JP5983208B2 - 電力増幅器用バイアス回路 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、電力増幅器の制御に用いられる電力増幅器用バイアス回路に関する。

特許文献１には、電力増幅器を定電圧駆動するエミッタフォロワ部と、電力増幅器を定電流駆動する電流注入部を備える電力増幅器用バイアス回路が開示されている。この電力増幅器用バイアス回路は、外部から制御端子に印加された制御電圧に応じてエミッタフォロワ部を動作させるか否かを切り替える。

特開２００９−１６４９３０号公報

良好な歪特性を有し、かつアイドル電流を低減できるように電力増幅器用バイアス回路を形成することが好ましい。さらに、電力増幅用バイアス回路は可能な限り簡素な構成であることが好ましい。

しかしながら、特許文献１に開示の電力増幅器用バイアス回路は電力増幅器を定電圧駆動するエミッタフォロワ部と電力増幅器を定電流駆動する電流注入部を備えるため、回路を簡素化できない問題があった。

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、良好な歪特性とアイドル電流の低減を実現しつつ、簡素な構成とすることができる電力増幅器用バイアス回路を提供することを目的とする。

本願の発明に係る電力増幅器用バイアス回路は、基準電圧が印加される基準端子と、該基準端子を通じて電圧が印加されるベースを有し、該ベースに印加された電圧に応じて電力増幅器を駆動するトランジスタと、該トランジスタのコレクタと該ベースを接続又は分離する第１スイッチと、コレクタ電圧が印加されるコレクタ電圧入力端子と、該コレクタと該コレクタ電圧入力端子を接続又は分離する第２スイッチと、該第１スイッチ、及び該第２スイッチのオンオフを切り替える制御部と、を備える。そして、該制御部は、該電力増幅器が低出力で動作するときは該第１スイッチをオンするとともに該第２スイッチをオフし、該電力増幅器が高出力で動作するときは該第１スイッチをオフするとともに該第２スイッチをオンし、該トランジスタのエミッタが該電力増幅器に電気的に接続されたことを特徴とする。

本発明によれば、１つの回路を、低出力時は電流駆動バイアス回路として用い、高出力時は電圧駆動バイアス回路として用いることで、良好な歪特性とアイドル電流の低減を実現しつつ、簡素な構成とすることができる。

本発明の実施の形態１にかかる電力増幅器用バイアス回路等を示す回路図である。 低出力時の電力増幅器用バイアス回路等の等価回路図である。 低出力時及び高出力時の各スイッチのオンオフを示す表である。 本発明の実施の形態２に係る電力増幅器用バイアス回路等を示す回路図である。 本発明の実施の形態３に係る電力増幅器用バイアス回路等を示す回路図である。 本発明の実施の形態４に係る電力増幅器用バイアス回路等を示す回路図である。 本発明の実施の形態５に係る電力増幅器用バイアス回路等を示す回路図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる電力増幅器用バイアス回路等を示す回路図である。電力増幅器用バイアス回路は、電力増幅器Ｔｒのベースに接続され、電力増幅器Ｔｒを駆動するものである。電力増幅器Ｔｒは、例えばヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）で形成されている。

本発明の実施の形態１に係る電力増幅器用バイアス回路はトランジスタＴ１を備えている。トランジスタＴ１はＨＢＴで形成されている。トランジスタＴ１は、出力（エミッタ）が電力増幅器Ｔｒのベースに接続されたエミッタフォロワ回路を構成している。トランジスタＴ１のコレクタとベースは第１スイッチＳ１で接続されている。第１スイッチＳ１は電界効果トランジスタで形成されている。第１スイッチＳ１のオンオフによりトランジスタＴ１のコレクタとベースを接続又は分離することができる。

トランジスタＴ１のコレクタには、第２スイッチＳ２を介してコレクタ電圧入力端子Ｖｃｂが接続されている。第２スイッチＳ２は電界効果トランジスタで形成されている。第２スイッチＳ２のオンオフによりトランジスタＴ１のコレクタとコレクタ電圧入力端子Ｖｃｂを接続又は分離することができる。

トランジスタＴ１のベースには抵抗素子Ｒｂ１が接続されている。抵抗素子Ｒｂ１には第３スイッチＳ３が接続されている。第３スイッチＳ３は電界効果トランジスタで形成されている。第３スイッチＳ３には基準端子Ｖｒｅｆが接続されている。基準端子Ｖｒｅｆは外部から基準電圧が印加される部分である。第３スイッチＳ３に並列にアイドル電流調整抵抗素子Ｒｂ２が接続されている。アイドル電流調整抵抗素子Ｒｂ２は、一端が基準端子Ｖｒｅｆに電気的に接続され、他端がトランジスタＴ１のベースに電気的に接続されている。

