JP3999916B2 - トランジスタのバイアス回路 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はトランジスタのバイアス回路に係り、特に高周波電力増幅用バイポートランジスタのベースバイアス回路に使用されるものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のバイポーラトランジスタのベースバイアス回路の構成について、図を用いて説明する。図１０に示す従来のベースバイアス回路５は、直列に接続された温度補償ダイオードＤiと温度補償抵抗Ｒからなり、温度補償ダイオードＤiのカソードは接地され、そのアノードと温度補償抵抗Ｒの一方の端子とは互いに接続され、温度補償抵抗Ｒの他方の端子には基準電圧Ｖrefが印加される。
【０００３】
温度補償ダイオードＤiと温度補償抵抗Ｒとの接続点からベースバイアス回路５の出力電圧Ｖoutが取り出され、図１０の右側に示す高周波電力増幅用バイポーラトランジスタＱのベース電圧Ｖbとベース電流Ｉbとを供給する。
【０００４】
このバイポーラトランジスタＱのエミッタは接地され、コレクタにはコレクタ電圧Ｖcが印加される。ベースには結合容量Ｃを介して高周波信号ＲＦinが入力され、この高周波信号ＲＦinによりバイポーラトランジスタＱのベース電流Ｉbを変調する。
【０００５】
高周波変調されたベース電流Ｉbは、前記高周波電力増幅用バイポーラトランジスタＱで電流増幅され、コレクタ電流Ｉcを大振幅で変調する。この高周波変調されたコレクタ電流Ｉcを介して高周波信号が出力される。高周波信号を出力するための具体的な出力回路の構成は本発明に直接関連しないので、図１０では省略されている。
【０００６】
次に、図１０に示すバイアス回路５の動作について説明する。ここで、従来から問題になっていた高周波電力増幅用バイポーラトランジスタの熱暴走と、その対策について述べる。バイポーラトランジスタを用いて高出力の高周波信号を得るためには、コレクタ電流を大としなければならないが、コレクタ電流が大であればコレクタ損失によりバイポーラトランジスタの温度が上昇する。一方バイポーラトランジスタのコレクタ電流は、温度が上昇すれば増加するので、温度によるコレクタ電流の増加は、バイポーラトランジスタの温度をさらに上昇させ、コレクタ電流が異常に上昇して熱暴走に至ることがある。
【０００７】
図１０に示す従来のバイアス回路は、温度補償抵抗Ｒと温度補償ダイオード
Ｄiを用いて、温度上昇による高周波電力増幅用バイポーラトランジスタＱのコレクタ電流Ｉcの増加を抑制しようとするものである。温度補償ダイオードＤiの電流電圧特性における順方向の立上がりは、温度上昇と共に低電圧側にシフトするので、その等価抵抗Ｒdiは温度の上昇と共に低下する。
【０００８】
一方、バイアス回路５の出力電圧Ｖoutは、基準電圧Ｖrefを温度補償抵抗Ｒと温度補償ダイオードＤiの等価抵抗Ｒdiとを用いて分圧することにより得られるので、前記出力電圧Ｖoutは温度上昇と共に低下する。この出力電圧Ｖoutの低下により、バイポーラトランジスタＱのベース電圧Ｖbが低下し、ベース電流Ｉbの減少を通じて温度上昇によるコレクタ電流Ｉcの増加が抑制される。
【０００９】
このように、熱暴走の防止を目的として、バイポーラトランジスタのバイアス回路に温度補償ダイオードＤiを挿入し、温度上昇によるコレクタ電流Ｉcの増加を抑制する方法が従来から用いられてきた。しかしこの方法は、熱暴走の防止に対しては有効であるが、温度補償抵抗Ｒを挿入したため、高周波電力増幅用バイポーラトランジスタＱの性能としてもっとも重要な、高周波信号ＲＦinの入力電力Ｐinに対する高周波信号の出力電力Ｐoutの伸びが低下するという重大な問題を生じていた。
【００１０】
高周波信号ＲＦinを入力し、高周波電力増幅用バイポーラトランジスタＱを非線形領域で動作させれば、バイポーラトランジスタＱの内部を流れる高周波電流が一種の整流作用を受け、結果としてベース電流Ｉbを増加させる。このベース電流Ｉbの増加はコレクタ電流Ｉcを増加させ、高周波電力増幅用バイポーラトランジスタＱの非線形性による出力飽和を軽減し、高周波信号の出力電力Ｐoutが増加するという、高周波電力増幅器として極めて望ましい効果が得られる。
【００１１】
しかし、図１０に示すバイアス回路５が接続されれば、高周波電力増幅用バイポーラトランジスタＱの非線形領域における動作で生じたベース電流Ｉbの増加が温度補償抵抗Ｒを流れる電流Ｉrを増加させ、バイアス回路５の出力電圧Ｖoutと高周波電力増幅用バイポーラトランジスタＱのベース電圧Ｖbを下降させることになり、非線形領域の動作による高周波信号の出力電力Ｐoutの増加の作用が打ち消されるという問題点を生じていた。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、従来の高周波電力増幅用バイポーラトランジスタのバイアス回路は、温度上昇による熱暴走の防止に対しては有効であるが、一方、非線形領域での動作において、高周波電力増幅用バイポーラトランジスタが示す一種の整流作用に基づく高周波信号の出力電力の伸びが打ち消されるという、高周波電力増幅器として見過ごすことのできない重大な問題点が含まれていた。
【００１３】
本発明は上記の問題点を解決すべくなされたもので、温度上昇による熱暴走を防止すると同時に、非線形動作領域での高周波信号の出力電力の伸びが打ち消されることのない、高周波電力増幅用バイポーラトランジスタのバイアス回路を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明のトランジスタのバイアス回路は、高周波電力増幅用バイポーラトランジスタを非線形領域で動作させる際、高周波信号入力時におけるベース電流の増加を打ち消すことなく温度補償を行うことが可能な回路を具備することを特徴とする。
【００１５】
具体的には本発明のトランジスタのバイアス回路は、バイポーラトランジスタと、電界効果トランジスタと、第１、第２の抵抗とを備え、前記バイポーラトランジスタのエミッタは接地され、前記バイポーラトランジスタのコレクタとベースは互いに接続され、前記バイポーラトランジスタのコレクタとベースとの接続点は前記第１の抵抗の一方の端子に接続され、前記第１の抵抗の他方の端子には制御電圧が印加され、前記バイポーラトランジスタのコレクタとベースとの接続点は前記電界効果トランジスタのゲートに接続され、前記電界効果トランジスタのソースは前記第２の抵抗の一方の端子に接続され、前記第２の抵抗の他方の端子は接地され、前記電界効果トランジスタのドレインには基準電圧が印加され、前記電界効果トランジスタのソースと前記第２の抵抗の一方の端子との接続点から高周波電力用バイポーラトランジスタのベースにバイアス電圧が出力されることを特徴とする。
【００１８】
