JPH07231231A - 高効率増幅器 - Google Patents

高効率増幅器

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JPH07231231A
JPH07231231A JP6097826A JP9782694A JPH07231231A JP H07231231 A JPH07231231 A JP H07231231A JP 6097826 A JP6097826 A JP 6097826A JP 9782694 A JP9782694 A JP 9782694A JP H07231231 A JPH07231231 A JP H07231231A
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fet
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Yukihiro Toyoda
幸弘 豊田
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【目的】 移動通信及び携帯電話の送信機等に用いられ
る電力増幅器に関し、出力電力の飽和点より前から電力
付加効率が最大となるようにすることを目的とする。 【構成】 入力信号から基本波成分並びに高調波成分を
発生させて、これら高調波成分の内から第3高調波、第
5高調波と第7高調波及び第9高調波を合成することに
より方形波形を生成する。この方形波形の動作角を最小
にしてFET増幅部に与え、増幅したのち電力増幅部に
与えて電力増幅したのち基本波成分のみを取り出すよう
に構成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は電力増幅器に関し、特に
送信機等に用いられる電力増幅器に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来の携帯用電話器、通信及び放送の送
信機等に用いられている電力増幅器は普通、FET(ト
ランジスタも含む)を用いた電力増幅器の電力付加効率
を高くするために図4に示す波形を備えたC級電力増幅
器が採用されている。
【0003】即ち、FETのゲートのバイアス電圧は遮
断点より深く掛けて、入力信号を供給してドレン電流流
通角(動作角ともいう)はπ以下になるようにする。
【0004】このような状態は図5に示されており、流
通角2θが小さいほどFETのドレン効率が高いこと
が分かる。余り流通角を小さくすることは、それだけ大
振幅の励振入力電力を必要とするので、電力増幅回路の
電力付加効率は良くならないこととなる。
【0005】電力増幅器のドレン電圧が低い間にドレン
電流を流すことが出来る電圧波形を用いれば電力付加効
率が高くなる。それには梯形電圧波形を用いれば良いこ
ととなる。
【0006】以上の観点から、現代主流となっている携
帯用電話器の電力増幅器の回路系は、図6に示すよう
に、正弦波の入力信号をFETのゲートへ供給し、F
ETがA級動作になるように、バイアス電源40によ
りバイアス電圧VGSを掛ける。図7に示すように、ゲ
ートへ供給した電圧波形の振幅が大きいので、ドレン電
源からドレンに流れる電流IDSSとしては電圧波形の
最大振幅のところで飽和した疑似方形波が発生する。
【0007】この疑似方形波をB級動作をしている電力
用FETのゲートへ供給して電力増幅し、そのドレン
から取り出した出力信号に含まれる第2高調波2f
並列共振器回路51で阻止し、第3高調波3fは先端
開放スターブ53で阻止し、基本波fのみを取り出す
ようにしている。
【0008】図8に示すシングル電力増幅器は図6に示
す電力増幅器の問題点を改良した。この電力増幅器の動
作については正弦波の入力信号をFETのゲートへ供
給し、増幅器FETの出力には高調波が発生する。こ
の高調波の中から基本波は帯域通過フィルタ25から最
大レベルで取り出し、第3高調波は帯域通過フィルタ2
1で取り出す。第3高調波の電圧振幅は基本波の電圧振
幅に比べて非常に小さいので電圧利得可変形増幅器22
で更に増幅し、増幅した出力電圧波形は位相器23で基
本波の電圧波形の振幅最大の位置で逆位相になるように
調整して増幅器FETで疑似方形波にしている。増幅
器FET及びFETで増幅して基本波fの並列共
振器で形成した変成器Tから基本波を取り出してい
る。
【0009】図9に示すシングル電力増幅器は図8に示
す電力増幅器の問題点を改良した。この電力増幅器の動
