JP5438523B2

JP5438523B2 - 高周波増幅器

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Publication number: JP5438523B2
Application number: JP2010004726A
Authority: JP
Inventors: 岳加藤
Original assignee: New Japan Radio Co Ltd
Current assignee: New Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2010-01-13
Filing date: 2010-01-13
Publication date: 2014-03-12
Anticipated expiration: 2030-01-13
Also published as: JP2011146843A

Description

本発明は、高周波増幅器に係り、特に電源電圧を変更した場合でも動作電流が所望の値に設定され、所望の性能特性を得ることができる高周波増幅器に関する。

移動体通信機器等の無線通信に用いられる高周波増幅器は、それを構成する素子のしきい値電圧などの生産ばらつきにより動作電流ならびに性能特性に差が生じることを防ぐため、バイアス回路を搭載する場合がある。バイアス回路の一例として、増幅回路を構成する素子のしきい値電圧と同じしきい値電圧を持つ素子を用いて、カレントミラー方式の回路とする技術が公知となっている（非特許文献１）。

図６は、従来のこの種のバイアス回路を備えた高周波増幅器の説明図である。図６に示すように、増幅回路４０１は入力端子ＩＮから入力した高周波信号を増幅して出力端子ＯＵＴに出力する。バイパス回路４０３は、強電界の入力信号により増幅回路４０１で増幅された信号が歪むのを防ぐために、入力信号をバイパスする回路である。増幅回路４０１が高周波信号を増幅する際の動作電流は、バイアス回路４０２と制御回路４０４によって決定される。

図７は、図６に示す高周波増幅器の詳細な回路図である。図７に示すように、増幅回路５０１は入力端子ＩＮから入力した高周波信号を増幅して出力端子ＯＵＴに出力する。バイパス回路５０３は、強電界の入力信号により増幅回路５０１で増幅された信号が歪むのを防ぐために、入力信号をバイパスする回路である。増幅回路５０１が高周波信号を増幅する際の動作電流は、制御回路５０４から出力された電圧がバイアス回路５０２に印加され、バイアス回路５０２から出力された電圧が増幅回路５０１に印加されることによって決定される。

バイアス回路５０２は、電界効果型トランジスタ５１３と抵抗素子５１４〜５１６とから構成されている。制御回路５０４の出力端子は、抵抗素子５１４と抵抗素子５１５の一方の端子にそれぞれ接続し、抵抗素子５１４の他方の端子は、電界効果型トランジスタ５１３のドレインおよびゲートに接続し、電界効果型トランジスタ５１３のソースは接地している。電界効果型トランジスタ５１３のゲートは、抵抗素子５１６の一方の端子に接続し、抵抗素子５１６の他方の端子は、増幅回路５０１に接続している。また抵抗素子５１５の他方の端子も、増幅回路５０１に接続している。

増幅回路５０１は、電界効果型トランジスタ５１１、５１２が主な構成素子となっている。そして抵抗素子５１６の他方の端子は、電界効果型トランジスタ５１１のゲートと接続し、抵抗素子５１５の他方の端子は、電界効果型トランジスタ５１２のゲートと接続している。このような構成とすることで、電界効果型トランジスタ５１１と電界効果型トランジスタ５１３は、いわゆるカレントミラー型の構成となる。

このように構成することによって、電界効果型トランジスタ５１１のドレイン・ソース間に流れる電流は、電界効果型トランジスタ５１３のドレイン・ソース間に流れる電流に応じた一定の電流となり、電界効果型トランジスタ５１１および電界効果型トランジスタ５１３のしきい値電圧が同じであれば、そのしきい値電圧の大きさによらず一定の電流となり、増幅回路５０１は、電界効果型トランジスタのしきい値電圧の生産ばらつきに関わらず一定の動作電流となる。

林浩二著、「携帯電話キーデバイスの開発と最新動向」、シーエムシー出版、平成１９年、ｐ．６５−６７

近年、このような高周波増幅器を用いた移動体通信機器では、低コスト化の要求に応えるため、一種類の高周波増幅器を、異なる電源電圧で動作させる移動体通信機器に用いるようになってきている。

しかしながら、従来例の高周波増幅器では、電源電圧が変わると、制御回路５０４、バイアス回路５０２を介して増幅回路５０１に印加される制御電圧が変化し、増幅回路の動作電流が変化してしまう。

