JP5859416B2 - 高周波増幅器 - Google Patents

Description

本発明は、センサノードやＲＦＩＤ等に利用される例えば 300ＭHz帯の微弱無線規格の無線信号を送信する無線端末に用いられる高周波増幅器に関する。

図７は、微弱無線規格の従来の無線端末の構成例を示す（非特許文献１）。
図７おいて、無線端末は、パルス生成器７１でオンオフキーイング変調したパルス信号を高周波増幅器７２で増幅してアンテナ７３に供給し、アンテナ帯域内のスペクトル成分のみを無線信号（ＲＦパルス信号）として空中線へ送信する構成である。この高周波増幅器７２の効率は、無線端末全体のエネルギー効率に大きく影響するので、ここではインバータ型増幅器を用いてパルス信号を増幅してアンテナ７３を駆動している。これにより、不要なバイアス電流を流す必要がなく、高周波増幅器７２の消費電力の低減が可能になっている。

図８は、従来の補償型ソースフォロワ増幅器の構成例を示す（特許文献１）。
図８において、補償型ソースフォロワ増幅器は、ソースフォロワ回路８１の出力電圧を電圧加算回路８２を介してソースフォロワ回路８１にフィードバックし、ソースフォロワ回路８１のトランジスタのゲート−ソース間電圧Ｖgsを補償する構成である。この動作原理は、高速スイッチングを要する図７の高周波増幅器７２に適用する場合、デバイスの高性能化により対応することができる。

特開２００２−０５７５３７号公報

K. Suzuki, M. Ugajin, and M. Harada,"A １Mbps 1.6μA Active-RFID CMOS LSI for the 300MHz Frequency Band with an All-digital RF Transmitting Scheme,"IEICE Trans. on Electronics, Vol.E94-C, No.6, pp.1084-1090, 2011

無線端末のアンテナ７３として、送信される無線信号の波長に対して1/10以下のサイズの小型アンテナを用いる場合、高周波増幅器７２として用いるインバータ型増幅器は、急激に効率が低下する課題がある。そこで、図８に示すような低出力インピーダンスの補償型ソースフォロワ増幅器を用いることが検討されている。

しかし、図８に示す補償型ソースフォロワ増幅器は、入力信号に対して出力信号が同相で出力されるため、トランジスタにかかるゲート−ソース間電圧が小さくなって効率が低下する。また、正電圧の方向は補償されるが、負電圧を生成することができず歪みが生じる。さらに、負電圧が生成できないため、不要なトランジスタのオン状態を誘発して消費電力が増加する要因になる。このように、図８に示す補償型ソースフォロワ増幅器はパルス信号の入力を想定されていないため、そのまま図７の無線端末の高周波増幅器７２として用いることはできない。

本発明は、ソースフォロワ回路をパルス信号で駆動する場合に生じる効率低下および出力信号の歪みを緩和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。

本発明は、パルス信号を増幅してアンテナに供給し、無線信号として送信する無線端末の高周波増幅器において、パルス信号を差動化して出力する単相−差動変換回路と、単相−差動変換回路から出力される差動化されたパルス信号および反転パルス信号とアンテナへの供給電圧を分岐したフィードバック電圧とを入力し、該パルス信号および反転パルス信号に応じて、電源電圧と該フィードバック電圧を加算した電圧と、接地電圧と該フィードバック電圧を加算した電圧とを交互に生成する電圧加算回路と、電圧加算回路の出力信号を増幅してアンテナに供給するソースフォロワ回路とを備える。

本発明の高周波増幅器における電圧加算回路は、入力するパルス信号で相補的にオンオフする第１のスイッチおよび第３のスイッチと、入力する反転パルス信号で相補的にオンオフする第２のスイッチおよび第４のスイッチとを備え、かつ第１のスイッチおよび第４のスイッチと、第２のスイッチおよび第３のスイッチが相補的にオンオフする構成であり、電源端子、第１のスイッチ、第２のスイッチ、ソースフォロワ回路の入力に接続される電圧出力端子が直列に接続され、接地端子、第３のスイッチ、第４のスイッチ、電圧出力端子が直列に接続され、第１のスイッチおよび第２のスイッチの接続点と、第３のスイッチおよび第４のスイッチの接続点との間に２つの容量素子を直列に接続し、その容量素子の接続点を抵抗素子を介して接地するとともに、ソースフォロワ回路の出力に接続されるフィードバック電圧入力端子を接続する構成としてもよい。

