专利名称：具有异质结双极晶体管的射频功率放大模块的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有用于射频功率放大的异质结双极晶体管的RF功率模块，更具体地说，涉及一种用于根据异质结双极晶体管的特性偏差补偿RF功率模块的特性的技术。
迄今，在异质结双极晶体管(在下文称作HBT)中，异质结被用于双极晶体管的发射极基极结，并且使发射极的带隙大于基极区的带隙。因此，在HBT中，从基极注入发射极的少数载流子的量较小，并且在保持发射极注入效率较高的同时，可使基极杂质浓度较高。因此，与常规双极晶体管相比，可实现较低的基极内电阻，并且可以较大地提高截止频率fT。
在1989年9月的第37卷第6号的1286-1303页的关于微波理论和技术的IEEE学报的M.E.Kim等人的“用于高性能模拟和微波应用的砷化镓异质结双极晶体管器件和IC技术”中，论述了一种具有砷化镓/砷化铝镓的化合物半导体异质结的HBT的可靠性。特别是，它报告了诸如HBT的电流放大系数之类的器件参数的劣化引起与可能被污染的基极发射极空间电荷区有关的劣化、与欧姆性金属有关的表面漏泄、或者器件短路。
由于由硅制造的双极晶体管的电流放大系数β具有正温度相关性，因此接地发射极电流放大系数随着温度升高而增大。HBT的接地发射极电流放大系数具有负温度相关性并且接地发射极电流放大系数随着温度升高而减小也被写入文件中。
发明内容
在本发明之前，本发明的发明人致力于开发用于蜂窝电话的RF功率模块。要被安装在RF功率模块上的功率放大器将HBT用作功率放大晶体管。图6是示出作为HBT的电参数中的重要器件参数之一的接地发射极电流放大系数hFE的随时间变化的图。在图中，集电极电流密度Ice按照0.2KA/cm2的相对较高的电流密度被测量。纵轴示出通过用接地发射极电流放大系数hFE的初始值hFE(0)除预定测试时间过去之后的接地发射极电流放大系数hFE的下降值hFE(t)所获取的值，并且以百分比示出获取的值。横轴以时间单位表示测试时间。根据该图可以理解，其中也包括相对较高电流密度的20小时工作内HBT的接地发射极电流放大系数hFE下降10％或更多的器件。当HBT的器件被大规模生产时，具有随时间接地发射极电流放大系数hFE较大变化的器件和具有随时间相对较小变化的器件被包括在内。
通过大规模器件生产时的加速测试筛选具有随时间接地发射极电流放大系数hFE较大变化的HBT的方法也已被研究。由此发现一个问题，即当考虑随时间变化的偏差度时，用于筛选的加速测试的测试时间不能被确定。
在用于蜂窝电话的RF功率模块中，用于与基站和蜂窝电话之间的通信距离成比例地控制RF功率模块的发射功率值的自动功率控制(APC)被执行。在APC中，利用APC电压Vapc控制功率放大晶体管的偏置电压，从而将发射功率设置在所希望的电平。RF功率模块的发射功率电平通过输出功率检测器被检测。通过RF模拟信号处理单元比如RF IC，功率检测信号与作为从基带信号处理单元比如基带LSI提供的发射功率电平指示信号的斜线电压Vramp相比较。根据比较结果，APC电压Vapc被产生。APC电压Vapc执行关于功率放大晶体管的偏置电压的反馈控制，使得功率检测信号与斜线电压Vramp相匹配。从而，希望的发射功率电平可被设置。
然而，RF功率模块中HBT的接地发射极电流放大系数hFE的值的偏差导致相对于APC电压Vapc的功率放大晶体管的偏置直流的偏差。通过采用APC负反馈控制，RF功率模块的发射功率电平本身根据斜线电压Vramp被精确地设置为希望的电平。然而发现，功率放大晶体管的偏置直流的偏差引起RF功率模块的功率消耗的偏差。
如开始所述的，HBT的接地发射极电流放大系数具有负温度相关性。因此，当HBT的温度随着由RF功率模块的发射功率的增大而引起的温度升高而升高时，HBT的接地发射极电流放大系数hFE减小。随后，RF功率模块的发射功率电平下降。为了恢复下降的发射功率电平，APC电压Vapc增大。此时，功率放大晶体管的偏置直流增大，并且导致使得RF功率模块的功率消耗增加的问题。
在本发明之前，本发明的发明人已经进行了如下的试验。在试验阶段的RF功率模块中，参考异质结双极晶体管被形成在化合物半导体集成电路的化合物半导体芯片上，其中在化合物半导体芯片上，作为用于输出发射输出信号的功率放大晶体管的输出异质结双极晶体管被形成。由于输出HBT和参考HBT通过相同的处理被形成在化合物半导体芯片上，因此，输出HBT和参考HBT的接地发射极电流放大系数的随时间的变化、温度相关性、偏差等也几乎相同。因此，参考HBT用作仿形器件，用于监视输出HBT的接地发射极电流放大系数的随时间的变化、温度相关性、偏差等。通过将取决于接地发射极电流放大系数的值的参考HBT的参考电流提供到化合物半导体芯片中的补偿电路的输入端，与接地发射极电流放大系数的值成反比的输出偏置电流从补偿电路的输出端被提供到输出HBT的基极。因此，即使输出HBT的接地发射极电流放大系数hFE减小，输出HBT的集电极电流也几乎保持恒定。由于来自补偿电路输出端的与接地发射极电流放大系数的值成反比的输出偏置电流随接地发射极电流放大系数hFE的减小而增加，因此输出HBT的集电极电流可几乎保持恒定。
