JP3918090B2 - 温度補償回路及びfet増幅器 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、FET増幅器に関し、特に動作環境温度変化に対して、歪特性の劣化を最小限とするFET増幅器に関する。
【0002】
【従来の技術】
マイクロ波帯通信装置の高出力増幅器用のデバイスとして、LDMOS FET(Lateral Diffused MOS電界効果トランジスタ)が広く採用されつつある。このデバイスは、一般的に高出力を得やすいGaAs FET(ガリウム砒素電界効果トランジスタ)に比べ歪特性に優れるという特徴を持つ反面、動作環境温度に対して動作電流(ドレイン電流)が変動し、このドレイン電流の変動に伴って歪特性も大きく変動するという短所がある。
【0003】
まず、LDMOS FET増幅器の動作環境温度に対するドレイン電流の変化について説明する。図2は、動作環境温度を一定とした時のゲート電圧に対するドレイン電流の変化を示す特性図である。図2によると、ドレイン電流Idsは、動作環境標準温度(Ta=+25℃)における正規化されたゲート電圧Vgs“1”を基準として、動作環境温度Ta=+80℃では凡そ160%に増大し、また、動作環境温度Ta=−10℃では凡そ60%に減少していることを示している。
【0004】
次に、LDMOS FET増幅器の歪特性について説明する。図3は、LDMOS FET増幅器の3次混変調歪(IM3)特性の一例を示す図である。図3によると、IM3が最小(最良)となるドレイン電流Idsの値が存在し、このドレイン電流Idsが減少するにつれてIM3が急激に劣化することを示している。従がって、歪特性が動作環境標準温度(Ta=+25℃)で最良点に設定されたとしても、ゲート電圧Vgsが一定の条件では、動作環境温度が低い低温側でドレイン電流Idsが減少するにつれて、最良点からずれて劣化してしまう。
【0005】
以上のことから、LDMOS FET増幅器の歪特性を動作環境温度範囲で最良点に保つためには、ドレイン電流Idsが一定となるようにゲート電圧Vgsを制御することが不可欠である。
【0006】
図4は、図2に基づいてドレイン電流を一定とした場合の動作環境温度に対するゲート電圧の変化を示す特性図である。図4によると、動作環境温度に対して、ゲート電圧Vgsを一次(線形)補償することにより、広い動作環境温度範囲でドレイン電流Idsを一定にすることができることが示されている。
【0007】
このゲート電圧を補償する従来技術として、特開昭57−157616号公報が開示されている。図8は、従来技術のFET増幅器の一例を示すブロック図である。
【0008】
図8によると、ゲートバイアス回路にサーミスタを含み、サーミスタの温度による抵抗変化を利用してFETに印加されるゲート電圧を温度補償するよう構成している。
【0009】
この従来技術をLDMOS FET増幅器に用いた場合のゲート電圧温度特性を図9に示す。図9によると、図4に基づく動作環境温度に対するゲート電圧の所要値に対して、ゲート電圧Vgsを線形補償可能な温度範囲は30℃程度であり、より広い温度範囲、例えば90℃以上でドレイン電流Idsを一定に保つように線形補償を行うことができない。
【0010】
また、広い温度補償が可能な従来技術として、特開平4−317205号公報が開示されている。図10は、従来技術のFET増幅器の他の一例を示すブロック図である。
【0011】
図10によると、メモリ63に予め動作環境温度に対応したゲート電圧データを格納し、コントローラ62は温度センサ61の出力をアドレス信号としてメモリ63に与えて、メモリ63からゲート電圧データを読み出す。D/A変換器64は読み出されたゲート電圧データをD/A変換して、FET65にゲート電圧として印加している。
【0012】
しかしながら、この従来技術では、温度センサのほかにオペアンプ、コントローラおよびメモリ等の回路が必要となり回路規模の大型化、高コスト化を招くことになる。また、LDMOS FETはゲート電圧、ドレイン電圧がともに正電圧であり、ドレイン電圧を分圧すればゲート電圧が容易に得られるが、ゲート電圧およびドレイン電圧の立ち上がり、立ち下がり手順の制御が必要となるなどの問題がある。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来のFET増幅器は、サーミスタの温度による抵抗変化を利用してゲート電圧を線形補償する場合には、広い温度範囲での補償ができないという欠点がある。
【0014】
また、メモリに予め格納した動作環境温度に対応したゲート電圧データを用いる場合には、回路規模の大型化、高コスト化を招くとともに、ゲート電圧およびドレイン電圧の立ち上がり、立ち下がり手順の制御が必要となるなどの欠点を有している。
【0015】
本発明の目的は、このような従来の欠点を除去するため、並列接続された1対の固定抵抗素子と感熱素子とを少なくとも2段直列に接続した温度補償回路を用いて、ゲート電圧を線形温度補償することにより、動作環境温度変化に対して、歪特性の劣化を最小限とするFET増幅器を提供することにある。
【0016】
