JP6689450B2 - 電流再利用型電界効果トランジスタ増幅器 - Google Patents

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Description

本発明は、デプレションモードの電界効果トランジスタ(FET)を用いた電流再利用型FET増幅器におけるバイアス電流制御に関するものである。
近年,自動車の自動運転や衝突時の衝撃緩和を目的として、マイクロ波帯・ミリ波帯を用いた車載レーダの需要が増加している。この車載レーダの遠方監視には、直進性が良好で、かつ比較的雨天でも減衰しにくい77GHz帯のミリ波が使われている。そのレーダの信号の電力増幅や周波数変換を担う回路には、高周波での高出力・高利得特性に優れたGaAs系電界効果トランジスタ(以下電界効果トランジスタをFETと呼ぶ)を用いた電力増幅器がしばしば利用されている。(例えば特許文献1(P.4、図1)、或いは非特許文献1(Fig.9)参照)
特開2012−119794号 2011 Proc. Of the 6th European Microwave Integrated Circuits Conference, pp. 29-32, "E-Band Radio Link Communication Chipset in Cost Effective Wafer Level Chip Size Package (WLCSP) Technology" 2005 IEEE Journal of Solid-State Circuits, pp. 1288-1295, "A 1.8-V Operation 5-GHz-Band CMOS Frequency Doubler Using Current-Reuse Circuit Design Technique"
特許文献1及び非特許文献1には、GaAs系FETを用いた電力増幅器の例が示されている。当該文献に示すように、車載という制約から車内で一般に利用可能な、5Vの単一電源で動作可能な回路構成が選択されており、その代表例が電流再利用型の回路構成となっている。図6に、GaAs系FETを用いた電流再利用型増幅器の回路構成を示す。図で、11、12はデプレションモード(ノーマリオン)のGaAs系FET(通常は高電子移動度トランジスタと呼ばれるHEMTが使われる)、31〜33は抵抗、21〜26は容量、51〜54はインダクタンスと同様の役割を担う伝送線路、1はRF信号の入力端子、2はRF信号の出力端子、3は増幅部の電源端子、IddはFET12を流れるドレイン電流である。22、24はFET11と12のソースをRF的に接地するための容量で、容量21は入力のDC阻止容量である。容量23と伝送線路51と52は段間整合回路を形成し、容量25、26と伝送線路53と54は出力整合回路とFET12のドレイン給電回路を形成している。また、抵抗31はFET11のゲート電位をDC的に0Vに固定する役割を担い、抵抗32、33は自己バイアス用の抵抗である。
次にバイアスに関して説明する。FET12を流れるドレイン電流Iddは、抵抗33を流れ、その後FET11のドレイン電流として再度流れ、最後に抵抗32を通過して接地に流れる。FET11のゲートバイアス(ゲート・ソース間電圧)は、抵抗32によってゲート電圧が抵抗31により0Vに固定されているため、抵抗32と電流Iddの積の電圧によって、FET11のゲート・ソース間電圧は負に自己バイアスされる。FET12のゲート・ソース間電位も同様に、抵抗33と電流Iddの積により負に自己バイアスされる。
FET12を流れた電流Iddが再度FET11にも流れるため、本回路構成は電流再利用型と呼ばれる。FET11と12はRF増幅の役割も担い、容量22及び24によってFET 11及び12はRF的にソース接地されているので、図5の回路は、ソース接地の2段増幅器と等価である。しかし、電流に関しては同じIddがFET11と12を共通に流れるため、電源Vddから消費される電流はIddだけですむ。
一方、電源電圧Vdd/2がFET11及び12のドレイン端子に各々印加される通常のソース接地型2段増幅器の場合、FET F1及びF2に電流Iddが流れるとすると、電源電圧Vdd/2から消費される電流は2・Iddとなり、電流再利用型の2倍になる。バッテリ駆動の製品では主にバッテリの電流容量が制限されるので、電流再利用型の回路を採用することで、消費電流を削減できる場合が多い。
