(57)【要約】【課題】高安定度で温度補償付きのバイアス回路を備える無線周波数（ＲＦ）増幅器を提供する。【解決方法】改良型の増幅回路を開示する。一つの実施例では、この増幅回路は、入力信号を受けるように接続したベース端子を有する増幅用トランジスタを含む。また、この増幅器は基準電圧を基準電圧出力ノードに生ずる基準電圧源を含む。局部バイアス回路から上記増幅用トランジスタのベース端子にバイアス電圧を供給する。この局部バイアス回路は、基準電圧出力ノードに接続したエミッタ端子と、電源電圧ノードに接続したコレクタ端子と、このコレクタ端子に接続したベース端子とを有する第１のトランジスタを含む。また、この局部バイアス回路は、第１のトランジスタのベース端子に接続したベース端子と、電源電圧ノードに接続したコレクタ端子と、増幅用トランジスタのベース端子に接続したエミッタ端子とを有する第２のトランジスタを含む。このバイアス回路は、高安定度で温度補償ずみのバイアス電圧を任意の数の増幅器セルに供給する。このバイアス回路は、増幅器セルのいずれにおいても熱的無拘束状態が生ずることがないように、安定化されている。【選択図】図２
2004517540.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力信号を受けるように接続したベース端子を有し、前記入力信号を増幅して出力信号を生ずるように動作できる増幅用トランジスタと、
基準電圧を基準電圧出力ノードに生ずるように動作できる基準電圧源と、
前記増幅用トランジスタの前記ベース端子にバイアス電圧を供給するように動作できる局部バイアス回路であって、
前記基準電圧出力ノードに接続したエミッタ端子と、電源電圧ノードに接続したコレクタ端子と、前記コレクタ端子に接続したベース端子とを有する第１のトランジスタと、
前記第１のトランジスタの前記ベース端子に接続したベース端子と、前記電源電圧ノードに接続したコレクタ端子と、前記増幅用トランジスタの前記ベース端子に接続したエミッタ端子とを有する第２のトランジスタと
を有する局部バイアス回路と
を含む増幅回路。
【請求項２】
前記局部バイアス回路が、前記電源電圧ノードに接続した第１の端子と前記第１のトランジスタの前記コレクタ端子に接続した第２の端子とを有する第１の抵抗器をさらに含む請求項１記載の増幅回路。
【請求項３】
前記局部バイアス回路が、前記基準電圧出力ノードに接続した第１の端子と前記第１のトランジスタの前記エミッタ端子に接続した第２の端子とを有する第２の抵抗器をさらに含む請求項１記載の増幅回路。
【請求項４】
前記増幅用トランジスタが第１の増幅用トランジスタを含み、前記局部バイアス回路が第１の局部バイアス回路を含む請求項１記載の増幅回路であって、
前記入力信号を受けるように接続したベース端子を有し、前記第１の増幅用トランジスタに並列に接続されて前記出力信号を生ずる第２の増幅用トランジスタと、
前記第２の増幅用トランジスタの前記ベース端子にバイアス電圧を供給するように動作できる第２の局部バイアス回路であって、
前記基準電圧出力ノードに接続したエミッタ端子と、前記電源電圧ノードに接続したコレクタ端子と、前記コレクタ端子に接続したベース端子とを有する第３のトランジスタと、
前記第３のトランジスタの前記ベース端子に接続したベース端子と、前記電源電圧ノードに接続したコレクタ端子と、前記増幅用トランジスタの前記ベース端子に接続したエミッタ端子とを有する第４のトランジスタと
を有する第２の局部バイアス回路と
を含む請求項１記載の増幅回路。
【請求項５】
前記基準電圧源が、
前記基準電圧出力ノードに接続したベース端子と接地点に接続したエミッタ端子とを有する第５のトランジスタと、
前記電源電圧ノードに接続した第１の端子と、前記第５のトランジスタのコレクタ端子に接続した第２の端子とを有する第３の抵抗器と、