【課題を解決するための手段】
本発明の温度補償回路は、複数の固定抵抗素子と複数の感熱素子とを組み合わせた温度補償回路であって、並列接続された1対の固定抵抗素子と感熱素子とを少なくとも2段直列に接続した回路網を有し、第1の固定抵抗素子および第2の固定抵抗素子の抵抗値を同一とし、第1の感熱素子および第2の感熱素子の抵抗値を動作環境温度範囲の標準温度(+25℃)において、前記第1の固定抵抗素子および第2の固定抵抗素子の抵抗値に対して1桁大きい値と1桁小さい値との組み合わせに設定することを特徴としている。
【0018】
また、前記第1の感熱素子および第2の感熱素子は、温度の変化に対してログリニアに抵抗が変化するサーミスタであることを特徴としている。
【0019】
また、本発明のFET増幅器は、ゲート電圧が温度制御されたFET増幅器であって、ゲートバイアス回路に並列接続された1対の固定抵抗素子と感熱素子とを少なくとも2段直列に接続した回路網を有することにより、温度補償されたゲート電圧が供給されるようにし、第1の固定抵抗素子および第2の固定抵抗素子の抵抗値を同一とし、第1の感熱素子および第2の感熱素子の抵抗値を動作環境温度範囲の標準温度(+25℃)において、前記第1の固定抵抗素子および第2の固定抵抗素子の抵抗値に対して1桁大きい値と1桁小さい値とに設定することを特徴としている。
【0021】
また、前記第1の感熱素子および第2の感熱素子は、温度の変化に対してログリニアに抵抗が変化するサーミスタであり、FET増幅器の増幅素子がLDMOS FET(Lateral Diffused MOS電界効果トランジスタ)であることを特徴としている。
【0022】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図1は、本発明のFET増幅器の一つの実施の形態を示すブロック図である。
【0023】
図1に示す本実施の形態は、LDMOS FET1と、並列接続された1対の固定抵抗素子21と感熱素子23、更に並列接続された1対の固定抵抗素子22と感熱素子24および固定抵抗素子25、26が直列接続された温度補償回路2とより構成されている。
【0024】
次に、本実施の形態のFET増幅器の動作を図1を参照して詳細に説明する。
【0025】
図1において、LDMOS FET1は、ソース端子が接地され、ゲートバイアス端子3から温度補償回路2およびチョークコイルを介してゲート電圧Vgsが、またドレインバイアス端子4からチョークコイルを介してドレイン電圧Vdsがそれぞれ印加され、ソース接地型増幅器として動作している。
【0026】
温度補償回路2は、並列接続された固定抵抗素子21、22の抵抗値を同一または同一の桁の値とし、感熱素子23、24の抵抗値を、動作環境温度範囲の標準温度(+25℃)において、固定抵抗素子21または固定抵抗素子22に対して1桁大きい値と1桁小さい値との組み合わせで設定される。また、固定抵抗素子25、26は、LDMOS FET1のゲート電圧を適正な温度補償とするためにその抵抗値が適宜選定される。したがって、固定抵抗素子25、26および固定抵抗素子21、22とそれぞれに並列接続された感熱素子23、24の直列回路とにより分圧したゲート電圧をLDMOS FET1のゲート端子に供給する。
【0027】
次に、本実施の形態の温度補償の動作について説明する。
【0028】
ここで、感熱素子として、代表的なサーミスタの抵抗値温度特性の一例を図5に示す。なお、以下の説明においてわかりやすくするため、固定抵抗素子21、22の抵抗値を同一値(Ra)とし、また、感熱素子として使用されるサーミスタ23、24は動作環境標準温度(+25℃)での抵抗値を基準とし、動作環境温度Ta=−40℃の低温では1桁大きく、動作環境温度Ta=+120℃の高温では1桁小さく変化するものとする。
【0029】
まず、第1の並列接続部(固定抵抗素子21とサーミスタ23)の合成抵抗は、動作環境標準温度Ta=+25℃では、サーミスタ23の抵抗値が固定抵抗素子21より1桁小さく設定されている場合、ほぼサーミスタ23の抵抗値(Ra/10)で決まる。動作環境温度Ta=−40℃の低温では、サーミスタ23の抵抗値が動作環境標準温度Ta=+25℃での抵抗値より1桁程度大きな値をもつので、固定抵抗素子21とサーミスタ23との抵抗値が同一の桁となり約半分の抵抗値(Ra/2)になる。反対に、動作環境温度Ta=+120℃の高温では、サーミスタ23の抵抗値が動作環境標準温度Ta=+25℃での抵抗値の1桁程度小さな値をもつので、固定抵抗素子21の2桁小さい抵抗値となることより、並列部分の合成抵抗値はサーミスタ23の抵抗値(Ra/100)で決まる。
【0030】
同様にして、第2の並列接続部(固定抵抗素子22とサーミスタ24)の合成抵抗は、動作環境標準温度Ta=+25℃では、サーミスタ24の抵抗値が固定抵抗素子22より1桁大きく設定されている場合、ほぼ固定抵抗素子22の抵抗値(Ra)で決まる。動作環境温度Ta=−40℃の低温では、サーミスタ24の抵抗値が動作環境標準温度Ta=+25℃での抵抗値より1桁程度大きな値をもつので、固定抵抗素子22の2桁大きな抵抗値となることより、並列部分の合成抵抗値は固定抵抗素子22(Ra)で決まる。反対に、Ta=+120℃の高温では、サーミスタ23の抵抗値が動作環境標準温度Ta=+25℃での抵抗値の1桁程度小さな値をもつので、固定抵抗素子22とサーミスタ24との抵抗値が同一の桁となり約半分の抵抗値(Ra/2)になる。
