JP2008263432A - 分布型電力増幅器 - Google Patents

Abstract

【課題】分布型環状増幅器の出力波形歪を低減する。
【解決手段】環状に配置されるプッシュプル増幅段（ＰＡＳ０−ＰＡＳ３）において、一次側スラブ型トランスとして確保された領域（１ａ，１ｂ）と交差しないように二次側トランスから出力を取出す。
【選択図】図２

Description

この発明は、入力信号を複数の差動増幅器により増幅し、複数のスラブ型トランスをこれらの差動増幅器の出力に直列に接続して電力合成を行なう分布型電力増幅器に関する。

分布型電力増幅器は、ドレイン耐圧の低いＣＭＯＳトランジスタ（相補絶縁ゲート型電界効果トランジスタ）を用いて高出力増幅器を実現する手法として注目されつつある。分布型電力増幅器においては、複数段の差動増幅器の出力がスラブ型トランスを用いて電力合成される。各スラブ型トランスの１次側から見た２次側のインピーダンスは、接続された差動増幅器の段数に反比例し、低インピーダンスとなる。そのため、差動増幅器を構成するＣＭＯＳトランジスタ（相補ＭＯＳ（絶縁ゲート型電界効果）トランジスタ）のドレイン耐圧により出力電圧の振幅が制限されても、多段に構成されたスラブ型トランスを用いてインピーダンス変換を行なうことにより、２次側で大きな電力を得ることができる。

この分布型電力増幅器においては、複数の差動増幅器の出力が、合成される。したがって低歪みの出力信号を得るためには、これらの複数の差動増幅器または隣り合う差動増幅器を平衡に動作させることが必要不可欠である。

このような分布型電力増幅器の構成の一例が、たとえば特許文献１（特表２００５−５０３６７９号公報）に示されている。この特許文献１に示される構成においては、各々が差動増幅器で構成される複数のプッシュプル増幅器が、リング状に配置される。プッシュプル増幅器の各々は、差動的に入力信号を増幅する１対のトランジスタで構成される。このトランジスタ対、すなわち差動増幅器の出力が金属スラブを介して接続される。金属スラブは、たとえば中心点で電源電圧Ｖｄｂのバイアス電圧を受け、仮想ＡＣ接地を形成する。この金属スラブは、線幅が広く、高いＱ値を有し、インダクタとして機能する。

具体的に、差動増幅器は、正方形の各辺に対応して配置される。この正方形の各部において隣接する増幅器を構成するトランジスタのソースが共通に接地線に結合される。隣接するプッシュプル増幅器の隣接する差動増幅器（トランジスタ）は逆相で駆動される。

この配置においては、正方形の各角部において、仮想ＡＣ接地が実現され、基本波および奇数高調波のＡＣ信号の伝搬を抑制する。これらの差動増幅器の出力側に、二次側トランスを構成する金属配線が環状に配置される。この二次側トランスにおいて、一次側トランスと二次側トランスとを電磁的に結合して、二次側トランスにおいて、各差動増幅器の出力を合成して、最終の出力電力を得る。すなわち、金属スラブにより一次側トランスを構成し、これに隣接して、二次側トランスを配置することにより、金属スラブを介して流れる電流が誘起する磁界により、二次側トランスに電流を生じさせて、大振幅の出力信号を取出す。

この特許文献１は、正方形形状に増幅器を配置する構成に代えて、リング状に、プッシュプル増幅器を数多く配置して、電力増幅器を構成してもよいことも示している。
特表２００５−５０３６７９号公報

この特許文献１に示される構成においては、このプッシュプル増幅器を、正方形の各辺に対応して配置するという配置の対称性により、偶数高調波が二次側トランスに伝搬するのを防止する。また、各金属スラブを、正方形の角部において容量により相互接続することにより、基本周波数を除くほとんどの奇数高調波を短絡させて、奇数高調波の出力成分を減衰させることを図る。

この特許文献１においては、二次側トランス（二次巻線）として、その線幅が変化する金属線または幅の広い金属線で構成することが示される。二次側トランス（二次巻線）の線幅を変化させることにより、以下の効果を実現することを図る。すなわち、基板に対するＡＣ電圧信号が低い広い線幅部分においてその金属抵抗を低くして、抵抗損失を低減する。一方基板に対するＡＣ電圧が高い狭い線幅部分においては、基板との間の容量結合を小さくして、その容量結合による損失を低減する。これにより、金属抵抗損失および容量結合損失両者を低減することを図る。

しかしながら、この特許文献１に示される構成においては、二次側トランスから主Ｔ力信号を取出す場合、一次側トランスを構成する金属スラブを跨いで二次側トランスが出力ノードに接続される。この場合、二次側トランスにおいて、出力端子および接地端子に接続するために、その部分が切断され分離される。このため、出力を取出す部分の二次側トランスの長さが、他の領域の二次側トランスの長さよりも短くなる。従って、スラブ型トランスの特性が、二次側の出力を取出す位置に応じて異なる。すなわち、各差動増幅器に対応して配置されるスラブ型トランスの特性において、出力端子に接続されるスラブ型トランスの特性と、他の領域のスラブ型トランスの特性とが異なる。

