WO2021240843A1 - 増幅回路 - Google Patents

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裕史 濱田
秀之 野坂
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    • H03F3/189High-frequency amplifiers, e.g. radio frequency amplifiers
    • H03F3/19High-frequency amplifiers, e.g. radio frequency amplifiers with semiconductor devices only

Definitions

  • the present invention relates to a circuit technique for handling high frequency electric signals.
  • a method using a neutralization circuit is known as a method for constructing an amplifier circuit having a large gain in the vicinity of the maximum oscillation frequency of a transistor (see, for example, Non-Patent Document 1).
  • the neutralization circuit is a circuit that has the function of canceling (neutralizing) the feedback capacitance between the input and output, which is a factor of the decrease in the gain of the transistor, by resonating with the inductance provided outside the transistor. This makes it possible to increase the gain of the transistor amplifier at the resonance frequency.
  • FIG. 16 shows the configuration of a FET source grounded amplifier using a neutralization circuit using a transmission line.
  • Feedback capacitor C F in the case of the source-grounded amplifier by the FET, the drain-gate capacitance (C dg), in the case of emitter-grounded amplifier according bipolar transistor is the collector-base capacitance (C cb).
  • the resonance frequency (hereinafter referred to as the neutralization frequency f N ) determined by the feedback capacitance CF and the inductance L N of the neutralization circuit is given by the following equation (1).
  • FIG. 17 shows. As shown, it is possible to draw a graph taking the neutralization frequency and the inductance LN of the neutralization circuit required to realize the neutralization frequency.
  • FIG. 18 shows the calculation result of the relationship between the transmission line length (L_TL) and the inductance value.
  • a coplanar line (CPW) having a characteristic impedance of 50 ⁇ , which is a typical line used in an ultra-high frequency circuit, is used.
  • the transmission line length (L_TL) must be set to a very short value of 20 ⁇ m or less in order to realize an inductance of 10 pH.
  • FIG. 19 shows an example of the physical layout of the source grounded amplifier using the FET of FIG.
  • the transmission line length of the neutralization circuit 400 always has a size of 20 ⁇ m or more.
  • the transmission line length of the neutralization circuit 400 is about 40 ⁇ m or more at the shortest.
  • the inductance in that case is 10 pH or more.
  • the inductance value of 10 pH that neutralizes an FET having a feedback capacitance value of 10 fF at 500 GHz in a neutralization circuit using a transmission line.
  • the frequency is higher than 500 GHz, the required inductance value becomes smaller, and this problem becomes more remarkable.
  • the length of the neutralization circuit for neutralizing the feedback capacitance of the FET is close to the physical length of the transistor or shorter than the physical length of the transistor. There is a need. Due to this, there is a problem that the layout of the neutralization circuit becomes impossible and the amplifier circuit using the neutralization circuit cannot be realized.
  • the present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to realize an amplifier circuit using a neutralization circuit in an ultra-high frequency band such as a 500 GHz band.
  • the amplifier circuit of the present invention is connected between the source grounded amplifier and the drain terminal and the gate terminal of the source grounded amplifier, and neutralizes the feedback capacitance of the source grounded amplifier.
  • the neutralizing circuit comprises a circuit and has a transmission line and a capacitance connected in series.
  • the amplifier circuit of the present invention is connected between the source grounded amplifier and the drain terminal and the gate terminal of the source grounded amplifier, and neutralizes the feedback capacitance of the source grounded amplifier.
  • the neutralizing circuit comprises a circuit and has a transmission line and a coupling line connected in series.
  • the amplifier circuit of the present invention is connected between the grounded emitter amplifier and the base terminal and the collector terminal of the grounded emitter amplifier, and neutralizes the feedback capacitance of the grounded emitter amplifier.
  • a circuit is provided, and the neutralizing circuit has a transmission line and a capacitance connected in series.
  • the amplifier circuit of the present invention is connected between the grounded emitter amplifier and the base terminal and the collector terminal of the grounded emitter amplifier, and neutralizes the feedback capacitance of the grounded emitter amplifier.
  • a circuit is provided, and the neutralizing circuit has a transmission line and a coupling line connected in series.
  • an amplifier circuit using a neutralization circuit in an ultra-high frequency band such as a 500 GHz band.
  • FIG. 1 is a configuration example of an amplifier circuit according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a calculation result of the equivalent inductance of the neutralization circuit according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a configuration example of an amplifier circuit in which a plurality of conventional amplifier circuits are connected.
  • FIG. 4 is a configuration example of an amplifier circuit in which a plurality of stages of the amplifier circuit according to the first embodiment of the present invention are connected.
  • FIG. 5 is a calculation result of the small signal gain of the amplifier according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a calculation result for explaining the effect of the resistance of the bias circuit of the drain.
  • FIG. 7 is a configuration example of an amplifier circuit according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a calculation result of the equivalent inductance of the neutralization circuit according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a calculation result of a small signal gain of the amplifier circuit according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a configuration example of an amplifier circuit according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a configuration example of an amplifier circuit according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a configuration example of an amplifier circuit according to a fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a calculation result of the maximum gain of the amplifier circuit according to the fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a configuration example of an amplifier circuit in which a plurality of stages of the amplifier circuit according to the fifth embodiment of the present invention are connected.
