专利名称：功率放大器模块的制作方法
技术领域：
本发明涉及在移动体通信系统中所使用的便携终端机用功率放大器模块，特别涉及寻求对大负载变动具有高破坏耐量的蜂窝式电话系统用功率放大器模块。
背景技术：
近年来，以蜂窝式电话系统为代表的移动体通信市场的扩展显著，正在寻求具有更高效率的目标为扩大通话时间的便携终端机。为了实现这一要求，将构成便携终端机的部件中耗电最大的功率放大器低耗电化，即高效率化，是必需的。另一方面，便携终端机，在其使用时，作为功率放大器模块的负载的天线的破损及与金属接触等时常发生，此时因为功率放大器模块和天线间的匹配条件遭到破坏，形成由于功率反射而生成的很大的驻波，容易使功率放大器模块遭到破坏。因此，要求构成功率放大器的放大器件的破坏耐量大。现在，功率放大器的放大器件主要使用破坏耐量大的Si-MOSFET，而近年来将可以超过Si-MOSFET的高效率化的GaAs-HBT(异质结双极晶体管)做成放大器件的开发很活跃。不过，GaAs-HBT的破坏耐量与Si-MOSFET相比较小，为了供实用，负载变动时的破坏保护成为不可缺少的课题。迄今，在使用Si晶体管的功率放大器中，如在特开平2-135809号公报中所公开的，为了避免负载短路等造成的放大器件的破坏，曾进行很多尝试在功率放大元件的发射极侧或在集电极侧插入一个过电流检测用的电路。
可是，由于在功率放大元件的发射极侧或在集电极侧插入过电流检测用的电路的方法会导致功率损失而引起效率降低，对要求高效率的蜂窝式电话系统用功率放大器不合适。另一方面，将GaAs-HBT作为放大器件使用的功率放大器的破坏保护例几乎看不到。作为具有代表性的示例，考虑在从电流源供给GaAs-HBT的基极电流的同时，设定为在电源电压上升时减少此基极电流而抑制输出功率的上升的防止破坏的方法。
这一现有例的最终级放大单元示于图3A。1、2分别是输入及输出端子，3是GaAs-HBT，4、5是匹配电路，6、7是偏置电阻，8是高频阻塞用电感，9是输出控制端子，10是电流源，11是电源电压检测电路，而12是电源电压端子。在图3A中，GaAs-HBT 3的工作点由无功电流(无信号时的集电极电流)决定。因此之故，要设定工作点，可以将和此无功电流有单值关系的基极电流设定为所需要的值。由此，在图3A的现有例中，其构成为基极电流由电流源10供给。另外，如输出控制电压超过规定值，则电源电压检测电路11动作，限制施加于电流源10上的输出控制电压而使无功电流保持一定。此无功电流值根据电源电压设定，电源电压越高越小。在图3B中，示出上述现有例的输出控制电压为2.2V时的输出电压和电源电压的关系。由本申请的发明人所作的实验表明输出功率在电源电压在3.7～4V以上时表现出减小的倾向。这一点反映出控制结果，即随着与电源电压的上升，无功电流减小。
另外，在上述的现有例中，如图3B所示，输出功率的与温度的依赖关系很大。这一点是由于GaAs-HBT 3的基极电流是从电流源供给的，除了GaAs-HBT 3的电流放大率及电流源的温度变动之外也容易受到制造偏差的影响，很难实现很高的制品材料利用率。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术的问题，提供一种在具有高效率、高破坏耐量的同时对GaAs-HBT及基极电流供给源的制造偏差及温度变动抵抗力强的低成本的功率放大器模块。
本发明的另一个目的在于在通过检测·抵销·限制在负载变动时产生的流入最终级放大GaAs-HBT的基极的过电流，对负载变动时的大范围的相位变化保护功率放大器模块不受破坏。
本发明的再一个目的在于在检测·抵销·限制上述过电流的构成之上，通过同时利用相应于电源电压的无功电流的递降功能或二极管的削波功能，更进一步提高GaAs-HBT的破坏耐量。
本发明的再一个目的在于即使是用户误使天线等遭到破坏或接触金属，也可进行移动体通信机的稳定的高质量的信号传送动作。
本发明的再一个目的在于提供一种可有助于得到受GaAs-HBT的电流放大率的制造偏差影响小、高制造材料利用率低成本化的功率放大器模块。
本发明的上述及其他目的和新的特征可由本说明书的记述及附图得到了解。
在本申请书中公开的发明中，对有代表性的内容的概要说明如下。
