CN218679006U - 一种功率放大器模组和射频功率放大器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种功率放大器模组和射频功率放大器，其中功率放大器模组包括TDD开关和GaN基功率放大器，GaN基功率放大器包括耗尽型GaN基HEMT；TDD开关接收来自外围电路的电压信号，并为耗尽型GaN基HEMT提供栅极电压。本实用新型将TDD开关乃至负压芯片集成在功率放大器模组中，简化外围电源电路并有效降低BOM成本，提升了功率放大器芯片的竞争力。

Description

一种功率放大器模组和射频功率放大器

技术领域

本实用新型涉及微波功率放大器技术领域，具体涉及一种功率放大器模组和射频功率放大器。

背景技术

在5G通信系统中，由于高频率、高速率和高效率的数据传输要求，对功率放大器(PA)的功率提出了更高的要求。GaN基HEMT由于其宽能隙、高电子迁移率、高耐压、高功率密度的特性，尤其适用于高频高功率PA的设计，大规模应用在5G通信系统的射频前端。5G基站射频前端结构如图1所示，通常工作在时分复用(TDD)模式，即在发射链路TX工作时开启PA，在接收链路TX工作时关闭PA，每个GaN功率放大器都需要TDD开关控制，在发射状态打开PA，在接收状态关闭PA。但GaN基HEMT是一种耗尽型器件，通过栅极负压控制开启和关闭，因此每一个GaN PA都需要负压TDD开关控制，这使得GaN PA的外围供电电路很复杂。

发明内容

为了解决GaN PA的外围供电电路过于复杂的技术问题，本实用新型提出一种功率放大器模组和射频功率放大器，将部分器件集成在PA模组中，简化外围电源电路并有效降低BOM成本，有助于提升PA芯片的竞争力。

本发明第一方面，提供一种功率放大器模组，包括TDD开关和GaN基功率放大器，所述GaN基功率放大器包括耗尽型GaN基HEMT(High Electron Mobility Transistor，高电子迁移率晶体管)；所述TDD开关接收来自外围电路的电压信号，并为所述耗尽型GaN基HEMT提供栅极电压。

进一步的，该模组还可以包括负压芯片，所述负压芯片为所述TDD开关提供栅压关断信号。

作为一种优选的实施方式，所述GaN基功率放大器为Doherty功率放大器，所述Doherty功率放大器的主功放和驱动放大器的栅极分别连接一TDD开关。

作为一种优选的实施方式，所述GaN基功率放大器为至少两个级联的GaN基和GaAs基放大器，每个所述GaN基和GaAs基放大器的栅极分别连接一TDD开关。

进一步的，所述TDD开关与所述GaN基功率放大器通过金线键合或倒装芯片工艺方式连接。

本实用新型第二方面，提供一种射频功率放大器，包括上述部分技术方案中所述的GaN基功率放大器模组和外围电路，所述外围电路包括电流采样电路、多通道DAC/ADC和负压芯片,分别为TDD开关提供控制信号、工作栅压信号和关断栅压信号。

作为另一种实施方式，本实用新型提供的射频功率放大器，还可以包括上述部分技术方案中所述的GaN基功率放大器模组和外围电路，所述外围电路包括电流采样电路和多通道DAC/ADC,分别为TDD开关提供控制信号和工作栅压信号。

进一步的，所述电流采样电路为电流采样电阻。

本实用新型将TDD开关乃至负压芯片集成在功率放大器模组中，简化外围电源电路并有效降低BOM成本，提升了功率放大器芯片的竞争力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有的射频前端结构框图；

图2为本实用新型一实施例集成TDD开关的GaN基HEMT电路图；

图3为集成TDD开关的Doherty功率放大器电路图；

图4为集成TDD开关和负压芯片的Doherty功率放大器电路图；

图5为集成TDD开关和负压芯片的级联放大器电路图；

图6为采用金线键合工艺的集成TDD开关的Doherty功率放大器示意图；

图7为采用倒装芯片工艺的集成TDD开关的Doherty功率放大器示意图；

图8为功率放大器电源电路结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

现有的GaN外围供电电路，由负压芯片、TDD开关、电流采样电路、多通道DAC\ADC组成。负压芯片会产生Voff电压，用来关闭功率放大器PA；多通道DAC/ADC产生功率放大器的工作电压Vg；TDD开关是一个单刀双掷开关，信号发射状态下，TDD开关切换到Vg电压打开PA，接收信号状态时切换到Voff电压关闭PA，接收链路与发射链路互不干扰。通常，TDD开关和负压芯片在电源电路上，与PA不在同一模组中。在大规模MIMO系统中，包含的GaN功率管数量庞大，每一个GaN功率管都需要独立的负压TDD开关控制，这使得电源电路非常庞大和复杂。

