JPH08501425A

JPH08501425A - 高電力ソリッドステートｒｆ増幅器

Info

Publication number: JPH08501425A
Application number: JP6508292A
Authority: JP
Inventors: ウィードン，ハンス; パウロ，ルイス，アール．; サンダー，ラヴィンドラン; ジョーンズ，マーク，アール．; リー，チン，チン
Original assignee: アナロジックコーポレーション
Priority date: 1992-09-15
Filing date: 1993-09-15
Publication date: 1996-02-13
Also published as: US5420537A; WO1994007304A1; EP0660980A1; EP0660980B1; DE69328834T2; EP0660980A4; DE69328834D1

Abstract

(57)【要約】高いパッケージングインダクタンスのため知られており、ＲＦ増幅器に全く適さないと考えられているが、同平面のリードを有すると共に、８ｎＨと１５ｎＨの間のオーダーのインダクタンスを有する型式の高電圧電力スイッチングＦＥＴ（１１、１２、４１、４２）が、ＲＦ増幅器に用いられる。個々の素子（１１、１２、４１、４２）は高インピーダンス負荷線路で動作し、同平面リードの高インダクタンスを取るに足らないものにする。この回路形態は、バラン（２０）を介して出力（１４）に高インピーダンスを提供し、高価な結合装置や低インピーダンスパッケージングを必要なくする。

Description

【発明の詳細な説明】高電力ソリッドステートＲＦ増幅器発明の分野本発明は、一般に、高電力ソリッドステート無線周波数（ＲＦ）増幅器に関し、特に、少なくとも１００ＫＨｚの周波数や１００ＭＨｚ程度以上の高い周波数で少なくとも５００ワットの出力電力を発生するＲＦ増幅器に関する。発明の背景周知のより低い製造コスト、より長い寿命及びより大きい信頼性により、ソリッドステート増幅回路は、ほとんどのアプリケーションにおいて真空管回路に取って代わった。しかしながら、高電力出力を有するＲＦ増幅器の分野では、真空管回路は、まだ大きなコスト利点を有するので、たいていの環境で好適とされている。長期間のメンテナンスの大きなプレミアムがある点で、ソリッドステート素子を用いることが経済的とみなされる。これには２つの主な理由がある。第一に、このアプリケーションに適する半導体素子は高価である。多くの会社が、このサービス用に設計され、ＲＦ電力ＭＯＳＦＥＴとして知られているＲＦ金属酸化物電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）群を市販している。前記素子の例は、モトローラＭＲＦシリーズ（例えばモトローラＭＲＦ１５０）、ＳＧＳトンプソンＳＤシリーズ及びフィリップスＢＬＦシリーズである。ダイレクトエネルギーＤＥシリーズ（例えばＤＥ２７５）は、高価なＰＦパッケージに高電圧スイッチングＭＯＳＦＥＴ素子を用いている。これらは各々、現在、１５０ワット素子用で約５０ドルかそこらで多数売っている。高いコストは、少なくとも部分的に、ＲＦで高電力を送り届けるには特別のパッケージが必要である事に起因している。例えば、米国特許第４，８９１，６８６号を見よ。図１〜３に示されるように、特別パッケージＲＦ電力ＭＯＳＦＦＴは各々、約１ｎＨと４ｎＨの間のリードインダクタンスを与えるフラットまたはリボン状リードを有する。例えば、図１及び図２はパッケージＤＥ−２７５を示し、図３はモトローラＭＲＦ１５０を示す。第二に、高電力出力すなわち５００ワットより大きい出力のためには、数個の素子の出力を結合しなければならない。しかしながら、直接的並列結合は、後段の結合の出力インピーダンスを減少させる。実際、直接的並列結合は、並列素子数で単一素子のインピーダンスを割る。典型的なＲＦＭＯＳＦＥＴ（例えばモトローラＭＲＦ１５０）は約３〜４オームの最適負荷インピーダンスを有する。したがって、各素子が３．２オームで動作すると、並列な２つの素子は１．６オームで動作する。その結果、５０オーム負荷のインピーダンスは、素子の組合せに整合するように変換しなければならない。