1

112010年6月17日

ユビキタス無線工学（参考資料 ・・・ 2SC3356 高周波アンプの設計）

株式会社アンプレット　代表取締役　社長　東京電機大学 工学部 電子工学科 講師横須賀テレコムリサーチパーク（YRP） 情報通信技術研修 講師大韓民国 通産業部 中小企業振興公団 無線通信専門家電子航法研究所 次世代衝突防止レーダ 研究メンバー

工学博士　　　　　　　根日屋 英之　　　　　　　 Dr. Hideyuki Nebiya

授業資料はhttp://www.amplet.co.jp/tduまたは，http://amplet.com/tduからダウンロードできます．

222010年6月17日

高周波回路設計の流れ

高周波回路の設計

バイアス（電源）設計

インピーダンス整合設計

Step-1リアクタンス成分のキャンセル

Step-2抵抗成分の整合（L型インピーダンス整合回路）

2

332010年6月17日

バイアス（電源）設計2SC3356の基礎設計

442010年6月17日

拡大

2SC3356のデータシート

直流電流増幅率　hFE = 120 （標準）

特徴

○低雑音，高利得

　NF=1.1dB, Ga=11dB @f=1GHz, VCE=10V, Ic=7mA

○高電力利得　MAG 12dB TYP. @f=1GHz

3

552010年6月17日

ベース電流（例　0.058mA）

コレクタ電流（例　7mA）

エミッタ電流（例　7.058mA)

例　：直流電流増幅率　hfe＝１２０

　コレクタに流れる電流はベースに流し込む電流の直流電流増幅率（hfe） 倍になる．エミッタ電流はベース電流とコレクタ電流の合計となる．　←　重要！

Ic / 直流電流増幅率　= 7mA / 120

トランジスタの基本特性(2SC3356に限らず，どんなトランジスタでも）

662010年6月17日

0.6～0.7Vの電位差

ベース電圧（例　+0.6V)

コレクタ

エミッタ電圧（例　0V)

　トランジスタが動作しているとき，ベース電圧はエミッタ電圧より0.6～0.7V高くなる．　←　重要！

トランジスタの基本特性(2SC3356に限らず，どんなトランジスタでも）

4

772010年6月17日

部品の選択

　抵抗，コンデンサ，コイル等の部品は全ての値があるわけではなく，Ｅ６，Ｅ１２，Ｅ２４…等の系列がある．

　Ｅ２４系列　：　1.0，1.1，1.2，1.3，1.5，1.6，1.8，2.0，2.2，2.4，2.7，3.0，3.3，3.6，3.9，4.3，4.7，5.1，5.6，6.2，6.8，7.5，8.2，9.1　（1～10を２４分割）

882010年6月17日

出力側インピーダンス整合回路入力側

インピーダンス整合回路

Rb

RFC

C

C

Cdc

Ic = 7mA

出力（50Ω）

入力（50Ω）

電源+Vc = 10V

2SC3356 高周波アンプの回路図

データブック測定条件

NF=1.1dB, Ga=11dB @f=1GHz, VCE=10V, Ic=7mA

より，電源電圧 = +10V，コレクタ電流（Ic） = 7mA

5

992010年6月17日

　コンデンサには自己共振周波数がある．

　設計周波数の1GHｚにて挿入損失の小さい47ｐF程度を選ぶ．

コンデンサ Ｃc と Cdc の容量値の決め方

10102010年6月17日

　コンデンサ Cdc は電源ラインの１GHｚにおけるインピーダンスを低くする目的，Cc はトランジスタのベースとコレクタの直流電圧が入・出力に出てこないように直流をカットすることが目的である．

出力側インピーダンス整合回路入力側

インピーダンス整合回路

R

47pF

入力（50Ω）

電源+10V

47pF

47pFRFC

2SC3356

Cdc

Cc

Cc

2SC3356 のバイアス（電源）設計

出力（50Ω）

6

11112010年6月17日

　トランジスタ(2SC3356)のデータシートの推奨値から，TRに流すコレクタ電流を7ｍＡとする．このとき，ベースにはコレクタ電流のhfe分の１，すなわち7mA/120＝0.058mA の電流が流れる．

