JP2008244595A - 電力増幅器および送受信システム - Google Patents

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Abstract

【課題】熱劣化によるループ電流発生に起因する線形性の劣化を抑制することを可能にする。
【解決手段】入力端子1と、それぞれの一端が入力端子に共通接続される第1および第2のスイッチ3,4と、半導体基板上に形成され第1のスイッチまたは第2のスイッチの他端に接続されたゲートを有するマルチフィンガー型の第1のFET5および第2のFET6と、第1および第2のFETのそれぞれのドレインが共通接続される出力端子2と、第1、第2のFETのチャネルの温度および半導体基板の温度を検出する第1、第2、第3の温度検出器9、10、12と、第1、第3の温度検出器の出力差および第2、第3の温度検出器の出力差を熱起電力によって検出する第1および第2の検出回路13、14と、第1および第2の検出回路の出力を比較して、第1および第2のスイッチのうちの一方をONにし、他方をOFFにする比較器15と、を備えている。
【選択図】図1

Description

本発明は、マルチフィンガー型FETを有する電力増幅器に関する。
一般に、電力増幅器を構成するFETとして、電流合成が容易であるマルチフィンガー型のFETが広く用いられている。このマルチフィンガー型のFETは、正常動作した場合には、ゲート電圧Vを一定にすると、ドレイン電流Idがドレイン電圧Vddに比例する線形領域と、ドレイン電流Idが飽和してほぼ一定となる飽和領域とが現れる静特性を有している。しかし、FETが発熱した場合には、静特性の飽和領域となるべき領域で負性抵抗成分が現れ、出力電流が大きく減少する。このため、正常動作した場合のパワー特性に比べて、劣化したパワー特性を示すことになる。
また、このようなマルチフィンガー型のFETを複数個用いた電力増幅器においてFETがそれぞれ発熱している場合には、パワー合成する際に、負性抵抗成分に起因した性能劣化により、FET間に電流の位相差が現れ、ループ電流が生じる可能性が高くなる。そして、ループ電流が生じ始めると、パワー特性において、キンク現象が起こり、入力電力に対する出力電力の線形性が著しく劣化する。
この線形性の劣化を防止する手段として、FETのチャネルの温度の上昇を緩和するために、マルチフィンガー型FETのゲートのピッチを大きくして冗長な領域を設けることにより、基板を介して放熱することを行っている。しかし、この場合は、電力増幅器の面積が増大するという問題がある。
また、並列に接続された複数のパワーFETに対して温度センサをそれぞれ設け、これらの温度センサの出力差をオペアンプで検出し、この差出力を上記複数のFETの一つのゲート側に負帰還させることにより、パワーFET間の温度バランスを補償する技術が知られている(例えば、特許文献1参照)。
特開2003−152513号公報
しかし、特許文献1に記載の技術においては、温度センサがモジュール化した筐体の上に設けられているため、FETのチャネルの温度変化の検出には遅延時間が生じ、制御不能になる可能性がある。また、FETの温度変化はオペアンプを用いて増幅されているため、このオペアンプを設けるための領域と、駆動するための新たな電力とが必要となる。
このため、特許文献1に記載の技術をマルチフィンガー型のFETを備えた電力増幅器に用いることは不適切なものとなる。
本発明は、上記事情を考慮してなされたものであって、熱劣化によるループ電流発生に起因する線形性の劣化を抑制することのできる電力増幅器および送受信システムを提供することを目的とする。
