本发明涉及功率放大电路。
背景技术
在搭载于便携式电话等移动体通信机的功率放大电路中，一般作为放大器而使用双极晶体管。双极晶体管具有如下的热正反馈特性，即，若晶体管元件的温度上升，则集电极电流增加，由此，温度进一步上升，集电极电流进一步增加。因此，已知有如下结构，即，为了抑制由温度上升造成的集电极电流的增加，例如在双极晶体管的基极与基极偏置电压供给端子之间插入电阻元件(以下，也称为“镇流电阻”。)。
在这样的具备镇流电阻的结构中，若随着输入信号的功率电平的增大，从基极偏置电压供给端子流向放大器的基极的电流增加，则镇流电阻中的电压下降变大，因此放大器的基极电压降低。由此，可能产生集电极电流的振幅不追随基极电流的振幅且功率增益降低的现象(以下，也称为“增益压缩”。)。
为了抑制该增益压缩，例如，在专利文献1中公开了具备阻断直流分量且通过交流分量的阻抗电路的功率放大器。根据该结构，即使从基极偏置电压供给端子流向双极晶体管的基极的电流增加，也会由于该电流的一部分流向阻抗电路，从而能够减小镇流电阻中的电压下降。此外，通过利用外部控制信号使阻抗电路的阻抗变化，从而能够调整流向阻抗电路和镇流电阻的电流的电流量的比例。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2005-6212号公报
在专利文献1公开的结构中，若在大信号输入时信号振幅传到阻抗电路包含的双极晶体管的发射极，则该信号振幅可能会经由双极晶体管的基极-发射极间的寄生电容传播到基极。在此，在该结构中，因为控制电压经由电阻元件供给到该双极晶体管的基极，所以伴随着发射极电压的振动，基极电压也可能振动。由此，存在如下问题，即，在该双极晶体管的集电极-发射极间不流过充分的电流，不能充分发挥作为旁路电路的功能。
技术实现要素：
发明要解决的课题
本发明是鉴于这样的情形而完成的，其目的在于，提供一种能够抑制大信号输入时的增益压缩的功率放大电路。
用于解决课题的技术方案
为了达到这样的目的，本发明的一个侧面涉及的功率放大电路具备：第一放大晶体管，在基极被供给输入信号，并从集电极输出放大了输入信号的第一放大信号；第一偏置电路，向第一放大晶体管的基极供给第一电流或第一电压；第二偏置电路，向第一放大晶体管的基极供给第二电流或第二电压；以及第一电阻元件，串联连接在第一放大晶体管的基极与第一偏置电路之间，第二偏置电路具备：二极管，在阳极被供给电源电压；阻抗电路，设置在二极管的阴极与接地之间；以及第一电容元件，一端与二极管的阴极和阻抗电路的连接点连接，并从另一端向第一放大晶体管的基极供给第二电流或第二电压。
发明效果
根据本发明，能够提供一种能够抑制大信号输入时的增益压缩的功率放大电路。
附图说明
图1是示出本发明的第一实施方式涉及的功率放大电路的概略结构的框图。
图2是示出本发明的第一实施方式涉及的功率放大电路的结构例的图。
图3是示出本发明的第二实施方式涉及的功率放大电路的结构例的图。
图4是示出可变电阻器radj的结构例的图。
图5是示出本发明的第三实施方式涉及的功率放大电路的结构例的图。
附图标记说明
100：功率放大电路，110、120、130：偏置电路，200：hbt芯片，210：控制ic，t1：输入端子，t2：输出端子，t3～t5：端子，q1、q2、qa～qd：晶体管，c1～c4：电容元件，r1～r3、r0～rn：电阻元件，radj：可变电阻器，sw1～swn：开关，l1：导线。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的一个实施方式进行说明。另外，对同一要素标注同一附图标记，并省略重复的说明。
图1是示出本发明的第一实施方式涉及的功率放大电路的概略结构的框图。图1所示的功率放大电路100例如搭载在便携式电话等移动体通信机，用于对发送到基站的无线频率(rf：radiofrequency)信号的功率进行放大。功率放大电路100例如对2g(第二代移动通信系统)、3g(第三代移动通信系统)、4g(第四代移动通信系统)、5g(第五代移动通信系统)、lte(longtermevolution，长期演进)-fdd(frequencydivisionduplex，频分双工)、lte-tdd(timedivisionduplex，时分双工)、lte-advanced、lte-advancedpro等通信标准的信号的功率进行放大。另外，功率放大电路100放大的信号的通信标准不限于这些。
