JP5835056B2

JP5835056B2 - 高周波増幅器

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Publication number: JP5835056B2
Application number: JP2012074198A
Authority: JP
Inventors: 朝彦澁谷; 厚味岡; 淳史積田
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2012-03-28
Filing date: 2012-03-28
Publication date: 2015-12-24
Anticipated expiration: 2032-03-28
Also published as: JP2013207533A; US20130257540A1; US8896380B2

Description

本発明は、高周波信号の電力増幅に用いられる高周波電力増幅器に関するものである。

近年、数ｋｍ程度の通信距離をカバーする高速無線通信規格としてＷｉＭＡＸ（ＩＥＥＥ８０２．１６−２００４やＩＥＥＥ８０２，１６ｅ−２００５など）や次世代携帯電話の規格であるＬＴＥ（ＬｏｎｇＴｅｒｍＥｖｏｌｕｔｉｏｎ）などのＯＦＤＭ方式に代表されるマルチキャリアを用いる変調方式は、信号と雑音のような波形となり、ピーク電力と平均電力との比であるＰＡＲ（ＰｅａｋｔｏＲａｔｉｏ）が大きくなる。

ＱＡＭ変調のような位相と振幅との両方を変化させる変調方式は、多値化により伝達できる情報は増えるが、雑音に対するマージンが減少することから、所望のＣＮＲ（ＣａｒｒｉｏｒｔｏＮｏｉｓｅＲａｔｉｏ）を大きく取る必要がある。このようなことからマルチキャリアを用いる変調方式やＱＡＭ変調方式を使用する無線通信装置では、送信部の高周波増幅器を、線形性が高く、かつ最大送信電力を大きく設計する必要がある。しかし、一般的に、高周波増幅器は、線形性が高く、かつ最大送信電力を大きく設計すると消費電力も高くなる傾向になっており、消費電力が高くなると高周波増幅器内の温度上昇も著しい。一般的に高周波増幅器では、複数の電力増幅素子（トランジスタ）を並列多段接続しているが、トランジスタの電流及び電圧が温度に応じて変化する温度特性を有しているため、温度変化に対して高周波増幅器の利得を一定に保つためには、トランジスタの温度補償が重要な課題になっている。

例えば、高周波増幅回路として、高周波信号を増幅する電力増幅素子と、前記電力増幅素子の入力にバイアス電流を供給するバイアス回路と、定電圧を出力する定電圧源と、前記定電圧源の出力に一端が接続された抵抗と、アノードが前記抵抗の他端に接続され、カソードが接地され、前記ダイオードの温度特性の補償を行う温度補償用ダイオードとを更に備え、前記ダイオードのアノード側には、前記温度補償用ダイオードのアノードの電圧が与えられてダイオードの温度が変化した場合であっても、ダイオードが電力増幅素子の入力に供給する電流の変化を抑えることができる。この種の温度補償技術に関連する文献として、例えば、特開２００７−３０６５４３号公報が知られている。

またトランジスタに流れる電流の温度変化をバイアス電流の温度変化で完全に相殺する温度特性を有するバイアス電源を設計するのは困難であり、温度補償のずれが生じるため、電力増幅器の利得やＰ１ｄＢ（１ｄＢ利得圧縮点）を温度変化に対して一定に保つことが難しく、回路素子の電流又は電圧の温度変化を相殺するように回路素子に電流又は電圧を供給する温度補償機能を有する電源回路と、電源回路の温度特性と回路素子の温度特性とのずれを補償する温度特性補償回路を備えることによって温度特性のずれを補償した文献として、例えば特開２０１１−１７６５９２号公報が知られている。

特開２００７−３０６５４３号公報特開２０１１−１７６５９２号公報

しかしながら、電力増幅器の温度変化に対する電気的特性において回路シミュレーションした結果と実測した高周波増幅器の結果ではズレが生じる。それは実際の半導体の高周波増幅器内では温度分布を持っており、例えば高周波増幅器内の入力された信号を増幅し出力する高周波増幅部内と前記高周波増幅部へバイアス電流を供給するバイアス回路内とで温度の差が生じているためである。従来技術では前記バイアス回路内に温度補償素子又は温度補償回路が含まれており、高周波増幅部内の温度の時間変化又は信号の大きさによってずれた温度が伝わる為に、精度が良い温度補償を設計するのは困難であった。

