JP5397307B2

JP5397307B2 - 高周波電力増幅器

Info

Publication number: JP5397307B2
Application number: JP2010101027A
Authority: JP
Inventors: 智之浅田; 貴雄春名; 純高相
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-04-26
Filing date: 2010-04-26
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2030-04-26
Also published as: US20110260794A1; US8207790B2; JP2011234024A

Description

本発明は、広い出力電力範囲で動作効率を向上させることができる高周波電力増幅器に関する。

携帯電話や携帯端末において、高周波信号を増幅する高周波電力増幅器が用いられている。従来は、２７．５ｄＢｍの大電力出力を得る場合は、大電力出力動作に適した高周波電力増幅器内の経路を用い、１７ｄＢｍの中電力出力を得る場合は、中電力出力動作に適した経路を用いることにより、それぞれの出力電力での動作効率を向上させていた（例えば、非特許文献１参照）。

Proceedings of the 36th European Microwave Conference, P348-P351

ＣＤＭＡ方式の携帯電話端末に用いられる高周波電力増幅器に要求される出力電力の範囲は、−５０ｄＢｍから２７．５ｄＢｍである。しかし、従来の高周波電力増幅器では、１７ｄＢｍより低い小出力電力時の動作効率を向上させるのには不十分であった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、広い出力電力範囲で動作効率を向上させることができる高周波電力増幅器を得るものである。

本発明は、外部から入力された高周波信号を増幅する第１のトランジスタと、前記第１のトランジスタと並列に接続され、前記高周波信号を増幅する第２のトランジスタと、前記第１のトランジスタの出力に接続された第１入力端子と、第１出力端子と、第２出力端子とを有し、前記第１入力端子を前記第１出力端子と前記第２出力端子の何れか一方に接続する第１のスイッチと、前記第１出力端子から出力された信号を増幅する第３のトランジスタと、前記第３のトランジスタの出力に接続された第２入力端子と、前記第２のトランジスタの出力及び前記第２出力端子に接続された第３入力端子と、第３出力端子とを有し、前記第２入力端子と前記第３入力端子の何れか一方を前記第３出力端子に接続する第２のスイッチとを備え、前記第１のトランジスタの出力電力は前記第２のトランジスタの出力電力よりも大きく、前記第１のトランジスタの動作効率は前記第２のトランジスタの動作効率よりも低いことを特徴とする高周波電力増幅器である。

本発明により、広い出力電力範囲で動作効率を向上させることができる。

実施の形態１に係る高周波電力増幅器を示す回路図である。実施の形態２に係る高周波電力増幅器を示す回路図である。実施の形態３に係る高周波電力増幅器を示す回路図である。実施の形態４に係る高周波電力増幅器を示す回路図である。実施の形態４に係る整合回路と第３のスイッチを示す回路図である。実施の形態４に係る整合回路と第３のスイッチの変形例を示す回路図である。実施の形態５に係る高周波電力増幅器を示す回路図である。実施の形態６に係る高周波電力増幅器を示す回路図である。実施の形態７に係る高周波電力増幅器を示す回路図である。実施の形態８に係る高周波電力増幅器を示す回路図である。実施の形態９に係る高周波電力増幅器を示す回路図である。実施の形態１０に係る高周波電力増幅器を示す回路図である。実施の形態１１に係る高周波電力増幅器を示す回路図である。実施の形態１２に係る高周波電力増幅器を示す回路図である。

本発明の実施の形態に係る高周波電力増幅器について図面を参照して説明する。同じ構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る高周波電力増幅器を示す回路図である。トランジスタ１０，１２は互いに並列に接続され、それらの入力は入力整合回路１４を介して信号入力端子１６に接続されている。トランジスタ１０，１２は、外部から信号入力端子１６に入力された高周波信号を増幅する。入力整合回路１４は、トランジスタ１０，１２のそれぞれの入力インピーダンスを特性インピーダンスに整合する。トランジスタ１０のエミッタサイズは、トランジスタ１２のエミッタサイズよりも大きい。