作については正弦波の入力信号をFETのゲーム側に
装荷してあるリミック回路11、12、13及び14で
梯形波形にし、電圧波形の振幅が非常に小さいので増幅
器FETで増幅し、さらに増幅器FET及びFET
で増幅して基本波fの並列共振器で形成した変成器T
から基本波を取り出している。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図6に
示す電力増幅器の回路系での疑似方形波には基本周波数
、第2高調波2f、第3高調波3fが含まれて
いる(実際には、第4高調波以上も含まれているが、電
圧波形の振幅が小さいので無視できる)が、図6に示す
ように出力回路に基本波fの並列共振器が接続されて
いないので、必ず図7に示すような疑似方形波になると
は言えない。
【0011】このような疑似方形波で電力増幅したと言
っても、疑似方形波の動作角θは90°であるので図
15の一点斜線で示すように、出力電力も電力付加効率
も低く、通常の携帯用電話器において要求されている出
力の低いFETで大きな出力電力と大きな電力付加効率
を得ることが出来ないことと、電池(電源)の消耗が大
きいと言う問題点があった。
【0012】図8に示すシングル電力増幅器の回路系は
電力付加効率は良くなるが、回路系が複雑である。それ
は増幅器1で高調波を発生させた第2高調波及び第3高
調波の電圧波形の振幅が非常に小さいので、さらに電圧
利得可変形増幅器22で増幅しなければならないし、歪
みのない電圧利得可変形増幅器22を用いないと、この
増幅器22で高調波を発生して疑似方形波を歪まし、さ
らに増幅器1及び増幅器22を用いることによって直流
電流が多く流れて直流電力の消費が大きくなることと、
回路系が複雑になるので携帯用電話器に用いることがで
きないと言う問題点があった。
【0013】図9に示すシングル電力増幅器の回路系は
図8に示すシングル電力増幅器の回路系の合成電圧波形
を形成する回路があまりにも複雑であるので、この回路
を簡単化するためにリミッタ回路を用いた。電力付加効
率は図8の回路系に比べて少し良くなっているが、梯形
波形の動作角を70°以下にできないので、これ以上電
力付加効率を向上出来ないと言う問題点があった。
【0014】従って本発明は、電力増幅器の回路系が簡
単で直流電力(電池)の消費が出来るだけ少なく大きな
出力電力と出力飽和点より前で電力付加効率が最大とな
るような電力増幅器を実現することを目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明に係わる電力増幅器は、図1に示すように
基本波を入力して方形波形を発生する方形波発生部1
と、該方形波形の動作角を小さくする方形波幅調整部2
と、該方形波幅調整部2の出力信号を増幅するFET増
幅部3と、該FET3の出力信号を電力増幅するFET
増幅部4と、該FET増幅部4の出力信号の内から基本
波を取り出す出力整合部5と、を備えている。
【0016】更に本発明では、図2に示すプッシュプル
電力増幅器の回路構成に示すように、プッシュプル電力
増幅器の励振用に図1に示す電力増幅器を用いれば良
く、該位相反転器6と10及び共振回路9と、該入力整
合部7と該FET電力増幅部8との二つ用いてプッシュ
プル回路構成にしてある。
【0017】
【作用】図1に示した本発明に係る電力増幅器において
は、基本波fを入力して方形波発生部1で方形波形を
形成し、その方形波形の動作角を小さくさせる方形幅調
整部2で動作角θの小さくなった方形波形を形成して
出力する。
【0018】このようにして形成された方形波形を、方
形波形に含まれている基本波f、第3高調波3f
第5高調波5fと第7高調波7f及び第9高調波9
(実際には、第11高調波11f以上も含まれて
いるが、電圧波形の振幅が小さいので無視する)が通過
できるようなFET増幅部3の回路にしてあり、動作角
の小さくなった方形波形を増幅するFET増幅部4とこ
の方形波形を電力増幅するFET増幅部4に与えると共
に出力整合部5において基本波成分のみが取り出され出
力されることとなる。
【0019】また、図2に示した本発明に係るプッシュ
プル電力増幅器の回路構成においては入力信号を方形波
形にし、方形波形の動作角を小さくさせて増幅させ、さ
らにこの方形波形を電力増幅させて、この電力増幅した
出力信号をプッシュプル電力増幅器を動作させる励振段
にすることは図1に示す電力増幅器を用いれば良く、並
列に設けた入力整合部7−1、7−2及び電力増幅する
FET電力増幅部8−1、8−2と共振回路9−1、9