その為、周囲温度変化に対して高周波増幅部への適切な温度補償されたバイアス電流を供給できないために利得特性を一定に保つことやＰ１ｄＢ（１ｄＢ利得圧縮点）特性の劣化を防ぐことが難しい問題があった。また高周波増幅部に温度補償素子又は温度補償回路を近傍に配置するには、高周波増幅部からの高調波の結合の可能性があり、高調波の影響による異常発振を抑えるのが容易ではなかった。

本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、電力増幅素子の温度変化に応じて精度良く温度補償を実現できる高周波増幅器を提案することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係る高周波増幅器は、第一の半導体層に電力増幅素子と、少なくとも一つの温度補償素子とを隣接して設け、前記第一の半導体層とは異なる層に存在する少なくとも一つの第二の半導体層に、前記電力増幅素子に接続された第一の配線パターンと、前記温度補償素子に接続された第二の配線パターンと、接地電極を設け、前記第二の半導体層に設けた前記接地電極の少なくとも一つを、前記第一の半導体層と同一平面の前記温度補償素子と前記電力増幅素子を設けた間隙部に概ね投影する領域に対応して、前記第二の半導体層に形成したことを第一の特徴とする。

上記特徴の本発明によれば、第一の半導体層の電力増幅素子に接続された第一の配線パターンと、前記第一の半導体層の温度補償素子に接続された第二の配線パターンとの間の少なくとも一つの第二の半導体層に接地電極が、前記第一の半導体層と同一平面の前記温度補償素子と前記電力増幅素子を設けた間隙部に概ね投影する領域に対応して、前記第二の半導体層に形成しているため、前記電力増幅素子と前記温度補償素子が隣接して設けることが可能となり、前記高周波増幅器内の前記電力増幅素子の温度が前記温度補償素子に時間的温度変化や信号の大きさによる温度変化に対して精度よく伝わり、電力増幅素子の温度変化時の利得特性を一定に保ち、P1dB特性の劣化も防ぐことが可能となる。

上記特徴の本発明に係る高周波増幅器は、第二の半導体層が第一の半導体層の上下に設けられていることを第二の特徴とする。

上記特徴の本発明によれば、第二の半導体層が第一の半導体層の上下に設けられているため、前記高周波増幅器内の前記電力増幅素子からの高調波による前記高周波増幅器内の前記温度補償素子への結合に対して接地電極層を介在させている為、アイソレーションを取ることが可能であり、高調波の影響による異常発振を抑制することが可能である。

上記特徴の本発明に係る高周波増幅器は、前記温度補償素子と前記電力増幅素子を設けた間隙部に跨って投影する領域に接地電極が形成されていることを第三の特徴とする。

上記特徴の本発明によれば、前記温度補償素子と前記電力増幅素子を設けた間隙部に跨って投影する領域に接地電極が形成されているため、高周波増幅器の外からのノイズを防ぎ、外部のノイズによって影響する前記電力増幅素子の電流の増加を防ぐことが可能となる。

上記特徴の本発明に係る高周波増幅器は、前記電力増幅素子が直列に多段接続されていることを第四の特徴とする。

上記特徴の本発明によれば、前記電力増幅素子が直列に多段接続されているため、各段の高周波増幅器の温度が各々異なった場合に、各々の高周波増幅器に適した温度補償が行なわれ、電力増幅素子の温度変化時に各段の高周波増幅器に過剰な電流を消費するのを防ぎ、熱暴走するのを防ぐことが可能となる。またはバイアス電流供給が足りなくなることも防ぎ、バイアス電流供給不足による電気的特性劣化を防ぐことが可能となる。

本発明の高周波増幅器は、高周波増幅器内において少なくとも一つ以上の温度補償素子が配置されている為、高周波増幅器内の温度に高周波増幅器内の温度補償素子が精度良く補償し、電力増幅素子の温度変化時の高周波増幅器の電気的特性の劣化を防ぐことが可能となる。

第１の実施形態による高周波増幅器のブロック回路図例である。第１の実施形態による高周波増幅部内のレイアウト図例である。第１の実施形態による高周波増幅部内の図２AにおけるＡ−Ａ´部分の垂直断面図である。第１の実施形態による高周波増幅器のバイアス電流値のグラフである。第１の実施形態による高周波増幅器内の温度分布グラフである。第２の実施形態による高周波増幅部内のレイアウト図例である。第２の実施形態による高周波増幅部内の図５AにおけるＢ−Ｂ´部分の垂直断面図である。第３の実施形態による高周波増幅部内のレイアウト図例である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

