JP2020010143A - 電力増幅回路 - Google Patents
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Abstract
【課題】回路規模の増大を抑制しつつ、最大出力電力を増大させることができる電力増幅回路を提供する。【解決手段】電力増幅回路100Aは、第1及び第2信号が入力される下段差動対A1と、第1及び第2増幅信号を出力する上段差動対A2と、第1及び第2増幅信号を合成する合成器50と、第1及び第2インダクタL4、L5と、第1及び第2キャパシタC4、C5と、を備える。下段差動対は、第1トランジスタ11と第2トランジスタ12と、を含み、上段差動対は、エミッタが第1インダクタL6を通じて接地に接続されかつ第1キャパシタC4を通じて第1トランジスタに接続された第3トランジスタ13と、エミッタが第2インダクタL7を通じて接地に接続されかつ第2キャパシタC5を通じて第2トランジスタに接続された第4トランジスタ14と、を含む。【選択図】図1
Description
本発明は、電力増幅回路に関する。
携帯電話等の移動体通信機においては、トランジスタを用いた電力増幅回路が搭載されている。例えば、非特許文献1には、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ(HBT:Heterojunction Bipolar Transistor)を用いた電力増幅回路が開示されている。また、特許文献1には、2つのHBTがカスコード接続された電力増幅回路が開示されている。
Satoshi Tanaka、「Evolution of Power Amplifier for mobile applications」、International Meeting for Future of Electron Devices, Kansai(IMFEDK)、IEEE、2013、p.112−113
電力増幅回路においては、電源電圧を昇圧することにより最大出力電力を増大させることができる。しかし、非特許文献1に開示される回路では、トランジスタのコレクタ・ベース間の耐電圧によって電源電圧の上限が制約される。この点、特許文献1に開示される回路では、2つのトランジスタがカスコード接続されることにより各トランジスタに印加される電圧が分圧されるため、非特許文献1に開示される構成よりも電源電圧の上限を上げることができる。しかし、電源電圧としてバッテリ電圧の上限より高い電圧を印加するために昇圧型の変換回路が必要となり、回路規模が大きくなる。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、回路規模の増大を抑制しつつ、最大出力電力を増大させることができる電力増幅回路を提供することを目的とする。
かかる目的を達成するため、本発明の一側面に係る電力増幅回路は、第1信号と第2信号とが入力される下段差動対と、下段差動対の上段に設けられ、第1信号及び第2信号にそれぞれ対応する第1増幅信号及び第2増幅信号を出力する上段差動対と、第1増幅信号及び第2増幅信号を合成して合成信号を出力する合成器と、第1インダクタ及び第2インダクタと、第1キャパシタ及び第2キャパシタと、を備え、下段差動対は、コレクタ又はドレインに第1電源電圧が供給され、エミッタ又はソースが接地に接続され、ベース又はゲートに第1信号が供給される第1トランジスタと、コレクタ又はドレインに第1電源電圧が供給され、エミッタ又はソースが接地に接続され、ベース又はゲートに第2信号が供給される第2トランジスタと、を含み、上段差動対は、コレクタ又はドレインに第2電源電圧が供給され、エミッタ又はソースが第1インダクタを通じて接地に接続されるとともに、第1キャパシタを通じて第1トランジスタのコレクタ又はドレインに接続された第3トランジスタと、コレクタ又はドレインに第2電源電圧が供給され、エミッタ又はソースが第2インダクタを通じて接地に接続されるとともに、第2キャパシタを通じて第2トランジスタのコレクタ又はドレインに接続された第4トランジスタと、を含む。
本発明によれば、回路規模の増大を抑制しつつ、最大出力電力を増大させることができる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、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
図1は、本発明の第1実施形態に係る電力増幅回路の構成例を示す図である。本実施形態に係る電力増幅回路は、例えば携帯電話等の移動体通信機において、入力される無線周波数(RF:Radio Frequency)信号を増幅し、増幅信号を出力する回路である。RF信号の周波数は、例えば数〜数十GHz程度である。
図1に示されるように、電力増幅回路100Aは、トランジスタ10〜14、バイアス回路20〜24、電圧調整回路30,31、分配器40、合成器50、キャパシタC1〜C5及びインダクタL1〜L7を備える。