  • FIG. 15 is a gain simulation result of the amplifier circuit according to the fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 16 is a configuration example of a conventional amplifier.
  • FIG. 17 is a diagram showing the relationship between the neutralization frequency and the inductance value of the neutralization circuit.
  • FIG. 18 is a diagram showing the relationship between the transmission line length and the inductance value.
  • FIG. 19 is a diagram showing a circuit layout of a source grounded amplifier using FETs.
  • a neutralization circuit having a physical length sufficiently longer than the physical length of the transistor a small inductance value capable of neutralizing the feedback capacitance of the transistor is realized.
  • the neutralization circuit of the present invention is composed of a transmission line and a capacitance connected in series.
  • FIG. 1 is a configuration example of an amplifier circuit according to the first embodiment of the present invention.
  • the amplifier circuit 10 of the present embodiment neutralizes the feedback capacitance of the FET between the FET source grounded amplifier (20, 30) and the drain terminal and the gate terminal of the FET source grounded amplifier (20, 30).
  • a sum circuit 40 is provided.
  • the configuration example of FIG. 1 is composed of two transmission lines and a capacitance connected between the two transmission lines, but the number of transmission lines and the position of the capacitance are not limited to the configuration of FIG. No.
  • it may be composed of a capacity connected in series with one transmission line.
  • the number of transmission lines and the position of the capacitance can be appropriately designed according to the circuit layout to be mounted.
  • the amplifier may be configured by a bipolar transistor, in which case the amplifier circuit includes a grounded emitter amplifier and a neutralizing circuit having a transmission line and a capacitance connected in series, and the neutralizing circuit is a grounded emitter amplifier. It is configured to be connected between the base terminal and the collector terminal of.
  • Non-Patent Document 1 While the ordinary neutralization circuit as shown in Non-Patent Document 1 is composed of only transmission lines, the neutralization circuit of the present embodiment is connected in series with two transmission lines (TL1 and TL2). constituted by the capacitance C N.
  • the equivalent inductance L eq with two transmission lines and (TL1, TL2) capacity C N may serve to neutralize the feedback capacitance of the FET source ground amplifier (20, 30).
  • FIG. 2 shows the calculation result of the equivalent inductance L eq of the neutralization circuit at 500 GHz when a specific value is applied to the neutralization circuit 40 of FIG.
  • the transmission line length L_TL neutralization circuit 40 is made the length of the length and capacity C N of the transmission line (TL1, TL2), the length of the transmission line (TL1, TL2), respectively capacitance C N
  • the length was half of the length excluding the length of.
  • the capacitance C N and that the possible values realized by an integrated circuit process 10 fF.
  • the value of the transmission line length L_TL of the neutralization circuit 40 when the equivalent inductance L eq is 10 pH is 50 ⁇ m, which is a large value as compared with 20 ⁇ m in the case of FIG. It turns out. If the length is 50 ⁇ m, it is sufficiently larger than the device length of 20 ⁇ m of the FET source grounded amplifier (20, 30), so that the layout of the neutralization circuit 40 is possible.
  • FIG. 3 is an amplifier circuit in which an amplifier circuit 100 using a conventional neutralization circuit 400 is connected in a plurality of stages.
  • the input / output matching circuit of the amplifier circuit is designed to be matched at around 500 GHz.
  • the FET a HEMT having a gate width of 20 ⁇ m is used.
  • the length of the neutralization circuit 400 50 ⁇ m, which is a physically layable value, is adopted.
  • FIG. 4 is an amplifier circuit in which a plurality of stages of an amplifier circuit 10 by the neutralization circuit 40 of the present embodiment are connected.
  • the parameters other than the neutralization circuit 40 are exactly the same as those in FIG.
  • the value of the capacitance C N of the neutralizing circuit 40 was set to 10 fF.
  • the inductance value of the neutralization circuit 400 in FIG. 3 is about 23 pH.
  • the equivalent inductance value L eq neutralization circuit 40 of FIG. 4 is about 10 pH.
  • FIG. 5 shows the calculation result of the small signal gain obtained by the circuits of FIGS. 3 and 4.
  • the gain becomes 0 dB or less at a frequency of 472 GHz or higher.
  • the present embodiment it can be seen that a large gain can be obtained even at a frequency of 472 GHz or higher by using the transmission line connected in series and the neutralization circuit 40 having a capacitance. This is because the present embodiment can realize a small inductance value required for realizing a neutralization circuit in an ultra-high frequency band. According to this embodiment, it is possible to lay out a neutralization circuit having an inductance value that cancels the feedback capacitance of the transistor even in the ultra-high frequency band.
  • the bias voltage of the gate and drain of the FET in the case of a bipolar transistor, the bias voltage of the base and the collector
  • the bias voltage of the base and the collector can be set individually.
  • a CMOS amplifier as in Non-Patent Document 1
  • a large gain can be obtained even if the bias voltage of the gate and drain is common, but in the case of a compound semiconductor such as HEMT, a large gain is usually obtained. Therefore, it is necessary to set the bias voltage of the gate and the drain to different voltage values.
