專利名稱：高頻功率放大器、高頻功率放大器模塊和便攜式電話的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于放大從UHF(甚高頻)到微波頻帶的高頻信號(hào)的功率放大器，特別涉及可應(yīng)用于便攜式電話的發(fā)射部分的高頻功率放大器。
背景技術(shù)：
根據(jù)移動(dòng)通信的便攜式電話，在其功能和結(jié)構(gòu)以及降低成本方面已經(jīng)有顯著進(jìn)步，并且其需求量迅速增加。另外，根據(jù)用于便攜式電話的發(fā)射部分中的晶體管高頻功率放大器，在這種情況下，需要小尺寸、高效率和低成本。首先，由于高頻功率放大器是在便攜式電話中功耗最大的器件，因此作為輸出功率與消耗功率之比的效率(功率增加效率)構(gòu)成用于延長(zhǎng)便攜式電話的連續(xù)發(fā)射時(shí)間，即，通話時(shí)間中的電池壽命的重要特征。
現(xiàn)在，對(duì)于高頻功率放大器，考慮到使用移動(dòng)電話的實(shí)際狀態(tài)，該高頻功率放大器需要在下文所述的兩個(gè)不同輸出功率電平上具有高效率。其中一個(gè)是在最大輸出附近的高輸出電平，具體來(lái)說(shuō)大約為1W。這是當(dāng)便攜式電話遠(yuǎn)離基站或者當(dāng)例如在建筑物中無(wú)線電波難以到達(dá)基站時(shí)所需的功率電平。另一個(gè)是在正常實(shí)際使用狀態(tài)中具有較大使用頻率的10mW至100mW的較低輸出電平。例如在日本專利JP-A-336168/1995中公開(kāi)一種實(shí)現(xiàn)高效率的常規(guī)高頻功率放大器。
如圖14中所示，該常規(guī)高頻功率放大器是一種使用用于晶體管的場(chǎng)效應(yīng)晶體管(在下文中稱為“FET”)的二級(jí)結(jié)構(gòu)的放大器，其后級(jí)由使用晶體管HA2的高輸出的輸出級(jí)100a和使用晶體管LA3的低輸出的輸出級(jí)100b，并且它們被切換使用。另外，標(biāo)號(hào)IA1表示初級(jí)放大晶體管，標(biāo)號(hào)IM1、M12、INM3、OM3和OM2表示匹配電路。標(biāo)號(hào)SW1至SW3表示分別由FET所構(gòu)成的開(kāi)關(guān)電路，其被插入與高頻信號(hào)路徑相串聯(lián)，用于執(zhí)行切換高輸出和低輸出的操作。
晶體管放大器具有一種特性，其中當(dāng)輸出由晶體管的尺寸所決定的最大輸出時(shí)，其效率變?yōu)樽罡撸虼送ㄟ^(guò)使用尺寸分別對(duì)應(yīng)于高輸出和低輸出的晶體管，可以分別對(duì)高輸出和低輸出實(shí)現(xiàn)高效率。
在圖14中的高頻功率放大器基于該原理，通過(guò)使晶體管HA2大于晶體管LA3，分別在高輸出和低輸出電平實(shí)現(xiàn)較高的功率增加效率。也就是說(shuō)，根據(jù)高頻功率放大器，在高輸出時(shí)間，晶體管IA1和HA2進(jìn)入工作狀態(tài)，晶體管LA3進(jìn)入不工作狀態(tài)，開(kāi)關(guān)電路SW1處于導(dǎo)通狀態(tài)，開(kāi)關(guān)電路SW2和SW3截止，從而具有較大尺寸的末級(jí)的晶體管HA3以高效率輸出高功率。另外，在低輸出時(shí)，晶體管IA1和LA3進(jìn)入工作狀態(tài)，晶體管HA2進(jìn)入不工作狀態(tài)，開(kāi)關(guān)電路SW1被截止，開(kāi)關(guān)電路SW2和SW3被導(dǎo)通，從而，在具有較小尺寸的末級(jí)的具有較小尺寸的晶體管LA3以高效率輸出低功率。
另外，盡管開(kāi)關(guān)電路SW1和SW2沒(méi)有對(duì)高效率的工作做出貢獻(xiàn)，但是開(kāi)關(guān)電路SW1和SW2用于避免形成反饋回路而造成寄生振蕩。也就是說(shuō)，當(dāng)晶體管HA2進(jìn)入工作狀態(tài)時(shí)，開(kāi)關(guān)電路SW2用于切斷輸出級(jí)100b的電路，其中晶體管LA3進(jìn)入不工作狀態(tài)，不被電連接在輸出級(jí)100a的輸出端和輸入端之間，同時(shí)，當(dāng)晶體管LA3進(jìn)入工作狀態(tài)時(shí)，開(kāi)關(guān)電路SW1用于切斷輸出級(jí)100a的電路，其中晶體管HA2進(jìn)入不工作狀態(tài)，不被電連接在輸出級(jí)100b的輸出端和輸入端之間。
根據(jù)上述常規(guī)技術(shù)，當(dāng)要進(jìn)一步提高高頻功率放大器的高效率時(shí)，在與信號(hào)線串聯(lián)的開(kāi)關(guān)電路SW1至SW3中造成的功率損耗不能被忽略。為了減少開(kāi)關(guān)電路的損耗，需要減小開(kāi)關(guān)電路的導(dǎo)通串聯(lián)電阻，也就是說(shuō)要增大構(gòu)成開(kāi)關(guān)電路的FED的尺寸。當(dāng)通常把三個(gè)開(kāi)關(guān)電路和用于放大的晶體管被安裝到一個(gè)半導(dǎo)體芯片(半導(dǎo)體片狀器件)上時(shí)，這種開(kāi)關(guān)電路的增大對(duì)于通過(guò)減小半導(dǎo)體芯片尺寸而降低成本的目的相背。