これは、ハイブリッド結合装置のインピーダンス変換能力を必要とする。これらの低インピーダンスで高電力を発生させるために必要な大電流のため、必要とされる結合装置も非常に高価なものとなっている。さらに、ハイブリッド結合装置は、典型的に、２つだけの経路を１つに結合するので、例えば、８個のＭＯＳＦＥＴの電力出力を結合するためには、７つの結合装置が必要となる。したがって、超低インピーダンス素子パッケージングと多数の大電流結合装置の追加費用は、現在のソリッドステート高電力ＲＦ増幅器を多くのアプリケーションにおいて競争力のないものにしている。本発明は、市場では本発明の前に４年以上もの間、高いリードインピーダンスのためＲＦ増幅器には不適当と考えられていた、非−ＲＦスイッチングＭＯＳＦＥＴの利用に基づいている。本発明によれば、それらは、高価なパッケージング及び結合装置の必要性をなくする方法で用いられる。非−ＲＦＭＯＳＥＴで増幅器を構成することができるという少なくとも１つの示唆がある。IEEE Transactions on Broadcasting ,Vol. BC-26,No.4(December 1980),pp 99- 112に発表されたイケダの“ＭＯＳ／ＦＥＴを有するソリッドステート無線送信機の開発”には、ＡＭ帯域幅（一般に約０．５ＭＨｚと１．５ＭＨｚの間）における送信に用いられるＲＦ電力増幅器に、ＪＥＤＥＣＴＯ−３パッケージＭＯＳＦＥＴを用いることができることが示唆されている。イケダは、効率が７０％に落ちる９．５３５ＭＨｚくらいの高周波で動作するＲＦ増幅器を開示した。より高い周波数、特に、いくつかのアプリケーション（例えば磁気共振イメージング）が前記ＲＦ周波数での増幅器の動作を要する６５ＭＨｚ及びそれ以上の周波数は、効率的に達成することができないことは明らかである。さらに、ＴＯ−３パッケージ素子は、約１２ｎＨと２５ｎＨの間の比較的高いリードインピーダンスを与えるが、リードが互いに同平面作られる最新製造技術用に形成されていない。図４及び図５に示されるように、この素子は金属ケースに入れられ、素子の底部から伸びる２つのワイヤリードを備えている。増幅器向けの半導体設計者は、前記素子のインダクタンスを下げることによってＲＦ電力ＭＯＳＦＥＴを作っているが、スイッチング向けの設計者は、絶縁破壊電圧及びスイッチング速度を増加させることによりもっと良いスイッチング性能のために電力スイッチングＭＯＳＦＥＴを改良している。その結果、普通の安価なパッケージングを有するが、高い絶縁破壊電圧と、ＲＦ範囲に入って効率的に高く動作するのに十分な速度とを有する部類のスイッチング素子が得られる。この部類は、ＲＦ電力ＭＯＳＦＥＴに対抗しかつ区別できるものとして、高電圧電力スイッチングＭＯＳＦＥＴと適切に呼ばれることがある。前記素子の例は、ＴＯ−２４７としてパッケージされたＡＰＴ５０８５のような非−ＲＦ素子を含む。他の素子が利用可能であり、ＴＯ−２２０としてパッケージされている。ＪＥＤＥＣＴＯ−２４７フォーマットにしたがってパッケージされた非−ＲＦＭＯＳＦＥＴは図６及び図７に示される。一般に、このパッケージは、同平面でありかつケーシングの片側から伸びるリードを有する、ケーシングに入れられたＭＯＳＦＥＴで与えられる。ＴＯ−３素子の場合のように、これらの非−ＲＦ素子のリードインピーダンスは、特別のＲＦパッケージの１〜４ｎＨよりかなり高くなる。発明の目的従来の知恵に反して、本発明にしたがって正しく行なわれる場合、ＴＯ−２２０及びＴ−２４７型の非−ＲＦ高電圧電力スイッチングＭＯＤＦＥＴと呼ばれる本発明の部類の素子のメンバーは、高価な低インピーダンスパケージングや高価な結合装置の必要性がなく、さらに１００ＫＨｚ程度の低い周波数と１００ＭＨｚ程度以上の高い周波数の周波数範囲内で効率的に動作することができるＲＦ電力増幅器に組み込むことができることがわかった。その結果、コストベースで真空管増幅器に対して有利に競争する、信頼できるが非常に安価な電力増幅器が得られる。したがって、本発明の目的は、（１）接続を容易にするための同平面リードと約８ｎＨと１５ｎＨの間のリードインダクタンスとを有するＴＯ−２２０またはＴＯ−２４７型の非−ＲＦパッケージ高電圧電力スイッチングＭＯＳＦＥＴを用いた、（２）高価な低インピーダンスパッケージングを必要としない、（３）高価な結合装置の必要とせずに比較的大きいインピーダンス負荷に接続することができ、（４）１００ＫＨｚと１００ＭＨｚ以上の間の周波数で効率的に動作することができる改良されたＲＦ電力増幅器を提供することにある。