JP5571391B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
本発明は、高出力増幅器、特にレーダ用高出力増幅器を有する半導体装置に関する。
レーダ用高出力増幅器の出力信号は、時間に応じて変化する入力信号に対して、振幅と位相が線形であることが望ましい。
以下、振幅と位相が、線形でない状態を、振幅歪、並びに、位相歪と定義する。
振幅歪と位相歪を補償する技術として、携帯電話基地局用増幅器に一般的に用いられている、プレディストータ技術があげられる。
しかしながら、この技術は、発熱素子の自己発熱に起因した振幅歪、並びに、位相歪(熱メモリー効果)を補償することが難しかった。
これに関連する技術を次に開示する。
例えば、上述した自己発熱による温度制御回路技術として、特許文献１が開示されている。
特許文献１は、増幅器付近に温度センサをもたせ、一定周期で温度を観測し、その温度変化を制御ユニット内の判定回路に取り込み、温度変化に応じた冷却ファンの動作制御を行い、増幅器の急激な温度変化を緩やかにした冷却制御を行うことが記載されている。
しかしながら、この技術の場合、一定周期での温度観測であるため、リアルタイムで生じる自己発熱に起因した歪を補償することが困難であった。
別の解決策として、特許文献２が開示されている。
特許文献２は、温度モニタ回路は増幅器の温度に対応する信号を温度制御回路に出力し、温度制御回路は、温度モニタ回路の出力値が演算記憶装置が算出した平衡温度になるように加熱・冷却装置を制御して増幅器を制御する。この温度制御により増幅器の温度を短時間に安定させた状態で増幅器の出力をパワーモニタ回路で測定することが記載されている。
しかながら、この技術の場合、リアルタイムで増幅器の温度をモニタしているものの、モニタ信号を温度制御回路に送り、さらに、温度制御回路からの制御信号をもとに加熱・冷却装置を動作させるため、リアルタイムで生じる自己発熱に起因した歪を補償することができない。
さらに、増幅器の正確な温度をモニタすることは、数ｕｍ以下の温度プローブが必要であるため、現実的ではない。
また別の解決策として、特許文献３が開示されている。
特許文献３は、増幅器の信号送信時には放熱制御、信号停止時には加熱制御を行って、増幅器の温度制御を行うことが記載されている。
しかしながら、この技術では、送信時と停止時の２状態の制御しか行えないため、例えば、ＦＭＣＷ変調方式のような、入力信号が三角波形の場合には適用することができない。
さらに、この技術では、熱時定数の大きなペルチェ等の熱交換素子を用いて温度制御を行っているため、リアルタイムで温度制御を行うことが原理的に難しい。
また別の解決策として、特許文献４が開示されている。
特許文献４は、送信対象となる信号を増幅する送信増幅器で、温度が低い場合に効率的に増幅部を暖めることに関して記載がある。
具体的には、増幅部が信号を増幅する構成において、温度検出手段が温度を検出する。増幅部自己発熱促進制御手段および増幅部自己発熱促進制御手段は、温度検出手段により検出される温度が所定の閾値未満又は所定の閾値以下である場合に、増幅部による自己発熱を促進させる制御を行ない、増幅部による自己発熱を促進させ、増幅部のバイアス制御を行なっている。
特開２００３−０７８３５６号公報
特開２００２−０４８８３０号公報
特開２００１−３２０２４４号公報
特開２００４−３２８７１０号公報
しかしながら、特許文献４は、温度補償制御回路と増幅器の間を電気的な信号で結線し、電気的な信号で制御を行なっているが、温度補償制御回路と増幅器の間を熱的な配線で結線し、熱自体を送ることに関して示唆されていなく、これによる効果が何ら示唆されていない。
