JP2005191791A

JP2005191791A - 電力増幅器の保護回路

Info

Publication number: JP2005191791A
Application number: JP2003428998A
Authority: JP
Inventors: Hideo Nagata; 秀夫永田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-12-25
Filing date: 2003-12-25
Publication date: 2005-07-14
Also published as: EP1548931A1; US7205843B2; US20050140452A1

Abstract

【課題】負荷変動等の電力増幅器の使用条件の変化によって電力増幅器が破壊するのを防止する。
【解決手段】電力増幅器１０２の出力側に方向性結合器１０４を設け、負荷からの反射波電力の増大を方向性結合器１０４を介して電力検出器（検波器）１０６で検出し、電力検出器１０６の検出信号を電力増幅器電源電圧制御回路１０９に与えることにより、電力増幅器１０２へ供給する電源電圧を徐々に低下させる。これによって、電力増幅器１０２が破壊条件に近づくにつれて電力増幅器１０２へ与える電源電圧を徐々に降下させることができる。したがって、電力増幅器１０５を保護できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、移動体通信装置などの高周波電力増幅器において、負荷変動等による電力増幅器の破壊を防止する電力増幅器の保護回路に関するものである。

図２に示すように、従来の電力増幅装置は、入力端子２０１、電力増幅器２０２、電力増幅器電源端子２０３、出力端子２０４、電力増幅器電源電圧制御端子２０５、直流電源端子２０６、電力増幅器電源電圧制御回路２０７から構成されている。

入力端子２０１より入力された信号は、電力増幅器２０２により増幅されて出力端子２０４から出力される。一方、電力増幅器２０２への電源供給は電力増幅器電源端子２０３を通して行われる。この際、電力増幅器電源電圧制御端子２０５より電力増幅器電源電圧制御回路２０７を制御し、直流電源端子２０６より入力された直流電圧を特定した電圧に降圧する動作を有する。

ここで、電力増幅器電源電圧制御回路２０７は、電力増幅器電源電圧制御端子２０５の電圧を電力増幅器電源端子２０３に入力するためのバッファアンプである。電力増幅器２０２は、多電流を必要とするため、電力増幅器電源電圧制御端子２０５を直接接続することができないので、電力増幅器電源電圧制御回路２０７が設けられている。

しかしながら、従来の電力増幅装置では、電力増幅器を破壊から保護する機能を有していないため、負荷変動等の電力増幅器使用条件によっては電力増幅器を破壊してしまうという問題があった。

この改善策として、電力増幅器に過電流が流れた場合にこれを検出し、電力増幅器の負荷を変化させることにより電力増幅器を保護する方法がある（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−２９５０５５号公報実開平２−０９０５１７号公報特開平９−１９９９５０号公報特開２０００−３４１１４５号公報

しかしながら、電力増幅器の負荷を変化させる方法は、可変負荷回路の構成が難しく、通常状態で低ロスの特性を持たないと電力増幅器の出力電力を低下させ、また電力効率を劣化させてしまうことになる。

したがって、本発明の目的は、負荷変動等の電力増幅器の使用条件の変化によって電力増幅器が破壊するのを防止することができ、しかも、構成が簡単で、通常時の電力増幅器の出力電力の低下もなく、さらに電力効率を高くできる電力増幅器の保護回路を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明の電力増幅器の保護回路は、電力増幅器が破壊条件に近づいたことを検出する破壊条件検出手段と、電力増幅器へ供給する電源電圧を変化させる電源電圧制御手段とを備え、破壊条件検出手段の検出信号を電源電圧制御手段に与えることにより、電力増幅器が破壊条件に近づくにつれて電力増幅器へ与える電源電圧を徐々に降下させるようにしている。