電力増幅回路100Aは、二段の増幅器を有する。初段(ドライブ段)の増幅器は、トランジスタ10を含み、後段(パワー段)の増幅器はトランジスタ11〜14を含む。ドライブ段は、入力信号RF1を増幅して、増幅信号RF2を出力する。パワー段は、ドライブ段から出力された増幅信号RF2をさらに増幅して、増幅信号RF3a,RF3bを出力する。
本実施形態において、トランジスタ10〜14は、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ(HBT:Heterojunction Bipolar Transistor)等のバイポーラトランジスタにより構成される。なお、トランジスタ10〜14は、バイポーラトランジスタに限られず、例えばMOSFET(Metal−oxide−semiconductor Field−Effect Transistor)等の電界効果トランジスタにより構成されてもよい。その場合、コレクタ、ベース、エミッタを、それぞれ、ドレイン、ゲート、ソースに読み替えればよい。
トランジスタ10は、コレクタにインダクタL1を通じて電源電圧Vcc1が供給され、ベースにキャパシタC1を通じて入力信号RF1が供給され、エミッタが接地に接続される。また、トランジスタ10のベースには、バイアス回路20から出力されるバイアス電流が供給される。これにより、トランジスタ10のコレクタから増幅信号RF2が出力される。
分配器40は、ドライブ段の増幅器とパワー段の増幅器の間に設けられる。分配器40は、トランジスタ10のコレクタから出力される増幅信号RF2を、位相が互いに逆位相である増幅信号RF2a(第1信号)と増幅信号RF2b(第2信号)とに分配して出力する。
トランジスタ11(第1トランジスタ)とトランジスタ12(第2トランジスタ)は、差動増幅動作を行う下段差動対A1を構成する。具体的に、トランジスタ11は、コレクタにインダクタL2(第3インダクタ)を通じて電源電圧Vcc2(第1電源電圧)が供給され、ベースにキャパシタC2を通じて増幅信号RF2aが供給され、エミッタが接地に接続される。トランジスタ12は、コレクタにインダクタL3(第4インダクタ)を通じて電源電圧Vcc2が供給され、ベースにキャパシタC3を通じて増幅信号RF2bが供給され、エミッタが接地に接続される。また、トランジスタ11,12のベースには、それぞれ、バイアス回路21,22から出力されるバイアス電流又は電圧が供給される。これにより、トランジスタ11,12のコレクタから、それぞれ増幅信号が出力される。
トランジスタ13(第3トランジスタ)とトランジスタ14(第4トランジスタ)は、下段差動対A1と同期して差動増幅動作を行う上段差動対A2を構成する。具体的に、トランジスタ13は、コレクタにインダクタL4を通じて電源電圧Vcc3(第2電源電圧)が供給され、ベースにバイアス回路23から電圧調整回路30を通じてバイアス電流又は電圧が供給され、エミッタがインダクタL6(第1インダクタ)を通じて接地に接続される。トランジスタ14は、コレクタにインダクタL5を通じて電源電圧Vcc3が供給され、ベースにバイアス回路24から電圧調整回路31を通じてバイアス電流又は電圧が供給され、エミッタがインダクタL7(第2インダクタ)を通じて接地に接続される。また、トランジスタ13は、下段のトランジスタ11とカスコード接続され、エミッタがキャパシタC4(第1キャパシタ)を通じてトランジスタ11のコレクタに接続される。トランジスタ14は、下段のトランジスタ12とカスコード接続され、エミッタがキャパシタC5(第2キャパシタ)を通じてトランジスタ12のコレクタに接続される。これにより、上段のトランジスタ13,14のコレクタから、それぞれ、下段のトランジスタ11,12から出力された信号をさらに増幅した増幅信号RF3a(第1増幅信号),RF3b(第2増幅信号)が出力される。このように、パワー段の増幅器は、下段差動対A1と上段差動対A2とがカスコード接続された構成を含む。パワー段の増幅器の動作の詳細については後述する。
バイアス回路20〜24は、それぞれ、バイアス電流又は電圧を生成し、トランジスタ10〜14のベースにバイアス電流又は電圧を供給する。
図2Aは、バイアス回路20の構成例(バイアス回路20A)を示す図である。図2Aに示されるように、バイアス回路20Aは、ダイオード200,201、トランジスタ210、抵抗素子220及び電流源230を備える。
ダイオード200,201及び電流源230は、所定レベルの電圧を生成するように構成される。具体的には、ダイオード200,201は直列接続され、ダイオード200のアノードに電流源230から定電流が供給され、ダイオード201のカソードが接地に接続される。これにより、ダイオード200のアノードに所定レベルの電圧(例えば、2.6V程度)が生成される。なお、ダイオード200,201の代わりに、コレクタとベースが接続されたトランジスタが用いられてもよい。
トランジスタ210は、コレクタに電源電圧Vccbが供給され、ベースがダイオード200のアノードに接続され、エミッタが抵抗素子220の一端に接続される。トランジスタ210は、エミッタから抵抗素子220を通じてトランジスタ10(図1参照)のベースにバイアス電流を供給する。
