功率放大电路的制作方法

本发明涉及功率放大电路。

背景技术：

移动电话等移动体通信设备中，为了放大向基站发送的无线频率(rf：radiofrequency)信号的功率而使用功率放大电路。功率放大电路中，使用用于向功率放大用的晶体管提供偏置电流或偏置电压的偏置电路。例如，专利文献1中记载了由连接了二极管的晶体管(tr2，tr3)、整流用发射极跟随晶体管(tr4)、以及恒电流源晶体管(tr5)构成的偏置电路。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2005－228196号公报

技术实现要素：

发明所要解决的技术问题

功率放大电路中，中等功率输出时有可能产生增益扩展(gainexpansion)。因该增益扩展的产生，功率放大电路的增益的线形性消失，因此功率放大电路的线形性劣化。为了应对该问题，例如如专利文献1所公开的偏置电路那样，可考虑在晶体管(tr4)的发射极与基准电位之间设置作为恒电流源进行动作的晶体管(tr5)的结构。由此，能抑制伴随高频信号的振幅增加而导致的晶体管(tr4)的发射极电压的变动。也能抑制在中等功率输出时的偏置电流的平均值的增加。由此，高频放大晶体管(tr1)的增益扩展被抑制，功率放大电路的线形性得到改善。然而，该偏置电路中，在小信号输入时晶体管(tr5)也始终处于导通状态，因此晶体管(tr5)中流过一定量的电流。因此，在小信号输入时，即使晶体管(tr1)的消耗电流减少，该偏置电路的消耗电流也并未减少，因此存在小信号输入时的功率附加效率下降的问题。此处的增益扩展指的是伴随中等功率输出区域中的输出功率的增加而导致的增益增加。

本发明鉴于上述问题而得以完成，其目的在于提供一种抑制功率放大电路中的中等功率输出时的增益扩展，并降低小功率输出时的偏置电路的消耗电流的功率放大电路。

解决技术问题所采用的技术方案

为了达到上述目的，本发明的一个方面所涉及的功率放大电路包括：第1放大器，该第1放大器中输入有第1信号，输出对第1信号进行放大而得的第2信号；偏置电路，该偏置电路向第1放大器提供偏置电流或偏置电压；以及控制电压生成电路，该控制电压生成电路生成与第1信号的信号电平相对应的控制电压，偏置电路包括：第1晶体管，该第1晶体管从发射极或源极输出偏置电流或偏置电压；第2晶体管，该第2晶体管设置于第1晶体管的发射极或源极与接地之间；以及第3晶体管，该第3晶体管的基极或栅极被提供控制电压，从发射极或源极向第2晶体管的基极或栅极提供第1电流或电压，第1信号的信号电平为第1电平的情况下的第1电流或电压的值比第1信号的信号电平为第2电平的情况下的第1电流或电压的值要大，第1电平比第2电平要高。

发明效果

根据本发明，能提供一种抑制功率放大电路中的中等功率输出时的增益扩展，并降低小功率输出时的偏置电路的消耗电流的功率放大电路。

附图说明

图1是示出本发明的一个实施方式的功率放大电路100的构成的图。

图2是示出放大器110的构成的一个示例的图。

图3是示出偏置电路120的构成的一个示例的图。

图4是示出控制电压生成电路140的构成的一个示例的图。

图5是示出流过控制电压生成电路140中的双极型晶体管420、424的电流的模拟结果的曲线图。

图6是示出控制电压生成电路140中的电压vac、vcont1的模拟结果的曲线图。

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，对相同的要素标注相同的标号，省略重复的说明。

图1是示出本发明的一个实施方式的功率放大电路100的构成的图。功率放大电路100对rf信号rfin进行放大，输出输出信号rfout。

如图1所示，功率放大电路100包括放大器110、111，偏置电路120、121，匹配电路130、131、132，以及控制电压生成电路140。

放大器110、111构成二级放大电路。放大器110(第1放大器)(驱动级)对通过匹配电路130所输入的rf信号rfin(第1信号)进行放大，输出rf信号rfout2(第2信号)。从放大器110所输出的rf信号rfout2通过匹配电路131被输入至放大器111。放大器111(功率级)对rf信号rfout2进行放大，通过匹配电路132输出输出信号rfout。

