(57)【要約】【課題】増幅器の出力性能を低下させること無く、電源に供給される電流を検出できる増幅器、高周波集積回路、電源電流検出方法及びその温度補償方法を提供する。【解決手段】増幅器１００は、電源として供給される電流を検出する。増幅器１００におけるＦＥＴ１は、入力された信号を増幅する。抵抗２は、ＦＥＴ１の近傍に配置され、ＦＥＴ１の温度を検出する。抵抗２は、ＦＥＴ１と同じ温度特性を有し、ＦＥＴ１に供給される電源の電流値の変化に応じてインピーダンス値が変化する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
供給される電源の電流値を検出する増幅器であって、
入力された信号を増幅する半導体増幅素子と、
前記半導体増幅素子の近傍に配置され、該半導体増幅素子の温度を検出する温度検出部を備え、
前記温度検出部は、
前記半導体増幅素子と同じ温度特性を有し、前記電源の電流値の変化に応じてインピーダンス値が変化する
ことを特徴とする増幅器。
【請求項２】
前記温度検出部は、
前記増幅器を動作させる電流が流れる第１の閉回路と異なる第２の閉回路を形成し、該第２の閉回路に流れる電流を前記温度に応じて制御する
ことを特徴とする請求項１に記載の増幅器。
【請求項３】
前記温度検出部は、
前記半導体増幅素子を形成する薄膜層と同じ薄膜層によって形成される抵抗素子である
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の増幅器。
【請求項４】
前記温度検出部は、
前記半導体増幅素子を形成する薄膜層の温度の変化に応じたインピーダンスの変化によって検出された飽和電流値に基づいて温度情報を出力する抵抗素子である
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の増幅器。
【請求項５】
１つの半導体結晶上に形成された請求項１から請求項４のいずれかに記載の増幅器を有する
ことを特徴とする高周波集積回路。
【請求項６】
増幅を行う半導体増幅素子と、該半導体増幅素子の近傍に配置され、該半導体増幅素子の温度を検出する温度検出部とを有する増幅器の電源電流検出方法であって、
前記半導体増幅素子と同じ温度特性にしたがって変化する温度検出部のインピーダンス変化に基づいて該半導体増幅素子に供給される電源の電流値を検出する
ことを特徴とする増幅器の電源電流検出方法。
【請求項７】
増幅を行う半導体増幅素子と、該半導体増幅素子の近傍に配置され、該半導体増幅素子の温度を検出する温度検出部とを有する増幅器の温度補償方法であって、
前記半導体増幅素子と同じ温度特性にしたがって変化する温度検出部のインピーダンス変化に基づいて該半導体増幅素子に供給される電源の電流値を検出し、前記半導体増幅素子の動作点を制御する制御電圧を設定する
ことを特徴とする増幅器の温度補償方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電源から供給される電流を検出できる増幅器、高周波集積回路、電源電流検出方法及び温度補償方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
増幅器に用いられる電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）は、動作特性に温度依存性を有する。図９にＦＥＴ１を用いた増幅器の構成を示す。図１０にＦＥＴ１のＤＣ特性（ゲート・ソース間電圧対ドレイン電流特性（Vgs-Ids特性））を示す。図１０において、Vpはピンチオフ電圧、Idss1、Idss2、Idss3はそれぞれ常温時、低温時、高温時の飽和電流を示す。このＤＣ特性は、動作曲線Ｓ９１（常温時）、Ｓ９２（低温時）及びＳ９３（高温時）で示されるように、温度によって変化する。このようなＦＥＴ１を常温下で、ある動作点（バイアスポイント）にセットしたドレイン電流Idsは、高温時で減少し、低温時で増加するというように、温度変化に伴いバイアスポイントが変動する。 すなわち、図に示されるＦＥＴ１をある動作点Ａに設定しても温度変化に伴い、低温時ではＢ、高温時ではＣと、動作点が変動する。そのため、ゲートに印加するゲート制御電圧を一定にするだけでは、実際の動作状態を制御しきれず、動作状態を検出するためのドレイン電流の測定が必要とされる。
【０００３】
図１１は、ＦＥＴ１の静特性（Vds-Ids特性）を示す。図１１において、縦軸はドレイン電流Idsを示し、横軸はドレイン−ソース間電圧を示す。この図に示されるVds-Ids特性は、動作曲線Ｓ１０１（常温時）、Ｓ１０２（低温時）及びＳ１０３（高温時）で示されるように温度によって変化する。
