JP6364624B2 - 電力増幅器 - Google Patents

Description

本技術は電力増幅器に関し、例えば無線通信装置等に用いられる高周波電力増幅器に関する。

近年、携帯電話等の移動体通信機器は通話のみならず、メールやコンテンツなど各種データを送受信する情報伝達手段となっている。これに伴い、携帯電話にも無線ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）等が搭載されるようになった。

無線ＬＡＮにおいて高速データ通信を行なう際の変調波はＯＦＤＭ（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）方式が用いられる。ＯＦＤＭを用いたシステムでは高い変調精度が必要とされるため、高周波電力増幅器では高い線形性が求められる。従って、高周波電力増幅器は、最大出力よりも十分に小さな出力の線形増幅領域で使用するように設計される。

一方、高周波電力増幅器の最大出力を高くするために、トランジスタの個数を増やす、またはサイズを大きくすると、増幅器の熱応答が遅くなる。このため、増幅器の起動直後に増幅トランジスタの発熱によって、増幅器の温度が上昇し始めてから安定するまで時間を要する。そして、この温度上昇中には増幅器の利得や位相が変化するが、ＯＦＤＭにおいてはこのような変化もＥＶＭ（Ｅｒｒｏｒ Ｖｅｃｔｏｒ Ｍａｇｎｉｔｕｄｅ）の致命的な劣化の原因となる。

上述した課題を解決するために、図７に示すような電力増幅器が特許文献１において提案されている。図７に示す電力増幅器は、一端が制御電圧を供給する制御端子２００に接続された容量素子５０１と、容量素子５０１の他端に接続された時定数制御回路１８０と、容量素子５０１と並列に接続された放電回路１６０と、時定数制御回路１８０及び温度補償回路１３０に接続されたバイアス回路１２０とを備える。

制御電圧立ち上がり時に容量素子５０１が充電され、その充電電荷による充電電流が抵抗１９２に流れる。そのため、温度補償回路１３０から出力される電圧が過渡的に増加して、増幅トランジスタ１０４へのバイアスを過渡的に増加させることができる。そして、増幅器の利得が一時的に増大することにより、増幅トランジスタ１０４の発熱による温度変動が回路全体で平衡状態に達するまでの時間を短縮できる。その結果、増幅器の起動直後における増幅トランジスタ１０４の発熱による温度変動に起因するＥＶＭの劣化を抑えることができる。

国際公開第２０１２／１１１２７４号

しかしながら、特許文献１に記載の電力増幅器では、容量素子５０１の容量が一定値であるため、電荷量が制御電圧の値に依存する。つまり、増幅トランジスタ１０４の過渡応答特性が外部からの制御電圧の振幅によって変動する。その結果、特許文献１に記載の電力増幅器では、制御電圧の振幅のバラツキに起因したＥＶＭの劣化が生じるという課題がある。

上記課題を解決するため、本技術の一態様に係る電力増幅器は、電力増幅を行う増幅トランジスタと、増幅トランジスタのベースにバイアス電圧を出力するバイアス回路と、バイアス回路の動作状態と停止状態とを切り換え制御する制御電圧が印加される制御端子と、制御端子に接続されたバイアス電圧調整回路とを備え、バイアス電圧調整回路は、制御端子に接続され、制御電圧が増加するにつれて容量値が減少する可変容量素子と、可変容量素子に蓄積された電荷を制御端子に放電する放電回路と、バイアス回路に接続され、バイアス電圧を制御する制御回路とを有し、制御電圧が印加されてから所定期間の間、バイアス電圧を増加させるバイアス電圧調整信号をバイアス回路に出力する。

本技術によれば、バイアス電圧調整回路に可変容量素子を用いることで、制御電圧から可変容量素子に充電される電荷量を、制御電圧の振幅によらず、ほぼ一定に保てる。その結果、増幅トランジスタの過渡応答特性に対する制御電圧の振幅のバラツキによる影響を低減できるため、ＥＶＭの劣化を抑制できる。なお、本技術は高周波電力増幅器以外の電力増幅器にも適用可能である。

第１の実施形態に係る電力増幅器の回路図である。 第１の実施形態に係る電力増幅器のレイアウトの一部を示す図である。 制御電圧と時間の関係を示すグラフである。 増幅トランジスタのアイドル電流と時間の関係を示すグラフである。 電力増幅器の制御端子に印加される制御電圧を示すグラフである。 特許文献１に係る電力増幅器の過渡応答特性の一例を示すグラフである。 第１の実施形態に係る電力増幅器の過渡応答特性の一例を示すグラフである。 第２の実施形態に係る電力増幅器の回路図である。 特許文献１に記載の電力増幅器の回路図である。