なお、ダイオード200,201のいずれか一方又は双方を、図1に示されるトランジスタ10〜14のいずれかと熱的に結合させることにより、当該トランジスタの発熱の影響に応じてバイアス電流の電流量を調整することができる。ここで言う熱的な結合とは、当該トランジスタの発熱に応じてバイアス電流の電流量が変化することを指す。具体的には、例えば、トランジスタ10〜14のいずれかが形成される領域の内部又は近接した領域に、ダイオード200,201のいずれか一方又は双方を配置させてもよい。
図2Bは、バイアス回路20の他の構成例(バイアス回路20B)を示す図である。図2Bに示されるように、バイアス回路20Bは、バイアス回路20Aが備える構成に加えて、抵抗素子221をさらに備える。
抵抗素子221は、ダイオード201のカソードと接地との間に接続される。これにより、バイアス回路20Bでは、ダイオード200のアノードの電圧を調整することができる。なお、バイアス回路21〜24の構成は、バイアス回路20A,20Bと同様とすることができるため、詳細な説明は省略する。
図1に戻り、電圧調整回路30は、バイアス回路23と上段のトランジスタ13のベースとの間に設けられる。電圧調整回路31は、バイアス回路24と上段のトランジスタ14のベースとの間に設けられる。電圧調整回路30,31の動作の詳細については後述する。
合成器50は、上段差動対A2を構成するトランジスタ13とトランジスタ14からそれぞれ出力される増幅信号RF3aと増幅信号RF3bを合成して、合成信号RF3を出力する。
キャパシタC1〜C3は、それぞれ、RF信号の直流成分を除去する。インダクタL1〜L5は、それぞれ、RF信号が電源回路(不図示)へと結合することを抑制する。
なお、図1においては図示が省略されているが、電力増幅回路100Aは、ドライブ段及びパワー段の増幅器の前後に回路間のインピーダンスを整合させる整合回路を備えていてもよい。
次に、パワー段の増幅器の動作について詳細に説明する。なお、以下では説明の便宜上、電源電圧Vcc2,Vcc3がいずれも直流電圧3V(以下、DC3Vと表記する。)であるものとして説明するが、電源電圧Vcc2,Vcc3の電圧値はこれに限られない。また、説明の簡単のため、各トランジスタ11〜14は線形領域で動作するものとし、ニー電圧は無視できるものとする。
キャパシタC4は、一端が上段のトランジスタ13のエミッタに接続され、他端が下段のトランジスタ11のコレクタに接続される。キャパシタC5は、一端が上段のトランジスタ14のエミッタに接続され、他端が下段のトランジスタ12のコレクタに接続される。キャパシタC4,C5は、低い周波数においてはインピーダンスが高く、高い周波数においてはインピーダンスが低い。従って、キャパシタC4,C5は、それぞれ、上段のトランジスタ13,14と下段のトランジスタ11,12を直流においては分離させ、交流においては接続させる機能を有する。
インダクタL6は、一端が上段のトランジスタ13のエミッタに接続され、他端が接地に接続される。インダクタL7は、一端が上段のトランジスタ14のエミッタに接続され、他端が接地に接続される。インダクタL6,L7は、低い周波数においてはインピーダンスが低く、高い周波数においてはインピーダンスが高い。従って、インダクタL6,L7は、それぞれ、上段のトランジスタ13,14のエミッタを直流においては接地に接続させ、交流においては下段のトランジスタ11,12のコレクタと接続させる機能を有する。
下段差動対A1に着目すると、トランジスタ11,12は、エミッタが接地され、コレクタに電源電圧Vcc2(DC3V)が供給されるため、コレクタにおけるRF信号の振幅は交流電圧が±3V(以下、AC±3Vと表記する。)となる。従って、下段のトランジスタ11,12のコレクタ電圧はDC3V±3V(すなわち、0V〜6V)の範囲において変動する。
次に、上段差動対A2に着目すると、トランジスタ13,14のエミッタは、直流においては接地に接続されるためDC0Vとなり、交流においては下段のトランジスタ11,12のコレクタと接続されるためAC±3Vとなる。従って、上段のトランジスタ13,14のエミッタ電圧はDC0V±3V(すなわち、−3V〜3V)の範囲において変動する。また、トランジスタ13,14のコレクタは、直流においては電源電圧Vcc3(DC3V)が供給されるためDC3Vとなり、交流においてはトランジスタ13,14のエミッタの変動範囲と合わせてAC±6Vとなる。従って、上段のトランジスタ13,14のコレクタ電圧はDC3V±6V(すなわち、−3V〜9V)の範囲において変動する。
さらに、本実施形態においては、下段のトランジスタ11,12と上段のトランジスタ13,14がそれぞれ差動対を構成する。従って、トランジスタ13が出力する増幅信号RF3aと、トランジスタ14が出力する増幅信号RF3bが合成器50において合成されることにより、合成器50が出力する合成信号RF3は−6V〜18Vの範囲において変動する。すなわち、合成信号RF3の信号振幅(24V)は、下段のトランジスタ11,12の各々のコレクタの信号振幅(6V)の4倍となる。
