JP2020184749A - 集積ドハティ増幅器 - Google Patents
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Abstract
【課題】マルチチップモジュール構造に基づく集積ドハティ増幅器を提供する。【解決手段】集積ドハティ増幅器は、集中構成要素に基づく主増幅器及びピーキング増幅器のための集中ウィルキンソン電力分配器C1L1C1−C2L2C2−R0、位相補償回路C3L3C3及び入力整合回路を含む入力集積受動ダイIPDと、主デバイス、ピーキングデバイス及び主デバイス及びピーキングデバイスのドレイン端子間に接続されたボンドワイヤインダクタL0を含む能動GaNダイと、インピーダンス変換帯域通過フィルタとして動作するローパス及びハイパス整合部C7L7を有する2セクション整合回路並びに直流供給電源回路を含む、集中構成要素及びマイクロストリップ線路に基づく出力整合回路網OMNと、を備える。【選択図】図4
Description
[0002]本出願は集積ドハティ増幅器に関する。
[関連出願の相互参照]
[0001]本出願は、その内容が依拠されるものであり、参照によりその/それらの全体が本明細書に組み込まれている、2019年4月5日に出願された米国特許仮出願第62/830,014号の優先権を米国特許法第119条の下で主張する。
[関連出願の相互参照]
[0001]本出願は、その内容が依拠されるものであり、参照によりその/それらの全体が本明細書に組み込まれている、2019年4月5日に出願された米国特許仮出願第62/830,014号の優先権を米国特許法第119条の下で主張する。
[0003]伝統的ドハティ増幅器アーキテクチャは、主増幅経路に配置された4分の1波長伝送線路によって分離された主増幅器とピーキング増幅器とを内蔵する。主増幅経路及びピーキング増幅経路の両方は、通常、それぞれ50Ω環境で動作する入力整合回路と負荷回路網とを含む。入力源からの入力電力は、対称ドハティ構造用に入力分配器によって2つの等しい部分に分割される。4分の1波長伝送線路は、ピーキング増幅器をオフにしたとき、低電力レベル(飽和電力から−6dBc未満)の主増幅器から見て25Ωから100Ωへのインピーダンス変換をもたらす。ピーキング増幅器の入力における4分の1波長伝送線路は、4分の1波長伝送線路によって主増幅経路の出力において引き起こされた90度の位相シフトを補償することが必要とされる。特性インピーダンスZ0=(25×50)1/2=35.3Ωを有する出力4分の1波長線路が、主増幅経路及びピーキング増幅経路の両方が、最大電力を供給するときに、そのそれぞれが50Ω環境で設計されているとき、50Ωの標準負荷インピーダンスに整合することが必要とされる。
[0004]一方が位相補償用の入力に、他方がインピーダンス変成器として動作する出力にある、2つの追加の4分の1波長伝送線路の存在にかかわらず、ドハティ増幅器は、ハイブリッド及びモノリシック実装形態の両方を使用した回路集積化の非常に魅力的な有力な選択肢と考慮することができる。この場合、サイズ及び費用を最小限に抑えるために、及び標準個別パッケージで実装された高電力集積ドハティ増幅器の設計の複雑さを簡単にするために、対応する4分の1波長線路を等価的に置き換えるΠ型ローパス及びハイパス集中LC回路を使用することができる。例えば、4分の1波長インピーダンス変成器は、デバイスドレインソース間容量によって形成されたΠ型ローパス回路及びデバイスドレイン間に配置されたボンディングワイヤで等価的に置き換えることができる[Doherty amplifier、米国特許第7,800,448号、2010年9月21日]。図1は、入力移相器が、デバイスゲートソース間容量によって形成されたΠ型ローパス回路及びデバイスゲート間に配置されたボンディングワイヤで等価的に置き換えられる集積ドハティ増幅器の先行技術の回路図を示す[Integrated Doherty amplifier、米国特許第8,228,123号、2012年7月24日]。