JP4478132B2 - High frequency power amplifier circuit - Google Patents
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Description
本発明は、高周波用パワーMOS−FETを用いた高周波電力増幅回路に関する。 The present invention relates to a high-frequency power amplifier circuit using a high-frequency power MOS-FET.
MOS−FETを用いた高周波電力増幅回路における回路補償技術として、従来では、MOS−FETと定電流回路とで構成される補償回路を付加したMOS−FET増幅回路が存在する。 Conventionally, as a circuit compensation technique in a high frequency power amplifier circuit using a MOS-FET, there is a MOS-FET amplifier circuit to which a compensation circuit composed of a MOS-FET and a constant current circuit is added.
パルス動作により間歇的に高周波電力増幅を行う、高周波用のパワーMOS・FETを用いた高周波電力増幅回路においては、出力パルス幅を拡げてゆくと、パワーMOS・FETの特性(過渡熱抵抗)により、ドレインを流れるアイドル電流(ΔId)が増加し、自己発熱が増大して、ドレイン電流(ID )が上昇の一途を辿り、やがてSOA領域(Safe Operating Area)を超えて、パワーMOS・FETの破壊を招く。このため従来では、数キロワット乃至数十キロワット程度の高周波電力増幅出力を得る大電力用の高周波電力増幅回路を構成する場合、要求される出力電力値に応じて選定した複数の高周波用のパワーMOS・FETを並列回路接続し、これら各パワーMOS・FETを、それぞれSOA領域内で動作する出力パルス幅により動作させていた。
上述したように、パルス動作により間歇的に高周波電力増幅を行う、高周波用のパワーMOS・FETを用いた高周波電力増幅回路において、従来では、実装する各パワーMOS・FETを、それぞれSOA領域内で安全に動作する出力パルス幅で動作させなければならないことから、複数のパワーMOS・FETを用いて大電力用の高周波大電力増幅回路を構成する場合に回路構成が煩雑かつ大型化するとともに、経済的にもコスト上昇を招くという問題があった。 As described above, in a high-frequency power amplifier circuit using a high-frequency power MOS • FET that intermittently performs high-frequency power amplification by a pulse operation, conventionally, each power MOS • FET to be mounted is respectively within the SOA region. Since it is necessary to operate with an output pulse width that operates safely, when configuring a high-frequency high-power amplifier circuit for high power using a plurality of power MOS FETs, the circuit configuration becomes complicated and large, and the economy In particular, there was a problem of increasing the cost.
本発明は上記問題点を解決したもので、パルス動作により間歇的に高周波電力増幅を行う、高周波用のパワーMOS・FETを用いた高周波電力増幅回路において、ゲートパルスによるバイアス電圧の掛け方を工夫することで、パワーMOS・FETの出力パルス幅を拡げて効率のよい電力増幅を可能にし、かつ安全性の高い動作を期待できる、経済的に有利な回路構成とした高周波電力増幅回路を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-mentioned problems, and devise how to apply a bias voltage by a gate pulse in a high-frequency power amplification circuit using a high-frequency power MOS • FET that intermittently performs high-frequency power amplification by pulse operation. By providing a high-frequency power amplifier circuit with an economically advantageous circuit configuration that enables efficient power amplification by widening the output pulse width of the power MOS • FET and that can be expected to have a highly safe operation For the purpose.
本発明は、パルス動作により間歇的に高周波電力増幅を行う、パワーMOS・FETを用いた高周波電力増幅回路において、ゲートパルスを入力するゲートパルス入力端と、前記ゲートパルスに同期してパルス幅変調された高周波信号を入力する高周波信号入力端と、前記ゲートパルス入力端に入力されたゲートパルスを出力電位が漸減する所定幅のゲートパルスに成形する波形成形回路と、前記波形成形回路から出力されたゲートパルスをもとに、前記高周波信号入力端に入力された高周波信号を電力増幅するパワーMOS・FETを用いた増幅部とを具備したことを特徴とする。 The present invention relates to a high-frequency power amplifier circuit using a power MOS / FET that intermittently performs high-frequency power amplification by pulse operation, and a gate pulse input terminal for inputting a gate pulse, and pulse width modulation in synchronization with the gate pulse. A high-frequency signal input terminal for inputting the high-frequency signal, a waveform shaping circuit for shaping the gate pulse inputted to the gate pulse input terminal into a gate pulse of a predetermined width where the output potential gradually decreases, and the waveform shaping circuit And an amplifying unit using a power MOS • FET for amplifying the power of the high-frequency signal input to the high-frequency signal input terminal based on the gate pulse.