  • the drain and the gate are DC-isolated by the series capacitance included in the neutralization circuit, the drain and the gate can be biased individually, and a normally-on such as InP-HEMT can be used. It is possible to obtain good amplification characteristics even in a transistor.
  • a resistor connected in series with the transmission line is arranged in the bias circuit for applying the bias voltage of the drain of each amplifier.
  • the effect of the series resistance contained in the bias circuit of the drain will be described. This series resistance is for preventing out-of-band gain and oscillation of the amplifier circuit.
  • the neutralization circuit has no action of canceling the feedback capacitance of the transistor except for the neutralization frequency (frequency satisfying the equation (1)), and thus neutralizes.
  • the operation of the amplifier circuit may become unstable.
  • an undesired gain (out-of-band gain) or oscillation typically occurs at a frequency other than the neutralization frequency. Since these out-of-band gains and oscillations impair the quality of the amplifier circuit, it is desirable to eliminate them.
  • the resistance value of this series resistor arranged in each stage is defined as R STB, and the gain and stability index of the amplifier circuit when the R STB is changed to 0, 10 and 20 ⁇ (1 or more is stable without oscillation). ) Is shown in FIG.
  • FIG. 7 is a configuration example of an amplifier circuit according to a second embodiment of the present invention.
  • the neutralization circuit 40 of the first embodiment is arranged on both sides of the transistor.
  • Two neutralization circuits (40, 50) are arranged in parallel between the drain terminal and the gate terminal of the FET source grounded amplifier (20, 30).
  • the total inductance Leq of the neutralization circuit (40, 50) can be further halved from the first embodiment.
  • the calculation result of the equivalent inductance Leq in the neutralization circuit of FIG. 7 is shown in FIG. According to FIG. 7, it can be seen that half the inductance value of the first embodiment is realized.
  • FIG. 7 the configuration as shown in FIG. 7 can be realized by arranging neutralization circuits on both sides of the signal signal line in the circuit layout shown in FIG. Further, in FIG. 7, two neutralization circuits (40, 50) are arranged in parallel, but three or more neutralization circuits may be arranged.
  • FIG. 9 shows the calculation result of the small signal gain of the amplifier circuit to which the amplifier circuit 10 of FIG. 7 is applied.
  • the parameters other than the neutralization circuit are the same as in the case of FIG. According to FIG. 9, it can be seen that the neutralization circuit of the second embodiment realizes a smaller inductance value and realizes an amplifier having a gain at a higher frequency.
  • the inductance of the neutralization circuit is reduced and the neutralization frequency is improved by using a capacitance in the neutralization circuit.
  • a similar effect can be obtained by using the coupling line CL as shown in FIG. 10 instead of the capacitance.
  • the drain side line and the gate side line forming the neutralization circuit 40 are separated, but are ACly coupled due to the nature of the coupled line CL.
  • capacitance by a normal semiconductor process such as MIM (metal-insulator-metal) capacitance
  • MIM capacitance there is a lower limit to the capacitance value that can be realized due to the restrictions of process rules, but the coupled line CL is more coupled between coupled lines than the MIM capacitance. Is weak (the capacity per unit length is small), so that a capacity value smaller than the MIM capacity can be realized. Therefore, it is an effective means for increasing the frequency of the neutralization circuit.
  • the neutralization circuit exists independently of the bias circuit for applying the bias of the drain.
  • a plurality of amplifier circuits are arranged in parallel in order to take out electric power.
  • the physical size of the lines other than these two main signal lines becomes a constraint, and it is conceivable that the number of parallel arrangements will decrease.
  • FIG. 11 is a configuration example of an amplifier circuit according to a fourth embodiment of the present invention.
  • a part of the transmission line of the bias circuit for applying the bias of the drain is used as the transmission line of the neutralization circuit.
  • the lines other than the main signal line can be combined into one, and the physical size of the amplifier circuit can be reduced.
  • the neutralization circuit 40 is composed of only reactive elements such as a transmission line and a capacitance. In such a configuration, since there is no power loss in the neutralization circuit 40, there is a feature that a large gain can be obtained in the vicinity of the operating frequency of the neutralization circuit 40 (the frequency at which the parasitic capacitance of the transistor is canceled).
  • the resonance phenomenon in the neutralization circuit is used, the operating band thereof is determined by the Q value of the resonance, and the operating band of the amplifier circuit is relatively narrow.
  • the amplifier circuit 10 utilizes the fact that a large gain can be taken out from the transistor amplifier in a wide band by lowering the Q value of resonance by giving some power consumption to the neutralization circuit 40. Will be described.
  • FIG. 12 shows a configuration example of the amplifier circuit 10 with the neutralization circuit 40 according to the present embodiment.
  • Neutralization circuit 40 series resistor R N is in the armed configuration in FIG.
  • the resistor R N, to decrease the resonance Q value of the neutralization circuit 40 can be taken out gain from transistor amplifier in wideband consequently.
  • FIG. 13 shows the calculation result of the frequency characteristic of the maximum gain that can be taken out from the transistor amplifier.
