JPH0583041A - ゲートバイアス制御回路 - Google Patents

ゲートバイアス制御回路

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JPH0583041A
JPH0583041A JP3314366A JP31436691A JPH0583041A JP H0583041 A JPH0583041 A JP H0583041A JP 3314366 A JP3314366 A JP 3314366A JP 31436691 A JP31436691 A JP 31436691A JP H0583041 A JPH0583041 A JP H0583041A
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power
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    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
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    • H03F1/02Modifications of amplifiers to raise the efficiency, e.g. gliding Class A stages, use of an auxiliary oscillation
    • H03F1/0205Modifications of amplifiers to raise the efficiency, e.g. gliding Class A stages, use of an auxiliary oscillation in transistor amplifiers
    • H03F1/0261Modifications of amplifiers to raise the efficiency, e.g. gliding Class A stages, use of an auxiliary oscillation in transistor amplifiers with control of the polarisation voltage or current, e.g. gliding Class A

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Abstract

(57)【要約】 【目的】 低出力電力時にFETのドレイン電流を低下
させ、消費電力を低減させることのできるゲートバイア
ス制御回路を得る。 【構成】 FET11のゲート電圧を表わしたゲート電
圧データを記憶したROM17と、出力電力に応じてこ
のROM17から読み出されたデータをアナログデータ
に変換するA/D変換器18と、変換後のアナログデー
タを反転増幅する反転増幅器19からゲートバイアス制
御回路13が構成されている。反転増幅器19の出力は
FET11のゲートGに印加される。すなわち、出力電
力を制御するときにこれに同期してゲート電圧を制御す
るようにしたので、FETのA級およびAB級電力増幅
器において、低出力電力時にドレイン電流を低下させる
ことができ、消費電力を低く抑えることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は電界効果トランジスタで
構成された増幅器に係わり、特にゲートバイアスすなわ
ちドレイン電流の制御を行うことができるようにしたゲ
ートバイアス制御回路に関する。
【0002】
【従来の技術】図4は、電界効果トランジスタを用いた
従来の増幅器の一例を表わしたものである。この増幅器
には、ガリウム砒素電界効果トランジスタ(GaAs
FET)41が使用されている。GaAs FET41
のドレインDには出力端子42とチョークコイル43の
一端が接続されており、チョークコイル43の他端には
一端を接地したコンデンサ44およびドレインバイアス
回路45が接続されている。FET41のソースSは接
地されているので、ドレインバイアス回路45はドレイ
ンDとソースSの間に配置されているということができ
る。GaAs FET41のゲートGには入力端子47
とチョークコイル48の一端が接続されている。チョー
クコイル48の他端には一端を接地したコンデンサ49
とゲートバイアス回路49が接続されている。ゲートバ
イアス回路49は、ゲートGとソースSの間に配置され
ているということができる。
【0003】ここでドレインバイアス回路45はGaA
