(57)【要約】電力増幅回路は、少なくとも約180°の導通角を得るために、増幅トランジスタと、増幅トランジスタをバイアスする直流バイアス回路とを備えている。直流バイアス回路は、抵抗により増幅トランジスタの制御端子に接続された出力を持つカスコード・カレントミラー回路と、カスコード・カレントミラー回路から共通端子に接続されたキャパシタとを備えた自己バイアス起動回路を有する。キャパシタの値は、自己バイアス起動の所望量を得るために選択されうる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力信号を増幅し、少なくとも略180°の導通角を持つ電力増幅回路であって、増幅トランジスタと、前記導通角を得るために前記増幅トランジスタをバイアスする直流バイアス回路とを備え、
自己バイアス起動回路を有する前記直流バイアス回路は、抵抗により前記増幅トランジスタの制御端子に接続された出力を持つカスコード・カレントミラー回路と、前記カスコード・カレントミラー回路から共通端子に接続されたキャパシタと、を有することを特徴とする電力増幅回路。
【請求項２】
前記増幅回路は、クラスＡＢの増幅回路であることを特徴とする請求項１に記載の電力増幅回路。
【請求項３】
前記カスコード・カレントミラー回路は、直列接続された主電流経路をもつ第１のトランジスタ対を有し、前記出力は前記直列接続の共通点から取られ、バイアス電流源に直列接続された主電流経路を有する第２のトランジスタ対を備えることを特徴とする請求項１に記載の電力増幅回路。
【請求項４】
前記第２のトランジスタ対に直列接続された抵抗をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載の電力増幅回路。
【請求項５】
前記第１のトランジスタ対における第１のトランジスタと、前記第２のトランジスタ対における第２のトランジスタとはそれぞれ、前記共通端子に接続された主電流経路を有し、抵抗は第１および第２のトランジスタの制御端子に直列接続されることを特徴とする請求項３に記載の電力増幅回路。
【請求項６】
キャパシタの値は、自己バイアス起動の所望量を得るために選択されることを特徴とする請求項１に記載の電力増幅回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トランジスタ増幅回路の分野に関し、特にカスコードカレントミラー自己バイアス起動回路を備えた電力増幅回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の一般的な増幅器は、音声増幅器や他の用途とともに、高周波ＲＦ増幅器によく用いられる。線形入力および出力の関係と優れた動作効率を得るために、この種の増幅器は一般に、クロスオーバー歪みを防止するために、約180°（クラスＢ）またはわずかに180°より大きい（クラスＡＢ）導通角で動作する。
【０００３】
一般に、この種の増幅器は、クラスＢまたはクラスＡＢモードでの動作を保証するために、増幅回路内の静止時のバイアス電流を得るために、直流バイアス回路を必要とする。従来の技術では、米国特許公報No.5,844,443に示すように固定の電流源により、あるいは外部電源により、バイアスを供給するのが一般的である。そのバイアスは、米国特許公報No.5,548,248に示すように所望のモードで静電流を動作させるようにするために、所望の定数値に設定されうる。
【０００４】
しかしながら、上述した増幅器では、電源から流れる平均電流は、入力信号レベルに依存する。出力電力が増えるほど、電力トランジスタのエミッタとベースの両方を流れる平均電流も増える。このような平均電流の増加は、バイアス回路とバラスト抵抗における電圧降下を大きくする（このバイアス回路とバラスト抵抗は、交差接続されたトランジスタにおけるホットスポットや熱の逃げを防止するために用いられる）。これにより、導通角（すなわち、増幅器が導通している360°以内の角度）が低くなり、増幅器をクラスＢやクラスＣ動作に深く追い込む。これにより、最大電力出力が低くなる。この電力の低下を防止するために、増幅器は静バイアスをより大きくしなければならない。これにより、従来の回路では、必然的に、低電力出力レベルでの電力消費がより大きくなり、動作特徴における不所望のトレードオフが生じる。
【０００５】
この技術の最近の改良として、2000年３月28日に出願された、ダイナミック・バイアス起動回路という名称のペンディング中で同様に譲渡された米国特許出願No.09/536,946がある。この出願は、PCT出願No. WO 01/73941を優先権の基礎としている。この出願は、上述した問題を解決する手法を開示する。入力電圧を増幅器に供給する回路を用いることにより出力電力が増えるにつれて、電力トランジスタのバイアスを動的に増やすためにダイナミック・バイアス起動回路を電力増幅回路に設け、信号の振幅の関数としてダイナミック・バイアス起動を生成する。この解決法の欠点は、数多くの能動部品と受動部品を必要とし、簡略化と、小型化と、製造時の経済性を最大化できない。
【０００６】
