專利名稱：放大器電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使用晶體管的放大器電路。
背景技術(shù)：
假設(shè)，當(dāng)從晶體管輸出端子看負(fù)載側(cè)時(shí)，其阻抗對(duì)于偶次諧波短路并且對(duì)于奇次 諧波導(dǎo)通。在這樣的情況下，偶次諧波中的輸出僅包括電流分量而奇次諧波中的輸出僅包 括電壓分量。即，在諧波電路中不存在功率消耗。此外，如果將基波中的功率因數(shù)設(shè)置為-1， 那么能夠?qū)崿F(xiàn)100%的功率效率。采用此原理的放大器電路被已知為F類放大器電路。相反地，假設(shè)，當(dāng)從晶體管輸出端子看負(fù)載側(cè)時(shí)，其阻抗對(duì)于偶次諧波導(dǎo)通并且對(duì) 于奇次諧波短路。在這樣的情況下，偶次諧波中的輸出僅包括電壓分量并且奇次諧波中的 輸出僅包括電流分量。即，在諧波中不存在功率消耗。此外，如果將基波中的功率因數(shù)設(shè)置 為-1，那么能夠?qū)崿F(xiàn)100%的功率效率。采用此構(gòu)造的放大器電路被已知為反F類放大器 電路。圖1是示出傳統(tǒng)的放大器電路的構(gòu)造的電路圖。此電路包括晶體管1的等效電 路、匹配電路19、以及負(fù)載電阻器18。晶體管1的等效電路包括等效輸出電流源7、漏極到 源極電容器8、以及漏極電感器9。在這里，晶體管1中的漏極電感器9和漏極到源極電容器8分別是寄生電感器和 寄生電容器。在沒有考慮晶體管1中的寄生電容器和寄生電感器的情況下，例如，如專利文 獻(xiàn)1、2以及3中所示，能夠在最高到無限階的任何階實(shí)現(xiàn)F類和反F類放大器電路。然而，在實(shí)際的晶體管中，存在諸如漏極到源極電容器和漏極電感器的寄生元件。 特別地，在諸如微波頻段和毫米波頻段的高頻區(qū)域中，這些寄生元件的影響不能夠被忽略， 并且即使在負(fù)載電路中增加要被處理的諧波的階，也沒有提高效率。為此，已經(jīng)考慮了晶體管中的寄生電感器和寄生電容器對(duì)F類放大器電路和反F 類放大器電路進(jìn)行了研究。在非專利文獻(xiàn)1中，公布了一種技術(shù)，其中在考慮晶體管中的寄 生電容器和寄生電感器的情況下，F(xiàn)類放大器電路和反F類放大器電路中的負(fù)載條件最高 達(dá)到第三諧波。然而，下述電路是未知的，其處理第四和更高階諧波。因此，在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，在 假定半導(dǎo)體元件中不存在寄生元件的情況下進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，并且然后有必要執(zhí)行試驗(yàn)再調(diào) 整。在這樣的情況下，很難在考慮大量諧波的終止條件的同時(shí)進(jìn)行調(diào)整。即使原則上通過 采用F類和反F類放大器電路能夠?qū)崿F(xiàn)100%的功率效率，但是微波帶中的功率效率已經(jīng)保 持在近似80%。引用列表[專利文獻(xiàn) 1] JP 2003-234626A[專利文獻(xiàn) 2] JP 2005-117200A[專利文獻(xiàn) 3] JP 2009-130472A[非專利文獻(xiàn)1]:Y. Y Woo等，
"Analysis and Experiments for High Efficiency Class-F and inverse Class-F power amplifier，，，IEEE Trans. Microwave Theory and Techniques, vol. 54, no. 5，pp. 1969-1974，2006 年 5 月。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主題是提供一種放大器電路，該放大器電路在使用具有不可忽略的寄生 電容器和寄生電感器的同時(shí)滿足第四或者更高階的諧波的F類或者反F類放大器電路中的 負(fù)載條件。