CN106817096A - 功率放大模块 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种功率放大模块。包括放大第1无线频率信号且输出第2无线频率信号的第1晶体管；放大第2无线频率信号且输出第3无线频率信号的第2晶体管；向第1晶体管的基极提供第1偏置电流的第1偏置电路；向第2晶体管的基极提供第2偏置电流的第2偏置电路，第1偏置电路包括从发射极或源极输出第1偏置电流的第3晶体管；一端输入第1无线频率信号且另一端与第1晶体管的基极相连接的电容器；一端与第3晶体管的发射极或源极相连接且另一端与第1晶体管的基极相连接的第1电阻器；一端与电容器的一端相连接且另一端与第3晶体管的发射极或源极相连接的第2电阻器；一端与电容器的一端相连接且另一端与第1晶体管的基极相连接的第3电阻器。

Description

功率放大模块
技术领域
本发明涉及一种功率放大模块的发明。
背景技术
手机等移动通信机中，为了放大向基站发送的无线频率(RF：Radio Frequency)信号的功率，使用了功率放大模块。功率放大模块使用了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，披露了作为放大元件使用了晶体管的由多个放大级构成的功率放大模块，专利文献1中记载的功率放大模块将前级以及后级的双极型晶体管都设为发射极接地，使前级的双极型晶体管在基极电流一定模式下进行动作，使后级的双极型晶体管在基极电压一定模式下进行动作。
[现有技术文献]
[专利文献]
[专利文献1]特开平10-135750号公报
发明内容
[发明所要解决的问题]
但是,专利文献1中所披露的功率放大模块中，随着输出功率的增加，增益会降低，从而线性就会变差。
本发明是鉴于这样的情况而完成的，其目的在于提高功率放大模块的线性。
[解决问题的方法]
本发明的功率放大模块包括：放大第1无线频率信号且输出第2无线频率信号的第1晶体管；放大第2无线频率信号且输出第3无线频率信号的第2晶体管；向第1晶体管的基极提供第1偏置电流的第1偏置电路；以及向第2晶体管的基极提供第2偏置电流的第2偏置电路。第1偏置电路包括：从发射极或源极输出第1偏置电流的第3晶体管；一端输入第1无线频率信号且另一端与第1晶体管的基极相连接的电容器；一端与第3晶体管的发射极或源极相连接且另一端与第1晶体管的基极相连接的第1电阻器；一端与电容器的一端相连接且另一端与第3晶体管的发射极或源极相连接的第2电阻器；以及一端与电容器的一端相连接且另一端与第1晶体管的基极相连接的第3电阻器。
[发明的效果]
根据本发明，能够提高功率放大模块的线性。
附图说明
图1是表示包含本发明的一个实施方式的功率放大模块的发送单元的构成例的图。
图2是表示功率放大模块112的构成例的图。
图3是表示放大电路200以及偏置电路210的构成例的图。
图4是表示放大电路201以及偏置电路211的构成例的图。
图5A是表示本实施方式所涉及的功率放大模块的线性的一例的图。
图5B是表示本实施方式所涉及的功率放大模块的线性的一例的图。
图5C是表示本实施方式所涉及的功率放大模块的线性的一例的图。
图6是表示偏置电路210的其他构成例的图。
图7是表示偏置电路210的其他构成例的图。
图8是表示偏置电路210的其他构成例的图。
具体实施方式
(发送单元100的结构)
以下，参照附图说明本发明的一个实施方式。图1是表示包含本发明的一个实施方式的功率放大模块的发送单元100的构成例的图。发送单元100例如在手机等移动通信机中用于向基站发送声音、数据等各种信号。另外，移动通信机还包括用于从基站接收信号的接收单元，但在这里省略说明。
如图1所示，发送单元100包括：基带部110、RF部111、功率放大模块112、前端部113以及天线114。
基带部110基于HSUPA(High-Speed Uplink Packet Access：高速上行链路分组接入)、LTE(Long Term Evolution：长期演进)等的调制方式，对声音、数据等输入信号进行调制并输出调制信号。本实施方式中，从基带部110输出的调制信号作为在IQ平面上表示振幅以及相位的IQ信号(I信号和Q信号)进行输出。IQ信号的频率例如为数MHz到数10MHz左右。此外，基带部110输出用于控制功率放大模块112的增益的模式信号MODE。
