JP2007143069A - 電力増幅器 - Google Patents

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Abstract

【課題】チップサイズを小さくすることができ、安定生産の観点から有利となる電力増幅器を得る。
【解決手段】本発明の電力増幅器は、入力信号を複数の信号に分配して出力する電力分配回路と、電力分配回路から出力されたそれぞれの信号を増幅する複数の増幅回路と、複数の増幅回路から出力されたそれぞれの信号を合成して出力する電力合成回路と、電力分配回路の入力線路に接続された安定化回路とを有する。安定化回路は、並列に接続された容量及び抵抗を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、入力信号を複数の信号に分配して出力する電力分配回路と、電力分配回路から出力されたそれぞれの信号を増幅する複数の増幅回路と、複数の増幅回路から出力されたそれぞれの信号を合成して出力する電力合成回路とを有する電力増幅器に関し、特にチップサイズを小さくすることができ、安定生産の観点から有利となる電力増幅器に関するものである。
図１３は従来の電力増幅器を示す回路図である。この電力増幅器は、入力信号を４つの信号に分配して出力する電力分配回路１１と、電力分配回路１１から出力されたそれぞれの信号を増幅するＦＥＴやＨＢＴなどの４つの増幅回路１２と、４つの増幅回路１２から出力されたそれぞれの信号を合成して出力する電力合成回路１３とを有する。また、入力端子と電力分配回路１１の間と、出力端子と電力合成回路１３の間に、整合回路１４，１５がそれぞれ設けられている。このように複数の増幅回路を並列動作させることで高出力を得ることができる（例えば、特許文献１参照）。
このような電力増幅器では、電力分配回路と電力合成回路を用いるために閉ループが形成される。そして、増幅回路や回路素子のばらつきがある場合は、特定の周波数においてこの閉ループ内でループ発振が起き、電力増幅器が不安定になる。そこで、従来の電力増幅器では、ループ発振を防ぐために複数の増幅回路１２と電力分配回路１１の間に、それぞれ直列の安定化回路１６を配置していた。これにより増幅回路の直近で安定係数Ｋを１以上として安定化を図ることができるため、合成電力分配回路によるループ発振の抑圧が容易になり、全体回路の設計が容易であった。
特開平１１−３５５０１５号公報
しかし、従来の電力増幅器では、安定化回路を複数の増幅回路にそれぞれ設けなければならないことから、チップサイズが大きくなり、コストが増加していた。例えば、安定化回路として抵抗１７と容量１８を並列に接続した回路を用いる場合、入出力方向に直行する方向の寸法は、これらの抵抗１７と容量１８によって決まる。また、安定化回路中にバイアス印加を要するエレメントを用いる場合、内側に配置された安定化回路からのバイアス線路の引き出しのために入出力方向のサイズを大きくする必要が生じる。さらに、安定化回路を多機能化するために複雑な構造にすると、安定化回路の占める領域が大きくなるため、低コスト化を優先させる場合は実現が困難であった。また、従来の電力増幅器では、安定化回路を構成する容量や抵抗といったエレメントの数が多くなるため、各エレメントのばらつきの影響を受けやすくなり、安定生産の観点からは不利であった。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、チップサイズを小さくすることができ、安定生産の観点から有利となる電力増幅器を得るものである。
本発明に係る電力増幅器は、入力信号を複数の信号に分配して出力する電力分配回路と、電力分配回路から出力されたそれぞれの信号を増幅する複数の増幅回路と、複数の増幅回路から出力されたそれぞれの信号を合成して出力する電力合成回路と、電力分配回路の入力線路に接続された安定化回路とを有する。安定化回路は、並列に接続された容量及び抵抗を有する。本発明のその他の特徴は以下に明らかにする。
本発明により、チップサイズを小さくすることができ、安定生産の観点から有利となる。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る電力増幅器を示す回路図である。この電力増幅器１０は、入力信号を４つの信号に分配して出力する電力分配回路１１と、電力分配回路１１から出力されたそれぞれの信号を増幅するＦＥＴやＨＢＴなどの４つの増幅回路１２と、４つの増幅回路１２から出力されたそれぞれの信号を合成して出力する電力合成回路１３とを有する。また、入力端子と電力分配回路１１の間と、出力端子と電力合成回路１３の間に、整合回路１４，１５がそれぞれ設けられている。そして、本実施の形態に係る電力増幅器では、従来とは異なり、直列の安定化回路１６が電力分配回路１１の入力線路に接続されている。
