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：

在移动电话等的移动通信设备中，为了对发送至基站的无线频率(rf：radio-frequency)信号的功率进行放大而使用功率放大电路。在功率放大电路中，使用用于向功率放大用的晶体管提供偏置电流的偏置电路。例如，专利文献1中公开了使用包含发射极跟随器的偏置电路的功率放大电路。该偏置电路中，从偏置电流提供用的晶体管的发射极向放大用的晶体管的基极输出偏置电流。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：jp特开2016-213557号公报

-发明要解决的课题-

在如上述那样包含发射极跟随器的偏置电路中，偏置电流的电流量受到rf信号的影响。具体而言，若rf信号的电平变大，则偏置电流中产生负的电流(从放大用的晶体管的基极向偏置电流提供用的晶体管的发射极侧的电流)。此时，由于偏置电流提供用的晶体管的基极/发射极间的pn结的整流特性，该负的电流被截止。由此，向正的方向流过偏置电流的比例增加，偏置电流的平均值变高。因此，功率放大电路的增益上升，作为结果会引起功率放大电路中的增益的线性劣化。

技术实现要素：

为了应对该问题，在专利文献1所公开的结构中，在偏置电流提供用的晶体管的基极/发射极间设置使负的电流通过的电流路径，由此偏置电流的负的部分不会被截止。由此一来，即便rf信号的电平较大，偏置电流的平均值的上升也会被抑制。

但是，由于在上述结构中作为使负的电流通过的路径而使用电容器，因此该路径具有频率特性。由此，例如在多频带技术中所见那样rf信号的频带遍及宽范围的情况下，存在特性随着频率而变动的这种问题。

本发明是鉴于这种情况而提出的，其目的在于提供一种在宽频带可抑制增益的线性劣化的功率放大电路。

-解决课题的手段-

为了实现这种目的，本发明的一个方面所涉及的功率放大电路具备：第1晶体管，放大第1信号而输出第2信号；第2晶体管，放大与第2信号相应的信号而输出第3信号；第3晶体管，向第1晶体管的基极提供第1偏置电流或者电压；和第4晶体管，向第2晶体管的基极提供第2偏置电流或者电压，第3晶体管的发射极面积相对于第1晶体管的发射极面积的比例大于第4晶体管的发射极面积相对于第2晶体管的发射极面积的比例。

-发明效果-

根据本发明，能够提供一种在宽频带可抑制增益的线性劣化的功率放大电路。

附图说明

图1是表示本发明的一实施方式所涉及的功率放大电路的结构例的图。

图2是表示构成晶体管q1的一个单元的构造的俯视图。

图3是表示本发明的一实施方式所涉及的功率放大电路中的电压vbb的模拟结果的一例的曲线图。

图4是表示本发明的一实施方式所涉及的功率放大电路中的前级的增益的模拟结果的一例的曲线图。

图5是表示本发明的比较例所涉及的功率放大电路中的aclr特性的模拟结果的一例的曲线图。

图6是表示本发明的一实施方式所涉及的功率放大电路中的aclr特性的模拟结果的一例的曲线图。

-符号说明-

100...功率放大电路、110、111...放大器、120、121...偏置电路、q1～q8...晶体管、r1～r4...电阻元件、c1～c4...电容器、10...半导体基板、20...基极层、30a、30b...发射极层、40a、40b...集电极层。

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，对同一要素赋予同一符号，并省略重复的说明。

图1是表示本发明的一实施方式所涉及的功率放大电路的结构例的图。图1所示的功率放大电路100例如被搭载于移动电话等的移动通信设备，被用于对发送至基站的无线频率(rf：radio-frequency)信号的功率进行放大。功率放大电路100例如对2g(第2代移动通信系统)、3g(第3代移动通信系统)、4g(第4代移动通信系统)、5g(第5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等的通信标准的信号的功率进行放大。此外，功率放大电路100例如对多个不同的频带的信号的功率进行放大。rf信号的频率例如是几百mhz～几十ghz左右。另外，功率放大电路100所放大的信号的通信标准以及频率并不限这些。