图2是示出放大器110的构成的一个示例的图。如图2所示，放大器110包括双极型晶体管200、电感器210、电容器220、以及电阻元件230。对于双极型晶体管200，电源电压vcc通过电感器210被提供至其集电极，rf信号rfin通过电容器220被输入至其基极，其发射极接地。此外，偏置电流ibias1或偏置电压通过电阻元件230被提供至双极型晶体管200的基极。rf信号rfout2从双极型晶体管200的集电极被输出。

放大器111也为同样的构成。另外，放大器的级数并不限于二级，也可是一级，也可是三级以上。此外，本实施方式中，以晶体管为例使用异质结双极型晶体管(hbt：heterojuctionbipolartransistor)进行说明，然而作为晶体管，也可使用场效应晶体管(mosfet：metal-oxide-semiconductorfieldeffecttransistor)。

回到图1，偏置电路120、121分别向放大器110、111提供偏置电流或偏置电压。本实施方式中，以偏置电路120、121分别向放大器110、111提供偏置电流ibias1、ibial2为例进行说明。偏置电流ibias1、ibias2基于功率放大电路100的外部所提供的电压vb1、vb2以及由控制电压生成电路140所提供的控制电压vcont1、vcont2而调整。偏置电路120、121的构成的详情将在后文阐述。

匹配电路130、131、132用于使电路间的阻抗匹配而设置。匹配电路130、131、132分别例如使用电感器或电容器构成。

控制电压生成电路140生成与rf信号rfin的信号电平相对应的控制电压vcont1、vcont2。控制电压vcont1、vcont2基于由功率放大电路100的外部所提供的电压vb3以及电压vreg而调整。控制电压生成电路140的构成的详情将在后文阐述。

图3是示出偏置电路120的构成的一个示例的图。另外，偏置电路121的构成与偏置电路120相同，因此省略详细的说明。

如图3所示，偏置电路120包括双极型晶体管300、301、302、303、304以及电容器310。

双极型晶体管300、301以及电容器310构成为生成规定电平的电压。具体而言，双极型晶体管300的集电极与基极相连接(以下称为二极管连接)，向集电极提供电压vb1，发射极与双极型晶体管301的集电极相连接。双极型晶体管301进行二极管连接，集电极与双极型晶体管300的发射极相连接，发射极接地。电容器310的第1端子与双极型晶体管300的基极相连接，第2端子接地。

通过上述构成，双极型晶体管300的集电极生成规定电平的电压(例如，2.6v左右)。另外，也可使用二极管来代替双极型晶体管300、301。

双极型晶体管302(第1晶体管)的集电极被提供电源电压vcc，基极与双极型晶体管300的基极相连接，发射极与双极型晶体管303(第2晶体管)的集电极相连接。双极型晶体管302从发射极向放大器110(例如，双极型晶体管200的基极)提供偏置电流ibias1。

双极型晶体管303(第2晶体管)的集电极与双极型晶体管302的发射极相连接，基极与双极型晶体管304(第3晶体管)的发射极相连接，发射极接地。双极型晶体管303具有根据提供至基极的电流，对双极型晶体管302的发射极与接地之间的电流进行调整的功能。

双极型晶体管304(第3晶体管)的集电极被提供电源电压vcc，基极被提供至控制电压vcont1，发射极与双极型晶体管303的基极相连接。双极型晶体管304具有根据由控制电压生成电路140所提供的控制电压vcont1，对提供至双极型晶体管303的基极的电流(第1电流)进行调整的功能。

接着，对偏置电路120的动作进行说明。偏置电路120在输入至功率放大电路100的rf信号rfin的信号电平相对较大(第1电平)、输出信号rfout的功率相对较大的情况下(以下称为中等功率输出时)，使流过双极型晶体管304以及双极型晶体管303的电流增加。由此，因放大器110的高频振幅动作所引起的从ibias1端子逆流的电流能作为双极型晶体管303的集电极-发射极间电流而流过接地端子。因此，能抑制因双极型晶体管302的基极-发射极连接的二极管的整流特性所引起的双极型晶体管302的发射极电流的增加。因此，在中等功率输出时，因偏置电流的增加所引起的增益扩展被降低。

