(57)【要約】【課題】低電力かつ省チップ面積とすることが可能であり、ｈＦＥ相対バラツキによる電流バラツキを防止し、しかも低電源電圧においても駆動可能な電力増幅器を提供する。【解決手段】ベースにＲＦ信号が入力され、エミッタがグランドに接地され、コレクタが電源およびＲＦ信号を出力する端子に接続されたＲＦ動作トランジスタ３と、コレクタが基準電流源１１に接続され、エミッタがグランドに接続され、ベースがＲＦ動作トランジスタのベースに接続された電流基準トランジスタ１２と、一方の入力に電流基準トランジスタのコレクタが接続され、他方の入力にＲＦ動作トランジスタのベースが接続され、ＣＭＯＳで構成された演算増幅器２２と、演算増幅器の出力を電流に変換し、その電流がＲＦ動作トランジスタのベースに供給される電圧電流変換トランジスタ２３とを備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベースにＲＦ信号が入力され、エミッタがグランドに接地され、コレクタが電源およびＲＦ信号を出力する端子に接続されたＲＦ動作トランジスタと、
コレクタが基準電流源に接続され、エミッタがグランドに接続され、ベースが前記ＲＦ動作トランジスタのベースに接続された電流基準トランジスタと、
一方の入力に前記電流基準トランジスタのコレクタが接続され、他方の入力に前記ＲＦ動作トランジスタのベースが接続され、ＣＭＯＳで構成された演算増幅器と、
前記演算増幅器の出力を電流に変換し、前記電流が前記ＲＦ動作トランジスタのベースに供給される電圧電流変換トランジスタとを備えた電力増幅器。
【請求項２】
前記電流基準トランジスタのベース−コレクタ間に起動抵抗が接続されている請求項１記載の電力増幅器。
【請求項３】
前記演算増幅器の少なくとも一方の入力に、位相を変化させることが可能な位相可変器が挿入されている請求項１記載の電力増幅器。
【請求項４】
ベースにＲＦ信号が入力され、エミッタがグランドに接地され、コレクタが電源およびＲＦ信号を出力する端子に接続されたＲＦ動作トランジスタと、
コレクタが基準電流源に接続され、エミッタがグランドに接続され、ベースとコレクタが接続された電流基準トランジスタと、
一方の入力に前記電流基準トランジスタのコレクタが接続され、他方の入力に前記ＲＦ動作トランジスタのベースが接続され、ＣＭＯＳで構成された演算増幅器と、
前記演算増幅器の出力を電流に変換し、その出力が前記ＲＦ動作トランジスタのベースに供給される電圧電流変換トランジスタとを備えた電力増幅器。
【請求項５】
前記電流基準トランジスタのエミッタ−グランド間に直列に挿入された帰還抵抗を備えた請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電力増幅器。
【請求項６】
前記電圧電流変換トランジスタの出力と前記ＲＦ動作トランジスタ間に、ＲＦ阻止抵抗またはＲＦ阻止インダクタを備えた請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電力増幅器。
【請求項７】
前記演算増幅器の入力に低域通過フィルタが挿入されている請求項１乃至６のいずれか１項に記載の電力増幅器。
【請求項８】
前記ＲＦ動作トランジスタのエミッタがインダクタを介して接地された請求項１乃至７のいずれか１項に記載の電力増幅器。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の電力増幅器を備えた無線機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主として各種無線機器、通信機器、測定器などに用いられる電力増幅器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図１は、例えば特許文献１に開示された従来例の増幅器の回路構成を示す。この増幅器は、ＲＦ動作部１と、直流バイアス回路２から構成される。
【０００３】
