JP3219419B2 - 効率を改善し歪を減少したソリッドステート式ｒｆ電力増幅器 - Google Patents

効率を改善し歪を減少したソリッドステート式ｒｆ電力増幅器

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、一般に、高周波数（Ｒ
Ｆ）電力増幅器（ＰＡ）に係り、より詳細には、このＲ
Ｆ ＰＡに用いられるもので、動作効率を改善しそして
信号歪を減少したソリッドステート装置に係る。
【０００２】
【従来の技術】電力増幅器（ＰＡ）は、増幅回路の効率
及び出力電力を重要視するときに使用される。種々の形
式のＰＡがそれらの動作クラス、即ちクラスＡ、Ｂ、
Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ及びＳによって識別されてい
る。クラスＡを除くと、これら全ての形式の増幅器は、
回路構成、動作方法又はその両方によって小信号増幅器
から容易に区別される。又、小信号増幅器とクラスＡの
電力増幅器との間には明確な境界線があり、その用語の
選択は設計者の考え方に基づいている。
【０００３】クラスＡのソリッドステート電力増幅器
は、非常にリニアな増幅を行なうことができる。しかし
ながら、これらは著しく大電力の送信器（１ＫＷ以上）
の場合に電力効率が極めて低いことから甚だしく高いコ
ストとなる。その結果、例えば、ＴＶ送信器の業界で
は、かさの大きな管即ちクライストロン増幅器の使用を
強いられており、これらはウオームアップ時間がかか
り、帯域が狭く、しかもクラスＡＢのソリッドステート
電力増幅器に比べて非常に効率が悪い。クラスＡＢのソ
リッドステート電力増幅器は、クラスＡのソリッドステ
ート電力増幅器が有しているような高いリニア性と低い
歪積を有していない。しかしながら、発生する電力は典
型的に約３ないし５倍も大きく、それらの効率は極めて
優れている。クラスＡ電力増幅器のソリッドステート装
置は、常に完全にオンの状態にバイアスされ、これは、
目で見るＴＶ信号の場合に全て黒の信号（最大平均電
力）を増幅するか全て白の信号（最低平均電力）を増幅
するかに拘りなく同じ電流を引っ張ることになることを
意味する。クラスＡＢ電力増幅器のトランジスタは若干
オンになるだけであるようにバイアスされる。これは、
どれほど駆動されるかに比例して電流を引っ張る。増幅
器が最大平均電力即ち全て黒の信号を送信するときに
は、全電力出力を得るに必要な所要電流を引っ張る。平
均電力の低い信号（通常のＴＶカラーパターン又は全て
白の信号）を送信するときには、著しく低い量の電流が
引き出される。クラスＡＢ電力増幅器にソリッドステー
トトランジスタ（これは一般に管もしくはクライストロ
ン増幅器よりも効率が高い）を使用すると、テレビ送信
器の全効率が甚だしく増大し且つ運転コストが低減す
る。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】電力半導体装置と共に
組み込まれ、いわゆるクラスＡＢで動作する形態でバイ
アスがセットされて動作する電力増幅器は、振幅及び位
相の非リニア性を示し、出力が入力を高忠実度で再現す
べき場合にはこれを修正しなければならない。これらの
非リニア性は、抑制する必要のある不所望な信号を出力
に発生することになる。
【０００５】典型的なＲＦ信号（テレビの可視信号のよ
うな）の帯域巾は通常搬送波周波数の小部分であるか
ら、電力増幅器の出力における不所望な信号は３つの分
類に分けられる。図１は、所望の信号に対するこれら信
号の関係を示しており、所望の信号は、この場合、周波
数ｆｃ±ｆｍにおける等振幅の２つのトーンで構成され
る。増幅器の非リニア性により、高調波及び相互変調歪
（ＩＭＤ）積と称する２種類の不所望な信号が生じる。
ＩＭＤ積（図１に第３次、第５次、第７次及び第９次と
して示されている）は搬送波周波数の付近で著しいもの
となる。これらは、受信信号に歪を生じさせ及び／又は