本発明の第1の態様による電力増幅器は、入力端子と、それぞれの一端が前記入力端子に共通接続される第1および第2のスイッチと、半導体基板上に形成され前記第1のスイッチの他端に接続されたゲートを有するマルチフィンガー型の第1のFETと、前記半導体基板上に形成され前記第2のスイッチの他端に接続されたゲートを有するマルチフィンガー型の第2のFETと、前記第1および第2のFETのそれぞれのドレインが共通接続される出力端子と、前記第1のFETのチャネルの温度を検出する第1の温度検出器と、前記第2のFETのチャネルの温度を検出する第2の温度検出器と、前記半導体基板の温度を検出する第3の温度検出器と、前記第1の温度検出器の出力と前記第3の温度検出器の出力との差を熱起電力によって検出する第1の検出回路と、前記第2の温度検出器の出力と前記第3の温度検出器の出力との差を熱起電力によって検出する第2の検出回路と、前記第1および第2の検出回路の出力を比較して、前記第1および第2のスイッチのうちの一方をONにし、他方をOFFにする比較器と、を備えたことを特徴とする。
また、本発明の第2の態様による送受信システムは、受信回路と、電力増幅器を有する送信回路とを備え、前記電力増幅器は上記記載の電力増幅器であることを特徴とする。
本発明によれば、熱劣化によるループ電流発生に起因する線形性の劣化を抑制することができる。
本発明の実施形態を以下、図面を参照して詳細に説明する。
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態による電力増幅器を図1に示す。本実施形態の電力増幅器は、シリコン基板(図示せず)上に形成され、入力端子1と、出力端子2と、スイッチ3,4と、FET5,6と、チョークインダクタンス7,8と、温度検出器9,10と、基準温度検出器12と、検出回路13,14と、電位比較器15とを備えており、2個のFET5,6をパワー合成した構成となっている。スイッチ3は入力端子1とFET5のゲートとの接続をON、OFFし、スイッチ4は入力端子1とFET6のゲートとの接続をON、OFFする。スイッチ3,4のON、OFFの制御は電位比較器15によって行われる。
FET5は、ドレインがチョークインダクタンス7を介して駆動電圧に接続されるとともに出力端子2に接続され、ソースが接地される。また、FET6は、ドレインがチョークインダクタンス8を介して駆動電圧に接続されるとともに出力端子2に接続され、ソースが接地される。そして、FET5,6は、くし型マルチフィンガータイプで構成される。
温度検出器9,10はFET5,6のチャネルの温度をそれぞれ検出する。基準温度検出器12はシリコン基板の温度を検出する。検出回路13は、温度検出器9によって検出されたFET5のチャネル温度と、基準温度検出器12によって検出されたシリコン基板の温度との差をこの差に応じた熱起電力(Seebeck起電力)に変換し、変換された値が基準値(例えば、温度差で120℃)より低い場合は「0」を出力し、基準値以上の場合は「1」を出力する。検出回路14は、温度検出器10によって検出されたFET6のチャネル温度と、基準温度検出器12によって検出されたシリコン基板の温度との差をこの差に応じた熱起電力(Seebeck起電力)に変換し、変換された値が基準値(例えば、温度差で120℃)より低い場合は「0」を出力し、基準値以上の場合は「1」を出力する。
電位比較器15は、検出回路13と検出回路14との出力を比較し、FET5,6のうちのどちらのFETのチャネル温度が上記基準値よりも低いかを判定し、低い方のFETのゲートを入力端子1に接続するように、スイッチ3,4のON、OFFを制御する。
くし型マルチフィンガー型FET5の一具体例の平面図を図2に示し、図2の切断線A−Aで切断したときの断面を図3に示す。このFET5は、6個のFET5〜5を備えている。これらのFET5〜5は図3に示すように、シリコン基板100のディープNウェル領域110上に設けられたPウェル領域120に形成される。FET5の右隣にはFET5がFET5とソース領域Sを共有するように設けられ、FET5の右隣にはFET5がFET5とドレイン領域Dを共有するように設けられている。また、FET5の右隣にはFET5がFET5とソース領域Sを共有するように設けられ、FET5の右隣にはFET5がFET5とドレイン領域Dを共有するように設けられている。FET5の左隣にはドレイン領域Dを共有するように、基準温度検出器12となるダミートランジスタが設けられている。また、FET5とFET5との間には、温度検出器9となるダミートランジスタが設けられている。