WO2003034493A2 - High frequency power amplifier having an integrated passive adapter - Google Patents

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WO2003034493A2
WO2003034493A2 PCT/EP2002/011083 EP0211083W WO03034493A2 WO 2003034493 A2 WO2003034493 A2 WO 2003034493A2 EP 0211083 W EP0211083 W EP 0211083W WO 03034493 A2 WO03034493 A2 WO 03034493A2
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Definitions

  • the present invention relates to integrated amplifier circuits, and in particular to integrated high-frequency power amplifier circuits with passive integrated matching circuits.
  • the high-frequency amplifier 10 has an active amplifier circuit 12 which is connected on the input side to an input matching network 14 and on the output side also to an output matching network 16.
  • the amplifier circuit 12 is also connected to a direct current supply circuit 18 (DC bias).
  • DC bias direct current supply circuit 18
  • the high frequency amplifier circuit 12 is in a standard IC Housing housed, the various discrete adjustment components are arranged outside the housing.
  • the amplifier circuit 12 generally consists of a high-frequency transistor amplifier with a feedback network (not shown), which is provided in order to adjust the amplifier properties in accordance with the planned use of the amplifier.
  • the circuit design of the matching networks 14, 16 at the input and at the output of an amplifier circuit 12 is now dependent on which properties of the amplifier 10 are to be optimized. These tasks include, for example, power adjustment, noise adjustment, filter effects, stability measures, etc.
  • the DC power supply (DC bias) 18 is provided in an amplifier circuit in order to set an optimal DC operating point for the amplifier circuit, with either maximum amplification and maximum output power , a minimum noise figure, the best possible linearity or the greatest possible efficiency can be set.
  • the individual discrete passive components of the matching circuits 14, 16 and the DC power supply circuits should have sizes that can be easily implemented. sen, so that the individual arrangements are essentially low-loss and can be adjusted easily.
  • MMIC monolithic microwave integrated circuit
  • DC bias integrated direct current supply network
  • high-current coils and high-Q capacitors which are arranged on special carrier materials made of ceramic or an organic material, contribute considerably to the total cost of high-frequency amplifier arrangements. Furthermore, correspondingly complex assembly technologies are required in order to combine the active amplifier chips with the passive discrete SMD components, such as, for example, bonding the chips with reflow soldering of the SMD components.
  • the object of the present invention is to provide an improved amplifier with passive matching elements.
  • An amplifier according to the present invention comprises a chip in which an amplifier circuit is implemented, a semiconductor substrate with integrated passive elements, and connecting lines between the amplifier circuit and the integrated passive components, with which the integrated passive elements for input-side and / or output-side matching are connected to the amplifier circuit, such as. B. bond wires or bumps in flip-chip technology.
  • the present invention is based on the knowledge that a strong miniaturization of high-frequency power amplifier arrangements can be achieved by using "integrated" passive components on a semiconductor substrate as the input-side and / or output-side matching network for the amplifier circuit.
  • the active amplifier circuit thus forms an independent amplifier module, the integrated passive components arranged on a semiconductor substrate also forming a further independent adaptation module, which is used as a matching network at the input or output of the amplifier circuit and as a direct current. can be used to decouple the high-frequency components from the power supply.
  • HBT Hetrojunction Bipolar Transistor
  • the integrated arrangement of the passive components results in a large reduction in the areas required for the adaptation or direct current supply circuits, for example by a factor of up to 4.
  • the arrangement according to the invention achieves that, due to the module functionality, the passive adaptation module can be integrated together can be achieved with the active amplifier module in a standard IC housing using multichip technology.
  • the active amplifier circuit including the integrated passive matching elements in leadframe-based (leadframe-based) standard IC housings, such as, for. B. VQFN, TSLP or TSSOP standard housings can be accommodated.
  • FIG. 3 several active housed in a housing
  • Amplifier circuit modules with associated integrated passive adaptation modules (in multichip technology) according to the present invention
  • a high-frequency power amplifier generally consists of the active amplification circuit, which is connected on the input side and on the output side to matching networks.
  • the active amplification circuit is also connected to a DC supply for setting the DC operating point.
  • FIGS. 2a and 2b A first preferred embodiment of an amplifier with integrated passive matching elements according to the present invention will now be discussed with reference to FIGS. 2a and 2b.
  • an active amplifier circuit 22 which is implemented on a chip, ie preferably a semiconductor substrate 23 made of GaAs or silicon.
  • an integrated passive circuit 26 with integrated passive components, such as. B. integrated capacitors, inductors and strip lines. Between the active amplifier circuit 22 and the integrated passive circuit 26 connecting lines 28, z. B. bond wires, provided to connect the active amplifier circuit with the integrated passive components on the passive circuit module 26.
  • the passive circuit module 26 acts, for example, as an input and / or output matching network for the active amplifier circuit 22.
  • the passive circuit module 26 can also contain passive integrated components in order to provide a direct current supply for setting the operating point of the active amplifier circuit 22.
  • connection lines 28 are provided between the active amplifier circuit 22 and connection areas of the connection lead frame of an IC housing 30, where furthermore, connecting lines 28 are provided between the passive circuit module 26 and further connection surfaces of the connection line frame.
  • the connection areas are connected, for example, to the signal input, the signal output, the supply voltage, ground potential, etc.
  • the active amplifier circuit comprises, for example, a multi-stage transistor amplifier circuit with a direct current supply network (DC bias). Furthermore, an input-side adaptation of the amplifier circuit to the signal source and an adaptation between the individual transistor amplifier stages can already be provided.
  • DC bias direct current supply network
  • the independent, integrated passive adaptation module in MMIC circuits then only includes the integrated passive components required for the output adaptation, such as, for. B. capacitors, strip lines etc.
  • the passive circuit module 26 is provided as an adaptation network at the input and / or at the output of the active amplifier circuit 22, the respective circuit design of the passive circuit module 26 depending on which properties of the active amplifier circuit are to be optimized.
  • the output signal of the amplifier can also contain undesired harmonic frequencies in addition to the amplified fundamental oscillation.
  • These signal components can also be made using suitable passive filter components be filtered out in the output matching network.
  • the integrated passive circuit module 26 can also be provided, for example, in order to achieve a power adjustment at the input and output for maximum amplification. Furthermore, it can be provided for noise adaptation at the input and for power adaptation at the output for a minimal noise figure.
  • the integrated passive circuit module 26 can provide a filter effect to restrict the pass band in selective amplifiers. It is also possible to provide a filter effect to reduce adjacent channel interference at the input. Furthermore, the passive circuit module 26 can be provided in order to ensure the stability outside the operating frequency range of the active amplifier circuit 22. It is also conceivable that the passive circuit module 26 is used to compensate for the frequency dependence of the active amplifier circuit 22 in order to specify only some of the essential tasks of matching networks at the input and output of the active amplifier circuit.
  • the individual components of the passive circuit module 26 are designed as integrated capacitors, inductors and strip lines on a classic semiconductor carrier material, such as GaAs or silicon, whereby substrate materials such as glass and sapphire can also be used.
  • a classic semiconductor carrier material such as GaAs or silicon
  • substrate materials such as glass and sapphire can also be used.
  • special passive technology steps of GaAs HBT technology can be used or further developed for production.
  • the individual integrated passive components of the passive circuit module 26 should have sizes that can be implemented well on the one hand, with the adaptation network on the other hand should be low loss.
  • the individual passive elements should also be easy to match.
  • the design of the adaptation network i.e. H. the dimensioning of the individual integrated passive components can be carried out graphically well in the so-called "Smith diagram".
  • Smith diagram With the Smith diagram, a suitable matching point can be achieved in a limited frequency range through the appropriate parallel and series connection of dummy elements (L, C), for example to provide an output-side matching to a load impedance.
  • the task is always to transform a low-impedance impedance of the active amplifier circuit 22 into the desired adaptation point for the load impedance.
  • the adaptation network delivers the lowest losses and the largest bandwidth from the determined dummy elements with the shortest ⁇ transformation path (in the Smith diagram).
  • an exact high-frequency adaptation (on the input side or on the output side) of the active high-frequency amplifier 22 can be achieved solely by the respective placement of the contact points of the individual connecting lines 28 with respect to the respective passive components on the passive circuit module 26 .