（第１の実施形態）
図1は第１の実施形態に係る一般的な高周波増幅器の全体構成を示すブロック図である。図１は直列に２段組み合わせた高周波増幅器の一般的な構成例である。図１において高周波増幅器１には高周波信号を入力する入力端子２から整合回路３を通り第一の高周波増幅部４で高周波信号は増幅され、整合回路５を通り第二の高周波増幅部６で更に出力電力の大きい高周波信号に増幅され整合回路７を通り、出力端子８から増幅された高周波信号を出力する。第一の高周波増幅部４と第二の高周波増幅部６はバイアス回路９より、各々に一定のバイアス電流が供給されている。本来バイアス回路９には外部供給電源から電源供給されているが本実施形態では記載を省略する。バイアス回路９内の構成は例えば一定の電流を供給できるカレントミラーなどでよい。また、本発明は説明を簡単にする為に直列に２段組み合わせた高周波増幅器の一般的な構成例にしたが、本実施形態以外の構成例でも適用できる為、図1以外の高周波増幅器のブロック構成でも適用できる。

図２Ａは第一の高周波増幅部４や第二の高周波増幅部６を上面から平面に見たレイアウト例の一部であり、電力増幅素子１０であるトランジスタは並列に多段接続されている。入力端子１１から高周波信号が入力され、出力端子１２で増幅された高周波信号が出力され、入力端子１１と出力端子１２に接続されていない電力増幅素子１０の端子は接地電極１３に接続されている。また、接地電極１３のある領域内に少なくとも１つの温度補償素子１４が存在し、前記温度補償素子１４は前記温度補償素子１４に接続された配線１５と接地電極１３に接続されている。

図２Ｂは本発明に係る高周波増幅器内での層構成の一例を示す図２ＡのA−Ａ´で切断した場合の断面図である。図２Ｂにおいて第一の半導体層１６には、電力増幅素子１０と少なくとも一つの温度補償素子１４が隣接して設けられており、前記第一の半導体層１６上に存在する第二の半導体層１７、第三の半導体層１８、第四の半導体層１９に前記電力増幅素子１０に接続された第一の配線パターン２０や前記温度補償素子１４に接続された第二の配線パターン２１や接地電極１３などが設けられている。また第二の半導体層１７から第四の半導体層１９に設けた接地電極１３の少なくとも一つは前記第一の半導体層１６と同一平面の前記温度補償素子１４と前記電力増幅素子１０を設けた間隙部に概ね投影する領域に対応して形成されている。この第二の半導体層１７から第四の半導体層１９は少なくとも１層だけあればよく、前記電力増幅素子１０と前記温度補償素子１４の双方に投影する領域にも第二の半導体層１７から第四の半導体層１９が設けられている。また、前記電力増幅素子１０と前記温度補償素子１４を設けた間隙部に跨って投影する領域に接地電極１３が形成されている。

ここで説明している高周波増幅部というのは図１の第一の高周波増幅部４と第二の高周波増幅部６のどちらにも該当する構成部分である。第二の半導体層１７から第四の半導体層１９の第一の配線パターン２０、第二の配線パターン２１や接地電極１３のパターンは導体で形成されビア２１などで各層接続されている。第一の配線パターン２０は例えば図２Ａの入力端子１１や出力端子１２であり、第二の配線パターン２１は例えば図２Ａの温度補償素子１４に接続された配線１５であり、回路構成によっては第一の配線パターン２０と第二の配線パターン２１が接続されていてもよい。

第一の高周波増幅部４と第二の高周波増幅部６は同様のレイアウト構成になるが、大きな違いは電力増幅素子１０であるトランジスタの数が異なる。一般的に高周波増幅器１の仕様や構成で電力増幅素子１０であるトランジスタの数は変わる為、本実施形態では電力増幅素子１０であるトランジスタの数を指定しない。

一般的には前段である高周波増幅部４よりも後段の高周波増幅部６の方が高周波信号の電力が大きい為、電力増幅素子１０の数が多くなり、レイアウトサイズも大きくなる構成になる。電力増幅素子の数が多いと高周波増幅部に流れる電流量も多くなり、自己発熱し易い。さらに後段の高周波増幅部６の方が前段の高周波増幅部４より発熱し易いために、直列に多段に高周波増幅部を接続する場合は、後段の高周波増幅部６にのみ本実施例を適用する構成でもよい。また本実施形態では電力増幅素子１３をトランジスタとして説明しているが、バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）や電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）などでよい。