本發(fā)明的目的是提供一種小尺寸的高頻功率放大器，通過(guò)少量的開(kāi)關(guān)電路而防止振蕩并且輸出高功率和低功率的高頻信號(hào)，還提供一種高頻功率放大器模塊和便攜式電話。

發(fā)明內(nèi)容
用于實(shí)現(xiàn)上述目的的根據(jù)本發(fā)明的高頻功率放大器的特征在于包括相并聯(lián)的放大電路A(第一放大電路)和放大電路B(第二放大電路)，其中在放大電路B的輸出級(jí)上的晶體管的尺寸等于或小于在放大電路A的輸出級(jí)上的晶體管的尺寸的1/4，以及開(kāi)關(guān)電路連接在從放大電路A的輸出級(jí)引出的信號(hào)線與接地端之間。另外，當(dāng)構(gòu)成放大電路B的晶體管進(jìn)入不工作狀態(tài)并且開(kāi)關(guān)電路截止時(shí)，放大電路A輸出高功率的高頻信號(hào)，以及當(dāng)構(gòu)成放大電路A的晶體管進(jìn)入不工作狀態(tài)并且開(kāi)關(guān)電路導(dǎo)通時(shí)，放大電路B輸出低功率的高頻信號(hào)。
通過(guò)上述結(jié)構(gòu)，不需要與信號(hào)線串連的用于開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)電路，并且能夠以常規(guī)例子更高的效率輸出高功率和低功率。這樣的效果可以通過(guò)在輸出級(jí)安裝上述開(kāi)關(guān)電路并且設(shè)置晶體管的尺寸而實(shí)現(xiàn)。
也就是說(shuō)，在低輸出時(shí)，通過(guò)使連接到高輸出側(cè)上的信號(hào)線的開(kāi)關(guān)電路導(dǎo)通并且接地，不形成反饋回路，并且避免寄生振蕩。同時(shí)，根據(jù)放大電路B的輸出級(jí)的晶體管，當(dāng)該晶體管進(jìn)入不工作狀態(tài)時(shí)，由于其尺寸較小，因此寄生電容較小。從而，在高輸出時(shí)，通過(guò)由在不工作狀態(tài)的晶體管的較小寄生電容造成高阻抗，因此不形成導(dǎo)致寄生振蕩的反饋回路，并且可以避免寄生振蕩。為了避免寄生振蕩，最好在放大電路B的輸出級(jí)上的晶體管上的尺寸等于或小于放大電路A的晶體管的尺寸的1/4。
另外，該開(kāi)關(guān)電路由晶體管所構(gòu)成，因此開(kāi)關(guān)電路可以與用于放大的晶體管一同集成到相同的半導(dǎo)體芯片上。另外，根據(jù)本發(fā)明，開(kāi)關(guān)電路用于避免寄生振蕩，不需要用于開(kāi)關(guān)的多個(gè)開(kāi)關(guān)電路，因此可以使半導(dǎo)體芯片的面積比常規(guī)例子更小。從而，可以減小高頻功率放大器。
另外，對(duì)于開(kāi)關(guān)電路的位置，根據(jù)本發(fā)明的研究，特別是當(dāng)開(kāi)關(guān)電路置于輸出級(jí)晶體管的輸出端與接地端之間或者在初級(jí)和輸出級(jí)之間的匹配電路和接地端之間時(shí)，有效地抑制寄生振蕩。


圖1為用于說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的高頻功率放大器的第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖；圖2為用于說(shuō)明根據(jù)第一實(shí)施例的構(gòu)成高頻功率放大器的開(kāi)關(guān)電路部分和輸出晶體管的電路圖；圖3為用于說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的高頻功率放大器的穩(wěn)定常數(shù)的曲線圖；圖4為用于說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的高頻功率放大器的穩(wěn)定常數(shù)的另一個(gè)曲線圖；圖5為用于說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的高頻功率放大器的效率的曲線圖；圖6為根據(jù)本發(fā)明的高頻功率放大器的穩(wěn)定常數(shù)的另一個(gè)曲線圖；圖7為用于說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的高頻功率放大器的第二實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖；圖8為用于說(shuō)明根據(jù)第二實(shí)施例的高輸出側(cè)上的放大電路的基本部分的電路圖；圖9為用于說(shuō)明根據(jù)第二實(shí)施例的低輸出側(cè)上的放大電路的基本部分的電路圖；圖10為用于說(shuō)明根據(jù)第二實(shí)施例的在高輸出側(cè)上的放大電路的基本部分的平面視圖；圖11為用于說(shuō)明根據(jù)第二實(shí)施例的高頻功率放大器的操作的示意圖；圖12為用于說(shuō)明使用根據(jù)本發(fā)明的高頻功率放大器的便攜式電話的結(jié)構(gòu)圖；圖13為用于說(shuō)明使用根據(jù)本發(fā)明的高頻功率放大器的其它便攜式電話的結(jié)構(gòu)圖；以及圖14為用于說(shuō)明根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的高頻功率放大器的結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式
