JP3636066B2

JP3636066B2 - トランジスタ電力増幅器

Info

Publication number: JP3636066B2
Application number: JP2000385520A
Authority: JP
Inventors: 庸介古本
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2000-12-19
Filing date: 2000-12-19
Publication date: 2005-04-06
Anticipated expiration: 2020-12-19
Also published as: JP2002185263A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はトランジスタ電力増幅器に関し、特に動作中のトランジスタのアイドル電流を測定するトランジスタ電力増幅器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、テレビ放送機や無線送信機に使用される高周波の大電力増幅器では、増幅用素子としては、ＡＢクラスで動作するトランジスタ（ＦＥＴを含む）が使用される。図６は従来のトランジスタ電力増幅器の一例を示す回路図である。
【０００３】
図６の従来例は、増幅用素子のトランジスタ３と、ＯＦＤＭ信号が入力されるＲＦ１と、トランジスタ３からの出力電力のＲＦ２と、電源（＋ＶＤＤ）８からトランジスタ３のコレクタに供給される平均電流を測定する平均電流センサー６と、トランジスタ３のベースに接続されるバイアス回路１３とを有して構成される。
【０００４】
次に従来例の動作について説明すると、ＯＦＤＭ信号の流れは、まずＲＦ入力１からトランジスタ３へ入力され、増幅されたのちＲＦ出力２から出力される。その際、トランジスタ３に供給の電流Ｉｄｓを平均電流センサー６で計測することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来のトランジスタ電力増幅器の課題（問題点）について以下に記述する。
【０００６】
第一に従来例では、本放送開始後即ち電力の増幅中に、常温時のアイドル電流を測定することができない。その理由は、大電力増幅器のトランジスタはＡＢクラス動作をしているので、Ｉｄｓが出力電力に依存して変動するためである。
【０００７】
第二に従来例では、本放送中に、アイドル電流を微調整・再設定することができない。その理由は、従来例の回路では電力増幅中に常温時のアイドル電流が測定できず、微調整・再設定する機能も持っていないためである。
【０００８】
第三に従来例では、増幅器が動作中にパワーを低下させた場合、トランジスタの破損状況を確認することが困難であることである。その理由は、通常のＡＢクラスの動作でトランジスタのＩｄｓは出力電力を低下させた場合、それに従ってＩｄｓも下がるので、「パワーを低下させた」のか「トランジスタが破損した」のか判定が困難であるためである。
【０００９】
本発明の目的は、電力増幅器の動作状態でトランジスタの常温時におけるアイドル電流を測定することが出来るトランジスタ電力増幅器を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明のトランジスタ電力増幅器は、Ａ級乃至ＡＢ級で動作する電力増幅用の半導体素子と、前記半導体素子に供給される電流であって、前記半導体素子に入力される無線周波数（ＲＦ）信号に従い高速に変動する電流（高速電流）を測定する手段と、前記半導体素子に供給される平均電流を測定する手段と、前記平均電流と前記半導体素子に供給される電源電圧を乗算し前記半導体素子の平均消費電力であるＤＣ入力電力を算出する手段と、前記ＲＦ信号の入力平均電力であるＲＦ入力電力を測定する手段と、前記半導体素子から出力されるＲＦ信号の平均出力電力であるＲＦ出力電力を測定する手段と、前記ＤＣ入力電力に前記ＲＦ入力電力を加算し前記ＲＦ出力電力を減算することにより前記半導体素子の消費電力を算出する手段と、前記半導体素子の温度を測定する手段と、前記温度並びに前記半導体素子の熱抵抗及び前記消費電力から動作中の前記半導体素子のジャンクション温度を算出する手段と、動作中の前記高速電流、前記ジャンクション温度、並びに前記高速電流及び前記ジャンクション温度に対応させ前記半導体素子の常温時におけるアイドル電流値を予め設定した変換テーブルメモリーとから、動作中の前記半導体素子の前記常温時におけるアイドル電流を算出する手段とを有することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明のトランジスタ電力増幅器は、Ａ級乃至ＡＢ級で動作する電力増幅用のトランジスタと、前記トランジスタに供給される前記高速電流を測定する高速電流センサーと、前記トランジスタに供給される前記平均電流を測定する平均電流センサーと、前記トランジスタに入力される前記ＲＦ入力電力を測定して出力する入力信号検波器と、前記トランジスタから出力されるＲＦ信号の前記ＲＦ出力電力を測定して出力する出力信号検波器と、動作中の前記トランジスタの温度を測定して出力する温度センサーと、動作中の前記高速電流、前記ジャンクション温度及び前記変換テーブルメモリーを基に、動作中の前記トランジスタの前記常温時におけるアイドル電流値を算出して出力する演算装置とを有することを特徴とする。
【００１２】
また本発明のトランジスタ電力増幅器は、前記変換テーブルメモリーには、トランジスタのジャンクション温度（Ｔｊ）と前記高速電流値との各組み合わせに対応させて、前記ＲＦ信号が入力されない状態での前記常温時のアイドル電流を設定することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明のトランジスタ電力増幅器は、前記演算装置が出力する前記常温時のアイドル電流の数値を表示するモニターを有することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明のトランジスタ電力増幅器は、前記常温時のアイドル電流の数値に基づき前記トランジスタに供給するアイドル電流を調整する手段を備えることを特徴とする。また、本発明のトランジスタ電力増幅器は、前記演算装置からのアイドル電流値を入力し、前記トランジスタに供給する電圧を自動調整するバイアス回路を有することを特徴とする。
【００１５】
また、本発明のトランジスタ電力増幅器は、前記温度センサーとして、温度変化に対して抵抗値が変化する熱電対を前記トランジスタのフランジに近接して装着することを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施例のブロック図である。
【００１７】
本実施例は、Ａ級（クラス）乃至ＡＢ級（クラス）で動作する電力増幅用のトランジスタ３と、このトランジスタ３が増幅した信号電流の高速な変動（以下高速電流と記す）を測定する高速電流センサー７と、トランジスタ３に流入される平均電流を測定する平均電流センサー６と、デジタル放送に使用されているＯＦＤＭ（直交周波数分割多重）信号のＲＦ入力１の平均電力を測定して出力する入力信号検波器４と、トランジスタ３から出力される信号のＲＦ出力２の平均電力を測定して出力する出力信号検波器５と、トランジスタ３が動作中に放出される温度を測定して出力する温度センサー９と、上記測定の高速電流、平均電流、ＲＦ入出力信号の平均電力、および温度の情報とメモリー１１に予め設定された変換テーブルとにより演算したトランジスタ３の常温時のアイドル電流値を出力する演算装置１０と、測定結果及びアイドル電流値を表示するモニター１２と、測定結果がフィードバックされトランジスタ３のアイドル電流を調整するバイアス電流回路１３と、トランジスタ３及びバイアス回路１３に供給する＋ＶＤＤ（電源）８とを有して構成される。
【００１８】
次に本実施例の動作について説明する。通常、テレビ放送に使用される大電力増幅器においての増幅用素子としては、ＡＢクラスで動作するトランジスタ３が使用される。図２はトランジスタの出力電力と電流（Ｉｄｓ）との相関図であり、トランジスタ３に供給される電流（以降Ｉｄｓと記載）ｍＡは出力電力（Ｐｏｗｅｒ）ｄＢｍが増加するに従い増えていく傾向にある。また出力電力が０となる時のＩｄｓは特にアイドル電流と呼ばれる。まずデジタル放送に使用されているＯＦＤＭ信号は、ＲＦ入力１からトランジスタ３へ入力され、増幅されたのちＲＦ出力２から出力される。その際、平均入力電力を入力信号検波器４、平均出力電力を出力信号検波器５、またトランジスタ３の平均電流を平均電流センサー６で測定する。通常、トランジスタ３が電力増幅する際に消費する電力は、式（１）、（２）により算出される。
消費電力＝ＤＣ入力電力＋ＲＦ入力電力−ＲＦ出力電力（１）
