フルブリッジ型高周波アンプの基本 - 100MHz以下の高周波アンプ -

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高周波アンプの回路方式には、

1.　シングル方式
2.　プッシュプル方式
3.　ハーフブリッジ方式
4.　フルブリッジ方式

の4つがあります。高周波アンプの回路で歴史があるのは1項と2項で、特に2項は現在でもGHz帯まで含めても主流です。（一般にジェミニパッケージと呼ばれる1パッケージに2個のFETがソースコモンで接続されている素子は全て2項の方式で実装を容易にするためのものです）

一方3項と4項の方式は高周波アンプとしてはあまり知られていません。しかしこれらの方式はスイッチング電源でも特に大電力のタイプではごく標準的な回路で、電源メーカの人からすれば逆に慣れ親しんだ回路だと思われます。もちろんスイッチング電源の回路にはこのブリッジ型以外にフォワード型、ダブルフォワード型、RCC（リンギング・チョーク・コンバーター）方式などトランスの使い方で多数の方式があります。

下の図は4項のフルブリッジ方式の基本回路です。動作の流れは簡単で、FETを使った回路ですが、Q1〜Q4をスイッチとして考えて差し支えありません。

Q1とQ4をONすると赤の経路に電流が流れます。次にQ1とQ4をOFFしてQ2とQ3をONすると緑の経路に電流が流れます。結果としてトランスTには双方向に交互に電圧がかかり、出力側に高周波電圧が発生します。

この回路方式は連続キャリアまたは断続キャリアを出すことを主な目的としています。従ってリニアリティを必要とする用途には向いていません。それは3項のハーフブリッジ方式も同じです。なお3項のハーブブリッジ方式は上図のQ3とQ4をコンデンサに置き換えたものです。

フルブリッジ方式で各素子を飽和状態で使用することによる最大の特長は、非常に高い変換効率が得られることです。30MHz程度までで90%以上のDC→RFの変換効率も比較的容易に得ることができます。

また1素子で構成（シングルエンド）するEクラスのアンプなどでは、負荷条件によってはFETの耐圧（Vdss）を超える電圧波形により簡単にFETを破損させてしまいますが、このフルブリッジ方式は原理的にDクラス動作となるため、FETのドレイン〜ソース間の電圧は矩形波に近く、また電源電圧で素子にかかる電圧がクランプされるため、破損の危険性は低くなります。

下図がFETのドレイン〜ソース電圧（Vds）波形とドレイン電流（Id）波形の関係です。実際にはVdsは立ち上がったところで、さらにスイッチングサージ電圧が発生し、またIdの形も負荷やFETのCoss、トランスTの漏れインダクタンス（リーケージインダクタンス）などにより形や電流の立ち上がりのタイミングが変わります。

大きな電流が流れればスイッチング電源と同じくしてFETのOFFのタイミングで高い電圧サージが発生しFETを破壊する危険性もあるので注意が必要です。

FETを数十から数百MHzで使用すると、Vdssを瞬時に超えてもなかなか破壊しない事例が多数見られています。接合部内の電子の移動速度（加速）とその瞬時の時間の関係で破損に至らないとも考えられますが、はっきりとした原因は知られていません。…顧客などに説明ができない。

このフルブリッジ方式を実際に実現するには次のポイントをクリアする必要があります。

1.　Q1とQ3は素子そのものがグランドレベルから浮いているフローティングの状態で、ハイサイドスイッチとも呼ばれています。この素子のドライブもフローティングされている必要があります。スイッチング電源などでは、スイッチング周波数が数百kHz程度以下なので、フォトカプラなどを介して、絶縁された電源を使ってドライブできますが、数十から100MHzとなると、トランスを介して絶縁した高周波でドライブする必要があります。

下図がドライブ部分の一例です。入力したRF信号は0度で2分配し、ドライブトランスTdを介して直流的に絶縁し、各FETのゲート〜ソース間にRF電圧を加えます。トランスの●は巻き始めとします。これによりFETの組を交互にON/OFFできるようになります。実際にはFETのゲートに直列抵抗を入れるなども必要です。


2.　そのQ1とQ3は高周波アンプ用で従来から見られるパッケージ（フランジがFETのソースと接続されている）素子は使用できません。従来からあるMRF150（モトローラその後メイコム）やSD2931（STマイクロ）などフランジがFETのいずれの端子からも絶縁されているタイプが使用可能です。アメリカのマイクロセミ社ARFシリーズではこの方式のための素子がいくつかリリースされていています。

3.　原理的に増幅素子をスイッチとして使用しているため、出力の制御はドライブ電力の可変ではほぼできません。（増幅素子は常に飽和する条件のドライブ電力が供給されている必要があります。具体的にはFETのVgsthを十分に超え、かつVgss以下の高周波電圧となります。）そのため電源電圧Eを可変することで出力電力を制御（変化）させます。従って出力電力を一定に保つ制御をする場合は、検出した出力電力を直流電源の電圧可変部分にフィードバックする必要があります。つまり全体構成を考える場合には電源部分の制御回路とともに検討する必要があります。

電源電圧以外で出力を可変する手段で、Q1とQ4のON/OFFのタイミングをずらす方法もあります。（Q2とQ3も同様である）ドライブの位相制御とも呼ばれていますが、Q1とQ4の同時ONの時間（重なり時間）を広げたり狭めたりする手段です。短所として、出力電力を絞りきれないという問題があります。これは使用するFETの出力容量（Coss）への充放電により、出力されてしまうというものです。

4.　高周波アンプでは負荷条件が広く、素子から見た負荷が誘導性となる場合（通信用の場合でも同軸が短絡したりオープンになった場合、同軸の長さによっては誘導性負荷となる場合がある）、素子がFETであるならばドレイン〜ソース間の寄生ダイオード（ボディダイオード）のリカバリー特性（trr）が影響し、Q1とQ2が同時にONするようなアーム短絡モードが存在します。但しリカバリー特性以上に早い周期でドライブされているため、モータードライバのような破壊までは到達しないといわれています。それでも出力電力はほとんど得られていないにもかかわらず、非常に大きな電流がFETに流れる状況であるため、適切な保護回路が必要だと考えられます。

以上が実現するためのポイントですが、実際にはさらに細かい部分の検討事項が必要となります。フルブリッジ方式は回路自体は昔からありますが、高周波アンプへの適用には細部で改良の余地が多数あると思われます。

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