JP2016528782A - マイクロ波集積回路（ｍｍｉｃ）電力増幅器 - Google Patents
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Abstract
マイクロ波集積回路が、基板と、基板上の電力増幅器とを含む。電力増幅器は、入力ＲＦ信号を受け取るように構成された入力部を有する電力分配器回路と、電力分配器回路の第１の出力部に結合された入力部を有するベース増幅器と、電力分配器回路の第２の出力部に結合された入力部及び出力結合ノードに結合された出力部を有するピーキング増幅器とを含む。電力増幅器は、ベース増幅器の出力部を出力結合ノードに結合するインピーダンスインバータ回路と、出力結合ノードに結合された入力部、及び負荷に結合されるように構成された出力部を有する負荷整合回路とをさらに含む。【選択図】図１
Description
本発明は、高周波増幅器に関し、具体的には、電力増幅器に関する。
高周波電力増幅器は、一般に、通信、レーダー、及びその他の無線周波数（ＲＦ）システムにおいて使用される。一般に、このような電力増幅器は、広帯域幅を有するとともに高効率で動作することが望ましい。例えば、ＬＴＥ（ロングタームエボリューション）及びＩＥＥＥ ８０２．１１ａｃなどの最新の広帯域無線プロトコルでは、高いピーク対平均値比を有する広帯域変調波形の送信を伴うことが多い。一般に、このような用途では、比較的広い出力範囲にわたって高効率であることが望ましい。
このような用途には、ドハティ増幅器が適することができる。様々なドハティ増幅器の実装が、Ｐｅｎｇｅｌｌｙに付与された米国特許第６，７００，４４４号、Ｐｅｎｇｅｌｌｙ他に付与された米国特許第６，７３７，９２２号、Ｐｅｎｇｅｌｌｙ他に付与された米国特許第６，７９１，４１７号、Ｐｅｎｇｅｌｌｙ他に付与された米国特許第７，１９３，４７３号、及びＧｕｓｔａｆｓｓｏｎ他による「マイクロ波中継用途のための広帯域小型ＧａＮ ＭＭＩＣドハティ増幅器（Ａ Ｗｉｄｅｂａｎｄ ａｎｄ Ｃｏｍｐａｃｔ ＧａＮ ＭＭＩＣ Ｄｏｈｅｒｔｙ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｆｏｒ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｌｉｎｋ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ）」、マイクロ波理論及び技術に関するＩＥＥＥ議事録（ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ）、第６１巻，第２号（２０１３年２月）に記載されている。
Ｇｕｓｔａｆｓｓｏｎ他、「マイクロ波中継用途のための広帯域小型ＧａＮ ＭＭＩＣドハティ増幅器（Ａ Ｗｉｄｅｂａｎｄ ａｎｄ Ｃｏｍｐａｃｔ ＧａＮ ＭＭＩＣ Ｄｏｈｅｒｔｙ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｆｏｒ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｌｉｎｋ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ）」、マイクロ波理論及び技術に関するＩＥＥＥ議事録（ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ）、第６１巻，第２号（２０１３年２月）
本発明主題のいくつかの実施形態は、基板と、入力ＲＦ信号を受け取るように構成された入力部を有する、基板上の電力分配器回路を含む電力増幅器とを備えたマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）を提供する。電力増幅器は、電力分配器回路の第１の出力部に結合された入力部を有する、基板上のベース増幅器と、電力分配器回路の第２の出力部に結合された入力部、及び出力結合ノードに結合された出力部を有する、基板上のピーキング増幅器とをさらに含む。電力増幅器は、ベース増幅器の出力部を出力結合ノードに結合する、基板上のインピーダンスインバータ回路と、出力結合ノードに結合された入力部、及び負荷に結合されるように構成された出力部を有する、基板上の負荷整合回路とをさらに含む。
インピーダンスインバータ回路は、出力結合ノードを負荷に整合させるよりも、ベース増幅器及びピーキング増幅器の負荷の最適化を優先することができる。いくつかの実施形態では、出力結合ノードにおけるインピーダンスが、実質的に５０オームと異なることができる。
いくつかの実施形態では、インピーダンスインバータ回路が、ベース増幅器の出力部と出力結合ノードとの間に結合された少なくとも１つの集中定数インダクタを含むことができる。少なくとも１つの集中定数インダクタは、スパイラルインダクタを含むことができる。インピーダンスインバータ回路は、出力結合ノードとバイアスノードとの間に結合された少なくとも１つのコンデンサをさらに含むことができる。
