WO2022208879A1 - ドハティ増幅器 - Google Patents

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WO2022208879A1
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doherty amplifier
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絵理 福田
健一 堀口
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三菱電機株式会社
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03FAMPLIFIERS
    • H03F1/00Details of amplifiers with only discharge tubes, only semiconductor devices or only unspecified devices as amplifying elements
    • H03F1/02Modifications of amplifiers to raise the efficiency, e.g. gliding Class A stages, use of an auxiliary oscillation

Definitions

  • the present disclosure relates to Doherty amplifiers used for power amplification at high frequencies.
  • a Doherty amplifier such as that described in Patent Document 1, is widely used as a wireless communication amplifier.
  • a Doherty amplifier has a carrier amplifier and a peak amplifier. The carrier amplifier operates all the time, and the peak amplifier operates only when the instantaneous amplitude of the modulated wave exceeds a certain level.
  • the size of the Doherty amplifier is reduced by narrowing the gate-to-gate distance of the peak amplifier than that of the carrier amplifier.
  • the carrier amplifier and peak amplifier are driven in different operating classes.
  • the carrier amplifier is operated with class AB bias and the peak amplifier with class C bias.
  • the Doherty amplifier has different gain characteristics before and after starting the peak amplifier, and there is a problem that the linearity deteriorates when the input power to the Doherty amplifier changes over the power at which the peak amplifier starts.
  • a Doherty amplifier includes a divider that divides an input high-frequency signal into two, a carrier amplifier that has a first transistor and amplifies one of the divided high-frequency signals, and a second transistor. a peak amplifier for amplifying the other of the distributed high-frequency signals; and a combiner for combining the output signal of the carrier amplifier and the output signal of the peak amplifier, wherein the gain of the second transistor is equal to the first The gain is higher than that of one transistor.
  • FIG. 1 is a circuit diagram of a Doherty amplifier according to Embodiment 1;
  • FIG. 1 is a top view of semiconductor device 1 according to Embodiment 1.
  • FIG. 2 is a top view of semiconductor element 2 according to Embodiment 1.
  • FIG. FIG. 10 is a diagram showing gain characteristics of a conventional Doherty amplifier;
  • FIG. 10 is a diagram showing calculation results of the maximum available gain when the unit gate width of a transistor is changed;
  • 4 is a diagram showing gain characteristics of the Doherty amplifier according to Embodiment 1;
  • FIG. Fig. 2 shows an implementation of first and second transistors in a conventional Doherty amplifier;
  • FIG. 10 is a diagram showing implementation of first and second transistors according to a modification of the first embodiment;
  • FIG. 3 is a diagram schematically showing a cross section of the semiconductor element 1 viewed from an arrow A in FIG. 2;
  • FIG. 10 is a diagram showing measurement results of gains of transistors having different gate lengths;
  • FIG. 4 illustrates the dependence of transistor gain on gate field plate length;
  • FIG. 4 illustrates the dependence of the gain of a transistor on the source inductance;
  • FIG. 1 is a circuit diagram of a Doherty amplifier according to Embodiment 1.
  • the Doherty amplifier comprises a carrier amplifier 10, a peak amplifier 11, a distributor 12, a combiner 13 and a line 19.
  • the Doherty amplifier has an input terminal 14 and an output terminal 15 .
  • the distributor 12 divides the high-frequency signal input to the input terminal 14 into two, for example, so that the power is equal to each other.
  • One of the distributed powers is input to the carrier amplifier 10, and the other is input to the peak amplifier 11 via the line 19, which is a transmission line having an electrical length of 1/4 wavelength at the frequency of the high frequency signal.
  • Line 19 compensates for the phase deviation caused by line 16 .
  • the carrier amplifier 10 is composed of a first transistor and a matching circuit
  • the peak amplifier 11 is composed of a second transistor and a matching circuit.
  • a carrier amplifier 10 is an amplifier that mainly amplifies the high frequency signal
  • a peak amplifier 11 is an amplifier that amplifies the high frequency signal only when the peak of the input signal exceeds a certain power.
  • the first transistor and the second transistor will be described later.
  • the combiner 13 is composed of lines 16 and 18 having an electrical length of 1/4 wavelength at the frequency of the high frequency signal. Lines 16 and 18 are connected at connection point 17 .
  • the output end of carrier amplifier 10 is connected to line 16 .
  • the output end of the peak amplifier 11 is connected to the connection point 17 .
  • the output signal of the carrier amplifier 10 and the output signal of the peak amplifier 11 are combined at the connection point 17, and the combined output signal is output from the output terminal 15 to the outside.
  • semiconductor element 1 is a first transistor and semiconductor element 2 is a second transistor.
  • the semiconductor element 1 and the semiconductor element 2 have a semiconductor substrate 21 in which a semiconductor layer whose main material is GaN (Galli ⁇ m Nitride) is epitaxially grown on the upper surface of a SiC (Silicon Carbide) substrate.
  • a HEMT High Electron Mobility Transistor having a source electrode 22 , a gate electrode 24 and a drain electrode 25 is formed on the upper surface of the semiconductor substrate 21 .
  • the semiconductor elements 1 and 2 are multi-finger transistors in which a plurality of gate electrodes, source electrodes, and drain electrodes are alternately arranged in parallel in a comb shape.
