特許 7189910 トランス結合型増幅回路

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-12-06

(45)【発行日】2022-12-14

(54)【発明の名称】トランス結合型増幅回路

(51)【国際特許分類】

   H03F 1/26 20060101AFI20221207BHJP

   H03F 3/20 20060101ALI20221207BHJP

   H03F 3/189 20060101ALI20221207BHJP

   H03F 1/34 20060101ALI20221207BHJP

【ＦＩ】

H03F1/26

H03F3/20

H03F3/189

H03F1/34

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2020118785

(22)【出願日】2020-07-09

(65)【公開番号】P2022015741

(43)【公開日】2022-01-21

【審査請求日】2021-12-08

(73)【特許権者】

【識別番号】000004330

【氏名又は名称】日本無線株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100119677

【弁理士】

【氏名又は名称】岡田 賢治

(74)【代理人】

【識別番号】100160495

【弁理士】

【氏名又は名称】畑 雅明

(74)【代理人】

【識別番号】100173716

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 真理

(74)【代理人】

【識別番号】100115794

【弁理士】

【氏名又は名称】今下 勝博

(72)【発明者】

【氏名】横野 聡

(72)【発明者】

【氏名】山下 和郎

【審査官】吉村 伊佐雄

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１８－１６４１４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１８／０２７８２２２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】中国特許出願公開第１０８６３１７３５（ＣＮ，Ａ）

【文献】特開２００８－１９９２８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭４９－０８９４６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第６１７２５６３（ＵＳ，Ｂ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０３Ｆ１／００－３／７２

７／００－７／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

エミッタ接地のバイポーラトランジスタ又はソース接地の電界効果トランジスタと、
本トランス結合型増幅回路の入力端子から出力端子への順序で互いに直列接続されるとともに、互いに磁界結合される第１巻線、第２巻線及び第３巻線と、を備え、
前記バイポーラトランジスタのベース端子又は前記電界効果トランジスタのゲート端子は、前記第１巻線と前記第２巻線との間の結節点に接続され、
前記バイポーラトランジスタのコレクタ端子又は前記電界効果トランジスタのドレイン端子は、前記第２巻線と前記第３巻線との間の結節点に接続される
ことを特徴とするトランス結合型増幅回路。

【請求項2】

前記第１巻線、前記第２巻線及び前記第３巻線は、互いに同極で直列接続され、
前記第１巻線、前記第２巻線及び前記第３巻線の巻線比は、１：ｎ－１：１であり、
本トランス結合型増幅回路の利得は、磁界結合の結合係数ｋ＝１においてｎ倍である
ことを特徴とする、請求項１に記載のトランス結合型増幅回路。

【請求項3】

前記バイポーラトランジスタ又は前記電界効果トランジスタから見た負荷インピーダンスは、本トランス結合型増幅回路の入出力インピーダンスより小さい
ことを特徴とする、請求項１又は２に記載のトランス結合型増幅回路。

【請求項4】

前記第１巻線、前記第２巻線及び前記第３巻線は、単一のコアに巻回される
ことを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載のトランス結合型増幅回路。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、トランスを用いて電流帰還及び電圧帰還を行う増幅回路に関する。

【背景技術】

【0002】

トランスを用いて電流帰還及び電圧帰還を行う増幅回路は、図１を用いてすぐ後に後述するように、低いノイズフロア及び広い周波数帯域特性を有する。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

従来のトランス結合型増幅回路１を図１に示す。バイポーラトランジスタ１３は、ベース端子を接地される。第１巻線１２と、第２巻線１４及び第３巻線１５とは、互いに逆相で磁界結合される。第２巻線１４及び第３巻線１５は、互いに同極で直列接続される。第１巻線１２は、入力端子１１とバイポーラトランジスタ１３のエミッタ端子との間に接続される。第２巻線１４は、バイポーラトランジスタ１３のコレクタ端子と出力端子１６の直前の結節点１７との間に接続される。第３巻線１５は、接地又は電源と出力端子１６の直前の結節点１７との間に接続される。

