JP2004235797A - カスコード電力増幅器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】カスコード電力増幅器は、エンハンスメント型の第1のトランジスタのドレインとエンハンスメント型の第2のトランジスタのソースとがカスコード接続され、第2のトランジスタのドレインに電源電圧が印加され、第1のトランジスタのゲートに入力を加え、第2のトランジスタのドレインから出力を得るカスコード電力増幅器において、第2のトランジスタのゲートへの印加電圧をカスコード電力増幅器の外部から設定でき、第2のトランジスタのゲート印加電圧が電源電圧より低く設定される。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、2つのトランジスタの一方のドレインを他方のソースに接続するカスコード電力増幅器に関し、特にマイクロ波帯の信号を増幅するカスコード電力増幅器に関する。
【0002】
【従来の技術】
CMOS技術を適用した高周波電力増幅器は、高周波信号を入力されるソース接地の第1のトランジスタのドレインと、ベース接地の第2のトランジスタのソースとをカスコード接続し、第2のトランジスタのドレインから増幅された高周波信号を出力する構成になっている。エンハンスメント型のトランジスタを使用したカスコード電力増幅器は、第2のトランジスタのゲート端子は電源端子からインダクタと抵抗を介して接続されて電源電圧と同じくなっている(例えば、非特許文献1参照。)。
【0003】
【非特許文献1】
2002 アイトリイー インターナショナル ソリッドステート カンファレンス 技術論文ダイジェスト (2002 IEEE International Solid−State Circuits Conference Digest of Technical Paper)、2002年2月6日、セッション17(進歩したRF技術)、17.5
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来のエンハンスメント型のカスコード電力増幅器を出力電力が飽和出力電力に近い条件で使用したとき、第2のトランジスタのゲート印加電圧は電源電圧と等しいので、第2のトランジスタのドレインーソース間電圧が第1のトランジスタのドレインーソース間電圧より小さく、第2のトランジスタのドレイン電流が先に飽和するために、電力増幅器は出力電力を効率よく取り出せないという問題があった。
【0005】
また、高電力利得、高出力を両立するために、高電力利得なトランジスタを第1のトランジスタとして用いた場合、高利得トランジスタにおいては、ドレインーソース間に印加できる最大印加電圧が低いため、カスコード接続すると、第1のトランジスタのドレインーソース間電圧が最大印加電圧を超えるため、最大出力電力が第1のトランジスタのドレインーソース間の最大印加電圧で制限されてしまうという問題があった。
【0006】
この発明の目的は、マイクロ波帯域の高電力出力を効率よく得られるカスコード電力増幅器を提供することである。
【0007】
また、高利得、高出力を両立し、かつ、ドレインーソース間耐圧を満足するカスコード電力増幅器を提供することである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
この発明に係わるカスコード電力増幅器は、エンハンスメント型の第1のトランジスタのドレインとエンハンスメント型の第2のトランジスタのソースとがカスコード接続され、第2のトランジスタのドレインに電源電圧が印加され、第1のトランジスタのゲートに入力を加え、第2のトランジスタのドレインから出力を得るカスコード電力増幅器において、第2のトランジスタのゲートへの印加電圧をカスコード電力増幅器の外部から設定でき、第2のトランジスタのゲート印加電圧が電源電圧より低く設定される。
【0009】
【発明の実施の形態】
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1によるカスコード電力増幅器の構成を示す回路図である。図2は図1のカスコード電力増幅器の第2のトランジスタのゲート印加電圧(VGS2)に対する1dBコンプレッション出力電力(P1dB)と、第1のトランジスタのドレインーソース間電圧(Vds1)と、第2のトランジスタのドレインーソース間電圧(Vds2)を示す。
【0010】
カスコード電力増幅器は、第1のトランジスタ1と第2のトランジスタ2を、第1のトランジスタ1のドレイン1Dと第2のトランジスタ2のソース2Sがカスコード接続されている。第1のトランジスタ1でソース接地増幅回路を構成し、第2のトランジスタ2でベース接地増幅回路を構成して、それらを縦列接続した回路である。第1のトランジスタ1と第2のトランジスタ2とはエンハンスメント型であり、ドレインーソース間の最大印加電圧は等しく3.3Vである。最大印加電圧は常時印加しても経時変化の少ない最大の印加電圧を意味し、最大印加電圧は半導体の製造プロセルの精細度に関係している。例えば、0.35μmツールであれば、3.3V位、0.18μmツールであれば1.8V位である。しかし、この値は固定されたものではなく、改良されていく特性である。