就是说，本发明，为达到上述目的，其提供的装置包括如下的功能可确保功率放大器在定常状态(比如50Ω负载)下工作时，所需的输出功率；并且在发生负载变动及电源电压上升时，不会出现超过作为功率放大元件的双极晶体管所必需的大小的基极电流，在超过预先设定的电流值出现过电流部分时，将其检测出并负反馈给供给功率放大元件的基极电流(无功电流)，从当初的无功电流中抽出过电流部分，可在确保所需功率的同时防止功率放大元件遭到破坏。此处，作为功率放大元件的双极晶体管，可以使用GaAs-HBT，但也不限定于此，也可以使用SiGe-HBT等其他种类的双极晶体管。
在功率放大器在定常状态下工作之际，将用来检测过电流部分的设定值设定得略高于得到所需的输出功率所必需的基极电流值。这是为了防止在定常状态中保护电路进入误动作状态。因此，如检测到过电流部分，用来对无功电流进行负反馈的保护电路处于停止状态，负载变动及电源电压出现上升和电流超过预定值时，保护电路就开始动作抵消基极电流的过剩部分。对最终级放大GaAs-HBT的基极电流的供给使用电压源。
作为构成保护电路的晶体管，最好是采用双极晶体管，但也不限定于此，也可使用Si-MOSFET。
图1为示出本发明的基本实施例的示图。
图2为说明本发明的基本实施例的工作原理的示图。
图3A和图3B为示出现有技术的示例的示图。
图4为示出本发明的一实施例的示图。
图5为示出本发明的另一实施例的示图。
图6为示出由本发明构成的电源电压检测电路的一具体实施例的示图。
图7为示出由本发明构成的电流限制电路的一具体实施例的示图。
图8为示出本发明的另一实施例的示图。
图9为示出本发明的另一实施例的示图。
图10为示出本发明的基本实施例的评价结果的示图。
具体实施例方式
功率放大器模块一般由2级或3级单元放大器构成。图1为示出本发明的功率放大器模块的一实施例的示图。本实施例，示出最需要破坏保护的最终级放大单元，其构成包括由GaAs-HBT 21、匹配电路4、5组成的信号放大系统；由电流源29、晶体管23、24、28和GaAs-HBT22组成的偏置电路系统以及由晶体管24-27、电阻30、31组成的保护电路32。从端子1输入的信号经匹配电路3由GaAs-HBT 21放大，经匹配电路4输出到端子2。此处，GaAs-HBT 21、晶体管23、24的组和晶体管28(二极管连接)、GaAs-HBT 22的组构成电流镜，流入GaAs-HBT 21中的电流是由电流源29供给的电流的镜比倍数的无功电流。下面对破坏保护动作的原理予以说明。如有信号输入，GaAs-HBT 21在起点对无功电流开始放大动作。此时，如信号电平大，由于GaAs-HBT 21动作是非线性的，在基极流动的电流是自偏置电流。在动作状态中，此自偏置电流作为基极电流流动，变成为比无功电流对应的基极电流(无输入时)更大的电流。无功电流，因为是由电流源供给的电流和电流镜电路决定的，由自偏置造成的增加部分流入晶体管23、24。晶体管24是用来检测过电流的，将基极电流分流。分流电流使得在电阻30上产生电压降，如此电阻的电压降超过晶体管25的上升电压(基极和发射极之间的电压)，则保护电路32开始动作。于是，电阻30的值由晶体管25的上升电压和预先设定的分流电流值决定。实际上，此电阻值设定为可容许达到比为获得定常状态所要求的输出功率所必需的基极电流(自偏置电流)略高的电流值。这是为了防止在定常状态中保护电路误动作。此处所谓的定常状态，是天线等的负载本来具有的额定阻抗是作为功率放大器的负载所需要的状态，在便携式电话的场合，比如，为50Ω负载。此时，保护电路处于停止状态。考虑在这种状态下产生负载变动的场合。如产生负载变动，由于从天线端的反射而在输出端2形成大的驻波，由于反射波的相位有很大的集电极电流产生。与此相对应，基极电流也增大。其情况如图2所示。负载变动时的集电极电流及基极电流在反射波的相位靠近120度时最大，基极电流约增大80mA。因为50Ω负载时的定常状态的基极电流为30～35mA，大约增加为2倍以上，就成为破坏的原因。负载变动时的保护动作以如下方式进行。如产生负载变动，GaAs-HBT 21的基极上有超过50Ω负载时的过电流流过。此电流，在晶体管24上分流，在电阻30作为电压取出。如电阻30的电压降超过晶体管25的上升电压，则同一晶体管开始动作，将检测电流注入到晶体管26(二极管连接)。