車載レーダ用のRF増幅部に電流再利用回路が適用される理由は、この電流削減効果よりもむしろGaAs系FETの耐圧制約に関係するところが大きい。ミリ波帯で適用可能なFETは0.2μm以下の短ゲート長のため、DC的なドレイン・ソース間耐圧が4V以下の場合が多く、場合によっては3V程度の場合もある。そのため、自動車に搭載される標準電源電圧5Vを直接印加できない場合が多い。図6に示す電流再利用回路の場合、FET1段当たりのDC印加電圧は5Vの半分である2.5Vとなり、4Vの耐圧よりも十分低く設定できるので、電源電圧5Vを増幅器の電源として利用できる。
しかし、GaAs系FETは通常デプレッションモードであるため、エンハンスメントモードのCMOS系やバイポーラ系デバイスに比べて、プロセスばらつき変動に依存せずに一定のドレイン電流を供給できるバイアス回路を構成することが一般に難しい。例えば、非特許文献2に記載の電流再利用回路はエンハンスメントモードのnMOSであるため、プロセスばらつきに強いカレントミラー型のバイアス回路を適用できる。
図7は、図6の回路において、FETのIdss(ゲート・ソース間電圧0V時のFETのドレイン電流)の変動に対する回路のドレイン電流Iddの変動のシミュレーション結果を示す。電源電圧は5V、FETはゲート長0.1umのGaAs系HEMTを使用した。図には、抵抗32、33の値が小さい場合の特性301と大きい場合の特性302がプロットされている。図中のA1〜A4は点線の交点を示す。図より、Idssの変化に対して、特性301のドレイン電流Iddの変化は特性302に比べて大きい。Idssの±20%の変動に対して、特性301では24mA〜31.5mA(Idssの変動無時のドレイン電流27.5mAに対しての27%変化)と大きく変動するのが、特性302では18mA〜21mA(Idssの変動無時のドレイン電流19.5mAに対して15%の変化)と変動は小さい。また、特性302のドレイン電流は、電流変化は小さいが、抵抗値が大きいためIdss変動無時のドレイン電流値自身が低くなってしまう。
ミリ波帯の場合、FETの持つ利得を最大限に引き出すために、ゲート電圧0Vより少し低い電圧(例えば−0.05V〜−0.15V)に設定することが多いため、抵抗32、32の値は小さい。その結果、図7の特性301に示すように自己バイアス回路だけでは大きなドレイン電流の変化を伴う。バイアス電流の大きな変化は、増幅器の利得特性を大きく変動させるので、その抑制が課題であった。負の電源を利用したIdssの変化を抑制するバイアス回路に関する報告はこれまでもあったが、本願で扱う、正の単一電源で動作可能なバイアス回路の提供とIdssのプロセス変動に対してドレイン電流の変化を抑制できる回路の提供が課題であった。
本発明に係る電流再利用型FET増幅器は、RF信号が入力される第1のゲートと、第1のソースと、第1のドレインを有する第1の電界効果トランジスタと、第1のソースと接地用端子の間に接続された第1の抵抗と、第2のソースと、第2のゲートと、電源用端子に接続され且つ増幅されたRF信号を出力する第2のドレインとを有する第2の電界効果トランジスタと、第1のドレインと第2のソースとの間に接続された第2の抵抗と、第1のドレインと第2のゲートとの間に接続された容量と、第3のソース、電源用端子に接続された第3のドレイン、及び接地用端子に接続された第3ゲートを有する第3の電界効果トランジスタと、第4のソースと、第4のドレインと、第3のソースに接続された第4ゲートとを有する第4の電界効果トランジスタと、第4のソースと接地用端子との間に接続された第1のダイオードと、電源端子と第4のドレインとの間に接続された第3の抵抗と、第4のドレインと第1のゲートとの間に接続された第4の抵抗と、第4のドレインと前記第2のゲートとの間に接続された第5の抵抗とを備える。
本発明に係る電流再利用型FET増幅器は、FETの飽和電流Idssのプロセスばらつきに応じて、増幅用FETのゲート電圧或いは増幅用FETの自己バイアス用の抵抗値を変化させるので、増幅器のドレイン電流の変化を抑制する効果を有する。さらに、初段のFETのドレイン電圧の変動も抑制できるので、Idssのプロセスばらつきに対してFETのドレイン・ソース間DC耐圧を超える状態を回避できる。
実施の形態1に係る電流再利用型FET増幅器の回路構成。 実施の形態1に係る電流再利用型FET増幅器と比較するための別の回路構成。 実施の形態1に係る電流再利用型FET増幅器の回路構成のIdssの変動に対するドレイン電流Iddのシミュレーション結果。 実施の形態1に係る電流再利用型FET増幅器の回路構成のIdssの変動に対するFET11のドレイン電圧のシミュレーション結果。 実施の形態2に係る電流再利用型FET増幅器の回路構成。 比較のための電流再利用型FET増幅器全体の回路構成。 比較のための電流再利用型FET増幅器の回路構成のIdssの変動に対するドレイン電流Iddのシミュレーション結果。
