CN103166579B

CN103166579B - 放大装置

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Publication number: CN103166579B
Application number: CN201210357297.8A
Authority: CN
Inventors: 丹治康纪; 乙部英郎; 乙部英一郎
Original assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Priority date: 2011-12-08
Filing date: 2012-09-21
Publication date: 2016-09-07
Anticipated expiration: 2032-09-21
Also published as: JP5714475B2; US20130147551A1; JP2013121131A; US8860506B2; KR20130064679A; KR101503973B1; CN103166579A

Abstract

提供了一种放大装置，其可防止性能退化，同时降低成本。所述放大装置包括：第一放大器，连接在输入高频信号的输入端子和输出高频信号的输出端子之间，包括双极型晶体管，并且放大从输入端子中输入的高频信号；第二放大器，包括双极型晶体管，放大从输入端子输入的高频信号，并且具有比第一放大器的最大输出功率低的最大输出功率；以及开关单元，连接在第二放大器和输出端子之间，并且通过输出端子选择性地输出由第二放大器放大的高频信号。

Description

放大装置

相关申请的交叉引用

本申请要求于2011年12月8日向日本专利局提交的日本专利申请No.2011-269200的优先权，其公开内容通过引用结合于此。

技术领域

本发明涉及放大装置。

背景技术

接近最大输出时，用于放大无线通信中所使用的高频信号的放大器通常具有优越的附加功率效率（PAE）。然而，在使用放大器的诸如移动电话的通信设备中，最大输出电平的使用频率可较低，而在大约10dB到大约20dB的相对较低输出的使用频率可较高。

为此，在上述通信设备中，具有大约10dB到大约20dB的低输出的PAE极大地影响由电池等内部功率驱动的通信设备的连续使用时间。

在这方面，开关根据进行操作所需要的输出功率放大高频信号时使用的放大器的技术已经得以开发。可提供以下相关技术文献作为开关多个操作模式中每个操作模式的最大输出功率的技术实例。

诸如磷化镓铟异质结双极型晶体管（后文中称为“HBT”）等的高性能双极型晶体管已被用作功率放大器。

同时，通常砷化镓基化合物半导体已被用作开关放大器的开关，即，高电子迁移率晶体管（HEMT）。

为此，诸如使用以下相关技术文献中所公开的技术的放大装置，可根据装置操作所需要的输出功率开关放大高频信号时所使用的放大器的放大装置（或放大器模块）需要组合例如多个半导体芯片，因此包括所组合的半导体芯片，从而导致制造成本的增加或单元尺寸的增大。

此外，近年来，可将磷化镓铟HBT和HEMT构造成单个半导体芯片的复杂工艺已经得以开发。

然而，由于上述工序复杂，使用时会造成成本增加。

【相关技术文献】

日本专利公开号2001-211090

发明内容

本发明的一个方面在于提供一种新的改进的放大装置，其可防止性能退化，同时降低制造成本。

根据本发明的一个方面，提供了一种放大装置，包括：第一放大器，连接在输入高频信号的输入端子和输出高频信号的输出端子之间，包括双极型晶体管，并且放大从输入端子输入的高频信号；第二放大器，包括双极型晶体管，放大从输入端子输入的高频信号，并且具有比第一放大器的最大输出功率低的最大输出功率；以及开关单元，连接在第二放大器和输出端子之间，通过输出端子选择性地输出由第二放大器放大的高频信号，其中，所述开关单元包括：阻抗变压器，安装在第二放大器和输出端子之间的信号线上，进行阻抗转换；第一双极型晶体管，其中，发射极接地，集电极被连接至信号线，根据用于控制开关单元内开关操作的控制电压的电流被施加给基极；以及第二双极型晶体管，其中，集电极接地，发射极被连接至信号线，根据控制电压的电流被施加给基极。

