CN111082754A - 功率放大电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种功率放大电路，能够抑制最大输出功率的下降。功率放大电路具备：第1晶体管，在基极或栅极被输入射频信号；第2晶体管，发射极与所述第1晶体管的集电极或漏极连接，在集电极被供给第1电压，从集电极输出对所述射频信号进行了放大的第1放大信号；和第3晶体管，向所述第2晶体管的基极供给偏置电压，在所述第3晶体管的集电极或漏极被供给第2电压，在所述第3晶体管的基极或栅极被供给与所述第1电压相应的第3电压，从所述第3晶体管的发射极或源极供给与所述第3电压相应的所述偏置电压。

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体通信设备中，为了对向基站发送的射频(RF：RadioFrequency)信号的功率进行放大而使用功率放大电路。
例如，在专利文献1记载了一种具备被共射共基(cascode)连接的基极接地级晶体管以及发射极接地级晶体管的功率放大电路。在该功率放大电路中，电源电压通过被串联连接的两个电阻元件以及一个二极管而被分压，与一个二极管以及一个电阻元件对应的量的电压作为基极接地级的基极电压而被供给。而且，若RF信号被供给至发射极接地级晶体管的基极，则从基极接地级晶体管的集电极输出放大信号。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：JP特开2017-225104号公报
但是，在上述功率放大电路中，若RF信号增加，则基极接地级晶体管的基极电流增加，基极电压下降。若基极电压下降，则发射极接地级晶体管的最大输出电流下降，功率放大电路整体的最大输出功率会下降。
发明内容
发明要解决的课题
因此，本发明的目的在于，提供一种能够抑制最大输出功率的下降的功率放大电路。
用于解决课题的手段
本发明的一个方式涉及的功率放大电路具备：第1晶体管，在基极或栅极被输入射频信号；第2晶体管，发射极与第1晶体管的集电极或漏极连接，在集电极被供给第1电压，从集电极输出对射频信号进行了放大的第1放大信号；和第3晶体管，向第2晶体管的基极供给偏置电压，在所述第3晶体管的集电极或漏极被供给第2电压，在第3晶体管的基极或栅极被供给与第1电压相应的第3电压，从第3晶体管的发射极或源极供给与第3电压相应的偏置电压。
根据该方式，能够经由第3晶体管的发射极或源极向作为基极接地级的第2晶体管的基极供给偏置电压。由此，即使在RF信号增加从而基极接地级晶体管的基极电流增加了的情况下，由于通过作为发射极跟随器晶体管或源极跟随器晶体管的第3晶体管来供给偏置电压，因此第2晶体管的基极电压也不下降。其结果是，可抑制功率放大电路的最大输出功率的下降。
发明效果
根据本发明，能够提供一种能抑制最大输出功率的下降的功率放大电路。
附图说明
图1是表示本发明的第1实施方式涉及的功率放大电路100的结构例的图。
图2是表示作为功率放大电路100的一例的功率放大电路100A中的电压输出电路120的结构例(电压输出电路120A)的图。
图3是表示功率放大电路100A的输出功率Pdout(dBm)与增益(dB)的关系的图。
图4是表示作为比较对象的功率放大电路1000的电压输出电路1200的结构例的图。
图5是表示作为功率放大电路100的一例的功率放大电路100B中的电压输出电路120的结构例(电压输出电路120B)的图。
图6是表示功率放大电路100A以及100B的电源电压Vcc(V)与供给至双极晶体管111的基极的偏置电压Vout1(V)的关系的图。
图7是表示应用了本发明的实施方式涉及的功率放大电路100的前端模块1的框图的概要的图。
附图标记说明