  • the gate electrode 24 is composed of a plurality of gate electrodes connected in parallel and wires connecting the gate electrodes. In each of semiconductor element 1 and semiconductor element 2, the width of each of the plurality of gate electrodes is the same, and this length is hereinafter referred to as a unit gate width.
  • Gate electrode 24 is connected to gate pad 23 .
  • the source electrode 22 is electrically connected to a via hole 26 that penetrates the semiconductor substrate 21 and connects the upper and lower surfaces of the semiconductor substrate 21 .
  • the via hole 26 is substantially circular and its diameter is R.
  • the semiconductor elements 1 and 2 have different unit gate widths, and otherwise have the same transistor structure.
  • a unit gate width Wgu1 of the semiconductor element 1 is 300 ⁇ m, and a unit gate width Wgu2 of the semiconductor element 2 is 200 ⁇ m.
  • the unit gate width Wgu2 of the semiconductor element 2 is shorter than the unit gate width Wgu1 of the semiconductor element 1 .
  • the conventional Doherty amplifier refers to the case where the carrier amplifier 10 and the peak amplifier 11 have the same gain characteristics, for example, the case where the first transistor and the second transistor are the same semiconductor device 1 .
  • the bias point of the first transistor used in the carrier amplifier 10 is set between class A and class B, and the bias point of the second transistor used in the peak amplifier 11 is set to class C. Due to the difference in bias class, the carrier amplifier 10 amplifies the signal regardless of the input power, but the peak amplifier 11 operates only when the input power exceeds a certain power.
  • FIG. 4 is a diagram showing gain characteristics of a conventional Doherty amplifier.
  • the horizontal axis of the figure indicates the input power to the Doherty amplifier.
  • the vertical axis of the figure indicates the gain.
  • a dotted line A1 in the figure represents a hypothetical gain characteristic of the carrier amplifier 10 when the same output load as when the peak amplifier 11 does not operate is applied.
  • a dotted line A2 in the figure represents a hypothetical gain characteristic of the carrier amplifier 10 when the same output load as when the carrier amplifier 10 and the peak amplifier 11 always operate is given.
  • the impedance from the output end of the carrier amplifier 10 to the output terminal 15 side and the impedance from the output end of the peak amplifier 11 to the output terminal 15 side are Impedances are equal. If the characteristic impedance of the line 16 is equal to the impedance looking into the output terminal 15 side from the output terminal of the carrier amplifier 10 , the impedance looking into the amplifier side from the connection point 17 is half the characteristic impedance of the line 16 .
  • the impedance seen from the connection point 17 to the carrier amplifier 10 side is the same as when the input power is high.
  • the peak amplifier 11 since the peak amplifier 11 is in a non-operating state, the impedance seen from the connection point 17 to the peak amplifier 11 side is open, and the impedance seen from the line 16 to the connection point 17 is 1/2 of the characteristic impedance of the line 16.
  • the impedance of the output terminal 15 side from the output end of the carrier amplifier 10 is twice the characteristic impedance of the line 16 as a result of the impedance conversion of the connection point 17 by the line 16 . That is, the impedance is twice the impedance when the input power is high as described above.
  • a solid line B in FIG. 4 indicates the gain characteristic of the peak amplifier 11 . Since the peak amplifier 11 is biased to class C, it starts when the input power exceeds a certain power, and the gain rises sharply. In the present disclosure, for convenience, the input power at which the gain of the peak amplifier 11 is maximized (indicated by D in the drawing) is assumed to be the input power at which the peak amplifier starts. Activation of the peak amplifier 11 changes the impedance of the peak amplifier 11 viewed from the connection point 17 . In other words, the impedance of the output side of the carrier amplifier 10 dynamically changes depending on the magnitude of the input power.
  • the overall gain characteristic of the Doherty amplifier is A1 when the carrier amplifier 10 does not operate (that is, the input power is less than D) when the signal is small, and A2 and B when the carrier amplifier 10 operates (that is, the input power is D or more). It becomes a characteristic that synthesizes As a result, the characteristic indicated by C in the figure is obtained.
  • DPD digital pre-distortion
  • the carrier amplifier 10 uses the semiconductor element 1 as the first transistor, and the peak amplifier 11 uses the semiconductor element 2 as the second transistor.
  • a unit gate width Wgu2 of the semiconductor element 2 is shorter than a unit gate width Wgu1 of the semiconductor element 1 .
  • the unit gate width of the semiconductor element 2 and the unit gate width of the semiconductor element 1 the gain of the peak amplifier 11 can be improved more than the gain of the carrier amplifier 10.
  • FIG. 5 shows the calculation results of the maximum available gain (Max Available Gain, MAG) when the unit gate width (Wgu) of the transistor is changed from 100 ⁇ m to 400 ⁇ m.
  • the horizontal axis of FIG. 5 indicates the unit gate width, and the vertical axis indicates the maximum available gain.
  • the calculation was performed at 4 GHz, which corresponds to the so-called Sub6 band, which is also used in wireless communication base stations.
  • the gain of the semiconductor device is improved by about 0.4 dB.
  • the gain of the peak amplifier 11 can be made higher than the gain of the carrier amplifier 10 by approximately 0.4 dB.
  • FIG. 6 is a diagram showing gain characteristics of the Doherty amplifier according to Embodiment 1 of the present disclosure.
  • the semiconductor element 2 which has a shorter unit gate width and a higher gain than the semiconductor element 1, is used. Therefore, the gain of the peak amplifier 11 (solid line B in the figure) is higher than that of the conventional Doherty amplifier.
