JP2005101871A - 分布型増幅器 - Google Patents

Abstract

【課題】 分布型増幅器のトランジスタ段数を増やすと、高周波帯で利得の平坦性が損なわれる。
【解決手段】 ４つのトランジスタ１８による４段構成の分布型増幅器２１０において、各段のトランジスタ１８のゲート端子は、入力側のインダクタ１２に接続され、ドレイン端子は、出力側のインダクタ２４に接続される。各段のトランジスタ１８のソース端子は複数個の伝送線路３０により接続され、伝送回路が構成される。伝送回路の両端は接地端子３２、３４に接続される。高周波帯でこの伝送回路のインピーダンスが高くなり、トランジスタ１８の利得を下げる方向に作用し、分布型増幅器２１０の利得特性が平坦化する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、高周波回路技術に関し、特に広帯域で動作する分布型増幅器に関する。

マイクロ波帯からミリ波帯において１オクターブ以上の周波数帯域にわたって動作する増幅器として分布型増幅器がよく知られている（たとえば、特許文献１参照）。分布型増幅器は複数個のトランジスタを有し、各々のトランジスタの入力端子及び出力端子をそれぞれ高インビーダンス伝送線路またはインダクタンス素子で接続したものであり、トランジスタの寄生容量とこれらの誘導性素子により擬似伝送線路が構成され、広帯域に入出力整合が得られる。一般に、分布型増幅器はトランジスタ段数が多い程、広帯域に動作する。
特開平１１−８８０７９号公報

このように、入出力整合に加えて利得特性も広帯域に動作させるには、トランジスタ段数を多くすれば良いが、分布型増幅器は各トランジスタに同じ動作電流を流すので、トランジスタ段数に比例して消費電力が増大するという問題があった。更に、実際の回路において、動作帯域の高周波側で利得が増大して平坦性が損なわれるという課題もあった。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたもので、その目的は、広い帯域にわたって周波数特性の平坦性が確保される分布型増幅器の提供にある。また、別の目的は、より少ないトランジスタ段数で広帯域の動作を確保して、消費電流を低減することのできる分布型増幅器の提供にある。

本発明のある態様は分布型増幅器に関する。この分布型増幅器は、複数のトランジスタの第１の端子間を複数の誘導性要素を介して接続し、入力信号線を形成する入力側伝送回路と、前記複数のトランジスタの第２の端子間を複数の誘導性要素を介して接続し、出力信号線を形成する出力側伝送回路と、前記複数のトランジスタの第３の端子間を複数の誘導性要素を介して接続し、少なくとも１個所以上で接地した接地側伝送回路とを含む。伝送回路を構成する誘導性要素は、誘導性を有するものであれば、分布定数回路であっても、集中定数回路であってもよく、たとえば、伝送線路やインダクタンス素子である。

本発明の別の態様も分布型増幅器に関する。この分布型増幅器は、複数のトランジスタ差動対の第１入力用の端子間を複数の誘導性要素を介して接続し、第１入力信号線を形成する第１入力側伝送回路と、前記複数のトランジスタ差動対の第２入力用の端子間を複数の誘導性要素を介して接続し、第２入力信号線を形成する第２入力側伝送回路と、前記複数のトランジスタ差動対の第１出力用の端子間を複数の誘導性要素を介して接続し、第１出力信号線を形成する第１出力側伝送回路と、前記複数のトランジスタ差動対の第２出力用の端子間を複数の誘導性要素を介して接続し、第２出力信号線を形成する第２出力側伝送回路と、前記複数のトランジスタ差動対の第３の端子間を複数の誘導性要素を介して接続し、少なくとも１個所以上で接地した接地側伝送回路とを含む。

本発明の別の態様も分布型増幅器に関する。この分布型増幅器は、複数組のカスコード接続されたトランジスタの第１の端子すなわち入力用端子間を複数の誘導性要素を介して接続し、入力信号線を形成する入力側伝送回路と、前記複数組のカスコード接続されたトランジスタの第２の端子すなわち出力用端子間を複数の誘導性要素を介して接続し、出力信号線を形成する出力側伝送回路と、前記複数組のカスコード接続されたトランジスタの第３の端子間を複数の誘導性要素を介して接続し、少なくとも１個所以上で接地した接地側伝送回路とを含む。