在本發(fā)明的一方面中，以基本角頻率Oci操作的放大器電路包括晶體管，該晶體 管由等效電路表示，該等效電路包括等效輸出電流源、作為相對(duì)于等效輸出電流源的輸 出結(jié)點(diǎn)的并行寄生電容器的漏極-源極電容器、以及作為連接在等效輸出電流源和漏極 輸出結(jié)點(diǎn)之間的串行寄生電感器的漏極電感器；諧波頻率處理電路，該諧波頻率處理電路 包括與漏極輸出結(jié)點(diǎn)相連接的輸入結(jié)點(diǎn)；輸出結(jié)點(diǎn)；以及提供在輸入結(jié)點(diǎn)和輸出結(jié)點(diǎn)之間 的n(n = 1、2、3…)級(jí)梯形電路，其中η級(jí)中的每一個(gè)包括并行電容器和串行電感器；諧 振電路部件，該諧振電路部件提供在諧波頻率處理電路的輸出結(jié)點(diǎn)和接地結(jié)點(diǎn)(電壓)之 間，并且包括具有相互不同的諧振頻率的(2η+1)個(gè)諧振器；以及負(fù)載電阻，該負(fù)載電阻提 供在諧波頻率處理電路的后級(jí)中。當(dāng)諧波頻率處理電路的輸出結(jié)點(diǎn)被短路到接地結(jié)點(diǎn)時(shí)， (2η+1)個(gè)諧振器的諧振頻率與形成在晶體管中的接地結(jié)點(diǎn)和漏極輸出結(jié)點(diǎn)之間的η個(gè)零 點(diǎn)和(η+1)個(gè)極點(diǎn)的頻率一致。(2η+1)個(gè)諧振器中的2η個(gè)諧振器的諧振頻率分別與第二 諧波的頻率Ococi)到第(2η+1)諧波的頻率((2+1) ω0) 一致。根據(jù)本發(fā)明的放大器電路，甚至通過使用具有不可忽略的寄生電容器和寄生電感 器的晶體管，也能夠滿足第四和更高階諧波的F類負(fù)載條件或者反F類負(fù)載條件。


圖1是示出傳統(tǒng)的放大器電路的構(gòu)造的電路圖；圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的放大器電路的構(gòu)造的電路圖；圖3是示出在輸出端子5被短路的情況下從等效輸出電流源看時(shí)的等效電路的電 路圖；圖4是示出根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的放大器電路的構(gòu)造的電路圖；圖5是示出根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的放大器電路的構(gòu)造的電路圖；以及圖6是示出根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的放大器電路的修改的構(gòu)造的電路圖。
具體實(shí)施例方式在下文中，將會(huì)參考附圖詳細(xì)地描述根據(jù)本發(fā)明的放大器電路。[第一實(shí)施例]圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的放大器電路的構(gòu)造的電路圖。放大器 電路包括晶體管部件1、諧波頻率處理電路部件2、諧振電路部件3、以及可選負(fù)載電阻器 18 (Rl)。晶體管部件1、諧波頻率處理電路部件2、諧振電路部件3、以及可選負(fù)載電阻器
4IS(Rl)按此順序串聯(lián)地連接。下面將會(huì)描述晶體管部件1。晶體管部件1通過它的等效電路來表示晶體管。在 晶體管的等效電路中，存在等效輸出電流源7、漏極至源極電容器8 (Co)、以及漏極電感器 9 (Lo)0這里，漏極至源極電容器8 (Co)是用于等效輸出電流源7的輸出結(jié)點(diǎn)6的并行寄生 電容器。漏極電感器9 (Lo)是等效輸出電流源7和漏極輸出結(jié)點(diǎn)4之間的串行寄生電感器。下面將會(huì)描述晶體管部件1的組件之間的連接關(guān)系。漏極輸出結(jié)點(diǎn)4連接至漏極 電感器9(Lo)的一端。漏極電感器9(Lo)的另一端連接至等效輸出電流源7的一端側(cè)的輸 出結(jié)點(diǎn)6和漏極至源極電容器8 (Co)的一端。等效輸出電流源7的另一端和漏極至源極電 容器8 (Co)的另一端接地。下面將描述諧波頻率處理電路部件2。諧波頻率處理電路部件2包括輸入結(jié)點(diǎn)4、 第一和第二電容器IO(C1)和12 (C2)、第一和第二電感器11 (L1)和13 (L2)、以及輸出結(jié)點(diǎn)5。 諧波頻率處理電路部件2的輸入結(jié)點(diǎn)4和晶體管部件1的漏極輸出結(jié)點(diǎn)4直接地連接在一 起，并且因此通過相同的附圖標(biāo)記4來表示。下面將描述諧波頻率處理電路部件2中的組件之間的連接關(guān)系。輸入結(jié)點(diǎn)4連接 至第一電容器IO(C1)的一端和第一電感器11 (L1)的一端。第一電感器Il(L1)的另一端連 接至第二電容器12(C2)的一端和第二電感器13 (L2)的一端。第二電感器13(L2)的另一端 連接至輸出結(jié)點(diǎn)5。第一和第二電容器IO(C1)和12(C2)的各自的另一端接地。