JP4083573B2

JP4083573B2 - 高周波増幅装置

Info

Publication number: JP4083573B2
Application number: JP2002535251A
Authority: JP
Inventors: 一富森; 真太郎新庄; 弘敬上馬; 貴紀高橋; 幸夫池田; 直高木
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2000-10-12
Filing date: 2000-10-12
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2020-10-12
Also published as: US6750720B1; EP1326328A4; DE60025376D1; CN1205741C; WO2002031968A1; EP1326328B1; DE60025376T2; KR20020067541A; JPWO2002031968A1; KR100490819B1; CN1409892A; EP1326328A1

Description

【技術分野】
【０００１】
この発明は、衛星通信、地上マイクロ波通信、移動体通信等に用いられる高周波増幅装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般にＢＪＴ、ＨＢＴ等のＮＰＮバイポーラトランジスタを用いた高周波増幅器においては、高出力、高効率を得るためにベース電圧を定電圧で印加する定電圧バイアス回路が用いられる。定電流でベースバイアスを印加した場合には、高周波の入力電力が増加した場合に整流電流が発生すると定電流を維持するためにベース電圧が降下する。そのため、入力電力が大きくなると、Ｂ級動作に急速に近づくために飽和電力が小さくなり、高出力、高効率を得ることができない。一方、定電圧でベースバイアスを印加した場合には、ベース電圧は降下することはないため、バイアス級は変化せず、定電流バイアスの場合と比較して大きな飽和出力電力と高効率を得ることができる。したがって、入力電力が増加することによって、ベース電流が増加しても、ベース電圧が低下しないような定電圧バイアス回路が必要となる。
【０００３】
図１は例えば「アナログＩＣの機能回路設計入門回路シミュレータＳＰＩＣＥを用いたＩＣ設計法」（青木英彦著、ＣＱ出版社、１９９２年９月２０日発行、Ｐ７４）に示されたベース電流補償カレントミラー回路を定電圧バイアス回路に用いた場合の高周波増幅装置を示す回路図である。
【０００４】
図において、１はＢＪＴ、ＨＢＴ等のＮＰＮバイポーラトランジスタを増幅素子として用いた高周波増幅器、２はその高周波増幅器１にベースバイアス電圧を供給する定電圧バイアス回路である。
【０００５】
高周波増幅器１において、３はＢＪＴ、ＨＢＴ等のＮＰＮバイポーラトランジスタ、４はそのＮＰＮバイポーラトランジスタ３のエミッタ端子に接続されたグランド、５は高周波信号入力端子、６は高周波信号出力端子、７はベースバイアス端子、８はコレクタバイアス端子である。
【０００６】
また、定電圧バイアス回路２において、１１は高周波増幅器１のＮＰＮバイポーラトランジスタ３と共にカレントミラーを構成するＢＪＴ、ＨＢＴ等のＮＰＮバイポーラトランジスタであり、そのベース端子がベースバイアス端子７に接続され、そのエミッタ端子がグランド４に接続されたものである。１２はベース電流補償用のＢＪＴ、ＨＢＴ等のＮＰＮバイポーラトランジスタであり、そのベース端子がＮＰＮバイポーラトランジスタ１１のコレクタ端子に接続され、そのエミッタ端子がＮＰＮバイポーラトランジスタ１１のベース端子に接続されたものである。１３はＮＰＮバイポーラトランジスタ１２のコレクタ端子と電源供給端子１５との間に接続された抵抗、１４はＮＰＮバイポーラトランジスタ１２のベース端子と電源供給端子１５との間に接続された抵抗である。
【０００７】
次に動作について説明する。
高周波信号Ｐｉｎは、高周波信号入力端子５より高周波増幅器１に入力され、高周波増幅器１で増幅された後、高周波信号出力端子６より出力される。高周波増幅器１のベース電圧Ｖｂおよびベース電流Ｉｂｒｆは、定電圧バイアス回路２より供給され、高周波増幅器１のコレクタ電流Ｉｃｒｆおよびコレクタ電圧Ｖｃは、コレクタバイアス端子８より供給される。
【０００８】
定電圧バイアス回路２において、ベース電圧Ｖｂおよびベース電流Ｉｂｒｆは、以下のように決定される。ここで、仮に、高周波増幅器１と共にカレントミラーを構成するＮＰＮバイポーラトランジスタ１１のサイズを１、高周波増幅器１のＮＰＮバイポーラトランジスタ３のサイズをＮ、ベース電流補償用のＮＰＮバイポーラトランジスタ１２のサイズをＭとする。また、これら３つのＮＰＮバイポーラトランジスタ３，１１，１２は同じ構造のものであるとし、電流増幅率をβとする。さらに、接点電圧Ｖｒｅｆ、電流Ｉｒｅｆ、Ｉｃｄｃ１、Ｉｂｄｃ１、Ｉｃｄｃ２、Ｉｅｄｃ２、Ｉｂｄｃ２、Ｉｂｒｆ、Ｉｃｒｆ、抵抗Ｒｒｅｆを図１に示すように定義する。
【０００９】
定電圧バイアス回路２の電源供給端子１５より電源電圧Ｖｐｃが印加された場合のカレントミラーの基準電流Ｉｒｅｆは、
Ｉｒｅｆ＝（Ｖｐｃ−２・Ｖｂ）／Ｒｒｅｆ
で与えられる。この基準電流に対して、高周波増幅器１のＮＰＮバイポーラトランジスタ３のコレクタ電流Ｉｃｒｆは、
【数３】