前記第５のトランジスタの前記コレクタ端子に接続したエミッタ端子と、前記電源電圧ノードに接続したコレクタ端子と、前記第６のトランジスタの前記コレクタ端子に接続したベース端子とを有する第６のトランジスタと、
前記第６のトランジスタの前記ベース端子に接続したベース端子と、前記電源電圧ノードに接続したコレクタ端子と、前記基準電圧出力ノードに接続したエミッタ端子とを有する第７のトランジスタと
を含む請求項１記載の増幅回路。
【請求項６】
前記増幅用トランジスタの前記ベース端子に接続した第１の端子を有するセンス抵抗器をさらに含み、前記基準電圧源が、
前記センス抵抗器の第２の端子に接続したベース端子と接地点に接続したエミッタ端子とを有する第８のトランジスタと、
前記電源電圧ノードに接続した第１の端子と、前記第８のトランジスタのコレクタ端子に接続した第２の端子とを有する第４の抵抗器と、
前記第８のトランジスタの前記コレクタ端子に接続したエミッタ端子と、前記電源電圧ノードに接続したコレクタ端子と、前記コレクタ端子に接続したベース端子とを有する第９のトランジスタと、
前記第９のトランジスタの前記ベース端子に接続したベース端子と、前記電源電圧ノードに接続したコレクタ端子と、前記基準電圧出力ノードに接続したエミッタ端子とを有する第１０のトランジスタと
を含む請求項１記載の増幅回路。
【請求項７】
前記増幅用トランジスタの前記ベース端子に接続した第１の端子を有するセンス抵抗器をさらに含み、前記基準電圧源が、
前記センス抵抗器の第２の端子に接続したベース端子と、接地点に接続したエミッタ端子と、前記基準電圧出力ノードに接続したコレクタ端子とを有する第１１のトランジスタと、
前記電源電圧ノードに接続した第１の端子と前記基準電圧出力ノードに接続した第２の端子とを有する第５の抵抗器と
を含む請求項１記載の増幅回路。
【請求項８】
前記基準電圧源が前記基準電圧出力ノードと前記第１１のトランジスタの前記コレクタ端子との間に接続した第６の抵抗器をさらに含む請求項１記載の増幅回路。
【請求項９】
基準電圧を基準電圧出力ノードに生ずるように動作できる基準電圧源と、
バイアスノードにバイアス電圧を発生するように動作できる局部バイアス回路であって、
前記基準電圧出力ノードに接続したエミッタ端子と、電源電圧ノードに接続したコレクタ端子と、前記コレクタ端子に接続したベース端子とを有する第１のトランジスタと、
前記第１のトランジスタの前記ベース端子に接続したベース端子と、前記電源電圧ノードに接続したコレクタ端子と、前記バイアスノードに接続したエミッタ端子とを有する第２のトランジスタと
を有する局部バイアス回路と
を含むバイアス発生回路。
【請求項１０】
前記局部バイアス回路が第１の局部バイアス回路を含み、前記分布バイアス電圧発生回路が、第２のバイアスノードに第２のバイアス電圧を生ずるように動作できる第２の局部バイアス回路、すなわち、
前記基準電圧出力ノードに接続したエミッタ端子と、前記電源電圧ノードに接続したコレクタ端子と、前記コレクタ端子に接続したベース端子とを有する第３のトランジスタと、
前記第３のトランジスタの前記ベース端子に接続したベース端子と、前記電源電圧ノードに接続したコレクタ端子と、前記第２のバイアスノードに接続したエミッタ端子とを有する第４のトランジスタと
を含む第２の局部バイアス回路をさらに含む請求項９記載のバイアス電圧発生回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の分野】
この発明は電力増幅器、とくに分布バイアス回路付きのＲＦ電力増幅器に関する。
【０００２】
【発明の背景】
バイポーラ無線周波数（ＲＦ）電力増幅器の分野では、増幅用トランジスタのバイアス設定が増幅器動作のクラスおよび増幅器応答の直線性を決めるのに重要である。この種の増幅器には種々の慣用のバイアス設定手法が周知である。これらバイアス設定手法は、直線性、雑音指数、歪、消費電力など競合する要素への配慮をバランスさせなければならない。
【０００３】
