功率放大模块的制作方法

本发明涉及功率放大模块。

背景技术：

在利用移动电话通信网的移动终端上，使用功率放大模块来对发送给基站的信号的功率进行放大。近年来，移动终端采用高速数据通信的标准即HSUPA(High Speed Uplink Packet Access-高速上行链路分组接入)或LTE(Long Term Evolution-长期演进)、LTE-Advanced(LTE的演进版)等调制方式。对于上述的通信标准，为了提高通信速度，减小相位或振幅的偏移变得很重要。即，对功率放大模块要求高线形性。此外，在上述通信标准下，为提高通信速度，大多数情况下信号的振幅变化范围(动态范围)变大。而且，即使在动态范围大的情况下，为了提高线形性，也需要较高的电源电压，功率放大模块的耗电量有变大的趋势。

另一方面，为了延长移动终端的通话或通信的可能时间，要求降低耗电量。例如，在专利文献1中公开了一种包络跟踪(ET:Envelope Tracking)方式，通过根据输入的调制信号的振幅等级来控制功率放大模块的电源电压，从而实现提高功效。例如，在专利文献2中公开了一种平均功率跟踪(APT:Average Power Tracking)方式，通过根据平均输出功率来控制功率放大模块的电源电压，从而实现提高功效。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特表2005－513943号公报

专利文献2：日本专利特表2015－512160号公报

技术实现要素：

发明所要解决的技术问题

ET方式通过被称为ET调制器的可升压电源IC来提供电源电压。另一方面，APT方式通过降压DCDC整流器来提供电源电压。因此，提供给使用锂离子电池的移动终端的功率放大模块的电源电压的最大值例如在ET方式的情况下为4.5V左右，在APT方式的情况下为3.4V左右。

若将电源电压设为V_CC,负载阻抗设为R_L，则功率放大模块的饱和输出功率P_OUT为P_OUT＝(1/2)×(V_CC²/R_L)。如上所述，在ET方式和APT方式中，电源电压V_CC具有不同的最大值。因此，在ET方式和APT方式中，为了获得相同的最大输出功率，ET方式和APT方式必须改变负载阻抗R_L。因而，需要分别设计ET方式的功率放大模块和APT方式的功率模块。

本发明是鉴于上述的问题而完成的，目的是提供一种应对ET方式以及APT方式两者的功率放大模块。

解决技术问题的技术方案

本发明的一个方面所涉及的功率放大模块包括：第一差动放大器～第四差动放大器，该第一差动放大器～第四差动放大器差动输入无线电频率信号，并差动输出将无线电频率信号放大后的放大信号；与第一差动放大器的差动输出连接的第一输入侧绕组；与第二差动放大器的差动输出连接的第二输入侧绕组；与第三差动放大器的差动输出连接的第三输入侧绕组；与第四差动放大器的差动输出连接的第四输入侧绕组；与第一输入侧绕组电磁耦合的第一输出侧绕组；与第二输入侧绕组电磁耦合的第二输出侧绕组；与第三输入侧绕组电磁耦合的第三输出侧绕组；与第四输入侧绕组电磁耦合的第四输出侧绕组；以及偏置电路，该偏置电路基于表示动作模式的模式信号，控制向第一差动放大器～第四差动放大器提供偏置电压，第一输出侧绕组～第四输出侧 绕组串联连接，各电磁耦合的输入侧绕组和输出侧绕组的匝数比为2：1，在动作模式为包络跟踪方式的情况下，偏置电路向第一差动放大器～第三差动放大器提供偏置电压，停止向第四差动放大器提供偏置电压。在动作模式为平均功率跟踪方式的情况下，向第一差动放大器～第四差动放大器提供偏置电压。