另一方面，在输入至功率放大电路100的rf信号rfin的信号电平相对较小(第2电平)、输出信号rfout的功率相对较小的情况下(以下称为小功率输出时)，使流过双极型晶体管304以及双极型晶体管303的电流降低。由此，使双极型晶体管302的发射极与接地之间的电流降低。此处，与中等功率输出时相比，小功率输出时从所述的ibias1端子逆流的电流较少。因此，用于抑制双极型晶体管302的发射极电流的增加所需的双极型晶体管303的集电极-发射极间电流也较少。因此，即使伴随rf信号rfin的信号电平的下降，流过双极型晶体管303的电流减少，也能充分抑制增益扩展、降低消耗电流。

接着，参照图4对控制双极型晶体管303、304的控制电压vcont1的生成方法进行说明。另外，对于控制电压vcont2，其与控制电压vcont1相同，因此省略详细的说明。

图4是示出控制电压生成电路140的构成的一个示例的图。如图4所示，控制电压生成电路140包括复制电路(replicacircuit)400以及电压输出电路410。

复制电路400是对放大器110的放电动作进行模拟的电路。即，与放大器110相同地，复制电路400对rf信号rfin进行放大，输出rf信号rfout3(第3信号)。该rf信号rfout3在电压输出电路410中被转换为电压值。基于该电压值生成了控制电压vcont1、vcont2。以下，对控制电压生成电路140所具备的各个电路的构成进行详细的说明。

复制电路400包括双极型晶体管420、421、422、423，电容器430、431以及电阻元件440。

双极型晶体管420(第2放大器)对放大器110所具备的双极型晶体管200的放大动作进行模拟。双极型晶体管420的集电极与电阻元件441的另一端相连接，基极与电阻元件440的另一端以及电容器430的一端相连接，发射极接地。此外，rf信号rfin通过电容器430被输入至双极型晶体管420的基极，将该信号放大后得到的rf信号rfout3从集电极被输出。

电容器430的一端与双极型晶体管420的基极相连接，向其另一端输入rf信号rfin。电容器430去除rf信号rfin的直流分量，并防止将从双极型晶体管423的发射极流出的电流的直流分量提供给放大器110。

双极型晶体管421、422、423，电容器431以及电阻元件440构成用于向双极型晶体管420提供偏置电流或偏置电压的偏置电路。具体而言，双极型晶体管421、422以及电容器431在双极型晶体管421的基极生成规定电平的电压(例如，2.6v左右)。该构成与偏置电路120相同，因此省略详细的说明。双极型晶体管423的集电极被提供电压vreg，基极与双极型晶体管421的基极相连接，发射极与电阻元件440的一端相连接。电阻元件440的一端与双极型晶体管423的发射极相连接，另一端与双极型晶体管420的基极相连接。

通过上述构成，从双极型晶体管423的发射极通过电阻元件440向双极型晶体管420的基极提供偏置电流或偏置电压。

接着，对电压输出电路410的构成进行说明。电压输出电路410包括电流电压转换电路450、滤波电路460以及电压电平转换电路470。

电流电压转换电路450是输出与由双极型晶体管420所输出的rf信号rfout3相对应的电压vac(第2电压)的电路。电流电压转换电路450具备电阻元件441。电阻元件441的一端被提供电压vreg，另一端与双极型晶体管420的集电极相连接。电阻元件441中流过与rf信号rfout3的电流相对应的电流i1。此处，若电阻元件441的电阻值为r1，则在电阻元件441的另一端生成了从电压vreg降低了r1×i1的量而得的电压vac。电流i1与rf信号rfout3相对应，因此电压vac也与rf信号rfout3相对应。

