CN1346538A - 多级放大器 - Google Patents

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Abstract

在对输入信号进行逐级放大及输出的多级放大器中,把1级高通滤波器型匹配器(28)与1级低通滤波器型匹配器(29)串联连接构成级间匹配电路(26)。该结构在多级放大器的级间匹配条件的最佳化方面是有效的,可提高多级放大器的整体效率。该多级放大器适合于卫星通信、地面微波通信及移动体通信等中发送信号及接收信号的放大。

Description

多级放大器
技术领域
本发明涉及对输入信号进行逐级放大并输出的多级放大器。
背景技术
一般，在使用了FET、BJT及HBT等半导体元件的多级放大器中，构成输入、级间及输出的匹配电路以便引出半导体元件的性能。
图1为例如在「信学技报MW-73(1995年7月发行)」中示出了的示出现有多级放大器的等效电路图，图中，1为输入信号的输入端子，2为输出放大后信号的输出端子，3为对从输入端子1输入的信号进行放大的前级放大元件，4为对由前级放大元件3放大了的信号进行放大的后级放大元件。
5为多级放大器的输入匹配电路，6为谋求前级放大元件3与后级放大元件4间的阻抗匹配的级间匹配电路，7为偏置电路，8为多级放大器的输出匹配电路，9为偏置供给用短截线，10为并联电容器，11为串联线路，12为串联电容器。
再有，前级放大元件3及后级放大元件4由FET、BJT、MOSFET、HEMT及HBT等构成。
其次，说明有关工作。
信号一从输入端子1输入，该信号就通过输入匹配电路5输入到前级放大元件3，由前级放大元件3进行放大。
由前级放大元件3放大了的信号通过级间匹配电路6及偏置电路7输入到后级放大元件4，由后级放大元件4进行放大。
由后级放大元件4放大了的信号通过输出匹配电路8，从输出端子2输出。
这里，说明级间匹配电路6的作用。
级间匹配电路6以在级间的某一基准面上使阻抗成为共轭的方式进行匹配。图2是示出多级放大器的级间匹配条件的一般例之说明图。
如图2所示，把前级放大元件3的输出阻抗定义为SY-FET，把从前级放大元件3看到的输出侧阻抗(前级放大元件3的输出负载阻抗)定义为Γout，把后级放大元件4的输入阻抗定义为SX-FET，把从后级放大元件4看到输入侧的阻抗(后级放大元件4的输入电源阻抗)定义为Γin。
多级放大器在小信号工作时，前级放大元件3的最佳输出负载阻抗Γopt-out与前级放大元件3的输出阻抗的复数共轭阻抗SY-FET *一致，后级放大元件4的最佳输入电源阻抗Γopt-in与后级放大元件4的输入阻抗的复数共轭阻抗SX-FET *一致。
因而，前级放大元件3的输出端X上，在实现复数共轭匹配的情况下，设计级间匹配电路6以便如图2(b)所示，进行从后级放大元件4的输入阻坑SX-FET到前级放大元件3的输出阻抗的复数共轭阻抗SY-FET *(＝Γopt-out)的阻抗变换。
此外，后级放大元件4的输入端Y上，在实现复数共轭匹配的情况下，设计级间匹配电路6以便如图2(C)所示，进行从前级放大元件3的输出阻抗SY-FET到后级放大元件4的输入阻抗的复数共轭阻抗SX-FET *(＝Γopt-in)的阻抗变换。
由此，在级间匹配电路6无损耗的情况下，如果在前级放大元件3的输出端X实现了复数共轭匹配，则一般可同时在后级放大元件4的输入端Y实现复数共轭匹配。
但是，使用多级放大器的输入电平，在多级放大器末级的放大元件或末前级的放大元件中不是小信号工作而是成为大信号工作。
