(57)【要約】増幅回路（１）は、増幅トランジスタ（ＱＯ）と、少なくとも約１８０度の導電角度を得るため増幅トランジスタ（ＱＯ）をバイアスするためのインピーダンス制御可能な直流バイアス回路（２）とを有する。直流バイアス回路（２）は、潮流バイアス回路（２）の出力インピーダンスおよび増幅トランジスタ（ＱＯ）の静止電流を独立して制御するための別々の電流源（Ｉbias、Ｉclass）を備える自己バイアス昇圧回路を備えると共に、拡張ウィルソン電流ミラー回路（Ｑ２〜Ｑ８）を形成するためにカスコード電流ミラー回路（Ｑ２、Ｑ３、Ｑ８）に統合されたウィルソン電流ミラー（Ｑ４、Ｑ５、Ｑ６、Ｑ７）を有するウィルソン電流ミラーを有し、拡張ウィルソン電流ミラー回路はレジスタ（Ｒ１）により増幅トランジスタ（ＱＯ）の制御回路に結合される出力と、拡張ウィルソン電流ミラー（Ｑ２〜Ｑ８）から共通端子（Ｇｎｄ）への間に結合されたキャパシタ（Ｃ２）とを有する。
2006511990.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力信号を増幅すると共に、少なくとも約１８０度の導電角度を有する増幅回路であって、前記増幅回路は、増幅トランジスタと、前記導電角度を得るために前記増幅トランジスタをバイアスするインピーダンス制御可能な直流バイアス回路と、を備え、前記直流バイアス回路は、該直流バイアス回路の出力インピーダンスと前記増幅トランジスタの静止電流とを独立して制御するための手段を有する自己バイアス昇圧回路を有すると共に、抵抗により前記増幅トランジスタの制御端子に結合された出力を有する拡張ウィルソン電流ミラー回路を形成するためにカスコード電流ミラー回路に統合されたウィルソン電流ミラーと、前記拡張ウィルソン電流ミラーから共通端子へと結合されているキャパシタと、を備える増幅回路。
【請求項２】
前記増幅回路はＡＢ級増幅回路である請求項１に記載の増幅回路。
【請求項３】
前記カスコード電流ミラー回路は、直列に接続された主電流経路を有する第１トランジスタ対と、前記直列接続共通点から取り出される前記出力と、直列に接続された主電流経路を有する第２トランジスタ対と、直列に接続されたそれらの主電流経路を有する第３トランジスタ対と、を、前記出力インピーダンスを制御するために前記増幅回路の電流供給端子と前記第１トランジスタ対の第１トランジスタの制御電極との間に結合された「バイアス」電流源と、前記静止電流を制御するために前記電力供給端子と前記第１、第２および第３トランジスタ対との間に結合されている「級」電流源と共に備えている請求項１に記載の増幅回路。
【請求項４】
前記第３トランジスタ対の間に直列に結合された抵抗をさらに備える請求項３に記載の増幅回路。
【請求項５】
前記第１、第２および第３トランジスタ対の主電流経路は前記共通端子にそれぞれ接続されている請求項４に記載の増幅回路。
【請求項６】
前記「バイアス」電流源と前記共通端子との間に接続されたダイオード接続トランジスタをさらに備える請求項５に記載の増幅回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、トランジスタ増幅回路の分野のものであり、特に、インピーダンス制御可能なバイアス昇圧回路を有する電力増幅回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
この一般的なタイプの増幅器は、音響増幅器およびその他の適用例と同様に例えば遠隔通信の適用例のような、高周波数ＲＦ増幅器にしばしば用いられている。線形の入力−出力関係および高い動作効率を得るために、このような増幅器は典型的には、横断歪みを避けるために、約１８０度（Ｂ級）で、または、それより少し大きい角度（ＡＢ級）の導電角度で動作させられている。
【０００３】
典型的には、このタイプの増幅器は、Ｂ級またはＡＢ級のモードでの動作を確実にするために増幅器回路内の穏やかなバイアス電流へと安定させるための直流バイアス回路を必要とする。従来技術において、バイアスは、米国特許第５，８４４，４４３号に示されるように、固定の電流源により、またはそうでなければ、米国特許第５，５４８，２４８号に示されるように、所望のモードで動作させるのに必要な静止電流を確実にするための所望の一定値に設定可能な外部電源により典型的に与えられる。
【０００４】
