(57)【要約】      （修正有）【課題】増幅用ＩＣ及びスイッチ回路を多層基板を用いてモジュール化し、電力効率の良い増幅器モジュールを提供する。【解決手段】増幅器モジュールは少なくとも２つの枝Ｂ１１，Ｂ１２を有する第１の増幅器回路ＰＡＣ１を含む集積回路デバイスを有する。各枝は所望の電力レベルの増幅された信号を出力端子Ｔｏｕｔ１、Ｔｏｕｔ２、Ｔｏｕｔ３に送出するようになされる。各枝は整合回路ＭＣ１１，ＭＣ１２によって所望の出力インピーダンスレベルに整合され、それぞれの枝を所望の出力端子に接続するようになされた切り替え装置ＳＷに接続される。集積回路デバイスおよび切り替え装置は多層基板に取り付けられた別々の構成要素である。整合回路の部分であるパッシブな整合要素は多層基板へと統合されてもよく、集積回路であってもよく、個々の構成要素として形成されてもよい。【選択図】図１
2010154512.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
増幅器モジュールであって、
第１の入力端子（ＴＩＮ１）に接続された第１の増幅器回路（ＰＡＣ１）を有し、該増幅器回路が該第１の入力端子に接続されたｘ個の第１の増幅器枝（Ｂ１ｘ）を有する、集積回路デバイス（ＩＣ）と、
各々のＴＸ周波数帯に割り当てられたｙ個の第１の出力端子（ＴＸＯＵＴ１ｙ）と、
第１の出力端子の任意の１つに第１の増幅器枝（Ｂ１ｘ）のいずれか１つ以上を独立的に接続する第１の切り替え装置（ＳＷ）と、
頂部に集積回路デバイス（ＩＣ）および切り替え装置（ＳＷ）が取り付けられ、多数の整合回路（ＭＣｘ）の部分であるパッシブな整合要素（ＭＥ）が内部に統合される、多層基板（ＭＬ）とを有し、
ｘ≧１およびｙ≧２であり、
各々の第１の増幅器枝（Ｂ１ｘ）が、その出力において異なるレベルの電力を送出するようになされ、整合回路（ＭＣｘ）の１つにより第１の出力端子（ＴＸＯＵＴ１ｙ）における負荷に整合される、増幅器モジュール。
【請求項２】
第２の入力端子（ＴＩＮ２）、第２の増幅器回路（ＰＡＣ２）、第２の出力端子（ＴＸＯＵＴ２ｙ）、および任意の１つの第２の出力端子に第２の増幅器枝（Ｂ１ｘ）を各々接続する第２の切り替え装置（ＳＷ）と、
第２の出力端子（ＴＸＯＵＴ２ｙ）のそれぞれ１つにおける負荷に、第２の増幅器回路（ＰＡＣ２）の多数の枝を整合させる整合回路（ＭＣｘ）とを有し、
第１の入力端子（ＴＩＮ１）が第１の周波数範囲の信号に接続されるようになされ、第２の入力端子（ＴＩＮ２）が第１の周波数範囲とは異なる第２の周波数範囲の信号に接続されるようになされる、請求項１に記載の増幅器モジュール。
【請求項３】
増幅器枝（Ｂｘｙ）の各々に接続された整合回路（ＭＣｘ）を有し、該整合回路が、それぞれの増幅器回路（ＰＡＣ）の各枝を各出力端子（ＴＯＵＴｘｙ）における同一の共通出力インピーダンスに整合させる、請求項１または２に記載の増幅器モジュール。
【請求項４】
整合回路（ＭＣｘ）が多層基板内に統合された第１の整合要素と、基板の頂部に取り付けられた別個のパッシブな要素である第２の整合要素とを有する、請求項１から３のいずれか一項に記載の増幅器モジュール。
【請求項５】
整合回路（ＭＣｘ）が、集積回路（ＩＣ）の半導体基板へと統合された整合要素を有する、請求項１から４のいずれか一項に記載の増幅器モジュール。
【請求項６】
切り替え装置が半導体デバイスによって形成される、請求項１から５のいずれか一項に記載の増幅器モジュール。
【請求項７】
切り替え装置がＭＥＭＳデバイスを有する、請求項１から６のいずれか一項に記載の増幅器モジュール。
【請求項８】
多数のスイッチ（Ｓ）を有する切り替え装置（ＳＷ）を有する、請求項１から７のいずれか一項に記載の増幅器モジュール。
【請求項９】
切り替え装置（ＳＷ）が多数のスイッチ（Ｓ）を有し、スイッチがｘＰｙＴタイプのスイッチを形成し、ｘは切り替え装置に接続された枝（Ｂ）の数を表し、ｙはそれぞれの切り替え装置に接続された出力端子（ＴＯＵＴ）の数を表す、請求項１から８のいずれか一項に記載の増幅器モジュール。
【請求項１０】
各々の切り替え装置（ＳＷ）が、所望の電力レベルを有する枝を選択するレベルスイッチと、それぞれの周波数帯に割り当てられた出力端子を選択するバンドスイッチとを有し、
各レベルスイッチおよびバンドスイッチが同一の共通接続点に接続される、請求項１から９のいずれか一項に記載の増幅器モジュール。
【請求項１１】
切り替え装置（ＳＷ）が半導体基板に形成され、
増幅器回路を駆動する手段および論理回路が同一の半導体基板に形成される、請求項１から１０のいずれか一項に記載の増幅器モジュール。
【請求項１２】
異なるバイアス電圧または電流を増幅器回路（ＰＡＣ）に送出する電圧レギュレータが、切り替え装置（ＳＷ）の半導体基板に形成される、請求項１から１１のいずれか一項に記載の増幅器モジュール。
【請求項１３】
増幅器回路（ＰＡＣ）の任意の枝（Ｂ）が、同一の入力端子に接続された他のいかなる枝の段の数とも異なる数の増幅段を有し、各々の増幅段が同一の技術による半導体要素を有する、請求項１から１２のいずれか一項に記載の増幅器モジュール。
【請求項１４】
第１の整合回路（ＭＣ）が増幅器回路（ＰＡＣ）と切り替え装置（ＳＷ）との間に配線され、第２の整合回路が切り替え装置（ＳＷ）とそれぞれの出力端子（ＴＯＵＴ）との間に配線される、請求項１から１３のいずれか一項に記載の増幅器モジュール。
【請求項１５】
増幅器回路（ＰＡＣ）がガリウムベースの半導体からなるトランジスタを有する、請求項１から１４のいずれか一項に記載の増幅器モジュール。
【請求項１６】
ＷＣＤＭＡ無線通信システムの５つの異なる周波数帯に割り当てられた少なくとも５つの出力端子（ＴＯＵＴ）を有する、請求項１から１５のいずれか一項に記載の増幅器モジュール。
【請求項１７】
多層基板が、パッシブな要素およびそれぞれの同一の回路が統合される、ＨＴＣＣ、ＬＴＣＣおよび積層板のうち１つを有する、請求項１から１６のいずれか一項に記載の増幅器モジュール。
【請求項１８】
集積回路デバイス（ＩＣ）、切り替え装置および場合によっては基板の頂部に取り付けられた別個のパッシブな構成要素を覆うように、多層基板に堆積された成型カバーを有する、請求項１から１７のいずれか一項に記載の増幅器モジュール。
【請求項１９】
金属シートからなるカバー（Ｃ）を有する、請求項１から１７のいずれか一項に記載の増幅器モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、携帯電話のような無線通信装置のフロントエンドにおいて使用されることができる増幅器モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
欧州で使用されている公式ＵＭＴＳ標準はますます受け入れられている。したがって、さらなる周波数帯の必要性が生じており、それは携帯電話の複雑性を絶えず増加させている。市場が１つのＵＭＴＳ帯（帯１）および４つのＧＳＭ帯において動作することが可能な携帯電話を扱う一方で、製造者は３つまたは４つのＷＣＤＭＡ帯において動作し、同時にＧＳＭ／ＧＰＲＳおよびＥＤＧＥに対応するようになされた携帯電話およびデータカードを開発している。
【０００３】
したがって、そのような携帯電話は、これら７つまたは８つの異なる周波数帯において送信するために最大６つの別々の電力増幅器を必要とする。空間を節約し、同時に費用を削減する単一のモジュールへの、これらの電力増幅器の、携帯電話の製造業者にとって大きな利点となる、より高度な統合が明らかに必要となっている。
【０００４】
ＧＳＭ／ＧＰＲＳ用に使用される電力増幅器とＷＣＤＭＡ用に使用される電力増幅器の間に、設計が基本的に異なることによる重要な相違点があるため、類似しているにすぎない電力増幅器を多数の異なる周波数帯で動作する１つのモジュールへと統合することが好まれている。ＧＳＭ用の増幅器とＷＣＤＭＡ用のもう１つの増幅器の間の基本的な相違点は、ＴＸ信号用の電力レベルが異なることに基づいている。電力増幅器の最大電力レベルの差は３ｄＢより大きい。ＧＳＭ／ＧＰＲＳ用に使用される電力増幅器が圧縮と高い効率で作動する一方で、ＥＤＧＥおよびＷＣＤＭＡ用の電力増幅器は、これらの信号の形式が強い振幅成分を有するため、線形に信号を増幅する必要がある。異なる増幅のモードそれぞれへの整合に関する相違点もある。調和波のインピーダンスはとても低い必要がある（ハーモニックショート（ｈａｒｍｏｎｉｃ  ｓｈｏｒｔ））。ＧＳＭにおいて、一様でない調和波は、効率を増加させるように高いインピーダンスで終端させる必要がある。
【０００５】
多数の周波数帯用に使用される２つの類似の電力増幅器が共通のハウジング内に組み合わされた製品が既存する。知られている製品では、１つの増幅器が互いに隣接する周波数帯をそれぞれ増幅するように用いられている。例えば、ＧＳＭ８５０用＋ＧＳＭ９００用の１つの電力増幅器が、ＧＳＭ１８００用およびＧＳＭ１９００用の他の１つの電力増幅器と、共通のハウジング内に組み合わされている。この方法によって、単一の駆動回路が、これら２つの電力増幅器を駆動するように使用されることができ、これによって費用を節約する。