RF部111根据从基带部输出的IQ信号，生成用于进行无线发送的RF信号(RFIN)。RF信号例如为数百MHz到数GHz左右。
功率放大模块112将从RF部111输出的RF信号(RFIN)的功率放大至为了发送到基站所需要的水平，并输出放大信号(RFOUT)。功率放大模块112基于从基带部110提供的模式信号MODE决定偏置电流的电流量，来控制增益。
前端部113进行针对放大信号(RFOUT)的滤波，进行与从基站接收到的接收信号之间的切换等。从前端部113输出的放大信号经由天线114发送到基站。
(2.功率放大模块112的结构)
图2是表示功率放大模块112的构成例的图。如图2所示，功率放大模块112包括放大电路200、201；偏置电路210、211；匹配电路(MN：Matching Network)220、221、222；电感器230、231；电阻器240、241；以及偏置控制电路250。
放大电路200、201构成2级的放大电路。放大电路200放大RF信号(RFIN)(第1无线频率信号的一个例子)，输出放大信号(RFOUT)(第2无线频率信号的一个例子)。从放大电路200输出的放大信号(R FOUT1)经由匹配电路221作为RF信号(RFIN2)输入到放大电路201。放大电路201放大RF信号(RFIN2)，输出放大信号(RFOUT2)(第3无线频率信号的一个例子)。本实施方式中，将功率放大模块的放大电路设为两级，放大电路的级数不仅限于两级，也可为三级以上。在放大电路是三级以上的情况下，对于最后级以外的放大电路，可使用与后述的偏置电路210相同的结构。
偏置电路210、211分别对放大电路200、211提供偏置电流。偏置电路210(第1偏置电路的一个例子)将与从偏置控制电路250输出的偏置控制电流ICONT1相应的偏置电流IBIAS1(第1偏置电流的一个例子)提供给放大电路200。此外，偏置电路211(第2偏置电路的一个例子)将与从偏置控制电路250输出的偏置控制电流ICONT2相应的偏置电流IBIAS2(第2偏置电流的一个例子)提供给放大电路201。
匹配电路220、221、222是为了使电路间的阻抗匹配而设置的。匹配电路220、221、222分别例如使用电感器、电容器构成。
电感器230、231是用于隔离RF信号而设置的。对于放大电路200、201分别经由电感器230、231提供电源电压VCC。
偏置控制电路250根据模式信号MODE，输出用于控制偏置电流I BIAS1、IBIAS2的偏置控制电流ICONT1、ICONT2。偏置控制电流ICONT1经由电阻器240提供给偏置电路210。此外，偏置控制电流ICONT2经由电阻器241提供给偏置电路211。功率放大模块112包括电阻器240、241，从而能够抑制从偏置控制电路250观察到的偏置电路210、211的阻抗变化。功率放大模块112中，通过控制偏置电流IBIAS1、IBIAS2，从而控制增益。另外，偏置控制电路250也可以设置在功率放大模块112的外部。功率放大模块112也可以不包括电阻器240、241。
(3.放大电路200以及偏置电路210的结构)
图3是表示放大电路200以及偏置电路210的构成例的图。
放大电路200包括晶体管300A(第1晶体管的一个例子)、电容器301A、电容器302A，以及电阻器303A。
晶体管300A例如是异质结双极型晶体管(HBT：Heterojunction BipolarTransisitor)。经由电容器301A以及后述的电容器332A，向晶体管300A的基极输入RF信号(RFIN1)。经由电感器230，向晶体管300A的集电极提供电源电压VCC。晶体管300的发射极接地。此外，向晶体管300A的基极提供偏置电流IBIAS1。然后，从晶体管300A的集电极输出放大信号(R FOUT1)。
电容器301A截断RF信号(RFIN1)的直流分量进行输出，并且不使偏置电路210A的直流分量返回到RF部111。从电容器301A输出的RF信号经由电容器332A输入到晶体管300A的基极。
