JP4699204B2 - 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、複数個のトランジスタを並列接続して構成された高周波増幅回路における動作の安定性、信頼性等の向上等を図ったものに関する。

従来、携帯電話や無線ＬＡＮ等のいわゆる移動通信機の送信部に用いられる高周波増幅回路において、高出力電力とする場合、互いに並列接続された複数個のバイポーラトランジスタを設けて回路構成するのが一般的である（例えば、特許文献１、特許文献２等参照）。
かかる回路においては、互いに並列接続されたバイポーラトランジスタ間の発熱による温度差がベースバイアスへフィードバックされ、発熱温度の高い一部のバイポーラトランジスタのコレクタに流れる電流が異常に増加し、その結果、他の並列に接続されたバイポーラトランジスタのコレクタに流れていた電流が、上述の発熱温度の高い一部のバイポーラトランジスタのコレクタへ集中して流れ、遂には破壊に至ることがある。
このような一部のバイポーラトランジスタへの電流集中を抑圧するため、並列接続された各々のバイポーラトランジスタのエミッタ及びベースに抵抗素子、いわゆるバラスト抵抗を接続する方法が従来から公知の方法として広く用いられているが、かかる方法は、簡易で確実である反面、高周波増幅回路の電力利得の低下と安定性の低下を招くという欠点がある。

図６には、上述のように高出力電力特性を得るため、互いに並列接続された複数のバイポーラトランジスタにより構成された高周波増幅回路の具体回路構成例が示されており、以下、同図を参照しつつ、この従来回路例について説明する。
図６に示された高周波増幅回路は、８個のバイポーラトランジスタが並列接続されて構成されたものとなっている。
以下、具体的に説明すれば、この高周波増幅回路は、第１の高周波増幅回路１６０と第２の高周波増幅回路１６１が並列接続されて構成されたものとなっており、第１及び第２の高周波増幅回路１６０，１６１は、対称に構成されて、同一の動作をするようになっている。

第１及び第２の高周波増幅回路１６０，１６１は、基本的に同一の回路構成であるので、第１の高周波増幅回路１６０を例に採り、そのより具体的な構成について以下説明する。
第１の高周波増幅回路１６０は、４つのバイポーラトランジスタ６４ａ，６５ａ，６６ａ，６７ａを有してなり、第１のバイポーラトランジスタ６４ａは、そのベースが、第１のコンデンサ６４ｂ及び第１の抵抗素子６４ｃを介して、それぞれ高周波入力端子６１及びベースバイアス端子６２に接続される一方、コレクタが高周波出力端子６３に接続されている。かかる構成は、第２乃至第４のバイポーラトランジスタ６５ａ，６６ａ，６７ａについても同様であるので、それぞれについてここでの詳細な構成の説明は省略し、図６において、上述の各構成要素に対応する構成要素に符号を付すに留めることとする。

そして、第１乃至第４のバイポーラトランジスタ６４ａ，６５ａ，６６ａ，６７ａをそれぞれ中心にして上述のように構成された４つのトランジスタ回路６４，６５，６６，６７が、互いに並列接続された構成となっている。なお、第１乃至第４のコンデンサ６４ｂ，６５ｂ，６６ｂ，６７ｂは同一容量値に設定されている。

かかる構成において、第１乃至第４の抵抗素子６４ｃ，６５ｃ，６６ｃ，６７ｃの両端には、第１乃至第４のバイポーラトランジスタ６４ａ，６５ａ，６６ａ，６７ａのベース電流に応じた電圧が発生する。ここで、仮に、温度上昇に伴い一部のバイポーラトランジスタのベース電流が増加したとすると、そのベースに接続された抵抗素子の両端における電圧が上昇し、逆に、ベース・エミッタ間電圧は低下するため、結果としてその一部のバイポーラトランジスタ６４ａ，６５ａ，６６ａ，６７ａのベース電流の急激な増加は抑えられ、いわゆる熱暴走が抑止されることとなる。
一方、上記構成の高周波増幅回路において、入力された高周波信号は、第１乃至第４のコンデンサ６４ｃ，６５ｃ，６６ｃ，６７ｃを通過して、第１乃至第４のバイポーラトランジスタ６４ａ，６５ａ，６６ａ，６７ａの対応するベースに入力されるため、抵抗素子を介して高周波信号がベースに印加される構成に比べて電力利得の低下が小さい。