7mA

出力側インピーダンス整合回路入力側

インピーダンス整合回路

Rb

47pF

電源+10V

0.058mA

47pF

47pF

RFC

2SC3356

2SC3356 のバイアス（電源）設計

入力（50Ω）

出力（50Ω）

12122010年6月17日

　トランジスタのエミッタ電位は 0V，べース電位は +0.6V であるから，バイアス抵抗Rの両端には 10 - 0.6 = 9.4V の電位差がある．ここに0.058mA の電流が流れるので，Rb = 9.4V÷0.058mA = 160kΩとなる．

出力側インピーダンス整合回路入力側

インピーダンス整合回路

Rb

電源+10V

0.058mA

47pFRFC（高周波チョークコイル）

2SC3356

+0.6V

+10V

0V

0.6V

160kΩ

47pF47pF

2SC3356 のバイアス（電源）設計

入力（50Ω）

出力（50Ω）

7

13132010年6月17日

　トランジスタのコレクタにはRFC（高周波チョークコイル）を介して，直流電源を供給する．コイルは直流抵抗は0Ωであるが，交流ではインピーダンスを持っているので，電源ラインとトランジスタのコレクタはRFCで，直流的には短絡し，交流的に分離される．RFCのリアクタンスは，トランジスタのコレクタ抵抗（後述するが，2SC3356 は 1GHz において 75Ω）に影響しないように，75Ωの 5～10 倍程度とすればよいので，XL = 2πfL → L = (75×5)/(2π×1×109) より，L = 60nH 程度を挿入する．

出力側インピーダンス整合回路入力側

インピーダンス整合回路

電源+10V

47pF

RFC (XL)

