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公開番号2024162554
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-11-21
出願番号2023078161
出願日2023-05-10
発明の名称半導体増幅器
出願人日清紡マイクロデバイス株式会社
代理人弁理士法人朝日奈特許事務所
主分類H03F 1/02 20060101AFI20241114BHJP(基本電子回路)
要約【課題】多段階の信号増幅器において増幅機能の停止中の意図しない信号の入力による不要な消費電流の増大を、増幅器の特性劣化や大型化を伴わずに防止する。
【解決手段】実施形態の半導体増幅器100は、第1制御端子1aと、第1高位側端子1b及び第1低位側端子1cと、を有していて第1制御端子1aで受け取る入力信号を増幅する第1トランジスタ1と、直流を遮断するように第1高位側端子1bに接続されている第2制御端子2aと、第2高位側端子2b及び第2低位側端子2cとを有していて、第2制御端子2aで受け取る信号を増幅して出力する第2トランジスタ2と、を含み、第2低位側端子2cと第1高位側端子1bとの間に直流電流の通電経路Pを備えている。半導体増幅器100は、さらに、第2高位側端子2bと第2低位側端子2cとの間に接続されている抵抗素子81と、通電経路Pの導通状態を切り替える第1スイッチ30と、を含んでいる。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
第１制御端子と、前記第１制御端子の状態に応じた電流が流れる第１高位側端子及び第１低位側端子と、を有していて前記第１制御端子で受け取る入力信号を増幅する第１トランジスタと、
直流を遮断するように前記第１高位側端子に接続されている第２制御端子と、前記第２制御端子の状態に応じた電流が流れる第２高位側端子及び第２低位側端子とを有していて、前記第２制御端子で受け取る信号を増幅して得られる出力信号を前記第２高位側端子から出力する第２トランジスタと、
を含んでいて、前記第２低位側端子と前記第１高位側端子との間に直流電流の通電経路を備える半導体増幅器であって、さらに、
前記第２高位側端子と前記第２低位側端子との間に接続されている抵抗素子と、
前記通電経路の導通状態を切り替える第１スイッチと、
を含んでいる半導体増幅器。
続きを表示（約 1,100 文字）【請求項２】
前記第１スイッチは、前記第１トランジスタ及び前記第２トランジスタの少なくとも一方が遮断領域へと制御されるときに前記通電経路を非導通にするようにバイアスされる第３制御端子を有している、請求項１記載の半導体増幅器。
【請求項３】
前記第１スイッチは、前記第３制御端子と、前記第２低位側端子からの電流を流入させる第３高位側端子と、前記第１高位側端子へと流れる電流を流出させる第３低位側端子と、を有する第３トランジスタを含み、
前記第３制御端子と前記第３低位側端子との間に接続されている容量素子を、さらに備える請求項２記載の半導体増幅器。
【請求項４】
前記第１スイッチと前記第２低位側端子との間の前記通電経路に設けられている第２スイッチをさらに含んでいる請求項１～３のいずれか１項に記載の半導体増幅器。
【請求項５】
前記第２スイッチは、第４制御端子と、前記第２低位側端子からの電流が流れる二つの端子と、を有する第４トランジスタを含み、
前記二つの端子の間に接続されている抵抗素子をさらに含んでいる請求項４記載の半導体増幅器。
【請求項６】
前記第１スイッチと前記第２低位側端子との間の前記通電経路に設けられていて、第４制御端子、及び前記第２低位側端子からの電流が流れる二つの端子を有する第４トランジスタと、
前記二つの端子の間に接続されている抵抗素子と、をさらに含み、
前記第３制御端子と前記第４制御端子とが共通のノードに接続されている、請求項２又は３記載の半導体増幅器。
【請求項７】
第５制御端子を有し、前記第１スイッチと前記第１高位側端子との間の前記通電経路に設けられていて前記第１スイッチからの電流が流れる第５トランジスタをさらに含み、
前記第５制御端子と、前記第４制御端子と、前記第３制御端子とが、共通のノードに接続されている、請求項６記載の半導体増幅器。
