JP4074260B2 - 電力増幅器 - Google Patents

Description

本発明は、電力増幅器に関し、更に詳しくは、基準電圧または温度のバラツキに拘らず、該電力増幅器にバイアス電流を一定に効率良く与えることができる、バイアス電流制御回路を組み込んだ電力増幅器に関する。

周知のように、ＣＤＭＡ携帯電話などの携帯用ハンドセットのような現代の無線通信機器ではより高い性能標準が作られている。伝送においては、クリアで且つ無歪みで行わなければならなく、該機器内のバッテリーは小型で且つ長寿命でなければならない。そのような要求に適合するために、無線電話設計者は電力増幅器として、伝統的なシリコンベースのバイポーラトランジスタの代わりにヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）のようなより新型のトランジスタを使用するようになった。そのようなＨＢＴによって、高電力効率及び高線形性が可能となり、ＣＤＭＡ携帯電話などにおいて、バッテリーを更に長寿命化すると共に、音声及びデータへの信号特性も更に良くすることができる。

バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）のようなＨＢＴにおいて、その入力端子に直流（ＤＣ）バイアス電流が与えられ、その動作点を決定するようになることは勿論である。トランジスタの動作点とは、入力信号のない時、該トランジスタが動作するようにするトランジスタ特性曲線上のポイントとして定義される。ＤＣバイアス信号が変わると、ＨＢＴの動作点に影響を及ぼして増幅器の線形性に悪影響を与えるため、ＤＣバイアス信号は非常に安定にすると共に、温度または基準電圧のバラツキに影響を受けないことが好ましい。

図１は、ＣＤＭＡ携帯電話で用いる従来の電力増幅器モジュールである。この電力増幅器モジュールは、増幅回路に加えて従来の温度補償バイアス回路を備える。増幅回路は、そのエミッタが接地される増幅トランジスタＱ１と、その一端にはＶｃｃが与えられ、その他端にはＱ１のコレクターが接続されるインダクターＬと、Ｑ１のコレクターとＲＦ−ＯＵＴ端子との間に設けられる出力キャパシタＣｏと、ＲＦ−ＩＮ端子とＱ１のベースとの間に接続される入力キャパシタＣｉとを備える。

バイアス回路は、そのコレクターにＶｃｃが供給されるバイアス・トランジスタＱ２と、そのアノードがＱ２のベースに接続される第１のダイオード接続トランジスタＤ１（即ち、ベースとコレクターとが短絡されるバイポーラ接合トランジスタ）と、そのカソードが接地され、そのアノードがＤ１のカソードに接続される第２のダイオード接続トランジスタと、その一端に基準電圧Ｖｒｅｆが供給され、その他端がＤ１のアノードに接続される抵抗Ｒ１とを備える。

図１を参照すると、バイアス回路は電力増幅器Ｑ１の動作電流をセットするために使われる。基準電圧Ｖｒｅｆから、抵抗Ｒ１、第１及び第２のダイオード接続トランジスタＤ１及びＤ２を介して回路のグラウンドの方へ流れる基準電流Ｉｒｅｆは、電源電圧Ｖｃｃとグラウンドとの間に設けられている電力増幅器Ｑ１のコレクター電流Ｉｃとしてミラーされる。第１及び第２のダイオード接続トランジスタＤ１及びＤ２は、温度の増加に起因する熱散逸に対して電力増幅器Ｑ１及びＱ２を保護する働きを果たす。

基準電圧Ｖｒｅｆが予め決められた値に設定されると、Ｑ１のバイアス電流Ｉ_Ｂ、即ち、Ｑ１のベース電流のＤＣ成分は出力電力に係わらず固定される。詳記すると、バイアス回路は出力電力に係わらず一定のバイアス電流を供給し、一定の零入力電流（Ｑｕｉｅｓｃｅｎｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ；Ｉ_ｃ）を発生させる。ここで、Ｉ_ｃはＱ１の動作電流である。

しかしながら、前述の従来の電力増幅器モジュール１００は、基準電圧Ｖｒｅｆのバラツキに敏感に反応する。例えば、基準電圧Ｖｒｅｆが増加すると、Ｑ２のベースでの電流が増加し、それによってＱ２のエミッタでの電流が増加するようになる。結果として、トランジスタＱ１のベースへ流れる電流Ｉ_Ｂの量が該増加分増加する。逆に、Ｖｒｅｆが減少すると、トランジスタＱ２のベースでの電流が減少し、それによってＱ２のエミッタでの電流が減少することによって、バイアス電流Ｉ_Ｂの量がそれだけ減少するようになる。

