JP2000059152A - 高出力無線周波増幅器及び無線周波増幅回路 - Google Patents

高出力無線周波増幅器及び無線周波増幅回路

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 小型で効率的なパッケージから無線周波電力
を供給する高出力無線周波増幅器の実現。 【解決手段】 高電力接地ドレイン共通ソースの無線周
波増幅回路は高電圧MOSFETを利用する。入力の無
線周波信号は接地に対して、2次巻線がゲートとソース
との間に信号を供給する絶縁変圧器を介して印加され
る。出力は、接地されたドレインに対してソースから得
られる。各MOSFETダイの絶縁無線周波入力ドライ
ブを伴う13.56MHz 3KW電力増幅器の配置は
1組のキロワット電力トランジスタすなわちKPTを使
用するが、そこでは多数の大面積MOSFETダイが存
在し、ダイのドレイン領域はダイ下面の主要部分の上に
形成される。ドレイン領域は導電性銅フランジと直接電
気的及び熱的に接触している。ソース及びゲート領域は
平坦な下面から離れたダイの上に形成される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は並列HV MOSF
ET電力安定増幅器、特に半導体プラズマ処理アプリケ
ーションで利用されるような高出力無線周波増幅器に関
する。本発明はより詳しく言うと、高電圧大型ダイ・キ
ロワット電力トランジスタを利用する高出力増幅器に関
する。本発明はまた、無線通信及び誘導加熱といった他
の無線周波アプリケーションにも応用できる。
【0002】
【従来の技術】通常の無線周波プラズマ発生装置では、
高出力無線周波発生源がプリセット周波数、すなわち1
3.56MHzの無線周波波動を発生し、これは出力導
管に沿ってプラズマ・チャンバに供給される。無線周波
出力はまた、通常固定された、周知のインピーダンス、
例えば50オームで提供される。無線周波ドライブ信号
が発生し電力増幅器に供給されて、それが望ましい出力
レベル、例えば1.25KW、2.5KW、5KW、1
0KW等の無線周波波動を提供する。アプリケーション
によって、波動は2.0MHz、4.0MHz、27.
12MHzまたは40.68MHzといった別の周波数
でも提供される。
【0003】従来のプラズマ発生器無線周波電力増幅器
は、40〜50ボルトの動作電圧(すなわち、VCEまた
はVDS)で、無線周波バイポーラまたは無線周波MOS
FETトランジスタを利用していた。こうした半導体素
子は100〜150ボルトの降伏電圧(VCEO またはV
DSS )を有する。こうした無線周波増幅器用のバイポー
ラ・トランジスタは、通常1個当たり約$50の費用で
Motorola MRF448、CFS Thoms
on TH430、GHz Technology S
200またはPhilips BLW96として市販さ
れている。2.5KW増幅器は通常、各プッシュプル・
ペアの順方向相及び逆方向相の各々について1つのトラ
ンジスタを有する、一体的並列の8つのプッシュプル・
ペア(合計16トランジスタ)を利用する。低電圧無線
周波バイポーラまたは無線周波MOSFETは、プラズ
マに適用した場合、非常に良好な信頼性及び性能を達成
した。約45ボルト・レールで動作する、この構成の通
常の増幅器は、特定のシステム設定の影響をかなり受け
にくくなっており、所望のアプリケーションのためのプ
ラズマを点火及び保持する能力といった大きな機器イン
タフェースの問題がなく、非常に使いやすいものになっ
ている。
【0004】最近、無線周波電力増幅器設計者の間で、
低電圧無線周波バイポーラまたは無線周波MOSFET
トランジスタの代わりに高電圧MOSFETを使用する
ことが研究された。これは、例えば1998年3月10
日付与された米国特許第5,726,603号で説明さ
れている。もともとスイッチ・モード電源での使用を目
的とする高電圧MOSFETトランジスタは、高いドレ
イン−ソース降伏電圧VDSS 、接合部−ケース間の低い
熱抵抗RθJC、及びドレイン−ソース間の低いオン抵抗
DS-ON を有する。こうしたトランジスタは、高い利得
帯域幅積FT で、例えば100,000平方ミルといっ
たかなり大型のダイとして形成される。こうした大型ダ
イは、ソース及びゲートのボンド・ワイヤを最小にし
た、大型単一チップ・トランジスタとして設計される
が、これは多数のエミッタ(ソース)およびベース(ゲ
ート)のボンド・ワイヤを伴う多数の小型セルとして設
計される低電圧無線周波バイポーラ及びMOSFETダ
イと異なっている。高電圧、大型ダイ設計によって高電
圧MOSFETトランジスタは大量生産にいっそう適し
たものになるが、これはスイッチ・モード市場で必要と
されている。このためパッケージされたトランジスタの
費用は低下し、標準TO−247パッケージの1KV降
伏電圧(VDSS )素子の場合、通常約$17以下とな
る。こうした素子に基づく増幅器は、直流160ボルト
動作の場合、13.56MHz、出力350ワットで、
約15〜16dBの電力利得を達成できる。様々なVS
WR負荷での実際の安定利得は使用される回路トポロジ
ーに依存し、素子製造業者によるが12〜13dBの範
囲である。半導体プラズマプロセス機器産業は現在低コ
ストでより小型のプラズマ発生器を要求しているが、こ
れは工場で利用可能な設置占有場所が小さく、現在は製
造スペースが貴重なためである。表面実装技術及び改良
形冷却方法を使用する、革新的な回路トポロジーによる
高電圧MOSFETが、この課題を満たす可能な解決法
を提示すると考えられた。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】既存の機器、すなわち
低電圧無線周波バイポーラ・トランジスタによる増幅器
の設計の動作信頼性を維持するかあるいは越える、何ら
かの無線周波電力増幅器が必要である。スイッチ・モー
ド回路トポロジーでの高電圧スイッチングMOSFET
トランジスタの使用の他に、主要な可能性には無線周波
回路トポロジーと共に高電圧スイッチングMOSFET
トランジスタを使用することが含まれる。
【0006】最近数年間、スイッチ・モード電源アプリ
ケーション用の改良型高電圧MOSFETトランジスタ
が開発された。こうした素子の性能は、ドレイン−ソー
ス降伏電圧VDSS 、ドレイン−ソース間オン状態抵抗R
DS-ON 、接合部−ケース間熱抵抗RθJC、合計ゲート電
荷Qq 、及び変化dV/dtのドレイン−ソース間電圧
比に関して徐々に改善された。現在の到達水準は、米国
特許第5,726,603号の背景及び開示によって表
されている。
【0007】本発明の目的は、従来技術の欠点を回避
し、小型で効率的なパッケージから無線周波電力を供給
する高出力無線周波増幅器を提供することである。より
詳細な目的は、プラズマアプリケーションに固有の出力
サイクリングから誘発される熱応力に増幅器構成部品が
耐えられるように、優れた放熱及びエネルギー供給特性
を無線周波電力発生器に提供することである。
【0008】本発明の詳細な目的は、所定の多数ダイ・
トランジスタ素子の各ダイについて改善された接合部温
度を達成することである。本発明の別の目的は、平衡プ
ッシュプル動作を達成し、増幅器で利用される多数のト
ランジスタ・ダイ間の優れた熱平衡を経験する高出力ト
ランジスタ増幅器を提供することである。
【0009】本発明のより詳細な目的は、所定の多数ダ
イ・トランジスタ素子のダイ間の改善された接合部温度
トラッキングを達成することである。本発明の別の目的
は、広い出力ダイナミックレンジにわたって広範囲の負
荷電圧定在波比(VSWR)でのトランジスタ・ダイ間
の出力平衡及び熱平衡を改善することである。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明の態様によれば、
所定の周波数帯で無線周波電力を増幅する高出力プッシ
ュプル無線周波増幅器が提供される。ドライブ信号は無
線周波入力端子に印加され、増幅無線周波電力波動が無
線周波出力端子に供給される。電源は、多数ダイ電力ト
ランジスタ、すなわち第1及び第2のキロワット電力ト
