JP4319339B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として無線通信に用いられる送受信用半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
図5に、差動低雑音増幅器内蔵のデュアルバンド無線送受信用半導体集積回路(以下、送受信ICと称す。)を適用した端末機器の構成例を示す。
【0003】
送受信IC501はデュアルバンドの高周波部の回路と周波数変換回路を合わせて、1チップに内蔵したものである。該ICは後段のベースバンドIC515に接続される。ベースバンドICは信号をA/D、D/A変換し、またデジタル信号処理を行う。送受信IC501の送受信部は、低周波数バンド差動低雑音増幅器502a、低周波数バンド受信ミキサ503a、及び高周波数バンド差動低雑音増幅器502b、高周波数バンド受信ミキサ503b、ローパスフィルタ504、可変利得増幅器505、変調器507、オフセットPLL508から構成されている。また、周波数変換に必要な高周波局部発振信号は高周波数シンセサイザ509と外付けの局部発振器510、デバイダ511から供給する。同様に、低周波局部発振信号は低周波数シンセサイザ512、局部発振器513、デバイダ514から供給する。低雑音増幅器を差動構成とすることにより、外付け部品のトランスフォーマを用いて行われていたシングル−差動変換が不要となった。このため、外付け部品の個数低減が可能となる。
【0004】
差動低雑音増幅器は、同じ構成を持った2つの単位増幅器から構成され、位相が逆相である2つの高周波信号を入力して差動増幅する。
【0005】
差動低雑音増幅器を内蔵した送受信ICの一例に、ISSCC2000でInfineon社が発表した「A RF Transceiver for Digital Wireless Communication in a 25GHz Si Bipolar Technology」がある。論文によればDECT(Digital Enhanced Cordless Telecommunication)向けの送受信ICである。受信系の低雑音増幅器は差動構成であるが、信号ラインやグランドライン、ピン配置等は不明である。また、使用しているパッケージはTSSOP38ピンである。
【0006】
差動増幅器のみをIC化した代表例として、philips社 の衛星TV受信機用のIF帯利得制御増幅器、TDA8011Tがある。図7にピン配置と回路ブロックを示す。回路は差動構成で、パッケージピンIFI1とIFI2より入力し、IFO1とIFO2から出力する。グランドピンは1ピンである。別の例として、NEC社の1.6GHz帯差動型広帯域増幅器、μPC2726Tがある。図8にピン配置と回路図を示す。in1とin2から入力し、out1とout2から出力するものである。
【0007】
本発明が課題とするような、差動増幅器の単位増幅器それぞれにグランドピンを有する差動増幅器は、上記以外のICメーカでも見当たらなかった。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、図5、また図7及び8に示すような低雑音増幅器などの差動構成の増幅器利得を改善することにある。以下、図6で高周波増幅器の利得低下をもたらす要因を述べる。図6は、増幅器ICチップをパッケージに実装した場合の、増幅器の相互コンダクタンスGmを表す等価回路である。トランジスタ601は増幅器本体のトランジスタである。高周波信号は602のベースから入力する。また、適当なバイアス電圧を与えることによりコレクタ電流icが流れる。トランジスタ601のエミッタにはボンディングワイヤとピンによるインピーダンスZeが加わる。このインピーダンスにより、式601に示すように増幅器全体のGmは、トランジスタ601がもつ相互コンダクタンスgmよりも低下する。そのため高利得を要する増幅器では、さらにグラントピンを増やし、Zeを並列に接続する。これにより、ボンディングワイヤとピンのインダクタンス成分を低減することが可能となる。