このダミートランジスタ9は、FET5とソース領域Sを共有し、FET5とドレイン領域Dを共有している。FET5〜5のそれぞれのゲート5a〜5aは、図2に示すように、共通に接続されて、スイッチ3を介して入力端子1に接続される。また、FET5〜5のそれぞれのドレイン領域Dは共通に接続されて出力端子2に接続される。FET5〜5のそれぞれのソース領域Sおよびダミートランジスタ12のソース領域Sは共通に接続されて接地される。また、図3に示すように、ダミートランジスタ12のソース領域Sの左隣には素子分離領域122を介してPウェルコンタクト125が設けられている。そしてこのPウェルコンタクト125の左隣には素子分離領域122を介してNウェルコンタクト115が設けられている。また、FET56のソース領域Sの右隣には素子分離領域122を介してPウェルコンタクト125が設けられている。Nウェル110およびPウェル120はそれぞれのコンタクト115および125を介して接地電源に接続される。
温度検出器9となるダミートランジスタは、電力増幅器のRF動作時におけるチャネル部分の発熱温度を、このダミートランジスタ9のゲートの温度として検出し、基準温度検出器12となるダミートランジスタは、シリコン基板の温度をこのダミートランジスタ12のゲートの温度として検出する。ダミートランジスタ9のゲート9aおよびダミートランジスタ12のゲート12aはそれぞれ配線20および22を介して検出回路13に接続され、これらの配線20、22の温度差に応じたSeebeck起電力が検出回路13から出力される。Seebeck係数は、通常シリコン系で0.1mV/℃〜1mV/℃であるので、FETのチャネルの限界温度が150℃で、シリコン基板の温度(=室温)が27℃とした場合、約12.3mV〜123mV(=(150−27)×0.1〜1)の電位を生じる。この電位差を検出回路13,14で検出し、この電位差が基準値(例えば、温度差で120℃)以上の場合には「1」を出力し、基準値よりも低い場合は「0」を出力する。
電位比較器15の一具体例を図4に示す。この具体例の電位比較器15は、NANDゲート15aと、インバータ15b,15cと、NANDゲート15d,15e,15fと、排他的論理和ゲート15gと、インバータ15h,15iとを備えている。NANDゲート15aは、検出回路13の出力と、検出回路14の出力とに基づいてNAND演算を行い、演算結果を排他的論理和ゲート15gに送付する。排他的論理和ゲート15gは、NANDゲート15aの出力と、NANDゲート15dの出力とに基づいて、排他的論理和演算を行う。また、インバータ15b、15cは、検出回路13、14の出力をそれぞれ反転する。NANDゲート15dは、インバータ15b、15cの出力に基づいてNAND演算を行い、演算結果を排他的論理和ゲート15gに送付する。NANDゲート15eは、検出回路13の出力と、インバータ15cの出力とに基づいてNAND演算を行い、演算結果をインバータ15hに送付する。NANDゲート15fは、検出回路14の出力と、インバータ15bの出力とに基づいてNAND演算を行い、演算結果をインバータ15iに送付する。
このように構成された電位比較器15においては、検出回路13の出力と検出回路14の出力が共に「0」または「1」の場合には、排他的論路和ゲート15gの出力のみが「1」となり、インバータ15h、15iの出力は「0」となる。この場合は、電位比較器15はFET5,6のチャネル温度が同一と判定し、スイッチ3、4のON、OFFの切換は行わない。一方、検出回路13の出力が「1」で検出回路14の出力が「0」の場合には、インバータ15hの出力のみが「1」となり、排他的論路和ゲート15gおよびインバータ15iの出力は共に「0」となる。この場合は、電位比較器15はFET5のチャネル温度が基準値を超えていると見なし、スイッチ3をOFFにするとともにスイッチ4をONするように制御する。また、検出回路13の出力が「0」で検出回路14の出力が「1」の場合には、インバータ15iの出力のみが「1」となり、排他的論路和ゲート15gおよびインバータ15hの出力は共に「0」となる。この場合は、電位比較器15はFET6のチャネル温度が基準値を超えていると見なし、スイッチ4をOFFにするとともにスイッチ3をONするように制御する。