本発明によれば、広帯域で平坦な周波数特性を有する低消費電流の分布型増幅器を提供することができる。

図１は、本発明の実施の形態の前提となる一般的な分布型増幅器２００の構成図である。ここでは、一例として、４つのトランジスタ１８を用いた４段構成の分布型増幅器２００を示す。入力端子１０には４段のインダクタ１２を誘導性要素として含む入力側伝送回路４０が接続され、終端には交流接地用のキャパシタ１４と終端抵抗１６が直列接続される。出力端子２２にも４段のインダクタ２４を誘導性要素として含む出力側伝送回路４２が接続され、終端には交流接地用のキャパシタ２６と終端抵抗２８が直列接続される。

各段のトランジスタ１８のゲート端子は、入力側伝送回路４０の対応する段のインダクタ１２に接続され、トランジスタ１８のドレイン端子は、出力側伝送回路４２の対応する段のインダクタ２４に接続される。また、各段のトランジスタ１８のソース端子は接地端子２０に接続される。

入力側伝送回路４０のインダクタ１２とトランジスタ１８とで入力側疑似線路が形成され、出力側伝送回路４２のインダクタ２４とトランジスタ１８とで出力側疑似線路が形成される。入力線路の終端抵抗１６、出力線路の終端抵抗２８の抵抗値は、それぞれ入力側擬似線路、出力側擬似線路の特性インピーダンス値に等しくされており、入力線路の終端抵抗１６、出力線路の２８は、それぞれの線路を伝搬する不要な信号を吸収する。入力線路のキャパシタ１４、出力線路のキャパシタ２６は、それぞれ入力線路の終端抵抗１６、出力線路の終端抵抗２８に直流電流が流れることを防止する。

入力端子１０から入力された電圧信号は、入力側擬似線路を伝搬し、入力信号は各トランジスタ１８で増幅される。各トランジスタ１８で増幅された信号は、インダクタ２４とトランジスタ１８で構成される出力側擬似線路を伝搬し、加算されて出力端子２２から出力される。

図２は、本発明の実施の形態１に係る分布型増幅器２１０の構成図である。本実施の形態の分布型増幅器２１０では、４つのトランジスタ１８のソース端子間を複数個の伝送線路３０により接続して接地側伝送回路４４を構成し、この接地側伝送回路４４の両端を接地端子３２、３４に接続する。それ以外の構成は、図１の分布型増幅器２００の同符号を付した構成と同じである。

一実施例として、トランジスタ１８は、ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴであり、シリコン（Ｓｉ）基板上に実装する。分布型増幅器２１０は、ゲート長０．１８μｍ、総ゲート幅１００μｍのトランジスタ４段構成とし、トランジスタ１８のゲート端子間を接続するインダクタ１２には、インダクタンス値０．６ｎＨのスパイラルインダクタ、トランジスタ１８のドレイン端子間を接続するインダクタ２４には、インダクタンス値０．５ｎＨのスパイラルインダクタを用いる。また、トランジスタ１８のソース端子間を接続する伝送線路３０として、特性インピーダンス５０Ωのマイクロストリップ線路を用いる。

接地側伝送回路４４を構成する誘導性要素の一例として、マイクロストリップ線路などの伝送線路３０を説明したが、この誘導性要素として、インダクタンス素子を用いてもよい。接地側伝送回路４４を構成する誘導性要素は、高周波帯でインピーダンスが高くなり、トランジスタ１８のソース・ゲート間電圧を下げ、利得を落とすように作用する。分布型増幅器２１０の動作周波数帯域に応じて好適な誘導性要素が選択される。たとえば、動作周波数帯域が２〜３ＧＨｚ程度である場合には、インダクタンス素子が好適であり、動作周波数帯域が８〜１０ＧＨｚ程度である場合には、インダクタンス素子では効果が強すぎるため、マイクロストリップ線路などの伝送線路３０が好適である。この場合、伝送線路の電気長は、１０ＧＨzにおいて１０°程度である。

尚、図２の構成図では、トランジスタ１８のソース端子間を接続する接地側伝送回路４４の両端が接地されており、接地個所は２個所であるが、接地の場所や数には設計の自由度がある。接地側伝送回路４４の片側だけを接地してもよく、接地側伝送回路４４の両端以外の他の場所から接地してもよい。

