CN105591619B - 功率放大器 - Google Patents

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Abstract

改善进行大输出时的功率放大器的功率附加效率。功率放大器包括：第一电容器，该第一电容器的一端输入有无线频率信号；第一晶体管，该第一晶体管的基极与第一电容器的另一端相连，对无线频率信号进行方法；偏置电路，该偏置电路向第一晶体管的基极提供偏置；以及第二电容器，该第二电容器的一端与第一晶体管的基极相连接，另一端与第一晶体管的发射极相连接。

Description

功率放大器
技术领域
本发明涉及功率放大器。
背景技术
在便携式电话等移动体通信设备中，为了放大向基站发送的无线频率(RF：RadioFrequency)信号的功率，而使用功率放大器(Power Amplifier)。
例如，在专利文献1中揭示了具有多个单元结构的功率放大器。各单元结构中包括：放大用的晶体管、及向该晶体管的基极提供偏置的偏置电路。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2011-130066号公报
发明内容
发明所要解决的问题
如专利文献1所揭示那样，一般的结构中向放大用的晶体管的基极提供偏置，但是若输出电平增大，则从偏置电路流向放大用晶体管的基极的电流增大，功率附加效率(PAE：Power Added Efficiency)降低。
本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于改善进行大输出时的功率放大器的功率附加效率。
用于解决问题的手段
本发明的一个方面的功率放大器包括：第一电容器，该第一电容器的一端输入有无线频率信号；第一晶体管，该第一晶体管的基极与第一电容器的另一端相连，对无线频率信号进行放大；偏置电路，该偏置电路向第一晶体管的基极提供偏置；以及第二电容器，该第二电容器的一端与第一晶体管的基极相连接，另一端与第一晶体管的发射极相连接。
发明效果
根据本发明能改善进行大输出时的功率放大器的功率附加效率。
附图说明
图1是表示包含本发明的一实施方式的功率放大模块的发送单元的结构例的图。
图2是表示功率放大器160的结构的一个例子即功率放大器160A的结构的图。
图3是表示将晶体管200的基极·发射极间接合作为单纯的二极管，以方波形式表现输入信号的功率放大器160A的简化等效电路的图。
图4是表示二极管的电压VB-电流IB特性的图。
图5是表示二极管的电压VB-电容C特性的图。
图6是表示电压VB<导通电压VON的情况下的等效电路的图。
图7是表示电压VB≥导通电压VON的情况下的等效电路的图。
图8是表示电压VB的波形的一个例子的图。
图9是表示能用于功率放大器160的单元结构的结构的一个例子的图。
图10是表示并联连接有多个单元结构300的功率放大器160B的结构的图。
图11是表示电容器210的电容值CCUT＝0.4pF、电容器240的电容值CADD＝0.01pF的情况下的模拟结果的图。
图12是表示电容器210的电容值CCUT＝0.4pF、电容器240的电容值CADD＝1pF的情况下的模拟结果的图。
图13是表示功率放大器160B中的电容器240的电容值CADD和功率附加效率之间的关系的一个例子的模拟结果的图。
图14是表示电容器210的电容值CCUT＝1.4pF、电容器240的电容值CADD＝0.01pF的情况下的模拟结果的图。
图15是表示电容器210的电容值CCUT＝1.4pF、电容器240的电容值CADD＝1pF的情况下的模拟结果的图。
图16是表示使用二极管来构成电容器240的例子的图。
具体实施方式
下文中参照附图说明本发明的一个实施方式。图1是表示包含本发明的一实施方式的功率放大模块的发送单元的结构例的图。发送单元100在例如便携式电话等移动体通信设备中用于向基站发送音频、数据等各种信号。此外，移动体通信设备也具备用于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包括调制部110、功率放大模块120、前端部130、及天线140。
调制部110基于GSM(注册商标)标准等调制方式来调制输入信号，生成用于进行无线发送的RF信号。RF信号例如为数百MHz到数GHz左右。
