(57)【要約】      （修正有）【課題】増幅器に関し、高利得を保ったままでＫ値の安定性を高め、製造バラツキ耐性を高める。【解決手段】増幅用のトランジスタ１のソース端子とグランドの間にインダクタ２を接続するとともに、前記トランジスタ１のゲート端子とドレイン端子の間にダイオード３と抵抗４とを直列に接続する。ダイオード３を接続することによって、ダイオード３の等価回路を構成するコンデンサ成分がＫ値を規定するＳ１２を虚部を含めて小さくすることができ、それによって、Ｋ値を大きくすることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
増幅用のトランジスタのソース端子とグランドの間にインダクタを接続するとともに、前記トランジスタのゲート端子とドレイン端子の間にダイオードと抵抗とを直列に接続することを特徴とする増幅器。
【請求項２】
上記ダイオードが、バラクタダイオードであることを特徴とする請求項１記載の増幅器。
【請求項３】
上記トランジスタのゲート端子とドレイン端子の間に、前記ダイオードと直列になるようにコンデンサを接続したことを特徴とする請求項１または２に記載の増幅器。
【請求項４】
増幅用の第１のトランジスタのソース端子とグランドの間にインダクタを接続するとともに、前記第１のトランジスタのゲート端子とドレイン端子の間に第２のトランジスタを接続したことを特徴とする増幅器。
【請求項５】
上記第１のトランジスタのゲート端子とドレイン端子の間に、上記第２のトランジスタと直列にコンデンサを接続したことを特徴とする請求項４記載の増幅器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は増幅器に関するものであり、特に、ミリ波、マイクロ波帯で用いる増幅器において高利得と高安定性を両立するための構成に特徴のある増幅器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
通常、増幅器の利得を高くすると回路動作が不安定になって発振するという問題があり、逆に安定化させると利得が下がるという問題があり、利得と安定性とはトレードオフの関係にある。
【０００３】
そこで、本発明者は、増幅器における利得と安定度の両立をはかるために、増幅用トランジスタのソース端子とグランドの間にインダクタ（Ｌs ）を接続し、且つ、ゲート端子とドレイン端子の間に抵抗（Ｒgd）を接続することを提案しているので（例えば、非特許文献１参照）、ここで、図１１を参照して、提案に係る増幅器を説明する。
【０００４】
図１１参照  
図１１は、本発明者の提案に係る増幅器の説明図であり、上段に増幅器の回路構成図を、また、下段に増幅器に用いる増幅用トランジスタの等価回路図を示している。
上段の増幅器の回路構成図に示すように、増幅用トランジスタ３１のソース端子とグランドの間にインダクタ（Ｌs ）３２を接続するとともに、ゲート端子とドレイン端子の間に抵抗（Ｒgd）３３を接続している。
【０００５】
このＬs とＲgdの組み合わせにより増幅器の安定性を判定する係数、即ち、安定化係数（Ｋ値）が増大するような組み合わせにすることにより、利得を大きく保ったまま安定化が図れることが報告されている。
【０００６】
下図はシミュレーションに用いた増幅用トランジスタの等価回路図であり、ここでは、  ｇm ＝３８ｍＳ
Ｃgd＝７ｆＦ
Ｃgs＝６０ｆＦ
Ｃds＝２３ｆＦ
Ｒds＝５００Ω
に設定してシミュレーションを行った。
【０００７】
本発明者が行ったシミュレーションによると、Ｌs の値で安定度が極大となる周波数が決定され、ＲgdによりそのときのＫ値が決定されるので、その事情を図１２及び図１３を参照して説明する。
【０００８】
図１２参照  
図１２は、Ｋ値のＲgd値依存性の説明図であり、ここでは、まずＫ値が極大化する周波数にＬs を設定し、その後Ｒgdを変化させたときの安定度と利得をシミュレーションした。
図に示すように、Ｒgdが７００Ωの時、Ｋ値が最大の３８になっている。
【０００９】
なお、Ｋ値は下記の式（１）で定義される。