【0009】
【表1】
【0010】
表1は、単位増幅器の電源線に接続するリードピン(以下、グランドピンと称す。)を2本有する場合の、パッケージのピン配置、その時の等価回路、及びインダクタンス成分を示している。表の上段は、図1aに記載の第1の単位増幅器101のグランドピンを隣同士に配置した場合である。具体的な回路を用いた説明は実施例で後述するが、増幅器の入力ピンIN1とグランドピンG1、G2は第1の単位増幅器101のピンである。IN2、G3、G4は単位増幅器101と対を成している第2の単位増幅器106のピンである。Lはボンディングワイヤとピンによるインダクタンスを示す。ICのピン間は極めて狭いため、ピン間にトランス結合があり、これを相互インダクタンスMで表す。このピン配置において、隣合うグランドピンの電圧は同相である。そのため、表から明らかなように、グランドを2ピンとしてもインダクタンス成分は半分にならない。単一ピンと比較すると一般には70%程度である。
【0011】
次に、単位増幅器のグランドが1ピン構成の場合を述べる。図1bにその回路を示す。これは、図1aの単位増幅器101と106のグランドピンがG1とG3だけとなったものである。図1bの回路において、第1の単位増幅器101のトランジスタ102のベースに正の電圧が入力するとコレクタ電流が増し、負荷抵抗105で電圧降下する。そこで、コレクタ電圧は減少し、入力信号と出力信号は逆相関係となる。第2の単位増幅器106も同様であるが、入力信号が逆相であるため、101と106の回路動作は逆相となる。
【0012】
【表2】
【0013】
表2に、単位増幅器のグランドピンが一本の場合におけるパッケージのピン配置と、その時のトランジスタのエミッタのインピーダンスを示す。表の上段は図1bに記載の第1の単位増幅器101のグランドピンG1と、第2の単位増幅器106の入力ピンIN2を隣同士に配置した場合である。この場合、ピン同士は同相となる。そこで、トランジスタのエミッタにつくインピーダンスが大きくなり、増幅器全体のGmが減少し利得が低下する。
【0014】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決し、利得を向上するために、単位増幅器の電源線に接続するリードピン(以下、グランドピンと称す。)を2本有する差動増幅器では、第1の単位増幅器のグランドピンは、第2の単位増幅器のグランドピンのそれぞれに1対1に隣接する配置とする。表1の下段は課題を解決するためのピン配置である。この場合、差動信号のため隣合うピン電圧は逆相となる。表中の等価回路であらわされるように、トータルインダクタンスは、ボンディングワイヤ、及びピンインダクタンスの半分以下となる。
【0015】
また、グランドピンが1ピンの場合は、グランドピンは、入力線に接続するリードピン(以下、入力ピンと称す。)に互いに隣接した配置とする。
【0016】
表2の下段が課題を解決するためのピン配置である。表の上下のインピーダンス式の比較から明らかなように、同じ増幅器の入力ピンとグランドピンを隣同士とすれば、信号が逆相となるため、トランジスタのエミッタにつくインピーダンスは小さい。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例の回路図を図1aと、図1bに示す。各図の100は図5の送受信IC、501に適用するものである。具体的には、図1aの100が図5の高周波バンド低雑音増幅器502bに相当し、図1bの100が図5の低周波バンド低雑音増幅器502aに相当する。
【0018】
図1aにおいて、第1の単位増幅器101は、トランジスタ102、バイアス抵抗103、負荷抵抗105からなる。また、増幅器101にバイアスを供給するバイアス電流供給回路104がある。パッケージのピンは、高周波信号入力ピンIN1と、エミッタから2本のグランドピンG1、G2である。増幅器101と対を成す第2の単位増幅器106も同一構成にて、トランジスタ107、バイアス抵抗108、負荷抵抗110からなる。また104と同様の回路構成で、バイアス電流供給回路109も設けられている。ピンも同様であり、入力ピンIN2、グランドピンG3、G4を有する。電源とグランドピンは、増幅器の電源Vccとバイアス回路の電源BVcc、及びバイアス回路のグランドBGNDである。単位増幅器のグランドピンが1本の差動増幅器でも、ピン数が少なくなること以外は回路構成は同じである。