この構成によれば、電力増幅器が破壊条件に近づくにつれて電力増幅器へ与える電源電圧を徐々に降下させるので、電力増幅器が破壊条件に近づくのを防止できる。その結果、負荷変動等の電力増幅器の使用条件の変化によって電力増幅器が破壊するのを防止することができる。電源電圧を下げることは電力増幅器の消費電力を直接的に下げることになるため、的確に電力増幅器の破壊を阻止できると考えられる。しかも、スイッチではなく徐々に電圧制御することは、送信動作を大きく変化させないので、通信状態を安定に維持できると考えられる。

しかも、電力増幅器の負荷を可変するものではないため、構成が簡単で、通常時の電力増幅器の出力電力の低下もなく、さらに電力効率を高くできる。

本発明の電力増幅器の保護回路では、破壊条件検出手段は、例えば電力増幅器に接続される負荷のインピーダンス不整合により発生する反射波電力の増大を検出する反射波電力検出手段で構成される。

この構成によれば、負荷のインピーダンス不整合による反射波電力の増大を検出して電源電圧を徐々に下げるので、反射波電力の増大によって電力増幅器が破壊条件に近づくのを防止できる。

また、本発明の電力増幅器の保護回路は、電力増幅器のデバイスとして、例えばバイポーラトランジスタが使用されている場合には、破壊条件検出手段は、ベース電源端子からバイポーラトランジスタのベースへ流れる電流の増大を検出する電流検出手段で構成することもできる。

この構成によれば、ベース電源端子からバイポーラトランジスタのベースへ流れる電流の増大を検出することにより、電力増幅器であるバイポーラトランジスタのコレクタに過電流が流れようとした場合にこれを検知して、電源電圧を徐々に下げるので、電力増幅器に過電流が流れて電力増幅器が破壊条件に近づくのを防止できる。

さらに、本発明の電力増幅器の保護回路では、電力増幅器のデバイスとして、例えば電界効果トランジスタが使用されている場合においては、破壊条件検出手段は、ゲート電源端子から電界効果トランジスタのゲートへ流れる電流の増大を検出する電流検出手段で構成することもできる。

この構成によれば、ゲート電源端子から電界効果トランジスタのゲートへ流れる電流の増大を検出することにより、電力増幅器である電界効果トランジスタに過電流が流れようとした場合にこれを検知して、電源電圧を徐々に下げるので、電力増幅器に過電流が流れて電力増幅器が破壊条件に近づくのを防止できる。

以上のように、本発明の電力増幅器の保護回路によれば、電力増幅器が破壊条件に近づくにつれて電力増幅器へ与える電源電圧を徐々に降下させるので、電力増幅器が破壊条件に近づくのを防止できる。その結果、負荷変動等の電力増幅器の使用条件の変化によって電力増幅器が破壊するのを防止することができ、電力増幅器の保護を図ることができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１の電力増幅器の保護回路を含む電力増幅装置の構成を示すブロック図である。この電力増幅装置は、図１に示すように、入力端子１０１、電力増幅器１０２、電力増幅器電源端子１０３、方向性結合器１０４、出力端子１０５、電力検出器（例えば、検波器）１０６、電力増幅器電源電圧制御端子１０７、直流電源端子１０８、電力増幅器１０２へ供給する電源電圧を変化させる電源電圧制御手段である電力増幅器電源電圧制御回路１０９から構成されている。上記の方向性結合器１０４と電力検出器１０６とが、電力増幅器１０２に接続される負荷のインピーダンス不整合により発生する反射波電力の増大を検出する反射波電力検出手段、つまり電力増幅器１０２が破壊条件に近づいたことを検出する破壊条件検出手段に相当する。

以上のように構成された電力増幅器の保護回路を含む電力増幅装置についてその動作を説明する。

入力端子１０１より入力された高周波信号は、電力増幅器１０２により増幅されて出力端子１０５から出力される。

一方、電力増幅器１０２への電源供給は、電力増幅器電源端子１０３より行われる。この際、電力増幅器電源電圧制御端子１０７より与える制御信号により電力増幅器電源電圧制御回路１０９を制御し、直流電源端子１０８より入力された直流電圧を特定した電圧に降圧して電力増幅器１０２へ印加する。この動作機能は従来の電力増幅器電源電圧制御回路２０７と同じである。

