專利名稱：高頻功率放大器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及在移動通信裝置中使用的高頻功率放大器。
技術背景例如，在蜂窩電話中使用的高頻功率放大器具有諸如晶體管之類的 放大裝置、用于向放大裝置有效地輸入高頻信號的輸入匹配電路、以及 從放大裝置有效地輸出高頻信號的輸出匹配電路。匹配電路具有電容和 諸如電感或微帶線之類的高頻匹配裝置，并典型地實施為安裝在電路板 上的已封裝芯片。將包含高頻放大裝置的半導體芯片也安裝在電路板上， 并且相結合的這些部件實施高頻功率放大器模塊。蜂窩電話已經提供了多種功能，包括多頻帶信號傳輸能力和用于處 理不同調制信號的多模功能。在蜂窩電話變小時，電池尺寸也減小了，從而要求更高效率的高頻功率放大器以便保證足夠的通信時間，并且需 要強調在低功率工作期間而不是只在最大輸出水平附近的效率。如從文 獻己知的，優(yōu)化高頻功率放大器效率要求在不同頻率、輸出以及其它條 件下匹配輸入輸出阻抗，并且要求具有阻抗優(yōu)化的匹配電路的多個獨立 高頻功率放大器以便提供多頻帶和多模能力。美國專利No. 6， 281， 748 (對應于日本公開專利出版物 No. 2001-251202)說明了具有提供這樣能力的控制裝置的結構。圖19示出了現(xiàn)有技術的示例。末級放大裝置輸出側的匹配電路包 括可變電容300和電容301,與電容串聯(lián)的開關二極管302，以及包括電 感器303、旁路電容器304和在與控制電路相連的通路上的電阻305的 結構，并且輸出負載電路306的阻抗可以通過控制這些裝置來改變。如 果裝置300到305實施為安裝在電路板上的芯片，如圖20所示，包括匹 配電路的功率放大器的面積增加。如果還結合了用于多頻帶切換和輸出
功率開關的復雜控制技術，面積會進一步增加并且模塊變得甚至更復雜。 本發(fā)明提供能夠進行簡易調節(jié)和阻抗切換而同時減小功率放大模 塊面積和保證高性能低成本的高頻功率放大器。發(fā)明內容根據(jù)本發(fā)明第一方面的高頻功率放大器具有包括具有第一高頻放 大裝置的主放大級的第一半導體芯片；以及包括具有第一開關裝置的主匹配級的第二半導體芯片。主放大級包括可操作用于輸出由第一高頻放 大裝置放大的第一信號的第一輸出管腳，以及主匹配級包括可操作用于 接收第一信號的第一輸入管腳以及可操作用于匹配第一信號的第一高頻 匹配電路裝置。此結構實現(xiàn)了在小封裝半導體芯片中集成具有開關功能的功率放 大器的阻抗匹配電路，并實現(xiàn)了復雜的開關控制。因此可以提供小巧、 多頻帶兼容的高性能功率放大模塊。通過參考以下描述和權利要求并且結合附圖，本發(fā)明的其它目標和 成就和本發(fā)明更全面的理解一起將變得顯然和明白。


圖1A示出了根據(jù)本發(fā)明的高頻功率放大器的結構。圖IB是根據(jù)本發(fā)明的高頻功率放大器的剖面圖。圖2是根據(jù)本發(fā)明的高頻功率放大器的第一示例的方框圖。圖3是根據(jù)本發(fā)明的高頻功率放大器的第二示例的方框圖。圖4是根據(jù)本發(fā)明的高頻功率放大器的第三示例的方框圖。圖5是示出了用于描述本發(fā)明的高頻功率放大器結構的電路圖。圖6A是根據(jù)本發(fā)明的高頻功率放大器的第一方框圖。圖6B是示出了根據(jù)本發(fā)明的高頻功率放大器的一部分的方框圖。圖6C是示出了根據(jù)本發(fā)明的高頻功率放大器的仿真的圖表。圖6D是示出了根據(jù)本發(fā)明的高頻功率放大器的仿真的圖表。圖6E是根據(jù)本發(fā)明的高頻功率放大器的第一方框圖。圖7是根據(jù)本發(fā)明的高頻功率放大器的第二方框圖。
圖8是根據(jù)本發(fā)明的高頻功率放大器的第三方框圖。 圖9是根據(jù)本發(fā)明的高頻功率放大器的第四方框圖。 圖IOA是示出了在根據(jù)本發(fā)明高頻功率放大器中使用的阻抗切換電 路示例的電路圖。圖IOB是示出了在根據(jù)本發(fā)明高頻功率放大器中使用的阻抗切換電路示例的電路圖。圖ioc是示出了在根據(jù)本發(fā)明高頻功率放大器中使用的阻抗切換電路示例的電路圖。圖IIA是示出了在根據(jù)本發(fā)明高頻功率放大器中使用的阻抗切換電 路示例的電路圖。圖IIB是示出了在根據(jù)本發(fā)明高頻功率放大器中使用的阻抗切換電路示例的電路圖。圖11C是示出了在根據(jù)本發(fā)明高頻功率放大器中使用的阻抗切換電 路示例的電路圖。圖12A是示出了在根據(jù)本發(fā)明高頻功率放大器中使用的阻抗切換電 路示例的電路圖。圖12B是示出了在根據(jù)本發(fā)明高頻功率放大器中使用的阻抗切換電 路示例的電路圖。圖12C是示出了在根據(jù)本發(fā)明高頻功率放大器中使用的阻抗切換電路示例的電路圖。圖12D是示出了在根據(jù)本發(fā)明高頻功率放大器中使用的阻抗切換電路示例的電路圖。圖13A是示出了在根據(jù)本發(fā)明高頻功率放大器中使用的阻抗切換電路示例的電路圖。圖13B是控制圖13A所示阻抗切換電路的邏輯電路的邏輯表。圖14是根據(jù)本發(fā)明的高頻功率放大器的第五方框圖。圖15A是根據(jù)本發(fā)明的高頻功率放大器的第一變體的方框圖。圖15B是根據(jù)本發(fā)明的高頻功率放大器的第二變體的方框圖。圖16A是示出了在根據(jù)本發(fā)明高頻功率放大器中使用的阻抗切換電路示例的電路圖。
