CN107204746A - 功率放大器 - Google Patents

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Abstract

得到一种功率放大器，该功率放大器能够容易地设定谐波的阻抗，能够提高功率附加效率。晶体管(1)具有栅极电极(2)、源极电极(3a、3b)及漏极电极(4)。无源部件(5)经由栅极配线(6)与栅极电极(2)连接。谐波电路(7a)连接在源极电极(3a、3b)和栅极配线(6)之间，配置在位于栅极电极(2)和无源部件(5)之间且位于源极电极(3a、3b)和栅极配线(6)之间的区域。

Description

功率放大器
技术领域
本发明涉及在移动通信、卫星通信用途等的微米波频带、毫米波频带例如从几MHz至几百GHz的通信设备中使用的高频功率放大器。
背景技术
就现有的功率放大器而言，使用将对于晶体管来说最佳的相位的谐波反射的谐波电路而提高了晶体管的功率附加效率(PAE:Power-Added Efficiency)(例如，参照专利文献1～3)。对于谐波电路，理想的是，在F级动作的情况下，需要将2次谐波等偶次谐波设为短路的阻抗，在逆F级动作的情况下，需要将3次谐波以上的奇次谐波设为短路的阻抗(例如，参照非专利文献1)。作为谐波电路，电容器、导线或开路短截线(Open stub)等与晶体管的输入端子或输出端子连接。
专利文献1：日本特开2012－205246号公报
专利文献2：日本特开2009－159591号公报
专利文献3：日本特开2001－53510号公报
非专利文献1：“井上晃，外4名，「F級および逆F級増幅器の解析」，信学技报，社团法人電子情報通信学会，TECHNICAL REPORT OF IEICE ED 2003-214,ED2000-231,p.29-35”
就现有的功率放大器而言，在晶体管的外部设置有谐波电路，因此在晶体管和谐波电路之间存在导线或配线图案等。由此，产生寄生电感及寄生电阻，难以设定为期望的谐波的阻抗。
发明内容
本发明就是为了解决如上述的课题而提出的，其目的在于得到一种功率放大器，该功率放大器能够容易地设定谐波的阻抗，能够提高功率附加效率。
本发明所涉及的功率放大器的特征在于，具有：晶体管，其具有栅极电极、源极电极及漏极电极；无源部件，其经由栅极配线与所述栅极电极连接；谐波电路，其连接在所述源极电极和所述栅极配线之间，配置在位于所述栅极电极和所述无源部件之间且位于所述源极电极和所述栅极配线之间的区域。
发明的效果
在本发明中，谐波电路配置在位于栅极电极和无源部件之间且位于源极电极和栅极配线之间的区域。由此，能够减小谐波电路的寄生电感及寄生电阻，因此能够容易地设定谐波的阻抗，能够提高功率附加效率。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式1所涉及的功率放大器的俯视图。
图2是表示本发明的实施方式1所涉及的谐波电路的剖视图。
图3是本发明的实施方式1所涉及的功率放大器的电路图。
图4是表示在本发明的实施方式1所涉及的功率放大器中设计出相对于基波10GHz的谐波(2次谐波)而得到的结果的图。
图5是表示本发明的实施方式2所涉及的功率放大器的俯视图。
图6是表示本发明的实施方式3所涉及的功率放大器的俯视图。
图7是表示本发明的实施方式3所涉及的功率放大器的变形例的俯视图。
图8是表示本发明的实施方式4所涉及的功率放大器的俯视图。
图9是表示本发明的实施方式5所涉及的功率放大器的俯视图。
图10是表示本发明的实施方式6所涉及的功率放大器的俯视图。
图11是表示本发明的实施方式7所涉及的功率放大器的俯视图。
图12是表示本发明的实施方式8所涉及的功率放大器的俯视图。
标号的说明
1晶体管，2栅极电极，3a、3b源极电极，4漏极电极，5栅极焊盘(无源部件)，6栅极配线，7a、7b谐波电路，11a、11b、12配线图案，13、14、15电阻图案
具体实施方式
参照附图，对本发明的实施方式所涉及的功率放大器进行说明。对相同或对应的结构要素标注相同标号，有时省略重复说明。
实施方式1.
图1是表示本发明的实施方式1所涉及的功率放大器的俯视图。晶体管1形成于基板(未图示)之上。晶体管1具有栅极电极2、源极电极3a、3b及漏极电极4。作为无源部件之一的栅极焊盘5经由栅极配线6与栅极电极2连接。源极电极3a、3b分别配置在栅极配线6的两侧。谐波电路7a连接在源极电极3a和栅极配线6之间。
图2是表示本发明的实施方式1所涉及的谐波电路的剖视图。在从源极电极3a延伸出的上电极8和从栅极配线6延伸出的下电极9之间设置绝缘物10而构成MIM电容器。
图3是本发明的实施方式1所涉及的功率放大器的电路图。谐波电路7a的MIM电容器的从晶体管1的栅极电极2观察的谐波的阻抗呈现为短路状态的值。
在本实施方式中，谐波电路7a配置在位于栅极电极2和栅极焊盘5之间且位于源极电极3a和栅极配线6之间的区域。由此，能够减小谐波电路7a的寄生电感及寄生电阻，因此能够容易地将谐波的阻抗设定为期望值。
另外，如果谐波的相位成为感抗，则功率放大器的功率附加效率降低，但由于寄生电感成分减小，从而容易使谐波的相位停留于容抗，在功率放大器的特性方面是优选的。并且，能够使相位的旋转变得迟钝，尤其是即使在大于或等于几GHz的频率下，谐波电路的设计也容易，制造方面的波动也变小。另外，由于寄生电阻减小，因此容易使谐波的Γ接近1，功率放大器的功率附加效率提高。
图4是表示在本发明的实施方式1所涉及的功率放大器中设计出相对于基波10GHz的谐波(2次谐波)而得到的结果的图。可知2次谐波20GHz的阻抗为Γ＝0.930、相位处于约－172°，能够与功率放大器的功率附加效率得到提高的谐波阻抗相匹配。
另外，通过将谐波电路7a设置于晶体管1的栅极电极2的附近，从而即使谐波的相位由于栅极焊盘5的外侧的电路的影响而变动，也基本不受影响。因此，能够在栅极焊盘5的外部对基波的电路进行设计而无需在意谐波。由此，能够提高功率放大器的功率附加效率。
