JP2007104280A - 高周波電力増幅回路 - Google Patents

Abstract

【課題】
出力負荷等の異常に対して保護する回路のＲＦ特性への影響を抑制した高周波電力増幅器の提供。
【解決手段】
第１の増幅用トランジスタ１０３−１と第２の増幅用トランジスタ１０３−２を備えた高周波電力増幅器であって、出力電力を検知し該出力電力に応じた電圧を出力する検波回路１０１と、検波回路１０１の出力により制御され、第１の増幅用トランジスタ１０３−１のベース端子に流れ込む電流を分流させる保護用トランジスタ１０２を備えている。
【選択図】
図１

Description

本発明は、高周波電力増幅回路に関し、特に、携帯電話端末等の各種高周波機器に用いて好適な高周波電力増幅器及びそれを用いた高周波電力増幅モジュールに関する。

携帯電話端末等の無線通信装置は、その送信回路内に、変調後の信号を増幅する高周波電力増幅器(RF Power Amplifier)を備えている。高周波電力増幅器において、何らかの要因により、高周波電力増幅器の出力負荷が変動して50Ωから外れたときに、その出力電力が増加する。すなわち、よく知られているように、信号源の出力インピーダンスと負荷の入力インピーダンスが50Ωに整合されている場合に負荷電力は最大となり、負荷の入力インピーダンスが50Ωから外れると、該負荷電力は減少し信号源で消費される電力が増加する。出力負荷の変動による出力電力の増加は、高周波電力増幅器の出力段の増幅用トランジスタのコレクタ電流の増加やコレクタ電圧の増加を招き、出力段の増幅用トランジスタが破壊に至る条件となる場合がある。このようなときに、増幅用トランジスタに過電流、過電圧がかからないように保護する機能を備えた高周波電力増幅器の一例として、例えば図５に示すような構成が従来より知られている（特許文献１の図１参照）。

図５において、参照符号４は高周波電力増幅トランジスタチップとしての半導体装置（ＩＣチップ）の構成を示している。このＩＣチップ４には、高周波電力増幅トランジスタ（「増幅用トランジスタ」ともいう）３と保護回路を備え、保護回路は、電圧検出回路１と、分流回路２とから構成されている。ＩＣチップ４の入力側端子５及び出力側端子６の各々に入力用の高周波整合回路７、及び出力用の高周波整合回路８が設けられ、これらは同一の基板上に搭載され、高周波電力増幅モジュール９を構成している。増幅用トランジスタ３のエミッタはＩＣチップ４の接地端子１０を介してモジュール９の接地端子１１に接続されている。電圧検出回路１は、ベースとコレクタが短絡されたＮＰＮトランジスタからなるダイオード１２を複数個縦積みに接続して構成され、一番上のダイオード１２のコレクタは、増幅用トランジスタ３のコレクタ電圧端子１３に接続され、一番下のダイオード１２のエミッタ側はＩＣチップ４の接地端子１０を介して接地され、一番下のダイオード１２のベース・コレクタが短絡された端子は、電圧検出回路１の出力端子とする。分流回路２は、ＮＰＮトランジスタ(スイッチングトランジスタ)１４からなり、そのコレクタは増幅用トランジスタ３のベース電圧端子１５に接続され、そのベースは、電圧検出回路１の出力端子に接続され、そのエミッタは接地端子１０を介して接地されている。高周波電力増幅モジュール９のベース・バイアス端子１６は、トランジスタ３のベース電圧端子１５に、高周波電力増幅モジュール９のコレクタ電圧端子１７は、トランジスタ３のコレクタ電圧端子１３にそれぞれ接続されている。高周波電力増幅モジュール９の入力用の高周波整合回路７に接続された入力端子１８を入力側に有し、出力用の高周波整合回路８に接続された出力端子１９を出力側に有する。出力端子１９には、５０Ωの外部負荷２０が接続されている。

図６は、図５の増幅用トランジスタ３の電圧・電流特性（ベース電流をあるステップで変化させた場合の特性）を示す図であり（特許文献１の図５参照）、横軸は増幅用トランジスタ３のコレクタ電圧（コレクタ・エミッタ間電圧）、縦軸はコレクタ電流である。図５において、太線で示されているコレクタ電圧、コレクタ電流以下の領域が、トランジスタの安全動作領域を示している。したがって、トランジスタのコレクタに破壊に至るような過電圧が印加された時に、コレクタ電流を減少させるような保護機能を持たせることができればよい。