下面將參照附圖中所示的本發(fā)明的實(shí)施例，給出根據(jù)本發(fā)明高頻功率放大器、高頻功率放大器模塊和便攜式電話的進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
實(shí)施例(實(shí)施例1)下面將參照?qǐng)D1至圖6給出本發(fā)明的第一實(shí)施例的描述。圖1為一種高頻功率放大器的結(jié)構(gòu)圖，圖2為基本部分的電路圖，圖3、4和6為用于說(shuō)明本發(fā)明的工作的曲線圖，以及圖5為示出本發(fā)明的效果的曲線圖。
在圖1中，標(biāo)號(hào)1A表示在高輸出側(cè)上的放大電路，標(biāo)號(hào)1B表示在低輸出側(cè)上的放大電路，放大電路1A和放大電路1B的輸入線在節(jié)點(diǎn)n11處相互連接，并且其輸出線在節(jié)點(diǎn)n22處相互連接。高輸出側(cè)放大電路1A通過(guò)串聯(lián)輸入匹配電路M1A、初級(jí)放大晶體管A1A、中級(jí)匹配電路M2A、輸出級(jí)放大晶體管A2A和輸出匹配電路M3A，并且通過(guò)連接在連接匹配電路M2A和輸出級(jí)晶體管A2A的信號(hào)線與接地端之間的二極管所構(gòu)成的開(kāi)關(guān)電路SW10所構(gòu)成。
圖2示出二極管開(kāi)關(guān)電路SW10及其外圍電路。開(kāi)關(guān)電路SW10連接到輸出級(jí)晶體管A2A的輸入端RFIN，并且與接地端之間短路/開(kāi)路。高頻特性優(yōu)良的異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管被用于輸出級(jí)晶體管A2A和開(kāi)關(guān)電路SW10中。
另外，低輸出側(cè)放大電路1B是通過(guò)串聯(lián)輸入匹配電路M1B、初級(jí)放大晶體管A1B、中級(jí)匹配電路M2B、輸出級(jí)放大晶體管A2B和輸出匹配電路M3B所構(gòu)成。
輸出級(jí)晶體管A2B的尺寸被設(shè)置為等于或小于輸出級(jí)晶體管A2A的尺寸的1/4。作為一個(gè)例子，通過(guò)由具有尺寸為4微米×30微米的發(fā)射極的晶體管構(gòu)造一個(gè)單元，該輸出級(jí)晶體管A2A由36片的單元晶體管所構(gòu)成，并且該輸出級(jí)晶體管A2B由6片單元晶體管所構(gòu)成。
接著，將給出放大電路1A和1B的操作的描述。在操作放大電路1A中，通過(guò)使控制端Vsw10變?yōu)榈碗娖?LOW)而使開(kāi)關(guān)電路SW10截止，以及在放大電路1B中，通過(guò)使初級(jí)放大晶體管A1B的控制端Vb3和輸出級(jí)放大晶體管A2B的控制端Vb4變?yōu)榈碗娖?，而使晶體管A1B和A2B進(jìn)入不工作狀態(tài)。晶體管A1B的電源端Vc3和晶體管A2B的電源端Vc4可以被提供電源電壓或者不被提供電源電壓。
在上述狀態(tài)下輸入到輸入端IN的信號(hào)被放大電路1A的初級(jí)放大晶體管A1A(其控制端Vb1變?yōu)楦唠娖?HIGH)并且電源端Vc1被提供電源電壓)和輸出級(jí)放大晶體管A2A(其控制端Vb2變?yōu)楦唠娖讲⑶译娫炊薞c2被提供電源電壓)放大到所需輸出功率。在這種情況下，開(kāi)關(guān)電路SW10進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，其阻抗遠(yuǎn)高于信號(hào)線的阻抗，因此幾乎不造成功率損耗。
另外，在操作放大電路1B中，在放大電路1A中，通過(guò)使控制端Vsw10變?yōu)楦唠娖蕉归_(kāi)關(guān)電路SW10導(dǎo)通，并且通過(guò)使控制端Vb1和Vb2變?yōu)榈碗娖?，而使晶體管A1A和A2A進(jìn)入不工作狀態(tài)。初級(jí)晶體管A1A的電源端Vc1和輸出級(jí)晶體管A2A的電源端Vc2可以被提供電源電壓，或者不被提供電源電壓。
在上述狀態(tài)中輸入到輸入端IN的信號(hào)被放大電路1B的初級(jí)放大晶體管A1B(其控制端Vb3變?yōu)楦唠娖讲⑶译娫炊薞c3被提供電源電壓)和輸出級(jí)放大晶體管A2B(其控制端Vb4變?yōu)楦唠娖讲⑶译娫炊薞c4被提供電源電壓)放大到所需輸出功率。盡管在這種情況下二極管開(kāi)關(guān)電路SW10進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，二極管開(kāi)關(guān)電路SW10被置于其兩側(cè)的處于不工作狀態(tài)的晶體管A1A和A2A所隔離，因此幾乎不造成功率損耗。
接著，通過(guò)如下操作抑制由反饋回路所導(dǎo)致的寄生振蕩。首先，在操作放大電路1A中，根據(jù)本發(fā)明人的研究，進(jìn)入不工作狀態(tài)的放大電路1B的輸出級(jí)放大晶體管A2B的寄生電容的大小對(duì)抑制寄生振蕩起主要作用。圖3示出當(dāng)在不工作狀態(tài)的晶體管A2B的基極和集電極之間的寄生電容Coff為各個(gè)數(shù)值時(shí)，放大電路的總的穩(wěn)定常數(shù)K因子(用在0至10GHz范圍中的最小值Kmin作為一個(gè)代表值)的模擬結(jié)果。K因子是基于反饋回路增益的倒數(shù)(inverse number)的一個(gè)參數(shù)，并且當(dāng)K因子等于或大于1時(shí)，該電路不振蕩而是穩(wěn)定的。
