CN103124163A - 功率放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明得到对于元件偏差、频率特性不敏感且低损耗的功率放大器。放大元件（Tr1）对从输入端子（IN）输入的输入信号进行放大。放大元件（Tr2）对放大元件（Tr1）的输出信号进行放大。放大元件（Tr2）的输出信号从输出端子（OUT）输出。在放大元件（Tr2）的输出与输出端子（OUT）之间连接有匹配电路（M3）。在放大元件（Tr1）的输出与放大元件（Tr2）的输入之间连接有开关（SW1）。开关（SW2）的一端与放大元件（Tr1）的输出连接。匹配电路（M4）的一端与开关（SW2）的其他端连接，匹配电路（M4）的其他端与放大元件（Tr2）的输出直接连接。

Description

功率放大器
技术领域
本发明涉及用于便携电话等的功率放大器。
背景技术
由于功率放大器在便携电话的功耗中占较大的分量，所以为了低功耗化而功率放大器的高效率化显得较为重要。于是，使用通过开关来切换高输出模式和低输出模式的功率放大器（例如，参照专利文献1）。
专利文献1：日本特开平7－336168号公报。
现有的功率放大器中，从低输出用的输出匹配电路的各点预测输出侧的阻抗的轨迹通过低阻抗区域。因而，有较多的电流流过，所以电感器、电容器、以及开关的寄生电阻带来的损耗较大。此外，对于电感、电容等元件偏差或频率特性较为敏感。
发明内容
本发明为了解决上述的课题而构思，其目的在于得到对于元件偏差或频率特性不敏感且低损耗的功率放大器。
本发明的功率放大器，其特征在于包括：将输入信号输入的输入端子；对所述输入信号进行放大的第一放大元件；对所述第一放大元件的输出信号进行放大的第二放大元件；输出所述第二放大元件的输出信号的输出端子；在所述第二放大元件的输出与所述输出端子之间连接的第一匹配电路；在所述第一放大元件的输出与所述第二放大元件的输入之间连接的第一开关；一端与所述第一放大元件的输出连接的第二开关；以及第二匹配电路，其一端与所述第二开关的其他端连接，而其他端与所述第二放大元件的输出直接连接。
通过本发明，能够得到对于元件偏差、频率特性不敏感且低损耗的功率放大器。
附图说明
图1是示出本发明实施方式1的功率放大器的电路图。
图2是示出比较例的功率放大器的电路图。
图3是示出从本发明实施方式1的高输出用的匹配电路的各点预测输出侧的阻抗的史密斯圆图。
图4是示出从比较例的低输出用的匹配电路的各点预测输出侧的阻抗的史密斯圆图。
图5是示出从本发明实施方式1的低输出用的匹配电路的各点预测输出侧的阻抗的史密斯圆图。
图6是示出本发明实施方式2的后级的放大元件的电路图。
图7是示出从本发明实施方式2的匹配电路的各点预测输出侧的阻抗的史密斯圆图。
图8是示出本发明实施方式3的后级的放大元件的电路图。
图9是示出从本发明实施方式3的匹配电路的各点预测输出侧的阻抗的史密斯圆图。
图10是示出本发明实施方式4的功率放大器的电路图。
图11是示出从本发明实施方式4的低输出用的匹配电路的各点预测输出侧的阻抗的史密斯圆图。
具体实施方式
参照附图，对本发明实施方式的功率放大器进行说明。对于相同或对应的构成要素标注相同的符号，有时省略重复的说明。
实施方式1
图1是示出本发明实施方式1的功率放大器的电路图。放大元件Tr1的输入（基极）经由匹配电路M1连接到输入端子IN。在放大元件Tr1的输出（集电极）与放大元件Tr2的输入（基极）之间，连接有开关SW1和匹配电路M2。在放大元件Tr2的输出（集电极）与输出端子OUT之间连接有电感器L1和匹配电路M3。