【請求項８】
前記第１スイッチが前記通電経路を非導通にするときに、前記第１スイッチと前記第５トランジスタとの間のノードを定電位に接続するスイッチをさらに含んでいる、請求項７記載の半導体増幅器。
【請求項９】
前記第１トランジスタ及び前記第２トランジスタを制御すると共に、前記第１スイッチを制御する制御回路をさらに含み、
前記制御回路は、前記第１トランジスタ及び前記第２トランジスタの少なくとも一方を遮断領域へと制御するときに、前記通電経路を非導通にするように前記第１スイッチを制御するように構成されている、請求項１～３のいずれか１項に記載の半導体増幅器。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体増幅器に関する。
続きを表示（約 3,300 文字）【背景技術】
【０００２】
無線通信などに使用される高周波信号、例えば数ＧＨｚ以上の周波数を有する高周波信号の増幅器では、大きなゲインを得るべく多段階の増幅が行われることがある。また多段階の信号増幅には、より少ない消費電流で複数段の増幅が可能なように、所謂カレントリユース方式の増幅回路が用いられることがある（例えば非特許文献１参照）。カレントリユース方式の多段階増幅回路では、後段の増幅回路に流れる電流が前段の増幅回路にも利用される。すなわち、各段の増幅回路を構成するトランジスタの動作点を決めるバイアス電流が各段の増幅回路間で共用（再利用）される。そうすることによって、各段の増幅回路毎に電流を供給する必要がなく電流を効率的に利用することができるので、増幅器全体の消費電力を抑制することができる。また、消費電力の抑制により自己発熱も低減されるため、温度ドリフトなどによる特性変動も抑制することができる。
【０００３】
図７には、従来のカレントリユース方式の２段増幅回路９００が示されている。２段増幅回路９００は、いずれも電界効果トランジスタである前段トランジスタ９０１及び後段トランジスタ９０２と、キャパシタ９０３、９０４、９０５、９０６と、抵抗９０７、９０８と、インダクタ９０９、９１０と、を含んでいる。電源端子９１１に電源電圧ＶＤＤが印加され、第１バイアス端子９１２及び第２バイアス端子９１３に、前段トランジスタ９０１又は後段トランジスタ９０２の閾値を超える適度な電圧が印加されると、電源端子９１１から後段トランジスタ９０２のドレインに電流Ｉｂが流れる。後段トランジスタ９０２のソースから流出した電流Ｉｂの直流成分は、キャパシタ９０５があるためＧＮＤには流れずに、インダクタ９０９を通って前段トランジスタ９０１のドレインへと流れ込み、そのソースから流出してＧＮＤに流れ込む。このように、前段トランジスタ９０１及び後段トランジスタ９０２それぞれの所定の動作点での動作に必要なドレイン電流（電流Ｉｂ）が、前段トランジスタ９０１と後段トランジスタ９０２とで共用される。なお、電流Ｉｂに重畳している高周波成分はキャパシタ９０５を介してＧＮＤへと流れる。
【０００４】
一方、入力端子９１４に入力される高周波信号ＲＦは、キャパシタ９０３を通過して前段トランジスタ９０１のゲートに与えられ、前段トランジスタ９０１で増幅される。増幅された高周波信号ＲＦは、前段トランジスタ９０１のドレインから出力され、キャパシタ９０４を通って後段トランジスタ９０２のゲートに与えられ、後段トランジスタ９０２で再度増幅される。その増幅後の信号が、後段トランジスタ９０２のドレインからキャパシタ９０６を通って出力端子９１５から、２段増幅器９００の外部へと出力される。なお、前段トランジスタ９０１で増幅された高周波信号ＲＦは、インダクタ９０９によって遮断されるため、後段トランジスタ９０２やキャパシタ９０５には伝わらない。
【０００５】
図７に示される２段増幅器９００では、前段トランジスタ９０１及び後段トランジスタ９０２の少なくとも一方を遮断領域に置くことで、高周波信号ＲＦの増幅、並びに、入力端子９１４から出力端子９１５への高周波信号ＲＦの伝播を阻止することができる。さらに、２段増幅器９００を電流Ｉｂが流れない状態にすることができる。すなわち、高周波信号ＲＦの増幅が行われないときの電力消費を抑制することができる。例えば第１バイアス端子９１２及び第２バイアス端子９１３の少なくとも一方に０Ｖを印加することで、２段増幅器９００を、内部に直流電流が流れないスタンバイモードにすることができる。