このように、第３スイッチＳ３はアイドル電流調整抵抗素子Ｒｂ２と並列に接続されているため、第３スイッチＳ３のオンオフによりアイドル電流調整抵抗素子Ｒｂ２をトランジスタＴ１のベース電流へ寄与させるか否かを切り替えることができる。

第１スイッチＳ１、第２スイッチＳ２、及び第３スイッチＳ３のゲートは制御部１０と電気的に接続されている。制御部１０は、第１スイッチＳ１、第２スイッチＳ２、及び第３スイッチＳ３に対しこれらのオンオフを切り替える信号を出す部分である。

トランジスタＴ１のベースには２段のダイオードが接続されている。２段のダイオードは第１ダイオードＤ１と第２ダイオードＤ２を備えている。２段のダイオードは、トランジスタＴ１と電力増幅器Ｔｒそれぞれのベース‐エミッタ間のバンドギャップの温度依存性を補償するために形成されている。

次いで、本発明の実施の形態１に係る電力増幅器用バイアス回路の動作について説明する。電力増幅器用バイアス回路の基本動作は、基準端子Ｖｒｅｆを通じてトランジスタＴ１のベースに印加された電圧に応じて電力増幅器Ｔｒを駆動するというものである。電力増幅器用バイアス回路は、電力増幅器Ｔｒを低出力動作させる場合と高出力動作させる場合がある。

電力増幅器Ｔｒが低出力で動作するとき（以後、単に低出力時という）は、制御部１０は第１スイッチをオン、第２スイッチをオフ、第３スイッチをオフするように第１−第３スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３へ信号を出す。図２は、低出力時の電力増幅器用バイアス回路の等価回路図である。低出力時には、トランジスタＴ１のコレクタ電圧は供給されず、かつトランジスタＴ１のコレクタとベースが同電位になる。これによりトランジスタＴ１はダイオードとして機能することになるので、低出力時において電力増幅器用バイアス回路は、電流駆動バイアス回路となる。

電力増幅器Ｔｒが高出力で動作するとき（以後、単に高出力時という）は、制御部１０は第１スイッチをオフ、第２スイッチをオン、第３スイッチをオンするように第１−第３スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３へ信号を出す。図３は、低出力時及び高出力時の各スイッチのオンオフを示す表である。高出力時には、コレクタ電圧入力端子ＶｃｂからトランジスタＴ１のコレクタに電圧が印加される。また基準端子ＶｒｅｆからトランジスタＴ１のベースに電圧が印加される。これにより、高出力時において電力増幅器用バイアス回路は、電圧駆動バイアス回路となる。

アイドル電流調整抵抗素子Ｒｂ２の作用について説明する。低出力時は第３スイッチＳ３がオフとなるのでアイドル電流調整抵抗素子Ｒｂ２はトランジスタＴ１のベース電流を低減させる。他方、高出力時は第３スイッチＳ３がオンとなるのでアイドル電流調整抵抗素子Ｒｂ２はトランジスタＴ１のベース電流を低減させない。

電力増幅器Ｔｒは、例えば、携帯電話又はスマートフォンなどの移動体通信端末に利用される。そして、基地局との距離が比較的近い都市部などでは電力増幅器Ｔｒは低出力（例えば７ｄＢｍ以下の出力電力）での動作が多くなる。この場合、電力増幅器を高効率化してバッテリ寿命を長くするために、低出力時の電力増幅器の低電圧動作、及びアイドル電流の低減が必要となる。アイドル電流とは、電力増幅器のＲＦ信号無入力時の動作電流のことである。さらに、アイドル電流低減に伴う歪特性の劣化を抑制する必要もある。

本発明の実施の形態に係る電力増幅器用バイアス回路は、低出力時に電力増幅器用バイアス回路が電流駆動バイアス回路として機能する。つまり低出力時に電圧駆動バイアス回路と電流駆動バイアス回路の両方から電力増幅器Ｔｒのバイアス電流が供給されることがないので、アイドル電流を低減できる。また、低出力時にアイドル電流調整抵抗素子Ｒｂ２がトランジスタＴ１のベース電流を低減させるので、電力増幅器Ｔｒのアイドル電流をさらに低減できる。

本発明の実施の形態１に係る電力増幅器用バイアス回路によれば、低出力時に電力増幅器用バイアス回路を電流駆動バイアス回路として機能させることで電力増幅器Ｔｒの線形動作が可能となるので、良好な歪特性が得られる。