このON、OFFの制御の判定は、図5に示すように、TDMA(Time Division Multiple Access)方式のタイムデビジョン毎に行われる。例えば、図5に示すように、各タイムスロットルの開示直前の外部(例えば、ベースバンド)からの制御信号に基づいて、電位比較器15が比較し、この比較結果に基づいてスイッチ3,4のON、OFFの制御を行う。タイムスロットル1の開始直前に、FET5が動作し、FET6が停止するようにスイッチ3をONにするとともにスイッチ4をOFFにする。次のタイムスロットル2の開始する直前ではFET5のチャネルの温度とシリコン基板との温度差が基準値を超えているので、FET5の動作を停止させかつFET6が動作するようにスイッチ3をOFFにし、スイッチ4をONにする。そして、次のタイムスロットル3の開始する直前では、FET6のチャネル温度とシリコン基板との温度差が基準値よりも低いために、FET6が動作し、FET5が停止するようにスイッチ4をONにし、スイッチ3をOFFにする。なお、このとき、FET5のチャネル温度とシリコン基板との温度差が基準値よりも低くてもスイッチ4をONにし、スイッチ3をOFFにする。次のタイムスロットル4の開始する直前では、FET6のチャネル温度とシリコン基板との温度差が基準値よりも低いために、FET6が動作し、FET5が停止するようにスイッチ4をONにし、スイッチ3をOFFにする。次のタイムスロットル5の開始する直前では、FET6のチャネルの温度とシリコン基板との温度差が基準値を超えているので、FET6の動作を停止させかつFET5が動作するようにスイッチ4をOFFにし、スイッチ3をONにする。
(比較例)
次に、本実施形態の比較例による電力増幅器を図6に示す。この比較例の電力増幅器200は、2個のマルチフィンガー型のFET205、206を備えている。これらのFET205,206のゲートは伝送線路を介して入力端子201に接続され、ドレインは伝送線路を介して出力端子202に接続される。本実施形態と異なり、FET205、206にはチャネル温度を検出する検出器は設けられていない。すなわち、この比較例は、通常、各FET内での熱劣化や熱暴走を抑制できても、2つのFET205,206の熱による特性変化差をフィードバックする手段が設けられていないため、2つのFET205、206の特性差、例えば位相差より生じたループ電流が発生する。このため、この比較例のFETの静特性は図7の破線に示すようになり、飽和領域となるべき領域で負性抵抗が現れ、実線で示す本実施形態によるFETの静特性に比べて劣化している。また、上記ループ電流の発生により、比較例の電力増幅器の出力特性、ゲイン特性、および効率は、図8に示す破線に示すようになり、図8の実線に示す本実施形態の電力増幅器の出力特性、ゲイン特性、および効率に比べて劣化している。すなわち、本実施形態は比較例に比べてループ電流が発生しにくく、線形性が改善されている。
以上説明したように、本実施形態によれば、熱劣化によるループ電流発生に起因する線形性の劣化を抑制することができる。
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態による送受信システムを図9に示す。本実施形態の送受信システム300は、アンテナ301と、アンテナスイッチ302と、ローノイズアンプ303と、フィルタ304と、ミキサー305と、発振回路306と、フィルタ307と、復調回路308と、ベースバンド回路309と、変調回路310と、ミキサー311と、スイッチ回路312と、フィルタ313,314と、FET5,6と、検出回路13,14と、電位比較器15とを備えている。FET5,6、検出回路13,14、電位比較器15は、第1実施形態で説明したFET5,6、検出回路13,14、電位比較器15と同じ構成を有している。また、スイッチ回路312は、第1実施形態のスイッチ3,4を合成した構成となっている。