此处，因为晶体管26和晶体管27成为电流镜，在晶体管27上流过镜比倍数的电流。因此，如从电流源29供给的电流中减去此检测电流，GaAs-HBT 21的基极电流的过剩部分可以抵消。图2的示例是将基极电流的限制值定为40mA以使在定常动作(50Ω负载)中得到输出功率为35.5dBm时的情形。如流过的基极电流超过此值，则保护电路32动作，通过抵消过电流将基极电流限制于一定值40mA，预防集电极电流的增加而防止破坏。另外，在试作和评价图1的电路时，如图10所示，了解到温度-30、25、100℃的无功电流的温度变动小达5-6％。这是由于对于GaAs-HBT 21的基极电流，晶体管23、24作为射极跟随器动作，可吸收GaAs-HBT 21的电流放大率的温度依存性之故。另外，在图1中，GaAs-HBT 21、22集成于一个芯片上，而其他的晶体管及电阻集成于一个芯片上，后者也可由Si晶体管或SiGe-HBT构成。另外，GaAs-HBT 21、22可由SiGe-HBT替换，也可由1个芯片构成。
图4为示出有关放大器41、42、43全部是由GaAs-HBT或SiGe-HBT构成的3级功率放大器模块的本发明的一实施例的示图。从端子1输入的信号在初级放大单元41、级间放大单元42及最终级放大单元43中分别进行放大并从端子2输出。初级放大单元41、42、43的无功电流由具备与图1相同的电流镜的构成的偏置电路45供给，特别是，对于最终级放大单元43，经具有基极电流限制功能的保护电路44给出。输出功率，按照由端子9输入的输出功率控制电压，通过控制放大单元41、42、43的各个功率增益而进行调整。在此构成中，最容易受到负载变动的影响的是功率检测用耦合器及与天线开关、天线等负载相连接的最终级放大单元43，而对初级放大单元41及级间放大单元42，因为最终级放大单元43是用作缓冲器，负载变动难以对其影响。于是，使最终级放大单元43保持有保护电路44，防止由于负载变动引起的放大器件的破坏。尤其是初级放大单元41及级间放大单元42也可以具有同样的保护电路。至少必须使最终级放大单元43具有保护电路44。因为针对保护电路44的负载变动的器件保护动作与图1的场合相同，此处予以省略。另外，作为放大单元41、42的放大器件，至少有一个是利用Si-MOSFET也可以得到同样的放大及保护功能。
图5为示出可利用电源电压控制图1的电流源29的输出电流的本发明的器件电路的一具体实施例。功率放大器的输出电压一般随着电源电压的增高而增加。因此，因为在施加高电源电压时，如激起负载变动，在最终级的放大器件上施加的反射电压为电源电压的3～4倍，容易破坏。图5的实施例的构成是为了更进一步提高破坏保护功能，随着电源电压的提高，图1或图4所示的放大单元的无功电流递降，抑制输出功率并防止破坏。在图5中，从端子9输入的输出控制电压由电流变换电路76变换为电流，并且，由输出控制斜率调制电路78设定规定的斜率之后变换为电压。电流源29的输出电流由这一电压控制，从端子79，比如，输出到图1的GaAs-HBT 22等。另一方面，电源电压，在由电源电压检测电路75检测到之后，输入到电流控制电路77。电流控制电路77具有在其超过根据电源电压预先设定的值时针对超过的输出控制电压使电压电流变换电路76的输出电流变为一定的功能。此处，此输出电流设定为在电源电压变大时会递降。根据上述一系列动作，因为供给各放大单元的无功电流与此输出电流成比例，如电源电压提高，放大单元输出可递降。
图6中示出电源电压检测电路75的一具体化电路的实施例的示图。晶体管58和电阻59、晶体管57和电阻60分别构成恒流源，前者向晶体管54提供电流，而后者向由晶体管51、52构成的差动放大电路提供电流。70是电压端子，控制由晶体管58、电阻59、晶体管57、电阻60构成的恒流源的电流值。下面叙述电源电压的检测原理。如施加于端子71上的电源电压发生变动，则与此相应地晶体管51的集电极电压改变。此电压变动，经晶体管54反馈给晶体管51的基极，对晶体管57供给的电流进行再分配以使该基极电压与端子72的基准电压相一致。就是说，因为此电路动作使晶体管51的基极电压一直与端子72的基准电压一致，电阻53上的电压变化等于电源电压的变动。因此，流过晶体管52的电流由电阻53上的电压变化除以其电阻值决定。在图6的示例中，流过晶体管52的电流在电源电压升高时减少，该电流值可通过改变电阻53的值而任意设定。此处，晶体管55、56的极性相反，构成电流镜。检出的电源电压变换为电流值，从检测电流输出端子69输出。
