(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ波・ミリ波帯で動作するモノリシック集積回路に形成されるトランジスタ駆動用の電源供給を行うバイアス回路であって、
一端が上記トランジスタの電圧供給端子に接続され、他端が第１のＭＩＭキャパシタに接続され、モノリシック集積回路の動作周波数帯の伝播信号の波長の４分の１に等しい長さを持つショートスタブと、上記第１のＭＩＭキャパシタと第１のバイアホールとからなる直列回路の第１の接地回路と、
バイアス給電用パッドと上記ショートスタブの他端とを接続する上記波長の４分の１に等しい長さを持つマイクロストリップ線路と、
上記マイクロストリップ線路とバイアス給電パッドとの接続点近傍と接地間に第１の薄膜抵抗と第２のＭＩＭキャパシタと第２のバイアホールとが直列接続され、上記動作周波数帯の周波数より低い周波数成分を短絡する第２の接地回路と、上記ショートスタブの他端と第１のＭＩＭキャパシタとの間に、第２の薄膜抵抗及び第３のＭＩＭキャパシタとからなりかつ上記動作周波数帯の周波数より低く、かつ上記周波数成分の周波数より高い周波数成分を短絡するための第２の直列回路を上記第３のＭＩＭキャパシタが上記第１のバイアホール介して接地した第３の接地回路をもち、
上記第１、第２及び第３のＭＩＭキャパシタの静電容量は、第１および第２のバイアホールの持つ寄生インダクタンス成分の大きさに応じて、それぞれＭＭＩＣの動作周波数近傍、数百MHz程度以下の低周波数帯域及び上記２つの周波数帯域の中間付近の周波数帯域の伝送信号が直流電圧給電用パッドへ伝播することを防止できるような値に設定されたことを特徴とするバイアス回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バイアス回路、更に詳しくいえば、特に、マイクロ波又はミリ波帯で動作するモノリシック集積回路（Microwave Monolithic Integrated Circuits: MMIC）において用いられるトランジスタ駆動用の電源供給を行うバイアス回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロ波又はミリ波帯などの高周波帯域で動作する集積回路に用いられるトランジスタの電源供給を行うバイアス回路は、トランジスタ内部の寄生リアクタンス成分と、トランジスタ駆動用の電源供給を行うバイアス回路中のリアクタンス成分などとが共振条件を満足し、異常発振を起こし、それがマイクロ波・ミリ波帯で集積回路が正常に動作しない原因となることがある。
【０００３】
上記異常発振を防止するバイアス回路として、例えば、電子情報通信学会技術研究報告ED96-182にて開示された従来例を示す図３及び図４のように、トランジスタ駆動用の直流電源供給を行うバイアス回路は、高周波集積回路の動作周波数付近の高周波信号の伝播を防止するため、集積回路の動作周波数における伝播信号の波長をλとしたとき、λ／４の長さに等しいマイクロストリップ線路２の先端に、ＭＩＭ（Metal-Insulator-Metal）キャパシタ７と、バイアホール５などを介した接地回路をトランジスタの電源印加端子に付加し、動作周波数周波数近傍の高周波信号をこの接地回路へ導く構成をとり、バイアス回路の直流電圧を印加するための、λ／４マイクロストリップ線路３とＤＣ給電用パッド４への高周波信号の伝播を防止する措置をとるのが一般的である。
【０００４】
しかし、トランジスタは、上記動作周波数より低い周波数では大きな利得を持つのが一般的である。そのため、トランジスタ内部の寄生リアクタンス成分と、トランジスタ駆動用の電源供給を行うバイアス回路中のリアクタンス成分などとが共振条件を満足し、動作周波数（数十GHz）より低い数百MHz〜数GHz程度の比較的低い周波数において異常発振を起こし、それがマイクロ波・ミリ波帯で集積回路が正常に動作しない原因となることがある。
【０００５】
