CN116711154A - 放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及放大器。放大器(10)具备级联连接的高频信号的输入侧的晶体管(21)以及高频信号的输出侧的晶体管(22)。放大器(10)具备与晶体管(21)的输入端连接的输入匹配电路(31)、以及与晶体管(22)的输出端连接的输出匹配电路(32)。在输入匹配电路(31)中包含传输线路变压器(41)。传输线路变压器(41)具备线路(411)和线路(412)。线路(411)连接在高频信号的输入端子与晶体管(21)之间。线路(412)配置为能够与线路(411)电磁耦合，一端与线路(411)和高频信号的输入端子之间的节点(N41)连接，另一端连接在与接地电位之间。

Description

放大器
技术领域
本发明涉及对高频信号进行放大的放大器。
背景技术
在专利文献1中记载了高频功率放大器。专利文献1所记载的高频功率放大器具备级联连接的晶体管、输入匹配电路以及输出匹配电路。
输入匹配电路以及输出匹配电路分别由多个电感器和电容器构成。
专利文献1：日本特开2012-147307号公报
然而，在专利文献1所示那样的现有的高频功率放大器中，通过晶体管的级联连接，能够得到较大的增益，但难以以较宽的频带实现低损耗的特性。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供能够实现较大的增益和宽带中的低损耗的特性的放大器。
本发明的放大器具备：级联连接的高频信号的输入侧的第一晶体管及高频信号的输出侧的第二晶体管、与第一晶体管的输入端连接的输入匹配电路、以及与第二晶体管的输出端连接的输出匹配电路。在输入匹配电路中包含第一传输线路变压器。第一传输线路变压器具备第一线路和第二线路。第一线路连接在高频信号的输入端子与第一晶体管之间。第二线路配置为能够与第一线路电磁耦合，一端与第一线路和高频信号的输入端子之间的第一节点连接，另一端连接在与接地电位之间。
在该结构中，通过第一晶体管和第二晶体管的级联连接，实现较大的增益，通过在匹配电路中包含传输线路变压器，从而能够阻抗匹配的频带变宽。
根据本发明，能够实现较大的增益和宽带中的低损耗的特性。
附图说明
图1是本发明的第一实施方式所涉及的放大器的等效电路图。
图2是表示本发明的第一实施方式所涉及的传输线路变压器的结构的一个例子的俯视图。
图3是表示本申请发明和比较例的增益的频率特性的图表。
图4是本发明的第二实施方式所涉及的放大器的等效电路图。
图5是表示本发明的第三实施方式所涉及的放大器的传输线路变压器的示意性的结构的结构图。
图6是本发明的第四实施方式所涉及的放大器的等效电路图。
图7是本发明的第五实施方式所涉及的放大器的等效电路图。
具体实施方式
[第一实施方式]
参照附图，对本发明的第一实施方式所涉及的放大器进行说明。图1是本发明的第一实施方式所涉及的放大器的等效电路图。
(放大器10的示意电路结构)
放大器10是对高频信号进行放大的电路，例如是LNA(Low Noise Amplifier：低噪声放大器)。放大器10放大的高频信号的频带例如是约5[GHz]的频带、约7[GHz]的频带。
放大器10具备：晶体管21、晶体管22、输入匹配电路31、输出匹配电路32、电感器51、电感器52、电阻61、电容器62、电容器63。另外，放大器10具备高频信号输入端子PRfin、高频信号输出端子PRFout、偏置输入端子PBias1、偏置输入端子PBias2以及驱动电压施加端子PDD。此外，放大器10的这些各端子既可以是能够进行与外部电路的连接的端子形状，也可以是向外部电路的连接导体。
晶体管21以及晶体管22例如是N沟道MOSFET(Metal Oxide Semiconductor FieldEffect Transistor：金属氧化物半导体场效应晶体管)。晶体管21与本发明的“第一晶体管”对应，晶体管22与本发明的“第二晶体管”对应。此外，晶体管21以及晶体管22也可以是双极晶体管。另外，晶体管21也可以设为双极晶体管，晶体管22也可以设为MOSFET。