s FET41を動作させるための主電源であり、通常
の場合には電圧降下を防ぐためにバッテリや外部電源等
の電源からGaAs FET41のドレインに直接接続
されるようになっている。またゲートバイアス回路49
は、GaAs FET41のチャネル幅すなわちドレイ
ン電流を制御するためのものである。本実施例ではガリ
ウム砒素電界効果トランジスタを使用しているので、ド
レインDには正電圧を、ゲートGには負電圧を印加す
る。負電圧は通常の場合、バッテリや外部電源等のDC
電源(+)からDC・DCコンバータを用いて作り出さ
れるようになっている。この図4に示したレイヤでは、
ゲートバイアス回路49を安定化回路回路51とDC・
DCコンバータ52で構成している。
【0004】図5は、図4で説明したゲートバイアス回
路を増幅器に用いたアナログFM携帯機の構成を表わし
たものである。このアナログFM携帯機の電力増幅器
(PA)61には、電力効率を上げるために通常の場
合、GaAs FETが用いられる。このFETのドレ
インとゲートのバイアスは、ドレインバイアス回路62
とゲートバイアス回路63から供給されるようになって
いる。信号はベースバンド回路65から電圧制御発振器
(VCO)66に供給され、FM変調信号として増幅器
67および送信通過フィルタ68を通り、電力増幅器6
1に入力される。この電力増幅器61で増幅された信号
は、アイソレータ71、デュープレクサ72を通り、ア
ンテナ73から空中に放出される。
【0005】一方、アンテナ73から受信した信号はR
F増幅器75によって増幅され、受信通過フィルタ76
を通過した後、第1ミキサ77に入力され、ここでシン
セサイザ78から出力される所定周波数の信号と混合さ
れる。そしてIFフィルタ79を通過した後、第2ミキ
サ81に入力され、シンセサイザ78から出力される所
定周波数の信号と再度混合される。そして、2番目のI
Fフィルタ82を通過した後、IFアンプ83で増幅さ
れディスクリ検波回路84で検波される。ディスクリ検
波回路84の受信信号線85は制御回路86と接続され
ており、かつ、ベースバンド回路65に接続されてい
る。この制御回路86は、シンセサイザデータバス88
によってシンセサイザ78とも接続されている。更に、
この制御回路86は基準電圧信号線89によって基準電
圧Vref を比較回路91に入力する。電力増幅器61の
出力は検波ダイオード92で検波され、この基準電圧と
比較され、この比較回路91から出力される差分電圧を
電圧VD1として電力増幅器61にフィードバックするよ
うになっている。なお符号87は送信信号データバスを
表わしている。
【0006】ところで、電力増幅器61はその増幅する
信号が振幅一定な信号としてのFM変調波なので、効率
を上げるためにはB級あるいはF級といった非線形動作
を使用することができる。これらの動作クラスを用いる
と、無信号時の消費電流すなわちアイドリング小さくな
り、B級やC級であればこれらは零となる。また、Ga
As FETを用いた0.8WクラスのF級電力増幅器
でも、100数十mA以下となる。
【0007】このとき、増幅器の消費電流は、出力電力
の大小に依存しない。例えばGaAs FET電力増幅
器61の場合では、フルパワー0.8Wの出力時に約4
00mAの電流が流れ、パワーダウン時の80mW出力
時には、150mA程度といった具合になる。
【0008】移動機は、一般に基地局間との電波の強弱
に応じて、基地局からの制御信号によってその出力電力
が制御されるようになっている。移動無線機側での出力
電力の制御方法としては、通常、電力増幅器61の出力
信号を検波ダイオード82で検波し、DC電圧に変換し
た後、制御回路86から供給される基準電圧Vref と比
較回路91で比較し、その差分電圧を電力増幅器61の
ドライバ段のFETのドレイン端子(VD1)等にフィー
ドバックをして行うようになっている。出力電圧は、基
準電圧Vref の値によって制御され、かつ温度変化や電
池の電圧効果により電力増幅器61の特性が変動したと
きに出力電圧を安定化させる作用(ALC;Auto Level Con
trol)も同時に行われる。
【0009】このような出力電圧の制御時には、主に電
力増幅器61のドライバ段のドレイン電圧VD1が制御さ
れるが、その他のバイアス電圧すなわちドライバ段以外
のドレイン電圧やゲート電圧については制御せずに一定
であった。
【0010】次に図4に示したバイアス回路をディジタ
ル移動機に用いた場合について説明する。
【0011】図6はディジタル移動機の回路構成を表わ
したものである。このディジタル移動機の変調信号はQ
