TWI647908B - 功率放大模組 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種功率放大模組，能實現功率放大模組的動作電壓的低電壓化。功率放大模組具備功率放大電路和控制IC。功率放大電路具備將RF信號進行功率放大並輸出放大信號的雙極性電晶體。控制IC具備作為對雙極性電晶體供給偏壓信號的偏壓電路而發揮功能的場效電晶體。場效電晶體能夠以低於雙極性電晶體的閾值電壓進行動作，因此能夠實現功率放大模組的動作電壓的低電壓化。

Description

功率放大模組
本發明是關於一種功率放大模組。
在行動電話等移動通信終端中，使用將向基地台發送的RF(Radio Frequency：射頻)信號進行放大的功率放大器。作為這種功率放大器，例如，已知有像在專利文獻1記載的那樣，具備射極(Emitter)接地形式的異質接合雙極性電晶體、和對該異質接合雙極性電晶體的基極端子供給偏壓信號的作為射極隨耦器(Emitter Follower)的異質接合雙極性電晶體的功率放大器。
〔先前技術文獻〕 〔專利文獻〕
專利文獻1：日本特開2007-288736號公報
然而，為了驅動放大RF信號的異質接合雙極性電晶體，需要使其基極-射極間的電壓為約1.3V以上。同樣地，為了驅動作為射極隨耦器以供給偏壓信號的異質接合雙極性電晶體，需要使其基極-射極間的電壓為約1.3V以上。因此，為了使功率放大器動作，需要約2.6V的動作電壓。在移動通信終端 中，該動作電壓由電池供給。為了即便電池的電壓下降至某種程度也能使功率放大器正常動作，要求動作電壓的低電壓化。
因此，本發明的課題在於，實現功率放大模組的動作電壓的低電壓化。
為了解決上述的課題，本發明提供的功率放大模組具備功率放大電路和控制IC。功率放大電路具備：將RF信號進行功率放大並輸出放大信號的雙極性電晶體、和與雙極性電晶體熱耦合的二極體連接雙極性電晶體。控制IC具備場效電晶體和二極體連接場效電晶體。在此，在場效電晶體中，汲極端子與電池電壓連接，將輸入到場效電晶體的閘極端子的偏壓信號從場效電晶體的源極端子通過第1導線供給到雙極性電晶體。二極體連接雙極性電晶體的陰極被接地。二極體連接雙極性電晶體的陽極通過第2導線而與二極體連接場效電晶體的陰極連接。二極體連接場效電晶體的陽極與場效電晶體的閘極端子連接。
根據本發明相關的功率放大模組，能夠實現動作電壓的低電壓化。
120、150、160、170‧‧‧功率放大模組
200‧‧‧功率放大電路
210、220‧‧‧放大器
230、240、250‧‧‧匹配電路
300‧‧‧控制IC
Tr1、Tr2‧‧‧雙極性電晶體
Tr3、Tr4‧‧‧二極體連接雙極性電晶體
Tr5、Tr6‧‧‧場效電晶體
Tr7、Tr8‧‧‧二極體連接場效電晶體
R11、R12、R21、R22‧‧‧基極鎮流電阻
圖1是表示與本發明的實施方式1有關的發送單元的結構的說明圖。
圖2是表示與本發明的實施方式1有關的功率放大模組的結構的說明圖。
圖3是表示與本發明的實施方式2有關的功率放大模組的結構的說明圖。
圖4是表示與本發明的實施方式3有關的功率放大模組的結構的說明圖。
圖5是表示與本發明的實施方式4有關的功率放大模組的結構的說明圖。
以下，邊參照各圖邊對本發明的實施方式進行說明。在此，設同一附圖標記表示同一電路元件，並省略重複的說明。
圖1是表示與本發明的實施方式1有關的發送單元100的結構的說明圖。發送單元100例如在行動電話等移動通信設備中用於向基地台發送聲音、資料等各種信號。移動通信設備也具備用於從基地台接收信號的接收單元，但在此省略說明。