晶体管21和晶体管22被级联连接。更具体而言，晶体管21的源极通过电感器52与接地电位连接。晶体管21的漏极和晶体管22的源极连接。晶体管22的漏极通过电感器51与驱动电压施加端子PDD连接。驱动电压施加端子PDD通过电容器63与接地电位连接。
在晶体管21的栅极通过输入匹配电路31以及电阻61连接有偏置输入端子PBias1。更具体而言，偏置输入端子PBias1经由输入匹配电路31所包含的后述的传输线路变压器41与晶体管21的栅极连接。另外，偏置输入端子PBias1通过输入匹配电路31的电容器333与接地电位连接。
在晶体管22的栅极连接有偏置输入端子PBias2。偏置输入端子PBias2通过电容器62与接地电位连接。换言之，晶体管22的栅极经由电容器62被高频地接地。
高频信号输入端子PRfin通过输入匹配电路31与晶体管21的栅极连接。晶体管22的漏极通过输出匹配电路32与高频信号输出端子PRFout连接。
在这样的结构中，从偏置输入端子PBias1施加晶体管21用的偏压。从偏置输入端子PBias2施加晶体管22用的偏压。从驱动电压施加端子PDD施加晶体管21以及晶体管22的驱动电压。由此，放大器10以规定的放大率对从高频信号输入端子PRFin输入的高频信号进行放大，并从高频信号输出端子PRFout输出。
此时，如上述那样，通过将晶体管21和晶体管22级联连接，从而能够实现较大的增益。
(输入匹配电路31的结构)
输入匹配电路31具备：传输线路变压器41、电感器331、电容器332以及电容器333。电容器332与本发明的“第一电容器”对应，电容器333与本发明的“第二电容器”对应。
传输线路变压器41具备线路(电感器)411和线路(电感器)412。传输线路变压器41与本发明的“第一传输线路变压器”对应。线路411与本发明的“第一线路”对应，线路412与本发明的“第二线路”对应。此外，线路411和线路412也可以分别置换为集总常数，设为电感器。在该情况下，将线路411置换为集总常数电路元件的电感器与本发明的“第一电感器”对应，将线路412置换为集总常数电路元件的电感器与本发明的“第二电感器”对应。在图中，将线路411、412分别表现为电感器。线路411的一端和线路412的一端连接。该连接点成为节点N41。也就是说，线路412的一端与线路411的一端和高频信号输入端子PRFin之间的节点N41连接。节点N41与本发明的“第一节点”对应。线路411和线路412电磁耦合，以便相互流动的电流成为反相。
节点N41与电容器332的一端连接。该连接部成为传输线路变压器41的端口Pt10。
电容器332的另一端与高频信号输入端子PRFin连接。该电容器332和高频信号输入端子PRFin的连接部通过电感器331与接地电位连接。
线路411的另一端与晶体管21的栅极连接。该连接部成为传输线路变压器41的端口Pt11。
线路412的另一端与电容器333的一端连接。该连接部成为传输线路变压器41的端口Pt12。
电容器333的另一端与接地电位连接。另外，端口Pt12通过电阻61与偏置输入端子PBias1连接。
在这样的结构中，高频信号输入端子PRFin侧的外部电路和级联连接的输入侧的晶体管21的栅极主要通过传输线路变压器41进行阻抗匹配。此处，传输线路变压器41几乎没有频率依赖，在端口Pt10侧和端口Pt11侧，能够实现规定的阻抗比(例如，该情况下，1∶4)。因此，通过输入匹配电路31使用传输线路变压器41，从而高频信号输入端子PRFin侧的外部电路和晶体管21在较宽的频带进行阻抗匹配。
另外，在输入匹配电路31中，对于从高频信号输入端子PRFin向晶体管21的高频信号的传输路径，串联连接电容器332，并联连接电感器331。并且，在输入匹配电路31中，对从高频信号输入端子PRFin向晶体管21的高频信号的传输路径并联连接传输线路变压器41的线路(电感器)412和电容器333的串联LC谐振电路。
