JP6566148B1 - 増幅器 - Google Patents

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Abstract

入力整合回路と、該入力整合回路から信号を受ける少なくとも1つの増幅用トランジスタと、該入力整合回路から信号を受ける第1ダミートランジスタと、該入力整合回路から信号を受ける第2ダミートランジスタと、該増幅用トランジスタの出力を出力する出力整合回路と、を備え、該増幅用トランジスタは、該第1ダミートランジスタと該第2ダミートランジスタに挟まれ、該増幅用トランジスタ、該第1ダミートランジスタ及び該第2ダミートランジスタは、該入力整合回路に沿って一列に設けられたことを特徴とする。

Description

この発明は増幅器に関する。
特許文献1には、マルチフィンガー構造の電界効果トランジスタにおいて、ボンディングワイヤの長さ、太さ及び本数を調整し、相互インダクタンスと自己インダクタンスの値を変更することにより、インダクタンス分布を制御して入出力信号の位相を同相化する方法が示されている。
日本特開2010−161348号公報
特許文献1では、入出力信号を同相化するために端部に配置されるトランジスタの自己インダクタンスを制御することにより、見かけ上インダクタンス分布を均一にする手法がとられている。この場合、製造ばらつき等の影響によりインダクタンスを完全に均一にすることは困難である。さらに、温度又は動作電力が変更となりRF電流が変動した場合には、インダクタンス分布の不均一さとRF電流の変動が乗算され、入力信号を同振幅かつ同位相に保つことが困難となる。この場合、RF出力が不均一となり、利得又は出力が低下する問題があった。
本発明は上述の問題を解決するためになされたものであり、複数の増幅用トランジスタを用いた増幅器において、信号位相を均一に近づけることができる増幅器を提供することを目的とする。
本願の発明にかかる増幅器は、入力整合回路と、該入力整合回路からボンディングワイヤを経由して信号を受ける少なくとも1つの増幅用トランジスタと、該入力整合回路からボンディングワイヤを経由して信号を受ける第1ダミートランジスタと、該入力整合回路からボンディングワイヤを経由して信号を受ける第2ダミートランジスタと、該増幅用トランジスタの出力を出力する出力整合回路と、を備え、該増幅用トランジスタは、該第1ダミートランジスタと該第2ダミートランジスタに挟まれ、該増幅用トランジスタ、該第1ダミートランジスタ及び該第2ダミートランジスタは、該入力整合回路に沿って一列に設けられ、該第1ダミートランジスタと該第2ダミートランジスタの出力を遮断する遮断回路を備え、該第1ダミートランジスタと該第2ダミートランジスタによって増幅された信号は該遮断回路によって遮断されることを特徴とする。

本発明のその他の特徴は以下に明らかにする。
この発明によれば、一列に設けられた増幅用トランジスタの両端に出力電力に寄与しないダミートランジスタを設けることで、信号位相を均一に近づけることができる。
実施の形態1に係る増幅器の平面図である。 トランジスタの拡大図である。 等価回路図である。 実施の形態2に係る増幅器の平面図である。 実施の形態3に係る増幅器の平面図である。 インピーダンスの調整例を示す図である。 インピーダンスの調整例を示す図である。 インピーダンスの調整例を示す図である。 インピーダンスの調整例を示す図である。
本発明の実施の形態に係る増幅器について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
実施の形態1.