一般に、接地側伝送回路４４を構成する伝送線路３０のインダクタンス値が小さすぎると、ＬＳＩのパターン上で正確な実現が困難になるため、伝送線路３０のインダクタンス値をある程度大きく取る必要がある。そこで、接地側伝送回路４４に適宜接地個所を設けることで、事後的にトランジスタ１８の利得を低減する力を調節している。たとえば、接地側伝送回路４４の片側だけの接地では、利得が落ちすぎることもあり、両端で接地することが好ましい場合が多い。また、トランジスタ１８の特性や分布型増幅器２１０の動作周波数に応じて、トランジスタ段の途中から接地することもありえる。このように、本実施の形態の分布型増幅器２１０では、接地側伝送回路４４を構成する誘導性要素の接地インダクタンス値だけでなく、接地個所や接地数も組み合わせて制御することで利得の平坦化を図るため、接地インダクタンス値の設計が容易になる。

一般に、分布型増幅器の電気特性は、トランジスタ特性、及びトランジスタ寄生容量と各トランジスタの入出力端子間を接続する誘導性素子とで構成される擬似伝送線路により決定される。図１の分布型増幅器２００と比較しながら、本実施の形態の分布型増幅器２１０の電気特性を説明する。

図３（ａ）、（ｂ）は、図１の一般的な分布型増幅器２００の擬似伝送線路の等価回路を説明する図である。図３（ａ）に示す分布型増幅器２００において、入力側のインダクタ１２のインダクタンス値をＬｇ、出力側のインダクタ２４のインダクタンス値をＬｄとする。入力線路の終端抵抗１６、出力線路の終端抵抗２８の抵抗値は、入力側擬似伝送線路、出力側擬似伝送線路の特性インピーダンス値Ｚ０に等しい。

図３（ｂ）は、図３（ａ）の分布型増幅器２００の入力側疑似伝送線路の等価回路を示したものであり、入力端子１０と終端抵抗１６の間に４段のインダクタ１２とキャパシタ１５が接続された構成である。キャパシタ１５の容量Ｃｇｓは、トランジスタ１８のゲート・ソース間のトランジスタ寄生容量である。分布型増幅器２００は、インダクタンス値Ｌｇとトランジスタ寄生容量Ｃｇｓが入出力整合の条件を満たすように設計される。しかしながら、分布型増幅器２００は、トランジスタ１８の利得を考慮して設計されていないため、高周波帯で利得が増大して平坦性が損なわれる。

図４（ａ）、（ｂ）は、図２の本実施の形態の分布型増幅器２１０の疑似伝送線路の等価回路を説明する図である。ここでは全ての伝送回路を等価的にインダクタにより構成している。図４（ａ）に示すように、分布型増幅器２１０において、４つのトランジスタ１８のソース端子間には、接地インダクタンス値Ｌｓのインダクタ３１が接続され、両端が接地端子３２、３４により接地されている。

図４（ｂ）は、図４（ａ）の分布型増幅器２１０の入力側疑似伝送線路の等価回路を示したものである。入力端子１０と終端抵抗１６の間に、図３（ｂ）と同じように、４段のインダクタ１２とキャパシタ１５が接続され、更に、１段目と２段目のインダクタ１２の間と、２段目と３段目のインダクタ１２の間に、キャパシタ１５と直列にインダクタ回路３３が接続された構成である。このインダクタ回路３３は、直列接続された接地インダクタンス値Ｌｓの２つのインダクタ３１ａ、３１ｂと、接地インダクタンス値Ｌｓの１つのインダクタ３１ｃとが並列に接続されたものであり、全体として２Ｌｓ／３のインダクタンス値をもつ。

一般に分布型増幅器の周波数特性は、入出力整合回路の他に、接地インピーダンスによっても左右されるが、本実施の形態の分布型増幅器２１０では、トランジスタ寄生容量Ｃｇｓ及び入力側のインダクタンス値Ｌｇの他に、接地インダクタンス値Ｌｓが新しくパラメータとして加わり、各トランジスタ１８から見た接地インダクタンス値Ｌｓを分布的に変化させることができる。たとえば、接地インダクタンス値Ｌｓは、入力側のインダクタンス値Ｌｇ及び出力側のインダクタンスＬｄよりも小さい値に設定される。接地インダクタンス値Ｌｓを所望の電気特性を満たすように独立に調整することで、広い帯域にわたって、入出力整合を改善すると共に利得の平坦性を改善することができる。

