JP3563321B2

JP3563321B2 - Multi-band high frequency amplifier circuit

Info

Publication number: JP3563321B2
Application number: JP2000080862A
Authority: JP
Inventors: 健二郎西川; 匡夫中川
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2000-03-22
Filing date: 2000-03-22
Publication date: 2004-09-08
Anticipated expiration: 2020-03-22
Also published as: JP2001267864A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば１ＧＨｚ以上の高周波信号を増幅処理するマルチバンド高周波増幅回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
最近では、多周波数のワイヤレス通信を用いたサービスに対応する単一のワイヤレス装置（複数の周波数帯域で動作するもの）の開発が進められている。
【０００３】
図１２は複数の周波数帯域の増幅回路を１チップに集積化した従来のマルチバンド高周波増幅回路の例であり、１９９９ＩＥＥＥＭＩＴ−ＳＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＭｉｃｒｏｗａｖｅＳｙｍｐｏｓｉｕｍで発表されたものである。
【０００４】
この構成では、信号を入力する入力端子１Ａ、信号を出力する出力端子２Ａ、信号を増幅する能動素子を有する増幅部３０Ａ、入力端子１Ａと増幅部３０Ａのインピーダンス整合を行う入力整合回路１０Ａ、出力端子２Ａと増幅部３０Ａのインピーダンス整合を行う出力整合回路２０Ａから第１の増幅回路を構成し、また、信号を入力する入力端子１Ｂ、信号を出力する出力端子２Ｂ、信号を増幅する能動素子を有する増幅部３０Ｂ、入力端子１Ｂと増幅部３０Ｂのインピーダンス整合を行う入力整合回路１０Ｂ、出力端子２Ｂと増幅部３０Ｂのインピーダンス整合を行う出力整合回路２０Ｂから第２の増幅回路を構成している。
【０００５】
そして、これら２つの増幅回路を異なる周波数帯域で動作させるよう単純に同一チップ上に合成し、さらに増幅部３０Ａ用のバイアス制御回路４０Ａ、増幅部３０Ｂ用のバイアス制御回路４０Ｂ、それらバイアス制御回路４０Ａ，４０Ｂの一方を選択するためのバイアススイッチ５０も同チップ上に合成したものである。３はバイアススイッチ用端子、４Ａ，４Ｂはバイアス制御端子である。このように構成することによって、２個の増幅回路を選択的に動作させ、希望する周波数帯の利得を得ることができる。
【０００６】
図１３は複数の周波数帯域をカバーするような利得を持つ従来のマルチバンド高周波増幅回路の１つである負帰還型増幅器を示す図である。これは、入力端子１、出力端子２、信号を増幅する能動素子を有する増幅部３０’、入力端子１と増幅部３０’のインピーダンス整合を行う入力整合回路１０、出力端子２と増幅部３０’のインピーダンス整合を行う出力整合回路２０、及びフィードバック回路６０から構成したものである。この構成では、電子情報通信学会、モノリシックマイクロ波集積回路（平成９年発行）第３章に示されるように、利得が減少するが帯域は拡大されるという特徴を持っている。
【０００７】
図１４は以上の２つのマルチバンド高周波増幅回路の利得の周波数特性を示した図であり、実線の▲１▼が図１２に示した高周波増幅回路の周波数特性、破線の▲２▼が図１３に示した高周波増幅回路の周波数特性である。希望周波数をｆ_１及びｆ_２とすると、図１２の構成の増幅回路では人出力端子の変更及びバイアス制御を行うことにより希望周波数帯で利得を得ることができる。一方、図１３の構成の増幅回路では、希望周波数を含めて広帯域に利得を得ることができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１２の構成の高周波増幅回路の例では、各周波数に対応した入出力整合回路、増幅部、バイアス制御回路等が必要であり、１チップに集積化しても回路のチップ面積が大きくなるという問題点があった。さらに、それぞれの周波数に合わせた人出力端子があり、外部との接続が煩雑になるという問題点があった。
【０００９】
また、図１３の構成の高周波増幅回路の例では、希望する周波数帯域以外でも利得を持つため、不要波のレベルが高くなるという問題点があった。さらに前記不要波を抑圧するためにはフィルタ回路を接続する必要があり、装置自体のサイズも大きくなるという問題点もあった。
【００１０】
本発明は上記した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、動作周波数帯域を可変できるようにして、上記した問題点を解消した高周波増幅回路を実現することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
このため第１の発明は、増幅部と、該増幅部と信号入力端子との間に設けた入力整合回路と、前記増幅部と信号出力端子との間に設けた出力整合回路を具備するマルチバンド高周波増幅回路において、前記増幅部は前記入力整合回路と前記出力整合回路との間に並列接続した複数の能動素子からなり、前記複数の能動素子の少なくとも１つについてその動作点を変化可能とし、前記それぞれの能動素子の動作点の組み合わせに応じて、前記入力整合回路及び前記出力整合回路の整合周波数が決定されるようにした。
【００１２】
第２の発明は、第１の発明において、前記複数の能動素子は、そのサイズがすべて同じであるようにした。
【００１３】
第３の発明は、第１の発明において、前記複数の能動素子の少なくとも１つは、他の能動素子とサイズが異なるようにした。
【００１４】
【発明の実施の形態】
［本発明の原理］
図１は本発明のマルチバンド高周波増幅回路の原理構成図である。この回路は、信号を入力する入力端子１、信号を出力する出力端子２、信号を増幅する能動素子である複数のＦＥＴ３１，３２，・・・，３ｉを有する増幅部３０、入力端子１と増幅部３０のインピーダンス整合を行う入力整合回路１０、出力端子２と増幅部３０のインピーダンス整合を行う出力整合回路２０より構成されている。
【００１５】
高周波増幅回路へ入る信号をａ_ｉｎ、ａ_ｏｕｔ、高周波増幅回路から出る信号をｂ_ｉｎ、ｂ_ｏｕｔとし、入力整合回路１０に入る信号をａ_{ｆｉｎ＿１}，ａ_{ｆｉｎ＿２}，・・・，ａ_{ｆｉｎ＿ｉ}，入力整合回路１０から出る信号をｂ_{ｆｉｎ＿１}，ｂ_{ｆｉｎ＿２}，・・・，ｂ_{ｆｉｎ＿ｉ}とし、出力整合回路２０に入る信号をａ_{ｆｏｕｔ＿１}，ａ_{ｆｏｕｔ＿２}，・・・，ａ_{ｆｏｕｔ＿ｉ}，出力整合回路２０から出る信号をｂ_{ｆｏｕｔ＿１}，ｂ_{ｆｏｕｔ＿２}，・・・，ｂ_{ｆｏｕｔ＿ｉ}とする。
【００１６】
入力整合回路１０、増幅部３０、出力整合回路２０の散乱行列をそれぞれＳｉｎ，Ｓａｍｐ，Ｓｏｕｔとすると、高周波増幅回路の入出力信号は、以下の関係式により求められる。ただし、ωは周波数である。
【００１７】

