JP3847756B2

JP3847756B2 - 高周波増幅回路

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Publication number: JP3847756B2
Application number: JP2004049618A
Authority: JP
Inventors: 治彦小泉
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-02-25
Filing date: 2004-02-25
Publication date: 2006-11-22
Anticipated expiration: 2024-02-25
Also published as: JP2005244442A; US7245182B2; US20050184806A1

Description

本発明は、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）を用いた高周波増幅回路に関し、特に移動体通信端末の送受信部に用いる集積回路に関する。

近年、携帯電話などの移動体通信端末において、電力増幅器をはじめとする集積回路では、電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）に代わって、ＨＢＴが用いられるようになっている。ＨＢＴを用いることの利点は、１）単一正電源だけで増幅動作ならびに利得制御が可能であること、２）線形性が高いために歪み特性に優れる、などであるが、逆に欠点としては、温度依存性や電源電圧依存性を補償するためのバイアス回路が必要となる点にある。このバイアス回路を如何に設計するかが、安定な特性を得るための重要なポイントとなっている。

以下、従来の高周波増幅回路について、図面を参照しながら説明する。

図６は、特許文献１に示されている、従来のエミッタフォロアトランジスタ型定電圧源バイアス回路を用いた高周波増幅回路の回路図である。

図６において、増幅用トランジスタ１のベースには、増幅用トランジスタ１にバイアス電流を供給するバイアス供給用トランジスタ２のエミッタが、抵抗３を介して接続されている。このバイアス供給用トランジスタ２のエミッタは抵抗４を介して接地されており、エミッタフォロア構成となっている。図６において、破線で囲んだ部分がバイアス回路である。

また、バイアス供給用トランジスタ２のベースは、第１の温度補償用トランジスタ５のベースと接続されている。さらに、第１の温度補償用トランジスタ５のベースには、第２の温度補償用トランジスタ６のコレクタおよび抵抗７が接続される。第２の温度補償用トランジスタ６のベースは、第１の温度補償用トランジスタ５のエミッタと接続されたのち、抵抗８を介して接地される。

第２の温度補償用トランジスタ６のエミッタは接地されている。抵抗７のもう一端は、バイアス電圧供給端子９と接続される。バイアス供給用トランジスタ２および第１の温度補償用トランジスタ５のコレクタは、電源端子１０に接続される。また、増幅用トランジスタ１のベースには入力信号端子１１が接続され、コレクタには出力信号端子１２が接続される。

つぎに、従来の高周波増幅回路の動作について説明する。

バイアス電圧供給端子９には、電源回路によりレギュレートされた電圧（例えば２．８Ｖとする）が与えられる。このとき、バイアス供給用トランジスタ２、第１の温度補償用トランジスタ５および第２の温度補償用トランジスタ６の各ベースーエミッタ電圧には、ターン・オン電圧を超える電圧（およそ１．３Ｖ）がかかるため、各トランジスタ２，５，６はオンとなり、その結果、増幅用トランジスタ１が駆動される。

増幅用トランジスタ１のコレクタ電流は、バイアス供給用トランジスタ２のエミッタ電流により決定され、そのエミッタ電流は主に抵抗７の値により決定される。また、増幅用トランジスタ１とバイアス供給用トランジスタ２のベース−エミッタ電圧の温度変化を打ち消すために、第１の温度補償用トランジスタ５と第２の温度補償用トランジスタ６を２段接続としている。
特開２００２−９５５８号公報

バイアス電圧供給端子９に印加される電圧は、前述のように通常レギュレートされた電圧が与えられるので、電圧の変化幅としては比較的小さい。一例をあげるならば、２．８Ｖ±５%、すなわち、２．６６Ｖから２．９４Ｖと約０．３Ｖの幅である。しかしながら、何らかの理由によりレギュレートされた電圧がもらえない場合、あるいは、機器内にレギュレートされた電圧が存在しない場合は、電源である電池から直結されることになる。そのため、電圧の変化幅は大きくなってしまう。例えば３．５Ｖ±１５%、すなわち、２．９８Ｖから４．０３Ｖと約１Ｖの幅を持つ。

