JPH0319507A - 高効率増幅器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上のｆリ用分野」 この発明は衛星搭載用電子装置、携帯代無線機などのＦ
ＥＴ（’ｊｉ界効果１・ランジスタ〕増幅器の効率の向
上に関する。

「従来の技術」 従来この神の増幅器には第４国に示すようなＦ級増幅器
とりばれるものが用いられる。人力端子ＩＮに与えられ
る正弦波の入力信号（一般にはＦＭ波、ＰＭ波など）は
直ｌｋ阻止用コンデンサＣを介して准界効果トランジス
タ（以下ＦＥＴまたは単にトランジスタと言う）Ｑのゲ
ートに印力ｌ１される。トランジスタＱのゲートはチョ
ークコイルＩ、１を介して電源端子Ｐ　Ｗ　．に接続さ
れる．トランジスタＱのソースは｝妾ｌ（！！され、ド
レインはチョークコイルＬ２を介して、例えば電源電圧
■。．＝ｌＯ■の電＃端子ＰＷ．に接続される。トラン
ジスタＱで増幅された信号は直流開止用コンデンサＣ，
及びλ／４分布定数線路Ｎｌ、出力端子ＯＵＴを順次介
して負荷抵抗Ｒ１に供給される。λ／４分布定数線路の
出力端は、入力信号の基本波の周波数ｆ，に共振する並
列共振回路Ｎ２を介して接地される。トランジスタＱの
負荷インピーダンスＺＬは、λ／４分布定数線路Ｎ１と
並列共振回路Ｎ２とで横威される高調波反射回路ＦクＣ
の特性によって、（イ〉褪本波に対して　ＺＬ（ｆ．）
ユＲ′ｌここで、Ｒ’Ｌ　＝Ｒ２０　／Ｒｔで、Ｒ０は
ス／４分布定数線路Ｎ，の特性インピーダンスである。

（１））偶数次高調波に対して　Ｚｃ　（　２ｎｆ＋　
）　−＝０（ハ）奇故次高調波に対して　Ｚ１　（フ＝
−．−ｒｒ　１）　ｚ（１）となるように構成される。

ここで、ｎ≧１の整数である。

上記（イ）〜（ハ）の特性から、 （二）ドレイン電圧■。は直疏分と基本波と奇数次高調
波のみ含むものとなり（偶数次に対して負ＧｉＺＬはシ
ョートであり電圧がゼロとなるため）、（ネ）ドレイン
電流Ｉ。は直流分と基本波と偶数次高調波のみ含むもの
となる（奇数次に対して負荷ＺＬはオープンであり、電
流が流れないため）．電源端子ＰＷ．の電圧、つまりゲ
ートハイアス電圧Ｖ，はピンチオフ電圧ｖｐＤランジス
タＱがカントオフとなる限界のゲート電圧をゴい、この
例では−３Ｖ）に等しく選ばれる。

トランジスタＱのゲートに第５図Ａに示す正弘波のゲー
ト電圧■９が印加されると、同ＩＪＢに示すように、Ｖ
，＞Ｖ，となる交流半波のときのみドレイン電流Ｉ，が
ソースに向かって流れ、■，≦Ｖ，となる他の半波では
トラ／ジスタＱはカン］・オフされてＩ　ｎ　−’−　
０である。従って、トレ・イン電疏１。は正弦波形の半
波整流波となる。ゲーｌ・毒圧■，の大きさによってド
レイン電Ｍｉ　ｌ　ｏのｌ”ｒ＜　’ｌｉｄは変化する
。しかし、上記（ネ）の特性から１′レイン電漆ｌＤは
基本波と偶数次高調波のみを含む正弦半波整流波形を緒
持する。ドレイン電流１つに対応ずるドレイン電圧■。

は同図Ｃに示すように電ａ電圧ｖｏｎ＝　１　０　Ｖを
中心として上下に振った波形となる．この例では谷のピ
ーク値はＯｖよりやや大きな値（トランジスタにオン抵
抗があるのでＯｖにはならない）をとり、山のピーク値
は２ＶＤｎ−２０Ｖよりやや小さな値で、それぞれ先端
が多少欠けた波形となる。ゲート毒ＩＪＶ　，の振幅が
図八よりある程度小さくなれば、ドレイン電Ｙ■ｌ■。

のビーク値が頭打ちとなることはない。逆にゲー１電１
ｊＥ　Ｖ　，が更に大きくなるにつれて、１′レイン毒
圧ｖ０は頭１）ちがひどくなり、台形波、更には矩形波
に近づいて行く。しかし常に上記（二）の特性は保持さ
れる。