如图1所示，功率放大电路100例如具备输入端子t1、输出端子t2、晶体管q1、偏置电路110、120、电容元件c1以及电阻元件r1。功率放大电路100是对供给到输入端子t1的输入信号rfin进行放大，并从输出端子t2输出放大信号rfoutl(第一放大信号)的电路。以下，对各构成要素进行详细说明。
在晶体管q1(第一放大晶体管)中，在集电极被供给电源电压(未图示)，在基极串联连接电容元件c1，发射极接地。在晶体管q1的基极，经由电容元件c1被供给输入信号rfin，从偏置电路110经由电阻元件r1被供给偏置电流ibias1，从偏置电路120被供给偏置电流ibias2。由此，从晶体管q1的集电极输出放大了输入信号rfin的放大信号rfoutl。
另外，晶体管q1也可以是并联连接了多个单位晶体管(电极指)的结构(即，多电极指结构)。
此外，晶体管q1没有特别限定，在本说明书中，以异质结双极晶体管(hbt：heterojunctionbipolartransistor)等双极晶体管为例进行说明。对于以下说明的其它晶体管也是同样的。
偏置电路110(第一偏置电路)是生成偏置电流ibiasl(第一电流)或偏置电压(第一电压)并供给到晶体管q1的基极的主要的偏置电路。根据从偏置电路110供给的偏置电流ibias1，可控制晶体管q1的功率增益。另外，从端子t3供给到偏置电路110的电流可以是恒定电流，或者也可以是控制偏置电流ibias1的电流量的控制电流。
偏置电路120(第二偏置电路)生成偏置电流ibias2(第二电流)或偏置电压(第二电压)并供给到晶体管q1的基极。偏置电路120是随着输入信号rfin的功率电平的增大而将作为偏置电流ibias1供给的偏置电流的交流分量的一部分作为偏置电流ibias2进行供给的辅助性的偏置电路。关于偏置电路110、120的具体的结构例，将在后面叙述。
电容元件c1(第二电容元件)串联连接在输入端子t1与晶体管q1的基极之间。电容元件c1是除去输入信号rfin的直流分量的耦合电容器。
电阻元件r1(第一电阻元件)串联连接在晶体管q1的基极与偏置电路110的输出之间。电阻元件r1是用于抑制晶体管q1的热正反馈的镇流电阻。即，晶体管q1具有如下的热正反馈特性，即，若晶体管元件的温度上升，则集电极电流增加，由此，温度进一步上升，集电极电流进一步增加。因此，例如，在并联连接了多个单位晶体管的多电极指结构中，假设各单位晶体管不具备镇流电阻，则电流有可能集中地流向一部分的单位晶体管，引起热失控而导致击穿。关于这一点，在功率放大电路100中，通过具备电阻元件r1，从而若晶体管q1的基极电流增加，则流向电阻元件r1的电流也增加，通过电阻元件r1中的电压下降来抑制晶体管q1的基极电压的上升。由此，可抑制晶体管q1的基极电流以及与之相伴的集电极电流的增加，可避免热失控。
接着，参照图2对偏置电路110、120的结构进行详细说明。图2是示出本发明的第一实施方式涉及的功率放大电路的结构例的图。具体地，图2示出图1所示的偏置电路110、120的具体的结构例(偏置电路110a、120a)。
偏置电路110a例如具备晶体管qa、qb、qc以及电容元件c2。
晶体管qa、qb串联连接。具体地，在晶体管qa中，在集电极从端子t3被供给恒定电流或控制电流，集电极与基极连接(以下，也称为“二极管连接”。)，发射极与晶体管qb的集电极连接。晶体管qb进行二极管连接，发射极接地。由此，在晶体管qa的集电极生成给定电平的电压(例如，2.8v左右)。另外，也可以代替晶体管qa、qb而使用二极管元件。
在晶体管qc中，在集电极被供给电源电压vbatt，基极与晶体管qa的集电极连接，发射极与电阻元件r1的一端连接。晶体管qc经由电阻元件r1对晶体管q1的基极供给偏置电流ibias1。在电容元件c2中，一端与晶体管qc的基极连接，另一端接地。电容元件c2将晶体管qc的基极电压交流地接地。
通过上述结构，偏置电路110a将主要的偏置电流ibias1供给到晶体管q1的基极。另外，偏置电路110a是能够应用于图1所示的功率放大电路100的偏置电路110的结构的一个例子，并不限定于该结构。
偏置电路120a例如具备晶体管qd、电阻元件r2以及电容元件c3。
