CN108880489B - 功率放大电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能够改善增益散射的特性的功率放大电路。功率放大电路(10)具备：晶体管(Q2)、偏置电流源(60)和调整电路(70)。晶体管(Q2)接受可变电源电压(Vcc2)的提供，对RF信号进行放大。偏置电流源(60)通过第1电流路径(L1)来向晶体管(Q2)的基极提供偏置电流。可变电源电压(Vcc2)越低，调整电路(70)越使从偏置电流源(60)通过第2电流路径(L2)而流向匹配电路(80)的输入端子(80A)的电流增大，从偏置电流源(60)通过第2电流路径(L2)而流向输入端子(80A)的电流越增大，调整电路(70)越使从偏置电流源(60)通过第1电流路径(L1)而流向晶体管(Q2)的基极的偏置电流减少。

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
在移动电话等的移动通信终端中，使用对向基站发送的RF(Radio Frequency，射频)信号进行放大的功率放大电路。功率放大电路具备：对RF信号进行放大的晶体管、和对晶体管的偏置点进行控制的偏置电路。作为这种偏置电路，例如专利文献1所述那样，已知具备以下部件的偏置电路：向晶体管提供偏置信号的发射极跟随器晶体管、用于生成向该发射极跟随器晶体管的集电极提供的恒定电压的恒定电压生成电路。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：JP特开2014-171170号公报
若使用专利文献1所述的偏置电路，则增益散射(gain dispersion)的特性可能不能满足顾客所要求的特性。所谓增益散射，是指增益相对于向晶体管提供的电源电压的变化的差，为了引出包络线跟踪电源电路的性能，希望改善增益散射的特性。
发明内容
因此，本发明的课题在于，提供一种能够改善增益散射的特性的功率放大电路。
为了解决上述的课题，与本发明有关的功率放大电路具备：(i)匹配电路，具有输入端子以及输出端子；(ii)晶体管，具有与输出端子连接的基极、和接受第1电压以上且第2电压以下的可变电源电压的提供的集电极，对从输入端子通过匹配电路以及输出端子而向基极输入的RF信号进行放大；(iii)偏置电流源，通过第1电流路径来向晶体管的基极提供偏置电流；和(iv)调整电路，根据可变电源电压来调整向晶体管的基极提供的偏置电流。将高于第1电压并且低于第2电压的电压设为第3电压。在可变电源电压为第1电压以上且第3电压以下时，可变电源电压越低，调整电路越使从偏置电流源通过第2电流路径而流向输入端子的电流增大，从偏置电流源通过第2电流路径而流向输入端子的电流越增大，调整电路越使从偏置电流源通过第1电流路径而流向晶体管的基极的偏置电流减少。
根据与本发明有关的功率放大电路，能够改善增益散射的特性。
附图说明
图1是与本发明的实施方式1有关的功率放大电路的电路图。
图2是表示与本发明的实施方式1有关的、向对RF信号进行放大的晶体管提供的可变电源电压与对向该晶体管提供的偏置电流进行调整的异质结双极晶体管的基极-集电极间的电压的关系的图表。
图3是表示与本发明的实施方式1有关的、向对RF信号进行放大的晶体管提供的可变电源电压与向该晶体管提供的偏置电流的关系的图表。
图4是表示与本发明的实施方式1有关的、向对RF信号进行放大的晶体管提供的可变电源电压与该晶体管的集电极中流过的电流的关系的图表。
图5是表示与本发明的实施方式1有关的、向对RF信号进行放大的晶体管提供的可变电源电压与对向该晶体管提供的偏置电流进行调整的调整电路中流过的电流的关系的图表。
图6是表示与本发明的实施方式1有关的、向对RF信号进行放大的晶体管提供的可变电源电压与对向该晶体管提供的偏置电流进行调整的调整电路中流过的电流的关系的图表。