換言之，第一電容器IO(C1)和第一電感器Il(L1)操作作為第一一級(jí)反L型梯形電 路。類似地，第二電容器12 (C2)和第二電感器13(L2)操作作為第二一級(jí)反L型梯形電路。 在諧波頻率處理電路部件2中，第二一級(jí)反L型梯形電路連接在第一一級(jí)反L型梯形的隨 后的級(jí)處。下面將描述諧振電路部件3。諧振電路部件3包括與電路部件2的輸出結(jié)點(diǎn)5連 接的電路部件3的輸入結(jié)點(diǎn)、和第一至第五諧振器14-1至14-5。這些第一至第五諧振器 14-1至14-5分別包括第一至第五電容器(Co1至Co5)和第一至第五電感器(Lo1至Lo5)。 諧振電路部件3中的輸出結(jié)點(diǎn)5和諧波頻率處理電路部件2中的輸出結(jié)點(diǎn)5被直接地連接 在一起并且因此通過相同的附圖標(biāo)記5來表示。下面將描述諧振電路部件3中的組件之間的連接關(guān)系。第一至第五電容器((01至 Co5)的各自的一端被連接至輸出結(jié)點(diǎn)5。第一至第五電容器(Co1至Co5)的各自的另一端 被連接至第一至第五電感器(Lo1至Lo5)的各自的一端。第一至第五電感器(Lo1至Lo5)的 各自的另一端被接地。換言之，在諧振電路部件3中，具有基于串聯(lián)地連接的電感器和電容器的電路確 定的諧振頻率的五個(gè)諧振器被并行地連接。這里，各自的五個(gè)諧振器的諧振頻率相互不同。 應(yīng)注意的是，可能存在源于晶體管的寄生元件的極點(diǎn)或者零點(diǎn)與放大器的頻率協(xié)同諧波一 致(退化)的情況，但是此種情況是幾乎不想要的情況。在這樣的情況下的并行的振蕩器 的數(shù)目可以是2η。負(fù)載電阻器的一端連接至諧振電路部件3的輸出結(jié)點(diǎn)5。負(fù)載電阻器 IS(Rl)的另一端接地。由于這些諧振器14-1至14-5中的諧振上的零阻抗，諧波頻率處理電路部件2的 輸出結(jié)點(diǎn)5被短路到接地結(jié)點(diǎn)。因此，如果在這些諧振器14-1至14-5之間諧振頻率相互不同，那么在多個(gè)想要的操作頻率中滿足短路條件。如上所述，負(fù)載電阻器18 (Rl)被連接在諧波頻率處理電路部件2的輸出結(jié)點(diǎn)5和 接地結(jié)點(diǎn)之間。從負(fù)載電阻器18(RJ能夠取得基礎(chǔ)角頻率Qci的輸出信號(hào)。當(dāng)諧波頻率處 理電路部件2的輸出結(jié)點(diǎn)5被短路到接地結(jié)點(diǎn)時(shí)，在晶體管部件1的輸入結(jié)點(diǎn)4和接地結(jié) 點(diǎn)之間形成(n+1)個(gè)極點(diǎn)和η個(gè)零點(diǎn)。在這里，諧振器的諧振角頻率被設(shè)置為分別與(η+1) 個(gè)極點(diǎn)和η個(gè)零點(diǎn)的頻率一致。同時(shí)，五個(gè)諧振器14-1至14-5中的四個(gè)的諧振角頻率被 設(shè)置為分別與第二諧波Ococi)至第五諧波(50^) —致。此外，由于晶體管的寄生元件使得 剩余的一個(gè)諧振器的諧振角頻率被設(shè)置為與偽諧振角頻率一致。圖3是在輸出結(jié)點(diǎn)5被短路到接地結(jié)點(diǎn)的情況下從晶體管部件1的等效輸出電流 源7看負(fù)載側(cè)時(shí)的等效電路。等效電路包括等效輸出電流源7的輸出結(jié)點(diǎn)6 ；第一至第三 電容器8 (Cci)UO(C1),以及12 (C2)；以及第一至第三電感器9 (Ltl)、11 (L1)、以及13 (L2)。輸出結(jié)點(diǎn)6被連接至第一電容器S(Ctl)的一端和第一電感器9 (L。)的一端。第一 電感器9(L。)的另一端被連接至第二電容器IO(C1)的一端和第二電感器Il(L1)的一端。 第二電感器Il(L1)的另一端被連接至第三電容器12 (C2)的一端和第三電感器13 (L2)的一 端。第一、第二、以及第三電容器S(Cci)UO(C1),以及12(C2)的各自的另一端和第三電感器 13 (L2)的另一端接地。根據(jù)下面的等式⑴計(jì)算在圖2中所示的電路中的輸入導(dǎo)納Y(S)
權(quán)利要求