周知のとおり、バイポーラトランジスタは熱的不安定性を伴い、バイアス設定が適切でない場合は無拘束状態になる。したがって、電力増幅器においては、ベースやエミッタの直流電流通路に縮退（安定抵抗）をかけて増幅用トランジスタを安定化するのが普通である。
【０００４】
ベース安定抵抗は熱的安定性をもたらすが、増幅器の性能に悪影響を及ぼすことがある。十分な温度補償を達成するにはベース安定抵抗は比較的大きくする必要がある。入力信号電力の増加に伴って、ベースの直流通路の大きい抵抗値が増幅器出力に得られる電力の大きさを減少させる。その結果、ベース安定抵抗付きの増幅器は非直線応答特性を示す。
【０００５】
分布ベースバイアス回路は米国特許第５，１５０，０７６号「バイアス回路を備えるエミッタ接地増幅回路」に記載してある。この能動バイアス手法は、ベース安定抵抗に伴う欠点を軽減する。しかし、上記特許記載の構成は不都合な温度特性を示す。また、この構成は電源電圧変動に影響されやすいので使用電源電圧を比較的高くする必要があり、セルラー電話機などの携帯用機器のための増幅器には利用しがたい。
【０００６】
【発明の概要】
したがって、上記従来技術の欠点に対処したＲＦ電力増幅器が必要になっている。より詳細に述べると、高安定度で温度補償を施したバイアス設定手段付きのＲＦ電力増幅器が必要になっている。
【０００７】
そこで、改良型の増幅器を開示する。一つの実施例では、この増幅器は、入力信号を受けるように接続したベース端子を備える増幅用トランジスタを含む。この増幅用トランジスタは入力信号を増幅して出力信号を生ずる。基準電圧源は基準電圧出力ノードに基準電圧を生ずる。局部バイアス回路は増幅用トランジスタのベース端子にバイアス電圧を供給する。この局部バイアス回路は、基準電圧出力ノードに接続したエミッタ端子と、電源電圧ノードに接続したコレクタ端子と、このコレクタ端子に接続したベース端子とを有する第１のトランジスタを含む。また、この局部バイアス回路は、上記第１のトランジスタのベース端子に接続したベース端子と、電源電圧ノードに接続したコレクタ端子と、増幅用トランジスタのベース端子に接続したエミッタ端子とを含む。
【０００８】
この発明の利点は、高安定度で温度補償したバイアス電圧を任意の数の増幅器セルに供給することである。この発明のもう一つの利点は、増幅器セルのいずれにも熱的無拘束状態が生じないようにバイアス回路を安定化させることである。
【０００９】
【好ましい実施例の詳細な説明】
この発明のより詳細な説明並びに上記以外の特徴および利点の説明のために、図面を参照して次に述べる。図１乃至図５を参照することによってこの発明の好ましい実施例およびそれらの利点が最もよく理解されよう。なお、図面を通じて同じ参照数字は同じまたは対応の構成要素を示す。
【００１０】
図１を参照すると、ＲＦ電力増幅器１０のブロック図が示してある。ＲＦ電力増幅器１０はＧａＡｓ集積回路チップなど単一の集積回路チップ上に設けることができる。ＲＦ電力増幅器１０はＲＦ入力信号ＲＦＩＮを受けてＲＦ出力信号ＲＦＯＵＴを生ずる。ＲＦ電力増幅器１０はＲＦ入力信号ＲＦＩＮの初段増幅を行う第１増幅段１２を有する。この初段増幅の出力信号を第２増幅段１４に供給する。出力信号ＲＦＯＵＴを十分な電力で出力するために、この増幅段は互いに並列に接続した複数の増幅器セル１６を備える。
【００１１】
図２を参照すると、分布バイアス回路構成を用いた増幅回路１８の一部ブロック表示の概略的回路図が示してある。増幅回路１８はＲＦ電力増幅器１０の第２増幅段１４として使える複数セル増幅回路である。
【００１２】
増幅器１８は、個々にバイアス設定したひと組の増幅器セル２２に基準電圧を供給する基準電圧源２０を有する。後述のとおり、一つの実施例では、基準電圧源２０は一つのトランジスタの閾値電圧にほぼ等しい基準電圧を供給する。図示の都合で図２には増幅器セル２２を二つだけ示してあるが、増幅器１８が任意の数の増幅器セル２２を含み得ることは理解されよう。増幅器セル２２は互いに同一の構成を備える。
