CN1327529C - 通过两个功率晶体管的交织结构来改善放大器电路内的散热 - Google Patents
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Abstract
在电子信号处理电路的输出级中，例如：用于移动电话机的发射的电子信号处理电路的输出级，该放大器电路包括FET型的两只功率晶体管(A，B)。这些功率晶体管被用于放大如双波段电话机中不同波长段的不同信号并且不被同时使用。每只功率晶体管包括多个单元晶体管(19，21)或“指”，这些单元晶体管被叉指组合以形成交织布局，一个晶体管的单元晶体管同另一个晶体管的单元晶体管相交替。由此，当单元晶体管位于两个几何上分开的组内时，可以接收该单元晶体管耗散的热量的有效面积是该单元晶体管使用面积的二倍，从而允许在每个晶体管单元上有较高的功率负载。
Description
技术领域
本发明涉及一种适合于放大至少两个不同信号，例如两个不同波长段信号的放大器电路。
背景技术
在与移动台通信的过程中，现今需要使用不同的标准，这些标准可能要求适用于相应放大方法的调制方法，因此要求不同的放大器设计。在不同的标准中还使用不同的波长段。在双波段移动台内该台可以在两个不同波长段内接收和发射信号，例如GSM使用1800MHz的波长，而AMPS使用800MHz的波长。
在如移动电话机的移动台内，功率放大器被用在从该台发射信号的最后级。在该功率放大器内，功率晶体管用于放大信号。这些晶体管通常包括各种设计的FET(场效应晶体管)。不同标准所要求的输出功率对相应的波长段可能是不同的，因此必须驱动输出FET产生对每个波段不同的输出功率。例如，对900MHz可能要求3.5W的输出功率，对1800MHz可能要求1.6W的输出功率。现在有着使用不同波长段的多个标准，如AMPS如上面提到的那样用800MHz，GSM用900和1800MHz，而PCS用1900MHz。而且由于使用要求特别选定的工作点等的不同调制方法，所以针对不同标准，其输出晶体管的设计必须有别。
用作输出放大器的FET只能被设计成对一个具体的小范围输出功率产生最佳的功率输出。图1中，在例如包括恒定漏-源电压，恒定负载电阻，仅有平均栅-源变化的某些特殊假设之下，给出了一只FET的效率η随输出功率的变化关系图。在图1中，画出了二条曲线图，一条曲线是按照某种标准对在900MHz发射的输出功率优化的FET效率，而另一条曲线则是按照某一类似的但要求较低输出功率的标准对在1800MHz发射的输出功率优化的另一个FET的效率。这些相应的晶体管只能用于低于阴影区的区域。适合的工作点由虚线表示。在该图中，观察到被设计成最佳工作以提供900MHz所要求的功率的FET，当在这些假设之下用于在如1800MHz的较同频率下提供较低的输出功率时，其效率变低。因此，通常很难对多模功率放大器设计出优化的单一输出FET。在图1的实例中，应该使用不同的FET，这些FET被设计成在两个频率下能最好地提供所需的输出功率。因此这两只FET，例如每只可以有适合于提供相应输出功率的尽可能小的面积。
但是，还必须考虑FET的功率消耗和冷却。总的来说，利用标准网络从移动台发射数据的需求在增长。在这种网络中，用于与被考虑基站的通信时间被划分成时隙(time slot)，使得从被考虑移动台的发射可以说多数是在各第八时隙进行的。这就是说，如果FET是这对特殊输出功率而设计的，那么其功率消耗和功率耗散仅相应于连续发射所要求量的1/8。当需要数据发射时，可以将更多的时隙，例如一组全部8个时隙的2个或3个时隙，分配给移动台。反过来又意味着必须将功率放大器和包含在其中的FET设计成用于这种较高平均输出功率，因此该功率电路的冷却也必须改进。这样通常要求必须显著增加FET的面积以提高将热量从晶体管的导出的能力。
在美国专利4,276,516和4,682,197中公开了用于B类功率放大器的相互交叉的双极晶体管结构，在这种结构中，相邻指包括互补晶体管，在这类放大器内该晶体管通常是交替地接通的。
发明内容
本发明的目的是针对两个不同的波长段提供一种有着有效冷却和充分利用芯片面积的放大器电路。
因此，本发明要解决的总是是如何集成用于放大两个波长段信号所需的不同晶体管集成使之在半导体芯片上只占据一个小的面积，并且使晶体管的定位能有效地将该晶体管耗散的功率传导出去。