图7是表示与本发明的实施方式1有关的、向对RF信号进行放大的晶体管提供的可变电源电压与对向该晶体管提供的偏置电流进行调整的调整电路中流过的电流的关系的图表。
图8是与比较例有关的功率放大电路的电路图。
图9是表示与本发明的实施方式1有关的、功率放大电路的输出功率与增益的关系的图表。
图10是表示与比较例有关的功率放大电路的输出功率与增益的关系的图表。
图11是与本发明的实施方式2有关的功率放大电路的电路图。
图12表示与本发明的实施方式2有关的、对RF信号进行放大的晶体管的基极的电位与向级联连接于该晶体管的前级的晶体管提供的可变电源电压的关系的图表。
图13是与本发明的实施方式3有关的功率放大电路的电路图。
图14是与本发明的实施方式4有关的功率放大电路的电路图。
-符号说明-
10，20，30，40...功率放大电路；50，60...偏置电流源；70...调整电路；80...匹配电路；80A...输入端子；80B...输出端子；Q1，Q2，Q70...晶体管；Q50，Q60...发射极跟随器晶体管；D51，D52，D61，D62...二极管；C71，C72，C73...电容元件；R71，R72，R73...电阻元件。
具体实施方式
以下，参照各图来对本发明的各实施方式进行说明。这里，同一符号的电路元件表示同一电路元件，省略重复的说明。
图1是与本发明的实施方式1有关的功率放大电路10的电路图。功率放大电路10在移动电话等的移动通信终端中，将输入信号RFin的功率放大到为了向基站发送所需的电平，并将其作为放大信号RFout来输出。输入信号RFin例如是通过RFIC(Radio FrequencyIntegrated Circuit，射频集成电路)等并根据规定的通信方式而被调制的RF信号。
功率放大电路10具备：晶体管Q1、Q2、偏置电流源50、60、调整电路70、匹配电路80。晶体管Q1与晶体管Q2的前级级联连接。晶体管Q1作为驱动级放大器而发挥作用，晶体管Q2作为输出级放大器而发挥作用。晶体管Q1发射极接地，通过电容元件C1来向其基极提供输入信号RFin，从其集电极输出放大信号。向晶体管Q1的集电极提供可变电源电压Vccl。晶体管Q2发射极接地，向其基极输入来自晶体管Q1的放大信号，从其集电极输出被进一步放大的放大信号RFout。向晶体管Q2的集电极提供可变电源电压Vcc2。另外，可变电源电压Vccl、Vcc2例如被从包络线跟踪电源电路(未图示)提供。此外，晶体管Q1、Q2例如是异质结双极晶体管。
在晶体管Q1、Q2之间，连接使两者间的阻抗匹配的匹配电路80。匹配电路80具备：输入端子80A、输出端子80B、信号线80C、电容元件C81、C82以及电感器元件L80。输入端子80A与晶体管Q1的集电极连接，输出端子80B与晶体管Q2的基极连接。信号线80C将输入端子80A与输出端子80B连接。电容元件C81、C82沿着信号线80C而被连接于输入端子80A与输出端子80B之间。电感器元件L80被分流连接于信号线80C与接地之间。来自晶体管Q1的放大信号(RF信号)从输入端子80A，通过匹配电路80以及输出端子80B，被输入到晶体管Q2的基极。
偏置电流源50将对晶体管Q1的偏置点进行控制的偏置电流通过电阻元件R1，提供给晶体管Q1的基极。偏置电流源50具备发射极跟随器晶体管Q50和二极管D51、D52。发射极跟随器晶体管Q50的基极与二极管D51的阳极连接，并且通过电容元件C50而与接地连接。此外，发射极跟随器晶体管Q50的发射极通过电阻元件R1而与晶体管Q1的基极连接。二极管D51的阳极通过电阻元件R50，与电源端子51连接。电源端子51提供一定的电压或者电流。二极管D52的阳极与二极管D51的阴极连接。二极管D52的阴极与接地连接。另外，二极管D51、D52例如是被二极管连接的双极晶体管。所谓二极管连接，是指将双极晶体管的基极与集电极连接，被二极管连接的双极晶体管作为与二极管等效的双极元件而发挥作用。被二极管连接的双极晶体管的两个端子之中，将正向偏置时电位较高的端子称为“阳极”，将电位较低的端子称为“阴极”。但是，二极管D51、D52并不局限于被二极管连接的双极晶体管，例如也可以是PN结二极管。