一例として、従来のバイアス回路を用いた高周波増幅回路における、バイアス電圧供給端子９への印加電圧（以下リファレンス電圧と呼ぶ）と増幅用トランジスタ１のコレクタ電流との関係を示す。図２は、リファレンス電圧３．５Ｖでコレクタ電流が１０ｍＡになるようにバイアス回路を設計した状態で、印加電圧を３Ｖから４Ｖまで挿引した場合の結果である。破線が従来例を示し、実線は後述する実施の形態を示している。

この図からわかるように、３Ｖから４Ｖまでの範囲でコレクタ電流は７．２ｍＡから１２．４ｍＡまで変動しており、その結果として、利得等の増幅器の高周波特性も大きく変動することになる。

上記に鑑み、本発明は、温度依存性を小さく保ったまま、増幅用トランジスタのコレクタ電流におけるバイアス電圧供給端子の電圧依存性を小さくすることができる高周波増幅回路を提供することを目的とする。

また、バイアス回路の素子数が増えることによって、従来よりも半導体チップ上におけるバイアス回路の占有面積が大きくなることは、コストの点から考えると非常に不利である。そのため、上記目的とともに、バイアス回路部分の占有面積を小さくすることを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明に係る高周波増幅回路は、増幅用トランジスタと、増幅用トランジスタにバイアス電圧供給端子への印加電圧に応じたバイアス電流を供給するバイアス供給用トランジスタと、バイアス電圧供給端子への印加電圧に応じた電流を流す第１の温度補償用トランジスタと、第１の温度補償用トランジスタに流れる電流に応じてバイアス供給用トランジスタから増幅用トランジスタに供給されるバイアス電流を補正することにより、バイアス供給用トランジスタのベース電圧の温度特性を補償する第２の温度補償用トランジスタとを備え、バイアス供給用トランジスタのベース端子と第１の温度補償用トランジスタのベース端子の間に、電位差の変化に対して電流が変化する電流制限素子を設け、第１の温度補償用トランジスタのベース電圧の変化に対してバイアス供給用トランジスタのベース電圧がその変化に追随することなくほぼ一定に保たれるように設定されている。

上記の電流制限素子は抵抗により実現できる。

従来は、第１の温度補償用トランジスタとバイアス供給用トランジスタのベースが同電位であったため、バイアス電圧供給端子の供給電圧が高くなると、それに応じてバイアス供給用トランジスタのベース電圧も単調に増加していた。しかしながら、本発明によれば、バイアス電圧供給端子への供給電圧が高くなれば、この端子を流れる電流が増えることから、本発明にて挿入した抵抗にかかる電圧が徐々に増加することになり、第2の温度補償用トランジスタのコレクタ電圧、及び、同電位であるバイアス供給用トランジスタのベース電圧の上昇を抑える効果を示す。さらに供給電圧が高くなると、第１、第２の温度補償用トランジスタのベース電圧も上がり続けるために、ある供給電圧値を境に、第２の温度補償用トランジスタのコレクタ電圧、及び、同電位であるバイアス供給用トランジスタのベース電圧は徐々に減少するようになる。このターニングポイントとなる電圧は、抵抗の抵抗値を適切に選ぶことで自由に変えることができる。よって、バイアス電圧供給端子への所望の印加電圧範囲において、バイアス供給用トランジスタのベース電圧の変動が抑えられるようになる。したがって、増幅用トランジスタのベースに供給される電流（バイアス供給用トランジスタのエミッタ電流）の変動も少なくなるためコレクタ電流の変動も少なくなり、高周波増幅回路は、バイアス電圧供給端子の電圧変動に対して安定な高周波動作を示すようになる。なお、上記抵抗の抵抗値は、増幅用トランジスタのコレクタ電流の設定値やバイアス回路に用いられるそれぞれのトランジスタのサイズ（大きさ）などによって変わってくる。

また、本発明に係る高周波増幅回路のバイアス回路のうち、バイアス供給用トランジスタと第１の温度補償用トランジスタ、およびそれぞれのベースを接続している抵抗の３つの素子を、一つの抵抗内蔵マルチエミッタ型トランジスタで形成することが好ましい。このマルチエミッタ型トランジスタは、バイアス供給用トランジスタと第１の温度補償用トランジスタと抵抗とが、共通のコレクタ上に複数のエミッタおよび複数のベースが設けられ、かつ複数のベース間を相互に接続する状態に抵抗要素が形成された一つのマルチエミッタ型トランジスタで構成されている。

