專利名稱：改進了尺寸和成本的高頻功率放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于多電平數(shù)字調(diào)制通信系統(tǒng)的需要線性和高效率的 高頻功率放大器。
背景技術(shù)：
最近，多電平數(shù)字調(diào)制通信系統(tǒng)等常常處理信號振幅的平均值和最大 振幅相互差別很大的信號。因此，用于無線電通信系統(tǒng)的功率放大器需要 線性和高效率。然而，當(dāng)功率放大器放大這樣的信號時，放大器通常具有 較低的效率，這是因為放大器的工作點被設(shè)置成能夠在沒有失真的情況下 將信號放大至最大振幅，因此，幾乎沒有時間留下來在具有飽和功率的區(qū) 域附近工作，在具有飽和功率的區(qū)域處可以保持較高的效率。
為了解決這樣的問題，已經(jīng)開發(fā)了在保持線性的同時提高放大器的效
率的各種技術(shù)。所述技術(shù)之一包括包絡(luò)跟蹤(下文稱為"ET")或包絡(luò)消除 及恢復(fù)(下文稱為"EER")。在日本專利特許公開第2005-184273號和第 2006-521081號國際專利申請的屆家公布等中公開了使用這些技術(shù)的放大 器的基本構(gòu)造。
另外，IEEE微波理論和技術(shù)學(xué)報2002年3月第50巻第3期pp 814-826的"用于RF和微波的功率放大器和發(fā)射機(Power Amplifier and Transmitters for RF and Microwave)"和正EE化合物半導(dǎo)體集成電路會議 2005年10月30日到11月2日pp 1-4的"以GaN-HFET實現(xiàn)的50%PAE WCDMA基站放大器(50% PAE WCDMA Base-station Amplifier Implemented with GaN-HFETs)"等公開了放大器的基本構(gòu)造。
在那些放大器的構(gòu)造中，例如，使用高速開關(guān)元件以減小損失的以開 關(guān)方式操作的電路(如S類放大器)來構(gòu)造用于對放大元件供電的電源單 元。通過從外部控制該高效率的電源單元以滿足期望的ET或EER操作和
功能來實現(xiàn)比普通放大器如A類或B類放大器的效率高的效率，并且當(dāng)電 源單元從飽和功率進行補償(back-off)地輸出時，也實現(xiàn)了更高的效率。
圖1是示出應(yīng)用EER技術(shù)的高效放大器的例子的示意性框圖。
輸入信號(被調(diào)制的信號)施加到限幅器41和包絡(luò)檢測器42。限幅 器41提取輸入信號的相位調(diào)制分量信號，包絡(luò)檢測器42提取與輸入信號 的振幅調(diào)制分量相對應(yīng)的包絡(luò)信號。所提取的具有恒定振幅的相位調(diào)制分 量信號被施加到構(gòu)成功率放大器的晶體管45并被放大。
另一方面，所提取的包絡(luò)信號被施加到電源電壓控制單元。如圖1所 示，電源電壓控制單元包括振幅脈沖(amplitude-pulse)變換單元43、開 關(guān)晶體管44和由電容器46和扼流線圈47構(gòu)成的低通濾波器，所述振幅脈 沖變換單元43包括用于改變與振幅相對應(yīng)的脈沖寬度的脈沖寬度調(diào)制 (PWM)系統(tǒng)等。所提取的包絡(luò)信號被電源電壓控制單元轉(zhuǎn)換成與包絡(luò)信 號相對應(yīng)的電壓，并作為構(gòu)成功率放大器的晶體管45的操作電源電壓而 提供。放大的信號從放大的信號的輸出端輸出。