【0019】
次に、増幅器の動作を以下に示す。まず、高周波信号はアンテナ111から入力する。バンドパスフィルタ112は帯域外不要波を取り除き、差動信号に変換する。低雑音増幅器の整合回路113、114はインピーダンス整合をとり、ピンIN1、IN2を経て差動信号をIC内部の差動低雑音増幅器へ送る。バイアス回路104、109は温度、電源変動に対し安定なバイアス電流を生成し、トランジスタ102と107の動作点を決めるものである。バイアス電流量は2つの回路とも同じである。バイアス抵抗103、108は上記バイアス電流を電圧に変換する。これにより、トランジスタ102、107に適切なバイアス電圧が供給され、直流コレクタ電流が流れてトランジスタの動作点が決まる。これにより、それぞれのトランジスタは差動入力信号の増幅動作を行う。増幅された高周波信号は、負荷抵抗105、110で電圧に変換され、後段の受信ミキサ115へ送られる。
【0020】
このような構成の差動低雑音増幅器において、表1の下段に示すピン配置を行う。すなわち、第1の単位増幅器101のグランドピンは、第2の単位増幅器106のグランドピンのそれぞれに1対1に隣接する配置とする。これにより、トータルインダクタンスは、ボンディングワイヤ、及びピンインダクタンスの半分以下となる。この結果、式601に示したように、回路の相互コンダクタンスGmが上がり、利得は向上する。
【0021】
【表3】
【0022】
表3のNo.1及びNo.2に、表1に示すグランドピン配置における、回路特性解析結果を示す。表3のNo.3は、No.2の変形例である。表3のNo.2及びNo.3が本発明を実現するピン配置例である。
【0023】
次に、図1bについて説明する。回路は、グランドピンが1ピンとなる以外図1aと同じでであるので、動作の説明は省略する。このような回路において、表2の下段に示すピン配置を行う。すなわち、グランドピンは入力ピンに互いに隣接した配置とする。これにより、増幅器のトランジスタのエミッタにつくインピーダンスが小さくなる。その結果、回路の相互コンダクタンスが改善し利得を向上する。
【0024】
【表4】
【0025】
表4のNo.2が本発明を実現するピン配置例である。
【0026】
表3、4で示した回路解析には高周波シミュレータHSPICEを用いた。解析した増幅器には0.35μmプロセスのバイポーラトランジスタを用いた。また、電源電圧2.8Vでトランジスタ102、107にそれぞれ6mAの直流電流を流し動作させた。図2は、パッケージ一部のピン間の結合状態を示す図である。201はパッケージの一部を示し、202はパッケージのピンを示す。kは相互インダクタンス量を決める結合係数である。相互インダクタンスは、ある一つのピンから3つ先のピンまで作用するとし、その距離に応じて結合係数を0.4、0.27、0.2、0.13と変化させた。結合係数はQFP(Quadrature Flat Package)56ピン相当のものを想定した。表3において、本発明によれば、利得は1.5〜1.7dBの向上を示している。表4についても同様に1.1dBの利得向上がある。
【0027】
増幅器レイアウトは、インダクタンス成分を低減するために、増幅器トランジスタのエミッタのパッケージ外ピン先端からパッドまでの距離が最短となる位置に低雑音増幅器の回路を設けることが望ましい。図3にその一例を示す。図3は、図5で述べたデュアルバンド送受信ICを例としている。301が本発明を適用した送受信ICのチップである。302が送受信ICを封印するQFP56ピンである。303はパッケージのチップ接着面、304はパッケージ支持材である。305が本発明を適用した高周波数バンド差動低雑音増幅器502bのレイアウト場所である。また、315が低周波数バンド差動低雑音増幅器502aをレイアウトした場所である。
