CN110518883A - 功率放大电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种使输出信号的相位的线性提高的功率放大电路。功率放大电路具备：第一晶体管，将第一信号放大并输出第二信号；第二晶体管，将第二信号放大并输出第三信号；偏置电路，对第二晶体管的基极供给偏置电流；以及偏置调整电路，通过对第一信号进行检波，从而调整偏置电路供给的偏置电流，偏置调整电路通过从偏置电路提取大小与第一信号的大小相应的电流，从而控制对第二晶体管的基极供给的偏置电流，第一信号的大小越大，电流越大。

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
在便携式电话等移动通信终端中，使用了将向基站发送的RF(Radio Frequency；射频)信号放大的功率放大电路。功率放大电路具备将RF信号放大的晶体管和对晶体管供给偏置电流的偏置电路。例如，在专利文献1记载了将输入信号RFin放大的双极晶体管TrRF1、将被双极晶体管TrRF1放大的放大信号RFout1放大的双极晶体管TrRF2、以及对双极晶体管TrRF2的基极供给偏置电流的偏置电路200D。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2017-92526号公报
然而，若功率放大电路的输出功率上升，则输出信号的相位基于晶体管的特性而变化，有时相位的线性会劣化。
发明内容
发明要解决的课题
本发明是鉴于这样的情形而完成的，其目的在于，提供一种使输出信号的相位的线性提高的功率放大电路。
用于解决课题的技术方案
为了达成这样的目的，本发明的一个方面涉及的功率放大电路具备：第一晶体管，将第一信号放大并输出第二信号；第二晶体管，将第二信号放大并输出第三信号；偏置电路，对第二晶体管的基极供给偏置电流；以及偏置调整电路，通过对第一信号进行检波，从而调整偏置电路供给的偏置电流，偏置调整电路通过从偏置电路提取大小与第一信号的大小相应的电流，从而控制对第二晶体管的基极供给的偏置电流，第一信号的大小越大，电流越大。
发明效果
根据本发明，能够提供使输出信号的相位的线性提高的功率放大电路。
附图说明
图1是示出本发明的第一实施方式涉及的功率放大电路的结构的概要的图。
图2是示出本发明的第一实施方式涉及的功率放大电路的结构例的图。
图3是示出第一实施方式涉及的功率放大电路中的输出功率与第三晶体管的基极电压的关系的图。
图4是示出第一实施方式涉及的功率放大电路的输出信号的功率与相位的关系的图。
图5是示出本发明的第一实施方式涉及的功率放大电路的变形例的结构例的图。
图6是示出本发明的第一实施方式涉及的功率放大电路的另一个变形例的结构例的图。
图7是示出本发明的第一实施方式涉及的功率放大电路的又一个变形例的结构例的图。
附图标记说明
100、100A、100B：功率放大电路，110、111：放大器，120：偏置电路，130、131：匹配电路，140：偏置调整电路，141：滤波器电路，C1～C8：电容器，Q1～Q10：晶体管，R1～R10：电阻元件，L1～L3：电感器。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。另外，对于同一要素标注同一附图标记，并省略重复的说明。
(1)整体结构