此外，谐波电路7a不限定于MIM电容器，也可以是具有焊盘、配线图案、电感器、电阻、它们所带有的基板间寄生电容等的谐波电路。另外，在为了提高功率放大器的输出功率等而将晶体管1并联连接时，使用电阻等，将谐波电路7a彼此进行连接。
实施方式2.
图5是表示本发明的实施方式2所涉及的功率放大器的俯视图。在本实施方式中，不仅设置有在源极电极3a和栅极配线6之间连接且配置的谐波电路7a，还设置有在源极电极3b和栅极配线6之间连接且配置的谐波电路7b。其他结构与实施方式1相同。
由此，能够减小从谐波电路7a、7b至源极电极3a、3b的寄生电感及寄生电阻。因此，容易使谐波的相位停留于容抗，容易使谐波的Γ接近1，容易对从晶体管1观察的谐波阻抗进行控制。
另外，谐波电路7a、7b隔着栅极配线6左右对称地配置。因此，从晶体管1的右端和左端观察谐波电路7a、7b时的谐波阻抗看起来是相等的。由此，能够抑制晶体管1内的振荡，另外，在晶体管1内均一地进行RF动作，从而能够提高功率放大器的功率附加效率。尤其是，在大于或等于几十GHz的频率下，容易发生晶体管1内的功率分配不当，因此优选将从晶体管1观察的谐波电路7a、7b对称地配置。
实施方式3.
图6是表示本发明的实施方式3所涉及的功率放大器的俯视图。在本实施方式中，设置有与源极电极3a、3b分别连接而成为同电位的配线图案11a、11b。谐波电路7a、7b分别配置在配线图案11a、11b之上。配线图案11a、11b的宽度比谐波电路7a、7b宽。其他结构与实施方式2相同。
由此，能够减小从谐波电路7a、7b至源极电极3a、3b的寄生电感及寄生电阻。因此，容易使谐波的相位停留于容抗，容易使谐波的Γ接近1，容易对从晶体管1观察的谐波阻抗进行控制。由此，能够提高功率放大器的功率附加效率。
图7是表示本发明的实施方式3所涉及的功率放大器的变形例的俯视图。配线图案11a、11b与栅极配线6连接而成为同电位。在该情况下，也能够得到与实施方式3同样的效果。
实施方式4.
图8是表示本发明的实施方式4所涉及的功率放大器的俯视图。谐波的阻抗依赖于谐波电路的尺寸、即电容器电容及配线长度(电感值)。如果缩小谐波电路的尺寸，则能够作用于几十GHz这样的高频带的谐波，如果增大谐波电路的尺寸，则能够作用于几MHz这样的低频带的谐波。因此，在本实施方式中，设置有尺寸不同的谐波电路7a、7b。由此，能够对与谐波电路7a、7b分别对应的频带取得谐波阻抗的匹配，作为功率放大器来说，能够使功率附加效率高的频率得到宽频化。
为了谐波阻抗的匹配，越是作用于高频带的谐波电路，需要越接近于晶体管1的栅极电极2。因此，将尺寸小的谐波电路7b配置为比尺寸大的谐波电路7a更接近晶体管1。此外，也可以设置尺寸不同的大于或等于3个谐波电路，但需要配置为尺寸越小的谐波电路越接近晶体管1。
实施方式5.
图9是表示本发明的实施方式5所涉及的功率放大器的俯视图。在本实施方式中，谐波电路7a具有在MIM电容器和源极电极3a、3b之间连接的配线图案12。此外，也可以将配线图案12连接于MIM电容器和栅极配线6之间。其他结构与实施方式1相同。
通过积极地***配线图案12，从而能够利用配线图案12和MIM电容器以期望的频率进行LC共振。由此，容易在期望的频带使谐波的Γ更接近1。另外，通过进行LC共振，从而即使减小谐波电路7a的电容，也能够具有期望的谐波的阻抗。由此，能够得到小型且功率附加效率高的功率放大器。
实施方式6.
图10是表示本发明的实施方式6所涉及的功率放大器的俯视图。在本实施方式中，谐波电路7a具有在MIM电容器和源极电极3a、3b之间连接的电阻图案13。此外，也可以将电阻图案13连接在MIM电容器和栅极配线6之间。
通过积极地***电阻图案13，从而虽然谐波的Γ变得小于1，但能够减小谐波的相位的变动。虽然由于谐波的Γ变得小于1而使功率放大器的功率附加效率提高变小，但能够减小谐波的相位变动，因此容易制作宽频带的功率放大器。另外，无需如实施方式4那样设置多个谐波电路7a，能够将功率放大器小型化。
实施方式7.
图11是表示本发明的实施方式7所涉及的功率放大器的俯视图。在本实施方式中，向栅极焊盘5的彼此相对的第1及第2边分别并联连接其他功率放大器的栅极焊盘。
通过设置谐波电路7a，从而在栅极焊盘5和栅极电极2之间放入配线图案和电容，因此尤其在并联配置了在大于或等于几十GHz的频带进行RF动作的晶体管的情况下，有时会在晶体管内或晶体管间满足振荡条件。
因此，在栅极焊盘5的内部，在第1边和第2边之间***有电阻图案14。由此，晶体管内或晶体管间的隔离性提高，因此能够得到不易振荡的功率放大器。此外，在这里，作为无源部件而使用了栅极焊盘5，但只要是能够在中央***电阻图案14的无源部件即可，无源部件的种类没有限定。
实施方式8.
图12是表示本发明的实施方式8所涉及的功率放大器的俯视图。在本实施方式中，向栅极焊盘5并联连接其他功率放大器，在栅极焊盘5和其他功率放大器之间连接有电阻图案15。由此，晶体管间的隔离性提高，因此能够得到不易振荡的功率放大器。
另外，希望使实施方式7或8的电阻图案14、15所引起的电路的损耗尽量小。另一方面，在高温时晶体管1的性能降低，因此无需像室温时那样显现出用于隔离的电阻图案14、15。因此，优选电阻图案14、15具有如果温度上升则电阻值上升的特性。由此，在高温时从RF信号难以观察到电阻图案14、15，因此能够抑制高温时的功率放大器的功率附加效率的降低。
另外，能够使用细的薄膜金属配线或接触电阻等的寄生电阻作为实施方式7或8的电阻图案14、15。由此，能够得到比通常的电阻图案小的电阻值，因此能够得到抑制了功率附加效率的降低、并且稳定性高的功率放大器。
此外，通过对基板整体的厚度进行变更、或者将基板的一部分设为凹或凸，从而能够对从晶体管1的栅极电极2观察的谐波电路7a、7b的电容成分进行调整。通过使基板的厚度变薄，从而能够使谐波电路7a、7b的电容成分显现得大，实现电路的小型化。另一方面，通过使基板的厚度变厚，从而能够使谐波电路7a、7b的电容成分显现得小，能够对电路常数进行微调，谐波电路7a、7b的设计变得容易。