静電流とバイアス・インピーダンスを個別に制御する手法は、PCT出願No. WO 02/09272を優先権の基礎として2000年７月21日に出願されペンディング中で同様に譲渡されたの米国特許出願No. 09/621,525の「静電流とバイアス・インピーダンスのインピーダンス制御を行う高周波増幅回路」に開示されている。この手法は、線形性を維持しつつ、高電力効率を達成することができるが、回路が複雑になり、出力段のノイズレベルが大きくなる。
【０００７】
したがって、低電力レベルで最適な最大出力電力と削減された電力歪みとを提供する電力増幅回路を設けるのが望ましい。さらに、その回路は、自己バイアス起動量を設定でき、これにより、電力出力が増大するにつれて、電力トランジスタの静電流を制御しながら、電力トランジスタが高電力出力と線形性で適切にバイアスされうる。最後に、回路は、非常に簡易で、小型で、経済的に製造できるのが望ましい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
以上を鑑みて、本発明の目的は、改良された最大出力電力を提供し、低電力レベルで電力歪みが少ない電力増幅回路を提供することにある。本発明の他の目的は、電力増幅器は電力出力が増大するにつれて、電力トランジスタの静電流を制御しつつ、電力トランジスタが高電力出力と線形性で適切にバイアスされうるように、自己バイアス量を設定できる回路を提供することにある。本発明の他の目的は、非常に簡易で、小型で、経済的に製造できる回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明において、上述した目的は、入力信号を増幅し少なくとも約180°の導通角を持つ新規の電力増幅回路によって達成される。この増幅回路は、増幅トランジスタと、この増幅トランジスタをバイアスする直流バイアス回路とを有し、所望の導通角を得る。直流バイアス回路は、抵抗によりトランジスタを増幅する制御端子に接続された出力をもつカスコードカレントミラー回路を持つ自己バイアス起動回路と、カスコードカレントミラー回路から共通端子に接続されたキャパシタとを備える。
【００１０】
本発明の一実施形態において、カスコードカレントミラー回路は、直列に接続された主電流経路を持ち、この直列接続の共通点からカレントミラー回路の出力が引き出される第１のトランジスタ対と、バイアス電流源に直列接続された主電流経路を持つ第２のトランジスタとを備えている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る電力増幅回路は、著しい改良点を有する。すなわち、増大される最大出力電力と、選択可能な自己バイアス起動レベルと、低雑音レベルと、制御可能な静電流と、低電力レベルでの削減された電力歪みとを含む、特に著しい効果を有する。これにより、電力増幅回路は、非常に簡易で、小型で、経済的な構成になりうる。
【００１２】
本発明のこれらの、および他の特徴は、以下に説明する実施例から明確かつ明らかである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明は、以下の図面を参照しながら、以下の記述から完全に理解されうる。図面における参照番号は一般に、部材を指定するために用いられている。
【００１４】
図１は、電力増幅回路１の簡略化された概略図を示している。増幅回路は、抵抗Ｒ１により増幅トランジスタＱ１のベースに接続された増幅トランジスタＱ１と直流バイアス回路２を有する。バイアス回路２は、Ｖccと共通端子gndとの間に直列に接続される出力バイポーラトランジスタＱ２，Ｑ３を有する。トランジスタの共通点は、キャパシタＣbにより共通端子と抵抗Ｒ１によりトランジスタＱ１のベースに接続される。基本回路構成は、入力信号を増幅トランジスタＱ１のベースに接続する入力カップリング・キャパシタＣ１と、トランジスタＱ１とからなり、このトランジスタＱ１は、共通エミッタ構成であり、インダクタＬ１によりＶccとgndの間に接続される。電力増幅回路１の出力は、トランジスタＱ１のコレクタから取られる。
【００１５】
図示された回路の接続において、能動部品は図示のためにバイポーラトランジスタで示されているが、本発明の範囲内で、電界効果トランジスタや、バイポーラトランジスタと電界効果トランジスタの組み合わせを代わりに用いることもできることが理解されうる。さらに、電力増幅トランジスタ１とバイポーラトランジスタ２は図に示された簡易的な表示とは、形状と詳細が異なっている。さらに、バイアス源は、クラスＢまたはＡＢモードで増幅回路を動作させることが理解されうる。
【００１６】
バイアス回路は、トランジスタＱ２〜Ｑ５、抵抗Ｒ１，Ｒ２およびキャパシタＣ２，Ｃｂを有するカスコード・カレントミラーを有する。Ｃ２はバイパスキャパシタである。Ｑ１のコレクタモードは、外部プルアップインダクタＬ１を介して電圧を供給するために接続される出力ノードである。RF入力は、駆動段へのマッチング回路の一部でありうるACカップリング・キャパシタＣ１を介してＱ１のベースに供給される。
【００１７】
バイアス回路の電流源Ｉbiasは、バイアス段の出力駆動電流と電力トランジスタの静電流の両方を制御する。Ｉbiasが出力駆動電流を制御するメカニズムは、ストレートフォワードである。バイアス回路がカスコードカレントミラー回路であるためである。Ｑ１の静電流を制御するメカニズムは以下に説明されうる。回路内の全トランジスタは同一であり、完全に一致していることが想定される。キルヒホッフ法則は、直流電圧Ｖbe(Q1)＋Ｖ(R1)＋Ｖbe(Q3)がＶbe(Q2)＋Ｖ(R2)＋Ｖbe(Q5)に等しいことを規定する。Ｖbe(Q3)がＶbe(Q2)に略等しいので、V(R1)が抵抗値を適切に選択することによりＶ(R2)に等しく設定されるとき、Ｖbe(Q1)はＶbe(Q5)に略等しい。このため、Ｉbiasは、Ｑ２，Ｑ３の駆動電流と同様に、Ｑ１の静電流を規定する。
