JPH11234062A

JPH11234062A - 高周波増幅器

Info

Publication number: JPH11234062A
Application number: JP3123398A
Authority: JP
Inventors: Shinya Komai; 真也駒井
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1998-02-13
Filing date: 1998-02-13
Publication date: 1999-08-27

Abstract

(57)【要約】【課題】基本波整合回路に影響しない２倍波短絡回路
と３倍波開放回路を同時に実現できるようにして、設計
の自由度の高い整合回路を提供するとともに理想的な実
装のされる増幅器を提供する。【解決手段】増幅素子に直列に接続された基本波整合
回路を介して負荷に電力を供給する高周波増幅器におい
て、該基本波整合回路に該増幅素子と直列に整合された
第３次高調波に共振する並列共振回路が設けられ、該増
幅素子の出力端に一端が接続され、他端を高周波的に接
地されることにより、該増幅素子の出力端に対し並列に
接続される基本波の１／４波長の電気長を有する伝送回
路が設けられ、該伝送回路を介して該増幅素子に電源を
供給する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体デバイスの
ような増幅素子を使用し、マイクロ波帯のような高周波
を増幅して負荷に電力を供給する高周波増幅器に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、増幅素子を効率的に動作させる
ための有効な方法として、増幅素子の出力に発生する高
調波に対する負荷を偶数次高調波に対しては短絡、奇数
次高調波に対しては開放とすることによって高調波によ
る電力の発生をなくし、基本波の電力効率を最大にする
Ｆ級増幅器が知られている。高調波の中では２倍波（第
２高調波）と３倍波（第３次高調波）が特に強いので、
通常は３倍波までの処理を考えれば十分である。

【０００３】従来より、Ｆ級増幅器が提案されており、
例えば、特開平６−２０４７６４号に開示されている増
幅器を挙げることができる。これについて、図５を参照
し説明する。トランジスタ１の出力端（ノード点）５
（α点）には、基本波の１／８波長の先端を開放した伝
送線路３１が接続されている。これは、偶数次高調波の
うち、２倍波（第２次高調波）、６倍波（第６次高調
波）、１０倍波（第１０次高調波）に対して、それぞれ
１／４波長、３／４波長、５／４波長…となり、α点を
短絡（Ｚ＝０）にする。また、この伝送線路３１は奇数
次高調波すなわち３倍波）第３次高調波）、５倍波（第
５次高調波）、７倍波（第７次高調波）…に対して、そ
れぞれ３／８波長、５／８波長、７／８波長…となり、
α点から見るとそれぞれｊＺ₀、−ｊＺ₀、ｊＺ₀…とイ
ンピーダンスを与えることになる。ここでＺ₀は伝送線
路３１の特性インピーダンスである。さらに、出力端子
５には基本波の１／８波長の伝送線路３２が接続されて
おり、もしその先端の点（ノード点）６（β点）が奇数
次高調波に対して短絡となっていれば、これは３倍波、
５倍波、７倍波…に対して、α点から見てそれぞれ−ｊ
Ｚ₀、ｊＺ₀、−ｊＺ₀…のインピーダンスを与えること
になる。従って、β点が特定の奇数次高調波に対して短
絡であれば、伝送線路３１と同３２は並列共振回路を形
成し、Ａ点は開放（Ｚ＝∞）となる。点６（β点）を短
絡するには、例えば３倍波に対しては１／１２波長の先
端開放伝送線路３４、５倍波に対しては１／２０波長の
先端開放伝送線路３３を接続すれば良い。尚、ここでい
う波長とはすべて基本波に対するものである。点６（β
点）の先には基本波に対する整合回路３０が接続され
る。伝送線路３１、３２、３３、３４等をトランジスタ
１との間に挿入したことことにより、当然ながら基本波
の整合に影響が及ぼされるので、整合回路３０はそれを
含めた状態で負荷への整合調整が行われる。

