DE102009051627B4 - Mehrschichtverstärkermodul - Google Patents

Abstract

Verstärkermodul, umfassend – eine integrierte Schaltungsvorrichtung (IC) mit einer ersten Verstärkerschaltung (PAC1), die mit einem ersten Eingangsanschluss (TIN1) verbunden ist, wobei die Verstärkerschaltung eine Anzahl x erster Verstärkerzweige (B1x) aufweist, die mit dem ersten Eingangsanschluss verbunden sind, – eine Anzahl y erster Ausgangsanschlüsse (TXOUT1y), die jeweils einem jeweiligen TX-Frequenzband zugewiesen sind, – eine erste Schalteinheit (SW), die unabhängig einen beliebigen oder mehrere der ersten Verstärkerzweige (B1x) mit einem beliebigen der ersten Ausgangsanschlüsse verbindet, wobei die Schalteinheit (SW) einen Pegelschalter, um einen Zweig mit einem gewünschten Leistungspegel auszuwählen, und einen Bandschalter, um einen einem jeweiligen Frequenzband zugewiesenen Ausgangsanschluss auszuwählen, umfasst, wobei der Pegelschalter und der Bandschalter mit demselben gemeinsamen Verbindungspunkt verbunden sind, – ein Mehrschichtsubstrat (ML), auf dem die integrierte Schaltungsvorrichtung (IC) und die Schalteinheit (SW) angebracht sind, wobei in das Substrat passive Anpassungselemente (ME) integriert sind, die Teil einer Anzahl von Anpassungsschaltungen (MCx) sind, wobei x ≥ 1 und y ≥ 2 ist; wobei jeder der ersten Verstärkerzweige (B1x) an seinem Ausgang einen anderen Leistungspegel liefern kann und mittels einer der Anpassungsschaltungen (MCx) an eine Last an den ersten Ausgangsanschlüssen (TXOUT1y) angepasst ist.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf ein Verstärkermodul, wie es in dem Eingangsteil einer drahtlosen Kommunikationseinheit wie der eines Mobiltelefons verwendet werden kann.
• Der in Europa verwendete offizielle UMTS-Standard findet zunehmend Akzeptanz. Somit entsteht ein Bedarf an weiteren Frequenzbändern, was die Komplexität der Mobiltelefone ständig erhöht. Obgleich der Markt mit Mobiltelefonen handelt, die in einem UMTS-Band (Band 1) und in vier GSM-Bändern arbeiten können, entwickeln die Hersteller Mobiltelefone und Datenkarten, die an die Arbeit in drei oder vier WCDMA-Bändern angepasst sind und gleichzeitig GSM/GPRS und EDGE unterstützen.
• Somit benötigt ein solches Mobiltelefon bis zu sechs getrennte Leistungsverstärker, um in diesen sieben oder acht verschiedenen Frequenzbändern zu senden. Es besteht ein offensichtlicher Bedarf an einer höheren Integration dieser Leistungsverstärker zu einem einzigen Modul, das platzsparend ist und gleichzeitig die Kosten senkt, was für die Hersteller von Mobiltelefonen von großem Vorteil ist.
• Da es zwischen Leistungsverstärkern, die für GSM/GPRS verwendet werden können, und jenen, die für WCDMA verwendet werden können, wegen ihrer grundsätzlich unterschiedlichen Konstruktion einen prinzipiellen Unterschied gibt, ist es bevorzugt, nur ähnliche Leistungsverstärker zu einem Modul zu integrieren, das in einer Anzahl unterschiedlicher Frequenzbänder arbeitet. Der grundlegende Unterschied zwischen einem Verstärker für GSM und einem anderen für WCDMA beruht auf dem unterschiedlichen Leistungspegel für TX-Signale. Die maximalen Leistungspegel der Verstärker unterscheiden sich um mehr als 3 dB. Während Leistungsverstärker, die für GSM/GPRS verwendet werden, mit Kompression und hohem Wirkungsgrad arbeiten, müssen Leistungsverstärker für EDGE und WCDMA Signale linear verstärken, da die Form dieser Signale eine starke Amplitudenkomponente aufweist. Außerdem gibt es Unterschiede in der jeweiligen Anpassung an die verschiedenen Verstärkungsbetriebsarten. Die Impedanz der Oberschwingungen muss sehr niedrig sein (Oberschwingungskurzschluss). Im GSM müssen die ungeraden Oberschwingungen mit hoher Impedanz abgeschlossen werden, um den Wirkungsgrad zu erhöhen.
• Es gibt bereits Erzeugnisse, bei denen zwei ähnliche Leistungsverstärker, die für eine Vielzahl von Frequenzbändern verwendet werden, in einem gemeinsamen Gehäuse kombiniert sind. In einem bekannten Erzeugnis wird jeweils ein Verstärker verwendet, um Frequenzbänder zu verstärken, die zueinander benachbart sind. Zum Beispiel ist ein Leistungsverstärker für GSM 850 + GSM 900 mit einem anderen Leistungsverstärker für GSM 1800 und GSM 1900 in einem gemeinsamen Gehäuse kombiniert. Auf diese Weise kann eine einzige Ansteuerschaltung verwendet werden, um diese zwei Leistungsverstärker anzusteuern, was Kosten spart.
• Dieselbe Art der Integration wird in Erzeugnissen verwendet, bei denen lineare Leistungsverstärker für WCDMA-Signale in einem einzigen Gehäuse kombiniert sind. Allerdings besteht ein Problem, dass es nahezu unmöglich ist, unterschiedliche Funktionsschaltungen in der Weise zu kombinieren, dass sie für die unterschiedlichen Verstärker verwendet werden können.
