JP5954974B2 - 高周波増幅器 - Google Patents

Description

本発明は、高効率化のための技術、特に入力２倍波制御を高効率化する高周波増幅器に関する。

従来の高周波増幅器において、２倍波反射（共振）回路を用いて入力２倍波を制御することにより、増幅器の高効率化を図る手法が知られている。

例えば、下記非特許文献１では、ＧａＮ−ＨＥＭＴ(High Electron Mobility Transistor)チップ上に、ＭＩＭ(Metal Insulator Metal)キャパシタと伝送線路からなる２倍波共振回路を接続して、入力２倍波を制御することにより、高効率動作を達成する手法が開示されている。

また、広帯域増幅器では、低周波での発振防止と利得周波数特性の平坦化のために、抵抗と伝送線路とキャパシタの直列回路からなる安定化回路をトランジスタの信号入力電極の極近傍にシャントに接続する手法がとられる。

"A 67% PAE, 100W GaN Power Amplifier with On-Chip Harmonic Tuning Circuits for C-band Space Applications" 2011 International Microwave Symposium

従来の高周波増幅器は以上のように構成されているので、上記非特許文献１では、ＭＩＭキャパシタがトランジスタのゲート電極の近傍で大きな面積を占めているため、２倍波反射回路の配置が難しくなる課題があった。

本発明は上記のような課題を解消するためになされたものであり、高周波トランジスタの信号入力電極の極近傍に２倍波反射回路を配置することで高周波トランジスタを高効率に動作させるという利点を保ちつつ、２倍波反射回路の配置を容易にすると共に、２倍波反射回路以外の配置を容易にする高周波増幅器を得ることを目的とする。

本発明の高周波増幅器は、高周波トランジスタの信号入力電極に一端が接続された第１の伝送線路と、第１の伝送線路の他端に上部電極が接続され、高周波トランジスタの接地電極に下部電極が接続された第１のＭＩＭキャパシタと、高周波トランジスタの信号入力電極に一端が接続された第２の伝送線路と、第２の伝送線路の他端に上部電極が接続され、高周波トランジスタの接地電極に下部電極が接続された第２のＭＩＭキャパシタとを備え、第１の伝送線路および第１のＭＩＭキャパシタにより、入力信号の２倍波で共振する第１の直列共振回路を形成し、第２の伝送線路および第２のＭＩＭキャパシタにより、入力信号の基本波で誘導性となる第２の直列共振回路を形成し、第１の直列共振回路および第２の直列共振回路により、入力信号の基本波で並列共振するようにしたものである。

本発明によれば、第１の伝送線路および第１のＭＩＭキャパシタにより、入力信号の２倍波で共振する第１の直列回路を形成したので、高周波トランジスタの信号入力電極の極近傍に２倍波反射回路を配置することができ、高周波トランジスタを高効率に動作させることができる。
また、高周波トランジスタの信号入力電極には、第１の伝送線路、第１のＭＩＭキャパシタの順で接続されるので、信号入力電極には、細い伝送線路が接続されるだけであり、サイズの大きいＭＩＭキャパシタが接続されない。よって、２倍波反射回路の配置を容易にすると共に、２倍波反射回路以外の配置を容易にする効果がある。また、入力信号の基本波における入力整合帯域が狭くなるのを防ぐことができる。

この発明の実施の形態１による高周波増幅器を示す上面図である。 この発明の実施の形態２による高周波増幅器を示す上面図である。 この発明の実施の形態３による高周波増幅器を示す上面図である。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による高周波増幅器を示す上面図である。
図において、電界効果トランジスタ（以下、単にトランジスタと言う）のゲート電極（信号入力電極）１、ドレイン電極２、およびソース電極（接地電極）３ａ，３ｂがそれぞれ形成される。ソース電極３ａは、ソースビアホール４ａを介してグランドパターン（図示せず）に接続され、同様にソース電極３ｂは、ソースビアホール４ｂを介してグランドパターンに接続される。
トランジスタのゲート電極１には、伝送線路５ａが接続され、さらに、ゲート電極１の極近傍に伝送線路５ｂがシャントに接続される。
ＭＩＭキャパシタ６の上部電極６ａは、伝送線路５ｂにエアブリッジ７を介して接続され、ＭＩＭキャパシタ６の下部電極６ｂは、トランジスタのソース電極３ａに接続される。

