JP3668099B2 - 電力増幅器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電力増幅器に関し、特に、電力の通過位相の変動を抑制することのできる電力増幅器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、携帯型電話機などの移動体通信システムに例をみるごとく、準マイクロ波、マイクロ波帯の無線通信システムが急速に普及しているが、これには携帯型端末機の軽量化、低消費電力化が大いに寄与している。携帯型端末機の軽量化のためには、使用されるバッテリは、より軽量の小容量タイプにすることが望まれるが、バッテリ切れするまでの時間が、すなわち該携帯端末の使用時間が短くなるため、送信時に該端末の消費電力のほとんどを占めている送信用電力増幅器の消費電力の低減、つまり電力効率の向上が強く望まれる。
【０００３】
従来のＦＭ（frequency modulationの略）方式を用いた等振幅アナログ変復調システムでは、電力増幅器を飽和状態で動作させることが可能であったので、電力増幅器を高い電力効率で使用することが比較的容易であった。しかしながら、最近では、周波数利用効率の高いＱＰＳＫ（quadrature phase shift keyingの略）変調方式などを用いたデジタル変復調に通信システムの主流が移行しつつある。これらのデジタル変復調方式では、信号の振幅、位相の両方で情報が搬送されるため、電力増幅器は入力信号を低い歪で増幅することが要求される。このような電力増幅器に低歪が要求される通信システムとしては、ＰＤＣ（Personal Digital Cellularの略）やＰＨＳ（Personal Handy-phone Systemの略）、広帯域ＣＤＭＡ（code division multiple accessの略）、ＩＭＴ（international mobile telecommunicationの略）２０００、ＥＤＧＥ（Enhanced Data rate for GSM Evolutionの略）システムなどがある。
【０００４】
一般に電力増幅器においては、入力電力レベルの増大に伴う出力電力レベルの増大が飽和状態に近づくほど増幅器の歪および電力効率は大きくなるため、電力効率と低歪性はトレードオフの関係にあり、歪補償回路を該電力増幅器に付加して、高レベルの入力電力であっても低い歪にて動作させることによって、電力効率の向上を図る場合が多い。
【０００５】
図９は、従来の電力増幅器の回路構成を示す図である。図の電力増幅器は、特開平９−２６０９６４号公報に開示されたものであって、歪補償回路が付加されたバイポーラトランジスタを用いた電力増幅器である。
【０００６】
図中、電力増幅器は、入力電力を増幅して、出力電力として導出するための増幅用バイポーラトランジスタ（以下、トランジスタと呼ぶ）Ｔｒ１、該増幅器における電力の通過位相の変動を抑制するために設けられた歪補償回路１０を含む。歪補償回路１０は、ダイオード素子Ｄ、キャパシタンス素子Ｃ１ならびにバイアス抵抗素子Ｒ６およびＲ７を含む。該電力増幅器において、バイアス電圧Ｖｂが与えられると、トランジスタＴｒ１のベースバイアス条件は、抵抗素子Ｒ６およびＲ７ならびにダイオード素子Ｄの直流特性によって決定される。ここで、キャパシタンス素子Ｃ１は、該電力増幅器の動作周波数において、高周波的に接地とみなせる容量を有しており、トランジスタＴｒ１のベース端子Ｂからダイオード素子Ｄ側を見た場合のインピーダンスは、高周波的にはダイオード素子Ｄが有する抵抗成分および容量成分のみとなる。また、高周波的には、該インピーダンスは、トランジスタＴｒ１のベース端子−エミッタ端子間に並列に接続されたのと等価となる。
【０００７】
図９の電力増幅器において、入力電力の信号によってトランジスタＴｒ１のベース端子−エミッタ端子間の瞬時電圧レベルは時間的に変動するが、ベース端子−エミッタ端子間はダイオード特性を有するため、該瞬時電圧レベルは無信号時の電圧レベルを基準とした場合、高電圧側と低電圧側の変動は対称にならず、入力電力信号によって平均電圧は変動する。ダイオード特性においては、両端電圧が高くなり電流が増加すると、インピーダンスが低下するため高電圧側の電圧振幅は小さくなって、入力電力信号によって平均電圧は低電圧側にシフトし、また、該シフト量は入力電力信号のレベルが増大するに従って大きくなる。
【０００８】
ダイオードが有する容量成分は、ダイオードの両端電圧依存性を有するため、入力電力の増大による上述の電圧シフトによってトランジスタＴｒ１のベース端子Ｂ−エミッタ端子間の容量が変化して、ベース端子Ｂ側から見たトランジスタＴｒ１のリアクタンス成分が変化するため信号の通過位相が変化する。これは、いわゆる振幅−位相歪であり、電力増幅器の歪要因となる。
【０００９】
そこで、図９においては、ダイオード素子Ｄとキャパシタンス素子Ｃ１を含んで構成される歪補償回路１０を付加することによって、トランジスタＴｒ１のベース端子−エミッタ端子間の容量の非線形性に起因する位相歪を補償している。すなわち入力電力の増大によってトランジスタＴｒ１のベース端子−エミッタダイオード部間の平均電圧は低下するが、同時にトランジスタＴｒ１のベース端子−エミッタ端子と高周波的に並列接続されたダイオード素子Ｄの両端平均電圧は増大する。そのため、入力電力の増減によるトランジスタＴｒ１のベース端子−エミッタダイオード容量値の変化とダイオード素子Ｄ１の容量値変化が打ち消し合い、電力増幅器の通過位相の入力電力依存性が緩和されて、トランジスタＴｒ１は実効的により飽和に近い入力電力レベルであっても、線形性を維持できるため、増幅器の電力効率が向上する。
【００１０】
また、ベース駆動電源であるバイアス電圧ＶｂとトランジスタＴｒ１のベース端子Ｂとの間が、固定抵抗のみで接続されている場合は、入力電力が増大しベース電流が大きくなるほど、該固定抵抗部での電圧降下によるベース電流増大抑制効果が高くなるため、コレクタ電流の増大も抑制されて、入力電力の増大による利得の減少（いわゆる振幅−振幅歪）が生じる。一方、図９の回路においては、ダイオード素子Ｄを流れるベース電流が大きいほど、該ダイオード素子Ｄの抵抗成分は低下して、電圧降下が緩和されるため、振幅−振幅歪も低減される。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
このように、ダイオード素子Ｄなどの接合素子をバイアス回路部に配置して歪補償を行なう場合、接合素子の順方向オン電圧は、シリコン半導体でのｐｎ接合の場合で０．７Ｖ程度、ＧａＡｓ化合物半導体のＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓヘテロ接合の場合で１．３Ｖ程度、ＧａＡｓと金属のショットキー接合の場合で０．７Ｖ程度であるため、増幅用バイポーラトランジスタＴｒ１を所望のバイアス状態にするためには、上述したオン電圧分をベース端子Ｂへのバイアス電圧として余分に供給する必要がある。
【００１２】
しかしながら、上述したように、バッテリ駆動される携帯型端末機では、該端末機の小型化、軽量化および低消費電力化のために、動作電圧の低減が望まれており、実質上無効電圧となるような上述のオン電圧の存在は、動作電圧低減の支障になるという課題が残る。
【００１３】
また、微小の歪が問題となる電力増幅器では、電力増幅用のバイポーラトランジスタのバイアス電流変動による動作状態の変化によって生じる歪も極力排除する必要がある。このバイアス電流変動の主要因の１つは、周囲温度の変化である。図９の従来例においては、電力増幅用のトランジスタＴｒ１の接合部のダイオード特性には本質的に温度特性がある上に、これと同じ極性の温度特性を有する歪補償用のダイオード素子Ｄがベース端子Ｂのバイアス電源側に直列に接続されているため、増幅用のバイポーラトランジスタＴｒ１の温度によるバイアス電流変動がさらに大きくなってしまう。
【００１４】
それゆえにこの発明の目的は、より効率良く電力を増幅することのできる電力増幅器を提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