由于这种构造，可确保每个与第一放大器相关的信号路径和与第二放大器相关的信号路径隔离，并且可防止性能退化。此外，由于这种构造，与第一放大器或第二放大器内所包括的双极型晶体管类型相同的双极型晶体管可用作开关单元内所包括的第一和第二双极型晶体管。因此，由于这种构造，可防止性能退化，同时降低成本。

开关单元可进一步包括电容器，该电容器的一端连接到第二双极型晶体管的基极，另一端接地。

第一和第二放大器内包括的双极型晶体管以及开关单元内包括的第一和第二双极型晶体管可由相同的工艺形成。

附图说明

结合附图，通过以下具体实施方式，可更清晰地理解本发明的以上和其他方面、特征和其他优点，其中：

图1为示出根据本发明第一实施方式的放大装置的构造实例的电路图；

图2A为示出根据本发明第一实施方式的开关单元内所包括的第二双极型晶体管的效应的曲线图；

图2B为示出根据本发明第一实施方式的开关单元内所包括的第二双极型晶体管的效应的曲线图；

图3为示出根据本发明第二实施方式的放大装置的构造实例的电路图；

图4A为示出根据本发明第二实施方式的开关单元内所包括的电容器的效应的曲线图；以及

图4B为示出根据本发明第二实施方式的开关单元内所包括的电容器的效应的曲线图。

具体实施方式

现在在后文中参看附图，详细描述本发明的实施例。在本发明的图中，相似的参考数字表示具有大致相同的结构和功能的相似元件，并且不重复描述相同的元件。

根据进行操作所需要的输出功率，切换放大高频信号时所使用的放大器时，可使用以下配置：需要高功率输出时，使用高频放大器放大高频信号，并且需要中功率输出时，使用中功率输出放大高频信号。在本文中，使用上述配置时，适当的是，在进行高功率放大时，关闭中功率放大器的功率，不会不利地影响高功率放大路径，并且进行中功率放大时，关闭高功率放大器的功率，不会不利地影响中功率放大路径。

然而，简单地并联具有不同输出功率的放大器时，由于高频信号的性能，放大器之间的相互阻抗会退化放大器内的放大性能。

结果，在根据本发明的实施例的放大装置内，在放大器之间的连接点处提供开关单元，从而确保相互分离并且防止性能退化。

在后文中，作为根据本发明的实施例的开关单元，描述打开和关闭单极单投（SPST）交换机，用于分别切换一个输入和一个输出。此外，为了便于描述，描述一个输入和一个输出的SPST，但是根据本发明的实施例的开关单元不限于SPST交换机。比如，根据本发明的实施例的开关单元可为将一个输入和至少两个输出打开和关闭的交换机。根据本发明的实施例的开关单元可这样包括各种交换机，从而包括一个或至少两个开关单元。

（第一实施方式）

图1为示出根据本发明第一实施方式的放大装置的构造实例的电路图。

放大装置100包括输入高频信号的输入端子（Pin）、输出高频信号的输出端子（Pout）、第一放大器102、第二放大器104和开关单元106。

在本文中，可用于无线通信中的频率信号（比如，30kHz到300GHz的信号），例如长波、中波、短波、超短波、超高短波、微波、毫米波等等，可用作根据本发明实施方式的高频信号。此外，根据本发明实施方式的高频信号不限于此。

例如，根据本发明实施方式的高频信号可为低于30kHz的频率信号或300GHz以上的频率信号。

第一放大器102连接在输入端子（Pin）和输出端子（Pout）之间。此外，第一放大器102包括双极型晶体管，并且放大从输入端子（Pin）输入的高频信号。

在本文中，诸如磷化镓铟HBT或磷化铟HBT的化合物基HBT（heterojunction bipolar transistor，异质结双极型晶体管）、诸如锗化硅HBT的CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体）基HBT、或者诸如锗化硅HBT和块状CMOS的复杂工艺中的硅锗SiGeBiCMOS等使用常用工艺的HBT可作为构成第一放大器102的双极型晶体管的实例。此外，根据本发明实施方式的双极型晶体管不限于此。