ここで、追加のL型LC整合部が、入力に使用され、追加のローパスL型LC整合部が、インダクタがボンディングワイヤで表される出力に使用される。しかし、一般に、これらの単一セクション整合回路網は、特に極めて小さい入力インピーダンスを有し、及び十分に低い出力負荷インピーダンスを必要とする高電力デバイスに対して、50オーム入力源及び負荷を有するのではなく、いくつかの中間入力及び出力インピーダンスを有する複素共役整合を提供することだけができる。さらに、主増幅経路及びピーキング増幅経路の入力間に絶縁が何もなく、その場合、主デバイス及びピーキングデバイスは、主デバイスにはAB級バイアス、ピーキングデバイスにはC級バイアスという、異なるバイアス電圧で動作される。また、最新の4/5Gセルラー方式に使用される広帯域変調信号では、集積ドハティ増幅器の出力における単一のローパス整合部は、動作帯域幅超の高調波及び相互変調成分の十分な抑制をもたらすことができず、動作帯域幅未満の変調及び相互変調成分に対して効果が何もない。
[0005]図1は、従来のドハティ増幅器アーキテクチャの概略ブロックを示し、従来のドハティ増幅器アーキテクチャは、搬送波増幅器(CA)経路に配置された4分の1波長伝送線路によって分離された搬送波増幅器(CA)とピーキング増幅器(PA)とを内蔵する[1]。PA及びCAの両方は、それぞれ50Ω環境で動作する入力整合回路と負荷回路網とを含むことができる。入力源からの無線周波数(RF)信号の入力電力は、対称ドハティ構造の入力分配器によって2つの等しい部分に均等に分割される。4分の1波長伝送線路は、PAをオフにしたとき、低電力レベル(飽和電力から−6dBc未満)のCAから見て25Ωから100Ωへのインピーダンス変換をもたらす。PAの入力における4分の1波長伝送線路は、CAの出力における4分の1波長伝送線路によって引き起こされた90度位相シフトを補償することが必要とされる。特性インピーダンスZ0=(25×50)1/2=35.3Ωを有する出力4分の1波長線路は、CA及びPAの両方が最大電力を供給するときに、そのそれぞれが50Ω環境で設計されているとき、50Ωの標準負荷インピーダンスに整合することが必要とされる。しかし、従来のドハティ増幅器は、PAをオフにしたときに、より低い出力電力レベルにおいてその電力利得が3dBだけ降下するとき、顕著な不利益を有する。これは、入力電力の半分が3dBの入力分配器によりPA入力に供給され続けるからである。
[0006]ドハティ増幅器の入力における信号を主増幅経路とピーキング増幅経路との間で分割し、これらの増幅経路間に十分な絶縁及び最小挿入損失を有するために、ハイブリッド結合器を使用することが必要である。対称及び非対称ドハティ構造の両方に使用することができ、集積ドハティ増幅器に容易に実装することができる、最も簡単な双方向結合器は、ウィルキンソン電力分配器である。図2Aは、入力ボンディングパッド(IBP)において並列に接続された2つの4分の1波長マイクロストリップ線路と、出力ボンディングパッド(OBP1及びOBP2)間に接続された平面安定抵抗器とからなるウィルキンソン電力分配器の平面構造を示し、その場合、特性インピーダンスZ1及びZ2は、対称ドハティ増幅器構成に対しては等しく、非対称ドハティ増幅器構造に対しては不等である。その小さい寸法及び簡単な構造にもかかわらず、そのような電力分配器は、R0=2Z0及びZ1=Z2=Z0(2)1/2を有する対称構成により等しい電力分配が得られるとき、十分に広い周波数帯域幅にわたって出力ポート間に十分な絶縁を提供し、ここで、Z0は、特性入力源及び負荷インピーダンスである。不等電力分割を伴う非対称ドハティ増幅器では、特性インピーダンスZ1及びZ2並びに安定抵抗器R0は、次式から計算される。
ここで、Kは電圧分割比である。そのようなウィルキンソン電力分配器は、次式によりインピーダンスを反転させるために既知の入力インピーダンスZin又は出力インピーダンスZoutに対して伝送線路特性インピーダンスZ0の適切な選択によって、追加の整合部を除去して、さらにインピーダンス整合をもたらすことができる。
ここで、Z0は、伝送線路の特性インピーダンスである。