开关SW2的一端与放大元件Tr1的输出连接。匹配电路M4的一端与开关SW2的其他端连接，匹配电路M4的其他端与放大元件Tr2的输出直接连接。从电源Vcc分别经由电感器L2、L3，对放大元件Tr1、Tr2供给集电极电压。
匹配电路M3由电感器L4和电容器C1、C2、C3构成。匹配电路M4由电感器L5、L6和电容器C3和开关SW3构成。高输出用的匹配电路M3为了极力减少损耗而不包含成为损耗的开关SW3。
另外，实际上，还有对放大元件Tr1、Tr2的基极供给基极电流的基极偏置电路、开关SW1～SW3、控制放大元件Tr1、Tr2的导通/截止（ON/OFF）的控制电路等，但在图中省略。
接下来对动作进行说明。在高增益、高输出模式中，通过控制电路分别设定开关SW1为导通；开关SW2、SW3为截止；晶体管Tr1、Tr2为导通。首先，放大元件Tr1对从输入端子IN输入的输入信号进行放大。其次，第二放大元件Tr2对放大元件Tr1的输出信号进行放大。其后，放大元件Tr2的输出信号经由高输出用的匹配电路M3而从输出端子OUT输出。
另一方面，在低增益、低输出模式中，通过控制电路分别设定开关SW2、SW3为导通；开关SW1为截止；晶体管Tr1为导通；晶体管Tr2为截止。首先，放大元件Tr1对从输入端子IN输入的输入信号进行放大。其后，放大元件Tr1的输出信号经由低输出用的匹配电路M3、M4而从输出端子OUT输出。
接着，与比较例进行比较而说明本实施方式的效果。图2是示出比较例的功率放大器的电路图。在比较例中，匹配电路M4的其他端经由电感器L1连接到放大元件Tr2的输出。
图3是示出从本发明实施方式1的高输出用的匹配电路M3的各点（A～F）预测输出侧的阻抗的史密斯圆图。具体而言，是在特性阻抗50Ω的史密斯圆图上给出从各点预测输出侧的所希望频率中的阻抗的图。该高输出用的匹配电路M3的各点的阻抗，在比较例中也同样。
图4是示出从比较例的低输出用的匹配电路M3、M4的各点（A～E、G、H）预测输出侧的阻抗的史密斯圆图。在比较例中匹配电路M4的其他端经由电感器L1连接到放大元件Tr2的输出，因此，由于放大元件Tr2的寄生电容Cpara和电感器L1而寄生电容Cpara的影响变大。其结果，在E点中阻抗进一步降低。因而，有较多的电流流动，因此，由于电感器以及电容器的寄生电阻、开关SW3的寄生电阻而损耗增大。此外，阻抗的轨迹通过低阻抗区域，因此对于电感、电容等元件偏差、频率特性变得敏感。
另一方面，图5是示出从本发明实施方式1的低输出用的匹配电路M3、M4的各点（A～E、G、H）预测输出侧的阻抗的史密斯圆图。在实施方式1中匹配电路M4的其他端与放大元件Tr2的输出直接连接，因此只有放大元件Tr2的寄生电容Cpara，其影响变少。因而，在F点中看不到如比较例那样的进一步的阻抗减少。其结果，阻抗的轨迹不通过低阻抗区域。因而，电感器以及电容器的寄生电阻、开关SW3的寄生电阻带来的损耗变。此外，对于电感、电容等元件偏差、频率特性变得不敏感。
实施方式2
图6是示出本发明实施方式2的后级的放大元件的电路图。功率放大器的构成以及动作与实施方式1相同。
16个尺寸较小的晶体管Tr2a～Tr2p并联连接。在各晶体管Tr2a～Tr2p的集电极（输出）之间连接有布线Ln1～Ln20。晶体管Tr2a～Tr2p的基极（输入）与放大元件Tr2的输入连接。
布线Ln1～Ln5被串联连接而构成第一串联布线，其一端经由电感器L1连接到匹配电路M3，其他端与匹配电路M4连接。然后，第一串联布线的其他端相对于一端配置在放大元件Tr2的输入侧。布线Ln6～Ln20也同样。