1…前端模块，10…功率放大器，11…开关，12…发送滤波器，20…低噪声放大器，21…开关，22…接收滤波器，30…双工器，40…开关，50…DC/DC转换器，100、100A、100B…功率放大电路，110、111、112、113、304、305…双极晶体管，120、120A、120B、121…电压输出电路，130、131…偏置电路，140、141、202…电容器，142、143…电感器，150、151、152…匹配电路，201、300、301、306…电阻元件，302、303、307、308、309…二极管，400…电压下降抑制电路。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式详细进行说明。另外，对相同的要素标注相同的附图标记，省略重复的说明。
图1是表示本发明的第1实施方式涉及的功率放大电路100的结构例的图。功率放大电路100例如在便携式电话等移动体通信设备中，对所输入的射频(RF：RadioFrequency)信号RFin进行放大，并输出放大信号RFout2。RF信号RFin的频率例如是数GHz程度。
如图1所示，功率放大电路100具备：双极晶体管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包含二级的放大器。初级(驱动级)的放大器包含双极晶体管110、111，后级(功率级)的放大器包含双极晶体管112、113。另外，在以下的说明中，也将两个双极晶体管110、111或双极晶体管112、113总称为放大器。驱动级对通过匹配电路150而输入的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而输入到功率级。功率级对放大信号RFout1进行放大，并通过匹配电路152而输出放大信号RFout2。
双极晶体管110(第1晶体管)是发射极接地级，与双极晶体管111(第2晶体管)一起构成共射共基连接。双极晶体管110的集电极与双极晶体管111的发射极连接，基极与电容器140的一端连接，发射极被接地。在双极晶体管110的基极被供给RF信号RFin以及从偏置电路130输出的偏置电流。
同样地，双极晶体管112(第1晶体管)是发射极接地级，与双极晶体管113(第2晶体管)一起构成共射共基连接。双极晶体管112的集电极与双极晶体管113的发射极连接，基极与电容器141的一端连接，发射极被接地。在双极晶体管112的基极被供给放大信号RFout1以及从偏置电路131输出的偏置电流。另外，双极晶体管110、112也可以分别按照从偏置电路130、131供给的偏置电流来控制增益特性。
双极晶体管111、113分别是基极接地级，与双极晶体管110、112共射共基连接。具体来说，双极晶体管111在集电极通过电感器142被供给电源电压Vcc1(第1电压)，基极与电压输出电路120连接，发射极与双极晶体管110的集电极连接。由此，从双极晶体管111的集电极输出被双极晶体管110以及111放大的放大信号RFout1。同样地，双极晶体管113在集电极通过电感器143被供给电源电压Vcc2，基极与电压输出电路121连接，发射极与双极晶体管112的集电极连接。由此，从双极晶体管113的集电极输出被双极晶体管112以及113放大的放大信号。
双极晶体管110以及双极晶体管111被共射共基连接，由此施加在各双极晶体管110、111的集电极-发射极间的电压成为电源电压Vcc1被分压后的电压。因此，与在双极晶体管110不连接双极晶体管111的结构相比，能够使电源电压Vcc1的电压值为大致2倍的高度。具体来说，例如，在双极晶体管110、111的集电极-发射极间的耐电压分别为6V程度的情况下，能够使电源电压Vcc1为12V程度。另外，关于功率级的双极晶体管112、113，与驱动级的双极晶体管110、111同样，因此省略详细的说明。
另外，关于双极晶体管111的尺寸，也可以使用比双极晶体管110小的尺寸。此外，被共射共基连接的双极晶体管的个数不限于两个，也可以是三个以上。在此情况下，在各双极晶体管的集电极-发射极间施加被分压为双极晶体管的个数份的电压，因此作为电源电压而容许的电压值的上限进一步上升。
