CN1098828A - 半导体功率放大器集成电路 - Google Patents

Abstract

提供的一种功率放大器，工作在0.8GHz— 2GHz的准微波频段，具有高输出，小尺寸和低的功 耗。结型GaAsFETS连接成多级，以形成放大电 路。在各级间提供一种阻抗匹配/相位调节电路。 提供一个输入阻抗匹配电路，一个输出匹配电路和用 于电源的旁路电容。此外，提供一增益控制端和栅偏 端，用于设置JFET的工作点，由此，构成作为半导体 集成电路的完整的配置。

Description

本发明一般涉及半导体功率放大器集成电路，特别是它将引导出一种适合使用在手提式电话终端场所的半导体功率放大器集成电路。

目前，在例如移动电话，手提式电话等陆地移动通讯中，由于用户的增加，分派给该陆地移动通讯的现存频带对无线通讯已不够用。因此，已成功地开始选用了多种用于该陆地移动通讯的新的设备。这些新设备的共同点在于它们占用准微波频段（0.8-2GHZ），使用数字通讯。

目前，就例如可使用在该频段的一种单片式的微波集成电路（下面称作为MMIC）的微波集成电路而言，研究工作已经后延。由于可携带性主要在于非常重视终端装置，因此，必须要求用于该种陆地移动通讯的终端装置小型化。这样，用在该终端装置中的电气部分的集成已成为最重要的问题。

作为相关技术的一个例子，由在文章“Low-Power-voltoge  operated  power  Amplification  Modwle”（National  Conference  of  the  Institute  of  Electronicl，Information  and  Connunication  Engineers  of  Japan，Spring  1993，paper  C-83）中宣称的一种半导体功率放大器集成电路所提供。

该半导体功率放大器集成电路使用金属-半导体场效应晶体管（以下简称MESFET），并且按单片微波集成电路（MMIC）的方式集成，相当于一个驱动级，但最后一级是作为外部分的外部提供的。

作为相关技术的另一例子，如在“Cillulor  Teld  communi  cation  GaAs  Power  Module”（the  Applied  Micro-weve，Fall，1992，pp.83-88）中公开的这样一种半导体功率放大器集成电路。

这种半导体功率放大器集成电路使用MES  FETS和它的输入输出匹配电路是由一种分布常数电路所构成。

而且，连接到每一个MES  FETS的电路阻抗分别设置在每一个MES  FET的标准部位。

由于上述一般的半导体功率放大器集成电路使用MEs  FET，而每一个MES  FET要求一个负电压作为其栅压，所以这些电路的主要问题在于当这种半导体功率放大器集成电路应用到电话终端装置时，必须使用负压电源。

而且，由于连接到各个MES  FET的电路阻抗要求设置在该MES  FET的标准部位，因此，当设计足够大的放大器的放大系数时，设计电路配置的自由度将受到限制。

由于这个原因，为了在这种一般的放大器中获得必要的放大系数，FET的数量将要增加，然而这将增加功率损耗。因此，将这样一种一般的放大器应用到要求低功率损耗的设备，例如应用到手提式电话终端装置那是存在困难的。

本发明的目的在于提供一种半导体功率放大器集成电路，在该电路中，相关技术中遭遇到的上述不足的缺点能够加以克服。

本发明更为具体的一个目的在于提供这样一种半导体功率放大器集成电路，它仅使用正压电源而不需要负压电源，它使用数量不大的、尺寸小的、功耗低和输出大的场效应晶体管（FETS）。

作为本发明的一个方面，一种半导体功率放大器集成电路包括含有一双栅结场效应晶体管的第一放大级，该双栅结场效应晶体管的第一栅极通过一输入匹配电路连接到一个信号输入端，其第二栅极通过一个第一电阻元件连接到一个控制端，其源极接地，其漏电极通过第一电感元件耦合连接到电源一端，并且还结连接到第一耦合电容元件的一端;包括含有一第一结型场效应晶体管的第二放大级，该第一结型场效应晶体管具有连接到该第一电容元件另一端的栅极，源极接地，漏极通过一第二电感元件速接到电源端，并连接到第二电容元件的一端;包括含有一第二结型场效应晶体管的第三放大级，该第二结型场效应品体管的栅极连接到该第二电容元件的另一端，17元极接地，漏极通过一输出阻抗匹配电路连接到输出端，第一栅偏端通过第二电阻元件连接到该双栅结场效应晶体管的第一栅极，并且还通过第三电阻元件连接到第一结型场效应晶体管的栅极，同时第二栅偏端通过第四电阻元件连接到第二结型场效应晶体管的栅极。

