DE102007027047A1

DE102007027047A1 - Hochfrequenzleistungsverstärker

Info

Publication number: DE102007027047A1
Application number: DE102007027047A
Authority: DE
Inventors: Seiki Gotou; Akira Inoue; Tetsuo Kunii; Toshikazu Oue
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-10-23
Filing date: 2007-06-12
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2027-06-13
Also published as: FR2916108A1; TWI333736B; DE102007027047B4; CN101170300B; TW200820592A; JP2008109227A; JP4743077B2; FR2916108B1; US7511575B2; CN101170300A; US20080094141A1

Abstract

Ein Hochfrequenzleistungsverstärker enthält ein Transistorelement (12) mit einer Mehrzahl von Einheitstransitoren (30) auf einem ersten Halbleitersubstrat (12a), wobei jeder Einheitstransistor eine Mehrzahl von Transistoren aufweist, die in einer Mehrfingerform (30e, 30f, 30g) parallel zueinander geschaltet sind, und jeder Einheitstransistor einen Steueranschluss (30a), über den ein Eingangssignal eingegeben wird, einen ersten Anschluss (30b), der mit einem Konstantpotentialende verbunden ist, und einen zweiten Anschluss (30c), über den ein Ausgangssignal ausgegeben wird, aufweist, eine Hochfrequenzverarbeitungsschaltung (14) mit einer Mehrzahl von ersten Serienresonanzschaltungen (32), die zwischen die Steueranschlüsse der Einheitstransistoren des Transistorelements und die Konstantpotentialenden nebengeschlossen sind und auf einem zweiten Halbleitersubstrat (14a) angeordnet sind, eine erste Verbindungsleitung (16) zum Verbinden der Mehrzahl von Steueranschlüssen des Transistorelements miteinander, eine zweite Verbindungsleitung (22) zum Verbinden der Mehrzahl von zweiten Anschlüssen des Transistorelements miteinander, eine Eingangsanpassschaltung (20), die mit der ersten Verbindungsleitung verbunden ist, und eine Ausgangsanpassschaltung (26), die mit der zweiten Verbindungsleitung verbunden ist. Zwei der ersten Resonanzschaltungen weisen Resonanzfrequenzen auf, die einer zweiten oder höheren Harmonischen einer Frequenz entsprechen, die in dem Betriebsfrequenzband des ...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Hochfrequenzleistungsverstärker und insbesondere auf einen Hochfrequenzleistungsverstärker, der beispielsweise in Einrichtungen für Mobilkommunikation und Satellitenkommunikation in Mikrowellen- und Millimeterwellenbändern, beispielsweise von mehreren Megahertz bis mehreren hundert Gigahertz, verwendet wird.
In den letzten Jahren gab es eine steigende Nachfrage an Kommunikationseinrichtungen geringerer Größe und größerer Ausgangsleistung zur Verwendung in Mikrowellen- und Millimeterwellenbändern. Es gab eine ansteigende Nachfrage zum Verbessern der Qualität der ausgebreiteten Signale. Mit diesen Anforderungen stieg eine Nachfrage nach einem Hochfrequenzleistungsverstärker mit niedrigen Verzerrungseigenschaften und einem hohen Wirkungsgrad.
In den letzten Jahren findet insbesondere in einem Mikrowellenkommunikationssystem, das ein Mehrfachträgersignal oder ein moduliertes Wellensignal gemäß dem Codemultiplexsystem (CDMA = Code Division Multiple Access) verwendet, ein Verstärker zur Signalverstärkung Verwendung, indem er bei einem Ausgangspegel betrieben wird, der viel geringer als die Maximalleistung ist, um den Einfluss einer Verzerrung aufgrund der Nichtlinearität des Verstärkers zu vermeiden.
Bei Hochausgangsleistungsverstärkern, die in Bodenstationen für die Mobilkommunikation oder die Satellitenkommunikation verwendet wird, besteht ein Bedarf, ein Transistorelement mit einer großen Gatebreite zu verwenden, um eine Hochleistungsverstärkung durchzuführen. Zum Bilden eines solchen Transistorelements werden eine Mehrzahl von Gatefingertransistoren kombiniert, in dem sie parallel zueinander geschaltet werden. In einem Fall, in dem ein Transistorelement hoher Gatebreite durch Verbinden einer Mehrzahl parallel geschalteter Gatefingertransistoren miteinander gebildet ist, sinken notwendigerweise die Eingangs- und Ausgangsimpedanzen des Transistorelements, und eine Anpassschaltungslast für eine Impedanzanpassung an den Transistor bei der Betriebsfrequenz des Transistors ist extrem klein.
Es ist bekannt, dass ein Hochfrequenzverstärker mit einem hohen Wirkungsgrad arbeitet, wenn ein Lastzustand nahe einem Kurzschlusszustand im Hinblick auf die zweite Harmonische an der Eingangsseite eingestellt wird. Um jedoch einen Lastzustand nahe einem Kurzschlusszustand im Hinblick auf die zweite Harmonische der Betriebsfrequenz zum Zweck des Betreibens eines Transistorelements mit großer Gatebreite wie z.B. eines Hochfrequenzleistungsverstärkers mit hohem Wirkungsgrad zu liefern, ist zusätzlich zu dem Einstellen einer Anpassschaltungslast auf eine extrem niedrigere Impedanz mit Bezug auf die Grundwelle der Betriebsfrequenz das Einstellen der Impedanz der Anpassschaltungslast auf einen weiter niedrigen Wert mit Bezug auf die Harmonische der Betriebsfrequenz erforderlich.
Als bekannter Hochfrequenzleistungsverstärker wurde eine Anordnung offenbart, bei der eine Schaltung, die aus einer zweiten Leitung mit einer elektrischen Länge, die im wesentlichen gleich 1/4 der Wellenlänge mit Bezug auf eine Grundfrequenz ist, und einem Kondensator, die in Reihe geschaltet sind, gebildet ist, zwischen einem Masseende und einem Verbindungspunkt B, der zwischen dem Gate eines Leistungstransistors und einer Eingangsanpassleitung vorhanden ist, bereitgestellt ist. Diese Schaltung stellt sicher, dass die Impedanz der zweiten Leitung von dem Punkt B aus gesehen im wesentlichen Null ist, und die Eingangsimpedanz mit Bezug auf die zweite Harmonische kann gesteuert werden, ohne die Eingangsimpedanz mit Bezug auf die Grundwelle zu beeinträchtigen, wodurch der Betriebswirkungsgrad verbessert wird (s. z.B. JP 8-37433 , Absatz [0039] und 2).
Als weiterer bekannter Hochfrequenzleistungsverstärker wurde eine Anordnung offenbart, bei der GaAs-Feldeffekttransistoren (FET), die als Halbleiterchips ausgebildet und als Leistungsverstärkungsvorrichtung bereitgestellt sind, jeweils in einem Zustand mit geerdeter Source in einem ersten Pfad A und einem zweiten Pfad B zwischen einem Eingangsanschluss IN und einem Ausgangsanschluss OUT bereitgestellt sind, und bei der Eingangs- und Ausgangsanpassschaltungen, von denen jede eine Resonanzschaltung als Ersatzschaltbild enthält, jeweils auf den Eingangs- und Ausgangsseiten jedes GaAs-FET bereitgestellt sind (s. z.B. JP 2005-109651 , Absatz [0006] und 1).
Als weiterer bekannter Breitbandleistungsverstärker wurde auch eine Anordnung offenbart, in der Bandpassfilter mit vorbestimmten Durchlassbändern zum Festlegen der Frequenzverstärkungseigenschaften in Stufen vor und nach jedem von drei Leistungsverstärkern angeordnet sind. Durch Anordnen dieser Bandpassfilter sind die drei Leistungsverstärker als Schmalbandleistungsverstärker angeordnet, die solche Frequenzverstärkungseigenschaften haben, dass sie eine Verstärkung in drei aufeinanderfolgen den Frequenzbändern durchführen (s. z.B. JP 2002-43873 , Absatz [0006] und 1 und 2).
