JP4241205B2 - Semiconductor amplifier circuit - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主に携帯電話等の高周波を用いた無線通信機器の送信部分に応用され、高周波信号を携帯電話基地局と通信する規定の電力まで高周波の電力を増幅する素子に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、世界的な携帯電話の普及により、携帯電話の使用台数が加速度的に増加してきた。携帯電話端末に求められる特徴としては種々あるが、端末が小型であること、低価格であること、通話時間が長いことが挙げられる。これらを達成するために、本発明の対象である携帯電話等の送信部分に応用され、高周波信号を携帯電話基地局と通信する規定の電力まで増幅する半導体増幅回路(以下これを単に半導体増幅回路と記す)には次のことが求められる。まず、小型であること、低価格であること、それから、通話時間を長くするために、消費電力が少ないこと、すなわち高効率であることである。
【0003】
これらのことを達成するために、一般的に半導体増幅回路において適用される手段を述べる。まず、高周波信号を増幅するためにトランジスタが使用される。このトランジスタの入力に整合回路(これを入力整合回路と呼ぶ)を接続する。さらに、このトランジスタの出力に整合回路(これを出力整合回路と呼ぶ)を接続する。入力整合回路および、出力整合回路は、抵抗、インダクタ、キャパシタ、高周波伝送線路などの素子により構成される。トランジスタは、半導体チップ上に構成される。入力整合回路および、出力整合回路は、一部がモノリシックマイクロ波集積回路(以下これをMMICと呼ぶ)として半導体チップ上に構成されることがあるが、通常、半導体チップに接続された外部基板上に構成される。トランジスタの出力電力や、効率は入力整合回路および出力整合回路の構成に大きく依存する。必要な出力電力を得られ、かつ高効率動作するように、入力整合回路および、出力整合回路を構成する素子の回路定数を設定する。
【0004】
トランジスタが高効率動作するようにするための従来の出力整合回路の構成方法について、図面を参照しながら説明する。文中で同じ番号のものは同じ部分を表す。なお、この図面に示される出力整合回路は、例えば非特許文献1に記載されている。その他、従来の出力整合回路として、特許文献1〜5に記載されているものが知られている。
【0005】
高効率動作をさせるための出力整合回路として、従来図5の回路が知られている。図5で、1はトランジスタである。12は第1のインダクタである。13は第1のキャパシタである。14は伝送線路である。15は第2のインダクタである。16は第2のキャパシタである。第2のインダクタ15の他端と第2のキャパシタ16の他端は接続され、かつ接地されている。17は出力整合回路の出力である。以下、図5の回路の動作原理を説明する。
【0006】
第1のキャパシタ13は直流電流阻止用キャパシタであり、第1のインダクタ12を介して供給される直流バイアス電流が出力側に流れるのを阻止する。14の伝送線路長は、信号の波長(これをλと記す)の4分の1となるよう設定されている。第2のインダクタ15と第2のキャパシタ16は共振器を形成しており、信号周波数で共振し、信号周波数の2倍で短絡するよう値を設定しておく。このとき、信号周波数の偶数倍の周波数成分のみ短絡し、奇数倍の周波数成分は出力整合回路の出力17に取り出される。信号周波数の以外の周波数成分は、信号周波数の2倍の周波数成分が大きく、これを短絡することにより、効率が大きく改善される。一般に用いられる回路としては、第2のインダクタ15を省略し、第2のキャパシタ16を十分大きな値にすることも多い。この場合には、伝送線路14の長さがλ/4に設定されているので、第2のキャパシタ16を介して信号周波数の偶数倍の成分が接地される。
【0007】
【特許文献1】
特開平5−191174号公報
【特許文献2】
特開平5−191175号公報
【特許文献3】
特開平8−37433号公報
【特許文献4】
特開平9−46148号公報
【特許文献5】
特開2001−16053号公報
【非特許文献1】
高山洋一郎著「マイクロ波トランジスタ」の第9章「マイクロ波トランジスタ増幅器」第199ページ〜第200ページ、社団法人電子情報通信学会編、平成10年12月10日初版第1刷発行
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