  • FIG. 7 is a diagram showing implementation of the first and second transistors in a conventional Doherty amplifier
  • FIG. 8 is a diagram showing implementation of the first and second transistors according to the modification of the first embodiment. be.
  • the first transistor 51 and the second transistor 52 are mounted on the mounting portion 54 .
  • the mounting portion 54 is a mounting area for transistors provided on a multi-layer substrate constituting, for example, a Doherty amplifier.
  • 55 is the tip of the line connected to the distributor 12 .
  • 58 is the tip of the line connected to the connection point 17 .
  • a bonding wire 59 connects the first transistor 51 and the second transistor 52 to the line.
  • the first transistor 51 and the second transistor 52 are on different chips, it is necessary to separate them by, for example, 300 ⁇ m due to mounting restrictions. Therefore, a space 60 is required between the first transistor 51 and the second transistor 52 .
  • the first and second transistors 53 are integrated on a single semiconductor substrate as shown in FIG. Of course, by using one chip, there is no need for an interval between chips, and the space 60 becomes unnecessary. Therefore, as shown in FIG. 8, the area of the mounting portion 54 and the chip peripheral portion can be reduced.
  • the area of the mounting part and the chip peripheral part can be reduced in this way, for example, when a circuit is configured with transmission lines and surface-mounted parts on the surface layer of a multilayer substrate, the area of the die pad can be reduced, and the surface-layer wiring routing and parts arrangement can be reduced. Increased flexibility and easier design.
  • the expansion of the wiring area eliminates the need for wiring in the inner layers of the multilayer substrate, and a reduction in substrate cost can be expected due to the reduction in the number of substrate layers.
  • the mounting since the number of chips to be die-bonded is reduced, the mounting process can be reduced, and the mounting cost can be reduced.
  • FIG. 9 is a diagram schematically showing a cross section of the semiconductor element 1 viewed from arrow A in FIG.
  • the gate length of gate electrode 24 is Lg.
  • Gate electrode 24 has a gate field plate 28 in its vicinity for relieving the electric field towards drain electrode 25 .
  • the length of gate field plate 28 is Lgfp.
  • the same semiconductor element 1 as in the first embodiment is used for the first transistor, but the semiconductor element 3 different from that in the first embodiment is used for the second transistor.
  • Other parts are the same between the first embodiment and the second embodiment.
  • the semiconductor element 3 and the semiconductor element 1 have different gate lengths.
  • the gate length Lg of semiconductor element 1 is Lg1
  • the gate length Lg of semiconductor element 3 is Lg3.
  • Lg3 is shorter than Lg1, for example Lg3 is 0.4 ⁇ m and Lg1 is 0.5 ⁇ m.
  • Other parts of the semiconductor element 1 and the semiconductor element 3 are the same.
  • FIG. 10 is a graph showing measurement results of gains of transistors having different gate lengths.
  • the horizontal axis of the figure is the input power, and the vertical axis is the gain.
  • the solid line is the measured gain of a transistor with a gate length of 0.4 ⁇ m
  • the dotted line is the measured gain of a transistor with a gate length of 0.5 ⁇ m. Both have exactly the same specifications other than the gate length.
  • the transconductance of the transistor is improved by reducing the gate length and the gain of the transistor is improved.
  • the gate length is shortened from 0.5 ⁇ m to 0.4 ⁇ m, for example, the small signal gain of the semiconductor element is improved by about 1.2 dB.
  • the gain of the peak amplifier 11 can be increased by about 1.2 dB from the gain of the carrier amplifier 10. I can.
  • semiconductor element 1 is used as a first transistor in carrier amplifier 10, and semiconductor element 3 having a gate length shorter than that of semiconductor element 1 is used in peak amplifier 11 as a second transistor. board. Therefore, as in the first embodiment, the gain of the peak amplifier 11 of the Doherty amplifier according to the second embodiment is higher than that of the conventional Doherty amplifier. Therefore, as in the first embodiment, it is possible to obtain a Doherty amplifier with good gain linearity in which the difference in gain before and after the peak amplifier 11 is activated is eliminated or reduced.
  • Embodiment 3 the same semiconductor element 1 as in the first embodiment is used for the first transistor, but the semiconductor element 4 different from that in the first embodiment is used for the second transistor. Other parts are the same between the first embodiment and the third embodiment.
  • Semiconductor device 4 and semiconductor device 1 have different gate field plate lengths.
  • the gate field plate length Lgfp of semiconductor element 1 is Lgfp1
  • the gate field plate length Lgfp of semiconductor element 3 is Lgfp4.
  • Lgfp4 is shorter than Lgfp1.
  • Lgfp4 is 0.2 ⁇ m and Lgfp1 is 0.35 ⁇ m.
  • Other parts of semiconductor element 1 and semiconductor element 4 are the same.
  • FIG. 11 is a diagram showing the dependence of the gain of a transistor on the gate field plate length.
  • the horizontal axis indicates the gate field plate length
  • the vertical axis indicates the maximum available gain at 2.6 GHz.
  • the gain of the transistor is improved by approximately 0.4 dB.
  • the gain of the peak amplifier 11 is compared with the gain of the carrier amplifier 10 to be 0. 0.6 dB can be improved.