特に、分布型増幅器においては、合成する複数の増幅器の特性がほぼ一致していることが、出力波形歪みの抑制にとっては重要である。しかしながら、このように、出力端子（二次側端子）の存在により、一部のスラブ型トランスの性能が異なる状態が生じた場合、合成された出力波形に影響が及び、低歪みの出力を得ることが困難となる。

特許文献１は、入力信号の分配については、同数の平衡入力信号を、各プッシュプル増幅器を構成するトランジスタ対のゲートに与えることにより、増幅器全体の利得を高くする構成は考慮されている。しかしながら、この二次側端子に出力信号を取出す場合の、二次側トランスの取出配線に起因する、スラブ型トランスの性能の非平衡の問題については、何ら考慮していない。

それゆえ、この発明の目的は、複数のスラブ型トランスが均一に動作し、低歪みの波形出力を得ることのできる分布型電力増幅器を提供することである。

この発明に係る分布型電力増幅器は、複数の差動増幅器と、各差動増幅器に対して設けられる複数のスラブ型トランスを備える。各差動増幅器は、与えられた信号を相補的に増幅する。スラブ型トランスは、二次側取出し配線の配置が、各スラブ型トランスの性能に影響を及ぼさないように配置される。

好ましくは、１つの差動増幅器に対し、複数のスラブ型トランスを設ける。これらのスラブ型トランスを直列に接続する。出力取出し配線は、各スラブ型トランス領域と交差しないように配置する。

１つの差動増幅器に対し、複数のスラブ型トランスを設け、これらのスラブ型トランスを直列に接続する。これにより、各スラブ型トランスに対して、同一性能のトランスとして動作する構造を確実に確保しつつ、二次側トランスを、出力端子に出力取出配線を介して結合することができる。従って、複数のスラブ型トランスは、出力端子の位置に拘わらず、すべて同一の特性を持たせることができ、一次側で増幅された信号が、二次側トランスで均等に電力合成される。また、二次側の出力取出配線の配置が、スラブ型トランスの特性に影響を及ぼさないため、低歪みの出力波形を取出すことが可能となる。

［実施の形態１］
図１は、この発明に従う分布型電力増幅器を構成する１段のプッシュプル増幅段（差動増幅段）ＰＡＳの電気的等価回路を示す図である。図１において、このプッシュプル増幅段ＰＡＳは、１対の一次側スラブ型トランス１ａおよび１ｂと、これらの一次側スラブ型トランス１ａおよび１ｂを相互接続する配線５を含む。配線５は、好ましくはその中央部においてバイアス電圧供給点４を介してバイアス電圧Ｖｄを受ける。このバイアス電圧Ｖｄは、たとえば電源電圧である。

プッシュプル増幅段ＰＡＳは、さらに、一次スラブ型トランス１ａおよび１ｂに対向して配置される二次側トランス２ａおよび２ｂと、一次側スラブ型トランス１ａおよび１ｂそれぞれと接地ノードの間に接続される増幅素子３ａおよび３ｂを含む。図１においては、この増幅素子３ａおよび３ｂが、ＭＯＳトランジスタ（絶縁ゲート型電界効果トランジスタ）で構成される場合を一例として示す。しかしながら、この増幅素子３ａおよび３ｂは、ＭＯＳトランジスタに限定されず、他のＦＥＴ（電界効果型トランジスタ）で構成されてもよい。これらの増幅素子３ａおよび３ｂは、制御電極（コントロールゲート）に、相補な入力信号Ｖｇ＋およびＶｇ−を受ける。

また、これらの増幅素子３ａおよび３ｂは、各々、差動増幅器で構成されても良い。入力信号を増幅する増幅器が一対１つのプッシュプル増幅段において配置されていれば良い。以下においては、この増幅素子３ａおよび３ｂが各々１個のトランジスタで構成される場合について説明する。

この図１に示すプッシュプル増幅段ＰＡＳにおいては、バイアス電圧供給点４を介して、バイアス電圧Ｖｄとして供給される。このバイアス電圧供給点４が、配線５のほぼ中央部に配置されており、仮想ＡＣ接地が実現される。増幅素子３ａおよび３ｂへ与えられる相補入力信号Ｖｇ＋およびＶｇ−は、基準電圧（入力バイアス電圧）を基準として、振幅が等しく逆位相である高周波信号である。

動作時、一次側スラブ型トランスを構成する金属スラブが、トランジスタのドレイン同調インダクタンスとしても機能し、トランジスタの寄生容量との共振により高調波成分を制御する。増幅素子３ａおよび３ｂは、それぞれゲートに与えられた入力信号Ｖｇ＋およびＶｇ−を増幅してドレインに出力する。この増幅動作は、ソース接地増幅動作であり、プッシュプル増幅段ＰＡＳは、ソース接地差動増幅動作を行なう。この増幅信号が、それぞれ、一次側トランス１ａおよび１ｂと２次側トランス２ａおよび２ｂとの電磁結合により、伝達されて二次側において電力合成される。

