CN108111135A - 功率放大电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能够抑制电路规模的增大，并且实现最大输出功率的增大的功率放大电路。本发明的功率放大电路包括：第一晶体管；第二晶体管；第一偏置电路，其提供第一偏置电流或电压；第二偏置电路，其提供第二偏置电流或电压；第一电感器；以及第一电容器，对第一晶体管的集电极提供电源电压，第一晶体管的发射极接地，对第一晶体管的基极提供无线频率信号以及第一偏置电流或电压，对第二晶体管的集电极提供电源电压，第二晶体管的发射极通过第一电容器与第一晶体管的集电极连接，并且通过第一电感器接地，对第二晶体管的基极提供第二偏置电流或电压，从第二晶体管的集电极输出将无线频率信号放大后的放大信号。

Description

功率放大电路
技术领域
本发明涉及一种功率放大电路。
背景技术
手机等移动通信设备中搭载有使用晶体管的功率放大电路。例如，非专利文献1中公开了使用异质结晶双极晶体管(HBT：Heterojunction Bipolar Transistor)的功率放大电路。另外，专利文献1中公开了将两个HBT级联连接的功率放大电路。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开第2015-115835号公报
非专利文献
非专利文献1：Satoshi Tanaka、「Evolution of Power Amplifier for mobileapplications」、International Meeting for Future of Electron Devices,Kansai(IMFEDK)、IEEE、2013、p.112－113
发明内容
本发明所要解决的技术问题
在功率放大电路中，通过使电源电压升压，能够实现最大输出功率的增大。然而，非专利文献1所公开的电路中，由于晶体管的集电极与基极间的耐受电压，电源电压的上限受到制约。在这方面，专利文献1所公开的电路中，通过将两个晶体管级联连接，从而施加至各晶体管的电压得以分压，因此能够比非专利文献1所公开的结构提高电源电压的上限。然而，为了施加比电池电压的上限高的电压来作为电源电压而需要升压型的转换电路，从而电路规模变大。
本发明是鉴于这样的技术问题而做出的，其目的在于，提供一种能够抑制电路规模的增大，并且实现最大输出功率的增大的功率放大电路。
解决技术问题所采用的技术方案
为了达成这样的目的，根据本发明的一方面的功率放大电路包括：第一晶体管；第二晶体管；第一偏置电路，该第一偏置电路提供第一偏置电流或电压；第二偏置电路，该第二偏置电路提供第二偏置电流或电压；第一电感器；以及第一电容器，对第一晶体管的集电极提供电源电压，第一晶体管的发射极接地，对第一晶体管的基极提供无线频率信号以及第一偏置电流或电压，对第二晶体管的集电极提供电源电压，第二晶体管的发射极通过第一电容器与第一晶体管的集电极连接，并且通过第一电感器接地，对第二晶体管的基极提供第二偏置电流或电压，从第二晶体管的集电极输出将无线频率信号放大后的放大信号。
发明效果
根据本发明，能够提供一种功率放大电路，该功率放大电路能够抑制电路规模的增大，并且实现最大输出功率的增大。
附图说明
图1是表示本发明的一个实施方式的功率放大电路的结构例的图。
图2是表示偏置电路120的结构例的图。
图3是表示本发明的一个实施方式的功率放大电路的另一结构例的图。
图4是表示本发明的一个实施方式的功率放大电路的另一结构例的图。
图5是示意性表示本发明的一个实施方式的功率放大电路的安装例的图。
图6A是表示功率放大电路100及比较例中增益的模拟结果的曲线图。
图6B是表示功率放大电路100及比较例中功率附加效率的模拟结果的曲线图。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明的实施方式进行具体说明。再者，对相同要素标记相同标号并省略重复说明。
图1是表示本发明的一个实施方式的功率放大电路的结构例(功率放大电路100)的图。例如在移动电话等移动通信设备中，功率放大电路100将输入的无线频率(RF：RadioFrequency)信号RFin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包括晶体管110、111、112、偏置电路120、121、122、电压调整电路130、电容器140、141、142、电感器150、151、152、153以及匹配电路160、161、162。