按本发明的一种半导体功率放大器集成电路使用结型GaA（GaAJFET，以下只称作JFEF），它按多级方式连接成放大器电路，并且操作时也连接到一个正压电源。

各放大级彼此通过级间耦合电容连接在一起，以便借助于-DC电流独立地控制各级，一相位-调整/阻抗匹配电路用于调整信号的相位，以阻止任何振荡产生。

结果，即使当该每一放大级的JFET被选择具备有大的放大系数时，该放大器电路仍能稳定地工作，因此，每级的放大系数可以增加，这样，必要的放大级数可以减少。

因此，该集成电路尺寸能够做得小，能耗也低。

按本发明的这种半导体功率放大器集成电路备有一个输入阻抗匹配电路和输出阻抗匹配电路，用于简便地同其他电路相连接。

旁路电容连接到电源端，以便消除由于集成电路上的抽出引线的杂散电容的影响。结果，集成电路和电源内的连接简便，并且该集成电路适合于批量生产。

具有第一和第二栅极的一双栅结型GaAs  FET用作前级放大。施加到该第二栅极的电压通过外部抽出的一个控制端加以控制，以便实现按本发明的半导体功率放大器集成电路的增益控制。

提供用来确定每一个放大级的JFET的工作点的栅偏端，以便使工作点由外部进行控制。更具体地，最好提供多个这种栅偏端，使前级工作在具有良好线性的A类放大器状态，而后级工作在AB类放大器状态。

本发明上述的和其他目的、特点、优点，当结合附图理解时，根据以下实施例的详细说明将成为显见的。

图1是表示按本发明-实施例的半导体功率放大器集成电路的示意电路图;

图2是表示加到按本发明实施例的半导体功率放大器集成电路一个控制端的控制电压和增益之间的关系的特性图;以及

图3是表示按本发明实施例的半导体功率放大器集成电路的输入/输出特性的特性图。

现在，参照图1-3，描述按本发明实施例的一种半导体功率放大器集成电路。图1表示按本发明实施例的该半导体功率放大器集成电路的电路图。

参照图1，每一个结型GaAs  FET  8，11和12工作在所谓增强型模式，在该模式中，当栅压为零时，无漏电流流通，当栅压增加，沟道电荷增加，结果使漏电流增加。

此外，在图1中，如电阻，电容和电感这样一些电路元件都形成在一个集成电路中。根据下列说明，这些元件分别表示成电阻元件，电容元件和电感元件。

在图1中，由电容元件1和2，电感元件3和电阻元件4形成的一个电路为输入阻抗匹配电路，在该电路中，如表明的那样，电容元件1和2串接，而电感3连接在地和电容元件1和2的结点之间。电容元件1的自由端连接到信号输入端22，而电容元件2的自由端连接到电阻元件4的一端。作为输入阻抗匹配电路输出端的该电阻元件4的另一端连接到双栅结型GaAs  FET  8的第一栅极。

形成第一放大级的该双栅结型GaAs  FET  8具有第二栅极，来自控制端23的一个控制电压通过电阻元件5施加到该第二栅极。该FET8具有接地的源极，而漏极通过电感6连接到电源端24。

该FET  8的漏极还通过电容元件7连接到构成第二放大级的JFET11的栅极。该JFET12具有接地的源极，而漏极通过电感9连接到电源端24。

该JFET还通过电容元件10连接到构成第三放大级的JFET12的栅极。该JFET12具有接地的源极而漏极通过电感元件13连接到电源端24。

JFET12的漏极也连接到由电感元件13，电容元件14，以及电感元件15构成的输出阻抗匹配电路。如说明的那样，更具体地，该输出阻抗匹配电路具有连接到该JFET12的漏极的输入点，电感元件13连接在该输入点和电源端24之间，电容元件14连接在该输入点和输出端25之间，而电感元件15连接在该输出端25和地之间。

构成第一放大级的双栅JFET8的第一栅极和构成第二放大级的JFET11的栅极分别通过电阻元件16和17连接到第一栅偏端26。构成第三放大级的JFET12的栅极通过电阻元件18连接到第二栅偏端27。

由电容元件28和电阻元件29组成的串联电路连接在JFET11的栅极和地之间，而由电容元件30和电阻元件31组成的串联电路连接在JFET12的栅极和地之间。这些串联电路在放大级间起阻抗匹配作用，具体地说，它们将调整信号的相位，以阻止振荡发生。

电容元件19、20和21分别连接在地和在不同放大级中连接到JFETs栅极的电感元件6、9和13的电源连接点之间。这些电容元件19-21对于按本发明实施例的集成电路的电源抽头导线起旁路电容作用。

下面将描述图1所示电路的工作。首先，打开电源，电源电压加到电源端24。该电源电压例如是+3V。

偏压分别加到第一和第二栅偏端26和27。这些加到第一和第二栅偏端26和27的偏压，例如，分别是0.5V和0.3V。

控制电压加到控制端23。如以下将说明的，按实施例的功率放大电路的增益能借助该控制电压加以改变。

施加到输入端22的信号通过第一到第三放大级进行放大，之后输出到输出端25。在这种情况下，第一和第二放大级的JFET工作在A类放大器状态，而第三放大级的JFET工作在AB类放大器状态。

图2表示施加到控制端23的控制电压和图1中JFET8增益间的关系。如图2表明的那样，该增益在控制电压增到约0.5V以前是急剧变化或增加的，而在控制电压超过0.5V左右是慢慢变化或增加的。

图3表示本发明实施例的半导体功率放大器集成电路输入/输出特性的一个例子。如用图解说明的那样，当输入功率从-25dBm到-10dBm增加时，该集成电路的输出功率基本呈线性增加。在该实施例中，如图3表明的那样，使用3V电池，将得到增益受抑制的21dBm输出。