この図１に示すプッシュプル増幅段ＰＡＳをリング状に配置して、トランスを直列に相互接続することにより、分布型電力増幅器が実現される。

図２は、この発明の実施の形態１に従う分布型電力増幅器の平面レイアウトを概略的に示す図である。図２において、分布型電力増幅器は、４つの縦列接続されるプッシュプル増幅段ＰＡＳ０−ＰＡＳ３を含む。これらのプッシュプル増幅段ＰＡＳ０−ＰＡＳ３は、図１に示すプッシュプル増幅段ＰＡＳと同一の構成を有し、対応する部分には同一参照番号を付す。また、図２においては、図面の繁雑化を避けるために、プッシュプル増幅段ＰＡＳ０の構成要素に対して参照符号を付す。

一次側スラブ型トランス１ａおよび１ｂは、幅の広い金属スラブにより形成される。これらの一次側トランスを形成する金属スラブ１ａおよび１ｂは、金属スラブよりも線幅の狭い配線５により相互接続される。金属スラブ１ａおよび１ｂは、同一形状（同一線幅および同一長さ）である。配線５が、配線５のほぼ中央部に配置されるバイアス電圧供給点４を介してバイアス電源配線に接続され、バイアス電圧Ｖｄを受ける。配線５は、増幅素子３ａおよび３ｂを構成するＭＯＳトランジスタ（以下、単にトランジスタと称す）のドレインバイアス供給の対称性を向上させるため、一次側トランス１ａおよび１ｂを構成する金属スラブの中心線と同一線上に配置される。すなわち、トランジスタ３ａおよび３ｂ各々とバイアス電圧供給転との間の距離は互いに等しくされる。

二次側トランス２ａおよび２ｂは、これらのプッシャプル増幅段ＰＡＳ０−ＰＡＳ３内部に連続的に矩形形状に同一線幅で配置される配線により形成される。この二次側トランス２ａおよび２ｂを形成する配線は、出力Ｖｏｕｔを取出す出力端７および接地電圧ＧＮＤを受ける接地端８を、それぞれ始点および終点として矩形形状に連続的に配置される。出力端７および接地端８が、それぞれコンタクトを介して、配線５と交差するようにかつバイアス電圧供給点４両側に、配線７ａおよび８ａを介してそれぞれ出力端子および接地端子（図示せず）に結合される。

配線２において、一次側スラブ型トランス１ａおよび１ｂと対向する領域において二次側トランス２ａおよび２ｂが形成される。すなわち、一次側トランス１ａおよび１ｂを形成する金属スラブを介して流れる電流が誘起する磁界により、この二次側の配線２において電流が流れる。この二次側トランス配線２の一次側スラブ型トランス１ａおよび１ｂと対向する領域９が、二次側トランス２ａおよび２ｂとしてそれぞれ利用される。この二次側トランス配線２は、同一の線幅を用いて連続的に始端７から終端８に向かって環状に配置される。この二次側トランス配線２の線幅は、エレクトロマイグレーション耐性を確保することが要求されるものの、領域９の間の配線幅とトランスを構成する領域９の線幅は、必ずしも、同一配線幅である必要はない。

このトランスの配置により、出力取出しのために始端（出力端）７および終端（接地端）８の間が分離されているものの、この取出し配線の配置領域においてはトランスは形成されていない。領域９において形成されるスラブ型トランスの長さおよび線幅が、プッシュプル増幅段ＰＡＳ０−１ＰＡＳ３において同一であり、トランスの特性は全て等しくすることができる。

隣接プッシュプル増幅段のスイッチングトランジスタ（３ａ、３ｂ）のドレインが、容量素子６を介して接続される。この容量素子６は、高調波制御およびインピーダンス調整のために設けられる。容量素子６により接続されるスイッチングトランジスタ３ａおよび３ｂは、共通の接地ノードにソースが接続され、相補的に入力信号Ｖｇ＋およびＶｇ−に従って（ソース接地）増幅動作を行なう。これにより、プッシュプル増幅段の接続部において仮想ＡＣ接地が実現される。また、容量素子６により、奇数高調波成分が低インピーダンスで短絡され、また、偶数高調波成分に対して容量性インピーダンスが高くなる。これにより、基本周波数成分のみが、この増幅器で増幅されて出力端子に伝達される。

図３は、図２に示すレイアウトを有する分布型電力増幅器の電気的等価回路を示す図である。図３に示すように、二次側トランス配線２において、一次側スラブ型トランス１ａおよび１ｂと対向する領域９において、二次側トランス２ａおよび２ｂが形成される。一次側スラブ型トランスの間の配線５はインダクタンスが小さく、この配線５と配線５に対向する二次側トランス配線２との間では、トランスは形成されない。トランジスタ３ａおよび３ｂが、プッシュプル増幅段ＰＡＳ０−ＰＡＳ３各々の両端に配置され、それぞれのドレインが、対応の一次側スラブ型トランス１ａおよび１ｂに接続される。これらのトランジスタ３ａおよび３ｂのソースは、接地ノードに結合される。