ところで、図６に示された回路を実際に構成する場合、バイポーラトランジスタのみならず他の素子も含めてそれぞれ無視できない物理的な大きさを有しているため、例えば、全てのバイポーラトランジスタ６４ａ，６５ａ，６６ａ，６７ａのベースと高周波入力端子６１との距離を同一とすることは実際には困難である。そのため、実際には、図７に示されたように、高周波入力端子８１と、第１の高周波増幅回路１８０を構成する第１乃至第４のトランジスタ回路８４，８５，８６，８７の入力段との間には、導電性部材を用いてなる伝送線路８８，８９，９０，９１を直列接続して設ける構成とするのが一般的である。

特開２００５−１８４７０７号公報（第６−１０頁、図１−図１０） 米国特許第５６０８３５３号公報

しかしながら、上述のような伝送線路を設けた構成とすると、第１乃至第４のトランジスタ回路８４，８５，８６，８７の間における高周波信号に対する入力インピーダンスに差が生じるため、いわゆる動作状態の不均衡が発生し、一部のバイポーラトランジスタへの電流の集中を招き、いわゆる熱暴走の発生を惹起するという問題がある。
具体的には、例えば、図７に示された構成例における入力電力に対する出力電力の変化特性が図８に示されているが、同図によれば、入力電力があるレベルを超えると、出力電力特性が不連続に変化することが確認できる（図８の点線の囲み部分参照）。

また、図９には、入力電力の変化に対する各々のバイポーラトランジスタ８４ａ，８５ａ，８６ａ，８７ａのコレクタ電流の変化特性が示されており、同図によれば、図８に現れた出力電力特性が不連続となる入力電力において、一部のバイポーラトランジスタのコレクタ電流が急激に増大していることが確認できる。なお、図９において、Ｔｒ１、Ｔｒ２、Ｔｒ３、Ｔｒ４は、バイポーラトランジスタ８４ａ，８５ａ，８６ａ，８７ａをそれぞれ表している。
さらに、図９によれば、各々のバイポーラトランジスタ８４ａ，８５ａ，８６ａ，８７ａのコレクタ電流は、上述のように出力電力特性が不連続となる入力状態か否かに関わらず相互の大きさに差が生じており、最大で７５％程の差となっていることが確認できる。このような電流の不均衡は、バイポーラトランジスタの温度上昇により一部のバイポーラトランジスタへの電流の集中を招く要因となるものである。

ところで、近年、携帯電話機や無線ＬＡＮ等のいわゆる移動体通信機の需要が急速に高まりつつあり、それに伴い、通信機本体の小型化、高性能化、高機能化の要求がますます増大している。このような状況において、移動通信機の送信部における高周波信号を増幅する高周波電力増幅器は、小型、かつ、電力負荷効率の高いものが要求される。
これらの高周波電力増幅器は、高出力電力特性とするため、上述のような互いに並列接続された複数個のバイポーラトランジスタを用いて回路構成されることが多いが、小型化への要求に応えるため、並列接続された複数個のバイポーラトランジスタを近接配置する構造を採ると、互いのバイポーラトランジスタの放熱経路が交錯し、熱抵抗が増加することから温度上昇を招き、上述のような各バイポーラトランジスタのコレクタ電流の不均衡と相まって一部のバイポーラトランジスタへの電流集中を惹起させるため、いわゆる熱暴走の抑圧が必要となる。

