JP4700553B2 - 高周波電力増幅器 - Google Patents

Description

本発明は、高周波帯で使用される送信信号を増幅するための線形高周波電力増幅器に関し、特に出力検波回路を有する高周波電力増幅器に関する。

高周波電力増幅器は、第３世代携帯電話や無線ＬＡＮシステム等で使用されており、図１は、シャープ株式会社の製品ＩＲＭ０４６Ｕ７において採用されている従来の高周波電力増幅器の一回路例を示している。

図１に示すように、従来の高周波電力増幅器は、ベース端子が入力整合回路３０を介して入力端子Ａに、コレクタ端子が出力整合回路４０を介して出力端子Ｂに夫々接続された電力増幅用トランジスタＱ２を備えた電力増幅部と、直流電源１からトランジスタＱ１を介してトランジスタＱ２のベース端子にバイアス電流を供給するバイアス電流供給部１０と、出力整合回路４０にコンデンサＣ３を介して接続された出力検波回路２０とを備え、出力検波回路２０は、直流電源２から抵抗Ｒ４を介してバイアス電流が供給されるように構成されている。入力整合回路３０及び出力整合回路４０は、高周波電力増幅器において必要とされる、動作周波数に応じたインピーダンス変換用の整合回路である。バイアス電流供給部１０は、トランジスタＱ１のベース端子が抵抗Ｒ１を介して直流電源１に、コレクタ端子が抵抗Ｒ２を介して直流電源１に、エミッタ端子が抵抗Ｒ３を介してトランジスタＱ２のベース端子に夫々接続されている。直流電源２と抵抗Ｒ４の接続点とグランドの間には、コンデンサＣ５が接続されている。また、この高周波電力増幅器は線形増幅器であるため、トランジスタＱ２のバイアス点は、一般的に、Ａ級乃至ＡＢ級の動作点に設定される。

続いて、図１に示す従来の高周波電力増幅器の動作について説明する。入力信号が入力端子Ａから入力されると、該入力信号は入力整合回路３０を通ってトランジスタＱ２のベース端子に入力される。トランジスタＱ２のベース電流は、直流電源１からの直流電流が、抵抗Ｒ１を介してトランジスタＱ１のベース端子に入力され、トランジスタＱ１により増幅されて供給される。トランジスタＱ２により増幅された入力信号は、出力整合回路４０を通って出力端子Ｂから出力される。出力検波回路２０は、直流電源２から抵抗Ｒ４を介してダイオードＤ１のアノード端子にバイアス電流が供給されるように構成されているため、ダイオードＤ１は常にオン状態となっている。出力整合回路４０からコンデンサＣ３を介してダイオードＤ１へ出力信号の一部が供給される。ダイオードＤ１により整流された出力信号の一部は、コンデンサＣ２に抵抗Ｒ５との時定数に応じて蓄積される。電力増幅部の出力が大きい場合は、検波出力端子Ｃの出力も大きくなる。これにより電力増幅部の出力を検波出力端子Ｃの電圧値でモニタすることが可能になり、所望の出力を得るために、検波出力端子Ｃのモニタ値に応じて、高周波電力増幅器への入力信号のレベルをコントロールしている。

ところで、無線ＬＡＮ等の通信機器では、送信時において、高周波電力増幅器への入力信号は常にオン状態である訳ではなく、オン状態とオフ状態を繰り返すバースト動作を行なっている。そこで、システム全体の消費電力を抑制するために、高周波電力増幅器の動作を入力信号のバースト動作に同期させ、入力信号のオフ状態時に高周波電力増幅器をオフ状態にする使用方法が多く使われている。

ここで、図１に示す従来の高周波電力増幅器は、直流電源１を入力信号のバースト動作に同期させてオンオフさせるが、直流電源２は常時オン状態となる。このため、この高周波電力増幅器では、ダイオードＤ１が常にオン状態となり、ダイオードＤ１に常時電流が流れ、十分に低消費電流化が図れないという問題があった。

図１に示す従来の高周波電力増幅器に対し、消費電力の低減を図る技術として、図２に示す高周波電力増幅器がある。この高周波電力増幅器は、出力検波回路２０が直流電源１から抵抗Ｒ４を介してダイオードＤ１のアノード端子にバイアス電流を供給するように構成されている。図２に示す高周波電力増幅器は、直流電源２を設けずに、直流電源１から抵抗Ｒ４を介してダイオードＤ１へバイアス電流を供給するように構成したので、出力検波回路２０は直流電源１のバースト動作に同期してオンオフ動作を行う。即ち、出力検波回路２０のダイオードＤ１を直流電源２のバースト動作に同期してオンオフ動作させるので、低消費電力化を図ることが可能になる。