【０００４】もう１つの例として、特開平８−１４８９
４９号に開示している増幅器をあげることができる。こ
れについて図６を参照し説明する。トランジスタ１に直
列に接続された基本波整合回路４０を介して負荷に電力
を供給するようになっている。また、基本波整合回路４
０にはトランジスタ１と直列に接続された誘導素子４０
Ａが設けられている。尚、誘導素子４０Ｂは基本波整合
回路のその他の部分である。４１はトランジスタ１の出
力端５と接地電位との間に接続された直列共振回路であ
り、２倍波に対して共振し、２倍波に対する短絡条件を
実現する。また、４２はトランジスタ１の出力端５と接
地電位との間に接続された並列共振回路であり、直列共
振回路４１と合わせて基本波及び３倍波で共振し、３倍
波の開放条件を実現する。さらに、基本波整合回路４０
に含まれる誘導素子４０Ａは３倍波に対して十分高いイ
ンピーダンスを示すので、３倍波の負荷条件はそれより
後の基本波整合回路の影響を殆ど受けない。このように
して、基本波に対するインピーダンスに影響を与えずに
２倍波の短絡条件と３倍波の開放条件を同時に実現でき
るので、自由度の高い基本波整合回路を独立して設計す
ることができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前者の増幅器では、伝
送線路３１、３２、３３、３４等をトランジスタ１との
間に挿入したことにより、基本波の整合に影響が及ぼさ
れる。また、基本波整合回路を３倍波について分離する
手段を有していないので、基本波整合回路は基本波と３
倍波の両方を考慮して設計しなければならず、設計が煩
雑になり自由度が小さくなる。さらに、トランジスタ１
への電源の供給は、チョークコイル等の部品を用いた専
用のバイアス回路が必要となる。

【０００６】また、後者の増幅器では、直列共振回路４
１と並列共振回路４２を合わせたものが基本波と３倍波
の両方で同時に共振することを前提にしている。しか
し、実際の素子でこれを実現することは非常に困難であ
ると考えられる。直列共振回路４１が２倍波で共振する
とき、基本波に対しては容量性、３倍波に対しては誘導
性のリアクタンスを示す。一方、並列共振回路４２は低
い周波数では誘導性、高い周波数では容量性のリアクタ
ンスを示す。従って、直列共振回路４１と並列共振回路
４２をさらに並列に接続することにより、基本波または
３倍波に対して並列共振させることは原理的に可能であ
る。

【０００７】図７は、図６の共振回路４１、４２の部分
を取り出したものであり、インダクタＬ₁とキャパシタ
Ｃ₁で構成される直列共振回路とインダクタＬ₂とキャパ
シタＣ₂で構成される並列共振回路をさらに並列に接続
した共振回路を構成している。まず、２倍波に対してイ
ンピーダンスを０（ゼロ）にするという条件から、Ｌ₁
Ｃ₁＝１／（４ω₀ ²）を満たす必要がある。ここで、ω₀
は基本波に対する角振動数である。このとき図７の共振
回路全体が基本波と３倍波の両方で共振するという条件
から、Ｌ₂＝５Ｌ₁／３、Ｃ₂＝１６Ｃ／１５が導かれ
る。すなわち、Ｌ₁、Ｃ₁、Ｌ₂、Ｃ₂がこれら３つの関係
をともに満たせば基本波と３倍波に対して開放、２倍波
に対して短絡の負荷条件が満たされる。

【０００８】しかし、これは素子のＱ値が無限大と見な
せるような理想的な場合についてのみ成り立つ関係であ
り、実際の素子ではインダクタに対して並列の寄生容量
や直列の寄生抵抗が存在するために図７のような単純な
回路では表わせなくなる。当然、周波数依存性をもつの
で基本波、３倍波に対するインダクタンスは異なってく
る。さらには配線長の影響もあって、それらをすべて含
めると設計は非常に複雑となり、基本波と３倍波の両方
で正確に共振させることは殆ど不可能に近い。基本波整
合回路の設計を容易にするという発明の目的とは裏腹
に、この共振回路の設計が極めて困難であり、実現の可
能性の乏しい回路であると言える。

