CN1302615C - 多级放大器 - Google Patents

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Abstract

多个放大器串连连接，并且，设定该放大器的偏置条件使得空载电流小于饱和电流的十分之一来作为末级放大器以外的至少一个以上放大器的偏置条件的多级放大器。

Description

多级放大器
技术领域
本发明涉及在卫星通信、地面微波通信和移动通信等中使用的、满足失真技术规范的准线性多级放大器。
背景技术
一般，在卫星通信、地面微波通信和移动通信等中使用的多级放大器，由于使用数字调制方式或者进行多载波共同放大，因而要求低失真。
另外，同时由于放大器在无线设备中属于功耗最大的设备，因此要求高效率和低功耗。为此，需要通过使用失真补偿电路改善放大器的失真特性，以便能够在饱和区附近进行的工作，从而实现高效率。
图1是示出例如在特开昭60-157305号公报中公开了的现有的多级放大器的结构图，图中，1是输入端子，2是用于补偿放大器3的失真的失真补偿电路，3是由一级或者多级构成的放大器，4是输出端子，5是在内部设置了调整输入信号的失真量的偏置电路的放大器，6是一个将空载电流Ido设定在0.1Idss～0.75Idss范围内的镓砷(GaAs)场效应晶体管(FET)。其中，Idss是GaAs FET6的饱和电流。7是用于调整输入信号的信号电平的衰减器。
其次，说明其工作。
由放大器3放大的信号会由于放大器3的增益特性(AM-AM特性)及相位特性(AM-PM特性)为非线性而产生失真。
一般，放大器3的AM-AM特性是：对于输入功率或者输出功率其增益减小，而放大器3的AM-PM特性是：对于输入功率或者输出功率其相位超前。
从而，如果失真补偿电路2能够产生与放大器3的AM-AM特性及AM-PM特性相反的失真特性，则能够补偿输入信号的失真。
这里，图2是示出AM-AM特性及AM-PM特性对于空载电流Ido的依赖性的说明图。
从如图2所示可知，通过把偏置条件从A类置为AB类，则相位特性相对于输出功率将会从超前特性变为滞后特性。
在现有的例子中，把偏置条件设定在空载电流Ido＝0.1Idss～0.75Idss的范围。在作为空载电流Ido的上限的0.75Idss以下时，对于输出功率，可以得到相位滞后的特性。另一方面，在作为下限的0.1Idss以上时，可以得到这样的增益特性：相对于输出功率，增益不增加、几乎恒定。
从而，在内部安装了把偏置条件设定为空载电流Ido＝0.1Idss～0.75Idss范围的偏置电路的放大器5具有相对于输出功率增益几乎为恒定的AM-AM特性以及相位特性滞后的AM-PM特性。
由此，由于包含内置了偏置电路的放大器5的失真补偿电路2的特性变为相对于输出功率其增益几乎恒定且相位特性滞后，故该失真补偿电路2能够不使失真补偿对象的放大器3的增益特性恶化而仅改善其相位特性。
另外，由于在失真补偿电路2中包含着多个内置了偏置电路的放大器5和衰减器7，因此，可以对失真补偿电路2的特性进行适当调整使其与放大器3的特性相反。
传统的多级放大器由于像以上那样来构成，因此存在着下述问题，失真补偿电路2由于包含衰减器的关系而变得大型化，另外还降低了失真补偿电路2的增益。另外，由于作为失真仅改善了相位特性，因此不能够得到包含增益特性的较大的失真补偿效果。
本发明是为了解决上述问题而提出的，其目的在于得到无需导致大型化或者增益的减少、便能够得到较大的失真补偿效果的多级放大器。
发明内容
在本发明的多级放大器中，根据空载电流与饱和电流的关系来设定末级以外的放大器中的至少1个放大器的偏置条件。
由此，可获得下述效果：无需导致大型化或者增益的减少便能得到较大的失真补偿效果。