ただし、この電力増幅器電源電圧制御回路１０９は、先行技術にはない機能、つまり電力増幅器１０２を保護する機能を有している。具体的に説明すると、電力増幅器１０２の負荷のインピーダンス不整合が発生した場合、方向性結合器１０４で反射波電力が抽出される。そして、抽出された反射波を電力検出器（検波器）１０６により電圧変換した信号が電力増幅器電源電圧制御回路１０９に入力される。これにより、インピーダンス不整合により反射波が発生した場合、そのレベルに応じて電力増幅器１０２の電源電圧を徐々に下げる動作が行われ、電力増幅器１０２が破壊条件に近づくのが防止され、それによって、電力増幅器１０２が保護される。

ここで、電力検出器１０６および電力増幅器電源電圧制御回路１０９の動作についてさらに詳しく説明する。電力検出器１０６は、反射電力のレベルに応じて電圧を出力し、反射電力のレベルが高いと出力電圧が高くなる。電源電圧制御回路１０９は、電力検出器１０６の出力電圧が入力されると、電力検出器１０６の出力電圧に応じて電力増幅器電源電圧を下げる動作を行う。

この実施の形態によれば、負荷のインピーダンス不整合による反射波電力の増大に応じて、つまり電力増幅器１０２が破壊条件に近づくにつれて電源電圧を徐々に下げるので、反射波電力の増大によって電力増幅器１０２が破壊条件に近づくのを防止でき、負荷変動等の電力増幅器１０２の使用条件の変化によって電力増幅器１０２が破壊するのを防止することができる。

しかも、電力増幅器１０２の負荷を可変するものではないため、構成が簡単で、通常時の電力増幅器の出力電力の低下もなく、さらに電力効率を高くできる。

しかも、電力増幅器１０２が破壊条件に近づくにつれて電力増幅器１０２へ与える電源電圧を徐々に降下させることにより、送信動作に大きく変化を与えることがなく通信を安定に維持できる。
（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２の電力増幅器の保護回路を含む電力増幅装置の構成を示すブロック図である。この電力増幅器の保護回路は、図３に示すように、入力端子３０１、ベース電源端子３０２、ベース抵抗３０３、電圧変換部３０４、バイポーラトランジスタ３０５、コレクタ電源端子３０６、出力端子３０７、電力増幅器電源電圧制御端子３０８、直流電源端子３０９、電力増幅器電源電圧制御回路３１０、コンデンサ３１１，３１２、インダクタ３１３から構成されている。ここで、ベース抵抗３０３と電圧変換部３０４とが、ベース電源端子３０２からバイポーラトランジスタ３０５のベースへ流れる電流の増大を検出する電流検出手段、つまり破壊条件検出手段に相当する。

入力端子３０１より入力された例えば高周波信号は、バイポーラトランジスタ３０５をパワーデバイスに使用した電力増幅器により増幅されて出力端子３０７から出力される。

一方、バイポーラトランジスタ３０５への電源供給は、以下のように行われる。ベース電源供給はベース電源端子３０２よりベース抵抗３０３を介して行われ、コレクタ電源供給はコレクタ電源端子３０６より行われる。この際、電力増幅器電源電圧制御端子３０８より与える制御信号により、電力増幅器電源電圧制御回路３１０を制御し、直流電源端子３０９より入力された直流電圧を特定した電圧に降圧してバイポーラトランジスタ３０５のコレクタに印加する。ただし、コレクタ電源供給についてはコレクタ電流が過剰に流れることによりバイポーラトランジスタ３０５を破壊させないために、ベース電源端子３０２よりバイポーラトランジスタ３０５のベースに流れる電流を検出し、すなわち、ベース抵抗３０３の電圧を検出する。そして、その電圧によって、コレクタ電流が過剰に流れようとした場合に、そのレベルに応じて電力増幅器であるバイポーラトランジスタ３０５のコレクタ電源電圧を徐々に下げる動作が行われ、バイポーラトランジスタ３０５が破壊条件に近づくのが防止され、それによって、バイポーラトランジスタ３０５が保護される。

