DE102015209435A1

DE102015209435A1 - Linearisierer

Info

Publication number: DE102015209435A1
Application number: DE102015209435.9A
Authority: DE
Inventors: Ko Kanaya
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-05-23
Filing date: 2015-05-22
Publication date: 2015-11-26
Also published as: CN105099376A; KR20150135084A; JP2015222921A; US9935589B2; JP6364956B2; CN105099376B; US20150341000A1

Abstract

Ein Linearisierer enthält: eine Verzweigungsschaltung (1), die eine Eingangsübertragungsleitung (1a), die zwischen einen Eingangsanschluss (EIN) und einen Verzweigungspunkt geschaltet ist, eine erste Ausgangsübertragungsleitung (1b), die zwischen den Verzweigungspunkt und einen ersten Ausgangsanschluss (AUS 1) geschaltet ist, und eine zweite Ausgangsübertragungsleitung (1c), die zwischen den Verzweigungspunkt und einen zweiten Ausgangsanschluss (AUS 2) geschaltet ist, aufweist; eine Diode (2) mit einer Anode, die mit dem Verzweigungspunkt verbunden ist, und mit einer Katode; und eine Vorspannungsschaltung (3), die die Diode (2) vorspannt.

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Linearisierer und insbesondere einen Linearisierer, der mit einem Hochfrequenzverstärker verbunden ist, um die Verzerrungseigenschaften zu verbessern.
In den letzten Jahren werden aktive Forschung und Entwicklung über Transistoren, die einen Nitridhalbleiter (z. B. GaN) verwenden, durchgeführt, für die ein Anwendungsbeispiel ein Verstärker mit hoher Ausgangsleistung für die Kommunikation ist. Verstärker, die GaN verwenden, können eine höhere Ausgangsleistung als herkömmliche Verbundhalbleiter (z. B. GaAs) aufweisen. Allerdings verschlechtert sich wegen der für GaN spezifischen Soft-Kompression, bei der eine Verstärkung von niedriger Eingangsleistung langsam abnimmt, eine AMAM-Charakteristik (Amplitudenmodulations-Amplitudenmodulations-Charakteristik) (die Ausgangspegelcharakteristik, wenn ein Eingangspegel erhöht wird).
Somit werden als analoge Vorverzerrung, die die AMAM-Charakteristik kompensiert, Linearisierer verwendet, die eine Diode verwenden (siehe z. B. JP2012-244545-A ). Da Verstärker-MMICs (monolithisch integrierte Verstärker-Mikrowellenschaltungen) auf GaN-Grundlage ein teures Epitaxiesubstrat verwenden, sind Linearisierer mit einer kleinen Schaltungskonfiguration besonders bevorzugt.
Wenn ein Linearisierer einfach mit einem Verstärker hintereinandergeschaltet wird, ist trotz seiner kleinen Größe eine Zunahme der Schaltungsfläche im Vergleich zu einem Verstärker ohne einen Linearisierer unvermeidlich. Somit nimmt die von einem teuren Epitaxiesubstrat belegte Fläche zu, was zu einem Problem des Kostenanstiegs führt.
Die in einer GaN-MMIC verwendeten Dioden für einen Linearisierer sind allgemein Schottky-Dioden. Hinsichtlich der Zellengrößen der Dioden sind in diesem Fall Zellen mit einer kleinen Einheitsanodenbreite Wau und mit vielen Fingern erwünscht. Hierfür gibt es die folgenden zwei Gründe. Zunächst erleichtert ein Linearisierer mit einer kleinen Einheitsanodenbreite Wau, den Einfügungsverlust des Linearisierers zu verringern. 12 ist ein Graph, der eine Abhängigkeit der Einheitsanodenbreite Wau von einer AMAM-Charakteristik eines Linearisierers darstellt. Wie zu sehen ist, ist der Einfügungsverlust am größten, wenn die Einheitsanodenbreite Wau 20 μm beträgt. Zweitens tritt in einer Anodenelektrode Elektromigration auf, wenn ein Überstrom durch ein Anodenmetall geht, sodass die Strombelastbarkeit des Anodenmetalls hinsichtlich der Zuverlässigkeit begrenzt ist. Um dieses Problem zu vermeiden, muss der Stromwert pro Finger durch Erhöhen der Anzahl der Finger minimiert werden.