在通过由化合物半导体比如砷化镓/砷化铝镓制造的HBT形成具有互补关系的NPN型HBT和PNP型HBT的情况下，通常，输出HBT为NPN型HBT，使得参考HBT也为NPN型。因此，作为仿形(replica)器件的参考HBT的参考电流为通过参考HBT流入地电位的流入电流。另一方面，要被提供到输出HBT的基极的来自补偿电路的输出端的输出偏置电流为通过补偿电路从电源电压流出的流出电流。通常，为了从流入电流产生流出电流，使用由PNP型双极晶体管构成的电流反射镜。当使用由化合物半导体比如砷化镓/砷化铝镓制造的HBT时，由于复杂材料处理的局限性，不易将具有互补关系的NPN型HBT和PNP型HBT集成在单一芯片上。
对于RF功率模块中的输出HBT，如上所述的APC偏置控制是必需的。对于输出HBT，用于减小接地发射极电流放大系数的随时间的变化、温度相关性、偏差等的影响的补偿偏置控制也是必需的。因此，补偿偏置控制必须与APC偏置控制一致。
根据这里由发明人在本发明之前进行的试验的结果，本发明被实现。因此，本发明的主要目的是根据HBT的接地发射极电流放大系数的随时间的变化、温度相关性、偏差等补偿RF功率模块的电特性。本发明的另一目的是提供一种补偿并控制HBT的基极偏置的技术，该技术减小具有与APC偏置控制的一致性的HBT的接地发射极电流放大系数的随时间的变化、温度相关性、偏差等的影响。
根据说明书和附图的描述，本发明的上述和其它目的以及新颖特征将变得显而易见。
下面将简要描述本申请所公开的发明的典型示例的概要。
作为本发明的一个实施例的RF功率模块(RF_PA_MD)包括化合物半导体集成电路(GaAs IC)和硅半导体集成电路(SiIC)。
化合物半导体集成电路(GaAs IC)包括输出异质结双极晶体管(GTO)和参考异质结双极晶体管(Qref)，它们通过相同生产工艺被形成在化合物半导体芯片上，输出异质结双极晶体管(GTO)作为功率放大晶体管用于输出RF功率模块(RF_PA_MD)的发射输出信号。输出异质结双极晶体管(GTO)以公共发射极工作，参考异质结双极晶体管(Qref)也工作在发射极上，取决于发射极的接地发射极电流放大系数(hFE)的值的参考电流(IQref)流入参考异质结双极晶体管(Qref)中。
硅半导体集成电路(Si IC)包括用于硅半导体衬底上的输出异质结双极晶体管(QTO)的偏置电路(Bias Gen)。偏置电路(Bias Gen)包括第一电流反射镜(CM1)，参考异质结双极晶体管(Qref)的参考电流(IQref)作为输入电流流入到第一电流反射镜(CM1)，并且第一电流反射镜(CM1)产生响应接地发射极电流放大系数(hFE)的减小而增大的输出偏置电流(Ibias)。
在RF功率模块(RF_PA_MD)内，化合物半导体集成电路(GaAsIC)的参考异质结双极晶体管(Qref)的参考电流(IQref)流入的外部参考输出端(T2)与硅半导体集成电路(Si IC)的偏置电路(BiasGen)的第一电流反射镜(CM1)的输入端(T2’)被相互电连接，并且硅半导体集成电路(Si IC)的偏置电路(Bias Gen)的第一电流反射镜(CM1)的输出端(T3’)与连接到输出异质结双极晶体管(GTO)的基极的化合物半导体集成电路(GaAs IC)的外部端子(T3)被相互电连接(参照图1)。
通过本发明的实施例，在化合物半导体集成电路(GaAs IC)中，输出异质结双极晶体管(GTO)和参考异质结双极晶体管(Qref)通过相同的生产工艺在化合物半导体芯片上被形成，使得随两个晶体管的接地发射极电流放大系数hFE的随时间的变化、偏差等几乎相同。此外，由于在单化合物半导体芯片中晶体管的温度几乎相同，因此晶体管的接地发射极电流放大系数hFE的温度相关性也几乎相同。因此，当输出异质结双极晶体管(QTO)的接地发射极电流放大系数hFE由于随时间的变化、温度相关性、偏差等而下降到目标值以下时，参考异质结双极晶体管(Qref)的接地发射极电流放大系数hFE也下降几乎相同的量。由于参考异质结双极晶体管(Qref)的接地发射极电流放大系数hFE的下降，因此参考异质结双极晶体管(Qref)的参考电流(IQref)变化。然而，从偏置电路(Bias Gen)的第一电流反射镜(CM1)的输出端(T3’)输出的输出偏置电流(Ibias)增大。通过该输出偏置电流(Ibias)，输出异质结双极晶体管(QTO)的基极(T3)的偏置电压增大。因此，即使当输出异质结双极晶体管(QTO)的基极(T3)的接地发射极电流放大系数(hFE)下降时，基极的偏置电压也会上升，使得输出异质结双极晶体管(QTO)的集电极电流几乎保持恒定。因此，根据HBT的接地发射极电流放大系数的随时间的变化、温度相关性、偏差等，RF功率模块的电特性可被补偿。通过硅半导体集成电路(Si IC)的偏置电路(Bias Gen)的第一电流反射镜(CM1)，可非常容易地实现从作为流入电流的参考电流(IQref)产生作为流出电流的输出偏置电流(Ibias)(参照图1)。
