CN107508558A - 功率放大电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种维持可靠性并提高功率附加效率的功率放大电路。功率放大电路包括：基极输入有无线频率信号的第1晶体管；输出与电源电压相对应的第1电压的第1电压输出电路；以及基极或栅极被提供有第1电压、发射极或源极连接至第1晶体管的集电极、并从集电极或漏极输出对无线频率信号进行放大后而得的第1放大信号的第2晶体管。

Description

功率放大电路
技术领域
本发明涉及功率放大电路。
背景技术
作为在移动电话等移动体通信设备中使用的功率放大电路，例如，在非专利文献1中公开有使用了异质结双极型晶体管(HBT：Heterojunction Bipolar Transistor)的功率放大电路。此外，在专利文献1中，公开有共源共栅连接有2个HBT的功率放大电路。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2015－115835号公报
非专利文献
非专利文献1：“Evolution of Power Amplifier for mobile applications”Satoshi Tanaka,International Meeting for Future of Electron Devices，Kansai(IMFEDK),2013IEEE，pp 112-113
发明内容
发明所要解决的技术问题
在功率放大电路中，要求功率附加效率的提高。作为功率附加效率的改善方法，已知有如下方法，即：利用电源电压的升压来提高各放大器的负载阻抗，并减少在输出匹配电路中与后级的阻抗进行匹配时的转换比率即阻抗转换比率，从而降低该输出匹配电路中的通过损耗以及反射损耗。具体而言，例如，在电源电压为3.4V的情况下为了得到28.5dBm的线性输出，则需要约4Ω的放大器的负载阻抗。该情况下，功率放大电路的输出匹配电路将该放大器的负载阻抗(4Ω)转换为功率放大电路的输出阻抗(例如为50Ω)，因此阻抗转换比率约为12.5。此处，输出匹配电路若由SMD(Surface Mount Device：表面安装器件)部件的电容器、电感器、以及模块基板上的图案等构成，则为了降低该输出匹配电路中的损耗，构成部件的损耗需要相对于4Ω足够小。另一方面，例如若电源电压为上述的3倍的10.2V，则为了得到28.5dBm的线性输出，放大器的负载阻抗为约39Ω即可。因此，输出匹配电路的阻抗转换比率约为1.28，变得比上述的情况要低。该情况下，输出匹配电路中的构成部件的损耗变得相对于39Ω足够小即可。由此，通过提高电源电压，并提高放大器的负载阻抗，从而能降低输出匹配电路中的损耗，并能改善功率放大电路的功率附加效率。
然而，在非专利文献1所公开的电路中，因晶体管的集电极·基极间的耐压，电源电压的上限受到限制。另一方面，在专利文献1所公开的电路中，通过共源共栅连接2个晶体管从而对施加于各晶体管的电压进行分压，因此能将电源电压的上限提高得比非专利文献1所公开的结构要高。然而，上级晶体管的基极电压是固定的，因此当该上级晶体管的集电极·基极间电压成为耐压以上则晶体管受损。因此，存在功率放大电路的可靠性下降的问题。
本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种维持可靠性、并提高功率附加效率的功率放大电路。
解决技术问题所采用的技术方案
为了达到上述目的，本发明的一个方面所涉及的功率放大电路包括：第1晶体管，该第1晶体管的基极输入有无线频率信号；第1电压输出电路，该第1电压输出电路输出与电源电压相对应的第1电压；以及第2晶体管，该第2晶体管的基极或栅极被提供有第1电压，发射极或源极连接至第1晶体管的集电极，并从集电极或漏极输出对无线频率信号进行放大后而得的第1放大信号。
发明效果
根据本发明，能提供一种维持可靠性、并提高功率附加效率的功率放大电路。
附图说明
图1是示出本发明实施方式1所涉及的功率放大电路100的结构例的图。
图2是示出偏置电路130的结构例的图。
图3是示出匹配电路151的结构例的图。
图4是示出功率放大电路100的一个示例即功率放大电路100A中的电压输出电路120的结构例的图。
图5是示出功率放大电路100的一个示例即功率放大电路100A中的电压以及电流的波形的曲线。
图6是示出功率放大电路100的一个示例即功率放大电路100B中的电压输出电路120的结构例的图。
图7是示出功率放大电路100的一个示例即功率放大电路100B中的电压以及电流的波形的曲线。
图8是示出功率放大电路100的一个示例即功率放大电路100C中的电压输出电路120的结构例的图。
图9是示出功率放大电路100的一个示例即功率放大电路100D中的电压输出电路120的结构例的图。
图10是示出功率放大电路100的一个示例即功率放大电路100E中的电压输出电路120的结构例的图。
图11是示出功率放大电路100的一个示例即功率放大电路100F中的电压输出电路120的结构例的图。
图12是示出功率放大电路100的一个示例即功率放大电路100G中的电压输出电路120的结构例的图。
图13是示出本发明实施方式1所涉及的功率放大电路100的其他结构例的图。
图14是示出本发明实施方式2所涉及的功率放大电路2000的结构例的图。
图15是示出功率放大电路2000的一个示例即功率放大电路2000A中的电压输出电路120的结构例的图。
图16A是示出功率放大电路100的一个示例即功率放大电路100A中的双极型晶体管111的集电极电压以及电流的关系的曲线。
图16B是示出功率放大电路2000的一个示例即功率放大电路2000A中的FET2111的漏极电压以及电流的关系的曲线。
图17是示出功率放大电路2000的一个示例即功率放大电路2000B中的电压输出电路120的结构例的图。
图18是示出功率放大电路2000的一个示例即功率放大电路2000C中的电压输出电路120的结构例的图。
图19是示出本发明实施方式2所涉及的功率放大电路2000的其他结构例的图。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。另外，对相同的要素标注相同的标号，并省略重复的说明。
