CN104716908B - 功率放大模块 - Google Patents

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Abstract

本发明能够提高采用包络追踪方式的功率放大模块的线性度。本发明的功率放大模块包括：第1双极晶体管，向该第1双极晶体管的基极输入第1无线频率信号，且该第1双极晶体管的发射极接地；以及第2双极晶体管，将第1恒压提供给该第2双极晶体管的基极，将根据第1无线频率信号的振幅而变动的第1电源电压提供给该第2双极晶体管的集电极，该第2双极晶体管的发射极与第1双极晶体管的集电极相连接，将放大第1无线频率信号而得到的第1放大信号从该第2双极晶体管的集电极输出。

Description

功率放大模块
技术领域
本发明涉及功率放大模块。
背景技术
在放大无线频率(RF：Radio Frequency，射频)信号的功率放大模块中，放大晶体管的基极－集电极间的寄生电容会对频率特性产生影响。因此，例如，在专利文献1中，提出了通过设置与该寄生电容并联的电感器来改善频率特性的结构。
此外，在功率放大模块中，要求降低功耗。因此，例如，在专利文献2中，公开了以下结构：根据输入信号的振幅电平来控制功率放大模块的电源电压，由此来力图实现功率效率的提高(所谓的包络追踪方式)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2005－176331号公报
专利文献2：日本专利特开平3－276912号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
如专利文献1所公开的那样，通过设置与基极－集电极间的寄生电容并联的电感器，能够改善频率特性，但在包络追踪方式中，与电源电压相对应的增益变动会成为问题。具体而言，在包络追踪方式中，放大晶体管的基极－集电极间电容根据电源电压而发生变动。而且，由于基极－集电极间电容发生的变动，功率放大模块的增益会发生变动，从而导致线性度下降。
本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提高采用包络追踪方式的功率放大模块的线性度。
解决技术问题所采用的技术方案
本发明的一个方面所涉及的功率放大模块包括：第1双极晶体管，向该第1双极晶体管的基极输入第1无线频率信号，且该第1双极晶体管的发射极接地；以及第2双极晶体管，将第1恒压提供给该第2双极晶体管的基极，将根据第1无线频率信号的振幅而变动的第1电源电压提供给该第2双极晶体管的集电极，该第2双极晶体管的发射极与第1双极晶体管的集电极相连接，将放大第1无线频率信号而得到的第1放大信号从该第2双极晶体管的集电极输出。
发明效果
根据本发明，能够提高采用包络追踪方式的功率放大模块的线性度。
附图说明
图1是表示包含本发明的一个实施方式的功率放大模块在内的发送单元的结构例的图。
图2是表示RF部的结构的一个示例的图。
图3是表示使用固定的电源电压来进行功率放大时的功耗的一个示例的图。
图4是表示使用基于包络追踪的可变电源电压来进行功率放大时的功耗的一个示例的图。
图5是表示功率放大模块的结构的一个示例的图。
图6是表示功率放大模块的结构的另一个示例的图。
图7是表示功率放大模块的结构的另一个示例的图。
图8是表示功率放大模块的结构的另一个示例的图。
图9A是表示一般的功率放大模块中的增益变动的仿真结果的图。
图9B是表示图8所示的功率放大模块中的增益变动的仿真结果的图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的一实施方式进行说明。图1是表示包含本发明的一个实施方式的功率放大模块在内的发送单元的结构例的图。发送单元100例如用于在移动电话等移动体通信设备中向基站发送音频、数据等各种信号。本实施方式的发送单元100支持无线频率(RF：Radio Frequency，射频)中的多个频带。另外，移动体通信设备还具备从基站接收信号的接收单元，但此处省略说明。
