JP7267518B2

JP7267518B2 - 温度補償回路

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Publication number: JP7267518B2
Application number: JP2022575912A
Authority: JP
Inventors: 拓真鳥居
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2021-02-04
Filing date: 2021-02-04
Publication date: 2023-05-01
Anticipated expiration: 2041-02-04
Also published as: JPWO2022168214A1; EP4266577A1; WO2022168214A1; EP4266577B1; US20230291362A1; EP4266577A4

Description

本開示は、温度補償回路に関する。

電力増幅器は、様々な温度条件で動作させても利得が大きく変化しないことが要求される。電力増幅器の増幅素子にはトランジスタが用いられ、トランジスタの温度特性に応じて電力増幅器の利得は変化する。温度の変動に対する電力増幅器の利得の変化を補償する従来の技術として、例えば、特許文献１には、トランジスタの利得およびドレイン電流の温度依存性を補償するバイアス電圧を生成する温度補償回路が記載されている。

特開２００３－１８８６５３号公報

特許文献１に記載された温度補償回路は、トランジスタの閾値電圧が温度上昇に対して降下する特性を有する場合、温度上昇に伴って当該回路を流れる電流が増加し、当該回路を流れる電流を制御するトランジスタのソース電位が上昇する。これにより、従来の温度補償回路は、高温条件で回路を流れる電流が０になるか、一定値に収束することにより、温度補償ができなくなるという課題があった。

本開示は上記課題を解決するものであり、高温条件を含む広範囲の温度条件であっても温度補償が可能な温度補償回路を得ることを目的とする。

本開示に係る温度補償回路は、第１の温度範囲で電力増幅器を温度補償する第１の電流経路と、第１の温度範囲よりも高い第２の温度範囲でオン状態となる整流素子を有し、オン状態の整流素子に流れる電流によって電力増幅器を温度補償する第２の電流経路を備え、第１の電流経路は、制御端子、第１の端子および第２の端子を有した第１のトランジスタと、一端が第１のトランジスタの第１の端子と接続され、温度上昇に伴って抵抗値が上昇する特性を有した第１の抵抗と、一端が第１の抵抗の他端と接続され、他端が電圧入力端子に接続された第２の抵抗と、一端が接地され、他端が第１のトランジスタの第２の端子に接続された第３の抵抗と、を有し、第１の抵抗と第２の抵抗との接続点が、アイソレーション抵抗を介して、電力増幅器である第２のトランジスタの制御端子に接続され、第２の電流経路は、一端が第１の抵抗と第２の抵抗との接続点に接続され、他端が第１のトランジスタの制御端子に接続された第４の抵抗と、一端が第１のトランジスタの制御端子と第４の抵抗との接続点に接続され、他端が電圧入力端子に接続され、オン状態で電流が流れる整流素子と、を有する。

本開示によれば、高温条件における第２の電流経路からの補償電流によって回路を流れる電流が０にならず、かつ一定値にも収束しないので、高温条件を含む広範囲の温度条件であっても温度補償することができる。

実施の形態１に係る温度補償回路の構成例を示す回路図である。図１の温度補償回路の等化回路を示す回路図である。温度補償回路の出力電圧の温度依存性のシミュレーション結果を示すグラフである。電力増幅器の利得の温度依存性のシミュレーション結果を示すグラフである。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る温度補償回路１の構成例を示す回路図である。図１に示す温度補償回路１は、電力増幅器の利得の温度依存性を補償する回路であり、第１のトランジスタ１１、第１の抵抗２１、第２の抵抗２２、第３の抵抗２３、第４の抵抗２４、第５の抵抗２５、ダイオード３１および電圧入力端子４３を備える。図１において、温度補償対象の電力増幅器は、第２のトランジスタ１２である。第２のトランジスタ１２は、電界効果トランジスタであり、制御端子であるゲート端子と、ソース端子と、ドレイン端子を備える。

