JP3905873B2

JP3905873B2 - 分布型増幅器

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Publication number: JP3905873B2
Application number: JP2003318130A
Authority: JP
Inventors: 豊荒屋敷; 正憲江島; 松岡　　裕
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 2003-09-10
Filing date: 2003-09-10
Publication date: 2007-04-18
Anticipated expiration: 2023-09-10
Also published as: JP2005086634A

Description

本発明は、光通信装置の光強度変調器のドライバアンプ等として使用される分布型増幅器に関し、特に高利得、広帯域化を実現した分布型増幅器に関する。

一般に分布型増幅器では、トランジスタの入出力の容量と伝送線路のインダクタンス成分により、非常にカットオフ周波数の高い特性インピーダンス５０ΩのＬＣ伝送回路が構成されるため、トランジスタの入出力の容量の影響はこのＬＣ伝送回路に取り込まれるかたちでキャンセルされる。このため、分布型増幅器は広帯域化に適しており、光通信装置、測定装置等広帯域な増幅が必要な分野に広く使用されている。

従来、入力信号をトランジスタのコレクタ接地（エミッタ・フォロア回路）で受けて、トランジスタのエミッタ接地とベース接地を組み合わせたカスコード接続回路により増幅して出力する分布型増幅器があった。（例えば、特許文献１参照）

特開平１１−８８０７９号公報

以下、図７により従来の分布型増幅器を説明する。この例では、トランジスタＱ１、Ｑ３、Ｑ４及び抵抗Ｒｂで構成される基本増幅回路５が４つシリーズに接続される構成となっており、入力側伝送線路Ｔｉ及び出力側伝送線路Ｔｏもそれに対応するように、複数の構成となっている。基本増幅回路５は、それぞれ、トランジスタＱ１及び抵抗Ｒｂで構成されるエミッタ・フォロア回路と、エミッタ接地トランジスタＱ３及びベース接地トランジスタＱ４で構成されるカスコード接続回路とで構成されている。

この分布型増幅器は、入力側伝送線路Ｔｉのインダクタンス成分とトランジスタＱ１の入力容量により入力側伝送回路１が形成されると共に、出力側伝送線路Ｔｏのインダクタンス成分とトランジスタＱ４の出力容量により出力側伝送回路３が形成され、それぞれの伝送回路は、自身の特性インピーダンスと整合のとれたインピーダンスでなる入力側終端回路２及び出力側終端回路４（この例では、入力側終端抵抗Ｒｉ及び出力側終端抵抗Ｒｏ）によって終端されている。一般に、分布型増幅器の利得、反射係数の周波数特性を広帯域に良好なものとするために、伝送回路の特性インピーダンス、終端抵抗は５０Ωに設定される。

入力端子ＩＮからの入力信号は、入力側伝送回路１を入力側終端抵抗Ｒｉ方向に伝送されながら、順次、高入力インピーダンスのエミッタ・フォロア回路（トランジスタＱ１及び抵抗Ｒｂで構成される）に入力される。エミッタ・フォロア回路から出力された信号は、それぞれ、広帯域、高利得のカスコード接続回路（エミッタ接地トランジスタＱ３及びベース接地トランジスタＱ４で構成される）で増幅された後に、順次、出力側伝送回路３に出力されて、出力側伝送回路３を出力端子ＯＵＴ方向に伝送されながら同位相で足し合わされ出力される。なお、各基本増幅回路５のトランジスタＱ１のコレクタはそれぞれ定電圧源ＤＣ１に接続され、トランジスタＱ４のベースはそれぞれ定電圧源ＤＣ２に接続されている。また、入力側伝送回路１を入力側終端抵抗Ｒｉ方向に伝送された信号は、最終的には入力側終端抵抗Ｒｉにおいて吸収され、またカスコード接続回路から出力されて、出力側伝送回路３を出力側終端抵抗Ｒｏ方向に伝送された信号は、出力側終端抵抗Ｒｏにおいて吸収される。

