JP3631426B2 - 高出力増幅器 - Google Patents
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- H03F1/302—Modifications of amplifiers to reduce influence of variations of temperature or supply voltage or other physical parameters in bipolar transistor amplifiers
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トランジスタ増幅器を用いた高出力増幅器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
無線通信装置の分野においては、ＣＤＭＡ（周波数多重方式：Ｃｏｄｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）などのデジタル通信方式が主流となっており、▲１▼利得が高く、▲２▼効率が高く、▲３▼温度変化の影響が少なく、▲４▼広いダイナミックレンジの出力レベルで線形に動作する高出力増幅器が要求されている。これに加え、携帯電話のような制御電圧の低いシステムでは、▲５▼コントロール電圧が低いこと、が要求されている。
【０００３】
従来の高出力増幅器の１つとしては、ＡＢ級動作のエミッタ接地バイポーラトランジスタを用い、ベースバイアス回路によりバイアス電流・電圧を供給する方法がある。この方法の原理、特徴を以下に説明する。
【０００４】
まず、利得が高い高出力増幅器を得るために、高出力増幅器のトランジスタ増幅器としてエミッタ接地バイポーラトランジスタを用いる。高出力増幅器は、制御回路とトランジスタ増幅器から構成されており、トランジスタ増幅器には、通常、バイポーラトランジスタが用いられている。そして、バイポーラトランジスタの接続方法には、エミッタ接地回路、ベース接地回路、コレクタ接地回路（エミッタフォロワ回路）などがあるが、高い利得が得られることから、増幅回路においてはエミッタ接地回路が圧倒的に多く使用されている。このエミッタ接地回路は、エミッタを入出力の共通端子とし、ベースに入力信号を加え、コレクタから出力を取り出す方式である。
【０００５】
次に、効率の高い高出力増幅器を得るために、上述のエミッタ接地トランジスタ増幅器のバイアス条件をＡＢ級にして、ＡＢ級動作を行うようにする。すなわち、効率の高い増幅器を得るには、バイアス条件をＡ級（トランジスタにかなりの電流を常に流している形式）ではなく、Ｂ級（入力がゼロのとき消費電力が本質的にゼロになる形式）にすることにより実現できるが、実際には、Ｂ級動作では素子の相互コンダクタンスの非線形性により利得の変動による歪みが大きくなるので、ＡＢ級（入力がゼロのときでもトランジスタに小さな直流電流＝アイドル電流が流れる形式）のような使い方をすることにより効率の高い高出力増幅器を得ることができる。
【０００６】
次に、温度変動の影響が少ない高出力増幅器を得るために、トランジスタ増幅器の制御端子（ベース）に対して、バイアス回路によりバイアスを供給する。すなわち、バイポーラートランジスタを用いた高出力増幅器では、ベース・エミッタ間電圧を基準とした回路が主流であるが、出力電流の温度係数がかなり大きいため、制御回路の１つにベースバイアス回路を用いて、温度変化によってベース電圧・電流が大幅に変化しないように工夫している。このような高出力増幅器としては、図１３に示すバイアス回路を用いた、第１の従来例の高出力増幅器がある。図１３のバイアス回路は、Ｑ１がバイポーラートランジスタ、Ｒ１が抵抗であり、ベースとコレクタを短絡してダイオード接続したカレントミラー回路でバイアス電圧、およびバイアス電流Ｉｂを供給する。
【０００７】
以上のように、ＡＢ級のエミッタ接地バイポーラトランジスタを用れば、▲１▼利得が高く、▲２▼効率が高い、高出力増幅器を得ることができ、さらに図１３の第１の従来例のバイアス回路によりバイアス電流・電圧を供給する方法を用いれば、▲３▼温度変化の影響が少ない、高出力増幅器を得ることができる。また、図１３のバイアス回路はトランジスタが１段であるから、▲５▼コントロール電圧を低くすることができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図１３のバイアス回路を用いた第１の従来例の高出力増幅器では、▲４▼広いダイナミックレンジの出力レベルで線形に動作する高出力増幅器を得ることができない、という問題があった。すなわち、ＡＢ級動作のエミッタ接地バイポーラートランジスタは、平均コレクタ電流が出力レベルに応じて増加するので、バイアス回路もそれに応じて平均ベース電流の増加分を十分供給しなければならないが、図１３のようなバイアス回路では、抵抗Ｒ１による電圧降下が起きるため、十分な電流を供給できないのである。
【０００９】
そこで、広いダイナミックレンジの出力レベルで線形に動作する高出力増幅器として、図１４のバイアス回路を用いた第２の従来例の高出力増幅器がある。図１４の回路は、エミッタフォロワー等を介してベース電流を供給するカレントミラー回路であり、Ｑがバイポーラートランジスタ、Ｒが抵抗、Ｖｃｃが電源電圧であって、出力インピータンスを下げて電流を供給することができる。
【００１０】
しかし、図１４のバイアス回路を用いた第２の従来例の高出力増幅器では、▲５▼バイアス回路のコントロール電圧が高くなってしまう、という問題があった。すなわち、図１４のバイアス回路では、トランジスタが２段積みになるため、コントロール電圧Ｖｃｏｎｔをトランジスタのオン電圧の２倍の電圧よりかなり高くしなければ、温度変化に対するバイアス電流Ｉｂの変動が大きくなってしまった。例えば、図１４の回路で、バイポーラトランジスタＱの動作電圧を１．２Ｖとすれば、コントロール電圧Ｖｃｏｎｔを２．４Ｖよりもかなり高くしなければならなず、仮に２．７Ｖ程度のコントロール電圧で動作させようとすれば、バイアス電流が温度変動の影響を大きく受けてしまう。ところが、コントロール電圧を高くすると、携帯電話のような制御電圧の低いシステムでは、大きな問題となる。
【００１１】
このように、従来は、エミッタが接地されＡＢ級にバイアスされたトランジスタ増幅器を用いることにより、▲１▼利得が高く、▲２▼効率が高い高出力増幅器を得ることはできたが、トランジスタ増幅器のベースバイアス回路の特性が不十分なため、さらに、▲３▼温度変化の影響が少なく、▲４▼広いダイナミックレンジの出力レベルで線形に動作し、▲５▼コントロール電圧が低い、高出力増幅器を得ることは困難であった。
【００１２】
本発明は、かかる課題の認識に基づいてなされたものである。すなわちその目的は、トランジスタ増幅器のベースバイアス回路を工夫することにより、▲１▼利得が高く、▲２▼効率が高く、さらに、▲３▼温度変化の影響が少なく、▲４▼広いダイナミックレンジの出力レベルで線形に動作し、▲５▼コントロール電圧が低い、高出力増幅器を提供することである。
【００１３】
【発明を解決するための手段】
本発明の高出力増幅器は、トランジスタ増幅器と、第１および第２のバイアス回路からなるバイアス回路とを有し、前記第１のバイアス回路が備える第１のトランジスタは、短絡された第１の端子と制御端子が第１の高圧側電源としてのコントロール電源と前記トランジスタ増幅器の制御端子とに接続され、第２の端子が低電圧側電源に接続されており、前記第２のバイアス回路が備える第２のトランジスタは、制御端子が前記コントロール電源に接続され、第１の端子が第２の高圧側電源に接続され、第２の端子が前記トランジスタ増幅器の制御端子に接続されていることを特徴とする。
【００１４】
本発明の高出力増幅器は、トランジスタ増幅器と、第１のバイアス回路と第２のバイアス回路の２つのバイアス回路とを備え、トランジスタ増幅器を小信号（アイドル電流）で使用するときは温度変動の影響が少ない第１のバイアス回路でトランジスタ増幅器の制御端子にバイアスを供給し、トランジスタ増幅器を大信号で使用するときは大きなベース電流を供給することが可能な第２のバイアス回路でバイアスを供給することができるので、温度変動の影響が少なく、かつ、広いダイナミックレンジの出力レベルで線形な動作を行うことができる。