また、図１２は、ＦＥＴ１の飽和電流特性（Vds-Idss特性）を示す。図１２において、縦軸はドレイン飽和電流Idssを示し、横軸はドレイン−ソース間電圧を示す。この図に示されるVds-Idss特性は、動作曲線Ｓ１１１（常温時）、Ｓ１１２（低温時）及びＳ１１３（高温時）で示されるように温度によって変化する。このように、ＦＥＴ１の各特性は温度依存性を有している。
【０００４】
高周波回路も集積化が行われ高周波集積回路（「モノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）」ともいう。）が構成されている。ＦＥＴ１による増幅器９００を形成するＭＭＩＣでは、その特性が温度変化による影響を受ける。温度変化による影響を低減する目的で、図９のようにＦＥＴ１のドレインバイアス回路に抵抗器２１を配置して、そのドレイン電流の検出が行われている。また、検出されたドレイン電流の変化を抵抗器２１の端子間電圧から検出するモニター回路２２を付加することによりドレイン電流の検出が行われている。
また、ゲートバイアス電位を抵抗分割で設定することにより温度補償を行うＦＥＴを用いた電力増幅器がある（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−４１２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、高出力の電力増幅器のようにドレイン電流が大きな回路に図９に示した増幅器の構成を適用すると、印加される高い電力に耐えうる抵抗器２１が必要になる。このような特性を有する抵抗器２１が比較的高価であることから、高出力電力のＭＭＩＣのドレイン電流の測定は、実現するコストが高くなる。また、その抵抗器２１により電圧降下が引き起こされるため、増幅器に供給される印加電圧が低下する。その結果、ＦＥＴ１の出力性能（飽和出力）を低下させてしてしまうという技術的な問題がある。
また、特許文献１では、ゲートバイアス電位を定めて、温度によって変化するＦＥＴのゲートリーク電流の温度補償を行っているが、温度に依存する静特性の温度補償は、行ない切れず実際の動作点の把握は困難という問題がある。
【０００７】
本発明は、上記問題を解決すべくなされたもので、その目的は、増幅器の出力性能を低下させること無く、電源に供給される電流を検出できる増幅器、高周波集積回路、電源電流検出方法及びその温度補償方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記問題を解決するために、本発明は、供給される電源の電流値を検出する増幅器であって、入力された信号を増幅する半導体増幅素子と、前記半導体増幅素子の近傍に配置され、該半導体増幅素子の温度を検出する温度検出部を備え、前記温度検出部は、前記半導体増幅素子と同じ温度特性を有し、前記電源の電流値の変化に応じてインピーダンス値が変化することを特徴とする増幅器である。
また、本発明は、上記に記載の増幅器において、前記温度検出部は、前記増幅器を動作させる電流が流れる第１の閉回路と異なる第２の閉回路を形成し、該第２の閉回路に流れる電流を温度に応じて制御することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明は、上記に記載の増幅器において、前記温度検出部は、前記増幅素子を形成する薄膜層と同じ温度特性を示す薄膜層によって形成される抵抗素子であることを特徴とする。
また、本発明は、上記に記載の増幅器において、前記温度検出部は、前記半導体増幅素子を形成する薄膜層の温度の変化に応じたインピーダンスの変化によって検出された飽和電流値に基づいて温度情報を出力する抵抗素子であることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明は、１つの半導体結晶上に形成された上記に記載の増幅器を有することを特徴とする高周波集積回路である。
【００１１】
また、本発明は、増幅を行う半導体増幅素子と、該半導体増幅素子の近傍に配置され、該半導体増幅素子の温度を検出する温度検出部とを有する増幅器の電源電流検出方法であって、前記半導体増幅素子と同じ温度特性にしたがって変化する温度検出部のインピーダンス変化に基づいて該半導体増幅素子に供給される電源の電流値を検出することを特徴とする増幅器の電源電流検出方法である。
【００１２】