ランジスタ素子(すなわちKPT)のための直流電源電
圧(−VS )を提供する。こうしたKPT素子は、例え
ば放熱及び接地された銅板といった熱及び電気伝導性フ
ランジと、例えば4つの半導体ダイから形成される多数
チップ・アレーとを有する。各半導体ダイは平坦な下面
を有し、ドレイン領域はその下面の大部分の上に形成さ
れ、ソース及びゲート領域はそれぞれこの平坦な下面か
ら離れたダイの一部の上に形成される。ダイのドレイン
は、フランジと直接熱的及び電気的に接触するようにフ
ランジの上に設置される。すなわち、フランジは関連す
るダイに対してドレイン端子及びヒートシンクの役目を
果たす。
【0011】無線周波入力端子に結合された第1のスプ
リッタ(平衡不平衡変成器)手段は、無線周波入力ドラ
イブ信号を第1のKPTに供給される順方向相部分と、
第2のKPTに供給される逆方向相部分とに分割する。
第2のスプリッタ手段は、ドライブ信号の順方向相部分
を、前記第1のキロワット電力トランジスタ素子のゲー
トに供給される4つの絶縁信号に分割する。第3のスプ
リッタ手段は、逆方向相部分を4つの絶縁信号に分割
し、第2のKPTの対応するゲートに供給する。この第
1のKPTの4つの半導体ダイの各々は、この第2のス
プリッタ手段の関連する出力に無線周波結合される対応
するゲート−ソース入力回路と共に構成される。このゲ
ート−ソース入力回路はスプリッタ手段及び接地から直
流絶縁されるので、第1のKPTのフランジ(及びドレ
イン)に対して浮いている。第2のKPTの各半導体ダ
イも同様に、第3のスプリッタ手段の関連する出力に無
線周波結合されかつ直流絶縁されているが第2のKPT
のフランジに対して浮いている対応するゲート−ソース
入力回路を有する。結合器手段は第1及び第2のKPT
のソースに結合された入力を有し、それらからの増幅無
線周波出力を結合する。次に結合器手段は結合出力を無
線周波出力端子に供給する。無線周波増幅器にはまた、
キロワット電力トランジスタ素子のソースを直流ソース
電圧の電源に接続するフィルタ手段が含まれる。このフ
ィルタ手段には、増幅無線周波信号を直流電圧電源から
阻止するチョーク手段と、帯域内及び帯域外両方の無線
周波エネルギーをバイパスする無線周波シャント手段と
が含まれる。
【0012】本発明の別の態様によれば、高出力接地ド
レイン共通ソース無線周波増幅回路は、入力端子、直流
電圧電源、出力回路及び、高出力高電圧大型チップ・ト
ランジスタ、すなわちKPTのトランジスタ・ダイ要素
を備える。この場合トランジスタ素子すなわちKPTに
は、上面を有する熱及び電気伝導性フランジと、下面を
有する半導体トランジスタ・ダイとが含まれる。ダイの
ドレインは前記下面の主要部分の上に形成され、ドレイ
ンは直接フランジと電気的かつ熱的に接触する。ソース
及びゲートは平坦な下面から離れたダイの上に形成され
る。増幅器出力回路はソースに結合される。直流絶縁入
力段が入力端子とゲートとの間、すなわちゲートとソー
スとの間に無線周波結合され、フランジ及びドレインに
対して浮いている。入力段には、入力端子に接続された
1次巻線と、それぞれゲートとソースに結合された第1
及び第2の端部を有する絶縁2次巻線とを有する絶縁変
圧器が含まれる。好適には、出力回路には、所定の無線
周波周波数帯の無線周波信号を通過させる直流阻止出力
段が含まれる。また好適には、トランジスタ・ソースを
直流ソース電圧の電源(−VS )に結合する無線周波阻
止直流給電段が存在する。この給電段にはソースに現れ
る帯域内及び帯域外両方の無線周波信号をバイパスする
無線周波シャント手段が含まれる。また、入力段には好
適には2次巻線の第1の端部とゲートとの間の低い値の
抵抗(1〜2オーム)が含まれ、トランジスタの利得を
制限する。必要に応じて、この抵抗と並列のバイパス・
コンデンサが存在し、帯域内利得を調整することがあ
る。半導体ダイは、ソースとゲートの間に、例えば5.
56オームといった入力インピーダンスを有し、直列抵
抗は入力インピーダンスよりかなり低い、例えばその1
0〜20%の抵抗値を有する。ドレイン−ゲート帰還回
路は変圧器2次巻線の第1の端部に結合され、ドレイン
に接地される。ドレイン−ゲート帰還回路には好適に
は、直列に接続された抵抗とコンデンサが含まれる。ゲ
ート−ソース帰路抵抗がソースとゲートとの間に配置さ
れ、入力インピーダンスと比較して非常に大きな抵抗値
を有する(35〜40KΩ)。入力段にはまた、ゲート
とソースとの間の直列のコンデンサ及び抵抗から形成さ
れたゲート−ソース終端回路が含まれる。
【0013】トランジスタ素子、すなわちキロワット電
力トランジスタ(KPT)は、高電圧MOSFETハイ
ブリッド素子である。好適には本発明の無線周波増幅器
で利用されるこの素子は、1997年10月24日出願
され、共通の譲受人を有する、同時係属米国特許出願第
08/957,100号で詳細に説明されている。この
特許出願の開示は引用によって本明細書の記載に組み込
む。
【0014】電力増幅段でこうしたKPTの4つのプッ
シュプル・ペア、すなわち合計8つのKPTを利用する
10KW無線周波電力発生器が構成される。各KPTは
4つの高電圧MOSFETダイを有し、それらのドレイ
ンは熱スプレッダの役目を果たす下の銅板に直接接続さ
れる。各ダイと銅板との間にモリブデンのタブが存在
し、出力サイクリング中、すなわち、発生器が無線周波
出力オンオフ・サイクルを行う時、銅とシリコンとの熱
膨張係数の差からダイを保護する。8つのKPTはすべ
て、通常、コールドプレートと呼ばれる水冷銅ヒートシ
ンクに設置される。接地ドレイン/共通ソース構成で素
子が過励振「C」級モードで動作する時、2つのKPT
の各プッシュプル・ペアは約3KWの無線周波出力電力
を供給する。この構成は、ドレイン領域と銅スプレッダ
・プレートとの間の従来の絶縁体境界面(通常BeO)
を除去することで熱設計を改善する。これはまた、4つ
のドレインすべて、すなわちそれぞれのダイのドレイン
も直接グランドに接続されるということを意味する。
【0015】プッシュプル・ペアの各半分(各KPT)
の4つのソースは直接並列接続される。プッシュプル・
ペアの各半分の4つのゲートすべては絶縁変圧器によっ
てインピーダンス整合(昇圧)され、並列接続される。
これは、出力電力ダイナミックレンジ全体にわたりプラ
ズマプロセスで遭遇しうる様々な負荷VSWRで所定の
KPTの4つのダイ間の接合部温度トラッキングを大き
く改善する。すべての負荷VSWR条件で、ダイナミッ
クレンジ全体にわたって無条件の安定性を達成するた
め、各MOSFETダイについてバイパスされないかま
たは部分的にバイパスされた高電力直列ゲート抵抗を使
用することが推奨される。
【0016】結合出力の後低域通過フィルタの入力の高
域通過フィルタ回路網によって、散逸高調波終端が提供
される。これはゲート−ソース間の差動電圧を下げ、各
MOSFETダイについてゲート−ソース電圧を指定さ
れた限度(±30V)以内に保持する。本発明の上記及
び他の多くの目的、特徴及び利点は、添付の図面と共に
検討される以下の好適な実施例の詳細な説明からより完
全に認識されるだろう。
【0017】
【発明の実施の形態】図面、特にはじめに図1を参照す
ると、シングルエンド無線周波増幅回路が、接地ドレイ
ン/共通ソース・トランジスタ増幅器として、「C」級
動作用に構成される。この増幅器は単一チップまたは単
一ダイMOSFET電力トランジスタQ1を利用する。
しかし、このトランジスタQ1は多数チップKPTの各
ダイを表すこともでき、関連回路の利点及び動作を説明
するために提供される。トランジスタQ1は、フランジ
と接触することで接地に接続されたドレイン端子Dと、
ゲートG及びソースSのための独立した端子とを有す
る。
【0018】ここで増幅器は、所定の周波数すなわち1
3.56MHz、350ワットの出力レベル、及び例え
ば50Ωという所定の出力インピーダンスで、無線周波
電力を提供することを目的とする。この回路は−160
ボルト直流ソース電圧で動作し、無線周波電力利得は約
13dBである。負荷線は32Ω(ドレイン−ソース)
に設定され、ゲート−ソース差動インピーダンスは5.
