JPH05199048A

JPH05199048A - 高周波線形増幅器アセンブリ

Info

Publication number: JPH05199048A
Application number: JP4151203A
Authority: JP
Inventors: Daniel C Brayton; ダニエル・シー・ブライトン; Ngai-Ming Lau; ガイ・ミン・ラウ
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1991-05-20
Filing date: 1992-05-20
Publication date: 1993-08-06
Anticipated expiration: 2016-09-17
Also published as: JP3208844B2; US5142239A

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】コストが低く、寄生インダクタンスが低く、
寄生容量が低く、熱伝導性が高く、６００ＭＨｚを越え
る周波数まで実質的に平坦なゲインを有する、高周波線
形増幅器アセンブリを提供する。【構成】１ＧＨｚを越える動作帯域を有する広帯域線
形増幅器１０は、増幅器１０の高電力散逸部品１１と、
増幅器１０の高周波ゲインと安定性とを制御する部品１
７，１８を熱伝導性の高い子基板３２に搭載する。その
後、子基板３２と残りの回路部品２１，２２，２３，２
４，２６ａ，２６ｂが熱伝導性の低い親基板３１に搭載
される。アセンブリ３０は、回路の寄生インダクタンス
４６，４７，４８，４９と、寄生容量５１，５２とを小
さくして、高周波においても無条件の安定性を提供す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、一般的にハイブリッド
回路アセンブリに関する。さらに詳しくは、広い帯域と
高い動作周波数を持つ新規の線形増幅器回路アセンブリ
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のカスコード増幅器回路の素子は、
酸化アルミニウムを充填したセラミック（アルミナ）の
基板上に搭載されるのが普通だった。たいていの場合、
増幅器の各々の半導体ダイは、アルミナ基板上にあるヒ
ート・スプレッダに取り付けられた。各ヒート・スプレ
ッダは、金属などの熱伝導性の高い材料の小さな台座に
なっており、半導体ダイとアルミナ基板との間に搭載さ
れた。半導体ダイをアルミナ基板上の相互接続パターン
に接続するボンディング・ワイヤは、ダイのヒート・ス
プレッダ上を通らなければならず、そのためにボンディ
ング・ワイヤはたいへん長くなった。この長いボンディ
ング・ワイヤは、寄生インダクタンスが高くなり、その
ために高い周波数では増幅器が不安定になり、また増幅
器の帯域を制限することになった。

【０００３】ヒート・スプレッダそのものによっても、
別の寄生要素が加わった。ヒート・スプレッダは半導体
ダイの背面に接触する導体であるので、ヒート・スプレ
ッダが接地容量に対する寄生コレクタを形成し、そのた
めに増幅器の帯域がますます狭くなり不安定性が増し
た。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従って、コストが低
く、寄生インダクタンスが低く、寄生容量が低く、熱伝
導性が高く、６００ＭＨｚを越える周波数まで実質的に
平坦なゲインを有する、高周波線形増幅器アセンブリを
有することが望ましい。

【０００５】

【課題を解決するための手段】簡単に述べると、増幅器
の高電力散逸部品と、増幅器の高周波ゲインおよび安定
性を制御する部品とを熱伝導性の高い子基板に搭載する
ことにより、本発明は達成される。この後、子基板と、
残りの回路部品とが熱伝導性の低い親基板上に搭載され
る。このアセンブリにより回路の寄生インダクタンスお
よび寄生容量が小さくなり、高周波において無条件に安
定性が得られる。

