JP5808699B2 - 高周波増幅器 - Google Patents

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Description

本発明は、高周波増幅器に係り、特に、カスコード型の高周波増幅器に係る。
ケーブルテレビ(CATV)等のマイクロ波パワーアンプ、ミリ波帯のパワーアンプ等には、高い電力利得が得られるカスコード型の高周波増幅器がしばしば用いられる。このような高周波増幅器の例として、特許文献1には、2つのトランジスタが縦続接続されたカスコード回路であって、ソースまたはエミッタが接地された第1トランジスタと、ソースまたはエミッタが第1トランジスタのドレインまたはコレクタに接続された第2トランジスタと、第2トランジスタのゲートまたはベースに接続され、入力された信号を改善して出力する信号改善回路と、信号改善回路の第2トランジスタと反対側に接続され、所定周波数近傍の高周波信号を短絡するフィルタ回路とを備えるカスコード回路が記載されている。ここで、より具体的には、信号改善回路は、反射利得を抑制する抵抗であり、フィルタ回路は、インダクタとキャパシタとを直列に接続した直列共振回路である。さらに具体的には、フィルタ回路は、オープンスタブあるいはショートスタブである。
特開2010−68261号公報
以下の分析は本発明において与えられる。
ところで、ケーブルテレビに用いるカスコード型の高周波増幅器は、例えば40MHz〜1GHzのような広帯域に対応して増幅特性が良好であることが求められる。しかしながら、特許文献1に開示されるようなカスコード回路では、動作シミュレーションを行って見ると、広帯域に亘って、動作安定性を確保しながら、低歪特性を得ることができないことが判明した。
本願発明者は、特許文献1に開示されるようなカスコード回路を解析し、第1トランジスタの負荷インピーダンス(前段の第1トランジスタと後段の第2トランジスタとの段間インピーダンス)が低周波側と高周波側とで大きく異なることを見い出した。すなわち、第1トランジスタの負荷インピーダンスは、低周波側では、第2トランジスタのゲート容量により、信号改善回路およびフィルタ回路の影響がなく、第2トランジスタの1/gm(gmは、相互コンダクタンスであって、例えば3Ω程度と低い値)相当となる。これに対し、高周波側では、第2トランジスタのゲート容量を介した信号改善回路およびフィルタ回路のインピーダンスが支配的になる。このようなことから、第1トランジスタの負荷インピーダンスが大きな周波数依存性を有してしまうために、広帯域に亘って低歪特性を得ることができないと考え、本願発明を創案するに至った。
本発明の1つのアスペクト(側面)に係る高周波増幅器は、ソース接地の第1のトランジスタと、第1のトランジスタとカスコード回路を構成する第2のトランジスタと、第2のトランジスタのゲートと接地間に接続され、第1の抵抗素子および直列共振回路が直列接続される直列回路と、直列回路に並列接続される第2の抵抗素子と、を備え、第1および第2の抵抗素子の抵抗値をそれぞれR1、R2とし、第2のトランジスタの相互コンダクタンスをgmとする場合、1/gm<R1≦R2<30/gmを満たす

本発明によれば、広帯域に亘って、動作安定性を確保しながら、低歪特性を得ることができる。
本発明の第1の実施形態に係る高周波増幅器の回路図である。 本発明の第1の実施形態に係る高周波増幅器の実装の例を示す図である。 本発明の第1の実施形態に係る高周波増幅器の等価回路とスミスチャートである。 従来の高周波増幅器における等価回路とスミスチャートである。 本発明の第1の実施形態に係る高周波増幅器の歪特性(相互変調3次歪−出力)を示す図である。 従来の高周波増幅器における歪特性(相互変調3次歪−出力)を示す図である。 本発明の第1の実施形態の高周波増幅器(a)と従来の高周波増幅器(b)におけるSパラメータ及び安定係数Kfを示す図である。 本発明の第2の実施形態に係る高周波増幅器の回路図である。 本発明の第3の実施形態に係る高周波増幅器の実装図である。 本発明の第4の実施形態に係るシステムの回路図である。