Andererseits ist es schwierig, die Begrenzung eines aktiven Gebiets zu steuern, das die Einheitsanodenbreite Wau in einem Waferprozess bestimmt, wobei eine Schwankung der Einheitsanodenbreite Wau zunimmt. Insbesondere dann, wenn die Einheitsanodenbreite Wau klein ist, erscheint der Betrag der Schwankung in Bezug auf die gesamte Einheitsanodenbreite als groß, sodass die Diodencharakteristik stark variiert und die Schwankung der Linearisierercharakteristik zunimmt. Umgekehrt nimmt der Betrag der Schwankung in Bezug auf die gesamte Einheitsanodenbreite ab, wenn die Einheitsanodenbreite Wau groß ist, sodass die Charakteristik weniger variiert. Somit ist vom Standpunkt der Herstellungsausbeute aus eine große Einheitsanodenbreite Wau bevorzugt. Somit besteht ein Problem, dass es zwischen dem Einfügungsverlust und der Herstellungsausbeute eine Abwägungsbeziehung gibt.
Die Erfindung soll die obigen Probleme lösen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Linearisierer zu schaffen, dessen Ausbeute erhöht werden kann, während die Kosten gesenkt werden und der Einfügungsverlust verringert wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Linearisierer nach Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
In Übereinstimmung mit der Erfindung enthält ein Linearisierer: eine Verzweigungsschaltung, die eine Eingangsübertragungsleitung, die zwischen einen Eingangsanschluss und einen Verzweigungspunkt geschaltet ist, eine erste Ausgangsübertragungsleitung, die zwischen den Verzweigungspunkt und einen ersten Ausgangsanschluss geschaltet ist, und eine zweite Ausgangsübertragungsleitung, die zwischen den Verzweigungspunkt und einen zweiten Ausgangsanschluss geschaltet ist, aufweist; eine Diode mit einer Anode, die mit dem Verzweigungspunkt verbunden ist, und mit einer Katode; und eine Vorspannungsschaltung, die die Diode vorspannt.
Da es in der Erfindung zwei Schaltungen auf der Ausgangsseite gibt, ist eine Impedanz der Zweigschaltung in der vorliegenden Ausführungsform niedriger als in dem Beispiel mit einer Schaltung auf der Ausgangsseite. Somit werden Hochfrequenzsignale weniger wahrscheinlich durch die Diode beeinflusst und kann dadurch der Einfügungsverlust der Diode verringert werden. Somit kann der Einfügungsverlust selbst dann verringert werden, wenn die Diode eine große Einheitsanodenbreite aufweist, deren Einfügungsverlust wahrscheinlich zunimmt. Die Diode mit einer großen Einheitsanodenbreite hat eine kleinere Schwankung der Charakteristik und dadurch eine hohe Herstellungsausbeute. Somit kann die Erfindung die Ausbeute erhöhen, während der Einfügungsverlust verringert wird.
Wenn Verstärker verzweigt konfiguriert sind, gibt es in der Anordnung tendenziell in der Nähe eines Verzweigungspunkts zusätzlichen Platz. Da der Linearisierer in der Erfindung bei diesem Verzweigungspunkt vorgesehen ist, kann er eingefügt werden, ohne die Schaltungsfläche zu erhöhen. Dies verhindert, dass die von einem teuren Epitaxiesubstrat belegte Fläche zunimmt, wodurch die Kosten gesenkt werden können.
Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Linearisierers in Übereinstimmung mit einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
2 eine teilweise vergrößerte Ansicht des Linearisierers in 1;
3 einen Blockschaltplan eines Linearisierers in Übereinstimmung mit einem Vergleichsbeispiel;
4 einen Blockschaltplan eines Linearisierers in Übereinstimmung mit einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
5 einen Stromlaufplan eines Verstärkers mit einem Linearisierer in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform der Erfindung;
6 eine schematische Darstellung eines Linearisierers in Übereinstimmung mit einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
7 einen Graphen einer AMAM-Charakteristik des Linearisierers in Übereinstimmung mit der zweiten Ausführungsform der Erfindung;
8 eine schematische Darstellung eines Linearisierers in Übereinstimmung mit einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
9 eine teilweise vergrößerte Ansicht eines Linearisierers in Übereinstimmung mit einer vierten Ausführungsform der Erfindung;
10 einen Graphen einer AMAM-Charakteristik des Linearisierers in Übereinstimmung mit der vierten Ausführungsform der Erfindung;
11 einen Stromlaufplan eines Verstärkers mit dem Linearisierer in Übereinstimmung mit der vierten Ausführungsform der Erfindung; und
12 den bereits erwähnten Graphen der Abhängigkeit der Einheitsanodenbreite Wau von einer AMAM-Charakteristik eines Linearisierers.
Anhand der Zeichnungen wird ein Linearisierer in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Dieselben Bauelemente sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und ihre wiederholte Beschreibung kann weggelassen sein.
Erste Ausführungsform
1 ist eine schematische Darstellung eines Linearisierers in Übereinstimmung mit einer ersten Ausführungsform der Erfindung. 2 ist eine teilweise vergrößerte Ansicht des Linearisierers in 1. Der Linearisierer ist zwischen einen Verstärker A1 auf der Eingangsseite und Verstärker A2 und A3 auf der Ausgangsseite eingefügt. Eine Verzweigungsschaltung 1 des Linearisierers weist eine Eingangsübertragungsleitung 1a und Ausgangsübertragungsleitungen 1b und 1c auf. Die Eingangsübertragungsleitung 1a ist zwischen einen Eingangsanschluss EIN und einen Verzweigungspunkt geschaltet. Die Ausgangsübertragungsleitung 1b ist zwischen einen Verzweigungspunkt und einen Ausgangsanschluss AUS 1 geschaltet und die Ausgangsübertragungsleitung 1c ist zwischen den Verzweigungspunkt und einen Ausgangsanschluss AUS 2 geschaltet.
Eine Anode einer Diode 2 ist mit dem Verzweigungspunkt der Verzweigungsschaltung 1 verbunden und ihre Katode ist geerdet. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Anode der Diode 2 auf einer Verlängerung der Mittelinie der Eingangsübertragungsleitung 1a verbunden. Eine Vorspannschaltung 3 spannt die Diode 2 in Durchlassrichtung vor. Die Anodenfinger 2a und die Katodenfinger 2b der Diode 2 sind abwechselnd angeordnet. Die Breite eines aktiven Gebiets der Diode 2 ist eine Einheitsanodenbreite Wau.
Ein Hochfrequenzsignal besitzt allgemein die Eigenschaft, auf der Innenseite einer verzweigten Leitung zu laufen. Somit nimmt das Hochfrequenzsignal in 1 einen Weg A wahrscheinlicher als einen Weg B. Das Hochfrequenzsignal, das über den Weg A geht, nimmt die Diode 2 nicht wahr. Durch den Linearisierer wird nur ein Verlust erzeugt, wenn das Hochfrequenzsignal über den Weg B geht. Ein solcher Weg des Hochfrequenzsignals hängt von einer Impedanz relativ zu dem Verzweigungspunkt als Anfangspunkt ab.
Wenn die Impedanz der Diode 2 niedriger als die Impedanz der Verzweigungsschaltung 1 ist, d. h., wenn die folgende Gleichung (1) erfüllt ist, nimmt der Einfügungsverlust des Linearisierers zu. Dabei ist Z_d eine Impedanz der Diode 2, Z_i eine Impedanz, wenn die Eingangsübertragungsleitungsseite von dem Verzweigungspunkt aus gesehen wird, und Z_o eine Impedanz, wenn die Ausgangsübertragungsleitungsseite von dem Verzweigungspunkt aus gesehen wird.