如圖3所示，當(dāng)晶體管A2B的寄生電容Coff等于或小于0.6pF時(shí)，穩(wěn)定常數(shù)Kmin作為等于或大于1，也就是說(shuō)，可以穩(wěn)定該放大電路并且可以抑制寄生振蕩，為了實(shí)現(xiàn)該寄生電容值，晶體管A2B可以由9個(gè)或更少的單元晶體管所構(gòu)成，換句話說(shuō)，通過(guò)構(gòu)造尺寸等于或小于由36個(gè)單元晶體管所構(gòu)成的晶體管A2A的尺寸的1/4的晶體管，可以抑制寄生振蕩。
接著，在操作放大電路1B中，進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)開(kāi)關(guān)電路SW10的串聯(lián)電阻的大小對(duì)抑制寄生振蕩起主要作用。圖4示出當(dāng)開(kāi)關(guān)電路SW10的串聯(lián)電阻Rshant被改變時(shí)，放大電路的總的穩(wěn)定常數(shù)K因子(用在0至10GHz范圍中的最小值Kmin作為一個(gè)代表值)的模擬結(jié)果。如圖4中所示，當(dāng)開(kāi)關(guān)電路S10的串聯(lián)電阻值等于或小于15歐時(shí)，穩(wěn)定常數(shù)Kmin可以等于或大于1。也就是說(shuō)，放大電路1B可以被穩(wěn)定，并且可以抑制放大電路的寄生振蕩。作為一個(gè)例子，串聯(lián)電阻的數(shù)值可以通過(guò)使用在圖2中所示的二極管開(kāi)關(guān)電路SW10的具有4微米×30微米的發(fā)射極尺寸的單個(gè)異質(zhì)雙極型晶體管，并且用其基極和集電極之間的二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)。
圖5示出當(dāng)提供上述開(kāi)關(guān)電路SW10時(shí)的實(shí)施例的放大特性。而在操作放大電路1B中，當(dāng)不提供開(kāi)關(guān)電路SW10時(shí)，在2GHx和3GHz的附近出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，當(dāng)提供開(kāi)關(guān)電路SW10時(shí)，沒(méi)有這樣的不穩(wěn)定操作，并且已經(jīng)發(fā)現(xiàn)該寄生振蕩被充分地抑制。另外，使1毫安的電流流過(guò)該二極管開(kāi)關(guān)電路SW10，并且在這種情況下的串聯(lián)電阻值大約為10歐。
圖6示出當(dāng)一個(gè)晶體管的基極和集電極之間的二極管(BC二極管)被用作為該二極管開(kāi)關(guān)電路SW10時(shí)，以及當(dāng)使用在基極和發(fā)射極之間的二極管(BE二極管)時(shí)，放大電路1B的穩(wěn)定常數(shù)K因子(用在0至10GHz范圍中的最小值Kmin作為一個(gè)代表值)的模擬結(jié)果。在此，在這兩種情況中，提供單個(gè)晶體管，并且其集電極的尺寸為4微米×30微米。
為了使穩(wěn)定常數(shù)Kmin等于或大于1，在BE二極管的情況中，需要使等于或大于2毫安的電流流過(guò)，在BC二極管的情況中，在0.1毫安至2毫安范圍內(nèi)的電流則足夠大?？紤]到這種結(jié)果，通過(guò)在開(kāi)關(guān)電路SW10處使用BC二極管，可以通過(guò)低電流來(lái)抑制放大電路1B的振蕩，并且可以獲得構(gòu)造具有更高效率的功率放大器的效果。另外，該電流可以是低電流，因此可以減小二極管開(kāi)關(guān)電路SW10。根據(jù)本實(shí)施例，在放大電路1A的晶體管A1A至晶體管A2A之間的部分(包括開(kāi)關(guān)電路SW10和匹配電路M2A)以及放大電路1B的晶體管A1B至晶體管A2B之間的部分(包括匹配電路M2B)分別可以集成到單片半導(dǎo)體片狀器件(半導(dǎo)體芯片)上。在這種情況中，由于可以減小開(kāi)關(guān)電路SW10的尺寸，因此可以實(shí)現(xiàn)減小半導(dǎo)體片狀器件和減小成本的效果。
另外，盡管在圖1中，二極管開(kāi)關(guān)電路SW10的一部分構(gòu)成輸出狀態(tài)放大晶體管A2A的輸入節(jié)點(diǎn)，但是本發(fā)明不限于此，而是二極管開(kāi)關(guān)電路SW10可以連接在從包括在匹配電路M2A的內(nèi)部的信號(hào)節(jié)點(diǎn)的輸出級(jí)晶體管A2A引出的信號(hào)線與接地端節(jié)點(diǎn)之間，也就是說(shuō)可以在高輸出側(cè)上的放大電路1A的信號(hào)線的任何位置與接地端節(jié)點(diǎn)之間。在這種情況中，盡管開(kāi)關(guān)電路的串聯(lián)電阻值需要低于圖6中所示的情況，但是可以抑制寄生振蕩。
另外，盡管穩(wěn)定性常數(shù)K因子要等于或大于1，當(dāng)考慮到容差等等而采用較高的K因子時(shí)，可以通過(guò)排列多個(gè)開(kāi)關(guān)電路而處理高K因子。