隣接プッシュプル増幅段においては、ゲートに相補な信号Ｖｇ＋およびＶｇ−を受けるトランジスタ３ａおよび３ｂが隣接して各角部に配置され、また、容量素子６を介してドレインが相互接続される。

プッシュプル増幅段ＰＡＳ３において、二次側トランス配線２が出力端（始端）７および接地端（終端）８により分離される。二次側トランス配線２の出力端（始端；第１の出力端）７は、配線５と交差するように配置される取出配線（出力配線）７ａを介して出力端子に結合され、出力信号Ｖｏｕｔを伝達する。また、二次側トランス配線２の接地端（終端；第２の出力端）８が、対向して配置される配線５と交差するように配置される取出配線（出力配線）８ａを介して接地端子に結合されて接地電圧ＧＮＤを受ける。次に、図２および図３を参照して、この発明の実施の形態１に従う分布型電力増幅器の動作について説明する。

一次側スラブ型トランス１ａおよび１ｂにそれぞれ接続されたトランジスタ３ａおよび３ｂは、バイアス電圧供給点４からドレインバイアスが、信号Ｖｇ＋およびＶｇ−入力端子にゲートバイアスが、それぞれ、図示しないチョークインダクタを介して供給されて、動作点が規定値に設定される。

増幅される信号は、差動信号に変換されて、それぞれ、入力信号Ｖｇ＋およびＶｇ−としてトランジスタ３ａおよび３ｂのゲート端子に与えられる。これらの入力信号Ｖｇ＋およびＶｇ−は、位相が１８０°異なる。トランジスタ３ａおよび３ｂのそれぞれの動作は、通常のソース接地差動増幅動作である。トランジスタ３ａおよび３ｂにより増幅された電圧信号が、それぞれ、トランジスタ３ａおよび３ｂのドレイン端子に現われる。トランジスタ３ａおよび３ｂの各ドレイン端子は、それぞれ対応の一次側スラブ型トランス１ａおよび１ｂに接続される。

バイアス電圧供給点４から配線５を介して、バイアス電圧Ｖｄがトランジスタ３ａおよび３ｂのドレインに供給される。金属スラブで形成される一次側スラブ型トランス１ａおよび１ｂならびにトランス間配線５は、直流抵抗が小さい。従って、直流電流が、バイアス電源Ｖｄからトランジスタ３ａおよび３ｂのドレインまで、低損失で伝達される。また、このバイアス電圧供給点４は、仮想ＡＣ接地として機能する。

また、隣接するプッシュプル増幅段の隣接トランジスタ３ａおよび３ｂは、ソースが共通の接地ノードに接続され、それぞれのゲートに、相補な信号が与えられる。これにより、仮想ＡＣ接地が、これらの隣接するプッシュプル増幅段領域において形成される。一次側スラブ型トランス１ａおよび１ｂにおいて個々に生成された信号が、すなわち、一次側スラブ型トランス１ａおよび１ｂに現われた信号は、それぞれスラブ型トランス１ａおよび１ｂに対向して配置される２次側トランス２ａおよび２ｂに電磁結合を介して伝達される。二次側トランス配線２が連続的に接続されて、スラブ型トランスが４段直列に接続される。従って、プッシュプル増幅段ＰＡＳ０−ＰＡＳ３のそれぞれの二次側トランス２ａおよび２ｂの出力信号が、二次側トランス配線２において、直列に接続される４段の増幅段の出力電力として合成される。この合成された電力が、出力端７および接地端８の取出し配線７ａおよび８ｂを介して出力信号として取出される。

二次側から取出される電力の出力インピーダンスが５０Ωとする。図２および図３に示すように、４段のプッシュプル増幅段ＰＡＳ０−ＰＡＳ３で構成される場合、スラブ型トランス（１ａ，１ｂ）の１段当たりの出力インピーダンスは、１２．５Ωとなる。差動トランジスタ３ａおよび３ｂの１つ当たりの出力インピーダンスは、６．２５Ωとなる。この結果、出力インピーダンスが低いトランジスタ１ａおよび１ｂとの出力整合を容易に取ることができる。トランジスタ３ａおよび３ｂそれぞれに対してスラブ型トランス１ａおよび１ｂが配置されており、従って、トランジスタ１ａおよび１ｂの出力整合を、低インピーダンスで行なうことができる。これにより、ドレイン電流が増加するものの、そのドレイン電圧振幅を低く抑えた増幅動作を行なうことが可能となる。すなわち、トランジスタ３ａおよび３ｂのドレインに印加される電圧を低下させることが可能となり、耐圧の低いＣＭＯＳトランジスタを利用する場合には、この分布型電力増幅器の配置が、有効となる。

