根据移动通信的便携式电话，在其功能和结构以及降低成本方面 已经有显著进步，并且其需求量迅速增加。另外，根据用于便携式电 话的发射部分中的晶体管高频功率放大器，在这种情况下，需要小尺 寸、高效率和低成本。首先，由于高频功率放大器是在便携式电话中 功耗最大的器件，因此作为输出功率与消耗功率之比的效率(功率增 加效率)构成用于延长便携式电话的连续发射时间，即，通话时间中 的电池寿命的重要特征。
现在，对于高频功率放大器，考虑到使用移动电话的实际状态， 该高频功率放大器需要在下文所述的两个不同输出功率电平上具有高 效率。其中一个是在最大输出附近的高输出电平，具体来说大约为1W。 这是当便携式电话远离基站或者当例如在建筑物中无线电波难以到达 基站时所需的功率电平。另一个是在正常实际使用状态中具有较大使 用频率的10mW至100mW的较低输出电平。例如在日本专利 JP-A-336168/1995中公开一种实现高效率的常规高频功率放大器。
如图14中所示，该常规高频功率放大器是一种使用用于晶体管的 场效应晶体管(在下文中称为“FET”)的二级结构的放大器，其后 级由使用晶体管HA2的高输出的输出级100a和使用晶体管LA3的低 输出的输出级100b，并且它们被切换使用。另外，标号IA1表示初级 放大晶体管，标号IM1、M12、INM3、OM3和OM2表示匹配电路。 标号SW1至SW3表示分别由FET所构成的开关电路，其被插入与高 频信号路径相串联，用于执行切换高输出和低输出的操作。
晶体管放大器具有一种特性，其中当输出由晶体管的尺寸所决定 的最大输出时，其效率变为最高，因此通过使用尺寸分别对应于高输 出和低输出的晶体管，可以分别对高输出和低输出实现高效率。
在图14中的高频功率放大器基于该原理，通过使晶体管HA2大 于晶体管LA3，分别在高输出和低输出电平实现较高的功率增加效率。 也就是说，根据高频功率放大器，在高输出时间，晶体管IA1和HA2 进入工作状态，晶体管LA3进入不工作状态，开关电路SW1处于导 通状态，开关电路SW2和SW3截止，从而具有较大尺寸的末级的晶 体管HA3以高效率输出高功率。另外，在低输出时，晶体管IA1和 LA3进入工作状态，晶体管HA2进入不工作状态，开关电路SW1被 截止，开关电路SW2和SW3被导通，从而，在具有较小尺寸的末级 的具有较小尺寸的晶体管LA3以高效率输出低功率。
另外，尽管开关电路SW1和SW2没有对高效率的工作做出贡献， 但是开关电路SW1和SW2用于避免形成反馈回路而造成寄生振荡。 也就是说，当晶体管HA2进入工作状态时，开关电路SW2用于切断 输出级100b的电路，其中晶体管LA3进入不工作状态，不被电连接 在输出级100a的输出端和输入端之间，同时，当晶体管LA3进入工 作状态时，开关电路SW1用于切断输出级100a的电路，其中晶体管 HA2进入不工作状态，不被电连接在输出级100b的输出端和输入端 之间。
根据上述常规技术，当要进一步提高高频功率放大器的高效率时， 在与信号线串联的开关电路SW1至SW3中造成的功率损耗不能被忽 略。为了减少开关电路的损耗，需要减小开关电路的导通串联电阻， 也就是说要增大构成开关电路的FED的尺寸。当通常把三个开关电路 和用于放大的晶体管被安装到一个半导体芯片(半导体片状器件)上 时，这种开关电路的增大对于通过减小半导体芯片尺寸而降低成本的 目的相背。
本发明的目的是提供一种小尺寸的高频功率放大器，通过少量的 开关电路而防止振荡并且输出高功率和低功率的高频信号，还提供一 种高频功率放大器模块和便携式电话。