図５に示した従来の高周波電力増幅器は、増幅用トランジスタ３のコレクタ電圧端子１３に過電圧が印加したときに、縦積みダイオード１２がオンとなり、ＮＰＮトランジスタ１４がオンする。すると、増幅用トランジスタ３のベースに流れる電流がＧＮＤ側に分流され、増幅用トランジスタ３のベース電流が減少し、これに伴いコレクタ電流も減少し、増幅用トランジスタ３の破壊を防止する、という保護機能を有する。

特開２００３−３４７８５７号公報

しかしながら、図５を参照して説明した従来の高周波電力増幅器においては、増幅用トランジスタ３のコレクタ電圧端子１３とベース電圧端子１５に、保護回路をなす電圧検出回路１と分流回路２が接続されているため、信号入力側から、保護回路の寄生容量成分が見えてしまう。このため、標準動作電圧の場合にも、保護回路が、高周波電力増幅動作に影響を与えてしまい、ＲＦ特性の悪化につながるものと思料される。

そして、図５を参照して説明した従来の高周波電力増幅器において、保護回路が接続される増幅用トランジスタ３は、外部要因による出力負荷変動が生じる、高周波電力増幅器の最終段の出力段トランジスタであるものと思料される。特に、出力信号波形の歪み成分が規格化されているＷ−ＣＤＭＡ（Code Division Multiple Access;符号分割多元アクセス）方式等では、寄生容量成分がＲＦ特性に影響を与え、その結果、規格を満たすことが困難となる場合も想定される。

さらに、高周波電力増幅器の最終段のインピーダンス整合は、ＲＦ特性に大きく関与している。このため、高周波電力増幅器の最終段の増幅用トランジスタに、保護回路を接続することは好ましくない。

本発明は、上記課題を解決するため、概略以下の構成とされる。

本発明は、少なくとも２段構成の増幅用トランジスタを備えた高周波電力増幅器において、保護回路を、最終段の前の増幅用トランジスタに接続したものであり、該保護回路のＲＦ特性に与える影響を低減するようにしたものである。

より詳しくは、本発明に係る高周波電力増幅器は、複数段の増幅用トランジスタと、
出力電力を検知する検波回路と、前記検波回路での検波出力に基づき、前記複数段の増幅用トランジスタのうち最終段よりも前段に位置する少なくとも一つの増幅用トランジスタの信号入力端子に流れる電流を分流させる制御を行う保護回路と、を備えている。

本発明に係る高周波電力増幅器において、前記保護回路が、前記最終段よりも前段に位置する前記増幅用トランジスタの信号入力端子と電源間に挿入され、前記検波回路からの検波出力に基づきオン・オフが制御されるスイッチを備え、前記増幅用トランジスタの信号入力端子に流れる電流は、前記スイッチがオン時には、電源側に分流する、構成とされる。

本発明に係る高周波電力増幅器において、前記保護回路は、好ましくは、前記複数段の増幅用トランジスタのうち初段の増幅用トランジスタに接続されている。

本発明に係る高周波電力増幅器において、前記保護回路は、好ましくは、前記初段の増幅用トランジスタと電源間に接続され、制御端子が前記検波回路の出力に接続され、オン・オフ制御されるスイッチング・トランジスタを備えている。

本発明に係る高周波電力増幅器において、好ましくは、前記最終段の増幅用トランジスタの出力に接続された整合回路を備え、前記検波回路は、前記整合回路の出力電力を検波し、前記出力電力に応じた検波出力電圧を、前記保護回路に供給する構成とされる。

本発明によれば、入力電力、出力負荷の異常に対して、高周波電力増幅器を保護することができる。

本発明によれば、保護回路を、高周波電力増幅器の初段の増幅用トランジスタに接続することで、該保護回路のＲＦ特性に与える影響を低減している。

本発明によれば、出力電力をモニタする検波回路を用いて保護回路を制御しており、出力電力の増加による破壊に対して、大きなマージン（余裕度）を確保することができる。

さらに、例えば検波回路を具備した既存の高周波電力増幅器に対して、本発明を適用する場合にも、当該高周波電力増幅器に、保護用トランジスタを１つ付加するだけで、保護機能を実現することが出来る。このため、保護機能を備えた高周波電力増幅器のコストの上昇を抑止可能としている。

