JP5200541B2 - 分布型増幅器、集積回路および送受信器 - Google Patents

Description

本発明は、増幅器に関し、特に、帯域の広い信号の増幅に用いられる分布型増幅器に関する。

近年では様々な通信システムで高度な信号処理が要求されるようになり、それに伴い、広帯域信号を扱うことのできる集積回路が必要とされるようになっている。特に、光通信システムにおいて伝送速度の向上は著しく、２．４ギガビット／秒（Ｇｂ／ｓ）のシステムや１０Ｇｂ／ｓのシステムが実用化されている。また、さらに４０Ｇｂ／ｓ以上の伝送速度を有するシステムの研究開発も行われている。

このような光通信システムで伝送される多重化された信号は数十キロヘルツ（ｋＨｚ）から数十ギガヘルツ（ＧＨｚ）という広い帯域にわたる周波数成分を含む。そのため、送受信器に使用される増幅器には、数十ｋＨｚから数十ＧＨｚまでの広い帯域にわたり平坦な利得を得られることが要求される。そのような広帯域増幅器の例として分布型増幅器がある（例えば特開平６−１２５２２４号公報参照）。

図１は、分布型増幅器の構成例を示す回路図である。図１を参照すると、分布型増幅器は、一例として、複数の電解効果トランジスタ（ＦＥＴ）４５、入力側終端抵抗４６、入力側結合回路４７、出力側終端抵抗４８、および出力側結合回路４９を有している。入力側結合回路４７は直列接続された複数の分布定数線路４３からなる。出力側結合回路４９は直列接続された複数の分布定数線路４４からなる。

入力側結合回路４７の一方の端子が入力端子４１であり、他方の端子は入力側終端抵抗４６の一方の端子に接続されている。また、入力側終端抵抗４６の他方の端子は接地されている。そして、入力側結合回路４７における分布定数線路４３同士の各接続点には複数のＦＥＴ４５の各々の入力端子５２が接続されている。

出力側結合回路４９における分布定数線路４４同士の各接続点には複数のＦＥＴ４５の各々の出力端子５３が接続されている。そして、出力側結合回路４９の入力端子４１から遠い方の端子が出力端子４２であり、他方の端子は出力側終端抵抗４８の一方の端子に接続されている。出力側終端抵抗４８の他方の端子は接地されている。

このような分布型増幅器では、分布定数線路４３と、それに隣接するＦＥＴ４５のゲート・ソース間のキャパシタンスＣ_ｇｓとで、特性インピーダンスＺ_ｇを有する擬似的分布定数線路が形成される。また、各ＦＥＴ４５のドレイン・ソース間キャパシタンスＣ_ｄｓと、それに隣接する分布定数線路４４とで疑似的分布定数線路が形成される。

次に、図１に示した分布型増幅器の動作について説明する。

入力端子４１から入力された信号は、複数の分布定数線路４３を入力側終端用抵抗４６の方向に伝搬する。この伝搬する信号の大部分は各ＦＥＴ４５に順々に分配され、そこで増幅される。

一方、いずれのＦＥＴ４５にも分配されなかった不要な信号は入力側終端用抵抗４６にて吸収される。これにより、このような構成の入力側結合回路４７は、一般的に、整合回路を用いることなく、広帯域にわたり良好な入力反射特性が得られる。

一方、各ＦＥＴ４５に入力された信号は、各ＦＥＴ４５のゲート幅に応じて増幅される。各ＦＥＴ４５で増幅された信号は、出力側結合回路４９にて複数の分布定数線路４４を経て出力端子４２の方向に伝搬し、順々に合成されて出力端子４２から出力される。入力端子４１から出力端子４２までの伝搬経路の各々は電気長が互いに等しくなるように構成されている。このような出力側結合回路４９は、入力側結合回路４７と同様の構成により、整合回路を用いることなく、広帯域にわたり良好な反射特性が得られる。

以上説明したような分布型増幅器において各ＦＥＴ４５にバイアスを与える回路としてバイアスティーが一般的に用いられる。図２は、図１の分布型増幅器にバイアスティーを用いた回路構成例を示す回路図である。図２を参照すると、インダクタ５４および容量５５を有するバイアスティー５６が入力端子４１および出力端子４２の各々に用いられる。

広帯域の分布型増幅器に用いるバイアス回路は数十ｋＨｚから数十ＧＨｚにわたり良好な特性を示す必要がある。図２に示したバイアスティーでは、数十ｋＨｚから数十ＧＨｚにわたり良好な特性を示すことが要求される。数十ＧＨｚの周波数帯でバイアス回路のインピーダンスが高く見えるようにするためには、インダクタンスの大きなインダクタ５４が必要である。また、数十ｋＨｚの周波数帯でも容量のインピーダンスが無視できるようにするためには、キャパシンタンスの大きな容量５５が必要になる。そのためバイアスティー５６が大型化し、分布型増幅器の集積回路内に内蔵することが困難であった。