また本発明のトランジスタのバイアス回路は、第１及び第２のバイポーラトランジスタと、高周波電力用バイポーラトランジスタと、第１及び第２の抵抗とを備え、前記第１のバイポーラトランジスタのエミッタは接地され、前記第１のバイポーラトランジスタのコレクタとベースは互いに接続され、前記第１のバイポーラトランジスタのコレクタとベースとの接続点は、前記第１の抵抗の一方の端子に接続され、前記第１の抵抗の他方の端子には制御電圧が印加され、前記第１のバイポーラトランジスタのコレクタとベースの接続点は、前記第２のバイポーラトランジスタのベースに接続され、前記第２のバイポーラトランジスタのエミッタは前記第２の抵抗の一方の端子に接続され、前記第２の抵抗の他方の端子は接地され、前記第２のバイポーラトランジスタのコレクタには基準電圧が印加され、前記第２のバイポーラトランジスタのエミッタと前記第２の抵抗の一方の端子との接続点から前記高周波電力用バイポーラトランジスタのベースにバイアス電圧が出力され、前記高周波電力用バイポーラトランジスタの温度特性は前記第１のバイポーラトランジスタの温度特性と等しく、前記第２のバイポーラトランジスタのビルトイン電圧は前記第１のバイポーラトランジスタ及び高周波電力用バイポーラトランジスタのビルトイン電圧よりも小さいことを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００２１】
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る高周波電力増幅用バイポーラトランジスタのバイアス回路の構成を示す図である。図１に示す本発明のバイアス回路１は、温度補償バイポーラトランジスタＱ1と、温度補償抵抗Ｒ1と、電界効果トランジスタＱ2と、電界効果トランジスタＱ2のソースバイアス抵抗Ｒ2から構成される。
【００２２】
温度補償バイポーラトランジスタＱ1のエミッタは接地され、ベースとコレクタは温度補償抵抗Ｒ1の一方の端子に接続され、温度補償抵抗Ｒ1の他方の端子には制御電圧Ｖref1が印加される。温度補償バイポーラトランジスタＱ1のベース及びコレクタと温度補償抵抗Ｒ1の一方の端子との接続点は、電界効果トランジスタＱ2のゲートに接続され、電界効果トランジスタＱ2のソースはソースバイアス抵抗Ｒ2を介して接地される。
【００２３】
電界効果トランジスタＱ2のドレインには基準電圧Ｖref2が印加され、電界効果トランジスタのソースとソースバイアス抵抗Ｒ2との接続点から、バイアス回路１の出力電圧Ｖoutが取り出される。出力電圧Ｖoutは図１の右側に示す高周波電力増幅用バイポーラトランジスタＱのベースに接続され、ベース電圧Ｖbとベース電流Ｉbとを供給する。高周波電力増幅用バイポーラトランジスタＱの回路構成は、先に述べた図１０と同様であるから説明を省略する。次に、図１に示す本発明のバイアス回路１の動作を説明する。
【００２４】
バイアス回路１の温度補償抵抗Ｒ1を流れる電流をＩ1、温度補償バイポーラトランジスタＱ1のベース電流をＩ2、コレクタ電流をＩ3、電界効果トランジスタのドレイン電流をＩ4、ソースバイアス抵抗Ｒ2の電流をＩ5とする。
【００２５】
高周波電力増幅用バイポーラトランジスタＱの電流増幅率をβとすれば、そのベース電流Ｉbとコレクタ電流Ｉcとの間には、Ｉb＝Ｉc／βの関係がある。また、ベース電圧Ｖbはベース電流Ｉbを流すためベースに加える電圧であり、これらは、いづれも外部回路構成によらず高周波電力増幅用バイポーラトランジスタＱの特性のみに依存する量として定められる。
【００２６】
また、高周波電力増幅用バイポーラトランジスタＱのベース・エミッタ間抵抗をＲbeとし、電界効果トランジスタＱ2のドレイン・ソース間抵抗をＲdsとすれば、バイアス回路１の出力電圧Ｖoutを高周波電力増幅用バイポーラトランジスタＱのベース電圧Ｖbと等しくするためには、ソースバイアス抵抗Ｒ2及びベース・エミッタ間抵抗Ｒbeからなる並列抵抗と、ドレイン・ソース間抵抗Ｒdsからなる抵抗分圧回路とを用いて、基準電圧Ｖref2を分圧すればよい。
【００２７】
バイアス回路１の出力電圧Ｖoutは、制御電圧Ｖref1である程度制御することが可能であるから、Ｒbe＞＞Ｒ2なるようにすれば、ドレイン・ソース間抵抗Ｒdsとソース抵抗Ｒ2のみでＶoutとＶbとを等しくするための抵抗分圧比を決定することができる。
【００２８】
高周波信号ＲＦinを入力し、バイアス回路１を用いて高周波電力増幅用バイポーラトランジスタＱを非線形領域で動作させれば、電界効果トランジスタＱ2のゲート・ソース間電圧Ｖgs、及び、ドレイン・ソース間電圧Ｖdsも入力信号レベルに応じて変化するので、高周波電力増幅用バイポーラトランジスタＱにベース電流を供給する電界効果トランジスタＱ2の作用を一定にするためには、電界効果トランジスタＱ2の動作点を電流飽和領域の深いところ（動作点が多少変化してもドレイン・ソース間抵抗Ｒdsが変化しない位置）に設定しなければならない。また、電界効果トランジスタＱ2の電流供給能力は、非線形領域において高周波電力増幅用バイポーラトランジスタＱに流れるベース電流を供給するに十分なゲート幅が必要であることはいうまでもない。
【００２９】
温度補償バイポーラトランジスタＱ1の温度特性は、高周波電力増幅用バイポーラトランジスタＱの温度特性と等しくし、電界効果トランジスタＱ2のゲート電圧Ｖg＝Ｖgs＋Ｖbを電流飽和領域の深い位置に設定する。このゲート電圧Ｖgの設定は、温度補償抵抗Ｒ1と温度補償バイポーラトランジスタＱ1のコレクタ・エミッタ間抵抗Ｒce1とを用いて、制御電圧Ｖref1を抵抗分割することにより行う。このとき、電界効果トランジスタＱ2としてデプレッション型電界効果トランジスタを用いれば、制御電圧Ｖref1を０ＶからＶbまでの低い電圧範囲に設定することができる利点がある。第１の実施の形態におけるバイアス回路１の動作は次のとおりである。
【００３０】
先に図１０において、高周波電力増幅用バイポーラトランジスタＱの非線形領域における動作で生じたベース電流Ｉbの増加が、温度補償抵抗Ｒを流れる電流Ｉrを増加させ、このためベース電圧Ｖbが低下し、非線形領域における動作で生じたベース電流Ｉbの増加が打ち消されることを説明した。
【００３１】
しかし、図１に示す本発明のバイアス回路１を用いれば、前記ベース電流Ｉbの増加が電界効果トランジスタＱ2のドレイン・ソース間抵抗Ｒdsを流れる電流Ｉ4を増加させ、このためベース電圧Ｖbが下降し、非線形領域における動作で生じたベース電流Ｉbの増加が打ち消されようとすれば、このベース電圧Ｖb（＝Ｖout）の下降により電界効果トランジスタＱ2のゲート・ソース間電圧Ｖgsが大となり、ドレイン電流Ｉ4が増加し、このドレイン電流Ｉ4の増加が、打ち消されようとしたベース電流Ｉbを補うように作用するので、非線形領域における動作で生じたベース電流Ｉbの増加がドレイン・ソース間抵抗Ｒdsにより打ち消される現象を回避することができる。
【００３２】
また、温度が上昇すれば、高周波電力増幅用バイポーラトランジスタＱのベース電流Ｉb、コレクタ電流Ｉcが増加し、熱暴走の危険性を生じる。しかしこのとき、図１に示す温度補償バイポーラトランジスタＱ1のベース電流Ｉ2、及びコレクタ電流Ｉ3も同様に増加するので、温度補償抵抗Ｒ1を流れる電流Ｉ1が増加する。したがって、電界効果トランジスタＱ2のゲート電圧Ｖgが低下し、ドレイン電流Ｉ4が減少する。このドレイン電流Ｉ4の減少が高周波電力増幅用バイポーラトランジスタＱのベース電流Ｉbを減少させ、前記温度上昇によるＩbの増加を抑制し、コレクタ電流Ｉcの増加による高周波電力増幅用バイポーラトランジスタＱの熱暴走を防止することができる。
【００３３】
次に図２を用いて本発明の第２の実施の形態について説明する。第２の実施の形態におけるバイアス回路２は、第１の実施の形態におけるバイアス回路１の温度補償バイポーラトランジスタＱ1を、温度補償ダイオードＤiに置き換えることにより得られる。第２の実施の形態のバイアス回路２の動作は次のとおりである。
【００３４】