以下、本技術について、図面を用いて説明する。本技術は以下の実施形態に限定されない。また、実質的に同一の構成要素に対しては、同じ符号を付して説明を省略することがある。

（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態に係る電力増幅器の回路図である。

本実施形態に係る電力増幅器は入力端子１００と、出力端子１０８と、入力整合回路１０２と、出力整合回路１０６と、増幅トランジスタ１０４と、安定化抵抗１０５と、バイアス回路１２０と、バイアス電圧調整回路１５０と、制御端子２００と、バイアス電源端子２０２と、コレクタ電源端子２０４と、チョークコイル１１０とを備える。

入力端子１００は入力整合回路１０２を介して増幅トランジスタ１０４のベースに接続されており、増幅トランジスタ１０４のエミッタは接地され、コレクタはチョークコイル１１０を介してコレクタ電源端子２０４に接続され、且つ出力整合回路１０６を介して出力端子１０８に接続されている。

バイアス回路１２０は増幅トランジスタ１０４にバイアスを行うバイアストランジスタ１２２と温度補償回路１３０とを備え、バイアストランジスタ１２２のコレクタはバイアス電源端子２０２に接続され、エミッタは安定化抵抗１０５を介して増幅トランジスタ１０４のベースに接続されている。

温度補償回路１３０は抵抗１３２と、トランジスタ１３４と、トランジスタ１３６とを備え、抵抗１３２の一端は制御端子２００に接続され、他端はバイアストランジスタ１２２のベースとトランジスタ１３４のコレクタとベースに接続され、トランジスタ１３４のエミッタはトランジスタ１３６のコレクタとベースに接続される。

バイアス電圧調整回路１５０は放電回路１６０と、可変容量素子１７０と、時定数制御回路１８０と、制御回路１９０とを備える。放電回路１６０は電界効果トランジスタ１６２を備える。電界効果トランジスタ１６２はｎチャネル型であることが好ましい。なお、電界効果トランジスタ１６２はｐチャネル型であってもよい。可変容量素子１７０は可変容量ダイオード１７２を備える。時定数制御回路１８０はトランジスタ１８２と、トランジスタ１８２のエミッタに接続された抵抗１８４と、トランジスタ１８６とを備える。制御回路１９０は、バイアス回路１２０が出力する電圧を制御出来る回路であればよく、本実施形態では抵抗１９２を有する。なお、制御回路１９０はダイオードでも良い。

抵抗１９２の一端は接地され、他端はトランジスタ１３６のエミッタとトランジスタ１８６のエミッタに接続され、トランジスタ１８６のベースは抵抗１８４を介してトランジスタ１８２のエミッタに接続され、トランジスタ１８２とトランジスタ１８６のコレクタは、バイアス電源端子２０２に接続される。

可変容量ダイオード１７２はカソードが制御端子２００に接続され、アノードがトランジスタ１８２のベースに接続される。電界効果トランジスタ１６２のゲートは接地され、ドレインは制御端子２００に接続され、ソースはトランジスタ１８２のベースに接続される。

図１に示す電力増幅器においては、入力端子１００から入力された信号は入力整合回路１０２を介して増幅トランジスタ１０４に入力され、増幅トランジスタ１０４で電力増幅される。この増幅された高周波信号は出力整合回路１０６を介して、出力端子１０８に出力される。本実施形態では、一例として、入力された信号が高周波信号である場合について説明する。

一方、制御端子２００に印加される制御電圧の立ち上がり時には、可変容量ダイオード１７２の充電が完了するまで充電電流が流れることにより、トランジスタ１８２とトランジスタ１８６についてもコレクタからエミッタに電流が流れ、その電流が抵抗１９２に流れ込む。

それによって、バイアストランジスタ１２２のベース電位が過渡的に上昇することにより、増幅トランジスタ１０４へのバイアス電圧が過渡的に増加する。そのため、増幅器の利得が一時的に増加することによって、増幅トランジスタ１０４の発熱による温度変動が回路全体で平衡状態に達するまでの時間が短縮される。その結果、増幅器の起動直後における増幅トランジスタ１０４の発熱による温度変動に起因するＥＶＭの劣化を抑えることができる。

このとき、抵抗１９２の抵抗値は、可変容量ダイオード１７２の充電完了までの時定数に影響を与えない程度まで、抵抗１８４の抵抗値に対して十分に小さな値であるように設計されている。具体的には、抵抗１８４の抵抗値が抵抗１９２の抵抗値の数千倍以上であればよい。