図３は、図１の分布型増幅器の入力側に図２と異なるバイアス回路を用いた構成例を示す回路図である。図３を参照すると、入力側バイアス回路として、バイアス入力端子５８と接地電位の間に、入力側終端抵抗４６とは別に、抵抗５７と定電圧源５０を直列接続した回路が接続されている。抵抗５７は、入力インピーダンスが周波数により変化しないように数ｋΩという大きな抵抗値である。これにより、分布型増幅器の特性に影響を与えずに入力側バイアス回路を実現できる。

このバイアス回路は、図１に示した、ゲート電流のほとんど流れない、ＦＥＴで構成された分布型増幅器の入力端子４１のような場合には適用可能である。しかし、出力端子４２のようにバイアス回路に電流が流れる場合、定電圧源に直列接続した大きな抵抗で電圧降下が生じるので、バイアス入力端子に所望のバイアスを与えるために、それよりも大幅に高い電圧の定電圧源が必要となり現実的でない。

本発明の目的は、大型のバイアスティーを用いることなく、広帯域にわたり平坦な利得特性を得ることのできる分布型増幅器を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明の分布型増幅器は、入力端子に入力された所定周波数範囲の成分を含む信号を増幅して出力端子から出力する分布型増幅器であって、複数のトランジスタ、入力側結合回路、出力側結合回路、および終端回路を有している。

複数のトランジスタは増幅素子として動作する。

入力側結合回路は、直列接続された複数の分布定数線路からなり、一方の端子が入力端子で、他方の端子がバイアス入力端子である。その分布定数線路同士の接続点の各々が複数のトランジスタの各々の入力に接続されている。

出力側結合回路は、直列接続された複数の分布定数線路からなり、一方の端子が出力端子で、他方の端子がバイアス入力端子である。その分布定数線路同士の接続点の各々が複数のトランジスタの各々の出力に接続されている。

終端回路は、入力側結合回路または出力側結合回路の少なくとも一方に備えられる。終端回路は、バイアス入力端子と電圧源の間に接続された第１の抵抗と、そのバイアス入力端子と接地電位の間に接続された第２の抵抗とを有している。第１の抵抗の抵抗値が第２の抵抗の抵抗値以下である。

したがって、本発明によれば、終端回路は入力インピーダンスが第１の抵抗と第２の抵抗の並列回路として定まるため周波数に依存せず広い帯域に対して平坦な特性を示す。また、第１の抵抗が第２の抵抗に等しいかまたはそれより小さいため電圧源の電位をバイアス入力端子の電位より大幅に高くする必要がない。そのため、大型のバイアスティーを用いることなく広帯域にわたり平坦な利得特性を得ることができる。

分布型増幅器の構成例を示す回路図である。 図１の分布型増幅器にバイアスティーを用いた回路構成例を示す回路図である。 図１の分布型増幅器の入力側に図６と異なるバイアス回路を用いた構成例を示す回路図である。 第１の実施形態による分布型増幅器の構成を示す回路図である。 第１の実施形態による分布型増幅器の利得の周波数特性を示すグラフである。 第２の実施形態による分布型増幅器の構成を示す回路図である。 第３の実施形態による分布型増幅器の構成を示す回路図である。

本発明を実施するための形態について図面を参照して詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図４は、第１の実施形態による分布型増幅器の構成を示す回路図である。ここでは一例として、エミッタ接地バイポーラトランジスタを単位増幅回路とし、その単位増幅回路を４段備えた分布型増幅器を示す。

図４を参照すると、第１の実施形態の分布型増幅器は、複数（ここでは４つ）のバイポーラトランジスタ１５、入力側結合回路１９、入力側終端回路２０、出力側結合回路２４、および出力側終端回路２５を有している。

入力側結合回路１９は直列接続された複数の分布定数線路１３からなる。出力側結合回路２４は直列接続された複数の分布定数線路１４からなる。

入力側終端回路２０は、入力側終端抵抗１６、抵抗１７、および電圧源１８からなる。出力側終端回路２５は、出力側終端抵抗２１、抵抗２２、および電圧源２３からなる。

入力側結合回路１９の一方の端子が入力端子１１であり、他方の端子は入力側終端回路２０に接続される入力側バイアス入力端子３２である。そして、入力側結合回路１９における分布定数線路１３同士の各接続点には複数のバイポーラトランジスタ１５の各々の入力端子が接続されている。

出力側結合回路２４における分布定数線路１４同士の各接続点には複数のバイポーラトランジスタ１５の各々の出力端子が接続されている。そして、出力側結合回路２４の入力端子１１から遠い方の端子が出力端子１２であり、他方の端子は出力側終端回路２５に接続される出力側バイアス入力端子３３である。

入力側終端回路２０において、入力側バイアス入力端子３２に入力側終端抵抗１６の一方の端子と抵抗１７の一方の端子が接続されている。入力側終端抵抗１６の他方の端子は接地されている。また、抵抗１７の他方の端子はバイアス印加用の電圧源１８に接続されている。

出力側終端回路２５において、出力側バイアス入力端子３３に出力側終端抵抗２１の一方の端子と抵抗２２の一方の端子が接続されている。出力側終端抵抗２１の他方の端子は接地されている。また、抵抗２２の他方の端子はバイアス印加用の電圧源２３に接続されている。

