JP2014138305A - 高周波電力増幅器 - Google Patents

Abstract

【課題】トランジスタの寄生キャパシタンスを相殺するインダクタを小型に実現しつつ、トランジスタの高調波処理を容易にすることができる高周波電力増幅器を得る。
【解決手段】トランジスタチップ１に設けられた電極パターン９と第１の誘電体基板２に設けられた電極パターン６ａとを接続する第１のボンディングワイヤ４ａと、電極パターン６ａと第１の誘電体基板２に設けられて先端開放スタブを構成する電極パターン６ｂとを接続する第２のボンディングワイヤ４ｂと、電極パターン９と第２の誘電体基板３の出力端子８に接続した電極パターン７とを接続する第３のボンディングワイヤ５とを備え、先端開放スタブの長さを２倍波周波数において２分の１波長未満とする。
【選択図】図１

Description

この発明は、トランジスタチップと、誘電体基板上に構成されたインピーダンス整合回路とから構成される高周波電力増幅器に関するものである。

トランジスタチップと、インピーダンス整合回路が形成された誘電体基板からなる高周波電力増幅器において、トランジスタの有するシャントの寄生キャパシタンス成分を打ち消すために、トランジスタと上記誘電体基板の間に微小なチップキャパシタを配置して、トランジスタとチップキャパシタとの間をインダクタとして機能する金属ワイヤにより結線していた。

特許文献１には、トランジスタ出力側の電極パターンとチップキャパシタとの間を第１のボンディングワイヤで結線し、トランジスタ出力側の電極パターンと整合回路として機能する伝送線路との間を第２のボンディングワイヤで結線した高周波電力増幅器が示されている。この高周波電力増幅器によると、チップキャパシタは直流電流を阻止するとともに、高周波で電気的短絡状態を形成しており、また、第１のボンディングワイヤはインダクタとして機能するため、これらは併せて電気的に一端が短絡されたインダクタとして機能する。そして、第１のボンディングワイヤがトランジスタに対してシャントに接続されることでトランジスタが有する寄生キャパシタンス成分がほぼ相殺される。第２のボンディングワイヤと伝送線路により、増幅器出力に接続される負荷抵抗（通常５０Ω）に対してインピーダンス整合が取られる。

特表２００５−５１６４４４号公報

上述した従来の構成によれば、トランジスタの寄生キャパシタンスを相殺するためのシャントのインダクタンスが大きくなった場合に当該ボンディングワイヤの長さを大きくする必要があり、増幅器全体の寸法が大きくなってしまうという問題があった。

また、増幅器においては、その動作効率を向上させるために、増幅信号の高調波に対する負荷インピーダンスを適切な値とするいわゆる「高調波処理」が施されることが多い。しかし、上述した従来の構成によれば、トランジスタから出力側を見込んだ負荷回路は直列およびシャントのインダクタが並列接続された形となるため、その負荷インピーダンスは不可避的に大きな誘導性の高インピーダンスにならざるを得ない。このため、増幅器の高効率な動作級として知られるＦ級や逆Ｆ級の動作にて必要となる偶高調波または奇高調波インピーダンスが０という条件を実現することが困難になってしまうという問題もあった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、トランジスタの寄生キャパシタンスを相殺するインダクタを小型に実現しつつ、トランジスタの高調波処理を容易にすることができる高周波電力増幅器を得ることを目的とする。

この発明に係る高周波電力増幅器は、トランジスタチップと、第１の先端開放スタブを有する第１の誘電体基板と、出力端子を有する第２の誘電体基板と、トランジスタチップの電極と第１の誘電体基板または第２の誘電体基板どちらか一方に設けられた折り返し用電極とを接続する第１のボンディングワイヤと、折り返し用電極と第１の先端開放スタブとを接続する第２のボンディングワイヤと、トランジスタチップの電極と第２の誘電体基板の出力端子に接続した電極とを接続する第３のボンディングワイヤとを備えるものである。

この発明によれば、トランジスタの寄生キャパシタンスを相殺するインダクタを小型に実現しつつ、トランジスタの高調波処理を容易にすることができる高周波電力増幅器を得ることができる。

この発明の実施の形態１に係る高周波電力増幅器を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る高周波電力増幅器を示す図である。 この発明の実施の形態２に係る高周波電力増幅器を示す図である。 この発明の変形例を示す図である。

