专利名称：射频功率放大器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种适用于对射频信号进行功率放大的射频功率放大器。
背景技术：
用于诸如移动电话等无线通信装置的放大器一般采用如下结构其中将用于射频放大的多个、例如两个或三个化合物半导体晶体管彼此连接在一起。作为这种化合物半导体晶体管，由于单一正电源操作等原因近年来主要采用异质结双极性晶体管。通过并联连接多个晶体管以组合来自晶体管的输出，来提供用于输出功率大约为1至3W的移动电话的最后一级放大器，以便获得射频特性和高输出。图10示出具有这种结构的常规射频功率放大器的例子。例如，参见USP5321279和USP 5608353。
采用图10所示的常规射频功率放大器100，将从偏置电路(Bias)提供的直流偏置电压(DC)经由相应的电阻器Ra101至Ra10n输送给晶体管TR101至TR10n的基极(B)。将作为AC信号的射频信号(RF)经由相应的电容器C101至C10n输入到晶体管TR101至TR10n的基极。将偏置电压(DC)和射频信号(RF)经由不同的路径输入到晶体管TR101至TR10n的基极的原因如下。
当进行高输出操作时，晶体管TR101至TR10n产生热量，这是因为AC电流的电流密度升高。由于在晶体管TR101至TR10n等之间存在特性差，所以热量的产生在所有晶体管TR101至TR10n之间不是均匀的。具有高温的特殊晶体管因为在操作期间产生过多的热量而可能引起热流失，并且由于基极电流的增加而破坏器件。根据可能的用于抑制热流失的技术，当晶体管TR101至TR10n的基极电压增加时，电阻器Ra101至Ra10n的电阻值增加，使得从偏置电路(Bias)提供的基极偏置电流减小。
在上述射频功率放大器100中，抑制了晶体管Ra101至Ra10n的热流失，并因此通过增加电阻器Rs101至Ra10n的电阻值而实现了其均匀操作。
然而，电阻器Ra101至Ra10n的电阻值不能非常大，因为电阻器Ra101至Ra10n的过大电阻值将使射频信号的功率增益减小。即，通过增加电阻器Ra101至Ra10n的电阻值而改进的晶体管TR101-TR10n之间的操作均匀性(耐破坏性的改进)与通过减小电阻器Ra101至Ra10n的电阻值而改进的射频功率增益(射频特性的改进)相抵触。使两者都改进是非常困难的。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种射频功率放大器，其提供足够的耐破坏性和极好的射频特性。
本发明涉及一种适用于对射频信号进行功率放大的射频功率放大器。为了实现上述目的，根据本发明的射频功率放大器包括并联连接的多个晶体管，各自具有接地的发射极；多个电阻器，共同向每个电阻器中的一端提供直流偏置电压，而将每个电阻器中的另一端连接到多个晶体管当中的相应晶体管的基极；多个电容器，每个电容器中有一个电极用于共同接收射频信号，而另一个电极连接到多个晶体管当中的相应晶体管的基极；以及至少一个桥接电阻器，用于将多个电阻器中的每一个的一端和多个电容器中的每一个的一个电极连接起来。
不是绝对必须提供多个电容器。射频信号可以经由一个电容器输入到多个晶体管的基极。可以将多个桥接电阻器分别设置成与多个电阻器相对应。通常，从采用发射极跟随器作为输出结构的偏置电路提供直流偏置电压。