【００１８】
一方、増幅部３０はこれを構成する複数の能動素子であるＦＥＴ３１，３２，，・・・３ｉの散乱行列を用いて以下のように示すことができる。ＦＥＴの散乱行列を、

とすると、増幅部３０の散乱行列は以下のようになる。
【００１９】

【００２０】
この散乱行列は能動素子ＦＥＴのバイアス条件に依存して変化する。式（１）〜（３）より、増幅部３０の散乱行列Ｓａｍｐの値が変化すれば、一意に入力整合回路１０及び出力整合回路２０の散乱行列Ｓｉｎ，Ｓｏｕｔが変化することがわかる。つまり、増幅部３０の能動素子のバイアス点（動作点）を変えることにより、入力整合回路１０及び出力整合回路２０の境界条件（負荷インピーダンス）を変えることができるので、入力整合回路１０及び出力整合回路２０の構成を変更せずに、整合周波数を変えることができる。
【００２１】
また、高周波増幅回路全体の特性を示す散乱行列Ｓは式（１）〜（３）、（５）より以下の関係式で示される。

【００２２】
従って、周波数ω１，ω２，・・・，ωｉで動作する高周波増幅回路は、動作周波数に対応した増幅部３０のバイアス条件を設定し、上記式（６）についてω１，ω２，・・・，ωｉの周波数すべてにおいて、Ｓ（ωｎ）が所望の特性を満たすＳｉｎ（ωｎ），Ｓｏｕｔ（ωｎ）を求めることにより、本発明のマルチバンド対応の高周波増幅回路を実現することができる。
【００２３】
［第１の実施形態］
図２は本発明の第１の実施形態のマルチバンド高周波増幅回路の構成を示している。本実施形態の高周波増幅回路は、信号を入力する入力端子１、信号を出力する出力端子２、信号を増幅する能動素子を有する増幅部３０、入力端子１と増幅部３０のインピーダンス整合を行う入力整合回路１０、出力端子２と増幅部３０のインピーダンス整合を行う出力整合回路２０より構成されている。なお、本実施形態の高周波増幅回路においては、増幅部３０は能動素子としての２つのＦＥＴ３０１，３０２を具備している。
【００２４】
図２のように構成することにより、本実施形態の高周波増幅回路は、信号を入力端子１より入力すると、所望の周波数で、入力端子１と出力端子２が、それぞれ入力整合回路１０と出力整合回路２０を介して増幅部３０とインピーダンス整合し、所望の周波数で信号増幅を行うことができる。
【００２５】
図３、図４はそれぞれ増幅部３０を構成するＦＥＴ３０１，３０２の入出力反射特性（入出力インピーダンス）のドレインバイアス依存性、ゲートバイアス依存性を示している。
【００２６】
図３はＦＥＴ３０１，３０２のゲートバイアスを０Ｖ、周波数を２０ＧＨｚとしたとき、ドレインバイアスを０Ｖ〜２Ｖまで変化させたときの反射特性を示すもので、Ｓ_１１はＦＥＴのゲート側の反射特性（入力インピーダンス）、Ｓ_２２はドレイン側の反射特性（出力インピーダンス）である。図３に示すように、ドレインバイアスを変化させることにより、ＦＥＴの反射特性Ｓ_１１，Ｓ_２２（入出力インピーダンス）を大きく変化させることができる。特にこの場合には、Ｓ_２２の変化が大きい。
【００２７】
図４はＦＥＴ３０１，３０２のドレインバイアスを２Ｖ、周波数を２０ＧＨｚとしたとき、ゲートバイアスを−０．７Ｖ〜０．２Ｖまで変化させたときの反射特性を示している。この図４に示すように、ゲートバイアスを変化させることにより、ＦＥＴの反射特性Ｓ_１１，Ｓ_２２（入出力インピーダンス）を大きく変化させることができる。特にこの場合はＳ_１１の変化が大きい。
【００２８】
以上のように、増幅部３０を構成するＦＥＴ３０１，３０２はバイアス点（動作点）を変えることにより、その入出力インピーダンスを大きく変化させることができるので、本実施形態の高周波増幅回路を構成する入力整合回路１０及び出力整合回路２０は、そのＦＥＴのバイアス点の変更により、整合周波数を所望の周波数に変えることができる。バイアス点の変更切替は、例えば、個々のＦＥＴについて複数のバイアス回路を予め構成しておいて、外部から制御信号により特定のバイアス回路が選択されるようにしておけばよい（図示せず）。
【００２９】
図５は図２に示す高周波増幅回路の増幅部３０のＦＥＴ３０１，３０２のバイアス動作モードを示している。ＯＮはゲートバイアス０Ｖ、ＯＦＦはゲートバイアス−０．７Ｖで、それぞれのドレインバイアスは２Ｖのときを表している。本実施形態では増幅部３０でＦＥＴを２個使用しているので、上記バイアス条件の場合、ＦＥＴを１つずつＯＮにする場合と２つを同時にＯＮにする場合の３つの動作モード１，２，３を実現できる。
【００３０】
本実施形態の高周波増幅回路の入力整合回路１０及び出力整合回路２０は、上記した３つの動作モード１，２，３のときに、その高周波増幅回路の動作周波数がそれぞれｆ_１，ｆ_２，ｆ_３となるように設計されている。図６はそれぞれの動作モードのときの高周波増幅回路の特性を示している。図中にはそれぞれ、Ｓ_２１ _，Ｓ_１１ _，Ｓ_２２を示している。なお、Ｓ_２１は挿入損失である。これらＳ_２１ _，Ｓ_１１ _，Ｓ_２２をみると、図５に示す動作モード１，２，３に合わせて、高周波増幅回路の動作周波数がｆ_１，ｆ_２，ｆ_３と変化していることが分かる。
【００３１】
以上のように、本実施形態の高周波増幅回路は、増幅部３０のＦＥＴのバイアス点（動作点）を変えることにより、マルチバンドに対応した増幅動作をすることができる。
【００３２】