Bei den in den oben genannten Patentveröffentlichungen genannten Leistungsverstärkern sind jedoch eine Schaltung zum Steuern von Oberwellen, eine Resonanzschaltung oder ein Bandpassfilter auf der externen Schaltungsseite eines Transistorelements bereitgestellt, das als ein Leistungstransistor oder ein Chip mit Eingangs- und Ausgangsanschlüssen kombiniert ist.
Bei der Steuerung von Oberwellen eines Transistorelements mit hoher Gatebreite wie z.B. eines Hochfrequenzleistungsverstärkers trat das Problem auf, eine Niedrigimpedanzlast mit Bezug auf Oberwellen auch dann zu erzielen, wenn eine Verarbeitungsschaltung zum Steuern von Oberwellen auf der externen Schaltungsseite jedes Transistorelements hinzugefügt ist, dessen Eingangs- und Ausgangsenden jeweils kombiniert sind, wie es üblich war. Wenn das Transistorelement weiter eine Betriebsfrequenzbandbreite aufweist, werden zweite oder höhere harmonische Frequenzen in einer bestimmten Bandbreite sowie Betriebsfrequenzen erzeugt, und es ist erforderlich, die Eingangslast über ein weites Band zu steuern.
Die vorliegende Erfindung wurde durchgeführt, um das Problem zu lösen, und eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Hochfrequenzleistungsverstärker bereitzustellen, der über ein breites Frequenzband einen hohen Ausgangswirkungsgrad und verbesserte Verzerrungseigenschaften aufweist.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Hochfrequenzleistungsverstärker gemäß Anspruch 1.
Wie oben beschrieben enthält ein Hochfrequenzleistungsverstärker ein Transistorelement mit einer Mehrzahl von Einheitstran sistoren auf einem ersten Halbeitersubstrat, wobei jeder Einheitstransistor eine Mehrzahl von Transistoren aufweist, die in einer Mehrfingerform parallel zueinander geschaltet sind, und jeder Einheitstransistor einen Steueranschluss, über den ein Eingangssignal eingegeben wird, einen ersten Anschluss, der mit einem Konstantpotentialende verbunden ist, und einen zweiten Anschluss, über den ein Ausgangssignal ausgegeben wird, aufweist, eine Hochfrequenzverarbeitungsschaltung mit einer Mehrzahl von ersten Serienresonanzschaltungen, die zwischen die Steueranschlüsse der Einheitstransistoren des Transistorelements und die Konstantpotentialenden nebengeschlossen sind und auf einem zweiten Halbleitersubstrat angeordnet sind, eine erste Verbindungsleitung zum Verbinden der Mehrzahl von Steueranschlüssen des Transistorelements miteinander, eine zweite Verbindungsleitung zum Verbinden der Mehrzahl von zweiten Anschlüssen des Transistorelements miteinander, eine Eingangsanpassschaltung, die mit der ersten Verbindungsleitung verbunden ist, und eine Ausgangsanpassschaltung, die mit der zweiten Verbindungsleitung verbunden ist. Zwei der ersten Resonanzschaltungen weisen Resonanzfrequenzen auf, die einer zweiten oder höheren Harmonischen einer Frequenz entsprechen, die in dem Betriebsfrequenzband des Transistorelements enthalten ist und die voneinander verschieden sind.
Bei dem Hochfrequenzleistungsverstärker ist jede erste Resonanzschaltung zwischen den Steueranschluss des entsprechenden Einheitstransistors, der das Transistorelement bildet, und das Konstantpotentialende nebengeschlossen und so eingestellt, dass er mit der gewünschten Frequenz, die der zweiten oder einer höheren Harmonischen der Betriebsfrequenz entspricht, in Resonanz ist. Daher kann die Hochfrequenzlast gesehen von der Steueranschlussseite des Transistorelements aus mit Bezug auf die zweite oder höhere Harmonische der Betriebsfrequenz leicht auf eine niedrige Impedanz gesteuert werden.
Weiter haben zwei der ersten Resonanzschaltung Resonanzfrequenzen, die der zweiten und höheren Harmonischen einer Frequenz entsprechend, die in dem Betriebsfrequenzband des Transistorselements enthalten ist, und die voneinander verschieden sind. Somit sind in der Hochfrequenzverarbeitungsschaltung die ersten Serienresonanzschaltungen mit zwei verschiedenen Resonanzfrequenzen, die den Harmonischen des Betriebsfrequenzbands entsprechend, gemischt bereitgestellt, wodurch eine Änderung der Verzerrung in dem Betriebsfrequenzband verglichen mit einem Fall, in dem lediglich Resonanzschaltungen mit einer Resonanzfrequenz bereitgestellt sind, verringert ist, und stabile Verzerrungseigenschaften über ein vergleichsweises breites Band gewonnen werden können.
Die Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch einen Hochfrequenzleistungsverstärker gemäß Anspruch 6.
Wie oben beschrieben enthält ein Hochfrequenzleistungsverstärker ein Transistorelement mit einer Mehrzahl von Einheitstransistoren auf einem ersten Halbeitersubstrat, wobei jeder Einheitstransistor eine Mehrzahl von Bipolartransistoren aufweist, die in einer Mehrfingerform parallel zueinander geschaltet sind, und jeder Einheitstransistor einen Steueranschluss, über den ein Eingangssignal eingegeben wird, einen ersten Anschluss, der mit einem Konstantpotentialende verbunden ist, und einen zweiten Anschluss, über den ein Ausgangssignal ausgegeben wird, aufweist, eine Hochfrequenzverarbeitungsschaltung mit einer Mehrzahl von ersten Serienresonanzschaltungen, die zwischen die Steueranschlüsse der Einheitstransistoren des Transistorelements und die Konstantpotentialenden nebengeschlossen sind und auf einem zweiten Halbleitersubstrat angeordnet sind, eine erste Verbindungsleitung zum Verbinden der Mehrzahl von Steueranschlüssen des Transistorelements miteinander, eine zweite Verbindungsleitung zum Verbinden der Mehrzahl von zweiten Anschlüssen des Transistorelements miteinander, eine Eingangsan passschaltung, die mit der ersten Verbindungsleitung verbunden ist, und eine Ausgangsanpassschaltung, die mit der zweiten Verbindungsleitung verbunden ist. Die ersten Resonanzschaltungen weisen Resonanzfrequenzen auf, die einer zweiten oder höheren Harmonischen einer Frequenz entsprechen, die in dem Betriebsfrequenzband des Transistorelements enthalten ist.
Bei dem Hochfrequenzleistungsverstärker ist jede erste Resonanzschaltung zwischen den Steueranschluss des entsprechenden Einheitstransistors, der das Transistorelement bildet, und das Konstantpotentialende nebengeschlossen und so eingestellt, dass er mit der gewünschten Frequenz, die der zweiten oder einer höheren Harmonischen der Betriebsfrequenz entspricht, in Resonanz ist. Daher kann die Hochfrequenzlast gesehen von der Steueranschlussseite des Transistorelements aus mit Bezug auf die zweite oder höhere Harmonische der Betriebsfrequenz leicht auf eine niedrige Impedanz gesteuert werden.
Weiterbildungen der Erfindung sind jeweils in den Unteransprüchen angegeben.
Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen.
1 ist eine Draufsicht auf einen Abschnitt eines Hochfrequenzleistungsverstärkers gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine Draufsicht auf einen Abschnitt des Hochfrequenzleistungsverstärkers gemäß der ersten Ausführungsform, die ein Feldeffekttransistorelement (FET) und eine Hochfrequenzverarbeitungsschaltung zeigt.
3 ist eine Schnittansicht eines Abschnitts eines Sourceanschlusses entlang einer Linie III-III in 2.
4 ist ein Ersatzschaltbild des Hochfrequenzleistungsverstärkers gemäß der ersten Ausführungsform.
5A bis 5C sind Diagramme, die schematisch die Resonanzfrequenzen der Serienresonanzschaltungen des Hochfrequenzleistungsverstärkers gemäß der ersten Ausführungsform zeigen.
6 ist ein Graph, der Verzerrungskennlinien des Hochfrequenzleistungsverstärkers gemäß der ersten Ausführungsform mit Bezug auf die Betriebsfrequenz zeigt.