−2とが設けられており、これらの二つの組合せの入力
側には位相反転部6が設けられると共に出力側において
も位相反転部10が設けられている。
【0020】したがつて励振段からの出力信号は位相反
転器6の入力へ供給され出力側には大きさ等しく位相の
異なる0°と180°の二つの方形波形になり、入力整
合部7−1には位相角0°、入力整合部7−2に対して
は位相角180°方形波形が与えられ、これらの方形波
形を電力増幅するにFET電力増幅部8−1、8−2で
おこない、電力増幅された位相角180°と0°の方形
波形は共振回路へ供給して方形波形に保ち、二つの方形
波形は位相反転部10で位相反転させることにより基本
波のみを取り出す。
【0021】このようにして本発明では、高効率電力増
幅器に不可欠な方形波形を方形波発生部回路と方形波形
の動作角を小さくする方形波幅調整部回路で形成した。
この動作角の小さい方形波形をFET電力増幅部へ供給
することによりドレン電圧の低い間にドレン電流が流れ
るので、電力付加効率を上げることができ、図8に実線
で示すように入力電力が低い点から最大の電力付加効率
を得ることが出来る。
【0022】
【実施例】この実施例において、図1及び図3は本発明
に係るシングル電力増幅器の回路図を示したものであっ
て、基本波を入力して方形波形を発生する方形波発生部
1と、該方形波発生部1で発生された方形波形の動作角
を小さく調整する方形幅調整部2と、該方形幅調整部2
の出力信号を増幅する第一FET増幅部3と、該第一F
ET増幅部の出力信号をさらに増幅する第二FET増幅
部4と、該第二FET増幅部4の出力信号の内から基本
波のみを取り出す出力整合部5とによって本発明の高効
率電力増幅器を構成する。この回路図において、図1に
示した方形波発生部1は結合静電容量10A、入力整合
回路11A、抵抗12Aと13と、FET1−1と、結
合静電容量14と抵抗15及びFET1−2の回路から
方形波形が得られるよう構成されている。FET1−1
及び1−2のドレンに供給する電圧はドレン電源54へ
接続されて構成さいる。
【0023】また、図1に示した方形波幅調整部2は、
方形波発生部1で得られる方形波形の動作角θを小さ
くさせるために結合静電容量20及び抵抗21と、抵抗
22と静電容量23及びFET2でおこなう。FET2
のドレンからの出力信号に対して基本波f、第3高調
波3f、第5高調波5fと第7高調波7f及び第
9高調波9fをそれぞれ取り出すために並列共振回路
24、25、26と27及び28とが縦続接続されてド
レン電源54に接続されている。第一FET増幅部3は
FET2の出力信号を増幅するものでFET3を備えて
いる。FET2のドレン電圧の直流成分を除去するため
の結合静電容量30とゲートバイアス電圧VGSを与え
るためのバイアス電源31とが設けられている。FET
3のドレンからの出力信号に対して基本波f、第3高
調波3f、第5高調波5fと第7高調波7f及び
第9高調波9fをそれぞれ取り出すための並列共振回
路32、33、34と35及び36とが縦続接続されて
ドレン電源54に接続されている。第2FET増幅部4
は第一FET増幅部の出力信号を電力増幅するものでF
ET3の信号を受けるFET4を備えている。FET3
のドレン電圧の直流成分を除去するための結合静電容量
40とゲートバイアス電圧VGSを与えるためのバイア
ス電源41とが設けられている。
【0024】そして出力整合部5においては、FET4
の出力における第3高調波3f、第5高調波5f
第7高調波7f及び第9高調波9fを反射させるた
めの並列共振回路(阻止フィルタ)51、52と53及
び54を縦続接続し、同じくFET4の出力における基
本波fのみを取り出す並列共振回路50とこの並列共
振回路50の出力信号を取り出す変成器Tからさらに
基本波fを取り出すための帯域通過フィルタ55で構
成されており、並列共振回路50は51、52と53及
び54を縦続接続してドレン電源56に接続されてい
る。
【0025】このような本発明に係るシングル電力増幅
器の動作においては、方形波発生部回路に入力信号を供
給した時、その基本周波数f、第3高調波3f、第
5高調波5fと第7高調波7f及び第9高調波9f
とが生じ、図4に示す方形波形が得られる。
【0026】図12に示す例では、図10及び図11に
示す梯形電圧波形の平坦な部分に比べて比較的広く、ま
た急峻に立ち上っており、最も好ましい方形波形とな
る。
【0027】このようにして図3に示すFET2のドレ
ンから得られる図13に示す方形波形と同じであること