Claims (11)

1.一种功率放大器，其特征在于，具有：
晶体管，其具有栅极电极、源极电极及漏极电极；
无源部件，其经由栅极配线与所述栅极电极连接；
谐波电路，其连接在所述源极电极和所述栅极配线之间，配置在位于所述栅极电极和所述无源部件之间且位于所述源极电极和所述栅极配线之间的区域。
2.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，
所述源极电极具有在所述栅极配线的两侧分别配置的第1及第2源极电极，
所述谐波电路具有第1谐波电路和第2谐波电路，该第1谐波电路连接且配置在所述第1源极电极和所述栅极配线之间，该第2谐波电路连接且配置在所述第2源极电极和所述栅极配线之间。
3.根据权利要求2所述的功率放大器，其特征在于，
所述第1及第2谐波电路隔着所述栅极配线而左右对称地配置。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的功率放大器，其特征在于，
还具有配线图案，该配线图案与所述源极电极或所述栅极配线连接而成为同电位，
所述谐波电路配置在所述配线图案之上，
所述配线图案的宽度比所述谐波电路宽。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的功率放大器，其特征在于，
所述谐波电路具有尺寸不同的多个谐波电路，
尺寸越小的谐波电路配置得与所述晶体管的所述栅极电极越近。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的功率放大器，其特征在于，
所述谐波电路具有配线图案。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的功率放大器，其特征在于，
所述谐波电路具有电阻图案。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的功率放大器，其特征在于，
向所述无源部件的彼此相对的第1及第2边分别并联连接其他功率放大器，
在所述无源部件的内部，在所述第1边和所述第2边之间***有电阻图案。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的功率放大器，其特征在于，
向所述无源部件并联连接其他功率放大器，
在所述无源部件和所述其他功率放大器之间连接有电阻图案。
10.根据权利要求8或9所述的功率放大器，其特征在于，
所述电阻图案具有如果温度上升则电阻值上升的特性。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的功率放大器，其特征在于，
所述电阻图案是薄膜金属配线或接触电阻的寄生电阻。
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