此外，在第一放大器102可放大高频信号同时包括双极型晶体管的情况下，可使用任意的构造。

第二放大器104包括双极型晶体管，并且放大从输入端子（Pin）输入的高频信号。此外，第二放大器104的最大输出功率比第一放大器102的最大输出功率低。更具体地，第二放大器104包括尺寸比第一放大器102内所包括的晶体管的尺寸小的晶体管。此外，根据本发明实施方式的第二放大器104的最大输出功率比第一放大器102的最大输出功率低时，第二放大器104可不包括尺寸比第一放大器102内所包括的晶体管的尺寸小的晶体管。在后文中将描述第二放大器104内所包括的晶体管的尺寸比第一放大器102内所包括的晶体管的尺寸小的实例。

在本文中，诸如磷化镓铟HBT的化合物基HBT、诸如锗化硅HBT的硅基HBT、或者诸如锗化硅HBT和块状CMOS的复杂工艺中的SiGeBiCMOS的使用常用工艺的HBT可以以与构成第一放大器102的双极型晶体管的方式相似的方式作为构成第二放大器104的双极型晶体管的实例。此外，构成第二放大器104的双极型晶体管可以由与形成第一放大器102的双极型晶体管的工艺相同的工艺形成。

此外，只要第二放大器104可放大高频信号同时其内包括双极型晶体管，那么可使用任意构造。

此外，第二放大器104的晶体管的尺寸根据第二放大器104的应用设置。更具体地，当第一放大器102为用于高功率放大的放大器时，第二放大器104的晶体管的尺寸被设置为使得与低于相应的高功率的中功率放大或低功率放大对应，当第一放大器102为用于中功率放大的放大器时，第二放大器104的晶体管的尺寸被设置为使得与低于相应的中功率的低功率放大对应。

开关单元106连接在第二放大器104和输出端子（Pout）之间，并且通过输出端子（Pout）选择性地输出由第二放大器104放大的高频信号。换言之，开关单元106能够选择性地使第二放大器104起作用。

[1]开关单元106的构造

开关单元106包括阻抗变压器（MSTL）、第一双极型晶体管（TR1）以及第二双极型晶体管（TR2）。

此外，在开关单元106内，根据控制电压（Vc0）和控制电压（Vc1）的电压电平（高电平/低电平）控制接通和断开开关操作。更具体地，例如，在控制电压（Vc0）的电压电平被固定为高电平的情况下当控制电压（Vc1）的电压电平为低电平时，开关单元106接通，以及当控制电压（Vc1）的电压电平为高电平时，开关单元106断开。

阻抗变压器（MSTL）安装在第二放大器104和输出端子（Pout）之间的信号线上，从高电阻转换成低电阻，以及从低电阻转换成高电阻。

在本文中，使用频率的1/4波长线可作为阻抗变压器（MSTL）的实例。

在第一双极型晶体管（TR1）中，发射极接地，集电极被连接至信号线，根据控制电压（Vc1）的电流被施加给基极。

在本文中，诸如磷化镓铟HBT或磷化铟HBT的化合物基HBT、诸如锗化硅HBT的硅基HBT、或者诸如锗化硅HBT和块状CMOS的复杂工艺中的SiGeBiCMOS的使用常用工艺的HBT可作为第一双极型晶体管（TR1）的实例。此外，本发明不限于以上所述的根据本发明实施方式的第一双极型晶体管（TR1）。此外，开关单元106包括与构成第一放大器102或第二放大器104的双极型晶体管类型相同的双极型晶体管，作为第一双极型晶体管（TR1）。

在第二双极型晶体管（TR2）中，集电极接地，发射极被连接到信号线，根据控制电压（Vc1）的电流被施加给基极。

在本文中，与第一双极型晶体管（TR1）一样，诸如磷化镓铟HBT或磷化铟HBT的化合物基HBT、诸如锗化硅HBT的硅基的HBT、或者诸如锗化硅HBT和块状CMOS的复杂工艺中的SiGeBiCMOS的使用常用工艺的HBT可作为第二双极型晶体管（TR2）的实例。此外，本发明不限于以上所描述的根据本发明实施方式的第二双极型晶体管（TR2）。此外，开关单元106包括类型与构成第一放大器102或第二放大器104的双极型晶体管的类型相同的双极型晶体管作为第二双极型晶体管（TR2）。

