JP2013046360A - 増幅回路ならびにそれを用いた送信装置および通信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 広帯域で高効率な増幅回路ならびにそれを用いた送信装置および通信装置を提供する。
【解決手段】 ０以上０．５以下の範囲内のデューティ比を有するパルス状の信号である第１信号Ｓ１が直接または他の回路を介してゲート端子に入力されて、ドレイン端子から第２信号Ｓ２を出力するトランジスタ４ａと、第１信号Ｓ１に対してデューティ比が反転したパルス状の信号である第３信号Ｓ３が直接または他の回路を介してゲート端子に入力されて、ドレイン端子から第４信号Ｓ４を出力するトランジスタ４ｂと、第２信号Ｓ２および第４信号Ｓ４が入力されて、第２信号Ｓ２および第４信号Ｓ４の一方のデューティ比を反転させた後に合成した第５信号Ｓ５を出力する第１回路５とを少なくとも有しており、トランジスタ４ｂのサイズがトランジスタ４ａのサイズよりも小さく設定された増幅回路とする。広帯域で高効率な増幅回路が得られる。
【選択図】 図１

Description

本発明は高効率の増幅回路ならびにそれを用いた送信装置および通信装置に関するものである。

従来、パルス状の信号を増幅した後に、その基本波成分を抽出する増幅回路が知られている（例えば、特許文献１を参照。）。

特開２００９−１８２９０６号公報

上述した従来の増幅回路は、広帯域で高効率な増幅回路だったが、更なる高効率化および広帯域化の要求があった。

本発明はこのような従来の技術における課題に鑑みて案出されたものであり、その目的は、広帯域で高効率な増幅回路ならびにそれを用いた送信装置および通信装置を提供することにある。

本発明の第１の増幅回路は、０以上０．５以下の範囲内のデューティ比を有するパルス状の信号である第１信号が直接または他の回路を介してゲート端子に入力されて、ドレイン端子から第２信号を出力する第１のトランジスタと、前記第１信号に対してデューティ比が反転したパルス状の信号である第３信号が直接または他の回路を介してゲート端子に入力されて、ドレイン端子から第４信号を出力する第２のトランジスタと、前記第２信号および前記第４信号が入力されて、前記第２信号および前記第４信号の一方のデューティ比を反転させた後に合成した第５信号を出力する第１回路とを少なくとも有しており、前記第２のトランジスタのサイズが前記第１のトランジスタのサイズよりも小さく設定されていることを特徴とするものである。

本発明の第２の増幅回路は、前記第１の増幅回路において、前記第２のトランジスタのサイズが、前記第１のトランジスタのサイズに対して、０．２倍以上１倍未満であることを特徴とするものである。

本発明の第３の増幅回路は、前記第１の増幅回路において、第６信号が入力されて、該第６信号の振幅の変化に応じて互いの位相差が変化する２つの定包絡線信号である第７信号および第８信号を出力する第２回路と、前記第７信号および前記第８信号が入力されて、前記第７信号および前記第８信号の位相差に応じて０以上０．５以下の範囲内でデューティ比が変化するパルス状の信号である前記第１信号と、該第１信号に対してデューティ比が反転したパルス状の信号である前記第３信号とを出力する第３回路と、前記第５信号が入力されて、前記第６信号の基本波の周波数の信号を主に出力する第４回路とをさらに備えることを特徴とするものである。

本発明の送信装置は、送信回路と、前記第３の増幅回路と、該増幅回路を介して前記送信回路に接続されたアンテナとを少なくとも有していることを特徴とするものである。

本発明の通信装置は、送信回路と、前記第３の増幅回路と、該増幅回路を介して前記送信回路に接続されたアンテナと、該アンテナに接続された受信回路とを少なくとも有していることを特徴とするものである。

本発明の増幅回路によれば、広帯域で高効率な増幅回路を得ることができる。

本発明の送信装置によれば、消費電力の小さい送信装置を得ることができる。

本発明の通信装置によれば、消費電力の小さい通信装置を得ることができる。

本発明の実施の形態の第１の例の増幅回路を示す回路図である。 本発明の実施の形態の第２の例の増幅回路を示す回路図である。 本発明の実施の形態の第３の例の送信装置を示すブロック図である。 本発明の実施の形態の第４の例の通信装置を示すブロック図である。 本発明および比較例の増幅回路のシミュレーション結果を示すグラフである。 本発明および比較例の増幅回路のシミュレーション結果を示すグラフである。