なお、本実施形態ではＦＥＴのゲートバイアスを０Ｖと−０．７Ｖとしたときの組合せの場合を示したが、それ以外のバイアス点の組合せであってよい。さらに、ドレインバイアスを変化させた場合の組合せであってもよい。また、増幅部３０の能動素子の構成は、カスコード接続やダーリントン接続されたＦＥＴとしてもよい。
【００３３】
［第２の実施形態］
図７は本発明の第２の実施形態の構成を示している。本実施形態の高周波増幅回路は、その基本的構成は図２に示したものと同じであるが、ここでは増幅部３０が能動素子としての３つのＦＥＴ３０１，３０２，３０３により構成されている。
【００３４】
図７のように構成することにより、信号を入力端子１より入力すると所望の周波数で、入力端子１と出力端子２が、それぞれ入力整合回路１０と出力整合回路２０を介して増幅部３０とインピーダンス整合し、所望の周波数で信号増幅を行うことができる。
【００３５】
本実施形態は増幅部３０のＦＥＴの数を３つに増やしたことを特徴としており、ＦＥＴを３つに増やすことにより、図８に示すように７つの動作モード１〜７を実現できる。
【００３６】
ここで、ＯＮはドレインバイアス２Ｖ、ゲートバイアス０Ｖを示しており、ＯＦＦはドレインバイアス２Ｖ、ゲートバイアス−０．７Ｖを示している。つまり、１つのＦＥＴのみをＯＮとし、残りの２つをＯＦＦとする組合せ３つのモード、２つのＦＥＴをＯＮとし、残りの１つをＯＦＦとする組合せ３つのモード、３つのＦＥＴすべてをＯＮとする１つのモードの計７つのモードを実現できる。
【００３７】
本実施形態の高周波増幅回路の入力整合回路１０及び出力整合回路１０は、上記したの７つの動作モードの各バイアス条件に応じて、増幅回路の動作周波数が互いに異なる７つの周波数に整合するよう設計されている。
【００３８】
以上から、本実施形態の高周波増幅回路においても、増幅部３０のＦＥＴのバイアス点を変えることにより、マルチバンドに対応した増幅動作をすることができ、さらに図２に示した高周波増幅回路の場合よりも周波数の数を大きくすることができる。
【００３９】
なお、本実施形態でもＦＥＴのゲートバイアスを０Ｖと−０．７Ｖとしたしたときの組合せの場合を示したが、それ以外のバイアス点の組合せであってよい。さらに、ドレインバイアスを変化させた場合の組合せであってもよい。また、増幅部３０の能動素子の構成は、カスコード接続やダーリントン接続されたＦＥＴとしてもよい。
【００４０】
［第３の実施形態］
図９は本発明の第３の実施形態の構成を示している。本実施形態の高周波増幅回路は、図７に示した高周波増幅回路と基本的に同じであるが、増幅部３０は能動素子として互いに異なるゲート幅の３つのＦＥＴ３１１，３１２，３１３を使用して構成されている。
【００４１】
図９のように構成することにより、信号を入力端子１より入力すると所望の周波数で、入力端子１と出力端子２が、それぞれ入力整合回路１０と出力整合回路２０を介して増幅部３０とインピーダンス整合し、所望の周波数で信号増幅を行うことができる。
【００４２】
本実施形態は増幅部３０のＦＥＴ３１１，３１２，３１３のサイズを同一としていないことを特徴としており、このようにＦＥＴのサイズを異ならせることにより、ＦＥＴのバイアス可変時の入出力インピーダンスの変化範囲をより大きくすることができる。図１０、図１１はＦＥＴのゲート幅（５０μｍから４００μｍまで変化させた場合）とバイアス点の両方を変化させた場合のＦＥＴが取り得る入力反射特性Ｓ_１１（入力インピーダンス）、出力反射特性Ｓ_２２（出力インピーダンス）を示している。
【００４３】
これらの図が示すように、バイアス点の変化に加えて、ゲート幅を変更することにより、前記した図３、図４の場合と比較して、ＦＥＴの入力反射特性Ｓ_１１（入力インピーダンス）と出力反射特性Ｓ_２２（出力インピーダンス）を広範囲で設定することができる。
【００４４】
従って、本実施形態の高周波増幅回路は入力整合回路１０及び出力整合回路２０の境界条件範囲（負荷インピーダンスの設定範囲）を広げることができるので、マルチバンド対応の入出力整合回路を容易に実現することができるとともに、動作周波数の設定自由度を広げることができる。
【００４５】
なお、本実施形態では高周波増幅回路の増幅部３０のＦＥＴの数を３つとしたが、４つ、５つと数を増やせば、増やす程この増幅回路が適用できる周波数帯域が多くなる。さらにＦＥＴのゲート幅の種類の数を変えることにより、一層動作周波数の設定自由度を広げることができる。また、増幅部の能動素子の構成は、カスコード接続やダーリントン接続されたＦＥＴとしてもよい。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の高周波増幅回路ではマルチバンド対応の高周波増幅回路を小型に実現できるとともに、増幅部のバイアスを変えることにより所望の周波数帯域動作を実現し、かつその周波数帯域を変化させることができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のマルチバンド高周波増幅回路の原理説明用の回路図である。
【図２】本発明の第１の実施形態のマルチバンド高周波増幅回路の回路図である。
【図３】図２の回路のドレイン電圧依存性を示す入出力反射特性図である。
【図４】図２の回路のゲート電圧依存性を示す入出力反射特性図である。
【図５】図２の回路の動作モードの説明図である。