となる。その際に、高周波増幅器１のＮＰＮバイポーラトランジスタ３のベースバイアス電圧Ｖｂは、
Ｖｂ＝（Ｖｐｃ−Ｉｒｅｆ・Ｒｒｅｆ）／２
に設定される。この際に流れるベース電流Ｉｂｒｆは次式となる。
Ｉｂｒｆ＝Ｉｃｒｆ／β
このようにして、定電圧バイアス回路２の出力として、ベース電圧Ｖｂ、ベース電流Ｉｂを供給する。
【００１０】
従来の高周波増幅装置は、以上のように構成されているので、以下に示すように高周波入力信号Ｐｉｎが増加され、ベース整流電流ΔＩｂが発生した際に、ベース電圧ＶｂがΔＶｂなる電圧降下分だけ低下してしまう。従って、高周波入力信号Ｐｉｎが増加した場合に、高周波増幅器１のバイアス級がＢ級に近づき、飽和出力電力、効率が低下するという課題がある。以下に、電圧降下ΔＶｂが発生する動作について説明する。
【００１１】
従来の技術において、高周波増幅器１の入力電力が増加し、ΔＩｂなるベース整流電流が発生し、結果として、定電圧バイアス回路２から出力されるベース電流ＩｂｒｆがΔＩｂだけ増加した場合について検討する。ベース電流ＩｂｒｆがΔＩｂだけ増加した場合に、ベース電流補償用のＮＰＮバイポーラトランジスタ１２のエミッタ電流Ｉｅｄｃ２はΔＩｅｄｃ２だけ増加し、カレントミラーを構成するＮＰＮバイポーラトランジスタ１１のベース電流Ｉｂｄｃ１はΔＩｂｄｃ１だけ減少すると、これらの電流の変化量には次式の関係がある。
ΔＩｂ＝ΔＩｅｄｃ２＋ΔＩｂｄｃ１
【００１２】
次に、カレントミラーを構成するＮＰＮバイポーラトランジスタ１１のベース電流Ｉｃｄｃ１の変化量ΔＩｃｄｃ１は、
ΔＩｃｄｃ１＝−β・ΔＩｂｄｃ１
となる。ここで、基準電流Ｉｒｅｆは、ほぼ一定であるとすると、ベース電流補償用のＮＰＮバイポーラトランジスタ１２のベース電流Ｉｂｄｃ２の変化量ΔＩｂｄｃ２は、
ΔＩｂｄｃ２＝−ΔＩｃｄｃ１＝β・ΔＩｂｄｃ１
となる。従って、ベース電流補償用のバイポーラトランジスタ１２のエミッタ電流Ｉｅｄｃ２の変化量ΔＩｅｄｃ２は、
ΔＩｅｄｃ２＝（１＋β）・ΔＩｂｄｃ２
＝β・（１＋β）・ΔＩｂｄｃ１
となる。よって、
ΔＩｂ＝ΔＩｅｄｃ２＋ΔＩｂｄｃ１
＝ΔＩｂｄｃ１・｛１＋β・（１＋β）｝
＝ΔＩｂｄｃ１・（１＋β＋β²）
より、ΔＩｂｄｃ１は次式となる。
【数４】