  • the values of the transmission line and capacitance of the neutralization circuit are set so that the parasitic capacitance of the transistor is canceled at 270 GHz.
  • both transmission lines have a characteristic impedance of 50 ⁇ and an electric length of 30 °, and have a capacitance of 20 fF.
  • FIG. 14 shows a configuration example of an amplifier circuit in the 300 GHz band using the amplifier circuit 10 with a neutralization circuit of FIG. 12 in six stages.
  • the value of the series resistance inserted into the neutralization circuit 10 of each stage is set to 50 ⁇ .
  • the gain simulation result of the amplifier circuit of FIG. 14 is shown in FIG. It can be seen that a very wide band and high gain amplifier with a maximum gain of 12.5 dB and a bandwidth of 3 dB of 100 GHz can be realized.
  • the required bandwidth and the obtained gain are in a trade-off relationship. Therefore, when the amplifier circuit of the present embodiment is applied to an actual circuit, the gain and band required for each stage of the amplifier circuit for achieving the target gain and target band of the circuit are specified, and the specified values are used. The value of the matching resistance should be decided first.
  • the neutralization circuit 40 two transmission lines and is composed of a resistor R N connected capacitance C N between the two transmission lines, the number and capacity of the transmission line, the resistance
  • the position of is not limited to the configuration of FIG. 12, and can be appropriately designed according to the circuit layout to be mounted, as in the first to fourth embodiments.
  • E instead of the capacitor C N, may be used coupling line CL as shown in FIG. 10.
  • the transistor amplifier is configured by the FET source grounded amplifier, but the transistor amplifier may be configured by the emitter grounded amplifier, which is the same as the first to fourth embodiments.

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Abstract

本発明の増幅回路(1)は、ソース接地増幅器(20、30)と、ソース接地増幅器(20、30)のドレイン端子とゲート端子との間に接続され、ソース接地増幅器(20、30)のフィードバック容量を中和する中和回路(40)を備え、中和回路(40)は、直列に接続された伝送線路と容量を有する。超高周波帯において、中和回路を用いた増幅回路を実現することができる。

Description

増幅回路
 本発明は、高周波電気信号を扱う回路技術に関する。
 トランジスタの最大発振周波数近傍において大きな利得を持つ増幅回路の構成手法として、中和回路を用いる方法が知られている(例えば、非特許文献1参照)。
 中和回路とはトランジスタの利得低下の要因である入出力間のフィードバック容量を、トランジスタ外部に設けたインダクタンスと共振させて打ち消す(中和する)働きを有する回路のことである。これにより、共振周波数においてトランジスタ増幅器の利得を大きくすることができる。
 図16に、伝送線路による中和回路を用いたFETソース接地増幅器の構成を示す。フィードバック容量Cは、FETによるソース接地増幅器の場合には、ドレイン・ゲート間容量(Cdg)であり、バイポーラトランジスタによるエミッタ接地増幅器の場合はコレクタ・ベース間容量(Ccb)である。
 図16により、フィードバック容量Cと中和回路のインダクタンスLにより決まる共振周波数(以下、中和周波数fという)は、以下の式(1)で与えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 式(1)と、超高周波数帯で用いられるInP-HEMT(InP-based High Electron Mobility Transistor、ゲート幅20μm)の典型的なフィードバック容量値C=Cdg=10fFを考慮すると、図17に示すように、中和周波数とその中和周波数を実現するために必要となる中和回路のインダクタンスLをとったグラフを描くことが出来る。
 図17より、中和周波数を高くしようとすると、必要なインダクタンス値が低下することが判る。そのため、500GHzの超高周波数帯において中和を行うためには、インダクタンス値Lを10pHという極めて小さな値に設定する必要がある。
 図18に、伝送線路長さ(L_TL)とインダクタンス値との関係の計算結果を示す。図18では、伝送線路として、超高周波回路で用いられる典型的な線路であるコプレーナ線路(CPW)の特性インピーダンス50Ωのものを用いている。図18によれば、10pHのインダクタンスを実現するためには、伝送線路長さ(L_TL)を20μm以下という非常に短い値にしなければならないことが判る。
D. Parveg, et al., "Demonstration of a 0.325-THz CMOS Amplifier," 2016 Global Symposium on Millimeter Waves (GSMM) & ESA Workshop on Millimetre-Wave Technology and Applications, Jun. 2016.
