高频功率放大器电路和无线通信系统的制作方法

专利名称：高频功率放大器电路和无线通信系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种应用于高频功率放大器电路和无线通信设备的有效技术，所述无线通信设备比如是含有高频功率放大器电路的蜂窝电话，更具体地，涉及一种用于提高高频功率放大器电路中的输出功率电平和功率效率的技术，所述高频功率放大器电路能够控制组成高频功率放大器电路的放大晶体管的功率电压，以控制输出功率。
将使用诸如MOS FET(场效应晶体管)和GaAs-MESFET之类的半导体放大元件的高频功率放大器电路(通常，按照多级配置)内置于例如蜂窝电话(移动通信设备)的无线通信设备发送端的输出部分。
在这类高频功率放大器电路中，通常，将包括用于放大的晶体管的半导体芯片、晶体管偏置电路、功率电压控制电路等以及其它半导体芯片和诸如电容之类的分立部件一起固定在诸如陶瓷衬底之类的绝缘衬底上，并且在该绝缘衬底的表面和内部制成印刷布线。由于通过印刷布线和焊线连接这些部件以执行它们各自所要求的功能，因而高频功率放大器电路就如同它是一个电子部件一样进行工作。
上述电子部件称作为RF电源模块。可是，取代使用多个半导体芯片和分立部件来配置(configure)高频功率放大器电路，可以使用一个半导体集成电路和一些外部部件来进行配置。本说明书涉及将这种半导体集成电路和上述RF电源模块结合起来作为一个高频功率放大器电路。
蜂窝电话根据来自基站的功率电平规格(specification)信息来控制输出功率(发送功率)以匹配周围环境，使得当远离基站时提高输出功率，而当靠近基站时降低输出功率。由此，将系统配置成可以防止与其它蜂窝电话相互干扰。
通常，GSM(全球移动通信系统)系统的蜂窝电话中的发送输出级的一些RF电源模块具有APC(自动功率控制器)电路(例如，参见专利公开文献1)。所述APC电路通过使用耦合器检测输出DC电平、将其与输出电平规格信号(Vramp)相比较、并将比较结果馈送回用于产生输出功率元件的输入偏置电压(栅极偏置电压)的偏置电路，以来控制呼叫所需的输出功率。该系统被称作为闭环系统。
在另一方面，本申请人早先申请了一项有关高频功率放大器电路的发明(公开号为2002-018646的日本未审专利)，所述高频功率放大器电路根据输出控制电压(输出电平规格信号Vramp)，通过固定栅极偏置电压和控制放大级FET Q1、Q2和Q3的功率电压Vdd1，来输出对应于所需输出功率电平的信号。该系统(称作功率电压控制系统)是一种开环系统，与闭环系统相比，缺乏控制精确度，不过在缩小尺寸方面占有优势。
公开号为2000-151310的日本未审专利。

发明内容
上述闭环系统通过使用APC电路控制栅极偏置电压来控制输出功率，由于无论输出电平是低还是高，功率效率都令人满意，因此该闭环系统是有利的。可是，由于需要耦合器和APC电路，所述闭环系统存在一个缺点，即电路尺寸会增大且封装密度会降低，而且在耦合器中会出现功率损耗。
在另一方面，由于不需要耦合器，所以上述功率电压控制系统的高频功率放大器电路具有高封装密度和低功率损耗的优点。但是，在早先提出的发明中，功率电压是从放大级所共用的用于功率电压控制的晶体管提供，并且利用固定的栅极偏置电压，可以将所述功率电压转换来控制输出功率。
其结果是，以下问题变得显而易见。那就是，在保持栅极偏置电压为低的情况下进行提高功率效率的尝试，导致了在需要输出功率高的区域中缺少输出功率，也不能获得期望的输出电平。在另一方面，如图11中虚线A所示，在保持栅极偏置电压为高的情况下进行获取充足输出功率的尝试时，在需要输出功率低的区域中产生了过大的电流量，从而降低了功率效率。在图11中，实线B示出了在采用栅极偏置控制系统的高频功率放大器电路中，电流消耗Idd与输出功率Pout之间的相互关系。
本发明的一个目的是提供一种高频功率放大器电路和无线通信系统，其具有高封装密度和低功率损耗。