この分布型増幅器における、基本増幅回路５の入力反射係数Ｓ１１（トランジスタＱ１のベースの反射係数）の周波数特性を図４の特性ｂに示す。図から分かるように、２ＧＨｚ〜３７ＧＨｚ付近は負性抵抗を示している。その結果、基本増幅回路５は高周波領域での入力損失が小さく、かつ、入力がエミッタ・フォロア回路によって高入力インピーダンスとなっていることから低周波領域での入力損失が小さい。また、この分布型増幅器の利得Ｓ２１（入力端子ＩＮから出力端子ＯＵＴまで）の周波数特性を図５の特性ｂに示す。周波数０Ｈｚにおける利得は１９．３ｄＢ、周波数０Ｈｚを基準とした−３ｄＢ点の周波数は３２ＧＨｚである。

光通信装置の光強度変調器として、電気光学効果を用いたニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３、ＬＮ）導波路型のＬＮ変調器を用いる場合、そのドライバアンプとして、従来の分布型増幅器では、利得の大きさ、利得の帯域の広さにおいて十分ではないという課題があった。

本発明は、このような課題を解決し、ＬＮ変調器のドライバアンプ等として使用できる高利得かつ広帯域な分布型増幅器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１の分布型増幅器は、一端が信号の入力端とされ、他端が入力側終端回路（２）によって終端されている入力側伝送回路（１）と、
一端が出力側終端回路（４）によって終端され、他端が信号の出力端とされている出力側伝送回路（３）と、
初段増幅部（６ａ）と次段増幅部（６ｂ）とを含んで構成され、前記初段増幅部が、二つの第１のトランジスタ（Ｑ１）及び第２のトランジスタ（Ｑ２）と一つの抵抗（Ｒｂ）を含んで構成され、前記第１のトランジスタのベースを前記入力側伝送回路に接続し、該第１のトランジスタのエミッタを前記抵抗を介して接地し、ベース接地された前記第２のトランジスタのエミッタと前記第１のトランジスタのコレクタとを接続し、該第２のトランジスタのコレクタを前記出力側伝送回路に接続し、
かつ、前記次段増幅部が、三つの第３のトランジスタ（Ｑ３）、第４のトランジスタ（Ｑ４）及び第５のトランジスタ（Ｑ６）を含んで構成され、エミッタ接地された前記第３のトランジスタのコレクタとベース接地された前記第４のトランジスタのエミッタとを前記第５のトランジスタを介して接続し、前記第３のトランジスタのベースを前記第１のトランジスタのエミッタに接続し、前記第５のトランジスタのベースを前記第２のトランジスタのエミッタに接続し、前記第４のトランジスタのコレクタを前記出力側伝送回路に接続し、
前記入力側伝送回路から前記初段増幅部に入力された信号の一部を該初段増幅部で増幅して前記出力側伝送回路に出力すると共に、前記入力側伝送回路から前記初段増幅部に入力された信号の他の一部であって、該初段増幅部から低インピーダンスで出力された信号を前記次段増幅部で受けて増幅して前記出力側伝送回路に出力する、前記入力側伝送回路と前記出力側伝送回路との間に分布接続された基本増幅回路（６）とを備え、前記入力側伝送回路の入力端から入力された信号を増幅して前記出力側伝送回路の出力端から出力することを特徴としている。

また、本発明の請求項２の分布型増幅器は、上述した請求項１の分布型増幅器における前記基本増幅回路が複数、前記入力側伝送回路と前記出力側伝送回路との間に分布接続されるようにしている。

本発明の請求項１の分布型増幅器では、基本増幅回路に初段増幅部及び次段増幅部の二つの増幅部を備え、それぞれの増幅部からの信号の和を出力するようにしたので、従来の一つの増幅部のみによる場合に比べて、高利得な分布型増幅器が実現できる。また、請求項２の分布型増幅器では、基本増幅回路を複数、入力側伝送回路と出力側伝送回路との間に分布接続するようにしたので、基本増幅回路の数に対応した高利得な分布型増幅器が実現でき、ＬＮ変調器のドライバアンプとしても使用できる。