【００１８】
トランジスタ対の間のエミッタ領域比を適切に設計することにより、Ｑ１の静電流とＱ２，Ｑ３の駆動電流を、Ｉbiasの値に直接比例させることができる。本実施形態において、１に対する６４の比（Ｑ５に対するＱ２）と１に対する８（Ｑ４に対するＱ２と、Ｑ５に対するＱ３）が用いられうる。
【００１９】
Ｃｂのない図１に示されたバイアス回路の自己バイアス起動のメカニズムは、以下に説明されうる。Ｒ１を介して、Ｑ３はＱ１を充電し、Ｑ２はＱ１を放電する。Ｑ２の放電速度は、RF入力電力が低いとき、Ｑ３の充電速度よりかなり速いか等しい。RF入力電力が増大するほど、Ｑ２の放電速度はＱ３の充電速度よりも遅い。このため、Ｑ１のフォワードバイアスされたPN接続を通過する平均電圧が増大する。
【００２０】
Ｃbがなければ、充電速度と放電速度は、Ｑ２，Ｑ３のサイズとＩbiasが固定されると、制御するのが難しくなる。この結果、Ｑ１用のバイアス起動が制御されなくなる。この制御されていないバイアス起動は、非常に多くの平均電流に貢献し、Ｑ１の効率を低下させる。これは、バイアスを用いた電力増幅器ＰＡの全体的な電力追加効率PAEを低下させる。
【００２１】
Ｃｂがあれば、充電速度と放電速度は、最適化された出力電力、ゲイン、PAEおよび線形性を達成するための所望のバイアス起動を与えるために調整されうる。Ｃｂを実装する好適な方法は、オフチップの表面実装部品を用いることである。しかしながら、オンチップのキャパシタはまた同一の目的を達成するために用いられうる。
【００２２】
電力効率をより上げるために、線形電力増幅器はクラスAB動作で一般にバイアスされる。線形性とPAEは増幅器における２つの矛盾する要求である。線形性とPAEとの間のトレードオフは、増幅器の所定の仕様のために必要である。これは通常、所定の線形性要求、例えば、CDMA用途における隣接チャネル電力比（ACPR）の線形性要求のための最高のPAEを達成することにより達成される。これは、増幅器の静電流の優れた制御を要求する。
【００２３】
本発明によれば、電力トランジスタ用の自己バイアス起動を与えることができるカスコードカレントミラー回路は、図１に示される電力トランジスタのベースのバイアス抵抗と同様にキャパシタとともに用いられ、これにより、所望の自己バイアス起動能力を得ることができる。キャパシタＣｂは自己バイアス起動量を調整し、電力トランジスタは高出力電力用に適切にバイアスされることができ、出力電力の線形性が増大する。他の利点は、電力トランジスタにおける静電流がカスコード・カレントミラーによりよく制御されうる。さらに、本発明の回路は、電力増幅器の出力段とWO 02/09272を優先権の基礎とする、上述した米国特許出願No. 09/621,525nokairoの回路よりもノイズが少なくなる。
【００２４】
限定されない図示された例において、図１の回路は、5.6pF、10pFおよび22pFのキャパシタＣｂでモデル化された。自己バイアス起動量は、実際上、Ｃｂの値が増大するほど、自己バイアス起動の大きさが増大する、Ｃｂの値の関数である。このように、所定の用途では、Ｃｂの値はPAEと線形性との間の所望のトレードオフで条件づけされた適切なバイアスを達成するために選択される。
【００２５】
図２は直流バイアス回路２の他の実施形態を示している。図２において、直流バイアス回路２のみが簡略化のために図示されており、トランジスタＱ２，Ｑ３の間の接続が図１に示す手法にて、キャパシタＣｂと抵抗Ｒ１に接続されうる。また、図１の回路部分と同一である図２の回路部分と、上記で説明した部分はここでは詳しく説明されない。
【００２６】
図２はトランジスタＱ４，Ｑ５の間に接続された抵抗Ｒ２が省略された点で図１と異なっている。その結果、これらのトランジスタは直接接続されており、抵抗Ｒ３，Ｒ４はトランジスタＱ２，Ｑ４のベースの間に挿入される。この変形構成の目的は、低電源電圧を要求する用途における回路性能を上げることである。
【００２７】
本発明は、いくつかの好適な実施形態を参照しながら図示されて記述されたが、形態や詳細における種々の変更が、そのいくつかは上記で説明されたが、本発明の精神と範囲を逸脱しない範囲でなされうる。このように、例えば、異なるトランジスタが実装され、回路構成の変更が特定の設計要求に見合うようになされうる。添付のクレームでは、「備える」という用語は、他の要素やステップを除外しないし、単数で記載した用語は複数を除外しない。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１の実施形態による電力増幅回路の簡易化された概略図。
【図２】本発明の第２の実施形態による電力増幅回路の直流バイアス回路の簡易化された概略図。
【図１】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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