本发明的另一个目的是提供一种高频功率放大器电路和无线通信系统，其能够使用功率电压来控制输出功率，并且在所需输出功率高的区域中产生充足的输出功率，而在所需输出功率低的区域中提高功率效率。
本发明的另一个目的是提供一种高频功率放大器电路和无线通信系统，其能够降低电流消耗和功率损耗，并由此延长充电电池的通话时间以及最大待机时间。
从本说明书的描述和附图中，本发明的上述和其它目的以及新颖性特征将会显而易见。
下面简要描述在本申请中公开的本发明的典型示例所获得的效果。
根据本申请的第一发明，在高频功率放大器电路(RF电源模块)中，该高频功率放大器电路包括两个或多个级联的用于放大的FET，并通过控制用于放大的FET的功率电压来控制用于放大的FET的输出功率，该放大的FET的栅极上施加有预定电平的偏置电压；给用于放大的末级FET和用于放大的前级FET提供不同的用于功率电压控制的晶体管。所述用于功率电压控制的晶体管产生并施加功率电压，以使在所需输出电平相对较低时，用于放大的前级FET达到饱和。其中，当高频功率放大器电路包括三级或更多级用于放大的FET时，可以为每一级提供不同的用于功率电压控制的晶体管，或者为除末级之外的其它放大级提供用于功率电压控制的公用晶体管。
根据上述方法，即使固定栅极偏置电压，也能执行控制以使在所需输出电平为低的区域中，用于放大的前级FET的增益高于用于放大的末级FET的增益，而在所需输出电平为高的区域中，用于放大的末级FET的增益高于用于放大的前级FET的增益。采用这种方法，可以获得一种高频功率放大器电路，其在所需输出电平为低的区域中消耗少量电流且在功率效率方面很有优势，而在所需输出电平为高的区域中不会造成缺少输出功率。
根据上述方法，由于不需要用于控制栅极偏置电压的APC电路和耦合器，因而获得具有高封装密度和小功率损失的高频功率放大器电路。此外，由于能够独立地对用于放大的末级FET的功率电压和用于放大的前级FET的功率电压进行控制，因此在产生用于放大的前级FET的功率电压之后若干时间内产生用于放大的末级FET的功率电压，可以极大地缩短了电流流过用于放大的前级FET的时间，该前级FET消耗最多电流，由此导致整个电路中电流消耗减少。
根据本申请的第二项发明，在配置来通过向两个或多个级联的用于放大的FET的栅极端子施加预定电平的偏压来控制输出功率的高频功率放大器电路(RF电源模块)中，在用于放大的末级FET的漏极侧提供用于功率电压控制的晶体管，而用于放大的前级FET是由双栅极FET来配置，或者是在其与第二级FET串联的FET的漏极侧提供。用于功率电压控制的晶体管和第二级FET都由输出电平规格信号的控制，以使能够独立地控制不同级的放大FET的漏极电压，并且执行控制以使当所需输出电平相对较低时使前级放大FET达到饱和。
采用这种方法，在所需输出电平为低的区域中，少量电流流过末级放大FET，而在所需输出电平为高的区域中，大量电流流过末级放大FET。其结果是，获得了一种高频功率放大器电路，其在所需输出电平为低的区域中在功率效率方面很出色，而在所需输出电平为低的区域中不会造成缺少输出功率。


图1示出了一个根据本发明的第一实施例的高频功率放大器电路的结构图；图2示出了一个根据本发明的第二实施例的高频功率放大器电路的结构图；图3示出了在本发明之前所研究的功率电压控制系统的高频功率放大器电路中输出控制电压Vramp与输出功率Pout之间的相互关系的图；图4示出了在具体的高频功率放大器电路中输出控制电压Vramp与输出功率Pout之间的相互关系的图；图5示出了在具体的高频功率放大器电路中输出功率Pout与电流消耗Idd之间的相互关系的图；图6示出了在第二实施例的高频功率放大器电路中输出控制电压Vramp与放大级FET的漏极电压之间的相互关系的图；图7示出了高频功率放大器电路实施例的示意性电路图，所述高频功率放大器电路能够通过两个系统GSM和DCS来放大发送信号的功率；图8示出了蜂窝电话系统的结构框图，该蜂窝电话系统能够通过使用图7中实施例的高频功率放大器电路的两个系统GSM和DCS来进行发送和接收；图9示出了蜂窝电话系统的结构框图，该蜂窝电话系统能够通过使用具体的高频功率放大器电路的EDGE系统(增强型数据率GMS演进)来进行发送和接收；图10示出了在本发明之前所研究的功率电压控制系统的高频功率放大器电路的图；和图11示出了在本发明之前所研究的功率电压控制系统的高频功率放大器电路和栅极偏置控制系统的高频功率放大器电路中输出功率Pout与电流消耗Idd之间的相互关系的图。
