(57)【要約】【課題】線形性と高効率が要求される電力増幅器を、小型かつ低コストで実現可能にする手段を提供する。【解決手段】１つのパッケージ１１に収められて各々のソース電極が共通に接続され、接地されている高周波増幅用トランジスタ２とスイッチ用トランジスタ１を用いて高周波電力増幅器を構成する。高周波増幅用トランジスタ２に電源を供給する電源部１０は、前記のスイッチ用トランジスタ１と、コイル３と、ダイオード４と、キャパシタ５と、チョークコイル６から構成されており、増幅用電源出力端を経由して高周波増幅用トランジスタ２のドレイン電極に電源を供給している。この高周波増幅用トランジスタ２のドレイン電極に供給されている電源電圧は、電源部１０のスイッチ用トランジスタ１に外部から制御信号を入力することにより制御されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゲートまたはベース電極に入力される高周波信号の包絡線信号に対応するパルス信号によってドレイン-ソース間またはコレクタ-エミッタ間がＯＮ／ＯＦＦ制御されるスイッチング用トランジスタを有し、該スイッチング用トランジスタのＯＮ／ＯＦＦ動作により前記包絡線信号に対応する電圧を発生する電源部と、該電源部で発生した電圧が動作電圧として供給され、ゲートまたはベース電極に前記高周波信号が入力されるソースまたはエミッタ接地型の電力増幅用トランジスタと、を備える高周波電力増幅器において、
前記電源部のスイッチング用トランジスタと前記電力増幅用トランジスタを、一つのパッケージ内においてソースまたはエミッタが共通接続された少なくとも２個のトランジスタの一方および他方のトランジスタによって構成したことを特徴とする高周波電力増幅器。
【請求項２】
前記電源部は、定電圧が供給される定電圧電源供給端と接地間に直列接続されたコイル、ダイオードおよびキャパシタと、該コイルとダイオードの接続点と接地間にそのドレインまたはコレクタとソースまたはエミッタが接続され、前記高周波信号の包絡線信号に対応するパルス信号がゲートまたはベース電極に入力されることによりドレイン-ソース間またはコレクタ-エミッタ間がＯＮ／ＯＦＦ制御される前記スイッチング用トランジスタと、前記ダイオードと前記キャパシタの接続点から出力される前記包絡線信号に対応する電圧を前記電力増幅用トランジスタのドレインまたはコレクタ電極に動作電圧として供給するチョークコイルとを有していることを特徴とする請求項１に記載の高周波電力増幅器。
【請求項３】
前記一つのパッケージ内においてソースまたはエミッタが共通接続された２個のトランジスタを備えたプッシュプル増幅用素子の一方のトランジスタを前記スイッチング用トランジスタとし、他方のトランジスタを前記電力増幅用トランジスタとしたことを特徴とする請求項１または２に記載の高周波電力増幅器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多値デジタル変調通信システム等に利用されて線形性と高効率が要求される高周波電力増幅器に関し、特に、そのような電力増幅器の小型化、低コスト化を図る技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近の多値デジタル変調通信システム等では信号振幅の平均値と最大振幅が大きく異なる信号を取り扱うことが多い。そのため、無線通信システムに利用される電力増幅器には線形性と高効率が要求されている。しかし従来の電力増幅器でこのような信号を増幅する場合には、増幅器は信号を歪ませずに最大振幅まで増幅できるような動作点に設定されるため、比較的高効率を維持できる飽和出力付近で動作している時間はほとんどなく、一般的に増幅器の効率は低かった。
【０００３】
このような問題を解決するために、線形性を維持しながら増幅器の効率を高めるさまざまな技術が発明されてきた。その技術の一つにEnvelope Tracking（以降ＥＴと略す）や、Envelope Elimination and Restoration（以降ＥＥＲと略す）がある。これらの技術を用いた増幅器の基本的な構成は、特許文献１〜２、非特許文献１〜２などに記載されており、当業者にはすでに公知となっている。
【０００４】
これらの増幅器の構成において、増幅素子に加えられる電源部は、損失低減のため高速のスイッチ素子を用いて、例えばＳ級アンプなどスイッチ動作をする回路で構成されている。この高効率電源を外部から所望のＥＴ，ＥＥＲ動作と機能を満たすよう制御することにより、通常の増幅器、たとえばＡ級、Ｂ級増幅器より高い効率が実現され、また飽和電力からバックオフをとった出力時においても高い効率を達成している。