図８は、従来の高周波増幅器に印加される電源電圧と電界効果型トランジスタの動作電流との関係を示すグラフである。図８に示すように、電源電圧が２．８Ｖのとき動作電流が３．５ｍＡとなるように構成された高周波増幅器の場合、電源電圧が１．８Ｖとなると動作電流が１．５ｍＡと大きく減少してしまう。このように動作電流が変化してしまうと、動作電流に応じて決定される性能特性が大きく変化する場合がある。

そのため従来は、所望の性能特性を得るためには、動作電流が同じになるような高周波増幅器を個別に用意したり、規模の大きい定電圧回路を構成する必要があり、低コスト化の要求に応えることができなかった。

本発明は上記問題を解消するため、電源電圧を変更した場合でも、動作電流を予め定めた値に設定することができる高周波増幅器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため本願請求項１に係る発明は、入力端子から入力した高周波信号を増幅し、出力端子から電源電圧が印加されるとともに、増幅した出力信号を出力する増幅用トランジスタからなる増幅回路と、前記増幅用トランジスタの制御電極に制御信号を出力するバイアス回路と、該バイアス回路の前記制御信号を調整する調整信号を出力する調整回路とを備えた高周波増幅器であって、前記調整回路は、一個または複数個を直列に接続したダイオード素子と第１および第２の電界効果型トランジスタと第１、第２、第３および第４の抵抗素子とを備え、前記出力端子に前記ダイオード素子のアノードと前記第１の抵抗素子の一端と前記第２の抵抗素子の一端が接続され、前記ダイオード素子のカソードは、前記第１の電界効果型トランジスタのゲートに接続されるとともに第３の抵抗素子を介して接地され、前記第１の抵抗素子の他端は、前記第２の電界効果型トランジスタのゲートと前記第１の電界効果型トランジスタのドレインに接続され、該第１の電界効果型トランジスタのソースは接地され、前記第２の抵抗素子の他端は、前記第２の電界効果型トランジスタのドレインと前記第４の抵抗素子の一端に接続され、前記バイアス回路に前記第２の電界効果型トランジスタのソースと前記第４の抵抗素子の他端が接続されてなり、前記出力端子に第１の電圧が印加されたときに、前記第２の電界効果型トランジスタが導通状態となり、前記調整回路から出力される信号と、前記出力端子に第２の電圧が印加されたときに、前記第２の電界効果型トランジスタが遮断状態となり、前記調整回路から出力される信号が同一であることを特徴とする。

本発明の高周波増幅器は、高周波増幅器に印加される電源電圧が異なる場合において、電界効果型トランジスタの動作電流をほぼ一定あるいは予め設定した任意の値にすることができる。このように動作電流をほぼ一定にすると、動作電流に応じて決定される性能特性、例えば高周波増幅器の利得や雑音指数をほぼ一定にすることができる。一方、動作電流を予め設定した任意の値にすると、動作電流と電源電圧の積であらわす消費電力に応じて決定される性能特性、例えば高周波増幅器の飽和特性をほぼ一定にすることができる。

このように動作させる電源電圧が異なる高周波増幅器について、それぞれの電源電圧で動作した場合の動作電流を、予め定めた値に設定することができるため、部品を共通化することができ、移動体通信機器の低コスト化を実現することができる。

本発明の高周波増幅器の説明図である。本発明の高周波増幅器の電源電圧と増幅用トランジスタの動作電流との関係を表すグラフである。本発明の高周波増幅器の別の電源電圧と増幅用トランジスタの動作電流の関係を表すグラフである。本発明の第１の実施例の説明図である。本発明の第２の実施例の回路図である。従来のカレントミラー方式のバイアス回路を備えた高周波増幅器の説明図である。図６に示す高周波増幅器の詳細な説明図である。従来の高周波増幅器の電源電圧と電界効果型トランジスタの動作電流との関係を表すグラフである。

図１は本発明の高周波増幅器の説明図である。図１に示す高周波増幅器は、主に増幅回路１０１、バイアス回路１０２および調整回路１０５とで構成されている。なお本発明はバイパス回路は必須の構成要件ではないので、バイパス回路は省略し、入力端子ＩＮと出力端子ＯＵＴに、それぞれ整合回路を付加している。