しかしながら、上述したタイプの増幅器において電源から引き出された平均電流は入力信号レベルに依存している。出力電力が増大するにつれて、電力トランジスタのエミッタとベースの両方における平均電流も増大する。この増加された平均電流は、バイアス回路構成およびバラスト抵抗における電圧降下を増加させる（バラスト抵抗は互いに組み込まれた設計を使用するトランジスタにおける部分的な加温［hot-spotting］および温度の上昇［thermal runaway］を避けるために用いられる）。これは、順番に、導電角度（すなわち、増幅器が導通する３６０度以外の多数の角度）を減らすと共に、Ｂ級またはＣ級にまで増幅器の動作を深くさせて、これにより最大電力の出力を低減させることになる。この電力低減を避けるために、増幅器はより大きな穏やかなバイアスを持たなければならない。従来の回路構成においては、これは、低電力出力レベルでのより高い電力浪費を必然的に導いており、そのため、動作特性における望ましくない交換条件［trade-off］を導いている。
【０００５】
より高い電力が付加された能力（ＰＡＥ―Power-Added Efficiency―）を実現するために、増幅器、特に線形ＲＦ増幅器は、増幅器が飽和状態またはそれに近い状態で動作させられる、より高い出力電力レベルを増進するために昇圧されている増幅トランジスタへのバイアスを伴う、ＡＢ級に典型的には基づいている。
【０００６】
この技術分野における最近の改善は、電力増幅器用動的バイアス昇圧回路と題されて、共同して譲渡された米国特許第６，３００，８３７号公報に開示されている。この特許は上述した問題への解決方法を説明しており、増幅器への入力電圧を感知すると共にこの信号の振幅の機能として動的バイアス昇圧を生成する回路を用いることにより、出力電圧が増加するのに連れて、電力トランジスタのバイアスを動的に増加させるための動的バイアス昇圧回路付き電力増幅回路を提供する。この解決方法の欠点は、これが多数のアクティブおよびパッシブ構成要素を用いることであり、このため、簡単さ、小型化および製造の経済性を最大限にすることができない。
【０００７】
この技術分野における最近の他の改善は、２０００年１２月６日に出願され、電力増幅器用自己昇圧回路と題された、米国特許連続番号Ｎｏ．０９／７３０，６５７に同時係属され共同して譲渡された米国特許出願に開示されている。この出願は、一般的な直流バイアス回路を用いながら直流バイアスと増幅トランジスタとの間にＲＣ結合ネットワークを有する改善された自己バイアス昇圧回路を提供する。カスコード電流ミラーバイアス昇圧回路に関連する同様のＲＣ結合ネットワークは、共同して譲渡された米国特許第６，４１４，５５３号公報に示されている。この解決法はその線形性を維持しながら高い電力付加された効率を達成できるとはいえ、これはむしろ複雑な回路を用いており、出力ステージに対する雑音の顕著なレベルの一因となる。
【０００８】
上述した全ての文献は、それらがそっくりそのまま参考文献としてこの明細書に組み入れられる。
【０００９】
したがって、比較的低い増幅ステージの理想的な電流を保持しながら最適な最大出力およびゲインの長所を提供する電力増幅回路を有することは好ましいことであろう。したがって、この回路は、自己バイアス昇圧の量を確立可能であるべきなので、電力トランジスタ内の静止電流を制御しながら、昇圧キャパシタを使用しないで、電力出力が増加するに連れて高い電力出力と線形性のために、電力トランジスタが適切にバイアス可能である。さらに、この回路は、増幅トランジスタ（動作の級）における静止電流と、増幅トランジスタのための駆動電流（バイアスインピーダンス）との両方を独立して制御することが可能であるべきである。最後に、このような回路にとって設計における簡単さと小型化と、製造に対して経済的であることが望ましいであろう。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
