專利名稱：功率放大器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種無功電流的控制性良好、難以受到元件偏差的影響 并具有穩(wěn)定的溫度特性的功率放大器。
背景技術：
目前作為以CDMA為代表的便攜式電話用功率放大器，GaAs-HBT (Heterojunction Bipolar Transistor:異質結雙極型晶體管)功率放大器 被廣泛地使用。圖13是表示現(xiàn)有的GaAs-HBT功率放大器的電路圖。 虛線框內是GaAs芯片，除此以外的電路元件在模塊基板上由芯片部件 或線3各形成。
圖中，Trl、 Tr2分別是前級放大元件、后級放大元件。Biasl是驅 動前級放大元件的前級偏置電路，Bias2是驅動后級放大元件的后級偏 置電路。
Vcl、 Vc2分別是前級、后級放大元件用的集電極電源端子，Vcb 是偏置電路Biasl、 Bias2的電源端子，Vref是對偏置電路Biasl、 Bias2 施加控制電壓的端子。IN是RF信號輸入端子，OUT是RF輸出信號端 子，R1 R4是電阻，C1 C10是電容，Ll、 L2是電感器。L3 ~ L8是用 具有特定電長度的線路來作為電感器起作用。再有，最近為了模塊的小 型化，作為輸入匹配電路的C1、 C2、 Ll或者作為級間匹配電路的C3、 C4、 L2也集成在GaAs芯片上的情況很多。
圖14是表示現(xiàn)有的偏置電路的電路圖。該偏置電路是上述的前級 偏置電路Biasl或后級偏置電路Bias2。在圖中，Vref是從外部施加控制 電壓的端子，Trbl-Trb3、 Trb7、 Trb8是GaAs - HBT, Tr是放大元件， Rbl Rb3、 Rb5 Rb8是電PJL。
包含Trbl的射極跟隨電路(emitter follower circuit)向對應的放大 元件Tr的基極(輸入端子)施加對應于控制電壓的電壓。而且，從端 子RFin輸入的RF信號經輸入匹配電路的電容C輸入到力文大元件Tr的 基極。而且，放大的RF信號從放大元件Tr的集電極輸出到端子RFout。
該偏置電路以相對于溫度變化將功率放大器的前級放大元件和后
級放大元件的無功電流(idle current)保持為恒定的方式工作(比如， 參照專利文獻1)。在這里，所謂無功電流是指在沒有RF輸入功率的 情況下的功率放大器的偏置電流。
圖15是表示現(xiàn)有的CDMA用HBT功率放大器的輸入輸出特性的 圖。當輸入功率Pin增加時，無功電流Ictq恒定，但是會使輸出功率Pout 增加，總工作電流let增加。
圖16是表示現(xiàn)有的CDMA用HBT功率放大器的失真特性的圖。失 真特性以相鄰信道泄漏功率(ACLR)來表示。ACLR與輸出功率Pout 的增加一同增加。利用此時的輸出功率Pout、功率增益Gp、以及效率 PAE來決定功率放大器特性的優(yōu)劣。
圖17是表示關于在郊外的CDMA終端機內功率放大器的輸出功率 的概率分布的圖。作為0dBm附近的低輸出的概率最高，作為27dBm附 近的最大輸出的概率低(比如，參照非專利文獻l)。因此，希望在輸 出功率低時將無功電流抑制得較低，在輸出功率高時使無功電流增加， 容易滿足失真特性。比如，如圖18所示，通過使功率放大器的無功電 流Icq對應于希望的輸出功率Pout而變化，從而能夠將無功電流Icq抑 制在必要最低限。但是，該方式需要復雜的控制電路。
因此，以往多采用對應于輸出功率而才莫擬式(analog)切換高無功 電流和低無功電流的方式。該方式在增強型場效應晶體管(Enhancement mode Field Effect Transistor)的情況下，只要4吏用電流反射鏡電路 (current mirror circuit)等就能容易實現(xiàn)。但是，關于才莫擬式控制無功 電流的GaAs-HBT功率放大器的公開文獻較少。