Andererseits geht ein Teil des Hochfrequenzsignals über die Eingangsübertragungsleitung 1a und aus den Ausgangsübertragungsleitungen 1b und 1c heraus, ohne die Diode 2 wahrzunehmen, wenn die Impedanz der Diode 2 höher als die der Verzweigungsschaltung 1 ist, d. h., wenn die folgende Gleichung (2) erfüllt ist. Aus diesem Grund wird das Hochfrequenzsignal durch die Diode 2 weniger wahrscheinlich beeinflusst und kann der Einfügungsverlust der Diode 2 dadurch verringert werden.
3 ist ein Blockschaltplan eines Linearisierers in Übereinstimmung mit einem Vergleichsbeispiel. 4 ist ein Blockschaltplan eines Linearisierers in Übereinstimmung mit einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Während es in dem Vergleichsbeispiel nur eine Schaltung auf der Ausgangsseite gibt, gibt es in der vorliegenden Ausführungsform zwei Schaltungen auf der Ausgangsseite. Aus diesem Grund ist eine Impedanz Z_c der Verzweigungsschaltung 1 in der vorliegenden Ausführungsform, wie in Gleichung (3) gezeigt ist, niedriger als in dem Vergleichsbeispiel. Somit werden die Hochfrequenzsignale durch die Diode 2 weniger wahrscheinlich beeinflusst und kann dadurch der Einfügungsverlust der Diode 2 verringert werden.
Somit kann der Einfügungsverlust selbst bei Verwendung der Diode 2 mit einer großen Einheitsanodenbreite Wau, deren Einfügungsverlust wahrscheinlich zunimmt, verringert werden. Die Diode 2 mit einer großen Einheitsanodenbreite Wau weist eine kleinere Schwankung der Charakteristik und dadurch eine hohe Herstellungsausbeute auf. Somit kann die vorliegende Ausführungsform die Ausbeute erhöhen, während sie den Einfügungsverlust verringert.
5 ist ein Stromlaufplan eines Verstärkers mit dem Linearisierer in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform der Erfindung. Wenn Verstärker A1 bis A3 und dergleichen verzweigt konfiguriert sind, gibt es in der Anordnung tendenziell in der Nähe eines Verzweigungspunkts zusätzlichen Platz. Da der Linearisierer in der vorliegenden Ausführungsform bei diesem Verzweigungspunkt vorgesehen ist, kann der Linearisierer eingefügt werden, während verhindert wird, dass die Schaltungsfläche zunimmt. Dadurch wird verhindert, dass die von einem teuren Epitaxiesubstrat belegte Fläche zunimmt, und können die Kosten gesenkt werden. Außerdem kann der Entwurf eines Verstärkers mit einem Linearisierer erleichtert werden. Darüber hinaus kann das Schaltungsmuster asymmetrisch gebildet werden, um den Transistor auf symmetrische Weise zu betreiben. Zwischen den Verzweigungspunkt und die Anode kann zur Impedanzeinstellung ein passives Element wie etwa eine Übertragungsleitung oder ein Widerstand eingefügt werden. Falls eine negative Spannung angelegt werden kann, kann die Katode mit dem Verzweigungspunkt verbunden sein und die Anode geerdet sein. Die Vorspannschaltung 3 ist nicht auf eine, die in Durchlassrichtung vorspannen kann, beschränkt, sondern kann auch in der Lage sein, in Sperrrichtung vorzuspannen. Außerdem enthält die Vorspannschaltung 3 eine Schaltung, die über einen Widerstand oder eine Induktivität geerdet ist, anstatt mit einem Leistungsversorgungsanschluss versehen zu sein.