そこで本発明は、上述した従来の問題点を踏まえ、増幅器の自己発熱に起因した振幅歪、並びに、位相歪を解決するため、温度補償制御回路と増幅器の間を熱的な配線で結線し、熱自体を送る構成を有する半導体装置の提供を目的とする。
上記目的を達成するために、本発明にかかる第１の半導体装置は、ベースバンド信号を発生するベースバンド信号発生手段と、発生した前記ベースバンド信号をＲＦ信号に変換するＲＦ信号変換手段と、前記ＲＦ信号変換手段から前記ＲＦ信号が入力される電力増幅手段と、発熱手段と、前記ベースバンド信号に基づいて前記電力増幅手段から発生した発熱量と前記発熱手段から発熱した発熱量との和を一定にする制御手段と、を有し、前記発熱手段から発生した前記発熱量を、前記発熱手段を一主面に有し前記電力増幅手段を前記一主面の反対の一主面に有する半導体基板からなる伝熱手段を介して前記電力増幅手段に伝熱することを特徴とする。
本発明によれば、温度補償制御回路と増幅器の間を熱的な配線で結線し、熱自体を送る構成を有することで、増幅器の自己発熱に起因した振幅歪、並びに、位相歪を解決する半導体装置を提供可能とする。
本発明は、以下に記載することを可能する。
電力増幅器の発熱量が常に一定の状態に保たれることで、自己発熱に起因した振幅歪、並びに、位相歪を低減することを実現する。
また、リアルタイムで自己発熱に起因した歪を補償することを実現する。
また、複雑なロジック回路を必要とせず、前記電力増幅器の発熱量を一定に保つことが可能になるため、低価格、かつ、低歪な半導体装置を実現する。
また、発熱素子と電力増幅器の熱時定数を同じにすることで、自己発熱に起因した歪を容易に抑制することを実現する。
さらに、発熱素子を電力増幅器で構成することで、発熱素子と電力増幅器の熱時定数を同じにすることを実現する。
上記を実現する本発明の半導体装置について、以下の実施形態を用いて説明する。
以下に記載する実施の形態は、本発明を好適にもしくは最良に実施する形態であり、これに限定されるものではなく、当業者が容易に想到できる範囲内において、変形、修正可能とする。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態にかかる半導体装置の構成を示す図である。
図１は、第１の実施形態にかかる半導体装置の構成を示す図である。
本実施形態にかかる半導体装置は、ベースバンド信号発生器１、ＲＦ信号変換器２、電力増幅器３、発熱素子４、増幅器発熱量記憶部５、発熱素子発熱量記憶部６、発熱素子制御部７および伝熱線８を有する。
ベースバンド信号発生手段としてのベースバンド信号発生器１は、ベースバンド信号を発生し、ＲＦ信号変換器２にベースバンド信号を印加する。
ＲＦ信号変換手段としてのＲＦ信号変換器２は、例えば、電圧制御型発信器で形成され、電圧制御型発信器を用い、ベースバンド信号を電圧制御型発信器の電圧制御端子に印加することで、ＲＦ信号をベースバンド信号で変調することができる。
発熱手段としての発熱素子４は、抵抗体、ダイオード、トランジスタで構成してもよい。
第１の記憶手段としての増幅器発熱量記憶部５は、ＲＦ信号変換器２から出力されたＲＦ信号と電力増幅器３に前記ＲＦ信号が入力された時に電力増幅器３が発熱する発熱量の関係を蓄えたものである。
第２の記憶手段としての発熱素子発熱量記憶部６は、発熱素子４への入力信号と発熱素子４の発熱量の関係を蓄える。
発熱素子制御手段としての発熱素子制御部７は、増幅器発熱量記憶部５と発熱素子発熱量記憶部６のデータを参照し電力増幅器３と発熱素子４の発熱量を一定にする信号を発熱素子４へ送信する。
