JPH1056341A - 電力増幅装置 - Google Patents

電力増幅装置

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JPH1056341A
JPH1056341A JP8211485A JP21148596A JPH1056341A JP H1056341 A JPH1056341 A JP H1056341A JP 8211485 A JP8211485 A JP 8211485A JP 21148596 A JP21148596 A JP 21148596A JP H1056341 A JPH1056341 A JP H1056341A
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JP
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voltage
power
load line
point
load
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JP8211485A
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Norio Matsuno
典朗 松野
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NEC Corp
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NEC Corp
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03FAMPLIFIERS
    • H03F3/00Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/189High-frequency amplifiers, e.g. radio frequency amplifiers
    • H03F3/19High-frequency amplifiers, e.g. radio frequency amplifiers with semiconductor devices only
    • H03F3/193High-frequency amplifiers, e.g. radio frequency amplifiers with semiconductor devices only with field-effect devices
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03FAMPLIFIERS
    • H03F1/00Details of amplifiers with only discharge tubes, only semiconductor devices or only unspecified devices as amplifying elements
    • H03F1/30Modifications of amplifiers to reduce influence of variations of temperature or supply voltage or other physical parameters
    • H03F1/301Modifications of amplifiers to reduce influence of variations of temperature or supply voltage or other physical parameters in MOSFET amplifiers

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Amplifiers (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ゲインの低下、損失の増大、装置の大型化等
の問題を生じさせずに出力電圧振幅を大きくした電力増
幅装置を提供すること。 【解決手段】 本発明の電力増幅装置は、バイアス点及
び負荷線の傾きが次のようにして設定されたものであ
る。即ち、本発明の電力増幅装置において、ソース接地
した電界効果型トランジスタのバイアス点は、A級バイ
アス点よりもドレインバイアス電流の大きい点に設定さ
れている。また、本発明の電力増幅装置において、負荷
