CN101162928A - 高频功率放大器 - Google Patents
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Abstract
小巧的高性能高频功率放大器易于调节和切换阻抗。高频功率放大器模块包括：第一半导体芯片，包括一个或多个高频放大装置；以及第二半导体芯片，包括一个或多个高频匹配电路装置和一个或多个开关装置。第二半导体芯片包括用于高频放大器装置的匹配电路。第二半导体芯片也包括由电容和与电容串联或并联的开关装置组成的电路。开关装置接通或者断开，使得电容连接或者不连接作为匹配电路的一部分。
Description
技术领域
本发明涉及在移动通信装置中使用的高频功率放大器。
背景技术
例如，在蜂窝电话中使用的高频功率放大器具有诸如晶体管之类的放大装置、用于向放大装置有效地输入高频信号的输入匹配电路、以及从放大装置有效地输出高频信号的输出匹配电路。匹配电路具有电容和诸如电感或微带线之类的高频匹配装置，并典型地实施为安装在电路板上的已封装芯片。将包含高频放大装置的半导体芯片也安装在电路板上，并且相结合的这些部件实施高频功率放大器模块。
蜂窝电话已经提供了多种功能，包括多频带信号传输能力和用于处理不同调制信号的多模功能。在蜂窝电话变小时，电池尺寸也减小了，从而要求更高效率的高频功率放大器以便保证足够的通信时间，并且需要强调在低功率工作期间而不是只在最大输出水平附近的效率。如从文献已知的，优化高频功率放大器效率要求在不同频率、输出以及其它条件下匹配输入输出阻抗，并且要求具有阻抗优化的匹配电路的多个独立高频功率放大器以便提供多频带和多模能力。
美国专利No.6,281,748(对应于日本公开专利出版物No.2001-251202)说明了具有提供这样能力的控制装置的结构。
图19示出了现有技术的示例。末级放大装置输出侧的匹配电路包括可变电容300和电容301，与电容串联的开关二极管302，以及包括电感器303、旁路电容器304和在与控制电路相连的通路上的电阻305的结构，并且输出负载电路306的阻抗可以通过控制这些装置来改变。如果装置300到305实施为安装在电路板上的芯片，如图20所示，包括匹配电路的功率放大器的面积增加。如果还结合了用于多频带切换和输出功率开关的复杂控制技术，面积会进一步增加并且模块变得甚至更复杂。
本发明提供能够进行简易调节和阻抗切换而同时减小功率放大模块面积和保证高性能低成本的高频功率放大器。
发明内容
根据本发明第一方面的高频功率放大器具有：包括具有第一高频放大装置的主放大级的第一半导体芯片；以及包括具有第一开关装置的主匹配级的第二半导体芯片。主放大级包括可操作用于输出由第一高频放大装置放大的第一信号的第一输出管脚，以及主匹配级包括可操作用于接收第一信号的第一输入管脚以及可操作用于匹配第一信号的第一高频匹配电路装置。
此结构实现了在小封装半导体芯片中集成具有开关功能的功率放大器的阻抗匹配电路，并实现了复杂的开关控制。因此可以提供小巧、多频带兼容的高性能功率放大模块。
通过参考以下描述和权利要求并且结合附图，本发明的其它目标和成就和本发明更全面的理解一起将变得显然和明白。
附图说明
图1A示出了根据本发明的高频功率放大器的结构。
图1B是根据本发明的高频功率放大器的剖面图。
图2是根据本发明的高频功率放大器的第一示例的方框图。
图3是根据本发明的高频功率放大器的第二示例的方框图。
图4是根据本发明的高频功率放大器的第三示例的方框图。
图5是示出了用于描述本发明的高频功率放大器结构的电路图。
图6A是根据本发明的高频功率放大器的第一方框图。
图6B是示出了根据本发明的高频功率放大器的一部分的方框图。
图6C是示出了根据本发明的高频功率放大器的仿真的图表。
图6D是示出了根据本发明的高频功率放大器的仿真的图表。
图6E是根据本发明的高频功率放大器的第一方框图。
图7是根据本发明的高频功率放大器的第二方框图。
图8是根据本发明的高频功率放大器的第三方框图。
图9是根据本发明的高频功率放大器的第四方框图。
图10A是示出了在根据本发明高频功率放大器中使用的阻抗切换电路示例的电路图。
图10B是示出了在根据本发明高频功率放大器中使用的阻抗切换电路示例的电路图。
图10C是示出了在根据本发明高频功率放大器中使用的阻抗切换电路示例的电路图。
图11A是示出了在根据本发明高频功率放大器中使用的阻抗切换电路示例的电路图。
图11B是示出了在根据本发明高频功率放大器中使用的阻抗切换电路示例的电路图。