いくつかの実施形態では、インピーダンスインバータ回路が、ベース増幅器の出力部に結合された第１の端子を有する第１の伝送線セグメントと、第１の伝送線セグメントの第２の端子に結合された第１の端子を有するスパイラルインダクタと、スパイラルインダクタの第２の端子に結合された第１の端子、及び出力結合ノードに結合された第２の端子を有する第２の伝送線セグメントと、スパイラルインダクタの第２の端子及び第２の伝送線セグメントの第１の端子に結合された第１の端子を有する第３の伝送線セグメントと、第３の伝送線セグメントの第２の端子に結合された第１の端子、及びバイアスノードに結合された第２の端子を有するコンデンサとを含む。
いくつかの実施形態では、ベース増幅器及びピーキング増幅器が、それぞれの第１及び第２のＩＩＩ族窒化物系トランジスタを含むことができる。第１及び第２のＩＩＩ族窒化物系トランジスタは、それぞれ第の１及び第２の窒化ガリウム（ＧａＮ）高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を含むことができる。第１のＧａＮ ＨＥＭＴは、約２ｍｍ〜約３ｍｍの範囲のゲート周辺部を有することができ、第２のＧａＮ ＨＥＭＴは、約４ｍｍ〜約６ｍｍの範囲のゲート周辺部を有することができる。ベース増幅器の出力部は、第１のＧａＮ ＨＥＭＴのドレインを含むことができ、ピーキング増幅器の出力部は、第２のＧａＮ ＨＥＭＴのドレインを含むことができる。
いくつかの実施形態では、ＭＭＩＣを、少なくとも約１０Ｗの平均出力と、約２．５ＧＨｚ〜約２．７ＧＨｚの周波数範囲における少なくとも約１５ｄＢの利得とを提供するように構成することができる。基板は、約１５ｍｍ2未満の面積を有することができ、ＭＭＩＣは、少なくとも約１０Ｗの平均出力を提供するように構成することができる。
さらなる実施形態は、基板と、入力ＲＦ信号を受け取るように構成された入力部を有する、基板上の電力分配器回路を含む電力増幅器とを備えたモノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）を提供する。電力増幅器は、電力分配器回路の第１の出力部に結合された入力部を有する、基板上のベース増幅器と、電力分配器回路の第２の出力部に結合された入力部、及び出力結合ノードに結合された出力部を有する、基板上のピーキング増幅器とをさらに含む。電力増幅器は、ベース増幅器の出力部と出力結合ノードとの間に結合された、ベース増幅器の出力部を出力結合ノードに結合する集中定数インダクタと、出力結合ノードとバイアスノードとの間に結合されたコンデンサとを含む、基板上のインピーダンスインバータ回路をさらに含む。
インピーダンスインバータ回路は、集中定数インダクタと直列に結合された伝送線セグメントをさらに含むことができる。例えば、インピーダンスインバータ回路は、ベース増幅器の出力部を集中定数インダクタに結合する第１の伝送線セグメントと、集中定数インダクタを出力結合ノードに結合する第２の伝送線セグメントとを含むことができる。インピーダンスインバータ回路は、少なくとも１つのコンデンサと直列に結合された伝送線セグメントをさらに含むことができる。
いくつかの実施形態では、インピーダンスインバータ回路が、ベース増幅器の出力部に結合された第１の端子、及び集中定数インダクタの第１の端子に結合された第２の端子を有する第１の伝送線セグメントと、集中定数インダクタの第２の端子と出力結合ノードとの間に結合された第２の伝送線セグメントと、集中定数インダクタの第２の端子に結合された第１の端子、及びコンデンサに結合された第２の端子を有する第３の伝送線セグメントとを含むことができる。
さらなる実施形態では、コンデンサが、第１のコンデンサを含み、バイアスノードが、第１のバイアスノードを含み、電力増幅器が、負荷整合回路をさらに含み、負荷整合回路が、出力結合ノードに結合された第１の端子を有する第４の伝送線セグメントと、第４の伝送線セグメントの第２の端子に結合された第１の端子、及び外部負荷に結合されるように構成された第２の端子を有する第２のコンデンサと、第２のコンデンサの第１の端子、及び第４の伝送線セグメントの第２の端子とに結合された第１の端子を有する第５の伝送線セグメントと、第５の伝送線セグメントの第２の端子とバイアスノードとの間に結合された第３のコンデンサとを含む。
いくつかの実施形態では、ベース増幅器及びピーキング増幅器が、それぞれの第１及び第２のＩＩＩ族窒化物系トランジスタを含むことができる。第１及び第２のＩＩＩ族窒化物系トランジスタは、それぞれの第１及び第２の窒化ガリウム（ＧａＮ）高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を含むことができる。第１のＧａＮ ＨＥＭＴは、約２ｍｍ〜約３ｍｍの範囲のゲート周辺部を有することができ、第２のＧａＮ ＨＥＭＴは、約４ｍｍ〜約６ｍｍの範囲のゲート周辺部を有することができる。
さらなる実施形態は、外部負荷整合回路に結合された、説明したようなＭＭＩＣを提供することができる。
本発明のさらなる理解をもたらすように含められ、本出願に組み込まれてその一部を成す添付図面に、本発明のいくつかの実施形態を示す。
以下、本発明の実施形態を示す添付図面を参照しながら、本発明の実施形態についてより完全に説明する。しかしながら、本発明は、多くの異なる形で具体化することができ、本明細書で説明する実施形態に限定されると解釈すべきではない。むしろ、これらの実施形態は、本開示を徹底的かつ完全なものとして当業者に本発明の範囲を十分に伝えるように提供するものである。全体を通じ、同じ要素は同じ番号によって示している。