伝熱手段としての伝熱線８は、例えば、カーボンナノチューブ、炭素複合材、銅を含んだ金属配線で構成され、発熱素子４の発熱量を電力増幅器３に伝熱するものである。
上述した構成による作用および効果について図１および図２を用いて説明する。
本実施形態にかかる発熱素子制御部７は、電力増幅器３の発熱量と、発熱素子４の発熱量との和を常に一定に保つように、電力増幅器３および発熱素子４を制御している。
これによって、図２の発熱量に示すように、発熱素子制御部７が電力増幅器３と発熱素子４の発熱量の和を常に一定に保たれ、発熱素子４の発熱量は、伝熱線８を通して電力増幅器３に伝えられる。
これにより、電力増幅器３の発熱量を一定の状態に保つことができる。
そのため、電力増幅器３の自己発熱に起因した振幅歪、並びに、位相歪を低減することが可能になる。
本実施形態によれば、電力増幅器３の温度をモニタする必要が無いため、リアルタイムで自己発熱に起因した歪を補償することが可能になる。
具体的には、ベースバンド信号を発生するベースバンド信号発生器と、ベースバンド信号をＲＦ信号に変換するＲＦ信号変換器と、電力増幅器と、発熱素子と、ベースバンド信号に基づいて電力増幅器と発熱素子の発熱量を一定にする制御部と、発熱素子の発熱量を電力増幅器に伝熱する手段とを備えることで、電力増幅器の発熱量が常に一定の状態に保たれ、自己発熱に起因した振幅歪、並びに、位相歪を低減することが可能になる。
また、上述の制御部を、ＲＦ信号と電力増幅器にＲＦ信号が入力された時に電力増幅器が発熱する発熱量の関係を蓄えた増幅器発熱量記憶部と、発熱素子への入力信号と発熱素子の発熱量の関係を蓄えた発熱素子発熱量記憶部と、増幅器発熱量記憶部と発熱素子発熱量記憶部のデータを参照し電力増幅器と発熱素子の発熱量を一定にする信号を発熱素子へ送信する発熱素子制御部とで、構成することで、リアルタイムで自己発熱に起因した歪を補償することが可能になる。
（第２の実施形態）
図３は、第２の実施形態にかかる半導体装置の構成を示す図である。
図３は、第２の実施形態にかかる半導体装置の構成を示す図である。
本実施形態にかかる半導体装置は、ベースバンド信号発生器１、ＲＦ信号変換器２、ＲＦ信号変換器２２、電力増幅器３、発熱素子４、伝熱線８、分配器９、減算器１０およびＲＦ信号変換器１４を有する。
ベースバンド信号発生手段としてのベースバンド信号発生器１は、ベースバンド信号を発生し、ＲＦ信号変換器２にベースバンド信号を印加する。
ＲＦ信号変換手段としてのＲＦ信号変換器２およびＲＦ信号変換器２２は、例えば、電圧制御型発信器で形成され、電圧制御型発信器を用い、ベースバンド信号を電圧制御型発信器の電圧制御端子に印加することで、ＲＦ信号をベースバンド信号で変調することができる。
発熱手段としての発熱素子４は、抵抗体、ダイオード、トランジスタで構成してもよい。
伝熱手段としての伝熱線８は、例えば、カーボンナノチューブ、炭素複合材、銅を含んだ金属配線で構成され、発熱素子４の発熱量を電力増幅器３に伝熱するものである。
分配手段としての分配器９は、ＲＦ信号変換器２から出力されたＲＦ信号を２分配する。
ＲＦ信号変換手段としてのＲＦ信号変換器１４は、ピークベースバンド信号をＲＦ信号に変換する。
減算手段としての減算器１０は、分配器９にて分配された分配ＲＦ信号と前記ＲＦ信号のピーク信号の減算を行う。
本実施形態にかかる半導体装置は、減算器１０からの出力信号を発熱素子４に印加し、分配器９にて分配された別の分配ＲＦ信号を電力増幅器３に印加する。
これによれば、複雑なロジック回路を必要とせず、電力増幅器３の発熱量を一定に保つことが可能になるため、低価格、かつ、低歪な半導体装置を実現することが可能になる。
