(57)【要約】【課題】Ｊ級増幅器の効率を向上させる。【解決手段】入力端となるゲートＧ、出力端となるドレインＤ、及びソースＳを有する電界効果トランジスタ部Ｔｒと、前記ドレインＤと前記ソースＳとの間に接続された容量性インピーダンス部Ｃｄｓと、を有してＪ級動作を行う増幅器１であって、前記容量性インピーダンス部Ｃｄｓよりも後段に位置するように、前記ドレインＤに接続されたインダクタＬｓと、前記インダクタＬｓを介して前記容量性インピーダンス部Ｃｓに並列接続されたキャパシタＣｓと、を有し、前記インダクタＬｓは、増幅器１の基本波周波数ｆ0でのインピーダンス２πｆ0Ｌｓが、前記容量性インピーダンス部Ｃｄｓのインピーダンス１／２πｆ0Ｃｄｓ以上の値に設定されている。【選択図】図１
2009094805.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力端となるゲート、出力端となるドレイン、及びソースを有する電界効果トランジスタ部と、
前記ドレインと前記ソースとの間に接続された容量性インピーダンス部と、
を有してＪ級動作を行う増幅器であって、
前記容量性インピーダンス部よりも後段に位置するように、前記ドレインに接続されたインダクタと、
前記インダクタを介して前記容量性インピーダンス部に並列接続されたキャパシタと、
を有し、
前記インダクタは、増幅器の基本波周波数でのインピーダンスが、前記容量性インピーダンス部のインピーダンス以上の値に設定されている
ことを特徴とする増幅器。
【請求項２】
増幅器の基本波周波数をｆ0とし、
前記容量性インピーダンス部の前記基本波周波数ｆ0におけるインピーダンスを、Ｘｄｓとし、
容量性インピーダンス部から出力側にみた前記基本波周波数ｆ0におけるインピーダンスの実部をＺ１（Ｒｅ）としたときに、
下記式を満たす請求項１記載の増幅器。
１  ＜  Ｘｄｓ／Ｚ１（Ｒｅ）
【請求項３】
さらに下記式も満たす請求項２記載の増幅器。
Ｘｄｓ／Ｚ１（Ｒｅ）  ＜  ２．５
【請求項４】
前記電界効果トランジスタ部は、複数の前記電界効果トランジスタを直列接続して構成され、
前記容量性インピーダンス部は、各電界効果トランジスタのドレイン−ソース間に、それぞれキャパシタを接続して構成されている請求項１〜３のいずれか１項に記載の増幅器。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の第１の増幅器と、請求項１〜３のいずれか１項に記載の第２の増幅器と、を並列接続したことを特徴とする増幅器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、増幅器に関するものであり、より具体的にはＪ級動作を行う増幅器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
増幅器は、その動作によって区別され、Ａ級、ＡＢ級、Ｂ級などといわれる。非特許文献１には、Ａ級（Ｃｌａｓｓ  Ａ）、ＡＢ級（Ｃｌａｓｓ  ＡＢ）、Ｂ級（Ｃｌａｓｓ  Ｂ）のほか、Ｃ級（Ｃｌａｓｓ  Ｃ）、Ｄ級（Ｃｌａｓｓ  Ｄ）、Ｅ級（Ｃｌａｓｓ  Ｅ）、Ｆ級（Ｃｌａｓｓ  Ｆ）ＦＤ級（Ｃｌａｓｓ  ＦＤ）が開示され、さらに、Ｊ級（Ｃｌａｓｓ  Ｊ）が開示されている。
【０００３】
非特許文献１におけるＪ級の増幅器の基本回路は、図５に示すとおりである（非特許文献１  p71,figure4.2）。なお、図５では、電界効果トランジスタＴｒは、半波整流電流源として表されている。また、図５に示すＲＬは、基本波（ω0＝２πｆ0）の実効負荷とし、その値は、ＲＬ＝Ｖｄｃ／（Ｉｍａｘ＊０．５）と表すものとする。
