(57)【要約】【課題】温度検出素子を用いることなく、立ち上げ時の発熱による増幅信号の歪み増加を抑えることができる電力増幅器を提供する。【解決手段】この電力増幅器によれば、スピードアップ回路１２２は増幅部をなす増幅トランジスタ１０３による電力増幅の開始時にバイアス回路１１１,電源回路１１２によるバイアス電源部が増幅トランジスタ１０３に供給するバイアスを過渡的に増加させる。これにより、増幅トランジスタ１０３による電力増幅の開始時に増幅トランジスタ１０３の電力増幅率を過渡的に上げる。これにより、増幅トランジスタ１０３の発熱による温度変動が回路全体で平衡状態になるまでの時間を短縮し変調波信号等の増幅信号の歪みを低減する。【選択図】図１
2009200770.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力増幅を行なう第１のトランジスタを有する増幅部と、
上記第１のトランジスタにバイアスを供給する第２のトランジスタを有するバイアス電源部と、
上記電力増幅の開始時に上記バイアス電源部が上記第１のトランジスタに供給するバイアスを過渡的に増加させるスピードアップ回路とを備えることを特徴とする電力増幅器。
【請求項２】
請求項１に記載の電力増幅器において、
上記第２のトランジスタは、エミッタが抵抗素子を介して上記第１のトランジスタのベースに接続されており、
上記バイアス電源部は、
コレクタが上記第２のトランジスタのベースに接続されていると共にエミッタがグランドに接続された第３のトランジスタと、
ベースが上記第３のトランジスタのコレクタに接続されていると共にエミッタが上記第３のトランジスタのベースに接続された第４のトランジスタと、
上記第４のトランジスタのエミッタとグランドとの間に接続された抵抗素子とを有し、
上記第２,第３,第４のトランジスタのコレクタは、上記電力増幅のオンオフを制御する制御電圧源に接続されており、
さらに、上記スピードアップ回路は、
上記第３のトランジスタのベースと上記第４のトランジスタのエミッタとの接続点と上記制御電圧源との間に接続されていると共に上記制御電圧源の制御電圧の立ち上り時に過渡的に上記第３のトランジスタのベース電圧を下げて上記第２のトランジスタのベースに流れる電流を増加させることにより、上記第１のトランジスタのベースに流れる電流を増加させ、上記第１のトランジスタの電力増幅率を上げることを特徴とする電力増幅器。
【請求項３】
請求項２に記載の電力増幅器において、
上記スピードアップ回路は、
コレクタが上記第４のトランジスタのエミッタに接続されていると共にエミッタが抵抗素子を介して接地された第５のトランジスタと、
エミッタが上記第５のトランジスタのベースに接続されていると共にコレクタが上記制御電圧源に接続された第６のトランジスタと、
上記第６のトランジスタのベースと上記制御電圧源との間に接続された容量素子と、
上記第６のトランジスタのベースと上記制御電圧源との間に接続されたダイオードとを有することを特徴とする電力増幅器。
【請求項４】
請求項３に記載の電力増幅器において、
上記スピードアップ回路が有する上記容量素子の容量値は、上記電力増幅の開始時の温度変化による利得の過渡変化をキャンセルするように調整されていることを特徴とする電力増幅器。
【請求項５】
請求項３または４に記載の電力増幅器において、
上記スピードアップ回路が有する上記容量素子は容量値を変更可能になっていることを特徴とする電力増幅器。
【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、例えば無線通信装置等に用いられる高周波電力増幅器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、信号などを増幅するための増幅器としてバイポーラトランジスタによる電力増幅器が用いられている。その中でも、ＯＦＤＭ(直交周波数分割多重)変調波などを用いたシステムのように線形増幅が必要なシステムでは、電力増幅器で変調波信号が歪まないように、その電力増幅器の最大出力よりも十分に小さな出力の線形増幅領域で使用するなど、線形化に関する回路設計を行っている。
【０００３】