电压输出电路120、121分别生成与电源电压Vcc1、Vcc2相应的偏置电压Vout1、输出电压Vout2，并供给至双极晶体管111、113的基极。由此，双极晶体管111、113的基极电压变得根据电源电压Vcc1、Vcc2的值而适应性地变动。因此，与上级的双极晶体管的基极电压被固定的结构相比，被共射共基连接的多个双极晶体管的集电极-发射极间电压被大致相等地分压。由此，与上级的双极晶体管的基极电压被固定的结构相比，能够进一步提高电源电压Vcc1、Vcc2。关于电压输出电路120、121的结构的详情在后面叙述。
偏置电路130、131分别生成偏置电流或电压，并向双极晶体管110、112的基极供给偏置电流或电压。
图2是表示作为功率放大电路100的一例的功率放大电路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2中，为了说明，仅示出功率放大电路100A所具备的结构之中的电压输出电路120A、双极晶体管110、111、电感器142以及匹配电路151。此外，对与功率放大电路100相同的要素标注相同的附图标记并省略说明。
电压输出电路120A具备电阻元件201、300、301、二极管302、303、双极晶体管304、以及电容器202。
双极晶体管304(第3晶体管)是发射极跟随器晶体管，在集电极被供给电源电压Vbat(第2电压)，发射极经由电阻元件201而与双极晶体管111连接。双极晶体管304从电源电压Vbat向集电极流入电流Ib，该电流Ib从发射极流出。
电阻元件300、301(第2电阻元件)、二极管302、303被串联连接，电阻元件300的一端与电源侧(电感器142的一端)连接，二极管303的阴极被接地。此外，电阻元件300和电阻元件301的连接点与双极晶体管304的基极连接。即，在双极晶体管304的基极被供给与电源电压Vcc1(第1电压)相应的电压(第3电压)。另外，二极管302、303也可以是将双极晶体管的基极与集电极连接而构成的进行了二极管连接的双极晶体管。
电阻元件R201是镇流电阻，一端与双极晶体管304的发射极连接，另一端与双极晶体管111的基极连接。发射极跟随器晶体管是低输出阻抗，因此存在基极接地级的双极晶体管111容易热失控的弊病。但是，通过作为镇流电阻的电阻元件R201能够抑制热失控。
电容器202是旁路电容，一端连接在电阻元件R201与双极晶体管111的基极之间，另一端被接地。通过作为镇流电阻的电阻元件R201能够抑制基极接地级的双极晶体管111的热失控，但作为其弊病，RF频率下的电压输出电路120A的输出阻抗增加，因此基极接地级的增益可能下降。但是，通过追加电容器202，从而能够降低RF频率下的电压输出电路120A的输出阻抗，能够抑制基极接地级的增益下降。
通过上述的结构，电源电压Vccl(第1电压)被电阻元件300、301、二极管302、303分压后的电压(第3电压)被供给至双极晶体管304的基极。然后，双极晶体管304的发射极经由电阻元件201而向双极晶体管111的基极供给与第3电压相应的偏置电压Vout1。通过以上，从电压输出电路120A向双极晶体管111的基极供给偏置电压Vout1。
使用图3，对功率放大电路100A的效果进行说明。图3是表示功率放大电路100A的输出功率Pdout(dBm)与增益(dB)的关系的图。在图3中，附图标记100A表示功率放大电路100A，附图标记1000表示作为比较对象的功率放大电路1000。
另外，作为比较对象的功率放大电路1000的电压输出电路1200具有图4所示的结构。即，电压输出电路1200不具备第1实施方式涉及的功率放大电路100所具备的双极晶体管304、电阻元件201、电容器202、和二极管303。除了电压输出电路1200之外的功率放大电路1000的其他结构与功率放大电路100A同样。