  • semiconductor element 1 is used as a first transistor for carrier amplifier 10, and semiconductor element 4 having a gate field plate length shorter than that of semiconductor element 1 is used as a second transistor for peak amplifier 11. used for Therefore, as in the first embodiment, the gain of the peak amplifier 11 of the Doherty amplifier according to the third embodiment is higher than that of the conventional Doherty amplifier. Therefore, as in the first embodiment, it is possible to obtain a Doherty amplifier with good gain linearity in which the difference in gain before and after the peak amplifier 11 is activated is eliminated or reduced.
  • Embodiment 4 the same semiconductor element 1 as in the first embodiment is used for the first transistor, but the semiconductor element 5 different from that in the first embodiment is used for the second transistor. Other parts are the same between the first embodiment and the third embodiment.
  • the semiconductor element 5 and the semiconductor element 1 have different cross-sectional areas of the via holes 26 .
  • the diameter R of the via hole 26 of the semiconductor element 1 is R1
  • the diameter R of the via hole 26 of the semiconductor element 5 is R5.
  • R5 is larger than R1, so that the cross-sectional area of the via hole 26 of the semiconductor element 5 is larger than the cross-sectional area of the via hole 26 of the semiconductor element 1.
  • the semiconductor element 1 and the semiconductor element 5 are otherwise the same.
  • FIG. 12 shows the dependence of the gain of the transistor on the source inductance.
  • FIG. 12 shows the calculation results of the gain when the source inductance of the semiconductor element 1 is changed.
  • the horizontal axis of the figure indicates the ratio of the source inductance of the semiconductor element 1 to the source inductance, which is changed by increasing the cross-sectional area of the via hole.
  • the vertical axis of the figure shows the calculation result of the maximum available gain at 4 GHz.
  • the transistor gain is improved by 1 dB, and when the source inductance ratio is 0.7, the transistor gain is improved by 0.3 dB.
  • the diameter R of the via hole 26 of the semiconductor element 5 so that the source inductance of the semiconductor element 5 is 0.7 times the source inductance of the semiconductor element 1, the gain of the peak amplifier 11 is reduced to that of the carrier amplifier 10. It can be about 0.3 dB higher than the gain.
  • semiconductor element 1 is used as a first transistor for carrier amplifier 10, and semiconductor element 5 having via hole 26 having a larger cross-sectional area than semiconductor element 1 is used as a second transistor for a peak amplifier. 11. Therefore, as in the first embodiment, the gain of the peak amplifier 11 of the Doherty amplifier according to the fourth embodiment is higher than that of the conventional Doherty amplifier. Therefore, as in the first embodiment, it is possible to obtain a Doherty amplifier with good gain linearity in which the difference in gain before and after the peak amplifier 11 is activated is eliminated or reduced.
  • the shape of the opening of the via hole is substantially circular in the fourth embodiment, it may be other shapes such as elliptical and oval.
  • the present disclosure is not limited to the above-described examples, and includes various modifications.
  • the above embodiments have been described in detail to facilitate understanding of the present disclosure, and are not necessarily limited to those having all the described configurations.
  • it is possible to replace part of the configuration of one embodiment with the configuration of another embodiment and it is also possible to add the configuration of another embodiment to the configuration of one embodiment.

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Abstract

従来のドハティ増幅器では、キャリアアンプとピークアンプに用いられるトランジスタを異なる動作級で駆動させるため、線形性が良くないという課題があった。 本開示に係るドハティ増幅器は、入力された高周波信号を2分配する分配器と、第一のトランジスタを有し分配された該高周波信号の一方を増幅するキャリアアンプと、第二のトランジスタを有し分配された該高周波信号の他方を増幅するピークアンプと、該キャリアアンプの出力信号と該ピークアンプの出力信号とを合成する合成器とを備え、該第二のトランジスタの利得は該第一のトランジスタの利得よりも高いことを特徴とする。

Description

ドハティ増幅器
 本開示は、高周波において電力増幅に用いられるドハティ増幅器に関するものである。
 近年の無線通信では、高速通信を実現するため、最大出力電力と平均出力電力の比が大きい変調方式が用いられている。ひずみによる通信品質の劣化を防ぐため、無線通信用増幅器は飽和出力電力よりも低い電力で動作させる必要がある。このような要求に対し、無線通信用増幅器として、例えば特許文献1に記載されているような、ドハティ増幅器が広く用いられている。
 ドハティ増幅器はキャリアアンプとピークアンプを有している。キャリアアンプは常時動作し、ピークアンプは変調波瞬時振幅がある一定レベルを超えた時のみ動作する。加えて、キャリアアンプの出力負荷が入力電力に応じて動的に変化することで、低入力電力時に高効率でありながら大出力を得られる技術である。
 特許文献2では、ピークアンプのゲート-ゲート間隔をキャリアアンプよりも狭くすることでドハティ増幅器の小型化を実現している。
特開2005-322993号公報 特許第5483581号
 ドハティ増幅器ではキャリアアンプとピークアンプを異なる動作級で駆動する。一般的にキャリアアンプをAB級、ピークアンプをC級バイアスで動作させる。このためにドハティ増幅器はピークアンプの起動前後で利得特性が異なり、ドハティ増幅器への入力電力が、ピークアンプが起動する電力を跨いで変化すると線形性が劣化するという課題がある。
 本開示に係るドハティ増幅器は、入力された高周波信号を2分配する分配器と、第一のトランジスタを有し分配された前記高周波信号の一方を増幅するキャリアアンプと、第二のトランジスタを有し、分配された前記高周波信号の他方を増幅するピークアンプと、前記キャリアアンプの出力信号と前記ピークアンプの出力信号とを合成する合成器と、を備え、前記第二のトランジスタの利得は前記第一のトランジスタの利得よりも高いことを特徴とする。
 本開示によれば、従来のドハティ増幅器と比較して、ピークアンプが起動する前後での利得の差が解消または縮小した、利得の線形性が良好なドハティ増幅器を得ることができる。
実施の形態1に係るドハティ増幅器の回路図である。 実施の形態1に係る半導体素子1の上面図である。 実施の形態1に係る半導体素子2の上面図である。 従来のドハティ増幅器の利得特性を示した図である。 トランジスタの単位ゲート幅を変化させたときの最大有能利得の計算結果を示す図である。 実施の形態1に係るドハティ増幅器の利得特性を示した図である。 従来のドハティ増幅器における第一及び第二のトランジスタの実装を示した図である。 実施の形態1の変形例に係る第一及び第二のトランジスタの実装を示した図である。 図2における矢印Aから見た半導体素子1の断面を模式的に示した図である。 ゲート長の異なるトランジスタの利得の測定結果を示した図である。 トランジスタの利得の、ゲートフィールドプレート長の依存性を示す図である。 トランジスタの利得の、ソースインダクタンスの依存性を示す図である。
 本開示の実施の形態に係るドハティ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.
