JP6934530B2 - 自己伝導性のｎチャンネルの出力段電界効果トランジスタの駆動装置、集積回路及びアンプ - Google Patents

Description

本発明は、自己伝導性のｎチャンネルの出力段電界効果トランジスタを駆動するための駆動装置、及び、プッシュプル回路の交流電圧を電気的に増幅する駆動装置に関する。

自己伝導性のｎチャンネルの出力段電界効果トランジスタ（ここでは、出力段トランジスタと称する）は、例えば、電圧スイッチ式であってクラスＳのマイクロ波パワーアンプといったように、パワートランジスタとして使用され、ドライバによって駆動される。

ドライバは、制御信号の入力部と、制御信号の出力部と、負電圧源と、正電圧源とを備える装置として構成することができる。当該制御信号の出力部は、出力段電界効果トランジスタのゲート電極へ接続するための部分である。
また、ドライバのトランジスタのソース電極は、第１ノードに接続され、ドライバのトランジスタのゲート電極は、第２ノードに電気的に接続され、ドライバのトランジスタのドレイン電極は、正電圧源に接続されている。抵抗の一方は、第２ノードに接続され、抵抗の他方は、正電圧源に接続されている。

米国特許第４，２３８，７３７号明細書

ドライバのトランジスタが、ハイサイド出力段トランジスタを駆動するドライバとして用いられるときにおいて、ドライバのトランジスタのソース電極の電圧は出力電圧に共鳴する。
出力段トランジスタのゲート電極における負電圧によって、ドライバのトランジスタをＯＦＦにするため、ドライバのトランジスタのゲート電極とソース電極の間の電圧は、確実に負になっていなければならない。この状態においては、抵抗には高い電圧がかかり、ドライバの電力損失を招く。このため、特許文献１では、プッシュプル式アンプのバランスを図っている。

本発明によれば、請求項１に記載された、自己伝導性のｎチャンネルの出力段電界効果トランジスタを駆動するための装置（駆動装置）が提供される。
また、本発明によれば、請求項５に記載された、プッシュプル回路の交流電圧の電気的な増幅をするための装置が提供される。

装置は、制御信号の入力部と、制御信号の出力部と、第１及び第２ノードと、第１トランジスタ（第１駆動トランジスタ）と、を備え、出力部は、出力段電界効果トランジスタのゲート電極へ接続するための部分であり、第１ノードは、制御信号の出力部に接続され、第１トランジスタのソース電極は、第１ノードに接続され、第１トランジスタのゲート電極は、第２ノードに接続され、第１トランジスタのドレイン電極は、供給電圧に接続され又は接続可能に構成されている。抵抗の一方には、第２ノードが接続されている。

装置は、抵抗の他方が第１ノードに接続されている。
第１トランジスタが設けられていることにより、Ｌｏｗ信号が制御信号の入力部に印加されると、供給電圧が制御信号の出力部に印加可能である。負電圧が第１ノードの反対の第２ノードに印加されることで、第１トランジスタがＯＦＦする。
抵抗の他方が第１ノードに接続されているので、この抵抗で電圧が降下することになり、これにより、ドライバの電力損失は、制御信号の出力部における電圧によって決められる。この電圧は、少なくとも第１トランジスタがＯＦＦしているならば、正電圧源の電圧よりも低くなるので、ドライバは平均して消費電力が低くなる。

装置は、第１電圧を供給する第１負電圧源と、第２トランジスタ（第２駆動トランジスタ）を備えている。第２トランジスタのソース電極は、第１負電圧源に接続され、第２トランジスタのゲート電極は、制御信号の入力部に接続され、第２トランジスタのドレイン電極は、第１ノードに接続されている。
第１トランジスタがＯＦＦし、第２トランジスタがＯＮしているときにおいて、第１負電圧源の電圧は、制御信号の出力部の電圧を決定する。