図1は、実施の形態1に係る増幅器の平面図である。この増幅器は、例えばマイクロ波帯からミリ波帯で高周波信号を増幅する高周波電力増幅器として機能する。この増幅器は、例えば高周波信号が入力される入力端子11を備えている。入力端子11はボンディングワイヤ12によって入力整合回路13に接続されている。入力整合回路13は例えば、絶縁基板とその上に設けられた金属パターンを有する。
入力整合回路13は、ボンディングワイヤ14a、14b、14c、14d、14e、14fを介して、それぞれ、第1ダミートランジスタ15a、増幅用トランジスタ16a、増幅用トランジスタ16b、増幅用トランジスタ16c、増幅用トランジスタ16d、第2ダミートランジスタ15bに接続されている。第1ダミートランジスタ15a、増幅用トランジスタ16a、16b、16c、16d、及び第2ダミートランジスタ15bは入力整合回路13から信号を受け、その信号を増幅する。増幅用トランジスタの数は、特に限定されず、1つでもよいし、複数でもよい。少なくとも1つの増幅用トランジスタが設けられる。
増幅用トランジスタ16a、16b、16c、16d、第1ダミートランジスタ15a及び第2ダミートランジスタ15bは、入力整合回路13に沿って一列に設けられている。増幅用トランジスタ16a、16b、16c、16dは、第1ダミートランジスタ15aと第2ダミートランジスタ15bに挟まれている。すなわち、1列に設けられた増幅用トランジスタ16a、16b、16c、16dの一端に第1ダミートランジスタ15aが隣接して設けられ、他端に第2ダミートランジスタ15bが隣接して設けられている。
例えば、増幅用トランジスタ16a、16b、16c、16d、第1ダミートランジスタ15a及び第2ダミートランジスタ15bを構成する単位トランジスタは同じものを用いることができる。図2は、そのような単位トランジスタの構成例を示す図である。単位トランジスタは、ゲートパッド15gと、ゲートパッド15gに接続された複数のゲートフィンガー15gfを有している。さらに、ソースパッド15sと、ソースパッド15sに接続された複数のソースフィンガー15sfと、ドレインパッド15dと、ドレインパッド15dに接続された複数のドレインフィンガー15dfが設けられている。ソースパッド15sはビア15vを介して接地されている。ゲートパッド15gに入力信号を入力するためのボンディングワイヤを接続する。ドレインパッド15dに出力用のボンディングワイヤを接続する。単位トランジスタを構成するゲートの長さ、ゲートの幅及び電極間距離等は、予め定められた出力電力に応じて設定される。
第1ダミートランジスタ15a、増幅用トランジスタ16a、16b、16c、16d及び第2ダミートランジスタ15bのドレインパッドは、それぞれボンディングワイヤ17a、17b、17c、17d、17e、17fを介して出力整合回路19に接続されている。出力整合回路19は、金属パターン19a、19b、19cと遮断回路18a、18bを備えている。
ボンディングワイヤ17b、17c、17d、17eは金属パターン19aに接続されている。金属パターン19aはボンディングワイヤ20を介して出力端子21に接続されている。そのため、増幅用トランジスタ16a、16b、16c、16dの出力が、ボンディングワイヤ17b、17c、17d、17e、金属パターン19a及びボンディングワイヤ20を介して出力端子21に出力される。
他方、ボンディングワイヤ17a、17bはそれぞれ金属パターン19b、19cに接続されている。金属パターン19bは遮断回路18aに接続され、金属パターン19cは遮断回路18bに接続されている。遮断回路18a、18bは第1ダミートランジスタ15aと第2ダミートランジスタ15bの出力を遮断する任意の回路とすることができる。遮断回路18a、18bとして例えば、LC整合回路とチョークコイルを有する構成を採用することができる。遮断回路18a、18bによって第1ダミートランジスタ15aと第2ダミートランジスタ15bの出力は遮断され、これらの出力は出力端子21に伝送されない。したがって、出力整合回路19は増幅用トランジスタ16a、16b、16c、16dの出力を出力するが、第1ダミートランジスタ15a及び第2ダミートランジスタ15bの出力は出力しない。言いかえれば、増幅用トランジスタ16a、16b、16c、16dからの出力のみを金属パターン19aにより合成して、出力端子21に伝送する。
増幅器はパッケージ22を備えている。入力端子11と出力端子21がパッケージ22の縁に固定されている。そして、入力整合回路13、第1ダミートランジスタ15a、増幅用トランジスタ16a、16b、16c、16d、第2ダミートランジスタ15b及び出力整合回路19が、パッケージ22に格納されている。
図3は、実施の形態1の増幅器の等価回路の例を示す図である。RF入力信号は、パッケージの入力端子11から入力され、ボンディングワイヤ12を介して入力整合回路13に入力される。入力整合回路13は、例えばRF信号が同振幅かつ同位相で各トランジスタに分配されるように設計することができる。そして、入力整合回路13から、第1ダミートランジスタ15a、増幅用トランジスタ16a、16b、16c、16d及び第2ダミートランジスタ15bにRF信号が入力される。このとき、各トランジスタに信号を伝送するためのボンディングワイヤ14a、14b、14c、14d、14e、14fは同じ形状としてもよいが、必要に応じて形状又は接続位置を変更してもよい。
