JP4142000B2 - 集積化電力増幅構造体 - Google Patents

Description

本発明は、多段構造（mehrstufigem Aufbau）を有する集積化電力増幅構造体（integrierte Leistungs-Verstaerkeranordnung）に関するものである。この集積化電力増幅構造体は、入力信号を伝送する端子を有する入力トランジスタと、出力信号を供給する端子を有する出力トランジスタと、少なくとも１つの容量（Kapazitaet）とインピーダンス変換を行うように設計されたインダクタンスとを含む整合フィルター（Anpass-Filter）とを備えている。この整合フィルターは、入力トランジスタと、出力トランジスタとを連結している。

一般的な集積化電力増幅構造体は、例えば、刊行物「電力電子工学の半導体回路（Halbleiterschaltungen der Leistungselektronik）」Alfred Neye-Enatechnik GmbH, Quickborn, Hamburg, １９７１年、２７６ページ（非特許文献１）に記載されている。この文献に記載の集積化電力増幅構造体は、入力側に配置されているトランジスタと、出力側に配置されているトランジスタとの間に、連結フィルター（Koppel-Filter）と呼ばれる整合フィルターを備えている。この整合フィルターは、容量とインダクタンスとを含んでいる。この整合フィルターは、重要な２つの機能を果たしている。１つ目の機能は、この整合フィルターを用いて、様々なインピーダンスを、能動素子および受動素子に必要な値に変換することである。２つ目の機能は、選択的にも作用すること、すなわち、その共振線質係数（Resonanzguete）の影響を受けて、高調波（Harmonischen）に含まれるエネルギーを、作動周波数基本波エネルギーに変更し、出力に望ましくない周波数成分の発生を防止することである。
「電力電子工学の半導体回路（Halbleiterschaltungen der Leistungselektronik）」Alfred Neye-Enatechnik GmbH, Quickborn, Hamburg, １９７１年、２７６ページ

集積化電力増幅構造体は、多段構造を有し、その多段構造の間に、整合フィルター回路を備えている。このような集積化電力構造体は、高周波数増幅器として利用できるという利点がある。特に、整合フィルターによって得られた電力整合を、電力増幅器に利用できることが好ましい。このような電力増幅器は、例えば、無線送信構造体の送信経路に備えられている。

特に、集積化電力増幅器では、駆動電力（Treiberleistung）を、集積コンデンサ（integrierte Spulen）と集積コイル（Spulen）とを含む整合フィルターによって、出力トランジスタの超低抵抗ベースに変換することが考えられる。

このような整合フィルターの問題点は、集積コイルの線質係数が、比較的低いことである。なお、この線質係数は、主に、基板損失（Substratverluste）によって決定される。それゆえ、変換ネットワークまたは整合フィルターの達成可能な線質係数は、特に、使用するコイルによって決定される。言い換えれば、増幅器の最大達成可能コレクタ効率（Kollektorwirkungsgrad）および最大達成可能線形性（Linearitaet）に、上限値（Grenzwerte）が生じる。

本発明の目的は、前述したような増幅器の効率および線形性を向上した、一般的な集積化電力増幅器構造体を実現することである。

本発明にかかる集積化電力増幅構造体は、上記の課題を解決するために、多段構造を有する集積化電力増幅構造体において、入力信号（ＩＮ）を導入する端子を有する入力トランジスタ（１）、出力信号（ＯＵＴ）を提供する端子を有する出力トランジスタ（２）、および、これら入力トランジスタ（１）と出力トランジスタ（２）とを連結する整合フィルター（６）を備え、この整合フィルター（６）が、少なくとも１つの容量（１３）、および、インピーダンス変換を行う少なくとも１つのインダクタンス（１２）を有しており、上記少なくとも１つのインダクタンス（１２）が、マイクロストリップ導体として形成されていることを特徴としている。

上記の構成によれば、上記目的が、入力トランジスタと出力トランジスタとの間にある整合フィルターに、少なくとも１つのインダクタンスが、マイクロストリップ導体（Mikro-Streifenleiter）として形成されている集積化電力増幅器構造体によって、達成される。

