JPH11330866A - 無線周波数増幅器及び動作点安定化方法 - Google Patents

無線周波数増幅器及び動作点安定化方法

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JPH11330866A
JPH11330866A JP11066221A JP6622199A JPH11330866A JP H11330866 A JPH11330866 A JP H11330866A JP 11066221 A JP11066221 A JP 11066221A JP 6622199 A JP6622199 A JP 6622199A JP H11330866 A JPH11330866 A JP H11330866A
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input
signal
radio frequency
control
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Esko Jaervinen
イェルビネン エスコ
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 温度補償回路を有する無線周波数増幅器の実
現。 【解決手段】 無線周波数増幅器は、増幅すべき無線周
波数信号を受信する入力と、増幅した無線周波数信号を
供給する出力とを有するパワートランジスタ(Q1)と、パ
ワートランジスタ(Q1)の入力に結合された入力を有する
制御トランジスタ(Qc)と、パワートランジスタ(Q1)及び
制御トランジスタ(Qc)に制御バイアス信号を供給するた
めそれらの入力に結合された出力を有するドライバ・ト
ランジスタ(Q2)と、入力信号に結合される第１入力とド
ライバ・トランジスタ(Q2)の入力に結合された出力とを
有しドライバ制御信号をドライバ・トランジスタに供給
する差動増幅器とを有し、制御トランジスタ(Qc)は差動
増幅器の第２入力に結合された出力を有し、制御トラン
ジスタ(Qc)の出力はパワートランジスタ(Q1)の出力に追
従して差動増幅器に負帰還信号を供給する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、パワートランジス
タを有する無線周波数増幅器に関する。それに必ずしも
限定するわけではないが、本発明は特に、無線周波数増
幅器のパワートランジスタのために温度保障を与えるこ
とに関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】パワートランジスタは
多くの無線周波数（ＲＦ）装置や、セルラー無線電話機
及びセルラー無線基地局送受信機に組み込まれる回路を
含むいろいろな回路に広く使われている。しばしば、正
確なＲＦ出力パワー・レベルを確保するためだけではな
くて、トランジスタ自体に対するダメージを防止するた
めにも、出力パワーの安定性が装置又は回路の正しい動
作に対して決定的に重要である。出力パワーが不安定に
なるありふれた原因は、自己加熱や周囲の温度の変化に
起因して生じることのある変動などの、パワートランジ
スタの動作温度の変動である。
【０００３】パワートランジスタ増幅器にＲＦ信号を所
望の利得で確実に増幅させるためには、トランジスタを
適当な「動作点」にバイアスする必要がある。バイアス
をかけるための簡単な仕組みが図１に示されており、そ
こでは増幅されるべきＲＦ信号ＲＦ＿ＩＮがパワートラ
ンジスタＱ１の入力に結合されている。増幅されたＲＦ
信号ＲＦ＿ＯＵＴはパワートランジスタのコレクタから
得られる。パワートランジスタＱ１を適当な動作点にバ
イアスするドライバ・トランジスタＱ２もパワートラン
ジスタＱ１の入力に結合されている。しかし、温度変化
は、パワートランジスタ及びドライバ・トランジスタの
両方のベース・エミッタ間電圧を変化させ、動作点を、
従ってパワートランジスタＱ１の利得を変化させる傾向
を持っている。エミッタ抵抗Ｒｅが大きいと仮定する
と、利得及びコレクタ電流の増大はベース・エミッタ間
電圧の減少によって相殺されて、ある程度の安定性がト
