JP6658162B2 - 電力増幅器 - Google Patents

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Description

本発明は、移動体通信、衛星通信用などのマイクロ波帯、ミリ波帯、例えば数ＭＨｚから数１００ＧＨｚの通信機器に用いられる高周波電力増幅器に関する。
従来の電力増幅器では、トランジスタにとって最適な位相の高調波を反射させる高調波回路を用いて、トランジスタの電力付加効率（PAE: Power-Added Efficiency）を向上させていた（例えば、特許文献１〜３参照）。高調波回路では、理想的には、Ｆ級動作の場合には２倍波等の偶高調波をショートのインピーダンスにする必要があり、逆Ｆ級動作の場合には３倍波以上の奇高調波をショートのインピーダンスにする必要がある（例えば、非特許文献１参照）。高調波回路として、キャパシタ、ワイヤ又はオープンスタブなどがトランジスタの入力端子又は出力端子に接続されている。
特開２０１２−２０５２４６号公報 特開２００９−１５９５９１号公報 特開２００１−５３５１０号公報
井上晃、外４名、「Ｆ級および逆Ｆ級増幅器の解析」、信学技報、社団法人 電子情報通信学会、TECHNICAL REPORT OF IEICE ED 2003-214, ED2000-231, p.29-35
従来の電力増幅器ではトランジスタの外部に高調波回路を設けていたため、トランジスタと高調波回路の間にワイヤ又は配線パターンなどが存在する。これにより、寄生インダクタ及び寄生抵抗を生じ、所望の高調波のインピーダンスに設定することは困難であった。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は高調波のインピーダンスを容易に設定することができ、電力付加効率を向上させることができる電力増幅器を得るものである。
本発明に係る電力増幅器は、ゲート電極、ソース電極及びドレイン電極を有するトランジスタと、ゲート配線を介して前記ゲート電極に接続された受動部品と、前記ソース電極と前記ゲート配線との間に接続され、前記ゲート電極と前記受動部品との間でかつ前記ソース電極と前記ゲート配線との間の領域に配置された高調波回路とを備え、前記高調波回路は、サイズの異なる複数の高調波回路を有し、サイズの小さい高調波回路ほど前記トランジスタの前記ゲート電極の近くに配置されていることを特徴とする。
本発明では、高調波回路は、ゲート電極と受動部品との間でかつソース電極とゲート配線との間の領域に配置されている。これにより、高調波回路の寄生インダクタ及び寄生抵抗を減らすことができるため、高調波のインピーダンスを容易に設定することができ、電力付加効率を向上させることができる。
本発明の実施の形態１に係る電力増幅器を示す平面図である。 本発明の実施の形態１に係る高調波回路を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る電力増幅器の回路図である。 本発明の実施の形態１に係る電力増幅器において基本波１０ＧＨｚに対する高調波（２倍波）を設計した結果を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る電力増幅器を示す平面図である。 本発明の実施の形態３に係る電力増幅器を示す平面図である。 本発明の実施の形態３に係る電力増幅器の変形例を示す平面図である。 本発明の実施の形態４に係る電力増幅器を示す平面図である。 本発明の実施の形態５に係る電力増幅器を示す平面図である。 本発明の実施の形態６に係る電力増幅器を示す平面図である。 本発明の実施の形態７に係る電力増幅器を示す平面図である。 本発明の実施の形態８に係る電力増幅器を示す平面図である。
本発明の実施の形態に係る電力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、本発明の実施の形態１に係る電力増幅器を示す平面図である。トランジスタ１が基板（不図示）上に形成されている。トランジスタ１はゲート電極２、ソース電極３ａ，３ｂ及びドレイン電極４を有する。受動部品の一つであるゲートパッド５がゲート配線６を介してゲート電極２に接続されている。ソース電極３ａ，３ｂはゲート配線６の両側にそれぞれ配置されている。高調波回路７ａがソース電極３ａとゲート配線６との間に接続されている。