【図６】図２の回路の各動作モードでのＳ_２１ _，Ｓ_１１ _，Ｓ_２２の周波数特性図である。
【図７】本発明の第２の実施形態のマルチバンド高周波増幅回路の回路図である。
【図８】図７の回路の動作モードの説明図である。
【図９】本発明の第３の実施形態のマルチバンド高周波増幅回路の回路図である。
【図１０】図９の回路のゲート幅を変えたときのドレイン電圧依存性を示す入出力反射特性図である。
【図１１】図９の回路のゲート幅を変えたときのゲート電圧依存性を示す入出力反射特性図である。。
【図１２】従来のマルチバンド高周波増幅回路の回路図である。
【図１３】従来の別のマルチバンド高周波増幅回路の回路図である。
【図１４】従来のマルチバンド高周波増幅回路の利得の周波数特性図である。
【符号の説明】
１，１Ａ，１Ｂ：入力端子
２，２Ａ，２Ｂ：出力端子
３：バイアススイッチ用端子
４Ａ，４Ｂ：バイアス端子
１０，１０Ａ，１０Ｂ：入力整合回路
２０，２０Ａ，２０Ｂ：出力整合回路
３０、３０’：増幅部
３１〜３ｉ，３０１〜３０３，３１１〜３１３：ＦＥＴ
４０Ａ，４０Ｂ：バイアス制御回路
５０：バイアススイッチ
６０：フィードバック回路[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a multi-band high-frequency amplifier circuit that amplifies a high-frequency signal of, for example, 1 GHz or more.
[0002]
[Prior art]
Recently, a single wireless device (operating in a plurality of frequency bands) corresponding to a service using multi-frequency wireless communication has been developed.
[0003]
FIG. 12 shows an example of a conventional multi-band high-frequency amplifier circuit in which amplifier circuits of a plurality of frequency bands are integrated on one chip, which was announced at the 1999 IEEE MIT-S International Microwave Symposium.
[0004]
In this configuration, an input terminal 1A for inputting a signal, an output terminal 2A for outputting a signal, an amplifier 30A having an active element for amplifying a signal, an input matching circuit 10A for impedance matching between the input terminal 1A and the amplifier 30A, and an output An output matching circuit 20A that performs impedance matching between the terminal 2A and the amplifying unit 30A constitutes a first amplifier circuit, and further includes an input terminal 1B for inputting a signal, an output terminal 2B for outputting a signal, and an active element for amplifying a signal. A second amplifier circuit is constituted by the amplifying unit 30B, the input matching circuit 10B for performing impedance matching between the input terminal 1B and the amplifying unit 30B, and the output matching circuit 20B for performing impedance matching between the output terminal 2B and the amplifying unit 30B.
[0005]
Then, these two amplifier circuits are simply synthesized on the same chip so as to operate in different frequency bands, and a bias control circuit 40A for the amplifier 30A, a bias control circuit 40B for the amplifier 30B, and the