と、最大出力が得られるようにドレン側に並列共振回路
24、25、26と27及び28を縦続接続してあり、
その出力がFET3に与えるようになっており、このよ
うにしてFET3に供給され方形波形は増幅され、FE
T3のドレン側で同じ方形波形を保つために並列共振回
路32、33、34と35及び36を縦続接続してあ
る。この方形波形をB級増幅するFET4に供給し、電
力増幅され並列共振回路50、51、52と53及び5
4で最大出力が得られ、帯域通過フィルタ55より基本
並みfが出力されるようになっている。
【0028】図3に示した回路図では基本周波数f
第3高調波3f、第5高調波5fと第7高調波f
及び第9高調波fを用いる場合を示し、図12に示す
理想的な方形波形が得られても動作角θについてはそ
の値を大きく取ると電力増幅器の電力付加効率は低下す
る。電力付加効率を大きくする動作角θは図13に示
す方形波形になる。方形波形の理想的な動作角θの値
は図13に示すように30°〜70°が最も好ましいこ
とを実験結果から確かめられている。
【0029】上記のような動作角θを選定する方法に
ついては方形幅調整部2の回路の静電容量20と抵抗2
1の値を調整して、FET2のドレン側でサンプリング
・オシロスコプで観測しながらほぼ30°と思われる位
置に合わせる。
【0030】図15において、入力電力対出力電力及び
電力付加効率の特性曲線が示されており、増幅部の中心
周波数を0.8GHz一定にして動作角θ=30°で
入力電力を16から25dBmまで変化させたとき出力
電力は29から39.5dBmまで、電力付加効率は4
9から70%まで変化したことを示しており、携帯用電
話などにおいて好ましい特性となっていることが分か
る。
【0031】図14は図2に示した本発明の他の実施例
に係るプッシュプル電力増幅器の詳細な構成を示した回
路図であり、図2に示す構成を基本回路としている。す
なわち、基本波を入力して方形波形を発生する方形波発
生部1と、該方形波発生部1で発生された方形波形の動
作角を小さく調整する方形幅調整部2と、該方形幅調整
部2の出力信号を増幅する第一FET増幅部3と、該第
一FET増幅部の出力信号をさらに増幅する第二FET
増幅部4と、該第二FET増幅部の出力信号を位相角0
°と180゜に位相反転する位相反転部6と、該位相反
転部の出力から得られる位相角の出力信号を最大のレベ
ルで取り出す入力整合部及び該入力整合部の出力信号を
電力増幅するFET電力増幅部と、前記FET電力増幅
部から得られる方形波形を保つための共振回路と、該共
振回路の出力から電力増幅された位相角の異なる二つの
出力信号を位相反転させて基本波を取り出す位相反転部
とでプッシュプル構成をする高効率電力増幅器を提供す
るものである。この実施例では、図1の方形波発生部
1、方形波調整部2、第一FET増幅那3及び第2FE
T増幅部4は共通の構成により得られる。この回路図は
図3に示すシングル電力増幅器のFET4はプッシュプ
ル電力増幅器を動作させる励振段の役目をなし、FET
4のドレン側には並列共振器42、43、44と45及
び46が縦続接続してあり、並列共振器42へドレン電
源47VDSが接続してある。6は位相反転部であって
結合静電容量61はドレンの直流電圧を除去するために
ある。FET4のドレンに接続された並列共振器の両端
には電力増幅された方形波形が生じ、その出力をFET
4のドレン側から結合静電容量61を介して3dB18
0°ハイブリッド結合器HC62(位相反転器)の入力
へ供給され出力側には大きさ等しく位相の異なる0°及
び180°の二つの方形波形が生じ、入力整合部7−1
には位相角0°、入力整合部7−2には位相角180°
の方形波形がそれぞれ最大レベルで取り出せるように入
力整合し、これらの方形波形を電力増幅するにFET電
力増幅部8−1、8−2でおこない、電力増幅された位
相角180°の出力はFET8−1のドレン側に設けた
共振回路9−1に接続される。この共振回路は並列共振
回路9−10、9−20、9−30と9−40及び9−
50を縦続接続して、ドレン電源9−60に接続してあ
る。電力増幅された位相角0°の出力はFET8−2の
ドレン側に設けた共振る回路9−2に接続される。この
共振回路は並列共振回路9−11、9−21、9−31
と9−41及び9−51を縦続接続して、ドレン電源9
−60に接続してある。縦続接続した並列共振回路で方
形波形が保てる。位相角180°及び0°の方形波形の
出力は基本波fのみを取り出す並列共振回路9−10