具体的には、ベースバンド信号を発生するベースバンド信号発生器と、ベースバンド信号をＲＦ信号に変換するＲＦ信号変換器と、電力増幅器と、発熱素子と、ベースバンド信号に基づいて電力増幅器と発熱素子の発熱量を一定にする制御部と、発熱素子の発熱量を電力増幅器に伝熱する手段とを備えることで、電力増幅器の発熱量が常に一定の状態に保たれ、自己発熱に起因した振幅歪、並びに、位相歪を低減することが可能になる。
また、上述の制御部を、ＲＦ信号を２分配する分配器と、分配器にて分配された分配ＲＦ信号とＲＦ信号のピーク信号を減算する減算器とで構成し、減算器からの出力信号を発熱素子に印加し、分配器にて分配された別の分配ＲＦ信号を電力増幅器に印加することで、複雑なロジック回路を必要とせず、電力増幅器の発熱量を一定に保つことが可能になるため、低価格、且つ、低歪な半導体装置を実現することが可能になる。
また、発熱素子４は、電力増幅器３と同じ構成にしてもよい。
この構成にすることで、発熱素子４と電力増幅器３の熱時定数を同一にすることが可能になるため、自己発熱に起因した歪を容易に抑制することが可能になる。
（第３の実施形態）
図４は、第３の実施形態にかかる半導体装置の構成を示す図である。
図４は、第３の実施形態にかかる半導体装置の構成を示す図である。
本実施形態にかかる半導体装置は、ベースバンド信号発生器１、ＲＦ信号変換器２、電力増幅器３、発熱素子４、増幅器発熱量記憶部５、発熱素子発熱量記憶部６、発熱素子制御部７、半導体基板１１およびモジュール基板１３を有する。
ベースバンド信号発生手段としてのベースバンド信号発生器１は、ベースバンド信号を発生し、ＲＦ信号変換器２にベースバンド信号を印加する。
ＲＦ信号変換手段としてのＲＦ信号変換器２およびＲＦ信号変換器２２は、例えば、電圧制御型発信器で形成され、電圧制御型発信器を用い、ベースバンド信号を電圧制御型発信器の電圧制御端子に印加することで、ＲＦ信号をベースバンド信号で変調することができる。
発熱手段としての発熱素子４は、抵抗体、ダイオード、トランジスタで構成してもよい。
第１の記憶手段としての増幅器発熱量記憶部５は、ＲＦ信号変換器２から出力されたＲＦ信号と電力増幅器３に前記ＲＦ信号が入力された時に電力増幅器３が発熱する発熱量の関係を蓄えたものである。
第２の記憶手段としての発熱素子発熱量記憶部６は、発熱素子４への入力信号と発熱素子４の発熱量の関係を蓄える。
発熱素子制御手段としての発熱素子制御部７は、増幅器発熱量記憶部５と発熱素子発熱量記憶部６のデータを参照し電力増幅器３と発熱素子４の発熱量を一定にする信号を発熱素子４へ送信する。
半導体基板１１は、電力増幅器３が形成されている。電力増幅器３を形成した半導体基板１１の裏面上に、発熱素子４を配置する。
モジュール基板１３は、電力増幅器３がフリップチップ実装され、発熱素子４への制御信号は、モジュール基板１３上に形成した配線、並びに、半導体基板１１に形成した貫通ビアを通して送る。
本実施形態によれば、ベースバンド信号を発生するベースバンド信号発生器と、ベースバンド信号をＲＦ信号に変換するＲＦ信号変換器と、電力増幅器と、発熱素子と、ベースバンド信号に基づいて電力増幅器と発熱素子の発熱量を一定にする制御部と、発熱素子の発熱量を電力増幅器に伝熱する手段とを備えることで、電力増幅器の発熱量が常に一定の状態に保たれ、自己発熱に起因した振幅歪、並びに、位相歪を低減することが可能になる。
また、上述の制御部を、ＲＦ信号と電力増幅器にＲＦ信号が入力された時に電力増幅器が発熱する発熱量の関係を蓄えた増幅器発熱量記憶部と、発熱素子への入力信号と発熱素子の発熱量の関係を蓄えた発熱素子発熱量記憶部と、増幅器発熱量記憶部と発熱素子発熱量記憶部のデータを参照し電力増幅器と発熱素子の発熱量を一定にする信号を発熱素子へ送信する発熱素子制御部とで、構成することで、リアルタイムで自己発熱に起因した歪を補償することが可能になる。