在大信号工作时，放大元件的输入输出阻抗成为与小信号工作时不同的值，还有，使效率最高的阻抗成为与输入输出阻抗不同的值。因而，在大信号工作时，前级放大元件3的最佳输出负载阻抗Γopt-out变成为与前级放大元件3的输出阻抗的复数共轭阻抗SY-FET *不一致的阻抗。同样，后级放大元件4的最佳输入电源阻抗Γopt-in变成为与后级放大元件4的输入阻抗的复数共轭阻抗SX-FET *不一致的阻抗。
由此，前级放大元件3的输出端X上，在实现复数共轭匹配的情况下，设计级间匹配电路6以便如图2(b)所示，进行从后级放大元件4的输入阻抗SX-FET到前级放大元件3的最佳输出负载阻抗Γopt-out(≠SY-FET *)的阻抗变换。此外，后级放大元件4的输入端Y上，在实现复数共轭匹配的情况下，设计级间匹配电路6以便如图2(c)所示，进行从前级放大元件3的输出阻抗SY-FET到后级放大元件4的最佳输入电源阻抗Γopt-in(≠SX-FET *)的阻抗变换。
此时，使用完全相同的级间匹配电路，一般不能同时实现前级放大元件3的输出端X的共轭匹配及后级放大元件4的输入端Y的共轭匹配。
由于现有的多级放大器如上述那样来构成，故不能同时把前级放大元件3的输出负载阻抗SY-FET及后级放大元件4的输入电源阻抗SX-FET与最佳阻抗进行匹配，存在着多级放大器的整体效率低的问题。
本发明是为了解决上述那样的问题而进行的，其目的在于得到能够把前级放大元件的输出负载阻抗及后级放大元件的输入电源阻抗此二者以最佳阻抗进行匹配的多级放大器。
发明的公开
本发明的多级放大器中，把1级高通滤波器型匹配器与1级低通滤波器型匹配器串联连接，构成匹配电路。
因此，由于能够把前级放大元件的输出负载阻抗及后级放大元件的输入电源阻抗此二者以最佳阻抗进行匹配，故具有可提高多级放大器整体效率的效果。
本发明的多级放大器中，插入到末级放大元件与末前级放大元件间的匹配电路，由把1级高通滤波器型匹配器与1级低通滤波器型匹配器串联连接而构成。
因此，具有可谋求多级放大器小型化的效果。
本发明的多级放大器中，设置了匹配电路，在输入侧设置1级高通滤波器型匹配器，在输出侧设置1级低通滤波器型匹配器。
因此，具有能够把前级放大元件的输出负载阻抗及后级放大元件的输入电源阻抗此二者以最佳阻抗进行匹配的效果。
本发明的多级放大器中，设置了匹配电路，在输入侧设置1级低通滤波器型匹配器，在输出侧设置1级高通滤波器型匹配器。
因此，具有能够把前级放大元件的输出负载阻抗及后级放大元件的输入电源阻抗此二者以最佳阻抗进行匹配的效果。
本发明的多级放大器中，由并联电感及串联电容器构成1级高通滤波器型匹配器。
因此，具有能够得到小型的1级高通滤波器型匹配器的效果。
本发明的多级放大器中，作为并联电感使用长度为四分之一波长以下的偏置供给用的短截线。
因此，由于可兼作前级放大元件的输出侧的偏置供给线路，故具有能够谋求多级放大器小型化的效果。
本发明的多级放大器中，由并联电容器及串联电感构成1级低通滤波器型匹配器。
因此，具有能够得到小型的1级低通滤波器型匹配器的效果。
本发明的多级放大器中，作为串联电感使用串联线路。
因此，具有能够得到小型的1级低通滤波器型匹配器的效果。
附图的简单说明
图1为示出现有多级放大器的等效电路图。
图2为示出多级放大器的级间匹配条件之一般例的说明图。
图3为示出本发明实施形态1的多级放大器的等效电路图。
图4为示出前级放大元件的最佳输出负载阻抗及后级放大元件的最佳输入电源阻抗的说明图。
图5为示出使用1级高通滤波器型匹配器及1级低通滤波器型匹配器构成了级间匹配电路时的级间阻抗的说明图。
图6为示出本发明实施形态2的多级放大器的等效电路图。
图7为示出使用1级低通滤波器型匹配器及1级高通滤波器型匹配器构成了级间匹配电路时的级间阻抗的说明图。
图8为示出本发明实施形态3的多级放大器的等效电路图。