 本開示の実施の形態1について説明する。図1は実施の形態1に係るドハティ増幅器の回路図である。ドハティ増幅器は、キャリアアンプ10、ピークアンプ11、分配器12、合成器13および線路19を備えている。ドハティ増幅器は入力端子14および出力端子15を有する。
 分配器12は入力端子14に入力された高周波信号を、例えば互いの電力が等しくなるように2分配する。
 分配された電力の一方はキャリアアンプ10に入力され、他方は該高周波信号の周波数において1/4波長の電気長を有する伝送線路である線路19を介してピークアンプ11へ入力される。線路19は線路16によって生じる位相偏差を補償する。
 キャリアアンプ10は第一のトランジスタと整合回路から構成されており、ピークアンプ11は第二のトランジスタと整合回路から構成されている。キャリアアンプ10は該高周波信号を主に増幅する増幅器であり、ピークアンプ11は入力信号のピークがある一定電力を超えた場合のみ該高周波信号を増幅する増幅器である。第一のトランジスタ、及び第二のトランジスタについては後述する。
 合成器13は該高周波信号の周波数において1/4波長の電気長を有する線路16及び線路18から構成される。線路16と線路18は接続点17において接続されている。
 キャリアアンプ10の出力端は線路16に接続されている。ピークアンプ11の出力端は接続点17に接続されている。キャリアアンプ10の出力信号とピークアンプ11の出力信号は接続点17で合成され、合成された出力信号は出力端子15から外部へ出力される。
 図2は半導体素子1の上面図、図3は半導体素子2の上面図である。実施の形態1において、半導体素子1は第一のトランジスタであり、半導体素子2は第二のトランジスタである。
 半導体素子1と半導体素子2は、SiC(Silicon Carbide)基板の上面にGaN(Galliμm Nitride)を主材料とする半導体層をエピタキシャル成長させた半導体基板21を有する。半導体基板21の上面には、ソース電極22、ゲート電極24、及びドレイン電極25を有するHEMT(High Electron Mobility Transistor)が形成されている。
 半導体素子1及び半導体素子2は、複数のゲート電極、ソース電極及びドレイン電極が交互に櫛型状に並列配置されたマルチフィンガー形トランジスタである。ゲート電極24は並列接続された複数の該ゲート電極と該ゲート電極同士を接続する配線から構成されている。半導体素子1及び半導体素子2のそれぞれにおいて、複数の該ゲート電極それぞれの幅は等しく、以下でこの長さを単位ゲート幅と呼ぶ。
 ゲート電極24はゲートパッド23と接続されている。ソース電極22は、半導体基板21を貫通し半導体基板21の上面と下面を接続するビアホール(VIA HOLE)26と導通されている。ビアホール26はほぼ円形であり、その直径はRである。
 半導体素子1と半導体素子2は単位ゲート幅が異なり、その他は同一のトランジスタ構造を有する。半導体素子1の単位ゲート幅Wgu1は300μmであり、半導体素子2の単位ゲート幅Wgu2は200μmである。つまり、半導体素子2の単位ゲート幅Wgu2は、半導体素子1の単位ゲート幅Wgu1より短い。
 本開示の実施の形態1に係るドハティ増幅器について説明する前に、まず従来のドハティアンプの動作について説明する。本開示において従来のドハティアンプとはキャリアアンプ10とピークアンプ11が同じ利得の特性を持つ場合を指し、例えば第一のトランジスタと第二のトランジスタが、同じ半導体素子1である場合である。
 一般に、キャリアアンプ10に用いられた第一のトランジスタはA級からB級の間にバイアス点が設定され、ピークアンプ11に用いられた第二のトランジスタのバイアス点はC級に設定される。バイアス級の違いにより、キャリアアンプ10は入力電力に関わらず信号を増幅するが、ピークアンプ11は入力電力がある一定電力を超えた時のみ動作する
 図4は従来のドハティ増幅器の利得特性を示した図である。図の横軸はドハティ増幅器への入力電力を示す。図の縦軸は利得を示す。図中の点線A1は、ピークアンプ11が動作しない状態と同じ出力負荷が与えられた場合の、キャリアアンプ10の仮想の利得特性である。図中の点線A2は、キャリアアンプ10とピークアンプ11が常に動作する場合と同じ出力負荷が与えられた場合の、キャリアアンプ10の仮想の利得特性である。