上記に示した従来の技術では、伝送線路14の長さをλ/4にしなければならない。伝送線路の形状によるが、一般に携帯電話で使用される1GHz〜2GHz程度の信号周波数では、λ/4の長さは数cmになる。これを半導体チップ上に形成することも可能だが、半導体チップが大きくなり、高コストとなってしまう。従って、一般に半導体チップに接続される基板上に伝送線路14を形成する。このとき、半導体増幅回路全体が大きくなってしまう。いずれにせよ、高コストになる、乃至半導体増幅回路全体が大型化するという問題がある。
【0009】
上記課題に鑑み、本発明は小型化されて低コストの半導体増幅回路を提供するものである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明の半導体増幅回路は、トランジスタと、前記トランジスタの出力端子に接続された第1の薄膜バルク波共振子とを有し、前記薄膜バルク波共振子の他端が接地され、前記薄膜バルク波共振子の基本共振周波数が信号周波数の2倍であるものである。
【0011】
この構成により、薄膜バルク波共振子の基本共振周波数が信号周波数の2倍としているので、信号周波数の2倍の周波数成分が短絡され、高効率化が達成される。また、前記薄膜バルク波共振子と前記トランジスタを同一半導体上に形成し、前記接地を半導体の表面から裏面へのバイアホールによって行うことで、小型化と低価格化が実現する。
【0012】
【発明の実施の形態】
本発明の高周波増幅回路の実施の形態について図面を参照しながら以下に説明する。
【0013】
(実施の形態1)
本発明の実施の形態1における半導体増幅回路について図面を参照しながら説明する。
【0014】
図1は、本発明の実施の形態1における半導体増幅回路を示す図である。1は、トランジスタである。2は、第1の薄膜バルク波共振子(以下FBARと記す)である。
【0015】
このFBARは、AlNなどの圧電体の上下を金属電極で挟む構造となっており、圧電体に生じる超音波が電気振動に変換される。このとき、圧電体の厚さに応じ、FBARを通過する周波数(共振周波数)、FBARを通過しない周波数(反共振周波数)が決定される。すなわち、圧電体の厚さにより、共振周波数および反共振周波数を制御できる。
【0016】
FBARは、半導体チップ上に構成することが出来る。その大きさは、数100μm四方程度と小型にすることが出来る。
【0017】
図1に示した本発明の実施の形態1における半導体増幅回路は、第1のFBAR2の共振周波数が信号周波数の2倍としている。また、第1のFBAR2の他端が接地されている。そのため、信号周波数の2倍の周波数成分は、第1のFBAR2を介して接地、すなわち短絡され、半導体増幅回路の高効率化という課題が達成できる。また、FBARは半導体チップ上に形成でき、半導体チップ外部には回路がまったく不要であるので、半導体増幅回路を小型化することができる。また、FBARは小型であるので、半導体チップの面積を極度に大きくすることがなく、低コスト化も実現できる。
【0018】
図2はもう1つの本発明の実施の形態1における半導体増幅回路を示している。1はトランジスタである。2は第1のFBARである。3は第2のFBAR、4は第3のFBAR、5は第4のFBAR、6は第5のFBARである。第1のFBAR2はトランジスタ1の出力に接続され、他端に第2のFBAR3、第3のFBAR4が接続されている。第3のFBAR4の他端には第4のFBAR5、第5のFBAR6が接続されている。第2のFBAR3、第4のFBAR5、第5のFBAR6の他端は接地されている。
【0019】
第1のFBAR2、第3のFBAR4、第5のFBAR6の共振周波数を信号周波数の2倍とし、第2のFBAR3、第4のFBAR5の反共振周波数を信号周波数の2倍としている。このとき、信号周波数の2倍の周波数成分は、第1のFBAR2、第3のFBAR4、第5のFBAR6を介して接地される。また、第2のFBAR3、第4のFBAR5を介しても接地される。よって信号周波数の2倍の周波数成分が短絡され、半導体増幅回路の高効率化が達成される。図1に示す半導体増幅回路では、FBARが1つしかなく、狭帯域しか共振できないので、信号の周波数帯域が広い場合には適用できない。それに対し、図2に示す半導体増幅回路では、5つのFBARを最適に設計することにより、信号の周波数帯域が広い場合にも対応できる。
【0020】
(実施の形態2)
図3は、本発明の実施の形態2における半導体増幅回路を示している。トランジスタ1と第1のFBAR2は図1と同様である。7は第6のFBARであり、トランジスタ1の入力に接続されている。
【0021】
トランジスタ1、第1のFBAR2は実施の形態1と同様の動作である。第6のFBAR7の共振周波数は、信号周波数の2倍としている。トランジスタ1の入力には、通常、トランジスタなどの前置増幅回路が接続される。同様の原理により、前置増幅回路の効率を高める効果を第6のFBAR7は持つことになり、さらなる高効率化が達成できる。
【0022】