このような分布型増幅器では、分布定数線路１３と、それに隣接するバイポーラトランジスタ１５のベース・エミッタ間のキャパシタンスとで入力側擬似分布定数線路（単一線路）が形成される。また、各バイポーラトランジスタ１５のコレクタ・エミッタ間キャパシタンスと、それに隣接する分布定数線路１４とで出力側疑似分布定数線路（単一線路）が形成される。

入力端子１１および出力端子１２の外部インピーダンスは５０Ωとする。また、入力側疑似分布定数伝送線路の単一線路のインダクタンス成分をＬ_ｉｎとし、容量成分をＣ_ｉｎとする。出力側疑似分布定数伝送線路の単一線路のインダンクタンス成分をＬ_ｏｕｔとし、容量成分をＣ_ｏｕｔとする。

入力端子１１への入力信号が入力側結合回路１９で各バイポーラトランジスタ１５のベースに分配され、各バイポーラトランジスタ１５で増幅されて出力側結合回路２４で順々に合成されるには、式（１）、（２）に示す関係がほぼ成立することが好ましい。

また、入力側終端回路２０の入力インピーダンスは入力端子１１の外部インピーダンスと等しくなるように５０Ωに設定されている。出力側終端回路２５の入力インピーダンスは出力端子１２の外部インピーダンスと等しくなるように５０Ωに設定されている。

入力側にて入力側バイアス入力端子３２にバイアス電圧を印加する定電圧源１８の入力インピーダンスは０Ωと仮定できるので、入力側終端回路２０の入力インピーダンスは入力側終端抵抗１６と抵抗１７の並列回路となる。この並列回路のインピーダインスは周波数に対して変化しない。

また、抵抗１７の抵抗値をＲ_ｉｎ１とし、入力側終端抵抗１６の抵抗値をＲ_ｉｎ２とすると、Ｒ_ｉｎ１とＲ_ｉｎ２は式（３）の条件を満たすように定められる。これにより、バイアス入力端子３２に電流が流れるような場合に、抵抗１７で大幅な電圧降下が生じることがない。

同様に、出力側にて出力側バイアス入力端子３３にバイアス電圧を印加する定電圧源２３の入力インピーダンスは０Ωと仮定できるので、出力側終端回路２５の入力インピーダンスは出力側終端抵抗２１と抵抗２２の並列回路となる。そして、抵抗２２の抵抗値をＲ_ｏｕｔ１とし、出力側終端抵抗２１の抵抗値をＲ_ｏｕｔ２とすると、Ｒ_ｏｕｔ１とＲ_ｏｕｔ２は式（４）の条件を満たすように定められる。

具体例としては、入力側終端抵抗１６および抵抗１７と出力側終端抵抗２１および抵抗２２を全て１００Ωに設定すればよい。

また、入力側において、電流が定電圧源１８から入力側終端抵抗１６に流れるので、定電圧源１８の電圧は、式（３）の条件を満たす入力側終端抵抗１６と抵抗１７の並列回路により入力側バイアス入力端子３３に所望のバイアスを与えることができるように設定されている。

出力側においても入力側と同様に、電流が定電圧源２３から出力側終端抵抗２１に流れるので、定電圧源２３の電圧は、式（４）の条件を満たす出力側終端抵抗２１と抵抗２２の並列回路により出力側バイアス入力端子３２に所望のバイアスを与えることができるように設定されている。

本実施形態によれば、入力側終端回路２０は入力インピーダンスが抵抗１６、１７の並列回路として定まるため周波数に依存せず広い帯域に対して平坦な特性を示し、また抵抗１７が終端抵抗１６に等しいかまたはそれより小さいため定電圧源１８の電位をバイアス入力端子３２より大幅に高くする必要がない。本実施形態の分布型増幅器によれば、大型のバイアスティーを用いることなく、広帯域にわたり平坦な利得特性（例えば３ｄＢ程度以内）を得ることができる。また、従来の大型のバイアスティーの代わりに抵抗１６、１７からなる小型の終端回路を備える構成なので、分布型増幅器の集積回路内に終端回路を内蔵してもよい。これにより分布型増幅器を備えた装置の小型化および低コスト化が可能となる。

なお、利得および反射特性が所定の要求条件を満たす限り、入力側終端回路２０の入力インピーダンスと入力側の分布定数線路１３の特性インピーダンスとが整合することは必須でなく、整合していなくてもよい。

本実施形態によれば、出力側終端回路２５は入力インピーダンスが抵抗２１、２２の並列回路として定まるため周波数に依存せず広い帯域に対して平坦な特性を示し、また抵抗２２が終端抵抗２１に等しいかまたはそれより小さいため定電圧源２３の電位をバイアス入力端子３３より大幅に高くする必要はない。本実施形態の分布型増幅器によれば、大型のバイアスティーを用いることなく、広帯域にわたり平坦な利得特性（例えば３ｄＢ程度以内）を得ることができる。また、従来の大型のバイアスティーの代わりに抵抗２１、２２からなる小型の終端回路を備える構成なので、分布型増幅器の集積回路内に終端回路を内蔵してもよい。これにより分布型増幅器を備えた装置の小型化および低コスト化が可能となる。