图1是示出本发明的第一实施方式涉及的功率放大电路的结构的概要的图。图1所示的功率放大电路100例如搭载于便携式电话等移动体通信机，是将无线频率(RF：RadioFrequency；射频)信号的功率放大至发送到基站所需的电平的电路。功率放大电路100例如将2G(第二代移动通信系统)、3G(第三代移动通信系统)、4G(第四代移动通信系统)、5G(第五代移动通信系统)、LTE(Long Term Evolution；长期演进)-FDD(Frequency DivisionDuplex；频分双工)、LTE-TDD(Time Division Duplex；时分双工)、LTE-Advanced、或LTE-Advanced Pro等通信标准的发送信号放大。RF信号的频率例如为几百MHz～几十GHz左右。另外，功率放大电路100进行放大的信号的通信标准以及频率并不限于这些。
具体地，功率放大电路100例如具备放大器110、111、偏置电路120、121、匹配电路130、131、偏置调整电路140以及电容器C1、C2。
放大器110、111分别将输入的RF信号放大并输出。即，功率放大电路100经两个阶段将功率放大。具体地，初级(驱动级)的放大器110将从输入端子经由匹配电路130输入的RF信号RF1(第一信号)放大，并输出RF信号RF2(第二信号)。后级(功率级)的放大器111将从放大器110供给的RF信号RF2(第二信号)放大，并输出RF信号RF3(第三信号)。放大器110、111分别由例如由GaAs等构成的化合物半导体的异质结双极晶体管(HBT：HeterojunctionBipolar Transistor)等双极晶体管构成。另外，关于放大器110、111以及后述的偏置电路121，并不限于双极晶体管，也可以使用场效应晶体管(FET)。
偏置电路120、121分别对放大器110、111供给偏置电流或偏置电压。另外，偏置电路120、121也可以通过调整偏置电流或偏置电压，从而控制放大器110、111的增益。
匹配电路(MN：Matching Network；匹配网络)130使设置在前级的电路(未图示)与放大器110的阻抗匹配。匹配电路131使放大器111与设置在后级的电路(未图示)的阻抗匹配。另外，虽然在图1中进行了省略，但是在功率放大电路100中，也可以在放大器110与放大器111之间设置有级间匹配电路。
偏置调整电路140是如下的电路，即，通过对从RF信号RF1分配的RF输入进行检波，从而调整偏置电路121对放大器111供给的偏置电流或偏置电压。在功率放大电路100的输出功率比较大的情况下，偏置调整电路140用于改善功率放大电路100的输出信号的相位的线性。即，在功率放大电路中，一般来说，根据晶体管的性能，若输出功率超过某个电平，则输出信号的相位的变化有可能变大。为了应对该问题，在功率放大电路100中，从偏置电路121提取与RF信号RF1的大小相应的电流，对从偏置电路121供给到放大器111的偏置电流进行控制，由此控制输出信号的相位。
电容器C1、C2分别设置在放大器110、111的输入。电容器C1、C2是阻断RF信号包含的直流分量并使交流分量通过的DC隔离用电容器。
(2)各部分的结构
图2是示出本发明的第一实施方式涉及的功率放大电路100A的结构例的图。图2所示的功率放大电路100A特别示出图1所示的功率放大电路100中的偏置电路121以及偏置调整电路140的具体的结构。
(2-1)放大器
放大器110、111分别包含晶体管Q1、Q2。晶体管Q1(第一晶体管)在集电极经由电感器L1被供给电源电压Vcc，在基极被供给RF信号RF1以及偏置电流，发射极与接地连接。由此，晶体管Q1从集电极输出将RF信号RF1进行了放大的RF信号RF2。晶体管Q2(第二晶体管)在集电极经由电感器L2被供给电源电压Vcc，在基极被供给RF信号RF2以及偏置电流，发射极与接地连接。由此，晶体管Q2从集电极输出将RF信号RF2进行了放大的RF信号RF3。