功率放大电路100包含两级的放大器。初级的放大器(驱动级)包含晶体管110，后级的放大器(功率段)包含晶体管111、112。晶体管110、111、112例如是异质结晶双极晶体管(HBT：Heterojunction Bipolar Transistor)等双极晶体管。驱动级通过匹配电路160将输入的RF信号RFin放大，并输出放大信号RFout1。放大信号RFout1通过匹配电路161而被输入至功率级。功率级将放大信号RFout1放大，并输出放大信号RFout2。再者，在以下的说明中，也将两个晶体管111、112统称为放大器。另外，本实施方式中放大器的级数为两级，但放大器的级数不限于两级，可以为一级，也可以为三级以上。
晶体管110中，通过电感器150对集电极提供电源电压Vcc1，基极连接至电容器140的一端，发射极接地。另外，对晶体管110的基极提供RF信号RFin以及从偏置电路120输出的偏置电流。由此，从晶体管110的集电极输出放大信号RFout1。驱动级的放大器为不包括级联连接的晶体管的结构(以下，也称作单个结构)。
晶体管111(第一晶体管)中，通过电感器151对集电极提供电源电压Vcc2，基极连接至电容器141的一端，发射极接地。另外，对晶体管111的基极提供放大信号RFout1以及从偏置电路121输出的偏置电流(第一偏置电流)。
晶体管112(第二晶体管)通过电容器142与晶体管111级联连接。具体而言，晶体管112中，通过电感器152对集电极提供电源电压Vcc3，基极连接至电压调整电路130，发射极连接至电容器142的一端。另外，对晶体管112的基极通过电压调整电路130提供从偏置电路122输出的偏置电流(第二偏置电流)。另外，晶体管112的发射极连接电感器153的一端。这样，驱动级的放大器为包括级联连接的晶体管112的结构(以下，也称作级联结构)。再者，晶体管112的尺寸可以与晶体管111的尺寸相同，或者也可以比晶体管111的尺寸小。对于驱动级的放大器的具体动作，将在后文中进行描述。
偏置电路120、121(第一偏置电路)、122(第二偏置电路)分别生成偏置电流或电压，并将偏置电流或电压提供给晶体管110、111、112的基极。
图2是表示偏置电路120的结构例的图。再者，由于偏置电路121、122的结构与偏置电路120一样，所以省略具体说明。如图2所示，偏置电路120包括二极管200、201、晶体管210、电阻元件220以及电流源230。
构成二极管200、201以及电流源230，使其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对二极管200的阳极提供恒定电流，二极管201的阴极接地。另外，二极管200的阳极连接至晶体管210的基极。由此，在晶体管210的基极生成规定电平的电压(例如，2.6V左右)。再者，也可以使用集电极与基极被连接的双极晶体管，来替代二极管200、201。
晶体管210中，对集电极提供电源电压Vccb，基极连接至二极管200的阳极，发射极连接至电阻元件220的一端。晶体管210从发射极通过电阻元件220向晶体管110(参照图1)的基极提供偏置电流。
返回图1，电容器140、141分别将RF信号的直流成分去除。电感器150、151、152分别是抑制高频信号向电源电路耦合的扼流电感器。
匹配电路160、161、162被设置为用于使电路间的阻抗匹配。匹配电路160、161、162分别例如使用电感器和电容器而构成。匹配电路160、161、162例如可以是低通滤波器或高通滤波器，或者也可以是将低通滤波器与高通滤波器组合的结构。
接着，具体说明驱动级的放大器的动作。再者，以下为了方便说明，使电源电压Vcc2、Vcc3均为直流电压3V(以下，标记为DC3V)来进行说明，但电源电压Vcc2、Vcc3的电压值不限于此。
电容器142(第一电容器)的一端连接至晶体管112的发射极，另一端连接至晶体管111的集电极。设置电容器142，以使后级的晶体管111与前级的晶体管112在直流时分离、在交流时连接。
电感器153(第一电感)的一端连接至电容器112的发射极，另一端接地。电感器153在高频中阻抗较高，因此不影响RF信号的放大。即，设置电感器153，以使晶体管112的发射极在直流时接地，在交流时与晶体管111的集电极连接。
关注后级的晶体管111。晶体管111的发射极接地，对集电极提供电源电压Vcc2(DC3V)，因此集电极中的RF信号的振幅的交流电压为±3V(以下，标记为AC±3V)。从而，晶体管111的集电极电压在3V±3V(即，0V～6V)的范围中变动。接着，关注前级的晶体管112的发射极。晶体管112的发射极在直流时接地，因此为DC0V，在交流时与晶体管111的集电极连接，因此为AC±3V。从而，晶体管112的发射极电压在0V±3V(即，-3V～3V)的范围中变动。晶体管112的集电极在直流时提供有电源电压Vcc3(DC3V)，因此为DC3V，在交流时与晶体管112的发射极的变动范围加在一起成为AC±6V。从而，晶体管112的集电极电压在3V±6V(即，-3V～9V)的范围中变动。即，晶体管112的集电极的信号振幅(12V)为晶体管111的集电极的信号振幅(6V)的两倍。
