(57)【要約】【課題】線形性に優れた電力増幅器を提供する。【解決手段】この電力増幅器は、並列接続された２つのトランジスタ５，６を含む初段アンプ３と、トランジスタ１５を含む後段アンプ４とを備える。トランジスタ５を歪補償回路無しのＡ級寄りにバイアスし、トランジスタ６，１５を歪補償回路付きのＢ級寄りにバイアスする。初段アンプ３のゲイン特性の凹部と後段アンプ４のゲイン特性の凸部とが噛み合うように、トランジスタ５，６，１５のゲイン特性を調整し、電力増幅器全体としてのゲイン特性の平坦化を図る。【選択図】図１
2007259253.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の増幅段を備えた電力増幅器において、
前記複数の増幅段のうちの第１の増幅段は、第１の増幅素子と、前記第１の増幅素子に並列接続された第２の増幅素子と、該第２の増幅素子のゲイン特性の歪を調整する第１の歪補償回路とを含み、
前記複数の増幅段のうちの第２の増幅段は、第３の増幅素子と、該第３の増幅素子のゲイン特性の歪を調整する第２の歪補償回路とを含み、
前記第１の増幅素子と前記第１の歪補償回路によってゲイン特性が調整された前記第２の増幅素子とでは、出力パワーに対するゲインの依存特性が逆であり、
前記第１の増幅段と前記第２の歪補償回路によってゲイン特性が調整された前記第３の増幅素子とでは、出力パワーに対するゲインの依存特性が逆であることを特徴とする、電力増幅器。
【請求項２】
前記第１〜第３の増幅素子はそれぞれ第１〜第３のバイポーラトランジスタであり、
前記第１および第２の歪補償回路はそれぞれ前記第２および第３のバイポーラトランジスタのバイアス回路を兼ねていることを特徴とする、請求項１に記載の電力増幅器。
【請求項３】
前記第１のバイポーラトランジスタはＡ級〜ＡＢ級にバイアスされ、
前記第２のバイポーラトランジスタはＢ級〜ＡＢ級にバイアスされ、
前記第３のバイポーラトランジスタはＢ級〜ＡＢ級にバイアスされていることを特徴とする、請求項２に記載の電力増幅器。  
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は電力増幅器に関し、特に、複数の増幅段を備えた電力増幅器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話のような移動体通信システムに見られるように、準マイクロ波、マイクロ波帯の無線通信システムが急速に普及しており、これについては携帯端末の軽量化、低消費電力化が大いに寄与している。この携帯端末の軽量化のためには、使用するバッテリをより軽量の小容量タイプにすることが効果的であるが、バッテリを小容量タイプにすると電池切れまでの使用時間が短くなるため、送信時における携帯端末の消費電力の殆どを占める送信用電力増幅器の低消費電力化、つまり電力効率の向上が強く求められている。
【０００３】
また、近年のＯＦＤＭ(Orthogonal Frequency Division Multiplexing;直交周波数分割多重）方式などを用いたデジタル変復調では、信号の振幅、位相の両方で情報が搬送されるため、電力増幅器は入力信号を線形増幅することが要求される。しかし、一般に電力増幅器においては、入力電力の増大に伴う出力電力の増大が飽和に近づくほど歪および電力効率は大きくなるため、電力効率と低歪性は相反する関係にある。
【０００４】
電力増幅器について具体的に説明する前に、まず本願明細書における用語の使い方について説明しておく。本願明細書においては「Ａ級寄りバイアス」「Ｂ級寄りバイアス」という表現を多用するが、これは概ね「Ａ級〜ＡＢ級バイアス」「Ｂ級〜ＡＢ級バイアス」を中心に、ある程度の幅を意図した表現である。近年の電力増幅器は動作電力に応じてバイアス点が動的に変化する場合も珍しくなく、そのバイアス点を厳密に言葉で表現して限定することは不必要な煩雑さを招くためである。
【０００５】
また、「歪補償回路がない」「歪補償されない」「歪補償回路を介さずに」などの表現を用いるが、一般的に電気回路の世界では「ある回路がない」ということは、必ずしもその回路が物理的に全く存在しないことを意味するわけではなく、効果が「弱く」抑えられているということを意味する。歪補償回路も同様であり、例えば回路中のあちこちに大きな抵抗を挿入して電流を阻害するなどの方法を取れば、容易に効果を弱く抑えることができる。上記の表現は、このような意味で用いている。
【０００６】