ランジスタに与えられるという傾向がある。しかし、エ
ミッタ抵抗が大きいと、その抵抗での電力損失が大きく
なって増幅器の効率が悪くなる。
【０００４】図２は、通常の温度補償バイアス回路を組
み込んだ修正された電力増幅器を示している。この回路
は、ドライバ・トランジスタＱ２のベースとグランドと
の間に接続された１対のダイオード接続トランジスタＱ
３，Ｑ４を備える。基礎となっている動作理論は、ダイ
オード接続された２つのトランジスタＱ３，Ｑ４がドラ
イバ・トランジスタ及びパワートランジスタＱ１，Ｑ２
のベース・エミッタ接合での電圧降下に追従して、パワ
ートランジスタのベース電流を実質的に一定に保ち、そ
の動作点を安定に保つ。図１の回路の場合と同じく、エ
ミッタ抵抗Ｒｅでの電圧降下によって付加的な安定性が
もたらされるが、これも増幅器の効率を低下させる傾向
を持っている。
【０００５】図２の温度補償回路は広く用いられてはい
るが、これは理想的なものではない。第１に、普通は調
整された電圧（例えば供給電圧Ｖｓｕｐ）から生じるバ
イアス電圧Ｖｂｉａｓの揺らぎは、パワートランジスタ
Ｑ１のコレクタ電流Ｉｃに顕著な影響を及ぼす。第２
に、ダイオード接続された２つのトランジスタＱ３，Ｑ
４のベース・エミッタ領域はパワートランジスタＱ１及
びドライバ・トランジスタＱ２と正確に同じ条件の下で
動作するのではないから（例えば、これらのトランジス
タはＲＦ入力信号を受け取らない）、４個のトランジス
タ全部の動作温度が実質的に同じであったとしても、前
者での電圧降下は後者のベース・エミッタ接合での電圧
降下に必ずしも従うとは限らない。たとえ回路全体が単
一の半導体チップに集積されている場合でも、製造の公
差が時には大きいために生じる種々のトランジスタ間の
差異によってこの問題が更に悪化する。
【０００６】本発明の目的は、上記の欠点を克服するか
又は少なくとも軽減する無線周波数増幅器を提供するこ
とである。この目的、及びその他の目的は、増幅器のパ
ワートランジスタにより伝導されるのと実質的に同一の
電流密度を伝導して、パワートランジスタのバイアスを
制御するために帰還信号を供給するために構成される追
加の制御トランジスタを提供することによって達成され
る。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は、第１の態様に
おいては、無線周波数増幅器を提供するものであり、こ
の無線周波数増幅器は、増幅されるべき無線周波数信号
を受信するための入力と、増幅された無線周波数信号を
供給する出力とを有するパワートランジスタと、このパ
ワートランジスタの入力に結合された入力を有する制御
トランジスタと、このパワートランジスタ及び制御トラ
ンジスタに制御バイアス信号を供給するためにパワート
ランジスタ及び制御トランジスタの入力に結合された出
力を有するドライバ・トランジスタと、入力信号に結合
される第１入力と、ドライバ・トランジスタの入力に結
合された出力とを有し、ドライバ制御信号をドライバ・
トランジスタに供給する差動増幅器とを有し、この制御
トランジスタは差動増幅器の第２入力に結合された出力
を有し、制御トランジスタの出力はパワートランジスタ
の出力に従って差動増幅器に負帰還信号を供給するよう
になっている。
【０００８】本発明の実施例は制御トランジスタの出力
から差動増幅器へ帰還信号を供給し、この信号は差動増
幅器の出力を、従ってパワートランジスタ制御バイアス
信号を、駆動し、電力増幅器を実質的に一定の動作点に
保つ。本発明は、パワートランジスタの動作点に対する
温度変化の影響を小さくする。
【０００９】好適には、制御トランジスタと差動増幅器
とにより形成される帰還ループは、制御トランジスタの
出力に生じる無線周波数変動の影響を取り除くように設
けられた低域フィルタ手段を更に備える。
【００１０】パワートランジスタはあらゆる適切な構成
を持っていてよい。しかし、ある好適な構成は並列に結
合された２つ又はそれより多いトランジスタ要素から成
る。
【００１１】好適には、パワートランジスタと制御トラ
ンジスタとは、アクティブ状態ではトランジスタを通っ
て流れる電流密度が実質的に同じとなるように、構成さ