制御電圧の立ち下り時には、可変容量ダイオード１７２に充電されていた電荷が電界効果トランジスタ１６２によって放電される。

可変容量ダイオードの容量と電圧の関係式は式１で示す事が出来る。

つまり、可変容量ダイオード１７２は、制御電圧が増大するにつれて空乏層幅が広がるため容量値が小さくなり、制御電圧が減少するにつれて空乏層幅が狭くなるため容量値が大きくなる特性を有する。そのため、制御電圧の立ち上がり時に可変容量ダイオード１７２に充電される電荷量は制御電圧によらず、ほぼ一定である。ここで、「ほぼ一定」とは、可変容量ダイオード１７２の製造上の誤差による特性変動分を含む意味である。

バイアス電圧調整回路１５０は増幅トランジスタ１０４のアイドル電流を過渡的に増加させる。つまり、バイアス電圧調整回路１５０は、バイアス回路１２０に対して、増幅トランジスタ１０４へのバイアス電圧を増加させるバイアス電圧調整信号を出力する。バイアス電圧調整信号の大きさは、可変容量素子１７０に蓄積された電荷量に応じて制御回路１９０によって決定される。

時定数制御回路１８０は、バイアス電圧調整回路１５０がバイアス電圧調整信号を増幅トランジスタ１０４のベースへ出力する所定期間を、抵抗１８４の値により設定する。

図２は、図１における増幅トランジスタ１０４及びその周辺のレイアウトを示した図である。図２に示すように、増幅トランジスタ１０４は半導体チップ上に形成され、互いに並列に接続された複数のトランジスタ６００により構成されている。

具体的には、複数のトランジスタ６００のベースは、ベース配線６０２により互いに接続されている。複数のトランジスタ６００のコレクタは、コレクタ配線６０４を介して互いに接続され、コレクタ配線６０４は出力整合回路１０６と接続されている。複数のトランジスタ６００のエミッタは、エミッタ配線６０６を介して互いに接続され、ビアホール６０８を介して接地されている。

図３Ａ、図３Ｂは、バイアス電圧調整回路１５０が無い場合について、高周波信号を入力しない状態における、制御電圧（３．２Ｖ）と増幅トランジスタ１０４のアイドル電流との関係を示す図である。前述した所定期間は、図３Ａ、図３Ｂに示すように制御端子に制御電圧が印加されることにより、第１のアイドル電流が流れ、複数のトランジスタ６００が発熱し始めてから、半導体チップ上の熱伝導により熱平衡となった状態における第２のアイドル電流に達するまでの期間である。

次に、バイアス電圧調整回路１５０が有る場合について、制御電圧と増幅トランジスタ１０４のアイドル電流との関係がどう変化するか説明する。

まず比較例として、特許文献１に記載された図７の電力増幅器について、高周波信号を入力しない状態での増幅トランジスタ１０４のアイドル電流の過渡応答特性のシミュレーション結果の一例を示す。

図４は、制御端子２００に印加する制御電圧を示す。縦軸は制御電圧［Ｖ］、横軸は時間［μｓｅｃ］である。制御電圧は、パルス幅が１００μｓｅｃ、デューティー比が５０％、振幅が２．９Ｖ、３．２Ｖ、３．５Ｖの電圧パルス信号である。

一例として、制御電圧が３．２Ｖにおいて所望の過渡応答特性が得られる電力増幅器について考える。

まず、図５Ａに図７の電力増幅器について、高周波信号を入力しない状態での増幅トランジスタ１０４のアイドル電流の過渡応答特性のシミュレーション結果の一例を示す。

図７に示す容量素子５０１に制御電圧から充電される電荷量は、制御電圧の振幅により変わる。そのため、制御電圧が３．２Ｖより低い場合、例えば２．９Ｖの場合、制御回路１９０に流れ込む電流が不足するため、バイアストランジスタ１２２のベース電位の上昇も不十分になってしまう。その結果、バイアス電圧調整回路５５０が増幅トランジスタ１０４のアイドル電流を過渡的に増加する量が減少してしまうことにより、増幅トランジスタ１０４の熱応答の遅さをバイアス電圧調整回路５５０で補償する事ができない。

制御電圧が３．２Ｖよりも高い場合、例えば３．５Ｖの場合、逆に、バイアス電圧調整回路５５０が増幅トランジスタ１０４のアイドル電流を過渡的に増加する量が過度になるため、バイアス電圧調整回路５５０による増幅トランジスタ１０４の熱応答の遅さの補償も過度になってしまう。これは増幅器の立ち上がり直後の利得や位相の変化の原因となり、歪やＥＶＭ劣化の原因となる。