用于实现上述目的的根据本发明的高频功率放大器的特征在于包 括相并联的放大电路A(第一放大电路)和放大电路B(第二放大电 路)，其中在放大电路B的输出级上的晶体管的尺寸等于或小于在放 大电路A的输出级上的晶体管的尺寸的1/4，以及开关电路连接在从 放大电路A的输出级引出的信号线与接地端之间。另外，当构成放大 电路B的晶体管进入不工作状态并且开关电路截止时，放大电路A输 出高功率的高频信号，以及当构成放大电路A的晶体管进入不工作状 态并且开关电路导通时，放大电路B输出低功率的高频信号。
通过上述结构，不需要与信号线串连的用于开关的开关电路，并 且能够以常规例子更高的效率输出高功率和低功率。这样的效果可以 通过在输出级安装上述开关电路并且设置晶体管的尺寸而实现。
也就是说，在低输出时，通过使连接到高输出侧上的信号线的开 关电路导通并且接地，不形成反馈回路，并且避免寄生振荡。同时， 根据放大电路B的输出级的晶体管，当该晶体管进入不工作状态时， 由于其尺寸较小，因此寄生电容较小。从而，在高输出时，通过由在 不工作状态的晶体管的较小寄生电容造成高阻抗，因此不形成导致寄 生振荡的反馈回路，并且可以避免寄生振荡。为了避免寄生振荡，最 好在放大电路B的输出级上的晶体管上的尺寸等于或小于放大电路A 的晶体管的尺寸的1/4。
另外，该开关电路由晶体管所构成，因此开关电路可以与用于放 大的晶体管一同集成到相同的半导体芯片上。另外，根据本发明，开 关电路用于避免寄生振荡，不需要用于开关的多个开关电路，因此可 以使半导体芯片的面积比常规例子更小。从而，可以减小高频功率放 大器。
另外，对于开关电路的位置，根据本发明的研究，特别是当开关 电路置于输出级晶体管的输出端与接地端之间或者在初级和输出级之 间的匹配电路和接地端之间时，有效地抑制寄生振荡。
附图说明
图1为用于说明根据本发明的高频功率放大器的第一实施例的结 构图；
图2为用于说明根据第一实施例的构成高频功率放大器的开关电 路部分和输出晶体管的电路图；
图3为用于说明根据本发明的高频功率放大器的稳定常数的曲线 图；
图4为用于说明根据本发明的高频功率放大器的稳定常数的另一 个曲线图；
图5为用于说明根据本发明的高频功率放大器的效率的曲线图；
图6为根据本发明的高频功率放大器的稳定常数的另一个曲线 图；
图7为用于说明根据本发明的高频功率放大器的第二实施例的结 构图；
图8为用于说明根据第二实施例的高输出侧上的放大电路的基本 部分的电路图；
图9为用于说明根据第二实施例的低输出侧上的放大电路的基本 部分的电路图；
图10为用于说明根据第二实施例的在高输出侧上的放大电路的 基本部分的平面视图；
图11为用于说明根据第二实施例的高频功率放大器的操作的示 意图；
图12为用于说明使用根据本发明的高频功率放大器的便携式电 话的结构图；
图13为用于说明使用根据本发明的高频功率放大器的其它便携 式电话的结构图；以及
图14为用于说明根据现有技术的高频功率放大器的结构图。

下面将参照附图中所示的本发明的实施例，给出根据本发明高频 功率放大器、高频功率放大器模块和便携式电话的进一步的详细描述。
实施例
(实施例1)
下面将参照图1至图6给出本发明的第一实施例的描述。图1为 一种高频功率放大器的结构图，图2为基本部分的电路图，图3、4和 6为用于说明本发明的工作的曲线图，以及图5为示出本发明的效果 的曲线图。
在图1中，标号1A表示在高输出侧上的放大电路，标号1B表示 在低输出侧上的放大电路，放大电路1A和放大电路1B的输入线在节 点n11处相互连接，并且其输出线在节点n22处相互连接。高输出侧 放大电路1A通过串联输入匹配电路M1A、初级放大晶体管A1A、中 级匹配电路M2A、输出级放大晶体管A2A和输出匹配电路M3A，并 且通过连接在连接匹配电路M2A和输出级晶体管A2A的信号线与接 地端之间的二极管所构成的开关电路SW10所构成。