隣接チャンネルの干渉を生じさせる。他の不所望な信号
は、寄生及び低調波発振とミクサの積を含み、これらは
スプリアス積又は単に「スプリアス」と称する。ＲＦ
ＰＡにおいては、高調波及びスプリアス積の若干がフィ
ルタによって除去されるが、発生するＩＭＤは受け入れ
られる低いレベルのものでなければならない。位相歪
（バイポーラトランジスタを用いたクラスＡＢ増幅器に
おいて顕著である）は、図２に示すように、ＩＭＤ積に
不均一な振幅を生じさせる。
【０００６】クラスＡＢで動作している電力ＲＦ増幅器
の振幅及び位相歪を取り扱う現在の技術は、予備調整増
幅器を使用することにより、最終増幅器で挿入される歪
を補償するように入力信号を予め歪ませることである。
しかしながら、この技術には限界がある。振幅直線性の
必要性は図１から明確に明かであるが、位相直線性の必
要性はそんなに明かではない。これ自体は、例えば、テ
レビ信号を処理するための電力増幅器において明かであ
る。像が黒から白へそしてその反対に変化するときに
は、送信される電力に典型的に１０ｄＢの変化があり、
挿入位相が１°より大きく変化すると、白い像の縁の周
りに「ぼけ」を生じ、見易さを損なわせる。従って、ク
ラスＡＢの電力増幅器に用いられるソリッドステートト
ランジスタのリニア性、効率及び安定性を改善する方法
が必要とされる。
【０００７】そこで、本発明の目的は、効率を改善した
ソリッドステート（半導体）ＲＦ電力装置を提供するこ
とである。
【０００８】本発明の別の目的は、相互変調歪を減少し
たソリッドステートＲＦ電力装置を提供することであ
る。
【０００９】本発明の更に別の目的は、装置の入力イン
ピーダンスの低いＲＦ電力装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明の特徴は、ＭＯＳ
電力用電界効果トランジスタの入力にキャパシタンスを
使用し、ゲート／ドレイン寄生容量（ＣGD）の非リニア
な変化を減衰させることである。
【００１１】簡単に述べると、好ましい実施例におい
て、ＤＭＯＳ電力用電界効果トランジスタは、その入力
が装置のゲートとソースとの間に接続され、そして出力
がドレインとソースとの間から取り出される。ソースは
接地されるのが好ましい。ゲートへの入力リードは入力
インピーダンスを与え、入力リードとソースとの間に個
別のキャパシタが接続される。キャパシタンスとインダ
クタンスの値は、装置の入力共振周波数が基本動作周波
数よりは上であるがその第１高調波よりは低くなるよう
に選択される。この共振は各特定の用途ごとに調整され
る。更に、キャパシタの値は、トランジスタのゲート／
ドレインキャパシタンスであるＣGDの非リニアな変動を
減衰させ、位相の非リニア性を改善する。
【００１２】本発明及びその目的、特徴は、以下の詳細
な説明及び特許請求の範囲から容易に明かとなろう。
【００１３】
【実施例】本発明の好ましい実施例によるＲＦ電力装置
は、ＤＭＯＳエンハンスメントモードＭＯＳ電界効果ト
ランジスタと入力キャパシタとを用いている。図３は、
ｎ型ドープのシリコン基体１０がドレイン領域として働
く装置におけるＭＯＳトランジスタの断面図である。Ｎ
＋ソース領域１２は、表面領域のｎ＋ドーピングにより
ｐドープ領域（エピタキシャル層）１４内に形成され
る。ｎ＋ソース領域１２とｎドープドレイン領域１０と
の間のｐ領域１４は、トランジスタのチャンネル領域と
して働く。ポリシリコンのゲート接触部１６はチャンネ
ル領域の上に横たわり、それらの間にはシリコン酸化物
のような絶縁材１８がある。
【００１４】ゲート接触部１６とその下のドレイン領域
との間には寄生ゲート／ドレインキャパシタンス
（ＣGD）が存在し、これは直列接続されたキャパシタ２
０及び２２で示されている。キャパシタ２０はゲート酸
化物のキャパシタンスであり、キャパシタ２２はゲート
酸化物の下のドレイン空乏層のキャパシタンスである。
この後者の成分は、ドレイン表面領域の電圧がゲートの