图11C是示出了在根据本发明高频功率放大器中使用的阻抗切换电路示例的电路图。
图12A是示出了在根据本发明高频功率放大器中使用的阻抗切换电路示例的电路图。
图12B是示出了在根据本发明高频功率放大器中使用的阻抗切换电路示例的电路图。
图12C是示出了在根据本发明高频功率放大器中使用的阻抗切换电路示例的电路图。
图12D是示出了在根据本发明高频功率放大器中使用的阻抗切换电路示例的电路图。
图13A是示出了在根据本发明高频功率放大器中使用的阻抗切换电路示例的电路图。
图13B是控制图13A所示阻抗切换电路的逻辑电路的逻辑表。
图14是根据本发明的高频功率放大器的第五方框图。
图15A是根据本发明的高频功率放大器的第一变体的方框图。
图15B是根据本发明的高频功率放大器的第二变体的方框图。
图16A是示出了在根据本发明高频功率放大器中使用的阻抗切换电路示例的电路图。
图16B是示出了在根据本发明高频功率放大器中使用的阻抗切换电路示例的电路图。
图16C是示出了在根据本发明高频功率放大器中使用的阻抗切换电路示例的电路图。
图17A是示出了根据本发明的高频功率放大器的工作波形的波形图。
图17B是示出了根据本发明的高频功率放大器的工作波形的波形图。
图18A是示出了根据本发明的高频功率放大器的工作波形的波形图。
图18B是示出了根据本发明的高频功率放大器的工作波形的波形图。
图18C是示出了根据本发明的高频功率放大器的工作波形的波形图。
图19是现有技术的电路图。
图20示出了根据现有技术的模块的示例。
具体实施方式
图1A、图1B、图2、图3和图4示出了其中使用了本发明的高频功率放大器的结构。根据本发明的高频功率放大器使用从800MHz到3GHz的高频频带范围，并更宽地使用从400MHz到5GHz的范围。放大后的输出功率约为5瓦特。
图1A中所示的高频功率放大器100包括：包括放大装置(也称为“高频放大装置”)的半导体芯片101，以及包括匹配电路装置(也称为“高频匹配电路装置”)和开关装置的半导体芯片102。高频功率放大器100(也简称为“高频放大器”)实现为包括第一和第二半导体芯片、其上安装了半导体芯片的树脂或陶瓷衬底103、以及密封树脂104或帽的单独模块。在本发明的此方面中，与在衬底上形成的微带线以及其它电路装置一起实现高频功率放大器100的模块中使用了两个半导体芯片块101和102。
图1B是本发明该方面的剖面图。示出了树脂或陶瓷衬底103以及密封树脂104。将半导体芯片101和102安装在衬底103上，并通过导线键合或其它结构连接到衬底上。微带线和其它高频电路装置可以形成于衬底103上。
图2是示出了根据本发明的高频功率放大器结构的第一方框图。图2所示的是两级放大器的输入匹配电路模块105、两级放大器的预放大电路模块106、级间匹配电路模块107、第二放大器电路模块108、以及输出匹配电路模块109。在图2所示的结构中，输出匹配电路模块109中包括开关装置，并且在第二半导体芯片102上实施匹配电路装置和开关装置。在包括放大装置的第一半导体芯片中实施模块105、106、107、108。模块105、106、107、108统称为主放大级，而模块109也称为主匹配级。
主放大级是主匹配级的上游。主放大级至少包括模块108，而可以省略模块105、106和107。输入匹配电路模块105和级间匹配电路模块107用于匹配高频功率放大器中相对低功率的信号，并且因此比用于匹配输出到外部阻抗电路的相对高功率信号的输出匹配电路模块109简单。
第一半导体芯片101具有用于输出由高频放大装置放大的输出信号的输出管脚T1，而第二半导体芯片102具有用于接收高频放大装置的输出信号的输入管脚T2以及用于匹配输出信号的高频匹配电路。在图6A中详细描述在第二半导体芯片102中实施的高频匹配电路。
图3是示出了根据本发明另一方面的高频功率放大器结构的第二方框图。在此结构中，在具有开关装置的第二半导体芯片102上实施输入匹配电路105和输出匹配电路109，而在包括高频放大装置的第一半导体芯片上形成模块106、107和108。
模块105也称为预匹配级，模块106、107和108统称为主放大级，而模块109称为主匹配级。主放大级是主匹配级的上游，而预匹配级是主放大级的上游。
主放大级至少包括模块108，而可以省略模块106和107。级间匹配电路模块107用于匹配高频功率放大器中相对低功率的信号，并且因此比用于匹配输出到外部阻抗电路的相对高功率信号的输出匹配电路模块109简单。