【００１３】
その際のカレントミラーを構成するＮＰＮバイポーラトランジスタ１１の電圧降下、すなわち出力電圧Ｖｂの電圧降下ΔＶｂは以下の式となる。
【数５】

但し、ｎは補正係数、ｋはボルツマン係数、Ｔは絶対温度、ｑは電荷、Ｉｓは飽和電流である。
【００１４】
以上より、上述の従来の技術の高周波増幅装置においては、高周波入力信号Ｐｉｎが増加してベース整流電流ΔＩｂが発生した際に、ベース電圧ＶｂがΔＶｂなる電圧降下を生じ、その結果として、高周波入力信号Ｐｉｎが増加した場合に、高周波増幅器１のバイアス級がＢ級に近づき、飽和出力電力、効率が低下するという課題があった。
【００１５】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、高周波入力信号が増加してベース整流電流が発生しても、高効率を維持することができる高周波増幅装置を得ることを目的とする。
【発明の開示】
【００１６】
この発明に係る高周波増幅装置は、第１のＮＰＮバイポーラトランジスタを増幅素子とした高周波増幅器と、高周波増幅器のベースバイアス端子に直接に接続され、高周波増幅器にベースバイアス電圧を供給する定電圧バイアス回路とを備えた高周波増幅装置において、定電圧バイアス回路は、第１のＮＰＮバイポーラトランジスタとベース端子同士が接続され、該第１のＮＰＮバイポーラトランジスタと共にカレントミラーを構成する第２のＮＰＮバイポーラトランジスタと、ベース端子が第２のＮＰＮバイポーラトランジスタのコレクタ端子に接続され、エミッタ端子が該第２のＮＰＮバイポーラトランジスタのベース端子に接続され、第１および第２のＮＰＮバイポーラトランジスタからなるカレントミラーのベース電流を補償する第３のＮＰＮバイポーラトランジスタと、ベース端子およびコレクタ端子が共に第３のＮＰＮバイポーラトランジスタのコレクタ端子に接続された第１のＰＮＰバイポーラトランジスタと、コレクタ端子が第３のＮＰＮバイポーラトランジスタのベース端子に接続され、第１のＰＮＰバイポーラトランジスタとベース端子同士が接続され、該第１のＰＮＰバイポーラトランジスタと共に、第３のＮＰＮバイポーラトランジスタのコレクタ電流を基準電流とし、かつ、第２のＮＰＮバイポーラトランジスタのコレクタ電流を決定するカレントミラーを構成する第２のＰＮＰバイポーラトランジスタと、第１のＰＮＰバイポーラトランジスタのエミッタ端子と電源供給端子との間に挿入された第１の抵抗と、第２のＰＮＰバイポーラトランジスタのエミッタ端子と電源供給端子との間に挿入された第２の抵抗と、当該定電圧バイアス回路を起動する起動回路とを備え、第１および第２のＰＮＰバイポーラトランジスタのサイズ比を、高周波増幅器の高周波入力信号が増加してベース整流電流が発生した際に高周波増幅器に供給するベースバイアス電圧に電圧降下が生じないように条件式を満たす値に設定したものである。
このことによって、高周波入力信号が増加してベース整流電流が発生した際に、高周波増幅器に供給するベースバイアス電圧の電圧降下を抑圧することができ、その結果として、高周波入力信号が増加した場合に高周波増幅器のバイアス級がＡ級に近づき、飽和出力電力、効率を増加することができる効果がある。
【００１７】
この発明に係る高周波増幅装置は、第１のＮＰＮバイポーラトランジスタを増幅素子とした高周波増幅器と、高周波増幅器のベースバイアス端子に直接に接続され、高周波増幅器にベースバイアス電圧を供給する定電圧バイアス回路とを備えた高周波増幅装置において、定電圧バイアス回路は、第１のＮＰＮバイポーラトランジスタとベース端子同士が接続され、該第１のＮＰＮバイポーラトランジスタと共にカレントミラーを構成する第２のＮＰＮバイポーラトランジスタと、ベース端子が第２のＮＰＮバイポーラトランジスタのコレクタ端子に接続され、エミッタ端子が該第２のＮＰＮバイポーラトランジスタのベース端子に接続され、第１および上記第２のＮＰＮバイポーラトランジスタからなるカレントミラーのベース電流を補償する第３のＮＰＮバイポーラトランジスタと、ゲート端子およびドレイン端子が共に第３のＮＰＮバイポーラトランジスタのコレクタ端子に接続された第１のＰＭＯＳトランジスタと、ドレイン端子が第３のＮＰＮバイポーラトランジスタのベース端子に接続され、第１のＰＭＯＳトランジスタとゲート端子同士が接続され、該第１のＰＭＯＳトランジスタと共に、第３のＮＰＮバイポーラトランジスタのコレクタ電流を基準電流とし、かつ、第２のＮＰＮバイポーラトランジスタのコレクタ電流を決定するカレントミラーを構成する第２のＰＭＯＳトランジスタと、第１のＰＭＯＳトランジスタのソース端子と電源供給端子との間に挿入された第１の抵抗と、第２のＰＭＯＳトランジスタのソース端子と電源供給端子との間に挿入された第２の抵抗と、当該定電圧バイアス回路を起動する起動回路とを備え、第１および第２のＰＭＯＳトランジスタのサイズ比を、高周波増幅器の高周波入力信号が増加してベース整流電流が発生した際に高周波増幅器に供給するベースバイアス電圧に電圧降下が生じないように条件式を満たす値に設定したものである。
