JP4318457B2 - インピーダンス整合のためのモジュール - Google Patents

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Description

[発明の分野]
本発明は、インピーダンス整合に関し、特にそれに限定されるわけではないが、電力増幅器のインピーダンス整合に関する。
[発明の背景]
本発明の分野においては、電力増幅器のような装置から、エネルギの最適転送のため、電力増幅器の出力インピーダンスは、その電力増幅器により駆動される回路の入力インピーダンスと整合すべきであることが知られている。実際には、集積回路(IC)電力増幅器(PA)のような電力増幅器の出力インピーダンスは、通常、当該ICに対して外部に取り付けられ且つ当該ICにワイヤにより接続されているインダクタ及びキャパシタのような構成要素を含む電気的/電子的回路網の使用により整合される。ワイヤ・ボンディングは、通常、ワイヤを接続するため用いられる。キャパシタは、金属酸化物半導体キャパシタ(MOSCAP)又は表面取り付けデバイス(SMD)型キャパシタであり得る。インダクタは、一般的に、前述のキャパシタにより正確な位置で接地に分路(シャント)されるマイクロストリップ又はコプレーナ線路のような伝送線を用いて作られる。
しかしながら、このアプローチは、SMDキャパシタが、コストの目的のため、損失と、帯域幅を狭める無視し得ない直列寄生インダクタンスと、並びに多数の性能パラメータにわたりPA RF性能偏差を低下させる大きな公差とをもたらす低品質の要因を持つという不利益を有する。その上、そのようなSMDキャパシタは、それらが自動的に拾い上げられ且つ配置されるので、組み立て機械の制約に適合するため最小間隔(スペーシング)規格を持ち、従って、電力増幅器応用の全体的大きさを増大させることをもたらす。
従って、前述の不利益を減少させ得るインピーダンス整合に対する要求が存在する。
[発明の概要]
本発明は、添付の特許請求の範囲に記載されたインピーダンス整合のためのモジュールを提供する。
本発明を組み込むインピーダンス整合のための4つの装置及び方法が、ここで、例としてのみで、添付図面を参照して説明される。
[好適な実施形態の説明]
最初に図1を参照して、電力増幅器102(例えば、セルラ無線応用に使用のモジュール・デュアル・バンド(2バンド)PAのようなもの)のための既知のインピーダンス整合装置100は、ある一定数のワイヤ104を有し、そのある一定数のワイヤ104は、整合されるべきRF電力トランジスタ108を有するIC106とプリントされた伝送線(以下、「プリント伝送線」という。)110との間に従来のワイヤ・ボンディング技術により取り付けられている。外部の表面取り付けデバイス(SMD)キャパシタ112が、アース/接地と、ワイヤ104から遠く離れたプリント伝送線110上の正確な位置との間に接続される。
この構成(装置)において、インダクタ(Lline+lwire)は、プリント伝送線110、そのプリント伝送線110の長さ、及びインダクタンス値lwireを決定するワイヤからのインダクタンスを用いて実現されることが認められるであろう。プリント伝送線110の長さは、SMDキャパシタ112の正確な位置により規定される。そのような構成は、RF電力トランジスタ108の出力インピーダンスを増大させる整合セルを構成する。典型的には、実際に、唯1つのインピーダンス整合セルの使用によっては、出力インピーダンスが、電力増幅器102のRF性能を低下させること無しに、(典型的な3オームの不整合から)50オームの典型的な所望値に到達するのを可能にしない。従って、追加の整合セルが、必要とされ、そして第2のSMDキャパシタが、アース/接地と、第1の正確な位置から遠隔のプリント伝送線110上の第2の正確な位置との間に接続される。デュアル・バンド電力増幅器応用に対して、前述した1個の構成(装置)が、各帯域に対して必要とされる。
このアプローチにおいて、プリント伝送線の幅に起因した低い誘導性(inductivity)を有するそのプリント伝送線の長さ、並びに、自動拾い出し/配置機械が必要とする部品対部品の間隔に適合することが必要であるSMDキャパシタの使用は、その大きさを、従って電力増幅器応用のコストを著しく増大させることをもたらすことが認められるであろう。
更に、SMDキャパシタは、コストの理由のため、損失と、帯域幅を狭める無視し得ない直列寄生インダクタンスと、並びに多数の性能パラメータにわたりPA RF性能偏差を低下させる大きな公差とをもたらす低品質の要因を有する。
ここで図2を参照すると、デュアル・バンド・セルラ無線電力増幅器モジュールのための第1の新規なインピーダンス整合装置200は、ある一定数のワイヤ202a−202fを有し、それらある一定数のワイヤ202a−202fは、その上に(整合されるべき)RF電力トランジスタ206及び集積キャパシタ208があるIC204と、プリント伝送線210、第1のボンディング・ゾーン・パッド212及び第2のボンディング・ゾーン・パッド214のそれぞれとの間に従来のワイヤ・ボンディング技術により取り付けられる。