另外，在圖1中，構(gòu)成高頻功率放大器的有源元件可以由例如HEMT(高電子活動(dòng)度晶體管)等等這樣的化合物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管所構(gòu)成。在這種情況中，可以通過(guò)施加到柵極端的電壓來(lái)執(zhí)行晶體管的工作/不工作的控制，因此可以取消當(dāng)使用雙極型晶體管時(shí)所需的偏壓電路，并且可以簡(jiǎn)化高頻功率放大器的設(shè)計(jì)。
另外，可以通過(guò)例如Si-MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)這樣的硅場(chǎng)效應(yīng)晶體管等等或者硅雙極型晶體管來(lái)構(gòu)成高頻功率放大器的有源元件。在這種情況中，可以通過(guò)便宜的大直徑的硅晶片進(jìn)行處理，因此能夠以較低成本提供該高頻放大器。
另外，盡管在圖1中，放大電路1A和1B分別由具有初級(jí)和輸出級(jí)的兩級(jí)放大電路所構(gòu)成，但是放大電路1A和1B可以分別由三級(jí)或更多級(jí)的放大電路所構(gòu)成。當(dāng)構(gòu)成二級(jí)放大電路時(shí)，該二級(jí)放大電路最好用于需要22至27dB的功率增益的N-CDMA(窄帶-碼分多址)系統(tǒng)或者W-CDMA(寬帶-碼分多址)系統(tǒng)，并且當(dāng)構(gòu)成三級(jí)放大電路時(shí)，該三級(jí)放大電路最好用于需要更大的功率增益(32至35dB)的GSM(全球移動(dòng)通信)系統(tǒng)或DCS(數(shù)字通信系統(tǒng))系統(tǒng)中。
(實(shí)施例2)下面參照?qǐng)D7至圖11描述第二實(shí)施例。根據(jù)實(shí)施例2，在此使用上文所述的實(shí)施例1作為基本結(jié)構(gòu)，其由異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管電路所構(gòu)成，從而具體構(gòu)成用于W-CDMA便攜式電話的高頻功率放大器。圖7為高頻功率放大器模塊的總電路圖。圖8和9為在圖7中的高頻功率放大器的部分的詳細(xì)電路圖，圖10為當(dāng)圖8中所示的電路具體形成在一個(gè)半導(dǎo)體片狀器件上時(shí)的布置圖。圖11為用于說(shuō)明高頻功率放大器的控制操作的方法的表格，以及圖12和13為使用高頻功率放大器的便攜式電話的結(jié)構(gòu)圖。
在圖7中，標(biāo)號(hào)P1和P2表示包括砷化鎵基片的半導(dǎo)體片狀器件，其安裝在由陶瓷構(gòu)成的模塊板上，并且連接到該模塊板上的無(wú)源元件電路。輸入匹配電路包括形成在該模塊板上的芯片電容器CM1和CM2、芯片電感器LM1、以及微帶線SL1和SL2。輸出匹配電路包括形成在該模塊板上的芯片電容器CM7至CM10、芯片電感器LM4、微帶線SL6和SL7。
從電源端Vcc到晶體管的電源線包括微帶線SL3、SL4和SL5以及用于旁路電容器的芯片電容器CB1和CB2。作為高頻功率放大器模塊的端子，在此提供輸入節(jié)點(diǎn)IN、輸出節(jié)點(diǎn)OUT、電源端Vcc、用于偏壓電路的電源端Vcc_bias、工作模式切換端Vmode以及放大電路的工作偏壓控制端Vreg。高頻功率放大器Mj通過(guò)上述安裝而形成。
圖8和圖10示出在高輸出端上的放大電路的基本部分。在圖8和圖10中，標(biāo)號(hào)Q1表示初級(jí)放大晶體管，以及標(biāo)號(hào)Q2表示輸出級(jí)放大晶體管。通過(guò)分別構(gòu)造4微米×30微米的單元晶體管的發(fā)射極尺寸，輸入放大晶體管Q1由6個(gè)單元晶體管所構(gòu)成，并且輸出級(jí)放大晶體管Q2由36個(gè)單元晶體管所構(gòu)成。晶體管Q1和Q2除了單元晶體管之外還包括用于分離直流和射頻信號(hào)的電容器和電阻器，以及用于鎮(zhèn)流的串聯(lián)電阻。標(biāo)號(hào)SW10表示開(kāi)關(guān)電路，并且晶體管的基極和集電極之間的二極管用作為該開(kāi)關(guān)電路。用于二極管的晶體管是具有4微米×30微米的發(fā)射極尺寸的單片晶體管。級(jí)間匹配電路M2A包括MIM(金屬-絕緣體-金屬)電容元件CM3和CM4以及螺旋電感元件LM2。標(biāo)號(hào)CK1表示用于把基極偏流提供給晶體管Q1和Q2的偏置電路。圖8中所示的所有元件被形成在相同的半導(dǎo)體片狀器件P1上。
圖9示出在低輸出側(cè)上的放大電路的基本部分。在圖9中，標(biāo)號(hào)Q3表示初級(jí)放大晶體管，以及標(biāo)號(hào)Q4表示輸出級(jí)放大晶體管。通過(guò)構(gòu)造4微米×30微米的單元晶體管的發(fā)射極尺寸，輸入放大晶體管Q3和輸出級(jí)放大晶體管Q4都由6個(gè)單元晶體管所構(gòu)成。晶體管Q3和Q4除了單元晶體管之外還包括用于分離直流和高頻信號(hào)的電容器和電阻器。級(jí)間匹配電路M2B包括MIM(金屬-絕緣體-金屬)電容元件CM5和CM6以及螺旋電感元件LM3。標(biāo)號(hào)CK2表示用于把基極偏流提供給晶體管Q3和Q4的偏置電路。圖9中所示的所有元件被形成在相同的半導(dǎo)體片狀器件P2上。
