CN110463035B - 电流再利用型场效应晶体管放大器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的电流再利用型FET放大器在初级的第一FET的漏极和次级的第二FET的栅极之间设置电容，将第二FET的栅极电压与第一FET的漏极电压电气分离，该电流再利用型FET放大器具备控制电路，该控制电路以相对于FET的饱和电流(Idss)的变动，对第二FET的漏极电流的变动和第一FET的漏极电压的变动进行抑制的方式控制第一FET的栅极电压和第二FET的栅极电压。并且，本发明涉及的电流再利用型FET放大器仅使用耗尽型的FET，提供能够通过正的单一电源进行动作的电路结构。

Description

电流再利用型场效应晶体管放大器

技术领域

本发明涉及使用了耗尽型场效应晶体管(FET)的电流再利用型FET放大器中的偏置电流控制。

背景技术

近年来，以汽车的自动驾驶、碰撞时的碰撞缓和为目的，使用了微米波频带、毫米波频带的车载雷达的需要正在增加。该车载雷达的远处监视使用的是直进性良好并且相比较来说即使在雨天也不易衰减的77GHz频带的毫米波。承担该雷达的信号的功率放大、频率变换的电路经常利用使用了高频下的高输出、高增益特性方面优异的GaAs类场效应晶体管(下面将场效应晶体管称为FET)的功率放大器。(例如参照专利文献1(P.4、图1)、或者非专利文献1(Fig.9))

专利文献1：日本特开2012－119794号

非专利文献1：2011Proc.Of the 6th European Microwave IntegratedCircuitsConference,pp.29-32,“E-Band Radio Link CommunicationChipset in Cost EffectiveWafer Level Chip Size Package(WLCSP)Technology”

非专利文献2：2005IEEE Journal of Solid-State Circuits,pp.1288-1295,“A1.8-V Operation 5-GHz-Band CMOS Frequency DoublerUsing Current-Reuse CircuitDesign Technique”

发明内容

在专利文献1以及非专利文献1中，示出了使用了GaAs类FET的功率放大器的例子。如该文献所示，由于车载这一限制，选择了通常能够在车内利用的、能够通过5V的单一电源进行动作的电路结构，其代表例是电流再利用型的电路结构。在图6中示出使用了GaAs类FET的电流再利用型放大器的电路结构。在该图6中，11、12是耗尽型(常导通)的GaAs类FET(通常使用称为高电子迁移率晶体管的HEMT)，31～33是电阻，21～26是电容，51～54是承担与电感相同的作用的传输线路，1是RF信号的输入端子，2是RF信号的输出端子，3是放大部的电源端子，Idd是流过FET 12的漏极电流。22、24是用于将FET 11和12的源极以RF方式接地的电容，电容21是输入的DC阻断电容。电容23和传输线路51、52形成级间匹配电路，电容25、26和传输线路53、54形成输出匹配电路和FET 12的漏极供电电路。另外，电阻31承担将FET 11的栅极电位以DC方式固定为0V的作用，电阻32、33是用于自偏置的电阻。

下面，对偏置进行说明。流过FET 12的漏极电流Idd流过电阻33，之后作为FET 11的漏极电流再次流过，最后通过电阻32流向接地。就FET 11的栅极偏置(栅极-源极间电压)而言，栅极电压通过电阻31固定为0V，因此，通过电阻32和电流Idd之积的电压，FET 11的栅极-源极间电压自偏置为负。FET 12的栅极-源极间电压也同样地通过电阻33和电流Idd之积而自偏置为负。

流过FET 12后的电流Idd再次流过FET 11，因此，将本电路结构称为电流再利用型。FET 11和12也承担RF放大的作用，FET 11以及12通过电容22以及24以RF方式源极接地，因此，图5的电路等价于源极接地的2级放大器。但是，关于电流，相同的Idd共通地流过FET11和12，因此，从电源Vdd消耗的电流仅为Idd即可。

另一方面，在电源电压Vdd/2被分别施加于FET 11以及12的漏极端子的通常的源极接地型2级放大器的情况下，如果电流Idd要流过FET 11以及12，则从电源电压Vdd/2消耗的电流是2Idd，是电流再利用型的2倍。在电池驱动的产品中主要是电池的电流容量受限制，因此，大多能够通过采用电流再利用型的电路而削减消耗电流。