【0004】

トランス結合型増幅回路１の利得を、磁界結合の結合係数ｋ＝１において４倍（１２ｄＢ）にするため、第１巻線１２及び第３巻線１５の巻線比は、１：４であり、入力端子１１の電圧は、１ｅであり、出力端子１６の電圧は、４ｅである。トランス結合型増幅回路１の入出力インピーダンスＲ_ＩＮ、Ｒ_ＯＵＴを等しくするためには、入力端子１１から流入する電流が、１ｉであるならば、出力端子１６へと流出する電流は、４ｉであればよい。

【0005】

第１巻線１２を流れる電流は、入力端子１１からバイポーラトランジスタ１３のエミッタ端子へと、１ｉである。第２巻線１４を流れる電流は、バイポーラトランジスタ１３の性質上、バイポーラトランジスタ１３のコレクタ端子から結節点１７へと、１ｉである。第３巻線１５を流れる電流は、接地又は電源から結節点１７へと、４ｉ－１ｉ＝３ｉである。第１巻線１２、第２巻線１４及び第３巻線１５の巻線比を、１：ｎ：４とすると、トランスの性質上、１ｉ×１＋１ｉ×ｎ＝３ｉ×４であるため、第１巻線１２、第２巻線１４及び第３巻線１５の巻線比は、１：１１：４である。バイポーラトランジスタ１３のコレクタ端子の電圧は、（１１＋４）ｅ＝１５ｅである。

【0006】

トランス結合型増幅回路１の利得を、磁界結合の結合係数ｋ＝１において、４倍（１２ｄＢ）から５倍（１４ｄＢ）へと変更するためには、第１巻線１２、第２巻線１４及び第３巻線１５の巻線比は、１：１１：４から１：１９：５へと変更すればよく、バイポーラトランジスタ１３のコレクタ端子の電圧は、１５ｅから２４ｅへと変更すればよい。

【0007】

このように、トランス結合型増幅回路１は、第１巻線１２、第２巻線１４及び第３巻線１５が巻回される単一のトランスを用いて、電流帰還及び電圧帰還を行うことにより、負帰還量を高くすることができる。そして、バイポーラトランジスタ１３以外に、熱雑音源がない。よって、低いノイズフロア及び広い周波数帯域特性を得ることができる。

【0008】

しかし、トランス結合型増幅回路１の入出力インピーダンスＲ_ＩＮ、Ｒ_ＯＵＴを等しく５０Ωとすると、ｅ／ｉ＝５０Ωであり、バイポーラトランジスタ１３から見た負荷インピーダンスＲ_ＴＲは、トランス結合型増幅回路１の利得が４倍の場合、５０×１５／１＝７５０Ωであり大きく、トランス結合型増幅回路１の利得が５倍の場合、５０×２４／１＝１２００Ωでありさらに大きい。よって、トランス結合型増幅回路１の電源電圧を高くしなければ、トランス結合型増幅回路１のインターセプトポイントを高くすることができない。

【0009】

そこで、前記課題を解決するために、本開示は、トランスを用いて電流帰還及び電圧帰還を行う増幅回路において、低いノイズフロア、高いインターセプトポイント及び広い周波数帯域特性を得ることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

前記課題を解決するために、図２に記載の増幅回路を適用する。なお、バイポーラトランジスタは、図２に図示しているが、電界効果トランジスタは、図２に図示していない。

【0011】

具体的には、本開示は、エミッタ接地のバイポーラトランジスタ又はソース接地の電界効果トランジスタと、本トランス結合型増幅回路の入力端子から出力端子への順序で互いに直列接続されるとともに、互いに磁界結合される第１巻線、第２巻線及び第３巻線と、を備え、前記バイポーラトランジスタのベース端子又は前記電界効果トランジスタのゲート端子は、前記第１巻線と前記第２巻線との間の結節点に接続され、前記バイポーラトランジスタのコレクタ端子又は前記電界効果トランジスタのドレイン端子は、前記第２巻線と前記第３巻線との間の結節点に接続されることを特徴とするトランス結合型増幅回路である。