图7是示出从本发明实施方式2的匹配电路M3、M4的各点（A～H）预测输出侧的阻抗的史密斯圆图。布线Ln1～Ln20和晶体管Tr2a～Tr2p的寄生电容形成分布常数布线，因此寄生电容的影响进一步减少。因此，从匹配电路M4的电感器L6预测的阻抗偏向史密斯圆图的内侧，成为高阻抗。因而，对于元件偏差、频率特性变得更加不敏感，进一步成为低损耗。
实施方式3
图8是示出本发明实施方式3的后级的放大元件的电路图。仅对不同于实施方式2的构成进行说明。布线Ln6～Ln10被串联连接而构成第二串联布线，其一端经由电感器L1连接到匹配电路M3，但是其他端不与匹配电路M4连接。布线Ln11～Ln20也同样。
图9是示出从本发明实施方式3的匹配电路M3、M4的各点（A～H）预测输出侧的阻抗的史密斯圆图。只有由布线Ln1～Ln5构成的第一串联布线与匹配电路4连接，因此布线Ln1～Ln20的寄生电感器大于实施方式2，晶体管Tr2a～Tr2p的寄生电容的影响变得更少。因此，从匹配电路M4的电感器L6预测的阻抗偏向史密斯圆图的内侧，成为高阻抗。因而，对于元件偏差、频率特性变得更加不敏感，进一步成为低损耗。
实施方式4
图10是示出本发明实施方式4的功率放大器的电路图。匹配电路M4的其他端与电感器L1和匹配电路M3的连接点连接。在放大元件Tr2的输出与电源Vcc之间，电感器L7与电感器L3并联连接。开关SW4与电感器L3并联连接，且与电感器L7串联连接。而其他的构成与实施方式1同样。
接着对动作进行说明。在高增益、高输出模式中，通过控制电路分别设定开关SW1为导通；开关SW2、SW3、SW4为截止；晶体管Tr1、Tr2为导通。首先，放大元件Tr1对从输入端子IN输入的输入信号进行放大。其次，第二放大元件Tr2对放大元件Tr1的输出信号进行放大。其后，放大元件Tr2的输出信号经由高输出用的匹配电路M3而从输出端子OUT输出。
另一方面，在低增益、低输出模式中，通过控制电路分别设定开关SW2、SW3、SW4为导通；开关SW1为截止；晶体管Tr1为导通；晶体管Tr2为截止。首先，放大元件Tr1对从输入端子IN输入的输入信号进行放大。其后，放大元件Tr1的输出信号经由低输出用的匹配电路M3、M4而从输出端子OUT输出。
接着，说明本实施方式的效果。首先，从本发明实施方式4的高输出用的匹配电路M3的各点（A～F）预测输出侧的阻抗，与实施方式1（图3的史密斯圆图）相同。
图11是示出从本发明实施方式4的低输出用的匹配电路M3、M4的各点（A～E、G、H）预测输出侧的阻抗的史密斯圆图。在低增益、低输出模式中，开关SW4导通，电感器L6与放大元件Tr2的集电极连接。该电感器L6减少放大元件Tr2的寄生电容Cpara的影响。因而，E点的阻抗受寄生电容Cpara的影响而暂且向低阻抗侧移动，但是因为开关SW4而与电感器L6连接，因此向高阻抗侧移动。其结果，阻抗的轨迹几乎不通过低阻抗区域。因而，电感器以及电容器的寄生电阻、开关SW3的寄生电阻带来的损耗变小。此外，对于电感、电容等元件偏差、频率特性变得不敏感。
在上述实施方式中对2级放大器进行了说明，但并不限于此，只要2级以上的多级放大器就能得到同样的效果。此外，放大元件Tr1、Tr2为例如HBT（Heterojunction Bipolar Transistor：异质结双极型晶体管），但是其他的双极型晶体管、MOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor：金属氧化物半导体场效应晶体管）等FET也可。