］・レイン電流１。は上記０）で述べたように直流分と
基本波と偶数次ｌ”’ｊ　ｊｌ４波とより成るが、その
直流分はチｊ−クコイルＬ２を流れ、基本波と偶数次高
調波とはλ／４線路Ｎ，を／Ａれる。その偶数次高調波
はＲ．に比べてイ／ビーダンスの小さな並列共振Ｉ′ｉ
１路Ｎ，に人部分が流れ、ＲＬにはほとんど流れない。

並列共振回路Ｎ２は凸本波に対するインピーダンスがＲ
，に比べて極めて高いので、２１（本波の電流はＲ１を
流れる。従って負（；Ｉ　Ｒ　ｔに供給される出力電圧
Ｖｏｕｔは第５図Ｄに示すように基本波のみの正弦波と
なる。

第６図Ａ乃至第８図ＡはトランジスタＱの■，■。静特
性図１二において、１一ラ／ジスタＱのとる（ｔｏ．　
　Ｖｏ）の耕が増幅器の動作点Ｐ。を中心として移動す
る軌跡Ｐ，〜Ｐ２を禾した図であり、上記各図のｎ及び
ＣはそれぞわＡの軌跡と対ｉｌｌ＞するドレイン電流１
，及びドレイン電圧■，の軌跡、つまり波形を示した図
である。第６図は入力のゲート電圧ｖｇの振幅が小さく
、ドレイン電圧ｖ０が頭打ちとならない場合を示し、上
記軌跡Ｐ１〜Ｐ，は勅作点Ｐ。に折れ点を持つ直線とな
る。Ｐ′〜Ｐ′２はゲート電圧ｖｇの振幅が小さい場合
である。

第７図はドレイン電圧■。が頭打らとなり、台形波とな
るまでゲート電圧ｖ９の振幅を増加させた場合である。

（ｌｏ，Ｖａ）の１！Ｉｔ跡Ｐ．−Ｐ２の半部Ｐ．−Ｐ
．は直線Ｐ．Ｐ．の下方に凸のｄｌ＋線となる。第８図
はゲート電圧■９の振幅を更に増加さセて、ドレイン電
圧ｖ０を矩形波に近づけた場合であり、軌跡Ｐ，−Ｐ．
の湾＋Ｉｂの度合いが更に大きくなる。

トランジスタＱのドレイン損失はＩＤＸＶＯであルカラ
、点（Ｌ．　　Ｖｏ）　（７）軌跡Ｐ，−Ｐ．の湾［１
）Ｊ（７）度合いが大きく、座標のＶＤ軸及びＩ，軸に
近づくほどドレインｎ１失は小さくなる。言い換えれば
ドレイン電圧波形が矩形波Ｃこ近づほどドレイン用失は
小さくなる。また、詳しい説明は省略するが、負荷ＲＬ
に供給ずる出力電力Ｐｏはドレイン電圧波形が矩形波に
近づくほど大きくなる。従って、電源効率（ドレイン効
率）η一（　Ｐ　．／　Ｐ　，。）ＸＩＯＯ％について
も同しことが言える。なお、■），，は電源よりドレイ
ンに供給する直７Ａ電力、Ｐ．は負（ＡｊＲ，に供給ず
る信号波の電力である。

第７図及び第８図は電源効率と｛′レイン電圧■。

の波形どの関係を説明するために示したちのごあって、
実際には次項で述べるようにゲート電圧Ｖ，に対する制
限から、ドレイン電圧Ｖ。をこのよう６こ自形波や矩形
波にすることはできない。

「発明が解決しようとする課題」 １わ星搭載用電子装置、１ｆＡ４ｉＦ式無線機等では電
源装置を小型軽量でかつ長寿命にする必要があるため、
出力増幅器には電源効率のよいことが要求される。しか
しながら、使用ずべきＦＥＴ（ＧＨ２帯であるためＧヮ
Ａ．ＦＥＴが用いられる）の性能のために、出力１｛！
Ｉ陥器は満足すべき効率には無い。即ち、ゲート電圧の
最大値Ｖ，ｍａκ〉Ｏの場合、ゲートのショットキー接
合に順方向電流（ゲートからソースに流れる電流）が流
れ、その許容値は平均的な直流値で＠ｍＡ程度であるの
で、正のゲート電圧■，は最大許容順電圧に制限される
。