また、本発明は、増幅を行う半導体増幅素子と、該半導体増幅素子の近傍に配置され、該半導体増幅素子の温度を検出する温度検出部とを有する増幅器の温度補償方法であって、前記半導体増幅素子と同じ温度特性にしたがって変化する温度検出部のインピーダンス変化に基づいて該半導体増幅素子に供給される電源の電流値を検出し、前記半導体増幅素子の動作点を制御する制御電圧を設定することを特徴とする増幅器の温度補償方法である。
【発明の効果】
【００１３】
この本発明によれば、増幅器は、供給される電源の電流値を検出する。増幅器における温度検出部は、入力された信号を増幅する半導体増幅素子の近傍に配置され、半導体増幅素子の温度を検出する。温度検出部は、半導体増幅素子と同じ温度特性を有し、電源の電流値の変化に応じて変化する半導体増幅素子の温度に基づいてインピーダンス値が変化する。
これにより、温度検出部は、近傍に配置された半導体増幅素子の温度を検出して、半導体増幅素子に供給される電源の電流値を温度変化に基づいて検出する。温度検出部は、半導体増幅素子に供給される電源の電流値に応じて、インピーダンス値が変化することから電流値を検出できる。そして、高価な抵抗器を用いることなく、出力特性を低下させることなく増幅器を提供することができる。
【００１４】
この本発明によれば、高周波集積回路は、１つの半導体結晶上に形成された上記に記載のいずれかの増幅器を有する。
これにより、半導体増幅素子と同じ特性の温度検出部を形成することができ、高価な抵抗器を用いることなく、出力特性を低下させることなく高周波回路を提供することができる。
【００１５】
この本発明によれば、電源電流検出方法は、増幅を行う半導体増幅素子と、該半導体増幅素子の近傍に配置され、該半導体増幅素子の温度を検出する温度検出部とを有する増幅器の電源電流検出方法である。電源電流検出方法は、半導体増幅素子と同じ温度特性にしたがって変化する温度検出部のインピーダンス変化に基づいて該半導体増幅素子に供給される電源の電流値を検出する。
これにより、温度変化によって変動する半導体増幅素子の特性を、温度検出部のインピーダンス変化によって検出することができる。
【００１６】
また、本発明によれば、温度補償方法は、増幅を行う半導体増幅素子と、該半導体増幅素子の近傍に配置され、該半導体増幅素子の温度を検出する温度検出部とを有する増幅器の温度補償方法である。温度補償方法は、半導体増幅素子と同じ温度特性にしたがって変化する温度検出部のインピーダンス変化に基づいて該半導体増幅素子に供給される電源の電流値を検出し、前記半導体増幅素子の動作点を制御する制御電圧を設定することとする。
これにより、温度変化によって変動する半導体増幅素子の動作点を安定化させる温度補償を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１実施形態による増幅器を示すブロック図である。
【図２】同実施形態における増幅器を適用したマイクロ波集積回路の概略実装図である。
【図３】同実施形態における抵抗素子の特性を示す図である。
【図４】同実施形態による温度補償制御装置を示すブロック図である。
【図５】本発明の第２実施形態による増幅器を示すブロック図である。
【図６】同実施形態における増幅器を適用したマイクロ波集積回路の概略実装図である。
【図７】本発明の第３実施形態による増幅器を示すブロック図である。
【図８】同実施形態における増幅器を適用したマイクロ波集積回路の概略実装図である。
【図９】従来の実施形態による増幅器を示すブロック図である。
【図１０】従来の実施形態における半導体増幅素子の特性を示す図（その１）である。
【図１１】従来の実施形態における半導体増幅素子の特性を示す図（その２）である。
【図１２】従来の実施形態における半導体増幅素子の特性を示す図（その３）である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の一実施形態による電圧電流変換利得制御器について図面を参照して説明する。
（第１実施形態）
図１は、本実施形態による増幅器を示すブロック図である。
この図に示される増幅器１００は、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）１、抵抗２、コンデンサ７、８、９、１０、チョーク回路１３、１４を備える。
ＦＥＴ１は、高周波信号に適用できる周波数特性を有する。ここでは、ｎチャネル型を例に示す。コンデンサ７、８は、直流成分を遮断するカプリングコンデンサである。チョーク回路１３、１４は、ＦＥＴ１に電力を供給する電源供給線路に配置され、また高周波信号を遮断する。