本発明の高周波増幅器は、ソースフォロワ回路は、差動アンテナに対応する差動ソースフォロワ回路であり、電圧加算回路は、差動ソースフォロワ回路の出力電圧を、差動化されたパルス信号および反転パルス信号に応じて、それぞれ電源電圧および接地電圧に加算して差動ソースフォロワ回路に入力する構成としてもよい。

本発明の高周波増幅器は、パルス信号とソースフォロワ回路の出力信号を加算し、正負双方の電圧を生成してソースフォロワ回路にフィードバックすることにより、パルス信号を効率よく増幅してアンテナに供給することができる。また、送信される無線信号の波長に対して1/10以下のサイズの小型アンテナを用いる場合でも、高効率にアンテナに電力を供給することができる。

本発明の高周波増幅器の実施例１の構成を示す図である。 従来回路と実施例１の回路の入出力電圧波形の一例を示す図である。 電圧加算回路１２の構成例を示す図である。 本発明の高周波増幅器の実施例２の構成を示す図である。 本発明の高周波増幅器の実施例３の構成を示す図である。 実施例２のトランジスタ回路構成例を示す図である。 微弱無線規格の従来の無線端末の構成例を示す図である。 従来の補償型ソースフォロワ増幅器の構成例を示す図である。

図１は、本発明の高周波増幅器の実施例１の構成を示す。図２は、従来回路と実施例１の回路の入出力電圧波形の一例を示す。

図１において、実施例１の高周波増幅器は、無線端末を構成するパルス生成器７１とアンテナ７３との間に、単相−差動変換回路１１、電圧加算回路１２およびソースフォロワ回路１３を接続した構成であり、ソースフォロワ回路１３の出力を電圧加算回路１２にフィードバックする構成である。

本実施例では、ソースフォロワ回路１３の出力電圧が電圧加算回路１２にフィードバックし、図２に示すように、その出力電圧に応じてソースフォロワ回路１３の入力電圧が増加することで、アンテナ７３を駆動するソースフォロワ回路１３のピーク出力および効率がアップする。

図３は、電圧加算回路１２の構成例を示す。
図３において、電圧加算回路１２は、単相−差動変換回路１１から出力される差動化された一方のパルス信号で相補的にオンオフするスイッチ２１，２３と、他方の反転パルス信号で相補的にオンオフするスイッチ２２，２４とを備える。すなわち、スイッチ２１，２４がオンのときにスイッチ２２，２３がオフになるように、相補的に同時にオンオフする構成である。このようなスイッチ構成は、図３(2) に示すように、スイッチ２１，２２をＰＭＯＳトランジスタ、スイッチ２３，２４をＮＭＯＳトランジスタで構成することにより実現することができる。

電圧加算回路１２は、２つの容量素子２５，２６と、抵抗素子２７と、電源端子２８と、接地端子２９と、ソースフォロワ回路１３の出力に接続されるフィードバック電圧入力端子３０と、ソースフォロワ回路１３の入力に接続される電圧出力端子３１とを備える。電源端子２８、スイッチ２１、スイッチ２２、電圧出力端子３１が直列に接続され、接地端子２９、スイッチ２３、スイッチ２４、電圧出力端子３１が直列に接続される。スイッチ２１，２２の接続点とスイッチ２３，２４の接続点との間に容量素子２５，２６を直列に接続し、容量素子２５，２６の接続点を抵抗素子２７を介して接地するとともに、フィードバック電圧入力端子３０を接続する。

このような構成のスイッチ２１〜２４を差動化されたパルス信号で相補的にオンオフすることにより、電圧出力端子３１には、電源電圧とフィードバック電圧が加算された電圧と、接地電圧とフィードバック電圧が加算された電圧が交互に出力される。すなわち、パルス信号の特性を活かして電圧加算回路１２を構成することにより、どの状態においても電源から接地への経路がスイッチ２１〜２４によって遮断されるので、動作に直流電流を要求せずに低消費電力動作が可能になる。さらに、パルス出力が電源電圧によって制限されないため、高い電源電圧が不要となり、低消費電力および可用性を高めることができる。

なお、トランスファーゲートを利用した構成法もあるが、図３に示す電圧加算回路１２の構成はスイッチを構成する素子数が少ないため、小さな面積で実現することができる。

図４は、本発明の高周波増幅器の実施例２の構成を示す。
図４において、パルス生成器７１および単相−差動変換回路１１は実施例１と同様である。実施例２では、差動アンテナ（ダイポールアンテナ）７４を駆動するために、差動ソースフォロワ回路１４および２つの電圧加算回路１２−１，１２−２を用いた構成である。