图9为示出本发明实施形态4的多级放大器的等效电路图。
用于实施发明的最佳形态
下面，为了更详细地说明本发明，按照附图说明用于实施本发明的最佳形态。
实施形态1
图3为示出本发明实施形态1的多级放大器的等效电路图，图中，21为输入信号的输入端子，22为输出放大后信号的输出端子，23为对从输入端子21输入的信号进行放大的前级放大元件，24为对由前级放大元件23放大了的信号进行放大的后级放大元件。
25为多级放大器的输入匹配电路，26为谋求前级放大元件23与后级放大元件24间的阻抗匹配的级间匹配电路，27为多级放大器的输出匹配电路，28为构成级间匹配电路26的1级高通滤波器型匹配器，29为构成级间匹配电路26的1级低通滤波器型匹配器。
31为构成1级高通滤波器型匹配器28的并联电感，32为构成1级高通滤波器型匹配器28的串联电容器，33为构成1级低通滤波器型匹配器29的并联电容器，34为构成1级低通滤波器型匹配器29的串联电感。
再有，前级放大元件23及后级放大元件24由FET、BJT、MOSFET、HEMT及HBT等构成。
其次，说明有关工作。
信号一从输入端子21输入，该信号就通过输入匹配电路25输入到前级放大元件23，由前级放大元件23进行放大。
由前级放大元件23放大了的信号通过由1级高通滤波器型匹配器28及1级低通滤波器型匹配器29构成的级间匹配电路26输入到后级放大元件24，由后级放大元件24进行放大。
由后级放大元件24放大了的信号通过输出匹配电路27，从输出端子22输出。
这里，图4(a)示出作为前级放大元件23、例如栅宽为5.8mm的HEMT元件的最佳输出负载阻抗Γopt-out，同时，示出输出阻抗的复数共轭阻抗SY-FET *。
此外，图4(b)示出作为后级放大元件24、例如栅宽为17.5mm的HEMT元件的最佳输入电源阻抗Γopt-in，同时，示出输入阻抗的复数共轭阻抗SY-FET *。
哪一种HEMT元件的偏置条件都是AB类的。此时，前级放大元件23的栅宽为后级放大元件24的栅宽的二分之一以下。
后级放大元件24(栅宽为17.5mm的HEMT元件)的最佳输入电源阻抗Γopt-in是在输出功率电平降低约3dB、满足规定的失真条件时得到最高效率的阻抗，是进行负载移开、电源移开测量后求出的结果。
前级放大元件23(栅宽为5.8mm的HEMT元件)的最佳输出负载阻抗Γopt-out是，在根据对于栅宽为17.5mm的上述HEMT元件进行的负载移开、电源移开测量的结果及对于栅宽为5.8mm的HEMT元件进行的负载移开、电源移开测量的结果把前级放大元件23与后级放大元件24的特性组合起来时，求出作为2级放大器在输出功率电平降低约3dB、满足规定的失真条件时得到最高效率的组合，作为得到最高效率的组合时的前级放大元件23的输出负载阻抗求出的结果。
根据图4(a)可知，把前级放大元件23(栅宽为5.8mm的HFMT元件)的最佳输出负载阻抗Γopt-out与输出阻抗的复数共轭阻抗SY-FET *加以比较，阻抗的实部向低阻抗方向移动了，阻抗的虚部向电感性方向移动了。
此外，根据图4(b)可知，把后级放大元件24(栅宽为17.5mm的HEMT元件)的最佳输入电源阻抗Γopt-in与输入阻抗的复数共轭阻抗SX-FET *加以比较，阻抗的实部向高阻抗方向移动了，阻抗的虚部向电感兴方向移动了。
其次，图5示出在多级放大器中使用了由1级高通滤波器型匹配器28及1级低通滤波器型匹配器29构成的级间匹配电路26时的前级放大元件23的输出负载阻抗Γout及后级放大元件24的输入电源阻抗Γin。