圖19是表示模擬式控制無功電流的現(xiàn)有的GaAs - HBT功率放大器 的電路圖(比如，參照非專利文獻2)。在圖中，Tr是放大元件，Vc 是放大級的集電極電源端子，Vcb是偏置電路的集電極電源端子，Vref 是從外部施加參考電壓的參考端子，Vmod是從外部施加控制電壓的控 制端子，Trbll Trbl7是GaAs-HBT, Rbl 1 ~ Rbl7是電阻，L是傳輸 線路，C是電容。從端子RFin輸入的RF信號經輸入匹配電路的電容C 輸入到放大元件Tr的基極。而且，放大元件Tr放大RF信號，從集電 極輸出到端子RFout。此外，包括Trbll ~Trbl7以及Rbll ~Rbl7的基 極電路將對應于施加到端子Vmod的控制電壓的電壓施加到放大元件Tr 的基極。
專利文獻1:日本專利申請公開2004 - 343244號公報
非專利文獻1: B.Sahu and G.A.Rincon-Mora,"A high-efficiency linear RF power amplifier with a power-tracking dynamically adaptive buck-boost supply," IEEE Trans.MTTvol.52、 No.l,pp.ll2-120,Jan. 2004
非專利文獻2: Y,W.Kim, K,C.Han, S,Y.Hong, J,H. Shin, "A 45% PAE/18mA quiescent current CDMA/PAM with a dynamic bias control circuit," 2004 IEEE Radio Frequency Integrated Circuit (RFIC) Symposium, 2004 Digest of Technical Papers, PP. 365-368
在圖19的功率放大器中，因為控制電壓和無功電流的關系成為非 線性，所以有無功電流的控制性差的問題。此外，因為無功電流的控制 功能和偏置功能裝入同一電路，所以容易受到元件偏差(variation)的 影響，而且有無功電流的溫度特性(對于同一控制電壓的無功電流的溫 度變化)難以恒定的問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明是為了解決上述這樣的課題而做出的，其目的是得到一種無 功電流的控制性良好、難以受到元件偏差的影響并具有穩(wěn)定的溫度特性 的功率放大器。
本發(fā)明的功率放大器具有第l放大元件，放大RF信號；第2放 大元件，輸出端子連接到第1放大元件的輸出端子上；射極跟隨電路， 將與施加到參考端子上的參考電壓相對應的電壓施加到第2放大元件的 輸入端子上；第1、第2電阻，串聯(lián)連接在參考端子和第1放大元件的 輸入端子之間；第l晶體管，集電極連接到參考端子上，在基極上施加 控制電壓；第3電阻，連接在第1晶體管的發(fā)射極和接地點之間；以及 電流反射鏡電路，將與從第1晶體管的集電極輸入的電流成比例 (proportional )的電流，從第1電阻和第2電阻的連接點抽出(draw out )。 本發(fā)明的其他特征在以下闡明。
通過本發(fā)明，能夠得到一種無功電流的控制性良好、難以受到元件 偏差的影響并具有穩(wěn)定的溫度特性的功率放大器。


圖1是表示涉及本發(fā)明實施方式1的功率放大器的電路圖。
圖2是表示圖1的功率放大器中的控制電壓和無功電流的關系的圖。
圖3是表示涉及本發(fā)明實施方式2的功率放大器的電路圖。
圖4是表示圖3的功率放大器中的控制電壓和無功電流的關系的圖。
圖5是表示涉及本發(fā)明實施方式3的功率放大器的電路圖。 圖6是表示涉及本發(fā)明實施方式4的功率放大器的電路圖。 圖7是表示涉及本發(fā)明實施方式5的功率放大器的電路圖。 圖8是表示圖7的功率放大器中的控制電壓和無功電流的關系的圖。
圖9是表示涉及本發(fā)明實施方式6的功率放大器的電路圖。
圖IO是表示圖9的功率放大器中的控制電壓和無功電流的關系的圖。
圖11是表示涉及本發(fā)明實施方式7的功率放大器的電路圖。
圖12是表示圖11的功率放大器中的控制電壓和無功電流的關系的圖。
圖13是表示現(xiàn)有的GaAs-HBT功率放大器的電路圖。 圖14是表示現(xiàn)有的偏置電路的電路圖。
圖15是表示現(xiàn)有的CDMA用HBT功率放大器輸入輸出特性的圖。
圖16是表示現(xiàn)有的CDMA用HBT功率放大器失真特性的圖。
圖17是表示關于在郊外的CDMA終端機內功率放大器的輸出功率