晶体管qd进行二极管连接，在集电极被供给电源电压vbatt，发射极与电阻元件r2的一端连接。
在电阻元件r2(第二电阻元件)中，一端与晶体管qd的发射极连接，另一端接地。电阻元件r2构成阻抗电路的一个具体例。通过电阻元件r2的电阻值的调整，能够调整流过晶体管qd的电流的电流量(即，偏置电流ibias2的电流量)。此外，通过阻抗电路由电阻元件r2构成，从而能够将偏置电路120a的全部的构成要素形成在形成晶体管q1的芯片。因此，能够从不具备偏置电路120a的结构在不增加端子数的情况下构成偏置电路120a。
在电容元件c3(第一电容元件)中，一端与晶体管qd的发射极和电阻元件r2的连接点连接，另一端与晶体管q1的基极连接。电容元件c3在晶体管q1的基极与晶体管qd的发射极之间阻断直流，并导通交流。由此，电容元件c3在阻断流过晶体管qd的直流电流的同时使输入信号rfin的信号振幅传播到晶体管qd的发射极。
通过上述的结构，在偏置电路120a中，在输入信号rfin的功率电平比较小的情况下，经由电容元件c3传播到晶体管qd的发射极的输入信号rfin的信号振幅小。因此，晶体管qd的发射极电压的信号振幅小，不供给偏置电流ibias2。另一方面，在输入信号rfin的功率电平比较大的情况下，经由电容元件c3传播到晶体管qd的发射极的输入信号rfin的信号振幅大。此时，从晶体管q1的基极观察的电容元件c3和晶体管qd的路径的阻抗下降，开始供给电流。因此，作为偏置电流ibias1供给的偏置电流的交流分量的一部分作为偏置电流ibias2通过晶体管qd和电容元件c3，并供给到晶体管q1的基极。像这样，在大信号输入时，通过偏置电流ibias2的增加，可抑制电阻元件r1中的电压下降以及与之相伴的晶体管q1的基极电压的降低。因此，根据功率放大电路100a，可抑制大信号输入时的增益压缩，能够使功率增益开始降低的输出功率的大小(以下，也称为“饱和功率”。)增大。
在此，在专利文献1公开的结构(以下，也称为“现有结构”。)中，如上所述，若信号振幅传到阻抗电路包含的双极晶体管的发射极，则该信号振幅可能会经由基极-发射极间的寄生电容从发射极传播到基极。此外，在该双极晶体管的基极，经由电阻元件被供给控制电压。因此，在该双极晶体管中，存在如下问题，即，伴随着发射极电压的振动，基极电压也振动，在集电极-发射极间不流过充分的电流，不能充分发挥作为旁路电路的功能。为了解决该问题，例如可考虑如下方法，即，通过在阻抗电路包含的双极晶体管的基极与接地之间连接电容元件(去耦电容器)，从而抑制基极电压的振动。但是，去耦电容器一般需要比较大的电路面积，因此若利用该方法，则存在导致芯片面积的增大这样的问题。
关于这一点，在功率放大电路100a中，对晶体管qd的基极直接供给电源电压vbatt。由此，能够在不附加电容值比较大的去耦电容器的情况下抑制起因于晶体管qd的基极-发射极间的寄生电容的基极电压的振动。因此，与现有结构相比，能够在抑制芯片面积的增大的同时抑制大信号输入时的偏置电流的不足。
另外，在偏置电路120a中，也可以代替晶体管qd而使用二极管元件。在使用二极管元件的情况下，只要将晶体管qd的集电极改读为阳极，并将发射极改读为阴极即可。
图3是示出本发明的第二实施方式涉及的功率放大电路的结构例的图。另外，对于与功率放大电路100a相同的要素标注相同的附图标记，并省略说明。此外，在第二实施方式中，省略关于与第一实施方式共同的事项的记述，仅对不同点进行说明。特别是，关于基于同样的结构的同样的作用效果，将不在每个实施方式中逐次提及。
如图3所示，功率放大电路100b代替图2所示的偏置电路120a而具备偏置电路120b。具体地，偏置电路120b代替偏置电路120a中的电阻元件r2而具备可变电阻器radj。可变电阻器radj构成阻抗电路的一个具体例。以下，对将可变电阻器radj应用于偏置电路120b的效果进行说明。
设功率放大电路100b与多个不同的通信标准(例如，2g、3g或4g等)以及多个不同的频带(例如，高频带、中频带或低频带等)的rf信号对应。在该情况下，饱和功率的大小、降低的增益的大小可能会根据输入信号rfin的通信标准、频带而变动。关于这一点，在偏置电路120b中，能够根据输入信号rfin的通信标准、频带等对可变电阻器radj的电阻值进行变更。由此，可调整流过晶体管qd的电流的电流量和晶体管qd的发射极电压，因此可调整通过晶体管qd和电容元件c3供给到晶体管q1的基极的偏置电流ibias2的电流量。因此，根据功率放大电路100b，能够根据输入信号rfin的频带和通信标准对抑制晶体管q1的基极电压的降低的程度进行调整，能够得到适当的饱和功率。