【０００５】
図４は、従来のＥＥＲ技術を応用した高効率増幅器の例を示す概略ブロック図であり、入力信号（変調信号）は、リミッタ４１および包絡線検波部４２へ入力される。リミッタ４１では入力信号の位相変調成分信号が抽出され、包絡線検出検波部４２はで入力信号の振幅変調成分に相当する包絡線信号がそれぞれ抽出される。抽出された一定振幅の位相変調成分信号は電力増幅器を構成するトランジスタ４５に入力されて増幅される。
【０００６】
一方、抽出された包絡線信号は、振幅に応じてパルス幅を変化させるＰＷＭ方式等からなる振幅−パルス変換部４３、スイッチングトランジスタ４４、キャパシタ４６およびチョークコイル４７からなるローパスフィルタによって構成される電源電圧制御部により、包絡線信号に応じた電圧に変換され、電力増幅器を構成するトランジスタ４５の動作電源電圧として供給される。
【０００７】
その結果、上記抽出された一定振幅の位相変調成分信号は電力増幅器を構成するトランジスタ４５により高効率で増幅されるとともに、この電力増幅器を構成するトランジスタ４５の電源電圧が電源電圧制御部から出力される電圧により変化されるので、この電力増幅器に入力された信号は電源電圧に対応して振幅が変化するように増幅されることになり振幅変調成分も再生されるため、低歪かつ高効率の高出力増幅器が実現される。
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−１８４２７３号公報
【特許文献２】特表２００６−５２１０８１号公報
【特許文献３】特開平８−２７５５１４号公報
【非特許文献１】「Power Amplifiers and Transmitters for RF and Microwave」IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL.50, NO.3, MARCH 2002, pp814-826,
【非特許文献２】「50% PAE WCDMA Base-station Amplifier Implemented with GaN-HFETs」 Compound Semiconductor Integrated Circuit Symposium IEEE, 30 Oct.-2 Nov. 2005 ,pp1-4,
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
図５は、図４に示す従来の高効率増幅器における電力増幅器と電源部の基板上における実装状態の概略を示している。通常、増幅器と電源部は別々の回路ブロックとして構成されており、また、増幅器に使用される増幅素子（トランジスタ）、および電源部に使用されるスイッチ素子（トランジスタ）は比較的大電力の信号を扱う関係上、それぞれ別々のパッケージに収められた個々のトランジスタが使用されている。そのため、基板上にはこれら２つのトランジスタを実装するための２パッケージ分のトランジスタの実装面積が必要である。
【００１０】
ここで一例として、上記従来技術（図４）の構成において、電力増幅器を構成するトランジスタ４５およびスイッチングトランジスタ４４としてそれぞれ同じトランジスタ素子を使用し、２ＧＨｚ帯で飽和出力９０Ｗの増幅器を構成する場合について考察する。具体的な９０Ｗ出力のトランジスタとして、フリースケール社のＭＲＦ２１０９０という１パッケージに１個の電界効果トランジスタが納められた素子を選択したとすると、このトランジスタの電極部を除いた外形寸法は、図６に示すように１個あたり約３４ｍｍ×１３．８ｍｍであり、従って、トランジスタ部の実装面積としては、最低この寸法の２個分、即ち、約９．４平方センチメートルの実装面積が必要となる。
【００１１】
このように、上記従来構成の高効率増幅器の場合、増幅器素子とスイッチ素子としてそれぞれ別々のパッケージに収められたトランジスタを使用しているため、２パッケージ分のトランジスタの実装面積が必要であり、装置の小型化を進める上では不利であった。また装置の低コスト化にも不利な構成となっていた。
【００１２】
本発明の目的は、上記課題を解決し、線形性と高効率が要求される電力増幅器を、小型かつ低コストで実現可能にする手段を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
