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増幅回路 外国出願あり

国内特許コード P110002314
整理番号 S2009-1061-N0
掲載日 2011年4月12日
出願番号 特願2009-200817
公開番号 特開2011-055152
登録番号 特許第5408616号
出願日 平成21年8月31日(2009.8.31)
公開日 平成23年3月17日(2011.3.17)
登録日 平成25年11月15日(2013.11.15)
発明者
  • 本城 和彦
  • 高山 洋一郎
  • 石川 亮
出願人
  • 国立大学法人電気通信大学
発明の名称 増幅回路 外国出願あり
発明の概要

【課題】無視することが出来ない寄生容量や寄生インダクタンスを有するトランジスタを用いながら、4次以上の次数に亘ってF級または逆F級の負荷条件を満たす増幅回路を提供する。
【解決手段】トランジスタの後段に、n段(n=1、2、3、…)の梯子型回路を有する高調波処理回路を設ける。高調波処理回路の後段に、それぞれの共振周波数が互いに異なる2n+1個の共振器を有する共振回路部を設ける。2n+1個の共振器の共振周波数を、高調波処理回路の出力部を短絡した場合にトランジスタのドレーン出力部および接地面との間に形成されるn+1個の極およびn個の零点の周波数にそれぞれ一致させる。2n+1個の共振器のうち、2n個の共振器の共振周波数を、2次から2n+1次の高調波の周波数にそれぞれ一致させる。
【選択図】図1

従来技術、競合技術の概要


トランジスタ出力端子から負荷側を見込んだインピーダンスが、偶数次高調波では短絡、かつ、奇数次高調波では開放、となっている場合について考える。このような場合において、偶数次高調波における出力は電流成分のみとなり、奇数次高調波における出力は電圧成分のみとなる。すなわち、高調波での消費電力が無くなる。ここでさらに、基本波における力率が-1になるように設定すると、100%の電力効率が実現する。このような原理による増幅器は、F級増幅器として知られている。



これとは逆に、トランジスタ出力端子から負荷側を見込んだインピーダンスが偶数次高調波で開放、かつ、奇数次高調波で短絡、となっている場合について考える。このような場合において、偶数次高調波における出力は電圧成分のみとなり、奇数次高調波における出力は電流成分のみとなる。すなわち、高調波での消費電力が無くなる。ここでさらに、基本波における力率が-1になるように設定すると、100%の電力効率が実現する。このような原理による増幅器は、逆F級増幅器として知られている。



図5は、従来技術における増幅器の構成を示す回路図である。この回路は、トランジスタ1の等価回路と、整合回路19と、負荷抵抗18とを具備している。トランジスタ1の等価回路は、等価出力電流源7と、ドレーン-ソース間容量8と、ドレーンインダクタ9とを具備している。



ここで、トランジスタ1におけるドレーン-ソース間容量8と、ドレーンインダクタ9とは、それぞれ寄生容量と、寄生インダクタとである。トランジスタ1の寄生容量や寄生インダクタンスを考慮しない場合については、例えば、特許文献1、特許文献2及び特許文献3に示されるように、無限次までの任意次数に亘って、F級および逆F級負荷回路を実現できる。



しかしながら、実際のトランジスタには、ドレーン-ソース間容量やドレーンインダクタなどの寄生回路素子が存在する。そして、特にマイクロ波帯やミリ波帯など、周波数が高い領域では、これらの寄生回路素子の影響が無視出来ず、負荷回路の高調波の処理次数を上げても効率が改善しないという問題があった。



このため、トランジスタの寄生容量および寄生インダクタンスを考慮したF級増幅器回路および逆F級増幅器回路の検討も行われている。非特許文献1や特許文献3には、トランジスタの寄生容量および寄生インダクタを考慮して、F級および逆F級の負荷条件を3次高調波まで実現する手法が開示されている。



しかし、4次高調波以上を処理する回路は知られていない。このため、実際の設計に当たっては、半導体素子に寄生回路素子が存在しないと仮定して設計し試作した後に、実験的に再調整を行わなければならなかった。この場合、多数の高調波の終端条件を同時に考慮して調整することは非常に難しい。原理的にはF級や逆F級の増幅回路により100%の電力効率が達成可能であっても、現実には、マイクロ波帯における電力効率は80%程度に留まっていた。

産業上の利用分野


本発明は、特にトランジスタを用いる増幅回路に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
基本角周波数ωで動作する増幅回路であって、
等価出力電流源と、前記等価出力電流源の出力部に対して並列寄生容量となるドレーン-ソース間容量と、前記等価出力電流源およびドレーン出力部の間に存在し、かつ、直列寄生インダクタンスとなるドレーンインダクタンスとを有する等価回路として表現可能なトランジスタと、
前記ドレーン出力部に接続された入力部と、出力部と、前記入力部および出力部の間に設けられて各段が並列容量および直列インダクタを具備するn段(n=1、2、3、…)の梯子型回路とを有する高調波処理回路と、
前記高調波処理回路の出力部および接地面との間に設けられて、それぞれの共振周波数が互いに異なる2n+1個の共振器を有する共振回路部と、
前記高調波処理回路の後段に設けられた負荷抵抗と
を具備し、
前記2n+1個の共振器の共振周波数は、前記高調波処理回路の出力部を短絡した場合に前記トランジスタのドレーン出力部および前記接地面の間に形成されるn+1個の極およびn個の零点の周波数にそれぞれ一致し、
前記2n+1個の共振器のうち、2n個の共振器の共振周波数は、2次(2ω)から2n+1次((2+1)ω)の高調波の周波数にそれぞれ一致している
増幅回路。
【請求項2】
請求項1に記載の増幅回路であって、
前記2n+1個の共振器は、
直列に接続されたキャパシタ及びインダクタンスを具備し、前記高調波処理回路の出力部を短絡した場合に、前記トランジスタの等価回路における等価出力電流源の出力部および接地面の間に形成されるn+1個の極およびn個の零点の周波数において短絡となる
増幅回路。
【請求項3】
請求項1に記載の増幅回路であって、
前記共振回路部は、前記2n+1個の共振器として、
前記高調波処理回路の出力部を短絡した場合に、前記トランジスタの等価回路における等価出力電流源の出力部および接地面の間に形成されるn+1個の極およびn個の零点の周波数において短絡となり、前記2n+1個の共振器の共振周波数で4分の1波長とした先端開放スタブ
を具備する
増幅回路。
【請求項4】
請求項1~3のいずれかに記載の増幅回路であって、
前記高調波処理回路の後段、かつ、前記負荷抵抗の前段に接続されて、前記基本波ωに対応する整合回路
をさらに具備する
増幅回路。
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2009200817thum.jpg
出願権利状態 登録
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