图1是示出本发明实施方式1所涉及的功率放大电路100的结构例的图。功率放大电路100例如在移动电话等移动体通信设备中对输入的无线频率(RF：Radio Frequency)信号RFin进行放大，并输出放大信号RFout2。RF信号RFin的频率例如为数GHz左右。
如图1所示，功率放大电路100包括双极型晶体管110、111、112、113，电压输出电路120、121，偏置电路130、131，电容器140、141，电感器142、143，以及匹配电路150、151、152。
功率放大电路100包含二级放大器。初级放大器(驱动级)包含双极型晶体管110、111，后级放大器(功率级)包含双极型晶体管112、113。另外，在以下的说明中，统称2个双极型晶体管110、111或双极型晶体管112、113为放大器。驱动级对通过匹配电路150输入的RF信号RFin进行放大，并输出放大信号RFout1(第1放大信号)。放大信号RFout1通过匹配电路151被输入至功率级。功率级对放大信号RFout1进行放大，并通过匹配电路152输出放大信号RFout2。
双极型晶体管110(第1晶体管)的集电极与双极型晶体管111(第2晶体管)的发射极相连接，基极与电容器140的一端相连接，发射极接地。向双极型晶体管110的基极提供RF信号RFin、以及从偏置电路130输出的偏置电流。同样地，双极型晶体管112(第6晶体管)的集电极与双极型晶体管113(第7晶体管)的发射极相连接，基极与电容器141的一端相连接，发射极接地。向双极型晶体管112的基极提供放大信号RFout1、以及从偏置电路131输出的偏置电流。另外，可以根据由偏置电路130、131提供的偏置电流对双极型晶体管110、112的增益特性分别进行控制。
双极型晶体管111(第2晶体管)、113(第7晶体管)分别与双极型晶体管110、112共源共栅连接。具体而言，通过电感器142向双极型晶体管111的集电极提供电源电压VCC1，双极型晶体管111的基极与电压输出电路120相连接，双极型晶体管111的发射极与双极型晶体管110的集电极相连接。由此，从双极型晶体管111的集电极输出由双极型晶体管110放大后的放大信号RFout1(第1放大信号)。同样地，通过电感器143向双极型晶体管113的集电极提供电源电压VCC2，双极型晶体管113的基极与电压输出电路121相连接，双极型晶体管113的发射极与双极型晶体管112的集电极相连接。由此，从双极型晶体管113的集电极输出由双极型晶体管112放大后的放大信号(第2放大信号)。
通过共源共栅连接双极型晶体管110与双极型晶体管111，施加在各双极型晶体管110、111的集电极·发射极间的电压成为对电源电压VCC1进行分压后的电压。因此，与不将双极型晶体管111连接至双极型晶体管110的结构相比，能将电源电压VCC1的电压值设为约2倍的大小。具体而言，例如，在双极型晶体管110、111的集电极·发射极间的耐压分别为6V左右时，能将电源电压VCC1设为12V左右。另外，对于功率级的双极型晶体管112、113，由于与驱动级的双极型晶体管110、111相同，因此省略详细说明。
另外，对于双极型晶体管111的尺寸，也可以使用比双极型晶体管110要小的双极型晶体管。此外，共源共栅连接的双极型晶体管的个数不限于2个，也可以是3个以上。该情况下，在各双极型晶体管的集电极·发射极间施加有按照双极型晶体管的个数分压后的电压，因此作为电源电压所允许的电压值的上限进一步上升。
电压输出电路120(第1电压输出电路)、121(第2电压输出电路)分别生成与电源电压VCC1、VCC2相对应的输出电压Vout1(第1电压)、Vout2(第2电压)，并提供至双极型晶体管111、113的基极。由此，成为双极型晶体管111、113的基极电压根据电源电压VCC1、VCC2的值相应地发生变动。因此，如专利文献1所公开的那样，与上级的双极型晶体管的基极电压为固定的结构相比，成为共源共栅连接的多个双极型晶体管的集电极·发射极间电压以大致相等的方式被分压。由此，与专利文献1所公开的结构相比，能进一步将电源电压VCC1、VCC2设定得更高。电压输出电路120、121的结构的详细情况将在后文中阐述。
偏置电路130、131分别生成偏置电流或电压，并向双极型晶体管110、112的基极提供偏置电流或电压。
图2是示出偏置电路130的结构例的图。另外，偏置电路131的构成与偏置电路130相同，因此省略详细说明。如图2所示，偏置电路130包括二极管200、201，双极型晶体管210，电阻元件220，以及电流源230。
二极管200、201、以及电流源230构成为生成规定电平的电压。具体而言，二极管200、201串联连接，从电流源230向二极管200的阳极提供恒定电流，二极管201的阴极接地。此外，二极管200的阳极与双极型晶体管210的基极相连接。由此，在双极型晶体管210的基极生成规定电平的电压(例如2.6V左右)。另外，也可以使用集电极与基极相连接的双极型晶体管来代替二极管200、201。以下所说明的二极管320、720也相同。
向双极性晶体管210的集电极提供电源电压VCCB，双极性晶体管210的基极与二极管200的阳极相连接，双极性晶体管210的发射极与电阻元件220的一端相连接。
双极型晶体管210通过电阻元件220，从发射极将偏置电流提供至双极型晶体管110的基极。
返回图1，电容器140、141分别去除RF信号的直流分量。
电感器142、143分别为抑制向高频信号的电源电路的耦合的扼流电感器。
为了使电路间的阻抗匹配而设置有匹配电路150、151、152。匹配电路150、151、152例如分别使用电感器或电容器构成。此外，如上所述，也可以将双极型晶体管110、112的集电极·发射极间的各耐压以上的电压(例如12V左右)提供至匹配电路151、152，以作为电源电压VCC1、VCC2。通过将电源电压设置得相对较高，放大器的负载阻抗变高，且上述阻抗转换比率下降，因此抑制了匹配电路151、152中的RF信号的损耗。
图3是示出匹配电路151的结构例的图。另外，匹配电路152的构成与匹配电路151相同，因此省略详细说明。如图3所示，匹配电路151包括电感器144、145，以及电容器146、147。