図２は、本発明の実施の形態１に係る高調波回路を示す断面図である。ソース電極３ａから延びた上電極８とゲート配線６から延びた下電極９との間に絶縁物１０が設けられてＭＩＭキャパシタが構成されている。
図３は、本発明の実施の形態１に係る電力増幅器の回路図である。高調波回路７ａのＭＩＭキャパシタは、トランジスタ１のゲート電極２から見た高調波のインピーダンスをショートに持っていく。
本実施の形態では、高調波回路７ａは、ゲート電極２とゲートパッド５との間でかつソース電極３ａとゲート配線６との間の領域に配置されている。これにより、高調波回路７ａの寄生インダクタ及び寄生抵抗を減らすことができるため、高調波のインピーダンスを所望の値に容易に設定することができる。
また、高調波の位相が誘導性リアクタンスになると電力増幅器の電力付加効率が低下するが、寄生インダクタ成分が減ることで高調波の位相を容量性リアクタンスに留めておき易く、電力増幅器の特性上好ましい。さらに、位相の回りを鈍感にすることができ、特に数ＧＨｚ以上の周波数でも高調波回路の設計が容易となり、製造上のばらつきも小さくなる。また、寄生抵抗が減ることで、高調波のΓを１に近づけ易くなり、電力増幅器の電力付加効率が向上する。
図４は、本発明の実施の形態１に係る電力増幅器において基本波１０ＧＨｚに対する高調波（２倍波）を設計した結果を示す図である。２倍波２０ＧＨｚのインピーダンスがΓ＝０．９３０、位相が約−１７２°にきており、電力増幅器の電力付加効率が向上する高調波インピーダンスに整合できていることが分かる。
また、高調波回路７ａをトランジスタ１のゲート電極２の直近に設けることで、ゲートパッド５の外側の回路の影響で高調波の位相が変動してもほぼ影響を受けない。このため、ゲートパッド５の外部で高調波を気にすることなく基本波の回路を設計することができる。これにより、電力増幅器の電力付加効率を向上させることができる。
なお、高調波回路７ａは、ＭＩＭキャパシタに限らず、パッド、配線パターン、インダクタ、抵抗、それらが持つ基板間寄生容量などを有するものでもよい。また、電力増幅器の出力電力を上げる等のためにトランジスタ１を並列接続する際に、抵抗などを用いて高調波回路７ａ同士を接続する。
実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２に係る電力増幅器を示す平面図である。本実施の形態では、ソース電極３ａとゲート配線６との間に接続されかつ配置された高調波回路７ａだけでなく、ソース電極３ｂとゲート配線６との間に接続されかつ配置された高調波回路７ｂも設けられている。その他の構成は実施の形態１と同様である。
これにより、高調波回路７ａ，７ｂからソース電極３ａ，３ｂまでの寄生インダクタ及び寄生抵抗を下げることができる。従って、高調波の位相を容量性リアクタンスに留めておきやすく、高調波のΓを１に近づけやすくなり、トランジスタ１から見た高調波インピーダンスを制御しやすくなる。
また、高調波回路７ａ，７ｂはゲート配線６を挟んで左右対称に配置されている。このため、トランジスタ１の右端と左端から高調波回路７ａ，７ｂを見たときの高調波インピーダンスが等しく見える。これにより、トランジスタ１内での発振を抑えることができ、またトランジスタ１内で均一ＲＦ動作することで電力増幅器の電力付加効率を向上することができる。特に、数１０ＧＨｚ以上の周波数では、トランジスタ１内の電力不当分配が発生しやすくなるため、トランジスタ１から見た高調波回路７ａ，７ｂを対称に配置した方が好ましい。
実施の形態３．
図６は、本発明の実施の形態３に係る電力増幅器を示す平面図である。本実施の形態では、ソース電極３ａ，３ｂにそれぞれ接続されて同電位となった配線パターン１１ａ，１１ｂが設けられている。高調波回路７ａ，７ｂは配線パターン１１ａ，１１ｂ上にそれぞれ配置されている。配線パターン１１ａ，１１ｂは高調波回路７ａ，７ｂより幅が広い。その他の構成は実施の形態２と同様である。
これにより、高調波回路７ａ，７ｂからソース電極３ａ，３ｂまでの寄生インダクタ及び寄生抵抗を下げることができる。従って、高調波の位相を容量性リアクタンスに留めておきやすく、高調波のΓを１に近づけやすくなり、トランジスタ１から見た高調波インピーダンスを制御しやすくなる。これにより、電力増幅器の電力付加効率を向上することができる。
図７は、本発明の実施の形態３に係る電力増幅器の変形例を示す平面図である。配線パターン１１ａ，１１ｂはゲート配線６に接続されて同電位となっている。この場合でも実施の形態３と同様の効果を得ることができる。