【0028】
306、310は図1aのトランジスタ102のグランドピン、307、311はトランジスタ107のグランドピン、308、309はそれぞれ、低雑音差動増幅器101と106の入力ピンである。312は高周波数バンド低雑音増幅器502bの電源ピンである。
【0029】
低周波数バンド低雑音増幅器502aも同様に、317は図1bのトランジスタ102のグランドピン、320はトランジスタ107のグランドピン、318、319はそれぞれ、低雑音差動増幅器101と106の入力ピンである。316は低周波数バンド低雑音増幅器502aの電源ピンである。321はバイアス回路の電源ピン、322はバイアス回路のグランドピンである。バイアス回路のピンは、低周波低雑音増幅器と高周波低雑音増幅器で共有している。323はチップ上の各パッドから上記に示したリードピンにつけたボンディングワイヤである。
【0030】
図に示すように、増幅器はチップ端面の中央付近に配置され、ボンディングされる。この様にするとパッドとピン間のボンディングワイヤが短くなる。この実施例では、デュアルバンドを想定しているため、発明を適用した増幅器のピンは、中央から下端までに割当てている。しかし、グランドピン306と307は中央部のピンに割当てた。そのため、インダクタンス成分は増幅器をチップの隅に配置するよりも低減する。
【0031】
ここまでは、増幅器を有するLSIについて述べたが、本発明は増幅器のみからなるICでも適用することができる。この場合の例を図4に示す。401が本発明を適用した差動増幅器ICのチップである。402が差動増幅器ICを封印するパッケージTSSOP12ピンである。403はパッケージのチップ接着面、404はパッケージ支持材である。405、409はトランジスタ102のグランドピン、406、410はトランジスタ107のグランドピン、407、408はそれぞれ、差動増幅器101と106の入力ピンである。411はバイアス回路の電源ピン、412はバイアス回路のグランドピン、413、414は差動増幅器の出力ピン、415は差動増幅器の電源ピンである。416はチップ上の各パッドから上記に示したリードピンにつけたボンディングワイヤである。
【0032】
図の様にパッケージ中央に対し線対称にピンを配置すれば、増幅器トランジスタのエミッタのパッケージ外ピン先端からパッドまでの距離が最短となる。また、低雑音差動増幅器はパッケージの電気的影響も含めて完全対称回路となる。このため、より差動性特性のよいICが期待できる。
【0033】
図3、4は表3のNo.2で示したピン配置に準拠したが、表3のNo.3で示すピン配置に準拠することも可能である。
【0034】
なお、実施例は低雑音増幅器を例にとり説明したが、本発明は増幅器のグランドピンの配置に関するものである。従って、図1aに示したような差動構成の汎用的な増幅器に適用できる。
【0035】
【発明の効果】
本発明は、差動増幅器において、単位増幅器2本有する差動増幅器では、第1の単位増幅器のグランドピンは、第2の単位増幅器のグランドピンのそれぞれに1対1に隣接する配置とする。これにより、トランジスタのエミッタにつくインダクタンスを単一のグランドピンより半分以下とする。この結果、トランジスタエミッタにつくインピーダンスを低減でき、増幅器の利得は向上する。また、単位増幅器が1本のグランドピンを持つ場合は、グランドピンは入力ピンに互いに隣接した配置とする。これにより、上記と同様にインピーダンスを下げることができ、利得が向上する。
【0036】
また、送受信ICのような大規模ICに適用する場合には、増幅器トランジスタのエミッタのパッケージ外ピン先端からパッドまでの距離が最短となる位置に低雑音増幅器の回路を設けるレイアウトと組合せることにより、一層のインダクタンス低減を実現することが出来る。
【0037】