装置は、好ましくは、第２負電圧源と、第３トランジスタ（第３駆動トランジスタ）とを備えている。第３トランジスタのソース電極は、第２電圧を供給する第２負電圧源に接続可能である。第３トランジスタのドレイン電極は、第２ノードに接続可能である。
第３トランジスタは、制御信号の入力部にＨｉｇｈ信号が印加されたときに、第１トランジスタを確実にＯＦＦさせるために使用される。抵抗は、制御信号の入力部にＬｏｗ信号が印加されたときに、第１トランジスタをＯＮさせるために使用される。特に、抵抗の抵抗値、及び、第１負電圧と第２負電圧との電圧差は、抵抗での電圧降下が第１トランジスタを確実にＯＦＦさせるといった観点や、抵抗での電力損失が可能な限り小さくなるといった観点に応じて、選択される。

装置は、好ましくは、ＤＣ電圧源を備えている。第３トランジスタのゲート電極には、ＤＣ電圧源の負極側が接続可能であり、また、ＤＣ電圧源の正極側には、制御信号の入力部が接続可能である。
ＤＣ電圧を第３トランジスタのゲートに印加することで、制御信号の入力部にＨｉｇｈ信号が印加されているときに、第３トランジスタは第２負電圧を第２ノードへ確実に切り替えることができる。

第１トランジスタは、自己伝導性の電界効果トランジスタである。

本発明に係る装置は、自己伝導性のｎチャンネルの出力段電界効果トランジスタを少なくとも１つを備えている。このトランジスタは、その電位がデバイスの出力電圧と共振するソース電極を備えている。また、本発明に係る装置は、上述した請求項の何れか１つに記載の自己伝導性のｎチャンネルの出力段電界効果トランジスタを駆動する装置を備えている。

装置は、好ましくは、第３電圧源を更に備えている。第３電圧源は、正電圧を供給する。自己伝導性のｎチャンネルの出力段電界効果トランジスタのドレイン電極は、好ましくは、第３電圧源に接続される。第３電圧源の電圧は、好ましくは、第１負電圧源の電圧と第２負電圧源の電圧との間の電圧差よりも、少なくとも１桁大きい電圧である。

集積回路は、好ましくは、上述した装置を更に備える。

上述した装置、及び／又は、上述した集積回路は、電圧スイッチ式のマイクロ波パワーアンプであり、マイクロ波パワーアンプは、クラスＳのアンプである。

本発明の好適な更なる実施形態は、従属請求項に対応し、また、明細書に開示されている。

図１は、従来の装置であって、ローサイド駆動のトランジスタを駆動するための装置を示している。 図２は、本発明の実施形態に係るハイサイド駆動のトランジスタを駆動するための装置を示している。

図１は、従来技術に係る自己伝導性のｎチャンネルのローサイド出力段電界効果トランジスタＶ２を駆動するための装置を示している。

従来技術に係る装置（駆動装置）は、第１トランジスタＶ７（第１駆動トランジスタ）と、制御信号の入力部１１０と、制御信号の出力部１２０とを備えている。制御信号の出力部１２０は、電界効果トランジスタＶ２のゲート電極に接続されている、又は、電界効果トランジスタＶ２のゲート電極に接続されるように構成されている。電界効果トランジスタＶ２のドレイン電極は、出力ＣＴに接続され、また、電界効果トランジスタＶ２のソース電極は、グランドＧＮＤに接続されている。

制御信号の出力部１２０は、第１ノードＮ１に接続されている。第１ノードＮ１は、第１トランジスタＶ７のソース電極Ｖ７Ｓに接続されている。第１トランジスタＶ７のドレイン電極Ｖ７Ｄは、正電圧源ＰＳに接続されている。第１トランジスタＶ７のゲート電極Ｖ７Ｇは、第２ノードＮ２に接続されている。

制御信号の入力部１１０は、第２トランジスタＶ８（第２駆動トランジスタ）のゲート電極Ｖ８Ｇに接続されている。第２トランジスタＶ８のドレイン電極Ｖ８Ｄは、第１ノードＮ１に接続されている。制御信号の入力部１１０は、ＤＣ電圧源ＧＳＱの正極側にも接続されている。ＤＣ電圧源ＧＳＱの負極側は、第３トランジスタＶ６（第３駆動トランジスタ）のゲート電極Ｖ６Ｇに接続されている。第３トランジスタＶ６のドレイン電極Ｖ６Ｄは、第２ノードＮ２に接続されている。