图5(a)、(b)中，以符号◆示出的阻抗分别表示输出阻抗的复数共轭阻抗SY-FET *、输入阻抗的复数共轭阻抗SX-FET *，以虚线圆示出的区域分别表示图4(a)、(b)中示出的最佳输出负载阻抗Γopt-out、最佳输入电源阻抗Γopt-in的附近的区域。
这里，设想在多级放大器中使用了由1级高通滤波器型匹配器28及1级低通滤波器型匹配器29构成的级间匹配电路26的情况下，在把后级放大元件24的输入电源阻抗Γin与和后级放大元件24的输入阻抗的复数共轭阻抗SX-FET *不同的点进行了匹配时，前级放大元件23的输出负载阻抗Γout成为什么样的阻抗。
例如，如图5(b)那样，如果作成级间匹配电路26以使后级放大元件24的输入电源阻抗Γin与A的符号●的阻抗匹配，则前级放大元件23的输出负载阻抗Γout成为图5(a)的A的符号●的阻抗。
其它，有关B-H的符号●的阻抗都与A的符号●的阻抗相同，在图5(a)及图5(b)中成为对应的阻抗。
这样，如果使应该匹配的后级放大元件24的输入电源阻抗Γin如A-H的符号●的阻抗那样在圆周上变化，则有关B的符号●的阻抗如图5(a)、(b)所示那样存在于以虚线圆的区域示出的最佳输出负载阻抗Γopt-out附近的区域内，且存在于最佳输入电源阻抗Γopt-in附近的区域内。
因而，通过由1级高通滤波器型匹配器28及1级低通滤波器型匹配器29构成多级放大器的级间匹配电路26，可使前级放大元件23的输出负载阻抗Γout与最佳输出负载阻抗Γopt-out大体一致，同时，可使后级放大元件24的输入电源阻抗Γin与最佳输入电源阻抗Γopt-in大体一致。
由此，由于可使多级放大器的级间匹配条件更加最佳化，故起到可提高多级放大器整体效率的效果。
再有，在作级间匹配电路26的结构使用1级低通滤波器型匹配器、1级高通滤波器型匹配器、2级低通滤波器型匹配器或2级高通滤波器型匹配器的情况下，如果作成级间匹配电路26以使在图5(b)中后级放大元件24的输入电源阻抗Γin成为最佳输入电源阻抗Γopt-in附近的B的符号●的阻抗，则前级放大元件23的输出负载阻抗Γout成为与图5(a)的B的符号●的阻抗显著不同的阻抗，不能使前级放大元件3的输出负载阻抗Γout与最佳输出负载阻抗Γopt-out一致，此外，不能使后级放大元件24的输入电源阻抗Γin与最佳输入电源阻抗Γopt-in一致。
在图1的现有例的情况下，由于偏置供给用短截线9具有接近于四分之一波长的长度、串联电容器12具有足够大的值，作成了在什么使用频率下对阻抗也不造成影响的值，故可以说级间匹配电路6是由并联电容器10及串联线路11构成的1级低通滤波器型匹配器。因而，不能使前级放大元件3的输出负载组抗Γout与最佳输出负载阻抗Γopt-out一致，此外，不能使后级放大元件4的输入电源阻抗Γin与最佳输入电源阻抗Γopt-in一致。
在本实施形态1中，示出了级数为2级的多级放大器，但在级数为3级以上的多级放大器的情况下，至少末级放大元件与末前级放大元件间的级间匹配电路26(下面，称为「末级的级间匹配电路」)由1级高通滤波器型匹配器28及1级低通滤波器型匹配器29构成即可，有关存在于比末级的级间匹配电路26靠近输入侧方向上的级间匹配电路26即使不由1级高通滤波器型匹配器28及1级低通滤波器型匹配器29构成，也能够起到与本实施形态1同样的效果。
由此，由于有关存在于比末级的级间匹配电路26靠近输入侧方向上的级间匹配电路26可使用1级低通滤波器型匹配器等小型的匹配电路，故起到可谋求多级放大器小型化的效果。
实施形态2
图6为示出本发明实施形态2的多级放大器的等效电路图，图中，与图3相同的符号表示相同或相当的部分，省略其说明。
41为谋求前级放大元件23与后级放大元件24间的阻抗匹配的级间匹配电路，42为构成级间匹配电路41的1级低通滤波器型匹配器，43为构成级间匹配电路41的1级高通滤波器型匹配器。
