专利名称：偏置控制电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及高频功率放大器用的偏置控制电路，特别涉及适合于控制高频功率放大器的偏压电流，来对高频功率放大器的输出功率及装有这样的高频功率放大器的手机的发送输出进行可变控制的偏置控制电路。
一般，手机发送输出的可变控制通过调整装在手机内的高频功率放大器的增益来进行。为调整增益，例如可以调整构成高频功率放大器的晶体管的偏压电流。具体如图3所示，使构成高频功率放大器1的晶体管电路中的增益调整晶体管2的基准输入电流，按照来自外部的控制电压VGC例如表示基地台对手机的要求发送输出的控制电压VGC发生变化，来调整晶体管2的发射极电流1E，这样使高频功率放大器1的输出及手机的发送输出可发生变化。
要既维持发送输出的直线性又要调整发送输出，有必要尽量减小偏置控制电路的输出阻抗。而且，因为通常手机具备作为驱动源的发生1.5或3V直流电源电压的锰电池或锂电池等，所以不仅高频功率放大器、而且偏置控制电路也必须以这样的直流电源电压进行动作。
为了满足这些条件，以往的偏置控制电路如图3所示，由低阻抗变换控制电压VGC用的、发射极接地的晶体管3和连接二极管的晶体管4构成，晶体管4由晶体管3驱动，起到作为电流密勒源的作用。
但是，根据由这样的电流密勒电路构成且输出阻抗非常小的偏置控制电路，偏置控制电路的晶体管4中流过大电流，而此电流是对晶体管2的基极输入电流无贡献的废弃电流，成为浪费电力的主要原因。
本发明的另一目的在于，提供这样一种偏置控制电路，该偏置控制电路可用电池供给的直流电源电压进行工作，并且对高频功率放大器的输出功率及装有高频功率放大器的手机发送输出功率等，能以良好的直线性在无无用功率消耗的情况下进行可变控制。
本发明能提供控制高频功率放大器的偏压电流用的偏置控制电路。该偏置控制电路具有输入控制电压、并将该控制电压变换成要供给高频功率放大器的偏压控制电压用的电压变换电路。该电压变换电路包括2级差分放大器，该2级差分放大器由2对放大用晶体管构成，具有反相输入端、非反相输入端、反相输出端及非反相输出端，从所述反相输入端输入所述控制电压，并从所述反相输出端及所述非反相输出端分别输出反相输出电压及非反相输出电压；输出晶体管，该输出晶体管用于对所述2级差分放大器的所述非反相输出电压进行低阻抗变换而获得输出电压，并将该输出电压输出到所述高频功率放大器作为所述偏压控制电压；反馈电路，用于将所述输出电压全反馈给所述2级差分放大器的所述非反相输入端、并将所述2级差分放大器的所述反相输出电压反馈给所述反相输入端；以及，连接有二极管的偏压用晶体管，用于规定构成所述2级差分放大器的第1级放大器的一对放大用晶体管的各基极电压。
在本发明的偏置控制电路具有的电压变换电路中，2级差分放大器的反相输入端被加上控制电压，2级差分放大器的非反相输出电压由输出晶体管进行低阻抗变换。其结果获得的输出电压一路输出到高频功率放大器作为偏压控制电压，另一路全反馈至2级差分放大器的非反相输入端。此外，2级差分放大器的反相输出电压反馈至反相输入端。电压变换电路实现了作为低输出阻抗的电压跟随电路的要求。因此，本发明的偏置控制电路能减少废弃电流而抑制无用功率消耗，并且构成简易。还有，将偏压控制电压加在高频功率放大器上，能对高频功率放大器的输出功率在具有良好直线性的情况下有效进行可变控制。
理想的是，与偏置控制电路一起使用的高频功率放大器由晶体管构成。更理想的是，高频功率放大器随着加在构成高频功率放大器的晶体管上的基极、发射极间电压的变化，其输出功率发生变化，偏置控制电路对高频功率放大器的偏压电流进行最佳控制，以使高频功率放大器的输出功率成为与控制电压对应的所需输出功率。更理想的是，偏置控制电路由晶体管集成电路构成，与构成高频功率放大器的晶体管同时制成集成电路。
根据上述最佳形态，能提供非常适合与高频功率放大器一起装在手机上的偏置控制电路。