以下、本発明の増幅回路ならびにそれを用いた送信装置および通信装置を添付の図面を参照しつつ詳細に説明する。

（実施の形態の第１の例）
図１は本発明の実施の形態の第１の例の増幅回路を示す回路図である。

本例の増幅回路は、図１に示すように、端子１〜３と、トランジスタ４ａ，４ｂと、第１回路５と、キャパシタ６ａ，６ｂと、抵抗１１ａ，１１ｂと、低域通過フィルタ回路１７ａ，１７ｂとを有している。また、第１回路５は、トランス１３と、キャパシタ１４，１５とを有している。

端子１には図示せぬ外部回路から第１信号Ｓ１が入力され、端子３には図示せぬ外部回路から第３信号Ｓ３が入力される。なお、第１信号Ｓ１は、０以上０．５以下の範囲内のデューティ比を有するパルス状の信号であり、第３信号Ｓ３は、第１信号Ｓ１に対してデューティ比が反転したパルス状の信号である。また、第１信号Ｓ１および第３信号Ｓ３は、互いに周波数が等しい信号である。なお、デューティ比が反転した信号とは、元の信号に対してＨｉｇｈレベルとＬｏｗレベルとが逆になっている信号である。元の信号のデューティ比をｘとすると、元の信号に対してデューティ比が反転した信号のデューティ比ｙは、ｙ＝１−ｘとなる。

トランジスタ４ａのゲート端子は、ＤＣカット用のキャパシタ６ａを介して端子１に接続されており、キャパシタ６ａを介して第１信号Ｓ１がゲート端子に入力される。また、トランジスタ４ａのゲート端子は、抵抗１１ａを介してゲート電位Ｖｇ１に接続されて、所定のバイアス電圧が加えられる。トランジスタ４ａのドレイン端子は、トランス１３を構成する一方のコイル１３ｅの一方端に接続された端子１３ｃと、端子２とに接続されている。コイル１３ｅの他方端に接続された端子１３ｄは、ＤＣカット用のキャパシタ１５を介して基準電位（グランド電位）に接続されるとともに、低域通過フィルタ回路１７ａ
を介して電源電位Ｖｄｄに接続される。よって、トランジスタ４ａのドレイン端子は、コイル１３ｅおよび低域通過フィルタ回路１７ａを介して電源電位Ｖｄｄに接続される。トランジスタ４ａのソース端子は基準電位（グランド電位）に接続される。そして、第１信号Ｓ１がスイッチング増幅された信号である第２信号Ｓ２が、トランジスタ４ａのドレイン端子から第１回路５へ出力される。

トランジスタ４ｂのゲート端子は、ＤＣカット用のキャパシタ６ｂを介して端子３に接続されており、キャパシタ６ｂを介して第３信号Ｓ３がゲート端子に入力される。また、トランジスタ４ｂのゲート端子は、抵抗１１ｂを介してゲート電位Ｖｇ２に接続されて、所定のバイアス電圧が加えられる。トランジスタ４ｂのドレイン端子は、トランス１３を構成する他方のコイル１３ｆの一方端に接続された端子１３ａに接続されている。コイル１３ｆの他方端に接続された端子１３ｂは、ＤＣカット用のキャパシタ１４を介して基準電位（グランド電位）に接続されるとともに、低域通過フィルタ回路１７ｂを介して電源電位Ｖｄｄに接続される。よって、トランジスタ４ｂのドレイン端子は、コイル１３ｆおよび低域通過フィルタ回路１７ｂを介して電源電位Ｖｄｄに接続される。トランジスタ４ｂのソース端子は基準電位（グランド電位）に接続される。そして、第３信号Ｓ３がスイッチング増幅された信号である第４信号Ｓ４が、トランジスタ４ｂのドレイン端子から第１回路５へ出力される。なお、トランス１３において、コイル１３ｅ，１３ｆの巻き数比は１：１とされている。