由此，输入匹配电路31构成高通滤波器。而且，该高通滤波器能够将由传输线路变压器41的线路(电感器)412和电容器333的串联LC谐振电路的谐振频率决定的衰减极设定在衰减域。因此，例如，将5[GHz]的频带、7[GHz]的频带设为通过域，将比这些低的频率设为衰减域，能够实现在大致2.5[GHz]、大致3.5[GHz]具有衰减极的高通滤波器。此外，这些频带以及衰减极频率的数值是一个例子，能够根据放大器10的规格适当地设定。
图3是表示本申请发明和比较例的增益的频率特性的图表。图3中的实线表示本申请发明的特性，虚线表示比较例。比较例是与采用了不使用传输线路变压器的匹配电路的现有电路相同的结构。
如图3所示，通过本申请发明，能够使想要匹配的频带成为宽带，能够维持较高的增益，并且能够以想要衰减的频率得到充分的衰减量。
其结果，输入匹配电路31以低损耗将放大对象的高频信号输出到晶体管21，能够抑制比放大对象的高频信号低频率的无用波。并且，输入匹配电路31能够通过衰减极使特定的频率的无用波较大地衰减。
另外，在该结构中，在从高频信号输入端子PRFin向晶体管21的高频信号的传输路径与偏置输入端子PBias1之间连接有传输线路变压器41的线路(电感器)412。由此，能够抑制高频信号泄漏到偏置输入端子PBias1。
另外，在该结构中，偏置输入端子PBias1通过电阻61与传输线路变压器41的端口Pt12和与接地电位连接的电容器333的连接部连接。由此，能够通过电阻61和电容器333优化时间常数，能够迅速使偏压稳定。此外，此处，所谓的施加到晶体管21的偏压是施加到晶体管21的栅极的电压，该时间常数由电阻61、电容器332、333、晶体管21的栅极电容的合成电容决定。
(输出匹配电路32的结构)
输出匹配电路32具备：传输线路变压器42、电容器341以及电容器342。传输线路变压器42与本发明的“第二传输线路变压器”对应。
传输线路变压器42具备线路421和线路422。线路421是“第三线路”的一个例子，线路422是“第四线路”的一个例子。此外，线路421、422的各个也可以置换为集总常数，设为电感器。在该情况下，将线路421置换为集总常数电路元件的电感器与本发明的“第三电感器”对应，将线路422置换为集总常数电路元件的电感器与本发明的“第四电感器”对应。在图中，将线路421、422分别表现为电感器。线路421的一端和线路422的一端连接。该连接点成为节点N42。节点N42与本发明的“第二节点”对应。线路421和线路422电磁耦合，以便相互流动的电流成为反相。
节点N42与高频信号输出端子PRFout连接。该连接部成为传输线路变压器42的端口Pt20。
线路421的另一端与电容器341的一端连接。该连接部成为传输线路变压器42的端口Pt21。
电容器341的另一端与晶体管22的漏极连接。
线路422的另一端与接地电位连接。该连接部成为传输线路变压器42的端口Pt22。
电容器342的一端与传输线路变压器42的端口Pt21以及电容器341的一端连接，另一端与传输线路变压器42的端口Pt21以及接地电位连接。
在这样的结构中，级联连接的输出侧的晶体管22的漏极和高频信号输出端子PRFout侧的外部电路主要通过传输线路变压器42进行阻抗匹配。此处，传输线路变压器42与传输线路变压器41同样地几乎没有频率依赖，在端口Pt21侧和端口Pt20侧，能够实现规定的阻抗比。因此，通过输出匹配电路32使用传输线路变压器42，从而晶体管22和高频信号输出端子PRFout侧的外部电路在较宽的频带进行阻抗匹配。
此外，电容器342也可以根据输出匹配电路32所需的规格而省略。
(基于整体的结构的作用效果)
如以上那样，放大器10具备输入匹配电路31，从而对于输入侧能够以较宽的频带实现阻抗匹配。由此，放大器10对于较宽的频带能够以低损耗实现较大的增益。
另外，放大器10具备输出匹配电路32，从而对于输出侧能够以较宽的频带实现阻抗匹配。由此，放大器10对于较宽的频带能够以低损耗实现较大的增益。
并且，放大器10具备输入匹配电路31和输出匹配电路32，从而对于输入侧以及输出侧能够以较宽的频带实现阻抗匹配。由此，放大器10对于较宽的频带能够以低损耗实现较大的增益。