線の傾きは、第1の電圧V1 >第2の電圧V2 という関
係が成立するようにして設定されている。ここで、第1
の電圧V1 は、負荷線と電圧軸の交点より求まる電圧か
ら電源電圧Vddを引いて求まる電圧である。また、第2
の電圧V2 は、電源電圧Vddからニー電圧Vkneeを引い
て求まる電圧である。更に、本発明の電力増幅装置に
は、出力電圧波が低電圧側で飽和するだけの入力電圧を
印加して動作させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、高周波帯で用いら
れ、主として飽和増幅装置として用いられる電力増幅装
置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来技術により電力増幅装置を構成する
場合、A級、AB級、B級、C級等のDCバイアス供給
方法が採用される。A級は、負荷線が常にトランジスタ
の電流の流れる領域にあるように、バイアス点を決定す
るものであり、このようにして設計されたA級電力増幅
装置に対して正弦波を入力したときの出力波形は、電圧
及び電流共に正弦波となる。B級は、バイアス点をトラ
ンジスタの閾値電圧に決定するものであり、このように
して設計されたB級電力増幅装置に対して正弦派を入力
したときの出力波形は、正弦波の正の半サイクルだけを
取り出したような波形となる。尚、A級と比較するとB
級の方が効率が高い反面線形性が悪くなる。AB級は、
バイアス点をA級とB級の間に決定するものであり、こ
のようにして設計されたAB級電力増幅装置に対して正
弦波を入力したときの出力波形は、正弦波の下の部分を
切り取ったような波形となる。尚、効率及び線形性は、
A級とB級の間になる。C級は、バイアス点を閾値電圧
以下に決定するものであり、このようにして設計された
C級電力増幅装置に対して正弦波を入力したときの出力
波形は、正弦波の頂点付近だけを取り出したような波形
となる。尚、効率は最も高く、線形性は最も悪くなる。
【0003】また、負荷線の傾きは、小信号入力時の利
得と飽和出力に影響を及ぼすものであり、負荷線の傾き
を大きくすると小信号利得は低下し、飽和出力は向上す
る。これに対して、負荷線の傾きを小さくすると小信号
利得は向上し、飽和出力は低下する。
【0004】従来技術の例として、AB級にバイアスさ
れたソース接地FETを用いた電力増幅装置の構成を図
11に示す。また、同じ電力増幅装置の負荷線を図12
に示す。また、同じ電力増幅装置の出力電圧波形と出力
電流波形を図13に示す。出力電圧振幅は、A級の場合
で、電源電圧からニー電圧Vkneeを引いた電圧の2倍が
最大で、AB級、B級、C級ではこれ以下となる。ここ
で、ニー電圧Vkneeとは、ドレイン電流の増加が止まる
ときのドレイン電圧のことをいう。
【0005】同じ電源電圧でより高い出力電力を得よう
とした場合、従来技術では、(i)負荷インピーダンス
を小さくし出力電流を大きくとる、(ii)トランジス
タのサイズを大きくし出力電流を大きくとる、という2
種類の方法がある。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来技術の問題点として、以下のことを挙げることが
出来る。(a)負荷インピーダンスを下げた場合利得が
減少する、(b)電流が大きくなるので損失が増大す
る、(c)利得の減少と損失の増大に伴い付加電力効率
が悪化する、(d)トランジスタのサイズを大きくした
場合増幅装置が大型化する。
【0007】本発明は、以上述べた問題点を解決するも
のであり、その目的は、出力電圧振幅を大きくした増幅
装置を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は、上述した課題
を解決すべく、以下に示す課題を提供する。
【0009】即ち、本発明によれば、ソース接地した電
界効果型トランジスタのバイアス点が、A級バイアス点
よりもドレインバイアス電流の大きい点に設定されてお
り、負荷線と電圧軸の交点より求まる電圧から電源電圧
を引いて求まる電圧V1 と、電源電圧Vddと、負荷線と
ドレイン電流- ドレイン電圧特性の立ち上がりの部分の
交点で与えられるニー電圧Vkneeにより、V2 =Vdd
kneeとして定義される電圧V2 との間に、V1 >V2
という関係が成立するように負荷線の傾きが設定されて
おり、出力電圧波が低電圧側で飽和するだけの入力電力
を印加して動作させることを特徴とする電力増幅装置が
得られる。