本発明によれば、新たなプロセスを加えることなく、通常と同じ工程で、バイアス回路の一部分を一つのデバイスとして取り扱うことができるようになる。

本発明に係る高周波増幅回路によると、バイアス供給用トランジスタのベースと第１の温度補償用トランジスタのベースの間に抵抗を挿入することにより、バイアス電圧供給端子に与えられる電圧が変動しても、バイアス供給用トランジスタのベース電圧の変動が緩和されるため、温度依存性を小さく保ったまま、増幅用トランジスタのコレクタ電流に対するバイアス電圧供給端子の電圧依存性を小さくすることができる。そのため、電圧変化に対して安定な増幅器が得られる。

また、本発明に係る高周波増幅回路によれば、バイアス供給用トランジスタのベースと第１の温度補償用トランジスタと抵抗とを一つのマルチエミッタ型トランジスタで形成しているため、従来に比べて半導体チップ上のバイアス回路の占有面積を少なくすることができ、その結果、コスト低減が可能となる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における高周波増幅回路の回路図を示すものである。なお、図１において、従来の高周波増幅回路と同一の構成要素には同一の符号を付した。

図１の高周波増幅回路では、増幅用トランジスタ１のベースに、増幅用トランジスタ１にバイアス電流を供給するバイアス供給用トランジスタ２のエミッタが、抵抗３を介して接続されている。バイアス供給用トランジスタ２のエミッタは抵抗４を介して接地されており、エミッタフォロア構成となっている。図１において、破線で囲んだ部分がバイアス回路である。

また、バイアス供給用トランジスタ２のベースは、第２の温度補償用トランジスタ６のコレクタと接続され、抵抗１３を介して第１の温度補償用トランジスタ５のベースと接続される。第１の温度補償用トランジスタ５のベースは、抵抗７を介してバイアス電圧供給端子９と接続される。さらに、第２の温度補償用トランジスタ６のベースは、第１の温度補償用トランジスタ５のエミッタと接続されたのち、抵抗８を介して接地される。第２の温度補償用トランジスタ６のエミッタは接地されている。バイアス供給用トランジスタ２および第１の温度補償用トランジスタ５のコレクタは、電源端子１０に接続される。また、増幅用トランジスタ１のベースには入力信号端子１１が接続され、コレクタには出力信号端子１２が接続される。

上記のように、バイアス供給用トランジスタ２のベースを、抵抗１３を介して第１の温度補償用トランジスタ５のベースと接続し、抵抗１３における第１の温度補償用トランジスタ５のベース側端子にバイアス電圧供給端子９を接続することにより、第１の温度補償用トランジスタ５のベース電圧が変化したとしても、その変化に追随することなくバイアス供給用トランジスタ２のベース電圧がほぼ一定に保たれるように設定することができる。

つぎに、実施の形態１における高周波増幅回路の動作について説明する。

バイアス電圧供給端子９に与えられる電圧は、必ずしもレギュレートされている必要はなく、ここでは例として電池からの直結を想定し、３．５Ｖ±１５%、すなわち、３Ｖから４Ｖと約１Ｖの幅を持つとする。このとき、バイアス供給用トランジスタ２、第１の温度補償用トランジスタ５および第２の温度補償用トランジスタ６の各ベース−エミッタ電圧にはターン・オン電圧を超える電圧（およそ１．３Ｖ）がかかるためオンとなり、その結果、増幅用トランジスタ１が駆動される。

また、第１の温度補償用トランジスタ５は、バイアス電圧供給端子９への供給電圧に応じた電流を流す。第２の温度補償用トランジスタ６は、第１の温度補償用トランジスタ５に流れる電流に応じてバイアス供給用トランジスタ２から増幅用トランジスタ１に供給されるバイアス電流を補正することにより、バイアス供給用トランジスタ２のベース電圧の温度特性を補償する。