圖16B是示出了在根據(jù)本發(fā)明高頻功率放大器中使用的阻抗切換電 路示例的電路圖。圖16C是示出了在根據(jù)本發(fā)明高頻^]率放大器中使用的阻抗切換電路示例的電路圖。圖17A是示出了根據(jù)本發(fā)明的高頻功率放大器的工作波形的波形圖。圖17B是示出了根據(jù)本發(fā)明的高頻功率放大器的工作波形的波形圖。圖18A是示出了根據(jù)本發(fā)明的高頻功率放大器的工作波形的波形圖。圖18B是示出了根據(jù)本發(fā)明的高頻功率放大器的工作波形的波形圖。圖18C是示出了根據(jù)本發(fā)明的高頻功率放大器的工作波形的波形圖。圖19是現(xiàn)有技術的電路圖。'圖20示出了根據(jù)現(xiàn)有技術的模塊的示例。
具體實施方式
圖1A、圖1B、圖2、圖3和圖4示出了其中使用了本發(fā)明的高頻功 率放大器的結構。根據(jù)本發(fā)明的高頻功率放大器使用從800MHz到3GHz 的高頻頻帶范圍，并更寬地使用從400MHz到5GHz的范圍。放大后的輸 出功率約為5瓦特。圖1A中所示的高頻功率放大器100包括包括放大裝置(也稱為 "高頻放大裝置")的半導體芯片IOI，以及包括匹配電路裝置(也稱為 "高頻匹配電路裝置")和開關裝置的半導體芯片102。高頻功率放大器 100 (也簡稱為"高頻放大器")實現(xiàn)為包括第一和第二半導體芯片、其 上安裝了半導體芯片的樹脂或陶瓷襯底103、以及密封樹脂104或帽的 單獨模塊。在本發(fā)明的此方面中，與在襯底上形成的微帶線以及其它電 路裝置一起實現(xiàn)高頻功率放大器100的模塊中使用了兩個半導體芯片塊 101和102。
圖1B是本發(fā)明該方面的剖面圖。示出了樹脂或陶瓷襯底103以及密封樹脂104。將半導體芯片101和102安裝在襯底103上，并通過導 線鍵合或其它結構連接到襯底上。微帶線和其它高頻電路裝置可以形成 于襯底103上。圖2是示出了根據(jù)本發(fā)明的高頻ji率放大器結構的第一方框圖。圖 2所示的是兩級放大器的輸入匹配電路模塊105、兩級放大器的預放大電 路模塊106、級間匹配電路模塊107、第二放大器電路模塊108、以及輸 出匹配電路模塊109。在圖2所示的結構中，輸出匹配電路模塊109中 包括開關裝置，并且在第二半導體芯片102上實施匹配電路裝置和開關 裝置。在包括放大裝置的第一半導體芯片中實施模塊105、 106、 107、 108。模塊105、 106、 107、 108統(tǒng)稱為主放大級，而模塊109也稱為主 匹配級。主放大級是主匹配級的上游。主放大級至少包括模塊108，而可以 省略模塊105、 106和107。輸入匹配電路模塊105和級間匹配電路模塊 107用于匹配高頻功率放大器中相對低功率的信號，并且因此比用于匹 配輸出到外部阻抗電路的相對高功率f號的輸出匹配電路模塊109簡 單。 ''第一半導體芯片101具有用于輸出由高頻放大裝置放大的輸出信號 的輸出管腳T1，而第二半導體芯片102具有用于接收高頻放大裝置的輸 出信號的輸入管腳T2以及用于匹配輸出信號的高頻匹配電路。在圖6A 中詳細描述在第二半導體芯片102中實施的高頻匹配電路。圖3是示出了根據(jù)本發(fā)明另一方面的高頻功率放大器結構的第二方 框圖。在此結構中，在具有開關裝置的第二半導體芯片102上實施輸入 匹配電路105和輸出匹配電路109，而在包括高頻放大裝置的第一半導 體芯片上形成模塊106、 107和108。模塊105也稱為預匹配級，模塊106、 107和108統(tǒng)稱為主放大級， 而模塊109稱為主匹配級。主放大級是主匹配級的上游，而預匹配級是 主放大級的上游。主放大級至少包括模塊108，而可以省略模塊106和107。級間匹 配電路模塊107用于匹配高頻功率放大器中相對低功率的信號，并且因 此比用于匹配輸出到外部阻抗電路的相對高功率信號的輸出匹配電路模 塊109簡單。第一半導體芯片101具有用于接收將由高頻放大裝置放大的源信號的輸入管腳T4，而第二半導體芯片具有用于輸出源信號的輸出管腳T3 以及用于匹配源信號的高頻匹配電路。在圖7中詳細描述在第二半導體 芯片102中設置的高頻匹配電路?？