CN101179257B - 改进了尺寸和成本的高频功率放大器 - Google Patents

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Abstract

发明提供了一种高频功率放大器，其包括：电源单元，该电源单元包括用于开关的晶体管，该晶体管的漏极-源极或集电极-发射极根据与施加到栅极或基极的高频信号的包络信号相对应的脉冲信号来控制导通/截止，所述电源单元用于通过所述用于开关的晶体管的导通/截止操作来产生与所述包络信号相对应的电压；和用于功率放大的晶体管，该晶体管是源极接地型或发射极接地型，所述电源单元产生的电压被提供到所述用于功率放大的晶体管作为工作电压，其中，所述高频信号被施加到所述栅极或所述基极。此外，在所述电源单元中的所述用于开关的晶体管和所述用于功率放大的晶体管被布置在一个封装件中使得所述源极或所述发射极被共接。

Description

改进了尺寸和成本的高频功率放大器
技术领域
本发明涉及一种用于多电平数字调制通信系统的需要线性和高效率的高频功率放大器。
背景技术
最近，多电平数字调制通信系统等常常处理信号振幅的平均值和最大振幅相互差别很大的信号。因此，用于无线电通信系统的功率放大器需要线性和高效率。然而，当功率放大器放大这样的信号时，放大器通常具有较低的效率，这是因为放大器的工作点被设置成能够在没有失真的情况下将信号放大至最大振幅，因此，几乎没有时间留下来在具有饱和功率的区域附近工作，在具有饱和功率的区域处可以保持较高的效率。
为了解决这样的问题，已经开发了在保持线性的同时提高放大器的效率的各种技术。所述技术之一包括包络跟踪(下文称为“ET”)或包络消除及恢复(下文称为“EER”)。在日本专利特许公开第2005-184273号和第2006-521081号国际专利申请的国家公布等中公开了使用这些技术的放大器的基本构造。
另外，IEEE微波理论和技术学报2002年3月第50卷第3期pp814-826的“用于RF和微波的功率放大器和发射机(Power Amplifier andTransmitters for RF and Microwave)”和IEEE化合物半导体集成电路会议2005年10月30日到11月2日pp1-4的“以GaN-HFET实现的50％PAEWCDMA基站放大器(50％PAE WCDMA Base-station AmplifierImplemented with GaN-HFETs)”等公开了放大器的基本构造。
在那些放大器的构造中，例如，使用高速开关元件以减小损失的以开关方式操作的电路(如S类放大器)来构造用于对放大元件供电的电源单元。通过从外部控制该高效率的电源单元以满足期望的ET或EER操作和功能来实现比普通放大器如A类或B类放大器的效率高的效率，并且当电源单元从饱和功率进行补偿(back-off)地输出时，也实现了更高的效率。
图1是示出应用EER技术的高效放大器的例子的示意性框图。
输入信号(被调制的信号)施加到限幅器41和包络检测器42。限幅器41提取输入信号的相位调制分量信号，包络检测器42提取与输入信号的振幅调制分量相对应的包络信号。所提取的具有恒定振幅的相位调制分量信号被施加到构成功率放大器的晶体管45并被放大。
另一方面，所提取的包络信号被施加到电源电压控制单元。如图1所示，电源电压控制单元包括振幅脉冲(amplitude-pulse)变换单元43、开关晶体管44和由电容器46和扼流线圈47构成的低通滤波器，所述振幅脉冲变换单元43包括用于改变与振幅相对应的脉冲宽度的脉冲宽度调制(PWM)系统等。所提取的包络信号被电源电压控制单元转换成与包络信号相对应的电压，并作为构成功率放大器的晶体管45的操作电源电压而提供。放大的信号从放大的信号的输出端输出。