第一半导体芯片101具有用于接收将由高频放大装置放大的源信号的输入管脚T4，而第二半导体芯片具有用于输出源信号的输出管脚T3以及用于匹配源信号的高频匹配电路。在图7中详细描述在第二半导体芯片102中设置的高频匹配电路。
可以在与第二半导体芯片102相分离的独立半导体芯片中实施模块109。在此情况下在第一半导体芯片101中可以包括模块109。
图4是示出了根据本发明另一方面的高频功率放大器结构的第三方框图。在此结构中，在具有开关装置的第二半导体芯片102上实施输入匹配电路105、级间匹配电路模块107、和输出匹配电路109，而在包括放大装置的第一半导体芯片101上形成模块106和108。
模块105也称为预匹配级，模块106也称为预放大级，模块107也称为中间匹配级，模块108也称为主放大级，而模块109也称为主匹配级。主放大级是主匹配级的上游，中间匹配级是主放大级的上游，预放大级是中间匹配级的上游，而预匹配级是预放大级的上游。
第一半导体芯片101具有第一级高频放大装置(在模块106中)和第二级高频放大装置(在模块108中)，以及用于输出在由中间匹配级匹配之前由第一高频放大装置放大的级间信号的输出管脚T5。第二半导体芯片102具有用于接收匹配前的级间信号的输入管脚T6以及用于在由主匹配级匹配之前来匹配级间信号的高频匹配电路装置。
第一半导体芯片101还具有用于接收匹配后的级间信号的输入管脚T8，而第二半导体芯片102具有用于输出匹配后的级间信号的输出管脚T7。在图8中详细描述了在第二半导体芯片102中设置的高频匹配电路。
可以在与第二半导体芯片102相分离的独立半导体芯片中实施模块105和109。在此情况下在第一半导体芯片101中可以包括模块105和109的任何一个或者两个。
接下来描述实际电路图。图5是用于描述本发明的高频功率放大器的电路图，并示出了具有两级放大器的装置。
输入匹配电路105具有电容器C1、C2以及电感器L1。然而此结构只是一个示例，可以使用其它结构。
预放大电路106具有放大晶体管Tr1、电阻R1和R2、电容器C3和C4、以及微带线SL1和SL2。管脚207与旁路电路(图中未示出)相连，用于向放大晶体管Tr1提供旁路电流或电压。C4作用为旁路电容器。SL2可以是电感器。
级间匹配电路107是电容器C5。
第二放大器电路108包括放大晶体管Tr2、电阻R3、电容器C6、以及微带线SL3。管脚208与旁路电路(图中未示出)相连，用于向放大晶体管Tr2提供旁路电流或电压。C6作用为旁路电容器。SL3可以是电感器。
输出匹配电路109包括电容器C7、C8和C9以及微带线SL4、SL5和SL6。
如图2、图3和图4中所示，本发明的高频放大器包括至少两个半导体芯片，即第一半导体芯片和第二半导体芯片，并要求两个半导体芯片协同实施。
第一半导体芯片至少包括放大装置，并且例如，此放大装置包括预放大装置Tr1和第二放大装置Tr2。例如，放大装置是放大晶体管。例如，放大晶体管是双极型晶体管。例如，放大晶体管可以是诸如硅-锗晶体管之类的异质结双极型晶体管。放大器电路包括放大装置和调节电阻或电容。
第二半导体芯片至少包括匹配电路装置和开关装置。匹配电路装置至少包括电容器、电感器或微带线。
第一半导体芯片和第二半导体芯片协同实施。这里使用的“协同实施”意思是它们作为单个单元形成，如当将第一半导体芯片和第二半导体芯片设置在同一个衬底上或封装在一起时。
包括放大装置的第一半导体芯片101至少包括第二放大器电路模块108，而包括匹配电路装置和开关装置的第二半导体芯片102至少包括输出匹配电路109。
比较第一半导体芯片101和第二半导体芯片102，第一半导体芯片101用双极型晶体管或其它放大装置来放大信号，而第二半导体芯片102用匹配电路装置和开关装置来匹配信号。因此制造工艺不同，并且第一半导体芯片101比第二半导体芯片102复杂。在第一半导体芯片101中包括的装置要求足以进行信号放大的性能和精度。因此第一半导体芯片101的每单位面积芯片成本比第二半导体芯片102高。
在第二半导体芯片102的情况中，匹配电路装置包括可以用相对简单的制造工艺来制造的无源装置，并且开关装置仅仅开关信号，因此不要求信号放大所要求的性能和精度。因此第二半导体芯片102的芯片成本比第一半导体芯片101低。此外，开关装置是场效应晶体管或异质结场效应晶体管(HEMT)，所以第二半导体芯片102的制造工艺和用于主要包括双极型晶体管的第一半导体芯片101的工艺差别很大。