【０００９】さらに、図６に示す基本波整合回路４０に
はトランジスタ１の出力端と直列に誘導素子４０Ａが挿
入されているが、例えば０．９ＧＨｚ帯のような比較的
低い周波数帯で３倍波を効果的に減衰させるにはかなり
大きなインダクタが必要となる。図４は、ポート１、２
の間に直列に接続された誘導素子に対する進行波成分｜
Ｓ₂₁｜に周波数特性である。この図から０．９ＧＨｚの
３倍波（すなわち２．７ＧＨｚ）を効果的に減衰させる
には、少なくとも数１０ｎＨ以上のかなり大きなインダ
クタが必要になることがわかる。また、その場合は基本
波の損失も非常に大きくなってしまうという問題があ
る。もちろん、トランジスタへの電源の供給を専用のバ
イアス回路を用いて行うことは前者の例と同じである。

【００１０】さらに、上記２つの例だけでなく、高調波
の負荷を制御して増幅器を高効動作させるという目的の
従来の回路例では、いずれも回路図上の理論だけに止ま
っていて、実装時に生じる問題にまで触れた例はみられ
なかった。上記２つのの例では、トランジスタのコレク
タ（またはドレイン）から高調波を制御するための線路
と基本波を制御するための線路の分岐点５（すなわちα
点）までの距離は０（ゼロ）であることを仮定している
が、実際のデバイスではそのようなことはありえない。
何故ならば、単体のトランジスタでも、モノリシックＩ
Ｃ（ＭＭＩＣ）でもパッケージの出力端子と半導体チッ
プの出力端子の間には必ずボンディングワイヤ等の伝送
線路が存在するからである。マイクロ波帯のような高周
波では、たとえわずかの線路であっても位相の回転に大
きく影響し、周波数に比例した位相の回転を与える。例
えば、厚さ０．６ｍｍ、比誘電率１０の誘電体基板上の
５０Ωマイクロストリップ線路で計算してみると、０．
９ＧＨｚ帯の場合、仮に３ｍｍの伝送線路があったとす
れば基本波に対して約１７°、２倍波に対して約３４
°、３倍波に対しては約５１°もの位相回転を生じる。
従って、たとえα点において２倍波に対して短絡、３倍
波に対して開放の負荷条件が成立したとしても、トラン
ジスタの出力端との間に伝送線路が存在すれば周波数に
比例した位相回転が起こり、トランジスタの出力端から
見れば負荷条件は大きくずれてしまう。これを見込んで
整合回路を設計することは非常に煩雑であり、周波数に
よって位相の回転角が異なるため、すべての周波数で同
時に負荷条件を満足させることは事実上不可能であると
言える。

【００１１】そこで、本発明はこのような問題を解決す
るために発明されたものであって、基本波整合回路に影
響しない２倍波短絡回路と３倍波開放回路を同時に実現
できるようにして、設計の自由度の高い整合回路を提供
するとともに理想的な実装のされる増幅器を提供するこ
とにより、ひいては効率的な高周波増幅器の設計を容易
にすることを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の高周波増幅器
は、増幅素子に直列に接続された基本波整合回路を介し
て負荷に電力を供給する高周波増幅器において、該基本
波整合回路に該増幅素子と直列に整合された第３次高調
波に共振する並列共振回路を設けるとともに、該増幅素
子の出力端に一端が接続され、他端を高周波的に接地さ
れることにより、該増幅素子の出力端に対し並列に接続
される基本波の１／４波長の電気長を有する伝送線路を
配設し、該伝送線路介して該増幅素子に電源を供給する
ことを特徴とする。

【００１３】また、本発明の高周波増幅器は、増幅素子
の出力端から基本波を制御する伝送路と高調波を制御す
る伝送線路を分岐させることによって偶数次高調波の短
絡条件と奇数次高調波の開放条件を実現する高周波増幅
器において、基本波を制御する伝送線路と高調波を制御
する少なくとも１つ以上の伝送線路をボンデングパッド
の近傍で分岐させるパターンを有する誘電体基板に、前
記増幅素子を有する半導体チップを直接フリップチップ
ボンディングしてなることを特徴とする。