bias control circuits

40A , 40B are also combined on the same chip. 3 is a bias switch terminal, and 4A and 4B are bias control terminals. With this configuration, it is possible to selectively operate the two amplifier circuits and obtain a gain in a desired frequency band.
[0006]
FIG. 13 is a diagram showing a negative feedback amplifier which is one of the conventional multi-band high-frequency amplifier circuits having a gain covering a plurality of frequency bands. This includes an input terminal 1, an output terminal 2, an amplifier 30 'having an active element for amplifying a signal, an input matching circuit 10 for impedance matching between the input terminal 1 and the amplifier 30', and an output terminal 2 and an amplifier 30 '. 1 and an output matching circuit 20 for performing impedance matching, and a feedback circuit 60. This configuration has the characteristic that the gain is reduced but the bandwidth is expanded, as shown in Chapter 3 of the Monolithic Microwave Integrated Circuit (published in 1997) by the Institute of Electronics, Information and Communication Engineers.
[0007]
FIG. 14 is a diagram showing the frequency characteristics of the gain of the above two multi-band high-frequency amplifier circuits. The solid line (1) shows the frequency characteristics of the high-frequency amplifier circuit shown in FIG. 12, and the broken line (2) shows FIG. 3 shows frequency characteristics of the high-frequency amplifier circuit shown in FIG. When the desired frequency is f ₁ and f _2, it is possible to obtain a gain at a desired frequency band by performing the changes and the bias control of the human output terminal in the amplifier circuit configuration of Figure 12. On the other hand, in the amplifier circuit having the configuration of FIG. 13, gain can be obtained in a wide band including a desired frequency.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the example of the high-frequency amplifier circuit having the configuration of FIG. 12, an input / output matching circuit, an amplifier, a bias control circuit, and the like corresponding to each frequency are required, and the chip area of the circuit becomes large even when integrated on one chip. There was a problem. Further, there is a human output terminal adapted to each frequency, and there is a problem that connection to the outside becomes complicated.
[0009]
Further, in the example of the high-frequency amplifier circuit having the configuration shown in FIG. 13, there is a problem that the level of the unnecessary wave becomes high because it has a gain even in a frequency band other than a desired frequency band. Further, it is necessary to connect a filter circuit in order to suppress the unnecessary wave, and there is a problem that the size of the device itself is increased.
[0010]
The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to realize a high-frequency amplifier circuit that can change the operating frequency band and that solves the above-mentioned problems.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
Therefore the first invention comprises a amplification unit, an input matching circuit provided between the amplification portion and the signal input terminal, an output matching circuit provided between the amplifying unit and the signal output terminal In the multi-band high-frequency amplifier circuit, the amplification unit includes a plurality of active elements connected in parallel between the input matching circuit and the output matching circuit, and an operating point of at least one of the plurality of active elements can be changed. The matching frequencies of the input matching circuit and the output matching circuit are determined according to a combination of operating points of the respective active elements.
[0012]
In a second aspect based on the first aspect, the plurality of active elements are all the same in size.
[0013]
In a third aspect based on the first aspect, at least one of the plurality of active elements is different in size from other active elements.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
[Principle of the present invention]
FIG. 1 is a diagram showing the principle configuration of a multi-band high-frequency amplifier circuit according to the present invention. This circuit includes an input terminal 1 for inputting a signal, an output terminal 2 for outputting a signal, an amplifying section 30 having a plurality of