图7为示出电流限制电路77及电压电流变换电路76的一具体化示例的示图。从图6的晶体管56经检测电流输出端子69供给的电流在电阻64上变换为电压。如此电压上升，晶体管61从停止状态转移到动作状态，其发射极电压与电阻64两端的电压成比例地上升。晶体管61的发射极电压由晶体管62(二极管连接)进行电平变换，并使电阻65-1、65-2的连接点80的电位改变。于是，如根据电源电压将此电位设定为规定值，就可针对超过该值的输出控制电压将流过担负电压电流变换的晶体管66、67的电流限制为固定值。
图8为示出用于更进一步提高防止负载变动时放大器件遭到破坏的功能的另一实施例的示图。此实施例，因为与图1的GaAs-HBT 21并联有可以流过很大电流的二极管群91，可针对超过规定值的电压使其导通而利用二极管的削波动作防止破坏。在负载变动时，最终级放大单元的GaAs-HBT的集电极电压承受近20V的电压。如这种高电压施加于集电极上，由于雪崩击穿引起破坏。因为并联到GaAs-HBT 21上的二极管群可限制这样的高电压，必需有很大的电流容量。在移动通信用便携式终端中，二极管的削波电压多半设定为10V左右。
在图9中，示出采用本发明的功率放大器模块的移动体通信机的另一实施例的整体框图。上述移动体通信机的最有代表性的例子是上述的便携式电话机。由天线101接收的接收信号在由滤波器103、放大器104、混频器105构成的接收前端102中放大，由混频器105变换为中频，通过中频信号处理电路IF-IC 106传送到声音处理电路107。在上述接收信号中周期地包含的增益控制信号没有特别的限制，在微处理器CPU 108中解码，在此处形成供给功率放大器模块109的输入控制电压。在功率放大器模块109中，按着上述控制电压进行增益控制，形成发送输出信号。此发送功率的一部分经滤波器117和功率耦合器110反馈到上述微处理器CPU 108，进行上述指定的功率控制。频率合成器111利用基准振荡电路TCX0112和电压控制振荡电路VC0113及PLL-IC 114、滤波器115形成与接收频率相对应的振荡信号，一方面传送到接收前端102的混频器105。另一方面上述振荡信号供给调制器116。在上述声音处理电路107中，接收信号驱动接收机118输出声音信号。发送声音由话筒119变换为电信号，通过声音处理电路107和调制解调器120传送到调制器116。另外，121是用来将终端切换为发送或接收状态的的天线开关。
在这种移动通信机中，在其使用中由于时常会发生作为功率放大器模块109的负载的天线101出现破损，或与金属等阻抗低的材料接触而破坏功率放大器模块109和天线101间的匹配条件，在这种所谓的负载变动时由于功率反射形成很大的驻波，所以功率放大器模块109容易破损。因此，如果是构成功率放大器的关键器件，就要求大破坏耐量。在本发明的功率放大器模块109中，因为可以限制在负载变动时产生的流经最终级放大GaAs-HBT的基极的过电流，可以在负载变动时的相位的宽广变化范围中保护功率放大器模块109不受破坏，移动体通信机的信号传送不会出现麻烦，可以使用。
如上所述，根据本发明的构成，因为可以通过对在负载变动时产生的流入最终级放大GaAs-HBT的基极过电流进行检测和抵消而予以限制，可以在负载变动时的相位的宽广变化范围中保护功率放大器模块不受破坏。并且，通过同时采用相应于电源电压的无功电流的递降功能和二极管的削波功能，可期待进一步提高GaAs-HBT的破坏耐量。因此，即使是用户误使天线等遭到破坏或接触金属，也可进行移动体通信机的稳定的高质量的信号传送动作。另外，由于对最终级放大GaAs-HBT的基极电流的供给使用电压源，可有助于得到受GaAs-HBT的电流放大率的制造偏差影响小、高制造材料利用率低成本化的功率放大器模块。
权利要求
1.一种功率放大器模块，是将双极晶体管作为放大元件用的功率放大器模块，其特征在于在基极电流超过预先设定的值而产生过电流部分的场合，在将该过电流部分检测出的同时由上述基极电流抵消上述过电流部分而限制上述放大元件的集电极电流的增加。