梢栽谂c第二半導體芯片102相分離的獨立半導體芯片中實施模塊 109。在此情況下在第一半導體芯片101中可以包括模塊109。圖4是示出了根據(jù)本發(fā)明另一方面的高頻功率放大器結構的第三方 框圖。在此結構中，在具有開關裝置的第二半導體芯片102上實施輸入 匹配電路105、級間匹配電路模塊107、和輸出匹配電路109，而在包括 放大裝置的第一半導體芯片101上形成模塊106和108。模塊105也稱為預匹配級，模塊106也稱為預放大級，模塊107也 稱為中間匹配級，模塊108也稱為主放大級，而模塊109也稱為主匹配 級。主放大級是主匹配級的上游，中間匹配級是主放大級的上游，預放 大級是中間匹配級的上游，而預匹配級是預放大級的上游。第一半導體芯片101具有第一級高頻放大裝置(在模塊106中)和 第二級高頻放大裝置(在模塊108中)，以及用于輸出在由中間匹配級匹 配之前由第一高頻放大裝置放大的級間信號的輸出管腳T5。第二半導體 芯片102具有用于接收匹配前的級間信號的輸入管腳T6以及用于在由主匹配級匹配之前來匹配級間信號的高頻匹配電路裝置。第一半導體芯片101還具有用于接收匹配后的級間信號的輸入管腳 T8，而第二半導體芯片102具有用于輸出匹配后的級間信號的輸出管腳 T7。在圖8中詳細描述了在第二半導體芯片102中設置的高頻匹配電路?？梢栽谂c第二半導體芯片102相分離的獨立半導體芯片中實施模塊 105和109。在此情況下在第一半導體芯片101中可以包括模塊105和 109的任何一個或者兩個。接下來描述實際電路圖。圖5是用于描述本發(fā)明的高頻功率放大器 的電路圖，并示出了具有兩級放大器的裝置。輸入匹配電路105具有電容器C1、 C2以及電感器L1。然而此結構
只是一個示例，可以使用其它結構。預放大電路106具有放大晶體管Trl、電阻R1和R2、電容器C3和 C4、以及微帶線SL1和SL2。管腳207與旁路電路(圖中未示出)相連， 用于向放大晶體管Trl提供旁路電流或電壓。C4作用為旁路電容器。SL2 可以是電感器。級間匹配電路107是電容器C5。第二放大器電路108包括放大晶體管Tr2、電阻R3、電容器C6、以 及微帶線SL3。管腳208與旁路電路(圖中未示出)相連，用于向放大 晶體管Tr2提供旁路電流或電壓。C6作用為旁路電容器。SL3可以是電 感器。輸出匹配電路109包括電容器C7、 C8和C9以及微帶線SL4、 SL5 和SL6。如圖2、圖3和圖4中所示，'本發(fā)明的高頻放大器包括至少兩個半 導體芯片，即第一半導體芯片和第二半導體芯片，并要求兩個半導體芯 片協(xié)同實施。第一半導體芯片至少包括放大裝置，并且例如，此放大裝置包括預 放大裝置Trl和第二放大裝置Tr2。例如，放大裝置是放大晶體管。例 如，放大晶體管是雙極型晶體管。例如，,放大晶體管可以是諸如硅-鍺晶 體管之類的異質結雙極型晶體管。放大器電路包括放大裝置和調節(jié)電阻 或電容。第二半導體芯片至少包括匹配電路裝置和開關裝置。匹配電路裝置至少包括電容器、電感器或微帶線。第一半導體芯片和第二半導體芯片協(xié)同實施。這里使用的"協(xié)同實 施"意思是它們作為單個單元形成，如當將第一半導體芯片和第二半導 體芯片設置在同一個襯底上或封裝在一起時。包括放大裝置的第一半導體芯片101至少包括第二放大器電路模塊 108，而包括匹配電路裝置和開關裝置的第二半導體芯片102至少包括輸 出匹配電路109。比較第一半導體芯片101和第二半導體芯片102，第一半導體芯片 101用雙極型晶體管或其它放大裝置來放大信號，而第二半導體芯片102 用匹配電路裝置和開關裝置來匹配信號。因此制造工藝不同，并且第一 半導體芯片101比第二半導體芯片102復雜。在第一半導體芯片101中 包括的裝置要求足以進行信號放大的性能和精度。因此第一半導體芯片 101的每單位面積芯片成本比第二半導體芯片102高。在第二半導體芯片102的情況中，匹配電路裝置包括可以用相對簡單的制造工藝來制造的無源裝置，并且開關裝置僅僅開關信號，因此不要求信號放大所要求的性能和精度。因此第二半導體芯片102的芯片成 本比第一半導體芯片101低。此外，開,關裝置是場效應晶體管或異質結 場效應晶體管(HEMT)，所以第二半導體芯片102的制造工藝和用于主要 包括雙極型晶體管的第一半導體芯片101的工藝差別很大。因而第一半導體芯片101和第二半導體芯片102的制造工藝不同， 要求不同的性能和精度級別，并導致成本不同。如果把高頻功率放大器 100的裝置集成在與第一半導體芯片101和第二半導體芯片102結構上 不同的半導體芯片中，不僅制造工藝變得更復雜，而且變得更加難以保 證所需性能，且成品率降低。'因此總成本上升并且高頻功率放大器100模塊的尺寸也上升。