プリント伝送線210、第1のボンディング・ゾーン・パッド212及び第2のボンディング・ゾーン・パッド214はそれぞれ、IC204(IC204のそれぞれの層204a、204b、204cで)に、2つのワイヤ202により接続される。プリント伝送線210(それはコプレーナ又はマイクロストリップ伝送線であり得る。)は、集積化されたキャパシタ(以下、「集積キャパシタ」という。)208にIC層204cで2つのワイヤ202a及び202bにより接続される。第1のボンディング・ゾーン・パッド212は、RF電力トランジスタ206にIC層204aにおいてワイヤ202cにより接続され、且つ集積キャパシタ208にIC層204bにおいてワイヤ202dにより接続される。第2のボンディング・ゾーン・パッド214は、集積キャパシタ208にIC層204bにおいてワイヤ202eにより接続され、且つRF電力トランジスタ206にIC層204aにおいてワイヤ202fにより接続される。以下でより詳細に説明されるように、1対のワイヤ(202cと202d、202eと202f)において、一方のワイヤ(202c、202f)は、RF電流をIC204上のRF電力トランジスタ206から伝え、そして他方のワイヤ(202d、202e)は、RF電流をIC204上の集積キャパシタ208に伝える。実際には、電流を伝える容量を増大させるため、202a、202b、202c、202d、202e及び202fとして個々に説明されたワイヤは、現実にワイヤの群であってよく、各群は個々の2つのワイヤ又はそれより多いワイヤを有することが理解されるであろう。
インピーダンス整合装置200において、1対のワイヤ(202cと202d、202eと202f)が、RF電流を逆平行(anti−parallel)で伝え、従ってそれらの間で相互インダクタンスを生成し、その相互インダクタンスは、当該ワイヤの自己インダクタンスに対して負に加わって、その結果結合のインダクタンスを生成するのが認められるであろう。この負の追加の効果は、(図1の既知の構成と比較して)各対のワイヤのその結果生じるインダクタンスを低下させることをもたらすことが認められるであろうし、そして更に、これが、第1の整合セルにとって通常必要とされる低いインダクタンス値を達成する可能性をもたらすことが認められるであろう。その上、図2の構成の対称的幾何学的形状は、RF電力トランジスタ206に、熱的且つ電気的に良好に平衡にされた作動条件を与える。
本発明がある電力増幅器の出力インピーダンスを整合させることを参照して上記で説明されたが、本発明を、代替として多段増幅器の場合における段間整合回路網に用いることができるであろうことが認められるであろう。
ここで図3を参照すると、インピーダンス整合装置200の電気的等価回路300は、1対のワイヤ(202cと202d)及び(202eと202f)のそれぞれにより実現されるインダクタンスLcd及びLefとを並列に置くことにより発生されるインダクタンスLとキャパシタC(これはPA ICとして同じダイ上に一体化されている。)とにより構成される整合セル302を有する。
ここで図4を参照すると、示された整合セル302の概要図400は、上記装置が外部の構成要素を用いないことを実証している。それは、前述のように、キャパシタCがICダイに一体化され、そしてインダクタンスが1対のワイヤ202により構成されているからである。従って、インピーダンス整合装置200は、図1の既知の装置と比較して、高いQの構成要素及び小さいダイ・サイズを与えることができ、且つ外部の構成要素の数を低減させることができる。
ここで図5を参照すると、図2のインピーダンス整合装置に類似し、デュアル・バンド・セルラ無線電力増幅器モジュールのための第2の新規なインピーダンス整合装置500は、2つのインピーダンス整合セルを利用している。2つのセル式の装置500においては、多数のワイヤ502a−502jが、従来のワイヤ・ボンディング技術により、整合されるべきRF電力トランジスタ506及び集積キャパシタ508及び509(2つの部分509.1及び509.2に示されている。)がその上にあるIC504と、プリント伝送線522、第1のボンディング・ゾーン・パッド514及び第2のボンディング・ゾーン・パッド516、第3のボンディング・ゾーン・パッド518及び第4のボンディング・ゾーン・パッド520のそれぞれとの間に取り付けられている。