本発明の他の目的は、下文に一部分明らかになりかつ表わされる。よって、本発明は、構成要素の構成、組合せと、以下の詳細な開示に例示される部品の配置と、請求の範囲に示されるアプリケーションの範囲とを持つ装置からなる。発明の概要最も基本的な形態において、高電力無線周波数増幅器は、互いに同平面のリードと８ｎＨと１５ｎＨの間のようなインダクタンスとを有する、ゲート、ソース及びドレイン電極を備えた少なくとも１つの高電圧電力スイッチングＭＯＳＦＥＴ素子と、前記素子のゲート及びソース間に前記入力信号を接続するための駆動手段と、前記素子のドレイン電極に接続され、前記出力信号を提供する接続及び整合手段とからなる。上記に説明した型式の複数の高電圧電力スイッチングＭＯＳＦＥＴ素子を並列状態で提供して、シングルエンデッド増幅器を構成することができ、または、２組もしくは複数の高電圧電力スイッチングＭＯＳＦＥＴ素子を、各々並列状態で提供することができる。後者の構成において、駆動手段は、第１の複数の素子のゲートとソース間に入力信号を接続すると共に、第２の複数の素子のゲートとソース間に反転入力信号を接続して、位相反転状態でそれぞれの複数の素子を駆動する。結合及び整合手段は、一方の複数の素子のドレイン電極からの信号を他方の複数の素子のドレイン電極からの反転信号と接続して、出力信号を発生させる。上述の型式の高電圧電力スイッチングＭＯＳＦＥＴは、１５オームより大きい高インピーダンス負荷線路で動作して、高い出力インピーダンスを取るに足らないものにすることができる。この回路形態は、出力に高い負荷線路インピーダンスを提供して、高価な低インピーダンスパッケージングまたは並列結合装置の必要性をなくすことができる。図面の簡単な説明本発明の本質及び目的を完全に理解するためには、以下の付随の図面に関して行なわれる詳細な説明を参照する必要がある。図１及び図２は、それぞれ、高価にＲＦパッケージされたＤＥ−２７５型のＭＯＳＦＦＴの平面図及び側面図を示す。図３は、他の高価にＲＦパッケージされたモトローラＭＲＦ１５０型のＭＯＳＦＥＴの斜視図を示す。図４及び図５は、例えばイケダにより開示され従来技術の素子に用いられたＴＯ−３パッケージ非−ＲＦＭＯＳＦＥＴ素子を示す。図６及び図７は、それぞれ、本発明に用いられる非−ＲＦＭＯＳＦＥＴの平面図及び側面図を示す。図８は、図６及び図７に示される型式の複数の高電圧電力スイッチングＭＯＳＦＦＴ素子の２組を、位相反転状態で駆動されるように使用したＲＦ増幅回路の好適な実施例の概略図を示す。図９は、１つの高電圧電力スイッチングＭＯＳＦＥＴ素子を用いた基本Ｆ増幅器からなる本発明の好適な実施例の概略図を示す。図１０は、シングルエンデッド動作を提供するように接続された、高電圧電力スイッチングＭＯＳＦＥＴ素子の並列接続を用いた基本ＲＦ増幅器を示す。図１１は、ＭＯＤＦＥＴ素子のゲート間のＤＣ絶縁を提供するために、誘導結合された入力接続手段を含むように改造された図８のＲＦ増幅回路の実施例を示す。図面の詳細な説明図面を参照すると、図８は、図６及び図７に示される型式の複数の高電圧電力スイッチングＭＯＳＦＥＴ素子の２組を、位相反転状態で駆動されるように使用した、本発明のＲＦ増幅回路の好適な実施例の概略図を示す。この回路において、第１の一対の高電圧電力スイッチングＭＯＳＦＥＴ１１及び１２の各ドレイン電極は互いに直接接続されて、結合コンデンサ１６と出力バラントランス２０の高所側を介して増幅器出力ポート１４の高所側に接続されている。トランジスタ１１及び１２のソース電極はシステム接地に直接接続されている。ゲート電極は、各ＤＣ遮断コンデンサ２１及び２２を介して互いに接続され、入力バラントランス２８の第１の巻線２６を介して入力ポート２４の接地側に共通接続されている。インダクタ３１及び抵抗３２は、巻線２６の高所側とシステム接地の間に並列に接続されている。第２の一対の高電圧電力スイッチングＭＯＳＦＥＴ４１及び４２の各ドレイン電極は、互いに直接接続され、結合コンデンサ４４と出力バラントランス２０の巻線１９を介して増幅器出力ポート１４の接地側に接続されている。また、トランジスタ４１及び４２のソース電極はシステム接地に直接接続されている。