发明详述在下文中，将参照附图详细描述本发明的实施例。
图1示出了根据本发明的高频功率放大器电路的第一实施例的概略结构。尽管没有具体限制，但是本实施例的高频功率放大器电路是作为具有多个半导体芯片和诸如电容之类的分立部件的模块而形成的，所述电容固定在诸如陶瓷衬底之类的绝缘衬底上。
图1的实施例的高频功率放大器电路(RF电源模块)包括一个包含三个放大级211、212和213的功率放大器210，一个控制施加于功率放大器210的功率电压端子上的电压的功率电压控制电路220以及一个将偏压Vg1、Vg2和Vg3施加到放大级211、212和213的偏置电路230。偏置电路230例如可以包括一个通过按照预定电阻比来分压从基带电路等等(在图中未示出)提供的Vreg而产生电压Vg1、Vg2和Vg3的电阻分压器。
本实施例的功率放大器210的放大级211、212和213中每一个都包括诸如MOSFET或GaAsMESFET之类的场效应晶体管Q1、Q2和Q3(在下文中简称为FET)。所述功率电压控制电路220包括一个用于功率电压控制的晶体管221，其由P沟道MOSFET配置而成，且连接在功率电压端子Vdd与用于第一和第二放大级211和212放大的FET Q1和Q2的漏极端子之间；一个与晶体管221的栅极端子相连的运算放大器AMP1(差分放大器)；一个用于功率电压控制的晶体管222，其由P沟道MOSFET配置而成，且连接在功率电压端子Vdd与用于第三放大级213放大的FET Q3的漏极端子之间；以及一个与晶体管222的栅极端子相连的运算放大器AMP2。
所述运算放大器AMP1和AMP2分别具有反相输入端子，输出电平规格信号Vramp输入到该反相输入端子。该输出电平规格信号Vramp表示用于指定从基带电路(在图中未示出)等等提供的输出电平的输出控制电压。将用于功率电压控制的相应晶体管221和222的漏极电压分别反馈到反相输入端子。其结果是，将具有与输出电平规格信号Vramp相同电平的次级功率电压Vdd1和Vdd2从用于功率电压控制的晶体管221和222施加到放大级211、212和213的FET Q1、Q2和Q3的漏极端子上。
尽管没有具体限制，但是当用于GSM系统中时，放大级211、212和213的FET Q1、Q2和Q3被设计成具有例如比例为1∶3∶9的元件尺寸(栅极宽度)，而当用于DCS(数字蜂窝系统)系统中时，将其设计成具有例如比例为1∶3∶12的元件尺寸。给放大级211、212和212的FET Q1、Q2和Q3的栅极端子分别施加其值为1V、1.3V和1.6V的偏压Vg1、Vg2和Vg3。
按照这种结构，控制用于放大的第一级和第二级FET Q1和Q2，以使漏极电流在相对小电平的电平规格信号Vramp上达到饱和。控制用于放大的第三级FET Q3，以使漏极电流在整个输出电平规格信号Vramp范围上都能相对线性变化。其结果是，在如图10所示的在放大级当中具有公用次级功率电压Vdd1的高频功率放大器电路中，用于放大的第三级FET Q3在如图3所示的输出电平规格信号Vramp相对低的区域中占据了高的输出功率比，造成功率效率降低，而在本实施例的高频功率放大器电路中，如图4所示，用于放大的第三级FET Q3在输出电平规格信号Vramp相对低的区域中占据了低的输出功率比，导致功率效率提高。
根据发明人所作的模拟实验，在按如图3所示的比率来控制放大级的输出功率的高频功率放大器电路中，如图5中的虚线A所示，有相当大量的总漏极电流量Idd流动。在另一方面，在本实施例的高频功率放大器电路中，其中放大级的输出功率按如图4所示的比率来控制(图1)，如图5中的实线C所示，有相当小量的总漏极电流(Idd)流动。