従来、Ａ級、ＡＢ級、Ｂ級等の電力増幅器をプッシュプル増幅器あるいはバランス増幅器として構成するために、ソースをパッケージ内において共通接続した２個の電界効果トランジスタを１つのパッケージに内蔵したプッシュプル増幅器あるいはバランス増幅器用の素子が、例えばフリースケール社のＭＲＦ５Ｐ２１１８０等の製品として市販されている。
【００１４】
本発明は、このソースがパッケージ内において共通接続された２個の電界効果トランジスタを１つのパッケージに内蔵したプッシュプル増幅器あるいはバランス増幅器用の素子に着目し、その１パッケージ中の一方のトランジスタを増幅器として、もう一方のトランジスタをスイッチ素子として動作させ、１つのパッケージ内に納められた２つのトランジスタで、ＥＴあるいはＥＥＲなどの技術を用いた高効率増幅器を構成することにより、線形性と高効率が要求される電力増幅器の小型化および低コスト化を図るものである。
【００１５】
その際、図４に示す従来の高効率増幅器におけるトランジスタ４５およびスイッチングトランジスタ４４は、ソースが共通接続された構成とはなっていないので、上記１つのパッケージに内蔵したプッシュプル増幅器あるいはバランス増幅器用の２個の電界効果トランジスタ素子を、図４に示す高効率増幅器におけるトランジスタ４５およびスイッチングトランジスタ４４に対してそのまま適用することはできない。
【００１６】
そこで本発明では、増幅素子（トランジスタ）に動作電圧を供給する電源部を、該電源部内でスイッチ素子として動作するトランジスタのソース電極が接地されたスイッチトランジスタによって構成可能な電源部構成を用いることにより、増幅素子（トランジスタ）のソース電極と、電源部においてスイッチ素子として動作するトランジスタのソース電極を共通接続（接地）可能にして、ソースをパッケージ内において共通接続した２個の電界効果トランジスタの一方のトランジスタを増幅器として、もう一方のトランジスタをスイッチ素子として動作させる。
【００１７】
具体的には、本発明は、ゲートまたはベース電極に入力される高周波信号の包絡線信号に対応するパルス信号によってドレイン-ソース間またはコレクタ-エミッタ間がＯＮ／ＯＦＦ制御されるスイッチング用トランジスタを有し、該スイッチング用トランジスタのＯＮ／ＯＦＦ動作により前記包絡線信号に対応する電圧を発生する電源部と、該電源部で発生した電圧が動作電圧として供給され、ゲートまたはベース電極に前記高周波信号が入力されるソースまたはエミッタ接地型の電力増幅用トランジスタと、を備える高周波電力増幅器において、前記電源部のスイッチング用トランジスタと前記電力増幅用トランジスタを、一つのパッケージ内においてソースまたはエミッタが共通接続された少なくとも２個のトランジスタの一方および他方のトランジスタによって構成したことを特徴とする。
【００１８】
また、前記電源部は、定電圧が供給される定電圧電源供給端と接地間に直列接続されたコイル、ダイオードおよびキャパシタと、該コイルとダイオードの接続点と接地間にそのドレインまたはコレクタとソースまたはエミッタが接続され、前記高周波信号の包絡線信号に対応するパルス信号がゲートまたはベース電極に入力されることによりドレイン-ソース間またはコレクタ-エミッタ間がＯＮ／ＯＦＦ制御される前記スイッチング用トランジスタと、前記ダイオードと前記キャパシタの接続点から出力される前記包絡線信号に対応する電圧を前記電力増幅用トランジスタのドレインまたはコレクタ電極に動作電圧として供給するチョークコイルとを有する構成により実現することができる。
【００１９】
また、前記一つのパッケージ内においてソースまたはエミッタが共通接続された２個のトランジスタを備えたプッシュプル増幅用素子の一方のトランジスタを前記スイッチング用トランジスタとし、他方のトランジスタを前記電力増幅用トランジスタとして転用することが可能であり、一層の低コスト化を図ることができる。
【００２０】
