JP4119447B2

JP4119447B2 - フィードフォワード型歪補償増幅回路

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Publication number: JP4119447B2
Application number: JP2005303704A
Authority: JP
Inventors: 俊之青木; 廣徳坂本; 環誉田
Original assignee: Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2005-10-18
Filing date: 2005-10-18
Publication date: 2008-07-16
Anticipated expiration: 2025-10-18
Also published as: JP2007116286A

Description

本発明は、高周波増幅回路及びフィードフォワード型歪補償増幅回路（以下、「ＦＦ増幅回路」と呼ぶ）における温度補償に関する。

高周波増幅回路を高出力低歪で利用する手法の１つとして、フィードフォワード型歪補償方式が知られている。このフィードフォワード型歪補償方式の高周波増幅回路（ＦＦ増幅回路）は、主増幅器が発生する歪成分を検出する歪検出ループと、主増幅器が発生する歪成分を除去する歪除去ループと、の２つのループから構成されている（特許文献１〜３）。

図３は、特許文献３に記載された従来のＦＦ増幅回路１ｃの構成を示す図である。図３に示されるＦＦ増幅回路１ｃにおいて、歪検出ループ１０は、分配回路１２、ベクトル調整回路１４、主増幅器１８及び方向性結合回路２０から構成されている。また、歪除去ループ２２は、ベクトル調整回路２４、歪成分増幅器２８及び方向性結合回路３０から構成されている。

図３に示すＦＦ増幅回路１ｃの動作を以下に説明する。ＦＦ増幅回路１ｃに入力された高周波信号は、分配回路１２によって、ベクトル調整回路１４と、方向性結合回路２０と、に分配出力される。ベクトル調整回路１４は、入力された高周波信号を、その振幅及び位相を調整して、主増幅器１８に出力する（経路１００）。主増幅器１８は、入力された高周波信号を非線形増幅したのち方向性結合回路２０及び３０を介して外部に出力する（経路２１０）。また、主増幅器１８は、増幅された高周波信号の他に、歪成分（相互変調歪）を発生する。

方向性結合回路２０では、主増幅器１８から出力された経路１１０の高周波信号と、主増幅器１８に入力される経路１２０の高周波信号（が分配回路１２により方向性結合回路２０に分配された高周波信号）と、が逆相加算される。これにより、主増幅器１８から出力された高周波信号が打ち消され、主増幅器１８で発生する歪成分が検出される。このようにして検出された歪成分は、ベクトル調整回路２４に供給される。

ベクトル調整回路２４は、方向性結合回路２０から供給される歪成分について振幅及び位相の調整を行い出力する。歪成分増幅器２８は、ベクトル調整回路２４により振幅及び位相が調整された歪成分を増幅して出力する（経路２２０）。歪成分増幅器２８により増幅された経路２２０の歪成分は、主増幅器１８で発生し方向性結合回路２０を介して（高周波信号と共に）出力される経路２１０の歪成分と、方向性結合回路３０で逆相加算される。これにより、主増幅器１８から出力された歪成分が打ち消され、ＦＦ増幅回路１ｃからは増幅されて歪成分が除去された高周波信号が出力される。

また、高周波増幅回路を高出力低歪で利用する他の手法として、ハイブリッド方式も知られている。このハイブリッド方式の高周波増幅回路は、入力された高周波信号を２分配する分配器と、２分配された高周波信号を略同じ利得で増幅する２つの増幅器と、各々の増幅器で増幅された高周波信号を１／４波長ずつ位相をずらして合成する２つの１／４波長伝送路とにより構成されている（特許文献４）。

特開平０８−０５６１２５号公報特開２０００−１５１２９５号公報特開平０５−２４３８８０号公報特表２００２−５１０９２７号公報

ここで、半導体により形成された増幅器は、温度変化に伴いその入出力特性が変化する（すなわち、温度上昇に伴い利得が減少したり出力信号の位相が遅れたりする）。前述したように、フィードフォワード型歪補償方式の高周波増幅回路は、歪検出（又は歪除去）で、主増幅器（又は歪成分増幅器）からの出力信号の振幅及び位相を調整して信号処理している。このため、主増幅器（又は歪成分増幅器）からの出力信号の振幅や位相が温度に伴い変動するのは好ましくない。また、２分配された高周波信号を略同じ利得の増幅器で増幅して１／４波長ずつ位相をずらして合成するハイブリッド方式の高周波増幅回路においても同様に、増幅器からの出力信号の振幅や位相が温度に伴い変動するのは好ましくない。このため、前述したような高周波増幅回路に何らかの温度補償を行う必要がある。温度補償の手法としては、増幅器を形成するトランジスタのバイアス回路に温度に応じて特性が変化する感温素子を用いる手法や、高周波増幅回路とは別に温度補償回路を設ける手法がある。