電圧よりも正であるときにのみ存在する。ゲートが更に
正になると、半導体表面にアキュムレータ層が形成さ
れ、ＣGDがＣOX ＡGに等しくなる。ここで、ＣOXは、Ｔ
OX（ゲート酸化物厚み）にわたってＥo（半導体誘電
率）に等しく、そしてＡGはゲートの面積である。ドレ
インの電圧がゲート電圧よりも高くなると、ＣGDの値が
かなり急激に下がる。これは、空乏層が半導体本体に向
かって深く延びるにつれて益々下がり続ける。これが図
４に示されており、図４には、ゲート／ドレインキャパ
シタンス（ＣGD)とゲート／ドレイン間の電圧差とがプ
ロットされている。この曲線から、ゲート電圧に伴うこ
のキャパシタンス変化が著しく非リニアであり、装置の
優れた位相リニア性を妨げていることが分かる。
【００１５】理想的な電力ＭＯＳ電界効果トランジスタ
は、ドレイン伝達曲線の一部分に対し平方法則の順方向
伝達特性を示す。即ち、低いドレイン電圧においては、
ドレイン電流がゲートバイアス電圧の平方として変化
し、この電流が次の式によって理想的な形態で与えられ
る（エンハンスメントモード装置が電流飽和領域で動作
し、搬送波速度効果を考慮しない場合）。
【００１６】 ＩD＝１／２Ｋ（ＶGS−ＶT)2 (1) 但し、Ｋは装置の相互コンダクタンスパラメータで
あり、ＶGSはゲート／ソース電圧であり、そしてＶTは
スレッシュホールド電圧である。
【００１７】この式は、短いチャンネルのＤＭＯＳ装置
の場合、実際のピンチオフが生じる前にチャンネルの適
当な長さにわたって搬送波ドリフト速度（Ｖs)を制限す
る作用を導入することにより、次のように変更される。 ＩD＝１／２Ｋ（ＶGS−ＶT)ＶS (2)
【００１８】それ故、この速度飽和作用によって曲線
が「リニア化」され、第２次の混合作用が減少される。
電流値が高く且つドレイン電圧値が大きい場合には、本
体の拡散部間にあるドレイン電流路に寄生ＪＦＥＴが存
在し、この電流を制限する（図３）。装置の全伝達特性
がプロットされた図５にこれらの作用が示されている。
【００１９】図６は、ＤＭＯＳ ＦＥＴ３０を含む本発
明のＲＦ電力装置の電気回路図であり、アースされたソ
ースと、トランジスタのゲートに接続されたリードＬ
１、Ｌ２との間に入力信号が加えられる。出力は、トラ
ンジスタのドレインとソースとの間から取り出される。
本発明によれば、３２で示されたキャパシタＣは、イン
ダクタンスＬ１、Ｌ２と、アースされたソースとの間に
接続される。キャパシタＣの値は、装置の入力共振周波
数が印加信号の基本波よりも高く且つその第１高調波付
近となるように選択され、そしてキャパシタの値は、ト
ランジスタのＣGDに対するミラー値にほぼ等しくなるよ
うに選択される。ＣGDの非リニアな変化は、この入力キ
ャパシタによって減衰され、これにより、位相の非リニ
ア性も改善される。低いＣRSS は、フィードバック作用
を、装置が再び順方向となる付近まで近づけさせる。大
きなキャパシタンスで入力を減衰させることにより、ミ
ラーフィードバック作用が減少され、回路の利得は、こ
れまでの演算増幅器の場合のようにフィードバックによ
るのではなくて、ＭＯＳトランジスタによって制御され
る。
【００２０】図７の（Ａ）及び（Ｂ）は、回路の一実施
例の各々側面図及び上面図である。ＦＥＴダイ４０及び
ＭＯＳＣＡＰ４２は、酸化ベリリウムのセラミック基体
４４上に取り付けられる。基体４４上のダイ及びＭＯＳ
ＣＡＰはハウジング４６に封入される。入力リード４８
はリード５０によってＭＯＳＣＡＰに接続され、リード
５２は入力をダイ４０のゲート接触部に接続する。リー
ド５４は、ＭＯＳＣＡＰ４２のアースされた電極をダイ
４０のソースエレメントに接続し、そしてリード５６は
ソースをパッド５８を経てアースに接続する。出力リー
ド６０は、ダイ４０のドレイン領域に直結される。
【００２１】装置パッケージの内部にキャパシタを配置
することにより、寄生容量が良好に制御され、電力利得
又は帯域巾を低下することなく減衰作用が生じる。効率