【0011】
さらに、カスコード電力増幅器は、外部から高周波信号が入力され、第1のトランジスタ1のゲート1Gに接続された入力端子3と、第2のトランジスタ2のゲート2Gに外部からバイアス電圧を印加する電圧印加端子4と、外部からカスコード増幅器の電力を供給する電源端子5と、第2のトランジスタ2のドレイン2Dに接続され、外部に高周波信号を出力する出力端子6と、電源端子5と第2のトランジスタ2のドレイン2D間に挿入されたインダクタ7と、カスコード電力増幅器の基準電圧として外部とはグランド8に接続され、第1のトランジスタ1のソース1Sに接続されるグランド端子9とを備えている。
入力端子3から入力された高周波信号は、第1のトランジスタ1のゲート1Gに入力され、第1のトランジスタ1と第2のトランジスタ2で増幅され、第2のトランジスタ2のドレイン2Dから出力端子6へと出力される。
【0012】
電源端子5には電源電圧(Vcc)として、直流3.3Vが印加されている。第2のトランジスタ2のゲート2Gに印加するゲート印加電圧VG2を第1のトランジスタのゲート印加電圧VG1から電源電圧Vccの間変化させた時の、第1のトランジスタ1と第2のトランジスタ2のそれぞれのドレインーソース電圧Vds1とVds2の変化をそれぞれ折れ線10、11で図2に示す。バイアス条件は、第2のトランジスタ2のゲート2Gに印加するゲート印加電圧VG2において、ドレインーソース電流の電流値(Ids)が60mAとなるように、第1のトランジスタ1のゲート1Gのゲート印加電圧Vg1を調整している。第2のトランジスタ2のVds2はVg2が大きくなると小さくなり、Vg2が2.6V以上で最大印加電圧より小さくなる。一方、第1のトランジスタ1のVds1はVg2が大きくなるに従って大きくなるが、Vg2が2.2Vから3.3Vの範囲では最大印加電圧よりは小さい。
【0013】
図2の折れ線12は、図1の第2のトランジスタ2のゲート2Gへのゲート印加電圧Vg2に対する出力端子6から出力される5.6GHzでの1dBコンプレッション出力電力P1dBの特性を示す。第2のトランジスタ2のゲート印加電圧Vg2が2.8Vの時に、1dBコンプレッション出力電力P1dBが16.9dBmとして最大値を示す。
【0014】
このようなカスコード電力増幅器は、第2のトランジスタのゲート印加電圧を外部から電源電圧Vccと第1のトランジスタのゲート印加電圧との間に合わせることにより、1dBコンプレッション出力電力の最大値を示し、出力電力を最大限取り出すことが出来る。
【0015】
実施の形態2.
図3は、本発明の実施の形態2によるカスコード電力増幅器の第2のトランジスタのゲート印加電圧(Vg2)に対する1dBコンプレッション出力電力(P1dB)と、第1のトランジスタのドレインーソース間電圧(Vds1)と、第2のトランジスタのドレインーソース間電圧(Vds2)を示す。
【0016】
実施の形態2のカスコード電力増幅器は、図1と第2のトランジスタ2の最大印加電圧より低い最大印加電圧の第1のトランジスタを用いていることが異なっている。第1のトランジスタ1の最大印加電圧は2.6Vであり、第2のトランジスタ2の最大印加電圧は3.3Vである。
電源端子5には電源電圧(Vcc)として直流3.3Vが印加されている。 第2のトランジスタ2のゲート2Gに印加するゲート印加電圧Vg2を第1のトランジスタ1のゲート印加電圧Vg1から電源電圧Vccの間変化させた時の、第1のトランジスタ1と第2のトランジスタ2のそれぞれのドレインーソース電圧Vds1とVds2の変化をそれぞれ折れ線13、14で図3に示す。バイアス条件は、第2のトランジスタのゲート2Gに印加するゲート印加電圧Vg2において、ドレインーソース電流の電流値(Ids)が60mAとなるように、第1のトランジスタ1のゲート1Gの電圧Vg1を調整している。第2のトランジスタのVds2はVg2が大きくなると小さくなり、Vg2が2.4V以上であれば最大印加電圧より小さくなる。一方、第1のトランジスタのVds1はVg2が大きくなるに従って大きくなるが、Vg2が3.1Vを越えると最大印加電圧を越える。
【0017】
図3の折れ線15は、実施の形態2の第2のトランジスタ2のゲート2Gのゲート印加電圧Vg2に対する出力端子6から出力される1dBコンプレッション出力電力P1dBの特性を示す。第2のトランジスタ2のゲート印加電圧Vg2が2.8Vの時に、1dBコンプレッション出力電力P1dBが16.8dBmを示す。
【0018】
このようなカスコード電力増幅器は、第1のトランジスタの最大印加電圧を第2のトランジスタの最大印加電圧よりちいさなトランジスタを用いることで高利得を得ることができ、第2のトランジスタのゲート印加電圧を外部から電源電圧Vccと第1のトランジスタのゲート印加電圧との間に合わせることにより、1dBコンプレッション出力電力時の第1のトランジスタの最大印加電圧を満足することができる。
【0019】
実施の形態3.