これらの２つのトランジスタのゲート電極は、各遮断コンデンサ４５及び４６を介して互いに接続され、入力バラントランス２８の巻線２７を介してＲＦ入力ポート２４の高所側に共通接続されている。インダクタ４７及び抵抗４８は、巻線２７、コンデンサ４５及びコンデンサ４６の連結部とシステム接地の間に並列に接続されている。動作電圧は、電源Ｖ_DDから、第１のチョークコイル５１を介してＭＯＤＦＥＴ１１及び１２のドレイン電極に供給されると共に、第２のチョークコイル５２を介してＭＯＳＦＥＴ４１及び４２のドレイン電極に供給されている。コンデンサ５３は電源Ｖ_DDをシステム接地に分路している。最後に、トランジスタ１１、１２、４１及び４２は、各抵抗６１、６２、６３及び６４を介して個々の各電源Ｖ_GG1、Ｖ_GG2、Ｖ_GG3及びＶ_GG4からバイアスされている。本発明のコスト利点を得るための原理は、前述したように、図６及び図７に示される型式の高電圧電力スイッチングＭＯＳＦＥＴを素子１１、１２、４１及び４２に用いることである。例えば、インターナショナルレクチファイヤ（Inte rnational Rectifier）社のメガ−ＭＯＳＦＥＴシリーズ、ＩＸＹＳ社のＨＤＭＯＳシリーズ、ＡＰＴ社の電力ＭＯＳＩＶシリーズを含む入手可能ないくつかの線路がある。これらの素子は、現在、１５０ワット素子で約５ドルの値段が付けられており、これは、匹敵する電力定格のＲＦ電力ＭＯＳＦＥＴの値段の約１０分の１である。高電圧電力スイッチングＭＯＳＦＥＴ部類は、約８ｎＨと１５ｎＨの間のオーダーのリードインダクタンスを有するものとして定義することができる。ＡＰＴにより製造された５０８５ＢＮは典型的な例と考えられ、以下の定格を有する。すなわち、Ｖ_{ds max} ＝５００ｖＣ_iss ＝７００ｐｆＣ_oss ＝９０ｐｆＣ_rss ＝６０ｐｆＲ_j-c ＝０．６８℃／ｗＰ_{diss max} ＝１５０ｗ１０％余裕を許容するこの高電圧電力スイッチングＭＯＳＦＥＴで、ピークドレイン−ソース電圧は、２２５ＶのＶ_DDから４５０Ｖ、または１５９ＶＲＭＳにすることができる。１５９ボルトで５００ワットを発生させるためには、５０．６オームの負荷を必要とする。したがって、各素子は約５０オームの負荷線路で動作することができる。これは、素子当たり、３アンペアをほんのわずか越えるＲＭＳ出力電流を必要とする。さらに、この出力インピーダンスレベルでは、例えば２０ＭＨｚにおけるリードインダクダンスに起因する２または３オームのインピーダンスは取るに足らないものとなる。ＲＦ信号周波数では、ＭＯＳＦＥＴ１１はＭＯＳＦＥＴ１２と並列に直接接続され、ＭＯＳＦＥＴ４１はＭＯＳＦＥＴ４２と並列に直接接続されることが、図面の代表的な回路から容易にわかる。したがって、各ＭＯＳＦＥＴ素子を５０オーム負荷線路で動作させるためには、各対を駆動するインピーダンスは２５オームにしなければならない。入力ポート２４から印加されたＲＦ信号は両対のＭＯＳＦＥＴを駆動する。しかしながら、入力バラントランス２８の巻線２６及び２７の巻線方向のため、トランジスタ対は正確な反対位相で駆動される。すなわち、トランジスタ１１及び１２のドレイン電流が増加すると、トランジスタ４１及び４２のドレイン電流が減少する。しかしながら、出力バラントランス２０の相対的な巻線方向は同じになっているので、位相外れドレイン電流は同相で加えられ、合成ＲＦ出力信号を発生する。これらの簡単なトランス結合は、各巻線でみられるインピーダンスを加算するという効果がある。したがって、各素子が対で駆動され、さらに２５オームで駆動されれば、回路の入力及び出力インピーダンスは各々５０オームになる。この結合の有利な結果は、５０オーム負荷と５０オーム駆動回路が、高価なハイブリッド結合装置や高価な低インピーダンスパッケージングの必要性なしにうまく整合することができるということである。トランス２０及び２８として簡単な１：１バラントランスを用いても良い。図面の回路は明快にする目的で簡単にされている。例えば、無線周波数増幅器設計の当業者は、各素子の負荷をバランスさせるのを容易にするための独立したバイアス源を指示する以外の、各ＭＯＳＦＥＴ素子用のバイアス配置の詳細を示されないことをわかっている。