S-NAP Microwave Suite Application Report 40
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「Push Pull 方式－超低ひずみ広帯域ｱﾝﾌﾟ」のﾄﾗﾝｼﾞｽﾀ･ｱﾝﾌﾟと GaAs FET ｱﾝﾌﾟの性能比較 並びにHB 解析による高調波歪と相互変調歪の詳細解析

MEL Inc. 2019

１．序文
ﾄﾗﾝｽ結合方式 Push Pull 平衡増幅器は、その動作原理から偶数次高調波を除去する低歪ｱﾝﾌﾟとして様々な用途にFig.1適用されている。本報では、VHF/UHF 帯～BS/CS－IF帯におよぶ帯域数 GHz の広帯域ｱﾝﾌﾟにおける、高調波－超低歪の実現を目標とする。具体的には、ﾏｲｸﾛ波 Bipolar
Transistor を用いた広帯域ｱﾝﾌﾟと GaAs FET を用いた広帯域ｱﾝﾌﾟにこの Push Pull 方式ｱﾝﾌﾟを採用して、高調波や相互変調歪等の低減を達成した超低歪広帯域ｱﾝﾌﾟのSNAP 設計方法を紹介する。併せて Harmonic Balance
解析法を適用して高調波歪や相互変調歪の検討･解析について詳説する。
２．GaAs FET の非線形ﾓﾃﾞﾙの作成(1)GaAs FET は、HEMT に比べて高周波性能は若干劣るが、増幅出力0dBm－10dBm の小中ﾚﾍﾞﾙにおける直線性に優れており、また MOS
FET や J FET に比して高周波性能が格段に優れている。このような観点から中出力超広帯域ｱﾝﾌﾟに適用す

Fig.2る増幅ﾃﾞﾊﾞｲｽとして GaAs FET を選んだ。最近では、超高周波帯の増幅ﾃﾞﾊﾞｲｽの主力が HEMT や HBT に移行しているために、各半導体ﾒｰｶのWeb Site において GaAs FET のﾃﾞｰﾀｼｰﾄや S ﾊﾟﾗﾒｰﾀの設計資料を入手することが困難になっている。辛うじて NEC の系列会社
Fig.3の California Eastern Laboratoriesのﾎｰﾑﾍﾟｰｼﾞから、貴重な GaAs FET－NE71383B の非線形ﾃﾞｰﾀ（図１)や高周波ﾃﾞｰﾀ［S ﾊﾟﾗﾒｰﾀ他］を入手することができた。
(2) NE71383B の非線形ﾃﾞｰﾀを使用して、図２に示すﾊﾟｯｹｰｼﾞの寄生素子を含めた等価回路[SUBCKT に適用]を作った。この等1Fig.4
価 回 路 な ら び に 、 図 １ 記 載 の FETNONLINEAR

MODELParameterをSNAP ｴﾚﾒﾝﾄ記載の GaAs 電解効果ﾄﾗﾝｼﾞｽﾀに合わせて改良した GaAs FET core を適用した、図 3 の Non Linear Library を用意した。併せてこの Non Linear Library を回路図上に表現する GaAs FET の Symbol（図４）も準備した。
３．Push Pull 方式超広帯域ｱﾝﾌﾟの広帯域性能の比較検討
3.1

ﾄﾗﾝｼﾞｽﾀｱﾝﾌﾟの構成ならびに高周波特性(1) Bipolar Transistor には高周波で標準品として多用されており、Fig.5

UHF 帯で 20dBm 程度の出力が得られる 2SC3356［NEC 製］を使用した。LR 回路で並列帰還をかけて、所用帯域内のｹﾞｲﾝを平坦にしたﾄﾗﾝｼﾞｽﾀ･ｱﾝﾌﾟ 2 段を、R5/C5 から成る周波数特性補償回路で接続して超広帯域ｱﾝﾌﾟを構成する。この超広帯域ｱﾝﾌﾟを 2系列用意し、これらの入出力をﾄﾗﾝｽで接続して平衡増幅器［差動ｱﾝﾌﾟとして働く］として作動

