功率放大模块的制作方法

本公开涉及一种功率放大模块。

背景技术：

功率放大模块被用于诸如蜂窝电话之类的移动通信设备中，以便放大要被发送到基站的信号的功率。在这样的功率放大模块中，可以根据输出电平来切换增益，以便提高功率增加效率。例如，在日本未审查的专利申请公开no.2004-128704中，公开了一种配置，其中通过改变流到由彼此并联连接的晶体管形成的功率放大电路中的功率放大模块的放大器的电流来调节增益。在该配置中，通过安装在功率放大模块的偏置电路侧上的复杂的大规模控制电路，抑制了随着电流的变化而发生的输入阻抗的变化。

然而，在功率放大模块中安装复杂的大规模控制电路以便抑制输入阻抗的变化方面，存在缺点，因为芯片面积变得更大。另一方面，当为了调节增益而改变操作晶体管的数量时，功率放大电路的输入阻抗改变。因此，功率放大电路的输入处的电压驻波比(vswr)可能下降。

技术实现要素：

鉴于这样的情况而做出本公开，并且本公开的目的是抑制在能够改变其增益的功率放大模块中随着增益的变化而发生的输入阻抗的变化。

根据本公开的优选实施例的功率放大模块包括：第一晶体管，第一信号被输入到其基极；第二晶体管，第一信号被输入到其基极，其集电极连接到第一晶体管的集电极；第一电阻器，第一偏置电流被提供到其一端，并且其另一端连接到第一晶体管的基极；第二电阻器，其一端连接到第一电阻器的所述一端，并且其另一端连接到第二晶体管的基极；以及第三电阻器，第二偏置电流被提供到其一端，并且其另一端连接到第二晶体管的基极。在高增益模式时，第一偏置电流分别经由第一和第二电阻器被提供到第一和第二晶体管的基极。在低增益模式时，第二偏置电流经由第三电阻器被提供到第二晶体管的基极，并且经由第三、第二和第一电阻器被提供到第一晶体管的基极，并且通过放大第一信号而获得的第二信号从第一和第二晶体管的集电极输出。

根据本公开的优选实施例，在能够改变其增益的功率放大模块中，能够抑制随着增益的变化而发生的输入阻抗的变化。

根据以下参考附图对本公开的优选实施例的详细描述，本公开的其他特征、元件、特性和优点将变得更加明显。

附图说明

图1示出了包括根据本公开实施例的功率放大模块在内的传输单元的示例配置。

图2示出了功率放大模块的配置的示例。

图3是用于说明在高增益模式的情况下的功率放大模块的操作的图。

图4是用于说明在低增益模式的情况下的功率放大模块的操作的图。

图5示出了晶体管的数量与增益变化之间的关系的示例。

图6示出了晶体管的数量与电压驻波比之间的关系的示例。

图7示出了根据本公开的第二实施例的功率放大模块的配置的示例。

图8示出了图7所示的第二实施例的功率放大模块中的增益的变化的曲线图。

图9示出了图7所示的第二实施例的功率放大模块中的vswr的变化的曲线图。

图10示出了根据图7所示第二实施例的变型的功率放大模块的配置的示例。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述本公开的实施例。图1示出了包括根据本公开实施例的功率放大模块在内的发送单元的示例配置。发送单元100例如被用在诸如蜂窝电话之类的移动通信设备中，以便向基站发送诸如语音和数据之类的各种信号。尽管这种移动通信设备还将配备有用于从基站接收信号的接收单元，但是本文省略了对这种接收单元的描述。

如图1所示，发送单元100包括调制器110、功率放大模块120、前端单元130和天线140。

调制器110基于诸如高速上行链路分组接入(hsupa)或长期演进(lte)之类的调制方案来调制输入信号，并且生成用于执行无线传输的射频(rf)信号。例如，rf信号具有约几百mhz到几ghz的频率。

功率放大模块120将从调制器110输出的rf信号(rfin)的功率放大到将rf信号发送到基站所需的电平，并且输出放大的信号(rfout)。功率放大模块120以与增益模式控制电压vmode相对应的增益模式操作。例如，增益模式可以是高增益模式或低增益模式。

前端单元130对放大的信号进行滤波并切换从基站接收的接收信号。从前端单元130输出的放大信号经由天线140发送到基站。

图2示出了功率放大模块120的配置的示例。功率放大模块120包括晶体管t1、t2、t3和t4，电容器c1、c2、c3、c4和c5，电阻器r11、r12、r13、r14、r23和r24，电感器l1，偏置电路200和210以及偏置控制电路220。