Ｋ＝（１＋｜Ｄ｜2 −｜Ｓ11｜2 −｜Ｓ22｜2 ）／２｜Ｓ12Ｓ21｜    ・・・（１）
但し、Ｄ＝Ｓ11Ｓ22−Ｓ12Ｓ21、ＳiiはＳパラメータを表している。
【００１０】
図１３参照  
図１３は、利得のＲgd値依存性の説明図であり、Ｋ値が最大の３８の時の利得は５ｄＢで、安定化を図らない従来例（最大の利得が７ｄＢ）と比較して２ｄＢしか低下しておらず、十分、高利得、高安定であるといえる。
【００１１】
このように、本発明者の提案によれば、Ｌs とＲgdにより安定度は大きくなっているが、製造バラツキなどにより低下してしまう虞があるので、設計時にはＫ値をさらに大きくすることが望まれる。
【非特許文献１】廣瀬  達哉，博士学位論文，２００４年，東北大学
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかし、上記の図１２に示すように、Ｋ値がＲgdに対して変化が激しいため、言いかえると感度が高いため、製造バラツキなどにより設定したＲgdに対してズレが生じた時にはＫ値がピーク値からずれて小さくなってしまうという問題点がある。
【００１３】
したがって、本発明は、高利得を保ったままでＫ値の安定性を高め、製造バラツキ耐性を高めることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
図１は本発明の原理的構成図であり、ここで図１を参照して、本発明における課題を解決するための手段を説明する。
図１参照
上記の課題を解決するために、本発明は、増幅器において、増幅用のトランジスタ１のソース端子とグランドの間にインダクタ２を接続するとともに、前記トランジスタ１のゲート端子とドレイン端子の間にダイオード３と抵抗４とを直列に接続することを特徴とする。
【００１５】
このように、トランジスタ１のゲート端子とドレイン端子の間にダイオード３を接続することによって、ダイオード３の等価回路を構成するコンデンサ成分がＫ値を規定するＳ12を虚部を含めて小さくすることができ、それによって、上記式（１）から明らかなようにＫ値を大きくすることがでる。
【００１６】
この場合、ダイオード３としては、バラクタダイオードが好適であり、バラクタダイオードに印加する制御電圧によって容量を可変制御することによって、Ｋ値の安定化を図ることができる。
【００１７】
その際、バラクタダイオードのカソードに、抵抗またはインダクタからなるインピーダンス素子５を介して制御電圧を印加することが望ましく、このインピーダンス素子５によって制御電圧源を分離することができる。
【００１８】
また、増幅用のトランジスタ１のゲート端子とドレイン端子の間に、ダイオード３と直列になるようにコンデンサを接続しても良く、それによって、ゲート−ドレイン間を直流的に分離することができる。
【００１９】
或いは、増幅器の基本構成を、増幅用の第１のトランジスタ１のソース端子とグランドの間にインダクタ２を接続するとともに、前記第１のトランジスタ１のゲート端子とドレイン端子の間に第２のトランジスタを接続するように構成しても良い。
【００２０】
この場合、第２のトランジスタのゲートバイアス電圧を適当な値に設定することにより、等価的な抵抗値を適当な値に設定することができ、それによって、増幅器の安定性を増すことができる。
【００２１】
この場合、第１のトランジスタ１のゲート端子とドレイン端子の間に、第２のトランジスタと直列にコンデンサを接続することが望ましく、このコンデンサによりＤＣ電圧を分離するとともに、コンデンサの容量成分によってＳ12を０にすることによりＫ値を増加することができる。
【００２２】
また、第１のトランジスタ１のゲート端子とドレイン端子の間に、第２のトランジスタと直列にインダクタを接続しても良く、それによって、特性をさらに改善することができる。
【００２３】
また、第２のトランジスタのドレインには、インダクタを介してバイアス電圧を印加すれば良く、それによって、バイアス電圧源を分離することができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、ダイオード、特にバラクタダイオード、或いは、第２のトランジスタを用いることによって、利得を低下させることなく、Ｋ値のピーク値をブロードにすることができ、それによって、製造バラツキ耐性の大きな高利得・高安定性の増幅器を構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