  • suitable choice of the contact points for example, certain effective lengths of strip lines can be selected so that their transformation for the compensation, i.e. H. Adjustment, can be set exactly.
  • 2b shows a further exemplary embodiment of how contacts can be made to different contact points on the integrated passive circuit module. In this way, an optimal RF adaptation of the amplifier can already be implemented in the chip, so that complex adaptation steps for the customer during the final production of a device containing this amplifier can be omitted.
  • Certain passive components of the passive circuit module 26 can also be used to supply the DC power supply to the active amplifier circuit 22 if the DC power supply is not already implemented in the active amplifier circuit (see MMIC).
  • the DC power supplies are designed so that the RF signal path of the high-frequency amplifier remains as unaffected as possible. For example, ⁇ / 4 lines with the smallest possible strip widths are used in the microwave range. With the direct current feeds it should be noted that these not only function properly within the operating frequency range of the amplifier, but also outside, at all frequencies at which the transistor is amplified, reproducibly produce impedances with which the transistor remains stable. It should also be noted that the DC supply networks have a significant impact on the stability of an amplifier.
  • FIG. 3 now shows the placement of a plurality of active integrated amplifier circuits 22 with associated integrated passive circuit modules 24 on a semiconductor carrier in a standard IC housing. This is made possible due to the very small space requirement of the individual modules.
  • an integration capability of the integrated passive circuit module is achieved together with the active amplifier circuit to a module functionality in a standard housing with multichip technology, so that only very few or no additional discrete components for wiring the amplifier arrangement outside the IC Housing must be placed.
  • the present invention makes it possible for commercially available standard IC packages to be used for accommodating the amplifier circuit and the integrated passive matching circuit, including DC power supply, the critical and costly one already during the IC production RF adjustment work is done.
  • the present invention through the modular arrangement of the active amplifier circuit and the integrated passive matching circuit, enables the active amplifier circuit with the suitable passive integrated matching circuit in, depending on the desired adjustment to be made (power matching, noise matching, stability ...) the block can be combined.
  • the matching circuit for the input and / or output of the amplifier circuit on a separate integrated passive circuit module and the circuit for direct current supply with the respective passive components on another circuit module, in order to provide the RF signal path of the high-frequency amplifier to be kept as unaffected by the supply voltage as possible.
  • 4a to 4c show in an enlarged view some possible designs of passive integrated circuit modules, as can be used in the present amplifier circuit according to the invention.
  • 4a-c show the integration of a number of passive components: a low-loss high-current inductor, a standard inductor, one / two capacitor (s) with high goodness, a capacitor for suppressing harmonics of the signal frequency, two wide 50-OHM strip lines and a coupling-out capacitor (47-100pF).
  • MIM metal-insulator-metal
  • MIM metal-insulator-metal
  • a low-loss high-current coil is shown in FIG. 4c, for example.
  • Semiconductor substrate is of course also possible to jointly manufacture the integrated passive components with the active amplifier circuit on the same carrier.
  • passive integrated components ie integrated capacitors, inductors and lines
  • a classic semiconductor carrier material such as, for. B. GaAs or silicon
  • HBT hetrojunction bipolar transistor
  • the passive adaptation module can be integrated together with the active amplifier module in a standard IC housing using multichip technology.
  • the invented Invention amplifier arrangement achieved that these in leadframe-based (leadframe-based) standard IC packages such. B. VQFN, TSLP or TSSOP standard housings can be accommodated.

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Abstract

The invention concerns a high frequency power amplifier comprising a chip (23) wherein is implanted a power amplifier circuit (22), a semiconductor substrate (24) provided with integrated passive components (26), and connection lines (28) connecting the power amplifier circuit (22) to the integrated passive components (26). The integrated passive components (26) are connected to the power amplifier circuit (22) so as to adapt input side and/or output side. The chip (23) wherein is installed the power amplifier circuit (22), and the semiconductor (24) provided with integrated passive components (26) are arranged in a standard housing (30).

Description

Beschreibungdescription
Hochfrequenzleistungsverstärker mit integrierter passiver AnpassungsschaltungHigh-frequency power amplifier with integrated passive matching circuit
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf integrierte Verstärkerschaltungen, und insbesondere auf integrierte Hochfre- quenzleistungsverstärkerschaltungen mit passiven integrierten Anpassungsschaltungen.The present invention relates to integrated amplifier circuits, and in particular to integrated high-frequency power amplifier circuits with passive integrated matching circuits.
Mit der immer weiter fortschreitenden technischen Entwicklung auf dem Gebiet der Kommunikationstechnik, wie z. B. beim Mobilfunk, besteht ein immer größerer Bedarf nach integrierten Halbleiterschaltungen, die einerseits hinsichtlich ihres Platzbedarfs und andererseits bezüglich ihrer Kosten optimiert sind. Da außerdem bei modernen Mobilfunkanwendungen entsprechend den GSM-, PCN-, PCS-, CDMA-, UMTS-, US-TDMA- Standards relativ hohe Signalfrequenzen verarbeitet werden müssen, stellt sich ferner das Problem einer optimalen Hoch- frequenzanpassung der einzelnen integrierten Halbleiterschaltungen, wie z. B. die eingangsseitige und ausgangsseitige Hochfrequenzanpassung von integrierten Hochfrequenzleistungsverstärkern.With the ever advancing technical development in the field of communication technology, such as. B. in mobile communications, there is an ever increasing need for integrated semiconductor circuits that are optimized on the one hand in terms of their space requirements and on the other hand in terms of their costs. Furthermore, since relatively high signal frequencies have to be processed in modern mobile radio applications in accordance with the GSM, PCN, PCS, CDMA, UMTS, US-TDMA standards, there is also the problem of optimal high-frequency adaptation of the individual integrated semiconductor circuits, such as z. B. the input-side and output-side high-frequency adaptation of integrated high-frequency power amplifiers.
Fig. 1 zeigt nun beispielhaft in Form eines Blockschaltbilds die prinzipielle Anordnung eines Hochfrequenzverstärkers 10. Der Hochfrequenzverstärker 10 weist dabei eine aktive Verstärkerschaltung 12 auf, die eingangsseitig mit einem Eingangsanpassungsnetzwerk 14 und ausgangsseitig ferner mit ei- nem Ausgangsanpassungsnetzwerk 16 verbunden ist. Die Verstärkerschaltung 12 ist ferner mit einer Gleichstromzuführungsschaltung 18 (DC-Bias) verbunden. Üblicherweise ist nur die Hochfrequenzverstärkerschaltung 12 in einem Standard-IC- Gehäuse untergebracht, wobei die verschiedenen diskreten Anpassungskomponenten außerhalb des Gehäuses angeordnet sind. Die Verstärkerschaltung 12 besteht im allgemeinen aus einem Hochfrequenztransistorverstärker mit einem Rückkopplungsnetz- werk (nicht dargestellt) , das vorgesehen ist, um die Verstärkereigenschaften entsprechend dem geplanten Einsatz des Verstärkers einzustellen.1 now shows, by way of example in the form of a block diagram, the basic arrangement of a high-frequency amplifier 10. The high-frequency amplifier 10 has an active amplifier circuit 12 which is connected on the input side to an input matching network 14 and on the output side also to an output matching network 16. The amplifier circuit 12 is also connected to a direct current supply circuit 18 (DC bias). Usually only the high frequency amplifier circuit 12 is in a standard IC Housing housed, the various discrete adjustment components are arranged outside the housing. The amplifier circuit 12 generally consists of a high-frequency transistor amplifier with a feedback network (not shown), which is provided in order to adjust the amplifier properties in accordance with the planned use of the amplifier.