なお、利得および反射特性が所定の要求条件を満たす限り、出力側終端回路２５の入力インピーダンスと分布定数線路１４の特性インピーダンスとが整合することは必須でなく、整合していなくてもよい。

図５は、第１の実施形態による分布型増幅器の利得の周波数特性を示すグラフである。図５を参照すると、第１の実施形態の分布型増幅器によれば、３０ｋＨｚから７０ＧＨｚまでの広帯域にて平坦な利得特性（ここでは３ｄＢ以内）が得られている。

なお、本実施形態においては、エミッタ接地の複数のトランジスタ１５を有する分布型増幅器について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。他の例として、エミッタ接地トランジスタとベース接地トランジスタを接続したカスコード構成の分布型増幅器も同様に実現できる。

また、本実施形態においては、バイポーラトランジスタを用いた半導体集積回路を例示したが、本発明はこれに限定されるものではない。他の例として、ＦＥＴやＭＯＳなど他のデバイスを用いた分布型増幅器も同様に構成できる。

また、本実施形態では、入力側終端回路２０の入力インピーダンスを入力端子１１の外部インピーダンスと等しくなるように５０Ωに設定したが、これらは必ずしも等しくなくてもよい。入力側終端回路２０の入力インピーダンスは所望の利得と反射特性により決定される。

同様に、本実施形態では、出力側終端回路２５の入力インピーダンスを出力端子１２の外部インピーダンスと等しくなるように５０Ωに設定したが、これらは必ずしも等しくなくてもよい。出力側終端回路２５の入力インピーダンスは所望の利得と反射特性により決定される。

また、本実施形態では、入力側および出力側の両方に同じ構成の終端回路を備えたが、本発明はこれに限定されるものではない。入力側と出力側に抵抗値の異なる抵抗を用いてもよい。また、一方のみに本実施形態の終端回路を用いることとしてもよい。その場合、他方には後述する第２あるいは第３の実施形態の終端回路を用いてもよい。また、例えば、電流のほとんど流れない、ＦＥＴで構成した分布型増幅器の入力側には図３に示したバイアス回路を用い、出力側のみに本実施形態の終端回路を用いてもよい。

（第２の実施形態）
図６は、第２の実施形態による分布型増幅器の構成を示す回路図である。ここでは一例として、エミッタ接地バイポーラトランジスタを単位増幅回路とし、その単位増幅回路を４段備えた分布型増幅器を示す。

図６を参照すると、第２の実施形態の分布型増幅器は、第１の実施形態と同様に、複数（４つ）のバイポーラトランジスタ１５、入力側結合回路１９、入力側終端回路２０′、出力側結合回路２４、および出力側終端回路２５′を有している。第２の実施形態では、入力側終端回路２０′と出力側終端回路２５′の構成が第１の実施形態と異なる。

入力側結合回路１９は直列接続された複数の分布定数線路１３からなる。出力側結合回路２４は直列接続された複数の分布定数線路１４からなる。

入力側終端回路２０′は、入力側終端抵抗１６、抵抗１７、インダクタ２６、および電圧源１８からなる。出力側終端回路２５′は、出力側終端抵抗２１、抵抗２２、インダクタ２７、および電圧源２３からなる。

入力側結合回路１９の一方の端子が入力端子１１であり、他方の端子は入力側終端回路２０′に接続される入力側バイアス入力端子３２である。そして、入力側結合回路１９における分布定数線路１３同士の各接続点には複数のバイポーラトランジスタ１５の各々の入力端子が接続されている。

出力側結合回路２４における分布定数線路１４同士の各接続点には複数のバイポーラトランジスタ１５の各々の出力端子が接続されている。そして、出力側結合回路２４の入力端子４１から遠い方の端子が出力端子１２であり、他方の端子は出力側終端回路２５′に接続される出力側バイアス入力端子３３である。

入力側終端回路２０′において、入力側バイアス入力端子３２に入力側終端抵抗１６の一方の端子と抵抗１７の一方の端子が接続されている。入力側終端抵抗１６の他方の端子は接地されている。また、抵抗１７の他方の端子はインダクタ２６の一方の端子に接続されており、インダクタ２６の他方の端子は電圧源１８に接続されている。

出力側終端回路２５′において、出力側バイアス入力端子３３に出力側終端抵抗２１の一方の端子と抵抗２２の一方の端子が接続されている。出力側終端抵抗２１の他方の端子は接地されている。また、抵抗２２の他方の端子はインダクタ２７の一方の端子に接続され、インダクタ２７の他方の端子は電圧源２３に接続されている。

このような分布型増幅器では、分布定数線路１３と、それに隣接するバイポーラトランジスタ１５のベース・エミッタ間のキャパシタンスとで入力側擬似分布定数線路（単一線路）が形成される。また、各バイポーラトランジスタ１５のコレクタ・エミッタ間キャパシタンスと、それに隣接する分布定数線路１４とで出力側疑似分布定数線路（単一線路）が形成される。