【００１４】本発明の作用を以下に説明する。本発明の
高周波増幅器では、先端を高周波的に短絡された１／４
波長の伝送線路は、２倍波（第２次高調波）に対しては
１／２波長、３倍波（第３次高調波）に対しては３／４
波長に相当するため、増幅素子すなわちトランジスタの
出力端から見ると基本波に対しては開放、２倍波に対し
ては短絡、３倍波に対しては開放の負荷条件が実現され
る。また、３倍波で共振する並列共振回路によって、そ
れよりも先の基本波整合回路の部分へ３倍波の影響が及
ばないので、基本波整合回路を独立に設計することがで
きる。さらに、先端を高周波的に短絡された１／４波長
の伝送線路はトランジスタの出力端から見ると開放であ
るので基本波の整合に影響を与えない。この伝送線路を
介してトランジスタに電源を供給することにより、チョ
ークコイル等を用いた専用のバイアス回路が不要とな
り、回路をより簡略化できる。

【００１５】また、本発明の高周波増幅器では、増幅素
子を有する半導体チップを誘電体基板に直接フリップチ
ップボンディングするものであるから、高調波を制御す
るための線路と基本波を制御するための線路を増幅素
子、例えばトランジスタの出力端の直近から分岐させる
ことができるので、回路図に極めて近い理想的な実装状
態を実現することができるため、ボンディングワイヤ等
の伝送線路の影響による位相回転がなくなり、高効率な
高周波増幅器を実現する整合回路の設計が容易になる。

【００１６】

【発明の実施の形態】（実施の形態１）本発明の高周波
増幅器の実施の形態１について、その回路を示す図１を
参照し、説明する。１は高周波増幅器の出力用（最終
段）の増幅素子であるトランジスタであり、そのエミッ
タが接地され、そのベースに入力が供給されるようにさ
れており、そのコレクタである出力端５（α点）にはキ
ャパシタ４によって一端を高周波的に接地された基本波
の１／４波長の伝送線路３が接続されている。また、伝
送線路３の他端であるキャパシタ４の側には電源を接続
し、トランジスタ１に電源を供給するようにしている。
さらに、トランジスタ１の出力端５には３倍波（第３高
調波）で共振する並列共振回路２Ａの一端が接続され、
該並列共振回路２Ａの他端には基本波の負荷を調整する
ための回路２Ｂが接続される。並列共振回路２Ａは基本
波の負荷を調整するための回路２Ｂとともに基本波整合
回路２を構成する。この基本波整合回路２の出力側、す
なわち回路２Ｂの出力側より出力される。なお、並列共
振回路２Ａは、位相の回転をなくすためにトランジスタ
１の出力端５のできるだけ直近に配置することが望まし
い。

【００１７】先端を高周波的に接地された１／４波長の
伝送線路３は、トランジスタ１の出力端５から見れば開
放であるから基本波の整合に影響を与えない。従って、
伝送線路３を介してトランジスタ１に電源を供給するこ
とができ、チョークコイル等を用いたバイアス回路を別
に必要としない。また、伝送線路３は、２倍波（第２次
高調波）に対しては１／２波長、３倍波に対しては３／
４波長であるから、２倍波に対しては短絡、３倍波に対
しては開放の負荷条件が自動的に満たされる。

【００１８】図３は、ポート１、２の間に直列に接続さ
れた並列共振回路２Ａに対する進行波成分｜Ｓ₂₁｜の周
波数特性を示す図である。ここでは、０．９ＧＨｚの３
倍波、すなわち２．７ＧＨｚで共振するように設計され
ている。この図から、３倍波は十分に阻止され、しかも
基本波には殆ど影響を与えないことがわかる。この場
合、インダクタの値は１ｎＨ、キャパシタの値は３．５
ｐＦであったので、比較的小さな素子値で実現できるこ
とも利点である。。この並列共振回路２Ａによって高調
波の負荷を調整する部分と基本波の負荷を調整する部分
が３倍波に対して完全に分離され、基本波の負荷を調整
するための回路２Ｂは３倍波への影響を考慮することな
く独立して設計することができる。もちろん、並列共振
回路２Ａは基本波に対しては十分低いインピーダンスを
示すので、基本波の損失を大きくすることもない。