伝送線路５ｂの電気長は、入力信号の基本波あるいは２倍波における１／４波長よりも十分に短く、電気的にはインダクタンスとして作用する。したがって、伝送線路５ｂおよびソースビアホール４ａによるインダクタンスと、ＭＩＭキャパシタ６とにより直列共振回路が形成される。

上記非特許文献１にも示されているように、トランジスタの動作効率が最大となる条件は、２倍波におけるトランジスタの真性入力容量Ｃｇｓに対する２倍波周波数における負荷インピーダンスが短絡条件を満たす場合である。この場合、真性入力容量Ｃｇｓにおいて入力電圧波形の中に２倍波成分が含まれなくなる。このため、入力電圧波形は方形波形状に近い形状となり、理想的なスイッチング動作に近づき高効率動作が実現される。

したがって、伝送線路５ｂの長さやＭＩＭキャパシタ６の静電容量は、２倍波において直列共振するように選ぶ。ただし、実際にはトランジスタ自体の寄生リアクタンス成分も存在するので、トランジスタ自体の寄生リアクタンス成分の影響も加味して、真性入力容量Ｃｇｓに対する２倍波周波数における負荷インピーダンスが短絡となるように選ぶ。

また、上記非特許文献１では、トランジスタのゲート電極にＭＩＭキャパシタを接続し、ＭＩＭキャパシタの下部電極を、伝送線路を介してソース電極に接続している。これに対して、実施の形態１では、ゲート電極１にはまず伝送線路５ａ，５ｂを接続して、ＭＩＭキャパシタ６は、ソース電極３ａに接続している。

一般に、ＭＩＭキャパシタは、伝送線路に比べてサイズが大きくなる。このため、ＭＩＭキャパシタを直接にトランジスタのゲート電極に接続すると、ゲート電極にはこれ以外の回路を接続することができなくなる。
これに対して、実施の形態１の場合には、ＭＩＭキャパシタ６は、ソース電極３ａに接続するので、トランジスタのゲート電極１には、細い伝送線路５ｂが接続されるだけであり、この直列共振回路以外の回路の接続が容易になる。

以上のように、実施の形態１によれば、伝送線路５ｂおよびソースビアホール４ａによるインダクタンスと、ＭＩＭキャパシタ６とにより、入力信号の２倍波で共振する直列共振回路を形成したので、トランジスタのゲート電極１の極近傍に２倍波反射回路を配置することができ、トランジスタを高効率に動作させることができる。
また、トランジスタのゲート電極１には、伝送線路５ｂ、ＭＩＭキャパシタ６の順で接続されるので、ゲート電極１には、細い伝送線路５ｂが接続されるだけであり、サイズの大きいＭＩＭキャパシタ６が接続されない。よって、２倍波反射回路の配置を容易にすると共に、２倍波反射回路以外の配置を容易にすることができる。

実施の形態２．
図２はこの発明の実施の形態２による高周波増幅器を示す上面図である。
図において、トランジスタのゲート電極１の極近傍に伝送線路５ｂの外、伝送線路５ｃがシャントに接続される。
ＭＩＭキャパシタ８の上部電極８ａは、伝送線路５ｃにエアブリッジ９を介して接続され、ＭＩＭキャパシタ８の下部電極８ｂは、グランドパッド１０に接続される。
グランドパッド１０は、グランドパターン（図示せず）とビアホール１１を介して接続される。
その他の構成については、図１と同一構成には同一符号を付して重複する説明を省略する。

伝送線路５ｂ、ＭＩＭキャパシタ６、およびソースビアホール４ａで構成される２倍波反射回路は、２倍波において直列共振して短絡となるように構成される。
このような回路は、基本波においては必ず容量性のリアクタンスを示すので、見かけ上のトランジスタの入力容量Ｃｉｎが大きくなり、トランジスタの入力インピーダンスＺｉｎが小さくなる。