第２トランジスタＶ８のソース電極Ｖ８Ｓは、第１負電圧（−Ｖｅ）を供給する第１負電圧源ＮＳ１に接続されている。第３トランジスタＶ６のソース電極Ｖ６Ｓは、第１負電圧（−Ｖｅ）よりも低い第２負電圧（−Ｖｅｅ）を供給する第２負電圧源ＮＳ２に接続されている。

正電圧源ＰＳと第２ノードＮ２に接続された抵抗Ｒ２は、正電圧源ＰＳと第２ノードＮ２との間に配置される。

第１トランジスタＶ７や電界効果トランジスタＶ２をＯＦＦにするのに必要な電力損失は、抵抗Ｒ２を流れる電流量によって決まる。電力損失は、次のように表される。

ここで、パワーアンプの電圧差（ＶＰＳ−Ｖｅｅ）は、パワーアンプの供給電圧（＋Ｖｄｄ）より少なくとも１桁小さい。このため、抵抗における電力損失（ＰＶｅｒ）は、比較的低い。

トランジスタをハイサイド駆動で使用する場合において、電界効果トランジスタＶ２のドレイン電極は、パワーアンプの電源電圧（＋Ｖｄｄ）に接続され、電界効果トランジスタＶ２のソース電極は出力ＣＴに接続されている。駆動回路が正しく機能するには、電圧（ＶＰＳ）が少なくともパワーアンプの供給電圧（＋Ｖｄｄ）と同じ大きさである必要があるため、抵抗Ｒ２における電力損失が大幅に増加する。

図２は、本発明の実施形態に係る自己伝導性のｎチャネルのハイサイド出力段電界効果トランジスタＶ１を駆動するための装置１００（駆動装置）を示している。本発明の実施形態に係る装置１００は、とりわけ、電力損失が小さい。

図１に示す装置とは対照的に、自己伝導性のｎチャネルのハイサイド出力段電界効果トランジスタＶ１のソース電極は、出力ＣＴに接続されている。また、電界効果トランジスタＶ１のドレイン電極は、正電圧源（＋Ｖｄｄ）に接続されている。更に、抵抗Ｒ１は、第１ノードＮ１と第２ノードＮ２との間に配置されている。

図２に示される装置１００は、第１トランジスタＶ４（第１駆動トランジスタ）と、制御信号の入力部１１０と、制御信号の出力部１２０とを備えている。制御信号の出力部１２０は、電界効果トランジスタＶ１のゲート電極Ｖ１Ｇに接続されている、又は、電界効果トランジスタＶ１のゲート電極Ｖ１Ｇに接続されるように構成されている。

制御信号の出力部１２０は、第１ノードＮ１に接続されている。第１ノードＮ１は、第１トランジスタＶ４のソース電極Ｖ４Ｓに接続されている。第１トランジスタＶ４のゲート電極Ｖ４Ｇは、第２ノードＮ２に接続されている。制御信号の入力部１１０は、第２トランジスタＶ５のゲート電極Ｖ５Ｇに接続されている。第２トランジスタＶ５のドレイン電極Ｖ５Ｄは、第１ノードＮ１に接続されている。
制御信号の入力部１１０は、ＤＣ電圧源ＧＳＱの正極側に更に接続されている。ＤＣ電圧源ＧＳＱの負極側は、第３トランジスタＶ３のゲート電極Ｖ３Ｇに接続されている。第３トランジスタＶ３のドレイン電極Ｖ３Ｄは、第２ノードＮ２に接続されている。

第２トランジスタＶ５のソース電極Ｖ５Ｓは、第１負電圧を供給する第１負電圧源ＮＳ１に接続されている。第３トランジスタＶ３のソース電極Ｖ３Ｓは、第１負電圧よりも低い第２負電圧を供給する第２負電圧源ＮＳ２に接続されている。第１ノードＮ１及び第２ノードＮ２に接続された抵抗Ｒ１は、第１ノードＮ１と第２ノードＮ２との間に配置されている。

第１トランジスタＶ４のドレイン電極Ｖ４Ｄは、正電圧源に接続される若しくは電界効果トランジスタＶ１のソース電極Ｖ１Ｓに接続される、又は、正電圧源に接続されるように構成される若しくは電界効果トランジスタＶ１のソース電極Ｖ１Ｓに接続されるように構成される。

