WO2005006541A1

WO2005006541A1 - 高周波電力増幅回路

Info

Publication number: WO2005006541A1
Application number: PCT/JP2004/005596
Authority: WO
Inventors: Akio Kaneda; Yoshizumi Kawaoka
Original assignee: Murata Manufacturing Co., Ltd.
Priority date: 2003-07-14
Filing date: 2004-04-20
Publication date: 2005-01-20

Abstract

負荷のインピーダンスが変化しても最終段のコレクタ電流の変化量が抑制される高周波電力増幅回路を提供する。高周波電力増幅回路は、コレクタ端子（ＴＣ２）がコンデンサ（Ｃ３）、出力整合回路（２０２）を介して出力端子（１０２）に接続される最終段のトランジスタ（Ｔｒ２）と、このトランジスタ（Ｔｒ２）のベース端子（ＴＢ２）にコンデンサ（Ｃ２）を介してコレクタ端子（ＴＣ１）が接続される前段のトランジスタ（Ｔｒ１）とを備える。トランジスタ（Ｔｒ１）のベース端子（ＴＢ１）はコンデンサ（Ｃ１）、入力整合回路（２０１）を介し入力端子（１０１）に接続される。トランジスタ（Ｔｒ２）のベース端子（ＴＢ２）とベースバイアス電圧印加端子（１１０）との間に、ベースバイアス電圧印加端子（１１０）側から順に抵抗器（Ｒ１１），（Ｒ１３）を直列接続する。この抵抗器（Ｒ１１），（Ｒ１３）の接続点とトランジスタ（Ｔｒ１）のベース端子（ＴＢ１）との間に抵抗器（Ｒ１２）を接続する。

Description

高周波電力増幅回路技術分野

この発明は、トランジスタを複数段接続してなる高周波電力増幅回路、特にこの高周波電力増幅回路の最終段のトランジスタとその前段のトラン明

ジスタにバイァス電圧を与える回路に関するものである。書

背景技術

現在、高周波増幅回路の増幅素子には、 G a A s—M E S F E T (Metal Semiconductor Field Effect Transistor ) 、高速電子移動度トランジスタ（HEMT : High Electoron Mobility Transistor ) 、および、ヘテロ接合バイボーラ卜ランジスタ (HBT : Hetero- junction Bipola Transistor ) 等が使用されている。特にへテロ接合バイポーラトランジスタは、単一電源による動作が可能なこと、ベース端子に与えるバイアス電圧で回路のオン

Zオフ動作を切り換えることが可能なこと、さらに素子自身の電流密度が高く F E Tと比較して小型に素子を形成可能なことから、ヘテロ接合バイポーラトランジスタを用いた高周波増幅回路が多く使用されるようになつてきている。

このようなバイポーラトランジスタ（以下、単に「トランジスタ」という。）を用いた高周波増幅回路として、トランジスタを 2段接続した例を図 6に示す。

図 6は従来の高周波電力増幅回路の等価回路図である。

図 6に示すように、従来の高周波増幅回路は、入力端子 1 0 1に入力整合回路 2 0 1、コンデンサ〇ェを介してペース端子 T _{B 1}が接続されたトランジスタ T rいこのトランジスタ T rュのコレクタ端子 T _{C 1}にコンデンサ C₂を介してベース端子 T_B2が接続されたトランジスタ T r ₂とを備える。トランジスタ T r ₂のコレクタ端子 T_C2はコンデンサ C₃、出力整合回路 2 02を介して出力端子 1 02に接続されている。また、トランジスタ T r い T r ₂のェミッタ端子 T_Eい T_E2は接地されている。