PSKとする。直交変調器101から出力された信号
は、送信通過フィルタ102、ドライバ増幅器103お
よび送信通過フィルタ104を通って電力増幅器105
増幅された信号は、アイソレータ106、デュープレク
サ107を通り、アンテナ108から空中に放出され
る。
【0012】一方、アンテナ108から受信した信号は
RF増幅器111によって増幅され、受信通過フィルタ
112を通過した後、第1ミキサ113に入力され、こ
こで高速シンセサイザ114から出力されローカル通過
フィルタ115を通過した信号と混合される。そしてI
Fフィルタ116を通過した後、第2ミキサ117に入
力され、シンセサイザ114から出力される所定周波数
の信号と再度混合される。そして、2番目のIFフィル
タ118を通過した後、IFアンプ119で増幅されデ
ィジタル検波回路121で検波される。ディジタル検波
回路121と制御回路123の間には受信信号データバ
ス124が配置されている。制御回路123は送信信号
データバス125によってI/Q発生回路126と接続
されている。また、シンセサイザデータバス127によ
って高速シンセサイザ114と、コーデックデータバス
128によってコーデック129と接続されている。更
に、この制御回路123は基準電圧信号線131によっ
て基準電圧Vref を比較回路132に入力し、電力増幅
器105の出力を検波ダイオード133で検波したもの
を比較させ、この比較回路132から出力される差分電
圧を電圧VD1として電力増幅器105にフィードバック
するようになっている。更に、制御回路123にはIF
アンプ119からRSSI(Received Signal Strength
Indicator)信号線135が接続され、RSSI信号が
入力されるようになっている。
【0013】ところで、QPSK信号はAM変調と同等
で振幅変動がある。そこで変調信号を忠実に、低歪みに
増幅するために電力増幅器105として線形性の良い特
性が要求される。線形性を良くするためには、電力増幅
器105の動作級としてA級あるいはAB級が適当であ
る。A級あるいはAB級には、大きなアイドリング電流
が必要となる。
【0014】図7は、GaAs FETを使用した場合
のそれぞれの動作級のバイアス点を示したものである。
この図で縦軸はドレイン電流ID を、横軸はゲート電圧
GSを表わしている。ドレイン電流Idss を一端とする
曲線201はFETのドレイン電流対ゲート電圧特性を
表わしている。この特性曲線201上で、A点がA級
の、B点がAB級の、C点がB級の、そしてD点がC級
の動作点を表わしている。
【0015】この図より、ゲート電圧VG1を中心とした
A級入力信号VIN1 については、増幅後の出力電流波形
OUT1が歪みを生じていない。図で斜線で示した部分
は、出力電流波形となるところを表わしている。ゲート
電圧VG2を中心としたAB級入力信号VIN2 について
は、図で斜線で示したように増幅後の出力電流波形I
OUT2の歪みはほとんど生じていない。ゲート電圧VG3
中心としたB級入力信号VIN 3 と、ゲート電圧VG4を中
心としたC級入力信号VIN4 については、増幅後の出力
電流波形IOUT3、IOUT4についてかなりの歪みを発生さ
せている。したがって、振幅変動がある変調信号を歪み
無く増幅するためには、A級あるいはAB級が適してお
り、できればA級が望ましい。
【0016】図6に示したディジタル移動機の場合に
も、また図5に示したアナログ移動機の場合と同様に、
運用時にその出力電力が制御されることになる。出力電
力の制御方法は、アナログFM移動機の場合と同様に、
電力増幅器105から出力された信号が検波ダイオード
133で検波され、その電圧と制御回路123から供給
された基準電圧Vref とが比較回路132で比較され
る。そして、その差分電圧により電力増幅器105のド
ライバ段のFETのドレイン電圧VD1の制御が行われ
る。
【0017】このようなディジタル移動機では、アナロ
グ移動機の場合と異なり電力増幅器105にA級増幅器
を用いることになる。このため、同一の出力電圧で考え
た場合には、2〜3倍のアイドリング電流が流れること
になる。また、出力電力が小さくなったときでもゲート
バイアスが一定であるためにその量のアイドリング電流
が流れていた。例えば0.8W増幅器ではアイドリング
電流を400mA流した場合に、0.8W出力時の回路
電流は、A級であるためにほぼ同等の400mAとな
る。また、出力制御時に例えば20dBダウンしたとき
の80mWの時も、やはりアイドリング電流相当の40