スイッチ１８は、トランジスタ１０の出力及びトランジスタ１２の出力に接続された入力端子１８ａと、出力端子１８ｂと、出力端子１８ｃとを有する。そして、スイッチ１８は、入力端子１８ａを出力端子１８ｂと出力端子１８ｃの何れか一方に接続する。

トランジスタ２０の入力は、段間整合回路２２を介して出力端子１８ｂに接続されている。トランジスタ２０は、出力端子１８ｂから出力された信号を増幅する。段間整合回路２２は、トランジスタ１０の出力インピーダンスとトランジスタ２０の入力インピーダンスを整合する。

スイッチ２４は、トランジスタ２０の出力に出力整合回路２６を介して接続された入力端子２４ａと、出力端子１８ｃに出力整合回路２８を介して接続された入力端子２４ｂと、出力端子２４ｃとを有する。そして、スイッチ２４は、入力端子２４ａと入力端子２４ｂの何れか一方を出力端子２４ｃに接続する。出力端子２４ｃは、信号出力端子３０に接続されている。出力整合回路２６は、トランジスタ２０の出力インピーダンスを特性インピーダンスに整合させる。出力整合回路２８は、トランジスタ１０の出力インピーダンス及びトランジスタ１２の出力インピーダンスを特性インピーダンスに整合させる。

続いて、上記の高周波電力増幅器の動作について説明する。１７ｄＢｍ以上の大電力出力を得る場合は、トランジスタ１０をオンさせ、トランジスタ１２をオフさせ、トランジスタ２０をオンさせる。スイッチ１８は入力端子１８ａを出力端子１８ｂに接続し、スイッチ２４は入力端子２４ａを出力端子２４ｃに接続する。これにより、信号入力端子１６に入力された信号は、経路１を通ってトランジスタ１０及びトランジスタ２０により増幅されて信号出力端子３０から出力される。

７〜１７ｄＢｍの中電力出力を得る場合は、トランジスタ１０をオンさせ、トランジスタ１２をオフさせ、トランジスタ２０をオフさせる。スイッチ１８は入力端子１８ａを出力端子１８ｃに接続し、スイッチ２４は入力端子２４ｂを出力端子２４ｃに接続する。これにより、信号入力端子１６に入力された信号は、経路２を通ってトランジスタ１０により増幅されて信号出力端子３０から出力される。

７ｄＢｍ以下の小電力出力を得る場合は、トランジスタ１０をオフさせ、トランジスタ１２をオンさせ、トランジスタ２０をオフさせる。スイッチ１８は入力端子１８ａを出力端子１８ｃに接続し、スイッチ２４は入力端子２４ｂを出力端子２４ｃに接続する。これにより、信号入力端子１６に入力された信号は、経路３を通ってトランジスタ１２により増幅されて信号出力端子３０から出力される。

上記のように、トランジスタ１０のエミッタサイズは、トランジスタ１２のエミッタサイズよりも大きい。従って、トランジスタ１０の出力電力はトランジスタ１２の出力電力よりも大きく、トランジスタ１０の動作効率はトランジスタ１２の動作効率よりも低い。ここで、動作効率は、（出力電力−入力電力）／消費電力×１００（％）で表される。消費電力は動作電圧×動作電流である。

本実施の形態では、７ｄＢｍ以下の小出力電力を得る場合、トランジスタ１２を選択することで動作効率を向上させることができる。従って、従来の高周波電力増幅器では７ｄＢｍ以下の小出力電力時の動作効率を向上させることはできなかったが、本実施の形態では可能である。よって、広い出力電力範囲で動作効率を向上させることができる。

実施の形態２．
図２は、実施の形態２に係る高周波電力増幅器を示す回路図である。実施の形態１の構成に加えて、トランジスタ１０の出力と入力端子１８ａとの接続点とトランジスタ１２の出力との間に整合回路３２が接続されている。この整合回路３２は、トランジスタ１２の出力インピーダンスと経路３のインピーダンスとを整合させる。整合回路３２によりトランジスタ１２の動作効率が向上する。