在此，为了使晶体管112变为导通，需要晶体管112的基极与发射极间电压为阈值电压(例如，1.3V左右)以上。从而，晶体管112的基极电压需要根据晶体管112的发射极电压的变动(AC±3V)在1.3V±3V(即，-1.7V～4.3V)的范围中变动。在这方面，本实施方式中，通过包括电压调整电路130，从而调整晶体管112的基极电压，使其在交流时可变动。具体而言，电压调整电路130连接至晶体管112的基极，进行动作，使得晶体管112的基极电压的振幅动作不受偏置电路122限制。
上述结构中，功率放大电路100的功率级的放大器为级联结构。由此，能够使前级的晶体管112的集电极的信号振幅(例如，±6V左右)与单个结构中晶体管的集电极的信号振幅(例如，±3V左右)相比约为两倍。即，能够在无需为了生成电源电压而使用升压型的转换电路来使电池电压升压的情况下使信号振幅增大。
在此，若使信号的输出功率为P、集电极电压为V、放大器的负载阻抗为R，则P＝V2/R的关系成立。从而，若使负载阻抗R恒定，则集电极电压V变为两倍时输出功率P变为四倍。从而，与放大器为单个结构的功率放大电路相比，能够在无需使电源电压上升的情况下通过增大集电极电压的信号振幅来使最大输出功率增大。
再者，若使输出功率P恒定，则集电极电压V变为两倍时负载阻抗R变为四倍。在此，一般而言放大器的负载阻抗变高时，作为输出匹配电路中与后级的阻抗匹配时的转换比率的阻抗转换比率下降。由此，该输出匹配电路中的传输损耗及反射损耗减小，从而功率附加效率得以改善。从而，在本实施方式中也同样地，通过增大信号振幅，从而功率级的放大器的负载阻抗变高，因此匹配电路162中的阻抗转换比率下降。由此，与放大器为单个结构的功率放大电路相比，匹配电路162中的RF信号的损耗得以抑制，从而功率放大电路100的功率附加效率上升。这样，通过使功率放大电路的放大器为级联结构，从而能够抑制电路规模的增大，并且实现最大输出功率的增大或功率附加效率的提高。
再者，本实施方式中将级联结构应用于功率级的放大器，但应用级联结构的级不限于末级，可以应用于任何级。在此，在功率放大电路由多级放大器来构成的情况下，与级间匹配电路相比，输出匹配电路的输出阻抗(例如，50Ω)较高，因此阻抗转换比率在末级(功率级)中最高。从而，通过将级联结构应用于末级的放大器，从而抑制RF信号的损耗的效果变强。另外，与将级联结构应用于所有的放大器的结构相比，电路规模的增大得以抑制。
另外，通过电感器150、151、152向各晶体管提供的电源电压Vcc1、Vcc2、Vcc3例如也可以是通过降压转换器(降压型DC-DC转换器)从而使电池电压降压后的电压。再者，电源电压Vcc1、Vcc2、Vcc3只要在晶体管的耐压范围内也可以为通过升压转换器(升压型DC-DC转换器)升压后的电压。另外，向偏置电路120、121、122提供的电源电压Vccb例如也可以为电池电压。
图3是表示本发明的一个实施方式的功率放大电路的另一结构例(功率放大电路100A)的图。再者，对与功率放大电路100相同的要素标记相同标号并省略说明。另外，在以下的说明中，省略关于与图1所示实施方式共通的事项的描述，仅对不同点进行说明。特别是，对于同样的构成所产生的同样的作用效果，不再每个实施方式依次言及。
功率放大电路100A是将功率放大电路100所包括的要素中电压调整电路130的具体例示出的结构。
电压调整电路130A例如包括电容器143以及电感器154。电容器143(第二电容器)的一端连接至晶体管112的基极，另一端接地。对电感器154(第二电感器)的一端从偏置电路122提供偏置电流或电压，另一端连接至晶体管112的基极。由此，能够保持晶体管112的基极电压的振幅动作。
利用这样的结构，功率放大电路100A也能够获得与功率放大电路100一样的效果。再者，电压调整电路130的结构不限于此。例如，电压调整电路130也可以还包括与电容器143串联连接的电感器。
图4是表示本发明的一个实施方式的功率放大电路的另一结构例(功率放大电路100B)的图。再者，对与功率放大电路100相同的要素标记相同标号并省略说明。另外，为了方便说明，在图4中仅图示功率放大电路100B中与功率级的放大器相关的构成要素。在功率放大电路100B中，功率级的放大器中共计级联连接三个晶体管。