この発明のある局面に係る電力増幅器は、以下の特徴を有する。すなわち、ベース端子に入力された電力信号を増幅して導出するエミッタ接地された増幅用バイポーラトランジスタと、ベース端子にバイアス信号を供給するためのベース電源と、異なる電気的特性を有する材料が接合されてなり、かつベース電源とベース端子間に順方向に接続された接合素子を含む歪補償回路と、接合素子の両端子に接続された抵抗成分を含む抵抗成分素子とを備える。
【００１６】
この発明のある局面に係る電力増幅器は、以下の特徴を有して構成されてもよい。すなわち、ベース端子に入力された電力信号を増幅して導出するエミッタ接地された増幅用バイポーラトランジスタと、ベース端子にバイアス電圧を供給するためのベース電源と、異なる電気的特性を有する材料が接合されてなり、かつベース電源とベース端子間に順方向に接続された接合素子を含む歪補償回路と、接合素子の両端子の間に接続された抵抗成分を含む抵抗成分素子とを備える。
【００１７】
したがって、上述の電力増幅器では、接合素子を有した歪補償回路が備えられて、増幅用バイポーラトランジスタのベース端子とベース電源との間において順方向に接続された接合素子の両端子間に、すなわち異なる電気的特性を有する材料が接合されてなる電位障壁を有する両端子間に、抵抗成分素子が接続されている。
【００１８】
それゆえに、ベース電源から供給可能なバイアス信号レベルが、接合素子の両端子間の電圧が該接合素子をオンできないような低レベルであっても、抵抗成分素子を経由して増幅用バイポーラトランジスタのベース端子に、ベース電源からバイアス信号（電圧あるいは電流）が供給可能となる。
【００１９】
その結果、電力増幅器においては、歪補償回路により、増幅素子である増幅用バイポーラトランジスタ自体の歪み（非線形性）が補償されるとともに、電力増幅器の増幅に際して生じる電力信号の歪が抑制されながら、かつ低いバイアス信号レベルでの増幅動作が可能となり、効率よく電力信号を増幅できる。
【００２０】
ベース電源から供給されるバイアス信号の電圧が駆動電圧が直流的には接合素子がオンしないような低電圧であったとしても、ベース電源から抵抗成分素子を経由した電流供給によって、増幅用バイポーラトランジスタをオンさせて、増幅作用を有するバイアス電流領域にバイアスさせることが可能である。また、増幅用バイポーラトランジスタのベース端子−エミッタ端子間の瞬時電圧は入力信号の瞬時電圧によって変動し、一時的には接合素子がオンされるため、高周波的には歪補償回路が機能して、該電力増幅器における低歪の増幅動作が可能となる。
【００２１】
入力電力信号レベルが低く、該入力電力信号による増幅用バイポーラトランジスタのベース端子−エミッタ端子間の瞬時電圧の変動が接合素子のオン電圧を超えない場合には、歪補償回路は機能しないが、このような低レベルの入力電力信号では、増幅用バイポーラトランジスタにおいて生じる歪も少ないため、歪補償回路は特に必要とされない場合が多い。
【００２２】
前述した抵抗成分素子によるさらなる効果は、増幅用バイポーラトランジスタのバイアス信号の電流の温度依存特性を緩和できることにある。つまり、接合素子の直流的な抵抗をＲｄとし、抵抗成分素子の直流抵抗をＲとすると、該接合素子両端子の直流抵抗Ｒｔは、Ｒｔ＝Ｒ＊Ｒｄ／（Ｒ＋Ｒｄ）となり、直流抵抗Ｒｔの値によって、増幅用バイポーラトランジスタのバイアス信号の電流は変化することになる。
【００２３】
ここで直流抵抗Ｒが市販のチップ抵抗や半導体基板上に形成された配線や半導体層による抵抗である場合、直流抵抗Ｒの温度による変化率は抵抗Ｒｄの温度による変化率より一般に小さいため、直流抵抗Ｒの温度Ｔに対する変化率は、抵抗Ｒの温度に対する変化率を無視した、ΔＲｔ／ΔＴ＝（Ｒ／（Ｒ＋Ｒｄ））2＊ΔＲｄ／ΔＴとなる。ここで、（Ｒ／（Ｒ＋Ｒｄ））2＜１（Ｒがある場合）および（Ｒ／（Ｒ＋Ｒｄ））2＝１（Ｒがない場合）である。それゆえに、抵抗成分素子（抵抗Ｒ）を設けた場合には、抵抗Ｒｔの温度による変化率は抵抗性分素子（抵抗Ｒ）がない場合に比べて低減されて、増幅用バイポーラトランジスタのバイアス信号の電流の温度依存性が緩和されて、バイアス電流変動に起因する歪の悪化も緩和される。
【００２４】
ここで、抵抗成分素子が接合素子の温度特性と逆極性の特性を有すれば、さらに温度依存特性は緩和される。
【００２５】
上述の抵抗成分素子は直流的に抵抗成分を有していればよいのであって、純粋な抵抗素子である必要性はなく、高周波的には異なるインピーダンスを有する、たとえば、直流的には抵抗成分を有する配線などであってもよい。
【００２６】
上述した電力増幅器において、抵抗成分素子は歪補償回路に含まれてもよい。この場合には、少ない回路素子で歪補償回路と前述の温度依存特性を緩和するための回路とが構成できて、該電力増幅器の部品点数の増加が抑制されて、その小型化が可能となる。
【００２７】
上述した電力増幅器において、抵抗成分素子は、歪補償回路とは個別に設けられてもよい。したがって、抵抗成分素子が歪補償に悪影響を与える場合には、該抵抗成分素子を歪補償回路とは別個に設けることができる。
【００２８】
上述した電力増幅器において、抵抗成分素子は、抵抗とインダクタンスの直列接続で構成されてもよい。したがって、抵抗性分素子が歪補償回路の動作に高周波的な悪影響を及ぼす場合には、抵抗素子に直列に、インダクタンス素子を接続して、信号の歪成分が生じる周波数領域で該抵抗素子と該インダクタンス素子の直列接続部のインピーダンスを高くして、歪補償回路としては機能しないようにすることができる。
【００２９】
上述の電力増幅器において接合素子は、異なる電気的特性を有する半導体領域間の接合により構成されてもよい。つまり歪補償用の接合素子としては、通常は２端子のＰＮ接合素子であっても良い。ＰＮ接合素子としてはダイオード素子がある。
【００３０】
上述の接合素子は、ショットキー接合素子であってもよい。
上述の電力増幅器においては、接合素子として、歪を補償するための歪補償用バイポーラトランジスタを有し、前述した半導体領域間の接合は、歪補償用バイポーラトランジスタが有する端子の少なくとも２端子の接合を用いて構成されてもよい。
【００３１】
したがって、歪補償用バイポーラトランジスタのベース端子−エミッタ端子間およびベース端子−コレクタ端子間の接合を歪補償用接合素子として用いてもよい。この場合には、歪補償用および増幅用として同一構造バイポーラトランジスタを用いることが可能となり、両バイポーラトランジスタを同一半導体基板上に形成できるから、該電力増幅器の小型化が可能となる。
【００３２】
上述の電力増幅器においては、歪補償用バイポーラトランジスタのコレクタ端子に駆動電圧供給するためのコレクタ電源をさらに備え、コレクタ端子は、コレクタ電源に接続されるようにしてもよい。
【００３３】
このように歪補償用バイポーラトランジスタのコレクタ端子をコレクタ電源に接続して、増幅用バイポーラトランジスタのベース端子に供給されるバイアス信号の電流のほとんどを、コレクタ電源から供給することができる。それゆえに、通常、電力増幅器の利得制御電源も兼ねるベース電源からの供給電流を、歪補償用バイポーラトランジスタの電流増幅率分低減できる。そのため、該電力増幅器を用いた通信端末装置では、電力増幅器の利得制御に要する供給電流を低減することが可能となる。
【００３４】
また上述の電力増幅器においては、接合素子として、歪を補償するための電界効果型トランジスタを有し、半導体領域間の接合は、電界効果型トランジスタが有する端子の少なくとも２端子の接合を用いて構成されてもよい。
【００３５】
したがって、電界効果型トランジスタのゲート端子ー−ソース端子間およびゲート端子−ドレイン端子間などの接合を歪補償用接合素子として用いることができる。
【００３６】
また上述した電力増幅器においては、電界効果型トランジスタのドレイン端子に電圧を供給するためのドレイン電源をさらに備え、ドレイン端子は、ドレイン電源に接続されてもよい。したがって、歪補償用接合素子として用いられている電界効果型トランジスタのドレイン端子を、ドレイン電源に接続して、増幅用バイポーラトランジスタのベース端子に供給されるバイアス信号の電流のほとんどを、ドレイン電源から供給できる。それゆえに、上述した歪補償用バイポーラトランジスタを用いる場合と同様に、該構成は該電力増幅器を低利得制御電流動作させるのに適している。
【００３７】
【発明の実施の形態】