適切な配置は周知であり、例えば、Motorola RF Device Data Bulletin EB 104のヘルゲグランバーグ(Helg e Granberg)による“４個の電力ＦＥＴから６００ワットＲＦを得よう”という論文に開示されているようなものである。また、当業者は、負荷的な漂遊インダクタンス及び容量をできるだけ少なくするための良好なＲＦ構成技術がまだ必要とされていることもわかっている。インダクタンスコイル３１及びインダクタンスコイル３７は回路の入力に同調するように選ばれている。同様に、チョークコイル５１及び５２とコンデンサ５３は出力回路に同調するように選ばれている。抵抗３２及び４８は、もし必要なら、入力回路のＱを下げるために用いられる。他の駆動配置を図面に示されているものに代えることができ、また、普通のプッシュプル配置、すなわち入力トランスがセンタータップになっている回路を用いても良い。重要なことは、トランジスタ対が逆位相で駆動されることである。同様に、プッシュプルトランスまたはハイブリッド結合装置を含む他の出力配置を、１８０度の関係でトランジスタ対の出力信号を合成するために用いることができる。高インピーダンス負荷線路と簡単な直列−並列接続で動作する高電圧電力スイッチングＭＯＳＦＥＴのこの新規な組合せは、高価な低インダクタンス素子パッケージングと高価なハイブリッド結合装置の両方の必要性をなくする。図面で示された本発明の実施例は、２キロワットの電力を６５ＭＨｚの周波数と２０ＭＨｚの帯域幅で負荷に送り届けた。６５ＭＨｚの出力周波数は、ＴＯ−３素子を用いてイケダにより達成されたものより非常に広い範囲の周波数への本発明の適用を示している。本発明の原理は、位相反転状態で駆動されるように接続された、２組の複数の高電圧電力スイッチングＭＯＳＦＥＴ素子を用いたＲＦ増幅回路に関して説明されているが、１個だけの高電圧電力スイッチングＭＯＳＦＥＴを用いた基本ＲＦ増幅回路を含む他の形態にも同等に適用することができる。すなわち、ＲＦ増幅回路は、シングルエンデッドモードで動作可能な前記ＭＯＳＦＥＴの並列接続からなり、また、本発明にしたがって作られ、１個または複数のＭＯＳＦＥＴのゲート間のＤＣ絶縁を維持するための誘導結合入力手段を含むように改造される。より詳細には、図９において、高電圧電力スイッチングＭＯＳＦＥＴ８２は基本ＲＦ増幅回路を提供するための用いられている。回路入力７２は、互いに並列状態にある入力インダクタ７２と抵抗７４を介してシステム接地に接続されていると共に、コンデンサ７６を介してＭＯＳＦＥＴ８２のゲート電極に接続されている。ゲート電極は抵抗７８を介してバイアス源Ｖ_GGに接続されている。バイアス源Ｖ_GGはコンデンサ８０に接続されており、コンデンサ８０はシステム接地に接続されている。ＭＯＤＦＥＴ８２のソース電極はシステム接地に接続されているが、ドレイン電極は、インダクタ８４を介してバイアス源＋Ｖ_DDに接続されており、バイアス源＋Ｖ_DDはコンデンサ８６を介してシステム接地に接続されている。また、ＭＯＳＦＥＴ８２のドレイン電極はコンデンサ８８を介してインピーダンス負荷９０にも接続されている。この実施例では、高電圧電力スイッチングＭＯＳＦＥＴ８２は接地源と共に提供されている。インダクタ８４及びコンデンサ８６は素子の出力容量に同調し、インダクタ７２は、望ましい周波数におけるＭＯＳＦＥＴ素子８２の有効入力容量と入力結合コンデンサ７６に同調している。抵抗７８及びコンデンサ８０は、ＭＯＳＦＥＴ８２用のＤＣバイアスＶ_GGの十分なＲＦデカップリングを提供し、抵抗７８と抵抗７４の並列接続は、好適に、望ましい周波数における５０オーム入力抵抗を提供する。コンデンサ８８は、負荷に対するＤＣ遮断及びＲＦ結合を提供する。概略図に示されているように、素子のための負荷線路は、出力が５０オームで終端する場合は好適に５０オームになる。多数の前記増幅器からの出力は、既知の電力合成技術を用いて合成され、所定の使用可能な周波数における多キロワットＲＦ電力を発生させることができる。図１０は、本発明の原理にしたがって構成され、シングルエンデッド形態で複数の高電圧電力スイッチングＭＯＳＦＥＴを用いたＲＦ増幅器を示す。この実施例において、入力１００は、入力インダクタ１０２と入力抵抗１０４を介してシステム接地に接続されている。また、入力１００は、各コンデンサ１０６、１０８、１１０及び１１２を介してＭＯＳＦＥＴ１１４、１１６、１１８及び１２０のゲート電極にも接続されている。