从图5中可以看出，通过应用本实施例，能够在输出功率Pout低的区域中显著地降低高频功率放大器电路的电流消耗。在诸如蜂窝电话之类的无线通信系统中，在低输出功率Pout的状态下靠近基站位置进行的发送要比在高输出功率的状态下远离基站位置进行的发送更加频繁。因此，一个非常大的优点就是能够在输出功率Pout低的区域中显著地降低高频功率放大器电路的电流消耗。
所述功率电压控制电路220并不限于一个包含用于功率电压控制的晶体管221和222以及运算放大器AMP1和AMP2的所述功率电压控制电路。在省略运算放大器的情况下，所述功率电压控制电路220可以仅包括MOS晶体管或双极性晶体管，将输出电平规格信号Vramp直接施加到所述MOS晶体管或双极性晶体管的控制端子(栅极端子或基极端子)上。在图1中，提供用于功率电压控制的晶体管221，该晶体管为用于放大的第一级和第二级FET Q1和Q2所共用。可是，也可以为FET Q1和Q2提供不同的用于功率电压控制的晶体管以及用于驱动它们的不同运算放大器。
另外，在使用运算放大器AMP1和AMP2的情况下，可以在输出端子与内部节点之间提供包含串联电阻和电容的相位补偿电路。而且，可以将电阻分别连接在用于功率电压控制的晶体管221和222的漏极或集电极与运算放大器AMP1和AMP2的同相输入端子之间以及运算放大器AMP1和AMP2的同相输入端子与接地点之间，由此根据电阻比与输出控制电压Vramp来产生次级功率电压Vdd1和Vdd2，并将其提供给用于放大的FET Q1、Q2和Q3的漏极。
在图1中，L1至L3分别表示用于将阻抗匹配到功率控制电路220的电感元件，而CDC1至CDC4表示阻断DC分量的电容元件。当所述实施例的高频功率放大器电路是RF电源模块时，电感L1至L3可以包括在诸如陶器衬底之类的绝缘衬底上形成的微波传输带线路等等。尽管阻断DC分量的电容元件CDC1至CDC4可以由分立部件来进行配置，但是如果使用带有层叠的多个介质层的绝缘衬底，那么就可以在其中形成有导电层的地方将电容元件作为电极使用，以使电容元件在其中一个介质层的表面和背面彼此相对。
将描述本发明的另一个实施例。
图2示出了高频功率放大器电路的第二实施例，将本发明应用于该高频功率放大器电路。在本实施例的高频功率放大器电路的功率放大器210中，三个放大级211、212和213中的第一和第二放大级211和212分别包括用于放大的FET Q1和Q2，以及与FET串联的MOSFET M1和M2。给MOSFET M1和M2的栅极端子施加输出电平规格信号Vramp。第三级放大级213仅仅包括用于放大的FET Q3。
仅仅具有第三放大级213的功率电压控制电路220包括一个用于功率电压控制的晶体管222，其由P沟道MOSFET构建而成，且连接在功率电压端子Vdd与用于放大第三放大级213的FET Q3的漏极端子之间；以及一个与晶体管222的栅极端子连接的运算放大器AMP2。
放大级211、212和213的FET Q1、Q2和Q3被设计成当用于GSM系统中时，具有例如比例为1∶3∶9的元件尺寸(栅极宽度)，而当用在DCS系统中时，具有例如比例为1∶3∶12的元件尺寸。给放大级211、212和212的FET Q1、Q2和Q3的栅极端子分别施加其值为1V、1.3V和1.6V的偏压Vg1、Vg2和Vg3。
按照这种构造，在本实施例中，设定元件的恒定值，以使放大级211、212和213的FET Q1、Q2和Q3的漏极电压根据如图6所示的输出电平规格信号Vramp几乎线性变化，并且图6中虚线所示的FETQ1和Q2的漏极电压比图6中实线所示的FET Q3的漏极电压变化更加陡峭。
因此，类似于第一实施例，控制用于放大的第一级和第二级FETQ1和Q2，以使漏极电流在相对小电平的电平规格信号Vramp时达到饱和。控制用于放大的第三级FET Q3，以使漏极电流在整个输出电平规格信号Vramp范围上相对线性变化。其结果是，如图4所示，用于放大的第三级FET Q3在相对低的输出电平规格信号Vramp的区域中占据了更小的输出功率比，导致功率效率提高。
