CN107666292A - 功率放大模块 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种既能降低成本又能高精度地实施阻抗匹配的功率放大模块。功率放大模块包括：对输入信号进行放大并输出第一放大信号的第一放大器；对第一放大信号进行放大并输出第二放大信号的第二放大器；以及设置在第一放大器的输出端子与第二放大器的输入端子之间的匹配电路，第一放大器形成在第一芯片上，第二放大器形成在第二芯片上，匹配电路能够根据控制信号来调整阻抗的变换特性。

Description

功率放大模块
技术领域
本发明涉及功率放大模块。
背景技术
在利用移动电话通信网的移动终端上，使用由多级放大器构成的功率放大模块来对发送给基站的无线电频率(RF：Radio Frequency)信号的功率进行放大。例如，专利文献1中公开了一种功率放大模块，其在驱动级使用较为廉价的LDMOSFET，在功率级使用较为高效的异质结双极晶体管(HBT)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2006－180151号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
功率放大模块中，通常在驱动级的输出端子与功率级的输入端子之间设有使驱动级的输出阻抗与功率级的输入阻抗匹配的匹配电路。此处，在不同的半导体芯片之间进行阻抗匹配时，会因各半导体芯片的接地状态变化或配置位置等而无法实现所期望的阻抗，从而产生无法高精度地实施阻抗匹配的问题。因此，在专利文献1所公开的模块中，存在无法高精度地在放大器的级间实施阻抗匹配从而导致RF信号的传输损耗增大的问题。
本发明是鉴于上述的问题而完成的，其目的是提供一种既能降低成本又能高精度地实施阻抗匹配的功率放大模块。
解决技术问题所采用的技术方案
为了实现上述目的，本发明的一方面所涉及的功率放大模块包括：对输入信号进行放大并输出第一放大信号的第一放大器；对第一放大信号进行放大并输出第二放大信号的第二放大器；以及设置在第一放大器的输出端子与第二放大器的输入端子之间的匹配电路，第一放大器形成在第一芯片上，第二放大器形成在第二芯片上，匹配电路能够根据控制信号来调整阻抗的变换特性。
发明效果
根据本发明，能够提供一种既能降低成本又能高精度地实施阻抗匹配的功率放大模块。
附图说明
图1是表示本发明的一个实施方式所涉及的功率放大模块的结构的图。
图2是表示本发明的一个实施方式所涉及的功率放大模块的结构例(功率放大模块100A)的图。
图3是表示可变电容器的结构例的图。
图4是表示本发明的一个实施方式所涉及的功率放大模块中的芯片配置的一个示例的简图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。对相同要素标注相同标号，并省略重复说明。
图1是表示本发明的一个实施方式所涉及的功率放大模块100的结构的图。功率放大模块100例如在移动电话等移动通信设备中，对作为输入信号的无线电频率(RF：RadioFrequency)信号进行放大，并输出放大信号。输入信号的频率例如在数GHz左右。
如图1所示，功率放大模块100例如具备功率放大电路102、开关电路104和控制电路106。功率放大电路102包括放大器110、111、匹配电路120、121、122和电源线130、131。功率放大模块100并不限于图1所示的结构，也可以具备其它的结构。
放大器110、111构成二级放大器。放大器110(第一放大器)对输入信号RFin进行放大，并输出放大信号RFamp1(第一放大信号)。该放大信号RFamp1通过匹配电路121而被提供给放大器111。放大器111(第二放大器)对放大信号RFamp1进行放大，并输出放大信号RFamp2(第二放大信号)。放大器110、111分别通过电源线130、131而被提供规定的电源电压Vcc。放大器110、111还分别从偏置电路(未图示)接受偏置电流或偏置电压。此外，放大器的级数不限于二级，也可以是三级以上。