然而，通過把高頻功率放大器ioo主要地分成第一半導體芯片101和第二半導體芯片102，可以實現(xiàn)在成本、可制造性、 性能和尺寸上有利的放大器。第一實施例圖6A是與圖2所示結構相對應的電路圖，并示出了采用本發(fā)明的高頻功率放大器的第一實施例。此結構和圖5所示電路不同在于在輸出匹配電路109增加了電容 器Cll和開關裝置SW1。因為當斷開時開關裝置SW1打開并且電容Cll 沒有作為接地電容與匹配電路相連接，輸出匹配電路狀態(tài)與圖5等效。 當開關裝置SW1接通時，電容C11作為接地電容和匹配電路相連，匹配 電路阻抗由于Cll的電容和圖5所示電路不同。因此第二放大裝置輸出 管腳的匹配狀態(tài)改變，可以在兩個不同輸出功率水平上優(yōu)化效率或者在 兩個不同頻率上優(yōu)化效率。此結構中晶體管Tr2輸出側與第一半導體芯片的輸出管腳Tl直接 相連。當在蜂窩電話中使用根據(jù)本發(fā)明此實施例的高頻功率放大器時，提供控制電路603、頻率檢測器600、功率水平檢測器601和模式檢測器 602作為用于控制開關裝置SW1接通/斷開狀態(tài)的電路。如果蜂窩電話是 多頻帶兼容的，頻率檢測器600檢測通信頻率和頻率改變的時間。功率 水平檢測器601檢測蜂窩電話接收到的信號的功率水平。模式檢測器602檢測工作模式是語音通信模式還是數(shù)據(jù)通信模式。如果提供頻率檢測器 600、功率水平檢測器601和模式檢測器602中的任何一個，控制就是可能的。接下來描述基于頻率的控制方法。.例如，當頻率檢測器600檢測到頻率變化時，接通或斷開開關裝置 SW1以把阻抗變成對檢測到的頻率的優(yōu)化匹配狀態(tài)，并因此提高效率。 接下來描述基于功率水平的控制方法。如果功率水平檢測器601檢測到的功率水平大于等于預定水平，控 制電路603接通開關裝置SW1以減小輸出匹配電路109的負載阻抗。當 檢測到的功率水平低于該預定水平時，斷開開關裝置SW1以增加負載阻 抗。因此可以提高效率。接下來描述基于通信模式的控制方法。如果模式檢測器602檢測到數(shù)據(jù)通信模式，最大輸出上升。在此情 況下，控制電路603接通開關裝置SW1以降低負載阻抗，并且控制匹配 以提供高輸出。然而，如果模式檢測器602檢測到語音通信模式，控制 電路603斷開開關裝置SW1以匹配增加負載阻抗并增加效率。使用蜂窩電話作為示例描述了根據(jù)本發(fā)明的高頻功率放大器的用 途，但是當用在其它裝置中時高頻功率放大器提供同樣類型的控制。圖6B示出了圖6A中在第二放大器電路108輸出管腳處的阻抗Zout 的電路，而圖6C和圖6D分別示出當開關裝置SW1斷開和接通時仿真的 阻抗Zout (其中電容器Cll的電容是0.5pF)。如圖所示，當開關裝置 SW1從斷開切換到接通時，頻率1950MHz處的阻抗改變，實數(shù)部分減小 并且虛數(shù)部分的絕對值減小。當實數(shù)部分較小并阻抗較低時，高頻功率 放大器的最大輸出增加，并且可以通過控制開關裝置SW1的狀態(tài)來對輸
出功率優(yōu)化效率特性。另外，因為在本發(fā)明此實施例中用于開關的開關 裝置SW1和電容C11在同一個半導體芯片102上實施，可以在小面積中 集成開關功能。當開關裝置SW1是如圖6E所示的場效應晶體管時，可以通過柵極電壓容易的控制接通/斷開狀態(tài)，并在接通狀態(tài)減少損耗，以及可以容易 實現(xiàn)更小和具有更少損耗的切換電路。當開關裝置是異質結場效應晶體管(HEMT)時此結構甚至更有效。當如本發(fā)明此實施例中在輸出匹配電 路109中實施開關功能時，必須考慮在開關裝置管腳處的高頻放大信號 的電壓幅度。更具體地，如果當放大信號水平較高時電壓幅度太高，特 別地如果電壓幅度超過開關裝置SW1的閾值電壓，斷開的電路有可能接 通并且電路將不正常開關。然而，如果使用HEMT裝置并且使用串聯(lián)了多 個開關裝置的多級切換電路，可以實現(xiàn)容易適應高放大水平的設計。多 級設計也可以減少損耗并因此特別有效。下面實施例中的開關裝置是場效應晶體管或異質結場效應晶體管。圖7是與圖3所示結構相對應的電路圖，并示出了采用本發(fā)明的高 頻功率放大器的第二實施例。在此結構中，輸入匹配電路105和輸出匹配電路109實施在同一個 半導體芯片102上。在此結構中晶體管Trl的輸入側與第一半導體芯片101的輸入管腳 T4直接相連。圖8是與圖4所示結構相對應的電路圖，并示出了采用本發(fā)明的高 頻功率放大器的第三實施例。在此結構中，輸入匹配電路105、 1及間匹配電路107和輸出匹配電 路109實施在同一個半導體芯片102上。在圖8所示實施例中，將作為 輸出匹配電路的一部分的微帶線SL4、 SL5、 SL6設置在外部而不是設置 在半導體芯片102上。在此實施例中，微帶線SL4、 SL5、 SL6實施在模 塊襯底103上，并且通過導線鍵合或其它結構與第二半導體芯片102上 的匹配電路裝置相連。此結構減小了第二半導體芯片102的尺寸。在此結構中，晶體管Trl的輸出側與第一半導體芯片101的輸出管 腳T5直接相連，并且晶體管Tr2的輸入側與第一半導體芯片101的輸入