本発明の実施の形態に係る電流再利用型FET増幅器について図面を参照して説明する。既に述べた図面も含めて、同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。以下に、GaAs系デプレッションモードFET(高電子移動度トランジスタのHEMTを含む)を例に説明する
[実施の形態1]
(構成の説明)
図1に、本発明の実施の形態1に係る電流再利用型FET増幅器の増幅部101の回路構成と制御回路部102の回路構成を示す。図1では図面簡便化のために、伝送線路等を省略し、主にDC的に寄与する素子だけを示している。図6と同様に、FET11のソースと接地の間に抵抗32と容量22を並列に接続し、DC動作上の直流負帰還とRF動作上のソース接地を構成している。ドレイン電流Iddは、FET12を流れた後、FET11のドレイン電流としても流れるので、図1の回路は図6の回路と同様に電流再利用回路である。
入力端子1に入力されたRF信号はFET11で増幅され、さらに容量27を介してFET12のゲートに入力される。FET12で増幅されたRF信号は、FET1 2のドレインから容量25を介して出力される。
制御回路部102において、FET13は、ゲートが接地され、ソース負荷として抵抗35、ドレイン負荷として抵抗36を有する。FET14は、ゲートがFET 13のソースに接続され、ダイオード61のソース負荷、抵抗37のドレイン負荷を有する。FET12のドレインと接地の間には、ダイオード62、63、抵抗38、39が直列に接続された負荷が接続されている。ドレイン抵抗負荷36、37は電源端子4に接続されている。尚、制御回路部102の電源端子4は、増幅部101の電源端子3と共通にしてもよい。
制御回路102と増幅部101は、2つの制御信号で接続されている。第1の制御信号は、制御回路部102の抵抗38と39の接続点とFET11のゲート間に接続した抵抗34を介して、FET11のゲートに与えられる。第2の制御信号は、制御回路部102のダイオード62と63の接続点とFET12のゲートの間に接続された抵抗40を介して、FET12のゲートに与えられる。
図1のダイオードは、FETと同じ工程で作製可能なGaAs系ショットキー接合ダイオードを想定しているが、pn整合ダイオードでも同等の動作を実現できる。
(動作の説明)
図1のドレイン電流Iddの変化を、プロセスばらつきによるFETの飽和電流Idssの変化に対してできるだけ抑制するには、Idssが所定の値よりも高くなった時にはFET11のゲート電圧を低下させ、逆にIdssが所定の値よりも低くなった時にはFET11のゲート電圧を増加させればよい。さらに、ドレイン電流Iddの変動の抑制に加えて、FET11のドレイン電圧の変動を抑制するには、図1に示すように、FET12のゲート電圧をFET11のドレイン電圧から容量27を用いて分離し、FET12のゲート電圧をIddのプロセス変動に応じて適切に制御すればよい。
制御回路部102のFET14のソース電位の変化は、ソース負荷のダイオード61によりFET14のソース電流変化に対して小さく抑制される。ここで、FET 14の閾値電圧に応じて、ダイオード61の直列接続段数を複数個にしてもよい。
一方、FET13のソース負荷は抵抗35のため、Idssの増加と共にFET13のソース電圧も増加する。そのため、FET14のゲート・ソース間電圧はIdssの増加と共に増加し、FET14のドレイン電流も増加する。その結果、ドレイン負荷抵抗37の電圧降下の増大し、FET14のドレイン電圧は減少する。このドレイン電圧の減少は、1つはダイオード62でレベルシフトされ、抵抗40を介してFET12のゲートに伝達され、もう一つはダイオード62、63でレベルシフトされた後、抵抗38と39で分圧され、抵抗34を介してFET11のゲートに伝達される。
実施の形態1に係る電流再利用FET増幅器は、FET11のゲート電圧とFET12のゲート電圧をIdssのプロセス変動に応じて独立に制御できるため、ドレイン電流Iddの変動を抑制するだけでなく、FET11のドレイン電圧の変動も抑制できる。その結果、Idssのプロセス変動に対する利得の変動を抑制できるだけでなく、ドレイン・ソース間のDC耐圧が電源電圧の1/2の電圧に対して余裕がない場合でも、耐圧超過に起因した故障を起こさず、安定な動作が期待できる。
