウス分布となり、ＰＡＲ（ピーク対平均電力比）が大きくなる傾向がある。このため、ＯＦＤＭ方式に使用される電力増幅器では、トランジスタの動作出力点をそのトランジスタの飽和出力点から数ｄＢバックオフした点に設定し、トランジスタをなるべく線形領域に近い領域で動作させて、低歪み化を実現させている。この種の電力増幅器は、高利得且つ高出力の増幅特性を得るために、一般的に、多段接続される複数のトランジスタセルを有しており、特に、最前段のトランジスタセルには、高利得の増幅特性が求められる一方、最終段のトランジスタセルには、バックオフを大きくとる観点から高いＰ１ｄＢ（１ｄＢ利得圧縮点）を出力するための出力特性が求められる。

この種の電力増幅器に関連する文献として、例えば、特許第３９５２４００号公報が知られている。同公報の図４に記載の電力増幅器７０は、最前段のトランジスタセル１２を構成する複数のトランジスタ１４として、ベース抵抗を有さずにエミッタ抵抗のみを有する複数のトランジスタを採用し、最終段のトランジスタセル７２を構成する複数のトランジスタ７４として、ベース抵抗とエミッタ抵抗の両方を有する複数のトランジスタを採用することにより、雑音特性及び利得特性の向上を図り、電力効率を高めている。

特許第３９５２４００号公報

しかし、最終段のトランジスタセル７２を構成する複数のトランジスタ７４として、ベース抵抗を有する複数のトランジスタを採用すると、電力損失が生じてしまい、所望のＰ１ｄＢを出力することが困難になる。また、最前段のトランジスタセル１２を構成する複数のトランジスタ１４として、ベース抵抗を有しない複数のトランジスタを採用すると、高利得が要求されるトランジスタ１４に大きいベース電流が流れることになるため、回路動作が不安定になりやすい。

そこで、本発明は、回路動作の安定化を図りつつ、高利得及び高出力の増幅特性を有する電力増幅器を提案することを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明に係わる電力増幅器は、多段接続される複数のトランジスタセルを備える。複数のトランジスタセルのうち最前段のトランジスタセルは、一つ又は並列接続される複数の第一のトランジスタを含む。複数のトランジスタセルのうち最終段のトランジスタセルは、並列接続される複数の第二のトランジスタを含む。第二のトランジスタのベース抵抗値は、第一のトランジスタのベース抵抗値よりも小さい。このような回路設計によれば、最終段のトランジスタセルを構成する第二のトランジスタのベース抵抗による電力損失を抑制し、所望のＰ１ｄＢを得るとともに、最前段のトランジスタセルを構成する第一のトランジスタのベース抵抗によるベース電流制限により回路動作の安定化を実現できる。

第二のトランジスタのベース抵抗は配線抵抗のみとしてもよい。これにより回路面積を縮小でき、電力増幅器を小型化できる利点を有する。

最前段のトランジスタセルは、一つ又は並列接続される複数の第一のトランジスタの出力を一つ又は並列接続される複数の第一のトランジスタの入力に負帰還させるための負帰還回路を更に備えてもよい。最前段のトランジスタセルは、複数のトランジスタセルの中で最も高い利得が要求され、回路動作が不安定になりやすいので、負帰還回路を設けることにより、出力振幅を抑制し、回路動作を安定化できる。

本発明によれば、回路動作の安定化を図りつつ、高利得及び高出力の増幅特性を有する電力増幅器を提供できる。

実施例１に係わる電力増幅器の回路構成図である。実施例２に係わる電力増幅器の回路構成図である。実施例３に係わる電力増幅器の回路構成図である。実施例４に係わる電力増幅器の回路構成図である。

本実施形態に係わる電力増幅器は、高利得及び高出力の増幅特性を得るために、多段接続される複数のトランジスタセルを備える。最前段のトランジスタセルは、一つのトランジスタ又は並列接続される複数のトランジスタを含む。最前段を除く二段目以降のトランジスタセルは、並列接続される複数のトランジスタを含む。一般的に、トランジスタセルのトランジスタ数が多くなると、トランジスタ間のインピーダンス不整合により利得が低下しやすくなるので、前段のトラジスタセルでは、トランジスタ数を少なくして高利得が得られるように設計する一方、高出力が要求される後段のトランジスタセルでは、トランジスタ数を多くして所望のＰ１ｄＢが得られるように設計するのが好ましい。言い換えれば、後段のトランジスタセルのトランジスタ数は、前段のトランジスタセルのトランジスタ数よりも多くなるように設計するのが好ましい。特に、高出力が要求される最終段のトランジスタセルを構成するトランジスタのベース抵抗値は、高利得が要求される最前段のトランジスタセルを構成するトランジスタのベース抵抗値よりも小さくなるように設計するのが好ましい。このような回路設計によれば、最終段のトランジスタセルを構成するトランジスタのベース抵抗による電力損失を抑制し、所望のＰ１ｄＢを得るとともに、最前段のトランジスタセルを構成するトランジスタのベース抵抗によるベース電流制限により回路動作の安定化を実現できる。