在作为本发明的具体模式的RF功率模块(RF_PA_MD)中，硅半导体集成电路(Si IC)的偏置电路(Bias Gen)包括第二电流反射镜(CM2)。当偏置电流(Iapc)和流入参考异质结双极晶体管(Qref)的集电极的参考电流(IQref)流入第二电流反射镜(CM2)的输入端时，从第二电流反射镜(CM2)的输出端产生的第二电流反射镜输出电流通过偏置电流(Iapc)的增大而被增大，第二电流反射镜输出电流通过参考电流(IQref)的减小而被增大。第二电流反射镜(CM2)的第二电流反射镜输出电流被提供到第一电流反射镜(CM1)的输入端，并且输出偏置电流(Ibias)从第一电流反射镜(CM1)的输出端被输出(参照图2)。
在作为本发明的更具体模式的RF功率模块(RF_PA_MD)中，硅半导体集成电路(Si IC)包括APC电路(APC_Cnt)，该APC电路包括用于将与RF功率模块(RF_PA_MD)的发射功率(RFPout)有关的输出功率检测信号(Vdet)与发射功率电平指示信号(Vramp)相互比较的比较器(Err_Amp)，和用于将来自比较器(Err_Amp)的输出电压转换为偏置电流(Iapc)的电压-电流转换器(V/I)。来自APC电路(APC_Cnt)的偏置电流(Iapc)和流入参考异质结双极晶体管(Qref)的参考电流(IQref)被输入到偏置电路(Bias Gen)的第二电流反射镜(CM2)(参照图2)。
根据本发明的更具体的模式，可提供用于补偿并控制HBT的基极偏置的技术，该技术用于减小具有与APC偏置控制的一致性的HBT的接地发射极电流放大系数的随时间的变化、温度相关性、偏差等的影响(参照图2)。
在作为本发明的更具体模式的RF功率模块(RF_A_MD)中，化合物半导体集成电路(GaAs IC)的输出异质结双极晶体管(QTO)和参考异质结双极晶体管(Qref)为NPN型。硅半导体集成电路(SiIC)的偏置电路(Bias Gen)的第一电流反射镜(CM1)的输入晶体管(Qpin)和输出晶体管(Qpout)为P沟道场效应晶体管(参照图1和图2)。
在作为本发明的最具体模式的RF功率模块(RF_PA_MD)中，化合物半导体集成电路(GaAs IC)的输出异质结双极晶体管(QTO)包括用于输出第一频带(GSM)的第一发射信号(RFPout1)的第一输出异质结双极晶体管(GTO1)和用于输出第二频带(GSM)的第二发射信号(RFPout2)的第二输出异质结双极晶体管(GTO2)。第一输出异质结双极晶体管(GTO1)和第二输出异质结双极晶体管(GTO2)通过与参考异质结双极晶体管(Qref)相同的生产工艺被形成。来自硅半导体集成电路(Si IC)的偏置电路(Bias Gen)的第一电流反射镜(CM1)的输出端(T3’、T6’)的输出偏置电流(Ibias)被提供到化合物半导体集成电路(GaAs IC)的第一和第二输出异质结双极晶体管(QTO1和QTO2)的每一个的基极(参照图3)。
在作为本发明的最具体模式的RF功率模块(RF_PA_MD)中，硅半导体集成电路(Si IC)的偏置电路(Bias Gen)包括用于在输出端(T1’)产生预定参考基极电流(ICS1)的参考电流产生电路(CS1)。硅半导体集成电路(Si IC)的偏置电路(Bias Gen)的参考电流产生电路(CS1)的输出端(T1’)与连接到参考异质结双极晶体管(Qref)的化合物半导体集成电路(GaAs IC)的外部参考输入端(T1)被相互电连接(参照图1、2、3和4)。
通过本发明的最具体模式，参考异质结双极晶体管(Qref)的基极被连接到化合物半导体集成电路(GaAs IC)的外部参考输入端(T1)，来自硅半导体集成电路(Si IC)的偏置电路(Bias Gen)的参考电流产生电路(CS1)的预定参考基极电流(ICS1)被提供到所述外部参考输入端(T1)，并且流入参考异质结双极晶体管(Qref)的集电极和外部参考输出端(T2)的参考电流(IQref)被提供到硅半导体集成电路(Si IC)的偏置电路(Bias Gen)的第一电流反射镜(CM1)的输入端(参照图2、3和4)。
下面将简要描述通过本申请所公开的发明的典型示例获得的效果。
根据本发明，根据HBT的接地发射极电流放大系数的随时间的变化、温度相关性、偏差等，RF功率模块的电特性可被补偿。
图1是示出根据本发明的基本实施例的RF功率模块的配置的图。
图2是示出根据本发明的一个实施例的RF功率模块的具体配置的图。
图3是示出根据本发明的另一实施例的RF功率模块的配置的图。
图4是示出根据本发明的又一实施例的RF功率模块的配置的图。
图5示出当图2中所示的RF功率模块中的输出异质结双极晶体管的接地发射极电流放大系数变化为目标值的-30％、0％和+30％时，在输出HBT QTO的集电极中的输出电流Iout响应APC电压Vapc的变化的偏差。
图6是示出作为异质结双极晶体管的电特性的重要器件参数之一的接地发射极电流放大系数的随时间变化的图。
具体实施例方式
RF功率模块的基本配置图1是示出根据本发明的基本实施例的RF功率模块的配置的图。