ＲＦ動作部１は、電圧電流変換を行うＲＦ動作トランジスタ３と、インピーダンス４と、直流成分阻止容量５と、帰還インダクタ１５から構成される。ＲＦ動作トランジスタ３のエミッタは帰還インダクタ１５を介して接地されており、ベースは、直流成分阻止容量５を介して、高周波信号が入力されるＲＦ信号入力端子６に接続される。電源７から、インピーダンス４を介してＲＦ動作トランジスタ３のコレクタに電圧が供給される。ＲＦ動作トランジスタ３のコレクタより高周波信号出力が得られる構成となっており、ＲＦ信号出力端子８に接続されている。
【０００４】
直流バイアス回路２は、ベース電流補償トランジスタ９、電源１０、基準電流源１１、電流基準トランジスタ１２、帰還抵抗１３、ＲＦ阻止抵抗１４から構成される。ＲＦ動作トランジスタ３のベースが、ＲＦ阻止抵抗１４を介してベース電流補償トランジスタ９のエミッタに接続されている。また、ＲＦ動作トランジスタ３のベースは電流基準トランジスタ１２のベースにも接続されており、ＲＦ動作トランジスタ３は電流基準トランジスタ１２とカレントミラー回路を構成している。
電流基準トランジスタ１２のエミッタは、帰還抵抗１３を介して接地されている。電流基準トランジスタ１２のコレクタは、基準電流源１１を介して電源１０に接続される。
【０００５】
図１において、電源１０と電源７というように電源を分けて記載してあるが、必ずしも異なる電源である必要はなく、電源１０と電源７が同じ電源である場合もある。また、帰還インダクタ１５は必ずしも必要ではなく、ＲＦ動作トランジスタ３のエミッタは、直接接地されていてもよい。
【０００６】
以上のように構成された増幅器について、以下その動作を説明する。ＲＦ動作トランジスタ３が、ベースとコレクタを短絡したダイオード構造の電流基準トランジスタ１２によりバイアスをかけられている。ＲＦ動作トランジスタ３と電流基準トランジスタ１２のｈＦＥ絶対バラツキによる電流バラツキを防止するために、ベース電流補償トランジスタ９が挿入され、カレントミラーを構成している。ＲＦ阻止抵抗１４により、高周波信号の逆流が防止されている。帰還抵抗１３の抵抗値を十分大きくすることで、増幅器の線形性を高めることができる。
【特許文献１】特開２００４−１５３３７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記構成では、ダイオード接続が縦２段に接続された構成となり、一般的なＳｉＧｅプロセスで考えた場合、エミッタとベース間の電圧が約０．８Ｖ程度であることから、電源電圧として最低でも１．６Ｖが必要となる。これは、電源電圧のバラツキや各種バラツキを考慮した場合、不都合である。
【０００８】
本発明は上記従来技術の課題を解決するもので、低電源電圧においても駆動可能であり、増幅器の効率又は線形性の劣化を防止することが可能な、小形かつ低消費電力の増幅器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この課題を解決するために本発明の第１の構成の電力増幅器は、ベースにＲＦ信号が入力され、エミッタがグランドに接地され、コレクタが電源およびＲＦ信号を出力する端子に接続されたＲＦ動作トランジスタと、コレクタが基準電流源に接続され、エミッタがグランドに接続され、ベースが前記ＲＦ動作トランジスタのベースに接続された電流基準トランジスタと、一方の入力に前記電流基準トランジスタのコレクタが接続され、他方の入力に前記ＲＦ動作トランジスタのベースが接続され、ＣＭＯＳで構成された演算増幅器と、前記演算増幅器の出力を電流に変換し、前記電流が前記ＲＦ動作トランジスタのベースに供給される電圧電流変換トランジスタとを備える。
【００１０】