• Ein anderes Problem entsteht bei linearen Leistungsverstärkern, während bei einem verringerten Leistungspegel des Ausgangssignals gearbeitet wird. Die Arbeit bei einem Leistungspegel, der gegenüber dem maximalen Leistungspegel herabgesetzt ist, führt stets zu einer Verringerung des Wirkungsgrads des Leistungsverstärkers. Somit entstehen Energieverschwendung und Verschwendung der Batteriekapazität; was zu verringerter Autonomie des Handapparats führt. Um diese Probleme zu umgehen, sind Schaltungen und Konzepte für Leistungsverstärker mit zwei oder mehr Verstärkerstufen entwickelt worden. Es gibt. Betriebsarten, bei denen eine oder mehrere dieser Leistungsverstärkerstufen umgangen oder einfach abgeschaltet werden. Allerdings weisen alle diese ”Verbesserungen” in den Verstärkerbetriebsarten mit verringertem Leistungspegel den spezifischen Nachteil grundsätzlicher Leistungsverluste auf. Diese Verluste beruhen auf der hohen Kapazität der Verstärkerstufe, die in letzter Zeit in der Betriebsart mit verringertem Leistungspegel höher als notwendig ist. Ferner ist eine komplizierte Anpassung notwendig, die in der Schaltung weitere Energieverluste erzeugt. Aus dem notwendigen hohen Impedanztransformationsverhältnis, z. B. von 4 Ohm auf 30 Ohm in einem passiven oder in einem geschalteten Umgehungsanpassungsnetzwerk, ergeben sich zusätzliche Verluste. Ferner ergibt sich eine zusätzliche Verringerung des Wirkungsgrads wegen des herabgesetzten Betriebs, falls die Lastimpedanz in einer Niederleistungsbetriebsart nicht optimal ist. In einer geschalteten Umgehung ergeben sich ohmsche Verluste durch den Schalter.
• Typische Wirkungsgrade, die sich bei diesen Verstärkern ergeben, liegen bei etwa 40%, wenn bei höchstem Leistungspegel gearbeitet wird, erreichen aber maximal 25%, wenn in der Betriebsart mit mittlerer Leistung gearbeitet wird. Dies wird als ineffizient angesehen.
• Wegen einer kaskadierten Anpassung der Leistungsabgabe arbeiten alle bekannten integrierten Verstärkerbauelemente, die die oben erwähnten Umgehungsstrukturen verwenden, schmalbandig. Somit ist es unmöglich, gleichzeitig eine Breitbandanpassung zu erreichen und Energie zu sparen, indem eine oder mehrere der Vielzahl von Leistungsverstärkerstufen umgangen werden.
• Aus der US 2007/0210866A1 ist eine Verstärkerschaltung bekannt, die für zwei unterschiedliche Frequenzbänder je einen Verstärkerzweig aufweist. Aus der JP 05 259765 A ist eine Verstärkerschaltung bekannt, die für ein Frequenzband parallel verschaltbare Verstärkerzweige aufweist.
• Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verstärkermodul zu schaffen, das in verschiedenen Frequenzbändern arbeiten kann und das einen erhöhten Wirkungsgrad aufweist, während es auf einem Niederleistungspegel arbeitet. Eine weitere Aufgabe ist die Schaffung eines Verstärkermoduls mit einem erhöhten Integrationsgrad, indem verschiedene Elemente der Verstärkermodule gemeinsam gleichzeitig für eines oder mehrere Frequenzbänder verwendet werden.
• Ein Verstärkermodul gemäß der Erfindung weist eine Leistungsverstärkerschaltung auf, die wenigstens zwei Verstärkerzweige umfasst, die unabhängig an eine Last am Ausgang der Leistungsverstärkerschaltung angepasst sind. Jeder Zweig wird getrennt einer Schaltungseinheit zugeführt, die den jeweiligen Zweig mit einem Ausgangsanschluss verbindet, der einem jeweiligen Frequenzband zugewiesen ist. Die Verstärker schaltung umfasst eine integrierte Schaltungsvorrichtung und ist mit dem ersten Eingangsanschluss verbunden. Beginnend von diesem Eingangsanschluss teilt sich die Verstärkerschaltung an einem Knoten in eine Anzahl erster Verstärkerzweige. Ferner umfasst das Modul erste Ausgangsanschlüsse, die jeweils dem jeweiligen TX-Frequenzband zugewiesen sind. Eine erste Schalteinheit verbindet unabhängig einen beliebigen oder mehrere der ersten Verstärkerzweige mit einem beliebigen der ersten Ausgangsanschlüsse. Jeder der ersten Verstärkerzweige kann an seinem Ausgang einen anderen Leistungspegel liefern und ist mittels wenigstens jeweils einer Anpassungsschaltung an eine Last an den ersten Ausgangsanschlüssen angepasst. Das Verstärkermodul basiert auf einem Mehrschichtsubstrat, auf dem die integrierte Schaltungsvorrichtung und die Schalteinheit angebracht sind. Innerhalb des Mehrschichtsubstrats sind passive Anpassungselemente integriert, die Teil einer Mehrzahl von Anpassungsschaltungen sind.
• Dadurch, dass die Leistungsverstärkerschaltung in wenigstens zwei Verstärkerzweige für verschiedene Ausgangsleistungspegel geteilt ist, die bei der Schalteinheit wieder verbunden sind, wird die Anpassung entkoppelt und somit optimiert an die Impedanz einer Last angepasst. Mit dieser Entkopplung kann die Anpassung vereinfacht werden. Da die Anpassung eines gegebenen Zweigs keine Auswirkungen auf einen anderen Zweig hat, ist es möglich, die Bandbreite der Anpassung in der Weise zu optimieren, dass sie eine Vielzahl benachbarter Frequenzbänder umfasst. Die frühere Begrenzung der Bandbreite, die ein Ergebnis der im Stand der Technik bekannten kaskadierten Anpassung ist, gibt es bei dem neuen Leistungsverstärkermodul nicht mehr.
