基于多层基板变压器的功率放大器具有该放大器的模组的制作方法

1.本发明涉及电子电路技术领域，具体涉及基于多层基板变压器的功率放大器具有该放大器的模组。


背景技术：

2.目前变压器越来越广泛的应用于射频功率放大器中，这主要是因为一方面采用变压器可以连接多个功率单元电路，从而实现功率的合成。另一方面采用变压器还可以降低阻抗变换难度和提供部分偏置供电，再者由于变压器的初级线圈和次级线圈是直流隔离的，采用变压器可以提供静电防护。早期基于变压器的功率放大器主要应用于si基功率放大器，这主要是因为si基功率放大器的功率密度低，对功率合成的需求大。但是由于si衬底的绝缘性差这一固有的缺陷，在si片上集成的变压器具有较高的损耗和较低的耦合系数，进而极大的降低了功率放大器的输出功率、线性度、增益和效率等性能。另外片上集成的变压器会占用价格昂贵的半导体芯片面积，增加单个功率器件成本，降低产品的市场竞争力。为此，申请号为201110052311.9的中国发明专利，提出了一种将si基的射频功率放大器的输入端和输出端的变压器通过多层基板实现的方法，即将变压器从芯片上移到多层基板上，通过有效地降低变压器的损耗从而提高射频功率放大器的性能。
3.随着5g移动通信的不断发展，对功率放大器的功率、线性度、增益和效率等性能提出了更高的要求。通过变压器来实现功率合成也逐步开始应用到gaas基射频功率放大电路中。尽管gaas衬底的损耗要小于si衬底，但是在gaas上实现的变压器的损耗依旧要比在多层基板上实现的变压器的损耗高(如图3所示)。由于常用的功率放大器的架构中(如图1所示)，中间级变压器位于驱动放大电路和功率放大电路之间，而非位于输入端口(如图2所示)，这给将中间级变压器从芯片上移到多层基板上带来难度，现有的技术是末端的输出级变压器一般在多层基板上实现，但是中间级变压器仍然在芯片上实现。为了进一步的提高功率放大器的性能，提出基于多层基板变压器的功率放大器具有该放大器的模组。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题在于：如何解决现有基于变压器的功率放大器中，中间级变压器仍然在半导体芯片上，无法更进一步地提高功率放大器的性能的问题，提供了基于多层基板变压器的功率放大器。
5.本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括：功率驱动电路、第一功率放大电路、第二功率放大电路、中间级变压器、输出端变压器和输出匹配电路，所述功率驱动电路和第一功率放大电路、第二功率放大电路通过中间级变压器连接，所述第一功率放大电路和第二功率放大电路并联且位于中间级变压器和输出端变压器之间，所述输出端变压器的输入端与第一功率放大电路、第二功率放大电路的输出端连接，所述输出匹配电路与输出变压器的输出端连接，所述中间级变压器和输出端变压器均设置在多层基板上，通过绕线圈实现，所述功率驱动电路和功率放大电路均设置在半导体芯片上，所述多层
基板与所述半导体芯片互联；
6.所述射频单端输入信号先经过所述功率驱动电路进行放大，再经由所述中间级变压器变为两路差分信号，两路差分信号分别输入给所述第一功率放大电路和第二功率放大电路，两路差分信号经由所述第一功率放大电路和第二功率放大电路放大后分别输出给所述输出端变压器，所述输出端变压器将输入的两路差分信号合成为一路单端信号，经由所述输出匹配电路后通过所述射频输出端输出。
7.更进一步地，所述多层基板与所述半导体芯片通过倒扣焊的方式实现互联。
8.更进一步地，所述功率驱动电路、第一功率放大电路、第二功率放大电路均基于npn双极性晶体管或者场效应晶体管实现。