Beim Entwurf eines Transistorverstärkers für höhere Frequen- zen sind insbesondere die Kontrolle der Stabilität, die Berücksichtigung aller parasitären Effekte wie Verkopplung, Ab- strahlung, Gehäuseeinfluß und die Kenntnis aller nichtidealen Bauelementeeigenschaften, z. B. Resonanzfrequenzen von Kondensatoren, Reflexionen an Steckverbindern, Tempera- tureinflüsse auf Halbleiter, Widerstände und Substrate, und Exemplarstreuungen zu beachten. Die schaltungstechnische Ausführung der Anpassungsnetzwerke 14, 16 am Eingang und am Ausgang einer Verstärkerschaltung 12 ist nun davon abhängig, welche Eigenschaften des Verstärkers 10 optimiert werden sol- len. Zu diesen Aufgaben gehören beispielsweise eine Leistungsanpassung, eine Rauschanpassung, Filterwirkungen, Stabilitätsvorkehrungen usw. Die Gleichstromversorgung (DC-Bias) 18 ist bei einer Verstärkerschaltung vorgesehen, um einen optimalen Gleichstromarbeitspunkt für die Verstärkerschaltung einzustellen, wobei dabei entweder auf eine größtmögliche Verstärkung, eine maximale Ausgangsleistung, eine minimale Rauschzahl, eine bestmögliche Linearität oder einen möglichst großen Wirkungsgrad Wert gelegt werden kann.When designing a transistor amplifier for higher frequencies, in particular the control of stability, the consideration of all parasitic effects such as coupling, radiation, housing influence and the knowledge of all non-ideal component properties, e.g. For example, resonance frequencies of capacitors, reflections on connectors, temperature influences on semiconductors, resistors and substrates, and specimen scatter must be observed. The circuit design of the matching networks 14, 16 at the input and at the output of an amplifier circuit 12 is now dependent on which properties of the amplifier 10 are to be optimized. These tasks include, for example, power adjustment, noise adjustment, filter effects, stability measures, etc. The DC power supply (DC bias) 18 is provided in an amplifier circuit in order to set an optimal DC operating point for the amplifier circuit, with either maximum amplification and maximum output power , a minimum noise figure, the best possible linearity or the greatest possible efficiency can be set.
Die einzelnen diskreten passiven Bauelemente der Anpassungsschaltungen 14, 16 und der Gleichstromversorgungsschaltungen sollten dabei Größen aufweisen, die sich gut realisieren las- sen, so daß die einzelnen Anordnungen im wesentlichen verlustarm sind und sich gut abgleichen lassen.The individual discrete passive components of the matching circuits 14, 16 and the DC power supply circuits should have sizes that can be easily implemented. sen, so that the individual arrangements are essentially low-loss and can be adjusted easily.
Für Hochfrequenzanwendungen werden beispielsweise integrierte Hochfrequenzverstärkerschaltungen auf einem Si- oder GaAs- Substrat als MMIC-Verstärkerschaltungen (MMIC = monolithic microwave integrated circuit) ausgeführt. Diese Verstärkerschaltungen sind häufig mehrstufig ausgelegt und besitzen bereits ein integriertes Gleichstromzuführungsnetzwerk (DC- Bias) . Häufig ist auch deren Eingangsimpedanz bereits an einen gewünschten Wert von beispielsweise 50 Ω angepaßt. Ferner ist bei mehrstufigen MMIC-Verstärkerschaltungen bereits eine Anpassung zwischen den einzelnen Verstärkerstufen vorgesehen.For high-frequency applications, for example, integrated high-frequency amplifier circuits on a Si or GaAs substrate are designed as MMIC amplifier circuits (MMIC = monolithic microwave integrated circuit). These amplifier circuits are often designed in several stages and already have an integrated direct current supply network (DC bias). Often, their input impedance is already adapted to a desired value, for example 50 Ω. Furthermore, an adaptation between the individual amplifier stages is already provided in multi-stage MMIC amplifier circuits.
Zur Realisierung der passiven AnpassungsSchaltungen 14, 16 einschließlich der passiven Schaltungen zur Stromversorgung 18 von Leistungsverstärkern 12 werden auch bei der mobilen Kommunikation diskrete Lösungen eingesetzt. So werden beispielsweise High-Q-SMD-Kondensatoren, SMD-Hochstrom- Induktivitäten (SMD = surface mounted device = oberflächenbefestigtes Bauelement; High Q = high quality = hohe Güte) und gedruckte Induktivitäten und Streifenleitungen direkt auf einer Schaltungsplatine angeordnet, die beispielsweise vom Kunden vorgegeben ist. Es ist ferner möglich entsprechende Rea- lisierungen auf einem getrennten Substratträger, der beispielsweise aus einem Keramikmaterial oder einem organischen Trägermaterial besteht, anzuordnen, wobei dieses Modul getrennt zu der Verstärkerschaltung 12 angeordnet ist. Es ist auch möglich, dass die aktive Verstärkerschaltung als Chip und die Anpassungsschaltung auf einem gemeinsamen Träger realisiert sind. Durch die getrennte Anordnung der Anpassungsnetzwerke bzw. der Gleichstromversorgungsschaltungen auf eigenen Platinen ergeben sich eine Reihe von Problemen. Durch die getrennte Anordnung auf verschiedenen Trägern ist es technisch sehr schwierig, eine optimale Miniaturisierung der gesamten Verstärkeranordnung zu erreichen. Dies ergibt sich insbesondere durch die Verwendung einer Vielzahl von erforderlichen diskreten Bauelementen wie Kondensatoren und Induktivitäten. Aufgrund dieser getrennten Anordnung der Verstärkerschaltung 12 auf einem eigenen Chip und der diskreten passiven Bauelemente für die Anpassungsnetzwerke und die Gleichstromversorgung ist es nicht möglich, diese zusammen in üblichen Standardgehäusen für ICs, wie z. B. VQFN-, TSLP- oder TSSOP- Gehäusen (VQFN = very quad flat non-leaded; TSLP = thin small leadless package; TSSOP = thin shrink small outline package) , unterzubringen. Ferner tragen die relativ teueren SMD- Bauteile, z. B. Hochstromspulen und High-Q-Kondensatoren, die auf speziellen Trägermaterialien aus Keramik oder einem organischen Material angeordnet werden, beträchtlich zu den Ge- samtkosten von Hochfrequenzverstärkeranordnungen bei. Ferner sind entsprechend aufwendige Montagetechnologien erforderlich, um die aktiven Verstärkerchips mit den passiven diskreten SMD-Komponenten zu kombinieren, wie beispielsweise Bonden der Chips mit Reflow-Löten der SMD-Bauteile.In order to implement the passive adaptation circuits 14, 16 including the passive circuits for supplying power 18 to power amplifiers 12, discrete solutions are also used in mobile communication. For example, high-Q SMD capacitors, SMD high-current inductors (SMD = surface mounted device = surface-mounted component; High Q = high quality = high quality) and printed inductors and strip lines are arranged directly on a circuit board, for example by the customer is specified. It is also possible to arrange corresponding implementations on a separate substrate carrier, which consists, for example, of a ceramic material or an organic carrier material, this module being arranged separately from the amplifier circuit 12. It is also possible for the active amplifier circuit as a chip and the matching circuit to be implemented on a common carrier. The separate arrangement of the matching networks or the DC power supply circuits on separate boards results in a number of problems. Due to the separate arrangement on different carriers, it is technically very difficult to achieve an optimal miniaturization of the entire amplifier arrangement. This results in particular from the use of a large number of required discrete components such as capacitors and inductors. Due to this separate arrangement of the amplifier circuit 12 on its own chip and the discrete passive components for the matching networks and the DC power supply, it is not possible to combine them in conventional standard housings for ICs, such as. B. VQFN, TSLP or TSSOP housings (VQFN = very quad flat non-leaded; TSLP = thin small leadless package; TSSOP = thin shrink small outline package). Furthermore, the relatively expensive SMD components such. B. high-current coils and high-Q capacitors, which are arranged on special carrier materials made of ceramic or an organic material, contribute considerably to the total cost of high-frequency amplifier arrangements. Furthermore, correspondingly complex assembly technologies are required in order to combine the active amplifier chips with the passive discrete SMD components, such as, for example, bonding the chips with reflow soldering of the SMD components.
