WO2011127777A1 - 射频功率放大器模块及移动通信终端 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a power amplifying circuit, and in particular to a radio frequency power amplifier module and a mobile communication terminal including the same. Background technique
- the RF power amplifier module is a key component for wireless transmission of RF signals.
- the primary function of the RF power amplifier module is to amplify the modulated RF signal to the desired power value and send it to the antenna for transmission to ensure that the receiver in a certain area can receive a sufficiently large signal level.
- the power control circuit is an important component of the RF power amplifier module, and the circuit changes the DC power supply to the power amplifier according to the magnitude of the output signal Vramp of the digital-to-analog converter DAC in the baseband circuit of the wireless communication system, thereby controlling the power The output power of the amplifier.
- the power control circuit mainly controls the output power of the RF power amplifier in two ways. One is to control the DC supply voltage of the power amplifier, and the other is to control the DC supply current of the power amplifier.
- the output matching network is another important component of the RF power amplifier module.
- SMD surface mount device
- the output matching network shown in Figure 1 consists of SMD inductive component L1 and SMD capacitive components Cl, C2; another way is to combine SMD capacitors and inductive components with planar spiral inductors fabricated on the substrate. .
- the capacitors and some of the inductors in the output matching network use SMD components, and the other inductors are implemented by planar spiral inductors on the substrate.
- the above implementation methods have inevitable defects.
- the inductance and capacitance values in the output matching network will not be continuously adjustable, which limits the accuracy of the output matching network.
- the SMD component is combined with the planar spiral inductor of the substrate, the inductance value in the output matching network can be continuously adjusted.
- the substrate planar spiral inductor occupies a large space, the chip area is increased.
- a radio frequency power amplifier module including a radio frequency power amplifier, a power control circuit, and an output matching network, wherein the radio frequency power amplifier is configured to amplify power of an input radio frequency signal, and the power control circuit is configured to control radio frequency An output power of the power amplifier, the input end of the output matching network is coupled to an output of the RF power amplifier for performing impedance matching at the output of the RF power amplifier, wherein the output matching network passes over the IPD die
- the passive device includes at least one inductive component and one capacitive component.
- the power control circuit employs a CMOS controller.
- a mobile communication terminal comprising the radio frequency power amplifier module described in the first aspect above.
- the innovative application of integrated passive device (IPD) technology to design and implement an RF output matching network can significantly reduce the size of the RF power amplifier module, simplify the packaging process, and greatly reduce the overall cost of the module.
- IPD integrated passive device
- FIG. 2 is a structural block diagram of a radio frequency power amplifier module according to an embodiment of the present invention.
- the substrate of the IPD die can adopt a high resistance material, and preferably, the resistivity is not less than 300 ⁇ cm.
- the output matching network corresponding to the SMD output matching network in FIG. 1 is integrated on the IPD die, that is, a network composed of the inductance element L1 and the capacitance elements C1 and C2, wherein the inductance element L1 is, for example, a metal spiral inductor, a capacitor element Cl, C2 is, for example, a metal-medium-metal MIM capacitor.
- the IPD die uses a high-resistance material as the substrate, and a metal having a thickness of not less than lum is used as a conductor, which can greatly improve the quality factor (Q value) of the passive components such as the inductor, the capacitor, and the transformer in the output matching network.
- Q value quality factor
- the integrated Q of the common low-resistance silicon is about 5-7, and the QD of the IPD inductor using the high-resistance material as the substrate can reach 25 or more. Therefore, the output matching network in the embodiment of the present invention has small RF loss, which can greatly improve the efficiency of the RF power amplifier.
- the use of IPD technology can also greatly improve the output matching network.
- the breakdown voltage of the capacitor in the network improves the reliability of the output matching network, which in turn makes the RF power amplifier module have the advantages of high efficiency, high integration, low cost, and small size.
- the IPD capacitor and the inductor component used in the present invention can be continuously adjusted.
- the capacitive element can be adjusted by designing its area, and the inductive element can be adjusted mainly by designing its number of turns, length, and the like.