结果，以上述方式提取的具有恒定振幅的相位调制分量信号被构成功率放大器的晶体管45高效率地放大，并且用于构成功率放大器的晶体管45的电源电压根据电源电压控制单元提供的电压改变。因此，施加到这个功率放大器的信号被放大，使得它的振幅变化与电源电压相对应，并且振幅调制分量也被再现，因而实现了具有高效率和低失真的高功率放大器。
图2示意性示出了图1中所示的高效率放大器中的功率放大器和电源单元安装在基底上的状态。在电源单元的输入侧，设置了用于控制电源功能的输入端411。在放大器的输入侧，设置了放大信号的输入端412。电源单元通过放大器的电源输出线413连接到放大器。
通常，放大器和电源单元被构造成单独的电路块，并且另外的用于放大器的放大元件(晶体管)45和用于电源单元的开关元件(开关晶体管)44被分别包含在单独的封装件中，这是因为处理较大的功率。因此，需要用于在基底中安装两个晶体管封装件的面积。
这里，作为一个示例，在参照图1描述的构造中，将研究如下的情况：其中，对构成功率放大器的晶体管45和开关晶体管44分别使用相同的晶体管元件来构造在2GHz的频带中具有90W的饱和功率的放大器。
假设对具有90W功率的特定的晶体管选择在一个封装件中包括一个场效应晶体管的元件，该元件为飞思卡尔(Freescale)半导体有限公司的产品“MRF21090”。在这种情况下，如图3所示，晶体管的除了电极部分之外的外部尺寸为大约每单元34mm×13.8mm。因此，晶体管部分的安装面积最小需要这些尺寸限定的面积的两倍，即大约9.4cm2的安装面积。
如所提及的，在上述构造的高效率放大器的情况下，因为对于放大元件和开关元件使用分别包括在单独的封装件中的晶体管，所以两个封装件的晶体管的安装面积是必须的，这对于缩小器件尺寸是不利的。另外，所述构造对于降低器件的成本是不利的。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种实现了小型化和更低成本的需要线性和高效率的高频功率放大器。
本发明的高频功率放大器包括：电源单元，所述电源单元包括用于开关的晶体管，该晶体管的漏极-源极或集电极-发射极根据与施加到栅极或基极的高频信号的包络信号相对应的脉冲信号来控制导通/截止，所述电源单元用于通过所述用于开关的晶体管的导通/截止操作来产生与所述包络信号相对应的电压；和用于功率放大的晶体管，该晶体管是源极接地型或发射极接地型，所述电源单元产生的电压被提供到所述用于功率放大的晶体管作为工作电压，其中，所述高频信号被施加到所述栅极或所述基极，其中，在所述电源单元中的所述用于开关的晶体管和所述用于功率放大的晶体管被构造在一个封装件中，使得所述源极或所述发射极被共接。
根据本发明，放大器可以被构造使得它的总尺寸较小，这是因为用于并联运行的包括在一个封装件中的两个晶体管用作构成高效率放大器的用于功率放大的晶体管和用于开关的晶体管，所述高效率放大器使用了如ET或EER技术。
另外，根据本发明，可以实现成本的降低，这是因为可以使用并联运行的包括在一个封装件中的两个晶体管来构造构成高效率放大器的用于功率放大的晶体管和用于开关的晶体管，使得每个晶体管不必通过单个封装件来构造。
从下面参照附图的描述中，本发明的上述和其它目的、特征和优点将变得明显，附图示出了本发明的例子。
附图说明
图1是示出应用EER技术的高效率放大器的例子的示意性框图；
图2是示出在高效率放大器中放大器和电源单元实施在基底上的状态的示意图；
图3是示出在一个封装件中包括一个场效应晶体管的元件的外形尺寸的例子的示图，所述元件可用作高效率放大器的放大元件并可用作电源单元的开关元件；
图4是示出本示例性实施例的高效率功率放大器的构造的一个示例性实施例的电路图；
图5是示出本示例性实施例的高效率放大器中功率放大器和电源单元安装在基底上的状态的示意图；和
图6示出当在一个封装件中包括两个场效应晶体管的元件时的外形尺寸，所述元件用来构造高效率放大器的放大元件和电源单元的开关元件。
具体实施方式
图4是示出本示例性实施例的高效率功率放大器的构造的一个示例性实施例的电路图。