7 ist eine Draufsicht auf einen Abschnitt eines ersten Abwandlungsbeispiels des Hochfrequenzleistungsverstärkers gemäß der ersten Ausführungsform.
8 ist ein Ersatzschaltbild der Serienresonanzschaltung eines zweiten Abwandlungsbeispiels des Hochfrequenzleistungsverstärkers gemäß der ersten Ausführungsform.
9 ist ein Ersatzschaltbild eines Hochfrequenzleistungsverstärkers gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
10 ist ein Ersatzschaltbild eines Hochfrequenzleistungsverstärkers gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In allen Figuren sind die im Wesentlichen gleichen Elemente durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet.
1 ist eine Draufsicht auf einen Abschnitt eines Hochfrequenzleistungsverstärkers gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 2 ist eine Draufsicht auf einen Abschnitt des Hochfrequenzleistungsverstärkers gemäß der ersten Ausführungsform, die ein Feldeffekttransistorelement (FET) und eine Hochfrequenzverarbeitungsschaltung zeigt.
Mit Bezug auf 1 enthält ein Hochfrequenzleistungsverstärker 10 ein FET-Element 12, das als Transistorelement dient, eine Hochfrequenzverarbeitungsschaltung 14, eine Gateverbindungsverdrahtung 16 und Drähte 18, die als erste Verbindungsleitung dienen, eine Eingangsanpassschaltung 20, die mit der Gateverbindungsverdrahtung 16 verbunden ist, eine Drainverbindungsverdrahtung 22 und Drähte 24, die als zweite Verbindungsleitung dienen, sowie eine Ausgangsanpassschaltung 26, die mit der Drainverbindungsverdrahtung 22 verbunden ist. Diese Komponenten sind auf einer Oberfläche eines metallischen Substrats angeordnet, z.B. eines aus Kupfer-Wolfram gebildeten PHS 28.
Das FET-Element 12 weist eine Mehrzahl Einheits-FET 30, die als Einheitstransistoren dienen, auf einem integralen GaAs-Substrat 12a auf, das als erstes Halbleitersubstrat dient. Die Einheits-FET 30 sind parallel zueinander geschaltet.
Jeder Einheits-FET 30 hat einen Gateanschluss 30a, der als Steueranschluss dient, einen Sourceanschluss 30b, der als erster Anschluss dient, und einen Drainanschluss 30c, der als zweiter Anschluss dient.
Die Gateanschlüsse 30a der Einheits-FET 30 sind über die Drähte 18 gemeinsam mit der Gateverbindungsverdrahtung 16 verbunden. Die Gateverbindungsverdrahtung 16 ist weiter mit der Eingangsanpassschaltung 20 verbunden.
In dieser Ausführungsform ist der Sourceanschluss 30b jedes Einheits-FET 30 beispielsweise über eine Durchkontaktierung 30d mit einem Masseende verbunden, das als Konstantpotentialende dient.
In dieser Ausführungsform ist der Drainanschluss 30 integral gebildet, anstatt entsprechend den Einheits-FET 30 unterteilt zu sein. Alle Drainanschlüsse 30c sind jedoch über die Drähte 24 gemeinsam mit der Drainverbindungsverdrahtung 22 verbunden. Die Drainverbindungsverdrahtung 22 ist mit der Ausgangsanpassschaltung 26 verbunden.
Mit Bezug auf 2 ist jeder Einheits-FET 30 beispielsweise aufgebaut durch Verbinden einer Mehrzahl von Feldeffekttransistoren parallel zueinander in einer Mehrfingerform. Enden einer Gruppe von Gatefingern 30e sind gemeinsam mit dem Gateanschluss 30a des Einheits-FET 30 verbunden.
In ähnlicher Weise sind Enden einer Gruppe von Sourcefingern 30f, die der Gruppe von gemeinsam mit dem Gateanschluss 30a verbundenen Gatefinger 30e benachbart sind, gemeinsam mit dem Sourceanschluss 30b des Einheits-FET 30 verbunden.
In ähnlicher Weise sind Enden einer Gruppe von Drainfingern 30g, die der Gruppe von gemeinsam mit dem Gateanschluss 30a verbundenen Gatefinger 30e benachbart sind, gemeinsam mit dem Drainanschluss 30c verbunden.
Die Hochfrequenzverarbeitungsschaltung 14 enthält benachbart zu den Einheits-FET 30 eine Mehrzahl von Serienresonanzschaltungen 32, die als erste Serienresonanzschaltungen dienen, entsprechend den Einheits-FET 30 auf einem GaAs-Substrat 14a, das als zweites Halbleitersubstrat dient.
In dieser Ausführungsform ist ein Ende jeder Serienresonanzschaltung 32 über einen Draht 34 mit dem Gateanschluss 30a verbunden, während das andere Ende der Serienresonanzschaltung 32 über einen Draht 36 mit einer Durchkontaktierung 30d verbunden ist. Die Serienresonanzschaltung 32 ist also zwischen den Gateanschluss 30a und das Masseende nebengeschlossen.
In der Serienresonanzschaltung 32 sind ein Kondensator 32a, der beispielsweise aus einem Metall-Isolator-Metall-Kondensator (MIM) gebildet ist, und eine Induktivität 32b, die beispielsweise aus einer Spiralinduktivität gebildet ist, in Reihe geschaltet.
Da die Serienresonanzschaltung 32 in der in 2 gezeigten Ausführungsform über den Draht 34 mit dem Gateanschluss 30a und über den Draht 36 mit der Durchkontaktierung 30d verbunden ist, sind diese Drähte 34 und 36 ebenfalls in der Induktivität 32b der Serienresonanzschaltung 32 enthalten.
3 ist eine Schnittansicht eines Abschnitts eines Sourceanschlusses entlang einer Linie III-III in 2.
Mit Bezug auf 3 hat der Sourceanschluss 30b seinen Luftbrückenaufbau. Der Sourceanschluss 30b hat Beinabschnitte, die mit den Sourcefingern 30f verbunden sind, und er überspannt die Gatefinger 30e und die Drainfinger 30g, wobei Luftzwischenräume dazwischen bereitgestellt sind.
Das GaAs-Substrat 12a enthält einen GaAs-Substrathauptkörper 38, eine GaAs-Epitaxieschicht 40, die durch epitaktisches Aufwachsen von GaAs auf der Oberfläche des GaAs-Substrathauptkörpers 38 gebildet wird und in der eine aktive Schicht gebildet ist, und eine Au-Schicht 42, die auf der Rückfläche des GaAs-Substrathauptkörpers 38 gebildet ist. Die Au- Schicht 42 des GaAs-Substrats 12a ist über ein Verbindungsmaterial wie z.B. ein Lot mit der Oberfläche PHS 28 verbunden.
Der Aufbau des GaAs-Substrats 14a, auf dem die Serienresonanzschaltungen 32 gebildet sind, ist dieselbe wie diejenige des GaAs-Substrats 12a. Das GaAs-Substrat 14a ist ebenfalls durch ein Verbindungsmaterial mit der Oberfläche PHS 28 verbunden.
4 ist ein Ersatzschaltbild des Hochfrequenzleistungsverstärkers gemäß der ersten Ausführungsform.
In 4 sind die Schaltungselemente in dem Ersatzschaltbild des Hochfrequenzleistungsverstärkers 10 und die in 1 und 2 gezeigten Komponenten des Hochfrequenzleistungsverstärkers 10, die einander entsprechen, durch dieselben Bezugszeichen gekennzeichnet. Zusätzlich zu den oben beschriebenen Komponenten sind ein Signaleingangsanschluss 44 und ein Signalausgangsanschluss 46 bereitgestellt. Die Serienresonanzschaltungen 32 sind der Reihe nach von der obersten Position in dem Schaltbild mit 32(1), 32(2), 32(3), ..., 32(k-1), 32(k) durchnummeriert.
Jede Resonanzschaltung 32 ist als Hochfrequenzresonanzschaltung eingestellt, die mit der zweiten oder einer höheren Oberwelle einer Betriebsfrequenz in einem Betriebsfrequenzband in Resonanz ist. Die Serienresonanzschaltung 32 ist über den Gateanschluss 30a mit der Gateelektrode des entsprechenden Einheits-FET 30 verbunden.