【０００６】

【実施例】図１では、高周波線形増幅器１０は能動部１
１，帰還部２１，帰還部２２，入力結合部２４，出力結
合部２３およびバイアス部２６ａ，２６ｂを含む。電源
端子２７と電源復帰端子２８は、線形増幅器１０に電力
を供給する手段となっている。便宜上、電源復帰端子２
８は図１内のいくつかの異なる場所に示される。線形増
幅器１０により増幅される信号が入力端子１９に入力さ
れる。出力端子４５は、通常、線形増幅器１０の増幅さ
れた出力信号を、同軸ケーブルの中心導線に結合させ
る。同軸のシールドは、電源復帰端子２８に接続されて
いるのが普通である。能動部１１には、入力結合部２４
からの信号を増幅する２つの対称な部分をもつプッシュ
プル・カスコード回路が含まれる。同相部には、共通エ
ミッタ・トランジスタ１４，共通ベース・トランジスタ
１２および帰還コンデンサ１７が含まれる。異相部に
は、共通エミッタ・トランジスタ１６，共通ベース・ト
ランジスタ１３および帰還コンデンサ１８が含まれる。
抵抗体１５は、カスコード増幅器の２つの部分の間の帰
還路となっている。帰還コンデンサ１７，１８は、増幅
器１０の最大帯域内周波数を越える周波数、すなわち、
普通は帯域外周波数と呼ばれる周波数において、能動部
１１の安定性とゲインとを制御する。このような高周波
の帯域外範囲において、能動部１１のゲインと安定性
は、最大帯域内周波数よりも少なくとも２オクターブ上
に制御される。好適な実施例においては、最大帯域内周
波数は少なくとも１ＧＨｚであり、そのため能動部１１
のゲインと安定性は少なくとも４ＧＨｚで制御しなけれ
ばならない。またこの実施例では、コンデンサ１７，１
８は約０．２ピコファラドの値を有する。

【０００７】１対の接続点３９は、出力結合部２３を能
動部１１に直接取り付けるための手段となっている。帰
還部２１，２２と、バイアス部２６ａ，２６ｂと、入力
部２４とは動作帯域内の周波数で動作し、帯域外範囲の
高周波には関係しない。このような増幅器の帰還部２
１，２２と、バイアス部２６ａ，２６ｂとは当技術では
よく知られており、ここでは詳しく論ずることはしな
い。しかし、入力結合部２４と出力結合部２３とは独自
のものであり、以下に解説される。

【０００８】能動部１１は、かなりの熱を発生させる
が、これは増幅器１０の損傷を防ぐために散逸させなけ
ればならない。この熱を除去するために利用される技術
は、コストをきわめて安くしなければならず、それでい
ながら線形増幅器１０の帯域を狭めるような、大きな寄
生インダクタンスと容量とを有してはならない。

【０００９】図２は、親基板３１に取り付けられる子基
板３２を含む線形増幅器アセンブリ３０の一部分の分解
図である。増幅器アセンブリ３０は、広帯域幅高周波増
幅器を組み付け、収納するために用いられる。親基板３
１と子基板３２とに熱伝導性の異なる、価格の異なる材
料を利用することにより、増幅器により発生する熱を効
率的に散逸することができる。子基板３２は、熱伝導性
の高い材料であり、図１に示される能動ステージ１１の
ような増幅器内で発生した熱を散逸させるために利用す
ることができる。親基板３１は、子基板３２と、図１に
示される増幅器１０のような増幅器の残りの部品とを搭
載する基板として適切な、価格の安い材料である。通
常、子基板３２に用いられる材料は、親基板３１に用い
られる材料よりも価格が高いので、子基板３２は、高電
力散逸能動部品と、増幅器のゲインと高周波安定性とを
制御する関連の臨界部品に利用される。このような構造
により、寄生インダクタンスと容量とを小さくしつつ、
線形増幅器アセンブリ３０の価格を最小限に抑えること
ができる。好適な実施例においては、親基板３１はアル
ミナであり、子基板３２は窒化アルミニウムまたは酸化
ベリリウムである。