【００１５】
また、本発明の高出力増幅器では、バイアス回路のコントロール電圧を低くすることができる。コントロール電圧は、例えば、第１のトランジスタのベース・エミッタ間オン電圧の２倍以下とすることができる。また、第２のトランジスタのベースを接地したり、第２のバイアス回路に第３のトランジスタを設けたりすることにより、高いコントロール電圧でも使用可能にすることがきる。
【００１６】
本発明のトランジスタ増幅器としては、エミッタ接地の化合物バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）を好ましく用いることができる。
【００１７】
第１のバイアス回路の第１のトランジスタ、および第２のバイアス回路の第２のトランジスタとしては、化合物バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）を用いることができる。また、第２のバイアス回路の第２のトランジスタとして、Ｓｉ ＭＯＳＦＥＴ、またはＧａＡｓ ＭＯＳＦＥＴを用いることもできる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
【００１９】
実施形態１〜４では、バイアス回路およびトランジスタ増幅器のトランジスタに、エミッタがＩｎＧａＰ、ベースがＧａＡｓで構成された化合物バイポーラトランジスタ（ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ ＨＢＴ）を用いた例を示す。このトランジスタは、ベース・エミッタ間電圧Ｖｂｅが約１．２Ｖで動作する。実施例５では、バイアス回路の第２のバイアス回路のトランジスタにＦＥＴを用いた例を示す。
【００２０】
（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態に係わる高出力増幅器の構成を示す図である。図１中の点線で囲った部分は、バイアス回路であり、図２はこのバイアス回路を示す図である。回路中のトランジスタはすべてＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ ＨＢＴを用いている。
【００２１】
以下では高出力増幅器、および高出力増幅器におけるバイアス回路についての、回路構成、動作、および特性について説明する。
【００２２】
まず高出力増幅器の回路構成について、図１を参照にしつつ説明する。ＲＦ１はエミッタが接地されたバイポーラトランジスタ増幅器であり、エミッタサイズが４×３０ｕｍ２で、３２本のマルチエミッタ構造になっている。バイポーラトランジスタ増幅器ＲＦ１のコレクタにはインダクタンスＬ１を介して電圧Ｖｃ＝３．４Ｖが印加されている。また、ベースにはインダクタンスＬ２を介してＤＣバイアス用ベース電圧を供給するバイアス回路が接続されており、このバイアス回路によりベース電流が供給される。ここでＲＦ１に対しては、高効率を実現するために、バイアス回路がＡＢ級のバイアスとなるようにする。Ｐｉｎは入力端子、Ｐｏｕｔは出力端子であり、Ｃ１、Ｃ２はキャパシタである。
【００２３】
次に、バイアス回路の構成について図２を参照にしつつ説明する。バイアス回路は第１のバイアス回路と第２のバイアス回路とを備えている。第１のバイアス回路は抵抗Ｒ１とトランジスタＱ１から構成され、第２のバイアス回路は抵抗Ｒ２とトランジスタＱ２から構成されている。
【００２４】
第１のバイアス回路のトランジスタＱ１のエミッタサイズは、４×２０ｕｍ２であり、ベースとコレクタが短絡されてダイオード接続され、ダイオードとして機能するようになっている。またＱ１は、短絡されたベースとコレクタが抵抗Ｒ１＝４００Ωを介してコントロール電圧Ｖｃｏｎｔ＝２．２Ｖに接続され、ベースとコレクタがトランジスタ増幅器ＲＦ１の制御端子に接続され、エミッタが接地されている。第１のバイアス回路は、出力インピータンスが高いので大きなベース電流を供給することはできないが、温度変動の影響を受けずらい。
【００２５】
第２のバイアス回路のトランジスタＱ２のエミッタサイズは、４×３０ｕｍ２で８本のマルチエミッタ構造になっている。Ｑ２は、ベースが抵抗Ｒ２＝２００Ωを介してコントロール電圧Ｖｃｏｎｔ＝２．２Ｖに接続され、コレクタが電源電圧Ｖｃｃ＝３．４Ｖに接続され、エミッタがトランジスタ増幅器ＲＦ１の制御端子に接続されており、エミッタフォロワーである。第２のバイアス回路は、出力インピータンスが低いので大きなベース電流を供給することができる。
【００２６】
本実施形態の高出力増幅器のバイアス回路は、上述の第１のバイアス回路と第２のバイアス回路を組み合わせ、それぞれの長所を生かしたものであり、コントロール電圧が２．２Ｖと低いにもかかわらず、大きなベース電流を供給することができ、かつ、温度が変動しても安定したベース電流を供給することができる。
【００２７】
次に、本実施形態の高出力増幅器におけるバイアス回路（図２）の動作について説明する。トランジスタ増幅器ＲＦ１のベース電流がゼロか非常に小さい時には、トランジスタＱ１はオンしているが、トランジスタＱ２はＯＦＦの状態である。ＲＦ１のベース電流が増加し始めると、このベース電流の増加分だけＲ１に流れる電流も増加する。これによりトランジスタＱ１のベース・エミッタ間電圧が下がり、トランジスタＱ２のエミッタの電圧がトランジスタＱ１のベース電圧とともに低下し、トランジスタＱ２のベース・エミッタ間電圧が増加し、Ｑ２がＯＮ状態となる。このように本実施形態の高出力増幅器におけるバイアス回路は、２つのバイアス回路を備え、小さなベース電流は温度変動の影響が少ない第１のバイアス回路で供給することができ、大きなベース電流は第２のバイアス回路で供給することができる。
【００２８】
次に、本実施形態の高出力増幅器の特性を、従来の形態と比較しながら説明する。比較例として用いた高出力増幅器は、バイアス回路として、図１３の回路を用いた第１の従来例の高出力増幅器である。この高出力増幅器は、前述のように、線形動作をするレンジが狭いという問題がある。バイアス回路のコントロール電圧は、本実施形態、従来形態ともに２．２Ｖとした。
【００２９】
図３は、本実施形態の高出力増幅器（図２、図１）および第１の従来例の高出力増幅器（図１３、図１）における、１．８８ＧＨｚ帯での入力パワーに対する出力パワーの特性を示す図である。出力（Ａ）は本実施形態の高出力増幅器の出力パワーを、出力（Ｂ）は従来例の高出力増幅器の出力パワーを示している。また、図４は入力パワーに対する利得の変動を示す図であり、利得（Ａ）は本実施形態の高出力増幅器の利得を、利得（Ｂ）は第１の従来例の高出力増幅器の利得を示している。本実施形態の高効率増幅器では、飽和領域まで出力パワーおよび利得が伸びているが、従来例の高出力増幅器では、高出力領域で利得が急激に落ちている。
【００３０】
また図５は、本実施形態の高出力増幅器におけるトランジスタ増幅器ＲＦ１および第１の従来例の高出力増幅器におけるトランジスタ増幅器ＲＦ１の、入力に対するコレクタ電流Ｉｃ、および入力に対するベース電流Ｉｂの変動を示す図である。Ｉｃ（Ａ）は本実施形態におけるトランジスタ増幅器のコレクタ電流を、Ｉｃ（Ｂ）は第１の従来例におけるトランジスタ増幅器のコレクタ電流を、Ｉｂ（Ａ）は本実施形態のにおけるトランジスタ増幅器のベース電流を、Ｉｂ（Ｂ）は第１の従来例におけるトランジスタ増幅器のベース電流を示している。本実施形態の高効率増幅器におけるトランジスタ増幅器では、コレクタ電流Ｉｃとベース電流Ｉｂがともに入力に応じて伸びているが、従来の高出力増幅器におけるトランジスタ増幅器では、１０ｄＢ以上の入力で伸びが鈍る。
【００３１】
このように、本実施形態の高出力増幅器では、従来の形態と比較して、コントロール電圧を同じにしても、広いダイナミックレンジの出力レベルで線形な動作を行うことができるという特性をもつ。これは従来の高出力増幅器におけるバイアス回路（図１３）では、Ｒ１を介してベース電流を供給しているので、入力パワーが増加するとＲ１による電圧降下が起こり、十分な電流を供給できなくなるのに対し、本実施形態の高出力増幅器におけるバイアス回路では、入力パワーが増加すると、第２のバイアス回路のトランジスタＱ２がＯＮし、Ｑ２からＲＦ１のベース電流を十分に供給できるからである。