发明效果

根据本发明，通过控制差动放大器的输出阻抗，能提供一种应对ET方式以及APT方式两者的功率放大模块。

附图说明

图1是表示包含本发明的一个实施方式的功率放大模块的发送单元的结构例的图。

图2是表示电源电路的结构例的图。

图3是表示功率放大模块的结构例的图。

图4A是表示ET方式的情况下的输出匹配的状态的图。

图4B是表示将图4A所示的结构用发射极接地(或源极接地)放大电路来表示的结构的输出匹配的状态的图。

图5A是表示APT方式的情况下的输出匹配的状态的图。

图5B是表示将图5A所示的结构用发射极接地(或源极接地)放大电路来表示的结构的输出匹配的状态的图。

具体实施方式

以下，参照附图对于本发明的一个实施方式进行说明。图1是表示包含本发明的一个实施方式即功率放大模块的发送单元的结构例的图。发送单元100在例如移动电话等的移动通信设备上，用于向基站发送声音或数据等各种信号。本实施方式的发送 单元100对应于无线电频率(RF:Radio Frequency)的多个频带(多频带)。此外，移动通信设备还包括用于从基站接收信号的接收单元，但是此处省略说明。

如图1所示，发送单元100包括基带部110、RF部111、电源电路112、功率放大模块113、前端部114、以及天线115。

基带部110基于HSUPA或LTE等调制方式，调制声音或数据等输入信号，输出调制信号。在本实施方式中，从基带部110输出的调制信号作为在IQ平面上表示振幅及相位的IQ信号(I信号及Q信号)进行输出。IQ信号的频率为例如从数MHz至数10MHz左右。

此外，基带部110输出用于指示功率放大模块113的动作模式的模式信号MODE。在本实施方式中，功率放大模块113能通过ET方式(第一方式)及APT方式(第二方式)来进行动作。例如，基带部110能在功率放大模块113的输出为规定电平以上的情况下输出指示ET方式的模式信号MODE，能在功率放大模块113的输出小于规定电平的情况下输出指示APT方式的模式信号MODE。此外例如，基带部110能在ET方式动作时受电源电路112的噪声影响比较小的频带的情况下，输出指示ET方式的模式信号MODE，能在该噪声的影响较大的频带的情况下，输出指示APT方式的模式信号MODE。

此外，基带部110根据功率放大模块的动作方式输出用于控制电源电压的控制信号。具体地说，例如，在ET方式的情况下，基带部110基于IQ信号检测调制信号的振幅等级，向电源电路112输出电源控制信号CTRL_ET，使得提供给功率放大模块113的电源电压V_CC成为与RF信号的包络(振幅等级)对应的电平。此外，例如，在APT方式的情况下，基带部110向电源电路112输出电源控制信号CTRL_APT，使得提供给功率放大模块113的电源电压V_CC成为与功率放大模块113的平均输出功率对应的电平。

RF部111根据从基带部110输出的IQ信号，生成用于进行无线发送的RF信号(RF_IN)。RF信号例如是数百MHz至数GHz左右。此外，在RF部111中，可以不进 行从IQ信号向RF信号的直接转换，也可以将IQ信号转换成中间频率(IF:Intermediate Frequency)信号，再基于IF信号生成RF信号。

电源电路112基于模式信号MODE及电源控制信号CTRL_ET或CTRL_APT，从电池电压V_BAT生成电平与动作方式对应的电源电压V_CC，并向功率放大模块113提供。具体地说，电源电路112在ET方式的情况下，生成对应于电源控制信号CTRL_ET的电源电压V_CC。电源电路112在APT方式的情况下，生成对应于电源控制信号CTRL_APT的电源电压V_CC。关于电源电路112的详细情况在后文中阐述。

功率放大模块113基于从电源电路112提供的电源电压V_CC，将从RF部111输出的RF信号(RF_IN)的功率放大到为了向基站发送所必须的等级，并输出放大信号(RF_OUT)。关于功率放大模块113的详细情况在后文中阐述。

前端部114对放大信号(RF_OUT)进行滤波，对从基站接收到的接收信号进行开关等。从前端部114输出的放大信号经由天线115发送给基站。

图2是表示电源电路112的结构例的图。如图2所示那样，电源电路112包括线性放大器(LA)200、DCDC整流器210、高通滤波器(HPF)200、低通滤波器(LPF)230、偏置电路240、以及电容器250。