【０００６】
同じ種類の統合が、ＷＣＤＭＡ信号用の線形電力増幅器が単一のハウジング内に組み合わされている製品において使用されている。しかしながら問題は、異なる増幅器用に使用されることができるように異なる機能回路を組み合わせることが、ほとんど不可能なことである。
【０００７】
出力において電力レベルを低下させて作動する間に、線形電力増幅器に関する別の問題が発生する。最大電力レベルから低下した電力レベルで作動することは、常に電力増幅器の効率の低下につながる。したがって、エネルギーの無駄な消費およびバッテリ容量の無駄な消費が発生し、結果として携帯電話機の自律性が低下することをもたらす。これらの問題を回避するために、２つ以上の増幅段を有する電力増幅器のための回路および構想が発展してきた。１つ以上のこれらの電力増幅器がバイパスされるか単にスイッチを切られる作動モードがある。しかしながら、これらすべての「改良」は、増幅器の電力レベルが低下したモードにおける基本的な電力の損失という、特有の不利な点を有する。これらの損失は、電力レベルが低下したモードにおいて必要とする能力よりも今や高くなっている、増幅段の高い能力に基づいている。さらに、回路内のさらなるエネルギー損失を引き起こす複雑な整合が必要となる。パッシブな、または切り替えられたバイパス整合回路におけるさらなる損失は、例えば４オームから３０オームの、必須の高いインピーダンス変換率によって生じる。さらに、低い電力モードにおける負荷インピーダンスが最適でない場合、低下した動作によるさらなる効率の低下が発生する。切り替えられたバイパスにおいて、スイッチの抵抗損失が発生する。
【０００８】
それらの増幅器がもたらす典型的な効率係数は最大電力レベルで作動した場合で約４０％であるが、中間電力モードで作動する間は最大で２５％の係数に達する。このことは非効率的であるとみなされる。
【０００９】
上述のバイパス構造を使用した、すべての知られている統合された増幅器製品は、電力出力における直列整合のために狭帯域で作動している。したがって、多数の電力増幅段のうち１つ以上をバイパスする間にエネルギーを節約しようとするならば、同時に広帯域整合に達することは不可能である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、異なる周波数帯において作動することができ、低い電力レベルで作動する間の効率が向上した、増幅器モジュールを提供することである。さらなる目的は、同時に１つ以上の周波数帯に共通して用いられる増幅器モジュールのうち異なる要素を使用することによって、統合のレベルが増加した増幅器モジュールを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明による増幅器モジュールは、電力増幅器回路の出力における負荷に独立的に整合された少なくとも２つの増幅器枝を有する、電力増幅器回路を提供する。各枝は、周波数帯にそれぞれ割り当てられた出力端子にそれぞれ枝を接続する切り替え装置に、別々に電力を供給する。増幅器回路は統合された回路デバイスからなり、第１の入力端子に接続される。この入力端子から始まって、増幅器回路はノードで多数の第１の増幅器枝へと分かれる。モジュールはさらに、各々のＴＸ周波数帯に割り当てられた第１の出力端子を有する。第１の切り替え装置は、第１の出力端子の任意の１つに第１の増幅器枝のいずれか１つ以上を独立的に接続する。各々の第１の増幅器枝が、その出力において異なるレベルの電力を送出するようになされ、少なくとも１つの各々の整合回路によって第１の出力端子における負荷に整合される。増幅器モジュールは、頂部に集積回路デバイスおよび切り替え装置が取り付けられた多層基板を基礎とする。多層基板の内部には、多数の整合回路の部分であるパッシブな整合要素が統合される。
【００１２】
電力増幅器回路を、切り替え装置において再接続される異なる電力レベルの出力用の、少なくとも２つの増幅器枝へと分けることにより、整合は切り離され、そして負荷の最適化されたインピーダンスに整合される。この切り離しによって、整合はより簡単に行われることができる。所与の枝の整合が他の枝に全く影響を与えないため、多数の隣接する周波数帯を有するように整合の帯域幅を最適化することが可能である。当該技術から知られるデバイスの直列整合の結果であるような、帯域幅に従来あった制限は、新しい電力増幅器モジュールにおいてはもはや存在しない。
【００１３】
特有の例として、出力において最も低い電力レベル用に構成された枝は切り離された整合を有し、最大定格の電力出力において常に約４０％の効率に達することができる。
【００１４】
数パーセントの減少に至る切り替え装置の挿入損失が原因である追加の損失にもかかわらず、この減少が、低い電力レベルにおける効率の向上によって補償されるよりも大きいため、全体の効率は実質的に増加する。低電力レベルまたは中電力レベルのモードが最も頻繁に用いられるＷＣＤＭＡ帯用に増幅器モジュールを使用することが好ましいため、提案された電力増幅器モジュールは携帯電話において多くのエネルギーを節約するのに役立つ。
【００１５】
増幅器モジュールは、ＲＦ信号を電力増幅器枝の帯域幅内で受信するようにＲＦ−ＩＣ（トランシーバＩＣ）に接続されることができる単一の入力端子を有することができる。モジュールは、したがって、信号がこの帯域幅内にある移動体通信のすべての周波数帯用に使用されることができる。したがって、増幅器の帯域幅への影響の減少が生じ、出力端子に接続されることができる周波数帯の数が増加する。
【００１６】
本発明の他の実施例によれば、増幅器モジュールは第２の入力端子を有することができ、第２の増幅器回路、第２の整合回路、および第２の切り替え装置がそこに接続され、構成要素は第１の入力端子に接続されたものと同様に構成され配線される。この第２の入力端子によって、増幅器モジュールを、異なる移動体通信システム用に使用される第２の数の周波数帯に従って、第２の周波数範囲内で駆動することができる。増幅器枝の数ならびに出力端子の数は、第１の入力端子に接続されたそれらと同じであってもよく、異なってもよい。第２の増幅器枝のそれぞれはその出力において異なる電力レベルを送出するようになされ、それによって、第２の整合回路により第２の出力端子における負荷と整合する。
【００１７】
第１および第２の増幅器回路は半導体デバイス内に独立して形成されることができる。好ましくは、両方の増幅器回路が同一の半導体デバイス内に実装される。第１および第２の整合回路は、それぞれの出力端子において、それぞれの増幅器回路の各枝を各出力端子における同一の共通出力インピーダンスに整合させるようになされる。
【００１８】
第１の実施例によれば、整合回路は増幅器回路と切り替え装置との間に接続され配線される。別の実施例によれば、別の整合回路が切り替え装置とそれぞれの出力端子との間に接続される。
【００１９】
いずれの整合回路も、多層基板へと統合された第１の整合要素を有することができる。他の整合要素が同様に実装されることができ、または基板の頂部に取り付けられた別個のパッシブな要素として実装されることができる。他の整合回路は、第１および第２の増幅器回路を有する集積回路デバイスの基板内に実装されることができる。
【００２０】
切り替え装置もまた、半導体デバイス内に形成されることができる。別の実施例では、切り替え装置はＭＥＭＳ（微小電気機械システム）デバイスを有する。そのようなＭＥＭＳデバイスは２つの電極を有し、そのうち少なくとも１つは、電気的接触を開閉するように他方の電極と行き来することができ、それによって切り替え要素を形成する。そのようなＭＥＭＳデバイスは例えば圧電力、静電気力、または電磁力によって駆動されることができる。
【００２１】
好ましくは、切り替え装置は多数の単一スイッチの配列である。このスイッチの配列は、好ましくはｘＰｙＴタイプのスイッチを形成する。ここで、ｘは切り替え装置に接続された枝の数を表し、ｙはそれぞれの切り替え装置に接続された出力端子の数を表す。
【００２２】
各切り替え装置は、所望の電力レベルを有する増幅器枝を選択するレベルスイッチと、それぞれの周波数帯に割り当てられた出力端子を選択するバンドスイッチとを有することができる。したがって、所与の切り替え状態において、少なくとも１つのレベルスイッチと１つのバンドスイッチが直列に接続され、該接続は双方のスイッチを共通の接続点に接続することによってなされることができる。同一の入力端子に接続された２つ以上の増幅器枝を、周波数帯に割り当てられた所望の同一の出力端子に接続することも可能である。そのような増幅器枝のうち２つを同一の出力端子に並列に接続することにより、第３の電力レベルが生じるように２つの増幅器枝が互いに電力レベルを増加させる。