本発明は、増幅用のトランジスタのソース端子とグランドの間にインダクタＬs を接続するとともに、トランジスタのゲート端子とドレイン端子の間にバラクタダイオードと抵抗Ｒgdとを直列に接続し、バラクタダイオードのカソードに、抵抗またはインダクタからなるインピーダンス素子を介して制御電圧を印加するものである。
【００２６】
或いは、増幅用の第１のトランジスタのソース端子とグランドの間にインダクタＬs を接続するとともに、第１のトランジスタのゲート端子とドレイン端子の間に第２のトランジスタを接続し、好適には、第１のトランジスタのゲート端子とドレイン端子の間に、第２のトランジスタと直列にコンデンサを接続し、第２のトランジスタのドレインにインダクタを介してバイアス電圧を印加するものである。
【実施例１】
【００２７】
ここで、図２乃至図７を参照して、本発明の実施例１の増幅器を説明する。
図２参照  
図２は、本発明の実施例１の増幅器の回路構成図であり、増幅用トランジスタ１１のソース端子とグランドの間にインダクタ（Ｌs ）１２を接続するとともに、ゲート端子とドレイン端子の間にバラクタダイオード１３と抵抗（Ｒgd）１４とを直列接続する。
なお、バラクタダイオード１３のカソードには、インダクタ１５を介して制御電圧を印加する。
【００２８】
このバラクタダイオード１３の等価回路は破線の楕円内に図示するように、可変コンデンサ１６とインダクタ１７で表され、可変コンデンサ１６の容量値は制御電圧によって変化させることができる。
【００２９】
図３参照  
図３は、Ｋ値のＲgd値依存性の説明図であり、ここでは、まず容量値を適当な値に設定し、その後Ｒgdを変化させたときの安定度と利得をシミュレーションした。
図に示すように、Ｒgdが７００Ω近傍において、Ｋ値が１０００程度になっており、従来の最大値の３８と比べて安定係数（Ｋ値）が大幅に増加することがわかる。
なお、シミュレーションに用いた増幅用トランジスタ１１の各パラメータは従来と全く同様である。
【００３０】
図４参照  
図４は、利得のＲgd値依存性の説明図であり、図３に示すようにＫ値が大幅に増加したのに対して、利得はほとんど変わらないことがわかる。
即ち、従来と同様の高い利得を保ったままで、高安定化が可能であることが確認された。
【００３１】
図５参照  
図５は、Ｋ値のバラクタダイオードの等価容量値依存性の説明図であり、容量値の変化に対する安定係数（Ｋ値）の変化は、図３のＫ値のＲgd値依存性に比べて非常に小さく、十分感度が低いといえる。
これは製造バラツキなどによるパラメータの変動に対して特性変動が少ないということを意味している。
【００３２】
図６参照  
図６は、本発明と従来例のＳ12の比較図であり、上記の式（１）で表される通り、出力側から入力側へ帰還する電力量を表すＳ12を小さくすると増幅器の安定係数（Ｋ値）は増大する。
なお、図６ではＳ12をデシベル（ｄＢ）表記しており、即ち、
Ｓ12（ｄＢ）＝１０×ｌｏｇ10（Ｓ12）
であるので、負の数値が小さいほどＳ12が０に近いことを示している。
したがって、本発明ではリアクタンス素子であるバラクタダイオードを用いることで、Ｓ12の実部だけでなく虚部まで０にすることができるため安定係数が増大していることがわかる。
【００３３】
図７参照  
図７は、本発明と従来例のＫ値の比較図であり、インダクタがない従来例の場合はＫ値が１以下で安定となっていないことがわかる。
一方、インダクタを配置した本発明の場合はＫ値は１を大きく超えており、安定となっていることがわかる。
【００３４】
このように、本発明の実施例１においては、増幅用トランジスタ１１のゲート端子とドレイン端子の間にバラクタダイオード１３を接続することによって、利得をほとんど変化させることなくバラクタダイオード１３の等価回路を構成するコンデンサ成分でＫ値を規定するＳ12を虚部を含めて小さくすることができ、それによって、上記式（１）から明らかなようにＫ値を大きくすることができる。