电感器L1、L2分别在一端被供给电源电压Vcc，另一端与晶体管Q1、Q2的集电极连接。电感器L1、L2分别是用于抑制交流分量漏出到电源电压Vcc侧的扼流电感器。
(2-2)偏置电路
偏置电路121例如包含晶体管Q3～Q5以及电阻元件R1～R3。另外，初级的偏置电路120的结构能够设为与后级的偏置电路121的结构相同，因此省略详细的说明。另外，偏置电路120、121的结构是一个例子，也可以是电流反射镜型的结构的偏置电路、其它结构的偏置电路。
晶体管Q3(第三晶体管)在集电极被供给电池电压Vbatt，基极与晶体管Q4的基极连接，发射极经由电阻元件R1与晶体管Q2的基极连接。此外，如后所述，晶体管Q3的基极与偏置调整电路140连接。另外，对于晶体管Q3的集电极，并不限制于电池电压Vbatt，只要供给所希望的电压即可。
晶体管Q4的集电极和基极被连接(以后，称为“二极管连接”。)，在集电极经由电阻元件R2(第一电阻元件)被供给偏置控制电压VB，发射极与晶体管Q5的集电极连接。晶体管Q5进行二极管连接，集电极与晶体管Q4的发射极连接，发射极经由电阻元件R3与接地连接。由此，在晶体管Q4的集电极生成给定电平的电压(例如，2.7V左右)。另外，晶体管Q4、Q5分别可以代替晶体管而由二极管构成。在该情况下，只要将集电极(或基极)以及发射极分别读作阳极以及阴极即可。在以下说明的进行了二极管连接的晶体管中也是同样的。
电阻元件R1的一端与晶体管Q3的发射极连接，另一端与晶体管Q2的基极连接。电阻元件R1抑制晶体管Q2的、特别是伴随着局部的温度上升的偏置电流的增加。电阻元件R2在一端被供给偏置控制电压VB，另一端与晶体管Q4的集电极连接。电阻元件R3的一端与晶体管Q5的发射极连接，另一端与接地连接。
通过上述的结构，晶体管Q3从发射极对晶体管Q2的基极供给偏置电流。另外，偏置电路121也可以不具备电阻元件R1～R3。
(2-3)偏置调整电路
偏置调整电路140包含晶体管Q6、Q7、以及电容器C3。
晶体管Q6(第四晶体管)进行二极管连接，构成第一二极管。晶体管Q6的集电极经由电容器C3与RF信号RF1向晶体管Q1的供给路径侧连接，基极与晶体管Q7的发射极连接，发射极与接地连接。
电容器C3的一端与RF信号RF1向晶体管Q1的供给路径连接，另一端与晶体管Q6的集电极连接。电容器C3防止晶体管Q6的集电极的直流分量供给到RF信号RF1向晶体管Q1的供给路径。
晶体管Q7(第五晶体管)进行二极管连接，构成第二二极管。晶体管Q7的集电极与偏置电路121的晶体管Q3以及Q4的基极连接。晶体管Q7的发射极与晶体管Q6的基极以及集电极连接。晶体管Q7为了防止从偏置电路121流到晶体管Q6的电流的逆流而设置。因此，晶体管Q7无需为晶体管，也可以是二极管。
晶体管Q6以及Q7可以形成在同一半导体基板上。在此，形成晶体管Q6以及Q7的晶体管的发射极的尺寸越小，后述的功率放大电路100A对输出信号的相位的线性改善效果越高。形成晶体管Q6以及Q7的晶体管的发射极的尺寸例如可以为2×2μm，也可以小于2×2μm。
(3)工作原理
接下来，参照图2～5对功率放大电路100A的工作原理进行说明。
将从RF信号RF1向晶体管Q1的供给路径侧向晶体管Q6的集电极流入的平均电流设为I1。将从晶体管Q7的发射极向晶体管Q6的集电极流入的平均电流设为I2。在从偏置控制电压VB的供给电源经由电阻元件R2从晶体管Q4的集电极流到基极的电流之中，一部分成为晶体管Q3的基极电流，另一部分流向偏置调整电路140。该另一部分的电流成为上述的平均电流I2。此外，将从晶体管Q6的发射极流出的平均电流设为I3。此时，I3＝I1+I2。