【0010】また、本発明によれば、ソース接地した電
界効果型トランジスタのバイアス点が、A級バイアス点
よりもドレインバイアス電流の大きい点に設定されてお
り、負荷線と電圧軸の交点より求まる電圧から電源電圧
を引いて求まる電圧V1 と、電源電圧からニー電圧V
kneeを引いて求まる電圧V2 との間に、V1 >V2 とい
う関係が成立するように基本波に対する負荷が設定され
ており、更に偶数次高調波に対する負荷インピーダンス
が短絡になるように設定されており、奇数次高調波に対
する負荷インピーダンスが開放になるように設定されて
おり、出力電圧波が低電圧側で飽和するだけの入力電力
を印加して動作させることを特徴とする電力増幅装置が
得られる。
【0011】また、本発明によれば、エミッタ接地した
バイポーラトランジスタのバイアス点が、A級バイアス
点よりもコレクタバイアス電流の大きい点に設定されて
おり、負荷線と電圧軸の交点より求まる電圧から電源電
圧Vccを引いて求まる電圧V1 と、電源電圧Vccとの間
に、V1 >Vccという関係が成立するように負荷線の傾
きが設定されており、出力電圧波が低電圧側で飽和する
だけの入力電力を印加して動作させることを特徴とする
電力増幅装置が得られる。
【0012】更に、本発明によれば、エミッタ接地した
バイポーラトランジスタのバイアス点が、A級バイアス
点よりもコレクタバイアス電流の大きい点に設定されて
おり、負荷線と電圧軸の交点より求まる電圧から電源電
圧Vccを引いて求まる電圧V1 と、電源電圧Vccとの間
に、V1 >Vccという関係が成立するように基本波に対
する負荷が設定されており、偶数次高調波に対する負荷
インピーダンスが短絡になるように設定されており、奇
数次高調波に対する負荷インピーダンスが開放になるよ
うに設定されており、出力電圧波が低電圧側で飽和する
だけの入力電力を印加して動作させることを特徴とする
電力増幅装置が得られる。
【0013】
【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態につい
て、図面を参照して説明する。
【0014】(第1の実施の形態)第1の実施の形態の
電力増幅装置は、図1に示されるような構成を備えてい
る。即ち、本実施の形態の電力増幅装置は、ソース接地
された電界効果型トランジスタ(FET)1と、FET
1のゲートバイアス電圧を供給するバイアス供給回路2
と、FET1のゲート及びバイアス供給回路2に接続さ
れて基本波に対する負荷インピーダンスを最適化する整
合回路3と、FET1のドレインに接続されて基本波に
対する負荷インピーダンスを最適化する整合回路4と、
整合回路4に接続されてFET1のドレインバイアス電
圧を供給するバイアス供給回路5とを備えている。
【0015】また、本実施の形態の電力増幅装置は、バ
イアス点及び負荷線の傾きを以下に示すようにして決定
されている。
【0016】即ち、本実施の形態において、バイアス点
は、図2に示されるように、A級バイアス点よりもドレ
インバイアス電流の大きい点に設定されている。
【0017】また、本実施の形態において、負荷線の傾
きは、次の条件を満たすようにして設定される。まず、
図2に示されるように、負荷線と電圧軸の交点より求ま
る電圧から電源電圧Vddを引いて求まる電圧を第1の電
圧V1 と定義する。次に電源電圧Vddからニー電圧V
kneeを引いて求まる電圧を第2の電圧V2 (=Vdd−V
knee)と定義する。ここで、ニー電圧Vkneeは、負荷線
及びドレイン電流−ドレイン電圧特性の立ち上がり部分
の交点で与えられる。負荷線の傾きは、このようにして
定義された第1の電圧V1 及び第2の電圧V2 を用い
て、第1の電圧V1>第2の電圧V2 という関係が成立
するようにして設定されている。
【0018】本実施の形態においては、このようにして
設計された電力増幅装置に対して、出力電圧波が低電圧
側で飽和するだけの入力電圧を印加して動作させる。
【0019】図12に示される従来技術による電力増幅
装置(AB級)における負荷線と比較すると、図2に示
される本実施の形態の電力増幅装置における負荷線は、
その傾きが小さい。従って、本実施の形態における電力
増幅装置は、負荷抵抗が高い分、従来技術による電力増
幅装置よりも大きいゲインを得ることが出来るものであ
る。また、本実施の形態の電力増幅装置は、負荷抵抗が
高いため、整合回路の抵抗成分による損失を低く押さえ
ること出来るものである。
【0020】更に、本実施の形態の電力増幅装置は、図