【００３２】
次に、本実施形態の高出力増幅器におけるバイアス回路（図２）の特性を、従来の高出力増幅器のバイアス回路（図１３）と比較しながら説明する。
【００３３】
図６は本発明の第１の実施の形態に係わる高出力増幅器におけるバイアス回路および従来の高出力増幅器におけるバイアス回路の特性を示す図である。図中の鎖線は、Ｐｉｎ（図１）からの入力パワーとベース電流Ｉｂ（図１、図２、図１３）の関係を示しており、Ｉｂ（Ａ）は本実施形態におけるバイアス回路のＱ１およびＱ２（図２）が供給するＩｂを、Ｉｂ（Ａ’）は本実施形態におけるバイアス回路のＱ２（図２）が供給するＩｂを、Ｉｂ（Ｂ）は第１の従来例におけるバイアス回路のＱ１が供給するＩｂを示している。また、図中の点線はＰｉｎ（図１）からの入力パワーとトランジスタＱ１（図２、図１３）のベース・エミッタ間電圧を示しており、Ｖｂｅ（Ａ）は本実施形態におけるバイアス回路のＶｂｅを、Ｖｂｅ（Ｂ）は第１の従来例におけるバイアス回路のＶｂｅを示している。
【００３４】
第１の従来例におけるバイアス回路では、入力パワーが増加すると、Ｒ１による電圧降下が大きくなり、Ｑ１のベース・エミッタ間電圧Ｖｂｅが下がって、ベース電流Ｉｂを十分に供給できなくなる。これに対し本実施形態におけるバイアス回路では、入力パワーが増加しても、Ｑ１のベース・エミッタ間電圧Ｖｂｅが０．２Ｖ程度下がりＲ１による電圧降下が１．２Ｖ程度以上になると、エミッタフォロアーＱ２がＯＮするので、ベース電流Ｉｂを十分に供給することができる。
【００３５】
以上のように、本実施形態の高出力増幅器では、２．２Ｖという低いコントロール電圧にもかかわらず、広いダイナミックレンジの出力レベルで線形な動作を行うことができる。
【００３６】
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態の高出力増幅器が第１の実施の形態と異なるのは、バイアス回路の第２のバイアス回路のトランジスタＱ２のベースを接地したことであり、高いコントロール電圧でも使用可能である。
【００３７】
図７は本発明の第２の実施の形態に係わる高出力増幅器に関する図であり、高出力増幅器におけるバイアス回路の構成を示している。
【００３８】
本実施形態の高出力増幅器におけるバイアス回路（図７）は、トランジスタＱ２のベースが、抵抗Ｒ２を介してコントロール電圧Ｖｃｏｎｔに接続されるとともに、ベースとコレクタが短絡されダイオード接続されたトランジスタＱ３およびＱ４を介して接地されている。Ｑ３およびＱ４はダイオードとして機能するようになっている。この他の部分は第１の実施の形態（図２）と同じである。本実施形態ではＱ３およびＱ４としてＯＮ電圧が約１．２ＶのＨＢＴを用いたが、それぞれのＨＢＴの代わりにＯＮ電圧が約１．２Ｖのダイオードを用いることも可能である。
【００３９】
本実施形態の高出力増幅器は高いコントロール電圧でも使用可能である。すなわち、第１の実施形態におけるバイアス回路は、コントロール電圧がトランジスタのＯＮ電圧Ｖｂｅの２倍である約２．４Ｖ以上では、バイアス時にＱ２がＯＮしてしまうので、急激にベース電流が供給されてしまうが、本実施形態のように、ダイオード接続されたトランジスタ、またはダイオードにより接地しておくと、電圧がグリップされ高いコントロール電圧Ｖｃｏｎｔでも使用できる。
また、本実施形態の高出力増幅器の回路構成は、バイアス回路を図２の回路に代えて図７の回路とした以外は、第１の実施の形態（図１）と同じである。
【００４０】
次に、本実施形態の高出力増幅器の特性を、従来の形態と比較しながら説明する。比較例として用いた高出力増幅器は、バイアス回路として、図１４の回路を用いた第２の従来例の高出力増幅器である。この高出力増幅器は、前述のように、動作電圧を高くしなければ温度変動の影響が大きくなるという問題がある。バイアス回路のコントロール電圧は、本実施形態、従来形態ともに２．７Ｖとした。なお、本実施形態の高出力増幅器は第１の実施の形態と同様にバイアス回路のコントロール電圧を２．２Ｖ程度にしても使用可能であるが、比較例と同一条件とするため、コントロール電圧を２．７［Ｖ］とした。
【００４１】
図８は、本実施形態および第２の従来例の高出力増幅器（図１参照）において、バイアス回路のコントロール電圧Ｖｃｏｎｔ＝２．７Ｖ（図７、図１４）とし、温度を−３０℃、２５℃、８０℃に変化させた時の、トランジスタ増幅器のコレクタ電流Ｉｃの変化を示す図である。また、図９は、本実施形態および第２の従来例の高出力増幅器（図１参照）において、温度を−３０℃、２５℃、８０℃と変化させた時の、バイアス回路のコントロール電圧Ｖｃｏｎｔと、トランジスタ増幅器のコレクタ電流Ｉｃとの関係を示す図である。
【００４２】
図８のように、従来の高出力増幅器では、温度変動に対するトランジスタ増幅器のコレクタ電流Ｉｃの変動が大きい。これは以下の理由による。すなわち、従来の高出力増幅器におけるバイアス回路（図１４）では、温度Ｔに対するバイアス電流Ｉの変化量は、ほぼＩ（Ｔ＋ΔＴ）／Ｉ（Ｔ）＝（Ｖｃｏｎｔ−２×Ｖｂｅ（Ｔ＋ΔＴ）／（Ｖｃｏｎｔ−２×Ｖｂｅ（Ｔ））で決まるので、ＨＢＴのＶｂｅが室温（２５℃）で約１．２Ｖであることから、Ｖｃｏｎｔ＝２．７Ｖでは温度補償に使える電圧が約０．３Ｖしかなく、温度変動に対する電流の変動が大きくなる。そして、温度変動に対するバイアス電流の変動が大きくなることにより、温度変動に対するトランジスタ増幅器のコレクタ電流Ｉｃの変動も大きくなるのである。
【００４３】
一方、図８のように、本実施形態の高出力増幅器では、温度変動に対するトランジスタ増幅器のコレクタ電流Ｉｃの変動が小さい。この理由を図９を用いて説明する。本実施形態の高出力増幅器におけるバイアス回路では、温度変動に対する電流変動分は第２のバイアス回路のＱ２から流れる電流分のみであり、第１のバイアス回路のＱ１から流れる電流分は温度変動による影響をほとんど受けない。そして、バイアス電流の温度変動が小さくなれば、トランジスタ増幅器のコレクタ電流Ｉｃの温度変動も小さくなる。本実施形態の高出力増幅器では、第１のバイアス回路によりトランジスタ増幅器のコレクタ電流Ｉｃに図９中の丸で囲んだ点線のような下駄を履かせることができ、この電流分が温度変動の影響を受けずらいため、温度に対するトランジスタ増幅器のコレクタ電流Ｉｃの電流変動が、図８のように抑えられるのである。
【００４４】
このように本実施形態の高出力増幅器では、広いダイナミックレンジの出力レベルで線形な動作を行うことができるのに加え、温度変動の影響も少なくすることができる。
【００４５】
また、図９のように、従来の高出力増幅器（図１４参照）では、室温で、コントロール電圧が約２．４［Ｖ］以下ではバイアス回路が動作せず使用することができないが、本実施形態の高出力増幅器（図７、図１）では、コントロール電圧を低くしても使用することができる。
【００４６】
さらに、本実施形態の高出力増幅器は、第１の実施形態と同様に低いコントロール電圧で使用が可能なのに加え、必要に応じて高いコントロール電圧でも使用することが可能であり、また劣化等の原因でコントロール電圧が高くなってしまった場合でも正常な動作が可能であるので、実用的である。
【００４７】
（第３の実施の形態）
第３の実施の形態の高出力増幅器が第１の実施の形態と異なるのは、バイアス回路にトランジスタＱ３を備えたことであり、第２の実施の形態と同様に、高いコントロール電圧でも使用可能である。
【００４８】
図１０は本発明の第３の実施の形態に係わる高出力増幅器に関する図であり、高出力増幅器におけるバイアス回路を示している。
【００４９】
本実施形態におけるバイアス回路（図１０）は、第２のバイアス回路がさらにトランジスタＱ３を備え、Ｑ３は、コレクタがトランジスタＱ２のベースに接続され、ベースがトランジスタＱ１のベースおよびコレクタに接続され、エミッタが接地されている。この他の部分は第１の実施の形態（図２）と同じである。