第１の実施の形態と同様に、高周波電力増幅用バイポーラトランジスタＱの非線形領域での動作で生じたベース電流Ｉbの増加が、電界効果トランジスタＱ2のドレイン・ソース間抵抗Ｒdsを流れる電流Ｉ4の増加を通じてベース電圧Ｖbを低下させ、非線形領域における動作で生じたベース電流Ｉbの増加が打ち消されようとすれば、電界効果トランジスタＱ2のゲート・ソース間電圧Ｖgsが大となってドレイン電流Ｉ4が増加し、ベース電流Ｉbを補うように作用するので、非線形領域における動作で生じたベース電流Ｉbの増加が打ち消される現象を回避することができる。
【００３５】
温度が上昇すれば、温度補償ダイオードＤiの等価抵抗Ｒdiが減少し、電界効果トランジスタＱ2のゲート電圧Ｖg が低下するので、電界効果トランジスタＱ2のドレイン電流Ｉ4が減少する。このドレイン電流Ｉ4の減少が高周波電力増幅用バイポーラトランジスタＱのベース電流Ｉbを減少させ、前記温度上昇によるＩbの増加が抑制されるので、温度上昇で生じたコレクタ電流Ｉcの増加による高周波電力増幅用バイポーラトランジスタＱの熱暴走を防止することができる。
【００３６】
次に、図３を用いて本発明の第３の実施の形態について説明する。第３の実施の形態におけるバイアス回路３は、第１の実施の形態におけるバイアス回路１の電界効果トランジスタＱ2をバイポーラトランジスタＱ2に置き換えることにより得られる。第３の実施の形態のバイアス回路３の動作は次のとおりである。
【００３７】
高周波電力増幅用バイポーラトランジスタＱの非線形領域における動作でのベース電流Ｉbの増加が、バイポーラトランジスタＱ2のコレクタ・エミッタ間抵抗Ｒce2を流れるコレクタ電流Ｉ4を増加させ、このためベース電圧Ｖbを低下させ、前記非線形領域における動作で生じたベース電流Ｉbの増加が打ち消されようとすれば、このベース電圧Ｖbの低下によりバイポーラトランジスタＱ2のベース・エミッタ間電圧Ｖbe2が大となり、コレクタ電流Ｉ4が増加し、打ち消されようとしたベース電流Ｉbを補うように作用するので、非線形領域における動作で生じたベース電流Ｉbの増加がコレクタ・エミッタ間抵抗Ｒce2により打ち消される現象を回避することができる。
【００３８】
また、温度が上昇すれば、温度補償バイポーラトランジスタＱ1のベース電流Ｉ2、コレクタ電流Ｉ3が増加するので、温度補償抵抗Ｒ1を流れる電流Ｉ1が増加する。したがって、バイポーラトランジスタＱ2のベース電圧Ｖb2が低下し、ベース・エミッタ間電圧Ｖbe2が小となり、バイポーラトランジスタＱ2のコレクタ電流Ｉ4が減少する。このドレイン電流Ｉ4の減少が温度上昇による高周波電力増幅用バイポーラトランジスタＱのベース電流Ｉbを減少させ、熱暴走を防止することができる。
【００３９】
第３の実施の形態において、高周波電力増幅用バイポーラトランジスタＱと温度補償バイポーラトランジスタＱ1は、温度特性がほぼ等しいものを用いる必要がある。このため、図３に示す回路を動作させる条件として、バイポーラトランジスタＱ2は、Ｑ、Ｑ1に比べてエミッタ・ベース間接合のビルトイン電圧の小さいものを用いなければならない。
【００４０】
例えば、Ｑ、Ｑ1としてシリコンバイポーラトランジスタを用いたとすれば、Ｑ2はシリコンとは材料物性の異なるヘテロバイポーラトランジスタとし、エミッタ・ベース間接合のビルトイン電圧が小さくなるように材料を選択すればよい。もしＱ、Ｑ1、Ｑ2としていづれもシリコンバイポーラトランジスタを用いるのであれば、図３に示す回路において、Ｑ1のベース、コレクタ、エミッタの少なくともいづれか１つに抵抗を挿入しなければならない。
【００４１】
次に、図４を用いて本発明の第４の実施の形態について説明する。第４の実施の形態におけるバイアス回路４は、第１の実施の形態におけるバイアス回路１の電界効果トランジスタＱ2をバイポーラトランジスタＱ2に置き換え、かつ温度補償バイポーラトランジスタＱ1を、温度補償ダイオードＤiに置き換えることにより得られる。第４の実施の形態のバイアス回路４の動作は、次のとおりである。
【００４２】
第３の実施の形態と同様に、高周波電力増幅用バイポーラトランジスタＱの非線形領域における動作で生じるベース電流Ｉbの増加が、バイポーラトランジスタＱ2のコレクタ・エミッタ間抵抗Ｒce2を流れるコレクタ電流Ｉ4を増加させ、このためベース電圧Ｖbを低下させ、前記非線形領域における動作で生じたベース電流Ｉbの増加を打ち消そうとすれば、このベース電圧Ｖbの低下によりバイポーラトランジスタＱ2のベース・エミッタ間電圧Ｖbe2が大となり、コレクタ電流Ｉ4が増加し、打ち消されようとしたベース電流Ｉbを補うように作用するので、非線形領域における動作で生じたベース電流Ｉbの増加を打ち消す現象を回避することができる。
【００４３】
また、温度が上昇すれば温度補償ダイオードＤiの等価抵抗Ｒdiが減少し、バイポーラトランジスタＱ2のゲート電圧Ｖb2が低下し、そのベース・エミッタ間電圧Ｖbe2が小となるので、バイポーラトランジスタＱ2のコレクタ電流Ｉ4が減少する。このコレクタ電流Ｉ4の減少が高周波電力増幅用バイポーラトランジスタＱのベース電流Ｉbを減少させるので、前記温度上昇によるＩbの増加が抑制され、したがって、コレクタ電流Ｉcの増加による高周波電力増幅用バイポーラトランジスタＱの熱暴走を防止することができる。
【００４４】
第４の実施の形態において、高周波電力増幅用バイポーラトランジスタＱと温度補償ダイオードＤiは、温度特性がほぼ等しいものを用いる必要がある。このため、図４に示す回路を動作させる条件として、バイポーラトランジスタＱ2のエミッタ・ベース間接合のビルトイン電圧は、高周波電力増幅用バイポーラトランジスタＱのエミッタ・ベース間接合、および温度補償ダイオードＤiの接合のビルトイン電圧に比べて小さくなければならない。
【００４５】
例えば、Ｑ、Ｄiとして、それぞれシリコンバイポーラトランジスタ、およびシリコンダイオードを用いたとすれば、Ｑ2はシリコンとは材料物性の異なるヘテロバイポーラトランジスタとし、エミッタ・ベース間接合のビルトイン電圧が小さくなるように材料を選択すればよい。もしＱ、Ｄi、Ｑ2としていづれもシリコンを用いたとすれば、図４に示す回路において、Ｄiのアノード、カソードのいづれかに抵抗を挿入しなければならない。
【００４６】
次に、図５乃至図９を用いて本発明の第５の実施の形態について説明する。第５の実施の形態では、第１の実施の形態におけるバイアス回路１の出力電圧Ｖoutをベース電圧Ｖbとして印加した場合の高周波電力増幅用トランジスタＱの動作特性と、前記ベース電圧Ｖbを定電圧にした場合の動作特性と、前記ベース電圧Ｖbとして従来のバイアス回路５の出力電圧Ｖoutを印加した場合の動作特性とを互いに比較して説明する。第２乃至第４の実施の形態の動作特性については、定性的には第１の実施の形態の動作特性と同様であるから、詳細な説明を省略する。
【００４７】
高周波増幅用トランジスタＱの入力電力Ｐinに対するベース電圧Ｖbの依存性を図５に示す。以下、図５乃至図９において、測定に用いた周波数はいずれも１．８ＧＨｚである。横軸の入力電力は対数スケールで表示された入力電力Ｐinの値である。例えば、横軸の数字１０は１０ｍＷ、２０は１００ｍＷ、３０は１Ｗを示す。０℃、１２０℃、１８０℃における測定結果がそれぞれ実線、１点鎖線、及び破線で示されている。角印はベース電圧Ｖbが定電圧源に接続された場合、丸印はベース電圧Ｖbが図１０に示す従来のバイアス回路５に接続された場合、三角印はベース電圧Ｖbが図１に示す本発明のバイアス回路１に接続された場合の測定結果を示す。
【００４８】