Fig.6

させる Push Pull 方式広帯域超低歪ｱﾝﾌﾟ（図５）を形成する。
(2) 各段ｱﾝﾌﾟの LR 回路－並列帰還の各定数と、前記補償回路の定数を、ﾁｭｰﾆﾝｸﾞ機能で最適化する。その結果、図６に示すように、ｹﾞｲﾝ約 24dB で 3dB 通過帯域約 50MHz－1.1GHz の良好な広帯域性能を得た。

2

3.2

GaAs FET ｱﾝﾌﾟの構成ならびに高周波特性(1) 増幅ﾃﾞﾊﾞ ｲｽは今回準備した

Fig.7

GaAs FETNE71383B を適用する。LR 回路で並列帰還をかけて、所用帯域内のｹﾞｲﾝを平坦にした、GaAs FET ｱﾝﾌﾟを２系列用意し、各々の入出力をﾄﾗﾝｽで接続して平衡増幅器を構成する。この平衡増幅器を２段縦列接続して、図 7 に示す Push Pull 方式超広帯域ｱﾝﾌﾟを形成する。
Fig.8(2) 各段ｱﾝﾌﾟの LR 回路（並列帰還回路）の各定数と、段間ﾄﾗﾝｽおよび出力ﾄﾗﾝｽのｲﾝﾀﾞｸﾀﾝｽ／巻線比等の定数を、ﾁｭｰﾆﾝｸﾞ機能を用いて最適化［ｹﾞｲﾝの帯域内偏差の最小化等］をおこなう。
その結果、図 8 に示すように、ｹﾞｲﾝ約 23dB で、3dB 通過帯域約 300MHz－2.7GHz の最良の広帯域性能が得られた。
４．HB 解析を適用した広帯域ｱﾝﾌﾟの各種ひずみの解析･検討方法
4.1

Fig.9

高調波歪の解析条件と解析詳細(1)信号条件の設定[A]高調波歪解析に対する信号条件は、図９に示す
ように入力ﾎﾟｰﾄ PT1 について、正弦波信号 Vi［ﾄﾗﾝｼﾞｽ･ｱﾝﾌﾟでは 250MHz、GaAs FET ｱﾝﾌﾟでは800MHz］を割り付ける。振幅は-50dBm に仮設定するが、HB 解析ではこれに限定されずに最適範囲をｽｨｰﾌﾟ［可変］する。

Fig.10[B]相互変調歪解析に対する信号条件は、図 10 に示

3

すように入力ﾎﾟｰﾄ PT1 について、隣接 2 波［ﾄﾗﾝｼﾞｽ･ｱﾝﾌﾟでは⊿f＝f2－

Fig.11

f1＝6MHz(映像信号を想定)として、f1＝800MHz／f2＝806MHz、GaAs
FET ｱﾝﾌﾟでは f1＝1000MHz／f2＝1006MHz］を割り付ける。同様に振幅は-50dBm に仮設定するが、HB
解析ではこれに限定されずに最適範囲をｽｨｰﾌﾟ［可変］する。
(2)HB 解析の最適条件