また、安定化回路１６は、抵抗１７と容量１８を並列に接続した回路からなる。なお、抵抗１７と容量１８がそれぞれ１個の場合に限らず、複数の抵抗と１個の容量や、複数の容量と１個の抵抗や、複数の容量と複数の抵抗でもよい。
図２は、本発明の実施の形態１に係る電力増幅器の安定性を計算するために用いた電力増幅器を示す回路図である。電力分配回路１１及び電力合成回路１３は、マイクロストリップラインなどの伝送線路１９をカスケード接続したものである。また、ループ発振を抑制するためにアイソレーション抵抗値２０が設けられている。
図３は、図２に示す電力増幅器の最大有能利得（Maximum Available Gain: MAG）、最大安定利得（Maximum Stable Gain: MSG）及び安定係数Ｋの周波数特性を示す計算結果である。計算には、８個の増幅回路が並列に配置した回路構成を用いた。この計算結果により、直列の安定化回路を電力分配回路１１の入力線路に接続しても、全周波数範囲においてＫ値は１以上になり、安定化回路が無い場合にＭＳＧとなる低い周波数範囲においてもＭＡＧとなることが分かった。
また、増幅器を発振させずに安定動作させるためには、Ｋ値の安定に加えて、ループ発振を抑制しなければならない。従来回路ではループ内に安定化回路が含まれていたため、これらとアイソレーション抵抗を併用してループ発振を抑制することは容易であった。これに対し、本実施の形態に係る電力増幅器では、ループ内に安定化回路が含まれていないため、ループ発振を抑制するためにはアイソレーション抵抗値を慎重に選択しなければならない。これに対し、従来は計算精度が不十分であること等の理由によってアイソレーション抵抗のみによりループ発振を抑制するアイソレーション抵抗値を見出すことは困難であったが、昨今の計算技術の向上と電磁界解析等の計算技術の向上によって、アイソレーション抵抗のみを用いてループ発振を抑制するようなアイソレーション抵抗値を見出すことは可能である。
よって、本実施の形態に係る電力増幅器によれば、安定化回路を電力分配回路の入力線路に１個設けるだけで増幅器を発振させずに安定動作させることができるため、チップサイズを小さくすることができ、安定生産の観点から有利となる。
実施の形態２．
ＭＭＩＣにおいては容量１８として通常ＭＭキャパシタを用いるのが一般的である。これに対し、本発明の実施の形態２に係る安定化回路では、図４に示すように、容量１８としてトランジスタを用いる。具体的には、トランジスタのドレイン及びソース電極を入出カとし、ゲート電極にピンチオフ電圧以下のバイアスを印加して動作させる。これにより、ＭＩＭプロセスを省略してウェハプロセスを簡略化することができる。なお、トランジスタのゲート幅Ｗｇを５ｍｍとすると容量は約１ｐｆとなる。
実施の形態３．
準ミリ波、ミリ波帯で動作する電力増幅器では、トランジスタ１個で比較的大きな容量を得ようとすると、トランジスタ内の寄生成分等の影響で自己共振を起こし、回路特性に悪影響を及ぼす。そこで、実施の形態３に係る安定化回路では、図５に示すように、容量１８として並列に接続された複数のトランジスタを用いる。これにより、各トランジスタのゲート幅Ｗｇを小さくすることができるため、増幅回路の自己共振を回避し、所望の周波数で容量として用いることが可能となる。
実施の形態４．
安定化回路１６内の抵抗１７の抵抗値は、電力増幅器の動作バイアス条件、動作温度によって変わる。例えば、動作バイアス条件では安定動作となるものの、動作バイアス条件に至る過程で動作が不安定となる場合、抵抗値が固定された抵抗１７では、最も不安定となる領域が安定になるように抵抗値を決定しなければならなかった。ところが、このような抵抗値はプロセスバッチ毎に変化する可能性がある。また、全体回路の動作周囲温度が広範囲である場合、通常低温時で安定になるように設計するが、常温時に対しては過剰な安定化を施すことになり、所望の帯域での利得も落としてしまう場合がある。
そこで、本発明の実施の形態４に係る安定化回路では、図６に示すように、抵抗１７としてトランジスタを用いる。具体的には、トランジスタのドレイン及びソース電極に例えば０Ｖ近傍のバイアスを印加する。これにより、動作温度に応じて抵抗１７の抵抗値を調整することができ、各温度で最適な安定化を行うことが可能となる。なお、トランジスタのゲート幅Ｗｇを１０μｍとすると抵抗は約１００Ωとなる。
実施の形態５．
安定化回路中の抵抗は周波数や、増幅回路として用いるトランジスタのゲート幅等によって値は異なるが、トランジスタ１個で１００Ω前後の抵抗値を得ようとすると、抵抗として用いるトランジスタのゲート幅Ｗｇが２０μｍ以下となる場合があり、抵抗値に対するゲート幅依存性が大きく、設計が難しくなる。