また、図中のＩｄ，ＩＦ，Ｉｄｃ，Ｉｃについては、下記式のように表される。
【数１】
2009094805.tif 000003
【０００４】
図５に示すＪ級増幅器の特徴は、電界効果トランジスタＴｒのドレイン−ソース間にＣｄｓが接続されているとともに、Ｘｄｓ＝１／ω0Ｃｄｓとした場合に、Ｘｄｓ／ＲＬが１を超えるように、Ｃｄｓの値が設定されていることである（非特許文献p.68）。
【０００５】
また、図６は、従来のＪ級増幅器の電圧電流波形（ドレイン−ソース電圧Ｖｄｓとドレイン電流Ｉｄの波形）を示している。
【非特許文献１】Steve C. Cripps，"RF Power Amplifiers for Wireless Communications"，Second Edition，（米国），ARTECH House Inc，2006，p.68-77
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来のＪ級増幅器では、図６に示すように電圧波形Ｖｄｓと電流波形Ｉｄが対称的では無かった。つまり、ドレイン−ソース電圧Ｖｄｓとドレイン電流Ｉｄとの位相差が１８０°ではなかった。この結果、電圧波形Ｖｄｓと電流波形Ｉｄとの重なりが生じ、増幅器の効率に関し、改善の余地があった。
【０００７】
そこで、本発明は、Ｊ級動作をする増幅器において、電圧波形と電流波形の重なりを小さくすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、入力端となるゲート、出力端となるドレイン、及びソースを有する電界効果トランジスタ部と、前記ドレインと前記ソースとの間に接続された容量性インピーダンス部と、を有してＪ級動作を行う増幅器であって、前記容量性インピーダンス部よりも後段に位置するように、前記ドレインに接続されたインダクタと、前記インダクタを介して前記容量性インピーダンス部に並列接続されたキャパシタと、を有し、前記インダクタは、増幅器の基本波周波数でのインピーダンスが、前記容量性インピーダンス部のインピーダンス以上の値に設定されていることを特徴とする増幅器である。
【０００９】
上記本発明によれば、前記インダクタは、増幅器の基本波周波数でのインピーダンスが、前記容量性インピーダンス部のインピーダンス以上の値に設定されているため、電圧波形と電流波形の位相差をずらして、電圧波形と電流波形の重なりを小さくすることができる。
【００１０】
また、Ｊ級動作を確保するためには、増幅器の基本波周波数をｆ0とし、前記容量性インピーダンス部の前記基本波周波数ｆ0におけるインピーダンスを、Ｘｄｓとし、容量性インピーダンス部から出力側にみた前記基本波周波数ｆ0におけるインピーダンスの実部をＺ１（Ｒｅ）としたときに、下記式を満たすようにすればよい。
１  ＜  Ｘｄｓ／Ｚ１（Ｒｅ）  
【００１１】
さらに下記式も満たすようにすれば、高効率が得られる。
Ｘｄｓ／Ｚ１（Ｒｅ）  ＜  ２．５
【００１２】
また、前記電界効果トランジスタ部は、複数の前記電界効果トランジスタを直列接続して構成され、前記容量性インピーダンス部は、各電界効果トランジスタのドレイン−ソース間に、それぞれキャパシタを接続して構成されているのが好ましい。
【００１３】
さらに、前述の増幅器を複数並列接続した増幅器とすることもできる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、Ｊ級増幅器において電圧波形と電流波形の重なりを小さくして、効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
図１は、従来のＪ級増幅器を改良した本発明の第１実施形態に係る増幅器１を示している。なお、以下では、実施形態に係る増幅器１の動作級を、「ＥＪ級（Ｃｌａｓｓ  ＥＪ）」というものとする。