• Als einspezifisches Beispiel weist der Zweig, der für den niedrigsten Leistungspegel angepasst ist, an seinem Ausgang eine entkoppelte Anpassung auf und kann bei der maximalen Nennausgangsleistung immer einen Wirkungsgrad von etwa 40% erreichen.
• Trotz zusätzlicher Verluste durch die Einfügedämpfung der Schaltereinheit, der zu einer Verringerung um einige Prozent führt, ist der Gesamtwirkungsgrad wesentlich erhöht, da diese Verringerung durch den verbesserten Wirkungsgrad bei niedrigen Leistungspegeln mehr als kompensiert wird. Da es bevorzugt ist, das Verstärkermodul für WCDMA-Bänder zu verwenden, bei denen am häufigsten eine Betriebsart mit niedrigem oder mittlerem Leistungspegel verwendet wird, hilft das vorgeschlagene Leistungsverstärkermodul, in dem Mobiltelefon viel Energie zu sparen.
• Das Verstärkermodul kann einen einzigen Eingangsanschluss aufweisen, der mit einem HF-IC (Transceiver-IC) verbunden sein kann, um HF-Signale innerhalb der Bandbreite der Leistungsverstärkerzweige zu empfangen. Somit kann das Modul für alle Frequenzbänder der Mobilkommunikation verwendet werden, deren Signale innerhalb dieser Bandbreite liegen. Somit ergeben sich verringerte Auswirkungen auf die Bandbreite des Verstärkers und es wird die Anzahl der Frequenzbänder erhöht, die mit den Ausgangsanschlüssen verbunden werden können.
• Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann das Verstärkermodul einen zweiten Eingangsanschluss umfassen. Damit können eine zweite Verstärkerschaltung, zweite Anpassungsschaltungen und eine zweite Schalteinheit verbunden sein, wobei die Bauelemente ähnlich angeordnet und geschaltet sind wie diejenigen, die mit dem ersten Einganganschluss verbunden sind. Mit diesem zweiten Eingangsanschluss ist es möglich, das Verstärkermodul in einem zweiten Frequenzbereich mit einer zweiten Anzahl von Frequenzbändern anderer Mobilkommunikationssysteme anzusteuern. Die Anzahl der Verstärkerzweige sowie die Anzahl der Ausgangsanschlüsse können dieselben sein wie die, die mit dem ersten Eingangsanschluss verbunden sind, oder können von diesen verschieden sein. Jeder der zweiten Verstärkerzweige ist so ausgelegt, dass er an seinem Ausgang einen anderen Leistungspegel liefert, und ist dadurch mittels einer zweiten Anpassungsschaltung an eine Last an dem zweiten Ausgangsanschluss angepasst.
• Die erste und die zweite Verstärkerschaltung können unabhängig voneinander in Halbleitervorrichtungen gebildet sein. Vorzugsweise sind die beiden Verstärkerschaltungen in derselben Halbleitervorrichtung realisiert. Die erste und die zweite Anpassungsschaltung können jeden Zweig einer jeweiligen Verstärkerschaltung an jedem der Ausgangsanschlüsse an dieselbe gemeinsame Ausgangsimpedanz anpassen.
• Gemäß einer ersten Ausführungsform ist die Anpassungsschaltung zwischen der Verstärkerschaltung und der Schalteinheit verschaltet. Gemäß einer anderen Ausführungsform ist zwischen der Schalteinheit und einem jeweiligen Ausgangsanschluss eine weitere Anpassungsschaltung verschaltet.
• Eine beliebige der Anpassungsschaltungen kann ein erstes Anpassungselement umfassen, das in das Mehrschichtsubstrat integriert ist. Andere Anpassungselemente können ähnlich oder auch als ein auf dem Substrat montiertes, diskretes passives Element realisiert sein. In dem Substrat der integrierten Halbleitervorrichtung, das die erste und die zweite Verstärkerschaltung umfasst, können noch andere Anpassungselemente realisiert sein.
• Die Schalteinheit kann ebenfalls in einer Halbleitervorrichtung gebildet sein. In einer anderen Ausführungsform umfasst die Schalteinheit eine MEMS-Vorrichtung (MEMS = mikroelektromechanisches System). Eine solche MEMS-Vorrichtung weist zwei Elektroden auf, von denen wenigstens eine zur anderen Elektrode hin oder von dieser weg beweglich ist. Dadurch wird ein elektrischer Kontakt geöffnet oder geschlossen, wodurch ein Schaltelement gebildet ist. Eine solche MEMS-Vorrichtung kann z. B. durch eine piezoelektrische Kraft, durch eine elektrostatische Kraft oder durch eine elektromagnetische Kraft angetrieben werden.
• Vorzugsweise ist die Schalteinheit eine Anordnung einer Vielzahl einzelner Schalter. Vorzugsweise bildet diese Anordnung von Schaltern einen Schalter vom xPyT-Typ, wobei x die Anzahl der mit der Schalteinheit verbundenen Zweige repräsentiert und y die Anzahl der mit der jeweiligen Schalteinheit verbundenen Ausgangsanschlüsse repräsentiert.
• Jede Schalteinheit kann einen Pegelschalter, um einen Verstärkerzweig mit einem gewünschten Leistungspegel auszuwählen, und einen Bandschalter umfassen, um einen einem jeweiligen Frequenzband zugewiesenen Ausgangsanschluss auszuwählen. Somit sind in einem gegebenen Schaltzustand wenigstens ein Pegelschalter und ein Bandschalter in Reihe verbunden. Dies kann dadurch erfolgen, dass die beiden Schalter mit einem gemeinsamen Verbindungspunkt verbunden werden. Außerdem ist es möglich, zwei oder mehr Verstärkerzweige, die mit demselben Eingangsanschluss verbunden sind, mit demselben gewünschten Ausgangsanschluss zu verbinden, der einem Frequenzband zugeordnet ist. Dadurch, dass zwei solcher Verstärkerzweige parallel mit demselben Ausgangsanschluss verbunden werden, addieren sich die Leistungspegel der zwei Verstärkerzweige, sodass sich ein dritter Leistungspegel ergibt.
• Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann die Schalteinheit in einem Halbleitersubstrat gebildet sein. In das Substrat der Schalteinheit können noch Mittel zum Ansteuern der Verstärkerschaltung sowie eine Logikschaltung integriert sein.
• Ferner kann ein Halbleitersubstrat, in dem die Schalteinheit gebildet ist, einen Spannungsregler umfassen, um für die Verstärkerschaltung verschiedene BIAS-Spannungen oder -Ströme bereit zu stellen. Mit den verschiedenen BIAS-Spannungen oder -Strömen können die BIAS-Zustände der Transistoren direkt geändert werden. Diese Spannungspegel können dazu verwendet werden, einen jeweiligen Verstärkerzweig aus einem Ein-Zustand in einen Aus-Zustand oder umgekehrt zu schalten. Ferner kann für alle Halbleiter- oder MEMS-Vorrichtungen, die einen spezifischen Spannungspegel erfordern, der von einer gegebenen Versorgungsspannung verschieden ist, ein Spannungstransformator verwendet werden.
• Jeder Verstärkerzweig in einer Verstärkerschaltung kann eine Anzahl von Verstärkerstufen umfassen. Zwei beliebige Verstärkerzweige derselben Verstärkerschaltung können dieselbe oder unterschiedliche Anzahl von Stufen aufweisen. Jede der Verstärkerstufen umfasst ein Halbleiterelement derselben Technologie.
• Eine Verstärkerstufe und somit auch die Verstärkerschaltung können Transistoren umfassen, die aus einem Halbleiter auf der Basis von Galliumarsenid hergestellt sind. Zum Beispiel umfasst eine Verstärkerschaltung einen Heterobipolartransisor aus Galliumarsenid (GaAs-HBT). Sofern die Schalteinheit Halbleiterschalter umfasst, beruht sie üblicherweise auf pHEMT auf einem Galliumarsenid- oder Galliumnitridsubstrat oder umfasst sie PMOS-Transistoren auf einem Substrat, das Silicium umfasst, wie etwa Silicium-Grundmaterial, SOI (Silicium auf Isolator), SiGe (Silicium-Germanium) oder SOS (Silicium auf Saphir).
• Besonders vorteilhaft werden bei der Herstellung einer Schalteinheit Prozesse verwendet, die mit CMOS-Prozessen verträglich sind, die auf einem Siliciumsubstrat mit hohem Isolationswiderstand, auf einem SOI oder auf einem SOS (Silicium auf Saphir) durchgeführt werden. Diese Substrate lassen es zu, sehr komplexe Logikschaltungen zu integrieren, die zum Ansteuern der Schalteinheit verwendet werden können. Diese Schaltungen benötigen sehr wenig Platz auf dem Substrat. Falls die Ansteuerlogik einen Bus umfasst, ist es mit diesen Substraten möglich, außerdem einen Buscontroller in dieses Substrat zu integrieren. In allen Fällen ist es möglich, die meisten der BIAS-Erzeugungsschaltungen und der Ansteuer- und Logikschaltungen der Leistungsverstärkerschaltung innerhalb des Halbleitersubstrats der Schalteinheit zu integrieren.
• Es ist möglich, die Verstärkerschaltung(en) und die Schalteinheit in einem Halbleiterchip zu kombinieren und vollständig in ihn zu integrieren.
• Um eine zu komplexe Verarbeitung eines solchen vollständig integrierten Halbleiterchips zu vermeiden, ist es möglich, die Leistungsverstärkerschaltung in einer Galliumarsenid-HBT-Technologie herzustellen, die Anpassungsschaltung in das Mehrschichtsubstrat zu integrieren und die Schalteinheit in CMOS auf SOI oder auf SOS herzustellen. Auf diese Weise kann jeweils eine geeignete Technologie verwendet werden, die für den jeweiligen Funktionsblock optimiert ist und es zulässt, die Herstellungskosten zu minimieren.
• Das Mehrschichtsubstrat kann eine HTCC (Hochtemperatur-Mehrlagenkeramik), eine LTCC (Niedertemperatur-Mehrlagenkeramik) und eine laminierte Platte umfassen, die aus verschiedenen Schichten hergestellt ist, die ein organisches Dielektrikum umfassen. Innerhalb des Mehrschichtsubstrats sind passive Elemente integriert, die durch Strukturieren von Metallschichten hergestellt worden sind, wobei Leiter und Abschnitte der Leiter zwischen zwei beliebigen der dielektrischen Schichten aus Keramik oder Schichtstoff angeordnet sind. Die passiven Elemente können Leiterbahnen, Übertragungsleitungen, Kondensatoren, die z. B. durch zwei Metallschichten gebildet sind, die einander in verschiedenen Ebenen des Mehrschichtsubstrats gegenüberliegen, Induktivitäten, die aus induktiven Leitungsleitungen oder Spulen gebildet sind, die durch dementsprechend strukturierte Leiterbahnen und durch Kontakte in unterschiedlichen Ebenen des Mehrschichtsubstrats gebildet sind, umfassen.