Bei der herkömmlichen Anordnung ist eine Schaltung zum Steuern einer Oberwelle nicht innerhalb eines Transistorelements angeordnet, sondern als externes Schaltungselement für das Transistorelement. Bei dem Hochfrequenzleistungsverstärker 10 gemäß dieser Ausführungsform ist jedoch jede Serienresonanzschaltung 32, die als Hochfrequenzresonanzschaltung mit der zweiten oder einer höheren Oberwelle einer Betriebsfrequenz in Resonanz ist, zwischen die Gateelektrode des entsprechenden Einheits-FET 30, die das FET-Element 12 bilden, und das Masseende nebengeschlossen. Das heißt, dass die Serienresonanzschaltung 32 auf der internen Schaltungsseite des FET-Elements 12 selbst nebengeschlossen ist.
Mit der herkömmlichen Anordnung war es schwierig, eine Niedrigimpedanzlast mit Bezug auf die Oberwellen zu erzielen. Bei dem Hochfrequenzleistungsverstärker 10 ist jedoch jede Serienresonanzschaltung 32, die die erwünschte Oberwellenresonanzfrequenz aufweist, zwischen der Gateelektrode des entsprechenden Einheits-FET 30, die das FET-Element 12 bilden, und das Masseende nebengeschlossen und so eingestellt, dass sie mit der erwünschten Frequenz in Resonanz ist, wodurch sichergestellt wird, dass die Oberwellenlast mit Bezug auf die zweite oder höhere Oberwellen der Betriebsfrequenz gesehen von der Gateseite des FET-Elements 12 aus leicht auf eine niedrigere Impedanz eingestellt werden kann.
Weiter hat das FET-Element 12 eine bestimmte Betriebsfrequenzbandbreite, und daher hat nicht nur die Betriebsfrequenz, sondern auch die zweite oder eine höhere Oberwellenfrequenz ebenfalls eine Bandbreite. Es besteht daher die Notwendigkeit, die Eingangslast über ein breites Band zu steuern. Aus diesem Grund sind Serienresonanzschaltungen 32 mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen, die der zweiten oder höheren Oberwelle des Betriebsfrequenzbands entsprechen, gemischt in der Hochfrequenzverarbeitungsschaltung 14 angeordnet.
5A bis 5C sind Diagramme, die schematisch die Resonanzfrequenzen der Serienresonanzschaltung des Hochfrequenzleistungsverstärkers gemäß der ersten Ausführungsform zeigen.
In 5A bis 5C bezeichnen fa, fb und fc die Resonanzfrequenzen der Serienresonanzschaltungen 32, f1 bezeichnet die Be triebsfrequenz an der unteren Grenze des Betriebsfrequenzbands des Hochfrequenzleistungsverstärkers 10 und f2 bezeichnet die Betriebsfrequenz an der oberen Grenze des Betriebsfrequenzbands des Hochfrequenzleistungsverstärkers 10.
Mit Bezug auf 5A entspricht die Resonanzfrequenz fa einer der Serienresonanzschaltungen 32 der zweiten Harmonischen 2f1 der Betriebsfrequenz f1 an der unteren Grenze des Betriebsfrequenzbands des Hochfrequenzleistungsverstärkers 10, und die Resonanzfrequenz fb einer anderen der Serienresonanzschaltungen 32 entspricht der zweiten Harmonischen 2f2 der Betriebsfrequenz f2 an der oberen Grenze des Betriebsfrequenzbands des Hochfrequenzleistungsverstärkers 10.
Mit Bezug auf 5B entspricht die Resonanzfrequenz fa einer der Serienresonanzschaltungen 32 einem Mittelwert (3f1 + f2/2) zwischen der Frequenz (f1 + f2) der zweiten Harmonischen eines Mittelwerts (f1 + f2)/2 zwischen der Betriebsfrequenz f1 an der unteren Grenze und der Betriebsfrequenz f2 an der oberen Grenze des Betriebsfrequenzbands des Hochfrequenzleistungsverstärkers 10 und der zweiten Harmonischen 2f1 der Betriebsfrequenz f1 an der unteren Grenze des Betriebsfrequenzbands des Hochfrequenzverstärkers 10, und die Resonanzfrequenz fb einer anderen der Serienresonanzschaltungen 32 entspricht einem Mittelwert (f1 + 3f2)/2 zwischen der Frequenz (f1 + f2) der zweiten Harmonischen eines Mittelwerts (f1 + f2)/2 zwischen der Betriebsfrequenz f1 an der unteren Grenze und der Betriebsfrequenz f2 an der oberen Grenze des Betriebsfrequenzbands des Hochfrequenzleistungsverstärkers 10 und der zweiten Harmonischen 2f2 der Betriebsfrequenz an der oberen Grenze des Betriebsfrequenzbands des Hochfrequenzleistungsverstärkers 10.
Wenn die Resonanzfrequenz der Serienresonanzschaltung 32(a) in diesen Fällen beispielsweise fa ist, sind die Serienresonanzschaltungen 32 mit den Resonanzfrequenzen fa und fb abwechselnd angeordnet, so dass die Resonanzfrequenz der Serienresonanzschaltung 32(2) fb ist, die Resonanzfrequenz der Serienresonanzschaltung 32(3) fa ist und die Resonanzfrequenz der Serienresonanzschaltung 32(4) fb ist. Wenn 2 als Teiler von k in den Serienresonanzschaltungen 32(k) enthalten ist, ist die Resonanzfrequenz der Serienresonanzschaltung 32(k-1) auf fa eingestellt und die Resonanzfrequenz der Serienresonanzschaltung 32(k) auf fb.
Somit sind die Serienresonanzschaltungen 32 mit verschiedenen Resonanzfrequenzen in der Hochfrequenzverarbeitungsschaltung 14 abwechselnd in gutem Gleichgewicht angeordnet, um es dem FET-Element 12 zu ermöglichen, als Ganzes gleichmäßig zu arbeiten.
5C zeigt einen Fall, in dem drei Frequenzen fa, fb und fc als Resonanzfrequenzen der Serienresonanzschaltungen 32 eingestellt sind. In diesem Fall ist die Resonanzfrequenz fa beispielsweise auf die zweite Harmonische 2f1 der Betriebsfrequenz f1 an der unteren Grenze des Betriebsfrequenzbands des Hochfrequenzleistungsverstärkers 10 eingestellt, die Resonanzfrequenz fb ist auf die Frequenz (f1 + f2) der zweiten Harmonischen eines Mittelwerts (f1 + f2)/2 zwischen der Betriebsfrequenz f1 an der unteren Grenze und der Betriebsfrequenz f2 an der oberen Grenze des Betriebsfrequenzbands des Hochfrequenzleistungsverstärkers 10 eingestellt, und die Resonanzfrequenz fc ist auf die zweite Harmonische 2f2 der Betriebsfrequenz f2 an der oberen Grenze des Betriebsfrequenzbands des Hochfrequenzleistungsverstärkers 10 eingestellt.
Auch in diesem Fall ist die Resonanzfrequenz der Serienresonanzschaltung 32(1) auf fa eingestellt, die Resonanzfrequenz der Serienresonanzschaltung 33(2) ist auf fb eingestellt, die Resonanzfrequenz der Serienresonanzschaltung 32(3) ist auf fc eingestellt, und die Resonanzfrequenzen der anderen Serienresonanzschaltungen 32 sind so eingestellt, dass die Resonanzfre quenzen fa, fb und fc aufeinanderfolgend und abwechselnd wiederholt werden.
Wenn 3 als Teiler von k in den Serienresonanzschaltungen 32(k) enthalten ist, ist die Resonanzfrequenz der Serienresonanzschaltung 32(k-2) auf fa eingestellt, die Resonanzfrequenz der Serienresonanzschaltung 32(k-1) auf fb und die Resonanzfrequenz der Serienresonanzschaltung 32(k) auf fc.