このことによって、高周波入力信号が増加してベース整流電流が発生した際に、高周波増幅器に供給するベースバイアス電圧の電圧降下を抑圧することができ、その結果として、高周波入力信号が増加した場合に高周波増幅器のバイアス級がＡ級に近づき、飽和出力電力、効率を増加することができる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための最良の形態について、添付の図面に従って説明する。
実施の形態１．
図２はこの発明の実施の形態１による高周波増幅装置を示す回路図であり、図において、１はＢＪＴ、ＨＢＴ等のＮＰＮバイポーラトランジスタを増幅素子として用いた高周波増幅器、２はその高周波増幅器１にベースバイアス電圧を供給する定電圧バイアス回路である。
【００１９】
高周波増幅器１において、３はＢＪＴ、ＨＢＴ等のＮＰＮバイポーラトランジスタ（第１のＮＰＮバイポーラトランジスタ）、４はそのＮＰＮバイポーラトランジスタ３のエミッタ端子に接続されたグランド、５は高周波信号入力端子、６は高周波信号出力端子、７はベースバイアス端子、８はコレクタバイアス端子である。
【００２０】
また、定電圧バイアス回路２において、１１は高周波増幅器１のＮＰＮバイポーラトランジスタ３と共にカレントミラーを構成するＢＪＴ、ＨＢＴ等のＮＰＮバイポーラトランジスタ（第２のＮＰＮバイポーラトランジスタ）であり、そのベース端子がベースバイアス端子７に接続され、そのエミッタ端子がグランド４に接続されたものである。１２はベース電流補償用のＢＪＴ、ＨＢＴ等のＮＰＮバイポーラトランジスタ（第３のＮＰＮバイポーラトランジスタ）であり、そのベース端子がＮＰＮバイポーラトランジスタ１１のコレクタ端子に接続され、そのエミッタ端子がＮＰＮバイポーラトランジスタ１１のベース端子に接続されたものである。
【００２１】
さらに、２０はＮＰＮバイポーラトランジスタ１２のコレクタ電流を基準電流とし、かつ、ＮＰＮバイポーラトランジスタ１１のコレクタ電流を決定するカレントミラー、２１，２２はそのカレントミラーを構成するＢＪＴ、ＨＢＴ等のＰＮＰバイポーラトランジスタ（第１および第２のＰＮＰバイポーラトランジスタ）であり、ＰＮＰバイポーラトランジスタ２１，２２のベース端子同士が接続され、かつ、ＰＮＰバイポーラトランジスタ２１のベース端子とコレクタ端子が共にＮＰＮバイポーラトランジスタ１２のコレクタ端子に接続され、ＰＮＰバイポーラトランジスタ２２のコレクタ端子は、ＮＰＮバイポーラトランジスタ１２のベース端子に接続されたものである。
【００２２】
１３はＰＮＰバイポーラトランジスタ２１のエミッタ端子と電源供給端子１５との間に接続された抵抗（第１の抵抗）、１４はＰＮＰバイポーラトランジスタ２２のエミッタ端子と電源供給端子１５との間に接続された抵抗（第２の抵抗）、４１はＰＮＰバイポーラトランジスタ２２のコレクタ端子と電源供給端子１５との間に接続された抵抗、４２は抵抗４１で構成された起動回路である。
【００２３】
次に動作について説明する。
高周波信号Ｐｉｎは、高周波信号入力端子５より高周波増幅器１に入力され、その高周波増幅器１で増幅された後、高周波信号出力端子６より出力される。ベース電圧Ｖｂおよびベース電流Ｉｂｒｆは、定電圧ベースバイアス回路２より供給され、コレクタ電流Ｉｃｒｆおよびコレクタ電圧Ｖｃはコレクタバイアス端子８より供給される。
【００２４】
定電圧バイアス回路２においてベース電圧Ｖｂおよびベース電流Ｉｂｒｆは以下のように決定される。ここで、仮に、高周波増幅器１のＮＰＮバイポーラトランジスタ３と共にカレントミラーを構成するＮＰＮバイポーラトランジスタ１１のサイズを１、高周波増幅器１のＮＰＮバイポーラトランジスタ３のサイズをＮ、ベース電流補償用のＮＰＮバイポーラトランジスタ１２のサイズをＭとする。また、これら３つのＮＰＮバイポーラトランジスタ３，１１，１２は同じ構造のものであるとし、電流増幅率をβとする。さらに、カレントミラー２０を構成するＰＮＰバイポーラトランジスタ２１，２２のサイズ比を図２に示すように１：Ａとし、電流増幅率をβ２とする。さらに、接点電圧Ｖｒｅｆ、電流Ｉｒｅｆ、Ｉｃｄｃ１、Ｉｂｄｃ１、Ｉｃｄｃ２、Ｉｅｄｃ２、Ｉｂｄｃ２、Ｉｂｒｆ、Ｉｃｒｆ、抵抗Ｒｒｅｆを図２に示すように定義する。
【００２５】
定電圧バイアス回路２の電源供給端子１５より電源電圧Ｖｐｃが印加された場合のＮＰＮバイポーラトランジスタ３，１１からなるカレントミラーの基準電流Ｉｒｅｆは、ＰＮＰバイポーラトランジスタ２２のベース−エミッタ間電圧をＶｂｐｎｐとすると、
Ｉｒｅｆ＝（Ｖｐｃ−２・Ｖｂ−Ｖｂｐｎｐ）／Ｒｒｅｆ
で与えられる。この基準電流Ｉｒｅｆに対して、高周波増幅器１のＮＰＮバイポーラトランジスタ３のコレクタ電流Ｉｃｒｆは、
【数６】

