JP4421959B2 - 高周波増幅回路 - Google Patents

Description

本発明は、高周波増幅回路に係り、特に、携帯電話等のいわゆる移動体通信機などに用いられて無線周波数信号の電力増幅を行うものにおける回路安定性の向上等を図ったものに関する。

従来、携帯電話等のいわゆる移動体通信機などにおいて、無線周波数信号の電力増幅を行う高周波増幅回路としては、例えば、特許文献１等に開示されたように複数のトランジスタが縦続接続されてなるものが公知・周知となっている。
図６及び図７には、このような従来の高周波増幅回路の典型的な基本回路構成例が示されており、以下、同図を参照しつつこの従来回路について説明する。
最初に、図６に示された従来回路例について説明すれば、この高周波増幅回路は、３つのバイポーラトランジスタ３１〜３３が第１及び第２の段間整合回路（図６においては、それぞれ「ＳＴ−ＭＡＴＣ１」、「ＳＴ−ＭＡＴＣ２」と表記）３４，３５並びに入力整合回路（図６においては「ＩＮ−ＭＡＴＣ」と表記）３６及び出力整合回路（図６においては「ＯＵＴ−ＭＡＴＣ」と表記）３７を介して３段縦続接続されてなり、これら第１乃至第３のトランジスタ３１〜３３のエミッタは、相互に接続されて共通の接続端子（図示せず）等に生ずる寄生インピーダンス３８を介してグランドに接続されてエミッタ接地増幅回路による高周波増幅が行われるよう構成されたものとなっている。

一方、図７に示された他の従来回路例は、エミッタ接地増幅回路の３段縦続接続である点は、図６に示された構成例と基本的に同一のものであるが、第１のトランジスタ３１のエミッタが図示されない接続端子等に生ずる第１の寄生インピーダンス３８ａを介してグランドに接続され、また、第２及び第３のトランジスタ３２，３３のエミッタが相互に接続されて図示されない共通の接続端子等に生ずる第２の寄生インピーダンス３８ｂを介してグランドに接続されたものとなっている点が図６に示された構成例と異なるものである。

特開２００３−３４７８７０号公報（第６−９頁、図１−図３）

ところで、上述の高周波増幅回路における寄生インピーダンスは、高周波増幅回路が集積回路化された場合に、理想のグランドとの間に生ずるものである。すなわち、集積回路化された高周波増幅回路における接地、すなわち、トランジスタのエミッタがグランドと接続される場合に、高周波増幅回路のパッケージの端子と理想のグランドとの間に寄生のインピーダンス成分が発生し、そのため、かかるインピーダンス成分を介して接地された回路構成となってしまう。
このような寄生インピーダンス成分は、理想的な接地状態に比べて回路特性を劣化させてしまうことは良く知られている通りである。特に、高周波増幅器の場合、扱う電力が大きなものとなると、僅かな寄生インピーダンスであっても顕著な回路特性劣化を招くこととなる。また、回路動作の安定性を損なう可能性もあり、満足な高周波特性を得ることが困難となる。

上述の寄生インピーダンスによる回路特性への影響について、図８乃至図１１を参照しつつ、より具体的に説明することとする。
最初に、先の図６に示された従来回路の出力端子におけるＶＳＷＲ特性が図８に示されており、同図によれば、使用周波数帯の１.９ＧＨｚ帯においては、ＶＳＷＲがほぼ１に近くなっており、良好なＶＳＷＲ特性となっていることが確認できるものとなっている。
一方、図９には、安定指数のＫファクタの周波数特性が示されているが、使用周波数帯（１.９ＧＨｚ帯）をはずれたところではあるが、回路の安定条件であるＫ＞１を満足しない領域が存在するものであることが確認できる。すなわち、Ｋ＜１では回路が発振状態となる可能性があり、回路の安定性という観点から使用周波数帯以外であってもＫ＜１となるような特性でないことが望まれる。

