JP5448044B2

JP5448044B2 - 高周波増幅回路および通信機器

Info

Publication number: JP5448044B2
Application number: JP2009081366A
Authority: JP
Inventors: 雄太杉山
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 2009-03-30
Filing date: 2009-03-30
Publication date: 2014-03-19
Anticipated expiration: 2029-03-30
Also published as: JP2010233171A

Description

本発明は、高周波信号を増幅する高周波増幅回路およびそれを用いた通信機器に関する。

近年の無線通信端末においては小型化が要求されており、それに使用される部品も小型化が要求されている。高周波増幅回路においても例外ではなく、例えばIEEE（Institute of Electrical and Electronic Engineers）802.11a/b/gに準拠する無線LAN(Local Area Network)に用いられているOFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)変調信号や、携帯電話で用いられているCDMA（Code Division Multiple Access）方式の高周波信号等の増幅にも、パワー密度の許容値が大きいヘテロ接合型バイポーラトランジスタを用いた高周波増幅回路が利用されている。

ところが一般的にGaAsなどで構成されるヘテロ接合型バイポーラトランジスタは、そのベースにおけるオン電圧が高いために、図２に示すようなバイアス供給回路（非特許文献１）を用いた高周波増幅回路では２.５Ｖ以上のバイアス供給電圧が必要となり、これ以下の電圧では電流が流れないため、低電圧化が難しい。あるいは、２.８Ｖから３Ｖといった閾値に近い電圧をバイアス供給回路への供給電圧とすると、バイアス供給電圧の変動あるいは温度変動に際して流れる電流が大きく変動し、不安定となってしまう。

この課題を解決するために、例えば非特許文献２では、ディプレション型電界効果型トランジスタをバイアス供給回路に組み込むことを提案している。これは従来別々だったヘテロ接合型バイポーラトランジスタプロセスとショットキー接合型のディプレション型電界効果トランジスタプロセスを、同一ウェハに適用することが可能になったことを利用している。

2001 IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig., pp.507-510, 2001 IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol.42, No.10, pp.2137-2148, Oct 2007

しかしながら、非特許文献２の回路では、ディプレション型電界効果トランジスタのゲート閾値電圧の絶対値が、ヘテロ接合型バイポーラトランジスタのベースのオン電圧より十分小さいことが必要となる。非特許文献２の回路を図３に示し、これを用いて説明する。図３に示す回路では、ヘテロ接合型バイポーラトランジスタ２１、２２と、電界効果トランジスタ３１と、抵抗１１とを備える。ヘテロ接合型バイポーラトランジスタ２２は、高周波信号を増幅する。ヘテロ接合型バイポーラトランジスタ２１のベース-エミッタ間電圧をVbe、電界効果トランジスタ３１のゲート−ソース間電圧をVgsとすると、電界効果トランジスタ３１のコレクタの電位は、Vbe+Vgsと表される。抵抗１１の抵抗値によりヘテロ接合型バイポーラトランジスタ２１のコレクタに流れる電流が調整され、ヘテロ接合型バイポーラトランジスタ２１のベースの電圧とヘテロ接合型バイポーラトランジスタ２２のベース電圧が同じになるために、トランジスタの比に応じてヘテロ接合型バイポーラトランジスタ２２のコレクタ電流が流れる、いわゆるカレントミラー構成となっている。

電界効果トランジスタ３１はディプレション型電界効果トランジスタであり、ソース電流はヘテロ接合型バイポーラトランジスタ２１及び２２のベースへの供給電流であるので十分小さく、Vgsは負となる。ところで電界効果トランジスタ３１のゲート−ソース間閾値電圧の絶対値が大きい場合、Vgsの絶対値も大きくなり、ノードＮ３の電位は低くなる。ヘテロ接合型バイポーラトランジスタ２１のコレクタ−エミッタ間の電圧がニー電圧以下となった場合、ヘテロ接合型バイポーラトランジスタ２１は飽和領域での動作となる。このとき、高周波増幅用ヘテロ接合型バイポーラトランジスタ２２のコレクタ−エミッタ間電圧は別の電源から与えられるため十分大きく、飽和領域にはないため両者の状態が異なり、カレントミラーが機能しなくなってしまう。