ここで、上段のトランジスタ13,14がオンとなるためには、当該トランジスタ13,14のベース・エミッタ間電圧が閾値電圧(例えば、1.3V程度)以上である必要がある。従って、トランジスタ13,14のベース電圧は、トランジスタ13,14のエミッタ電圧の変動(AC±3V)に伴ってDC1.3V±3V(すなわち、−1.7V〜4.3V)の範囲において変動する必要がある。この点、本実施形態においては、電圧調整回路30,31を備えることにより、トランジスタ13,14のベース電圧が調整されるため、当該ベース電圧の振幅動作がバイアス回路23,24によって制限されることが回避される。これにより、トランジスタ13,14のベース電圧がエミッタ電圧に伴って変動し、トランジスタ13,14のオン及びオフの状態が、トランジスタ11,12のオン及びオフの状態に一致することとなる。
上述のとおり、本実施形態においては、カスコード接続及び差動対を用いない構成に比べて、合成器50が出力する合成信号RF3の振幅が約4倍となる。従って、例えば電源電圧を昇圧させるための昇圧型の変換回路を用いることなく、信号振幅を増大させることができる。
ここで、信号の出力電力をP、コレクタ電圧をV、増幅器の負荷インピーダンスをRとすると、P=V2/Rの関係が成り立つ。従って、負荷インピーダンスRを一定とすると、コレクタ電圧Vが4倍になると出力電力Pが16倍となる。従って、本実施形態によると、電源電圧を上昇させることなく、すなわち回路規模の増大を抑制しつつ、最大出力電力を増大させることができる。
また、本実施形態の変形例として、インダクタL2とインダクタL6、及び、インダクタL3とインダクタL7の少なくともいずれか一方は、電力増幅回路100Aが実装される基板において互いに近接して配置されてもよい。「互いに近接する」とは、2つのインダクタ同士が磁界結合する程度に近接した状態をいう。インダクタL2とインダクタL6、及び、インダクタL3とインダクタL7は、互いに同位相の信号が流れているため、これらを磁界結合させることにより、磁界結合していない場合に比べて小さいインダクタンス値により同等の効果を得ることができる。
なお、本実施形態において、増幅器の段数は二段であるが、当該段数は二段に限られず、一段であってもよく三段以上であってもよい。本実施形態では、最終段の増幅器にカスコード構成及び差動対が適用されているが、増幅器が複数の段数を備える場合、カスコード構成及び差動対が適用される段は最終段に限られず、他のいずれかの段であってもよく、全ての段であってもよい。
また、本実施形態において、カスコード接続されるトランジスタの段数は二段であるが、当該段数は二段に限られず、三段以上であってもよい。その場合、二段の構成に比べて、最上段のトランジスタのコレクタの信号振幅がさらに増大する。例えば、合計N個(Nは2以上の整数)のトランジスタがカスコード接続された場合、最上段のトランジスタのコレクタの信号振幅は、一段構成におけるトランジスタのコレクタの信号振幅の約N倍となる。
図3は、本発明の第2実施形態に係る電力増幅回路の構成例を示す図である。なお、第2実施形態以降では、第1実施形態と同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。また、第2実施形態以降では、第1実施形態と共通の事柄についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については実施形態毎には逐次言及しない。
同図に示されるように、電力増幅回路100Bは、電力増幅回路100Aに比べて、電圧調整回路30,31の具体的な構成例が示され、かつドライブ段の増幅器が差動増幅される点において異なる。具体的に、電力増幅回路100Bは、トランジスタ15、バイアス回路25、キャパシタC8及びインダクタL10をさらに備え、分配器40の代わりに分配器41を備える。
電圧調整回路30は、キャパシタC6及びインダクタL8を備える。キャパシタC6(第3キャパシタ)は、一端が上段のトランジスタ13のベースに接続され、他端が接地に接続される。インダクタL8は、一端にバイアス回路23からバイアス電流が供給され、他端が上段のトランジスタ13のベースに接続される。電圧調整回路31は、キャパシタC7及びインダクタL9を備える。キャパシタC7(第4キャパシタ)は、一端が上段のトランジスタ14のベースに接続され、他端が接地に接続される。インダクタL9は、一端にバイアス回路24からバイアス電流が供給され、他端が上段のトランジスタ14のベースに接続される。
このように、電圧調整回路30,31がキャパシタC6,C7を備えることにより、トランジスタ13,14のベース電圧が調整される。従って、トランジスタ13,14のベース電圧の振幅動作がバイアス回路23,24によって制限されることが回避される。なお、キャパシタC6,C7のキャパシタンス値は、キャパシタC4,C5のキャパシタンス値より小さいことが好ましい。キャパシタC6,C7のキャパシタンス値が過度に大きいと、トランジスタ13,14のベース変動が抑制されてしまうためである。
分配器41は、ドライブ段の増幅器の前段に設けられ、入力信号RF1を、位相が互いに逆位相である入力信号RF1a(第3信号)と入力信号RF1b(第4信号)とに分配して出力する。
