TW571512B - High-frequency power amplifier with integrated passive matching circuit - Google Patents

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TW571512B
TW571512B TW091122991A TW91122991A TW571512B TW 571512 B TW571512 B TW 571512B TW 091122991 A TW091122991 A TW 091122991A TW 91122991 A TW91122991 A TW 91122991A TW 571512 B TW571512 B TW 571512B
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amplifier
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integrated
passive
integrated passive
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Andreas Weisgerber
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Infineon Technologies Ag
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Description

571512 ⑴ 玖、發明講明 (發明說明應敘明：發明所屬之技術領域、先前技術、内容、實施方式及圖式簡單說明) 描述 本發明有關於整合放大器電路，而特別的是有關於具有 被動積體匹配電路的整合高頻功率放大器。
事實上，至今通信技術領域進一步的程控技術發展，例 如移動式無線電，對積體半導體電路而言，永遠是越來越 需要，而且已經被最佳化，一方面關於其空間要求，而另 一方面，關於其成本。此外，在最新移動式無線電應用中 與該 GSM、PCN、PCS、CDMA、UMTS、US-TDMA標準相 當，已能處理相當高的信號頻率，而目前該個別的積體半 導體電路，正進一步面臨最佳高頻匹配的問題，例如整合 高頻功率放大器在該輸入端與該輸出端的高頻匹配。
例如，圖1以區塊圖的形式，顯示一高頻放大器1 0的構 造配置。高頻放大器10具有一有效放大器電路12,在其輸 入端連接到一輸入匹配網路14,而其輸出端進一步連接到 一輸出匹配網路1 6。放大器電路1 2進一步連接到一直流供 應電路1 8 (D C偏壓）。通常，僅該高頻放大器電路1 2組裝 於標準的1C封裝，除了該封裝外，加上配置各種離散的組 件。放大器電路12通常包含一具有回饋網路（未顯示）的高 頻電晶體放大器，係提供根據該放大器的預期使用，調整 該放大器的屬性。 當設計南頻電晶體放大器時’請特別注意穩定度的控 制、所有寄生效應的考慮，例如耦合，輻射，封包影響、 以及該裝置的任何非閒置屬性的知識，例如電容器的共振 (2) 瞧續買 頻率、在 器與基板 性’最佳f 1 4、1 6 的 1 一雜訊的 大器電路 器電路的 一最大的 性，或者 匹配電 應具有容 j 而且 關於高 南頻放大 大器電路 已經具有 往也已符 放大器電 配。 為了實 器1 2的被 法。因此 (_SMD =表 條線係直 插頭-類裂連接頭的偏轉、溫度對半導體、電阻 的影響、以及取樣變化。現在根據放大器10的屬 二在放大器電路1 2的泫輞入與輸出上的匹配網路 I路的實行。此些目的包括，例如一功率的調整、 調整、濾波器的作用、穩定度剛量等等。於一放 中提供該直流供應（DC偏壓）18，以調整該放大 最佳直流作業點，而且重視愈大愈好的放大率、 輸出功率、一最小的雜訊圖、一種最適合的線 愈大愈好的效率。 路1 4、1 6與該直流供應電路個別的離散被動裝置 易男現的大小，因此該個別的配置基本上是低損 容易匹配。 ^ ^用，例如，在一 Sl或GaAs基板上，實行整合 。