コンデンサ９、１０は、高周波信号を遮断するシャントキャパシタであり、それぞれゲート回路、ドレイン回路の電源供給路に配置される。
また、抵抗２は、ＦＥＴ１と同じプロセスにより形成された薄膜層による半導体抵抗素子である。また、抵抗２は、上記のＦＥＴ１による増幅回路とは電気的に分離して構成され、独立して端子３、４に接続される。これにより、抵抗２は、ＦＥＴ１に供給される電流経路と分離することが可能となる。
増幅器１００は、上記の構成により、端子５に入力された信号をＦＥＴ１によって増幅し、端子６に出力する。
【００１９】
図２は、マイクロ波、ミリ波帯で用いられるモノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）に、図１に示した増幅器１００を適応した実装形態を示す。この図において、図１と同じ構成には、同じ符号を付す。
抵抗２は、端子（パット）３、４に接続される。
端子（パット）５、６は、ＦＥＴ１への高周波信号の入出力パットである。端子（パット）５、６は、コンデンサ７、８を介して、それぞれＦＥＴ１のゲートとドレインに接続されている。ＦＥＴ１のゲートをバイアスさせる電源は、端子（パット）１１を介して供給され、ドレインをバイアスさせる電源は、端子（パット）１２を介して供給される。
このＭＭＩＣでは、ＦＥＴ１とそのゲートチャネル幅程度を隔てた近傍に抵抗２がレイアウトされ、ＦＥＴ１と抵抗２の温度は同じように変化する距離にある。また、このように配置される抵抗２は、ＦＥＴ１と同じ薄膜層によって形成される。互いに近くに配置されることから、薄膜層の特性のバラツキを少なくできる。
【００２０】
図３は、抵抗２の飽和電流の変化の特性を示す。この図における縦軸は、飽和電流を示し、横軸が端子間電圧を示す。端子間電圧の極性に応じて、電流の方向が変化する状態を示す。この図に示される飽和電流特性は、薄膜層によって形成される抵抗２（エピタキシャル抵抗）の特性であるが、図１２に示したＦＥＴの飽和電流特性と同じような変化特性を示す。
【００２１】
ここで、抵抗２の温度変化に依存して変化する飽和電流を検出することにより、それぞれの温度下におけるＦＥＴの飽和電流を判定することが可能となる。すなわち、温度変化に対応付けられた図１０に示した常温時のIdss1、低温時のIdss2、高温時のIdss3が分かることになる。このときピンチオフ電圧（Vp）は各温度下で大きく変化しないため、ＦＥＴのVgs-Ids特性は、図１０で示すような特性を示す。これにより、ＦＥＴのドレイン電流Idsは、式（１）で示すことができる。
【００２２】
Ids = Idss ×（1 - Vgs / Vp）２  ・・・（１）
【００２３】
式（１）において、各温度下の飽和電流Idssを定めることにより、動作点におけるIdsは、Vgsを設定することにより定めることが可能となる。すなわち、温度変動をIdssの変化として検出し、その変化に応じて、ＭＭＩＣ外部の制御回路で常温時の動作点と同じドレイン電流IdsになるようにVgsを設定することにより、温度による動作点の変化を補償することが可能になる。
【００２４】
図４は、ＭＭＩＣの動作点の変動を補償する制御系を示すブロック図である。
図に示される温度補償制御装置２００は、増幅器１００、ドレイン電源２０、制御部３０を備える。ドレイン電源２０は、増幅器１００の端子１２及び３に所定の定電圧を供給する。制御部３０は、入力される電流を検出する検出抵抗３１と、その検出結果に基づいて演算処理する演算器３２を備える。
【００２５】
制御部３０の入力端子は、増幅器１００の端子４に接続され、ドレイン電源２０が出力する電圧Vddを、増幅器１００の抵抗２と、制御部３０の検出抵抗３１とで分圧する。
検出抵抗３１は、予め定められた抵抗値が設定され、制御部３０の入力端子に供給される電流を電圧に変換する。演算器３２は、検出抵抗３１によって変換された電圧と、予め定めた制御目標電圧との差に基づいて演算した結果を出力端子に出力する。
制御部３０の出力は、増幅器１００の端子１１に入力され、ＦＥＴ１のゲートバイアス電圧として供給される。
【００２６】
なお、演算器３２によって定められる制御目標電圧は、常温動作時に検出される検出抵抗３２の端子電圧に等しい値とする。
常温時のＦＥＴのIdsを、式（１）に基づいて、式（２）に示す。
【００２７】
Ids1 = Idss1 ×（1 - Vgs1 / Vp）２  ・・・（２）
【００２８】
式（２）において、Ids1、Vgs1は、それぞれ常温時のドレイン電流とゲート電位を示す。