【００２３】
本発明の実施例によると、切り替え装置は半導体基板に形成されることができる。切り替え装置の基板へと、増幅器回路ならびに論理回路を駆動する手段もまた統合されることができる。
【００２４】
切り替え装置が形成される半導体基板は、増幅器回路に異なるバイアス電圧または電流を送出する電圧レギュレータをさらに有することができる。トランジスタの異なるバイアス状態は直接変更されることができる。これらの電圧レベルはそれぞれの増幅器枝をオン状態からオフ状態に、またはその逆に切り替えるために使用されることができる。計器用変圧器はさらに、所与の供給電圧と異なる特定の電圧レベルを要求するすべての半導体またはＭＥＭＳデバイス用に使用されることができる。
【００２５】
増幅器回路において、各増幅器枝は多数の増幅段を有することができる。同一の増幅器回路の任意の２つの増幅器枝は、同一の数の段を有してもよく、異なる数の段を有してよい。各増幅段は同一の技術の半導体要素を有する。
【００２６】
増幅段および、したがって増幅器回路は、ガリウムヒ素半導体からなるトランジスタを有してもよい。例えば、増幅器回路はガリウムヒ素のヘテロバイポーラトランジスタ（ＧａＡｓ  ＨＢＴ）を有する。切り替え装置は、半導体スイッチを有する限り、ガリウムヒ素またはガリウム窒素基板上のｐＨＥＭＴを通常基礎とするか、バルクシリコン、ＳＯＩ（絶縁体上のシリコン）、ＳｉＧｅ（シリコンゲルマニウム）、またはＳＯＳ（サファイア上のシリコン）などのシリコンを有する基板上のＰＭＯＳトランジスタを有する。
【００２７】
切り替え装置の製造において、高い絶縁抵抗を有するシリコン基板上、ＳＯＩ上、またはＳＯＳ（サファイア上のシリコン）上のＣＭＯＳプロセスと互換性のあるプロセスを用いることが特に有利である。これらの基板は、切り替え装置の駆動用に使用されることができる非常に複雑な論理回路を統合することを可能にする。それらの回路は基板上に極めて小さな空間を必要とする。それらの回路により、ドライビングロジック（ｄｒｉｖｉｎｇ  ｌｏｇｉｃ）がバスを有する場合は、さらにバスコントローラをこの基板へと統合することができる。すべての場合において、切り替え装置の半導体基板内のバイアス生成回路の大部分、および電力増幅器回路の駆動回路および論理回路を統合することができる。
【００２８】
増幅器回路および切り替え装置を１つの半導体チップへと組み合わせて完全に統合することが可能である。
【００２９】
そのような完全に統合された半導体チップの複雑すぎる製造過程を回避するために、ガリウムヒ素ＨＢＴ技術における電力増幅器回路を製造することができ、多層基板へと整合回路を統合することができ、ＳＯＩまたはＳＯＳ上にＣＭＯＳ内の切り替え装置を製造することができる。このようにして、それぞれの機能ブロック用に最適化され、かつ製造費用を最小化することを可能にする、適切な技術が使用されることができる。
【００３０】
多層基板は、ＨＴＣＣ（高温同時焼成セラミック）、ＬＴＣＣ（低温同時焼成セラミック）、および有機誘電体を有する異なる層からつくられる積層板のうちの１つからなることができる。多層基板の内部において、パッシブな要素が金属層を構築することにより製造されて統合され、導体および導体の部分がセラミックまたは積層の誘電層のいずれか２つの間に配置される。パッシブな要素は導体線、伝送線、例えば多層基板の異なる面内で互いに向き合う２つの金属層により形成されたキャパシタ、誘電導体線から、または、適宜に構築された導体線により、多層基板の異なる面における接点を介して形成されたコイルからつくられたインダクタを有することができる。
【００３１】
増幅器モジュールは、特にＷＣＤＭＡワイヤレス通信システムの周波数帯用の、異なる周波数帯に割り当てられた多数の出力端子を有するように設計される。増幅器モジュールは、５つの異なる周波数帯に割り当てられた少なくとも５つの異なる出力端子を有することができる。出力端子の数は、第１の入力端子に接続された枝の周波数範囲とは異なる周波数範囲に従って信号を送出するさらなる入力端子を使用することにより増やすことができる。全部の出力端子がそれぞれ整合する回路に接続されてもよいため、出力端子のそれぞれにおいて出力端子に接続された負荷への、完全な整合が生じる。
【００３２】
本発明による増幅器モジュールは多数の構成要素を有してもよい。構成要素のそれぞれは、集積回路、切り替え要素、または別個のパッシブな構成要素を載置する半導体基板を基礎とするチップである。すべてのこれらの構成要素は多層基板に取り付けられてもよく、絶縁または保護カバーによって覆われてもよい。このカバーは多層基板上に堆積されたモールドおよび、それに取り付けられたまたは統合された構成要素を有してもよい。このカバーは構成要素と絶縁されてもよく、金属板をさらに有してもよい。これは電磁気的にモジュールを遮断するように使用されることができる。モジュールの単一の構成要素をグロブトップ（ｇｌｏｂ  ｔｏｐ）と同様に覆うことにより保護することもまた可能である。
【００３３】
以下に、本発明の実施例を記載し、添付の図面によりさらに説明する。これらの図は概略的に描かれており原寸に比例して描かれてはいない。したがって、図からいかなる寸法やいかなる寸法関係を得ることも可能ではない。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】２つの入力端子に接続された増幅器モジュールを示す概略図である。
【図２】２組の整合回路を使用する増幅器モジュールを示す図である。
【図３】切り替え装置へと統合された駆動回路を有する増幅器モジュールを示す図である。
【図４】駆動回路、増幅器回路および切り替え装置の接続を示す概略図である。
【図５】増幅器回路およびそれに従った整合回路の実施例を示す図である。
【図６】異なるチップに統合された論理回路を備える増幅器モジュールの図である。
【図７】電力増幅器モジュールの多層基板の内部の概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
図１は、電力増幅器モジュールの実施例を概略図で示す。モジュールは第１のチップに形成された集積回路ＩＣと第２のチップに形成された切り替え装置ＳＷとを有する。第１の入力端子ＴＩＮ１は第１のチップの第１の電力増幅器回路ＰＡＣ１に接続される。第２の入力端子ＴＩＮ２は同一のチップの第２の電力増幅器回路ＰＡＣ２に接続される。第１の電力増幅器回路ＰＡＣ１は２つの枝を有し、各枝は整合回路ＭＣ１１、ＭＣ１２に接続される。第１の枝Ｂ１１は第１の増幅段ＴＲ１を有し、第２の枝Ｂ１２は第２および第３の増幅段ＴＲ２、ＴＲ３を有し、各増幅段は第１のチップＩＣの電力増幅器回路において実装される。
【００３６】
すべての枝は、各枝を各出力端子ＴＯＵＴ１からＴＯＵＴ３とそれぞれ接続するようになされた切り替え装置ＳＷに、個別に配線されるかまたは接続される。この実施例では、第１および第２の枝に接続された切り替え装置は５つの異なる切り替え要素Ｓ１からＳ５を有する。それぞれの出力端子への枝の各接続は２つの切り替え要素の直列接続を必要とする。それらのうち１つはレベルスイッチＳ１、Ｓ２であり、もう１つは帯スイッチＳ３、Ｓ４、Ｓ５である。図ではすべての切り替え要素は開になっている。１つの出力端子に１つの枝を接続することにより、それぞれの枝の増幅段は第１の入力端子ＴＩＮ１に供給された信号を第１の電力レベルに増幅し、２つの直列接続された切り替え要素のそれぞれの位置に従って、増幅された信号をそれぞれの出力端子ＴＯＵＴに供給する。電力増幅回路のもう１つの枝を出力端子にそれぞれ接続することにより、もう１つの、またはもう１組の増幅段は入力信号を第１の電力レベルとは異なる第２の電力レベルにそれぞれ増幅し、増幅された信号を切り替え装置のそれぞれの切り替え位置に従って出力端子に送出する。電力増幅回路の２つ以上の枝を同一の出力端子に並列接続することもまた可能である。この場合、並列に接続されるか配線される２つの枝のすべての増幅段は、第１および第２の電力レベルの合計である第３の電力レベルがそれぞれの出力端子に印加されるようにそれらの電力レベルを増加させる。
【００３７】
図１のモジュールは第２の入力端子ＴＩＮ２、第２の電力増幅回路ＰＡＣ２、さらなる整合回路、およびもう１つの出力端子ＴＯＵＴ４からＴＯＵＴ６の組に接続可能な切り替え要素のさらなる配列を有する。すべての要素および接続は、上記のように第１の入力端子に接続された第１および第２の枝において使用されたものと同様である。特に異なる点としては、電力増幅器と切り替え装置との間に配線されることがある、枝それぞれにおける整合回路がある。これは、枝のそれぞれにおける信号のインピーダンスが周波数に依存することにより、異なる入力端子に供給された異なる周波数範囲の信号が異なる整合を要求するためである。
【００３８】