以下、本発明を実施するための形態について、概説する。なお、以下の概説に付記した図面参照符号は、専ら理解を助けるための例示であり、図示の態様に限定することを意図するものではない。
本発明の一つの好ましい形態に係る高周波増幅器は、ソース接地の第1のトランジスタ(図1のTr1)と、第1のトランジスタとカスコード回路を構成する第2のトランジスタ(図1のTr2)と、第2のトランジスタのゲートと接地間に接続され、第1の抵抗素子(図1のR1)および直列共振回路(図1のL1、C1に相当)が直列接続される直列回路と、直列回路に並列接続される第2の抵抗素子(図1のR2)と、を備える。
高周波増幅器において、直列共振回路は、LC回路で構成され、直列回路は、LC素子間に第1の抵抗素子を含むようにしてもよい。
高周波増幅器において、直列共振回路は、LC回路で構成され、直列回路は、接地側に第1の抵抗素子を含むようにしてもよい。
高周波増幅器において、それぞれLC素子の値の異なる複数の直列回路を含み、それぞれの直列回路は、第2のトランジスタのゲートと接地間に接続されるようにしてもよい。
高周波増幅器において、第1および第2の抵抗素子の抵抗値をそれぞれR1、R2とし、第2のトランジスタの相互コンダクタンスをgmとする場合、1/gm<R1≦R2<30/gmを満たすようにしてもよい。
高周波増幅器において、第1のトランジスタは、GaAs(ガリウムヒ素)MESFET(Metal-Semiconductor Field Effect Transistor)またはGaAsヘテロ接合FET(HJFET : Hetero Junction FET)であり、第2のトランジスタは、GaN(ガリウムナイトライド)FETであってもよい。
半導体装置が上記の高周波増幅器を備えるようにしてもよい。
システムが上記の半導体装置を2個備え、それぞれをプッシュプル動作させるように構成されてもよい。
以上のような高周波増幅器によれば、第2の抵抗素子が存在することで高周波側において第1のトランジスタの負荷インピーダンスにおける周波数による変化を小さくすることができる。したがって、広帯域に亘って、動作安定性を確保しながら、低歪特性を得ることができる。
以下、より具体的な実施の形態に即し、図面を参照して詳しく説明する。
[実施形態1]
図1は、本発明の第1の実施形態に係る高周波増幅器の回路図である。図1において、高周波増幅器は、トランジスタTr1、Tr2、抵抗素子R1〜R4、容量素子(キャパシタ、C素子)C1〜C3、誘導素子(インダクタ、L素子)L1、入力端子IN、出力端子OUTを備える。
トランジスタTr1は、例えばGaAsMESFETあるいはGaAsヘテロ接合FETである。トランジスタTr1は、ドレインをトランジスタTr2のソースに接続し、ゲートを入力端子INに接続し、ソースを抵抗素子R3および容量素子C2の並列回路を介して接地し、ソース接地トランジスタとして機能する。
トランジスタTr2は、例えば高耐圧のGaNFETである。トランジスタTr2は、ドレインを出力端子OUTに接続し、ゲートを誘導素子L1、抵抗素子R1、容量素子C1の直列回路(LCR回路)を介して接地すると共に、ゲートを抵抗素子R2を介して接地し、実効的にゲート接地トランジスタとして機能する。
このようなトランジスタTr1は、カスコード回路の前段のトランジスタを構成し、トランジスタTr2は、カスコード回路の後段のトランジスタを構成する。なお、入力端子IN、出力端子OUT間には、抵抗素子R4、容量素子C3の直列回路が帰還回路として接続される。
ここで、LCR回路における誘導素子L1、容量素子C1の定数は、増幅器の使用周波数帯域の高周波側の周波数fhにおいて式(1)に示す直列共振条件となるように設定されることが好ましい。
L・C=1/(2π・fh) ・・・(1)