それゆえに、この発明の目的は、相対的に低い増幅ステージのアイドル電流を保持しながら改善された最大出力電力およびゲインを提供する増幅回路を提供することにある。この発明の更なる目的は、昇圧キャパシタを使用することなく、増幅トランジスタにおけるアイドル電流を制御している間に、電力出力を増加させながら増幅トランジスタが高い電力出力と線形性のために適切にバイアスされることが可能であるように自己バイアス昇圧を確立することが可能な回路を提供することにある。この発明の更なる目的は、増幅トランジスタ（動作の級）における静止電流と増幅トランジスタ（バイアスインピーダンス）のための駆動電流との両方を独立して制御可能な回路を提供することにある。この発明のなお更なる目的は、設計のために簡単で小型化の両方を有して製造のためには経済的な回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明によれば、これらの目的は、増幅トランジスタと、前記導電角度を得るために前記増幅トランジスタをバイアスするインピーダンス制御可能な直流バイアス回路と、を備え、入力信号を増幅すると共に、少なくとも約１８０度の導電角度を有する新たな増幅回路により達成される。前記直流バイアス回路は、この回路の出力インピーダンスを制御するための「バイアス」電流源と、増幅回路の静止電流を独立して制御するための「級」電流源を有する自己バイアス昇圧回路を備える。自己バイアス昇圧回路は、カスコード電流ミラー回路に統合されたウィルソン電流ミラーを有して、抵抗により前記増幅トランジスタの制御端子に結合された出力を有すると共に、前記カスコード電流ミラー回路から共通端子への間に結合されたキャパシタと、を備える拡張ウィルソン電流ミラー回路を形成する。
【００１２】
この発明の好適な実施形態において、カスコード電流ミラー回路は、直列に接続された主電流経路を有すると共にこの直列接続の接続点から取り出される電流ミラー回路の出力を有する第１トランジスタ対と、直列に接続された主電流経路を有する第２トランジスタ対と、直列に接続された主電流経路を有すると共に出力インピーダンスおよび静止電流の独立した制御を提供するために用いられる「バイアス」電流源および「級」電流源を有している。
【００１３】
この発明に係る増幅回路は、増加された最大の出力電力およびゲイン、選択可能な自己昇圧レベル、独立して制御可能な静止電流および出力インピーダンス、さらに低減されたアイドル電流を含む特に有利な特徴の結合が単純、簡単かつ経済的な構成の中で得られることが可能となる。
【００１４】
この発明のこれらおよびその他のアスペクトは、以下に説明される実施形態にしたがって明白となり明瞭とされるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
この発明は、単一の図面がこの発明の好適な実施形態にしたがったＲＦ電力増幅回路の簡略化された概略図を示している、添付の図面に関連付けて読み取られるべき、以下の説明を参照しながらより完全に理解されるであろう。
【００１６】
増幅回路１の簡略化された概略図が、図面の単一図に示される。増幅回路は、増幅用トランジスタＱＯと、抵抗Ｒ１によりこの増幅用トランジスタＱＯのベースに結合された直流バイアス回路２とを備える。バイアス回路２は、Ｖｃｃと共通端子（Ｇnd）との間に直列に結合され、抵抗Ｒ１によりトランジスタＱＯのベースに結合されるトランジスタとの共通点を有するバイポーラトランジスタＱ２とＱ３を備える。基本的な回路構成は、増幅用トランジスタＱＯのベースへの入力Ｉnputに結合するための入力結合用キャパシタＣ０によって完成され、トランジスタＱＯは共通エミッタ構成で接続されると共にインダクタ１によりＶｃｃと共通端子Ｇndとの間に結合されている。電力増幅回路１の出力Ｏutputは、キャパシタＣ１を介してトランジスタＱＯのコレクタから取り出される。
【００１７】
示された回路に関連して、図示の目的のためにアクティブ構成要素がバイポーラトランジスタとして示されているが、この発明の範囲内で電界効果トランジスタまたはバイポーラと電界効果トランジスタの結合の何れかが択一的に用いられても良いことは理解されるべきである。さらに、電力増幅回路１およびバイアス回路２は、図面に示された簡略化されて図示的な描写からは形状および詳細において異なっていても良いことも理解されるべきことである。さらにまた、バイアス電源は、この増幅回路がＢ級またはＡＢ級の何れのモードでも動作することを許容するように構成され調整されていても良いことも理解されるべきことである。
【００１８】
バイアス回路２（トランジスタＱ２〜Ｑ８）は、トランジスタＱ４，Ｑ５、Ｑ６およびＱ７と、トランジスタＱ２、Ｑ３とＱ８を含むカスコード電流ミラーと共に集積化された電流源Ｉbiasおよび抵抗Ｒ２と、迂回用のキャパシタであるキャパシタＣ２と、を含むウィルソン電流ミラーを備えている。トランジスタＱ２〜Ｑ８は、拡張ウィルソン電流ミラーを形成する。ＱＯのコレクタノードは、出力ノードであると共に、外部のプルアップインダクタＬ１を介して電源電圧に接続されている。入力Ｉnputは、駆動ステージに対するマッチング回路の一部分となり得る交流結合キャパシタＣＯを介してトランジスタＱＯのベースへと供給される。