在RF信号RF1的电压值为给定的阈值以上时，作为第一二极管的晶体管Q6导通，流过集电极-发射极间电流。RF信号RF1的电压值越大，该集电极-发射极间电流的电流值变得越大。因此，若RF信号RF1的功率电平变大，则从晶体管Q6的发射极(第一二极管的阴极)流出的平均电流I3变大。此时，与平均电流I3的增加相应地，平均电流I1增加，但是平均电流I3的增加量中的不能由平均电流I1的增加量提供的量将由从偏置电路121提取的平均电流I2来提供。因此，若RF信号RF1的功率电平变大，则从偏置电路121提取的平均电流I2增加。因此，伴随着平均电流I2的增加，从偏置控制电压VB流到晶体管Q4的基极的平均电流增加。由此，若输出功率增加，则电阻元件R2中的电压降变大，晶体管Q3的基极电压Vef减少。
图3是示出第一实施方式涉及的功率放大电路中的输出功率与第三晶体管的基极电压的关系的图。在图3中，横轴示出功率放大电路100A的输出功率(dBm)，纵轴示出晶体管Q3的基极电压Vef(V)。在图3中，附图标记100A示出功率放大电路100A，附图标记1000示出比较例的功率放大电路1000。在此，比较例的功率放大电路1000设为不具备偏置调整电路140，且RF信号RF1向放大器110的供给路径和偏置电路121未被连接，设比较例的功率放大电路1000的其它结构是与功率放大电路100A同样的结构。
如图3所示，在比较例的功率放大电路1000中，与输出功率的大小无关，晶体管Q3的基极电压Vef为大约2.6V，示出大致恒定的值。相对于此，在第一实施方式涉及的功率放大电路100A中，虽然输出功率小的区域中的基极电压Vef示出大约2.6V左右的值，但是伴随着输出功率的增加，基极电压Vef减少，在输出功率大的区域中，基极电压Vef伴随着输出功率的增加而减少的比例增加。像这样，在功率放大电路100A中，若输出功率的电平增加，则偏置调整电路140从偏置电路121提取的平均电流I2增加，因此晶体管Q3的基极电压Vef减少。
图4是示出第一实施方式涉及的功率放大电路的输出信号的功率与相位的关系的图。在图4中，横轴示出功率放大电路100A的输出信号的功率(dBm)，纵轴示出输出信号的相位(电阻元件RF3的输出节点处的相位的绝对值)(度)。在图4中，附图标记100A示出功率放大电路100A，附图标记1000示出比较例的功率放大电路1000。
如图4所示，在比较例的功率放大电路1000中，随着输出功率增加，输出信号的相位逐渐减少，特别是在输出功率为大约28dBm以上的区域中，输出信号的相位急剧减少。相对于此，在第一实施方式涉及的功率放大电路100A中，虽然输出信号的相位随着输出功率增加而逐渐增加，但是在大约28dBm的输出功率附近，输出信号的相位取极大值，若输出功率进一步增加，则输出信号的相位逐渐减少。而且，大约32dBm的输出功率附近的输出信号的相位与输出功率低的区域(输出功率为大约10～20dBm的范围)中的输出信号的相位大致相等。因此，可以说在功率放大电路100A中，输出信号的相位的线性得到了改善。
(4)变形例
图5是示出本发明的第一实施方式涉及的功率放大电路的变形例的结构例的图。以下，对作为变形例的功率放大电路100B中的、与上述的功率放大电路100A不同的结构进行说明，对于与功率放大电路100A同样的结构，适当地省略说明。
如图5所示，功率放大电路100B具备的偏置调整电路140具备滤波器电路141。滤波器电路141包含电容器C4(第一电容器)以及电阻元件R4(第二电阻元件)。电容器C4的一端与晶体管Q6的基极连接，另一端被接地。电阻元件R4的一端与晶体管Q6的基极以及电容器C4的一端连接，电阻元件R4的另一端与晶体管Q7的发射极连接。