この発明の各実施の形態に係る電力増幅器においては、歪補償回路により次のよな歪補償がなされる。つまり、増幅素子である増幅用バイポーラトランジスタ自体の歪み（非線形性）が補償されるとともに、電力増幅器の増幅に際して生じる電力信号の歪が補償される。この詳細を、以下に、図面を参照して詳細に説明する。
【００３８】
（実施の形態１）
図１（Ａ）〜（Ｄ）は、この発明の実施の形態１に係る電力増幅器の構成図である。図中、電力増幅器は、増幅用エミッタ接地型バイポーラトランジスタＴｒ１、ベース駆動電源Ｖｂ、ベース駆動電源ＶｂとトランジスタＴｒ１のベース端子Ｂとの間に接続された歪補償回路１および歪補償回路１に関連して設けられた抵抗素子Ｒ１を含む。歪補償回路１は図１（Ｂ）、図１（Ｃ）および図１（Ｄ）の歪補償回路１Ａ、１Ｂおよび１Ｃとして参照される。
【００３９】
図１（Ｂ）には、図１（Ａ）の歪補償回路１の直流的な等価回路である歪補償回路１Ａが示される。図において歪補償回路１Ａはダイオード素子Ｄおよび抵抗素子素子Ｒ２、Ｒ３およびＲ４を含む。ダイオード素子Ｄは歪補償回路１Ａを構成する素子の一部となりベース駆動電源ＶｂとトランジスタＴｒ１のベース端子Ｂとの間に接続された接合素子である。抵抗Ｒ２およびＲ４は歪補償回路１において、接合素子であるダイオード素子Ｄと直流的に直列に接続されている抵抗成分である。抵抗素子Ｒ３は、ベース駆動電源Ｖｂから供給される電圧あるいは電流に対して、トランジスタＴｒ１およびダイオード素子Ｄを適切なバイアス状態に設定するためのバイアス用抵抗として作用する。ここで、抵抗素子Ｒ２およびＲ４は場合によっては歪補償に寄与する場合もあれば、トランジスタＴｒ１およびダイオード素子Ｄのバイアス用抵抗として機能する場合もある。
【００４０】
また、歪補償回路１Ａでの歪補償の度合いおよびベース駆動電源Ｖｂからの供給電圧ならびに電流値によって、抵抗素子Ｒ２、Ｒ３およびＲ４の抵抗値は適宜調整されるものであり、抵抗素子Ｒ２、Ｒ３およびＲ４が必要ない場合もある。入力電力の信号は、トランジスタＴｒ１のベース端子Ｂ側から入力されて、該トランジスタＴｒ１のコレクタ端子側から導出されて、出力電力の信号として得られる。抵抗素子Ｒ１は接合素子であるダイオード素子Ｄの両端に、少なくとも直流的に接続されている抵抗素子である。
【００４１】
図１（Ｂ）の歪補償回路１Ａでは、接合素子であるダイオード素子Ｄと直流的に接続された抵抗素子Ｒ２およびＲ４を介して、抵抗素子Ｒ１がダイオード素子Ｄと間接的に接続されているが、抵抗Ｒ２およびＲ４の抵抗値が０の場合には、直接接続されることになる。
【００４２】
図１（Ｃ）は、図１（Ｂ）の回路構成に、交流的に機能する回路素子が付加された第１の回路例を示すものであって、ここでは図９で示された従来の回路において、ダイオード素子Ｄと接地間にキャパシタンス素子Ｃ１が接続された歪補償回路１Ｂが示されている。
【００４３】
図１（Ｄ）は、図１（Ｂ）の回路構成において、交流的に機能する回路素子が付加された第２の回路例が示されている。ここでは、図１（Ｃ）中のキャパシタンス素子Ｃ１を、該キャパシタンス素子Ｃ１と抵抗素子Ｒ５の直列回路で置換した回路となっている。トランジスタＴｒ１のベース端子Ｂ側から歪補償回路１Ｂを見たインピーダンス、さらにその接合素子であるダイオード素子Ｄによる非線形性は、キャパシタンス素子Ｃ１および抵抗素子Ｒ５にも依存する。それゆえに、ダイオード素子Ｄ１だけでは最適補償できない場合に、抵抗素子Ｒ５およびキャパシタンス素子Ｃ１の値を調整することで、さらなる歪補償調整が可能であり、図１（Ｃ）のそれよりも歪補償の自由度は高い。
【００４４】
本実施の形態では、歪補償回路１に含まれて、増幅用バイポーラトランジスタＴｒ１のベース端子Ｂとベース駆動電源Ｖｂとの間に、直流的には直列に接続されたｐｎ接合などの電位障壁を有する接合素子であるダイオード素子Ｄの両端間に抵抗素子Ｒ１が接続されているので、ベース駆動電源Ｖｂから供給可能な電圧が該接合素子（ダイオード素子Ｄ）の両端電圧が該接合素子のオン電圧以下となるような低電圧レベルであったとしても、抵抗素子Ｒ１を経由して、増幅用バイポーラトランジスタＴｒ１のベース端子Ｂにベース駆動電源Ｖｂから電圧あるいは電流を供給可能である。そのため、電力増幅器としては、歪補償回路による低歪動作および低いベース駆動電圧レベルでの増幅動作の両立が可能となる。
【００４５】
また、増幅用バイポーラトランジスタＴｒ１のベース端子−エミッタ端子間の瞬時電圧は入力信号の瞬時電圧によって変動し、一時的には歪補償用の接合素子であるダイオード素子Ｄがオンするため、高周波的には歪補償回路１が機能して、増幅器の低歪動作が可能となる。
【００４６】
なお、入力電力のレベルが低く、該入力電力による増幅用バイポーラトランジスタＴｒ１のベース端子−エミッタ端子間の瞬時電圧の変動が接合素子（ダイオード素子Ｄ）のオン電圧を超えない場合には、歪補償回路１は機能しないが、このような低い入力電力のレベルでは、増幅用バイポーラトランジスタＴｒ１で生じる歪も少ないため、歪補償回路１は特に必要とされない場合が多い。
【００４７】
また、抵抗素子Ｒ１によるさらなる効果は、増幅用バイポーラトランジスタＴｒ１のバイアス電流の温度依存特性を緩和できることにある。接合素子（ダイオード素子Ｄ）は直流的な抵抗Ｒｄを有して、抵抗素子Ｒ１は直流抵抗Ｒを有すると想定すると、接合素子（ダイオード素子Ｄ）の両端の直流抵抗Ｒｔは、Ｒｔ＝Ｒ＊Ｒｄ／（Ｒ＋Ｒｄ）となる。したがって、接合素子（ダイオード素子Ｄ）の両端の直流抵抗Ｒｔの値によって、増幅用バイポーラトランジスタＴｒ１のバイアス電流は変化することになる。抵抗素子Ｒ１が市販のチップ抵抗や半導体基板上に形成された配線や半導体層による抵抗である場合、その直流抵抗Ｒの温度による変化率は、接合素子（半導体素子Ｄ）の直流的な抵抗Ｒｄの温度による変化率より一般に小さい。そのため、直流抵抗Ｒｔの温度Ｔに対する変化率δＲｔ／δＴは、直流抵抗Ｒの温度に対する変化率を無視することで、δＲｔ／δＴ＝（Ｒ／（Ｒ＋Ｒｄ））2＊δＲｔ／δＴと近似される。
【００４８】
ここで、（Ｒ／（Ｒ＋Ｒｄ））2＜１（Ｒ１がある場合）および（Ｒ／（Ｒ＋Ｒｄ））2＝１（Ｒ１が無い場合）であるので、直流抵抗Ｒによって直流抵抗Ｒｔの温度による変化率δＲｔ／δＴは、直流抵抗Ｒがない場合に比べ低減され、増幅用バイポーラトランジスタＴｒ１のバイアス電流の温度依存特性が緩和され、バイアス電流変動に起因する歪の悪化も緩和される。ここで、抵抗素子が前述の接合素子の温度特性と逆極性の特性を有すれば、さらに温度依存特性は緩和される。この場合、抵抗素子Ｒ１は、直流的に抵抗成分を有していればよいのであって、純粋な抵抗素子である必要は必ずしもなく、高周波的には異なるインピーダンスを有するもの、たとえば、直流的には抵抗成分を有する配線などであってもよい。
【００４９】
（実施の形態２）
次に実施の形態２について説明する。図２（Ａ）および（Ｂ）は、この発明の実施の形態２に係る電力増幅器の回路構成を示す図である。図２（Ａ）の電力増幅器においては、歪補償回路１１が採用される。図２（Ｂ）において歪補償回路１１は実施の形態１で示された抵抗素子Ｒ１が歪補償回路１中の構成素子として用いられている。図２（Ａ）と（Ｂ）においては、図１（Ａ）〜（Ｄ）と同一のものについては同一符号が付されており、実施の形態１と同じ機能を有するので詳細説明は省略する。
【００５０】
本実施の形態２の歪補償回路１１においては、図示されるように抵抗素子Ｒ１が歪補償回路１中に含まれて、歪補償回路を構成する素子としての役割と、バイポーラトランジスタＴｒ１のバイアス電流の温度依存特性を緩和する役割とを兼ねているため、少ない回路素子で歪補償回路とバイポーラトランジスタＴｒ１のバイアス電流の温度依存特性を緩和するための回路とを構成できて、該電力増幅器の部品点数が減少し小型化が可能となる。
【００５１】
（実施の形態３）
次に、実施の形態３について説明する。図３は、実施の形態３に係る電力増幅器の回路構成を示す図である。本実施の形態では実施の形態１で示された回路構成にさらにインダクタンス素子Ｌが追加されている。該インダクタンス素子Ｌは図示されるように抵抗素子Ｒ１に直列に接続されている。
【００５２】
本実施の形態３の構成においては、直流的には実施の形態１と等価であるから、本実施の形態３により増幅用バイポーラトランジスタＴｒ１のバイアス電流の温度依存特性が緩和される点は、実施の形態１で説明したのと同様である。
【００５３】