另外，通过在输入匹配电路31中具备高通滤波器，从而放大器10能够抑制无用波的输入，能够抑制噪声系数NF的劣化。并且，通过在输入匹配电路31的高通滤波器的衰减域设置衰减极，从而放大器10能够更大地衰减特定频率的无用波。由此，放大器10能够进一步抑制噪声系数NF的劣化。
另外，通过上述的结构，放大器10能够改善偏置电流的上升。由此，放大器10能够从上升起迅速且稳定地进行高频信号的放大。
此外，在上述的说明中，对于传输线路变压器41和传输线路变压器42的电感，没有特别详细。
根据高频信号输入端子PRFin侧的外部电路和级联连接的输入侧的晶体管21的阻抗比设定传输线路变压器41的电感即可。换言之，传输线路变压器41的电感设定为从晶体管21观察高频信号输入端子PRFin侧的外部电路侧的阻抗和从高频信号输入端子PRFin观察晶体管21侧的阻抗匹配即可。
根据级联连接的输出侧的晶体管22和高频信号输出端子PRFout侧的外部电路的阻抗比设定传输线路变压器42的电感即可。换言之，传输线路变压器42的电感设定为从晶体管22观察高频信号输出端子PRFout侧的外部电路侧的阻抗和从高频信号输出端子PRFout观察晶体管22侧的阻抗匹配即可。
即，在高频信号输入端子PRFin侧的外部电路和高频信号输出端子PRFout侧的外部电路具有不同的阻抗的情况下，传输线路变压器41的电感和传输线路变压器42的电感根据各自的外部电路而不同。由此，放大器10能够分别适当地实现输入侧的阻抗匹配和输出侧的阻抗匹配。
此外，这样，在使传输线路变压器的电感变化的情况下，调整两个线路(电感器)的对置的区域的长度、构成两个线路(电感器)的各个线路的布线的粗度、或者两个电感器之间的距离即可。
(传输线路变压器的结构的一个例子)
图2是表示本发明的第一实施方式所涉及的传输线路变压器的结构的一个例子的俯视图。此外，图2以传输线路变压器41为例来示出各端口的附图标记。传输线路变压器42也能够通过与传输线路变压器41相同的结构来实现。
如图2所示，传输线路变压器41例如由形成为绝缘性基板BP的导体图案EC411和导体图案EC412形成。导体图案EC411和导体图案EC412通过在绝缘性基板BP形成为卷绕形的线状的导体图案来实现。如图2所示，卷绕形的导体图案在中途的多处具有交叉部。交叉部以大致等间隔(在图2的例子中，卷绕直径的每半周)设置。在交叉部中，交叉的导体图案之间通过形成绝缘性基板BP的绝缘体而绝缘。
卷绕形的导体图案中的延伸的方向的大致中间位置是节点N41，与端口Pt10连接。卷绕形的导体图案的延伸的方向的一端与端口Pt11连接。卷绕形的导体图案的延伸的方向的另一端与端口Pt12连接。从节点N41到一端侧的导体图案是导体图案EC411，形成线路411。从节点N41到另一端侧的导体图案是导体图案EC412，形成线路412。
此外，在该结构中，示出形成线路411的导体图案EC411和形成线路412的导体图案EC412为卷绕形的情况，但并不限于此。即，如上述那样，只要线路411的一端和线路412的一端连接，线路411和线路412以规定的耦合度电磁耦合为流过反相的电流，则也可以是其它形状。但是，通过使用图2所示那样的卷绕形，能够减小传输线路变压器41的平面面积。
[第二实施方式]
参照附图对本发明的第二实施方式所涉及的放大器进行说明。图4是本发明的第二实施方式所涉及的放大器的等效电路图。
如图4所示，第二实施方式所涉及的放大器10A相对于第一实施方式所涉及的放大器10而言，输入匹配电路31A的结构不同。放大器10A的其它结构与放大器10相同，省略相同部分的说明。
放大器10A具备输入匹配电路31A。输入匹配电路31A相对于第一实施方式所涉及的输入匹配电路31而言，在追加电容器334的方面不同。
电容器334与电感器331串联连接。即，在输入匹配电路31A中，对从高频信号输入端子PRFin向晶体管21的高频信号的传输路径并联连接电感器331和电容器334的串联电路(串联LC谐振电路)。此外，电感器331是“第五电感器”的一个例子，电容器334是“第三电容器”的一个例子。
