專利名稱：放大器電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種使用晶體管的放大器電路。
背景技術：
假設，當從晶體管輸出端子看負載側時，其阻抗對于偶次諧波短路并且對于奇次 諧波導通。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)設置為-1， 那么能夠實現(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，當從晶體管輸出端子看負載側時，其阻抗對于偶次諧波導通并且對 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)設置 為-1，那么能夠實現(xiàn)100%的功率效率。采用此構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1、2以及3中所示，能夠在最高到無限階的任何階實現(xiàn)F類和反F類放大器電路。然而，在實際的晶體管中，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，已經考慮了晶體管中的寄生電感器和寄生電容器對F類放大器電路和反F 類放大器電路進行了研究。在非專利文獻1中，公布了一種技術，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載條件最高 達到第三諧波。然而，下述電路是未知的，其處理第四和更高階諧波。因此，在實際的設計中，在 假定半導體元件中不存在寄生元件的情況下進行試驗設計，并且然后有必要執(zhí)行試驗再調 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進行調整。即使原則上通過 采用F類和反F類放大器電路能夠實現(xiàn)100%的功率效率，但是微波帶中的功率效率已經保 持在近似80%。引用列表[專利文獻 1] JP 2003-234626A[專利文獻 2] JP 2005-117200A[專利文獻 3] JP 2009-130472A[非專利文獻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、作為相對于等效輸出電流源的輸 出結點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 輸出結點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 包括與漏極輸出結點相連接的輸入結點；輸出結點；以及提供在輸入結點和輸出結點之間 的n(n = 1、2、3…)級梯形電路，其中η級中的每一個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點和接地結點(電壓)之 間，并且包括具有相互不同的諧振頻率的(2η+1)個諧振器；以及負載電阻，該負載電阻提 供在諧波頻率處理電路的后級中。當諧波頻率處理電路的輸出結點被短路到接地結點時， (2η+1)個諧振器的諧振頻率與形成在晶體管中的接地結點和漏極輸出結點之間的η個零 點和(η+1)個極點的頻率一致。(2η+1)個諧振器中的2η個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類負載條件或者反F類負載條件。


圖1是示出傳統(tǒng)的放大器電路的構造的電路圖；圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的放大器電路的構造的電路圖；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)明的第二實施例的放大器電路的構造的電路圖；圖5是示出根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的放大器電路的構造的電路圖；以及圖6是示出根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的放大器電路的修改的構造的電路圖。
具體實施例方式在下文中，將會參考附圖詳細地描述根據(jù)本發(fā)明的放大器電路。[第一實施例]圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的放大器電路的構造的電路圖。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、以及可選負載電阻器
4IS(Rl)按此順序串聯(lián)地連接。下面將會描述晶體管部件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的輸出結點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和漏極輸出結點4之間的串行寄生電感器。下面將會描述晶體管部件1的組件之間的連接關系。漏極輸出結點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的一端側的輸 出結點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包括輸入結點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)、以及輸出結點5。 諧波頻率處理電路部件2的輸入結點4和晶體管部件1的漏極輸出結點4直接地連接在一 起，并且因此通過相同的附圖標記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系。輸入結點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 連接至輸出結點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)操作作為第二一級反L型梯形電路。 