マイクロストリップ導体は、マイクロ−ストリップ線路（Micro-Striplines）、マイクロストリップ導線（Mikro-Streifenleitung）、ストリップ導体、またはストリップ導体とも呼ばれる。マイクロストリップ導体は、集積導波管（integrierter Wellenleiter）の構成に基づいて作動する。

この構成では、整合フィルターのインダクタンスとして用いられる、少なくとも１つの集積化マイクロストリップ線路を備えている。このタイプのマイクロストリップ線路は、損失の多い基板部（verlustbehafteten Substrat-Anteil）を有していないという利点がある。これにより、集積インダクタンスの線質係数が、かなり向上する。言い換えれば、整合フィルターの線質係数が、全体的に向上する結果、増幅器の効率および線形性が改善される。

本発明の集積化増幅構造体では、通常、集積化された形態のマイクロストリップ導体が、比較的高い寄生インダクタンスを有しており、とにかく、少なくとも１つの容量を有する整合フィルターを利用できる点で有利である。それゆえ、マイクロストリップ導体の実際の寄生容量を、整合フィルターに所望の容量を形成するために共用（mitbenutzt）できることが有利である。

本発明の集積化電力増幅構造体は、低抵抗の整合を行う整合フィルターに組み込めるものであることが特に好ましい。

本発明の好ましい形態では、整合フィルターが、容量とマイクロストリップ導体とによって形成された直列回路を備えており、この容量は、一方の端子が、入力トランジスタの出力部に接続されており、他方の端子が、マイクロストリップ導体の端子に接続されている。

本発明では、マイクロストリップ導体の他方の端子は、出力トランジスタの入力部に接続されていることが好ましい。また、本発明では、上記容量とマイクロストリップ導体との接続ノード（Verbindungsknoten）と、基準電位端子（Bezugspotentialanschluss）との間に、別の容量を備えていることが有利である。

上記基準電位端子は、基板端子または接地端子（Masseanschluss）であってもよい。また、上記基準電位端子は、例えば、いわゆる接地貫通接触手段（シンカー（sinker）と称される）を介して、基準電位ノードに接続されていてもよい。この基準電位ノードは、抵抗器を介して基板に接続されており、別の抵抗器を介して実際の接地端子に接続されたものである。

その他にも、基準電位およびマイクロストリップ導体に対する分路容量（Querkapazitaet）を、入力トランジスタの出力端子と出力トランジスタの入力端子との間に接続された２つの容量を備えた整合フィルターの直列回路に、交換することもできる。この場合、マイクロストリップ導体は、２つの直列容量の間の接続ノードに接続される。また、マイクロストリップ導体の他方の端子は、接地電位、自由端（freies Ende）、または開放端（offenes Ende）のいずれかに、接続されてもよい。

本発明は、低抵抗の整合を行うことを目的とする整合フィルターに、特に有利に利用できる。このような低抵抗の整合は、出力トランジスタの入力抵抗が、５０Ω以下である場合に行うことが好ましい。

この整合フィルターは、入力抵抗が２０Ω以下である増幅器の出力トランジスタの入力部に接続されていることが特に好ましい。

例えば、増幅器の出力部に設けられたバイポーラ電力トランジスタは、通常、特に低抵抗のベース端子を備えている。その結果、整合フィルターによって、入力部の駆動電力を、出力トランジスタの超低抵抗ベースに変換できるという利点がある。

上記マイクロストリップ導体は、複数の金属面（Metallisierungsebenen）によって、半導体集積回路の集積回路本体上、または、半導体集積回路の内に、マイクロストリップ導体を実施されていることが好ましい。例えば、１つの金属面に、実際のストリップ線路を１つの金属面に形成し、別の（eine weitere）金属面に、基準電位面（Bezugspotential-Ebene）を形成する。

上記別の金属面は、いわゆる接地貫通接触部またはシンカーを介して、基板の広範囲に接続されていることが好ましい。言い換えれば、この基板は、比較的良好な導電特性を有するため、半導体本体の広範囲に、背面金属を有する接触部が形成される。その結果、別の金属面との接触のために、ワイヤボンディング（Bond-Draehtchen）は全く必要ない。さらに、広域面かつ低抵抗の接触により、基板損失が一層低減されている。この損失は、ストリップ導体の金属プレート間の絶縁と、スキン効果（Skin-Effekt）とだけから生じる可能性がある。