本発明は、上記実状に鑑みてなされたもので、増幅回路を構成する並列接続された複数個のトランジスタのコレクタ電流の不均衡を抑圧し、温度上昇に伴う一部のトランジスタへの電流の集中を防止し、熱暴走を生ずることなく安定した出力を得ることのできる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、
相互に並列接続された第１のサブ高周波増幅回路と第２のサブ高周波増幅回路とを有し、当該第１及び第２のサブ高周波増幅回路は、それぞれ、増幅動作を行うｎ個のトランジスタ回路が並列接続されて構成されてなる高周波増幅回路であって、
前記ｎ個のトランジスタ回路は、それぞれバイポーラトランジスタ又は電界効果トランジスタを用いてなり、各々のバイポーラトランジスタ又は電界効果トランジスタは、コレクタ同士又はドレイン同士、エミッタ同士又はソース同士がそれぞれ相互に並列接続される一方、各々のベース又はゲートには、それぞれ、抵抗器とベースコンデンサの各々の一端が接続されてなり、前記各々の抵抗器の他端は、直流バイアス入力端子とされ、前記各々のベースコンデンサの他端は、信号入力端子とされてなり、
前記ｎ個のトランジスタ回路の内、第１のトランジスタ回路の前記信号入力端子は第１の伝送線路を介して高周波入力端子に接続される一方、
第１乃至第ｎのトランジスタ回路の各々隣接する前記信号入力端子間には、直列接続されて対をなす伝送線路と線路接続用コンデンサが、それぞれ、前記第１の伝送線路側に前記対をなす各々の伝送線路が位置するように接続され、これら複数の対となる伝送線路と線路接続用コンデンサが前記高周波入力端子に対して縦属接続されてなる高周波増幅回路において、
前記第２乃至第ｎのトランジスタ回路の各々のベースコンデンサの容量と、当該ベースコンデンサの前記他端と前記高周波入力端子との間に直列接続された前記線路接続用コンデンサの容量の合成容量を有するコンデンサを、新たな第２乃至第ｎのトランジスタ回路の各々のベースコンデンサとすると共に、当該ベースコンデンサが前記線路接続用コンデンサを兼ねるものとし、前記新たな第２乃至第ｎのトランジスタ回路の各々のベースコンデンサは互いに異なる容量であるものである。

本発明によれば、伝送線路と線路接続用コンデンサを接続することで、伝送線路のインダクタンス成分が線路接続用コンデンサにより打ち消されて、互いに並列接続された各々のトランジスタ回路の入力インピーダンスに差が生ずることが防止されるので、いわゆる動作状態の不均衡を抑制し、一部のトランジスタへの電流集中を回避でき、いわゆる熱暴走の発生が抑止、防止でき、安定した出力特性の高周波増幅回路を提供することができる。

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。
この高周波増幅回路は、第１のサブ高周波増幅回路１００と第２のサブ高周波増幅回路１０１が並列接続されて構成されたものとなっており、第１及び第２のサブ高周波増幅回路１００，１０１は、対称に構成されて、同一の動作をするものとなっている。
第１及び第２のサブ高周波増幅回路１００，１０１は、同一の回路構成であるので、ここでは、第１のサブ高周波増幅回路１００を例に採り、そのより具体的な構成について説明し、その説明を以て第２のサブ高周波増幅回路１０１の説明に代えることとする。

第１のサブ高周波増幅回路１００は、４つのトランジスタ回路４〜７を有し、これらは後述するように互いに並列接続されると共に、これら第１乃至第４のトランジスタ回路４〜７は、その入力側が伝送線路（詳細は後述）を介して外部からの高周波信号が印加される高周波入力端子１に接続されるよう構成されたものとなっている。
そして、第１のサブ高周波増幅回路１００は、同一の構成を有してなる第２のサブ高周波増幅回路１０１と、高周波入力端子１と高周波出力端子３との間に、互いに並列接続されたものとなっている。

第１乃至第４のトランジスタ回路４〜７は、いずれも基本的に同一の構成を有してなるものである。ここでは、第１のトランジスタ回路４の構成を説明し、その説明を以て第２乃至４のトランジスタ回路５〜７の構成の説明に代えることとする。なお、以下の説明において、第１のトランジスタ回路４の構成要素の符号の後に括弧書きで第２乃至第４のトランジスタ回路５〜７の対応する構成要素の符号を示すこととする。