本発明の第２の構成の電力増幅器は、ベースにＲＦ信号が入力され、エミッタがグランドに接地され、コレクタが電源およびＲＦ信号を出力する端子に接続されたＲＦ動作トランジスタと、コレクタが基準電流源に接続され、エミッタがグランドに接続され、ベースとコレクタが接続された電流基準トランジスタと、一方の入力に前記電流基準トランジスタのコレクタが接続され、他方の入力に前記ＲＦ動作トランジスタのベースが接続され、ＣＭＯＳで構成された演算増幅器と、前記演算増幅器の出力を電流に変換し、その出力が前記ＲＦ動作トランジスタのベースに供給される電圧電流変換トランジスタとを備える。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の電力増幅器によれば、低電力かつ省チップ面積とすることが可能であり、ｈＦＥ相対バラツキによる電流バラツキを防止し、しかも低電源電圧においても駆動可能な増幅器を実現できる。
【００１２】
また、第２の構成の電力増幅器によれば、電流基準トランジスタにＲＦ信号が流入することを防止することもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の第１の構成の電力増幅器において、前記電流基準トランジスタのベース−コレクタ間に起動抵抗が接続されていることが好ましい。それにより、回路の安定動作に要する時間を短縮する効果が得られる。
【００１４】
また、前記演算増幅器の少なくとも一方の入力に、位相を変化させることが可能な位相可変器が挿入されていることが好ましい。それにより、演算増幅器の出力を直流成分のみとすることを可能とする効果が得られる。
【００１５】
上記いずれかの構成の電力増幅器において、前記電流基準トランジスタのエミッタ−グランド間に直列に挿入された帰還抵抗を備えることが好ましい。それにより、電流基準トランジスタとＲＦ動作トランジスタで構成されているカレントミラーのミラー比として、トランジスタサイズ比よりも大きなミラー比を得ることができる効果が得られる。
【００１６】
また、前記電圧電流変換トランジスタの出力と前記ＲＦ動作トランジスタ間に、ＲＦ阻止抵抗またはＲＦ阻止インダクタを備えることが好ましい。それにより、ＲＦ信号の逆流を防止できるという効果が得られる。さらに、ベースに抵抗を直列に挿入していないため、カレントミラーを構成するトランジスタのｈＦＥの相対バラツキによる電流バラツキを抑えることができるという効果も得られる。
【００１７】
また、前記演算増幅器の入力に低域通過フィルタを挿入してもよい。
【００１８】
また、前記ＲＦ動作トランジスタのエミッタがインダクタを介して接地された構成としてもよい。
【００１９】
上記いずれかの構成の電力増幅器を備えた無線機器を構成することにより、小型で安価な無線機器を実現できる。
【００２０】
以下、本発明の実施の形態における電力増幅器の具体例について、図面を参照して説明する。
【００２１】
（実施の形態１）
図２は、本発明の実施の形態１における電力増幅器を示す回路図である。この電力増幅器は、ＲＦ動作部１と、直流バイアス回路２０ａから構成される。ＲＦ動作部１は、図１に示した従来例におけるＲＦ動作部１と同様に、ＲＦ動作トランジスタ３と、インピーダンス４と、直流成分阻止容量５と、帰還インダクタ１５から構成される。したがって、説明の繰り返しを省略する。
【００２２】
直流バイアス回路２０ａは、図１の直流バイアス回路２におけるベース電流補償トランジスタ９が、ベース電流補償回路２１に置き換えられた構成を有する。したがって、同一の要素については同一の参照符号を付して、説明の繰り返しを省略する。ベース電流補償回路２１は、ＣＭＯＳにより構成される演算増幅器２２と、電圧電流変換トランジスタ２３から構成される。演算増幅器２２の出力２４は、電圧電流変換トランジスタ２３のゲートに供給される。電圧電流変換トランジスタ２３がＰｃｈＭＯＳトランジスタである場合は、ソースが電源１０に接続され、ドレインがＲＦ阻止抵抗１４の一端に接続されている。
【００２３】
ＲＦ動作トランジスタ３のベースが、ＲＦ阻止抵抗１４、直流成分阻止容量５、第１ＬＰＦ（低域通過フィルタ）２５、および電流基準トランジスタ１２のベースに接続されている。第１ＬＰＦ２５の他端は、演算増幅器２２の第一入力２６に接続されている。電流基準トランジスタ１２のコレクタは、第２ＬＰＦ２７の一端に接続されている。第２ＬＰＦ２７の他端は、演算増幅器２２の第二入力２８に接続されている。