ＭＯＳＦＥＴ１１４、１１６、１１８及び１２０のゲート電極は、それぞれ、抵抗１２２、１２６、１３０及び１３４を介してバイアス源＋Ｖ_GG1、＋Ｖ_GG2、＋Ｖ_GG3及び＋Ｖ_GG4に接続され、前記各電源は、対応するコンデンサ１２４、１２８、１３２及び１３６を介してシステム接地に接続されている。ＭＯＳＦＥＴのソース電極は全てシステム接地に接続されているが、ドレイン電極はインダクタ１３８を介してバイアス＋Ｖ_DDに接続されており、バイアス＋Ｖ_DDはコンデンサ１４０を介してシステム接地に接続されている。また、ＭＯＳＦＥＴ１１４、１１６、１１８及び１２０のドレイン電極はコンデンサ１４２を介してバラントランス１４４の一方のコイルに接続され、バラントランスの２次コイルは出力１４６に出力信号を供給する。この形態に示されるように、ＭＯＳＦＥＴのドレイン電極は互いに接続されている。コンデンサ１０６、１０８、１１０及び１１２は、ＲＦ用の４個のＭＯＳＦＥＴのゲートに接続され、ＭＯＳＦＥＴを個別的にバイアスするためのＤＣ絶縁を維持する。接続された抵抗１２２及びコンデンサ１２４と、抵抗１２６及びコンデンサ１２８と、抵抗１３０及びコンデンサ１３２と、抵抗１３４及びコンデンサ１３６は、各ＭＯＳＦＥＴ用のバイアス回路のための十分なＲＦデカップリングを提供する。インダクタ１０２は、全てのＭＯＳＦＥＴ素子の正味入力容量に同調しており、抵抗１０４は必要なダンピングを提供する。インダクタ１３８とコンデンサ１４０は、望ましい周波数におけるＭＯＳＦＥＴの出力容量から離調するように結合している。バラントランス１４４は好適には１：４インピーダンストランスであり、この比は使用されるＭＯＳＦＥＴの数に等しくされる。この増幅器の出力が５０オームで終端する場合は、各ＭＯＳＦＥＴのドレインにおいて表わされる負荷抵抗は１２．５オームにする。よって、各ＭＯＳＦＥＴの有効負荷線路は５０オームになる。従来の合成技術を用いてこのＭＯＳＦＥＴの並列接続からのＲＦ出力を合成することによって、多キロワットＲＦ電力出力を発生させることができる。最後に、図１１は、ＭＯＳＦＥＴのゲート電極間のＤＣ絶縁を維持するための、図８に示される回路の改造を示す。この実施例において、入力１５０は入力トランス１４８の１次コイルに接続されている。ＭＯＳＦＥＴ１１、１２、４１及び４２のゲート電極は、それぞれ、２次コイル１５１１５３、１５７及び１５５と抵抗１５２、１５４、１５８及び１５６を介して対応するバイアス源＋Ｖ_GG1 、＋Ｖ_GG2、＋Ｖ_GG3及び＋Ｖ_GG4に接続されている。ＭＯＳＦＥＴのソース電極は全てシステム接地に接続されているが、ＭＯＳＦＥＴ１１及び１２のドレイン電極は互いに接続されてコンデンサ１６０とチョークコイル１７２に接続され、ＭＯＳＦＥＴ４１及び４２のドレイン電極は互いに接続されてコンデンサ１６２とチョークコイル１７４に接続されている。チョークコイル１７２及び１７４は互いに接続されてバイアス源＋Ｖ_DDに接続され、バイアス源＋Ｖ_DDはコンデンサ１７６を介してシステム接地に接続されている。コンデンサ１６０及び１６２は、出力バラントランス１６４のコイル１６６及び１６８の一方の端部に接続され、出力バラントランス１６４はコイル１６６の端部とシステム接地におけるコイル１６８の端部との間の出力１７０に出力を供給する。図１１に示されるような改造は、トランスを用いて高電圧電力スイッチングＭＯＳＦＥＴのゲートを結合する装置を提供し、ＭＯＳＦＥＴ素子のドレインは並列状態かつ逆位相状態に接続されている。出力回路は、図８に示される出力回路と同等であるが、それに応じて修正されている。入力トランス１４８は、好適には、ゲート間のＤＣ絶縁を維持するように、ＭＯＳＦＥＴ素子の対応するゲートにＲＦ信号を接続するために用いられる。図８の場合のように、ＭＯＳＦＥＴ１１及び１２のためのＲＦ信号の極性は同じであり、ＭＯＳＦＥＴ４０及び４１の極性は同じである。しかしながら、一対のＭＯＳＦＥＴ１１及び１２に印加されるＲＦ信号の極性は、一対のＭＯＳＦＥＴ４１及び４２に印加されるＲＦ信号の極性と反対になっており、そのため、対応する対のドレインからのＲＦ出力は、出力バラントランス１６４により合成することができる。抵抗１５２、１５４、１５６及び１５８は、入力同調回路のＱ係数を減らすために用いられる。