的概率分布的圖。
圖18是用于說明對應于輸出功率使無功電流變化的方式的圖。
圖19是表示模擬式控制無功電流的現(xiàn)有GaAs - HBT功率放大器的
電路圖。
具體實施方式
實施方式1
圖1是表示涉及本發(fā)明實施方式1的功率放大器的電路圖。Trl是 第l放大元件，Tr2是第2放大元件。Vc是放大級的集電極電源端子， Vcb是偏置電路的集電極電源端子，Vref是從外部施加參考電壓(通常 是2.8 2.9V)的參考端子，Vcon是從外部施加控制電壓的控制端子。Trbl ~ Trb5、 Tral ~ Tra3是GaAs - HBT, Rbl ~爆、Ral ~ Ra6是電阻。
再有，省略輸入匹配電路和輸出匹配電路。
從端子RFin輸入的RF信號經輸入匹配電路的電容Cl輸入到第1 放大元件Trl的基極(輸入端子)。而且，第1放大元件Trl放大RF 信號，并將其從集電極(輸出端子)輸出到端子RFout。第2放大元件 Tr2的集電極(輸出端子)連接到第l放大元件Trl的集電極，兩者經 傳輸線路L連接到電源端子Vc。在第1放大元件Trl的基極和第2放大 元件Tr2的基極之間連接有電容C2，第1放大元件Trl和第2放大元件 Tr2實現(xiàn)電容耦合。
Trbl的發(fā)射極經電阻Rbl連接到Trl的基極。Trbl的基極經電阻 Rb2連接到參考端子Vref。 Trbl的集電極連接到電源端子Vcb。
Trb2的集電極經電阻Rb3連接到Trbl的發(fā)射極。Trb2的發(fā)射極接 地。Trb3的基極經電阻Rb2、 Rb4連接到參考端子Vref。 Trb3的集電極 經電阻Rb5連接到電源端子Vcb。 Trb3的發(fā)射極連接到Trb2的基極， 經電阻Rb6接地。Trb4的基極和集電極經電阻Rb2連接到參考端子 Vref。 Trb5的基極和集電極連接到Trb4的發(fā)射極。Trb5的發(fā)射極接地。
包括上述電阻Rb3 ~ Rb6和Trb 1 ~ Trb3的射極跟隨電路將對應于施 加到參考端子Vref的參考電壓的電壓，施加到第2放大元件Tr2的基極。
此外，在參考端子Vref和第l放大元件Trl的基極之間，串聯(lián)連接 有第1電阻Ral和第2電阻Ra2。第1晶體管Tral的集電極經電阻Ra3 連接到參考端子Vref。施加到控制端子Vcon的控制電壓經電阻Ra4施 加到第1晶體管Tral的基極。在第1晶體管Tral的發(fā)射極和接地點之 間連接有第3電阻Ra5。
晶體管Tra2的基極和集電極經電阻Ra6連接到第1晶體管Tral的 集電極，發(fā)射極接地。晶體管Tra3的基極連接到晶體管Tra2的集電極， 集電極連接到第1電阻Ral和第2電阻Ra2的連接點，發(fā)射極接地。這 些晶體管Tra2、 Tm3構成電流反射鏡電路，將與從第1晶體管Tral的 集電極輸入的電流成比例的電流，從第1電阻Ral和笫2電阻Ra2的連 接點抽出。由此，電流Ia2對應于控制電壓而線性變化。
在施加到端子Vcon的控制電壓為Low (比GaAs的pn結的內建電 壓(built in voltage ) Vb小的電壓,比如1.2V)的情況下，第1晶體管 Tral變?yōu)榻刂?。因此，電流Ia3全部作為電流Ia4流向晶體管Tra2。因
為Tra2和Tra3構成了電流反射鏡，所以將電流Ia4鏡加倍(mirror multiple )后的電流反射鏡電流Ic流向Tra3 。當以該電流反射鏡電流Ic 全部吸收電流Ial的方式預先設定了電路常數(shù)時，因為沒有電流Ia2流 動，所以沒有無功電流Icq 1流動。
另一方面，在施加到端子Vcon的控制電壓為High (比如2.5V)的 情況下，第1晶體管Tral變?yōu)閷āＴ谶@種情況下電流Ia3幾乎成為電 流la5,當以幾乎沒有電流Ia6流動的方式預先設定了電路常數(shù)時，因為 電流反射4竟電流Ic也不流動，所以電流Ial全部作為電流Ia2對第1 i文 大元件Trl的基極供電，無功電流Icql流動。但是，在本實施方式中， 第2放大元件Tr2的無功電流Icq2不管控制電壓是High或是Low均為 恒定。