となる。その際に、高周波増幅器１のＮＰＮバイポーラトランジスタ３のベースバイアス電圧Ｖｂは、
Ｖｂ＝（Ｖｐｃ−Ｉｒｅｆ・Ｒｒｅｆ−Ｖｂｐｎｐ）／２
に設定される。この際に流れるベース電流Ｉｂｒｆは次式となる。
Ｉｂｒｆ＝Ｉｃｒｆ／β
【００２６】
このようにして、定電圧バイアス回路２の出力として、ベース電圧Ｖｂ、ベース電流Ｉｂを供給する。なお、電源供給端子１５より、抵抗４１で構成される起動回路４２を介して、ＮＰＮバイポーラトランジスタ１１のコレクタ端子とＰＮＰバイポーラトランジスタ２２のコレクタ端子とを接続した点へ起動電圧が供給されることにより、定電圧バイアス回路２は起動する。
【００２７】
図２において、高周波増幅器１の入力電力が増加し、ΔＩｂなるベース整流電流が発生し、結果として、定電圧ベースバイアス回路２から出力されるベース電流ＩｂｒｆがΔＩｂだけ増加した場合について検討する。ベース電流ＩｂｒｆがΔＩｂだけ増加した場合の各電流の変化量は以下の関係となる。
【００２８】
ΔＩｂ＝ΔＩｅｄｃ２＋ΔＩｂｄｃ１
ΔＩｅｄｃ２＝（１＋β）・ΔＩｂｄｃ２
ΔＩｃｄｃ２＝β・ΔＩｂｄｃ２
ΔＩｃｄｃ１＝−β・ΔＩｂｄｃ１
【数７】