此外，在功率放大电路100b中，因为偏置电路110a和偏置电路120b独立地工作，所以不调整主要的偏置电流ibias1的电流量，仅调整偏置电流ibias2的电流量。因此，能够与晶体管q1中的功率增益的大小的控制无关地对抑制基极电压降低的程度进行调整。
另外，可变电阻器radj例如也可以是如下结构，即，根据功率放大电路100b包含的晶体管、电容元件或电阻元件等各构成要素的特性、值的偏差，对电阻值进行变更。
此外，虽然在图3中，示出了通过使图2所示的偏置电路120a中的电阻元件r2的电阻值可变而使该偏置电路的阻抗能够调整的结构，但是，使偏置电路120的阻抗能够调整的结构并不限于此。例如，也可以代替电阻元件r2使电容元件c3的电容值可变。
此外，关于连接电容元件c3的另一端的位置，只要是输入端子t1与晶体管q1的基极之间，就没有特别限定，例如，如图3所示，也可以连接在输入端子t1与电容元件c1之间。
图4是示出可变电阻器radj的结构例的图。如图4所示，在功率放大电路100b中，例如，除可变电阻器radj以外的构成要素(即，晶体管q1、偏置电路110a、电阻元件r1、电容元件c1、晶体管qd以及电容元件c3)形成在一个hbt芯片200，可变电阻器radj形成在hbt芯片200的外部。具体地，可变电阻器radj例如形成在控制ic210，控制ic210根据输入信号rfin的通信标准和频带生成用于控制可变电阻器radj的电阻值的控制信号。形成在hbt芯片200的端子t4和形成在控制ic210的端子t5经由导线l1通过引线接合进行连接。
可变电阻器radj例如具备n+1个(n：1以上的整数)电阻元件r0～rn以及n个开关sw1～swn。
电阻元件r0～rn分别并联连接，一端与端子t5连接，另一端接地或经由开关sw1～swn接地。控制开关sw1～swn根据在ic210中生成的控制信号控制接通和断开。由此，可变更电连接的电阻元件r0～rn的组合，可控制可变电阻器radj的合成电阻值。
此外，端子t4和端子t5通过导线l1连接，由此在晶体管q1的基极与可变电阻器radj之间产生电感分量。由此，可抑制高频的输入信号rfin泄漏到偏置电路120b侧。另外，偏置电路120b也可以是如下结构，即，代替导线l1而具备可变电感器，并通过该可变电感器的电感值的调整来调整阻抗。
另外，可变电阻器radj的结构并不限于此。例如，在控制ic210由cmos构成的情况下，作为可变电阻器，也可以应用场效应晶体管(mosfet：metal-oxide-semiconductorfield-effecttransistor)。在该情况下，也可以通过利用该mosfet的导通电阻对该mosfet的栅极电压进行控制，从而变更电阻值。
此外，形成有可变电阻器radj的芯片不限于控制ic，例如，也可以直接形成在安装有hbt芯片、控制ic等的基板(例如，pcb(printedcircuitboard：印刷电路板)等)。
图5是示出本发明的第三实施方式涉及的功率放大电路的结构例的图。如图5所示，功率放大电路100c是将对输入信号rfin的功率进行放大的放大晶体管进行两级连接的结构。
前级(驱动级)的电路与图3所示的功率放大电路100b的结构类似，因此省略详细的说明。后级(功率级)的电路具备晶体管q2、偏置电路130a、电容元件c4以及电阻元件r3。
在晶体管q2(第二放大晶体管)中，在集电极被供给电源电压(未图示)，在基极串联连接电容元件c4，发射极接地。在晶体管q2的基极，经由电容元件c4被供给放大信号rfout1(第一放大信号)，并从偏置电路130a经由电阻元件r3被供给偏置电流ibias3(第三电流)或偏置电压(第三电压)。由此，从晶体管q2的集电极输出将放大信号rfout1进一步进行放大的放大信号rfout2(第二放大信号)。
偏置电路130a(第三偏置电路)、电容元件c4以及电阻元件r3(第三电阻元件)分别与图2所示的偏置电路110a、电容元件c1以及电阻元件r1相同，因此省略详细的说明。