ここで、トランジスタのベース抵抗とＫファクタとの関係について簡単に説明する。Ｋファクタは、トランジスタ等の二端子回路網の安定性を示す指標であり、Ｓパラメータを用いて以下のように記述できる。
Ｋ＝｛１−│Ｓ₁₁│²−│Ｓ₂₂│²＋│Ｄ│²｝／２│Ｓ₁₂Ｓ₂₁│
│Ｄ│＝│Ｓ₁₁Ｓ₂₂−Ｓ₁₂Ｓ₂₁│

二端子回路網の入力端子及び出力端子に接続されるデバイスの如何なるインピーダンスに対しても二端子回路網が安定である条件は、Ｋ＞１かつ│Ｄ│＜１である。但し、トランジスタ等の三端子素子は、│Ｄ│＜１であるから、トランジスタの安定性はＫの値で判定できる。Ｋ＜１のときは、条件付き安定であり、トランジスタの入力端子及び出力端子に接続されるデバイスのインピーダンスに応じて発振等の不安定動作を起こす可能性があることを示している。一方、Ｋ＞１のときは、無条件安定であり、トランジスタの入力端子及び出力端子に如何なるデバイスが接続されても発振を起こさない。トランジスタのベース端子にベース抵抗を接続すると、ベース電流が制限されるので、トランジスタの利得が低下し、結果として│Ｓ₂₁│の値が小さくなる。│Ｓ₂₁│の値が小さくなると、Ｋの値は大きくなるので、Ｋ＞１のときに無条件安定となる。特に、高利得が要求される最前段のトランジスタセルは、不安定になりすいので、高出力が要求される最終段のトランジスタセルよりも相対的にベース抵抗を大きくすることにより、Ｐ１ｄＢを低下させることなく、回路動作を安定化できる。ベース抵抗に加えてエミッタ抵抗をトランジスタに接続すると、ベース電流のみならずエミッタ電流も効果的に制限されるため、│Ｓ₂₁│の値は更に小さくなり、回路動作はより安定化する。

なお、本明細書において、トランジスタのベース抵抗とは、信号配線（多段接続されるトランジスタセル間を接続して信号を伝播するための配線）とベースバイアス電源との接続点からトランジスタのベース端子までの配線抵抗を含む抵抗を意味する。

トランジスタセル内の全てのトランジスタは、同一の増幅特性を有するものであることが好ましく、例えば、各トランジスタのフィンガ数や抵抗値（ベース抵抗値、エミッタ抵抗値、コレクタ抵抗値）等は均一であることが好ましい。

以下、各図を参照しながら本発明に係わる実施例について説明する。同一の回路素子については、同一の符号を付すものとし、重複する説明を省略する。また、実施例２乃至４では、実施例１との相違点を中心に説明するものとし、重複する説明を省略する。

図１は実施例１に係わる電力増幅器１１の回路構成を示す。電力増幅器１１は、多段接続される二つのトランジスタセル１１０，１４０と、入力端子４１０と最前段のトランジスタセル１１０の入力とをインピーダンス整合するための入力整合回路２１０と、最前段のトランジスタセル１１０の出力と最終段のトランジスタセル１４０の入力とをインピーダンス整合するための段間整合回路２２０と、最終段のトランジスタセル１４０の出力と出力端子４２０とをインピーダンス整合するための出力整合回路２４０とを備える。信号配線３００は、多段接続されるトランジスタセル１１０，１４０間を接続して信号を伝播するための配線である。最前段のトランジスタセル１１０は、並列接続された複数のトランジスタ１１１を有する。トランジスタ１１１は、ベース端子を入力端子とし、コレクタ端子を出力端子とするエミッタ接地増幅器であり、ベース電流を制限するためのベース抵抗ｒｂ１と、エミッタ電流を制限するためのエミッタ抵抗ｒｅ１とを有する。ベースバイアス電源Ｖｂｂ１及びコレクタバイアス電源Ｖｃｅ１は、トランジスタセル１１０が信号を高利得で線形増幅するように複数のトランジスタ１１１のそれぞれのバイアス点を制御する。最終段のトランジスタセル１４０は、並列接続された複数のトランジスタ１４１を有する。トランジスタ１４１は、ベース端子を入力端子とし、コレクタ端子を出力端子とするエミッタ接地増幅器であり、エミッタ電流を制限するためのエミッタ抵抗ｒｅ４を有する。ベースバイアス電源Ｖｂｂ４及びコレクタバイアス電源Ｖｃｅ４は、トランジスタセル１４０が信号を高出力で線形増幅するように複数のトランジスタ１４１のそれぞれのバイアス点を制御する。