接著，將參照?qǐng)D11描述高頻功率放大器模塊的控制操作的方法。首先，在高輸出時(shí)，操作模式切換端Vmode被提供低電平的電壓(低電平)，并且操作偏壓控制端Vreg被提供高電平的所需電壓(高電平)。通過(guò)該控制，在高輸出側(cè)上的放大晶體管Q1和Q2進(jìn)入工作狀態(tài)，并且在低輸出側(cè)上的放大晶體管Q3和Q4進(jìn)入不工作狀態(tài)，并且二極管開(kāi)關(guān)電路SW10進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。從而，在高輸出側(cè)上的放大電路工作。
在低輸出時(shí)，操作模式切換端Vmode被提供高電平的電壓，并且操作偏壓控制端Vreg被提供高電平的所需電壓。通過(guò)該控制，在低輸出側(cè)上的放大晶體管Q3和Q4進(jìn)入工作狀態(tài)，并且在高輸出側(cè)上的放大晶體管Q1和Q2進(jìn)入不工作狀態(tài)，并且二極管開(kāi)關(guān)電路SW10進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。從而，在低輸出側(cè)上的放大電路工作。這種情況下，可以由進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)的開(kāi)關(guān)電路SW10防止由通過(guò)進(jìn)入不工作狀態(tài)的高輸入側(cè)上的放大電路的反饋回路產(chǎn)生振蕩。
在功率放大器待機(jī)時(shí)，在低電平的電壓被提供到工作模式切換端Vmode和工作偏壓控制端Vreg。通過(guò)該控制，所有放大晶體管Q1至Q4進(jìn)入不工作狀態(tài)，并且二極管開(kāi)關(guān)電路SW10進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。另外，進(jìn)入偏置電路CK1和CK2的端電流為0的狀態(tài)。因此，在待機(jī)時(shí)間的消耗電流被最小化。
另外，避免把高電平的電壓施加到操作模式切換端Vmode，以及避免把低電平的電壓施加到操作偏壓控制端Vreg。從而，避免出現(xiàn)僅僅使二極管開(kāi)關(guān)電路SW10導(dǎo)通的狀態(tài)，并且防止浪費(fèi)的電流消耗。
接著，將參照?qǐng)D12說(shuō)明使用根據(jù)實(shí)施例2的高頻功率放大器模塊的便攜式電話的結(jié)構(gòu)。圖12中的便攜式電話用于W-CDMA系統(tǒng)中。該便攜式電話包括基帶電路BB、接收系統(tǒng)電路Rx，發(fā)射系統(tǒng)電路Tx以及天線系統(tǒng)ANT。另外，發(fā)射系統(tǒng)電路Tx包括發(fā)射本機(jī)振蕩器LO、向上變換器UpConv、自動(dòng)增益控制放大器AGC和功率放大器PA。通過(guò)把實(shí)施例2的高頻功率放大器模塊應(yīng)用于功率放大器PA并且把來(lái)自基帶電路BB的控制信號(hào)給予控制端Vreg和控制端Vmode，從而執(zhí)行開(kāi)關(guān)操作。另外，對(duì)于控制端Vreg和控制端Vmode的控制信號(hào)，最好以由基帶電路BB再現(xiàn)/確定來(lái)自基站的輸出功率的所需數(shù)值并且操作相互協(xié)作的自動(dòng)增益控制放大器AGC和功率放大器PA的形式，形成控制信號(hào)。
接著參照?qǐng)D13描述使用根據(jù)實(shí)施例2的高頻功率放大器模塊的其它便攜式電話的結(jié)構(gòu)。圖13中所示的便攜式電話是一種能夠用于GSM、DCS和W-CDMA這三種系統(tǒng)中的復(fù)合系統(tǒng)的便攜式電話。該便攜式電話包括基帶電路BB、接收系統(tǒng)電路Rx，高頻電路RF-IC、發(fā)射系統(tǒng)電路以及天線系統(tǒng)ANT。
其中，W-CDMA系統(tǒng)的發(fā)射系統(tǒng)電路或發(fā)射本機(jī)振蕩器L0、向上變換器UpConv、自動(dòng)增益控制放大器AGC和功率放大器PA1，如圖13中所示。通過(guò)把根據(jù)實(shí)施例2的高頻功率放大器模塊應(yīng)用于功率放大器PA1，并且把來(lái)自基帶電路BB的控制信號(hào)給予控制端Vreg的控制端Vmode。另外，對(duì)于到達(dá)控制端Vreg和控制端Vmode的控制信號(hào)，最好通過(guò)由基帶電路BB再現(xiàn)/確定來(lái)自基站的輸出功率的所需數(shù)值并且操作相互協(xié)作的自動(dòng)增益控制放大器AGC和功率放大器PA，以形成控制信號(hào)。另外，在此分別使用分離的功率放大器PA2和PA3用于GSM系統(tǒng)的發(fā)射系統(tǒng)電路和DCS系統(tǒng)的發(fā)射系統(tǒng)電路。由功率放大器所放大的輸出功率通過(guò)天線開(kāi)關(guān)Ant.SW1和Ant.SW2以及雙工器Dip由構(gòu)成三頻率波合成器的三發(fā)射機(jī)復(fù)用器Triplexer提供到天線Ant。
根據(jù)上述便攜式電話，通過(guò)使用根據(jù)本發(fā)明的高頻功率放大器，可以實(shí)現(xiàn)以高效率和低功耗以及小尺寸的裝置輸出高功率和低功率。
根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)提供用于避免振蕩的開(kāi)關(guān)電路，可以取消串聯(lián)插入在電路中的開(kāi)關(guān)電路，因此可以實(shí)現(xiàn)以高效率和低成本的小尺寸高頻功率放大器以及其模塊輸出高功率和低功率。通過(guò)采用高頻功率放大器模塊，可以實(shí)現(xiàn)具有高效率的小尺寸便攜式電話。