れる。より好適には、パワートランジスタ及び制御トラ
ンジスタの両方にそれぞれベース抵抗及びエミッタ抵抗
を備え、その抵抗の値はそれぞれのトランジスタの作用
面積に反比例する。
【００１２】好適には、本発明の差動増幅器はエミッタ
結合差動増幅器である。
【００１３】好適には、ドライバ・トランジスタの入力
と差動増幅器の第２入力との間に安定化キャパシタンス
が提供される。
【００１４】本発明の実施例は制御トランジスタの出力
と差動増幅器の第２の入力とに結合される利得制御信号
を備えることができる。ドライバ・トランジスタに印加
されるドライバ制御信号を変化させ、従ってパワートラ
ンジスタに印加される制御バイアス信号を変化させるこ
とによりパワートランジスタの動作点を変化させるため
に、この利得制御信号を使うことができる。
【００１５】本発明は、第２の態様においては、増幅さ
れるべきＲＦ信号をその入力において受信して、増幅さ
れたＲＦ信号をその出力から供給する無線周波数パワー
トランジスタの動作点を安定させる方法を提供するもの
であり、この方法は、パワートランジスタの入力と制御
トランジスタの入力とに制御バイアス信号を結合させる
ステップと、制御トランジスタの出力信号と入力信号と
の差に実質的に比例する差信号を発生させるステップ
と、差信号をドライバ・トランジスタの入力に結合させ
るステップを有し、制御バイアス信号はドライバ・トラ
ンジスタの出力信号である。
【００１６】本発明をよりよく理解し、本発明を実施す
る方法を示すために、添付図面を参照する。
【００１７】
【発明の実施の形態】上では、図１及び２を参照して簡
単なＲＦ増幅器と公知の温度補償回路とを解説した。図
３は、パワートランジスタＱ１とドライバ・トランジス
タＱ２とを備えるＲＦ増幅器のための改良された温度補
償回路を例示している。ドライバ・トランジスタＱ２は
単一のｎ−ｐ−ｎバイポーラ接合形トランジスタにより
提供されているのに対して、パワートランジスタは、そ
れぞれエミッタ抵抗及びベース抵抗、並びに並列に接続
されたＲＦ入力結合キャパシタンスを伴う一組（ｍ個
で、このｍは例えば４８）のｎ−ｐ−ｎバイポーラ接合
形トランジスタ（又はトランジスタ要素）により提供さ
れている。これは図３中の挿入図Ａにおいて例示されて
いる。
【００１８】図３の温度補償回路は制御トランジスタＱ
ｃを備える。この制御トランジスタは、パワートランジ
スタＱ１を構成しているトランジスタ要素の１つと実質
的に同じ単一のｎ−ｐ−ｎバイポーラ接合形トランジス
タ要素により実現されている。そういうものとして、制
御トランジスタＱｃの作用面積はパワートランジスタＱ
１の実効作用面積の１／ｍ倍である。制御トランジスタ
Ｑｃは、ベース抵抗Ｒｂとエミッタ抵抗Ｒｅとを備えて
おり、パワートランジスタＱ１はベース抵抗Ｒｂ／ｍと
エミッタ抵抗Ｒｅ／ｍとを備えている。制御トランジス
タＱｃのコレクタは、コレクタ抵抗Ｒ１を介して調整さ
れた直流電圧Ｖｒｅｇに接続されている。
【００１９】制御トランジスタＱｃのコレクタは差動増
幅器の正入力にも接続されている。その差動増幅器は１
対のエミッタ結合バイポーラ接合形トランジスタＱｄ
１、Ｑｄ２を備えており、そのコレクタはそれぞれコレ
クタ抵抗を介して調整された直流電圧Ｖｒｅｇに結合さ
れており、トランジスタＱｄ１のコレクタにおいて出力
電圧Ｖｏを供給するようになっている。 Ｖｏ＝Ａ（Ｖ２−Ｖ１） ここでＶ１及びＶ２はそれぞれトランジスタＱｄ１及び
Ｑｄ２に存在するベース電圧であり、Ａは差動増幅器の
利得である。Ｖ１は、抵抗分割回路網を介して調整され
た直流電圧Ｖｒｅｇから生じる。
【００２０】差動増幅器の出力電圧Ｖｏは安定化抵抗Ｒ
２を介してドライバ・トランジスタＱ２のベースに結合
されており、このトランジスタのコレクタは供給電圧Ｖ
ｓｕｐに結合されている。ドライバ・トランジスタのベ
ースは、安定化キャパシタンスＣ１を介してトランジス
タＱｄ２のベースにも結合されている。ドライバ・トラ
ンジスタＱ２は、それぞれベース抵抗を介してパワート
ランジスタＱ１及び制御トランジスタＱｃのベースに接
続されて両トランジスタにバイアス信号を供給する。
【００２１】パワートランジスタＱ１及び制御トランジ