因此，输入匹配电路31A能够在高通滤波器的衰减域进一步设定由电感器331和电容器334的串联LC谐振电路的谐振频率决定的衰减极。此时，电感器331和电容器334的串联LC谐振电路的谐振频率被设定为与线路(电感器)412和电容器333的串联LC谐振电路的谐振频率不同。例如，使电感器331的电感和线路(电感器)412的电感不同。由此，能够使串联LC谐振电路的谐振频率不同。另外，通过使电容器333的电容和电容器334的电容不同，也能够使串联LC谐振电路的谐振频率不同。
由此，输入匹配电路31A能够在高通滤波器的衰减域设置多个频率的衰减极。因此，即使有多个想要较大地衰减的无用波的频率，输入匹配电路31A也能够抑制这些多个无用波。其结果，放大器10在较宽的频带实现较大的增益，并且能够进一步抑制噪声系数NF的劣化。
[第三实施方式]
参照附图对本发明的第三实施方式所涉及的放大器进行说明。图5是表示本发明的第三实施方式所涉及的放大器的传输线路变压器的示意性的结构的结构图。
第三实施方式所涉及的放大器相对于第一、第二实施方式所涉及的放大器10、10A而言，传输线路变压器的结构不同。第三实施方式所涉及的放大器的其它结构与第一、第二实施方式所涉及的放大器10、10A相同，省略相同部分说明。
如图5所示，传输线路变压器41B具备：线路(电感器)411B、线路(电感器)412B以及线路(电感器)413B。线路411B、线路412B以及线路413B分别是沿规定方向延伸的形状的导体图案。
线路411B的一端和线路412B的一端连接。该连接点成为节点N41B，并成为传输线路变压器41B的端口Pt10。线路412B的另一端成为传输线路变压器41B的端口Pt12。
线路411B的另一端和线路413B的一端连接。线路413B的另一端成为传输线路变压器41B的端口Pt11。
线路411B和线路412B电磁耦合，以便相互流动的电流成为反相。线路413B和线路412B电磁耦合，以便相互流动的电流成为反相。
通过这样的结构，传输线路变压器41B能够实现与传输线路变压器41不同的阻抗比。例如，传输线路变压器41B能够实现1∶9的阻抗比。
通过使用这样的传输线路变压器41B，放大器能够实现更多样的阻抗匹配。
[第四实施方式]
参照附图对本发明的第四实施方式所涉及的放大器进行说明。图6是本发明的第四实施方式所涉及的放大器的等效电路图。
如图6所示，第四实施方式所涉及的放大器10C相对于第一实施方式所涉及的放大器10而言，输出匹配电路32C的结构不同。放大器10C的其它结构与放大器10相同，省略相同部分的说明。
放大器10C具备输出匹配电路32C。输出匹配电路32C具备电容器341C。电容器341C连接在晶体管22的漏极与高频信号输出端子PRFout之间。
在该结构中，放大器10C仅在级联连接的晶体管组的输入侧的匹配电路使用传输线路变压器41。即使是这样的结构，与输入匹配电路和输出匹配电路双方都不使用传输线路变压器的情况相比，也能够实现较宽的频带下的较大的增益和损耗的抑制。另外，在该结构中，输出匹配电路32C的电路结构被简化。因此，放大器10C能够实现更简单的电路结构。
[第五实施方式]
参照附图对本发明的第五实施方式所涉及的放大器进行说明。图7是本发明的第五实施方式所涉及的放大器的等效电路图。
如图7所示，第五实施方式所涉及的放大器10D相对于第一实施方式所涉及的放大器10而言，输入匹配电路31D的结构不同。放大器10C的其它结构与放大器10相同，省略相同部分的说明。
放大器10D具备输入匹配电路31D。输入匹配电路31D具备电感器331D、电容器332D、电容器333D。
电容器332D连接在高频信号输入端子PRFin与晶体管21的栅极之间。该电容器332与晶体管21的栅极的连接部通过电感器331D和电容器333D的串联LC谐振电路与接地电位连接。
在该结构中，放大器10D仅在级联连接的晶体管组的输出侧的匹配电路使用传输线路变压器42。即使是这样的结构，与在输入匹配电路和输出匹配电路双方都不使用传输线路变压器的情况相比，也能够实现较宽的频带下的较大的增益和损耗的抑制。另外，在该结构中，输入匹配电路31D的电路结构被简化。因此，放大器10D能够实现更简单的电路结构。此时，优选输入匹配电路31D与输入匹配电路31同样地至少具有高通滤波器的功能。由此，能够抑制向晶体管21输入无用波。