上記した本発明についてさらに詳細に説述すべく、添付図面を参照して以下に説明する。本発明に係る高周波電力増幅器の一実施の形態は、図１を参照すると、複数段の増幅用トランジスタを備えた高周波電力増幅器であって、高周波電力増幅器の出力電力を検波し、該出力電力に応じた検波出力電圧を出力する検波回路（１０１）と、検波回路（１０１）の出力に基づき制御され、最終段の増幅用トランジスタ（１０３−２）よりも前段に位置する増幅用トランジスタ（１０３−１）の信号入力端子に流れ込む電流を分流させる制御を行う保護回路（１０２）を備えている。本発明によれば、この保護回路（１０２）を、最終段よりも前段の増幅用トランジスタ（１０３−１）に接続することで、該保護回路（１０２）のＲＦ特性に与える影響を低減している。以下実施例に即して説明する。

図１は、本発明の一実施例の構成を示す図である。図１には、増幅用トランジスタ２段構成の高周波電力増幅器が示されている。図１を参照すると、本実施例は、エミッタが接地されコレクタが、それぞれインダクタンスＬ１、Ｌ２を介してコレクタ電圧端子（電源端子）１０９に接続された増幅用トランジスタ１０３−１、１０３−２と、入力端子１００と増幅用トランジスタ１０３−１のベース端子１０５との間に接続された入力用の整合回路１０４−１と、増幅用トランジスタ１０３−１のコレクタと増幅用トランジスタ１０３−２のベース端子１０６との間に接続された整合回路１０４−２と、増幅用トランジスタ１０３−２のコレクタと出力端子１０８との間に接続された出力用の整合回路１０４−３と、電源端子１１０に接続され増幅用トランジスタ１０３−１、１０３−２のベース端子１０５、１０６にそれぞれ駆動用のバイアス電圧を与えるバイアス回路１０７−１、１０７−２と、出力端子１０８に接続された検波回路１０１と、エミッタが接地されベースが検波回路１０１の出力に接続され、コレクタがベース端子１０５に接続されたスイッチング・トランジスタ（「保護用トランジスタ」という）１０２を備えている。なお、図１では、増幅用トランジスタ１０３−１、１０３−２は２段構成とされているが、本発明において増幅用トランジスタの段数は２段に限定されるものでなく、複数段構成とされる。また、図１には、増幅用トランジスタ１０３−１、１０３−２、保護用トランジスタ１０２は、ＮＰＮ型のバイポーラトランジスタより構成されているが、本発明はかかる構成にのみ限定されるものでなく、ＰＮＰ型としてもよいことは勿論である。

本実施例においては、高周波電力増幅器の出力端子１０８に接続された検波回路１０１により、高周波電力増幅器で増幅された出力電力を検知し、検波回路１０１から出力される電圧により、保護用トランジスタ１０２を駆動し、増幅用トランジスタ１０３−１、１０３−２を保護する。

図１を参照して、検波回路１０１による保護動作を説明する。検波回路１０１において、ある設定出力電力値以上の電力を検知したときに、検波回路１０１の出力電圧が上昇し、保護用トランジスタ１０２のベース・エミッタ間電圧の上昇により、保護用トランジスタ１０２がオンする。すなわち、保護用トランジスタ１０２のベースには、図２の保護用トランジスタ動作電圧以上の出力電圧が、検波回路１０１から供給される。なお、図２は、高周波電力増幅器の出力端子１０８からの出力電力（横軸）と検波回路１０１の出力電圧（縦軸）の特性（実線）を示した図である。また、図２において、破線で示される保護用トランジスタ動作電圧は、保護用トランジスタ１０２がオンするベース・エミッタ間電圧に対応している。

保護用トランジスタ１０２がオンすることにより、初段の増幅用トランジスタ１０３−１のベース電流が、保護用トランジスタ１０２に分流しＧＮＤ側に流れ込む。これにより、増幅用トランジスタ１０３−１のベース電流が減少する。このため、初段の増幅用トランジスタ１０３−１のコレクタ電流が減少し、その電力増幅の度合いは小さくなる。増幅用トランジスタ１０３−２に入力される電力が減少し、そのベース電流も減少する。その結果、増幅用トランジスタ１０３−２のコレクタ電流は減少する。かかる一連の動作により、増幅用トランジスタ１０３−２は保護される。