前述した実施の形態１において抵抗素子Ｒ１が歪補償回路１の動作に高周波的な悪影響を与える場合などに、本実施の形態３の回路構成が採用されると、高周波的にはインダクタンス素子Ｌのインピーダンスが高くなるので、抵抗素子Ｒ１とインダクタンス素子Ｌの直列回路の両端のインピーダンスが高くなり、該直列回路は該回路と並列に接続されている歪補償回路１の高周波的な動作への影響を低減するように作用する。つまり、信号の歪成分が生じる周波数領域で該抵抗素子Ｒ１と該インダクタンス素子Ｌの直列接続部のインピーダンスを高くして、歪補償回路としては機能しないようにすることが効果的である。
【００５４】
また、前述した実施の形態２のように、抵抗素子Ｒ１が歪補償回路１に組込まれている場合においては、最適な歪補償をするための抵抗素子Ｒ１の抵抗値と、トランジスタＴｒ１へ供給されるバイアス電流の温度依存特性を緩和するために最適な抵抗素子Ｒ１の抵抗値とは必ずしも一致しない。そのため、トランジスタＴｒ１に供給されるバイアス電流の温度依存特性を緩和するために最適な値の抵抗素子Ｒ１を選択すると、最適な歪補償を行なうことができず、電力増幅器は十分な低歪動作が行なえないというトレードオフの状態が生じる場合がある。
【００５５】
これに対して、本実施の形態３では、抵抗素子Ｒ１を、歪補償回路１の最適設計とは無関係にトランジスタＴｒ１に供給されるバイアス電流の温度依存特性を緩和するための最適な抵抗値に設定することができるから、上述したようなトレードオフの問題を解消できる。
【００５６】
（実施の形態４）
次に実施の形態４について説明する。図４〜図８は実施の形態４に係る電力増幅回路の回路構成を示す図である。本実施の形態４では、図４に示されるように、前述した実施の形態１における歪補償回路１に代替して歪補償回路１２が設けられる。歪補償回路１２では、歪補償回路１の接合素子である２端子のダイオード素子Ｄに代替して、バイポーラトランジスタＴｒ２のベース端子−エミッタ端子間の接合が用いられている。バイポーラトランジスタＴｒ２のベース端子−エミッタ端子間の接合も、ダイオード特性を有するので、歪補償用接合素子として用いることが可能である。
【００５７】
本実施の形態の場合、バイポーラトランジスタＴｒ２として増幅用バイポーラトランジスタＴｒ１と同一構造のトランジスタを用いることが可能なので、トランジスタＴｒ１とＴｒ２とは同一の半導体基板上に形成することが可能となり、電力増幅器の小型化が可能となる。
【００５８】
また、本実施の形態では、図４に示されるようにバイポーラトランジスタＴｒ２のコレクタは開放状態となっているが、図５の歪補償回路１３に示されるように回路中の他の素子と接続されるようにしてもよい。図５の歪補償回路１３においては、バイポーラトランジスタＴｒ２のコレクタ端子は、バイポーラトランジスタＴｒ２のベース端子と抵抗素子Ｒ３を介して接続された状態になっている。この場合であってもトランジスタＴｒ２のエミッタ端子側から見てトランジスタＴｒ２のベース側あるいはコレクタ端子側との間は、電位障壁による接合特性を有しており、歪補償用接合素子として機能する。
【００５９】
なお、図４と図５の構成においては、トランジスタＴｒ２のエミッタ端子とコレクタ端子が入れ替わっても、バイポーラトランジスタＴｒ１のベース端子ＢとトランジスタＴｒ２のベース端子との間には接合素子としての特性を機能させることができるので、歪補償回路として機能する。
【００６０】
また、図６の歪補償回路１４に示されているように、トランジスタＴｒ２のコレクタ端子をベース駆動電源Ｖｂとは別のトランジスタＴｒ２のコレクタ駆動電源Ｖｃに接続してもよい。この場合、トランジスタＴｒ２がベース駆動電源Ｖｂによってオンしていると、トランジスタＴｒ２のコレクタ電流は、トランジスタＴｒ２のベース電流よりもトランジスタＴｒ２の電流増幅率倍大きくなる。トランジスタＴｒ２のエミッタ端子からトランジスタＴｒ１のベース端子Ｂに供給される電流は、主として、コレクタ駆動電源Ｖｃから供給されるため、通常は、電力増幅器の利得制御電源を兼ねるベース駆動電源Ｖｂからの供給電流の低減が可能となる。
【００６１】
通常、このような電力増幅器の利得制御回路の電流供給能力は数ｍＡ以下の場合が多く、電力増幅器においても低制御電流動作の要望が強いため、このような電力増幅器は低利得制御電流動作に適している。
【００６２】
携帯型の通信端末機での電力増幅器の利得制御回路は、該端末機が有限の供給電力を有するバッテリ駆動の関係上、バッテリ切れまでの通信時間を延長するために、通信システムの法的規格には現われない端末内部の該利得制御に要する消費電力を低減するため、供給可能電流が極力低く抑えられている。したがって、ベース駆動電源Ｖｂからの供給電流が低減できる図６の構成によれば、電力増幅器がバッテリ駆動の携帯端末機に組込まれた場合には、より効果的である。
【００６３】
また、図４においては、歪補償用の接合素子としてバイポーラトランジスタＴｒ２のベース端子−エミッタ端子間の接合が用いられているが、バイポーラトランジスタＴｒ２に代替して、電界効果型トランジスタＦＥＴを用い、そのゲート端子−ソース端子間、あるいはゲート端子−ドレイン端子間の接合を歪補償用の接合素子として用いてもよい。その場合は、たとえば図４と対比して、図７に示されるような回路構成の歪補償回路１５となる。
【００６４】
図７では、電界効果型トランジスタＦＥＴのゲート端子−ソース端子間の接合は、歪補償用の接合素子として用いられている。ドレイン端子は図７では開放状態にあるが、ドレイン端子は図８の歪補償回路１６に示されるようにドレイン駆動電源Ｖｄに接続されていてもよい。この場合は、図６の場合と同様に、電界効果型トランジスタＦＥＴの電流増幅作用によって、トランジスタＴｒ１のベース端子Ｂに供給される電流の大半は、ドレイン駆動電源Ｖｄから供給されることになるので、利得制御を行なうベース駆動電源Ｖｂから供給すべき電流を低減することができる。
【００６５】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 （Ａ）〜（Ｄ）は、この発明の実施の形態１に係る電力増幅器の構成図である。
【図２】 （Ａ）および（Ｂ）は、この発明の実施の形態２に係る電力増幅器の回路構成を示す図である。
【図３】 この発明の実施の形態３に係る電力増幅器の回路構成を示す図である。
【図４】 この発明の実施の形態４に係る電力増幅回路の回路構成を示す図である。
【図５】 この発明の実施の形態４に係る電力増幅回路の回路構成を示す図である。
【図６】 この発明の実施の形態４に係る電力増幅回路の回路構成を示す図である。
【図７】 この発明の実施の形態４に係る電力増幅回路の回路構成を示す図である。
【図８】 この発明の実施の形態４に係る電力増幅回路の回路構成を示す図である。
【図９】 従来の電力増幅器の回路構成を示す図である。
【符号の説明】
１ 歪補償回路、Ｄ 歪補償用接合素子、Ｔｒ１ 増幅用バイポーラトランジスタ、Ｔｒ２ 歪補償用接合素子としてのバイポーラトランジスタ、ＦＥＴ 歪補償用接合素子としての電界効果型トランジスタ、Ｄ１ ダイオード素子、Ｒ１〜Ｒ７ 抵抗素子、Ｃ１ キャパシタンス素子、Ｌ インダクタンス素子。
【発明の属する技術分野】
この発明は、電力増幅器に関し、特に、電力の通過位相の変動を抑制することのできる電力増幅器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、携帯型電話機などの移動体通信システムに例をみるごとく、準マイクロ波、マイクロ波帯の無線通信システムが急速に普及しているが、これには携帯型端末機の軽量化、低消費電力化が大いに寄与している。携帯型端末機の軽量化のためには、使用されるバッテリは、より軽量の小容量タイプにすることが望まれるが、バッテリ切れするまでの時間が、すなわち該携帯端末の使用時間が短くなるため、送信時に該端末の消費電力のほとんどを占めている送信用電力増幅器の消費電力の低減、つまり電力効率の向上が強く望まれる。
【０００３】