 入力電力が高く、キャリアアンプ10とピークアンプ11の両方が動作する場合、キャリアアンプ10の出力端から出力端子15側を見込んだインピーダンスと、ピークアンプ11の出力端から出力端子15側を見込んだインピーダンスは等しい。線路16の特性インピーダンスが、キャリアアンプ10の出力端から出力端子15側を見込んだインピーダンスと等しい場合、接続点17からアンプ側を見込んだインピーダンスは、線路16の特性インピーダンスの1/2になる。
 入力電力が低くキャリアアンプ10のみが動作する場合、接続点17からキャリアアンプ10側を見込んだインピーダンスは先に述べた入力電力が高い場合と同じである。一方で、ピークアンプ11が非動作状態のため、接続点17からピークアンプ11側を見込んだインピーダンスは開放となり、線路16から接続点17を見込んだインピーダンスは線路16の特性インピーダンスの1/2となる。キャリアアンプ10の出力端から出力端子15側を見込んだインピーダンスは、接続点17のインピーダンスが線路16によってインピーダンス変換された結果、線路16の特性インピーダンスの2倍になる。つまり、先に述べた入力電力が高い場合のインピーダンスの2倍となる。
 図4の実線Bはピークアンプ11の利得特性を示す。ピークアンプ11はC級にバイアスされているため、入力電力がある一定電力を超えると起動し、急峻に利得が立ち上がる。本開示においては便宜的に、ピークアンプ11の利得が最大となる入力電力(図中ではDで示す)を、ピークアンプが起動する入力電力とする。
 ピークアンプ11の起動により、接続点17からピークアンプ11を見たインピーダンスが変化する。つまり、入力電力の大きさによって、キャリアアンプ10から出力側を見たインピーダンスが動的に変化する。
 ドハティ増幅器全体の利得特性は、キャリアアンプ10が動作しない小信号時(すなわち入力電力がD未満)はA1の利得特性となり、キャリアアンプ10が動作する場合(すなわち入力電力D以上)はA2とBを合成した特性になる。その結果、図中にCで示す特性となる。
 このように、従来のドハティ増幅器ではキャリアアンプ10とピークアンプ11に同仕様のトランジスタを使用しているので、AB級にバイアス点が設定されたキャリアアンプ10と比較して、C級にバイアス点が設定されたピークアンプ11は低利得である。
 よってドハティ増幅器全体の利得特性は、図4の実線Cで示すようにピークアンプ11が起動する前後で利得に段差が生じ、利得の線形性が悪いという問題があった。
 ところで、無線通信基地局において、ディジタルひずみ補償(Digital Pre-Distortion、DPD)を用いて増幅器の利得の逆特性を持った信号を生成することで、伝送する信号のひずみを補償する場合がある。しかし、利得の線形性が悪い場合、高次の方程式を用いて利得特性を補正する必要が生じて計算量が増大する。この結果、十分なひずみ補償効果が得られない場合がありえる。
 次に本開示の実施の形態1に係るドハティ増幅器について説明する。
 実施の形態1に係るドハティアンプにおいて、キャリアアンプ10には第一のトランジスタとして半導体素子1が用いられ、ピークアンプ11には第二のトランジスタとして半導体素子2が用いられている。そして半導体素子2の単位ゲート幅Wgu2は、半導体素子1の単位ゲート幅Wgu1より短い。
 高周波トランジスタにおいて、単位ゲート幅が長い場合、トランジスタの均一動作はトランジスタのフィンガー内での位相回転により難しくなり、トランジスタの利得が低下する。従って、半導体素子2の単位ゲート幅を半導体素子1の単位ゲート幅を短くすることで、ピークアンプ11の利得をキャリアアンプ10の利得より向上させることができる。
 図5にトランジスタの単位ゲート幅(Wgu)を100μmから400μmまで変化させたときの最大有能利得(Max Available Gain、MAG)の計算結果を示す。図5の横軸は単位ゲート幅を示し、縦軸は最大有能利得を示す。計算は無線通信基地局でも用いられる、いわゆるSub6帯域に相当する4GHzで実施した。
 図5より、例えば単位ゲート幅を300μmから200μmに短縮すると、半導体素子の利得が約0.4dB向上することがわかる。例えば、半導体素子1の単位ゲート幅Wgu1を300μm、半導体素子2の単位ゲート幅Wgu2を200μmとすることで、ピークアンプ11の利得をキャリアアンプ10の利得より約0.4dB高くすることが出来る。
 図6は本開示の実施の形態1に係るドハティ増幅器の利得特性を示した図である。
 ピークアンプ11に用いられる第二のトランジスタとして、半導体素子1よりも単位ゲート幅が短く、利得の高い半導体素子2を適用した。このためピークアンプ11の利得(図中の実線B)は、従来のドハティ増幅器と比較して高い。