如图1所示，发送单元100构成为包含基带部110、RF部111、电源电路112、功率放大模块113、前端部114以及天线115。
基带部110基于HSUPA(High-Speed Uplink Packet Access：高速上行链路分组接入)、LTE(Long Term Evolution：长期演进)等调制方式，对音频、数据等输入信号进行调制，并输出调制信号。本实施方式中，将从基带110输出的调制信号输出，以作为在IQ平面上表示振幅和相位的IQ信号(I信号和Q信号)。IQ信号的频率例如为数MHz到数10MHz左右。
RF部111根据从基带部110输出的IQ信号，生成用于进行无线发送的RF信号(RFin)。RF信号例如为数百MHz至数GHz左右。RF部111基于IQ信号来检测调制信号的振幅电平，并向电源电路112输出电源控制信号CTRL，以使得提供给功率放大模块113的电源电压Vcc成为与RF信号的振幅电平相对应的电平。即，RF部111输出图2所记载的电源控制信号CTRL，以进行包络追踪。
另外，在RF部111中，可以不进行从IQ信号到RF信号的直接转换，而是将IQ信号转换成中间频率(IF:Intermediate Frequency)信号，再从IF信号生成RF信号。
图1所述的电源电路112生成与从RF部111输出的电源控制信号CTRL相对应电平的电源电压Vcc，并提供给功率放大模块113。电源电路112例如可包含DC-DC转换器，该DC-DC转换器根据输入电压(例如电池电压等)生成与电源控制信号CTRL相对应电平的电源电压Vcc。
功率放大模块113基于由电源电路112提供的电源电压Vcc，将从RF部111输出的RF信号(RFin)的功率放大到发送给基站所需的电平，并输出放大信号(RFout)。
前端部114进行对放大信号(RFout)的滤波，进行与从基站接收到的接收信号的切换等。从前端部114输出的放大信号通过天线115发送至基站。
图2是表示RF部111的结构的一个示例的图。如图2所示，RF部111构成为包括：延迟电路200、201、RF调制部202、振幅电平检测部203、失真补偿部204、以及数字-模拟转换器(DAC:Digital to Analog Converter)205。
延迟电路200、201是使IQ信号延迟规定时间的电路，以使得RF信号输入到功率放大模块113的定时、和与RF信号的振幅电平相对应的电源电压Vcc被提供给功率放大模块113的定时相匹配。
RF调制部202根据IQ信号来生成并输出RF信号。具体而言，RF调制部202例如利用乘法器来合成I信号和载波信号，并利用乘法器来合成Q信号和相位偏移了90度的载波信号，通过利用减法器对这些合成信号进行合成，从而能得到RF信号。
振幅电平检测部203基于IQ信号来检测调制信号的振幅电平。此处所检测到的振幅电平与从RF调制部202输出的RF信号的振幅电平相对应。
失真补偿部204对电源电压Vcc的电平进行调整，以使得在进行包络追踪时，振幅信号不会产生振幅失真。功率放大模块113所使用的晶体管的增益特性会根据电源电压Vcc而变化。因此，为了保持功率放大电路113的线性度，需要对电源电压Vcc进行控制，以使得增益恒定。失真补偿部204例如可预先存储基于晶体管的增益特性的、表示调制信号的振幅电源与电源电压Vcc的电平的对应关系的表格。而且，失真补偿部204能基于该表格，来输出用于使电源电压Vcc达到与调制信号的振幅电平相对应的电平的电源控制信号。
DAC205将从失真补偿部204输出的电源控制信号转换成模拟信号，并进行输出。