电感器144的一端输入有放大信号RFout1，另一端与电容器146的一端相连接。电感器145的一端与电感器144的另一端相连接，另一端与电容器147的一端相连接。此外，电容器146、147的另一端分别接地。由此，电感器144与电容器146构成低通滤波器，电感器145与电容器147构成低通滤波器。另外，图3所示的匹配电路151具备多个低通滤波器，然而匹配电路的结构并不限于此。例如，匹配电路可以具备高通滤波器以代替低通滤波器，或者也可以采用将低通滤波器与高通滤波器进行组合的结构。
通过上述结构，对于功率放大电路100A，通过在放大器中对双极型晶体管进行共源共栅连接，施加在各双极型晶体管的集电极·发射极间的电压成为按照双极型晶体管的个数分压后的电压。此外，提供至双极型晶体管111的基极的输出电压Vout1根据电源电压VCC1的值而发生变动，因此施加于各双极型晶体管的电压能以大致相等的方式被分压。由此，与双极型晶体管不进行共源共栅连接的结构相比，能向放大器提供较高的电压，以作为电源电压VCC1、VCC2。
例如，若将共源共栅连接的双极型晶体管的个数设为N(N：自然数)，则能向放大器提供大致为N倍的电压，以作为电源电压。因此，能抑制双极型晶体管的损坏等，并能提高功率放大电路的功率附加效率。
另外，对于通过电感器142、143而被提供至各放大器的电源电压VCC1、VCC2，例如，可以由降压·升压·转换器(升降压DC-DC转换器)来生成，对于提供至偏置电路130、131的电源电压VCCB，例如，也可以使用电池电压。
图4是示出功率放大电路100的一个示例即功率放大电路100A中的电压输出电路120的结构例(电压输出电路120A)的图。在图4中，为了便于说明，在功率放大电路100A所具备的结构中，仅示出电压输出电路120A，双极型晶体管110、111，电感器142，以及匹配电路151。另外，在以下所示的图6以及图8～图12中也相同。此外，对与功率放大电路100相同的要素标注相同的标号，并省略说明。
电压输出电路120A包括电阻元件300、301，以及限幅器电路310A。限幅器电路310A具备二极管320。
电阻元件300(第1电阻元件)、301(第2电阻元件)串联连接，电阻元件300的一端与电源侧(电感器142的一端)相连接，电阻元件301的另一侧与接地侧(二极管320的阳极)相连接。此外，电阻元件300与电阻元件301的连接点连接至双极型晶体管111的基极。二极管320与电阻元件300、301串联连接，阳极与电阻元件301的另一端相连接，阴极接地。
通过上述结构，从电压输出电路120A输出根据电阻元件300、301的电阻值对双极型晶体管111的集电极电压Vc1(根据电源电压VCC1而发生变动)进行分压后的电压，以作为输出电压Vout1(第1电压)。此外，通过对电阻元件300、301的电阻值进行调整，从而能对施加于双极型晶体管110、111的电压的分配进行调整。此外，将输出电压Vout1与限幅器电路310A所具备的二极管320的正向电压相加。具体而言，若设电阻元件300、301的电阻值为r1、r2，并设二极管320的正向电压为Vf，则电压输出电路120A的输出电压Vout1为Vout1＝(r2/(r1+r2))×Vc1+Vf。因此，在电压输出电路120A中，通过具备限幅器电路310A，从而在双极型晶体管111的集电极电压Vc1下降的情况下，也能将输出电压Vout1控制为规定电平以上。具体而言，例如，对输出电压Vout1进行控制，使得双极型晶体管111的基极·发射极间电压成为导通电压(ON-state voltage)以上。另外，导通电压是指双极型晶体管从截止成为导通时的基极·发射极间电压。由此，在电源电压VCC1下降时，双极型晶体管111也维持为导通，从而保持共源共栅连接的效果。另外，在以下的说明中，将下述功能称为限幅器功能，即：限幅器电路310A将输出电压Vout1控制为规定电平以上。
图5是示出功率放大电路100的一个示例即功率放大电路100A中的电压以及电流的波形的曲线。具体而言，该曲线示出图4所示的功率放大电路100A中的双极型晶体管110、111的集电极电压Vc0、Vc1(实线)以及双极型晶体管111的集电极·发射极间电流Ice(＝双极型晶体管110的集电极·发射极间电流)(虚线)的波形。在图5所示的曲线中，纵轴表示电压以及电流，横轴表示时间。
如图5所示，通过共源共栅连接双极型晶体管110、111，双极型晶体管111的集电极电压Vc1成为与双极型晶体管110的集电极电压Vc0相比大致2倍的电压值。由此可知，功率放大电路100A能提供与不具备双极型晶体管111的结构相比大致2倍的电压以作为电源电压VCC1。另外，对放大器的动作模式并没有特别限定，如图5所示，也可以使放大器进行动作，使得电压波形与电流波形不重合，消耗功率(＝电压×电流)理想地成为0。
图6是示出功率放大电路100的一个示例即功率放大电路100B中的电压输出电路120的结构例(电压输出电路120B)的图。另外，对与功率放大电路100A相同的要素标注相同的标号，并省略说明。电压输出120B与电压输出电路120A相比具备限幅器电路310B，以代替限幅器电路310A。限幅器电路310B还具备双极型晶体管500。
双极型晶体管500(第3晶体管)与二极管320串联连接。具体而言，双极型晶体管500的集电极与二极管320的阴极相连接，基极被提供有控制电压Vsw(控制信号)，发射极接地。根据控制电压Vsw，双极型晶体管500导通，并将输出电压Vout1(第1电压)与双极型晶体管500的集电极·发射极间电压相加。
图7是示出功率放大电路100的一个示例即功率放大电路100B中的电压以及电流的波形的曲线。具体而言，该曲线示出图6所示的功率放大电路100B中的双极型晶体管110、111的集电极电压Vc0、Vc1以及基极电压Vb0、Vb1(实线)的波形、以及双极型晶体管111的集电极·发射极间电流Ice(＝双极型晶体管110的集电极·发射极间电流)(虚线)的波形。在图7所示的曲线中，纵轴表示电压以及电流，横轴表示时间。图7示出了在大信号输入时放大器在最大输出附近进行动作的情况。