マイクロストリップ導体の金属プレートまたは金属帯は、ほぼ平面状に広がっており、互いに平行に配置されており、かつ、半導体本体の主面に対して平行に配置されていることが好ましい。金属帯は、上下に積層されていることが好ましい。また、例えば、酸化物層などの絶縁体または誘電体が、金属帯の間に、配置されていることが好ましい。

このような、整合フィルターにマイクロストリップ導体を有する増幅構造体は、搬送周波数が２．４４または５．３ＧＨｚである送信構造の増幅出力部を備えた電力増幅器などに適用できるため、特に好ましい。

本発明の電力増幅構造体は、バイポーラ回路技術にも、金属絶縁膜半導体（ＭＩＳ）回路技術、すなわち、ユニポーラ（単極性）回路技術にも組み合せることができるという利点がある。

従属請求項には、本発明の詳細と有利な実施形態とが記載されている。

すなわち、本発明にかかる集積化電力増幅構造体は、整合フィルター（６）は、直列容量（１０−１１）とマイクロストリップ導体（１２）とによって形成された直列回路を備え、上記直列回路は、入力トランジスタ（１）の出力端子と出力トランジスタ（２）の入力端子との間に接続されており、直列容量（１０−１１）とマイクロストリップ導体（１２）との間の接続ノード（Ｋ）を、基準電位端子（ＧＮＤ）に連結する分路容量（１３）が設けられている構成であってもよい。

本発明にかかる集積化電力増幅構造体は、整合フィルター（６）は、第１直列容量（１０’）と第２直列容量（１３’）によって形成される直列回路を備え、上記直列回路は、入力トランジスタ（１）の出力端子と、出力トランジスタ（２）の入力端子との間に接続されており、第１直列容量（１０’）と第２直列容量（１３’）との間の接続ノードに、マイクロストリップ導体（１２’）が接続されている構成であってもよい。

本発明にかかる集積化電力増幅構造体は、出力トランジスタ（２）の入力抵抗が、５０オーム以下である構成であってもよい。

本発明にかかる集積化電力増幅構造体は、出力トランジスタ（２）の入力抵抗が、２０オーム以下である構成であってもよい。

本発明にかかる集積化電力増幅構造体は、マイクロストリップ導体（１２）は、平坦に伸ばされた２つの金属帯（１４，１６）と一体化して形成されている構成であってもよい。

本発明にかかる集積化電力増幅構造体は、マイクロストリップ導体（１２）の一方の金属帯（１４）が、接地接触部（１７）を介して、基板の広範囲に接続されている構成であってもよい。

本発明の集積化電力増幅構造体は、以上のように、多段構造を有する集積化電力増幅構造体において、入力トランジスタ（１）、出力トランジスタ（２）、および、整合フィルター（６）を備え、この整合フィルター（６）が、少なくとも１つの容量（１３）、および、インピーダンス変換を行う少なくとも１つのインダクタンス（１２）を有しており、上記少なくとも１つのインダクタンス（１２）が、マイクロストリップ導体として形成されている構成である。それゆえ、この増幅構造体の効率および線形性が改善されるという効果を奏する。

本発明の複数の実施形態について、以下に、図を参考にしながら詳しく説明する。図１は、本発明の第１の実施形態にかかる集積化電力増幅構造体を示す回路図である。図２は、本発明の第２の実施形態にかかる集積化電力増幅構造体を示す回路図である。図３は、上記集積化電力増幅構造体のインダクタンスがマイクロストリップ導体である構成を示す図である。図４は、上記集積化電力増幅構造体の効率を示すグラフである。図５は、上記集積化電力増幅構造体の圧縮作用を示すグラフである。図６は、マイクロストリップ導体を備えていない電力増幅器の効率を示すグラフである。図７は、マイクロストリップ導体を備えていない電力増幅器の圧縮作用を示すグラフである。