Dabei ist insbesondere auf die sehr schwierige und kritische Hochfrequenztransformation zur Anpassung der Verstärkerschaltung an die äußeren Beschaltungsko ponenten bei einem Hochfrequenzeinsatz, wie es in der Mobilkommunikation üblich ist, zu achten. So müssen Verstärker bedingt durch die zum Teil beachtlichen Exemplarstreuungen der Eigenschaften von Transistoren in der Serienproduktion häufig einzeln von Hand abgeglichen werden. Besonders bei mehrstufigen Verstärkern (vgl. MMIC) kann dies sehr zeit- und kostenintensiv sein und spezielle Kenntnisse beim Abgleichen erfordern, insbesondere wenn dieser Abgleich erst bei der Endmontage beim Kunden durchgeführt wird.Particular attention should be paid to the very difficult and critical high-frequency transformation for adapting the amplifier circuit to the external wiring components in a high-frequency use, as is common in mobile communication. Due to the considerable variation in the properties of transistors in series production, amplifiers often have to be individually adjusted by hand. Especially with multi-stage amplifiers (cf. MMIC), this can be very time-consuming and cost-intensive and require special knowledge when comparing, especially if this comparison is only carried out at the customer's final assembly.
Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen verbesserten Verstärker mit passiven Anpassungselementen zu schaffen.Based on this prior art, the object of the present invention is to provide an improved amplifier with passive matching elements.
Diese Aufgabe wird durch einen Verstärker gemäß Anspruch 1 gelöst.This object is achieved by an amplifier according to claim 1.
Ein Verstärker gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt einen Chip, in dem eine Verstärkerschaltung implementiert ist, ein Halbleitersubstrat mit integrierten passiven Elementen, und Verbindungsleitungen zwischen der Verstärkerschaltung und den integrierten passiven Bauelementen, mit denen die integrierten passiven Elemente zur eingangsseitigen und/oder ausgangs- seitigen Anpassung mit der Verstärkerschaltung verbunden sind, wie z. B. Bonddrähte oder Bumps bei Flip-Chip-Technologie.An amplifier according to the present invention comprises a chip in which an amplifier circuit is implemented, a semiconductor substrate with integrated passive elements, and connecting lines between the amplifier circuit and the integrated passive components, with which the integrated passive elements for input-side and / or output-side matching are connected to the amplifier circuit, such as. B. bond wires or bumps in flip-chip technology.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß eine starke Miniaturisierung von Hochfrequenzleistungsver- Stärkeranordnungen erreicht werden kann, indem als eingangs- seitiges und/oder ausgangsseitiges Anpassungsnetzwerk für die Verstärkerschaltung "integrierte" passive Bauelemente auf einem Halbleitersubstrat verwendet werden. Somit bildet die aktive Verstärkerschaltung ein eigenständiges Verstärkermodul, wobei ferner die auf einem Halbleitersubstrat angeordneten integrierten passiven Bauelemente ein weiteres eigenständiges Anpassungsmodul bilden, das als Anpassungsnetzwerk am Eingang bzw. Ausgang der Verstärkerschaltung und als Gleichstro zu- führung zum Entkoppeln der Hochfrequenzkomponenten von der Stromversorgung verwendet werden kann.The present invention is based on the knowledge that a strong miniaturization of high-frequency power amplifier arrangements can be achieved by using "integrated" passive components on a semiconductor substrate as the input-side and / or output-side matching network for the amplifier circuit. The active amplifier circuit thus forms an independent amplifier module, the integrated passive components arranged on a semiconductor substrate also forming a further independent adaptation module, which is used as a matching network at the input or output of the amplifier circuit and as a direct current. can be used to decouple the high-frequency components from the power supply.
Durch das Vorsehen von integrierten passiven Bauelementen, d. h. integrierten Kondensatoren, Induktivitäten und Streifenleitungen, in einem klassischen Halbleiterträgermaterial, wie z. B. GaAs oder Silizium, können spezielle passive Technologieschritte der GaAs-HBT-Technologie (HBT = Hetrojunction Bipolartransistor) zu deren Herstellung eingesetzt bzw. erwei- tert genutzt werden. Durch die integrierte Anordnung der passiven Bauelemente ergibt sich eine starke Verringerung der benötigten Flächen für die Anpassungs- bzw. Gleichstromzuführungsschaltungen, beispielsweise um einen Faktor von bis zu 4. Ferner wird durch die erfindungsgemäße Anordnung erreicht, daß aufgrund der Modulfunktionalität eine Integrationsfähigkeit des passiven Anpassungsmoduls zusammen mit dem aktiven Verstärkermodul in einem Standard-IC-Gehäuse in Multichip- technologie erreicht werden kann.By providing integrated passive components, i.e. H. integrated capacitors, inductors and strip lines, in a classic semiconductor carrier material, such as. B. GaAs or silicon, special passive technology steps of GaAs HBT technology (HBT = Hetrojunction Bipolar Transistor) can be used or expanded for their manufacture. The integrated arrangement of the passive components results in a large reduction in the areas required for the adaptation or direct current supply circuits, for example by a factor of up to 4. Furthermore, the arrangement according to the invention achieves that, due to the module functionality, the passive adaptation module can be integrated together can be achieved with the active amplifier module in a standard IC housing using multichip technology.
Durch die passive Integration von verlustarmen, stark impedanztransformierenden Ausgangsanpassungsnetzwerken einschließlich der Stromversorgung für Leistungsverstärker der mobilen Kommunikation auf einem Halbleiterträger ergeben sich also eine Reihe von Vorteilen. So wird, wie bereits erörtert, eine erhebliche Flächenersparnis gegenüber bisherigen Lösungen mit diskreten passiven Bauelementen erreicht. Ferner können für eine kostenoptimierte Massenfertigung von Hochfrequenzleistungsverstärker teuere SMD-Bauteile für die Hochstromspulen und High-Q-Kondensatoren eingespart werden. Fer- ner ist es nicht mehr notwendig, ein spezielles zusätzliches Trägermaterial, beispielsweise aus Keramik oder einem organischen Material, für die Kombination der aktiven Chips mit den passiven SMD-Komponenten vorzusehen, wodurch entsprechend aufwendige Montagetechnologien bei der Endfertigung und Montage entfallen. Ferner kann durch die modulare Anordnung der aktiven Verstärkerschaltung und der integrierten passiven Anpassungskomponenten eines Hochfrequenzverstärkers die sehr schwierige und kritische Hochfrequenztransformation im Rahmen der Fertigung bereits auf dem Chip mit der Verstärkeranordnung integriert werden. Ferner wird durch die erfindungsgemäße Verstärkeranordnung erreicht, daß die aktive Verstärkerschaltung einschließlich der integrierten passiven Anpas- sungselemente in Anschlußleitungsrahmen-basierenden (leadfra- me-basierenden) Standard-IC-Gehäusen, wie z. B. VQFN-, TSLP- oder TSSOP-Standardgehäusen, untergebracht werden können.The passive integration of low-loss, strongly impedance-transforming output matching networks, including the power supply for power amplifiers for mobile communication on a semiconductor carrier, therefore offers a number of advantages. As already discussed, a considerable space saving compared to previous solutions with discrete passive components is achieved. Furthermore, expensive SMD components for the high-current coils and high-Q capacitors can be saved for a cost-optimized mass production of high-frequency power amplifiers. Furthermore, it is no longer necessary to provide a special additional carrier material, for example made of ceramic or an organic material, for the combination of the active chips with the passive SMD components, as a result of which there is no need for complex assembly technologies for final production and assembly. Furthermore, due to the modular arrangement of the active amplifier circuit and the integrated passive adaptation components of a high-frequency amplifier, the very difficult and critical high-frequency transformation can already be integrated on the chip with the amplifier arrangement during production. It is also achieved by the amplifier arrangement according to the invention that the active amplifier circuit including the integrated passive matching elements in leadframe-based (leadframe-based) standard IC housings, such as, for. B. VQFN, TSLP or TSSOP standard housings can be accommodated.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:Preferred exemplary embodiments of the present invention are explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. Show it:
Fig. 1 eine allgemeine Verstärkeranordnung in Blockschaltbildform,1 shows a general amplifier arrangement in block diagram form,
Fig. 2a, b ein in einem Gehäuse untergebrachtes aktives Verstärkermodul mit einem integrierten passiven Anpassungsmodul gemäß der vorliegenden Erfindung,2a, b an active amplifier module housed in a housing with an integrated passive adaptation module according to the present invention,
Fig. 3 mehrere in einem Gehäuse untergebrachte aktiveFig. 3 several active housed in a housing
Verstärkerschaltungsmodule mit zugeordneten integrierten passiven Anpassungsmodulen (in Multichip- technologie) gemäß der vorliegenden Erfindung, undAmplifier circuit modules with associated integrated passive adaptation modules (in multichip technology) according to the present invention, and
Fig. 4a-c verschiedene passive integrierte Anpassungsmodule gemäß der vorliegenden Erfindung. Wie bereits anhand von Fig. 1 in Form eines Blockschaltbilds allgemein dargestellt wurde, besteht ein Hochfrequenzleistungsverstärker im allgemeinen aus der aktiven Verstärkungsschaltung, die eingangsseitig und ausgangsseitig mit Anpas- sungsnetzwerken verbunden ist. Die aktive Verstärkungsschaltung ist ferner zu Einstellung des Gleichstromarbeitspunktes mit einer Gleichstromzuführung verbunden.4a-c different passive integrated adaptation modules according to the present invention. As has already been shown in general in the form of a block diagram with reference to FIG. 1, a high-frequency power amplifier generally consists of the active amplification circuit, which is connected on the input side and on the output side to matching networks. The active amplification circuit is also connected to a DC supply for setting the DC operating point.