アンテナ301によって受信された信号は、アンテナスイッチ302を介して受信側のローノイズアンプ303に送られて増幅される。この増幅された信号はフィルタ304に送られ、ミキサー305で周波数変換を行う際にIF周波数帯域に雑音信号が入らないように、不要な周波数が除去される。フィルタ304を通過した信号は発振回路306から発振された信号とミキサー305において周波数変換され、その後、フィルタ307に送られる。そして、フィルタ307によって所望のIF信号が取り出される。このIF信号は復調回路308において復調され、その後、ベースバンド回路309に送られる。
一方、送信する場合は、ベースバンド回路309からタイムスロットルの同期信号が出力されるとともに、送信信号が変調回路310に送られる。送信信号は変調回路310において変調され、変調された信号はミキサー311において周波数変換される。タイムスロットルの同期信号に基づいて電位比較器15が動作し、検出回路13および14の出力を比較し、この比較結果に基づいて、スイッチ回路312の接続を制御する。ミキサー311において周波数変換された信号は、スイッチ回路312を介してフィルタ313または314に送られる。フィルタ313またはフィルタ314では所望のRF帯域の信号のみを取り出し、この信号をFET5またはFET6に送られる。そしてFET5またはFET6で増幅され、アンテナスイッチ302、アンテナ301を介して送信される。すなわち、ローノイズアンプ303と、フィルタ304と、ミキサー305と、フィルタ307と、復調回路308とが受信回路を構成し、変調回路310と、ミキサー311と、スイッチ回路312と、フィルタ313,314と、FET5,6と、検出回路13,14と、電位比較器15とが送信回路を構成している。
本実施形態においては、送信側の電力増幅器に第1実施形態の電力増幅器が用いられているため、熱劣化によるループ電流発生に起因する線形性の劣化を抑制することができる。
第1実施形態による電力増幅器を示す回路図。 第1実施形態の電力増幅器の平面図。 第1実施形態の電力増幅器の断面図。 第1実施形態による電力増幅器の電位比較器の一具体例を示す回路図。 電位比較器の動作を説明するタイミングチャート。 第1実施形態の比較例による電力増幅器を示す回路図。 第1実施形態と比較例に係るFETの静特性を示す図。 第1実施形態と比較例の出力特性、ゲイン特性、効率特性を示す図。 第2実施形態による送受信システムを示す回路図。
符号の説明
1 入力端子
2 出力端子
3 スイッチ
4 スイッチ
5 FET
6 FET
7、8 チョークインダクタンス
9 FET5のチャネル温度検出器
10 FET6のチャネル温度検出器
12 基板の温度検出器
13 検出回路
14 検出回路
15 電位比較器

Claims (8)

  1. 入力端子と、それぞれの一端が前記入力端子に共通接続される第1および第2のスイッチと、半導体基板上に形成され前記第1のスイッチの他端に接続されたゲートを有するマルチフィンガー型の第1のFETと、前記半導体基板上に形成され前記第2のスイッチの他端に接続されたゲートを有するマルチフィンガー型の第2のFETと、前記第1および第2のFETのそれぞれのドレインが共通接続される出力端子と、前記第1のFETのチャネルの温度を検出する第1の温度検出器と、前記第2のFETのチャネルの温度を検出する第2の温度検出器と、前記半導体基板の温度を検出する第3の温度検出器と、前記第1の温度検出器の出力と前記第3の温度検出器の出力との差を熱起電力によって検出する第1の検出回路と、前記第2の温度検出器の出力と前記第3の温度検出器の出力との差を熱起電力によって検出する第2の検出回路と、前記第1および第2の検出回路の出力を比較して、前記第1および第2のスイッチのうちの一方をONにし、他方をOFFにする比較器と、を備えたことを特徴とする電力増幅器。