:路作為MMIC (MMIO單石微波積體電路）放 一 ^放大器電路往往提供一多階的設計，而且 :積體直流供應網路（DC偏壓）。其輸入阻抗往 口所希望的值，例如50Ω。此外，於多階Μμι。 tb- ，在此些個別的放大器的階段間提供一匹 被動匹配電路14、16，包括提供18功率給放大 動雷放 ， ，於行動通信中，也使用離散的解決方 ^例如高-Q _電容器、SMD高-電流電感器 ^ 置，冋兩品質）與印刷電感器、以及 己置在一電路板上，例如由該客戶所規定。此 571512 (3) 發藥獅.買 外，可能在一單獨的基板載體上配置符合的實現，例如， 包含一陶磁的材料或一有機載體材料，加上該模組分別配 置在放大器電路1 2。也可能實現該有效放大器電路如一晶 片，而實現該匹配電路在一共用載體上。
此些匹配網路或直流供應電路分開配置在一專用板 上，會導致一些問題。各種載體上的個別配置會使實現整 個放大器配置達到最佳小型化的技術複雜化。尤其，由於 使用許多必要的離散裝置，例如電容器和電感器。由於該 放大器電路1 2分開配置在一專用的晶片上，而由於不可能 將此些匹配網路連同直流供應的離散被動裝置組裝於同 一 ICs共用標準封裝，例如VQFN、TSLP或TSSOP封裝 (VQFN =特四平非引線；TSLP=薄小無引線封包；TSSOP = 薄收縮小型輪廓封包）。此外，該相當高價的S M D組件部 分，例如高頻線圈、高-Q SD電容器，係配置在由一陶磁 或一有機材料所製造的特殊載體材料上，對於高頻放大器 配置的整體成本的重要分攤有貢獻。此外，需要相當複雜 的裝載技術，以組合具有該被動離散SMD組件的有效放大 器晶片，例如，以流回焊錫該S MD組件部分的晶片黏著。 因此’特別注意’於向頻應用中’對於該放大器電路的 匹配到該延長線的困難且關鍵的高頻變換與移動式通信 中共用的相同。因而，於串聯製造期間，以電晶體屬性的 部分重要取樣變化為條件，通常根據手冊準則分別調準此 些放大器。尤其，使用多階放大器（對照MMIC)，會花費 非常多的時間與成本，而且需要特殊的調準技巧，特別的 571512
(4) 是直到該客戶網點的最後安裝，才完成謗_ ^。 從該技藝的現況出發’本發明的目的是提供一改善過具 有被動匹配元件的放大器。 根據申請專利範圍第1項的放大器來達成該目的。 根據本發明的放大备包括於實行一放大器電路的晶 片、一具有積體被動元件的半導體基板、以及介於該放大 器電路與該積體被動元件之間的連接線，其中為了該輸入 端和/或輸出端的匹配，該積體被動元件連接到該放大器 電路。例如以倒裝晶片技術絲焊或成塊形。 本發明所根據的概念，係藉由在一半導體基板上，使用 "積體”被動裝置達到高頻功率放大器配置強有力的小型 化’如同該放大器的一輸入端和/或輸出端的匹配網路。 因而’該有效放大器電路形成一獨立的放大器模組，加上 該積體被動裝置配置在一半導體基板上，進一步形成另一 獨乂的匹配模組，可使用作為該放大器電路的輸入或輸出 的一匹配網路，也可以作為從該功率供應解除耦合的高頻 組件的直流供應。 藉由提供積體被動裝置，即，整合的電容器、電感器與 条、桌’於典型的半導體載體材料，例如GaAs或石夕，該GaAs ΗβΤ技術（HBT=異種結合兩極電晶體）的特殊被動技術步 。使用於上述的製造’或可利用於一種延伸的方法。整 口此些被動裝置的配置，分別使該匹配或此些直流供應電 要求的表面大大地降低，例如除以增加到4的因子。 卜以本發明的配置所完成的目的，即，由於該模組功 571512
(5) 能，以多晶片技術，於一標準的〗c封裝中，完成被動匹配 模組連同該有效放大器模組的整合電容器。 因此，由該被動積體低損耗所衍生的一些優點，強阻抗 變換輸出匹配網路包括該功率供應，其用於移動式通信中 的半導體載體上的功率放大器。因此，如已描述的，以先 前使用離散被動裝置的解決方法為背景，可達到令人滿意 的區域節省。再者，關於大量製造高頻功率放大器的最隹 成本’可節省高頻線圈的高價；5 M D組件部分與高-Q的電谷 器。此外，為了此些有效晶片與被動S MD組件的組合’不 再需要提供由例如陶磁或有機材料所組成的特殊額外的 載體材料，因此在最後製造與安裝期間，不再需要相當複 雜的裝載技術。此外，經由該有效放大器電路與一高頻放 大器的積體被動匹配組件的模組配置，於製造處理期間， 可能完整地提供該非常複雜且關鍵的高頻變換，以及已經 在該晶片上的放大器配置。此外，本發明的放大器配置完 成，將包括此些積體被動匹配元件的有效放大器電路組装 於以引線框架為主的標準1C封裝，例如VqFN、TSLP威 TSSOP標準封裝。 於此，將在下面描述本發明相關附加圖示的最隹實施 例，其中： 圖1 以區媿圖的形式，顯示一般的放大器配置； 圖2 a，b 顯示根據本發明的有效放大器模組組裝於〆封 包，具有一積體被動匹配模組； 圖3 顯示根據本發明將幾個有效放大器電路模組組 -9- (6)571512