56Ωである。13.56MHzドライブ信号は、ここ
では22ワットの電力と50Ωの入力インピーダンスと
でシングルエンド入力端子RFINに印加される。入力コ
ンデンサC1は入力誘導性リアクタンスを補償する。絶
縁変圧器T1は、入力端子と接地の間に接続された1次
巻線と、1つの端部がトランジスタQ1のゲートGに結
合されもう1つの端部がソースSに接続された2次巻線
とを有する。変圧器T1は3:1の巻線比を有し、50
Ωの入力インピーダンスを5.56Ωのゲート−ソース
差動インピーダンスに整合する。直列ゲート抵抗R1が
変圧器2次巻線の1つの端部とゲートGの間に含まれ、
広範囲のVSWRにわたって動作安定性を改善する。こ
れは高電力抵抗で、抵抗値が約1〜2Ωである。ドレイ
ン−ゲート帰還回路は、ドレインD(すなわち接地)と
変圧器T1の2次巻線の1つの端部との間に直列に接続
された抵抗R2及びコンデンサC2から形成される。こ
の帰還回路は入力−出力VSWRについて最適化され、
高VSWRでの安定な動作を提供する。コンデンサC2
は直流阻止機能を果たし、抵抗R2の値は、ゲート−ソ
ース・インピーダンス(ここでは例えば5.56Ω)と
ドレイン−ソース・インピーダンス(ここでは例えば3
2Ω)、電力利得、及び様々な負荷VSWRでの安定性
の要求に依存する。
【0019】抵抗R3及びコンデンサC3の直列の組合
せは、高VSWRでの安定な動作のためのゲート−ソー
ス無線周波終端を提供する。コンデンサC3は、直流バ
イアスが使用されている場合(これは後の実施例で論じ
られる)直流阻止コンデンサの役目を果たす。抵抗R3
の値は予想VSWRと無線周波利得について最適化され
ている。抵抗R4は、変圧器T1がない場合直流安定性
のためゲート−ソース帰路を提供する。この抵抗は、ゲ
ート−ソース・インピーダンスに対して非常に大きな値
を有する(35〜40KW)。
【0020】必要に応じてバイパス・コンデンサC4が
抵抗R1と並列に配置される。コンデンサの数値は所望
の周波数(例えば13.56MHz)をバイパスするよ
うに選択されるので、帯域外エネルギーについてだけ利
得が減少する。しかし、多くのプラズマアプリケーショ
ンの場合、コンデンサC4は、所望の周波数で十分な利
得が得られる場合好適には省略される。
【0021】無線周波出力回路網NOUT はインダクタL
1及びコンデンサC5を有し、その接合部がソースSに
結合される。インダクタ−コンデンサの組合せL1−C
6は、トランジスタQ1の出力容量を調整して外す共振
器を形成する。コンデンサC5は13.56MHz出力
波を出力端子RFOUT に伝える。出力変圧器T5がコン
デンサC5と出力端子との間に挿入され、ドレイン−ソ
ース・インピーダンス(32Ω)を出力インピーダンス
(50Ω)に整合する。ここでは変圧器T5は4:5の
巻線比を有する。
【0022】図2は、従来の非接地ドレインを利用する
以外は、図1のものと同様の回路を示す。この回路は比
較の目的で提案される。図1と同様の構成要素は同じ参
照符号で識別される。図2で表される回路は「C」級接
地ソース増幅器用シングルエンド回路である。接地ソー
スMOSFET回路は通常のものであり無線周波プラズ
マ発生で使用されることが多い。この回路はダイナミッ
クレンジ全体にわたる様々な負荷VSWRでの安定動作
のために構成される。ここでは、トランジスタQ1は普
通、低レベルMOSFETであり、ダイと伝導性フラン
ジとの間、すなわちドレインとヒートシンクとの間に配
置されたBeO絶縁体を伴う。しかし、本発明と比較す
る目的で、トランジスタQ1はドレインとヒートシンク
との間のBeO絶縁体を伴う高電圧MOSFETである
と考えられる。この回路は、この例では+160Vが印
加された直流ドレイン電源電圧(+VD)で動作し、こ
の例では、15dBの電力利得と約70%のドレイン効
率で、13.56MHzの350ワット無線周波出力を
供給する。回路の入力及び出力インピーダンスはどちら
も50オームに設定されている。32Ωの負荷線(ドレ
イン−ソース間)が存在する。ゲートとソースとの間の
インピーダンスは5.56Ωである。図1の実施例のよ
うに、抵抗R4は変圧器T1がない場合ゲート−ソース
帰路を提供し、直流安定性の確立を助ける。抵抗−コン
デンサの組合せR3−C3は、高VSWRでの安定動作
のためのゲート−ソース無線周波終端を提供する。コン
デンサC3は、直流バイアスが使用される場合の直流阻
止コンデンサである。R3の値は高VSWRと望ましい
無線周波利得での安定動作のために最適化されている。
【0023】抵抗−コンデンサの組合せR1−C4は、
帯域内利得を調整し帯域外の低周波数利得を低減する直
列ゲート入力抵抗を提供し、異なった出力レベルにわた
る様々な負荷での安定な動作を達成する。コンデンサC
4の値は普通、必要な無線周波利得について、この例で
は13.56MHzである所望の周波数をバイパスする
よう選択される。
【0024】抵抗−コンデンサの組合せR2−C2はド
レイン−ゲート帰還を提供し、コンデンサC2は直流阻
止コンデンサの役目を果たす。帰還抵抗R2の値はゲー
ト−ソース・インピーダンス(例えば5.56Ω)、ド
レイン−ソース・インピーダンス(例えば負荷線=32
Ω)及び電力利得に依存する。さらに、抵抗R2の値は
入力−出力VSWRと高VSWRでの安定動作のために
最適化されている。直流給電ネットが直流電圧電源とド
レイン端子Dとの間に接続される。直流給電ネットで
は、インダクタ−コンデンサの組合せL1−C6が、M
OSFETQ1の出力容量を調整して外す共振器を形成
する。インダクタL1は約0.5μHのインダクタンス
を有する。コンデンサC6は、0.1〜0.47μFで
あり、無線周波エネルギーをグランドに戻し、ドレイン
−ソース出力静電容量を介して循環電流ループを形成す
る。インダクタL1は、所定のドレイン電源電圧V
D(ここでは例えば+160V)で動作するため、所望
の出力(350ワット)でのドレイン効率について最適
化されている。直流給電ネットでは、インダクタL2は
無線周波チョークであり、コンデンサC7は無線周波バ
イパス・コンデンサ(例えば0.22μFセラミック・
コンデンサ)であり、C8は低周波数バイパス・コンデ
ンサ(例えば22μF電解コンデンサ)である。感知抵
抗R5が入力直流電流の測定のために使用され、低い固
定された抵抗値(例えば0.01Ω)を有する。R6は
ブリード抵抗で、MOSFETの保護と作業員の安全と
いう2つの目的のため、ドレイン端子に蓄積された電荷
を放電する。
【0025】ここで、無線周波出力回路網がトランジス
タQ1のドレイン端子に接続される。出力回路網では、
コンデンサC5は直流阻止コンデンサである。変圧器T
2は出力無線周波変圧器であり、32Ωのドレイン−ソ
ース・インピーダンスを50Ωの出力インピーダンスに
整合する巻線比を有する。トランジスタ・ドレインはヒ
ートシンク及びフランジから絶縁されているので、トラ
ンジスタ毎の出力は図1の増幅器と比較していくらか削
減される。さらに、多重並列増幅器配置では、それぞれ
の増幅器MOSFETのダイは、BeO絶縁体が存在す
るため異なった熱負荷を有する。前に言及したように、
図2の図面は比較用の接地ソース回路を示すためにだけ
提案されたが、実際には、プラズマアプリケーションに
関連する望ましい出力電力レベルと温度サイクリングを
得るためにこの回路で使用するのに適した大面積、高電
圧MOSFETは存在しない。
【0026】図3は、接地ドレイン/共通ソース動作の
ためのシングルエンド回路を示す。この回路は大部分の
態様において上記で図1に関連して説明されたものと同
様であり、同じ構成要素は同様の参照符号によって識別
される。この回路は「A」級動作または「AB」級動作
のために構成され、1.25KW、2.5KW、5KW
及び10KW無線周波発生器システムのAB級プッシュ
プル・ドライバ段の基礎の役目を果たす。ここでは、ト
ランジスタQ1は図1のような高電圧MOSFETであ
り、電気的特性は図1の対応するMOSFETについて
説明されたのと同様である。厳密なトランジスタの選択
は無線周波出力と利得の要求とに依存する。図1の実施
例との主な差は、直流バイアスを印加する追加構成要素
の使用に関係がある。ここでは、直流及び無線周波両方
の安定性のため、ソース端子と直列の、小さい値の抵抗
R7(0.5〜1Ω)が存在する。出力はソース抵抗R
7の後得られる。MOSFETトランジスタQ1のバイ
アスはいくつかの方法の何れかで達成されるが、ここで
はその1つが示される。この実施例で例示されるアプロ
ーチは、18ボルト浮動直流電源(図示せず)の使用に
よるものである。電源はこのアプリケーションのために
必要な回路構成要素によってゲート入力とソース帰路と
の間に接続される。接地ソースMOSFET回路で使用
されるかなり簡単なバイアス構成を考えると、接地ドレ
イン無線周波MOSFETをバイアスする回路は、取る
に足らないものでも、いかなる意味でも自明のものでな
いことがここで観察されるだろう。例示されるように、
バイアス回路網は、ソース帰路及びゲート入力の両方に
存在する大きな無線周波電圧変動のため、ある程度大規
模な構成部品である。
【0027】ここでは、増幅器の入力インピーダンス及
び出力インピーダンスはどちらも50Ωに設定される。
負荷線も50Ω、ソース−接地間に設定される。ゲート
とソースとの間の差動インピーダンスは12.5Ωであ
る。ソース帰路とゲート端子との両方は、変圧器T1の
2次巻線と抵抗R4とを介して−160ボルトの直流電
位である点に注目すべきである。バイアス回路の複雑さ
は、絶えず変動するソース電圧レベルが存在する場合、
ソース及びゲート端子間の差動電圧に対応するインピー
ダンスの必要から生じる。
【0028】前の実施例と同様、抵抗R4は直流安定性
及び保護のためのゲート−ソース直流帰路またはプルア
ップとして提供される。この抵抗R4は、変圧器T1の
2次巻線を経由する直流経路が破損した場合、過度のゲ
ート−ソース差動直流電圧からMOSFET Q1を保
護する。抵抗−コンデンサの組合せR3−C3は動作の
ダイナミックレンジ全体にわたる高いVSWRのもとで
の安定な動作のためゲート−ソース終端を提供する。コ
ンデンサC3は直流阻止コンデンサであり、抵抗R3は
安定性及び無線周波利得について最適化される。抵抗R
1は約2Ωの値を有する直列ゲート入力抵抗で、ダイナ
ミックレンジ全体にわたる高VSWRでの動作安定性の
ために必要である。この実施例では抵抗R1はコンデン
サC4によってバイパスされ、このコンデンサC4の値
は、約0.5〜1Ωである所定の値のソース抵抗R7に
関する無線周波利得と安定性について最適化される。
【0029】抵抗−コンデンサの組合せR2−C2はド
レイン−ゲート帰還を提供し、直流阻止のために利用さ
れるコンデンサC2を伴う。抵抗R2の抵抗値は、はじ
めに通常の入力及び出力インピーダンスと無線周波電力
利得について選択される。抵抗R2はやはりダイナミッ
クレンジ全体にわたる高VSWRでの安定性について最
適化される。ソース電源回路網では、インダクタ−コン
デンサの組合せL1−C6は共振器の役目を果たし、M
OSFET Q1のソース−ドレイン出力容量を調整し
て外す。コンデンサC6は直流阻止の役目を果たし、ま
た無線周波信号をシャントする無線周波接地帰路を提供
する。
【0030】ここではまた、例えば200Vで約1μF
の直流阻止コンデンサC9も示される。安定化抵抗R7
が、ソースSと変圧器T1の2次巻線の第2の端部への
帰路の間に直列に配置される。この抵抗は好適には0.
