JP2014022858A

JP2014022858A - 電力増幅器

Info

Publication number: JP2014022858A
Application number: JP2012158290A
Authority: JP
Inventors: Takaharu Kusachi; 敬治草地
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2012-07-17
Filing date: 2012-07-17
Publication date: 2014-02-03
Also published as: US20140022021A1; CN103647517A; TW201406054A

Abstract

【課題】電力増幅器の特性を維持しつつ、電力増幅器を小型化する。
【解決手段】電力増幅器１は、増幅素子１１，１２とバイアス回路１３と共通電源端子Ｐ６と抵抗Ｒ１とを備える。バイアス回路１３は、増幅素子１１，１２に接続され、増幅素子１１，１２の入力端子にバイアス電圧を供給する。バイアス回路１３と増幅素子１１の出力バイアス端子とは、共通電源端子Ｐ６に接続される。抵抗Ｒ１は、バイアス回路１３と共通電源端子Ｐ６との間に接続される。
【選択図】図１

Description

電力増幅器に関する。より詳細には、バイアス電圧を供給する回路に特徴を有する電力増幅器に関する。

電力増幅器は、通信装置等に内蔵され、送信信号を増幅するために使用されている。また、電力増幅器は、ＩＣパッケージとして製品化されている。従来の電力増幅器として、例えば、特許文献１ないし３に示すものがある。

特許文献１に記載の電力増幅器は、バイパスコンデンサとチョークコイルとＦＥＴとを備える。ＦＥＴのドレイン端子は、出力側整合回路とチョークコイルの一方端とに接続されている。チョークコイルの他方端は、電源端子に接続されている。チョークコイルと電源端子との接続点は、バイパスコンデンサを介してグランドに接続されている。当該電力増幅器では、ドレイン端子に印加されるバイアス電圧は、出力側整合回路による電圧降下なしに供給される。

特許文献２に記載の電力増幅器は、コンデンサとボンディングワイヤとカスコード接続されたＦＥＴとを備える。所定のＦＥＴのゲート端子は、コンデンサとボンディングワイヤとを介してグランドに接続されている。当該電力増幅器では、ＦＥＴの出力がゲートに帰還することを防止することにより、発振を抑制している。

特許文献３に記載の電力増幅器は、バイアス回路とインピーダンス制御回路とＦＥＴとを備える。インピーダンス制御回路は、直列接続されたコンデンサとインダクタと抵抗とから構成される。ドレイン端子は、バイアス回路を介して電源端子に接続されている。バイアス回路と電源端子との接続点は、インピーダンス制御回路を介してグランドに接続されている。当該電力増幅器では、インピーダンス制御回路により広域の周波数帯で整合をとっている。

また、他の従来の電力増幅器として、例えば、図９に示すものがある。図９は、従来の電力増幅器の一例を示す回路図である。

電力増幅器１Ｐは、ＩＣチップ２を内部に有し、外付け部品を介して外部電源端子Ｐ８に接続されている。電力増幅器１Ｐは、増幅素子１１，１２、バイアス回路１３、入力端子Ｐ１、出力端子Ｐ２、電源端子Ｐ６１Ｐ，Ｐ６２Ｐ，Ｐ７および制御端子Ｐ１１を備える。

増幅素子１１は、入力端子Ｐ１に接続されている。増幅素子１２は、出力端子Ｐ２に接続されている。増幅素子１１と増幅素子１２とは、縦続接続されている。増幅素子１１，１２の入力バイアス端子Ｐ３は、バイアス回路１３の出力端子に接続されている。増幅素子１１の出力バイアス端子Ｐ４は、ボンディングワイヤ２２Ｐにより電源端子Ｐ６２Ｐに接続されている。増幅素子１２の出力バイアス端子Ｐ５は、ボンディングワイヤ２３により電源端子Ｐ７に接続されている。

バイアス回路１３の電源端子は、ボンディングワイヤ２１Ｐにより電源端子Ｐ６１Ｐに接続されている。バイアス回路１３の入力端子は、制御端子Ｐ１１に接続されている。

電源端子Ｐ６１Ｐは、外部電源端子Ｐ８に接続されている。電源端子Ｐ６２Ｐは、電源端子Ｐ６１Ｐと外部電源端子Ｐ８との接続点３１Ｐに接続されている。電源端子Ｐ７は、接続点３１Ｐと外部電源端子Ｐ８との接続点３２ＰにチョークコイルＬ１を介して接続されている。電源端子Ｐ６１Ｐと接続点３１Ｐとの接続点は、バイパスコンデンサＣ１Ｐを介してグランドに接続されている。電源端子Ｐ６２Ｐと接続点３１Ｐとの接続点は、バイパスコンデンサＣ２Ｐを介してグランドに接続されている。コイルＬ１の一方端と接続点３２Ｐとの接続点は、バイパスコンデンサＣ３を介してグランドに接続されている。バイパスコンデンサＣ１Ｐ，Ｃ２Ｐ，Ｃ３とチョークコイルＬ１とは、電力増幅器１Ｐに接続された外付け部品である。