図4は、もう1つの本発明の実施の形態2における半導体増幅回路を示している。1はトランジスタである。2は第1のFBARである。3は第2のFBAR、4は第3のFBAR、5は第4のFBAR、6は第5のFBARである。第1のFBAR2はトランジスタ1の出力に接続され、他端に第2のFBAR3、第3のFBAR4が接続されている。第3のFBAR4の他端には第4のFBAR5、第5のFBAR6が接続されている。第2のFBAR3、第4のFBAR5、第5のFBAR6の他端は接地されている。7は第6のFBARである。8は第7のFBAR、9は第8のFBAR、10は第9のFBAR、11は第10のFBARである。第6のFBAR7はトランジスタ1の入力に接続され、他端に第7のFBAR8、第8のFBAR9が接続されている。第8のFBAR9の他端には第9のFBAR10、第10のFBAR11が接続されている。第7のFBAR8、第9のFBAR10、第10のFBAR11の他端は接地されている。
【0023】
同様の原理により、信号の周波数帯域が広い場合においても、さらなる高効率化が達成できる。
【0024】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、信号周波数の2倍の周波数成分が短絡され、半導体増幅回路の高効率化が達成されるとともに、半導体増幅回路の小型化と低価格化が実現する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1における半導体増幅回路を示す図
【図2】本発明の実施の形態1における半導体増幅回路を示す図
【図3】本発明の実施の形態2における半導体増幅回路を示す図
【図4】本発明の実施の形態2における半導体増幅回路を示す図
【図5】従来の半導体増幅回路を示す図
【符号の説明】
1 トランジスタ
2 第1のFBAR
3 第2のFBAR
4 第3のFBAR
5 第4のFBAR
6 第5のFBAR
7 第6のFBAR
8 第7のFBAR
9 第8のFBAR
10 第9のFBAR
11 第10のFBAR
12 第1のインダクタ
13 第1のキャパシタ
14 伝送線路
15 第2のインダクタ
16 第2のキャパシタ
17 出力整合回路の出力[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention is mainly applied to a transmission part of a radio communication device using a high frequency such as a mobile phone, and relates to an element that amplifies high frequency power to a prescribed power for communicating a high frequency signal with a mobile phone base station.
[0002]
[Prior art]
In recent years, with the widespread use of mobile phones worldwide, the number of mobile phones used has increased at an accelerated rate. There are various characteristics required for a mobile phone terminal, but the terminal is small, inexpensive, and has a long talk time. In order to achieve these, a semiconductor amplifying circuit (hereinafter simply referred to as a semiconductor amplifying circuit) that is applied to a transmission part of a mobile phone or the like that is the object of the present invention and amplifies a high-frequency signal to a prescribed power for communicating with a mobile phone base station. The following is required. First, it is small in size, low in price, and has low power consumption, that is, high efficiency in order to lengthen the talk time.