5〜1Ω、25ワットの抵抗でフランジに設置される。
出力信号は直列ソース抵抗R7の後、直流阻止コンデン
サC5を介してソースSから得られる。前の実施例と同
様、50Ωの負荷線が存在する。入力側では、補償コン
デンサC1と組み合わされた変圧器T1がゲート−ソー
ス差動インピーダンスを50Ωに整合する。変圧器T1
は1:2の巻線比を有し、12.5Ωのゲート−ソース
差動インピーダンスを入力RFINの50Ωに整合する。
【0031】この実施例では、無線周波フィルタリング
回路網、すなわち、ゲートGに接続された1つの枝回路
のコイルL3、抵抗R8及びコンデンサC10と、ソー
スSに接続されたコイルL4、抵抗R9及びコンデンサ
C11が必要であり、ゲート・バイアス回路網を経由す
るドレイン−ゲート帰還を避けるが、ゲート・バイアス
回路網は事実上R2−C2ゲート−ドレイン帰還経路と
並列になっている。ゲート入力枝回路に直列の可変抵抗
R10はバイアス調整を提供し、相補的な抵抗R11は
ソース帰路枝回路に対称的に位置する。コンデンサC1
2及びC13は無線周波バイパス・コンデンサであり、
何らかの外部発生源からの無線周波信号が浮動電源に戻
ったり、迷走信号としてゲート−ソース端子に入ったり
しないようにする。抵抗R12及びR13は必要なゲー
ト−ソースしきい値ウインドウが得られるように選択さ
れるが、これは最も高電圧のMOSFETトランジスタ
の場合約2〜4ボルトの間で変化する。
【0032】インダクタL2、コンデンサC7、C8及
び抵抗R5、R6は前に説明した実施例の場合と同様に
機能する。図4及び図5を参照すると、キロワット電力
トランジスタ10は平坦な金属フランジ12またはベー
スを有し、これが、増幅器のシャーシの一部として形成
される適切なヒートシンク(図示せず)の上に設置され
る。ここではトランジスタはカッドすなわち4チップ・
アレー設計であり、4つのトランジスタ・チップまたは
ダイ14a、14b、14c、14dがフランジ12に
設置され、それぞれのドレイン領域Dがフランジ12に
接地される。各トランジスタ・ダイはそれぞれのゲート
G1〜G4とそれぞれのソースS1〜S4とを有する。
ソースは図示されるように、ソース帰路リード線SR1
〜SR4にも接続される。フランジ12はエンドスロッ
トまたは穴16を備えており、穴18を通じて設置され
関連するヒートシンクに取り付けられる。プラスチッ
ク、セラミックまたは金属のケースが4つのダイ14a
〜14dを覆い、フランジ12の2つの端部を露出す
る。フランジ12自体は4つのトランジスタ構成要素の
各々について接地ドレイン・リード線または電極の役目
を果たし、外部無線周波回路接地への接続を目的とする
付加的リボン・リード線28によって補われる。リボン
・ソース・リード線22a〜22d、ゲート・リード線
24a〜24d及びソース帰路リード線26a〜26d
(これらはそれぞれのソース・リード線に接続される)
が無線周波電極端子を完成する。これらのリード線2
2、24、26、28はケース側面からの出口近くで圧
着され、それぞれのリード線の張力逃がしを提供する。
この機構とそのいくつかの変形は、1997年10月2
4日出願の同時係属特許出願第08/957,100号
でより詳細に説明されている。
【0033】ここで図6、図7を参照すると、電力増幅
器100は、C級動作モードにバイアスをかけられたK
PT Q1、Q2のプッシュプル・ペアを利用する。上
半分(トランジスタQ1)が図6に示され、下半分(ト
ランジスタQ2)が図7に示される。ここでは、プッシ
ュプル・ペアQ1、Q2は各MOSFETダイについて
分割及び絶縁され、ダイ温度トラッキングを改善する。
プッシュプル・ペア全体は、72%の効率と11dBの
無線周波電力利得で3000ワットを提供するよう設計
されている。
【0034】各KPT Q1、Q2はプッシュプル・ペ
アの2分の1を形成し、それぞれ4つの高電圧MOSF
ETダイQ1A、Q1B、Q1C、Q1D及びQ2A、
Q2B、Q2C、Q2Dを有し、それらのドレインは関
連する銅フランジ112を介して直接接地に接続され
る。各対応するKPTのダイのソース端子は直接並列
化、すなわち並列に接続され、各プッシュプル・ハーフ
について9Ωインピーダンスのインタフェースを形成す
る。ゲート端子に関しては、各ダイQ1A〜Q1Dは独
立したソース−ゲート回路を有し、個別に直流安定性、
無線周波安定性及びインピーダンス整合を達成する。次
にゲートは1組のスプリッタ/絶縁変圧器を介して並列
化される。図1を参照して上記で示され説明されたもの
と同様のゲート−ソース入力回路が各ダイについて提供
される。ここでは、抵抗、コンデンサ及びインダクタ要
素は共通の参照符号を与えられており、関連するKPT
に対応する番号接尾辞(Q1またはQ2)または関連す
るダイに対応する文字(A〜H)を伴う。
【0035】MOSFETダイQ1A〜Q2Dのゲート
端子は各々それぞれのゲート−ソース入力回路106A
〜106Hを有する。各々は直流安定性のためゲート−
ソース抵抗R5A〜R5Hを有する。ダイナミックレン
ジ全体にわたる50Ω負荷での良好な無線周波安定性
が、それぞれのドレイン−ゲート帰還用の直列の抵抗−
コンデンサの組合せR3A、C3A〜R3H、C3Hに
よって達成される。ダイナミックレンジ全体にわたる高
負荷VSWRでの無線周波安定性が、ゲート−ソース間
の直列の抵抗−コンデンサの組合せR4A、C4A〜R
4H、C4Hによって達成される。開/閉状態を含む、
すべての位相での高負荷VSWRでの無線周波安定性
が、バイパスされない直列ゲート抵抗R2A、R2B、
…、R2Hを使用して達成される。
【0036】差動モードから共通モードへのインピーダ
ンス変換が変圧器T3A、T3B、…、T3Hによって
達成される。これらのゲート変成器の各々の2次巻線は
遮蔽され、2次巻線と接地との間の無線周波電圧差によ
るフラックスに起因するコアの加熱から保護される。こ
れらの変圧器T3A〜T3Hの巻線比は3:1であり、
これは変圧器の1次巻線の入力に100Ωの入力インピ
ーダンスを発生する。1次巻線と並列に配置されたコン
デンサC2A、C2B、…、C2Hは、関連するプリン
ト回路基板のゲート及びソースの長い線による誘導性リ
アクタンスを補償する。
【0037】入力ドライブ信号は入力端子RFINで平衡
不平衡変成器T1に印加され、そこでドライブ信号は順
方向相と逆方向相に分割される。平衡不平衡変圧器T1
は上半分(すなわちKPT Q1)に給電する1つの巻
線と、下半分(すなわちKPT Q2)に給電するもう
1つの巻線とを有する。入力ドライブ信号は13.56
MHz、175ワットで供給され、入力インピーダンス
は50Ωである。相互に結合された、2つの平衡不平衡
巻線は各々25Ωの出力インピーダンスを有する。各プ
ッシュプル・ハーフについて、2つのスプリッタ/絶縁
変圧器、すなわち上半分について変圧器T2A、T2
B、下半分について変圧器T2C、T2Dが存在する。
各スプリッタ/絶縁変圧器の入力インピーダンスは50
Ωであり、これは互いに結合されて、やはり25Ωであ
る平衡不平衡出力との25Ωインタフェースに帰結す
る。変圧器T2A〜T2Dは無線周波入力ドライブ信号
を分割して対応する変圧器T3A〜T3Hの1次巻線イ
ンピーダンスに整合する。この回路構成は、ダイが完全
に整合していない場合でも平衡ドライブ電流をダイQ1
A〜Q1DとQ2A〜Q2Dに送る。絶縁抵抗R1A、
R1B、R1C及びR1Dは各スプリッタ/絶縁変圧器