本发明的多级放大器中，设定放大器的偏置条件使得空载电流小于饱和电流的十分之一。
由此，能够得到大的失真补偿效果的效果。
在本发明的多级放大器中，设定其放大器的栅极宽度，使得末级放大器的栅极宽度、和把偏置条件设定为可使空载电流小于饱和电流的十分之一的放大器的栅极宽度满足预定的条件。
由此，具有能够实现高效率、低失真多级放大器的效果。
在本发明的多级放大器中，如果把末级放大器的栅极宽度记为Wgn，把偏置条件设定为可使空载电流小于饱和电流的十分之一的第i级放大器的栅极宽度记为Wgi，把从第(i+1)级放大器到末级放大器的增益记为G，则设定第i级放大器的栅极宽度以便满足下述的关系式：
Wgi＞2.4×Wgn/G
因此，具有能够提高多级放大器效率的效果。
附图说明
图1是示出以往的多级放大器的结构图。
图2是示出AM-AM特性及AM-PM特征对于空载电流Ido的依赖性的说明图。
图3是示出本发明实施例1的多级放大器的结构图。
图4是示出AM-AM特性及AM-PM特性对于空载电流Ido的依赖性的说明图。
图5是说明失真补偿原理的说明图。
图6是示出多级放大器总体中的增益特性、相位特性和失真特性的说明图。
具体实施方式
以下，为了更详细地说明本发明，根据附图说明用于实施本发明的最佳方式。
实施例1
图3是示出本发明实施例1的多级放大器的结构图。图中，11是输入端子，12是除了GaAsFET或者HEMT(高电子迁移率晶体管)等放大元件以外，由栅极偏置电路、漏极偏置电路及匹配电路等构成的第一级放大器，13是第一级放大器12与第二级放大器14之间的端子，14是与第一级放大器12相同的第二级放大器，15是第二级放大器14与末级放大器16之间的端子，16是与第一级放大器12相同的末级放大器。
其中，作为第一级放大器12的偏置条件，设定为空载电流Ido小于饱和电流Idss的十分之一。
其次，说明其工作。
图4是示出AM-AM特性及AM-PM特性对于空载电流Ido的依赖性的说明图。
测定了的放大元件是栅极宽度2.1mm的GaAsHEMT，该图是在频率1.95GHz下进行评价的结果。从其结果可知，通过减小空载电流、使得Ido＜0.1Idss，可以得到对于输入功率而言，增益一度增加后又减小的增益特性。另外还可知，通过减小空载电流而接近于B类工作，可以得到对于输入功率相位滞后的相位特性。
从而，作为第一级放大器12的偏置条件，如果把空载电流Ido设定为小于0.1Idss，则第一级放大器12可以得到下述特性：对于输入功率，其增益一度增加后又减小，并且其相位特性滞后。随着使偏置级接近于B类，可以得到上述特性的原因如下。
在偏置条件为A类时，由于互导gm对于输入功率单调地减少，因此增益单调地减少，而随着偏置条件接近于B类，由于晶体管的跨导gm一度增加后又减小，因此增益也成为一度增加后又减少的特性。
其次，说明通过把第一级放大器12的偏置条件设定为空载电流Ido＜0.1Idss，能够补偿末级放大器16的失真的原理。
首先，如图5(a)那样定义输入功率、输出功率、增益及相位。把第一级放大器12的输入功率记为Pin1，把输出功率记为Pout1，把增益记为Gain1，把相位记为Phase1。把第二级放大器14的输入功率记为Pin2，把输出功率记为Pout2，把增益记为Gain2，把相位记为Phase2。把末级放大器16的输入功率记为Pin3，把输出功率记为Pout3，把增益记为Gain3，把相位记为Phase3。把多级放大器总体的输入功率记为Pin，把输出功率记为Pout，把增益记为Gain，把相位记为Phase。
多级放大器的增益由Gain＝Gain1×Gain2×Gain3给出，相位由Phase＝Phase1+Phase2+Phase3给出。