増幅素子１１，１２のバイアス電圧は、外部電源端子Ｐ８から供給される。増幅素子１１，１２の入力バイアス電圧は、電源端子Ｐ６１Ｐとボンディングワイヤ２１Ｐとバイアス回路１３とを介して供給される。増幅素子１１の出力バイアス電圧は、電源端子Ｐ６２Ｐとボンディングワイヤ２２Ｐとを介して供給される。最終段の増幅素子１２の出力バイアス電圧は、チョークコイルＬ１と電源端子Ｐ７とボンディングワイヤ２３とを介して供給される。

バイアス回路１３は、制御端子Ｐ１１と図示されていない検波回路とからの信号に従って、所定の入力バイアス電圧を増幅素子１１，１２に供給する。バイアス回路１３は、外部電源端子Ｐ８に接続された電源端子により電源を供給される。

特開平７−１５４１５９特表２００４−５１６７３７特開２００５−３４１４４７

図９に示すように、入力バイアス電圧用の電源端子Ｐ６１Ｐと出力バイアス電圧用の電源端子Ｐ６２Ｐとは、別々に設けられている。仮に、電源端子Ｐ６１Ｐ，Ｐ６２Ｐを１つにまとめ、共通電源端子とすれば、電力増幅器１Ｐを小型化できる。しかし、共通電源端子とした場合、当該共通電源端子を介して、増幅素子１１の出力が入力に帰還することにより、電力増幅器１Ｐは発振等するおそれがある。

本発明の目的は、電力増幅器の特性を維持しつつ、電力増幅器を小型化することにある。

本発明に係る電力増幅器は、以下のように構成される。本発明に係る電力増幅器は、増幅素子とバイアス回路と共通電源端子と抵抗またはインダクタとを備える。バイアス回路は、増幅素子に接続され、増幅素子の入力端子にバイアス電圧を供給する。バイアス回路と増幅素子の出力バイアス端子とは、共通電源端子に接続される。抵抗またはインダクタは、バイアス回路と共通電源端子との間に接続される。

この構成では、電力増幅器に形成された別々の電源端子を介して入力バイアス電圧と出力バイアス電圧とを供給する場合に比べて、電力増幅器を小型化することができる。抵抗またはインダクタは、電力増幅器の電力利得が低下することを抑制する。したがって、電力増幅器の電力利得を維持しつつ、電力増幅器を小型化することができる。

本発明に係る電力増幅器は、好ましくは、抵抗またはインダクタの一方端とバイアス回路との接続点に一方端が接続され、グランドに他方端が接続されたコンデンサを備える。この構成では、増幅素子の出力が入力に帰還し、電力増幅器が発振することを防止することができる。

本発明によると、電力増幅器の電力利得を維持しつつ、電力増幅器を小型化することができる。

第１の実施形態に係る電力増幅器１の回路図である。電力増幅器１Ｃの要部を示す回路図である。周波数に対する電力増幅器１，１Ｃの電力利得を示す特性図である。周波数に対する電力増幅器１，１Ｃの電力利得を示す特性図である。抵抗Ｒ１の抵抗値に対する電力増幅器１の電力利得を示す特性図である。抵抗Ｒ１の抵抗値に対する電力増幅器１の出力バイアス電流を示す特性図である。第２の実施形態に係る電力増幅器１Ａの要部を示す回路図である。インダクタＬ２のインダクタンスに対する電力増幅器１Ａの電力利得を示す特性図である。従来の電力増幅器の一例を示す回路図である。

本発明の第１の実施形態に係る電力増幅器について説明する。図１は、第１の実施形態に係る電力増幅器の回路図である。

電力増幅器１は、ＩＣチップ２を内部に有し、外付け部品を介して外部電源端子Ｐ８に接続されている。電力増幅器１は、例えば、１．６ｍｍ程度の大きさを有するＩＣパッケージである。