图2示出二极管开关电路SW10及其外围电路。开关电路SW10 连接到输出级晶体管A2A的输入端RFIN，并且与接地端之间短路/ 开路。高频特性优良的异质结双极型晶体管被用于输出级晶体管A2A 和开关电路SW10中。
另外，低输出侧放大电路1B是通过串联输入匹配电路M1B、初 级放大晶体管A1B、中级匹配电路M2B、输出级放大晶体管A2B和 输出匹配电路M3B所构成。
输出级晶体管A2B的尺寸被设置为等于或小于输出级晶体管 A2A的尺寸的1/4。作为一个例子，通过由具有尺寸为4微米×30微 米的发射极的晶体管构造一个单元，该输出级晶体管A2A由36片的 单元晶体管所构成，并且该输出级晶体管A2B由6片单元晶体管所构 成。
接着，将给出放大电路1A和1B的操作的描述。在操作放大电路 1A中，通过使控制端Vsw10变为低电平(LOW)而使开关电路SW10 截止，以及在放大电路1B中，通过使初级放大晶体管A1B的控制端 Vb3和输出级放大晶体管A2B的控制端Vb4变为低电平，而使晶体管 A1B和A2B进入不工作状态。晶体管A1B的电源端Vc3和晶体管A2B 的电源端Vc4可以被提供电源电压或者不被提供电源电压。
在上述状态下输入到输入端IN的信号被放大电路1A的初级放大 晶体管A1A(其控制端Vb1变为高电平(HIGH)并且电源端Vc1被 提供电源电压)和输出级放大晶体管A2A(其控制端Vb2变为高电平 并且电源端Vc2被提供电源电压)放大到所需输出功率。在这种情况 下，开关电路SW10进入截止状态，其阻抗远高于信号线的阻抗，因 此几乎不造成功率损耗。
另外，在操作放大电路1B中，在放大电路1A中，通过使控制端 Vsw10变为高电平而使开关电路SW10导通，并且通过使控制端Vb1 和Vb2变为低电平，而使晶体管A1A和A2A进入不工作状态。初级 晶体管A1A的电源端Vc1和输出级晶体管A2A的电源端Vc2可以被 提供电源电压，或者不被提供电源电压。
在上述状态中输入到输入端IN的信号被放大电路1B的初级放大 晶体管A1B(其控制端Vb3变为高电平并且电源端Vc3被提供电源电 压)和输出级放大晶体管A2B(其控制端Vb4变为高电平并且电源端 Vc4被提供电源电压)放大到所需输出功率。尽管在这种情况下二极 管开关电路SW10进入导通状态，二极管开关电路SW10被置于其两 侧的处于不工作状态的晶体管A1A和A2A所隔离，因此几乎不造成 功率损耗。
接着，通过如下操作抑制由反馈回路所导致的寄生振荡。首先， 在操作放大电路1A中，根据本发明人的研究，进入不工作状态的放 大电路1B的输出级放大晶体管A2B的寄生电容的大小对抑制寄生振 荡起主要作用。图3示出当在不工作状态的晶体管A2B的基极和集电 极之间的寄生电容Coff为各个数值时，放大电路的总的稳定常数K因 子(用在0至10GHz范围中的最小值Kmin作为一个代表值)的模拟 结果。K因子是基于反馈回路增益的倒数(inverse number)的一个 参数，并且当K因子等于或大于1时，该电路不振荡而是稳定的。
如图3所示，当晶体管A2B的寄生电容Coff等于或小于0.6pF 时，稳定常数Kmin作为等于或大于1，也就是说，可以稳定该放大 电路并且可以抑制寄生振荡，为了实现该寄生电容值，晶体管A2B可 以由9个或更少的单元晶体管所构成，换句话说，通过构造尺寸等于 或小于由36个单元晶体管所构成的晶体管A2A的尺寸的1/4的晶体 管，可以抑制寄生振荡。