如图中所示，RF功率模块RF_PA_MD包括化合物(compound)半导体集成电路GaAs IC和硅半导体集成电路Si IC。化合物半导体集成电路GaAs IC包括输出异质结双极晶体管QTO和参考异质结双极晶体管Qref，它们通过相同生产工艺被形成在化合物半导体芯片上，输出异质结双极晶体管QTO作为功率放大晶体管，用于接收RF功率模块RF_PA_MD的发射输入信号RFPin，并且输出发射输出信号RFPout。输出异质结双极晶体管QTO以公共发射极工作，参考异质结双极晶体管Qref也以公共发射极工作。硅半导体集成电路SiIC包括偏置电路Bias Gen。偏置电路Bias Gen包括第一电流反射镜CM1，取决于参考HBT Qref的接地发射极电流放大系数的值的参考HBTQref的参考电流IQref作为输入电流流入到第一电流反射镜CM1，并且第一电流反射镜CM1产生响应接地发射极电流放大系数的减小而增大的输出偏置电流Ibias。在RF功率模块RF_PA_MD中，与参考HBT Qref的基极连接的化合物半导体集成电路GaAs IC的外部参考输出端T2和硅半导体集成电路Si IC的偏置电路Bias Gen的第一电流反射镜CM1的输入端T2’被相互电连接，并且硅半导体集成电路SiIC的偏置电路Bias Gen的第一电流反射镜CM1的输出端T3’和化合物半导体集成电路GaAs IC中的输出HBT QTO的基极T3被相互电连接。
通过外部参考输出端T2和外部端子T2’，参考HBT Qref的基极与硅半导体集成电路Si IC的偏置电路Bias Gen的第一电流反射镜CM1的输入端相连。通过在模块内的外部参考输入端T1和外部端子T1’，参考HBT Qref的集电极与硅半导体集成电路Si IC的偏置电路Bias Gen中的参考电流产生电路CS1的输出端被电连接。参考电流产生电路CS1可由恒流源构成，用于产生具有预定电流值的参考基极(base)电流ICS1。因此，当化合物半导体集成电路GaAs IC的参考HBT Qref的接地发射极电流放大系数为hFE时，参考HBT Qref的基极参考电流IQref被表示为IQref＝ICS1/hFE。作为流入电流的参考HBT Qref的基极参考电流IQref通过外部参考输出端T2和外部端子T2’变成硅半导体集成电路Si IC的偏置电路Bias Gen中的第一电流反射镜CM1的输入端的输入电流。因此，与作为输入电流的参考HBT Qref的基极参考电流IQref成比例的输出偏置电流Ibias作为来自第一电流反射镜CM1的输出端T3’的流出电流被输出。来自第一电流反射镜CM1的输出端T3’的输出偏置电流Ibias通过化合物半导体集成电路GaAs IC的输出端T3被提供到基极，作为输出HBT QTO的输入电流。
另一方面，在化合物半导体集成电路GaAs IC中，输出异质结双极晶体管QTO和参考异质结双极晶体管Qref通过相同的生产工艺被形成在化合物半导体芯片上，使得两种晶体管的接地发射极电流放大系数hFE的随时间的变化、偏差等变得几乎相同。因此，当输出HBTQTO的接地发射极电流放大系数hFE由于随时间的变化、温度相关性、偏差等而下降到目标值以下时，参考HBT Qref的接地发射极电流放大系数hFE也下降几乎相同的量。由于参考HBT Qref的接地发射极电流放大系数hFE的下降，因此参考HBT Qref的基极参考电流IQref(IQref＝ICS1/hFE)增大。因此，从偏置电路Bias Gen的第一电流反射镜CM1的输出端T3输出的输出偏置电流Ibias同样地增大，并且输出HBT QTO的基极T3的偏置电压增大。因此，即使当输出HBT QTO的接地发射极电流放大系数hFE下降时，基极偏置也会上升，使得输出HBT QTO的集电极电流几乎保持恒定。因此，根据输出HBT的接地发射极电流放大系数的随时间的变化、温度相关性、偏差等，RF功率模块的电特性可被补偿。
在硅半导体集成电路Si IC的偏置电路Bias Gen中，均具有被施加了偏置电压Vb的基极的双极晶体管Q0和Q1被嵌入，以减小施加到化合物半导体集成电路GaAs IC中的参考HBT Qref的电压。通过双极晶体管Q1的集电极-发射极通道，来自参考电流产生电路CS1的参考基极电流ICS1被提供给参考HBT Qref的集电极。通过双极晶体管Q0的集电极-发射极通道，参考HBT Qref的参考电流IQref被提供到第一电流反射镜CM1的输入端。
RF功率模块的具体配置图2是示出作为本发明的一个实施例的RF功率模块的具体配置的图。
如图中所示，RF功率模块RF_PA_MD包括化合物半导体集成电路GaAs IC和硅半导体集成电路Si IC。化合物半导体集成电路GaAsIC包括作为功率放大晶体管的输出异质结双极晶体管QTO，用于接收RF功率模块RF_PA_MD的发射输入信号RFPin，并且输出发射输出信号RFPout，化合物半导体集成电路GaAs IC还包括参考异质结双极晶体管Qref，输出异质结双极晶体管QTO和参考异质结双极晶体管Qref通过相同生产工艺被形成在化合物半导体芯片上。输出HBTQTO以公共发射极工作，参考HBT Qref也以公共发射极工作。硅半导体集成电路SiIC包括偏置电路Bias Gen。偏置电路Bias Gen包括第一电流反射镜CM1，取决于参考HBT Qref的接地发射极电流放大系数的值的参考HBT Qref的参考电流IQref作为输入电流流入到第一电流反射镜CM1，并且第一电流反射镜CM1产生响应接地发射极电流放大系数的减小而增大的输出偏置电流Ibias。