また、本実施形態の高出力増幅器の回路構成は、バイアス回路を図２の回路に代えて図１０の回路とした以外は、第１の実施の形態（図１）と同じである。
【００５０】
本実施形態の高出力増幅器は第２の実施の形態と同様、高いコントロール電圧でも使用可能である。すなわち、第１の実施の形態におけるバイアス回路（図２）は、コントロール電圧がＱ１のベース・エミッタ間オン電圧の２倍（〜２．４Ｖ）以上では、バイアス時にＱ２がＯＮしてしまうので、急激にベース電流が供給されてしまうが、本実施形態のバイアス回路（図１０）では、Ｑ３に電流を流しＱ２の電流をグリップすることができるので、コントロール電圧Ｖｃｏｎｔが高くなっても使用することができる。
【００５１】
（第４の実施の形態）
第４の実施の形態の高出力増幅器は、トランジスタ増幅器を２段にしたものである。バイアス回路の基本構造は、第１の実施の形態と同じである。
【００５２】
図１１は本発明の第４の実施の形態に係わる高出力増幅器に関する図であり、高出力増幅器の回路構成を示している。トランジスタ増幅器は前段のＲＦ２と後段のＲＦ３の２段で構成されている。後段のトランジスタ増幅器ＲＦ３に対しては、高効率を実現するために、バイアス回路がＡＢ級のバイアスとなるようにする。ＲＦ３のバイアス回路は第１の実施の形態と同じである。Ｌ３はインダクタンス、Ｃ３はキャパシタ、Ｒ３、Ｒ４は抵抗である。
【００５３】
トランジスタ増幅器を複数段用いた場合は、最終段のトランジスタ増幅器のバイアス電流を制御することが重要である。すなわち、複数段のトランジスタ増幅器を用いた場合には、最終段のトランジスタ増幅器のベース電位を実施例１〜３で説明した方法等により制御すれば、コントロール電圧を低くしつつ、広いダイナミックレンジの出力レベルで線形な動作を行うことができ、かつ、温度変動の影響も少なくすることができる。
【００５４】
本実施形態の高出力増幅器では、２段のトランジスタ増幅器ＲＦ２、ＲＦ３を用い、後段のトランジスタ増幅器ＲＦ３のベース電圧・電流を実施例１の方法により制御したことにより、２．２Ｖ程度という低いコントロール電圧にもかかわらず、広いダイナミックレンジの出力レベルで線形な動作を行うことができ、かつ、温度変動の影響も少なくすることができる。
【００５５】
（第５の実施の形態）
第５の実施の形態の高出力増幅器が第１の実施の形態と異なるのは、バイアス回路の第２のバイアス回路のトランジスタとしてＦＥＴを用いたことであり、動作電圧をさらに低減できる。
【００５６】
図１２は本発明の第５の実施の形態に係わる高出力増幅器に関する図であり、高出力増幅器におけるバイアス回路を示している。
【００５７】
本実施形態の高出力増幅器におけるバイアス回路（図１２）は、第２のバイアス回路のトランジスタＱ５としてＦＥＴを用いている。ＦＥＴとしては、Ｓｉ ＭＯＳＦＥＴやＧａＡｓ ＭＯＳＦＥＴを用いることができる。ＦＥＴのゲートは抵抗Ｒ２を介してコントロール電圧Ｖｃｏｎｔ＝２．０Ｖに接続されるとともに抵抗Ｒ５を介して接地され、ドレインが電源端子Ｖｃｃ＝３．４Ｖに接続されている。また、ソースがトランジスタＱ１のベースおよびコレクタに接続されており、ソースフォロアーになっている。
【００５８】
本実施形態の高出力増幅器の回路構成は、バイアス回路を図２の回路に代えて図１２の回路とした以外は、第１の実施の形態（図１）と同じである。
【００５９】
本実施形態では、ゲートバイアスはＲ２とＲ５で決める。基本的な動作や、効果は第１の実施の形態と同じであるが、ＦＥＴの閾値を選ぶことによって、さらに低電圧化が可能である。
【００６０】
【発明の効果】
本発明の高出力増幅器によれば、トランジスタ増幅器と、第１および第２のバイアス回路からなるバイアス回路とを有し、トランジスタを小信号（アイドル電流）で使用するときは温度変動の影響が少ない第１のバイアス回路でトランジスタ増幅器の制御端子にバイアスを供給し、トランジスタを大信号で使用するときは大きなベース電流を供給することが可能な第２のバイアス回路でバイアスを供給することができるので、広いダイナミックレンジの出力レベルで線形な動作を行うことができ、コントロール電圧が低く、かつ、温度変動の影響が少ない高出力増幅器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係わる高出力増幅器の回路構成を示す図。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係わる高出力増幅器におけるバイアス回路の構成を示す図。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係わる高出力増幅器、および第１の従来例の高出力増幅器の、入力パワーと出力パワーの関係を示す図。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係わる高出力増幅器、および第１の従来例の高出力増幅器の、入力パワーと利得の関係を示す図。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係わる高出力増幅器におけるトランジスタ増幅器、および第１の従来例の高出力増幅器におけるトランジスタ増幅器の、入力パワーとベース電流Ｉｂの関係、および入力パワーとコレクタ電流Ｉｃの関係を示す図。
【図６】本発明の第１の実施の形態に係わる高出力増幅器におけるバイアス回路および第１の従来例の高出力増幅器におけるバイアス回路の特性を示す図であり、入力パワーとベース電流Ｉｂの関係、および、入力パワーとトランジスタＱ１のベース・エミッタ間電圧Ｖｂｅの関係、を示す図。
【図７】本発明の第２の実施の形態に係わる高出力増幅器におけるバイアス回路の構成を示す図。
【図８】本発明の第２の実施の形態に係わる高出力増幅器、および第２の従来例の高出力増幅器の特性を示す図であり、温度と、トランジスタ増幅器のコレクタ電流Ｉｃとの関係を示す図。
【図９】本発明の第２の実施の形態に係わる高出力増幅器、および第２の従来例の高出力増幅器の特性を示す図であり、温度を−３０℃、２５℃、８０℃とした時の、バイアス回路のコントロール電圧Ｖｃｏｎｔと、トランジスタ増幅器のコレクタ電流Ｉｃとの関係を示す図。
【図１０】本発明の第３の実施の形態に係わる高出力増幅器におけるバイアス回路の構成を示す図。
【図１１】本発明の第４の実施の形態に係わる高出力増幅器の回路構成を示す図。
【図１２】本発明の第５の実施の形態に係わる高出力増幅器におけるバイアス回路の構成を示す図。
【図１３】第１の従来例の高出力増幅器におけるバイアス回路の構成を示す図。
【図１４】第２の従来例の高出力増幅器におけるバイアス回路の構成を示す図。
【符号の説明】
ＲＦ１ トランジスタ増幅器
ＲＦ２ 前段のトランジスタ増幅器
ＲＦ３ 後段のトランジスタ増幅器
Ｃ１〜Ｃ３ キャパシタ
Ｌ１〜Ｌ３ インダクタンス
Ｐｉｎ 入力端子
Ｐｏｕｔ 出力端子
Ｒ、Ｒ１〜Ｒ５ 抵抗
Ｑ、Ｑ１〜Ｑ５ バイポーラートランジスタ
Ｑ５ ＦＥＴ
Ｖｃｏｎｔ コントロール電圧
Ｖｃｃ 電源電圧
Ｖｃ 電源電圧
Ｉｂ バイアス回路が供給するトランジスタ増幅器のベース電流
Ｉｃ トランジスタ増幅器のコレクタ電流
【発明の属する技術分野】
本発明は、トランジスタ増幅器を用いた高出力増幅器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
無線通信装置の分野においては、ＣＤＭＡ（周波数多重方式：Ｃｏｄｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）などのデジタル通信方式が主流となっており、▲１▼利得が高く、▲２▼効率が高く、▲３▼温度変化の影響が少なく、▲４▼広いダイナミックレンジの出力レベルで線形に動作する高出力増幅器が要求されている。これに加え、携帯電話のような制御電圧の低いシステムでは、▲５▼コントロール電圧が低いこと、が要求されている。
【０００３】
従来の高出力増幅器の１つとしては、ＡＢ級動作のエミッタ接地バイポーラトランジスタを用い、ベースバイアス回路によりバイアス電流・電圧を供給する方法がある。この方法の原理、特徴を以下に説明する。