図５において、本実施の形態の分布型増幅器２１０の周波数特性を一般的な分布型増幅器２００の周波数特性と比較して説明する。同図のグラフは、横軸に周波数、縦軸に利得もしくは入力側反射損失を示したものである。一般的な分布型増幅器２００の利得特性Ｓ２１を波線１００で示し、本実施の形態の分布型増幅器２１０の利得特性Ｓ２１を実線１１０で示す。一般的な分布型増幅器２００では、高周波帯域で利得の平坦性が損なわれるのに対し、本実施の形態の分布型増幅器２１０では、高周波帯域でも利得の平坦性が維持される。

また、一般的な分布型増幅器２００の入力側反射損失Ｓ１１を波線１２０で示し、本実施の形態の分布型増幅器２１０の入力側反射損失Ｓ１１を実線１３０で示す。一般的な分布型増幅器２００に比べて、本実施の形態の分布型増幅器２１０では、入力側反射損失が小さくなる。

以上説明したように、本実施の形態の分布型増幅器２１０によれば、動作帯域の高周波側での利得を抑制し、周波数特性の平坦化を図ると共に、トランジスタ段数を減少させ、低消費電力化を図ることができる。

図６は、実施の形態２に係る分布型増幅器２２０の構成図である。本実施の形態の分布型増幅器２２０は、図２に示した実施の形態１の分布型増幅器２１０の構成を組み合わせて、トランジスタ部を差動対としたものである。各差動対のトランジスタサイズ、動作条件等は全て同一である。第１の入力（入力１）及び第２の入力（入力２）に位相が反転した差動信号が入力され、第１の出力（出力１）及び第２の出力（出力２）から位相が反転した差動信号が出力される。図２の分布型増幅器２１０と同符号を用いて、第１の入出力側の構成には、符号ａを付加し、第２の入出力側の構成には、符号ｂを付加して区別している。

本実施の形態の分布型増幅器２２０は、差動回路であるため、シリコン基板上にミキサ等の他の回路ブロックとともに集積化する場合に好適である。

図７は、実施の形態３に係る分布型増幅器２３０の構成図である。本実施の形態の分布型増幅器２３０は、図２に示した実施の形態１の分布型増幅器２１０のトランジスタ部を高周波帯で有利なカスコード接続された２個のトランジスタに置き換えたものである。抵抗３７を介してバイアス端子３６に接続されたバイアス用トランジスタ３８がトランジスタ１８にカスコード接続されて、バイアスをかけている。尚、各トランジスタのサイズは同一である。

本実施の形態の分布型増幅器２３０では、入力側伝送回路４０を構成する伝送線路１３、及び出力側伝送回路４２を構成する伝送線路２５は、特性インビーダンス７０Ω程度以上の高インビーダンス線路が適している。尚、実施の形態１、２と同様に、トランジスタ１８のソース端子間を接続する接地側伝送回路４４を構成する伝送線路３０には、特性インピーダンス５０Ωのマイクロストリップ線路を用いる。

本実施の形態の分布型増幅器２３０は、２個のトランジスタをカスコード接続したことにより、高利得化と低消費電力化を図ることができる。

図８は、実施の形態４に係る分布型増幅器２４０の構成図である。本実施の形態の分布型増幅器２４０は、図７に示したカスコード接続のトランジスタ部をもつ分布型増幅器２３０を組み合わせて、実施の形態２のように差動構成にしたものである。各トランジスタのサイズ、動作条件等は全て同一である。本実施の形態の分布型増幅器２４０は、実施の形態２の差動回路と、実施の形態３のカスコード接続のトランジスタ部とを組み合わせた構成であり、それぞれの実施の形態の効果を合わせ持つ。

以上説明したように、各実施の形態の分布型増幅器は、少ないトランジスタ段数で利得の平坦性を実現しており、消費電流を低減することができる。また、各実施の形態の分布型増幅器は、トランジスタのソース端子間を伝送線路等でつないで接地するだけの構成であり、追加する素子が少なくて済み、レイアウトサイズを大きくすることなく、電気特性を改善することができる。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、それらの各構成要素の組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