【００１３】
増幅器セル２２の各々は増幅器１８への入力信号ＲＦＩＮを受ける。この入力信号ＲＦＩＮは増幅用トランジスタ２４のベースに加えられる。増幅器セル２２の増幅用トランジスタ２４のコレクタを互いに共通に接続して出力信号ＲＦＯＵＴを供給する。
【００１４】
局部バイアス回路２６は基準電圧源２０から基準電圧を受けて増幅用トランジスタ２４のベースにバイアス電圧を供給する。増幅器セル２２の各々の増幅用トランジスタ２４は個々にバイアス設定されているので、直流阻止コンデンサ２８でセル２２の入力における直流分離を形成している。増幅用トランジスタ２４のベースと基準電圧源２０との間にオプションのセンス抵抗器ＲＳＥＮＳＥを接続することもできる。このセンス抵抗器は、後述のとおり、増幅器ベースバイアス電圧の付加的制御のためのものである。
【００１５】
増幅器セル２２の各々は増幅用トランジスタ２４のエミッタと接地点との間に接続したエミッタ安定抵抗３０を含む。エミッタ安定抵抗３０は増幅器セル２２の熱的安定化をもたらす。当業者に周知のとおり、増幅用トランジスタ２４のベースと局部バイアス回路２６との間にベース安定抵抗（図示してない）を接続することもできる。このベース安定抵抗も熱的安定化をもたらすものであり、エミッタ安定抵抗３０の代わりにまたはそれに併せて用いることができる。しかし、後述のとおり、局部バイアス回路２６の安定化作用により、ベース安定抵抗は不要であり、エミッタ安定抵抗３０はごく小さい値または全く零の値にすることができる。
【００１６】
各増幅器セルの局部バイアス回路２６は、基準電圧源２０の出力に抵抗器３４経由で接続したエミッタを備える第１のトランジスタ３２を含む。トランジスタ３２のベースおよびコレクタを互いに接続し、抵抗器３６経由で電源電圧ＶＣＣに接続する。第２のトランジスタ３８のベースにトランジスタ３２のベースおよびコレクタを接続する。トランジスタ３８のコレクタはＶＣＣに接続する。トランジスタ３８のエミッタは増幅用トランジスタ２４のベースに接続する。トランジスタ３８のエミッタと増幅用トランジスタ２４のベースとの間にベース安定抵抗（図示してない）をオプションで接続することもできる。また、図２に示すとおり、トランジスタ３８のエミッタを増幅用トランジスタ２４のベースに直接に接続することもできる。
【００１７】
局部バイアス回路２６の動作は次のとおりである。トランジスタ３２はレベルシフト回路を構成する。すなわち、抵抗器３４および３６でトランジスタ３２のベース電圧を定める。この電圧をトランジスタ３８、すなわちエミッタフォロワとして作用するトランジスタ３８のベースに加える。トランジスタ３８のエミッタ電圧を増幅用トランジスタ２４のベースバイアス電圧として供給する。
【００１８】
トランジスタ３８の温度上昇は補償なしの場合はトランジスタ３８のベース・エミッタ間電圧低下を減少させ、増幅用トランジスタ２４のベースバイアス電圧を上昇させる。しかし、トランジスタ３２がトランジスタ３８に合致させてありトランジスタ３８と同じベース・エミッタ間電圧降下Ｖｂｅを示す。トランジスタ３２およびトランジスタ３８は物理的に（熱的に）互いに隣接して配置されているので、トランジスタ３８のＶｂｅ減少はトランジスタ３２のバイアス電圧減少によりオフセットされる。このようにして、局部バイアス回路２６は自動的に温度補償され、温度が変動しても同じバイアス電圧を生ずる。
【００１９】
抵抗器３４および３６によって付加的安定化効果が得られる。増幅用トランジスタ２４に流入するバイアス電流が増加すると、トランジスタ３８のベース電流も増加する。このベース電流増加はトランジスタ３２のベースおよびコレクタから供給され、トランジスタ３２および抵抗器３４経由の電流は抵抗器３６経由の電流の減少を伴うことなく減少する。この電流変化が抵抗器３４および３６並びにトランジスタ３２の分圧特性に影響を及ぼし、トランジスタ３２および３８のベース電圧を低下させる。トランジスタ３８のベース電圧の低下は増幅用トランジスタ２４へのバイアス電圧を低下させ、トランジスタ２４に流入する電流の増加に反作用を及ぼす。