  2. 前記第1のFETは、複数のMOSトランジスタからなり隣接するMOSトランジスタのソース領域またはドレイン領域が共有される第1のMOSトランジスタ群と、複数のMOSトランジスタからなり隣接するMOSトランジスタのソース領域またはドレイン領域が共有される第2のMOSトランジスタ群と、を備え、前記第1のMOSトランジスタ群の複数のMOSトランジスタのゲートと前記第2のMOSトランジスタ群の複数のMOSトランジスタのゲートとが共通に接続され、前記第1のMOSトランジスタ群の複数のMOSトランジスタのドレインと前記第2のMOSトランジスタ群の複数のMOSトランジスタのドレインとが共通に接続され、
    前記第2のFETは、複数のMOSトランジスタからなり隣接するMOSトランジスタのソース領域またはドレイン領域が共有される第3のMOSトランジスタ群と、複数のMOSトランジスタからなり隣接するMOSトランジスタのソース領域またはドレイン領域が共有される第4のMOSトランジスタ群と、を備え、前記第3のMOSトランジスタ群の複数のMOSトランジスタのゲートと前記第4のMOSトランジスタ群の複数のMOSトランジスタのゲートとが共通に接続され、前記第3のMOSトランジスタ群の複数のMOSトランジスタのドレインと前記第4のMOSトランジスタ群の複数のMOSトランジスタのドレインとが共通に接続され、
    前記第1の温度検出器は、前記第1のMOSトランジスタ群と前記第2のMOSトランジスタ群との間に設けられた第1のダミートランジスタであり、
    前記第2の温度検出器は、前記第3のMOSトランジスタ群と前記第4のMOSトランジスタ群との間に設けられた第2のダミートランジスタであり、
    前記第3の温度検出器は、前記第1のMOSトランジスタ群のMOSトランジスタのうち前記第2のMOSトランジスタ群と反対側のMOSトランジスタに隣接するように設けられるか、または前記第3のMOSトランジスタ群のMOSトランジスタのうち前記第4のMOSトランジスタ群と反対側のMOSトランジスタに隣接するように設けられた第3のダミートランジスタであることを特徴とする請求項1記載の電力増幅器。
  3. 前記第1のダミートランジスタは、前記第1のMOSトランジスタ群の隣接するMOSトランジスタおよび前記第2のMOSトランジスタ群の隣接するMOSトランジスタとソース領域およびドレイン領域を共有し、前記第2のダミートランジスタは、前記第3のMOSトランジスタ群の隣接するMOSトランジスタおよび前記第4のMOSトランジスタ群の隣接するMOSトランジスタとソース領域およびドレイン領域を共有することを特徴とする請求項2記載の電力増幅器。
  4. 前記第1乃至第4のMOSトランジスタ群のMOSトランジスタはnチャネルMOSトランジスタであることを特徴とする請求項2または3記載の電力増幅器。
  5. 前記第1および第2の検出回路はそれぞれ、検出値が基準値より小さい場合にはデータ「0」および「1」のいちの一方を出力し、前記検出値が前記基準値以上の場合にはデータ「0」および「1」の他方を出力することを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の電力増幅器。
  6. 前記比較器は、TDMA方式のタイムデビジョン毎に、前記第1および第2の検出回路の出力を比較して、前記第1および第2のスイッチのうちの一方をONにし、他方をOFFにすることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の電力増幅器。
  7. 前記比較器は、前記第1の検出回路の出力が前記第2の検出回路の出力よりも高い場合には前記第2のスイッチをONにするとともに前記第1のスイッチをOFFにし、前記第1の検出回路の出力が前記第2の検出回路の出力よりも低い場合には前記第1のスイッチをONにするとともに前記第2のスイッチをOFFにし、前記第1の検出回路の出力と前記第2の検出回路の出力が同じ場合には前記第1および第2のスイッチのON、OFFを切り換えないことを特徴とする請求項6記載の電力増幅器。
  8. 受信回路と、電力増幅器を有する送信回路とを備え、前記電力増幅器は請求項1乃至7のいずれかに記載の電力増幅器であることを特徴とする送受信システム。
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