そこで、本発明の実施の形態５に係る安定化回路では、図７に示すように、抵抗１７として直列に接続された複数のトランジスタ用いる。これにより、増幅回路についてサイズ（ゲート幅）の大きいトランジスタを直列に接続することによって、所望の抵抗値を容易に実現することが可能となる。
実施の形態６．
図８は、本発明の実施の形態６に係る安定化回路を示す回路図である。この安定化回路では、容量及び抵抗がトランジスタからなる。これにより、実施の形態２の効果と実施の形態４の効果を同時に得ることができる。
実施の形態７．
本発明の実施の形態７に係る安定化回路では、図９に示すように、容量１８として並列に接続された複数のトランジスタを用い、抵抗１７として直列に接続された複数のトランジスタ用いる。これにより、実施の形態３の効果と実施の形態５の効果を同時に得ることができる。
実施の形態８．
直列の安定化回路を１個としても、電力増幅器の入出力方向のサイズは縮小できない。そこで、本発明の実施の形態８に係る安定化回路では、図１０に示すように、容量１８及び抵抗１７は、電力分配回路１１の入力線路２１とこの入力線路２１から分岐される２本の線路２２のクロス部分に一体化して配置されている。具体的には、クロス部分に容量１８としてＭＩＭキャパシタが配置され、２本の線路２２がＭＩＭの上地電極に接続され、入力線路２１がＭＩＭの下地電極に接続されている。そして、２本の線路２２の下部のＭＩＭ近傍に抵抗１７が配置され、抵抗１７の一端がＭＩＭの上地電極に接続され、他端がＭＩＭの下地電極に接続されている。これにより、電力増幅器の入出力方向のサイズを縮小することができる。
実施の形態９．
図１１は、本発明の実施の形態９に係る電力増幅器を示す回路図である。この電力増幅器は、図１に示す電力増幅器１０を複数個用意し、これらを直列に接続したものである。これにより、ループ発振を抑制するための回路設計を容易にすることができ、実施の形態１のメリットを生かしつつ更に大電力の増幅器を実現することが可能となる。
実施の形態１０．
図１２は、本発明の実施の形態１０に係る電力増幅器を示す回路図である。この電力増幅器は、図１に示す電力増幅器１０を複数個用意し、これらを並列に接続したものである。これにより実施の形態９と同様の効果を奏する。
本発明の実施の形態１に係る電力増幅器を示す回路図である。 本発明の実施の形態１に係る電力増幅器の安定性を計算するために用いた電力増幅器を示す回路図である。 図２に示す電力増幅器の最大有能利得、最大安定利得及び安定係数Ｋの周波数特性を示す計算結果である。 本発明の実施の形態２に係る安定化回路を示す回路図である。 本発明の実施の形態３に係る安定化回路を示す回路図である。 本発明の実施の形態４に係る安定化回路を示す回路図である。 本発明の実施の形態５に係る安定化回路を示す回路図である。 本発明の実施の形態６に係る安定化回路を示す回路図である。 本発明の実施の形態７に係る安定化回路を示す回路図である。 本発明の実施の形態８に係る安定化回路を示す回路図である。 本発明の実施の形態９に係る電力増幅器を示す回路図である。 本発明の実施の形態１０に係る電力増幅器を示す回路図である。 従来の電力増幅器を示す回路図である。
符号の説明
１０ 電力増幅器
１１ 電力分配回路
１２ 増幅回路
１３ 電力合成回路
１６ 安定化回路
１７ 抵抗
１８ 容量

Claims (8)

  1. 入力信号を複数の信号に分配して出力する電力分配回路と、
    前記電力分配回路から出力されたそれぞれの信号を増幅する複数の増幅回路と、
    前記複数の増幅回路から出力されたそれぞれの信号を合成して出力する電力合成回路と、
    前記電力分配回路の入力線路に接続された安定化回路とを有することを特徴とする電力増幅器。
  2. 前記安定化回路は、並列に接続された容量及び抵抗を有することを特徴とする請求項１に記載の電力増幅器。
  3. 前記容量は、トランジスタからなることを特徴とする請求項２に記載の電力増幅器。
  4. 前記容量は、並列に接続された複数のトランジスタからなることを特徴とする請求項２に記載の電力増幅器。
  5. 前記抵抗は、トランジスタからなることを特徴とする請求項２〜４の何れか１項に記載の電力増幅器。
  6. 前記抵抗は、直列に接続された複数のトランジスタからなることを特徴とする請求項２〜４の何れか１項に記載の電力増幅器。
  7. 前記安定化回路の前記容量及び前記抵抗は、前記電力分配回路の入力線路と前記入力線路から分岐される線路のクロス部分に一体化して配置されていることを特徴とする請求項２に記載の電力増幅器。
  8. 請求項１に記載の電力増幅器を複数個用意し、これらを直列又は並列に接続したことを特徴とする電力増幅器。
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