图5(b-1)示出第一级放大器12的偏置条件为Ido＞0.75Idss时的增益特性和相位特性，图5(b-2)示出第一级放大器12的偏置条件为Ido＝0.1～0.75Idss时的增益特性和相位特性，图5(b-3)示出第一级放大器12的偏置条件为Ido＜0.1Idss时的增益特性和相位特性。另外，图中，点划线示出多级放大器的工作输出电平。
在具有对于失真特性的规格的多级放大器中，一般第二级放大器14的工作电平(参照图5(c))与末级放大器16的工作电平(参照图5(d))相比较增大了补偿(backoff)以使第二级放大器14中的失真小于末级放大器16的失真。通常增大了2～3dB左右的补偿。
第1级放大器12的偏置条件一般由于成为与末级放大器16相同的偏置条件，因此成为第5图(b-1)所示。与第2级放大器14的情况相同，第1级放大器12的工作电平与末级放大器16的工作电平相比较增大了补偿。
其次，上述以往例(失真补偿电路)的偏置条件的情况成为图5(b-2)。对于输入功率，增益特性几乎恒定地推移了以后，由于饱和，增益减少。相位特性对于输入功率具有相位滞后的特性。
最后，图5(b-3)是本实施例1中的第一级放大器12的偏置条件。第一级放大器12具有对于输入功率增益一度增加后又减少、而且相位滞后的特性。第一级放大器12的工作电平在每种情况下都设定为比增益减少的点还小的电平。
图6(a)示出第一级放大器12为上述偏置条件时的多级放大器总体的增益特性和相位特性，图6(b)模式地示出互调失真(IMD)、邻频道漏泄功率比(ACPR)及NPR(噪声功率比)等失真特性。
图中，实线是第一级放大器12的偏置条件为Ido＞0.75Idss的情况，虚线是Ido＝0.1～0.75Idss的情况，点线是Ido＜0.1Idss的情况。
首先，说明现有的例子的情况(虚线的Ido＝0.1～0.75Idss的情况)。
从第6图(a)可知，增益特性与通常实线的情况相比较虽然没有变化，但是相位特性由第一级放大器12实施失真补偿，改善了相位特性。由此可知，作为失真的特性如图6(b)所示，对于输出功率在广泛的动态范围内得到了改善。
在图6(b)中，如果用点划线的水平线表示对于失真特性的技术规范值，则可知加大了满足用点划线的垂直线表示的失真特性的输出工作电平。
根据上述可知，通过把第一级放大器12的空载电流设定为Ido＝0.1～0.75Idss，能够进行仅改善相位特性的失真补偿。
其次，说明本实施例1的情况(点线的Ido＜0.1Idss的情况)。
根据图6(a)可知，与相位特性为Ido＝0.1～0.75Idss的情况相同，由第一级放大器12实施失真补偿，改善了相位特性。对于增益特性，在工作电平上，由于第一级放大器12对于输出功率具有增益增加的特性，因此作为工作电平附近的增益转换为减少的拐点与通常实线的情况相比较，向输出电平大的一方移动。从而可知，对于增益特性在工作电平上也实施了失真补偿，使增益特性得到了改善。但是，输出电平为小电平时，由于相反地成为增益增加的特性，因此增益特性的失真恶化了。
如果用图6(b)所示的失真特性进行考察，若以点划线的水平线表示对于失真特性的规格值，则可知，满足用点划线的垂直线表示的失真特性的输出工作电平与通常的Idss＞0.75Idss的情况及现有技术实例的情况的Ido＝0.1～0.75Idss的情况相比较增大。
从而可知，比现有技术实例的情况进一步补偿了失真。另一方面，在输出电平小的情况下，虽然失真特性与通常情况相比较恶化了，但是满足失真特性的技术规范值。由此，在输出电平小的情况下，在满足失真特性的技术规范值的范围内，通过把第一级放大器的偏置条件设定为Ido＜0.1Idss，则不仅对相位特性，同时还能够对于增益特性进行失真补偿，能够进一步实现低失真的特性。