結(jié)果，以上述方式提取的具有恒定振幅的相位調(diào)制分量信號被構(gòu)成功 率放大器的晶體管45高效率地放大，并且用于構(gòu)成功率放大器的晶體管 45的電源電壓根據(jù)電源電壓控制單元提供的電壓改變。因此，施加到這個 功率放大器的信號被放大，使得它的振幅變化與電源電壓相對應(yīng)，并且振 幅調(diào)制分量也被再現(xiàn)，因而實現(xiàn)了具有高效率和低失真的高功率放大器。
圖2示意性示出了圖1中所示的高效率放大器中的功率放大器和電源 單元安裝在基底上的狀態(tài)。在電源單元的輸入側(cè)，設(shè)置了用于控制電源功 能的輸入端411。在放大器的輸入側(cè)，設(shè)置了放大信號的輸入端412。電 源單元通過放大器的電源輸出線413連接到放大器。
通常，放大器和電源單元被構(gòu)造成單獨的電路塊，并且另外的用于放 大器的放大元件(晶體管)45和用于電源單元的開關(guān)元件(開關(guān)晶體管) 44被分別包含在單獨的封裝件中，這是因為處理較大的功率。因此，需要 用于在基底中安裝兩個晶體管封裝件的面積。
這里，作為一個示例，在參照圖l描述的構(gòu)造中，將研究如下的情 況其中，對構(gòu)成功率放大器的晶體管45和開關(guān)晶體管44分別使用相同
的晶體管元件來構(gòu)造在2GHz的頻帶中具有90 W的飽和功率的放大器。
假設(shè)對具有90 W功率的特定的晶體管選擇在一個封裝件中包括一個 場效應(yīng)晶體管的元件，該元件為飛思卡爾(Frcescale)半導(dǎo)體有限公司的 產(chǎn)品"MRF21090"。在這種情況下，如圖3所示，晶體管的除了電極部分 之外的外部尺寸為大約每單元34mmxl3.8mm。因此，晶體管部分的安裝 面積最小需要這些尺寸限定的面積的兩倍，即大約9.4ci^的安裝面積。
如所提及的，在上述構(gòu)造的高效率放大器的情況下，因為對于放大元 件和開關(guān)元件使用分別包括在單獨的封裝件中的晶體管，所以兩個封裝件 的晶體管的安裝面積是必須的，這對于縮小器件尺寸是不利的。另外，所 述構(gòu)造對于降低器件的成本是不利的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提供一種實現(xiàn)了小型化和更低成本的需要線性和 高效率的高頻功率放大器。
本發(fā)明的高頻功率放大器包括電源單元，所述電源單元包括用于開 關(guān)的晶體管，該晶體管的漏極-源極或集電極-發(fā)射極根據(jù)與施加到柵極或 基極的高頻信號的包絡(luò)信號相對應(yīng)的脈沖信號來控制導(dǎo)通/截止，所述電源 單元用于通過所述用于開關(guān)的晶體管的導(dǎo)通/截止操作來產(chǎn)生與所述包絡(luò)信 號相對應(yīng)的電壓；和用于功率放大的晶體管，該晶體管是源極接地型或發(fā) 射極接地型，所述電源單元產(chǎn)生的電壓被提供到所述用于功率放大的晶體 管作為工作電壓，其中，所述高頻信號被施加到所述柵極或所述基極，其 中，在所述電源單元中的所述用于開關(guān)的晶體管和所述用于功率放大的晶 體管被構(gòu)造在一個封裝件中，使得所述源極或所述發(fā)射極被共接。
根據(jù)本發(fā)明，放大器可以被構(gòu)造使得它的總尺寸較小，這是因為用于 并聯(lián)運行的包括在一個封裝件中的兩個晶體管用作構(gòu)成高效率放大器的用 于功率放大的晶體管和用于開關(guān)的晶體管，所述高效率放大器使用了如 ET或EER技術(shù)。
另外，根據(jù)本發(fā)明，可以實現(xiàn)成本的降低，這是因為可以使用并聯(lián)運 行的包括在一個封裝件中的兩個晶體管來構(gòu)造構(gòu)成高效率放大器的用于功