權(quán)利要求
1.一種高頻功率放大器，其中包括第一放大電路，其具有包含第一晶體管的第一輸出級(jí)；第二放大電路，其具有第二輸出級(jí)，其中包括尺寸等于第一晶體管的尺寸的1/4或更小的第二晶體管；開(kāi)關(guān)電路，其連接在從第一放大電路的第一輸出級(jí)向前引出的信號(hào)線與接地端之間；輸入端，其由第一放大電路的輸入線和第二放大電路的輸入線相互連接而構(gòu)成；以及輸出端，其通過(guò)把第一放大電路的輸出線與第二放大電路的輸出線相互連接而構(gòu)成，其中當(dāng)開(kāi)關(guān)電路進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)并且第二放大電路進(jìn)入不工作狀態(tài)時(shí)，第一放大電路把第一輸出電平的高頻信號(hào)輸出到輸出端，以及其中當(dāng)開(kāi)關(guān)電路進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)并且第一放大電路進(jìn)入不工作狀態(tài)時(shí)，第二放大電路輸出具有比第一輸出電平更低的第二輸出電平的高頻信號(hào)。
2.一種高頻功率放大器，其中包括輸入端，其被輸入要放大的高頻信號(hào)；輸出端，用于輸出已放大的高頻信號(hào)；第一放大電路，其中包括用于放大輸入到輸入端的信號(hào)的第一晶體管，用于放大第一晶體管的輸出信號(hào)的第二晶體管，連接在第一晶體管的輸出與第二晶體管的輸入之間的第一匹配電路，連接在第二晶體管的輸出與所述輸出端之間的第二匹配電路，以及連接在由第一晶體管和第二晶體管所構(gòu)成的信號(hào)線與晶體管之間的至少一個(gè)開(kāi)關(guān)電路；以及第二放大電路，其中包括用于放大輸入到輸入端的高頻信號(hào)的第三晶體管，用于放大第三晶體管的輸出信號(hào)的第四晶體管，連接在第三晶體管的輸出與第四晶體管的輸入之間的第三匹配電路，以及連接在第四晶體管的輸出與所述輸出端之間的第四匹配電路，其中第四晶體管的尺寸等于第二晶體管的尺寸的1/4或更小，其中當(dāng)?shù)谌偷谒木w管進(jìn)入不工作狀態(tài)并且至少一個(gè)開(kāi)關(guān)電路截止時(shí)，第一和第二晶體管輸出第一功率電平的高頻信號(hào)，以及其中當(dāng)?shù)谝缓偷诙w管進(jìn)入不工作狀態(tài)并且至少一個(gè)開(kāi)關(guān)電路導(dǎo)通時(shí)，第三和第四晶體管輸出比第一輸出電平小的第二功率電平的高頻信號(hào)。
3.一種高頻功率放大器，其中包括輸入端，其被輸入要放大的高頻信號(hào)；輸出端，用于輸出已放大的高頻信號(hào)；第一放大電路，其中包括用于放大輸入到輸入端的信號(hào)的第一晶體管，用于放大第一晶體管的輸出信號(hào)的第二晶體管，連接在第一晶體管的輸出與第二晶體管的輸入之間的第一匹配電路，連接在第二晶體管的輸出與所述輸出端之間的第二匹配電路，以及連接在第一匹配電路中的第二晶體管的輸入端或信號(hào)節(jié)點(diǎn)與接地端之間的至少一個(gè)開(kāi)關(guān)電路；以及第二放大電路，其中包括用于放大輸入到輸入端的高頻信號(hào)的第三晶體管，用于放大第三晶體管的輸出信號(hào)的第四晶體管，連接在第三晶體管的輸出與第四晶體管的輸入之間的第三匹配電路，以及連接在第四晶體管的輸出與所述輸出端之間的第四匹配電路，其中第四晶體管的尺寸等于第二晶體管的尺寸的1/4或更小，其中當(dāng)?shù)谌偷谒木w管進(jìn)入不工作狀態(tài)并且至少一個(gè)開(kāi)關(guān)電路截止時(shí)，第一和第二晶體管輸出第一功率電平的高頻信號(hào)，以及其中當(dāng)?shù)谝缓偷诙w管進(jìn)入不工作狀態(tài)并且至少一個(gè)開(kāi)關(guān)電路導(dǎo)通時(shí)，第三和第四晶體管輸出比第一輸出電平小的第二功率電平的高頻信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高頻功率放大器，其中第一至第四晶體管是異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高頻功率放大器，其中第一至第四晶體管是異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高頻功率放大器，其中第一至第四晶體管是場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高頻功率放大器，其中第一至第四晶體管是場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高頻功率放大器，其中第一和第二晶體管以及至少一個(gè)開(kāi)關(guān)電路由在相同半導(dǎo)體芯片上的異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管所構(gòu)成。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高頻功率放大器，其中第一和第二晶體管以及至少一個(gè)開(kāi)關(guān)電路由在相同半導(dǎo)體芯片上的異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管所構(gòu)成。