従来のＦＭ（frequency modulationの略）方式を用いた等振幅アナログ変復調システムでは、電力増幅器を飽和状態で動作させることが可能であったので、電力増幅器を高い電力効率で使用することが比較的容易であった。しかしながら、最近では、周波数利用効率の高いＱＰＳＫ（quadrature phase shift keyingの略）変調方式などを用いたデジタル変復調に通信システムの主流が移行しつつある。これらのデジタル変復調方式では、信号の振幅、位相の両方で情報が搬送されるため、電力増幅器は入力信号を低い歪で増幅することが要求される。このような電力増幅器に低歪が要求される通信システムとしては、ＰＤＣ（Personal Digital Cellularの略）やＰＨＳ（Personal Handy-phone Systemの略）、広帯域ＣＤＭＡ（code division multiple accessの略）、ＩＭＴ（international mobile telecommunicationの略）２０００、ＥＤＧＥ（Enhanced Data rate for GSM Evolutionの略）システムなどがある。
【０００４】
一般に電力増幅器においては、入力電力レベルの増大に伴う出力電力レベルの増大が飽和状態に近づくほど増幅器の歪および電力効率は大きくなるため、電力効率と低歪性はトレードオフの関係にあり、歪補償回路を該電力増幅器に付加して、高レベルの入力電力であっても低い歪にて動作させることによって、電力効率の向上を図る場合が多い。
【０００５】
図９は、従来の電力増幅器の回路構成を示す図である。図の電力増幅器は、特開平９−２６０９６４号公報に開示されたものであって、歪補償回路が付加されたバイポーラトランジスタを用いた電力増幅器である。
【０００６】
図中、電力増幅器は、入力電力を増幅して、出力電力として導出するための増幅用バイポーラトランジスタ（以下、トランジスタと呼ぶ）Ｔｒ１、該増幅器における電力の通過位相の変動を抑制するために設けられた歪補償回路１０を含む。歪補償回路１０は、ダイオード素子Ｄ、キャパシタンス素子Ｃ１ならびにバイアス抵抗素子Ｒ６およびＲ７を含む。該電力増幅器において、バイアス電圧Ｖｂが与えられると、トランジスタＴｒ１のベースバイアス条件は、抵抗素子Ｒ６およびＲ７ならびにダイオード素子Ｄの直流特性によって決定される。ここで、キャパシタンス素子Ｃ１は、該電力増幅器の動作周波数において、高周波的に接地とみなせる容量を有しており、トランジスタＴｒ１のベース端子Ｂからダイオード素子Ｄ側を見た場合のインピーダンスは、高周波的にはダイオード素子Ｄが有する抵抗成分および容量成分のみとなる。また、高周波的には、該インピーダンスは、トランジスタＴｒ１のベース端子−エミッタ端子間に並列に接続されたのと等価となる。
【０００７】
図９の電力増幅器において、入力電力の信号によってトランジスタＴｒ１のベース端子−エミッタ端子間の瞬時電圧レベルは時間的に変動するが、ベース端子−エミッタ端子間はダイオード特性を有するため、該瞬時電圧レベルは無信号時の電圧レベルを基準とした場合、高電圧側と低電圧側の変動は対称にならず、入力電力信号によって平均電圧は変動する。ダイオード特性においては、両端電圧が高くなり電流が増加すると、インピーダンスが低下するため高電圧側の電圧振幅は小さくなって、入力電力信号によって平均電圧は低電圧側にシフトし、また、該シフト量は入力電力信号のレベルが増大するに従って大きくなる。
【０００８】
ダイオードが有する容量成分は、ダイオードの両端電圧依存性を有するため、入力電力の増大による上述の電圧シフトによってトランジスタＴｒ１のベース端子Ｂ−エミッタ端子間の容量が変化して、ベース端子Ｂ側から見たトランジスタＴｒ１のリアクタンス成分が変化するため信号の通過位相が変化する。これは、いわゆる振幅−位相歪であり、電力増幅器の歪要因となる。
【０００９】
そこで、図９においては、ダイオード素子Ｄとキャパシタンス素子Ｃ１を含んで構成される歪補償回路１０を付加することによって、トランジスタＴｒ１のベース端子−エミッタ端子間の容量の非線形性に起因する位相歪を補償している。すなわち入力電力の増大によってトランジスタＴｒ１のベース端子−エミッタダイオード部間の平均電圧は低下するが、同時にトランジスタＴｒ１のベース端子−エミッタ端子と高周波的に並列接続されたダイオード素子Ｄの両端平均電圧は増大する。そのため、入力電力の増減によるトランジスタＴｒ１のベース端子−エミッタダイオード容量値の変化とダイオード素子Ｄ１の容量値変化が打ち消し合い、電力増幅器の通過位相の入力電力依存性が緩和されて、トランジスタＴｒ１は実効的により飽和に近い入力電力レベルであっても、線形性を維持できるため、増幅器の電力効率が向上する。
【００１０】
また、ベース駆動電源であるバイアス電圧ＶｂとトランジスタＴｒ１のベース端子Ｂとの間が、固定抵抗のみで接続されている場合は、入力電力が増大しベース電流が大きくなるほど、該固定抵抗部での電圧降下によるベース電流増大抑制効果が高くなるため、コレクタ電流の増大も抑制されて、入力電力の増大による利得の減少（いわゆる振幅−振幅歪）が生じる。一方、図９の回路においては、ダイオード素子Ｄを流れるベース電流が大きいほど、該ダイオード素子Ｄの抵抗成分は低下して、電圧降下が緩和されるため、振幅−振幅歪も低減される。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
このように、ダイオード素子Ｄなどの接合素子をバイアス回路部に配置して歪補償を行なう場合、接合素子の順方向オン電圧は、シリコン半導体でのｐｎ接合の場合で０．７Ｖ程度、ＧａＡｓ化合物半導体のＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓヘテロ接合の場合で１．３Ｖ程度、ＧａＡｓと金属のショットキー接合の場合で０．７Ｖ程度であるため、増幅用バイポーラトランジスタＴｒ１を所望のバイアス状態にするためには、上述したオン電圧分をベース端子Ｂへのバイアス電圧として余分に供給する必要がある。
【００１２】
しかしながら、上述したように、バッテリ駆動される携帯型端末機では、該端末機の小型化、軽量化および低消費電力化のために、動作電圧の低減が望まれており、実質上無効電圧となるような上述のオン電圧の存在は、動作電圧低減の支障になるという課題が残る。
【００１３】
また、微小の歪が問題となる電力増幅器では、電力増幅用のバイポーラトランジスタのバイアス電流変動による動作状態の変化によって生じる歪も極力排除する必要がある。このバイアス電流変動の主要因の１つは、周囲温度の変化である。図９の従来例においては、電力増幅用のトランジスタＴｒ１の接合部のダイオード特性には本質的に温度特性がある上に、これと同じ極性の温度特性を有する歪補償用のダイオード素子Ｄがベース端子Ｂのバイアス電源側に直列に接続されているため、増幅用のバイポーラトランジスタＴｒ１の温度によるバイアス電流変動がさらに大きくなってしまう。
【００１４】
それゆえにこの発明の目的は、より効率良く電力を増幅することのできる電力増幅器を提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
この発明のある局面に係る電力増幅器は、以下の特徴を有する。すなわち、ベース端子に入力された電力信号を増幅して導出するエミッタ接地された増幅用バイポーラトランジスタと、ベース端子にバイアス信号を供給するためのベース電源と、異なる電気的特性を有する材料が接合されてなり、かつベース電源とベース端子間に順方向に接続された接合素子を含む歪補償回路と、接合素子の両端子に接続された抵抗成分を含む抵抗成分素子とを備える。
【００１６】
この発明のある局面に係る電力増幅器は、以下の特徴を有して構成されてもよい。すなわち、ベース端子に入力された電力信号を増幅して導出するエミッタ接地された増幅用バイポーラトランジスタと、ベース端子にバイアス電圧を供給するためのベース電源と、異なる電気的特性を有する材料が接合されてなり、かつベース電源とベース端子間に順方向に接続された接合素子を含む歪補償回路と、接合素子の両端子の間に接続された抵抗成分を含む抵抗成分素子とを備える。
【００１７】
したがって、上述の電力増幅器では、接合素子を有した歪補償回路が備えられて、増幅用バイポーラトランジスタのベース端子とベース電源との間において順方向に接続された接合素子の両端子間に、すなわち異なる電気的特性を有する材料が接合されてなる電位障壁を有する両端子間に、抵抗成分素子が接続されている。
【００１８】
それゆえに、ベース電源から供給可能なバイアス信号レベルが、接合素子の両端子間の電圧が該接合素子をオンできないような低レベルであっても、抵抗成分素子を経由して増幅用バイポーラトランジスタのベース端子に、ベース電源からバイアス信号（電圧あるいは電流）が供給可能となる。