更理想的是，偏置控制电路由可由1.5伏或3.0伏的直流电源电压驱动的晶体管集成电路所构成。
根据该理想形态，偏置控制电路可以用锰电池或锂电流产生的1.5伏或3.0伏的直流电源电压进行动作，非常适合装在以这样的电池为驱动源的手机等电器上。
更理想的是，构成偏置控制电路尤其是电压变换电路的晶体管集成电路的至少一部分由这样的晶体管构成，该晶体管的最大基极、发射极间电压为从电池供给的直流电源电压的一半程度。
根据该理想形态，在直流电压源与接地之间将构成偏置控制电路的至少一部分的晶体管最多重叠2级，就能容易地使偏置控制电路集成电路化。此外，这样的偏置控制电路能用电池供给的直流电源电压进行驱动。例如，最大基极、发射极间电压为约1.4伏的异质结双极晶体管HBT所构成的偏置控制电路可以用锂电池产生的约3V的直流电源电压进行驱动。此外，最大基极、发射极间电压约为0.7V的Si双极晶体管例如SiGe-HBT所构成的偏置控制电路可以用锰电池产生的约1.5V的直流电源电压进行驱动。
理想的是，本发明的偏置控制电路还具有对2级差分放大器的反相输入端加上温度补偿用电压用的温度补偿电路。更理想的是，温度补偿电路具有连接有二极管的温度传感用晶体管串联连接的电阻桥接电路；由放大用晶体管对构成、将电阻桥接电路的电桥输出放大而获得误差电压的误差放大器；将该误差放大器的输出电压进行低阻抗变换而生成温度补偿用电压的输出用图面的简单说明晶体管。更理想的是，温度补偿电路及电压变换电路分别由晶体管集成电路构成，温度补偿电路与电压变换电路同时被集成电路化。
根据上述的理想形态，能简易且有效进行偏置控制电路的温度补偿。这样的偏置控制电路非常适合组装入在各种温度环境下使用的手机。
图2所示为
图1所示偏置控制电路的等效电路的概略电路图。
图3所示为使用电流密勒电路的传统偏置控制电路的典型例子的概略电路图。
该偏置控制电路是对安装在手机发信部等处的高频功率放大器(对应图3所示的高频功率放大器)的输出进行可变控制用的，例如由在GaAs化合物半导体基板上形成的异质结双极晶体管(HBT)构成，与构成高频功率放大器的晶体管电路同时被集成电路化。
GaAs-HBT在元件结构上，不存在如Si双极晶体管那样的P坑，仅由npn晶体管构成，此外，最大基极、发射极间电压例如为1.4V。构成偏置控制电路的晶体管集成电路，在电池等的直流电压源与接地间，将GaAs-HBT以最多2级重叠，由此使偏置控制电路的集成电路化变容易，同时可以用电池等供给的例如3V的直流电源电压Vcc来驱动偏置控制电路。
一般而言，手机是根据基地台的要求发送输出来调整发送输出电平的，这样的手机内装载的偏置控制电路必须满足几个要求。首先，为了调整发送输出电平，使手机根据内装的D/A变换器的输出(控制电压VGC)适当动作，要求偏置控制电路有例如10kΩ以上的高输入阻抗。此外，为了边维持高频功率放大器动作上的直线性边控制高频功率放大器的偏压电流，要求偏置控制电路有例如2Ω以下的低输出阻抗。还有，对偏置控制电路还要求，将对驱动高频功率放大器的晶体管的基极输入电流无直接贡献的所谓废弃电流抑制在例如5mA以下，以实现电力节省。
为了满足这样的要求，与由电流密勒电路构成的以往装置不同，偏置控制电路由电压跟随电路构成。该偏置控制电路，将以高输入阻抗接收的例如在0～3V的范围内变化的直流控制电压VGC变换成0～1.5V的直流电压即偏压控制电压VOUT，并将该偏压控制电压VOUT以低阻抗输出。偏压控制电压VOUT加到高频功率放大器的晶体管的基极，这样，晶体管发射极电流1E可在例如1mA～200mA的范围内作可变调整，高频功率放大器的输出被可变控制。
具体来说，该实施形态的偏置控制电路如图1所示构成。大体是该偏置控制电路由成为电压跟随电路的电压变换电路10和温度补偿此电压变换电路10用的温度补偿电路20构成，并与高频功率放大器一起被集成电路化。