電力増幅器１は、増幅素子１１，１２、バイアス回路１３、検波回路１４、バイパスコンデンサＣ１、抵抗Ｒ１、入力端子Ｐ１、出力端子Ｐ２、共通電源端子Ｐ６、電源端子Ｐ７、制御端子Ｐ１１および参照端子Ｐ１２を備える。バイパスコンデンサＣ１は、本発明に係るコンデンサに相当する。

増幅素子１１は、入力端子Ｐ１に接続されている。増幅素子１２は、出力端子Ｐ２に接続されている。増幅素子１１と増幅素子１２とは、縦続接続されている。増幅素子１１，１２は、例えば、ＦＥＴまたはバイポーラトランジスタ等である。

バイアス回路１３の入力端子は、制御端子Ｐ１１に接続されている。バイアス回路１３の出力端子は、検波回路１４に接続されている。バイアス回路１３の電源端子は、抵抗Ｒ１の一方端に接続されている。バイアス回路１３と検波回路１４との接続点は、増幅素子１１，１２の入力バイアス端子Ｐ３に接続されている。バイアス回路１３と抵抗Ｒ１との接続点は、バイパスコンデンサＣ１を介してグランドに接続されている。バイパスコンデンサＣ１は、例えば、５ｐＦ程度のキャパシタンスを有するＭＩＭＣ（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｒａｔｏｒ−ＭｅｔａｌＣａｐａｃｉｔｏｒ）である。抵抗Ｒ１は、例えば、１００Ωから１５００Ωまでの値を有する。

検波回路１４は、増幅素子１２と出力端子Ｐ２との接続点に接続されている。検波回路１４は、参照端子Ｐ１２に接続されている。

抵抗Ｒ１の他方端はボンディングワイヤ２１により、増幅素子１１の出力バイアス端子Ｐ４はボンディングワイヤ２２により、共通電源端子Ｐ６に接続されている。増幅素子１２の出力バイアス端子Ｐ５は、ボンディングワイヤ２３によりに電源端子Ｐ７に接続されている。ボンディングワイヤは、例えば、０．５ｍｍ程度の長さおよび２５μｍ程度の直径を有する。この場合、ボンディングワイヤのインダクタンスは、０．５ｎＨ程度になる。

なお、増幅素子１１，１２がバイポーラトランジスタである場合、上記の出力バイアス端子は、コレクタ端子に相当する。また、上記の入力バイアス端子は、ベース端子に接続され、ベース端子にバイアス電圧を供給する。

入力端子Ｐ１、出力端子Ｐ２、共通電源端子Ｐ６、電源端子Ｐ７、制御端子Ｐ１１および参照端子Ｐ１２は、ＩＣチップ２の近傍に形成され、ＩＣチップ２に形成された所定の端子にボンディングワイヤにより接続されている。

共通電源端子Ｐ６は、外部電源端子Ｐ８に接続されている。電源端子Ｐ７は、共通電源端子Ｐ６と外部電源端子Ｐ８との接続点３１にチョークコイルＬ１を介して接続されている。バイパスコンデンサＣ２の一方端は、共通電源端子Ｐ６と接続点３１との間に接続されている。バイパスコンデンサＣ２の他方端は、グランドに接続されている。バイパスコンデンサＣ３の一方端は、チョークコイルＬ１と接続点３１との間に接続されている。バイパスコンデンサＣ３の他方端は、グランドに接続されている。バイパスコンデンサＣ２，Ｃ３とチョークコイルＬ１とは、電力増幅器１に接続された外付け部品である。バイパスコンデンサＣ２，Ｃ３は、例えば、１００ｐＦ程度のキャパシタンスを有する。

増幅素子１１，１２のバイアス電圧は、外部電源端子Ｐ８から供給される。増幅素子１１，１２の入力バイアス電圧は、共通電源端子Ｐ６とボンディングワイヤ２１と抵抗Ｒ１とバイアス回路１３とを介して供給される。増幅素子１１の出力バイアス電圧は、共通電源端子Ｐ６とボンディングワイヤ２２とを介して供給される。最終段の増幅素子１２の出力バイアス電圧は、チョークコイルＬ１と電源端子Ｐ７とボンディングワイヤ２３とを介して供給される。

バイパスコンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３は、高周波信号が直流電源に流れることを防止する。すなわち、バイパスコンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３は、増幅素子１１，１２の出力が入力に帰還することを防止する。これにより、電力増幅器１の発振および電力利得のリップル等を防止するとともに、ＥＶＭ特性を良くすることができる。