线性放大器200将电池电压V_BAT作为电源，输出将输入信号线性放大后得到的输出电压。

DCDC整流器210将电池电压V_BAT作为输入电压，输出将该输入电压降压后的电压。具体而言，在ET方式的情况下，DCDC整流器210输出与电源控制信号CTRL_ET相应的电压。在APT方式的情况下，DCDC整流器210输出与电源控制信号CTRL_APT相应的电压。

高通滤波器220是使电源控制信号CTRL_ET的高频分量通过的滤波器。低通滤波器230是使电源控制信号CTRL_ET的低频分量通过的滤波器。此外，电源控制信号CTRL_ET是与RF信号(RF_IN)的包络对应的信号。

偏置电路240向线性放大器200提供偏置电压。偏置电路240在ET方式的情况下提供偏置电压，在APT方式的情况下停止提供偏置电压。

电容器250是将从线性放大器200输出的电压和从DCDC整流器210输出的电压进行合成的合成电路。

对于电源电路112的动作的一个示例进行说明。

在ET方式情况下，偏置电路240向线性放大器200提供偏置电压。因而，线性放大器200和DCDC整流器210均进行动作。线性放大器200输出与经由高通滤波器220输入的电源控制信号CTRL_ET对应的电压。DCDC整流器210输出与经由低通滤波器230输入的电源控制信号CTRL_ET对应的电压。从线性放大器200输出的电压和从DCDC整流器210输出的电压通过电容器250合成，作为与RF信号(RF_IN)的包络对应的电源电压V_CC进行输出。在ET方式情况下输出的电源电压V_CC的范围是0.5V～4.5V左右。

在APT方式情况下，偏置电路240停止向线性放大器200提供偏置电压。因而，线性放大器200不进行动作，仅DCDC整流器210进行动作。DCDC整流器210输出与电源控制信号CTRL_APT对应的电压。而且，从DCDC整流器210输出的电压作为与平均输出功率对应的电源电压V_CC进行输出。在APT方式情况下输出的电源电压V_CC的范围是0.5V～3.4V左右。

图3是表示功率放大模块113的结构例的图。如图3所示，功率放大模块113包括差动放大器A11～A14、A21～A24、变压器TR1、TR2、TR3、以及偏置电路300、310。

差动放大器A11～A14、A21～A24分别包含晶体管的差分对、差动输出将向差分对差动输入的信号放大后的放大信号。晶体管可以是FET，也可以是双极晶体管(例如，异质结双极晶体管(HBT))。

差动放大器A11～A14的差动输入与变压器TR1的输出侧绕组L21～L24连接。差动放大器A11～A14的差动输出与变压器TR2的输入侧绕组L31～L34连接。相同地，差动放大器A21～A24(第一～第四差动放大器)的差动输入与变压器TR2的输出侧绕组L41～L44连接。差动放大器A21～A24的差动输出与变压器TR3的输入侧绕组L51～L54连接。

变压器TR1包括输入侧绕组L11、L12、L13、L14以及输出侧绕组L21、L22、L23、L24。输入侧绕组L11～L14串联连接，并且向输入侧绕组L11的一端输入RF信号(RF_IN)，输入侧绕组L14的一端接地。输入侧绕组L11及输出侧绕组L21电磁耦合。相同地，输入侧绕组L12～L14及输出侧绕组L22～L24也电磁耦合。因而，在变压器TR1中，与向输入侧绕组L11～L14输入的RF信号(RF_IN)对应的RF信号向输出侧绕组L21～L24输出。

变压器TR2包括输入侧绕组L31、L32、L33、L34以及输出侧绕组L41、L42、L43、L44。输入侧绕组L31及输出侧绕组L41电磁耦合。相同地，输入侧绕组L32～L34及输出侧绕组L42～L44也电磁耦合。因而，在变压器TR2中，与向输入侧绕组L31～L34输入的RF信号对应的RF信号向输出侧绕组L41～L44输出。此外，在输入侧绕组L31～L34的中点，施加向差动放大器A11～A14提供的电源电压V_CC。