また、図１０には、図７に示された従来回路の出力端子におけるＶＳＷＲ特性が、図１１には安定指数のＫファクタの周波数特性が、それぞれ示されている。この従来回路の場合、安定指数Ｋの特性は、Ｋ＜１となる領域はなく全周波数範囲においてＫ＞１であり、図６に示された回路例に比して、回路の安定性が高い反面、ＶＳＷＲ特性では、図６に示された従来回路に比して良好ではないことが確認できる（図１０及び図１１参照）。

図７に示されたような従来回路のＶＳＷＲ特性の改善を行う方策としては、一般には、例えば、出力段における出力整合回路３７の整合を取ることが考えられるが、高周波増幅回路の歪み特性や効率も連動して変化するため、整合の取り方によっては、動作特性全般の劣化を招きかねない。
このような整合回路によるＶＳＷＲの改善が他の回路特性に及ぼす影響のより具体的な例について、図１２乃至図１４を参照しつつ説明することとする。
まず、図１２には、図７に示された従来回路の出力整合回路３７を変更する前の出力電力対電力付加効率特性が示されており、同図によれば、例えば、出力電力が２１ｄＢｍのときに、電力付加効率は２２.０％であることが確認できる。また、この出力整合回路３７の変更前において、使用周波数帯の１.９ＧＨｚではＶＳＷＲは約６である（図１０参照）。

これに対して、ＶＳＲＷ特性改善のために、出力整合回路３７の回路定数の変更を行い、整合を取り直した場合のＶＳＲＷ特性が図１３に、また、その場合の出力電力対電力付加効率特性が図１４にそれぞれ示されているが、まず、ＶＳＲＷ特性については、使用周波数帯域である１.９ＧＨｚ帯においてＶＳＷＲ＝約１.５と出力整合回路３７の変更前（図１０参照）に比べて、約４.５改善されていることが確認できる（図１３参照）。
一方、電力付加効率については、出力電力が２１ｄＢｍでの電力付加効率は１１.７％であり（図１４参照）、出力整合回路３７の変更前（図１２参照）に比して、約１０％劣化したものとなっている。
このように、出力端子ＶＳＷＲと高周波増幅回路の歪特性や効率は連動して変化するため、回路安定性と出力端子ＶＳＷＲ、さらに、歪特性や効率すべてを同時に改善することは困難である。

本発明は、上記実状に鑑みてなされたもので、出力端子におけるＶＳＷＲを劣化させることなく、しかも、歪特性や効率の変化を招くことなく回路の安定性向上が可能な高周波増幅回路を提供するものである。

上記本発明の目的を達成するため、本発明に係る高周波増幅回路は、
バイポーラトランジスタを用いてなるエミッタ接地増幅回路又は電界効果型トランジスタを用いてなるソース接地増幅回路が段間整合回路を介して複数縦続接続されると共に、前記各エミッタ又はソースとグランドとの間に寄生インピーダンス成分を有してなる高周波増幅回路において、
次段以降の増幅回路の各トランジスタのエミッタ又はソースを相互に接続し、この接続点と初段の増幅回路のトランジスタのエミッタ又はソースとを、インダクタンス素子、抵抗器、コンデンサ、マイクロストリップライン若しくはその組み合わせからなるインピーダンス成分で接続してなるものである。

本発明によれば、エミッタ接地又はソース接地増幅器が複数縦続されてなる高周波増幅器におけるエミッタ又はソースとグランドとの間の寄生インピーダンスを、複数のエミッタ又はソース同士をインピーダンス素子などで接続することで低減するようにしたので、寄生インピーダンスの影響を受ける回路の安定性を、出力端子のＶＳＷＲの劣化や高周波増幅回路の歪特性や効率の変化を招くことなく向上することができるという効果を奏するものである。