【００２４】
本実施の形態では、電圧電流変換トランジスタ２３がＰｃｈＭＯＳトランジスタで構成されているが、ＰｃｈＭＯＳトランジスタに限るものではなく、ＰＮＰトランジスタやＮＰＮトランジスタ、ＮｃｈＭＯＳトランジスタなどで構成することもできる。また、ＲＦ阻止抵抗１４は、抵抗素子に代えてインダクタを用いることも可能である。第１および第２ＬＰＦ２５、２７は必ずしも必要ではなく、ＬＰＦ部分を無くして短絡しても、本実施の形態の作用効果を得ることは可能である。また、電源１０と電源７が別になっているが、必ずしも異なる電源である必要はなく、同一の電源であっても構わない。また、帰還インダクタ１５は必ずしも必要ではなく、ＲＦ動作トランジスタ３は、直接接地された構成としてもよい。
【００２５】
以上のように構成された電力増幅器について、以下その動作について説明する。
【００２６】
電圧電流変換回路などにより基準電流源１１が構成され、ＲＦ動作部１のＲＦ動作トランジスタ３と電流基準トランジスタ１２は、カレントミラー回路を構成している。電流基準トランジスタ１２のコレクタとベースの電圧は同電位となるように、演算増幅器２２にて帰還がかけられて、ベース電流補償回路２１がベース電流補償を行う。ＲＦ阻止抵抗１４が、ベース電流補償回路２１の電圧電流変換トランジスタ２３への、高周波信号の流入を阻止している。
【００２７】
電流基準トランジスタ１２には高周波電流が流入するが、帰還抵抗１３を十分大きくすることで線形性を高めることができる。また、帰還抵抗１３を挿入することで、カレントミラーのミラー比がトランジスタサイズ比のみにて決定されず、熱電圧、帰還抵抗１３の抵抗値、基準電流源１１の電流値によりミラー比が決定され、トランジスタサイズ比以上のミラー比を得ることが可能になる。
【００２８】
帰還抵抗１３の抵抗値をＲ１、ＲＦ動作トランジスタ３，電流基準トランジスタ１２の各エミッタ面積をＱ１，Ｑ２、各トランジスタ３、１２のコレクタ端に流れる電流をＩ１，Ｉ２とするとき、
Ｉ２＝Ｖｔ／Ｒ１＊ｌｎ（（Ｑ２／Ｑ１）＊（Ｉ１／Ｉ２））
を満たすように回路が構成されることが望ましい。ここで、Ｖｔは熱電圧である。この構成により、この電力増幅器は、従来回路の利点は引継ぎ、さらに低電源電圧での駆動に最適なものとなる。
【００２９】
なお、図３に示すように、カレントミラーを構成するＲＦ動作トランジスタ３、電流基準トランジスタ１２のベースに、電流比の逆数となる抵抗比でＲＦ阻止抵抗２９、バイアス抵抗３０を挿入した場合、ｈＦＥによる相対バラツキによる電流バラツキが生じる。これに対して、本実施の形態の構成であれば、直列抵抗による電圧降下差が生じないため、ｈＦＥの相対バラツキによる電流バラツキを防止することができる。
【００３０】
電流電圧変換トランジスタ２３として、本実施の形態においてはＰｃｈＭＯＳトランジスタを用いているが、これはゲートに入力される電圧が０Ｖから使用することができるため、低電源電圧で動作させる場合において有利であるためである。
【００３１】
また、本実施の形態における演算増幅器２２の第一入力２６と第二入力２８の間の電圧は、電流基準トランジスタ１２のＶｂｅとなる。ここで、演算増幅器２２をＮｃｈＭＯＳトランジスタにて構成した場合の回路図を図４に示す。この構成においては、差動増幅器３１を構成する増幅トランジスタ３２のゲート幅を大きくするか、第一入力２６および第二入力２８と、増幅トランジスタ３２のゲートの間に、ＰｃｈＭＯＳトランジスタによるレベルシフトトランジスタ３３、３４を挿入する必要がある。
【００３２】
これは、演算増幅器２２の入力がＶｂｅである場合、差動増幅器３１のバイアス電流をバイアストランジスタ３５に流すためのＶｇｓが不足するためである。増幅トランジスタ３２のゲート幅を大きくすることで、増幅トランジスタ３２のＶｇｓを低くするか、レベルシフトトランジスタ３４、３３を挿入することで、差動増幅器３１に十分なバイアス電流を流すことができるＶｄｓを確保することが可能となる。