ΔＩｂｄｃ２＝ΔＩｒｅｆ−ΔＩｃｄｃ１
【００２９】
これより、
ΔＩｂｄｃ２＝ΔＩｒｅｆ−ΔＩｃｄｃ１
【数８】

よって、
【数９】

【００３０】
一方、
ΔＩｂ＝ΔＩｅｄｃ２＋ΔＩｂｄｃ１
＝ΔＩｂｄｃ１＋（１＋β）・ΔＩｂｄｃ２
【数１０】

【００３１】
その際のカレントミラーを構成するＮＰＮバイポーラトランジスタ１１の電圧降下、すなわち出力電圧Ｖｂの電圧降下ΔＶｂは以下の式となる。
【数１１】

但し、ｎは補正係数、ｋはボルツマン係数、Ｔは絶対温度、ｑは電荷、Ｉｓは飽和電流である。
従って、一般的にはβ２＋２＜Ａ・β２・βとなるので、ΔＶｂ＞０となる。
【００３２】
以上により、この発明に係わる実施の形態１による高周波増幅装置においては、高周波入力信号Ｐｉｎが増加してベース整流電流ΔＩｂが発生した際に、ベース電圧ＶｂがΔＶｂだけ電圧が上昇する。その結果として、高周波入力信号Ｐｉｎが増加した場合に高周波増幅器１のバイアス級がＡ級に近づき、飽和出力電力、効率を増加することができる。
【００３３】
また、図２の高周波増幅器１のベースバイアス端子７と定電圧バイアス回路２の間に、一般的にはアイソレーションのために抵抗を挿入する場合が多いが、その場合には、抵抗の値によっては、高周波入力信号Ｐｉｎが増加してベース整流電流ΔＩｂが発生した際に、ベース電圧Ｖｂを上昇させたり、一定にしたり、減少させたり、調整することが可能となる。また、カレントミラー２０を構成するＰＮＰバイポーラトランジスタ２１，２２のサイズ比Ａを調整することにより、高周波入力信号Ｐｉｎが増加してベース整流電流ΔＩｂが発生した際に、ベース電圧Ｖｂを上昇させたり、一定にしたり、減少させたり、調整することができる。
【００３４】
ただし、高周波入力信号Ｐｉｎが増加してベース整流電流ΔＩｂが発生した際に、ベース電圧ＶｂがΔＶｂだけ上昇させた場合には、ベース電圧Ｖｂが増加することにより、高周波増幅器１に流れるベース電流Ｉｂがさらに増加し、それにより、さらにベース電圧Ｖｂが増加するという繰り返しにより発散する可能性がある。そのため、ベースバイアス端子７と定電圧バイアス回路２との間に、一般的に挿入するアイソレーション抵抗、カレントミラー２０を構成するＰＮＰバイポーラトランジスタ２１，２２のサイズ比Ａを、電圧降下ΔＶｂがちょうど０もしくは限りなく０に近い値となるように設計することにより、高周波入力信号Ｐｉｎが増加してベース整流電流ΔＩｂが発生した際に、ベース電圧Ｖｂの電圧降下を抑圧し、結果として高出力、高効率を得ることができる。
【００３５】
実施の形態２．
図３はこの発明の実施の形態２による高周波増幅装置を示す回路図であり、図において、３０はＮＰＮバイポーラトランジスタ１２のコレクタ電流を基準電流とし、かつ、ＮＰＮバイポーラトランジスタ１１のコレクタ電流を決定するカレントミラー、３１，３２はそのカレントミラーを構成するＰＭＯＳトランジスタ（第１および第２のＰＭＯＳトランジスタ）であり、ＰＭＯＳトランジスタ３１，３２のゲート端子同士が接続され、かつ、ＰＭＯＳトランジスタ３１のゲート端子とドレイン端子が共にＮＰＮバイポーラトランジスタ１２のコレクタ端子に接続され、ＰＭＯＳトランジスタ３２のドレイン端子は、ＮＰＮバイポーラトランジスタ１２のベース端子に接続されたものである。
【００３６】
なお、抵抗（第１の抵抗）１３は、ＰＭＯＳトランジスタ３１のソース端子と電源供給端子１５との間に接続され、抵抗（第２の抵抗）１４は、ＰＭＯＳトランジスタ３２のソース端子と電源供給端子１５との間に接続され、抵抗４１は、ＰＭＯＳトランジスタ３２のドレイン端子と電源供給端子１５との間に接続されたものである。また、起動回路４２は抵抗４１によって構成される。
【００３７】
次に動作について説明する。
高周波信号Ｐｉｎは、高周波信号入力端子５より高周波増幅器１に入力され、その高周波増幅器１で増幅された後、高周波信号出力端子６より出力される。ベース電圧Ｖｂおよびベース電流Ｉｂｒｆは、定電圧バイアス回路２より供給され、コレクタ電流Ｉｃｒｆおよびコレクタ電圧Ｖｃはコレクタバイアス端子８より供給される。
【００３８】
定電圧バイアス回路２においてベース電圧Ｖｂおよびベース電流Ｉｂｒｆは以下のように決定される。ここで、仮に、高周波増幅器１のＮＰＮバイポーラトランジスタ３と共にカレントミラーを構成するＮＰＮバイポーラトランジスタ１１のサイズを１、高周波増幅器１のＮＰＮバイポーラトランジスタ３のサイズをＮ、ベース電流補償用のＮＰＮバイポーラトランジスタ１１のサイズをＭとする。また、これら３つのＮＰＮバイポーラトランジスタ３，１１，１２は同じ構造のものであるとし、電流増幅率をβとする。さらに、カレントミラー３０を構成するＰＭＯＳトランジスタ３１，３２のサイズ比を図３に示すように１：Ｂとする。さらに、接点電圧Ｖｒｅｆ、電流Ｉｒｅｆ、Ｉｃｄｃ１、Ｉｂｄｃ１、Ｉｃｄｃ２、Ｉｅｄｃ２、Ｉｂｄｃ２、Ｉｂｒｆ、Ｉｃｒｆ、抵抗Ｒｒｅｆを図３に示すように定義する。
【００３９】
定電圧バイアス回路２の電源供給端子１５より電源電圧Ｖｐｃが印加された場合のＮＰＮバイポーラトランジスタ３，１１からなるカレントミラーの基準電流Ｉｒｅｆは、ＰＭＯＳトランジスタ３２のゲート−ソース間電圧をＶｇｓとすると、
Ｉｒｅｆ＝（Ｖｐｃ−２・Ｖｂ−Ｖｇｓ）／Ｒｒｅｆ
で与えられる。この基準電流Ｉｒｅｆに対して、高周波増幅器１のＮＰＮバイポーラトランジスタ３のコレクタ電流Ｉｃｒｆは、
【数１２】

となる。その際に、高周波増幅器１のＮＰＮバイポーラトランジスタ３のベースバイアス電圧Ｖｂは、
Ｖｂ＝（Ｖｐｃ−Ｉｒｅｆ・Ｒｒｅｆ−Ｖｇｓ）／２
に設定される。この際に流れるベース電流Ｉｂｒｆは次式となる。
Ｉｂｒｆ＝Ｉｃｒｆ／β
【００４０】
このようにして、定電圧バイアス回路２の出力として、ベース電圧Ｖｂ、ベース電流Ｉｂを供給する。なお、電源供給端子１５より、抵抗４１で構成される起動回路４２を介して、ＮＰＮバイポーラトランジスタ１１のコレクタ端子とＰＭＯＳトランジスタ３２のドレイン端子とを接続した点へ起動電圧が供給されることにより、定電圧バイアス回路２は起動する。
【００４１】
図３において高周波増幅器１の入力電力が増加し、ΔＩｂなるベース整流電流が発生し、結果として、定電圧バイアス回路２から出力されるベース電流ＩｂｒｆがΔＩｂだけ増加した場合について検討する。ベース電流ＩｂｒｆがΔＩｂだけ増加した場合の各電流の変化量は以下の関係となる。
【００４２】
ΔＩｂ＝ΔＩｅｄｃ２＋ΔＩｂｄｃ１
ΔＩｅｄｃ２＝（１＋β）・ΔＩｂｄｃ２
ΔＩｃｄｃ２＝β・ΔＩｂｄｃ２
ΔＩｃｄｃ１＝−β・ΔＩｂｄｃ１
ΔＩｒｅｆ＝Ｂ・ΔＩｃｄｃ２
ΔＩｂｄｃ２＝ΔＩｒｅｆ−ΔＩｃｄｃ１
【００４３】
これより、
ΔＩｂｄｃ２＝ΔＩｒｅｆ−ΔＩｃｄｃ１
＝Ｂ・ΔＩｃｄｃ２＋β・ΔＩｂｄｃ１
（１−Ｂ）・ΔＩｂｄｃ２＝β・ΔＩｂｄｃ１
よって、
【数１３】

