JP2005311689A

JP2005311689A - 高耐圧力スコード型増幅回路

Info

Publication number: JP2005311689A
Application number: JP2004125688A
Authority: JP
Inventors: Shinji Kamiya; 真司神谷; Kimitaka Fukumi; 公孝福見
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2004-04-21
Filing date: 2004-04-21
Publication date: 2005-11-04

Abstract

【課題】各トランジスタの型式として耐圧の異なるものを採用することで、高周波デバイスでは必須とされる高出力電力（パワー）を確保することを可能にする高周波出力回路を提供する。
【解決手段】カスコード型増幅回路１は、出力端（ドレインＤ）の電圧振幅は小さいことに応じて設けられる入力側の通常耐圧ＭＯＳトランジスタ１１と、出力側の高耐圧ＭＯＳトランジスタ１２とから構成されている。高耐圧ＭＯＳトランジスタ１２によって、大出力電圧振幅を発生できるように負荷インピーダンスを高く設定でき、増幅回路全体の利得を高くすることができる。また、出力電圧振幅を大きくすることで、所望の出力電力を得るための電流振幅を小さく抑えることができ、負荷１３に含まれる寄生抵抗成分による損失の影響を受けにくくし、増幅回路の効率を上げることができる。
【選択図】図１

Description

この発明は、高周波増幅作用を奏し、特に高周波電力増幅回路部において使用されることがあるカスコード型増幅回路に関する。

昨今、携帯電話やＰＤＡのようなモバイル機器においてワイヤレス通信が盛んになっているが、機器の更なる小型化、バッテリーによるより一層の長時間動作が大きな課題となっている。こうした中で、ワイヤレス通信の要となる回路の一つとして、高周波増幅回路についても高利得化、高効率化が非常に重要になってきている。

従来、２個のトランジスタ１０１，１０２を用いて構成される増幅回路として、図５に示すように両トランジスタ１０１，１０２を直列接続したカスコード型増幅回路１００が用いられている。下側のトランジスタ１０１のゲートが電圧駆動され、上側のトランジスタ１０２のゲートがＧＮＤに交流的に短絡されている。高周波回路においては、ドレイン／ゲート（コレクタ／ベース）間にミラー容量と称される浮遊容量が存在する。高周波回路の出力信号がこうしたミラー容量を介して帰還することによって出力が低下する問題や入力信号や出力信号及びその途中の信号伝播部において信号が干渉する問題があるので、高周波回路の設計には、通常のＩＣ回路における設計と比較しても一層の注意が必要とされている。図５に示すようなカスコード型増幅回路１００では、トランジスタ１０１のドレインの負荷としてトランジスタ１０２のソースが接続されているので、トランジスタ１０１のドレイン電圧の変化が小さく、トランジスタ１０１におけるミラー容量による高周波域における利得の減衰を抑えることができる。また、トランジスタ１０２のドレイン電圧が変化してもトランジスタ１０１のドレイン電圧の変化が小さく、従って両トランジスタ１０１，１０２のドレイン電流の変化は小さいので、負荷側から見たトランジスタ１０２の出力インピーダンスは極めて高くなる。こうした特性を利用して、一般に高周波におけるゲインを確保する場合や、出力インピーダンスを高く設計する場合に、カスコード型増幅回路が用いられる。

図５に示すようなカスコード型増幅回路１００は一般に良い高周波特性を備えているので、高周波増幅回路としてインダクタを用いた誘導性負荷回路を接続することが多い。誘導性負荷回路を接続する場合、通常の周波数やＩＣでは問題とならないような高周波特有の問題として、ミラー容量による利得の減衰や、瞬間的なピーク電圧の発生という問題が生じる。ピーク電圧については、トランジスタ１０２の出力端（ドレイン又はコレクタ）の電圧は入力信号の振幅に応じて瞬時的には電源電圧の２倍以上高いところまで達し、トランジスタ１０２の耐圧電圧を超える可能性がある。これらの問題を避けるため、従来の回路設計では、デバイスの構成を変更したりプロセスや回路構成について対策を施すことなく、出力信号の水準が問題を生じない動作状態となるような対策を施すことが行われている。即ち、図５に示すようなカスコード型増幅回路１００であれば、信号入力用の第１段目のトランジスタ１０１に対して第２段目のトランジスタ１０２の動作条件を変更したり、出力に接続されている負荷自体の制限、例えば、トランジスタ１０２の出力端から負荷側を見たインピーダンスを低くすることにより、出力電流振幅を大きくして出力電圧振幅を抑えるという設計上の対策が採用されている（非特許文献１）。
トリケップス企画部編集、「携帯無線端末のＣＭＯＳ化のためのアナログ回路設計技術」、株式会社トリケップス、１９９９年１２月２６日、ｐ．１８２「５．２カスコード型増幅回路」、ｐ．２０８−２０９「３．２ＰＡのＭＯＳ化」