Andere Fälle einschließlich eines Falles, in dem die Resonanzfrequenz fa auf 2f1 eingestellt ist, die Resonanzfrequenz fb auf 2f2 und die Resonanzfrequenz fc auf f1 + f2 sind ebenfalls denkbar. Eine Kombination von Resonanzfrequenzen kann gewählt werden durch Betrachten des Q-Werts der Serienresonanzschaltungen, so dass eine Verzerrungskennlinie mit verbesserter Flachheit gewonnen wird.
Während Fälle beschrieben wurde, in denen zwei oder drei Frequenzen als Resonanzfrequenzen eingestellt wurden, kann eine größere Anzahl von Resonanzfrequenzen eingestellt werden.
In dem Fall, in dem die Serienresonanzschaltung 32 zu jedem Einheits-FET 30 des FET-Elements 12 hinzugefügt wird, sind die Anzahl von Einheits-FET 30 und die Anzahl von Serienresonanzschaltungen 32 gleich. Es ist auch unter dem Gesichtspunkt des gleichmäßigen Betreibens des gesamten FET-Elements 12 wünschenswert, die Anzahl von Resonanzfrequenzen der Serienresonanzschaltung 32 auf einen Teiler der Anzahl von Einheits-FET 30 einzustellen.
In dem FET-Element 12 dieser Ausführungsform ist die Serienresonanzschaltung 32 zu jedem Einheits-FET 30 hinzugefügt. Im Prinzip ist es wünschenswert, die Serienresonanzschaltung 32 zu jedem Einheits-FET 30 in dem FET-Element 12 hinzuzufügen. Das Hinzufügen der Serienresonanzschaltung 32 zu allen Einheits-FET 30 ist jedoch nicht notwendigerweise erforderlich.
6 ist ein Graph, der Verzerrungskennlinien des Hochfrequenzleistungsverstärkers gemäß der ersten Ausführungsform mit Bezug auf die Betriebsfrequenz zeigt.
In 6 stellt die Abszisse die standardisierte Betriebsfrequenz dar, und die Ordinate stellt die Leckleistung benachbarter Kanäle (im folgenden als ACPR = Adjacent Channel Power Ratio bezeichnet) dar, deren Einheit dBc ist. Somit zeigt 6 Änderungen des ACPR mit Bezug auf die standardisierte Betriebsfrequenz, in anderen Worten eine Änderung der Verzerrung.
Δf zeigt auch einen Frequenzbereich von ±2% um die Mittenfrequenz in dem Betriebsfrequenzband an.
Eine in 6 als durchgezogene Linie gezeigte Kurve "a" bezieht sich auf das FET-Element 12 dieser Ausführungsform, d.h. den Fall, in dem die Serienresonanzschaltung 32 jedem Einheits-FET 30 hinzugefügt ist; die Resonanzfrequenzen der Serienresonanzschaltung 32 sind fa und fb und die Serienresonanzschaltungen 32 mit diesen Frequenzen sind abwechselnd gemischt angeordnet.
Die Kurven "b" und "c" sind zum Vergleich mit der Kurve "a" gezeigt. Die als gestrichelte Linie gezeigte Kurve "b" entspricht einem Fall, in dem alle Resonanzfrequenzen der Serienresonanzschaltungen, die zu jedem FET-Element 12 hinzugefügt sind, auf fa eingestellt ist.
Die als gestrichelte Linie gezeigte Kurve "c" entspricht einem Fall, in dem alle Resonanzfrequenzen der Serienresonanzschaltung, die zu jedem FET-Element 12 hinzugefügt sind, auf fb eingestellt sind.
Die Resonanzfrequenz fa der durch die Kurve "b" angegebenen Serienresonanzschaltung entspricht der zweiten Harmonischen der Mittenfrequenz des Betriebsfrequenzbands, und die Resonanzfrequenz fb der durch die Kurve "c" angegebenen Serienresonanzschaltung hat wie in 6 gezeigt eine Resonanzfrequenz von etwa 3% mehr als fa.
In der Hochfrequenzverarbeitungsschaltung 14, die der Kurve "a" entspricht, sind die Serienresonanzschaltungen 32 mit der Resonanzfrequenz fa, die der Kurve "b" entspricht, und die Serienresonanzschaltungen 32 mit der Resonanzfrequenz fb, die der Kurve "c" entspricht, abwechselnd gemischt angeordnet.
Wenn die Betriebsfrequenz in dem Betriebsfrequenzband geändert wird, wird die zweite Harmonische geändert, und die Last an der zweiten Harmonischen ändert sich mit der Änderung der zweiten Harmonischen, was zu einer Änderung der Verzerrungseigenschaft führt.
Wie in der Kurve "a" gezeigt ist in dem Fall, in dem die Serienresonanzschaltungen 32 mit den Resonanzfrequenzen fa und fb gemischt angeordnet sind, der Minimalwert des ACPR geringfügig höher als der durch die Kurve "b" angegebene, der dem Fall entspricht, in dem lediglich die Serienresonanzschaltungen mit der Resonanzfrequenz fa bereitgestellt sind oder als der durch die Kurve "c" angegebene, der dem Fall entspricht, in dem lediglich die Serienresonanzschaltungen mit der Resonanzfrequenz fb bereitgestellt sind. Die Änderung des ACPR über die Änderung der Betriebsfrequenz ist jedoch klein. Das heißt, dass mit Hinblick auf die Kurve "a" klar ist, dass die Flachheit der Verzerrungskennlinie in einem Frequenzbereich von etwa ±2 um die Mittenfrequenz in dem Betriebsfrequenzband verbessert ist.
Daher kann die Eingangslast bei einer Oberwelle über ein breites Band gesteuert werden, und ein Hochfrequenzleistungsverstärker mit einer niedrigen Verzerrung in einem breiten Betriebsfrequenzband kann aufgebaut werden durch geeignetes Wählen der Resonanzfrequenzen fa und fb Serienresonanzschaltungen 32, die die zweite oder höhere Harmonische der Betriebsfrequenz als Resonanzfrequenzen aufweisen, und durch geeignetes Mischen der Serienresonanzschaltungen 32 mit diesen Resonanzfrequenzen in der Hochfrequenzverarbeitungsschaltung 14.
Während die Auswahl einer Frequenz in der Nähe der zweiten Harmonischen der Betriebsfrequenz als Resonanzfrequenz der Serienresonanzschaltung 32 beschrieben wurde, kann auch eine Harmonische gewählt werden, die höher als die zweite Harmonische ist, z.B. die dritte harmonische Frequenz.
Das heißt, dass die zweite Harmonische der Betriebsfrequenz oder eine Frequenz in der Nähe der zweiten Harmonischen als Resonanzfrequenz fa gewählt wird und dass die dritte Harmonische der Betriebsfrequenz oder eine Frequenz in der Nähe der dritten Harmonischen als Resonanzfrequenz fb gewählt wird. Die Serienresonanzschaltungen 32 sind auch so eingestellt, dass diese Frequenzen fa und fb aufeinander folgend und abwechselnd wiederholt werden. Das Hinzufügen der Serienresonanzschaltung 32 mit einer Resonanzfrequenz in der Nähe der dritten Harmonischen ist wirkungsvoll zum Begrenzen einer gegenseitigen Modulationsverzerrung auf der Grundlage einer Harmonischen hoher Ordnung wie z.B. der fünften oder einer höheren Harmonischen der Betriebsfrequenz.
7 ist eine Draufsicht auf einen Abschnitt eines ersten Abwandlungsbeispiels des Hochfrequenzleistungsverstärkers gemäß der ersten Ausführungsform.
Der in 7 gezeigte Hochfrequenzleistungsverstärker ist im wesentlichen derselbe wie der Hochfrequenzleistungsverstärker 10 der ersten Ausführungsform. Bei dem Hochfrequenzleistungsverstärker 10 sind das GaAs-Substrat 12a des FET-Elements 12 und das GaAs-Substrat 14a der Hochfrequenzverarbeitungsschaltung 14 getrennt voneinander gebildet. Bei dem Hochfrequenzleistungsverstärker dieses Abwandlungsbeispiels sind das GaAs-Substrat 12a und das GaAs-Substrat 14a jedoch integral als ein GaAs-Substrat 50 gebildet.