[0003]
In order to achieve these things, the means generally applied in a semiconductor amplifier circuit are described. First, a transistor is used to amplify a high frequency signal. A matching circuit (this is called an input matching circuit) is connected to the input of this transistor. Further, a matching circuit (this is called an output matching circuit) is connected to the output of this transistor. The input matching circuit and the output matching circuit are configured by elements such as resistors, inductors, capacitors, and high-frequency transmission lines. The transistor is configured on a semiconductor chip. The input matching circuit and the output matching circuit are partly configured on a semiconductor chip as a monolithic microwave integrated circuit (hereinafter referred to as MMIC), but are usually on an external substrate connected to the semiconductor chip. Configured. The output power and efficiency of the transistor greatly depend on the configuration of the input matching circuit and the output matching circuit. The circuit constants of the input matching circuit and the elements constituting the output matching circuit are set so that the required output power can be obtained and the device operates with high efficiency.
[0004]
A configuration method of a conventional output matching circuit for allowing a transistor to operate with high efficiency will be described with reference to the drawings. The same number in the sentence represents the same part. The output matching circuit shown in this drawing is described in Non-Patent Document 1, for example. In addition, the conventional output matching circuits described in Patent Documents 1 to 5 are known.
[0005]
As an output matching circuit for high-efficiency operation, the circuit shown in FIG. 5 is conventionally known. In FIG. 5, reference numeral 1 denotes a transistor. Reference numeral 12 denotes a first inductor. Reference numeral 13 denotes a first capacitor. Reference numeral 14 denotes a transmission line. Reference numeral 15 denotes a second inductor. Reference numeral 16 denotes a second capacitor. The other end of the second inductor 15 and the other end of the second capacitor 16 are connected and grounded. Reference numeral 17 denotes an output of the output matching circuit. Hereinafter, the operation principle of the circuit of FIG. 5 will be described.
[0006]
The first capacitor 13 is a direct current blocking capacitor, and prevents the direct current bias current supplied via the first inductor 12 from flowing to the output side. The transmission line length of 14 is set to be a quarter of the signal wavelength (denoted as λ). The second inductor 15 and the second capacitor 16 form a resonator, and values are set so as to resonate at the signal frequency and short-circuit at twice the signal frequency. At this time, only the even frequency component of the signal frequency is short-circuited, and the odd frequency component is extracted to the output 17 of the output matching circuit. The frequency component other than the signal frequency has a frequency component twice as large as the signal frequency, and the efficiency is greatly improved by short-circuiting the frequency component. In a circuit generally used, the second inductor 15 is omitted and the second capacitor 16 is often set to a sufficiently large value. In this case, since the length of the transmission line 14 is set to λ / 4, a component that is an even multiple of the signal frequency is grounded via the second capacitor 16.
[0007]
[Patent Document 1]
JP-A-5-191174 [Patent Document 2]
JP-A-5-191175 [Patent Document 3]
Japanese Patent Laid-Open No. 8-37433 [Patent Document 4]
Japanese Patent Laid-Open No. 9-46148 [Patent Document 5]
JP 2001-16053 A [Non-Patent Document 1]
Yoichiro Takayama Chapter 9 “Microwave Transistor Amplifier”, pages 199-200, edited by The Institute of Electronics, Information and Communication Engineers, December 10, 1998, first edition published.
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional technique described above, the length of the transmission line 14 must be λ / 4. Depending on the shape of the transmission line, the length of λ / 4 is several centimeters at a signal frequency of about 1 GHz to 2 GHz that is generally used in mobile phones. Although it is possible to form this on a semiconductor chip, the semiconductor chip becomes large and expensive. Accordingly, the transmission line 14 is generally formed on a substrate connected to a semiconductor chip. At this time, the entire semiconductor amplifier circuit becomes large. In any case, there is a problem that the cost is high or the entire semiconductor amplifier circuit is enlarged.