改善は、この装置構造で得られる低い発生インピーダン
スの副産物である。入力信号は立上り時間も立下がり時
間も短いので、低い入力インピーダンスの助けによって
スイッチングに要する消費量が低減し、効率の改善が得
られる。更に、発生インピーダンスの低下により、安定
性の改善が得られる。
【００２２】例えば、本発明の一実施例においては、６
７ＭＨｚで動作する１つの電力ＭＯＳトランジスタは、
５６０ピコファラッドに等しい値の入力ＭＯＳキャパシ
タがゲートに接続されると共に、ワイヤリードインダク
タンスと共に入力信号に接続され、装置の入力共振周波
数が約１００ＭＨｚにセットされた。出力電力９０ワッ
トにおける装置のコレクタ効率測定値は、キャパシタ及
びインダクタンスがない場合の６１％に対して６９.４
％であった。装置の利得は、キャパシタがある場合に２
４.８ｄＢであり、キャパシタがない場合に２３.９ｄＢ
であった。テレビ送信器の使用目的では、低電力付随位
相変調値は１／２に減少された。
【００２３】
【発明の効果】以上、本発明により、ソリッドステート
部品を使用していて、動作効率が改善されると共に、相
互変調歪が減少されたＲＦ電力増幅器が提供された。
【００２４】好ましい実施例について本発明を説明した
が、これは単に本発明の解説に過ぎず、本発明をこれに
限定するものではない。特許請求の範囲に規定された本
発明の精神及び範囲から逸脱せずに、種々の変更や修正
がなされ得ることが当業者に明かであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＲＦ電力増幅器の周波数対電力を示すと共に、
歪積を示す。
【図２】周波数対電力の図であって、位相歪による非均
一な相互変調積振幅を示す図である。
【図３】ＤＭＯＳエンハンスメントモード電界効果トラ
ンジスタの断面図であって、ゲート／ドレインの寄生容
量を示す図である。
【図４】ゲート／ドレインキャパシタンス（ＣGD）と、
ゲート／ドレイン間の電圧差との関係を示す図である。
【図５】図３の装置に対するゲート／ドレイン伝達特性
を示す図である。
【図６】本発明の一実施例によりＤＭＯＳトランジスタ
と入力キャパシタを用いた装置の電気回路図である。
【図７】図６の回路の一実施例を示す各々上面図及び側
面図である。
【符号の説明】
１０ シリコン基体 １２ ソース領域 １４ ｐドープ領域 １６ ゲート接触部 １８ 絶縁材 ２０、２２ キャパシタ ３０ ＤＭＯＳ ＦＥＴ ３２ キャパシタ ４０ ＦＥＴダイ ４２ ＭＯＳＣＡＰ ４４ セラミック基体 ４６ ハウジング
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ハワード ドワイト バートロー アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94087 サニーヴェイル レミントン コート 1105 (72)発明者 パブロ イー ダナ アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94024 ロス アルトス バクスター アベニュー 10701 (56)参考文献 特開 昭51−14273（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−102292（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−80975（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−8967（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−280463（ＪＰ，Ａ) 実開 平３−103603（ＪＰ，Ｕ) 米国特許3482152（ＵＳ，Ａ) 米国特許3835406（ＵＳ，Ａ) Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅ ｒｓ Ｖｏｌ．