因而第一半导体芯片101和第二半导体芯片102的制造工艺不同，要求不同的性能和精度级别，并导致成本不同。如果把高频功率放大器100的装置集成在与第一半导体芯片101和第二半导体芯片102结构上不同的半导体芯片中，不仅制造工艺变得更复杂，而且变得更加难以保证所需性能，且成品率降低。因此总成本上升并且高频功率放大器100模块的尺寸也上升。然而，通过把高频功率放大器100主要地分成第一半导体芯片101和第二半导体芯片102，可以实现在成本、可制造性、性能和尺寸上有利的放大器。
第一实施例
图6A是与图2所示结构相对应的电路图，并示出了采用本发明的高频功率放大器的第一实施例。
此结构和图5所示电路不同在于：在输出匹配电路109增加了电容器C11和开关装置SW1。因为当断开时开关装置SW1打开并且电容C11没有作为接地电容与匹配电路相连接，输出匹配电路状态与图5等效。当开关装置SW1接通时，电容C11作为接地电容和匹配电路相连，匹配电路阻抗由于C11的电容和图5所示电路不同。因此第二放大装置输出管脚的匹配状态改变，可以在两个不同输出功率水平上优化效率或者在两个不同频率上优化效率。
此结构中晶体管Tr2输出侧与第一半导体芯片的输出管脚T1直接相连。
当在蜂窝电话中使用根据本发明此实施例的高频功率放大器时，提供控制电路603、频率检测器600、功率水平检测器601和模式检测器602作为用于控制开关装置SW1接通/断开状态的电路。如果蜂窝电话是多频带兼容的，频率检测器600检测通信频率和频率改变的时间。功率水平检测器601检测蜂窝电话接收到的信号的功率水平。模式检测器602检测工作模式是语音通信模式还是数据通信模式。如果提供频率检测器600、功率水平检测器601和模式检测器602中的任何一个，控制就是可能的。
接下来描述基于频率的控制方法。
例如，当频率检测器600检测到频率变化时，接通或断开开关装置SW1以把阻抗变成对检测到的频率的优化匹配状态，并因此提高效率。
接下来描述基于功率水平的控制方法。
如果功率水平检测器601检测到的功率水平大于等于预定水平，控制电路603接通开关装置SW1以减小输出匹配电路109的负载阻抗。当检测到的功率水平低于该预定水平时，断开开关装置SW1以增加负载阻抗。因此可以提高效率。
接下来描述基于通信模式的控制方法。
如果模式检测器602检测到数据通信模式，最大输出上升。在此情况下，控制电路603接通开关装置SW1以降低负载阻抗，并且控制匹配以提供高输出。然而，如果模式检测器602检测到语音通信模式，控制电路603断开开关装置SW1以匹配增加负载阻抗并增加效率。
使用蜂窝电话作为示例描述了根据本发明的高频功率放大器的用途，但是当用在其它装置中时高频功率放大器提供同样类型的控制。
图6B示出了图6A中在第二放大器电路108输出管脚处的阻抗Zout的电路，而图6C和图6D分别示出当开关装置SW1断开和接通时仿真的阻抗Zout(其中电容器C11的电容是0.5pF)。如图所示，当开关装置SW1从断开切换到接通时，频率1950MHz处的阻抗改变，实数部分减小并且虚数部分的绝对值减小。当实数部分较小并阻抗较低时，高频功率放大器的最大输出增加，并且可以通过控制开关装置SW1的状态来对输出功率优化效率特性。另外，因为在本发明此实施例中用于开关的开关装置SW1和电容C11在同一个半导体芯片102上实施，可以在小面积中集成开关功能。
当开关装置SW1是如图6E所示的场效应晶体管时，可以通过栅极电压容易的控制接通/断开状态，并在接通状态减少损耗，以及可以容易实现更小和具有更少损耗的切换电路。当开关装置是异质结场效应晶体管(HEMT)时此结构甚至更有效。当如本发明此实施例中在输出匹配电路109中实施开关功能时，必须考虑在开关装置管脚处的高频放大信号的电压幅度。更具体地，如果当放大信号水平较高时电压幅度太高，特别地如果电压幅度超过开关装置SW1的阈值电压，断开的电路有可能接通并且电路将不正常开关。然而，如果使用HEMT装置并且使用串联了多个开关装置的多级切换电路，可以实现容易适应高放大水平的设计。多级设计也可以减少损耗并因此特别有效。
下面实施例中的开关装置是场效应晶体管或异质结场效应晶体管。
图7是与图3所示结构相对应的电路图，并示出了采用本发明的高频功率放大器的第二实施例。
在此结构中，输入匹配电路105和输出匹配电路109实施在同一个半导体芯片102上。
在此结构中晶体管Tr1的输入侧与第一半导体芯片101的输入管脚T4直接相连。
图8是与图4所示结构相对应的电路图，并示出了采用本发明的高频功率放大器的第三实施例。