匹配电路(MN:Matching Network)120、121、122分别设置在放大器110、111的前后，对电路间的阻抗进行匹配。
电源线130、131分别设置在电源电路(未图示)与放大器110、111之间，用于抑制RF信号向电源电路泄漏。
从放大器111输出的放大信号RFamp2通过匹配电路122而被提供给开关电路104。开关电路104根据RF信号的频带，从多个输出端子中的某一个输出输出信号RFout。从开关电路104输出的输出信号RFout通过天线(未图示)发送给基站。
控制电路106将与输入信号RFin的频带相对应的控制信号cont1、cont2提供给匹配电路121、122。控制信号cont1、cont2是用于控制匹配电路121、122的阻抗变换特性的信号。匹配电路121、122中的阻抗变换特性的调整将在后文中阐述。
图2是表示本发明的一个实施方式所涉及的功率放大模块100的结构例(功率放大模块100A)的图。功率放大模块100A具备CMOS芯片200和HBT芯片300。图2所示的功率放大模块100A中省略了图1所示的控制电路106。
CMOS芯片200(第一芯片)是由包含场效应晶体管(MOSFET：Metal-oxide-semiconductor Field Effect Transistor-金属氧化物半导体场效应晶体管)在内的元件集成得到的芯片。形成在CMOS芯片200上的MOSFET构成驱动级的放大器110。CMOS芯片比HBT芯片便宜且噪声性能更佳。
HBT芯片300(第二芯片)是由包含HBT在内的元件集成得到的芯片。形成在HBT芯片300上的HBT构成功率级的放大器111。HBT芯片比CMOS芯片有更高的耐压，因此在输出功率大于驱动级的功率级优选使用HBT芯片。由此，二级放大器110、111分别形成在通过不同工艺形成的半导体芯片上，从而能够提供既能降低制造成本又能使噪声特性和耐压优异的功率放大模块。
CMOS芯片200和HBT芯片300优选为均采用凸点结构。通过采用凸点结构，能够使用基板上的图案所形成的电感器来连接凸点与凸点，因此与引线连接的结构相比，不会发生引线间的耦合，容易确保特性。另外，由于在对芯片进行模塑(密封)时不会发生引线错位，因此可减小偏差从而提高质量。
匹配电路120具备电容器C1和电感器L1。电容器C1的一端被提供输入信号RFin，另一端与放大器110的输入端子连接。电感器L1的一端与电容器C1的一端连接，另一端接地。匹配电路120例如在CMOS芯片200中设置于放大器110的前级，以去除输入信号RFin的直流分量。
匹配电路121具备电容器C2、C3、C4和电感器L2。电容器C2的一端被提供电源电压Vcc，另一端与放大器110的输出端子连接。电容器C3的一端与放大器110的输出端子连接，另一端与电感器L2的一端连接。电容器C4的一端与电容器C3的另一端连接，另一端接地。电感器L2的一端与电容器C3的另一端连接，另一端与放大器111的输入端子连接。匹配电路121设置在放大器110(驱动级)与放大器111(功率级)之间，对放大器110的输出阻抗与放大器111的输入阻抗进行匹配。匹配电路121的构成要素可以全部形成在CMOS芯片200上，也可以一部分构成要素(例如电容器C2、C3、C4)形成在CMOS芯片200上，其它构成要素(例如电感器L2)形成在CMOS芯片200的外部。这种情况下，没有形成在CMOS芯片200上的元件也可以直接形成在基板上。另外，电感器L2也可以由例如基板的图案或者表面安装构件(SMD)构成。
匹配电路122(输出匹配电路)具备电容器C5、C6、C7、C8和电感器L3、L4。电容器C5的一端与放大器111的输出端子连接，另一端接地。电容器C6的一端与电感器L3的另一端连接，另一端接地。电容器C7的一端与电感器L4的另一端连接，另一端接地。电容器C8的一端与电感器L4的另一端连接，另一端与开关电路104的输入端子连接。电感器L3的一端与电容器C5的一端连接，另一端与电容器C6的一端连接。电感器L4的一端与电容器C6的一端连接，另一端与电容器C7的一端连接。匹配电路122设置在放大器111的输出端子与开关电路104(即放大器111的后级电路)的输入端子之间，对放大器111的输出阻抗与开关电路104的输入阻抗进行匹配。匹配电路122的构成要素可以全部形成在CMOS芯片200上，也可以一部分构成要素(例如电容器C7、C8)形成在CMOS芯片200上，其它构成要素(例如电容器C5、C6和电感器L3、L4)形成在CMOS芯片200的外部。