优选地，多个第二电阻器各自插在多个电阻器当中的相应电阻器的另一端和一个电容器或多个电容器当中的相应电容器的另一个电极的连接点与多个晶体管当中的相应晶体管的基极之间。或者，多个第二电阻器各自插在一个电容器或多个电容器当中的相应电容器的另一个电极与多个晶体管当中的相应晶体管的基极之间。又或者，多个第二电阻器各自插在至少一个桥接电阻器的一端与一个电容器或多个电容器当中的相应电容器的一个电极之间，其中将射频信号输入到该至少一个桥接电阻器。在这种情况下，第二电阻可以各自包括传输线。
根据本发明，包括并联连接的多个晶体管的射频功率放大器还包括一个或多个桥接电阻器。因此，提供足够的耐破坏性和极好的射频特性。
通过下面结合附图对本发明进行的详细说明，本发明的这些和其他目的、特征、方案和优点将变得更加显而易见。
图1示出根据本发明第一实施例的射频功率放大器1的电路结构；图2示出偏置电路(Bias)的例子；图3A示出电阻器Ra1至Ran的电阻值和输出功率Pout之间的关系；图3B示出电阻器Ra1至Ran的电阻值和附加功率效率PAE之间的关系；图3C示出用于图3A和图3B所示的模拟的参数；
图4示出根据本发明第一实施例的另一射频功率放大器1’的电路结构；图5示出根据本发明第一实施例的另一射频功率放大器1”的电路结构；图6示出根据本发明第二实施例的射频功率放大器2的电路结构；图7示出根据本发明第三实施例的射频功率放大器3的电路结构；图8示出根据本发明第四实施例的射频功率放大器4的电路结构；图9示出根据本发明第五实施例的射频功率放大器5的电路结构；以及图10示出常规射频功率放大器100的电路结构。
优选实施例的说明第一实施例图1示出根据本发明第一实施例的射频功率放大器1的电路结构。如图1所示，根据第一实施例的射频功率放大器1包括晶体管TR1至TRn、电容器C1至Cn、电阻器Ra1至Ran和桥接电阻器R。这里，n是等于或大于2的整数。作为晶体管TR1至TRn，采用化合物半导体(InGaP)的双极性晶体管或者采用Si或SiGe的其他类型晶体管是可用的。
作为AC信号的射频信号(RF)经由电容器C1至Cn当中的相应电容器输入到晶体管TR1至TRn中的每一个的基极(B)，被放大并从晶体管TR1至TRn中的每一个的集电极(C)输出。晶体管TR1至TRn中的每一个的发射极(E)接地。将由偏置电路(Bias)提供的直流偏置电压(DC)经由电阻器Ra1至Ran当中的相应电阻器输送给晶体管TR1至TRn中的每一个的基极。用于偏置电压(DC)的信号线以直流方式经由桥接电阻器R连接到用于射频信号(RF)的输入线。偏置电路(Bias)可以具有能提供偏置电压(DC)的任何结构。
例如，如图2所示的发射极跟随器电路作为偏置电路(Bias)可能是优选的。图2所示的偏置电路(Bias)包括用作发射极跟随器的晶体管TRB3、用于补偿温度特性的电阻器RB1、用于校正偏置电路特性的电阻器RB2和RB3、以及晶体管TRB1和TRB2。晶体管TRB1和TRB2分别用作基极和集电极被短路的基极-发射极二极管，以便补偿晶体管TR1至TRn和晶体管TRB3之间的基极-发射极电压之和。可以省略电阻器RB2和RB3。
下面将对具有上述结构的根据第一实施例的射频功率放大器1的操作进行说明。
由于插入桥接电阻器R，因此射频信号(RF)经由穿过桥接电阻器R和电阻器Ra1至Ran中的每一个的通路以及经由穿过电容器C1至Cn中的每一个的常规通路输入到晶体管TR1至TRn中的每一个的基极。由于穿过桥接电阻器R和电阻器Ra1至Ran的通路，射频信号(RF)经由桥接电阻器R向偏置电路(Bias)输入。
由于晶体管TRB3的基极-发射极二极管的非线性，当晶体管TRB3的基极-发射极二极管导通时(负幅度)，向偏置电路(Bias)输入的射频信号(RF)的电压幅度被箝位，但是当晶体管TRB3的基极-发射极二极管截止时(正幅度)其不被箝位。结果，在桥接电阻器R和电阻器Ra1至Ran之间的接点P上产生正直流偏移电压。随着射频信号(RF)的输入功率变大，正直流偏移电压的效果更明显。