在此结构中，输入匹配电路105、级间匹配电路107和输出匹配电路109实施在同一个半导体芯片102上。在图8所示实施例中，将作为输出匹配电路的一部分的微带线SL4、SL5、SL6设置在外部而不是设置在半导体芯片102上。在此实施例中，微带线SL4、SL5、SL6实施在模块衬底103上，并且通过导线键合或其它结构与第二半导体芯片102上的匹配电路装置相连。此结构减小了第二半导体芯片102的尺寸。
在此结构中，晶体管Tr1的输出侧与第一半导体芯片101的输出管脚T5直接相连，并且晶体管Tr2的输入侧与第一半导体芯片101的输入管脚T8直接相连。
在前面的实施例中，具有开关装置的阻抗切换电路仅仅在输出匹配电路109中实施，但是显然可以将其设置在级间匹配电路107或输入匹配电路105中。例如，如图9所示，可以通过形成与级间匹配电路107的串联电容C5并联的开关装置SW2和电容器C12，来切换级间匹配电路107的阻抗。这实现了根据高频功率放大器输出水平把输入功率水平从预放大电路106改变到第二放大电路108，并实现了根据高频功率放大器工作频率切换级间匹配电路107的频率特性。
放大器电路106、108的旁路电路(与管脚207、208相连)可以与放大器电路实施在同一个第一半导体芯片101上，或者与开关装置SW1实施在同一个第二半导体芯片102上。例如，如果放大装置Tr1、Tr2是双极型晶体管，使用用作开关装置SW1的场效应晶体管电路来实施旁路电路特别有效，因为可以容易高精度地添加温度补偿和截止功能。在预放大电路106中设置的电阻器R1和电容器C3实现了反馈电路，并且作为匹配电路的一部分。可以将放大装置Tr1和Tr2***的电路与放大装置Tr1和Tr2实施在相同的第一半导体芯片101上，实施在相同的第二半导体芯片102上，或者从外部附加到芯片。另外，不必要把匹配电路105、107和109的一部分放置在第二半导体芯片102上，并且可以在第一半导体芯片101上实施一部分。
另外，包括放大电路装置的第一半导体芯片101以及包括匹配电路装置和开关装置的半导体芯片102的任何一个都可以在多个芯片上实施。例如，取决于放大电路的规模或开关的复杂度，第一半导体芯片或第二半导体芯片可以在两个或更多芯片上实施。从而优化的(缩小的)模块布局甚至更加有效。
在图1和图2所示的实施例中，只用安装在衬底103上的半导体芯片101和102实施高频功率放大器100模块。电阻R1、R2、电容器C3、C4、C6、微带线SL1、SL2、SL3以及电感器装置中的全部或部分在这种情况下也可以在半导体芯片上实施或者外接。在衬底和半导体芯片上的电路装置之间的连接也不局限于导线键合，例如，可以使用倒装芯片键合。
第二实施例
接下来描述使用在第二半导体芯片上形成的开关装置和匹配电路装置的切换电路的实施例。
图10A、图10B和图10C是描述根据本发明的阻抗切换电路的第二实施例的电路方框图。参考数字215、217、218、220和221是电容装置，参考数字216、219和222是开关装置。参考图10A，例如，当开关装置216接通时，电容装置215作为接地电容与电路相连，而当开关装置216断开时，电容装置215的接地端打开并且电容装置215不与电路相连。因为HEMT或其它开关装置的寄生电容，接地电容是电容装置215和寄生电容的串联复合电容，但是因为该复合电容和电容装置215相比足够小，当图10A所示电路用于高频匹配时，可以通过开关装置216接通或断开时电容的差别来改变匹配电路阻抗。
在图10B所示结构中，通过开关电容装置219接通或断开可以在电容装置217以及电容装置217和218的复合电容之间切换串联电容。
还可以如图10C所示改变接地电容。
还可以如图11A、图11B和图11C所示利用电感器来实施匹配电路装置。另外，因为开关装置具有如上所述的寄生电容，也可以使用该电容作为匹配电路的装置来进行切换。例如，当用HEMT时，每1mm栅极宽度的寄生电容约是0.2pF，并且通过适当地设计栅极宽度，电容可以从几十pF到几pF变化。
接下来参考图12A、图12B、图12C和图12D描述用寄生电容调节电容。例如，如果如图12A串联的开关装置231、232的断开电容是0.4pF，当两个开关装置都断开(图12B)时电容是0.2pF，当任一个接通(图12C)时电容是0.4pF。如图12D所示还可以串联更多开关装置。通过使用图12A或图12D所示的电路作为串联或接地的匹配电路装置，可以精细的调节阻抗。