トランジスタ１４１のベース抵抗は、信号配線３００とベースバイアス電源Ｖｂｂ４との接続点３０４からトランジスタ１４１のベース端子までの配線抵抗のみから成り、抵抗素子（シート抵抗、薄膜チップ抵抗又は金属皮膜抵抗等の抵抗素子）を含まない。このため、トランジスタ１４１のベース抵抗による電力損失を抑制し、所望のＰ１ｄＢを得ることができる。また、トランジスタ１４１のベース抵抗は、配線抵抗のみで構成されているため、抵抗素子形成用の面積が不要となり、トランジスタセル１４０の面積を縮小できるという利点を有する。高出力が要求される最終段のトランジスタセル１４０のトランジスタ数は、高利得が要求される最前段のトランジスタセル１１０のトランジスタ数よりも多いため、抵抗素子形成用の面積が不要になる効果は大きい。また、高利得が要求されるトランジスタ１１１のベース抵抗ｒｂ１は、抵抗素子（シート抵抗、薄膜チップ抵抗又は金属皮膜抵抗等の抵抗素子）のみならず、信号配線３００とベースバイアス電源Ｖｂｂ１との接続点３０１からトランジスタ１１１のベース端子までの配線抵抗を含むため、その抵抗値は高出力が要求されるトランジスタ１４１のベース抵抗よりも大きい。トランジスタ１１１にベース抵抗ｒｂ１を接続することにより、そのベース電流は制限されるため、回路全体として電力増幅器１１のＫファクタの値は大きくなり、回路動作が安定化する。また、回路動作をより安定化させるには、トランジスタ１１１，１４１のそれぞれにエミッタ抵抗ｒｅ１，ｒｅ４を接続するのが好ましい。

なお、電力増幅器１１の高出力化よりも安定性が重視される場合には、トランジスタ１４１のベース抵抗がトランジスタ１１１のベース抵抗ｒｂ１よりも小さいという条件が満たされる限り、トランジスタ１４１のベース抵抗は、抵抗素子（シート抵抗、薄膜チップ抵抗、又は金属皮膜抵抗等の抵抗素子）と配線抵抗とを含むように回路設計してもよい。トランジスタ１４１のベース電流を制限することで、回路動作はより安定化する。また、最前段のトランジスタセル１１０を構成するトランジスタ１１１の個数は、複数に限られるものではなく、一つでもよい。また、トランジスタセルの数は二つに限定されるものではなく、例えば、後述する実施例２乃至４に示すように三つでもよく、或いは実施例に図示していないが四つ以上でもよい。

図２は実施例２に係わる電力増幅器１２の回路構成を示す。電力増幅器１２は、多段接続される三つのトランジスタセル１１０，１２０，１４０と、入力端子４１０と最前段のトランジスタセル１１０の入力とをインピーダンス整合するための入力整合回路２１０と、最前段のトランジスタセル１１０の出力と二段目のトランジスタセル１２０の入力とをインピーダンス整合するための段間整合回路２２０と、二段目のトランジスタセル１２０の出力と最終段のトランジスタセル１４０の入力とをインピーダンス整合するための段間整合回路２３０と、最終段のトランジスタセル１４０の出力と出力端子４２０とをインピーダンス整合するための出力整合回路２４０とを備える。二段目のトランジスタセル１２０は、並列接続された複数のトランジスタ１２１を有する。トランジスタ１２１は、ベース端子を入力端子とし、コレクタ端子を出力端子とするエミッタ接地増幅器であり、エミッタ電流を制限するためのエミッタ抵抗ｒｅ２を有する。ベースバイアス電源Ｖｂｂ２及びコレクタバイアス電源Ｖｃｅ２は、トランジスタセル１２０が信号を高出力で線形増幅するように複数のトランジスタ１２１のそれぞれのバイアス点を制御する。

トランジスタ１２１のベース抵抗は、信号配線３００とベースバイアス電源Ｖｂｂ２との接続点３０２からトランジスタ１２１のベース端子までの配線抵抗のみから成り、抵抗素子（シート抵抗、薄膜チップ抵抗又は金属皮膜抵抗等の抵抗素子）を含まない。最前段のトランジスタセル１１０のベース抵抗ｒｂ１で回路動作を十分に安定化できる場合には、二段目及び最終段のトランジスタセル１２０，１４０のベース抵抗を配線抵抗のみとすることで、回路動作の安定化を図りつつ、高利得及び高出力の増幅特性を有する電力増幅器１２を提供できる。