【００１９】
その結果、電力増幅器においては、歪補償回路により、増幅素子である増幅用バイポーラトランジスタ自体の歪み（非線形性）が補償されるとともに、電力増幅器の増幅に際して生じる電力信号の歪が抑制されながら、かつ低いバイアス信号レベルでの増幅動作が可能となり、効率よく電力信号を増幅できる。
【００２０】
ベース電源から供給されるバイアス信号の電圧が駆動電圧が直流的には接合素子がオンしないような低電圧であったとしても、ベース電源から抵抗成分素子を経由した電流供給によって、増幅用バイポーラトランジスタをオンさせて、増幅作用を有するバイアス電流領域にバイアスさせることが可能である。また、増幅用バイポーラトランジスタのベース端子−エミッタ端子間の瞬時電圧は入力信号の瞬時電圧によって変動し、一時的には接合素子がオンされるため、高周波的には歪補償回路が機能して、該電力増幅器における低歪の増幅動作が可能となる。
【００２１】
入力電力信号レベルが低く、該入力電力信号による増幅用バイポーラトランジスタのベース端子−エミッタ端子間の瞬時電圧の変動が接合素子のオン電圧を超えない場合には、歪補償回路は機能しないが、このような低レベルの入力電力信号では、増幅用バイポーラトランジスタにおいて生じる歪も少ないため、歪補償回路は特に必要とされない場合が多い。
【００２２】
前述した抵抗成分素子によるさらなる効果は、増幅用バイポーラトランジスタのバイアス信号の電流の温度依存特性を緩和できることにある。つまり、接合素子の直流的な抵抗をＲｄとし、抵抗成分素子の直流抵抗をＲとすると、該接合素子両端子の直流抵抗Ｒｔは、Ｒｔ＝Ｒ＊Ｒｄ／（Ｒ＋Ｒｄ）となり、直流抵抗Ｒｔの値によって、増幅用バイポーラトランジスタのバイアス信号の電流は変化することになる。
【００２３】
ここで直流抵抗Ｒが市販のチップ抵抗や半導体基板上に形成された配線や半導体層による抵抗である場合、直流抵抗Ｒの温度による変化率は抵抗Ｒｄの温度による変化率より一般に小さいため、直流抵抗Ｒの温度Ｔに対する変化率は、抵抗Ｒの温度に対する変化率を無視した、ΔＲｔ／ΔＴ＝（Ｒ／（Ｒ＋Ｒｄ））2＊ΔＲｄ／ΔＴとなる。ここで、（Ｒ／（Ｒ＋Ｒｄ））2＜１（Ｒがある場合）および（Ｒ／（Ｒ＋Ｒｄ））2＝１（Ｒがない場合）である。それゆえに、抵抗成分素子（抵抗Ｒ）を設けた場合には、抵抗Ｒｔの温度による変化率は抵抗性分素子（抵抗Ｒ）がない場合に比べて低減されて、増幅用バイポーラトランジスタのバイアス信号の電流の温度依存性が緩和されて、バイアス電流変動に起因する歪の悪化も緩和される。
【００２４】
ここで、抵抗成分素子が接合素子の温度特性と逆極性の特性を有すれば、さらに温度依存特性は緩和される。
【００２５】
上述の抵抗成分素子は直流的に抵抗成分を有していればよいのであって、純粋な抵抗素子である必要性はなく、高周波的には異なるインピーダンスを有する、たとえば、直流的には抵抗成分を有する配線などであってもよい。
【００２６】
上述した電力増幅器において、抵抗成分素子は歪補償回路に含まれてもよい。この場合には、少ない回路素子で歪補償回路と前述の温度依存特性を緩和するための回路とが構成できて、該電力増幅器の部品点数の増加が抑制されて、その小型化が可能となる。
【００２７】
上述した電力増幅器において、抵抗成分素子は、歪補償回路とは個別に設けられてもよい。したがって、抵抗成分素子が歪補償に悪影響を与える場合には、該抵抗成分素子を歪補償回路とは別個に設けることができる。
【００２８】
上述した電力増幅器において、抵抗成分素子は、抵抗とインダクタンスの直列接続で構成されてもよい。したがって、抵抗性分素子が歪補償回路の動作に高周波的な悪影響を及ぼす場合には、抵抗素子に直列に、インダクタンス素子を接続して、信号の歪成分が生じる周波数領域で該抵抗素子と該インダクタンス素子の直列接続部のインピーダンスを高くして、歪補償回路としては機能しないようにすることができる。
【００２９】
上述の電力増幅器において接合素子は、異なる電気的特性を有する半導体領域間の接合により構成されてもよい。つまり歪補償用の接合素子としては、通常は２端子のＰＮ接合素子であっても良い。ＰＮ接合素子としてはダイオード素子がある。
【００３０】
上述の接合素子は、ショットキー接合素子であってもよい。
上述の電力増幅器においては、接合素子として、歪を補償するための歪補償用バイポーラトランジスタを有し、前述した半導体領域間の接合は、歪補償用バイポーラトランジスタが有する端子の少なくとも２端子の接合を用いて構成されてもよい。
【００３１】
したがって、歪補償用バイポーラトランジスタのベース端子−エミッタ端子間およびベース端子−コレクタ端子間の接合を歪補償用接合素子として用いてもよい。この場合には、歪補償用および増幅用として同一構造バイポーラトランジスタを用いることが可能となり、両バイポーラトランジスタを同一半導体基板上に形成できるから、該電力増幅器の小型化が可能となる。
【００３２】
上述の電力増幅器においては、歪補償用バイポーラトランジスタのコレクタ端子に駆動電圧供給するためのコレクタ電源をさらに備え、コレクタ端子は、コレクタ電源に接続されるようにしてもよい。
【００３３】
このように歪補償用バイポーラトランジスタのコレクタ端子をコレクタ電源に接続して、増幅用バイポーラトランジスタのベース端子に供給されるバイアス信号の電流のほとんどを、コレクタ電源から供給することができる。それゆえに、通常、電力増幅器の利得制御電源も兼ねるベース電源からの供給電流を、歪補償用バイポーラトランジスタの電流増幅率分低減できる。そのため、該電力増幅器を用いた通信端末装置では、電力増幅器の利得制御に要する供給電流を低減することが可能となる。
【００３４】
また上述の電力増幅器においては、接合素子として、歪を補償するための電界効果型トランジスタを有し、半導体領域間の接合は、電界効果型トランジスタが有する端子の少なくとも２端子の接合を用いて構成されてもよい。
【００３５】
したがって、電界効果型トランジスタのゲート端子ー−ソース端子間およびゲート端子−ドレイン端子間などの接合を歪補償用接合素子として用いることができる。
【００３６】
また上述した電力増幅器においては、電界効果型トランジスタのドレイン端子に電圧を供給するためのドレイン電源をさらに備え、ドレイン端子は、ドレイン電源に接続されてもよい。したがって、歪補償用接合素子として用いられている電界効果型トランジスタのドレイン端子を、ドレイン電源に接続して、増幅用バイポーラトランジスタのベース端子に供給されるバイアス信号の電流のほとんどを、ドレイン電源から供給できる。それゆえに、上述した歪補償用バイポーラトランジスタを用いる場合と同様に、該構成は該電力増幅器を低利得制御電流動作させるのに適している。
【００３７】
【発明の実施の形態】
この発明の各実施の形態に係る電力増幅器においては、歪補償回路により次のよな歪補償がなされる。つまり、増幅素子である増幅用バイポーラトランジスタ自体の歪み（非線形性）が補償されるとともに、電力増幅器の増幅に際して生じる電力信号の歪が補償される。この詳細を、以下に、図面を参照して詳細に説明する。
【００３８】
（実施の形態１）
図１（Ａ）〜（Ｄ）は、この発明の実施の形態１に係る電力増幅器の構成図である。図中、電力増幅器は、増幅用エミッタ接地型バイポーラトランジスタＴｒ１、ベース駆動電源Ｖｂ、ベース駆動電源ＶｂとトランジスタＴｒ１のベース端子Ｂとの間に接続された歪補償回路１および歪補償回路１に関連して設けられた抵抗素子Ｒ１を含む。歪補償回路１は図１（Ｂ）、図１（Ｃ）および図１（Ｄ）の歪補償回路１Ａ、１Ｂおよび１Ｃとして参照される。
【００３９】
図１（Ｂ）には、図１（Ａ）の歪補償回路１の直流的な等価回路である歪補償回路１Ａが示される。図において歪補償回路１Ａはダイオード素子Ｄおよび抵抗素子素子Ｒ２、Ｒ３およびＲ４を含む。ダイオード素子Ｄは歪補償回路１Ａを構成する素子の一部となりベース駆動電源ＶｂとトランジスタＴｒ１のベース端子Ｂとの間に接続された接合素子である。抵抗Ｒ２およびＲ４は歪補償回路１において、接合素子であるダイオード素子Ｄと直流的に直列に接続されている抵抗成分である。抵抗素子Ｒ３は、ベース駆動電源Ｖｂから供給される電圧あるいは電流に対して、トランジスタＴｒ１およびダイオード素子Ｄを適切なバイアス状態に設定するためのバイアス用抵抗として作用する。ここで、抵抗素子Ｒ２およびＲ４は場合によっては歪補償に寄与する場合もあれば、トランジスタＴｒ１およびダイオード素子Ｄのバイアス用抵抗として機能する場合もある。