図４は、従来の電力増幅器の構成を示す回路ブロック図である。このような電力増幅器は、たとえば特許文献１に開示されている。図４において、この電力増幅器では、入力端子３１と出力端子３２の間に２段のエミッタ接地バイポーラトランジスタ３３，３４が設けられている。入力端子３１と初段のトランジスタ３３のベースとの間に整合回路３５が設けられ、初段のトランジスタ３３のコレクタと後段のトランジスタ３４のベースとの間に整合回路３６が設けられ、後段のトランジスタ３４と出力端子３２との間に整合回路３７が設けられている。整合回路３５〜３７は、反射電力を調整する回路である。
【０００７】
トランジスタ３３，３４のコレクタには、電源端子３８，３９を介してコレクタバイアス電圧が供給される。初段のトランジスタ３３のベースには歪補償回路を介さずに（歪補償効果を弱く調整して）電源端子４０を介してバイアス電圧が供給され、後段のトランジスタ３４のベースには電源端子４１から歪補償回路４２を介して（歪補償効果を強く調整して）バイアス電圧が供給される。初段のトランジスタ３３はＡ級寄りにバイアスされ、後段のトランジスタ３４はＢ級寄りにバイアスされる。
【０００８】
歪補償回路４２としては、たとえば図５〜図８に示すものをはじめとして、多くの方式がある。図５の歪補償回路は、電源端子４１に接続される端子５１と、トランジスタ３４のベースに接続される端子５２と、端子５１，５２間に直列接続された抵抗素子５３および可変インピーダンス素子５４と、抵抗素子５３および可変インピーダンス素子５４の間のノードＮ５３と接地電位ＧＮＤのラインとの間に直列接続された抵抗素子５５およびキャパシタ５６とを含む。
【０００９】
図６の歪補償回路は、図５の歪補償回路において可変インピーダンス素子５４をダイオード５７で置換したものである。ダイオード５７のアノードはノードＮ５３に接続され、そのカソードは端子５２に接続される。図７の歪補償回路は、図６の歪補償回路においてダイオード５７をバイポーラトランジスタ５８で置換したものである。トランジスタ５８のベースはノードＮ５３に接続され、そのエミッタは端子５２に接続される。図８の歪補償回路は、図７の歪補償回路において抵抗素子５５を除去し、抵抗素子５９を追加したものである。キャパシタ５６はノードＮ５３と接地電位ＧＮＤのラインとの間に接続され、抵抗素子５９はノードＮ５３とトランジスタ５８のコレクタとの間に接続される。
【００１０】
可変インピーダンス素子５４、ダイオード５７、トランジスタ５８が、実際に歪補償の働きをする非線形素子である。抵抗素子５３は、主に直流電流を調整する働きをする。抵抗５５，５９とキャパシタ５６は、主に非線形性を調整する働きをする。
【００１１】
図９（ａ)〜（ｃ）は、図４に示した電力増幅器における歪補償の原理を説明するための図である。図９（ａ)〜（ｃ）の各々において、横軸は出力パワー［ｄＢｍ］を示し、縦軸はゲイン[ｄＢ]を示している。
【００１２】
図９（ａ）は、歪補償回路無しの（歪補償効果が弱い）初段トランジスタ３３のゲイン特性を示す図である。バイアス点によって特性が多少変化するが、トランジスタ３３をＡ級寄りのバイアスにした場合、そのゲイン特性は全体的に右下がりな非線形特性になる。
【００１３】
図９（ｂ）は、歪補償回路４２が接続された後段のトランジスタ３４のゲイン特性を示す図である。バイアス点によって特性が大きく変化するが、トランジスタ３４をＢ級寄りのバイアスにした場合、そのゲイン特性は全体的に右上がりな非線形特性になる。
【００１４】
図９（ｃ）は、初段のトランジスタ３３の右下がりのゲイン特性と後段のトランジスタ３４の右上がりのゲイン特性を合成した、電力増幅器全体としてのゲイン特性を示す図である。トランジスタ３３，３４のゲイン特性を適切に調整すると、ちょうど両者の非線形性が打ち消しあい、平坦で一定なゲイン特性を実現できる。即ち、線形性が優れた電力増幅器が実現できる。図９（ｃ）において、区間Ａが、ゲインが平坦化された領域である。
【特許文献１】特開２００２−８４１４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかし、従来の電力増幅器では、確かに出力パワーが比較的小さい区間Ａにおける線形化には効果があるものの、出力パワーが大きくて飽和に近付いた区間Ｂにおける線形化については効果が無く、まだ改良の余地があった。
【００１６】
仮に、飽和点ぎりぎりまで線形性が確保された「理想パワーアンプ特性」というものを想像してみると、その特性は図９（ｃ）中で破線で示されるような特性になる。すなわち、ゲイン特性を示す曲線の右肩が直角に張り出した特性である。