双极型晶体管111的集电极电压Vc1随着RF信号的振幅而发生变动，其最小值下降至双极型晶体管110的集电极·发射极间电压的最小值(例如0.3V左右)、与双极型晶体管111的集电极·发射极间电压的最小值(例如0.3V左右)之和(例如0.6V左右)。此外，电压输出电路120B的输出电压Vout1根据集电极电压Vc1的变动而下降。因此，因双极型晶体管111的基极电压Vb1的下降导致双极型晶体管111的电流提供能力降低，集电极·发射极间电流Ice减少。由此，从双极型晶体管111的集电极输出的放大信号RFout1的输出功率降低。此外，双极型晶体管111的集电极电压Vc1与双极型晶体管110的基极电压Vb0相位相反。即，当双极型晶体管110的基极电压Vb0伴随RF信号的振幅而上升时，双极型晶体管111的集电极电压Vc1以及基极电压Vb1下降。因此，在大信号输入时，对双极型晶体管111的基极电压Vb1进行控制的重要度特别高。
在电压输出电路120B中，作为输出电压Vout1，与双极型晶体管500的集电极·发射极间电压相加，因此与图4所示的电压输出电路120A相比抑制了输出电压Vout1的降低。因此，在最大功率输出时也能抑制集电极·发射极间电流Ice的减少，并抑制双极型晶体管111的输出功率的降低(参照图7)。此外，通过使双极型晶体管500作为开关进行动作，能在放大器不进行动作的情况下使流过电压输出电路120B的电流停止，从而降低放大器断开时的功率放大电路的待机电流。
图8是示出功率放大电路100的一个示例即功率放大电路100C中的电压输出电路120的结构例(电压输出电路120C)的图。另外，对与功率放大电路100A相同的要素标注相同的标号，并省略说明。电压输出120C与电压输出电路120B相比具备限幅器电路310C，以代替限幅器电路310B。限幅器电路310C还具备电流输出电路700，以代替限幅器电路310B的结构。
电流输出电路700包括双极型晶体管710、711，二极管720、721，以及电流源730。
双极型晶体管710的集电极与二极管721的阴极相连接，基极上被提供有控制电压Vsw，发射极接地。双极型晶体管710与双极型晶体管500并联连接，在双极型晶体管500根据控制电压Vsw导通时双极型晶体管710导通，双极型晶体管710具有作为使电流流过双极型晶体管711的开关的功能。
向双极性晶体管711(第4晶体管)的集电极提供电源电压VCC3，双极性晶体管711的基极与二极管720的阳极相连接，双极性晶体管711的发射极与二极管320的阳极相连接。在双极型晶体管710导通的情况下，从电流源730向双极型晶体管711的基极提供恒定电流，并从双极型晶体管711的发射极输出规定的电流(第1电流)。
二极管720、721串联连接，从电流源730向二极管720的阳极提供恒定电流，二极管721的阴极与双极型晶体管710的集电极相连接。
在电压输出电路120A、120B(参照图4以及图6)中，若双极型晶体管111的集电极电压Vc1降低，并接近二极管320的导通电压(例如1.3V)，则二极管320截止，存在限幅器电路310A、310B的限幅器功能下降的可能。另一方面，在电压输出电路120C中，当双极型晶体管500导通时，从双极型晶体管711的发射极向二极管320追加提供电流(第1电流)。因此，在大信号输入时RF信号的振幅发生较大变动的情况下，二极管320也不截止，限幅器电路310C的限幅器功能得以维持，并抑制了输出功率的降低。
图9是示出功率放大电路100的一个示例即功率放大电路100D中的电压输出电路120的结构例(电压输出电路120D)的图。另外，对与功率放大电路100A相同的要素标注相同的标号，并省略说明。电压输出120D与电压输出电路120B相比具备限幅器电路310D，以代替限幅器电路310B。限幅器电路310D在限幅器电路310B的结构的基础上还具备电容器800。
电容器800(第1电容器)的一端与二极管320的阳极相连接，另一端接地，并与二极管320的并联连接。由此，在RF信号流入电压输出电路120D的情况下，也可以利用电容器800对该RF信号进行AC接地，施加到二极管320的RF信号产生衰减。因此，抑制了因RF信号的振幅所引起的二极管320的正向电压Vf的变动。在这样的结构中，与图8所示的限幅器电路310C相同地，二极管320的截止也被抑制，因此在大信号输入时的限幅器电路310D的限幅器功能得以维持，并防止双极型晶体管111的基极电压的过度降低，从而抑制输出功率的降低。
图10是示出功率放大电路100的一个示例即功率放大电路100E中的电压输出电路120的结构例(电压输出电路120E)的图。另外，对与功率放大电路100A相同的要素标注相同的标号，并省略说明。电压输出电路120E与电压输出电路120A相比，还包括电阻元件900以及电容器910。
电阻元件900(第3电阻元件)以及电容器910(第2电容器)串联连接在电阻元件300、301的连接点与接地之间。具体而言，电阻元件900的一端与电阻元件300、301的连接点相连接，另一端与电容器910的一端相连接。电容器910的一端与电阻元件900的另一端相连接，另一端接地。
电压输出电路120E中，通过对电阻元件900的电阻值以及电容器910的电容值进行调整，从而能分别独立地对输出电压Vout1的直流电压与交流电压的分压比进行设定。因此，能控制输出电压Vout1的电压值的振幅的变动，与图8所示的电压输出电路120C相同地，能抑制大信号输入时的输出功率的降低。
图11是示出功率放大电路100的一个示例即功率放大电路100F中的电压输出电路120的结构例(电压输出电路120F)的图。另外，对与功率放大电路100A相同的要素标注相同的标号，并省略说明。
电压输出电路120F与图4所示的电压输出电路120A相比，向电阻元件300的一端直接提供电源电压VCC1，以代替将电阻元件300的一端与电感器142的一端相连接。由此，利用电阻元件300、301来对输出电压Vout1的直流电压进行分压，并根据双极型晶体管111的基极·集电极间电容以及基极·发射极间电容等电容比来对交流电压进行分压。因此，与图10所示的电压输出电路120E相同地，能分别独立地对输出电压Vout1的直流电压与交流电压的分压比进行设定，并能抑制大信号输入时的输出功率的降低。另外，图11所示的电阻元件300的一端的连接方法也能适用于图4、图6、图8、图9、图10、图12、以及图13所示的功率放大电路。