及び9−11の出力信号を取り出す変成器T及びT
を介して位相反転部10に接続される。この位相反転部
は3dB180°ハイブリッド結合器HC101(位相
反転器)よりなり、供給された信号を位相反転をおこな
い基本波fを取り出すための帯域通過フィルタ111
から出力させている。
【0032】
【発明の効果】以上記述したように本発明に係る電力増
幅器については、入力信号から基本波並びに高調波を発
生させて、方形波形を形成した。この方形波形を最小の
動作角にして電力増幅したあと基本波のみを取り出した
ので、移動用または電話用の送信機において電力付加効
率の高い電力増幅を行うことが出来ることとなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るシングル電力増幅器の基本構成を
示した回路図である。
【図2】本発明に係る他の実施例をプッシュプル電力増
幅器として示した回路図である。
【図3】本発明に係るシングル電力増幅器(基本波+第
3高調波+第5高調波+第7高調波+第9高調波)を示
した回路図である。
【図4】C級電力増幅を行う場合のドレン電圧の波形を
示した曲線図である。
【図5】C級電力増幅の流通角とドレン効率との関係を
示した特性曲線図である。
【図6】従来のシングル電力増幅器の回路図である。
【図7】従来のシングル電力増幅器の入力波形と出力波
形を示す波形図である。
【図8】従来のシングル電力増幅器(基本波+第3高調
波)の回路図である。
【図9】従来のシングル電力増幅器(基本波+第3高調
波+第5高調波)の回路図である。
【図10】従来のシングル電力増幅器の基本波+第3高
調波とを合成して得られた梯形電圧波形を示す波形図で
ある。
【図11】従来のシングル電力増幅器の基本波+第3高
調波+第5高調波とを合成して得られた梯形電圧波形を
示す波形図である。
【図12】本発明による基本波、第3高調波成分、第5
高調波成分と第7高調波成分及び第9高調波成分とを合
成して得られた方形波形を示す波形図である。
【図13】本発明により与えられる方形波形の動作角を
70°としたときの出力波形を示す波形図である。
【図14】本発明に係る他の実施例として示した図2の
プッシュプル電力増幅器(基本波+第3高調波+第5高
調波+第7高調波+第9高調波)の詳細な構成を示した
回路図である。
【図15】本発明及び従来のシングル電力増幅器の入力
電力に対する出力電力及び電力付加効率を示した特性曲
線図である。
【符号の説明】
1 方形波発生部 2 方形波幅調整部 3 第一FET増幅部 4 第二FET増幅部 5 出力整合部 6 位相反転部 7 (7−1,7−2) 入力整合部 8 (8−1,8−2) FET電力増幅部 9 共振回路 10 位相反転部 図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基本波を入力して方形波形を発生する方
    形波発生部(1)と、 該方形波発生部(1)で発生された方形波形の動作角を
    小さく調整する方形幅調整部(2)と、 該方形幅調整部(2)の出力信号を増幅する第一FET
    増幅部(3)と、該第一FET増幅部の出力信号をさら
    に増幅する第二FET増幅部(4)と、該第二FET増
    幅部(4)の出力信号の内から基本波のみを取り出す出
    力整合部(5)と、を備えたことを特徴とする高効率電
    力増幅器。
  2. 【請求項2】 基本波を入力して方形波形を発生する方
    形波発生部(1)と、該方形波発生部(1)で発生され
    た方形波形の動作角を小さく調整する方形幅調整部
    (2)と、該方形幅調整部(2)の出力信号を増幅する
    第一FET増幅部(3)と、該第一FET増幅部の出力
    信号をさらに増幅する第二FET増幅部(4)と、該第
    二FET増幅部の出力信号を位相角0°と180°に位
    相反転する位相反転部(6)と、 該位相反転部の出力から得られる位相角の出力信号を最
    大のレベルで取り出す入力整合部及び該入力整合部の出
    力信号を電力増幅するFET電力増幅部と、 前記FET電力増幅部から得られる方形波形を保つため
    の共振回路9と、 該共振回路9の出力から電力増幅された位相角の異なる
    二つの出力信号を位相反転させて基本波を取り出す位相
    反転部10とでプッシュプル構成することを特徴とした
    高効率電力増幅器。
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