第1ダミートランジスタ15aと第2ダミートランジスタ15bから出力されたRF信号は、例えばLC整合回路とチョークコイルを備えた遮断回路18a、18bにより遮断され、出力端子21に出力されない。他方、増幅用トランジスタ16a、16b、16c、16dから出力されたRF信号は、例えば同位相かつ同振幅で合成されるよう設計された出力整合回路19の金属パターン19aにより電力合成され、ボンディングワイヤ20を介して出力端子21から出力される。このように、複数並列接続された6つのトランジスタの両端に位置する2つのトランジスタは、RF出力に寄与しないダミートランジスタとした。
ここで、第1ダミートランジスタ15aに接続されるボンディングワイヤ14aと、第2ダミートランジスタ15bに接続されるボンディングワイヤ14fのインダクタンスをL1とし、これらのボンディングワイヤ14a、14fに挟まれたボンディングワイヤ14b、14c、14d、14eのインダクタンスをL2とする。そして、ボンディングワイヤ14a〜14fの形状が同じであり、全てのトランジスタに流れるRF電流も同じとし、自己インダクタンスをLとし相互インダクタンスをMとすると、このL1、L2は以下の式で得ることができる。
L1=L+M
L2=L+2M
これらの式から、端部のボンディングワイヤ14a、14fのインダクタンスは、内側のボンディングワイヤ14b、14c、14d、14eのインダクタンスより小さくなることが分かる。したがって、ボンディングワイヤ14a〜14fを経由した信号を全て出力端子21に接続すると、インダクタンスの不均衡が生じる。しかしながら、実施の形態1に係る増幅器では、一列に設けられたトランジスタの端部に第1ダミートランジスタ15aと第2ダミートランジスタ15bを設けてこれらのトランジスタの出力を遮断回路18a、18bで遮断する。これにより、相対的に相互インダクタンスMが小さいワイヤによる、出力への影響を回避することができる。言いかえれば、一列に設けたトランジスタの端部に増幅用トランジスタを配置することを回避し、伝搬信号の位相を揃える必要のある増幅用トランジスタを、インダクタンス分布が乱れる端部に配置する必要がなくなる。
このように、第1ダミートランジスタ15aと第2ダミートランジスタ15bを設けることで、これらがない場合と比べて増幅用トランジスタのインダクタンスの減少を抑制し、インダクタンス分布をより均一にすることができる。インダクタンスの均一化は、信号の位相の統一に寄与する。この結果、入出力RF信号を、同振幅かつ同位相に近づけることができるため、高利得化および高出力が可能となる。
遮断回路18a、18bの構成は、LC整合回路とチョークコイルを有する構成に限定されず、高周波信号を遮断又は減衰させる任意の構成を採用することができる。
増幅用トランジスタ16a、16b、16c、16d、第1ダミートランジスタ15a及び第2ダミートランジスタ15bの構造は同じとした。したがって、使用条件によってRF電流が変動したり、温度、使用周波数又は動作電力が変動したりしたときに、これらのトランジスタの特性変動量は均一である。これにより、これらの変動によって伝搬信号の振幅及び位相が変動することを抑制できる。
実施の形態2.
図4は、実施の形態2に係る増幅器の平面図である。この増幅器は、第1ダミートランジスタ30aと第2ダミートランジスタ30bと増幅用トランジスタ16a、16b、16c、16dを流れるRF電流が一致するように、第1第2ダミートランジスタ30a、30bのトランジスタ構造を最適化したものである。すなわち、第1ダミートランジスタ30aと第2ダミートランジスタ30bの構造を、増幅用トランジスタ16a、16b、16c、16dの構造と相違させることで、第1ダミートランジスタ30aと第2ダミートランジスタ30bに流れる電流を、増幅用トランジスタ16a、16b、16c、16dに流れる電流に一致させた。
すべてのトランジスタの構造を統一した場合、ダミートランジスタを流れるRF電流は、相互インダクタンスの影響により、増幅用トランジスタのRF電流とは異なる値となってしまう。そうすると、ダミートランジスタの隣に配置される増幅トランジスタの相互インダクタンスに影響を与えてしまう。そこで、実施の形態2では、例えば、ダミートランジスタの電極構造を最適化することで、ダミートランジスタのインダクタンスの減少により発生するRF電流の変動を補償することとした。これにより、ダミートランジスタの隣に配置される増幅用トランジスタのインダクタンスを、他の増幅用トランジスタのインダクタンスと均一化することができる。これにより、伝搬信号を同振幅かつ同位相に近づけることができるため、高利得化および高出力が可能となる。
第1ダミートランジスタ30aと第2ダミートランジスタ30bに流れる電流を、増幅用トランジスタ16a、16b、16c、16dに流れる電流に一致させるために、第1ダミートランジスタ30aと第2ダミートランジスタ30bのゲート幅、ゲート長又はフィンガー本数を所望の出力電力に応じて設定することができる。
例えば、第1第2ダミートランジスタ30a、30bと増幅用トランジスタ16a、16b、16c、16dの構造を統一すると、第1第2ダミートランジスタ30a、30bに、増幅用トランジスタ16a、16b、16c、16dより大きい電流が流れることがある。この場合、第1第2ダミートランジスタ30a、30bのゲート幅を増幅用トランジスタ16a、16b、16c、16dのゲート幅より小さくしたり、第1第2ダミートランジスタ30a、30bのゲート長を増幅用トランジスタのゲート長よりも大きくしたり、第1第2ダミートランジスタ30a、30bのフィンガー本数を増幅用トランジスタ16a、16b、16c、16dのフィンガー本数より少なくしたりすることができる。
実施の形態3.