同样，在第二实施例(图2)中，在省略运算放大器AMP2的情况下，功率电压控制电路220可以仅仅包括MOS晶体管或双极性晶体管，将输出电平规格信号Vramp直接施加到MOS晶体管或双极性晶体管的控制端子(栅极端子或基极端子)。在使用运算放大器AMP2的情况下，可以在输出端与内部节点之间提供包含串联电阻和电容的相位补偿电路。而且，也可以将电阻分别连接在用于功率电压控制的晶体管222的漏极或集电极与运算放大器AMP2的同相输入端子之间以及运算放大器AMP2的同相输入端子与接地点之间，由此根据阻抗比与输出控制电压Vramp来产生次级功率电压Vdd2，并将其提供给用于放大的FET Q3的漏极。
在图2的实施例中，第一和第二放大级211和212分别包括用于放大的FET Q1和Q2，和与FET串联的MOSFET M1和M2。将输出电平规格信号Vramp施加到MOSFET M1和M2的栅极端子。可是，代替放置串联的MOSFET M1和M2，将双栅极FET作为用于放大的FET Q1和Q2使用。然后，将偏压Vg1和Vg2施加到双栅极FET的第一栅极(地面侧的栅极)上，并且输入一个输入高频信号Pin以便将输出电平规格信号Vramp施加到第二栅极上(功率电压侧的栅极)。所述双栅极FET指的是这样的场效应晶体管，其中相对于一个沟道区域，沿着沟道方向在漏极区与源极区之间并排地放置两个栅电极。
而且，可以将图2的实施例的高频功率放大器电路配置成一个半导体集成电路或模块。例如，优选地，可以按照如下将所述高频功率放大器电路配置成一个模块。即由第一和第二放大级211和212的FET Q1和Q2、与FET串联相连的MOSFET M1和M2、组成功率电压控制电路220的运算放大器AMP2以及偏置电路230来形成一个半导体集成电路。另外，因为有相当大量的电流流过，所以利用分立式晶体管元件来配置第三放大级213的FET Q3以及在漏极侧用于功率电压的晶体管222。
电感L1至L3可以包括在诸如陶器衬底等之类的绝缘衬底上形成的微波传输带线路等等。阻断DC分量的电容元件CDC1和CDC2可以由分立部件来构成，或者由其中形成导电层的电容来构成为电极，以便于电容元件在层叠后的绝缘衬底的介质层表面和背面彼此正对。
此外，如果包含两个功率放大器210的RF电源模块被提供来使得GSM的发送信号和DCS的发送信号两者都能被放大来输出，那么就可以将功率电压控制电路220和偏置电路230分别配置成GSM和DCS的两个功率放大器210共用的电路。图7示出了这种配置结构的示例。
在图7中，210a代表放大DCS发送信号的功率放大器，而210b代表放大GSM发送信号的功率放大器。将偏置电路230布置为两个功率放大器210a和210b共用的电路。可是，由于GSM和DCS的最大输出电功率不同，因而施加给功率放大器210a的放大级211至213的栅极偏置电压Vg1至Vg3不等于施加给功率放大器210b的放大级211′至213′的栅极偏置电压Vg1′至Vg3′。可以施加适于将各个波段的信号放大到期望输出功率的电压。
为了说明方便起见，图7仅示出了一个用于功率电压控制的晶体管222，该晶体管向第三放大级213和213′提供功率电压Vdd2，以及一个驱动该晶体管222的放大器AMP2。然而，在应用第一实施例的情况下，同样也可以把向第一和第二放大级211、211′、212和212′提供功率电压Vdd1的用于功率电压控制的晶体管221以及驱动它们的放大器AMP1布置成共用电路。
在图7的实施例的模块的情况下，将两个功率放大器210a和210b、偏置电路230以及功率电压控制电路220形成为一个半导体集成电路。可是，在偏置电路230和功率电压控制电路220中，可以将用于放大两个功率放大器210a和210b的运算放大器AMP2、第一级和第二级FET Q1和Q2以及与FET Q1和Q2串联的MOSFET M1和M2形成为一个半导体集成电路。此外，独立分立部件可以分别用于第三级FET Q3以及Q1和Q2所共用的用于功率电压控制的晶体管222。
图8示出了蜂窝电话系统的结构，该蜂窝电话系统能够通过在两个系统GSM和DCS中使用该实施例的高频功率放大器电路来进行发送和接收。