Dem entsprechend sind die einen Enden der Serienresonanzschaltungen 32 und die Gateanschlüsse 30a statt über Drähte 34 über Leitungsmusterelemente 52 verbunden, die auf der Oberfläche des GaAs-Substrats 50 bereitgestellt sind. Auch die anderen Enden der Serienresonanzschaltungen 32 und die Durchkontaktierungen 30d sind statt über Drähte 36 über Leitungsmusterelemente 54 miteinander verbunden, die auf der Oberfläche des GaAs-Substrats 50 bereitgestellt sind.
Dementsprechend ist jede Serienresonanzschaltung 32 aus dem Kondensator 32a und der Induktivität 32b gebildet, die in Reihe geschaltet sind. Da der in der Induktivität enthaltene Draht entfernt ist, kann die Serienresonanzschaltung 32 gebildet werden die eine Resonanzfrequenz mit verbesserter Genauigkeit aufweist.
Die Schnittansicht entlang der Linie VII-VII in 7 ist dieselbe wie die in 3 gezeigte.
8 ist ein Ersatzschaltbild der Serienresonanzschaltung eines zweiten Abwandlungsbeispiels des Hochfrequenzleistungsverstärkers gemäß der ersten Ausführungsform.
Die in 8 gezeigte Serienresonanzschaltung verwendet anstelle des Kondensators 32a in der in 4 gezeigten Serien resonanzschaltung 32 eine Diode 56 als variablen Kondensator. Die Resonanzfrequenz kann eingestellt werden durch Verwenden der Diode 56 und Ändern Ihrer Kapazität.
In dieser Serienresonanzschaltung 32 ist für den Zweck des Änderns der Kapazität der Diode 56 durch Anlegen einer DC-Vorspannung ein DC-Blockkondensator 58 zwischen der Anode der Diode 56 und der Induktivität 32b bereitgestellt, und ein DC-Zuführanschluss 60 ist zwischen dem Kondensator 58 und der Anode der Diode 56 bereitgestellt.
Die Induktivität kann zum Ändern der Resonanzfrequenz geändert werden. Zu diesem Zweck ist die Induktivität 32b aus einem Bonddraht gebildet und die Länge des Bonddrahtes wird verändert.
9 ist ein Ersatzschaltbild eines Hochfrequenzleistungsverstärkers gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Der Aufbau eines in 9 gezeigten Hochfrequenzleistungsverstärkers 70 ist im wesentlichen derselbe wir derjenige des in 4 gezeigten Hochfrequenzleistungsverstärkers 10, aber der Hochfrequenzleistungsverstärker 70 unterscheidet sich von dem Hochfrequenzleistungsverstärker 10 darin, dass in dem Hochfrequenzleistungsverstärker 70 eine Serienresonanzschaltung 72, die als zweite Serienresonanzschaltung dient, parallel zu jeder Serienresonanzschaltung 32 geschaltet ist, während in dem Hochfrequenzleistungsverstärker 10 jede Serienresonanzschaltung, die die Hochfrequenzverarbeitungsschaltung 14 bildet, einzeln bereitgestellt ist. Ansonsten ist der Aufbau des Hochfrequenzleistungsverstärkers 70 derselbe wie derjenige des Hochfrequenzleistungsverstärkers 10.
Eine Mehrzahl von Serienresonanzschaltungen 72 sind auf dem GaAs-Substrat 14 benachbart zu den Serienresonanzschaltungen 32 angeordnet. Jede Serienresonanzschaltung 72 ist auf dieselbe Weise wie die Serienresonanzschaltung 32 durch Verbinden eines Endes der Serienresonanzschaltung 72 über einen Draht mit dem Gateanschluss 30a und durch Verbinden des anderen Endes der Serienresonanzschaltung 72 über einen Draht mit der Durchkontaktierung 30d angeschlossen. Die Serienresonanzschaltung 72 ist also zwischen dem Gateanschluss 30a und dem Masseende nebengeschlossen.
Die Schaltungselemente, die diese Serienresonanzschaltung 72 bilden, sind ähnlich denjenigen der Serienresonanzschaltung 32. Ein Kondensator 72a, der beispielsweise aus einem MIM-Kondensator gebildet ist, und eine Induktivität 72b, die beispielsweise aus einer Spiralinduktivität gebildet sind, sind in Reihe geschaltet.
Die Resonanzfrequenz der Serienresonanzschaltung 72 unterscheidet sich jedoch von derjenigen der Serienresonanzschaltung 32. Wenn die Serienresonanzschaltung 32 wie oben mit Bezug auf 5 beschrieben die Resonanzfrequenz fa hat, ist die Serienresonanzschaltung 72 so aufgebaut, dass sie die Resonanzfrequenz fb hat.
Die Verzerrungseigenschaften können über ein breites Frequenzband mit Bezug auf jeden Einheits-FET 30 verbessert werden durch Bereitstellen der Serienresonanzschaltung 32 und der Serienresonanzschaltung 72, die verschiedene Resonanzfrequenzen haben, entsprechend dem Einheits-FET 30 wie oben beschrieben. Es kann auch wie oben mit Bezug auf die erste Ausführungsform beschrieben eine Resonanzfrequenzauswahl so durchgeführt werden, dass die Resonanzfrequenz einer der Serienresonanzschaltungen 32 und 72 auf die zweite Harmonische der Betriebsfrequenz oder eine Frequenz in der Nähe der zweiten Harmonischen eingestellt wird, während die Resonanzfrequenz der anderen Serienresonanzschaltung 32 und 72 auf die dritte Harmonische der Betriebsfrequenz oder auf eine Frequenz in der Nähe der dritten Harmonischen eingestellt wird.
Während Transistorelemente mit Feldeffekttransistoren in Mehrfingerform beschrieben wurde, kann dieselbe Wirkung der vorliegenden Erfindung auch in dem Fall der Anwendung auf ein Transistorelement erzielt werden, das Bipolartransistoren in Mehrfingerform aufweist.
Wie oben beschrieben enthält der Hochfrequenzleistungsverstärker ein Transistorelement mit einer Mehrzahl von Einheitstransistoren auf einem ersten Halbeitersubstrat, wobei jeder Einheitstransistor eine Mehrzahl von Transistoren aufweist, die in einer Mehrfingerform parallel zueinander geschaltet sind, und jeder Einheitstransistor einen Steueranschluss, über den ein Eingangssignal eingegeben wird, einen ersten Anschluss, der mit einem Konstantpotentialende verbunden ist, und einen zweiten Anschluss, über den ein Ausgangssignal ausgegeben wird, aufweist, eine Hochfrequenzverarbeitungsschaltung mit einer Mehrzahl von ersten Serienresonanzschaltungen, die zwischen die Steueranschlüsse der Einheitstransistoren des Transistorelements und die Konstantpotentialenden nebengeschlossen sind und auf einem zweiten Halbleitersubstrat angeordnet sind, eine erste Verbindungsleitung zum Verbinden der Mehrzahl von Steueranschlüssen des Transistorelements miteinander, eine zweite Verbindungsleitung zum Verbinden der Mehrzahl von zweiten Anschlüssen des Transistorelements miteinander, eine Eingangsanpassschaltung, die mit der ersten Verbindungsleitung verbunden ist, und eine Ausgangsanpassschaltung, die mit der zweiten Verbindungsleitung verbunden ist. Zwei der ersten Resonanzschaltungen weisen Resonanzfrequenzen auf, die einer zweiten oder höheren Harmonischen einer Frequenz entsprechen, die in dem Be triebsfrequenzband des Transistorelements enthalten ist, und die voneinander verschieden sind.
Bei dem so aufgebauten Hochfrequenzleistungsverstärker ist jede erste Resonanzschaltung zwischen den Steueranschluss des entsprechenden Einheitstransistors, der das Transistorelement bildet, und das Konstantpotentialende nebengeschlossen und so eingestellt, dass er mit der gewünschten Frequenz, die der zweiten oder einer höheren Harmonischen der Betriebsfrequenz entspricht, in Resonanz ist. Daher kann die Hochfrequenzlast gesehen von der Steueranschlussseite des Transistorelements aus mit Bezug auf die zweite oder höhere Harmonische der Betriebsfrequenz leicht auf eine niedrige Impedanz gesteuert werden.