T2A、T2B、T2C、T2Dの両端に接続され、端
子インピーダンスの整合を達成する。
【0038】各KPTは並列化ソースで9Ωの出力イン
ピーダンスを有し、それらは出力平衡不平衡変成器T4
で結合され、18オームの結合インタフェース・インピ
ーダンスを得ている。出力変圧器T5は18オームのイ
ンピーダンスを50Ωの負荷インピーダンスに整合す
る。このため、出力変圧器T5は3:5の巻線比を有す
る。無線周波出力コンデンサC5A及びC5Bは対象と
なる周波数、すなわち、この例では13.56MHz付
近の帯域を通過させる。
【0039】各プッシュプル・ハーフは、KPTの並列
化ソースをソース電圧(−VS )の電源に接続する直流
給電回路網を有する。それぞれの直流給電回路網では、
共振器インダクタL1A、L1Bは、結合ドレイン−ソ
ース出力静電容量を調整して外すことで、所望の周波数
(例えば13.56MHz)での最大効率について最適
化される。コンデンサC6A、C6Bは接地への無線周
波復帰経路を提供し、かつ直流電源を阻止する。無線周
波チョークL2A、L2B、コンデンサC7A、C7
B、コンデンサC8A、C8B、抵抗R6A、R6B及
び抵抗R7A、R7Bは、図1と共に説明された同様の
構成部品L2、C7、C8、R6及びR7の機能を果た
す。
【0040】上記で説明されたプッシュプル・ペアはダ
イナミックレンジ全体にわたるすべてのVSWRでの安
定な動作に帰結する。このプッシュプル・ペア構成は、
MOSFETダイが均一に整合されていない場合や、様
々なダイに関連するプリント回路基板のレイアウトが正
確に同一または対称的でない場合(これは空間の制約の
ために発生することがある)でも、効率の改善と、各K
PTの4つのダイすべてにわたる優秀なダイ温度トラッ
キングを提供する。ここに示され説明されたような分割
及び絶縁されたゲーティングによって、直接並列ゲーテ
ィング構成の増幅器に対して、温度トラッキングにおい
て顕著な改善があった。すなわち、ダイ対ダイへの温度
差ΔTは、ゲーティングドライブ信号が絶縁と共に分割
されている場合、ΔT=80°からΔT=10℃に改善
された。ここで提示された概念は、従来の共通結合の利
益を、出力変圧器アセンブリの数が減少するという利益
と共に達成する。また、各MOSFETの直流及び無線
周波安定化回路によって、ダイナミックレンジ全体にわ
たり、すべての位相条件で、様々な負荷VSWRでの、
すなわち1.0:1、1.5:1、2:1、3:1、…
から開/短絡までの安定な動作が可能である。
【0041】電力出力を3KWから10KWに増大する
ため、KPTの多数のペアが、例えば図8、図9に示さ
れるようにプッシュプルに配置される。ドライバ増幅器
基板30は無線周波入力RFINに結合される減衰器31
を有し、それに低レベル・ドライバ増幅器32、「A」
級プッシュプル・ペア33、さらに「AB」級プッシュ
プル増幅段34が続く。後者は700ワットドライブ信
号を発生するが、これはスプリッタ段35で4つの17
5ワットドライブ信号に分割され、2つずつ対応する電
力増幅器基板40A及び40Bに印加される。各電力増
幅器基板40A、40Bは、各々18Ωのインタフェー
ス・インピーダンスを有するキロワット電力トランジス
タの2組の3KWプッシュプル・ペア(Q1、Q2及び
Q3、Q4)を有する。ここでは、2つの組Q1、Q2
及びQ3、Q4の出力は、それぞれ双方向同相結合器4
2A、42Bを介して結合され、9Ω出力インピーダン
スの出力6KWとなる。各基板の出力は、ここでは縦続
された二重変圧器である変圧器44A、44Bを介して
VSWR1.1:1以内で50Ωに整合される。ここで
は、第1の変圧器は2:3の巻線比を有し、第2の変圧
器も2:3の巻線比を有する。2つの50Ω出力は、双
方向同相結合器48の結合器/低域通過フィルタ基板4
6で結合される。この双方向同相結合器は、VSWR
1.1:1以内で25Ωの結合端子インピーダンスを有
する。この結合器には、巻線比3:4でインピーダンス
を50Ωに変換する変圧器が含まれる。
【0042】ダイナミックレンジ全体にわたり−55d
B以下の高調波成分を維持するために、結合出力が通過
するフィルタ回路網50及び52には、第7次0.01
dB帯域通過リプル・チェビシェフ応答低域通過フィル
タ52が含まれる。これは16.27MHzのカットオ
フ周波数を有し、18.64MHzの3dBポイントを
伴う。このフィルタによる2次高調波阻止は通常42d
Bである。3次高調波除去は通常65dBである。しか
し、プラズマアプリケーションにおける無線周波発生器
の場合、低域通過フィルタ52による高調波除去は十分
ではなく、高調波エネルギーを散逸するステップを取ら
なければならない。高調波の散逸形終端は、低域通過フ
ィルタの入力に追加される高域追加フィルタ50を通じ
て達成される。この低域通過/高域通過フィルタの組合
せはダイプレクサを形成する。この配置では、高調波は
高域通過フィルタの抵抗性終端に吸収され、主要な1
3.56MHz信号に感知できるほどの影響を与えるこ
とはない。本発明の電力増幅器回路では、終端高域通過
フィルタは過度のゲート−ソース電圧差からMOSFE
Tダイを保護する。そうでない場合、こうした高調波に
関連する接地電流が過度の瞬間ゲート−ソース電圧差を
発生し、MOSFETを損傷する。すなわち、高調波が
適切に散逸されない場合、ゲート−ソース電圧は±30
ボルトの最大ゲート−ソース電圧デルタ仕様を越えるこ
とがある。
【0043】本発明の高域通過フィルタ50は、第5次
0.1dB帯域通過リプル・チェビシェフ応答を有す
る。この高域通過フィルタのカットオフ周波数は21.
71MHzの3dBポイントを伴う25.76MHzで
ある。高域通過フィルタ50及び低域通過フィルタ52
は図9でより詳細に示されるが、ここでは低域通過フィ
ルタ52はコンデンサC21、C22、C23及びC2
4とインダクタL11、L12及びL13から構成さ
れ、13.56MHzの増幅されたクリーンな無線周波
波動を供給する。高域通過フィルタ50は直列コンデン
サC25、C26及びC27とシャント・インダクタン
スL14及びL15から構成されている。2次、3次、
4次、5次等の高調波を含むバイパスされた高い周波数
の成分は50Ω散逸抵抗に送られる。この高域通過/低
域通過フィルタの配置はダイプレクサであり、高調波歪
みを最小にし散逸形高調波終端を形成する。高域通過フ
ィルタによる散逸形高調波終端は、過度のゲート−ソー
ス電圧差(±30ボルトが最大仕様限度である)から高
電圧MOSFETを保護する。
【0044】双方向カプラ54は、46dBの順方向カ
ップリングと40dBを越える方向性で10KWの無線
周波電力を処理するよう設計されている。カプラ54は
順方向及び逆方向両方のポートを有し、その各々が、帯
域幅±10%、リプル±0.02dB、高調波除去が2
5dBを越える内蔵帯域通過フィルタ回路網を有する。
方向性カプラ54は高いQと中程度の透磁率(μ=4
0)のフェライト材料を使用する変圧器による設計であ
るか、または部分伝送線路設計である。
【0045】中間ドライバ段33は1dB圧縮、電力利
得17dBで30ワットを出力し、プッシュプル接続の
1組の高電圧MOSFETから構成されている。各MO
SFETは0.5アンペアで「A」級モードにバイアス
をかけられている。バイアスは、図3に示されるように
浮動18ボルト直流電源によって達成される。出力ドラ
イバ段は、プッシュプル接続された1組の二重高電圧M
OSFETから構成されている。各MOSFETは0.