【００４４】
一方、
ΔＩｂ＝ΔＩｅｄｃ２＋ΔＩｂｄｃ１
＝ΔＩｂｄｃ１＋（１＋β）・ΔＩｂｄｃ２
【数１４】

よって、
【数１５】

【００４５】
その際のカレントミラーを構成するＮＰＮバイポーラトランジスタ１１の電圧降下、すなわち出力電圧Ｖｂの電圧降下ΔＶｂは以下の式となる。
【数１６】

従って、Ｂ＞１とすれば、ΔＶｂ＞０となり、Ｂ＝１ならば、ΔＶｂ＝０、Ｂ＜１ならば、ΔＶｂ＜１となる。
【００４６】
以上により、この発明に係わる実施の形態２による高周波増幅装置においては、カレントミラー３０のＰＭＯＳトランジスタ３１，３２のサイズ比をＢ＞１とすることで、高周波入力信号Ｐｉｎが増加してベース整流電流ΔＩｂが発生した際に、ベース電圧ＶｂがΔＶｂだけ電圧が上昇させることができる。その結果として、高周波入力信号Ｐｉｎが増加した場合に高周波増幅器１のバイアス級がＡ級に近づき、飽和出力電力、効率を増加することができる。
【００４７】
また、カレントミラー２０のＰＭＯＳトランジスタ３１，３２のサイズ比をＢ＝１とすることで、高周波入力信号Ｐｉｎが増加してベース整流電流ΔＩｂが発生した際に、ベース電圧Ｖｂの電圧降下を０とすることができる。結果として、高周波入力信号Ｐｉｎが増加した場合に高周波増幅器１のバイアス級を一定とすることができ、飽和出力電力、効率を増加することができる。
【００４８】
このように、カレントミラー３０のＰＭＯＳトランジスタ３１，３２のサイズ比Ｂだけを変えることにより、高周波入力信号Ｐｉｎが増加してベース整流電流ΔＩｂが発生した際に、ベース電圧Ｖｂを増加することも、一定にすることも、減少させることもでき、調整することができる。
【００４９】
また、図３の高周波増幅器１のベースバイアス端子７と定電圧バイアス回路２との間に、一般的にはアイソレーションのために抵抗を挿入する場合が多い。その場合にも、抵抗による電圧降下分を補償するだけ、カレントミラー３０のＰＭＯＳトランジスタ３１，３２のサイズ比Ｂを大きくすることにより、上述で述べた特性を全て実現することが可能である。
【００５０】
但し、高周波入力信号Ｐｉｎが増加してベース整流電流ΔＩｂが発生した際に、ベース電圧ＶｂがΔＶｂだけ電圧が上昇させた場合には、ベース電圧Ｖｂが増加することにより、高周波増幅器１に流れるベース電流Ｉｂがさらに増加し、それにより、さらにベース電圧Ｖｂが増加するという繰り返しにより発散する可能性がある。
【００５１】
そのため、高周波増幅器１のベースバイアス端子７と定電圧バイアス回路２との間に、一般的に挿入するアイソレーション抵抗とカレントミラー３０を構成するＰＭＯＳトランジスタ３１，３２のサイズ比Ｂを、電圧降下ΔＶｂがちょうど０もしくは限りなく０に近い値となるように設計することにより、高周波入力信号Ｐｉｎが増加してベース整流電流ΔＩｂが発生した際にベース電圧Ｖｂの電圧降下ΔＶｂを抑圧し、結果として高出力、高効率を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
以上のように、この発明に係る高周波増幅装置は、カレントミラーを構成するトランジスタのサイズ比を調整することにより、高周波入力信号が増加しベース整流電流が発生した際にベース電圧を調整することができ、衛星通信、地上マイクロ波通信、移動体通信等に用いるのに適している。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】従来の高周波増幅装置を示す回路図である。
【図２】この発明の実施の形態１による高周波増幅装置を示す回路図である。
【図３】この発明の実施の形態２による高周波増幅装置を示す回路図である。