电源线130具备电感器L5和电容器C9，电源线131具备电感器L6和电容器C10。电感器L5、L6各自的一端分别被施加电源电压Vcc，并分别从另一端向放大器110、111提供电源。电容器C9、C10各自的一端分别与电感器L5、L6的一端连接，另一端分别接地。本实施方式中，电源线130和开关电路104形成在CMOS芯片200上，电源线131形成在CMOS芯片200的外部。
接下来，对匹配电路121、122中的阻抗变换特性的调整功能进行说明。由多级放大器构成的功率放大电路中，放大器110的输出阻抗(例如20～30Ω左右)一般不同于放大器111的输入阻抗(例如3Ω左右)，因此需要对放大器间的阻抗进行匹配。此处，在驱动级的放大器和功率级的放大器在不同的芯片上构成的情况下，与两级的放大器形成在同一芯片上的结构相比，两级放大器之间的阻抗匹配更加困难。这是因为，在放大器由不同芯片构成的情况下，与由同一芯片构成的情况相比，各芯片上的构成要素(例如电容器或电感器等)的偏差是不固定的。还因为，在由多个芯片构成的情况下，模块组装时会产生安装偏差。
本实施方式中，根据从控制电路106输出的控制信号cont1、cont2，能够调整匹配电路121、122的阻抗变换特性。具体而言，例如匹配电路121中的电容器C2、C3、C4采用能够调整电容值的电容器(第一可变电容器，以下也称为可变电容器)。从而，根据控制电路cont1来控制电容器C2、C3、C4的电容值，进而调整匹配电路121的阻抗变换特性。因此，对于形成在CMOS芯片200上的放大器110的输出阻抗与形成在HBT芯片300上的放大器111的输入阻抗能够实施高精度的匹配。另外，匹配电路122中也同样，例如电容器C7采用可变电容器(第二可变电容器)。从而，根据控制信号cont2来控制电容器C7的电容值，进而调整匹配电路122的阻抗变换特性。因此，对于形成在HBT芯片300上的放大器111的输出阻抗与放大器111后级的形成在CMOS芯片200上的电路(例如开关电路104)的输入阻抗能够实施高精度的匹配。
图3是表示可变电容器的结构例的图。图3所示的可变电容器400是适用于例如图2所示的电容器C4、C7那样与信号路径并联连接的电容器的结构例。可变电容器400例如具备电容器410、411、412、413、414和MOSFET421、422、423、424。
电容器410(第一电容器)、411(第二电容器)、412、413、414的一端相互连接。电容器410的另一端接地。电容器411～414分别与MOSFET421～424串联连接。MOSFET421～424各自的漏极分别与电容器411～414的另一端连接，栅极分别接受由控制电路106提供的控制电压v1～v4(控制信号)，源极分别接地。
电容器410～414例如可以采用电容值互不相同的电容器。MOSFET421～424具有根据控制电路106所提供的控制电压v1～v4来切换导通和截止的作为开关的功能。具体而言，例如在控制电压v1为较高电压的情况下，MOSFET421(开关)导通，电容器411上积蓄电荷，在控制电压v1为较低电压的情况下，MOSFET421(开关)截止，电容器411上不积蓄电荷。这样，通过使用控制电压v1～v4来控制MOSFET421～424的开或关的组合，能够调整电容器410～414的合成电容值。
本实施方式中，示出了受控制电路106控制的电容器有4个从而分16级进行调整的例子，但受控制的电容器的数量不限于此，也可以是1～3个，也可以是5个以上。另外，图3中示出了开关由N沟道MOSFET构成的例子，但开关的结构不限于此，也可以使用P沟道MOSFET，还可以使用其它具有开关功能的元件。