さらに、電力増幅器３を形成した半導体基板１１の裏面上に発熱素子４をマウントすることで、電力増幅器３を形成した半導体基板１１が、伝熱線の役割を果たすため、特別な伝熱線を設ける必要が無いため、低コスト化がはかれる。
この出願は、２００８年１月３０日に出願された日本出願特願２００８−０１９２２１を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
１ ベースバンド信号発生器（ベースバンド信号発生手段）
２、２２ ＲＦ信号変換器（ＲＦ信号変換手段）
３ 電力増幅器（電力増幅手段）
４ 発熱素子（発熱手段）
５ （発熱素子発熱量）記憶部（第１の記憶手段）
６ （増幅器発熱量）記憶部（第２の記憶手段）
７ 発熱素子制御部（発熱素子制御手段）
８ 伝熱線（伝熱手段）
９ 分配器（分配手段）
１０ 減算器（減算手段）
１１ 半導体基板
１３ モジュール基板
１４ ピークベースバンド信号のＲＦ信号変換器
２、２２ ＲＦ信号変換器（ＲＦ信号変換手段）
３ 電力増幅器（電力増幅手段）
４ 発熱素子（発熱手段）
５ （発熱素子発熱量）記憶部（第１の記憶手段）
６ （増幅器発熱量）記憶部（第２の記憶手段）
７ 発熱素子制御部（発熱素子制御手段）
８ 伝熱線（伝熱手段）
９ 分配器（分配手段）
１０ 減算器（減算手段）
１１ 半導体基板
１３ モジュール基板
１４ ピークベースバンド信号のＲＦ信号変換器
Claims (5)
- ベースバンド信号を発生するベースバンド信号発生手段と、
発生した前記ベースバンド信号をＲＦ信号に変換するＲＦ信号変換手段と、
前記ＲＦ信号変換手段から前記ＲＦ信号が入力される電力増幅手段と、
発熱手段と、
前記ベースバンド信号に基づいて前記電力増幅手段から発生した発熱量と前記発熱手段から発熱した発熱量との和を一定にする制御手段と、を有し、
前記発熱手段から発生した前記発熱量を、前記発熱手段を一主面に有し前記電力増幅手段を前記一主面の反対の一主面に有する半導体基板からなる伝熱手段を介して前記電力増幅手段に伝熱することを特徴とする半導体装置。 - 前記制御手段は、変換された前記ＲＦ信号と、前記電力増幅手段に前記ＲＦ信号が入力された際に前記電力増幅器が発熱する発熱量との関係を蓄えた第１の記憶手段と、
前記発熱手段へ入力される信号と、前記発熱手段から発生した発熱量との関係を蓄えた第２の記憶手段と、
前記第１の記憶手段に蓄積されているデータと、前記第２の記憶手段に蓄積されているデータとを参照し、前記増幅器から発生した発熱量と前記発熱手段から発生した発熱量との和を一定にする信号を前記発熱手段へ送信する発熱素子制御手段とで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。 - 前記制御手段は、前記ＲＦ信号を２分配する分配手段と、
前記分配手段にて分配された分配ＲＦ信号と、前記ＲＦ信号のピーク信号とを減算する減算手段とで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。 - 前記発熱手段の熱時定数と、前記電力増幅手段の熱時定数とが同一であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体装置。
- 前記発熱手段は、前記電力増幅手段として構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体装置。
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