如图3所示，在输出功率小的区域中，功率放大电路100A以及作为比较例的功率放大电路1000的增益不太能看到差异。但是，在输出功率大的区域中，作为比较对象的功率放大电路1000的增益逐渐下降，相对于此，功率放大电路100A的增益变动小。即，在功率放大电路100A中，可以说抑制了最大输出功率的下降。
这基于以下那样的理由。即，在作为比较结果的功率放大电路1000中，若RF信号的功率增加，则从电源电压Vcc1流向双极晶体管111的电流Ice增加。于是，从电源电压Vcc1经由电阻元件300流向双极晶体管111的基极的电流也增加，因此电阻元件300中的电压下降增大，双极晶体管111的基极电压也下降。若双极晶体管111的基极电压下降，则作为发射极接地级的双极晶体管110的最大输出电流下降。通过以上，功率放大电路1000的最大输出功率也下降。
另一方面，在功率放大电路100A中，流向作为基极接地级的双极晶体管111的基极的电流Ib，是经由作为发射极跟随器晶体管的双极晶体管304从电源电压Vbat供给的。因此，即使RF信号的功率增加，从电源电压Vcc1流向电阻元件300、301以及二极管302、303的电流也不会大幅增加。因此，可抑制双极晶体管111的基极电压的下降。通过以上，还可抑制功率放大电路100的最大输出功率的下降。
图5是表示作为功率放大电路100的一例的功率放大电路100B中的电压输出电路120的结构例(电压输出电路120B)的图。在图5中，为了说明，仅示出功率放大电路100B所具备的结构之中的电压输出电路120B、双极晶体管110、111、电感器142、以及匹配电路151。此外，对与功率放大电路100相同的要素标注相同的附图标记并省略说明。
电压输出电路120B除了电压输出电路120A所具备的要素以外，还具备防止电压输出电路120A向双极晶体管111的基极供给的电压下降的电压下降抑制电路400。电压下降抑制电路400包含电阻元件306、二极管307、308、309、以及双极晶体管305。
电阻元件306、二极管307、308、309被串联连接，电阻元件306的一端与电源电压Vbat连接，二极管309的阴极被接地。此外，电阻元件306与二极管307的阳极的连接点连接于双极晶体管305(第4晶体管)的基极。在双极晶体管305的基极被供给电源电压Vbat(第2电压)被电阻元件306、二极管307、308、309分压后的电压(第4电压)。双极晶体管305在集电极被供给电源电压Vbat，发射极连接于电阻元件301与二极管302的连接点。
图6是表示功率放大电路100A以及100B的电源电压Vcc(V)和供给至双极晶体管111的基极的偏置电压Vout1(V)的关系的图。在图6中，附图标记100A表示功率放大电路100A，附图标记100B表示功率放大电路100B。
如图6所示，在功率放大电路100A中，随着电源电压Vcc变低，向双极晶体管111的基极供给的偏置电压Vout1逐渐不断下降，但若电源电压Vcc变得低于给定的电压(二极管302的导通电压与二极管303的导通电压之和)，则向基极供给的该偏置电压Vout1急剧地下降。这是基于如下的理由。即，在电源电压Vcc比该给定的电压高的情况下，二极管302、303处于导通状态，二极管302的阳极电压变得与该给定的电压大致相等。电源电压Vcc与该给定的电压之差被分配给电阻元件300、301，电阻元件300和301的中间节点的电压施加于双极晶体管304的基极，因此双极晶体管304的基极电压的变化相对于电源电压Vcc的变化变小，经由作为发射极跟随器的双极晶体管304以及电阻元件201而输出的Vout1的变化也变小。另一方面，在电源电压Vcc比该给定的电压低的情况下，二极管302、303处于截止状态，电源电压Vcc经由电阻元件300施加于双极晶体管304的基极，因此双极晶体管304的基极电压的变化相对于电源电压Vcc的变化变大，经由作为发射极跟随器的双极晶体管304以及电阻元件201而输出的Vout1的变化也变大。
