CN110635771A - 功率放大电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能够抑制增益特性的频率偏差的功率放大电路。功率放大电路具备：第一晶体管，基极或栅极与信号线路连接，发射极或源极通过第一导电体接地，将从信号线路供给到基极或栅极的输入信号放大，并从集电极或漏极输出放大信号；第一元件，在第一晶体管的前级，一端与信号线路连接，使得从信号线路分岔，另一端通过第二导电体接地；以及第一电容器，一端连接于第一晶体管的发射极或源极与第一导电体的连接点，另一端连接于第一元件与第二导电体的连接点。

Description

功率放大电路
技术领域
本发明涉及功率放大电路。
背景技术
在便携式电话等移动通信机中，搭载有使用了晶体管的功率放大电路。在这样的功率放大电路中，多数情况下在输入端子与放大器之间、放大器与放大器之间设置有使阻抗匹配的匹配电路。例如，在专利文献1公开了具备串联地连接的两个电容器和连接在该两个电容器间与接地之间的电感器的匹配电路。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2015-46858号公报
在这样的功率放大电路中，希望增益不依赖于被放大的信号的频率而是恒定的。然而，在专利文献1公开的功率放大电路中，例如在GHz频带程度的比较高的频带的信号中，存在由于频率的差异而有可能在增益特性产生偏差的问题。
发明内容
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，提供一种能够抑制增益特性的频率偏差的功率放大电路。
用于解决课题的技术方案
为了达成这样的目的，本发明的一个方面涉及的功率放大电路具备：第一晶体管，基极或栅极与信号线路连接，发射极或源极通过第一导电体接地，将从信号线路供给到基极或栅极的输入信号放大，并从集电极或漏极输出放大信号；第一元件，在第一晶体管的前级，一端与信号线路连接，使得从信号线路分岔，另一端通过第二导电体接地；以及第一电容器，一端连接于第一晶体管的发射极或源极与第一导电体的连接点，另一端连接于第一元件与第二导电体的连接点。
发明效果
根据本发明，能够提供一种能够抑制增益特性的频率偏差的功率放大电路。
附图说明
图1是示出本发明的一个实施方式涉及的功率放大电路的结构例的图。
图2是示出本实施方式以及比较例涉及的功率放大电路中的增益的频率特性的仿真结果的曲线图。
图3是示出本实施方式以及比较例涉及的功率放大电路中的P2dB的仿真结果的曲线图。
图4是示出电容器C1的电容值与增益的关系的曲线图。
图5是示出通过阻抗表现了电容器C1的情况下的阻抗值与增益的关系的曲线图。
图6是示出具备过孔的功率放大电路以及比较例涉及的功率放大电路中的增益的频率特性的仿真结果的曲线图。
附图标记说明
100：功率放大电路，10、11：放大器，20、21：匹配电路，30、31：偏置电路，40：半导体芯片，Tr1、Tr2：晶体管，C1～C3：电容器，LI：电感器，T1：输入端子，T2、T3：电源端子，B1～B3：凸块。
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，对于同一要素标注同一附图标记，并省略重复的说明。
图1是示出本发明的一个实施方式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例如搭载于便携式电话等移动通信机，用于放大发送到基站的无线频率(RF：Radio-Frequency)信号的功率。功率放大电路100例如对2G(第二代移动通信***)、3G(第三代移动通信***)、4G(***移动通信***)、5G(第五代移动通信***)、LTE(LongTerm Evolution，长期演进)-FDD(Frequency Division Duplex，频分双工)、LTE-TDD(TimeDivision Duplex，时分双工)、LTE-Advanced、以及LTE-Advanced Pro等通信标准的发送信号进行放大。RF信号的频率例如为几百MHz～几十GHz程度。另外，功率放大电路100放大的信号的通信标准以及频率并不限于这些。
在本实施方式中，功率放大电路100例如具备放大器10、11、匹配电路20、21、偏置电路30、31、电容器C1、以及凸块B1～B3。