在本實施方式中，對應于施加到控制端子Vcon的控制電壓，能夠 模擬式控制無功電流。而且，通過設置作為高阻發(fā)射極負載的電阻Ra5 和作為電流反射鏡電路的Tra2、 Tra3,如圖2所示，能夠保持控制電壓 和無功電流為線性關系。因此，無功電流的控制性良好。
此外，通過分割施加偏置到放大元件的射極跟隨電路(Rb3 Rb6, Trbl Trb3)和控制放大元件的無功電流的電^各(Ral Ra6, Tral ~ Tra3)，從而難以受到元件偏差的影響，能夠具有穩(wěn)定的溫度特性。
再有，也可以將射極跟隨電路的Trbl和二極管連接的Trb4變更為 增強型場效應晶體管。由此，能夠將參考電壓(約2.8-2.9V)降低到 2.0V以下。
實施方式2
圖3是表示涉及本發(fā)明實施方式2的功率放大器的電路圖。在第1 電阻Ral和第2電阻Ra2的連接點與第2放大元件Tr2的基極(輸入端 子)之間，連接有第4電阻Ra7。其它的結構和實施方式1相同。由此， 如圖4所示，不僅是第l放大元件Trl,關于第2放大元件Tr2,也能保 持控制電壓和無功電流為線性關系。因此，由于能使第2放大元件Tr2 的無功電流在高輸出功率工作時增加，所以能夠得到更不容易失真的輸 出特性。
實施方式3
圖5是表示涉及本發(fā)明實施方式3的功率放大器的電路圖。笫2晶 體管Tra4的基極和集電極連接到參考端子Vref。在第1電阻Ral和第2
電阻Ra2的連接點與第2晶體管Tra4的發(fā)射極之間連接有第5電阻Ra8 。 其它的結構和實施方式1相同。
在實施方式l中，只要控制電壓恒定，則第l放大元件Trl的無功 電流Icql即使溫度變化也是恒定的。而且，無功電流只要是恒定的，則 HBT功率放大器的增益就隨著溫度上升而下降。因此，有功率放大器的 增益隨著溫度上升而下降的問題。另一方面，在本實施方式3中，隨著 溫度上升能夠使第l放大元件Trl的無功電流Icql增加。因此，相對于 溫度上升能夠保持功率放大器的增益為恒定。
實施方式4
圖6是表示涉及本發(fā)明實施方式4的功率放大器的電路圖。在第1 電阻Ral和笫2電阻Ra2的連接點與第2放大元件Tr2的基極(輸入端 子)之間連接有第4電阻Ra7。其它的結構與實施方式3相同。由此， 能夠得到實施方式1 ~3的效果。
實施方式5
圖7是表示涉及本發(fā)明實施方式5的功率放大器的電路圖。沒有電 容C,第1放大元件Trl的基極(輸入端子)和第2放大元件Tr2的基 極(輸入端子)短路。其它的結構和實施方式1相同。由此，如圖8所 示，無功電流的控制量變小。但是，與實施方式1相比能夠使電路簡化 (小型化)。
實施方式6
圖9是表示涉及本發(fā)明實施方式6的功率放大器的電路圖。與實施 方式1在控制放大元件的無功電流的電路結構方面不同。即，第1晶體 管Trail的漏極連接到參考端子。施加到控制端子Vcon的控制電壓經 電阻Rall,施加到第1晶體管Trail的柵極。在第1晶體管Trail的源 極和接地點之間連接有電阻Ra12。第1電阻Ral3的一端連接到第1晶 體管Trall的源極。第2晶體管Tml2的柵極和漏極連接到第1電阻Ral3 的另一端，源極接地。在第2晶體管Tral2的漏極和第1放大元件Trl 的柵極(輸入端子)之間連接有第2電阻Ral4。再有，即使沒有電阻 Ral2在工作上也沒有障礙。
process),而是以使用BiFFr工藝(BiFFr process )為前提的。即，用增 強型場效應晶體管來形成第l放大元件Trl以及第1、第2晶體管Trall、
Tral2。
增強型場效應晶體管的閾值電壓Vth是0.1 ~0.2V，比GaAs的pn 結的內建電壓Vb ( 1.2V)低。因此，能夠將施加到控制端子Vcon的控 制電壓原封不動地用于Tral2、 Trl的電流反射鏡的參考電流。即，在控 制電壓為OV的情況下，因為沒有電流Iall流動，所以也沒有第l放大 元件Trl的無功電流Icql流動。另一方面，在控制電壓為High (2.5V) 的情況下，因為有電流Iall流動，所以電流Iall鏡加倍后的無功電流 Icql流向第1放大元件Trl。
在本實施方式中，對應于施加到控制端子Vcon的控制電壓，能夠 模擬式控制無功電流。而且，因為相對于控制電壓的增加，電流Iall 的增加是線性的，所以如圖10所示，能夠保持控制電壓和無功電流為 線性關系。因此，無功電流的控制性良好。