【０００４】
まず、利得が高い高出力増幅器を得るために、高出力増幅器のトランジスタ増幅器としてエミッタ接地バイポーラトランジスタを用いる。高出力増幅器は、制御回路とトランジスタ増幅器から構成されており、トランジスタ増幅器には、通常、バイポーラトランジスタが用いられている。そして、バイポーラトランジスタの接続方法には、エミッタ接地回路、ベース接地回路、コレクタ接地回路（エミッタフォロワ回路）などがあるが、高い利得が得られることから、増幅回路においてはエミッタ接地回路が圧倒的に多く使用されている。このエミッタ接地回路は、エミッタを入出力の共通端子とし、ベースに入力信号を加え、コレクタから出力を取り出す方式である。
【０００５】
次に、効率の高い高出力増幅器を得るために、上述のエミッタ接地トランジスタ増幅器のバイアス条件をＡＢ級にして、ＡＢ級動作を行うようにする。すなわち、効率の高い増幅器を得るには、バイアス条件をＡ級（トランジスタにかなりの電流を常に流している形式）ではなく、Ｂ級（入力がゼロのとき消費電力が本質的にゼロになる形式）にすることにより実現できるが、実際には、Ｂ級動作では素子の相互コンダクタンスの非線形性により利得の変動による歪みが大きくなるので、ＡＢ級（入力がゼロのときでもトランジスタに小さな直流電流＝アイドル電流が流れる形式）のような使い方をすることにより効率の高い高出力増幅器を得ることができる。
【０００６】
次に、温度変動の影響が少ない高出力増幅器を得るために、トランジスタ増幅器の制御端子（ベース）に対して、バイアス回路によりバイアスを供給する。すなわち、バイポーラートランジスタを用いた高出力増幅器では、ベース・エミッタ間電圧を基準とした回路が主流であるが、出力電流の温度係数がかなり大きいため、制御回路の１つにベースバイアス回路を用いて、温度変化によってベース電圧・電流が大幅に変化しないように工夫している。このような高出力増幅器としては、図１３に示すバイアス回路を用いた、第１の従来例の高出力増幅器がある。図１３のバイアス回路は、Ｑ１がバイポーラートランジスタ、Ｒ１が抵抗であり、ベースとコレクタを短絡してダイオード接続したカレントミラー回路でバイアス電圧、およびバイアス電流Ｉｂを供給する。
【０００７】
以上のように、ＡＢ級のエミッタ接地バイポーラトランジスタを用れば、▲１▼利得が高く、▲２▼効率が高い、高出力増幅器を得ることができ、さらに図１３の第１の従来例のバイアス回路によりバイアス電流・電圧を供給する方法を用いれば、▲３▼温度変化の影響が少ない、高出力増幅器を得ることができる。また、図１３のバイアス回路はトランジスタが１段であるから、▲５▼コントロール電圧を低くすることができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図１３のバイアス回路を用いた第１の従来例の高出力増幅器では、▲４▼広いダイナミックレンジの出力レベルで線形に動作する高出力増幅器を得ることができない、という問題があった。すなわち、ＡＢ級動作のエミッタ接地バイポーラートランジスタは、平均コレクタ電流が出力レベルに応じて増加するので、バイアス回路もそれに応じて平均ベース電流の増加分を十分供給しなければならないが、図１３のようなバイアス回路では、抵抗Ｒ１による電圧降下が起きるため、十分な電流を供給できないのである。
【０００９】
そこで、広いダイナミックレンジの出力レベルで線形に動作する高出力増幅器として、図１４のバイアス回路を用いた第２の従来例の高出力増幅器がある。図１４の回路は、エミッタフォロワー等を介してベース電流を供給するカレントミラー回路であり、Ｑがバイポーラートランジスタ、Ｒが抵抗、Ｖｃｃが電源電圧であって、出力インピータンスを下げて電流を供給することができる。
【００１０】
しかし、図１４のバイアス回路を用いた第２の従来例の高出力増幅器では、▲５▼バイアス回路のコントロール電圧が高くなってしまう、という問題があった。すなわち、図１４のバイアス回路では、トランジスタが２段積みになるため、コントロール電圧Ｖｃｏｎｔをトランジスタのオン電圧の２倍の電圧よりかなり高くしなければ、温度変化に対するバイアス電流Ｉｂの変動が大きくなってしまった。例えば、図１４の回路で、バイポーラトランジスタＱの動作電圧を１．２Ｖとすれば、コントロール電圧Ｖｃｏｎｔを２．４Ｖよりもかなり高くしなければならなず、仮に２．７Ｖ程度のコントロール電圧で動作させようとすれば、バイアス電流が温度変動の影響を大きく受けてしまう。ところが、コントロール電圧を高くすると、携帯電話のような制御電圧の低いシステムでは、大きな問題となる。
【００１１】
このように、従来は、エミッタが接地されＡＢ級にバイアスされたトランジスタ増幅器を用いることにより、▲１▼利得が高く、▲２▼効率が高い高出力増幅器を得ることはできたが、トランジスタ増幅器のベースバイアス回路の特性が不十分なため、さらに、▲３▼温度変化の影響が少なく、▲４▼広いダイナミックレンジの出力レベルで線形に動作し、▲５▼コントロール電圧が低い、高出力増幅器を得ることは困難であった。
【００１２】
本発明は、かかる課題の認識に基づいてなされたものである。すなわちその目的は、トランジスタ増幅器のベースバイアス回路を工夫することにより、▲１▼利得が高く、▲２▼効率が高く、さらに、▲３▼温度変化の影響が少なく、▲４▼広いダイナミックレンジの出力レベルで線形に動作し、▲５▼コントロール電圧が低い、高出力増幅器を提供することである。
【００１３】
【発明を解決するための手段】
本発明の高出力増幅器は、トランジスタ増幅器と、第１および第２のバイアス回路からなるバイアス回路とを有し、前記第１のバイアス回路が備える第１のトランジスタは、短絡された第１の端子と制御端子が第１の高圧側電源としてのコントロール電源と前記トランジスタ増幅器の制御端子とに接続され、第２の端子が低電圧側電源に接続されており、前記第２のバイアス回路が備える第２のトランジスタは、制御端子が前記コントロール電源に接続され、第１の端子が第２の高圧側電源に接続され、第２の端子が前記トランジスタ増幅器の制御端子に接続されていることを特徴とする。
【００１４】
本発明の高出力増幅器は、トランジスタ増幅器と、第１のバイアス回路と第２のバイアス回路の２つのバイアス回路とを備え、トランジスタ増幅器を小信号（アイドル電流）で使用するときは温度変動の影響が少ない第１のバイアス回路でトランジスタ増幅器の制御端子にバイアスを供給し、トランジスタ増幅器を大信号で使用するときは大きなベース電流を供給することが可能な第２のバイアス回路でバイアスを供給することができるので、温度変動の影響が少なく、かつ、広いダイナミックレンジの出力レベルで線形な動作を行うことができる。
【００１５】
また、本発明の高出力増幅器では、バイアス回路のコントロール電圧を低くすることができる。コントロール電圧は、例えば、第１のトランジスタのベース・エミッタ間オン電圧の２倍以下とすることができる。また、第２のトランジスタのベースを接地したり、第２のバイアス回路に第３のトランジスタを設けたりすることにより、高いコントロール電圧でも使用可能にすることがきる。
【００１６】
本発明のトランジスタ増幅器としては、エミッタ接地の化合物バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）を好ましく用いることができる。
【００１７】
第１のバイアス回路の第１のトランジスタ、および第２のバイアス回路の第２のトランジスタとしては、化合物バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）を用いることができる。また、第２のバイアス回路の第２のトランジスタとして、Ｓｉ ＭＯＳＦＥＴ、またはＧａＡｓ ＭＯＳＦＥＴを用いることもできる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
【００１９】
実施形態１〜４では、バイアス回路およびトランジスタ増幅器のトランジスタに、エミッタがＩｎＧａＰ、ベースがＧａＡｓで構成された化合物バイポーラトランジスタ（ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ ＨＢＴ）を用いた例を示す。このトランジスタは、ベース・エミッタ間電圧Ｖｂｅが約１．２Ｖで動作する。実施例５では、バイアス回路の第２のバイアス回路のトランジスタにＦＥＴを用いた例を示す。