一方、ゲート電圧の最小値Ｖ，ｍｉｎがショットキー接
合の逆耐圧（例えば−７Ｖ）を越えると、リーク？ｉｌ
ｔ′／Ａがｄｉれ、その許容値も平１勺的な直流値で数
ｍＡであるので、負のゲート電圧■９は最大許容逆電圧
に制限される。

このようにゲート電圧■，の正負のピーク｛直か制限さ
れることから、ドレイン電圧■。が台形波や矩形波にな
るところまでゲート電圧Ｖ．の振幅を大きくできず、そ
のため高い電源効率を得ることができなかった。

この発明の目的は、上記した従来の難点を解決して、電
源効率の高いＦ級Ｆ已Ｔ出力増１）ｉｉ器を提イ共しよ
うとするものである。

『課題を解決するための手段」 ゲートかほ＼ビンチオフ電圧にバイアスされたソース接
地形ＦＥＴ増幅回路のドレインの出力負荷回路として、
ドレイン側より見た人力インピーダンスが入力信号の基
本波周波数で抵抗負イ苛を示し、偶数次及び奇数次高調
波の周波数でそれぞれは一短絡及び開枚となるような品
調波反射回路を接続して成るＦ　Ｅ　Ｔ増’Ｋ！器にお
いて、この発明では、 ゲート入力側にリミノタを設けて、ゲート准圧の止及び
負のピーク埴をそれぞれゲートの最大許容順電圧及び最
大許容逆電圧にほ＼等しい値またはそれ以下にクリップ
するものである。

−Ｅ記増幅器のゲート入力側に人力｛３゛４の偶数次高
３ｌ１波を抑圧するためのハンドストンプフィルタを設
けるのが望ましい。

「実施例」 この発明の実施例を第ｌレ１に、第４図と対応する部分
には同し符号を付して示し、重複説明を省？する。この
発明では、トランジスタＱのゲート入力側にり旦ンタＬ
Ｍが設けられ、これによりゲート電圧■，は台形波とさ
れ、その正及び工１のピークはそれぞれゲーＩ・の最大
許容順電圧（例えば０．７Ｖ）及び最大許容逆電圧（例
えば−７Ｖ）に等しいかまたはそれ以下に設定される。

ゲートは、ダイオートＤ１を介して、リミッタ出力の正
のピク電圧と対応ずる電圧■．が供給される電源端子Ｐ
Ｗユに接続されると共に、ダイオード｛）７（ダイオー
ドＤ１とは逆向き）を介して、リミンタ出力の負のピー
ク電圧と対応する電圧ＶＬ２が供給される電源端子ＰＷ
４に接続される。電源端子ＰＷ．．ＰＷ４はそれぞれ高
調波信号をショートさせるバイパスコンデンサＣ．，Ｃ
，を介して接地される。これらのダイオート′Ｄ，，Ｄ
．，　　コンデンサＣ■Ｃ，等によりりξ冫夕ＬＭｆＪ
ＩＮｙ戊される。なお、この例ではゲートはコイルＬ．
及び抵抗器，ＲｃをＩ＋ｌｉ次介して電源端子ＰＷＩに
接続されると共にコイルＬ．と抵抗器Ｒ，との接続点は
バイパスコンデンサＣ，を介して接地され、ゲート入力
信号がゲートバイアス回路＾分岐して損失とならないよ
うになっている。

第１図の回路の要部の波形を第２図に示してある。リミ
ノタＬＭの出力電圧を矩形波に近づけるために、人力電
圧Ｖ　ｉｎの振幅はリミソタ出力電圧のそれより十分大
きく選ばれる。リミノク出力電圧は台形波になると共に
電圧のピーク値はゲートの最大許容電圧近くまで大きく
設定されているので、ドレイン電圧ｖｌ，は■。。−１
．　Ｏ　Ｖを中心としてほ＼０〜２０Ｖの範囲で振動す
る台形波とされ、従来よりいっそう矩形波に近い波形と
なる。