率放大的晶體管和用于開關(guān)的晶體管，使得每個晶體管不必通過單個封裝 件來構(gòu)造。
從下面參照附圖的描述中，本發(fā)明的上述和其它目的、特征和優(yōu)點將 變得明顯，附圖示出了本發(fā)明的例子。


圖1是示出應(yīng)用EER技術(shù)的高效率放大器的例子的示意性框圖2是示出在高效率放大器中放大器和電源單元實施在基底上的狀態(tài) 的示意圖3是示出在一個封裝件中包括一個場效應(yīng)晶體管的元件的外形尺寸 的例子的示圖，所述元件可用作高效率放大器的放大元件并可用作電源單 元的開關(guān)元件；
圖4是示出本示例性實施例的高效率功率放大器的構(gòu)造的一個示例性 實施例的電路圖5是示出本示例性實施例的高效率放大器中功率放大器和電源單元 安裝在基底上的狀態(tài)的示意圖；和
圖6示出當(dāng)在一個封裝件中包括兩個場效應(yīng)晶體管的元件時的外形尺 寸，所述元件用來構(gòu)造高效率放大器的放大元件和電源單元的開關(guān)元件。
具體實施例方式
圖4是示出本示例性實施例的高效率功率放大器的構(gòu)造的一個示例性 實施例的電路圖。
本示例性實施例的高頻功率放大器包括用于高頻放大的晶體管2和用 于開關(guān)的晶體管1。在本示例性實施例中，這些晶體管是場效應(yīng)晶體管。 用于高頻放大的晶體管2和用于開關(guān)的晶體管1包括在一個封裝件11中， 并且每個晶體管的每個源極共接到地。
為用于高頻放大的晶體管2供電的電源單元10包括用于開關(guān)的晶體 管1、線圈3、 二極管4、電容器5和扼流線圈6。電源單元IO通過用于 放大器的電源輸出端對用于高頻放大的晶體管2的漏極供電。通過從外部
向電源單元10中用于開關(guān)的晶體管1輸入控制信號來控制供給到用于高 頻放大的晶體管2的漏極的電源電壓。
將參照圖4來描述每個部件之間的互連。
如圖4所示，線圈3的兩端之一連接到電源端101，線圈3的另一端 連接到二極管4的陽極。用于開關(guān)的晶體管1的柵極連接到輸入端102， 用于控制電源功能，晶體管1的漏極連接在線圈3和二極管4之間。向電 源端101供應(yīng)恒定的電壓(VDD)。
二極管4的陰極連接到扼流線圈6的兩端之一。二極管4和扼流線圈 6之間的連接部分被通過電容器5連接到地。
高頻信號通過放大的信號的輸入端105被施加到用于高頻放大的晶體 管2的柵極。用于高頻放大的晶體管2的漏極被連接到扼流線圈6的兩端 中的另一端，也被連接到放大信號的輸出端103。
將描述本示例性實施例的高頻功率放大器的操作。
用于高頻放大的晶體管2是與圖1中所示的高效率放大器中構(gòu)成功率 放大器的晶體管45相對應(yīng)的晶體管，并且例如，將高頻輸入信號的相位 調(diào)制分量信號提供到其柵極。晶體管2的漏極被電源單元10通過扼流線 圈6供給電源電壓，晶體管2的源極與用于開關(guān)的晶體管1的源極一起共 接到封裝件ll的地。
另外，包括線圈3、用于開關(guān)的晶體管1、 二極管4和電容器5的電 源單元10的構(gòu)造是用于普通DC/DC變換器的開關(guān)調(diào)壓器的構(gòu)造(見日本 專利特許公開第08-275514號)。當(dāng)用于開關(guān)的晶體管l導(dǎo)通時，電流I， 1= (VDD/L)承t，在線圈3中流動，將電磁能存儲在線圈3中。當(dāng)用于開 關(guān)的晶體管1截止時，存儲的電磁能通過二極管4轉(zhuǎn)移到電容器5，電容 器5的接線端的電壓增加到與線圈3中存儲的電磁能相對應(yīng)的電壓。