即ち本発明では、従来プッシュプル増幅器あるいはバランス増幅器として構成されたＡ級、ＡＢ級、Ｂ級等の線形増幅器のために用いられている、２個のトランジスタを１つのパッケージに内蔵して、２つの入力とそれぞれの入力信号に対応した増幅信号を出力する２つの出力を有するトランジスタ素子を用いて、その１パッケージ中の一方のトランジスタを増幅器として、もう一方のトランジスタを、増幅器の電源機能を制御して高効率を達成するスイッチモードで動作させることにより、１つのパッケージ内に納められた２つのトランジスタで、ＥＴあるいはＥＥＲなどの技術を用いた高効率増幅器を構成しているので、無線通信機器などに使用される高効率増幅器を小型かつ低コストで実現することが可能となる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明は、プッシュプル増幅器あるいはバランス増幅器用として１パッケージに内蔵された２つのトランジスタを、ＥＴあるいはＥＥＲなどの技術を用いた高効率増幅器を構成する電力増幅用トランジスタとスイッチング用トランジスタとして用いているので、増幅器全体をより小型に構成することが可能となる。
【００２２】
また、高効率増幅器を構成する電力増幅用トランジスタとスイッチング用トランジスタを、プッシュプル増幅器あるいはバランス増幅器用として１パッケージに内蔵された２つのトランジスタを利用して構成することができ、それぞれを単体のトランジスタによって構成しなくて済むので、低コスト化が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
図１は、本発明の高周波電力増幅器の実施形態を示す回路図である。
【００２４】
本実施形態の高周波電力増幅器は、高周波増幅用トランジスタ２とスイッチ用トランジスタ１から構成され、これら高周波増幅用トランジスタ２およびスイッチ用トランジスタ１は１つのパッケージ１１に収められており、各々のソース電極は共通に接続され、接地されている。高周波増幅用トランジスタ２に電源を供給する電源部１０は、前記のスイッチ用トランジスタ１と、コイル３と、ダイオード４と、キャパシタ５と、チョークコイル６から構成されており、増幅用電源出力端を経由して高周波増幅用トランジスタ２のドレイン電極に電源を供給している。この高周波増幅用トランジスタ２のドレイン電極に供給されている電源電圧は、電源部１０内のスイッチ用トランジスタ１に外部から制御信号を入力することにより制御されている。
【００２５】
本実施形態の高周波電力増幅器においては、例えば１つのパッケージ１１内でソースが共通接続（接地）された２つの電界効果トランジスタを内蔵したプッシュプル増幅用の素子を用いて、その一方の電界効果トランジスタを電源部１０内のスイッチ用トランジスタ１として使用し、他方の電界効果トランジスタを高周波増幅用トランジスタ２として使用することにより、それぞれを個別の素子として実装した場合と比較して、基板上におけるスイッチ用トランジスタ１と高周波増幅用トランジスタ２の実装面積を減らすことができる。
【００２６】
高周波増幅用トランジスタ２は、図４に示す従来の高効率増幅器の電力増幅器を構成するトランジスタ４５に対応するトランジスタであって、そのゲート電極には、例えば高周波入力信号の位相変調成分信号が入力され、ドレイン電極には、電源部１０からチョークコイル６を介して電源電圧が供給されているが、ソースは、パッケージ１１内でスイッチ用トランジスタ１のソースとともに共通接地されている。
【００２７】
また、電源部１０のコイル３、スイッチ用トランジスタ１、ダイオード４、キャパシタ５からなる構成は、一般的なＤＣ／ＤＣコンバータに用いられているスイッチングレギュレータの構成（特許文献３等参照）であり、スイッチ用トランジスタ１がＯＮすると、Ｉ＝（ＶＤＤ/Ｌ）∫ｄｔの電流Ｉがコイル３に流れて電磁エネルギーが該コイル３に蓄積される。該蓄積された電磁エネルギーは、スイッチ用トランジスタ１がＯＦＦの間にダイオード４を介してキャパシタ５に移され、キャパシタ５の端子電圧をコイル３に蓄積された電磁エネルギーに相当する電圧に上昇させる。
【００２８】
本実施形態では、スイッチ用トランジスタ１のゲート電極に対して、高周波信号入力の包絡線信号レベルに対応してパルス幅が変化するＰＷＭ信号、あるいは高周波信号入力の包絡線信号レベルに対応して単位時間あたりのパルス数（＝密度）を可変するＰＮＭ信号等のパルス信号からなる電源機能制御信号を入力する。
【００２９】
この電源機能制御信号により、包絡線信号の振幅が小さいときはスイッチ用トランジスタ１がＯＮしている時間を短く（パルス幅あるいはパルス密度を小さく）してコイル３に蓄えられるエネルギーを小さくすることによって増幅器用電源電圧が低くなるように制御し、包絡線信号の振幅が大きいときにはスイッチ用トランジスタ１がＯＮしている時間を長く（パルス幅あるいはパルス密度を大きく）してコイル３に蓄えられるエネルギーを大きくすることによって増幅器用電源電圧が高くなるように制御する。
【００３０】