【００１０】子基板３２は、構築されてから親基板３１
に取り付けられるサブアセンブリである。子基板３２の
上面は、部品を取り付けるための金属被覆された部分
と、部品を相互接続するための金属被覆されたパターン
とを有する。図１の能動部１１の部品が子基板３２に搭
載されて示されている。寄生インダクタンスと容量とを
最小限に抑えるには、子基板３２上に臨界高周波部品を
すべて有することが重要である。コンデンサ１７，１８
は、トランジスタ１２，１３，１４，１６のゲインと安
定性とを制御するので、これらの部品を抵抗体１５と共
に子基板３２上に有することが重要である。コンデンサ
１７，１８はきわめて小さな値を持つのが普通であり、
一連の、相互に入り組んだフィンガとして形成され、子
基板３２の表面上に金属被覆される。抵抗体１５も小さ
な値を有し、子基板３２の表面上に薄膜抵抗として形成
されるのが普通である。トランジスタ１２，１３，１
４，１６は、当技術ではよく知られている標準のダイ・
ボンディング技術により、子基板３２に取り付けられる
のが普通である。その後、ワイヤ・ボンディングを用い
て、トランジスタ１２，１３，１４，１６を子基板３２
上の相互接続パターンに電気的に接続する。トランジス
タ１２，１３のベースと、トランジスタ１４，１６のエ
ミッタとの寄生インダクタンスは、対応するボンディン
グ・パッド上に２重のワイヤ・ボンドを設けるステッチ
・ボンディングを利用することにより最小限に抑えられ
る。ステッチ・ボンディングは、パッドに対して１回の
ボンディング動作によりボンディング・パッドに２本の
ワイヤを効果的に付けることのできる方法である。１個
のボンディング・パッド「Ａ」を２個のボンディング・
パッド「１」，「２」に接続したいときは、パッド
「１」に対して１回目のボンディングを行い、それから
ボンディング・パッド「Ａ」にボンディング・ワイヤを
取り付け、その後、ボンディング・パッド「２」に付け
て、ボンディングの後でワイヤを切断する。この方法に
より、１回のボンディング動作でボンディング・パッド
「Ａ」に対して２本のワイヤを効果的に付けることがで
きる。本発明では、それぞれのベースに取り付けられた
ステッチ・ボンディングされたワイヤはいずれも、同じ
長さに形成され、各ワイヤに等しい電流が流れるように
する。トランジスタ１２，１３，１４，１６は子基板３
２に直接取り付けられるので、ワイヤ・ボンドは短くな
っており、そのために高い帯域外周波数で動作する線形
増幅器の部分の寄生インダクタンスを最小限に抑えるこ
とができる。子基板３２にはまた２個の出力パッド３８
があり、図１の出力結合ステージ２３は、図１の接続点
３９により示されるように直接トランジスタ１２，１３
に接続することができる。その結果、高い帯域外周波数
で動作し、線形増幅器の安定性を制御する臨界部品はす
べて、子基板３２上で相互接続されている。このような
構造により、これらの相互接続による寄生インダクタン
ス値と容量値とが小さくなり、線形増幅器アセンブリの
安定性が向上する。

【００１１】子基板３２の組み付けが終ると、残りの線
形増幅器部品を親基板３１に取り付けるために用いられ
る、リフローハンダ付け（または同様の）方法により親
基板３１に取り付けることができる。説明を簡単にする
ために、残りの線形増幅器部品群を、複数の部品４４と
して表すが、これらが親基板３１に直接取り付けられ、
親基板３１の表面上で複数の導体４３により相互接続さ
れる。部品４４と導体４３とは、親基板３１と子基板３
２との関係を表すものであって、図１の線形増幅器１０
のすべての部品を表すものではない。親基板３１の表面
上の金属ストライプ３３と２個の金属パッド３４とは、
子基板３２の背面で同様に金属被覆された部分を合わせ
ることにより、子基板３２を親基板３１に取り付けやす
くしている。リフローハンダ付け法によって、子基板３
２上の金属被覆部分が、親基板３１上の金属ストライプ
３３と金属パッド３４とにハンダ付けされる。子基板３
２を親基板３１に機械的に取り付けた後、子基板３２上
の複数のボンディング・パッド３６を親基板３１上の複
数のボンディング・パッド３７にワイヤ・ボンディング
することにより、子基板３２を親基板３１に電気的に接
続する。これらのワイヤ・ボンドにより相互接続された
部品は作動体域周波数内で機能するだけなので、これら
のワイヤ・ボンドにより、線形増幅器アセンブリの安定
性に影響を与える寄生インダクタンスが付加されること
はない。熱伝導性の高い子基板を利用して、臨界安定性
およびゲイン制御部品に加えて高電力散逸部品を搭載
し、この子基板を他の回路部品と共に価格の安い親基板
に取り付けることにより、寄生インダクタンスと寄生容
量の低い低価格の増幅器アセンブリが提供される。