Anhand von Fig. 2a und 2b wird nun ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Verstärkers mit integrierten passiven Anpassungselementen gemäß der vorliegenden Erfindung erörtert.A first preferred embodiment of an amplifier with integrated passive matching elements according to the present invention will now be discussed with reference to FIGS. 2a and 2b.
In einem Verstärkerbaustein 20 befindet sich eine aktive Ver- Stärkerschaltung 22, die auf einem Chip, d. h. vorzugsweise einem Halbleitersubstrat 23 aus GaAs oder Silizium implementiert ist. Auf einem weiteren Halbleitersubstrat bzw. Träger 24 befindet sich eine integrierte passive Schaltung 26 mit integrierten passiven Bauelementen, wie z. B. integrierten Kondensatoren, Induktivitäten und Streifenleitungen. Zwischen der aktiven Verstärkerschaltung 22 und der integrierten passiven Schaltung 26 sind Verbindungsleitungen 28, z. B. Bond- Drähte, vorgesehen, um die aktive Verstärkerschaltung mit den integrierten passiven Bauelementen auf dem passiven Schal- tungsmodul 26 zu verbinden. Das passive Schaltungsmodul 26 ist beispielsweise als Eingangs- und/oder Ausgangsanpassungsnetzwerk für die aktive Verstärkerschaltung 22 wirksam. Das passive Schaltungsmodul 26 kann auch passive integrierte Bauelemente enthalten, um eine Gleichstromzuführung zum Einstel- len des Arbeitspunkts der aktiven Verstärkerschaltung 22 vorzusehen. Außerdem sind Verbindungsleitungen 28 zwischen der aktiven Verstärkerschaltung 22 und Anschlußflächen des Anschlußleitungsrahmens eines IC-Gehäuses 30 vorgesehen, wo- bei ferner Verbindungsleitungen 28 zwischen dem passiven Schaltungsmodul 26 und weiteren Anschlußflächen des Anschlußleitungsrahmens vorgesehen sind. Die Anschlußflächen sind beispielsweise mit dem Signaleingang, dem Signalausgang, der Versorgungsspannung, Massepotential usw. beschaltet.In an amplifier module 20 there is an active amplifier circuit 22, which is implemented on a chip, ie preferably a semiconductor substrate 23 made of GaAs or silicon. On a further semiconductor substrate or carrier 24 there is an integrated passive circuit 26 with integrated passive components, such as. B. integrated capacitors, inductors and strip lines. Between the active amplifier circuit 22 and the integrated passive circuit 26 connecting lines 28, z. B. bond wires, provided to connect the active amplifier circuit with the integrated passive components on the passive circuit module 26. The passive circuit module 26 acts, for example, as an input and / or output matching network for the active amplifier circuit 22. The passive circuit module 26 can also contain passive integrated components in order to provide a direct current supply for setting the operating point of the active amplifier circuit 22. In addition, connection lines 28 are provided between the active amplifier circuit 22 and connection areas of the connection lead frame of an IC housing 30, where furthermore, connecting lines 28 are provided between the passive circuit module 26 and further connection surfaces of the connection line frame. The connection areas are connected, for example, to the signal input, the signal output, the supply voltage, ground potential, etc.
Die aktive Verstärkerschaltung umfasst im Fall einer MMIC- Schaltung auf einem GaAs- oder Si-Substrat beispielsweise eine mehrstufige Transistorverstärkerschaltung mit einem Gleichstromzuführungsnetzwerk (DC-Bias) . Ferner kann bereits eine eingangseitige Anpassung der Verstärkerschaltung an die Signalquelle und eine Anpassung zwischen den einzelnen Transistorverstärkerstufen vorgesehen sein.In the case of an MMIC circuit on a GaAs or Si substrate, the active amplifier circuit comprises, for example, a multi-stage transistor amplifier circuit with a direct current supply network (DC bias). Furthermore, an input-side adaptation of the amplifier circuit to the signal source and an adaptation between the individual transistor amplifier stages can already be provided.
Das eigenständige integrierte passive Anpassungsmodul umfasst bei MMIC-Schaltungen dann nur die für die Ausgangsanpassung erforderlichen integrierten passiven Bauelemente, wie z. B. Kondensatoren, Streifenleitungen usw.The independent, integrated passive adaptation module in MMIC circuits then only includes the integrated passive components required for the output adaptation, such as, for. B. capacitors, strip lines etc.
Im folgenden wird nun die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verstärkers 20 mit integrierten passiven Anpassungselementen 26 erläutert.The mode of operation of the amplifier 20 according to the invention with integrated passive adaptation elements 26 will now be explained.
Das passive Schaltungsmodul 26 ist als Anpassungsnetzwerk am Eingang und/oder am Ausgang der aktiven Verstärkerschaltung 22 vorgesehen, wobei die jeweilige schaltungstechnische Ausgestaltung des passiven Schaltungsmoduls 26 davon abhängt, welche Eigenschaften der aktiven Verstärkerschaltung optimiert werden sollen. Infolge der nichtlinearen Übertragungs- kennlinie eines Transistors kann das Ausgangssignal des Verstärkers neben der verstärkten Grundschwingung auch unerwünschte harmonische Frequenzen enthalten. Auch diese Signalkomponenten können durch geeignete passive Filterkomponenten im Ausgangsanpassungsnetzwerk ausgefiltert werden. Das integrierte passive Schaltungsmodul 26 kann beispielsweise auch vorgesehen sein, um eine Leistungsanpassung am Eingang und Ausgang für eine maximale Verstärkung zu erreichen. Ferner kann es zur Rauschanpassung am Eingang und zur Leistungsanpassung am Ausgang für eine minimale Rauschzahl vorgesehen sein. Ferner kann das integrierte passive Schaltungsmodul 26 eine Filterwirkung zur Einschränkung des Durchlaßbereichs bei selektiven Verstärkern vorsehen. Es ist ferner möglich, eine Filterwirkung zur Verminderung von Nachbarkanalstörungen am Eingang vorzusehen. Ferner kann das passive Schaltungsmodul 26 vorgesehen sein, um die Stabilität außerhalb des Betriebsfrequenzbereiches der aktiven Verstärkerschaltung 22 zu gewährleisten. Es ist auch denkbar, daß das passive Schaltungs- modul 26 zur Kompensation der Frequenzabhängigkeit der aktiven Verstärkerschaltung 22 eingesetzt wird, um nur einige der wesentlichen Aufgaben von Anpassungsnetzwerken am Eingang und Ausgang der aktiven Verstärkerschaltung anzugeben.The passive circuit module 26 is provided as an adaptation network at the input and / or at the output of the active amplifier circuit 22, the respective circuit design of the passive circuit module 26 depending on which properties of the active amplifier circuit are to be optimized. As a result of the non-linear transmission characteristic of a transistor, the output signal of the amplifier can also contain undesired harmonic frequencies in addition to the amplified fundamental oscillation. These signal components can also be made using suitable passive filter components be filtered out in the output matching network. The integrated passive circuit module 26 can also be provided, for example, in order to achieve a power adjustment at the input and output for maximum amplification. Furthermore, it can be provided for noise adaptation at the input and for power adaptation at the output for a minimal noise figure. Furthermore, the integrated passive circuit module 26 can provide a filter effect to restrict the pass band in selective amplifiers. It is also possible to provide a filter effect to reduce adjacent channel interference at the input. Furthermore, the passive circuit module 26 can be provided in order to ensure the stability outside the operating frequency range of the active amplifier circuit 22. It is also conceivable that the passive circuit module 26 is used to compensate for the frequency dependence of the active amplifier circuit 22 in order to specify only some of the essential tasks of matching networks at the input and output of the active amplifier circuit.