ここで、Kは電圧分割比である。そのようなウィルキンソン電力分配器は、次式によりインピーダンスを反転させるために既知の入力インピーダンスZin又は出力インピーダンスZoutに対して伝送線路特性インピーダンスZ0の適切な選択によって、追加の整合部を除去して、さらにインピーダンス整合をもたらすことができる。
ここで、Z0は、伝送線路の特性インピーダンスである。
[0007]本質的に高い基板損失を最小限に抑え、ウィルキンソン電力分配器の集積のレベルを増加させるために、4分の1波長伝送線路は、それらの集中等価回路で完全に置き換えることができる。4分の1波長伝送線路及び直列インダクタンスと2つのシャントコンデンサとからなるΠ型ローパス集中回路に伝送ABCDマトリックスを考慮することによって、並びに両方のマトリックスの対応する要素を等価的に扱うことによって、回路パラメータ間の比率は次式のように書くことができる。
ここで、Z0は、4分の1波長伝送線路の特性インピーダンスである。不等ウィルキンソン電力分配器では、Z0の代わりにZ1及びZ2を式(5)に代入することによって各伝送線路に対して、対応するインダクタンス及び容量を別々に計算することが必要である(C1L1及びC2L2)。
ここで、Z0は、4分の1波長伝送線路の特性インピーダンスである。不等ウィルキンソン電力分配器では、Z0の代わりにZ1及びZ2を式(5)に代入することによって各伝送線路に対して、対応するインダクタンス及び容量を別々に計算することが必要である(C1L1及びC2L2)。
[0008]主増幅経路とピーキング増幅経路との間で入力信号を分割するためにウィルキンソン電力分配器を有する伝統的ドハティ増幅器において、ピーキング増幅器の入力における追加の4分の1波長伝送線路は、主増幅器の出力において4分の1波長伝送線路によって引き起こされた90°位相シフトを補償することが必要とされる。しかし、一般にその電気的長さは、主デバイス及びピーキングデバイスの入力リアクタンスがゲートバイアス電圧に応じて変動するので、90°と異なる場合がある。この場合、伝送線路に対応する回路パラメータと、図2Bに示し、式(5)によって与えられるΠ型ローパス集中等価回路に対応する回路パラメータとの比率は、電気的長さθの関数として次式のように書き換えることができる。
[0009]本発明は、集中構成要素に基づく主増幅器及びピーキング増幅器のためのウィルキンソン電力分配器、位相補償回路及び入力整合回路を含む入力集積受動ダイと、主デバイス、ピーキングデバイス及び、主デバイス及びピーキングデバイスのドレイン端子間に接続されたボンドワイヤインダクタを含む能動GaN HEMTダイと、インピーダンス変換帯域通過フィルタとして動作するローパス及びハイパス整合部を有する2セクション整合回路並びに直流供給電源回路を含む、集中構成要素及びマイクロストリップ線路に基づく出力整合回路網とを備えるマルチチップモジュール構造に基づく集積ドハティ増幅器を提供する。
[0010]前述の及び他の目的、態様及び利点は、図面を参照して、本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な説明からよりよく理解されるであろう。
集積ドハティ増幅器の先行技術の回路図である。
ウィルキンソン電力分配器及びその等価回路の平面構造を示す図である。
伝送線路及びその等価回路の平面構造を示す図である。
集積ドハティ増幅器案の回路図である。
図3の集積ドハティ増幅器案の実装形態を示す図である。
集積ドハティ増幅器案の別の実施形態の実装形態を示す図である。
集積ドハティ増幅器案の別の実施形態の実装形態を示す図である。
集積ドハティ増幅器案の別の回路図である。
図7の集積ドハティ増幅器案の実装形態を示す図である。