通过采用上述结构，功率放大模块100A根据输入信号RFin的频带，动态地调整匹配电路121、122中的阻抗变换特性。因此，既能降低成本，又能在不同的半导体芯片间也高精度地实施阻抗匹配。
另外，由于噪声特性取决于驱动级的性能，因此在本实施方式中，驱动级由噪声性能优于HBT的MOSFET构成。因此，与驱动级由HBT构成的功率放大电路相比，能够改善噪声性能。
图2中示出了匹配电路121所具备的电容器C2、C3、C4都是可变电容器的例子，但采用可变电容器的电容器不限于此种情况。例如，也可以任意一个或两个电容器(例如电容器C3、C4)为可变电容器，而其它电容器(例如电容器C2)的电容值固定。另外，电源线130中的电感器L5也可以采用可变电感器。考虑设计的自由度，这些电容器C2、C3、C4和电感器L5这4个元件中有3个以上的元件采用可变形式为优选，4个元件采用可变形式则更加优选。
另外，图2中示出了匹配电路122具备的多个电容器中位于开关电路104侧的电容器C7采用可变电容器的例子，但采用可变电容器的电容器不限于此，也可以是其它任意的电容器(例如电容器C5、C6等)采用可变形式。但是基于以下2个理由，优选的是靠近开关电路104侧的电容器采用可变形式。第一，匹配电路122中，越靠近开关电路104侧，输出阻抗就越高(例如，开关电路104的输出阻抗为50Ω左右)。因此，靠近开关电路104侧的电容器采用可变形式能够减小因可变电容器引起的电阻值的影响。第二，在匹配电路122的输出端子的前端连接有其它电路等的情况下，靠近开关电路104侧的电容器采用可变形式时的调整较为容易。
另外，匹配电路121、122不限于图2所示的结构。匹配电路121、122具备电感器的情况下，该电感器也可以由能够调整电感值的可变电感器(第一可变电感器、第二可变电感器)构成，以此来调整匹配电路的阻抗变换特性。
图4是表示本发明的一个实施方式所涉及的功率放大模块1000中的芯片配置的一个示例的简图。为了简化说明，对于功率放大模块1000所具备的各要素中与图1或图2所示的要素相对应的要素，使用与图1或图2中所使用的标号相同的标号。另外，为了简化说明，图4仅示出了功率放大模块1000所具备的要素中要在下文进行说明的要素，省略了其它要素。
功率放大模块1000具备图1所示的功率放大电路，以分别对应于不同的通信标准(制式)或相应频带(波段)的2个输入信号RFin_a、RFin_b。即，具备对输入信号RFin_a进行放大并输出输出信号RFout_a的放大路径、以及对输入信号RFin_b进行放大并输出输出信号RFout_b的放大路径。这2个放大路径采用彼此相同的结构，因此在以下的说明中，以输入信号RFin_a侧的路径的结构为例进行说明。另外，功率放大模块1000所具备的放大路径不一定要是2个，也可以是1个，还可以是3个以上。
功率放大模块1000具备大致矩形的CMOS芯片200(第一芯片)和HBT芯片300a(第二芯片)。CMOS芯片200的边s 1(第一条边)上配置有被提供输入信号RFin_a的输入端子Ta。放大器110a(第一放大器)配置在CMOS芯片200的边s1附近。匹配电路121a配置在与放大器110a相邻的区域。即，匹配电路121a所具备的可变电容器(例如图2所示的电容器C2、C3、C4)形成于该区域。
HBT芯片300a(第二芯片)配置于CMOS芯片200的周边区域，即配置在CMOS芯片200的与边s1垂直的边s2(第二条边)附近
匹配电路122a所具备的各要素(具体是指电容器C5a、电感器L3a、电容器C6a、电感器L4a)在CMOS芯片200的周边区域自HBT芯片300a的附近起按顺序配置。
匹配电路122a所具备的电容器C7a配置于CMOS芯片200中CMOS芯片200的与边s1相对的边s3(第三条边)一侧开关电路104a配置于CMOS芯片200中与匹配电路122a相邻的区域即边s3的附近。
控制电路106配置在CMOS芯片200的大致中央部。具体而言，控制电路106配置于匹配电路121a与电容器C7a之间(即放大器110a与开关电路104a之间)。