本実施例では、差動ソースフォロワ回路１４の出力電圧が電圧加算回路１２−１，１２−２にそれぞれフィードバックし、その出力電圧に応じて差動ソースフォロワ回路１４の入力電圧が増加することで、差動アンテナ７４を駆動する差動ソースフォロワ回路１４のピーク出力および効率がアップする。また、差動回路を構成することにより、偶数次の高調波を減衰させることができ、他の通信機器に対する妨害を抑えることができる。

図５は、本発明の高周波増幅器の実施例３の構成を示す。
本実施例は、実施例２における差動ソースフォロワ回路１４の出力からハイパスフィルタ（ＨＰＦ）１５−１，１５−２を介して３次以上の高調波を抽出し、電圧加算回路１２−１，１２−２にネガティブフィードバックしてパルス出力から減算する構成である。これにより、差動ソースフォロワ回路１４の出力から偶数時の高調波に加えて奇数時の高調波も抑圧することができ、他の通信機器に対する妨害を抑えることができる。なお、電圧加算回路１２−１，１２−２は、図３に示すように、容量素子２５，２６と抵抗素子２７によるハイパスフィルタを形成しており、フィードバック経路のハイパスフィルタ１５−１，１５−２に対する要求条件を緩和することができる。

ここで、実施例２の差動ソースフォロワ回路１４をＮＭＯＳトランジスタおよびＰＭＯＳトランジスタで構成した回路構成を図６に示す。実施例１および実施例３においても同様である。

差動ソースフォロワ回路１４は、ＮＭＯＳトランジスタのソース部と接地間またはＰＭＯＳトランジスタのソース部と電源間に、インダクタを接続した構成である。差動アンテナ７４として送信される無線信号の波長に対して1/10以下のサイズの小型アンテナを用いるに場合に、このインダクタのインダクタンスでインピーダンス調整を行うことにより、高い出力電圧を得ることができる。

１１ 単相−差動変換回路
１２ 電圧加算回路
１３ ソースフォロワ回路
１４ 差動ソースフォロワ回路
１５ ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）
２１，２２，２３，２４ スイッチ
２５，２６ 容量素子
２７ 抵抗素子
２８ 電源端子
２９ 接地端子
３０ フィードバック電圧入力端子
３１ 電圧出力端子
７１ パルス生成器
７２ 高周波増幅器
７３ アンテナ
８１ ソースフォロワ回路
８２ 電圧加算器

Claims (3)

1. パルス信号を増幅してアンテナに供給し、無線信号として送信する無線端末の高周波増幅器において、
   前記パルス信号を差動化して出力する単相−差動変換回路と、
   前記単相−差動変換回路から出力される差動化されたパルス信号および反転パルス信号と前記アンテナへの供給電圧を分岐したフィードバック電圧とを入力し、該パルス信号および反転パルス信号に応じて、電源電圧と該フィードバック電圧を加算した電圧と、接地電圧と該フィードバック電圧を加算した電圧とを交互に生成する電圧加算回路と、
   前記電圧加算回路の出力信号を増幅して前記アンテナに供給するソースフォロワ回路と を備えたことを特徴とする高周波増幅器。
2. 請求項１に記載の高周波増幅器において、
   前記電圧加算回路は、
   入力する前記パルス信号で相補的にオンオフする第１のスイッチおよび第３のスイッチと、入力する前記反転パルス信号で相補的にオンオフする第２のスイッチおよび第４のスイッチとを備え、かつ前記第１のスイッチおよび前記第４のスイッチと、前記第２のスイッチおよび前記第３のスイッチが相補的にオンオフする構成であり、
   電源端子、前記第１のスイッチ、前記第２のスイッチ、前記ソースフォロワ回路の入力に接続される電圧出力端子が直列に接続され、
   接地端子、前記第３のスイッチ、前記第４のスイッチ、前記電圧出力端子が直列に接続され、
   前記第１のスイッチおよび前記第２のスイッチの接続点と、前記第３のスイッチおよび前記第４のスイッチの接続点との間に２つの容量素子を直列に接続し、その容量素子の接続点を抵抗素子を介して接地するとともに、前記ソースフォロワ回路の出力に接続されるフィードバック電圧入力端子を接続する
   ことを特徴とする高周波増幅器。
3. 請求項１に記載の高周波増幅器において、
   前記ソースフォロワ回路は、差動アンテナに対応する差動ソースフォロワ回路であり、 前記電圧加算回路は、前記差動ソースフォロワ回路の出力電圧を、前記差動化されたパルス信号および反転パルス信号に応じて、それぞれ電源電圧および接地電圧に加算して前記差動ソースフォロワ回路に入力する構成である
   ことを特徴とする高周波増幅器。

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