【００２０】
当業者には明らかなとおり、抵抗器３４および３６の大きさが局部バイアス回路２６による安定化の強さを定める。抵抗器３４および３６が大きいほど安定化効果は大きい。一方、抵抗器３４は、トランジスタ３８の熱によりＶｂｅ低下を温度補償する上述のトランジスタ３２の機能を制限する。したがって、抵抗器３４の大きさは、これら二つの特性の適切な妥協点を見出すように定めなければならない。
【００２１】
図３を参照すると、増幅回路１８に用いる基準電圧源４０の概略的回路図が示してある。後述のとおり、基準電圧源４０はバイポーラトランジスタ４１のベースに安定な基準電圧ＶＲＥＦを供給できる。トランジスタ４１はエミッタ接地接続にしてあるので、基準電圧ＶＲＥＦは接地電位よりもほぼ閾値電圧分だけ高い。
【００２２】
トランジスタ４１のコレクタは二つの抵抗器４２および４４経由で電源電圧ＶＣＣに接続する。トランジスタ４６のエミッタはこれらトランジスタ４２および４４の間のノード４３に接続する。トランジスタ４６はダイオード接続にして抵抗器４８に直列に接続し、抵抗器４８はＶＣＣに接続する。もう一つのトランジスタ５０はそのベースをエミッタフォロワ接続のトランジスタ４６のベースに接続する。そのトランジスタ５０のコレクタはＶＣＣに接続し、コレクタはトランジスタ４１のベースに接続する。これらトランジスタ４１、４６および５０は例えばヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）で構成できる。
【００２３】
基準電圧源４０の動作は次のとおりである。ＶＲＥＦに負荷が全く接続されていない場合は、基準電圧源４０はトランジスタ４１の閾値電圧にＶＲＥＦの定常状態値を設定する。トランジスタ４１のベースから負荷に電流が流れる場合は、それに伴う電圧降下によりトランジスタ４１経由の電流が減少し、ノード４３の電圧が上昇する。トランジスタ４６はレベルシフト回路として作用し、ノード４３の電圧よりも閾値電圧分だけ高い電圧をトランジスタ５０のベースに供給する。このように、ノード４３における電圧上昇がトランジスタ５０のベース電圧の上昇をもたらす。そのベース電圧上昇およびＶＲＥＦの低下がトランジスタ５０の電流を増加させ、ＶＲＥＦの電圧低下を相殺する。
【００２４】
この負帰還ループはＶＲＥＦの安定度を著しく高める。この負帰還ループの応答特性は抵抗器４２および４４、トランジスタ４１および５０のベータ値、ＶＣＣとトランジスタ４１のコレクタ電圧との間の電圧差によってほぼ定まる。応答性を高めるには、抵抗器４４の抵抗値を抵抗器４２に比べて小さくする。一つの実施例では抵抗器４４を全く除去する（すなわちＲ＝０）。この実施例では図２に示したオプションのセンス抵抗器ＲＳＥＮＳＥは用いていない。
【００２５】
図４を参照すると、増幅器１８用の代替の基準電圧源６０の概略的回路が示してある。この基準電圧源６０は、増幅用トランジスタ２４のベースバイアス電圧をさらに安定化するための増幅回路１８のオプションのセンス抵抗器ＲＳＥＮＳＥ（図２）と組み合わせて用いることができる。
【００２６】
基準電圧源６０は上述の基準電圧源４０と同様の構成を備える。基準電圧源６０の動作は上述の基準電圧源４０の動作と同様であるが、トランジスタ６２のベースへの電圧が増幅用トランジスタ２４のベースからセンス抵抗器ＲＳＥＮＳＥ経由で供給される点だけが異なる。すなわち、基準電圧源６０のための帰還経路が局部バイアス回路を含んでいる。トランジスタ６２は基準電圧ＶＲＥＦでなく増幅用トランジスタ２４のベースバイアス電圧を検出すので、局部バイアス回路２６による不完全な電圧バッファ動作（例えば温度変化に起因する）は基準電圧源６０で補償される。したがって、電圧源６０は増幅回路１８のベースバイアス電圧の安定化をさらに高める。
