CN1422455A - 功率放大器模块 - Google Patents

Abstract

在由多数放大器构成的功率放大器模块的每一级上设置模拟放大器工作的基准放大器，根据输入功率电平，对在该基准放大器核心的双极性晶体管基极上流过的电流进行检测、放大，作为上述放大器核心的晶体管的基极电流供给。

Description

功率放大器模块

技术领域

本发明是关于在移动通信系统中所使用的便携式终端机用的功率放大器模块，特别是追求高效率及线性的蜂窝式电话系统用的功率放大器模块。

背景技术

有关功率放大器模块的现有技术，有特开平7-154169号公报及美国专利第5,629,648号。

近些年来，代表蜂窝式电话系统的移动通信市场增长显著，正在引入宽带CDMA方式及EDGE方式等新的系统。在这样的系统中，要求便携式终端机高效率及高线性，特别是在作为终端机主要部件之一的功率放大器模块上，同时实现这些相反的性能要求成为大的课题。此前为了解决这一课题进行了很多尝试，其代表例一般考虑是检测功率放大器模块的输入功率电平，通过该信号控制构成功率放大器模块的后级放大器的工作状态的方式。例如在图3中所示的先行研究技术例中，通过在由方向性耦合器106、检波二极管107、低通滤波器108构成的直流电压发生电路103，对前级放大器102的输出信号进行包络线检波及平滑处理得到的直流电压，对构成后级放大器101的晶体管111的栅极电压进行控制。该直流电压对应于输入到端子104上的功率电平而增减，即，后级放大器101的栅极电压根据输入功率电平进行控制。另外，在图4中所示的先行研究技术例中，由电源电压控制电路203检测第1放大器201的电源电流，同时产生对应于该电流值的电源电压，对第2放大器202的电源电压进行控制。由于第1放大器201的电源电流对应于输入到端子204的功率电平而变化，从而第2放大器202的电源电压根据输入功率电平进行控制。

在上述图3的先行研究技术例中，需要对前级放大器102的输出功率电平进行包络线检波及平滑处理的直流电压发生电路103。但是，该直流电压发生电路103需要在放大器101、102之外另行设置，存在对于制造偏差、周围温度、及电源电压等环境条件变动，很难在无调整的情况下总是保证稳定特性的问题。而且，由于由方向性耦合器106、检波二极管107、低通滤波器108等性质不同的部件构成直流电压发生电路103、所以存在与放大器101、102间的集成化困难的问题。

在图4的先行研究技术例中，作为控制第2放大器202的电源电压控制电路203，需要采用DC-DC变换器。但是DC-DC变换器的使用将成为妨碍与放大器间的集成化的因素，并且存在引起模块大型化及成本上升的问题。

另外也可以考虑现有技术的上述美国专利第5,629,648号中所公开的电路方式，但是在该方式中，由于基准晶体管的输出，即本体晶体管的基极输入的偏置点电压随着输入振幅的变化几乎不变，所以存在在本体晶体管的工作点上下几乎不能有效起作用的问题。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术及先行研究技术的问题，提供一种具有高效率、高线性、同时集成化容易、而且低成本的功率放大器模块。

本发明为了达到上述目的，构成功率放大器模块的特征在于：新设置了模拟构成功率放大器模块的各级放大器工作的基准放大器，根据输入功率电平，对该基准放大器的输入端流过的电流进行检测、放大、可以作为上述放大器的输入电流供给。

在本发明中，输入信号通过个别的电容供给基准放大器和各级放大器。这时，虽然在基准放大器的输入端流过对应于输入功率电平的电流，但是在各级放大器的输入端却不流过电流。其原因是对基准放大器的输入电流的直流成分进行检测、放大，如果对各级放大器的输入供给电流，则各级放大器开始高频工作。当输入功率电平上升时，由于基准放大器的输入电流增加，所以供给各级放大器的输入电流也增加。反之，当输入功率电平下降时，基准放大器的输入电流减少，供给各级放大器的输入电流也减少。即，由于可以设定对应于输入功率的工作点，所以在小的输入功率时也可以得到比较高的效率。