トランジスタ15(第6トランジスタ)は、トランジスタ10(第5トランジスタ)とともに差動対A3を構成する。具体的に、トランジスタ15は、コレクタにインダクタL10を通じて電源電圧Vcc1(第3電源電圧)が供給され、ベースにキャパシタC8を通じて入力信号RF1bが供給され、エミッタが接地に接続される。また、トランジスタ15のベースには、バイアス回路25から出力されるバイアス電流又は電圧が供給される。これにより、トランジスタ15のコレクタから増幅信号RF2bが出力される。トランジスタ10,15のコレクタから出力された増幅信号RF2a,RF2bは、それぞれ、パワー段の下段差動対A1を構成するトランジスタ11,12に供給される。
なお、バイアス回路25、キャパシタC8及びインダクタL10の構成は、バイアス回路20、キャパシタC1及びインダクタL1と同様であるため、詳細な説明を省略する。
このような構成であっても、電力増幅回路100Bは、電力増幅回路100Aと同様の効果を得ることができる。また、電力増幅回路100Bは、ドライブ段が差動対A3を含むため、電力増幅回路100Aに比べてさらに増幅率を向上させることができる。
なお、本実施形態では、ドライブ段が差動対A3を含み、かつカスコード接続されない構成が示されているが、これに代えて、ドライブ段はパワー段と同様にカスコード接続されていてもよい。あるいは、ドライブ段は、差動対を含まず、カスコード接続されていてもよい。
また、図3に示される電圧調整回路30,31の構成は一例であり、これに限定されない。例えば、電圧調整回路30,31は、それぞれ、トランジスタ13,14のベースと接地との間においてキャパシタC6,C7と直列に接続されたインダクタをさらに備えていてもよい。
図4は、本発明の第3実施形態に係る電力増幅回路の構成例を示す図である。なお、説明の便宜上、以降の説明においては、パワー段の増幅器に関する構成要素を図示し、ドライブ段の増幅器に関する構成要素の図示を省略する。同図に示されるように、電力増幅回路100Cは、電力増幅回路100Aに比べて、バイアス回路21〜24の代わりにバイアス回路26,27を備える。
バイアス回路26(第1バイアス回路)は、下段差動対A1を構成するトランジスタ11,12の双方にバイアス電流を供給する。バイアス回路27(第2バイアス回路)は、上段差動対A2を構成するトランジスタ13,14の双方にバイアス電流を供給する。すなわち、本実施形態では、差動対をなす2つのトランジスタ間においてバイアス回路が共有される。
図5Aは、バイアス回路26の構成例(バイアス回路26A)を示す図であり、図5Bは、バイアス回路26の他の構成例(バイアス回路26B)を示す図である。なお、バイアス回路27はバイアス回路26と同様の構成とすることができるため、詳細な説明を省略する。
図5Aに示されるバイアス回路26Aは、バイアス回路20Aに比べて、抵抗素子222をさらに備える。抵抗素子222は、一端がトランジスタ210のエミッタに接続され、他端がトランジスタ12(図4参照)のベースに接続される。これにより、バイアス回路26Aは、トランジスタ210のエミッタから抵抗素子220,222を通じてトランジスタ11,12(図4参照)のベースにそれぞれバイアス電流を供給する。
図5Bに示されるバイアス回路26Bは、バイアス回路20Aに比べて、トランジスタ211及び抵抗素子223をさらに備える。トランジスタ211は、コレクタに電源電圧Vccbが供給され、ベースがダイオード200のアノードに接続され、エミッタが抵抗素子223の一端に接続される。抵抗素子223は、一端がトランジスタ211のエミッタに接続され、他端がトランジスタ12(図4参照)のベースに接続される。これにより、バイアス回路26Bは、トランジスタ210,211のエミッタから、それぞれ、抵抗素子220,223を通じてトランジスタ11,12(図4参照)のベースにバイアス電流を供給する。
このような構成であっても、電力増幅回路100Cは、電力増幅回路100Aと同様の効果を得ることができる。また、電力増幅回路100Cは、トランジスタごとにバイアス回路が設けられる構成に比べて、回路面積を縮小することができる。加えて、電力増幅回路100Cは、差動対を構成するトランジスタ間において1つのバイアス回路が共有されるため、トランジスタごとにバイアス回路が設けられる構成に比べて、バイアス回路に含まれる素子のばらつきを回避することができ、差動増幅動作の性能が向上する。
なお、本実施形態では、下段差動対A1及び上段差動対A2の双方においてバイアス回路が共有される構成が示されているが、バイアス回路の共有は必ずしも下段及び上段の双方でなくてもよく、下段又は上段のいずれか一方であってもよい。
また、バイアス回路26A,26Bは、図2Bに示されるバイアス回路20Bと同様に、ダイオード201のカソードと接地との間に抵抗素子221に相当する素子を備えていてもよい。
図6は、本発明の第4実施形態に係る電力増幅回路の構成例を示す図である。同図に示されるように、電力増幅回路100Dは、電力増幅回路100Aに比べて、電源回路60をさらに備える。
電源回路60は、電力増幅回路100Dが従う動作方式に応じて、バッテリ電圧Vbattから電源電圧Vcc2,Vcc3を生成する。なお、本実施形態では、電源電圧Vcc2と電源電圧Vcc3は同じ電圧であるものとする。