在图8中，ANT代表用于接收和发送信号波的天线；100代表前端模块；200代表上述实施例的RF电源模块；300代表把音频信号转换成基带信号、把接收信号转换成音频信号和产生波段转换信号的基带LSI；400代表用于调制和解调的IC，用来对用于解调的接收信号进行降频转换以产生基带信号以及调制发送信号；TXVCO代表发送振荡器；LPF代表发送端的环形滤波器；FLT1和FLT2代表从GSM和DCS的接收信号中滤去噪声和干扰波的滤波器；以及RFVCO代表产生发送和接收所共用的振荡信号的RF振荡器。
前端模块100包括从RF电源模块200的GSM和DCS输出的发送信号中分别滤去谐波分量的低通滤波器LPF1和LPF2、以及用于在发送与接收之间进行切换的开关SW。虽然未示出，但是所述前端模块100也配备有与RF电源模块200的发送输出端子相连的阻抗匹配电路，以与天线端阻抗匹配。
所述基带LSI 300可以用LSI结合DSP(数字信号处理器)、微处理器、存储器等等来进行配置。对本实施例的蜂窝电话系统进行配置，使得向RF电源模块200输出电平规格信号Vramp，从基带LSI 300提供偏置控制电压Vreg、指示GSM或DCS的波段规格信号BAND以及传输控制信号Txon。
用于调制和解调的IC 400包括IFVCO 410，用于产生中频振荡信号；调制电路420，用于通过将来自于IFVCO 410的彼此相差90度的振荡信号与来自于基带LSI 300的发送信号I和Q合成来执行正交调制；相位控制电路430，用于检测来自于调制电路420的信号与发送振荡器TXVCO的输出信号之间的相位差，以控制相位；IF合成器440，用来与IFVCO 410一起组成PLL电路；RF合成器450，用来与RFVCO一起构成PLL电路；解调电路460，用来通过将接收信号与来自于RFVCO的高频信号合成来执行降频转换操作，并且通过将降频转换后的接收信号与来自于IFVCO 410的振荡信号合成来执行正交解调；高增益放大器电路(PGA)470，其将解调后的I和Q信号放大到预定电平，并将放大后的信号发送给基带LSI；以及VCO控制电路480，其执行诸如VCO激活和停止、以及振荡频率偏差(dispersion)校正之类的控制。
在图8的系统中，输出电平规格信号Vramp是从基带LSI 300提供给RF电源模块200。可是，也可以对该系统进行配置，以使将输出电平规格信号Vramp从用于调制和解调的IC 400提供给RF电源模块200。而且，可以将基带LSI 300以及用于调制和解调的IC 400配置成一个半导体集成电路。
图9示出了一种系统结构，其中将上述实施例的RF电源模块应用到支持EDGE系统通信(增强型数据率GMS演进)的蜂窝电话系统中。EDGE系统具有双模通信功能，通过该EDGE系统，按照GMSK(高斯滤波最小频移键控)调制来进行音频信号通信，而按照旋转3π/8的8-PSK(相移键控)调制来进行数据通信。图9中的系统采用了极性环通信系统，其中发送信号被分成相位分量和振幅分量，并且该极性环通信系统由相位控制环和与之相对应提供的振幅控制环来进行控制。
在图9中，ANT代表用于接收和发送信号波的天线；100代表前端模块，其包括用于从发送信号中除去谐波分量的低通滤波器、用于在发送与接收之间进行切换的开关等等；200代表上述实施例的RF电源模块；300代表把音频信号转换成基带信号、把接收信号转换成音频信号和产生波段切换信号的基带LSI；400代表用于调制和解调的IC，用来对用于解调的接收信号进行降频转换以产生基带信号以及调制发送信号；以及CPL，一个检测功率放大器210的输出信号的耦合器。