(比較回路との違いの説明)
次に実施の形態1に係る回路と比較回路との効果の違いを説明する。比較回路の回路構成を図2に示す。図1の回路との主要な違いは、図2の比較回路では図6と同様にFET11のドレイン電圧とFET12のゲート電圧を分離する容量27がなく直結されていること、抵抗33の代わりに可変抵抗として機能するFET15とゲート抵抗41が設けられていることである。FET15の可変抵抗値はそのゲート電圧を制御回路部102のFET14のドレイン電圧から抵抗41を介して制御される。
図3に図1と図2の回路のIdss変動に対するドレイン電流Iddのシミュレーション結果を、図4に図1と図2の回路のIdss変動に対するFET11のドレイン電圧のシミュレーション結果を示す。図3、図4において、特性401及び特性403が図1の回路のシミュレーション結果を、特性402及び特性404が図2の比較回路のシミュレーション結果を示す。またB1〜B4、C1〜C4は、±20%のIdssの変動に対する特性との交点を示す。
図3に示すように、図1と図2の回路のドレイン電流Iddの変化はかなり近く、どちらの回路構成でもドレイン電流Iddの変動をかなり抑制できる。
一方、図4に示すように、特性403の電圧変化は、点B3の2.8Vから点B4の2Vの0.8Vの変化に対して、特性404の電圧変化は、点C3の0.7Vから点C4の4.0Vの3.3V変化となっている。FET11とFET12のドレイン・ソース間耐圧が3Vの場合、Idssが20%増加すると、FET11に4V印加されることになり、耐圧を超えてしまう。これに対して、特性403の電圧変化は最大2.8V、最低2.0Vのため、3Vの耐圧の範囲内で動作可能になる。
ゲート長の短縮化による高周波領域での利得向上を図る場合、ドレイン・ソース間耐圧も必然的に低下するので、図4に示すようにドレイン電圧変化が小さい回路構成を実現することは、実使用では重要である。尚、特性403と404の違いは、FET12に対してゲート電圧を制御回路部102から印加しているか、していないかの違いが主要因である。
(実施の形態1の効果)
以上述べたように、実施の形態1に係る電流再利用型FET増幅器は、FETの飽和電流Idssのプロセスばらつきに応じて、増幅用FETのゲート電圧或いは増幅用FETの自己バイアス用の抵抗値を変化させるので、増幅器のドレイン電流の変化を抑制する効果を有する。さらに、初段のFETのドレイン電圧の変動も抑制できるので、Idssのプロセスばらつきに対してFETのドレイン・ソース間DC耐圧を超える状態を回避できる。また、ここで述べた回路構成はデプレッションモードのFETを用いた電流再利用増幅器におけるドレイン電流と初段のドレイン電圧の変動の抑制を正の単一電源で実現できる効果も有する。
[実施の形態2]
図5は、本発明の実施の形態2に係る電流再利用型FET増幅器の回路構成で、実施の形態1の変形例である。実施の形態1の図1との違いは、図1の抵抗33をFET15と抵抗41で構成される可変抵抗に変更していること、その可変抵抗の制御ために、抵抗42、FET16、ダイオード64で構成される制御回路が制御回路部102に追加されていることである。FET16のゲートはFET13のソースに接続され、FET16のドレインが抵抗41を経由してFET15のゲートに接続され、FET15のドレイン・ソース間抵抗値を可変できるようにしている。
実施の形態1で述べたように、Idssが増加した場合、制御回路部102のFET13のソース電圧が上昇し、FET16のドレイン電流を増加させる。ドレイン電流の増加は抵抗42の電圧降下を増大させるので、FET15のゲート電圧を低下させる。これにより、FET15のドレイン・ソース間抵抗が増大され、FET12のソース電位を上昇させ、FET12のドレイン電流を減少させる。その結果、実施の形態1のIdssの変動に対するドレイン電流の変動よりも抑制されることが期待できる。FET11のドレイン電圧の変動に関しては、FET12のゲート電圧制御回路が同じであるため、実施の形態1と同等の効果が得られる。
尚、図5では、FET16、抵抗42、ダイオード64で構成される制御回路が、FET15のゲート電圧を制御するために新たに追加されているが、これは設計の自由度を持たせるためで、回路定数の設定次第では、抵抗41の一端をFET14のドレイン、あるいはダイオード62と63の接続点、あるいはダイオード63と抵抗38との接続点に接続することも可能である。