【００１９】
バイアス回路（２）は、２つの電流源ＩbiasとＩclassにより制御される。電流源Ｉbiasは、出力駆動電流したがってバイアス回路の出力インピーダンスを制御するのに対して、電流源Ｉclassは増幅用トランジスタの静止電流、したがってその動作の級を制御している。このようにして、動作の級と出力ステージのバイアスインピーダンスは、２つの電流源を外部から制御することにより、容易かつ独立して制御されることが可能となる。
【００２０】
トランジスタＱＯの静止電流を制御するためのメカニズムは、以下のように説明可能である。回路内の全てのトランジスタが全く同一で完全に調和されるものと仮定する。キルヒホッフの法則は直流電圧Ｖbe（ＱＯ）＋Ｖ（Ｒ１）＋Ｖbe（Ｑ３）がＶbe（Ｑ２）＋Ｖ（Ｒ２）＋Ｖbe（Ｑ７）と等しくなるべきであることを述べている。Ｖbe（Ｑ３）はＶbe（Ｑ２）と略々等しいので、それゆえに、抵抗値を適切に選択することによりＶ（Ｒ１）がＶ（Ｒ２）と等しく設定されるときに、Ｖbe（ＱＯ）はＶbe（Ｑ７）に略々等しい。トランジスタＱ７のコレクタ電流は電流源Ｉclassにより制御されるので、電流源ＩclassはトランジスタＱＯ内の静止電流であるとされる。
【００２１】
上記と同じような仮定がなされることにより、電流源Ｉbiasがバイアス回路の出力インピーダンスを制御することによるメカニズムは、容易に説明可能である。トランジスタＱ２，Ｑ３およびＱ８は簡単な電流ミラーを形成するので、トランジスタＱ８を流れる電流源ＩbiasはトランジスタＱ２をもまた流れ、さらにトランジスタＱ３をも流れなくてはならない。バイアス回路の出力インピーダンスは、電流源Ｉbiasにより制御されるトランジスタＱ３により支配的に決定される。
【００２２】
トランジスタ対の間のエミッタ領域の比率を適切にスケーリングすることにより、ＱＯ内の静止電流およびＱ２とＱ３内の駆動電流は、電流源ＩclassおよびＩbiasの値にそれぞれ正比例させることができる。ここで与えられた例では、３２対１（ＱＯ対Ｑ７）、４対１（Ｑ２およびＱ３対Ｑ４〜Ｑ８）が用いられ得る。
【００２３】
図に示されたバイアス回路の自己バイアスの昇圧メカニズムは以下に説明され得る。抵抗Ｒ１を介してＱ３がＱＯを充電させると共にＱ２がＱＯを放電させる。Ｑ２の放電レートは、入力電力が低いとき、Ｑ３の充電レートに等しいかそれよりも速い。入力電力が増加するに連れて、Ｑ２の放電レートはＱ３の充電レートよりも緩やかになる。それゆえにＱＯのフォワードバイアスされたＰＮ接合の間の平均電圧は、増加する。
【００２４】
前述のようにして、この発明は、比較的低い増幅ステージのアイドル電流を維持している間に、改善された最大の出力電力およびゲインを供給する自己バイアス昇圧回路を伴う増幅回路を提供する。さらに、増幅回路は、自己バイアス昇圧の量を設定することができるので、増幅用トランジスタは、この増幅用トランジスタ内のアイドル電流を制御している間に、昇圧キャパシタを用いることなしに、電力出力が増加するのに連れて線形的に、高電力出力のために適切にバイアスされ得る。回路は、設計上は単純で小型化の両方であり、製造に対しては経済的である。さらに、この回路は、増幅トランジスタ（動作の級）の静止電流と増幅トランジスタ（バイアスインピーダンス）用の駆動電流との両方を独立して制御できる。
【００２５】
この発明は、その好適な実施形態にしたがって、特に示されて説明されているが、この発明の要旨または範囲を逸脱することなく、その幾つかが上述された、形状および詳細における種々の変更がなされても良いことは、この技術分野の熟練者により、理解されるであろう。したがって、例えば、異なるタイプのトランジスタが用いられても良いし、回路構成に対する代替は、特定の設計上の要求に適するようになされても良い。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】増幅回路１の簡略化された概略図である。
【図１】
2006511990.tif 000003
【国際調査報告】
2006511990.tif 000004
2006511990.tif 000005