図３は高周波増幅器の温度変化時に対するバイアス電流の推移グラフである。図４は高周波増幅器の温度変化時の前記第二の高周波増幅部６内と前記バイアス回路９内の温度推移の比較である。図４より前記第二の高周波増幅部６内と前記バイアス回路９内の温度差は約２０℃程度ある。これは高周波増幅部の発熱量とバイアス回路９内の発熱量が異なる為、同じ半導体基板上でも温度分布に差が出てしまう。前記温度補償素子１４が従来例のように前記バイアス回路９内にある場合、前記電力増幅素子１０のバイアス電流が前記電力増幅素子の温度変化に依存して変化しても図４のようにバイアス回路９内と高周波増幅部内で温度差が生じてしまう為、バイアス回路９からの一定のバイアス電流を温度補償素子１４と電力増幅素子１０で配分されてしまい、温度補償として正確に機能しないと高周波増幅部に必要なバイアス電流が過不足になる。そのため、前記電力増幅素子の温度変化の影響で前記高周波増幅器１の電気的特性が変わってしまい、例えば利得特性が一定にはならず、Ｐ１ｄＢ特性なども劣化する。

しかし本実施形態の場合では、前記温度補償素子１４が前記電力増幅素子１０に隣接して配置されていることから、高周波増幅部内の温度と温度補償素子１４の温度が同一になるため温度差が生じない。前記温度補償素子１４が温度補償として正確に機能するため、前記電力増幅素子１０の温度に依存して前記電力増幅素子１０に必要なバイアス電流の増減があったとしても、前記温度補償素子１４が前記電力増幅素子１０に対して前記電力増幅素子１０の温度変化に合わせて、図３に示すように逆のバイアス電流の特性を持ち、前記電力増幅素子１０の温度変化の影響により高周波増幅部に必要なバイアス電流を供給可能になる。そのため、前期高周波増幅器１の電気的特性である例えば利得特性が前記電力増幅素子１０の温度に依存せず一定となり、Ｐ１ｄＢ特性の劣化を防ぐ。ここで説明している温度補償素子１４は、例えば電力増幅素子１０であるトランジスタがＨＢＴの場合、ベース端子とコレクタ端子を接続したものでよい。温度補償素子１４は前記ＨＢＴでなくてもよい。

つまり、本実施形態では、第一の半導体層１６上に電力増幅素子１０と、少なくとも一つの温度補償素子１４とを隣接して設け、前記第一の半導体層１６とは異なる層に存在する少なくとも一つの第二の半導体層１７に、前記電力増幅素子１０に接続された第一の配線パターン２０と、前記温度補償素子１４に接続された第二の配線パターン２１と、接地電極１３を設け、前記第二の半導体層１７に設けた前記接地電極１３の少なくとも一つを、前記第一の半導体層１５と同一平面の前記温度補償素子１４と前記電力増幅素子１０を設けた間隙部に概ね投影する領域に対応して、前記第二の半導体層１７に形成しているため、前記高周波増幅部内の温度が前記高周波増幅部内にある前記温度補償素子１４に時間的温度変化や信号の大きさによる温度変化に対して精度よく伝わり、前記電力増幅素子１０に対しての精度良く温度補償されたバイアス電流を供給可能にし、前記電力増幅素子１０の温度変化時の利得特性を一定に保ち、P1dB特性の劣化も防ぐことが可能となる。

また、前記温度補償によりバイアス電流供給の精度がよくなる為、前記温度補償素子１４が複数存在する場合には、先行技術のような前記バイアス回路９内に前記温度補償素子１４を配置する数よりも少なくてもよく、前記温度補償素子１４の数を減らしサイズを小型化することが可能である。

また本実施形態によれば、前記電力増幅素子１０と前記温度補償素子１４の双方に投影する領域に第二の半導体層１７が設けられている為、アイソレーションを取ることが可能となり、電力増幅素子１０からの高調波成分の回りこみを抑制でき、温度補償素子１４を配置しても異常発振しにくくなる。

また本実施形態によれば、前記温度補償素子１４と前記電力増幅素子１０を設けた間隙部に跨って投影する領域に接地電極１３が形成されているため、高周波増幅器１の外からのノイズを防ぎ、外部のノイズによって影響する前記電力増幅素子１０の電流の増加を防ぐことが可能となる。

また本実施形態によれば、高周波増幅器１は第一の高周波増幅部４と第二の高周波増幅部６のように直列に多段接続されており、各段の高周波増幅部内に温度補償素子１４があるため、各々の各段に高周波増幅部に適した温度補償が行われ、前記電力増幅素子１０の温度変化時に各段の高周波増幅部に過剰な電流を消費するのを防ぎ、熱暴走するのを防ぐことが可能となる。またはバイアス電流供給が足りなくなることも防ぎ、バイアス電流の供給不足による電気的特性劣化を防ぐことが可能となる。