一般にGaAs基板を用いたヘテロ接合型バイポーラトランジスタのVbeは約１.２Ｖであり、近年ヘテロ接合型バイポーラトランジスタと同一ウェハに作成可能となったpHEMTプロセスによるディプレション型電界効果トランジスタの閾値電圧は約−１Ｖ程度なので、コレクタ−エミッタ間電圧は最小で０.２Ｖと極めて小さくなる。上記の問題を避けるためには、製造プロセスの調整によりディプレション型電界効果トランジスタの閾値電圧を調整することも可能ではあるが、仮に閾値電圧を上げた場合、同一チップ上に作成されるスイッチなど他の回路で使用しているディプレション型電界効果トランジスタの性能を劣化させてしまう。

本発明の目的は、上記の問題を解決し、バイアス供給回路への供給電圧が低くても機能する高周波増幅回路を実現することである。

本発明の高周波増幅回路は、高周波信号を増幅する高周波増幅回路において、高周波信号を増幅する第１のヘテロ接合バイポーラトランジスタと、前記第１のヘテロ接合型バイポーラトランジスタのベース端子にバイアス電圧を供給するバイアス供給回路を備え、前記バイアス供給回路には、エミッタが接地された第２のヘテロ接合バイポーラトランジスタと、デプレッション型電界効果トランジスタと、第１〜第３の抵抗を有し、前記第２のヘテロ接合型バイポーラトランジスタのコレクタには第３の抵抗を介してバイアス供給回路電源端子へ接続され、前記デプレッション型電界効果トランジスタのドレインは抵抗を介して又は直接にバイアス供給回路電源端子へ接続され、前記第１の抵抗の一端は前記第２のヘテロ接合型バイポーラトランジスタのコレクタと前記第３の抵抗の間に接続され、前記第１の抵抗の他端は第１のノードに接続され、前記第２の抵抗の一端は前記第１のノードに接続され、前記第２の抵抗の他端は接地され、前記第１の抵抗の抵抗値と前記第２の抵抗の抵抗値は、前記第３の抵抗の抵抗値よりも大きく、前記デプレッション型電界効果トランジスタのゲートは第１のノードに接続されて、前記第１の抵抗を介して前記第２のヘテロ接合型バイポーラトランジスタのコレクタと前記第３の抵抗とに接続し、前記デプレッション型電界効果トランジスタのソースと前記第２のヘテロ接合バイポーラトランジスタのベースが直接又は抵抗を介して接続され、前記デプレッション型電界効果トランジスタのソースからバイアス電圧が出力されることを特徴とする。

また、前記高周波増幅回路においては、前記第１のノードは容量を介して高周波的に接地されていてもよい。

また、前記第１のノードと前記デプレッション型電界効果トランジスタのゲートは抵抗を介して接続されていてもよい。

本発明の無線機器は、上記いずれかの高周波増幅回路を用いたことを特徴とする。

本発明によれば、閾値電圧の絶対値が大きいディプレション型電界効果トランジスタをバイアス供給回路に用いることが可能となるため、低いバイアス供給電圧で動作可能な高周波増幅回路を実現することができる。

本発明による高周波増幅回路の第１の実施形態の回路図である。従来の高周波増幅回路の回路図である。従来の高周波増幅回路の回路図である。本発明による高周波増幅回路の第２の実施形態の回路図である。本発明による高周波増幅回路の第３の実施形態の回路図である。