【実施例２】
【００３５】
次に、図８を参照して、本発明の実施例２の増幅器を説明する。
図８参照  
図８は、本発明の実施例２の増幅器の回路構成図であり、上記の実施例１の増幅器のバラクタダイオード１３と抵抗（Ｒgd）１４との間にコンデンサ１８を接続したものである。
【００３６】
このコンデンサ１８は、デカップリングコンデンサとして作用し、制御電源とドレイン端子間を直流的に分離するものであり、増幅器の動作特性をより安定化することができる。
【実施例３】
【００３７】
次に、図９を参照して、本発明の実施例３の増幅器を説明する。
図９は、本発明の実施例３の増幅器の回路構成図であり、増幅用トランジスタ１１のソース端子とグランドの間にインダクタ（Ｌs ）１２を接続するとともに、ゲート端子とドレイン端子の間にトランジスタ１９とコンデンサ２０とを直列接続する。
【００３８】
なお、トランジスタ１９のドレインには、インダクタ２１を介してバイアス電圧を印加するものであり、インダクタ２１によりバイアス電源に対するインピーダンスを高くして直流のみを通し、高周波を通さないチョークコイルの働きでバイアス電源を分離している。
【００３９】
この場合、トランジスタ１９の等価回路は、破線の楕円内に示すように、制御電圧でソース−ドレイン間の等価的な抵抗値Ｒが変化する可変抵抗２２となる。
【００４０】
図１０参照  
図１０は、トランジスタ１９のＤＣ特性図であり、図に示すように、トランジスタ１９に印加するゲート電圧値によってＶdsに対するＩdsの傾き（１／Ｒ）が変化することがわかる。
即ち、ゲート電圧を変えることにより１／Ｒが変わり、等価的な抵抗値Ｒを変えることができる。
【００４１】
したがって、トランジスタ１９のゲートバイアス電圧を適当な値に設定することにより、ソース−ドレイン間の等価的な抵抗値Ｒを適当な抵抗値に設定することができ、それによって、増幅器の安定性を増すことができる。
【００４２】
また、コンデンサ２０は、ＤＣ電圧を分離するために用いるとともに、上述の実施例１のバラクタダイオードの容量成分と同様にＳ12を０にすることにより安定化係数の増加を図っている。
【００４３】
このように、本発明の実施例３においては、増幅用トランジスタ１１のゲート端子とドレイン端子の間にトランジスタ１９を接続することによって、高いＫ値が得られる抵抗値に設定することができ、また、コンデンサ２０によってＫ値を規定するＳ12を虚部を含めて小さくすることができ、それによって、上記式（１）から明らかなようにＫ値を大きくすることができる。
【００４４】
以上、本発明の各実施例を説明してきたが、本発明は各実施例に記載された構成・条件等に限られるものではなく各種の変更が可能であり、例えば、上記の実施例１及び実施例２においては、インダクタを用いて制御電圧源を分離しているが、インダクタは必須ではなく、直接制御電圧を印加しても良いものである。
【００４５】
また、この場合、制御電圧はバラクタダイオードに対して逆バイアス電圧になっているため電流は流れないので、インダクタの代わりに抵抗を用いても良いものである。
【００４６】
また、上記の実施例２においては、バラクタダイオードと抵抗Ｒgdとの間にコンデンサを接続しているが、このコンデンサは抵抗Ｒgdとドレイン端子との間に接続しても良いものである。
【００４７】
また、上記の実施例３においては、トランジスタ１９のドレイン端子とトランジスタ１１のドレイン端子との間にコンデンサを接続しているが、このコンデンサは必ずしも必須ではない。
【００４８】
また、上記の実施例３においては、さらに、トランジスタ１９のドレイン端子とコンデンサ２０との間、または、トランジスタ１９のソース端子とトランジスタ１１のゲート端子との間にインダクタを直列に接続しても良いものである。
なお、トランジスタ１９の容量成分Ｃdsが大きすぎる場合は上記の式（１）の条件を満たせなくなるが、この場合には、インダクタを入れることによって容量成分を打ち消すことができ、条件（１）を満たすことができる。
【００４９】