另外，由于在该结构中不需要衰减器等、仅在与通常的多级放大器相同的结构中变化了偏置条件，因此能够实现小型的失真补偿电路。另外，能够不减小各级放大器的增益而有效地运用。
另外，本实施例1的低失真多级放大器是三级放大器的情况，而且示出仅是第一级放大器把偏置条件设定为Ido＜0.1Idss的情况，然而放大器的级数不限定于三级，另外把偏置条件设定为Ido＜0.1Idss的放大器也不限于第一级，对于多级进行设定也可以得到相同的效果。
实施例2
在上述实施例1中，没有谈到第一级放大器12的晶体管的栅极宽度Wg1，但是，可以利用与末级放大器16的晶体管的栅极宽度Wg3的关系按下述那样来设定Wg1。
Wg1＞2.4×Wg3/(Gain2×Gain3)
具体说明如下。
偏置条件设定为Ido＜0.1Idss的第一级放大器12的工作电平与通常情况相同，和通常的情况同样地与末级放大器16的工作电平相比较，设定为增大了3dB左右的补偿的电平。
但是，在偏置条件设定为Ido＜0.1Idss的情况下，与通常的偏置条件的情况相比较，饱和输出功率减小1dB左右。为此，在设定为Ido＜0.1Idss的第一级放大器12中，为了维持与Ido＞0.75Idss的情况相同的补偿，与通常的偏置条件的情况相比较，需要使用1dB左右的大栅极宽度的晶体管。
在把末级放大器16的晶体管的栅极宽度记为Wg3时，由于第2级放大器14以后的增益是Gain2×Gain3，因此，通常偏置条件的第一级放大器12的晶体管的栅极宽度由Wg1＞2×Wg3/(Gain2×Gain3)给出(3dB是2倍)。从而，在设定了Ido＜0.1Idss的情况下，如果进而取为1.2倍(1dB是1.2倍)了的Wg1＞2.4×Wg3/(Gain2×Gain3)，则第一级放大器12的工作电平由于成为具有充分补偿的电平，因此能够对末级放大器16进行失真补偿，能够改善失真特性。
由此，能够进一步实现低失真特性，能够实现高效率、低失真多级放大器。另外，由于在该结构中不需要衰减器等、仅在与通常的多级放大器相同的结构中变化了偏置条件，因此能够实现小型的失真补偿电路。另外，能够不减小各级放大器的增益而有效地运用。
另外，本实施例2的低失真多级放大器是三级放大器的情况，而且示出仅是第一级放大器12把偏置条件设定为I do＜0.1Idss并把栅极宽度取为Wg1＞2.4×Wg3/(Gain2×Gain3)，然而放大器的级数不限定于三级，另外，把偏置条件及栅极宽度取为上述设定的放大器也不限于第一级，对于多级进行设定也可以得到同样的效果。
产业上的可利用性
如上述那样，本发明的多级放大器适于使用在需要得到大的失真补偿效果的卫星通信、地面微波通信和移动通信等中。

Claims (3)

1.一种由多个放大器串连连接构成的多级放大器，其特征在于，该放大器具有下述结构：
设定该放大器的偏置条件使得空载电流小于饱和电流的十分之一来作为末级放大器以外的至少一个以上放大器的偏置条件。
2.根据权利要求1所述的多级放大器，其特征在于，
设定所述放大器的第2栅极宽度，使得所述末级放大器的第1栅极宽度和把所述偏置条件设定为所述空载电流小于所述饱和电流的十分之一的放大器的第2栅极宽度满足预定的条件。
3.根据权利要求2所述的多级放大器，其特征在于，
如果把所述末级放大器的第1栅极宽度记为Wgn，把偏置条件设定为空载电流小于饱和电流的十分之一的第i级所述放大器的第2栅极宽度记为Wgi，把从第(i+1)级放大器到所述末级放大器的增益记为G，则设定第i级放大器的第2栅极宽度使得满足下述的关系式：
Wgi＞2.4×Wgn/G
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