図5は、実施の形態3に係る増幅器の平面図である。この増幅器では、増幅用トランジスタとダミートランジスタは交互に並べられている。図5には、第1ダミートランジスタ40a、増幅用トランジスタ42a、第2ダミートランジスタ40b、追加増幅用トランジスタ42b及び第3ダミートランジスタ40cがこの順に一列に並んだ構成が示されている。第1ダミートランジスタ40a、増幅用トランジスタ42a、第2ダミートランジスタ40b、追加増幅用トランジスタ42b及び第3ダミートランジスタ40cは、それぞれ入力整合回路から信号を受ける。そして、増幅用トランジスタ42aと追加増幅用トランジスタ42bの出力信号が、出力整合回路19に出力され、出力端子21に伝送される。
第1、第2、第3ダミートランジスタ40a、40b、40cは入力整合回路13から信号を受け信号を増幅するが、増幅された信号はそれぞれ遮断回路50a、50b、50cによって遮断される。そのため、第1、第2、第3ダミートランジスタ40a、40b、40cの出力は出力端子21に伝送されない。遮断回路50a、50b、50cは例えば接地されたビアホールに接続されたMIMキャパシタとスパイラルインダクタで構成されたLC整合回路とチョークコイルなどで構成する。こられの遮断回路は例えば図3の遮断回路18aと同じ構成とすることができる。
例えば、第1、第2、第3ダミートランジスタ40a、40b、40cは、マルチフィンガー構造を有するトランジスタとすることができる。第1、第2、第3ダミートランジスタ40a、40b、40cは、増幅用トランジスタへ与える相互インダクタンスの影響を考慮して、ゲート長、ゲート幅又はフィンガー本数が設定され、フィンガー本数を変更できるようにレイアウトされる。ダミートランジスタに使用するフィンガー本数を調整することで、ダミートランジスタを流れるRF電流を制御することができる。この調整によって、ダミートランジスタに流れるRF電流に応じた相互インダクタンスが生じるので、増幅用トランジスタのインダクタンスを制御することができる。つまり、ダミートランジスタに使用するフィンガー本数を調整することで、増幅用トランジスタの入力インピーダンスを調整することができる。具体的には、第1ダミートランジスタ40aと第2ダミートランジスタ40bのフィンガー本数を調整することで増幅用トランジスタ42aの入力インピーダンスを調整することができ、第2ダミートランジスタ40bと第3ダミートランジスタ40cのフィンガー本数を調整することで追加増幅用トランジスタ42bの入力インピーダンスを調整することができる。
ダミートランジスタに接続される入力整合回路13は、ダミートランジスタのフィンガー本数に応じて調整可能なパタンレイアウトとすることができる。ここでいう調整とは、ダミートランジスタのフィンガー本数に応じて、ボンディングワイヤに流れる電流量を制御するために、インピーダンスを最適化することを意味する。インピーダンスを制御することは、ダミートランジスタへ流れる電流量の制御を意味するので、フィンガー本数の変更と同じ意味を持つ。したがって、ダミートランジスタに使用するフィンガー本数を調整することと、入力整合回路13のパタンレイアウトの調整によってインピーダンス制御することの両方又は一方を採用することで、増幅用トランジスタ42aと追加増幅用トランジスタ42bの入力インピーダンスを調整することができる。入力整合回路13のパタンレイアウトの調整例を図6−9に示す。図6は、接続リボン60の位置によってインピーダンスを調整することを示す。図7は、接続リボン60とスパイラルインダクタ62によってインピーダンスを調整することを示す。図8は接続ワイヤボンド64の位置によってインピーダンスを調整することを示す。図9は接続ワイヤボンド64の位置と、抵抗膜66の提供によってインピーダンスを調整することを示す。これらはいずれも、入力整合回路13にダミートランジスタのインピーダンス調整部を設けたという点で共通している。図6−9に示す方法とは別の方法でインピーダンスを調整してもよい。
13 入力整合回路、 16a,16b,16c,16d 増幅用トランジスタ、 15a 第1ダミートランジスタ、 15b 第2ダミートランジスタ、 19 出力整合回路

Claims (5)

  1. 入力整合回路と、
    前記入力整合回路からボンディングワイヤを経由して信号を受ける少なくとも1つの増幅用トランジスタと、
    前記入力整合回路からボンディングワイヤを経由して信号を受ける第1ダミートランジスタと、
    前記入力整合回路からボンディングワイヤを経由して信号を受ける第2ダミートランジスタと、