【００２０】
（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態に係わる高出力増幅器の構成を示す図である。図１中の点線で囲った部分は、バイアス回路であり、図２はこのバイアス回路を示す図である。回路中のトランジスタはすべてＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ ＨＢＴを用いている。
【００２１】
以下では高出力増幅器、および高出力増幅器におけるバイアス回路についての、回路構成、動作、および特性について説明する。
【００２２】
まず高出力増幅器の回路構成について、図１を参照にしつつ説明する。ＲＦ１はエミッタが接地されたバイポーラトランジスタ増幅器であり、エミッタサイズが４×３０ｕｍ２で、３２本のマルチエミッタ構造になっている。バイポーラトランジスタ増幅器ＲＦ１のコレクタにはインダクタンスＬ１を介して電圧Ｖｃ＝３．４Ｖが印加されている。また、ベースにはインダクタンスＬ２を介してＤＣバイアス用ベース電圧を供給するバイアス回路が接続されており、このバイアス回路によりベース電流が供給される。ここでＲＦ１に対しては、高効率を実現するために、バイアス回路がＡＢ級のバイアスとなるようにする。Ｐｉｎは入力端子、Ｐｏｕｔは出力端子であり、Ｃ１、Ｃ２はキャパシタである。
【００２３】
次に、バイアス回路の構成について図２を参照にしつつ説明する。バイアス回路は第１のバイアス回路と第２のバイアス回路とを備えている。第１のバイアス回路は抵抗Ｒ１とトランジスタＱ１から構成され、第２のバイアス回路は抵抗Ｒ２とトランジスタＱ２から構成されている。
【００２４】
第１のバイアス回路のトランジスタＱ１のエミッタサイズは、４×２０ｕｍ２であり、ベースとコレクタが短絡されてダイオード接続され、ダイオードとして機能するようになっている。またＱ１は、短絡されたベースとコレクタが抵抗Ｒ１＝４００Ωを介してコントロール電圧Ｖｃｏｎｔ＝２．２Ｖに接続され、ベースとコレクタがトランジスタ増幅器ＲＦ１の制御端子に接続され、エミッタが接地されている。第１のバイアス回路は、出力インピータンスが高いので大きなベース電流を供給することはできないが、温度変動の影響を受けずらい。
【００２５】
第２のバイアス回路のトランジスタＱ２のエミッタサイズは、４×３０ｕｍ２で８本のマルチエミッタ構造になっている。Ｑ２は、ベースが抵抗Ｒ２＝２００Ωを介してコントロール電圧Ｖｃｏｎｔ＝２．２Ｖに接続され、コレクタが電源電圧Ｖｃｃ＝３．４Ｖに接続され、エミッタがトランジスタ増幅器ＲＦ１の制御端子に接続されており、エミッタフォロワーである。第２のバイアス回路は、出力インピータンスが低いので大きなベース電流を供給することができる。
【００２６】
本実施形態の高出力増幅器のバイアス回路は、上述の第１のバイアス回路と第２のバイアス回路を組み合わせ、それぞれの長所を生かしたものであり、コントロール電圧が２．２Ｖと低いにもかかわらず、大きなベース電流を供給することができ、かつ、温度が変動しても安定したベース電流を供給することができる。
【００２７】
次に、本実施形態の高出力増幅器におけるバイアス回路（図２）の動作について説明する。トランジスタ増幅器ＲＦ１のベース電流がゼロか非常に小さい時には、トランジスタＱ１はオンしているが、トランジスタＱ２はＯＦＦの状態である。ＲＦ１のベース電流が増加し始めると、このベース電流の増加分だけＲ１に流れる電流も増加する。これによりトランジスタＱ１のベース・エミッタ間電圧が下がり、トランジスタＱ２のエミッタの電圧がトランジスタＱ１のベース電圧とともに低下し、トランジスタＱ２のベース・エミッタ間電圧が増加し、Ｑ２がＯＮ状態となる。このように本実施形態の高出力増幅器におけるバイアス回路は、２つのバイアス回路を備え、小さなベース電流は温度変動の影響が少ない第１のバイアス回路で供給することができ、大きなベース電流は第２のバイアス回路で供給することができる。
【００２８】
次に、本実施形態の高出力増幅器の特性を、従来の形態と比較しながら説明する。比較例として用いた高出力増幅器は、バイアス回路として、図１３の回路を用いた第１の従来例の高出力増幅器である。この高出力増幅器は、前述のように、線形動作をするレンジが狭いという問題がある。バイアス回路のコントロール電圧は、本実施形態、従来形態ともに２．２Ｖとした。
【００２９】
図３は、本実施形態の高出力増幅器（図２、図１）および第１の従来例の高出力増幅器（図１３、図１）における、１．８８ＧＨｚ帯での入力パワーに対する出力パワーの特性を示す図である。出力（Ａ）は本実施形態の高出力増幅器の出力パワーを、出力（Ｂ）は従来例の高出力増幅器の出力パワーを示している。また、図４は入力パワーに対する利得の変動を示す図であり、利得（Ａ）は本実施形態の高出力増幅器の利得を、利得（Ｂ）は第１の従来例の高出力増幅器の利得を示している。本実施形態の高効率増幅器では、飽和領域まで出力パワーおよび利得が伸びているが、従来例の高出力増幅器では、高出力領域で利得が急激に落ちている。
【００３０】
また図５は、本実施形態の高出力増幅器におけるトランジスタ増幅器ＲＦ１および第１の従来例の高出力増幅器におけるトランジスタ増幅器ＲＦ１の、入力に対するコレクタ電流Ｉｃ、および入力に対するベース電流Ｉｂの変動を示す図である。Ｉｃ（Ａ）は本実施形態におけるトランジスタ増幅器のコレクタ電流を、Ｉｃ（Ｂ）は第１の従来例におけるトランジスタ増幅器のコレクタ電流を、Ｉｂ（Ａ）は本実施形態のにおけるトランジスタ増幅器のベース電流を、Ｉｂ（Ｂ）は第１の従来例におけるトランジスタ増幅器のベース電流を示している。本実施形態の高効率増幅器におけるトランジスタ増幅器では、コレクタ電流Ｉｃとベース電流Ｉｂがともに入力に応じて伸びているが、従来の高出力増幅器におけるトランジスタ増幅器では、１０ｄＢ以上の入力で伸びが鈍る。
【００３１】
このように、本実施形態の高出力増幅器では、従来の形態と比較して、コントロール電圧を同じにしても、広いダイナミックレンジの出力レベルで線形な動作を行うことができるという特性をもつ。これは従来の高出力増幅器におけるバイアス回路（図１３）では、Ｒ１を介してベース電流を供給しているので、入力パワーが増加するとＲ１による電圧降下が起こり、十分な電流を供給できなくなるのに対し、本実施形態の高出力増幅器におけるバイアス回路では、入力パワーが増加すると、第２のバイアス回路のトランジスタＱ２がＯＮし、Ｑ２からＲＦ１のベース電流を十分に供給できるからである。
【００３２】
次に、本実施形態の高出力増幅器におけるバイアス回路（図２）の特性を、従来の高出力増幅器のバイアス回路（図１３）と比較しながら説明する。
【００３３】
図６は本発明の第１の実施の形態に係わる高出力増幅器におけるバイアス回路および従来の高出力増幅器におけるバイアス回路の特性を示す図である。図中の鎖線は、Ｐｉｎ（図１）からの入力パワーとベース電流Ｉｂ（図１、図２、図１３）の関係を示しており、Ｉｂ（Ａ）は本実施形態におけるバイアス回路のＱ１およびＱ２（図２）が供給するＩｂを、Ｉｂ（Ａ’）は本実施形態におけるバイアス回路のＱ２（図２）が供給するＩｂを、Ｉｂ（Ｂ）は第１の従来例におけるバイアス回路のＱ１が供給するＩｂを示している。また、図中の点線はＰｉｎ（図１）からの入力パワーとトランジスタＱ１（図２、図１３）のベース・エミッタ間電圧を示しており、Ｖｂｅ（Ａ）は本実施形態におけるバイアス回路のＶｂｅを、Ｖｂｅ（Ｂ）は第１の従来例におけるバイアス回路のＶｂｅを示している。
【００３４】
第１の従来例におけるバイアス回路では、入力パワーが増加すると、Ｒ１による電圧降下が大きくなり、Ｑ１のベース・エミッタ間電圧Ｖｂｅが下がって、ベース電流Ｉｂを十分に供給できなくなる。これに対し本実施形態におけるバイアス回路では、入力パワーが増加しても、Ｑ１のベース・エミッタ間電圧Ｖｂｅが０．２Ｖ程度下がりＲ１による電圧降下が１．２Ｖ程度以上になると、エミッタフォロアーＱ２がＯＮするので、ベース電流Ｉｂを十分に供給することができる。