【0012】

この構成によれば、トランスを用いて電流帰還及び電圧帰還を行う増幅回路において、低いノイズフロア、高いインターセプトポイント及び広い周波数帯域特性を得ることができる（具体的には、以下の記載を参照。）。

【0013】

また、本開示は、前記第１巻線、前記第２巻線及び前記第３巻線は、互いに同極で直列接続され、前記第１巻線、前記第２巻線及び前記第３巻線の巻線比は、１：ｎ－１：１であり、本トランス結合型増幅回路の利得は、磁界結合の結合係数ｋ＝１においてｎ倍であることを特徴とするトランス結合型増幅回路である。

【0014】

また、本開示は、前記バイポーラトランジスタ又は前記電界効果トランジスタから見た負荷インピーダンスは、本トランス結合型増幅回路の入出力インピーダンスより小さいことを特徴とするトランス結合型増幅回路である。

【0015】

この構成によれば、バイポーラトランジスタ（図２に図示）又は電界効果トランジスタ（図２に不図示）から見た負荷インピーダンスは、増幅回路の入出力インピーダンスより小さい。よって、増幅回路の電源電圧を高くしなくても、増幅回路のインターセプトポイントを高くすることができる。

【0016】

また、本開示は、前記第１巻線、前記第２巻線及び前記第３巻線は、単一のコアに巻回されることを特徴とするトランス結合型増幅回路である。

【0017】

この構成によれば、増幅回路は、２個のトランスを必要としないで、単一のトランスのみを必要とするため、このトランスが、理想トランスでなくても、特定の周波数で不要な発振を起こしにくい。よって、増幅回路は、設計及び製造を容易にすることができる。

【発明の効果】

【0018】

このように、本開示は、トランスを用いて電流帰還及び電圧帰還を行う増幅回路において、低いノイズフロア、高いインターセプトポイント及び広い周波数帯域特性を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】従来のトランス結合型増幅回路を示す図である。

【図2】本開示のトランス結合型増幅回路を示す図である。

【図3】本開示の各巻線の巻回方法を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

添付の図面を参照して本開示の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本開示の実施の例であり、本開示は以下の実施形態に制限されるものではない。

【0021】

本開示のトランス結合型増幅回路２を図２に示す。バイポーラトランジスタ２５（又は電界効果トランジスタ）は、エミッタ端子（又はソース端子）を接地される。第１巻線２２、第２巻線２３及び第３巻線２４は、入力端子２１から出力端子２６への順序で、互いに同極で直列接続されるとともに、互いに磁界結合される。バイポーラトランジスタ２５（又は電界効果トランジスタ）のベース端子（又はゲート端子）は、第１巻線２２と第２巻線２３との間の結節点２７に接続される。バイポーラトランジスタ２５（又は電界効果トランジスタ）のコレクタ端子（又はドレイン端子）は、第２巻線２３と第３巻線２４との間の結節点２８に接続される。図２では、バイポーラトランジスタ２５を備える増幅回路について説明するが、電界効果トランジスタを含む増幅回路についても同様である。

【0022】

図２の上段では、トランス結合型増幅回路２の利得を、磁界結合の結合係数ｋ＝１において４倍（１２ｄＢ）に設計するため、第１巻線２２及び（第２巻線２３＋第３巻線２４）の巻線比は、１：４であり、入力端子２１の電圧は、１ｅであり、出力端子２６の電圧は、－４ｅである。第１巻線２２、第２巻線２３及び第３巻線２４の巻線比は、１：３：１であり、結節点２７の電圧は、０ｅであり、結節点２８の電圧は、－３ｅである。