スタＱｃの作用面積、ベース抵抗、及びエミッタ抵抗の
相対的スケーリングの故に、両方のトランジスタを通っ
て流れるベース・エミッタ電流密度とコレクタ・エミッ
タ電流密度とは実質的に同じである。従って、例えば加
熱効果によるパワートランジスタＱ１のコレクタ電流の
変化はｍの要因によってスケールダウンされて制御トラ
ンジスタＱｃのコレクタ電流に反映されると期待され
る。
【００２２】例えばある時間だけ動作した後にパワート
ランジスタＱ１の温度が上昇して、コレクタ電流と、従
ってこのトランジスタのＲＦ利得とを増大させ、所望の
動作点から変位させてしまったと考える。制御トランジ
スタＱｃのコレクタ電流はそれに比例して増大し、この
トランジスタのコレクタ電圧を低下させる（コレクタ抵
抗Ｒ１での電圧降下が増大するので）。このコレクタ電
圧は差動増幅器に入力電圧Ｖ２を供給するので、差動増
幅器の出力電圧Ｖｏは低下する。ドライバ・トランジス
タＱ２に加えられるベース電流は、このとき減少して、
パワートランジスタ及び制御トランジスタに加わるバイ
アス電流を減少させて、これらのトランジスタの利得を
減少させる。
【００２３】従って、制御トランジスタと差動増幅器と
は負帰還制御信号をドライバ・トランジスタＱ２に供給
し、これは、さもなければパワートランジスタの利得を
変動させる原因となるパワートランジスタＱ１の特性の
変化をうち消す方向に作用する。回路の種々の受動素子
は、回路が正しく動作するように選択されている。特
に、安定化抵抗Ｒ２とＣ１とは、出力の変化に回路が迅
速に応答できると共に、同時に帰還ループの動作を安定
させ、特に制御トランジスタＱｃのコレクタに生じる高
周波変動の効果を取り除くように、選択され構成されて
いる。例えばコンピュータ・シミュレーションを使って
素子を選択することができる。
【００２４】図３の回路の重要な驚異的利点は、パワー
トランジスタＱ１に付随するエミッタ抵抗（Ｒｅ／ｍ）
が図１及び２に例示されているような公知の回路と比べ
て小さくても良いことであり、実際、パワートランジス
タ要素のエミッタをグランドに接続する接続ワイヤの抵
抗や、あるいは寄生抵抗でさえ、充分であろう（電流の
「動揺：hogging 」を防ぐために）。それは、大きな温
度補償エミッタ抵抗がもはや不要だからである。図３の
回路では、エミッタ抵抗での電力損が減少し、増幅器の
効率が向上している。
【００２５】図３は任意の利得制御入力も例示してお
り、利得制御電圧Ｖｐｃが抵抗Ｒ３を介して制御トラン
ジスタＱｃのコレクタに加えられるようになっている。
電圧Ｖｐｃは、差動増幅器への入力電圧Ｖ２を増大させ
て、ドライバ・トランジスタＱ２により供給されるバイ
アス電流を増大させる傾向を有する。そのためにパワー
トランジスタＱ１のＲＦ利得が増大する。
【００２６】個別の素子で図３の回路を実現することも
できるが、好適には単一の半導体チップに集積する。こ
のことには、種々の素子、特に制御トランジスタ及びパ
ワートランジスタ、の動作温度が均等になる傾向がある
という利点がある。好適な構成では、パワートランジス
タのトランジスタ要素を「共通重心：common centroid
」幾何学に従って配置し、制御トランジスタをパワー
トランジスタのトランジスタ要素の直ぐ隣にあるいはそ
れらの間に、配置する。
【００２７】本発明の範囲から逸脱することなく上記実
施例に種々の修正を加え得ることを当業者は理解するで
あろう。例えば、並列に接続された一組のＦＥＴエレメ
ントを備える金属酸化膜半導体ＦＥＴ（ＭＯＳＦＥＴ）
又は金属半導体ＦＥＴ（ＭＥＦＥＴ）などのパワー電界
効果トランジスタ（ＦＥＴ）の特性を安定させるために
本発明を適用することができる。負帰還ループの一部分
を形成する利得制御ＦＥＴを用いて安定化が達成され
る。制御ＦＥＴは、ドレーン・ソース電流密度がパワー
ＦＥＴのそれと実質的に同じになるように構成され配置
されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】温度補償無しの無線周波数増幅器を示す図であ
る。
【図２】従来技術による温度補償回路を伴う図１の無線
周波数増幅器を示す図である。