図２は、上記増幅器モジュールの一部を示す概略図である。第１の入力端子に接続された第１および第２の枝Ｂ１１、Ｂ１２、第１の整合回路ＭＣ１１、ＭＣ１２、および切り替え要素Ｓ１からＳ５の配列を含む切り替え装置ＳＷが示される。切り替え装置ＳＷによって、枝のそれぞれはＴＯＵＴ１からＴＯＵＴ３のうち１つに独立的に接続されることができる。さらなる整合回路ＭＣ１、ＭＣ２、ＭＣ３は整合を改善するように出力端子それぞれと切り替え装置との間に配線される。
【００３９】
図１または図２に示されたような実施例から始まり、より多くの数の枝を含むように増幅器回路を修正することが可能であり、各々がトランジスタを特に基礎とする増幅段を有し、各々が切り替え装置によって増幅された信号を多数の出力端子に供給するように特定の電力レベルを送出し、出力端子の数は図２または図１に示されたような３つという数を超えてもよい。
【００４０】
図３は増幅器モジュールのさらなる構成要素を概略的に示す。電力増幅器回路ＰＡＣを駆動するようになされた駆動回路ＤＣが、切り替え装置ＳＷの半導体チップへと統合される。電力増幅器モジュールから分離されてもよい中央処理装置ＣＰＵが駆動回路を制御して、駆動回路はＣＰＵによって送られてくる制御信号に従属して、増幅段をオン状態またはオフ状態にする。さらに、制御回路は所望の増幅係数が得られるように、電力増幅回路に異なるバイアス電圧または電流を送出する。駆動回路ＤＣはさらに、切り替え装置ＳＷを駆動して切り替え装置の切り替え要素を開閉するようになされてもよい。
【００４１】
図４は、バスＢＵＳが切り替え装置ならびに電力増幅器回路を駆動するように使用される場合の信号の流れを示す。バスは中央処理装置ＣＰＵから第１の論理回路であるバスコントローラＢＵＣへ信号を送出する。バスコントローラはバス信号を翻訳し、場合によってはそれを復号する。復号された信号は２つのさらなる回路に送られる。すなわち、ともに集積回路ＩＣの基板に実装されることができるバイアス制御ＢＩＣおよびスイッチ制御ＳＷＣである。スイッチコントローラが切り替え装置ＳＷを制御し駆動する間、バイアスコントローラは電力増幅器回路を制御し駆動する。好ましい実施例では、すべてのそれらバイアス構成要素は切り替え装置ＳＷの同一の半導体基板内に統合される。
【００４２】
図５は、図２により一般的に示されたモジュールの可能な実施例を概略的に示す。入力端子ＴＩＮから始まり、第１の増幅器枝Ｂ１１および第２の増幅器枝Ｂ１２に信号が分岐する。各枝の開始部においてキャパシタＣがＤＣ信号から回路を分離する。第１の枝Ｂ１１において第１の増幅段は第１のトランジスタＴＲ１によって形成される。第１の増幅段ＴＲ１の出力において枝はインピーダンスＺＬ２を有する。第２の枝Ｂ１２において第２のトランジスタＴＲ２によって形成された第２の増幅段、さらなるキャパシタＣ４、第３のトランジスタＴＲ３によって形成された第３の増幅段が直列に配線される。第３の増幅段の後において、この枝のインピーダンスはＺＬ１である。通常、ＺＬ１はＺＬ２と異なり、両方のインピーダンスが出力端子に接続された負荷と整合するとは限らない。例えば、ＺＬ１はＺＬ２よりも小さい。したがって、インピーダンス整合回路は各々の枝に配置される。
【００４３】
第１の枝Ｂ１１における第１の整合回路は枝と並列に接続されたキャパシタＣ５を有する。直列のインダクタＬ３および直列のキャパシタＣ６が続く。この点において、第１の枝Ｂ１１は出力インピーダンスＺＯｕｔ１を有する。第２の枝Ｂ１２において第１の整合回路ＭＣは、直列に接続され接地への待避線内に配置されたキャパシタＣ１およびインダクタＬ２によって形成される。直列分岐で、送信線ＴＲＬ１に、第２のキャパシタＣ２が配置されるもう１つの待避線が続く。直列で、第３のキャパシタＣ３が最後の整合要素となる。この点において、第２の枝はＺＯｕｔ２の出力インピーダンスを有する。好ましい実施例においてＺＯｕｔ１＝ＺＯｕｔ２である。
【００４４】
切り替え装置ＳＷは５つの独立したスイッチを有し、それらはレベルスイッチＳ１およびＳ２のうちのひとつと、バンドスイッチＳ３からＳ５のうちのひとつとの直列接続によって、枝Ｂ１１、Ｂ１２のそれぞれを所望の出力端子ＴＯｕｔに独立的に接続することを可能にする。レベルスイッチＳ１およびＳ２が同時に閉じられた場合、第１および第２の枝を所望の出力端子ＴＯｕｔに接続することが可能である。
【００４５】
図６は異なる統合方法を用いた他の実施例である。電力増幅器回路ＰＡＣを有する集積回路の半導体基板へと、バイアスコントローラＢＩＣが統合される。切り替え装置ＳＷが実装された半導体基板へと、スイッチコントローラＳＷＣが統合される。中央処理装置ＣＰＵによって生成された制御信号は、スイッチコントローラおよびバイアスコントローラに別々に送られてもよい。他の方法では、スイッチコントローラＳＷＣのみが中央処理装置ＣＰＵに接続され、バイアスコントローラＢＩＣがスイッチ制御ＳＷＣから駆動信号を受け取ることも可能である。これらの異なる可能性が図のそれぞれの破線により示される。
【００４６】
図７は多層基板の内部の概略断面図を示し、多層ＭＬの頂部に取り付けられる集積回路ＩＣならびに切り替え装置ＳＷを示す。この実施例において、電力増幅器回路を有する集積回路ＩＣは、例えば接着剤を用いることによって、多層回路の最上層の頂部に直接、集積回路ＩＣの背面で取り付けられる。多層ＭＬの頂部におけるそれぞれのパッドへの電気的接続は、ボンドワイヤによってなされる。切り替え装置ＳＷを含む半導体基板は、多層基板ＭＬの最上層に表を下にしてフリップチップ技術により取り付けられてもよい。切り替え装置ＳＷと多層基板ＭＬとの機械的および電気的接続は、例えばバンプによってなされる。しかしながら、任意の適切な技術が、切り替え装置ＳＷと集積回路ＩＣとを有するデバイスを取り付けるために可能である。
【００４７】
多層基板ＭＬは多数の誘電層を有し、その各々がセラミックまたは積層でつくられる。２つの誘電層それぞれの間に、導体線、電気的接続、および抵抗器、インダクタまたはキャパシタのようなパッシブな回路要素の部分であるメタライゼーションエリアを形成するように構築されたメタライゼーションを含むメタライゼーション面が配置される。異なるメタライゼーション面の間の導電性接続はスルーコンタクトによりなされる。取り付けられる構成要素を備える表面と逆方向を向く層の表面である底面において、増幅器モジュールを外部環境、例えばプリント回路基板ＰＣＢに接続するための電気的接触パッドＣＰがある。
【００４８】
モジュールを環境からの衝撃から機械的に保護するように、そしてモジュールを密封するために、カプセル化がモジュールを完成させることができる。これは基板の頂部にカバーを取り付けることによりなされることができ、それによってカバーの下のすべての半導体デバイスをカバーの間隙内に取り囲む。このカバーは金属シートからなることができる。セラミック製の堅いカバーもまた可能である。さらに、図７に示されたモールドＣ、例えばグロブトップ樹脂または射出成型物により、基板の頂部でデバイスを覆うことが可能である。
【００４９】
本発明はいくつかの実施例によってのみ説明されてきたが、権利保護の範囲は図または実施例に限定されず、特許請求の範囲内の異なる形態において変動してもよい。
【符号の説明】
【００５０】
ＡＭ  増幅器モジュール
ＩＣ  集積回路デバイス
ＰＡＣ  増幅器回路
ＴＲ  トランジスタ段
ＴＩＮ１、ＴＩＮ２  第１および第２の入力端子
ＴＯＵＴ  出力端子
ＳＷ  切り替え装置
ＭＬ  多層基板
Ｂ１ｘ、Ｂ２ｘ  増幅器回路の枝
ＴＲ１、ＴＲ２、ＴＲ３  増幅段
ＭＣ  整合回路
ＭＥ  整合要素
Ｃ  カバー
Ｓ  切り替え要素
ＭＯ  モールドカバー
ＤＣ  駆動回路
ＢＩＣ  バイアス制御
ＳＷＣ  スイッチ制御
ＣＰ  接触パッド
【図１】
2010154512.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2010154512.tif 000009
【外国語明細書】
Description
Multilayer amplifier module
The invention relates to an amplifier module as it can be used in the front-end of a wireless communication unit like a mobile phone. 