FETs

31, 32,..., 3i, which are active elements for amplifying the signal. It comprises an input matching circuit 10 for matching the impedance of the unit 30, and an output matching circuit 20 for matching the impedance of the output terminal 2 and the amplifier 30.
[0015]
A signal entering the high-frequency amplifier circuit _{_a in,} _a _out, a signal emanating from the high frequency amplifying circuit and _{_b in,} _b _out, a signal input to the input matching circuit _{_{10 a fin_1, a fin_2, ···}} , a fin_i, input matching signal _b Fin_1 leaving the circuit _{_{10, b fin_2, ···, b}} fin_i and, a signal input to the output matching circuit _{_{_{20 a fout_1, a fout_2, ···}}} , a fout_i, a signal emanating from the output matching circuit 20 b _{fout — 1} , b _{fout — 2} ,..., b _{fout — i} .
[0016]
Assuming that the scattering matrices of the input matching circuit 10, the amplifier 30, and the output matching circuit 20 are Sin, Samp, and Sout, the input / output signals of the high-frequency amplifier circuit are obtained by the following relational expressions. Here, ω is a frequency.
[0017]

[0018]
On the other hand, the amplifying unit 30 can be expressed as follows by using the scattering matrix of the

FETs

31, 32,. The scattering matrix of the FET is

Then, the scattering matrix of the amplification unit 30 is as follows.
[0019]

[0020]
This scattering matrix changes depending on the bias condition of the active element FET. Equations (1) to (3) show that if the value of the scattering matrix Samp of the amplifying unit 30 changes, the scattering matrices Sin and Sout of the input matching circuit 10 and the output matching circuit 20 change uniquely. That is, the boundary condition (load impedance) between the input matching circuit 10 and the output matching circuit 20 can be changed by changing the bias point (operating point) of the active element of the amplifying unit 30. The matching frequency can be changed without changing the configuration of the circuit 20.
[0021]
Further, the scattering matrix S indicating the characteristics of the entire high-frequency amplifier circuit is expressed by the following relational expressions from Expressions (1) to (3) and (5).

[0022]
Accordingly, the high-frequency amplifier circuit operating at the frequencies ω1, ω2,..., Ωi sets the bias condition of the amplifier 30 corresponding to the operating frequency, and sets ω1, ω2,. By obtaining Sin (ωn) and Sout (ωn) in which S (ωn) satisfies the desired characteristics at all the frequencies described above, the multiband-compatible high-frequency amplifier circuit of the present invention can be realized.
[0023]
[First Embodiment]
FIG. 2 shows the configuration of the multi-band high-frequency amplifier circuit according to the first embodiment of the present invention. The high-frequency amplifier circuit according to the present embodiment has an input terminal 1 for inputting a signal, an output terminal 2 for outputting a signal, an amplifier 30 having an active element for amplifying a signal, and an input for performing impedance matching between the input terminal 1 and the amplifier 30. It comprises a matching circuit 10 and an output matching circuit 20 for performing impedance matching between the output terminal 2 and the amplifier 30. Note that, in the high-frequency amplifier circuit of the present embodiment, the amplifier 30 includes two

FETs

301 and 302 as active elements.
[0024]
With the configuration as shown in FIG. 2, when a signal is input from the input terminal 1, the input terminal 1 and the output terminal 2 are respectively connected to the input matching circuit 10 and the output matching circuit 10 at a desired frequency. Impedance matching with the amplification unit 30 is performed via the circuit 20, and signal amplification can be performed at a desired frequency.
[0025]
3 and 4 show the dependence of the input / output reflection characteristics (input / output impedance) of the

FETs

301 and 302 constituting the amplifying unit 30 on the drain bias and the gate bias, respectively.
[0026]
FIG. 3 shows the reflection characteristics when the drain bias is changed from 0 V to 2 V when the gate bias of the

FETs

301 and 302 is 0 V and the frequency is 20 GHz, and S ₁₁ is the reflection characteristic on the gate side of the FET (input). _{impedance), S 22} is a reflection characteristic of the drain side (output impedance). As shown in FIG. 3, by changing the drain bias, the reflection characteristics S ₁₁ and S ₂₂ (input / output impedance) of the FET can be largely changed. Especially in this _case, the change in _{S 22} is large.
[0027]
FIG. 4 shows reflection characteristics when the gate bias is changed from −0.7 V to 0.2 V when the drain bias of the