広帯域増幅器では、入力整合回路の整合比帯域は、入力インピーダンスＺｉｎと入力回路の負荷インピーダンス（通常は５０Ω）のインピーダンス比で決定され、インピーダンス比が大きいほど整合比帯域は小さくなる。すなわち、上記２倍波反射回路を付加するとトランジスタの動作効率が向上する反面、基本波整合が狭帯域になる。

そこで、第２の直列共振回路を形成することで、２倍波反射回路のために余分に発生した基本波における容量成分を打ち消す。すなわち、伝送線路５ｃ、ＭＩＭキャパシタ８、およびビアホール１１で構成される直列回路は、基本波において誘導性となるようにその回路定数を決定し、伝送線路５ｂ、ＭＩＭキャパシタ６、およびソースビアホール４ａで構成される２倍波反射回路が、基本波において有する容量成分と並列共振するようにする。
これにより、２倍波においてトランジスタの入力負荷インピーダンスを短絡として高効率動作を実現しつつ、基本波においてはいかなる負荷リアクタンスも生じないので、基本波における入力整合比帯域を狭くすることもない。

なお、このようにトランジスタのゲート電極１の極近傍に、第２の直列共振回路を形成できるのは、実施の形態１で示したように、トランジスタのゲート電極１の極近傍に、伝送線路５ｂ、ＭＩＭキャパシタ６の順で接続し、２倍波反射回路以外の配置を容易にしたことによって、初めて実現することができるものである。

以上のように、実施の形態２によれば、伝送線路５ｃおよびビアホール１１によるインダクタンスと、ＭＩＭキャパシタ８とにより、入力信号の基本波で誘導性となる直列共振回路を形成し、実施の形態１で示した直列共振回路と共に、入力信号の基本波で並列共振するようにしたので、入力信号の基本波における入力整合帯域が狭くなるのを防ぐことができる。
また、実施の形態１と同様に、トランジスタのゲート電極１には、伝送線路５ｃ、ＭＩＭキャパシタ８の順で接続されるので、ゲート電極１には、細い伝送線路５ｃが接続されるだけであり、サイズの大きいＭＩＭキャパシタ８が接続されない。よって、直列共振回路の配置を容易にすると共に、この直列共振回路以外の配置を容易にすることができる。

なお、上記実施の形態２では、ＭＩＭキャパシタ８の下部電極８ｂは、グランドパッド１０に接続したが、ＭＩＭキャパシタ８の下部電極８ｂは、トランジスタのソース電極３ｂに接続しても良く、同様な効果が得られる。

実施の形態３．
図３はこの発明の実施の形態３による高周波増幅器を示す上面図である。
図において、抵抗１２は、伝送線路５ｃとＭＩＭキャパシタ８の上部電極８ａとの間にエアブリッジ９を介して接続される。
その他の構成については、図２と同一構成には同一符号を付して重複する説明を省略する。

実施の形態２においては、２倍波反射回路により発生する不要な容量成分を、新たなる第２の直列共振回路を用いて打ち消すことにより、基本波における入力整合が狭帯域とならないための手法を開示した。

入力整合回路を広帯域に整合するためには、余計なリアクタンスを付加しないことに加えて、トランジスタのＱ値を下げる手法がある。すなわち、意図的に共振回路に損失を持たせることにより、見かけ上のトランジスタのＱ値を下げることで、入力整合を広帯域化することができる。

実施の形態３においては、伝送線路５ｃ、ＭＩＭキャパシタ８、およびビアホール１１で構成される直列回路に、抵抗１２を付加することで、これを実現している。
抵抗１２を付加した場合、入力電力の一部が抵抗１２にて消費されるため利得は低下するが、伝送線路５ｃ、ＭＩＭキャパシタ８、およびビアホール１１で構成される直列回路は、基本波において誘導性となるように設定されている。この場合、基本波の低域ではインダクタンスに起因するリアクタンスが小さく、抵抗１２の影響が大きいために利得低下量は大きくなるが、基本波の高域ではインダクタンスに起因するリアクタンスが大きく、抵抗１２の影響が小さいために利得低下量は小さくなる。