数百ＭＨｚ〜数ＧＨｚの比較的低い周波数の伝送信号を接地回路へ導くには、１０ｐＦ程度以上の比較的大きな容量のキャパシタを用いる必要があり、そのため図４に示すように、集積回路の外部にキャパシタ１２を独立して設け、このキャパシタ１２と、集積回路のバイアス給電用パッド４とを、ボンディングワイヤ１３等の手段により接続する構成をとるのが一般的であった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来のバイアス回路の構成では、ＭＭＩＣ回路の動作周波数（数十ＧＨｚ）より低い数百ＭＨｚ〜数ＧＨｚ程度の帯域での異常発振を防止するため、マイクロ波・ミリ波帯集積回路の外に１０ｐＦ程度以上のキャパシタ１２を集積回路の外部に装荷し、且つこのキャパシタ１２とバイアス給電用パッド４とをボンディングワイヤ等の手段により接続する必要があった。このため、複数個のＭＭＩＣチップを用いて構成されるマイクロ波帯・ミリ波帯モジュールの作製工数が増加し、モジュール全体の製造コストが、装荷する外部キャパシタの分及びそれらの接続に必要となるボンディング工程の分だけ増大するという問題があった。
【０００７】
また、マイクロ波・ミリ波帯集積回路における接地は、バイアホールを用いる方法が一般的である。バイアホールには数１０ｐＨ程度の寄生インダクタンスが伴い、この寄生インダクタンスと、接地回路に装荷するキャパシタとが共振を起こし、この共振周波数付近において異常発振が起こり、マイクロ波・ミリ波帯集積回路が正常に動作しなくなる危険性があるという問題もあった。
【０００８】
従って、本発明の目的は、集積回路、特にマイクロ波・ミリ波帯用集積回路の動作周波数帯域及び動作周波数帯域以下の低い周波数帯域での異常発振を防止し、かつ集積回路の外部に異常発振を防止用のキャパシタを設ける必要の無い集積回路用バイアス回路を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明では、トランジスタ駆動用の直流電源供給を行うバイアス回路を、モノリシック集積回路の動作周波数帯の伝播信号の波長の４分の１に等しい長さを持つショートスタブの先端と第１のバイアホールとの間に第１のＭＩＭキャパシタと第１のバイアホールとからなる直列回路を接続した第１の接地回路と、上記第１のＭＩＭキャパシタとバイアス給電用パッドとの間に形成された伝播信号の波長の４分の１に等しい長さを持つマイクロストリップ線路と、上記マイクロストリップ線路とバイアス給電パッドとの接続点近傍と第２のバイアホールとの間に第１の薄膜抵抗と第２のＭＩＭキャパシタの直列回路を接続した第２の接地回路を形成して構成される。
【００１０】
本発明の好ましい実施形態によれば、ＭＭＩＣ回路の動作周波数を数十ＧＨｚとし、数百ＭＨｚから数ＧＨｚ程度の低周波数領域での異常発振を防ぐため、上記第１の薄膜抵抗は５０Ω、上記第１のＭＩＭキャパシタは１０ないし５０ｐＦ程度にする。
【００１１】
また、上記ＭＭＩＣ回路の動作周波数と上記数百ＭＨｚから数ＧＨｚ程度の周波数の中間の周波数での異常発振を防ぐため、上記ショートスタブの先端と上記第１のバイアホールとの間に、薄膜抵抗と第３のＭＩＭキャパシタからなる直列回路を接続し、上記第１のバイアホールと共に上記中間の周波数を基板に接地する第３の接地回路を構成する。
【００１２】
本発明によれば、ＤＣ近傍からミリ波帯の動作周波数付近までの広い周波数帯域での異常発振を防止できる。更に、第１、第２及び第３の接地回路がいずれもＭＭＩＣ回路の中に形成されるため、外付けのキャパシタを必要としない。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１及び図２は、それぞれ本発明によるバイアス回路の一実施例の回路図及びそのバイアス回路のＭＭＩＣ上の回路素子のレイアウト平面図を示す。
【００１４】