功率放大电路100通过两个阶段对RF信号的功率进行放大。具体地，初级(驱动级)的放大器10将从输入端子T1经由信号线路W1输入的输入信号RFin放大，并输出放大信号RFout1。后级(功率级)的放大器11将从初级的放大器10输出的放大信号RFout1放大，并输出放大信号RFout2。在本实施方式中，放大器10、11分别由异质结双极晶体管(HBT：Heterojunction Bipolar Transistor)等晶体管Tr1、Tr2构成。另外，放大器10、11也可以代替HBT而由场效应晶体管(MOSFET·Metal-oxide-semiconductor Field-EffectTransistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)构成。在该情况下，只要将以下说明的集电极、基极、发射极分别改读为漏极、栅极、源极即可。
在晶体管Tr1(第一晶体管)中，在集电极从电源端子T2被供给电源电压Vcc，基极与信号线路W1连接并且从输入端子T1被供给输入信号RFin，发射极经由凸块B1接地。此外，在晶体管Tr1的基极，从偏置电路30被供给偏置电流或电压。由此，从晶体管Tr1的集电极输出对输入信号RFin进行了放大的放大信号RFout1。另外，晶体管Tr1的增益也可以通过从偏置电路30供给的偏置电流或电压进行控制。
在晶体管Tr2(第二晶体管)中，在集电极从电源端子T3被供给电源电压Vcc，在基极从晶体管Tr1的集电极经由匹配电路21被供给放大信号RFout1，发射极经由凸块B2接地。此外，在晶体管Tr2的基极，从偏置电路31被供给偏置电流或电压。由此，从晶体管Tr2的集电极输出对放大信号RFout1进行了放大的放大信号RFout2。另外，晶体管Tr2的增益也可以通过从偏置电路31供给的偏置电流或电压进行控制。
匹配电路20(MN：Matching Network，匹配网络)设置在初级的放大器10的前级，使设置在匹配电路20的前级的电路(未图示)的阻抗与放大器10的阻抗匹配。匹配电路21设置在初级的放大器10与后级的放大器11之间，使放大器10的阻抗与放大器11的阻抗匹配。
在本实施方式中，作为一个例子，匹配电路20由包含两个电容器C2、C3和一个电感器L1的T型的滤波器电路构成。具体地，电容器C2(第二电容器)和电容器C3(第三电容器)与供给输入信号RFin的信号线路W1串联连接。电感器L1(第一元件)的一端连接于电容器C2与电容器C3的连接点，另一端经由凸块B3接地。即，电感器L1与信号线路W1连接，使得从该信号线路W1分岔。另外，关于匹配电路21，能够设为与匹配电路20同样的结构，因此省略说明。
在本实施方式中，晶体管Tr1、Tr2和匹配电路20、21均形成在基于HBT工艺的半导体芯片40。该半导体芯片40通过所谓的倒装芯片构造安装于基板(未图示)。此时，晶体管Tr1的发射极、晶体管Tr2的发射极、以及匹配电路20中的电感器L1的另一端分别通过凸块B1～B3与设置在基板(未图示)的接地部电连接。即，凸块B1、B3分别是用于将晶体管Tr1的发射极以及电感器L1的另一端与基板的接地部电连接的第一导电体以及第二导电体的一个具体例子。另外，所谓基板的接地部，是形成在基板的电极中的被供给基准电位(例如，接地电位)的电极。在图1中，模拟地示出了凸块B1～B3以及直至到达该凸块B1～B3为止的半导体芯片40上的布线、通孔等具有电感成分的情况。凸块的构造没有特别限定，例如可以是铜柱凸块。
电容器C1(第一电容器)的一端与晶体管Tr1的发射极(即，晶体管Tr1的发射极与凸块B1的连接点)连接，另一端与匹配电路20包含的电感器L1的另一端(即，电感器L1与凸块B3的连接点)连接。电容器C1例如形成在半导体芯片40，具有使信号从晶体管Tr1的发射极向基极反馈的功能。具体地，流过晶体管Tr1的发射极的放大信号RFout1的一部分依次经由电容器C1、电感器L1以及电容器C3并反馈到晶体管Tr1的基极。由此，达到以下的效果。
即，如果假设功率放大电路100不具备电容器C1，则例如伴随着输入信号RFin的频率的上升，增益下降，由此有可能产生增益特性的频率偏差。关于这一点，根据本实施方式，经由电容器C1从晶体管Tr1的发射极向基极反馈信号。由此，放大信号RFout1的一部分作为输入信号再次供给到晶体管Tr1。因此，即使输入信号RFin的频率上升，也能够抑制增益的下降，作为结果，能够抑制增益特性的频率偏差。
此外，通过调整电容器C1的电容值，从而能够调整晶体管Tr1中的反馈量并对增益特性进行控制。
另外，虽然在功率放大电路100中，在初级的放大器10设置有电容器C1，但是并非意图将在后级的放大器11设置有相当于电容器C1的元件的情况排除在外。例如，也可以是，除了初级以外，在后级的放大器11也设置有相当于电容器C1的元件，或者，代替初级而在后级的放大器11设置有相当于电容器C1的元件。