入力トランス１４８の漏洩インダクタンスは、望ましい周波数における各ＭＯＳＦＥＴ素子の入力容量から離調するように調整することができる。抵抗１５２、１５４、１５６及び１５８の値を適当に選択することによって、必要とされる帯域幅内の望ましい周波数における入力抵抗は、好適に、約５０オームになるようにすることができる。この回路において、出力は５０オームで終端しており、そのため、各対のＭＯＳＦＥＴ素子の負荷線路は、出力同調チョークコイル１７２及び１７４間の結合の欠如に起因して好適には２５オームにする。また、本発明の教示は、もっと多くの素子の出力を合成してもっと高い出力電力を発生させるために用いることもできることが明らかである。例えば、図１０の実施例に用いられたＭＯＳＦＥＴの数は４個として示されているが、使用されるＭＯＳＦＥＴの数は変更することができる（１個という最少数が図９に示されている）。さらに、図８及び図１１のＭＯＳＦＥＴ素子１１と１２と４１と４２は、追加の素子と並列にすることができる。もちろん、電力が増加すれば、各追加素子のために回路インピーダンスが減少するが、個々の素子の負荷線路では減少しない。したがって、入力及び出力インピーダンス整合装置を使用する必要がある。しかしながら、高電圧電力スイッチングＭＯＳＦＥＴの使用は、１６：１インピーダンス利点と４：１電流利点を提供するので、整合装置のコストは従来のＲＦＭＯＳＦＦＴ設計に必要なコストより小さくなる。いくつかの装置は、RF Expo Feast Proceedings,November, 1986のロデリックケイブロックサム(Roderik K. Blocksome)による“実用広帯域ＲＦ電力トランス、結合装置及び分割装置”という論文に開示されている。他に代わるものは完全な増幅回路を結合することである。もし２つの回路が並列に接続されるならば、入力及び出力インピーダンスは半分になるだろう。４つの増幅回路を、インピーダンス変換をなくすために各増幅回路の個々の素子の接続と同様の直列−並列配置に接続することができる。このように、低コストで信頼できるソリッドステート回路からＲＦ周波数における高電力を発生させるための新規な配置を説明した。改良されたＲＦ電力増幅器は、（１）接続を容易にするための同平面リードと、約８ｎＨと１５ｎＨの間のリードインダクタンスとを有するＴＯ−２２０またはＴＯ−２４７型の非−ＲＦパッケージ高電圧電力スイッチングＭＯＳＦＥＴを用い、（２）高価な低インピーダンスパッケージングを要せず、（３）高価な結合装置を必要とせずに比較的大きなインピーダンス負荷に接続することができ、（４）１００ＫＨｚと１００ＭＨｚ以上の間の周波数で効率的に動作することができる。例えば、本発明にしたがってＲＦ増幅器設計に図６及び図７に示される型式の１個またはそれ以上の高電圧電力スイッチングＭＯＳＦＥＴを用いることは、従来技術の低インダクタンスＲＦパッケージングで提供される１ｎＨ乃至４ｎＨの比較的低い出力インダクタンスと比較されるものとして、８ｎＨと１５ｎＨのオーダーの完全なパッケージのリードインダクタンスを考慮している。ここに含まれる本発明の範囲を逸脱することなく上記装置にいくつかの変更を施すことができるので、上記の説明に含まれるかまたは付随の図面に示される全ての内容は、一例と解釈すべきであり、制限する意味に解釈すべきではないものである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者サンダー，ラヴィンドランアメリカ合衆国．01887 マサチューセッツ，ウィルミントン，ベイリイロード７ (72)発明者ジョーンズ，マーク，アール. アメリカ合衆国．01880 マサチューセッツ，ウェイクフィールド，プリーザントストリート 22 (72)発明者リー，チン，チンアメリカ合衆国．01824 マサチューセッツ，ケルムスフォード，リトルトンロード 181

Claims