参照图3和图4，对采用包络追踪的电源电压控制的一个示例进行说明。图3示出了使用固定的电源电压来进行功率放大时的功耗的一个示例。如图3所示，当RF信号的振幅电平变化较大时，若采用与RF信号振幅的最大电平相对应的固定电源电压，则在RF信号的振幅电平较小的区间内功耗较大。
图4示出了使用基于包络追踪的可变电源电压来进行功率放大时的功耗的一个示例。如图4所示，通过使电源电压根据RF信号的振幅电平发生变动，能够降低功耗。
本实施方式中，电源电路112基于从RF部111输出的电源控制信号，将提供给功率放大模块113的电源电压Vcc控制在与RF信号的振幅电平相对应的电平。
图5是表示功率放大模块113的结构的一个示例的图。如图5所示，功率放大模块113A构成为包括：晶体管500、501、电容器502、电阻503～505、电感器506、匹配电路(MN:Matching Network)507、偏置电路508、以及恒压电路509。构成功率放大模块113A的各晶体管是双极晶体管。例如，各晶体管可以是由GaAs等构成的化合物半导体的异质结双极晶体管(HBT:Heterojunction Bipolar Transistor)。后述的其他结构也相同。
晶体管500(第1双极晶体管)中，RF信号(RFin)(第1无线频率信号)经由电容器502和电阻505输入其基极，其集电极与晶体管501的发射极相连接，其发射极接地。
晶体管501(第2双极晶体管)中，恒压Vcnst(第1恒压)经由电阻504提供给其基极，电源电压Vcc(第1电源电压)经由电感器506提供给其集电极，其发射极与晶体管500的集电极相连接。
偏置电路508是向晶体管500提供偏置电压的电路，构成为包含晶体管520和电阻521、522在内。晶体管520(第3双极晶体管)中，用于控制偏置的控制电压Vctr1(第1偏置控制电压)经由电阻521提供给其基极，电源电压(例如，偏置电压Vbat)提供给其集电极，发射极经由电阻522与晶体管500的基极相连接。
恒压电路509是用于生成提供给晶体管501的基极的恒压Vcnst(例如1.8V)的电路，构成为包含晶体管530、电阻531、532、以及电容器533在内。晶体管530中，控制电压Vctr1(例如2.8V)经由电阻503提供给其集电极，基极与电阻531、532的连接点相连接，发射极接地。电阻531、532串联连接，一端连接至晶体管531的集电极，另一端接地。电容器533的一端连接至晶体管531的集电极，另一端接地。
另外，在图5所示的结构中，恒压电路509基于用于控制偏置的控制电压Vctr1来生成恒压Vcnst，但也可以基于不同于控制电压Vctr1的电源电压来生成恒压Vcnst。恒压Vcnst也可以由功率放大模块113A的外部来提供。
在图5所示的功率放大模块113A中，晶体管500、501构成共源共栅连接的放大电路。此处，在晶体管501中，由于基极电压恒定，因此，发射极电压是与基极电压相比阈值电压较低的恒定电压。因此，晶体管500的集电极电压也是恒定的。
晶体管500中，由于集电极电压恒定(AC接地)，因此，RF信号(RFin)的电压放大增益为零。另一方面，流过晶体管500的电流与RF信号(RFin)相对应。即，晶体管500作为流过与RF信号(RFin)相对应的电流的可变电流源来进行动作。
晶体管501中，由于基极电压恒定(AC接地)，因此，作为基极接地放大电路进行动作。由此，放大RF信号(RFin)得到的放大信号(RFout)从晶体管501的集电极经由匹配电路507输出。
如上所述，晶体管500的集电极电压恒定。即，晶体管500的增益恒定，而与电源电压Vcc的变动无关。此外，由于晶体管501是基极接地放大电路，因此，与电源电压Vcc相对应的基极－集电极间的寄生电容的变化对增益产生的影响较小。