管腳T8直接相連。在前面的實施例中，具有開關裝置的阻抗切換電路僅僅在輸出匹配電路109中實施，但是顯然可以將其設置在級間匹配電路107或輸入匹 配電路105中。例如，如圖9所示，可以通過形成與級間匹配電路107 的串聯(lián)電容C5并聯(lián)的開關裝置SW2和電容器C12，來切換級間匹配電路 107的阻抗。這實現(xiàn)了根據(jù)高頻功率放大器輸出水平把輸入功率水平從 預放大電路106改變到第二放大電路108，并實現(xiàn)了根據(jù)高頻功率放大 器工作頻率切換級間匹配電路107的頻率特性。放大器電路106、 108的旁路電路(與管腳207、 208相連)可以與 放大器電路實施在同一個第一半導體芯片101上，或者與開關裝置SW1 實施在同一個第二半導體芯片102上。例如，如果放大裝置Trl、 Tr2 是雙極型晶體管，使用用作開關裝置SW1的場效應晶體管電路來實施旁 路電路特別有效，因為可以容易高精度地添加溫度補償和截止功能。在 預放大電路106中設置的電阻器R1和電容器C3實現(xiàn)了反饋電路，并且 作為匹配電路的一部分?？梢詫⒎糯笱b置Trl和Tr2外圍的電路與放大 裝置Trl和Tr2實施在相同的第一半導體芯片101上，實施在相同的第 二半導體芯片102上，或者從外部附加到芯片。另外，不必要把匹配電 路105、 107和109的一部分放置在第二半導體芯片102上，并且可以在 第一半導體芯片101上實施一部分。另外，包括放大電路裝置的第一半導體芯片101以及包括匹配電路 裝置和開關裝置的半導體芯片102的任何一個都可以在多個芯片上實 施。例如，取決于放大電路的規(guī)模或開關的復雜度，第一半導體芯片或 第二半導體芯片可以在兩個或更多芯片上實施。從而優(yōu)化的(縮小的) 模塊布局甚至更加有效。在圖1和圖2所示的實施例中，只用安裝在襯底103上的半導體芯 片IOI和102實施高頻功率放大器100模塊。電阻R1、 R2、電容器C3、 C4、 C6、微帶線SL1、 SL2、 SL3以及電感器裝置中的全部或部分在這種 情況下也可以在半導體芯片上實施或者外接。在襯底和半導體芯片上的 電路裝置之間的連接也不局限于導線鍵合，例如，可以使用倒裝芯片鍵
第二實施例接下來描述使用在第二半導體芯片上形成的開關裝置和匹配電路 裝置的切換電路的實施例。圖IOA、圖IOB和圖IOC是描述根據(jù)本發(fā)明的阻抗切換電路的第二實施例的電路方框圖。參考數(shù)字215、 217、 218、 220和221是電容裝置， 參考數(shù)字216、 219和222是開關裝置。參考圖IOA，例如，當開關裝置 216接通時，電容裝置215作為接地電容與電路相連，而當開關裝置216 斷開時，電容裝置215的接地端打開并且電容裝置215不與電路相連。 因為HEMT或其它開關裝置的寄生電容，接地電容是電容裝置215和寄生 電容的串聯(lián)復合電容，但是因為該復合電容和電容裝置215相比足夠小， 當圖IOA所示電路用于高頻匹配時，可以通過開關裝置216接通或斷開時電容的差別來改變匹配電路阻抗。在圖IOB所示結構中，通過開關電容裝置219接通或斷開可以在電 容裝置217以及電容裝置217和218的復合電容之間切換串聯(lián)電容。還可以如圖IOC所示改變接地電容。還可以如圖IIA、圖IIB和圖IIC所示利用電感器來實施匹配電路 裝置。另外，因為開關裝置具有如上所述的寄生電容，也可以使用該電 容作為匹配電路的裝置來進行切換。例如，當用HEMT時，每lmm柵極寬 度的寄生電容約是0.2pF，并且通過適當?shù)卦O計柵極寬度，電容可以從 幾十pF到幾pF變化。接下來參考圖12A、圖12B、圖12C和圖12D描述用寄生電容調節(jié) 電容。例如，如果如圖12A串聯(lián)的開關裝置231、232的斷開電容是0. 4pF， 當兩個開關裝置都斷開(圖12B)時電容是0.2pF，當任一個接通(圖 12C)時電容是0.4pF。如圖12D所示還可以串聯(lián)更多開關裝置。通過使 用圖12A或圖12D所示的電路作為串聯(lián)或接地的匹配電路裝置，可以精 細的調節(jié)阻抗。用單個開關裝置描述了本發(fā)明的實施例。在實際電路中使用HEMT 或其它開關裝置，但是如第一實施例中所述，為了根據(jù)加到開關裝置的 電壓保.證需要的開關操作，可以串聯(lián)多個開關裝置。多級切換電路容易
