一種平衡散熱的多模功率放大器及其移動(dòng)終端的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本實(shí)用新型涉及射頻功率放大器，具體的說(shuō)是一種高效率高線性度的兼容3G及4G應(yīng)用的能夠平衡散熱的多模功率放大器及其移動(dòng)終端。
【背景技術(shù)】
[0002]射頻發(fā)射前端模塊是射頻終端器件實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸?shù)年P(guān)鍵元器件。當(dāng)前隨著全球無(wú)線通信用戶的快速增長(zhǎng)及用戶對(duì)無(wú)線通信的更高端的體驗(yàn)需求，市場(chǎng)對(duì)無(wú)線通信的帶寬的需求快速增長(zhǎng)。為了解決這種市場(chǎng)需求，全球開(kāi)放出來(lái)的專用無(wú)線通信頻段越來(lái)越多并且越來(lái)越擁擠。頻段利用率高的調(diào)制解調(diào)方式，例如:3G的寬帶碼分多址(Wideband CodeDivis1n Multiple Access ,WCDMA)，帶碼分多址(Code Divis1n Multiple Access ,CDMA)，時(shí)分同步碼分多址(Time Divis1n Synchronous Code Divis1n MultipleAccess,TD-SCDMA)，以及逐漸取代3G技術(shù)成為市場(chǎng)主流的4G技術(shù)的Long term evolut1n,LTE包括成對(duì)頻譜模式(Frequency domain duplexing，F(xiàn)DD)及非成對(duì)頻譜模式(Timedomain dupleXing，TDD)。這些頻段利用率高的各種調(diào)制解調(diào)方式都對(duì)無(wú)線通信終端提出更高的要求，例如:高質(zhì)量的語(yǔ)音通話，減少數(shù)據(jù)通信中的錯(cuò)誤，快速的語(yǔ)音數(shù)據(jù)傳輸?shù)那袚Q，等等。對(duì)于射頻發(fā)射前端的主力元器件射頻功率放大器及其模塊來(lái)說(shuō)，就意味著在新的頻段利用率高的調(diào)制解調(diào)方式下，功率放大器必須具有較高的線性度來(lái)保障射頻信號(hào)能夠放大傳輸并且能夠盡量少信號(hào)失真。一般功率放大器的高線性度意味著降低其輸出功率來(lái)減少輸出晶體管器件的非線性諧波的產(chǎn)生，這導(dǎo)致了功率放大器不能工作在其高輸出功率以及最高效率區(qū)間。此外由于無(wú)線移動(dòng)終端與基站的距離遠(yuǎn)近變化會(huì)導(dǎo)致基站對(duì)接收信號(hào)強(qiáng)度需求變化，一般在遠(yuǎn)距離需要高功率時(shí)射頻功率放大器效率較高，在較近距離需要較低功率時(shí)功率放大器效率較低。較低的放大器效率會(huì)導(dǎo)致手機(jī)發(fā)熱，嚴(yán)重影響手機(jī)續(xù)航時(shí)間。因此，多模功率放大器需要為射頻功率放大器的偏置電路設(shè)計(jì)至少兩種或兩種以上的模式使得在不同輸出功率下，射頻功率放大器都有較高的效率。
[0003]市場(chǎng)現(xiàn)有的射頻多模功率放大器以及包含該多模功率放大器的射頻前端模塊主要有以下兩種。圖1顯示的三路功率放大器102/106/109分別代表高功率/中功率/低功率的射頻放大通路中的放大器單元，104/108/111分別代表三路各自的射頻開(kāi)關(guān)。高功率輸出時(shí)，102/104開(kāi)通，射頻信號(hào)能經(jīng)過(guò)102放大并且通過(guò)輸出匹配電路103最優(yōu)化的傳輸?shù)缴漕l開(kāi)關(guān)104后傳輸?shù)教炀€。中功率輸出時(shí)，106/108開(kāi)通，射頻信號(hào)能經(jīng)過(guò)106放大并且通過(guò)輸出匹配電路107最優(yōu)化的傳輸?shù)缴漕l開(kāi)關(guān)108后傳輸?shù)教炀€。