図１は、入力トランジスタ１と、並列接続されている２つの出力トランジスタ２，３とを有する集積化電力増幅構造体を示す図である。入力トランジスタ１および出力トランジスタ２，３は、ＮＰＮバイポーラトランジスタとして実施されている。入力トランジスタ１のベース端子は、多段式増幅構造体の入力部を形成している。出力トランジスタ２，３の共通のコレクタ出力部は、増幅構造体の信号出力部を形成している。入力トランジスタ１のコレクタ端子は、インダクタンス４を介して、供給電位端子ＶＣＣに接続されている。入力トランジスタ１のエミッタ端子は、貫通接触部５を介して、基準電位端子（ＧＮＤ）に接続されている。さらに、入力トランジスタ１のコレクタ端子には、整合フィルター６が接続されている。整合フィルター６は、入力トランジスタ１の出力部を形成している。整合フィルター６の出力部は、回路ノードＫに接続されており、出力トランジスタ２，３の入力端子を形成している。回路ノードＫは、それぞれ寄生インダクタンス７，８を介して、出力トランジスタ２，３のベース端子にそれぞれ接続されている。出力トランジスタ２，３のエミッタ端子は、互いに接続されており、かつ、貫通接触部５とは別の貫通接触手段９を介して、基準電位端子ＧＮＤに接続されている。

整合フィルター６は、直列容量１０−１１とによって形成された直列回路を含んでおり、その下流側は、直列インダクタンス（マイクロストリップ導体インダクタンス（マイクロストリップ導体）１２を形成する集積化マイクロストリップ導体に接続されている。直列容量１０−１１と直列インダクタンス１２との間の接続ノードは、分路容量（Querkapazitaet）１３と貫通接触手段９とを介して、基準電位端子ＧＮＤに接続されている。直列容量１０−１１自体は、直列容量１０−１１の絶縁耐力（Spannungsfestigkeit）を増加させるために、２つの部分容量１０，１１によって形成された直列回路を備えている。出力トランジスタ２，３の動作点を設定（Arbeitzpunkteinstellung）するために、回路ノードＫは、バイアス電流源ＢＩＡＳを介して、供給電位端子ＶＣＣに接続されている。

マイクロストリップ導体、すなわち、集積導波管として、インピーダンス変換を行う整合フィルターの上記直列インダクタンス１２を実現することにより、直列インダクタンス１２の線質係数が高まる。その結果、整合フィルター６全体としても特に高い線質係数となる。言い換えれば、増幅器の高い効率化、特に良好な線形性、および飽和特性（Saettigungseigenschaften）の改善が可能となる。

図２は、増幅器の入力トランジスタ１と出力トランジスタ２との間の整合フィルター６’の別の実施形態を示す図である。図２では、分路容量１３とインダクタンス１２とを交換して使用しており、分路インダクタンス１２’（マイクロストリップ導体インダクタンス（マイクロストリップ導体））および他の直列容量１３’として示されている。従って、第１直列容量１０’と第２直列容量１３’とを含む直列回路が、入力トランジスタ１のコレクタ端子と、出力トランジスタ２のベース端子との間に、接続されている。２つの直列容量１０’，１３’の間の接続ノードは、分路インダクタンス１２’（マイクロストリップ導体）の一方の端子に接続されている。分路インダクタンス１２’の他方の端子は、開放端を形成している。

図２の集積化電力増幅器の機能性および有利な作動形態は、図１における、インダクタンスとしてマイクロストリップ導体を有する整合フィルターの特性に相当している。このため、ここで繰り返して説明しない。

図３は、図１および図２の回路に使用できるような集積化マイクロストリップ導体１２の構造例を示す図である。図３の構成では、マイクロストリップ導体１２は、３つの金属面１４，１５，１６を有するバイポーラ回路技術によって構成されている。全ての金属面１４，１５，１６は、互いに平行であり、かつ、共通の半導体本体の主面に対して平行に配置されている。