功率放大电路100例如具备：放大器110、111以及偏置电路120、121。

放大器110、111构成两级的放大器。前级(驱动级)的放大器110对rf信号rf1(第1信号)进行放大，输出rf信号rf2(第2信号)。后级(功率级)的放大器111对rf信号rf2进一步放大，输出rf信号rf3(第3信号)。另外，放大器的级数并不限于两级，也可以是三级以上。

偏置电路120、121分别向放大器110、111提供偏置电流或者电压。具体而言，偏置电路120(第1偏置电路)将偏置电流ibias1(第1偏置电流)提供给前级的放大器110。此外，偏置电路121(第2偏置电路)将偏置电流ibias2(第2偏置电流)提供给后级的放大器111。通过偏置电流ibias1、ibias2的电流量来控制放大器110、111的增益。

另外，尽管省略了图示，但是功率放大电路100也可以在各放大器110、111的前级以及后级具备使电路间的阻抗匹配的匹配电路。

接下来，对放大器110、111以及偏置电路120、121的具体的结构例进行说明。

前级的放大器110例如具备晶体管q1、电容器c1以及电阻元件r1。同样，后级的放大器111例如具备晶体管q2、电容器c2以及电阻元件r2。

晶体管q1(第1晶体管)以及晶体管q2(第2晶体管)例如是异质结双极晶体管晶体管(hbt：heterojunctionbipolartransistor)等的双极晶体管。晶体管q1的基极被提供rf信号rf1以及偏置电流ibias1，集电极被电源电压，发射极被接地。由此，晶体管q1对rf信号rf1进行放大，从集电极输出rf信号rf2。晶体管q2的基极被提供rf信号rf2以及偏置电流ibias2，集电极被提供电源电压，发射极被接地。由此，晶体管q2对rf信号rf2进一步放大，从集电极输出rf信号rf3。

另外，尽管省略了图示，但是也可以经由扼流圈电感器向晶体管q1、q2的集电极提供电源电压。

电容器c1、c2分别是切断被输入的rf信号中包含的直流分量、使交流分量通过的去耦电感器。

电阻元件r1、r2分别被连接于偏置电路120、121与晶体管q1、q2的基极之间。通过经由电阻元件r1、r2来提供偏置电流ibias1、ibias2，因晶体管q1、q2的温度上升引起的偏置电流ibias1、ibias2的增加得以抑制。

图2是表示构成晶体管q1的一个单元的构造的俯视图。另外，晶体管q2能够包含与该图所示的单元同样的单元。

如该图所示，一个单元包含：在半导体基板10的主面的俯视下形成于该主面的基极层20、在基极层20的两外侧分别形成的2个发射极层30a、30b、以及在2个发射极层30a、30b的两外侧分别形成的集电极层40a、40b。由此，构成一个单位晶体管。另外，所谓“单位晶体管”，是指至少包含基极层、集电极层以及发射极层、作为晶体管发挥功能的最小单位的结构。

此外，图2中省略了图示，但是也可以在各单元中除了上述的单位晶体管以外，还一体地形成相当于电容器c1以及电阻元件r1的元件。图1中由一个电路标记图示了各放大器110、111中包含的各元件，但是本实施方式中的放大器110、111分别包含多个单元而构成。并且，多个单元间，各单位晶体管的集电极彼此、发射极彼此以及基极彼此相互被电连接。由此，多个单元成为并联连接的结构，整体作为一个放大器进行工作。构成放大器的单元数没有特别限定，但是在功率放大电路100中，由于后级比前级的功率的放大等级大，因此后级的单元数(例如为20个)比前级的单元数(例如4个)多。

以下，在各单元中，将半导体基板10的主面的俯视下的发射极层的面积的合计(图2中为发射极层30a、30b的面积的合计)也称为“单元的发射极面积”。此外，将构成放大器的多个单元的发射极面积的合计也称为“放大器的发射极面积(或者晶体管的发射极面积)”。例如，在放大器110包含4个单元的情况下，若将发射极层30a的面积设为1，则该放大器110(晶体管q1)的发射极面积为1×2个×4单元＝8。另外，1个单元中包含的发射极层的数量并不限于2个，例如也可以是4个。在发射极层为4个的情况下，4个发射极层与3个基极层也可以交替地并排形成。