本示例性实施例的高频功率放大器包括用于高频放大的晶体管2和用于开关的晶体管1。在本示例性实施例中，这些晶体管是场效应晶体管。用于高频放大的晶体管2和用于开关的晶体管1包括在一个封装件11中，并且每个晶体管的每个源极共接到地。
为用于高频放大的晶体管2供电的电源单元10包括用于开关的晶体管1、线圈3、二极管4、电容器5和扼流线圈6。电源单元10通过用于放大器的电源输出端对用于高频放大的晶体管2的漏极供电。通过从外部向电源单元10中用于开关的晶体管1输入控制信号来控制供给到用于高频放大的晶体管2的漏极的电源电压。
将参照图4来描述每个部件之间的互连。
如图4所示，线圈3的两端之一连接到电源端101，线圈3的另一端连接到二极管4的阳极。用于开关的晶体管1的栅极连接到输入端102，用于控制电源功能，晶体管1的漏极连接在线圈3和二极管4之间。向电源端101供应恒定的电压(VDD)。
二极管4的阴极连接到扼流线圈6的两端之一。二极管4和扼流线圈6之间的连接部分被通过电容器5连接到地。
高频信号通过放大的信号的输入端105被施加到用于高频放大的晶体管2的栅极。用于高频放大的晶体管2的漏极被连接到扼流线圈6的两端中的另一端，也被连接到放大信号的输出端103。
将描述本示例性实施例的高频功率放大器的操作。
用于高频放大的晶体管2是与图1中所示的高效率放大器中构成功率放大器的晶体管45相对应的晶体管，并且例如，将高频输入信号的相位调制分量信号提供到其栅极。晶体管2的漏极被电源单元10通过扼流线圈6供给电源电压，晶体管2的源极与用于开关的晶体管1的源极一起共接到封装件11的地。
另外，包括线圈3、用于开关的晶体管1、二极管4和电容器5的电源单元10的构造是用于普通DC/DC变换器的开关调压器的构造(见日本专利特许公开第08-275514号)。当用于开关的晶体管1导通时，电流I，I＝(VDD/L)∮lt，在线圈3中流动，将电磁能存储在线圈3中。当用于开关的晶体管1截止时，存储的电磁能通过二极管4转移到电容器5，电容器5的接线端的电压增加到与线圈3中存储的电磁能相对应的电压。
在本示例性实施例中，用于开关的晶体管1的栅极被供有由脉冲信号构成的电源功能控制信号，所述脉冲信号例如是其中脉冲宽度根据高频输入信号的包络信号的电平变化的PWM信号以及其中每单位时间的脉冲数目(即，密度)根据高频输入信号的包络信号电平相应变化的脉冲数目调制(PNM)信号等。
当包络信号的振幅较小时，这个电源功能控制信号通过缩短用于开关的晶体管1的导通持续时间(通过使得脉冲宽度或脉冲密度较小)来减小存储在线圈3中的能量，从而控制用于放大器的电源电压减小。另一方面，当包络信号的振幅较大时，通过延长用于开关的晶体管1的导通持续时间(通过使得脉冲宽度或脉冲密度较大)来提高存储在线圈3中的能量，从而控制用于放大器的电源电压增加。
以这样的方式，通过与藉以这个脉冲信号输入的高频信号的包络信号电平相对应地控制用于开关的晶体管1的导通/截止比，与输入的高频信号的包络信号电平相对应变化的电压被输出到电源单元10的用于放大器的电源输出线104。因此，施加到用于高频放大的晶体管2的信号被放大，使得它的振幅与电源电压相对应地变化，并且振幅调制分量也如实地被再现，由此，可以实现具有低失真和高效率的高频功率放大器。
图5是示出功率放大器和电源单元安装在本示例性实施例的高效率放大器中的基底上的状态的示意图。如图5所示，放大元件(用于高频放大的晶体管2)和开关元件(用于开关的晶体管1)被作为一个封装件11安装在基底上，所述封装件11包括分别为放大元件和开关元件的晶体管2和晶体管1。
在如图1所示的放大器构造中，用于控制放大器的电源功能的放大器和晶体管由分别包括在一个(或多个)封装件中的单独的晶体管构成。相反，在本示例性实施例中，使用在一个封装件中包括两个晶体管的晶体管封装件，所述晶体管之一作为线性放大器操作，所述晶体管中的另一个以开关模式操作，从而构造成放大器。因此，在一个封装件中的晶体管可以构成等价于现有技术中的放大器的放大器，但安装面积更小，使得可以具有小型化以及器件的成本降低的优点。