第１の金属面（金属帯）１４は、アルミニウムで形成されており、その大部分が、接地接触部１７によって、下方の基板に接続されている。中間の金属面１５は、このマイクロストリップ導体では使用しない。第３の金属面（金属帯）１６は、２つの金属帯１８，１９を備えている。これらの金属帯１８，１９は、同一平面に配置されており、酸化物領域２０によって互いに分離されている。第３の金属面１６上、すなわち、金属帯１８，１９とこれらの間にある酸化物領域２０との上方には、保護層（Passivierungsschicht）２１が形成されている。各金属面１４，１５，１６の間には、別の酸化物領域が設けられている。直列インダクタンス（ストリップ導体）１２の実際の伝導は、金属帯１８，１９を有する第３の金属面１６において実現される。上記ストリップ導体の接地は、第１の金属面１４で行われており、この第１の金属面１４は、さらに、その下方に、接地接触部１７（例えば、超低抵抗のシンカー接触部（Sinker-Kontakt））が設けられている。集積化ストリップ導体における損失の多い基板部は、導体として下側にシンカー接触部を有する第１の金属面１４の使用によって得られる。その結果、インダクタンス１２のコイル線質係数が、さらに改善される。インダクタンス値が同じ場合、マイクロストリップ導体では、類似の巻線（gewickelten）または螺旋状の集積コイルを用いる場合よりも、顕著に高い線質係数が生じる。

図４は、−３０〜＋５ｄＢｍの範囲の入力電力（ｄＢｍＷ）に対する、図１の増幅構造体の全体効率（％）（Gesamteffizienz）をプロットしたグラフである。このグラフから、全体効率の線を示す曲線Ａが、入力電力に比例して、１０〜５０％の範囲であることがわかる。図４のもう１つの曲線Ｂは、増幅構造体の電流消費量を示す。この電流消費量は、入力電力の作用により、４００ｍＡをいくらか上回るまで上昇する。

図５は、本発明の増幅器の電力曲線Ｃのグラフである。このグラフでは、入力電力（ｄＢｍＷ）に対する出力電力（ｄＢｍＷ）がプロットされている。入力電力は、同じく、−３０〜＋５ｄＢｍの範囲で示されている。一方、出力電力は、０〜３０ｄＢｍの範囲でプロットされている。補助線Ｄは、電力特性曲線（Leistungskennlinie）Ｃの１ｄＢ圧密点（Kompressionspunkt）を決定するために記されたものである。

比較のために、図６に有効率特性曲線Ｅを示す。この曲線は、−３０〜＋５０ｄＢｍの範囲の入力電力(ｄＢｍＷ)に対するパーセントでプロットされている。さらに、同様に、電流消費量Ｆの曲線を、０〜５００ｍＡのスケールで示す。図６の特性曲線Ｅ，Ｆは、本発明のマイクロストリップ導体の代わりに、整合フィルターに集積化巻線コイルを適用した増幅構造体に対応するものである。効果特性曲線Ｅ，Ａおよび電流消費量特性曲線Ｆ，Ｂを直接比較すると、マイクロストリップ導体を有する本発明の構成では、全ての入力電力の範囲に渡って、顕著に高い回路の効率が示されていることが分かる。

図７は、本発明のマイクロストリップ導体の代わりに、集積化巻線インダクタンスを有する増幅器構造の電力曲線Ｇを示すグラフである。このグラフでは、入力電力（ｄＢｍＷ）に対する出力電力（ｄＢｍＷ）がプロットされている。出力電力は、０〜３０の範囲でプロットされており、入力電力は、−３０〜＋５の範囲でプロットされている。また、同様に、１ｄＢ圧密点を決定するための補助線として、直線Ｈを示す。図５と図７とを互いに比較すると、周波数が２．４４および５．３ＧＨｚである増幅器は、動作点がほぼ同じならば、飽和電力が１ｄＢを上回り、１ｄＢ圧密点が１．８ｄＢまでに至るということが明確に示された。図４〜７のグラフは、周波数が５．３ＧＨｚである集積化増幅器の例にを、シミュレーションによって求めたものである。

ＭＯＳ（金属酸化膜半導体）またはＧａＡｓ（ヒ化ガリウム）などの他の集積化技術に、本発明を適用することは、本発明の範囲内であることは、言うまでもない。

本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明の集積化電力増幅構造体は、線形性および効率が改善されるため、例えば、バイポーラ回路技術、金属絶縁膜半導体（ＭＩＳ）回路技術、すなわち、ユニポーラ（単極性）回路技術などの種々の集積化技術にも利用できる。また、集積送信構造などにも利用できる。