电容器302A以及电阻器303A形成反馈电路。电容器302A的一端与电容器301A、332A的连接点相连接，另一端与电阻器303A的一端相连接。电阻器303A的另一端与晶体管300A的集电极相连接。该反馈电路是为了放大电路200的增益调整以及输入匹配而设置的。
接着说明偏置电路210A的结构。
偏置电路210A包括晶体管310A、311A、312A；电容器331A、332A；电阻器321A、322A、323A。晶体管310A～312A例如是HBT(异质结双极型晶体管)。由于将偏置电路210A和放大电路200中使用的晶体管都设为HBT，从而容易将偏置电路210A和放大电路200形成在一个芯片上。
晶体管310A是连接集电极和基极的被称之为二极管连接的结构。(以下称为二极管连接)晶体管310A将偏置控制电流ICONT1提供给集电极。晶体管311A是二极管连接，集电极与晶体管310A的发射极相连接，发射极接地。晶体管312A(第3晶体管的一个例子)向集电极提供电源电压(例如电池电压VBAT)，基极与晶体管310A的集电极相连接。电容器331A的一端与晶体管310A的集电极相连接，另一端与晶体管311A的发射极相连接。
向电容器332A的一端经由电容器301A输入RF信号(RFIN1)，另一端与晶体管300A的基极相连接。电阻器321A(第1电阻器的一个例子)的一端与晶体管312A的发射极相连接，另一端与晶体管300A的基极相连接。电阻器322A(第2电阻器的一个例子)的一端与电容器332A的一端相连接，另一端与晶体管312A的发射极相连接。电阻器323A(第3电阻器的一个例子)的一端与电容器332A的一端相连接，另一端与晶体管300A的基极相连接。
接着说明偏置电路210A的功能。
在偏置电路210A中，与偏置控制电流ICONT1相对应的偏置电流IBIAS1从晶体管312A的发射极输出。这里从发射极输出的偏置电流IBIAS1会根据RF信号(RFIN1)的影响而变动。RF信号(RFIN1)的水平变大时(也称为[大信号时])，输出的偏置电流IBIAS1也会变大。关于这一点将详细说明。
偏置电流IBIAS1的路径具有从晶体管312A的发射极经由电阻器321A的路径(路径1)、以及从晶体管312A的发射极经由电阻器322A、323A的路径(路径2)这两条路径。通常不这样设置两条路径，而是在晶体管312A的发射极与晶体管300A的基极之间设置具有电阻器321A、322A、323A合成电阻值的一个电阻器。偏置电路210A中，通过设置路径2，从而从电容器301A输出的RF信号(RFIN1)的影响经由电阻器322A传递到晶体管312A的发射极。因此，与设置一个大电阻器的情况相比，能够使对晶体管312A发射极产生的RF信号(RFIN1)的影响变大。由此，大信号时，能够增大晶体管312A所输出的偏置电流IBIAS1，其结果是，放大电路200中，能增加输出功率。
并且，通过将电阻器322A的电阻值设定成小于电阻器321A的电阻值，能够使对晶体管312A发射极产生的RF信号(RFIN1)的影响变大。由此，大信号时，能够将更大的偏置电流IBIAS1输出到晶体管3121A。另外，在偏置电路210A中，能够通过调整电阻器321A、322A、323A的电阻值，来调整偏置电流IBIAS1的电流量。
另外，在偏置电路210A中，由于电容器332A和电阻器323A并联连接，从而RF信号(RFIN1)的交流分量不通过电阻器323A，而是经由电容器332A输入到晶体管300A的基极。由此，能够防止输入到晶体管300A基极的RF信号(RFIN1)的衰减。
另外，并联连接的电容器332A和电阻器323A(RC并联电路)构成振荡稳定电路。对于低频信号，RC并联电路的电容器332A是断路状态，对于高频信号，RC并联电路的电容器332A是短路状态。因此，低频信号通过电阻器323A，高频信号通过电容器332A。即，RC并联电路对于低频信号是阻挡状态，对于高频信号是短路状态。其结果是，RC并联电路对于比使用频率低的低频侧信号是阻挡状态，能够抑制低频信号的振荡，提高稳定性。另一方面，RC并联电路对于比使用频率高的高频信号是短路状态，能够将高频信号在没有损耗的状态下输入到晶体管300A的基极。此外，在RC并联电路中，低频信号通过电阻器323A，高频信号通过电容器332A。因此，例如，能够与电阻器323A的电阻值相对应地调整振荡的稳定性，能够与电容器332A的容量相对应地调整成为短路状态的信号的频率。