図4は、本発明の実施の形態3によるカスコード電力増幅器の第2のトランジスタのゲート印加電圧(Vg2)に対する1dBコンプレッション出力電力(P1dB)と、第1のトランジスタのドレインーソース間電圧(Vds1)と、第2のトランジスタのドレインーソース間電圧(Vds2)を示す。
【0020】
実施の形態3のカスコード電力増幅器は、図1と第1のトランジスタ1の最大印加電圧が実施の形態2よりさらに低いトランジスタを用いていることが異なっている。第1のトランジスタ1の最大印加電圧は1.8Vであり、第2のトランジスタ2の最大印加電圧は3.3Vである。
電源端子5には電源電圧(Vcc)として直流3.3Vが印加されている。 第2のトランジスタ2のゲート2Gに印加するゲート印加電圧Vg2を第1のトランジスタ1のゲート印加電圧Vg1から電源電圧Vccの間変化させた時の、第1のトランジスタ1と第2のトランジスタ2のそれぞれのドレインーソース電圧Vds1とVds2の変化をそれぞれ折れ線16、17で図4に示す。バイアス条件は、第2のトランジスタのゲート2Gに印加するゲート印加電圧Vg2において、ドレインーソース電流の電流値(Ids)が60mAとなるように、第1のトランジスタ1のゲート1Gの電圧Vg1を調整している。第2のトランジスタのVds2はVg2が大きくなると小さくなり、Vg2が2.2V以上であれば最大印加電圧より小さくなる。一方、第1のトランジスタのVds1はVg2が大きくなるに従って大きくなるが、Vg2が2.2Vだけで最大印加電圧よりは小さい。従って、第2のトランジスタ2のゲート印加電圧Vg2が2.2Vのとき第1のトランジスタの最大印加電圧を満足する。
【0021】
図4の折れ線18は、実施の形態3の第2のトランジスタ2のゲート2Gのゲート印加電圧Vg2に対する出力端子6から出力される1dBコンプレッション出力電力P1dBの特性を示す。第2のトランジスタ2のゲート印加電圧Vg2が2.2Vの時に、1dBコンプレッション出力電力P1dBが15.1dBmとなる。
【0022】
このようなカスコード電力増幅器は、第1のトランジスタの最大印加電圧を第2のトランジスタの最大印加電圧よりちいさなトランジスタを用いることで高利得を得ることができ、第2のトランジスタのゲート印加電圧を外部から電源電圧Vccと第1のトランジスタのゲート印加電圧との間に合わせることにより、1dBコンプレッション出力電力時の第1のトランジスタの最大印加電圧を満足することができる。
【0023】
さらに第1のトランジスタの最大印加電圧(Vds max)と線形電力利得(Linear Gain)との関係を図5に示す。最大印加電圧の小さなトランジスタを第1のトランジスタとして用いたカスコード電力増幅器は大きな線形電力利得を得ることができる。
【0024】
このようなカスコード電力増幅器は第1のトランジスタに第2のトランジスタより高精細なツール、例えば第2のトランジスタが0.35μmツールに対して、第1のトランジスタを0.18μmツールを採用して適切な電力増幅器を得ることができる。最大印加電圧の高いトランジスタを用いて出力に近い増幅器を、最大印加電圧の低いトランジスタを用いて、入力に近い増幅器をそれぞれ構成することができる。
【0025】
実施の形態4.
図6は、この発明の実施の形態4のカスコード電力増幅器の構成を示す回路図である。図6は図1と第2のトランジスタのゲートとグランド端子の間にコンデンサが挿入されていることが異なっていて、同様なことは説明を省略する。
【0026】
図6において、第2のトランジスタ2のゲート2Gと、グランド8に接続されたグランド端子9との間にコンデンサ20が挿入され、交流的にグランドに接地されている。
【0027】
このようなカスコード電力増幅器は、グランドに接地されることで、第2のトランジスタのゲート電位が交流的に固定され、出力電力を効率よく取り出すことが出来る。
【0028】
実施の形態5.