Claims

第１のＮＰＮバイポーラトランジスタを増幅素子とした高周波増幅器と、上記高周波増幅器のベースバイアス端子に直接に接続され、上記高周波増幅器にベースバイアス電圧を供給する定電圧バイアス回路とを備えた高周波増幅装置において、
上記定電圧バイアス回路は、
上記第１のＮＰＮバイポーラトランジスタとベース端子同士が接続され、該第１のＮＰＮバイポーラトランジスタと共にカレントミラーを構成する第２のＮＰＮバイポーラトランジスタと、
ベース端子が上記第２のＮＰＮバイポーラトランジスタのコレクタ端子に接続され、エミッタ端子が該第２のＮＰＮバイポーラトランジスタのベース端子に接続され、上記第１および上記第２のＮＰＮバイポーラトランジスタからなるカレントミラーのベース電流を補償する第３のＮＰＮバイポーラトランジスタと、
ベース端子およびコレクタ端子が共に上記第３のＮＰＮバイポーラトランジスタのコレクタ端子に接続された第１のＰＮＰバイポーラトランジスタと、
コレクタ端子が上記第３のＮＰＮバイポーラトランジスタのベース端子に接続され、上記第１のＰＮＰバイポーラトランジスタとベース端子同士が接続され、該第１のＰＮＰバイポーラトランジスタと共に、上記第３のＮＰＮバイポーラトランジスタのコレクタ電流を基準電流とし、かつ、上記第２のＮＰＮバイポーラトランジスタのコレクタ電流を決定するカレントミラーを構成する第２のＰＮＰバイポーラトランジスタと、
上記第１のＰＮＰバイポーラトランジスタのエミッタ端子と電源供給端子との間に挿入された第１の抵抗と、
上記第２のＰＮＰバイポーラトランジスタのエミッタ端子と電源供給端子との間に挿入された第２の抵抗と、
当該定電圧バイアス回路を起動する起動回路とを備え、
上記第１および第２のＰＮＰバイポーラトランジスタのサイズ比を、上記高周波増幅器の高周波入力信号が増加してベース整流電流が発生した際に上記高周波増幅器に供給するベースバイアス電圧に電圧降下が生じないように以下に示す条件式を満たす値に設定したことを特徴とする高周波増幅装置。

但し、ΔＶｂはベースバイアス電圧の電圧降下、ｎは補正係数、ｋはボルツマン係数、Ｔは絶対温度、ｑは電荷、Ｉｓは飽和電流、β２は第１および第２のＰＮＰバイポーラトランジスタの電流増幅率、Ａは第１および第２のＰＮＰバイポーラトランジスタのサイズ比、βは第１から第３のＮＰＮバイポーラトランジスタの電流増幅率、Ｖｂはベースバイアス電圧、ΔＩｂはベース整流電流である。
第１のＮＰＮバイポーラトランジスタを増幅素子とした高周波増幅器と、上記高周波増幅器のベースバイアス端子に直接に接続され、上記高周波増幅器にベースバイアス電圧を供給する定電圧バイアス回路とを備えた高周波増幅装置において、
上記定電圧バイアス回路は、
上記第１のＮＰＮバイポーラトランジスタとベース端子同士が接続され、該第１のＮＰＮバイポーラトランジスタと共にカレントミラーを構成する第２のＮＰＮバイポーラトランジスタと、
ベース端子が上記第２のＮＰＮバイポーラトランジスタのコレクタ端子に接続され、エミッタ端子が該第２のＮＰＮバイポーラトランジスタのベース端子に接続され、上記第１および上記第２のＮＰＮバイポーラトランジスタからなるカレントミラーのベース電流を補償する第３のＮＰＮバイポーラトランジスタと、
ゲート端子およびドレイン端子が共に上記第３のＮＰＮバイポーラトランジスタのコレクタ端子に接続された第１のＰＭＯＳトランジスタと、
ドレイン端子が上記第３のＮＰＮバイポーラトランジスタのベース端子に接続され、上記第１のＰＭＯＳトランジスタとゲート端子同士が接続され、該第１のＰＭＯＳトランジスタと共に、上記第３のＮＰＮバイポーラトランジスタのコレクタ電流を基準電流とし、かつ、上記第２のＮＰＮバイポーラトランジスタのコレクタ電流を決定するカレントミラーを構成する第２のＰＭＯＳトランジスタと、
上記第１のＰＭＯＳトランジスタのソース端子と電源供給端子との間に挿入された第１の抵抗と、
上記第２のＰＭＯＳトランジスタのソース端子と電源供給端子との間に挿入された第２の抵抗と、
当該定電圧バイアス回路を起動する起動回路とを備え、
上記第１および第２のＰＭＯＳトランジスタのサイズ比を、上記高周波増幅器の高周波入力信号が増加してベース整流電流が発生した際に上記高周波増幅器に供給するベースバイアス電圧に電圧降下が生じないように以下に示す条件式を満たす値に設定したことを特徴とする高周波増幅装置。

但し、ΔＶｂはベースバイアス電圧の電圧降下、ｎは補正係数、ｋはボルツマン係数、Ｔは絶対温度、ｑは電荷、Ｉｓは飽和電流、βは第１から第３のＮＰＮバイポーラトランジスタの電流増幅率、Ｂは第１および第２のＰＭＯＳトランジスタのサイズ比、Ｖｂはベースバイアス電圧、ΔＩｂはベース整流電流である。