用单个开关装置描述了本发明的实施例。在实际电路中使用HEMT或其它开关装置，但是如第一实施例中所述，为了根据加到开关装置的电压保证需要的开关操作，可以串联多个开关装置。多级切换电路容易实施，可以用在高输出功率匹配电路中，并从而特别有效。在这种情况下可以增加供电电压而不是使用多级结构，但是当用在蜂窝电话中时要求升高电池电压。然而，如果在第二半导体芯片上实施要求的升压器，可以用仅仅几个级来实现高输出。
第三实施例
下面用图13A和图13B描述切换电路的另一个实施例。作为匹配装置的电容237、239、241、243是与放大器装置相对应的匹配电路的一部分，并且匹配电路通过将开关装置238、240、242、244的控制电压(A)到(D)切换为低(L)或高(H)来连接或断开。因为有四个开关，提供逻辑电路245并用两个控制管脚来切换四个控制电压(A)到(D)为低或高。四个开关状态在图13B中表示。在本发明此实施例中该逻辑电路在第二半导体芯片上实施，从而能够用简单接口容易地控制在更多水平之间切换阻抗，同时减小芯片尺寸和放大器装置尺寸。另外，因为可以用HEMT容易地实施逻辑电路，例如，该功能可以在第二半导体芯片上实施。如果放大器具有更多功能和信道，可以使用多个具有开关装置和匹配电路装置的芯片，并且可以在其中一个或更多芯片上实施逻辑电路。
第四实施例
图14是根据本发明的高频功率放大器的第五实施例的电路图。此实施例是图6E所示高频功率放大器的变体。第二半导体芯片102包括匹配电路装置和开关装置。本发明此实施例包括到预放大装置电源的旁路电容C4，以及到第二放大装置电源的旁路电容C6。还包括并联到电容C6的电容C13和开关装置SW3。
设计旁路电容C4、C6和C13具有几十到几千皮法的电容，以便去除供电侧阻抗对高频放大的影响，并且抑制在放大频带低频端的通过特性。因为当在半导体芯片上实施这样的高电容装置时，电容装置的面积增加，半导体芯片的面积增加并且成本增加。例如，如果放大装置是双极型晶体管，因为制造工艺复杂，具有放大装置的第一半导体芯片101的单位面积成本增加，并且如果包括高电容装置，芯片成本增加得甚至更多。然而，因为具有开关装置得第二半导体芯片102比半导体芯片101成本低，当在半导体芯片上实现旁路电容时可以在低成本下达到本发明此实施例。
另外，由于当实施高电容时可以使用具有高介电常数的电介质薄膜，在半导体装置的制造过程上增加了形成电介质薄膜的过程。如果第一半导体芯片101在从截面看的正面图中具有很大不同(在包括双极型晶体管的半导体装置中如此)且在第一半导体芯片101上形成电介质薄膜，制造过程变得困难和复杂。因此在具有更少步骤和更简单开关装置的半导体芯片102上形成该电介质薄膜更容易且更有效。
接下来描述实施电容器C13和开关装置SW3的原因。
旁路电容C6减小了电源噪声并稳定放大器操作。旁路宽频带更有效并且通常大电容用来减少噪声更好。另一方面，使用通过在电源上施加调制信号来调制放大器的极化效应，具有在旁路电容较高时限制调制信号带宽的缺点。因此当使用这样的极化调制时，断开开关装置SW3来减小电容。否则接通开关装置SW3以便把电容增加到电容C6和C13之和并且稳定放大器。
可以将与电容器C13和开关装置SW3等效的电路并联到用于预放大装置电源的旁路电容C4或者预放大和主放大级两者。
在第二半导体芯片102中可以包括具有存储功能的装置或电路，或者具有调整(trimming)功能的装置或电路。在第一半导体芯片101或第二半导体芯片102中还可以包括连接芯片正面和背面的一个或多个通孔。
第五实施例
在前述实施例中在第二半导体芯片102中包括的阻抗切换电路的开关装置具有与一侧相连的电容。本发明的第五实施例描述具有连接到两侧的电容的开关装置。另外，在第一半导体芯片101中包括了前述实施例中第二半导体芯片102中包括的部分电容。
图15A和图15B表示根据本发明的高频功率放大器的第一和第二变体。和图2中的第一半导体芯片101相比，图15A和图15B中第一半导体芯片101包括附加电容器C20。电容器C20的一侧和第二放大器电路108和输出管脚T1之间的节点相连接，并且另一侧接地。在衬底103上形成微带线SL10和SL11。