图12是示出功率放大电路100的一个示例即功率放大电路100G中的电压输出电路120的结构例(电压输出电路120G)的图。另外，对与功率放大电路100A相同的要素标注相同的标号，并省略说明。电压输出电路120G与电压输出电路120A相比具备限幅器电路310E，以代替限幅器电路310A。限幅器电路310E包括电阻元件1100、电容器1110、以及电流源1120。
电阻元件1100的一端与电阻元件301的另一端相连接，另一端接地，由电流源1120提供的恒定电路流过电阻元件1100。电容器1110的一端与电阻元件301的另一端相连接，其另一端接地。
如图12所示的电阻元件1100那样，也可以使用负载元件代替二极管320来构成限幅器电路。通过使恒定电流流过该负载元件，从而将电阻元件301的另一端的电压维持在规定电平以上，并确保限幅器功能。此外，也可以不使用电容器1110而构成限幅器电路310E，只要是电阻元件1100中有电流流过的结构即可。具体而言，例如，也可以串联连接电阻元件1100与开关电路(例如双极型晶体管)，并利用该开关电路来对流过电阻元件1100的电流的导通以及截止进行切换。
图13是示出本发明实施方式1所涉及的功率放大电路100的其他结构例(功率放大电路100H)的图。图13中，为了便于说明，在功率放大电路100H所具备的结构中，仅示出与驱动级的放大器有关的结构。另外，对与功率放大电路100A相同的要素标注相同的标号，并省略说明。功率放大电路100H与功率放大电路100A相比，还具备与图6所示的放大器(进行了共源共栅连接)并联连接的放大器(未进行共源共栅连接)。
具体而言，功率放大电路100H在功率放大电路100A的结构的基础上，还包括双极型晶体管1200，偏置电路130A、130B，电容器140A、140B，以及开关电路1210A、1210B。此外，偏置电路130A(第1偏置电路)、130B(第2偏置电路)在图2所示的偏置电路130的结构的基础上，还具备开关电路240A、240B。
双极型晶体管1200(第5晶体管)与双极型晶体管110并联连接，并与双极型晶体管110相同地对RF信号RFin进行放大，并输出放大信号RFout1。其中，双极型晶体管1200不与双极型晶体管进行共源共栅连接。
偏置电路130A、130B分别生成偏置电流(第1偏置电流、第2偏置电流)，并提供至双极型晶体管110、1200的基极。开关电路240A、240B(第2开关电路)利用互补的导通及断开的切换，从而停止双极型晶体管110、1200中不进行动作的双极型晶体管一侧的偏置电流的提供。图13示出了将双极型晶体管110设为导通，将双极型晶体管1200设为截止的情况。与双极型晶体管导通时相比，双极型晶体管截止时耐压更高，因此能将电源电压VCC1设为更高的电压。电容器140A、140B去除RF信号的直流分量。
开关电路1210A、1210B分别使双极型晶体管110、1200的基极与接地之间连接或断开，从而对双极型晶体管110、1200的导通以及截止进行切换。具体而言，将导通的双极型晶体管侧的开关电路设为断开，并将截止的双极型晶体管侧的开关电路设为导通。另外，如上所述，可以利用偏置电路130A、130B来对放大器的导通以及截止进行切换，且功率放大电路100H也可以不具备开关电路1210A、1210B。
在搭载于移动电话等的功率放大电路中，根据RF信号的振幅，输出功率的电平发生变动。例如，在与3G(第3代移动通信系统)以及4G(第4代移动通信系统)相对应的移动电话的情况下，具有80dB左右的增益的变动幅度，且伴随该增益，电源电压也会发生变动。具体而言，在最大输出功率的情况下，电源电压较高(例如10V左右)，在0dBm以下的输出功率的情况下，电源电压较低(例如1V左右)。然而，图4所示的功率放大电路100A可能会在电源电压VCC1较低时无法适当地进行动作。例如，若双极型晶体管111的集电极电压Vc1为1V，则双极型晶体管111的基极电压Vb1为1V以下。因此，若设双极型晶体管111的导通电压为1.3V左右，则双极型晶体管111截止，从而无法获得共源共栅连接的效果。
另一方面，在本实施方式中，通过对偏置电路130A、130B中的开关电路240A、240B互补地进行切换，从而能在电源电压VCC1为较高的电压值(第2电平)的情况下使共源共栅连接的放大器进行动作，并能在电源电压VCC1为较低的电压值(第1电平)的情况下使未共源共栅连接的放大器进行动作。由此，功率放大电路100H能根据电源电压VCC1的变动来切换进行动作的放大器，与功率放大电路100A相比，功率放大电路100H所对应的电源电压的动作范围变大。此外，通过降低双极型晶体管的基极的阻抗，双极型晶体管的耐压进一步被改善。因此，利用开关电路1210A、1210B的互补的导通和断开的切换，使不进行动作的双极型晶体管的基极接地，从而能允许以更高的电压作为电源电压VCC1。
图14是示出本发明实施方式2所涉及的功率放大电路2000的结构例的图。另外，对与图1所示的功率放大电路100相同的要素标注相同的标号，并省略说明。功率放大电路2000与功率放大电路100相比具备场效应晶体管(FET：Field-Effect-Transistor)2111、2113作为共源共栅连接的上级的晶体管，以代替双极型晶体管111、113。
FET2111(第2晶体管)、2113(第7晶体管)分别与双极型晶体管110、112共源共栅连接。具体而言，通过电感器142向FET2111的漏极提供电源电压VCC1，FET2111的栅极与电压输出电路120相连接，FET2111的源极与双极型晶体管110的集电极相连接。由此，从FET2111的漏极输出由双极型晶体管110放大后的放大信号。同样地，通过电感器143向FET2113的漏极提供电源电压VCC2，FET2113的栅极与电压输出电路121相连接，FET2113的源极与双极型晶体管112的集电极相连接。由此，从FET2113的漏极输出由双极型晶体管112放大后的放大信号。以下，参照图15，对使用FET来作为上级的晶体管的效果进行说明。
图15是示出功率放大电路2000的一个示例即功率放大电路2000A中的电压输出电路120的结构例(电压输出电路120H)的图。图15中，为了便于说明，在功率放大电路2000A所具备的结构中，仅示出与驱动级的放大器有关的结构。另外，在以下所示的图17～图19中也相同。此外，对与功率放大电路100A相同的要素标注相同的标号，并省略说明。