 本開示によれば、従来のドハティ増幅器と比較して、ピークアンプ11が起動する前後での利得の差が解消または縮小した、利得の線形性が良好なドハティ増幅器を得ることができる。その結果、利得の逆特性演算が低次の方程式で可能となることによる、DPDの計算量の低減が期待できる。ひいてはDPD装置を簡素化による無線通信基地局装置の低コスト化や消費電力低減が期待できる。
 本開示の実施の形態1に係る第一のトランジスタと第二のトランジスタは、同一プロセスで形成可能である。そのため、第一のトランジスタと第二のトランジスタを同一の半導体基板上に集積することができる。
 図7は従来のドハティ増幅器における第一及び第二のトランジスタの実装を示した図であり、図8は実施の形態1の変形例に係る第一及び第二のトランジスタの実装を示した図である。
 図7において、第一のトランジスタ51と第二のトランジスタ52は実装部54に実装されている。実装部54は例えばドハティ増幅器を構成する多層基板に設けられたトランジスタの実装エリアである。55は分配器12へ繋がる線路の先端部である。58は接続点17へ繋がる線路の先端部である。59は第一のトランジスタ51及び第二のトランジスタ52と線路を繋ぐボンディングワイヤである。
 第一のトランジスタ51と第二のトランジスタ52が別チップの場合、実装上の制約で間隔を例えば300μm離す必要がある。このため第一のトランジスタ51と第二のトランジスタ52の間には空間60が必要である。
 一方、本開示の実施の形態1の変形例においては、図8に示すように第一及び第二のトランジスタ53は単一の半導体基板上に集積されている。当然ながら、1チップにすることでチップ間の間隔は必要無く、空間60は不要となる。よって図8に示す様に実装部54及びチップ周辺部の面積が縮小できる。
 このように実装部及びチップ周辺部の面積が縮小できることで、例えば多層基板の表層に伝送線路や表面実装部品で回路を構成する場合、ダイパッドの面積を縮小でき、表層の配線引き回しや部品配置の自由度が増し、設計が容易になる。また配線引き回しの面積の拡大により、多層基板の内層の配線引き回しが不要になり、基板層数の削減による基板コスト低減も期待できる。もしくは、多層基板の外形サイズ縮小によるコスト低減も可能である。実装についても、ダイボンドするチップ数が減るため、実装工程が削減でき、実装コストを削減できる。
実施の形態2.
 図9は、図2における矢印Aから見た半導体素子1の断面を模式的に示した図である。ゲート電極24のゲート長はLgである。ゲート電極24はその近傍においてドレイン電極25へ向かう電界を緩和するためのゲートフィールドプレート28を有している。ゲートフィールドプレート28の長さはLgfpである。
 実施の形態2において第一のトランジスタには実施の形態1と同じ半導体素子1を用いるが、第二のトランジスタには実施の形態1と異なる半導体素子3を用いる。他の部分は実施の形態1と実施の形態2は同じである。
 半導体素子3と半導体素子1はゲート長が異なる。半導体素子1のゲート長LgはLg1であり、半導体素子3のゲート長LgはLg3である。ここでLg3はLg1より短く、例えばLg3は0.4μmであり、Lg1は0.5μmである。半導体素子1と半導体素子3は他の部分は同じである。
 図10はゲート長の異なるトランジスタの利得の測定結果を示した図である。図の横軸は入力電力であり、縦軸は利得である。図10において、実線は0.4μmのゲート長を有するトランジスタの利得の測定結果であり、点線は0.5μmのゲート長を有するトランジスタの利得の測定結果である。両者はゲート長以外の諸元は全く同一である。
 図10に示すように、トランジスタの相互コンダクタンスはゲート長の低減により向上し、トランジスタの利得が向上する。
 図10より、例えばゲート長を0.5μmから0.4μmに短縮すると、半導体素子の小信号利得が約1.2dB向上することがわかる。例えば、半導体素子1のゲート長Lg1を0.5μm、半導体素子3のゲート長Lg3を0.4μmとすることで、ピークアンプ11の利得をキャリアアンプ10の利得より約1.2dB高くすることが出来る。
 実施の形態2に係るドハティ増幅器においては、半導体素子1を第一のトランジスタとしてキャリアアンプ10に用い、半導体素子1より短いゲート長を有する半導体素子3を、第二のトランジスタとしてピークアンプ11に用いた。このため実施の形態1と同様に、従来のドハティ増幅器のピークアンプと比較して、実施の形態2に係るドハティ増幅器のピークアンプ11の利得は高い。よって、実施の形態1と同様にピークアンプ11が起動する前後での利得の差が解消または縮小した、利得の線形性が良好なドハティ増幅器を得ることができる。
実施の形態3.