第２のトランジスタ１２のゲート端子には、入力端子４１が接続されており、ソース端子は接地されており、ドレイン端子には出力端子４２が接続されている。入力端子４１には、高周波信号ＲＦ_ｉｎが入力され、第２のトランジスタ１２のゲート端子に供給される。第２のトランジスタ１２によって高周波信号ＲＦ_ｉｎが増幅された高周波信号ＲＦ_ｏｕｔは、出力端子４２から出力される。

第１のトランジスタ１１は、電界効果トランジスタであり、ゲート電圧Ｖ_Ｇが供給される制御端子であるゲート端子と、ソース電圧Ｖ_Ｓが印加される第１の端子であるソース端子と、第２の端子であるドレイン端子とを備える。第１の抵抗２１は、温度上昇に伴って抵抗値Ｒ_１が上昇する温度特性を有し、一端が第１のトランジスタ１１のソース端子に接続され、他端が第４の抵抗２４と第５の抵抗２５との接続点に接続されている。第２の抵抗２２は、抵抗値Ｒ_２の抵抗であり、一端が第１の抵抗２１の他端と接続され、他端が電圧入力端子４３に接続されている。第３の抵抗２３は、抵抗値Ｒ_３の抵抗であり、一端が接地され、他端が第１のトランジスタ１１のドレイン端子に接続されている。電圧入力端子４３には直流電圧Ｖ_ｃが印加される。

第４の抵抗２４は、抵抗値Ｒ_４の抵抗であり、一端が第１の抵抗２１と第２の抵抗２２との接続点に接続され、他端が第１のトランジスタ１１のゲート端子とダイオード３１のアノードに接続されている。ダイオード３１は、内部抵抗ｒ_ｄｉｏを含む整流素子であり、一端であるアノード端子が第１のトランジスタ１１のゲート端子と第４の抵抗２４との接続点に接続され、他端であるカソード端子が電圧入力端子４３に接続されている。ダイオード３１は、オン状態になると電流Ｉ_ｄｉｏが流れる。第４の抵抗２４は、ダイオード３１を流れる電流Ｉ_ｄｉｏによって電位差Ｉ_ｄｉｏＲ_４を発生させる。

第１のトランジスタ１１、第１の抵抗２１、第２の抵抗２２および第３の抵抗２３は、第１の電流経路を形成する。第１の電流経路において、第１の抵抗２１と第２の抵抗２２との接続点は、第５の抵抗２５を介して第２のトランジスタ１２のゲート端子に接続されている。第５の抵抗２５を介して、第１の抵抗２１と第２の抵抗２２との接続点から出力電圧Ｖ_ｒｅｆが、第２のトランジスタ１２のゲート端子に供給される。第５の抵抗２５は、第１の抵抗２１と第２の抵抗２２との接続点における電位を、第２のトランジスタ１２のゲート端子に結合するためのアイソレーション抵抗である。

第４の抵抗２４およびダイオード３１は、第２の電流経路を形成する。第２の電流経路は、第１の電流経路が動作する第１の温度範囲よりも高い第２の温度範囲で動作する。
すなわち、温度補償回路１は、第１の温度範囲において、第１の電流経路によって第２のトランジスタ１２の利得の温度依存性を補償し、周辺温度が上昇して第２の温度範囲になると、ダイオード３１がオン状態になって第２の電流経路によって第２のトランジスタ１２の利得の温度依存性を補償する。

図２は、図１の温度補償回路１の等化回路を示す回路図である。図２において、第１のトランジスタ１１は、トランスコンダクタンスｇｍおよびドレインソース間抵抗ｒ_ｄを用いて等価回路変換されている。第１のトランジスタ１１の内部電流源は、トランスコンダクタンスｇｍおよびゲートソース間電圧Ｖ_ＧＳを用いて、ｇｍＶ_ＧＳで表される。
ダイオード３１がオフ状態であるとき、第１のトランジスタ１１を流れる電流Ｉ_ｄは、下記式（１）で表される。Ｖ_ｔｈは、第１のトランジスタ１１の閾値電圧であり、Ｖ_ｃは、電圧入力端子４３に印加される直流電圧である。