出力端７における出力波形の歪みを抑制するためには、スラブ型トランスの二次側（二次側トランス２ａおよび２ｂ）に発生する波形は、低歪みでありかつ位相が揃った均一なものとする必要がある。この二次側トランス２ａおよび２ｂに発生する波形に対する要求を満たすためには、増幅器として動作するトランジスタ３ａおよび３ｂの均一な動作および一次側スラブ型トランス１ａおよび１ｂの同一特性など、この分布型環状増幅器全体の配置／動作特性の平衡性が重要となる。

この発明の実施の形態１に従う分布型環状増幅器の配置においては、１つの増幅段当たり２個配置されるスラブ型トランス（１ａ、１ｂおよび２ａ、２ｂ）の動作領域は、すべて同一となるように配置される。すなわち、バイアス電圧供給点４に対して一対のスラブ型トランス（１ａ、１ｂおよび２ａ、２ｂ）が対称的に配置される。また、出力端子Ｖｏｕｔおよび接地端子ＧＮＤにそれぞれ結合される二次側トランスの出力端（始端）７および接地端（終端）８は、それぞれ、トランス間配線５と交差する取出配線７ａおよび８ａを介して電気的な結合が取出される。したがって、出力端に対向して配置されるスラブ型トランス（１ａ、１ｂおよび２ａ、２ｂ）において、出力取出しのために２次側トランスの長さを短くする必要がない。また、これらの取出配線７ａおよび８ａが対応の一時側スラブ型トランスと交差しないため、取出し配線７ａおよび８ａとの間の寄生容量も存在しない。スラブ型トランス（１ａ、１ｂおよび２ａ、２ｂ）の動作特性はプッシュプル増幅段ＰＡＳ０−ＰＡＳ３においてすべて同一とすることができる。これにより、増幅器全体の平衡性が確保され、出力波形の低歪化を実現することができる。

図４は、図１から図３に示す増幅素子を構成するトランジスタ３ａ，３ｂの平面レイアウトを概略的に示す図である。図４において、トランジスタ３（３ａ，３ｂ）は、活性領域ＡＲに形成され、複数のソース電極Ｓと、複数のゲート電極Ｇと、複数のドレイン電極Ｄとを有する。ゲート電極Ｇに関して、ソース電極Ｓおよびドレイン電極Ｄが交互に配置される。ドレイン電極Ｄ、ソース電極Ｓおよびゲート電極Ｇにより１つの単位ＭＯＳトランジスタが形成される。ドレイン電極Ｄおよびソース電極Ｓは、それぞれ下部に形成される活性領域（不純物領域）に電気的に接続される。

ソース電極Ｓは、共通にソース主電極Ｓｍに結合される。ドレイン電極Ｄが、ソース主電極Ｓｍに対向して配置されるドレイン主電極Ｄｍに共通に結合される。ゲート電極Ｇは、ゲートローカル電極Ｇｌにより、その両端部において共通に結合される。ゲートローカル電極Ｇｌは、ゲート主電極Ｇｍに連結される。

この図４に示すＭＯＳトランジスタの配置は、櫛型構造トランジスタであり、ドレイン電極Ｄとソース電極Ｓが噛合するように交互に配置される。この図４に示すトランジスタ３の構成では、ソース電極およびドレイン電極が、隣接単位トランジスタ間で共有され、、また、単位トランジスタが並列に接続される。この図４に示す単位トランジスタの配置においては、増幅素子を構成するトランジスタ３は、８個の単位トランジスタで構成される。したがって、単位トランジスタのゲート幅（チャネル幅）Ｗの８倍のゲート幅を有するトランジスタが形成される。

ソース領域（ソース電極下部の領域）およびドレイン領域（ドレイン電極下部の領域）を隣接単位素子で共有することにより、トランジスタサイズを低減し、また、ドレイン容量およびソース容量を低減して、高速動作を実現する。

この図４に示すように、櫛型構造トランジスタは、複数のゲート電極（図４においては８個）が設けられている。ドレイン電極Ｄについて見ると、４本の櫛（フィンガ：ドレイン電極Ｄ）が存在し、また、ソース電極Ｓについて、５本の櫛が存在する。櫛型構造トランジスタは、複数の櫛型の間での増幅ばらつきが、発振の原因となり、また、波形歪みの原因となることが知られている。このような問題を回避するために、櫛型構造トランジスタにおいては、櫛（ドレイン電極）の間での位相差を低減する必要があり、ゲート電極Ｇへの入力、ドレイン出力（ドレイン電極Ｄの出力）が均等となるように配置を工夫することが要求される。本実施の形態１においては、バイアス供給用の配線５の中点４から、バイアス電圧Ｖｄの供給を行なっている。これにより、スイッチングトランジスタ３ａおよび３ｂのドレイン（ドレイン主電極Ｄｍ）とバイアス電圧供給点４の距離の差を小さくすることができる。これにより、プッシュプル増幅段スイッチングＰＡＳ０−ＰＡＳ３においてトランジスタ３ａおよび３ｂの櫛（ドレイン電極Ｄ）の間での均一動作を促進することが可能となる。