ここで、上記の線形増幅とは、入力信号電力が変動した場合でも、出力信号電力が一定の比率で増幅されて出力されるとともに、位相が変化しないことを意味する。通信システムによっては、増幅利得のわずか０．２〜０．３ｄＢの変化が問題となる場合もある。
【０００４】
上記線形増幅の別の一面として、たとえば発熱による数十μ秒〜数百μ秒程度の比較的ゆっくりした温度上昇によって引き起こされる増幅比率や位相の変動が問題となる場合が有る。このような電力増幅器自身の発熱による影響を補正する回路として、特許文献１(米国特許第４９２４１９４号明細書)には、増幅トランジスタに熱的に結合した温度検出素子(ＰＩＮダイオード)によって増幅トランジスタの発熱を検出し、増幅トランジスタのバイアス電圧に反映させる回路が示されている。
【０００５】
ところで、上に説明した温度検出素子を用いる方法では、温度検出素子を増幅トランジスタに熱的に結合させるために、温度検出素子と増幅トランジスタとを近接させて配置する必要がある。当然ながら、発熱の影響を補正しようとする増幅回路は比較的大電力を増幅する回路である。このとき、温度検出素子と増幅トランジスタとが近接することにより、温度検出素子に増幅信号が漏洩して、予期せぬ異常動作を引き起こす可能性がある。例えば、上記の例では、ＰＩＮダイオードに増幅信号の一部が漏洩した場合、ＰＩＮダイオードの整流作用によりバイアス条件が変わってしまう場合が有る。あるいは、増幅信号の通る線路と温度検出素子への線路とが近づくことにより、両線路の間で漏洩が生じて同様の異常動作となる可能性もある。
【特許文献１】米国特許第４９２４１９４号明細書(Ｆｉｇ１)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、この発明の課題は、温度検出素子を用いることなく、立ち上げ時の発熱による増幅信号の歪み増加を抑えることができる電力増幅器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、この発明の電力増幅器は、電力増幅を行なう第１のトランジスタを有する増幅部と、
上記第１のトランジスタにバイアスを供給する第２のトランジスタを有するバイアス電源部と、
上記電力増幅の開始時に上記バイアス電源部が上記第１のトランジスタに供給するバイアスを過渡的に増加させるスピードアップ回路とを備える。
【０００８】
この発明の電力増幅器によれば、上記スピードアップ回路は、上記増幅部の第１のトランジスタによる電力増幅の開始時に、上記バイアス電源部が上記第１のトランジスタに供給するバイアスを過渡的(一時的)に増加させることにより、上記電力増幅の開始時に過渡的に上記第１のトランジスタの電力増幅率を上げる。これにより、電力増幅を行なう第１のトランジスタ(増幅トランジスタ)の発熱による温度変動が回路全体で平衡状態になるまでの時間を短縮し、増幅信号(例えば変調波信号)の歪みを低減する。
【０００９】
また、一実施形態の電力増幅器では、上記第２のトランジスタは、エミッタが抵抗素子を介して上記第１のトランジスタのベースに接続されており、
上記バイアス電源部は、
コレクタが上記第２のトランジスタのベースに接続されていると共にエミッタがグランドに接続された第３のトランジスタと、
ベースが上記第３のトランジスタのコレクタに接続されていると共にエミッタが上記第３のトランジスタのベースに接続された第４のトランジスタと、
上記第４のトランジスタのエミッタとグランドとの間に接続された抵抗素子とを有し、
上記第２,第３,第４のトランジスタのコレクタは、上記電力増幅のオンオフを制御する制御電圧源に接続されており、
さらに、上記スピードアップ回路は、
上記第３のトランジスタのベースと上記第４のトランジスタのエミッタとの接続点と上記制御電圧源との間に接続されていると共に上記制御電圧源の制御電圧の立ち上り時に過渡的に上記第３のトランジスタのベース電圧を下げて上記第２のトランジスタのベースに流れる電流を増加させることにより、上記第１のトランジスタのベースに流れる電流を増加させ、上記第１のトランジスタの電力増幅率を上げる。
【００１０】