[0009]
In view of the above problems, the present invention provides a miniaturized and low-cost semiconductor amplifier circuit.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, a semiconductor amplifier circuit of the present invention includes a transistor and a first thin film bulk acoustic wave resonator connected to an output terminal of the transistor, and the other end of the thin film bulk acoustic wave resonator is The basic resonance frequency of the thin film bulk acoustic wave resonator is grounded and is twice the signal frequency.
[0011]
With this configuration, since the fundamental resonance frequency of the thin film bulk acoustic wave resonator is twice the signal frequency, the frequency component twice the signal frequency is short-circuited, and high efficiency is achieved. Further, the thin film bulk acoustic wave resonator and the transistor are formed on the same semiconductor, and the grounding is performed by a via hole from the front surface to the back surface of the semiconductor, thereby realizing miniaturization and cost reduction.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of a high-frequency amplifier circuit according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0013]
(Embodiment 1)
The semiconductor amplifier circuit according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0014]
FIG. 1 is a diagram showing a semiconductor amplifier circuit according to Embodiment 1 of the present invention. Reference numeral 1 denotes a transistor.
[0015]
This FBAR has a structure in which a piezoelectric material such as AlN is sandwiched between metal electrodes, and ultrasonic waves generated in the piezoelectric material are converted into electric vibrations. At this time, the frequency that passes through the FBAR (resonance frequency) and the frequency that does not pass through the FBAR (anti-resonance frequency) are determined according to the thickness of the piezoelectric body. That is, the resonance frequency and antiresonance frequency can be controlled by the thickness of the piezoelectric body.
[0016]
The FBAR can be configured on a semiconductor chip. Its size can be as small as several hundred μm square.
[0017]
In the semiconductor amplifier circuit according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. 1, the resonance frequency of the
[0018]
FIG. 2 shows another semiconductor amplifier circuit according to the first embodiment of the present invention. Reference numeral 1 denotes a transistor. 2 is the first FBAR. 3 is a second FBAR, 4 is a third FBAR, 5 is a fourth FBAR, and 6 is a fifth FBAR. The
[0019]
The resonance frequency of the first FBAR2, the third FBAR4, and the fifth FBAR6 is twice the signal frequency, and the antiresonance frequency of the second FBAR3 and the fourth FBAR5 is twice the signal frequency. At this time, the frequency component twice the signal frequency is grounded via the
[0020]
(Embodiment 2)
FIG. 3 shows a semiconductor amplifier circuit according to the second embodiment of the present invention. The transistor 1 and the
[0021]
The transistor 1 and the
[0022]
FIG. 4 shows another semiconductor amplifier circuit according to the second embodiment of the present invention. Reference numeral 1 denotes a transistor. 2 is the first FBAR. 3 is a second FBAR, 4 is a third FBAR, 5 is a fourth FBAR, and 6 is a fifth FBAR. The
[0023]
By the same principle, even higher efficiency can be achieved even when the frequency band of the signal is wide.
[0024]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the frequency component twice the signal frequency is short-circuited, so that the efficiency of the semiconductor amplifier circuit is achieved and the semiconductor amplifier circuit is reduced in size and price. .
[Brief description of the drawings]
1 is a diagram illustrating a semiconductor amplifier circuit according to a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a diagram illustrating a semiconductor amplifier circuit according to a first embodiment of the present invention. FIG. 3 is a semiconductor amplifier according to a second embodiment of the present invention. FIG. 4 is a diagram showing a semiconductor amplifier circuit according to a second embodiment of the present invention. FIG. 5 is a diagram showing a conventional semiconductor amplifier circuit.
1
3 Second FBAR
4 Third FBAR
5th FBAR
6 5th FBAR
7 6th FBAR
8 7th FBAR
9 Eighth FBAR
10 Ninth FBAR
11 Tenth FBAR
12 First inductor 13 First capacitor 14 Transmission line 15 Second inductor 16 Second capacitor 17 Output of output matching circuit
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