(57)【要約】【課題】高速で低コストのSiGeバイポーラトランジスタを高速電力増幅器に効果的に使用できるようにする方法及び装置の提供。【解決手段】大電力・高周波（１〜100ＧHz）の電力増幅器（１８）は、SiGeトランジスタを使用して形成される。差動共通エミッタ増幅器部は電圧増幅を供給し、増幅の全電圧振幅を個々のトランジスタ（Ｔ１〜Ｔ４）の降伏電圧の２倍にできる。電流増幅は、差動共通エミッタ増幅器部とカスコード接続された差動共通エミッタ増幅器部により供給される。カスコード接続された適当に選択された共振器は、増幅器の作動周波数で回路の電流負帰還を共振させ、増幅器が作動周波数で大出力電力を供給することができる。【選択図】図２
2006314107.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
差動共通エミッタ増幅器として構成された第１及び第２トランジスタ（Ｔ１，Ｔ２）と、
差動共通ベース増幅器として構成された第３及び第４トランジスタ（Ｔ３，Ｔ４）と、
前記第１トランジスタ（Ｔ１）のコレクタを前記第３トランジスタ（Ｔ３）のコレクタに接続する第１共振器（ＲＥ１）と、
前記第２トランジスタ（Ｔ２）のコレクタを前記第４トランジスタ（Ｔ４）のコレクタに接続する第２共振器と
を具備することを特徴とする高周波・大電力増幅器（１８）。
【請求項２】
前記第１共振器（ＲＥ１）は、前記増幅器（１８）の作動周波数で前記第１トランジスタ（Ｔ１）の固有コレクタ・ベースキャパシタンスを介して電流帰還を減少するよう選択された値を有し、
前記第２共振器（ＲＥ２）は、前記作動周波数で前記第１トランジスタ（Ｔ２）の固有コレクタ・ベースキャパシタンスを介して電流帰還を減少するよう選択された値を有することを特徴とする請求項１記載の増幅器。
【請求項３】
前記第１共振器（ＲＥ１）は、前記第１トランジスタ（Ｔ１）の固有コレクタ・ベースキャパシタンスの値で割られた前記増幅器作動周波数の２乗にほぼ等しい値を有し、
前記第２共振器（ＲＥ２）は、前記第２トランジスタ（Ｔ２）の前記固有コレクタ・ベースキャパシタンスの値で割られた前記増幅器作動周波数の２乗にほぼ等しい値を有することにより、前記第１及び第２トランジスタ（Ｔ１，Ｔ２）にわたる電流帰還を共振させることを特徴とする請求項１記載の増幅器。
【請求項４】
前記増幅器は、前記第３トランジスタ（Ｔ３）の前記ベースに接続された第３共振器（ＲＥ３）と、前記第４トランジスタ（Ｔ４）の前記ベースに接続された第４共振器（ＲＥ４）とをさらに具備し、
前記第３及び第４共振器（ＲＥ３，ＲＥ４）は互いに直列であることを特徴とする請求項２記載の増幅器。
【請求項５】
前記第３共振器（ＲＥ３）は、前記作動周波数で前記第３トランジスタ（Ｔ３）の固有コレクタ・エミッタキャパシタンスを介して電流帰還を減少するよう選択された値を有し、
前記第４共振器（ＲＥ４）は、前記作動周波数で前記第４トランジスタ（Ｔ４）の固有コレクタ・エミッタキャパシタンスを介して電流帰還を減少するよう選択された値を有することを特徴とする請求項４記載の増幅器。
【請求項６】
前記第３共振器（ＲＥ３）は、前記第３トランジスタ（Ｔ３）の固有コレクタ・エミッタキャパシタンスの値で割られた前記増幅器作動周波数の２乗にほぼ等しい値を有し、
前記第４共振器（ＲＥ４）は、前記第４トランジスタ（Ｔ４）の前記固有コレクタ・エミッタキャパシタンスの値で割られた前記増幅器作動周波数の２乗にほぼ等しい値を有することにより、前記第３及び第４トランジスタ（Ｔ３，Ｔ４）にわたる電流帰還を共振させることを特徴とする請求項４記載の増幅器。
【請求項７】
前記トランジスタ（Ｔ１〜Ｔ４）はSiGeトランジスタであることを特徴とする請求項１記載の増幅器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電力増幅器に関し、より詳細には高周波SiGe電力増幅器に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコン・ゲルマニウム（SiGe）トランジスタは高速で低コストのトランジスタであり、シリコン基板上に薄いゲルマニウムエピタキシャル層を成長させて製造する。シリコン及びゲルマニウムの格子構造には４％の寸法差があるので、シリコン基板の表面付近のシリコン格子は歪んでおり、バンドギャップ等の材料パラメータが変化できる。特に、歪んだシリコンはキャリア移動度が増加しており（シリコンの２〜３倍）、より高速のスイッチング速度のトランジスタを製造することができる。さらに、ゲルマニウムが薄いエピタキシャル層であるので、標準的なシリコン製造技術を使用できる結果、低コストで従来のＣＭＯＳ技法と互換性がある。