従って、従来の電力増幅器モジュール１００では、基準電圧のバラツキによってトランジスタＱ１の動作電流Ｉ_ｃが実質的に変わるようになる短所がある。
一方、温度の上昇に伴って、各トランジスタＱ１及びＱ２のターンオン電圧Ｖ_ＢＥ１及びＶ_ＢＥ２が減少する。Ｖ_ＢＥ１及びＶ_ＢＥ２が減少すると、ノードＡでの電圧Ｖ_Ａが低くなり、それによって基準電流Ｉｒｅｆが増加する。基準電流Ｉｒｅｆの増分△Ｉｒｅｆが、ノードＡにおいてダイオード接続トランジスタＤ１及びＤ２とトランジスタＱ１及びＱ２とに分岐される。結果として、トランジスタＱ１のベース電流が分岐された基準電流の増分△Ｉｒｅｆ分増加し、バイアス電流Ｉ_Ｂを増加させる。

一方、温度の低下に伴って、各トランジスタＱ１及びＱ２のターンオン電圧Ｖ_ＢＥ１及びＶ_ＢＥ２が増加する。Ｖ_ＢＥ１及びＶ_ＢＥ２が増加すると、ノードＡでの電圧Ｖ_Ａが増加し、それによって基準電流Ｉｒｅｆが減少する。基準電流Ｉｒｅｆの減分△Ｉｒｅｆが、ノードＡにおいてダイオード接続トランジスタＤ１及びＤ２とトランジスタＱ１及びＱ２とに分岐される。結果として、トランジスタＱ１のベース電流が分岐された基準電流の減分△Ｉｒｅｆ分減少して、バイアス電流Ｉ_Ｂを減少させる。

前述のように、従来の電力増幅器モジュール１００は、温度のバラツキに起因するバイアス電流Ｉ_Ｂの増分または減分の一部を補償していても、該補償結果は余り満足できるほどではない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、基準電圧及び温度のバラツキに係わらず、一定のバイアス電流を電力増幅器に効率良く供給することができる、バイアス電流制御回路を組み込んだ電力増幅器モジュールを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明による電力増幅器モジュールは、増幅トランジスタと、バイアス・トランジスタを有し、前記増幅トランジスタをバイアスさせるためにバイアス電流を供給するバイアス回路と、基準電圧及び温度のバラツキ分に応じて、バイアス電流を調整して前記増幅トランジスタの動作電流を制御するバイアス電流制御回路とを含むことを特徴とする。

本発明によれば、バイアス電流制御回路を用いることによって、基準電圧及び温度のバラツキに係わらず増幅トランジスタに一定のバイアス電流を供給することができるという効果を奏する。

以下、本発明の好適実施例を添付の図面に基づいて詳細に説明する。
図２を参照して、本発明の好適実施例を説明する。なお、以下の図面において、同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。
図２は、本発明の好適実施例によって携帯用ハンドセット、例えば、ＣＤＭＡ携帯電話で使用するための電力増幅器モジュール２００を示す。電力増幅器モジュール２００は、増幅回路１１に加えてバイアス回路１２及びバイアス電流制御回路１３を備える。増幅回路１１は、そのエミッタが接地される増幅トランジスタＱ１と、その一端には電源電圧Ｖｃｃが供給され、その他端には増幅トランジスタＱ１のコレクターが接続されるインダクターＬと、Ｑ１のコレクターとＲＦ−ＯＵＴ端子との間に配置される出力キャパシタＣｏと、ＲＦ−ＩＮ端子とＱ１のベースとの間に接続される入力キャパシタＣｉとを備える。

バイアス回路１２は、そのコレクターにＶｃｃが供給され、そのエミッタがトランジスタＱ１のベースに接続されるバイアス・トランジスタＱ２と、その一端がＱ２のベース、即ち、ノードＰに接続され、その他端に基準電圧Ｖｒｅｆが供給される抵抗Ｒ２とを備える。バイアス回路１２は、電力増幅器Ｑ１の動作電流をセットして一定のバイアス電流Ｉ_Ｂを供給するようにする。

一方、バイアス電流制御回路１３は、そのエミッタが接地され、そのコレクターがノードＰに接続されるトランジスタＱ３と、第１のダイオード接続トランジスタＤ１と、そのベースとコレクターが短絡されているバイポーラ接合トランジスタと、そのカソードが接地され、そのアノードがＤ１のカソード及びＱ３のベースに接続される第２のダイオード接続トランジスタと、その一端に基準電圧Ｖｒｅｆが供給され、その他端がＤ１のアノードに接続される抵抗Ｒ１とを備える。第１及び第２のダイオード接続トランジスタＤ１及びＤ２は、温度の上昇に起因する熱散逸を補償し、電力増幅器Ｑ１〜Ｑ３を保護する働きを果たす。