Zweite Ausführungsform
6 ist eine schematische Darstellung eines Linearisierers in Übereinstimmung mit einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Die Katode der Diode 2 ist über ein Kontaktloch 4 geerdet. In einem Hochfrequenzband kann eine Induktivität des Kontaktlochs 4 nicht ignoriert werden. Somit ist in der vorliegenden Ausführungsform zwischen die Katode der Diode 2 und die Masse eine Induktivität 5 geschaltet. Ein Entwurf wird unter der Annahme ausgeführt, dass die Induktivität des Kontaktlochs 4 L_VH und die Induktivität des induktiven Bauelements 5 L_c der folgenden Gleichung (4) genügen.
7 ist ein Graph einer AMAM-Charakteristik des Linearisierers in Übereinstimmung mit der zweiten Ausführungsform der Erfindung. Eine induktive Komponente von der Katode der Diode zu einer idealen Masse ist als ein Parameter verwendet. Im Fall eines Substrats mit einer Dicke von 100 μm liegt die Induktivität L_VH des Kontaktlochs 4 in der Größenordnung von 30 pH. Wenn die Katode der Diode 2 mit dem Kontaktloch 4 direkt verbunden ist, hat der Linearisierer eine Charakteristik, bei der nahezu kein Dynamikbereich sichergestellt ist, nachdem eine Verstärkungsverbesserung begonnen hat, obgleich der Durchgangsverlust näherungsweise 3 dB beträgt. Andererseits kann ein bestimmter Dynamikbereich sichergestellt werden, nachdem eine Verstärkungsverbesserung begonnen hat, wenn eine Induktivität 150 oder 200 pH beträgt. Somit kann z. B. ein induktives Bauelement 5 eingefügt werden, das den verbleibenden 170 pH entspricht, falls z. B. eine Induktivität von 200 pH notwendig ist, da die Induktivität des Kontaktlochs 4 30 pH beträgt. Im Fall einer GaN-MMIC, die ein 100-μm-Substrat verwendet, das ein gemeinsames SiC-Substrat verwendet, können z. B. durch eine Mikrostreifenleitung mit einer Leitungsbreite von 10 μm und mit einer Leitungslänge in der Größenordnung von 250 μm in einem 10-GHz-Band 170 pH erzielt werden. Obgleich die AMPM-Charakteristik (Amplitudenmodulation-Phasenmodulation-Charakteristik) nicht gezeigt ist, kann durch den Entwurf einer geeigneten Anpassungsschaltung eine gewünschte Charakteristik erhalten werden.
Dritte Ausführungsform
8 ist eine schematische Darstellung eines Linearisierers in Übereinstimmung mit einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Zwischen die Katode der Diode 2 und die Masse ist ein Widerstand 6 geschaltet. Durch Entwurf einer geeigneten Anpassungsschaltung einschließlich des Widerstandswerts dieses Widerstands 6 kann eine gewünschte Charakteristik erhalten werden. Der Rest der Konfiguration und die Wirkungen sind ähnlich der ersten Ausführungsform.
Vierte Ausführungsform
9 ist eine teilweise vergrößerte schematische Ansicht eines Linearisierers in Übereinstimmung mit einer vierten Ausführungsform der Erfindung. Ein Verbindungspunkt, an dem die Anode der Diode 2 mit der Verzweigungsschaltung 1 verbunden ist, weicht innerhalb eines Bereichs des Dreifachen einer Breite W der Eingangsübertragungsleitung 1a von einer Verlängerung einer Mittellinie der Eingangsübertragungsleitung 1a ab.
10 ist ein Graph einer AMAM-Charakteristik eines Linearisierers in Übereinstimmung mit der vierten Ausführungsform der Erfindung. Es ist angenommen, dass ein Betrag der Abweichung Δ gleich der Breite W der Eingangsübertragungsleitung 1a ist. Es ist zu beobachten, dass die Verstärkung bei dem Ausgangsanschluss AUS 2 um näherungsweise 1 dB höher als die bei dem Ausgangsanschluss AUS 1 ist.