9.更进一步地，所述中间级变压器包括第一初级线圈、第一次级线圈，所述第一初级线圈的一端连接功率驱动电路的输出端，另一端通过第一电容接地，所述第一次级线圈的中间对称点通过第二电容接地，所述第一次级线圈分别连接第一功率放大电路、第二功率放大电路的输入端。
10.更进一步地，所述输出端变压器包括第二初级线圈、第二次级线圈，所述第二初级线圈的两端分别连接所述第一功率放大电路、第二功率放大电路的输出端，所述第二初级线圈的中间对称点通过第三电容接地，通过所述中间对称点为所述第一功率放大电路、第二功率放大电路提供偏置电压，所述第二次级线圈的一端直接接地，另一端与所述输出匹配电路的输入端连接。
11.更进一步地，所述功率驱动电路的输入匹配电路和中间匹配电路中的元器件设置在所述半导体芯片上或者多层基板上。
12.本发明还提供了一种模组，所述模组为射频前端模组，包括控制器、开关电路、滤波电路、低噪声放大电路中一个或者多个器件以及至少一个上述的功率放大器。
13.本发明相比现有技术具有以下优点：通过将中间级变压器和输出端变压器均在多层基板上绕线圈实现，功率驱动电路和功率放大电路均在半导体芯片上实现，并且采用倒扣焊技术实现半导体芯片和多层基板的互联，从而避免了半导体上变压器高损耗的缺点，有效的提高了功率放大器的性能，同时通过将中间级变压器和输出端变压器从半导体芯片上移到多层基板上，降低了价格昂贵的半导体芯片的使用面积，从而降低了单个功率器件成本，提高了产品的市场竞争力，值得被推广使用。
附图说明
14.图1是现有技术中一种基于变压器的功率放大器的电路原理示意图(图中标记含义与图4中相同)；
15.图2是现有技术中另外一种基于变压器的功率放大器的电路原理示意图(除1a、1b外，图中其余标记含义与图4中相同，1a为功率驱动电路a，1b为功率驱动电路b)；
16.图3是多层基板上和gaas芯片上平面绕线电感的品质因子随着频率的变化曲线；
17.图4是本发明实施例一中基于多层基板变压器的功率放大器的电路原理示意图；
18.图5是本发明实施例二中功率放大器的引脚连接示意图；
19.图6是本发明实施例二中功率放大器的三维结构示意图；
20.图7是图5中中间级变压器在多层基板上的绕线分解示意图；
21.图8是本发明实施例三中所述射频前端模组的结构示意图。
具体实施方式
22.下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
23.实施例一
24.如图4所示，本实施例提供一种技术方案：基于多层基板变压器的功率放大器，包括：包括功率驱动电路1、功率放大电路a 3(即本发明所述的第一功率放大电路)、功率放大电路b 4(即本发明所述的第二功率放大电路)、中间级变压器5、输出端变压器6和输出匹配电路7，其中，中间级变压器5包括初级线圈5a和次级线圈5b，输出端变压器6包括初级线圈6a和次级线圈6b；中间级变压器的初级线圈5a的一端接功率驱动电路1的输出端，另一端通过电容c1接地，次级线圈5b的中间对称点通过电容c2接地，次级线圈5的两端分别连接功率放大电路a 3和功率放大电路b 4的输入端；输出端变压器的初级线圈6a的两端分别连接功率放大电路a 3和功率放大电路b 4的输出端，输出端变压器的初级线圈6a的中间对称点通过电容c3接地，并且通过该对称点给功率放大电路提供偏置电压vcc；输出端变压器的次级线圈6b的一端接地，另外一端连接输出匹配网络7，实现输出端阻抗匹配；其中功率驱动电路1、功率放大电路a 3,、功率放大电路b 4和c2在半导体芯片100上实现，中间级变压器5、输出端变压器6、输出匹配电路7、电容c1和电容c3设置在多层基板200上；半导体芯片100和多层基板200通过倒扣焊技术实现互联。另外，在具体的实施方式中，功率驱动电路1的输入匹配电路和中间匹配电路中的元器件可以视需求放在半导体芯片上100或者多层基板200上，例如可以将匹配电路中所需的高品质因子电感通过在多层基板200上绕线圈实现，而匹配电路所需的电容、电阻和部分电感在半导体芯片100上实现。