电压输出电路120H与图4所示的电压输出电路120A相比，构成为不具备限幅器电路310A。即，串联连接的电阻元件300、301的连接点与FET2111的栅极相连接。由此，从电压输出电路120H输出以下电压来作为输出电压Vout1(第1电压)，上述电压是根据电阻元件300、301的电阻值对FET2111的栅极电压Vd1(根据电源电压VCC1而发生变动)进行分压后的电压。另外，如下所述，电压输出电路120H中的输出电压Vout1可以低于电压输出电路120A中的输出电压。因此，电压输出电路120H可以不具备限幅器电路310A，然而也不排除具备了限幅器电路310A的结构。
FET2111例如是耗尽型GsAs(砷化镓)系HEMT(High-Electron-Mobility-Transistor：高电子迁移率晶体管)。耗尽型HEMT具有在栅极·源极间电压Vgs为负的区域中进行动作(即，阈值电压为0V以下)这一性质。另外，阈值电压是指FET从截止到导通时的栅极·源极间电压。消耗型HEMT中的漏极电流随着栅极·源极间电压Vgs从负上升至0V而增加，在0V时为最大。即，在最大电流流过FET2111的情况下，栅极·源极间电压Vgs也为0V。此外，将下级的双极型晶体管110的集电极电压(例如0.5V左右)设为Vc0，将因电阻元件300而引起的电压下降设为Vr。在功率放大电路2000A中，为了使大电流流过，所需的漏极电压Vd1成为Vd1＝Vc0+Vgs+Vr＝Vc0+Vr。
另一方面，在图4所示的功率放大电路100A中，上级为双极型晶体管，因此为了使该双极型晶体管111导通，基极·发射极间电压需要为导通电压(例如1.3V左右)以上。因此，在功率放大电路100A中，若将该双极型晶体管111的导通电压设为Von，则为了使大电流流过所必需的集电极电压Vc1成为Vc1＝Vc0+Von+Vr。由此，功率放大电路2000A与功率放大电路100A相比，即使上级的FET2111的漏极电压Vd1为降低了双极型晶体管111的基极·发射极间的导通电压的量而得的电压，也能进行动作。换言之，功率放大电路2000A与功率放大电路100A相比，能利用较低的电源电压VCC1输出相同大小的电流。
图16A是示出功率放大电路100的一个示例即功率放大电路100A中的双极型晶体管111的集电极电压以及电流的关系的曲线。在图16A中，纵轴表示双极型晶体管111的集电极电流(mA)，横轴表示集电极电压(V)。该曲线示出了使基极电流变化时的集电极电压与电流的关系(实线)、以及恒定功率输出时的集电极电压与电流的轨迹(虚线)。
图16B是示出功率放大电路2000的一个示例即功率放大电路2000A中的FET2111的漏极电压以及电流的关系的曲线。在图16B中，纵轴表示FET2111的漏极电流(mA)，横轴表示漏极电压(V)。该曲线示出了使栅极电流变化时的漏极电压与电流的关系(实线)、以及恒定功率输出时的漏极电压与电流的轨迹(虚线)。另外，图16A以及图16B是在进行功率放大动作时将下级的双极型晶体管110的集电极电压Vc0设为0.5V、并将上级的双极型晶体管111的基极·发射极间的导通电压设为1.3V时的曲线。
若比较图16A与图16B，则功率放大电路2000A与功率放大电路100A相比，相同输出电流下的集电极电压值或漏极电压值向低电压方向移动了1.8–0.5＝1.3V左右。另外，该1.3V相当于上级的双极型晶体管111的基极·发射极间电压。
如上所述，功率放大电路2000A与功率放大电路100A相比，能利用较低的电源电压VCC1输出相同大小的电流。因此，功率放大电路2000A与功率放大电路100A相比，能进一步提高功率附加效率。
另外，上级的双极型晶体管并不限于耗尽型HEMT，也可以是MESFET(Metal-Semiconductor Field-Effect-Transistor：金属半导体场效应管)、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor：金属氧化物半导体场效应管)、或结型FET(Junction Field-Effect-Transistor)等。通过使用耗尽型的FET，即使电源电压VCC1为更低的电压值，也能使功率放大电路进行动作。另外，并不排除使用增强型的FET来作为上级的晶体管的结构。
图17是示出功率放大电路2000的一个示例即功率放大电路2000B中的电压输出电路120的结构例(电压输出电路120I)的图。另外，对与功率放大电路100A相同的要素标注相同的标号，并省略说明。电压输出电路120I与图10所示的电压输出电路120E相比，构成为不具备限幅器电路310A。对于其他结构以及效果，由于与电压输出电路120E相同，因此省略详细说明。
根据上述结构，功率放大电路2000B与功率放大电路100E相比，也能利用较低的电源电压VCC1输出相同大小的电流，并能提高功率附加效率。
图18是示出功率放大电路2000的一个示例即功率放大电路2000C中的电压输出电路120的结构例(电压输出电路120J)的图。另外，对与功率放大电路100A相同的要素标注相同的标号，并省略说明。电压输出电路120J与图11所示的电压输出电路120F相比，构成为不具备限幅器电路310A。对于其他结构以及效果，由于与电压输出电路120F相同，因此省略详细说明。
根据上述结构，功率放大电路2000C与功率放大电路100F相比，也能利用较低的电源电压VCC1输出相同大小的电流，并能提高功率附加效率。
图19是示出本发明实施方式2所涉及的功率放大电路2000的其他结构例(功率放大电路2000D)的图。另外，对与功率放大电路2000A相同的要素标注相同的标号，并省略说明。功率放大电路2000D与功率放大电路2000A的结构相比，提供至FET2111的漏极的电源电压VCC1由降压·升压·转换器2200生成。
如上所述，与功率放大电路100相比，在功率放大电路2000中能利用较低的电源电压得到相同大小的输出功率。因此，当功率放大电路2000D在低输出功率模式下进行动作时，将利用降压·升压·转换器2200对电池电压VBATT进行降压后而得的电源电压VCC1提供至FET2111，从而能进一步改善功率附加效率。