１つのトランジスタ３について櫛間均一動作を保証するために、一例として以下の構成を用いる。ドレイン主電極Ｄｍと同一線幅の配線により対応の金属スラブとの接続をとる。ドレイン電極Ｄが延在する方向と一次側トランスを構成する金属スラブが延在する方向（長さ方向）とを同一とする。これにより、金属スラブと各櫛（ドレイン電極Ｄ）との距離を等しくすることができ、櫛間の均一動作を保証することができる。

［変更例］
図５は、この発明の実施の形態１の変更例に従う分布型電力増幅器の平面レイアウトを概略的に示す図である。図５に示す分布型電力増幅器の配置においては、二次側トランスを構成する配線１０は、蛇行するように配置される。この二次側トランス配線１０においては、一次側スラブ型トランス１ａおよび１ｂと対向する領域９の距離Ｌ２よりも、配線５と対向する部分１２の距離Ｌ１が大きくされる。すなわち、一次側配線５と二次側トランス配線１０（領域１２）の距離を大きく取る。二次側トランス配線１０は、その出力端（始端）７および接地端（終端）８が、それぞれ配線５と交差する取出配線７ａおよび８ａを介して出力信号Ｖｏｕｔを出力する出力端子および接地電圧ＧＮＤを受ける接地端子に結合される。図５に示す分布型電力増幅器の他の配置は、図２に示す分布型電力増幅器の配置と同じであり、対応する部分には同一参照番号を付し、その詳細説明は省略する。

図５に示す分布型電力増幅器の配置において、二次側トランス１０は、配線５と対向する部分１２においてその距離が大きくＬ１に設定され、一次側の配線５からの二次側トランス配線１０に対する影響を抑制することができる。これにより、二次側トランス配線１０において、一次側スラブ型トランス１ａおよび１ｂに対向する部分における二次側トランス２ａおよび２ｂにより、確実に、出力合成を一次側配線５からの影響を抑制して行なうことができ、出力波形歪みを低減する上で有効である。また、スラブ型トランスの動作領域に対して配線５が影響を及ぼすのを、抑制することができ、より均一な出力波形を得ることができる。

なお、この実施の形態１においては、１つのプッシュプル増幅段において、２つのスラブ型トランスが設けられている。しかしながら、このスラブ型増幅器の数は２に限定されず、さらに多くの数のスラブ型トランスが設けられてもよい。各スラブ型トランスに対応して、増幅素子を配置するとともに、それぞれに、バイアス電圧供給点を対称的に配置する。

また、４段の増幅段が正方形の各編に対応して配置される。しかしながら、増幅段を、円形状にさらに多段配置して増幅器を構成しても良い。増幅段が対称的に配置されれば良い。

以上のように、この発明の実施の形態１に従えば、各プッシュプル増幅段において複数のスラブ型トランスを配置している。これにより、出力取出配線とスラブ型トランスとして確保された領域とが交差するのを回避することができ、また、スラブ型トランスの形状を全て同一とすることができる。これにより、各スラブ型トランスの動作特性を均一に設定することができ、出力波形歪みを低減することができる。

［実施の形態２］
図６は、この発明の実施の形態２に従う分布型電力増幅器の平面レイアウトを概略的に示す図である。この図６に示す分布型電力増幅器においては、プッシュプル増幅段１１−１４が設けられる。プッシュプル増幅段１１および１４が対向して配置され、プッシュプル増幅段１２および１３が対向して配置される。プッシュプル増幅段１１−１４各々においては、一次側スラブ型トランス１が、同じ線幅を有する金属スラブで構成される。一次側スラブ型トランス１は、その中心部に設けられるバイアス電圧供給点４に、バイアス電圧Ｖｄを受ける。

一方、二次側トランスを構成する二次側トランス配線７は、コの字型に形成され、一次側スラブトランス１の外部に配置される。二次側トランス配線１７は、その出力端（始端）７および接地端（終端）８においてそれぞれ出力信号Ｖｏｕｔ伝達する出力端子（図示せず）および接地電圧ＧＮＤを受ける接地端子（図示せず）に結合される。したがって、この二次側トランス配線１７の出力端７および接地端８の間の距離は、直列接続されるスラブ型トランスの間の距離よりも長く、すなわち、実施の形態１の構成に比べて長くされる。

プッシュプル増幅段１１−１４の他の構成は、図２に示すプッシュプル増幅段ＰＡＳ０−ＰＡＳ３の構成と同じであり、対応する部分には同一参照番号を付し、その詳細説明は省略する。

図６に示す分布型電力増幅器の構成においては、実施の形態１において用いた１つのプッシュプル増幅段において隣接する一次側スラブ型トランス１ａおよび１ｂを接続する配線５の幅が、一次側スラブ型トランス１ａおよび１ｂの幅と同じとされ、１つのスラブ型トランス１が形成される。