参照图3A和3B，将说明由根据第一实施例的射频功率放大器1提供的效果和由常规射频功率放大器100(图10)提供的效果之间的差异。用于图3A和图3B中的模拟的参数如图3C所示。
图3A示出当电阻器Ra1至Ran的电阻值是变量时的输出功率Pout，其中桥接电阻器R的电阻值是25Ω或50Ω。图3B示出当电阻器Ra1至Ran的电阻值是变量时的附加功率效率PAE，其中桥接电阻器R的电阻值是25Ω或50Ω。可以从图3A和3B明显看出所示，采用常规射频功率放大器100，当电阻值超过1000Ω时特性明显恶化。相反，采用根据第一实施例的射频功率放大器1，甚至当电阻值大约为2000Ω时特性也不恶化。当电阻值大约为2000Ω时，射频功率放大器1呈现大约1.5dB的输出功率Pout和大约10％的附加功率效率PAE。这意味着利用射频功率放大器1明显改进了特性。
明显改进特性的原因在于桥接电阻器R和电阻器Ra1至Ran之间的接点P上的电位增加补偿了电阻器Ra1至Ran上的电压降。此外，应该注意到，在接点P上的电位增加可以用于增加电阻器Ra1至Ran的电阻值，并因此改进晶体管TR1至TRn之间的操作均匀性。
如上所述，根据本发明第一实施例的射频功率放大器1通过插入桥接电阻器可以提供足够的耐破坏性和极好的射频特性。
在第一实施例中，插入一个桥接电阻器R。或者，图4所示的射频功率放大器1’包括分别设置成与晶体管TR1至TRn相对应的桥接电阻器R1至Rn。利用这种结构，也可以提供基本上相同的效果。参见图5，射频功率放大器1”包括用作多个电容器C1至Cn的组合件(assembly)的一个电容器C。利用这种结构，基本上可以提供相同效果。
第二实施例图6示出根据本发明第二实施例的射频功率放大器2的电路结构。如图6所示，根据第二实施例的射频功率放大器2包括晶体管TR1至TRn、电容器C1至Cn、电阻器Ra1至Ran、电阻器Rb1至Rbn、以及桥接电阻器R。可以从图6明显看出，除了根据第一实施例的射频功率放大器1的结构之外，根据第二实施例的射频功率放大器2还包括电阻器Rb1至Rbn。
电阻器Rb1至Rbn各自具有非常小的电阻值，并且分别插入在电容器C1至Cn当中的相应电容器和电阻器Ra1至Ran当中的相应电阻器之间的接点与晶体管TR1至TRn当中的相应晶体管的基极之间。因此，电阻器Rb1至Rbn用作分别用于晶体管TR1至TRn的基极镇流电阻。
如上所述，根据本发明第二实施例的射频功率放大器2包括在晶体管TR1至TRn的基极上各自具有非常小的电阻值的电阻器Rb1至Rbn。由于这种结构，除了提供第一实施例中的上述效果之外，射频功率放大器2还稳定晶体管TR1至TRn并且抑制其不必要的振荡。不必说，第二实施例的结构可适用于图4所示的包括多个桥接电阻器R1至Rn的结构或者图5所示的包括单个电容器C的结构。
第三实施例图7示出根据本发明第三实施例的射频功率放大器3的电路结构。如图7所示，根据第三实施例的射频功率放大器3包括晶体管TR1至TRn、电容器C1至Cn、电阻器Ra1至Ran、电阻器Rc1至Rcn、以及桥接电阻器R。可以从图7明显看出，除了根据第一实施例的射频功率放大器1的结构之外，根据第三实施例的射频功率放大器3还包括电阻器Rc1至Rcn。
电阻器Rc1至Rcn各具有非常小的电阻值，并且插入在电容器C1至Cn当中的相应电容器与电阻器Ra1至Ran当中的相应电阻器和晶体管TR1至TRn当中的相应晶体管的基极之间的接点之间。因此，电阻器Rc1至Rcn用作分别用于晶体管TR1至TRn的基极镇流电阻器。