【図３】本発明の実施例による温度補償回路を伴う図２
の無線周波数増幅器を示す図である。
【符号の説明】
Ｑ１…パワートランジスタ Ｑ２…ドライバー・トランジスタ Ｑｃ…制御トランジスタ Ｑｄ１，Ｑｄ２…差動増幅器 Ｒｂ…ベース抵抗 Ｒｅ…エミッタ抵抗 Ｃ１…安定化キャパシタンス

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 無線周波数増幅器において、該無線周波
    数増幅器は、 増幅されるべき無線周波数信号を受信するための入力
    と、増幅された無線周波数信号を供給する出力とを有す
    るパワートランジスタと、 該パワートランジスタの前記入力に結合された入力を有
    する制御トランジスタと、 前記パワートランジスタ及び制御トランジスタに制御バ
    イアス信号を供給するために前記パワートランジスタ及
    び制御トランジスタの前記入力に結合された出力を有す
    るドライバ・トランジスタと、 入力信号に結合される第１入力と、前記ドライバ・トラ
    ンジスタの入力に結合された出力とを有し、ドライバ制
    御信号を前記ドライバ・トランジスタに供給する差動増
    幅器とを有し、 前記制御トランジスタは前記差動増幅器の第２入力に結
    合された出力を有し、前記制御トランジスタの前記出力
    は前記パワートランジスタの前記出力に追従して前記差
    動増幅器に負帰還信号を供給することを特徴とする無線
    周波数増幅器。
  2. 【請求項２】 前記負帰還信号から前記制御トランジス
    タの前記出力に生じる無線周波数変動の効果を取り除く
    ように構成された低域フィルタ手段を備える請求項１に
    記載の無線周波数増幅器。
  3. 【請求項３】 前記パワートランジスタは並列に結合さ
    れた２つ又はそれより多いトランジスタ要素から成る請
    求項１又は２に記載の無線周波数増幅器。
  4. 【請求項４】 前記パワートランジスタ及び前記制御ト
    ランジスタは、アクティブ状態ではこれらのトランジス
    タを通って流れる電流密度が実質的に同じになるように
    構成されている請求項１から３のいずれか一項に記載の
    無線周波数増幅器。
  5. 【請求項５】 前記パワートランジスタ及び制御トラン
    ジスタはそれぞれベース抵抗及びエミッタ抵抗を備えて
    おり、それらの抵抗の値はそれぞれのトランジスタの作
    用面積に反比例する請求項１から４のいずれか一項に記
    載の無線周波数増幅器。
  6. 【請求項６】 前記差動増幅器はエミッタ結合差動増幅
    器である請求項１から５のいずれか一項に記載の無線周
    波数増幅器。
  7. 【請求項７】 前記ドライバ・トランジスタの入力と前
    記差動増幅器の前記第２入力との間に安定化キャパシタ
    ンスが提供されている請求項１から６のいずれか一項に
    記載の無線周波数増幅器。
  8. 【請求項８】 前記制御トランジスタの前記出力と前記
    差動増幅器の前記第２入力とに利得制御信号が結合され
    る請求項１から７のいずれか一項に記載の無線周波数増
    幅器。
  9. 【請求項９】 増幅されるべきＲＦ信号をその入力にお
    いて受信して、増幅されたＲＦ信号をその出力から供給
    する無線周波数パワートランジスタの動作点安定化方法
    であって、 前記パワートランジスタの前記入力と制御トランジスタ
    の入力とに制御バイアス信号を結合するステップと、 前記制御トランジスタの出力信号と入力信号との差に実
    質的に比例する差信号を発生するステップと、 前記差信号をドライバ・トランジスタの入力に結合させ
    るステップとを有し、前記制御バイアス信号は前記ドラ
    イバ・トランジスタの出力信号であることを特徴とする
    動作点安定化方法。
JP11066221A 1998-03-13 1999-03-12 無線周波数増幅器及び動作点安定化方法 Pending JPH11330866A (ja)

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