JP2503917B2 - 高効率電力増幅器 - Google Patents

高効率電力増幅器

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JP2503917B2
JP2503917B2 JP5259153A JP25915393A JP2503917B2 JP 2503917 B2 JP2503917 B2 JP 2503917B2 JP 5259153 A JP5259153 A JP 5259153A JP 25915393 A JP25915393 A JP 25915393A JP 2503917 B2 JP2503917 B2 JP 2503917B2
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impedance
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海三 山本
禎彦 杉浦
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03FAMPLIFIERS
    • H03F3/00Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/20Power amplifiers, e.g. Class B amplifiers, Class C amplifiers
    • H03F3/21Power amplifiers, e.g. Class B amplifiers, Class C amplifiers with semiconductor devices only
    • H03F3/217Class D power amplifiers; Switching amplifiers
    • H03F3/2176Class E amplifiers

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  • Power Engineering (AREA)
  • Amplifiers (AREA)
  • Tone Control, Compression And Expansion, Limiting Amplitude (AREA)
  • Microwave Amplifiers (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は高効率電力増幅器に関
し、特に高周波帯で用いるF級動作をなす高効率電力増
幅器に関するものである。
【0002】
【従来の技術】この種のF級高効率電力増幅器において
は、増幅用能動素子であるFET等のトランジスタの出
力側から負荷を見込むインピーダンスが、基本波に対し
て整合、第二高周波に対して短絡(ゼロ)、第三高周波
に対して開放(無限大)となるインピーダンス整合回路
を設ける必要がある。
【0003】従来のこの種のF級電力増幅器の例として
は、IEEEトランザクションズオンエレクトロンデバ
イシズ(IEE Transactions on Electron Devices)
の第14巻、ナンバ12、PP.851〜857や、特
開昭63−204912号公報や、更には特開昭64−
74813号公報等に開示されたものがある。
【0004】図3はこのF級電力増幅器の回路例であ
る。図3に示す如く、その増幅器は増幅用能動素子1
と、直流阻止用のカップリングキャパシタ2と、増幅素
子1への直流バイアスVD を印加するための高周波阻止
用インダクタ3と、増幅素子1の負荷4〜6とからなっ
ている。
【0005】この負荷は、基本波に対して所定インピー
ダンス(整合インピーダンス)Z1を与える共振回路4
と、偶数次高調波に対してゼロインピーダンスを与える
共振回路5と、奇数次高調波に対して無限大インピーダ
ンスを与える共振回路6とを有している。
【0006】増幅素子1がFET(電界効果トランジス
タ)であるとする。このFETはドレイン電極Dにイン
ダクタ3を介して直流電圧VD が印加されており、ゲー
ト電極Gには、図4(a)に示す如く、高周波入力信号
の正弦波の半周期だけドレイン電流iD が流れる様にバ
イアス電圧VGSが与えられている。
【0007】ドレイン電流iD の尖頭値はIp であり、
ドレイン電流iD の4次以上の高周波成分は無視できる
ものとし、FET1の内部抵抗は十分小さいとする。
【0008】この条件下において、ドレイン効率ηD を
最大にする負荷インピーダンスは、 Z1=4VD /31/2 Ip Z2=0(2次高周波インピーダンス) Z3=∞(3次高周波インピーダンス) となる。このときのドレイン効率は、 ηD =π/2・31/2 となる。