本明細書では、様々な要素を説明するために「第１の」、「第２の」などの用語を使用するが、これらの要素をこれらの用語によって限定すべきではないと理解するであろう。これらの用語は、要素を互いに区別するために使用するものにすぎない。例えば、本発明の範囲から逸脱することなく、第１の要素を第２の要素と呼ぶことができ、同様に第２の要素を第１の要素と呼ぶことができる。本明細書で使用する「及び／又は（ａｎｄ／ｏｒ）」という用語は、関連する記載項目の１つ又はそれ以上のありとあらゆる組み合わせを含む。
本明細書で使用する用語は、特定の実施形態を説明するためのものにすぎず、本発明を限定するためのものではない。本明細書で使用する単数形の「１つの（英文不定冠詞）」及び「その（英文定冠詞）」は、その文脈で別様に明確に示していない限り、複数形も含むことが意図される。「備える、含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ、ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ、ｉｎｃｌｕｄｅｓ、及び／又はｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」という用語は、本明細書で使用する場合、上述した特徴、整数、ステップ、動作、要素、及び／又はコンポーネントの存在を示すが、１又はそれ以上の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、コンポーネント、及び／又はこれらの群の存在又は追加を除外するものではない。
特に定めがない限り、本明細書で使用する（技術用語及び科学用語を含む）全ての用語は、本発明が属する技術の当業者が一般に理解している意味と同じ意味を有する。本明細書で使用する用語は、本明細書及び関連技術との関連におけるこれらの意味に従う意味を有すると解釈すべきであり、本明細書で明確に定義しない限り、理想的な又は過度に形式的な意味で解釈されるものではないと理解されたい。
ＩＩＩ族窒化物とは、窒素と、通常はアルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）及び／又はインジウム（Ｉｎ）である周期表のＩＩＩ族内の元素との間で形成される半導体化合物を意味する。この用語は、ＡｌＧａＮ及びＡｌＩｎＧａＮなどの三元化合物及び四元化合物も意味する。
本発明主題のいくつかの実施形態は、単一基板上に作製されたベース増幅器及びピーキング増幅器を入力分配器回路と共に用いるドハティ増幅器と、ベース増幅器の出力部とベース増幅器及びピーキング増幅器の出力結合ノードとの間に結合されたインピーダンスインバータ回路とを含むモノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）を提供する。インピーダンスインバータ回路は、集中定数素子と分布定数素子との組み合わせを用いて回路のサイズ及び損失を制限することができる。いくつかの実施形態では、インピーダンスインバータ回路が、ベース増幅器の出力部と結合ノードとの間に結合された少なくとも集中定数インダクタを含むことができる。このＭＭＩＣは、出力結合ノードにおいて５０オーム以外のインピーダンスを提供することによって出力結合ノードに最適な又は最適に近い負荷を提供するように増幅器を構成できるような負荷整合回路を含むことにより、増幅器の設計にさらなる自由度を提供することができる。いくつかの実施形態では、ＭＭＩＣを、外部負荷整合回路を使用するように構成することができる。
図１は、本発明主題のいくつかの実施形態によるＲＦ電力増幅器ＭＭＩＣ１００のブロック図である。ＭＭＩＣ１００は、ＲＦ入力信号を受け取るように構成された電力分配器回路１１０を含む。電力分配器回路１１０は、ベース増幅器１２０及びピーキング増幅器１３０の入力部に結合される。ベース増幅器１２０の出力部は、インピーダンスインバータ回路１４０によって出力結合ノード１５０に結合される。ピーキング増幅器１３０の出力も、出力結合ノード１５０に結合される。出力結合ノード１５０には、ＭＭＩＣの内部負荷（図示せず）又は外部負荷とすることができる負荷にＲＦ出力信号を供給するように構成された負荷整合回路１６０が結合される。
いくつかの実施形態では、電力分配器回路１１０を、集中定数型ウィルキンソン電力分配器回路とすることができる。いくつかの実施形態では、電力分配器回路１１０が、ベース増幅器１２０とピーキング増幅器１３０との間で実質的に均等な電力分配を行うことができる。しかしながら、いくつかの実施形態では、電力分配器回路１１０が異なる電力分配を行うこともできる。例えば、電力分配器回路１１０の電力分配及びピーキング増幅器のバイアスを変化させて、ピーキング増幅器のターンオン電力、及びドハティ増幅器の出力／効率曲線（「バックオフ」電力レベル）の急な突出部を変化させることができる。