15 Ｎｏ．18（1979. 08．30）”Ｋｕ− ａｎｄ Ｋ−Ｂａｎ ｄ Ｉｎｔｅｒｎａｌｌｙ Ｍａｔｃｈ ｅｄ Ｈｉｇｈ−Ｐｏｗｅｒ ＧａＡｓ ＦＥＴ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ”Ｊｕ ｎ’ｉｃｈｉ Ｓｏｎｅ，Ｙｏｉｃｈｉ ｒｏ Ｔａｎａｋａ，ｐｐ．562−564 Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅ ｒｓ Ｖｏｌ．26 Ｎｏ．７（1990. 03．29）”ＵＨＦ Ｂａｎｄ Ｈｉｇｈ −Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ Ｌｉｎｅａｒ Ｐｒｏｗｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｆｏｒ Ｍｏｂｉｌｅ Ｃｏｍｍｕｎｉ ｃａｔｉｏｎ Ｓａｔｔｅｌｌｉｔｅ ｓ”Ｋ．Ｓｅｋｉｎｅ，Ｙ．Ｄｏｏｉ, Ａ．Ｉｓｏ，Ｈ．Ｆｕｎａｋｉ，Ｉ．Ｔ ａｋｅｉ，ｐｐ．441−442 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 27/04 - 27/08 H03F 1/00 - 1/56 H03F 3/00 - 3/60 H03H 11/00 - 11/54 ＰＣＩ（ＤＩＡＬＯＧ) ＷＰＩ（ＤＩＡＬＯＧ)

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ソース、ドレイン及びゲートを有するＭ
    ＯＳトランジスタと、 上記ゲートとソースとの間に入力信号を加える第１手段
    と、 上記ソースとドレインとの間から出力信号を受け取る第
    ２手段と、 上記ゲートとソースとの間に接続されたキャパシタであ
    って、上記ゲートとドレインとの間の寄生容量（ＣGD）
    の非リニアな変化を減衰させるキャパシタとを具備し、 上記第１手段は、インダクタンスをもつリードワイヤを
    含み、上記入力信号は基本周波数で特徴付けられるもの
    で、上記キャパシタ及び上記インダクタンスは、上記入
    力信号の基本周波数より上で且つその第１高調波より下
    の該第１高調波付近に装置入力共振周波数を定めること
    を特徴とするＲＦ電力装置。
  2. 【請求項２】 上記ＭＯＳトランジスタは第１の個別の
    半導体本体を備え、上記キャパシタは第２の個別の半導
    体本体を備え、そして更に、上記第１の個別の半導体本
    体及び上記第２の個別の半導体本体を支持するセラミッ
    ク基体を備えている請求項１に記載のＲＦ電力装置。
  3. 【請求項３】 上記セラミック基体はアース電位にある
    金属層を含み、上記キャパシタ及び上記ソースは上記金
    属層に電気的に接続される請求項２に記載のＲＦ電力装
    置。
  4. 【請求項４】 上記キャパシタ及びＭＯＳトランジスタ
    をハーメチックシールするパッケージを更に備えた請求
    項２に記載のＲＦ電力装置。
  5. 【請求項５】 上記ＭＯＳトランジスタは、ＤＭＯＳエ
    ンハンスメントモードトランジスタを備えている請求項
    ４に記載のＲＦ電力装置。
  6. 【請求項６】 上記キャパシタ及びＭＯＳトランジスタ
    をハーメチックシールするパッケージを更に備えた請求
    項１に記載のＲＦ電力装置。
  7. 【請求項７】 上記キャパシタは、ＭＯＳＣＡＰを含む
    請求項６に記載のＲＦ電力装置。
  8. 【請求項８】 上記キャパシタは、寄生容量（ＣGD）の
    ミラー効果にほぼ等しいキャパシタンス値を有する請求
    項１に記載のＲＦ電力装置。
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