44为构成1级低通滤波器型匹配器42的并联电容器，45为构成1级低通滤波器型匹配器42的串联电感，46为构成1级高通滤波器型匹配器43的并联电感，47为构成1级高通滤波器型匹配器43的串联电容器。
其次，说明有关工作。
在上述实施形态1中，示出了使用在输入侧设备1级高通滤波器型匹配器28、在输出侧设置1级低通滤波器型匹配器29的级间匹配电路26的形态，但是，也可以作成使用在输入侧设置1级低通滤波器型区配器42、在输出侧设置1级高通滤波器型匹配器43的级间匹配电路41。具体地说，为下述那样。
图7示出在多级放大器中使用了由1级低通滤波器型匹配器42及1级高通滤波器型匹配器43构成的级间匹配电路41时的前级放大元件23的输出负载阻抗Γout及后级放大元件24的输入电源阻抗Γin。
图7(a)、(b)中，以符号◆示出的阻抗分别表示输出阻抗的复数共轭阻抗SY-FET *、输入阻抗的复数共轭阻抗SX-FET *，以虚线圆示出的区域分别表示图4(a)、(b)中示出的最佳输出负载阻抗Γopt-out、最佳输入电源阻抗Γopt-in的附近的区域。
这里，设想在多级放大器中使用了由1级低通滤波器型匹配器42及1级高通滤波器型匹配器43构成的级间匹配电路41的情况下，在把后级放大元件24的输入电源阻抗Γin与和后级放大元件24的输入阻抗的复数共轭阻抗SX-FET *不同的点进行了匹配时，前级放大元件23的输出负载阻抗Γout成为什么样的阻抗。
例如，如图7(b)那样，如果作成级间匹配电路41以使后级放大元件24的输入电源阻抗Γin与A的符号●的阻抗匹配，则前级放大元件23的输出负载阻抗Γout成为图7(a)的A的符号●的阻抗。
其它，有关B-H的符号●的阻抗都与A的符号●的阻抗相同，在图7(a)及图7(b)中成为对应的阻抗。
这样，如果使应该匹配的后级放大元件24的输入电源阻抗Γin如A-H的符号●的阻抗那样在圆周上变化，则有关B的符号●的阻抗和图7(a)、(b)所示那样存在于以虚线圆的区域示出的最佳输出负载阻抗Γopt-out附近的区域内，且存在于最佳输入电源阻抗Γopt-in附近的区域内。
因而，通过由1级低通滤波器型匹配器42及1级高通滤波器型匹配器43构成多级放大器的级间匹配电路41，可使前级放大元件23的输出负载阻抗Γout与最佳输出负载阻抗Γopt-out大体一致，同时，可使后级放大元件24的输入电源阻抗Γin与最佳输入电源阻抗Γopt-in大体一致。
由此，由于可使多级放大器的级间匹配条件更加最佳化，故起到可提高多级放大器整体效率的效果。
实施形态3
图8为示出本发明实施形态3的多级放大器的等效电路图，图中，与图3相同的符号表示相同或相当的部分，省略其说明。
51为构成1级高通滤波器型匹配器28的长度为四分之一波长以下的偏置供给用短截线，52为构成1级低通滤波器型匹配器29的串联线路。
其次，说明有关工作。
在上述实施形态1中，示出了由并联电感31及串联电容器32构成1级高通滤波器型匹配器28、由并联电容器33及串联电感34构成1级低通滤波器型匹配器29的形态，但是，也可以作为使用长度为四分之一波长以下的偏置供给用短截线51来代替并联电感31而构成1级高通滤波器型匹配器28，使用串联线路52来代替串联电感34而构成1级低通滤波器型匹配器29。
并联短截线的长度为四分之一波长以下时，具有与并联电感同等的电特性。此外，串联线路也具有与串联电感同等的电特性。