一般に、トランジスタの利得は低域ほど高く、高域ほど低い傾向がある。抵抗１２の効果は、この傾向を打ち消す方向に作用するので、高周波増幅器の利得平坦性を改善するように作用する。
また、抵抗１２にて入力電力の一部が消費されるということは、回路のアイソレーション特性を改善する方向に作用する。このため、高周波増幅器の不要発振を抑圧して安定な動作を実現する。

なお、実施の形態３において、抵抗１２が、伝送線路５ａ、ＭＩＭキャパシタ６、およびソースビアホール４ａで構成される２倍波反射回路の側ではなく、伝送線路５ｃ、ＭＩＭキャパシタ８、およびビアホール１１で構成される直列回路の側に付加されている。

これは、仮に抵抗１２が２倍波反射回路に接続された場合、２倍波反射回路の共振Ｑ値が低下してしまい、２倍波において大きな損失を発生させるからである。この場合、トランジスタで発生した２倍波成分は、抵抗１２に吸収されてしまうので、トランジスタの真性入力容量Ｃｇｓに対して方形波の電圧波形を供給することができなくなり、効率が低下する。
実施の形態３のように、抵抗１２を伝送線路５ｃ、ＭＩＭキャパシタ８、およびビアホール１１で構成される直列回路に付加することで、初めてトランジスタの動作効率を高くすると同時に、入力整合の広帯域化と利得周波数特性の平坦化、増幅器の安定化を実現することができる。

以上のように、実施の形態３によれば、伝送線路５ｃとＭＩＭキャパシタ８の上部電極８ａとの間にエアブリッジ９を介して抵抗１２を接続したので、高周波増幅器の利得平坦性を改善し、入力信号の基本波における入力整合帯域が狭くなるのを防ぐことができる。
また、抵抗１２にて入力電力の一部が消費されるので、回路のアイソレーション特性が改善され、このため、高周波増幅器の不要発振を抑圧して安定な動作を実現することができる。

なお、上記実施の形態では、トランジスタとして電界効果トランジスタを適用したものについて説明したが、バイポーラトランジスタを適用しても良い。

また、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意な構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意な構成要素の省略が可能である。

１ ゲート電極（信号入力電極）、２ ドレイン電極、３ａ，３ｂ ソース電極（接地電極）、４ａ，４ｂ ソースビアホール、５ａ〜５ｃ 伝送線路、６，８ ＭＩＭキャパシタ、６ａ，８ａ 上部電極、６ｂ，８ｂ 下部電極、７，９ エアブリッジ、１０ グランドパッド、１１ ビアホール、１２ 抵抗。

Claims (2)

1. 高周波トランジスタの信号入力電極に一端が接続された第１の伝送線路と、
   上記第１の伝送線路の他端に上部電極が接続され、上記高周波トランジスタの接地電極に下部電極が接続された第１のＭＩＭキャパシタと、
   高周波トランジスタの信号入力電極に一端が接続された第２の伝送線路と、
   上記第２の伝送線路の他端に上部電極が接続され、上記高周波トランジスタの接地電極に下部電極が接続された第２のＭＩＭキャパシタとを備え、
   上記第１の伝送線路および上記第１のＭＩＭキャパシタにより、入力信号の２倍波で共振する第１の直列共振回路を形成し、
   上記第２の伝送線路および上記第２のＭＩＭキャパシタにより、入力信号の基本波で誘導性となる第２の直列共振回路を形成し、
   上記第１の直列共振回路および上記第２の直列共振回路により、入力信号の基本波で並列共振することを特徴とする高周波増幅器。
2. 上記第２の伝送線路の他端と上記第２のＭＩＭキャパシタの上部電極との間に接続された抵抗を備えたことを特徴とする請求項１記載の高周波増幅器。

Images