此外，在上述的各实施方式中，在偏置输入端子PBias1连接有电阻61。能够省略该电阻61。然而，通过具备电阻61，如上述那样，能够加快偏置电流的上升，因此优选具备电阻61。
附图标记说明
10、10A、10C、10D…放大器；21、22…晶体管；31、31A、31D…输入匹配电路；32、32C…输出匹配电路；41、41B、42…传输线路变压器；51、52…电感器；61…电阻；62、63…电容器；331、331D…电感器；332、332D、333、333D、334、341、341C、342…电容器；411、411B、412、412B、413B、421、422…线路；EC411、EC412…导体图案；N41、N41B、N42…节点；PBias1…偏置输入端子；PBias2…偏置输入端子；PDD…驱动电压施加端子；PRFin…高频信号输入端子；PRFout…高频信号输出端子；Pt10、Pt11、Pt12、Pt20、Pt21、Pt22…端口。

Claims (12)

1.一种放大器，具备：
级联连接的高频信号的输入侧的第一晶体管以及上述高频信号的输出侧的第二晶体管；
与上述第一晶体管的输入端连接的输入匹配电路；以及
与上述第二晶体管的输出端连接的输出匹配电路，
在上述输入匹配电路中包含第一传输线路变压器，
上述第一传输线路变压器具备：
第一线路，连接在上述高频信号的输入端子与上述第一晶体管之间；以及
第二线路，配置为能够与上述第一线路电磁耦合，该第二线路的一端与上述第一线路和上述高频信号的输入端子之间的第一节点连接，该第二线路的另一端连接在与接地电位之间。
2.一种放大器，具备：
级联连接的高频信号的输入侧的第一晶体管以及上述高频信号的输出侧的第二晶体管；
与上述第一晶体管的输入端连接的输入匹配电路；以及
与上述第二晶体管的输出端连接的输出匹配电路，
在上述输出匹配电路中包含第二传输线路变压器，
上述第二传输线路变压器具备：
第三线路，连接在上述高频信号的输出端子与上述第二晶体管之间；以及
第四线路，配置为能够与上述第三线路电磁耦合，该第四线路的一端与上述第三线路和上述高频信号的输出端子之间的第二节点连接，该第四线路的另一端连接在与接地电位之间。
3.根据权利要求1所述的放大器，其中，
在上述输出匹配电路中包含第二传输线路变压器，
上述第二传输线路变压器具备：
第三线路，连接在上述高频信号的输出端子与上述第二晶体管之间；以及
第四线路，配置为能够与上述第三线路电磁耦合，该第四线路的一端与上述第三线路和上述高频信号的输出端子之间的第二节点连接，该第四线路的另一端连接在与上述接地电位之间。
4.根据权利要求3所述的放大器，其中，
上述第一传输线路变压器的电感与上述第二传输线路变压器的电感不同。
5.根据权利要求1、3、4中任意一项所述的放大器，其中，
上述第一线路的电感与上述第二线路的电感相同。
6.根据权利要求5所述的放大器，其中，
在上述第二线路的另一端连接上述第一晶体管的偏置输入端子。
7.根据权利要求5或6所述的放大器，其中，
具备第一电容器，串联连接在上述第一节点与上述高频信号的输入端子之间。
8.根据权利要求5～7中任意一项所述的放大器，其中，
具备第二电容器，连接在上述第二线路与上述接地电位之间。
9.根据权利要求1、3～8中任意一项所述的放大器，其中，
上述第一线路是第一电感器，
上述第二线路是第二电感器。
10.根据权利要求2所述的放大器，其中，
上述第三线路是第三电感器，
上述第四线路是第四电感器。
11.根据权利要求1～10中任意一项所述的放大器，其中，
具备连接在上述高频信号的输入端子与上述接地电位之间的第五电感器以及第三电容器的串联电路。
12.根据权利要求1、3、4中任意一项所述的放大器，其中，
具备连接在上述高频信号的输入端子与上述接地电位之间的第五电感器以及第三电容器的串联电路，
上述第五电感器的电感与上述第二线路的电感不同。
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