Bei der vorliegenden Erfindung sind die einzelnen Bauelemente des passiven Schaltungsmoduls 26 als integrierte Kondensatoren, Induktivitäten und Streifenleitungen auf einem klassischen Halbleiterträgermaterial, wie GaAs oder Silizium, ausgestaltet, wobei auch Substratmaterialien wie Glas und Saphir zum Einsatz kommen können. Zur Herstellung können hier beispielsweise spezielle passive Technologieschritte der GaAs- HBT-Technologie eingesetzt bzw. weiterentwickelt genutzt werden.In the present invention, the individual components of the passive circuit module 26 are designed as integrated capacitors, inductors and strip lines on a classic semiconductor carrier material, such as GaAs or silicon, whereby substrate materials such as glass and sapphire can also be used. Here, for example, special passive technology steps of GaAs HBT technology can be used or further developed for production.
Die einzelnen integrierten passiven Bauelemente des passiven Schaltungsmoduls 26 sollten dabei Größen haben, die sich einerseits gut realisieren lassen, wobei das Anpassungsnetzwerk andererseits verlustarm sein sollte. Die einzelnen passiven Elemente sollten sich ferner gut abgleichen lassen.The individual integrated passive components of the passive circuit module 26 should have sizes that can be implemented well on the one hand, with the adaptation network on the other hand should be low loss. The individual passive elements should also be easy to match.
Der Entwurf des Anpassungsnetzwerks, d. h. die Dimensionie- rung der einzelnen integrierten passiven Bauelemente, kann graphisch gut in dem sogenannten "Smith-Diagramm" durchgeführt werden. Mit dem Smith-Diagramm kann durch die geeignete Parallel- und Serienschaltung von Blindelementen (L, C) in einem begrenzten Frequenzbereich ein gewünschter Anpassungs- punkt erreicht werden, um beispielsweise eine ausgangsseitige Anpassung an eine Lastimpedanz vorzusehen. Bei höheren Frequenzen und bei höherer Leistung besteht die Aufgabe immer darin, eine niederohmige Impedanz der aktiven Verstärkerschaltung 22 in den gewünschten Anpassungspunkt für die Last- impedanz zu transformieren. Grundsätzlich liefert das Anpassungsnetzwerk aus den ermittelten Blindelementen mit dem kürzesten ^Transformationsweg (im Smith-Diagramm) die geringsten Verluste und die größte Bandbreite.The design of the adaptation network, i.e. H. the dimensioning of the individual integrated passive components can be carried out graphically well in the so-called "Smith diagram". With the Smith diagram, a suitable matching point can be achieved in a limited frequency range through the appropriate parallel and series connection of dummy elements (L, C), for example to provide an output-side matching to a load impedance. At higher frequencies and with higher power, the task is always to transform a low-impedance impedance of the active amplifier circuit 22 into the desired adaptation point for the load impedance. Basically, the adaptation network delivers the lowest losses and the largest bandwidth from the determined dummy elements with the shortest ^ transformation path (in the Smith diagram).
Bedingt durch die zum Teil beachtlichen Exemplarstreuungen der Eigenschaften von Transistoren, müssen Hochfrequenzverstärker in der Serienproduktion häufig einzeln von Hand abgeglichen werden. Besonders bei mehrstufigen Verstärkern kann dies sehr zeit- und kostenintensiv sein und spezielle Kennt- nisse beim Abgleichen erfordern. Je größer der Rückwirkungsfaktor S12 (S-Parameter) der Verstärkeranordnung ist, desto schwieriger wird der Abgleich, da dieser Parameter ein Maß dafür ist, wie sehr sich eine Veränderung des Ausgangsanpassungsnetzwerkes auf den Transistoreingang auswirkt.Due to the sometimes considerable variation in the properties of transistors, high-frequency amplifiers in series production often have to be individually adjusted by hand. With multi-stage amplifiers in particular, this can be very time-consuming and cost-intensive and require special knowledge when adjusting. The greater the feedback factor S 12 (S parameter) of the amplifier arrangement, the more difficult the adjustment becomes, since this parameter is a measure of how much a change in the output matching network affects the transistor input.
Die Minimierung der notwendigen Abgleicharbeiten und ihre einfache Durchführbarkeit sollte deshalb bereits bei der Schaltungsentwicklung bzw. schon bei der Auswahl des Schaltungskonzepts berücksichtig werden.The minimization of the necessary adjustment work and its simple feasibility should therefore already be with the Circuit development or already be taken into account when selecting the circuit concept.
Bei der vorliegenden Erfindung ist es nun besonders vorteil- haft, daß allein durch die jeweilige Platzierung der Kontaktpunkte der einzelnen Verbindungsleitungen 28 bezüglich der jeweiligen passiven Bauelemente auf dem passiven Schaltungsmodul 26 eine exakte Hochfrequenzanpassung (eingangsseitig bzw. ausgangsseitig) des aktiven Hochfrequenzverstärkers 22 erreicht werden kann. Durch die geeignete Wahl der Kontaktpunkte können beispielsweise bestimmte wirksame Längen von Streifenleitungen gewählt werden, so daß deren Transformation für die Kompensation, d. h. Anpassung, exakt eingestellt werden kann. So ist in Fig. 2b eine weitere beispielhafte Aus- führungsform dargestellt, wie Kontaktierungen zu unterschiedlichen Kontaktpunkten auf dem integrierten passiven Schaltungsmodul erfolgen können. Damit kann eine optimale HF- Anpassung des Verstärkers bereits im Chip realisiert werden, so daß aufwendige Anpassungsschritte beim Kunden bei der End- fertigung eines diesen Verstärker enthaltenden Geräts entfallen können.In the present invention, it is particularly advantageous that an exact high-frequency adaptation (on the input side or on the output side) of the active high-frequency amplifier 22 can be achieved solely by the respective placement of the contact points of the individual connecting lines 28 with respect to the respective passive components on the passive circuit module 26 , By suitable choice of the contact points, for example, certain effective lengths of strip lines can be selected so that their transformation for the compensation, i.e. H. Adjustment, can be set exactly. 2b shows a further exemplary embodiment of how contacts can be made to different contact points on the integrated passive circuit module. In this way, an optimal RF adaptation of the amplifier can already be implemented in the chip, so that complex adaptation steps for the customer during the final production of a device containing this amplifier can be omitted.
Bestimmte passive Bauelemente des passiven Schaltungsmoduls 26 können ferner zur Zuführung der Gleichstromversorgung der aktiven Verstärkerschaltung 22 verwendet werden, falls die Gleichstromversorgung nicht bereits in der aktiven Verstärkerschaltung implementiert ist (vgl. MMIC) .Certain passive components of the passive circuit module 26 can also be used to supply the DC power supply to the active amplifier circuit 22 if the DC power supply is not already implemented in the active amplifier circuit (see MMIC).
Bei den Gleichstromzuführungen ist zu beachten, daß diese so ausgelegt werden, daß der HF-Signalweg des Hochfrequenzverstärkers möglichst unbeeinflußt bleibt. So werden beispielsweise im Mikrowellenbereich λ/4-Leitungen mit kleinstmögli- chen Streifenbreiten benutzt. Bei den Gleichstromzuführungen ist zu beachten, daß diese nicht nur innerhalb des Betriebsfrequenzbereichs des Verstärkers ordnungsgemäß arbeiten, sondern auch außerhalb, bei allen Frequenzen, bei denen der Transistor verstärkt, reproduzierbar Impedanzen erzeugen, mit denen der Transistor stabil bleibt. Es ist ferner zu beachten, daß die Gleichstromzuführungsnetzwerke wesentliche Auswirkungen auf die Stabilität eines Verstärkers haben.It should be noted that the DC power supplies are designed so that the RF signal path of the high-frequency amplifier remains as unaffected as possible. For example, λ / 4 lines with the smallest possible strip widths are used in the microwave range. With the direct current feeds it should be noted that these not only function properly within the operating frequency range of the amplifier, but also outside, at all frequencies at which the transistor is amplified, reproducibly produce impedances with which the transistor remains stable. It should also be noted that the DC supply networks have a significant impact on the stability of an amplifier.