この実施形態の電力増幅器によれば、上記スピードアップ回路は、上記制御電圧源の制御電圧の立ち上り時に上記第３のトランジスタのベース電圧を過渡的に下げて上記第２のトランジスタのベースに流れる電流を増加させる。これにより、上記立ち上り時に、上記第１のトランジスタのベースに流れる電流を過渡的に増加させ、上記第１のトランジスタの電力増幅率を上げる。これにより、増幅トランジスタである第１のトランジスタの発熱による温度変動が回路全体で平衡状態になるまでの時間を短縮し、増幅信号(例えば変調波信号)の歪みを低減する。
【００１１】
すなわち、トランジスタの発熱は、消費電流の大きい信号増幅用のトランジスタ(第１のトランジスタ)で大きく、バイアス供給用のトランジスタ(第２のトランジスタ)では小さくなる。そして、温度が平衡状態に達するまでの段階では、信号増幅用トランジスタの近辺で熱く、信号増幅用トランジスタから離れるほど温度が低くなり、この温度差が電流値を変動させ、変調波信号の歪みの原因となっている。このため、増幅器の制御電圧源のオン時の挙動は増幅器のレイアウト、特にトランジスタの配置に依存し、同じレイアウトの増幅器は増幅器のオンオフ時の過渡変化についても同じ特性が得られる。
【００１２】
そこで、この発明では、電力増幅の開始時、つまり、上記電力増幅のオンオフを制御する制御電圧源がオンしてこの制御電圧源からバイアス電源部を介して第１のトランジスタにバイアス電圧が印加された直後に、上記スピードアップ回路によって上記第１のトランジスタのベースに流れる電流を過渡的に増やす。このことにより、電力増幅器の発熱等で発生する動作電流の変化をキャンセルし、増幅率の変化が抑えられ、線形性の向上を図ることができる。つまり、温度検出素子を用いなくても、動作電流の過渡応答を調節できるスピードアップ回路をバイアス電源部に接続したことで、発熱による増幅信号(変調波信号)の歪み増加を抑えることができる。
【００１３】
この効果により、より少ない動作電流でより大きな無線信号を送信する電力増幅器が得られるので、無線通信装置の消費電力の低減、動作時間の延長、通信距離の拡大の効果が得られる。
【００１４】
また、一実施形態の電力増幅器では、上記スピードアップ回路は、
コレクタが上記第４のトランジスタのエミッタに接続されていると共にエミッタが抵抗素子を介して接地された第５のトランジスタと、
エミッタが上記第５のトランジスタのベースに接続されていると共にコレクタが上記制御電圧源に接続された第６のトランジスタと、
上記第６のトランジスタのベースと上記制御電圧源との間に接続された容量素子と、
上記第６のトランジスタのベースと上記制御電圧源との間に接続されたダイオードとを有する。
【００１５】
この実施形態の電力増幅器によれば、上記制御電圧源の制御電圧の立ち上り時(増幅器オン時)に上記容量素子に電荷が流れ込むことにより、過渡的(一時的)に上記第５のトランジスタのコレクタに電流が流れ込み上記コレクタの電圧値が下がることになる。その結果、第３のトランジスタのバイアス点の変動により、第３のトランジスタのコレクタを第２のトランジスタのベースに接続する接続端子の電圧が一時的に上昇する。これにより、上記立ち上り時に過渡的に、上記第２のトランジスタによって第１のトランジスタに供給される電流が増加する。よって、上記立ち上り時に上記第１のトランジスタの電力増幅率が過渡的に上がって、上記第１のトランジスタの発熱による温度変動が回路全体で平衡状態になるまでの時間が短縮され、増幅信号(例えば変調波信号)の歪みを低減できる。
【００１６】
また、一実施形態の電力増幅器では、上記スピードアップ回路が有する上記容量素子の容量値は、上記電力増幅の開始時の温度変化による利得の過渡変化をキャンセルするように調整されている。
【００１７】
この実施形態の電力増幅器によれば、増幅利得の変動による線形性の悪化をキャンセルし、ダイナミックＥＶＭ(エラーベクトル振幅)の値を改善できる。
【００１８】
また、一実施形態の電力増幅器では、上記スピードアップ回路が有する上記容量素子は容量値を変更可能になっている。
【００１９】
この実施形態の電力増幅器によれば、上記容量素子の容量値を変更することで、増幅動作の立ち上がり時にスピードアップ回路が上記第１のトランジスタに供給するバイアスを増加させる時間を調整可能になる。
【発明の効果】
【００２０】