本示例性实施例的高频功率放大器例如指如下的放大器，在一个封装件中使用包括源极共接(到地)的两个场效应晶体管的用于推挽式放大的元件，场效应晶体管之一用作电源单元10中用于开关的晶体管1，场效应晶体管中的另一个用作用于高频放大的晶体管2。与每个晶体管被实施成单独的元件的情况相比，可以减小用于开关的晶体管1以及用于高频放大的晶体管2在基底中的实施面积。
图6是示出使用在一个封装件中包括两个场效应晶体管的元件来构造用作高效率放大器的放大元件和用于电源单元的开关元件的本示例性实施例的外形尺寸的示例性实施例的示图。
这里，作为一个例子，相似于参照图3的描述，将研究在2GHz的频带中具有90W饱和功率的放大器的构造。假设为了构造根据本示例性实施例的在一个封装件中具有90W的放大器，在一个封装件中包括两个晶体管的飞思卡尔半导体有限公司的产品“MRF5P21180”被用作推挽式放大元件。
在这种情况下，如图6所示，除这个晶体管的电极部分之外的外形尺寸为大约41mm×10mm，实施面积为大约4.1cm2。因此，可以构造出面积(只包括晶体管部分)与传统构造的9.4cm2的面积相比减小43％的放大器，并且可以减小放大器的尺寸，使得甚至包括用于外围电路等的面积的面积被减小到传统的构造的面积的大约一半。
在一个封装件中包括源极共接在所述一个封装件中的两个场效应晶体管的推挽式放大器或平衡放大器的元件的一个例子是上述的产品“MRF5P21180”，所述一个封装件被用来构造作为推挽式放大器或平衡放大器的A类、AB类、B类等功率放大器。
本示例性实施例聚焦于用于推挽式放大器或平衡放大器的元件，其在一个封装件中包括源极被共接的两个场效应晶体管，封装件中的晶体管之一用作放大器，另一个晶体管用作开关元件。因而，通过使用包括在一个封装件中的两个晶体管来构造应用了ET或EER技术等的高效率放大器，实现了需要线性和高效率的功率放大器的小型化和成本降低的目标。
然而，在图1所示的高效放大器中的晶体管45和开关晶体管44被构造使得它们的源极没有被共接。因此，代替上述的用于推挽式放大器或平衡放大器的在一个封装件中包括两个场效应晶体管的元件，在图1中所示的高效放大器中的晶体管45和开关晶体管44不能直接适用。
因而，在本示例性实施例中，包括作为开关元件的源极连接到地的开关晶体管的电源单元被用作对放大元件的晶体管供给操作电压的电源单元。因而，电源单元中放大元件的晶体管的源极和开关元件的晶体管的源极被共接到地。以这样的方式，在封装件中源极被共接的两个场效应晶体管之一作为放大器操作，另一晶体管作为开关元件操作。
高频功率放大器包括构造成推挽式放大器或平衡放大器的放大器，其中，用作A类、AB类和B类等的线性放大器的两个晶体管被包括在一个封装件中。这样的高频功率放大器通过包括在封装件中的两个晶体管分别输出与两个输入信号相对应的两个放大信号。在本示例性实施例中，包括在一个封装件中的被构造成推挽式放大器或平衡放大器的两个场效应晶体管中的一个晶体管作为放大器操作，另一个晶体管作为用于控制放大器的电源功能的开关操作，以实现高效率。以这样的方式，通过使用包括在一个封装件中的两个晶体管，构造出应用ET或EER技术等的高效率放大器，因而能够提供具有更小尺寸且成本更低的用于无线电通信装置等的高效率放大器。
此外，在上述的示例性实施例中，使用在一个封装件中包括两个晶体管的元件，虽然基本构造如上所述，但是通过进一步使用在一个封装件中包括三个或更多个晶体管的元件，每个晶体管还可被布置使得放大器和开关元件分别通过期望数目的晶体管来操作。
此外，在上述的示例性实施例中，用于推挽式放大器或平衡放大器的晶体管被用作并联运行的晶体管，但是并联运行的晶体管不应被认为是对这些放大器的晶体管的限制，可以使用同相位操作两个晶体管的元件。