【特許文献１】米国特許４０２８６３１号明細書
【特許文献２】米国特許６７６０３８１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、SiGeバイポーラトランジスタの高速スイッチングは、トランジスタ降伏電圧の低下及びトランジスタのキャパシタンスの増加を犠牲にする。（１ＧHzを超える）高周波で作動することができるSiGeのＡ級大電力増幅器を実施しようとすると、これらの欠点が特に厄介になる。このような増幅器において、出力電力は電流及び電圧の積に比例する、すなわち電力＝Ｖrms・Ｉrms/２である。従って、低下した降伏電圧は、SiGeトランジスタを使用した増幅器からの出力になり得る最大電力を著しく低下させる。さらに、トランジスタの高い固有キャパシタンスは（１ＧHzを超える）高周波での電流が著しい負帰還という結果になり、このような増幅器の出力電力をさらに低下させる。最後に、バイアホールの欠如は、利得を大きく減少させる高誘導性帰還を招く。
【０００４】
従って、高速で低コストのSiGeバイポーラトランジスタを高速電力増幅器に効果的に使用できるようにする方法及び装置に対するニーズがある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の典型的な一実施形態によれば、高周波大電流増幅器が提供される。この増幅器は、差動共通エミッタ増幅器として構成された第１及び第２トランジスタと、差動共通ベース増幅器として構成された第３及び第４トランジスタとを具備する。また、増幅器は、第１トランジスタのコレクタを第３トランジスタのコレクタに接続する第１共振器と、第２トランジスタのコレクタを第４トランジスタのコレクタに接続する第２共振器とを具備する。
【０００６】
本発明のこれら及び他の特徴は添付図面を参照してより完全に理解されよう。
【０００７】
本発明は、主能動素子としてシリコン・ゲルマニウム（SiGe）トランジスタを使用した高周波（１〜100ＧHz）での電力増幅を得るための方法及び装置を提供する。
【０００８】
一実施形態の大電流で高周波の増幅器において、差動共通エミッタ増幅器が電圧増幅を提供する。差動構造により、増幅器の全電圧振幅をトランジスタの降伏電圧のほぼ２倍にできる。このとき、電流増幅は、共通エミッタのフロントエンド電圧増幅器とカスコード接続された差動共通ベースにより与えられる。インダクタとして主に作用する適当に選択された共振器を介してカスコード接続することにより、高周波作動で電流増幅を減少する電流負帰還（ミラー効果の一例）は、増幅器の作動周波数で著しく減少するか、共振させる（resonate out）ことが可能である。
【０００９】
SiGeデバイスは、シリコン上に成長したゲルマニウムの薄い層からなる。４％の格子構造の差のため、結果として得られる結合は歪んだ格子を有し、バンドギャップ等の材料パラメータを変更できる。特に、歪んだシリコンはキャリア移動度が増加し（シリコンより２〜３倍大きい）、より高速のスイッチング速度のトランジスタを製造できる。しかし、増大したスイッチ速度は、デバイスの降伏電圧の減少を犠牲にする。Ａ級電力増幅器において、出力電力は電流及び電圧の積に比例する、すなわち電力＝Ｖrms・Ｉrms/２である。従って、低下した降伏電圧は、SiGeトランジスタを使用した増幅器からの出力になり得る最大電力を著しく低下させる。
【００１０】
SiGe増幅器は、トランジスタの固有キャパシタンスを介した電流負帰還のため、高周波での電力がさらに減少する。
【００１１】