図7は、この発明の実施の形態5によるカスコード電力増幅器の構成を示す回路図である。図7は図6の回路を電源端子5とグランド端子9に対して対称的に2つ備えている。
カスコード電力増幅器は、一対の第1のトランジスタ1a、1bが互いにソース1aS、1bSが接続され、グランド端子9からグランド8へ接続されている。一対の第2のトランジスタ2a、2bのソース2aS、2bSはそれぞれ第1のトランジスタ1a、1bのドレイン1aD、1bDにカスコード接続されている。第2のトランジスタ2a、2bのドレイン2aD、2bDはそれぞれインダクタ7a、7bを介して電源端子5に接続されている。第1のトランジスタ1a、1bのゲート1aG、1bGは入力端子3a、3bに接続されている。第2のトランジスタ2a、2bのゲート2aG、2bGはゲート電圧印加端子4a、4bにそれぞれ接続され、個別にゲート印加電圧を印加できる。第2のトランジスタ2a、2bのゲート2aG、2bGとグランド端子9との間にコンデンサ20a、20bが挿入されている。第2のトランジスタ2a、2bのドレイン2aD、2bDから出力端子6a、6bにそれぞれ接続されている。
【0029】
図7の直流的条件は図1の回路と同じくなっている。入力端子3a、3bに、位相の異なる高周波信号を入力し、第1および第2のトランジスタで増幅され、出力端子6a、6bから位相の異なった高周波信号が出力される。一方、同相な雑音成分は同相な信号として増幅されるが、異相利得が同相利得より大きいので、高周波信号をより増幅される。
【0030】
このようなカスコード電力増幅器は、差動構成にすることにより信号成分の高出力化を図ることが出来る。
【0031】
実施の形態6.
図8は、この発明の実施の形態6によるカスコード電力増幅器の構成を示す回路図である。図8は図7の第2のトランジスタ2a、2bのゲート2aG、2bGを仮想グランド点21で接続し、仮想グランド点21とゲート電圧印加端子22とを接続されていることと、仮想グランド点21とグランド端子9との間にコンデンサ20を挿入していることとである。
【0032】
このようなカスコード電力増幅器は、2つの第2のトランジスタのゲートを1つのゲート電圧印加端子に接続することにより、チップに設けるパッド数を削減でき、小型化を図ることができる。
【0033】
また、仮想グランド点とグランド端子との間にコンデンサを1つ設けることで、コンデンサの数を削減でき、小型化を図ることができ来る。
【0034】
実施の形態7.
図9は、この発明の実施の形態7によるカスコード電力増幅器の構成を示す回路図である。図10は、図9の差動構成の第2のトランジスタのゲート部分のチップレイアウトのイメージ図である。
図9は図8の第2のトランジシタ2a、2bのそれぞれのゲート2aG、2bGと仮想グランド点21との間からグランド端子9との間にコンデンサ20a、20bが挿入されていることが異なっており、その他は同様であるので説明は省略する。
【0035】
図10において、第2のトランジスタ2a、2bのゲート2aG、2bGの近くにコンデンサ20a、20bが設けられている。またゲート2aG、2bGから配線23が引き出され、ゲート電圧印加端子22へ接続されている。
【0036】
図10に示すように、差動構成の第2のトランジスタのゲート端子に接続するコンデンサを個別に配置することで、グランドに接地されるポイントがゲート端子に近くなり、ゲート端子と交流的に接地されるグランドの間に、配線レイアウトによるインダクタンス成分を減らすことができ、ゲートの電位をグランド電位に近い状態とすることが出来る。
【0037】
その結果、インダクタンス成分による、電力ロスを削減することができ、電力増幅器の高出力化を図ることが出来る。
【0038】
なお、トランジスタとして、MOSFETなどのエンハンスメント型の電界効果型トランジスタについて説明を行ったが、SiBJT、SiGe BJT、InGaPを含む化合物HBTなどのエンハンスメント型のバイポーラトランジスタであっても同様の効果を奏する。
【0039】
【発明の効果】
この発明に係わるカスコード電力増幅器のよる効果は、エンハンスメント型の第1のトランジスタのドレインとエンハンスメント型の第2のトランジスタのソースとがカスコード接続され、第2のトランジスタのドレインに電源電圧が印加され、第1のトランジスタのゲートに入力を加え、第2のトランジスタのドレインから出力を得るカスコード電力増幅器において、第2のトランジスタのゲートへの印加電圧をカスコード電力増幅器の外部から設定でき、第2のトランジスタのゲート印加電圧が電源電圧より低く設定されるので、第2のトランジスタのゲート印加電圧を外部から電源電圧Vccと第1のトランジスタのゲート印加電圧との間に合わせることにより、1dBコンプレッション出力電力の最大値を示し、出力電力を最大限取り出すことが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施の形態1によるカスコード電力増幅器の構成を示す回路図である。