入力側終端回路２０′および出力側終端回路２５′の入力インピーダンスをＺ_０とする。また、入力側疑似分布定数伝送線路の単一線路のインダクタンス成分をＬ_ｉｎとし、容量成分をＣ_ｉｎとする。出力側疑似分布定数伝送線路の単一線路のインダンクタンス成分をＬ_ｏｕｔとし、容量成分をＣ_ｏｕｔとする。

入力端子１１への入力信号が入力側結合回路１９で各バイポーラトランジスタ１５のベースに分配され、各バイポーラトランジスタ１５で増幅されて出力側結合回路２４で順々に合成されるには、式（５）、（６）に示す関係がほぼ成立することが好ましい。

また、入力側にて入力側バイアス入力端子３２にバイアス電圧を印加する定電圧源１８の入力インピーダンスは０Ωと仮定できるので、入力側終端回路２０′の入力インピーダンスは、入力側終端抵抗１６と、抵抗１７とインダクタ２６の直列接続との並列回路になる。そして、抵抗１７の抵抗値をＲ_１とし、入力側終端抵抗１６の抵抗値をＲ_２とし、インダクタ２６のインダクタンスをＬとすると、入力インピーダンスＺ_０は、Ｒ_１、Ｒ_２、Ｌにより式（７）のように示すことができる。

ここで、本実施形態の分布型増幅器の利得と反射特性は、所望の周波数範囲において、良好な所定範囲内の値をとる必要がある。所望の周波数範囲は、分布型増幅器が適用されるシステムにおける要求条件により決まり、本実施形態では、一例として３０ｋＨｚから５０ＧＨｚあるいはそれ以上の値までの範囲である。また、良好な利得と反射特性の範囲は、どの程度の利得とその平坦さが要求されるか等の要求条件により決まる。本実施形態では、所望の周波数範囲にて、式（７）により示される入力インピーダンスＺ_０が所定の範囲に収まるようにＲ_１、Ｒ_２、およびＬの値が選択される。

また、定電圧源１８の電位がバイアス入力端子３２より大幅に高くなることがないようにＲ_１とＲ_２は式（８）の条件を満たすように定められる。

本実施形態では、所定の周波数範囲（３０ｋＨｚから５０ＧＨｚ）内で、式（５）〜（８）を実質的に（所定範囲内で）満たすようなＲ_１、Ｒ_２、Ｌの値が選択される。

また、出力側も入力側と同様に考えることができ、出力側終端回路２５′の入力インピーダンスは、出力側終端抵抗２１と、抵抗２２とインダクタ２７の直列接続との並列回路になる。そして、抵抗２２の抵抗値をＲ_１とし、入力側終端抵抗２１の抵抗値をＲ_２とし、インダクタ２６のインダクタンスをＬとすると、入力インピーダンスＺ_０は、Ｒ_１、Ｒ_２、Ｌにより式（７）のように示すことができる。

本実施形態では、具体例として、インダクタ２６、２７のインダクタンスＬをボンディングワイヤによる０．２ｎＨとし、終端抵抗１６、２１の抵抗値Ｒ_２を１１０Ωとし、抵抗１７、２２の抵抗値Ｒ_１を９０Ωとする。また、バイアス入力端子３２、３３に所望のバイアスを与えるように、一例として、入力側の定電圧源１８を１．８Ｖとし、出力側の定電圧源２３を３Ｖとする。

本実施形態によれば、入力側終端回路２０′、出力側終端回路２５′は、抵抗１７、２２が終端抵抗１６、２１に等しいかまたはそれより小さくなるように抵抗１７、１６、２２、２１の抵抗値が選択されているため定電圧源１８、２３の電位をバイアス入力端子３２より大幅に高くする必要がない。また、入力側終端回路２０′、出力側終端回路２５′は、入力インピーダンスが式（７）によって示され、所望の周波数範囲内での利得の変化が所定範囲内となるように抵抗１７、１６、２２、２１の抵抗値およびインダクタ２６、２７のインダクタンスが選択されているため、所望の広い帯域において平坦な特性を示す。その結果、本実施形態の分布型増幅器によれば、大型のバイアスティーを用いることなく、所望の広帯域にわたり平坦な利得特性を得ることができる。

なお、本実施形態では、エミッタ接地の複数のトランジスタ１５を有する分布型増幅器について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。他の例として、エミッタ接地トランジスタとベース接地トランジスタを接続したカスコード構成の分布型増幅器も同様に実現できる。

また、本実施形態においては、バイポーラトランジスタを用いた半導体集積回路を例示したが、本発明はこれに限定されるものではない。他の例として、ＦＥＴやＭＯＳなど他のデバイスを用いた分布型増幅器も同様に構成できる。

（第３の実施形態）
図７は、第３の実施形態による分布型増幅器の構成を示す回路図である。ここでは一例として、エミッタ接地バイポーラトランジスタを単位増幅回路とし、その単位増幅回路を４段備えた分布型増幅器を示す。

図７を参照すると、第３の実施形態の分布型増幅器は、第１の実施形態と同様に、複数（４つ）のバイポーラトランジスタ１５、入力側結合回路１９、入力側終端回路２０″、出力側結合回路２４、および出力側終端回路２５″を有している。第３の実施形態では、入力側終端回路２０″と出力側終端回路２５″の構成が第１の実施形態と異なる。