第１のトランジスタ回路４において、第１のバイポーラトランジスタ４ａ（５ａ，６ａ，７ａ）は、そのベースに、第１のベースコンデンサ４ｂ（５ｂ，６ｂ，７ｂ）と第１の抵抗器４ｃ（５ｃ，６ｃ，７ｃ）の一端が接続される一方、エミッタがグランドに、コレクタがコレクタ端子４ｄ（５ｄ，６ｄ，７ｄ）に、それぞれ接続された構成となっている。
なお、この構成例においては、バイポーラトランジスタとしてｎｐｎ型が用いられたものとなっている。

また、第１のベースコンデンサ４ｂ（５ｂ，６ｂ，７ｂ）の他端は、第１の信号入力端子４ｅ（５ｅ，６ｅ，７ｅ）に接続され、第１の抵抗器４ｃ（５ｃ，６ｃ，７ｃ）の他端は、第１の直流入力端子４ｆ（５ｆ，６ｆ，７ｆ）に接続されたものとなっている。
そして、第１乃至第４の直流入力端子４ｆ，５ｆ，６ｆ，７ｆは、互いに並列にベースバイアス端子２に接続される一方、第１乃至第４のコレクタ端子４ｄ，５ｄ，６ｄ，７ｄは、互いに並列に高周波出力端子３に接続されている。

そして、各トランジスタ回路４〜７の信号入力端子４ｅ，５ｅ，６ｅ，７ｅと高周波入力端子１との間には、次述するように伝送線路８，９，１１，１３と線路接続用コンデンサ１０，１２，１４が設けられたものとなっている。
すなわち、第１の信号入力端子４ｅと高周波入力端子１は、第１の伝送線路８を介して接続されると共に、第１の信号入力端子４ｅと第１の伝送線路８の接続点には、第２の伝送線路９の一端が接続され、第２の伝送線路９の他端は、第２の線路接続用コンデンサ１０の他端に接続されており、さらに、第２の線路接続用コンデンサ１０の他端は、第２の信号入力端子５ｅに接続されている。

また、第２の線路接続用コンデンサ１０の他端は、第３の伝送線路１１の一端に接続されており、この第３の伝送線路１１の他端は、第３の線路接続用コンデンサ１２を介して第３の信号入力端子６ｅに接続されている。
そして、第３の線路接続用コンデンサ１２の他端は、さらに、第４の伝送線路１３の一端に接続されており、この第４の伝送線路１３の他端は、第４の線路接続用コンデンサ１４を介して第４の信号入力端子７ｅに接続されたものとなっている。
すなわち、換言すれば、伝送線路９，１１，１３と、それぞれに対応して直列接続された第２乃至第４の線路接続用コンデンサ１０，１２，１４とが対をなし、それぞれの対が第１の信号入力端子４ｅと第４の信号入力端子７ｅ間において、隣接する端子間にそれぞれ接続されており、これによって、これらの対が高周波入力端子１に対して縦属接続された構成となっている。
なお、伝送線路８，９，１１，１３は、具体的には、マイクロストリップライン、インダクタンスを有した配線材料、あるいは、インダクタンス素子などが用いられてなるものである。

ここで、上述の伝送線路８，９，１１，１３において、そのインピーダンスの支配的な要素は、インダクタンス成分である。特に、第２乃至第４の伝送線路９，１１，１３における各々のインダクタンス成分が無視できない大きさとなれば、第１乃至第４のトランジスタ回路４〜７は、それぞれ入力インピーダンスが異なり、そのため、入力される信号にも差が生ずることとなる。
そこで、本発明の実施の形態においては、第２乃至第４の線路接続用コンデンサ１０，１１，１４は、それぞれ直列接続された第２乃至第４の伝送線路９，１１，１３のインダクタンス成分を打ち消す容量を有するものとなっている。