上記の電圧変換部３０４は、ベース電流に比例した電圧を出力する。電力増幅器電源電圧制御回路３１０は、電圧変換部３０４から入力される電圧が高くなると、それに応じて電力増幅器電源電圧を下げる動作を行う。ここで、電圧変換部３０４の感度と、電力増幅器電源電圧制御回路３１０の動作点が、バイポーラトランジスタ３０５の破壊防止に最適となるように調整される。

コレクタ電流が過大となると、それに連動してベース電源端子３０２よりバイポーラトランジスタ３０５のベースに流れる電流が増大するのは、バイポーラトランジスタの通常動作では、ベース電流とコレクタ電流には直流電流増幅率（Hfe）の関係が存在するからである（Ic=Ib×Hfe）。この回路では、負荷変動によってコレクタ電流が変化した場合、直流電流増幅率に応じてベース電流も変化することになる。

この構成によれば、ベース電源端子３０２からバイポーラトランジスタ３０５のベースへの電流供給経路中に挿入されたベース抵抗３０３の電圧の増大に応じて、つまり、電力増幅器が破壊条件に近づくにつれて電源電圧を徐々に下げるので、バイポーラトランジスタ３０５のコレクタに過電流が流れてバイポーラトランジスタ３０５が破壊条件に近づくのを防止でき、負荷変動等の電力増幅器の使用条件の変化によってバイポーラトランジスタ３０５が破壊するのを防止することができる。

しかも、電力増幅器が破壊条件に近づくにつれて電力増幅器へ与える電源電圧を徐々に降下させることにより、送信動作に大きく変化を与えることがなく通信を安定に維持できる。

（実施の形態３）
図４は、本発明の実施の形態３の電力増幅器の保護回路を含む電力増幅装置の構成を示すブロック図である。この電力増幅器の保護回路は、図４に示すように、入力端子４０１、ゲート電源端子４０２、ゲート抵抗４０３、電圧変換部４０４、電界効果トランジスタ４０５、ドレイン電源端子４０６、出力端子４０７、電力増幅器電源電圧制御端子４０８、直流電源端子４０９、電力増幅器電源電圧制御回路４１０、コンデンサ４１１，４１２、インダクタ４１３から構成されている。ここで、ゲート抵抗４０３と電圧変換部４０４とが、ゲート電源端子４０２から電界効果トランジスタ４０５のゲートへ流れる電流の増大を検出する電流検出手段、つまり破壊条件検出手段に相当する。

入力端子４０１より入力された例えば高周波信号は、電界効果トランジスタ４０５をパワーデバイスに使用した電力増幅器により増幅されて出力端子４０７から出力される。

一方、電界効果トランジスタ４０５への電源供給は、以下のように行われる。ゲート電源供給はゲート電源端子４０２よりゲート抵抗４０３を介して行われ、ドレイン電源供給はドレイン電源端子４０６より行われる。この際、電力増幅器電源電圧制御端子４０８より与える制御信号により、電力増幅器電源電圧制御回路４１０を制御し、直流電源端子４０９より入力された直流電圧を特定した電圧に降圧して電界効果トランジスタ４０５のドレインに印加する。ただし、ドレイン電源供給についてはドレイン電流が過剰に流れることにより電界効果トランジスタ４０５を破壊させないために、ゲート電源端子４０２から電界効果トランジスタ４０５のゲートに流れる電流を検出し、すなわち、ゲート抵抗４０３の電圧を検出する。そして、その電圧によって、ドレイン電流が過剰に流れようとした場合に、そのレベルに応じて電力増幅器である電界効果トランジスタ４０５のドレイン電源電圧を徐々に下げる動作が行われ、電界効果トランジスタ４０５が破壊条件に近づくのが防止され、それによって、電界効果トランジスタ４０５が保護される。