例えば、電力増幅回路100Dが平均電力トラッキング(APT:Average Power Tracking)方式に従う場合、電源回路60は、電力増幅回路100Dの平均出力電力に応じて変動する電圧を生成し、電源電圧Vcc2,Vcc3として出力する。他方、電力増幅回路100Dがエンベロープトラッキング(ET:Envelope Tracking)方式に従う場合、電源回路60は、入力信号の包絡線に応じて変動する電圧を生成し、電源電圧Vcc2,Vcc3として出力する。ET方式では、入力信号の振幅レベルに応じて電源電圧Vcc2,Vcc3が制御されるため、APT方式に比べて電力効率を向上させることができる。なお、電源回路60は、例えば制御信号を受け付けることによりAPT方式とET方式とが切り替え可能であるように構成されていてもよく、あるいはいずれか一方の動作方式に従って電源電圧が生成されるように構成されていてもよい。
このような構成であっても、電力増幅回路100Dは、電力増幅回路100Aと同様の効果を得ることができる。
なお、本実施形態においては、電源回路60が電力増幅回路100Dに含まれているが、電源回路60は電力増幅回路100Dの外部に設けられていてもよい。
図7は、本発明の第5実施形態に係る電力増幅回路の構成例を示す図である。同図に示されるように、電力増幅回路100Eは、電力増幅回路100Aに比べて、4つのキャパシタC9〜C12をさらに備える。
キャパシタC9(第5キャパシタ)は、トランジスタ11のベースとトランジスタ12のコレクタとの間に接続されている。キャパシタC10(第6キャパシタ)は、トランジスタ12のベースとトランジスタ11のコレクタとの間に接続されている。キャパシタC11(第7キャパシタ)は、トランジスタ13のベースとトランジスタ14のコレクタとの間に接続されている。キャパシタC12(第8キャパシタ)は、トランジスタ14のベースとトランジスタ13のコレクタとの間に接続されている。なお、キャパシタC9〜C12のキャパシタンス値は、キャパシタC4,C5のキャパシタンス値より小さいことが好ましい。
このように、本実施形態では、キャパシタC9,C10及びキャパシタC11,C12が、それぞれ差動対をなすトランジスタに互い違いに設けられることにより、これらのトランジスタが有するミラー容量の影響を打ち消すことができる。従って、電力増幅回路100Eによると、電力増幅回路100Aに比べて、ミラー容量が影響するような高い周波数帯域においてもさらに高い利得を得ることができる。
図8Aは、バイアス回路20の他の構成例(バイアス回路20C)を示す図である。図8Aに示されるように、バイアス回路20Cは、バイアス回路20A比べて、ダイオード200,201に代えてトランジスタ212を備える。
トランジスタ212は、コレクタに電流源230から定電流が供給され、ベースがトランジスタ210のエミッタと抵抗素子220との接続点に接続され、エミッタが接地に接続される。そして、トランジスタ210のエミッタから出力される電流は、トランジスタ10(図1参照)とトランジスタ212とに分かれて供給される。これにより、例えばトランジスタ10のベースに供給されるバイアス電流の電流量が増加した場合、トランジスタ212のコレクタ・エミッタ間に流れる電流もまた増加しようとする。しかしながら、トランジスタ212のコレクタ・エミッタ間を流れる電流は、電流源230によって制限される。従って、トランジスタ212のコレクタ電圧(すなわち、トランジスタ210のベース電圧)の上昇が抑制され、結果としてトランジスタ210のエミッタから出力される電流が減少する。
このように、バイアス回路20Cでは、出力されるバイアス電流の電流量の変動に応じて負帰還が働くため、安定したバイアス電流を供給することができる。なお、バイアス回路20Cの構成は、上述のバイアス回路20〜25のそれぞれに適用可能である。
なお、上述のダイオード200,201と同様に、トランジスタ212を図1に示されるトランジスタ10〜14のいずれかと熱的に結合させることにより、当該トランジスタ10〜14の発熱の影響に応じてバイアス電流の電流量を調整することができる。具体的には、例えば、トランジスタ10〜14のいずれかが形成される領域の内部又は近接した領域に、トランジスタ212を配置させる。
図8Bは、バイアス回路26の他の構成例(バイアス回路26C)を示す図である。図8Bに示されるように、バイアス回路26Cは、バイアス回路20Cに比べて、抵抗素子224をさらに備える。
抵抗素子224は、一端がトランジスタ210のエミッタに接続され、他端がトランジスタ12(図4参照)のベースに接続される。これにより、バイアス回路26Cは、トランジスタ210のエミッタから抵抗素子220,224を通じてトランジスタ11,12(図4参照)のベースにそれぞれバイアス電流を供給する。
このような構成であっても、バイアス回路26Cは、バイアス回路20Cと同様に、出力されるバイアス電流の電流量の変動に応じて負帰還が働くため、安定したバイアス電流を供給することができる。なお、バイアス回路26Cの構成は、上述のバイアス回路26,27のそれぞれに適用可能である。