电压变换电路10具有第1和第2放大器级构成的高增益的2级差分放大器11。差分放大器11的第1放大器级由发射极连接在一起的晶体管Q1、Q2构成。第2放大器级由发射极连接在一起且将晶体管Q1、Q2的集电极输出输入到各自的基极的一对晶体管Q3、Q4所构成。晶体管Q1、Q2的各基极构成差分放大器11的反相输入端和非反相输入端，晶体管Q3、Q4的各集电极构成差分放大器11的反相输出端和非反相输出端。
在构成差分放大器的晶体管发射极和接地线GND之间，与设有作为恒流源的晶体管的通常的差分放大器不同，将晶体管以最多2级重叠的本实施形态的偏置控制电路的差分放大器11，具备代替作为恒流源的晶体管的发射极电阻Re1、Re3。图1中，记号Rc1到Rc4表示在晶体管Q1到Q4与驱动电源(VREG＝VCC)间分别设置的负荷电阻。
偏置控制电路，具备将低差分放大器11的非反相输出电压进行低阻抗变换后作为偏压控制电压VOUT输出用的、集电极接地的输出晶体管Q5a、Q5b，以及将差分放大器11的反相输出电压进行低阻抗变换后输出用的、集电极接地的输出晶体管Q6。输出晶体管Q5a、Q5b互相并联连接以确保输出电流的容量。晶体管Q5a、Q5b的共同发射极，通过连接有二极管的晶体管Q7及与与它串联的发射极电阻Re7与接地线GND连接，晶体管Q6的发射极，通过连接有二极管的晶体管Q8及与它串联的发射极电阻Re8与接地线GND连接。晶体管Q7和发射极电阻Re7构成输出晶体管Q5a、Q5b的负荷，晶体管Q8和发射极电阻Re8构成输出晶体管Q6的负荷。
还有，偏置控制电路有反馈电路。该反馈电路将输出晶体管Q5a、Q5b的输出电压(偏压控制电压VOUT)全反馈到差分放大器11的非反相输入端(晶体管Q2的基极)，而且通过反馈电阻Rf将差分放大器11的反相输出电压所对应的输出晶体管Q6的输出电压反馈到差分放大器11的反相输入端(晶体管Q1的基极)。
这样将输出晶体管的输出电压反馈到差分放大器11，特别是将输出晶体管Q5a、Q5b的输出电压全反馈到差分放大器11，因此，即使流过晶体管Q5a、Q5b的电流变化大，也可保持输出晶体管Q5a、Q5b的输出阻抗小。从而，电压变换电路10的偏压电流能够充分小。
在偏置控制电路中，差分放大器11的晶体管Q1的基极，一方面通过连接有二极管的晶体管Q9及与它串联的发射极电阻Re9与接地线GND连接，另一方面，通过集电极电阻Rc9连接到驱动源VREG。电阻Rc9、Re9和晶体管Q9组成的串联电路负责规定晶体管Q1的基极电位和设定其动作点。即，晶体管Q9起到偏压用晶体管的功能。
又，差分放大器11的晶体管Q2的基极电位由晶体管Q7直接规定，晶体管Q2的动作点被设定。换言之，该偏置控制电路省略了差分放大器11的非反相输入端(晶体管Q2的基极)侧的偏压电路，成为输出晶体管Q5a、Q5b负荷的晶体管Q7起到偏压用晶体管的功能，这样偏置控制电路的结构就简化。
简要说，偏置控制电路具有以下的基本构成。即，偏置控制电路通过输入电阻Rin将控制电压VGC输入到差分放大器11的反相输入端(晶体管Q1的基极)。然后，将非反相输出电压全反馈到非反相输入端，并通过电阻Rf将反相输出电压反馈到反相输入端，同时，差分放大器11根据反馈电阻Rf等所规定的放大增益来放大控制电压VGC。其放大输出(电压放大输出)即非反相输出电压由输出晶体管Q5a、Q5b进行低阻抗变换，并作为偏压控制电压VOUT，输出到作为控制对象的高频功率放大器(具体是如图3所示的构成高频功率放大器1的晶体管2的基极)。
如上所述，对偏置控制电路要求有高输入阻抗。一般，为提高晶体管Q1的输入阻抗，采用在晶体管Q1的发射极和接地间设置作为恒流源的晶体管的方法，或者采用由达林顿连接的多个晶体管构成晶体管Q1等的方法，而在本实施形态中，不适合采用这样一般性方法。即如上所述，因为在本实施形态中，从使偏置控制电路可由电池电压驱动且容易集成电路化的观点出发，将构成偏置控制电路的晶体管重叠级数限制在最多2级。