ただし、Lは、誘導素子L1のインダクタンス、Cは、容量素子C1のキャパシタンス、fhは、増幅帯域の高周波側周波数である。
また、LCR回路内の抵抗素子R1の値は、前段と後段の段間インピーダンスの変化が小さくなるように、以下の式(2)に示すよう、トランジスタTr2のゲートが仮想接地される抵抗素子R2の値以下になるように設定されることが好ましい。
R1≦R2 ・・・(2)
ところで、カスコード構成の段間インピーダンスZinは、トランジスタTr2の相互コンダクタンスgm、ゲート・ソース間アドミタンスygs、ドレイン・ソース間アドミタンスyds、及び後段トランジスタのゲートが仮想接地される抵抗素子R2の値Rgを用いると、以下の式(3)で表される。
Figure 0005808699
式(3)から、段間インピーダンスZinは、低周波では1/gm、高周波ではRgに凡そ近似することができる。これを踏まえ、抵抗素子R1の値の下限が1/gm以上でないと、損失と見えないので安定性が損なわれる。
一方、低周波の歪特性に対し高周波の歪特性の劣化が段間インピーダンスの増加によるものと考えると、高周波での段間インピーダンスも1/gmになることが望ましい。すなわち、抵抗素子R1の値の上限も1/gm程度であることが好ましい。しかしながら、より広い許容範囲を設けることが可能である。例えばCATV信号では低周波から高周波に向けて10dBの傾斜(Tilt)をかけるために、高周波側の歪特性は、その分だけ改善され歪特性の劣化を許容することができる。高周波側のインピーダンスが低周波側に比べ例えば30倍高いインピーダンス、すなわち+15dBに相当する値を許容するとすれば、抵抗素子R1の値の上限は、30/gmとなる。
以上のことから、抵抗素子R1、R2の抵抗値をそれぞれR1、R2(=Rg)とし、トランジスタTr2の相互コンダクタンスをgmとする場合、R1、R2は、以下の式(4)を満たすことが好ましい。一例として、トランジスタTr2がゲート幅1.6mmのGaNFETで、1/gm≒3Ωである場合、30/gm≒90Ωである。
1/gm<R1≦R2<30/gm ・・・(4)
次に、高周波増幅器の実装について説明する。図2は、第1の実施形態に係る高周波増幅器の実装の例を示す図である。図2において、図1と同一の符号は、同一物を表す。図1の回路図で表される各部品は、誘電体回路基板10上に配置される。前段のトランジスタチップとされるトランジスタTr1と後段のトランジスタチップとされるトランジスタTr2との間、およびトランジスタTr1、Tr2と各部品との間は、ボンディングワイヤで接続される。ビアホールである仮想接地GND2に対してソース接地とされるトランジスタTr1には、低歪なGaAsMESFETあるいはGaAsヘテロ接合FET(HJFET)を用いる。また、後段のトランジスタTr2には、高耐圧のGaNFETを用いる。
トランジスタTr2のドレインとトランジスタTr1のゲート端子間は、誘電体回路基板10上に配置したチップ状の抵抗素子R4とチップ状の容量素子C3の直列回路で構成されるフィードバック回路で接続される。また、トランジスタTr2のゲートは、チップ状の抵抗素子R2を介してビアホールである仮想接地GND3に接続される。さらに、トランジスタTr2が仮想接地GND3に接続される抵抗素子R2に対して並列に上記の式(1)、(4)の条件を満たすチップ状の誘導素子L1、チップ状の抵抗素子R1、チップ状の容量素子C1から成るLCR直列回路を備える。ここで、誘導素子L1をチップ状の素子として示したが、ボンディングワイヤで構成することも可能である。なお、仮想接地GND1〜GND3は、直接接地されるか、または容量素子などを介して使用周波数帯域で実質的に接地される。
次に、以上のような構成の高周波増幅器の各種特性に関し、従来技術との比較し説明する。