尚、高周波電力増幅器に係る技術（例えば、特許文献１参照）はあるが、出力検波回路を備える高周波電力増幅器に係る先行技術文献は特に見当たらなかった。

特開平９−２６０９６４号公報

しかしながら、図２に示す従来の高周波電力増幅器は、直流電源１から抵抗Ｒ４を介してダイオードＤ１のアノード端子にバイアス電流を供給するように構成されていることから、ダイオードＤ１のアノード端子とコンデンサＣ３の間に接続されている抵抗Ｒ４を介して、出力整合回路４０からの出力信号の一部が出力検波回路２０からの回り込みでトランジスタＱ１のベース端子に入力されることになる。

より具体的には、トランジスタや抵抗、コンデンサ等の各部品を信号が通過すると必ず位相がずれることから、回り込み信号は、トランジスタＱ２のベース端子に入力されるまでに通過する各部品によって位相が様々にずれる。この結果、図２に示す高周波電力増幅器では、位相のずれた回り込み信号がトランジスタＱ１によって増幅されて入力信号に重畳されることで、トランジスタＱ２のベース端子に入力される信号は最初のきれいな波形と比べて複雑な波形となり、入力信号が線形増幅されず、出力信号の歪みが大きくなる。そして、トランジスタＱ２によって増幅された信号から必要な低い周波数の信号成分を抽出した時には、ノイズ成分の混ざったものが抽出されてしまうという問題があった。

ここで、電力増幅部において増幅される高周波の入力信号は、図３に示す様に、低い周波数のデータ信号を高い周波数の搬送波に乗せたものとなっている。トランジスタＱ１のベース端子に出力検波回路２０からの回り込みで入力される回り込み信号は、抵抗Ｒ４等を経過することとその中の高周波成分はコンデンサＣ１によりグランドへと流れ込むためにそのレベルはある程度減衰している。しかし、図２に示す高周波電力増幅器は、出力検波回路２０からの回りこみ信号がトランジスタＱ１のベース端子に入力されるため、該回りこみ信号がトランジスタＱ１の増幅率に応じて増幅されて、抵抗Ｒ３を通って入力信号に混在してしまう。更に、電流増幅用のトランジスタＱ１の増幅率は１００倍程度、電力増幅用のトランジスタＱ２の増幅率は１０〜１００倍程度であることを考慮すると、出力信号に対する回り込み信号による影響が大きいため、できるだけ回り込み信号の信号レベルを低減する必要がある。

尚、図２に示す高周波電力増幅器において、コンデンサＣ１の容量値を大きくすれば、図３に示す搬送波の高周波成分及び低い周波数の信号成分（包絡線）はコンデンサＣ１からグランド電位に通過してしまうので、トランジスタＱ１のベース端子に入力される回り込み信号のレベルを軽減出来る。しかし、コンデンサＣ１の容量値を大きくすると、直流電源１のオンオフ動作に対する電力増幅部のオンオフ応答速度が遅くなり、高周波電力増幅器の高速動作を妨げるので、コンデンサＣ１の容量値を大きくすることは困難である。コンデンサＣ１の容量値を大きくできないことから、コンデンサＣ１によって回り込み信号を除去することは困難である。

また、直流電源１からダイオードＤ１にバイアス電流を供給しないで出力検波回路２０を構成することも可能であるが、この場合は、出力信号によりダイオードＤ１がオン状態となるまでは出力検波回路２０は動作せず、出力信号のレベルが小さい時には出力検波回路２０から出力が得られなくなってしまうという問題がある。

本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、出力検波回路における消費電力を低減でき、且つ、出力検波回路からの回り込み信号によるノイズを低減することができる高周波電力増幅器を提供する点にある。

上記目的を達成するための本発明に係る電力増幅器は、ベース端子が入力整合回路を介して入力端子に、コレクタ端子が出力整合回路を介して出力端子に夫々接続された電力増幅用トランジスタを備えた電力増幅部と、直流電源から直流電流増幅用トランジスタを介して、前記電力増幅用トランジスタのベース端子にバイアス電流を供給するバイアス電流供給部と、検波用ダイオードを備え、前記出力整合回路に接続された出力検波回路と、を備える電力増幅器であって、前記出力検波回路の前記検波用ダイオードのアノード端子に、前記直流電源から前記直流電流増幅用トランジスタを介して電流供給され、前記直流電流増幅用トランジスタのエミッタ端子と前記検波用ダイオードのアノード端子が、電流供給用抵抗素子を介して接続されていることを特徴とする。