这里参照偏置控制电路的等效电路(图2)，用差分放大器11的晶体管Q1的输入阻抗表示差分放大器11的输入阻抗Zin。这样，晶体管Q1的输入阻抗随发射极电阻Re1的电阻值变化。因此，在本实施形态中，提高了发射极电阻Re1的电阻值，以便在实际应用上充分提高晶体管Q1的输入阻抗。
偏置控制电路的电压变换电路10的放大增益(电压增益)是由差分放大器11的反相输入端的输入电阻值和反馈电阻Rf的电阻值决定的。在反相输入端的输入电阻值由连接到晶体管Q1基极的输入电阻Rin与晶体管Q9构成的基极偏压电路上的电阻的合成电阻值表示。具体来说，输入电阻值如图2所示，由输入电阻Rin、晶体管Q9的集电极电阻Rc9、晶体管Q1的内部电阻Zin及晶体管Q9的发射极电阻Re9的合成电阻值表示。即电压变换电路10的放大增益是由该合成电阻值和反馈电阻Rf的电阻值决定的。
作为决定差分放大器11的反相输入端的输入电阻值的一个要素即晶体管Q9的内部电阻与构成差分放大器11的晶体管Q1、Q2、Q3、Q4一样因温度而变化，所以根据晶体管Q9的内部电阻，可在一定程度上对差分放大器的放大特性进行温度补偿。
但是，根据晶体管Q9的内部电阻的温度补偿是固定的，不一定能按照其控制对象即高频功率放大器的温度特性相应补偿偏置控制电路(电压变换电路10)的温度特性。所以，本实施形态的偏置控制电路具备与电压变换电路10独立设置的温度补偿电路20。该温度补偿电路20与电压变换电路10一起集成。
该温度补偿电路20如图1所示，具备由连接了作为温度传感器起作用的二极管的晶体管Q11和4个电阻Rs1、Rs2、Rs3、Rs4构成的、作为温度检测电路的电阻电桥电路，由一对晶体管Q12、Q13构成的、检测电阻电桥电路输出的温度检测用放大器，以及低阻抗变换温度检测用放大器的输出后作为温度修正电压TTEMP输出用的、集电极接地的输出晶体管Q14。Rc13是温度检测用放大器(晶体管Q13)的负荷电阻，Re13是它的发射极电阻。另外，Re14是作为输出晶体管Q14的负荷的发射极电阻。
温度修正电压TTENP通过反馈电阻Rf被温度检测用放大器负反馈，以使温度补偿电路20的温度检测动作稳定。另一方面，温度修正电压TTEMP通过输入电阻Rco加到在电压变换电路10中的晶体管Q1的基极上，加到控制电压VGC上。根据该构成，调整反馈电阻Rf的电阻值等，设定温度检测用放大器的放大增益，由此可以调整温度补偿电路20的检出温度、输出电压特性。从而，与将温度修正功能组装入电压变换电路10的差分放大器发射极侧作为例如恒流源的结构相比，可与电压变换电路10独立，可以更自由地设定修正特性。而且，通过设定输入电阻Rco的值、有可调整修正量等的优点。
这样，根据本实施形态的偏置控制电路，即使在晶体管最多重叠2级这样的限制条件下，也能有效控制构成高频功率放大器的晶体管的偏压。并且，一边补偿温度一边控制高频功率放大器的偏压，可有效改变高频功率放大器的的输出功率。又，本实施形态的偏置控制电路，能利用成为输出晶体管Q5a、Q5b负荷的晶体管Q7，设定差分放大器11的晶体管Q2的偏压，所以，不需要晶体管Q2的基极偏压电路，具有电路结构简化的优点。
还有，因为是以不存在电流密勒电路中出现的、不直接参与偏压控制的废弃电流的电压追随电路的形态实现电压变换电路10，并由这样的电压变换电路10构成偏置控制电路，所以，偏置控制电路能实现节电。所以，很合适和高频功率放大器一起安装在手机的发信部等上，实用上有很多优点。
本发明不限定在上述的实施形态。在上述实施形态中，对在3V驱动电压下用GaAs-HBT构成的、3V驱动电压下可动作的高频功率放大器及偏置控制电路进行了说明，但是也可构成基极、发射极间最大电压VBE为0.7V的、用Si系晶体管例如SiGe-HBT在1.5V的驱动电压下动作的偏置控制电路。而且，可以与高频功率放大器要求的基极电流的大小对应地，由一个输出晶体管或并联连接的多个晶体管构成输出晶体管，来代替实施形态的2个晶体管Q5a、Q5b。另外，也可在不脱离本发明的要旨范围内实施本发明的种种变形。
权利要求