以下、バイアス電流制御回路１３の動作に対して、基準電圧及び温度のバラツキの観点から詳記する。
バイアス電流制御回路１３は、ノードＰでの電圧Ｖｐを制御して基準電圧Ｖｒｅｆ及び温度のバラツキに係わらず、トランジスタＱ１のベースに流れるバイアス電流Ｉ_Ｂを一定に供給するようにする。

まず、基準電圧Ｖｒｅｆが変わる時、本発明による電力増幅器の動作は次の通りである。
図２において、バイアス電流制御回路１３を考慮しないと、基準電圧Ｖｒｅｆの増加に伴って、ノードＰでの電圧Ｖｐが増加し、それによってトランジスタＱ２のエミッタ電流、即ち、バイアス電流Ｉ_Ｂが増加する。結果として、トランジスタＱ１のコレクター電流Ｉ_ｃが増加するようになる。従って、トランジスタＱ１のコレクター電流Ｉ_ｃを一定に保持するためには、基準電圧Ｖｒｅｆの増加にもかかわらずノードＰでの電圧Ｖｐがほとんど一定に保持されなければならない。

バイアス電流制御回路１３を考慮すると、基準電圧Ｖｒｅｆの増加に伴って、抵抗Ｒ２両端の電圧降下が大きくなり、それによってノードＰでの電圧Ｖｐが減少し、基準電圧Ｖｒｅｆの増分△Ｖｒｅｆを補償するようになる。
トランジスタＱ２及びＱ３の電流ゲインが十分に大きく、トランジスタＱ２及びＱ３のベース電流を無視できると、基準電圧Ｖｒｅｆが△Ｖｒｅｆぐらい変わる時、ノードＰでの電圧バラツキ分は次の通り示される。

ここで、Ｖ’ｐは基準電圧の変動の際、ノードＰでの電圧である。
上記式（１）から分かるように、Ｒ１及びＲ２の値が実に同じであれば、ノードＰでの電圧バラツキ分は０になる。従って、電圧Ｖｐが基準電圧Ｖｒｅｆのバラツキに係わらず一定に保持されることができて、バイアス電流Ｉ_Ｂを実質的に一定に保持することができる。また、二つのトランジスタＱ２及びＱ３の電流ゲインがあまり小さく、トランジスタＱ２及びＱ３のベース電流を無視することが出来ない場合にも、Ｒ２／Ｒ１の値を調整することによって同じ効果を得ることができる。

一方、温度が変わる時、本発明によるバイアス電流制御回路１３の動作に対して詳記する。
基準電圧Ｖｒｅｆが温度には影響を受けない外部基準電圧であり、バイアス電流制御回路１３を考慮しないならば、温度の上昇に伴って、ノードＰでの電圧Ｖｐは、トランジスタＱ１及びＱ２のターンオン電圧である二つのベース−エミッタ電圧降下２Ｖｂｅであるため、変わるようになる。詳記すると、温度の上昇に伴って、ベース−エミッタ電圧降下Ｖｂｅが減少し、それによってＶｐが減少するようになる。結果として、より多い電流が抵抗Ｒ２を通し流れ、それによってバイアス電流Ｉ_Ｂが増加するようになる。逆に、温度が下降すると、Ｖｂｅが増加し、それによってＶｐが増加するようになる。即ち、より少ない電流が抵抗Ｒ２を通して流れ、それによってバイアス電流Ｉ_Ｂが減少するようになる。従って、温度の上昇の際は、バイアス電流Ｉ_Ｂを実質的に一定に保持するために、ノードＰでの電圧Ｖｐが増加する必要があり、そうでない場合には、電圧Ｖｐが減少しなければならない。

バイアス制御回路１３を考慮すると、温度の上昇に伴って、トランジスタＱ３のコレクター電流及び抵抗Ｒ２両端の電圧降下の両方が増加し、それによってノードＰでの電圧Ｖｐが減少して、トランジスタＱ１のコレクター電流Ｉ_ｃを実質的に一定に保持することができる。

一方、温度が下降する場合、トランジスタＱ３のコレクター電流及び抵抗Ｒ２両端の電圧降下の両方が減少し、それによってノードＰでの電圧Ｖｐが増加して、トランジスタＱ１のコレクター電流Ｉ_ｃを実質的に一定に保持することができる。
トランジスタＱ１〜Ｑ３のターンオン電圧が同じであり、これらの電流ゲインが大きくて該ベース電流を無視できると仮定すると、温度ＴがΔＴ分変わる時、トランジスタＱ３の変更されたコレクター電流はΔＩ_ｃ３=±（ΔＶ_ＢＥ１+ΔＶ_ＢＥ２）／Ｒ１=±２ΔＶ_ＢＥ／Ｒ１になり、電圧バラツキ分ΔＶｐは次の通り計算される。