實施，可以用在高輸出功率匹配電路中，并從而特別有效。在這種情況 下可以增加供電電壓而不是使用多級結構，但是當用在蜂窩電話中時要 求升高電池電壓。然而，如果在第二半導體芯片上實施要求的升壓器， 可以用僅僅幾個級來實現(xiàn)高輸出。第三實施例下面用圖13A和圖13B描述切換電路的另一個實施例。作為匹配裝置的電容237、 239、 241、 243是與放大器裝置相對應的匹配電路的一部 分，并且匹配電路通過將開關裝置238、 240、 242、 244的控制電壓(A) 到(D)切換為低(L)或高(H)來連接或斷開。因為有四個開關，提供 邏輯電路245并用兩個控制管腳來切換四個控制電壓(A)到(D)為低 或高。四個開關狀態(tài)在圖13B中表示。在本發(fā)明此實施例中該邏輯電路 在第二半導體芯片上實施，從而能夠用簡單接口容易地控制在更多水平 之間切換阻抗，同時減小芯片尺寸和放大器裝置尺寸。另外，因為可以 用服MT容易地實施邏輯電路，例如，該功能可以在第二半導體芯片上實 施。如果放大器具有更多功能和信道，可以使用多個具有開關裝置和匹 配電路裝置的芯片，并且可以在其中一個或更多芯片上實施邏輯電路。第四實施例圖14是根據(jù)本發(fā)明的高頻功率放大器的第五實施例的電路圖。此 實施例是圖6E所示高頻功率放大器的變體。第二半導體芯片102包括匹 配電路裝置和開關裝置。本發(fā)明此實施例包括到預放大裝置電源的旁路 電容C4，以及到第二放大裝置電源的旁路電容C6。還包括并聯(lián)到電容 C6的電容C13和開關裝置SW3。設計旁路電容C4、 C6和C13具有幾十到幾千皮法的電容，以便去 除供電側阻抗對高頻放大的影響，并且抑制在放大頻帶低頻端的通過特 性。因為當在半導體芯片上實施這樣的高電容裝置時，電容裝置的面積 增加，半導體芯片的面積增加并且成本增加。例如，如果放大裝置是雙 極型晶體管，因為制造工藝復雜，具有放大裝置的第一半導體芯片101 的單位面積成本增加，并且如果包括高電容裝置，芯片成本增加得甚至
更多。然而，因為具有開關裝置得第二半導體芯片102比半導體芯片101 成本低，當在半導體芯片上實現(xiàn)旁路電容時可以在低成本下達到本發(fā)明 此實施例。另外，由于當實施高電容時可以使用具有高介電常數(shù)的電介質薄 膜，在半導體裝置的制造過程上增加了.形成電介質薄膜的過程。如果第 一半導體芯片101在從截面看的正面圖中具有很大不同(在包括雙極型 晶體管的半導體裝置中如此)且在第一半導體芯片101上形成電介質薄 膜，制造過程變得困難和復雜。因此在具有更少步驟和更簡單開關裝置的半導體芯片102上形成該電介質薄膜更容易且更有效。 接下來描述實施電容器C13和開關裝置SW3的原因。 旁路電容C6減小了電源噪聲并穩(wěn)定放大器操作。旁路寬頻帶更有 效并且通常大電容用來減少噪聲更好。另一方面，使用通過在電源上施 加調制信號來調制放大器的極化效應，具有在旁路電容較高時限制調制 信號帶寬的缺點。因此當使用這樣的極化調制時，斷開開關裝置SW3來 減小電容。否則接通開關裝置SW3以便把電容增加到電容C6和C13之和并且穩(wěn)定放大器?？梢詫⑴c電容器C13和開關裝置'SW3等效的電路并聯(lián)到用于預放大裝置電源的旁路電容C4或者預放大和主放大級兩者。在第二半導體芯片102中可以包括具有存儲功能的裝置或電路，或 者具有調整(trimming)功能的裝置或電路。在第一半導體芯片101或 第二半導體芯片102中還可以包括連接芯片正面和背面的一個或多個通 孔。第五實施例在前述實施例中在第二半導體芯片102中包括的阻抗切換電路的開 關裝置具有與一側相連的電容。本發(fā)明的第五實施例描述具有連接到兩 側的電容的開關裝置。另外，在第一半導體芯片101中包括了前述實施 例中第二半導體芯片102中包括的部分電容。圖15A和圖15B表示根據(jù)本發(fā)明的高頻功率放大器的第一和第二變 體。和圖2中的第一半導體芯片101相比，圖15A和圖15B中第一半導
體芯片101包括附加電容器C20。電容器C20的一側和第二放大器電路 108和輸出管腳T1之間的節(jié)點相連接，并且另一側接地。在襯底103上 形成微帶線SL10和SLll。如上所述，把高頻功率放大器100主要分成第一半導體芯片101和 第二半導體芯片102來實現(xiàn)所需結構。在本發(fā)明第五實施例中，只有輸 出匹配電路109的輸入電容器C7 (圖6A所示)作為電容器C20移動到 第一半導體芯片101。結果是，電容器C20可以和第二放大器電路108 直接相連，以有效匹配輸出而不會不利地影響第一半導體芯片101的制 造過程。另外，包括在第二放大器電路108中的放大裝置具有接地的通 孔，而電容器C20可以和接地通孔直接相連而不是用鍵合導線。因此放 大裝置的高功率輸出可以有效地流到地。從而通過用電容器C20首先匹 配第一半導體芯片101中的放大裝置輸出信號，可以減小輸出匹配電路 109的尺寸，并且可以實現(xiàn)低損耗、寬帶輸出信號。