Fig.12

HB 解析の最適条件は、対象回路や対象特性に合わせて多少異なるが、概ね図 11のように設定すれば、高精度の解析結果が得られる。
ｽｨｰﾌﾟｿｰｽ信号名は、前述の信号割付に従って、Vi とVTi に変更する。なおｽｨｰﾌﾟ
設定の範囲［信号ﾚﾍﾞﾙ］のｽﾀｰﾄ値とｽﾄｯﾌﾟ値は、HB 解析の結果が収束しないときには、解析が収束するようにｽﾄｯﾌﾟ値を小さくするとよい。
(3)ｸﾞﾗﾌ表示条件の設定
表示式［図 12］のﾌﾟﾛｼﾞｪｸﾄから表示機能をFig.13選定し、これに合わせて表示するｸﾞﾗﾌの種類とｸﾞﾗﾌのﾘﾌｧﾚｽやｽｹｰﾙを適切にして、最良のｸﾞﾗﾌを表示できるように表示環境を設定する。高調波の第 n 次歪や、相互変調歪の IM3
等 は 、 AC[Vo] に 後 続 す る 周 波 数 成 分 ＜Freq----＞を吟味考察して最適なものを選定する。なお、 ｸﾞﾗﾌのﾃﾞｨﾒﾝｼﾞｮ ﾝを表す、dBm(AC[Vo]［2］,50)は、50Ωの負荷ｲﾝﾋﾟｰ4ﾀﾞﾝｽに対する信号成分 AC[Vo]［2］の電力絶対値表示を意味する。
4.2

ﾄﾗﾝｼﾞｽﾀ広帯域ｱﾝﾌﾟの歪特性(1)本ｱﾝﾌﾟは Push Pull 方式の平衡増幅器になっているので、HB 解析で求めた高調波歪特性は、Fig.14

偶数次の高調波は基本波に比して-300dB 以下と僅少である。奇数次の高調波も、図 13 に示すように、3 次高調波が、出力 0dBm のﾚﾍﾞﾙで-70dB と良好な値になっている。
(2) HB 解析で求めた相互変調歪特性は、図 14 に示すように、出力 0dBm のﾚﾍﾞﾙにおいて-65dB と良好な値を示している。
4.3GaAs FET 広帯域ｱﾝﾌﾟの歪特性(1)HB 解析で求めた高調波歪特性は同様に、偶数次の高調波は基本波に比して-300dB 以下と僅少である。奇数次の高調波は図 15 に示すように、3 次高Fig.15調波が、出力 0dBm のﾚﾍﾞﾙにおいて、-93dB と極めて低い歪値を示している。ﾄﾗﾝｼﾞｽﾀ･ｱﾝﾌﾟに比して20dB 以上歪が少ないことが判るが、これは FET がV－I の二乗特性で動作し、本質的に奇数次高調波を発生させないことに起因する。
(2) HB 解析で求めた相互変調歪特性は、図 16 に示すように、出力 0dBm のﾚﾍﾞﾙにおいて-65dB と、ﾄﾗﾝｼﾞｽﾀ･ｱﾝﾌﾟと同様に良好な値を示している。
５．HB 解析の纏めと考察(1)GaAs FET を使用したｿｰｽ接地回路に、並列負帰還を適用することによって、帯域数 GHz に及ぶFig.16ﾏｲｸﾛ波広帯域ｱﾝﾌﾟを達成することが可能であることが分かった。
(2)GaAs FET のﾃﾞｰﾀｼｰﾄから抽出した Non-Linear Model Parameter を使用して、Spice5

Parameter を抽出し GaAs FET の非線形ﾓﾃﾞﾙを形成する。この GaAs FET を用いて広帯域ｱﾝﾌﾟを構成し、S ﾊﾟﾗﾒｰﾀ解析／Harmonic Balance 解析を適用することで、ｱﾝﾌﾟのﾘﾆｱ特性並びに非線形特性を、高精度に解析できることが明らかになった。
(3)前記の広帯域ｱﾝﾌﾟを使用して、Push Pull 方式－平衡増幅回路を構成することにより、高調波歪および相互変調歪を大幅に改良できることが判った。
(4)SNAP は、Non Linear Library を適用して GaAs FET 等の増幅素子の非線形ﾓﾃﾞﾙを形成し、それを使用して高周波･広帯域ｱﾝﾌﾟを容易に構成することができる。S ﾊﾟﾗﾒｰﾀ解析／
HB 解析を適用することで、そのｱﾝﾌﾟの高周波性能や各種歪性能を、高精度且つｽﾋﾟｰﾃﾞｨに解析できることを検証した。
－以上－

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