2SC3356

160kΩ

47pF47pF

2SC3356 のバイアス（電源）設計

入力（50Ω）

出力（50Ω）

60nH

14142010年6月17日

2SC3356のインピーダンス整合設計

8

15152010年6月17日

2SC3356 の入・出力インピーダンスをデータシートから読み取る

16162010年6月17日

7.31266.05.16426.0

22

11

SS

2SC3356 の Sパラメータ

(2SC3356 のデータブックより）

入力インピーダンス　→出力インピーダンス　→

NEC 2SC3356 データシートから

9

17172010年6月17日

22

22

22

sincos1sin250

sincos1sincos150

X

R

Ｓパラメータ（反射係数∠位相角）からトランジスタの入・出力インピーダンスを計算する

　Sパラメータを　「S=反射係数∠位相角　（　　　　 　　）」で与えられたとき，そのインピーダンス は右の式から計算できる．

S

6.2275 jjXRZ OUTOUTOUT

4.430 jjXRZ INININ

5.16426.0

11

11

7.31266.0

22

22

30Ω 75Ω

+j 4.4Ω-j 22.6Ω

Pb

Pc Pb Pc

2SC3356 の等価回路

ベース コレクタ

エミッタ

エミッタ

ベース

コレクタ

18182010年6月17日

2SC3356 のインピーダンス整合リアクタンス成分のキャンセル

Step-1

10

19192010年6月17日

リアクタンス成分のキャンセル方法　 インダクティブ（+ｊX）な回路の場合

インダクティブ（+ｊX）な回路 インダクティブ（+ｊX）な回路

直列共振となるキャパシタンス（-ｊX）を付加する

抵抗成分Rのみの回路となる

R RR

jXL

jXC

RRjXjXZ

　は周波数ここで　ffC

jjX

fLjjX

21

2

jXL

リアクタンス成分をキャンセルできる条件は

LC

ffLfC

2

122

1共振

20202010年6月17日

リアクタンス成分のキャンセル方法　 キャパシティブ（-ｊX）な回路の場合

キャパシティブ（-ｊX）な回路

直列共振となるインダクタンス（+ｊX）を付加する

抵抗成分Rのみの回路となる

R RjXL

jXC

RRjXjXZ

　は周波数ここで　ffLjjXfC

jjX

22

1

リアクタンス成分をキャンセルできる条件は

LC

ffC

fL

2

12

12 共振

キャパシティブ（-ｊX）な回路

R

jXC

11

21212010年6月17日

インピーダンス （Z = R + jX）R : エネルギ伝送のパラメータ，　X : 損失（リアクタンス）

6.2275 jjXRZ OUTOUTOUT

4.430 jjXRZ INININ

5.16426.0

11

11

7.31266.0

22

22

30Ω 75Ω

+j 4.4Ω-j 22.6Ω

Pb

Pc

Pb Pc

抵抗成分　　　　　　　　　抵抗成分

リアクタンス成分　　　　リアクタンス成分

FfXc

C

Hf

XL L

21

2

fCXc

fLX L

21

2

★抵抗成分　：　エネルギーの伝送に関与する．

★リアクタンス成分　：　損失を発生する．

　　　　　　　　　　　　　　　↓

交流回路の設計は，リアクタンス成分 X＝０ にすること．

22222010年6月17日

2SC3356 の入・出力インピーダンスのリアクタンス成分をキャンセルする方法

30Ω 75Ω

-22.6Ω

Pb

Pc

Pb Pc 30Ω 75Ω

-22.6Ω

Pb

Pc

+j 4.4Ω

-j 4.4Ω

+22.6Ω

+j 4.4Ω

+22.6Ω→ 3.6nH @ 1GHz

-j 4.4Ω→ 36pF @ 1GHz

Pi

Po

Pi

Po

30Ω 75Ω

Pi Po

2SC3356 の等価回路 2SC3356 の入・出力のリアクタンス成分をキャンセル

2SC3356 の入・出力のリアクタンス成分をキャンセル

fXcC

21

fXL L

2

トランジスタの外部に付加

トランジスタの外部に付加

12

23232010年6月17日

2SC3356 のインピーダンス整合抵抗成分の整合回路

Step-2

24242010年6月17日

Ｌ型インピーダンス整合回路

13

25252010年6月17日

)(22

)(2

12

1

2

1

HQf

RQf

XL

FQfR

QfX

C

Q

L

C

帯域

中心周波数

C

L

R2R1

Ｌ型インピーダンス整合回路

（ Ｒ１＞Ｒ２　の時 ）

26262010年6月17日

ffQ

2

0

2f

f0

3dB

周波数

｜電圧｜

共振回路のQとは

14

27272010年6月17日

Ｌ型インピーダンス整合回路の実際の設計

28282010年6月17日

5

2001000

2001

MHzMHz

MHzGHzQ

帯域

中心周波数

Ｌ型インピーダンス整合回路中心周波数 1GHｚ / 帯域 200MHz (900～1100MHz)

C1

L1

R1

= 50ΩR2

= 30Ω

)(249.23578.4

51010002

302 6

21

nH

Qf

RL

)(169.15518.3

5501010002

12

16

11

pF

QfR

C

E24系列

E24系列

対応対応

15

29292010年6月17日

5

2001000

2001

MHzMHz

MHzGHzQ

帯域

中心周波数

Ｌ型インピーダンス整合回路中心周波数 1GHｚ / 帯域 200MHz (900～1100MHz)

C2

L2

R3

= 75Ω

R4

= 50Ω

)(39)(40596.7

51010002

502 6

42

nHnH

Qf

RL

)(10512.2

5751010002

12

16

32

pF

QfR

C

E24系列

E24系列

30302010年6月17日

2SC3356 高周波アンプの回路

16

31312010年6月17日

電源+10V

47pF

2SC3356

160kΩ

36pF

47pF

2SC3356 高周波アンプの回路

入力（50Ω）

出力（50Ω）

60nH

3.6nH 39nH

16pF

24nH

47pF

10pF

　この 47pF は，トランジスタのベースの直流電圧が入力端子に出てこないように直流をカットすることが目的であるので，36pF のみでこの機能はまかなえる．

2SC3356

36pF

入力（50Ω）

16pF

24nH

32322010年6月17日

電源+10V

47pF

2SC3356

160kΩ

36pF

47pF

2SC3356 高周波アンプの最終回路

入力（50Ω）

出力（50Ω）

60nH

3.6nH 39nH

16pF

24nH

10pF

17

33332010年6月17日

[参考]公称 入・出力インピーダンス50Ωの回路とは（設計現場では）

34342010年6月17日

電源+10V

47pF

2SC3356

160kΩ

36pF

47pF

公称入・出力インピーダンス50Ωの高周波アンプとは，VSWR<2 の仕様でよい

入力（30Ω）

出力（75Ω）

60nH

3.6nH

　民生機器では，50Ω系回路は VSWR < 2 まで仕様の範囲となるので，50Ωの1/2倍（ = 25Ω）から2倍（ = 100Ω）まで，公称入・出力インピーダンスを50Ωとしてよい．前述の回路設計の，入力側インピーダンス整合回路（50Ω→ 30Ω）と，出力側インピーダンス整合回路（75Ω→ 50Ω）は省略してしまってもよい．

公称入・出力インピーダンスを50Ωの2SC3356 の高周波増幅器の回路