功率放大模块120将RF信号(PIN)的功率放大至发送至基站所需的电平，输出放大信号(POUT)。功率放大模块120例如能由二级的功率放大器构成。具体而言，如图1所示，功率放大模块120能包括功率放大器150、160及匹配电路(MN：Matching Network)170、180、190。功率放大器150是初级(驱动级)的放大器，对所输入的RF信号进行放大并输出。功率放大器160是次级(功率级)的放大器，对所输入的RF信号进行放大并输出。匹配电路170、180、190是用于对电路间的阻抗进行匹配的电路，使用电容器、电感器来构成。此外，构成功率放大器模块120的功率放大器的级数并不限于二级，可以是一级，也可以是三级以上。
前端部130对放大信号进行滤波、切换至从基站接收到的接收信号等。从前端部130输出的放大信号能通过天线140发送至基站。
图2是表示功率放大器160的结构的一个例子即功率放大器160A的结构的图。功率放大器160A包括NPN晶体管(以下简称为(晶体管))200、电容器210、偏置电路220、电感器230、及电容器240。
晶体管200(第一晶体管)是例如异质结双极晶体管(HBT：HeterojunctionBipolar Transistor)。晶体管200通过电感器230将电源电压VCC提供给集电极，通过电容器210向基极输入RF信号(RFIN)，发射极接地。另外，从偏置电路220向晶体管200的基极提供偏置。晶体管200对输入至基极的RF信号进行放大，从集电极输出放大信号(RFOUT)。
电容器210(第一电容器)的一端输入有RF信号，另一端与晶体管200的基极相连接。电容器210截断RF信号的DC分量，并输出至晶体管200的基极。
偏置电路220包括晶体管250、电阻260、270、电容器280、及二极管290、291。晶体管250(第二晶体管)中，向集电极提供电池电压VBAT，通过电阻260向基极提供偏置控制电压VCONT，发射极与电阻270的一端相连接。电阻260的一端施加有偏置控制电压VCONT，另一端与晶体管250的基极相连接。电阻270(第一电阻)的一端与晶体管250的发射极相连接，另一端与晶体管200的基极相连接。电容器280的一端与晶体管250的基极相连接，另一端接地。二极管290、291串联连接，二极管290的阳极与晶体管250的基极相连接，二极管291的阴极接地。偏置电路220基于偏置控制电压VCONT来对晶体管200的基极输出偏置电流IBIAS。此外，电容器280能减小输入到晶体管250的基极的噪音。另外，二极管290、291能相对于偏置控制电压VCONT的偏差抑制晶体管250的基极电压的变动。
电感器230的一端施加有电源电压VCC，另一端与晶体管200的集电极相连接。电源电压VCC是例如由调节器所生成的规定电平的电压。
电容器240(第二电容器)例如是MIM(Metal Insulator Metal：金属-绝缘层-金属)电容。电容器240的一端与晶体管200的基极相连接，另一端与晶体管200的发射极相连接。电容器240的电容器CADD例如与晶体管200截止时的电容值大致相等。电容器240设计为用于改善进行大输出时的功率放大器160A的功率附加效率。
首先，说明功率放大器160A中未设置有电容器240的情况下的动作。为了进行说明，如图3所示那样简化功率放大器160A的结构。图3中，着眼于基极电流，晶体管200的基极·发射极间接合单纯地用二极管D来进行表示。此外，为了进行简化，将通过电阻270来施加偏置电压VBIAS、通过电容器210施加RF信号的结构用通过电阻R施加上述两个信号的结构表示。而且，考虑将输入信号设为方形波。电阻R的电阻值的自由度较高，例如是16Ω左右。
如下述那样简化二极管的特性。能将二极管的等效电路表示为非线性电阻和非线性电容的并联连接。
非线性电阻原本如图4的虚线所示那样，由指数函数表示电压VB-电流IB特性。此处，如图4的实线所示，由分段线性模型表示非线性电阻：即，在电压VB小于导通电压VON时，完全截止，在电压VB为导通电压VON以上时，成为电阻rd。功率放大器160A以最大功率进行动作的情况下，流过晶体管200的集电极电流为300-400mA左右。晶体管200的电流放大率为大约100左右，因此基极电流大约为3-4mA左右。在该情况下，电阻值rd约为6Ω左右。