正常動作時には、検波回路１０１で出力電力をモニタしているが、このとき、保護用トランジスタ１０２がオンするような電圧は、検波回路１０１の出力端子１１１からは出力されない。すなわち、正常動作時には、検波回路１０１の出力端子１１１からは、図２の通常出力電力に対応した出力電圧が出力される。このときの出力電圧は、図２の保護用トランジスタ動作電圧よりも低いレベルであることから、保護用トランジスタ１０２はオフ状態とされる。

例えば、何らかの原因で高周波電力増幅器の入力電力が増加した場合、増幅用トランジスタ１０３−２に入力される電力が大きいため、出力端子１０８に発生する出力電力が大きくなり、増幅用トランジスタ１０３−２に流れるコレクタ電流が増加する。この場合、本発明と相違して、保護対策が施されていない高周波電力増幅器では、増幅用トランジスタ１０３−２は破壊してしまう。

図３は、２段構成の高周波電力増幅器にRF信号入力時の入出力特性の一例を示す図であり、入力電力とコレクタ電流（破線）と出力電力（実線）の特性が示されている。なお、図３において、横軸の入力電力の単位はｄBm、左縦軸のコレクタ電流の単位はmA、右縦軸の出力電力の単位はdBmである。図３に示すように、入力電力が大きくなるに従い、増幅用トランジスタのコレクタ電流は増加する。

本実施例では、検波回路１０１で過剰な出力電力を検知したときに、保護用トランジスタ１０２をオンさせることで、増幅用トランジスタ１０３−２に入力される電力を減少させるように制御し、この結果、高周波電力増幅器を保護することができる。

次に、出力負荷が変動した場合について説明する。何らかの原因で出力負荷が変動して50Ωからはずれた場合、出力電力が増加し、増幅用トランジスタ１０３−２のコレクタ電流が増加するが、検波回路１０１が出力電力の増加を検知してその検波出力電圧が上昇し、保護用トランジスタ１０２がオンする。このため、上記と同様な動作原理により、出力負荷が変動した場合にも、高周波電力増幅器を保護することができる。

本実施例によれば、保護回路を構成する保護用トランジスタ１０２を、高周波電力増幅器の初段の増幅用トランジスタ１０３−１のベース端子に接続することで、保護回路が、高周波電力増幅器のＲＦ特性に与える影響を抑止・低減している。

なお、本実施例において、検波回路１０１は、高周波電力増幅器の出力電力に応じて、検波出力電圧を出力する構成でありさえすればよく、ダイオード検波回路等、任意の回路構成のものが用いられる。図４は、電力を電力に比例する直流電圧に変換するダイオード検波回路の構成の一例を示す図であり、一端が、高周波電力増幅器の出力端子１０８（整合回路１０４−３の出力）に接続された、ＤＣカット用の容量Ｃ１と、容量Ｃ１の他端にアノードが接続され整流作用を行うダイオードＤ１と、ダイオードＤ１のアノードと電源、グランド（ＧＮＤ）間に接続された抵抗Ｒ１−１、Ｒ１−２と、ダイオードＤ１のカソードとＧＮＤ間に接続された容量Ｃ２と、ダイオードＤ１のカソードと検波電圧出力端子１１１間に接続された抵抗Ｒ２を備えている。ダイオードＤ１は、コレクタとエミッタが接続されたＮＰＮ型バイポーラトランジスタよりなる。抵抗Ｒ１−１、Ｒ１−２は、通常電力時に、順方向電流が流れないようなバイアス電圧をダイオードＤ１に与える。高周波電力増幅器の出力電力が増大すると、ダイオードＤ１のアノード電圧（トランジスタのベース・エミッタ間電圧）が上昇し、ダイオードＤ１に流れる順方向電流が増大し、これに伴い容量Ｃ２の端子電圧も増大する。すなわち、出力電力の増大に対応して、例えば図２に示すような特性にて、出力端子１１１の電圧（検波回路出力電圧）が上昇する。

本実施例においては、検波回路として、増幅用トランジスタのコレクタ電圧に対する検波回路ではなく、出力電力を検波する検波回路を用いているため、増幅用トランジスタの破壊に対して十分なマージンをとることができる。

また、本実施例によれば、検波回路が実装されている高周波電力増幅器に対しては、保護用トランジスタ１０２を付加するだけで、本発明に係る保護回路付き高周波電力増幅器を実現することができる。このため、コスト低減が可能である。なお、図１に示した高周波電力増幅器は、回路基板等のモジュールに組み込んでもよいことは勿論である。保護回路のＲＦ特性に与える影響を低減した本発明は、携帯電話端末等の無線通信装置の送信回路の高周波電力増幅器に用いて好適とされる。