發送單元100具備調變部110、功率放大模組120、前端部130、以及天線140。調變部110基於HSUPA(High-Speed Uplink Packet Access：高速上行封包存取)、LTE(Long Term Evolution：長期演進技術)等調變方式對輸入信號進行調變，並生成RF信號。RF信號的頻率例如為幾百MHz至幾GHz程度。功率放大模組120將從調變部110輸出的RF信號(RFIN)的功率放大至發送到基地台所需的等級，並將其作為放大信號(RFOUT)進行輸出。前端部130例如由帶通濾波器、天線開關等構成，進行放大信號的濾波、信號路徑的切換等。從前端部130輸出的放大信號經由天線140發送到基地台。
圖2是表示與本發明的實施方式1有關的功率放大模組120的結構的說明圖。功率放大模組120具備通過雙極化製程製造的功率放大電路200、通過MOS(Metal-Oxide-Semiconductor：金屬氧化物半導體)製程製造的控制IC(Integrated Circuit：積體電路)300、以及將它們進行連接的導線(Wire)410、420、430、440。功率放大電路200具備放大器210、220、匹配電路230、240、250、雙極性電晶體Tr3、Tr4、以及基極鎮流電阻R11、R21。在此，放大器220作為輸出級放大器發揮功能，放大器210作為連接在放大器220的前級的 驅動器級放大器發揮功能。雖然將放大器210、220的連接級數設為2，但是只要根據放大信號(RFOUT)的輸出將放大器210、220的連接級數指定為任意數即可。
放大器210具備將RF信號(RFIN)進行功率放大並輸出放大信號的一個或複數個雙極性電晶體Tr1。放大器210例如可以具有將雙極性電晶體Tr1作為指(Finger)(單位電晶體)並將多個複數並聯連接而成的多指構造。放大器220具備將作為由放大器210功率放大後的放大信號的RF信號進一步進行功率放大並輸出放大信號(RFOUT)的一個或複數個雙極性電晶體Tr2。放大器220例如可以具有將雙極性電晶體Tr2作為指並將多個指並聯連接的多指構造。雙極性電晶體Tr1、Tr2的接地形式例如是射極接地。作為雙極性電晶體Tr1、Tr2，例如能夠使用異質接合雙極性電晶體。連接在放大器210的前級的匹配電路230、連接在放大器210、220之間的匹配電路240、以及連接在放大器220的後級的匹配電路250分別使前級的電路與後級的電路之間的阻抗匹配。
控制IC 300具備場效電晶體Tr5、Tr6、Tr7、Tr8和基極鎮流電阻R12、R22。
場效電晶體Tr5作為通過導線410對放大器210供給偏壓信號Bias1的偏壓電路發揮功能。場效電晶體Tr5的汲極端子與電池電壓Vbat連接，輸入到其閘極端子的偏壓信號Bias1從其源極端子通過導線410供給到放大器210。另外，在放大器210的輸入與導線410之間連接有基極鎮流電阻R11。同樣地，在場效電晶體Tr5的源極端子與導線410之間連接有基極鎮流電阻R12。在雙極性電晶體Tr1的接地形式為射極接地的情況下，偏壓信號Bias1供給到雙極性電晶體Tr1的基極端子。偏壓信號Bias1是控制雙極性電晶體Tr1的偏壓點的偏壓電流或偏壓電壓。
場效電晶體Tr6作為通過導線430對放大器220供給偏壓信號 Bias2的偏壓電路發揮功能。場效電晶體Tr6的汲極端子與電池電壓Vbat連接，輸入到其閘極端子的偏壓信號Bias2從其源極端子通過導線430供給到放大器220。另外，在放大器220的輸入與導線430之間連接有基極鎮流電阻R21。同樣地，在場效電晶體Tr6的源極端子與導線430之間連接有基極鎮流電阻R22。在雙極性電晶體Tr2的接地形式為射極接地的情況下，偏壓信號Bias2供給到雙極性電晶體Tr2的基極端子。偏壓信號Bias2是控制雙極性電晶體Tr2的偏壓點的偏壓電流或偏壓電壓。