注意電容器C20可以是電容器C8 (參見圖6A)或電容器C9 (參見 圖6A)。另外，電容器C20可以包括圖6A中三個電容器C7、 C8和C9的兩個或更多的功能。在圖15A中，第二半導體芯片102包括開關SW4和電容器C21、C22、 C23、 C24和C25。把開關SW4插入在電容器C24和電容器C25之間。從 而電容器C24和電容器C25阻斷到開關SW4的DC流，并防止由于通過電 容器C24和C25到外界的DC流而導致的功耗增加和匹配特性變化。具有 順序連接的電容器C24、開關SW4和電容C25的串聯(lián)電路與插入在管腳 T2和管腳111之間的電容器C22并聯(lián)。當圖6A中的控制電路603分別 接通或斷幵開關SM時，該串聯(lián)電路減小或增加輸出匹配電路109的串 聯(lián)阻抗。在圖15B中，第二半導體芯片102包括開關SW5和電容器C21、C22、 C23、 C26和C27。把開關SW5插入在電容器C26和電容器C27之間。從 而電容器C26和電容器C27阻斷到開關SW5的DC流，并防止由于通過電 容器C26和C27到外界的DC流而導致的功耗增加和匹配特性變化。具有 順序連接的電容器C26、開關SW5和電,器C27的串聯(lián)電路與插入在管 腳T2和管腳111之間的一端相連接。1當圖6A中的控制電路603分別接
通或斷開開關SW5時，該串聯(lián)電路減小或增加輸出匹配電路109的并聯(lián) 阻抗。圖16A、圖16B和圖16C是阻抗切換電路的電路方框圖，并分別表 示在圖IOA、圖IOB和圖10C中插入在電容之間的開關裝置。更具體地， 把開關裝置251插入在電容250和252之間，把開關裝置255插入在電 容254和256之間，以及把開關裝置259插入在電容258和260之間。在圖15A和圖15B中，在襯底103上形成微帶線SL10和SLll，但 是它們可以包括在第二半導體芯片102中。另外，把第二半導體芯片102 作為輸出匹配電路109的一部分描述，但是第二半導體芯片102還可以 包括級間匹配電路107。第六實施例圖17A和圖17B是表示放大裝置輸出信號功率隨時間變化的波形 圖。當放大裝置的輸出信號是CDMA (碼分多址)或OFDM (正交頻分復用) 信號時，輸出信號幅度隨時間變化。在圖17A中，輸出信號的峰值功率 PA比平均功率Pl大約4dB，并且在圖17B中輸出信號的峰值功率PB比 平均功率P1大約2B。如果在從放大裝置輸出的變幅調制信號中可以減小失真，可以提高 輸出匹配電路109的輸出管腳111處的輸出信號的SNR，并且可以減小 與其它頻帶的干擾。這要求把第二放大器電路108的輸入信號線性放大 到峰值功率水平。然而，第二放大器電路模塊108的輸出效率下降，除 非將第二放大器電路108設計為線性放大信號到如圖17A所示的峰值功 率PA而只使用到如圖17B所示的峰值功率PB的范圍。圖18A和圖18B表示當生成圖17A和圖17B所示輸出信號時同一個 第二放大器電路108的功率效率。在圖18A中用粗線指示的工作曲線LA 示出在第二放大器電路108線性工作區(qū)RLN中最大輸出功率處的平均功 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。在圖18B中用粗線指示的工作曲線LB 示出平均功率Pl和峰值功率PB，比峰值功率PA低。在平均功率Pl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。當工作在曲線LA時稱為第二放大器電路108工作在高峰值功率模式下，而當工作在曲線LB時工作在低峰值功率模式下。因為在工作曲線LB，峰值功率效率EB比EA低，平均功率效率El 和工作曲線LA—樣，雖然放大裝置輸出信號的峰值功率PB較低。如在 圖18C中粗線指示的工作曲線LC所指出的，如果線性放大工作區(qū)RLN 從低于等于峰值功率PA降低到低于等于峰值功率PB，并且峰值功率PB 處的峰值功率效率是EA，則平均功率Pl處的峰值功率效率從El變?yōu)檩^ 高的E2，在第二放大器電路108中可以^到高功率效率。本發(fā)明此第六實施例根據(jù)工作模式的峰值功率改變第二半導體芯 片102中包括的開關裝置，并改變輸出匹配電路109的輸入阻抗。開關 裝置可以是圖6A、 6B、 6E、 7、 8、 9、 IOA、 IOB、 IOC、 IIA、 IIB、 IIC、 12A、 12D、 13A、 14、 15A、 15B、 16A和16C中任何一個所示的開關。因 此可以對工作模式的峰值功率優(yōu)化輸入阻抗，并且最大化第二放大器電 路108的功率效率。為了增加傳輸速率，峰值功率可以變化，即使調制 方法和數(shù)據(jù)通信的一樣。當在模式間切換時，在和W-C匿A (寬帶CDMA) 和HSDPA (高速下行分組接入(W-CDMA的擴展))都兼容的移動裝置中峰 值功率也可以劇烈變化。在這樣的情況下可以有效地使用本發(fā)明的第六 實施例。盡管己經參考附圖結合優(yōu)選實施例描述了本發(fā)明，但應該注意的是 各種變化和修改對于本領域技術人員是顯而易見的。應該理解，在不脫 離所附權利要求的情況下，這些改變和修改包括在所附權利要求所限定 的本發(fā)明的范圍內。