The official UMTS standard used in Europe finds increasing acceptance. Thus, a need for further frequency bands arises, which increases the complexity of mobile phones continuously. While the market deals with mobile phones which are able to work in one UMTS band (band 1) and in four GSM bands, the manufacturers are developing mobile phones and data cards adapted to work in three or four WCDMA bands and, at the same time, support GSM/GPRS and EDGE. 
Thus, such a mobile phone needs up to six separate power amplifiers for transmitting in these seven or eight different frequency bands. There is an obvious need for a higher integration of these power amplifiers into one single module which will save space and, at the same time, reduce costs which will be of great advantage for manufacturers of mobile phones.
As there is a principal difference between power amplifiers which can be used for GSM/GPRS and for WCDMA because of their basically different design, it is preferred to integrate only similar power amplifiers into one module working in a number of different frequency bands. The fundamental difference between an amplifier for GSM and another one for WCDMA is based in the different power level for TX signals. The maximum power levels of the amplifiers differ by more than 3 dB. While power amplifiers used for GSM/GPRS work with compression and high efficiency, power amplifiers for EDGE and WCDMA need to amplify signals linearly because the form of these signals has a strong amplitude component. There are also differences in the respective matching to the different modes of amplifying. The impedance of the harmonic waves needs to be very low (harmonic short). In GSM the uneven harmonic waves need to be terminated with high impedance to increase efficiency. 
There are already products where two similar power amplifiers used for a multitude of frequency bands are combined in a common housing. In a known product one amplifier each is used to amplify to frequency bands which are adjacent to each other. For example, one power amplifier for GSM 850 + GSM 900 is combined with another power amplifier for GSM 1800 and GSM 1900 in a common housing. By this way, a single driving circuit can be used to drive these two power amplifiers which will save costs.
The same kind of integration is used in products where linear power amplifiers for WCDMA signals are combined in a single housing. But a problem is that it is nearly impossible to combine different functional circuits such that they can be used for the different amplifiers. 
Another problem arises with linear power amplifiers while working at a reduced power level at the output. Working at a power level backed off from the maximum power level always leads to a reduction of the efficiency of the power amplifier. Thus, waste of energy and waste of battery capacity arise, resulting in reduced handset autonomy. To circumvent these problems, circuits and concepts have been developed for power amplifiers having two or more amplifier stages. There are working-modes where one or more of these power amplifier stages are by-passed or simply switched off. But all these "improvements" have the specific disadvantage of fundamental power losses in amplifier modes of reduced power level. These losses are based on the high capacity of the amplifier stage being recently higher than necessary on the reduced power level mode. Further, a complicated matching is necessary which produces further losses of energy in the circuit. Additional losses in a passive or a switched bypass matching network result from the necessary high impedance transformation ratio, e.g. from 4 ohm to 30 ohm. Further, if load impedance in a low power mode is not optimal additional efficiency reduction arises due to backed-off operation. In a switched bypass, resistive losses of the switch arise. 
Typical coefficients of efficiency resulting at those amplifiers are about 40% when working at the highest power level, but reach at maximum a coefficient of 25% while working in medium power mode. This is regarded to be inefficient. 