第２信号Ｓ２および第４信号Ｓ４が第１回路５に入力される。第１回路５は、トランス１３によって第４信号Ｓ４のデューティ比を反転した後に第２信号Ｓ２と合成して第５信号Ｓ５を生成して出力する。第５信号Ｓ５は端子２から外部へ出力される。

このような構成を備える本例の増幅回路によれば、第１信号Ｓ１を増幅した信号である第５信号Ｓ５を出力することができるとともに、広帯域で高効率な増幅回路を得ることができる。また、本例の増幅回路によれば、トランジスタ４ｂのサイズがトランジスタ４ａのサイズに対して小さく設定されていることから、デューティ比が小さい信号を高効率で増幅することが可能な増幅回路を得ることができる。この効果が得られるメカニズムは、まだ明確に特定できていないが、相対的にデューティ比が大きい第３信号Ｓ３を増幅するトランジスタ４ｂのサイズを小さくすることにより、全体的な消費電流を小さくできるからではないかと推測できる。なお、第２のトランジスタのサイズは、第１のトランジスタのサイズに対して、０．２倍以上１倍未満であることが望ましく、これにより、広い範囲のデューティ比の信号を高効率で増幅することが可能な増幅回路を得ることができる。

本例の増幅回路において、トランジスタ４ａ，４ｂはｎチャネルＦＥＴである。低域通過フィルタ回路１７ａ，１７ｂは、インダクタおよびキャパシタを用いて構成してもよく、インダクタのみで構成してもよく、分布定数線路を用いて構成しても構わない。抵抗１１ａ，１１ｂの代わりに、低域通過フィルタ回路を用いても構わない。

（実施の形態の第２の例）
図２は本発明の実施の形態の第２の例の増幅回路を示す回路図である。本例の増幅回路は、図２に示すように、図１に示した実施の形態の第１の例の増幅回路３０に加えて、第２回路３１と、第３回路３２と、第４回路３３と、端子３４，３５とを有している。

第２回路３１は、第６信号Ｓ６が入力されて、第６信号Ｓ６の振幅の変化に応じて互いの位相差が変化する２つの定包絡線信号である第７信号Ｓ７および第８信号Ｓ８を出力する。このような第２回路３１としては、公知の定包絡線信号生成回路を用いることができる。定包絡線信号生成回路であれば、どのような構成であっても良く、アナログ方式でもデジタル方式でも構わない。

第３回路３２は、トランジスタ２１，２２と、トランス２３と、キャパシタ２４とを有している。

トランジスタ２１は、ソース端子およびゲート端子が第２回路３１に接続されており、ドレイン端子が増幅回路３０の端子１に接続されている。トランジスタ２１のソース端子には第７信号Ｓ７が入力され、トランジスタ２１のゲート端子には第８信号Ｓ８が入力される。そして、トランジスタ２１は、第７信号Ｓ７および第８信号Ｓ８の位相差に応じて０以上０．５以下の範囲内でデューティ比が変化するパルス状の信号である第１信号Ｓ１を生成して、増幅回路３０の端子１へ出力する。

トランジスタ２２は、ソース端子およびゲート端子が第２回路３１に接続されており、ドレイン端子がトランス２３の端子２３ａに接続されている。トランジスタ２２のソース端子には第８信号Ｓ８が入力され、トランジスタ２２のゲート端子には第７信号Ｓ７が入力される。そして、トランジスタ２２は、第７信号Ｓ７および第８信号Ｓ８の位相差に応じて０以上０．５以下の範囲内でデューティ比が変化するパルス状の信号を生成して、トランス２３へ出力する。

トランス２３を構成する一方のコイル２３ｅの一方端に接続された端子２３ａは、トランジスタ２２のドレイン端子に接続されている。コイル２３ｅの他方端に接続された端子２３ｂは、ＤＣカット用のキャパシタ２４を介して基準電位（グランド電位）に接続される。トランス２３を構成する他方のコイル２３ｆの一方端に接続された端子２３ｃは、増幅回路３０の端子３に接続されている。コイル２３ｆの他方端に接続された端子２３ｄは、基準電位（グランド電位）に接続される。トランス２３は、トランジスタ２２から入力された信号のデューティ比を反転させて増幅回路３０の端子３へ出力する。なお、トランス２３において、コイル２３ｅ，２３ｆの巻き数比は１：１とされている。