第1のボンディング・ゾーン・パッド514及び第2のボンディング・ゾーン・パッド516はそれぞれ、RF電流をワイヤ502c及び502jのそれぞれによりIC層504aにおけるIC504から受け取るよう接続されている。第1のボンディング・ゾーン・パッド514及び第2のボンディング・ゾーン・パッド516はそれぞれ、RF電流をワイヤ502d及び520iのそれぞれにより、集積キャパシタ508を組み込んでいるIC504の層504bへ送るよう接続されている。第3のボンディング・ゾーン・パッド518及び第4のボンディング・ゾーン・パッド520はそれぞれ、RF電流をワイヤ502e及び502hのそれぞれにより、集積キャパシタ508を組み込んでいるIC504の層504bから受け取るよう接続されている。第3のボンディング・ゾーン・パッド518及び第4のボンディング・ゾーン・パッド520はそれぞれ、RF電流をワイヤ502f及び502gのそれぞれにより、集積キャパシタ509を組み込んでいるIC504の層504cへ送るよう接続されており、そしてその集積キャパシタ509は、ワイヤ502a及び502bによりプリント伝送線522に接続されている。
インピーダンス整合装置500においては、図2の装置200におけるように、対のワイヤ(502c及び502d、502e及び502f、502g及び502h、502i及び502j)は、RF電流を逆平行で伝え、従ってそれらの間で相互インダクタンスを生成し、その相互インダクタンスは、当該ワイヤの自己インダクタンスに対して負に加わって、前述したのと同じ利点を有する、その結果生じる結合のインダクタンスを生成するのが認められるであろう。更に、インピーダンス整合装置500が2つのインピーダンス整合セル(514、502c、502d、516、502i、502j、508、及び518、502e、502f、520、502g、502h、509のそれぞれ)を組み込んでいるので、このことは、電力増幅器504の出力インピーダンスを3Ωの典型的値から、図2の単一セル式の装置200の場合より50Ωの所望値へより効率的に増大させるのを可能にする。
ここで図6を参照すると、第3の新規なインピーダンス整合装置600は、図2の単一セル式の装置に原理的に類似しており、そしてインターディジテート(interdigitate)されたレイアウトを組み込んでいる。デュアル・バンド・セルラ無線電力増幅器モジュール用インピーダンス整合装置600は、従来のワイヤ・ボンディング技術により、整合されるべきRF電力トランジスタ608がその上にあるIC604と、集積キャパシタ608と、ボンディング・ゾーン610と、伝送線622との間に取り付けられた多数のワイヤ602を有する。集積キャパシタ608は、ICダイ中に分散され、そしてトランジスタ606からボンディング・ゾーン610へ、ボンディング・ゾーン610から集積キャパシタ608へ、集積キャパシタ608からプリント伝送線622へ、それぞれ電流を伝えるワイヤ602は、そのダイ全体にわたってインターディジテートされている。このようにして、インピーダンス整合装置600は、上記で説明した図2の装置200の全ての利点を持ち、更に、RF電流導通がダイ全体にわたり分散しているのでより効率的な熱及び電気的動作を可能にすることが認められるであろう。
図6のインピーダンス整合装置600は、前述した図2の装置200と似て単一のインピーダンス整合セルに基づいているので、同様に2つ又はそれより多いインピーダンス整合セルへ拡張し得る。
ここで図7を参照すると、第4の新規なインピーダンス整合装置700は、図6のインピーダンス整合装置600と原理的に類似しており、そして2つの異なるダイを利用しながらインターディジテートされたレイアウトを取り入れている。デュアル・バンド・セルラ無線電力増幅器モジュール用インピーダンス整合装置700は、従来のワイヤ・ボンディング技術により、整合されるべきRF電力トランジスタ706がその上にある第1のICダイ704aと、集積キャパシタ708を組み込んでいる第2のICダイ704bと、ボンディング・ゾーン710と、プリント伝送線722との間に取り付けられた多数のワイヤ702を有する。図6のインピーダンス整合装置600におけるのと同様に、集積キャパシタ708は、ICダイ704b全体にわたり分散され、そしてICダイ704a上のトランジスタ706からボンディング・ゾーン710へ、ボンディング・ゾーン710からICダイ704b上の集積キャパシタ708へ、ICダイ704b上の集積キャパシタ708からプリント伝送線722へ、それぞれ電流を伝えるワイヤ702が、これらのダイに跨ってインターディジテートされている。このようにして、インピーダンス整合装置700は、前述した図2の装置200の全ての利点、及び前述した図6のインピーダンス整合装置600の熱分散の追加の利点を有することが認められるであろう。更に、インピーダンス整合装置700は、2つのダイ704a及び704bを用いるので、装置の全体コストを低減するのを可能にすることが認められるであろう。それは、ダイ704a(それは典型的にはよりコストが高いガリウム砒素半導体である。)の大きさが、RF電力トランジスタ706を設けるに必要なだけの大きさまでに低減されることができる一方、集積キャパシタ708を設けるダイ704bをよりコストの低いシリコン半導体にすることができるからである。
図7のインピーダンス整合装置700は、前述した図2の装置200及び図6のインピーダンス整合装置600に似て単一のインピーダンス整合セルに基づいているので、同様に2つ又はそれより多いインピーダンス整合セルへ拡張し得ることが認められるであろう。この場合、第2(及び更なる任意のセル)に必要とされるキャパシタは、全てよりコストが低いダイ704bに設け得る。