在功率放大电路100B中，通过滤波器电路141降低RF信号RF1包含的噪声，传递到偏置电路121的噪声减少。特别是，在第一二极管由进行了二极管连接的晶体管(例如，晶体管Q6)构成的情况下，该噪声的降低效果变高。
图6是示出本发明的第一实施方式涉及的功率放大电路的另一个变形例的结构例的图。以下，对作为变形例的功率放大电路100C中的、与上述的功率放大电路100A不同的结构进行说明，对于与功率放大电路100A同样的结构，适当地省略说明。
如图6所示，功率放大电路100C的偏置电路122具备晶体管Q3、Q8、Q9、电阻元件R1、R2、R5、R6、R7、电容器C5、C6、以及二极管D1。在偏置电路122中，与偏置电路121同样地，在对放大级晶体管Q2的基极供给偏置电流以及偏置电压的发射极跟随器晶体管Q3的基极端子连接有向偏置调整电路140的电流供给线，这一点是相同的。然而，在偏置电路122中，与偏置控制电压VB端子的电阻元件R2连接的晶体管级数从两级变更为一级。
图7是示出本发明的第一实施方式涉及的功率放大电路的又一个变形例的结构例的图。以下，进一步对作为变形例的功率放大电路100D中的、与上述的功率放大电路100A不同的结构进行说明，对于与功率放大电路100A同样的结构，适当地省略说明。
如图7所示，功率放大电路100D的偏置电路123具备晶体管Q3、Q10、电阻元件R1、R2、R10、电容器C5、C6、C7、C8、电感器L3。在偏置电路123中，与偏置电路121同样地，在对放大级晶体管Q2的基极供给偏置电流以及偏置电压的发射极跟随器晶体管Q3的基极端子连接有向偏置调整电路140的电流供给线，这一点是相同的。然而，偏置电路123与偏置电路121的不同点在于，是否连接了并联电容(电容器)，在向电阻元件R1的供给偏置线采用了LC滤波器(电容器C8以及电感器L3)，等。
以上，对本发明涉及的实施方式进行了说明。第一实施方式涉及的功率放大电路具备：第一晶体管，将第一信号放大并输出第二信号；第二晶体管，将第二信号放大并输出第三信号；偏置电路，对第二晶体管的基极供给偏置电流；以及偏置调整电路，通过对第一信号进行检波，从而调整偏置电路供给的偏置电流，偏置调整电路通过从偏置电路提取大小与第一信号的大小相应的电流，从而控制对第二晶体管的基极供给的偏置电流，第一信号的大小越大，电流越大。
由此，随着功率放大电路的输出功率增加，从偏置电路提取与该输出功率的大小相应的电流。因此，功率放大电路的输出信号的相位的线性提高。
此外，在第一实施方式涉及的功率放大电路中，偏置电路也可以包含从发射极输出偏置电流的第三晶体管。
由此，输出信号的相位的线性提高。
此外，在第一实施方式涉及的功率放大电路中，偏置调整电路也可以包含第一二极管，该第一二极管的阳极与第一信号向第一晶体管的供给路径侧以及第三晶体管的基极侧连接，且阴极与接地侧连接。
由此，输出信号的相位的线性提高。
此外，在第一实施方式涉及的功率放大电路中，第一二极管也可以是第四晶体管，该第四晶体管的集电极与第一信号向第一晶体管的供给路径侧连接，基极与第三晶体管的基极侧连接，发射极与接地侧连接，且该第四晶体管进行了二极管连接。
由此，输出信号的相位的线性提高。
此外，在第一实施方式涉及的功率放大电路中，偏置调整电路也可以还包含第二二极管，该第二二极管的阳极与第三晶体管的基极连接，且阴极与第一二极管的阳极连接。
由此，输出信号的相位的线性提高。
此外，在第一实施方式涉及的功率放大电路中，第二二极管也可以是第五晶体管，该第五晶体管的集电极与第三晶体管的基极连接，发射极与第一二极管的阳极连接，且该第五晶体管进行了二极管连接。
由此，输出信号的相位的线性提高。
