JP2011041313A - 高周波電力増幅器 - Google Patents

Abstract

【課題】マルチフィンガー型のトランジスタを用いた場合に、歪特性を改善することができる高周波電力増幅器を得る。
【解決手段】複数のトランジスタセルを電気的に並列接続したマルチフィンガー型のトランジスタと、複数のトランジスタセルのゲート電極に接続された入力側整合回路と、各トランジスタセルのゲート電極と入力側整合回路の間にそれぞれ接続された共振回路とを有し、共振回路は、トランジスタの動作周波数の２次高調波の周波数又は２次高調波の周波数を中心とした所定の範囲内で共振してゲート電極に短絡又は十分に低い負荷を与える。
【選択図】図１

Description

本発明は、移動体通信、衛星通信用などのマイクロ波、ミリ波帯の通信機に用いられる高周波電力増幅器に関するものである。

マルチキャリア信号又は近年のＣＤＭＡ方式等の変調波信号を用いるマイクロ波通信システムでは、高周波電力増幅器の非線形性によって生じる歪の影響をできるだけ小さくする必要がある。これに対し、入力側の２次高調波を短絡に近い負荷条件にすれば、高効率で動作することが知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、移動体通信、衛星通信用の高出力電力増幅器では、大電力を得るため、複数のトランジスタセルを電気的に並列接続してゲート幅を大きくしたマルチフィンガー型のトランジスタが用いられる。

このような従来の高周波電力増幅器を図１３に示す。複数のトランジスタセル１が電気的に並列接続され、そのゲート電極に入力側整合回路２が接続され、ドレイン電極に出力側整合回路３が接続されている。そして、高調波負荷を制御するため、トランジスタの動作周波数の２次高調波の周波数で共振する共振回路４がゲート電極に接続されている。

特許第２６９５３９５号公報

マルチフィンガー型のトランジスタを用いた場合、必然的にトランジスタの入出カインピーダンスも低くなり、トランジスタと動作周波数でインピーダンス整合させるための整合回路の負荷も非常に小さくなる。従って、２次高調波で短絡条件とする場合は、インピーダンスの非常に低い基本波負荷に対してさらに低インピーダンスの負荷を高調波周波数で実現する必要がある。

しかし、従来の高周波電力増幅器では、ゲート電極を合成して入力側合成回路に接続した後に共振回路を接続していたため、低インピーダンスの負荷を得ることができず、歪特性を改善することができなかった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、マルチフィンガー型のトランジスタを用いた場合に、歪特性を改善することができる高周波電力増幅器を得るものである。

本発明に係る高周波電力増幅器は、複数のトランジスタセルを電気的に並列接続したマルチフィンガー型のトランジスタと、複数のトランジスタセルのゲート電極に接続された入力側整合回路と、各トランジスタセルのゲート電極と入力側整合回路の間にそれぞれ接続された共振回路と、前記トランジスタの動作周波数の信号波の電気長の１／４だけ前記共振回路から離れた位置に設けられた第２の共振回路とを有し、共振回路は、トランジスタの動作周波数の２次高調波の周波数又は２次高調波の周波数を中心とした所定の範囲内で共振してゲート電極に短絡又は十分に低い負荷を与える。本発明のその他の特徴は以下に明らかにする。

本発明により、マルチフィンガー型のトランジスタを用いた場合に、歪特性を改善することができる。

本発明の実施の形態１に係る高周波電力増幅器を示す上面図である。 本発明の実施の形態１に係る高周波電力増幅器を示す回路図である。 実施の形態１に係る高周波電力増幅器及び従来の高周波電力増幅器の歪特性を示した図である。 本発明の実施の形態２に係る高周波電力増幅器を示す上面図である。 本発明の実施の形態３に係る高周波電力増幅器を示す上面図である。 本発明の実施の形態４に係る高周波電力増幅器を示す上面図である。 本発明の実施の形態５に係る高周波電力増幅器を示す上面図である。 本発明の実施の形態６に係る高周波電力増幅器を示す上面図である。 本発明の実施の形態７に係る高周波電力増幅器を示す上面図である。 本発明の実施の形態８に係る高周波電力増幅器を示す上面図である。 本発明の実施の形態８に係る高周波電力増幅器を示す回路図である。 共振回路の共振周波数を変えて試作した実施の形態１に係る高周波電力増幅の３ＧＰＰ Ｗ−ＣＤＭＡ変調波入力時の飽和出力点から１０ｄＢバックオフ出力点でのＡＣＬＲ特性の変化を示す図である。 従来の高周波電力増幅器を示す回路図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る高周波電力増幅器を示す上面図であり、図２はその回路図である。