原本如图5的虚线所示那样，在电压VB小于导通电压VON时，非线性电容的电容值由具有偏置电压依赖性的接合电容所决定，在电压VB为导通电压VON以上时，非线性电容的电容值由与电压VB的指数成正比的扩散电容所支配。非线性电容的实际值如图5的虚线所示那样，由曲线表示。此处，对非线性电容进行以下假设：在电压VB小于导通电压VON时，成为固定电容Cj,在电压VB为导通电压VON以上时，成为更大的固定电容Cd。在功率放大器160A中，例如Cj＝0.6pF、Cd＞8pF。
如图6所示，在电压VB小于导通电压VON的情况下,二极管D由电容Cj表示。在该情况下，电路的时间常数是对Cj和R之积乘上2π而得到的，约为60psec。
如图7所示，在电压VB为导通电压VON以上的情况下,二极管D由电容Cd和电阻rd的并联连接所表示。在该情况下，电路的时间常数为将Cd和rd//R之积乘上2π而得到的，约为220psec(Cd＝8pF的情况下)。
若施加直流偏置，则二极管导通，因而其在图7的等效电路所示的区域中进行动作。若向该电路施加RF信号，则在RF信号的振幅较小的范围内，该电路在图7所示的范围内进行动作。若RF信号的振幅增大某一程度，则电路横跨两个区域进行动作。即，在电压VB小于导通电压VON的区域中，时间常数减小，如图8的虚线所示那样，电压VB成为陡峭的脉冲状波形。
接着，说明功率放大器160A中设置有电容器240的情况下的动作。这相当于在图6及图7中追加了电容CADD的结构。假设电容CADD的电容值为1pF。在该情况下，设电压VB小于导通电压VON的区域的时间常数为96psec。此外，设电压VB小于导通电压VON的区域的时间常数为247psec。时间常数的增加率在电压VB小于导通电压VON的区域中较为显著。因而，在施加有RF信号的情况下的电压VB的波形如图8的实线所示那样，脉冲状的波形较为钝化，且电压VB小于导通电压VON的期间增加。这意味着截止状态的期间增多。由此，平均电流的值降低，效率得到改善。
图2中，作为功率放大器160的一个例子，示出了功率放大器160A，但是功率放大器160也可以构成为并联连接有多个单元结构。图9是表示能用于功率放大器160的单元结构的结构的一个例子的图。单元结构300包括图2所示的功率放大器160A中的晶体管200、电容器210、240、晶体管250、及电阻270。图10是表示并联连接多个(例如16个)单元结构300而构成的功率放大器160B的结构的图。由此，在并联连接多个单元结构300而构成的功率放大器160B中，对每个单元结构300设置电容器240，从而能如上述那样改善功率附加效率。图9所示的单元结构300的结构只是一个例子，单元结构包含的要素并不限于此。
基于模拟结果来说明利用功率放大器160B的结构来改善功率附加效率的情况。图11是表示电容器210的电容值CCUT＝0.4pF、电容器240的电容值CADD＝0.01pF的情况下的模拟结果的图。此外CADD＝0.01pF是可以无视电容器240的非常小的值。即，图11与未设置有电容器240的情况下的模拟结果相等同。
在图11中，横轴是时间，纵轴示出了8个指标。RFIN是输入到电容器210的RF信号的电压。I1是从电容器210输出的电流。I2是向I1加上IBIAS后得到的电流。IB是晶体管200的基极电流。IBIAS是从偏置电路220输出的偏置电流。IADD是流过电容器240的电流。VB是晶体管200的基极电压。VC是晶体管200的集电极电压。
如图11的A1点所示，进行大输出时(即VC的振幅电平较大时)，若晶体管200截止，则基极电压VB大幅降低。随之，如B1点所示，偏置电流IBIAS增大。若偏置电流IBIAS增大，则如点C1所示，晶体管200变为导通的时刻提早。由此可知，在未设置电容器240的情况下，在进行大输出时，功率附加效率降低。
图12是表示电容器210的电容值CCUT＝0.4pF、电容器240的电容值CADD＝1pF的情况下的模拟结果的图。图12中的横轴和纵轴与图11相同。
如图12的D2点所示，若晶体管200截止，则电流(负的电流IADD)从电容器240流向晶体管200的基极。如A2点所示，因该电流而导致进行大输出时的基极电压VB的降低量小于图11中的情况。随之，如B2点所示，偏置电流IBIAS的增加量也小于图11中的情况。因而，如C2点所示，与图11的情况相比，能抑制晶体管200变为导通的时刻提前的情况。由此可知，在设置电容器240的情况下，在进行大输出时，能改善功率附加效率。