なお、バイアス回路20C,26Cにおいて、トランジスタ210,212はいずれもHBTにより構成される例が示されているが、これらのトランジスタのいずれか一方又は双方はFETにより構成されていてもよい。
以上、本発明の例示的な実施形態について説明した。電力増幅回路100A〜100Eは、増幅信号RF2aと増幅信号RF2bとが入力される下段差動対A1と、下段差動対A1の上段に設けられ、増幅信号RF2aと増幅信号RF2bにそれぞれ対応する増幅信号RF3a及び増幅信号RF3bを出力する上段差動対A2と、増幅信号RF3a及び増幅信号RF3bを合成して合成信号RF3を出力する合成器50と、インダクタL6,L7と、キャパシタC4,C5と、を備え、下段差動対A1は、コレクタに電源電圧Vcc2が供給され、エミッタが接地に接続され、ベースに増幅信号RF2aが供給されるトランジスタ11と、コレクタに電源電圧Vcc2が供給され、エミッタが接地に接続され、ベースに増幅信号RF2bが供給されるトランジスタ12と、を含み、上段差動対A2は、コレクタに電源電圧Vcc3が供給され、エミッタがインダクタL6を通じて接地に接続されるとともに、キャパシタC4を通じてトランジスタ11のコレクタに接続されたトランジスタ13と、コレクタに電源電圧Vcc3が供給され、エミッタがインダクタL7を通じて接地に接続されるとともに、キャパシタC5を通じてトランジスタ12のコレクタに接続されたトランジスタ14と、を含む。これにより、カスコード接続及び差動対を用いない構成に比べて、合成器50が出力する合成信号RF3の振幅を約4倍とすることができる。従って、本実施形態によると、電源電圧を上昇させることなく、すなわち回路規模の増大を抑制しつつ、最大出力電力を増大させることができる。
また、電力増幅回路100A〜100Eは、一端がトランジスタ13のベースに接続され、他端が接地に接続されたキャパシタC6と、一端がトランジスタ14のベースに接続され、他端が接地に接続されたキャパシタC7と、をさらに備え、キャパシタC6,C7のキャパシタンス値は、キャパシタC4,C5のキャパシタンス値より小さい。これにより、トランジスタ13,14のベース電圧の振幅動作がバイアス回路23,24によって制限されることが回避され、トランジスタ13,14のオン及びオフの状態を、トランジスタ11,12のオン及びオフの状態に一致させることができる。
また、電力増幅回路100Eは、トランジスタ11及びトランジスタ12のうち、一方のトランジスタのコレクタ又はドレインと、他方のトランジスタのベース又はゲートとの間にそれぞれ接続されたキャパシタC9,C10と、トランジスタ13及びトランジスタ14のうち、一方のトランジスタのコレクタ又はドレインと、他方のトランジスタのベース又はゲートとの間にそれぞれ接続されたキャパシタC11,C12と、をさらに備え、キャパシタC9〜C12のキャパシタンス値は、キャパシタC4,C5のキャパシタンス値より小さい。これにより、トランジスタ11〜14が有するミラー容量の影響が打ち消されるため、例えば電力増幅回路100Aに比べて高い利得を得ることができる。
また、電力増幅回路100Dは、平均出力電力に応じた電圧を電源電圧Vcc2,Vcc3としてもよく(APT方式)、あるいは入力信号の振幅レベルに応じて変動する電圧を電源電圧Vcc2,Vcc3としてもよい(ET方式)。ET方式が採用された場合、APT方式に比べて電力効率を向上させることができる。
また、電力増幅回路100A〜100Eにおいて、トランジスタ11及びトランジスタ12のコレクタにそれぞれ接続され、電源電圧Vcc2を通すインダクタL2及びインダクタL3をさらに備え、インダクタL6とインダクタL2、及び、インダクタL7とインダクタL3が磁界結合されていてもよい。これにより、これらのインダクタが磁界結合されない構成に比べて、小さいインダクタンス値により同等の効果を得ることができる。
また、電力増幅回路100Cは、トランジスタ11及びトランジスタ12にバイアス電流又は電圧を供給するバイアス回路26と、トランジスタ13及びトランジスタ14にバイアス電流又は電圧を供給するバイアス回路27と、をさらに備える。これにより、トランジスタごとにバイアス回路が設けられる構成に比べて、回路面積を縮小することができる。また、電力増幅回路100Cによると、トランジスタごとにバイアス回路が設けられる構成に比べて、バイアス回路に含まれる素子のばらつきを回避することができ、差動増幅動作の性能が向上する。
また、電力増幅回路100Bは、入力信号を、入力信号RF1aと入力信号RF1bとに分配する分配器41と、入力信号RF1a及び入力信号RF1bが入力される差動対と、をさらに備え、当該差動対は、コレクタに電源電圧Vcc1が供給され、エミッタが接地に接続され、ベースに入力信号RF1aが供給され、コレクタから増幅信号RF2aを出力するトランジスタ10と、コレクタに電源電圧Vcc1が供給され、エミッタが接地に接続され、ベースに入力信号RF1bが供給され、コレクタから増幅信号RF2bを出力するトランジスタ15と、を含む。このように、電力増幅回路100Bではドライブ段が差動対A3を含むため、電力増幅回路100Aに比べてさらに増幅率を向上させることができる。