晶体管113(第三晶体管)与图1所示的晶体管112一样，通过电容器144(第三电容器)与晶体管112级联连接。具体而言，晶体管113中，通过电感器155对集电极提供电源电压Vcc4，基极连接至电压调整电路131，发射极连接至电容器144的一端。另外，对晶体管113的基极通过电压调整电路131提供从偏置电路123(第三偏置电路)输出的偏置电流(第三偏置电流)。另外，晶体管113的发射极通过电感器156(第三电感器)在直流中接地。再者，偏置电路123、电压调整电路131、电容器144以及电感器155、156的结构与图1所示的偏置电路122、电压调整电路130、电容器142以及电感器152、153相同，因此省略具体说明。
设置前级的晶体管113，使其与中级的晶体管112在直流时分离、在交流时连接。即，晶体管113的发射极在直流时接地，因此为DC0V，在交流时与晶体管112的集电极连接，因此为AC±6V。从而，晶体管113的发射极电压在0V±6V(即，-6V～6V)的范围中变动。晶体管113的集电极在直流时被提供有电源电压Vcc4(DC3V)，因此为DC3V，在交流时与晶体管113的发射极的变动范围加在一起成为AC±9V。从而，晶体管113的集电极电压在3V±9V(即，-6V～12V)的范围中变动。即，晶体管113的集电极的信号振幅(18V)为晶体管111的集电极的信号振幅(6V)的三倍。
这样，级联连接的晶体管的个数总计不限于两个，也可以为三个以上。在此情况下，与功率放大电路100相比，最前级的晶体管(在图4所示的示例中，为晶体管113)的集电极的信号振幅进一步增大。从而，功率放大电路100B中，最大输出功率比功率放大电路100进一步增大。另外，功率放大电路100B与功率放大电路100相比，放大器的负载阻抗进一步上升。因此，阻抗转换比率下降，匹配电路162中的RF信号的损耗被进一步抑制。再者，例如在合计N个晶体管被级联连接的情况下，最前级的晶体管的集电极的信号振幅为单个结构中晶体管的集电极的信号振幅的约N倍。从而，只要负载阻抗随着级联连接的晶体管的个数的增加而成为足够高，就可以无需输出匹配电路(在图4所示的示例中，为匹配电路162)。
图5是示意性示出本发明的一个实施方式的功率放大电路的安装例示的图。在功率放大电路100中，连接晶体管111的集电极与晶体管112的发射极的电容器142被安装至安装晶体管111、112的HBT芯片300(集成电路)上。由此，能够避免在将电容器142安装在HBT芯片300外的情况下可能发生的寄生电感器的影响。另外，与将电容器142安装在HBT芯片300外的情况相比，功率放大电路100的结构得以简化。
另外，电感器151、152、153被安装至与HBT芯片300不同的基板。再者，在匹配电路161包括电容器及电感器的情况下，也可以将电容器安装在HBT芯片300上，将电感器安装在HBT芯片300外。
图6A是表示功率放大电路100及比较例中增益的模拟结果的曲线图。在图6A所示的曲线图中，纵轴表示增益(dB)，横轴表示输出功率(dBm)。图6A示出了功率放大电路100及比较例中使负载阻抗相同、使频率为1710MHz、1850MHz、1980MHz、2025MHz的情况下的模拟结果。再者，比较例为图1所示的功率放大电路100中功率级的放大器为单个结构来代替级联结构的功率放大电路。
如图6A所示，功率放大电路100中任一频率下最大输出功率都比比较例增大了。具体而言，功率放大电路100中，放大增益为规定电平以上的最大输出功率比比较例增大了2dB左右。
图6B是表示功率放大电路100及比较例中功率附加效率的模拟结果的曲线图。在图6B所示的曲线图中，纵轴表示了功率附加效率(PAE：Power Added Efficiency)(％)，横轴表示了输出功率(dBm)。图6B示出了功率放大电路100及比较例中使负载阻抗相同、使频率为1710MHz、1850MHz的情况下的模拟结果。
如图6B所示，功率放大电路100中任一频率下使功率附加效率为最大的输出功率都比比较例增大了2dB左右。即，功率放大电路100中，最大输出功率比比较例增大了。这样的结果是由于，功率放大电路100中，即使负载阻抗与比较例相同，集电极的信号振幅也被增大。即，可以说本模拟结果示出了本发明的有效性。
以上，对本发明的示例性的实施方式进行了说明。功率放大电路100、100A、100B包括晶体管111、112，晶体管111的集电极与晶体管112的发射极通过电容器142连接。由此，能够使前级的晶体管112的集电极的信号振幅为单个结构中晶体管的集电极的信号振幅的约两倍。从而，能够在不使电源电压升压的情况下实现输出功率的增大或放大器的负载阻抗的上升。由此，功率放大电路100、100A、100B中能够抑制电路规模的增大，并且实现最大输出功率的增大或功率附加效率的提高。