另一方面，如图6所示，在功率放大电路100B中，随着电源电压Vcc变低，向双极晶体管111的基极供给的偏置电压Vout1逐渐不断下降。但是，与功率放大电路100A不同，在电源电压Vcc低的区域中，偏置电压Vout1不急剧地减少。这是基于如下的理由。即，在电源电压Vcc比该给定的电压高的情况下，与功率放大电路100A相同地，二极管302、303处于导通状态，二极管302的阳极电压变得与该给定的电压大致相等，因此Vout1的变化相对于电源电压Vcc的变化变小。另一方面，在电源电压Vcc比该给定的电压低的情况下，与功率放大电路100A不同，通过电压下降抑制电路400的作用，二极管302的阳极电压被维持得与该给定的电压大致相等。电源电压Vcc与该给定的电压之差被分配给电阻元件300、301，电阻元件300与301的中间节点的电压施加于双极晶体管304的基极，因此向双极晶体管304的基极供给的基极电压的变化相对于电源电压Vcc的变化变小，经由作为发射极跟随器的双极晶体管304以及电阻元件201而输出的偏置电压Vout1的变化也变小。
上述的功率放大电路100B所具有的效果，在根据功率的等级来控制电源电压Vcc的APT(Average Power Tracking，平均功率跟踪)方式、ET(Envelope Tracking，包络线跟踪)方式的动作中特别有效。
图7是表示应用了本发明的实施方式涉及的功率放大电路100的前端模块1的框图的概要的图。
前端模块1例如在便携式电话等移动体通信设备中，用于在与基站之间收发声音、数据等各种信号。前端模块1对应于射频(RF：RadioFrequency)的多个频带(多频段)。此外，前端模块1对应于3G(第3代移动通信系统)、4G(第4代移动通信系统)、5G(第5代移动通信系统)等多个通信方式(多模式)。另外，前端模块1所对应的通信方式不限于此。此外，前端模块1也可以对应于载波聚合。
前端模块1具有用于输入发送信号的端子TxIN、用于输出接收信号的端子RxOUT、和用于与天线连接的端子ANT。将端子TxIN和端子ANT连结的路径构成发送信号路径，将端子ANT和端子RxOUT连结的路径构成接收信号路径。
前端模块1例如具备功率放大器10、开关11、发送滤波器12、低噪声放大器20、开关21、接收滤波器22、双工器30、和开关40。功率放大器10例如从DC/DC转换器50被供给电力。
从端子TxIN供给的发送信号被供给至功率放大器10。功率放大器10具备本发明的实施方式涉及的功率放大电路100。功率放大器10通过功率放大电路100将从端子TxIN供给的发送信号的功率放大至为了发送到基站所需的等级，并向开关11输出放大后的发送信号。
开关11将从功率放大器10供给的发送信号选择性地供给至发送滤波器12或双工器30。发送滤波器12通过从发送信号去除杂散、频带外干扰波，从而使给定的频带的频率通过。通过了发送滤波器12的发送信号经由开关40从端子ANT向天线供给。天线将被供给的发送信号发送到基站等。
此外，天线从基站等接收接收信号，并将该接收信号供给至端子ANT。从端子ANT供给的接收信号被供给至开关40。开关40将从端子ANT供给的接收信号选择性地供给至接收滤波器22或双工器30。接收滤波器22通过从接收信号去除杂散、频带外干扰波，从而使给定的频带的频率通过。通过了接收滤波器22的接收信号经由开关21被供给至低噪声放大器20。开关21使低噪声放大器20选择性地与接收滤波器22或双工器30连接。低噪声放大器20对接收信号进行放大，并从端子RxOUT输出到未图示的RFIC等。
以上，对本发明的实施方式涉及的功率放大电路进行了说明。本发明的实施方式涉及的功率放大电路具备：第1晶体管，在基极或栅极被输入射频信号；第2晶体管，发射极与第1晶体管的集电极或漏极连接，在集电极被供给第1电压，从集电极输出对射频信号进行了放大的第1放大信号；和第3晶体管，向第2晶体管的基极供给偏置电压，在第3晶体管的集电极或漏极被供给第2电压，在第3晶体管的基极或栅极被供给与第1电压相应的第3电压，从第3晶体管的发射极或源极供给与第3电压相应的偏置电压。