しかしながら、このような動作条件や接続負荷の変更という設計上の対策では、増幅回路の利得が低下するばかりかトランジスタに大きな電流を流す必要があり、その結果、消費電流が増え、大きな電流が負荷インダクタに流れることにより、インダクタの寄生抵抗成分で電力損失が大きく、高周波デバイスでは必須とされる高出力電力（パワー）を確保することが困難である。この出力不足は、インダクタを集積回路チップ上の内蔵するＭＭＩＣ（ＭｏｎｏｌｉｔｈｉｃＭｉｃｒｏｗａｖｅＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）の場合では特に大きな問題となってくる。またトランジスタ１０１、トランジスタ１０２のいずれも高耐圧のものを用いることも従来から行われてきたが、一般にトランジスタの耐圧電圧を上げるとドレイン電流に比例してトランスコンダクタンスｇｍが低下し、増幅回路の利得が低下するため、この場合は増幅器としての性能をある程度犠牲にしなければならなかった。

そこで、二つのトランジスタ直列接続したカスコード増幅回路から成る高周波出力回路において、各トランジスタの型式として耐圧の異なるものを採用することで、上記の動作条件や接続負荷の変更を踏み越えた対策を図る点で解決すべき課題がある。

この発明の目的は、各トランジスタの型式として耐圧の異なるものを採用することで、高周波デバイスでは必須とされる高出力電力を確保することを可能にする高周波出力回路を提供することである。

上記の課題を解決するため、この発明による高周波出力回路は、二つのトランジスタを直列接続したカスコード増幅回路から成る高周波出力回路において、出力側の負荷に接続される前記トランジスタを入力側の前記トランジスタに比べて高耐圧型としたことを特徴としている。

この高周波出力回路によれば、出力側の負荷に接続されるトランジスタを入力側のトランジスタに比べて高耐圧型としているので、入力側の信号変動に応じて出力側のトランジスタに高い電圧が印加されてもこれに耐えることができる。これにより出力側に接続される負荷を調節して出力電圧振幅を大きくすることができ、その分、出力電流振幅を小さくすることができる。したがって、従来と同程度のパワーを得るのに流すべき電流、即ち負荷インダクタに流れる電流を従来のものと比較して抑えることができ、インダクタの寄生抵抗成分による電力損失が小さくなり、高周波デバイスでは必須とされる高出力電力を確保することができると同時に電力損失が少ない分、利得も高くできる。

上記高周波出力回路において、入力側の前記トランジスタを通常耐圧ＭＯＳトランジスタとし、出力側の前記トランジスタを高耐圧ＭＯＳトランジスタとすることができる。即ち、この高周波出力回路は、入力側と出力側のトランジスタの組合せとして、同じ種類であるＭＯＳトランジスタを採用し且つ入力側を通常耐圧型とし出力側を高耐圧とした組合せである。

この高周波出力回路において、入力側の前記トランジスタを通常耐圧バイポーラトランジスタとし、出力側の前記トランジスタを高耐圧バイポーラトランジスタとすることができる。即ち、この高周波出力回路は、入力側と出力側とのトランジスタの組合せとして、同じ種類であるバイポーラトランジスタを採用し且つ入力側を通常耐圧型とし出力側を高耐圧とした組合せである。

この高周波出力回路において、入力側の前記トランジスタを通常耐圧ＭＯＳトランジスタとし、出力側の前記トランジスタを高耐圧バイポーラトランジスタとすることができる。即ち、この高周波出力回路は、入力側と出力側とのトランジスタの組合せとして、入力側と出力側にそれぞれＭＯＳトランジスタとバイポーラトランジスタとの異なる種類を採用し且つ入力側を通常耐圧型とし出力側を高耐圧とした組合せである。

この高周波出力回路において、入力側の前記トランジスタを通常耐圧バイポーラトランジスタとし、出力側の前記トランジスタを高耐圧ＭＯＳトランジスタとすることができる。即ち、この高周波出力回路は、入力側と出力側とのトランジスタの組合せにおいて、入力側と出力側にそれぞれバイポーラトランジスタとＭＯＳトランジスタとの異なる種類を採用し且つ入力側を通常耐圧型とし出力側を高耐圧とした組合せである。