另外，功率放大电路100、100A、100B包括调整晶体管112的基极电压的电压调整电路130、130A。由此，能够保持晶体管112的基极电压的振幅动作。从而，能够将晶体管112维持为导通。
另外，电压调整电路130无特别限定，例如也可以包括使晶体管112的基极在交流时接地的电容器143。或者，也可以在偏置电路122与晶体管112的基极之间包括电感器154。
另外，功率放大电路100B还包括晶体管113，晶体管112的集电极与晶体管113的发射极通过电容器144连接。由此，与功率放大电路100相比，最前级的晶体管113的集电极的信号振幅进一步增大，能够实现输出功率的增大或放大器的负载阻抗的上升。从而，功率放大电路100B能够比功率放大电路100进一步实现最大输出功率的增大或功率附加效率的提高。
另外，在功率放大电路100、100A、100B中，电容器142被安装至安装有晶体管111、112的HBT芯片300。由此，能够避免寄生电感器的影响。另外，与将电容器142安装在HBT芯片300外的情况相比，功率放大电路的结构得以简化。
另外，功率放大电路100、100A、100B中，电感器151、152、153的结构无特别限制，例如也可以被安装在HBT芯片300的外部。
以上说明的各实施方式，用于使本发明容易理解，而不用于限定解释本发明。在不脱离本发明的主旨的范围内可进行变更或改良，并且其等效物包含在本发明内。即，只要具备本发明的特征，本领域技术人员对各实施方式施加适当设计变更而得到的方案也包含于本发明的范围内。例如，各实施方式所具备的各要素及其配置、材料、条件、形状、大小等并不限定于示例的内容，可以进行适当变更。另外，只要技术上可行，各实施方式所具备的各要素能够进行组合，只要包含本发明的特征，组合了这些要素的方案也包含在本发明的范围内。
标号说明
100、100A、100B 功率放大电路
110、111、112、113、210 晶体管
120、121、122、123 偏置电路
130、131 电压调整电路
140、141、142、143、144 电容器
150、151、152、153、154、155、156 电感器
160、161、162 匹配电路
200、201 二极管
220 电阻元件
230 电流源
300 HBT芯片

Claims (7)

1.一种功率放大电路，其特征在于，包括：
第一晶体管；
第二晶体管；
第一偏置电路，该第一偏置电路提供第一偏置电流或电压；
第二偏置电路，该第二偏置电路提供第二偏置电流或电压；
第一电感器；以及
第一电容器，
对所述第一晶体管的集电极提供电源电压，
所述第一晶体管的发射极接地，
对所述第一晶体管的基极提供无线频率信号以及所述第一偏置电流或电压，
对所述第二晶体管的集电极提供所述电源电压，
所述第二晶体管的发射极通过所述第一电容器与所述第一晶体管的集电极连接，并且通过所述第一电感器接地，
对所述第二晶体管的基极提供所述第二偏置电流或电压，
从所述第二晶体管的集电极输出将所述无线频率信号放大后的放大信号。
2.如权利要求1所述的功率放大电路，其特征在于，
所述功率放大电路包括电压调整电路，该电压调整电路调整所述第二晶体管的基极电压。
3.如权利要求2所述的功率放大电路，其特征在于，
所述电压调整电路包括第二电容器，该第二电容器一端连接至所述第二电感器的基极，另一端接地。
4.如权利要求2或3所述的功率放大电路，其特征在于，
所述电压调整电路在所述第二偏置电路与所述第二晶体管的基极之间包括第二电感器。
5.如权利要求1至4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：
第三晶体管；
第三偏置电路，该第三偏置电路提供第三偏置电流或电压；
第三电感器；以及
第三电容器，
对所述第三晶体管的集电极提供所述电源电压，
所述第三晶体管的发射极通过所述第三电容器与所述第二晶体管的集电极连接，并且通过所述第三电感器接地，
对所述第三晶体管的基极提供所述第三偏置电流或电压，
从所述第三晶体管的集电极输出将所述无线频率信号放大后的放大信号。
6.如权利要求1至5的任一项所述的功率放大电路，其特征在于，
所述第一电容器被安装至安装有所述第一及第二晶体管的集成电路。
7.如权利要求1至6的任一项所述的功率放大电路，其特征在于，
所述第一电感器被安装至与安装有所述第一及第二晶体管的集成电路不同的基板。
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