横軸の数値が１５までは、いずれの場合もベース電圧Ｖbは入力電力Ｐinによらず一定であるが、横軸の数値が１５乃至２０を越えれば、従来例のベース電圧Ｖbは、入力電力Ｐinの増加と共に大幅に低下し、温度補償抵抗ＲによるＶb低下の影響が大きいことが示される。これに対して本発明の場合には、ベース電圧Ｖbの低下は小さく、ほぼ定電圧源に接続された場合に近い結果が得られる。
【００４９】
このことから、第１の実施の形態で述べたように、図１に示すバイアス回路１を用いれば、電界効果トランジスタＱ2の作用により、高周波電力増幅用トランジスタＱの非線形領域における動作でのベース電圧Ｖb の低下が回避されることがわかる。
【００５０】
次に、高周波電力増幅用トランジスタＱのベース電流Ｉbの、高周波信号の入力電力Ｐinに対する依存性を図６に示す。０℃、及び１８０℃における測定結果が実線と破線で示されている。図５において説明したＶbの低下に対応して、従来例の場合には、非線形領域における動作で生じるベース電流Ｉbの増加が打ち消されるが、本発明の場合には、電界効果トランジスタＱ2の作用により、高周波電力増幅用トランジスタＱの非線形領域における動作で生じるベース電圧Ｉbの増加は、ほぼ定電圧源に接続した場合に近い値に接近することがわかる。
【００５１】
次に、高周波信号の出力電力Ｐoutの入力電力Ｐinに対する依存性を図７に示す。測定温度は全て室温である。図５及び図６の結果に対応して、従来例では、非線形領域の動作において、入力電力Ｐinに対する出力電力Ｐoutの伸びが抑制されるが、本発明の場合には、ほぼ定電圧源に接続した場合に近い値まで出力電力Ｐoutの値が接近することがわかる。
【００５２】
次に、図８及び図９を用いて本発明のバイアス回路１の高周波電力増幅用トランジスタＱに対する熱暴走防止の効果を説明する。図８にベース電流Ｉbの温度依存性を示す。測定のパラメータは入力電力Ｐinであり、図６に対応してベース電流Ｉbが入力電力Ｐinと共に増加する傾向を読み取ることができる。
【００５３】
本発明のバイアス回路１を用いれば、入力電力Ｐinを大とすれば、ほぼ定電圧の場合に近いベース電流Ｉbが得られるが、その温度による増加の程度は定電圧の場合に比べて小さく、熱暴走が抑制されることがわかる。従来例では、温度特性は平坦であり熱暴走の抑制効果は大きいが、ベース電流Ｉbの値が小さく、非線形領域の動作におけるベース電流Ｉbの増加が打ち消されることがわかる。
【００５４】
図９にコレクタ電流Ｉcの温度依存性を示す。先に説明したように、コレクタ電流Ｉcの温度変化はベース電流Ｉbに比べて、より直接的に高周波電力増幅用トランジスタＱの熱暴走に影響を与える。ベース電圧が定電圧源に接続された場合には、コレクタ電流Ｉcが温度と共に顕著に増加するので熱暴走の危険性が高いが、本発明の場合には、従来例に近いコレクタ電流Ｉcのゆるやかな温度依存性が得られるので熱暴走を生じる恐れがない。
【００５５】
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されることはない。例えば前記第１、第２の実施の形態において、電界効果トランジスタＱ2として、デプレッション型電界効果トランジスタを用いる場合について説明したが、必ずしもこれに限定されるものではない、制御電圧Ｖref1の値を高く設定すれば、エンハンスメント型電界効果トランジスタでも同様に用いることができる。
【００５６】
また、図１、図２において、電界効果トランジスタＱ2をＭＥＳＦＥＴ(Metal- Semiconductor Field Effect Transistor)として図示したが、必ずしもＭＥＳＦＥＴに限定されるものではない。デプレッション型又は、エンハンスメント型のＭＯＳＦＥＴ(Metal-Oxide Field Effect Transistor) であっても同様に用いることができる。
【００５７】
また、前記第３、第４の実施の形態のバイポーラトランジスタＱ2として、シリコンバイポーラトランジスタを用いたが、必ずしもシリコンバイポーラトランジスタに限定されるものではない。化合物半導体材料からなるＨＢＴ(Hetro- Bipolar Transistor) を用いれば、材料の種類を選定することにより動作電圧を下げることができるので、シリコンバイポーラトランジスタに比べて、制御電圧Ｖref1の値を低くすることができる利点がある。その他本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【００５８】
【発明の効果】
上述したように本発明の高周波電力増幅用トランジスタのバイアス回路を用いれば、高周波信号の入力時における高周波電力増幅用トランジスタの非線形領域での動作におけるベース電流の増加が打ち消されずに、ベース電流及びコレクタ電流の温度補償を行うことができるので、温度上昇による高周波電力増幅用トランジスタの熱暴走を防止すると同時に、非線形領域での動作において、高周波信号の出力電力の伸びが大きい高周波電力増幅用バイポーラトランジスタのベース電圧のバイアス回路を提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るバイアス回路の構成を示す図。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係るバイアス回路の構成を示す図。
【図３】本発明の第３の実施の形態に係るバイアス回路の構成を示す図。
【図４】本発明の第４の実施の形態に係るバイアス回路の構成を示す図
【図５】ベース電圧Ｖb の高周波入力電力Ｐinに対する依存性を示す図。
【図６】ベース電流Ｉb の高周波入力電力Ｐinに対する依存性を示す図。
【図７】高周波出力電力Ｐoutの高周波入力電力Ｐinに対する依存性を示す図。
【図８】ベース電流Ｉbの温度依存性を示す図。
【図９】コレクタ電流Ｉcの温度依存性を示す図。
【図１０】従来のバイアス回路の構成を示す図。
【符号の説明】
１…第１の実施の形態におけるバイアス回路
２…第２の実施の形態におけるバイアス回路
３…第３の実施の形態におけるバイアス回路
４…第４の実施の形態におけるバイアス回路
【発明の属する技術分野】
本発明はトランジスタのバイアス回路に係り、特に高周波電力増幅用バイポートランジスタのベースバイアス回路に使用されるものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のバイポーラトランジスタのベースバイアス回路の構成について、図を用いて説明する。図１０に示す従来のベースバイアス回路５は、直列に接続された温度補償ダイオードＤiと温度補償抵抗Ｒからなり、温度補償ダイオードＤiのカソードは接地され、そのアノードと温度補償抵抗Ｒの一方の端子とは互いに接続され、温度補償抵抗Ｒの他方の端子には基準電圧Ｖrefが印加される。
【０００３】
温度補償ダイオードＤiと温度補償抵抗Ｒとの接続点からベースバイアス回路５の出力電圧Ｖoutが取り出され、図１０の右側に示す高周波電力増幅用バイポーラトランジスタＱのベース電圧Ｖbとベース電流Ｉbとを供給する。
【０００４】
このバイポーラトランジスタＱのエミッタは接地され、コレクタにはコレクタ電圧Ｖcが印加される。ベースには結合容量Ｃを介して高周波信号ＲＦinが入力され、この高周波信号ＲＦinによりバイポーラトランジスタＱのベース電流Ｉbを変調する。
【０００５】