如上所述，根据本发明第三实施例的射频功率放大器3包括在晶体管TR1至TRn的基极上各自具有非常小的电阻值的电阻器Rc1至Rcn。由于这种结构，除了提供第一实施例中的上述效果之外，射频功率放大器3还稳定晶体管TR1至TRn并且抑制其不必要的振荡。不必说，第三实施例的结构可适用于图4所示的包括多个桥接电阻器R1至Rn的结构或者图5所示的包括单个电容器C的结构。
第四实施例图8示出根据本发明第四实施例的射频功率放大器4电路结构。如图8所示，根据第四实施例的射频功率放大器4包括晶体管TR1至TRn、电容器C1至Cn、电阻器Ra1至Ran、传输线TL1至TLn、以及桥接电阻器R。可以从图8明显看出，除了根据第一实施例的射频功率放大器1的结构之外，根据第四实施例的射频功率放大器4还包括传输线TL1至TLn。
传输线TL1至TLn各自插入在用于射频信号(RF)的输入端和电容器C1至Cn当中的相应电容器之间。当将射频功率放大器实际布图在半导体芯片上时，传输线TL1至TLn是由器件间线路产生的电阻分量。传输线TL1至TLn与电容器C1至Cn产生自谐振，并且减小用于射频信号(RF)的输入端和晶体管TR1至TRn的基极之间的阻抗。由于射频信号(RF)更容易通过射频放大器4，因此改进了包括功率增益的射频特性。代替传输线TL1至TLn，可以采用一般的电阻器。
如上所述，根据本发明第四实施例的射频功率放大器4通过有效地采用传输线TL1至TLn而改进了射频特性。可以减小电容器C1至Cn的面积尺寸，同时提供相同水平的射频特性，这归因于芯片尺寸的减小。不必说，第四实施例的结构可适用于图4所示的包括多个桥接电阻器R1至Rn的结构或者图5所示的包括单个电容器C的结构。
第五实施例图9示出根据本发明第五实施例的射频功率放大器5的电路结构。如图9所示，根据第五实施例的射频功率放大器5包括放大器50至52、多个集电极偏置电路53、多个偏置电路55、输入匹配电路56、第一级间匹配电路57、第二级间匹配电路58、和输出匹配电路。
放大器50至52各具有根据第一至第三实施例的射频功率放大器1至3中的任何结构。连接到放大器50至52的多个偏置电路55中的每一个例如是第一实施例中所述的偏置电路(Bias)。多个集电极偏置电路53中的每一个包括传输线(例如，λ/4线)、电感器或电容器，并向晶体管TR1至TRn的集电极提供偏置电压。输入匹配电路56、第一级间匹配电路57、第二级间匹配电路58和输出匹配电路59是用于匹配晶体管的不同阻抗并提供射频特性。输入匹配电路56、第一级间匹配电路57、第二级间匹配电路58和输出匹配电路59各自包括传输线、电感器或电容器。
如上所述的包括多级的射频功率放大器5通过采用根据本发明的射频功率放大器1至3还可以提供足够的耐破坏性和极好的射频特性。尤其是，射频功率放大器5可以使不同级的放大器当中的特性差异最小化。因此，射频功率放大器5可以通过适当地调节输入电压和偏置电压之间的关系而适用于线性度改进的低失真放大器。
尽管已经对本发明进行了详细说明，但是前面的说明在各个方面都是示例性的，而非限制性的。应该理解的是在不脱离本发明范围的情况下可以设计出各种其他修改和变化。
权利要求
1.一种可用于对射频信号进行功率放大的射频功率放大器，该射频功率放大器包括并联连接的多个晶体管，各自具有接地的发射极；多个电阻器，共同向每个电阻器中的一端提供直流偏置电压，而将每个电阻器中的另一端连接到所述多个晶体管当中的相应晶体管的基极；多个电容器，每个电容器中有一个电极用于共同接收所述射频信号，而将每个电容器中的另一个电极连接到所述多个晶体管当中的相应晶体管的所述基极；以及至少一个桥接电阻器，用于将所述多个电阻器中的每一个的所述一端和所述多个电容器中的每一个的所述一个电极连接起来。