偏置电流源60将对晶体管Q2的偏置点进行控制的偏置电流通过电阻元件R2，提供给晶体管Q2的基极。偏置电流源60具备发射极跟随器晶体管Q60和二极管D61、D62。发射极跟随器晶体管Q60的基极与二极管D61的阳极连接，并且通过电容元件C60而与接地连接。此外，发射极跟随器晶体管Q60的发射极通过电阻元件R2而与晶体管Q2的基极连接。二极管D61的阳极通过电阻元件R60，与电源端子61连接。电源端子61提供一定的电压或者电流。二极管D62的阳极与二极管D61的阴极连接。二极管D62的阴极与接地连接。另外，二极管D61、D62例如也可以是被二极管连接的双极晶体管，或者也可以是PN结二极管。
调整电路70根据可变电源电压Vcc2来调整向晶体管Q2的基极提供的偏置电流。调整电路70具备晶体管Q70和电阻元件R71、R72、R73。晶体管Q70的发射极通过电阻元件R71、R2而与晶体管Q2的基极连接，并且也与发射极跟随器晶体管Q60的发射极连接。晶体管Q70的基极通过电阻元件R72而与发射极跟随器晶体管Q60的基极连接。晶体管Q70的集电极通过电阻元件R73而与匹配电路80的输入端子80A连接。晶体管Q70是其发射极与基极形成异质结的异质结双极晶体管，发射极的带隙比基极的带隙大。
这里，将电阻元件R71、R72、R73各个中流过的电流设为Isub、Isub_b、Isub_c。此外，将从发射极跟随器晶体管Q60的发射极输出的电流设为Ief_pwr，将向晶体管Q2的基极提供的偏置电流设为Ibias，将晶体管Q2的集电极中流过的电流设为Icc2。将晶体管Q70的基极-集电极间的电压设为Vce。由于Ibias＝Ief_pwr+Isub，因此电流Ief_pwr以及电流Isub分别局部有助于晶体管Q2的偏置点的调整。因此，在本说明书中，存在将电流Ief_pwr以及电流Isub分别称为“偏置电流”的情况。另外，Isub＝Isub_b+Isub_c。
接下来，参照图2至图7，对功率放大电路10的动作进行说明。图2的符号200表示对晶体管Q70的电压Vce与可变电源电压Vcc2的关系进行表示的图表。图2的横轴表示可变电源电压Vcc2，图2的纵轴表示电压Vce。图3的符号301表示对电流Ief_pwr与可变电源电压Vcc2的关系进行表示的图表。图3的横轴表示可变电源电压Vcc2，图3的纵轴表示电流Ief_pwr。图4的符号401表示对电流Icc2与可变电源电压Vcc2的关系进行表示的图表。图4的横轴表示可变电源电压Vcc2，图4的纵轴表示电流Icc2。图5的符号500表示对电流Isub_c与可变电源电压Vcc2的关系进行表示的图表。图5的横轴表示可变电源电压Vcc2，图5的纵轴表示电流Isub_c。图6的符号600表示对电流Isub_b与可变电源电压Vcc2的关系进行表示的图表。图6的横轴表示可变电源电压Vcc2，图6的纵轴表示电流Isub_b。图7的符号700表示对电流Isub与可变电源电压Vcc2的关系进行表示的图表。图7的横轴表示可变电源电压Vcc2，图7的纵轴表示电流Isub。另外，在图2至图7所示的图表中，将可变电源电压Vcc2的范围设为0V以上且4.5V以下，来表示进行了模拟的结果。向晶体管Q2的集电极实际提供的可变电源电压Vcc2的范围并不必限定于该模拟范围。在本说明书中，将可变电源电压Vcc2的下限电压称为“第1电压”，将可变电源电压Vcc2的上限电压称为“第2电压”。第1电压例如是1.0V，第2电压例如是4.5V。