在一种场效应晶体管结构中，例如用在信号处理电路的输出级的场效应晶体管结构中，每只单个的晶体管包括多个“指”，这种指是单元或被布置以形成一行或排的单元晶体管。通过将这些指相互交叉组合使属于一个功率晶体管的单元晶体管与属于另一个功率晶体管的晶体管交替，使每个单元晶体管具有接收该单元晶体管产生的热量的大的芯片表面面积。这一点的先决条件是假定在每一瞬间只有一个功率晶体管是激活的，这种条件，例如，在利用不同波长段进行通信并且每波长段有其自己的功率晶体管的情况下，可以成立。
因此单元晶体管被汇集成组以形成用于不同目的场效应晶体管部件(unit)。一个晶体管部件可以供诸如较低频率段要求多个电输出功率放大波长信号或波长段信号之用。由于这种晶体管部件必须供给大输出功率的输出信号，因此这种晶体管部件要求大的芯片面积。另一种晶体管部件可以要求较小的面积，因为它被激活时产生的热量较少，这种晶体管部件例如可以供放大较高频率的信号之用。因此第一晶体管部件的单元晶体管数可以大于第二晶体管部件的单元晶体管数。另一种办法是将第二晶体管部件的单元晶体管与之组合可以使每个占有的面积小于第二晶体管部件的单元晶体管占有的面积。
附图说明
参照附图将对本发明进行描述，但这种描述并不限于一种实施方案，其中：
图1是功率场效应管(FET)的效率随输出功率的变化关系图，
图2a是单只FET指的示意顶视图，
图2b是FET的电路符号，
图3展示在移动单元通信系统内对不同通信信道使用不同输出FET的原理图，
图4是类似于图3的原理图，展示叉指式单元FET，
图5a是与图2a相似的原理图，展示在图3的实施方案中FET的布局和有着公共源极和漏极的FET指的并置情况，
图5b是与图5a相类似的原理图，展示允许较大负载的FET的布局，
图5c是与图5a相类似的原理图，展示允许有较大负载和要求最小空间的FET布局，
图6a是与图5a相类似的原理图，展示允许有较大负载和要求最小空间的FET的另一种布局，
图6b是与图6a所示FET等价的电路图，
图7是允许有大的负载和要求很少空间的叉指式FET的另一种结构图，它与图3相似，
图8是允许有大的负载和要求很少空间的叉指式FET的又一种结构图，它与图3相似，和
图9a和图9b分别与图6a和图6b相类似，展示出源极被很好分隔的FET布局。
具体实施方式
为功率放大器制造的场效应晶体管，例如用于移动台的，通常是将多个小的或单元FET制成并联以产生所谓的多指结构。如上面所见，这种FET的单元指1的原理示于图2a。其源极3和漏极5被视为拉长的矩形平行区，这些区的纵向相互平行并且与位于该源极和漏极之间的栅极区7的纵向平行。该栅极区7通常是用位于某种电绝缘层顶部的金属层制成的。给栅极7的信号是作为调制源极和漏极间电流的电压提供的。图2a和图2b中示出的该FET的等效电路图。
图3的原理图示出了与基站11，13通信的双段移动台9。该移动台的天线15和接收机电路17相连，并通过功率FET19，21连接到发射机信号处理电路23。该FET被布置成包括FET单元19，21的两组A和B，如图2a所示每个FET单元在芯片上占有一个拉长的矩形区而每个区是一个单元指1。第一组A的FET19准备用于放大较低波长的信号，必须能够提供高输出功率，因而该组占用的总面积大于准备用于较高波长段的第二组B的FET21的面积。就是说，如果两组FET的单元指有着相等的长度并因此占有相同的面积，则第一FET需要比第二FET更多的指。FET19的第一组A包括5个指，这些指的栅极与发射机信号处理电路23的一个输出终端相并联，而FET21的第二组B包括较小数量的指，此种情况下为4只指，这些指的栅极同发射机电路23的另一输出终端相并联。第一组A的FET19的全部区域在物理上或几何上同第二组的FET21占用的全部区域相分离。图5a的原理图详细示出了这些指的布局。在该图中，天线15连接到A，B各组的单元FET的漏极5，而每组的FET的源极并联至例如公共地。
但是，例如在时分多路复用系统中，使用多个时隙使单元FET19，21必须承担更多负载的情形下，将会对每只FET单元进行更强加热，必须在芯片上留给它们更多的空间，如图5b所示。这种额外的空间需求可以高达用在图5a所示布局中的空间的50-100％。由于移动台9的发射总是在单一波长段上，即900MHz或1900MHz，因此每组的FET不是同时工作或激励的，可以将他们加以交织使之在一个处于激励的组内的大多数单元FET被至少一只非激励的单元FET所分隔。从而使所产生的热量分布到较大的面积并被导出。那么大多数单元FET在芯片上的有效空间等于该单元FET面积的二倍。这种布局详细地示于图5c，从图4也清晰可见。这里当不考虑最靠边的FET时，一组中的每一个单元FET位于另一组的单元FET之间。每个单元指的矩形区因此而交织或成叉指式以形成一种矩形区域的结构或形式，这种矩形区域平行于它们的长边并相互有着均匀的间隔。