二次側トランス配線１７は、その出力端（始端）７および接地端（終端）８は、一次側スラブ型トランス１の外部に配置されており、出力配線（出力取出配線および接地取出配線）を、これらの一次側スラブ型トランス１と交差しないように配置することができる。これにより、これらの取出し配線が、スラブ型トランスに対して影響を及ぼすことがない。また、バイアス電圧供給点４は、一次側スラブ型トランス１の中央部に配置される。一次側トランス１の中央部においてバイアス電圧供給点４が配置されて、この配線領域がトランスとして用いられても、プッシュプル増幅段１１−１４それぞれにおいて、スラブ型トランスとしては全て同一構成である。従って、スラブ型トランス１の動作特性は、プッシュプル増幅段１１−１４において全て同一とすることができ、出力歪みを低減することができ、安定に出力波形を生成することができる。

この図６に示す分布型電力増幅器としての動作は、実施の形態１において説明した分布型環状増幅器の動作と同じである。

この図６に示す分布型電力増幅器の構成の場合、二次側トランス配線１７において、プッシュプル増幅段１１および１２の間の一次側スラブ型トランス間を接続する配線部分１７ａの長さと、プッシュプル増幅段１２および１３の間の一次側スラブ型トランス１を接続する配線部分１７ｂの長さが異なる。したがって、これらの配線部分１７ａおよび１７ｂの配線抵抗が異なると、動作特性が不均一となる可能性がある。この場合、配線部分１７ａの抵抗値と配線部分１７ｂの抵抗値を等しくするために、プッシュプル増幅段１２および１３の間の配線部分１７ｂの線幅を配線部分１７ａよりも広くして、その抵抗値を小さくする。これにより、プッシュプル増幅段１１−１４において、段間の接続配線の抵抗値を等しくすることができ、均一な動作特性を実現することができる。

また、容量素子６についても、同様、その配線幅を、プッシュプル増幅段１２および１３の間における配線幅を、プッシュプル増幅段１１および１２の間よりも広くする。プッシュプル増幅段１１−１４の間の段間接続容量素子のインピーダンスダンスを等しくすることができ、均一な動作特性を実現することができる。

出力信号Ｖｏｕｔを生成する出力端７および接地電圧ＧＮＤを受ける接地端８の間の距離は、小さいほど、この分布型電力増幅器の占有面積を小さくすることができる。したがって、この出力端７および接地端８の間隔を小さくするために、一次側スラブ型トランス１の線幅、接続されるトランジスタ３ａおよび３ｂのサイズ、および各端子（バイアス電圧供給端４、接地電圧供給端８）の線幅は、できる限り、小さくするのが望ましい。

図６に示すように、コの字形状に、すなわち、一端が開放された形状に二次側トランス配線を配置することにより、二次側の出力を、スラブ型トランスの一次側および段間の配線と交差することなく取出すことができる。これにより、スラブ型トランスの動作特性を、各プッシュプル増幅段において均一とすることができ、出力波形歪みを低減することができる。

［変更例］
図７は、この発明の実施の形態２に従う分布型電力増幅器の平面レイアウトを概略的に示す図である。この図７に示す分布型電力増幅器の構成においては、プッシュプル増幅段２１−２４のスラブ型トランスがコの字型形状に配置される。プッシュプル増幅段２１および２４が対向して配置され、プッシュプル増幅段２２および２３が対向して配置される。プッシュプル増幅段２１−２４各々の一次側スラブ型トランス１の構成は、先の図６に示す構成と同じである。一次側スラブ型トランス１に対し、増幅素子を構成するトランジスタ３ａおよび３ｂのドレインがそれぞれ両端において接続される。一次側スラブ型トランス１のほぼ中央部において、バイアス電圧供給点４を介してバイアス電圧Ｖｄが供給される。

二次側スラブ型トランスを構成する配線（二次側トランス配線）２７は、プッシュプル増幅段２１−２４の内側にコの字形状に配置される。二次側トランス配線２７は、一次側スラブ型トランス１と近接してかつ対向して配置される。この図７に示す配置においても、プッシュプル増幅段の段間の二次側トランス配線２７の配線抵抗が等しくなるように、配線部分２７ｂの線幅は、配線部分２７ａの線幅よりも広くされ、その抵抗値が低減される。

図７に示す配置においては、二次側トランス配線２７は、出力端７および接地端８の間には間隔があり、出力端子および接地端子に接続する取出し配線は、一次側トランス配線との交差をもたらすことなく、配線配置を行なうことができる。しかしながら、出力ｔａ端に対向して配置される段間容量素子６の配線と、二次側トランス配線２７からの出力取出配線は交差させる必要がある。このため、プッシュプル増幅段２１および２４の間の段間容量素子６の配線と出力取出配線との間の容量により、この出力端に対応して配置される段間容量６の動作特性が、他の段間容量素子６と異なる。この場合、出力信号Ｖｏｕｔにおいては高調波成分が含まれる可能性が生じる。したがって、二次側トランス配線２７から出力を取出した後、フィルタを用いて高調波成分を除去するなどの処理が行なわれる構成に適用する。この構成においては、段間容量素子６が不要となり、段間容量素子６の接続配線と出力取出配線の交差はなくすことができる。したがって、この場合には、スラブ型トランスの動作特性をプッシュプル増幅段２１−２４において均一とすることができ、分布型電力増幅器の出力波形の歪みを低減することができる。