由于晶体管Q70是异质结双极晶体管，因此基极-集电极间的PN结的接通电压(约1.1V)与基极-发射极间的PN结的接通电压(约1.3V)不同。因此，可变电源电压Vcc2以高于第1电压并且低于第2电压的某个电压(例如，约1.5V)为界限，晶体管Q70表现不同的举动。在本说明书中，将该电压称为“第3电压”。在可变电源电压Vcc2高于第3电压并且低于第2电压的范围内，晶体管Q70作为发射极跟随器电路而进行动作。另一方面，在可变电源电压Vcc2为第1电压以上且第3电压以下的范围内，晶体管Q70作为两个PN结二极管而进行动作。为了说明的方便，将电流从偏置电流源60通过电阻元件R2而向晶体管Q2的基极流动的路径称为“第1电流路径”。晶体管Q70的发射极通过电阻元件R71而与第1电流路径L1连接。此外，将电流从偏置电流源60通过电阻元件R72、晶体管Q70的基极-集电极间以及电阻元件R73而向输入端子80A流动的路径称为“第2电流路径”。发射极跟随器晶体管Q60的基极通过电阻元件R72而与第2电流路径L2连接。发射极跟随器晶体管Q60的发射极通过第1电流路径L1而与晶体管Q2的基极连接。此外，将电流从输入端子80A通过电阻元件R73、晶体管Q70的集电极·发射极间、电阻元件R71以及电阻元件R2而向晶体管Q2的基极流动的路径称为“第3电流路径”。
在晶体管Q70作为发射极跟随器电路而进行动作时，从偏置电流源60通过第1电流路径L1而向晶体管Q2的基极流过电流Ief_pwr，并且从输入端子80A通过第3电流路径而向晶体管Q2的基极流过电流Isub。此时，由于电流Isub_b少到能够忽略的程度(参照图6)，因此电流Isub与电流Isub_c几乎相等。
另一方面，在晶体管Q70作为两个PN结二极管而进行动作时，从偏置电流源60通过第2电流路径L2而向输入端子80A流过电流。这是由于晶体管Q70的基极-集电极间的PN结的接通电压比基极-发射极间的接通电压低，因此电流优势性地流过晶体管Q70的基极-集电极间。此时，电流Isub_c流过的方向是与图1所示的方向相反的方向。可变电源电压Vcc2越低，调整电路70越使从偏置电流源60通过第2电流路径L2而流向输入端子80A的电流Isub_c增大(参照图5)。从偏置电流源60通过第2电流路径L2而流向输入端子80A的电流Isub_c越增大，调整电路70越使从偏置电流源60通过第1电流路径L1而流向晶体管Q2的基极的偏置电流Ief_pwr减少(参照图3)。通过偏置电流Ief_pwr的减少，流向晶体管Q2的集电极的电流Icc2也减少(参照图4)。由此，能够降低可变电源电压Vcc2处于第1电压以上且第3电压以下的范围时的晶体管Q2的增益。通过将电阻元件R73的电阻值选择为适当的值，能够进行调整以使得偏置电流Ief_pwr不过分降低。例如，能够使可变电源电压Vcc2最低的第1电压时的晶体管Q2的增益比晶体管Q2的最高输出时效率最大时的增益更加降低。由此，能够改善功率放大电路10的增益散射。
图8是与比较例有关的功率放大电路90的电路图。与比较例有关的功率放大电路90在不具备调整电路70这方面，不同于与实施方式1有关的功率放大电路10。图3的符号302表示与比较例有关的功率放大电路90中的偏置电流Ief_pwr的图表。同样地，图4的符号402表示与比较例有关的功率放大电路90中的电流Icc2的图表。根据图3所示的模拟结果，通过调整电路70的作用，在可变电源电压Vcc2为第1电压时附近，功率放大电路10的偏置电流Ief_pwr减少。此外，在可变电源电压Vcc2为第2电压附近，功率放大电路10的偏置电流Ief_pwr接近于功率放大电路90的偏置电流Ief_pwr的值。因此，可知能够在为了改善增益散射的特性而必要充分的程度上减少偏置电流Ief_pwr。