2.一种功率放大器模块，其特征在于其构成包括至少包含用作放大元件的双极晶体管的对输入信号进行放大输出的信号放大单元；将无功电流给与该信号放大单元的偏置电路；以及一种其构成可使得在上述双极晶体管的基极电流超过规定值的场合，使该超过部分的电流从上述偏置电路流入的保护电路；通过使超过上述基极电流的上述规定值部分流入上述保护电路，可将上述信号放大单元的输出限制于规定值以下。
3.一种功率放大器模块，其特征在于其构成包括对输入信号进行放大输出的双极晶体管；在检测到该双极晶体管的基极电流超过规定值，将检测出的超过上述基极电流的上述规定值的部分由上述基极电流抵消的保护电路；上述保护装置通过对上述双极晶体管的上述基极电流的控制，可将上述双极晶体管的集电极电流限制于规定值以下。
4.如权利要求2的功率放大器模块，其特征在于其构成为其中的上述信号放大单元包含匹配电路，上述双极晶体管构成上述电流镜电路的一部分。
5.如权利要求2的功率放大器模块，其特征在于上述偏置电路包含电流源及晶体管，该晶体管加上与上述电流源串联的其他晶体管一起构成电流镜电路。
6.如权利要求2的功率放大器模块，其特征在于上述保护电路的构成包括第1晶体管；与该第1晶体管的基极相连接的第1电阻；一方的端子与上述第1晶体管的发射极相连接，而另一方的端子与上述第1电阻相连接的第2电阻；与上述第1晶体管的集电极相连接的第2晶体管；以及与该第2晶体管一起构成电流镜且与上述偏置电路相连接的第3晶体管。
7.如权利要求2的功率放大器模块，其特征在于其中伴随电源电压的变化上述基极电流的上述规定值可变。
8.如权利要求7的功率放大器模块，其特征在于其构成包括将输出控制电压输入并变换为电流而控制电流源的输出电流的电压电流变换电路；检测电源电压并变换为电流而输出的电源电压检测电路；以及输入该电源电压检测电路的输出电流并变换为电压，在该电压大于规定电压的场合，针对超出的输出控制电压的输入，控制上述电压电流变换电路以使上述电压电流变换电路的输出电流大致保持一定的电流控制电路。
9.如权利要求2的功率放大器模块，其特征在于其构成包括与上述放大元件多级并联的电压削波用的二极管。
10.如权利要求2的功率放大器模块，其特征在于其中上述放大元件的构成还包含GaAs-HBT或SiGe-HBT，而上述保护电路的构成包含Si双极晶体管或SiGe-HBT。
11.如权利要求2的功率放大器模块，其特征在于上述放大元件或上述保护电路由SiGe-HBT或Si双极晶体管构成，集成于一个芯片。
12.如权利要求2的功率放大器模块，其特征在于具有互相串联连接的多级放大元件，至少最终级放大元件由上述保护装置保护。
13.如权利要求12的功率放大器模块，其特征在于上述最终级放大元件由GaAs-HBT构成，初级或中级放大元件中至少一个由Si-MOSFET构成。
14.如权利要求12的功率放大器模块，其特征在于上述最末级放大元件是由GaAs-HBT构成，初级放大元件或者保护电路的至少一部分是由Si-MOSFET构成。
15.一种无线通信装置，是具备权利要求2的功率放大器模块的无线通信装置，其特征在于对声音信号进行调制，利用上述功率放大器模块将经过调制的声音信号放大，并将经过放大的信号经天线输出。
16.一种无线通信装置，其特征在于其构成包括权利要求2的功率放大器模块、天线、接收前端、频率合成器、声音处理单元以及调制解调器。
全文摘要
提供一种在具有高效率、高破坏耐量并同时具有对于在负载变动时从天线端部等反射而产生的驻波中保护放大器件不受破坏的功能的功率放大器模块。通过对最末级放大GaAs－HBT的基极过电流进行检测和抵消而予以限制，可以预防集电极电流的增加而防止破坏。并且，通过同时采用相应于电源电压提高而递降无功电流的功能和与输出级GaAs－HBT并联的二极管的削波功能，可避免输出级GaAs－HBT上承受超过需要的电压及电流。并且，对GaAs－HBT及基极电流供给源的制造偏差及温度变动抵抗力强而成本低。
文档编号H03F3/19GK1436398SQ01810964
公开日2003年8月13日 申请日期2001年8月20日 优先权日2000年8月31日
发明者山下喜市, 田上知纪, 太部功, 关根健治 申请人:株式会社日立制作所