ベース増幅器１２０及びピーキング増幅器１３０は、不整合な能動素子（例えば、トランジスタ）を含む回路から、整合した及び／又は多段回路までの、異なるタイプの様々な複雑性の増幅器回路のいずれかを含むことができる。いくつかの実施形態では、ベース増幅器１２０及びピーキング増幅器１３０が、ＧａＮ ＨＥＭＴなどのＩＩＩ族窒化物系トランジスタを含むことができる。本発明主題のいくつかの実施形態において使用できるＧａＮ ＨＥＭＴ構造は、２００５年２月１日に取得された「バリア／スペーサ層を備えたＩＩＩ族窒化物系高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）（Ｇｒｏｕｐ−Ｉｌｌ ｎｉｔｒｉｄｅ ｂａｓｅｄ ｈｉｇｈ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｏｂｉｌｉｔｙ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ （ＨＥＭＴ） ｗｉｔｈ ｂａｒｒｉｅｒ／ｓｐａｃｅｒ ｌａｙｅｒ）」という名称の米国特許第６，８４９，８８２号、２００７年６月１２日に取得された「絶縁ゲートＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ ｇａｔｅ ＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴ）」という名称の米国特許第７，２３０，２８４号、２００７年３月１５日に公開された「シングルゲート又はマルチゲートフィールドプレートの製造（Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ ｏｒ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｇａｔｅ ｆｉｅｌｄ ｐｌａｔｅｓ）」という名称の米国特許出願公開第２００７／００５９８７３号、２００９年６月２３日に公開された「ソース接続されたフィールドプレートを備えたワイドバンドギャップＨＥＭＴ（Ｗｉｄｅ ｂａｎｄｇａｐ ＨＥＭＴｓ ｗｉｔｈ ｓｏｕｒｃｅ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｆｉｅｌｄ ｐｌａｔｅｓ）」という名称の米国特許出願公開第２００７／００５９８７３号、２００６年９月１４日に公開された「ゲート−ソースフィールドプレートを備えたワイドバンドギャップトランジスタ（Ｗｉｄｅ ｂａｎｄｇａｐ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ ｗｉｔｈ ｇａｔｅ−ｓｏｕｒｃｅ ｆｉｅｌｄ ｐｌａｔｅｓ）」という名称の米国特許出願公開第２００６／０２０２２７２号、２００９年３月１０日に取得された「フィールドプレートを備えたワイドバンドギャップトランジスタ（Ｗｉｄｅ ｂａｎｄｇａｐ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ ｄｅｖｉｃｅｓ ｗｉｔｈ ｆｉｅｌｄ ｐｌａｔｅｓ）」という名称の米国特許第７，５０１，６６９号、２００６年１０月２４日に取得された「フィールドプレートを備えたワイドバンドギャップ電界効果トランジスタを含むカスコード増幅器構造（Ｃａｓｃｏｄｅ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｗｉｄｅ ｂａｎｄｇａｐ ｆｉｅｌｄ ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ ｗｉｔｈ ｆｉｅｌｄ ｐｌａｔｅｓ）」という名称の米国特許第７，１２６，４２６号、２００９年８月１１日に取得された「複数のフィールドプレートを備えたワイドバンドギャップトランジスタ（Ｗｉｄｅ ｂａｎｄｇａｐ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ ｗｉｔｈ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｆｉｅｌｄ ｐｌａｔｅｓ）」という名称の米国特許第７，５７３，０７８号、２００１年１１月１３日に取得された「半絶縁性炭化ケイ素基板上の窒化物系トランジスタ（Ｎｉｔｒｉｄｅ ｂａｓｅｄ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ ｏｎ ｓｅｍｉ−ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ ｓｉｌｉｃｏｎ ｃａｒｂｉｄｅ ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ）」という名称の米国特許第６，３１６，７９３号、２００３年７月１日に取得された「トラッピングを減少させたＩＩＩ族窒化物系ＦＥＴ及びＨＥＭＴ、並びにその製造方法（Ｇｒｏｕｐ ＩＩＩ ｎｉｔｒｉｄｅ ｂａｓｅｄ ＦＥＴｓ ａｎｄ ＨＥＭＴｓ ｗｉｔｈ ｒｅｄｕｃｅｄ ｔｒａｐｐｉｎｇ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ ｔｈｅ ｓａｍｅ）」という名称の米国特許第６，５８６，７８１号、２００３年４月１５日に取得された「窒化ガリウム系キャップセグメント上のゲート接点を有する窒化アルミニウムガリウム／窒化ガリウム高電子移動度トランジスタ（Ａｌｕｍｉｎｕｍ ｇａｌｌｉｕｍ ｎｉｔｒｉｄｅ／ｇａｌｌｉｕｍ ｎｉｔｒｉｄｅ ｈｉｇｈ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｏｂｉｌｉｔｙ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ ｈａｖｉｎｇ ａ ｇａｔｅ ｃｏｎｔａｃｔ ｏｎ ａ ｇａｌｌｉｕｍ ｎｉｔｒｉｄｅ ｂａｓｅｄ ｃａｐ ｓｅｇｍｅｎｔ）」という名称の米国特許第６，５４８，３３３号、２００２年１１月１４日に公開された「バリア／スペーサ層を備えたＩＩＩ族窒化物系の高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）（Ｇｒｏｕｐ−Ｉｌｌ ｎｉｔｒｉｄｅ ｂａｓｅｄ ｈｉｇｈ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｏｂｉｌｉｔｙ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ （ＨＥＭＴ） ｗｉｔｈ ｂａｒｒｉｅｒ／ｓｐａｃｅｒ ｌａｙｅｒ）」という名称の米国特許出願公開第２００２／０１６７０２３号、及び２００３年１月３０日に公開された「絶縁ゲートＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ ｇａｔｅ ＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴ）」という名称の米国特許出願公開第２００３／００２００９２号に記載されており、これらの各公報の内容は、本明細書に完全に記載されているかのように引用により本明細書に組み入れられる。いくつかの実施形態は、本発明主題の譲受人であるノースカロライナ州ダラムのＣｒｅｅ社製のモデルＧ２８Ｖ３、モデルＧ５０Ｖ３、モデルＧ２８Ｖ４及び／又はモデルＧ４０Ｖ４などのＧａＮ系トランジスタを使用することができる。さらに、いくつかの実施形態によるＭＭＩＣドハティ増幅器は、その他のタイプのヘテロ接合トランジスタなどの、ＧａＮ ＨＥＭＴ以外の能動素子を使用することができると理解されたい。
いくつかの実施形態では、インピーダンスインバータ回路１４０が負荷インピーダンスに整合しなくてもよく、例えば、出力結合ノードでのインピーダンスは、ベース増幅器１２０及びピーキング増幅器１３０の負荷を最適化できるように実質的に５０オーム付近でなくてもよい。負荷整合回路１６０は、５０オーム又はその他の負荷インピーダンスとの好適な整合を行うことができる。
図２〜図７に、いくつかの実施形態によるＭＭＩＣドハティ増幅器の構成回路及びレイアウトを示す。具体的には、図２〜図５には、電力分配器回路１１０’、ベース増幅器１２０’、ピーキング増幅器１３０’、インピーダンスインバータ回路１４０’及び負荷整合回路１６０’をそれぞれ示す。
図２を参照すると、電力分配器回路１１０’は、それぞれの出力ノード２０２、２０３とＲＦ信号を受け取る入力ノード２０１との間に結合された第１及び第２の集中定数インダクタＬ１、Ｌ２を含む集中定数型ウィルキンソン分配器である。出力ノード２０２、２０３と接地ノードとの間にはそれぞれのコンデンサＣ１、Ｃ２が結合され、出力ノード２０２、２０３間には抵抗器Ｒ１が結合される。いくつかの実施形態では、図２に示す集中定数型の実装ではなく、伝送線素子を用いてこのような電力分配器を実装することもできると理解されたい。電力分配器１１０’は、ベース増幅器とピーキング増幅器との間で等しい電力分配を行うことも、或いは等しくない電力分配を行うこともできると理解されたい。
一般に、本発明主題の実施形態によるＭＭＩＣドハティ増幅器内の電力分配器は、ベース増幅器とピーキング増幅器の間の駆動比を制御してピーキング増幅器のターンオンを制御すると理解されたい。電力分配器は、増幅器によって出力結合ノードに供給される電流の位相を、例えば同相になるように制御するために、ベース増幅器とピーキング増幅器との間で何らかの位相整合を行うこともできる。一般に、インピーダンスインバータによってベース増幅器の出力部に導入される位相シフトを補償するには、ピーキング増幅器に約９０度の位相シフトを提供することが望ましい。しかしながら、図２に示すウィルキンソン分配器は同相分配器であり、従ってこのような位相シフトは、電力分配器自体ではなく、ピーキング増幅器のための別個の整合回路によって提供することができる。しかしながら、いくつかの実施形態では、ピーキング増幅器回路のための整合回路がこのような位相シフトを生成しなくて済むように、同相電力分配器の代わりに直角又はその他の位相シフト電力分配器を使用することもできる。
図３に示すように、ベース増幅器１２０’は、接地ノードに結合されたソース端子と、ベース増幅器１２０’の出力ノード３０２としての役割を果たすドレイン端子とを有するＧａＮトランジスタＱ１を含む。抵抗器Ｒ２、Ｒ３、集中定数インダクタＬ３、コンデンサＣ３、Ｃ４、Ｃ５、並びに伝送線セグメントＴＬ１、ＴＬ２、ＴＬ３、ＴＬ４を含む整合回路は、トランジスタＱ１のゲート端子を入力ノード２０２及びバイアスノード３０３、３０４に結合する。
図４に示すように、ピーキング増幅器１３０’は、接地ノードに結合されたソース端子と、ドハティ構成の出力結合ノードとしても機能する出力ノード４０２としての役割を果たすドレイン端子とを有するＧａＮトランジスタＱ２を含む。抵抗器Ｒ５、Ｒ６、集中定数インダクタＬ４、コンデンサＣ６、Ｃ７、Ｃ８、並びに伝送線セグメントＴＬ５、ＴＬ６、ＴＬ７、ＴＬ８、ＴＬ９、ＴＬ１０を含む整合回路は、トランジスタＱ２のゲート端子を入力ノード２０３及びバイアスノード４０３、４０４に結合する。