低功率輸出時(shí)，109/111開(kāi)通，射頻信號(hào)能經(jīng)過(guò)109放大并且通過(guò)輸出匹配電路110最優(yōu)化的傳輸?shù)缴漕l開(kāi)關(guān)111后傳輸?shù)教炀€。三種輸出通路各自獨(dú)立，所以可以各自優(yōu)化以達(dá)到在不同輸出功率下的最佳性能。三種通路其中優(yōu)化的參數(shù)包括功率放大器102/106/109以及射頻開(kāi)關(guān)104/108/111均可采用不同設(shè)計(jì)，輸出匹配電路103/107/110均可以分別為不同功率輸出設(shè)計(jì)優(yōu)化到不同的匹配阻抗。在既定輸出功率時(shí)，功率模式控制電路提供偏置電壓開(kāi)通一路通路，其中包括功率放大器PA及相應(yīng)通路的射頻開(kāi)關(guān)SW，同時(shí)關(guān)閉另外兩路通路。但是該方案因?yàn)椴捎萌齻€(gè)功率放大器以及三個(gè)射頻開(kāi)關(guān)芯片，大大增加了模塊的面積以及產(chǎn)品的成本。這種電路的集成性能較低，不能滿足手機(jī)部件小型化的需求，已經(jīng)逐漸被市場(chǎng)淘汰。
[0004]圖2顯示的是市場(chǎng)常見(jiàn)的無(wú)射頻開(kāi)關(guān)高低雙模功率放大器及其模塊，202及203代表高功率射頻放大通路中的第一級(jí)以及第二級(jí)放大器，204及205代表低功率的射頻放大通路中的第一級(jí)以及第二級(jí)放大器，206/207/208分別代表阻抗匹配單元。高功率輸出時(shí)，202/203開(kāi)通，射頻信號(hào)能經(jīng)過(guò)202/203級(jí)聯(lián)放大并且通過(guò)輸出匹配電路206/207及輸出匹配電路209最優(yōu)化的傳輸?shù)教炀€。低功率輸出時(shí)，204/205開(kāi)通，射頻信號(hào)能經(jīng)過(guò)204/205級(jí)聯(lián)放大并且通過(guò)輸出匹配電路206/208及輸出匹配電路209最優(yōu)化的傳輸?shù)教炀€。這高低兩種功率輸出通路并非各自獨(dú)立，所以不能如同圖1的方案能夠可以各自功率通路優(yōu)化以達(dá)到在不同輸出功率下的最佳性能，設(shè)計(jì)中不但要考慮到開(kāi)通路的負(fù)載優(yōu)化，還需要考慮到關(guān)閉路電路的存在對(duì)開(kāi)通路的負(fù)載影響。第二種方案是種無(wú)射頻開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)，相比于第一種方案，其優(yōu)勢(shì)是芯片面積小，成本低，已經(jīng)成為市場(chǎng)同類產(chǎn)品的主流。但是由于采用了至少兩個(gè)一級(jí)放大器和至少兩個(gè)二級(jí)放大器放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)多功率的控制，放大器芯片沒(méi)有得到較好的重復(fù)利用。
[0005]以上兩種方案的功率放大器一般采用GaAsHBT的工藝，功率模式控制電路通常是CMOS工藝，輸出匹配電路可以采用無(wú)源分立元件或半導(dǎo)體無(wú)源器件。第一種方案中的射頻開(kāi)關(guān)通常是采用GaAs pHEMT工藝或是SOI技術(shù)。
[0006]市場(chǎng)現(xiàn)有功率放大器的輸出級(jí)放大電路接地設(shè)計(jì)一般如圖3所示。圖3中301，302，……，30(N-1)，30N到331,332,……，33(N_1)，33N(其中N是整數(shù))顯示了所有的基本放大電路單元，每個(gè)基本放大單元可以由單晶體管組成也可能由多個(gè)更小的基本放大單元并聯(lián)組成。341-344代表功率放大器芯片上的地GND，在GaAs HBT或是pHEMT工藝?yán)锸峭ㄟ^(guò)晶圓襯底的晶圓貫通接地TWV，在LDMOS工藝?yán)锸巧疃葥诫s的半導(dǎo)體，在CMOS工藝?yán)锟赡苁峭ㄟ^(guò)晶圓襯底的晶圓貫通接地TWV也可能是通過(guò)bond pad飛線到基板上的地線。