次に図５Ｂに図１の電力増幅器について、高周波信号を入力しない状態での増幅トランジスタ１０４のアイドル電流の過渡応答特性のシミュレーション結果の一例を示す。制御電圧は、比較例と同様、図４に示す制御電圧を印加する。

本実施形態では、制御電圧が増大するにつれて、空乏層幅が広がるため可変容量ダイオード１７２の容量値が小さくなり、制御電圧が減少するにつれて、空乏層幅が狭くなるため可変容量ダイオード１７２の容量値が大きくなる。つまり、制御電圧が２．９Ｖと３．５Ｖとで可変容量ダイオード１７２に充電される電荷量がほぼ一定であるため、バイアス電圧調整回路１５０が増幅トランジスタ１０４のアイドル電流を過渡的に増加する量もほぼ変わらない。これにより、制御端子２００に印加される制御電圧の振幅のバラツキに係らず、入力端子１００から入力された高周波信号を、増幅トランジスタ１０４がそのバラツキを抑えて増幅できるため、ＥＶＭの劣化を抑制できる。

（第２の実施形態）
図６に第２の実施形態の電力増幅器の回路図を示す。

図６に示す電力増幅器の温度補償回路４３０はトランジスタ１３７と、トランジスタ１３８と、抵抗１３２と、抵抗１３９とを備え、抵抗１３２の一端は制御端子２００に接続され、他端はバイアストランジスタ１２２のベースとトランジスタ１３７のベースとトランジスタ１３８のコレクタに接続される。

トランジスタ１３７のコレクタはバイアストランジスタ１２２のコレクタとトランジスタ１８２のコレクタとトランジスタ１８６のコレクタに接続され、トランジスタ１３７のエミッタはトランジスタ１３８のベースに接続され、且つ、一端が接地された抵抗１３９を介して接地される。トランジスタ１３８のエミッタは抵抗１９２を介して接地される。

図６に示す電力増幅器についても、制御端子２００に印加される制御電圧の立ち上がり時には、可変容量ダイオード１７２の充電完了まで充電電流が流れることにより、トランジスタ１８２とトランジスタ１８６についてもコレクタからエミッタに電流が流れ、その電流が抵抗１９２に流れ込む。

そのため、トランジスタ１３８のエミッタ電位が上昇し、トランジスタ１３７のコレクタに流れ込む電流が減少することにより、バイアストランジスタ１２２のベース電位が上昇する。よって、増幅トランジスタ１０４へのバイアスが過渡的に増加するため、増幅器の利得が一時的に増加する。

その結果、増幅トランジスタ１０４の発熱による温度変動が回路全体で平衡状態に達するまでの時間を短縮できるため、増幅器の起動直後における増幅用トランジスタの発熱による温度変動に起因するＥＶＭの劣化を抑えることができる。

また、図６に示す電力増幅器も、図１に示す電力増幅器と同様に、制御電圧の立ち上がり時に可変容量ダイオード１７２に充電される電荷量は制御電圧によらず、ほぼ一定であるため、バイアス電圧調整回路１５０が増幅トランジスタ１０４のアイドル電流を過渡的に増加する量も変わらない。

なお、本技術の「第１の抵抗」は、上記実施形態における抵抗１９２に相当する。また、本技術の「第２の抵抗」は、上記実施形態における抵抗１８４に相当する。また、本技術の「第３の抵抗」は、上記実施形態における抵抗１３２に相当する。また、本技術の「第４の抵抗」は、上記実施形態における抵抗１３９に相当する。また、本技術の「第１のトランジスタ」は、上記実施形態におけるトランジスタ１８２に相当する。また、本技術の「第２のトランジスタ」は、上記実施形態におけるトランジスタ１８６に相当する。また、本技術の「第３のトランジスタ」は、上記実施形態におけるトランジスタ１３４に相当する。また、本技術の「第４のトランジスタ」は、上記実施形態におけるトランジスタ１３６に相当する。また、本技術の「第５のトランジスタ」は、上記実施形態におけるトランジスタ１３７に相当する。また、本技術の「第６のトランジスタ」は、上記実施形態におけるトランジスタ１３８に相当する。