この発明は、上記のように構成されているので、カスコード型増幅回路のような高周波出力回路において、出力側のトランジスタは印加され得る高電圧に耐えることができるので、負荷インダクタに流れる電流を従来のものと比較して抑えることができ、インダクタの寄生抵抗成分による電力損失が小さくなり、高出力電力（パワー）を確保すると共に、回路の高利得化、高効率化を得ることができる。その結果、作動条件を変更したり負荷を制限する等の制約が少なくなり、高周波デバイスとしての設計の自由度が向上し、その結果、出力電力も大きくすることができるなど、デバイスとしての特性も向上させることができる。更に、モバイル機器のワイヤレス通信においては、高周波増幅回路の高利得化、高効率化を図って、機器の小型化、バッテリーによる長時間動作等の時代のニーズに応えることができる。特に送信出力電力が１０ｍＷを超える通信機器では、機器全体の消費電流に対して送信用高周波電力増幅回路での消費電流割合が大きく、この回路での高効率化はバッテリーの長時間動作のために非常に有効である。

以下、添付した図面に基づいて、この発明による高周波出力回路の実施例を説明する。図１はこの発明による高周波出力回路の一実施例を示す回路図である。高周波出力回路は、カスコード型増幅回路として構成されている。

図１に示す高周波出力回路としてのカスコード型増幅回路１は、二つのトランジスタを同種類のＭＯＳトランジスタ１１，１２で実現した場合の例である。カスコード型増幅回路１において、入力側のＭＯＳトランジスタは通常耐圧ＭＯＳトランジスタ１１であり、そのゲートＧに入力電圧Ｖｉｎが印加され、ソースＳが接地されている。また、ＭＯＳトランジスタ１１のドレインＤには、出力側の高耐圧ＭＯＳトランジスタ１２のソースＳが接続されている。高耐圧ＭＯＳトランジスタ１２のゲートＧには固定電位が印加されており、高耐圧ＭＯＳトランジスタ１２のドレインＤには負荷１３が接続されている。

カスコード型増幅回路１における利得は、ほぼトランジスタのトランスコンダクタンスｇｍと負荷インピーダンスで決まるが、入力側のトランジスタ１１の出力端（ドレインＤ）の電圧振幅は小さいため、トランジスタ１１の耐圧電圧は小さいものを使用することができる。したがって、トランジスタ１１としては、高い値のトランスコンダクタンスｇｍを持つ通常耐圧ＭＯＳトランジスタ用いることができる。一方、出力側のトランジスタ１２としては、そのトランスコンダクタンスｇｍが増幅回路全体の増幅率に殆ど寄与しないため、トランジスタ１２のみを高耐圧ＭＯＳトランジスタにすることで、大きな出力電圧振幅を発生できるように負荷インピーダンスを高く設定でき、よって増幅回路全体の利得を高くすることができる。そればかりか、出力電圧振幅を大きくすることで、所望の出力電力を得るための電流振幅を小さく抑えることができ、同時に所望の線形性を得るためのドレインＤ電流を小さく抑えることができる。これは電源の消費電流を抑える効果のみならず、負荷１３に流れる電流を抑えることにより、負荷１３に含まれる寄生抵抗成分による損失の影響を受けにくくし、増幅回路の効率を上げることができる。

図２は、この発明による高周波出力回路の別の実施例を示す回路図である。図２に示す高周波出力回路としてのカスコード型増幅回路２は、入力側のトランジスタを通常耐圧バイポーラトランジスタ２１とし、出力側のトランジスタを高耐圧バイポーラトランジスタ２２として構成されている。通常耐圧バイポーラトランジスタ２１においては、図１に示すカスコード型増幅回路１の場合と同様、そのベースＢに入力電圧Ｖｉｎが印加され、エミッタＥが接地され、コレクタＣに高耐圧バイポーラトランジスタ２２のエミッタＥが接続されている。高耐圧バイポーラトランジスタ２２においては、ベースＢが固定電位に設定されており、コレクタＣが出力とされていると共に負荷２３が接続されている。カスコード型増幅回路２の作用は、図１に示すカスコード型増幅回路１の作用と同等である。