高周波変調されたベース電流Ｉbは、前記高周波電力増幅用バイポーラトランジスタＱで電流増幅され、コレクタ電流Ｉcを大振幅で変調する。この高周波変調されたコレクタ電流Ｉcを介して高周波信号が出力される。高周波信号を出力するための具体的な出力回路の構成は本発明に直接関連しないので、図１０では省略されている。
【０００６】
次に、図１０に示すバイアス回路５の動作について説明する。ここで、従来から問題になっていた高周波電力増幅用バイポーラトランジスタの熱暴走と、その対策について述べる。バイポーラトランジスタを用いて高出力の高周波信号を得るためには、コレクタ電流を大としなければならないが、コレクタ電流が大であればコレクタ損失によりバイポーラトランジスタの温度が上昇する。一方バイポーラトランジスタのコレクタ電流は、温度が上昇すれば増加するので、温度によるコレクタ電流の増加は、バイポーラトランジスタの温度をさらに上昇させ、コレクタ電流が異常に上昇して熱暴走に至ることがある。
【０００７】
図１０に示す従来のバイアス回路は、温度補償抵抗Ｒと温度補償ダイオード
Ｄiを用いて、温度上昇による高周波電力増幅用バイポーラトランジスタＱのコレクタ電流Ｉcの増加を抑制しようとするものである。温度補償ダイオードＤiの電流電圧特性における順方向の立上がりは、温度上昇と共に低電圧側にシフトするので、その等価抵抗Ｒdiは温度の上昇と共に低下する。
【０００８】
一方、バイアス回路５の出力電圧Ｖoutは、基準電圧Ｖrefを温度補償抵抗Ｒと温度補償ダイオードＤiの等価抵抗Ｒdiとを用いて分圧することにより得られるので、前記出力電圧Ｖoutは温度上昇と共に低下する。この出力電圧Ｖoutの低下により、バイポーラトランジスタＱのベース電圧Ｖbが低下し、ベース電流Ｉbの減少を通じて温度上昇によるコレクタ電流Ｉcの増加が抑制される。
【０００９】
このように、熱暴走の防止を目的として、バイポーラトランジスタのバイアス回路に温度補償ダイオードＤiを挿入し、温度上昇によるコレクタ電流Ｉcの増加を抑制する方法が従来から用いられてきた。しかしこの方法は、熱暴走の防止に対しては有効であるが、温度補償抵抗Ｒを挿入したため、高周波電力増幅用バイポーラトランジスタＱの性能としてもっとも重要な、高周波信号ＲＦinの入力電力Ｐinに対する高周波信号の出力電力Ｐoutの伸びが低下するという重大な問題を生じていた。
【００１０】
高周波信号ＲＦinを入力し、高周波電力増幅用バイポーラトランジスタＱを非線形領域で動作させれば、バイポーラトランジスタＱの内部を流れる高周波電流が一種の整流作用を受け、結果としてベース電流Ｉbを増加させる。このベース電流Ｉbの増加はコレクタ電流Ｉcを増加させ、高周波電力増幅用バイポーラトランジスタＱの非線形性による出力飽和を軽減し、高周波信号の出力電力Ｐoutが増加するという、高周波電力増幅器として極めて望ましい効果が得られる。
【００１１】
しかし、図１０に示すバイアス回路５が接続されれば、高周波電力増幅用バイポーラトランジスタＱの非線形領域における動作で生じたベース電流Ｉbの増加が温度補償抵抗Ｒを流れる電流Ｉrを増加させ、バイアス回路５の出力電圧Ｖoutと高周波電力増幅用バイポーラトランジスタＱのベース電圧Ｖbを下降させることになり、非線形領域の動作による高周波信号の出力電力Ｐoutの増加の作用が打ち消されるという問題点を生じていた。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、従来の高周波電力増幅用バイポーラトランジスタのバイアス回路は、温度上昇による熱暴走の防止に対しては有効であるが、一方、非線形領域での動作において、高周波電力増幅用バイポーラトランジスタが示す一種の整流作用に基づく高周波信号の出力電力の伸びが打ち消されるという、高周波電力増幅器として見過ごすことのできない重大な問題点が含まれていた。
【００１３】
本発明は上記の問題点を解決すべくなされたもので、温度上昇による熱暴走を防止すると同時に、非線形動作領域での高周波信号の出力電力の伸びが打ち消されることのない、高周波電力増幅用バイポーラトランジスタのバイアス回路を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明のトランジスタのバイアス回路は、高周波電力増幅用バイポーラトランジスタを非線形領域で動作させる際、高周波信号入力時におけるベース電流の増加を打ち消すことなく温度補償を行うことが可能な回路を具備することを特徴とする。
【００１５】
具体的には本発明のトランジスタのバイアス回路は、バイポーラトランジスタと、電界効果トランジスタと、第１、第２の抵抗とを備え、前記バイポーラトランジスタのエミッタは接地され、前記バイポーラトランジスタのコレクタとベースは互いに接続され、前記バイポーラトランジスタのコレクタとベースとの接続点は前記第１の抵抗の一方の端子に接続され、前記第１の抵抗の他方の端子には制御電圧が印加され、前記バイポーラトランジスタのコレクタとベースとの接続点は前記電界効果トランジスタのゲートに接続され、前記電界効果トランジスタのソースは前記第２の抵抗の一方の端子に接続され、前記第２の抵抗の他方の端子は接地され、前記電界効果トランジスタのドレインには基準電圧が印加され、前記電界効果トランジスタのソースと前記第２の抵抗の一方の端子との接続点から高周波電力用バイポーラトランジスタのベースにバイアス電圧が出力されることを特徴とする。
【００１８】
また本発明のトランジスタのバイアス回路は、第１及び第２のバイポーラトランジスタと、高周波電力用バイポーラトランジスタと、第１及び第２の抵抗とを備え、前記第１のバイポーラトランジスタのエミッタは接地され、前記第１のバイポーラトランジスタのコレクタとベースは互いに接続され、前記第１のバイポーラトランジスタのコレクタとベースとの接続点は、前記第１の抵抗の一方の端子に接続され、前記第１の抵抗の他方の端子には制御電圧が印加され、前記第１のバイポーラトランジスタのコレクタとベースの接続点は、前記第２のバイポーラトランジスタのベースに接続され、前記第２のバイポーラトランジスタのエミッタは前記第２の抵抗の一方の端子に接続され、前記第２の抵抗の他方の端子は接地され、前記第２のバイポーラトランジスタのコレクタには基準電圧が印加され、前記第２のバイポーラトランジスタのエミッタと前記第２の抵抗の一方の端子との接続点から前記高周波電力用バイポーラトランジスタのベースにバイアス電圧が出力され、前記高周波電力用バイポーラトランジスタの温度特性は前記第１のバイポーラトランジスタの温度特性と等しく、前記第２のバイポーラトランジスタのビルトイン電圧は前記第１のバイポーラトランジスタ及び高周波電力用バイポーラトランジスタのビルトイン電圧よりも小さいことを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００２１】
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る高周波電力増幅用バイポーラトランジスタのバイアス回路の構成を示す図である。図１に示す本発明のバイアス回路１は、温度補償バイポーラトランジスタＱ1と、温度補償抵抗Ｒ1と、電界効果トランジスタＱ2と、電界効果トランジスタＱ2のソースバイアス抵抗Ｒ2から構成される。
【００２２】
温度補償バイポーラトランジスタＱ1のエミッタは接地され、ベースとコレクタは温度補償抵抗Ｒ1の一方の端子に接続され、温度補償抵抗Ｒ1の他方の端子には制御電圧Ｖref1が印加される。温度補償バイポーラトランジスタＱ1のベース及びコレクタと温度補償抵抗Ｒ1の一方の端子との接続点は、電界効果トランジスタＱ2のゲートに接続され、電界効果トランジスタＱ2のソースはソースバイアス抵抗Ｒ2を介して接地される。