另外，晶体管310A、312A也可以是增强型场效应晶体管(FET:Field EffectTransistor)。此时，FET的源极输出偏置电流IBIAS1。HBT导通的阀值电压例如大约是1.3V。因而，在将晶体管310A、312A设为HBT的情况下，偏置控制电流ICONT1的输入端子的电压需要为2.8V左右。另一方面，增强型FET导通的阀值电压比HBT导通的阀值电压低，例如是0.5V左右。因此，在将晶体管310A、312A设为增强型FET的情况下，偏置控制电流ICONT1的输入端子的电压比HBT的情况(2.8V左右)要低，可为2.0V左右。
(4.放大电路201及偏置电路211的结构)
图4是表示的放大电路201及偏置电路211的构成例的图。另外，对于与图3中所表示的放大电路200及偏置电路210A相同的要素，标注相同的标号，省略详细说明。
放大电路201包括晶体管300B(第2晶体管的一个例子)、电容器301B、电容器302B以及电阻器303B。放大电路201内的结构由于和放大电路200相同，因此省略详细说明。另外，晶体管300B相比于晶体管300A具有例如10倍左右大的尺寸(发射极面积)。
偏置电路211包括晶体管310B、311B、312B；电容器331B以及电阻器321B。晶体管310B是二极管连接，将偏置控制电流ICONT2提供给集电极。晶体管311B是二极管连接，集电极与晶体管310B的发射极相连接，发射极接地。晶体管312B(第3晶体管的一个例子)将电源电压(例如：电池电压VBAT)提供给集电极，基极与晶体管310B的集电极相连接。电容器331B的一端与晶体管310B的集电极相连接，另一端与晶体管311B的发射极相连接。电阻器321B的一端与晶体管312B的发射极相连接，另一端与晶体管300B的基极相连接。
偏置电路211中，从晶体管312B的发射极输出的偏置电流IBIAS2经由电阻器321B输入到晶体管300B的基极。另外，期望电阻器321B的电阻值对于抑制放大电路201上的消耗电流而言足够地大。例如，若将前级的放大电路200的晶体管300A发射极面积设为E1，前级的偏置电路210A的电阻器321A～323A的合成电阻值设为R1，后级的放大电路201的晶体管300B发射极面积设为E2，后级的偏置电路211的电阻器321B的电阻值设为R2，则能够使R1×E1<R2×E2。由此，能够抑制后级的放大电路201上消耗电流的增大，能够提高作为功率放大模块112整体的效率。
(5.功率放大模块112的线性)
图5A～图5C是表示本实施方式所涉及的功率放大模块112的电压增益特性的模拟结果。图5A～图5C所示的各图表中，横轴表示输出功率[dBm]，纵轴表示电压增益[dB]。各图中，实线表示功率放大模块112具有本实施方式所涉及的偏置电路210A时的模拟结果。另外，图5A、5C中的虚线表示比较例的功率放大模块的模拟结果。比较例除了偏置电路210A不具有电阻器322A这一点以外，是与功率放大模块112同样的结构。
图5A是表示本实施方式所涉及的放大电路200(驱动级)及比较例的放大电路的增益特性的图表。比较例中，示出随着输出功率的增加、电压增益右肩下降的特性(增益压缩)。另一方面，与放大电路200相连接的偏置电路210A中，通过在晶体管312A的发射极和电容器301A、332A的连接点之间设置电阻器322A，从而能够使对晶体管312A发射极产生的RF信号(RFIN1)的影响变大。具体来说,若向晶体管312A施加RF信号(R FIN1)，则具有使晶体管321A的基极和发射极之间的电位变大或变小的效果。由此，由于基极和发射极之间是二极管构造，因此作为二极管的特性，呈指数函数地变化，因而平均DC电流会增加。其结果是，具有增加偏置电流、提高增益的效果。由此，放大电路200在大信号时，输入到晶体管300A基极的偏置电流IBIAS1会增大，从而与比较例的情况相比，能够降低伴随着输出电压的增加的电压增益的减少。