• Das Verstärkermodul ist so konstruiert, dass es eine Vielzahl von Ausgangsanschlüssen umfasst, die verschiedenen Frequenzbändern, insbesondere für drahtlose WCDMA-Kommunikationssysteme, zugewiesen sind. Das Verstärkermodul kann wenigstens fünf verschiedene Ausgangsanschlüsse umfassen, die fünf verschiedenen Frequenzbändern zugewiesen sind. Die Anzahl der Ausgangsanschlüsse kann unter Verwendung weiterer Eingangsanschlüsse erhöht werden, die Signale in eines Frequenzbereichs liefern, der von dem Frequenzbereich der mit dem ersten Eingangsanschluss verbundenen Zweige verschieden ist. Da jeder Ausgangsanschluss mit einer jeweiligen Anpassungsschaltung verbunden werden kann, ergibt sich an jedem der Ausgangsanschlüsse eine ideale Anpassung an eine mit dem Ausgangsanschluss verbundene Last.
• Das Verstärkermodul gemäß der Erfindung kann eine Vielzahl von Bauelementen umfassen, wobei jedes der Bauelemente ein Chip ist, der jeweils auf einem Halbleitersubstrat basiert, das die integrierte Schaltung, Schaltelemente oder diskrete passive Bauelemente trägt. Alle diese Bauelemente können auf dem Mehrschichtsubstrat montiert sein und mit einer isolierenden oder schützenden Abdeckkappe abgedeckt sein. Diese Abdeckkappe kann eine Formmasse aus Kunststoff umfassen, die über dem Mehrschichtsubstrat angeordnet ist, wobei die Bauelemente darin oder daran angebracht oder integriert sind. Die Abdeckkappe kann gegen die Bauelemente isoliert sein und kann eine Metalllage umfassen. Diese kann dazu verwendet werden, das Modul elektromagnetisch abzuschirmen. Außerdem ist es möglich, einzelne Bauelemente des Moduls dadurch zu schützen, dass dieses mit einem Chipabdeckmaterial (Glob-Top) bedeckt wird.
• Im Folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung beschrieben und anhand entsprechender Zeichnungen weiter erläutert. Diese Figuren sind schematisch und nicht maßstabsgerecht angefertigt. Somit ist es nicht möglich, der Figur eine beliebige Abmessung oder ein beliebiges Größenverhältnis von Abmessungen zu entnehmen.
• 1 zeigt schematisch ein mit zwei Eingangsanschlüssen verbundenes Verstärkermodul.
• 2 zeigt ein Verstärkermodul, das zwei Sätze von Anpassungsschaltungen verwendet.
• 3 zeigt ein Verstärkermodul, das eine in die Schalteinheit integrierte Ansteuerschaltung umfasst.
• 4 zeigt schematisch die Verbindung der Ansteuerschaltungen, der Verstärkerschaltung und der Schalteinheit.
• 5 zeigt eine Ausführungsform einer Verstärkerschaltung und entsprechende Anpassungsschaltungen.
• 6 zeigt ein Verstärkermodul mit auf verschiedenen Chips integrierten Logikschaltungen.
• 7 zeigt eine schematische Schnittansicht durch ein Mehrschichtsubstrat eines Leistungsverstärkermoduls.
• 1 zeigt eine Ausführungsform des Leistungsverstärkermoduls in einer schematischen Ansicht. Das Modul umfasst eine auf einem ersten Chip gebildete integrierte Schaltung IC und eine auf einem zweiten Chip gebildete Schalteinheit SW. Ein erster Eingangsanschluss T_IN1 ist mit der ersten Leistungsverstärkerschaltung PAC1 auf dem ersten Chip verbunden. Ein zweiter Eingangsanschluss T_IN2 ist mit einer zweiten Leistungsverstärkerschaltung PAC2 auf demselben Chip verbunden. Die erste Leistungsverstärkerschaltung PAC1 umfasst zwei Zweige, wobei jeder Zweig mit einer Anpassungsschaltung MC11, MC12 verbunden ist. Der erste Zweig B11 umfasst eine erste Verstärkerstufe TR1, während der zweite Zweig B12 eine. zweite und eine dritte Verstärkerstufe TR2, TR3 umfasst, wobei jede Verstärkerstufe der Leistungsverstärkerschaltung auf dem ersten Chip IC implementiert ist.
• Jeder Zweig ist getrennt mit der Schalteinheit SW verschaltet oder verbunden, um eine Verbindung des jeweiligen Zweigs mit einem jeweiligen Ausgangsanschluss T_OUT1 bis T_OUT3 herzustellen. In dieser Ausführungsform umfasst die mit dem ersten und zweiten Zweig verbundene Schalteinheit fünf verschiedene Schaltelemente S1 bis S5. Jede Verbindung eines Zweigs mit einem jeweiligen Ausgangsanschluss benötigt eine Reihenschaltung von zwei Schaltelementen, von denen eines ein Pegelschalter S1, S2 und das andere ein Bandschalter S3, S4, S5 ist. In der Figur sind alle Schaltelemente offen dargestellt. Durch die Verbindung eines Zweigs mit einem Ausgangsanschluss verstärken die Verstärkerstufen des jeweiligen Zweigs ein mit einem ersten Eingangsanschluss T_IN1 verbundenes Signal auf einen ersten Leistungspegel und führen das verstärkte Signal demjenigen Ausgangsanschluss T_OUT zu, der durch die jeweilige Stellung der zwei in Reihe verbundenen Schaltelemente bestimmt wird. Durch Verbinden eines anderen Zweigs der Leistungsverstärkerschaltung mit dem jeweiligen Ausgangsanschluss verstärkt eine andere Verstärkerstufe oder ein anderer Satz von Verstärkerstufen das jeweilige Eingangssignal auf einen jeweiligen zweiten Leistungspegel, der von dem ersten Leistungspegel verschieden ist, und liefert das verstärkte Signal durch eine jeweilige Schaltstellung der Schalteinheit an einen Ausgangsanschluss. Außerdem ist es möglich, zwei oder mehr Zweige der Leistungsverstärkerschaltung mit demselben Ausgangsanschluss parallel zu verbinden. In diesem Fall addieren sich die Leistungspegel aller parallel verbundenen oder geschalteten Verstärkerstufen der zwei Zweige, sodass an dem jeweiligen Ausgangsanschluss ein dritter Leistungspegel bereitgestellt wird, der die Summe aus erstem und zweitem Leistungspegel ist.