上記特徴の本発明に係る電力増幅器は、前記バイアス電流供給部は、前記直流電流増幅用トランジスタのベース端子が第１抵抗素子を介して前記直流電源に、コレクタ端子が第２抵抗素子を介して前記直流電源に、エミッタ端子が第３抵抗素子を介して前記電力増幅用トランジスタのベース端子に夫々接続されていることを第２の特徴とする。

上記特徴の本発明によれば、出力検波回路の検波用ダイオードのアノード端子に、バイアス電流供給部の直流電源から直流電流増幅用トランジスタを介して電流供給するように構成したので、出力整合回路から出力検波回路に出力された信号の一部が直流電流増幅用トランジスタのベース端子に入力されることがないため、該信号の一部が直流電流増幅用トランジスタにおいて増幅されるのを防止できる。これにより、図３に示す包絡線成分が電力増幅用トランジスタ及び直流電流増幅用トランジスタの両方で増幅されるのを防止し、直流電流増幅用トランジスタで増幅される信号成分へ重畳されるノイズ成分のレベルを低減でき、出力信号の歪みを低減することができる。

また、上記特徴の本発明によれば、バイアス電流供給部にコンデンサを設けた場合において、ノイズ成分を軽減するために該コンデンサの値を大きくする必要がなく、バイアス電流供給部の直流電源のバースト動作に対する出力検波回路の応答速度を担保できる。更に、バイアス電流供給部の直流電源から出力検波回路にバイアス電流を供給するので、バイアス電流供給部の回路規模を大きくすることなく、バイアス電流供給部の直流電源のみで電力増幅部と出力検波回路の両方をバースト動作させることが可能になる。これによって、出力検波回路が常時オン状態となる回路構成の場合に比べ、オフ状態時における出力検波回路の電流消費が無くなり、消費電力を低減することが可能になる。従って、上記特徴の本発明によれば、高速応答が可能となり、且つ、検波感度も損なうことのない状態で、出力信号の歪みを抑えることができる。

以下、本発明に係る電力増幅器の実施形態を図面に基づいて説明する。

〈第１実施形態〉
本発明に係る電力増幅器の第１実施形態について図４を基に説明する。図４に示すように、本発明に係る電力増幅器は、ベース端子が入力整合回路３０を介して入力端子Ａに、コレクタ端子が出力整合回路４０を介して出力端子Ｂに夫々接続されたトランジスタＱ２（電力増幅用トランジスタ）を備えた電力増幅部と、直流電源１からトランジスタＱ１（直流電流増幅用トランジスタ）を介して、トランジスタＱ２のベース端子にバイアス電流を供給するバイアス電流供給部１０と、ダイオードＤ１（検波用ダイオード）を備え、出力整合回路４０に接続された出力検波回路２０とを備え、出力検波回路２０のダイオードＤ１のアノード端子に、直流電源１からトランジスタＱ１を介して電流供給されるように構成されている。ここで、トランジスタＱ１の増幅率は１００程度、トランジスタＱ２の増幅率は１０〜１００程度である。

より詳細には、バイアス電流供給部１０は、図４に示すように、トランジスタＱ１のベース端子が抵抗Ｒ１を介して直流電源１に、コレクタ端子が抵抗Ｒ２を介して直流電源１に、エミッタ端子が抵抗Ｒ３を介してトランジスタＱ２のベース端子に夫々接続されている。直流電源１には、コンデンサＣ１が接続されている。更に、本実施形態では、バイアス電流供給部１０のトランジスタＱ１のエミッタ端子と出力検波回路２０のダイオードＤ１のアノード端子が抵抗Ｒ４を介して接続され、直流電源１から出力検波回路２０にバイアス電流を供給している。

出力検波回路２０は、ダイオードＤ１のアノード端子が、出力整合回路４０とコンデンサＣ３を介して接続されている。ダイオードＤ１のカソード端子と検波出力端子Ｃを接続する配線ルートとグランドの間には、コンデンサＣ２と抵抗Ｒ５が並列に接続されている。

尚、本実施形態では、トランジスタＱ１のエミッタ端子から抵抗Ｒ４を介してダイオードＤ１にバイアス電流の供給を行うため、出力整合回路４０から出力検波回路２０を介してトランジスタＱ２のベース端子に回り込む回り込み信号（包絡線成分）の信号レベルが従来と同等であっても、該回り込み信号がトランジスタＱ１を介さないことから、トランジスタＱ１による回り込み信号の増幅を防止でき、回り込み信号が入力信号へ与える影響を低減できる。