雙極性電晶體Tr3，其基極端子與其集極端子被連接。這種連接稱為二極體連接，雙極性電晶體Tr3作為與二極體等效的雙極元件進行動作。在本說明書中，方便起見，將二極體連接雙極性電晶體的兩個端子中的、在順向偏壓時電位高的一方稱為陽極，將電位低的一方稱為陰極。二極體連接雙極性電晶體Tr3的陽極A3與導線420連接，其陰極C3在功率放大電路200的內部接地。同樣地，二極體連接雙極性電晶體Tr4的陽極A4與導線440連接，其陰極C4在功率放大電路200的內部接地。
場效電晶體Tr7，其閘極端子與其汲極端子被連接。這種連接稱為二極體連接，場效電晶體Tr7作為與二極體等效的雙極元件進行動作。在本說明書中，方便起見，將二極體連接場效電晶體的兩個端子中的、在順向偏壓時電位高的一方稱為陽極，將電位低的一方稱為陰極。二極體連接場效電晶體Tr7的陽極A7與場效電晶體Tr5的閘極端子連接，其陰極C7與導線420連接。同樣地，二極體連接場效電晶體Tr8的陽極A8與場效電晶體Tr6的閘極端子連接，其陰極C8與導線440連接。
二極體連接雙極性電晶體Tr3與一個或複數個雙極性電晶體Tr1熱耦合(Thermally Coupled)。二極體連接雙極性電晶體Tr3與雙極性電晶體Tr1之間的距離例如優選為300μm以內。在放大器210具有多指構造的情況下， 多個指中的最接近二極體連接雙極性電晶體Tr3的指與二極體連接雙極性電晶體Tr3之間的距離例如優選為300μm以內。
同樣地，二極體連接雙極性電晶體Tr4與一個或複數個雙極性電晶體Tr2熱耦合。二極體連接雙極性電晶體Tr4與雙極性電晶體Tr2之間的距離例如優選為300μm以內。在放大器220具有多指構造的情況下，多個指中的最接近二極體連接雙極性電晶體Tr4的指與二極體連接雙極性電晶體Tr4之間的距離例如優選為300μm以內。
二極體連接場效電晶體Tr7未必一定要與場效電晶體Tr5熱耦合，但是也可以熱耦合。同樣地，二極體連接場效電晶體Tr8未必一定要與場效電晶體Tr6熱耦合，但是也可以熱耦合。
另外，在對導線410、420進行區分的情況下，有時將導線410稱為第1導線，將導線420稱為第2導線。同樣地，在對導線430、440進行區分的情況下，有時將導線430稱為第1導線，將導線440稱為第2導線。
根據實施方式1相關的功率放大模組120，可獲得以下的效果。
作為偏壓電路發揮功能的場效電晶體Tr5、Tr6能夠以低於雙極性電晶體的閾值電壓進行動作，因此能夠實現功率放大模組120的動作電壓的低電壓化。由此，縱使電池電壓Vbat下降某種程度，也能夠延長功率放大模組120能夠正常動作的時間。
在雙極性電晶體Tr1中，若使其基極-射極間的電壓為定值地進行驅動，則伴隨著溫度上升，集極電流會增加。若由於集極電流的增加而消耗功率增加，則雙極性電晶體Tr1的溫度會上升，由此將產生集極電流進一步增加這樣的正回饋(熱失控)。另一方面，二極體連接雙極性電晶體Tr3以及二極體連接場效電晶體Tr7各自的順向電壓具有伴隨著溫度上升而下降的溫度特性。由此，作為偏壓電路發揮功能的場效電晶體Tr5的閘極端子的電位伴隨著溫度上升 而下降，能夠抑制雙極性電晶體Tr1的熱失控。為了抑制這樣的熱失控，除了期望二極體連接雙極性電晶體Tr3與雙極性電晶體Tr1熱耦合以外，還期望二極體連接場效電晶體Tr7與場效電晶體Tr5熱耦合。同樣地，二極體連接雙極性電晶體Tr4以及二極體連接場效電晶體Tr8各自的順向電壓具有伴隨著溫度上升而下降的溫度特性。由此，作為偏壓電路發揮功能的場效電晶體Tr6的閘極端子的電位伴隨著溫度上升而下降，能夠抑制雙極性電晶體Tr2的熱失控。為了抑制這樣的熱失控，除了期望二極體連接雙極性電晶體Tr4與雙極性電晶體Tr2熱耦合以外，還期望二極體連接場效電晶體Tr8與場效電晶體Tr6熱耦合。
通過導線410的電感器分量，能夠防止RF信號的高頻分量輸入到場效電晶體Tr5。同樣地，通過導線430的電感器分量，能夠防止RF信號的高頻分量輸入到場效電晶體Tr6。