3に示されるような、出力電圧波形と出力電流波形とを
有する。従来技術のAB級、B級、C級の電力増幅装置
では図3に示されるように出力電圧波形の高電圧側で飽
和するのに対し、本実施の形態の電力増幅装置では、図
6に示されるように出力電圧波形の低電圧側で飽和す
る。また、本実施の形態において、出力電圧振幅は、従
来技術で得られる最大値である、電源電圧Vddからニー
電圧Vkneeを引いた電圧の2倍を越えることが可能であ
る。このようにして、本発明によれば、出力電圧振幅を
大きくする事による高出力化が可能である。
【0021】一方、電流と電圧の積に着目すると、本実
施の形態においては、図3に示されるように電流と電圧
の一方が常に0に近いので、高い効率を得ることが可能
になる。
【0022】以下に、本実施の形態の一実施例を挙げ、
具体的に説明する。
【0023】本具体例の電力増幅装置は、図4に示され
るような構成を備えている。また、本具体例の電力増幅
装置は、バイアス点及び負荷線を図5に示されるように
して設定されている。ここで、本具体例の電力増幅装置
におけるドレインバイアス電圧は3V、ゲートバイアス
電圧は2.5Vである。これに対して、比較対象とした
従来技術を用いた電力増幅装置におけるドレインバイア
ス電圧は3V、ゲートバイアス電圧は1.4Vである。
また、本具体例においても、電力増幅装置に対して、出
力電力波が低電圧側で飽和するだけの入力電圧を印加し
て動作させている。
【0024】また、本具体例の電力増幅装置及び従来技
術を用いた電力増幅装置の夫々の入出力電力特性の大信
号シミュレーション結果は、図6に示されるようなもの
であった。
【0025】図5に示されるように、従来技術における
負荷線と比較し、本具体例における負荷線の方が傾きが
小さい、即ち負荷抵抗が大きくなっている。従って、図
6に示されるように、本具体例の電力増幅装置は、従来
技術を用いた電力増幅装置よりも高いゲインを得られる
ことが理解される。
【0026】また、本具体例の電力増幅装置は、図6に
示されるように、従来技術を用いた電力増幅装置よりも
高い出力電力及び付加電力効率を得ることができる。
【0027】また、本具体例の電力増幅装置は、負荷抵
抗が高い分、従来技術を用いた電力増幅装置よりも、出
力の整合回路の抵抗分による電力損失を低く押さえるこ
とが出来る。
【0028】更に、トランジスタが同等である場合、本
実施の形態における電力増幅装置の方が、従来技術を用
いた電力増幅装置よりも高いゲインと高い出力電力を得
ることから理解されるように、あるサイズのトランジス
タを備え、且つ従来技術を用いた電力増幅装置と同等の
ゲイン及び出力電圧を得たい場合、本実施の形態におけ
る電力装置では、従来技術を用いた電力増幅装置に用い
られているトランジスタよりゲート幅の小さいトランジ
スタを用いて達成することが出来る。即ち、本発明を適
用した電力増幅装置においては、従来技術を適用した電
力増幅装置と比較して、小型化を図ることが出来る。
【0029】(第2の実施の形態)以下に、本発明の第
2の実施の形態について図7を用いて説明する。
【0030】本実施の形態の電力増幅装置は、第1の実
施の形態の応用であり、第1の実施の形態と同様の動作
をするものについては、同じ参照符号を付してある。
【0031】ここで、図7において、夫々1つのブロッ
クで示されている2つの「整合回路と高調波処理回路」
6及び7は、以下に示す理由により一つのブロックにま
とめてある。
【0032】「整合回路」は、第1の実施の形態におい
て説明したとおり、基本波に対する負荷インピーダンス
を最適化する回路であり、「高調波処理回路」は、高調
波に対する負荷インピーダンスを最適化する回路であ
る。従って、この2つの回路は、別の役割をもつ回路で
あるが、実際に回路設計する際には、(a)トランジス
タに近い側に「整合回路」を設置し、遠い側に「高調波
処理回路」を設置する場合、(b)トランジスタに近い
側に「高調波処理回路」を設置し、遠い側に「整合回
路」を設置する場合、(c)「整合回路」と「高調波処
理回路」とを一つの回路で実現する場合などがあり、本
実施の形態においては、どの場合を適用しても成り立つ
ことから、2つの回路を1つのブロックとしてまとめて
ある。
【0033】また、本実施の形態の電力増幅装置におい
て、バイアス点及び基本波に対する負荷線は、前述の第
1の実施の形態と同様、図2に示されるようにして、決
定されている。
【0034】尚、本実施の形態の電力増幅装置に対して
も、出力電圧波が低電圧側で飽和するだけの入力電圧を