• Das Modul aus 1 umfasst einen zweiten Eingangsanschluss T_IN2, eine zweite Leistungsverstärkerschaltung PAC2, weitere Anpassungsschaltungen und eine weitere Anordnung von Schaltelementen, die mit einem anderen Satz von Ausgangsanschlüssen T_OUT4 bis T_out6 verbunden werden können. Alle Elemente und Verbindungen sind ähnlich denen, die wie oben beschriebenen in einem mit dem ersten Eingangsanschluss verbundenen ersten oder zweiten Zweig verwendet sind. Von diesen unterschiedlich sind insbesondere die Anpassungsschaltungen in den jeweiligen Zweigen, die zwischen den Leistungsverstärker und die Schalteinheit geschaltet sein können. Aufgrund der unterschiedlichen Frequenzbereiche der an den Eingangsanschlüssen anliegenden Signale und wegen der frequenzabhängigen Impedanz in jedem der Zweige ist hier eine unterschiedliche Anpassung erforderlich.
• 2 zeigt einen Abschnitt des obigen Verstärkermoduls in einer schematischen Ansicht. Gezeigt sind ein erster und ein zweiter Zweig B11, B12, die mit einem ersten Eingangsanschluss verbunden sind, erste Anpassungsschaltungen MC11, MC12 und eine Schalteinheit SW, die eine Anordnung von Schaltelementen S1 bis S5 umfasst. Durch die Schalteinheit SW kann jeder der Zweige unabhängig mit einem der Ausgangsanschlüsse T_OUT1 bis T_OUT3 verbunden werden. Um die Anpassung zu verbessern, sind zwischen den jeweiligen Ausgangsanschluss und die Schalteinheit weitere Anpassungsschaltungen MC1, MC2, MC3 geschaltet.
• Ausgehend von einer Ausführungsform wie der in 1 oder 2 gezeigten ist es möglich, die Verstärkerschaltung so zu ändern, dass sie eine größere Anzahl von Zweigen enthält. Diese umfassen jeweils insbesondere auf Transistoren beruhende Verstärkerstufen, die jeweils einen spezifischen Leistungspegel liefern, um das verstärkte Signal mittels der Schalteinheit einer Anzahl von Ausgangsanschlüssen zuzuführen. Dabei kann die Anzahl der Ausgangsanschlüsse die in 2 oder 1 dargestellte Anzahl von drei übersteigen.
• 3 zeigt schematisch weitere Bauelemente des Verstärkermoduls. In den Halbleiterchip der Schalteinheit SW ist eine Ansteuerschaltung DC integriert, die die Leistungsverstärkerschaltung PAC ansteuern kann. Eine Zentrale Recheneinheit CPU, die von dem Leistungsverstärkermodul getrennt sein kann, steuert die Treiberschaltung, die in Abhängigkeit von den durch die CPU gesendeten Steuersignalen bewirkt, dass die Verstärkerstufen in einem Ein-Zustand oder in einem Aus-Zustand geschaltet sind. Darüber hinaus liefert die Ansteuerschaltung an die Leistungsverstärkerschaltung verschiedene BIAS-Spannungen oder -Ströme, die zu einem gewünschten Verstärkungsfaktor führen. Ferner kann die Ansteuerschaltung DC die Schalteinheit SW ansteuern und die Schaltelemente der Schalteinheit öffnen oder schließen.
• 4 zeigt den Signalfluss für einen Fall, in dem zum Ansteuern der Schalteinheit und der Leistungsverstärkerschaltung ein Bus BUS verwendet wird. Der Bus liefert Signale von der Zentralen Recheneinheit CPU an einen Buscontroller BUC, der eine erste Logikschaltung ist. Der Buscontroller setzt die Bussignale um und decodiert sie möglicherweise. Die decodierten Signale werden an zwei weitere Schaltungen, d. h. an eine BIAS-Steuerung BIC und an eine Schaltsteuerung SWC, gesendet, die beide in dem Substrat der integrierten Schaltung IC implementiert sein können. Der BIAS-Controller steuert die Leistungsverstärkerschaltung und treibt sie an, während der Schaltcontroller die Schalteinheit SW steuert und antreibt. In einer bevorzugten Ausführungsform sind alle diese BIAS-Bauelemente in ein und dasselbe Halbleitersubstrat der Schalteinheit SW integriert.
• 5 zeigt schematisch eine mögliche Realisierung des in 2 allgemein dargestellten Moduls. Beginnend von einem Eingangsanschluss T_IN verzweigt das Signal in einen ersten Verstärkerzweig B11 und in einen zweiten Verstärkerzweig B12. Am Anfang jedes Zweigs entkoppelt ein Kondensator C die Schaltung von Gleichstromsignalen. In dem ersten Zweig B11 ist durch einen ersten Transistor TR1 eine erste Verstärkerstufe TR1 gebildet. An dem Ausgang der ersten Verstärkerstufe TR1 hat der Zweig die Impedanz ZL2. In dem zweiten Zweig B12 sind eine durch einen zweiten Transistor gebildete zweite Verstärkerstufe TR2, ein weiterer Kondensator C4 und eine durch einen dritten Transistor TR3 gebildete dritte Verstärkerstufe miteinander in Reihe geschaltet. Die Impedanz in diesem Zweig hinter der dritten Verstärkerstufe ist ZL1. Normalerweise unterscheiden sich beide Impedanzen ZL1 und ZL2 und sind nicht an die mit dem Ausgangsanschluss verbundene Last angepasst. Zum Beispiel ist ZL1 kleiner als ZL2. Daher sind in jedem der Zweige Impedanzanpassungsschaltungen angeordnet.