ＤＣ入力電力＝（＋ＶＤＤ８）×（平均電流センサー６の値：Ｉｄｓ）（２）
図３は本実施のＲＦ信号とトランジスタに流れる電流（Ｉｄｓ）との対比を示す波形図であり、トランジスタ３において、（Ａ）は平均電力が一定時のＲＦ（ＯＦＤＭ信号）出力２を時間軸（ｔ）で計測した場合の包絡線の例である。この時同時にＩｄｓ（ｍＡ）を測定すると、平均電流センサー６ではＩｄｓの平均値が測定され（Ｃ）に示す様になる。しかし高速電流センサー７を使用して測定すると、図２に従って（Ｂ）に示す様な電力の高速な振幅変動に伴うＩｄｓの波形を測定することができる。従って（Ａ）のＲＦのレベルが０になった瞬間の高速電流センサーの値が、アイドル電流値となり、このアイドル電流値を演算装置１０に転送される。
【００１９】
図４は本実施例のトランジスタのＩｄｓとＴｊとの相関図であり、一般的なトランジスタのＩｄｓとそのケース内の温度（ジャンクション温度：Ｔｊ）の関係は、図４よりわかるように、Ｉｄｓ（ｍＡ）はＴｊ（℃）の上昇に比例して増加する。従ってトランジスタが発熱する場合に、上記の様にＲＦ信号の包絡線が０の時の瞬間的なＩｄｓを測定した電流値は、常温の測定状態でのアイドル電流と異なっている。
【００２０】
図５は本実施例のトランジスタのＴｊと常温時のアイドル電流との関係を示す図であり、トランジスタのジャンクション温度Ｔｊとその温度の時のＩｄｓ値から、ＲＦ信号がない状態（常温時）でのアイドル電流を予め測定し変換テーブルを作成しておけば、変換テーブルから常温時のアイドル電流を導出することができる。ここで、ジャンクション温度Ｔｊは、以下の式（３）に従う。
Ｔｊ＝（消費電力×熱抵抗）＋ベースプレート温度（３）
但し、トランジスタが取付けられたベースプレート（放熱板）温度は、トランジスタが装着されたベースプレートに取付けられた温度センサー９によって測定された値、また、熱抵抗はトランジスタによって決まる値である。
【００２１】
なお、温度センサーとしては、温度変動に対応して電気的な出力値が変化する熱電対タイプのセンサーをトランジスタ（ＦＥＴ）のフランジ（金属の台座部分＝ベースプレート）にネジで密着するように取付ける。また、温度センサーをＦＥＴのケース内に設ける。そして図５の例の様な関係データの変換テーブルをメモリ１１に格納し、演算装置１０では、測定された各種情報を演算処理すれば、常温時でのアイドル電流を等価的に測定することができる。
【００２２】
また、演算装置１０から出力のアイドル電流の情報をバイアス電流回路１３にフィードバックすることにより、トランジスタ３のアイドル電流値を最適値に自動補正することができる。
【００２３】
また、モニター１２において常温時のアイドル電流を表示することができるので、操作入力により、アイドル電流値を設定する場合に、メモリ１１の情報を測定時とは逆に使用すればバイアス電流回路１３からトランジスタ３のベースに与えるべき電圧を変更できるので、アイドル電流値を微調整若しくは再設定することができる。
【００２４】
また、本実施例では、入力のＲＦ信号をＯＦＤＭ信号として説明したが、ＣＤＭＡ（符号分割多元接続）またはＱＡＭ（直角位相振幅変調）方式の信号であっても、高速電流のエンベロープが“０”レベルを示す瞬間がある信号ならば同様に実施することが出来る。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、Ａ級ないしＢ級で動作する電力増幅用の半導体素子と、この半導体素子に供給される高速電流を測定する手段と、前記高速電流と同時に前記半導体素子に供給される平均電流を測定する手段と、前記半導体素子が動作中に放出される温度を測定する手段と、測定された前記高速電流と前記平均電流と前記温度とにより前記半導体素子が動作中に、常温時のアイドル電流を測定する手段とを有することにより、以下に記述する効果がある。
【００２６】
第一の効果は、本放送中にデジタル放送を中断することなくアイドル電流の測定ができることがある。その理由は、トランジスタの電力消費量とＲＦ信号の包絡線が０レベルになった瞬間の電流Ｉｄｓを測定し、変換テーブルを使用することにより常温状態のアイドル電流値を算出できるからである。
【００２７】
第二の効果は、本放送中にデジタル放送を中断することなくアイドル電流の微調整、再設定ができることである、その理由は、メモリ上の変換テーブルのデータを測定するときと逆に利用し、トランジスタのベースにかける電圧を変更することにより、アイドル電流値を微調整、再設定ができるからである。