以上のように、この発明の実施の形態２に従えば、スラブ型トランスをコの字形状に配置しており、出力取出配線が一次側スラブ型トランス領域と交差する領域がなくなる。これにより、各スラブ型トランスを、全プッシュプル増幅段において均一とすることができ、出力波形の歪みを低減することができる。

なお、実施の形態２においても、用いられるプッシュプル増幅段の数は４に限定されず、それ以上多くてもよい。また、これらのプッシュプル増幅段の配置は、矩形形状を形成するように配置されることはなく、円形形状を形成するように、配置されてもよい。また、１つのプッシュプル増幅段において、２よりも多いスラブ型トランスが配置されても良い。各プッシュプル増幅段において、差動増幅段に対する配線抵抗およびバイアス電圧供給点が対称的に配置されればよい。

この発明に従う分布型電力増幅器は、高周波信号を電力増幅する用途に適用することにより、出力低歪みの増幅器を実現することができる。たとえば、携帯電話等の高周波通信用途に適用することにより、歪みの少ない出力波形を得ることができ、高品質の通信を実現することができる。また、増幅素子として低耐圧のトランジスタを利用することができ、他の同一チップ上の回路と同一のＣＭＯＳプロセスを適用して電力増幅器を実現することができる。

この発明の実施の形態１において用いられる分布型電力増幅器の１段の増幅段の電気的等価回路を示す図である。 この発明の実施の形態１に従う分布型電力増幅器の平面レイアウトを概略的に示す図である。 図２に示す分布型電力増幅器の電気的等価回路を示す図である。 図２および図３に示すトランジスタの平面レイアウトを概略的に示す図である。 この発明の実施の形態１の変更例に従う分布型電力増幅器の平面レイアウトを概略的に示す図である。 この発明の実施の形態２に従う分布型電力増幅器の平面レイアウトを概略的に示す図である。 この発明の実施の形態２の変更例に従う分布型電力増幅器の平面レイアウトを概略的に示す図である。

符号の説明

１，１ａ，１ｂ 一次側スラブ型トランス、２ 二次側トランス配線、２ａ，２ｂ 二次側スラブ型トランス、４ バイアス電圧供給点、５ 配線、３ａ，３ｂ トランジスタ、７ 出力端、８ 接地端、７ａ 出力取出配線、８ａ 接地取出配線、１０ 二次側トランス配線、ＰＡＳ，ＰＡＳ０−ＰＡＳ３，１１−１４，２１−２４ プッシュプル増幅段、１７，２７ 二次側トランス配線、１７ａ，１７ｂ，２７ａ，２７ｂ 段間相互接続配線部分。

Claims (7)

1. 各々が、与えられる信号を差動的に増幅する複数の増幅素子対、および
   各前記増幅素子対に対応して２以上の所定数個配置され、各々がインダクタンスとして機能するとともに所定のバイアス電圧源にバイアスされる複数の一次側スラブ型トランス、および
   前記複数の一次側スラブ型トランスに共通に電磁的に結合されて前記複数の一次側スラブ型トランスの出力を合成する二次側トランスを備える、分布型電力増幅器。
2. 各増幅素子対に対して設けられる前記所定数の一次側スラブ型トランスを構成するスラブの配線幅よりも狭い配線幅を有する配線を介して前記所定数の一次側スラブ型トランスが相互接続される、請求項１記載の分布型電力増幅器。
3. 前記配線の中央部において前記配線が前記バイアス電圧源に結合される、請求項２記載の分布型電力増幅器。
4. 前記二次側トランスは、前記一次側スラブ型トランスと前記バイアス電圧源との接続部において前記一次側トランスとの間の距離が大きくされる、請求項１記載の分布型電力増幅器。
5. 各々が、与えられる信号を差動的に増幅する複数の増幅素子対、および
   各前記増幅素子対に対応して配置され、各々がインダクタンスとして機能するとともに所定のバイアス電圧源にバイアスされる複数の一次側スラブ型トランス、
   前記複数の一次側スラブ型トランスに共通に電磁的に結合されて前記複数の一次側スラブ型トランスの出力を合成する二次側トランス、および
   前記二次側トランスの出力を、前記複数の一次側トランスと非交差で取出す出力配線を備える、分布型電力増幅器。
6. 前記出力配線は１対の取出し配線を備え、
   前記１対の取出し配線に接続される第１の二次側トランスの接続部の間の間隔は、前記第１の二次側トランスに対向して配置される第１の一次側トランスと前記第１の一次側トランスに直列に接続される第２の一次側トランスの間の距離よりも広くされる、請求項５記載の分布型電力増幅器。
7. 前記二次側トランスは、コの字形状に配置される、請求項５記載の分布型電力増幅器。

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