在諧波頻率處理電路部件2中，第二一級反L型梯形電路連接在第一一級反L型梯形的隨 后的級處。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的輸出結點5連 接的電路部件3的輸入結點、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中的輸出結點5和諧波頻率處理電路部件2中的輸出結點5被直接地連接 在一起并且因此通過相同的附圖標記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點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諧振器被并行地連接。這里，各自的五個諧振器的諧振頻率相互不同。 應注意的是，可能存在源于晶體管的寄生元件的極點或者零點與放大器的頻率協(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。負載電阻器的一端連接至諧振電路部件3的輸出結點5。負載電阻器 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 輸出結點5被短路到接地結點。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，那么在多個想要的操作頻率中滿足短路條件。如上所述，負載電阻器18 (Rl)被連接在諧波頻率處理電路部件2的輸出結點5和 接地結點之間。從負載電阻器18(RJ能夠取得基礎角頻率Qci的輸出信號。當諧波頻率處 理電路部件2的輸出結點5被短路到接地結點時，在晶體管部件1的輸入結點4和接地結 點之間形成(n+1)個極點和η個零點。在這里，諧振器的諧振角頻率被設置為分別與(η+1) 個極點和η個零點的頻率一致。同時，五個諧振器14-1至14-5中的四個的諧振角頻率被 設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 剩余的一個諧振器的諧振角頻率被設置為與偽諧振角頻率一致。圖3是在輸出結點5被短路到接地結點的情況下從晶體管部件1的等效輸出電流 源7看負載側時的等效電路。等效電路包括等效輸出電流源7的輸出結點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)。輸出結點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計算在圖2中所示的電路中的輸入導納Y(S)
權利要求
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，作為相對于等效輸出電流源的輸出結點的并行寄生電容器；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點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 與所述漏極輸出結點相連接的輸入結點； 輸出結點；以及提供在所述輸入結點和所述輸出結點之間的n(n = 1、2、3…)級梯形電路，其中所述η 級中的每一級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點和接地結 點之間并且包括具有相互不同的諧振頻率的(2η+1)個諧振器；以及 負載電阻，所述負載電阻提供在所述諧波頻率處理電路的后級中， 其中所述(2η+1)個諧振器的諧振頻率與當所述諧波頻率處理電路的所述輸出結點被 短路到所述接地結點時形成在所述晶體管中的漏極輸出結點和所述接地結點之間的η個 零點和(η+1)個極點的頻率一致，并且其中所述(2η+1)個諧振器中的2η個諧振器的諧振頻率分別與第二諧波的頻率(2ω。) 到第(2η+1)個諧波的頻率((2+1) ω0) 一致。
2.根據(jù)權利要求1所述的放大器電路，其中所述(2η+1)個諧振器包括串聯(lián)地連接的電 容器和電感器，其中當所述諧波頻率處理電路的所述輸出結點被短路時，在形成在所述等效輸出電 流源的所述輸出結點和所述接地結點之間的η個零點和(η+1)個極點的頻率下短路所述 (2η+1)諧振器。
3.根據(jù)權利要求1所述的放大器電路，其中所述諧振電路部件包括(2η+1)個末端開放 的短截線作為所述(2η+1)諧振器，所述(2η+1)個末端開放的短截線具有所述諧振頻率的 波長的1/4，并且，當所述諧波頻率處理電路的所述輸出結點被短路時，所述(2η+1)個末端 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點和所述接地結點之間的η個 零點和(η+1)個極點的頻率下被短路。
4.根據(jù)權利要求1至3中的任何一項所述的放大器電路，進一步包括匹配電路，所述匹配電路提供在所述諧波頻率處理電路的后級和所述負載電阻的前級 之間并且對應于基波ω0。
全文摘要
本發(fā)明涉及以基本角頻率ω0進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、作為相對于等效輸出電流源的輸出結點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點間的串行寄生電感器的漏極電感器；諧波頻率處理電路，包括與漏極輸出結點連接的輸入和輸出結點；諧振電路部件，提供在諧波頻率處理電路的輸出結點和接地結點之間，且包括具有相互不同諧振頻率的(2n+1)個諧振器；以及負載電阻，提供在諧波頻率處理電路的后級中。(2n+1)個諧振器的諧振頻率與當諧波頻率處理電路的輸出結點短路到接地結點時形成在漏極輸出結點和接地結點之間的n個零點和(n+1)個極點的頻率一致。
文檔編號H03F3/21GK102006019SQ20101027066
公開日2011年4月6日 申請日期2010年8月31日 優(yōu)先權日2009年8月31日
發(fā)明者本城和彥, 石川亮, 高山洋一郎 申請人:國立大學法人電氣通信大學, 康派思技術咨詢有限公司