25アンペアで「AB」級モードにバイアスをかけられ
ている。このプッシュプル・ペアは2dB圧縮、電力利
得13dBで700ワットを出力する。この出力はその
後同相スプリッタ35により4つに分割される。
【0046】次に低域通過フィルタの出力が双方向カプ
ラ54を通じて無線周波出力端子RFOUT に供給され
る。電源、制御装置及びセンサといった補助周辺要素が
存在し、この無線周波発生器システムに含まれるが、本
発明の範囲外である。しかし、これらの付加的要素は、
完全さの目的で図8、図9に含まれる。
【0047】本発明の好適な実施例で利用されるような
高電圧、高出力MOSFET KPTが有する特性は、
ドレイン−ソース降伏電圧VDSS =1000ボルト(最
大)、連続ドレイン電流ID =11アンペア(最大)、
ゲート−ソース電圧VGS=±30ボルト、ゲートしきい
値電圧VG-TH=2〜4ボルト、順方向相互コンダクタン
スGFS=7〜11ジーメンス、ドレイン−ソース・オン
状態抵抗RDS-ON =1オーム(最大)、接合部−ケース
熱抵抗RθJC=0.4℃/ワット(最大)、入力静電容
量CISS =2460pF(通常)、出力静電容量COSS
=360pF(通常)、逆変換静電容量CRSS =105
pF(通常)、合計ゲート電荷Qq =90nC(通
常)、ゲート−ソース電荷Qgs=10nC(通常)及
びゲート−ドレイン電荷Qgd=50nC(通常)であ
る。
【0048】KPTの4つのダイの間のゲート−ソース
しきい値電圧平衡は、ダイ対ダイの不均一性について約
0.2ボルト以内であるべきである。この結果4つのダ
イすべては同時にオンに切り替わる。KPTの4つのダ
イの間のドレイン−ソース・オン抵抗平衡は、ドレイン
効率トラッキングについて約8%以内であるべきであ
る。KPTの4つのダイの間の順方向相互コンダクタン
ス平衡は、1ジーメンス以内であるべきである。好まし
い無線周波電力利得での効率的な動作のために、各KP
Tの4つのダイの直流特性は、ダイ・レベルで整合され
ているべきである。無線周波性能はKPTレベルで検査
及び測定されるべきである。所与のKPTの4つのダイ
の間の無線周波利得平衡は0.5dB以内であるべきで
ある。所与のKPTの4つのダイの間のドレイン効率平
衡は1%以内であるべきである。任意のKPTの各MO
SFETダイが同時にオンに切り替わるため、ゲート−
ソースしきい値は0.2ボルト以内に整合されるべきで
ある。各MOSFETダイの負荷が均一になるため、ゲ
ート−ソースオン抵抗は8%以内であるべきである。所
与のKPTの各ダイに流れる電流が均一になるために、
順方向相互コンダクタンスは1ジーメンス以内であるべ
きである。これら3つの直流パラメータの整合は、KP
T製造処理中のダイ・マッピングを使用して最良に達成
される。KPTの4つのダイは同じウェハから、かつウ
ェハの隣接する位置から選択されるべきである。ゲート
−ソースしきい値電圧とドレイン−ソース・オン抵抗と
いった直流特性は、無線周波利得やドレイン効率と共
に、KPTレベルで各ダイについて測定されるべきであ
る。
【0049】上記で説明されたような所与の発生器に適
用したプッシュプル・ペアについて、KPTのペアが整
合されるべきである。換言すれば、無線周波利得、効
率、KPT間の電流トラッキング、KPT間の温度トラ
ッキングに関する特性を最適化するために、1つのKP
Tの4つのダイは、もう1つのKPTが選択されたダイ
の隣接するチップ位置から選択されるべきである。KP
Tの4つのダイの間のデルタ無線周波利得は0.5dB
以内であるべきである。KPTの4つのダイの間のデル
タ無線周波効率は1%以内であるべきである。入力平衡
不平衡変成器またはスプリッタに直接結合される順方向
波動部分にはより高い平均ゲートしきい値を有するKP
Tを使用するべきであり、誘導結合される逆方向波動部
分にはより低い平均ゲートしきい値を有するKPTが使
用されるべきである。ここでは、順方向及び逆方向の波
動のKPTの間の差は約0.1dB〜0.2dBである
べきである。
【0050】入力平衡不平衡変成器は好適には伝送線路
設計であり、撚り合わせのバイファイラー巻を使用し、
中程度の透磁率(μ=40)と高いQ(低損失)のフェ
ライト・コアで50Ωの特性インピーダンスを有する。
入力平衡不平衡変成器は入力信号(50Ωインピーダン
ス)を各々25Ωインピーダンスの順方向及び逆方向の
位相の波動に分割する。順方向相波動は、25dBを越
える組込絶縁で、入力で直接並列化された1組のスプリ
ッタを介して、振幅と位相が等しい4つの信号に分割さ
れる。これらのスプリッタの各々はフェライト装荷(透
磁率125、高Q、低損失)伝送線路設計に基づいてお
り、撚り合わせのバイファイラー巻を使用し、特性イン
ピーダンスは100Ωである。各スプリッタの入力イン
ピーダンスは50Ωであり、2つの出力は100Ωであ
る。入力の2つの順方向相スプリッタの並列インピーダ
ンスは25Ωであり、これは順方向相部分の入力平衡不
平衡変成器の出力インピーダンスに一致する。
【0051】逆方向相部分は対応する特徴及び属性を有
する。順方向相波動と逆方向相波動の各々は4つの波動
に分割され、対応するKPTの各MOSFETダイを駆
動する。各ダイの入力ドライブ回路は同一であり、次の
機能、すなわち、入力変圧器、直列入力ゲート抵抗(バ
イパスされないか部分的にバイパスされる)、直流終端
またはプルアップ及び、ソース−ドレイン無線周波帰還
からなる。各MOSFETは、入力インピーダンスが1
00Ωの別個の入力変圧器を有する。変圧器の1次巻線
の入力波動は接地を基準とし、2次巻線の出力波動はソ
ース(または信号出力レベル)を基準とする。ソースを
基準とするこの変圧器の出力インピーダンスは約11Ω
である。この変圧器はフェライト装荷(μ=125、高
Q、低損失)変圧器結合設計であり、入力対出力巻線比
は3:1である。各MOSFETダイは固有の直列入力
ゲート抵抗を有するが、その値は1〜2Ωの範囲であり
25ワット・フランジに設置される。これはダイナミッ
ク出力電力範囲全体にわたってVSWRの全範囲、すな
わち開−短絡−全位相での安定性を提供する。この抵抗
は、無線周波利得と無線周波安定性の要求により、バイ
パスされないか、または部分的にバイパスされる。
【0052】各MOSFETダイはゲートとソースとの
間に固有の入力無線周波終端を有する。この終端は、直
列抵抗−コンデンサの組合せとして構成され、コンデン
サは直流阻止の役目を果たす。抵抗値は約50オームで
あり、これは11Ωのインタフェース・インピーダンス
の約4.5倍である。この抵抗はダイナミックレンジ全
体にわたる高VSWRでの動作を安定化させる役に立
つ。その値は無線周波電力利得と無線周波安定性との妥
協として選択される。各MOSFETダイはまた、ゲー
トとソースとの間に配置された固有の直流終端抵抗を有
する。この抵抗は30〜40KΩの数値を有し、入力変
圧器2次巻線による直流接続が切断された場合、直流安
定性及びプルアップを提供する。さらに、各MOSFE
Tダイは固有のソース−ドレイン無線周波帰還回路網を
有するが、これは抵抗−コンデンサの直列の組合せから
なり、コンデンサは直流阻止の役目を果たす。この場
合、抵抗は150Wフランジ設置抵抗であり、無線周波
利得及び安定性の要求により400〜560オームの範
囲の値を有する。この回路網は無線周波入力/出力整合
と様々な負荷での無線周波出力安定性を提供する。抵抗
の実際の値は、開と短絡と負荷の全位相とを含むすべて
の位相状態での必要な無線周波電力利得と無線周波出力
安定性との妥協である。
【0053】KPTは、4つのダイの出力、すなわち、
プリント回路基板を介して直接並列に接続されたソース
を有する。こうした接続はできる限り対称的になされ
る。順方向相KPTの出力は9Ωインタフェース・イン
ピーダンスの順方向相波動値を形成し、逆方向相KPT
の出力は対応してやはり9Ωインタフェース・インピー
ダンスの逆方向相波動を形成する。
【0054】各KPTの結合出力静電容量(すなわちソ
ース−ドレイン間の静電容量)は直流阻止用コンデンサ
と組み合わされた共振器回路によって補償され、循環無
線周波電流を接地にシャントする。インダクタの値は
0.3〜0.5μHの範囲であり、高周波数、低損失、
抵透磁率の鉄粉コア材料を使用して達成される。インダ
クタの値は無線周波効率について最適化され、5〜8%
の効率改善を提供する。
【0055】順方向及び逆方向の位相の波動は出力平衡
不平衡変成器を介して結合され、入力インピーダンスは
9Ω、出力インピーダンスは18Ωである。この出力平
衡不平衡変成器もやはり伝送線路形フェライト装荷素子
(μ=40、高Q、低損失)であり、ツインストリップ
を使用し、18Ωの特性インピーダンスを有する。適切
な直流阻止機能が、高電圧、高電流磁器コンデンサの使
用によってこの変成器の付近で達成される。平衡不平衡
変成器の18Ωの出力インピーダンスは3:5巻線比の
昇圧変圧器によって50Ωに変換される。出力変圧器は
変圧器結合単巻変圧器からなり、高Q、低損失、中程度
の透磁率(μ=40)のフェライト・コア材料と共にマ