如上所述，把高频功率放大器100主要分成第一半导体芯片101和第二半导体芯片102来实现所需结构。在本发明第五实施例中，只有输出匹配电路109的输入电容器C7(图6A所示)作为电容器C20移动到第一半导体芯片101。结果是，电容器C20可以和第二放大器电路108直接相连，以有效匹配输出而不会不利地影响第一半导体芯片101的制造过程。另外，包括在第二放大器电路108中的放大装置具有接地的通孔，而电容器C20可以和接地通孔直接相连而不是用键合导线。因此放大装置的高功率输出可以有效地流到地。从而通过用电容器C20首先匹配第一半导体芯片101中的放大装置输出信号，可以减小输出匹配电路109的尺寸，并且可以实现低损耗、宽带输出信号。
注意电容器C20可以是电容器C8(参见图6A)或电容器C9(参见图6A)。另外，电容器C20可以包括图6A中三个电容器C7、C8和C9的两个或更多的功能。
在图15A中，第二半导体芯片102包括开关SW4和电容器C21、C22、C23、C24和C25。把开关SW4***在电容器C24和电容器C25之间。从而电容器C24和电容器C25阻断到开关SW4的DC流，并防止由于通过电容器C24和C25到外界的DC流而导致的功耗增加和匹配特性变化。具有顺序连接的电容器C24、开关SW4和电容C25的串联电路与***在管脚T2和管脚111之间的电容器C22并联。当图6A中的控制电路603分别接通或断开开关SW4时，该串联电路减小或增加输出匹配电路109的串联阻抗。
在图15B中，第二半导体芯片102包括开关SW5和电容器C21、C22、C23、C26和C27。把开关SW5***在电容器C26和电容器C27之间。从而电容器C26和电容器C27阻断到开关SW5的DC流，并防止由于通过电容器C26和C27到外界的DC流而导致的功耗增加和匹配特性变化。具有顺序连接的电容器C26、开关SW5和电容器C27的串联电路与***在管脚T2和管脚111之间的一端相连接。当图6A中的控制电路603分别接通或断开开关SW5时，该串联电路减小或增加输出匹配电路109的并联阻抗。
图16A、图16B和图16C是阻抗切换电路的电路方框图，并分别表示在图10A、图10B和图10C中***在电容之间的开关装置。更具体地，把开关装置251***在电容250和252之间，把开关装置255***在电容254和256之间，以及把开关装置259***在电容258和260之间。
在图15A和图15B中，在衬底103上形成微带线SL10和SL11，但是它们可以包括在第二半导体芯片102中。另外，把第二半导体芯片102作为输出匹配电路109的一部分描述，但是第二半导体芯片102还可以包括级间匹配电路107。
第六实施例
图17A和图17B是表示放大装置输出信号功率随时间变化的波形图。当放大装置的输出信号是CDMA(码分多址)或OFDM(正交频分复用)信号时，输出信号幅度随时间变化。在图17A中，输出信号的峰值功率PA比平均功率P1大约4dB，并且在图17B中输出信号的峰值功率PB比平均功率P1大约2B。
如果在从放大装置输出的变幅调制信号中可以减小失真，可以提高输出匹配电路109的输出管脚111处的输出信号的SNR，并且可以减小与其它频带的干扰。这要求把第二放大器电路108的输入信号线性放大到峰值功率水平。然而，第二放大器电路模块108的输出效率下降，除非将第二放大器电路108设计为线性放大信号到如图17A所示的峰值功率PA而只使用到如图17B所示的峰值功率PB的范围。
图18A和图18B表示当生成图17A和图17B所示输出信号时同一个第二放大器电路108的功率效率。在图18A中用粗线指示的工作曲线LA示出在第二放大器电路108线性工作区RLN中最大输出功率处的平均功率P1和峰值功率PA。在平均功率P1下的平均功率效率是E1，而在峰值功率PA下的峰值功率效率是EA。在图18B中用粗线指示的工作曲线LB示出平均功率P1和峰值功率PB，比峰值功率PA低。在平均功率P1下的平均功率效率是E1，而在峰值功率PB下的峰值功率效率是EB，比EA低。当工作在曲线LA时称为第二放大器电路108工作在高峰值功率模式下，而当工作在曲线LB时工作在低峰值功率模式下。
因为在工作曲线LB，峰值功率效率EB比EA低，平均功率效率E1和工作曲线LA一样，虽然放大装置输出信号的峰值功率PB较低。如在图18C中粗线指示的工作曲线LC所指出的，如果线性放大工作区RLN从低于等于峰值功率PA降低到低于等于峰值功率PB，并且峰值功率PB处的峰值功率效率是EA，则平均功率P1处的峰值功率效率从E1变为较高的E2，在第二放大器电路108中可以达到高功率效率。