【特許請求の範囲】１．約１００ＫＨｚと１００ＭＨｚの間の範囲にある無線周波数入力信号を増幅して、前記入力信号の複製の高電力出力信号を発生させるための高電力無線周波数増幅器であって、同平面関係で伸びるゲート、ソース及びドレイン電極を有すると共に、約８ｎＨと１５ｎＨの間付近のリードインダクタンスを有する少なくとも１つの高電圧電力スイッチングＭＯＳＦＥＴ素子と、前記素子のゲート及びソース電極間に前記入力信号を接続するための駆動手段と、前記素子のドレイン電極に接続され、前記出力信号を提供するための結合及び整合手段とからなることを特徴とする高電力無線周波数増幅器。２．請求の範囲１記載の高電力無線周波数増幅器において、さらに、前記ゲート電極のＤＣ絶縁を維持するための手段を含む高電力無線周波数増幅器。３．無線周波数入力信号を増幅して、約１００ＫＨｚと１００ＭＨｚの間の周波数の、前記入力信号の複製の高電力出力信号を発生させるための高電力無線周波数増幅器であって、各素子が、互いに同平面のゲート、ソース及びドレイン電極を有すると共に約８ｎＨと１５ｎＨの間のリードインダクタンスを有する、並列に直接接続された複数の高電圧電力スイッチングＭＯＳＦＥＴ素子と、前記素子のゲート及びソース電極間に前記入力信号を接続するための駆動手段と、前記複数の素子のドレイン電極に接続され、前記出力信号を提供するための結合及び整合手段とからなることを特徴とする高電力無線周波数増幅器。４．請求の範囲３記載の高電力無線周波数増幅器において、さらに、前記ＭＯＳＦＥＴ素子のゲート間のＤＣ絶縁を維持するための手段を含む高電力無線周波数増幅器。５．請求の範囲３記載の高電力無線周波数増幅器において、さらに、並列に接続された第２の複数の高電圧電力スイッチングＭＯＳＦＥＴ素子を含み、前記駆動手段は、前記第１の複数の素子のゲートとソース間に前記入力信号を接続すると共に、前記第２の複数の素子のゲートとソース間に前記入力信号の反転信号を接続して、位相反転状態で前記第１及び第２の複数の素子を駆動し、前記結合及び整合手段は、前記第１及び第２の複数の素子のドレイン電極に接続され、前記ドレイン電極からの信号を合成して前記出力信号を発生させる高電力無線周波数増幅器。６．請求の範囲５記載の高電力無線周波数増幅器において、前記第１及び第２の複数の素子は２個の高電圧電力スイッチングＭＯＳＦＥＴからなる高電力無線周波数増幅器。７．請求の範囲５記載の高電力無線周波数増幅器において、前記複数の素子の各々内で、各ソース電極は互いに導電的に接続され、各ドレイン電極は互いに導電的に接続され、ゲート電極は互いに容量的に接続されている高電力無線周波数増幅器。８．請求の範囲５記載の高電力無線周波数増幅器において、前記各高電圧電力スイチングＭＯＳＦＥＴ素子のゲート電極は、それぞれ独立したバイアス電圧源に接続されている高電力無線周波数増幅器。９．請求の範囲５記載の高電力無線周波数増幅器において、前記各ＭＯＳＦＥＴ素子は少なくとも１５オームの負荷線路インピーダンスで動作する高電力無線周波数増幅器。１０．請求の範囲５記載の高電力無線周波数増幅器において、前記結合手段は、２つの巻線を有する簡単なバラントランスからなる高電力無線周波数増幅器。１１．請求の範囲10記載の高電力無線周波数増幅器において、前記バラントランスの有効ターン比は１：１である高電力無線周波数増幅器。１２．請求の範囲10記載の高電力無線周波数増幅器において、さらに、前記出力信号の受け渡し用の出力端子を含み、前記結合手段の第１の巻線の一方の端部はシステム接地に接続され、前記第１の巻線の他方の端部は、前記第１の複数のＭＯＳＦＥＴ素子のドレイン電極にＲＦ周波数で接続され、前記結合手段の第２の巻線の一方の端部は前記出力端子に接続され、前記第２の巻線の他方の端部は、前記第２の複数のＭＯＳＦＥＴ素子のドレイン電極にＲＦ周波数で接続されている高電力無線周波数増幅器。１３．請求の範囲５記載の高電力無線周波数増幅器において、前記駆動手段は、２つの巻線を有する簡単なバラントランスからなる高電力無線周波数増幅器。１４．請求の範囲13記載の高電力無線周波数増幅器において、前記バラントランスの有効ターン比は１：１である高電力無線周波数増幅器。１５．請求の範囲13記載の高電力無線周波数増幅器において、さらに、前記入力信号を受け取るための入力端子を含み、前記駆動手段の第１の巻線の一方の端部はシステム接地に接続され、前記第１の巻線の他方の端部は、前記第２の複数のＭＯＳＦＦＴ素子のゲート電極にＲＦ周波数で接続され、前記駆動手段の第２の巻線の一方の端部は前記入力端子にＲＦ周波数で接続され、前記第２の巻線の他方の端部は、前記第１の複数のＭＯＳＦＥＴ素子のドレイン電極に接続されている高電力無線周波数増幅器。