ここで、再び図１を参照して、本発明の詳細な特徴を改めて説明する。
再び、図１参照  
（付記１）  増幅用のトランジスタ１のソース端子とグランドの間にインダクタ２を接続するとともに、前記トランジスタ１のゲート端子とドレイン端子の間にダイオード３と抵抗４とを直列に接続することを特徴とする増幅器。
（付記２）  上記ダイオード３が、バラクタダイオードであることを特徴とする付記１記載の増幅器。
（付記３）  上記バラクタダイオードのカソードに、抵抗またはインダクタからなるインピーダンス素子５を介して制御電圧を印加することを特徴とする付記２記載の増幅器。  （付記４）  上記トランジスタ１のゲート端子とドレイン端子の間に、前記ダイオード３と直列になるようにコンデンサを接続したことを特徴とする付記１乃至３のいずれか１に記載の増幅器。
（付記５）  増幅用の第１のトランジスタ１のソース端子とグランドの間にインダクタ２を接続するとともに、前記第１のトランジスタ１のゲート端子とドレイン端子の間に第２のトランジスタを接続したことを特徴とする増幅器。
（付記６）  上記第１のトランジスタ１のゲート端子とドレイン端子の間に、上記第２のトランジスタと直列にコンデンサを接続したことを特徴とする付記５記載の増幅器。
（付記７）  上記第１のトランジスタ１のゲート端子とドレイン端子の間に、上記第２のトランジスタと直列にインダクタを接続したことを特徴とする付記５または６に記載の増幅器。
（付記８）  上記第２のトランジスタのドレインに、インダクタを介してバイアス電圧を印加することを特徴とする付記５乃至７のいずれか１に記載の増幅器。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明の活用例としては、光通信用のミリ波或いはマイクロ波帯で用いるＨＥＭＴや化合物半導体ＭＥＳＦＥＴ等を用いた増幅器が典型的なものであるが、ミリ波或いはマイクロ波帯の増幅器に限られるものではなく、ＭＯＳＦＥＴを用いた増幅器にも適用されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の原理的構成の説明図である。
【図２】本発明の実施例１の増幅器の回路構成図である。
【図３】Ｋ値のＲgd値依存性の説明図である。
【図４】利得のＲgd値依存性の説明図である。
【図５】Ｋ値のバラクタダイオードの等価容量値依存性の説明図である。
【図６】本発明と従来例のＳ12の比較図である。
【図７】本発明と従来例のＫ値の比較図である。
【図８】本発明の実施例２の増幅器の回路構成図である。
【図９】本発明の実施例３の増幅器の回路構成図である。
【図１０】トランジスタ１９のＤＣ特性図である。
【図１１】本発明者の提案に係る増幅器の説明図である。
【図１２】Ｋ値のＲgd値依存性の説明図である。
【図１３】利得のＲgd値依存性の説明図である。
【符号の説明】
【００５２】
１  トランジスタ
２  インダクタ
３  ダイオード
４  抵抗
５  インピーダンス素子
１１  増幅用トランジスタ
１２  インダクタ
１３  バラクタダイオード
１４  抵抗
１５  インダクタ
１６  可変コンデンサ
１７  インダクタ
１８  コンデンサ
１９  トランジスタ
２０  コンデンサ
２１  インダクタ
２２  可変抵抗
３１  増幅用トランジスタ
３２  インダクタ
３３  抵抗
【図１】
2007329618.tif 000003
【図２】
2007329618.tif 000004
【図３】
2007329618.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2007329618.tif 000009
【図８】
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【図９】
2007329618.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
2007329618.tif 000013
【図１２】
2007329618.tif 000014
【図１３】
2007329618.tif 000015