• Die erste Anpassungsschaltung im ersten Zweig B11 umfasst einen Kondensator C5, der parallel zu dem Zweig geschaltet ist. Es folgen eine Reiheninduktivität L3 und ein Reihenkondensator C6. An diesem Punkt weist der erste Zweig B11 die Ausgangsimpedanz Z_Out1 auf. In dem zweiten Zweig B12 ist die erste Anpassungsschaltung MC durch einen Kondensator C1 und durch eine Induktivität L2 gebildet, die in Reihe verbunden und in einer Nebenschlussleitung zur Masse angeordnet sind. In dem Reihenzweig gibt es eine Transmissionsleitung TRL1, auf die eine andere Nebenschlussleitung folgt, in der ein zweiter Kondensator C2 angeordnet ist. Ein dritter Kondensator C3 in der Reihe ist das letzte Anpassungselement. An diesem Punkt weist der zweite Zweig eine Ausgangsimpedanz Z_Out2 auf. In einer bevorzugten Ausführungsform ist Z_Out1 = Z_Out2.
• Die Schalteinheit SW umfasst fünf unabhängige Schalter, die es durch eine Reihenverbindung eines der Pegelschalter S1 oder S2 und eines der Bandschalter S3 bis S5 zulassen, jeden der Zweige B11, B12 unabhängig mit einem gewünschten Ausgangsanschluss T_Out zu verbinden. Falls die Pegelschalter S1 und S2 gleichzeitig geschlossen werden, ist es möglich, den ersten und den zweiten Zweig einem gewünschten Ausgangsanschluss T_Out zuzuführen.
• 6 zeigt eine andere Ausführungsform unter Verwendung einer anderen Art der Integration. In das Halbleitersubstrat der integrierten Schaltung, die die Leistungsverstärkerschaltung PAC umfasst, ist ein BIAS-Controller BIC integriert. In das Halbleitersubstrat, in dem die Schalteinheit SW realisiert ist, ist ein Schaltcontroller SWC integriert. Getrennt an den Schaltcontroller und an den BIAS-Controller können durch eine Zentraleinheit CPU erzeugte Steuersignale gesendet werden. In einer anderen Betriebsart ist es möglich, dass nur der Schaltcontroller SWC mit der zentralen Recheneinheit CPU verbunden ist und dass der BIAS-Controller BIC Ansteuersignale von der Schaltersteuerung SWC empfängt. Diese verschiedenen Möglichkeiten sind in der Figur durch jeweilige gestrichelte Linien gezeigt.
• 7 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Mehrschichtsubstrat, wobei auf der Mehrschichtanordnung ML eine integrierte Schaltung IC sowie eine Schalteinheit SW angeordnet sind. In dieser Ausführungsform ist die integrierte Schaltung IC, die die Leistungsverstärkerschaltung umfasst, z. B. unter Verwendung eines Klebstoffs mit ihrer Rückseite des Chips direkt auf der obersten Schicht der Mehrschichtschaltung befestigt. Die elektrischen Verbindungen mit den jeweiligen Anschlussflächen auf der Mehrschichtanordnung ML sind durch Kontaktierungsdrähte hergestellt. Das Halbleitersubstrat, das die Schalteinheit SW enthält, kann durch Flip-Chip-Technologie mit seiner Oberseite nach unten auf der obersten Schicht des Mehrschichtsubstrats ML montiert sein. Die mechanischen und elektrischen Verbindungen der Schalteinheit SW und des Mehrschichtsubstrats ML sind z. B. mittels Bumps hergestellt. Es ist aber auch möglich, die Bauelemente oder Chips, die die Schalteinheit SW und die integrierte Schaltung IC umfassen, durch eine beliebige andere geeignete Technologie zu montieren.
• Das Mehrschichtsubstrat ML umfasst eine Vielzahl dielektrischer Schichten, die jeweils aus einer Keramik oder aus einem Schichtstoff hergestellt sind. Zwischen je zwei dielektrischen Schichten ist eine Metallisierungsebene angeordnet, die eine Metallisierung enthält, die so strukturiert ist, dass sie Leiterbahnen, elektrische Verbindungen und Metallisierungsbereiche bildet, die ein Teil passiver Schaltungselemente wie Widerstände, Induktivitäten oder Kondensatoren sind. Elektrisch leitende Verbindungen zwischen verschiedenen Metallisierungsebenen sind durch Durchkontaktierungen hergestellt. Auf der Unterseite des Mehrschichtsubstrats, die der Oberfläche mit den montierten Bauelementen abgewandt ist, sind elektrische Kontaktanschlussflächen CP zum Verbinden des Verstärkermoduls mit einer Außenumgebung, z. B. mit einer Leiterplatte PCB, angebracht.
• Um das Modul mechanisch vor Stößen aus der Umgebung zu schützen und um das Modul abzudichten, kann eine Kapselung das Modul komplettieren. Dies kann dadurch erfolgen, dass auf dem Substrat eine Abdeckkappe angebracht ist, wodurch alle Halbleitervorrichtungen unter der Abdeckkappe in einem Zwischenraum zwischen Abdeckkappe und Mehrschichtsubstrat enthalten sind. Diese Abdeckkappe kann eine Metalllage umfassen. Eine starre Abdeckkappe, die aus einer Keramik hergestellt ist, ist ebenfalls möglich. Ferner ist es möglich, die Vorrichtungen auf dem Substrat wie in 7 gezeigt mit einer Gießform C, z. B. einem Glob-Top-Harz oder einem Spritzguss, zu bedecken.
• Die Erfindung ist nur mittels einiger Ausführungsformen erläutert worden. Entsprechend ist der Schutzumfang nicht auf die dargestellten Figuren oder Ausführungsformen beschränkt. Vielmehr kann die Erfindung im Umfang der Ansprüche auf verschiedene Arten geändert werden.
• Bezugszeichenliste