晶体管t1至t4是放大晶体管并且例如是异质结双极晶体管(hbt)。晶体管t1至t4彼此并联连接并形成单个放大电路。晶体管t1至t4中的每一个都可以用作多指晶体管的一个指。rf信号(rfin)分别经由电容器c1至c4输入到晶体管t1至t4的基极。此外，电源电压vcc经由电感器l1被提供到晶体管t1至t4的集电极。晶体管t1至t4经由电容器c5从其集电极输出rf信号(rfin)的放大信号(rfout)。

偏置电流ibias1被提供到电阻器r11的一端，而电阻器r11的另一端被连接至晶体管t1的基极。偏置电流ibias1被提供到电阻器r12的一端，而电阻器r12的另一端被连接至晶体管t2的基极。偏置电流ibias1被提供到电阻器r13的一端，而电阻器r13的另一端被连接至晶体管t3的基极。偏置电流ibias1被提供到电阻器r14的一端，而电阻器r14的另一端被连接至晶体管t4的基极。偏置电流ibias2被提供到电阻器r23的一端，而电阻器r23的另一端被连接至晶体管t3的基极。偏置电流ibias2被提供到电阻器r24的一端，而电阻器r24的另一端被连接至晶体管t4的基极。

偏置电路200基于偏置控制电压vbias1产生偏置电流ibias1。例如，偏置电路200包括晶体管t31。例如，晶体管t31是hbt。偏置控制电压vbias1被提供到晶体管t31的基极，电源电压vcc被提供到晶体管t31的集电极，并且晶体管t31的发射极连接到电阻器r11至r14中的每一个的一端。

偏置电路210基于偏置控制电压vbias2产生偏置电流ibias2。例如，偏置电路210包括晶体管t32。例如，晶体管t32是hbt。偏置控制电压vbias2被提供到晶体管t32的基极，电源电压vcc被提供到晶体管t32的集电极，并且晶体管t32的发射极连接到电阻器r23至r24中的每一个的一端。

偏置控制电路220基于增益模式控制电压vmode来控制偏置控制电压vbias1和vbias2。具体地，在高增益模式时，偏置控制电路220使偏置控制电压vbias1处于高电平，并且使偏置控制电压vbias2处于低电平。此外，在低增益模式时，偏置控制电路220使偏置控制电压vbias2处于高电平，并且使偏置控制电压vbias1处于低电平。高电平是高于形成偏置电路200和210的晶体管t31和t32接通的阈值电压的电压，而低电平是低于该阈值电压的电压。

参考图3和图4，将描述功率放大模块120的操作的示例。

图3是用于说明在高增益模式的情况下的功率放大模块120的操作的图。在高增益模式的情况下，偏置控制电路220使偏置控制电压vbias1处于高电平，并且使偏置控制电压vbias2处于低电平。因此，偏置电路200的晶体管t31接通，并且偏置电路210的晶体管t32关断。偏置电流ibias1从偏置电路200输出。

偏置电流ibias1经由电阻器r11提供给晶体管t1的基极。类似地，偏置电流ibias1分别经由电阻器r12至r14被提供到晶体管t2至t4的基极。因此，晶体管t1至t4被接通并且rf信号(rfin)被晶体管t1至t4放大。

图4是用于说明在低增益模式的情况下的功率放大模块120的操作的示图。在低增益模式的情况下，偏置控制电路220使偏置控制电压vbias1处于低电平，并且使偏置控制电压vbias2处于高电平。因此，偏置电路200的晶体管t31被关断，并且偏置电路210的晶体管t32被接通。偏置电流ibias2从偏置电路210输出。

偏置电流ibias2经由电阻器r23被提供到晶体管t3的基极。类似地，偏置电流ibias2经由电阻器r24被提供到晶体管t4的基极。因此，晶体管t3和t4被接通。

偏置电流ibias2经由电阻器r23、r13和r11被提供到晶体管t1的基极。类似地，偏置电流ibias2经由电阻器r23、r13和r12被提供到晶体管t2的基极。此外，偏置电流ibias2经由电阻器r24、r14和r11被提供到晶体管t1的基极。此外，偏置电流ibias2经由电阻器r24、r14和r12被提供到晶体管t2的基极。然而，与提供到晶体管t3和t4的电流的量相比，提供到晶体管t1和t2的基极的电流的量小。因此，尽管晶体管t1和t2没有完全关断，但是与晶体管t3和t4相比，每单位发射极面积的发射极电流的大小较小。因此，由晶体管t1至t4产生的增益小于图3中所示的高增益模式的情况下的增益。