実施の形態１．
図１に、この発明の実施の形態１に係る高周波電力増幅器を示す。図１（ａ）、（ｂ）は、高周波電力増幅器の出力側のみを描いたもので、（ａ）に示すように、トランジスタチップ１、第１の誘電体基板２、第２の誘電体基板３、第１のボンディングワイヤ４ａ、第２のボンディングワイヤ４ｂ、第３のボンディングワイヤ５、第１の電極パターン６ａ、第２の電極パターン６ｂ、第３の電極パターン７、第４の電極パターン９、増幅器の出力端子８、地導体１０が備えられている。
図１では、第１の誘電体基板２を挟むように、第２の誘電体基板３とトランジスタチップ１がそれぞれ第１の誘電体基板２に隣接して配置されている。

トランジスタチップ１には、第４の電極パターン９が備えられている。第１の誘電体基板２には、第１の電極パターン６ａ、第２の電極パターン６ｂが備えられている。第１の電極パターン６ａは、第２の誘電体基板３側に位置し、第２の電極パターン６ｂは、その一部がトランジスタチップ１側に位置して備えられている。第２の誘電体基板３には、第３の電極パターン７、第３の電極パターン７と接続した増幅器の出力端子８が備えられている。
第１のボンディングワイヤ４ａは、トランジスタチップ１上の第４の電極パターン９と第１の誘電体基板２上の第１の電極パターン６ａとの間に配線されている。第２のボンディングワイヤ４ｂは、第１の誘電体基板２上の第１の電極パターン６ａと第２の電極パターン６ｂのトランジスタチップ１側に位置する部分との間に配線されている。第３のボンディングワイヤ５は、トランジスタチップ１上の第４の電極パターン９と第２の誘電体基板３上の第３の電極パターン７との間に配線されている。
第１の誘電体基板２上の第２の電極パターン６ｂは、先端開放スタブを構成しており、その長さは、増幅器に入力されて増幅器が動作する周波数の２倍高調波において長さ１／２波長未満となっている。

図１（ｂ）は、（ａ）に示す高周波電力増幅器のＡ方向から見た立面図を示し、トランジスタチップ１、第１の誘電体基板２及び第２の誘電体基板３は、地導体１０の上に備えられている。（ｂ）に示すように、第２の誘電体基板３の厚さは、それに隣接する第１の誘電体基板２の厚さよりも厚くなっている。
また、第１のボンディングワイヤ４ａ、第２のボンディングワイヤ４ｂ、第３のボンディングワイヤ５は、第１の誘電体基板２または第２の誘電体基板３に備えられた各電極パターンとの接続点以外では、誘電体基板表面とは接触しないように配線される。

この発明の実施の形態１に係る高周波電力増幅器の動作について説明する。まずその基本波周波数において、第１の誘電体基板２、第１のボンディングワイヤ４ａ、第２のボンディングワイヤ４ｂ、第１の電極パターン６ａ、第２の電極パターン６ｂにより構成される回路は、第１のボンディングワイヤ４ａからみると第２のボンディングワイヤ４ｂが折り返されて配線された構造を有し、第１のボンディングワイヤ４ａと第２のボンディングワイヤ４ｂとからなるインダクタンス値の高いインダクタが容量性の先端開放スタブにより終端された、全体として大きな誘導性を呈する回路となっている。つまり、第１の電極パターン６ａは、折り返し用電極として機能している。

従って、該回路をトランジスタチップ１上に形成された第４の電極パターン９に接続することにより、トランジスタの寄生容量が比較的小さい場合においても該容量が上記インダクタンス成分により相殺され、第２の誘電体基板３、第３のボンディングワイヤ５、第３の電極パターン７からなる整合回路により広帯域なインピーダンス整合、ひいては広帯域な高出力増幅器を実現することが可能となる。
また、前述したように、第１のボンディングワイヤ４ａからみると第２のボンディングワイヤ４ｂが折り返されて配線された構造とすることにより、第１のボンディングワイヤ４ａと第２のボンディングワイヤ４ｂとからなるインダクタ部の占有面積を低減できるため、トランジスタの寄生キャパシタンスを相殺するインダクタを小型に実現することができる。

さらに、第２の誘電体基板３の厚さを第１の誘電体基板２よりも厚くすることにより、第１のボンディングワイヤ４ａ、第２のボンディングワイヤ４ｂと、第３のボンディングワイヤ５が極度に近接しないようにできるため、両者の不要な相互結合に起因する増幅器の設計、製造誤差を低減することも可能となる。