由此，在功率放大模块113A中，利用共源共栅连接的晶体管500、501构成放大电路，因此，与使用一般的发射极接地放大电路的情况相比，能够抑制与电源电压Vcc相对应的增益变动。因此，能够提高采用包络追踪方式的功率放大模块113A的线性度。
在功率放大模块113A中，共源共栅连接的放大电路的上级晶体管501的叉指(finger)数可以少于下级晶体管500的叉指数。从电流容量的观点来看，优选上级晶体管501的叉指数在下级晶体管500的叉指数以上。另一方面，从抑制增益变动的观点来看，优选上级晶体管501的叉指数少于下级晶体管500的叉指数。但是，若上级的晶体管的叉指数过于少，则电流容量会不足。即，可考虑电流容量和抑制增益变动两者间的权衡来确定晶体管500、501的叉指数。
图6是表示功率放大模块的结构的另一个示例的图。对于与图5所示的要素相同或等同的要素，标注相同或等同的标号，并省略说明。功率放大模块113B支持低频带(LowBand)和高频度(High Band)两个频带。图6中，对于用于低频带的要素，在其标号的末尾标注“L”，对于用于高频带的要素，在其标号的末尾标注“H”。另外，此处，示出了支持两个频带的功率放大模块的示例，但频带的个数也可以是三个以上。
如图6所示，功率放大模块113B包括低频带用的晶体管500L和偏置电路508L。功率放大模块113B包括高频带用晶体管500H和偏置电路508H。
低频带用的晶体管500L(第1双极晶体管)中，低频带的RF信号(RFin)(第1无线频率信号)经由电容器502L输入到其基极，其集电极与晶体管501的发射极相连接，其发射极接地。低频带用的偏置电路508L包含晶体管520L(第3双极晶体管)，基于从低频带用的控制端子(第1控制端子)输入的控制电压Vctr1L，向晶体管500L提供偏置。
高频带用的晶体管500H(第4双极晶体管)中，高频带的RF信号(RFinH)(第2无线频率信号)经由电容器502H输入到其基极，其集电极与晶体管501的发射极相连接，其发射极接地。高频带用的偏置电路508H包含晶体管520H(第5双极晶体管)，基于从高频带用的控制端子(第2控制端子)输入的控制电压Vctr1H，向晶体管500H提供偏置。
在功率放大模块113B中，利用控制电压Vctr1L、Vctr1H来切换低频带模式下的动作与高频带模式下的动作。
例如，当在低频带模式下动作时，将控制电压Vctr1L设定为高电平(例如2.8V)，将控制电压Vctr1H设定为低电平(例如0V)。在该情况下，低频带用的偏置电路508L是动作的一方，而高频带用的偏置电路508H不动作。恒压电路509基于控制电压Vctr1L生成恒压Vcnst(例如1.8V)。由此，共源共栅连接的晶体管500L、501作为放大电路进行动作，放大低频带的RF信号(RFinL)而得到的放大信号(RFout)从晶体管501的集电极经由匹配电路507被输出。
此外，例如，当在高频带模式下动作时，将控制电压Vctr1L设定为低电平(例如0V)，将控制电压Vctr1H设定为高电平(例如2.8V)。在该情况下，低频带用的偏置电路508L是不进行动作的一方，而高频带用的偏置电路508H进行动作。恒压电路509基于控制电压Vctr1H生成恒压Vcnst(例如1.8V)。由此，共源共栅连接的晶体管500H、501作为放大电路进行动作，放大高频带的RF信号(RFinH)而得到的放大信号(RFout)从晶体管501的集电极经由匹配电路507输出。
于是，在功率放大模块113B中，无论在何种模式下进行动作，与图5所示的功率放大模块113A的情况相同，均能利用共源共栅连接的放大电路，对与电源电压Vcc相对应的增益的变动进行抑制。
在功率放大模块113B中，构成为利用控制电压VctrlL、VctrlH来切换偏置电路508L、508H的动作，由此，晶体管500L、500H中共用共源共栅连接中位于上侧的晶体管501。因此，与分别设置用于低频带和用于高频带的共源共栅连接的上侧晶体管的情况相比，能够缩小电路尺寸。