【００１２】図３は、子基板３２を機械的に親基板３１
（図２の）に取り付けるために用いられる、子基板３２
の底面を示す。金属ストライプ４１は親基板３１の金属
ストライプ３３に合致して（図２）、２個の小さな金属
パッド４２が親基板３１の金属パッド３４に合致する
（図２）。金属ストライプ４１は、表面の相対するトラ
ンジスタ１４，１６上にあり、１つの金属パッド４２は
相対するトランジスタ１２上に、もう１個の金属パッド
４２は相対するトランジスタ１３の上にある。これらの
金属ストライプはトランジスタに対向して表面上におか
れ、トランジスタの熱を親基板に移動させやすくする。
トランジスタ１２，１３の接地容量に対する寄生コレク
タを最小限にするために、金属パッド４２は互いに絶縁
され、また金属ストライプ４１，電位およびトランジス
タ１２，１３，１４，１６からも絶縁される。金属パッ
ド４２により誘導される寄生容量を最小限に抑えて、絶
縁することにより、トランジスタ１２，１３，１４，１
６を含む増幅器の帯域が広くなり、安定性が増す。

【００１３】図４は、子基板３２を用いることによりそ
の値が低くなる寄生インダクタとコンデンサの一部分を
示す、図１の同相トランジスタ１２，１４の簡単な系統
図である。ベース・インダクタ４６は、トランジスタ１
４のベースに対してワイヤ・ボンディングすることによ
り形成される。同様に、エミッタ・インダクタ４７は、
トランジスタ１４のエミッタに対するステッチ・ワイヤ
・ボンディングにより作成される。もう１つのエミッタ
・インダクタ４８は、トランジスタ１２のエミッタに対
するワイヤ・ボンディングにより形成され、もう１つの
ベース・インダクタ４９は、トランジスタ１２のベース
に対するステッチ・ワイヤ・ボンディングにより形成さ
れる。トランジスタ１４のコレクタは、接地コンデンサ
５１に対する寄生コレクタを有し、同様の寄生コンデン
サ５２がトランジスタ１２のコレクタと地面との間に結
合されている。電源復帰端子２８と、能動部の接続点３
９とが参考のために図示されている。以下の表は、従来
の線形増幅器アセンブリ技術（以前の値−PREVIOUS VAL
UE）を用いて得られる寄生部品値と、本発明の方法を用
いて得られる値（現在の値−CURRENT VALUE ）とを比較
したものである。減少率（PERCENT REDUCTION ）の列
は、本発明の方法により寄生インダクタおよびコンデン
サの値がどの程度小さくなったかを示すものである：寄生素子従来の値現在の値減少率ベース・インダクタ４６１．３９ｎｈ０．８０ｎｈ４３％エミッタ・インダクタ４７０．６９ｎｈ０．４０ｎｈ４２％ベース・インダクタ４９１．３９ｎｈ０．４０ｎｈ７１％エミッタ・インダクタ４８１．７５ｎｈ０．８０ｎｈ５４％コレクタ−接地コンデンサ５１０．５ｐｆ０．２５ｐｆ５０％コレクタ−接地コンデンサ５２０．７ｐｆ０．３ｐｆ５７％トランジスタ１２のベースと、トランジスタ１４のエミ
ッタとの２重ワイヤ・ボンドにより、上の表に示される
ように、寄生インダクタ４７，４９の値がかなり小さく
なる。コンデンサ５２は、接続点３９の容量も含むこと
に留意されたい。図２のアセンブリ３０により示される
ような子基板の構築技術を用いることにより、線形増幅
器の寄生インダクタおよびコンデンサの値を小さくし
て、それにより価格の安い、帯域幅の広い、１ＧＨｚを
越える周波数においても無条件の安定性をもつ線形増幅
器を作成することができる。