另一方面，当功率放大电路2000D在高输出功率模式下进行动作时，能将利用降压·升压·转换器2200进行升压后的电源电压提供至FET2111此处，若假设上级的晶体管为双极型晶体管的情况，并伴随发射极·集电极间电压的升压以及电流量的增加而温度上升，则因热失控会导致晶体管受损。另一方面，在FET中，即使伴随漏极·源极间电压的升压以及电流量的增加而温度上升，由于FET的寄生电阻增大，因此也不易产生热失控。即，与功率放大电路100A相比，在功率放大电路2000D中即使电源电压升压也不易引起FET的损坏。因此，当功率放大电路2000D在高输出功率模式下进行动作时，将利用降压·升压·转换器2200对电池电压VBATT进行升压后而得的电源电压VCC1提供至FET2111。由此，在功率放大电路2000D中，能维持可靠性，并能提高功率附加效率。
由此，功率放大电路2000D能根据输出功率的电平来提供降压或升压后的电源电压。另外，在功率放大电路2000D中，也可以使用降压·转换器或升压·转换器来代替降压·升压·转换器2200。
此外，本发明实施方式2所涉及的结构(即，共源共栅连接的上级的晶体管为FET的结构)并不限于适用于上述功率放大电路2000A～2000D，也可以适用于本发明实施方式1所涉及的其他结构。
以上，对本发明例示的实施方式进行了说明。功率放大电路100A～100H包括：基极输入有RF信号的双极型晶体管110；与双极型晶体管110共源共栅连接的双极型晶体管111；以及向双极型晶体管111的基极提供与电源电压VCC1相对应的输出电压Vout1的电压输出电路120A～120G。由此，施加在各双极型晶体管的集电极·发射极间的电压按照双极型晶体管的个数以大致相等的方式被分压，从而抑制了双极型晶体管的损坏。因此，与双极型晶体管不进行共源共栅连接的结构相比，能向放大器提供较高的电源电压，从而能维持可靠性，并能提高功率附加效率。
此外，功率放大电路100A～100H中，在电压输出电路120A～120G中，具备限幅器电路310A～310E，该限幅器电路310A～310E将输出电压Vout1控制为规定电平以上，使得双极型晶体管111导通。由此，在双极型晶体管111的集电极电压Vc1下降的情况下，也能将输出电压Vout1控制为规定电平以上。因此，在电源电压Vcc1下降时，双极型晶体管111也维持为导通，从而保持共源共栅连接的效果。
此外，功率放大电路100A～100H中，在电压输出电路120A～120G中具备串联连接的电阻元件300、301，输出电压Vout1从电阻元件300、301的连接点被输出。由此，通过对电阻元件300、301的电阻值进行调整，从而能对施加于双极型晶体管110、111的电压的分配进行调整。
此外，如图4、图6、图8～图11、以及图13所示，限幅器电路310A～310D可以由与电阻元件300、301串联连接的二极管320构成。另外，限幅器电路的结构并不限于此。
此外，在功率放大电路100D的限幅器电路310D中，在二极管320的阳极与接地之间具备电容器800。由此，在RF信号流入电压输出电路120D的情况下，也可以利用电容器800对该RF信号进行接地，并抑制二极管320的正向电压Vf的变动。因此，抑制了大信号输入时的输出功率的降低。
此外，功率放大电路100B～100D、100H中，在电压输出电路120B～120D中，还具备根据控制电压Vsw对流过电阻元件300、301的电流的有无进行切换的双极型晶体管500。由此，输出电压Vout1与双极型晶体管500的集电极·发射极间电压相加，因此与功率放大电路100A相比，抑制了输出电压Vout1的降低。因此，也能在大信号输入时，抑制双极型晶体管111的输出功率的降低。此外，当放大器不进行动作时，能使流过电压输出电路120B～120D的电流停止，从而降低功率放大电路的待机电流。
此外，在功率放大电路100C的限幅器电路310C中，具备向二极管320的阳极提供追加电流的电流输出电路700。由此，在大信号输入时RF信号的振幅发生较大变动的情况下，二极管320也保持导通，并抑制输出功率的降低。
此外，如图8所示，电流输出电路700由双极型晶体管711构成，该双极型晶体管711根据控制电压Vsw从发射极向二极管320输出电流。另外，电流输出电路的结构并不限于此。
此外，在功率放大电路100E的电压输出电路120E中，在电阻元件300、301的连接点与接地之间，还具备串联连接的电阻元件900以及电容器910。由此，通过对电阻元件900的电阻值以及电容器910的电容值进行调整，从而能分别独立地对输出电压Vout1的直流电压与交流电压的分压比进行设定，并对输出电压Vout1的电压值的振幅的变动进行控制。在上述结构中，也能抑制大信号输入时的输出功率的降低。
此外，功率放大电路100H在功率放大电路100A的结构的基础上，还具备与图6所示的放大器(进行了共源共栅连接)并联连接的放大器(未进行共源共栅连接)。由此，在电源电压VCC1较高的情况下，能使共源共栅连接的放大器动作，在电源电压VCC1较低的情况下，能使未共源共栅连接的放大器动作。因此，功率放大电路100H能根据电源电压VCC1的变动来切换进行动作的放大器，与功率放大电路100A相比，功率放大电路100H所对应的电源电压的动作范围变大。
此外，功率放大电路2000A～2000D包括：基极输入有RF信号的双极型晶体管110；与双极型晶体管110共源共栅连接的FET2111；以及向FET2111的栅极提供与电源电压VCC1相对应的输出电压Vout1的电压输出电路120H～120J。由此，功率放大电路2000A～2000D与功率放大电路100相比，能利用较低的电源电压输出相同大小的电流。因此，功率放大电路2000A～2000D与功率放大电路100相比，能进一步提高功率附加效率。
另外，FET2111、2113并没有特别限定，例如也可以是阈值电压为0V以下的耗尽型的FET。通过使用耗尽型的FET，即使电源电压VCC1、VCC2为更低的电压值，也能使功率放大电路进行动作。
此外，功率放大电路2000D还具备降压·升压·转换器2200。由此，功率放大电路2000D能根据输出功率的电平来提供降压或升压后的电源电压。因此，在升压或降压的任一种情况下，都能使功率附加效率提高。