本实用新型提供一种功率放大器模组，包括TDD开关和GaN基功率放大器，GaN基功率放大器包括耗尽型GaN基HEMT；TDD开关接收来自外围电路的电压信号，并为所述耗尽型GaN基HEMT提供栅极电压，如图2所示。本实施例将外围电路中的TDD开关集成到传统的GaN基功率放大器模组中，简化了外围电路。

本实施例中的TDD开关芯片有三个输入，分别是Vtdd、Vg和Voff。其中，Vtdd是TDD开关的控制信号，控制TDD开关的关闭和工作；Vg和Voff分别是耗尽型HEMT的工作栅压信号和关断栅压信号，两者同时输入到TDD开关中，由TDD开关进行选择。TDD开关有一个输出Vg_c连接至HEMT的栅极，当输入Vtdd为高电平时(通常为3-5V)，输出Vg_c＝Vg,此时栅极电压为Vg，将晶体管偏置在AB类；当输入Vtdd为低电平时，输出Vg_c＝Voff，此时HEMT栅极电压为Voff，晶体管关闭不工作。

在一些实施方式中，功率放大器可以为GaN基Doherty功率放大器，所述Doherty功率放大器包括驱动放大器、功分器、主功放支路和辅功放支路，其中驱动放大器与功分器串联，功分器的输出端分别连接主功放支路和辅功放支路，主功放支路和辅功放支路另一端连接后匹配网络。本实施例的模组中将两个TDD开关分别与主功放和驱动放大器的栅极连接，TDD的输出Vgd_c和Vgm_c分别连接驱动放大器和主功放的栅极，如图3所示。此时负压芯片在外围为TDD开关提供关断栅压信号。

具体的，普通的AB类放大器在回退功率点效率降低严重，功耗很大。Doherty采用两路放大器并联，一个功率放大器即主功放偏置在AB类(Main放大器)，另一个功率放大器即辅功放偏置在C类(Peak放大器)，仅在高功率区开启工作，这种结构可显著提升回退效率，同时其结构简单、性能优异，被广泛应用在通信基站的射频前端。集成TDD开关的GaN基Doherty功率放大电路包括时分复用(TDD)开关、驱动放大器(Driver)、主功放(Main，偏置在AB类)、辅功放(Peak)，偏置在C类，仅在大功率区工作。工作原理：外围供电电路上的负压芯片负责产生负压Voff，该电压可使晶体管关闭，连接至TDD开关的输入。外部供电电路提供晶体管的工作电压Vg连接至TDD的输入，Vtdd连接至TDD开关的输入，控制开关的开启和关闭。TDD开关有一个输出Vg_c连接至GaN基晶体管的栅极。以图3中主功放Main为例阐述TDD开关的工作原理，当Vtdd为低电平时，TDD开关在两个输入Voff和Vgm之间选择Voff，输出Vgm_c＝Voff，主功放栅极加Voff电压，主功放关断不工作；当Vtdd为高电平时，TDD开关在两个输入Voff和Vgm之间选择Vgm，输出Vgm_c＝Vgm，主功放栅极加Vgm电压，主功放开启工作。驱动放大器同理，当Vtdd为低电平时，输出Vgd_c＝Voff关闭驱动放大器；当Vtdd为高电平时，输出Vgd_c＝Vgd开启驱动放大器。辅功放由于其偏置在C类，本身是关闭状态，不需要TDD开关控制。通过TDD开关，我们可以控制电路在关闭状态和工作状态来回切换，保证发射链路和接收链路互不干扰。

在另一些实施方式中，GaN基功率放大器模组还包括负压芯片，所述负压芯片为TDD开关提供栅压关断信号。如图4所示，GaN基Doherty功率放大器模组中不仅有TDD开关，还将负压芯片集成在一起。由于负压芯片集成在模组内部，因此需要多出一个Vdd引脚为负压芯片供电，以保证其能够输出负压Voff，其他器件和连接关系同前一种实施方式。该结构将负压芯片集成在GaN功率放大器模组芯片内部，可简化外围供电电路，增加电路可靠性，其工作原理与前一种实施方式相同。