増幅用トランジスタ１のコレクタ電流は、バイアス供給用トランジスタ２のエミッタ電流により決定され、そのエミッタ電流は主に抵抗７の値により決定される。また、上記に示したバイアス電圧供給端子９の想定される電圧変動値に応じて、バイアス供給用トランジスタ２のエミッタ電流の変動を抑えるように抵抗１３の値が決定される。

ここで、抵抗１３を挿入することによって、バイアス供給用トランジスタ２のエミッタ電流の変動が抑えられる理由について説明する。

抵抗１３の抵抗値を適切に選ぶことにより、バイアス電圧供給端子９への供給電圧が高くなれば、この端子を流れる電流が増えることから、抵抗１３にかかる電圧が徐々に増加することになり、第２の温度補償用トランジスタ６のコレクタ電圧、及び、バイアス供給用トランジスタ２のベース電圧の上昇を抑える効果を示す。さらに供給電圧が高くなると、第１、第２の温度補償用トランジスタ５、６のベース電圧も上がり続けるために、ある供給電圧値を境に、第２の温度補償用トランジスタ６のコレクタ電圧、及び、バイアス供給用トランジスタ２のベース電圧は徐々に減少に転じるようになる。その結果、第２の温度補償用トランジスタ６のコレクタ電圧、すなわち、同電位であるバイアス供給用トランジスタ２のベース電圧の変動が抑えられる。したがって、増幅用トランジスタ１のベースに供給される電流（バイアス供給用トランジスタ２のエミッタ電流）の変動も少なくなるためコレクタ電流の変動も少なくなり、高周波増幅回路は、バイアス電圧供給端子９の電圧変動に対して安定な高周波動作を示すようになる。

ここで、抵抗１３と、抵抗７，８の抵抗値の設定範囲の一例について説明する。各抵抗の抵抗値は、増幅用トランジスタのコレクタ電流の設定値、安定にさせたい電圧の範囲やトランジスタのサイズ（大きさ）、あるいはエピタキシャル層の構造によって変わってくる。抵抗１３は通常１００Ω程度で、低い場合は２０−３０Ω程度、高い場合は２００−３００Ω程度である。抵抗７は５００Ω−１ｋΩ、抵抗８は２ｋ−３ｋΩである。なお、図示していないが、図１の温度補償用トランジスタ５のエミッタと抵抗８および温度補償用トランジスタ６のベースとの間に抵抗を入れる場合もあり、この抵抗の値に応じても抵抗１３と、抵抗７，８の抵抗値は若干変わる。

図２に、実施の形態１におけるバイアス回路を用いた高周波増幅回路（図１に図示）と、従来のバイアス回路を用いた高周波増幅回路（図６に図示）において、リファレンス電圧３．５Ｖで増幅用トランジスタ１のコレクタ電流を１０ｍＡと設定した場合の電圧変動依存性を示す。図２より、従来に比べコレクタ電流の変化幅が大幅に小さくなっていることがわかり、バイアス供給用トランジスタ２のベースと第１の温度補償用トランジスタ５のベースとの間に接続されている抵抗１３が、増幅用トランジスタ１のベース電圧、言い換えれば、バイアス供給用トランジスタ２のベースーエミッタ間電圧を安定させていることがわかる。

（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２における高周波増幅回路の回路図を示すものである。実施の形態１との違いは、バイアス供給用トランジスタ２のエミッタに接続されていた抵抗４を、ベースとコレクタが接続された、２つのトランジスタ１４，１５に置き換えたことにある。上記トランジスタ１４，１５はＰＮ接合ダイオードと等価である。図３において、破線で囲んだ部分がバイアス回路である。

実施の形態２における動作は、実施の形態１における動作と基本的に同じであるため、ここでは詳しい説明を省略するが、実施の形態２では、トランジスタ１４，１５の存在により、バイアス供給用トランジスタ２のエミッタ電流を増幅用トランジスタ１の入力電力レベルに応じて変動させることができる。したがって、増幅用トランジスタ１においてより高入力高出力が要求される動作条件においては、実施の形態２を用いることが望ましい。