25.射频单端输入信号先经过半导体芯片100上的功率驱动电路1进行放大，再经由多层基板200上的中间级变压器5变为两路差分信号，这两路差分信号分别输入给半导体芯片100上的功率放大电路a 3和功率放大电路b 4，这两路差分信号经由功率放大电路a 3和功率放大电路b 4放大后分别输出给多层基板200上的输出端变压器6，输出端变压器6将输入的两路差分信号合成为一路单端信号，经由多层基板200上的输出匹配电路7后由射频输出端进行输出。
26.实施例二
27.如图5所示，为本发明实施例一中的功率放大器的引脚连接示意图。射频信号通过引脚p1从多层基板200导入到半导体芯片100上，经过功率驱动电路1放大后，射频信号通过引脚p2连接到多层基板200上的中间级变压器5的初级线圈5a的一端，中间级变压器5将输入信号转为两路差分信号，这两路差分信号通过引脚p3和引脚p5导入到半导体芯片100上的功率放大电路a 3和功率放大电路b 4的输入端。引脚p4用于实现次级线圈5b的对称中心点和半导体芯片100上的c2互联。功率放大电路a 3和功率放大电路b 4的输出端分别通过引脚p6和p7导入到基板200上输出端变压器6的初级线圈的两端。
28.如图6所示，为上述的功率放大器的三维结构示意图。半导体芯片100通过凸球8倒扣在多层基板200上，凸球8可以通过铜柱，金球，或者锡球等实现。图中所示为4层基板，即
包含四层金属层m，金属层m之间放置有介质层d，金属层之间通过通孔(即金属过孔，图中未示出)实现互联。多层基板的层数可以按照实施需求进行增减。中间级变压器5的初级线圈5a通过在多层基板200上的一层金属中绕线圈实现。中间级变压器5的次级线圈5b通过在多层基板200上的另外两层金属中绕线圈实现。输出端变压器6的次级线圈6b在通过在多层基板200上的一层金属中绕线圈实现；输出端变压器6的初级线圈6a通过在多层基板200上的另外两层金属中绕线圈实现。
29.如图7所示，是图5中中间级变压器5在多层基板上的绕线分解示意图。中间级变压器的次级线圈5b在第一金属层和第三金属层上绕线形成，第一金属层的引脚p3和p5和半导体芯片100上对应的引脚互联，第一金属层和第三金属层通过通孔实现互联。第三金属层上的p4引脚通过通孔连接到第一金属层，并且和半导体芯片100上对应的引脚互联。中间级变压器的初级线圈5a在第二金属层上绕线形成，其引脚p2通过通孔连接到第一金属层上，并且和半导体芯片100上对应的引脚互联。
30.需要说明的是，各金属层的排序为(参照图6)：自上而下依次为第一、第二、第三、第四。
31.实施例三
32.如图8所示，本实施例为本发明的基于多层基板变压器的功率放大器的应用实例。射频前端模组300主要包括功率放大器105、控制器101、开关电路102、滤波电路103和低噪声放大电路104等，这些芯片电路通过倒扣焊与多层基板200完成互联。射频前端模组300的主要功能是通过天线接收和发射无线移动通信信号，在功率放大器105中至少有一个功率放大器采用本发明的基于多层基板变压器的功率放大器。
33.综上所述，上述实施例的基于多层基板变压器的功率放大器，通过将中间级变压器和输出端变压器在多层基板上绕线圈实现，功率驱动电路和功率放大电路在半导体芯片上实现，并且采用倒扣焊技术实现半导体芯片和多层基板的互联，从而避免了半导体上变压器高损耗的缺点，有效的提高了功率放大器的性能，同时通过将中间级变压器和输出端变压器从半导体芯片上移到多层基板上，降低了价格昂贵的半导体芯片的使用面积，从而降低了单个功率器件成本，提高了产品的市场竞争力，值得被推广使用。
34.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。