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Description
射频功率放大器模块及移动通信终端
技术领域
本发明涉及功率放大电路， 具体而言， 涉及一种射频功率放大器模块 以及包含该模块的移动通信终端。 背景技术
在现代无线通信系统中， 射频功率放大器模块是实现射频信号无线传 输的关键部件。 射频功率放大器模块的主要功能在于， 将已调制的射频信 号放大到所需的功率值， 送到天线中发射， 以确保一定区域内的接收机可 以收到足够大的信号电平。
参照图 1 , 图 1示出了现有技术中射频功率放大器模块的结构。 其中， 功率控制电路是射频功率放大器模块的重要组成部分， 该电路根据无线通 信系统基带电路中数模转换器 DAC的输出信号 Vramp的大小来改变其供 给功率放大器的直流供电的大小， 从而控制功率放大器的输出功率。 功率 控制电路主要通过两种方式实现对射频功率放大器输出功率的控制， 一是 控制功率放大器的直流供电电压， 二是控制功率放大器的直流供电电流。
输出匹配网络是射频功率放大器模块的另一重要组成部分。 现有技术 中， 一般应用表面安装器件（SMD )元件实现输出匹配网络。 其具体实现 方式主要有两种， 一种方式是全部应用 SMD元件实现， SMD元件包括电 容元件、 电感元件。 例如， 图 1 中所示输出匹配网络即由 SMD电感元件 L1 , 以及 SMD电容元件 Cl、 C2组成； 另一种方式是将 SMD电容、 电感 元件与在基板上制作的平面螺旋电感相结合来实现。 通常， 输出匹配网络 中的电容和部分电感采用 SMD元件， 另一部分电感则采用基板上的平面 螺旋电感实现。
但是，在实际应用和生产中，上述实现方式都存在着不可避免的缺陷。 一方面， 如果全部采用 SMD元件实现， 输出匹配网络中电感值和电容值 均将无法做到连续可调，造成输出匹配网络的精确性受到局限。 另一方面， 如果采用 SMD元件与基板平面螺旋电感相结合的方式实现， 输出匹配网 络中的电感值虽然可以实现连续可调， 但由于基板平面螺旋电感占用空间 较大， 增加了芯片的面积。
总之， 采用现有技术中的实现方式来实现射频输出匹配网络， 均将不 可避免地应用到 SMD元件。 这样， 在芯片模块封装过程中， 就必须增加
SMD元件的贴装工序， 使得封装工序复杂。 而且， 由于使用分立的 SMD 元件贴装和 /或基板平面螺旋电感，必然导致采用以上两种实现方式的输出 匹配网络均占用较大的空间， 往往将占到整个射频功率放大器模块面积的 50%, 因而造成模块的整体成本较高， 且不利于系统小型化。 发明内容
针对上述问题， 本发明的目的在于， 提供一种射频功率放大器模块中的 输出匹配网络解决方案， 以缩小模块尺寸， 简化封装工序， 并降低模块的 整体成本。
本发明的上述目的通过提供射频功率放大器模块以及移动通信终端而 实现。
根据第一方面， 提供一种射频功率放大器模块， 包括射频功率放大器、 功率控制电路以及输出匹配网络， 所述射频功率放大器用于放大所输入射频 信号的功率， 所述功率控制电路用于控制射频功率放大器的输出功率， 所述 输出匹配网络的输入端与射频功率放大器的输出端相连， 用于实现射频功率 放大器的输出端阻抗匹配， 其特征在于， 所述输出匹配网络通过在 IPD管芯 上集成无源器件实现， 所述无源器件至少包括一电感元件和一电容元件。
在第一方面中， 优选地， 所述 IPD管芯采用电阻率不小于 300Ω ' cm的 高阻衬底。
优选地， 所述射频功率放大器模块还包括射频开关， 所述射频开关的输 入端与输出匹配网络的输出端相连， 在所述功率控制电路的控制下， 射频开 关实现射频发射模式与接收模式之间的切换。
优选地， 所述输出匹配网络不具有 SMD元件。
优选地， 所述功率控制电路采用 CMOS控制器。
根据第二方面， 提供一种移动通信终端， 其特征在于， 包括上文第一方 面中所述的射频功率放大器模块。
按照本发明， 由于创新地应用集成无源器件 （IPD ) 技术来设计、 实 现射频输出匹配网络， 能够明显缩小射频功率放大器模块的尺寸， 简化封 装工序， 同时极大地降低模块的整体成本。 附图说明
为更好地理解本发明， 下文以实施例结合附图对本发明作进一步说明。 附图中：
图 1为现有技术中射频功率放大器模块的结构框图；
图 2为本发明一实施例的射频功率放大器模块的结构框图；
图 3示出了本发明该实施例的 IPD输出匹配网络；
图 4为本发明另一实施例的射频功率放大器模块的结构框图。 具体实施方式