以下、本発明の実施の形態について、図１乃至図５を参照しつつ説明する。
なお、以下に説明する部材、配置等は本発明を限定するものではなく、本発明の趣旨の範囲内で種々改変することができるものである。
最初に、本発明の実施の形態における高周波増幅回路の第１の構成例について、図１を参照しつつ説明する。
この第１の構成例における高周波増幅回路は、３つのトランジスタ１１〜１３によるエミッタ接地増幅回路が３段縦続接続されて、入力端子１に外部から印加された高周波信号が、これら３段縦続接続された増幅回路により増幅されて出力端子２から得られるように構成されて、集積回路化されたものとなっている。

入力端子１は、入力整合回路（図１においては「ＩＮ−ＭＡＴＣ」と表記）３を介して第１のトランジスタ１１のベースに接続されている。この第１のトランジスタ１１と第２及び第３のトランジスタ１２，１３は、本発明の実施の形態においては、いずれもｎｐｎ型バイポーラトランジスタが用いられている。
そして、第１のトランジスタ１１のコレクタは、第１の段間整合回路（図１においては「ＳＴ−ＭＡＴＣ１」と表記）５を介して次段の第２のトランジスタ１２のベースに接続される一方、エミッタは、第１の寄生インピーダンス１４ａを介してグランドに接続されて、初段のエミッタ増幅回路が構成されたものとなっている。
ここで、第１の寄生インピーダンス１４ａは、例えば、集積回路化された高周波増幅回路のパッケージの端子（図示せず）とグランド間との接続部分において、高周波信号に対して生ずるインピーダンス成分である。

第２のトランジスタ１２のコレクタは、第２の段間整合回路（図１においては「ＳＴ−ＭＡＴＣ２」と表記）６を介して第３のトランジスタ１３のベースに接続される一方、エミッタは、第２の寄生インピーダンス１４ｂを介してグランドに接続されて、次段のエミッタ増幅回路が構成されたものとなっている。
なお、第２の寄生インピーダンス１４ｂは、第１の寄生インピーダンス１４ａと同様のものである。

第３のトランジスタ１３のコレクタは、出力整合回路（図１においては「ＯＵＴ−ＭＡＴＣ」と表記）４を介して出力端子２に接続される一方、エミッタは、第３の寄生インピーダンス１４ｃを介してグランドに接続されて、終段のエミッタ増幅回路が構成されたものとなっている。また、第３の寄生インピーダンス１４ｃは、第１の寄生インピーダンス１４ａと同様のものである。

そして、上述の第１及び第２の段間整合回路５，６並びに出力整合回路４は、外部から電源電圧が印加される電源端子７に接続されており、第１乃至第３のトランジスタ１１〜１３は、第１及び第２の段間整合回路５，６並びに出力整合回路４を介して電源供給を受けるようになっている。
さらに、先の第１のトランジスタ１１のエミッタと第３のトランジスタ１３のエミッタとは、インピーダンス素子１５を介して接続されたものとなっている。

上記構成における基本的な増幅動作は、公知・周知の通りであり、特段、異なるところはないのでここでの詳細な説明は省略し、種々の動作特性について、図３乃至図５を参照しつつ以下に説明することとする。
最初に、出力端子２におけるＶＳＷＲ特性と安定指数について、図３及び図４を参照しつつ説明する。
まず、既に述べたように図６に示された従来回路では、安定指数Ｋ＜１となる点が存在し、回路の安定性に欠けるという欠点があり（図９参照）、また、図７に示された従来回路では、全ての周波数においてＫ＞１であり（図１１参照）、回路の安定性はあるものの、出力端子のＶＳＷＲ特性は、図６に示された従来回路よりも劣化したものであった（図１０及び図１１参照）。

これに対して、本発明の実施の形態における高周波増幅回路においては、出力整合回路４を従来と比して何ら特段に変えることなく、全ての周波数においてＫ＞１を満足し（図４参照）、しかも、ＶＳＷＲ特性は従来のような劣化はなく、良好な特性が維持されたものとなっている（図３参照）。

次に、電力付加効率について、図５を参照しつつ説明する。
本発明の実施の形態における高周波増幅回路においては、例えば、出力電力が２１ｄＢｍのとき、電力付加効率は２２.０％となっており、従来のようにＶＳＷＲの改善によって効率が低下するようなことがないものとなっている（図１４参照）。