本发明此第六实施例根据工作模式的峰值功率改变第二半导体芯片102中包括的开关装置，并改变输出匹配电路109的输入阻抗。开关装置可以是图6A、6B、6E、7、8、9、10A、10B、10C、11A、11B、11C、12A、12D、13A、14、15A、15B、16A和16C中任何一个所示的开关。因此可以对工作模式的峰值功率优化输入阻抗，并且最大化第二放大器电路108的功率效率。为了增加传输速率，峰值功率可以变化，即使调制方法和数据通信的一样。当在模式间切换时，在和W-CDMA(宽带CDMA)和HSDPA(高速下行分组接入(W-CDMA的扩展))都兼容的移动装置中峰值功率也可以剧烈变化。在这样的情况下可以有效地使用本发明的第六实施例。
尽管已经参考附图结合优选实施例描述了本发明，但应该注意的是各种变化和修改对于本领域技术人员是显而易见的。应该理解，在不脱离所附权利要求的情况下，这些改变和修改包括在所附权利要求所限定的本发明的范围内。
Claims (18)
1.一种高频功率放大器，包括：
第一半导体芯片，包括具有第一高频放大装置的主放大级；以及
第二半导体芯片，包括具有第一开关装置的主匹配级；
其中，主放大级具有可操作用于输出由第一高频放大装置放大的第一信号的第一输出管脚，以及
主匹配级具有可操作用于接收第一信号的第一输入管脚，以及可操作用于匹配第一信号的第一高频匹配电路装置。
2.根据权利要求1所述的高频功率放大器，其中：
所述第二半导体芯片具有设置在主放大级上游的预匹配级；
预匹配级包括：可操作用于匹配输入的第二信号的第二高频匹配电路装置，以及可操作用于输出匹配后的第二信号的第二输出管脚；
主放大级包括可操作用于接收匹配后的第二信号的第二输入管脚；以及
第一高频放大装置基于匹配后的第二信号进行放大。
3.根据权利要求1所述的高频功率放大器，其中：
所述第二半导体芯片具有设置在主放大级上游的中间匹配级；
所述第一半导体芯片具有设置在中间匹配级上游的预放大级；
预放大级包括：
第二高频放大装置，以及
第二输出管脚，可操作用于输出由第二高频放大装置放大的第二信号；
中间匹配级包括：
第二输入管脚，可操作用于接收第二信号，
第二高频匹配电路装置，可操作用于匹配第二信号，以及
第三输出管脚，可操作用于输出匹配后的第二信号；
主放大级具有可操作用于输入匹配后的第二信号的第三输入管脚；以及
第一高频放大装置基于匹配后的第二信号进行放大。
4.根据权利要求1所述的高频功率放大器，其中：将所述第一半导体芯片和所述第二半导体芯片协同实施。
5.根据权利要求1所述的高频功率放大器，还包括：
衬底，在所述衬底上安装所述第一半导体芯片和所述第二半导体芯片；以及
高频电路装置，包括在衬底上形成的微带线。
6.根据权利要求1所述的高频功率放大器，还包括：
衬底，在所述衬底上安装所述第一半导体芯片和所述第二半导体芯片；以及
安装在衬底上的无源装置。
7.根据权利要求1所述的高频功率放大器，其中：
所述第二半导体芯片包括电容；以及
第一开关装置与电容相连。
8.根据权利要求1所述的高频功率放大器，其中：
所述第二半导体芯片包括电感器；以及
第一开关装置与电感器相连。
9.根据权利要求1所述的高频功率放大器，其中：
第一开关装置当处于断开状态时操作为电容。
10.根据权利要求1所述的高频功率放大器，其中：
所述第二半导体芯片包括逻辑电路。
11.根据权利要求1所述的高频功率放大器，其中：
所述第二半导体芯片包括10pF或以上的电容。
12.根据权利要求1所述的高频功率放大器，其中：
所述第二半导体芯片包括具有存储功能的至少一个装置或电路。
13.根据权利要求1所述的高频功率放大器，其中：
所述第二半导体芯片包括具有调整功能的至少一个装置或电路。
14.根据权利要求1所述的高频功率放大器，其中：
所述第一和第二半导体芯片的至少一个具有将半导体芯片的正面和背面相连的通孔。
15.根据权利要求1所述的高频功率放大器，其中：
第一开关装置是场效应晶体管或异质结场效应晶体管。
16.根据权利要求1所述的高频功率放大器，其中：
第一高频放大装置是异质结双极型晶体管。
17.根据权利要求1所述的高频功率放大器，其中：
所述第二半导体芯片包括旁路电源电路的至少一部分，所述旁路电源电路可操作用于产生提供给第一高频放大装置的旁路信号。
18.根据权利要求1所述的高频功率放大器，其中：
所述第一半导体芯片包括一侧与第一输出管脚相连而另一侧接地的电容。
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Application publication date: 20080416 |