【0031】
以上の説明より、固定抵抗素子21、22およびサーミスタ23、24より構成される直並列合成抵抗値は、動作環境温度Taに対して一次傾斜となる温度補償特性が得られる。
【0032】
図6は、図4より求めたドレイン電流Idsを一定するためのゲート電圧Vgsの所要値に、固定抵抗素子25、26を適正に選定した温度補償回路を用いて得られたゲート電圧のVgsの評価値を重ねて示した図である。図6によると、2つの曲線は良く一致し、動作環境温度Ta=−10℃からTa=+80℃の範囲で温度補償が得られることを示している。
【0033】
また、図1の回路において、サーミスタ23、24のうち一方を固定抵抗とみなし、他方のみ温度に対して変化した場合のゲート電圧温度特性を図7に示す。
【0034】
図7によると、第1の並列接続部(固定抵抗素子21とサーミスタ23)は低温領域の線形補償に寄与し、第2の並列接続部(固定抵抗素子22とサーミスタ24)は高温領域の線形補償に寄与していることを示している。
【0035】
以上に説明した本発明の温度補償回路は、動作環境標準温度Ta=+25℃を中心に温度補償を行うこととしているが、任意の温度についても適用することができる。
【0036】
また、感熱素子の温度特性あるいは抵抗値の選定と、並列接続された固定抵抗素子21、22あるいは更に直列接続された固定抵抗素子25、26の抵抗値の選定とにより、LDMOS FET増幅器の歪特性の劣化を最小限とする温度補償を精度よく行うことが可能である。
【0037】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の温度補償回路及びFET増幅器によれば、ゲートバイアス回路に並列接続された1対の固定抵抗素子と感熱素子とを少なくとも2段直列に接続した回路網を備えることにより、LDMOS FET増幅器のドレイン電流値を一定に保ち、歪特性の劣化を最小限とすることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のFET増幅器の一つの実施の形態を示すブロック図である。
【図2】動作環境温度を一定とした時のゲート電圧に対するドレイン電流の変化を示す特性図である。
【図3】LDMOS FET増幅器の3次混変調歪(IM3)特性の一例を示す図である。
【図4】図2に基づいてドレイン電流を一定とした場合の動作環境温度に対するゲート電圧の変化を示す特性図である。
【図5】感熱素子として代表的なサーミスタの抵抗値温度特性の一例を示す図である。
【図6】図4に示すゲート電圧の所要値に対して補償されたゲート電圧の評価値を示す図である。
【図7】片方のサーミスタを固定抵抗素子とみなした温度補償特性図である。
【図8】従来技術のFET増幅器の一例を示すブロック図である。
【図9】従来技術の温度補償回路をLDMOS FET増幅器に用いた場合のゲート電圧温度特性図である。
【図10】従来技術のFET増幅器の他の一例を示すブロック図である。
【符号の説明】
1 LDMOS FET
2 温度補償回路
21、22 固定抵抗素子
23、24 感熱素子
25、26 固定抵抗素子
Claims (4)
- 複数の固定抵抗素子と複数の感熱素子とを組み合わせた温度補償回路であって、並列接続された1対の固定抵抗素子と感熱素子とを少なくとも2段直列に接続した回路網を有し、第1の固定抵抗素子および第2の固定抵抗素子の抵抗値を同一とし、第1の感熱素子および第2の感熱素子の抵抗値を動作環境温度範囲の標準温度(+25℃)において、前記第1の固定抵抗素子および第2の固定抵抗素子の抵抗値に対して1桁大きい値と1桁小さい値との組み合わせに設定することを特徴とする温度補償回路。
- 前記第1の感熱素子および第2の感熱素子は、温度の変化に対してログリニアに抵抗が変化するサーミスタであることを特徴とする請求項1記載の温度補償回路。
- ゲート電圧が温度制御されたFET増幅器であって、ゲートバイアス回路に並列接続された1対の固定抵抗素子と感熱素子とを少なくとも2段直列に接続した回路網を有することにより、温度補償されたゲート電圧が供給されるようにし、第1の固定抵抗素子および第2の固定抵抗素子の抵抗値を同一とし、第1の感熱素子および第2の感熱素子の抵抗値を動作環境温度範囲の標準温度(+25℃)において、前記第1の固定抵抗素子および第2の固定抵抗素子の抵抗値に対して1桁大きい値と1桁小さい値とに設定することを特徴とするFET増幅器。
- 前記第1の感熱素子および第2の感熱素子は、温度の変化に対してログリニアに抵抗が変化するサーミスタであり、FET増幅器の増幅素子がLDMOS FET(Lateral Diffused MOS電界効果トランジスタ)であることを特徴とする請求項3記載のFET増幅器。
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