Fig. 3 zeigt nun die Unterbringung mehrerer aktiver integ- rierter Verstärkerschaltungen 22 mit zugehörigen integrierten passiven Schaltungsmodulen 24 auf einem Halbleiterträger in einem Standard-IC-Gehäuse. Dies wird aufgrund des sehr geringen Platzbedarfs der einzelnen Module ermöglicht.FIG. 3 now shows the placement of a plurality of active integrated amplifier circuits 22 with associated integrated passive circuit modules 24 on a semiconductor carrier in a standard IC housing. This is made possible due to the very small space requirement of the individual modules.
Durch die Integration von verlustarmen, stark impedanztransformierenden Ausgangsanpassungsnetzwerken einschließlich der Stromversorgung für die Verstärkerschaltung (z. B. für Mobilfunkanwendungen) auf einem Halbleiterträger, wie z. B. Silizium oder GaAs, wird damit eine Integrationsfähigkeit des in- tegrierten passiven Schaltungsmoduls zusammen mit der aktiven Verstärkerschaltung zu einer Modulfunktionalität in einem Standardgehäuse mit Multichiptechnologie erreicht, so daß nur sehr wenige bzw. keine zusätzlichen diskreten Bauelemente zur Beschaltung der Verstärkeranordnung außerhalb des IC-Gehäuses platziert werden müssen.By integrating low loss, high impedance transforming output matching networks including the power supply for the amplifier circuit (z. B. for mobile radio applications) on a semiconductor carrier, such as. As silicon or GaAs, an integration capability of the integrated passive circuit module is achieved together with the active amplifier circuit to a module functionality in a standard housing with multichip technology, so that only very few or no additional discrete components for wiring the amplifier arrangement outside the IC Housing must be placed.
Wie bereits im vorhergehenden ausführlich erörtert wurde, wird durch die vorliegende Erfindung ermöglicht, dass handelsübliche Standard-IC-Gehäuse zur Unterbringung der Ver- Stärkerschaltung und der integrierten passiven Anpassungsschaltung einschließlich Gleichstromversorgung verwendet werden können, wobei bereits bei der IC-Herstellung die kritische und aufwendige HF-Anpassungsarbeit vorgenommen wird. So ermöglicht die vorliegende Erfindung durch die modulare Anordnung der aktiven Verstärkerschaltung und der integrierten passiven Anpassungsschaltung, dass je nach gewünschter vorzunehmender Anpassung (Leistungsanpassung, Rauschanpassung, Stabilität ... ) bereits bei der IC-Fertigung die aktive Verstärkerschaltung mit der geeigneten passiven integrierten Anpassungsschaltung in dem Baustein kombiniert werden kann.As has already been discussed in detail above, the present invention makes it possible for commercially available standard IC packages to be used for accommodating the amplifier circuit and the integrated passive matching circuit, including DC power supply, the critical and costly one already during the IC production RF adjustment work is done. Thus, the present invention, through the modular arrangement of the active amplifier circuit and the integrated passive matching circuit, enables the active amplifier circuit with the suitable passive integrated matching circuit in, depending on the desired adjustment to be made (power matching, noise matching, stability ...) the block can be combined.
Es ist beispielsweise auch möglich, die Anpassungsschaltung für den Eingang und/oder Ausgang der Verstärkerschaltung auf einem eigenen integrierten passiven Schaltungsmodul und die Schaltung für die Gleichstromzuführung mit den jeweiligen passiven Bauelementen auf einem weiteren Schaltungsmodul vor- zusehen, um damit den HF-Signalweg des Hochfrequenzverstärkers möglichst unbeeinflußt von der Versorgungsspannung zu halten.It is also possible, for example, to provide the matching circuit for the input and / or output of the amplifier circuit on a separate integrated passive circuit module and the circuit for direct current supply with the respective passive components on another circuit module, in order to provide the RF signal path of the high-frequency amplifier to be kept as unaffected by the supply voltage as possible.
Es ist auch möglich auf dem Anpassungsmodul mehrere verschie- dene integrierte passive Bauelemente vorzusehen, um je nachIt is also possible to provide several different integrated passive components on the adaptation module, depending on the
Einsatzart der Verstärkeranordnung verschiedene Anpassungsarten vornehmen zu können. Damit wird eine große Kompatibilität für verschiedene Anpassungsarten der Verstärkeranordnung erreicht.To be able to make different types of adaptation of the amplifier arrangement. This ensures great compatibility for different types of adaptation of the amplifier arrangement.
Die Fig. 4a bis 4c zeigen in einer vergrößerten Darstellung einige mögliche Ausführungen von passiven integrierten Schaltungsmodulen, wie sie bei der vorliegenden erfindungsgemäßen Verstärkerschaltung eingesetzt werden können.4a to 4c show in an enlarged view some possible designs of passive integrated circuit modules, as can be used in the present amplifier circuit according to the invention.
So zeigen die Fig. 4a - c die Integration einer Reihe von passiven Bauteilen: eine verlustarme Hochstrominduktivität, eine Standardinduktivität, einen/zwei Kondensator (en) mit ho- her Güte, einen Kondensator zu Unterdrückung von Harmonischen der Signalfrequenz, zwei breite 50-OHM-Streifenleitungen und einen Auskoppelkondensator (47-100pF) .4a-c show the integration of a number of passive components: a low-loss high-current inductor, a standard inductor, one / two capacitor (s) with high goodness, a capacitor for suppressing harmonics of the signal frequency, two wide 50-OHM strip lines and a coupling-out capacitor (47-100pF).
So zeigt Fig. 4a beispielsweise eine zweistufige Impedanztransformation (z. B. von 1,5 Ohm auf 50 Ohm), die in Streifenleitungstechnik realisiert ist, mit MIM-Kondensatoren (MIM = Metall-Isolator-Metall) und einem integrierten Sperrkreis mit Hochstromspule zur HF-Entkopplung.4a shows, for example, a two-stage impedance transformation (e.g. from 1.5 ohms to 50 ohms), which is implemented in stripline technology, with MIM capacitors (MIM = metal-insulator-metal) and an integrated blocking circuit with a high-current coil RF decoupling.
Fig. 4b zeigt beispielsweise eine zweistufige Impedanztransformation (z. B. von 1,5 Ohm auf 50 Ohm), die in Streifenleitungstechnik realisiert ist, mit MIM-Kondensatoren (MIM = Metall-Isolator-Metall) und integrierter Hochstromspule zur HF- Entkopplung.4b shows, for example, a two-stage impedance transformation (for example from 1.5 ohms to 50 ohms), which is implemented in stripline technology, with MIM capacitors (MIM = metal-insulator-metal) and integrated high-current coil for HF decoupling.
In Fig. 4c ist beispielsweise eine verlustarme Hochstromspule dargestellt .A low-loss high-current coil is shown in FIG. 4c, for example.
Durch die Integration der passiven Bauelemente auf einemBy integrating the passive components on one
Halbleitersubstrat besteht natürlich auch die Möglichkeit der gemeinsamen Herstellung der integrierten passiven Bauelemente mit der aktiven Verstärkerschaltung auf dem gleichen Träger.Semiconductor substrate is of course also possible to jointly manufacture the integrated passive components with the active amplifier circuit on the same carrier.
Nachteilig sind hier jedoch dann die hohen Chipkosten aufgrund der großen Fläche der passiven Bauelemente, welche auf dem teuren Halbleitersubstrat hergestellt werden müssten.However, the high chip costs due to the large area of the passive components, which would have to be produced on the expensive semiconductor substrate, are disadvantageous here.