0mAとなる。このように、出力電力の大小にかかわら
ず、ゲートバイアスが一定であったために、増幅器に流
れる電流はアンドリング電流によって支配されていた。
【0018】
【発明が解決しようとする課題】図4に示したような従
来のゲートバイアス回路では、ある一定の電圧のみ出力
するため、FETのゲートバイアス電圧が一定に保たれ
ており、FETに流れるドレイン電流は一定であった。
【0019】図8は、FETの静特性と動作領域の関係
を表わしたものである。縦軸はドレイン電流ID を、横
軸はドレイン電圧VDSをそれぞれ表わしている。この図
で直線211は通常の負荷線であり、他の直線212は
低電流のときの負荷線である。また太い矢印213は動
作領域を表わしている。この図8に示されるように、ゲ
ートバイアス電圧が一定ならばドレイン電圧VDSを例え
ば6Vから3Vというように数Vにわたって低下させて
も、ドレイン電流ID の値はほとんど変わらないことに
なる。
【0020】図6に示したQPSKディジタル方式の移
動機を考えた場合には、電力増幅器にA級増幅器を用い
るために大きなアイドリング電流が必要になる。この場
合、出力電力が制御されて低くなったときでも、ゲート
バイアス電圧が一定であるので、フルパワー時と同様な
電流が流れてしまう。すなわち、これにより消費電力が
大きくなる。そこで、これを特に携帯機に使用した場合
には、バッテリで駆動するため電池の消費電力が大き
く、使用時間が短くなるという問題があった。
【0021】また、ドレイン電圧を制御して出力電力を
下げる場合でも、図8から分かるように、ドレイン電圧
自体を下げてもドレイン電流はほとんど変わらず、やは
り大きな回路電流が流れてしまうといった問題があっ
た。
【0022】更に、ドレイン電圧を極端に下げたような
場合、例えば図8の場合にドレイン電圧を2V以下にし
たような場合には、ドレイン電流自体は下がるが今度は
増幅器の線形性が悪化することになった。これにより、
QPSK変調信号が極端に歪んでしまい、スペトクラム
が拡がり、隣接チャネルで漏洩電力が悪化するととも
に、BER(Bit Error Rate)も悪化するといった問題
もあった。
【0023】そこで本発明の目的は、低出力電力時にド
レイン電流を低下させることのできるゲートバイアス制
御回路を提供することにある。
【0024】
【課題を解決するための手段】請求項1記載の発明で
は、電界効果トランジスタで構成した増幅器において、
ゲート電圧を表わしたゲート電圧データを記憶した記憶
手段と、増幅器の出力電圧を制御するときにこの制御指
令により記憶手段から読み出したゲート電圧データに基
づいてゲート電圧を形成するゲート電圧形成手段とをゲ
ートバイアス制御回路に具備させる。
【0025】また、請求項2記載の発明では、電界効果
トランジスタで構成した増幅器において、外部から印加
された基準電圧を分割する分割抵抗と、この分割抵抗に
発生する電圧の1つを選択してゲートバイアスとするス
イッチ手段とをゲートバイアス制御回路に具備させる。
【0026】すなわち本発明では、出力電圧を制御する
ときにゲート電圧を所望の値に設定することにして、前
記した目的を達成する。
【0027】
【実施例】以下実施例につき本発明を詳細に説明する。
【0028】図1は本発明の第1の実施例を説明するた
めのもので、ゲートバイアス制御回路を使用した増幅器
の回路構成を表わしたものである。図4と同一部分には
同一の符号を付しており、これらの説明を適宜省略す
る。この回路のFET増幅器は、GaAs FET11
を使用している。GaAs FET11のドレインDに
は出力端子42とチョークコイル43の一端が接続され
ており、チョークコイル43の他端には一端を接地した
コンデンサ44およびドレインバイアスオン・オフ回路
12が接続されている。ドレインバイアスオン・オフ回
路12はドレインバイアスをオン・オフできるようにな
っている。GaAs FET11のゲートGには入力端
子47とチョークコイル48の一端が接続されている。
チョークコイル48の他端には一端を接地したコンデン
サ49とゲートバイアス制御回路13が接続されてい
る。ゲートバイアス制御回路13は、ゲートGとソース
Sの間に配置されているということができる。ドレイン
バイアスオン・オフ回路12の電源入力側にはバッテリ
または外部電源が接続されるようになっている。また、
この電源には負電圧発生・安定化回路14が接続されて
おり、安定化した負電圧を発生させてゲートバイアス制
御回路13に供給するようになっている。
【0029】ここでチョークコイル43、48はRF信
号をカットするために使用されている。コンデンサ4