ルチファイラ銅ストリップを使用する。
【0056】負直流電源電圧は、別個かつ同一の直流給
電回路によって各KPTに供給される。各給電ネット
は、電力増幅器からの無線周波エネルギーが電源に入ら
ず、電源または他の発生源からの無線周波エネルギーが
電力増幅器に入らないように、インダクタ−コンデンサ
の組合せからなる。これは、大きな直列インダクタ、す
なわちチョークと、1つが無線周波バイパス・コンデン
サでありもう1つが低周波数バイパス・コンデンサであ
る並列ペアのコンデンサとによって達成される。直流電
源には、保護及び電流監視のための適切なブリーダ及び
感知抵抗が含まれる。
【0057】本発明は選択された好適な実施例を参照し
て説明されたが、本発明はこれらの実施例に制限される
ものではないことが理解されるだろう。むしろ、当業者
には、添付の請求項で定義されるように、本発明の範囲
及び精神から離れることなく、多くの修正や変形が明ら
かになるだろう。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の1つの実施例による、接地ドレイン/
共通ソース構成の無線周波電力増幅器の、例えばC級動
作でのシングルエンド回路の概略図である。
【図2】図1の実施例と比較する目的の、接地ソース/
共通ソース構成における同様の回路の概略図である。
【図3】ここではAまたはAB級動作のための浮遊直流
ゲート・バイアスと共に示される、別の実施例の概略図
である。
【図4】本発明と共に利用されるような4チップ・キロ
ワット電力トランジスタの概略図である。
【図5】本発明と共に利用されるような4チップ・キロ
ワット電力トランジスタの平面図である。
【図6】本発明の別の実施例による、プッシュプルに配
置された、高出力無線周波増幅器の回路図(その1)で
ある。
【図7】本発明の別の実施例による、プッシュプルに配
置された、高出力無線周波増幅器の回路図(その2)で
ある。
【図8】本発明の原理を利用する10KW無線周波発生
器システムの包括的な回路図(その1)である。
【図9】本発明の原理を利用する10KW無線周波発生
器システムの包括的な回路図(その2)である。
【図10】本発明と共に利用されるような、帯域外高調
波エネルギーを散逸させる低域通過/高域通過フィルタ
装置の回路図である。
【符号の説明】
10…キロワット電力トランジスタ 12、112…フランジ 14a、14b、14c、14d…ダイ 50、52…フィルタ T1、T2、T3、T4、T5、44A、44B…変圧
器 Q1、Q2…トランジスタ

Claims (33)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 所定の周波数帯の無線周波電力を増幅す
    るプッシュプル形の高出力無線周波増幅器であって、無
    線周波入力端子と、無線周波出力端子と、直流電源と、
    第1及び第2のキロワット電力トランジスタ素子であっ
    て、各々が熱及び電気伝導性フランジを含むキロワット
    電力トランジスタ素子と、複数の半導体のダイから構成
    された多数チップ・アレーであって、前記ダイが各々平
    坦な下面を有し、ドレインが前記平担な下面の大部分の
    上に形成され、ソース及びゲートが前記平坦な下面から
    離れた前記ダイの部分にそれぞれ形成される多数チップ
    ・アレーと、前記フランジが前記ダイのドレイン端子及
    びヒートシンクの役目をするように、前記ダイの前記ド
    レインが前記フランジと直接熱的及び電気的に接触する
    状態に設置する手段とを含むキロワット電力トランジス
    タ素子と、前記無線周波入力端子に結合され無線周波入
    力ドライブ信号を順方向相部分と逆方向相部分に分割す
    る第1のスプリッタ手段と、前記ドライブ信号の前記順
    方向相部分を前記第1のキロワット電力トランジスタ素
    子の前記ゲートに供給するための複数の絶縁信号に分割
    する第2のスプリッタ手段と、前記逆方向相部分を前記
    第2のキロワット電力トランジスタ素子の前記ゲートに
    供給するための複数の絶縁信号に分割する第3のスプリ
    ッタ手段と、前記第1のキロワット電力トランジスタ素
    子の前記半導体ダイの各々について前記第2のスプリッ
    タ手段の関連する出力に無線周波結合され前記第1のキ
    ロワット電力トランジスタ素子の前記フランジに対して
    浮いている対応するゲート−ソース入力回路と、前記第
    2のキロワット電力トランジスタの前記半導体ダイの各
    々について前記第3のスプリッタ手段の関連する出力に
    結合されているが前記第2のキロワット電力トランジス
    タ素子の前記フランジに対して浮いている対応するゲー
    ト−ソース入力回路と、増幅無線周波信号を前記無線周
    波出力端子に供給するため増幅無線周波出力を結合す
    る、前記第1及び第2のキロワット電力トランジスタ素
    子の前記ソースに結合された入力を有する結合器手段
    と、直流ソース電圧の電源と、前記キロワット電力トラ
    ンジスタ素子のソースを直流電圧の前記電源に接続する
    フィルタ手段であって、該フィルタ手段が直流電圧の前
    記電源から前記増幅無線周波信号を阻止するチョーク手
    段を含むフィルタ手段と、前記直流電源または他の回路
    から拾われる無線周波エネルギーをバイパスする手段と
    を備える高出力無線周波増幅器。
  2. 【請求項2】 前記フィルタ手段の前記チョーク手段
    が、直流電圧の前記電源と前記キロワット電力トランジ
    スタ素子の1つの前記ソースとの間に直列に接続された
    無線周波チョーク・コイルを備える請求項1に記載の高
    出力無線周波増幅器。
  3. 【請求項3】 前記バイパスする手段が、前記無線周波
    チョークと前記ソースとの間のインダクタと、無線周波
    接地と前記インダクタ及び前記無線周波チョーク・コイ
    ルの接合部との間の無線周波シャント・コンデンサと、
    を含む請求項2に記載の高出力無線周波増幅器。
  4. 【請求項4】 前記フィルタ手段が、インダクタ、無線
    周波チョーク及び抵抗から構成された直列回路を含む請
    求項1に記載の高出力無線周波増幅器。
  5. 【請求項5】 前記抵抗が約0.01オームの値を有す
    る請求項4に記載の高出力無線周波増幅器。
  6. 【請求項6】 前記インダクタが0.3〜0.5μHの
    インダクタンスを有し、前記シャント・コンデンサが約
    0.1〜1μfの値を有する請求項3に記載の高出力無
    線周波増幅器。
  7. 【請求項7】 高電力接地ドレイン共通ソースの無線周
    波増幅回路であって、入力端子と、直流電圧の電源と、
    出力回路と、高電力、高電圧大型チップ・トランジスタ
    であって、上面を有する熱及び電気伝導性フランジと、
    下面を有する半導体トランジスタのダイとを含み、前記
    ダイのドレインが前記下面の主要部分の上に形成され、
    前記ドレインが前記フランジと直接熱的及び電気的接触
    し、ソース及びゲートが平坦な前記下面から離れた前記
    ダイの上にそれぞれ形成され、前記出力回路が前記ソー
    スに結合される高電力、高電圧大型チップ・トランジス
    タと、前記入力端子と前記ゲートとの間の、前記ドレイ
    ンに対して浮いている直流絶縁入力段とを備え、前記入
    力段が前記入力端子に接続された1次巻線と、それぞれ
    前記ゲート及び前記ソースに結合された第1及び第2の
    端部を有する絶縁2次巻線とを含む無線周波増幅回路。
  8. 【請求項8】 前記出力回路が、所定の無線周波周波数
    帯の無線周波信号を通過させる直流阻止出力段を含む請
    求項7に記載の無線周波増幅回路。
  9. 【請求項9】 前記ソースを直流電圧の前記電源に結合
    する無線周波阻止直流給電段を備える請求項8に記載の
    無線周波増幅回路。
  10. 【請求項10】 前記無線周波阻止直流給電段が、他に
    前記ソースに出現する無線周波信号をバイパスする無線
    周波シャント手段を含む請求項9に記載の無線周波増幅
    回路。
  11. 【請求項11】 前記入力段が、無条件の安定性のため
    前記トランジスタの利得を制限する、前記2次巻線の前
    記第1の端部と前記ゲートとの間の低い値の抵抗を含む
    請求項7に記載の無線周波増幅回路。
  12. 【請求項12】 前記半導体ダイが前記ソースと前記ゲ
    ートとの間の入力インピーダンスを有し、前記抵抗が所
    望の利得のために前記入力インピーダンスより小さい抵
    抗値を有する請求項11に記載の無線周波増幅回路。
  13. 【請求項13】 前記2次巻線の前記第1の端部に結合
    され前記ドレインに接地されるドレイン−ゲート帰還回
    路を備える請求項7に記載の無線周波増幅回路。
  14. 【請求項14】 前記ドレイン−ゲート帰還回路が直列