    前記増幅用トランジスタの出力を出力する出力整合回路と、を備え、
    前記増幅用トランジスタは、前記第1ダミートランジスタと前記第2ダミートランジスタに挟まれ、
    前記増幅用トランジスタ、前記第1ダミートランジスタ及び前記第2ダミートランジスタは、前記入力整合回路に沿って一列に設けられ、
    前記第1ダミートランジスタと前記第2ダミートランジスタの出力を遮断する遮断回路を備え
    前記第1ダミートランジスタと前記第2ダミートランジスタによって増幅された信号は前記遮断回路によって遮断されることを特徴とする増幅器。
  2. 入力整合回路と、
    前記入力整合回路から信号を受ける少なくとも1つの増幅用トランジスタと、
    前記入力整合回路から信号を受ける第1ダミートランジスタと、
    前記入力整合回路から信号を受ける第2ダミートランジスタと、
    前記増幅用トランジスタの出力を出力する出力整合回路と、を備え、
    前記増幅用トランジスタは、前記第1ダミートランジスタと前記第2ダミートランジスタに挟まれ、
    前記増幅用トランジスタ、前記第1ダミートランジスタ及び前記第2ダミートランジスタは、前記入力整合回路に沿って一列に設けられ、
    前記第1ダミートランジスタと前記第2ダミートランジスタの出力を遮断する遮断回路を備え、
    前記遮断回路は、LC整合回路とチョークコイルを有し、
    前記第1ダミートランジスタと前記第2ダミートランジスタによって増幅された信号は前記遮断回路によって遮断されることを特徴とする増幅器。
  3. 入力整合回路と、
    前記入力整合回路から信号を受ける少なくとも1つの増幅用トランジスタと、
    前記入力整合回路から信号を受ける第1ダミートランジスタと、
    前記入力整合回路から信号を受ける第2ダミートランジスタと、
    前記増幅用トランジスタの出力を出力する出力整合回路と、
    前記第1ダミートランジスタと前記第2ダミートランジスタの出力を遮断する遮断回路と、を備え、
    前記増幅用トランジスタは、前記第1ダミートランジスタと前記第2ダミートランジスタに挟まれ、
    前記増幅用トランジスタ、前記第1ダミートランジスタ及び前記第2ダミートランジスタは、前記入力整合回路に沿って一列に設けられ、
    前記第1ダミートランジスタと前記第2ダミートランジスタによって増幅された信号は前記遮断回路によって遮断され、
    前記第1ダミートランジスタと前記第2ダミートランジスタの構造を、前記増幅用トランジスタの構造と相違させることで、前記第1ダミートランジスタと前記第2ダミートランジスタに流れる電流を、前記増幅用トランジスタに流れる電流に一致させたことを特徴とする増幅器。
  4. 入力整合回路と、
    前記入力整合回路から信号を受ける少なくとも1つの増幅用トランジスタと、
    前記入力整合回路から信号を受ける第1ダミートランジスタと、
    前記入力整合回路から信号を受ける第2ダミートランジスタと、
    前記増幅用トランジスタの出力を出力する出力整合回路と、を備え、
    前記増幅用トランジスタは、前記第1ダミートランジスタと前記第2ダミートランジスタに挟まれ、
    前記増幅用トランジスタ、前記第1ダミートランジスタ及び前記第2ダミートランジスタは、前記入力整合回路に沿って一列に設けられ、
    前記入力整合回路から信号を受け、前記出力整合回路に信号を出力する追加増幅用トランジスタと、
    前記入力整合回路から信号を受ける第3ダミートランジスタと
    前記第1ダミートランジスタと前記第2ダミートランジスタと前記第3ダミートランジスタの出力を遮断する遮断回路と、を備え、
    前記追加増幅用トランジスタは、前記第2ダミートランジスタと前記第3ダミートランジスタに挟まれ、
    前記第1ダミートランジスタ、前記第2ダミートランジスタ及び前記第3ダミートランジスタは、マルチフィンガー構造を有するトランジスタであり、
    前記第1ダミートランジスタと前記第2ダミートランジスタと前記第3ダミートランジスタによって増幅された信号は前記遮断回路によって遮断されることを特徴とする増幅器。
  5. 前記入力整合回路に、前記第1ダミートランジスタ、前記第2ダミートランジスタ及び前記第3ダミートランジスタのインピーダンス調整部を設けたことを特徴とする請求項4に記載の増幅器。
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