[0019]図3は、挿入損失、主増幅器とピーキング増幅器との間の絶縁、及びスプリアス抑制の改善を有する集積ドハティ増幅器案の回路図を示す。ここで、インピーダンスインバータは、2つのドレインソース間容量Cds(主デバイス及びピーキングデバイスが、異なる数のセルを有する場合、容量Cdsは異なる)と、ボンディングワイヤとして実装されるインダクタL4とからなり、出力インピーダンス変換は、動作帯域幅超の高調波及び相互変調成分を抑制する一番目のローパス整合部(L6C6)と、動作帯域幅未満の変調、相互変調、及び低調波成分を抑制する二番目のハイパス整合部(C7L7)とを有する帯域通過フィルタ構造を表す2セクション整合回路(出力合成器)によって行われる。2セクション整合回路は、それぞれオフセット伝送線路(L0又はL6)を通じて与えられる主デバイス及びピーキングデバイスの出力を合成する。
[0020]チョークインダクタLch及びバイパスコンデンサCbpは、RF増幅経路を直流供給電源に接続するのに使用され、インダクタLchの値は、シャントコンデンサC6の値を変動させることによって調整することができる。
[0021]集中ウィルキンソン電力分配器(C1L1C1−C2L2C2−R0)及び位相補償線路(C3L3C3)に加えて、L4及びL5がデバイスゲートを外部入力回路に接続するボンディングワイヤによって実装される、2つの入力ローパス整合部(主デバイスにC4L4及びピーキングデバイスにC5L5)が使用される。
[0022]コンデンサCbは、ピーキングデバイス用の直流バイアス回路をRF入力経路から絶縁する直流阻止コンデンサである。
[0023]図4は、集積ドハティ増幅器案の実装形態を示し、その場合、主デバイス及びピーキングデバイスが、GaN HEMT技術を使用する別個の能動ダイ(半導体チップ)に配置されており、集積受動ダイ(IPD)が、ウィルキンソン電力分配器を含む入力回路に使用され、出力整合回路網(OMN)が、直流供給電源回路を含む出力整合回路を実装するのに使用される。
[0024]単一の基板にインダクタ、コンデンサ、及び抵抗器などの複数の受動構成要素を実装するためにガリウムヒ素又はシリコン高抵抗基板を使用するIPD技術の主要な利点は、競争力のある費用構造、小さいフォームファクタ、及び電力損失の低減である。高い直流供給電圧(最大50Vまでの)及び高いピーク出力電力(数十ワット)に鑑み、最小挿入損失によるOMN実装形態の最良の選択は、セラミック又は積層基板を使用することである。ボンドワイヤインダクタンスL0とL6との間の電磁結合は、それらの互いの直交配向により最小限に抑えられる。
[0025]入力IPDは、複合金属−絶縁体−金属(MIM)直列コンデンサC1+C2と、直列スパイラルインダクタL1及びL2と、基板ビアを通じて接地された複合シャントMIMコンデンサC1+C4及びC2+C3と、安定抵抗器R0と、ブロッキング直列MIMコンデンサCbと、直列スパイラルインダクタL3と、基板ビアを通じて接地された複合シャントMIMコンデンサC3+C5とを備える。
[0026]直列ボンドワイヤインダクタL4及びL5は、それぞれ、主デバイス及びピーキングデバイスのゲートに直接接続された入力ローパス整合部の対応する部分を表す。ボンドワイヤインダクタL0は、主デバイス及びピーキングデバイスのドレインをインピーダンスインバータの一部として直接接続するが、ピーキングデバイスのドレインに接続されたボンドワイヤインダクタL6は、2セクションOMNの出力ローパス整合部の直列インダクタとして動作する。ボンドワイヤインダクタL0の一端は、主デバイスのドレインに直接接続されており、ボンドワイヤインダクタL0の他端は、ピーキングデバイスのドレインに直接接続されている。ボンドワイヤインダクタL0の一端は、ボンドワイヤインダクタL6の一端にさらに直接接続されている。
[0027]OMNは、ローパス整合部の分路要素としてチップコンデンサC6(基板ビアを通じて接地された)と、ハイパス整合部の要素として直列チップコンデンサC7及びシャントインダクタL7(基板ビアを通じて接地された)とをさらに含む。
[0028]単一の整合回路網におけるローパス整合部とハイパス整合部との組合せは、低周波数及び高周波数の相互変調及び高調波成分を同時に抑制するためにインピーダンス変換帯域通過フィルタとして動作する。OMNにおけるインダクタンスの品質係数を改善し、挿入損失を低減するために、シャントインダクタL7及びチョークインダクタLchが、短寸のマイクロストリップ線路として実装される。