【0009】増幅出力の基本波電圧振幅VD は、 vD1=2VD /31/2 であり、直流バイアス電圧VD よりも大きくなるが、ド
レイン電圧vD の負の半サイクルの期間はFET1は導
通状態にあるために、ドレイン電圧vD の瞬時値は、図
4(b)の点線の波形で示す様な波形となり、基本波位
相θが、 π/3≦θ≦2π/3 の範囲(期間Tで示す)では、vD は略ゼロとなる。
【0010】すなわち、負荷に発生する全高周波電圧の
瞬時値の絶対値の最大値は直流バイアス電圧VD に制限
される。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】従来のこの種のF級増
幅器では、ドレイン電圧に関係なくドレイン電流が図4
(a)の波形の様に得られていると考えられる。しかし
ながら、実用化されているマイクロ波帯FETでは。ゲ
ート電圧VGSをパラメータとしたドレイン電圧対電流特
性は図5の様になっており、ニー電圧VK 以下のドレイ
ン電圧では、ドレイン電流はドレイン電圧に依存するよ
うになっていることが判る。
【0012】従って、ドレイン電圧vD がニー電圧VK
以下のゼロボルト付近では、ドレイン電流波形は図4
(a)に示す様な半波正弦波形とはならず、尖頭部分の
波形がいわゆるダブルハンプ状(図4(b)の電圧波形
の尖頭部分の様な2つの突出(角)部分を持つ波形)と
なって、ドレイン電流波形が歪むことになる。
【0013】このドレイン電流の歪に起因して、ドレイ
ン電流の基本波成分が減少すると共に、他の高周波成分
も変化し、理想的なハーモニックチューニング増幅器が
実現できず、効率が低下するという欠点がある。
【0014】本発明の目的は、ドレイン瞬時電圧のピー
ク値がほぼゼロになることを抑止してドレイン電流の歪
みを防止することにより、理想的に近いハーモニックチ
ューニング増幅が可能な高能率電力増幅器を提供するこ
とである。
【0015】
【発明の原理】図3の従来回路では、FET1のドレイ
ン瞬時電圧の最小値は、FET1のオン抵抗が略ゼロで
あるから、ほぼゼロとなり、その結果図5の特性から判
る様に、その時のドレイン電流は減少して前述した如く
歪むことになる。そこで、本発明では、ドレイン電圧の
最小値がニー電圧VK 以下になることを防止すること
で、ドレイン電流の減少を防いでその波形歪をなくす様
にしたものである。
【0016】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、増幅用
能動素子と、この増幅出力の基本波に対して所定のイン
ピーダンスを、偶数次高調波に対してゼロインピーダン
スを、奇数次高調波に対して無限大のインピーダンスを
夫々有する負荷とを含む高効率電力増幅器であって、前
記負荷に並列に接続されて前記増幅出力のピーク値を制
限する制限手段を有することを特徴とする高効率電力増
幅器が得られる。
【0017】
【実施例】以下、本発明について図面を参照しつつ詳述
する。
【0018】図1は本発明の一実施例の回路図であり、
図3と同等部分は同一符号により示している。図3の従
来例と相違する部分についてのみ述べることにする。
【0019】本例では、FET1の負荷回路4〜6に並
列に、キャパシタ7とダイオード8との直列回路を設け
ており、ダイオード8のカソード(キャパシタ7との共
通接続点A)には、交流阻止用インダクタ9を介して、
ダイオード8への直流バイアス(VD −VK )を印加し
ている。
【0020】この構成において、負荷に発生する全高周
波電圧の絶対値の最大値が(VD −VK )より大きくな
ると、ダイオード8は全高周波電圧の瞬時値の負側にお
いて導通状態となり、図4(b)の略Tの期間は、ダイ
オード8とキャパシタ7とによる直列回路がほぼゼロの
低インピーダンスを呈することになる。その結果、全高
周波電圧の負側のピーク値の絶対値の最大値は、図4
(b)の実線で示す如く、(VD −VK )に制限される
ことになる。
【0021】尚、従来では、絶対値の最大値はVD とな
っており、この最大値VD により、ドレイン電流が減少
して波形歪を招来していたものである。
【0022】全高周波電圧の正側の半サイクルでは、F
ET1はオフにあるが、負荷の共振回路4〜6の動作に
より、負側の半サイクルと点対称な波形が得られ、やは
りその絶対値の最大値は(VD −VK )に制限されるこ
とになる。
【0023】ここで、ダイオード8の極姓を図示の例と
は逆にしても良く、この場合には、バイアス電圧の極姓
も逆として−(VD −VK )とすれば、ダイオード8は
全高周波電圧の瞬時値の正側でオンとなり、同様の図4