ここで、トランジスタ１４，１５の動作原理について説明する。増幅用トランジスタ１に入力する信号が弱い場合（低入力）は、バイアス供給用トランジスタ２のエミッタ電圧は低いためにトランジスタ１４、１５は高抵抗として働くが、強い場合（高入力）はバイアス供給用トランジスタ２のエミッタ電圧が上昇し、トランジスタ１４、１５にかかる電圧が高くなるために電流が流れやすく、すなわち、低抵抗として動作するようになる。実施の形態１の場合は、この部分は固定抵抗であったが、ダイオードとすることで、あたかも可変抵抗のように振舞うことになる。

高出力の場合は、バイアス設定において増幅用トランジスタ１のベース電流を多く流す必要があり、実施の形態１では、一般的に抵抗４の抵抗値を小さくする。ただしこうすると、増幅用トランジスタ１の入力と並列に低抵抗が入ることになるので、高周波的に見ると損失が増えることになる。ダイオードは高周波でのインピーダンスを高く保ったまま電流可変ができるので、高出力の場合には使うことが好ましい。同様に、入力が一定ではなく低入力から高入力まで振れるような場合においても、固定抵抗よりも可変抵抗、すなわち、ダイオードを使ったほうが好ましい特性が得られることがある。

（実施の形態３）
図４は、本発明の実施の形態３における高周波増幅回路用のバイアス回路の構造を示すものである。この実施の形態３では高周波増幅回路におけるバイアス回路の構造およびその形成方法を具体的に説明する。図４（ａ）には、バイアス回路の平面図を示し、図４（ｂ）には上記バイアス回路の断面図を示す。本実施の形態では、抵抗として半導体抵抗を用いた場合について説明する。

バイアス回路は、半絶縁性ＧａＡｓ基板の上の最下層にコレクタ、その上にベース、最上層にエミッタという順序で半導体層があらかじめ形成されたエピタキシャル基板を準備し、エミッタ、ベース、コレクタのメサエッチングと電極形成とを行うことにより形成される。本発明の実施の形態では、以下のように加工することを特徴とする。すなわち、図４において、２つのエミッタメサ領域２０をエッチングにより形成し、エミッタ電極２１を蒸着により形成する。つぎに、２つのベースメサ領域２２をエッチングにより形成し、ベース電極２３を蒸着により形成する。このとき２つのベースメサ領域２２の間は、半導体抵抗２４が形成されるように一部分を残すような形状にする。さらに、サブコレクタメサ領域２５、コレクタメサ領域２６の順に形成し、最後にコレクタ電極２７を蒸着により形成する。

このような構造を用いることで、２つのトランジスタと１つの抵抗とを、コレクタが共通でエミッタが各々分離され、ベース間に抵抗が挿入されたマルチエミッタ型トランジスタとして形成することができる。

図１に示した高周波増幅回路におけるバイアス回路は、例えば、図４の左側のトランジスタをバイアス供給用トランジスタ２とし、右側のトランジスタを第１の温度補償用トランジスタ５とし、ベース層で形成された半導体抵抗２４を抵抗１３とし、ベース、エミッタ、コレクタの各電極から配線（図示せず）で引き出し、他のトランジスタや抵抗（図示せず）と接続することで作成できる。

半導体抵抗２４はｐ型ベース層で形成されているため、抵抗値の設計にはこのｐ型ベース層のシート抵抗（例えば２００Ω/ＳＱＵＡＲＥ）の値を用いればよい。

この実施の形態３によれば、バイアス供給用トランジスタ２と第１の温度補償用トランジスタ５と抵抗１３とを、一つのマルチエミッタ型トランジスタで構成することができ、バイアス回路部分の占有面積を小さくすることができる。

（実施の形態４）
図５は、本発明の実施の形態４における高周波増幅回路用のバイアス回路の構造を示すものである。この実施の形態４では高周波増幅回路におけるバイアス回路の構造およびその形成方法を具体的に説明する。図５（ａ）には、バイアス回路の平面図を示し、図５（ｂ）には上記バイアス回路の断面図を示す。本実施の形態では、抵抗として金属薄膜抵抗を用いた場合について説明する。