本实施例的半导体功率放大器集成电路具有这样一个优点，即由于该集成电路使用GaAs（germanium/arsenic）JFET，该电路只用一个正压电源就能工作，而不需要予备负压电源。

该集成电路的整个尺寸能做得小，这是由于作为输入或输出阻抗匹配电路或其他同类电路等的匹配电路都使用集总常数电路，进而消除了需要任何同外界连接的部分。

在作为实施例的上述电路中。备有输入阻抗匹配电路，该阻抗匹配电路由连接在JFET11的栅极和地之间的电容元件28和电阻元件29构成，以及该阻抗匹配电路由连接在JFET12栅极和地之间的电容元件30和电阻元件31构成。因此，即使是在各种阻抗电路连接到JFET的情况下，各个JFET仍能稳定地工作。其结果，JFET之间的匹配不能限制在稳定性方面，这将导致具有足够大的放大系数的一个放大器能够用更少的JFET来得到。

电容元件19、20和21的作用是能降低电源的阻抗到这样一种程度，以致于能够忽略连接导线的影响，以及在集成电路的稳定工作方面起到重要作用。

如果不提供这些电容元件，阻抗调节不得不由从图1的半导体功率放大器集成电路抽出的引线来完成，这将导致由于麻烦的阻抗调节而使该集成电路不适用批量生产。

按本发明的半导体功率放大器集成电路仅用一个匹压电源即能工作，因为它使用GaAs  JFET，结果，不需要备用负压电源。

此外，在本发明中，由于阻抗匹配电路使用集总常数电路，以及集成电路能设计成不需要任何同外界连接的部分，所以该集成电路的整个尺寸能做得小。

再者，为稳定该集成电路的工作，为每一放大级提供阻抗匹配电路。这样，即使是在各放大级的结型GaAs  JFET选择具有大的放大系数的情况下，该电路仍能稳定地工作。为此能减少需要的GaAs、TFET的数量，而且耗能量也能降低。

当按本发明的该半导体功率放大器集成电路应用到手提式电话机时，上述优点将是特别有效益的。

当参照附图描述了发明的最佳实施例之后，即可理解到本发明并不局限于拘泥的实施例，而且就技术人员而言，在不脱离由附加权利要求所确定的发明新概念的精神和范围的条件下，各种变化和改进都是有效的。

Claims (6)

1、一种半导体功率放大器集成电路，包括：

第一放大级，它包括一个双栅结型场效应晶体管，所说双栅结型场效应晶体管具有通过一输入阻抗匹配电路连接到信号输入端的第一栅极，具有通过第一电阻元件连接到一控制端的第二栅极，源极接地，漏极通过耦合用第一电感元件连接到电源端，并且还连接到第一耦合电容元件的一端；

第二放大级，它包括一个第一结型场效应晶体管，所说第一结场效应晶体管具有连接到所说第一电容元件另一端的一个栅极，源极接地，漏极通过第二电感元件连接到所说电源端，并且还连接到耦合用第二电容元件的一端；

第三放大级，它包括一个第二结型场效应晶体管，所说第二结型场效应晶体管具有连接到所说第二电容元件另一端的一个栅极，源极接地，漏极通过输出阻抗匹配电路连接到一个输出端；

第一栅偏端，通过一第二电阻元件它连接到所说双栅结型场效应晶体管的所说第一栅极，而且还通过一第三电阻元件连接到所说第一结型场效应晶体管的所说栅极；以及

第二栅偏端，它通过第4电阻元件连接到所说第二结型场效应晶体管的所说栅极。

2、按权利要求1的一种半导体功率放大器集成电路，其中所说输入阻抗匹配电路是由将其一端连接到信号输入端的第三电容元件，将其一端连接到所说第三电容元件另一端的第四电容元件，连接在地和所说第三和第四电容元件连接点之间的第三电感元件，以及将其一端连接到所说第四电容元件另一端，同时还将该另一端连接到所说双栅结型场效应晶体管的所说第一栅极的第五电阻元件构成。

3、按权利要求1的一种半导体功率放大器集成电路，其中每个都是由一个电阻元件和一个电容元件相串联而构成的两个阻抗匹配电路分别提供在地和所说第一和第二结型场效应晶体管的栅极之间。

4、按权利要求1的一种半导体功率放大器集成电路，其中所说输出阻抗匹配电路是由连接在所说电源端和构成所说第三放大级的所说第二结型场效应晶体管的所说漏极之间的第四电感元件、连接在所说第二结型场效应晶体管的所说漏极和所说输出端之间的第五电容元件、以及连接在所说输出端和地之间的第五电感元件构成。

5、按权利要求1的一种半导体功率放大器集成电路，其中旁路电容元件分别连接在地和电感元件的电源端之间，该电感元件连接在所说电源端和所说结型场效应晶体管的漏极之间。

6、按权利要求1的一种半导体功率放大器集成电路，其中调节-偏压电路，使构成所说第一到第三放大级的所说结型场效应晶体管按增强方式工作。

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