次に、第２の構成例について、図２を参照しつつ説明する。なお、図１に示された第１の構成例と同一の構成例については、同一の符号を付して、その詳細な説明を省略し、以下、異なる点を中心に説明することとする。
この第２の構成例における高周波増幅回路は、第２のトランジスタ１２のエミッタと第３のトランジスタ１３のエミッタが相互に接続されて、第２の寄生インピーダンス１４ｂを介してグランドに接続された構成となっている点が、図１に示された構成例と異なるものである。
そして、図１に示された構成例と同様に、第１のトランジスタ１１のエミッタと、第２及び第３のトランジスタ１２，１３のエミッタが、インピーダンス素子１５を介して接続されたものとなっている。
このような構成としても、先に図３乃至図５を参照しつつ説明したような特性が得られることには変わりはない。

上記構成においては、第１乃至第３のトランジスタ１１〜１３にバイポーラトランジスタを用いたが、勿論、これに限定される必要はなく、他のトランジスタ素子であっても良いもので、例えば、電界効果型トランジスタを用いても同様の作用、効果を得ることができるものである。なお、電界効果型トランジスタを用いる場合には、上記構成におけるバイポーラトランジスタのエミッタを電界効果型トランジスタのソースに、コレクタをドレインに、ベースをゲートに、それぞれ置き換えた構成とすれば良い。

また、インピーダンス素子１５に代えて、抵抗器、コンデンサ、マイクロストリップラインのいずれかにしても良く、さらに、これらの組み合わせによるインピーダンス成分に代えるようにしても良いものである。

本発明の実施の形態における高周波増幅回路の第１の構成例を示す構成図である。 本発明の実施の形態における高周波増幅回路の第２の構成例を示す構成図である。 本発明の実施の形態における高周波増幅回路の出力端子におけるＶＳＷＲ特性を示す特性線図である。 本発明の実施の形態における高周波増幅回路の安定指数のＫファクタの周波数特性を示す特性線図である。 本発明の実施の形態における高周波増幅回路の出力電力対電力付加効率特性を示す特性線図である。 従来の回路構成例を示す構成図である。 従来の他の回路構成例を示す構成図である。 図６に示された従来回路の出力端子におけるＶＳＷＲ特性を示す特性線図である。 図６に示された従来回路の安定指数のＫファクタの周波数特性を示す特性線図である。 図７に示された従来回路の出力端子におけるＶＳＷＲ特性を示す特性線図である。 図７に示された従来回路の安定指数のＫファクタの周波数特性を示す特性線図である。 図７に示された従来回路において出力整合回路の変更前の出力電力対電力付加効率特性を示す特性線図である。 図７に示された従来回路において出力整合回路の変更後の出力端子におけるＶＳＷＲ特性を示す特性線図である。 図７に示された従来回路において出力整合回路の変更後の出力電力対電力付加効率特性を示す特性線図である。

符号の説明

１…入力端子
２…出力端子
４…出力整合回路
１１…第１のトランジスタ
１２…第２のトランジスタ
１３…第３のトランジスタ
１４ａ…第１の寄生インピーダンス
１４ｂ…第２の寄生インピーダンス
１４ｃ…第３の寄生インピーダンス
１５…インピーダンス素子

Claims (1)

1. バイポーラトランジスタを用いてなるエミッタ接地増幅回路又は電界効果型トランジスタを用いてなるソース接地増幅回路が段間整合回路を介して複数縦続接続されると共に、前記各エミッタ又はソースとグランドとの間に寄生インピーダンス成分を有してなる高周波増幅回路において、
   次段以降の増幅回路の各トランジスタのエミッタ又はソースを相互に接続し、この接続点と初段の増幅回路のトランジスタのエミッタ又はソースとを、インダクタンス素子、抵抗器、コンデンサ、マイクロストリップライン若しくはその組み合わせからなるインピーダンス成分で接続したことを特徴とする高周波増幅回路。

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