図３は実施例３に係わる電力増幅器１３の回路構成を示す。電力増幅器１３は、多段接続される三つのトランジスタセル１１０，１３０，１４０と、入力端子４１０と最前段のトランジスタセル１１０の入力とをインピーダンス整合するための入力整合回路２１０と、最前段のトランジスタセル１１０の出力と二段目のトランジスタセル１３０の入力とをインピーダンス整合するための段間整合回路２２０と、二段目のトランジスタセル１３０の出力と最終段のトランジスタセル１４０の入力とをインピーダンス整合するための段間整合回路２３０と、最終段のトランジスタセル１４０の出力と出力端子４２０とをインピーダンス整合するための出力整合回路２４０とを備える。二段目のトランジスタセル１３０は、並列接続された複数のトランジスタ１３１を有する。トランジスタ１３１は、ベース端子を入力端子とし、コレクタ端子を出力端子とするエミッタ接地増幅器であり、ベース電流を制限するためのベース抵抗ｒｂ３と、エミッタ電流を制限するためのエミッタ抵抗ｒｅ３とを有する。ベースバイアス電源Ｖｂｂ３及びコレクタバイアス電源Ｖｃｅ３は、トランジスタセル１１０が信号を高利得で線形増幅するように複数のトランジスタ１３１のそれぞれのバイアス点を制御する。

高利得が要求されるトランジスタ１３１のベース抵抗ｒｂ３は、抵抗素子（シート抵抗、薄膜チップ抵抗又は金属皮膜抵抗等の抵抗素子）のみならず、信号配線３００とベースバイアス電源Ｖｂｂ３との接続点３０３からトランジスタ１３１のベース端子までの配線抵抗を含む。最前段のトランジスタセル１１０のベース抵抗ｒｂ１のみでは回路動作を十分に安定化できない場合には、最前段のトランジスタセル１１０に加えて二段目のトランジスタセル１３０に抵抗素子を接続することで、回路動作の安定化を図りつつ、高利得及び高出力の増幅特性を有する電力増幅器１３を提供できる。

図４は実施例４に係わる電力増幅器１４の回路構成を示す。電力増幅器１４は、多段接続される三つのトランジスタセル１１０，１３０，１４０と、入力端子４１０と最前段のトランジスタセル１１０の入力とをインピーダンス整合するための入力整合回路２１０と、最前段のトランジスタセル１１０の出力と二段目のトランジスタセル１３０の入力とをインピーダンス整合するための段間整合回路２２０と、二段目のトランジスタセル１３０の出力と最終段のトランジスタセル１４０の入力とをインピーダンス整合するための段間整合回路２３０と、最終段のトランジスタセル１４０の出力と出力端子４２０とをインピーダンス整合するための出力整合回路２４０と、トランジスタセル１１０の出力の一部を逆位相でトランジスタセル１１０の入力に負帰還させるための負帰還回路５００を備える。三つのトランジスタセル１１０，１３０，１４０の中で、最前段のトランジスタセル１１０は、最も高い利得が要求され、回路動作が不安定になりやすいので、トランジスタセル１１０に負帰還回路５００を設けることにより、出力振幅を抑制し、回路動作を安定化できる。また、帯域を広げることができる利点を有する。なお、回路動作の安定化が重視される場合には、二段目以降のトランジスタセルに負帰還回路５００を設けてもよい。

本発明に係わる電力増幅器は、例えば、無線ＬＡＮやＥＴＣ等で使用されるＯＦＤＭ等の無線通信の信号を線形増幅する用途に利用できる。

１１，１２，１３，１４…電力増幅器
１１０，１２０，１３０，１４０…トランジスタセル
１１１，１２１，１３１，１４１…トランジスタ

Claims

多段接続される複数のトランジスタセルを備える電力増幅器であって、
前記複数のトランジスタセルのうち最前段のトランジスタセルは、一つ又は並列接続される複数の第一のトランジスタを含み、
前記複数のトランジスタセルのうち最終段のトランジスタセルは、並列接続される複数の第二のトランジスタを含み、
前記第二のトランジスタのベース抵抗値は、前記第一のトランジスタのベース抵抗値よりも小さい、電力増幅器。
請求項１に記載の電力増幅器であって、
前記第二のトランジスタのベース抵抗は配線抵抗のみから成る、電力増幅器。
請求項１又は請求項２に記載の電力増幅器であって、
前記最前段のトランジスタセルは、前記一つ又は並列接続される複数の第一のトランジスタの出力を前記一つ又は並列接続される複数の第一のトランジスタの入力に負帰還させるための負帰還回路を更に備える、電力増幅器。