バイアス回路１３は、制御端子Ｐ１１と検波回路１４とからの信号に従って、所定の入力バイアス電圧を増幅素子１１，１２に供給する。バイアス回路１３は、外部電源端子Ｐ８に接続された電源端子により電源を供給される。検波回路１４は、出力信号と参照端子Ｐ１２からの信号とを比較して、所定の信号をバイアス回路１３に送る。

入力端子Ｐ１から入力された信号は、増幅素子１１，１２により増幅され、出力端子Ｐ２に出力される。入出力される信号は、例えば、２．４ＧＨｚから２．５ＧＨｚまでの周波数を有する。

抵抗Ｒ１の役割を説明するために、電力増幅器１と電力増幅器１Ｃとを比較する。図２は、電力増幅器１Ｃの要部を示す回路図である。電力増幅器１Ｃの構成は、電力増幅器１に係る抵抗Ｒ１を備えない点を除いて、電力増幅器１の構成と同様である。

バイアス回路１３はボンディングワイヤ２１により、増幅素子１１の出力バイアス端子Ｐ４はボンディングワイヤ２２により、共通電源端子Ｐ６に接続されている。バイアス回路１３と共通電源端子Ｐ６との接続点は、バイパスコンデンサＣ１を介してグランドに接続されている。

図３，４は、周波数に対する電力増幅器１，１Ｃの電力利得を示している。縦軸は電力利得であり、横軸は入出力信号の周波数である。図３，４の実線は、電力増幅器１の電力利得を示している。図３，４の点線は、電力増幅器１Ｃの電力利得を示している。図３では、電力増幅器１Ｃに係るボンディングワイヤの長さを１００μｍから１０００μｍまで変化させている。図４では、電力増幅器１Ｃに係るバイパスコンデンサＣ１のキャパシタンスを１ｐＦから３０ｐＦまで変化させている。

図３の点線に示すように、電力増幅器１Ｃの電力利得は、１．５ＧＨｚから３ＧＨｚまでの周波数帯域で低下している。電力利得の低下は、ボンディングワイヤの長さを変化させても同様に見られる。

図４の点線に示すように、電力増幅器１Ｃの電力利得は、１．５ＧＨｚから６ＧＨｚまでの周波数帯域で低下している。電力利得の低下は、キャパシタンスが１ｐＦ付近である場合を除き、キャパシタンスを変化させても同様に見られる。なお、キャパシタンスが１ｐＦ付近である場合、バイパスコンデンサＣ１は、高周波信号が直流電源に流れることを十分に防止することができない。

したがって、ボンディングワイヤの長さまたはキャパシタンスを変化させても、電力増幅器１Ｃの電力利得の低下を使用帯域（２．４ＧＨｚ〜２．５ＧＨｚ）で回避することができない。

一方で、図３，４の実線に示すように、電力増幅器１の電力利得は、使用帯域で低下していない。したがって、抵抗Ｒ１は、電力増幅器１の電力利得の低下を防止する役割を果たしている。

上記の結果は、以下の理由による。電力増幅器１Ｃのようにボンディングワイヤ２１とバイパスコンデンサＣ１とを直列接続した場合、ボンディングワイヤ２１のインダクタンスとバイパスコンデンサＣ１のキャパシタンスとは、直列共振回路として働く。したがって、電力増幅器１Ｃの場合、当該直列共振回路の共振により電力利得は特定の周波数帯域で低下する。一方で、電力増幅器１の場合、抵抗Ｒ１がボンディングワイヤ２１とバイパスコンデンサＣ１との間に接続されている。これにより、ボンディングワイヤ２１とバイパスコンデンサＣ１とから構成される直列回路が共振することを抑制することができる。したがって、電力利得はほとんど低下しない。

図５は、抵抗Ｒ１の抵抗値に対する電力増幅器１の電力利得を示している。入出力信号の周波数は、２．４ＧＨｚである。抵抗値が１００Ω未満では、抵抗値が大きくなると、電力利得は上昇する。抵抗値が１００Ω以上では、電力利得は、抵抗値によらず、ほぼ一定となる。

図６は、抵抗Ｒ１の抵抗値に対する電力増幅器１の出力バイアス電流（電源電流）を示している。抵抗値が１５００Ω未満では、出力バイアス電流は、抵抗値によらず、ほぼ一定となる。抵抗値が１５００Ω以上では、抵抗値が大きくなると、電力利得は低下する。