 現実の回路レイアウトにおいて、このような短い伝送線路長さの中和回路を配置可能であるかを検討する。図19は、図16のFETを用いたソース接地増幅器の物理的レイアウト例を示したものである。
 上述したように、10fFのCを有するFETのゲート幅は20μmであるから、図16におけるデバイス長は20μmである。図19に示すように、中和回路400は、そのデバイスを迂回して配置する必要があるため、中和回路400の伝送線路長さは、必ず20μm以上のサイズになってしまう。
 配線製造ルール等も考慮すれば、最短でも、中和回路400の伝送線路長さは40μm程度以上となる。図18によれば、その場合のインダクタンスは10pH以上になる。このように、現実の回路レイアウトを考慮すると、伝送線路を用いた中和回路において、10fFのフィードバック容量値を有するFETを500GHzにおいて中和するインダクタンス値10pHの実現は不可能である。また、図17によれば、500GHzより高い周波数になると、必要なインダクタンス値はさらに小さくなるため、この問題はより顕著になる。
 このように、500GHz帯のような超高周波数帯においては、FETのフィードバック容量を中和するための中和回路の長さがトランジスタの物理長に近いか、もしくはトランジスタの物理長よりも短くする必要がある。これに起因して、中和回路のレイアウトが不可能となり、中和回路を用いた増幅回路が実現できないという問題がある。
 本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、500GHz帯のような超高周波数帯において、中和回路を用いた増幅回路を実現することを目的とする。
 上記課題を解決するために、本発明の増幅回路は、ソース接地増幅器と、前記ソース接地増幅器のドレイン端子とゲート端子との間に接続され、前記ソース接地増幅器のフィードバック容量を中和する中和回路を備え、前記中和回路は、直列に接続された伝送線路と容量を有する。
 上記課題を解決するために、本発明の増幅回路は、ソース接地増幅器と、前記ソース接地増幅器のドレイン端子とゲート端子との間に接続され、前記ソース接地増幅器のフィードバック容量を中和する中和回路を備え、前記中和回路は、直列に接続された伝送線路と結合線路を有する。
 上記課題を解決するために、本発明の増幅回路は、エミッタ接地増幅器と、前記エミッタ接地増幅器のベース端子とコレクタ端子との間に接続され、前記エミッタ接地増幅器のフィードバック容量を中和する中和回路を備え、前記中和回路は、直列に接続された伝送線路と容量を有する。
 上記課題を解決するために、本発明の増幅回路は、エミッタ接地増幅器と、前記エミッタ接地増幅器のベース端子とコレクタ端子との間に接続され、前記エミッタ接地増幅器のフィードバック容量を中和する中和回路を備え、前記中和回路は、直列に接続された伝送線路と結合線路を有する。
 本発明によれば、500GHz帯のような超高周波数帯において、中和回路を用いた増幅回路を実現することができる。
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る増幅回路の構成例である。 図2は、本発明の第1の実施の形態に係る中和回路の等価インダクタンスの計算結果である。 図3は、従来の増幅回路を複数段接続した増幅回路の構成例である。 図4は、本発明の第1の実施形態に係る増幅回路を複数段接続した増幅回路の構成例である。 図5は、本発明の第1の実施形態に係る増幅器の小信号利得の計算結果である。 図6は、ドレインのバイアス回路の抵抗の効果を説明するための計算結果である。 図7は、本発明の第2の実施の形態に係る増幅回路の構成例である。 図8は、本発明の第2の実施の形態に係る中和回路の等価インダクタンスの計算結果である。 図9は、本発明の第2の実施形態に係る増幅回路の小信号利得の計算結果である。 図10は、本発明の第3の実施の形態に係る増幅回路の構成例である。 図11は、本発明の第4の実施の形態に係る増幅回路の構成例である。 図12は、本発明の第5の実施の形態に係る増幅回路の構成例である。 図13は、本発明の第5の実施の形態に係る増幅回路の最大利得の計算結果である。 図14は、本発明の第5の実施形態に係る増幅回路を複数段接続した増幅回路の構成例である。 図15は、本発明の第5の実施形態に係る増幅回路の利得シミュレーション結果である。 図16は、従来の増幅器の構成例である。 図17は、中和周波数と中和回路のインダクタンス値の関係を示す図である。 図18は、伝送線路長さとインダクタンス値の関係を示す図である。 図19は、FETを用いたソース接地増幅器の回路レイアウトを示す図である。
 以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではない。
<第1の実施の形態>
 本発明では、上記の課題を解決するために、トランジスタの物理長さよりも十分長い物理長を有する中和回路において、トランジスタのフィードバック容量を中和することのできる小さなインダクタンス値を実現する。本発明の中和回路は、直列に接続された伝送線路と容量により構成されている。
 図1は、本発明の第1の実施の形態に係る増幅回路の構成例である。本実施の形態の増幅回路10は、FETソース接地増幅器(20、30)と、FETソース接地増幅器(20、30)のドレイン端子およびゲート端子との間に、FETのフィードバック容量を中和する中和回路40を備える。