【００２７】
図５を参照すると、増幅回路１８用のもう一つの代替の電圧源７０の概略的回路図が示してある。この基準電圧源７０は増幅用トランジスタ２４のベースバイアス電圧の安定化のための増幅回路１８のオプションのセンス抵抗器ＲＳＥＮＳＥと組み合わせて用いることができる。
【００２８】
基準電圧源７０は上述の基準電圧源６０とほぼ同様の構成を備える。基準電圧源７０の動作は上述の基準電圧源６０の動作と同様であるが、抵抗器７２および７４の間のノード７３が追加のレベルシフト回路によることなく基準電圧ＶＲＥＦを直接に設定している点が異なる。したがって、基準電圧源７０は基準電圧源６０よりも小さく簡単な回路構成を備える。基準電圧源７０は基準電圧源６０と同様に局部バイアス回路２６およびセンス抵抗器ＲＳＥＮＳＥ経由で負帰還を受け、増幅器セル２２のバイアス電圧安定化をもたらす。
【００２９】
図２を参照すると、センス抵抗器ＲＳＥＮＳＥは増幅回路１８の単一の増幅用トランジスタ２４のベースに接続してある。したがって、増幅器セル２２相互間の温度の違いは上述の基準電圧源６０または７０には考慮されない。しかし、熱的無拘束状態防止をもたらす局部バイアス回路２６の安定化作用は増幅器セル２２の動作温度をほぼ同じ値に維持する。このようにして、基準電圧源６０および７０は増幅器セル２２に全部に優れた電圧安定化をもたらす。
【００３０】
この発明およびその利点を上に詳述してきたが、特許請求の範囲の欄の各請求項に記載した発明の真意および範囲を逸脱することなくこの発明に多様な変更、置換および代替が可能であることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】無線周波数（ＲＦ）電力増幅器のブロック図。
【図２】この発明による分布バイアス回路構成を用いた増幅回路の一部ブロック表示の概略的回路図。
【図３】上記増幅回路用の基準電圧源の概略的回路図。
【図４】上記増幅回路用のもう一つの基準電圧源の概略的回路図。
【図５】上記増幅回路用のさらにもう一つの基準電圧源の概略的回路図。
【符号の説明】
１０                無線周波数（ＲＦ）電力増幅器
１２                第１増幅段
１４                第２増幅段
１６                増幅器セル
１８                増幅回路
２０                基準電圧源
２２                増幅器セル
２４                増幅用トランジスタ
２６                局部バイアス回路
２８                阻止コンデンサ
３０                エミッタ安定抵抗
３２                第１のトランジスタ
３４、３６          抵抗器
３８                トランジスタ
４０、６０、７０    基準電圧源
４６、５０          トランジスタ
４８                抵抗器
【図１】
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【図２】
2004517540.tif 000004
【図３】
2004517540.tif 000005
【図４】
2004517540.tif 000006
【図５】
2004517540.tif 000007
【国際公開パンフレット】
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2004517540.tif 000009
2004517540.tif 000010
2004517540.tif 000011
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