入力側結合回路１９は直列接続された複数の分布定数線路１３からなる。出力側結合回路２４は直列接続された複数の分布定数線路１４からなる。

入力側終端回路２０″は、入力側終端抵抗１６、抵抗１７、インダクタ２６、および電圧源１８からなる。出力側終端回路２５″は、出力側終端抵抗２１、抵抗２２、インダクタ２７、および電圧源２３からなる。

入力側結合回路１９の一方の端子が入力端子１１であり、他方の端子は入力側終端回路２０″に接続される入力側バイアス入力端子３２である。そして、入力側結合回路１９における分布定数線路１３同士の各接続点には複数のバイポーラトランジスタ１５の各々の入力端子が接続されている。

出力側結合回路２４における分布定数線路１４同士の各接続点には複数のバイポーラトランジスタ１５の各々の出力端子が接続されている。そして、出力側結合回路２４の入力端子４１から遠い方の端子が出力端子１２であり、他方の端子は出力側終端回路２５″に接続される出力側バイアス入力端子３３である。

入力側終端回路２０″において、入力側バイアス入力端子３２に入力側終端抵抗１６の一方の端子と抵抗１７の一方の端子が接続されている。入力側終端抵抗１６の他方の端子は接地されている。また、抵抗１７の他方の端子は、インダクタ２６の一方の端子、および接地容量２８の一方の端子に接続されている。インダクタ２６の他方の端子は、定電圧源１８、および接地容量２９の一方の端子に接続されている。接地容量２８、２９の他方の端子は接地されている。

出力側終端回路２５″において、出力側バイアス入力端子３３に出力側終端抵抗２１の一方の端子と抵抗２２の一方の端子が接続されている。出力側終端抵抗２１の他方の端子は接地されている。また、抵抗２２の他方の端子は、インダクタ２７の一方の端子、および接地容量３０の一方の端子に接続されている。インダクタ２７の他方の端子は、定電圧源２３、および接地容量３１の一方の端子に接続されている。
接地容量３０、３１の他方の端子は接地されている。

このような分布型増幅器では、分布定数線路１３と、それに隣接するバイポーラトランジスタ１５のベース・エミッタ間のキャパシタンスとで入力側擬似分布定数線路（単一線路）が形成される。また、各バイポーラトランジスタ１５のコレクタ・エミッタ間キャパシタンスと、それに隣接する分布定数線路１４とで出力側疑似分布定数線路（単一線路）が形成される。

入力側終端回路２０″および出力側終端回路２５″の入力インピーダンスをＺ_０とする。また、入力側疑似分布定数伝送線路の単一線路のインダクタンス成分をＬ_ｉｎとし、容量成分をＣ_ｉｎとする。出力側疑似分布定数伝送線路の単一線路のインダンクタンス成分をＬ_ｏｕｔとし、容量成分をＣ_ｏｕｔとする。

入力端子１１への入力信号が入力側結合回路１９で各バイポーラトランジスタ１５のベースに分配され、各バイポーラトランジスタ１５で増幅されて出力側結合回路２４で順々に合成されるには、上述した式（５）、（６）に示す関係がほぼ成立することが好ましい。

また、入力側にて入力側バイアス入力端子３２にバイアス電圧を印加する定電圧源１８の入力インピーダンスは０Ωと仮定できるので、入力側終端回路２０″の入力インピーダンスは、入力側終端抵抗１６と、一方の端子に接地容量２８を有し他方の端子に接地容量２９を有するインダクタ２６と抵抗１７の直列接続との並列回路になる。そして、抵抗１７の抵抗値をＲ_１とし、入力側終端抵抗１６の抵抗値をＲ_２とし、インダクタ２６のインダクタンスをＬとし、接地容量２８のキャパシンタンスをＣ_１とし、接地容量２９のキャパシンタンスをＣ_２とすると、入力インピーダンスＺ_０は、Ｒ_１、Ｒ_２、Ｌ、Ｃ_１、Ｃ_２により式（９）のように示すことができる。

ここで、本実施形態の分布型増幅器の利得と反射特性は、所望の周波数範囲において良好な所定範囲内の値をとる必要がある。所望の周波数範囲は、分布型増幅器が適用されるシステムにおける要求条件により決まり、本実施形態では、一例として３０ｋＨｚから５０ＧＨｚあるいはそれ以上の値までの範囲である。また、良好な利得と反射特性の範囲は、どの程度の利得とその平坦さが要求されるか等の要求条件により決まる。本実施形態では、所望の周波数範囲にて、式（９）により示される入力インピーダンスＺ_０が所定の範囲に収まるようにＲ_１、Ｒ_２、Ｌ、Ｃ_１、およびＣ_２の値が選択される。