実施の形態４．
図８は、本発明の実施の形態４に係る電力増幅器を示す平面図である。高調波のインピーダンスは高調波回路のサイズ、即ちキャパシタ容量及び配線長（インダクタンス値）に依存する。高調波回路のサイズを小さくすると数１０ＧＨｚといった高周波帯域の高調波に作用させることができ、高調波回路のサイズを大きくすると数ＭＨｚといった低周波帯域の高調波に作用させることができる。そこで、本実施の形態では、サイズの異なる高調波回路７ａ，７ｂを設けている。これにより、それぞれの高調波回路７ａ，７ｂに対応する周波数帯域に高調波インピーダンスの整合をとることができ、電力増幅器として電力付加効率の高い周波数を広帯域化することができる。
高調波インピーダンスの整合のためには、高周波帯域に作用する高調波回路ほどトランジスタ１のゲート電極２に近づける必要がある。そこで、サイズの小さい高調波回路７ｂをサイズの大きい高調波回路７ａよりもトランジスタ１の近くに配置している。なお、サイズの異なる３つ以上の高調波回路を設けてもよいが、サイズの小さい高調波回路ほどトランジスタ１の近くに配置する必要がある。
実施の形態５．
図９は、本発明の実施の形態５に係る電力増幅器を示す平面図である。本実施の形態では、高調波回路７ａは、ＭＩＭキャパシタとソース電極３ａ，３ｂとの間に接続された配線パターン１２を有する。なお、配線パターン１２をＭＩＭキャパシタとゲート配線６との間に接続してもよい。その他の構成は実施の形態１と同様である。
積極的に配線パターン１２を挿入することで、配線パターン１２とＭＩＭキャパシタとで所望の周波数でＬＣ共振させることができる。これにより、所望の周波数帯域で高調波のΓをより１に近づけやすくなる。また、ＬＣ共振することで、高調波回路７ａの容量を少なくしても所望の高調波のインピーダンスに持っていくことができる。よって、小型で電力付加効率の高い電力増幅器を得ることができる。
実施の形態６．
図１０は、本発明の実施の形態６に係る電力増幅器を示す平面図である。本実施の形態では、高調波回路７ａは、ＭＩＭキャパシタとソース電極３ａ，３ｂとの間に接続された抵抗パターン１３を有する。なお、抵抗パターン１３をＭＩＭキャパシタとゲート配線６との間に接続してもよい。
積極的に抵抗パターン１３を挿入することで、高調波のΓは１より小さくなってしまうが、高調波の位相の変動を小さくすることができる。高調波のΓが１より小さくなることで電力増幅器の電力付加効率向上は小さくなるが、高調波の位相変動を小さくすることができるため、広帯域な電力増幅器を作りやすい。また、実施の形態４のように複数の高調波回路７ａを設ける必要がなく、電力増幅器を小型化できる。
実施の形態７．
図１１は、本発明の実施の形態７に係る電力増幅器を示す平面図である。本実施の形態では、ゲートパッド５の互いに対向する第１及び第２の辺にそれぞれ他の電力増幅器のゲートパッドが並列に接続される。
高調波回路７ａを設けることでゲートパッド５とゲート電極２の間に配線パターンと容量が入るため、特に数１０ＧＨｚ以上の帯域でＲＦ動作させるトランジスタを並列配置した場合、トランジスタ内又はトランジスタ間で発振条件を満たしてしまう場合がある。
そこで、ゲートパッド５の内部において第１の辺と第２の辺との間に抵抗パターン１４を挿入している。これにより、トランジスタ内又はトランジスタ間のアイソレーションが向上するため、発振しにくい電力増幅器を得ることができる。なお、ここでは受動部品としてゲートパッド５を用いたが、中央に抵抗パターン１４を挿入できるものであれば受動部品の種類は問わない。
実施の形態８．
図１２は、本発明の実施の形態８に係る電力増幅器を示す平面図である。本実施の形態では、ゲートパッド５に他の電力増幅器が並列に接続され、ゲートパッド５と他の電力増幅器との間に抵抗パターン１５が接続されている。これにより、トランジスタ間のアイソレーションが向上するため、発振しにくい電力増幅器を得ることができる。
また、実施の形態７又は８の抵抗パターン１４，１５に起因する回路の損失は極力小さくしたい。一方、高温時にはトランジスタ１の性能が低下するため、アイソレーションのための抵抗パターン１４，１５を室温時ほど見せる必要がなくなる。そこで、抵抗パターン１４，１５は、温度が上がると抵抗値が上がる特性を有することが好ましい。これにより、高温時に抵抗パターン１４，１５がＲＦ信号から見え難くなるため、高温時の電力増幅器の電力付加効率の低下を抑制することができる。