图7是表示功率放大模块的结构的另一个示例的图。对于与图5所示的要素相同或等同的要素，标注相同或等同的标号，并省略说明。功率放大模块113C构成为包括驱动级和功率级的两级结构。图7中，对于驱动级的要素，在其标号的末尾标注“D”，对于功率级的要素，在其标号的末尾标注“P”。
在功率放大模块113C的驱动级中，偏置电路508D基于控制电压VctrlD，向晶体管500D提供偏置。恒压电路509D基于控制电压VctrlD(第1控制电压)生成恒压VcnstD(第1恒压)。于是，共源共栅连接的晶体管500D、501D基于被包络控制的电源电压VccD(第1电源电压)来放大RF信号(RFin)，将由此得到的放大信号(第1放大信号)从晶体管501D的集电极输出。
在功率放大模块113C的功率级，从驱动级输出的放大信号经由匹配电路700被输出。在功率放大模块113C的功率级中，偏置电路508P基于控制电压VctrlP(第2控制电压)，向晶体管500P提供偏置。恒压电路509P基于控制电压Vctr1P生成恒压VcnstP(第2恒压)。而且，共源共栅连接的晶体管500P(第6双极晶体管)和晶体管501P(第7双极晶体管)基于被包络控制的电源电压VccP(第2电源电压)来放大从功率级输入的信号，将由此得到的放大信号(RFout)(第2放大信号)从晶体管501P的集电极经由匹配电路507输出。
由此，在两级结构的功率放大模块113C中，也与图5所示的功率放大模块113A的情况相同，可利用共源共栅连接的放大电路来对与电源电压VccD、VccP相对应的增益的变动进行抑制。
另外，在功率放大模块113C中，在驱动级和功率级中分别设置了恒压电路，但驱动级和功率级也可以共用恒压电路。此外，也可以从功率放大模块113C的外部提供恒压。
在功率放大模块113C中，对驱动级和功率级两者都进行了包络控制，但也可以仅对驱动级和功率级中的一个进行包络控制。
图8是表示功率放大模块的结构的另一个示例的图。对于与图6或图7所示的要素相同或等同的要素，标注相同或等同的标号，并省略说明。
功率放大模块113D是将图7所示的功率放大模块113C中的驱动级设为具有与图6所示的功率放大模块113B相同的结构而得到的。图8中，对于驱动级的要素，在其标号的末尾标注“D”，对于功率级的要素，在其标号的末尾标注“P”。并且，对于用于低频带的要素，在其标号的末尾标注“L”，对于用于高频带的要素，在其标号的末尾标注“H”。此处，示出具有两级结构的功率放大模块的示例，但功率放大模块也可以是三级以上的结构。
如图8所示，在将驱动级构成为支持低频带和高频带的情况下，低频带和高频带可共用功率级的放大电路。因此，与分别设置用于低频带和用于高频带的功率级的放大电路的情况相比，能够缩小电路尺寸。
图9A是表示一般的功率放大模块中的增益变动的仿真结果的图。具体而言，示出将图8所示的功率放大模块113D的共源共栅连接放大电路设为一般的发射极接地放大电路的情况下，低频带模式下的驱动级的增益变动的仿真结果。
图9B是表示图8所示的功率放大模块中的增益变动的仿真结果的图。具体而言，示出图8所示的功率放大模块113D的在低频带模式下的驱动级的增益变动的仿真结果。
图9A和图9B中，横轴表示放大信号(RFout)的电平(dBm)，纵轴表示与电源电压Vcc为4.0的情况下的增益之间的差(dB)。如图9A所示，在一般的结构中，当电源电压Vcc在0.9V到4.0V的范围内变化时，增益变动约为2.46dB。另一方面，如图9B所示，在功率放大模块113D中，在电源电压Vcc在0.9V到4.0V的范围内变化时，增益变动约为0.68dB。根据这些仿真结果可知，如本实施方式所述，通过将放大电路设为共源共栅连接，能够抑制与电源电压Vcc相对应的增益变动。