この高周波増幅回路には、トランジスタ T r にベースバイアス電流を ' 印加するための第 1のベースバイアス電圧印加端子 1 03と、コレクタ電流を供給するための第 1の電源電圧印加端子 1 04とを備える。また、トランジスタ T r ₂にベースバイアス電流を印加するための第 2のべ一スバィァス電圧印加端子 1 0 5と、コレクタ電流を供給するための第 2の電源電圧印加端子 1 06とを備える。第 1のベースバイアス電圧印加端子 1 0 3とトランジスタ T r のベース端子 T_{B 1}との間には抵抗器が接続されており、第 2のベースバイアス電圧印加端子 1 0 5とトランジスタ T r ₂ のベース端子 T_B2との間には抵抗器 R₂が接続されている。第 1の電源電圧印加端子 1 04とトランジスタ T r tのコレクタ端子 T_{C 1}との間にはィンダクタ L iが接続されており、第 1の電源電圧印加端子 1 04と接地との間にはコンデンサ C₀₁が接続されている。第 2の電源電圧印加端子 1 0 6とトランジスタ T r ₂のコレクタ端子 T_C2との間にはインダクタ L₂が接続されており、第 2の電源電圧印加端子 1 06と接地との間にはコンデンサ C。₂が接続されている。

入力端子 1 0 1に入力された高周波信号は、入力整合回路 20 1、コンデンサを介してトランジスタ T r iに入力され、電力増幅される。電力增幅された高周波信号は、コンデンサ C₂を介してトランジスタ T r ₂に入力され、さらに電力増幅される。このように 2段のトランジスタ T rい T r ₂で電力増幅された高周波信号は、コンデンサ C₃、出力整合回路 20 2を介して出力端子 1 02から出力される。

この従来の高周波電力増幅回路では、高周波信号の入力電力が増加すると、各トランジスタ T rい T r ₂の動作条件が変化してバイアス電流が增加する。しかし、各トランジスタ T rい T r ₂のベース端子 T _{B 1}， T _{B 2} と第 1、第 2のベースバイアス電圧印加端子 1 0 3， 1 0 5との間に抵抗器 R _{1 ;} R ₂が接続されているため、ベース電流の増加は制限され、これに応じてコレクタ電流が飽和して、出力電力が飽和する。

このような多段のトランジスタを用いた高周波増幅回路は他にも複数提案されている（例えば、特開 2 0 0 0— 3 4 1 0 5 2公報、特開 2 0 0 2 - 7 6 7 9 1公報参照。 ) 。

前述の高周波電力増幅回路は携帯電話等の携帯情報端末に使用されており、高周波電力増幅回路の出力端子 1 0 2がアンテナに接続された構造を為している。通常、アンテナのインピーダンスは 5 0 Ωに設定されているが、金属柱等の外部の導体に近接するなどしてインピーダンスが変化することがある。このアンテナのインピーダンスが変化するということは、高周波電力増幅器から出力端子を見た負荷インピーダンスが変化することになり、トランジスタ T r ₁； T r ₂の動作条件が変化してしまう。特に、出力端子 1 0 2側となる最終段のトランジスタ T 1- ₂の動作条件が大きく変ィ匕し、これに応じてトランジスタ T r ₂のベース電流が大きく変化する。ここで、前述のように、抵抗器 R ₂が接続されていることで、ベース電流の変化量は抑制され、コレクタ電流の変化量も抑制されるが、それでも、図 5に示すように、負荷インピーダンスの大きさにより 3倍以上異なるコレクタ電流がトランジスタ T r ₂に流れる場合がある。このように、出力端子側（アンテナ等）のインピーダンス変化により、最終段のトランジスタに大きな電流が流れると、このトランジスタが破壌、焼損する可能性が大きくなる。ここで、トランジスタ T r ₂のベース端子 T _{B 2}に接続する抵抗器 R ₂の抵抗値を大きくすると、ベース電流おょぴコレクタ電流の変動は抑制できるが、この抵抗器 R ₂により定常状態で十分なベース電流が供給できなくなる。このため、負荷変動前の状態におけるトランジスタの飽和出力電流が低下してしまい、所望の電力増幅特性を得ることができなくなる。

この発明の目的は、出力端子に接続する素子のインピーダンスの変化による最終段のトランジスタに流れるコレクタ電流の変化を抑制し、所望の電力増幅特性が得られる高周波電力増幅回路を提供することにある。発明の開示

この発明は、トランジスタを複数段接続してなる高周波電力増幅回路において、最終段のトランジスタのベース端子と、この最終段のトランジスタの前段のトランジスタのベース端子とにバイアス電流を供給するための少なくとも一つのバイアス電圧印加端子と、該バイアス電圧印加端子と最終段のトランジスタのベース端子との間に接続された第 1の抵抗器と、該第 1の抵抗器における最終段のトランジスタのベース端子側と、その前段のトランジスタのベース端子との間に接続された第 2の抵抗器とを備えることを特徴としている。