本発明は、差動接続されたカスケード共通エミッタ及び共通ベース増幅器の対にわたって電圧振幅を分割することにより、高周波SiGeトランジスタを電力増幅器で使用することを可能にし、増幅器の作動周波数でミラー効果を減少又は無くすために共振器を提供する。共通エミッタ増幅器は電圧利得を与え、共通ベース増幅は電流利得の大部分を与える。２対のカスケード接続された増幅器は、ベース入力を誘導結合することにより、180°位相がずれて差動接続されている。共振器は、２対のカスケード接続された増幅器を差動結合することの結果のミラー効果を共振させるようにするために、共通エミッタ段及び共通ベース段の間、及び共通ベース増幅器のベース間に設けられている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
可能な限り同様の要素には同様の符号を付した添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。
【００１３】
図１は、共通ベース増幅器とカスケード接続された共通エミッタ増幅器として構成された１対のバイポーラトランジスタＴA，ＴB、すなわち同一電流を共用する２個のトランジスタを示す従来技術の増幅器を示す概略図である。これは周知の構成であり、Ａ級電力増幅器を提供するために広く使用されている。このような設計において、共通エミッタトランジスタＴＡは大きな電圧利得を与えるのに対し、共通ベーストランジスタＴＢは大きな電流利得を与える。Ａ級の出力電力は出力電圧実効値及び出力電流実効値の積の約半分であるので、このような設計は良好な出力電力レベルを有するのが代表的である。
【００１４】
しかし、図１の基本回路は、特にバイポーラトランジスタはSiGeバイポーラトランジスタ等の低降伏電圧を有するバイポーラトランジスタの場合、（１ＧHzを超える）高周波で電力を供給するために使用される際に制限がある。高周波では、このようなトランジスタの固有キャパシタンスが適用可能になり、これら固有キャパシタンスによる負帰還のため、出力電力を低減する。この効果はミラー効果の一例である。
【００１５】
図２は、本発明の差動電力増幅器１８の一実施形態を示す概略図である。本実施形態の大電力で高周波の増幅器において、入力電圧信号は、２個のSiGeトランジスタからなる差動共通エミッタ増幅器に印加されている。２個のトランジスタにわたる差動入力電圧を分割することにより、合計電圧振幅は個々のトランジスタの降伏電圧を２倍にすることができる。差動共通エミッタ増幅器の出力は、電流増幅を供給する差動共通ベース増幅器にカスコード接続される。共通エミッタ段及び共通ベース段間、及び共通ベース増幅器のベース間に適当に選択された共振器を設けることにより、差動周波数でのミラー効果を著しく減少でき、共振させることもできる。すなわち、固有キャパシタンスを介したトランジスタをわたる電流の負帰還を、増幅の作動周波数で無くすことができる。この結果、増幅器はより高い電流、延いてはかなり大きな電力を生成することができる。
【００１６】
特に、増幅器１８は、電圧増幅段として２個の差動接続された共通エミッタトランジスタＴ１，Ｔ２を具備する。この差動共通エミッタ増幅器は、２個の差動接続された共通ベーストランジスタＴ３，Ｔ４からなる差動共通ベース増幅にカスケード接続されている。共振器ＲＥ１，ＲＥ２，ＲＥ３，ＲＥ４はこれらのトランジスタＴ３，Ｔ４間の相互接続の一部を構成する。特に、共通エミッタトランジスタＴ１及び共通ベーストランジスタＴ３は共振器ＲＥ１によって接続され、共通エミッタトランジスタＴ２及び共通ベーストランジスタＴ４は共振器ＲＥ２によって接続され、共通ベーストランジスタＴ３，Ｔ４は１対の直列共振器ＲＥ３，ＲＥ４によって接続される。
【００１７】
差動入力２４，２６は、バラン回路２８を介して接地同軸ケーブル上で利用できる信号等の非平衡信号を送ることができる。バラン回路２８は非平衡信号を平衡信号に変換するので、入力２４，２６は同一の値であるが位相が180°異なる電圧を経験する。これは地点２０に仮想接地を作り出し、全電圧変動をトランジスタＴ１，Ｔ２にわたって広げ、電力増幅器により供給できる最大電圧を実質的に２倍にする。
【００１８】