【００２３】
電界効果トランジスタＱ2のドレインには基準電圧Ｖref2が印加され、電界効果トランジスタのソースとソースバイアス抵抗Ｒ2との接続点から、バイアス回路１の出力電圧Ｖoutが取り出される。出力電圧Ｖoutは図１の右側に示す高周波電力増幅用バイポーラトランジスタＱのベースに接続され、ベース電圧Ｖbとベース電流Ｉbとを供給する。高周波電力増幅用バイポーラトランジスタＱの回路構成は、先に述べた図１０と同様であるから説明を省略する。次に、図１に示す本発明のバイアス回路１の動作を説明する。
【００２４】
バイアス回路１の温度補償抵抗Ｒ1を流れる電流をＩ1、温度補償バイポーラトランジスタＱ1のベース電流をＩ2、コレクタ電流をＩ3、電界効果トランジスタのドレイン電流をＩ4、ソースバイアス抵抗Ｒ2の電流をＩ5とする。
【００２５】
高周波電力増幅用バイポーラトランジスタＱの電流増幅率をβとすれば、そのベース電流Ｉbとコレクタ電流Ｉcとの間には、Ｉb＝Ｉc／βの関係がある。また、ベース電圧Ｖbはベース電流Ｉbを流すためベースに加える電圧であり、これらは、いづれも外部回路構成によらず高周波電力増幅用バイポーラトランジスタＱの特性のみに依存する量として定められる。
【００２６】
また、高周波電力増幅用バイポーラトランジスタＱのベース・エミッタ間抵抗をＲbeとし、電界効果トランジスタＱ2のドレイン・ソース間抵抗をＲdsとすれば、バイアス回路１の出力電圧Ｖoutを高周波電力増幅用バイポーラトランジスタＱのベース電圧Ｖbと等しくするためには、ソースバイアス抵抗Ｒ2及びベース・エミッタ間抵抗Ｒbeからなる並列抵抗と、ドレイン・ソース間抵抗Ｒdsからなる抵抗分圧回路とを用いて、基準電圧Ｖref2を分圧すればよい。
【００２７】
バイアス回路１の出力電圧Ｖoutは、制御電圧Ｖref1である程度制御することが可能であるから、Ｒbe＞＞Ｒ2なるようにすれば、ドレイン・ソース間抵抗Ｒdsとソース抵抗Ｒ2のみでＶoutとＶbとを等しくするための抵抗分圧比を決定することができる。
【００２８】
高周波信号ＲＦinを入力し、バイアス回路１を用いて高周波電力増幅用バイポーラトランジスタＱを非線形領域で動作させれば、電界効果トランジスタＱ2のゲート・ソース間電圧Ｖgs、及び、ドレイン・ソース間電圧Ｖdsも入力信号レベルに応じて変化するので、高周波電力増幅用バイポーラトランジスタＱにベース電流を供給する電界効果トランジスタＱ2の作用を一定にするためには、電界効果トランジスタＱ2の動作点を電流飽和領域の深いところ（動作点が多少変化してもドレイン・ソース間抵抗Ｒdsが変化しない位置）に設定しなければならない。また、電界効果トランジスタＱ2の電流供給能力は、非線形領域において高周波電力増幅用バイポーラトランジスタＱに流れるベース電流を供給するに十分なゲート幅が必要であることはいうまでもない。
【００２９】
温度補償バイポーラトランジスタＱ1の温度特性は、高周波電力増幅用バイポーラトランジスタＱの温度特性と等しくし、電界効果トランジスタＱ2のゲート電圧Ｖg＝Ｖgs＋Ｖbを電流飽和領域の深い位置に設定する。このゲート電圧Ｖgの設定は、温度補償抵抗Ｒ1と温度補償バイポーラトランジスタＱ1のコレクタ・エミッタ間抵抗Ｒce1とを用いて、制御電圧Ｖref1を抵抗分割することにより行う。このとき、電界効果トランジスタＱ2としてデプレッション型電界効果トランジスタを用いれば、制御電圧Ｖref1を０ＶからＶbまでの低い電圧範囲に設定することができる利点がある。第１の実施の形態におけるバイアス回路１の動作は次のとおりである。
【００３０】
先に図１０において、高周波電力増幅用バイポーラトランジスタＱの非線形領域における動作で生じたベース電流Ｉbの増加が、温度補償抵抗Ｒを流れる電流Ｉrを増加させ、このためベース電圧Ｖbが低下し、非線形領域における動作で生じたベース電流Ｉbの増加が打ち消されることを説明した。
【００３１】
しかし、図１に示す本発明のバイアス回路１を用いれば、前記ベース電流Ｉbの増加が電界効果トランジスタＱ2のドレイン・ソース間抵抗Ｒdsを流れる電流Ｉ4を増加させ、このためベース電圧Ｖbが下降し、非線形領域における動作で生じたベース電流Ｉbの増加が打ち消されようとすれば、このベース電圧Ｖb（＝Ｖout）の下降により電界効果トランジスタＱ2のゲート・ソース間電圧Ｖgsが大となり、ドレイン電流Ｉ4が増加し、このドレイン電流Ｉ4の増加が、打ち消されようとしたベース電流Ｉbを補うように作用するので、非線形領域における動作で生じたベース電流Ｉbの増加がドレイン・ソース間抵抗Ｒdsにより打ち消される現象を回避することができる。
【００３２】
また、温度が上昇すれば、高周波電力増幅用バイポーラトランジスタＱのベース電流Ｉb、コレクタ電流Ｉcが増加し、熱暴走の危険性を生じる。しかしこのとき、図１に示す温度補償バイポーラトランジスタＱ1のベース電流Ｉ2、及びコレクタ電流Ｉ3も同様に増加するので、温度補償抵抗Ｒ1を流れる電流Ｉ1が増加する。したがって、電界効果トランジスタＱ2のゲート電圧Ｖgが低下し、ドレイン電流Ｉ4が減少する。このドレイン電流Ｉ4の減少が高周波電力増幅用バイポーラトランジスタＱのベース電流Ｉbを減少させ、前記温度上昇によるＩbの増加を抑制し、コレクタ電流Ｉcの増加による高周波電力増幅用バイポーラトランジスタＱの熱暴走を防止することができる。
【００３３】
次に図２を用いて本発明の第２の実施の形態について説明する。第２の実施の形態におけるバイアス回路２は、第１の実施の形態におけるバイアス回路１の温度補償バイポーラトランジスタＱ1を、温度補償ダイオードＤiに置き換えることにより得られる。第２の実施の形態のバイアス回路２の動作は次のとおりである。
【００３４】
第１の実施の形態と同様に、高周波電力増幅用バイポーラトランジスタＱの非線形領域での動作で生じたベース電流Ｉbの増加が、電界効果トランジスタＱ2のドレイン・ソース間抵抗Ｒdsを流れる電流Ｉ4の増加を通じてベース電圧Ｖbを低下させ、非線形領域における動作で生じたベース電流Ｉbの増加が打ち消されようとすれば、電界効果トランジスタＱ2のゲート・ソース間電圧Ｖgsが大となってドレイン電流Ｉ4が増加し、ベース電流Ｉbを補うように作用するので、非線形領域における動作で生じたベース電流Ｉbの増加が打ち消される現象を回避することができる。
【００３５】
温度が上昇すれば、温度補償ダイオードＤiの等価抵抗Ｒdiが減少し、電界効果トランジスタＱ2のゲート電圧Ｖg が低下するので、電界効果トランジスタＱ2のドレイン電流Ｉ4が減少する。このドレイン電流Ｉ4の減少が高周波電力増幅用バイポーラトランジスタＱのベース電流Ｉbを減少させ、前記温度上昇によるＩbの増加が抑制されるので、温度上昇で生じたコレクタ電流Ｉcの増加による高周波電力増幅用バイポーラトランジスタＱの熱暴走を防止することができる。
【００３６】
次に、図３を用いて本発明の第３の実施の形態について説明する。第３の実施の形態におけるバイアス回路３は、第１の実施の形態におけるバイアス回路１の電界効果トランジスタＱ2をバイポーラトランジスタＱ2に置き換えることにより得られる。第３の実施の形態のバイアス回路３の動作は次のとおりである。
【００３７】