次に、この発明の実施の形態１に係る高周波電力増幅器の２倍波周波数における動作について説明する。該周波数において、前述した第１の誘電体基板２に備えられた第２の電極パターン６ｂからなる先端開放スタブは、その長さが１／２波長未満となり、かつ、基本波では前述した第１のボンディングワイヤ４ａと第２のボンディングワイヤ４ｂと併せて誘導性のインピーダンスを呈するように設計されている。
従って、先端開放スタブは、２倍波周波数における長さが１／２波長未満ではあるが１／２波長にやや近くなっており、よって２倍波周波数において第１の誘電体基板２、第１のボンディングワイヤ４ａ、第２のボンディングワイヤ４ｂ、第１の電極パターン６ａ、第２の電極パターン６ｂにより構成される回路は極めて高い誘導性インピーダンスを呈することになる。

従って、特許文献１に示されるような従来の高周波電力増幅器に比べて、２倍波周波数でのインピーダンスをより大きくすることができ、例えば２倍波周波数でのインピーダンスを無限大とする逆Ｆ級増幅器を、本実施の形態によればより容易に実現することが可能となる。

以上のように、実施の形態１によれば、基本波周波数におけるトランジスタの寄生キャパシタンスを小型な構成で効果的に相殺するとともに、２倍波周波数におけるトランジスタの負荷インピーダンスを十分大きくすることが可能となり、増幅器の動作効率を向上させるための高調波処理をより容易にすることが可能となる。

なお、図２に示すように、折り返し用電極である第１の電極パターン６ａを、第３の電極パターン７と電気的に隔離した状態で第２の誘電体基板３上に設け、第１のボンディングワイヤ４ａを第４の電極パターン９と第１の電極パターン６ａとの間に配線し、第２のボンディングワイヤ４ｂを第１の電極パターン６ａと第２の電極パターン６ｂとの間に配線してもよい。この場合、上記図１を用いて説明した構造よりも、インダクタとして働く第１のボンディングワイヤ４ａと第２のボンディングワイヤ４ｂの総ワイヤ長を長くすることができる。図２（ｂ）は、（ａ）においてＡ方向から見た立面図である。
第１のボンディングワイヤ４ａと第２のボンディングワイヤ４ｂの総ワイヤ長に関し、十分な長さを確保できるのであれば、第１の電極パターン６ａは、第１の誘電体基板２または第２の誘電体基板３の任意の場所に設けてよい。

実施の形態２．
図３に、この発明の実施の形態２に係る高周波電力増幅器を示す。図３（ａ）、（ｂ）は、高周波電力増幅器の出力側のみを描いたもので、（ａ）に示すように、実施の形態２に係る高周波電力増幅器は、第１の誘電体基板２上に第５の電極パターン６ｃが備えられている。そして、第４のボンディングワイヤ４ｃが、トランジスタチップ１上の第４の電極パターン９と第１の誘電体基板２上の第５の電極パターン６ｃとの間に配線されている。
第１の誘電体基板２上の第５の電極パターン６ｃは、先端開放スタブを構成し、その長さは、増幅器に入力されて増幅器が動作する周波数の２倍高調波あるいは３倍高調波において長さ１／４波長未満となっている。具体的には、２倍高調波あるいは３倍高調波において長さ１／４波長未満として先端開放スタブが容量性リアクタンスを呈するようにしつつ、かつ第４のボンディングワイヤ４ｃと併せて所望の２倍高調波あるいは３倍高調波でほぼ直列共振となるような長さとなっている。
図３（ｂ）は、（ａ）においてＡ方向から見た立面図である。
その他の構造については、前述の実施の形態１と同様であり、同一の符号を付し、その説明を省略する。

この発明の実施の形態２に係る高周波電力増幅器の動作について説明する。
実施の形態２では、前述したように、実施の形態１に対して、２倍波周波数あるいは３倍波周波数において電気的短絡点を形成するための先端開放スタブを構成する第５の電極パターン６ｃと、トランジスタチップ１上の第４の電極パターン９とが、第４のボンディングワイヤ４ｃを介して接続されている点が異なる。
なお、第４のボンディングワイヤ４ｃは、第１の誘電体基板２に備えられた第５の電極パターン６ｃとの接続点以外では、第１の誘電体基板２表面とは接触しないように配線される。