在RF功率模块RF_PA_MD中，与参考HBT Qref的集电极连接的化合物半导体集成电路GaAs IC的外部参考输出端T2和硅半导体集成电路Si IC的偏置电路Bias Gen的第二电流反射镜CM2的输入端T2’被相互电连接，并且硅半导体集成电路Si IC的偏置电路Bias Gen的第一电流反射镜CM1的输出端T3’和与输出HBT QTO的基极连接的化合物半导体集成电路GaAs IC的外部端子T3被相互电连接。要被功率放大的RF输入信号RFPin由RF模拟信号处理单元比如RF IC提供到化合物半导体集成电路GaAs IC的外部端子T15。RF输入信号RFPin被提供到输入匹配电路Frt_match的输入端。来自输入匹配电路Frt_match的输出端的RF输入信号通过耦合电容器CTf被提供到前置放大器的HBT QTf的基极。偏置电压Vbias通过电阻器RbTf被提供到第一级HBT QTf的基极。HBT QTf的集电极通过作为负载的电感器LTf与外部端子T9的电源电压Vcc相连，并且还与级间匹配电路Int_match的输入端相连。来自级间匹配电路Int_match的RF信号通过耦合电容器CTo被提供到输出级放大器的第一级QTo的基极。输出级HBTQTo的基极通过电阻器RbTo与外部端子T3相连，并且输出级HBTQTo的集电极通过作为负载的电感器LTo与电源电压Vcc相连而且还与输出匹配电路Out_match的输入端相连。来自输出级HBT QTo的集电极的RF放大输出信号通过输出匹配电路Out_match和输出电容器Cout从外部端子T10被获取。化合物半导体集成电路GaAs IC的外部端子T14为接地端，并且与RF功率模块RF_PA_MD的接地导线相连。在砷化镓半绝缘衬底(通过与第一级HBT QTf和输出级HBTQTo相同的生产工艺而形成)上形成的参考HBT Qref的基极和集电极分别被连接到外部参考输入端T1和外部参考输出端T2。参考HBTQref的发射极通过外部端子T14被接地。通过输出电容器Cout从外部端子T10获取的RF放大输出信号通过天线开关AntSw被作为发射功率RFPout提供到蜂窝电话的天线ANT。功率检测耦合器Cpl与外部端子T10相连，并且从功率检测耦合器Cpl产生功率检测信号Pdet。功率检测信号Pdet被提供给硅半导体集成电路Si IC的外部端子T11’。在化合物半导体集成电路GaAs IC的砷化镓半绝缘衬底的表面上，负载电感器LTf和LTO由螺旋电感形成，并且匹配电路Frt_match、Int_match和Out_match的电容器和线圈、基极电阻器RbTf和RbTO以及耦合电容器CTf、CTO和Cout也被形成。
硅半导体集成电路Si IC包括APC电路APC_Cnt，该APC电路APC_Cnt由比较器Err_Amp和电压-电流转换器V/I构成，比较器Err_Amp用于将与RF功率模块RF_PA_MD的发射功率RFPout有关的输出功率检测信号Vdet与反射功率电平指示信号Vramp相互比较，电压-电流转换器V/I用于将来自比较器Err_Amp的输出电压转换为偏置电流Iapc。来自APC电路APC_Cnt的偏置电流Iapc和在参考异质结双极晶体管Qref的集电极中流动的参考电流IQref被输入到偏置电路Bias Gen的第二电流反射镜CM2。具体地说，在硅半导体集成电路SiIC中，提供到外部端子T11’的功率检测信号Pdet的电平通过功率电平检测器Det被检测。功率电平检测器Det的输出通过检测放大器Det_Amp被放大，并且检测放大器Det_Amp的输出被提供到比较器Err_Amp的反相输入端(-)。对于比较器Err_Amp的正相输入端(+)，提供斜线电压Vramp，该电压Vramp为要通过RF模拟处理单元比如RF IC从基带信号处理单元比如基带LSI被提供到外部端子T12’的发射功率电平指示信号，并且APC电压Vapc从比较器Err_Amp的输出端被产生。比较器Err_Amp的输出端的APC电压Vapc通过电压-电流转换器V/I被转换成作为偏置电流的APC电流Iapc。APC电流Iapc被提供到硅半导体集成电路Si IC的偏置电路Bias Gen的第二电流反射镜CM2的输入端，并且该输入通过外部参考输出端T2’和外部端子T2被连接到化合物半导体集成电路GaAs IC中的参考HBT Qref的集电极。参考HBT Qref的基极通过在模块内的外部参考输入端T1和外部端子T1’被连接到硅半导体集成电路Si IC的偏置电路Bias Gen的参考电流产生电路CS1的输出端。参考电流产生电路CS1可由恒流源构成，用于产生具有预定电流值的参考基极电流。因此，当化合物半导体集成电路GaAs IC的参考HBTQref的接地发射极电流放大系数为hFE时，参考HBT Qref的集电极参考电流IQref被表示为IQref＝hFE×ICS1。参考HBT Qref的集电极参考电流IQref通过外部端子T2和T2’变为硅半导体集成电路Si IC的偏置电路Bias Gen中的第二电流反射镜CM2的输入电流。由于通过从APC电流Iapc减去集电极参考电流IQref所获得的电流流入硅半导体集成电路Si IC的偏置电路Bias Gen的第二电流反射镜CM2的输入晶体管Qbin中，因此，与计算值成比例的电流流入第二电流反射镜CM2的输出晶体管Qbout中。