複数のトランジスタセル１を電気的に並列接続することで、マルチフィンガー型のトランジスタ５が形成されている。そして、複数のトランジスタセル１のゲート電極は、ボンディングワイヤ６により入力側整合回路２に接続されている。また、複数のトランジスタセル１のドレイン電極は、ボンディングワイヤ７により出力側整合回路３に接続されている。そして、複数のトランジスタセル１のソース電極は接地されている。また、ボンディングワイヤ６，７はインダクタとして機能する。

そして、本発明においては、各トランジスタセル１のゲート電極と入力側整合回路２の間に、共振回路４がそれぞれ接続されている。即ち、各トランジスタセル１のゲート電極にそれぞれ共振回路が付加されてから、ボンディングワイヤ６により入力側整合回路２に接続されて合成されている。

この共振回路４は、トランジスタ５とは別のチップ８上に形成したＭＩＭキャパシタ９を有し、ＭＩＭキャパシタ９の一端は対応するトランジスタセル１のゲート電極とボンディングワイヤ１０により接続され、他端はボンディングワイヤ１１によりグランド面に接続され、接地されている。このボンディングワイヤ１０はインダクタとして機能する。このように、能動素子であるトランジスタ５とは別のチップ８に、プロセス歩留りの高い受動素子であるＭＩＭキャパシタ９を作製することにより生産性を向上させることができる。

そして、共振回路４は、トランジスタ５の動作周波数の２次高調波の周波数又は２次高調波の周波数を中心とした所定の範囲内で共振してゲート電極に短絡又は十分に低い負荷を与えるように設定されている。これにより、トランジスタセル１のゲート側からみた２次高調波負荷を従来よりも低インピーダンスにすることができる。

図３は、実施の形態１に係る高周波電力増幅器及び従来の高周波電力増幅器の歪特性を示した図である。横軸には増幅器の飽和出力に対するオフセットバックオフ量、縦軸には２波入力時の３次相互変調歪を示している。これにより、実施の形態１に係る高周波電力増幅器では、大幅に歪特性が改善されることが分かる。

実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２に係る高周波電力増幅器を示す上面図である。本実施の形態では、ＭＩＭキャパシタ９の他端は、トランジスタ５と同一チップ上に形成されたスルーホール１２とボンディングワイヤ１１により接続され、スルーホール１２を介して接地されている。その他の構成は実施の形態１と同様である。これにより、ボンディングワイヤのばらつき等による特性変動を抑制することができる。

実施の形態３．
図５は、本発明の実施の形態３に係る高周波電力増幅器を示す上面図である。本実施の形態では、ＭＩＭキャパシタ９の他端は、トランジスタ５とは別のチップ８上に形成したスルーホール１２を介して接地されている。その他の構成は実施の形態１又は２と同様である。これにより、ボンディングワイヤを１本にすることができるため、インダクタンスのばらつきを抑制することができる。

実施の形態４．
図６は、本発明の実施の形態４に係る高周波電力増幅器を示す上面図である。本実施の形態では、共振回路は、トランジスタ５と同一チップ上に形成されたＭＩＭキャパシタ９を有している。そして、ＭＩＭキャパシタ９の一端は、ボンディングワイヤ１０により入力側整合回路２に接続され、入力側整合回路２はトランジスタセル１のゲート電極とボンディングワイヤ６により接続されている。従って、ＭＩＭキャパシタ９の一端はトランジスタセル１のゲート電極と接続されている。また、ＭＩＭキャパシタ９の他端は、トランジスタ５と同一チップ上に形成されたスルーホール１２を介して接地されている。その他の構成は実施の形態１〜３と同様である。このようなＭＩＭキャパシタの集積化により、組み立て工程を簡略化することができる。

実施の形態５．
図７は、本発明の実施の形態５に係る高周波電力増幅器を示す上面図である。本実施の形態では、共振回路は、トランジスタ５と同一チップ上に形成されたＭＩＭキャパシタ９、スルーホール１２及びスパイラルインダクタ１３を有する。そして、ＭＩＭキャパシタ９の一端はスパイラルインダクタ１３を介してトランジスタセル１のゲート電極に接続され、ＭＩＭキャパシタ９の他端はスルーホール１２を介して接地されている。その他の構成は実施の形態１〜４と同様である。