図３は、この発明による高周波出力回路の更に別の実施例を示す回路図である。図３に示す高周波出力回路としてのカスコード型増幅回路３は、入力側と出力側とで種類の異なるトランジスタが用いられており、入力側のトランジスタを通常耐圧ＭＯＳトランジスタ３１とし、出力側のトランジスタを高耐圧バイポーラトランジスタ３２としている。入力側の通常耐圧ＭＯＳトランジスタ３１は、図１に示すカスコード型増幅回路１の場合と同様、ゲートＧに入力電圧Ｖｉｎが印加され、ソースＳが接地されている。通常耐圧ＭＯＳトランジスタ３１のドレインＤが、出力側の高耐圧バイポーラトランジスタ３２のエミッタＥに接続されている。高耐圧バイポーラトランジスタ３２は、図２に示すカスコード型増幅回路２の場合と同様、ベースＢが固定電位に設定されており、コレクタＣが出力とされていると共に負荷３３が接続されている。カスコード型増幅回路３の作用は、図１に示すカスコード型増幅回路１の作用と同等である。

図４は、この発明による高周波出力回路の他の実施例を示す回路図である。図４に示す高周波出力回路としてのカスコード型増幅回路４は、入力側と出力側とで種類の異なるトランジスタが用いられており、入力側のトランジスタを通常耐圧バイポーラトランジスタ４１とし、出力側のトランジスタを高耐圧ＭＯＳトランジスタ４２としている。入力側の通常耐圧バイポーラトランジスタ４１は、図２に示すカスコード型増幅回路１の場合と同様、ベースＢに入力電圧Ｖｉｎが印加され、エミッタＥが接地されている。通常耐圧バイポーラトランジスタ４１のコレクタＣが、出力側の高耐圧ＭＯＳトランジスタ４２のソースＳに接続されている。高耐圧ＭＯＳトランジスタ４２は、図１に示すカスコード型増幅回路１の場合と同様、ゲートＧが固定電位に設定されており、ドレインＤが出力とされていると共に負荷４３が接続されている。カスコード型増幅回路４の作用は、図１に示すカスコード型増幅回路１の作用と同等である。

この発明による高周波出力回路に用いられるトランジスタとして、ＭＯＳトランジスタ及びバイポーラトランジスタを挙げて説明したが、本発明による構造は、標準的なＣＭＯＳ、バイポーラ、ＢｉＳＣＭＯＳの各トランジスタに有効な技術である。

本発明による高周波出力回路の一実施例示す回路図。本発明による高周波出力回路の別の実施例示す回路図。本発明による高周波出力回路の更に別の実施例示す回路図。本発明による高周波出力回路の他の実施例示す回路図。従来のカスコード型増幅回路の一例を示す回路図。

符号の説明

１，２，３，４カスコード型増幅回路
１１通常耐圧ＭＯＳトランジスタ
１２高耐圧ＭＯＳトランジスタ
２１通常耐圧バイポーラトランジスタ
２２高耐圧バイポーラトランジスタ
３１通常耐圧ＭＯＳトランジスタ
３２高耐圧バイポーラトランジスタ
４１通常耐圧バイポーラトランジスタ
４２高耐圧ＭＯＳトランジスタ
１３，２３，３３，４３負荷
Ｇゲート
Ｂベース
Ｓソース
Ｅエミッタ
Ｄドレイン
Ｃコレクタ
Ｖｉｎ入力電圧

Claims

二つのトランジスタを直列接続したカスコード増幅回路から成る高周波出力回路において、出力側の負荷に接続される前記トランジスタを入力側の前記トランジスタに比べて高耐圧型としたことを特徴とする高周波出力回路。
入力側の前記トランジスタを通常耐圧ＭＯＳトランジスタとし、出力側の前記トランジスタを高耐圧ＭＯＳトランジスタとしたことを特徴とする請求項１に記載の高周波出力回路。
入力側の前記トランジスタを通常耐圧バイポーラトランジスタとし、出力側の前記トランジスタを高耐圧バイポーラトランジスタとしたことを特徴とする請求項１に記載の高周波出力回路。
入力側の前記トランジスタを通常耐圧ＭＯＳトランジスタとし、出力側の前記トランジスタを高耐圧バイポーラトランジスタとしたことを特徴とする請求項１に記載の高周波出力回路。
入力側の前記トランジスタを通常耐圧バイポーラトランジスタとし、出力側の前記トランジスタを高耐圧ＭＯＳトランジスタとしたことを特徴とする請求項１に記載の高周波出力回路。