返回至图1，偏置电路120例如具备晶体管q3～q5、电阻元件r3以及电容器c3。

晶体管q3～q5例如为hbt。晶体管q3的集电极与基极被连接(以下也称为“二极管连接”。)，经由电阻元件r3向集电极提供电压vb1，发射极与晶体管q4的集电极连接。晶体管q4被进行二极管连接，集电极被连接于晶体管q3的发射极，发射极被接地。由此，在晶体管q3的集电极，生成规定电平的电压(例如2.6v左右)。

晶体管q5(第3晶体管)的集电极被提供电池电压vbatt，基极与晶体管q3的基极连接，发射极经由电阻元件r1而被连接于晶体管q1的基极。由此，从晶体管q5的发射极输出偏置电流ibias1。晶体管q5与上述的晶体管q1、q2同样，例如包含多个单元。图1中作为例子，示意地表示晶体管q5包含3个单元。

向电阻元件r3的一端提供电压vb1，另一端被连接于晶体管q3的集电极。另外，也可以取代电压vb1，从电流源向电阻元件r3的一端提供电流ib1。

电容器c3的一端被连接于晶体管q3的集电极，另一端被接地。电容器c3使交流分量流入接地，由此抑制因rf信号的检波所引起的晶体管q3的基极的电压振幅。

偏置电路121例如具备晶体管q6～q8、电阻元件r4以及电容器c4。另外，由于晶体管q6、q7、电阻元件r4以及电容器c4的结构分别与偏置电路120中的晶体管q3、q4、电阻元件r3以及电容器c3的结构相同，因此省略详细的说明。

晶体管q8(第4晶体管)的集电极被提供电池电压vbatt，基极与晶体管q6的基极连接，发射极经由电阻元件r2而被连接于晶体管q2的基极。由此，从晶体管q8的发射极输出偏置电流ibias2。晶体管q8也可以与上述的晶体管q1、q2同样地例如包含多个单元。图1中作为例子示意地表示晶体管q8包含1个单元。

另外，偏置电路120、121可以分别通过电压vb1、vb2的电压值(或者电流ib1、ib2的电流值)的调整来控制偏置电流ibias1、ibias2的电流量。

接下来，以前级(放大器110以及偏置电路120)为例，针对偏置电流ibias1、ibias2的电流量的变动的抑制进行说明。

一般而言，在包含发射极跟随器的偏置电路中，偏置电流的电流量可能受到rf信号的影响而发生变动。具体而言，在为了方便使用图1所示的符号时，在向晶体管q1的基极提供的rf信号rf1的电平较大的情况下，偏置电流中产生负的电流(从晶体管q1的基极流向晶体管q5的发射极侧的电流)。尽管该负的电流要从晶体管q5的发射极向基极方向流动，但是由于晶体管q5的基极/发射极间的pn结的整流特性而被截止。这样，由于偏置电流的负的部分被截止，因此随着rf信号的电平的增大而晶体管q5的发射极电压(电压vbb)的平均值上升，偏置电流ibias1的平均值也上升。

针对该问题，例如专利文献1所公开的结构中，将提供偏置电流的晶体管进行共基共射连接，想要使流入上级的晶体管(相当于图1中的晶体管q5)的负的电流的一部分流至下级的晶体管。但是，在该结构中，从上级的晶体管的发射极观察得到的下级的晶体管的集电极的阻抗非常高。因此，认为电流难以流向下级的晶体管。

此外，在专利文献1所公开的结构中，通过在上级的晶体管的基极/发射极间设置使负的电流通过的电流路径，由此偏置电流的负的部分被截止。但是，在上述的结构中，由于作为使负的电流通过的路径使用了电容器，因此该路径具有频率特性。因此，例如在多频带技术中所见那样，rf信号的频带遍及宽范围的情况下，认为特性会随着频率而变动。

关于这一点，在功率放大电路100中被设计成：晶体管q5的发射极面积相对于前级的晶体管q1的发射极面积的比例大于晶体管q8的发射极面积的比例相对于后级的晶体管q2的发射极面积的比例。这里，所谓面积的比例，是指偏置电流提供用的晶体管(相当于晶体管q5、q8)的发射极面积除以放大用的晶体管(相当于晶体管q1、q2)的发射极面积而得到的值。例如，假定在前级中晶体管q1的单元数为4个，相对于此，晶体管q5的单元数为3个。另一方面，假定在后级中例如晶体管q2的单元数为20个，相对于此，晶体管q8的单元数为1个。此时，若各单元的发射极面积相等，则发射极面积的比例在前级中为(晶体管q5/晶体管q1)＝3/4，在后级中为(晶体管q8/晶体管q2)＝1/20。这样，在本实施方式中，相比于后级，前级的偏置电流提供用的晶体管的发射极面积相对于放大用的晶体管的发射极面积的比例较大。