ｒｄ≒∞と仮定した場合、上記式（１）は、下記式（２）に変形される。

第１の抵抗２１と第２の抵抗２２との接続点から第５の抵抗２５を介して第２のトランジスタ１２のゲート端子に出力される出力電圧Ｖ_ｒｅｆは、下記式（３）で表される。下記式（３）において、第１のトランジスタ１１の閾値電圧Ｖ_ｔｈ、第１のトランジスタ１１のトランスコンダクタンスｇｍおよび第１の抵抗２１の抵抗値Ｒ_１が温度特性を有すると、出力電圧Ｖ_ｒｅｆの温度依存性は、Ｖ_ｔｈ、ｇｍおよびＲ_１のそれぞれの温度に対する変化の傾向によって決定されることがわかる。

温度上昇に伴って閾値電圧Ｖ_ｔｈが降下する温度特性を有する場合、出力電圧Ｖ_ｒｅｆが、温度上昇に伴って降下する温度特性であれば、温度補償回路１は、第２のトランジスタ１２の閾値電圧の温度依存性を補償することができる。
例えば、抵抗値Ｒ_１が温度に対して正の変化をし、トランスコンダクタンスｇｍが温度に対して負の変化をすると仮定した場合に、上記式（３）の右辺第１項における分子は、温度に対して負の変化をし、上記式（３）の右辺第１項における分母は、温度に対して正の変化をする。このため、上記式（３）の右辺第１項が示す値は温度に対し連続して負の変化をする。

上記式（３）の右辺第１項において、温度上昇に伴って分母が分子に対し十分に大きくなった場合、上記式（３）の右辺第１項が示す値は、温度に対する変化が小さくなって、出力電圧Ｖ_ｒｅｆの温度に対する変化も小さくなる。上記式（２）においても同様に考えると、電流Ｉ_ｄの温度に対する変化が小さくなることを意味する。すなわち、電流Ｉ_ｄの温度に対する変化が小さくなると、温度補償回路１は、第２のトランジスタ１２の温度補償ができなくなる。

抵抗値Ｒ_１が温度に対して正の変化をし、第１のトランジスタ１１がＢ級よりもＡ級に近い、いわゆる浅いＡＢ級にバイアスされていると仮定した場合、温度上昇に伴って閾値電圧Ｖ_ｔｈが降下することにより、電流Ｉ_ｄが増加し、トランスコンダクタンスｇｍが温度に対して正の変化をする。このとき、上記式（３）の右辺第１項の分母における１／ｇｍの温度に対する変化が、抵抗値Ｒ_１の温度に対する変化よりも小さくなるように設定された場合、出力電圧Ｖ_ｒｅｆは、温度に対して負の変化をする。

温度上昇に伴ってトランスコンダクタンスｇｍが増加して最大値になると、その後は、トランスコンダクタンスｇｍが、温度に対して負の変化に転ずる。このとき、上記式（３）の右辺第１項において、温度上昇に伴って分母が分子に対し十分に大きくなると、上記式（３）の右辺第１項が示す値は、温度に対する変化が小さくなり、出力電圧Ｖ_ｒｅｆの温度に対する変化も小さくなる。この場合、電流Ｉ_ｄの温度に対する変化が小さくなるので、温度補償回路１は、第２のトランジスタ１２の温度補償ができなくなる。

第１のトランジスタ１１の閾値電圧Ｖ_ｔｈが温度に対して正の変化をするとき、出力電圧Ｖ_ｒｅｆが温度に対して正の変化をすれば、温度補償回路１は、第２のトランジスタ１２の閾値電圧の温度依存性を補償することができる。
例えば、抵抗値Ｒ_１が温度に対して正の変化をし、トランスコンダクタンスｇｍが温度に対して負の変化をすると仮定した場合、上記式（３）の右辺第１項における分母は、温度に対して正の変化をし、分母の変化が分子の変化よりも大きい温度範囲において、出力電圧Ｖ_ｒｅｆは、温度に対して正の変化をする。