更に、該回り込み信号がトランジスタＱ１のエミッタ側へ入力されることで、包絡線成分を除去するためにコンデンサＣ１の容量値を大きくする必要がなくなる。包絡線成分を除去するためにコンデンサＣ１として０．１μＦ〜数μＦの大きな容量値のコンデンサを使用すると応答速度を損なうが、本発明によれば、従来通りの数ｎＦの容量値のコンデンサを使用することが可能となり、コンデンサＣ１の容量値を大きくすることによる応答速度の低下を招かない。

〈第２実施形態〉
本発明に係る電力増幅器の第２実施形態について図５を基に説明する。本実施形態では、上記第１実施形態とは、バイアス電流供給部１０から出力検波回路２０へのバイアス電流の供給経路の構成が異なる場合について説明する。

具体的には、本実施形態の電力増幅器は、図５に示すように、バイアス電流供給部１０のトランジスタＱ１のエミッタ端子と出力検波回路２０のダイオードＤ１のアノード端子が抵抗Ｒ６及び抵抗Ｒ４を介して接続され、抵抗Ｒ６と抵抗Ｒ４を接続する配線ルートとグランドの間にコンデンサＣ４が接続されている。本実施形態では、抵抗Ｒ６と抵抗Ｒ４の接続点とグランドの間にコンデンサＣ４を設けることで、回り込み信号の交流成分をある程度除去することが可能になる。

〈第３実施形態〉
本発明に係る電力増幅器の第３実施形態について図６を基に説明する。本実施形態では、上記第１実施形態とは、バイアス電流供給部１０から出力検波回路２０へのバイアス電流の供給経路の構成が異なる場合について説明する。

具体的には、本実施形態の電力増幅器は、図６に示すように、バイアス電流供給部１０のトランジスタＱ１のエミッタ端子と出力検波回路２０のダイオードＤ１のアノード端子が抵抗Ｒ６及び抵抗Ｒ４を介して接続され、抵抗Ｒ６と抵抗Ｒ４を接続する配線ルートとグランドの間にダイオードＤ２が接続されている。本実施形態では、抵抗Ｒ６と抵抗Ｒ４の接続点とグランドの間にダイオードＤ２を設けることで、ダイオードＤ１のバイアス点をより安定化すると共に、ダイオードＤ２がオン状態の場合に抵抗Ｒ４を介して漏れる回り込み信号をグランド電位へと流れ込ませることで、増幅すべき信号成分への影響を低減出来る。

従来技術に係る電力増幅器の一構成例を示す概略回路図 従来技術に係る電力増幅器の一構成例を示す概略回路図 信号に含まれる包絡線成分と搬送波成分を示す図 本発明に係る電力増幅器の第１実施形態を示す概略回路図 本発明に係る電力増幅器の第２実施形態を示す概略回路図 本発明に係る電力増幅器の第３実施形態を示す概略回路図

符号の説明

１ 直流電源
２ 直流電源
１０ バイアス電流供給部
２０ 出力検波回路
３０ 入力整合回路
４０ 出力整合回路
Ｑ１ トランジスタ
Ｑ２ トランジスタ
Ｄ１ ダイオード
Ｄ２ ダイオード
Ｒ１ 抵抗
Ｒ２ 抵抗
Ｒ３ 抵抗
Ｒ４ 抵抗
Ｒ５ 抵抗
Ｒ６ 抵抗
Ｃ１ コンデンサ
Ｃ２ コンデンサ
Ｃ３ コンデンサ
Ｃ４ コンデンサ
Ｃ５ コンデンサ
Ａ 入力端子
Ｂ 出力端子
Ｃ 検波出力端子

Claims (2)

1. ベース端子が入力整合回路を介して入力端子に、コレクタ端子が出力整合回路を介して出力端子に夫々接続された電力増幅用トランジスタを備えた電力増幅部と、
   直流電源から直流電流増幅用トランジスタを介して、前記電力増幅用トランジスタのベース端子にバイアス電流を供給するバイアス電流供給部と、
   検波用ダイオードを備え、前記出力整合回路に接続された出力検波回路と、を備える電力増幅器であって、
   前記出力検波回路の前記検波用ダイオードのアノード端子に、前記直流電源から前記直流電流増幅用トランジスタを介して電流供給され、
   前記直流電流増幅用トランジスタのエミッタ端子と前記検波用ダイオードのアノード端子が、電流供給用抵抗素子を介して接続されていることを特徴とする電力増幅器。
2. 前記バイアス電流供給部は、前記直流電流増幅用トランジスタのベース端子が第１抵抗素子を介して前記直流電源に、コレクタ端子が第２抵抗素子を介して前記直流電源に、エミッタ端子が第３抵抗素子を介して前記電力増幅用トランジスタのベース端子に夫々接続されていることを特徴とする請求項１に記載の電力増幅器。