印加して動作させている。
【0035】従って、本実施の形態の電力増幅装置は、
前述の第1の実施の形態の電力増幅装置と同様の効果を
有する。
【0036】更に、本実施の形態の電力増幅装置は、高
調波処理回路において、偶数次高調波に対する負荷イン
ピーダンスを短絡にし、奇数次高調波に対する負荷イン
ピーダンスを開放にしている。
【0037】従って、本実施の形態の電力増幅装置にお
いては、高調波の出力電力が0になり、前述の第1の実
施の形態における電力増幅装置よりも、更に高い効率を
得ることが出来る。
【0038】(第3の実施の形態)以下に、本発明の第
3の実施の形態の電力増幅装置について、図8及び図9
を用いて説明する。
【0039】本実施の形態の電力増幅装置は、図8に示
されるように、第1の実施の形態と比較して、FET1
の代わりにエミッタ接地されたバイポーラトランジスタ
9を用いて構成したものである。従って、他の構成要素
には、図1と同じ参照符号を付してある。
【0040】また、本実施の形態の電力増幅装置は、バ
イアス点及び負荷線の傾きを以下に示すようにして決定
されている。
【0041】即ち、本実施の形態において、バイアス点
は、図9に示されるように、A級バイアス点よりもコレ
クタ電流の大きい点に設定されている。
【0042】また、本実施の形態において、負荷線の傾
きは、次の条件を満たすようにして設定される。まず、
図9に示されるように、負荷線と電圧軸の交点より求ま
る電圧から電源電圧Vccを引いて求まる電圧を第1の電
圧V1 と定義する。負荷線の傾きは、第1の電圧V1
び電源電圧Vccを用いて、第1の電圧V1 >電源電圧V
ccという関係が成立するようにして設定されている。
尚、本実施の形態においても、前記関係は、正確には、
「第1の電圧V1 >第2の電圧V2 」であるが、バイポ
ーラトランジスタにおいて、FETにおけるニー電圧に
相当する電圧が非常に低いことから、第1の電圧V1
電源電圧Vccとした。従って、本実施の形態における関
係「第1の電圧V1 >電源電圧Vcc」は、「第1の電圧
1 >第2の電圧V2 」をも含む意味である。
【0043】また、本実施の形態においても、このよう
にして設計された電力増幅装置に対して、出力電圧波が
低電圧側で飽和するだけの入力電圧を印加して動作させ
るものとする。
【0044】このような構成を備えた本実施の形態の電
力増幅装置は、前述の第1の実施の形態の電力増幅装置
と同様の効果を持つものである。
【0045】(第4の実施の形態)以下に、本発明の第
4の実施の形態について図10を用いて説明する。
【0046】本実施の形態の電力増幅装置は、第2及び
第3の実施の形態の応用であり、同様の動作をするもの
については、同じ参照符号を付してある。
【0047】即ち、本実施の形態の電力増幅装置におい
て、バイアス点及び基本波に対する負荷線は、前述の第
3の実施の形態と同様、図9に示されるようにして、決
定されている。
【0048】また、本実施の形態の電力増幅装置は、高
調波処理回路において、偶数次高調波に対する負荷イン
ピーダンスを短絡にし、奇数次高調波に対する負荷イン
ピーダンスを開放にしている。
【0049】尚、本実施の形態の電力増幅装置に対して
も、出力電圧波が低電圧側で飽和するだけの入力電圧を
印加して動作させている。
【0050】このような構成を備えた本実施の形態の電
力増幅装置は、第3の実施の形態の電力増幅装置と比較
して、高調波の出力電力が0になることから、更に高い
効率を得ることが出来るものである。
【0051】
【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、ゲインの低下、損失の増大、装置の大型化等の問題
を生じることなく、出力電圧振幅を大きくした電力増幅
装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態の電力増幅装置の構
成を示す図である。
【図2】本発明の第1の実施の形態の電力増幅装置のバ
イアス点及び負荷線の傾きを示す図である。
【図3】本発明の第1の実施の形態の電力増幅装置の出
力電圧波形及び出力電流波形を示す図である。
【図4】本発明の第1の実施の形態の電力増幅装置の一
具体例の構成を示す図である。
【図5】本発明の電力増幅装置(具体例)及び従来例の
電力増幅装置におけるバイアス点及び負荷線の傾きを示
す図である。
【図6】本発明の電力増幅装置(具体例)及び従来例の
電力増幅装置における負荷電力効率及びゲインを示す図