在如图5a所示的指的布局中，一个指的漏极直接位于相邻指的漏极一侧，使得该FET指呈镜像，即：每组的每第二个指相同，即每组内第一，第三和第五指相同，而每组内第二和第四指相同。在本实施方案中采用了相同的布置，即：相邻晶体管的漏极或源极直接位于相互的一侧。因此所有第二指是相同的，即第一，第三，第五，第七，第九指相同并构成FET的第一组A，而第二，第四，第八，第十指相同并构成FET的第二组B。
在某些情况下，将每组的FET成对地布置可能是有益的。这种布局如图6a所示。因此最靠边的FET属于A组，紧接着靠里的两只FET属于B组，再往里的两只FET属于A组，等等。图6a的电路等效图由图6b示出。
因为在单元FET19，21的列或行的两端，芯片的冷却可能会更好，所以在两端可以有更多要求高功率的FET。这种结构由图7示出。在该结构的中部，如沿着垂直于单元区1长边的横向所见，所有第二FET指属于FET的第一组A，而所有另外的第二FET指属于FET的第二组B。更多第一组的单元FET，此处是一对FET19，被分布在同一方向所见结构的两端，因为正如已经观察到的那样，在两端其热量更容易从该区内传导出去。
图8中示出了另一种实施方案。正如图4的实施方案那样，此处FET的第一组A的指19’严格地与第二组B的指21交织。为了使第一组的FET有较大的总面积，分给这组的指19’的长度大于第二组的指FET21的长度。这种实施方案在使用芯片的面积方面明显地不如图5c，图6和图7所示的实施方案那样有效。
在某些情况下不可以将不同晶体管的源极相互直接安置，因为这种安排会引发激励和非激励晶体管之间的串音从而使非激励晶体管也输出某种输出信号。因此该场效应晶体管的单元晶体管的源极必须用如在图9a内所示的具有合适宽度的间隔带或间隙分隔开。这样场效应晶体管完全实现电隔离，而该场效就绪晶体管所占的总面积会有所增加。图9b示出了相应的电路图。
Claims (6)
1.一种放大信号的放大器电路，该电路包括至少两只功率场效应晶体管，第一功率场效应晶体管和不同于第一功率场效应晶体管的第二功率场效应晶体管，第一功率场效应晶体管被布置成放大第一信号而第二功率场效应晶体管被布置成放大第二信号，每一个功率场效应晶体管包括多个单元晶体管，该功率场效应晶体管和单元晶体管具有源极、栅极和漏极，其特征在于：第一功率场效应晶体管的单元晶体管与第二功率场效应晶体管的单元晶体管交替排列，并且包含在第一功率场效应晶体管内和位于包含在第二功率场效应晶体管内的两个单元晶体管之间的每个单元晶体管具有它的源极和它的漏极，它的源极直接位于包含在第二功率场效应晶体管内并位于包括在第一功率场效应晶体管内的单元晶体管一侧的单元晶体管的源极处；它的漏极位于包含在第二功率场效应晶体管内并位于包含在第一功率场效应晶体管内的单元晶体管的不同的一侧的另一个单元晶体管的漏极处。
2.根据权利要求1的放大器电路，其特征在于：该电路被用来放大第一和第二信号，这二个信号之一仅存在于每一瞬间，使得当第一功率场效应管激活时第二功率场效应管为非激活状态，反之亦然，由此，该功率场效应晶体管中激活晶体管的单元晶体管被非激活功率场效应晶体管的单元晶体管所在的空间分隔开。
3.根据权利要求1或者2的放大器电路，其特征在于：该电路被用来放大至少两个波长段的信号，第一信号包括在一个波长段内，该波长段同包括第二信号的波长段分开。
4.根据权利要求1或者2的放大器电路，其特征在于：该单元晶体管占用电路板表面的矩形区，该矩形区具有相对的长边和相对的短边，该单元晶体管的矩形区的一个长边位于另一单元晶体管的矩形区的一个长边。
5.根据权利要求4的放大器电路，其特征在于：第一功率场效应晶体管的单元晶体管的矩形区和/或第二功率场效应晶体管的单元晶体管的矩形区相同。
6.根据权利要求4的放大器电路，其特征在于：第一功率场效应晶体管的单元晶体管的矩形区大于第二功率场效应晶体管的单元晶体管的矩形区。
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