此外，匹配电路M3由L、C、L、C、C构成，但并不限于此，一部分使用容量、电感器即可。电感器由传输线构成也可。此外，作为匹配电路M4使用LC电路，但是，只要能实现从放大元件Tr1的输出预测的阻抗的电路，也可为其他的构成。此外，在模式切替时使用开关SW2和开关SW3这两个，但是不用哪一个也可。
在实施方式3、4中放大元件Tr2的构成为4个×4列构成，但是也可为别的构成。此外，在实施方式4中，只有一条串联布线与匹配电路4连接，但是也可连接多条。
符号说明
IN 输入端子；L3 电感器（第一电感器）；L7 电感器（第二电感器）；Ln1～Ln5 布线（第一布线）；Ln6～Ln20 布线（第二布线）；M3 匹配电路（第一匹配电路）；M4 匹配电路（第二匹配电路）；OUT 输出端子；SW1 开关（第一开关）；SW2 开关（第二开关）；SW4 开关（第三开关）；Tr1 放大元件（第一放大元件）；Tr2 放大元件（第二放大元件）；Tr2a～Tr2d 晶体管（第一晶体管）；Tr2e～Tr2p 晶体管（第二晶体管）。

Claims (4)

1. 一种功率放大器，其特征在于，包括：
输入端子，将输入信号输入；
第一放大元件，对所述输入信号进行放大；
第二放大元件，对所述第一放大元件的输出信号进行放大；
输出端子，输出所述第二放大元件的输出信号；
第一匹配电路，在所述第二放大元件的输出与所述输出端子之间连接；
第一开关，在所述第一放大元件的输出与所述第二放大元件的输入之间连接；
第二开关，其一端与所述第一放大元件的输出连接；以及
第二匹配电路，其一端与所述第二开关的其他端连接，而其他端与所述第二放大元件的输出直接连接。
2. 根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，
所述第二放大元件具有：
并联连接的多个第一晶体管；以及
在所述多个第一晶体管的输出之间连接的多个第一布线，
所述多个第一晶体管的输入与所述第二放大元件的输入连接，
所述多个第一布线串联连接而构成第一串联布线，
所述第一串联布线的一端与所述第一匹配电路连接，
所述第一串联布线的其他端与所述第二匹配电路连接，
所述第一串联布线的其他端相对于一端配置在所述第二放大元件的输入侧。
3. 根据权利要求2所述的功率放大器，其特征在于，
所述第二放大元件还具有：
并联连接的多个第二晶体管；以及
在所述多个第二晶体管的输出之间连接的多个第二布线，
所述多个第二晶体管的输入与所述第二放大元件的输入连接，
所述多个第二布线串联连接而构成第二串联布线，
所述第二串联布线的一端与所述第一匹配电路连接，
所述第二串联布线的其他端不与所述第二匹配电路连接。
4. 一种功率放大器，其特征在于，包括：
输入端子，将输入信号输入；
第一放大元件，对所述输入信号进行放大；
第二放大元件，对所述第一放大元件的输出信号进行放大；
输出端子，输出所述第二放大元件的输出信号；
匹配电路，在所述第二放大元件的输出与所述输出端子之间连接；
第一开关，在所述第一放大元件的输出与所述第二放大元件的输入之间连接；
第二开关，其一端与所述第一放大元件的输出连接，而其他端经由所述匹配电路连接到所述输出端子；
第一电感器，在所述第二放大元件的输出与电源之间连接；
第二电感器，与所述第一电感器并联连接；以及
第三开关，与所述第一电感器并联连接，且与所述第二电感器串联连接。
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