図3(a)に、本実施形態の高周波増幅器において、トランジスタTr1にゲート幅2mmのGaAsMESFETを用い、トランジスタTr2にゲート幅1.6mmのGaNFETを用いてカスコード増幅器を構成したときの等価回路を示す。また、図3(b)に、トランジスタTr1の負荷インピーダンス(段間インピーダンス)ZL1の周波数特性を表すスミスチャートを示す。抵抗素子R1に相当する仮想接地されるゲート抵抗(35Ω)と並列に高周波側で直列共振条件となるLCR直列回路(L=1nH、R=10Ω、C=10pF)を備えるため、トランジスタTr1の負荷インピーダンスZL1は高周波側で低くなる。
したがって、高周波側において前段と後段の段間インピーダンスZL1の変化を小さくして、広帯域に亘り動作安定性を確保しながら、低歪特性を得ることができる。このような構成によれば、前段と後段の段間インピーダンスZL1の周波数依存を小さくすることができる。
図4(a)に、従来の高周波増幅器において、カスコード増幅器を構成したときの等価回路を示す。図3(a)に対し、抵抗素子R2が除かれ、抵抗素子R1に相当する抵抗素子の値は、特許文献1に開示される20Ωとされる。このような高周波増幅器において、トランジスタTr1の負荷インピーダンスZL1の周波数特性を表すスミスチャートを図4(b)に示す。前段と後段の段間インピーダンスZL1の変化が図3(b)に対して大きいことが示される。
また、図5には、本実施形態の高周波増幅器における歪特性(相互変調3次歪−出力)を示す。図5(a)は、低周波側(50MHz±Δf/2、Δf=10kHzの2波入力)の歪特性であり、図5(b)は、高周波側(850MHz±Δf/2、Δf=10kHzの2波入力)の歪特性である。同様に、図6には、従来技術の高周波増幅器における歪特性を示す。本実施形態の高周波増幅器では、従来技術に比べ、歪特性が低周波側で5dB程度、高周波側で10dB程度改善されていることが示される。
さらに、図7には、高周波増幅器のSパラメータ及び安定係数Kfを示す。高周波増幅器(a)と従来技術(b)による高周波増幅器のSパラメータ及び安定係数Kfを示す。例えばS21の特性に示されるように、本実施形態の高周波増幅器によれば、安定性を確保(Kf>1)しながら、従来技術に比べ利得の広帯域化が可能であることが分かる。
なお、本実施形態の高周波増幅器では、抵抗素子R1を、誘導素子L1および容量素子C1の間に挿入する形態に関して説明した。しかしながら、このような形態に限定されること無く、抵抗素子R1、誘導素子L1、容量素子C1が等価的に直列回路を構成すれば等価回路としては同一である。したがって、誘導素子L1および容量素子C1の直列回路に対して接地側あるいはトランジスタTr2のゲート側に抵抗素子R1を挿入するようにしてもよい。このように抵抗素子R1の挿入位置を適宜選択することで、部品をレイアウトする際の自由度を高め、小型化することができる。
[実施形態2]
図8は、本発明の第2の実施形態に係る高周波増幅器の回路図である。図8において、図1と同一の符号は、同一物をあらわし、その説明を省く。本実施形態の高周波増幅器は、トランジスタTr2のゲートに接続される抵抗素子R2に対してLCR直列回路群11を並列に接続して備える。LCR直列回路群11は、誘導素子L1a、抵抗素子R1a、容量素子C1aからなる直列回路(LCR回路)と、誘導素子L1b、抵抗素子R1b、容量素子C1bからなる直列回路(LCR回路)と、誘導素子L1c、抵抗素子R1c、容量素子C1cからなる直列回路(LCR回路)とを並列接続して構成される。
LCR直列回路群11中の3つのLCR直列回路におけるそれぞれのLC素子の定数は、それぞれが異なる周波数で直列共振条件となるように設定する。また、3つのLCR直列回路におけるそれぞれの抵抗素子の抵抗値は、それぞれが、トランジスタTr2の仮想接地される抵抗素子R2の値以下の範囲であれば、異なる値に設定されるようにしてもよい。直列共振条件を満たす各周波数では、実施形態1と同様に、前段と後段の段間インピーダンスが小さくなる。したがって、さらに広帯域に亘って段間インピーダンスの周波数依存を小さくすることができる。これにより、増幅器の低歪化が、より広帯域に亘って安定的に可能となる。