 実施の形態3において第一のトランジスタには実施の形態1と同じ半導体素子1を用いるが、第二のトランジスタには実施の形態1と異なる半導体素子4を用いる。他の部分は実施の形態1と実施の形態3は同じである。
 半導体素子4と半導体素子1はゲートフィールドプレート長が異なる。半導体素子1のゲートフィールドプレート長LgfpはLgfp1であり、半導体素子3のゲートフィールドプレート長LgfpはLgfp4である。ここでLgfp4はLgfp1より短い。例えばLgfp4は0.2μmであり、Lgfp1は0.35μmである。半導体素子1と半導体素子4は他の部分は同じである。
 ゲートフィールドプレート長の低減により、トランジスタのゲート・ドレイン間の寄生容量を低減することができ、トランジスタの利得を向上させることが出来る。
 図11はトランジスタの利得のゲートフィールドプレート長の依存性を示す図である。図11において横軸はゲートフィールドプレート長を示し、縦軸は2.6GHzにおける最大有能利得を示す。上記においてトランジスタのゲートフィールドプレート長以外の諸元は全く同一である。
 図11より、ゲートフィールドプレート長が0.1μm短くなると、トランジスタの利得がおよそ0.4dB向上する。例えば半導体素子1のゲートフィールドプレート長Lgfp1を0.35μm、半導体素子4のゲートフィールドプレート長Lgfp4を0.20μmとすることで、ピークアンプ11の利得をキャリアアンプ10の利得と比較して、0.6dB向上させることができる。
 実施の形態3に係るドハティ増幅器においては、半導体素子1を第一のトランジスタとしてキャリアアンプ10に用い、半導体素子1より短いゲートフィールドプレート長を有する半導体素子4を、第二のトランジスタとしてピークアンプ11に用いた。このため実施の形態1と同様に、従来のドハティ増幅器のピークアンプと比較して、実施の形態3に係るドハティ増幅器のピークアンプ11の利得は高い。よって、実施の形態1と同様にピークアンプ11が起動する前後での利得の差が解消または縮小した、利得の線形性が良好なドハティ増幅器を得ることができる。
実施の形態4.
 実施の形態4において第一のトランジスタには実施の形態1と同じ半導体素子1を用いるが、第二のトランジスタには実施の形態1と異なる半導体素子5を用いる。他の部分は実施の形態1と実施の形態3は同じである。
 半導体素子5と半導体素子1はビアホール26の断面積が異なる。半導体素子1のビアホール26の直径RはR1であり、半導体素子5のビアホール26の直径RはR5である。ここでR5はR1より大きく、従って半導体素子5のビアホール26の断面積は、半導体素子1のビアホール26の断面積より大きい。半導体素子1と半導体素子5は、他の部分は同じである。
 ビアホールの断面積拡大により、トランジスタのソースインダクタンスが減少するのでトランジスタの利得が向上する。
 図12はトランジスタの利得の、ソースインダクタンスの依存性を示す図である。図12は半導体素子1のソースインダクタンスを変化させた場合の利得の計算結果である。図の横軸は半導体素子1のソースインダクタンスを基準にして、ビアホールの断面積の拡大によりソースインダクタンスを変化させた比率を示す。図の縦軸は4GHzにおける最大有能利得の計算結果を示す。
 図12からソースインダクタンスの比率が半分になるとトランジスタの利得が1dB改善し、ソースインダクタンスの比率が0.7になるとトランジスタの利得が0.3dB改善することが分かる。
 例えば、半導体素子5のソースインダクタンスが半導体素子1のソースインダクタンスに対し0.7倍となるように半導体素子5のビアホール26の直径Rを設定することで、ピークアンプ11の利得をキャリアアンプ10の利得より約0.3dB高くすることが出来る。
 実施の形態4に係るドハティ増幅器においては、半導体素子1を第一のトランジスタとしてキャリアアンプ10に用い、半導体素子1より断面積が大きいビアホール26を有する半導体素子5を、第二のトランジスタとしてピークアンプ11に用いた。このため実施の形態1と同様に、従来のドハティ増幅器のピークアンプと比較して、実施の形態4に係るドハティ増幅器のピークアンプ11の利得は高い。よって、実施の形態1と同様にピークアンプ11が起動する前後での利得の差が解消または縮小した、利得の線形性が良好なドハティ増幅器を得ることができる。
 なお実施の形態4においてビアホールの開口形状はほぼ円形であったが、楕円形、長円形等の他の形状であっても良い。
 本開示は、上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本開示を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。
 また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
1,2,3,4,5 半導体素子、10 キャリアアンプ、11 ピークアンプ、12 分配器、13 合成器、16,18,19 線路、21 半導体基板、22 ソース電極、23 ゲートパッド、24 ゲート電極、25 ドレイン電極、26 ビアホール、28 ゲートフィールドプレート、Lg ゲート長、Lgfp ゲートフィールドプレート長、R ビアホールの直径、Wgu1、Wgu2 単位ゲート幅。

Claims (6)

  1.  入力された高周波信号を2分配する分配器と、
     第一のトランジスタを有し、分配された前記高周波信号の一方を増幅するキャリアアンプと、
     第二のトランジスタを有し、分配された前記高周波信号の他方を増幅するピークアンプと、
     前記キャリアアンプの出力信号と前記ピークアンプの出力信号とを合成する合成器と
    を備え、
     前記第二のトランジスタの利得は前記第一のトランジスタの利得よりも高いことを特徴とするドハティ増幅器。
  2.  前記第二のトランジスタの単位ゲート幅は前記第一のトランジスタの単位ゲート幅よりも短いことを特徴とする、請求項1に記載のドハティ増幅器。
  3.  前記第二のトランジスタのゲート長は前記第一のトランジスタのゲート長よりも短いことを特徴とする、請求項1に記載のドハティ増幅器。
  4.  前記第二のトランジスタのゲートフィールドプレート長は、前記第一のトランジスタのゲートフィールドプレート長よりも短いことを特徴とする、請求項1に記載のドハティ増幅器。
  5.  前記第二のトランジスタのビアホールの断面積は、前記第一のトランジスタのビアホールの断面積よりも大きいことを特徴とする、請求項1に記載のドハティ増幅器。
  6.  前記第一のトランジスタと前記第二のトランジスタは、同一の半導体基板上に形成されたことを特徴とする、請求項1から5のいずれか一項に記載のドハティ増幅器。
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