[0029]例として、3.5の誘電体誘電率及び0.5mmの厚さを有する積層基板を使用して、マイクロストリップ線路Lch及びL7の長さは、対称ドハティ構造に2つの20W GaN HEMTデバイス(又は1:3非対称ドハティ構成に10W及び30Wデバイス)を使用するとき、それぞれ3mm及び2mmに等しいが、これらのマイクロストリップ線路の幅は0.2mmである。
[0030]図5は、ボンドワイヤL0が長すぎて、単一のボンドワイヤとして2つのデバイスドレイン間に物理的に実装できないとき使用される、集積ドハティ増幅器案の別の実施形態を示す。この場合、OMNに実装された狭いマイクロストリップ線路を使用することができ、その長さ及び幅は、L0の必要とされる全体のインダクタンス値に応じて調整することができる。能動GaNダイからの各デバイスドレインは、短いボンドワイヤによってこのマイクロストリップ線路の対応する端部に接続されている。
[0031]図6は、集積ドハティ増幅器案の実装形態を示し、その場合、主デバイス及びピーキングデバイスは、GaN HEMT技術を使用する別個の能動ダイに配置されており、図4の集積ドハティ増幅器案の実装形態におけるボンドワイヤインダクタL0の代わりに狭いマイクロストリップ線路TL及びボンドワイヤインダクタL01、ボンドワイヤインダクタL02が設けられている。
[0032]図7は、挿入損失の改善、搬送波増幅器とピーキング増幅器との間の高い絶縁性、及びスプリアス抑制を有する、集積ドハティ増幅器案の回路図を示す。ここで、ピーキング増幅経路におけるインピーダンスインバータは、2つの等しい接地されたコンデンサC6と、伝送線路TL1とからなり、その一方で、搬送波デバイスの出力におけるインピーダンス変換が、ドレインソース間容量Cds及びボンドワイヤインダクタL7によって、及びピーキングデバイスの出力において(トランジスタがオンにされたとき高電力領域において)、ドレインソース間容量Cds及びボンドワイヤインダクタL6(搬送波デバイス及びピーキングデバイスが、異なる数のセルを有する場合、容量Cdsは異なる)によって提供される。
[0033]出力インピーダンス変換は、動作帯域幅超の高調波及び相互変調成分を抑制する一番目のローパス整合部(L8C7)と、動作帯域幅未満の変調、相互変調、及び低調波成分を抑制する二番目のハイパス整合部(C8L9)とを有する、帯域通過フィルタを表す2セクション整合回路によって提供される。
[0034]チョークインダクタLch及びバイパスコンデンサCbpは、RF増幅経路を直流供給電源に接続するのに使用され、インダクタLchの値は、出力整合回路網(OMN)のサイズを最適化するようにシャントコンデンサC7の値を変動させることによって調整することができる。
[0035]集中ウィルキンソン分配器(C1L1C1−C2L2C2−R0)及び位相補償線路(C3L3C3)に加えて、2つの入力ローパス整合部(搬送波デバイスにC4L4及びピーキングデバイスにC5L5)が使用され、その場合、L4及びL5が、対応するデバイスゲートを外部入力回路に接続するボンディングワイヤによって実装される。コンデンサCbは、ピーキングデバイス用の直流バイアス回路をRF入力経路から絶縁する直流阻止コンデンサである。
[0036]図8は、集積ドハティ増幅器案の実装形態を示し、その場合、搬送波デバイス及びピーキングデバイスが、GaN HEMT技術を使用する別個の能動ダイに配置されており、集積受動ダイ(IPD)が、ウィルキンソン電力分配器を含む入力回路に使用され、積層又はセラミックOMNが、出力整合回路を実装するのに使用される。
[0037]複数の受動デバイスを単一の基板に実装するためにガリウムヒ素又はシリコン高抵抗基板を使用するIPD技術の主要な利点は、競争力のある費用構造、小さいフォームファクタ、及び電力損失の低減である。高い直流供給電圧(最大50Vまでの)及び高いピーク出力電力(数十ワット)に鑑み、最小挿入損失を有するOMN実装形態の最良の選択は、セラミック又は積層基板(誘電体基板)を使用することである。