さらに、基本増幅回路の次段増幅部は、三つの第３のトランジスタ、第４のトランジスタ及び第５のトランジスタを含んで構成され、エミッタ接地された第３のトランジスタのコレクタとベース接地された第４のトランジスタのエミッタとを第５のトランジスタを介して接続し、第３のトランジスタのベースを第１のトランジスタのエミッタに接続し、第５のトランジスタのベースを第２のトランジスタのエミッタに接続し、第４のトランジスタのコレクタを出力側伝送回路に接続するようにされているので、初段増幅部は、第２のトランジスタのエミッタに接続された第５のトランジスタの影響により、高周波領域でピーキング特性を持った増幅器となっている。

以下に本発明の実施例を記載する。

本発明の実施例１の分布型増幅器の構成を図１に示す。従来例と同一の構成部分には同一の符号を付けてある。この実施例では、トランジスタＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４及び抵抗Ｒｂで構成される基本増幅回路６が４つシリーズに接続される構成となっており、入力側伝送線路Ｔｉ及び出力側伝送線路Ｔｏもそれに対応するように、複数の構成となっている。

基本増幅回路６は、それぞれ、トランジスタＱ１、Ｑ２及び抵抗Ｒｂを含む初段増幅部６ａと、トランジスタＱ３及びＱ４を含む次段増幅部６ｂとで構成されている。初段増幅部６ａにおいては、トランジスタＱ１のベースを入力側伝送線路Ｔｉに接続し、エミッタを抵抗Ｒｂを介して接地し、そしてベース接地トランジスタＱ２のエミッタとトランジスタＱ１のコレクタとを接続し、コレクタを出力側伝送線路Ｔｏに接続している。また、次段増幅部６ｂにおいては、エミッタ接地トランジスタＱ３のコレクタとベース接地トランジスタＱ４のエミッタとをカスコード接続し、トランジスタＱ３のベースをトランジスタＱ１のエミッタに接続し、トランジスタＱ４のコレクタを出力側伝送線路Ｔｏに接続している。

なお、初段増幅部６ａは、エミッタが抵抗Ｒｂを介して接地されたトランジスタＱ１とエミッタがこのトランジスタＱ１のコレクタに接続されたベース接地トランジスタＱ２とにより擬似エミッタ・フォロア回路を構成すると共に、そのトランジスタＱ１とＱ２により増幅回路を構成しているために、高入力インピーダンスとなっていることから低周波領域での入力損失が小さく、かつ、利得を有する増幅器となっている。そして、トランジスタＱ１のエミッタが次段増幅部６ｂのトランジスタＱ３のベースに接続されているために、トランジスタＱ３の入力容量等によって、その増幅器はピーキング特性を持っている。また、次段増幅部６ｂは、トランジスタＱ３とＱ４でカスコード接続回路を構成しているために、広帯域、高利得の増幅器となっている。

この分布型増幅器は、入力側伝送線路Ｔｉのインダクタンス成分とトランジスタＱ１の入力容量等により入力側伝送回路１が形成されると共に、出力側伝送線路Ｔｏのインダクタンス成分とトランジスタＱ２及びＱ４の出力容量等により出力側伝送回路３が形成され、それぞれの伝送回路は、自身の特性インピーダンスと整合のとれたインピーダンスでなる入力側終端回路２及び出力側終端回路４（この実施例では、入力側終端抵抗Ｒｉ及び出力側終端抵抗Ｒｏ）によって終端されている。一般に、分布型増幅器の利得、反射係数の周波数特性を広帯域に良好なものとするために、伝送回路の特性インピーダンス、終端抵抗は５０Ωに設定される。