【００１６】
図１に示すＥＪ級増幅器１は、例えば、無線通信用の電力増幅器として使用されるものであり、特に、ＧＨｚ帯（例えば、２ＧＨｚ程度）の通信に適したものである。このＥＪ級増幅器１は、電界効果トランジスタ部として一つの電界効果トランジスタＴｒを有している。この電界効果トランジスタＴｒのゲートＧが増幅器１の入力端子Ｐｉｎに接続され、ドレインＤが出力端となっている。電界効果トランジスタＴｒのドレインＤ−ソースＳ間には、容量性インピーダンス部となる第１キャパシタＣｄｓが接続されている。
【００１７】
さらに、ＥＪ級増幅器１は、前記第１キャパシタＣｄｓよりも後段側に位置するように、ドレインＤと出力端子Ｐｏｕｔとの間に接続されたインダクタＬｓを有している。また、ＥＪ級増幅器１は、前記インダクタＬｓを介して、第１キャパシタＣｄｓに並列接続された第２キャパシタＣｓを有している。
【００１８】
つまりＥＪ級増幅回路１では、電界効果トランジスタＴｒの出力側には、第１キャパシタＣｄｓ、インダクタＬｓ、及び第２キャパシタＣｓからなるＣ−Ｌ−Ｃのπ型回路が接続されている。このＥＪ級増幅回路１が、従来のＪ級増幅回路と異なる点は、インダクタＬｓ及び第２キャパシタＣｓからなるＬＣ回路３が追加されている点にある。
なお、図１では、ＥＪ級増幅回路１に接続される出力負荷（整合回路）をＲＬ１として示した。
【００１９】
さて、図６に示すように従来のＪ級増幅器において生じていた電圧波形Ｖｄｓと電圧波形Ｉｄの重なりを小さくするため、本実施形態のＥＪ級増幅器１では、インダクタＬｓの値を適切に設定することにより、図１のインピーダンスＺ０（電界効果トランジスタのドレインＤ・ソースＳから出力側にみたインピーダンス）が容量性になるようにしている。
つまり、本実施形態では、インダクタＬｓの基本波周波数でのインピーダンス（２πｆ0Ｌｓ＝ω0Ｌｓ）が、容量性インピーダンス部Ｃｄｓのインピーダンス（Ｘｄｓ＝１／２πｆ0Ｃｄｓ＝１／（ω0Ｃｄｓ））以上の値になるように設定されている。
つまり、本実施形態では、ω0Ｌｓ≧１／（ω0Ｃｄｓ）に設定されている。
【００２０】
以下、従来のＪ級増幅器において生じていた電圧波形Ｖｄｓと電圧波形Ｉｄｓの重なりを小さくするために、ω0Ｌｓ≧１／（ω0Ｃｄｓ）とすればよいことについて、詳しく説明する。
【００２１】
まず、図６に示す電圧波形Ｖｄｓと電流波形Ｉｄとでは、ピーク同士の位相差Δθが１３３ｄｅｇであり、これらの波形の位相差Δθを１８０ｄｅｇにして、電圧波形Ｖｄｓと電流波形Ｉｄの重なりを無くすには、電流波形Ｉｄの位相を、約４５ｄｅｇずらせばよい。つまり、電流波形Ｉｄを図６の右へ４５ｄｅｇシフトすればよい。
【００２２】
電流波形Ｉｄの位相を、約４５ｄｅｇずらせばよい理由は下記のとおりである。
すなわち、Ｊ級増幅器の電圧波形Ｖｄｓ（図６参照）を式で表すと、下記式（１）次のとおりである。
【数２】
2009094805.tif 000004
【００２３】
上記式（１）から、電圧波形Ｖｄｓ（θ）がピークとなる位相θｖｐを求める。ピーク位相θｖｐを求めるには、下記式（２）（３）を解けばよい。
【数３】
2009094805.tif 000005
【数４】
2009094805.tif 000006
【００２４】
つまり、式（２）より、
【数５】
2009094805.tif 000007
であり、式（３）より、
【数６】
2009094805.tif 000008
である。
【００２５】
一方、図６に示す従来のＪ級動作時のパラメータは、それぞれ下記のとおりである。
【数７】
2009094805.tif 000009
【００２６】