 図1の構成例では、2つの伝送線路と2つの伝送線路の間に接続された容量から構成されているが、伝送線路の数や容量の位置は、図1の構成に限定されるものではない。例えば、1つの伝送線路と直列接続された容量から構成してもよい。伝送線路の数や容量の位置は、実装する回路レイアウトに応じて、適宜設計することが可能である。
  また、増幅器をバイポーラトランジスタによって構成してもよい、その場合の増幅回路は、エミッタ接地増幅器と、直列に接続された伝送線路と容量を有する中和回路を備え、中和回路は、エミッタ接地増幅器のベース端子およびコレクタ端子との間に接続されるように構成される。
 非特許文献1に示すような通常の中和回路が伝送線路のみで構成されるのに対して、本実施の形態の中和回路は、2つの伝送線路(TL1、TL2)と直列接続された容量Cにより構成される。この構成では、2つの伝送線路(TL1、TL2)と容量Cのもつ等価的なインダクタンスLeqが、FETソース接地増幅器(20、30)のフィードバック容量を中和するように働く。
 図2に、図1の中和回路40に具体的な値を適用した場合の500GHzにおける中和回路の等価インダクタンスLeqの計算結果を示す。ここで、中和回路40の伝送線路長さL_TLは、伝送線路(TL1、TL2)の長さと容量Cの長さからなり、伝送線路(TL1、TL2)の長さは、それぞれ容量Cの長さを除いた長さの半分の長さとした。また、容量Cは、集積回路プロセスで実現可能な値である10fFとした。
 図2によれば、等価インダクタンスLeqが10pHのときの中和回路40の伝送線路長さL_TLの値は50μmとなっており、図18の場合の20μmと比較して大きな値となっていることが判る。50μmの長さであれば、FETソース接地増幅器(20、30)のデバイス長20μmよりも十分大きいため、中和回路40のレイアウトが可能である。
 図3は、従来の中和回路400による増幅回路100を複数段接続した増幅回路である。増幅回路の入出力の整合回路は、500GHz付近において整合が取れるように設計されている。また、FETとしては、ゲート幅20μmのHEMTを用いている。中和回路400の長さとしては、物理的にレイアウト可能な値である50μmを採用している。
 図4は、本実施の形態の中和回路40による増幅回路10を複数段接続した増幅回路である。中和回路40以外のパラメータは、図3と全く同一である。中和回路40の容量Cの値は、10fFとした。図18によれば、図3における中和回路400のインダクタンス値は、23pH程度である。一方、図2によれば、図4の中和回路40の等価インダクタンス値Leqは、10pH程度である。
 図3、4の回路で得られる小信号利得の計算結果を図5に示す。従来の増幅回路100では、中和回路400のインダクタンス値を小さくできないため、472GHz以上の周波数において利得が0dB以下になる。
 一方、本実施の形態では、直列接続された伝送線路と容量を有する中和回路40を用いることで、472GHz以上の周波数においても大きな利得が得られることが判る。これは、本実施の形態によって、超高周波数帯での中和回路の実現に必要となる小さなインダクタンス値が実現できることによるものである。本実施の形態によれば、超高周波数帯においても、トランジスタのフィードバック容量を打ち消すようなインダクタンス値を有する中和回路のレイアウトが可能となる。
 本実施の形態によれば、他の顕著な効果が得られる。それは、FETのゲートとドレインのバイアス電圧(バイポーラトランジスタの場合には、ベースとコレクタのバイアス電圧)を個別に設定できることである。非特許文献1のようなCMOS増幅器の場合、ゲート、ドレインのバイアス電圧を共通にしても大きな利得が得られる場合が多いが、HEMTのような化合物半導体の場合には、通常、大きな利得を得ようとするとゲートとドレインのバイアス電圧を異なった電圧値にする必要がある。
 特に、InP-HEMTのようにノーマリーオンのトランジスタの場合、通常、ドレインには正電圧、ゲートには負電圧を印加するため、従来の図3の構成では利得を得ることが出来なくなる。なお、図5では、InP-HEMTの最適利得電圧(VDD=1.2V、VGG=-0.2V)における小信号モデルによる設計のためバイアス印加条件が反映されないので、図3の回路においても利得が得られているが、現実には、図3の回路では、ドレインとゲートを同電位にしかバイアスできないので、小信号利得は、図5に示したものよりも更に小さくなる。
 本実施の形態では、中和回路に含まれる直列容量によってドレインとゲートが直流的に絶縁されているため、ドレイン、ゲートを個別にバイアスすることができ、InP-HEMTのようなノーマリーオンのトランジスタにおいても良好な増幅特性を得ることが可能となる。
 ここで、本実施の形態に係る回路図(図4)において、各増幅器のドレインのバイアス電圧を印加するためのバイアス回路には、伝送線路に直列に接続された抵抗が配置されている。ドレインのバイアス回路内に含まれる直列抵抗の効果について説明する。この直列抵抗は、増幅回路の帯域外利得および発振を防止するためのものである。
 本発明のような中和回路を用いる増幅回路においては、中和回路が、中和周波数(式(1)を満たす周波数)以外においては、トランジスタのフィードバック容量を打ち消す作用を持たないため、中和周波数以外の周波数帯において、増幅回路の動作が不安定になってしまうことがある。このような場合、典型的には、中和周波数以外の周波数で望ましくない利得(帯域外利得)や発振が生じる。これらの帯域外利得や発振は、増幅回路の品質を損ねるものであるから、除去することが望ましい。