1.一种控制高频功率放大器的偏压电流用的偏置控制电路，其特征在于，该偏置控制电路具有用于输入控制电压、并将该控制电压变换成要供给高频功率放大器的偏压控制电压的电压变换电路，所述电压变换电路包括2级差分放大器，该2级差分放大器由2对放大用晶体管构成，具有反相输入端、非反相输入端、反相输出端及非反相输出端，从所述反相输入端输入所述控制电压，并从所述反相输出端及所述非反相输出端分别输出反相输出电压及非反相输出电压；输出晶体管，该晶体管用于对所述2级差分放大器的所述非反相输出电压进行低阻抗变换而获得输出电压，并将该输出电压输出到所述高频功率放大器作为所述偏压控制电压；反馈电路，用于将所述输出电压全反馈给所述2级差分放大器的所述非反相输入端，并将所述2级差分放大器的所述反相输出电压反馈给所述反相输入端；以及，连接有二极管的偏压用晶体管，用于规定构成所述2级差分放大器的第1放大器级的一对放大用晶体管的各基极电压。
2.根据权利要求1所述的偏置控制电路，其特征在于，与所述偏置控制电路一起使用的所述高频功率放大器由晶体管构成。
3.根据权利要求2所述的偏置控制电路，其特征在于，所述高频功率放大器随着加在构成高频功率放大器的晶体管上的基极、发射极间电压的变化，所述高频功率放大器的输出功率发生变化，所述偏置控制电路对所述高频功率放大器的所述偏压电流进行最佳控制，以使所述高频功率放大器的所述输出功率成为与所述控制电压对应的所需输出功率。
4.根据权利要求2所述的偏置控制电路，其特征在于，所述偏置控制电路由晶体管集成电路构成，与构成所述高频功率放大器的晶体管同时被集成电路化。
5.根据权利要求4所述的偏置控制电路，其特征在于，所述偏置控制电路由可由1.5伏或3.0伏的直流电源电压驱动的晶体管集成电路所构成。
6.根据权利要求5所述的偏置控制电路，其特征在于，构成所述偏置控制电路的晶体管集成电路的至少一部分由最大基极、发射极间电压为电池供给的直流电源电压的一半程度的晶体管所构成。
7.根据权利要求6所述的偏置控制电路，其特征在于，构成所述偏置控制电路的晶体管集成电路的至少一部分由最大基极、发射极间电压约为1.4V的异质结双极晶体管所构成。
8.根据权利要求6所述的偏置控制电路，其特征在于，构成所述偏置控制电路的晶体管集成电路的至少一部分由最大基极、发射极间电压约为0.7V的Si双极晶体管所构成。
9.根据权利要求1所述的偏置控制电路，其特征在于，还具有对所述2级差分放大器的所述反相输入端加上温度补偿用电压用的温度补偿电路。
10.根据权利要求9所述的偏置控制电路，其特征在于，所述温度补偿电路具有；连接有二极管的温度传感用晶体管串联连接的电阻桥接电路；由一对放大用晶体管构成、将所述电阻桥接电路的电桥输出放大而获得误差电压的误差放大器；以及，将该误差放大器的输出电压进行低阻抗变换而生成所述温度补偿用电压的输出用晶体管。
11.根据权利要求9所述的偏置控制电路，其特征在于，所述温度补偿电路及所述电压变换电路分别由晶体管集成电路构成，所述温度补偿电路与所述电压变换电路同时被集成电路化。图面的简单说明晶体管。更理想的是，温度补偿电路及电压变换电路分别由晶体管集成电路构成，温度补偿电路与电压变换电路同时被集成电路化
全文摘要
偏置控制电路含有电压变换电路,电压变换电路含有由2对晶体管构成并将控制电压输入反相输入端的差分放大器,以及,对该差分放大器的非反相输出端进行低阻抗变换、并将变换后获得的输出电压作为高频功率放大器的偏压控制电压加以输出的输出晶体管。电压变换电路实现了这样的低输出阻抗的电压跟随电路,该电压跟随电路将输出晶体管的输出电压全反馈给差分放大器的非反相输入端,并将差分放大器的反相输出电压反馈给差分放大器的反相输入端。
文档编号H03G3/02GK1373626SQ0210661
公开日2002年10月9日 申请日期2002年2月28日 优先权日2001年2月28日
发明者四宫义隆, 中川准一 申请人:株式会社移动通信东京