(b)の実線で示す如きピーク値が制限されたドレイン
電圧波形が得られる。
【0024】図1の回路において、増幅素子1はFET
であり、そのゲート電極には図4(a)に示す様に高周
波信号の正弦波半周期のみドレイン電流iD が流れるよ
うにバイアス電圧VGSが与えられるとする。また、ドレ
イン電流の尖頭値をIp とし、ドレイン電流の4次以上
の高周波成分は無視できるものとし、また、FET内部
抵抗は十分小さいものとする。
【0025】この場合に負荷インピーダンスを、 Z1=4(VD −VK )/31/2 Ip Z2=0 Z3=∞ と設定すれば、ドレイン電圧の瞬時値vD の波形は図4
(b)の実線の様になる。 すなわち、ドレイン電圧の
瞬時値はVK 以下の小さな値になることはないので、図
4(a)に示すドレイン電流波形は半波正弦波に維持さ
れ歪むことはなく、よってほぼ理想的な設計どおりの動
作をなすハーモニックチューニングF級増幅器が実現で
きるのである。
【0026】このときのドレイン効率は、 ηD =(1−VK /VD )π/2・31/2 となる。
【0027】図2は本発明の他の実施例の回路図であ
り、図1と同等部分は同一符号にて示している。この例
では、負荷と並列にダイオード8とキャパシタ7との直
列回路が設けられている。図1の例とは、ダイオードと
キャパシタとの位置が入れ替わっており、ダイオード8
の接続極性も逆となっている。
【0028】そして、このダイオード8のカソードAに
直接バイアス(VD −VK )が印加されている。交流阻
止用インダクタ9(図1)が不要な理由は、カソードA
の点は交流的にはキャパシタ7の作用により既に接地状
態にあるからである。
【0029】この回路においては、負荷に生ずる全高周
波電圧の瞬時値の絶対値の最大値が(VD −VK )より
大なるとき、ダイオード8がオンとなってダイオード8
とキャパスタ7との直列回路はほぼゼロの低インピーダ
ンスを呈し、よって、その最大値は(VD −VK )に制
限されることになる。
【0030】本例でも、ダイオード8の極性は逆として
良く、このときはバイアス電圧極性も逆とすれば良い。
この場合、ダイオード8は全高周波電圧の瞬時値の負側
でオンとなる。
【0031】
【発明の効果】以上述べた如く、本発明によれば、増幅
出力のピーク値を制限する回路を負荷に並列に設けてい
るので、FETのドレイン電圧の瞬時値がゼロになるこ
とはなくなり、従って、ドレイン電流はそのピーク値で
減少せず歪みが防止されることになって、ほぼ理想どお
りで設計どうりのハーモニックチューニング増幅が可能
となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の回路図である。
【図2】本発明の他の実施例の回路図である。
【図3】従来例のF級高効率増幅器の回路図である。
【図4】(a)はF級高効率増幅器の増幅素子のドレイ
ン電流波形を示す図、(b)は従来と本発明の増幅素子
の各ドレイン電圧波形を比較して示した図である。
【図5】FET素子のドレイン電圧対電流特性図であ
る。
【符号の説明】
1 FET 2,7 キャパシタ 3,9 インダクタ 4 基本波共振回路 5 偶数次高調波共振回路 6 奇数次高調波共振回路

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 増幅用能動素子と、この増幅出力の基本
    波に対して所定のインピーダンスを、偶数次高調波に対
    してゼロインピーダンスを、奇数次高調波に対して無限
    大のインピーダンスを夫々有する負荷とを含む高効率電
    力増幅器であって、前記負荷に並列に接続されて前記増
    幅出力のピーク値を制限する制限手段を有することを特
    徴とする高効率電力増幅器。
  2. 【請求項2】 前記増幅用能動素子がFET素子であ
    り、前記制限手段は、前記増幅出力のピーク値が前記F
    ET素子のニー電圧以下になることを禁止制限する手段
    を有することを特徴とする請求項1記載の高効率電力増
    幅器。
  3. 【請求項3】 前記制限手段は、前記負荷に並列接続さ
    れ前記増幅出力のピーク値が前記ニー電圧以下になった
    ときに交流的に接地状態を呈する低インピーダンス回路
    からなることを特徴とする請求項2記載の高効率電力増
    幅器。
  4. 【請求項4】 前記低インピーダンス回路は、所定バイ
    アスが供給されたダイオードとキャパシタとの直列回路
    であることを特徴とする請求項3記載の高効率電力増幅
    器。
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