图13是表示功率放大器160B中的电容器240的电容值CADD和功率附加效率之间的关系的一个例子的模拟结果的图。在图13中，横轴是输出电平(dBm)，纵轴是功率附加效率(％)。如图13所示，在未设置有电容器240的情况下(CADD＝0.01pF的情况下)，功率附加效率从输出电平为30dBm附近开始大幅降低。与此相对，通过附加电容器240，能抑制进行大输出时的功率附加效率的降低。特别是在图13所示的例子中，通过将电容值CADD设为0.8pF～1.2pF(与晶体管200截止时的电容值大致相等)，从而能大幅改善进行大输出时的功率附加效率。
接着，说明为了应对宽频的RF信号而增大电容器210的电容值CCUT的情况下的模拟结果。图14是表示电容器210的电容值CCUT＝1.4pF、电容器240的电容值CADD＝0.01pF的情况下的模拟结果的图。图14中的横轴和纵轴与图11相同。
如图14的A3点所示，在进行大输出时，若晶体管200变为截止，则基极电压VB大幅降低。随之，如B3点所示，偏置电流IBIAS增大。若偏置电流IBIAS增大，则如C3点所示，晶体管200变为导通的时刻提早。由此可知，在未设置电容器240的情况下，在进行大输出时，功率附加效率降低。
图15是表示电容器210的电容值CCUT＝1.4pF、电容器240的电容值CADD＝1pF的情况下的模拟结果的图。图15中的横轴和纵轴与图11相同。
如图15的D4点所示，若晶体管200变为截止，则电流(负的电流IADD)从电容器240流向晶体管200的基极。如A4点所示，因该电流而导致进行大输出时的基极电压VB的降低量小于图14中的情况。随之，如B4点所示，偏置电流IBIAS的增加量也小于图14中的情况。因而，如C4点所示，与图14的情况相比，能抑制晶体管200变为导通的时刻提前的情况。由此可知，在设置电容器240的情况下，在进行大输出时，能改善功率附加效率。由此，与电容器210的电容值无关，通过设置电容器240，能改善功率附加效率。
图16是表示使用二极管来构成电容器240的例子的图。如图16所示，电容器240能采用并联连接多个二极管1000而得到的结构。具体而言，如图16所示，电容器240构成为，将并联连接的二极管1000的阴极与晶体管200的基极相连接，将二极管1000的阳极与晶体管200的发射极相连接。与将电容器240设为MIM电容的情况相比较，通过使电容器240采用并联连接多个二极管1000的结构，能减小集成功率放大器160的情况下的芯片尺寸。
以上，对本发明的实施方式进行了说明。如上所述，根据本实施方式，设置有一端与晶体管200的基极相连接，另一端与晶体管200的发射极相连接的电容器240，从而能改善进行大输出时的功率放大器160的功率附加效率。
根据本实施方式，能将电容器240的电容值CADD设为与晶体管200截止时的电容值大致相等的值，从而能较大地改善进行大输出时的功率附加效率。
此外，上述所说明的各实施方式是为了便于理解本发明，但并非对本发明进行限定。本发明可以在不脱离其主旨的范围内进行变更/改良，并且本发明还包含与其等价的内容。即，只要在本领域技术人员对各实施方式进行适当的设计改变而得到的技术方案中包含本发明的特征，则认为其包含于本发明的范围内。例如，各实施方式所具有的各要素及其配置、材料、条件、形状、尺寸等并不限于示例，能进行适当的改变。此外，各实施方式所具有的各要素能在技术上可实现的范围内进行组合，只要该组合包含本发明的特征则认为其也包含于本发明的范围中。
例如本实施方式中，偏置电路220设为由晶体管250构成的射极跟随电路，但是偏置电路220的结构并不限于此。具体而言，只要偏置电路220能随着晶体管200的基极电压VB的降低而使偏置电流IBIAS增加,则能采用任意结构。
在本实施方式中，对在功率放大模块120的功率级的功率放大器160中设置有电容器240的例子进行了说明，但是对于驱动级的功率放大器150，也可以构成为与功率放大器160相同的结构。具有三级以上的功率放大器的结构也是同样的。
标号说明
100 发送单元
110 调制部
120 功率放大模块
130 前端部
140 天线
150，160 功率放大器
170，180，190 匹配电路
200，250 晶体管
210，240，280 电容器
220 偏置电路
230 电感器
260，270 电阻
290，291，1000 二极管
300 单元结构

Claims (25)

1.一种功率放大器，其特征在于，包括：