这里，已知发射极跟随器構成的晶体管的输出阻抗与发射极电流的电流量成反比。因此，在发射极电流的总量一定的情况下，晶体管的发射极面积越大，则发射极的每单位面积流过的电流越减少，因此输出阻抗越高。在本实施方式中，由于晶体管q5的发射极面积相对于晶体管q1的发射极面积的比例大于晶体管q8的发射极面积相对于晶体管q2的发射极面积的比例，因此在发射极电流的总量一定的情况下，该晶体管q5的输出阻抗变高。因此，即便rf信号rf1的电平较大、晶体管q1的基极处的交流的振幅较大，晶体管q5的发射极处的电流的交流性的变动也被抑制。这样，在本实施方式中，由于晶体管q5的rf信号的检波性能下降，因此负的电流的产生得以抑制，作为结果可抑制偏置电流ibias1的电流量的平均值的上升。此外，伴随于此，晶体管q5的发射极处的电压vbb的上升也被抑制。

也就是说，在功率放大电路100中，不使用共基共射连接、基极/发射极间所连接的电容器，就能够抑制偏置电流ibias1的电流量的变动。因此，相比于专利文献1所公开的结果，功率放大电路100能够与rf信号的频带无关地在宽频带抑制增益的线性劣化。

另外，在前级中晶体管q5的发射极面积没有特别限定，但是例如优选放大用的晶体管q1的发射极面积的二分之一以上。也就是说，例如在晶体管q1的单元数为4个的情况下，优选晶体管q5的单元数为2个以上。

此外，在后级中，若使偏置电路121的晶体管q8的发射极面积过大，则相对于放大用的晶体管q2的功率的放大等级，能力(power)可能不足。因此，优选后级的晶体管q8的发射极面积例如小于前级的晶体管q5的发射极面积。若晶体管q8的发射极面积较小，则随着rf信号的电平的增大而偏置电流的平均值上升，增益可能上升。在此，通过在前级使增益降低以使得后级中的增益的上升被抵消，能够提高使前级以及后级相匹配时的线性。

另外，功率放大电路100例如也可以具备3级的放大器。该情况下，例如可以在第2级的放大器(第1晶体管)应用上述的偏置电路120的结构，在第3级的放大器(第2晶体管)应用上述的偏置电路121的结构，由此抵消第3级的放大器中的增益的上升。或者，也可以在第1级的放大器(第1晶体管)应用上述的偏置电路120的结构，在第3级的放大器(第2晶体管)应用上述的偏置电路121的结构，由此抵消第3级的放大器中的增益的上升。

图3是表示本发明的一实施方式所涉及的功率放大电路中的电压vbb的模拟结果的一例的曲线图。具体而言，图3所示的曲线图表示将晶体管q1和晶体管q5的单元数设为(q1∶q5)＝(4∶0.5)、(4∶1)、(4∶2)、(4∶3)、(4∶4)、(4∶5)、(4∶6)的情况下晶体管q5的发射极处的电压vbb与输出功率pout的关系。在此，假定构成晶体管q1的各单元包含2个发射极层，各单元的发射极面积为3.0×40×2个＝240μm²。另一方面，假定构成晶体管q5的各单元包含4个发射极层，各单元的发射极面积为3.0×20×4个＝240μm²。另外，所谓晶体管q5的单元数为0.5，是将其发射极面积设为3.0×20×2个＝120μm²的情况下的计算结果。在图3所示的曲线图中，横轴表示输出功率pout(dbm)，纵轴表示电压vbb(v)。

如图3所示，若相对于晶体管q1的单元数为4个，而晶体管q5的单元数为2个以上，则伴随着输出功率的增大的电压vbb的上升被抑制。因此，可以说优选晶体管q5的发射极面积为晶体管q1的发射极面积的二分之一以上。