在本示例性實施例中，用于開關(guān)的晶體管1的柵極被供有由脈沖信號 構(gòu)成的電源功能控制信號，所述脈沖信號例如是其中脈沖寬度根據(jù)高頻輸 入信號的包絡(luò)信號的電平變化的PWM信號以及其中每單位時間的脈沖數(shù) 目(即，密度)根據(jù)高頻輸入信號的包絡(luò)信號電平相應(yīng)變化的脈沖數(shù)目調(diào) 制(PNM)信號等。
當(dāng)包絡(luò)信號的振幅較小時，這個電源功能控制信號通過縮短用于開關(guān) 的晶體管1的導(dǎo)通持續(xù)時間(通過使得脈沖寬度或脈沖密度較小)來減小 存儲在線圈3中的能量，從而控制用于放大器的電源電壓減小。另一方 面，當(dāng)包絡(luò)信號的振幅較大時，通過延長用于開關(guān)的晶體管1的導(dǎo)通持續(xù) 時間(通過使得脈沖寬度或脈沖密度較大)來提高存儲在線圈3中的能 量，從而控制用于放大器的電源電壓增加。
以這樣的方式，通過與藉以這個脈沖信號輸入的高頻信號的包絡(luò)信號 電平相對應(yīng)地控制用于開關(guān)的晶體管1的導(dǎo)通/截止比，與輸入的高頻信號 的包絡(luò)信號電平相對應(yīng)變化的電壓被輸出到電源單元10的用于放大器的
電源輸出線104。因此，施加到用于高頻放大的晶體管2的信號被放大， 使得它的振幅與電源電壓相對應(yīng)地變化，并且振幅調(diào)制分量也如實地被再 現(xiàn)，由此，可以實現(xiàn)具有低失真和高效率的高頻功率放大器。
圖5是示出功率放大器和電源單元安裝在本示例性實施例的高效率放 大器中的基底上的狀態(tài)的示意圖。如圖5所示，放大元件(用于高頻放大 的晶體管2)和開關(guān)元件(用于開關(guān)的晶體管1)被作為一個封裝件11安 裝在基底上，所述封裝件11包括分別為放大元件和開關(guān)元件的晶體管2 和晶體管1。
在如圖1所示的放大器構(gòu)造中，用于控制放大器的電源功能的放大器 和晶體管由分別包括在一個(或多個)封裝件中的單獨的晶體管構(gòu)成。相 反，在本示例性實施例中，使用在一個封裝件中包括兩個晶體管的晶體管 封裝件，所述晶體管之一作為線性放大器操作，所述晶體管中的另一個以 開關(guān)模式操作，從而構(gòu)造成放大器。因此，在一個封裝件中的晶體管可以 構(gòu)成等價于現(xiàn)有技術(shù)中的放大器的放大器，但安裝面積更小，使得可以具 有小型化以及器件的成本降低的優(yōu)點。
本示例性實施例的高頻功率放大器例如指如下的放大器，在一個封裝 件中使用包括源極共接(到地)的兩個場效應(yīng)晶體管的用于推挽式放大的 元件，場效應(yīng)晶體管之一用作電源單元IO中用于開關(guān)的晶體管1，場效應(yīng) 晶體管中的另一個用作用于高頻放大的晶體管2。與每個晶體管被實施成 單獨的元件的情況相比，可以減小用于開關(guān)的晶體管1以及用于高頻放大
的晶體管2在基底中的實施面積。
圖6是示出使用在一個封裝件中包括兩個場效應(yīng)晶體管的元件來構(gòu)造 用作高效率放大器的放大元件和用于電源單元的開關(guān)元件的本示例性實施 例的外形尺寸的示例性實施例的示圖。
這里，作為一個例子，相似于參照圖3的描述，將研究在2 GHz的頻 帶中具有90 W飽和功率的放大器的構(gòu)造。假設(shè)為了構(gòu)造根據(jù)本示例性實 施例的在一個封裝件中具有90 W的放大器，在一個封裝件中包括兩個晶 體管的飛思卡爾半導(dǎo)體有限公司的產(chǎn)品"MRF5P21180"被用作推挽式放大元件。