そのような変形例として、上記の実施例では、トランジスタとして、シリコンｎチャネルＭＯＳＦＥＴを用いているが、これはバイポーラトランジスタであってもよく、ＳｉＧｅやＧａＡｓ等の化合物半導体材料を用いたバイポーラトランジスタ、電界効果トランジスタ等を用いてもよい。また、伝送回路の誘導性要素として、マイクロストリップ線路に限らず、コプレーナ線路などの伝送線路を用いてもよく、またインダクタなど誘導性素子を用いてもよい。

上記では、４段構成の分布型増幅器を説明したが、トランジスタ段数は任意である。また、トランジスタのソース端子間を接続する伝送回路の接地個所は、両端に限らず、特性に応じて、任意の位置から必要な個数だけ接地個所を設けてよい。

一般的な分布型増幅器の構成図である。 実施の形態１に係る分布型増幅器の構成図である。 一般的な分布型増幅器の擬似伝送線路の等価回路を説明する図である。 実施の形態１の分布型増幅器の疑似伝送線路の等価回路を説明する図である。 実施の形態１の分布型増幅器の周波数特性を一般的な分布型増幅器の周波数特性と比較して説明する図である。 実施の形態２に係る分布型増幅器の構成図である。 実施の形態３に係る分布型増幅器の構成図である。 実施の形態４に係る分布型増幅器の構成図である。

符号の説明

１０ 入力端子、 １２ インダクタ、 １４ キャパシタ、 １６ 終端抵抗、 １８ トランジスタ、 ２０ 接地端子、 ２２ 出力端子、 ２４ インダクタ、 ２６ キャパシタ、 ２８ 終端抵抗、 ３０ 伝送線路、 ３２、３４ 接地端子、 ４０ 入力側伝送回路、 ４２ 出力側伝送回路、 ４４ 接地側伝送回路、 ２００、２１０、２２０、２３０、２４０ 分布型増幅器。

Claims (8)

1. 複数のトランジスタの第１の端子間を複数の誘導性要素を介して接続し、入力信号線を形成する入力側伝送回路と、
   前記複数のトランジスタの第２の端子間を複数の誘導性要素を介して接続し、出力信号線を形成する出力側伝送回路と、
   前記複数のトランジスタの第３の端子間を複数の誘導性要素を介して接続し、少なくとも１個所以上で接地した接地側伝送回路とを含むことを特徴とする分布型増幅器。
2. 前記第３の端子間を接続する誘導性要素は、伝送線路であることを特徴とする請求項１に記載の分布型増幅器。
3. 前記第１及び第２の端子間を接続する誘導性要素は、伝送線路であることを特徴とする請求項２に記載の分布型増幅器。
4. 前記第１、第２及び第３の端子間を接続する誘導性要素は、インダクタンス素子であることを特徴とする請求項１に記載の分布型増幅器。
5. 前記接地側伝送回路は両端で接地されることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の分布型増幅器。
6. 複数のトランジスタ差動対の第１入力用の端子間を複数の誘導性要素を介して接続し、第１入力信号線を形成する第１入力側伝送回路と、
   前記複数のトランジスタ差動対の第２入力用の端子間を複数の誘導性要素を介して接続し、第２入力信号線を形成する第２入力側伝送回路と、
   前記複数のトランジスタ差動対の第１出力用の端子間を複数の誘導性要素を介して接続し、第１出力信号線を形成する第１出力側伝送回路と、
   前記複数のトランジスタ差動対の第２出力用の端子間を複数の誘導性要素を介して接続し、第２出力信号線を形成する第２出力側伝送回路と、
   前記複数のトランジスタ差動対の第３の端子間を複数の誘導性要素を介して接続し、少なくとも１個所以上で接地した接地側伝送回路とを含むことを特徴とする分布型増幅器。
7. 前記複数のトランジスタ差動対は、複数組のカスコード接続されたトランジスタの対であることを特徴とする請求項６に記載の分布型増幅器。
8. 複数組のカスコード接続されたトランジスタの第１の端子間を複数の誘導性要素を介して接続し、入力信号線を形成する入力側伝送回路と、
   前記複数組のカスコード接続されたトランジスタの第２の端子間を複数の誘導性要素を介して接続し、出力信号線を形成する出力側伝送回路と、
   前記複数組のカスコード接続されたトランジスタの第３の端子間を複数の誘導性要素を介して接続し、少なくとも１個所以上で接地した接地側伝送回路とを含むことを特徴とする分布型増幅器。

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