[2]在开关单元106中开关操作的实例

在下文中将描述开关单元106的开关操作实例。

（1）开关单元106被断开时，在操作第一放大器102而未操作第二放大器104的情况下，可提供以下情况。

例如，当控制电压（Vc0）的电压电平为高电平并且控制电压（Vc1）的电压电平为高电平时，第一双极型晶体管（TR1）和第二双极型晶体管（TR2）导通。在这种情况下，在图1中所示的点（A）处，获得相对于地面的短路状态。此外，通过阻抗变压器（MSTL），在图1中所示的点（B）处获得打开状态，与第二放大器104相关的信号路径不会影响与第一放大器102相关的信号路径。

在本文中，在开关单元106不包括第二双极型晶体管（TR2）的情况下，在图1中所示的点（A）处，高频信号的正振幅被第一双极型晶体管（TR1）短路。然而，在开关单元106不包括第二双极型晶体管（TR2）的情况下，第一双极型晶体管（TR1）的电流不在相对于高频信号的负振幅的反方向流动，因此，在图1中所示的点（A）处高频信号的负振幅不被短路。

另一方面，根据本发明第一实施方式的开关单元106包括第二双极型晶体管（TR2），其中，发射极和集电极以相对于第一双极型晶体管（TR1）相反的方式连接，如图1中所示，因此，负振幅的电流可流动。因此，在图1中所示的点（A）处，开关单元106可维持高频信号的短路状态。

图2A和图2B为示出根据本发明第一实施方式的开关单元内所包括的第二双极型晶体管（TR2）的效应的曲线图。在图2A中，示出了分别在开关单元包括第二双极型晶体管（TR2）以及开关单元不包括第二双极型晶体管（TR2）的情况下在第一放大器102和输出端子（Pout）之间插入损耗相对于高频信号功率的关系。此外，在图2B中，示出了分别在开关单元包括第二双极型晶体管（TR2）以及开关单元不包括第二双极型晶体管（TR2）的情况下，在第一放大器102和输出端子（Pout）之间IMD（互调失真）相对于高频信号功率的关系。在本文中，图2A和图2B中所示的（A）指示在开关单元包括第二双极型晶体管（TR2）的情况下的特性实例，图2A和图2B中所示的（B）指示在开关单元不包括第二双极型晶体管（TR2）的情况下的特性实例。

如图2A所示，通过在开关单元106中包括第二双极型晶体管（TR2），第一放大器102和输出端子（Pout）之间的插入损耗可小于在开关单元106不包括第二双极型晶体管（TR2）的情况下第一放大器102和输出端子（Pout）之间的插入损耗。此外，如图2B所示，通过在开关单元106包括第二双极型晶体管（TR2），IMD可小于在开关单元106不包括第二双极型晶体管（TR2）的情况下的IMD。

（2）开关单元106被导通时，在未操作第一放大器102但操作第二放大器104的情况下，可提供以下情况。

例如，当控制电压（Vc0）的电压电平为高电平并且控制电压（Vc1）的电压电平为低电平时，第一双极型晶体管（TR1）和第二双极型晶体管（TR2）被截止。因此，第二放大器104和输出端子（Pout）之间的插入损耗，即，与第二放大器104相关的信号路径的插入损耗可相对地进一步减少。

在本文中，在图1中，根据本发明实施方式的开关单元未被设置在第一放大器102和输出终端（Pout）之间，即，与第一放大器102相关的信号路径上，这是因为第一放大器102的晶体管的尺寸大于第二放大器104的晶体管的尺寸，从而在图1中所示的（B）点处，抑制使用未操作第一放大器102时所提供的阻抗造成的影响。即，虽然在图1中进行了省略，但是根据本发明第一实施方式的放大装置可在与第一放大器102相关的信号路径上包括构造与开关单元106的构造相同的开关。