温度上昇に伴ってトランスコンダクタンスｇｍの変化が小さくなった場合においても、第１のトランジスタ１１の閾値電圧Ｖ_ｔｈが温度に対して連続して変化することによって、出力電圧Ｖ_ｒｅｆは、温度に対して連続して正の傾きを有する。
抵抗値Ｒ_１が温度に対して正の変化をし、第１のトランジスタ１１が浅いＡＢ級にバイアスされていると仮定した場合、電流Ｉ_ｄが温度に対して負の変化をするため、トランスコンダクタンスｇｍは、温度に対して負の変化をする。このとき、出力電圧Ｖ_ｒｅｆは、温度に対して連続して正の変化をする。

ダイオード３１がオン状態になると、ダイオード３１に電流Ｉ_ｄｉｏが流れ、第４の抵抗２４において電圧降下が発生して、第１のトランジスタ１１のゲートソース間電圧Ｖ_ＧＳを制御することが可能となる。ダイオード３１は、内部抵抗ｒ_ｄｉｏを含むため、オン状態となったときであっても、ダイオード３１に電位差が生じて短絡しない。このとき、第１のトランジスタ１１に流れる電流Ｉ_ｄは、下記式（４）で表される。

ｒ_ｄ≒∞と仮定した場合、上記式（４）は、下記式（５）に変形される。

上記式（５）と上記式（２）を比較すると、上記式（５）におけるＩ_ｄｉｏＲ_４によって、第１のトランジスタ１１に流れる電流Ｉ_ｄが補償される。前述したように、電流Ｉ_ｄの温度に対する変化が小さくなっても、ダイオード３１を流れる電流Ｉ_ｄｉｏによって、温度補償回路１は、第２のトランジスタ１２の温度補償が可能である。
このとき、出力電圧Ｖ_ｒｅｆは、下記式（６）で表すことができる。

第１のトランジスタ１１の閾値電圧Ｖ_ｔｈが温度に対して負の変化をし、抵抗値Ｒ_１が温度に対して正の変化をし、トランスコンダクタンスｇｍが温度に対して負の変化をすると仮定した場合に、前述したように、電流Ｉ_ｄの温度に対する変化は小さくなる。ただし、ダイオード３１を流れる電流Ｉ_ｄｉｏによって電流Ｉ_ｄが補償され、温度に対して電流Ｉ_ｄが連続して変化するので、温度補償回路１は、第２のトランジスタ１２の温度補償が可能である。

また、抵抗値Ｒ_１が温度に対して正の変化をし、第１のトランジスタ１１が浅いＡＢ級にバイアスされていると仮定した場合、前述したように、電流Ｉ_ｄの温度に対する変化は小さくなる。ただし、ダイオード３１を流れる電流Ｉ_ｄｉｏによって電流Ｉ_ｄが補償されて、温度に対して電流Ｉ_ｄが連続して変化するので、温度補償回路１は、第２のトランジスタ１２の温度補償が可能である。

さらに、第１のトランジスタ１１の閾値電圧Ｖ_ｔｈが温度に対して正の変化をし、抵抗値Ｒ_１が温度に対して正の変化をし、トランスコンダクタンスｇｍが温度に対して負の変化をする場合、前述したように、出力電圧Ｖ_ｒｅｆは温度に対して連続して正の変化をする。
ただし、ダイオード３１がオン状態になる第２の温度範囲においては、ダイオード３１を流れる電流Ｉ_ｄｉｏによる電流補償によって、出力電圧Ｖ_ｒｅｆが温度に対して変化する。すなわち、温度補償回路１は、ダイオード３１がオフ状態になる第１の温度範囲と、ダイオード３１がオン状態になる第２の温度範囲とで、出力電圧Ｖ_ｒｅｆの温度に対する変化の傾きを独立に設定することが可能である。