如参考图3和图4所示，在功率放大模块120中，在高增益模式的情况下，通过将偏置电流ibias1提供到晶体管t1至t4的基极来使晶体管t1至t4接通。此外，在低增益模式的情况下，偏置电流ibias2被提供到晶体管t3和t4的基极，并且晶体管t3和t4被接通。此外，偏置电流ibias2还经由电阻器r13和r14被提供到晶体管t1和t2的基极，并且晶体管t1和t2进入未完全关断的状态。

在功率放大模块120中，可以通过这种类型的操作来改变增益。在功率放大模块120中，由于在低增益模式的情况下晶体管t1和t2没有被完全关断，所以与晶体管t1和t2被完全关断的情况相比，可以抑制输入阻抗的变化。

在功率放大模块120中，形成放大电路的晶体管的数量为四个，但是数量不限于此。此外，在功率放大模块120中，在低增益模式时针对其提供的偏置电流的大小变小的晶体管的数量为两个(晶体管t1和t2)，但是数量不限于此。例如，在低增益模式时针对其所提供的偏置电流的大小变小的晶体管的数量可以是三个(例如，晶体管t1至t3)或一个(例如，晶体管t1)。

参考图5和图6，将描述功率放大模块120的特性。

图5示出了晶体管数量与增益变化之间的关系的示例。水平轴表示完全接通的晶体管的数量，并且竖直轴表示增益的变化，其中直接有助于放大的(被完全接通的)晶体管的数量为四个的状态用作参考。

在图5中，实线表示与该实施例的功率放大模块120相同的配置(其中电流也被提供到不直接有助于放大的晶体管的配置)的仿真结果的示例。此外，虚线表示典型配置的仿真结果的示例，在典型配置中，不向未直接有助于放大的晶体管提供电流。如图5所示，在与功率放大模块120相同的配置中，在低增益模式时可以通过减少直接有助于放大的(被完全接通的)晶体管的数量来减小增益。

图6示出了晶体管的数量与电压驻波比之间的关系的示例。水平轴表示完全接通的晶体管的数量，并且竖直轴表示功率放大模块的输入(输入vswr)处的电压驻波比。

在图6中，实线表示与功率放大模块120相同的配置(其中电流也被提供到不直接有助于放大的晶体管的配置)的仿真结果的示例。此外，虚线表示典型配置的仿真结果的示例，在典型配置中，不向未直接有助于放大的晶体管提供电流。如图6所示，在与功率放大模块120相同的配置中，由于在低增益模式时存在未完全关断的晶体管，因此抑制了输入阻抗的变化，并且因此可以抑制输入vswr的下降。

上面已经描述了本公开的示例性实施例。根据功率放大模块120，在低增益模式时，晶体管t1和t2没有完全被关断。因此，可以在功率放大模块120中抑制随着增益的变化而发生的输入阻抗的变化。

尽管功率放大模块120是单级放大电路，但是本公开可以类似地应用于具有两级或更多级的放大电路。在将本公开应用于具有两级或更多级的放大电路的情况下，可以在所有级中采用相同的配置，或者可以仅在某些级中采用相同的配置。

图7示出了根据本公开的第二实施例的功率放大器120b。该实施例和图2的共同点的描述以及类似配置的描述被省略。在图7所示的配置中，仅电阻器r11和r12连接到晶体管t31的发射极。换句话说，相对于图2所示的配置，在图7所示的配置中已经移除了电阻器r13和电阻器r14。在这种配置的情况下，在高功率模式操作(高增益模式)下，偏置控制电压vbias1和vbias2分别被提供到晶体管t31和晶体管t32的基极，并且偏置电流ibias1和ibias2经由电阻器r11、r12、r23和r24从晶体管t31和晶体管t32的各个发射极被提供到晶体管t1到t4的基极。在理想状态下，偏置控制电压vbias1和vbias2将具有相同的值，并且偏置电流ibias1和ibias2也将具有相同的值并且等于icurrent1。但是，由于工艺变化会存在一定的差异，但是这些参数仍应具有基本相同的值。另一方面，当以低功率模式(低增益模式)工作时，与在高功率模式时相比，由于晶体管t3和t4完全被关断，所以从rfin观察到的晶体管t1至t4的输入阻抗改变了较大量。因此，为了防止rf信号的输入受到vswr的增加的阻碍，当在低功率模式下操作时，偏置控制电压vbias1从偏压控制电路220被提供到晶体管t31的基极。偏置控制电压vbias2从偏置控制电路220被提供到晶体管t32的基极。偏置控制电压vbias2是低于偏置控制vbias1的电压。因此，偏置电流ibias2(电流3)(其小于流到晶体管t31的发射极的偏置电流ibias1(电流2))流到晶体管t32的发射极。由于电流ibias2小于电流ibias1，所以晶体管t3和晶体管t4可以被切换到未完全关断的状态。