さらに、差動増幅器のみのICでは、本発明に以下の2点を加えることにより利得向上と、パッケージの影響も含めた対称差動増幅器とすることが出来る。第一に、増幅器トランジスタのエミッタのパッケージ外ピン先端からパッドまでの距離が最短となる位置に低雑音増幅器の回路を設ける。第二に、パッケージに対し対称のピン配置とする。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例の回路図。
【図2】パッケージのピン間の結合状態を示す図。
【図3】本発明をデュアルバンド送受信ICに適用したときのパッケージへの実装例。
【図4】本発明を差動増幅器ICに適用したときのパッケージ実装例。
【図5】デュアルバンド無線送受信用半導体集積回路の構成。
【図6】増幅器の相互コンダクタンスを表す等価回路。
【図7】pilips社TDA8011Tのピン配置。
【図8】NEC社μPC2726Tのピン配置。
【符号の説明】
101…差動増幅器をなす第1の単位増幅器
106…差動増幅器をなす第2の単位増幅器
102、107…トランジスタ
103、108…バイアス抵抗
104、109…バイアス電流供給回路
105、110…負荷抵抗
111…アンテナ
112…バンドパスフィルタ
113、114…低雑音増幅器の整合回路
115…受信ミキサ
201…パッケージの一部
202…ピン
301…本発明を適用した送受信ICのチップである。
302…送受信ICを封印するQFP56ピンである。
303、303…パッケージのチップ実装面、
304、304…パッケージ支持材である。
305…高周波数バンド差動低雑音増幅器502bのレイアウト場所
306、307、310、311、317、319、405、406、409、410…グランドピン
308、309、318、319、407、408…差動増幅器の入力ピン
312、316、415…差動低雑音増幅器の電源ピン
315…低周波数バンド差動低雑音増幅器502aのレイアウト場所
321、411…バイアス回路の電源ピン
322、412…バイアス回路のグランドピン
323、416…ボンディングワイヤ
401…本発明を適用した差動増幅器ICのチップ
402…パッケージTSOP12ピン
413、414…差動増幅器の出力ピン
501…送受信IC
502a…低周波数バンド差動低雑音増幅器
502b…高周波数バンド差動低雑音増幅器
503a…低周波数バンド受信ミキサ
503b…高周波数バンド受信ミキサ
504…ローパスフィルタ
505…可変利得増幅器
507…変調器
508…オフセットPLL
509…高周波数シンセサイザ
510、513…局部発信器
511、514…デバイダ
512…低周波数シンセサイザ
515…ベースバンドIC。
Claims (14)
- 半導体回路チップと、該半導体回路チップに接続される複数のグランドピンと、該半導体回路チップを封止するパッケージとを有し、上記半導体回路チップには2つの単位増幅器が形成され、該2つの単位増幅器は1つの差動増幅器を形成し、
該2つの単位増幅器の第1の単位増幅器の第1の電源線は上記複数のグランドピンの少なくとも2本に接続され、
該2つの単位増幅器の第2の単位増幅器の第1の電源線は上記複数のグランドピンの少なくとも2本に接続され、
上記第1の単位増幅器の第1の電源線に接続されるグランドピンのそれぞれは上記第2の単位増幅器の第1の電源線に接続されるグランドピンのそれぞれに1対1に隣接する配置とされたことを特徴とする半導体装置。 - 差動増幅器を有する半導体回路チップと、該半導体回路チップに接続される複数のグランドピンと、上記半導体回路チップを封止するパッケージとを有し、
上記差動増幅器は対を成す2つの単位増幅器を有し、各単位増幅器の第1の電源線は上記グランドピンの1本に接続され、
上記2つの単位増幅器のそれぞれについて、上記第1の電源線に接続されるグランドピンと入力線に接続される入力ピンとは互いに隣接して配置されることを特徴とする半導体装置。 - 請求項1又は2において、上記パッケージの一辺の中央から線対称に上記2つの単位増幅器の第1の電源線に接続されるグランドピン及び入力ピンを配置することを特徴とする半導体装置。