FETs

301 and 302 is 2 V and the frequency is 20 GHz. As shown in FIG. 4, by changing the gate bias, the reflection characteristics S ₁₁ and S ₂₂ (input / output impedance) of the FET can be largely changed. Especially in this case, a large change in _{S 11.}
[0028]
As described above, the input and output impedances of the

FETs

301 and 302 constituting the amplifying unit 30 can be largely changed by changing the bias point (operating point). The matching circuit 10 and the output matching circuit 20 can change the matching frequency to a desired frequency by changing the bias point of the FET. The change of the bias point can be switched, for example, by configuring a plurality of bias circuits in advance for each FET and selecting a specific bias circuit by an external control signal (not shown).
[0029]
FIG. 5 shows a bias operation mode of the

FETs

301 and 302 of the amplifying unit 30 of the high frequency amplifier circuit shown in FIG. ON indicates a gate bias of 0 V, OFF indicates a gate bias of -0.7 V, and each drain bias indicates a case of 2 V. In the present embodiment, two FETs are used in the amplifying unit 30. Therefore, in the above-described bias condition, three

operation modes

1 and 2 for turning on one FET at a time and turning on two FETs at the same time. , 3 can be realized.
[0030]
In the input matching circuit 10 and the output matching circuit 20 of the high-frequency amplifier circuit of the present embodiment, the operating frequencies of the high-frequency amplifier circuit are f ₁ , f ₂ , and f in the three

operation modes

1, 2, and 3, respectively. It is designed to be ₃ . FIG. 6 shows characteristics of the high-frequency amplifier circuit in each operation mode. Each of the in the figure _shows the _{_{_{_{S 21, S 11, S 22}}}} . _{Incidentally, S 21} is the insertion loss. Looking at these S ₂₁ _, S ₁₁ _{, and} S ₂₂ , the operating frequency of the high-frequency amplifier circuit changes to f ₁ , f ₂ , and f ₃ in accordance with the

operation modes

1, 2, and 3 shown in FIG. I understand.
[0031]
As described above, by changing the bias point (operating point) of the FET of the amplifying unit 30, the high-frequency amplifier circuit of the present embodiment can perform an amplifying operation corresponding to multiband.
[0032]
In this embodiment, the combination in which the gate bias of the FET is set to 0 V and -0.7 V is shown, but other combinations of bias points may be used. Further, a combination in which the drain bias is changed may be used. The configuration of the active element of the amplifier 30 may be a cascode-connected or Darlington-connected FET.
[0033]
[Second embodiment]
FIG. 7 shows the configuration of the second embodiment of the present invention. The basic configuration of the high-frequency amplifier circuit of this embodiment is the same as that shown in FIG. 2, but here, the amplifying unit 30 is composed of three

FETs

301, 302, and 303 as active elements.
[0034]
With the configuration as shown in FIG. 7, when a signal is input from the input terminal 1, the input terminal 1 and the output terminal 2 are connected to the amplifying unit 30 via the input matching circuit 10 and the output matching circuit 20, respectively, at a desired frequency. Matching and signal amplification can be performed at a desired frequency.
[0035]
The present embodiment is characterized in that the number of FETs of the amplification unit 30 is increased to three. By increasing the number of FETs to three, seven operation modes 1 to 7 can be realized as shown in FIG.
[0036]
Here, ON indicates a drain bias of 2 V and a gate bias of 0 V, and OFF indicates a drain bias of 2 V and a gate bias of -0.7 V. That is, a combination of three modes in which only one FET is turned on and the remaining two are turned off, a combination of three modes in which two FETs are turned on and the remaining one is turned off, and all three FETs are turned on. Thus, a total of seven modes can be realized.
[0037]
The input matching circuit 10 and the output matching circuit 10 of the high-frequency amplifier circuit according to the present embodiment are designed so that the operating frequencies of the amplifier circuits are matched to the seven different frequencies according to the respective bias conditions of the seven operating modes described above. Have been.
[0038]
As described above, also in the high-frequency amplifier circuit of the present embodiment, the amplification operation corresponding to the multi-band can be performed by changing the bias point of the FET of the amplification unit 30, and the high-frequency amplifier circuit shown in FIG. The number of frequencies can be increased.
[0039]
In the present embodiment, a combination in which the gate bias of the FET is set to 0 V and −0.7 V is shown, but a combination of other bias points may be used. Further, a combination in which the drain bias is changed may be used. The configuration of the active element of the amplifier 30 may be a cascode-connected or Darlington-connected FET.
[0040]
[Third Embodiment]
FIG. 9 shows the configuration of the third embodiment of the present invention. The high-frequency amplifier circuit of this embodiment is basically the same as the high-frequency amplifier circuit shown in FIG. 7, but the amplifying unit 30 is configured by using three