この発明の電力増幅器によれば、上記スピードアップ回路は、上記増幅部の第１のトランジスタによる電力増幅の開始時に、上記バイアス電源部が上記第１のトランジスタに供給するバイアスを一時的に増加させることにより、上記電力増幅の開始時に過渡的に上記第１のトランジスタの電力増幅率を上げる。これにより、電力増幅を行なう第１のトランジスタ(増幅トランジスタ)の発熱による温度変動が回路全体で平衡状態になるまでの時間を短縮し、増幅信号(例えば変調波信号)の歪みを低減する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００２２】
図１は、この発明の電力増幅器の実施形態の回路構成を示す回路図である。
【００２３】
この電力増幅器は、入力信号端子１０１から入力された入力信号としての高周波信号が入力整合回路１０２を経て、第１のトランジスタとしての増幅トランジスタ１０３で増幅され、出力整合回路１０４を経て、出力信号端子１０５から出力される。なお、図１において、１０６は増幅トランジスタ１０３のコレクタバイアス端子である。このコレクタバイアス端子１０６とグランドとの間には直流電源１３７,容量素子１３８が接続されている。上記増幅トランジスタ１０３が増幅部を構成している。
【００２４】
また、第２のトランジスタとしてのバイアストランジスタ１０７は、上記増幅トランジスタ１０３のベース端子にベースバイアス電流を供給するトランジスタである。このバイアストランジスタ１０７のエミッタは、抵抗素子１０９を経由して増幅トランジスタ１０３のベース端子に接続されている。この抵抗素子１０９は、増幅トランジスタ１０３が熱暴走するのを防止するためにベースバイアス経路に挿入される安定化抵抗(バラスト抵抗)である。
【００２５】
上記バイアストランジスタ１０７はコレクタが抵抗素子１３３を介してバイアス端子１０８に接続されている。このバイアス端子１０８は、制御電圧源１３５に接続されている。
【００２６】
上記バイアストランジスタ１０７と、このバイアストランジスタ１０７のベース端子に接続された容量素子１１０とからなるバイアス回路１１１は、上記入力信号の信号強度の増加に応じてベースバイアス電流を増加させる働きを有し、上記入力信号の信号強度が変化した場合でも出力信号の増幅比および増幅後の位相回転を一定に保つ働きがある。
【００２７】
このバイアス回路１１１のバイアストランジスタ１０７のベース端子には、電源回路１１２を接続している。上記バイアス回路１１１と電源回路１１２とがバイアス電源部を構成している。
【００２８】
上記電源回路１１２は、おおよそ、増幅トランジスタ１０３の「ベース、エミッタ間電圧」とバイアストランジスタ１０７の「ベース、エミッタ間電圧」の和、をバイアストランジスタ１０７のベース端子に供給する。つまり、上記電源回路１１２は、この電源回路１１２に使用するトランジスタのベース、エミッタ間電圧(以降、ＶＢＥと呼ぶ)の２倍の電圧をバイアストランジスタ１０７のベース端子に供給する。なお、ここでは、安定化抵抗１０９の電圧降下は無視している。
【００２９】
この実施形態では、図１に示すように、上記電源回路１１２は、第３のトランジスタ１１５と第４のトランジスタ１１６と抵抗素子１１４を有する。この第３のトランジスタ１１５は、コレクタがバイアストランジスタ１０７のベースに接続され、エミッタがグランドに接続されている。また、この第３のトランジスタ１１５のベースは上記第４のトランジスタ１１６のエミッタに接続されている。また、この第３のトランジスタ１１５のコレクタは抵抗素子１３１を介して上記バイアス端子１０８に接続されている。一方、上記第４のトランジスタ１１６は、エミッタが上記抵抗素子１１４を介してグランドに接続されており、コレクタが抵抗素子１３２を介して上記バイアス端子１０８に接続されている。
【００３０】
また、上記電源回路１１２の第３のトランジスタ１１５のベースと第４のトランジスタ１１４のエミッタとの接続点Ｐ０は、スピードアップ回路１２２の出力端子１１８に接続されている。
【００３１】
このスピードアップ回路１２２は、上記出力端子１１８にコレクタが接続された第５のトランジスタ１１９と、この第５のトランジスタ１１９のベースにエミッタが接続された第６のトランジスタ１２０とを有する。上記第５のトランジスタ１１９のエミッタは抵抗素子１３６を介してグランドに接続されている。
【００３２】