在這種情況下，如圖6所示，除這個晶體管的電極部分之外的外形尺 寸為大約41 mmx10 mm，實施面積為大約4.1cm2。因此，可以構(gòu)造出面 積(只包括晶體管部分)與傳統(tǒng)構(gòu)造的9.4cn^的面積相比減小43%的放大 器，并且可以減小放大器的尺寸，使得甚至包括用于外圍電路等的面積的 面積被減小到傳統(tǒng)的構(gòu)造的面積的大約一半。
在一個封裝件中包括源極共接在所述一個封裝件中的兩個場效應(yīng)晶體 管的推挽式放大器或平衡放大器的元件的一個例子是上述的產(chǎn)品 "MRF5P21180"，所述一個封裝件被用來構(gòu)造作為推挽式放大器或平衡放 大器的A類、AB類、B類等功率放大器。
本示例性實施例聚焦于用于推挽式放大器或平衡放大器的元件，其在 一個封裝件中包括源極被共接的兩個場效應(yīng)晶體管，封裝件中的晶體管之 一用作放大器，另一個晶體管用作開關(guān)元件。因而，通過使用包括在一個 封裝件中的兩個晶體管來構(gòu)造應(yīng)用了 ET或EER技術(shù)等的高效率放大器， 實現(xiàn)了需要線性和高效率的功率放大器的小型化和成本降低的目標(biāo)。
然而，在圖1所示的高效放大器中的晶體管45和開關(guān)晶體管44被構(gòu) 造使得它們的源極沒有被共接。因此，代替上述的用于推挽式放大器或平 衡放大器的在一個封裝件中包括兩個場效應(yīng)晶體管的元件，在圖1中所示 的高效放大器中的晶體管45和開關(guān)晶體管44不能直接適用。
因而，在本示例性實施例中，包括作為開關(guān)元件的源極連接到地的開 關(guān)晶體管的電源單元被用作對放大元件的晶體管供給操作電壓的電源單
元。因而，電源單元中放大元件的晶體管的源極和開關(guān)元件的晶體管的源 極被共接到地。以這樣的方式，在封裝件中源極被共接的兩個場效應(yīng)晶體 管之一作為放大器操作，另一晶體管作為開關(guān)元件操作。
高頻功率放大器包括構(gòu)造成推挽式放大器或平衡放大器的放大器，其
中，用作A類、AB類和B類等的線性放大器的兩個晶體管被包括在一個
封裝件中。這樣的高頻功率放大器通過包括在封裝件中的兩個晶體管分別 輸出與兩個輸入信號相對應(yīng)的兩個放大信號。在本示例性實施例中，包括 在一個封裝件中的被構(gòu)造成推挽式放大器或平衡放大器的兩個場效應(yīng)晶體 管中的一個晶體管作為放大器操作，另一個晶體管作為用于控制放大器的 電源功能的開關(guān)操作，以實現(xiàn)高效率。以這樣的方式，通過使用包括在一
個封裝件中的兩個晶體管，構(gòu)造出應(yīng)用ET或EER技術(shù)等的高效率放大 器，因而能夠提供具有更小尺寸且成本更低的用于無線電通信裝置等的高 效率放大器。
此外，在上述的示例性實施例中，使用在一個封裝件中包括兩個晶體 管的元件，雖然基本構(gòu)造如上所述，但是通過進一步使用在一個封裝件中 包括三個或更多個晶體管的元件，每個晶體管還可被布置使得放大器和開 關(guān)元件分別通過期望數(shù)目的晶體管來操作。
此外，在上述的示例性實施例中，用于推挽式放大器或平衡放大器的 晶體管被用作并聯(lián)運行的晶體管，但是并聯(lián)運行的晶體管不應(yīng)被認(rèn)為是對 這些放大器的晶體管的限制，可以使用同相位操作兩個晶體管的元件。
此外，晶體管不限于場效應(yīng)晶體管，也可以使用各種類型的器件例如 雙極型晶體管來構(gòu)造本示例性實施例。在使用雙極型晶體管的情況下，場 效應(yīng)晶體管的源極變成雙極型晶體管的發(fā)射極，漏極變成集電極，柵極變 成基極。