なお、上記では、LCR直列回路群11が3つのLCR直列回路から構成される例を示した。しかしながら、この例に限定されることなく、LCR直列回路群11は、所望の周波数帯域で所定の特性が得られるように2以上のLCR直列回路から構成されるようにしてもよいことはいうまでもない。
[実施形態3]
図9は、本発明の第3の実施形態に係る高周波増幅器の実装図である。図9において、図2と同一の符号は、同一物をあらわし、その説明を省く。本実施形態の高周波増幅器は、マイクロ波モノリシック集積回路(Microwave Monolithic Integrated Circuit)MC1、MC2と外付けの容量素子C2とを備える。マイクロ波モノリシック集積回路MC1は、トランジスタTr1、抵抗素子R3を搭載する。マイクロ波モノリシック集積回路MC2は、トランジスタTr2、抵抗素子R1、R2、誘導素子L1、容量素子C1を搭載する。トランジスタTr1のドレインとトランジスタTr2のソースとは、ボンディングワイヤW1によって接続される。なお、ここでは帰還回路を不要としている。
このような構成の高周波増幅器によれば、精度の高い設計と作り込みを容易にし、回路の小型化が図られる。
なお、ミリ波用の高周波増幅器では、LC回路をオープンスタブあるいはショートスタブに置き換えることも可能である。ただし、オープンスタブとする場合には、抵抗素子R1の挿入位置がトランジスタTr2のゲート側に限定される。また、ショートスタブとする場合には、抵抗素子R1の挿入位置がトランジスタTr2のゲート側あるいは接地側に限定される。
[実施形態4]
図10は、本発明の第4の実施形態に係るシステムの回路図である。図10において、図1と同一の符号は、同一物をあらわし、その説明を省く。本実施形態のシステムは、高周波増幅器20a、20b、抵抗素子R11〜R16、バラン(トランス)B1、B2、誘導素子L11、入力端子IN0、出力端子OUT0を備える。高周波増幅器20a、20bは、同一の構成であり、図1に示す高周波増幅器に同じである。
バランB1は、入力側巻線の一端を接地し、他端を入力端子IN0に接続する。バランB1は、出力側巻線の一端および他端をそれぞれ高周波増幅器20a、20b内のトランジスタTr1のゲートにそれぞれ接続する。
バランB2は、入力側巻線の一端および他端をそれぞれ高周波増幅器20a、20b内のトランジスタTr2のドレインにそれぞれ接続する。バランB2は、出力側巻線の一端を接地し、他端を出力端子OUT0に接続する。
電源Vccは、信号の交流分を遮断する誘導素子L11を介してバランB2の入力側巻線の中点に与えられる。さらに、バランB2の入力側巻線の中点は、抵抗素子R11、R12の直列接続によって分割され、分割点が高周波増幅器20a、20b内の抵抗素子R2の仮想接地側に接続される。また、バランB2の入力側巻線の中点は、抵抗素子R13、R14の直列接続によって分割され、分割点がそれぞれ抵抗素子R15、R16を介して高周波増幅器20a、20b内のトランジスタTr1のゲートにそれぞれ接続される。
このような構成のシステムにおいて、高周波増幅器20a、20bには、電源Vccが誘導素子L11を介して供給される。また、トランジスタTr1のゲートには、抵抗素子R13、R14の分割点の電位がバイアスとして与えられる。さらに、トランジスタTr2のゲートには、抵抗素子R11、R12の分割点の電位がバイアスとして与えられる。
以上のようなシステムは、高周波増幅器20a、20bを並列に接続し、これらの入出力をバラン(トランス)B1、B2を用いてプッシュプル動作させるように構成される。このようなシステムによれば、飽和に至る出力振幅がプッシュプル動作によって2倍となる。また、出力信号における2次歪がプッシュプル動作によってキャンセルされる。このようなシステムは、例えば40MHz〜1GHzの広帯域に対応するCATVモジュールとして好適である。