此外，晶体管不限于场效应晶体管，也可以使用各种类型的器件例如双极型晶体管来构造本示例性实施例。在使用双极型晶体管的情况下，场效应晶体管的源极变成双极型晶体管的发射极，漏极变成集电极，栅极变成基极。
虽然已经使用特定的术语描述了本发明的优选实施例，但是这样的描述只是示例性的，应该理解的是，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下可以作出改变和变型。
本申请基于并要求2006年11月10日提交的第2006-305396号日本专利申请的优先权的利益，该申请的内容通过引用结合于此。

Claims (3)

1.一种高频功率放大器，包括：
电源单元，所述电源单元包括用于开关的晶体管，该晶体管的漏极-源极或集电极-发射极根据与施加到栅极或基极的高频信号的包络信号相对应的脉冲信号来控制导通/截止，所述电源单元用于通过所述用于开关的晶体管的导通/截止操作来产生与所述包络信号相对应的电压，其中所述电源单元包括：
线圈、二极管和电容器，串联连接在电源端和地之间，所述电源端被供有恒定电压，所述线圈连接到所述二极管的阳极；
所述用于开关的晶体管，该晶体管的漏极或集电极连接到所述线圈和所述二极管的连接点，通过将与所述高频信号的所述包络信号相对应的所述脉冲信号施加到所述栅极或所述基极来控制所述用于开关的晶体管的漏极-源极或集电极-发射极的导通/截止；和
扼流线圈，所述扼流线圈用于将与从所述二极管的阴极和所述电容器的连接点供给的所述包络信号相对应的电压供到用于功率放大的晶体管的漏极或集电极，作为工作电压；以及
所述用于功率放大的晶体管，该晶体管是源极接地型或发射极接地型，所述电源单元产生的电压被提供到所述用于功率放大的晶体管作为所述工作电压，其中，所述高频信号的相位调制分量被施加到所述用于功率放大的晶体管的栅极或基极，其中
在所述电源单元中的所述用于开关的晶体管和所述用于功率放大的晶体管被构造在一个封装件中，使得所述用于开关的晶体管和所述用于功率放大的晶体管的源极或发射极被共接。
2.一种高频功率放大器，其包括并联运行的元件，所述元件包括在一个封装件中源极或发射极被共接的两个晶体管，其中，
所述两个晶体管之一用作用于开关的晶体管，另一个用作用于功率放大的晶体管，并且其中：
所述用于开关的晶体管包括与脉冲信号耦合的栅极或基极，所述脉冲信号具有与输入信号的包络信号的电平相对应的脉冲宽度；
所述用于功率放大的晶体管包括与所述输入信号的相位调制分量耦合的栅极或基极；并且
所述用于开关的晶体管和所述用于功率放大的晶体管的所述源极或所述发射极共同耦合至地。
3.一种高频功率放大器，所述高频功率放大器用于结合第一信号和第二信号使用，所述第一信号与高频输入信号的相位调制分量相对应，所述第二信号包括具有与所述高频输入信号的包络相对应的脉冲宽度的脉冲宽度调制信号，所述高频功率放大器包括：
电源单元，所述电源单元包括开关晶体管，所述开关晶体管具有耦合至电压供应端子的漏极或集电极、与所述第二信号耦合的栅极或基极、以及源极或发射极，其中所述电源单元在电源输出端子处提供输出电压，并且所述电源单元包括：
第一线圈，所述第一线圈耦合在所述电压供应端子与所述开关晶体管的所述漏极或集电极之间；
二极管，所述二极管具有耦合至所述开关晶体管的漏极或集电极的阳极、以及通过电容器耦合至地的阴极；以及
第二线圈，所述第二线圈耦合在所述二极管的所述阴极与所述电源输出端子之间；以及
功率放大晶体管，所述功率放大晶体管具有耦合至所述电源输出端子的漏极或集电极、与所述第一信号耦合的栅极或基极、以及源极或发射极，其中所述开关晶体管和所述功率放大晶体管被构造在一个封装件中，使得所述开关晶体管的所述源极或发射极和所述功率放大晶体管的所述源极或发射极共同耦合至地。
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