此外，功率放大电路并不限于两级，也可以具备三级以上的放大器。在功率放大电路具备例如三级的放大器的情况下，纵使不具备电容器C1，也能够抑制增益特性的频率偏差。然而，在三级结构的情况下，与两级结构相比，消耗电流可能增加。即，通过对功率放大电路100采用两级结构，从而与三级结构相比，能够在避免消耗电流的增加的同时抑制增益特性的频率偏差。
此外，匹配电路20并不限于图1所示的C-L-C的T型滤波器电路，也可以代替C-L-C的T型滤波器电路而由例如L-C-L的T型滤波器电路、C-L-C或L-C-L的π型滤波器电路构成。在匹配电路20由这些滤波器电路构成的情况下，可以将连接为从信号线路W1分岔的元件(例如，如果是L-C-L的T型滤波器电路，则为电容器)与上述的电感器L1同样地经由凸块与基板的接地部连接，并在该元件与该凸块之间连接电容器C1的另一端。
图2是示出本实施方式以及比较例涉及的功率放大电路中的增益的频率特性的仿真结果的曲线图。具体地，所谓本实施方式涉及的功率放大电路，是如下结构，即，如图1所示，在初级的放大器10设置有电容器C1，在后级的放大器11未设置电容器C1。另一方面，所谓比较例涉及的功率放大电路，是在初级的放大器以及后级的放大器均未设置电容器C1的结构。另外，在本实施方式中，示出了将电容器C1的电容值设为0.0pF(比较例)、1.2pF、1.6pF、2.4pF的情况下的结果。在同图所示的曲线图中，横轴示出输入信号的频率(Hz)，纵轴示出功率放大电路的增益(dB)，设3.4GHz～3.7GHz为成为放大的对象的信号的频带。
首先，关于比较例涉及的功率放大电路的增益，在输入信号为3.4GHz时为32dB程度，但是伴随着输入信号的频率的上升而下降，在3.7GHz时成为31dB程度。即，根据比较例涉及的功率放大电路，可知在频带内增益产生偏差，产生了增益特性的频率偏差。另一方面，可知在功率放大电路100中，无论电容器C1为哪一个电容值，与比较例相比，均可抑制与频率的上升相伴的增益的下降的程度。此外，电容器C1的电容值越大，增益的下降的程度越少，例如，在电容值为2.4pF的情况下，即使为3.7GHz，增益也维持在32dB的附近。即，可以说，根据功率放大电路100，与比较例相比，能够抑制增益特性的频率偏差。
图3是示出本实施方式以及比较例涉及的功率放大电路中的2dB增益压缩点(所谓的P2dB)的仿真结果的曲线图。在同图所示的曲线图中，横轴示出频率(Hz)，纵轴示出P2dB(dB)。另外，与图2所示的仿真相比，图3示出输出功率大的情况下的仿真的计算结果。
如图3所示，在比较例涉及的功率放大电路中，在频率为3.4GHz时，P2dB为30.4dB程度，但是在3.7GHz时却下降至29dB程度。另一方面，根据本实施方式涉及的功率放大电路100，在3.4GHz以及3.6GHz的频率，P2dB均维持30.6dB程度，虽然在3.7GHz处稍微下降，但是仍停留在30dB程度。据此，可以说，根据功率放大电路100，即使输出功率比较大，与比较例相比，也能够抑制增益特性的频率偏差。
另外，关于电容器C1的电容值，如果过小，则反馈量减少，设置电容器C1的效果减弱，但是如果过大，则反馈量增大，有可能导致晶体管Tr1的振荡。因此，电容器C1的电容值优选设为适当的范围内。关于这一点，参照图4以及图5进行说明。
图4是示出电容器C1的电容值与增益的关系的曲线图。具体地，同图示出在功率放大电路100中将输入信号RFin的频率设为3.4GHz、3.6GHz、3.7GHz并将电容器C1的电容值设为0.0pF(比较例)、2.4pF、3.9pF、5.4pF的情况下的增益的计算结果。在同图所示的曲线图中，横轴示出电容器C1的电容值(pF)，纵轴示出增益(dB)。
如图4所示，伴随着电容器C1的电容值从0.0pF起增加，增益也上升。然而，例如，若该电容值超过4.0pF，则特别是在频率为3.7GHz的情况下，增益开始下降。因此，电容器C1的电容值优选设为2.0pF～4.0pF程度。
图5是示出在图4所示的仿真中通过阻抗表现了电容器C1的情况下的阻抗值与增益的关系的曲线图。另外，电容器C1的阻抗值Z通过Z＝1/2πfC(f：频率，C：电容值)求出。在图5所示的曲线图中，横轴示出电容器C1的阻抗值(-jΩ)，纵轴示出增益(dB)。
如图5所示，可知，若通过阻抗来表现电容器C1，则在阻抗值为-10jΩ～-20jΩ程度的情况下，增益特性停留在32dB～34dB程度的范围内，是优选的。