AM

Verstärkermodul

IC

integrierte Schaltungsvorrichtung

PAC

Verstärkerschaltung

TR

Transistorstufe

T_IN1, T_IN2

erster und zweiter Eingangsanschluss

T_OUT

Ausgangsanschluss

SW

Schalteinheit

ML

Mehrschichtsubstrat

B1x, B2x,

Zweig der Verstärkerschaltung

TR1, TR2, TR3

Verstärkerstufe

MC

Anpassungsschaltung

ME

Anpassungselement

C

Abdeckkappe

S

Schaltelement

MO

Gießformisolierkappe

DC

Ansteuerschaltung

BIC

BIAS-Steuerung

SWC

Schaltersteuerung

CP

Kontaktanschlussfläche

Claims (18)

1. Verstärkermodul, umfassend – eine integrierte Schaltungsvorrichtung (IC) mit einer ersten Verstärkerschaltung (PAC1), die mit einem ersten Eingangsanschluss (TIN1) verbunden ist, wobei die Verstärkerschaltung eine Anzahl x erster Verstärkerzweige (B1x) aufweist, die mit dem ersten Eingangsanschluss verbunden sind, – eine Anzahl y erster Ausgangsanschlüsse (TXOUT1y), die jeweils einem jeweiligen TX-Frequenzband zugewiesen sind, – eine erste Schalteinheit (SW), die unabhängig einen beliebigen oder mehrere der ersten Verstärkerzweige (B1x) mit einem beliebigen der ersten Ausgangsanschlüsse verbindet, wobei die Schalteinheit (SW) einen Pegelschalter, um einen Zweig mit einem gewünschten Leistungspegel auszuwählen, und einen Bandschalter, um einen einem jeweiligen Frequenzband zugewiesenen Ausgangsanschluss auszuwählen, umfasst, wobei der Pegelschalter und der Bandschalter mit demselben gemeinsamen Verbindungspunkt verbunden sind, – ein Mehrschichtsubstrat (ML), auf dem die integrierte Schaltungsvorrichtung (IC) und die Schalteinheit (SW) angebracht sind, wobei in das Substrat passive Anpassungselemente (ME) integriert sind, die Teil einer Anzahl von Anpassungsschaltungen (MCx) sind, wobei x ≥ 1 und y ≥ 2 ist; wobei jeder der ersten Verstärkerzweige (B1x) an seinem Ausgang einen anderen Leistungspegel liefern kann und mittels einer der Anpassungsschaltungen (MCx) an eine Last an den ersten Ausgangsanschlüssen (TXOUT1y) angepasst ist.
2. Verstärkermodul nach Anspruch 1, umfassend – einen zweiten Eingangsanschluss (TIN2), eine zweite Verstärkerschaltung (PAC2), zweite Ausgangsanschlüsse (TXOUT2y), eine zweite Schalteinheit (SW) zum Verbinden jedes der zweiten Verstärkerzweige (B1x) mit einem beliebigen der zweiten Ausgangsanschlüsse, – Anpassungsschaltungen (MCx) zum Anpassen einer Vielzahl der Zweige der zweiten Verstärkerschaltung (PAC2) an eine Last an einem jeweiligen der zweiten Ausgangsanschlüsse (TXOUT2y), wobei der erste Eingangsanschluss (TIN1) mit einem Signal eines ersten Frequenzbereichs verbunden werden kann und der zweite Eingangsanschluss (TIN2) mit einem Signal eines zweiten Frequenzbereichs verbunden werden kann, der von dem ersten Frequenzbereich verschieden ist.
3. Verstärkermodul nach Anspruch 1 oder 2, umfassend Anpassungsschaltungen (MCx), die mit jedem der Verstärkerzweige (Bxy) verbunden sind, wobei sie jeden Zweig einer jeweiligen Verstärkerschaltung (PAC) an dieselbe gemeinsame Ausgangsimpedanz an jedem der Ausgangsanschlüsse (TOUTxy) anpassen.
4. Verstärkermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Anpassungsschaltung (MCx) ein erstes Anpassungselement, das in das Mehrschichtsubstrat integriert ist, und ein zweites Anpassungselement, das ein auf dem Substrat angebrachtes diskretes passives Element ist, umfasst.
5. Verstärkermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Anpassungsschaltung (MCx) ein Anpassungselement umfasst, das in das Halbleitersubstrat der integrierten Schaltung (IC) integriert ist.
6. Verstärkermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Schalteinheit durch eine Halbleitervorrichtung gebildet ist.
7. Verstärkermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Schalteinheit eine MEMS-Vorrichtung umfasst.
8. Verstärkermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend eine Schalteinheit (SW) mit einer Vielzahl von Schaltern (S).
9. Verstärkermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend eine Schalteinheit (SW), die eine Vielzahl von Schaltern (S) umfasst, wobei die Schalter einen Schalter vom XPyT-Typ bilden, wobei x die Anzahl der mit der Schalteinheit verbundenen Zweige (B) repräsentiert und y die Anzahl der mit der jeweiligen Schalteinheit verbundenen Ausgangsanschlüsse (TOUT) ist.
10. Verstärkermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die Schalteinheit (SW) in einem Halbleitersubstrat gebildet ist, in demselben Halbleitersubstrat Mittel und eine Logikschaltung zum Ansteuern der Verstärkerschaltung gebildet sind.
11. Verstärkermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem in dem Halbleitersubstrat der Schalteinheit (SW) ein Spannungsregler zum Liefern verschiedener BIAS-Spannungen oder -Ströme an die Verstärkerschaltung (PAC) gebildet ist.
12. Verstärkermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem ein beliebiger Zweig (B) der Verstärkerschaltung (PAC) eine Anzahl Verstärkerstufen umfasst, die verschieden von der Anzahl der mit demselben Eingangsanschluss verbundenen Stufen in einem beliebigen anderen Zweig ist, wobei jede der Verstärkerstufen ein Halbleiterelement derselben Technologie umfasst.
13. Verstärkermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem zwischen die Verstärkerschaltung (PAC) und die Schalteinheit (SW) eine erste Anpassungsschaltung (MC) geschaltet ist und zwischen die Schalteinheit (SW) und einen jeweiligen Ausgangsanschluss (TOUT) eine zweite Anpassungsschaltung geschaltet ist.
14. Verstärkermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem die Verstärkerschaltung (PAC) Transistoren umfasst, die aus einem Halbleiter auf Galliumgrundlage hergestellt sind.
15. Verstärkermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 14, das wenigstens 5 Ausgangsanschlüsse (TOUT) umfasst, die 5 verschiedenen Frequenzbändern eines drahtlosen WCDMA-Kommunikationssystems zugewiesen sind.
16. Verstärkermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei dem das Mehrschichtsubstrat eine HTCC oder eine LTCC oder eine laminierte Platte umfasst, worin passive Elemente und deren jeweilige Verschaltung integriert sind.
17. Verstärkermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 16, umfassend eine geformte Abdeckkappe, die über dem Mehrschichtsubstrat angeordnet ist, um die integrierte Schaltungsvorrichtung (IC), die Schalteinheit und möglicherweise diskrete passive Bauelemente, die auf dem Substrat angebracht sind, zu bedecken.
18. Verstärkermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 16, umfassend eine Abdeckkappe (C), die aus einer Metalllage hergestellt ist oder eine Metalllage umfasst.

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