Weiter haben zwei der ersten Resonanzschaltung Resonanzfrequenzen, die der zweiten und höheren Harmonischen einer Frequenz entsprechend, die in dem Betriebsfrequenzband des Transistorselements enthalten ist, und die voneinander verschieden sind. Somit sind in der Hochfrequenzverarbeitungsschaltung die ersten Serienresonanzschaltungen mit zwei verschiedenen Resonanzfrequenzen, die den Harmonischen des Betriebsfrequenzbands entsprechend, gemischt bereitgestellt, wodurch eine Änderung der Verzerrung in dem Betriebsfrequenzband verglichen mit einem Fall, in dem lediglich Resonanzschaltungen mit einer Resonanzfrequenz bereitgestellt sind, verringert ist, und stabile Verzerrungseigenschaften über ein vergleichsweises breites Band gewonnen werden können. Somit kann ein Hochfrequenzleistungsverstärker mit einem hohen Betriebswirkungsgrad und verbesserten Verzerrungseigenschaften in einem vergleichsweise breiten Frequenzband mit einer einfachen Anordnung gewonnen werden.
10 ist ein Ersatzschaltbild eines Hochfrequenzleistungsverstärkers gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Der Aufbau eines in 10 gezeigten Hochfrequenzleistungsverstärkers 70 ist im wesentlichen derselbe wie derjenige des in 4 gezeigten Hochfrequenzleistungsverstärkers 10, aber der Hochfrequenzleistungsverstärker 80 unterscheidet sich von dem Hochfrequenzleistungsverstärker 10 darin, dass der Hochfrequenzleistungsverstärker 80 ein Heterojunktionbipolartransistorelement 82 verwendet (im folgenden als "HBT-Element" bezeichnet), während der Hochfrequenzleistungsverstärker 10 das FET-Element 12 als Transistorelement verwendet.
Das HBT-Element 82 enthält eine Mehrzahl von Einheits-HBT 84, die als Einheitstransistoren auf einem (in 10 nicht gezeigten) GaAs-Substrat 12a gebildet sind, das als erstes Halbleitersubstrat dient. Die Einheits-HBT 84 sind parallel zueinander geschaltet.
Jeder Einheits-HBT 84 hat einen Basisanschluss 84a, der als Steueranschluss dient, einen Emitteranschluss 84b, der als erster Anschluss dient, und einen Kollektoranschluss 84c, der als zweiter Anschluss dient.
Die Basisanschlüsse 84a der Einheits-HBT 84 sind über Drähte 86 gemeinsam mit einer Basisverbindungsverdrahtung 88 verbunden. Die Basisverbindungsverdrahtung 88 ist weiter mit einer Eingangsanpassschaltung 20 verbunden.
Jeder Emitteranschluss 84b ist über eine Durchkontaktierung oder dergleichen mit einem Konstantpotentialende, z.B. einem Masseende verbunden.
Der Kollektoranschluss 84c kann integral gebildet sein, anstatt notwendigerweise entsprechend jedem Einheits-HBT 84 unterteilt zu sein. Drähte 90 von einem Kollektoranschluss 84c oder von unterteilten Kollektoranschlüssen 84c sind gemeinsam mit einer Kollektorverbindungsverdrahtung 92 verbunden. Die Kollektorver bindungsverdrahtung 92 ist mit einer Ausgangsanpassschaltung 26 verbunden.
Jeder Einheits-HBT 84 ist gebildet durch Verbinden einer Mehrzahl von HBT in Mehrfingerform parallel zueinander. Enden einer Gruppe von Basisfingern sind gemeinsam mit dem Basisanschluss 84a des Einheits-HBT 84 verbunden.
In ähnlicher Weise sind Enden einer Gruppe von Emitterfingern, die der Gruppe von gemeinsam mit dem Basisanschluss 84a verbundenen Basisfingern benachbart ist, gemeinsam mit dem Emitteranschluss 84b des Einheits-HBT 84 verbunden.
In ähnlicher Weise sind Enden einer Gruppe von Kollektorfingern, die der Gruppe von gemeinsam mit dem Basisanschluss 84a verbundenen Basisfingern benachbart ist, gemeinsam mit dem Kollektoranschluss 84c des Einheits-HBT 84 verbunden.
Der Aufbau der Hochfrequenzverarbeitungsschaltung 14 ist derselbe wie der oben bei der ersten Ausführungsform beschriebene. Bei jeder Serienresonanzschaltung 32 in dieser Ausführungsform ist jedoch ein Ende über einen Draht mit dem Basisanschluss 84a verbunden, und das andere Ende ist über einen Draht mit einer in dem Emitteranschluss 84b bereitgestellten Durchgangskontaktierung verbunden. Das bedeutet, dass die Serienresonanzschaltung 32 zwischen dem Basisanschluss 84 und einem Masseende nebengeschlossen ist.
Der Emitteranschluss 84b hat einen Luftbrückenaufbau. Der Emitteranschluss 84b hat Beinabschnitte, die mit den Emitterfingern verbunden sind, und überspannt die Basisfinger und die Kollektorfinger, wobei Luftzwischenräume dazwischen bereitgestellt sind.
Jede Resonanzschaltung 32 ist als Hochfrequenzresonanzschaltung eingestellt, die mit der zweiten oder einer höheren Harmonischen einer Betriebsfrequenz in einem Betriebsfrequenzband in Resonanz ist. Die Serienresonanzschaltung 32 ist über den Basisanschluss 84a mit der Basiselektrode des entsprechenden Einheits-HBT 84 verbunden.
Ansonsten ist der Aufbau derselbe wie derjenige des Hochfrequenzleistungsverstärkers in der ersten Ausführungsform.
Bei der herkömmlichen Anordnung ist eine Schaltung zum Steuern einer Oberwelle nicht innerhalb eines Transistorelements angeordnet, sondern als externes Schaltungselement für das Transistorelement. Bei dem Hochfrequenzleistungsverstärker 80 gemäß dieser Ausführungsform ist jedoch jede Serienresonanzschaltung 32, die als Hochfrequenzresonanzschaltung mit der zweiten oder einer höheren Oberwelle einer Betriebsfrequenz in Resonanz ist, zwischen die Basiselektrode des entsprechenden Einheits-HBT 84, die das HBT-Element 82 bilden, und das Masseende nebengeschlossen. Das heißt, dass die Serienresonanzschaltung 32 auf der internen Schaltungsseite des HBT-Elements 82 selbst nebengeschlossen ist.
Mit der herkömmlichen Anordnung war es schwierig, eine Niedrigimpedanzlast mit Bezug auf die Oberwellen zu erzielen. Bei dem Hochfrequenzleistungsverstärker 80 ist jede Serienresonanzschaltung 32, die die erwünschte Oberwellenresonanzfrequenz aufweist, zwischen der Basiselektrode des entsprechenden Einheits-HBT 84, die das HBT-Element 82 bilden, und das Masseende nebengeschlossen und so eingestellt, dass sie mit der erwünschten Frequenz in Resonanz ist, wodurch sichergestellt wird, dass die Oberwellenlast mit Bezug auf die zweite oder höhere Oberwellen der Betriebsfrequenz gesehen von der Basisseite des HBT-Elements 82 aus leicht auf eine niedrigere Impedanz eingestellt werden kann. In diesem Fall können die Resonanzfrequenzen aller Serienresonanzschaltungen 32 zueinander gleich sein.
Weiter hat das HBT-Element 82 eine bestimmte Betriebsfrequenzbandbreite, und daher hat nicht nur die Betriebsfrequenz, sondern auch die zweite oder eine höhere Oberwellenfrequenz ebenfalls eine Bandbreite. Es besteht daher die Notwendigkeit, die Eingangslast über ein breites Band zu steuern. Aus diesem Grund sind wie bei der ersten Ausführungsform beschrieben Serienresonanzschaltungen 32 mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen, die der zweiten oder höheren Oberwelle des Betriebsfrequenzbands entsprechen, eingestellt und gemischt in gutem Gleichgewicht angeordnet, um einen Hochleistungsverstärker mit einem breiten Betriebsfrequenzband und einer verringerten Verzerrung zu bilden.