また、この発明は、第 1の抵抗器と第 2の抵抗器との接続点と最終段のトランジスタのベース端子との間に、第 3の抵抗器を接続したことを特徴としている。

また、この発明は、第 2、第 3の抵抗器の少なくとも一方をインダクタに置き換えたことを特徴としている。

これら構成では、最終段のトランジスタのコレクタ端子に接続されたァンテナ等の負荷のインピーダンスが変化すると、その値によっては最終段のトランジスタの動作条件が変化し、ベース電流が増加する。ベース電流が増加すると、バイアス電圧印加端子と最終段のベース端子との間に接続された第 1の抵抗器での電圧降下が増加する。第 1の抵抗器での電圧降下が増加すると、この抵抗器と最終段の前段のトランジスタとの間に接続された第 2の抵抗器に印加される電圧が低下し、前段のトランジスタのベース電流が低下する。これにより、前段のトランジスタのコレクタ電流が低下し、最終段のベース端子に入力される高周波電力が減少する。その結果、トランジスタの動作条件が変化し、コレクタ電流の増加が抑制される。このように、接続される負荷のインピーダンスの変化に関わらず最終段のトランジスタのコレクタ電流の変化が抑制される。

この発明によれば、接続される負荷のインピーダンスの変化に応じて、最終段のトランジスタのコレクタ電流の変化を抑制し、安定した電力増幅特性を備える、トランジスタを複数段接続した高周波電力増幅回路を搆成することができる。図面の簡単な説明

図 1は、第 1の実施形態に係る高周波電力増幅回路の等価回路図である。図 2は、第 2の実施形態に係る高周波電力増幅回路の等価回路図である。図 3は、第 3の実施形態に係る高周波電力增幅回路の等価回路図である。図 4は、第 4の実施形態に係る高周波電力増幅回路の等価回路図である。図 5は、第 4の実施形態に係る高周波電力増幅回路と従来の高周波電力増幅回路とにおける、負荷インピーダンスとコレクタ電流との関係を表した図である。図 6は、従来の高周波電力増幅回路の等価回路図である。発明を実施するための最良の形態

本発明の第 1の実施形態に係る高周波電力増幅回路について、図 1を参照して説明する。

図 1は本実施形態に係る高周波電力増幅回路の等価回路図である。

図 1に示すように、高周波電力増幅回路は、入力端子 1 0 1に入力整合回路 2 0 1、コンデンサを介してベース端子 T _{B 1}が接続されたトランジスタ T r と、このトランジスタ T r のコレクタ端子 T _{C 1}にコンデンサ C ₂を介してベース端子 T _{B 2}が接続されたトランジスタ T r ₂とを備える。トランジスタ T r ₂のコレクタ端子 T _{C 2}はコンデンサ C ₃、出力整合回路 2 02を介して出力端子 1 02に接続されている。また、トランジスタ T r ₁； T r ₂のェミッタ端子 T_E1 T_E2は接地されている。これらトランジスタ T rいおよびトランジスタ T r ₂がそれぞれ本発明の前段のトランジスタ、および最終段のトランジスタに相当する。

この高周波増幅回路には、トランジスタ T rい T r ₂にベースバイアス電圧を印加するためのベースバイアス電圧印加端子 1 1 0と、それぞれにコレクタ電流を供給するための第 1の電源電圧印加端子 1 04、および、第 2の電源電圧印加端子 1 06とを備える。このベースバイアス電圧印加端子 1 1 0が本発明のバイアス電圧印加端子に相当する。

ベースバイァス電圧印加端子 1 1 0とトランジスタ T r ₂のベース端子 T_B2との間にはベースバイアス電圧印加端子 1 1 0側から順に抵抗器 Ru , R₁₃が直列接続されており、抵抗器 R„と抵抗器 R₁₃との接続点とトランジスタ T r のベース端子 T_{B 1}との間には抵抗器 ₂が接続されている。この抵抗器 R„が本発明の第 1の抵抗器に、抵抗器 R₁₂が本発明の第 2の抵抗器に相当する。 '