また、上記スピードアップ回路１２２は、上記第６のトランジスタ１２０のベースと上記バイアス端子１０８との間に接続された容量素子１２１と、上記第６のトランジスタ１２０のベースと上記バイアス端子１０８との間に直列接続された２つのダイオード１２５,１２６とを有する。
【００３３】
このスピードアップ回路１２２は、上記制御電圧源１３５の制御電圧の立ち上り時(増幅器オン時)に容量素子１２１に電荷が流れ込むことにより、過渡的(一時的)に出力端子１１８から第５のトランジスタ１１９に電流が流れ込み、上記出力端子１１８の電圧値が下がることになる。その結果、第３のトランジスタ１１５のバイアス点の変動により、第３のトランジスタ１１５のコレクタをバイアストランジスタ１０７のベースに接続する接続端子１１７の電圧が一時的に上昇する。これにより、上記立ち上り時に過渡的に、バイアストランジスタ１０７によって増幅トランジスタ１０３に供給される電流が増加する。よって、上記立ち上り時に過渡的に、上記増幅トランジスタ１０３の電力増幅率が上がって、増幅トランジスタ１０３の発熱による温度変動が回路全体で平衡状態になるまでの時間が短縮され、増幅信号(例えば変調波信号)の歪みを低減できる。
【００３４】
ここで、図２に、図１の回路において上記スピードアップ回路１２２を取り去った構成の比較例での増幅トランジスタ１０３の動作電流(コレクタ電流Ｉc３)の過渡応答特性の一例を示す。このスピードアップ回路を持たない比較例では、バイアストランジスタ１０７の温度上昇速度が増幅トランジスタ１０３の温度上昇速度に比べて遅いことに起因して、バイアス回路１１１から増幅トランジスタ１０３に供給される電流値が変化し続けるので、この電流値の変化が信号の歪みの原因となる。
【００３５】
次に、図３に、上記実施形態の電力増幅器での増幅トランジスタ１０３の動作電流(コレクタ電流Ｉc３)の過渡応答特性の一例(シミュレーション結果)を示す。この実施形態では、増幅器オン時にバイアストランジスタ１０７から増幅トランジスタ１０３に供給する電流を強制的に増やすことにより、図２の比較例の過渡応答特性と比較して約１/４の時間で動作電流Ｉc３の値が定常状態になっている。これにより、増幅回路の温度変化による増幅信号の歪みの発生を抑え、バースト動作時の回路の線形性が向上する。すなわち、バイポーラトランジスタを用いた電力増幅器のコレクタ電流変動に伴う利得変動を補償できる。
【００３６】
また、この実施形態の電力増幅器では、上記スピードアップ回路１２２が有する上記容量素子１２１の容量値は、上記電力増幅の立ち上げ時の温度変化による利得の過渡変化をキャンセルするように調整されている。これにより、増幅利得の変動による線形性の悪化をキャンセルし、ダイナミックＥＶＭの値を改善できる。
【００３７】
尚、上記スピードアップ回路１２２が有する容量素子１２１として容量値を変更可能な容量素子としてもよい。この場合には、容量素子１２１の容量値を変更することで、増幅動作の立ち上がり時にスピードアップ回路１２２が、電源回路１１２,バイアス回路１１１によるバイアス電源部が増幅トランジスタ１０３に供給するバイアスを増加させる時間を調整可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】この発明の電力増幅器の実施形態を示す回路図である。
【図２】上記実施形態の比較例の過渡応答特性の一例を示す特性図である。
【図３】上記実施形態の過渡応答特性の一例を示す特性図である。
【符号の説明】
【００３９】
１０１  入力信号端子
１０２  入力整合回路
１０３  増幅トランジスタ
１０４  出力整合回路
１０５  出力信号端子
１０６  コレクタバイアス端子
１０７  バイアストランジスタ
１０８  バイアス端子
１０９  安定化抵抗
１１０  容量素子
１１１  バイアス回路
１１２  電源回路
１１４  抵抗
１１５  第３のトランジスタ
１１６  第４のトランジスタ
１１７  接続端子
１１８  出力端子
１１９  第５のトランジスタ
１２０  第６のトランジスタ
１２１  容量
１２２  スピードアップ回路
１２５,１２６  ダイオード
【図１】
2009200770.tif 000003
【図２】
2009200770.tif 000004
【図３】
2009200770.tif 000005