1.一種放大器電路，所述放大器電路以基本角頻率Oci進(jìn)行操作，包括 晶體管，所述晶體管由等效電路表示，所述等效電路包括等效輸出電流源；漏極_源極電容器，作為相對(duì)于等效輸出電流源的輸出結(jié)點(diǎn)的并行寄生電容器；以及 漏極電感器，作為連接在所述等效輸出電流源和漏極輸出結(jié)點(diǎn)之間的串行寄生電感器；諧波頻率處理電路，所述諧波頻率處理電路包括 與所述漏極輸出結(jié)點(diǎn)相連接的輸入結(jié)點(diǎn)； 輸出結(jié)點(diǎn)；以及提供在所述輸入結(jié)點(diǎn)和所述輸出結(jié)點(diǎn)之間的n(n = 1、2、3…)級(jí)梯形電路，其中所述η 級(jí)中的每一級(jí)都包括串行電感器和并行電容器；諧振電路部件，所述諧振電路部件提供在所述諧波頻率處理電路的輸出結(jié)點(diǎn)和接地結(jié) 點(diǎn)之間并且包括具有相互不同的諧振頻率的(2η+1)個(gè)諧振器；以及 負(fù)載電阻，所述負(fù)載電阻提供在所述諧波頻率處理電路的后級(jí)中， 其中所述(2η+1)個(gè)諧振器的諧振頻率與當(dāng)所述諧波頻率處理電路的所述輸出結(jié)點(diǎn)被 短路到所述接地結(jié)點(diǎn)時(shí)形成在所述晶體管中的漏極輸出結(jié)點(diǎn)和所述接地結(jié)點(diǎn)之間的η個(gè) 零點(diǎn)和(η+1)個(gè)極點(diǎn)的頻率一致，并且其中所述(2η+1)個(gè)諧振器中的2η個(gè)諧振器的諧振頻率分別與第二諧波的頻率(2ω。) 到第(2η+1)個(gè)諧波的頻率((2+1) ω0) 一致。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的放大器電路，其中所述(2η+1)個(gè)諧振器包括串聯(lián)地連接的電 容器和電感器，其中當(dāng)所述諧波頻率處理電路的所述輸出結(jié)點(diǎn)被短路時(shí)，在形成在所述等效輸出電 流源的所述輸出結(jié)點(diǎn)和所述接地結(jié)點(diǎn)之間的η個(gè)零點(diǎn)和(η+1)個(gè)極點(diǎn)的頻率下短路所述 (2η+1)諧振器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的放大器電路，其中所述諧振電路部件包括(2η+1)個(gè)末端開放 的短截線作為所述(2η+1)諧振器，所述(2η+1)個(gè)末端開放的短截線具有所述諧振頻率的 波長(zhǎng)的1/4，并且，當(dāng)所述諧波頻率處理電路的所述輸出結(jié)點(diǎn)被短路時(shí)，所述(2η+1)個(gè)末端 開放的短截線在形成在所述等效輸出電流源的所述輸出結(jié)點(diǎn)和所述接地結(jié)點(diǎn)之間的η個(gè) 零點(diǎn)和(η+1)個(gè)極點(diǎn)的頻率下被短路。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中的任何一項(xiàng)所述的放大器電路，進(jìn)一步包括匹配電路，所述匹配電路提供在所述諧波頻率處理電路的后級(jí)和所述負(fù)載電阻的前級(jí) 之間并且對(duì)應(yīng)于基波ω0。
全文摘要
本發(fā)明涉及以基本角頻率ω0進(jìn)行操作的放大器電路，包括由等效電路表示的晶體管，該等效電路包括等效輸出電流源、作為相對(duì)于等效輸出電流源的輸出結(jié)點(diǎn)的并行寄生電容器的漏極-源極電容器、及作為連接在等效輸出電流源和漏極輸出結(jié)點(diǎn)間的串行寄生電感器的漏極電感器；諧波頻率處理電路，包括與漏極輸出結(jié)點(diǎn)連接的輸入和輸出結(jié)點(diǎn)；諧振電路部件，提供在諧波頻率處理電路的輸出結(jié)點(diǎn)和接地結(jié)點(diǎn)之間，且包括具有相互不同諧振頻率的(2n+1)個(gè)諧振器；以及負(fù)載電阻，提供在諧波頻率處理電路的后級(jí)中。(2n+1)個(gè)諧振器的諧振頻率與當(dāng)諧波頻率處理電路的輸出結(jié)點(diǎn)短路到接地結(jié)點(diǎn)時(shí)形成在漏極輸出結(jié)點(diǎn)和接地結(jié)點(diǎn)之間的n個(gè)零點(diǎn)和(n+1)個(gè)極點(diǎn)的頻率一致。
文檔編號(hào)H03F3/21GK102006019SQ20101027066
公開日2011年4月6日 申請(qǐng)日期2010年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月31日
發(fā)明者本城和彥, 石川亮, 高山洋一郎 申請(qǐng)人:國(guó)立大學(xué)法人電氣通信大學(xué), 康派思技術(shù)咨詢有限公司