電界効果トランジスタ１のゲート端子Ｇには発振回路（図示せず）等のＭＭＩＣが接続され、ドレイン端子Ｄに直流電圧を加えるバイアス回路が接続され、ソース端子Ｓは接地されている。トランジスタ１は増幅回路構成している。バイアス回路は、入力信号の特定の周波数（動作周波数と呼ぶ）成分の波長をλとしたとき、λ／４の長さのマイクロストリップ線路２により構成されるショートスタブと、マイクロストリップ線路２の先端とバイアホール５の間に接続されたＭＩＭキャパシタ７と、上記ショートスタブ（マイクロストリップ線路）２の先端とＤＣ給電用パッド４の間に接続されたλ／４の長さのマイクロストリップ線路３と、ＤＣ給電用パッド４近傍とバイアホール６との間に接続された薄膜抵抗１１とＭＩＭキャパシタ９の直列回路と、ショートスタブ２の先端とバイアホール５の間に接続された薄膜抵抗１０と静電容ＭＩＭキャパシタ８の直列回路とをもつ。
【００１５】
上記構成の回路で、ショートスタブ２の先端とバイアホール５の間に接続されたＭＩＭキャパシタ７の部分と、ショートスタブ２の先端とＤＣ給電用パッド４との間に接続されたλ／４の長さのマイクロストリップ線路３との部分は、図３、図４に示した従来知られているバイアス回路と同じで、トランジスタ１の給電点である接続点Ｄからバイアス回路側を見たとき、そのインピーダンスはＭＭＩＣ回路の動作周波数においてオープンとなり、動作周波数帯の伝送信号は、バイアス回路へ伝播することはない。
【００１６】
ＤＣ給電用パッド４近傍とバイアホール６との間に接続された薄膜抵抗１１とＭＩＭキャパシタ９の直列回路部分は、数百ＭＨｚから数ＧＨｚ程度以下の低周波数帯域の伝送信号がＤＣ給電用パッド４へ伝播することを防止する接地回路を構成する。また、ショートスタブ２の先端とバイアホール５の間に接続された薄膜抵抗１０と静電容ＭＩＭキャパシタ８の直列回路部分は、上記動作周波数と低周波数帯域の間の中間の周波数帯の伝送信号がＤＣ給電用パッド４へ伝播することを防止する接地回路を構成する。
【００１７】
本発明の具体的実施例によれば、上記動作周波数を６０ＧＨｚとし、バイアホール５及び６の寄生インダクタンス成分が約３０ｐＨ（通常１０ないし５０ｐＨ）であるので、薄膜抵抗１０及び１１をいずれも５０Ω、ＭＩＭキャパシタ８及び９の静電容量を１０ｐＦ程度となるように構成した。
【００１８】
なお、ＭＩＭキャパシタ８、９の値は、動作周波数、バイアホール５、６の持つ寄生インダクタンス成分によって、決定されるが、通常のＭＭＩＣでは、電容量は１０ｐＦ程度の大きさにすることが望ましい。更にバイアホールが大きなインダクタンス成分をもつ場合には、数百ＭＨｚから数ＧＨｚ程度以下の低周波帯域の伝送信号がＤＣ給電用パッド４へ伝播することがないよう、ＭＩＭキャパシタ９の静電容量は、適切な大きさに設定する必要がある。
【００１９】
以上説明したように、本実施例では、ＭＭＩＣの動作周波数帯域と、数百ＭＨｚ程度の低周波数帯域の間の周波数を持つ伝送信号がＤＣ給電用パッド４へ伝播し、異常発振を起こすことを防止する手段を提供するものである。
【００２０】
図５及び図６は、上記実施例のバイアス回路の伝送特性について説明する図である。図５は、バイアス回路と主線路すなわちトランジスタ１のドレイン端子Ｄの接続点からバイアス回路側を見たときの、ＤＣ給電用パッド４への伝送信号の通過特性を示したものである。横軸は０から１００ＧＨｚまでの範囲の周波数を表し、縦軸は‐５０ｄＢから０ｄＢの範囲の通過特性を表す。数値が小さいほど、すなわち、マイナス値の値が大きい程、バイアス回路と主線路との接続点からＤＣパッドへの伝送信号の通過量が少ないことを示す。
【００２１】
同図において、曲線ａ，ｂ，及びｃは、それぞれ上記実施例、上記実施例から薄膜抵抗１１と静電容ＭＩＭキャパシタ９の直列回路部分を除いたもの、及び上記実施例から全ての接地回路を除いた回路の特性を示す。特性ｃでは、動作周波数６０ＧＨｚ付近において共振条件が成り立ち、異常発振が起こりやすい状態となっている。特性ｂの図１の５０Ω薄膜抵抗１０、１ｐＦ程度の静電容量を持つＭＩＭキャパシタ８からなる接地回路のみを設けた場合の通過特性は、６０ＧＨｚ付近での共振特性がやや改善されている。さらに、特性ａの上記実施例のバイアス回路のごとく、５０Ω薄膜抵抗１０と、１ｐＦ程度のＭＩＭキャパシタ８からなる接地回路と、５０Ω薄膜抵抗１１と、１０ｐＦ程度の静電容量を持つＭＩＭキャパシタ９と、バイアホール６からなる接地回路の両者を持つ場合、通過特性はさらに改善され、異常発振が起こる周波数は、０から１００ＧＨｚの範囲内には存在しない。