4、49は発振防止用である。ゲートバイアス制御回路
13は、出力電力の制御時に、これに同期してコントロ
ール線15から供給される出力電力制御指令を入力して
所望のバイアス電圧をディジタルデータとして読み出す
ROM(リード・オンリ・メモリ)17と、このROM
17の出力を正のアナログ信号に変換するD/A変換器
18と、このD/A変換器18から出力される電圧信号
を反転増幅して負電圧として出力すると共にレベル変換
も行うことのできる反転増幅器19から構成されてい
る。反転増幅器19には、負電圧発生・安定化回路14
から負電圧が供給されている。
【0030】この第1の実施例ではゲートバイアス制御
回路13によってゲートバイアスを制御するようにして
いるので、例えば0.1V程度のわずかなゲート電圧の
変化によってドレイン電流を数十mAも変化させること
ができる。
【0031】図2は、本発明の第2の実施例を説明する
ためのもので、ゲートバイアス制御回路を使用した増幅
器の回路構成を表わしたものである。図1と同一部分に
は同一の符号を付しており、これらの説明を適宜省略す
る。
【0032】この図2に示したFET増幅器では、ゲー
トバイアス制御回路21が図1に示したゲートバイアス
制御回路13と異なる以外は、他のすべての回路構成が
同一となっている。ゲートバイアス制御回路13は、チ
ョークコイル48とコンデンサ49の接続点に出力側を
接続したアナログスイッチ22を備えており、コントロ
ール線23から供給される出力電力制御指令によってこ
の切換制御が行われるようになっている。ゲートバイア
ス制御回路21には、R1 、R2 、……、Rn のn個の
抵抗を直列に接続した分割抵抗24が配置されており、
その抵抗R1 側の端部は接地されており、抵抗Rn 側の
端部は負電圧発生・安定化回路14の出力側に接続され
ている。また、それぞれの接続点と分割抵抗24の両端
の合計n個の点から引き出された電圧分割線251 、2
2 ……、25n はアナログスイッチ22の切換接点
(図示せず)に接続されている。
【0033】第2の実施例のゲートバイアス制御回路2
1では、出力電力の制御時に同期してコントロール線2
3から出力電力制御指令が送られてくると、負基準電圧
と接地電位を電圧分割線251 、252 ……、25n
分割した合計n種類の電圧から1つの電圧が選択され
る。そして、その電圧がGaAs FET11のゲート
Gにチョークコイル48を介して印加される。
【0034】この第2の実施例でもゲートバイアス制御
回路21によってゲートバイアスを制御するようにして
いるので、第1の実施例の場合と同様にわずかなゲート
電圧の変化によってドレイン電流を大きく変化させるこ
とができる。しかも各抵抗R 1 、R2 、……、Rn が外
付けされているので、これらを所望の値の抵抗に付け替
えることが容易である。すなわち、GaAs FET1
1の種類やロットが異なると、印加すべきバイアス電圧
を変更しなければならない事態が発生する場合がある
が、このような場合でも容易にこれに対応することがで
きるという利点がある。
【0035】以上説明した第1および第2の実施例では
ゲート電圧を制御することでFETのA級およびAB級
増幅器で、出力電力の制御時で特に低出力電力時にドレ
イン電流を低下させることができる。この結果として消
費電力を低減することができる。特にA級線形増幅器を
用いているQPSKディジタル方式の携帯無線機等で、
出力電力を制御しつつ消費電力を節約したい場合に効果
的となる。しかも、ドレイン電圧でドレイン電流を制御
する場合に比べて、歪みの発生を押さえることができ
る。すなわち、ドレイン電圧を可能なかぎり高い状態で
一定に保ち、信号の振幅できる動作領域を広くとること
により、低ドレイン電流時の歪みの発生を押さえること
ができる。なお、ドレイン電圧を下げてドレイン電流を
下げる方法では、FETを非飽和領域で動作させること
になり(図8参照)、歪みの発生を加速してしまうこと
になる。
【0036】図3は、図6に示したQPSK方式の移動
機に本発明を適用した場合を表わしたものである。図6
と同一部分には同一の符号を付しており、これらの説明
を適宜省略する。この移動機では、図6におけるゲート
バイアス回路63を制御回路31によって制御可能なゲ
ートバイアス制御回路321 および322 に変更してい
る。ここで一方のゲートバイアス制御回路321 は電力
増幅器105のゲート電圧VG2を制御し、他方のゲート
バイアス制御回路322 は、この電力増幅器105のゲ
ート電圧VG1を制御するようになっている。これらの制
御は、コントロール線33によって制御回路31から出