以上、本発明を上記実施例に即して説明したが、本発明は上記実施例の構成にのみに制限されるものでなく、本発明の範囲内で当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。

本発明の一実施例の構成を示すブロック図である。 高周波電力増幅器の出力電力に対する検波回路の出力電圧グラフである。 トランジスタの入力電力に対する出力電力とコレクタ電流の関係を示したグラフである。 本発明の一実施例の検波回路の一例を示す図である。 従来の保護回路付き高周波電力増幅器の等価回路図である。 トランジスタのコレクタ・エミッタ間電圧とコレクタ電流の関係を示すグラフ上に、トランジスタの破壊に対する安全領域を示したものである。

符号の説明

１ 電圧検出回路
２ 分流回路
３ 増幅用トランジスタ（高周波電力増幅トランジスタ）
４ 高周波電力増幅トランジスタ（半導体装置、ＩＣチップ）
５ ＩＣチップ４の入力端子
６ ＩＣチップ４の出力端子
７ 入力用の高周波整合回路
８ 出力用の高周波整合回路
９ 高周波電力増幅モジュール
１０ ＩＣチップ４の接地端子
１１ モジュール９の接地端子
１２ ダイオード
１３ トランジスタ３のコレクタ電圧端子
１４ ＮＰＮトランジスタ
１５ ベース電圧端子
１６ モジュール９のベースバイアス端子
１７ モジュール９のコレクタ電圧端子
１８ 高周波信号の入力端子
１９ 高周波信号の出力端子
２０ 外部負荷
１００ 入力端子
１０１ 検波回路
１０２ 保護用トランジスタ
１０３−１、１０３−２ 増幅用トランジスタ
１０４−１、１０４−２、１０４−３ 整合回路
１０５ 初段の増幅用トランジスタのベース端子
１０６ ２段目の増幅用トランジスタのベース端子
１０７−１、１０７−２ 駆動用バイアス回路
１０８ 高周波電力増幅器の出力端子
１０９ 電源端子
１１０ 電源端子
１１１ 検波電圧出力端子

Claims (8)

1. 入力信号を受け電力増幅して出力する高周波電力増幅器であって、
   複数段の増幅用トランジスタと、
   出力電力を検知する検波回路と、
   前記検波回路での検波出力に基づき、前記複数段の増幅用トランジスタのうち最終段よりも前段に位置する少なくとも一つの増幅用トランジスタの信号入力端子に流れる電流を分流させる制御を行う保護回路と、
   を備えている、ことを特徴とする高周波電力増幅器。
2. 前記保護回路が、前記最終段よりも前段に位置する前記増幅用トランジスタの信号入力端子と低電位電源間に挿入され、前記検波回路からの検波出力に基づきオン・オフが制御されるスイッチを備え、
   前記増幅用トランジスタの信号入力端子に流れる電流は、前記スイッチがオン時に前記低電位電源側に分流する、ことを特徴とする請求項１記載の高周波電力増幅器。
3. 前記保護回路が、前記複数段の増幅用トランジスタのうち初段の増幅用トランジスタに接続されている、ことを特徴とする請求項１記載の高周波電力増幅器。
4. 前記保護回路が、前記初段の増幅用トランジスタの信号入力端子と低電位電源間に接続され、制御端子が前記検波回路の出力に接続され、オン・オフ制御されるスイッチング・トランジスタを備えている、ことを特徴とする請求項３記載の高周波電力増幅器。
5. 前記最終段の増幅用トランジスタの信号出力端子に入力が接続された整合回路を備え、
   前記検波回路は、前記整合回路の出力電力を検波し、前記出力電力に応じた検波出力電圧を、前記保護回路に供給する、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一に記載の高周波電力増幅器。
6. 前記複数段の増幅用トランジスタのうち少なくとも１つの増幅用トランジスタの信号入力端子と、その前段に位置する、増幅用トランジスタの信号出力端子、又は、前記入力信号を受ける入力端子との間に整合回路を備えている、ことを特徴とする請求項５記載の高周波電力増幅器。
7. 請求項１乃至６のいずれか一に記載の高周波電力増幅器を備えたモジュール。
8. 請求項１乃至６のいずれか一に記載の高周波電力増幅器を、送信信号を電力増幅する電力増幅器として備えた無線通信装置。

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