第 1の電源電圧印加端子 1 04とトランジスタ T r iのコレクタ端子 T_c iとの間にはィンダクタ L iが接続されており、第 1の電源電圧印加端子 1 04と接地との間にはコンデンサ C₀₁が接続されている。このインダクタ L とトランジスタ T r のコレクタ端子 T_C1に接続されたコンデンサ C₂ とにより、トランジスタ T r のコレクタ端子（トランジスタ T r の高周波信号出力端子) とトランジスタ T r ₂のベース端子 (トランジスタ T r ₂ の高周波信号入力端子）との整合を行う。また、インダクタンス1^とコンデンサ C _Q iとにより、高周波信号が第 1の電源電圧印加端子 1 04側に伝送されることを防止する。

第 2の電源電圧印加端子 1 06とトランジスタ T r ₂のコレクタ端子 T_c ₂との間にはィンダクタ L ₂が接続されており、第 2の電源電圧印加端子 1 06と接地との間にはコンデンサ C₀₂が接続されている。これらインダクタ L ₂とコンデンサ C。 ₂とにより、高周波信号が第 2の電源電圧印加端子 1 06側に伝送されることを防止する。

入力端子 1 0 1に入力した高周波信号は、入力整合回路 20 1、コンデンサじを介してトランジスタ T r に入力される。トランジスタ T r まベースバイアス電圧印加端子 1 1 0から抵抗器 R„、 R₁₂を介して印加されるバイアス電流により作動し、ベース端子 T_{B 1}に入力された高周波信号の電力増幅を行い、コレクタ端子 T_C1に出力する。この電力増幅された高周波信号は、コンデンサ C₂を介してトランジスタ T r ₂のベース端子 T_B2 に入力される。トランジスタ T r ₂はベースバイアス電圧印加端子 1 1 0 から抵抗器 ₁ R₁₃を介して印加される駆動電流により作動し、ベース端子 T_B2に入力された高周波信号の電力増幅を行い、コレクタ端子 T_C2に出力する。このように、トランジスタ T rい T r ₂による 2段の増幅回路により電力増幅された高周波信号は、コンデンサ C ₃、および出力整合回路 202を介して出力端子 1 02から出力される。

ここで、出力端子 1 02に接続された負荷 (アンテナ) のインピーダンスが変化すると、出力端子 1 02とトランジスタ T r ₂のコレクタ端子 T_c ₂とは不整合になる。これにより、トランジスタ T r ₂の動作条件が変化し、トランジスタ T r ₂のベース端子 T _{B 2}側のベース電流が増加する場合がある。ベース電流が増加すると、抵抗器 R_11; R₁₃での電圧降下が増加する。これにより、抵抗器 R„と R₁₃との接続点の電位が低下し、抵抗器 R ₁₂に印加される電圧が低下する。そして、抵抗器 R₁₂に印加される電圧が低下すると、トランジスタ T r のベース電流が減少するともに、トランジスタ T r iのコレクタ電流も減少する。このように、トランジスタで r ₁ のベース電流おょぴコレクタ電流が減少することで、トランジスタ T r ₁ の出力が低下する。

トランジスタ T r の出力が低下することで、トランジスタ T r ₂のべ一ス端子 T_B2に入力する高周波信号が低減する。そして、トランジスタ T r ₂に入力される高周波信号が低減すると、トランジスタ T r ₂の動作条件が変化し、ベース電流の増加によるコレクタ電流の増加が抑制される。このように、出力端子側のインピーダンスの変化に応じたコレクタ電流の変化が抑制されるので、負荷のインピーダンス変動による最終段のトランジスタの破壊および焼損を抑制することができる。また、最終段のコレクタ電流の変化が抑制されることにより、高周波電力増幅回路としては、負荷のインピーダンスに関係なく所定の電力増幅特性を備えることができる。なお、抵抗器 Ru, R₁₂, R₁₃の抵抗値は、前述のようにトランジスタ T r ₂のコレクタ電流の増加をトランジスタ T r iの出力の低下で補完できる値に適宜設定すればよい。