Zusammenfassend lässt sich also feststellen, dass durch das Vorsehen von passiven integrierten Bauelemente, d. h. integrierten Kondensatoren, Induktivitäten und Leitungen, in einem klassischen Halbleiterträgermaterial, wie z. B. GaAs oder Silizium, spezielle passive Technologieschritte der GaAs-HBT- Technologie (HBT = Hetrojunction Bipolartransistor) eingesetzt bzw. erweitert genutzt werden können. Durch die integrierte Anordnung der passiven Bauelemente ergibt sich eine starke Verringerung der benötigten Flächen für die Anpas- sungs- bzw. Gleichstromzuführungsschaltungen, beispielsweise um einen Faktor von bis zu 4.In summary, it can be stated that the provision of passive integrated components, ie integrated capacitors, inductors and lines, in a classic semiconductor carrier material, such as, for. B. GaAs or silicon, special passive technology steps of the GaAs HBT Technology (HBT = hetrojunction bipolar transistor) can be used or expanded. The integrated arrangement of the passive components results in a large reduction in the areas required for the matching or direct current supply circuits, for example by a factor of up to 4.
Ferner wird durch die erfindungsgemäße Anordnung erreicht, daß aufgrund der Modulfunktionalität eine Integrationsfähig- keit des passiven Anpassungsmoduls zusammen mit dem aktiven Verstärkermodul in einem Standard-IC-Gehäuse in Multichip- technologie erreicht werden kann.It is also achieved by the arrangement according to the invention that due to the module functionality, the passive adaptation module can be integrated together with the active amplifier module in a standard IC housing using multichip technology.
Durch die passive Integration von verlustarmen, stark impe- danztransformierenden Ausgangsanpassungsnetzwerken einschließlich der Stromversorgung für Leistungsverstärker der mobilen Kommunikation auf einem Halbleiterträger ergeben sich also eine Reihe von Vorteilen. So wird eine drastische Flächenersparnis gegenüber bisherigen Lösungen mit diskreten passiven Bauelementen erreicht. Ferner können für eine kostenoptimierte Massenfertigung von Hochfrequenz-ICs teuere SMD-Bauteile für die Hochstromspulen und High-Q-Kondensatoren eingespart werden. Ferner ist es nicht mehr notwendig, ein spezielles zusätzliches Trägermaterial, beispielsweise aus Keramik oder einem organischen Material, für die Kombination der aktiven Chips mit den passiven SMD-Komponenten vorzusehen, wodurch entsprechend aufwendige Montagetechnologien bei der Endfertigung und Montage entfallen. Außerdem kann durch die modulare Anordnung der aktiven Verstärkerschaltung und der integrierten passiven Anpassungskomponenten eines Hochfrequenzverstärkers die sehr schwierige und kritische Hochfrequenztransformation ihm Rahmen der Fertigung bereits auf einem Chip integriert werden. Ferner wird durch die erfin- dungsgemäße Verstärkeranordnung erreicht, daß diese in Anschlußleitungsrahmen-basierenden (leadframe-basierenden) Standard-IC-Gehäusen, wie z. B. VQFN-, TSLP- oder TSSOP- Standardgehäusen, untergebracht werden können. The passive integration of low-loss, high-impedance transforming output matching networks, including the power supply for power amplifiers for mobile communication on a semiconductor carrier, therefore offers a number of advantages. In this way, drastic space savings are achieved compared to previous solutions with discrete passive components. Furthermore, expensive SMD components for the high-current coils and high-Q capacitors can be saved for a cost-optimized mass production of high-frequency ICs. Furthermore, it is no longer necessary to provide a special additional carrier material, for example made of ceramic or an organic material, for the combination of the active chips with the passive SMD components, as a result of which correspondingly complex assembly technologies are eliminated in the final production and assembly. In addition, due to the modular arrangement of the active amplifier circuit and the integrated passive adaptation components of a high-frequency amplifier, the very difficult and critical high-frequency transformation can already be integrated on a chip during production. Furthermore, the invented Invention amplifier arrangement achieved that these in leadframe-based (leadframe-based) standard IC packages such. B. VQFN, TSLP or TSSOP standard housings can be accommodated.
Bezugszeichenliste :Reference symbol list:
10 Hochfrequenzverstärker 12 Verstärkerschaltung10 high frequency amplifiers 12 amplifier circuit
14 Eingangsanpassungsnetzwerk14 Input matching network
16 Ausgangsanpassungsnetzwerk16 Output matching network
18 Gleichstromzuführungsschaltung18 DC supply circuit
20 Verstärkerbaustein 22 aktive Verstärkerschaltung20 amplifier module 22 active amplifier circuit
23 Halbleitersubstrat (Chip)23 semiconductor substrate (chip)
24 Halbleitersubstrat24 semiconductor substrate
26 integriertes passives Schaltungsmodul26 integrated passive circuit module
28 Verbindungsleitungen 30 IC-Gehäuse 28 connecting cables 30 IC housing

Claims

Patentansprüche claims
1. Verstärker (20) mit folgenden Merkmalen:1. amplifier (20) with the following features:
einem Chip (23) , in dem eine Verstärkerschaltung (22) implementiert ist,a chip (23) in which an amplifier circuit (22) is implemented,
einem Halbleitersubstrat (24) mit integrierten passiven Bauelementen (26) , unda semiconductor substrate (24) with integrated passive components (26), and
Verbindungsleitungen (28) zwischen der Verstärkerschaltung (22) und den integrierten passiven Bauelementen (26) , wobei die integrierten passiven Bauelemente (26) zur eingangsseiti- gen und/oder ausgangsseitigen Anpassung mit der Verstärker- Schaltung (22) verbunden sind.Connecting lines (28) between the amplifier circuit (22) and the integrated passive components (26), the integrated passive components (26) being connected to the amplifier circuit (22) for adaptation on the input and / or output side.
2. Verstärker nach Anspruch 1, bei dem sich der Chip (23), in dem eine Verstärkerschaltung (22) implementiert ist, und das Halbleitersubstrat (24) mit den integrierten passiven Bauele- menten (26) in einem gemeinsamen Gehäuse (30) befinden.2. The amplifier as claimed in claim 1, in which the chip (23) in which an amplifier circuit (22) is implemented and the semiconductor substrate (24) with the integrated passive components (26) are in a common housing (30) ,
3. Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, ferner mit weiteren Verbindungsleitungen (28) zwischen der Verstärkerschaltung3. Amplifier according to claim 1 or 2, further with further connecting lines (28) between the amplifier circuit
(22) und den integrierten passiven Bauelementen (26) , wobei die integrierten passiven Bauelemente (26) zur Gleichstromzuführung mit der Verstärkerschaltung (22) verbunden sind.(22) and the integrated passive components (26), the integrated passive components (26) being connected to the amplifier circuit (22) for direct current supply.
4. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die integrierten passiven Bauelemente (26) in dem Halbleitersub- strat (24) integrierte Kondensatoren und/oder Induktivitäten und/oder Streifenleitungen sind. 4. Amplifier according to one of claims 1 to 3, in which the integrated passive components (26) in the semiconductor substrate (24) are integrated capacitors and / or inductors and / or strip lines.
5. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die aktive Verstärkerschaltung (22) und die integrierten passiven Bauelemente (26) auf unterschiedlichen Substraten (23, 24) angeordnet sind.5. Amplifier according to one of claims 1 to 4, in which the active amplifier circuit (22) and the integrated passive components (26) are arranged on different substrates (23, 24).
6. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die aktive Verstärkerschaltung (22) und die integrierten passiven Bauelemente (26) auf dem gleichen Halbleitersubstrat angeordnet sind.6. Amplifier according to one of claims 1 to 4, in which the active amplifier circuit (22) and the integrated passive components (26) are arranged on the same semiconductor substrate.
7. Verstärker nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei mehrere Leistungsverstärkerschaltungen (22) und mehrere integrierte passive Bauelementmodule (26) in dem Gehäuse (30) vorgesehen sind.7. Amplifier according to one of claims 2 to 6, wherein a plurality of power amplifier circuits (22) and a plurality of integrated passive component modules (26) are provided in the housing (30).
8. Verstärker nach einem der Ansprüche 2 bis 7, bei dem das Gehäuse (30) ein leadframe-basierendes Standardgehäuse ist.8. Amplifier according to one of claims 2 to 7, wherein the housing (30) is a leadframe-based standard housing.
9. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Verstärker ein Hochfrequenzleistungsverstärker ist.9. An amplifier according to any one of claims 1 to 8, wherein the amplifier is a high frequency power amplifier.
10. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Verstärker für Mobilfunkanwendungen einsetzbar ist. 10. Amplifier according to one of claims 1 to 9, wherein the amplifier can be used for mobile radio applications.
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