1於一封包中，具有指定的積體被動匹配模組 (以多晶片技術）；以及 圖 4a-c _ 广—〜不各種根據本發明的被動積體匹配模組。 放IΓ:由圖1，以區塊圖的形 <，概略地描緣由該有效 鱼輸所組成的高頻功率放大器，其連接到該輸入端 二Α ^崎上的匹配網路。該有效放大器電路進一步連接到 <疋孩直流作業接觸點的直流供應。
精由圖“與2b，現在將詳述根據本發明具有積體被動匹 配元件的放大器的第一最佳實施例。 ^ 印片上實施被放置於放大器模組2 0的有效放大器 " 即，最好為由GaAa或石夕所製成的半導體基板22。
在另外的半導體基板或載體24上，有具有積體被動裝置的 積to被動匹配電路26，例如，整合電容器、電感器與條線。 在有放放大器電路22與積體被動匹配電路26之間，提供連 接線2 8 ’例如黏著線，以連接該有效放大器電路與被動電 路模組26上的積體被動裝置。被動電路模組26能有效地作 為有效放大器電路22的輸入和/或輸出上的匹配網路。被 動私路模組26也可包括被動積體裝置，為了提供用以設定 有效放大器電路22的作業接觸點的直流電供應。此外，在 有效放大器電路22與1C封裝30的引線框架的終端墊間提 供連接線28,而且進一步在被動電路模組26與另外的引線 框架的終端墊間提供連接線2 8。例如，該終端墊連接到該 信號輸入、該信號輸出、該供應電壓與該接地的電位，等 等。 -10- 571512 ⑺ 在GaAs基板上的MMIC電路案例中，該有效放大器電路 包括例如一具有一直流供應網路（DC偏壓）的多階電晶體 放大器電路。此外，已提供該放大器電路至該信號源的輸 入端匹配，及個別電晶體放大器階之間的匹配。 於MMIC電路中，該獨立的積體被動匹配模組因而僅包 括對輸出匹配是必要的該積體被動裝置，例如電容器、條 線等等。
現在將在下面詳述本發明具有積體被動匹配元件26的 放大器2 0的功能。
被動電路模組26係提供作為有效放大器電路22的輸入 和/或輸出的匹配網路，而且根據該有效放大器電路的最 佳化屬性，以實行被動電路模組2 6各自的電路。由於電晶 體非線性傳輸的特徵，該放大器的輸出信號除了該放大的 基本頻率之外，也可包含不受歡迎的諧波頻率。此些信號 元素也可以由該輸出匹配網路中適合的被動濾波器組件 濾、出。例如，為了達到一匹配在該輸入與輸出上能有最大 放大率的目的，也可提供積體被動電路模組26。此外，為 了能達到最小的雜訊量，也在該雜訊匹配的輸入與該功率 匹配的輸出上，提供積體被動電路模組2 6。此外，為了限 制有選擇性放大器的傳輸帶，積體被動電路模組26可提供 一濾波器的作用。再者，為了在該輸入上減少相鄰通道的 互連，也可提供一濾波器的作用。此外，也可提供被動電 路模組2 6，以保證除了有效放大器電路2 2的作業頻率區外 -11 - 571512 _ (8) I發猶轉買 的穩定度。同樣可以想見，被動電路模組26可被用於補償 有效放大器電路2 2的頻率相依性-僅列舉匹配網路在該有 效放大器電路的輸入與輸出上的幾個基本目的。
於本發明中，實行被動電路模組26的個別裝置，作為如 GaAs或矽的典型半導體載體材料上的整合電容器、電感器 與條線，其中也可利用如玻璃與藍寶石的基板材料。於 此，例如，該GaAs HBT技術的特殊被動技術可被利用或使 用於製造進一步的發展階段。 被動電路模組2 6的個別積體被動裝置應有的大小，一方 面能夠容易被實現，加上該匹配網路，另一方面降低損 耗。再者，該個別的被動元件能使自己有很好的匹配。