しかしながら、バイアス回路に感温素子を用いる手法は、温度に伴う動作点の変動を補償するものであり、利得の減少や出力信号の位相の遅れを補償するものではない。また、高周波増幅回路とは別に温度補償回路を設けた場合、温度を検出する回路、検出した温度から補償量を算出する回路、補償量に基づき温度補償を行う回路が必要になり、その構成が複雑になる。本発明の目的は、以上のような課題に対してなされたものであり、高周波増幅回路における温度補償を簡単な構成で行うことにある。

本発明に係るフィードフォワード型歪補償増幅回路は、入力された高周波信号を増幅して出力する主増幅器を有し、主増幅器に入力される高周波信号と、主増幅器から出力された高周波信号と、を振幅及び位相を調整して逆相加算することにより、主増幅器が発生する歪成分を検出する歪検出ループと、歪検出ループにより検出された歪成分を増幅して出力する歪成分増幅器を有し、主増幅器が発生した歪成分と、歪成分増幅器から出力された歪成分と、を振幅及び位相を調整して逆相加算することにより、主増幅器が発生する歪成分を除去する歪除去ループと、を備えたフィードフォワード型歪補償増幅回路であって、前記主増幅器又は歪成分増幅器のうち少なくとも一方に直列に接続され、前記主増幅器又は歪成分増幅器の温度上昇に伴い抵抗値が減少するサーミスタと、前記サーミスタに並列に接続され、インダクタンス成分Ｌが、前記サーミスタに並列に寄生する寄生キャパシタンス成分Ｃに対して、ωＬ＜１／ωＣ（ωは高周波信号の角周波数）を満たす値に設定されているインダクタと、を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、高周波増幅回路における温度補償を簡単な構成で行うことができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。なお、従来と同様の又は対応する部材には同一の符号を付すものとする。なお、本実施形態で説明する高周波増幅回路は、フィードフォワード型歪補償方式の高周波増幅回路である。以下、第１及び第２の実施形態に係る高周波増幅回路について、図面を用いて詳細に説明する。

「第１の実施形態」
図１は、第１の実施形態に係るフィードフォワード型歪補償方式の高周波増幅回路の構成を示す図である。図１において、ＦＦ増幅回路１ａは、主増幅器１８に直列に接続されたサーミスタ１６ａと、歪成分増幅器２８に直列に接続されたサーミスタ２６ａと、を新たに備えている。したがって、主増幅器１８及び歪成分増幅器２８に入力される信号は、サーミスタ１６ａ及び２６ａによる挿入損を受ける。

また、サーミスタ１６ａは、主増幅器１８の温度上昇に伴い抵抗値が減少するよう、主増幅器１８と温度的に結合され、サーミスタ２６ａは、歪成分増幅器２８の温度上昇に伴い抵抗値が減少するよう、歪成分増幅器２８と温度的に結合されている。なお、部品がディスクリートであれば、すなわち、サーミスタ１６ａは主増幅器１８に、サーミスタ２６ａは歪成分増幅器２８に物理的に接触して配置することで、伝熱効率を高めている。伝熱性のよい接着剤などで互いに接着することも好適である。これにより、主増幅器１８及び歪成分増幅器２８に入力される信号は、サーミスタ１６ａ及び２６ａから受ける挿入損が温度上昇に伴い減少する。

したがって、主増幅器１８及び歪成分増幅器２８は、温度上昇に伴い利得が減少したとしても、サーミスタ１６ａ及び２６ａの抵抗値が下がり挿入損が減少することにより入力信号が増大するため、温度上昇に伴う利得の減少を補償することができる。