抵抗値Ｒ_１が温度に対して正の変化をし、第１のトランジスタ１１が浅いＡＢ級にバイアスされていると仮定した場合も同様に、温度補償回路１は、ダイオード３１がオフ状態になる第１の温度範囲とダイオード３１がオン状態になる第２の温度範囲とで、出力電圧Ｖ_ｒｅｆの温度に対する変化の傾きを独立に設定することが可能である。

図３は、温度補償回路の出力電圧Ｖ_ｒｅｆの温度依存性のシミュレーション結果を示すグラフである。図３に示すシミュレーション結果は、従来の温度補償回路と温度補償回路１とにおいて、第１のトランジスタ１１の閾値電圧Ｖ_ｔｈが温度に対して負の変化をし、抵抗値Ｒ_１が温度に対して正の変化をし、第１のトランジスタ１１が浅いＡＢ級にバイアスされている場合における、出力電圧Ｖ_ｒｅｆの温度依存性である。また、従来の温度補償回路は、温度補償回路１における第２の電流経路がない回路である。

図３において破線で示す等利得線Ａは、電力増幅器（第２のトランジスタ１２）の利得を温度に対して一定にした場合における電圧特性である。図３において、符号Ｂを付した環境温度Ｔ_ａｍｂと出力電圧Ｖ_ｒｅｆとの関係は、従来の温度補償回路の出力電圧Ｖ_ｒｅｆの温度特性のシミュレーション結果である。また、符号Ｃを付した環境温度Ｔ_ａｍｂと出力電圧Ｖ_ｒｅｆとの関係は、温度補償回路１の出力電圧Ｖ_ｒｅｆの温度特性のシミュレーション結果である。

従来の温度補償回路は、符号Ｂを付した関係が示すように、環境温度Ｔ_ａｍｂが６０℃以上であると、温度に対する出力電圧Ｖ_ｒｅｆの変化が小さくなっている。これに対し、温度補償回路１では、符号Ｃを付した関係が示すように、環境温度Ｔ_ａｍｂが１４０℃になっても一定の傾きを有している。

図４は、電力増幅器（第２のトランジスタ１２）の利得の温度依存性のシミュレーション結果を示すグラフである。図４に示す各シミュレーション結果は、第１のトランジスタ１１の閾値電圧Ｖ_ｔｈが温度に対して負の変化をし、抵抗値Ｒ_１が温度に対して正の変化をし、第１のトランジスタ１１が浅いＡＢ級にバイアスされている、従来の温度補償回路と温度補償回路１とによって温度補償された第２のトランジスタ１２の利得の温度依存性を示している。なお、従来の温度補償回路は、図３と同様に、温度補償回路１における第２の電流経路がない回路である。

図４において、符号Ｄを付した環境温度Ｔ_ａｍｂに対する利得の関係は、従来の温度補償回路によって温度補償された第２のトランジスタ１２の利得の温度特性のシミュレーション結果を示している。また、符号Ｅを付した環境温度Ｔ_ａｍｂに対する利得の関係は、温度補償回路１によって温度補償された第２のトランジスタ１２の利得の温度特性のシミュレーション結果を示している。

符号Ｄを付した関係が示すように、従来の温度補償回路において、第２のトランジスタ１２の利得変動が１ｄＢとなる環境温度Ｔ_ａｍｂの範囲は、２０℃から６０℃である。これに対し、温度補償回路１においては、符号Ｅを付した関係が示すように、第２のトランジスタ１２の利得変動が１ｄＢとなる環境温度Ｔ_ａｍｂの範囲が２０℃から１４０℃になっている。このように、温度補償回路１は、高温条件を含む広範囲の温度条件であっても温度補償が可能である。

なお、これまでの説明は、第１のトランジスタ１１および第２のトランジスタ１２が電界効果トランジスタである場合を示したが、他のトランジスタであってもよい。例えば、第１のトランジスタ１１および第２のトランジスタ１２は、バイポーラトランジスタであってもよい。また、ダイオード３１についても、オン状態になって電流が流れる整流素子であればよい。