次に、第 2の実施形態に係る高周波電力増幅回路について、図 2を参照して説明する。

図 2は本実施形態に係る高周波電力増幅回路の等価回路図である。

図 2に示す高周波電力増幅回路は、第 1の実施形態に係る高周波電力増幅回路における抵抗器 Rnのベースバイアス電圧印加端子 1 1 0側にエミッタ端子 T_E4が接続し、ベース端子 T_B4に抵抗器 R₁₄を介してベースバィァス電圧印加端子 1 1 0が接続するトランジスタ T r ₄を備えている。このトランジスタ T r ₄のコレクタ端子 T_C4には電源電圧印加端子 1 0 7 が接続されている。他の構成は、第 1の実施形態に係る高周波電力増幅回路と同じである。

このように、トランジスタ T rい T r ₂のベース電流をトランジスタ T r ₄のコレクタ電流で供給することで、 T rい T r ₂のベースバイアス電流を、このベース電流よりも小さいトランジスタ T r ₄のベース電流で制御することができる。

このような構成とすることで、前述の第 1の実施形態と同様に、負荷ィンピーダンスの変動に関係なく最終段のトランジスタに流れるコレクタ電流の変化を抑制する高周波電力増幅回路を構成できるとともに、高周波電力増幅用トランジスタのベース電流を高周波電力増幅用とは異なるトランジスタのベース電流で制御できるので、制御電流を小さくすることができる。

次に、第 3の実施形態に係る高周波電力増幅回路について、図 3を参照して説明する。

図 3は本実施形態に係る高周波電力増幅回路の等価回路図である。

図 3に示す高周波電力増幅回路は、第 1の実施形態に係る高周波電力増幅回路における抵抗器 R„にコレクタ端子 T_C5が接続され、抵抗器 R₁₃ にエミッタ端子 T_E5が接続され、ベース端子 T_B5に抵抗器 R₁₄を介して第 2のベースバイァス電圧印加端子 1 1 2が接続されるトランジスタ T r ₅を備えている。また、この高周波電力増幅回路は、トランジスタ T r ₅のコレクタ端子 T_{c 5}と抵抗器 R„との接続点にコレクタ端子 T_C6が接続され、抵抗器 R₁₂にェミッタ端子 T_E6が接続され、ベース端子 T_B6に抵抗器 R₁₅を介して第 1のベースバイアス電圧印加端子 1 1 1が接続されるトランジスタ T r ₆を備えている。他の構成は、第 1の実施形態に係る高周波電力増幅回路と同じである。

このような構成とすることで、出力端子 1 02に接続された負荷のィンピーダンスが変化すると、トランジスタ T r ₂のベース電流が増加して抵抗器 R ₁ iの電圧降下が増加する。抵抗器 R！ ₁の電圧降下が増加することで、トランジスタ T r ₅, T r ₆のコレクタ電圧が低下して非飽和領域で動作するので、飽和状態と比較してコレクタ電流が減少し、トランジスタ T r ₁； T r ₂のベース電流が減少する。これにより、トランジスタ T r ^ T r ₂のコレクタ電流の増加が抑制される。さらに、トランジスタ丁 ₁のコレクタ電流が減少することで、トランジスタ T r ₂に入力される高周波信号が減少し、トランジスタ T r ₂の動作条件の変化はさらに抑えられ、トランジスタ T r ₂のコレクタ電流増加の抑制効果がさらに向上される。また、このような構成とすることで、第 2の実施形態に示したように、高周波電力増幅用とは異なるトランジスタの小さいベース電流で高周波電力増幅用のトランジスタの動作制御を行うことができる。

なお、本実施形態では、トランジスタ T r のベース端子 T_{B 1}とトランジスタ T r ₆のエミッタ端子 T_{E e}との間に抵抗器 R _{1 2}を接続したが、この抵抗器 R _{1 2}をインダクタに置き換えてもよい。または、この抵抗器 R _{1 2}を省略してもよレ、。

また、本実施形態では、トランジスタ T r ₂のベース端子 T_{B 2}とトランジスタ T r ₅のエミッタ端子 T_{E 5}との間に抵抗器 R _{1 3}を接続したが、この抵抗器 R _{1 3}をインダクタに置き換えてもよい。または、この抵抗器 ₃を省略してもよい。