11 ist ein Stromlaufplan eines Verstärkers mit dem Linearisierer in Übereinstimmung mit der vierten Ausführungsform der Erfindung. In einem solchen dreistufig verzweigten Verstärker ist es allgemein schwierig, Wärme aus Innenbereichen abzuleiten. Aus diesem Grund ist die Verstärkung des Verstärkers A3 kleiner als die des Verstärkers A2, was eine Tendenz zeigt, dass die Verstärker A2 und A3 auf unsymmetrische Art und Weise arbeiten. Da dies eine vertikal symmetrische Schaltung ist, trifft dies auch auf die Verstärker im unteren Teil zu.
Diese Unsymmetrie hängt mit der dritten Stufe zusammen, wobei der Grad der Unsymmetrie in der dritten Stufe weiter zunimmt. Im Gegensatz dazu kann durch Annahme eines asymmetrischen Musters der Verzweigungsschaltung 1 die Eingangsleistung zu den Verstärkern A2 und A3 eingestellt werden und ein symmetrischer Betrieb erreicht werden. Allerdings erfordert das asymmetrische Muster der Verzweigungsschaltung 1 eine zeitaufwendige Analyse des elektrischen Felds, um seine Charakteristik zu verstehen, was zu einem Problem führt, dass die Entwicklungszeit zunimmt. Im Gegensatz dazu kann die Eingangsleistung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Ausführungsform nur durch Verschieben der Verbindungsstelle der Diode 2 eingestellt werden, wodurch leicht erreicht werden kann, dass der Transistor auf symmetrische Weise arbeitet. In der vorliegenden Ausführungsform wird nur die Verbindungsstelle der Diode 2 verschoben, wobei das Schaltungsmuster zusätzlich dazu aber ebenfalls asymmetrisch hergestellt werden kann.
Die gesamte Offenbarung der JP2014-107357-A , eingereicht am 23. Mai 2014, einschließlich Beschreibung, Ansprüchen, Zeichnungen und Zusammenfassung, auf der die Priorität der vorliegenden Anmeldung beruht, ist hier in ihrer Gesamtheit durch Literaturhinweis eingefügt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2012-244545 A [0003]
JP 2014-107357 A [0042]

Claims

Linearisierer, der umfasst: eine Verzweigungsschaltung (1), die eine Eingangsübertragungsleitung (1a), die zwischen einen Eingangsanschluss (EIN) und einen Verzweigungspunkt geschaltet ist, eine erste Ausgangsübertragungsleitung (1b), die zwischen den Verzweigungspunkt und einen ersten Ausgangsanschluss (AUS 1) geschaltet ist, und eine zweite Ausgangsübertragungsleitung (1c), die zwischen den Verzweigungspunkt und einen zweiten Ausgangsanschluss (AUS 2) geschaltet ist, aufweist; eine Diode (2) mit einer Anode, die mit dem Verzweigungspunkt verbunden ist, und mit einer Katode; und eine Vorspannungsschaltung (3), die die Diode (2) vorspannt.
Linearisierer nach Anspruch 1, wobei Z_d eine Impedanz der Diode (2) ist, Z_i eine Eingangsimpedanz der Verzweigungsschaltung (1), von dem Verzweigungspunkt aus gesehen, ist und Z_o eine Ausgangsimpedanz der Verzweigungsschaltung (1) ist, und wobei
erfüllt ist.
Linearisierer nach Anspruch 1 oder 2, der ferner ein induktives Bauelement (5) umfasst, das mit der Katode der Diode (2) verbunden ist.
Linearisierer nach Anspruch 3, der ferner ein Kontaktloch (4) umfasst, das mit der Katode der Diode (2) verbunden ist.
Linearisierer nach Anspruch 1 oder 2, der ferner einen Widerstand (6) umfasst, der mit der Katode der Diode (2) verbunden ist.
Linearisierer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein Verbindungspunkt, an dem die Anode der Diode (2) mit der Verzweigungsschaltung (1) verbunden ist, von einer Verlängerung einer Mittellinie der Eingangsübertragungsleitung (1a) innerhalb eines Bereichs des Dreifachen einer Breite der Eingangsübertragungsleitung (1a) abweicht.