图4是表示本发明的一实施方式所涉及的功率放大电路中的前级的增益的模拟结果的一例的曲线图。具体而言，图4所示的曲线图表示将晶体管q1与晶体管q5的单元数设为(q1∶q5)＝(4∶0.5)、(4∶1)、(4∶2)、(4∶3)、(4∶4)、(4∶5)、(4∶6)、将晶体管q2与晶体管q8的单元数设为(q2∶q8)＝(20∶2)的情况下前级的晶体管q1中的增益与输出功率pout的关系。在此，假定构成晶体管q2的各单元为2个发射极层，各单元的发射极面积为3.0×40×2个＝240μm²。另一方面，假定构成晶体管q8的各单元包含4个发射极层，各单元的发射极面积为3.0×20×4个＝240μm²。另外，对于晶体管q1与晶体管q5，与上述的图3所示的模拟是相同条件。在图4所示的曲线图中，横轴表示输出功率pout(dbm)，纵轴表示晶体管q1的增益(db)。另外，作为参考，由虚线表示后级的晶体管q2的增益的一例。

如图4所示，在晶体管q5的发射极面积为任意的情况下，前级的晶体管q1随着输出功率的增大而增益都平缓下降。另一方面，后级的晶体管q2能够如图4所示那样设定为随着输出功率的增大而增益上升。因此，可以说通过使这些的增益特性相匹配，能够抑制功率放大电路100的增益的线性劣化。

图5是表示本发明的比较例所涉及的功率放大电路中的aclr特性的模拟结果的一例的曲线图。此外，图6是表示本发明的一实施方式所涉及的功率放大电路中的aclr特性的模拟结果的一例的曲线图。所谓比较例，是在图1所示的晶体管q5的基极/发射极间连接有电容器的结构。图5以及图6表示在室温下将电源电压设为3.4v、将rf信号的频率设为824mhz、849mhz、880mhz、915mhz的情况下的相邻信道泄露功率比(adjacentchannelleakageratio：aclr)特性与输出功率pout的关系。图5以及图6所示的曲线图中，横轴表示输出功率pout(dbm)，纵轴表示aclr(dbc)。

如图5所示，在比较例中，可知aclr特性随着rf信号的频带而产生偏差。特别在输出功率的电平为小中程度的区域，特性的偏差显著，确认出线性劣化。

另一方面，如图6所示，可知在功率放大电路100中任意的频带均表现出同样的aclr特性，相比于比较例可减少aclr特性的偏差。此外，可知在输出功率的电平为小中程度的区域，相比于比较例，aclr较小，线性得以提高。这样，根据本实施方式，能够在宽频带抑制线性的劣化。

以上，针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具备放大用的晶体管q1、q2以及偏置电流提供用的晶体管q5、q8，晶体管q5的发射极面积相对于晶体管q1的发射极面积的比例大于晶体管q8的发射极面积相对于晶体管q2的发射极面积的比例。这样一来，由于晶体管q5的输出阻抗变高，因此不使用电容器等的具有频率特性的元件，也能够使晶体管q5的rf信号的检波性能下降。因此，根据功率放大电路100，能够在宽频带抑制增益的线性劣化。

此外，在功率放大电路100中，晶体管q5的发射极面积为晶体管q1的发射极面积的二分之一以上。由此，伴随着输出功率的增大的晶体管q5的发射极处的电压vbb的上升被抑制。因此，能够抑制增益的线性劣化。

此外，在功率放大电路100中，晶体管q5的发射极面积大于晶体管q8的发射极面积。由此，能够在后级维持必要的能力并且使前级的晶体管q1以及后级的晶体管q2的增益特性相匹配从而提高线性。

以上所说明的各实施方式是为了使本发明的理解变得容易，并不是用于限定解释本发明。本发明在不脱离其主旨的情况下可进行变更或者改良，并且其等同部分也包含在本发明中。也就是说，本领域技术人员针对各实施方式适当实施设计变更而得到的部分，只要具备本发明的特征，也包含在本发明的范围中。例如，各实施方式所具备的各要素及其配制、材料、条件、形状、尺寸等并不限定于例示的内容，能够适当变更。此外，各实施方式所具备的各要素只要在技术上可能就能够进行组合，将这些组合而得到的部分只要包含本发明的特征也包含在本发明的范围中。