本発明の第１の実施形態にかかる集積化電力増幅構造体を示す回路図である。 本発明の第２の実施形態にかかる集積化電力増幅構造体を示す回路図である。 上記集積化電力増幅構造体のインダクタンスがマイクロストリップ導体である構成を示す図である。 本発明の集積化電力増幅構造体の効率を示すグラフである。 本発明の集積化電力増幅構造体の圧縮作用を示すグラフである。 マイクロストリップ導体を備えていない電力増幅器の効率を示すグラフである。 マイクロストリップ導体を備えていない電力増幅器の圧縮作用を示すグラフである。

符号の説明

１ 入力トランジスタ
２ 出力トランジスタ
３ 出力トランジスタ
４ インダクタンス
５ 接地貫通接触部
６ 整合フィルター
６’ 整合フィルター
７ 寄生インダクタンス
８ 寄生インダクタンス
９ 接地貫通接触部
１０ 部分容量
１０’ 第１直列容量
１１ 部分容量
１０−１１ 直列容量
１２ 直列インダクタンス（マイクロストリップ導体）
１２’ 分路インダクタンス（マイクロストリップ導体）
１３ 分路容量
１３’ 第２直列容量
１４ 金属面（金属帯）
１５ 金属面
１６ 金属面（金属帯）
１７ 接地接触部
１８ 金属帯
１９ 金属帯
２０ 酸化物
２１ 保護層
Ａ 効果特性曲線
Ｂ 電流消費量
ＢＩＡＳ バイアス電流源
Ｃ 電力特性曲線
Ｄ 補助線
Ｆ 電力消費量
Ｇ 電力特性曲線
Ｈ 補助線
ＩＮ 入力信号
Ｋ 回路ノード（接続ノード）
ＯＵＴ 出力信号

Claims (5)

1. 多段構造を有する集積化電力増幅構造体において、
   入力信号（ＩＮ）を導入する端子を有する入力トランジスタ（１）、
   出力信号（ＯＵＴ）を提供する端子を有する出力トランジスタ（２）、
   および、これら入力トランジスタ（１）と出力トランジスタ（２）とを連結する整合フィルター（６）を備え、
   この整合フィルター（６）が、少なくとも１つの容量（１３）、および、インピーダンス変換を行う少なくとも１つのインダクタンス（１２）を有しており、
   上記少なくとも１つのインダクタンス（１２）が、マイクロストリップ導体として形成されていると共に、
   マイクロストリップ導体（１２）は、平坦に伸ばされた２つの金属帯（１４，１６）を集積化して形成されており、
   マイクロストリップ導体（１２）の一方の金属帯（１４）が、接地接触部（１７）の一端に接続され、接地接触部（１７）の他端が、基板の広範囲に接続されており、
   接地接触部（１７）は、低抵抗のシンカー接触部であることを特徴とする集積化電力増幅構造体。
2. 整合フィルター（６）は、直列容量（１０−１１）とマイクロストリップ導体（１２）とによって形成された直列回路を備え、
   上記直列回路は、入力トランジスタ（１）の出力端子と出力トランジスタ（２）の入力端子との間に接続されており、
   直列容量（１０−１１）とマイクロストリップ導体（１２）との間の接続ノード（Ｋ）を、基準電位端子（ＧＮＤ）に連結する分路容量（１３）が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の集積化電力増幅構造体。
3. 整合フィルター（６）は、第１直列容量（１０’）と第２直列容量（１３’）によって形成される直列回路を備え、
   上記直列回路は、入力トランジスタ（１）の出力端子と、出力トランジスタ（２）の入力端子との間に接続されており、
   第１直列容量（１０’）と第２直列容量（１３’）との間の接続ノードに、マイクロストリップ導体（１２’）が接続されていることを特徴とする請求項１に記載の集積化電力増幅構造体。
4. 出力トランジスタ（２）の入力抵抗が、５０オーム以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の集積化電力増幅構造体。
5. 出力トランジスタ（２）の入力抵抗が、２０オーム以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の集積化電力増幅構造体。

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