变压器TR3包括输入侧绕组L51、L52、L53、L54(第一～第四输入侧绕组)以及输出侧绕组L61、L62、L63、L64(第一～第四输出侧绕组)。输出侧绕组L61～L64串联连接，输出侧绕组L64的一端接地。输入侧绕组L51及输出侧绕组L61电磁耦合。相同地，输入侧绕组L52～L54及输出侧绕组L62～L64也电磁耦合。因而，在变压器TR3中，与向输入侧绕组L51～L54输入的RF信号对应的RF信号(RF_OUT)从输出侧绕 组L61的一端输出。此外，在输入侧绕组L51～L54的中点，施加向差动放大器A21～A24提供的电源电压V_CC。输入侧绕组L51～L54及输出侧绕组L61～L64的匝数比分别是2:1。

偏置电路300向差动放大器A11～A14提供偏置电压。具体而言，在构成差动放大器的晶体管为FET的情况下，偏置电路300向FET的栅极提供偏置电压。例如，在构成差动放大器的晶体管为双极晶体管的情况下，偏置电路300向双极晶体管的基极提供偏置电压。

偏置电路310与偏置电路300相同，向差动放大器A21～A24提供偏置电压。但是，偏置电路310基于模式型号MODE控制提供偏置电压。具体而言，在ET方式的情况下，偏置电路310向差动放大器A21～A23提供偏置电压，停止向差动放大器A24提供偏置电压。在APT方式的情况下，偏置电路310向差动放大器A21～A24提供偏置电压。

功率放大模块113通过上述的结构，构成二级放大电路。即，差动放大器A11～A14构成第一级(驱动级)的放大电路，差动放大器A21～A24构成第二级(输出级)的放大电路。通过上述结构，功率放大模块113输出将RF信号(RF_IN)放大后的放大信号(RF_OUT)。功率放大模块113的放大电路的级数不限于两级，可以是一级，也可以是三级。但是，即使在任意的级数的情况下，对于最终级的放大电路，都进行偏置电路310的偏置电压的供给控制。

在功率放大模块113中，变压器TR1构成功率放大模块113的输入和第一级的放大电路的输入之间的匹配电路。相同地，变压器TR2构成第一级的放大电路的输出和第二级的放大电路的输入之间的匹配电路。变压器TR3构成第二级的放大电路的输出和功率放大模块113的输出之间的匹配电路(输出匹配)。

此处，对于功率放大模块113的负载阻抗进行说明。

首先，对于在ET方式的情况下的负载阻抗进行说明。

图4A是表示ET方式的情况下的输出匹配的状态的图。在ET方式的情况下，没有向差动放大器A24提供偏置电压，因此由差动放大器A21～A23这三个差动放大器进行动作。此处，若将差动放大器的差动输出的各个输出电压设为V_OUT，将输出电流设为I_OUT，则输入至各变压器的1次侧的电压为2×V_OUT，电流为I_OUT。根据变压器的匝数比(N₁:N₂)，变压比(V₁:V₂)以及变流比(I₁:I₂)的关系式：N₂/N₁＝V₂/V₁＝I₁/I₂，通过在匝数比2：1的各变压器上的转换，向2次侧输出的电压为V_OUT，电流为2×I_OUT为。而且，在2次侧，三个绕组串联连接，因此输出电压为3×V_OUT，输出电流为2×I_OUT。因而，该结构的负载阻抗R_LD为R_LD＝(3×V_OUT)/(2×I_OUT)。

图4B是表示将图4A所示的结构用发射极接地(或源极接地)放大电路来表示的结构的输出匹配的状态的图。在该结构中，输出电压为V_OUT，输出电流为6×I_OUT。因而，发射极接地(或源极接地)放大电路换算的负载阻抗R_LS为R_LS＝V_OUT/(6×I_OUT)＝(1/9)×{(3×V_OUT)/(2×I_OUT)}＝(1/9)×R_LD。因而，将R_LD设为50Ω，则R_LS约为5.6Ω。