増幅回路１０１は、入力端子ＩＮから入力された高周波信号を増幅する回路であり、電界効果型トランジスタ１１１で構成されている。増幅回路１０１が高周波信号を増幅する際の動作電流は、整合回路１０６ｏと出力端子ＯＵＴを介して安定化電源１０７から印加される電源電圧が調整回路１０３に印加され、調整回路１０３から出力された調整信号（電圧信号）がバイアス回路１０２の電源電圧として印加され、バイアス回路１０２から出力される制御信号（電圧信号）が電界効果型トランジスタ１１１（増幅用トランジスタ）のゲートに印加されることによって決定される。

調整回路１０３の内部には、印加される電源電圧に応じて複数の調整信号を切り替えて出力する調整信号生成部とスイッチング部とを備えている。そしてスイッチング部を制御することで選択された調整信号が出力される。

図２は高周波増幅器に印加される電源電圧と増幅用トランジスタの動作電流の関係を表すグラフである。例えば、調整信号生成部の１つを選択した場合、電源電圧が２．８Ｖのとき動作電流が３．５ｍＡとなる。また、別の調整信号生成部に切り替えた場合には、電源電圧が１．８Ｖで動作電流が３．５ｍＡとなる。このように電源電圧に対する動作電流が切替可能となることによって、電源電圧が２．８Ｖの移動体通信機器と電源電圧が１．８Ｖ移動体通信機器に、共通部品として使用することができる。これらは動作電流がほぼ一定となるため、動作電流に応じて決定される高周波増幅器の性能特性もほぼ一定とすることができる。

また、図３は別の高周波増幅器に印加される電源電圧と増幅用トランジスタの動作電流の関係を表すグラフである。例えば、調整信号生成部の１つを選択した場合、電源電圧が２．８Ｖのとき動作電流が３．５ｍＡとなる。また、別の調整信号生成部に切り替えた場合には、電源電圧が１．８Ｖで動作電流が５．４ｍＡとなる。このように電源電圧に対する動作電流が切替可能となることによって、電源電圧が２．８Ｖの移動体通信機器と電源電圧が１．８Ｖの移動体通信機器に、共通部品として使用することができる。本実施例では、動作電流の値を異なる電源電圧で任意に設定することもできるため、高周波増幅器の電源電圧と動作電流の積である消費電力を一定にすることができ、消費電力によって決定される性能特性を、異なる電源電圧間で一定とすることができる。

次に高周波増幅器の具体的な回路構成について説明する。図４は本発明の第１の実施例の説明図である。増幅回路２０１は、整合回路２０６ｉ、入力端子ＩＮを介して入力される高周波信号を増幅する回路であり、電界効果型トランジスタ２１１で構成されている。増幅回路２０１が高周波信号を増幅する際の動作電流は、整合回路２０６ｏと出力端子ＯＵＴを介して安定化電源２０７から印加される電源電圧が調整回路２０３に印加され、調整回路２０３から出力される電圧（調整信号）がバイアス回路２０２の電源電圧として印加され、バイアス回路２０２から出力される電圧（制御信号）が電界効果型トランジスタ２１１（増幅用トランジスタ）のゲートに印加されることによって決定される。

調整回路２０３は、出力端子ＯＵＴに抵抗素子２１５の一端とインバーター回路２１３の一端が接続している。このインバーター回路２１３は、ある一定の電圧より高い入力電圧のとき、ほぼ０Ｖを出力し、ある一定の電圧より低い入力電圧のとき、予め設定された電圧を出力する、いわゆるＮＯＴ論理回路として機能する。また抵抗素子２１５の他端には抵抗素子２１６の一端とスイッチ素子２１４の一端が接続している。そして抵抗素子２１６の他端とスイッチ素子２１４の他端を互いに接続するとともにバイアス回路２０１に接続している。一方、インバーター回路２１３の他端はスイッチ素子２１４の制御端子に接続している。

調整回路２０３は、使用される電源電圧に応じて、スイッチ素子２１４の導通状態と遮断状態を切替えることで、抵抗素子２１６を短絡状態または導通状態となるように制御される。その結果、バイアス回路２０２に印加される電圧（調整信号）は、抵抗素子２１６が短絡状態の場合の電圧、抵抗素子２１６が導通状態の場合の電圧の２種類の切替えを行うことができる。

ここで、バイアス回路２０２に印加される電圧は、抵抗素子２１５および抵抗素子２１６の抵抗値を適宜設定するとともに、スイッチ素子２１４の導通状態、遮断状態を切替えることで、所望の値、即ち同一あるいは異なる値に設定することができる。