通过上述配置，功率放大模块1000中，输入信号RFin_a通过边s1输入至CMOS芯片200，并被放大器110a(第一放大器)放大。来自放大器110a的放大信号(第一放大信号)通过边s2从CMOS芯片200输入至HBT芯片300a，并被HBT(第二放大器)放大。来自HBT芯片300a的放大信号(第二放大信号)通过边s2提供给CMOS芯片200，并从开关电路104a通过边s3输出。
本实施方式中，匹配电路122a所具备的各要素(电容器C5a、电感器L3a、电容器C6a、电感器L4a)配置成距离CMOS芯片200所具备的控制电路106规定间隔(例如300μm左右)。从而，放大信号沿着避开控制电路106的轨迹(例如大致呈U字形的轨迹)进行传输(参照图4的虚线箭头)。因此，能够减小从控制电路106输出的噪声对RF信号的影响。
另外，放大器110a在CMOS芯片200中隔着控制电路106而配置于开关电路104a的相反侧(边s1侧)。放大器111a也配置成距离开关电路104a规定距离(例如300μm左右)。从而，能够确保放大器110a、111a与输出信号RFout之间的隔离度，能够减小RF信号放大时噪声的影响。
以上对本发明的示例性的实施方式进行了说明。功率放大模块100、100A、1000包括：形成在CMOS芯片200上的放大器110、形成在HBT芯片300上的放大器111、以及在该放大器110、111之间能够根据控制信号来调整阻抗变换特性的匹配电路121。从而，能够提供一种既能降低成本又能在不同的半导体芯片间也高精度地实施阻抗匹配的功率放大模块。
另外，功率放大模块100、100A、1000中，驱动级的放大器110由MOSFET构成，功率级的放大器111由HBT构成。从而，能够提供一种降低制造成本且噪声性能和耐压优异的功率放大模块。
另外，为了调整匹配电路121、122的阻抗变换特性，功率放大模块100、100A、1000还具备根据输入信号RFin的频带来输出控制信号cont 1、cont2的控制电路106。从而，匹配电路121、122的阻抗变换特性可根据输入信号RFin的频带进行动态地调整。
另外，匹配电路121、122的结构没有特别限定，例如可以具备可变电容器或可变电感器。
如图2所示，匹配电路121、122所具备的可变电容器或可变电感器也可以形成在CMOS芯片200上。可变电容器或可变电感器的结构不限于此。
另外，匹配电路121、122所具备的可变电容器也可以包括并联连接的电容器410～414、分别与电容器411～414串联连接的MOSFET421～424(开关)，通过MOSFET421～424的导通和截止的切换，调整可变电容器的电容值。可变电容器的结构不限于此。
另外，功率放大模块100、100A、1000在放大器111的输出端子与后级的开关电路104的输入端子之间，设有能够根据控制信号cont2调整阻抗变换特性的匹配电路122。从而，放大器111的输出阻抗与后级电路的输入阻抗之间的匹配能够高精度地进行。
功率放大模块1000具备形成在CMOS芯片200上的开关电路104a，该CMOS芯片200中，控制电路106设置在放大器110a与开关电路104a之间。从而，能够确保放大器110a、111a与输出信号RFout之间的隔离度，能够减小RF信号放大时噪声的影响。
另外，功率放大模块1000中，输入信号RFin的输入端子Ta配置在CMOS芯片200的边s1上，HBT芯片300a配置在CMOS芯片200的与边s 1垂直的边s2附近，开关电路104a配置在CMOS芯片200的与边s1相对的边s3附近。从而，放大信号沿着图4所示的避开控制电路106的轨迹进行传输。因此，能够减小从控制电路106输出的噪声对RF信号的影响。