【００１９】その結果、トランジスタ１のベースに入力
された信号は、トランジスタ１で増幅され、そのコレク
タの出力端５から基本波整合回路２の出力側を通じて基
本波が効率的に出力される。

【００２０】（実施の形態２）本発明の高周波増幅器の
実施の形態２について、それを示す図２を参照し説明す
る。図２（ａ）はこの実施の形態２の平面図を、図２
（ｂ）は図２（ａ）のＩ−Ｉ線に沿った断面図を示し、
図２（ｃ）は部分拡大断面図を示す。ここでは、上記実
施の形態１の高周波増幅器を適用した例について以下に
説明するが、高調波の負荷を制御することにより高効率
な高周波増幅器を実現するすべての回路に対して適用で
きることは言うまでもない。図２（ａ）において、１０
は、セラミック等の誘電体基板、１１は半導体チップが
ボンディングされる部分、１２はボンディングパッドで
ある。半導体チップ上のトランジスタ１の出力端（バン
プパッド）はバンプを介してボンディングパッド１２と
接続される。１５は基本波の１／４波長のマイクロスト
リップ伝送線路であり、その一端はチップコンデンサ１
４及びスルーホール１６を介して高周波的に接地され、
さらに電源端子２１と接続されている。また、マイクロ
ストリップ伝送線路１５の他端は、ボンディングパッド
１２の直近に接続されている。

【００２１】一方、チップインダクタ１３とチップコン
デンサ１４で構成される並列共振回路２Ａは、その一端
がボンディングパッド１２の直近に接続され、その他端
がチップコンデンサ１４とスルーホール１６、及びマイ
クロストリップ伝送線路で構成される基本波の負荷を調
整するための回路２Ｂに接続されている。このとき並列
共振回路２Ａ内の伝送線路はできるだけ短くすることが
望ましい。

【００２２】ここで、誘電体基板１０においてボンディ
ングパッド１２からのびる伝送線路は分岐点γにおいて
分岐し、マイクロストリップ線路１５の一端、チップコ
ンデンサ１４及びチップインダクタ１３に接続する伝送
線路の一端にそれぞれ連続しているパターンを形成して
いる。

【００２３】１７は出力端子、１８は入力端子、１９は
出力を制御するための電圧を与える端子、２０は最終段
以外の電源を供給する端子である。また、２１は、最終
段トランジスタに電源を供給する端子、２２はスルーホ
ール１６を介して半導体チップに接地電位を与えるため
のパッドである。このようにして誘電体基板１０には、
ボンディングパッド１２、それから伸びる伝送線路、マ
イクロストリップ線路１５、チップコンデンサ１４、チ
ップインダクタ１３、入出力端子等を相互に接続する伝
送線路等をマイクロストリップ線路としてパターン作成
されている。

【００２４】この誘電体基板１０に、半導体チップ等を
直接フリップチップボンディングしている。なお、半導
体チップのバンプパッドがバンプを介して誘電体基板１
０の対応するボンディングパッドに接続している。この
フリップチップボンディングの状態の断面を図２（ｂ）
及びその半導体チップ周辺の拡大断面図を図２（ｃ）に
示す。ここで、１ＧＨｚ程度の高周波では伝送線路の長
さが例えば１ｍｍ違っても負荷インピーダンスに数度の
位相回転を生ずる。位相回転を１度以内に押さえるため
には、トランジスタ１の出力端のバンプパッドに接続さ
れたバンプからマイクロストリップ伝送線路の分岐点γ
までの距離は０．２ｍｍ以下にする必要がある。半導体
チップの周辺の拡大断面図を示す図２（ｃ）において、
トランジスタ１の出力端のバンプパッドに接続されたバ
ンプからマイクロストリップ線路の分岐点γまでの距離
をＤとすると、バンプパッドの大きさが１００μｍ角程
度であることから距離Ｄがそれに比べて大きくない程度
であれば実用上問題は起こらないと考えられる。なお、
この距離Ｄは、取り扱う周波数に応じ設定することがで
きるのはもちろんのことであり、実用上から設定するこ
とができる。こうして、マイクロストリップ線路１５、
チップコンデンサ１４、チップインダクタ１３がボンデ
ィングパッドの直近に接続される。