在车载雷达用RF放大部应用电流再利用电路的理由在于，与该电流削减效果相比，不如说是与GaAs类FET的耐压限制的关系大。能够在毫米波频带应用的FET由于是小于或等于0.2μm的短栅极长度，因此大多DC时的漏极-源极间耐压小于或等于4V，根据情况，有时也为3V左右。因此，大多不能直接施加搭载于汽车的标准电源电压5V。在图6所示的电流再利用电路的情况下，每一级FET的DC施加电压是5V的一半即2.5V，能够设定得比4V的耐压足够低，因此，能够将电源电压5V作为放大器的电源进行利用。

但是，GaAs类FET通常是耗尽型，因此，与增强型的CMOS类、双极类器件相比，通常难以构成不依赖于工艺波动变动而能够供给恒定的漏极电流的偏置电路。例如，在非专利文献2记载的电流再利用电路是增强型的nMOS，因此，能够应用工艺波动耐性强的电流镜型的偏置电路。

图7表示在图6的电路中，与FET的Idss(栅极-源极间电压0V时的FET的漏极电流)的变动相对应的电路的漏极电流Idd的变动的仿真结果。电源电压使用了5V，FET使用了栅极长度0.1μm的GaAs类HEMT。在图中绘制了电阻32、33的值小的情况下的特性301和大的情况下的特性302。图中的A1～A4表示虚线的交点。根据图，相对于Idss的变化，特性301的漏极电流Idd的变化比特性302大。相对于Idss的±20％的变动，在特性301中为24mA～31.5mA(相对于Idss无变动时的漏极电流27.5mA来说变化27％)这样大幅地变动，但在特性302中为18mA～21mA(相对于Idss无变动时的漏极电流19.5mA来说变化15％)这样变动小。另外，就特性302的漏极电流而言，虽然电流变化小，但电阻值大，因此，Idss无变动时的漏极电流值自身降低。

在毫米波频带的情况下，为了最大限度地取得FET具有的增益，大多设定为比栅极电压0V稍低的电压(例如－0.05V～－0.15V)，因此，电阻32、33的值小。其结果，如图7的特性301所示，如果仅仅是自偏置电路，则伴随有大的漏极电流的变化。偏置电流的大的变化使放大器的增益特性大幅地变动，因此对其的抑制成为课题。到目前为止存在与利用了负的电源的对Idss的变化进行抑制的偏置电路相关的报导，但在本申请中使用的能够通过正的单一电源进行动作的偏置电路的提供和能够相对于Idss的工艺变动而抑制漏极电流的变化的电路的提供成为课题。

本发明涉及的电流再利用型FET放大器具备：第一场效应晶体管，其具有第一源极、第一漏极、以及被输入RF信号的第一栅极；第一电阻，其连接于第一源极和接地用端子之间；第二场效应晶体管，其具有第二源极、第二栅极、以及与电源用端子连接并且将被放大的RF信号输出的第二漏极；第二电阻，其连接于第一漏极和第二源极之间；电容，其连接于第一漏极和第二栅极之间；第三场效应晶体管，其具有第三源极、与电源用端子连接的第三漏极、以及与接地用端子连接的第三栅极；第四场效应晶体管，其具有第四源极、第四漏极、以及与第三源极连接的第四栅极；第一二极管，其连接于第四源极和接地用端子之间；第三电阻，其连接于电源端子和第四漏极之间；第四电阻，其连接于第四漏极和第一栅极之间；以及第五电阻，其连接于第四漏极和所述第二栅极之间。

发明的效果

本发明涉及的电流再利用型FET放大器与FET的饱和电流Idss的工艺波动相应地，使放大用FET的栅极电压或者放大用FET的自偏置用电阻值变化，因此具有抑制放大器的漏极电流的变化的效果。并且，也能够抑制初级的FET的漏极电压的变动，因此能够相对于Idss的工艺波动而避免超过FET的漏极-源极间DC耐压的状态。

附图说明

图1是实施方式1涉及的电流再利用型FET放大器的电路结构。

图2是用于与实施方式1涉及的电流再利用型FET放大器进行对比的其他的电路结构。

图3是实施方式1涉及的电流再利用型FET放大器的电路结构的与Idss的变动相对应的漏极电流Idd的仿真结果。

图4是实施方式1涉及的电流再利用型FET放大器的电路结构的与Idss的变动相对应的FET 11的漏极电压的仿真结果。

图5是实施方式2涉及的电流再利用型FET放大器的电路结构。

图6是用于对比的电流再利用型FET放大器整体的电路结构。

图7是用于对比的电流再利用型FET放大器的电路结构的与Idss的变动相对应的漏极电流Idd的仿真结果。

具体实施方式

参照附图说明本发明的实施方式涉及的电流再利用型FET放大器。连同已经叙述的附图在内，针对相同或者对应的结构要素标注相同的标号，有时省略重复的说明。下面，以GaAs类耗尽型FET(包含高电子迁移率晶体管的HEMT)为例进行说明。