本発明の好適な実施形態では、第１トランジスタＶ４は、自己伝導性の電界効果トランジスタである。

本発明のその他の実施形態は、プッシュプル回路における交流電圧を増幅するための装置である。この装置は、その電位が当該装置の出力電圧と共振するソース電極Ｖ１Ｓを有する少なくとも１つの自己伝導性のｎチャネルの出力段電界効果トランジスタＶ１を備えている。この電界効果トランジスタＶ１を駆動するための装置は、ｎチャネルのハイサイド出力段電界効果トランジスタＶ１を駆動するための装置（図２参照）を備えている。

電界効果トランジスタＶ１に供給される供給電圧（＋Ｖｄｄ）は、例えば、第１負電圧と第２負電圧との間の電圧差よりも、少なくとも一桁大きい。

第１トランジスタＶ４のドレイン電極Ｖ４Ｄは、電界効果トランジスタＶ１のドレイン電極Ｖ１Ｄ又はソース電極Ｖ１Ｓに接続することができる。

本発明の更なる他の実施形態は、電気信号の増幅のための装置（アンプ）、及び／又は、集積回路として実装された自己伝導性のｎチャネルのハイサイド出力段電界効果トランジスタを駆動するための装置を含む。

最後に、本発明の実施形態において、電気信号の増幅のための装置（アンプ）、及び／又は、自己伝導性のｎチャネルのハイサイド出力段電界効果トランジスタを駆動する装置は、電圧スイッチ式であってクラスＳのマイクロ波パワーアンプとして使用される。

本発明の実施形態の一例は、プッシュプル回路のAC増幅段のパワートランジスタを低損失制御するための装置に関する。これらの増幅器は、駆動トランジスタとして、少なくとも１つの自己伝導性のnチャネルの電界効果トランジスタを有する。当該電界効果トランジスタのソース電極は、定電位ではなく、アンプの出力電圧と共振する。この電位は、フローティング電位とも呼ばれている。

好ましくは、本発明の実施形態に係る装置は、電圧スイッチ式であってクラスＳのマイクロ波パワーアンプにおける「ハイサイドドライバ」として使用することができる。

本発明の実施形態に係る装置の機能が電圧スイッチ式であってクラスＳのマイクロ波パワーアンプにおける「ハイサイドドライバ」ときにおいて、本発明の実施形態に係る装置の機能は、以下に、図２によって説明される。

電界効果トランジスタＶ１は、ハイサイドドライバによって制御される。ハイサイドドライバは、第１トランジスタＶ４、第２トランジスタＶ５、第３トランジスタＶ３及び抵抗Ｒ１によって構成される。
出力電圧は、駆動トランジスタＶ１（以下、電界効果トランジスタＶ１と称する）のソース電極Ｖ１Ｓで取り出される。ゲート電極Ｖ５Ｇに印加されるハイサイドドライバの制御電圧は、制御信号の出力部１２０に印加される。制御電圧は、ＤＣバイアスにも供給され、且つ、第３トランジスタＶ３のゲート電極Ｖ３Ｇに印加される。

特に明記しない限り、以下にリストされている電圧は、グランド又はソース電極Ｖ２Ｓの電位を指す。

場合１：電界効果トランジスタＶ１がＯＮになる場合
Ｌｏｗ信号が制御信号の入力１１０部に印加される。これにより、第２トランジスタＶ５及び第３トランジスタＶ３がＯＦＦになる。したがって、抵抗Ｒ１には電流が流れない。このため、第１トランジスタＶ４はＯＮとなる。ここで、抵抗Ｒ１は、実施形態に係る自己導通性の第１トランジスタＶ４をＯＦＦにするために必要な抵抗である。

第１トランジスタＶ４のチャネル（ドレイン−ソース電圧）は、電界効果トランジスタＶ１の入力（ゲート−ソース電圧）と同様であるため、第１トランジスタＶ４がＯＮすると、電界効果トランジスタＶ１のゲート電極とソース電極との間の電圧差が無くなる。このとき、電界効果トランジスタＶ１はＯＮする。