【００３３】
演算増幅器２２をＰｃｈＭＯＳトランジスタにて構成した場合を、図５に示す。この回路においては、演算増幅器２２の第一入力２６、第二入力２８が、差動増幅器３６を構成する増幅トランジスタ３７のゲートに直接入力される。差動増幅器３６の出力はソース接地回路３８に接続されて、演算増幅器２２の出力２４となる。
【００３４】
以上のように、本実施の形態によれば、従来回路における利点を保持したまま、さらに低電源電圧においても使用することが可能になる。
【００３５】
（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２における電力増幅器を示す回路図である。図６において、図２に示した実施の形態１の回路と同様の構成要素については、図２に示した要素と同一の参照符号を付して、説明の繰り返しを省略する。
【００３６】
本実施の形態においては、直流バイアス回路２０ｂが、実施の形態１の回路の電流基準トランジスタ１２のコレクタとベース間に、起動抵抗３９が挿入された構成となっている。この電力増幅器の動作について、以下に説明する。
【００３７】
起動抵抗３９が無い場合、電源投入時の電流基準トランジスタ１２のベース電位がほぼ０Ｖとなっているため、演算増幅器２２により帰還をかけ、電流基準トランジスタ１２のコレクタ電位とベース電位を等しくするために要する時間が長くなる。これに対して、起動抵抗３９を挿入することで電源投入時の電流基準トランジスタ１２のベース電位とコレクタ電位の差を縮めることができ、安定動作に要する時間を短縮することが可能になる。安定動作状態になると、電流基準トランジスタ１２のエミッタとベース間の電位差がほぼ無くなるため、起動抵抗３９に電流がほとんど流れなくなる。
【００３８】
その他の部分の動作は実施の形態１と同一であるため説明は省略する。
【００３９】
以上のように、本実施の形態によれば、起動抵抗３９により、電源投入時のみ電流基準トランジスタ１２のベースに起動電流を流すことができ、これにより、増幅器の安定動作に要する時間を短縮することができるという効果が得られる。
【００４０】
（実施の形態３）
図７は、本発明の実施の形態３における電力増幅器を示す回路図である。図７において、図２に示した実施の形態１の回路と同様の構成要素については、図２に示した要素と同一の参照符号を付して、説明の繰り返しを省略する。
【００４１】
本実施の形態においては、直流バイアス回路２０ｃが、実施の形態１の回路の演算増幅器２２の第一入力２６と電流基準トランジスタ１２のベースの間に、位相可変器４０が挿入され、演算増幅器２２の第二入力２８と電流基準トランジスタ１２のコレクタの間に、位相可変器４１が挿入された構成を有する。必ずしも第一入力２６と第二入力２８の双方に位相可変器４０、４１が必要ではなく、どちらか一方のみに位相可変器が挿入された構成としてもよい。この電力増幅器の動作について、以下に説明する。
【００４２】
位相可変器４０、４１により、演算増幅器２２の第一入力２６と第二入力２８に入力される信号の位相が同相になるように位相可変器を設定する。同相入力とすることにより、図４に示した増幅トランジスタ３２、あるいは図５に示した増幅トランジスタ３７にて位相成分が打ち消され、演算増幅器２２の出力２４として、交流成分の無い、直流成分のみが出力される。演算増幅器２２の出力２４が交流成分を有しないことにより、ベース電流補償回路２１より供給される電流が直流成分の電流のみとなることから、ＲＦ動作トランジスタ３の動作の線形性を高めることができる。
【００４３】
位相可変器４０、４１は位相調整用の回路を構成することで実現可能であるが、演算増幅器２２の入力の配線長をそれぞれ調整することでも実現可能である。
【００４４】
その他の部分の動作は実施の形態１と同一である。
【００４５】
以上のように、本実施の形態によれば、演算増幅器２２の出力２４を直流成分にすることができ、これにより、線形性の高い増幅器を構成することができるという効果が得られる。
【００４６】