10.一種高頻功率放大器模塊，其中根據(jù)權(quán)利要求1所述的高頻功率放大器形成在相同絕緣板上。
11.一種高頻功率放大器模塊，其中根據(jù)權(quán)利要求2所述的高頻功率放大器形成在相同絕緣板上。
12.一種高頻功率放大器模塊，其中根據(jù)權(quán)利要求3所述的高頻功率放大器形成在相同絕緣板上。
13.一種便攜式電話，其中包括根據(jù)權(quán)利要求10所述的高頻功率放大器模塊。
14.一種便攜式電話，其中包括根據(jù)權(quán)利要求11所述的高頻功率放大器模塊。
15.一種便攜式電話，其中包括根據(jù)權(quán)利要求12所述的高頻功率放大器模塊。
16.一種用于復(fù)合系統(tǒng)的便攜式電話，該便攜式電話包括用于CDMA(碼分多址)系統(tǒng)的根據(jù)權(quán)利要求10的高頻功率放大器模塊。
17.一種用于復(fù)合系統(tǒng)的便攜式電話，該便攜式電話包括用于CDMA(碼分多址)系統(tǒng)的根據(jù)權(quán)利要求11的高頻功率放大器模塊。
18.一種用于復(fù)合系統(tǒng)的便攜式電話，該便攜式電話包括用于CDMA(碼分多址)系統(tǒng)的根據(jù)權(quán)利要求12的高頻功率放大器模塊。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高頻功率放大器，其中進(jìn)一步包括工作模式切換端和工作偏壓控制端，用于控制第一至第四晶體管以及至少一個(gè)開(kāi)關(guān)電路的操作，其中當(dāng)在第一功率電平的高頻信號(hào)被輸出時(shí)，通過(guò)把低電平的電壓施加到工作模式切換端并且把高電平的所需電壓施加到工作偏壓控制端，第一和第二晶體管進(jìn)入工作狀態(tài)，第三和第四晶體管進(jìn)入不工作狀態(tài)，以及至少一個(gè)開(kāi)關(guān)電路被截止，其中當(dāng)在第二功率電平的高頻信號(hào)被輸出時(shí)，通過(guò)把高電平的電壓施加到工作模式切換端并且把高電平的所需電壓施加到工作偏壓控制端，第三和第四晶體管進(jìn)入工作狀態(tài)，至少一個(gè)開(kāi)關(guān)電路被導(dǎo)通，并且第一和第二晶體管進(jìn)入不工作狀態(tài)，以及其中在待機(jī)時(shí)間中，通過(guò)把低電平的電壓施加到工作模式切換端和工作偏壓控制端，第一至第四晶體管進(jìn)入不工作狀態(tài)，并且至少一個(gè)開(kāi)關(guān)電路被截止。
20.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高頻功率放大器，其中進(jìn)一步包括工作模式切換端和工作偏壓控制端，用于控制第一至第四晶體管以及至少一個(gè)開(kāi)關(guān)電路的操作，其中當(dāng)在第一功率電平的高頻信號(hào)被輸出時(shí)，通過(guò)把低電平的電壓施加到工作模式切換端并且把高電平的所需電壓施加到工作偏壓控制端，第一和第二晶體管進(jìn)入工作狀態(tài)，第三和第四晶體管進(jìn)入不工作狀態(tài)，以及至少一個(gè)開(kāi)關(guān)電路被截止，其中當(dāng)在第二功率電平的高頻信號(hào)被輸出時(shí)，通過(guò)把高電平的電壓施加到工作模式切換端并且把高電平的所需電壓施加到工作偏壓控制端，第三和第四晶體管進(jìn)入工作狀態(tài)，至少一個(gè)開(kāi)關(guān)電路被導(dǎo)通，并且第一和第二晶體管進(jìn)入不工作狀態(tài)，以及其中在待機(jī)時(shí)間中，通過(guò)把低電平的電壓施加到工作模式切換端和工作偏壓控制端，第一至第四晶體管進(jìn)入不工作狀態(tài)，并且至少一個(gè)開(kāi)關(guān)電路被截止。
全文摘要
為了提供一種小尺寸的高頻功率放大器，用于通過(guò)少量的開(kāi)關(guān)電路而防止振蕩并且高效率地輸出高功率和低功率的高頻信號(hào)，還提供一種高頻功率放大器模塊和便攜式電話，該高頻功率放大器包括相并聯(lián)的放大電路A和放大電路B，其中在放大電路B的輸出級(jí)上的晶體管的尺寸等于或小于在放大電路A的輸出級(jí)上的晶體管的尺寸的1/4，以及開(kāi)關(guān)電路連接在從放大電路A的輸出級(jí)引出的信號(hào)線與接地端之間。另外，當(dāng)構(gòu)成放大電路B的晶體管進(jìn)入不工作狀態(tài)并且開(kāi)關(guān)電路截止時(shí)，放大電路A輸出高功率的高頻信號(hào)，以及當(dāng)構(gòu)成放大電路A的晶體管進(jìn)入不工作狀態(tài)并且開(kāi)關(guān)電路導(dǎo)通時(shí)，放大電路B輸出低功率的高頻信號(hào)。
文檔編號(hào)H03F1/30GK1407719SQ0212622
公開(kāi)日2003年4月2日 申請(qǐng)日期2002年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月11日
發(fā)明者加賀谷修, 大西正已, 關(guān)根健治, 田上知紀(jì) 申請(qǐng)人:株式會(huì)社日立制作所