図５に示すように、インピーダンスインバータ回路１４０’は、ベース増幅器出力ノード３０２とピーキング増幅器出力ノード４０２（出力結合ノード）との間に結合された集中定数インダクタＬ５を含む。具体的には、第１の伝送線セグメントＴＬ１１が、ベース増幅器出力ノード３０２を集中定数インダクタＬ５の第１の端子に結合し、第２の伝送線セグメントＴＬ１４が、集中定数インダクタＬ５の第２の端子をピーキング増幅器出力ノード４０２に結合する。コンデンサＣ９は、バイアスノード５０３に結合された第１の端子と、第３の伝送線セグメントＴＬ１３を介して集中定数インダクタＬ５に結合された第２の端子とを有する。
図６に示すように、負荷整合回路１６０’は、出力結合ノード４０２と負荷が接続される出力ノード６０２との間に直列に結合された第１の伝送線セグメントＴＬ１３及び第１のコンデンサＣ１０を含む。第２の伝送線セグメントＴＬ１４、並びに第２及び第３のコンデンサＣ１１、Ｃ１２は、第１の伝送線セグメントＴＬ１３と第１のコンデンサＣ１０との接点をバイアスノード６０３に結合する。
図７に、上述した電力分配器１１０’、ベース増幅器１２０’、ピーキング増幅器１３０’、インピーダンスインバータ回路１４０’及び負荷整合回路１６０’に対応する回路と、入力分配器回路１１０’とを含むＭＭＩＣ７００のレイアウトを示す。図７では、ベース増幅器１２０’及びピーキング増幅器１３０’のそれぞれのＧａＮトランジスタＱ１、Ｑ２と、インピーダンスインバータ回路１４０’の（スパイラルインダクタとして実装される）集中定数インダクタＬ５及びコンデンサＣ９とを含む、ベース増幅器１２０’、ピーキング増幅器１３０’及びインピーダンスインバータ回路１４０’の選択的コンポーネントを特に識別する。ベース増幅器１２０’の第１のＧａＮトランジスタＱ１は、約２．６ｍｍのゲート周辺部を有し、ピーキング増幅器１３０’の第２のＧａＮトランジスタＱ２は、約５ｍｍのゲート周辺部を有する。これらのコンポーネントは、様々なタイプの炭化ケイ素などの多くの異なる材料で作製できる基板７０１上に配置される。炭化ケイ素は、ＩＩＩ族窒化物に比較的密接な結晶格子整合を提供し、比較的高度なＩＩＩ族窒化物膜をもたらすことができる。また、炭化ケイ素は、炭化ケイ素上のＩＩＩ族窒化物デバイスの総出力が基板の熱放散によって過度に制限されないように、比較的高い熱伝導率も有する。炭化ケイ素基板は、デバイスの絶縁能力をもたらし、寄生容量を減少させることもできる。好適なＳｉＣ基板は、ノースカロライナ州ダラムのＣｒｅｅ社から市販されている。
約３．４ｍｍ×約３．４ｍｍ（約１１．６ｍｍ2）の寸法のチップを製造するように５０ボルト０．４μｍのゲート工程を用いてＳｉＣ基板上に形成されたＭＭＩＣ７００に対応するデバイスを評価した。図８に、約７．５のピーク対平均電力比を有するＷＣＤＭＡ（登録商標）入力信号を用いて評価したデバイスの性能特性を示しており、約２．５ＧＨｚ〜約２．７ＧＨｚの周波数範囲の平均出力８１０（ピーク電力の高さは、約７．５ｄＢとすべきである）、効率８２０、及び隣接チャネル電力（ＡＣＰ）８３０を示す。図示のように、評価したデバイスは、約１０Ｗ（４０ｄＢ）以上の平均出力レベルにおいて４５％を上回る効率を示す。増幅器のピーク単音出力は、約５６Ｗである。いくつかの実施形態によるＭＭＩＣドハティ増幅器は、少なくとも約１０ワットのピーク出力、及び少なくとも約１ＧＨｚの周波数におけるピークを約７ｄＢ下回る平均出力レベルにおいて少なくとも３５％の効率を生み出すことができる。
さらなる実施形態によれば、ドハティ増幅器ＭＭＩＣを外部負荷整合回路と共に使用するように構成することもできる。図９に示すように、システム９００は、電力分配器１１０と、ベース増幅器１２０と、ピーキング増幅器１３０と、ベース増幅器１２０の出力を出力結合ノード１５０に結合するインピーダンスインバータ回路１４０とを含むＭＭＩＣ９１０を含むことができる。出力結合ノード１５０は、外部負荷整合回路９２０に接続されるように構成することができる。
さらに別の実施形態によれば、ドハティ増幅器ＭＭＩＣが、統合入力ドライバ段を含むことができる。図１０に示すように、システム１０００は、電力分配器１１０と、ベース増幅器１２０と、ピーキング増幅器１３０と、ベース増幅器１２０の出力を出力結合ノード１５０に結合するインピーダンスインバータ回路１４０と、負荷整合回路１６０とを含むＭＭＩＣ１０００を含むことができる。ＭＭＩＣ１０００は、入力ＲＦ信号を受け取るように構成された、出力部が電力分配器１１０の入力部に結合された入力ドライバ１７０をさらに含む。入力ドライバ１７０は、例えばクラスＡ又はＢ増幅器とすることができ、全体的利得を高めるために使用することができる。
本発明主題のいくつかの実施形態によるＭＭＩＣの用途としては、無線基地局などにおける、無線通信システムのための送信機回路が挙げられる。
図面及び明細書には、本発明の典型的な実施形態を開示しており、また特定の用語を使用しているが、これらは一般的かつ記述的な意味でのみ使用したものであって限定を目的とするものではなく、本発明の範囲は以下の特許請求の範囲に示す。
１００ ＭＭＩＣ
１１０ 分配器
１２０ ベース増幅器
１３０ ピーキング増幅器
１４０ インピーダンスインバータ
１５０ 出力結合ノード
１６０ 負荷整合
１１０ 分配器
１２０ ベース増幅器