このようにして、第３回路３２は、第７信号Ｓ７および第８信号Ｓ８が入力されて、第７信号Ｓ７および第８信号Ｓ８の位相差に応じて０以上０．５以下の範囲内でデューティ比が変化するパルス状の信号である第１信号Ｓ１と、第１信号Ｓ１に対してデューティ比が反転したパルス状の信号である第３信号Ｓ３とを増幅回路３０へ出力する。

第４回路３３は、ＬＣ直列共振回路２６と、整合回路２７とを有している。ＬＣ直列共振回路２６は増幅回路３０の端子２に接続されており、ＬＣ直列共振回路２６と端子３５とが整合回路２７を介して接続されている。ＬＣ直列共振回路２６は、互いに直列に接続されたインダクタおよびキャパシタによって構成されており、その共振周波数は、第６信号Ｓ６の基本波の周波数（第５信号の基本波の周波数と同じ）に略等しい値に設定されている。整合回路２７は、インダクタおよびキャパシタによって構成されており、ローパスフィルタ型の整合回路となっている。このような構成を有する第４回路３３は、増幅回路３０から第５信号Ｓ５が入力されて、第６信号Ｓ６の基本波の周波数の信号を主に出力する。

このよう構成を有する本例の増幅回路８０は、入力される第６信号Ｓ６が包絡線変動を有する信号である場合においても、広い周波数範囲において高効率で線形増幅して出力することができる。これにより、広帯域で高効率な増幅回路を得ることができる。

（実施の形態の第３の例）
図３は本発明の実施の形態の第３の例の送信装置を示すブロック図である。

本例の送信装置は、図３に示すように、送信回路８１と、図２に示した増幅回路８０と
、増幅回路８０を介して送信回路８１に接続されたアンテナ８２とを有している。このような構成を有する本例の送信装置によれば、送信回路８１から出力された送信信号を、消費電力が小さく広帯域で高効率な本発明の増幅回路８０を用いて増幅してアンテナ８２に出力することができるので、消費電力が小さく送信時間が長い送信装置を得ることができる。

（実施の形態の第４の例）
図４は本発明の実施の形態の第４の例の通信装置を示すブロック図である。

本例の通信装置は、図４に示すように、送信回路８１と、第２の増幅回路８０と、増幅回路８０を介して送信回路８１に接続されたアンテナ８２と、アンテナ８２に接続された受信回路８３とを有している。また、アンテナ８２と、増幅回路８０および受信回路８３との間にはアンテナ共用回路８４が挿入されている。このような構成を有する本例の通信装置によれば、送信回路８１から出力された送信信号を、消費電力が小さく広帯域で高効率な本発明の増幅回路８０を用いて増幅してアンテナ８２に出力することができるので、消費電力が小さく送信時間が長い通信装置を得ることができる。

（変形例）
本発明は前述した実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更，改良が可能である。

例えば、前述した実施形態の第１の例においては、第４信号Ｓ４のデューティ比が反転された後に第２信号Ｓ２と合成されて第５信号Ｓ５が生成される例を示したが、これに限定されるものではない。例えば、第２信号Ｓ２のデューティ比が反転された後に第４信号Ｓ４と合成されて第５信号Ｓ５が生成されるようにしても構わない。

次に、本発明の増幅回路の具体例について説明する。図２に示した増幅回路８０から第２回路３１および第３回路３２を取り除いて、増幅回路３０および第４回路３３のみで構成した増幅回路の電気特性をシミュレーションによって算出した。なお、トランジスタ４ａ，４ｂは、ガリウム砒素ＦＥＴとし、そのピンチオフ電圧を０．３Ｖとした。電源電位Ｖｄｄは４．５Ｖとし、ゲート電位Ｖｇ１は０．２Ｖとし、ゲート電位Ｖｇ２は０．４Ｖとした。ＬＣ直列共振回路２６は、２５．１ｎＨのインダクタと１．８ｐＦのキャパシタで構成した。整合回路２７は、３．７ｐＦのキャパシタと、１１．６ｎＨのインダクタと、２．５ｐＦのキャパシタで構成したπ型のローパスフィルタ回路とした。そして、第１信号Ｓ１および第３信号Ｓ３は、周波数が８３０ＭＨｚで電圧が１Ｖのパルス信号とし、第１信号Ｓ１のデューティ比を０．０１〜０．５の範囲内で段階的に変化させ、それに応じて第３信号Ｓ３のデューティ比も変化させた。