なお、かかる構成における増幅動作については、従来回路と基本的に変わるところはないので、その詳細な説明を省略し、以下、図２及び図３を参照しつつ従来回路との比較における出力特性の違いについて説明する。なお、以下の説明において、適宜、従来の特性線図である図８、図９を参照する。
最初に、図２を参照しつつ入力電力に対する出力電力の変化特性について説明すれば、同図より、上述した本発明の実施の形態における高周波増幅回路は、従来と異なり（図８参照）、入力電力の大きさの如何に関わらず、出力変化が不連続となるようなことがないものであることが確認できる。
そして、図３によれば、上述した本発明の実施の形態における高周波増幅回路では、入力電力の変化に対して、各バイポーラトランジスタ４ａ，５ａ，６ａ，７ａのコレクタ電流に差はあるものの、最大でも２５％程度に抑圧されている。
この点、例えば、図９に示された従来回路の特性例においては、最大で７５％程の差があることからすれば、本発明の実施の形態における高周波増幅回路は、格段の特性改善がなされたものであることが確認できる。
なお、図３において、Ｔｒ１、Ｔｒ２、Ｔｒ３、Ｔｒ４は、バイポーラトランジスタ４ａ，５ａ，６ａ，７ａをそれぞれ表している。

次に、第２の構成例について、図４を参照しつつ説明する。
なお、図１に示された構成要素と同一の構成要素については、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。
この第２の構成例は、図１に示された第１の構成例における第２乃至第４の線路接続用コンデンサ１０，１１，１４を、対応するベースコンデンサ５ｂ，６ｂ，７ｂに合成することで、第２乃至第４の線路接続用コンデンサ１０，１１，１４を廃することができるように構成したものである。

すなわち、第２のベースコンデンサ２５ｂは、図１に示された第２のベースコンデンサ５ｂの容量と、同じく図１に示された第２の線路接続用コンデンサ１０の容量値の合成容量を有するものとなっている。
同様に、第３のベースコンデンサ２６ｂは、第３のベースコンデンサ６ｂ（図１参照）の容量と、第３の線路接続用コンデンサ１２（図１参照）の容量値の合成容量を有するものとなっている。
さらに、同様に、第４のベースコンデンサ２７ｂは、第４のベースコンデンサ７ｂ（図１参照）の容量と、第４の線路接続用コンデンサ１４（図１参照）の容量値の合成容量を有するものとなっている。
したがって、かかる回路の動作及び特性は、先の第１の構成例と同一であるので、ここでの再度の詳細な説明は省略することとする。

なお、この第２の構成例における高周波増幅回路と、図７に示された従来回路との相違について説明すれば、両者は、一見したところ同様の回路であるかのように見えるが、従来回路の場合、第１乃至第４のコンデンサ８４ｂ，８５ｂ，８６ｂ，８７ｂが同一容量であるのに対して、図４に示された構成例の場合、まず、第１のベースコンデンサ４ｂの容量と、第２乃至４のベースコンデンサ２５ｂ，２６ｂ，２７ｂの容量は異なる。さらに、第２乃至４のベースコンデンサ２５ｂ，２６ｂ，２７ｂの容量は、本来のベースコンデンサとしての容量に加えて、それぞれ対応する第２乃至第４の伝送線路９，１１，１３のインダクタンス成分を打ち消す容量を考慮したものであり、それ故、第１乃至第４のベースコンデンサ４ｂ，２５ｂ，２６ｂ，２７ｂは、相互に同一容量ではないものとなっている。

次に、第３の構成例について、図５を参照しつつ説明する。
なお、図１に示された構成要素と同一の構成要素については、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。
この第３の構成例は、図１に示された第１の構成例における第１乃至第４のベースコンデンサ４ａ，５ａ，６ａ，７ａを廃する一方、新たに、第１の線路接続用コンデンサ４９を設けると共に、第１乃至第４の線路接続用コンデンサ４９，５１，５３，５５の容量を後述するように設定したものである。
まず、第１の伝送線路８と第１のバイポーラトランジスタ４ａとの間に第１の線路接続用コンデンサ４９が設けられている。
そして、第１乃至第４の線路接続用コンデンサ４９，５１，５３，５５は、それぞれ対応する第１乃至第４のバイポーラトランジスタ４ａ，５ａ，６ａ，７ａのベースバイアスにおける直流成分を除去（ＤＣカット）する役割を果たすと共に、それぞれ対応する第１乃至第４の伝送線路８，９，１１，１３のインダクタンス成分を打ち消す役割を果たすものとなっている。そのため、第１乃至第４の線路接続用コンデンサ４９，５１，５３，５５は、ＤＣカットに必要な容量に、インダクタンス成分の打ち消しに必要な容量を加味した容量値に設定されたものとなっている。