【００３５】
以上のように、本実施形態の高出力増幅器では、２．２Ｖという低いコントロール電圧にもかかわらず、広いダイナミックレンジの出力レベルで線形な動作を行うことができる。
【００３６】
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態の高出力増幅器が第１の実施の形態と異なるのは、バイアス回路の第２のバイアス回路のトランジスタＱ２のベースを接地したことであり、高いコントロール電圧でも使用可能である。
【００３７】
図７は本発明の第２の実施の形態に係わる高出力増幅器に関する図であり、高出力増幅器におけるバイアス回路の構成を示している。
【００３８】
本実施形態の高出力増幅器におけるバイアス回路（図７）は、トランジスタＱ２のベースが、抵抗Ｒ２を介してコントロール電圧Ｖｃｏｎｔに接続されるとともに、ベースとコレクタが短絡されダイオード接続されたトランジスタＱ３およびＱ４を介して接地されている。Ｑ３およびＱ４はダイオードとして機能するようになっている。この他の部分は第１の実施の形態（図２）と同じである。本実施形態ではＱ３およびＱ４としてＯＮ電圧が約１．２ＶのＨＢＴを用いたが、それぞれのＨＢＴの代わりにＯＮ電圧が約１．２Ｖのダイオードを用いることも可能である。
【００３９】
本実施形態の高出力増幅器は高いコントロール電圧でも使用可能である。すなわち、第１の実施形態におけるバイアス回路は、コントロール電圧がトランジスタのＯＮ電圧Ｖｂｅの２倍である約２．４Ｖ以上では、バイアス時にＱ２がＯＮしてしまうので、急激にベース電流が供給されてしまうが、本実施形態のように、ダイオード接続されたトランジスタ、またはダイオードにより接地しておくと、電圧がグリップされ高いコントロール電圧Ｖｃｏｎｔでも使用できる。
また、本実施形態の高出力増幅器の回路構成は、バイアス回路を図２の回路に代えて図７の回路とした以外は、第１の実施の形態（図１）と同じである。
【００４０】
次に、本実施形態の高出力増幅器の特性を、従来の形態と比較しながら説明する。比較例として用いた高出力増幅器は、バイアス回路として、図１４の回路を用いた第２の従来例の高出力増幅器である。この高出力増幅器は、前述のように、動作電圧を高くしなければ温度変動の影響が大きくなるという問題がある。バイアス回路のコントロール電圧は、本実施形態、従来形態ともに２．７Ｖとした。なお、本実施形態の高出力増幅器は第１の実施の形態と同様にバイアス回路のコントロール電圧を２．２Ｖ程度にしても使用可能であるが、比較例と同一条件とするため、コントロール電圧を２．７［Ｖ］とした。
【００４１】
図８は、本実施形態および第２の従来例の高出力増幅器（図１参照）において、バイアス回路のコントロール電圧Ｖｃｏｎｔ＝２．７Ｖ（図７、図１４）とし、温度を−３０℃、２５℃、８０℃に変化させた時の、トランジスタ増幅器のコレクタ電流Ｉｃの変化を示す図である。また、図９は、本実施形態および第２の従来例の高出力増幅器（図１参照）において、温度を−３０℃、２５℃、８０℃と変化させた時の、バイアス回路のコントロール電圧Ｖｃｏｎｔと、トランジスタ増幅器のコレクタ電流Ｉｃとの関係を示す図である。
【００４２】
図８のように、従来の高出力増幅器では、温度変動に対するトランジスタ増幅器のコレクタ電流Ｉｃの変動が大きい。これは以下の理由による。すなわち、従来の高出力増幅器におけるバイアス回路（図１４）では、温度Ｔに対するバイアス電流Ｉの変化量は、ほぼＩ（Ｔ＋ΔＴ）／Ｉ（Ｔ）＝（Ｖｃｏｎｔ−２×Ｖｂｅ（Ｔ＋ΔＴ）／（Ｖｃｏｎｔ−２×Ｖｂｅ（Ｔ））で決まるので、ＨＢＴのＶｂｅが室温（２５℃）で約１．２Ｖであることから、Ｖｃｏｎｔ＝２．７Ｖでは温度補償に使える電圧が約０．３Ｖしかなく、温度変動に対する電流の変動が大きくなる。そして、温度変動に対するバイアス電流の変動が大きくなることにより、温度変動に対するトランジスタ増幅器のコレクタ電流Ｉｃの変動も大きくなるのである。
【００４３】
一方、図８のように、本実施形態の高出力増幅器では、温度変動に対するトランジスタ増幅器のコレクタ電流Ｉｃの変動が小さい。この理由を図９を用いて説明する。本実施形態の高出力増幅器におけるバイアス回路では、温度変動に対する電流変動分は第２のバイアス回路のＱ２から流れる電流分のみであり、第１のバイアス回路のＱ１から流れる電流分は温度変動による影響をほとんど受けない。そして、バイアス電流の温度変動が小さくなれば、トランジスタ増幅器のコレクタ電流Ｉｃの温度変動も小さくなる。本実施形態の高出力増幅器では、第１のバイアス回路によりトランジスタ増幅器のコレクタ電流Ｉｃに図９中の丸で囲んだ点線のような下駄を履かせることができ、この電流分が温度変動の影響を受けずらいため、温度に対するトランジスタ増幅器のコレクタ電流Ｉｃの電流変動が、図８のように抑えられるのである。
【００４４】
このように本実施形態の高出力増幅器では、広いダイナミックレンジの出力レベルで線形な動作を行うことができるのに加え、温度変動の影響も少なくすることができる。
【００４５】
また、図９のように、従来の高出力増幅器（図１４参照）では、室温で、コントロール電圧が約２．４［Ｖ］以下ではバイアス回路が動作せず使用することができないが、本実施形態の高出力増幅器（図７、図１）では、コントロール電圧を低くしても使用することができる。
【００４６】
さらに、本実施形態の高出力増幅器は、第１の実施形態と同様に低いコントロール電圧で使用が可能なのに加え、必要に応じて高いコントロール電圧でも使用することが可能であり、また劣化等の原因でコントロール電圧が高くなってしまった場合でも正常な動作が可能であるので、実用的である。
【００４７】
（第３の実施の形態）
第３の実施の形態の高出力増幅器が第１の実施の形態と異なるのは、バイアス回路にトランジスタＱ３を備えたことであり、第２の実施の形態と同様に、高いコントロール電圧でも使用可能である。
【００４８】
図１０は本発明の第３の実施の形態に係わる高出力増幅器に関する図であり、高出力増幅器におけるバイアス回路を示している。
【００４９】
本実施形態におけるバイアス回路（図１０）は、第２のバイアス回路がさらにトランジスタＱ３を備え、Ｑ３は、コレクタがトランジスタＱ２のベースに接続され、ベースがトランジスタＱ１のベースおよびコレクタに接続され、エミッタが接地されている。この他の部分は第１の実施の形態（図２）と同じである。
また、本実施形態の高出力増幅器の回路構成は、バイアス回路を図２の回路に代えて図１０の回路とした以外は、第１の実施の形態（図１）と同じである。
【００５０】
本実施形態の高出力増幅器は第２の実施の形態と同様、高いコントロール電圧でも使用可能である。すなわち、第１の実施の形態におけるバイアス回路（図２）は、コントロール電圧がＱ１のベース・エミッタ間オン電圧の２倍（〜２．４Ｖ）以上では、バイアス時にＱ２がＯＮしてしまうので、急激にベース電流が供給されてしまうが、本実施形態のバイアス回路（図１０）では、Ｑ３に電流を流しＱ２の電流をグリップすることができるので、コントロール電圧Ｖｃｏｎｔが高くなっても使用することができる。
【００５１】
（第４の実施の形態）
第４の実施の形態の高出力増幅器は、トランジスタ増幅器を２段にしたものである。バイアス回路の基本構造は、第１の実施の形態と同じである。
【００５２】
図１１は本発明の第４の実施の形態に係わる高出力増幅器に関する図であり、高出力増幅器の回路構成を示している。トランジスタ増幅器は前段のＲＦ２と後段のＲＦ３の２段で構成されている。後段のトランジスタ増幅器ＲＦ３に対しては、高効率を実現するために、バイアス回路がＡＢ級のバイアスとなるようにする。ＲＦ３のバイアス回路は第１の実施の形態と同じである。Ｌ３はインダクタンス、Ｃ３はキャパシタ、Ｒ３、Ｒ４は抵抗である。
【００５３】
トランジスタ増幅器を複数段用いた場合は、最終段のトランジスタ増幅器のバイアス電流を制御することが重要である。すなわち、複数段のトランジスタ増幅器を用いた場合には、最終段のトランジスタ増幅器のベース電位を実施例１〜３で説明した方法等により制御すれば、コントロール電圧を低くしつつ、広いダイナミックレンジの出力レベルで線形な動作を行うことができ、かつ、温度変動の影響も少なくすることができる。