上述说明的各实施方式用于方便理解本发明，并不用于限定并解释本发明。在不脱离本发明的思想的前提下，可以对本发明变更或改良，并且本发明的等同发明也包含在本发明的范围内。即，本领域的技术人员在各实施方式上加以适当的设计变更，只要包含本发明的技术特征，也被包含在本发明的范围内。例如各实施方式具备的各要素及其配置、材料、条件、形状、尺寸等，不限于例示，能进行适当地变更。此外，各实施方式具备的各要素，能在技术上可能的范围内任意组合，这些组合只要包含本发明的技术特征也包含在本发明的范围内。
标号说明
100、100A、1000 功率放大模块
102 功率放大电路
104 开关电路
106 控制电路
110、111 放大器
120、121、122 匹配电路
130、131 电源线
200 CMOS芯片
300 HBT芯片
400 可变电容器
410、411、412、413、414 电容器
421、422、423、424 MOSFET
C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9、C10 电容器
L1、L2、L3、L4、L5、L6 电感器
s1、s2、s3 三条边
Ta 输入端子

Claims (11)

1.一种功率放大模块，其特征在于，包括：
对输入信号进行放大并输出第一放大信号的第一放大器；
对所述第一放大信号进行放大并输出第二放大信号的第二放大器；以及
设置在所述第一放大器的输出端子与所述第二放大器的输入端子之间的匹配电路，
所述第一放大器形成在第一芯片上，
所述第二放大器形成在第二芯片上，
所述匹配电路能够根据控制信号调整阻抗变换特性。
2.如权利要求1所述的功率放大模块，其特征在于，
所述第一芯片是设有MOSFET的CMOS芯片，
所述第二芯片是设有HBT的HBT芯片。
3.如权利要求1或2所述的功率放大模块，其特征在于，
所述功率放大模块还具备形成在所述第一芯片上的控制电路，
所述控制电路根据所述输入信号的频带输出所述控制信号，用以调整所述匹配电路的阻抗变换特性。
4.如权利要求3所述的功率放大模块，其特征在于，
所述匹配电路具备第一可变电容器或第一可变电感器，
所述控制电路输出所述控制信号，用以调整所述第一可变电容器的电容值或所述第一可变电感器的电感值。
5.如权利要求4所述的功率放大模块，其特征在于，
所述第一可变电容器或所述第一可变电感器形成在所述第一芯片上。
6.如权利要求4或5所述的功率放大模块，其特征在于，
所述第一可变电容器包括：
并联连接的第一电容器和第二电容器；以及
与所述第二电容器串联连接的开关，
所述控制电路输出所述控制信号，用以通过切换所述开关的导通和截止来调整所述第一可变电容器的电容值。
7.如权利要求3至6的任一项所述的功率放大模块，其特征在于，
所述功率放大模块还包括：
设置在所述第二放大器的输出端子与后级电路的输入端子之间的输出匹配电路，
所述输出匹配电路能够根据所述控制信号调整阻抗变换特性。
8.如权利要求7所述的功率放大模块，其特征在于，
所述输出匹配电路具备第二可变电容器或第二可变电感器，
所述控制电路输出所述控制信号，用以调整所述第二可变电容器的电容值或所述第二可变电感器的电感值。
9.如权利要求8所述的功率放大模块，其特征在于，
所述第二可变电容器或所述第二可变电感器形成在所述第一芯片上。
10.如权利要求3至9的任一项所述的功率放大模块，其特征在于，
所述功率放大模块还包括：
被提供所述第二放大信号并从多个输出端子中的任意一个输出所述第二放大信号的开关电路，
所述开关电路形成在所述第一芯片上，
所述控制电路配置在所述第一芯片上的所述第一放大器与所述开关电路之间。
11.如权利要求10所述的功率放大模块，其特征在于，
所述输入信号的输入端子配置在所述第一芯片的第一条边上，
所述第二芯片配置在所述第一芯片的与所述第一条边垂直的第二条边的附近，
所述开关电路配置在所述第一芯片的与所述第一条边相对的第三条边的附近，
来自所述第一放大器的所述第一放大信号通过所述第二条边输入至所述第二放大器，来自所述第二放大器的所述第二放大信号通过所述第二条边输入至所述开关电路，来自所述开关电路的所述第二放大信号通过所述第三条边输出。
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