表１は、従来の高周波電力増幅器、実施の形態１に係る高周波電力増幅器、及び実施の形態２に係る高周波電力増幅器について、７ｄＢｍ出力時の動作効率を示す。この表１から分かるように、実施の形態２は実施の形態１よりも動作効率を向上させることができる。

実施の形態３．
図３は、実施の形態３に係る高周波電力増幅器を示す回路図である。実施の形態１の構成に加えて、トランジスタ１０の出力と入力端子１８ａとの接続点とトランジスタ１２の出力との間にスイッチ３４が接続されている。トランジスタ１０が動作し、かつトランジスタ１２が動作しない場合に、スイッチ３４はオフ（開放）する。このスイッチ３４によりトランジスタ１０の出力電力がトランジスタ１２のコレクタへ洩れ込む量を低減できるため、トランジスタ１０の動作効率が向上する。

表１は、従来の高周波電力増幅器及び実施の形態３に係る高周波電力増幅器について、１７ｄＢｍ出力時の動作効率を示す。この表２から分かるように、実施の形態３は従来よりも動作効率を３％向上させることができる。

実施の形態４．
図４は、実施の形態４に係る高周波電力増幅器を示す回路図である。実施の形態１の構成に加えて、実施の形態２の整合回路３２と実施の形態３のスイッチ３４の両方が設けられている。これにより、実施の形態２と実施の形態３の両方の効果を得ることができる。

図５は、実施の形態４に係る整合回路３２とスイッチ３４を示す回路図である。整合回路３２はインダクタ３６である。スイッチ３４は、並列接続された抵抗３８とトランジスタ４０である。図６は、実施の形態４に係る整合回路３２とスイッチ３４の変形例を示す回路図である。整合回路３２はインダクタ３６とコンデンサ４２である。なお、整合回路３２とスイッチ３４の接続位置を入れ替えてもよい。

実施の形態５．
図７は、実施の形態５に係る高周波電力増幅器を示す回路図である。実施の形態１の構成に加えて、トランジスタ１０の出力と入力端子１８ａとの接続点とトランジスタ１２の出力との間に線路４４が接続されている。線路４４は、高周波信号の波長の１／４の電気長を有する。この線路４４によりトランジスタ１０の出力電力がトランジスタ１２のコレクタへ洩れ込む量を低減できるため、トランジスタ１０の動作効率が向上する。

実施の形態６．
図８は、実施の形態６に係る高周波電力増幅器を示す回路図である。実施の形態１の構成に加えて、実施の形態２の整合回路３２と実施の形態５の線路４４の両方が設けられている。これにより、実施の形態２と実施の形態５の両方の効果を得ることができる。

実施の形態７．
図９は、実施の形態７に係る高周波電力増幅器を示す回路図である。実施の形態１とは異なり、トランジスタ１２の出力は、出力端子１８ｃに接続され、かつ出力整合回路２８を介して入力端子２４ｂに接続されている。これにより、経路３はスイッチ１８の損失の影響を受けない。よって、７ｄＢｍ以下の小電力出力時の動作効率を実施の形態１よりも向上させることができる

実施の形態８．
図１０は、実施の形態８に係る高周波電力増幅器を示す回路図である。実施の形態７の構成に加えて、出力端子１８ｃと出力整合回路２８（入力端子２４ｂ）との接続点とトランジスタ１２の出力との間に整合回路３２が接続されている。この整合回路３２は、トランジスタ１２の出力インピーダンスと経路３のインピーダンスとを整合させる。整合回路３２によりトランジスタ１２の動作効率が向上する。