All known integrated amplifier products using the above mentioned bypass structures are working in a narrow band because of a cascaded matching at the power output. Therefore, it is impossible to simultaneously reach a broad-band matching if trying to save energy while bypassing one or more of a multitude of power amplifier stages. 
It is an object of the invention to provide an amplifier module which can work in different frequency bands and which has an increased efficiency while working at a low power level. A further object is to provide an amplifier module having an increased level of integration by using different elements of the amplifier modules commonly for one or more frequency bands simultaneously. 
An amplifier module according to the invention provides a power amplifier circuit comprising at least two amplifier branches which are independently matched to a load at the output of the power amplifier circuit. Each branch is separately fed to a switched unit connecting the respective branch to an output terminal assigned to a respective frequency band. The amplifier circuit comprises an integrated circuit device and is connected to the first input terminal. Starting from this input terminal, the amplifier circuit divides at a node into a number of first amplifier branches. The module further comprises first output terminals assigned to respective TX frequency band each. A first switching unit is independently connecting anyone or more of the first amplifier branches to an arbitrary one of the first output terminals. Each of the first amplifier branches is adapted to deliver a different power level at its output and is matched to a load at first output terminals by means of at least one matching circuit each. The amplifier module is based on a multilayer substrate on top of which the integrated circuit device and the switching unit are mounted. Inside of the multilayer substrate there are integrated passive matching elements which are part of a number of matching circuits. 
By dividing the power amplifier circuit into at least two amplifier branches for different output power levels which are reconnected at the switching unit, the matching is decoupled and thus matched to an optimized impedance of a load. With this decoupling matching can be made more simply. As matching of a given branch has no impact on another branch it is possible to optimize the band width of the matching to comprise a multitude of adjacent frequency bands. The former limitation of the band width as it is a result of the cascaded matching of the devices known from the art does not exist anymore at the new power amplifier module. 
As a specific example, the branch adapted for the lowest power level at its output has a decoupled matching and can reach an efficiency of about 40% always at the maximum rated output power. 
Despite additional losses in cause of the insertion loss of the switch unit resulting in a reduction of some percent, the all about efficiency is substantially increased because this reduction is more than compensated by the improved efficiency at low power levels. As it is preferred to use the amplifier module for WCDMA bands where a low or a medium power level mode is most frequently used, the proposed power amplifier module helps to save a lot of energy in the mobile phone. 
The amplifier module can have a single input terminal which can be connected to an RF-IC (transceiver IC) to receive RF signals within the bandwidth of the power amplifier branches. The module can thus be used for all frequency bands of mobile communication whose signals are within this bandwidth. Thus, reduced impact on the bandwidth of the amplifier results and the number of frequency bands which can be connected to the output terminals is increased. 
According to another embodiment of the invention, the amplifier module can comprise a second input terminal and, connected thereto, a second amplifier circuit, second matching circuits, and a second switching unit, the components arranged and circuited similar to those connected to the first input terminal. With this second input terminal it is possible to drive the amplifier module in a second range of frequencies according to a second number of frequency bands that are used for different mobile communication systems. The number of amplifier branches as well as the number of output terminals can be the same as or can differ from those being connected to the first input terminal. Each of the second amplifier branches is adapted to deliver a different power level at its output, thereby being matched to a load at the second output terminal by means of a second matching circuit. 
First and second amplifier circuit can independently be formed in a semiconductor device. Preferably, both amplifier circuits are realized in the same semiconductor device. First and second matching circuits are adapted to match each branch of a respective amplifier circuit to the same common output impedance at each of the output terminals. 
According to a first embodiment, the matching circuit is connected and circuited between the amplifier circuit and the switching unit. According to another embodiment, another matching circuit is connected between the switching unit and a respective output terminal. 
Any of the matching circuits can comprise a first matching element integrated into the multilayer substrate. Other matching elements can be realized similarly or as a discrete passive element mounted on top of the substrate. Other matching elements can be realized in the substrate of the integrated circuit device comprising first and second amplifier circuit. 
The switching unit can be formed in a semiconductor device, too. In another embodiment the switching unit comprises a MEMS (= micro electro mechanical system) device. Such a MEMS device has two electrodes, at least one of them being moveable to or away from the other electrode to close or open an electrical contact thereby forming a switching element. Such a MEMS device can be driven by a piezoelectric force, by electrostatic force or by electromagnetic force for example.
Preferably, the switching unit is an array of a multitude of single switches. This array of switches preferably forms a switch of the type xPyT where x represents the number of branches connected to the switching unit and y represents the number of output terminals connected to the respective switching unit. 
Each switching unit can comprise a level switch to select an amplifier branch having a desired power level and a band switch to select an output terminal assigned to a respective frequency band. Thus, in a given switching state at least one level switch and one band switch are connected in series which can be done by connecting both switches to a common connection point. It is also possible to connect two or more amplifier branches being connected to the same input terminal to the same desired output terminal assigned to a frequency band. By connecting two of such amplifier branches in parallel to the same output terminal, the power levels of the two amplifier branches add to each other such that third power level results.
According to an embodiment of the invention, the switching unit can be formed in a semiconductor substrate. Into the substrate of the switching unit, means for driving the amplifier circuit as well as a logical circuit can be integrated, too.
A semiconductor substrate wherein the switching unit is formed can further comprise a voltage regulator to deliver different BIAS voltages or currents to the amplifier circuit. With different  the BIAS states of the transistors can be directly changed. These voltage levels can be used for switching a respective amplifier branch from an on-state to an off-state or vice versa. The voltage transformer can further be used for all semiconductor or MEMS devices requiring a specific voltage level different from a given supply voltage. 
In an amplifier circuit each amplifier branch can comprise a number of amplifier stages. Any two amplifier branches of the same amplifier circuit may have the same or a different number of stages. Each of the amplifier stages comprises a semiconductor element of the same technology. 
An amplifier stage and thus, an amplifier circuit may comprise transistors made of a Gallium Arsenide based semiconductor. For example, an amplifier circuit comprises a hetero bipolar transistor of Gallium Arsenide (GaAs HBT). The switching unit, as far as comprising semiconductor switches, is usually based on pHEMT on a Gallium Arsenide or Gallium Nitride substrate or comprises PMOS transistors on a substrate comprising silicon like bulk silicon, SOI (silicon on isolator), SiGe (silicon germanium) or SOS (silicon on sapphire). 
In manufacturing a switching unit it is especially advantageous to use processes which are compatible to CMOS processes on a silicon substrate with a high isolation resistance, on an SOI- or an SOS (silicon on sapphire), these substrates allowing it to integrate very complex logic circuits which can be used for driving the switching unit. Those circuits need very small space on the substrate. With those substrates, it is possible to further integrate a bus controller into this substrate if the driving logic comprises a bus. In all cases it is possible to integrate most of the BIAS generating circuits and the driving and logical circuits of the power amplifier circuit within the semiconductor substrate of the switching unit.
It is possible to combine and fully integrate the amplifier circuit(s) and the switching unit into one semiconductor chip. 
To avoid a too complex processing of such a fully integrated semiconductor chip, it is possible to manufacture the power amplifier circuit in a gallium arsenide HBT technology, to integrate a matching circuit into the multilayer substrate, and to manufacture the switching unit in CMOS on SOI or on SOS. This way a suitable technology can be used which is optimized for the respective function block and allows to minimize the costs of manufacturing. 
The multilayer substrate can comprise one of HTCC (high temperature co-fired ceramic), LTCC (low temperature co-fired ceramic), and a laminated board made from different layers comprising an organic dielectric. Inside the multilayer substrate passive elements are integrated manufactured by structuring metallic layers, conductors and sections of conductor being arranged between any two of the dielectric layers of a ceramic or a laminate. The passive elements can comprise conductor lines, transmission lines, capacitors formed by, for example, two metallic layers opposing each other in different planes of the multilayer substrate, inductors made of inductive conductor lines or coils formed by accordingly structured conductor lines and through contacts in different planes of the multilayer substrate. 