图5B是表示放大电路201(输出级)的增益特性的图表。输入到放大电路201的RF信号(RFIN2)是比较大的水平。因此，放大电路201A中，在输出功率较大的区域，由于RF信号(RFIN2)带给晶体管312B发射极的影响，使得增益变大(增益扩大)。另外，放大电路201由于在功率放大模块112和比较例之间结构没有差异，因此在任何情况下都是同样的模拟结果。
图5C是表示功率放大模块112及比较例的整体的增益特性的图表。如图5C所示，在比较例的情况下，随着输出功率的增加，电压增益逐渐下降。
另一方面，在本实施方式所涉及的功率放大模块112的情况下，图5A中抑制了随着输出电压的增加的电压增益的减少，通过与图5B的图表中增益扩大的特性合成，从而如图5C所示，作为功率放大模块112整体，相比于比较例提高了线性。另外，这里所说的线性是指相对于输出水平的变化，增益一直是一定的。
此外，放大电路201由于抑制了消耗电流，因此作为功率放大模块112整体，能够有效地进行功率放大。
(6.偏置电路210的其他结构)
图6是表示偏置电路210的其他构成例的图。此外，对于与图3中所表示的偏置电路210A相同的要素，标注相同的标号，省略说明。
偏置电路210B中，包括晶体管313A以代替偏置电路210A中的晶体管312A。此外，偏置电路210B中，包括晶体管314A以代替偏置电路210A中的晶体管310A、311A。
晶体管314A例如是HBT，二极管连接，偏置控制电流ICONT1提供给集电极，发射极接地。
晶体管313A是耗尽型FET。晶体管313A中，向漏极提供电源电压(例如电池电压VBAT)，栅极与晶体管314A的集电极相连接。此外，从源极输出偏置电流IBIAS1。耗尽型FET是在阀值电压为负(例如：-1.0V左右)时导通的晶体管。因此，偏置电路210B中，偏置控制电流ICONT1的输入端子电压可比偏置电路210A的情况(2.8V左右)低1.3V左右。
图7是表示偏置电路210的其他构成例的图。此外，对于与图6中所表示的偏置电路210B相同的要素，标注相同的符号，省略说明。
偏置电路210C在偏置电路210B的结构之上，还包括电阻器324A。此外，偏置电路210C包括晶体管315A以代替偏置电路210B的晶体管314A。
晶体管315A例如是HBT，偏置控制电流ICONT1提供给集电极，发射极接地，基极与电阻器324A的一端相连接。电阻器324A的另一端与晶体管313A的源极相连接。
如上所述，HBT的阀值电压是1.3V左右，耗尽型FET的阀值电压例如是-1.0V左右。因此，偏置电路210C中偏置控制电流ICONT1的输入端子的电压可比偏置电路210A的情况(2.8V左右)低0.3V左右。其他效果和偏置电路210A的相同。
图8是表示偏置电路210其他构成例的图。此外，对于与图7中所表示的偏置电路210C相同的要素，标注相同的标号，省略说明。
偏置电路210D在偏置电路210C的结构之上还包括电阻器325A、326A。此外，偏置电路210D包括晶体管316A以代替偏置电路210C的晶体管313A。
晶体管316A是耗尽型FET，晶体管316A中，向漏极提供电源电压(例如，电池电压VBAT)，栅极连接在电阻器325A和电阻器326A之间。此外，晶体管316A的源极输出偏置电流IBIAS1。电阻器325A的一端与晶体管315A的集电极相连接。电阻器326A的一端与电阻器325A的另一端相连接，另一端与晶体管315A的发射极相连接。
图8所示的偏置电路210D中，在偏置用的晶体管315A的集电极和发射极之间连接了电阻分压电路(电阻器325A、电阻器326A)。
图7所示的偏置电路210C中，在对于晶体管313A使用阀值电压低的耗尽型FET(例如，-1.0V以下)时，可能会由于晶体管315A的集电极和发射极之间电压的降低，导致晶体管315A不动作。