雖然已經(jīng)使用特定的術(shù)語描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但是這樣的描 述只是示例性的，應(yīng)該理解的是，在不脫離權(quán)利要求的精神和范圍的情況 下可以作出改變和變型。
本申請基于并要求2006年11月10日提交的第2006-305396號日本專
利申請的優(yōu)先權(quán)的利益，該申請的內(nèi)容通過引用結(jié)合于此。
權(quán)利要求
1.一種高頻功率放大器，包括電源單元，所述電源單元包括用于開關(guān)的晶體管，該晶體管的漏極-源極或集電極-發(fā)射極根據(jù)與施加到柵極或基極的高頻信號的包絡(luò)信號相對應(yīng)的脈沖信號來控制導(dǎo)通/截止，所述電源單元用于通過所述用于開關(guān)的晶體管的導(dǎo)通/截止操作來產(chǎn)生與所述包絡(luò)信號相對應(yīng)的電壓；和用于功率放大的晶體管，該晶體管是源極接地型或發(fā)射極接地型，所述電源單元產(chǎn)生的電壓被提供到所述用于功率放大的晶體管作為工作電壓，其中，所述高頻信號被施加到所述柵極或所述基極，其中在所述電源單元中的所述用于開關(guān)的晶體管和所述用于功率放大的晶體管被構(gòu)造在一個封裝件中，使得所述源極或所述發(fā)射極被共接。
2. 如權(quán)利要求1所述的高頻功率放大器，其中所述電源單元包括 線圈、二極管和電容器，串聯(lián)連接在電源端和地之間，所述電源端被供有恒定電壓；所述用于開關(guān)的晶體管，該晶體管的漏極或集電極連接到所述線圈和 所述二極管的連接點，通過將與所述高頻信號的所述包絡(luò)信號相對應(yīng)的所 述脈沖信號施加到所述柵極或所述基極來控制所述用于開關(guān)的晶體管的漏極-源極或集電極-發(fā)射極的導(dǎo)通/截止；和扼流線圈，所述扼流線圈用于將與從所述二極管和所述電容器的連接 點供給的所述包絡(luò)信號相對應(yīng)的電壓供到所述用于功率放大的晶體管的所 述漏極或所述集電極，作為所述工作電壓。
3. —種高頻功率放大器，其包括并聯(lián)運行的元件，所述元件包括在一 個封裝件中源極或發(fā)射極被共接的兩個晶體管，其中，所述兩個晶體管之一用作用于開關(guān)的晶體管，另一個用作用于功率放 大的晶體管。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種高頻功率放大器，其包括電源單元，該電源單元包括用于開關(guān)的晶體管，該晶體管的漏極-源極或集電極-發(fā)射極根據(jù)與施加到柵極或基極的高頻信號的包絡(luò)信號相對應(yīng)的脈沖信號來控制導(dǎo)通/截止，所述電源單元用于通過所述用于開關(guān)的晶體管的導(dǎo)通/截止操作來產(chǎn)生與所述包絡(luò)信號相對應(yīng)的電壓；和用于功率放大的晶體管，該晶體管是源極接地型或發(fā)射極接地型，所述電源單元產(chǎn)生的電壓被提供到所述用于功率放大的晶體管作為工作電壓，其中，所述高頻信號被施加到所述柵極或所述基極。此外，在所述電源單元中的所述用于開關(guān)的晶體管和所述用于功率放大的晶體管被布置在一個封裝件中使得所述源極或所述發(fā)射極被共接。
文檔編號H03F1/02GK101179257SQ200710170338
公開日2008年5月14日 申請日期2007年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月10日
發(fā)明者椎熊一實 申請人:日本電氣株式會社