接着，对于在APT方式的情况下的负载阻抗进行说明。

图5A是表示APT方式的情况下的输出匹配的状态的图。在APT方式的情况下，由差动放大器A21～A24这4个差动放大器进行动作。与图4A的情况相同，若将差动放大器的差动输出的各个输出电压设为V_OUT，将输出电流设为I_OUT，则输入至各变压器的1次侧的电压为2×V_OUT，电流为I_OUT。通过在匝数比2：1的变压器的转换，输出至2次侧的电压为V_OUT、电流为2×I_OUT。而且，在2次侧，四个绕组串联连接，因此输出电压为4×V_OUT，输出电流为2×I_OUT。因而，该结构的负载阻抗R_LD为R_LD＝(4×V_OUT)/(2×I_OUT)。

图5B是表示将图5A所示的结构用发射极接地(或源极接地)放大电路来表示的结构的输出匹配的状态的图。在该结构中，输出电压为V_OUT，输出电流为8×I_OUT。因 而，发射极接地(或源极接地)放大电路换算的负载阻抗R_LS为R_LS＝V_OUT/(8×I_OUT)＝(1/16)×{(4×V_OUT)/(2×I_OUT)}＝(1/16)×R_LD。因而，将R_LD设为50Ω，则R_LS约为3.1Ω。

如上所述，在功率放大模块113中，发射极接地(或源极接地)放大电路换算的负载阻抗在ET方式下约为5.6Ω，在APT方式下约为3.1Ω。若将电源电压V_CC的最大值在ET方式下设为4.5V、在APT方式下设为3.4V，则饱和输出功率P_OUT的最大值在ET方式下约为32.7dBm、在APT方式下约为32.6dBm。即，在功率放大模块113中，能使ET方式和APT方式下的最大输出功率基本相同。

此外，在该最大输出功率下，若将调制信号引起的峰值功率增长设为4.5dB，输出匹配引起的损耗设为1dB，则平均输出功率为27dBm左右。因而，到天线为止的损耗允许4dB，是适合面向蜂窝的设计。

上面是对本发明的示例性的实施方式进行了说明。根据功率放大模块113，在ET方式的情况下，向差动放大器A21～A23提供偏置电压，停止向差动放大器A24提供偏置电压。此外，在APT方式的情况下，向差动放大器A21～A24提供偏置电压。如上所述，通过偏置电压的供给控制，利用同一功率放大模块113，对发射极极低(或源极接地)放大电路换算的负载阻抗进行调整，能使ET方式和APT方式下的最大输出功率几乎相同。

由此，根据功率放大模块113，能通过模式信号MODE切换ET方式和APT方式。因而，例如，在接收频带和发送频带接近的频带中，在担心ET方式的噪声的影响的情况下，能对该频带进行APT方式的动作，而对其他频带进行ET方式的动作。

此外，在本实施方式的发送单元100中，电源电路112在ET方式及APT方式下兼用。因而，不需要另外设置电源电路，从而能抑制电路规模的增大。此外，在APT方式的情况下，线性放大器200的动作停止，因此能抑制耗电量的增加。

上述说明的各实施方式用于方便理解本发明，并不用于限定并解释本发明。在不脱离本发明的思想的前提下，可以对本发明变更或改良，并且本发明的等同发明也包含在本发明的范围内。即，本领域的技术人员在各实施方式上加以适当的设计变更，只要包含本发明的技术特征，也被包含在本发明的范围内。例如各实施方式具备的各要素及其配置、材料、条件、形状、尺寸等，不限于例示，能进行适当地变更。此外，各实施方式具备的各要素，能在技术上可能的范围内任意组合，这些组合只要包含本发明的技术特征也包含在本发明的范围内。

标号说明

100 发送单元

110 基带部

111 RF部

112 电源电路

113 功率放大模块

114 前端部

115 天线

200 线性放大器

210 DCDC整流器

220 高通滤波器

230 低通滤波器

240、300、310 偏置电路

250 电容器

A11、A12、A13、A14、A21、A22、A23、A24 差动放大器

TR1、TR2、TR3 变压器

L11、L12、L13、L14、L31、L32、L33、L34、L51、L52、L53、L54 输入侧绕组

L21、L22、L23、L24、L41、L42、L43、L44、L61、L62、L63、L64 输出侧绕组