（第２の実施形態）
図５Ａは本発明の第２の実施形態に係る高周波増幅部の上面から見たレイアウト構成例を示す図である。図５Ｂは図５ＡのＢ− Ｂ´の断面図である。本実施形態では、上記第１の実施形態とは構成が異なる部分についてのみ説明する。具体的には前記高周波増幅部内の電力増幅素子１０に接続されている接地電極１３の接地電極領域内に貫通ビア２３があり、その周りの接地電極１３の領域内に温度補償素子１４が少なくとも１つは存在している。貫通ビア２３は第一の半導体層１６を貫通して形成され、接地電極層１３とビア２２と、第一の半導体層１６の裏面に接地電極１３として形成されている導体層２３とで、接続されている。また貫通ビア２３は機能として貫通ビア２３と同じであれば第一の半導体層１６を貫通してなくても良い。

本実施形態によれば、高周波増幅部内の接地電極１３に貫通ビア２３を接続し、貫通ビア２３の周りに温度補償素子１４を少なくとも１つ入れることで、電力増幅素子１０と温度補償素子１４の双方に投影する領域の第二の半導体層１７の接地電極１３のアイソレーションが改善され、電力の大きい高調波が存在しても回り込みによる発振を抑制することが可能となり、高周波増幅器の出力が高出力になっても異常発振を抑制することが可能となる。

（第３の実施形態）
図６は本発明の第３の実施形態に係る高周波増幅部の上面から見たレイアウト構成例を示す図である。本実施形態では、上記第１の実施形態、第２の実施形態とは構成が異なる部分についてのみ説明する。具体的には電力増幅素子１０と、少なくとも一つの温度補償素子１４とが近傍に設けており、前記電力増幅素子１０と高周波増幅部内の入力端子１１と出力端子１２に接続された第一の配線パターン２０と、前記温度補償素子１４と前記温度補償素子１４に接続された配線１５である第二の配線パターン２１と、接地電極１３を設け、前記電力増幅素子１０に接続された接地電極１３の領域内には前記温度補償素子１４が存在しない。

本実施形態によれば、前記温度補償素子１４と前記電力増幅素子１０の双方に投影する領域に接地電極１３が設けられ、前記温度補償素子１４と前記電力増幅素子１０が近傍に配置してある為、電力増幅素子１０と温度補償素子１４のアイソレーションが取れ、電力増幅素子１０の温度が温度補償素子１４に伝わりやすい。例えば低出力電力の増幅器での高温にならず温度補償の精度が本実施形態１や本実施形態２まで必要でない場合に利用可能であり、温度補償素子１４を追加することで高周波増幅部内の接地電極１３領域のレイアウト配置を変更することが無い為、容易にレイアウト配置が可能となり、設計時間の短縮可能である。前記電力増幅素子１０に接続された接地電極１３と前記温度補償素子１４に接続された接地電極１３は分けていても接続されていてもよい。また、半導体のプロセス構造や高周波増幅器の構成でもレイアウトは変わるため、本実施形態のレイアウト構成でなくても適用できる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施例の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であるということはいうまでもない。

以上のように、本発明の高周波電力器は、高周波信号の送受信を行う増幅素子を用いた装置（例えば、携帯電話端末）等に利用可能であり、特に、広範囲の出力電力にわたって電力増幅素子の温度変動があっても電気的特性の変動が少なく、安定動作を実現したい場合等に適している。

１高周波増幅器
２入力端子
３、５、７整合回路
４第一の高周波増幅部
６第二の高周波増幅部
８出力端子
９バイアス回路
１０電力増幅素子
１１高周波増幅部内の入力端子
１２高周波増幅部内の出力端子
１３接地電極
１４温度補償素子
１５温度補償素子の配線
１６第一の半導体層
１７第二の半導体層
１８第三の半導体層
１９第四の半導体層
２０、２１平面図での配線パターン
２２ビア
２３貫通ビア
２４裏面の接地電極の導体層

Claims

第一の半導体層に電力増幅素子と、少なくとも一つの温度補償素子とを隣接して設け、前記第一の半導体層とは異なる層に存在する少なくとも一つの第二の半導体層に、前記電力増幅素子に接続された第一の配線パターンと、前記温度補償素子に接続された第二の配線パターンと、接地電極を設け、前記第二の半導体層に設けた前記接地電極の少なくとも一部分を、前記第二の半導体層における、前記温度補償素子と前記電力増幅素子との間隙部に対応する領域に形成したことを特徴とする高周波増幅器。