第一电容器，该第一电容器的一端输入有无线频率信号；
第一晶体管，该第一晶体管的基极与所述第一电容器的另一端相连，对所述无线频率信号进行放大；
偏置电路，该偏置电路向所述第一晶体管的基极提供偏置；以及
第二电容器，该第二电容器的一端与所述第一晶体管的基极相连接，另一端与所述第一晶体管的发射极直接连接且与接地也直接连接。
2.如权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，
所述第二电容器由至少一个二极管构成，
所述二极管的阴极与所述第一晶体管的基极相连接，其阳极与所述第一晶体管的发射极相连接。
3.如权利要求1或2所述的功率放大器，其特征在于，
所述第二电容器的一端与所述第一晶体管的基极直接连接。
4.如权利要求1或2所述的功率放大器，其特征在于，
所述第二电容器的一端与所述第一电容器的另一端直接连接。
5.如权利要求3所述的功率放大器，其特征在于，
所述第二电容器的一端与所述第一电容器的另一端直接连接。
6.如权利要求1或2所述的功率放大器，其特征在于，
所述偏置电路包括：
第二晶体管，该第二晶体管的集电极上施加有电源电压，其基极上施加有偏置控制电压；以及
第一电阻，该第一电阻的一端与所述第二晶体管的发射极相连接，另一端与所述第一晶体管的基极相连接。
7.如权利要求5所述的功率放大器，其特征在于，
所述偏置电路包括：
第二晶体管，该第二晶体管的集电极上施加有电源电压，其基极上施加有偏置控制电压；以及
第一电阻，该第一电阻的一端与所述第二晶体管的发射极相连接，另一端与所述第一晶体管的基极相连接。
8.如权利要求3所述的功率放大器，其特征在于，
所述偏置电路包括：
第二晶体管，该第二晶体管的集电极上施加有电源电压，其基极上施加有偏置控制电压；以及
第一电阻，该第一电阻的一端与所述第二晶体管的发射极相连接，另一端与所述第一晶体管的基极相连接。
9.如权利要求4所述的功率放大器，其特征在于，
所述偏置电路包括：
第二晶体管，该第二晶体管的集电极上施加有电源电压，其基极上施加有偏置控制电压；以及
第一电阻，该第一电阻的一端与所述第二晶体管的发射极相连接，另一端与所述第一晶体管的基极相连接。
10.如权利要求6所述的功率放大器，其特征在于，
所述第二电容器的一端与所述第一电阻的另一端直接连接。
11.如权利要求7所述的功率放大器，其特征在于，
所述第二电容器的一端与所述第一电阻的另一端直接连接。
12.如权利要求8所述的功率放大器，其特征在于，
所述第二电容器的一端与所述第一电阻的另一端直接连接。
13.如权利要求9所述的功率放大器，其特征在于，
所述第二电容器的一端与所述第一电阻的另一端直接连接。
14.如权利要求1或2所述的功率放大器，其特征在于，
所述第二电容器的电容值大致等同于所述第一晶体管截止时的电容值。
15.如权利要求3所述的功率放大器，其特征在于，
所述第二电容器的电容值大致等同于所述第一晶体管截止时的电容值。
16.如权利要求4所述的功率放大器，其特征在于，
所述第二电容器的电容值大致等同于所述第一晶体管截止时的电容值。
17.如权利要求5所述的功率放大器，其特征在于，
所述第二电容器的电容值大致等同于所述第一晶体管截止时的电容值。
18.如权利要求6所述的功率放大器，其特征在于，
所述第二电容器的电容值大致等同于所述第一晶体管截止时的电容值。
19.如权利要求7所述的功率放大器，其特征在于，
所述第二电容器的电容值大致等同于所述第一晶体管截止时的电容值。
20.如权利要求8所述的功率放大器，其特征在于，
所述第二电容器的电容值大致等同于所述第一晶体管截止时的电容值。
21.如权利要求9所述的功率放大器，其特征在于，
所述第二电容器的电容值大致等同于所述第一晶体管截止时的电容值。
22.如权利要求10所述的功率放大器，其特征在于，
所述第二电容器的电容值大致等同于所述第一晶体管截止时的电容值。
23.如权利要求11所述的功率放大器，其特征在于，
所述第二电容器的电容值大致等同于所述第一晶体管截止时的电容值。
24.如权利要求12所述的功率放大器，其特征在于，
所述第二电容器的电容值大致等同于所述第一晶体管截止时的电容值。
25.如权利要求13所述的功率放大器，其特征在于，
所述第二电容器的电容值大致等同于所述第一晶体管截止时的电容值。
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