此外，通過分割施加偏置到放大元件的射極跟隨電路(Rb3 Rb6、 Trbl Trb3)和控制放大元件的無功電流的電路(Ra11 ~Ral4、 Trail ~ Tral2),從而難以受到元件偏差的影響，能夠具有穩(wěn)定的溫度特性。
此外，因為在控制放大元件的無功電流的電路中使用了增強型場效 應晶體管，所以能夠使控制電壓的最低值從圖2的Vbe (約1.2V)降低 到2Vth (約0.2-0.4V)。
實施方式7
圖11是表示涉及本發(fā)明實施方式7的功率放大器的電路圖。在第2 晶體管Tral2的漏極和第2放大元件Tr2的基極(輸入端子)之間連接 有第3電阻Ral5。其它的結構與實施方式6相同。由此，如圖12所示， 不僅是第l放大元件Trl,關于第2放大元件Tr2,也能保持控制電壓和 無功電流為線性關系。因此，由于能使第2放大元件Tr2的無功電流在 高輸出功率工作時增加，所以能夠得到更不容易失真的輸出特性。
權利要求
1.一種功率放大器，其特征在于，具有:第1放大元件，放大RF信號；第2放大元件，輸出端子連接到上述第1放大元件的輸出端子上；射極跟隨電路，將與施加到參考端子上的參考電壓相對應的電壓施加到上述第2放大元件的輸入端子上；第1、第2電阻，串聯(lián)連接在上述參考端子和上述第1放大元件的輸入端子之間；第1晶體管，集電極連接到上述參考端子上，在基極上施加控制電壓；第3電阻，連接在上述第1晶體管的發(fā)射極和接地點之間；以及電流反射鏡電路，將與從上述第1晶體管的集電極輸入的電流成比例的電流，從上述第1電阻和上述第2電阻的連接點抽出。
2. 如權利要求1所述的功率放大器，其特征在于，還具有第4 電阻，連接在上述第1電阻和上述第2電阻的連接點與上述第2放大元 件的輸入端子之間。
3. 如權利要求1或2所述的功率放大器，其特征在于，還具有 第2晶體管，基極和集電極連接到上述參考端子上；以及第5電阻，連接在上述第1電阻和上述第2電阻的連接點與上述第 2晶體管的發(fā)射極之間。
4. 如權利要求1或2所述的功率放大器，其特征在于，還具有電 容，連接在上述第1放大元件的輸入端子和上述第2放大元件的輸入端 子之間。
5. 如權利要求1或2所述的功率放大器，其特征在于，上述第1放 大元件的輸入端子和上述第2放大元件的輸入端子短路。
6. —種功率放大器，其特征在于，具有 第1放大元件，放大RF信號；第2放大元件，輸出端子連接到上述第l放大元件的輸出端子上； 射極跟隨電路，將與施加到參考端子上的參考電壓相對應的電壓施 加到上述第2放大元件的輸入端子上；第1晶體管，漏極連接到上述參考端子上，在柵極上施加控制電壓； 第1電阻， 一端連接到上述第1晶體管的源極上； 第2晶體管，柵極和漏極連接到上述第1電阻的另一端上，源極接地；以及第2電阻，連接在上述第2晶體管的漏極和上述第1放大元件的輸 入端子之間。
7. 如權利要求1所述的功率放大器，其特征在于，上述第1放大元 件和上述第1、第2晶體管是增強型場效應晶體管。
8. 如權利要求6或7所述的功率放大器，其特征在于，還具有第 3電阻，連接在上述第2晶體管的漏極和上述第2放大元件的輸入端子 之間。
全文摘要
本發(fā)明能得到一種無功電流的控制性良好、難以受到元件偏差的影響并具有穩(wěn)定的溫度特性的功率放大器。射極跟隨電路(Rb3～Rb6、Trb1～Trb3)將與施加到參考端子(Vref)上的參考電壓相對應的電壓施加到第2放大元件(Tr2)的輸入端子上。在參考端子(Vref)和第1放大元件(Tr1)的輸入端子之間串聯(lián)連接有第1、第2電阻(Ra1、Ra2)。第1晶體管(Tra1)的集電極連接到參考端子(Vref)上，在基極上施加控制電壓。在第1晶體管(Tra1)的發(fā)射極和接地點之間連接有第3電阻(Ra5)。電流反射鏡電路(Tra2、Tra3)將與從第1晶體管(Tra1)的集電極輸入的電流成比例的電流，從第1電阻(Ra1)和第2電阻(Ra2)的連接點抽出。
文檔編號H03F1/30GK101373953SQ20081008523
公開日2009年2月25日 申請日期2008年3月10日 優(yōu)先權日2007年8月23日
發(fā)明者宮下美代, 山本和也 申請人:三菱電機株式會社