 そこで、図4のようにドレインのバイアス回路の伝送線路に適切な抵抗値を有する直列抵抗を配置することで、帯域外の信号に損失を与えて、帯域外利得や発振を除去することができる。図4において各段に配置されたこの直列抵抗の抵抗値をRSTBとし、RSTBを0、10、20Ωと変化させたときの増幅回路の利得および安定指数(1以上で発振なく安定となる)の計算結果を図6に示す。
 図6において、RSTBが、0Ω、20Ωの場合は、帯域外に利得のピークが発生し、その周波数における安定指数も、1より小さくなっている。一方、RSTBを10Ωにすることで、帯域外利得および発振が除去されて、回路が安定化することがわかる。前述したように、中和回路では帯域外でこのような回路の不安定特性が生じやすいので、図4で用いているようなドレインのバイアス回路における抵抗の挿入は非常に重要である。RSTBの値は、増幅回路の構成やパラメータに応じて、帯域外利得が発生せず、安定指数が1以上となり、回路が安定化するための所定の抵抗値の値を適宜設定すればよい。
 さらに、中和回路内に直列抵抗を配置することにより、中和回路の共振のQ値を下げることができ、増幅器を広帯域化することができる。この点については、第5の実施の形態にて詳述する。
<第2の実施の形態>
 本発明の第2の実施の形態として、第1の実施の形態で説明した中和回路の、さらなる小インダクタンス化による増幅器の高周波化技術を説明する。図7は、本発明の第2の実施の形態に係る増幅回路の構成例である。第1の実施の形態の中和回路40がトランジスタの両側に配置された構成である。FETソース接地増幅器(20、30)のドレイン端子とゲート端子との間に、2つの中和回路(40、50)が並列に配置されている。
 このような形態をとることで、中和回路(40、50)の総インダクタンスLeqを第1の実施の形態の更に半分にすることが出来る。図7の中和回路における等価インダクタンスLeqの計算結果を図8に示す。図7によれば、第1の実施の形態の半分のインダクタンス値が実現していることがわかる。
 なお、図7のような構成は、図19における回路レイアウトにおいて、シグナル信号線の両側に中和回路を配置するような構成により実現することができる。また、図7では、2つの中和回路(40、50)を並列に配置したが、3つ以上の中和回路を配置するように構成してもよい。
 図7の増幅回路10を適用した増幅回路の小信号利得の計算結果を図9に示す。図8では、中和回路以外のパラメータは、図5の場合と同一とした。図9によれば、第2の実施の形態の中和回路によって更に小さなインダクタンス値が実現され、より高い周波数で利得をもつ増幅器が実現できることが判る。
<第3の実施の形態>
 第1および第2の実施の形態においては、中和回路内に容量を用いることで中和回路のインダクタンスを低減し、中和周波数の向上を図っている。同様の効果は、容量の代わりに図10のように結合線路CLを用いても得ることができる。
 この場合、中和回路40を形成するドレイン側の線路とゲート側の線路は分離しているが、結合線路CLの性質によって交流的に結合している。MIM(metal-insulator-metal)容量などの通常の半導体プロセスによる容量の場合、プロセスルールの制約によって実現できる容量値に下限が存在するが、結合線路CLは、MIM容量よりも結合線路間の結合が弱い(単位長さ当たりの容量が小さい)ため、MIM容量よりも小さい容量値が実現可能となる。そのため、中和回路をより高周波化する際に効果的な手段となる。
<第4の実施の形態>
 第1~第3の実施の形態では、図4に示すように、中和回路は、ドレインのバイアス印加用のバイアス回路とは独立に存在している。しかしながら、回路レイアウトにおいて、トランジスタの周りに、主信号線路(多段になっている増幅回路のトランジスタ段間をつなぐ線路)以外のこれら二つの線路を配置することは困難な場合がある。
 例えば、パワーアンプでは、電力を取り出すために増幅回路を複数並列配置することになる。その場合、これら二つの主信号線路以外の線路の物理的大きさが制約となり、並列配置数が減少してしまうことが考えられる。
 図11は、本発明の第4の実施の形態に係る増幅回路の構成例である。第4の実施の形態では、図11に示したように、ドレインのバイアス印加用のバイアス回路の伝送線路の一部を中和回路の伝送線路として用いている。バイアス回路の伝送線路を、中和回路の伝送線路として併用することで、主信号線路以外の線路を一つにまとめることができ、増幅回路の物理的大きさを小さくすることが可能となる。
<第5の実施の形態>
 第1~第4の実施の形態では、中和回路40は伝送線路や容量などリアクティブ素子のみで構成されていた。このような構成では、中和回路40における電力損失が無いため、中和回路40の動作周波数(トランジスタの寄生容量が打ち消される周波数)近傍において大きな利得が得られるという特徴があった。ここで、中和回路における共振現象を利用しているため、その動作帯域は共振のQ値で決定され、増幅回路の動作帯域が比較的狭くなるという特徴がある。本実施の形態においては、中和回路40内に多少の電力消費を与えることにより、共振のQ値を低下させることで、トランジスタ増幅器から大きな利得を広帯域に取り出せることを利用した増幅回路10の形態について述べる。
 図12に、本実施の形態に係る中和回路40付き増幅回路10の構成例を示す。図1における中和回路40に直列に抵抗Rが装荷された構成となっている。この抵抗Rにより、中和回路40の共振Q値が低下し、結果としてトランジスタ増幅器から広帯域に利得を取り出すことができる。