場合２：電界効果トランジスタＶ１がＯＦＦになる場合
Ｈｉｇｈ信号が制御信号の入力部１１０に印加される。これにより、第２トランジスタＶ５及び第３トランジスタＶ３がＯＮになる。
ここで、電圧（−Ｖｅ）が第１ノードＮ１に印加される。この電圧（−Ｖｅ）は、電界効果トランジスタＶ１のゲート電極Ｖ１Ｇにも印加される。第２ノードＮ２には、電圧（−Ｖｅ）より低い電圧（−Ｖｅｅ）が印加される。第１ノードＮ１と第２ノードＮ２との間には電圧差がある。したがって、抵抗Ｒ１には電流が流れる。なお、抵抗Ｒ１が流れることは、実施形態に係る第１トランジスタＶ４をＯＦＦにするために必要なことである。
このように、第１トランジスタＶ４はＯＦＦになる。
ソース電極Ｖ１Ｓの電圧が負にはならない。ゲート電極Ｖ１Ｇには負の電圧（−Ｖｅ）が印加されているため、ソース電極Ｖ１Ｓとゲート電極Ｖ１Ｇの間に電圧降下が生じている。このため、電界効果トランジスタＶ１はＯＦＦとなる。

ＯＦＦにするために必要な消費電力は、次式に示すように、抵抗Ｒ１を流れる電流の電流量によって決まる。

特に、消費電力は、自己伝導型性のｎチャネルの出力段電界効果トランジスタＶ１に供給される供給電圧とは無関係である。

本発明の更なるその他の実施形態において、ドライバは、ＤＣ結合され、リアクタンス素子を有さない。このとき、ドライバは、キャリア周波数とデューティサイクルに関係なく動作する。

本発明の更なるその他の実施形態は、集積回路として実現される。

Claims (6)

1. 自己伝導性のｎチャンネルの出力段電界効果トランジスタを駆動し、且つ、プッシュプル回路の交流電圧を電気的に増幅するための駆動装置であって、
   少なくとも１つの前記電界効果トランジスタを備え、前記電界効果トランジスタは、ソース電極を有し、前記電界効果トランジスタのソース電極の電位は、前記駆動装置の出力電圧によって振動する、駆動装置であって、
   制御信号の入力部と、制御信号の出力部と、抵抗と、第１及び第２ノードと、第１〜第３トランジスタと、第１及び第２負電圧源と、ＤＣ電圧源とを備え、
   前記出力部は、前記電界効果トランジスタのゲート電極へ接続するための部分であり、
   第１ノードは、前記出力部に接続され、
   第１トランジスタのソース電極は、第１ノードに接続され、
   第１トランジスタのゲート電極は、第２ノードに接続され、
   第１トランジスタのドレイン電極は、正の供給電圧に接続され又は接続可能に構成され、
   前記抵抗の一方には、第２ノードが接続され、
   前記抵抗の他方には、第１ノードが接続され、
   第１負電圧源は、第１電圧を供給する電圧源であり、
   第２トランジスタのソース電極は、第１負電圧源に接続され、
   第２トランジスタのゲート電極は、前記入力部に接続され、
   第２トランジスタのドレイン電極は、第１ノードに接続され、
   第３トランジスタのソース電極は、第２負電圧源に接続され、
   第３トランジスタのドレイン電極は、第２ノードに接続され、
   前記ＤＣ電圧源の正極側は、前記入力部に接続され、
   前記ＤＣ電圧源の負極側は、第３トランジスタのゲート電極に接続されている、駆動装置。
2. 請求項１に記載の駆動装置であって、
   第１トランジスタは、自己伝導性の電界効果トランジスタである、駆動装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の駆動装置であって、
   第３電圧源を更に備え、
   第３電圧源は、前記供給電圧を供給し、
   前記電界効果トランジスタのドレイン電極は、第３電圧源に接続され、
   第３電圧源の電圧は、第１負電圧源の第１電圧と第２負電圧源の第２電圧との間の電圧差よりも、少なくとも１桁大きい電圧である、駆動装置。
4. 請求項１〜請求項３の何れか１つに記載の駆動装置であって、
   第１トランジスタのドレイン電極は、前記電界効果トランジスタのソース電極に接続されている、駆動装置。
5. 請求項１〜請求項４の何れか１つに記載の駆動装置を備えている、集積回路。
6. 電圧スイッチ式のクラスＳのマイクロ波パワーアンプであって、
   請求項１〜請求項５の何れか１つに記載の駆動装置を備えている、アンプ。

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