由此，能够经由第3晶体管的发射极或源极向作为基极接地级的第2晶体管的基极供给偏置电压。由此，即使在RF信号增加从而基极接地级晶体管的基极电流增加了的情况下，由于通过作为发射极跟随器晶体管或源极跟随器晶体管的第3晶体管来供给偏置电压，因此第2晶体管的基极电压也不下降。其结果是，可抑制功率放大电路的最大输出功率的下降。
此外，上述功率放大电路也可以还具备：第1电阻元件，连接在第2晶体管的基极与第3晶体管的发射极或源极之间。
由此，由于第1电阻元件作为镇流电阻而发挥功能，因此可抑制功率放大电路的热失控。
此外，上述功率放大电路也可以还具备：电容器，一端连接在第2晶体管的基极与第3晶体管的发射极或源极之间，另一端被接地。
由此，能够通过镇流电阻来抑制第2晶体管的增益下降。
此外，上述功率放大电路也可以还具备：分压电路，对第1电压进行分压来生成第3电压。
由此，第2晶体管的偏置电压的控制变得容易。
此外，在上述功率放大电路中，分压电路也可以包含被串联连接的至少一个第2电阻元件或二极管。
由此，容易通过简易的结构来控制第2晶体管的偏置电压。
此外，在上述功率放大电路中，分压电路也可以包含被串联连接的两个二极管。
由此，容易通过简易的结构来控制第2晶体管的偏置电压。
此外，上述功率放大电路也可以还具备：抑制偏置电压的下降的电压下降抑制电路。
由此，能够抑制第2晶体管的偏置电压的下降。
此外，在上述功率放大电路中，也可以是，电压下降抑制电路包含第4晶体管，在第4晶体管的集电极或漏极被供给第2电压，在第4晶体管的基极或栅极被供给与第2电压相应的第4电压，第4晶体管的发射极或源极与分压电路连接。
由此，能够通过简易的结构来抑制第2晶体管的偏置电压的下降。
以上说明的实施方式用于使本发明的理解变得容易，并非用于限定和解释本发明。实施方式所具备的各要素及其配置、材料、条件、形状以及尺寸等并非限定于例示的内容，能够适当变更。此外，能够对在不同的实施方式中示出的结构彼此部分地进行置换或组合。

Claims (8)

1.一种功率放大电路，具备：
第1晶体管，在基极或栅极被输入射频信号；
第2晶体管，发射极与所述第1晶体管的集电极或漏极连接，在集电极被供给第1电压，从集电极输出对所述射频信号进行了放大的第1放大信号；和
第3晶体管，向所述第2晶体管的基极供给偏置电压，
在所述第3晶体管的集电极或漏极被供给第2电压，
在所述第3晶体管的基极或栅极被供给与所述第1电压相应的第3电压，
从所述第3晶体管的发射极或源极供给与所述第3电压相应的所述偏置电压。
2.根据权利要求1所述的功率放大电路，其中，
还具备：第1电阻元件，连接在所述第2晶体管的基极与所述第3晶体管的发射极或源极之间。
3.根据权利要求2所述的功率放大电路，其中，
还具备：电容器，一端连接于所述第2晶体管的基极与所述第3晶体管的发射极或源极之间的接线，另一端被接地。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的功率放大电路，其中，
还具备：分压电路，对所述第1电压进行分压来生成所述第3电压。
5.根据权利要求4所述的功率放大电路，其中，
所述分压电路包含被串联连接的至少一个第2电阻元件或二极管。
6.根据权利要求5所述的功率放大电路，其中，
所述分压电路包含被串联连接的两个二极管。
7.根据权利要求4～6中任一项所述的功率放大电路，其中，
还具备：电压下降抑制电路，抑制所述偏置电压的下降。
8.根据权利要求7所述的功率放大电路，其中，
所述电压下降抑制电路包含第4晶体管，
在所述第4晶体管的集电极或漏极被供给所述第2电压，
在所述第4晶体管的基极或栅极被供给与所述第2电压相应的第4电压，
所述第4晶体管的发射极或源极与所述分压电路连接。
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