【００５４】
本実施形態の高出力増幅器では、２段のトランジスタ増幅器ＲＦ２、ＲＦ３を用い、後段のトランジスタ増幅器ＲＦ３のベース電圧・電流を実施例１の方法により制御したことにより、２．２Ｖ程度という低いコントロール電圧にもかかわらず、広いダイナミックレンジの出力レベルで線形な動作を行うことができ、かつ、温度変動の影響も少なくすることができる。
【００５５】
（第５の実施の形態）
第５の実施の形態の高出力増幅器が第１の実施の形態と異なるのは、バイアス回路の第２のバイアス回路のトランジスタとしてＦＥＴを用いたことであり、動作電圧をさらに低減できる。
【００５６】
図１２は本発明の第５の実施の形態に係わる高出力増幅器に関する図であり、高出力増幅器におけるバイアス回路を示している。
【００５７】
本実施形態の高出力増幅器におけるバイアス回路（図１２）は、第２のバイアス回路のトランジスタＱ５としてＦＥＴを用いている。ＦＥＴとしては、Ｓｉ ＭＯＳＦＥＴやＧａＡｓ ＭＯＳＦＥＴを用いることができる。ＦＥＴのゲートは抵抗Ｒ２を介してコントロール電圧Ｖｃｏｎｔ＝２．０Ｖに接続されるとともに抵抗Ｒ５を介して接地され、ドレインが電源端子Ｖｃｃ＝３．４Ｖに接続されている。また、ソースがトランジスタＱ１のベースおよびコレクタに接続されており、ソースフォロアーになっている。
【００５８】
本実施形態の高出力増幅器の回路構成は、バイアス回路を図２の回路に代えて図１２の回路とした以外は、第１の実施の形態（図１）と同じである。
【００５９】
本実施形態では、ゲートバイアスはＲ２とＲ５で決める。基本的な動作や、効果は第１の実施の形態と同じであるが、ＦＥＴの閾値を選ぶことによって、さらに低電圧化が可能である。
【００６０】
【発明の効果】
本発明の高出力増幅器によれば、トランジスタ増幅器と、第１および第２のバイアス回路からなるバイアス回路とを有し、トランジスタを小信号（アイドル電流）で使用するときは温度変動の影響が少ない第１のバイアス回路でトランジスタ増幅器の制御端子にバイアスを供給し、トランジスタを大信号で使用するときは大きなベース電流を供給することが可能な第２のバイアス回路でバイアスを供給することができるので、広いダイナミックレンジの出力レベルで線形な動作を行うことができ、コントロール電圧が低く、かつ、温度変動の影響が少ない高出力増幅器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係わる高出力増幅器の回路構成を示す図。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係わる高出力増幅器におけるバイアス回路の構成を示す図。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係わる高出力増幅器、および第１の従来例の高出力増幅器の、入力パワーと出力パワーの関係を示す図。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係わる高出力増幅器、および第１の従来例の高出力増幅器の、入力パワーと利得の関係を示す図。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係わる高出力増幅器におけるトランジスタ増幅器、および第１の従来例の高出力増幅器におけるトランジスタ増幅器の、入力パワーとベース電流Ｉｂの関係、および入力パワーとコレクタ電流Ｉｃの関係を示す図。
【図６】本発明の第１の実施の形態に係わる高出力増幅器におけるバイアス回路および第１の従来例の高出力増幅器におけるバイアス回路の特性を示す図であり、入力パワーとベース電流Ｉｂの関係、および、入力パワーとトランジスタＱ１のベース・エミッタ間電圧Ｖｂｅの関係、を示す図。
【図７】本発明の第２の実施の形態に係わる高出力増幅器におけるバイアス回路の構成を示す図。
【図８】本発明の第２の実施の形態に係わる高出力増幅器、および第２の従来例の高出力増幅器の特性を示す図であり、温度と、トランジスタ増幅器のコレクタ電流Ｉｃとの関係を示す図。
【図９】本発明の第２の実施の形態に係わる高出力増幅器、および第２の従来例の高出力増幅器の特性を示す図であり、温度を−３０℃、２５℃、８０℃とした時の、バイアス回路のコントロール電圧Ｖｃｏｎｔと、トランジスタ増幅器のコレクタ電流Ｉｃとの関係を示す図。
【図１０】本発明の第３の実施の形態に係わる高出力増幅器におけるバイアス回路の構成を示す図。
【図１１】本発明の第４の実施の形態に係わる高出力増幅器の回路構成を示す図。
【図１２】本発明の第５の実施の形態に係わる高出力増幅器におけるバイアス回路の構成を示す図。
【図１３】第１の従来例の高出力増幅器におけるバイアス回路の構成を示す図。
【図１４】第２の従来例の高出力増幅器におけるバイアス回路の構成を示す図。
【符号の説明】
ＲＦ１ トランジスタ増幅器
ＲＦ２ 前段のトランジスタ増幅器
ＲＦ３ 後段のトランジスタ増幅器
Ｃ１〜Ｃ３ キャパシタ
Ｌ１〜Ｌ３ インダクタンス
Ｐｉｎ 入力端子
Ｐｏｕｔ 出力端子
Ｒ、Ｒ１〜Ｒ５ 抵抗
Ｑ、Ｑ１〜Ｑ５ バイポーラートランジスタ
Ｑ５ ＦＥＴ
Ｖｃｏｎｔ コントロール電圧
Ｖｃｃ 電源電圧
Ｖｃ 電源電圧
Ｉｂ バイアス回路が供給するトランジスタ増幅器のベース電流
Ｉｃ トランジスタ増幅器のコレクタ電流
Claims (7)
- トランジスタ増幅器と、第１および第２のバイアス回路からなるバイアス回路とを有し、
前記第１のバイアス回路が備える第１のトランジスタは、短絡された第１の端子と制御端子が第１の高圧側電源としてのコントロール電源と前記トランジスタ増幅器の制御端子とに接続され、第２の端子が低電圧側電源に接続されており、
前記第２のバイアス回路が備える第２のトランジスタは、制御端子が前記コントロール電源に接続され、第１の端子が第２の高圧側電源に接続され、第２の端子が前記トランジスタ増幅器の制御端子に接続されていることを特徴とする高出力増幅器。 - エミッタ接地のトランジスタ増幅器と、第１および第２のバイアス回路からなるバイアス回路とを有し、
前記第１のバイアス回路は、短絡されたベースとコレクタが第１の抵抗を介してコントロール電圧に接続され、さらに前記ベースと前記コレクタが前記トランジスタ増幅器の制御端子にも接続された第１のトランジスタを備え、
前記第２のバイアス回路は、ベースが第２の抵抗を介して前記コントロール電圧に接続されるとともにエミッタが前記第１のトランジスタのベースおよびコレクタに接続されたエミッタフォロワーの第２のトランジスタを備えていることを特徴とする高出力増幅器。 - 前記第２のバイアス回路が備える、エミッタフォロワーの前記第２のトランジスタに代えて、ソースフォロワーのＳｉ ＭＯＳＦＥＴまたはＧａＡｓ ＭＯＳＦＥＴを備えたことを特徴とする請求項２に記載の高出力増幅器。
- 前記第２のトランジスタのベースが、ベースとコレクタが短絡されたダイオード接続の複数のトランジスタを介して、接地されていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の高出力増幅器。
- 前記第２のバイアス回路がさらに第３のトランジスタを備え、前記第３のトランジスタは、コレクタが前記第２のトランジスタのベースに接続され、ベースが前記第１のトランジスタのベースおよびコレクタに接続され、エミッタが接地されていることを特徴とする請求項２乃至請求項４のいずれかに記載の高出力増幅器。
- 前記コントロール電圧が、前記第１のトランジスタのベース・エミッタ間オン電圧の２倍以下であることを特徴とする、請求項２乃至請求項５のいずれかに記載の高出力増幅器。
- 前記トランジスタ増幅器、前記第１のトランジスタ、前記第２のトランジスタが化合物バイポーラトランジスタであることを特徴とする請求項２、請求項４、請求項５、または請求項６のいずれかに記載の高出力増幅器。
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