図５において、２つのエミッタメサ領域２０をエッチングにより形成し、エミッタ電極２１を蒸着により形成する。つぎに、２つのベースメサ領域２２をエッチングにより形成し、ベース電極２３を蒸着により形成する。図４との違いは、２つのベースメサ領域２２が独立した形状になっていることにある。つぎに、金属薄膜抵抗２８を、２つのベース電極２３の一部分に接触するように形成する。サブコレクタメサ領域２５、コレクタメサ領域２６およびコレクタ電極２７の形成については図４と同じである。

図４と同様に、図１に示した高周波増幅回路のバイアス回路は、例えば、図５の左側のトランジスタをバイアス供給用トランジスタ２とし、右側のトランジスタを第１の温度補償用トランジスタ５とし、金属薄膜抵抗２８を抵抗１３とし、ベース、エミッタ、コレクタの各電極から配線（図示せず）を引き出すことで作成することができる。

金属薄膜抵抗２８としては、例えば、シート抵抗１００Ω/ＳＱＵＡＲＥのタングステン・シリコン薄膜で形成すればよい。

この実施の形態４によれば、実施の形態３と同様の効果を奏する。

以上説明したように、本発明は、高周波増幅回路において、バイアス電圧供給端子に与えられる電圧の変動幅が大きいときに高周波特性を一定に保ちたい場合に有用である。

本発明の実施の形態１における高周波増幅回路の構成を示す回路図である。本発明の実施の形態１におけるバイアス回路を用いた高周波増幅回路と従来のバイアス回路を用いた高周波増幅回路における、バイアス電圧供給端子への印加電圧と増幅用トランジスタのコレクタ電流との関係を示す特性図である。本発明の実施の形態２における高周波増幅回路の構成を示す回路図である。本発明の実施の形態３における高周波増幅回路の中のバイアス回路の構造を示す平面図および断面図である。本発明の実施の形態４における高周波増幅回路の中のバイアス回路の構造を示す平面図および断面図である。従来の高周波増幅回路の構成を示す回路図である。

符号の説明

１増幅用トランジスタ
２バイアス供給用トランジスタ
３，４，７，８，１３抵抗
５第１の温度補償用トランジスタ
６第２の温度補償用トランジスタ
９バイアス電圧供給端子
１０電源端子
１１入力信号端子
１２出力信号端子
１４，１５トランジスタ
２０エミッタメサ領域
２１エミッタ電極
２２ベースメサ領域
２３ベース電極
２４半導体抵抗
２５サブコレクタメサ領域
２６コレクタメサ領域
２７コレクタ電極
２８金属薄膜抵抗

Claims

増幅用トランジスタと、
前記増幅用トランジスタにバイアス電圧供給端子への印加電圧に応じたバイアス電流を供給するバイアス供給用トランジスタと、
前記バイアス電圧供給端子への印加電圧に応じた電流を流す第１の温度補償用トランジスタと、
前記第１の温度補償用トランジスタに流れる電流に応じて前記バイアス供給用トランジスタから前記増幅用トランジスタに供給されるバイアス電流を補正することにより、前記バイアス供給用トランジスタのベース電圧の温度特性を補償する第２の温度補償用トランジスタとを備え、
前記バイアス供給用トランジスタのベース端子と前記第１の温度補償用トランジスタのベース端子の間に、電位差の変化に対して電流が変化する電流制限素子を設け、前記第１の温度補償用トランジスタのベース電圧の変化に対して前記バイアス供給用トランジスタのベース電圧がその変化に追随することなくほぼ一定に保たれるように設定されていることを特徴とする高周波増幅回路。
前記電流制限素子は抵抗であることを特徴とする請求項１に記載の高周波増幅回路。
前記バイアス供給用トランジスタと前記第１の温度補償用トランジスタと前記抵抗とが、共通のコレクタ上に複数のエミッタおよび複数のベースが設けられ、かつ前記複数のベース間を相互に接続する状態に抵抗要素が形成された一つのマルチエミッタ型トランジスタで構成されていることを特徴とする請求項２に記載の高周波増幅回路。
前記抵抗要素は半導体抵抗で形成されていることを特徴とする請求項３に記載の高周波増幅回路。
前記抵抗要素は金属薄膜抵抗で形成されていることを特徴とする請求項３に記載の高周波増幅回路。