従って、このパルス信号によるスイッチ用トランジスタ１のＯＮ／ＯＦＦ比を高周波信号入力の包絡線信号レベルに対応して制御することにより、電源部１０の増幅器用電源出力端に、高周波信号入力の包絡線信号レベルに応じて変化する電圧が出力されるので、高周波増幅用トランジスタ２に入力された信号は電源電圧に対応して振幅が変化するように増幅されることになり、振幅変調成分も忠実に再生されて、低歪かつ高効率の高周波電力増幅器が実現される。
【００３１】
図２は、本実施形態の高効率増幅器における電力増幅器と電源部の基板上における実装状態の概略を示しており、高周波増幅用トランジスタ２と増幅素子とスイッチ用トランジスタ１は、１つのパッケージ１１として基板上に実装される。
【００３２】
図４に示したような従来の増幅器の構成では、増幅器と、増幅器の電源機能を制御するトランジスタは各々１パッケージ（以上）の別個のトランジスタから構成されていたのに対し、本実施形態では、１パッケージ内に２つのトランジスタを内蔵したトランジスタを用いて、その一方のトランジスタを線形増幅器として、もう一方のトランジスタをスイッチモードとして動作させ、あわせて増幅器を構成している。したがって、１つのパッケージのトランジスタで従来技術と同等の増幅器を構成できるため実装面積を減らすことができ、装置の小型化や低コスト化が達成できるという効果を有する。
【００３３】
図３は、１パッケージに２個の電界効果トランジスタが納められた素子によって高効率増幅器に使用される増幅素子および電源部に使用されるスイッチ素子を構成した本実施形態の外形寸法例を示す図である。
【００３４】
ここでは一例として、従来構成で想定した２ＧＨｚ帯で飽和出力９０Ｗの増幅器を構成する場合を考える。本発明に従って、同様の９０Ｗの増幅器を１パッケージのトランジスタで構成するために、プッシュプル用として１パッケージ内に２個のトランジスタを内蔵した素子として、同じくフリースケール社の前記ＭＲＦ５Ｐ２１１８０というトランジスタを採用したとする。
【００３５】
この場合、図３に示すように、このトランジスタの電極部を除いた外形寸法は約４１ｍｍ×１０ｍｍであり、実装面積としては約４．１平方センチメートルである。従って、トランジスタ部だけの面積においても、従来構成の９．４平方センチメートルと比較してその面積を４３％に小型化した増幅器を構成することが可能であり、周辺回路等々を含めても従来構成のほぼ半分の面積に小型化することが可能となる。
【００３６】
なお、上記実施例では、一つのパッケージに２つのトランジスタを収納した素子を用いたが、その基本的構成は上記の通りとして、一つのパッケージにさらに３つ以上の複数のトランジスタを納めた素子を使用し、各トランジスタを増幅器とスイッチ素子が所望の数だけ動作するように構成することも可能である。また、トランジスタは電界効果型トランジスタに限らず、さまざまな形式のデバイス、たとえばバイポーラトランジスタなどによっても本発明の構成を実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の高周波電力増幅器の実施形態を示す回路図である。
【図２】本実施形態の高効率増幅器における電力増幅器と電源部の基板上における実装状態の概略を示す図である。
【図３】１パッケージに２個の電界効果トランジスタが納められた素子によって高効率増幅器に使用される増幅素子および電源部に使用されるスイッチ素子を構成した場合の外形寸法例を示す図である。
【図４】従来のＥＥＲ技術を応用した高効率増幅器の例を示す概略ブロック図である。
【図５】従来の高効率増幅器における増幅器と電源部の基板上における実装状態の概略を示す図である。
【図６】高効率増幅器に使用される増幅素子および電源部に使用されるスイッチ素子として用いることが可能な、１パッケージに１個の電界効果トランジスタが納められた素子の外形寸法例を示す図である。
【符号の説明】
【００３８】
１，４４  スイッチ用トランジスタ
２，４５  高周波増幅用トランジスタ
３  コイル
４  ダイオード
５，４６  キャパシタ
６，４７  チョークコイル
１０  電源部
１１  パッケージ
１２ａ，１２ｂ，１５  ゲート電極
１３ａ，１３ｂ，１６  ドレイン電極
４１  リミッタ
４２  包絡線検波部
４３  振幅-パルス変換部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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