接着，在操作放大电路1B中，进入导通状态开关电路SW10的 串联电阻的大小对抑制寄生振荡起主要作用。图4示出当开关电路 SW10的串联电阻Rshant被改变时，放大电路的总的稳定常数K因子 (用在0至10GHz范围中的最小值Kmin作为一个代表值)的模拟结 果。如图4中所示，当开关电路S10的串联电阻值等于或小于15欧时， 稳定常数Kmin可以等于或大于1。也就是说，放大电路1B可以被稳 定，并且可以抑制放大电路的寄生振荡。作为一个例子，串联电阻的 数值可以通过使用在图2中所示的二极管开关电路SW10的具有4微 米×30微米的发射极尺寸的单个异质双极型晶体管，并且用其基极和 集电极之间的二极管来实现。
图5示出当提供上述开关电路SW10时的实施例的放大特性。而 在操作放大电路1B中，当不提供开关电路SW10时，在2GHx和3GHz 的附近出现振荡现象，当提供开关电路SW10时，没有这样的不稳定 操作，并且已经发现该寄生振荡被充分地抑制。另外，使1毫安的电 流流过该二极管开关电路SW10，并且在这种情况下的串联电阻值大 约为10欧。
图6示出当一个晶体管的基极和集电极之间的二极管(BC二极 管)被用作为该二极管开关电路SW10时，以及当使用在基极和发射 极之间的二极管(BE二极管)时，放大电路1B的稳定常数K因子(用 在0至10GHz范围中的最小值Kmin作为一个代表值)的模拟结果。 在此，在这两种情况中，提供单个晶体管，并且其集电极的尺寸为4 微米×30微米。
为了使稳定常数Kmin等于或大于1，在BE二极管的情况中，需 要使等于或大于2毫安的电流流过，在BC二极管的情况中，在0.1 毫安至2毫安范围内的电流则足够大。考虑到这种结果，通过在开关 电路SW10处使用BC二极管，可以通过低电流来抑制放大电路1B的 振荡，并且可以获得构造具有更高效率的功率放大器的效果。另外， 该电流可以是低电流，因此可以减小二极管开关电路SW10。根据本 实施例，在放大电路1A的晶体管A1A至晶体管A2A之间的部分(包 括开关电路SW10和匹配电路M2A)以及放大电路1B的晶体管A1B 至晶体管A2B之间的部分(包括匹配电路M2B)分别可以集成到单 片半导体片状器件(半导体芯片)上。在这种情况中，由于可以减小 开关电路SW10的尺寸，因此可以实现减小半导体片状器件和减小成 本的效果。
另外，尽管在图1中，二极管开关电路SW10的一部分构成输出 状态放大晶体管A2A的输入节点，但是本发明不限于此，而是二极管 开关电路SW10可以连接在从包括在匹配电路M2A的内部的信号节 点的输出级晶体管A2A引出的信号线与接地端节点之间，也就是说可 以在高输出侧上的放大电路1A的信号线的任何位置与接地端节点之 间。在这种情况中，尽管开关电路的串联电阻值需要低于图6中所示 的情况，但是可以抑制寄生振荡。
另外，尽管稳定性常数K因子要等于或大于1，当考虑到容差等 等而采用较高的K因子时，可以通过排列多个开关电路而处理高K因 子。
另外，在图1中，构成高频功率放大器的有源元件可以由例如 HEMT(高电子活动度晶体管)等等这样的化合物半导体场效应晶体 管所构成。在这种情况中，可以通过施加到栅极端的电压来执行晶体 管的工作/不工作的控制，因此可以取消当使用双极型晶体管时所需的 偏压电路，并且可以简化高频功率放大器的设计。
另外，可以通过例如Si-MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体 管)这样的硅场效应晶体管等等或者硅双极型晶体管来构成高频功率 放大器的有源元件。在这种情况中，可以通过便宜的大直径的硅晶片 进行处理，因此能够以较低成本提供该高频放大器。