これにより、実施の形態７と同様にＭＩＭキャパシタ９とスパイラルインダクタ１３の集積により組み立て工程が簡略化されるとともに、ボンディングワイヤの代わりにスパイラルインダクタ１３を共振回路のインダクタとして用いることにより、共振周波数の設計精度を向上することができ、組み立てばらつきを低減することができる。

実施の形態６．
図８は、本発明の実施の形態６に係る高周波電力増幅器を示す上面図である。本実施の形態では、共振回路は、トランジスタ５とは別のチップ上に形成されたＭＩＭキャパシタ９を有する。そして、ＭＩＭキャパシタ９の一端は、ゲート電極からゲート・ドレイン方向とは９０度方向に引き出したパッド１４とボンディングワイヤ１０により接続されている。その他の構成は実施の形態１〜５と同様である。

これにより、ゲート・ドレイン方向に共振回路を配置する必要がないため、ゲート電極と入力側整合回路２とを接続するボンディングワイヤ６の長さの自由度が増し、設計が容易となる。

実施の形態７．
図９は、本発明の実施の形態７に係る高周波電力増幅器を示す上面図である。本実施の形態では、共振回路は、トランジスタ５と同一チップ上であってトランジスタ５に対してゲート・ドレイン方向とは９０度方向の領域に形成されたＭＩＭキャパシタ９、スルーホール１２及びスパイラルインダクタ１３を有する。そして、ＭＩＭキャパシタ９の一端はスパイラルインダクタを介してゲート電極に接続され、ＭＩＭキャパシタ９の他端はスルーホール１２を介して接地されている。その他の構成は実施の形態１〜６と同様である。

実施の形態８．
図１０は、本発明の実施の形態８に係る高周波電力増幅器を示す上面図であり、図１１はその回路図である。本実施の形態に係る高周波電力増幅器は、実施の形態１に係る高周波電力増幅器に、第２の共振回路１６を付加したものである。第２の共振回路１６は、トランジスタ５の動作周波数の信号波の電気長の１／４だけ共振回路から離れた位置に設けられている。

これにより、入力側から２倍波周波数の信号が入力された場合、第２の共振回路１６により反射されるため、トランジスタのゲート端面での２倍波負荷の変動を減少させることができる。

ここで、上記実施の形態１〜８では、共振回路が各トランジスタセルのゲート電極と入力側整合回路の間にそれぞれ接続する場合について説明したが、これに限らず、共振回路が各トランジスタセルのドレイン電極と出力側整合回路の間にそれぞれ接続することもできる。

実施の形態９．
本実施の形態では、共振回路は、動作周波数の２次高調波の−８％〜＋１６％の範囲で共振してゲート電極に短絡又は十分に低い負荷を与えるように設定されている。その他の構成は上記実施の形態１〜８と同様である。

図１２は、共振回路の共振周波数を変えて試作した実施の形態１に係る高周波電力増幅の３ＧＰＰ Ｗ−ＣＤＭＡ変調波入力時の飽和出力点から１０ｄＢバックオフ出力点でのＡＣＬＲ特性の変化を示す図である。この図から、動作周波数の２次高調波の−８％〜＋１６％の範囲の共振周波数を有する共振回路を用いた場合に、ＡＣＬＲ＝−４５ｄＢｃ以下の非常に良好な歪特性が得られることがわかる。

１ トランジスタセル
２ 入力側整合回路
３ 出力側整合回路
４ 共振回路
５ トランジスタ
６，７，１０，１１ ボンディングワイヤ
８ チップ
９ ＭＩＭキャパシタ（容量）
１２ スルーホール
１３ スパイラルインダクタ
１４ パッド
１６ 第２の共振回路

Claims (2)

1. 複数のトランジスタセルを電気的に並列接続したマルチフィンガー型のトランジスタと、
   前記複数のトランジスタセルのゲート電極に接続された入力側整合回路と、
   各トランジスタセルのゲート電極と前記入力側整合回路の間にそれぞれ接続された共振回路と、
   前記トランジスタの動作周波数の信号波の電気長の１／４だけ前記共振回路から離れた位置に設けられた第２の共振回路とを有し、
   前記共振回路は、前記トランジスタの動作周波数の２次高調波の周波数又は２次高調波の周波数を中心とした所定の範囲内で共振して前記ゲート電極に短絡又は十分に低い負荷を与えることを特徴とする高周波電力増幅器。
2. 前記トランジスタの動作周波数の前記２次高調波の周波数を中心とした所定の範囲は、動作周波数の２次高調波の−８％〜＋１６％の範囲であることを特徴とする請求項１記載の高周波電力増幅器。

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