此外，在功率放大电路100A～100H、2000A～2000D中，示出了将共源共栅连接有晶体管的放大器适用于驱动级的示例，然而适用该放大器的级并不限于驱动级，也可以适用于功率级，也可以适用于驱动级与功率级这两级。
另外，在本实施方式中示出了放大器的级数为二级的示例，然而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。该情况下，也可以将共源共栅连接的放大器应用于任意一级。
此外，可以构成为对功率放大电路100A～100H所具备的各要素分别进行组合。作为一个示例，在图13所示的功率放大电路100H中，可以应用图10所示的电压输出电路120E以替代电压输出电路120B。作为其他示例，也可以不通过电感器142而直接将电源电压VCC1提供至电压输出电路120A～120G。另外，各要素的组合的示例并不限于此。
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解释。本发明可以在不脱离其主旨的范围内进行变更或改良，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。
标号说明
100、100A、100B、100C、100D、100E、100F、100G、100H、2000、2000A、2000B、2000C、2000D 功率放大电路
110、111、112、113、210、500、710、711、1200 双极型晶体管
120、120A、120B、120C、120D、120E、120F、120G、120H、120I、120J、121 电压输出电路
130、130A、130B、131 偏置电路
140、146、147、140A、140B、141、800、910、1110 电容器
142、143、144、145 电感器
150、151、152 匹配电路
200、201、320、720、721 二极管
220、300、301、900、1100 电阻元件
230、730、1120 电流源
310A、310B、310C、310D、310E 限幅器电路
700 电流输出电路
240A、240B、1210A、1210B 开关电路
2111、2113 FET
2200 降压·升压·转换器

Claims (16)

1.一种功率放大电路，其特征在于，包括：
第1晶体管，该第1晶体管的基极输入有无线频率信号；
第1电压输出电路，该第1电压输出电路输出与电源电压相对应的第1电压；以及
第2晶体管，该第2晶体管的基极或栅极被提供有所述第1电压，发射极或源极连接至所述第1晶体管的集电极，并从集电极或漏极输出对所述无线频率信号进行放大后而得的第1放大信号。
2.如权利要求1所述的功率放大电路，其特征在于，
所述第1电压输出电路具备限幅器电路，该限幅器电路将所述第1电压控制为规定电平以上，使得所述第2晶体管导通。
3.如权利要求2所述的功率放大电路，其特征在于，
所述第1电压输出电路具备串联连接的第1以及第2电阻元件，
所述第1以及第2电阻元件的一端连接至电源侧，所述第1以及第2电阻元件的另一端连接至接地侧，
从所述第1以及第2电阻元件的连接点输出所述第1电压。
4.如权利要求3所述的功率放大电路，其特征在于，
所述限幅器电路在所述第1以及第2电阻元件的所述另一端与接地之间，具备与所述第1以及第2电阻元件串联连接的二极管。
5.如权利要求4所述的功率放大电路，其特征在于，
所述限幅器电路还具备设置在所述二极管的阳极与接地之间的第1电容器。
6.如权利要求4或5所述的功率放大电路，其特征在于，
所述限幅器电路还具备第3晶体管，该第3晶体管根据控制信号使电流流过所述第1以及第2电阻元件。
7.如权利要求6所述的功率放大电路，其特征在于，
所述限幅器电路具备电流输出电路，
该电流输出电路根据所述控制信号，在所述第3晶体管导通时向所述二极管的阳极提供第1电流。
8.如权利要求7所述的功率放大电路，其特征在于，
所述电流输出电路具备第4晶体管，
该第4晶体管根据所述控制信号在所述第3晶体管导通时导通，并从发射极输出所述第1电流以使得所述二极管导通。
9.如权利要求3至8的任一项所述的功率放大电路，其特征在于，
所述第1电压输出电路还具备第3电阻元件及第2电容器，该第3电阻元件及第2电容器串联连接在所述第1以及第2电阻元件的连接点与接地之间。
10.如权利要求1至9的任一项所述的功率放大电路，其特征在于，
所述功率放大电路还包括：
第5晶体管，该第5晶体管的基极输入有所述无线频率信号，发射极接地，并从集电极输出对所述无线频率信号进行放大后而得的所述第1放大信号；
第1偏置电路，该第1偏置电路向所述第1晶体管的基极提供第1偏置电流或电压；
第2偏置电路，该第2偏置电路向所述第5晶体管的基极提供第2偏置电流或电压；以及
第2开关电路，该第2开关电路根据所述电源电压的电压值，在所述电源电压的电压值为第1电平的情况下停止提供所述第1偏置电流或电压，在所述电源电压的电压值为比所述第1电平要高的第2电平的情况下停止提供所述第2偏置电流或电压。
11.如权利要求1至10的任一项所述的功率放大电路，其特征在于，
所述功率放大电路还包括：
第6晶体管，该第6晶体管的基极输入有所述第1放大信号；
第2电压输出电路，该第2电压输出电路输出与所述电源电压相对应的第2电压；以及
第7晶体管，该第7晶体管的基极或栅极被提供有所述第2电压，发射极或源极与所述第6晶体管的集电极相连接，并从集电极或漏极输出对所述第1放大信号进行放大后而得的第2放大信号。
12.如权利要求11所述的功率放大电路，其特征在于，
所述第6晶体管为双极型晶体管，所述第7晶体管为FET。
13.如权利要求12所述的功率放大电路，其特征在于，
所述第7晶体管是阈值电压为0V以下的耗尽型FET。
14.如权利要求1至13的任一项所述的功率放大电路，其特征在于，
所述第1晶体管为双极型晶体管，所述第2晶体管为FET。
15.如权利要求14所述的功率放大电路，其特征在于，
所述第2晶体管是阈值电压为0V以下的耗尽型FET。
16.如权利要求1至15的任一项所述的功率放大电路，其特征在于，
所述电源电压由升降压DC-DC转换器生成。
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