また、定電圧源１８の電位がバイアス入力端子３２より大幅に高くなることがないようにＲ_１とＲ_２は、上述した式（８）の条件を満たすように定められる。

そのため、本実施形態では、所定の周波数範囲（３０ｋＨｚから５０ＧＨｚ）内で、式（５）、（６）、（９）、（８）を実質的に（要求される所定範囲内で）満たすようなＲ_１、Ｒ_２、Ｌ、Ｃ_１、Ｃ_２の値が選択される。

また、出力側も入力側と同様に考えることができ、出力側終端回路２５″の入力インピーダンスは、出力側終端抵抗２１と、一方の端子に接地容量３０を有し他方の端子に接地容量３１を有するインダクタ２７と抵抗２２の直列接続との並列回路になる。そして、抵抗２２の抵抗値をＲ_１とし、入力側終端抵抗２１の抵抗値をＲ_２とし、インダクタ２６のインダクタンスをＬとし、接地容量３０のキャパシンタンスをＣ_１とし、接地容量３１のキャパシンタンスをＣ_２とすると、入力インピーダンスＺ_０は、Ｒ_１、Ｒ_２、Ｌ、Ｃ_１、Ｃ_２により式（９）のように示すことができる。

本実施形態では、具体例として、インダクタ２６、２７のインダクタンスＬをボンディングワイヤによる０．２ｎＨとし、終端抵抗１６、２１の抵抗値Ｒ_２を１１０Ωとし、抵抗１７、２２の抵抗値Ｒ_１を９０Ωとし、接地容量２８、３０のキャパシンタンスを１ｐＦとし、接地容量２９、３１のキャパシンタンスを５０ｐＦとする。インダクタ２６、２７の前にある接地容量２８、３０はボンディングワイヤのインダクタンスの変動を抑制するように働き、インダクタ２６、２７の後にある接地容量２９、３１は定電圧源１８、２３の変動を抑制するように働く。また、バイアス入力端３２、３３に所望のバイアスを与えるように、一例として、入力側の定電圧源１８を１．８Ｖとし、出力側の定電圧源２３を３Ｖとする。

本実施形態によれば、入力側終端回路２０″、出力側終端回路２５″は、抵抗１７、２２が終端抵抗１６、２１に等しいかまたはそれより小さくなるように抵抗１７、１６、２２、２１の抵抗値が選択されているため定電圧源１８、２３の電位をバイアス入力端子３２より大幅に高くする必要がない。また、入力側終端回路２０″、出力側終端回路２５″は、入力インピーダンスが式（９）によって示され、所望の周波数範囲内での利得の変化が所定範囲内となるように抵抗１７、１６、２２、２１の抵抗値、インダクタ２６、２７のインダクタンス、および容量２８、２９、３０、３１のキャパシタンスが選択されているため、所望の広い帯域において平坦な特性を示す。その結果、本実施形態の分布型増幅器によれば、大型のバイアスティーを用いることなく、広帯域にわたり平坦な利得特性を得ることができる。

なお、本実施形態では、エミッタ接地の複数のトランジスタ１５を有する分布型増幅器について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。他の例として、エミッタ接地トランジスタとベース接地トランジスタを接続したカスコード構成の分布型増幅器も同様に実現できる。

また、本実施形態においては、バイポーラトランジスタを用いた半導体集積回路を例示したが、本発明はこれに限定されるものではない。他の例として、ＦＥＴやＭＯＳなど他のデバイスを用いた分布型増幅器も同様に構成できる。

Claims (11)