実施の形態９．
図１１は、実施の形態９に係る高周波電力増幅器を示す回路図である。実施の形態７の構成に加えて、出力端子１８ｃと出力整合回路２８（入力端子２４ｂ）との接続点とトランジスタ１２の出力との間にスイッチ３４が接続されている。トランジスタ１０が動作し、かつトランジスタ１２が動作しない場合に、スイッチ３４はオフ（開放）する。このスイッチ３４によりトランジスタ１０の出力電力がトランジスタ１２のコレクタへ洩れ込む量を低減できるため、トランジスタ１０の動作効率が向上する。

実施の形態１０．
図１２は、実施の形態１０に係る高周波電力増幅器を示す回路図である。実施の形態７の構成に加えて、実施の形態８の整合回路３２と実施の形態９のスイッチ３４の両方が設けられている。これにより、実施の形態８と実施の形態９の両方の効果を得ることができる。

実施の形態１１．
図１３は、実施の形態１１に係る高周波電力増幅器を示す回路図である。実施の形態７の構成に加えて、出力端子１８ｃと出力整合回路２８（入力端子２４ｂ）との接続点とトランジスタ１２の出力との間に線路４４が接続されている。線路４４は、高周波信号の波長の１／４の電気長を有する。この線路４４によりトランジスタ１０の出力電力がトランジスタ１２のコレクタへ洩れ込む量を低減できるため、トランジスタ１０の動作効率が向上する。

実施の形態１２．
図１４は、実施の形態１２に係る高周波電力増幅器を示す回路図である。実施の形態７の構成に加えて、実施の形態８の整合回路３２と実施の形態１１の線路４４の両方が設けられている。これにより、実施の形態８と実施の形態１１の両方の効果を得ることができる。

１０トランジスタ（第１のトランジスタ）
１２トランジスタ（第２のトランジスタ）
１８スイッチ（第１のスイッチ）
１８ａ入力端子（第１入力端子）
１８ｂ出力端子（第１出力端子）
１８ｃ出力端子（第２出力端子）
２０トランジスタ（第３のトランジスタ）
２４スイッチ（第２のスイッチ）
２４ａ入力端子（第２入力端子）
２４ｂ入力端子（第３入力端子）
２４ｃ出力端子（第３出力端子）
３２整合回路
３４スイッチ（第３のスイッチ）
４４線路

Claims

外部から入力された高周波信号を増幅する第１のトランジスタと、
前記第１のトランジスタと並列に接続され、前記高周波信号を増幅する第２のトランジスタと、
前記第１のトランジスタの出力に接続された第１入力端子と、第１出力端子と、第２出力端子とを有し、前記第１入力端子を前記第１出力端子と前記第２出力端子の何れか一方に接続する第１のスイッチと、
前記第１出力端子から出力された信号を増幅する第３のトランジスタと、
前記第３のトランジスタの出力に接続された第２入力端子と、前記第２のトランジスタの出力及び前記第２出力端子に接続された第３入力端子と、第３出力端子とを有し、前記第２入力端子と前記第３入力端子の何れか一方を前記第３出力端子に接続する第２のスイッチとを備え、
前記第１のトランジスタの出力電力は前記第２のトランジスタの出力電力よりも大きく、
前記第１のトランジスタの動作効率は前記第２のトランジスタの動作効率よりも低いことを特徴とする高周波電力増幅器。
前記第２出力端子と前記第３入力端子との接続点と前記第２のトランジスタの出力との間に接続された整合回路を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の高周波電力増幅器。
前記第２出力端子と前記第３入力端子との接続点と前記第２のトランジスタの出力との間に接続された第３のスイッチを更に備え、
前記第１のトランジスタが動作し、かつ前記第２のトランジスタが動作しない場合に、前記第３のスイッチはオフすることを特徴とする請求項１又は２に記載の高周波電力増幅器。
前記第２出力端子と前記第３入力端子との接続点と前記第２のトランジスタの出力との間に接続された線路を更に備え、
前記線路は、前記高周波信号の波長の１／４の電気長を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の高周波電力増幅器。