用于调制和解调的IC 400包括IFVCO 410，用来产生中频振荡信号；调制电路420，用来通过将来自于IFVCO 410的彼此相差90度的振荡信号与来自于基带LSI 300的发送信号I和Q合成来执行正交调制；混频器491，其通过将由耦合器检测到的信号与来自于RFVCO的信号合成来执行降频转换操作；相位检测电路430，其检测混频器491降频转换后的信号与来自于调制电路420的信号之间的相位差；振幅检测电路492，其检测混频器491降频转换后的信号与来自于调制电路420的信号之间的振幅差；相位环滤波器493，用来将相位检测电路430的输出综合在一起；发送振荡器(TXVCO)494，其以对应于滤波器493输出的频率进行振荡；振幅环形滤波器495，用来将振幅检测电路492的输出综合在一起；可变增益放大器496，其根据对应于来自于基带LSI 300的输出电平规格信号VRAMP的增益来对环形滤波器495的输出进行放大；等等。
将可变增益放大器496的输出提供给上述实施例的电源模块200内的功率电压控制电路220，以作为功率电压控制信号Vramp。虽然在图9中未示出，但是用于调制和解调的IC 400还配备有下列接收电路混频器，用来通过将接收信号与来自于RFVCO的振荡信号进行合成来执行降频转换操作；高增益放大器电路(PGA)，用来将降频转换后的接收信号Rx放大成预定电平的信号，并将放大后的信号发送给基带LSI 300；等等。
在上文中，尽管已经根据优选实施例详细描述了本发明的发明人所作出的发明，但是不言而喻的是本发明无论怎样都不应受限于优选实施例的示例，而是在不改变本发明主导思想的情况下，可以以多种方式作出修改。例如，代替上述实施例中的作为用于功率电压控制的晶体管221和222使用的P沟道MOSFET，也可以采用PNP双极性晶体管。在这种情况下，优选地，上述PNP晶体管可以由这样的晶体管加以配置，其中在饱和状态下集电极与发射极间电压差Vcc具有一个小值(Vsat)。按照这种构造，能够对集电极电压(次级功率电压Vdd1和Vdd2)进行控制直至一个接近于初级电压Vdd的电平。
虽然上述实施例的高频功率放大器电路包括三级连接的放大晶体管，但是也可以采用两级或四级或更多级的放大晶体管。虽然上述实施例中的末级放大晶体管Q3是在与偏置电路分离开的芯片上形成的，但是它也可以像其它放大晶体管Q1和Q2一样，与偏置电路在相同的芯片上形成。
此外，在上述的实施例中(图8)，已经对支持GSM系统和DCS系统通信的高频功率放大器电路作出了描述。然而，除了这两个系统之外，本发明能够适用于三倍波段系统的高频功率放大器电路，所述三倍波段系统能够处理波段为1850到1915兆赫的PCS(个人通信系统)信号。在这种情况下，由于DCS和PCS在频带范围上相对紧密接近，因而就DCS信号而论，PCS信号也可以被输入到同一输入端子上，由公共高频功率放大器电路加以放大，继而从公共输出端输出。
下列简要描述本申请中所公开的本发明的典型示例所获得的效果。
具体地，根据本发明，获得了一种高频功率放大器电路，其在所需输出电平低的区域中消耗少量电流且在功率效率方面具有优越性，并且在所需输出电平高的区域中不会造成缺少输出功率。此外，由于不需要耦合器，因而获得一种具有高封装密度和低功率损耗的高频功率放大器电路。其结果是，在诸如蜂窝电话之类的、使用高频功率放大器电路的无线通信系统中，可以延长充电电池的通话时间和最大待机时间。
权利要求
1.一种高频功率放大器电路，其包括两个或多个级联的用于放大的场效应晶体管，并通过控制用于放大的场效应晶体管的功率电压来控制输出功率，在该场效应晶体管的栅极端子上施加有预定电平的偏压，其中，为用于放大的末级场效应晶体管和用于放大的前级场效应晶体管配备不同的用于功率电压控制的晶体管，并且由用于功率电压控制的晶体管来产生和施加功率电压，以使用于放大的前级场效应晶体管能在比用于放大的末级场效应晶体管更低的控制电压的状态下达到漏极电流饱和。
2.如权利要求1所述的高频功率放大器电路，其中给用于功率电压控制的所述晶体管的控制端子施加差动放大器电路的输出电压，所述差动放大器电路上有两个电压输入，一个电压是用于控制所述高频功率放大器电路的输出功率的控制电压，而另一个电压是从用于功率电压控制的所述晶体管提供给所述高频功率放大器电路末级的至少一个用于放大的晶体管的电压。
3.如权利要求1所述的高频功率放大器电路，其中将用于控制所述高频功率放大器电路的输出功率的控制电压输入到用于功率电压控制的所述晶体管的控制端子。