【００２２】
図６は、図５の１ＧＨｚ以下の低周波数帯域における通過特性を、拡大して示したものである。上記実施例において、５０Ω薄膜抵抗１１と、１０ｐＦ程度の静電容量を持つＭＩＭキャパシタ９と、バイアホール６からなる接地回路を設けることで通過特性が大きく改善されており、直流に近い低周波数帯域で、異常発振が起きる危険性が低減されていることがわかる。
【００２３】
以上、本発明の一実施例について説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではない。図７のごとく、接地回路をＤＣ給電用パッド４に直接接続する構成としてもよい。また、５０Ω薄膜抵抗１１と、ＭＩＭキャパシタ９と、バイアホール６は直線上に配置する必要はなく、ＭＭＩＣ回路における各回路要素の配置の状態によっては、適宜５０Ω薄膜抵抗１１、ＭＩＭキャパシタ９、バイアホール６をＬ字状に配置しても、本発明において期待される効果が何ら影響を受けることはない。
【００２４】
薄膜抵抗１０及びＭＩＭキャパシタ８を含む接地回路は、独立にバイアホールを設けて実現することもできるが、ＭＭＩＣの回路面積を低減するため、ショートスタブ２の接地に用いているバイアホール５を接地回路を利用することが望ましい。ＭＩＭキャパシタ８の静電容量は１ｐＦ程度の大きさを持つが、これはバイアホール５の持つ寄生インダクタンス成分が約３０ｐＨである場合の例であり、そのインダクタンス成分が異なる大きさを持つ場合には、３０ＧＨｚ程度以下の低周波帯域の伝送信号がＤＣ給電用パッド４へ伝播することがないよう、ＭＩＭキャパシタ８の静電容量を、適切な大きさに設定する必要がある。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、ミリ波帯ＭＭＩＣのバイアス回路において、数百ＭＨｚから数ＧＨｚ帯と、ＭＭＩＣの動作周波数帯域の周波数帯の周波数を持つ伝送信号がＤＣ給電用パッド４へ伝播し、異常発振を起こすことを、防止することができる。更に、２つの接地回路を設けることにより、ＤＣ近傍からＭＭＩＣの動作周波数直下までの広い帯域にわたり、高周波信号のバイアス回路への伝播を低減することが可能となる。このため、バイアス回路内のＭＩＭキャパシタと、バイアホールの持つインダクタンス成分とが共振を起こすという問題が解決される。
【００２６】
また、この共振を防止する目的でＭＭＩＣの外側にチップキャパシタ等を設ける必要がなくなり、マイクロ波・ミリ波帯ＭＭＩＣを用いるモジュールの製作工数及び製造コストが低減されるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるバイアス回路の一実施例の回路図である。
【図２】本発明によるバイアス回路の一実施例の回路図を構成したＭＭＩＣの部分平面図である。
【図３】従来例のマイクロ波・ミリ波帯ＭＭＩＣにおけるバイアス回路の回路図である。
【図４】従来例のマイクロ波・ミリ波帯ＭＭＩＣにおける、バイアス回路のＭＭＩＣの平面図である。
【図５】本発明によるバイアス回路の一実施例の回路図において、高周波信号のバイアス回路への漏洩の度合いを示す通過特性を説明する特性図である。
【図６】図５の通過特性の部分拡大図である。
【図７】本発明によるバイアス回路の他の実施例の回路図を構成したＭＭＩＣの部分平面図である。
【符号の説明】
１：トランジスタ、
２：４分の１波長マイクロストリップ線路、
３：４分の１波長マイクロストリップ線路、
４：バイアス給電用パッド、
５、６：バイアホール、
７、８、９：ＭＩＭキャパシタ、
１０、１１：薄膜抵抗、
１２：外付けキャパシタ、
１３：ボンディングワイヤ。
【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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