尚、以上述べた実施の形態はGaAs系デプレッションモードFET(高電子移動度トランジスタのHEMTを含む)を例に説明したが、n型チャネルのデプレッションモードFETであれば、InP系FETでもGaN系FETでもSi系MOSFETでも同様の効果が得られることを付記しておく。
特に、エンハンスメントモードが通常のSi系MOSFETと異なり、GaAs系FET、InP系FET、GaN系FETの場合、そのほとんどの製品においてデプレッションモードのFETが用いられるため、本発明によるドレイン電流変動の抑制は実用上重要である。
1:RF入力端子
2:RF出力端子
3:増幅部のドレイン電源端子
4:制御回路部のドレイン電源端子
11〜16:デプレッションモードのGaAs系FET
21〜27:容量
31〜41:抵抗
51〜54:伝送線路
61〜64:ダイオード
101:増幅部
102:制御回路部
301、302:比較回路のIdss変動に対するドレイン電流
401:実施の形態1のIdss変動に対するドレイン電流
402:比較回路のIdss変動に対するドレイン電流
403:実施の形態1のIdss変動に対するドレイン電圧
404:比較回路のIdss変動に対するドレイン電圧

Claims (6)

  1. RF信号が入力される第1のゲートと、第1のソースと、第1のドレインを有する第1の電界効果トランジスタと、
    前記第1のソースと接地用端子の間に接続された第1の抵抗と、
    第2のソースと、第2のゲートと、第1の電源用端子に接続され且つ増幅されたRF信号を出力する第2のドレインとを有する第2の電界効果トランジスタと、
    前記第1のドレインと前記第2のソースとの間に接続された第2の抵抗と、
    前記第1のドレインと前記第2のゲートとの間に接続された容量と、
    第3のソース、第2の電源用端子に接続された第3のドレイン、及び前記接地用端子に接続された第3ゲートを有する第3の電界効果トランジスタと、
    第4のソースと、第4のドレインと、前記第3のソースに接続された第4ゲートとを有する第4の電界効果トランジスタと、
    前記第4のソースと前記接地用端子との間に接続された第1のダイオードと、
    前記第2の電源用端子と前記第4のドレインとの間に接続された第3の抵抗と、
    前記第4のドレインと前記第1のゲートとの間に接続された第4の抵抗と、
    前記第4のドレインと前記第2のゲートとの間に接続された第5の抵抗と、
    を備え、
    前記第1乃至第4の電界効果トランジスタがデプレッションモードであることを特徴とする電流再利用型電界効果トランジスタ増幅器。
  2. 第5のゲートと、前記第2のソースに接続された第5のドレインと、前記第1のドレインに接続された第5のソースを有する、前記第2の抵抗の代わりに設けられたデプレションモードの第5の電界効果トランジスタ、
    を備え、
    前記第5のゲートが前記第4のドレインに接続されていること、を特徴とする請求項1に記載の電流再利用型電界効果トランジスタ増幅器。
  3. 前記第2の電源用端子が前記第1の電源用端子に接続され、共通化されていることを特徴とする請求項1または2のいずれか1項に記載の電流再利用型電界効果トランジスタ増幅器。
  4. 前記第1乃至第4の電界効果トランジスタがGaAs系あるいはInP系あるいはGaN系のいずれかの化合物半導体電界効果トランジスタであることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の電流再利用型電界効果トランジスタ増幅器。
  5. 第5のゲートと、前記第2のソースに接続された第5のドレインと、前記第1のドレインに接続された第5のソースを有する、前記第2の抵抗の代わりに設けられた第5の電界効果トランジスタと、
    第6のソースと、第6のドレインと、前記第3のソースに接続された第6ゲートとを有する第6の電界効果トランジスタと、
    前記第6のソースと前記接地用端子との間に接続された第2のダイオードと、
    前記第2の電源端子と前記第6のドレインとの間に接続された第6の抵抗と、
    を備え、
    前記第1乃至第6の電界効果トランジスタがデプレッションモードであることを特徴とする請求項1、3および4のいずれか1項に記載の電流再利用型電界効果トランジスタ増幅器。
  6. 前記第1乃至第6の電界効果トランジスタがGaAs系あるいはInP系あるいはGaN系のいずれかの化合物半導体電界効果トランジスタであることを特徴とする請求項5に記載の電流再利用型電界効果トランジスタ増幅器。
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