【０００６】
図７の２段増幅器９００のような高周波信号の増幅器は、一例において無線通信の送受信機に好適に用いられる。具体的には、図８に構成の概略が示される、アンテナ９２１を送信系９２２と受信系９２３とで共用する無線送受信機のフロントエンド９２０において受信系９２３の低雑音増幅器（ＬＮＡ：Low Noise Amplifier）９２４として、２段増幅器９００のような増幅器が用いられることがある。図８のフロントエンド９２０では、サーキュレータ９２５を用いて、アンテナ９２１が送信系９２２と受信系９２３との間で共用されている。フロントエンド９２０において受信モードでは、アンテナ９２１で受信された信号は、サーキュレータ９２５で受信系９２３に出力されてＬＮＡ９２４で増幅される。一方、送信モードでは、パワーアンプ９２６で増幅された送信信号Ｓｓは、サーキュレータ９２５によってアンテナ９２１側に出力される。そのため、送信信号Ｓｓは理想的には受信系９２３には略出力されない。例えばサーキュレータ９２５の逆方向損失（アイソレーション）が４０ｄＢで、パワーアンプ９２６による増幅後の送信信号Ｓｓの電力が３０ｄＢｍである場合、受信系９２３には、－１０ｄＢｍ程度の電力のリーク信号Ｓｅしか出力されない。この程度の電力の信号がＬＮＡ９２４に入力されても、ＬＮＡ９２４を構成する例えば図７の２段増幅器９００において第１バイアス端子９１２又は第２バイアス端子９１３に０Ｖが印加されていると、リーク信号Ｓｅの増幅は行われず、ＬＮＡ９２４の内部にも電流は流れない。
【０００７】
しかし、サーキュレータ９２５のアイソレーションが十分でない場合、例えば２０ｄＢ程度である場合、上記３０ｄＢｍの送信信号Ｓｓについて１０ｄＢｍのリーク信号ＳｅがＬＮＡ９２４に入力される。また、アンテナ９２１が故障した場合には、上記３０ｄＢｍの送信信号Ｓｓがアンテナ９２１で反射する。そして、略３０ｄＢｍのままの電力を有する反射信号Ｓｒが、サーキュレータ９２５を介してＬＮＡ９２４に入力される。
【０００８】
図９Ａ～図９Ｄには、図７に示される２段増幅器９００がスタンバイモードにあるときに、０ｄＢｍ、１０ｄＢｍ、２０ｄＢｍの電力Ｐｉｎを有する約３．８ＧＨｚの入力信号が入力端子９１４に与えられた場合のシミュレーション結果が示されている。図９Ａは前段トランジスタ９０１のゲート端子の電圧振幅Ｖｇａ１、図９Ｂは後段トランジスタ９０２のゲート端子の電圧振幅Ｖｇａ２、図９Ｃは後段トランジスタ９０２のゲート－ソース間の電圧振幅Ｖｇｓａ、そして図９Ｄは入力信号の電力に対する電流Ｉｂ、それぞれのシミュレーション結果を示している。
【０００９】
図９Ａ～図９Ｃに示されるように、入力信号の電力Ｐｉｎが０ｄＢｍ程度であれば、前段トランジスタ９０１のゲートの電圧振幅Ｖｇａ１は０．５Ｖ未満程度であり、そのため、前段トランジスタ９０１は遮断状態のままである。また、後段トランジスタ９０２のゲートの電圧振幅Ｖｇａ２及びそのゲート－ソース間の電圧振幅Ｖｇｓａも０．５Ｖよりも遥かに小さく、後段トランジスタ９０２も遮断状態のままなので、図９Ｄに示されるように、電流Ｉｂは略流れない。
【００１０】
しかし、入力信号の電力Ｐｉｎが１０ｄＢｍ程度であると、電圧振幅Ｖｇａ１が１Ｖを超える程になり、前段トランジスタ９０１の閾値を超えるときに前段トランジスタ９０１がオン状態となる。そして、前段トランジスタ９０１がオン状態となることで、後段トランジスタ９０２のゲート電圧にも振幅が生じ、０．５Ｖを超えるような電圧振幅Ｖｇａ２が生じている。その結果、後段トランジスタ９０２の閾値を超えるような電圧振幅Ｖｇｓａが生じて後段トランジスタ９０２がオン状態となり、図９Ｄに示されるように電流Ｉｂが流れ始める。入力信号の電力Ｐｉｎが２０ｄＢｍであると各部の電圧振幅はさらに増大し、より多くの電流Ｉｂが流れる。すなわち、スタンバイモードであるにも関わらず、２段増幅器９００に不要な電流Ｉｂが流れて消費電力が増大することになる。
（【００１１】以降は省略されています）

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