以上，对本实施方式进行了说明。根据本实施方式，由于利用共源共栅连接的晶体管构成放大电路，因此，与使用一般的发射极接地放大电路的情况相比，能够抑制与电源电压Vcc相对应的增益变动。因此，能够提高采用包络追踪方式的功率放大模块的线性度。
根据本实施方式，例如如图6所示，能够在多个频带中共用共源共栅连接的上级晶体管。由此，能够缩小功率放大模块的电路尺寸。
此外，本实施方式用于方便理解本发明，而并不用于限定并解释本发明。在不脱离本发明的发明思想的前提下，可以对本发明进行变更/改良，并且本发明的同等发明也包含在本发明内。
标号说明
100 发送单元
110 基带部
111 RF部
112 电源电路
113 功率放大模块
114 前端部
115 天线
200、201 延迟电路
202 RF调制部
203 振幅电平检测部
204 失真补偿部
205 DAC
500、501、520、530 晶体管
502、533 电容器
503～505、521、522、531、532 电阻
506 电感器
507、700 匹配电路
508 偏置电路
509 恒压电路

Claims (5)

1.一种功率放大模块，其特征在于，包括：
第1双极晶体管，向该第1双极晶体管的基极输入第1无线频率信号，且该第1双极晶体管的发射极接地；
第2双极晶体管，将第1恒压提供给该第2双极晶体管的基极，将根据所述第1无线频率信号的振幅而变动的第1电源电压提供给该第2双极晶体管的集电极，该第2双极晶体管的发射极与所述第1双极晶体管的集电极相连接，将放大所述第1无线频率信号而得到的第1放大信号从该第2双极晶体管的集电极输出；
第3双极晶体管，该第3双极晶体管以射极跟随的方式连接至所述第1双极晶体管的基极，基于提供给该第3双极晶体管的基极的第1偏置控制电压，向所述第1双极晶体管提供偏置；以及
恒压电路，该恒压电路基于所述第1偏置控制电压来生成所述第1恒压。
2.如权利要求1所述的功率放大模块，其特征在于，
还包括：第4双极晶体管，向该第4双极晶体管的基极输入第2无线频率信号，且该第4双极晶体管的发射极接地，
向所述第2双极晶体管的集电极输入根据选择性输入的所述第1无线频率信号或第2无线频率信号的振幅而变动的所述第1电源电压，该所述第2双极晶体管的发射极与所述第1双极晶体管和第4双极晶体管的集电极相连接，将放大所述第1无线频率信号或第2无线频率信号而得到的所述第1放大信号从集电极输出。
3.如权利要求2所述的功率放大模块，其特征在于，还包括：
第3双极晶体管，该第3双极晶体管以射极跟随的方式连接至所述第1双极晶体管的基极，基于提供给该第3双极晶体管的基极的第1偏置控制电压，向所述第1双极晶体管提供偏置；
第5双极晶体管，该第5双极晶体管以射极跟随的方式连接至所述第4双极晶体管的基极，基于提供给该第5双极晶体管的基极的第2偏置控制电压，向所述第1双极晶体管提供偏置；以及
恒压电路，该恒压电路基于所述第1偏置控制电压或第2偏置控制电压来生成所述第1恒压。
4.如权利要求3所述的功率放大模块，其特征在于，还包括：
第1控制端子，该第1控制端子输入所述第1偏置控制电压，且与所述第3双极晶体管的基极以及所述恒压电路相连接；以及
第2控制端子，该第2控制端子输入所述第2偏置控制电压，且与所述第5双极晶体管的基极以及所述恒压电路相连接。
5.如权利要求1至4的任一项所述的功率放大模块，其特征在于，还包括：
第6双极晶体管，向该第6双极晶体管的基极输入所述第1放大信号，且该第6双极晶体管的发射极接地；以及
第7双极晶体管，将第2恒压提供给该第7双极晶体管的基极，将根据所述第1无线频率信号的振幅而变动的第2电源电压提供给该第7双极晶体管的集电极，该第7双极晶体管的发射极与所述第6双极晶体管的集电极相连接，将放大所述第1放大信号而得到的第2放大信号从该第7双极晶体管的集电极输出。
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