由于第二电流反射镜CM2的输出晶体管Qbout的成比例电流流入形成第一电流反射镜CM1的输入晶体管Qpin的P沟道MOSFET中，因此，流入形成第一电流反射镜CM1的输出晶体管Qpout的P沟道MOSFET中的输出偏置电流Ibias也与计算值成比例。第二电流反射镜CM2的输入晶体管Qbin和输出晶体管Qpout不是必须由P沟道MOSFET构成，而是也可以由横向PNP型双极晶体管构成。然而，横向PNP型双极晶体管的接地发射极电流放大系数hFE远低于纵向双极晶体管的接地发射极电流放大系数。因此，由于横向PNP型双极晶体管的较大的基极电流，在第二电流反射镜CM2的输入电流和输出电流之间的比率(电流反射镜比)具有偏移误差。从这个观点来看，由P沟道MOSFET形成输入晶体管Qbin和输出晶体管Qpout是有益的。
另一方面，在化合物半导体集成电路GaAs IC中，输出异质结双极晶体管QTO和参考异质结双极晶体管Qref通过相同的生产工艺被形成在化合物半导体芯片上，使得两种晶体管的接地发射极电流放大系数hFE的随时间的变化、偏差等几乎相同。由于在一个化合物半导体芯片中两种晶体管的温度几乎彼此相等，因此晶体管的接地发射极电流放大系数hFE的温度相关性几乎彼此相等。因此，当输出HBTQTO的接地发射极电流放大系数hFE由于随时间的变化、温度相关性、偏差等而下降到目标值以下时，参考HBT Qref的接地发射极电流放大系数hFE也下降几乎相同的量。由于参考HBT Qref的接地发射极电流放大系数hFE的下降，因此参考HBT Qref的集电极电流IQref减小。然而，从偏置电路Bias Gen的第一电流反射镜CM1的输出晶体管Qpout输出的输出偏置电流Ibias增大。因此，输出HBTQTO的基极T3的偏置电压通过输出偏置电流Ibias增大。即使当输出HBT QTO的接地发射极电流放大系数hFE下降时，基极的偏置电压也会上升，使得输出HBT QTO的集电极电流几乎保持恒定。因此，根据输出HBT的接地发射极电流放大系数的随时间的变化、温度相关性、偏差等的RF功率模块的电特性可被补偿。
图5示出响应当图2中所示的RF功率模块RF_PA_MD中的输出异质结双极晶体管QTO的接地发射极电流放大系数hFE变化目标值的-30％、0％和+30％时APC电压Vapc的变化，在输出HBT QTO的集电极中的输出电流Iout的变化。从图5中可知，即使当输出HBTQTO的接地发射极电流放大系数hFE较大地变化时，输出HBT QTO的集电极输出电流Iout的变化非常小。以这种方式，根据HBT的接地发射极电流放大系数的随时间的变化、温度相关性、偏差等的RF功率模块的电特性可被补偿。
在图2中，与输出HBT QTO的基极连接的电阻器RbTo为防止电流集聚的基极镇流(ballast)电阻器。参考HBT Qref的基极的电阻器RbTQref与输出HBT QTO的基极镇流电阻器RbTo相一致地被连接。
根据其它实施例的RF功率模块图3是示出根据本发明的另一实施例的RF功率模块的配置的图。
如图中所示，RF功率模块被构成，使得两个频带的发射信号RFPin1和RFPin2可被发射，即GSM(全球移动通信系统)的900MHz频带中的发射信号RFPin1和DCS(数字通信系统)的1800MHz频带中的发射信号RFPin2。在一个时区(time zone)中，GSM的900MHz频带中的发射信号RFPin1被提供到化合物半导体集成电路GaAs IC的外部端子T15A。在另一时区中，DCS的1800MHz频带中的发射信号RFPin2被提供到化合物半导体集成电路GaAs IC的外部端子T15B。提供到外部端子T15A的GSM的900MHz频带中的发射信号RFPin1通过第一级的HBT QTf、中间级的HBT QTi1和末级输出级的HBT QTO1被顺序放大，并且GSM的900MHz频带中的发射输出信号RFPout1通过输出匹配电路Out_match1从输出端T10A被产生。提供到外部端子T15A的DCS的1800MHz频带中的发射信号RFPin2通过第一级的HBT QTf2、中间级的HBT QTi2和末级输出级的HBTQTO2被顺序放大，并且DCS的1800MHz频带中的发射输出信号RFPout2通过输出匹配电路Out_match2和输出电容器Cout2从输出端T10B被产生。参考异质结双极晶体管Qref被设置在用于GSM的900MHz频带的末级输出级的HBT QTO1和用于DCS的1800MHz频带的末级输出级的HBT QTO2之间。参考HBT Qref的发射极被接地，并且基极通过在模块内的外部参考输入端T1和外部端子T1’被电连接到硅半导体集成电路Si IC的偏置电路Bias_Gen的参考电流产生电路CS1的输出端。HBT Qref的集电极通过在模块内的外部参考输出端T2被电连接到硅半导体集成电路Si IC的外部端子T2’。通过将形成偏置电路Bias_Gen的输入的一部分的第三电流反射镜CM3和第四电流反射镜CM4连接到硅半导体集成电路Si IC的外部端子T2’，与HBT Qref的集电极参考电流IQref成比例的电流流入第四电流反射镜CM4的输出晶体管Q2的集电极中。