[实施方式1]

(结构的说明)

在图1中示出本发明的实施方式1涉及的电流再利用型FET放大器的放大部101的电路结构和控制电路部102的电路结构。在图1中为了简化附图，省略了传输线路等，主要仅示出在DC时起作用的元件。与图6相同，在FET 11的源极和接地之间并联连接有电阻32和电容22，构成DC动作上的直流负反馈和RF动作上的源极接地。漏极电流Idd在流过FET 12之后，还作为FET 11的漏极电流流动，因此，图1的电路与图6的电路同样地是电流再利用电路。

输入至输入端子1的RF信号被FET 11放大，然后经由电容27被输入至FET 12的栅极。被FET 12放大后的RF信号从FET 12的漏极经由电容25输出。

在控制电路部102中，FET 13的栅极接地，FET 13作为源极负载而具有电阻35、作为漏极负载而具有电阻36。FET 14的栅极与FET 13的源极连接，FET 14具有二极管61这一源极负载、电阻37这一漏极负载。在FET 12的漏极和接地之间连接有将二极管62、63、电阻38、39串联连接而成的负载。漏极电阻负载36、37与电源端子4连接。另外，控制电路部102的电源端子4也可以与放大部101的电源端子3是共通的。

控制电路102和放大部101通过2个控制信号连接。第一控制信号经由在控制电路部102的电阻38和39的连接点与FET 11的栅极之间连接的电阻34，赋予至FET 11的栅极。第二控制信号经由在控制电路部102的二极管62和63的连接点与FET 12的栅极之间连接的电阻40，赋予至FET 12的栅极。

图1的二极管设想的是能够通过与FET相同的工序制作的GaAs类肖特基结二极管，但通过pn结二极管也能够实现等同的动作。

(动作的说明)

为了相对于由工艺波动引起的FET的饱和电流Idss的变化而尽可能抑制图1的漏极电流Idd的变化，只要在Idss比规定值高时使FET 11的栅极电压降低、相反地在Idss比规定值低时使FET 11的栅极电压增加即可。并且，为了在对漏极电流Idd的变动进行抑制的基础上，对FET 11的漏极电压的变动进行抑制，只要如图1所示，使用电容27将FET 12的栅极电压与FET 11的漏极电压分离，与Idd的工艺变动相应地适当控制FET 12的栅极电压即可。

通过源极负载的二极管61，相对于FET 14的源极电流变化，将控制电路部102的FET 14的源极电位的变化抑制得小。这里，也可以与FET 14的阈值电压相应地将二极管61的串联连接级数设定为多个。

另一方面，FET 13的源极负载是电阻35，因此与Idss的增加一起FET 13的源极电压也增加。因此，FET 14的栅极-源极间电压随Idss的增加而一起增加，FET 14的漏极电流也增加。其结果，漏极负载电阻37的电压降增大，FET 14的漏极电压减少。就该漏极电压的减少而言，一个是通过二极管62进行电平移位，经由电阻40被传递至FET 12的栅极，另一个是在通过二极管62、63进行电平移位之后，通过电阻38和39分压，经由电阻34传递至FET 11的栅极。

实施方式1涉及的电流再利用FET放大器能够与Idss的工艺变动相对应而独立地控制FET 11的栅极电压和FET 12的栅极电压，因此，不仅能够抑制漏极电流Idd的变动，还能够抑制FET 11的漏极电压的变动。其结果，不仅能够抑制与Idss的工艺变动相对应的增益的变动，即使在漏极-源极间的DC耐压相对于电源电压的1/2的电压没有富余的情况下，也不会引起由超过耐压导致的故障，能够期待稳定的动作。

(与对比电路的差异的说明)