また、実施の形態７又は８の抵抗パターン１４，１５として細い薄膜金属配線又はコンタクト抵抗などの寄生抵抗を用いることができる。これにより、通常の抵抗パターンよりも小さな抵抗値を得ることができるため、電力付加効率の低下を抑えながら、安定性の高い電力増幅器を得ることができる。
なお、基板全体の厚みを変更するか、基板の一部を凹又は凸にすることで、トランジスタ１のゲート電極２から見た高調波回路７ａ，７ｂの容量成分を調整することができる。基板の厚みを薄くすることで、高調波回路７ａ，７ｂの容量成分を大きく見せることができ、回路の小型化が図れる。一方、基板の厚みを厚くすることで、高調波回路７ａ，７ｂの容量成分を小さく見せることができ、回路定数を微調整することができ、高調波回路７ａ，７ｂの設計が容易になる。
１ トランジスタ、２ ゲート電極、３ａ，３ｂ ソース電極、４ ドレイン電極、５ ゲートパッド（受動部品）、６ ゲート配線、７ａ，７ｂ 高調波回路、１１ａ，１１ｂ，１２ 配線パターン、１３，１４，１５ 抵抗パターン

Claims (10)

  1. ゲート電極、ソース電極及びドレイン電極を有するトランジスタと、
    ゲート配線を介して前記ゲート電極に接続された受動部品と、
    前記ソース電極と前記ゲート配線との間に接続され、前記ゲート電極と前記受動部品との間でかつ前記ソース電極と前記ゲート配線との間の領域に配置された高調波回路とを備え、
    前記高調波回路は、サイズの異なる複数の高調波回路を有し、
    サイズの小さい高調波回路ほど前記トランジスタの前記ゲート電極の近くに配置されていることを特徴とする電力増幅器。
  2. ゲート電極、ソース電極及びドレイン電極を有するトランジスタと、
    ゲート配線を介して前記ゲート電極に接続された受動部品と、
    前記ソース電極と前記ゲート配線との間に接続され、前記ゲート電極と前記受動部品との間でかつ前記ソース電極と前記ゲート配線との間の領域に配置された高調波回路とを備え、
    前記受動部品の互いに対向する第１及び第２の辺にそれぞれ他の電力増幅器が並列に接続され、
    前記受動部品の内部において前記第１の辺と前記第２の辺との間に抵抗パターンが挿入されていることを特徴とする電力増幅器。
  3. 前記ソース電極は、前記ゲート配線の両側にそれぞれ配置された第１及び第２のソース電極を有し、
    前記高調波回路は、前記第１のソース電極と前記ゲート配線との間に接続されかつ配置された第１の高調波回路と、前記第２のソース電極と前記ゲート配線との間に接続されかつ配置された第２の高調波回路とを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の電力増幅器。
  4. 前記第１及び第２の高調波回路は前記ゲート配線を挟んで左右対称に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の電力増幅器。
  5. 前記ソース電極又は前記ゲート配線に接続されて同電位となった配線パターンを更に備え、
    前記高調波回路は前記配線パターン上に配置され、
    前記配線パターンは前記高調波回路より幅が広いことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の電力増幅器。
  6. 前記高調波回路は配線パターンを有することを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の電力増幅器。
  7. 前記高調波回路は抵抗パターンを有することを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の電力増幅器。
  8. 前記受動部品に他の電力増幅器が並列に接続され、
    前記受動部品と前記他の電力増幅器との間に抵抗パターンが接続されていることを特徴とする請求項１に記載の電力増幅器。
  9. 前記抵抗パターンは、温度が上がると抵抗値が上がる特性を有することを特徴とする請求項２又は８に記載の電力増幅器。
  10. 前記抵抗パターンは、薄膜金属配線又はコンタクト抵抗の寄生抵抗であることを特徴とする請求項２，８，９の何れか１項に記載の電力増幅器。
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