【0023】

（第１巻線２２＋第２巻線２３）及び第３巻線２４の巻線比は、４：１であり、第１巻線２２及び第２巻線２３を流れる電流は、バイポーラトランジスタ２５の性質上、入力端子２１から結節点２８へと、１ｉであり、第３巻線２４を流れる電流は、出力端子２６から結節点２８へと、４ｉである。入力端子２１の電圧及び電流は、１ｅ及び１ｉであり、出力端子２６の電圧及び電流は、－４ｅ及び４ｉであり、トランス結合型増幅回路２の入出力インピーダンスＲ_ＩＮ、Ｒ_ＯＵＴは、等しくｅ／ｉであり、例えば特性インピーダンス５０Ωに設計することができる。

【0024】

バイポーラトランジスタ２５のコレクタ端子とエミッタ端子との間の電圧降下は、３ｅである。バイポーラトランジスタ２５のコレクタ端子とエミッタ端子との間を流れる電流は、バイポーラトランジスタ２５の性質上、１ｉ＋４ｉ＝５ｉである。バイポーラトランジスタ２５から見た負荷インピーダンスＲ_ＴＲは、５０×３／５＝３０Ωであり、トランス結合型増幅回路２の入出力インピーダンスＲ_ＩＮ、Ｒ_ＯＵＴより小さく、図１の場合より小さくすることができる。

【0025】

図２の下段では、トランス結合型増幅回路２の利得を、磁界結合の結合係数ｋ＝１においてｎ倍に変更するため、第１巻線２２及び（第２巻線２３＋第３巻線２４）の巻線比は、１：ｎであり、入力端子２１の電圧は、１ｅであり、出力端子２６の電圧は、－ｎｅである。第１巻線２２、第２巻線２３及び第３巻線２４の巻線比は、１：ｎ－１：１であり、結節点２７の電圧は、０ｅであり、結節点２８の電圧は、－（ｎ－１）ｅである。

【0026】

（第１巻線２２＋第２巻線２３）及び第３巻線２４の巻線比は、ｎ：１であり、第１巻線２２及び第２巻線２３を流れる電流は、バイポーラトランジスタ２５の性質上、入力端子２１から結節点２８へと、１ｉであり、第３巻線２４を流れる電流は、出力端子２６から結節点２８へと、ｎｉである。入力端子２１の電圧及び電流は、１ｅ及び１ｉであり、出力端子２６の電圧及び電流は、－ｎｅ及びｎｉであり、トランス結合型増幅回路２の入出力インピーダンスＲ_ＩＮ、Ｒ_ＯＵＴは、等しくｅ／ｉであり、例えば特性インピーダンス５０Ωに設計することができる。

【0027】

バイポーラトランジスタ２５のコレクタ端子とエミッタ端子との間の電圧降下は、（ｎ－１）ｅである。バイポーラトランジスタ２５のコレクタ端子とエミッタ端子との間を流れる電流は、バイポーラトランジスタ２５の性質上、１ｉ＋ｎｉ＝（ｎ＋１）ｉである。バイポーラトランジスタ２５から見た負荷インピーダンスＲ_ＴＲは、５０×（ｎ－１）／（ｎ＋１）Ωであり、トランス結合型増幅回路２の入出力インピーダンスＲ_ＩＮ、Ｒ_ＯＵＴより小さくすることができる。

【0028】

以上、トランス結合型増幅回路２は、第１巻線２２、第２巻線２３及び第３巻線２４が巻回される単一のトランスを用いて、電流帰還及び電圧帰還を行うことにより、負帰還量を高くすることができる。そして、バイポーラトランジスタ２５以外に、熱雑音源がない。よって、低いノイズフロア及び広い周波数帯域特性を得ることができる。

【0029】

そして、バイポーラトランジスタ２５から見た負荷インピーダンスＲ_ＴＲは、３０Ω（図２の上段の場合）であり小さい。よって、トランス結合型増幅回路２の電源電圧を高くしなくても、トランス結合型増幅回路２のインターセプトポイントを高くすることができる。

【0030】

本開示の各巻線の巻回方法を図３に示す。第１巻線２２、第２巻線２３及び第３巻線２４は、単一のコア２９に巻回される。図３では、コア２９としてメガネコアを適用する場合について説明するが、コア２９として他のコアを適用する場合についても同様である。