下面说明实施方式1涉及的电路和对比电路的效果的差异。在图2中示出对比电路的电路结构。与图1的电路的主要差异如下：在图2的对比电路中，与图6同样地，没有对FET11的漏极电压和FET 12的栅极电压进行分离的电容27而是将它们直接连接，以及取代电阻33而设置有作为可变电阻起作用的FET 15和栅极电阻41。FET 15的可变电阻值是根据控制电路部102的FET 14的漏极电压经由电阻41控制其栅极电压来实现的。

在图3中示出图1和图2的电路的与Idss变动相对应的漏极电流Idd的仿真结果，在图4中示出图1和图2的电路的与Idss变动相对应的FET 11的漏极电压的仿真结果。在图3、图4中，特性401以及特性403表示图1的电路的仿真结果，特性402以及特性404表示图2的对比电路的仿真结果。另外，B1～B4、C1～C4表示与和±20％的Idss的变动相对应的特性的交点。

如图3所示，图1和图2的电路的漏极电流Idd的变化相当接近，无论是哪个电路结构都能够很好地抑制漏极电流Idd的变动。

另一方面，如图4所示，特性403的电压变化是从点B3的2.8V至点B4的2V的0.8V的变化，与此相对，特性404的电压变化是从点C3的0.7V至点C4的4.0V的3.3V的变化。在FET11和FET 12的漏极-源极间耐压是3V的情况下，如果Idss增加20％，则对FET 11施加4V，超过耐压。与此相对，特性403的电压变化最大是2.8V、最低是2.0V，因此，能够在3V的耐压范围内进行动作。

在基于栅极长度的缩短而实现高频区域的增益提高的情况下，漏极-源极间耐压也必然降低，因此，如图4所示地实现漏极电压变化小的电路结构在实际使用中是重要的。另外，就特性403和404的差异而言，从控制电路部102对FET 12施加栅极电压、还是不施加栅极电压这一差异是主要原因。

(实施方式1的效果)

如上所述，实施方式1涉及的电流再利用型FET放大器与FET的饱和电流Idss的工艺波动相应地使放大用FET的栅极电压或者放大用FET的自偏置用电阻值变化，因此，具有对放大器的漏极电流的变化进行抑制的效果。并且，也能够对初级的FET的漏极电压的变动进行抑制，因此，能够相对于Idss的工艺波动而避免超过FET的漏极-源极间DC耐压的状态。另外，这里叙述的电路结构也具有如下效果，即，能够通过正的单一电源实现使用了耗尽型FET的电流再利用放大器的漏极电流和初级的漏极电压的变动的抑制。

[实施方式2]

图5是本发明的实施方式2涉及的电流再利用型FET放大器的电路结构，是实施方式1的变形例。与实施方式1的图1的差异在于，将图1的电阻33变更为通过FET 15和电阻41构成的可变电阻，以及为了控制该可变电阻而将通过电阻42、FET 16、二极管64构成的控制电路追加至控制电路部102。FET 16的栅极与FET 13的源极连接，FET16的漏极经由电阻41与FET 15的栅极连接，使得FET 15的漏极-源极间电阻值可变。

如实施方式1所述，在Idss增加的情况下，控制电路部102的FET13的源极电压上升，使FET 16的漏极电流增加。漏极电流的增加使电阻42的电压降增大，因此，使FET 15的栅极电压降低。由此，FET 15的漏极-源极间电阻增大，使FET 12的源极电位上升，使FET 12的漏极电流减少。其结果，能够期待相比于实施方式1的与Idss的变动相对应的漏极电流的变动，进一步抑制漏极电流的变动。关于FET 11的漏极电压的变动，FET 12的栅极电压控制电路是相同的，因此，得到与实施方式1等同的效果。

另外，在图5中，由FET 16、电阻42、二极管64构成的控制电路是为了控制FET 15的栅极电压而新追加的，这是为了具有设计的自由度，取决于电路常数的设定也能够将电阻41的一端连接于FET 14的漏极、或者二极管62和63的连接点、或者二极管63和电阻38的连接点。

另外，以上叙述的实施方式以GaAs类耗尽型FET(包含高电子迁移率晶体管的HEMT)为例进行了说明，但要说明的是，只要是n型沟道的耗尽型FET，即便是InP类FET、GaN类FET、Si类MOSFET，也能得到相同的效果。

特别是，与通常为增强型的Si类MOSFET不同，在GaAs类FET、InP类FET、GaN类FET的情况下，在其大部分产品中使用耗尽型的FET，因此，基于本发明实现的漏极电流变动的抑制在实用上是重要的。