しかも、本発明の実施の形態１の電力増幅器用バイアス回路は、トランジスタＴ１を、低出力時にはダイオードとして用い、高出力時にはトランジスタ（エミッタフォロワ回路）として用いるので、電流駆動バイアス回路と電圧駆動バイアス回路を別々に設ける必要がない。よって、電力増幅器用バイアス回路の構成を簡素にできる。

アイドル電流調整抵抗素子Ｒｂ２は、低出力時のアイドル電流を低減するものである。従って、低出力時に電流駆動バイアス回路のみを用いることによるアイドル電流低減効果で足りる場合は、アイドル電流調整抵抗素子Ｒｂ２を設ける必要はない。その他、本発明の特徴を失わない範囲において様々な変形が可能である。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２に係る電力増幅器用バイアス回路は、実施の形態１との共通点が多いので実施の形態１との相違点を中心に説明する。図４は、本発明の実施の形態２に係る電力増幅器用バイアス回路等を示す回路図である。この電力増幅器用バイアス回路は、トランジスタＴ１のコレクタとベースの間に第１スイッチＳ１と直列にコレクタエミッタ間抵抗素子Ｒｃを接続したことを特徴とする。

コレクタエミッタ間抵抗素子Ｒｃによって、低出力時に第１スイッチＳ１をオンしたときにトランジスタＴ１のコレクタに供給される電流を低減できる。よって、低出力時における電力増幅器Ｔｒのアイドル電流を低減できる。なお、アイドル電流の低減量は、コレクタエミッタ間抵抗素子Ｒｃの抵抗値を変えることで任意に調整できる。

本発明の実施の形態２に係る電力増幅器用バイアス回路は、少なくとも実施の形態１と同程度の変形が可能である。

実施の形態３．
本発明の実施の形態３に係る電力増幅器用バイアス回路は、実施の形態１との共通点が多いので実施の形態１との相違点を中心に説明する。図５は、本発明の実施の形態３に係る電力増幅器用バイアス回路等を示す回路図である。この電力増幅器用バイアス回路は、実施の形態１とは異なる方法で、低出力時におけるトランジスタＴ１のベース電流を低減することを特徴とする。

本発明の実施の形態３に係る電力増幅器用バイアス回路は、分岐抵抗素子Ｒｂ４と第４スイッチＳ４を備えている。分岐抵抗素子Ｒｂ４は、一端がトランジスタＴ１のベースに電気的に接続され、他端が接地点に電気的に接続されている。第４スイッチＳ４は、制御部１０の制御を受け、分岐抵抗素子Ｒｂ４と接地点を接続又は分離するものである。第４スイッチＳ４は例えば電界効果トランジスタで形成される。そして、制御部１０は電力増幅器Ｔｒが低出力で動作するときは第４スイッチＳ４をオンし、電力増幅器Ｔｒが高出力で動作するときは第４スイッチＳ４をオフする。

本発明の実施の形態３によれば、実施の形態１とは異なる方法で低出力時におけるトランジスタＴ１のベース電流を低減できる。よって、電力増幅器Ｔｒのアイドル電流を低減できる。

本発明の実施の形態３に係る電力増幅器用バイアス回路は、少なくとも実施の形態１と同程度の変形が可能である。

実施の形態４．
本発明の実施の形態４に係る電力増幅器用バイアス回路は、実施の形態１との共通点が多いので実施の形態１との相違点を中心に説明する。図６は、本発明の実施の形態４に係る電力増幅器用バイアス回路等を示す回路図である。この電力増幅器用バイアス回路は、一端がトランジスタＴ１のエミッタに電気的に接続され、他端が接地点に電気的に接続されたエミッタ抵抗素子Ｒｅ１を備える。

エミッタ抵抗素子Ｒｅ１により電力増幅器Ｔｒに供給されるバイアス電流を低減し、電力増幅器Ｔｒのアイドル電流を低減できる。なお、アイドル電流の低減量は、エミッタ抵抗素子Ｒｅ１の抵抗値を変更することで任意に調整できる。

本発明の実施の形態４に係る電力増幅器用バイアス回路は、少なくとも実施の形態１と同程度の変形が可能である。

実施の形態５．
本発明の実施の形態５に係る電力増幅器用バイアス回路は、実施の形態１との共通点が多いので実施の形態１との相違点を中心に説明する。図７は、本発明の実施の形態５に係る電力増幅器用バイアス回路等を示す回路図である。

この電力増幅器用バイアス回路は、一端がトランジスタＴ１のベースに電気的に接続された第１付加抵抗素子ＲＤ１を有している。さらに、一端が第１付加抵抗素子ＲＤ１の他端と接続された第１ダイオードＤ１を有している。さらに、一端が第１ダイオードＤ１の他端と接続され、他端が接地点と接続された第２ダイオードＤ２を有している。