【0031】

図３の左下欄では、入力端子２１をコア２９の外部に引き出し、同軸線又はツイスト線等をコア２９に１ｍ回（１は、巻線比。ｍは、任意の自然数。）だけ巻回し、第１巻線２２を構成する。そして、同軸線又はツイスト線等にタップ等の結節点２７を構成し、結節点２７とバイポーラトランジスタ２５のベース端子とを接続する。

【0032】

図３の右上欄では、結節点２７を起点として再び、同軸線又はツイスト線等をコア２９に３ｍ回又は（ｎ－１）ｍ回（３又はｎ－１は、巻線比。ｍは、任意の自然数。）だけ巻回し、第２巻線２３を構成する。そして、同軸線又はツイスト線等にタップ等の結節点２８を構成し、結節点２８とバイポーラトランジスタ２５のコレクタ端子とを接続する。

【0033】

図３の右下欄では、結節点２８を起点として再び、同軸線又はツイスト線等をコア２９に１ｍ回（１は、巻線比。ｍは、任意の自然数。）だけ巻回し、第３巻線２４を構成する。そして、出力端子２６をコア２９の外部に引き出し、各巻線の巻回を終了する。

【0034】

以上、トランス結合型増幅回路２は、単一のトランスのみを必要とするため、このトランスが、理想トランスでなくても、特定の周波数で不要な発振を起こしにくい。よって、トランス結合型増幅回路２は、設計及び製造を容易にすることができる。

【0035】

本実施形態では、バイポーラトランジスタ２５のｈ_ＦＥを無限大と仮定したため、第１巻線２２、第２巻線２３及び第３巻線２４の巻線比が１：ｎ－１：１であるときには、トランス結合型増幅回路２の利得はｎ倍である。実際の場合は、バイポーラトランジスタ２５のｈ_ＦＥを無限大と仮定できず、第１巻線２２、第２巻線２３及び第３巻線２４の巻線比が１：ｎ－１：１であるときでも、トランス結合型増幅回路２の利得はｎ倍より小さい。実際の場合に、トランス結合型増幅回路２の利得をｎ倍にするためには、第１巻線２２、第２巻線２３及び第３巻線２４の巻線比を１：ｎ’（＞ｎ－１）：１にすることが望ましい。

【0036】

トランス結合型増幅回路２の下限周波数は、トランスのＬ値により決まり、トランスのＬ値は、トランスのμ値、断面積及び巻数により決まる。トランス結合型増幅回路２の下限周波数を低周波数側に延ばすためには、例えば、トランスのμ値（コアの比透磁率）を増やすことが望ましく、トランスの巻数（上記の自然数ｍ）を増やすことが望ましい。

【0037】

図２において、必要に応じて、ＤＣカット回路及びダンピング回路を追加してもよい。図３において、特定の周波数で不要な発振を起こしにくくするためには、第１巻線２２、第２巻線２３及び第３巻線２４の間の線間キャパシタが生じないように、第１巻線２２、第２巻線２３及び第３巻線２４を単一のコア２９に巻回することが望ましい。

【産業上の利用可能性】

【0038】

本開示のトランス結合型増幅回路は、低いノイズフロアを有するローノイズアンプ、高いインターセプトポイントを有する低歪みハイパワーリニアアンプ、インピーダンス整合が容易なカスケードアンプ及びテレビアンテナのブースターアンプ等に適用することができ、無線装置及び通信装置等に実装することができる。

【符号の説明】

【0039】

１、２：トランス結合型増幅回路、１１：入力端子、１２：第１巻線、１３：バイポーラトランジスタ、１４：第２巻線、１５：第３巻線、１６：出力端子、１７：結節点、２１：入力端子、２２：第１巻線、２３：第２巻線、２４：第３巻線、２５：バイポーラトランジスタ、２６：出力端子、２７：結節点、２８：結節点、２９：コア

【図1】

【図2】

【図3】