图9的符号901、902、903、904表示将可变电源电压Vcc2分别设为3.8V、2V、1.4V、1V时的与实施方式1有关的功率放大电路10的增益和输出功率的关系。图9的横轴表示输出功率，图9的纵轴表示增益。另一方面，图10的符号1001、1002、1003、1004表示将可变电源电压Vcc2分别设为3.8V、2V、1.4V、1V时的与比较例有关的功率放大电路90的增益和输出功率的关系。图10的横轴表示输出功率，图10的纵轴表示增益。根据图9所示的模拟结果，在与实施方式1有关的功率放大器10的结构中，根据可变电源电压Vcc2的值，输出功率为5dBm时的增益可看到差异。另一方面，在图10所示的比较例的结构中，根据可变电压Vcc2的电压，输出功率为5dBm时的增益与图9相比，增益的差较小。因此，在实施方式1的结构中，根据可变电源电压Vcc2的变化，能使增益较大程度地变化。因此，能够改善增益散射的特性。
如以上说明那样，根据与实施方式1有关的功率放大电路10，在可变电源电压Vcc2处于第1电压以上且第3电压以下的范围时，通过晶体管Q70作为两个PN结二极管而进行动作，能够减少流向晶体管Q2的基极的偏置电流Ief_pwr。由此，能够改善功率放大电路10的增益散射的特性。特别地，在被用作为晶体管Q70的异质结双极晶体管中，基极-集电极间的PN结的接通电压与基极-发射极间的PN结的接通电压不同。通过利用这种特性，在晶体管Q70作为两个PN结二极管而进行动作时，能够从偏置电流源60通过第2电流路径L2而向输入端子80A流过电流Isub_c。并且，从偏置电流源60通过第2电流路径L2而流向输入端子80A的电流Isub_c越增大，越能够减少从偏置电流源60通过第1电流路径L1而流向晶体管Q2的基极的偏置电流Ief_pwr。此外，由于偏置电流源60由发射极跟随器晶体管Q60构成，因此能够提供稳定的偏置电流Ief_pwr。
另外，在上述的说明中，作为晶体管Q70，示例了异质结双极晶体管，但作为晶体管Q70，使用场效应晶体管也能够起到相同的作用效果。此外，在上述的说明中，表示了利用调整电路70来调整从偏置电流源60向晶体管Q2提供的偏置电流的例子，但也可以利用调整电路70来调整从偏置电流源50向晶体管Q1提供的偏置电流。
图11是与本发明的实施方式2有关的功率放大电路20的电路图。与实施方式2有关的功率放大电路20的调整电路70的晶体管Q70在具备连接于其基极-集电极间的电容元件C71这方面，不同于与实施方式1有关的功率放大电路10的调整电路70的晶体管Q70。
图12的符号1201表示对向与实施方式2有关的功率放大电路20的晶体管Q1的集电极提供的可变电源电压Vcc1的时间变化进行表示的图表。图12的符号1202表示对与实施方式2有关的功率放大电路20的晶体管Q2的基极电位的时间变化进行表示的图表。图12的符号1203表示对与比较例有关的功率放大电路90的晶体管Q2的基极电位的时间变化进行表示的图表。根据图12的模拟结果可知，在可变电源电压Vcc1是调制信号的情况下，通过在晶体管Q70的基极-集电极间连接电容元件C71，能够抑制晶体管Q2的基极电位的相位延迟。
图13是与本发明的实施方式3有关的功率放大电路30的电路图。与实施方式3有关的功率放大电路30的调整电路70在具备与电阻元件R73并联连接的电容元件C72这方面，不同于与实施方式2有关的功率放大电路20的调整电路70。此外，与实施方式3有关的功率放大电路30的调整电路70在具备连接于电阻元件R73与输入端子80A之间的电阻元件R74这方面，也不同于与实施方式2有关的功率放大电路20的调整电路70。根据这种电路结构，通过将从晶体管Q1输出的RF信号导向第3电流路径，能够改善功率放大电路30的振幅对相位特性(AM-PM特性)。
图14是与本发明的实施方式4有关的功率放大电路40的电路图。与实施方式4有关的功率放大电路40的调整电路70在取代电容元件C72而具备电容元件C73这方面，不同于与实施方式3有关的功率放大电路30的调整电路70。这里，电阻元件R73的一端73A通过电阻元件R74而与输入端子80A连接。电阻元件R73的另一端73B与晶体管Q70的集电极连接。电阻元件R71的一端71A与第1电流路径L1连接。电阻元件R71的另一端71B与晶体管Q70的发射极连接。电容元件C73连接于电阻元件R73的一端73A与电阻元件R71的另一端71B之间。根据这种电路结构，通过将从晶体管Q1输出的RF信号导向第3电流路径，能够改善功率放大电路40的振幅对相位特性(AM-PM特性)。