なお、調整回路２０３の出力電圧（調整信号）がバイアス回路２０２に印加され、バイアス回路２０２から電界効果型トランジスタ２１１の制御電圧が出力されるので、電界効果型トランジスタ２１１の動作電流が、例えば所望の値、前述の図２で説明したように異なる動作電圧で同一となるような値、あるいは図３で説明したように異なる動作電圧でそれぞれ異なる所望の値となるように、バイアス回路の出力電圧（制御信号）、調整回路の出力電圧（調整信号）が設定されることになる。

次に第２の実施例について説明する。図５は本発明の第２の実施例の説明図で、詳細な回路図を示している。増幅回路３０１は、調整回路３０６ｉ、入力端子ＩＮを介して入力される高周波信号を増幅する回路であり、電界効果型トランジスタ３１１で構成されている。増幅回路３０１が高周波信号を増幅する際の動作電流は、整合回路３０６ｏと出力端子ＯＵＴを介して安定化電源３０７から印加される電源電圧が調整回路３０３に印加され、調整回路３０３から出力される電圧（調整信号）がバイアス回路３０３の電源電圧として印加され、バイアス回路３０３が出力される電圧（制御信号）が電界効果型トランジスタ３１１（増幅用トランジスタ）のゲートに印加されることによって決定される。

調整回路３０３は、出力端子ＯＵＴにダイオード素子３１６のアノードと抵抗素子３１７の一端と抵抗素子３１８の一端とが接続している。またダイオード素子３１６のカソードに電界効果型トランジスタ３１３のゲートが接続するとともに、抵抗素子３２０を介して接地している。一方抵抗素子３１７の他端と電界効果型トランジスタ３１４のゲートが接続するとともに電界効果型トランジスタ３１３のドレインが接続し、ソースは接地している。抵抗素子３１８の他端は、電界効果型トランジスタ３１４のドレインと抵抗素子３１９の一端に接続し、電界効果型トランジスタ３１５のソースと抵抗素子３１９の他端は互いに接続するとともに電圧出力端子３２４に接続している。

バイアス回路３０２は、電圧出力端子３２４に接続する電圧印加端子３２５に、電界効果型トランジスタ３１２のドレインとゲートが接続し、電界効果型トランジスタ３１２のソースは接地している。また電界効果型トランジスタ３１２のゲートは、抵抗素子３１５を介して電圧出力端子３２６に接続している。以上の構成とすることで、電界効果型トランジスタ３１１と電界効果型トランジスタ３１２は、いわゆるカレントミラー型の構成となる。

増幅回路３０１が高周波信号を増幅する際の動作電流は、整合回路３０６ｏと出力端子ＯＵＴを介して安定化電源３０７から印加された電源電圧が調整回路３０３の電圧印加端子３２３に印加され、調整回路３０３の電圧出力端子３２４から出力された電圧がバイアス回路３０２の電圧印加端子３２５に印加され、バイアス回路３０２の電圧出力端子３２６から出力された電圧が増幅回路３０１に印加されることによって決定される。

ここで調整回路３０３は、電圧印加端子３２３に印加される電源電圧に応じて電界効果型トランジスタ３１４の導通状態と遮断状態を切替ることで、抵抗素子３１９を短絡状態または導通状態とし、バイアス回路３０２に印加される電圧を調整することができる。その結果、バイアス回路２０２に印加される電圧は、抵抗素子３１８および抵抗素子３１９の抵抗値を適宜設定するとともに、電界効果型トランジスタ３１４の導通状態、遮断状態を切替えることで、所望の値、即ち同一あるいは異なる値に設定することができる。

この調整回路３０３の動作について、安定化電源３０７が２．８Ｖのときと、１．８Ｖのときを例に説明する。このときの電界効果型トランジスタ３１３、３１４のしきい値電圧は０．３Ｖとする。安定化電源３０７の電圧が２．８Ｖのとき、電圧印加端子３２３に印加される電圧が約２．８Ｖであり、ダイオード素子３１６と抵抗素子３２０で分圧された約０．８Ｖの電圧が電界効果型トランジスタ３１３のゲートに印加され、電界効果型トランジスタ３１３は導通状態となる。このとき、電界効果型トランジスタ３１３のドレインは略０Ｖとなり、電界効果型トランジスタ３１４のゲートには略０Ｖが印加され、電界効果型トランジスタ３１４は遮断状態となる。その結果、調整回路３０３の電圧出力端子３２４には、抵抗素子３１８と抵抗素子３１９の合成抵抗とバイアス回路３０２と増幅回路３０１の合成インピーダンスによって分圧された約０．４Ｖの電圧が出力されることになる。