（実施の形態４）
図８は、本発明の実施の形態４における電力増幅器を示す回路図である。図８において、図２に示した実施の形態１の回路と同様の構成要素については、図２に示した要素と同一の参照符号を付して、説明の繰り返しを省略する。
【００４７】
本実施の形態においては、直流バイアス回路２０ｄが、実施の形態１の回路の電流基準トランジスタ１２のベースとＲＦ動作トランジスタ３のベースを直結せず、電流基準トランジスタ１２のベース−コレクタ間を短絡してダイオードを接続とし、ＲＦ動作トランジスタ３のベースには電圧電流変換トランジスタ２３より電流を供給する。この電力増幅器の動作について、以下に説明する。
【００４８】
電流基準トランジスタ１２のベースとＲＦ動作トランジスタ３のベースを直結しないことにより、ＲＦ信号入力端子６より入力された高周波信号が電流基準トランジスタ１２に流入することを防ぐことが可能となる。これにより、高周波信号の逆流による線形性の劣化を防ぐことができる。
【００４９】
ＲＦ動作部１、ベース電流補償回路２１など、その他の部分の動作は実施の形態１と同一である。
【００５０】
以上のように、本実施の形態によれば、電流基準トランジスタ１２のベースとＲＦ動作トランジスタ３のベースが直結されないことで、基準電流源への高周波信号の流入を防ぐことができ、これにより、線形性の高い増幅器を構成することができるという効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明の電力増幅器によれば、低電力かつ省チップ面積とすることが可能であり、ｈＦＥ相対バラツキによる電流バラツキを防止し、なおかつ低電源電圧においても駆動可能な増幅器が実現でき、主として各種無線機器、通信機器、測定器などに有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】従来例の電力増幅器の回路図
【図２】本発明の実施の形態１における電力増幅器の回路図
【図３】ｈＦＥ相対バラツキが生じる電力増幅器の回路図
【図４】本発明におけるＮｃｈＭＯＳトランジスタ型の演算増幅器の回路図
【図５】本発明におけるＰｃｈＭＯＳトランジスタ型の演算増幅器の回路図
【図６】本発明の実施の形態２における電力増幅器の回路図
【図７】本発明の実施の形態３における電力増幅器の回路図
【図８】本発明の実施の形態４における電力増幅器の回路図
【符号の説明】
【００５３】
１  ＲＦ動作部
２  直流バイアス回路
３  ＲＦ動作トランジスタ
４  インピーダンス
５  直流成分阻止容量
６  ＲＦ信号入力端子
７  電源
８  ＲＦ信号出力端子
９  ベース電流補償トランジスタ
１０  電源
１１  基準電流源
１２  電流基準トランジスタ
１３  帰還抵抗
１４  ＲＦ阻止抵抗
１５  帰還インダクタ
２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ  直流バイアス回路
２１  ベース電流補償回路
２２  演算増幅器
２３  電圧電流変換トランジスタ
２４  出力
２５  第１ＬＰＦ
２６  第一入力
２７  第２ＬＰＦ
２８  第二入力
２９  ＲＦ阻止抵抗
３０  バイアス抵抗
３１  差動増幅器
３２  増幅トランジスタ
３３  レベルシフトトランジスタ
３４  レベルシフトトランジスタ
３５  バイアストランジスタ
３６  演算増幅器
３７  増幅トランジスタ
３８  ソース接地回路
３９  起動抵抗
４０  位相可変器
４１  位相可変器
【図１】
2008153979.tif 000003
【図２】
2008153979.tif 000004
【図３】
2008153979.tif 000005
【図４】
2008153979.tif 000006
【図５】
2008153979.tif 000007
【図６】
2008153979.tif 000008
【図７】
2008153979.tif 000009
【図８】
2008153979.tif 000010