１３０ ピーキング増幅器
１４０ インピーダンスインバータ
１５０ 出力結合ノード
１６０ 負荷整合
Claims (36)
- マイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）であって、
基板と、
電力増幅器と、
を備え、前記電力増幅器は、
入力ＲＦ信号を受け取るように構成された入力部を有する、前記基板上の電力分配器回路と、
前記電力分配器回路の第１の出力部に結合された入力部を有する、前記基板上のベース増幅器と、
前記電力分配器回路の第２の出力部に結合された入力部と、出力結合ノードに結合された出力部とを有する、前記基板上のピーキング増幅器と、
前記ベース増幅器の前記出力部を前記出力結合ノードに結合する、前記基板上のインピーダンスインバータ回路と、
前記出力結合ノードに結合された入力部と、外部負荷に結合されるように構成された出力部とを有する、前記基板上の負荷整合回路と、
を含む、
ことを特徴とするＭＭＩＣ。 - 前記インピーダンスインバータ回路は、前記出力結合ノードを前記負荷に整合させるよりも、前記ベース増幅器及び前記ピーキング増幅器の負荷の最適化を優先する、
請求項１に記載のＭＭＩＣ。 - 前記出力結合ノードにおけるインピーダンスは、実質的に５０オームと異なる、
請求項１に記載のＭＭＩＣ。 - 前記インピーダンスインバータ回路は、前記ベース増幅器の出力部と前記出力結合ノードとの間に結合された少なくとも１つの集中定数インダクタを含む、
請求項１に記載のＭＭＩＣ。 - 前記少なくとも１つの集中定数インダクタは、スパイラルインダクタを含む、
請求項４に記載のＭＭＩＣ。 - 前記インピーダンスインバータ回路は、前記出力結合ノードとバイアスノードとの間に結合された少なくとも１つのコンデンサを含む、
請求項４に記載のＭＭＩＣ。 - 前記インピーダンスインバータ回路は、
前記ベース増幅器の出力部に結合された第１の端子を有する第１の伝送線セグメントと、
前記第１の伝送線セグメントの第２の端子に結合された第１の端子を有するスパイラルインダクタと、
前記スパイラルインダクタの第２の端子に結合された第１の端子と、前記出力結合ノードに結合された第２の端子とを有する第２の伝送線セグメントと、
前記スパイラルインダクタの第２の端子及び前記第２の伝送線セグメントの第１の端子に結合された第１の端子を有する第３の伝送線セグメントと、
前記第３の伝送線セグメントの第２の端子に結合された第１の端子と、バイアスノードに結合された第２の端子とを有するコンデンサと、
を含む、
請求項１に記載のＭＭＩＣ。 - 前記ベース増幅器は、第１のＩＩＩ族窒化物系トランジスタを含み、前記ピーキング増幅器は、第２のＩＩＩ族窒化物系トランジスタを含む、
請求項１に記載のＭＭＩＣ。 - 前記第１及び第２のＩＩＩ族窒化物系トランジスタは、それぞれの第１及び第２の窒化ガリウム（ＧａＮ）高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を含む、
請求項８に記載のＭＭＩＣ。 - 前記第１のＧａＮ ＨＥＭＴは、約２ｍｍ〜約３ｍｍの範囲のゲート周辺部を有し、前記第２のＧａＮ ＨＥＭＴは、約４ｍｍ〜約６ｍｍの範囲のゲート周辺部を有する、
請求項９に記載のＭＭＩＣ。 - 前記ベース増幅器の前記出力部は、前記第１のＧａＮ ＨＥＭＴのドレインを含み、前記ピーキング増幅器の前記出力部は、前記第２のＧａＮ ＨＥＭＴのドレインを含む、
請求項９に記載のＭＭＩＣ。 - 少なくとも約１０Ｗの平均出力と、約２．５ＧＨｚ〜約２．７ＧＨｚの周波数範囲における少なくとも約１５ｄＢの利得とを提供するように構成される、
請求項１に記載のＭＭＩＣ。 - 前記基板は、約１５ｍｍ2未満の面積を有し、前記ＭＭＩＣは、少なくとも約１０Ｗの平均出力を提供するように構成される、
請求項１に記載のＭＭＩＣ。 - 入力ＲＦ信号を受け取るように構成された入力部と、前記電力分配器回路の前記入力部に結合された出力部とを有する、前記基板上の入力ドライバ回路をさらに備える、
請求項１に記載のＭＭＩＣ。 - モノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）であって、
基板と、
電力増幅器と、
を備え、前記電力増幅器は、
入力ＲＦ信号を受け取るように構成された入力部を有する、前記基板上の電力分配器回路と、
前記電力分配器回路の第１の出力部に結合された入力部を有する、前記基板上のベース増幅器と、
前記電力分配器回路の第２の出力部に結合された入力部と、出力結合ノードに結合された出力部とを有する、前記基板上のピーキング増幅器と、
前記ベース増幅器の前記出力部と前記出力結合ノードとの間に結合された、前記ベース増幅器の前記出力部を前記出力結合ノードに結合する集中定数インダクタと、前記出力結合ノードとバイアスノードとの間に結合されたコンデンサとを含む、前記基板上のインピーダンスインバータ回路と、
を含む、
ことを特徴とするＭＭＩＣ。 - 前記インピーダンスインバータ回路は、前記集中定数インダクタと直列に結合された伝送線セグメントをさらに含む、
請求項１５に記載のＭＭＩＣ。 - 前記インピーダンスインバータ回路は、
前記ベース増幅器の前記出力部を前記集中定数インダクタに結合する第１の伝送線セグメントと、
前記集中定数インダクタを前記出力結合ノードに結合する第２の伝送線セグメントと、