    に接続された抵抗及びコンデンサを含む請求項13に記
    載の無線周波増幅回路。
  15. 【請求項15】 前記ダイが、前記ソースと前記ゲート
    との間の入力インピーダンスを有し、前記ソースと前記
    ゲートとの間に接続され、前記入力インピーダンスと比
    較して非常に大きな抵抗値を有するゲート−ソース復帰
    抵抗を備える請求項7に記載の無線周波増幅回路。
  16. 【請求項16】 前記入力段が前記ゲートと前記ソース
    との間に直列に接続されたコンデンサと抵抗から形成さ
    れたゲート−ソース終端回路を含む請求項7に記載の無
    線周波増幅回路。
  17. 【請求項17】 所定の周波数帯の無線周波電力を増幅
    するプッシュプル形の高出力無線周波増幅器であって、
    無線周波入力端子と、無線周波出力端子と、電源と、第
    1及び第2のキロワット電力トランジスタ素子であっ
    て、各々が熱及び電気伝導性フランジを含むキロワット
    電力トランジスタ素子と、4つの半導体ダイから形成さ
    れ、前記半導体ダイが各々平坦な下面を有しドレインが
    前記平担な下面の大部分の上に形成される多数チップ・
    アレーと、前記平坦な下面から離れた前記ダイの部分に
    それぞれ形成されたソース及びゲートと、前記フランジ
    が前記ダイのドレイン端子及びヒートシンクの役目を果
    たすように前記ダイの前記ドレインを前記フランジと直
    接熱的及び電気的に接触するように設置する手段とを含
    むキロワット電力トランジスタ素子と、前記無線周波入
    力端子に結合され無線周波入力ドライブ信号を順方向相
    部分と逆方向相部分に分割する第1のスプリッタ手段
    と、前記ドライブ信号の前記順方向相部分を前記第1の
    キロワット電力トランジスタ素子の前記ゲートに供給す
    るための複数の絶縁信号に分割する第2のスプリッタ手
    段と、前記逆方向相部分を前記第2のキロワット電力ト
    ランジスタ素子の前記ゲートに供給するための複数の絶
    縁信号に分割する第3のスプリッタ手段と、前記第1の
    キロワット電力トランジスタ素子の前記半導体ダイの各
    々について前記第2のスプリッタ手段の関連する出力に
    無線周波結合され前記第1のキロワット電力トランジス
    タ素子の前記フランジに対して浮いている対応するゲー
    ト−ソース入力回路と、前記第2のキロワット電力トラ
    ンジスタ素子の前記半導体ダイの各々について前記第3
    のスプリッタ手段の関連する出力に無線周波結合されて
    いるが前記第2のキロワット電力トランジスタ素子の前
    記フランジに対して浮いている対応するゲート−ソース
    入力回路と、増幅無線周波信号を前記無線周波出力端子
    に供給するため増幅無線周波出力を結合する、前記第1
    及び第2のキロワット電力トランジスタ素子の前記ソー
    スに結合された入力を有する結合器手段と、直流ソース
    電圧の電源と、前記キロワット電力トランジスタ素子の
    前記ソースを直流電圧の前記電源に接続する直流給電手
    段であって、該直流給電手段が直流電圧の前記電源から
    の前記増幅無線周波信号を阻止するチョーク手段を含む
    直流給電手段と、無線周波エネルギーをバイパスする手
    段とを備え、前記キロワット電力トランジスタ素子の各
    々の前記4つのダイが外部で並列化され、ゲート−ソー
    スしきい値が0.2ボルト以内に整合され、ドレイン−
    ソース・オン抵抗が8%以内に整合され、順方向相互コ
    ンダクタンスが1ジーメンス以内であるように直流整合
    される高出力無線周波増幅器。
  18. 【請求項18】 前記4つのダイ間の良好な温度及び電
    流トラッキングの存在を保証するため、前記キロワット
    電力トランジスタ素子の各々の前記4つのダイが同じ半
    導体ウェハ上の隣接する位置から選択される請求項17
    に記載の高出力無線周波増幅器。
  19. 【請求項19】 前記キロワット電力トランジスタ素子
    の1つから他への良好な温度及び電流トラッキングの存
    在を保証するため、前記第1及び第2のキロワット電力
    トランジスタ素子が1つの半導体ウェハの隣接するチッ
    プ位置から選択された4つのダイのグループを有する請
    求項17に記載の高出力無線周波増幅器。
  20. 【請求項20】 前記第1及び第2のキロワット電力ト
    ランジスタ素子間の平均無線周波利得の差が約0.5d
    B以内である請求項19に記載の高出力無線周波増幅
    器。
  21. 【請求項21】 前記第1及び第2のキロワット電力ト
    ランジスタ素子間の無線周波効率の差が約1%以内であ
    る請求項19に記載の高出力無線周波増幅器。
  22. 【請求項22】 前記第1のスプリッタ手段が前記第2
    のスプリッタ手段及び前記第1のキロワット電力トラン
    ジスタ素子に直接結合され、前記第3のスプリッタ手段
    及び第2のキロワット電力トランジスタ素子に誘導結合
    され、前記第1のキロワット電力トランジスタ素子が前
    記第2のキロワット電力トランジスタ素子より高い平均
    ゲートしきい値を有する請求項17に記載の高出力無線
    周波増幅器。
  23. 【請求項23】 前記第1のキロワット電力トランジス
    タ素子の前記平均ゲートしきい値が前記第2のキロワッ
    ト電力トランジスタ素子のそれより約0.2〜0.4ボ
    ルト高い請求項22に記載の高出力無線周波増幅器。
  24. 【請求項24】 前記第1及び第2のキロワット電力ト
    ランジスタ素子の各々の前記ダイが各々約1〜2オーム
    のそれぞれの直列ゲート入力抵抗を有する請求項17に
    記載の高出力無線周波増幅器。
  25. 【請求項25】 前記第1及び第2のキロワット電力ト
    ランジスタ素子の各々の前記ダイが各々ゲートとソース
    との間のそれぞれの入力無線周波終端を有し、前記入力
    無線周波終端が直列抵抗−コンデンサの組合せから形成
    される請求項17に記載の高出力無線周波増幅器。
  26. 【請求項26】 前記第1及び第2のキロワット電力ト
    ランジスタ素子の各々の前記ダイが各々ソースとゲート
    との間のそれぞれの直流終端抵抗を有し、前記直流終端
    抵抗が30〜40キロオーム程度の値を有する請求項1
    7に記載の高出力無線周波増幅器。
  27. 【請求項27】 前記第1及び第2のキロワット電力ト
    ランジスタ素子の各々の前記ダイが各々それぞれのソー
    ス−ドレイン無線周波帰還回路を有し、前記無線周波帰
    還回路が各々抵抗−コンデンサの直列組合せから形成さ
    れ、抵抗値が400〜560オーム程度である請求項1
    7に記載の高出力無線周波増幅器。
  28. 【請求項28】 前記キロワット電力トランジスタ素子
    の各々の前記ソースが前記結合器手段と並列に直接結合
    される請求項17に記載の高出力無線周波増幅器。
  29. 【請求項29】 前記結合器手段が、18オームのイン
    タフェース・インピーダンスを有する出力平衡不平衡変
    成器を含む請求項28に記載の高出力無線周波増幅器。
  30. 【請求項30】 前記第1及び第2のキロワット電力ト
    ランジスタ素子の各々について、各前記キロワット電力
    トランジスタ素子の前記ダイの結合ソース−ドレイン出
    力静電容量を動的に補償する共振器回路を備え、前記共
    振器回路が、共振循環無線周波電流を流れ込ませるソー
    スと接地との間の直列インダクタ−コンデンサの組合せ
    を含む請求項17に記載の高出力無線周波増幅器。
  31. 【請求項31】 前記直流給電手段が、前記第1及び第
    2のキロワット電力トランジスタ素子の各々について、
    前記電源と各前記キロワット電力トランジスタ素子との
    間の直列インダクタを含む各インダクタ−コンデンサの
    組合せと、無線周波コンデンサと低周波数バイパス・コ
    ンデンサとの並列組合せと、を含む請求項17に記載の
    高出力無線周波増幅器。
  32. 【請求項32】 前記出力平衡不平衡変成器のインピー
    ダンスが、1つの単一3:5巻線比変成器または1組の
    2:3巻線比変成器によって、1.25:1未満のVS
    WRで、18オームから50オームに整合される請求項
    29に記載の高出力無線周波増幅器。
  33. 【請求項33】 高調波歪みを低減し散逸高調波終端を
    提供する、前記結合器手段と前記無線周波出力端子との
    間に配置された低域通過/高域通過ダイプレクサ・フィ
    ルタ装置を更に備える請求項17に記載の高出力無線周
    波増幅器。
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