除了Doherty功率放大器，任何需要工作在TDD模式的耗尽型放大器都需要TDD开关和负压芯片，包括功率放大器、驱动放大器、低噪声放大器以及其他多级级联放大器。

因此，还有一些实施方式，功率放大器可以是级联的GaN基和/或GaAs基放大器，每个GaN/GaAs基放大器的栅极分别连接一TDD开关，如图5所示。Vg1、Vg2、……、VgN分别为Amplifier1、Amplifier2、……、AmplifierN的栅极工作电压，Vg1_c、Vg1_c、……和VgN_c分别为TDD的输出电压。以图5中Amplifier1为例，当Vtdd为低电平时，TDD开关在两个输入Voff和Vg1之间选择Voff，输出Vg1_c＝Voff，Amplifier1的栅极加Voff电压，Amplifier1关断不工作；当Vtdd为高电平时，TDD开关在两个输入Voff和Vg1之间选择Vg1，输出Vg1_c＝Vg1，Amplifier1栅极加Vg1电压，Amplifier1开启工作；其他放大器的工作原理与Amplifier1相同，不再赘述。

与Doherty功率放大器模组一样，级联的GaN基和/或GaAs基放大器模组也可以只集成TDD开关，负压芯片位于外围电路。

需要说明的是，本实施例中TDD开关与功率放大器可通过金线键合或倒装芯片工艺方式连接。以Doherty功率放大模组为例，如图6所示，TDD开关芯片留出pad，与基板(LGA)上的走线通过金线连接，该实现方式同样适用于其它负压放大模组。倒装芯片的连接方式具体如下，仍以Doherty功率放大模组为例，如图7所示，基板(LGA)上留下引脚位置，将TDD芯片功能区朝下，以倒扣的方式背对着基板，通过焊料凸点(Bump)与基板连接。这种连接方式节省基板面积，与金线键合相比机械强度大。该连接方式同样适用于其他负压放大模组。

本实用新型还提供一种实施例，涉及一种射频功率放大器，包括上述的任一功率放大器模组和外围电路，其中外围电路包括电流采样电路、多通道DAC/ADC和负压芯片,分别为TDD开关提供控制信号、工作栅压信号和关断栅压信号，如图8所示。其中电流采样电路可以是电流采样电阻。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种功率放大器模组，其特征在于，包括TDD开关和GaN基功率放大器，所述GaN基功率放大器包括耗尽型GaN基HEMT；所述TDD开关接收来自外围电路的电压信号，并为所述耗尽型GaN基HEMT提供栅极电压。

2.根据权利要求1所述的功率放大器模组，其特征在于，该模组还包括负压芯片，所述负压芯片为所述TDD开关提供栅压关断信号。

3.根据权利要求1所述的功率放大器模组，其特征在于，所述GaN基功率放大器为Doherty功率放大器，所述Doherty功率放大器的主功放和驱动放大器的栅极分别连接一TDD开关。

4.根据权利要求2所述的功率放大器模组，其特征在于，所述功率放大器为Doherty功率放大器，所述Doherty功率放大器的主功放和驱动放大器的栅极分别连接一TDD开关。

5.根据权利要求1所述的功率放大器模组，其特征在于，所述功率放大器为级联的GaN基和/或GaAs基放大器，每个所述GaN/GaAs基放大器的栅极分别连接一TDD开关。

6.根据权利要求2所述的功率放大器模组，其特征在于，所述功率放大器为级联的GaN基和/或GaAs基放大器，每个所述GaN/GaAs基放大器的栅极分别连接一TDD开关。

7.根据权利要求1～6任一项所述的功率放大器模组，其特征在于，所述TDD开关与所述功率放大器通过金线键合或倒装芯片工艺方式连接。

8.一种射频功率放大器，其特征在于，包括如权利要求1、3或5所述的功率放大器模组和外围电路，所述外围电路包括电流采样电路、多通道DAC/ADC和负压芯片,分别为TDD开关提供控制信号、工作栅压信号和关断栅压信号。

9.一种射频功率放大器，其特征在于，包括如权利要求2、4或6所述的功率放大器模组和外围电路，所述外围电路包括电流采样电路和多通道DAC/ADC,分别为TDD开关提供控制信号和工作栅压信号。

10.根据权利要求8或9所述的射频功率放大器，其特征在于，所述电流采样电路为电流采样电阻。

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