The amplifier module is designed to comprise a multitude of output terminals assigned to different frequency bands especially for frequency bands of WCDMA wireless communication systems. The amplifier module can comprise at least five different output terminals assigned to five different frequency bands. The number of output terminals can be enhanced by using further input terminals delivering signals according to a frequency range different from the frequency range of the branches connected to the first input terminal. As every output terminal may be connected to a respective matching circuit, a perfect matching to a load being connected to the output terminal at each of the output terminals results. 
The amplifier module according to the invention may comprise a multitude of components with each of the components being a chip based on a semiconductor substrate carrying the integrated circuit, switching elements, or discrete passive components. All these components may be mounted on the multilayer substrate and covered by an insulating or protecting cover. This cover may comprise a mold deposited over the multilayer substrate and the components being mounted or integrated therein or thereon. The cover may be insulated to the components and may further comprise a metallic sheet. This can be used to shield the module electromagnetically. It is also possible to protect single components of the module by covering same with a glob top.
In the following, embodiments of the invention are described and further explained by according figures. These figures are  drafted schematically and not drawn to scale. Thus, it is not possible to take any dimension or any relation of dimensions out of the figure.
Figure 1 shows schematically an amplifier module connected to two input terminals. 
Figure 2 shows an amplifier module using two sets of matching circuits.
Figure 3 shows an amplifier module comprising a driving circuit integrated into the switching unit.
Figure 4 schematically shows the connection of driving circuits, amplifier circuit, and switching unit.
Figure 5 shows an embodiment of an amplifier circuit and according matching circuits. 
Figure 6 shows an amplifier module with logic circuits integrated on different chips. 
Figure 7 shows a schematic sectional view through a multilayer substrate of a power amplifier module. 
Figure 1 shows an embodiment of the power amplifier module in a schematic view. The module comprises an integrated circuit IC formed on a first chip and a switching unit SW formed on a second chip. A first input terminal TIN1 is connected with the first power amplifier circuit PAC1 on the first chip. A second input terminal TIN2 is connected to a second power amplifier circuit PAC2 on the same chip. The first power amplifier circuit PAC1 comprises two branches, each branch being connected to a matching circuit MC11, MC12. The first branch B11 comprises a first amplifier stage TR1 while the second branch B12 comprises a second and a third amplifier stage TR2, TR3, each amplifier stage being implemented in the power amplifier circuit on the first chip IC.
Every branch is separately circuited or connected to the switching unit SW adapted to make a connection of the respective branch with a respective output terminal TOUT1 to TOUT3. In this embodiment, the switching unit connected to first and second branch comprises five different switching elements S1 to S5. Each connection of a branch to a respective output terminal needs a series connection of two switching elements, one of them being a level switch S1, S2 and the other one being a band switch S3, S4, S5. In the figure all switching elements are open. By connecting one branch to one output terminal, the amplifier stages of the respective branch amplify a signal connected to a first input terminal TIN1 to a first power level and, by the respective position of the two series connected switching elements, feed the amplified signal to the respective output terminal TOUT. By connecting another branch of the power amplifier circuit to the respective output terminal, another one or another set of amplifier stages amplify the respective input signal to a respective second power level different from the first power level and deliver the amplified signal to an output terminal by a respective switching position of the switching unit. It is also possible to connect in parallel two or more branches of the power amplifier circuit to the same output terminal. In this case, all amplifier stages of the two branches connected or circuited in parallel add their power level such at a third power level being the sum of first and second power level is applied to the respective output terminal.
The module of figure 1 comprises a second input terminal TIN2, a second power amplifier circuit PAC2, further matching circuits and a further array of switching elements connectable to another set of output terminals TOUT4 to Tout6. All elements and connections are similar to those used in a first and second branch connected to the first input terminal as described above. Especially different is the respective matching circuit in a respective branch which may be circuited between power amplifier and switching unit. This is due to the different frequency ranges of the signals connected to the different input terminals requiring a different matching because of the frequency dependent impedance of signals in each of the branches. 
Figure 2 shows a section of the above amplifier module in a schematic view. Shown are a first and second branch B11, B12 connected to a first input terminal, first matching circuits MC11, MC12 and a switching unit SW comprising an array of switching elements S1 to S5. By the switching unit SW, each of the branches can be independently connected to one of the output terminals TOUT1 to TOUT3. Further matching circuits MC1, MC2, MC3 are circuited between the respective output terminal and the switching unit to improve the matching. 
Starting from an embodiment like depicted in figure 1 or 2, it is possible to modify the amplifier circuit to include a greater number of branches, each comprising amplifier stages especially based on transistors, each delivering a specific power level for feeding the amplified signal by means of the switching unit to a number of output terminals, wherein the number of output terminals may be exceed the number of three like shown in figure 2 or 1. 
Figure 3 shows schematically further components of the amplifier module. Integrated into the semiconductor chip of the switching unit SW is a driving circuit DC adapted to drive the power amplifier circuit PAC. A central processing unit CPU which may be separate from the power amplifier module controls the driver circuit, which, dependent on the control signals sent by the CPU, renders the amplifier stages to be in an on-state or in an off-state. Moreover, the driving circuit delivers different BIAS voltages or currents to the power amplifier circuit to result in a desired amplifying factor. The driving circuit DC may be further adapted to drive the switching unit SW and to open or close the switching elements of the switching unit. 
Figure 4 shows the signal flow if a bus BUS is used to drive the switching unit as well as the power amplifier circuit. The bus delivers signals from the central processing unit CPU to a bus controller BUC being a first logical circuit. The bus controller translates the bus signals and possibly decodes same. Decoded signals are sent to two further circuits, namely a BIAS control BIC and a switch control SWC which can both be implemented into the substrate of the integrated circuit IC. The BIAS controller controls and drives the power amplifier circuit while the switch controller controls and drives the switching unit SW. In a preferred embodiment all those BIAS components are integrated in one and the same semiconductor substrate of the switching unit SW. 
Figure 5 schematically shows a possible realization of the module depicted more generally in figure 2. Starting from an input terminal TIN, the signal branches into a first amplifier branch B11 and a second amplifier branch B12. A capacitor C at the beginning of each branch decouples the circuit from DC signals. In the first branch B11 a first amplifier stage is formed by a first transistor TR1. At the output of the first amplifier stage TR1 the branch has impedance ZL2. In the second branch B12 a second amplifier stage formed by a second transistor TR2, a further capacitor C4, and a third amplifier stage formed by a third transistor TR3 are circuited in series. Behind the third amplifier stage, the impedance in this branch is ZL1. Normally, ZL1 differs from ZL2 and both impedances are not matched to the load connected to the output terminal. E.g. ZL1 is smaller than ZL2. Thus, impedance matching circuits are arranged in each of the branches. 
The first matching circuit in the first branch B11 comprises a capacitor C5 connected in parallel to the branch. A series inductor L3 and a series capacitor C6 follows. At this point, the first branch B11 has output impedance Z0ut1. In the second branch B12 the first matching circuit MC is formed by a capacitor C1 and an inductor L2 connected in series and arranged in a shunt line to ground. In the series branch a transmission line TRL1 which is followed by another shunt line wherein a second capacitor C2 is arranged. In the seri, a third capacitor C3 is the last matching element. At this point, the second branch has an output impedance of Z0ut2. In a preferred embodiment Z0ut1 = Z0ut2. 
The switching unit SW comprises five independent switches which allow by a series connection of one of the level switches S1 and S2 and one of the band switches S3 to S5 to connect each of the branches B11, B12 independently to a desired output terminal T0ut. If the level switches S1 and S2 are closed at the same time, it is possible to feed first and second branch to a desired output terminal T0ut.