参照图 2, 图 2为本发明一实施例的射频功率放大器模块的结构框图。 所述射频功率放大器模块可用于任何移动通信终端， 例如手机中， 也可用 于笔记本电脑的无线网卡等装置。 该实施例中， 射频功率放大器模块包括 射频功率放大器 PA、 功率控制电路和输出匹配网络。 其中， 射频功率放大 器 PA接收来自前端芯片 （射频收发器） 的已调制射频信号， 实现对该射 频信号的功率放大。 通常， 射频功率放大器 PA的管芯衬底可使用砷化镓 ( GaAs )材料； 功率控制电路实现对射频功率放大器 PA输出功率的控制， 例如可采用 CMOS控制器。 CMOS控制器芯片的衬底一般为低阻硅， 电阻 率通常为 0.1 Ω - cm ~ 10Ω - cm; 输出匹配网络的输入端连接到射频功率 放大器 PA的输出端， 用于实现射频功率放大器 PA的输出端阻抗匹配。 与 现有技术中全部或部分应用 SMD元件实现的输出匹配网络完全不同， 本 发明该实施例的输出匹配网络不使用 SMD 元件， 而应用集成无源器件 ( IPD )技术来设计和实现。 即， 该输出匹配网络可通过在 IPD管芯上集 成电感、 电容、 电阻、 变压器等无源器件来实现， 而不集成有源器件。 具 体而言， 所述无源器件至少包括一电感元件和一电容元件。
参照图 3 , 图 3示出了本发明该实施例的 IPD输出匹配网络。 其中， IPD管芯的衬底可采用高阻材料， 优选地， 电阻率不小于 300Ω . cm。 IPD 管芯上集成了与图 1 中 SMD输出匹配网络相对应的输出匹配网络， 即由 电感元件 L1和电容元件 Cl、 C2组成的网络， 其中电感元件 L1例如为金 属螺旋电感， 电容元件 Cl、 C2例如为金属 -介质 -金属 MIM 电容。
这里， IPD管芯采用高阻材料作为衬底， 并且采用厚度不小于 lum的 金属作为导体， 可极大地提高输出匹配网络中电感、 电容及变压器等无源 器件的品质因子（Q值）。 以 2.5nH电感为例， 普通低阻硅上集成的电感 Q 值约为 5 ~ 7,而采用高阻材料作为衬底的 IPD电感 Q值则可达到 25以上。 因而， 本发明该实施例中的输出匹配网络射频损耗小， 能够极大地提高射 频功率放大器的效率。 同时， 采用 IPD技术还可以极大地提高输出匹配网
络中电容的击穿电压值， 从而提高输出匹配网络的可靠性， 进而使得射频 功率放大器模块具有高效率、 高集成度、 低成本、 小尺寸等优点。
需要指出， 图 3中所示由电感元件 Ll、 电容元件 Cl、 C2组成的具体 输出匹配网络形式，仅作为示例，本发明并不局限于此。任何可以采用 SMD 元件实现的输出匹配网络， 都能够应用本发明实现。 射频输出匹配网络的 具体形式及其中无源器件的参数值， 根据具体应用情况而定。 这对于本领 域技术人员来讲是易于理解的。
参照图 4, 图 4为本发明另一实施例的射频功率放大器模块的结构框 图。该实施例与图 2所示实施例的不同在于，除了包括射频功率放大器 PA、 功率控制电路（CMOS控制器）和输出匹配网络以外， 该射频功率放大器 模块中还增加一射频开关。 如图 4所示， 射频功率放大器 PA实现对射频 信号的功率放大， 输出到 IPD输出匹配网络。 IPD输出匹配网络实现射频 功率放大器 PA的输出端阻抗匹配， 并将射频信号输出到射频开关。 射频 开关在 CMOS控制器的控制下，实现射频发射模式、接收模式之间的切换。 CMOS控制器实现对射频功率放大器 PA输出功率的控制以及射频开关的 模式选择。 同样， 在 IPD管芯上集成该输出匹配网络。 该实施例中， 射频 功率放大器模块不仅具有射频功率放大功能， 而且集成了部分射频接收功 能。与现有技术中的解决方案相比，该方案的芯片面积可以减小 25%以上， 成本大幅降低。
此外， 本发明采用的 IPD电容、 电感元件可以 #支到连续可调。 本领域 技术人员了解， 对于电容元件通过设计其面积即可， 对于电感元件则主要 通过设计其匝数、 长度等实现可调。
显而易见， 在此描述的本发明可以有许多变化， 这种变化不能认为偏 离本发明的精神和范围。 因此， 所有对本领域技术人员显而易见的改变， 比如， 在具体电路和芯片布局实现形式上的变化， 都包括在本权利要求书 的涵盖范围之内。
Claims
1.一种射频功率放大器模块， 包括射频功率放大器、 功率控制电路以及 输出匹配网络， 所述射频功率放大器用于放大所输入射频信号的功率， 所述 功率控制电路用于控制射频功率放大器的输出功率， 所述输出匹配网络的输 入端与射频功率放大器的输出端相连， 用于实现射频功率放大器的输出端阻 抗匹配， 其特征在于， 所述输出匹配网络通过在 IPD管芯上集成无源器件实 现， 所述无源器件至少包括一电感元件和一电容元件。
2.如权利要求 1所述的射频功率放大器模块， 其特征在于， 所述 IPD管 芯采用电阻率不小于 300Ω ' cm的高阻衬底。
3.如权利要求 1所述的射频功率放大器模块， 其特征在于， 所述射频功 率放大器模块还包括射频开关， 所述射频开关的输入端与输出匹配网络的输 出端相连， 在所述功率控制电路的控制下， 射频开关实现射频发射模式与接 收模式之间的切换。
4.如权利要求 1至 3中任一项所述的射频功率放大器模块，其特征在于， 所述输出匹配网络不具有 SMD元件。
5.如权利要求 1至 3中任一项所述的射频功率放大器模块，其特征在于， 所述功率控制电路采用 CMOS控制器。
6.—种移动通信终端， 其特征在于， 包括权利要求 1至 5中任一项所述 的射频功率放大器模块。
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