そして、トランジスタ４ａのサイズをｘ、トランジスタ４ｂのサイズをｙとしたときにα＝ｙ／ｘで表される、トランジスタ４ｂのサイズのトランジスタ４ａのサイズに対する比αを、α＝１，０．７５，０．５，０．２，０．１５と変化させて、α＝１である比較例の増幅回路の電気特性とα＝０．１５〜０．７５である本発明の増幅回路の電気特性とを比較した。

その結果を図５，図６のグラフに示す。グラフにおいて、横軸はバックオフであり、第１信号Ｓ１のデューティ比が最大の０．５のときにバックオフが０ｄＢとなる。第１信号Ｓ１のデューティ比が０．２５，０．１，０．０５，０．０２５，０．０１のとき、およそのバックオフは、−６ｄＢ，−１４ｄＢ，−２０ｄＢ，−２５ｄＢ，−３０ｄＢとなる。グラフの縦軸は、ドレイン効率である。

図５のグラフにおいて、点線はα＝１の増幅回路の電気特性を示し、細い実線はα＝０．７５の増幅回路の電気特性を示し、太い実線はα＝０．５の増幅回路の電気特性を示す。また、図６のグラフにおいて、点線はα＝１の増幅回路の電気特性を示し、細い実線はα＝０．２の増幅回路の電気特性を示し、太い実線はα＝０．１５の増幅回路の電気特性を示す。図５および図６に示すグラフによれば、α＝０．１５〜０．７５である増幅回路は、α＝１である比較例の増幅回路と比較して、特に第１信号Ｓ１のデューティ比が小さいときに顕著に効率が高くなっていることがわかる。さらに、α＝０．２〜０．７５の増幅回路においては、第１信号Ｓ１のデューティ比が０．０１〜０．５の広い範囲の殆どにおいて、α＝１である比較例の増幅回路よりも効率が高くなっていることがわかる。これにより本発明の有効性が確認できた。

４ａ，４ｂ，２１，２２：トランジスタ
５：第１回路
３０，８０：増幅回路
３１：第２回路
３２：第３回路
３３：第４回路
８１：送信回路
８２：アンテナ
８３：受信回路

Claims (5)

1. ０以上０．５以下の範囲内のデューティ比を有するパルス状の信号である第１信号が直接または他の回路を介してゲート端子に入力されて、ドレイン端子から第２信号を出力する第１のトランジスタと、
   前記第１信号に対してデューティ比が反転したパルス状の信号である第３信号が直接または他の回路を介してゲート端子に入力されて、ドレイン端子から第４信号を出力する第２のトランジスタと、
   前記第２信号および前記第４信号が入力されて、前記第２信号および前記第４信号の一方のデューティ比を反転させた後に合成した第５信号を出力する第１回路とを少なくとも有しており、
   前記第２のトランジスタのサイズが前記第１のトランジスタのサイズよりも小さく設定されていることを特徴とする増幅回路。
2. 前記第２のトランジスタのサイズは、前記第１のトランジスタのサイズに対して、０．２倍以上１倍未満であることを特徴とする請求項１に記載の増幅回路。
3. 第６信号が入力されて、該第６信号の振幅の変化に応じて互いの位相差が変化する２つの定包絡線信号である第７信号および第８信号を出力する第２回路と、
   前記第７信号および前記第８信号が入力されて、前記第７信号および前記第８信号の位相差に応じて０以上０．５以下の範囲内でデューティ比が変化するパルス状の信号である前記第１信号と、該第１信号に対してデューティ比が反転したパルス状の信号である前記第３信号とを出力する第３回路と、
   前記第５信号が入力されて、前記第６信号の基本波の周波数の信号を主に出力する第４回路とをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の増幅回路。
4. 送信回路と、請求項３に記載の増幅回路と、該増幅回路を介して前記送信回路に接続されたアンテナとを少なくとも有していることを特徴とする送信装置。
5. 送信回路と、請求項３に記載の増幅回路と、該増幅回路を介して前記送信回路に接続されたアンテナと、該アンテナに接続された受信回路とを少なくとも有していることを特徴とする通信装置。

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