Figure 6 shows another embodiment using a different mode of integration. Into the semiconductor substrate of the integrated circuit comprising the power amplifier circuit PAC a BIAS controller BIC is integrated. Into the semiconductor substrate wherein the switching unit SW is realized, a switch controller SWC is integrated. Controlling signals generated by a central processing unit CPU may be sent to the switch controller and the BIAS controller separately. In another mode it is possible that only the switch controller SWC is connected to the central processing unit CPU and the BIAS controller BIC receives driving signals from the switch control SWC. These different possibilities are depicted by respective broken lines in the figure.
Figure 7 shows a schematic cross section through a multilayer substrate, and an integrated circuit IC as well as a switching unit SW mounted on the top of the multilayer ML. In this embodiment the integrated circuit IC comprising the power amplifier circuit is mounted with its back side directly on top of the uppermost layer of the multilayer circuit, for example by using an adhesive. The electrical connections to respective pads on top of the multilayer ML are made by bond wires. The semiconductor substrate including the switching unit SW may be mounted by flip chip technology face down to the uppermost layer of the multilayer substrate ML. Mechanical and electrical connections of switching unit SW and multilayer substrate ML are made by means of bumps for example. But any appropriate technology is possible for mounting the devices comprising switching unit SW and integrated circuit IC.
The multilayer substrate ML comprises a multitude of dielectric layers, each made of ceramic or a laminate. Arranged between each two dielectric layers is a metallization plane including a metallization structured to form conductor lines, electrical connections, and metallization areas being part of passive circuit elements like resistors, inductors or capacitors. Electric conductive connections between different metallization planes are made by through-contacts. At the bottom surface which is a surface of the layer facing away from the surface with the mounted components are electrical contact pads CP to connect the amplifier module to an external environment, for example to a printed circuit board PCB. 
To mechanically protect the module from impacts from the environment and to seal the module an encapsulation can complete the module. This can be done by mounting a cover on top of the substrate thereby encompassing all semiconductor devices under the cover in a clearance of the cover. This cover can comprise a metallic sheet. A rigid cover made of ceramic is also possible. Further, it is possible to cover the devices on top of the substrate with a mold C as shown in figure 7, e.g. a glob top resin or an injection mold.
As the invention has been explained by means of some embodiments only, the scope of protection is not restricted to the figures or the embodiments which may be varied in different modes within the scope of the claims. 
List of reference symbols
AM                 amplifier module
IC                  integrated circuit device
PAC                amplifier circuit
TR                  transistor stage
TIN1 TIN2              first and second input terminal
TOUT                 output terminal
SW                 switching unit
ML                 multilayer substrate
B1x, B2x,            branch of the amplifier circuit
TR1, TR2, TR3       amplifier stage
MC                 matching circuit
ME                 matching element
C                   cover
S                   switching element
MO                 mold covering
DC                 driving circuit
BIC                 BIAS control
SWC               switch control
CP                 contact pad
Claims
1. Amplifier module, comprising
an integrated circuit device (IC) having a first amplifier circuit (PAC1) connected to a first input terminal (TIN1), the amplifier circuit having a number of x first amplifier branches (B1x) connected to the first input terminal
a number y of first output terminals (TXOUT1y) assigned to a respective TX frequency band each
a first switching unit (SW) independently connecting any one or more of the first amplifier branches (B1x) to an arbitrary one of the first output terminals
a multilayer substrate (ML), on top of which the integrated circuit device (IC) and the switching unit (SW) are mounted, the substrate having integrated therein passive matching elements (ME) being part of a number of matching circuits (MCx)
wherein x ≧1 and y≧2;
wherein each of the first amplifier branches (B1x) being adapted to deliver a different power level at its output and being matched to a load at the first output terminals (TXOUT1y) by means of one of the matching circuits (MCx).
2. The amplifier module of claim 1, comprising
a second input terminal (TIN2), a second amplifier circuit (PAC2), second output terminals (TXOUT2y), a second switching unit (SW) to connect each of the second amplifier branches (B1x) to an arbitrary one of the second output terminals,
matching circuits (MCx) to match a multitude of branches of the second amplifier circuit (PAC2) to a load at a respective one of the second output terminals (TXOUT2y),
wherein the first input terminal (TIN1) is adapted to be connected to a signal of a first frequency range and the second input terminal (TIN2) is adapted to be connected to a signal of a second frequency range different to the first frequency range.
3. The amplifier module of claim 1 or 2, comprising
matching circuits (MCx) connected to each of the amplifier branches (Bxy), matching each branch of a respective amplifier circuit (PAC) to the same common output impedance at each of the output terminal (TOUTxy).
4. The amplifier module of one of claims 1 to 3, wherein
the matching circuit (MCx) comprises a first matching element integrated in the multilayer substrate and a second matching element being a discrete passive element mounted on top of the substrate.
5. The amplifier module of one of claims 1 to 4, wherein 
the matching circuit (MCx) comprises a matching element being integrated into the semiconductor substrate of the integrated circuit (IC).
6. The amplifier module of one of claims 1 to 5, wherein
the switching unit is formed by a semiconductor device.
7. The amplifier module of one of claims 1 to 6, wherein 
the switching unit comprises a MEMS device.
8. The amplifier module of one of claims 1 to 7, comprising
a switching unit (SW) comprising a multitude of switches (S).
9. The amplifier module of one of claims 1 to 8, comprising
a switching unit (SW) comprising a multitude of switches (S), the switches forming a xPyT type switch where x represents the number of branches (B) connected to the switching unit and y represents the number of output terminals (TOUT) connected to the respective switching unit.
10. The amplifier module of one of claims 1 to 9, wherein
each switching unit (SW) comprises a level switch to select a branch having a desired power level, and a band switch to select an output terminal assigned to a respective frequency band,
each level switch and band switch being connected to the same common connection point.
11. The amplifier module of one of claims 1 to 10, wherein
the switching unit (SW) is formed in a semiconductor substrate, 
means and a logical circuit for driving the amplifier circuit are formed in the same semiconductor substrate.
12. The amplifier module of one of claims 1 to 11, wherein
a voltage regulator to deliver different BIAS voltages or currents to the amplifier circuit (PAC) is formed in the semiconductor substrate of the switching unit (SW).
13. The amplifier module of one of claims 1 to 12, wherein
any branch (B) of the amplifier circuit (PAC) comprises a number of amplifier stages different from the number of stages in any other branch connected to the same input terminal, each of the amplifier stages comprising a semiconductor element of the same technology.
14. The amplifier module of one of claims 1 to 13, wherein
a first matching circuit (MC) is circuited between the amplifier circuit (PAC) and the switch unit (SW) and a second matching circuit is circuited between the switch unit (SW) and a respective output terminal (TOUT).
15. The amplifier module of one of claims 1 to 14, wherein
the amplifier circuit (PAC) comprises transistors made of a gallium based semiconductor.
16. The amplifier module of one of claims 1 to 15, comprising at least 5 output terminals (TOUT) assigned to 5 different frequency bands of a WCDMA wireless communication system.
17. The amplifier module of one of claims 1 to 16, wherein
the multilayer substrate comprises one of HTCC, a LTCC and a laminated board wherein passive elements and a respective circuiting of same are integrated.
18. The amplifier module of one of claims 1 to 17, comprising
a molded cover deposited over the multilayer substrate to cover integrated circuit device (IC), switching unit and possibly discrete passive components mounted on the top of the substrate.
19. The amplifier module of one of claims 1 to 17, comprising
a cover (C) made of a metallic sheet.
Summary 
Multilayer amplifier module
The amplifier module comprises an integrated circuit device including a first amplifier circuit comprising at least two branches. Each branch is adapted to deliver a desired power level of amplified signals to an output terminal. Each branch is matched to a desired output impedance level by a matching circuit and connected to a switching unit adapted to connect the respective branch to a desired output terminal. Integrated circuit device and switching unit are separate components mounted on a multilayer substrate. Passive matching elements being part of the matching circuits may be integrated into the multilayer substrate, the integrated circuit or formed as a discrete component.
Significant Figure: Fig. 1
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