上記の電圧変換部４０４は、ゲート電流に比例した電圧を出力する。電力増幅器電源電圧制御回路４１０は、電圧変換部４０４から入力される電圧が高くなると、それに応じて電力増幅器電源電圧を下げる動作を行う。ここで、電圧変換部４０４の感度と、電力増幅器電源電圧制御回路４１０の動作点が、電界効果トランジスタ４０５の破壊防止に最適となるように調整される。

電界効果トランジスタの場合も、ドレイン電流が過大となると、それに連動してゲート電源端子３０２より電界効果トランジスタ４０５のゲートに流れる電流が増大する。電界効果トランジスタは一般的にはゲート電流は極めて微小であるが、大電力のパワーアンプではパワーに応じた大きな値で発生し、ゲート電流の変化が顕著に現れる。

この構成によれば、ゲート電源端子４０２から電界効果トランジスタ４０５のゲートへの電流供給経路中に挿入されたゲート抵抗４０３の電圧の増大に応じて、つまり、電力増幅器が破壊条件に近づくにつれて電源電圧を徐々に下げるので、電界効果トランジスタ４０５のドレインに過電流が流れて電界効果トランジスタ４０５が破壊条件に近づくのを防止でき、負荷変動等の電力増幅器の使用条件の変化によって電界効果トランジスタ４０５が破壊するのを防止することができる。

本発明にかかる電力増幅器の保護回路は、負荷変動等の電力増幅器の使用条件の変化によって電力増幅器が破壊するのを防止することができるという効果を有し、移動体通信装置の高周波電力増幅器等として有用である。

本発明の実施の形態１における電力増幅器の保護回路を含む電力増幅装置の構成を示すブロック図である。電力増幅装置の先行技術を示すブロック図である。本発明の実施の形態２における電力増幅器の保護回路を含む電力増幅装置の構成を示すブロック図である。本発明の実施の形態３における電力増幅器の保護回路を含む電力増幅装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１０１，２０１，３０１，４０１入力端子
１０２，２０２電力増幅器
１０３，２０３電力増幅器電源端子
１０４方向性結合器
１０５，２０４，３０７，４０７出力端子
１０６電力検出器
１０７，２０５，３０８，４０８電力増幅器電源電圧制御端子
１０８，２０６，３０９，４０９直流電源端子
１０９，２０７，３１０，４１０電力増幅器電源電圧制御回路

Claims

電力増幅器が破壊条件に近づいたことを検出する破壊条件検出手段と、前記電力増幅器へ供給する電源電圧を変化させる電源電圧制御手段とを備え、
前記破壊条件検出手段の検出信号を前記電源電圧制御手段に与えることにより、前記電力増幅器が破壊条件に近づくにつれて前記電力増幅器へ与える電源電圧を徐々に降下させるようにした電力増幅器の保護回路。
前記破壊条件検出手段は、前記電力増幅器に接続される負荷のインピーダンス不整合により発生する反射波電力の増大を検出する反射波電力検出手段からなる請求項１記載の電力増幅器の保護回路。
前記電力増幅器のデバイスとしてバイポーラトランジスタが使用され、
前記破壊条件検出手段は、ベース電源端子から前記バイポーラトランジスタのベースへ流れる電流の増大を検出する電流検出手段からなる請求項１記載の電力増幅器の保護回路。
前記電力増幅器のデバイスとして電界効果トランジスタが使用され、
前記破壊条件検出手段は、ゲート電源端子から前記電界効果トランジスタのゲートへ流れる電流の増大を検出する電流検出手段からなる請求項１記載の電力増幅器の保護回路。