本発明の実施形態について図面を参照しつつ以下説明するが、本発明がこれらに限定されるものではない。図１は高周波信号を増幅する高周波増幅回路の第１の実施形態の回路図である。図１に示す高周波増幅回路は、高周波信号を増幅する第１のヘテロ接合バイポーラトランジスタ２２と、第１のヘテロ接合型バイポーラトランジスタ２２のベース端子にバイアス電圧を供給するバイアス供給回路１を備える。バイアス供給回路１には、エミッタが接地された第２のヘテロ接合バイポーラトランジスタ２１と、デプレッション型電界効果トランジスタ３１と、第１の抵抗１２、第２の抵抗１３および第３の抵抗１１を有する。図１に示す高周波増幅回路は、さらに抵抗１４および１５を備える。

第１の抵抗１２の一端は第２のヘテロ接合型バイポーラトランジスタ２１のコレクタに接続され、第１の抵抗１２の他端は第１のノードＮ１に接続されている。また、第２の抵抗１３の一端は第１のノードＮ１に接続され、第２の抵抗１３の他端は接地されている。すなわち第１のノードＮ１は第１の抵抗１２と第２の抵抗１３とを接続するノードである。デプレッション型電界効果トランジスタ３１のゲートは第１のノードＮ１に接続される。第２のヘテロ接合バイポーラトランジスタ２１のコレクタは第３の抵抗１１を介してバイアス供給回路電源端子５１に接続されている。デプレッション型電界効果トランジスタ３１のドレインは、本実施形態においてはバイアス供給回路電源端子５１に接続されるが、デプレッション型電界効果トランジスタ３１のドレイン−エミッタ電圧が十分大きくなる範囲であれば、他の電源に接続しても良い。また、デプレッション型電界効果トランジスタ３１のドレインは直接バイアス供給回路電源端子５１へ接続されているが、抵抗を介してバイアス供給回路電源端子５１へ接続されてもよい。

デプレッション型電界効果トランジスタ３１のソースと第２のヘテロ接合バイポーラトランジスタ２１のベースが抵抗１４を介して接続されている。ただし、抵抗１４は本発明において必須ではなく、増幅器の特性を調整するためには省略し、デプレッション型電界効果トランジスタ３１のソースと第２のヘテロ接合バイポーラトランジスタ２１のベースを直接接続してもよい。デプレッション型電界効果トランジスタ３１のソースからバイアス電圧が出力され、抵抗１５を介して高周波増幅用の第１のヘテロ接合型バイポーラトランジスタ２２のベースに供給される。高周波信号は、高周波信号入力端子５２から容量４１を介して第１のヘテロ接合型バイポーラトランジスタ２２のベースに入力され、第１のヘテロ接合型バイポーラトランジスタ２２のコレクタから増幅された高周波信号が高周波信号出力端子５３から出力される。

本実施形態において第１の抵抗１２の抵抗値は８ｋΩ、第２の抵抗１３の抵抗値は２ｋΩであり、第３の抵抗１１の抵抗値は１００Ωである。バイアス供給回路の消費電力を小さくするためには第１、第２の抵抗１２、１３の抵抗値は第３の抵抗１１に比べて十分大きい値が望ましい。ただし、デプレッション型電界効果トランジスタ３１のゲートはショットキー接合型となるため、ゲートリーク電流が大きい。したがってこのリーク電流による電圧降下の影響を避けるためには、第１、第２の抵抗１２、１３の抵抗値は１ＭΩ以下であることが望ましい。また、第２のヘテロ接合バイポーラトランジスタ２１及び第１のヘテロ接合型バイポーラトランジスタ２２のベース−エミッタ間電圧の閾値は１.２Ｖ、デプレッション型電界効果トランジスタ３１のゲート−エミッタ間電圧の閾値は−１.０Ｖである。