【００２５】このフリップチッップボンディングによ
り、１／４波長の伝送線路１５と並列共振回路２Ａはボ
ンディングパッド１２、すなわちトランジスタ１の出力
端の近傍で分岐することになるので、回路図に極めて近
い理想的な実装状態を実現することができている。従っ
て、高調波を制御する線路と基本波を制御する線路の
分岐点からトランジスタの出力端の間に存在する伝送線
路の影響によって位相回転を考慮する必要がなく、出力
整合回路の設計を容易に、しかも正確に行うことが可能
となる。

【００２６】

【発明の効果】本発明の高周波増幅器は、先端が高周波
的に接地された基本波の１／４波長の伝送線路を介して
増幅素子に電源を供給し、さらにこの伝送線路と並列に
３倍波で共振する並列共振回路を設けることにより、基
本波整合回路に影響を与えない２倍波短絡回路と３倍波
開放回路を同時に実現することがことができ、簡略でし
かも設計の自由度が高い高効率な増幅器をうることがで
きる。

【００２７】また、本発明の高周波増幅器は、増幅素子
を有する半導体チップが誘電体基板に直接フリップチッ
プボンディングより配設されていることにより、高周波
を制御する線路と基本波を制御する線路の分岐点から増
幅素子すなわちトランジスタの出力端の間に存在する伝
送線路の影響がなくなるので、特性のよい理想的と言い
得るようなＦ級高周波増幅器を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の高周波増幅器の実施形態１の回路図で
ある。

【図２】本発明の高周波増幅器の実施の形態２の構成を
説明する平面図及び断面図である。

【図３】本発明の高周波増幅器に実施の形態１の並列共
振回路の特性を示す図である。

【図４】従来の増幅器の誘導素子の周波数特性を説明す
る図である。

【図５】従来の増幅器を説明する回路図である。

【図６】従来の増幅器を説明する回路図である。

【図７】従来の増幅器の並列共振回路の特性を示す図で
ある。

【符号の説明】

１出力のトランジスタ２基本波整合回路２Ａ並列共振回路２Ｂその他の基本波整合回路部分３１／４波長の伝送線路４キャパシタ５、６ノード点１０誘電体基板１２ボンディングパッド１３チップインダクタ１４チップキャパシタ１５１／４波長のマイクロストリ
ップ線路１６スルーホール１７出力端子１８入力端子１９出力を制御するための電圧を
与える端子２０最終段以外の電源を供給する
端子２１出力用のトランジスタに電源
を供給する端子２２半導体チップに接地電位を供
給するためのパッド３０基本波整合回路３１、３２１／８波長伝送線路３３１／２０波長伝送線路３４１／１２波長伝送線路３５高周波阻止用チョークコイル４０Ａ誘導素子４０Ｂその他の基本波整合回路部分

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】増幅素子に直列に接続された基本波整合
回路を介して負荷に電力を供給する高周波増幅器におい
て、該基本波整合回路に該増幅素子と直列に整合された第３
次高調波に共振する並列共振回路を設けるとともに、該増幅素子の出力端に一端が接続され、他端を高周波的
に接地されることにより、該増幅素子の出力端に対し並
列に接続される基本波の１／４波長の電気長を有する伝
送回路を配設し、該伝送路を介して該増幅素子に電源を供給することを特
徴とする高周波増幅器。
【請求項２】増幅素子の出力端から基本波を制御する
伝送路と高調波を制御する伝送線路を分岐させることに
よって偶数次高調波の短絡条件と奇数次高調波の開放条
件を実現する高周波増幅器において、基本波を制御する伝送線路と高調波を制御する少なくと
も１つ以上の伝送線路をボンデングパッドの近傍で分岐
させるパターンを有する誘電体基板に、前記増幅素子を
有する半導体チップを直接フリップチップボンディング
してなることを特徴とする高周波増幅器。