另外，虽然在上述的实施方式中，对半导体芯片40通过倒装芯片构造安装于基板的例子进行了说明，但是也可以代替于此，半导体芯片40通过所谓的引线接合构造安装于基板。在该情况下，晶体管Tr1的发射极与电感器L1的另一端也可以分别代替凸块B1、B3而通过形成在半导体基板的过孔与基板的接地部电连接。即，这些过孔也是第一导电体以及第二导电体的一个具体例子。即使是这样的结构，也达到与上述的实施方式同样的效果。
图6是示出代替功率放大电路100具备的结构中的凸块B1、B3而具备过孔的功率放大电路以及比较例涉及的功率放大电路中的增益的频率特性的仿真结果的曲线图。具体地，图6示出将输入信号RFin的频率设为3.2GHz～4.0GHz并将电容器C1的电容值设为0.0pF(比较例)、2.4pF、3.9pF的情况下的增益的计算结果。此外，在图6所示的曲线图中，横轴示出频率(GHz)，纵轴示出增益(dB)。
根据图6可知，即使是引线接合构造，与比较例涉及的功率放大电路相比，也可抑制3.4GHz～3.7GHz的频带中的增益特性的频率偏差。另外，将晶体管Tr1的发射极以及电感器L1的另一端连接于基板的接地部的导电体并不限于凸块或过孔，也可以是引线等其它导电性材料。
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具备：晶体管Tr1，基极或栅极与信号线路W1连接，发射极或源极通过凸块B1接地，将从信号线路W1供给到基极或栅极的输入信号RFin放大，并从集电极或漏极输出放大信号RFout1；电感器L1，在晶体管Tr1的前级，一端与信号线路W1连接，使得从信号线路W1分岔，另一端通过凸块B3接地；以及电容器C1，一端连接于晶体管Tr1的发射极或源极与凸块B1的连接点，另一端连接于电感器L1与凸块B3的连接点。由此，经由电容器C1从晶体管Tr1的发射极向基极反馈信号。因此，即使输入信号RFin的频率上升，也能够抑制增益的下降，能够抑制增益特性的频率偏差。
此外，在功率放大电路100中，也可以代替凸块B1、B3而通过过孔将晶体管Tr1的发射极和电感器L1的另一端接地。
此外，在功率放大电路100中，匹配电路20的结构没有特别限定，例如可以包含与信号线路W1串联连接的电容器C2以及电容器C3、和一端连接于电容器C2与电容器C3的连接点的电感器。
此外，功率放大电路100具备设置在晶体管Tr1的后级的晶体管Tr2，在晶体管Tr1连接有电容器C1，但是在晶体管Tr2未连接相当于电容器C1的元件。由此，能够抑制连接电容器C1时的相位等的偏差的影响。
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，并且本发明也包含其等价物。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施加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，只要在技术上可行，各实施方式具备的各要素就能够进行组合，将它们进行组合的实施方式只要包含本发明的特征，也包含于本发明的范围。

Claims (5)

1.一种功率放大电路，具备：
第一晶体管，基极或栅极与信号线路连接，发射极或源极通过第一导电体接地，将从所述信号线路供给到所述基极或栅极的输入信号放大，并从集电极或漏极输出放大信号；
第一元件，在所述第一晶体管的前级，一端与所述信号线路连接，使得从所述信号线路分岔，另一端通过第二导电体接地；以及
第一电容器，一端连接于所述第一晶体管的发射极或源极与所述第一导电体的连接点，另一端连接于所述第一元件与所述第二导电体的连接点。
2.根据权利要求1所述的功率放大电路，其中，
所述第一导电体包含：凸块，将所述第一晶体管的发射极或源极与设置在基板的接地部电连接，
所述第二导电体包含：凸块，将所述第一元件的所述另一端与所述接地部电连接。
3.根据权利要求1所述的功率放大电路，其中，
所述第一导电体包含：过孔，将所述第一晶体管的发射极或源极与设置在基板的接地部电连接，
所述第二导电体包含：过孔，将所述第一元件的所述另一端与所述接地部电连接。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的功率放大电路，其中，
在所述第一晶体管的前级，还具备：第二电容器以及第三电容器，与所述信号线路串联连接，
所述第一元件包含：电感器，一端连接于所述第一电容器与所述第二电容器的连接点。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的功率放大电路，其中，
还具备：第二晶体管，设置在所述第一晶体管的后级。
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