低温時のＦＥＴのIdsを、式（１）に基づいて、式（３）に示す。
【００２９】
Ids2 = Idss2 ×（1 - Vgs2 / Vp）２  ・・・（３）
【００３０】
式（３）において、Ids2、Vgs2は、それぞれ低温時のドレイン電流とゲート電位を示す。
また、制御部３０で設定する常温時のゲート電位を式（４）に示す。
【００３１】
Vgs1 = k ×(R2 / (R1 + R2))× Idet1 ・・・（４）
【００３２】
式（４）において、R1、R2、Idet1、kは、それぞれ常温時の抵抗２のインピーダンス、検出抵抗３１のインピーダンス、抵抗２と検出抵抗３１に流れる制御電流、制御部３２の比例定数を示す。また、制御部３０で設定する低温時のゲート電位を式（５）に示す。
【００３３】
Vgs2 = k ×(R2 / ((R1×α) + R2))× Idet2 ・・・（５）
【００３４】
式（５）において、α、Idet2は、それぞれ常温時に対する低温時の抵抗２のインピーダンス変化率、低温時における抵抗２と検出抵抗３１に流れる制御電流を示す。
ドレイン電流の変動を抑えることから、Ids1 = Ids2として、式（２）から式（５）を満足するように、抵抗２、検出抵抗３１、制御部３２を定める。これにより、温度変化の影響を補償して、増幅器１００におけるＦＥＴ１の動作点を安定化することが可能な温度補償制御装置２００を導くことが可能となる。上記は、低温時の温度補償を示したが、高温時も同様に補償することができる。
【００３５】
以上に示した構成により、ＦＥＴ１のドレイン電流を直接検出せずに、抵抗２の飽和電流の変化を検出する間接的な検出方法で、ＦＥＴ１のドレイン電流の検出が可能になる。
同一の半導体プロセスで作成されたＦＥＴとエピタキシャル抵抗（抵抗２）の飽和電流は、ほぼ同一の温度特性を示す。このため図２で示すようなＭＭＩＣにおいてＦＥＴ１の近傍に抵抗２をレイアウトしておき、抵抗２の飽和電流の変化を検出すれば、ＦＥＴ１のドレイン電流を直接的に検出することが不要になる。このため、従来の回路方式で用いられていたようなドレインバイアス回路に電流検出用の抵抗を不要とすることができるので、比較的高価な抵抗器２１のコストを低減できる。また、抵抗器２１による電圧降下がなくなるためにＦＥＴの性能（飽和出力）を落とすことなく構成可能になるという技術的な効果が得られる。
【００３６】
なお、温度補償制御装置２００は、増幅器１００における抵抗２に供給する電源は、ドレイン電源と異なる電源を用意することにより、ドレイン電源電圧を高く設定するような場合においても、制御用の電源電圧は低く設定することができ、制御部３０の構成の自由度を確保することができる。
【００３７】
また、増幅器１００では、抵抗２をＭＭＩＣ内の他の回路と独立するものとして示したが、抵抗２は、一方の端子を図５、図６に示した増幅器１００ａにおける抵抗２ａのようにＦＥＴ１のドレイン電圧（正電圧源）を印可することも可能である。増幅器１００ａの構成は、抵抗２ａの接続が異なるほかは、図１、図２に示した増幅器１００と同じである。
また、抵抗２は、図７、図８に示した増幅器１００ｂにおける抵抗２ｂのようにＦＥＴ１のゲート電圧（負電圧源）を印加することも可能である。増幅器１００ｂの構成は、抵抗２ｂの接続が異なるほかは、図１、図２に示した増幅器１００と同じである。
このように構成することにより、電源装置の構成の簡素化、配線の簡素化が行える。
【００３８】
なお、本発明は、上記の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
本発明の増幅器における、ＦＥＴ１には、ｎ型ＦＥＴを用いて示したが、ｐ型ＦＥＴにおいても可能である。また、ＦＥＴ１の構成数や接続形態についても特に限定されるものではない。また、適用される回路構成は、増幅器に限るものではなく、他の回路構成への適用も可能である。
【００３９】
なお、本発明の増幅器は、増幅器１００に相当する。また、本発明の半導体増幅素子は、ＦＥＴ１に相当する。また、本発明の温度検出部は、抵抗２、２ａ、２ｂに相当する。また、本発明の高周波集積回路は、ＭＭＩＣ（増幅器１００）に相当する。
【符号の説明】
【００４０】
１００  増幅器
１  ＦＥＴ
２  抵抗
３、４、５、６、１１、１２  端子
７、８、９、１０  コンデンサ
１３、１４  チョーク回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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