根据本发明第一实施方式的放大装置100包括图1中所示的开关单元106，因此可确保每个与第一放大器102相关的信号路径和与第二放大器104相关的信号路径隔离，并且可防止性能退化。

此外，放大装置100可包括分别包括在第一放大器102和第二放大器104中的双极型晶体管以及包括在开关单元106中的第一和第二双极型晶体管（TR1）和（TR2），并且在本文中，双极型晶体管可具有与例如磷化镓铟HBT等相同的类型。即，分别包括在第一放大器102和第二放大器104内的双极型晶体管以及包括在开关单元106内的第一和第二双极型晶体管（TR1）和（TR2）由相同的工艺形成。在本文中，根据本发明实施方式的“由相同的工艺形成”表示分别包括在第一放大器102和第二放大器104中的双极型晶体管以及包括在开关单元106中的第一和第二双极型晶体管（TR1）和（TR2）同时由相同的工艺形成，或者由不同的工艺分别形成。

因此，在放大装置100中，可能由放大器和开关包括由不同的半导体工艺制造的多个其他半导体芯片的情况造成放大装置（或放大模块）的尺寸增大、成本增大、以及组装时不平衡性增大的可能性减小。此外，比如，放大装置100可防止由于工艺价格的增高（例如，使用可将磷化镓铟HBT和HEMT构造成单芯片的复杂工艺时）导致成本增高。

因此，放大装置100可防止性能退化，同时降低成本。

（第二实施方式）

根据本发明实施方式的放大装置的构造不限于图1中所示的构造。图3为示出根据本发明第二实施方式的放大装置200的构造实例的电路图。

在本文中，放大装置200与根据图1中所示的第一实施方式的放大装置100相比，放大装置200基本上具有与图1中所示的放大装置100相同的构造，但是开关单元202的构造与图1中所示的开关单元106不同。更具体地，除了图1中所示的开关单元106的构造，开关单元202可进一步包括电容器C1，该电容器的一端连接到第二双极型晶体管（TR2）的基极，另一端接地。

电容器（C1）可用于降低在开关单元202处于接通状态的情况下（即，第一双极型晶体管（TR1）和第二双极型晶体管（TR2）均处于截止状态）第二放大器104和输出端子（Pout）之间的插入损耗增大以及发生失真退化的可能性。

在本文中，当开关单元202处于接通状态时，第二双极型晶体管（TR2）需要保持截止状态。然而，开关单元202不包括电容器（C1）的情况下，当从输入端子（Pin）输入的高频信号为高功率信号时，高频振幅泄漏到第二双极型晶体管（TR2）的基极中，从而不能保持第二双极型晶体管（TR2）的截止状态。

另一方面，如图3中所示，根据本发明第二实施方式的开关单元202包括电容器（C1），该电容器的一端连接到第二双极型晶体管（TR2）的基极，另一端接地，因此，通过相对于高频振幅稳定第二双极型晶体管（TR2）的基极电势，可防止第二双极型晶体管（TR2）不能保持截止状态。

在本文中，被高频短路的电容量可作为电容器（C1）的电容量的实例。更具体地，相对于1GHz频率的大约2pF的电容量可被用作电容器（C1）的电容量。此外，根据本发明实施方式的电容器（C1）电容量不限于此。

图4A和图4B为示出根据本发明第二实施方式的开关单元内所包括的电容器（C1）的效应的曲线图。在图4A中，示出了分别在开关单元包括电容器（C1）以及开关单元不包括电容器（C1）的情况下在第二放大器104和输出端子（Pout）之间插入损耗相对于高频信号功率的关系。此外，在图4B中，示出了分别在开关单元包括电容器（C1）以及开关单元不包括电容器（C1）的情况下在第二放大器104和输出端子（Pout）之间IMD相对于高频信号功率的关系。在本文中，图4A和图4B中所示的（A）指示在开关单元包括电容器（C1）的情况下的特性实例，图4A和图4B中所示的（B）指示在开关单元不包括电容器（C1）的情况下的特性实例。