なお、前述の特許文献等の各開示を、本書に引用をもって繰り込むものとする。本発明の全開示(請求の範囲を含む)の枠内において、さらにその基本的技術思想に基づいて、実施形態ないし実施例の変更・調整が可能である。また、本発明の請求の範囲の枠内において種々の開示要素(各請求項の各要素、各実施例の各要素、各図面の各要素等を含む)の多様な組み合わせ、ないし、選択が可能である。すなわち、本発明は、請求の範囲を含む全開示、技術的思想にしたがって当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。
10 誘電体回路基板
11 LCR直列回路群
20a、20b 高周波増幅器
B1、B2 バラン
C1〜C3、C1a、C1b、C1c 容量素子
IN、IN0 入力端子
L1、L1a、L1b、L1c、L11 誘導素子
MC1、MC2 マイクロ波モノリシック集積回路
OUT、OUT0 出力端子
R1〜R4、R1a、R1b、R1c、R11〜R16 抵抗素子
Tr1、Tr2 トランジスタ
W1 ボンディングワイヤ

Claims (8)

  1. ソース接地の第1のトランジスタと、
    前記第1のトランジスタとカスコード回路を構成する第2のトランジスタと、
    前記第2のトランジスタのゲートと接地間に接続され、第1の抵抗素子および直列共振回路が直列接続される直列回路と、
    前記直列回路に並列接続される第2の抵抗素子と、
    を備え
    前記第1および第2の抵抗素子の抵抗値をそれぞれR1、R2とし、前記第2のトランジスタの相互コンダクタンスをgmとする場合、1/gm<R1≦R2<30/gmを満たすことを特徴とする高周波増幅器。
  2. 前記直列共振回路は、LC回路で構成され、
    前記直列回路は、LC素子間に前記第1の抵抗素子を含むことを特徴とする請求項1記載の高周波増幅器。
  3. 前記直列共振回路は、LC回路で構成され、
    前記直列回路は、接地側に前記第1の抵抗素子を含むことを特徴とする請求項1記載の高周波増幅器。
  4. それぞれLC素子の値の異なる複数の前記直列回路を含み、それぞれの前記直列回路は、前記第2のトランジスタのゲートと接地間に接続されることを特徴とする請求項2または3に記載の高周波増幅器。
  5. ソース接地の第1のトランジスタと、
    前記第1のトランジスタとカスコード回路を構成する第2のトランジスタと、
    前記第2のトランジスタのゲートと接地間に接続され、第1の抵抗素子および直列共振回路が直列接続される直列回路と、
    前記直列回路に並列接続される第2の抵抗素子と、
    を備え、
    前記直列共振回路は、LC回路で構成され、
    前記直列回路は、LC素子間に前記第1の抵抗素子を含み、
    さらに、それぞれLC素子の値の異なる複数の前記直列回路を含み、前記複数の直列回路のそれぞれは、前記第2のトランジスタのゲートと接地間に接続され、
    前記複数の直列回路に含まれる前記第1の抵抗素子それぞれの抵抗値は前記第2の抵抗素子の抵抗値以下、且つ、前記複数の直列回路に含まれる前記第1の抵抗素子それぞれの抵抗値は互いに異なる、ことを特徴とする高周波増幅器。
  6. 前記第1のトランジスタは、GaAsMESFETまたはGaAsヘテロ接合FETであり、前記第2のトランジスタは、GaNFETであることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一に記載の高周波増幅器。
  7. 請求項1乃至6のいずれか一に記載の高周波増幅器を備える半導体装置。
  8. 請求項7記載の半導体装置を2個備え、それぞれをプッシュプル動作させるように構成されるシステム。
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