本発明がRF電力トランジスタに関して上記で説明されたが、本発明は、代替として、より高い又はより低い周波数で、又はインピーダンス変換、例えば、電圧制御発振器(VCO)又は低雑音増幅器(LNA)を必要とする他の応用に用いられることができるであろうことが認められるであろう。また、本発明は、GSM、CDMA、TDMA、W−CDMA、GPRS、EDGE、UMTSのような標準の変調、又は希望され得る他の変調スキームを含む電気通信応用に用いられることができることが認められるであろう。
前述したインピーダンス整合のための装置及び方法は、次の利点を与えるであろうことが理解されるであろう。
・実現が容易
・整合の精度が増大
・少ししか外部の構成要素を必要としない
・製造が容易
・専用の設計フローを必要としない
・標準のIC生産及び試験ツールだけしか必要でない
・低損失の整合回路網を使用
・(キャパシタの統合化のため)ダイの大きさが少しだけ増大するが、しかし本解決策の合計の大きさは、外部の構成要素の数が低減するので、著しく(例えば、50%)低減し得る。
図1は、インピーダンス整合のための既知の装置の略部分断面図を示す。 図2は、本発明を組み込む、インピーダンス整合のための第1の新規な装置の略部分断面図を示す。 図3は、図2の装置のための電気的等価回路のブロック略図を示す。 図4は、図3の回路の一部の概要図を示す。 図5は、2つのインピーダンス整合セルを利用し、且つ本発明を組み込む、インピーダンス整合のための第2の新規な装置の略部分断面図を示す。 図6は、図2の装置に原理的に類似し、インターディジテートされたレイアウトを利用し、且つ本発明を組み込む、インピーダンス整合のための第3の新規な装置の略部分断面図を示す。 図7は、図2の装置に類似し、2つのダイを有するインターディジテートされたレイアウトを利用し、且つ本発明を組み込む、インピーダンス整合のための第4の新規な装置の略部分断面図を示す。

Claims (7)

  1. ノード(204a)と、出力(210)と、相互インダクタンス関係にある第1及び第2の電流導体(202c,202d)とを含むモジュールであって、
    前記第1及び第2の電流導体(202c,202d)は、前記ノード(204a)を前記出力(210)と接続するためのインピーダンス整合装置(200)の中に、前記第1の電流導体(202c)が電流を前記ノード(204a)から前記第2の電流導体(202d)へ伝え且つ前記第2の電流導体(202d)が電流を前記第1の電流導体(202c)から前記出力(210)へ伝えるように配置され、
    前記インピーダンス整合装置(200)が、前記第2の電流導体と結合されたキャパシタンス手段(208)を含み、
    前記第1及び第2の電流導体が、それらの全体のインダクタンスがそれらの相互インダクタンスにより低減されたそれらの自己インダクタンスの和を有するよう十分に近接して位置され、
    前記インピーダンス整合装置(200)が、前記ノード(204a)に接続されたデバイス(204)のインピーダンスを前記出力(210)のより高いインピーダンスに整合させる
    ことを特徴とするモジュール。
  2. 前記出力が伝送線(210)を備える請求項1記載のモジュール。
  3. 前記ノード(204a)及び前記キャパシタンス手段(208)が、集積回路(204)に設けられている請求項1又は2記載のモジュール。
  4. 記ノード(204a)と前記キャパシタンス手段(208)とが、それぞれの集積回路(704a,704b)に設けられている請求項1又は2記載のモジュール。
  5. 前記インピーダンス整合装置(500)が更に、第3及び第4の電流導体(502e,502h;502f,502g)を備え、
    前記第3の電流導体(502e,502h)が、電流を前記第2の電流導体(502d,502i)から前記第4の電流導体(502f,502g)へ伝え、
    前記第4の電流導体(502f,502g)が、電流を前記第3の電流導体(502e,502)から前記出力(210)へ伝え、
    前記第3及び第4の電流導体が、それらの全体のインダクタンスがそれらの相互インダクタンスにより低減されたそれらの自己インダクタンスの和を有するよう十分に近接して位置される
    請求項1から4のいずれか一項に記載のモジュール。
  6. 前記インピーダンス整合装置(500)が更に、前記第4の電流導体の両端部のうちの一つの端部であって伝送線(522)を介して前記出力(210)に接続されている端部に結合された第2のキャパシタンス(509)を備える請求項5記載のモジュール。
  7. 前記電流導体(602,702)がインターディジテート(interdigitate)されている請求項1から6のいずれか一項に記載のモジュール。
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