以上説明したように、第１の実施形態に係る高周波増幅回路は、増幅器に直列に接続され、増幅器の温度上昇に伴い抵抗値が減少するサーミスタを備えることにより、温度変化に伴う利得の減少を簡単な構成で補償することができる。なお、本実施形態で説明した高周波増幅回路は、フィードフォワード型歪補償方式の高周波増幅回路であるが、これに限定されるものではなく、ハイブリッド方式の高周波増幅回路や他の振幅及び位相の調整（又は制御）を要する高周波増幅回路に適用できるのは言うまでも無い。

「第２の実施形態」
前述したように、半導体素子により形成された増幅器（例えば、ＧａＡｓＦＥＴ）は、温度が上昇すると出力信号の位相が遅れる。このため、図１に示す主増幅器１８（及び歪成分増幅器２８）は、温度が上昇すると出力信号の位相が遅れる。

また、サーミスタ１６ａ（及び２６ａ）の各々の入出力端子間には、並列に寄生する寄生キャパシタンス成分が有る。このため、サーミスタ１６ａ（及び２６ａ）は、抵抗とキャパシタが並列に接続された回路とみなすことができる。このような抵抗とキャパシタが並列に接続された回路は、抵抗値が減少すると、出力信号の位相が遅れる。

したがって、サーミスタ１６ａ（及び２６ａ）は、主増幅器１８（及び歪成分増幅器２８）の温度変化に伴う利得の減少を補償することができる一方で、主増幅器１８（及び歪成分増幅器２８）からの出力信号の位相をさらに遅らせてしまう。このような出力信号の位相の遅れは、正確な位相制御を必要とする高周波増幅回路（例えば、フィードフォワード型歪補償方式の増幅回路やハイブリッド方式の増幅回路）においては、特に好ましくなく、なんらかの対策が必要である。第２の実施形態に係る高周波増幅回路は、増幅器（主増幅器１８又は歪成分増幅器２８）の温度変化に伴う出力信号の位相の遅れを補償する。以下、これについて説明する。

図２は、第２の実施形態に係るフィードフォワード型歪補償方式の高周波増幅回路の構成を示す図である。図２において、ＦＦ増幅回路１ｂは、サーミスタ１６ａに並列に接続されたインダクタ１６ｂと、サーミスタ２６ａに並列に接続されたインダクタ２６ｂと、を新たに備えている。また、サーミスタ１６ａには寄生キャパシタ１６ｃが並列に寄生し、サーミスタ２６ａには寄生キャパシタ２６ｃが並列に寄生している。

以下に、サーミスタ１６ａ（又は２６ａ）、インダクタ１６ｂ（又は２６ｂ）、寄生キャパシタ１６ｃ（又は２６ｃ）の並列回路における伝達関数及び位相の温度特性について説明する。

入出力の特性インピーダンスをＺ_０とし、サーミスタ１６ａ（又は２６ａ），インダクタ１６ｂ（又は２６ｂ），寄生キャパシタ１６ｃ（又は２６ｃ）の並列回路のインピーダンスをＺとすると、その入出力における伝達関数Ｓ_２１は、

により求めることができる。

また、サーミスタ１６ａ（又は２６ａ），インダクタ１６ｂ（又は２６ｂ），寄生キャパシタ１６ｃ（又は２６ｃ）の並列回路のインピーダンスＺは、

により求めることができる。ここで、Ｒ：サーミスタ１６ａ（２６ａ）の抵抗値、Ｌ：インダクタ１６ｂ（２６ｂ）のインダクタンス成分、Ｃ：寄生キャパシタ１６ｃ（２６ｃ）のキャパシタンス成分、ω：高周波信号の角周波数である。

ここで、（２）式により算出されたＺを、Ｚ＝ｒ＋ｊｘとし、（１）式に代入すると、

と表すことができる。

ここで、（３）式で表されるＳ_２１の位相特性は、（３）式に（２）式を代入することにより、

により求めることができる。

ここで、（４）式で求められた位相特性∠Ｓ_２１を、∠Ｓ_２１＝ｔａｎ^−１Ｙとし、温度Ｔにより微分すると、

のように温度に対する位相の変化量ｄ（∠Ｓ_２１）／ｄＴを算出することができる。ここで、Ｒ’はサーミスタ１６ａ（又は２６ａ）の温度Ｔに対する微分値（Ｒ’＝ｄＲ／ｄＴ）である。