像这样，即使在放大晶体管进行了两级连接的结构中，功率放大电路100c通过在前级具备偏置电路120b，从而也能够抑制前级中的晶体管q1的基极电压的降低，并能够抑制增益压缩。此外，如图5所示，通过在前级应用偏置电路120b，从而例如能够在前级有意地使功率增益增大(即，产生增益扩展)，使得抵消在后级产生的增益压缩。在此，在连接了多个放大晶体管的多级结构中，一般来说，最终级的增益压缩量变得最大，若要在最终级抑制该增益压缩，则会导致电路面积的增大。关于这一点，根据功率放大电路100c，在最终级以外的级中有意地引起增益扩展，从而能够抵消最终级中的增益压缩。因此，能够在抑制电路面积的增大的同时增大饱和功率。
另外，进行多级连接的放大晶体管的级数不限于两级，也可以是3级以上。
此外，上述结构并非意图在多级结构中将应用偏置电路120(120a、120b)的级限定于初级。例如，偏置电路120可以应用于第二级以后的级，或者偏置电路120也可以应用于所有的级。
以上，对本发明的例示性的实施方式进行了说明。功率放大电路100(100a～100c)具备：放大输入信号rfin的晶体管q1；偏置电路110(110a)；偏置电路120(120a、120b)；以及串联连接在晶体管q1的基极与偏置电路110之间的电阻元件r1。此外，偏置电路120(120a、120b)具备：在阳极被供给电源电压vbatt的二极管；设置在该二极管的阴极与接地之间的阻抗电路；以及一端与该二极管和阻抗电路的连接点连接，并从另一端向晶体管q1的基极供给偏置电流ibias2的电容元件c3。由此，在大信号输入时，偏置电流的一部分经由晶体管qd和电容元件c3作为偏置电流ibias2进行供给，因此可抑制电阻元件r1中的电压下降以及与之相伴的晶体管q1的基极电压的降低。因此，根据功率放大电路100，可抑制大信号输入时的增益压缩，能够使饱和功率增大。
此外，偏置电路120(120a、120b)中的二极管没有特别限定，例如也可以由晶体管qd构成。
此外，在功率放大电路100b中，偏置电路120b具备的电容元件c3的另一端也可以连接在输入端子t1与电容元件c1之间。
此外，在功率放大电路100a中，偏置电路120a具备的阻抗电路由电阻元件r2构成。由此，在功率放大电路100a中，通过电阻元件r2的电阻值的调整，能够调整偏置电流ibias2的电流量。此外，能够将偏置电路120a的全部的构成要素形成在形成了晶体管q1的芯片。因此，能够从不具备偏置电路120a的结构在不增加端子数的情况下构成偏置电路120a。
此外，在功率放大电路100b、100c中，偏置电路120b具备的阻抗电路由可变电阻器radj构成。由此，在功率放大电路100b、100c中，能够根据输入信号rfin的通信标准、频带对可变电阻器radj的电阻值进行变更。因此，能够根据输入信号rfin的频带和通信标准对偏置电流ibias2的电流量进行调整，得到适当的饱和功率。
此外，功率放大电路100b、100c的形成方法没有特别限定，例如，可以是，晶体管q1、偏置电路110a、电阻元件r1、电容元件c1、晶体管qd以及电容元件c3形成在一个hbt芯片200，且可变电阻器radj形成在hbt芯片200的外部。此外，可变电阻器radj也可以形成在控制ic210。
此外，功率放大电路100c具备：对放大信号rfout1进行放大的晶体管q2；偏置电路130a；以及串联连接在晶体管q2的基极与偏置电路130a之间的电阻元件r3，在前级的晶体管q1应用偏置电路120b。由此，能够在前级有意地产生增益扩展，使得抵消在后级产生的增益压缩。因此，能够在抑制电路面积的增大的同时增大饱和功率。
此外，以上说明的各实施方式用于使本发明容易理解，并非用于对本发明进行限定解释。本发明能够在不脱离其主旨的情况下进行变更或改良，并且本发明还包含其等价物。即，只要具备本发明的特征，本领域技术人员对各实施方式适当地进行了设计变更的实施方式也包含于本发明的范围。例如，各实施方式具备的各要素及其配置、材料、条件、形状、尺寸等并不限定于例示的各要素及其配置、材料、条件、形状、尺寸等，能够适当地进行变更。此外，关于各实施方式具备的各要素，只要技术上可行，就能够进行组合，将它们进行了组合的实施方式，只要包含本发明的特征，就包含于本发明的范围。