此外，在第一实施方式涉及的功率放大电路中，偏置调整电路也可以还包含滤波器电路，该滤波器电路的一端与第一二极管的阳极连接，且另一端与第三晶体管的基极侧连接。
由此，可降低向功率放大电路的输入信号中的、经由偏置调整电路传递到偏置电路的噪声。因此，精度更高，输出信号的相位的线性提高。
此外，在第一实施方式涉及的功率放大电路中，滤波器电路也可以包含：第一电容器，一端与第一二极管的阳极连接，且另一端被接地；以及第二电阻元件，一端与第一二极管的阳极以及第一电容器的一端连接，且另一端与第三晶体管的基极侧连接。
由此，精度更高，输出信号的相位的线性提高。
此外，在第一实施方式涉及的功率放大电路中，也可以是，第一信号的大小越大，电流越大。
由此，输出信号的相位的线性提高。
以上说明的各实施方式用于使本发明容易理解，并非用于对本发明进行限定解释。本发明能够在不脱离其主旨的情况下进行变更或改良，并且本发明还包含其等价物。即，本领域技术人员对各实施方式适当地施加了设计变更的实施方式，只要具备本发明的特征，也包含于本发明的范围。例如，各实施方式具备的各要素及其配置、材料、条件、形状、尺寸等并不限定于例示的各要素及其配置、材料、条件、形状、尺寸等，能够适当地进行变更。此外，只要在技术上可行，各实施方式具备的各要素就能够进行组合，将它们进行了组合的实施方式，只要包含本发明的特征，也包含于本发明的范围。

Claims (8)

1.一种功率放大电路，具备：
第一晶体管，将第一信号放大并输出第二信号；
第二晶体管，将所述第二信号放大并输出第三信号；
偏置电路，对所述第二晶体管的基极供给偏置电流；以及
偏置调整电路，通过对所述第一信号进行检波，从而调整所述偏置电路供给的所述偏置电流，
所述偏置调整电路通过从所述偏置电路提取大小与所述第一信号的大小相应的电流，从而控制对所述第二晶体管的基极供给的所述偏置电流，
所述第一信号的大小越大，所述电流越大。
2.根据权利要求1所述的功率放大电路，其中，
所述偏置电路包含：
第一电阻元件，在一端被供给偏置控制电压；以及
第三晶体管，基极与所述第一电阻元件的另一端连接，从发射极输出所述偏置电流，
所述偏置调整电路从所述第三晶体管的基极提取大小与所述第一信号的大小相应的所述电流。
3.根据权利要求2所述的功率放大电路，其中，
所述偏置调整电路包含：第一二极管，阳极与所述第一信号向所述第一晶体管的供给路径侧以及所述第三晶体管的基极侧连接，且阴极与接地侧连接。
4.根据权利要求3所述的功率放大电路，其中，
所述第一二极管是第四晶体管，所述第四晶体管的集电极与所述第一信号向所述第一晶体管的供给路径侧连接，基极与所述第三晶体管的基极侧连接，发射极与接地侧连接，且所述第四晶体管进行了二极管连接。
5.根据权利要求3或4所述的功率放大电路，其中，
所述偏置调整电路还包含：第二二极管，阳极与所述第三晶体管的基极连接，且阴极与所述第一二极管的阳极连接。
6.根据权利要求5所述的功率放大电路，其中，
所述第二二极管是第五晶体管，所述第五晶体管的集电极与所述第三晶体管的基极连接，发射极与所述第一二极管的阳极连接，且所述第五晶体管进行了二极管连接。
7.根据权利要求3或4所述的功率放大电路，其中，
所述偏置调整电路还包含：滤波器电路，一端与所述第一二极管的阳极连接，且另一端与所述第三晶体管的基极侧连接。
8.根据权利要求7所述的功率放大电路，其中，
所述滤波器电路包含：
第一电容器，一端与第一二极管的阳极连接，且另一端被接地；以及
第二电阻元件，一端与所述第一二极管的阳极以及所述第一电容器的一端连接，且另一端与所述第三晶体管的基极侧连接。
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