附图说明

图1是表示本发明一实施例的图。

图2是表示本发明一实施例的图。

图3是表示先行研究技术例的图。

图4是表示先行研究技术例的图。

图5是表示本发明一实施例的制造偏差图。

图6是表示本发明一实施例的电路构成图。

图7是表示本发明一实施例的安装状态图。

图8是表示本发明一实施例的图。

图9是表示本发明一实施例的图。

图10是表示本发明一实施例的图。

图11是表示本发明一实施例的电路构成图。

具体实施方式

功率放大器模块一般由2级或3级单位放大器构成。图1表示构成本发明中的功率放大器模块的单位放大器一实施例。本实施例的单位放大器的构成包括：对输入信号进行功率放大的放大器1、对应于输入功率电平产生输入电流直流成分的基准放大器2、对该直流成分进行电流放大，将该电流供给放大器1的直流电流放大器3、及输入输出匹配电路8、9、耦合电容6、7。在此，当构成放大器1及基准放大器2的晶体管11和12的尺寸比为n∶1时，直流电流放大器3的电流放大率设定在n倍以上。由于该电流放大率越大，输出时的失真降低效果越大，所以在设计阶段根据失真降低的目标值设定电流放大率。在本实施例中，基准放大器2和放大器1共用输入输出匹配电路8、9，使放大器1和基准放大器2的工作状态大体相同，可以得到高线性。另外，通过使构成放大器1及基准放大器2的晶体管11、12在同一芯片上形成，所以即使在制造偏差及环境条件变动时，也可以保持线性。在晶体管11、12中可以采用Si双极性晶体管、GaAs-HBT、及SiGe-HBT等。

下面，对上述实施例的工作进行说明。从端子4输入的信号通过耦合电容6、7分别传到放大器1及基准放大器2。输入信号通过基准放大器2进行放大，这时通过构成基准放大器2的晶体管12的非线性工作，在基准放大器2的输入电流中产生直流成分。由于该直流成分与输入功率电平1对1对应变化，所以如果检测该直流成分，就可以知道应供给放大器1的输入电流值。由于晶体管11的尺寸比晶体管12还要大，所以由基准放大器2所检测的直流电流，在由直流电流放大器3放大后，作为放大器1的输入电流供给。当从直流电流放大器3供给电流时，放大器1开始工作。实际上放大器1和基准放大器2大体同时开始工作。放大器1的输入电流通过以上的工作机构，根据输入功率电平进行动态变化。由于在输入功率电平大时该输入电流增加，放大器1的晶体管11的工作点自动向高设定，所以可以进行失真小的功率放大。反之，由于在输入功率电平低时，输入电流减少，晶体管11的工作点下降，所以可以减少无为地消耗功率，可以减轻输入功率电平在低的区域上的功率效率下降。

图2(a)及(b)分别表示采用图1中所示的单位放大器构成的2级及3级功率放大器模块的实施例。2级功率放大器模块大多用于CDMA及PDC系统等，而3级功率放大器模块大多用于GSM系统等中。从端子06、08输入的信号通过单位放大器01、02或03、04、05根据上述图1说明中所述的工作依次进行功率放大，分别从端子07、09输出。其原因是由于在图2(a)、(b)中按照单位放大器01＜02及03＜04＜05的顺序工作时的功率变大，所以构成单位放大器01、02及03、04、05的晶体管的尺寸需要根据从系统规格所分配的功率分额进行改变。例如后级，特别是末级放大器由于功率电平比前级放大器高，所以使用最大尺寸的晶体管。各单位放大器间的输入、输出匹配电路也可以通过简单的设计变更进行共用。这时还具有可以小型化的优点。以上是对基准放大器2的输入电流进行检测、放大，供给放大器1的输入电流的情况，但是也可以不是基准放大器2的输入电流，而是将对电源电流进行检测、放大的电流供给放大器1的基极。这时，也可以不是晶体管12的基极电流，而是利用集电极电流。

图5表示根据本实施例试制的功率放大器模块的制造偏差。输出功率为28dBm。在该图中，横轴表示作为失真指标的相邻频道泄漏功率，纵轴表示功率附加效率，功率放大器模块的制造偏差由实线围着的区域表示。另外在该图中为了比较，还一起表示了先行研究技术的制造偏差。斜线的区域表示要求规格的范围。先行研究技术中满足要求规格的功率放大器模块良品取得率在10％以下，但是本实施例的模块提高到90％。