上記パラメータを、式（４）及び（５）に代入すると、θｖｐ＝３１７［ｄｅｇ］が得られる。したがって、電圧波形Ｖｄｓのピーク位相θｖｐと電流波形Ｉｄのピーク位相θｉｐの差Δθは、図６に示すように１３３ｄｅｇとなる。したがって、電圧波形Ｖｄｓと電流波形Ｉｄを反転させてΔθ＝１８０ｄｅｇとするためには、電圧波形Ｖｄｓと電流波形Ｉｄとの位相関係を、従来のＪ級動作の場合よりも、約４５ｄｅｇ（≒４７ｄｅｇ＝（１８０ｄｅｇ−１３３ｄｅｇ））ずらせばよい。
【００２７】
そして、本実施形態では、電圧波形Ｖｄｓと電流波形Ｉｄとの位相関係を４５ｄｅｇずらすため、図１のインピーダンスＺ０に関し、２倍波（２×ω0）でのインピーダンスＺ０（２×ω0）を容量性（２倍波位相がほぼ−９０ｄｅｇ）にしている。２倍波インピーダンスＺ０（２×ω0）を容量性にすると、電流波形Ｉｄ（基本波ω0）は、４５ｄｅｇのシフト（図６での右シフト）が生じる。
増幅回路１にＪ級動作をさせつつ、２倍波インピーダンスＺ０（２×ω0）を十分な容量性にするには、本発明者の検討の結果、ω0Ｌｓ≧１／ω0Ｃｄｓ（ＥＪ級条件１）とすればよいことが判明した。ω0Ｌｓ≧１／ω0Ｃｄｓとすることで、第１キャパシタＣｄｓから出力側にみたインピーダンスＺ１に関し、｜Ｚ１（２ω0）｜が、１／（２ω0Ｃｄｓ）に比べ、十分大きな値になる。
【００２８】
また、ＥＪ級は、Ｊ級動作を前提とするため、従来のＪ級増幅器にインダクタＬｓ及び第２キャパシタＣｓを追加してもＪ級動作条件の成立が必要である。ここで、図５に示す従来のＪ級増幅器では、Ｊ級の動作条件は、Ｘｄｓ＝１／ω0Ｃｄｓとおいた場合に、Ｘｄｓ／ＲＬ＞１であった。
本実施形態のＥＪ級増幅器１では、従来のＪ級増幅器のＲＬに相当するのは、第１キャパシタＣｄｓから出力側にみたインピーダンスＺ１の実部Ｚ１（Ｒｅ）である。
したがって、ＥＪ級増幅器１が、Ｊ級動作条件を維持するためには、Ｘｄｓ／Ｚ１（Ｒｅ）＞１（ＥＪ級条件２＝Ｊ級動作条件）であり、この条件を満たせば、インダクタＬｓ及び第２キャパシタＣｓが追加されても、最大の電力を供給できる。
【００２９】
Ｚ１（Ｒｅ）は、図１の回路の場合、具体的には、Ｚ１（Ｒｅ）＝ＲＬ１・Ｘｃｓ2／（ＲＬ１2＋Ｘｃｓ2）によって求まる。なお、Ｘｃｓ＝１／ω0Ｃｓである。
【００３０】
また、Ｘｄｓ／Ｚ１（Ｒｅ）が２．５を超えると、効率の劣化が始まるので、Ｘｄｓ／Ｚ１（Ｒｅ）＜２．５であるのが好ましい。つまり、１＜Ｘｄｓ／Ｚ１（Ｒｅ）＜２．５とすることで、ＥＪ級増幅器をＪ級動作条件で動作させつつ、効率劣化を防止できる。
なお、Ｘｄｓ／Ｚ１（Ｒｅ）を１以下とした場合、Ｂ級増幅器となる。
【００３１】
図１のＥＪ級増幅器では、例えば、基本波周波数２．０［ＧＨｚ］、第１キャパシタＣｄｓ＝１０ｐＦ、出力負荷ＲＬ１＝５０Ωとした場合、インダクタＬｓは０．７［ｎＨ］以上とし、第２キャパシタＣｓは４［ｐＦ］以上とすることで、Ｊ級動作においてＥＪ級条件１であるω0Ｌｓ≧１／ω0Ｃｄｓを満たすことができる。そして、上記条件では、２倍波位相（φ２）として、−８０ｄｅｇ程度以上を確保でき、電圧波形Ｖｄｓと電流波形Ｉｄの重なりを小さくできる。
また、Ｃｄｓ＝１０ｐＦ、ＲＬ１＝５０Ωの条件では、Ｃｓを４〜６［ｐＦ］とすることで、Ｘｄｓ／Ｚ１（Ｒｅ）＜２．５の条件も満たし、高効率を得ることができる。
【００３２】
なお、インダクタＬｓは、できるだけ大きい方が、２倍波位相が−９０ｄｅｇにより近くなるため、第１キャパシタＣｄｓ＝１０ｐＦ、出力負荷ＲＬ１＝５０Ωとした例では、Ｌｓは０．８［ｎＨ］以上であるのが好ましい。この場合、２倍波位相（φ２）として−８５ｄｅｇ以上が確保され、電圧波形と電流波形の重なりを非常に小さくできる。
【００３３】