本発明によれば、パルス動作により間歇的に高周波電力増幅を行う、高周波用のパワーMOS・FETを用いた高周波電力増幅回路において、ゲートパルスによるバイアス電圧の掛け方を工夫することで、安全性の高い動作を確保しつつパワーMOS・FETの出力パルス幅を拡げることができ、これにより、大電力用の高周波大電力増幅回路を構成する場合に、パワーMOS・FETの実装数を低減し、回路構成を簡素化した、経済的に有利な構成の高周波電力増幅回路を提供できる。 According to the present invention, in a high-frequency power amplification circuit using a high-frequency power MOS-FET that intermittently performs high-frequency power amplification by a pulse operation, a safety is achieved by devising how to apply a bias voltage by a gate pulse. The output pulse width of the power MOS / FET can be expanded while ensuring a high operation of this, and this reduces the number of mounted power MOS / FETs when configuring a high-frequency, high-power amplifier circuit for high power, It is possible to provide a high-frequency power amplifier circuit having an economically advantageous configuration with a simplified circuit configuration.
パワーMOS・FETのパルス出力動作において、パルス幅を拡げてゆくと、上述したようにパワーMOS・FETの過渡熱抵抗により自己発熱が増大してドレイン電流(ID )が上昇の一途を辿り、やがてSOA領域を超えて、パワーMOS・FETの破壊を招く。そこで、本発明の実施形態においては、高周波電力増幅用のパワーMOS・FETを用いて、例えばAB級プッシュプル増幅を行う場合、パワーMOS・FETのゲートバイアス回路に、アイドル電流が徐々に漸減するような補償回路を設けて、上記ゲートバイアスのパルス幅を補償回路を設けない回路構成に比して広くとれるようにした。これによりパワーMOS・FETの過渡熱抵抗分を等価的に小さくすることができ、大電力用の高周波大電力増幅回路を構成する場合に、パワーMOS・FETの実装数を低減し、回路構成を簡素化できる。 In the pulse output operation of a power MOS • FET, if the pulse width is expanded, the self-heating increases due to the transient thermal resistance of the power MOS • FET as described above, and the drain current (ID) continues to rise. Beyond the SOA region, the power MOS • FET is destroyed. Therefore, in the embodiment of the present invention, when, for example, class AB push-pull amplification is performed using a power MOS • FET for high-frequency power amplification, the idle current gradually decreases in the gate bias circuit of the power MOS • FET. Such a compensation circuit is provided so that the pulse width of the gate bias can be increased as compared with a circuit configuration in which no compensation circuit is provided. As a result, the transient thermal resistance of the power MOS / FET can be reduced equivalently, and when configuring a high-frequency high-power amplifier circuit for high power, the number of mounted power MOS / FETs is reduced, and the circuit configuration is reduced. It can be simplified.
以下図面を参照して本発明の実施形態を説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
本発明の実施形態に係る高周波電力増幅回路の構成を図1に示す。 A configuration of a high-frequency power amplifier circuit according to an embodiment of the present invention is shown in FIG.