图6表示将本发明的单位放大器构成具体化的一实施例。首先说明无信号时的工作。这时，由于晶体管12和晶体管23构成电流密勒电路，所以流过晶体管12的集电极电流由恒流源14供给晶体管23的电流决定。例如，如果将晶体管12和晶体管23的R寸比定为m∶1，则晶体管12的集电极电流是从恒流源14所供给的电流的m倍。当晶体管12上流过集电极电流时，在该晶体管的基极上流过电流放大倍数分之一的电流。该电流通过晶体管24流过晶体管25，传到与晶体管25构成电流密勒电路的晶体管26。结果，流过晶体管26的该电流作为晶体管11的基极电流供给，决定晶体管11的无信号状态的工作点。此处，晶体管27、28是电流密勒电路，但是晶体管11具有为供给例如将单位晶体管并联连接100～200个构成时所要求的大基极电流的电流放大功能。一般来说PNP晶体管电流供给能力小，要供给大的电流，晶体管尺寸要非常大。从而，如果利用晶体管27、28的电流放大功能，则可以减小晶体管26的尺寸。下面对输入信号状态的工作进行说明。这时，首先通过耦合电容6、7对晶体管11、12供给信号。晶体管12通过其非线性在基极电流中产生直流成分。该直流成分的电流通过阻断高频的电感线圈29，流入晶体管24。这时，在晶体管11中不供给对应于输入信号的基极电流，流过晶体管24的电流通过与上述无信号时同样的工作，经晶体管25、26、27、28供给后开始工作。由于晶体管12的基极电流值随输入功率电平变化，相应地晶体管11的基极电流值也变化，自动设定信号输入时的工作点。

作为本实施例特有的效果，可举出热失控抑制效果。例如面向GSM系统的功率放大器模块那样要求36dBm(4W)输出功率时，作为晶体管11采用将100～200个单位晶体管并联连接的大规模晶体管。当将这样大规模的晶体管高密度配置在芯片内时热电阻将增大。通常当双极性晶体管的热电阻增大时，容易引起热失控，芯片面积的缩小有限度。容易引起热失控的除了热电阻之外，还依赖于基极偏置电路的电流供给能力，但是在通常的功率放大器模块中，由于采用像恒压偏置电路那样的电流供给能力大的偏置电路，所以容易引起热失控。在大功率输出时容易产生热失控，但是在本实施例的构成中，由于供给晶体管11的电流由输入功率电平限制，所以很难引起热失控。从而在本实施例中可以缩小芯片面积及其模块的小型化。

在图6的实施例中，也可以用GaAs-HBT构成晶体管11、12、23、24，而用Si双极性晶体管、或MOS晶体管构成晶体管25、26、27、28。还可以将电感线圈29置换成将电阻、或电阻和电感线圈进行串联连接。

图7表示本实施例的单位放大器的器件配置。该图表示将图6中所示的放大器1、基准放大器2集成在GaAs芯片16上，而将直流电流放大器3集成在Si芯片17上的例子。这些芯片和安装在模块基板上的输入输出匹配电路8、9构成单位放大器。这样，本发明将单位放大器的主要部分进行集成化，可以减少器件数量，适合于模块的小型化。另外，由于晶体管11和晶体管12在同一芯片上制作，所以成对性好，可以不受制造偏差及环境变动的影响，稳定的工作。为了有效发挥上述防止热失控效果，如图7中所示，最好将晶体管11和晶体管12在芯片上分开制作，使晶体管12很难受到晶体管11发热的影响。

图8中表示本发明的另一实施例。本实施例设置输出终端电路18，使基准放大器2的输出在模块内部进行终止，这一点与图1不同。通过使基准放大器2的输出从输出端子5断开，基准放大器2的工作变得难以受负载的影响。由于放大器1的工作电流由基准放大器控制，所以放大器1的工作也变得难以受负载的影响。其直接效果是耐负载变动性提高。便携式终端机在其使用时，成为功率放大器模块负载的天线经常会产生破损及与金属接触等，这时由于功率放大器模块和天线间的匹配条件被破坏，产生由功率反射引起的大的驻波，所以功率放大器模块容易破损。在本实施例中，即使从天线的反射功率增大，放大器1的工作电流也几乎不变，所以可以使放大器1免受破坏。