滤波电路460包括电阻元件442以及电容器432。

电阻元件442的一端被提供电压vac，另一端与电容器432的一端相连接。电容器432的一端与电阻元件442的另一端相连接，另一端接地。

通过上述构成，滤波电路460使电流电压转换电路450生成的电压vac的交流分量衰减，从电阻元件442与电容器432的连接点输出直流电压vdc。另外，本实施方式中，将滤波电路460作为由电阻元件以及电容器构成的低通滤波电路，然而滤波电路460的构成并不限于此。

电压电平转换电路470是将由滤波电路460所提供的电压vdc转换为控制电压vcont1、vcont2的电路。电压电平转换电路470包括双极型晶体管424、425以及电阻元件443、444、445、446。

双极型晶体管424以及电阻元件443、444将电压vdc转换为控制电压vcont1。双极型晶体管424的集电极与电阻元件443的另一端相连接，基极被提供电压vdc，发射极通过电阻元件444接地。电阻元件443的一端被提供电压vreg，另一端与双极型晶体管424的集电极相连接。电阻元件444的一端与双极型晶体管424的发射极相连接，另一端接地。流过双极型晶体管424的电流根据被提供至基极的电压vdc而变化。电阻元件443中流过与流过双极型晶体管424的电流相对应的电流i2。此处，若电阻元件443的电阻值为r2，则在电阻元件443的另一端生成了从电压vreg降低了i2×r2的量而得的控制电压vcont1。电流i2与电压vdc相对应，因此控制电压vcont1也与电压vdc相对应。此外，对于双极型晶体管425以及电阻元件445、446，也与双极型晶体管424以及电阻元件443、444的构成相同,在电阻元件445的另一端生成了控制电压vcont2。另外，通过对电阻元件443、444、445、446的电阻值进行变更，能对控制电压vcont1、vcont2的电压电平进行调整。

接着，对控制电压生成电路140的动作进行说明。若输入到控制电压生成电路140的rf信号rfin的信号电平变大，则流过双极型晶体管420的电流增加，电压vac下降。电压vdc也随之下降，流过双极型晶体管424的电流减少。因此，控制电压vcont1上升。另一方面，若输入到控制电压生成电路140的rf信号rfin的信号电平变小，则流过双极型晶体管420的电流减小，电压vac上升。电压vdc也随之上升，流过双极型晶体管424的电流增加。因此，控制电压vcont1下降。

由此，控制电压生成电路140以在rf信号rfin的信号电平相对较大的中等功率输出时使控制电压vcont1上升、在该信号电平相对较小的小功率输出时使控制电压vcont1下降的方式进行动作。

若对上述的偏置电路120以及控制电压生成电路140的动作进行总结，则在中等功率输出时，控制电压生成电路140提供给偏置电路120的控制电压vcont1上升。由此，流过图3所示的双极型晶体管304的电流增加，流过双极型晶体管303的电流也增加。因此，在中等功率输出时，能抑制因偏置电流的不足所引起的增益扩展。

另一方面，随着rf信号rfin的信号电平的减小，控制电压生成电路140提供给偏置电路120的控制电压vcont1下降。由此，流过图3所示的双极型晶体管304的电流减少，流过双极型晶体管303的电流也减少。因此，在小功率输出时，流过双极型晶体管303的电流减少，因此能降低偏置电路的消耗电流。

另外，本实施方式中，对使用了npn型双极型晶体管的构成进行了说明，然而也可使用pnp型双极型晶体管来代替npn型双极型晶体管。此外，也可使用mosfet来代替本实施方式中的双极型晶体管。在使用了mosfet来代替双极型晶体管的情况下，分别以漏极、栅极、源极来代替集电极、基极、发射极即可。

接着，参照图5以及图6对控制电压生成电路140中的电流以及电压的变化进行说明。

图5是示出流过图4所示的控制电压生成电路140中的双极型晶体管420、424的电流的模拟结果的曲线图。图5所示的曲线中，纵轴表示电流(ma)，横轴表示输入功率(dbm)。