与此不同的是，如图8所示的偏置电路210D中，由于利用电阻分压电路来抑制晶体管315A的集电极电压的降低，因此能使用阀值电压低的耗尽型FET(例如，-1.0V以下)。
以上对本发明示例的实施方式进行了说明。本实施方式所涉及的功率放大模块112中，在与放大电路200相连接的偏置电路210A中，通过在晶体管312A的发射极和电容器301A、332A的连接点之间设置电阻器322A，从而能够使对晶体管312A的发射极产生的RF信号(RFIN1)的影响变大。由此，放大电路200在大信号时，输入到晶体管300A基极的偏置电流IBIAS1增大，从而能够降低随着输出电压的增加的电压增益的减少。放大电路201由于具有增益扩大的特性，因此作为功率放大模块112整体提高了线性。
此外，功率放大模块112在偏置电路210中可将输出偏置电路IBIAS1的晶体管(晶体管312A)设为HBT。由此，由于偏置电路210A和放大电路200中使用的晶体管都是HBT，因此容易将偏置电路210A和放大电路200形成在一个芯片上。
功率放大模块112在偏置电路210中可将输出偏置电路IBIAS1的晶体管(晶体管312A、晶体管313A、晶体管316A)设为FET。由此，与将输出偏置电路IBIAS1的晶体管设为HBT的情况相比，能够降低偏置控制电流ICONT1的输入端子的电压。
此外，通过将偏置电路210中的电阻器322A的电阻值设定为小于电阻器321A的电阻值，从而能够使对输出偏置电路IBIAS1的晶体管(晶体管312A、晶体管313A、晶体管316A)的发射极或源极产生的RF信号(R FIN1)的影响更大。由此，大信号时能够输出更大的偏置电路IBIAS1。
以上说明的各个实施方式是为了容易地理解本发明，并不是为了限定本发明而做的解释。本发明在不偏离其宗旨，可进行变更/改良，并且本发明也包含其等效物。即，只要具备了本发明的特征，由本领域技术人员对各实施方式施加了适当的设计变更后的技术方案也包含在本发明的范围中。例如，各个实施方式所具备的各要素及其配置、材料、条件、形状、尺寸等并不限于示例，可以适当地变更。此外，各个实施方式所具备的各要素只要技术上可能，就可以进行组合。这些组合起来的技术方案只要具备本发明的特征，就包含在本发明的范围中。
标号说明
100 发送单元
110 基带部
111 RF部
112 功率放大模块
113 前端部
114 天线
200，201 放大电路
210，210A，210B，210C，210D，211 偏置电路
220，221，222 匹配电路
230，231 电感器
240，241 电阻器
250 偏置控制电路
300A，300B，310A，310B，311A，311B，312A，312B，314A，315A，316A 晶体管
301A，301B，302A，302B，331A，331B，332A 电容器
303A，303B，321A，321B，322A，323A 电阻器
313A，315A FET

Claims (4)

1.一种功率放大模块，包括：
放大第1无线频率信号且输出第2无线频率信号的第1晶体管；
放大所述第2无线频率信号且输出第3无线频率信号的第2晶体管；
向所述第1晶体管的基极提供第1偏置电流的第1偏置电路；以及
向所述第2晶体管的基极提供第2偏置电流的第2偏置电路，
所述第1偏置电路包括：
从发射极或源极输出所述第1偏置电流的第3晶体管；
一端输入所述第1无线频率信号且另一端与所述第1晶体管的基极相连接的电容器；
一端与所述第3晶体管的发射极或源极相连接且另一端与所述第1晶体管的基极相连接的第1电阻器；
一端与所述电容器的一端相连接且另一端与所述第3晶体管的发射极或源极相连接的第2电阻器；以及
一端与所述电容器的一端相连接且另一端与所述第1晶体管的基极相连接的第3电阻器。
2.如权利要求1所述的功率放大模块，其特征在于，
所述第3晶体管是双极型晶体管。
3.如权利要求1所述的功率放大模块，其特征在于，
所述第3晶体管是场效应晶体管。
4.如权利要求1至3中任一项所述的功率放大模块，其特征在于，
第2电阻器的电阻值小于第1电阻器的电阻值。
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