したがって、抵抗Ｒ１の抵抗値を１００Ωから１５００Ωまでの範囲内にすることにより、電力利得および出力バイアス電流が低下することを抑制することができる。

第１の実施形態によると、電力増幅器１に形成された別々の電源端子を介して入力バイアス電圧と出力バイアス電圧とを供給する場合に比べて、電力増幅器１を小型することができる。バイパスコンデンサＣ１は、増幅素子１１の出力が入力に帰還し、電力増幅器１が発振等することを防止している。抵抗Ｒ１は、電力利得および出力バイアス電流が低下することを抑制している。したがって、電力増幅器１の特性を維持しつつ、電力増幅器１を小型化することができる。また、端子数を減らすことにより、外付け部品数を削減することができる。なお、必要な電力利得を得るために、増幅素子は３段以上縦続接続されてもよい。

本発明の第２の実施形態に係る電力増幅器について説明する。図７は、第２の実施形態に係る電力増幅器の要部を示す回路図である。第２の実施形態に係る電力増幅器１Ａは、第１の実施形態の抵抗Ｒ１代えて、インダクタＬ２を備える。その他の構成は、第１の実施形態の構成と同様である。以下では、第１の実施形態と異なる点を説明する。

バイアス回路１３は、インダクタＬ２の一方端に接続されている。バイアス回路１３とインダクタＬ２との接続点は、バイパスコンデンサＣ１を介してグランドに接続されている。インダクタＬ２の他方端はボンディングワイヤ２１により、増幅素子１１の出力バイアス端子Ｐ４はボンディングワイヤ２２により、共通電源端子Ｐ６に接続されている。

ボンディングワイヤ２１とバイパスコンデンサＣ１との間にインダクタＬ２を接続することより、ボンディングワイヤ２１のインダクタンスとバイパスコンデンサＣ１のキャパシタンスとで構成された直列共振回路のインダクタンス成分に、インダクタＬ２のインダクタンスを加えることができる。これにより、共振周波数を使用帯域外に移動させることができる。このため、電力増幅器１Ａの電力利得の低下を抑制することができる。

図８は、インダクタＬ２のインダクタンスに対する電力増幅器１Ａの電力利得を示している。入出力信号の周波数は、２．４５ＧＨｚである。インダクタンスが３．０ｎＨ未満では、インダクタンスが大きくなると、電力利得は上昇する。インダクタンスが３．０ｎＨ以上では、電力利得は、インダクタンスによらず、ほぼ一定となる。

したがって、インダクタＬ２のインダクタンスを３．０ｎＨ以上にすることにより、電力利得が低下することを抑制することができる。

第２の実施形態によると、電力増幅器１Ａの特性を維持しつつ、電力増幅器１Ａを小型化することができる。また、端子数を減らすことにより、外付け部品数を削減することができる。

１，１Ｐ電力増幅器
１１，１２増幅素子
１３バイアス回路
１４検波回路
２１，２２，２３ボンディングワイヤ
Ｒ１抵抗
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ１Ｐ，Ｃ２Ｐバイパスコンデンサ
Ｌ１チョークコイル
Ｌ２インダクタ
Ｐ１入力端子
Ｐ２出力端子
Ｐ３入力バイアス端子
Ｐ４，Ｐ５出力バイアス端子
Ｐ６共通電源端子
Ｐ７，Ｐ６１Ｐ，Ｐ６２Ｐ電源端子
Ｐ８外部電源端子

Claims

増幅素子と、
前記増幅素子に接続され、前記増幅素子の入力端子にバイアス電圧を供給するバイアス回路と、
前記バイアス回路と前記増幅素子の出力バイアス端子とが接続される共通電源端子と、
前記バイアス回路と前記共通電源端子との間に直列接続される抵抗またはインダクタとを備えることを特徴とする電力増幅器。
前記抵抗またはインダクタの一方端と前記バイアス回路との接続点に一方端が接続され、グランドに他方端が接続されたコンデンサを備えることを特徴とする請求項１に記載の電力増幅器。
前記共通電源端子と前記抵抗またはインダクタとの接続は、ボンディングワイヤによりなされることを特徴とする請求項１または２に記載の電力増幅器。
前記抵抗またはインダクタの値は、前記抵抗またはインダクタの値に対する電力利得および出力バイアス電流が一定になる範囲内にあることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の電力増幅器。
前記共通電源端子と異なる電源端子を備え、
前記増幅素子は、縦続接続され、
最終段の前記増幅素子の前記出力バイアス端子は、前記共通電源端子に接続されず、前記電源端子に接続されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の電力増幅器。