【００１７】
それゆえに、この発明の主たる目的は、線形性に優れた電力増幅器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
この発明に係る電力増幅器は、複数の増幅段を備えた電力増幅器において、複数の増幅段のうちの第１の増幅段は、第１の増幅素子と、第１の増幅素子に並列接続された第２の増幅素子と、その第２の増幅素子のゲイン特性の歪を調整する第１の歪補償回路とを含み、複数の増幅段のうちの第２の増幅段は、第３の増幅素子と、その第３の増幅素子のゲイン特性の歪を調整する第２の歪補償回路とを含み、第１の増幅素子と第１の歪補償回路によってゲイン特性が調整された第２の増幅素子とでは、出力パワーに対するゲインの依存特性が逆であり、第１の増幅段と第２の歪補償回路によってゲイン特性が調整された第３の増幅素子とでは、出力パワーに対するゲインの依存特性が逆であることを特徴とする。
【００１９】
好ましくは、第１〜第３の増幅素子はそれぞれ第１〜第３のバイポーラトランジスタであり、第１および第２の歪補償回路はそれぞれ第２および第３のバイポーラトランジスタのバイアス回路を兼ねている。
【００２０】
また好ましくは、第１のバイポーラトランジスタはＡ級〜ＡＢ級にバイアスされ、第２のバイポーラトランジスタはＢ級〜ＡＢ級にバイアスされ、第３のバイポーラトランジスタはＢ級〜ＡＢ級にバイアスされている。
【発明の効果】
【００２１】
この発明に係る電力増幅器では、複数の増幅段のうちの第１の増幅段は、第１の増幅素子と、第１の増幅素子に並列接続された第２の増幅素子と、その第２の増幅素子のゲイン特性の歪を調整する第１の歪補償回路とを含み、複数の増幅段のうちの第２の増幅段は、第３の増幅素子と、その第３の増幅素子のゲイン特性の歪を調整する第２の歪補償回路とを含み、第１の増幅素子と第１の歪補償回路によってゲイン特性が調整された第２の増幅素子とでは、出力パワーに対するゲインの依存特性が逆であり、第１の増幅段と第２の歪補償回路によってゲイン特性が調整された第３の増幅素子とでは、出力パワーに対するゲインの依存特性が逆である。したがって、第１の増幅素子に右上がりのゲイン特性を持たせるとともに第２の増幅素子に右下がりのゲイン特性を持たせて第１の増幅段には凹型のゲイン特性を持たせ、第２の増幅段には凸型のゲイン特性を持たせることができる。よって、第１および第２の増幅段のゲイン特性の凹凸が互いに噛み合うようにゲイン特性を調整することにより、電力増幅器全体としては平坦なゲイン特性を得ることができ、線形性に優れた電力増幅器を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図１は、この発明の一実施の形態による電力増幅器の構成を示す回路ブロック図である。図１において、この電力増幅器は、入力端子１と出力端子２の間に接続された２段のアンプ３，４を備える。初段のアンプ３は、２つのエミッタ接地バイポーラトランジスタ５，６と、３端子の整合回路７，８と、歪補償回路９とを含み、後段のアンプ４は、１つのエミッタ接地バイポーラトランジスタ１５と、２端子の整合回路１６と、歪補償回路１７とを含む。
【００２３】
入力端子１とトランジスタ５，６のベースとは３端子の整合回路７によって結合され、トランジスタ５，６のコレクタとトランジスタ１５のベースとは３端子の整合回路８によって結合され、トランジスタ１５のコレクタと出力端子２とは２端子の整合回路１６によって結合される。整合回路７，８，１６は、反射電力を調整する。
【００２４】
トランジスタ５，６，１５のコレクタには、電源端子１０，１１，１８を介してコレクタバイアス電圧が供給される。トランジスタ５のベースには、電源端子１２から歪補償回路を介さずに（歪補償効果を弱くして）Ａ級寄りのバイアス電圧が供給される。トランジスタ６のベースには、電源端子１３から歪補償回路９を介して（歪補償効果を強くして）Ｂ級寄りのバイアス電圧が供給される。トランジスタ１５のベースには、電源端子１９から歪補償回路１７を介して（歪補償効果を強くして）Ｂ級寄りのバイアス電圧が供給される。歪補償回路９，１７の各々は、図５〜図８で示した歪補償回路のうちのいずれかの回路である。
【００２５】
次に、この電力増幅器の歪補償動作について説明する。図２（ａ）は、初段のアンプ３の構成要素のうち、歪補償回路無しのＡ級寄りバイアスのトランジスタ５のゲイン特性を示す図である。これは、図４で示した従来の電力増幅器における初段のトランジスタ３３と同様に、全体的に右下がりな非線形特性になる。