高周波電力増幅用バイポーラトランジスタＱの非線形領域における動作でのベース電流Ｉbの増加が、バイポーラトランジスタＱ2のコレクタ・エミッタ間抵抗Ｒce2を流れるコレクタ電流Ｉ4を増加させ、このためベース電圧Ｖbを低下させ、前記非線形領域における動作で生じたベース電流Ｉbの増加が打ち消されようとすれば、このベース電圧Ｖbの低下によりバイポーラトランジスタＱ2のベース・エミッタ間電圧Ｖbe2が大となり、コレクタ電流Ｉ4が増加し、打ち消されようとしたベース電流Ｉbを補うように作用するので、非線形領域における動作で生じたベース電流Ｉbの増加がコレクタ・エミッタ間抵抗Ｒce2により打ち消される現象を回避することができる。
【００３８】
また、温度が上昇すれば、温度補償バイポーラトランジスタＱ1のベース電流Ｉ2、コレクタ電流Ｉ3が増加するので、温度補償抵抗Ｒ1を流れる電流Ｉ1が増加する。したがって、バイポーラトランジスタＱ2のベース電圧Ｖb2が低下し、ベース・エミッタ間電圧Ｖbe2が小となり、バイポーラトランジスタＱ2のコレクタ電流Ｉ4が減少する。このドレイン電流Ｉ4の減少が温度上昇による高周波電力増幅用バイポーラトランジスタＱのベース電流Ｉbを減少させ、熱暴走を防止することができる。
【００３９】
第３の実施の形態において、高周波電力増幅用バイポーラトランジスタＱと温度補償バイポーラトランジスタＱ1は、温度特性がほぼ等しいものを用いる必要がある。このため、図３に示す回路を動作させる条件として、バイポーラトランジスタＱ2は、Ｑ、Ｑ1に比べてエミッタ・ベース間接合のビルトイン電圧の小さいものを用いなければならない。
【００４０】
例えば、Ｑ、Ｑ1としてシリコンバイポーラトランジスタを用いたとすれば、Ｑ2はシリコンとは材料物性の異なるヘテロバイポーラトランジスタとし、エミッタ・ベース間接合のビルトイン電圧が小さくなるように材料を選択すればよい。もしＱ、Ｑ1、Ｑ2としていづれもシリコンバイポーラトランジスタを用いるのであれば、図３に示す回路において、Ｑ1のベース、コレクタ、エミッタの少なくともいづれか１つに抵抗を挿入しなければならない。
【００４１】
次に、図４を用いて本発明の第４の実施の形態について説明する。第４の実施の形態におけるバイアス回路４は、第１の実施の形態におけるバイアス回路１の電界効果トランジスタＱ2をバイポーラトランジスタＱ2に置き換え、かつ温度補償バイポーラトランジスタＱ1を、温度補償ダイオードＤiに置き換えることにより得られる。第４の実施の形態のバイアス回路４の動作は、次のとおりである。
【００４２】
第３の実施の形態と同様に、高周波電力増幅用バイポーラトランジスタＱの非線形領域における動作で生じるベース電流Ｉbの増加が、バイポーラトランジスタＱ2のコレクタ・エミッタ間抵抗Ｒce2を流れるコレクタ電流Ｉ4を増加させ、このためベース電圧Ｖbを低下させ、前記非線形領域における動作で生じたベース電流Ｉbの増加を打ち消そうとすれば、このベース電圧Ｖbの低下によりバイポーラトランジスタＱ2のベース・エミッタ間電圧Ｖbe2が大となり、コレクタ電流Ｉ4が増加し、打ち消されようとしたベース電流Ｉbを補うように作用するので、非線形領域における動作で生じたベース電流Ｉbの増加を打ち消す現象を回避することができる。
【００４３】
また、温度が上昇すれば温度補償ダイオードＤiの等価抵抗Ｒdiが減少し、バイポーラトランジスタＱ2のゲート電圧Ｖb2が低下し、そのベース・エミッタ間電圧Ｖbe2が小となるので、バイポーラトランジスタＱ2のコレクタ電流Ｉ4が減少する。このコレクタ電流Ｉ4の減少が高周波電力増幅用バイポーラトランジスタＱのベース電流Ｉbを減少させるので、前記温度上昇によるＩbの増加が抑制され、したがって、コレクタ電流Ｉcの増加による高周波電力増幅用バイポーラトランジスタＱの熱暴走を防止することができる。
【００４４】
第４の実施の形態において、高周波電力増幅用バイポーラトランジスタＱと温度補償ダイオードＤiは、温度特性がほぼ等しいものを用いる必要がある。このため、図４に示す回路を動作させる条件として、バイポーラトランジスタＱ2のエミッタ・ベース間接合のビルトイン電圧は、高周波電力増幅用バイポーラトランジスタＱのエミッタ・ベース間接合、および温度補償ダイオードＤiの接合のビルトイン電圧に比べて小さくなければならない。
【００４５】
例えば、Ｑ、Ｄiとして、それぞれシリコンバイポーラトランジスタ、およびシリコンダイオードを用いたとすれば、Ｑ2はシリコンとは材料物性の異なるヘテロバイポーラトランジスタとし、エミッタ・ベース間接合のビルトイン電圧が小さくなるように材料を選択すればよい。もしＱ、Ｄi、Ｑ2としていづれもシリコンを用いたとすれば、図４に示す回路において、Ｄiのアノード、カソードのいづれかに抵抗を挿入しなければならない。
【００４６】
次に、図５乃至図９を用いて本発明の第５の実施の形態について説明する。第５の実施の形態では、第１の実施の形態におけるバイアス回路１の出力電圧Ｖoutをベース電圧Ｖbとして印加した場合の高周波電力増幅用トランジスタＱの動作特性と、前記ベース電圧Ｖbを定電圧にした場合の動作特性と、前記ベース電圧Ｖbとして従来のバイアス回路５の出力電圧Ｖoutを印加した場合の動作特性とを互いに比較して説明する。第２乃至第４の実施の形態の動作特性については、定性的には第１の実施の形態の動作特性と同様であるから、詳細な説明を省略する。
【００４７】
高周波増幅用トランジスタＱの入力電力Ｐinに対するベース電圧Ｖbの依存性を図５に示す。以下、図５乃至図９において、測定に用いた周波数はいずれも１．８ＧＨｚである。横軸の入力電力は対数スケールで表示された入力電力Ｐinの値である。例えば、横軸の数字１０は１０ｍＷ、２０は１００ｍＷ、３０は１Ｗを示す。０℃、１２０℃、１８０℃における測定結果がそれぞれ実線、１点鎖線、及び破線で示されている。角印はベース電圧Ｖbが定電圧源に接続された場合、丸印はベース電圧Ｖbが図１０に示す従来のバイアス回路５に接続された場合、三角印はベース電圧Ｖbが図１に示す本発明のバイアス回路１に接続された場合の測定結果を示す。
【００４８】
横軸の数値が１５までは、いずれの場合もベース電圧Ｖbは入力電力Ｐinによらず一定であるが、横軸の数値が１５乃至２０を越えれば、従来例のベース電圧Ｖbは、入力電力Ｐinの増加と共に大幅に低下し、温度補償抵抗ＲによるＶb低下の影響が大きいことが示される。これに対して本発明の場合には、ベース電圧Ｖbの低下は小さく、ほぼ定電圧源に接続された場合に近い結果が得られる。
【００４９】
このことから、第１の実施の形態で述べたように、図１に示すバイアス回路１を用いれば、電界効果トランジスタＱ2の作用により、高周波電力増幅用トランジスタＱの非線形領域における動作でのベース電圧Ｖb の低下が回避されることがわかる。
【００５０】
次に、高周波電力増幅用トランジスタＱのベース電流Ｉbの、高周波信号の入力電力Ｐinに対する依存性を図６に示す。０℃、及び１８０℃における測定結果が実線と破線で示されている。図５において説明したＶbの低下に対応して、従来例の場合には、非線形領域における動作で生じるベース電流Ｉbの増加が打ち消されるが、本発明の場合には、電界効果トランジスタＱ2の作用により、高周波電力増幅用トランジスタＱの非線形領域における動作で生じるベース電圧Ｉbの増加は、ほぼ定電圧源に接続した場合に近い値に接近することがわかる。
【００５１】
次に、高周波信号の出力電力Ｐoutの入力電力Ｐinに対する依存性を図７に示す。測定温度は全て室温である。図５及び図６の結果に対応して、従来例では、非線形領域の動作において、入力電力Ｐinに対する出力電力Ｐoutの伸びが抑制されるが、本発明の場合には、ほぼ定電圧源に接続した場合に近い値まで出力電力Ｐoutの値が接近することがわかる。