另外，在本说明书中，在将电阻元件R71、R72、R73分别区别的情况下，存在将电阻元件R71称为“第1电阻元件”、将电阻元件R72称为“第2电阻元件”、将电阻元件R73称为“第3电阻元件”的情况。此外，在区别二极管D61、D62的情况下，存在将二极管D61称为“第1二极管”、将二极管D62称为“第2二极管”的情况。此外，在区别电容元件C71、C72、C73的情况下，存在将电容元件C71称为“第1电容元件”、将电容元件C72称为“第2电容元件”、将电容元件C73称为“第3电容元件”的情况。
以上说明的实施方式是为了容易理解本发明，并不用于限定解释本发明。本发明在不脱离其主旨的情况下，能够变更或者改进，并且本发明中也包含其等效物。即，本领域的技术人员对实施方式进行适当的设计变更后的实施方式只要具备本发明的特征，就也包含于本发明的范围。实施方式所具备的元件以及其配置等并不限定于示例的，也能够进行适当的变更。

Claims (6)

1.一种功率放大电路，具备：
匹配电路，具有输入端子以及输出端子；
晶体管，具有与所述输出端子连接的基极、和接受第1电压以上且第2电压以下的可变电源电压的提供的集电极，所述晶体管对从所述输入端子经由所述匹配电路以及所述输出端子而向所述基极输入的RF信号进行放大；
偏置电流源，通过第1电流路径来向所述晶体管的基极提供偏置电流；和
调整电路，根据所述可变电源电压来调整向所述晶体管的基极提供的所述偏置电流，
将高于所述第1电压并且低于所述第2电压的电压设为第3电压，
在所述可变电源电压为所述第1电压以上且所述第3电压以下时，
所述可变电源电压越低，所述调整电路越使从所述偏置电流源通过第2电流路径而流向所述输入端子的电流增大，
从所述偏置电流源通过所述第2电流路径而流向所述输入端子的电流越增大，所述调整电路越使从所述偏置电流源通过所述第1电流路径而流向所述晶体管的基极的偏置电流减少。
2.根据权利要求1所述的功率放大电路，其中，
所述调整电路具备：异质结双极晶体管、第1电阻元件、第2电阻元件和第3电阻元件，
所述异质结双极晶体管的发射极通过所述第1电阻元件而与所述第1电流路径连接，
所述异质结双极晶体管的基极通过所述第2电阻元件而与所述偏置电流源连接，
所述异质结双极晶体管的集电极通过所述第3电阻元件而与所述输入端子连接，
所述第2电流路径是电流从所述偏置电流源通过所述第2电阻元件、所述异质结双极晶体管的基极-集电极间以及所述第3电阻元件而流向所述输入端子的路径。
3.根据权利要求2所述的功率放大电路，其中，
所述偏置电流源具备：第1二极管、第2二极管和发射极跟随器晶体管，
所述第1二极管的阳极与电源端子连接，
所述第1二极管的阴极与所述第2二极管的阳极连接，
所述第2二极管的阴极与接地连接，
所述发射极跟随器晶体管的基极与所述第1二极管的阳极连接，并且通过所述第2电流路径而与所述第2电阻元件连接，
所述发射极跟随器晶体管的发射极通过所述第1电流路径而与所述晶体管的基极连接。
4.根据权利要求2或3所述的功率放大电路，其中，
还具备连接于所述异质结双极晶体管的基极-集电极间的第1电容元件。
5.根据权利要求2或3所述的功率放大电路，其中，
还具备与所述第3电阻元件并联连接的第2电容元件。
6.根据权利要求2或3所述的功率放大电路，其中，
所述第3电阻元件的一端与所述输入端子连接，
所述第3电阻元件的另一端与所述异质结双极晶体管的集电极连接，
所述第1电阻元件的一端与所述第1电流路径连接，
所述第1电阻元件的另一端与所述异质结双极晶体管的发射极连接，
所述功率放大电路还具备连接于所述第3电阻元件的一端与所述第1电阻元件的另一端之间的第3电容元件。
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