[0038]入力IPDは、複合金属−絶縁体−金属(MIM)直列コンデンサC1+C2と、直列スパイラルインダクタL1及びL2と、基板ビアを通じて接地された複合シャントMIMコンデンサC1+C4及びC2+C3と、安定抵抗器R0と、ブロッキング直列MIMコンデンサCbと、直列スパイラルインダクタL3と、基板ビアを通じて接地された複合シャントMIMコンデンサC3+C5とを備える。
[0039]直列ボンドワイヤインダクタL4及びL5は、それぞれ搬送波デバイス及びピーキングデバイスのゲートに直接接続された入力ローパス整合部の対応する部分を表す。OMNは、インピーダンスインバータを表す2つの等しいシャントコンデンサC6を有する伝送線路TL1と、ドレインソース間容量Cdsととともにインピーダンス変換ローパス整合部の直列インダクタとして動作する、それぞれピーキングデバイス及び搬送波デバイスのドレインに接続されたボンドワイヤインダクタL6及びL7と、ローパス整合部の要素として直列インダクタL8及びシャントチップコンデンサC7(基板ビアを通じて接地された)と、2セクション出力整合回路網のハイパス整合部の要素として直列チップコンデンサC8及びシャントインダクタL9(基板ビアを通じて接地された)とを備える。
[0040]単一の整合回路網におけるローパス整合部とハイパス整合部との組合せは、低周波数及び高周波数の相互変調及び高調波成分を同時に抑制するためにインピーダンス変換帯域通過フィルタとして動作する。出力整合回路網におけるインダクタンスの品質係数を改善し、挿入損失を低減するために、直列インダクタL8、シャントインダクタL9、及びチョークインダクタLchが、短寸の高インピーダンスマイクロストリップ線路として実装される。
[0041]例として、3.5の誘電体誘電率及び0.5mmの厚さを有する積層基板を使用して、対称ドハティ構造に2つの20W GaN HEMTデバイス(又は1:2非対称ドハティ構成に15W及び30Wデバイス)を使用するマイクロストリップ線路Lch及びL9の長さは、それぞれ3.5mmに等しいが、これらのマイクロストリップ線路の幅は、3.5GHzにおいて0.2mmである。
Claims (7)
- 搬送波増幅器とピーク増幅器とに対する入力無線周波数(RF)信号を均等に分割する入力分配器と、
半導体チップに設けられた前記搬送波増幅器と前記ピーク増幅器とを含む増幅ユニットと、
前記搬送波増幅器と前記ピーク増幅器とにそれぞれ接続されたオフセット伝送線路を含むオフセットユニットと、
前記オフセット伝送線路を通じてそれぞれ設けられた前記搬送波増幅器と前記ピーク増幅器との出力を合成する出力合成器とを備え、
前記出力合成器及び前記オフセットユニットが、誘電体基板に設けられる、搬送波増幅器とピーク増幅器とを含むドハティ増幅器。 - 前記入力分配器が、別の半導体チップに設けられる、請求項1に記載の搬送波増幅器とピーク増幅器とを含むドハティ増幅器。
- 前記オフセットユニットの前記オフセット伝送線路の一端が、前記搬送波増幅器に接続されており、前記オフセットユニットの前記オフセット伝送線路の他端が、各ワイヤボンディングによって前記ピーク増幅器に接続されている、請求項1又は2に記載の搬送波増幅器とピーク増幅器とを含むドハティ増幅器。
- 前記オフセットユニットの前記オフセット伝送線路の一端が、前記出力合成器の一端に接続されている、請求項3に記載の搬送波増幅器とピーク増幅器とを含むドハティ増幅器。
- 2つの等しい接地されたコンデンサを含む前記オフセットユニットが、前記オフセット伝送線路の両端に接続されている、請求項1〜4のいずれか一項に記載の搬送波増幅器とピーク増幅器とを含むドハティ増幅器。
- 前記伝送線路が、マイクロストリップ線路を備える、請求項1〜5のいずれか一項に記載の搬送波増幅器とピーク増幅器とを含むドハティ増幅器。
- 前記入力分配器が、集積受動デバイス(IPD)の導電性構造を備える、請求項1〜6のいずれか一項に記載の搬送波増幅器とピーク増幅器とを含むドハティ増幅器。
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