である。
【図7】本発明の第2の実施の形態の電力増幅装置の構
成を示す図である。
【図8】本発明の第3の実施の形態の電力増幅装置の構
成を示す図である。
【図9】本発明の第3の実施の形態の電力増幅装置のバ
イアス点及び負荷線の傾きを示す図である。
【図10】本発明の第4の実施の形態の電力増幅装置の
構成を示す図である。
【図11】従来技術を用いた電力増幅装置の構成を示す
図である。
【図12】従来技術を用いた電力増幅装置のバイアス点
及び負荷線の傾きを示す図である。
【図13】従来技術を用いた電力増幅装置の出力電圧波
形及び出力電流波形を示す図である。
【符号の説明】
1 電界効果型トランジスタ(FET) 2 バイアス供給回路 3 整合回路 4 整合回路 5 バイアス供給回路 6 整合回路高調波処理回路 7 整合回路高調波処理回路 9 バイポーラトランジスタ V1 第1の電圧 V2 第2の電圧

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ソース接地した電界効果型トランジスタ
    のバイアス点が、A級バイアス点よりもドレインバイア
    ス電流の大きい点に設定されており、 負荷線と電圧軸の交点より求まる電圧から電源電圧を引
    いて求まる電圧を第1の電圧と定義し、前記電源電圧か
    ら前記負荷線とドレイン電流−ドレイン電圧特性の立ち
    上がりの部分との交点で与えられるニー電圧を引いて求
    まる電圧を第2の電圧と定義した場合に、前記第1の電
    圧が前記第2の電圧よりも大きくなるように、前記負荷
    線の傾きが設定されており、 出力電圧波が低電圧側で飽和するだけの入力電圧を印加
    して動作させることを特徴とする電力増幅装置。
  2. 【請求項2】 ソース接地した電界効果型トランジスタ
    のバイアス点が、A級バイアス点よりもドレインバイア
    ス電流の大きい点に設定されており、 負荷線と電圧軸の交点より求まる電圧から電源電圧を引
    いて求まる電圧を第1の電圧と定義し、前記電源電圧か
    ら前記負荷線とドレイン電流−ドレイン電圧特性の立ち
    上がり部分との交点で得られるニー電圧を引いて求まる
    電圧を第2の電圧と定義した場合に、前記第1の電圧が
    前記第2の電圧よりも大きくなるように、基本波に対す
    る負荷が設定されており、 偶数次高調波に対する負荷インピーダンスが、短絡にな
    るように設定されており、 奇数次高調波に対する負荷インピーダンスが、開放にな
    るように設定されており、 出力電圧波が低電圧側で飽和するだけの入力電力を印加
    して動作させることを特徴とする電力増幅装置。
  3. 【請求項3】 エミッタ接地したバイポーラトランジス
    タのバイアス点が、A級バイアス点よりもコレクタバイ
    アス電流の大きい点に設定されており、 負荷線と電圧軸の交点より求まる電圧から電源電圧を引
    いて求まる電圧を第1の電圧と定義した場合に、前記第
    1の電圧が前記電源電圧よりも大きくなるように前記負
    荷線の傾きが設定されており、 出力電圧波が低電圧側で飽和するだけの入力電力を印加
    して動作させることを特徴とする電力増幅装置。
  4. 【請求項4】 エミッタ接地したバイポーラトランジス
    タのバイアス点が、A級バイアス点よりもコレクタバイ
    アス電流の大きい点に設定されており、 負荷線と電圧軸の交点より求まる電圧から電源電圧を引
    いて求まる電圧を第1の電圧と定義した場合に、前記第
    1の電圧が前記電源電圧よりも大きくなるように基本波
    に対する負荷が設定されており、 偶数次高調波に対する負荷インピーダンスが、短絡にな
    るように設定されており、 奇数次高調波に対する負荷インピーダンスが、開放にな
    るように設定されており、 出力電圧波が低電圧側で飽和するだけの入力電力を印加
    して動作させることを特徴とする電力増幅装置。
JP8211485A 1996-08-09 1996-08-09 電力増幅装置 Pending JPH1056341A (ja)

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JP8211485A JPH1056341A (ja) 1996-08-09 1996-08-09 電力増幅装置
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