【００５２】
次に、図８及び図９を用いて本発明のバイアス回路１の高周波電力増幅用トランジスタＱに対する熱暴走防止の効果を説明する。図８にベース電流Ｉbの温度依存性を示す。測定のパラメータは入力電力Ｐinであり、図６に対応してベース電流Ｉbが入力電力Ｐinと共に増加する傾向を読み取ることができる。
【００５３】
本発明のバイアス回路１を用いれば、入力電力Ｐinを大とすれば、ほぼ定電圧の場合に近いベース電流Ｉbが得られるが、その温度による増加の程度は定電圧の場合に比べて小さく、熱暴走が抑制されることがわかる。従来例では、温度特性は平坦であり熱暴走の抑制効果は大きいが、ベース電流Ｉbの値が小さく、非線形領域の動作におけるベース電流Ｉbの増加が打ち消されることがわかる。
【００５４】
図９にコレクタ電流Ｉcの温度依存性を示す。先に説明したように、コレクタ電流Ｉcの温度変化はベース電流Ｉbに比べて、より直接的に高周波電力増幅用トランジスタＱの熱暴走に影響を与える。ベース電圧が定電圧源に接続された場合には、コレクタ電流Ｉcが温度と共に顕著に増加するので熱暴走の危険性が高いが、本発明の場合には、従来例に近いコレクタ電流Ｉcのゆるやかな温度依存性が得られるので熱暴走を生じる恐れがない。
【００５５】
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されることはない。例えば前記第１、第２の実施の形態において、電界効果トランジスタＱ2として、デプレッション型電界効果トランジスタを用いる場合について説明したが、必ずしもこれに限定されるものではない、制御電圧Ｖref1の値を高く設定すれば、エンハンスメント型電界効果トランジスタでも同様に用いることができる。
【００５６】
また、図１、図２において、電界効果トランジスタＱ2をＭＥＳＦＥＴ(Metal- Semiconductor Field Effect Transistor)として図示したが、必ずしもＭＥＳＦＥＴに限定されるものではない。デプレッション型又は、エンハンスメント型のＭＯＳＦＥＴ(Metal-Oxide Field Effect Transistor) であっても同様に用いることができる。
【００５７】
また、前記第３、第４の実施の形態のバイポーラトランジスタＱ2として、シリコンバイポーラトランジスタを用いたが、必ずしもシリコンバイポーラトランジスタに限定されるものではない。化合物半導体材料からなるＨＢＴ(Hetro- Bipolar Transistor) を用いれば、材料の種類を選定することにより動作電圧を下げることができるので、シリコンバイポーラトランジスタに比べて、制御電圧Ｖref1の値を低くすることができる利点がある。その他本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【００５８】
【発明の効果】
上述したように本発明の高周波電力増幅用トランジスタのバイアス回路を用いれば、高周波信号の入力時における高周波電力増幅用トランジスタの非線形領域での動作におけるベース電流の増加が打ち消されずに、ベース電流及びコレクタ電流の温度補償を行うことができるので、温度上昇による高周波電力増幅用トランジスタの熱暴走を防止すると同時に、非線形領域での動作において、高周波信号の出力電力の伸びが大きい高周波電力増幅用バイポーラトランジスタのベース電圧のバイアス回路を提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るバイアス回路の構成を示す図。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係るバイアス回路の構成を示す図。
【図３】本発明の第３の実施の形態に係るバイアス回路の構成を示す図。
【図４】本発明の第４の実施の形態に係るバイアス回路の構成を示す図
【図５】ベース電圧Ｖb の高周波入力電力Ｐinに対する依存性を示す図。
【図６】ベース電流Ｉb の高周波入力電力Ｐinに対する依存性を示す図。
【図７】高周波出力電力Ｐoutの高周波入力電力Ｐinに対する依存性を示す図。
【図８】ベース電流Ｉbの温度依存性を示す図。
【図９】コレクタ電流Ｉcの温度依存性を示す図。
【図１０】従来のバイアス回路の構成を示す図。
【符号の説明】
１…第１の実施の形態におけるバイアス回路
２…第２の実施の形態におけるバイアス回路
３…第３の実施の形態におけるバイアス回路
４…第４の実施の形態におけるバイアス回路
Claims (4)
- バイポーラトランジスタと、電界効果トランジスタと、第１、第２の抵抗とを備え、
前記バイポーラトランジスタのエミッタは接地され、
前記バイポーラトランジスタのコレクタとベースは互いに接続され、
前記バイポーラトランジスタのコレクタとベースとの接続点は前記第１の抵抗の一方の端子に接続され、
前記第１の抵抗の他方の端子には制御電圧が印加され、
前記バイポーラトランジスタのコレクタとベースとの接続点は前記電界効果トランジスタのゲートに接続され、
前記電界効果トランジスタのソースは前記第２の抵抗の一方の端子に接続され、
前記第２の抵抗の他方の端子は接地され、
前記電界効果トランジスタのドレインには基準電圧が印加され、
前記電界効果トランジスタのソースと前記第２の抵抗の一方の端子との接続点から高周波電力用バイポーラトランジスタのベースにバイアス電圧が出力されることを特徴とするトランジスタのバイアス回路。 - 前記電界効果トランジスタは、デプレッション型電界効果トランジスタであることを特徴とする請求項１に記載のトランジスタのバイアス回路。
- 第１及び第２のバイポーラトランジスタと、高周波電力用バイポーラトランジスタと、第１及び第２の抵抗とを備え、
前記第１のバイポーラトランジスタのエミッタは接地され、
前記第１のバイポーラトランジスタのコレクタとベースは互いに接続され、
前記第１のバイポーラトランジスタのコレクタとベースとの接続点は前記第１の抵抗の一方の端子に接続され、
前記第１の抵抗の他方の端子には制御電圧が印加され、
前記第１のバイポーラトランジスタのコレクタとベースの接続点は前記第２のバイポーラトランジスタのベースに接続され、
前記第２のバイポーラトランジスタのエミッタは前記第２の抵抗の一方の端子に接続され、
前記第２の抵抗の他方の端子は接地され、
前記第２のバイポーラトランジスタのコレクタには基準電圧が印加され、
前記第２のバイポーラトランジスタのエミッタと前記第２の抵抗の一方の端子との接続点から前記高周波電力用バイポーラトランジスタのベースにバイアス電圧が出力され、
前記高周波電力用バイポーラトランジスタの温度特性は前記第１のバイポーラトランジスタの温度特性と等しく、
前記第２のバイポーラトランジスタのビルトイン電圧は前記第１のバイポーラトランジスタ及び高周波電力用バイポーラトランジスタのビルトイン電圧よりも小さいことを特徴とするトランジスタのバイアス回路。 - 前記第１、第２のバイポーラトランジスタ及び前記高周波電力用バイポーラトランジスタは、シリコンバイポーラトランジスタであり、前記第１のバイポーラトランジスタのベース、コレクタ及びエミッタのいずれか１つに、さらに、第３の抵抗が接続されることを特徴とする請求項３に記載のトランジスタのバイアス回路。
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