本発明の実施形態に係る高周波電力増幅回路は、増幅回路10と、ゲートパルス波形成形回路20とを有して構成される。
The high-frequency power amplifier circuit according to the embodiment of the present invention includes an
増幅回路10は、高周波信号入力端11に入力された高周波信号を電力増幅する。高周波信号入力端11には、所定の間隔で間歇的にパルス幅変調された正弦波の高周波信号RF(in)が供給される。
The
ゲートパルス波形成形回路20は、ゲートパルス入力端21に入力されたゲートパルスを波形成形して増幅回路10に供給する。ゲートパルス入力端21には、高周波信号RF(in)に同期した所定幅のゲートパルスGP(in)が供給される。
The gate pulse
増幅回路10は、高周波信号入力端11と、AB級プッシュプル増幅回路を構成する一対の高周波電力増幅用のパワーMOS・FET12,13と、高周波信号出力端15と、高周波信号入力端11に入力された高周波信号RF(in)をパワーMOS・FET12,13のゲート電極(G)に供給する回路と、波形成形回路20から出力されたゲートパルスGP(out)をパワーMOS・FET12,13のゲート電極(G)に供給する回路と、パワーMOS・FET12,13のドレイン電極(D)に高電圧(例えば130〜150V)の電力増幅用動作電源(VDD)を供給する回路と、パワーMOS・FET12,13で電力増幅された高周波信号RF(out)を高周波信号出力端15に出力する回路とを具備して構成される。なお、ゲートパルスGP(out)をパワーMOS・FET12,13のゲート電極(G)に供給する回路、およびパワーMOS・FET12,13のドレイン電極(D)に電力増幅用動作電源(VDD)を供給する回路には、RFカット(高周波成分除去)のためのチョークコイルが介挿される。
The
ゲートパルス波形成形回路20は、ゲートパルス入力端21に入力されたゲートパルスGP(in)の積分波形を生成するCR時定数回路22と、ゲートパルス入力端21に入力されたゲートパルスGP(in)に同期して、CR時定数回路22で生成した積分波形の出力を有効にするスイッチング回路23と、CR時定数回路22の出力を反転増幅するオペアンプ24と、出力するゲートパルスGP(out)の幅を、高周波信号RF(in)の信号幅を超えない範囲で調整する演算回路素子25とを具備して構成される。ゲートパルス波形成形回路20の出力端(演算回路素子25の出力端)26に出力された波形成形後のゲートパルスGP(out)は、ゲートバイアス調整用の可変抵抗器(VR)を介してパワーMOS・FET12,13のゲート電極(G)にゲートバイアス信号として供給される。
The gate pulse
上記したゲートパルス波形成形回路20から出力されるゲートパルスGP(out)の波形を図2(a)に示し、この波形成形されたゲートパルスGP(out)に伴うパワーMOS・FET12,13のドレイン電流(ID)波形を図2(b)に示している。
The waveform of the gate pulse GP (out) output from the gate pulse
図2(a)に示すように、ゲートパルス波形成形回路20から出力されるゲートパルスGP(out)は、高周波信号入力端11に入力された高周波信号RF(in)の信号幅(パルス幅変調された高周波信号の幅)を超えない範囲で拡げられた、電位が漸減する(徐々に下降する)パルス波形である。図2(b)に、破線で示す、ΔIdは、パワーMOS・FET12,13のドレイン電流(ID)に含まれるアイドル電流であり、上昇する変化部分がアイドル電流(ΔId)の増大分(漸増分)である。図2(a)に示すゲートパルスGP(out)は、同図(b)に示すドレイン電流(ID)から、波線で示すアイドル電流(ΔId)の増大分(漸増分)が打ち消されるように(すなわち、ドレイン電流(ID)に含まれるアイドル電流(ΔId)からアイドル電流(ΔId)の増大分が見掛け上取り除かれるように)電位が漸減されるパルスであり、かつ幅が拡張されたパルスである。
As shown in FIG. 2A, the gate pulse GP (out) output from the gate pulse
上記構成に於いて、増幅回路10の高周波信号入力端11に高周波信号RF(in)が供給され、波形成形回路20のゲートパルス入力端21に、ゲートパルスGP(in)が供給されることによって、増幅回路10が波形成形回路20のゲートバイアスを受けて、高周波信号入力端11に供給された高周波信号RF(in)を高周波電力増幅する。
In the above configuration, the high frequency signal RF (in) is supplied to the high frequency
この際、波形成形回路20は、ゲートパルス入力端21に入力されたゲートパルスGP(in)を、図2(a)に示すように、高周波信号RF(in)の信号幅を超えない範囲で幅を拡げ、かつ電位が漸減するゲートパルスGP(out)を出力する。
At this time, the
波形成形回路20に於いて、ゲートパルス入力端21に入力されたゲートパルスGP(in)は、CR時定数回路22により積分され、その積分波形が、スイッチング回路23のスイッチオフ期間に亘り、オペアンプ24の負側(−)入力端に入力されて反転増幅され、さらに演算回路素子25によりパルス幅が拡幅調整されて、出力端26より波形成形後のゲートパルスGP(out)として出力される。
In the
上記波形成形回路20で図2(a)に示すように波形成形されたゲートパルスGP(in)は、ゲートバイアス調整用の可変抵抗器(VR)を介して、増幅回路10に設けられたパワーMOS・FET12,13のゲート電極(G)に供給される。