増幅器の入力電力Ｐ．を変化させた場合の、出力電力Ｐ
０，電諒効率η．ゲート電流１６の変化を第３図に示す
。同図において点線で示したゲート電流特性は第４図に
衣した従来例であり、人力電力Ｐ．がＰｉｌに近づくと
ゲート電流ＩＧは負電流（ソースからゲートに流れる）
から順電流（ゲートからソースに流れる）に変化し、入
力電力Ｐ１において順電流の許容値１ｃｍａＸに達する
。したがって人力電力Ｐ．をこれ以上増やすことはでき
ず、最大出力、最大効率はそれぞれＰ０，．η１に制限
される。（この例は負電流のピーク値は許容値１，ｓｉ
ｎを越えず、１頑電疏によって入力電力が制限される場
合である。）しかし、第１図の同路ではりξンタＬＭの
作用によりゲート電流の正負のピーク値は従来例より充
分小さく抑えられ、許容｛ｆｉｔ．，　ｍａｙ　，　　
ｌｃ　＋＊ｉｎを越えることはない。従って、ゲート電
圧■９についても同様である。人力電力Ｐ．を効率ηが
飽和値η２（〉η，）をとる例えばＰｉ．　（＞Ｐｉ．
）まで増加させることができ、そのとき最大出力Ｐ。ｚ
（＞ｐｏ１）が得られる。数値例をあげれば、ηｌ−７
０％，η２＝８０％Ｐｏ＋＝　２８．　５ｄＢ，　，　
　Ｐｏｚ＝　３　０ｄＢ．の如くである。

第１図に点線で示すようにトランジスタＱのゲートに偶
数次高調波を側路させるためのトランプ回路（一般的に
はバンドストップフィルタ）Ｎ１を設けるのが望ましい
。この例では、トラップ回路ＴＣは基本波でλ／４の分
布定数線路Ｎ，と直流阻止用のコンデンサＣ７との直列
回路で構成した場合が示されている。なおコンデンサＣ
，は高調彼信号のバイパス用も兼ねている。

いま、トランブ回路ＴＣが鳩い場合を考える。

入力信号に周波数の近い二つの正弦波（ｒ，．ｆｔ）が
含まれていると、りる，夕ＬＭの非直線性によって奇数
次高劇波以外に偶数次高調０１（２ｆ．．４ｆ・・；２
ｈ．　４ｒ２，・・・）も発生ずる。この偶数次高調波
は、ＦＥＴの非直線動作により基本波と粘合されて、基
本波周波敢ｒ，，ｒ２に近い周波数２ｒ，−ｒ．２ｆ，
−ｆ．を持つ相互変調波が発生ずる。これは：次のｔｔ
ｌ　Ｔｉ．　Ａ　調歪成分ともまわれるものである。

これらの周ｇｊ．＃！ｉ．は基本波周波数二こ近いので
、分離するのは困難であり、従って［’ＥＴの入力に含
まれる偶数次の高調波を除夫ずるのが望ましく、トラ，
プ同路′ｒＣはこのためのものである。

「発ｔり１の効果」 この発明によれば、Ｆ　ＦＥＴのケート入力側にリミノ
タが設けられ、入力ゲート電圧はその正及び負のピーク
値かゲート電圧の正及び負の許容値には＼等しい大きさ
かまたはそれ以下の台形波にクリノブされ、ドレイン電
圧Ｖ，を従来よりかなり矩形波に近づけることが可能と
なる。その結果、ドレイン損失が滅少し、従来より電源
効率のよいＦ級増幅器が実現できる。

ゲート人力（Ｑ＋１に偶数次高調波を抑圧するためのバ
ン１′ストップフィルタを設けた場合には、増幡器出力
の相互変調歪を大幅に改善できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発’！ＩＩの実施例を示す回路図、第２図
は第１図の要部の波形図、第３図は第１図の実施例にお
いて人力電力を変化させた場合の出力電力、電源効率及
びゲート電流の変化を示す図、第４図は従来の高効率増
幅器の回路図、第５図は第４図の要部の波形図、第６図
乃至第８図は第４図のＦＥＴのドレイン電圧■。対ドレ
イン電流！。 の静特性図上に画いた、（Ｖ．．！。）の組の軌跡と、
対応ずるドレイン電流波形と、ドレインｉＫ　Ｊ上波形
とを示す閃である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ゲートがほゞピンチオフ電圧にバイアスされたソ
   ース接地形ＦＥＴ増幅回路のドレインの出力負荷回路と
   して、ドレイン側より見た入力インピーダンスが入力信
   号の基本波の周波数で抵抗負荷を示し、偶数次及び奇数
   次高調波の周波数でそれぞれほゞ短絡及び開放となるよ
   うな高調波反射回路を接続して成るＦＥＴ増幅器におい
   て、 ゲート入力側にりミッタを設けて、ゲート電圧の正及び
   負のピーク値をそれぞれゲートの最大許容順電圧及び最
   大許容逆電圧とほゞ等しい値またはそれ以下にクリップ
   したことを特徴とする、 高効率増幅器。
2. （２）請求項（１）において、ゲート入力側に入力信号
   の偶数次高調波を抑圧するためのバンドストップフィル
   タを設けたことを特徴とする高効率増幅器。