さらに、一端がトランジスタＴ１のエミッタに接続された第２付加抵抗素子ＲＤ２を有している。さらに、コレクタが第２付加抵抗素子ＲＤ２の他端と接続され、エミッタが接地点と接続され、ベースが第１ダイオードＤ１と第２ダイオードＤ２の中点に接続された付加トランジスタＴ２を有している。

本発明の実施の形態５によれば、第１ダイオードＤ１と第２ダイオードＤ２の電気的特性を任意に変更することで、トランジスタＴ１のベース電流及び電力増幅器Ｔｒに供給されるバイアス電流を低減し、電力増幅器のアイドル電流を低減できる。

本発明の実施の形態５に係る電力増幅器用バイアス回路は、少なくとも実施の形態１と同程度の変形が可能である。なお、ここまでの実施の形態の特徴を適宜に組み合わせてもよい。

１０ 制御部、 Ｔｒ 電力増幅器、 Ｔ１ トランジスタ、 Ｒｂ１ 抵抗素子、 Ｒｂ２ アイドル電流調整抵抗素子、 Ｓ１ 第１スイッチ、 Ｓ２ 第２スイッチ、 Ｓ３ 第３スイッチ、 Ｓ４ 第４スイッチ、 Ｖｃｂ コレクタ電圧入力端子、 Ｖｒｅｆ 基準端子、 Ｄ１，Ｄ２ ダイオード、 Ｒｃ コレクタエミッタ間抵抗素子、 Ｒｂ４ 分岐抵抗素子、 ＲＤ１ 第１付加抵抗素子、 ＲＤ２ 第２付加抵抗素子、 Ｒｅ１ エミッタ抵抗素子、 Ｔ２ 付加トランジスタ

Claims (6)

1. 基準電圧が印加される基準端子と、
   前記基準端子を通じて電圧が印加されるベースを有し、前記ベースに印加された電圧に応じて電力増幅器を駆動するトランジスタと、
   前記トランジスタのコレクタと前記ベースを接続又は分離する第１スイッチと、
   コレクタ電圧が印加されるコレクタ電圧入力端子と、
   前記コレクタと前記コレクタ電圧入力端子を接続又は分離する第２スイッチと、
   前記第１スイッチ、及び前記第２スイッチのオンオフを切り替える制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記電力増幅器が低出力で動作するときは前記第１スイッチをオンするとともに前記第２スイッチをオフし、前記電力増幅器が高出力で動作するときは前記第１スイッチをオフするとともに前記第２スイッチをオンし、
   前記トランジスタのエミッタが前記電力増幅器に電気的に接続されたことを特徴とする電力増幅器用バイアス回路。
2. 一端が前記基準端子に電気的に接続され、他端が前記ベースに電気的に接続されたアイドル電流調整抵抗素子と、
   前記アイドル電流調整抵抗素子と並列に接続された第３スイッチと、を備え、
   前記制御部は、前記電力増幅器が低出力で動作するときは前記第３スイッチをオフし、前記電力増幅器が高出力で動作するときは前記第３スイッチをオンすることを特徴とする請求項１に記載の電力増幅器用バイアス回路。
3. 前記コレクタと前記ベースの間に前記第１スイッチと直列に接続されたコレクタエミッタ間抵抗素子を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の電力増幅器用バイアス回路。
4. 一端が、前記ベースに電気的に接続され、他端が接地点に電気的に接続された分岐抵抗素子と、
   前記分岐抵抗素子と前記接地点を接続又は分離する、前記制御部の制御を受ける第４スイッチと、を備え、
   前記制御部は、前記電力増幅器が低出力で動作するときは前記第４スイッチをオンし、前記電力増幅器が高出力で動作するときは前記第４スイッチをオフすることを特徴とする請求項１に記載の電力増幅器用バイアス回路。
5. 前記トランジスタはエミッタを備え、
   一端が前記エミッタに電気的に接続され、他端が接地点に電気的に接続されたエミッタ抵抗素子を備えたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電力増幅器用バイアス回路。
6. 前記トランジスタはエミッタを備え、
   一端が前記ベースに電気的に接続された第１付加抵抗素子と、
   一端が前記第１付加抵抗素子の他端と接続された第１ダイオードと、
   一端が前記第１ダイオードの他端と接続され、他端が接地点と接続された第２ダイオードと、
   一端が前記エミッタに接続された第２付加抵抗素子と、
   コレクタが前記第２付加抵抗素子の他端と接続され、エミッタが接地点と接続され、ベースが前記第１ダイオードと前記第２ダイオードの中点に接続された付加トランジスタと、を備えたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電力増幅器用バイアス回路。

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