安定化電源３０７の電圧が１．８Ｖのとき、電圧印加端子３２３に印加される電圧が約１．８Ｖであり、ダイオード素子３１６と抵抗素子３２０で分圧された約０．２Ｖの電圧が電界効果型トランジスタ３１３のゲートに印加され、電界効果型トランジスタ３１３は遮断状態となる。このとき、電界効果型トランジスタ３１３のドレインは約１．１Ｖとなり、電界効果型トランジスタ３１４のゲートには約１．１Ｖが印加され、電界効果型トランジスタ３１４は導通状態となる。その結果、調整回路３０３の電圧出力端子３２４には、抵抗素子３１８電界効果型トランジスタ３１４のドレイン・ソース間抵抗の合成抵抗とバイアス回路３０２によって分圧された約０．４Ｖの電圧が出力される。

以上説明したように、安定化電源３０７の電圧が２．８Ｖのときと１．８Ｖのときにおいて、調整回路３０３の電圧出力端子３２４から約０．４Ｖの電圧が出力され、バイアス回路３０２を介して電界効果型トランジスタ３１１のゲートに印加されることで、増幅回路３０１の動作電流を一定に保つことができることがわかる。また、抵抗素子３１８、抵抗素子３１９の大きさと、電界効果型トランジスタ３１４の導通状態と遮断状態を切替える電源電圧を適宜設定するとともに、ダイオード素子３１６と抵抗素子３２０の大きさを適宜設定することで、調整回路３０３の電圧出力端子３２４から出力される電圧を適宜設定することが可能となる。

以上、本発明の実施例について説明してきたが、本発明は上記の実施例に限定されるものではなく、例えば調整回路を多段に接続して構成することで、任意の電源電圧を２点以上切替可能とすることができる。また、バイアス回路はカレントミラー型に限定されるものではなく、任意のバイアス回路を形成してもよい。さらに調整回路を構成する電界効果型トランジスタは、いわゆるエンハンスメント型に限定されるものではなく、いわゆるディプレッション型としてもよい。また電界効果型トランジスタの代わりにバイポーラトランジスタを用いることができる。

１０１；増幅回路、１０２；バイアス回路、１０３；調整回路、１０６；整合回路、１０７；安定化電源、１１１；電界効果型トランジスタ

Claims

入力端子から入力した高周波信号を増幅し、出力端子から電源電圧が印加されるとともに、増幅した出力信号を出力する増幅用トランジスタからなる増幅回路と、前記増幅用トランジスタの制御電極に制御信号を出力するバイアス回路と、該バイアス回路の前記制御信号を調整する調整信号を出力する調整回路とを備えた高周波増幅器であって、
前記調整回路は、一個または複数個を直列に接続したダイオード素子と第１および第２の電界効果型トランジスタと第１、第２、第３および第４の抵抗素子とを備え、前記出力端子に前記ダイオード素子のアノードと前記第１の抵抗素子の一端と前記第２の抵抗素子の一端が接続され、前記ダイオード素子のカソードは、前記第１の電界効果型トランジスタのゲートに接続されるとともに第３の抵抗素子を介して接地され、前記第１の抵抗素子の他端は、前記第２の電界効果型トランジスタのゲートと前記第１の電界効果型トランジスタのドレインに接続され、該第１の電界効果型トランジスタのソースは接地され、前記第２の抵抗素子の他端は、前記第２の電界効果型トランジスタのドレインと前記第４の抵抗素子の一端に接続され、前記バイアス回路に前記第２の電界効果型トランジスタのソースと前記第４の抵抗素子の他端が接続されてなり、
前記出力端子に第１の電圧が印加されたときに、前記第２の電界効果型トランジスタが導通状態となり、前記調整回路から出力される信号と、前記出力端子に第２の電圧が印加されたときに、前記第２の電界効果型トランジスタが遮断状態となり、前記調整回路から出力される信号が同一であることを特徴とする高周波増幅器。