2.一种可用于对射频信号进行功率放大的射频功率放大器，该射频功率放大器包括并联连接的多个晶体管，各自具有接地的发射极；多个电阻器，共同向每个电阻器中的一端提供直流偏置电压，而将每个电阻器中的另一端连接到所述多个晶体管当中的相应晶体管的基极；电容器，其有一个电极用于接收所述射频信号，而将另一个电极连接到所述多个晶体管中的每一个的基极；以及至少一个桥接电阻器，用于将所述多个电阻器中的每一个的所述一端和所述电容器的所述一个电极连接起来。
3.根据权利要求1所述的射频功率放大器，还包括多个第二电阻器，各自插入在所述多个电阻器当中的相应电阻器的所述另一端和所述多个电容器当中的相应电容器的所述另一个电极的接点与所述多个晶体管当中的相应晶体管的所述基极之间。
4.根据权利要求2所述的射频功率放大器，还包括多个第二电阻器，各自插入在所述多个电阻器当中的相应电阻器的所述另一端和所述电容器的所述另一个电极的接点与所述多个晶体管当中的相应晶体管的所述基极之间。
5.根据权利要求1所述的射频功率放大器，还包括多个第二电阻器，各自插入在所述多个电容器当中的相应电容器的所述另一个电极与所述多个电阻器当中的相应电阻器的所述另一端和所述多个晶体管当中的相应晶体管的所述基极的接点之间。
6.根据权利要求2所述的射频功率放大器，还包括多个第二电阻器，各自插入在所述电容器的所述另一个电极与所述多个电阻器当中的相应电阻器的所述另一端和所述多个晶体管当中的相应晶体管的所述基极的接点之间。
7.根据权利要求1所述的射频功率放大器，还包括多个第二电阻器，各自插入在所述至少一个桥接电阻器的输入射频信号的一端与所述多个电容器当中的相应电容器的所述一个电极之间。
8.根据权利要求2所述的射频功率放大器，还包括多个第二电阻器，各自插入在所述至少一个桥接电阻器的输入射频信号的一端与所述电容器的所述一个电极之间。
9.根据权利要求7所述的射频功率放大器，其中所述多个第二电阻器各自包括传输线。
10.根据权利要求8所述的射频功率放大器，其中所述多个第二电阻器各自包括传输线。
11.根据权利要求1所述的射频功率放大器，包括分别设置成与所述多个电阻器相对应的多个桥接电阻器。
12.根据权利要求2所述的射频功率放大器，包括分别设置成与所述多个电阻器相对应的多个桥接电阻器。
13.根据权利要求1所述的射频功率放大器，其中从偏置电路提供所述直流偏置电压，所述偏置电路采用发射极跟随器作为输出结构。
14.根据权利要求2所述的射频功率放大器，其中从偏置电路提供所述直流偏置电压，所述偏置电路采用发射极跟随器作为输出结构。
全文摘要
将射频信号RF经由电容器C1－Cn当中的相应电容器输入到每个晶体管TR1－TRn的基极被放大，并从每个晶体管TR1－TRn的集电极输出。每个晶体管TR1－TRn的发射极接地。将从偏置电路Bias提供的偏置电压DC经由电阻器Ra1－Ran当中的相应电阻器输送给每个晶体管TR1－TRn的基极。用于偏置电压DC的信号线以直流方式经由桥接电阻器R连接到用于射频信号RF的输入线。
文档编号H03F3/24GK1866729SQ20061008472
公开日2006年11月22日 申请日期2006年5月19日 优先权日2005年5月20日
发明者榎本真悟, 稻森正彦, 小泉治彦, 立冈一树, 牧原弘和, 松田慎吾, 川岛克彦 申请人:松下电器产业株式会社