【００１４】図５は、図２に示す子基板技術を用いた高
周波線形増幅器アセンブリを構築することにより得られ
る特性の改善性を示すグラフである。縦座標は増幅器の
ゲインをｄｂで表し、横座標は周波数をメガヘルツで表
す。グラフ５３は、以前の線形増幅器のゲインを示した
ものである。普通、以前の増幅器のゲインは、周波数が
６００ＭＨｚになるまで実質的に平坦で、その後グラフ
５３により示されるように急激に下がる。グラフ５４
は、図２に示されるような子基板技術を利用した線形増
幅器のゲインを表す。このゲインは以前の増幅器アセン
ブリの限界である６００ＭＨｚを越えても実質的に充分
に平坦で、約１ＧＨｚを越える周波数で下がり始める。
グラフ５３と５４とを作成するために用いられるトラン
ジスタは、同一のトランジスタである点に留意された
い。すなわち、グラフ５３のデータは、１組のトランジ
スタを用いた増幅器で測定したもので、その後、トラン
ジスタを取り出して、それを用いてグラフ５４が得られ
る増幅器を構築する。その結果、グラフ５３と５４と
は、増幅器を構築するために用いられるトランジスタか
らは独立しており、子基板アセンブリ技術の寄生素子を
小さくすることにより得られる特性の改善性を示す。

【００１５】図１に戻ると、増幅器の寄生素子の値を小
さくすることにより得られる無条件の安定性は、別の利
点も持っている。以前の線形増幅器アセンブリは、以前
の増幅器入力結合ステージと出力結合ステージに、従来
の変圧器を用いることが必要で、条件付きで安定とな
る。従来の変圧器は、高周波で不平衡になることが多
く、このような高周波では増幅器のゲインが小さくな
る。従来の変圧器によるゲインの低下は、以前の増幅器
の安定性を維持して、発振しないようにするために必要
であった。子基板アセンブリの技術は、寄生インダクタ
ンス値と容量値とを小さくすることにより無条件に安定
な増幅器を構築するので、発振を防ぐために増幅器のゲ
インを小さくすることは必要ない。無条件に安定性が得
られることにより、入力結合部２４に帯域幅の広い伝送
線変圧器２０を、出力結合部２３に帯域の広い伝送線変
圧器２９を用いることができる。伝送線変圧器の広い帯
域を利用することにより、図２に示される線形増幅器ア
センブリ３０の帯域をさらに広げることができる。ま
た、変圧器２９を用いて電源端子２７を線形増幅器１０
の部品に結合する。電源端子２７の電圧は、２個のブロ
ック・コンデンサ４０により線形増幅器１０の出力端子
４５からブロックされる。同様に、２個のブロック・コ
ンデンサ２５は、入力端子１９から電源端子２７の電圧
をブロックする。

【００１６】以上、高周波線形増幅器アセンブリを作成
する新規の方法が提供されたことがご理解いただけよ
う。熱伝導性の高い子基板に、臨界高周波部品と、高電
力散逸部品とを取り付けることにより、寄生容量と寄生
インダクタンスとが小さくなり、それによって線形増幅
器アセンブリの帯域と安定性とが改善される。線形増幅
器アセンブリは、増幅器の動作帯域を大きく越えた周波
数においても無条件に安定である。ＣＡＴＶのチャンネ
ル割当が増えた場合および直接放送テレビの場合には、
帯域を広くすることが必要である。本発明の子基板を用
いる方法により、低い製造コストで帯域を改善すること
が可能になる。

【００１７】本発明は、特定の好適な実施例を用いて解
説されたが、多くの変更や変形が存在することは当業者
には明白である。さらに詳しく述べると、本発明は、特
定の線形増幅器回路や、特定の親基板と子基板構造を有
する特定の線形増幅器アセンブリについて解説された
が、熱伝導性の高い子基板を利用する方法は他の増幅器
回路や、別の親基板と子基板の構造を持つ他の増幅器ア
センブリにも直接応用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に用いるのに適した、線形増幅器回路の
実施例の系統図である。