在形成偏置电路Bias_Gen的输入的另一部分的第二电流反射镜CM2中，与集电极参考电流IQref成比例的电流被从与来自电压-电流转换器V/I的APC电流Iapc0成比例的APC电流Iapc中减去。因此，以类似于图2的方式，同样在图3中，即使当输出异质结双极晶体管QFO1和QTO2的接地发射极电流放大系数hFE下降时，基极偏置也会上升，使得输出异质结双极晶体管QTO1和QTO2的集电极电流可几乎保持恒定。在图2中，通过将功率检测耦合器Cp1和Cp2分别连接到外部端子T10A和10B，功率检测信号从两个功率检测耦合器Cp1和Cp2被产生。来自功率检测耦合器Cp1的功率检测信号从输出端T10A示出GSM的900MHz频带中的发射输出信号RFPout1的电平。另一方面，来自功率检测耦合器Cp2的功率检测信号从输出端T10B示出DCS的1800MHz频带中的发射输出信号RFPout2的电平。两个功率检测信号被提供到硅半导体集成电路Si IC的两个外部端子T11A和11B。两个功率检测信号之一通过检测开关DetSw被选择，并且选择的功率检测信号被施加到功率电平检测器Det的输入端。功率电平检测器Det的输出通过检测放大器Det_Amp被放大。检测放大器Det_Amp的输出被提供到比较器Err_Amp的反相输入端(-)。对于比较器Err_Amp的正相输入端(+)，提供斜线电压Vramp，该电压Vramp为要通过RF模拟处理单元比如RF IC从基带信号处理单元比如基带LSI被提供的发射功率电平指示信号，并且APC电压Vapc从比较器Err_Amp的输出端被产生。比较器Err_Amp的输出端的APC电压Vapc通过电压-电流转换器V/I被转换成APC电流Iapc0。电压-电流转换器V/I包括分压电阻器R3和R4、P沟道MOSFET Qp3和Qp4、差动N沟道MOSFET Qn1和Qn2、有效(active)负载P沟道MOSFETQp5和Qp6、用于输出电流的P沟道MOSFET Qp7和Qp8、电流-电压转换电阻器R5以及恒流源CS2、CS3和CS4。由分压电阻器R3和R4分压的APC电压通过用于输出电流的P沟道MOSFET Qp7被施加到电流-电压转换电阻器R5。根据分压的APC电压和电流-电压转换电阻器R5之间的比，流入用于输出电流的P沟道MOSFETQp7的电流被确定。P沟道MOSFET Qp7的源极和栅极与P沟道MOSFET Qp8的源极和栅极并联连接。因此，当P沟道MOSFET Qp7和Qp8的器件规格相同时，具有与P沟道MOSFET Qp7的电流值相同电流值的APC电流Iapc0从用于输出电流的P沟道MOSFET Qp8被提供到偏置电路Bias_en的第二电流反射镜CM2的输入端。因此，在偏置电路Bias_Gen的第二电流反射镜CM2中，与集电极参考电流IQref成比例的电流从与来自电压-电流转换器V/I的APC电流Iapc0成比例的APC电流Iapc中被减去。
图4是示出根据本发明的又一实施例的RF功率模块的配置的图。
通过将由异质结双极晶体管构成的图3实施例中的用于GSM的900MHz频带中的发射信号RFPin1的第一级晶体管QTf1和中间级晶体管QTi1以及用于DCS的1800MHz频带中的发射信号RFPin2的第一级晶体管QTf2和中间级晶体管QTi2替换成形成在硅半导体衬底上的射频硅功率MOSFET，图4中的RF功率模块被获得。与利用射频硅功率MOSFET替换晶体管QTf1、QTi1、QTf2和QTi2相关，晶体管QTf1、QTi1、QTf2和QTi2被安装在第二硅半导体集成电路Si IC2的芯片上。然而，最好的模式是将图3底部的硅半导体集成电路Si IC的芯片也用作第二硅半导体集成电路Si IC2的芯片，由此实现单芯片。尽管输入匹配电路Frt_match1和Frt_match2以及级间匹配电路Int_match11、Int_match12、Int_match21和Int_match22被形成在图3实施例中的化合物半导体集成电路GaAs IC的芯片上，但它们也可被形成在图4实施例中的硅半导体集成电路Si IC2的芯片上。
在图4中，与第二硅半导体集成电路Si IC2的芯片上的外部端子T4、T5、T7和T8连接的二极管连接MOS晶体管将输出偏置电流转换成偏置电压，所述输出偏置电流来自从对应于外部端子T4、T5、T7和T8的第二硅半导体集成电路Si IC2的外部端子T4’、T5’、T7’和T8’提供的偏置电路Bias Gen的第一电流反射镜CM1。所述偏置电压用作射频硅功率MOSFET QTf1、QTi1、QTf2和QTi2的栅极偏压。
尽管在这里根据实施例已具体描述了由发明人所实现的本发明，但显然，本发明不限于这些实施例，而是在不脱离本发明宗旨的情况下可进行各种修改。
例如，作为代替图2、3和4中的功率检测耦合器Cp1、Cpl1和Cpl2的功率检测器，可使用与输出HBT并联连接的具有较小尺寸的用于功率检测的HBT。本发明可被应用到根据流入用于功率检测的HBT的电流检测发射功率电平的电流感测法。
或者，类似于与图4中所示的第二硅半导体集成电路(Si IC2)的芯片上的外部端子T4、T5、T7和T8连接的二极管连接MOS晶体管的、用于偏置的二极管连接HBT被连接到图3中的化合物半导体集成电路(GaAs IC)的外部端子T4、T5、T7和T8。用于偏置的二极管连接HBT的偏置电压也可被用作高频HBT QTf1、QTi1、QTf2和QTi2的基极偏压。