入力端子ＩＮからの入力信号は、入力側伝送回路１を入力側終端抵抗Ｒｉ方向に伝送されながら、順次、基本増幅回路６の初段増幅部６ａのトランジスタＱ１のベースに入力される。トランジスタＱ１のベースに入力された信号の一部は、トランジスタＱ１とＱ２による増幅回路で増幅されてトランジスタＱ２のコレクタから出力される。また、トランジスタＱ１のベースに入力された信号の他の一部であって、擬似エミッタ・フォロア回路を構成しているトランジスタＱ１のエミッタから低インピーダンスで次段増幅部６ｂのトランジスタＱ３のベースに入力された信号は、トランジスタＱ３とＱ４によるカスコード接続回路により増幅されてトランジスタＱ４のコレクタから出力される。そして、初段増幅部６ａのトランジスタＱ２のコレクタ及び次段増幅部６ｂのトランジスタＱ４のコレクタから出力されたそれぞれの信号は、順次、基本増幅回路６から出力側伝送回路３に出力されて、出力側伝送回路３を出力端子ＯＵＴ方向に伝送されながら同位相で足し合わされ出力される。なお、各基本増幅回路６のトランジスタＱ２のベースはそれぞれ定電圧源ＤＣ１に接続され、トランジスタＱ４のベースはそれぞれ定電圧源ＤＣ２に接続されている。また、入力側伝送回路１を入力側終端抵抗Ｒｉ方向に伝送された信号は、最終的には入力側終端抵抗Ｒｉにおいて吸収され、また基本増幅回路６から出力されて、出力側伝送回路３を出力側終端抵抗Ｒｏ方向に伝送された信号は、出力側終端抵抗Ｒｏにおいて吸収される。

この分布型増幅器における、基本増幅回路６の入力反射係数Ｓ１１（トランジスタＱ１のベースの反射係数）の周波数特性を図４の特性ａに示す。図から分かるように、２ＧＨｚ〜４０ＧＨｚ付近は負性抵抗を示している。その結果、基本増幅回路６は高周波領域での入力損失が小さく、かつ、入力が擬似エミッタ・フォロア回路によって高入力インピーダンスとなっていることから低周波領域での入力損失が小さい。また、この分布型増幅器の利得Ｓ２１（入力端子ＩＮから出力端子ＯＵＴまで）の周波数特性を図５の特性ａに示す。周波数０Ｈｚにおける利得は１９．８ｄＢ、周波数０Ｈｚを基準とした−３ｄＢ点の周波数は３４ＧＨｚであり、従来例より高利得、広帯域化されている。

本発明の実施例２の分布型増幅器について説明する。実施例２は上述の実施例１とは基本増幅回路６１が異なりその他は同一である。基本増幅回路６１の構成を図２に示し、実施例１の基本増幅回路６とは異なる次段増幅部６ｃについて説明する。次段増幅部６ｃでは、電圧シフト用のダイオードＱ５を介してエミッタ接地トランジスタＱ３のコレクタとベース接地トランジスタＱ４のエミッタとを接続するようにした。これによって、各トランジスタＱ１、Ｑ２、Ｑ３及びＱ４のコレクタとエミッタ間の電位差を共通にすることができる。なお、図２では、電圧シフト用の素子としてダイオードＱ５を使用したが、これに限定されるものではなく、トランジスタをダイオード接続（コレクタとベース間短絡）したものでもよい。

その結果、この基本増幅回路６_１を用いた分布型増幅器の利得Ｓ２１（入力端子ＩＮから出力端子ＯＵＴまで）の周波数特性を高周波領域で改善することができた。利得Ｓ２１の周波数特性を図６の特性ｃに示す。周波数０Ｈｚにおける利得は１９．７ｄＢ、周波数０Ｈｚを基準とした−３ｄＢ点の周波数は４１ＧＨｚであり、上述の実施例１より広帯域化されている。

本発明の実施例３の分布型増幅器について説明する。実施例３は上述の実施例１とは基本増幅回路６２が異なりその他は同一である。基本増幅回路６２の構成を図３に示し、実施例１の基本増幅回路６とは異なる次段増幅部６ｅについて説明する。次段増幅部６ｅでは、トランジスタＱ６を介してエミッタ接地トランジスタＱ３のコレクタとベース接地トランジスタＱ４のエミッタとを接続し、トランジスタＱ６のベース電流を初段増幅部６ｄのトランジスタＱ２のエミッタから供給するようにした。これによって、初段増幅部６ｄの利得を高周波領域でさらに上昇させることができ、その結果、この基本増幅回路６２を用いた分布型増幅器の利得Ｓ２１（入力端子ＩＮから出力端子ＯＵＴまで）の周波数特性を高周波領域で改善することができた。利得Ｓ２１の周波数特性を図６の特性ｄに示す。周波数０Ｈｚにおける利得は１９．７ｄＢ、周波数０Ｈｚを基準とした−３ｄＢ点の周波数は４７ＧＨｚであり、上述の実施例１より広帯域化されている。