如图5所示，流过双极型晶体管420的电流在小功率输出时(例如，输入功率为-30dbm)相对较少，若输入功率超过-15dbm左右则开始急剧增加，在中等功率输出时(例如，输入功率为0dbm)，为1.6ma左右。另一方面，流过双极型晶体管424的电流在小功率输出时为恒定的0.2ma左右，然而若输入功率超过-15dbm左右则开始下降，输入功率为0dbm的时候成为0.0ma。

图6是示出如图4所示的控制电压生成电路140中的电压vac、vcont1的模拟结果的曲线图。图6所示的曲线中，纵轴表示电压(v)，横轴表示输入功率(dbm)。

如图6所示，可知电压vac的电压值随着输入功率的增大而下降。具体而言，与小功率输出时(例如，输入功率为-30dbm)相比，在中等功率输出时(例如，输入功率为0dbm)，电压vac下降1v左右。这是因为如图5所示，在中等功率输出时，相对较多的电流流过双极型晶体管420。另一方面，可知控制电压vcont1随着输入功率的增大而上升。具体而言，与小功率输出时(例如，输入功率为-30dbm)相比，在中等功率输出时(例如，输入功率为0dbm)，控制电压vcont1上升1v左右。这是因为如图5所示，在中等功率输出时，流过双极型晶体管424的电流减少。

以上，从图5、图6所示的模拟结果可知，控制电压生成电路140根据rf信号rfin的信号电平，生成在中等功率输出时上升、在小功率输出时下降的控制电压vcont1。由此，在功率放大电路100中，能使控制电压vcont1随着rf信号rfin的信号电平的下降而下降，能使提供偏置电流的双极型晶体管302的发射极与接地之间的电流降低。由此，在功率放大电路100中，能抑制在小功率输出时的消耗电流。

以上，对本发明例示的实施方式进行了说明。功率放大电路100包括控制电压生成电路140、以及偏置电路120所具备的双极型晶体管304，从而能对提供偏置电流的双极型晶体管302的发射极与接地之间的电流进行调整。因此，在中等功率输出时在双极型晶体管303中流过电流，从而抑制因偏置电流的不足所引起的增益扩展，在小功率输出时减少流过双极型晶体管303的电流，从而能减少消耗电流。

此外，如图4所示，控制电压生成电路140能由双极型晶体管420以及电压输出电路410构成，该双极型晶体管420对放大器110的放大动作进行模拟从而对rf信号rfin进行放大，该电压输出电路410根据该放大后的信号的信号电平生成控制电压vcont1、vcont2。另外，控制电压生成电路140的构成并不限于此。

此外，如图4所示，电压输出电路410也能由电流电压转换电路450以及电压电平转换电路470构成，该电流电压转换电路450将放大后的rf信号rfin的电流转换为电压，该电压电平转换电路470将该电压转换为控制电压vcont1、vcont2。另外，电压输出电路410的构成并不限于此。

此外，如图4所示，电压输出电路410能构成为进一步具备使由电流电压转换电路450所输出的电压的交流成分衰减的滤波电路460。另外，电压输出电路410的构成并不限于此。

上述所说明的各实施方式是为了便于理解本发明，但并非对本发明进行限定解释。本发明可以在不脱离其主旨的范围内进行变更/改良，并且本发明还包含与其等价的内容。即，只要在本领域技术人员对各实施方式进行适当的设计改变而得到的技术方案中包含本发明的特征，则认为其包含于本发明的范围内。例如，各实施方式所具有的各要素及其配置、材料、条件、形状、尺寸等并不限于示例，能进行适当的改变。此外，各实施方式所具有的各要素能在技术上可实现的范围内进行组合，只要该组合包含本发明的特征则认为其也包含于本发明的范围中。

标号说明

100功率放大电路

110、111放大器

120、121偏置电路

130、131、132匹配电路

140控制电压生成电路

200、300、301、302、303、304、420、421、422、423、424、425双极型晶体管

210电感器

220、310、430、431、432电容器

230、440、441、442、443、444、445、446电阻元件

400复制电路

410电压输出电路

450电流电压转换电路

460滤波电路

470电压电平转换电路