【００２８】
第三の効果は、電力増幅器の動作中にトランジスタの破損状況を確認できるということである。その理由は、通常のＡＢクラスのトランジスタのＩｄｓは出力電力に依存する為、「パワーを低下させた」のか「トランジスタが破損した」のかの判定が動作電流を測定するだけでは困難であるが、常温状態のアイドル電流値を測定すればそれを簡単に判断できるからである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例のブロック図である。
【図２】本実施例のトランジスタのＡＢクラスで動作の出力電力と電流（Ｉｄｓ）との相関図である。
【図３】本実施例のＲＦ信号とトランジスタに流れる電流（Ｉｄｓ）との対比を示す波形図である。
【図４】本実施例の温度によるトランジスタの電流の変化を示す相関図である。
【図５】本実施例のジャンクション温度と常温時のアイドル電流の関係を示す図である。
【図６】従来のトランジスタ電力増幅器の一例の回路図である。
【符号の説明】
１ＲＦ入力
２ＲＦ出力
３トランジスタ
４入力信号検波器
５出力信号検波器
６平均電流センサー
７高速電流センサー
８＋ＶＤＤ（電源）
９温度センサー
１０演算装置
１１メモリ
１２モニター
１３バイアス電流回路

Claims

Ａ級乃至ＡＢ級で動作する電力増幅用の半導体素子と、前記半導体素子に供給される電流であって、前記半導体素子に入力される無線周波数（ＲＦ）信号に従い高速に変動する電流（高速電流）を測定する手段と、前記半導体素子に供給される平均電流を測定する手段と、前記平均電流と前記半導体素子に供給される電源電圧を乗算し前記半導体素子の平均消費電力であるＤＣ入力電力を算出する手段と、前記ＲＦ信号の入力平均電力であるＲＦ入力電力を測定する手段と、前記半導体素子から出力されるＲＦ信号の平均出力電力であるＲＦ出力電力を測定する手段と、前記ＤＣ入力電力に前記ＲＦ入力電力を加算し前記ＲＦ出力電力を減算することにより前記半導体素子の消費電力を算出する手段と、前記半導体素子の温度を測定する手段と、前記温度並びに前記半導体素子の熱抵抗及び前記消費電力から動作中の前記半導体素子のジャンクション温度を算出する手段と、動作中の前記高速電流、前記ジャンクション温度、並びに前記高速電流及び前記ジャンクション温度に対応させ前記半導体素子の常温時におけるアイドル電流値を予め設定した変換テーブルメモリーとから、動作中の前記半導体素子の前記常温時におけるアイドル電流を算出する手段とを有することを特徴とするトランジスタ電力増幅器。
Ａ級乃至ＡＢ級で動作する電力増幅用のトランジスタと、前記トランジスタに供給される前記高速電流を測定する高速電流センサーと、前記トランジスタに供給される前記平均電流を測定する平均電流センサーと、前記トランジスタに入力される前記ＲＦ入力電力を測定して出力する入力信号検波器と、前記トランジスタから出力されるＲＦ信号の前記ＲＦ出力電力を測定して出力する出力信号検波器と、動作中の前記トランジスタの温度を測定して出力する温度センサーと、動作中の前記高速電流、前記ジャンクション温度及び前記変換テーブルメモリーを基に、動作中の前記トランジスタの前記常温時におけるアイドル電流値を算出して出力する演算装置とを有することを特徴とする請求項1記載のトランジスタ電力増幅器。
前記変換テーブルメモリーには、トランジスタのジャンクション温度（Ｔｊ）と前記高速電流値との各組み合わせに対応させて、前記ＲＦ信号が入力されない状態での前記常温時のアイドル電流を設定することを特徴とする請求項２記載のトランジスタ電力増幅器。
前記演算装置が出力する前記常温時のアイドル電流の数値を表示するモニターを有することを特徴とする請求項２または３記載のトランジスタ電力増幅器。
前記常温時のアイドル電流の数値に基づき前記トランジスタに供給するアイドル電流を調整する手段を備えることを特徴とする請求項４記載のトランジスタ電力増幅器。
前記演算装置からの前記常温時のアイドル電流値を入力し、前記トランジスタに供給する電圧を自動調整するバイアス回路を有することを特徴とする請求項２または３記載のトランジスタ電力増幅器。
前記温度センサーとして、温度変化に対して抵抗値が変化する熱電対を前記トランジスタのフランジに近接して装着することを特徴とする請求項２記載のトランジスタ電力増幅器。