以上のように、実施の形態１に係る温度補償回路１は、第１の温度範囲で第２のトランジスタ１２を温度補償する第１の電流経路と、第１の温度範囲よりも高い第２の温度範囲でオン状態となるダイオード３１を有し、オン状態のダイオード３１に流れる電流によって第２のトランジスタ１２を温度補償する第２の電流経路を備える。高温条件における第２の電流経路からの補償電流によって回路を流れる電流が０にならず、かつ一定値にも収束しないので、高温条件を含む広範囲の温度条件であっても温度補償することができる。

実施の形態１に係る温度補償回路１において、第１の電流経路は、第１のトランジスタ１１と、一端が第１のトランジスタ１１のソース端子と接続され、温度上昇に伴って抵抗値Ｒ_１が上昇する特性を有した第１の抵抗２１と、一端が第１の抵抗２１の他端と接続され、他端が電圧入力端子４３に接続された第２の抵抗２２と、一端が接地され、他端が第１のトランジスタ１１のドレイン端子に接続された第３の抵抗２３を有し、第１の抵抗２１と第２の抵抗２２との接続点が、第５の抵抗２５を介して第２のトランジスタ１２のゲート端子に接続され、第２の電流経路は、一端が第１の抵抗２１と第２の抵抗２２との接続点に接続され、他端が第１のトランジスタ１１のゲート端子に接続された第４の抵抗２４と、一端が第１のトランジスタ１１のゲート端子と第４の抵抗２４との接続点に接続され、他端が電圧入力端子４３に接続され、オン状態で電流が流れるダイオード３１を有する。高温条件における第２の電流経路からの補償電流によって回路を流れる電流が０にならず、かつ一定値にも収束しないので、高温条件を含む広範囲の温度条件であっても温度補償することができる。

なお、実施の形態の任意の構成要素の変形もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

本開示に係る温度補償回路は、例えば、高周波信号の電力を増幅する高周波増幅回路の温度補償に利用可能である。

１温度補償回路、１１第１のトランジスタ、１２第２のトランジスタ、２１第１の抵抗、２２第２の抵抗、２３第３の抵抗、２４第４の抵抗、２５第５の抵抗、３１ダイオード、４１入力端子、４２出力端子、４３電圧入力端子。

Claims

第１の温度範囲で電力増幅器を温度補償する第１の電流経路と、
前記第１の温度範囲よりも高い第２の温度範囲でオン状態となる整流素子を有し、オン状態の前記整流素子に流れる電流によって前記電力増幅器を温度補償する第２の電流経路と、を備え、
前記第１の電流経路は、
制御端子、第１の端子および第２の端子を有した第１のトランジスタと、
一端が前記第１のトランジスタの前記第１の端子と接続され、温度上昇に伴って抵抗値が上昇する特性を有した第１の抵抗と、
一端が前記第１の抵抗の他端と接続され、他端が電圧入力端子に接続された第２の抵抗と、
一端が接地され、他端が前記第１のトランジスタの前記第２の端子に接続された第３の抵抗と、を有し、
前記第１の抵抗と前記第２の抵抗との接続点が、アイソレーション抵抗を介して、前記電力増幅器である第２のトランジスタの制御端子に接続され、
前記第２の電流経路は、
一端が前記第１の抵抗と前記第２の抵抗との接続点に接続され、他端が前記第１のトランジスタの制御端子に接続された第４の抵抗と、
一端が前記第１のトランジスタの制御端子と前記第４の抵抗との接続点に接続され、他端が前記電圧入力端子に接続され、オン状態で電流が流れる整流素子と、を有する
ことを特徴とする温度補償回路。
前記第１のトランジスタは、温度上昇に伴って閾値電圧が降下する特性を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の温度補償回路。
前記第１のトランジスタは、ＡＢ級にバイアスされる
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の温度補償回路。