另外，尽管在图1中，放大电路1A和1B分别由具有初级和输出 级的两级放大电路所构成，但是放大电路1A和1B可以分别由三级或 更多级的放大电路所构成。当构成二级放大电路时，该二级放大电路 最好用于需要22至27dB的功率增益的N-CDMA(窄带-码分多址) 系统或者W-CDMA(宽带-码分多址)系统，并且当构成三级放大电 路时，该三级放大电路最好用于需要更大的功率增益(32至35dB) 的GSM(全球移动通信)系统或DCS(数字通信系统)系统中。
(实施例2)
下面参照图7至图11描述第二实施例。根据实施例2，在此使用 上文所述的实施例1作为基本结构，其由异质结双极型晶体管电路所 构成，从而具体构成用于W-CDMA便携式电话的高频功率放大器。 图7为高频功率放大器模块的总电路图。图8和9为在图7中的高频 功率放大器的部分的详细电路图，图10为当图8中所示的电路具体形 成在一个半导体片状器件上时的布置图。图11为用于说明高频功率放 大器的控制操作的方法的表格，以及图12和13为使用高频功率放大 器的便携式电话的结构图。
在图7中，标号P1和P2表示包括砷化镓基片的半导体片状器件， 其安装在由陶瓷构成的模块板上，并且连接到该模块板上的无源元件 电路。输入匹配电路包括形成在该模块板上的芯片电容器CM1和 CM2、芯片电感器LM1、以及微带线SL1和SL2。输出匹配电路包括 形成在该模块板上的芯片电容器CM7至CM10、芯片电感器LM4、 微带线SL6和SL7。
从电源端Vcc到晶体管的电源线包括微带线SL3、SL4和SL5以 及用于旁路电容器的芯片电容器CB1和CB2。作为高频功率放大器模 块的端子，在此提供输入节点IN、输出节点OUT、电源端Vcc、用于 偏压电路的电源端Vcc_bias、工作模式切换端Vmode以及放大电路的 工作偏压控制端Vreg。高频功率放大器Mj通过上述安装而形成。
图8和图10示出在高输出端上的放大电路的基本部分。在图8和 图10中，标号Q1表示初级放大晶体管，以及标号Q2表示输出级放 大晶体管。通过分别构造4微米×30微米的单元晶体管的发射极尺寸， 输入放大晶体管Q1由6个单元晶体管所构成，并且输出级放大晶体 管Q2由36个单元晶体管所构成。晶体管Q1和Q2除了单元晶体管 之外还包括用于分离直流和射频信号的电容器和电阻器，以及用于镇 流的串联电阻。标号SW10表示开关电路，并且晶体管的基极和集电 极之间的二极管用作为该开关电路。用于二极管的晶体管是具有4微 米×30微米的发射极尺寸的单片晶体管。级间匹配电路M2A包括 MIM(金属-绝缘体-金属)电容元件CM3和CM4以及螺旋电感元件 LM2。标号CK1表示用于把基极偏流提供给晶体管Q1和Q2的偏置 电路。图8中所示的所有元件被形成在相同的半导体片状器件P1上。
图9示出在低输出侧上的放大电路的基本部分。在图9中，标号 Q3表示初级放大晶体管，以及标号Q4表示输出级放大晶体管。通过 构造4微米×30微米的单元晶体管的发射极尺寸，输入放大晶体管 Q3和输出级放大晶体管Q4都由6个单元晶体管所构成。晶体管Q3 和Q4除了单元晶体管之外还包括用于分离直流和高频信号的电容器 和电阻器。级间匹配电路M2B包括MIM(金属-绝缘体-金属)电容 元件CM5和CM6以及螺旋电感元件LM3。标号CK2表示用于把基 极偏流提供给晶体管Q3和Q4的偏置电路。图9中所示的所有元件被 形成在相同的半导体片状器件P2上。
接着，将参照图11描述高频功率放大器模块的控制操作的方法。 首先，在高输出时，操作模式切换端Vmode被提供低电平的电压(低 电平)，并且操作偏压控制端Vreg被提供高电平的所需电压(高电平)。 通过该控制，在高输出侧上的放大晶体管Q1和Q2进入工作状态，并 且在低输出侧上的放大晶体管Q3和Q4进入不工作状态，并且二极管 开关电路SW10进入截止状态。从而，在高输出侧上的放大电路工作。