上記式（２）から分かるように、Ｒ１及びＲ２が同じであれば、電圧バラツキ分ＶＰは±２ΔＶ_ＢＥとなる。従って、温度のバラツキに起因してトランジスタＱ１及びＱ２で発生する電圧Ｖｐのバラツキ分±２Ｖ_ＢＥが効率良く補償されることができ、バイアス電流Ｉ_Ｂを実質的に一定に保持することができる。また、トランジスタＱ１〜Ｑ３の電流ゲインがあまり小さく、ベース電流を無視することが出来ない場合にも、Ｒ２／Ｒ１を調整することによって同じ効果を得ることができる。

上記において、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明の請求範囲を逸脱することなく、当業者は種々の改変をなし得るであろう。

ＣＤＭＡ携帯電話で用いる従来の電力増幅器モジュールを示す図である。 本発明の好適実施例によって携帯用ハンドセットで使用するための電力増幅器モジュールを示す図である。

符号の説明

２００…電力増幅器モジュール １１…増幅回路 １２…バイアス回路 １３…バイアス電流制御回路 Ｑ１…増幅トランジスタ Ｌ…インダクター Ｃｏ…出力キャパシタ Ｃｉ…入力キャパシタ Ｑ２…バイアス・トランジスタ Ｄ１…１のダイオード接続トランジスタ Ｄ２…第２のダイオード接続トランジスタ

Claims (7)

1. 電力増幅器であって、
   増幅トランジスタと、
   前記増幅トランジスタのベースにそのエミッタが接続され、前記増幅トランジスタのベース端にバイアス電流を供給するバイアス・トランジスタを有するバイアス回路と、
   基準電圧または温度のバラツキ分に応じて、前記バイアス電流を一定に保持するように制御するバイアス電流制御回路とを含み、
   前記バイアス電流制御回路は、
   カソードとアノードを有する第１のダイオードと、
   カソード及びアノードを有し、そのカソードが接地され、そのアノードが前記第１のダイオードのカソードに接続される第２のダイオードと、
   前記基準電圧を与える基準電圧端子にその一端が接続され、前記第１のダイオードのアノードにその他端が接続される第１の抵抗と、
   そのエミッタが接地され、そのベースが前記第２のダイオードのアノードに接続され、そのコレクターが前記バイアス・トランジスタのベースに接続される制御トランジスタとを含むことを特徴とする電力増幅器。
2. 前記バイアス回路は、その一端が前記基準電圧端子に接続され、その他端が前記バイアス・トランジスタのベースに接続されノードＰを形成する第２の抵抗を備えることを特徴とする請求項１に記載の電力増幅器。
3. 前記第１のダイオード及び前記第２のダイオードはそのコレクターとベースが互いに接続されているバイポーラ接合トランジスタからなることを特徴とする請求項２に記載の電力増幅器。
4. 前記基準電圧が増加すると、前記制御トランジスタのコレクター電流が増加し、前記基準電圧が減少すると、前記制御トランジスタの該コレクター電流が減少することによって、前記ノードＰでの電圧Ｖｐを実質上一定に保持することを特徴とする請求項３に記載の電力増幅器。
5. 温度が上昇すると、前記制御トランジスタのコレクター電流が増加し、温度が下降すると、前記制御トランジスタの該コレクター電流が減少することによって、前記ノードＰでの電圧Ｖｐのバラツキ分を補償することを特徴とする請求項３に記載の電力増幅器。
6. Ｖ’ｐが前記基準電圧の変動の際ノードＰでの電圧、△Ｖｒｅｆが前記基準電圧のバラツキ分、Ｒ_１が前記第１の抵抗、Ｒ_２が前記第２の抵抗である時、前記ノードＰでの電圧バラツキ分△Ｖｐが、
   

   

   によって求められることを特徴とする請求項４に記載の電力増幅器。
7. △Ｖ_ＢＥ１が前記増幅トランジスタのターンオン電圧バラツキ分、△Ｖ_ＢＥ２が前記バイアス・トランジスタのターンオン電圧バラツキ分、Ｒ_１が前記第１の抵抗、Ｒ_２が前記第２の抵抗である時、前記ノードＰでの電圧バラツキ分△Ｖｐが、
   

   

   によって求められることを特徴とする請求項５に記載の電力増幅器。

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