該匹配網路的設計，即，能夠以所謂的Smith圖表，輕 易寫實地處理此些積體被動裝置各自的尺寸。使用該 Smith圖表，於一有限頻道區域，以適當的並聯或串聯方 式連接盲元件（L，C)，可達到所希望的匹配點，以提供例 如一輸出端匹配給負載阻抗。隨著高頻率與高功率，該目 的通常是將有效放大器電路2 2的低電阻阻抗轉換成該負 載阻抗所希望的匹配點。基本上，該匹配網路由所決定的 盲元件與最短傳輸路徑（於該Smith圖表），提供最少的損耗 與最大的頻寬。 由於電阻器的部分重要取樣變化，於串聯的製造中，往 往根據手冊準則分別調整此些高頻放大器。尤其，具有多 階的放大器，會消耗非常多的時間成本，而且於調準期間 需要特殊的知識。而且更難以調整該放大器配置的較大反 -12- (9)571512 _翻雖 配網 轉傳輸因子Su (S參數），由於該參數是測量該輸出匹 路在電晶體上的變化影響有多大。 因此，於該電路的發展中或/和選擇該電路的概念時， 已經考慮到最小化該需要調準的工作與簡單的可行性。
由於本發明現行的特別優點，僅由有關分別在被動電路 模組26的被動裝置的個別連接線28各自接觸點的布局，即 可達到有效放大器電路22的精確高頻匹配（在該輸入端或 輸出端）。藉由適當的選擇此些接觸點，可挑選此些條線 有效的可靠長度，使它們的變換得到補償，換言之，可精 確地設定匹配。因此，進一步的示範實行描繪於圖21)，說 明如何對積體被動電路模組上不同的接觸點進行黏合。因 此’已經於該晶片實現該放大器最佳的HF匹配，因此， 在包含該放大器的單元的最後製造期間，在客戶的網點上 可省略複雜的匹配步騾。 如果在該有效放大器電路中（對照MMIC),尚未實行該 直流供應，某部分被動電路模組2 6的被動組件進一步可用 於提供該直流供應給有效放大器電路22。 請注意，對此些直流供應而言，實行上述，使該高頻放 大器的HF信號路徑仍然儘可能的影響自由。因此，例如’ 於該微波範圍内，使用具有最小的合理線寬的λ/4線。清 注意，對此些直流供應而言，上述不僅可作業於該放大器 的作業頻率區，而且除了該區域外，在該電晶體保留穩定 的所有頻率上，也會產生可再生的阻抗。進’步4 /主 ,,^ 意，對於放大器的穩定度，該直流供應網路有實負上、 -13- 571512 發鷄_卿 (10) 現在圖3顯示將幾個有效放大器電路2 2與相關的積體被 動電路模組24組裝在標準1C封裝的半導體基板上。以此些 個別模組非常小的空間需求為基礎，實行上述。
由於低損耗的整合，強阻抗變換輸出匹配網路包括一半 導體載體上的該放大器電路（例如用在行動無線電的應用） 的電流供應，例如石夕或GaAs，因此，以具有多晶片技術的 標準封裝，完成一模組功能的該積體被動電路模組連同該 有效放大器電路的整合能力，因此除了該1C封裝外，為了 連接該放大器的配置，僅放置非常少或沒有離散的裝置。 如上面所詳細描述的部分，本發明使商業上可用的標準 IC封裝適用於該放大器電路與該包括直流供應的積體被 動匹配電路，在1C製造期間，已完成具有該關鍵且複雜的 H F匹配工作。
因此，本發明已經在該1C製造期間，於該元件中適當地 整合被動匹配電路，經由該有效放大器電路與該整合被動 匹配電路的模組配置，根據所希望的匹配（匹配，雜訊匹 配，穩定度...），得以完成該有效放大器電路的組合。 例如，也可為了所希望的積體被動電路模組的行放大器 電路的輸入和/或輸出，提供該匹配電路，而且為了另一 電路模組上具有個別被動裝置的直流供應，提供該電路， 以保持該高頻放大器的HF信號路徑愈自由愈好，免受供 應電壓的影響。 為了根據該放大器配置應用的類型完成各種匹配工 -14- 571512 ⑼ 作，同樣地，可能在該匹配模組上，提供若干不同的積體 被動裝置。因此，該放大器配置的各種匹配類型會達到一 種高度的相容性。 於該放大的圖示中，圖4a至4c顯示被動積體電路模組的 若干可能實施例，而且可用於本發明的放大器電路。