【００４０】
また、歪補償回路１Ａでの歪補償の度合いおよびベース駆動電源Ｖｂからの供給電圧ならびに電流値によって、抵抗素子Ｒ２、Ｒ３およびＲ４の抵抗値は適宜調整されるものであり、抵抗素子Ｒ２、Ｒ３およびＲ４が必要ない場合もある。入力電力の信号は、トランジスタＴｒ１のベース端子Ｂ側から入力されて、該トランジスタＴｒ１のコレクタ端子側から導出されて、出力電力の信号として得られる。抵抗素子Ｒ１は接合素子であるダイオード素子Ｄの両端に、少なくとも直流的に接続されている抵抗素子である。
【００４１】
図１（Ｂ）の歪補償回路１Ａでは、接合素子であるダイオード素子Ｄと直流的に接続された抵抗素子Ｒ２およびＲ４を介して、抵抗素子Ｒ１がダイオード素子Ｄと間接的に接続されているが、抵抗Ｒ２およびＲ４の抵抗値が０の場合には、直接接続されることになる。
【００４２】
図１（Ｃ）は、図１（Ｂ）の回路構成に、交流的に機能する回路素子が付加された第１の回路例を示すものであって、ここでは図９で示された従来の回路において、ダイオード素子Ｄと接地間にキャパシタンス素子Ｃ１が接続された歪補償回路１Ｂが示されている。
【００４３】
図１（Ｄ）は、図１（Ｂ）の回路構成において、交流的に機能する回路素子が付加された第２の回路例が示されている。ここでは、図１（Ｃ）中のキャパシタンス素子Ｃ１を、該キャパシタンス素子Ｃ１と抵抗素子Ｒ５の直列回路で置換した回路となっている。トランジスタＴｒ１のベース端子Ｂ側から歪補償回路１Ｂを見たインピーダンス、さらにその接合素子であるダイオード素子Ｄによる非線形性は、キャパシタンス素子Ｃ１および抵抗素子Ｒ５にも依存する。それゆえに、ダイオード素子Ｄ１だけでは最適補償できない場合に、抵抗素子Ｒ５およびキャパシタンス素子Ｃ１の値を調整することで、さらなる歪補償調整が可能であり、図１（Ｃ）のそれよりも歪補償の自由度は高い。
【００４４】
本実施の形態では、歪補償回路１に含まれて、増幅用バイポーラトランジスタＴｒ１のベース端子Ｂとベース駆動電源Ｖｂとの間に、直流的には直列に接続されたｐｎ接合などの電位障壁を有する接合素子であるダイオード素子Ｄの両端間に抵抗素子Ｒ１が接続されているので、ベース駆動電源Ｖｂから供給可能な電圧が該接合素子（ダイオード素子Ｄ）の両端電圧が該接合素子のオン電圧以下となるような低電圧レベルであったとしても、抵抗素子Ｒ１を経由して、増幅用バイポーラトランジスタＴｒ１のベース端子Ｂにベース駆動電源Ｖｂから電圧あるいは電流を供給可能である。そのため、電力増幅器としては、歪補償回路による低歪動作および低いベース駆動電圧レベルでの増幅動作の両立が可能となる。
【００４５】
また、増幅用バイポーラトランジスタＴｒ１のベース端子−エミッタ端子間の瞬時電圧は入力信号の瞬時電圧によって変動し、一時的には歪補償用の接合素子であるダイオード素子Ｄがオンするため、高周波的には歪補償回路１が機能して、増幅器の低歪動作が可能となる。
【００４６】
なお、入力電力のレベルが低く、該入力電力による増幅用バイポーラトランジスタＴｒ１のベース端子−エミッタ端子間の瞬時電圧の変動が接合素子（ダイオード素子Ｄ）のオン電圧を超えない場合には、歪補償回路１は機能しないが、このような低い入力電力のレベルでは、増幅用バイポーラトランジスタＴｒ１で生じる歪も少ないため、歪補償回路１は特に必要とされない場合が多い。
【００４７】
また、抵抗素子Ｒ１によるさらなる効果は、増幅用バイポーラトランジスタＴｒ１のバイアス電流の温度依存特性を緩和できることにある。接合素子（ダイオード素子Ｄ）は直流的な抵抗Ｒｄを有して、抵抗素子Ｒ１は直流抵抗Ｒを有すると想定すると、接合素子（ダイオード素子Ｄ）の両端の直流抵抗Ｒｔは、Ｒｔ＝Ｒ＊Ｒｄ／（Ｒ＋Ｒｄ）となる。したがって、接合素子（ダイオード素子Ｄ）の両端の直流抵抗Ｒｔの値によって、増幅用バイポーラトランジスタＴｒ１のバイアス電流は変化することになる。抵抗素子Ｒ１が市販のチップ抵抗や半導体基板上に形成された配線や半導体層による抵抗である場合、その直流抵抗Ｒの温度による変化率は、接合素子（半導体素子Ｄ）の直流的な抵抗Ｒｄの温度による変化率より一般に小さい。そのため、直流抵抗Ｒｔの温度Ｔに対する変化率δＲｔ／δＴは、直流抵抗Ｒの温度に対する変化率を無視することで、δＲｔ／δＴ＝（Ｒ／（Ｒ＋Ｒｄ））2＊δＲｔ／δＴと近似される。
【００４８】
ここで、（Ｒ／（Ｒ＋Ｒｄ））2＜１（Ｒ１がある場合）および（Ｒ／（Ｒ＋Ｒｄ））2＝１（Ｒ１が無い場合）であるので、直流抵抗Ｒによって直流抵抗Ｒｔの温度による変化率δＲｔ／δＴは、直流抵抗Ｒがない場合に比べ低減され、増幅用バイポーラトランジスタＴｒ１のバイアス電流の温度依存特性が緩和され、バイアス電流変動に起因する歪の悪化も緩和される。ここで、抵抗素子が前述の接合素子の温度特性と逆極性の特性を有すれば、さらに温度依存特性は緩和される。この場合、抵抗素子Ｒ１は、直流的に抵抗成分を有していればよいのであって、純粋な抵抗素子である必要は必ずしもなく、高周波的には異なるインピーダンスを有するもの、たとえば、直流的には抵抗成分を有する配線などであってもよい。
【００４９】
（実施の形態２）
次に実施の形態２について説明する。図２（Ａ）および（Ｂ）は、この発明の実施の形態２に係る電力増幅器の回路構成を示す図である。図２（Ａ）の電力増幅器においては、歪補償回路１１が採用される。図２（Ｂ）において歪補償回路１１は実施の形態１で示された抵抗素子Ｒ１が歪補償回路１中の構成素子として用いられている。図２（Ａ）と（Ｂ）においては、図１（Ａ）〜（Ｄ）と同一のものについては同一符号が付されており、実施の形態１と同じ機能を有するので詳細説明は省略する。
【００５０】
本実施の形態２の歪補償回路１１においては、図示されるように抵抗素子Ｒ１が歪補償回路１中に含まれて、歪補償回路を構成する素子としての役割と、バイポーラトランジスタＴｒ１のバイアス電流の温度依存特性を緩和する役割とを兼ねているため、少ない回路素子で歪補償回路とバイポーラトランジスタＴｒ１のバイアス電流の温度依存特性を緩和するための回路とを構成できて、該電力増幅器の部品点数が減少し小型化が可能となる。
【００５１】
（実施の形態３）
次に、実施の形態３について説明する。図３は、実施の形態３に係る電力増幅器の回路構成を示す図である。本実施の形態では実施の形態１で示された回路構成にさらにインダクタンス素子Ｌが追加されている。該インダクタンス素子Ｌは図示されるように抵抗素子Ｒ１に直列に接続されている。
【００５２】
本実施の形態３の構成においては、直流的には実施の形態１と等価であるから、本実施の形態３により増幅用バイポーラトランジスタＴｒ１のバイアス電流の温度依存特性が緩和される点は、実施の形態１で説明したのと同様である。
【００５３】
前述した実施の形態１において抵抗素子Ｒ１が歪補償回路１の動作に高周波的な悪影響を与える場合などに、本実施の形態３の回路構成が採用されると、高周波的にはインダクタンス素子Ｌのインピーダンスが高くなるので、抵抗素子Ｒ１とインダクタンス素子Ｌの直列回路の両端のインピーダンスが高くなり、該直列回路は該回路と並列に接続されている歪補償回路１の高周波的な動作への影響を低減するように作用する。つまり、信号の歪成分が生じる周波数領域で該抵抗素子Ｒ１と該インダクタンス素子Ｌの直列接続部のインピーダンスを高くして、歪補償回路としては機能しないようにすることが効果的である。
【００５４】
また、前述した実施の形態２のように、抵抗素子Ｒ１が歪補償回路１に組込まれている場合においては、最適な歪補償をするための抵抗素子Ｒ１の抵抗値と、トランジスタＴｒ１へ供給されるバイアス電流の温度依存特性を緩和するために最適な抵抗素子Ｒ１の抵抗値とは必ずしも一致しない。そのため、トランジスタＴｒ１に供給されるバイアス電流の温度依存特性を緩和するために最適な値の抵抗素子Ｒ１を選択すると、最適な歪補償を行なうことができず、電力増幅器は十分な低歪動作が行なえないというトレードオフの状態が生じる場合がある。
【００５５】
これに対して、本実施の形態３では、抵抗素子Ｒ１を、歪補償回路１の最適設計とは無関係にトランジスタＴｒ１に供給されるバイアス電流の温度依存特性を緩和するための最適な抵抗値に設定することができるから、上述したようなトレードオフの問題を解消できる。