在二極體連接雙極性電晶體Tr3與雙極性電晶體Tr1熱耦合且二極體連接場效電晶體Tr7與場效電晶體Tr5熱耦合的情況下，可獲得能夠抑制雙極性電晶體Tr1的過度回應時的電流變化的過衝(Overshoot)這樣的效果。同樣地，在二極體連接雙極性電晶體Tr4與雙極性電晶體Tr2熱耦合且二極體連接場效電晶體Tr8與場效電晶體Tr6熱耦合的情況下，可獲得能夠抑制雙極性電晶體Tr2的過度回應時的電流變化的過衝這樣的效果。
圖3是表示與本發明的實施方式2有關的功率放大模組150的結構的說明圖。關於功率放大模組120、150，功率放大電路200內的二極體連接雙極性電晶體Tr3(Tr4)、控制IC300內的二極體連接場效電晶體Tr7(Tr8)、和控制IC300內的場效電晶體Tr5(Tr6)之間的連接的方式不同，在其餘方面是共同的。以下，以功率放大模組120、150的不同點為中心進行說明，對於兩者的共同點將省略詳細的說明。
二極體連接場效電晶體Tr7的陰極C7在控制IC300的內部接地。 二極體連接場效電晶體Tr7的陽極A7通過導線450而與二極體連接雙極性電晶體Tr3的陰極C3連接。二極體連接雙極性電晶體Tr3的陽極A3通過導線460而與場效電晶體Tr5的閘極端子連接。
二極體連接場效電晶體Tr8的陰極C8在控制IC300的內部接地。二極體連接場效電晶體Tr8的陽極A8通過導線470而與二極體連接雙極性電晶體Tr4的陰極C4連接。二極體連接雙極性電晶體Tr4的陽極A4通過導線480而與場效電晶體Tr6的閘極端子連接。
另外，在對導線410、450、460進行區分的情況下，有時將導線410稱為第1導線，將導線450稱為第2導線，將導線460稱為第3導線。同樣地，在對導線430、470、480進行區分的情況下，有時將導線430稱為第1導線，將導線470稱為第2導線，將導線480稱為第3導線。
實施方式2相關的功率放大模組150的作用效果與實施方式1相關的功率放大模組120的作用效果相同。
圖4是表示與本發明的實施方式3有關的功率放大模組160的結構的說明圖。功率放大模組160具有將功率放大模組120的功率放大電路200內的二極體連接雙極性電晶體Tr3、Tr4分別置換為二極體D13、D14的結構。功率放大模組160具有將功率放大模組120的控制IC300內的二極體連接場效電晶體Tr7、Tr8分別置換為二極體D17、D18的結構。以下，以功率放大模組120、160的不同點為中心進行說明，對於兩者的共同點將省略詳細的說明。
二極體D13的陽極A13與導線420連接，其陰極C13在功率放大電路200的內部接地。二極體D17的陽極A17與場效電晶體Tr5的閘極端子連接，其陰極C17與導線420連接。
二極體D14的陽極A14與導線440連接，其陰極C14在功率放大電路200的內部接地。二極體D18的陽極A18與場效電晶體Tr6的閘極端子連接， 其陰極C18與導線440連接。
另外，在對二極體D13、D17進行區分的情況下，將二極體D13稱為第1二極體，將二極體D17稱為第2二極體。同樣地，在對二極體D14、D18進行區分的情況下，將二極體D14稱為第1二極體，將二極體D18稱為第2二極體。
實施方式3相關的功率放大模組160的作用效果與實施方式1相關的功率放大模組120的作用效果相同。
圖5是表示與本發明的實施方式4有關的功率放大模組170的結構的說明圖。功率放大模組170具有將功率放大模組150的功率放大電路200內的二極體連接雙極性電晶體Tr3、Tr4分別置換為二極體D13、D14的結構。功率放大模組170具有將功率放大模組150的控制IC300內的二極體連接場效電晶體Tr7、Tr8分別置換為二極體D17、D18的結構。以下，以功率放大模組170、150的不同點為中心進行說明，對於兩者的共同點將省略詳細的說明。