因此，圖4 a至4 c顯示一系列被動裝置的整合；一低損耗 南電流的電感器’一標準的電感器，一 /二南品質的電容 器，一用以抑制該信號頻率諧波的電容器，兩寬的50 Ω條 線與一解除耦合電容器（47-100 pF)。 因此，圖4 a顯示例如一種以條線技術實現的兩階段阻抗 變換（例如，1·5 Ω到50 Ω)，其具有MIM電容器（MIM =金屬 絕緣體合金），以及一具有用於HF解除耦合之高電流線圖 的整合封鎖電路。 於圖4b顯示例如兩階段阻抗變換（例如，1·5 Ω到50 Ω)， 其具有MIM電容器（MIM=金屬絕緣合金），以及一用以HF 解除耦合的積體高電流線圈。 於圖4 c顯示例如一低損耗高電流的線圈。 由於半導體基板上此些被動裝置的整合，當然，製造此 些積體被動裝置連同該有效放大器電路在同一載體上有 潛在的價值。 然而，於此的缺點，包括由於此些被動裝置被製造在高 價的半導體基板上，會佔用大的表面而產生高晶片成本。 因此，總而言之，藉由提供被動積體裝置，即整合電容 器、電感器與條線於一典型的半導體載體材料上，例如 -15- (12)
GaAs或矽，該GaAs HBT技術（HBT=異種結合兩極電晶體） 的特殊被動技術步騾可使用或利用在一延伸的基礎上。由 於此些被動裝置的整合配置，會使該匹配或直流供應電路 所要求的表面大大地降低’例如除以增加到4的因子。 · 此外，以該模組的功能為基礎，以多晶片的技術完成本、 發明的配置，於標準的1 C封裝中，完成該被動匹配模組連 同該有效放大器模組的整合能力。 因此，一些由低損耗的被動積體，強阻抗變換輸出匹配 網路所產生的優點，包括該電流在一半導體載體上提供移 ® 動式通信的功率放大器。因此，以先前使用離散被動裝置 的解決方法為背景，達成激烈的區域節省。此外，關於大 量製造高頻IC的最佳成本，可節省高電流線圈的高價SMD 裝置與高-Q的電容器的成本。此外，為了組合該具有被 動SMD組件的有效晶片，不再需要提供特殊額外的載體材 料，例如陶磁或者有機的材料，因此在最後製造與安裝期 間，可省略相當複雜的裝載技術。此外，於製造的框架中 非常複雜關鍵的高頻變換，已藉由該有效放大器電路與該 鲁 南頻放大存的積體被動匹配組件的模組配置，整合在一晶 片上。再素本發明的放大器配置完成，組裝上述於以引 線框架為炎的準IC封裝，例如VQFN、TSLP或TSSOP標準 封裝。 -16- 571512
(13) 參考符號表 10 高頻率放大器 12 放大器電路 14 輸入匹配網路 16 輸出匹配網路 18 直流供應電路 20 放大器模組 22 有效放大器電路
23 半導體基板（晶片） 2 4 半導體基板 26 積體被動電路模組 28 連接線 30 1C封包
-17-

Claims (1)

  1. 571512 拾、申着專利範圍 1· 一種放大器（20),包括： 曰曰片（23)，其中實行一放大器電路（22)， 一具有積體被動電路裝置（26)的半導體基板（24)，以及 在^有政放大器電路（22)與該積體被動電路裝置（26) 之間的連接線（2 8 )，其中為了該放大器電路的一輸入匹 配和/或一輸出匹配，該積體被動電路裝置（2 6)連接到 該放大器電路（2 2 )。 2·如申請專利範圍第丨項之放大器，其中在該晶片（2 3)中 實行一放大器電路（22)，而且該具有積體被動裝置（26) 的半導體基板（2 4)係置於一共用封包（3 〇)中。 3.如申請專利範圍第1或2項之放大器，進一步包括更多 在該放大器電路（22)與該積體被動裝置（26)之間的連 接線（2 8)，其中，連接到該放大器電路（22)之該積體被 動裝置（2 6)係用於直流供電。 4·如申請專利範圍第1項之放大器’其中位於該半導體基 板（24)内的該積體被動裝置（26)為整合的電容器和/或 電感器和/或條線。 5. 如申請專利範圍第丨項之放大器，其中該有效放大器電 路（2 2 )與該積體被動裝置（2 6)係配置於不同的基板 (23，24)上。 6. 如申請專利範圍第1項之放大器’其中該有效放大器電 路（2 2)與該積體被動裝置（2 6)係配置於同一半導體基 板上。
    571512 7. 如申請專利範圍第2項之放大器，其中數個功率放大器 電路（22)與數個積體被動裝置（26)係提供於該封裝 (30)。 8. 如申請專利範圍第2項之放大器，其中該封裝（30)係為 一以引線框架為主的標準封包。 9. 如申請專利範圍第1項之放大器，其中該放大器係為一 高頻功率的放大器。 10. 如申請專利範圍第1項之放大器，其中該放大器可用於 移動式無線電應用。
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