【図２】本発明により親基板に取り付けられる子基板を
示す、線形増幅器アセンブリの実施例の分解等角図であ
る。

【図３】本発明による図２の子基板の底面図である。

【図４】本発明による増幅器の寄生素子を示す、線形増
幅器の一部分の実施例の系統図である。

【図５】以前の線形増幅器のゲインと、本発明による線
形増幅器のゲインとを示すグラフである。

【符号の説明】

１０線形増幅器１１能動部１２，１３，１４，１６トランジスタ１５抵抗１７，１８，２５，４０コンデンサ１９入力端子２０，２９変圧器２１，２２帰還部２３出力結合部２４入力結合部２６ａ，２６ｂバイアス部２７電源端子２８電源復帰端子３９接続点４５出力端子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高周波線形増幅器アセンブリであって：
能動部（１１）；第１熱伝導性を有する子基板（３２）
であって、子基板（３２）の第１表面に取り付けられた
能動部（１１）をも有して、寄生インダクタンス（４
６，４７，４８，４９）を小さくしており、子基板（３
２）が能動部（１１）により発生した熱を散逸する手段
となっている子基板（３２）；子基板（３２）の第２表
面上の複数の金属領域（４１，４２，４３）であって、
それぞれが電気的に絶縁されるている金属領域（４１，
４２，４３）；第１帰還部（２１）；第２帰還部（２
２）；入力結合部（２４）；出力結合部（２３）；バイ
アス部（２６ａ，２６ｂ）；および第１帰還部（２
１），第２帰還部（２２），入力結合部（２４），出力
結合部（２３），バイアス部（２６ａ，２６ｂ）および
子基板（３２）を親基板（３１）上に有する親基板（３
１）であって、親基板（３１）は第１熱伝導性よりも小
さい第２熱伝導性を有し、子基板（３２）はワイヤ・ボ
ンドにより親基板（３１）に電気的に接続されている親
基板（３１）；によって構成されることを特徴とする高
周波線形増幅器アセンブリ。
【請求項２】高周波増幅器（１０，３０）であって：
増幅器（１０，３０）によって発生する熱の大半を発生
させる第１部分であって、この第１部分は、高周波の帯
域外安定性を実質的に制御し、増幅器（１０，３０）の
高周波帯域外ゲインを実質的に制御する素子（１２，１
３，１４，１５，１６，１７，１８）を有する能動部
（１１）を含み、前記素子（１２，１３，１４，１５，
１６，１７，１８）には半導体ダイ（１２，１３，１
４，１６）と、増幅器（１０，３０）の受動部品（１
５，１７，１８）とが含まれる第１部分；第１熱伝導性
を持つ子基板（３２）であって、第１部分の素子（１
２，１３，１４，１５，１６，１７，１８）が子基板
（３２）上に搭載されて、素子（１２，１３，１４，１
５，１６，１７，１８）の寄生インダクタンス（４６，
４７，４８，４９）と、素子（１２，１３，１４，１
５，１６，１７，１８）の寄生容量（５１，５２）とを
小さくしており、それによって増幅器の安定性が改善さ
れる、子基板（３２）；および第１熱伝導性よりも低い
熱伝導性を有する材料から形成された親基板（３１）で
あって、子基板（３２）が親基板（３１）上にある、親
基板（３１）；によって構成されることを特徴とする高
周波増幅器。
【請求項３】回路（１０）の動作周波数を大きくする
方法であって：回路（１０）の高周波帯域外安定性を制
御する、回路（１０）の子基板（３２）素子（１２，１
３，１４，１５，１６，１７，１８）と、回路（１０）
の高周波帯域外ゲインを制御する、回路（１０）の素子
（１２，１３，１４，１５，１６，１７，１８）とを、
素子（１２，１３，１４，１５，１６，１７，１８）の
寄生インダクタンス（４６，４７，４８，４９）と、寄
生容量（５１，５２）とを小さくするために配置して、
それによって子基板（３２）が高い熱伝導性を有する増
幅器（１０，３０）の高周波安定性を改善する段階；子
基板（３２）の高い熱伝導性よりも低い熱伝導性を有す
る親基板（３１）上に、子基板（３２）と、回路（１
０）のその他の素子（４４）とを配置する段階；および
子基板（３２）を親基板に取り付け、子基板（３２）を
親基板（３１）に電気的に接続する段階；によって構成
されることを特徴とする方法。