以上説明した各実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更又は改良され得るととともに、本発明にはその等価物も含まれる。即ち、各実施形態に当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、各実施形態が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、各実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
100A〜100E…電力増幅回路、10〜15…トランジスタ、20〜27…バイアス回路、30,31…電圧調整回路、40,41…分配器、50…合成器、60…電源回路、A1…下段差動対、A2…上段差動対、A3…差動対、C1〜C12…キャパシタ、L1〜L10…インダクタ、200,201…ダイオード、210〜212…トランジスタ、220〜224…抵抗素子、230…電流源
Claims (8)
- 第1信号と第2信号とが入力される下段差動対と、
前記下段差動対の上段に設けられ、前記第1信号及び第2信号にそれぞれ対応する第1増幅信号及び第2増幅信号を出力する上段差動対と、
前記第1増幅信号及び第2増幅信号を合成して合成信号を出力する合成器と、
第1インダクタ及び第2インダクタと、
第1キャパシタ及び第2キャパシタと、
を備え、
前記下段差動対は、
コレクタ又はドレインに第1電源電圧が供給され、エミッタ又はソースが接地に接続され、ベース又はゲートに前記第1信号が供給される第1トランジスタと、
コレクタ又はドレインに前記第1電源電圧が供給され、エミッタ又はソースが接地に接続され、ベース又はゲートに前記第2信号が供給される第2トランジスタと、を含み、
前記上段差動対は、
コレクタ又はドレインに第2電源電圧が供給され、エミッタ又はソースが前記第1インダクタを通じて接地に接続されるとともに、前記第1キャパシタを通じて前記第1トランジスタのコレクタ又はドレインに接続された第3トランジスタと、
コレクタ又はドレインに前記第2電源電圧が供給され、エミッタ又はソースが前記第2インダクタを通じて接地に接続されるとともに、前記第2キャパシタを通じて前記第2トランジスタのコレクタ又はドレインに接続された第4トランジスタと、を含む、
電力増幅回路。 - 一端が前記第3トランジスタのベース又はゲートに接続され、他端が接地に接続された第3キャパシタと、
一端が前記第4トランジスタのベース又はゲートに接続され、他端が接地に接続された第4キャパシタと、をさらに備え、
前記第3キャパシタ及び第4キャパシタのキャパシタンス値は、前記第1キャパシタ及び第2キャパシタのキャパシタンス値より小さい、
請求項1に記載の電力増幅回路。 - 前記第1トランジスタ及び第2トランジスタのうち、一方のトランジスタのコレクタ又はドレインと、他方のトランジスタのベース又はゲートとの間にそれぞれ接続された第5キャパシタ及び第6キャパシタと、
前記第3トランジスタ及び第4トランジスタのうち、一方のトランジスタのコレクタ又はドレインと、他方のトランジスタのベース又はゲートとの間にそれぞれ接続された第7キャパシタ及び第8キャパシタと、をさらに備え、
前記第5乃至第8キャパシタのキャパシタンス値は、前記第1キャパシタ及び第2キャパシタのキャパシタンス値より小さい、
請求項1又は2に記載の電力増幅回路。 - 前記第1電源電圧及び第2電源電圧は、前記電力増幅回路の平均出力電力に応じた電圧である、
請求項1から3のいずれか一項に記載の電力増幅回路。 - 前記第1電源電圧及び第2電源電圧は、前記電力増幅回路に入力される信号の振幅レベルに応じて変動する電圧である、
請求項1から3のいずれか一項に記載の電力増幅回路。 - 前記第1トランジスタ及び第2トランジスタのコレクタ又はドレインにそれぞれ接続され、前記第1電源電圧を通す第3インダクタ及び第4インダクタをさらに備え、
前記第1インダクタと前記第3インダクタ、及び、前記第2インダクタと前記第4インダクタが磁界結合された、
請求項1から5のいずれか一項に記載の電力増幅回路。 - 前記第1トランジスタ及び第2トランジスタにバイアス電流又は電圧を供給する第1バイアス回路と、
前記第3トランジスタ及び第4トランジスタにバイアス電流又は電圧を供給する第2バイアス回路と、をさらに備える、
請求項1から6のいずれか一項に記載の電力増幅回路。 - 入力信号を、第3信号と第4信号とに分配する分配器と、
前記第3信号及び第4信号が入力される差動対と、をさらに備え、
前記差動対は、
コレクタ又はドレインに第3電源電圧が供給され、エミッタ又はソースが接地に接続され、ベース又はゲートに前記第3信号が供給され、コレクタ又はドレインから前記第1信号を出力する第5トランジスタと、
コレクタ又はドレインに前記第3電源電圧が供給され、エミッタ又はソースが接地に接続され、ベース又はゲートに前記第4信号が供給され、コレクタ又はドレインから前記第2信号を出力する第6トランジスタと、を含む、
請求項1から7のいずれか一項に記載の電力増幅回路。
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