FETs

311, 312, and 313 having different gate widths as active elements. Have been.
[0041]
With the configuration as shown in FIG. 9, when a signal is input from the input terminal 1, the input terminal 1 and the output terminal 2 are connected to the amplifying unit 30 via the input matching circuit 10 and the output matching circuit 20, respectively, at a desired frequency. Matching and signal amplification can be performed at a desired frequency.
[0042]
The present embodiment is characterized in that the sizes of the

FETs

311, 312 and 313 of the amplifying unit 30 are not the same, and thus, by changing the sizes of the FETs, the change range of the input / output impedance when the bias of the FETs is variable is obtained. Can be larger. FIGS. 10 and 11 show input reflection characteristics S ₁₁ (input impedance) and output reflection characteristics S _{22 that} can be taken by the FET when both the gate width (when the width is changed from 50 μm to 400 μm) and the bias point are changed. (Output impedance).
[0043]
As shown in these figures, by changing the gate width in addition to the change of the bias point, the input reflection characteristic S ₁₁ (input impedance) of the FET and the input reflection characteristic S ₁₁ (input impedance) of the FET are compared with those of FIGS. The output reflection characteristics S ₂₂ (output impedance) can be set in a wide range.
[0044]
Therefore, the high-frequency amplifier circuit of the present embodiment can expand the boundary condition range (set range of the load impedance) between the input matching circuit 10 and the output matching circuit 20, and thus easily realizes a multi-band input / output matching circuit. And the degree of freedom in setting the operating frequency can be increased.
[0045]
In the present embodiment, the number of FETs in the amplifying unit 30 of the high-frequency amplifier circuit is three. However, if the number is increased to four or five, the frequency band to which this amplifier circuit can be applied increases as the number increases. Further, by changing the number of types of the gate width of the FET, the degree of freedom in setting the operating frequency can be further expanded. Further, the configuration of the active element of the amplification unit may be a cascode-connected or Darlington-connected FET.
[0046]
【The invention's effect】
As described above, in the high-frequency amplifier circuit of the present invention, a multi-band high-frequency amplifier circuit can be realized in a small size, and a desired frequency band operation can be realized by changing the bias of the amplifier, and the frequency band can be changed. There is an advantage that it can be done.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram for explaining the principle of a multi-band high-frequency amplifier circuit according to the present invention.
FIG. 2 is a circuit diagram of the multi-band high-frequency amplifier circuit according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is an input / output reflection characteristic diagram showing the drain voltage dependency of the circuit of FIG. 2;
FIG. 4 is an input / output reflection characteristic diagram showing the gate voltage dependence of the circuit of FIG. 2;
FIG. 5 is an explanatory diagram of an operation mode of the circuit of FIG. 2;
FIG. 6 is a frequency characteristic diagram of S ₂₁ _, S ₁₁ _{, and} S ₂₂ in each operation mode of the circuit of FIG. 2;
FIG. 7 is a circuit diagram of a multi-band high-frequency amplifier circuit according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 8 is an explanatory diagram of an operation mode of the circuit of FIG. 7;
FIG. 9 is a circuit diagram of a multi-band high-frequency amplifier circuit according to a third embodiment of the present invention.
10 is an input / output reflection characteristic diagram showing the drain voltage dependency when the gate width of the circuit of FIG. 9 is changed.
FIG. 11 is an input / output reflection characteristic diagram showing gate voltage dependence when the gate width of the circuit of FIG. 9 is changed. .
FIG. 12 is a circuit diagram of a conventional multi-band high-frequency amplifier circuit.
FIG. 13 is a circuit diagram of another conventional multiband high-frequency amplifier circuit.
FIG. 14 is a frequency characteristic diagram of the gain of the conventional multiband high-frequency amplifier circuit.
[Explanation of symbols]
1, 1A, 1B: input terminal 2, 2A, 2B: output terminal 3: bias switch terminal 4A, 4B:

bias terminal

10, 10A, 10B: input matching

circuit

20, 20A, 20B: output matching circuit 30, 30 '. : Amplifying units 31 to 3i, 301 to 303, 311 to 313: FET
40A, 40B: Bias control circuit 50: Bias switch 60: Feedback circuit

Claims

And amplification unit, an input matching circuit provided between the amplification portion and the signal input terminal, a multi-band high-frequency amplifier circuit and an output matching circuit provided between the amplifying unit and the signal output terminal,
The amplification unit includes a plurality of active elements connected in parallel between the input matching circuit and the output matching circuit,
The operating point of at least one of the plurality of active elements can be changed, and a matching frequency of the input matching circuit and the output matching circuit is determined according to a combination of operating points of the respective active elements. A multi-band high-frequency amplifier circuit characterized in that:

In claim 1,
The multi-band high-frequency amplifier circuit, wherein the plurality of active elements have the same size.

In claim 1,
At least one of the plurality of active elements has a different size from other active elements.