次に、第 4の実施形態に係る高周波電力増幅回路について、図 4を参照して説明する。

図 4は本実施形態係る高周波電力増幅回路の等価回路図である。

図 4に示す高周波電力増幅回路は、第 3の実施形態に示した高周波電力増幅回路において、第 1の電源電圧印加端子 1 0 4を削除し、ィンダクタとコンデンサ C _{Q 1}との接続点を抵抗器の電源電圧印加端子 1 0 7 側に接続し、この接続点と電源電圧印加端子 1 0 7との間に抵抗器 R_{1 6}を接続したものである。他の構成は第 3の実施形態に示した高周波電力増幅回路と同じである。

このような構成では、出力端子 1 0 2に接続される負荷のインピーダンスが変化することで、トランジスタ T r ₂のベース電流が増加すると、抵抗器 R_{1 6}による電圧降下が増加するため、トランジスタ T r iのコレクタ電圧が低下する。また、トランジスタ T r ₂のベース電流が増加すると、抵抗器 R _{1 6}， R„による電圧降下が増加するため、トランジスタ T r _X(D ベース電流が低下する。トランジスタ T r でベース電流が減少するとともに、コレクタ電圧が低下すると、トランジスタ T r iの出力電力がさらに低下し、トランジスタ T r ₂に入力される高周波信号が低減する。トランジスタ T r ₂に入力される高周波信号が低減することで、トランジスタ T r ₂の動作条件が変化し、コレクタ電流の増加が抑制する。

ここで、 V S WR (Voltage Standing Wave Ratio) 力 S 1 0となる負荷のインピーダンスの位相とトランジスタ T r ₂ (最終段のトランジスタ）のコレクタ電流との関係を従来例と比較したものを図 5に示す。

このように、本実施形態に構成を用いることで、負荷のインピーダンスの位相が変わった場合の最終段のトランジスタのコレクタ電流の変化を抑制することができる。

また、第 3の実施形態に示した高周波電力増幅回路と同様に、高周波電力増幅用とは異なるトランジスタの微小なベース電流で高周波電力増幅用のトランジスタの動作制御を行うことができる。

なお、本実施形態では、トランジスタ T r iのベース端子 T _{B 1}とトランジスタ T r ₆のエミッタ端子 T _{E 6}との間に抵抗器 R _{1 2}を接続したが、この抵抗器 R _{1 2}をインダクタに置き換えてもよい。または、この抵抗器 R _{1 2}を省略してもよい。

また、本実施形態では、トランジスタ T r ₂のベース端子 T _{B 2}とトランジスタ T r ₅のエミッタ端子 T _{E 5}との間に抵抗器 R i ₃を接続したが、この抵抗器 R _{1 3}をインダクタに置き換えてもよい。または、この抵抗器 R _{1 3}を省略してもよレ、。

なお、前述の各実施形態では、 2段のトランジスタからなる高周波電力増幅回路を示したが、 3段以上のトランジスタからなる高周波電力増幅回路についても、前述の構成を適用することができる。

最後に、上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の意味おょぴ範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

Claims

( 1 ) トランジスタを複数段接続してなる高周波電力増幅回路において、最終段のトランジスタのベース端子と、該最終段のトランジスタの前段のトランジスタのベース端子とにバイアス電流を供給するための少なくとも一つのバイアス電圧印加端子と、

請

該バイアス電圧印加端子と前記最終段のトランジスタのベース端子との間に接続された第 1の抵抗器と、

の

該第 1の抵抗器の前記最終段のトランジスタのベース端子側と、前記前段のトランジスタのベース端子との間に接続された第 2の抵抗器とを備え囲

ることを特徴とする高周波電力増幅回路。

( 2 ) 前記第 1の抵抗器と前記第 2の抵抗器との接続点と前記最終段のトランジスタのベース端子との間に、第 3の抵抗器を接続した請求項 1に記載の高周波電力増幅回路。

( 3 ) 前記第 2、第 3の抵抗器の少なくとも一方をィンダクタに置き換えた請求項 1または請求項 2に記載の高周波電力増幅回路。