先端開放スタブの長さは、２倍波周波数あるいは３倍波周波数において長さが１／４波長未満に設定され、第４のボンディングワイヤ４ｃのインダクタンス分と併せて当該高調波にてトランジスタからみた負荷インピーダンスを０、すなわち電気的短絡状態とされており、それにより前述した実施の形態１では難しい高調波での電気的短絡点の実現が可能となり、増幅器の高調波処理の設計自由度を確保することが可能となる。
なお、基本波周波数における動作については実施の形態１と同様である。

以上のように、実施の形態２によれば、トランジスタに対して高調波での電気的短絡状態を実現するような開放先端スタブを接続することにより、基本波にてトランジスタの寄生容量を相殺するような回路を小型に構成しつつ、高調波にて増幅器の適切な高調波処理を行うことが可能となる。

なお、インダクタとして働くボンディングワイヤの構成に関し、図１、図２、図３に示したものでは、第１のボンディングワイヤ４ａと第２のボンディングワイヤ４ｂとの２本のワイヤのみで第４の電極パターン９、第１の電極パターン６ａ、第２の電極パターン６ｂの間を電気的に接続した、ボンディングワイヤ折り返し１回とみなされる構成としたが、適宜第１のボンディングワイヤ４ａと第２のボンディングワイヤ４ｂとの間にボンディングワイヤを追加して折り返しを複数回行ってもよい。つまり、図１、図２、図３に示す第１のボンディングワイヤ４ａと第２のボンディングワイヤ４ｂとの電気的な接続が、追加したボンディングワイヤを介して行われるようにし、インダクタとして働くボンディングワイヤが複数回折り返されているとみなされる構成にしてもよい。折り返しが多いほど、インダクタとして働くボンディングワイヤの総ワイヤ長を長くすることができる。

図４に、図１に示した実施の形態１に係る構成において、インダクタとして働くボンディングワイヤを２回折り返した構成としたものを示す。第１のボンディングワイヤ４ａが、第４の電極パターン９と第１の電極パターン６ａとの間に配線され、複数回折返し用ボンディングワイヤ４ｄが、他の電極パターンと電気的に隔離された複数回折返し用電極パターン６ｄと第１の電極パターン６ａとの間に配線され、第２のボンディングワイヤ４ｂが、複数回折返し用電極パターン６ｄと第２の電極パターン６ｂとの間に配線される。
複数回折返し用ボンディングワイヤ４ｄを追加するにせよしないにせよ、第４の電極パターン９と第１の電極パターン６ａとに接続される第１のボンディングワイヤ４ａが、第２の電極パターン６ｂに接続される第２のボンディングワイヤ４ｂと、最終的に電気的に接続される構成であればよい。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１ トランジスタチップ、２ 第１の誘電体基板、３ 第２の誘電体基板、４ａ 第１のボンディングワイヤ、４ｂ 第２のボンディングワイヤ、４ｃ 第４のボンディングワイヤ、４ｄ 複数回折返し用ボンディングワイヤ、５ 第３のボンディングワイヤ、６ａ 第１の電極パターン、６ｂ 第２の電極パターン、６ｃ 第５の電極パターン、６ｄ 複数回折返し用電極パターン、７ 第３の電極パターン、８ 出力端子、９ 第４の電極パターン、１０ 地導体。

Claims (4)

1. トランジスタチップと、
   第１の先端開放スタブを有する第１の誘電体基板と、
   出力端子を有する第２の誘電体基板と、
   前記トランジスタチップの電極と、前記第１の誘電体基板または前記第２の誘電体基板どちらか一方に設けられた折り返し用電極とを接続する第１のボンディングワイヤと、
   前記折り返し用電極と、前記第１の先端開放スタブとを接続する第２のボンディングワイヤと、
   前記トランジスタチップの電極と、前記第２の誘電体基板の出力端子に接続した電極とを接続する第３のボンディングワイヤとを備えることを特徴とする高周波電力増幅器。
2. 前記第１の先端開放スタブの長さを、入力される信号の２倍波周波数において２分の１波長未満としたことを特徴とする請求項１記載の高周波電力増幅器。
3. 前記第２の誘電体基板の厚さを前記第１の誘電体基板の厚さよりも厚くしたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の高周波電力増幅器。
4. 前記第１の誘電体基板は前記トランジスタチップの電極と第４のボンディングワイヤで接続される第２の先端開放スタブを有し、
   前記第２の先端開放スタブの長さを、入力される信号の２倍波周波数あるいは３倍波周波数において４分の１波長未満としたことを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載の高周波電力増幅器。

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