- 請求項1乃至3の何れかにおいて、上記2つの単位増幅器は、該2つの単位増幅器の第1の電源線に接続されるパッドから上記パッケージの外部に突出したピン先端までの距離が最短となるチップ上の位置に配置されたことを特徴とする半導体装置。
- 請求項1乃至4の何れかにおいて、上記2つの単位増幅器の各単位増幅器は、上記第1の電源線に接続されるトランジスタと、第2の電源線と、負荷とを有し、
上記負荷は上記トランジスタと上記第2の電源線との間に接続されることを特徴とする半導体装置。 - 請求項5において、上記2つの単位増幅器の上記第2の電源線は、共通の1つの電源ピンに接続されることを特徴とする半導体装置。
- アンテナからの受信信号と局部発振器からの信号とをミキシングする受信ミキサと上記アンテナとの間に設けられた差動低雑音増幅器と、該差動低雑音増幅器に接続される複数のグランドピンとを有し、
該差動低雑音増幅器は、互いに位相が逆相であって、かつ、実質的に同一周波数帯である信号が入力される2つの単位増幅器を有し、
上記2つの単位増幅器の第1の電源線は互いに異なるグランドピンに接続されて成る無線送受信用の半導体装置であって、
上記2つの単位増幅器の第1の電源線に接続されるグランドピンは互いに隣接することを特徴とする無線送受信用の半導体装置。 - アンテナからの受信信号と局部発振器からの信号とをミキシングする受信ミキサと上記アンテナとの間に設けられた差動低雑音増幅器と、該差動低雑音増幅器に接続される複数のグランドピンとを有し、
該差動低雑音増幅器は、互いに位相が逆相であって、かつ、実質的に同一周波数帯である信号が入力される2つの単位増幅器を有し、
上記2つの単位増幅器の第1の電源線は互いに異なるグランドピンに接続されて成る無線送受信用の半導体装置であって、
上記2つの単位増幅器のそれぞれについて、上記第1の電源線に接続されるグランドピンと入力線に接続される入力ピンとは互いに隣接することを特徴とする無線送受信用の半導体装置。 - アンテナからの受信信号と局部発振器からの信号とをミキシングする受信ミキサと上記アンテナとの間に設けられた差動低雑音増幅器と、該差動低雑音増幅器に接続される複数のグランドピンとを有し、
該差動低雑音増幅器は、互いに位相が逆相であって、かつ、実質的に同一周波数帯である信号が入力される2つの単位増幅器を有し、
上記2つの単位増幅器の第1の電源線は互いに異なるグランドピンに接続されて成る無線送受信用の半導体装置であって、
上記2つの単位増幅器の第1の電源線はそれぞれ複数のグランドピンに接続され、
上記2つの単位増幅器のそれぞれについて、上記第1の電源線に接続される上記複数のグランドピンのいずれか1つと入力線に接続される入力ピンとは互いに隣接することを特徴とする無線送受信用の半導体装置。
ることを特徴とする無線送受信用の半導体装置。 - 請求項7乃至9の何れかにおいて、上記2つの単位増幅器の一方の単位増幅器の第1の電源線に接続される複数のグランドピンのそれぞれは他方の単位増幅器の第1の電源線に接続される複数のグランドピンのそれぞれに1対1に隣接する配置とされたことを特徴とする半導体装置。
- 請求項7乃至10の何れかにおいて、上記パッケージの一辺の中央から線対称に上記2つの単位増幅器の第1の電源線に接続されるグランドピン及び入力ピンを配置することを特徴とする半導体装置。
- 請求項7乃至11の何れかにおいて、上記2つの単位増幅器は、該2つの単位増幅器の第1の電源線に接続されるパッドから上記パッケージの外部に突出したピン先端までの距離が最短となるチップ上の位置に配置されたことを特徴とする半導体装置。
- 請求項7乃至12の何れかにおいて、上記2つの単位増幅器の各単位増幅器は、上記第1の電源線に接続されるトランジスタと、第2の電源線と、負荷とを有し、上記負荷は上記トランジスタと上記第2の電源線との間に接続されることを特徴とする半導体装置。
- 請求項13において、上記2つの単位増幅器の上記第2の電源線は、共通の1つの電源ピンに接続されることを特徴とする半導体装置。
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