Wie oben beschrieben enthält ein Hochfrequenzleistungsverstärker ein Transistorelement mit einer Mehrzahl von Einheitstransistoren auf einem ersten Halbeitersubstrat, wobei jeder Einheitstransistor eine Mehrzahl von Bipolartransistoren aufweist, die in einer Mehrfingerform parallel zueinander geschaltet sind, und jeder Einheitstransistor einen Steueranschluss, über den ein Eingangssignal eingegeben wird, einen ersten Anschluss, der mit einem Konstantpotentialende verbunden ist, und einen zweiten Anschluss, über den ein Ausgangssignal ausgegeben wird, aufweist, eine Hochfrequenzverarbeitungsschaltung mit einer Mehrzahl von ersten Serienresonanzschaltungen, die zwischen die Steueranschlüsse der Einheitstransistoren des Transistorelements und die Konstantpotentialenden nebengeschlossen sind und auf einem zweiten Halbleitersubstrat angeordnet sind, eine erste Verbindungsleitung zum Verbinden der Mehrzahl von Steueranschlüssen des Transistorelements miteinander, eine zweite Verbindungsleitung zum Verbinden der Mehrzahl von zweiten Anschlüssen des Transistorelements miteinander, eine Eingangsanpassschaltung, die mit der ersten Verbindungsleitung verbunden ist, und eine Ausgangsanpassschaltung, die mit der zweiten Verbindungsleitung verbunden ist. Die ersten Resonanzschaltungen weisen Resonanzfrequenzen auf, die einer zweiten oder höheren Harmonischen einer Frequenz entsprechen, die in dem Betriebsfrequenzband des Transistorelements enthalten ist.
Der Hochfrequenzleistungsverstärker gemäß der vorliegenden Erfindung ist in der Lage, die Hochfrequenzlast im Hinblick auf die zweite oder höhere Harmonische der Betriebsfrequenz auf eine niedrigere Impedanz zu steuern. Demzufolge kann der Hochfrequenzleistungsverstärker so gebildet werden, dass er eine höhere Ausgangsleistung und einen verbesserten Wirkungsgrad aufweist.
Weiter können zwei der ersten Serienresonanzschaltungen so eingestellt sein, dass sie Resonanzfrequenzen aufweisen, die der zweiten und höheren Harmonischen einer Frequenz entsprechen, die in dem Betriebsfrequenzband des Transistorelements enthalten ist, und die voneinander verschieden sind, und dadurch können Verzerrungskennlinien mit verringerter Veränderung in einem relativ breiten Band erzielt werden.
Somit kann ein Hochfrequenzleistungsverstärker mit einer höheren Ausgabe, einem höheren Betriebswirkungsgrad und verbesserten Verzerrungseigenschaften in einem vergleichsweise breiten Frequenzband mit einer einfachen Anordnung gewonnen werden.
Wie oben beschrieben ist der Hochfrequenzleistungsverstärker gemäß der vorliegenden Ausführungsform geeignet zur Verwendung in Kommunikationseinrichtungen, die in Mikrowellen- und Millimeterwellenbändern für die Mobilkommunikation, die Satellitenkommunikation oder dergleichen verwendet werden.

Claims

Hochfrequenzleistungsverstärker mit einem Transistorelement (12) mit einer Mehrzahl von Einheitstransistoren (30) auf einem ersten Halbeitersubstrat (12a), wobei jeder Einheitstransistor eine Mehrzahl von Transistoren aufweist, die in einer Mehrfingerform (30e, 30f, 30g) parallel zueinander geschaltet sind, und jeder Einheitstransistor einen Steueranschluss (30a), über den ein Eingangssignal eingegeben wird, einen ersten Anschluss (30b), der mit einem Konstantpotentialende verbunden ist, und einen zweiten Anschluss (30c), über den ein Ausgangssignal ausgegeben wird, aufweist, einer Hochfrequenzverarbeitungsschaltung (14) mit einer Mehrzahl von ersten Serienresonanzschaltungen (32), die zwischen die Steueranschlüsse der Einheitstransistoren des Transistorelements und die Konstantpotentialenden nebengeschlossen sind und auf einem zweiten Halbleitersubstrat (14a) angeordnet sind, einer ersten Verbindungsleitung (16) zum Verbinden der Mehrzahl von Steueranschlüssen des Transistorelements miteinander, einer zweiten Verbindungsleitung (22) zum Verbinden der Mehrzahl von zweiten Anschlüssen des Transistorelements miteinander, einer Eingangsanpassschaltung (20), die mit der ersten Verbindungsleitung verbunden ist, und einer Ausgangsanpassschaltung (26), die mit der zweiten Verbindungsleitung verbunden ist, wobei zwei der ersten Resonanzschaltungen Resonanzfrequenzen aufweisen, die einer zweiten oder höheren Harmonischen einer Frequenz entsprechen, die in dem Betriebsfrequenzband des Transistorelements enthalten ist, und die voneinander verschieden sind.
Hochfrequenzleistungsverstärker nach Anspruch 1, bei dem mit jedem Einheitstransistor (30) eine Serienresonanzschaltung (32) verbunden ist.
Hochfrequenzleistungsverstärker nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Anzahl der voneinander verschiedenen Resonanzfrequenzen in den ersten Resonanzschaltungen (32) ein Teiler der Anzahl von Einheitstransistoren (30) ist.
Hochfrequenzleistungsverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit zumindest einer zweiten Serienresonanzschaltung (72) auf dem zweiten Halbleitersubstrat (14a), die parallel zu der ersten Serienresonanzschaltung (32) zwischen dem Steueranschluss (30a) des Einheitstransistors und das Konstantpotentialende nebengeschlossen ist, wobei zumindest zwei der zweiten Resonanzschaltungen Resonanzfrequenzen aufweisen, die einer zweiten oder höheren Harmonischen einer Frequenz entsprechen, die in dem Betriebsfrequenzband des Transistorelements enthalten ist, und die voneinander verschieden sind.
Hochfrequenzleistungsverstärker nach Anspruch 4, bei dem die Anzahl der voneinander verschiedenen Resonanzfrequenzen in den zweiten Resonanzschaltungen (72) ein Teiler der Anzahl von Einheitstransistoren (30) ist.
Hochfrequenzleistungsverstärker mit einem Transistorelement (82) mit einer Mehrzahl von Einheitstransistoren (84) auf einem ersten Halbeitersubstrat (12a), wobei jeder Einheitstransistor eine Mehrzahl von Bipolartransistoren aufweist, die in einer Mehrfingerform parallel zueinander geschaltet sind, und jeder Einheitstransistor einen Steueranschluss (84a), über den ein Eingangssignal eingegeben wird, einen ersten Anschluss (84b), der mit einem Konstantpo tentialende verbunden ist, und einen zweiten Anschluss (84c), über den ein Ausgangssignal ausgegeben wird, aufweist, einer Hochfrequenzverarbeitungsschaltung (14) mit einer Mehrzahl von ersten Serienresonanzschaltungen (32), die zwischen die Steueranschlüsse der Einheitstransistoren des Transistorelements und die Konstantpotentialenden nebengeschlossen sind und auf einem zweiten Halbleitersubstrat (14a) angeordnet sind, einer ersten Verbindungsleitung (88) zum Verbinden der Mehrzahl von Steueranschlüssen des Transistorelements miteinander, einer zweiten Verbindungsleitung (92) zum Verbinden der Mehrzahl von zweiten Anschlüssen des Transistorelements miteinander, einer Eingangsanpassschaltung (20), die mit der ersten Verbindungsleitung verbunden ist, und einer Ausgangsanpassschaltung (26), die mit der zweiten Verbindungsleitung verbunden ist, wobei die ersten Resonanzschaltungen Resonanzfrequenzen aufweisen, die einer zweiten oder höheren Harmonischen einer Frequenz entsprechen, die in dem Betriebsfrequenzband des Transistorelements enthalten ist.
Hochfrequenzleistungsverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das erste Halbleitersubstrat (12a) und das zweite Halbleitersubstrat (14a) einstückig (50) ausgebildet sind.