なお、上述したいずれの構成例においても、ｎｐｎ型の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、ｐｎｐ型バイポーラトランジスタを用いてもよく、また、バイポーラトランジスタに代えて電界効果型トランジスタを用いるようにしてもよい。なお、バイポーラトランジスタに代えて電界効果型トランジスタを用いる場合には、バイポーラトランジスタのベース、コレクタ、エミッタは、電界効果型トランジスタのゲート、ドレイン、ソースにそれぞれ対応させればよい。

また、第１及び第２のサブ高周波増幅回路１００，１０１は、共に４個のトランジスタ回路が互いに並列接続されて構成されたものとしたが、これに限定される必要はないことは勿論であり、複数のトランジスタ回路が並列接続される構成であれば、その個数は所望に応じて任意に選択してよいものである。

本発明の実施の形態における高周波増幅回路の第１の回路構成例を示す回路図である。 本発明の実施の形態における高周波増幅回路の入力電力に対する出力電力の変化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入力電力に対する各バイポーラトランジスタのコレクタ電流の変化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第２の回路構成例を示す回路図である。 本発明の実施の形態における高周波増幅回路の第３の回路構成例を示す回路図である。 従来の回路構成例を示す回路図である。 従来の他の回路構成例を示す回路図である。 図７に示された従来回路における入力電力に対する出力電力の変化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ける入力電力に対する各バイポーラトランジスタのコレクタ電流の変化特性を示す特性線図である。

符号の説明

４〜７…第１乃至第４のトランジスタ回路
８…第１の伝送線路
９…第２の伝送線路
１０…第２の線路接続用コンデンサ
１１…第３の伝送線路
１２…第３の線路接続用コンデンサ
１３…第４の伝送線路
１４…第４の線路接続用コンデンサ
１００…第１のサブ高周波増幅回路
１０１…第２のサブ高周波増幅回路

Claims (1)

1. 相互に並列接続された第１のサブ高周波増幅回路と第２のサブ高周波増幅回路とを有し、当該第１及び第２のサブ高周波増幅回路は、それぞれ、増幅動作を行うｎ個のトランジスタ回路が並列接続されて構成されてなる高周波増幅回路であって、
   前記ｎ個のトランジスタ回路は、それぞれバイポーラトランジスタ又は電界効果トランジスタを用いてなり、各々のバイポーラトランジスタ又は電界効果トランジスタは、コレクタ同士又はドレイン同士、エミッタ同士又はソース同士がそれぞれ相互に並列接続される一方、各々のベース又はゲートには、それぞれ、抵抗器とベースコンデンサの各々の一端が接続されてなり、前記各々の抵抗器の他端は、直流バイアス入力端子とされ、前記各々のベースコンデンサの他端は、信号入力端子とされてなり、
   前記ｎ個のトランジスタ回路の内、第１のトランジスタ回路の前記信号入力端子は第１の伝送線路を介して高周波入力端子に接続される一方、
   第１乃至第ｎのトランジスタ回路の各々隣接する前記信号入力端子間には、直列接続されて対をなす伝送線路と線路接続用コンデンサが、それぞれ、前記第１の伝送線路側に前記対をなす各々の伝送線路が位置するように接続され、これら複数の対となる伝送線路と線路接続用コンデンサが前記高周波入力端子に対して縦属接続されてなる高周波増幅回路において、
   前記第２乃至第ｎのトランジスタ回路の各々のベースコンデンサの容量と、当該ベースコンデンサの前記他端と前記高周波入力端子との間に直列接続された前記線路接続用コンデンサの容量の合成容量を有するコンデンサを、新たな第２乃至第ｎのトランジスタ回路の各々のベースコンデンサとすると共に、当該ベースコンデンサが前記線路接続用コンデンサを兼ねるものとし、前記新たな第２乃至第ｎのトランジスタ回路の各々のベースコンデンサは互いに異なる容量であることを特徴とする高周波増幅回路。

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