作为切换到该状态的结果，如图5和图6所示，可以在提供增益差异的同时抑制vswr的变化。在该配置中，在高功率模式时，晶体管t1至t4被接通，并且在低功率模式中，当晶体管t1和t2被接通时，晶体管t3和t4需要被不完全地关断。与图2所示的配置相比，图7所示的配置涉及更复杂的控制。表1示出了在高功率模式和低功率模式时的电流值，其中电流1>电流2>电流3。

在本文中，为了找到电流3的合适的值，执行了仿真，以便检查当偏置电流ibias1恒定且偏置电流ibias2改变时发生的增益和vswr的变化。该仿真基于四个驱动级晶体管，其中由晶体管t31和晶体管t32中的每一个驱动两个晶体管。

图8示出增益变化的曲线图，其中水平轴表示流到晶体管t32的发射极的偏置电流ibias2与流到晶体管t31的发射极的偏置电流ibias1之间的比率。

当偏置电流ibias2的值与电流ibias1(电流2)的值相同时，增益为16.5db。当电流ibias2不流动(即0.0％)时，增益为13.6db。显然的是，随着偏置电流ibias2改变，增益以基本上线性的方式改变。

图9示出vswr变化的曲线图，其中水平轴表示流到晶体管t32的发射极的偏置电流ibias2与流到晶体管t31的发射极的偏置电流ibias1之间的比率。从图中清楚地看出，显然，在偏置电流ibias2不流动(即0.0％)的情况下vswr为2，并且当偏置电流ibias2的值接近偏置电流ibias1的值时，vswr的值接近1.4。但是，与图8所示的增益变化相反，vswr不线性改变。特别地，随着偏置电流ibias2接近0，vswr急剧改变。因此，从vswr特性和增益的变化的视角来看，在偏置电流ibias2在电流ibias1的20％至80％之间的范围内，增益小于16.5并且vswr小于1.8。因此，在低功耗模式下操作时，电流3的合适范围是电流2的20％至80％。

表1：在第二和第三实施例中的晶体管t31和晶体管t32的发射极电流的大小

图10示出了根据图7所示第二实施例的变型的功率放大器120c。图10所示的配置与图7所示的配置的不同之处在于，偏置控制电路220被偏置控制电路220b替代，该偏置控制电路220b是向晶体管t31和晶体管t32的基极提供电流icontrol1和icontrol2的电流控制型偏置控制电路。由于这种配置，与电压控制型配置相比，可以对晶体管t31和晶体管t32的发射极电流进行调节的灵敏度较低，因此控制更加容易。因此，可以在低功率模式时更精细地控制vswr的调节和增益的调节。偏置电流ibias1和ibias2的值是流到晶体管t31和t32的基极的电流的值的hfe(电流放大因子)倍，因此，电流icontrol1和icontrol2之间存在比例关系。因此，可以说当以低功率模式操作时，电流icontrol2的值适当地在电流icontrol1的20％至80％之间。

上述实施例的目的是使得能够容易地理解本公开，并且实施例不应被解释为限制本公开。在不脱离本公开的要旨的情况下，可以对本公开进行修改或改进，并且本公开的等同形式也包括在本实用新型中。换句话说，本领域技术人员对实施例做出的适当设计修改也包括在本公开的范围内，只要修改具有本公开的特征即可。例如，包括在实施例中的元件以及元件的布置、材料、状况、形状、尺寸等不限于实施例中例示的那些，并且可以适当地改变。另外，实施例中包括的元件可以在技术上尽可能地组合，并且这种组合的元件也包括在本公开的范围内，只要组合的元件具有本公开的特征即可。

虽然上面已经描述了本公开的优选实施例，但是应该理解，在不脱离本实用新型的范围和精神的情况下，变化和修改对于本领域技术人员是显而易见的。因此，本公开的范围仅由所附的权利要求确定。