また、前述したようにＲはサーミスタ１６ａ（又は２６ａ）の抵抗値である。サーミスタ１６ａ（又は２６ａ）の抵抗値Ｒは温度上昇により減少するため、サーミスタ１６ａ（又は２６ａ）の抵抗値Ｒを温度Ｔで微分した値Ｒ’は負の値（Ｒ’＜０）となる。

したがって、インダクタ１６ｂ（又は２６ｂ）のインダクタンス成分Ｌを、
ωＣ−１／ωＬ＜０・・・（６ａ）
ωＬ＜１／ωＣ・・・（６ｂ）
を満たす値に設定することにより、上述した（５）式を正の値（ｄ（∠Ｓ_２１）／ｄＴ＞０）にすることができる（すなわち、温度上昇に伴い位相が進む特性にすることができる）。

したがって、ＦＦ増幅回路１ｂは、サーミスタ１６ａ（又は２６ａ）、インダクタ１６ｂ（又は２６ｂ）、寄生キャパシタ１６ｃ（又は２６ｃ）から構成される並列回路が、温度上昇に伴い位相が進むため、主増幅器１８（又は歪成分増幅器２８）における温度上昇に伴う出力信号の位相の遅れを補償することができる。また、前述したような、インダクタンス成分Ｌはサーミスタ１６ａ（又は２６ａ）の寄生インダクタンス成分を加味した値であっても良いし、寄生キャパシタンス成分Ｃはインダクタ１６ｂ（又は２６ｂ）の寄生キャパシタンス成分を加味した値であっても良い。実際の回路におけるインダクタンス成分Ｌや寄生キャパシタンス成分Ｃの値は、実際の回路を用い実験などによって、温度上昇に伴う出力信号の位相遅れを適切に補償するよう設定するのが望ましい。

以上説明したように、第２の実施形態に係る高周波増幅回路は、サーミスタに並列に接続され、インダクタンス成分Ｌが、サーミスタに並列に寄生する寄生キャパシタンス成分Ｃに対して、ωＬ＜１／ωＣ（ωは高周波信号の角周波数）を満たす値に設定されているインダクタを備えることにより、温度変化に伴う出力信号の位相の遅れを簡単な構成で補償することができる。なお、本実施形態で説明した高周波増幅回路は、フィードフォワード型歪補償方式の高周波増幅回路であるが、これに限定されるものではなく、ハイブリッド方式の高周波増幅回路や他の振幅及び位相の調整（又は制御）を要する高周波増幅回路に適用できるのは言うまでも無い。

第１の実施形態に係るフィードフォワード型歪補償方式の高周波増幅回路を表す図である。第２の実施形態に係るフィードフォワード型歪補償方式の高周波増幅回路を表す図である。従来のフィードフォワード型歪補償方式の高周波増幅回路を表す図である。

符号の説明

１ａ，１ｂ，１ｃフィードフォワード型歪補償方式の高周波増幅回路、１０歪検出ループ、１２分配回路、１４ベクトル調整回路、１６ａ，２６ａサーミスタ、１６ｂ，２６ｂインダクタ、１６ｃ，２６ｃ寄生キャパシタ、１８主増幅器、２０方向性結合回路、２２歪除去ループ、２４ベクトル調整回路、２８歪成分増幅器、３０方向性結合回路。

Claims

入力された高周波信号を増幅して出力する主増幅器を有し、主増幅器に入力される高周波信号と、主増幅器から出力された高周波信号と、を振幅及び位相を調整して逆相加算することにより、主増幅器が発生する歪成分を検出する歪検出ループと、
歪検出ループにより検出された歪成分を増幅して出力する歪成分増幅器を有し、主増幅器が発生した歪成分と、歪成分増幅器から出力された歪成分と、を振幅及び位相を調整して逆相加算することにより、主増幅器が発生する歪成分を除去する歪除去ループと、
を備えたフィードフォワード型歪補償増幅回路であって、
前記主増幅器又は歪成分増幅器のうち少なくとも一方に直列に接続され、前記主増幅器又は歪成分増幅器の温度上昇に伴い抵抗値が減少するサーミスタと、
前記サーミスタに並列に接続され、インダクタンス成分Ｌが、前記サーミスタに並列に寄生する寄生キャパシタンス成分Ｃに対して、ωＬ＜１／ωＣ（ωは高周波信号の角周波数）を満たす値に設定されているインダクタと、
を備えていることを特徴とするフィードフォワード型歪補償増幅回路。