The gate pulse GP (in) waveform-shaped by the
増幅回路10に於いて、高周波信号入力端11に入力された高周波信号RF(in)は、パワーMOS・FET12,13により電力増幅され、高周波信号出力端15から高周波信号RF(out)として出力される。この際、パワーMOS・FET12,13は、波形成形回路20から、ゲートバイアス調整用の可変抵抗器(VR)を介して入力された、図2(a)に示す、電位が漸減するパルス波形のゲートパルスGP(out)をゲート電極(G)に受け、このパルス信号をゲートバイアスとして、高周波信号入力端11に入力された高周波信号RF(in)をAB級プッシュプル増幅する。
In the
このように、パワーMOS・FET12,13のゲートバイアスに、アイドル電流(ΔId)の漸増分を見掛け上打ち消す補償回路を設けて、パワーMOS・FET12,13のゲートに、パワーMOS・FET12,13の過渡熱抵抗によるドレイン電流(ID)の増大分を抑制するような逆特性のゲートパルスを入力したことにより、上記補償回路なしの場合に比べてパルス幅を拡げることができ、効率の良い電力増幅が行える。とくに上述したような大電力用の高周波電力増幅回路を構成する場合に、パワーMOS・FETの実装個数を減らして効率の良い経済的に有利な構成の高周波電力増幅回路を提供することができる。
In this way, a compensation circuit that apparently cancels the gradual increase of the idle current (ΔId) is provided in the gate bias of the power MOS •
10…増幅回路、11…高周波信号入力端、12,13…パワーMOS・FET、15…高周波信号出力端、20…波形成形回路、21…ゲートパルス入力端、23…スイッチング回路、24…オペアンプ、25…演算回路素子、26…出力端、VR…ゲートバイアス調整用の可変抵抗器。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
ゲートパルスを入力するゲートパルス入力端と、
前記ゲートパルスに同期してパルス幅変調された高周波信号を入力する高周波信号入力端と、
前記ゲートパルス入力端に入力されたゲートパルスを出力電位が漸減する所定幅のゲートパルスに成形する波形成形回路と、
前記波形成形回路から出力されたゲートパルスをもとに、前記高周波信号入力端に入力された高周波信号を電力増幅するパワーMOS・FETを用いた増幅部と
を具備したことを特徴とする高周波電力増幅回路。 In a high frequency power amplifier circuit using power MOS / FET that intermittently performs high frequency power amplification by pulse operation,
A gate pulse input terminal for inputting a gate pulse; and
A high-frequency signal input terminal for inputting a high-frequency signal pulse-width-modulated in synchronization with the gate pulse;
A waveform shaping circuit for shaping the gate pulse input to the gate pulse input terminal into a gate pulse of a predetermined width in which the output potential gradually decreases;
A high-frequency power comprising: an amplifying unit using a power MOS FET that amplifies a high-frequency signal input to the high-frequency signal input terminal based on a gate pulse output from the waveform shaping circuit Amplification circuit.
前記ゲートパルス入力端に入力されたゲートパルスを積分するCR時定数回路と、
前記CR時定数回路の出力信号を反転増幅するオペアンプと、
前記ゲートパルスの出力幅を調整する回路素子と
を具備したことを特徴とする請求項2記載の高周波電力増幅回路。 The waveform shaping circuit is:
A CR time constant circuit for integrating the gate pulse input to the gate pulse input terminal;
An operational amplifier for inverting and amplifying the output signal of the CR time constant circuit;
The high frequency power amplifier circuit according to claim 2, further comprising a circuit element that adjusts an output width of the gate pulse.
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