なお、上述の実施例１及び実施例２において、トランジスタをバイポーラ型トランジスタとしたが、電界効果型トランジスタを用いてもよいことは自明である。その場合、バイポーラ型トランジスタのベース、エミッタ及びコレクタは、それぞれ、電界効果型トランジスタのゲート、ソース及びドレインに対応することになる。

本発明の実施例１の構成を示す図本発明の実施例２の基本増幅回路の構成を示す図本発明の実施例３の基本増幅回路の構成を示す図本発明の実施例１及び従来例の入力反射係数の周波数特性を示す図本発明の実施例１及び従来例の利得の周波数特性を示す図本発明の実施例２及び実施例３の利得の周波数特性を示す図従来の分布型増幅器の構成を示す図

符号の説明

１・・・入力側伝送回路、２・・・入力側終端回路、３・・・出力側伝送回路、４・・・出力側終端回路、５，６，６_１，６_２・・・基本増幅回路、６ａ，６ｄ・・・初段増幅部、６ｂ，６ｃ，６ｅ・・・次段増幅部、Ｑ１〜Ｑ４，Ｑ６・・・トランジスタ、Ｑ５・・・ダイオード、Ｒｂ・・・抵抗、Ｒｉ・・・入力側終端抵抗、Ｒｏ・・・出力側終端抵抗、Ｔｉ・・・入力側伝送線路、Ｔｏ・・・出力側伝送線路。

Claims

一端が信号の入力端とされ、他端が入力側終端回路（２）によって終端されている入力側伝送回路（１）と、
一端が出力側終端回路（４）によって終端され、他端が信号の出力端とされている出力側伝送回路（３）と、
初段増幅部（６ａ）と次段増幅部（６ｂ）とを含んで構成され、前記初段増幅部が、二つの第１のトランジスタ（Ｑ１）及び第２のトランジスタ（Ｑ２）と一つの抵抗（Ｒｂ）を含んで構成され、前記第１のトランジスタのベースを前記入力側伝送回路に接続し、該第１のトランジスタのエミッタを前記抵抗を介して接地し、ベース接地された前記第２のトランジスタのエミッタと前記第１のトランジスタのコレクタとを接続し、該第２のトランジスタのコレクタを前記出力側伝送回路に接続し、
かつ、前記次段増幅部が、三つの第３のトランジスタ（Ｑ３）、第４のトランジスタ（Ｑ４）及び第５のトランジスタ（Ｑ６）を含んで構成され、エミッタ接地された前記第３のトランジスタのコレクタとベース接地された前記第４のトランジスタのエミッタとを前記第５のトランジスタを介して接続し、前記第３のトランジスタのベースを前記第１のトランジスタのエミッタに接続し、前記第５のトランジスタのベースを前記第２のトランジスタのエミッタに接続し、前記第４のトランジスタのコレクタを前記出力側伝送回路に接続し、
前記入力側伝送回路から前記初段増幅部に入力された信号の一部を該初段増幅部で増幅して前記出力側伝送回路に出力すると共に、前記入力側伝送回路から前記初段増幅部に入力された信号の他の一部であって、該初段増幅部から低インピーダンスで出力された信号を前記次段増幅部で受けて増幅して前記出力側伝送回路に出力する、前記入力側伝送回路と前記出力側伝送回路との間に分布接続された基本増幅回路（６）とを備え、前記入力側伝送回路の入力端から入力された信号を増幅して前記出力側伝送回路の出力端から出力することを特徴とする分布型増幅器。
前記基本増幅回路が複数、前記入力側伝送回路と前記出力側伝送回路との間に分布接続されたことを特徴とする請求項１記載の分布型増幅器。