对于异质结双极晶体管，不仅可使用砷化镓/砷化铝镓的化合物半导体，也可使用通过掺杂比如In(铟)的第三族元素和比如P(磷)的第四族元素所获取的化合物半导体。此外，为了防止异质结双极晶体管的电流集聚，除了使用基极镇流电阻器，也可使用发射极镇流电阻器。
权利要求
1.一种包括化合物半导体集成电路和硅半导体集成电路的RF功率模块，其中化合物半导体集成电路包括输出异质结双极晶体管和参考异质结双极晶体管，它们通过相同生产工艺被形成在化合物半导体芯片上，输出异质结双极晶体管作为功率放大晶体管用于输出RF发射输出信号，输出异质结双极晶体管以公共发射极工作，参考异质结双极晶体管也以公共发射极工作，取决于发射极的接地发射极电流放大系数值的参考电流流入参考异质结双极晶体管中，其中硅半导体集成电路包括用于硅半导体衬底上的异质结双极晶体管的偏置电路，该偏置电路包括第一电流反射镜，参考异质结双极晶体管的参考电流作为输入电流流入到第一电流反射镜，并且第一电流反射镜产生响应接地发射极电流放大系数的减小而增大的输出偏置电流，其中，化合物半导体集成电路的参考异质结双极晶体管的参考电流流入的外部参考输出端与硅半导体集成电路的偏置电路的第一电流反射镜的输入端被相互电连接，并且硅半导体集成电路的偏置电路的第一电流反射镜的输出端与连接到输出异质结双极晶体管的基极的化合物半导体集成电路的外部端子被相互电连接。
2.根据权利要求1的RF功率模块，其中，硅半导体集成电路的偏置电路包括第二电流反射镜，偏置电流和流入参考异质结双极晶体管的集电极的参考电流流入第二电流反射镜的输入端，从第二电流反射镜的输出端产生的第二电流反射镜输出电流通过偏置电流的增大而被增大，第二电流反射镜输出电流通过参考电流的减小而被增大，第二电流反射镜的第二电流反射镜输出电流被提供到第一电流反射镜的输入端，并且输出偏置电流从第一电流反射镜的输出端被输出。
3.根据权利要求2的RF功率模块，其中，硅半导体集成电路包括APC电路，所述APC电路包括用于将与RF功率模块的发射功率有关的输出功率检测信号与发射功率电平指示信号相互比较的比较器和用于将来自比较器的输出电压转换为偏置电流的电压-电流转换器，并且其中，来自APC电路的偏置电流和流入参考异质结双极晶体管的参考电流被输入到偏置电路的第二电流反射镜。
4.根据权利要求1的RF功率模块，其中化合物半导体集成电路的输出异质结双极晶体管和参考异质结双极晶体管为NPN型，并且其中硅半导体集成电路的偏置电路的第一电流反射镜的输入晶体管和输出晶体管为P沟道场效应晶体管。
5.根据权利要求2的RF功率模块，其中化合物半导体集成电路的输出异质结双极晶体管和参考异质结双极晶体管为NPN型，并且其中硅半导体集成电路的偏置电路的第一电流反射镜的输入晶体管和输出晶体管为P沟道场效应晶体管。
6.根据权利要求3的RF功率模块，其中化合物半导体集成电路的输出异质结双极晶体管和参考异质结双极晶体管为NPN型，并且其中硅半导体集成电路的偏置电路的第一电流反射镜的输入晶体管和输出晶体管为P沟道场效应晶体管。
7.根据权利要求1的RF功率模块，其中，化合物半导体集成电路的输出异质结双极晶体管包括用于输出第一频带的第一发射信号的第一输出异质结双极晶体管和用于输出第二频带的第二发射信号的第二输出异质结双极晶体管，其中，第一输出异质结双极晶体管和第二输出异质结双极晶体管通过与参考异质结双极晶体管相同的生产工艺被形成，并且其中，来自硅半导体集成电路的偏置电路的第一电流反射镜的输出端的输出偏置电流被提供到化合物半导体集成电路的第一和第二输出异质结双极晶体管的每一个的基极。
8.根据权利要求1的RF功率模块，其中，硅半导体集成电路的偏置电路包括用于在输出端产生预定参考基极电流的参考电流产生电路，并且其中，硅半导体集成电路的偏置电路的参考电流产生电路的输出端与连接到参考异质结双极晶体管的化合物半导体集成电路的外部参考输入端被相互电连接。
9.根据权利要求8的RF功率模块，其中，参考异质结双极晶体管的基极被连接到化合物半导体集成电路的外部参考输入端，来自硅半导体集成电路的偏置电路的参考电流产生电路的预定参考基极电流被提供到所述外部参考输入端，并且流入参考异质结双极晶体管的集电极和外部参考输出端的参考电流被提供到硅半导体集成电路的偏置电路的第一电流反射镜的输入端。
全文摘要
本发明针对根据HBT的接地发射极电流放大系数的随时间的变化、温度相关性、偏差等补偿RF功率模块的电特性。化合物半导体集成电路将取决于HBT的hFE的参考HBT的参考电流提供到硅半导体集成电路的偏置电路的第一电流反射镜的输入端。从硅半导体集成电路的第一电流反射镜的输出端，利用响应于HBT的hFE的减小而增大的偏置电流，化合物半导体集成电路的输出HBT的基极被偏置。
文档编号H03F3/21GK101026360SQ20071000171
公开日2007年8月29日 申请日期2007年1月12日 优先权日2006年2月17日
发明者弦卷宏和, 长井浩之, 古屋富男, 原泽良明, 田部井慎 申请人:株式会社瑞萨科技