をさらに含む、
請求項１５に記載のＭＭＩＣ。 - 前記インピーダンスインバータ回路は、前記少なくとも１つのコンデンサと直列に結合された伝送線セグメントをさらに含む、
請求項１５に記載のＭＭＩＣ。 - 前記インピーダンスインバータ回路は、
前記ベース増幅器の前記出力部に結合された第１の端子と、前記集中定数インダクタの第１の端子に結合された第２の端子とを有する第１の伝送線セグメントと、
前記集中定数インダクタの第２の端子と前記出力結合ノードとの間に結合された第２の伝送線セグメントと、
前記集中定数インダクタの前記第２の端子に結合された第１の端子と、前記コンデンサに結合された第２の端子とを有する第３の伝送線セグメントと、
を含む、
請求項１５に記載のＭＭＩＣ。 - 前記コンデンサは、第１のコンデンサを含み、前記バイアスノードは、第１のバイアスノードを含み、前記ＭＭＩＣは、負荷整合回路をさらに備え、該負荷整合回路は、
前記出力結合ノードに結合された第１の端子を有する第４の伝送線セグメントと、
前記第４の伝送線セグメントの第２の端子に結合された第１の端子と、外部負荷に結合されるように構成された第２の端子とを有する第２のコンデンサと、
前記第２のコンデンサの前記第１の端子と、前記第４の伝送線セグメントの前記第２の端子とに結合された第１の端子を有する第５の伝送線セグメントと、
前記第５の伝送線セグメントの第２の端子とバイアスノードとの間に結合された第３のコンデンサと、
を含む、
請求項１９に記載のＭＭＩＣ。 - 前記集中定数インダクタは、スパイラルインダクタを含む、
請求項１５に記載のＭＭＩＣ。 - 前記出力結合ノードに結合された入力部と、外部負荷に結合されるように構成された出力部とを有する、前記基板上の負荷整合回路をさらに備える、
請求項１５に記載のＭＭＩＣ。 - 前記コンデンサは、第１のコンデンサを含み、前記バイアスノードは、第１のバイアスノードを含み、前記負荷整合回路は、
前記出力結合ノードに結合された第１の端子を有する第１の伝送線セグメントと、
前記第１の伝送線セグメントの第２の端子に結合された第１の端子と、外部負荷に結合されるように構成された第２の端子とを有する第２のコンデンサと、
前記第１のコンデンサの前記第１の端子と、前記第１の伝送線セグメントの前記第２の端子とに結合された第１の端子を有する第２の伝送線セグメントと、
前記第２の伝送線セグメントの第２の端子と第２のバイアスノードとの間に結合された第３のコンデンサと、
を含む、
請求項２２に記載のＭＭＩＣ。 - 前記ベース増幅器は、第１のＩＩＩ族窒化物系トランジスタを含み、前記ピーキング増幅器は、第２のＩＩＩ族窒化物系トランジスタを含む、
請求項１５に記載のＭＭＩＣ。 - 前記第１及び第２のＩＩＩ族窒化物系トランジスタは、それぞれの第１及び第２の窒化ガリウム（ＧａＮ）高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を含む、
請求項２４に記載のＭＭＩＣ。 - 前記第１のＧａＮ ＨＥＭＴは、約２ｍｍ〜約３ｍｍの範囲のゲート周辺部を有し、前記第２のＧａＮ ＨＥＭＴは、約４ｍｍ〜約６ｍｍの範囲のゲート周辺部を有する、
請求項２５に記載のＭＭＩＣ。 - 前記ベース増幅器の前記出力部は、前記第１のＧａＮ ＨＥＭＴのドレインを含み、前記ピーキング増幅器の前記出力部は、前記第２のＧａＮ ＨＥＭＴのドレインを含む、
請求項２５に記載のＭＭＩＣ。 - 少なくとも約１０Ｗの平均出力と、約２．５ＧＨｚ〜約２．７ＧＨｚの周波数範囲における少なくとも約１５ｄＢの利得とを提供するように構成される、
請求項１５に記載のＭＭＩＣ。 - 前記基板は、約１５ｍｍ2未満の面積を有し、前記ＭＭＩＣは、少なくとも約１０Ｗの平均出力を提供するように構成される、
請求項１５に記載のＭＭＩＣ。 - 外部負荷整合回路に結合された請求項１５に記載のＭＭＩＣを備える、
ことを特徴とするシステム。 - 入力ＲＦ信号を受け取るように構成された入力部と、前記電力分配器回路の前記入力部に結合された出力部とを有する、前記基板上の入力ドライバ回路をさらに備える、
請求項１５に記載のＭＭＩＣ。 - マイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）であって、
基板と、
前記基板上のドハティ増幅器と、
前記ドハティ増幅器の出力結合ノードに結合された入力部と、外部負荷に結合されるように構成された出力部とを有する、前記基板上の負荷整合回路と、
を備えることを特徴とするＭＭＩＣ。 - 前記ドハティ増幅器は、前記出力結合ノードに結合された少なくとも１つの集中定数インダクタを有するインピーダンスインバータ回路を含む、
請求項３２に記載のＭＭＩＣ。 - 前記出力結合ノードにおける出力インピーダンスは、実質的に５０オームと異なる、
請求項３２に記載のＭＭＩＣ。 - 少なくとも約１０Ｗの平均出力と、約２．５ＧＨｚ〜約２．７ＧＨｚの周波数範囲における少なくとも約１５ｄＢの利得とを提供するように構成される、
請求項３２に記載のＭＭＩＣ。 - 前記基板は、約１５ｍｍ2未満の面積を有し、前記ＭＭＩＣは、少なくとも約１０Ｗの平均出力を提供するように構成される、
請求項３２に記載のＭＭＩＣ。
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