图9表示本发明的另一实施例。本实施例设置级间匹配电路19，将基准放大器2的输出连接在放大器1的输入上，这一点与图1不同。由于是2级放大器的构成，前级放大器兼作基准放大器，所以不必另外设置基准放大器，可以简化模块的构成。由于基准放大器2和输出端子5之间由放大器1隔开，与图8一样也具有抗负载变动强的优点。

图10表示关于3级功率放大器模块的本发明的另一实施例。与图9的实施例不同的是作为级间放大器增加了放大器51和级间匹配电路52。该实施例的构成与图9一样，将初级放大器兼作基准放大器2，通过该基极电流控制第2级放大器51及第3级放大器1。这时由于可以省略各级的基准放大器，所以具有可以简化构成的优点。

图11表示本发明的另一实施例。本实施例是对场效应晶体管的应用例。放大器的基本构成与图9的实施例相同，只是采用场效应晶体管21、22、代替双极性晶体管11、12这一点不同。在本实施例中，检测场效应晶体管22的漏极电流的直流成分。直流电流放大器3的输出由晶体管34变换成电压，加在场效应晶体管21的栅极上。根据输入功率自动设定工作点。可以实现再现性好、低失真、高效率工作，这一点与上述实施例相同。

根据本发明的构成，由于构成基准放大器和各级放大器的晶体管可以采用同一种晶体管，所以容易集成化，在外部不需要特别的电路。另外，通过在同一芯片上对各级放大器和基准放大器进行集成化，基准放大器无论是高频还是直流，与各级放大器都进行大体相同的工作，所以即使晶体管的制造偏差及环境条件有变动，也可以在无调整的情况下总是得到稳定的特性。另外，由于在两放大器上可以共用匹配电路，所以可以减少器件数量，实现小型化，降低成本。

Claims (12)

1.一种功率放大器模块，其特征在于其构成包括：

输入电流随输入功率而变化的第二放大器；

对该第二放大器的输入电流直流成分进行检测及放大的直流电流放大器；及

以由该直流电流放大器放大的电流为输入电流供给的第一放大器。

2.如权利要求1所述的功率放大器模块，其特征在于：

由直流电流放大器对第二放大器的电源电流进行检测及放大，将该电流供给第一放大器的输入端。

3.一种功率放大器模块，其特征在于：

具有以权利要求1或权利要求2的功率放大器模块为单位放大器，将该单位放大器进行多级连接构成。

4.如权利要求1或2所述的功率放大器模块，其特征在于：

第一放大器的输入端和第二放大器的输入端进行交流连接，上述第一放大器的输出端与上述第二放大器的输出端进行交流连接。

5.如权利要求1或2所述的功率放大器模块，其特征在于：

上述第一放大器的输入端和上述第二放大器的输入端进行交流连接，只有该第二放大器的输出端作为内部终止。

6.如权利要求1或2所述的功率放大器模块，其特征在于：

上述第一放大器的输入端和上述第二放大器的输出端进行交流连接。

7.如权利要求1或2所述的功率放大器模块，其特征在于：

上述第二放大器的输出端和第三放大器的输入端及该第三放大器的输出端和上述第一放大器的输入端分别进行交流连接，而且从上述直流电流放大器对上述第一及第三放大器的输入端供给电流。

8.如权利要求1或2所述的功率放大器模块，其特征在于：

第一放大器、第二放大器和直流电流放大器由双极性晶体管构成。

9.如权利要求8所述的功率放大器模块，其特征在于：

分别构成上述第一放大器和上述第二放大器的双极性晶体管集成在同一芯片上。

10.如权利要求8所述的功率放大器模块，其特征在于：

分别构成上述第一放大器和上述第二放大器的双极性晶体管由GaAs-HBT或GaAs场效应晶体管构成，而上述直流电流放大器由Si双极性晶体管或Si场效应晶体管构成。

11.一种功率放大器模块，其特征在于：

具有采用第一场效应晶体管的第一放大器、采用第二场效应晶体管的第二放大器、及直流电流放大器，该直流电流放大器对该第二场效应晶体管的漏极电流直流成分进行检测及放大，并由该直流电流放大器的输出电流控制该第一场效应晶体管的栅极电压。

12.如权利要求11所述的功率放大器模块，其特征在于：

上述第一场效应晶体管和上述第二场效应晶体管集成在同一芯片上。

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