在低输出时，操作模式切换端Vmode被提供高电平的电压，并且 操作偏压控制端Vreg被提供高电平的所需电压。通过该控制，在低输 出侧上的放大晶体管Q3和Q4进入工作状态，并且在高输出侧上的放 大晶体管Q1和Q2进入不工作状态，并且二极管开关电路SW10进入 导通状态。从而，在低输出侧上的放大电路工作。这种情况下，可以 由进入导通状态的开关电路SW10防止由通过进入不工作状态的高输 入侧上的放大电路的反馈回路产生振荡。
在功率放大器待机时，在低电平的电压被提供到工作模式切换端 Vmode和工作偏压控制端Vreg。通过该控制，所有放大晶体管Q1至 Q4进入不工作状态，并且二极管开关电路SW10进入截止状态。另外， 进入偏置电路CK1和CK2的端电流为0的状态。因此，在待机时间 的消耗电流被最小化。
另外，避免把高电平的电压施加到操作模式切换端Vmode，以及 避免把低电平的电压施加到操作偏压控制端Vreg。从而，避免出现仅 仅使二极管开关电路SW10导通的状态，并且防止浪费的电流消耗。
接着，将参照图12说明使用根据实施例2的高频功率放大器模块 的便携式电话的结构。图12中的便携式电话用于W-CDMA系统中。 该便携式电话包括基带电路BB、接收系统电路Rx，发射系统电路Tx 以及天线系统ANT。另外，发射系统电路Tx包括发射本机振荡器LO、 向上变换器UpConv、自动增益控制放大器AGC和功率放大器PA。 通过把实施例2的高频功率放大器模块应用于功率放大器PA并且把 来自基带电路BB的控制信号给予控制端Vreg和控制端Vmode，从 而执行开关操作。另外，对于控制端Vreg和控制端Vmode的控制信 号，最好以由基带电路BB再现/确定来自基站的输出功率的所需数值 并且操作相互协作的自动增益控制放大器AGC和功率放大器PA的形 式，形成控制信号。
接着参照图13描述使用根据实施例2的高频功率放大器模块的其 它便携式电话的结构。图13中所示的便携式电话是一种能够用于 GSM、DCS和W-CDMA这三种系统中的复合系统的便携式电话。该 便携式电话包括基带电路BB、接收系统电路Rx，高频电路RF-IC、 发射系统电路以及天线系统ANT。
其中，W-CDMA系统的发射系统电路或发射本机振荡器L0、向 上变换器UpConv、自动增益控制放大器AGC和功率放大器PA1，如 图13中所示。通过把根据实施例2的高频功率放大器模块应用于功率 放大器PA1，并且把来自基带电路BB的控制信号给予控制端Vreg的 控制端Vmode。另外，对于到达控制端Vreg和控制端Vmode的控制 信号，最好通过由基带电路BB再现/确定来自基站的输出功率的所需 数值并且操作相互协作的自动增益控制放大器AGC和功率放大器 PA，以形成控制信号。另外，在此分别使用分离的功率放大器PA2 和PA3用于GSM系统的发射系统电路和DCS系统的发射系统电路。 由功率放大器所放大的输出功率通过天线开关Ant.SW1和Ant.SW2 以及双工器Dip由构成三频率波合成器的三发射机复用器Triplexer 提供到天线Ant。
根据上述便携式电话，通过使用根据本发明的高频功率放大器， 可以实现以高效率和低功耗以及小尺寸的装置输出高功率和低功率。
根据本发明，通过提供用于避免振荡的开关电路，可以取消串联 插入在电路中的开关电路，因此可以实现以高效率和低成本的小尺寸 高频功率放大器以及其模块输出高功率和低功率。通过采用高频功率 放大器模块，可以实现具有高效率的小尺寸便携式电话。