因而，通过由把偏置供给用短截线51作为构成元件的1级高通滤波器型匹配器28、以及由把串联线路52作为构成元件的1级低通滤波器型匹配器29来构成多级放大器的级间匹配电路26，可使前级放大元件23的输出负载阻抗Γout与最佳输出负载阻抗Γopt-out大体一致，同时，可使后级放大元件24的输入电源阻抗Γin与最佳输入电源阻抗Γopt-in大体一致。
由此，由于可使多级放大器的级间匹配条件更加最佳化，故起到可提高多级放大器整体效率的效果。
此外，通过使用长度为四分之一波长以下的偏置供给用短截线51来代替并联电感31而构成1级高通滤波器型匹配器28，由于可兼作前级放大元件23的输出侧的偏置供给线路，故起到可谋求多级放大器小型化的效果。
实施形态4
图9为示出本发明实施形态4的多级放大器的等效电路图，图中，与图6相同的符号表示相同或相当的部分，省略其说明。
61为构成1级低通滤波器型匹配器42的串联线路，62为构成1级高通滤波器型匹配器43的长度为四分之一波长以下的偏置供给用短截线。
其次，说明有关工作。
在上述实施形态2中，示出了由并联电容器44及串联电感45构成1级低通滤波器型匹配器42，由并联电感46及串联电容器47构成1级高通滤波器型匹配器43的形态，但是，也可以作成使用串联线路61来代替串联电感45而构成1级低通滤波器型匹配器42，使用长度为四分之一波长以下的偏置供给用短截线62来代替并联电感46而构成1级高通滤波器型匹配器43。
串联线路具有与串联电感同等的电特性，此外，并联短截线的长度为四分之一波长以下时，具有与并联电感同等的电特性。
因而，通过由把串联线路61作为构成元件的1级低通滤通器型匹配器42、以及由把偏置供给用短截线62作为构成元件的1级高通滤波器型匹配器43来构成多级放大器的级间匹配电路26，可使前级放大元件23的输出负载阻抗Γout与最佳输出负载阻抗Γopt-out大体一致，同时，可使后级放大元件24的输入电源阻抗Γin与最佳输入电源阻抗Γopt-in大体一致。
由此，由于可使多级放大器的级间匹配条件更加最佳化，故起到可提高多级放大器整体效率的效果。
此外，通过使用长度为四分之一波长以下的偏置供给用短截线62来代替并联电感46而构成1级高通滤波器型匹配器43，由于可兼作前级放大元件23的输出侧的偏置供给线路，故起到可谋求多级放大器小型化的效果。
工业上利用的可能性
如上所述，本发明多级放大器适合于在进行卫星通信、地面微波通信及移动体通信等时，对发送信号或接收信号等进行放大。

Claims (8)

1.一种多级放大器，具备对输入信号分级进行放大并输出的多个放大元件；以及分别插入到上述各放大元件间、谋求相邻放大元件间的阻抗匹配的匹配电路，其特征在于，把1级高通滤波器型匹配器与1级低通滤波器型匹配器串联连接而构成上述匹配电路。
2.根据权利要求1中所述的多级放大器，其特征在于，插入到末级放大元件与末前级放大元件间的匹配电路，由把1级高通滤波器型匹配器与1级低通滤波器型匹配器串联连接而构成。
3.根据权利要求1所述的多级放大器，其特征在于，在输入侧设置1级高通滤波器型匹配器，在输出侧设置1级低通滤波器型匹配器。
4.根据权利要求1中所述的多级放大器，其特征在于，在输入侧设置1级低通滤波器型匹配器，在输出侧设置1级高通滤波器型匹配器。
5.根据权利要求1中所述的多级放大器，其特征在于，由并联电感及串联电容器构成1级高通滤波器型匹配器。
6.根据权利要求5中所述的多级放大器，其特征在于，作为并联电感使用长度为四分之一波长以下的偏置供给用的短截线。
7.根据权利要求1中所述的多级放大器，其特征在于，由并联电容器及串联电感构成1级低通滤波器型匹配器。
8.根据权利要求7中所述的多级放大器，其特征在于，作为串联电感使用串联线路。
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