【００５６】
（実施の形態４）
次に実施の形態４について説明する。図４〜図８は実施の形態４に係る電力増幅回路の回路構成を示す図である。本実施の形態４では、図４に示されるように、前述した実施の形態１における歪補償回路１に代替して歪補償回路１２が設けられる。歪補償回路１２では、歪補償回路１の接合素子である２端子のダイオード素子Ｄに代替して、バイポーラトランジスタＴｒ２のベース端子−エミッタ端子間の接合が用いられている。バイポーラトランジスタＴｒ２のベース端子−エミッタ端子間の接合も、ダイオード特性を有するので、歪補償用接合素子として用いることが可能である。
【００５７】
本実施の形態の場合、バイポーラトランジスタＴｒ２として増幅用バイポーラトランジスタＴｒ１と同一構造のトランジスタを用いることが可能なので、トランジスタＴｒ１とＴｒ２とは同一の半導体基板上に形成することが可能となり、電力増幅器の小型化が可能となる。
【００５８】
また、本実施の形態では、図４に示されるようにバイポーラトランジスタＴｒ２のコレクタは開放状態となっているが、図５の歪補償回路１３に示されるように回路中の他の素子と接続されるようにしてもよい。図５の歪補償回路１３においては、バイポーラトランジスタＴｒ２のコレクタ端子は、バイポーラトランジスタＴｒ２のベース端子と抵抗素子Ｒ３を介して接続された状態になっている。この場合であってもトランジスタＴｒ２のエミッタ端子側から見てトランジスタＴｒ２のベース側あるいはコレクタ端子側との間は、電位障壁による接合特性を有しており、歪補償用接合素子として機能する。
【００５９】
なお、図４と図５の構成においては、トランジスタＴｒ２のエミッタ端子とコレクタ端子が入れ替わっても、バイポーラトランジスタＴｒ１のベース端子ＢとトランジスタＴｒ２のベース端子との間には接合素子としての特性を機能させることができるので、歪補償回路として機能する。
【００６０】
また、図６の歪補償回路１４に示されているように、トランジスタＴｒ２のコレクタ端子をベース駆動電源Ｖｂとは別のトランジスタＴｒ２のコレクタ駆動電源Ｖｃに接続してもよい。この場合、トランジスタＴｒ２がベース駆動電源Ｖｂによってオンしていると、トランジスタＴｒ２のコレクタ電流は、トランジスタＴｒ２のベース電流よりもトランジスタＴｒ２の電流増幅率倍大きくなる。トランジスタＴｒ２のエミッタ端子からトランジスタＴｒ１のベース端子Ｂに供給される電流は、主として、コレクタ駆動電源Ｖｃから供給されるため、通常は、電力増幅器の利得制御電源を兼ねるベース駆動電源Ｖｂからの供給電流の低減が可能となる。
【００６１】
通常、このような電力増幅器の利得制御回路の電流供給能力は数ｍＡ以下の場合が多く、電力増幅器においても低制御電流動作の要望が強いため、このような電力増幅器は低利得制御電流動作に適している。
【００６２】
携帯型の通信端末機での電力増幅器の利得制御回路は、該端末機が有限の供給電力を有するバッテリ駆動の関係上、バッテリ切れまでの通信時間を延長するために、通信システムの法的規格には現われない端末内部の該利得制御に要する消費電力を低減するため、供給可能電流が極力低く抑えられている。したがって、ベース駆動電源Ｖｂからの供給電流が低減できる図６の構成によれば、電力増幅器がバッテリ駆動の携帯端末機に組込まれた場合には、より効果的である。
【００６３】
また、図４においては、歪補償用の接合素子としてバイポーラトランジスタＴｒ２のベース端子−エミッタ端子間の接合が用いられているが、バイポーラトランジスタＴｒ２に代替して、電界効果型トランジスタＦＥＴを用い、そのゲート端子−ソース端子間、あるいはゲート端子−ドレイン端子間の接合を歪補償用の接合素子として用いてもよい。その場合は、たとえば図４と対比して、図７に示されるような回路構成の歪補償回路１５となる。
【００６４】
図７では、電界効果型トランジスタＦＥＴのゲート端子−ソース端子間の接合は、歪補償用の接合素子として用いられている。ドレイン端子は図７では開放状態にあるが、ドレイン端子は図８の歪補償回路１６に示されるようにドレイン駆動電源Ｖｄに接続されていてもよい。この場合は、図６の場合と同様に、電界効果型トランジスタＦＥＴの電流増幅作用によって、トランジスタＴｒ１のベース端子Ｂに供給される電流の大半は、ドレイン駆動電源Ｖｄから供給されることになるので、利得制御を行なうベース駆動電源Ｖｂから供給すべき電流を低減することができる。
【００６５】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 （Ａ）〜（Ｄ）は、この発明の実施の形態１に係る電力増幅器の構成図である。
【図２】 （Ａ）および（Ｂ）は、この発明の実施の形態２に係る電力増幅器の回路構成を示す図である。
【図３】 この発明の実施の形態３に係る電力増幅器の回路構成を示す図である。
【図４】 この発明の実施の形態４に係る電力増幅回路の回路構成を示す図である。
【図５】 この発明の実施の形態４に係る電力増幅回路の回路構成を示す図である。
【図６】 この発明の実施の形態４に係る電力増幅回路の回路構成を示す図である。
【図７】 この発明の実施の形態４に係る電力増幅回路の回路構成を示す図である。
【図８】 この発明の実施の形態４に係る電力増幅回路の回路構成を示す図である。
【図９】 従来の電力増幅器の回路構成を示す図である。
【符号の説明】
１ 歪補償回路、Ｄ 歪補償用接合素子、Ｔｒ１ 増幅用バイポーラトランジスタ、Ｔｒ２ 歪補償用接合素子としてのバイポーラトランジスタ、ＦＥＴ 歪補償用接合素子としての電界効果型トランジスタ、Ｄ１ ダイオード素子、Ｒ１〜Ｒ７ 抵抗素子、Ｃ１ キャパシタンス素子、Ｌ インダクタンス素子。
Claims (10)
- ベース端子に入力された電力信号を増幅して導出するエミッタ接地された増幅用バイポーラトランジスタと、前記ベース端子にバイアス信号を供給するためのベース電源と、異なる電気的特性を有する材料が接合されてなり、かつ前記ベース電源と前記ベース端子間に順方向に接続された接合素子を含む歪補償回路と、前記接合素子の両端子の間に接続された抵抗成分を含む抵抗成分素子とを備え、
前記接合素子は、前記電力信号による前記増幅用バイポーラトランジスタのベース端子とエミッタ端子間の瞬時電圧の変動によりオンまたはオフされ、
前記歪補償回路は、前記接合素子と前記ベース電源との接続点と接地点との間に接続された交流的に機能する回路素子をさらに含む、電力増幅器。 - 前記交流的に機能する回路素子は、キャパシタンス素子であることを特徴とする、請求項１に記載の電力増幅器。
- 前記抵抗成分素子は、前記歪補償回路に含まれることを特徴とする、請求項１または２に記載の電力増幅器。
- 前記抵抗成分素子は、前記歪補償回路とは個別に設けられていることを特徴とする、請求項１または２に記載の電力増幅器。
- 前記抵抗成分素子は、抵抗素子とインダクタンス素子の直列接続で構成されることを特徴とする、請求項４に記載の電力増幅器。
- 前記接合素子は、異なる電気的特性を有する半導体領域間の接合により構成されることを特徴とする、請求項１ないし５のいずれかに記載の電力増幅器。
- 前記接合素子として、前記歪を補償するための歪補償用バイポーラトランジスタを有し、
前記半導体領域間の接合は、前記歪補償用バイポーラトランジスタが有する端子の少なくとも２端子の接合を用いて構成されていることを特徴とする、請求項６に記載の電力増幅器。 - 前記歪補償用バイポーラトランジスタのコレクタ端子に駆動電圧供給するためのコレクタ電源をさらに備え、
前記コレクタ端子は、前記コレクタ電源に接続されていることを特徴とする、請求項７に記載の電力増幅器。 - 前記接合素子として、前記歪を補償するための電界効果型トランジスタを有し、
前記半導体領域間の接合は、前記電界効果型トランジスタが有する端子の少なくとも２
端子の接合を用いて構成されていることを特徴とする、請求項６に記載の電力増幅器。 - 前記電界効果型トランジスタのドレイン端子に電圧を供給するためのドレイン電源をさらに備え、
前記ドレイン端子は、前記ドレイン電源に接続されていることを特徴とする、請求項９に記載の電力増幅器。
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