1. 入力端子に入力された所定周波数範囲の成分を含む信号を増幅して出力端子から出力する分布型増幅器であって、
   増幅素子として動作する複数のトランジスタと、
   直列接続された複数の分布定数線路からなり、一方の端子が前記入力端子で、他方の端子がバイアス入力端子であり、該分布定数線路同士の接続点の各々が前記複数のトランジスタの各々の入力に接続された入力側結合回路と、
   直列接続された複数の分布定数線路からなり、一方の端子が前記出力端子で、他方の端子がバイアス入力端子であり、該分布定数線路同士の接続点の各々が前記複数のトランジスタの各々の出力に接続された出力側結合回路と、
   前記入力側結合回路または前記出力側結合回路の少なくとも一方に備えられ、前記バイアス入力端子と電圧源の間に接続された第１の抵抗と、該バイアス入力端子と接地電位の間に接続された第２の抵抗とを有し、前記第１の抵抗の抵抗値が前記第２の抵抗の抵抗値以下である終端回路とを有し、
   前記終端回路のインピーダンスが、前記所定周波数範囲にて、所定範囲内の値となるように前記第１の抵抗の抵抗値および前記第２の抵抗の抵抗値が設定され、
   前記終端回路は、前記第１の抵抗と前記電圧源の間にインダクタを有する、分布型増幅器。
2. 前記増幅素子は、バイポーラトランジスタであることを特徴とする請求項１に記載の分布型増幅器。
3. 前記第１の抵抗の抵抗値が前記第２の抵抗の抵抗値未満である請求項１または請求項２に記載の分布型増幅器。
4. 前記第１の抵抗と前記インダクタの直列回路と、前記第２の抵抗とが並列に接続された等価回路のインピーダンスが、前記所定周波数範囲にて、所定範囲内の値となるように、前記第１の抵抗の抵抗値、前記第２の抵抗の抵抗値、および前記インダクタのインダクタンスが選択されている、請求項１から３のいずれか１項に記載の分布型増幅器。
5. 前記終端回路は、前記第１の抵抗と前記電圧源の間に接続されたインダクタと、該第１の抵抗と該インダクタの接続点と接地電位の間に接続された第１の容量と、該インダクタと該電圧源の接続点と接地電位の間に接続された第２の容量とをさらに有する、請求項１から３のいずれか１項に記載の分布型増幅器。
6. 前記インダクタと前記第２の容量が直列に接続され、その直列回路と前記第１の容量とが並列に接続され、その並列回路と前記第１の抵抗が直列に接続され、その回路に前記第２の抵抗が並列に接続された等価回路のインピーダンスが、前記所定周波数範囲にて、所定範囲内となるように、前記第１の抵抗の抵抗値、前記第２の抵抗の抵抗値、前記インダクタのインダクタンス、前記第１の容量のキャパシタンス、および前記第２の容量のキャパシタンスが選択されている、請求項５に記載の分布型増幅器。
7. 前記終端回路が前記入力側結合回路および前記出力側結合回路の両方に備えられており、
   前記入力側結合回路の前記分布定数線路と該分布定数線路に隣接するトランジスタとで形成される単一の入力側疑似分布定数線路のキャパシタンスをＣｉｎとしインダクタンスをＬｉｎとし、前記出力側結合回路の前記分布定数線路と該分布定数線路に隣接するトランジスタとで形成される単一の出力側疑似分布定数線路のキャパシタンスをＣｏｕｔとしインダクタンスをＬｏｕｔとすると、
   √（Ｌｉｎ・Ｃｉｎ）＝√（Ｌｏｕｔ・Ｃｏｕｔ）と√（Ｌｉｎ／Ｃｉｎ）＝√（Ｌｏｕｔ／Ｃｏｕｔ）とが成り立つ、請求項１から６のいずれか１項に記載の分布型増幅器。
8. 前記所定周波数範囲にて、√（Ｌｉｎ／Ｃｉｎ）および√（Ｌｏｕｔ／Ｃｏｕｔ）の値が前記終端回路の前記等価回路のインピーダンスと実質的に等しい、請求項７に記載の分布型増幅器。
9. 前記所定周波数範囲は少なくとも３０ｋＨｚから５０ＧＨｚを含む、請求項１から８のいずれか１項に記載の分布型増幅器。
10. 入力端子に入力された所定周波数範囲の成分を含む信号を増幅して出力端子から出力し、
    増幅素子として動作する複数のトランジスタと、
    直列接続された複数の分布定数線路からなり、一方の端子が前記入力端子で、他方の端子がバイアス入力端子であり、該分布定数線路同士の接続点の各々が前記複数のトランジスタの各々の入力に接続された入力側結合回路と、
    直列接続された複数の分布定数線路からなり、一方の端子が前記出力端子で、他方の端子がバイアス入力端子であり、該分布定数線路同士の接続点の各々が前記複数のトランジスタの各々の出力に接続された出力側結合回路と、
    前記入力側結合回路または前記出力側結合回路の少なくとも一方に備えられ、前記バイアス入力端子と電圧源の間に接続された第１の抵抗と、該バイアス入力端子と接地電位の間に接続された第２の抵抗とを有し、前記第１の抵抗の抵抗値が前記第２の抵抗の抵抗値以下である終端回路とを有し、
    前記終端回路のインピーダンスが、前記所定周波数範囲にて、所定範囲内の値となるように前記第１の抵抗の抵抗値および前記第２の抵抗の抵抗値が設定され、
    前記終端回路は、前記第１の抵抗と前記電圧源の間にインダクタを有する分布型増幅器を内蔵した集積回路。
11. 入力端子に入力された所定周波数範囲の成分を含む信号を増幅して出力端子から出力し、
    増幅素子として動作する複数のトランジスタと、
    直列接続された複数の分布定数線路からなり、一方の端子が前記入力端子で、他方の端子がバイアス入力端子であり、該分布定数線路同士の接続点の各々が前記複数のトランジスタの各々の入力に接続された入力側結合回路と、
    直列接続された複数の分布定数線路からなり、一方の端子が前記出力端子で、他方の端子がバイアス入力端子であり、該分布定数線路同士の接続点の各々が前記複数のトランジスタの各々の出力に接続された出力側結合回路と、
    前記入力側結合回路または前記出力側結合回路の少なくとも一方に備えられ、前記バイアス入力端子と電圧源の間に接続された第１の抵抗と、該バイアス入力端子と接地電位の間に接続された第２の抵抗とを有し、前記第１の抵抗の抵抗値が前記第２の抵抗の抵抗値以下である終端回路とを有し、
    前記終端回路のインピーダンスが、前記所定周波数範囲にて、所定範囲内の値となるように前記第１の抵抗の抵抗値および前記第２の抵抗の抵抗値が設定され、
    前記終端回路は、前記第１の抵抗と前記電圧源の間にインダクタを有する分布型増幅器を内蔵した送受信器。

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