つまり、２倍波位相（φ２）として−８０ｄｅｇ以上好ましくは−８５ｄｅｇ以上を確保できるようにインダクタＬｓの値を設定するとともに、Ｘｄｓ／Ｚ１（Ｒｅ）＜２．５の条件も満たすように第２キャパシタＣｓの値を設定することで、電圧波形と電流波形の重なりを小さくしつつ、高効率なＥＪ級増幅器が実現できる。
なお、インダクタＬｓの上限としては例えば、１［ｎＨ］を採用できるが、特に限定されるものではない。
【００３４】
図２は、２倍波位相を−９０ｄｅｇとしたＥＪ級増幅回路１の電圧電流波形を示している。図２から明らかなように、電圧波形Ｖｄｓと電流波形Ｉｄとの重なりが、図６に比べて小さくなっている。この結果、ＥＪ級増幅回路１では、従来のＪ級増幅回路に比べて、９％程度最大効率を上昇させることができた。
【００３５】
図３は、第２実施形態に係る増幅器１０を示している。この増幅器１０においては、電界効果トランジスタ部は、複数（２個）の電界効果トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２を直列接続して構成され、容量性インピーダンス部は、各電界効果トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２のドレイン−ソース間に、それぞれキャパシタＣｄｓ１，Ｃｄｓ２を接続して構成されている。
【００３６】
この第２実施形態によれば、キャパシタＣｄｓ１，Ｃｄ２のキャパシタンスを、例えば、Ｃｄｓ１＝Ｃｄｓ２＝図１のＣｄｓ、とすると、第２実施形態における容量性インピーダンス部のキャパシタンスＣｄｓは、図１のＣｄｓのキャパシタンスに比べて、半分になる。したがって、第２実施形態における容量性インピーダンス部のドレインソース間容量性インピーダンス（１／２πｆ0Ｃｄｓ）を大きくすることができる。
なお、第２実施形態において、Ｃｄｓ１＝Ｃｄｓ２である必要はない。また、第２実施形態において説明を省略した点については、第１実施形態と同様である。
【００３７】
図４は、第３実施形態に係る増幅器２０を示している。この増幅器２０は、図１に示す増幅器１と同様の増幅器１ａ，１ｂを複数個（２個）並列接続して構成して、並列動作するように構成したものである。この増幅器２０において、各増幅器１ａ，１ｂには、共通の入力端子Ｐｉｎから入力が与えられる。また、各増幅器１ａ，１ｂの出力Ｐ１ｏｕｔ，Ｐ２ｏｕｔは、合成されて共通の出力Ｐｏｕｔとなる。
この増幅器２０のように複数の増幅器１ａ，１ｂを並列動作させることで高出力が得られる。
なお、各増幅器１ａ，１ｂについて説明を省略した点については、記述の実施形態と同様である。
【００３８】
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】第１実施形態に係るＥＪ級増幅器の回路図である。
【図２】ＥＪ級増幅器の電圧電流波形図である。
【図３】第２実施形態に係るＥＪ級増幅器の回路図である。
【図４】第３実施形態に係るＥＪ級増幅器の回路図である。
【図５】従来のＪ級増幅器の回路図である。
【図６】従来のＪ級増幅器の電圧電流波形図である。
【符号の説明】
【００４０】
１：ＥＪ級増幅器、３：ＬＣ回路、Ｔｒ：電界効果トランジスタ部、Ｃｄｓ：容量性インピーダンス部、Ｌｓ：インダクタ、Ｃｓ：キャパシタ、ＲＬ１：出力負荷、基本周波数：ｆ0
【図１】
2009094805.tif 000010
【図２】
2009094805.tif 000011
【図３】
2009094805.tif 000012
【図４】
2009094805.tif 000013
【図５】
2009094805.tif 000014
【図６】
2009094805.tif 000015