共振器ＲＥ１は、トランジスタＴ１のコレクタ・ベースキャパシタンスのミラー効果を共振させるインダクタンス値を有する。この値は、増幅器の作動周波数で平行なインダクタ・キャパシタ共振値、すなわちＬ＝μ２/Ｃとして見積もることができる。ここで、Ｌは共振器のインダクタンス、μは増幅器の作動周波数、ＣはトランジスタＴ１の固有コレクタ・ベースキャパシタンスである。実際には、これらの見積値は、回路モデリングコンピュータのモデルを使用する繰り返し帰還により絞り込まれる。同様に、共振器ＲＥ２はトランジスタＴ２のコレクタ・ベースキャパシタンスのミラー効果を共振させるインダクタンス値を有し、共振器ＲＥ３はトランジスタＴ３のコレクタ・ベースキャパシタンスのミラー効果を共振させるインダクタンス値を有し、共振器ＲＥ４はトランジスタＴ４のコレクタ・ベースキャパシタンスのミラー効果を共振させるインダクタンス値を有する。増幅器の作動周波数でトランジスタにわたる負帰還を防止することにより、増幅器はより大電流、延いてはかなりの大電力を発生することができる。
【００１９】
出力端子３０，３２での平衡の180°位相が異なる差動信号を、バラン回路３４により例えば同軸ケーブル上で伝送するのに適する非平衡信号に変換することができる。
【００２０】
本発明の別の実施形態において、電流増幅段のコア部３１を繰り返すことができ、すなわち既存のコア部３１と直列にコア部３１の１以上のコピーに挿入することにより、図２の回路を延長することができる。このコア部３１を繰り返すことは個々の部品の負荷をさらに減少させることにより、作動降伏電圧を増加させる。コア部３１の第１の繰り返しコピーを、既存のコア部３１及びＶOCでの２個のシャントキャパシタの間に直列に挿入することができる。
【００２１】
図３は、本発明の差動電力増幅器の別の実施形態を示す概略図である。トランジスタＴ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４及び共振器ＲＥ１，ＲＥ２，ＲＥ３，ＲＥ４に加えて、差動電力増幅器５０は、キャパシタＣ１〜Ｃ７と同様にバイアス抵抗チェーン３６，３８，４０，４２、インダクタＬ１〜Ｌ５及び伝送線ＴＬ１〜ＴＬ８を具備する。
【００２２】
トランジスタＴ１〜Ｔ４は、例えば８×３×0.5μmを測定するドープされたゲート領域を有するバイポーラSiGeトランジスタであってもよい。シャント共振器ＲＥ３，ＲＥ４は、例えば３×16μmの寸法の伝送線として形成されてもよい。直列共振器ＲＥ１，ＲＥ２は10×150μmの寸法の伝送線として形成されてもよい。
【００２３】
図４は、バイポーラSiGeトランジスタを使用する本発明の差動電力増幅器の別の実施形態の計測された出力電力を示すグラフである。図４から理解されるように、電力増幅器の計測された大きな信号利得は、23〜25ＧHzの周波数範囲にわたって10dBより大きい。これは、これらの周波数での他の電力増幅器を超える著しい改善である。例えば、バイポーラSiGeトランジスタを有する電力増幅器、差動共通ベースにカスケード接続された差動共通エミッタは、同じ周波数範囲にわたって約３dBに制限された大きな信号利得、約４dBに制限された小さな信号利得を有するのが典型的である。本発明の差動電力増幅器の小さな電力信号利得は20dBの大きさで計測されている。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】共通ベース増幅器とカスケード接続された共通エミッタ増幅器として構成された従来の１対のトランジスタを示す概略図である。
【図２】本発明の差動電力増幅器の一実施形態を示す概略図である。
【図３】本発明の差動電力増幅器の別の実施形態を示す概略図である。
【図４】本発明の差動電力増幅器の別の実施形態の出力電力の測定結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２５】
１８    増幅器
Ｔ１    第１トランジスタ
Ｔ２    第２トランジスタ
Ｔ３    第３トランジスタ
Ｔ４    第４トランジスタ
ＲＥ１  第１共振器
ＲＥ２  第２共振器
ＲＥ３  第３共振器
ＲＥ４  第４共振器
【図１】
2006314107.tif 000003
【図２】
2006314107.tif 000004
【図３】
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【図４】
2006314107.tif 000006