351，352，……，35(K-1)，35K(其中K是整數(shù))代表了放大器射頻輸出的芯片上焊盤bond pad，輸出放大電路的電壓連接以及射頻輸出都是通過(guò)這K個(gè)芯片上焊盤bond pad飛線連接到放大器的負(fù)載輸出匹配網(wǎng)絡(luò)。放大電路中的N個(gè)基本放大單元并聯(lián)通過(guò)HBT的發(fā)射極或是pHEMT/LDMOS/CMOS的柵極連接到地GND形成一個(gè)N單元的陣列。一般有至少4個(gè)這樣的陣列連接方法如圖3所示，這至少四個(gè)陣列共同組成放大器輸出級(jí)放大電路。地GND分成兩組，341/342為一組，343/344為另一組，每組分別連接兩個(gè)陣列的每個(gè)基本放大單元的發(fā)射極或柵極。兩組地GND的位置與351-35K的射頻輸出芯片上焊盤bond pad成垂直方向。每個(gè)陣列中基本放大單元的集電極或漏級(jí)通過(guò)芯片工藝中的金屬連接到射頻輸出的芯片上焊盤bond pad 351-35K如圖3所示。這種連接方法普遍用于飽和放大器的設(shè)計(jì)之中，也應(yīng)用于一些線性放大器的設(shè)計(jì)。但是這種設(shè)計(jì)方案的缺點(diǎn)是由于四陣列基本放大單元分成兩組，導(dǎo)致各個(gè)基本放大單元到地的電感以及導(dǎo)熱很不均衡，引起射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)四陣列基本放大單元放大后的相值也難以保持一致，從而導(dǎo)致功率放大器的線性度以及效率難以達(dá)到優(yōu)化。
[0007]另一種市場(chǎng)常見(jiàn)的線性功率放大器的電路接地設(shè)計(jì)一般如圖4所示。圖4中401，402，……，40 (P-1)，40P(其中P是整數(shù))是市場(chǎng)常見(jiàn)的線性功率放大器輸出級(jí)放大電路中的基本放大單元，每個(gè)單元可以由單晶體管組成也可能由多個(gè)更小的基本放大單元并聯(lián)組成。411，412，……，41(X-1)，41X(其中X是整數(shù))代表功率放大器芯片上的地GND，在GaAsHBT或是pHEMT工藝?yán)锸峭ㄟ^(guò)晶圓襯底的晶圓貫通接地TWV，在LDMOS工藝?yán)锸巧疃葥诫s的半導(dǎo)體，在CMOS工藝?yán)锟赡苁峭ㄟ^(guò)晶圓襯底的晶圓貫通接地TWV也可能是通過(guò)芯片上焊盤bond pad飛線到基板上的地線。421，422，……，42(J_1)，42J(其中J是整數(shù))代表了放大器射頻輸出的芯片上焊盤bond pad，輸出放大電路的電壓連接以及射頻輸出都是通過(guò)這J個(gè)芯片上焊盤bond pad飛線連接到放大器的負(fù)載輸出匹配網(wǎng)絡(luò)。M個(gè)放大電路基本單元并聯(lián)通過(guò)HBT的發(fā)射極或是pHEMT/LDMOS/CMOS的柵極連接到地GND形成一個(gè)M單元的陣列，一般有I個(gè)這樣的陣列連接方法如圖4所示。這一個(gè)陣列組成放大器輸出級(jí)放大電路。GND(411-41X)排列成一組，連接唯一陣列的所有放大單元的發(fā)射極和柵極。該GND組與421-42J的射頻輸出芯片上焊盤bond pad成平行方向。每個(gè)陣列中基本放大單元的集電極或漏極通過(guò)芯片工藝中的金屬連接到射頻輸出的Vcc/RFout的芯片上焊盤bond pad 421-42J如圖4所示。這種連接方法普遍用于線性放大器的設(shè)計(jì)。但是這種設(shè)計(jì)方案的缺點(diǎn)是由于單陣列基本放大單元排列在地線的一端，所以單列中包含較多個(gè)基本放大單元，例如同等功率輸出要求下與圖3中的方案相比，可能圖4中該單列中的基本放大單元的數(shù)量是圖3中的單列基本放大單元數(shù)量的4倍(X = 4N)，這樣兩側(cè)的基本放大單元到地的電感以及導(dǎo)熱都與單陣列中間的基本放大單元很不均衡，從而導(dǎo)致功率放大器的線性度以及效率難以達(dá)到優(yōu)化。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0008]本實(shí)用新型為