二極體D17的陰極C17在控制IC300的內部接地。二極體D17的陽極A17通過導線450而與二極體D13的陰極C13連接。二極體D13的陽極A13通過導線460而與場效電晶體Tr5的閘極端子連接。
二極體D18的陰極C18在控制IC300的內部接地。二極體D18的陽極A18通過導線470而與二極體D14的陰極C14連接。二極體D14的陽極A4通過導線480而與場效電晶體Tr6的閘極端子連接。
實施方式4相關的功率放大模組170的作用效果與實施方式2相關的功率放大模組150的作用效果相同。
以上說明過的實施方式用於使本發明容易理解，不是用於對本發明進行限定解釋。本發明能夠在不脫離其主旨的情況下進行變更或改良，並且本發明還包括其均等物。即，只要具備本發明的特徵，所屬技術領域中具有 通常知識者對實施方式適當施加了設計變更的實施方式也包含于本發明的範圍。實施方式具備的元件及其配置等並非限定於例示的內容，能夠適當地進行變更。

Claims (9)

  1. 一種功率放大模組，具備功率放大電路和控制IC，其特徵在於：上述功率放大電路具備：雙極性電晶體，將RF信號進行功率放大並輸出放大信號；以及二極體連接雙極性電晶體，與上述雙極性電晶體熱耦合，上述控制IC具備場效電晶體和二極體連接場效電晶體，在上述場效電晶體中，汲極端子與電池電壓連接，將輸入到上述場效電晶體的閘極端子的偏壓信號從上述場效電晶體的源極端子通過第1導線供給到上述雙極性電晶體，上述二極體連接雙極性電晶體的陰極被接地，上述二極體連接雙極性電晶體的陽極通過第2導線而與上述二極體連接場效電晶體的陰極連接，上述二極體連接場效電晶體的陽極與上述場效電晶體的閘極端子連接。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的功率放大模組，其中，上述二極體連接場效電晶體與上述場效電晶體熱耦合。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的功率放大模組，其中，上述二極體連接雙極性電晶體的陰極在上述功率放大電路的內部被接地。
  4. 一種功率放大模組，具備功率放大電路和控制IC，其特徵在於：上述功率放大電路具備：雙極性電晶體，將RF信號進行功率放大並輸出放大信號；以及二極體連接雙極性電晶體，與上述雙極性電晶體熱耦合，上述控制IC具備場效電晶體和二極體連接場效電晶體，在上述場效電晶體中，汲極端子與電池電壓連接，將輸入到上述場效電晶體的閘極端子的偏壓信號從上述場效電晶體的源極端子通過第1導線供給到上 述雙極性電晶體，上述二極體連接場效電晶體的陰極被接地，上述二極體連接場效電晶體的陽極通過第2導線而與上述二極體連接雙極性電晶體的陰極連接，上述二極體連接雙極性電晶體的陽極通過第3導線而與上述場效電晶體的閘極端子連接。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的功率放大模組，其中，上述二極體連接場效電晶體與上述場效電晶體熱耦合。
  6. 如申請專利範圍第1、2、4、5項中的任一項所述的功率放大模組，其中，上述功率放大電路具備第1二極體來代替上述二極體連接雙極性電晶體，上述控制IC具備第2二極體來代替上述二極體連接場效電晶體。
  7. 如申請專利範圍第4項所述的功率放大模組，其中，上述二極體連接場效電晶體的陰極在上述控制IC的內部被接地。
  8. 如申請專利範圍第6項所述的功率放大模組，其中，上述第1二極體的陰極在上述功率放大電路的內部被接地。
  9. 如申請專利範圍第6項所述的功率放大模組，其中，上述第2二極體的陰極在上述控制IC的內部被接地。
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