１００ 入力端子
１０２ 入力整合回路
１０４ 増幅トランジスタ
１０５ 安定化抵抗
１０６ 出力整合回路
１０８ 出力端子
１１０ チョークコイル
１２０ バイアス回路
１２２ バイアストランジスタ
１３０ 温度補償回路
１３２ 抵抗
１３４，１３６，１３７，１３８ トランジスタ
１３９ 抵抗
１５０ バイアス電圧調整回路
１６０ 放電回路
１６２ 電界効果トランジスタ
１７０ 可変容量素子
１７２ 可変容量ダイオード
１８０ 時定数制御回路
１８２ トランジスタ
１８４ 抵抗
１８６ トランジスタ
１９０ 制御回路
１９２ 抵抗
２００ 制御端子
２０２ バイアス電源端子
２０４ コレクタ電源端子
４３０ 温度補償回路
５０１ 容量素子
５５０ バイアス電圧調整回路
６００ 複数のトランジスタ
６００Ａ トランジスタ
６０２ ベース配線
６０４ コレクタ配線
６０６ エミッタ配線
６０８ ビアホール

Claims (11)

1. 電力増幅を行う増幅トランジスタと、
   前記増幅トランジスタのベースにバイアス電圧を出力するバイアス回路と、
   前記バイアス回路の動作状態と停止状態とを切り換え制御する制御電圧が印加される制御端子と、
   前記制御端子に接続されたバイアス電圧調整回路とを備え、
   前記バイアス電圧調整回路は、
   前記制御端子に接続され、前記制御電圧が増加するにつれて容量値が減少する可変容量素子と、
   前記可変容量素子に蓄積された電荷を前記制御端子に放電する放電回路と、
   前記バイアス回路に接続され、前記バイアス電圧を制御する制御回路とを有し、
   前記制御電圧が印加されてから所定期間の間、前記バイアス電圧を増加させるバイアス電圧調整信号を前記バイアス回路に出力する
   電力増幅器。
2. 前記容量値は、前記制御電圧の値に反比例する
   請求項１に記載の電力増幅器。
3. 前記可変容量素子は可変容量ダイオードであり、
   前記可変容量ダイオードのカソードが前記制御端子に接続されている
   請求項１に記載の電力増幅器。
4. 前記バイアス電圧調整信号は、前記可変容量素子の出力信号から生成される
   請求項１に記載の電力増幅器。
5. 前記制御回路は、第１の抵抗で構成され、
   前記第１の抵抗は、一端が接地され、他端が前記バイアス回路に接続される
   請求項１に記載の電力増幅器。
6. 前記所定期間は、前記制御電圧が印加されてから、前記増幅トランジスタを流れる電流が前記制御電圧の値に依存しない一定値になるまでの期間である
   請求項１に記載の電力増幅器。
7. 前記バイアス電圧調整回路は、前記所定期間を設定する時定数制御回路を備え、
   前記時定数制御回路は前記可変容量素子及び前記制御回路に接続される
   請求項１に記載の電力増幅器。
8. 前記バイアス電圧調整信号は、前記時定数制御回路の出力信号から生成される
   請求項７に記載の電力増幅器。
9. 前記時定数制御回路は、
   前記可変容量素子にベースが接続された第１のトランジスタと、
   前記第１のトランジスタのエミッタに第１端子が接続された第２の抵抗と、
   前記第２の抵抗の第２端子にベースが接続された第２のトランジスタとを備え、
   前記第１のトランジスタのコレクタと、前記第２のトランジスタのコレクタとが接続され、
   前記第２のトランジスタのエミッタが前記制御回路に接続されている
   請求項７に記載の電力増幅器。
10. 前記バイアス回路は、
    前記増幅トランジスタの前記ベースに前記バイアス電圧を供給するバイアストランジスタと、
    温度補償回路とを備え、
    前記温度補償回路は、
    第１の端子が前記制御端子に接続され、第２の端子が前記バイアストランジスタのベースに接続された第３の抵抗と、
    前記バイアストランジスタの前記ベースに、コレクタとベースとが接続された第３のトランジスタと、
    前記第３のトランジスタのエミッタに、コレクタとベースとが接続された第４のトランジスタとを備え、
    前記第４のトランジスタのエミッタは前記制御回路を介して接地されている
    請求項１に記載の電力増幅器。
11. 前記バイアス回路は、
    前記増幅トランジスタの前記ベースに前記バイアス電圧を供給するバイアストランジスタと、
    温度補償回路とを備え、
    前記温度補償回路は、
    前記バイアストランジスタのベースに、ベースが接続された第５のトランジスタと、
    第１の端子が接地され、第２の端子が前記第５のトランジスタのエミッタに接続された第４の抵抗と、
    前記バイアストランジスタのベース及び前記第５のトランジスタのベースに、コレクタが接続され、前記第５のトランジスタの前記エミッタにベースが接続された第６のトランジスタとを備え、
    前記第６のトランジスタのエミッタは前記制御回路を介して接地されている
    請求項１に記載の電力増幅器。

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