如图4A所示，通过在开关单元202中包括电容器（C1），第二放大器104和输出端子（Pout）之间的插入损耗可小于在开关单元202不包括电容器的情况下第二放大器104和输出端子（Pout）之间的插入损耗。此外，如图4B所示，通过在开关单元202中包括电容器（C1），IMD可小于在开关单元202不包括电容器（C1）的情况下的IMD。

根据本发明第二实施方式的放大装置200可具有图3中所示的构造，因此，与根据图1中所示的第一实施方式的放大装置100相比，在放大装置200内可进一步减小相对于高频信号振幅的失真，并且可实现开关单元202内的开关。此外，放大装置200可具有图3中所示的构造，因此，甚至在高频信号为高功率信号的情况下也可减少失真。

此外，放大装置200基本上具有与根据图1中所示的第一实施方式的放大装置100的构造相同的构造。因此，以与图1中所示的放大装置100的方式相似的方式，放大装置200可防止性能退化，同时降低成本。

（另一实施方式）

根据本发明实施方式的放大装置的构造不限于根据图1中所示的第一实施方式的构造或者根据图3所示的第二实施方式的构造。

例如，在图1和图3中提供开关两个输出功率的构造实例，但是根据本发明实施方式的放大装置可包括每个放大器和输出端子之间的根据本发明实施方式的开关单元，从而，可使用开关至少三个输出功率的构造。

此外，根据本发明实施方式的放大装置可进一步包括在每个放大器输入侧（例如，图1和图3的点（C）侧）上根据本发明实施方式的开关单元。

同样，已经描述了根据本发明实施方式的放大装置，但是本发明的实施方式不限于此。本发明的实施方式可用于不同的装置中，这些装置可处理高频信号，例如诸如移动电话或智能电话的通信装置、诸如PC（个人电脑）或服务器的计算机、诸如电视机的显示装置、视频/音乐播放器（或视频/音乐记录装置）等等。此外，本发明的实施方式可用于放大模块（或放大IC（集成电路））中，该放大模块可结合到上述装置内。

例如，可使用图1中所示的开关单元100和图3中所示的开关单元200（包括根据修改实例的开关）的等效电路，构造根据本发明实施方式的放大装置中包括的根据本发明实施方式的开关单元。

如上所述，根据本发明的实施方式，可防止性能退化，同时降低成本。

尽管已经结合实施方式示出和描述了本发明，但对于本领域的技术人员而言，在不背离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围的情况下，显然可进行修改和变型。

Claims

1.一种放大装置，包括：

第一放大器，连接在输入高频信号的输入端子和输出高频信号的输出端子之间，包括双极型晶体管，放大从所述输入端子输入的高频信号；

第二放大器，包括双极型晶体管，放大从所述输入端子输入的高频信号，具有比所述第一放大器的最大输出功率低的最大输出功率；以及

开关单元，连接在所述第二放大器和所述输出端子之间，通过所述输出端子选择性地输出由所述第二放大器放大的高频信号，所述开关单元包括：

阻抗变压器，安装在所述第二放大器和所述输出端子之间的信号线上，执行阻抗转换，

第一双极型晶体管，其中，发射极接地，集电极被连接至所述信号线，根据用于控制所述开关单元中开关操作的控制电压的电流被施加给基极，以及

第二双极型晶体管，其中，集电极接地，发射极被连接至所述信号线，根据所述控制电压的所述电流被施加给基极。

2.根据权利要求1所述的放大装置，其中，所述开关单元进一步包括电容器，所述电容器的一端被连接至所述第二双极型晶体管的基极，另一端接地。

3.根据权利要求1或2所述的放大装置，其中，所述第一放大器和所述第二放大器中包括的所述双极型晶体管以及所述开关单元中包括的所述第一双极型晶体管和所述第二双极型晶体管由相同的工艺形成。