标号的说明

1：RF输入端子

2：RF输出端子

3：放大部的漏极电源端子

4：控制电路部的漏极电源端子

11～16：耗尽型的GaAs类FET

21～27：电容

31～41：电阻

51～54：传输线路

61～64：二极管

101：放大部

102：控制电路部

301、302：对比电路的与Idss变动相对应的漏极电流

401：实施方式1的与Idss变动相对应的漏极电流

402：对比电路的与Idss变动相对应的漏极电流

403：实施方式1的与Idss变动相对应的漏极电压

404：对比电路的与Idss变动相对应的漏极电压

Claims (9)

1.一种电流再利用型场效应晶体管放大器，其特征在于，具备：

第一场效应晶体管，其具有第一源极、第一漏极、以及被输入RF信号的第一栅极；

第一电阻，其连接于所述第一源极和接地用端子之间；

第二场效应晶体管，其具有第二源极、第二栅极、以及与第一电源用端子连接并且将被放大的RF信号输出的第二漏极；

第二电阻，其连接于所述第一漏极和所述第二源极之间；

电容，其连接于所述第一漏极和所述第二栅极之间；

第三场效应晶体管，其具有第三源极、与第二电源用端子连接的第三漏极、以及与所述接地用端子连接的第三栅极；

第四场效应晶体管，其具有第四源极、第四漏极、以及与所述第三源极连接的第四栅极；

第一二极管，其连接于所述第四源极和所述接地用端子之间；

第三电阻，其连接于所述第二电源用端子和所述第四漏极之间；

第四电阻，其连接于所述第四漏极和所述第一栅极之间；以及

第五电阻，其连接于所述第四漏极和所述第二栅极之间，

所述第一场效应晶体管至第四场效应晶体管是耗尽型。

2.根据权利要求1所述的电流再利用型场效应晶体管放大器，其特征在于，

具备耗尽型的第五场效应晶体管，该第五场效应晶体管是取代所述第二电阻而设置的，该第五场效应晶体管具有第五栅极、与所述第二源极连接的第五漏极、以及与所述第一漏极连接的第五源极，

所述第五栅极与所述第四漏极连接。

3.根据权利要求1所述的电流再利用型场效应晶体管放大器，其特征在于，

所述第二电源用端子与所述第一电源用端子连接而被共通化。

4.根据权利要求2所述的电流再利用型场效应晶体管放大器，其特征在于，

所述第二电源用端子与所述第一电源用端子连接而被共通化。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的电流再利用型场效应晶体管放大器，其特征在于，

所述第一场效应晶体管至第四场效应晶体管是GaAs类或者InP类或者GaN类的任意者的化合物半导体场效应晶体管。

6.根据权利要求1、3以及4中任一项所述的电流再利用型场效应晶体管放大器，其特征在于，具备：

第五场效应晶体管，其是取代所述第二电阻而设置的，该第五场效应晶体管具有第五栅极、与所述第二源极连接的第五漏极、以及与所述第一漏极连接的第五源极；

第六场效应晶体管，其具有第六源极、第六漏极、以及与所述第三源极连接的第六栅极；

第二二极管，其连接于所述第六源极和所述接地用端子之间；以及

第六电阻，其连接于所述第二电源用端子和所述第六漏极之间，

所述第一场效应晶体管至第六场效应晶体管是耗尽型。

7.根据权利要求5所述的电流再利用型场效应晶体管放大器，其特征在于，具备：

第五场效应晶体管，其是取代所述第二电阻而设置的，该第五场效应晶体管具有第五栅极、与所述第二源极连接的第五漏极、以及与所述第一漏极连接的第五源极；

第六场效应晶体管，其具有第六源极、第六漏极、以及与所述第三源极连接的第六栅极；

第二二极管，其连接于所述第六源极和所述接地用端子之间；以及

第六电阻，其连接于所述第二电源用端子和所述第六漏极之间，

所述第一场效应晶体管至第六场效应晶体管是耗尽型。

8.根据权利要求6所述的电流再利用型场效应晶体管放大器，其特征在于，

所述第一场效应晶体管至第六场效应晶体管是GaAs类或者InP类或者GaN类的任意者的化合物半导体场效应晶体管。

9.根据权利要求7所述的电流再利用型场效应晶体管放大器，其特征在于，

所述第一场效应晶体管至第六场效应晶体管是GaAs类或者InP类或者GaN类的任意者的化合物半导体场效应晶体管。

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