 図13に、トランジスタ増幅器から取り出すことのできる最大利得の周波数特性の計算結果を示す。中和回路の伝送線路および容量の値は、270GHzにおいてトランジスタの寄生容量が打ち消されるような値としている。具体的には、伝送線路は二つとも、特性インピーダンス50Ω、電気長30°のものを用い、容量は20fFとしている。
 直列抵抗Rの値が0Ω、すなわち抵抗を装荷しない場合、図13の点線で示したような結果となり、270GHz付近で13dBもの大きな利得を取り出すことができているが、利得の帯域幅自体は比較的狭く、3dB帯域幅は10GHz程度しかないことがわかる。これを広帯域化するためには、抵抗Rの抵抗値を大きくすればよい。R=10Ωの抵抗値を適用すると、図13の破線で示したような結果となる。利得の最大値は7dBに低下したものの、3dB帯域幅は75GHzまで広げることができる。さらに、抵抗Rの値を50Ωにすると、図13の実線で示したように、利得は6dBで、3dB帯域幅は200GHzまで広げることができることがわかる。
 図14に、図12の中和回路付き増幅回路10を6段用いた300GHz帯の増幅回路の構成例を示す。この構成例においては、各段の中和回路10に挿入される直列抵抗の値を50Ωとした。図14の増幅回路の利得シミュレーション結果を図15に示す。最大利得12.5dB、 3dB帯域幅100GHzの非常に広帯域かつ高利得な増幅器が実現できていることがわかる。
 なお、図13に示したように、本実施の形態においては、必要な帯域幅と得られる利得はトレードオフの関係にある。したがって、本実施の形態の増幅回路を実回路に適応する場合には、回路の目標利得および目標帯域を達成するための、増幅回路一段当たりに必要な利得及び帯域を規定し、その規定値に合致するような抵抗の値を最初に決めておけばよい。
 図12の構成例では、中和回路40は、2つの伝送線路と2つの伝送線路の間に接続された容量Cと抵抗Rから構成されているが、伝送線路の数や容量、抵抗の位置は、図12の構成に限定されるものではなく、実装する回路レイアウトに応じて、適宜設計することが可能であることは、第1~第4の実施の形態と同様である。また、容量Cに換ええて、図10のように結合線路CLを用いてもよい。
 また、図12では、トランジスタ増幅器をFETソース接地増幅器によって構成しているが、トランジスタ増幅器をエミッタ接地増幅器によって構成してもよいことは、第1~第4の実施形態と同様である。
<実施の形態の拡張>
 以上、実施の形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。本発明の構成には、本発明のスコープ内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。
 10…増幅回路、20、30…ソース接地増幅器、40、50…中和回路。

Claims (12)

  1.  ソース接地増幅器と、
      前記ソース接地増幅器のドレイン端子とゲート端子との間に接続され、前記ソース接地増幅器のフィードバック容量を中和する中和回路を備え、
     前記中和回路は、直列に接続された伝送線路と容量を有する
     増幅回路。
  2.  ソース接地増幅器と、
      前記ソース接地増幅器のドレイン端子とゲート端子との間に接続され、前記ソース接地増幅器のフィードバック容量を中和する中和回路を備え、
     前記中和回路は、直列に接続された伝送線路と結合線路を有する
     増幅回路。
  3.  前記ソース接地増幅器は、InP-HEMTで構成され、前記ドレイン端子と前記ゲート端子は、それぞれ異なる電位でバイアスされる
     請求項1または2に記載の増幅回路。
  4.  エミッタ接地増幅器と、
      前記エミッタ接地増幅器のベース端子とコレクタ端子との間に接続され、前記エミッタ接地増幅器のフィードバック容量を中和する中和回路を備え、
     前記中和回路は、直列に接続された伝送線路と容量を有する
     増幅回路。
  5.  エミッタ接地増幅器と、
      前記エミッタ接地増幅器のベース端子とコレクタ端子との間に接続され、前記エミッタ接地増幅器のフィードバック容量を中和する中和回路を備え、
     前記中和回路は、直列に接続された伝送線路と結合線路を有する
     増幅回路。
  6.  前記中和回路は、
     2つの伝送線路と前記2つの伝送線路の間に接続された容量を有する
      請求項1または4に記載の増幅回路。
  7.  前記中和回路は、前記伝送線路及び前記容量と直列に接続された抵抗を有する
     請求項1または4記載の増幅回路。
  8.  前記中和回路は、
     2つの伝送線路と前記2つの伝送線路の間に接続された結合線路を有する
     請求項2または5に記載の増幅回路。
  9.  前記中和回路は、前記伝送線路及び前記結合線路と直列に接続された抵抗を有する
    請求項2または5に記載の増幅回路。
  10.  バイアス印加用のバイアス回路を備え、
     前記バイアス回路の伝送線路に、所定の抵抗値を有する直列抵抗が配置されている
     請求項1から9の何れか1項に記載の増幅回路。
  11.  バイアス印加用のバイアス回路を備え、
     前記バイアス回路の伝送線路が、前記中和回路の伝送線路として併用されている
     請求項1から10の何れか1項に記載の増幅回路。
  12.  2つ以上の前記中和回路が並列に配置されている
     請求項1から11の何れか1項に記載の増幅回路。
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