權利要求
1.一種高頻功率放大器，包括第一半導體芯片，包括具有第一高頻放大裝置的主放大級；以及第二半導體芯片，包括具有第一開關裝置的主匹配級；其中，主放大級具有可操作用于輸出由第一高頻放大裝置放大的第一信號的第一輸出管腳，以及主匹配級具有可操作用于接收第一信號的第一輸入管腳，以及可操作用于匹配第一信號的第一高頻匹配電路裝置。
2. 根據(jù)權利要求1所述的高頻功率放大器，其中 所述第二半導體芯片具有設置在主放大級上游的預匹配級； 預匹配級包括可操作用于匹配輸入的第二信號的第二高頻匹配電路裝置，以及可操作用于輸出匹配后的第二信號的第二輸出管腳；主放大級包括可操作用于接收匹配后的第二信號的第二輸入管腳；以及第一高頻放大裝置基于匹配后的第二信號進行放大。
3. 根據(jù)權利要求l所述的高頻功率放大器，其中 所述第二半導體芯片具有設置在±放大級上游的中間匹配級； 所述第一半導體芯片具有設置在中間匹配級上游的預放大級； 預放大級包括第二高頻放大裝置，以及第二輸出管腳，可操作用于輸出由第二高頻放大裝置放大的第二信號； 中間匹配級包括第二輸入管腳，可操作用于接收第二信號， 第二高頻匹配電路裝置，可操作用于匹配第二信號，以及 第三輸出管腳，可操作用于輸出匹配后的第二信號； 主放大級具有可操作用于輸入匹配后的第二信號的第三輸入管腳； 以及 — 第一高頻放大裝置基于匹配后的第二信號進行放大。
4. 根據(jù)權利要求1所述的高頻功率放大器，其中將所述第一半 導體芯片和所述第二半導體芯片協(xié)同實施。
5.根據(jù)權利要求1所述的高頻功率放大器，還包括襯底，在所述襯底上安裝所述第一半導體芯片和所述第二半導體芯 片；以及高頻電路裝置，包括在襯底上形成的微帶線。
6. 根據(jù)權利要求1所述的高頻功率放大器，還包括襯底，在所述襯底上安裝所述第一半導體芯片和所述第二半導體芯 片；以及安裝在襯底上的無源裝置。
7. 根據(jù)權利要求1所述的高頻功率放大器，其中 所述第二半導體芯片包括電容；以及第一開關裝置與電容相連。
8. 根據(jù)權利要求1所述的高頻功率放大器，其中所述第二半導體芯片包括電感器；以及 第一開關裝置與電感器相連。
9. 根據(jù)權利要求1所述的高頻功率放大器，其中第一開關裝置當處于斷開狀態(tài)時操作為電容。
10. 根據(jù)權利要求l所述的高頻功率放大器，其中 所述第二半導體芯片包括邏輯電路。
11. 根據(jù)權利要求1所述的高頻功率放大器，其中 所述第二半導體芯片包括10pF或以上的電容。
12. 根據(jù)權利要求1所述的高頻功率放大器，其中 所述第二半導體芯片包括具有存儲功能的至少一個裝置或電路。
13. 根據(jù)權利要求1所述的高頻功率放大器，其中 所述第二半導體芯片包括具有調整功能的至少一個裝置或電路。
14. 根據(jù)權利要求l所述的高頻功率放大器，其中 所述第一和第二半導體芯片的至少一個具有將半導體芯片的正面和背面相連的通孔。
15. 根據(jù)權利要求1所述的高頻功率放大器，其中 第一開關裝置是場效應晶體管或異質結場效應晶體管。
16. 根據(jù)權利要求1所述的高頻功率放大器，其中 第一高頻放大裝置是異質結雙極型晶體管。
17. 根據(jù)權利要求1所述的高頻功率放大器，其中 所述第二半導體芯片包括旁路電源電路的至少一部分，所述旁路電源電路可操作用于產生提供給第一高頻放大裝置的旁路信號。
18. 根據(jù)權利要求1所述的高頻功率放大器，其中 所述第一半導體芯片包括一側與第一輸出管腳相連而另一側接地的電容。
全文摘要
小巧的高性能高頻功率放大器易于調節(jié)和切換阻抗。高頻功率放大器模塊包括第一半導體芯片，包括一個或多個高頻放大裝置；以及第二半導體芯片，包括一個或多個高頻匹配電路裝置和一個或多個開關裝置。第二半導體芯片包括用于高頻放大器裝置的匹配電路。第二半導體芯片也包括由電容和與電容串聯(lián)或并聯(lián)的開關裝置組成的電路。開關裝置接通或者斷開，使得電容連接或者不連接作為匹配電路的一部分。
文檔編號H04B7/005GK101162928SQ20071018012
公開日2008年4月16日 申請日期2007年10月10日 優(yōu)先權日2006年10月13日
發(fā)明者小泉治彥, 稻森正彥, 立岡一樹 申請人:松下電器產業(yè)株式會社