以上のような回路構成とすることにより、デプレッション型電界効果トランジスタ３１のゲート電位が０.２Ｖ程度であったとしても、第２のヘテロ接合バイポーラトランジスタ２１のコレクタ電位は１.０Ｖ程度となるため、図２に示す従来の構成で生じていた、第２のヘテロ接合バイポーラトランジスタ２１が飽和領域とる事態を避けることができる。また、この構成の場合、バイアス供給電圧は余裕を見て１.５Ｖ以上あればよく、図３に示す従来の構成で必要であった２.５Ｖより低下させることが可能となる。すなわち、低いバイアス供給電圧で動作可能であり、電圧変動や温度変動に対して安定動作が可能な高周波増幅回路を安価に実現することができる。

図４に本発明の第２の実施形態を示す。図４に示す実施形態では、デプレッション型電界効果トランジスタ３１のゲートに容量４２の一端が接続され、容量４２の他端が接地される。すなわち、第１のノードＮ１が容量４２を介して高周波的に接地されている。このような構成をとることにより、バイアス供給回路における安定性を増すことが出来る。

図５に本発明の第３の実施形態を示す。図５に示す実施形態では、第１のノード（第１および第２の抵抗１２及び１３の接続点）とデプレッション型電界効果トランジスタ３１のゲートが抵抗１６を介して接続される。このような構成をとることにより、静電気放電などによる過大な電圧入力に対してのデプレッション型電界効果トランジスタ３１の破壊耐性を向上させることが可能となる。

上述した各高周波増幅回路は、携帯電話、無線LAN等の無線通信に用いる端末機器などの通信機器に用いることができる。

１：バイアス供給回路
１１：第３の抵抗
１２：第１の抵抗
１３：第２の抵抗
１４〜１６：抵抗
２１：第２のヘテロ接合バイポーラトランジスタ
２２：第１のヘテロ接合バイポーラトランジスタ
２３：ヘテロ接合バイポーラトランジスタ
３１：ディプレション型電界効果トランジスタ
４１、４２：容量
５１：バイアス供給回路電源端子
５２：高周波信号入力端子
５３：高周波信号出力端子

Claims

高周波信号を増幅する高周波増幅回路において、
高周波信号を増幅する第１のヘテロ接合バイポーラトランジスタと、前記第１のヘテロ接合型バイポーラトランジスタのベース端子にバイアス電圧を供給するバイアス供給回路を備え、
前記バイアス供給回路には、エミッタが接地された第２のヘテロ接合バイポーラトランジスタと、デプレッション型電界効果トランジスタと、第１〜第３の抵抗を有し、
前記第２のヘテロ接合型バイポーラトランジスタのコレクタには第３の抵抗を介してバイアス供給回路電源端子へ接続され、前記デプレッション型電界効果トランジスタのドレインは抵抗を介して又は直接にバイアス供給回路電源端子へ接続され、前記第１の抵抗の一端は前記第２のヘテロ接合型バイポーラトランジスタのコレクタと前記第３の抵抗の間に接続され、前記第１の抵抗の他端は第１のノードに接続され、前記第２の抵抗の一端は前記第１のノードに接続され、前記第２の抵抗の他端は接地され、
前記第１の抵抗の抵抗値と前記第２の抵抗の抵抗値は、前記第３の抵抗の抵抗値よりも大きく、
前記デプレッション型電界効果トランジスタのゲートは第１のノードに接続されて、前記第１の抵抗を介して前記第２のヘテロ接合型バイポーラトランジスタのコレクタと前記第３の抵抗とに接続し、前記デプレッション型電界効果トランジスタのソースと前記第２のヘテロ接合バイポーラトランジスタのベースが直接又は抵抗を介して接続され、
前記デプレッション型電界効果トランジスタのソースからバイアス電圧が出力されることを特徴とする高周波増幅回路。
前記第１のノードは容量を介して高周波的に接地されていることを特徴とする請求項１に記載の高周波増幅回路。
前記第１のノードと前記デプレッション型電界効果トランジスタのゲートは抵抗を介して接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載の高周波増幅回路。
請求項１〜３のいずれかに記載された高周波増幅回路を用いた無線機器。