【図2】図1のカスコード電力増幅器の第2のトランジスタのゲート印加電圧(Vg2)に対する1dBコンプレッション出力電力(P1dB)と、第1のトランジスタのドレインーソース間電圧(Vds1)と、第2のトランジスタのドレインーソース間電圧(Vds2)を示す。
【図3】この発明の実施の形態2によるカスコード電力増幅器の第2のトランジスタのゲート印加電圧(Vg2)に対する1dBコンプレッション出力電力(P1dB)と、第1のトランジスタのドレインーソース間電圧(Vds1)と、第2のトランジスタのドレインーソース間電圧(Vds2)を示す。
【図4】この発明の実施の形態3によるカスコード電力増幅器の第2のトランジスタのゲート印加電圧(Vg2)に対する1dBコンプレッション出力電力(P1dB)と、第1のトランジスタのドレインーソース間電圧(Vds1)と、第2のトランジスタのドレインーソース間電圧(Vds2)を示す。
【図5】この発明の第2のトランジスタの最大印加電圧と線形電力利得の関係図である。
【図6】この発明の実施の形態4のカスコード電力増幅器の構成を示す回路図である。
【図7】この発明の実施の形態5によるカスコード電力増幅器の構成を示す回路図である。
【図8】この発明の実施の形態6によるカスコード電力増幅器の構成を示す回路図である。
【図9】この発明の実施の形態7によるカスコード電力増幅器の構成を示す回路図である。
【図10】図9の差動構成の第2のトランジスタのゲート部分のチップレイアウトのイメージ図である。
【符号の説明】
1、2 トランジスタ、3、4 入力端子、5 電源端子、6 出力端子、7インダクタ、8 グランド、9 グランド端子、10、13、16 第2のトランジスタのドレインーソース電圧、11、14、17 第1のトランジスタのドレインーソース電圧、12、15、18 1dBコンプレッション出力、19線形電力利得、20 コンデンサ、21 仮想グランド点、22 ゲート電圧印加端子、23 配線。
Claims (8)
- エンハンスメント型の第1のトランジスタのドレインとエンハンスメント型の第2のトランジスタのソースとがカスコード接続され、上記第2のトランジスタのドレインに電源電圧が印加され、上記第1のトランジスタのゲートに入力を加え、上記第2のトランジスタのドレインから出力を得るカスコード電力増幅器において、上記第2のトランジスタのゲートへの印加電圧をカスコード電力増幅器の外部から設定でき、上記第2のトランジスタのゲート印加電圧が上記電源電圧より低く設定されたことを特徴とするカスコード電力増幅器。
- 上記第2のトランジスタのゲート印加電圧が上記第1のトランジスタのゲート印加電圧より高く設定されたことを特徴とする請求項1に記載のカスコード電力増幅器。
- 上記第2のトランジスタの最大印加電圧は、上記第1のトランジスタの最大印加電圧より大きいことを特徴とする請求項1または2に記載のカスコード電力増幅器。
- 上記第2のトランジスタのゲートと基準電位との間にコンデンサを接続したことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載のカスコード電力増幅器。
- 上記第1のトランジスタとして、ソースで互いに接続された2個の上記第1のトランジスタを備え、上記第2のトランジスタとして、これらの2個の上記第1のトランジスタにそれぞれカスコード接続され、ドレインが互いに接続された2個の上記第2のトランジスタを備えたカスコード電力増幅器において、上記第1のトランジスタのゲートに信号を入力し、上記第2のトランジスタのドレインから出力することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載のカスコード電力増幅器。
- 上記第2のトランジスタのゲートを互いに接続し、この接続点を仮想グランドとしたことを特徴とする請求項5に記載のカスコード電力増幅器。
- 2個の上記第2のトランジスタのゲートのそれぞれと基準電位との間にそれぞれコンデンサを接続したことを特徴とする請求項5に記載のカスコード電力増幅器。
- 上記仮想グランドと基準電位との間にコンデンサを接続したことを特徴とする請求項6に記載のカスコード電力増幅器。
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