力電力制御指令と同期した信号を受けることによって行
われ、各出力電力に対応したゲート電圧VG1、VG2が対
応するゲート端子に供給される。ゲートバイアス制御回
路321および322 にはバッテリまたは外部電源から
負電圧発生回路37を介して電源が供給されるようにな
っている。
【0037】一方、電力増幅器105には送信通過フィ
ルタ104の出力が可変減衰器34によって減衰された
後に入力されるようになっている。すなわち、この移動
機では出力電力の制御方法を、ドレイン電圧の制御によ
る方法ではなく、電力増幅器105に入力する入力電力
を制御する方法に変更している。したがって、出力電力
は、比較回路132からの信号(電圧)を受けて可変減
衰器34の減衰量を変えることによって制御される。比
較回路132によって電圧の比較を行う方法は、図6で
説明した従来の方法と同様である。
【0038】また、図3に示した移動器ではドレインオ
ン・オフ回路35が設けられており、制御回路31から
のドレインオン・オフ回路コントロール線36によって
その制御が行われている。
【0039】図9は、以上説明した本発明の効果を従来
の出力電力制御と比較するためのものである。この図で
縦軸は出力電力POUT を表わし、横軸は出力電力制御の
状態を表わしている。出力電力P0 、ドレイン電流Id
および効率ηについて、出力電力制御時のそれぞれの値
が示されている。実線aはゲートバイアス制御を行った
ときのドレイン電流Id と効率ηを示し、破線bはこの
制御を行わなかったときのドレイン電流Id と効率ηを
示している。これらのデータから分かるように、ゲート
バイアス制御を行った方が、効率が5〜10%とかなり
改善されている。
【0040】
【発明の効果】このように本発明によれば、出力電力を
制御するときにこれに同期してゲート電圧を制御するよ
うにしたので、FETのA級およびAB級電力増幅器に
おいて、低出力電力時にドレイン電流を低下させること
ができ、消費電力を低く抑えることができる。特にQP
SKディジタル方式の携帯移動器等のようにA級電力増
幅器を使用した機器では、出力電力を制御しつつ消費電
力を低減することができ、例えば電源としてバッテリを
使用した場合にその長時間使用を可能にすることができ
るという効果がある。しかも、ドレイン電圧を高く保っ
てあるので、歪みの発生を低く抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例においてゲートバイアス
制御回路を使用した増幅器の回路構成を表わしたブロッ
ク図である。
【図2】本発明の第2の実施例においてゲートバイアス
制御回路を使用した増幅器の回路構成を表わしたブロッ
ク図である。
【図3】QPSK方式の移動機に本発明を適用した場合
を表わしたブロック図である。
【図4】電界効果トランジスタを用いた従来の増幅器の
一例を表わしたブロック図である。
【図5】図4で説明したゲートバイアス回路を増幅器に
用いたアナログFM携帯機の構成を表わしたブロック図
である。
【図6】従来のディジタル移動機の回路構成を表わした
ブロック図である。
【図7】GaAs FETを使用した場合のそれぞれの
動作級と動作点を表わした特性図である。
【図8】FETの静特性と動作領域の関係を表わした特
性図である。
【図9】GaAs FETを使用した増幅器の本発明適
用時と従来の場合とを比較した特性図である。
【符号の説明】
13、21、32 ゲートバイアス制御回路 15、23 コントロール線 17 ROM 18 D/A変換器 19 反転増幅器 22 アナログスイッチ 24 分割抵抗 25 電圧分割線

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 電界効果トランジスタで構成した増幅器
    において、 ゲート電圧を表わしたゲート電圧データを記憶した記憶
    手段と、 前記増幅器の出力電力を制御するときにこの制御指令に
    より前記記憶手段から読み出したゲート電圧データに基
    づいてゲート電圧を形成するゲート電圧形成手段とを具
    備することを特徴とするゲートバイアス制御回路。
  2. 【請求項2】 電界効果トランジスタで構成した増幅器
    において、 外部から印加された基準電圧を分割する分割抵抗と、 この分割抵抗に発生する電圧の1つを選択してゲートバ
    イアスとするスイッチ手段とを具備することを特徴とす
    るゲートバイアス制御回路。
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