【００２６】
図２（ｂ）は、初段のアンプ３の構成要素のうち、歪補償回路有りのＢ級寄りバイアスのトランジスタ６のゲイン特性を示す図である。これは、図４で示した従来の電力増幅器のにおける後段のトランジスタ３４と同様に、全体的に右上がりな非線形特性になる。
【００２７】
もし、初段のトランジスタ５，６の飽和電力を十分に高く設計しておけば、後段のトランジスタ１５が飽和した時点でもまだ初段のトランジスタ５，６は飽和しないため、横軸を電力増幅器全体の出力パワーとした図２（ａ）（ｂ）においては、ゲイン曲線が飽和点付近の領域Ｓ１，Ｓ２において不連続に折れて下がるように見える場合が多い。この不連続領域Ｓ１，Ｓ２のうち、領域Ｓ２における右上がりの鋭角特性が、本発明においては重要な働きをする。
【００２８】
図２（ｃ）は、初段のアンプ３全体のゲイン特性を示す図である。初段のアンプ３全体のゲイン特性は、２つのトランジスタ５，６のゲイン特性を合成した特性となる。図３（ｃ）のゲイン特性の特徴は、出力パワーが低い区間Ａでは右下がりであったゲイン特性がが、飽和点に近い区間Ｂでは反対に右上がりに跳ね上がることである。ゲイン特性が右下がりから右上がりに逆転する点Ｃでは、２つのトランジスタ５，６の出力パワーの大小関係、すなわち２つのトランジスタ５，６のゲイン特性の大小関係が逆転する。歪補償回路無しのＡ級寄りバイアスのトランジスタ５のゲインが、歪補償回路有りのＢ級寄りバイアスのトランジスタ６のゲインに対して大きいほど、点Ｃの位置は図２（ｃ）中の右側に移動する。したがって、トランジスタ５，６のバイアスを調整することにより、点Ｃの位置を所望の位置に移動させることができる。
【００２９】
２段のアンプ３，４のうち後段のアンプ４のゲイン特性は、図９（ｂ）で示した従来技術と同じものである。図９（ｂ）で示した後段アンプ４のゲイン特性の凸部と、図２（ｃ）で示した本発明による初段アンプ３のゲイン特性の凹部とがぴったりと噛み合うように、アンプ３，４のゲイン特性を調整する。その結果、電力増幅器全体としてのゲイン特性は、図９（ｃ）中の破線で示した「理想パワーアンプ特性」に対して、従来技術の限界を超えて近付くことができる。
【００３０】
なお、図１では、本願発明が２段のアンプ３，４で構成された電力増幅器に適用された例について説明したが、本願発明は３段以上のアンプで構成された電力増幅器に対しても同様に適用できる。図３は、３段のアンプで構成された電力増幅器に適用した例を示すブロック図である。図３において、入力端子２０に与えられた電気信号は、第１〜第３のアンプ２１〜２３で順次増幅された後に、出力端子２４から出力される。この電力増幅器においては、第２のアンプ２２と第３のアンプを合わせた回路２５に対して、図１および図２で説明した本願発明が適用される。この変更例でも、電力増幅器のゲイン特性の平坦化を図ることができる。
【００３１】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】この発明の一実施の形態による電力増幅器の構成を示す回路ブロック図である。
【図２】図１に示した初段のアンプのゲイン特性を示す図である。
【図３】この実施の形態の変更例を示すブロック図である。
【図４】従来の電力増幅器の構成を示す回路ブロック図である。
【図５】図４に示した歪補償回路の構成を例示する回路図である。
【図６】図４に示した歪補償回路の構成を例示する他の回路図である。
【図７】図４に示した歪補償回路の構成を例示するさらに他の回路図である。
【図８】図４に示した歪補償回路の構成を例示するさらに他の回路図である。
【図９】図４に示した電力増幅器のゲイン特性を示す図である。
【符号の説明】
【００３３】
１，３１，２０  入力端子、２，３２，２４  出力端子、３，４，２１〜２３  アンプ、５，６，１５，５８  バイポーラトランジスタ、７，８，１６，３５〜３７  整合回路、９，１７，４２  歪補償回路、１０〜１３，１８，１９，３８〜４１  電源端子、２５  回路５１，５２  端子、５３，５５，５９  抵抗素子、５４  可変インピーダンス素子、５６  キャパシタ、５７  ダイオード。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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