4.一种高频功率放大器电路，其包括两个或多个级联的用于放大的场效应晶体管，并通过用于放大的所述场效应晶体管的功率电压来控制输出功率，所述场效应管的栅极端子上施加有预定电平的偏压，其中在用于放大的末级场效应晶体管的漏极侧上配备用于功率电压控制的晶体管，使用双栅极场效应晶体管来对用于放大的前级场效应晶体管进行配置，将输出控制电压施加到用于功率电压控制的所述晶体管的栅极端子以及所述双栅极场效应晶体管的一个栅极端子上，以便能够独立地对不同级的用于放大的所述场效应晶体管的漏极电压进行控制，并且用于放大的所述前级场效应晶体管在比用于放大的所述末级场效应晶体管更低控制电压的状态下达到漏极电流饱和。
5.一种高频功率放大器电路，其包括两个或多个级联的用于放大的场效应晶体管，并通过控制用于放大的所述场效应晶体管的功率电压来控制输出功率，所述场效应管的栅极端子上施加预定电平的偏压，其中在用于放大的末级场效应晶体管的漏极侧上配备用于功率电压控制的晶体管，用于放大的前级场效应晶体管与第二级场效应晶体管串联，将输出控制电压施加到用于功率电压控制的所述晶体管的栅极端子以及所述第二级场效应晶体管的每一个栅极端子上，以使能够独立地对不同级的用于放大的所述场效应晶体管的漏极电压进行控制，并且用于放大的所述前级场效应晶体管在比用于放大的所述末级场效应晶体管更低控制电压的状态下达到漏极电流饱和。
6.如权利要求4所述的高频功率放大器电路，其中将输出控制电压直接施加到所述双栅极场效应管的一个栅极端子上。
7.如权利要求5所述的高频功率放大器电路，其中将输出控制电压直接施加到所述第二场效应管的栅极端子上。
8.如权利要求4所述的高频功率放大器电路，其中给用于功率电压控制的所述晶体管的控制端子施加差动放大器电路的输出电压，所述差动放大器电路有两个电压输入，一个电压是用于控制所述高频功率放大器电路的输出功率的控制电压，而另一个电压是从用于功率电压控制的所述晶体管提供给所述高频功率放大器电路末级的至少一个用于放大的晶体管的电压。
9.如权利要求1所述的高频功率放大器电路，其中形成用于放大的所述晶体管，以使用于放大的所述前级晶体管的元件尺寸大于用于放大的所述末级晶体管的元件尺寸。
10.如权利要求1所述的高频功率放大器电路，其中设定施加到用于放大的所述晶体管的栅极端子上的偏压，以使施加到用于放大的所述前级晶体管的栅极端子上的电压低于施加到所述末级晶体管的栅极端子上的电压。
11.一种无线电通信系统，包括如权利要求1所述的高频功率放大器电路；一个基带电路，用于把音频信号转换成基带信号和把接收信号转换成音频信号；以及一个调制/解调电路，用于对所述接收信号进行解调制和对所述发送信号进行调制，其中所述高频功率放大器电路根据从所述基带电路或所述调制/解调电路向所述高频功率放大器电路提供的输出控制电压，来放大并输出由所述调制/解调电路调制的发送信号。
12.如权利要求11所述的无线通信系统，包括用于放大第一频带信号的第一高频功率放大器电路和用于放大第二频带信号的第二高频功率放大器电路，其中将用于功率电压控制的所述晶体管作为第一高频功率放大器电路和第二高频功率放大器电路的公用电路提供，并且根据将要发送的信号来产生不同的功率电压。
全文摘要
提供了一种高频功率放大器电路和无线通信系统，其能够由功率电压来控制输出功率，在所需输出功率高的区域中产生充足的输出功率，并且在所需输出功率低的区域中提高功率效率。在该高频功率放大器电路(RF电源模块)中，所述高频功率放大器电路包括两个或多个级联的用于放大的FET，并通过控制用于放大的FET的功率电压来控制输出功率，该FET的栅极端子上施加预定电平的偏压，为用于放大的末级FET和用于放大的前级FET提供不同的用于功率电压控制的晶体管。用于功率电压控制的晶体管产生并施加功率电压，以便当所需输出电平相对较低时，使用于放大的前级FET达到饱和。
文档编号H03F1/02GK1578121SQ20041006202
公开日2005年2月9日 申请日期2004年6月28日 优先权日2003年6月27日
发明者田原健二, 筒井孝幸, 安达彻朗 申请人:株式会社瑞萨科技