JP4471789B2 - High frequency semiconductor circuit - Google Patents
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Description
本発明は高周波半導体回路、特にマイクロ波等の高い周波数の信号を送信する送信機等で用いられるFET、HEMT、MMIC等の回路の動作点を設定するバイアス回路の構成に関する。 The present invention relates to a configuration of a bias circuit for setting an operating point of a circuit such as a FET, HEMT, or MMIC used in a high-frequency semiconductor circuit, in particular, a transmitter that transmits a high-frequency signal such as a microwave.
従来から、RF(高周波)信号の増幅等を行うために、FET(電界効果型トランジスタ)、HEMT(High Electron Mobility
Transistor)等のトランジスタ、或いはこれらのトランジスタを集積したMMIC(Microwave Monolithic IC−マイクロ波モノリシック集積回路)が用いられており、これらFET、HEMT及びMMIC等の回路の動作点を設定・調整するバイアス回路として、固定バイアス回路、セルフバイアス回路及びオートバイアス回路がある。例えば、電流の低い低雑音増幅器では、主にセルフバイアス回路又はオートバイアス回路が用いられ、高い出力電流と線形性が要求される高周波電力増幅器では、主に固定バイアス回路又はオートバイアス回路が用いられる。
Conventionally, FET (field effect transistor), HEMT (High Electron Mobility) are used to amplify RF (high frequency) signals.
Transistors such as transistors, or MMICs (Microwave Monolithic ICs) that integrate these transistors are used, and bias circuits that set and adjust the operating points of these FET, HEMT, and MMIC circuits There are a fixed bias circuit, a self-bias circuit, and an auto-bias circuit. For example, a low-noise amplifier with a low current mainly uses a self-bias circuit or an auto-bias circuit, and a high-frequency power amplifier that requires a high output current and linearity mainly uses a fixed-bias circuit or an auto-bias circuit. .
図5には、FET(又はHEMT)に対して固定バイアス回路を適用した高周波半導体回路の構成が示されており、図示されるように、RF信号の入力端子RFinと出力端子RFoutの間に、例えば増幅用のFET41、DCカット用コンデンサ43,44、マッチング回路45,46が配置される。そして、上記FET41のゲートにゲート電圧を可変調整するための可変電圧源47が接続される。このような固定バイアス回路によれば、上記可変電圧源47によって、デバイス設計時に設定された推奨動作電流値となるように、室温でFET41のゲート電圧が調整される。
FIG. 5 shows a configuration of a high-frequency semiconductor circuit in which a fixed bias circuit is applied to an FET (or HEMT). As shown in the figure, between an RF signal input terminal RFin and an output terminal RFout, For example, an
図6には、FET(又はHEMT)に対してセルフバイアス回路を適用した高周波半導体回路の構成が示されており、図示されるように、上記FET41のゲートを直流的に接地すると共にソース・接地間に抵抗51及びコンデンサ52が挿入される。このようなセルフバイアス回路によれば、ソース・接地間の抵抗51に流れる電流によって相対的にゲート電位をソース電位より低くすることで、FET41のドレイン電流を調整することができる。
FIG. 6 shows the configuration of a high-frequency semiconductor circuit in which a self-bias circuit is applied to an FET (or HEMT). As shown in the figure, the gate of the
図7には、FET(又はHEMT)に対してオートバイアス回路を適用した高周波半導体回路の構成が示されており、図示されるように、FET41のドレイン電流を検知するための抵抗54、基準電圧を供給するための分圧抵抗55,56、ドレイン電流を基準電圧と比較するコンパレータ57が設けられる。このオートバイアス回路によれば、FET41のドレイン電流が検知され、このドレイン電流の変化に応じた電圧をコンパレータ57からフィードバックしてゲート電圧を調整することにより、ドレイン電流が推奨動作電流値となるように制御される。
FIG. 7 shows a configuration of a high-frequency semiconductor circuit in which an auto bias circuit is applied to an FET (or HEMT). As shown in the figure, a
図4には、FETの動作を示す特性図が示されており、この図のように、FET又はHEMTではゲートに印加される電圧の変化がドレイン電流の振幅の変化として現れ、これによって増幅等が行われる。アンプとして使用する場合、直流動作点(RF信号無入力時のバイアス点)を飽和電流値(IDSS)の約半分に設定することにより、歪み特性の少ない線形性のよいアンプが実現できる。この場合の最適動作点は、飽和電流値と略比例の関係があり、実際の動作点はデバイス固有の特性により、IDSS×0.4〜IDSS×0.7程度の範囲に設定されることが多く、この動作点が最適動作点から外れると、混変調歪み特性が悪化することになる。
ところで、従来のFET、HEMT、MMIC等の高周波半導体回路における動作点の電流値の設定は、デバイスの設計値或いは数ロットのデータの平均値等から決定され、全てのデバイスでその値を用いることが一般的である。しかし、個々のデバイスのDC(直流)特性は、プロセスロット或いはウェハ内でもバラツキや分布があり、推奨動作点に設定した場合でも、必ずしも個々のデバイスにとって最適な動作点になるとは限らない。 By the way, the setting of the current value of the operating point in the high-frequency semiconductor circuit such as a conventional FET, HEMT, MMIC, etc. is determined from the device design value or the average value of data of several lots, and the value is used in all devices. Is common. However, the DC (direct current) characteristics of individual devices have variations and distributions within a process lot or a wafer, and even when set to a recommended operating point, the operating point is not always optimal for each device.
また、デバイスのDC特性は温度でも変動するため、室温でゲート電圧を一定値に設定しただけの固定バイアス回路や、ドレイン電流が一定電流になるようなフィードバック回路を構成したオートバイアス回路では、温度の変化により動作点が最適動作点よりずれ、デバイス本来の特性を十分に引き出すことができないという問題があった。 In addition, since the DC characteristics of the device fluctuate with temperature, a fixed bias circuit in which the gate voltage is set to a constant value at room temperature, or an auto bias circuit configured with a feedback circuit in which the drain current becomes a constant current, There is a problem that the operating point is deviated from the optimum operating point due to the change of the above, and the original characteristics of the device cannot be sufficiently extracted.
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、プロセスロット、ウェハでのバラツキ或いは温度変動がある場合でも、個々のデバイスにおける最適動作点に設定することができ、デバイス本来の能力を引き出すことが可能となる高周波半導体回路を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and its purpose is to set an optimum operating point for each device even when there are variations in process lots, wafers, or temperature fluctuations. An object of the present invention is to provide a high-frequency semiconductor circuit that can bring out the ability of the above.
上記目的を達成するために、請求項1に係る発明は、高周波信号を入力する主トランジスタと、この主トランジスタと高周波的に分離された状態で形成され、主トランジスタのドレイン電流をモニタするためにそのゲート幅よりも小さいゲート幅を有するモニタ用トランジスタと、上記主トランジスタにドレイン電流を供給するための電源、この電源と主トランジスタのドレインとの間に直列に挿入された動作電流設定用第1抵抗、上記モニタ用トランジスタに電流を供給するための電源、及びこの電源とモニタ用トランジスタのドレインとの間に直列に挿入された動作電流設定用第2抵抗が設けられたフィードバックバイアス回路と、を備え、上記主トランジスタの動作点を飽和電流値のx%に設定する場合、上記フィードバックバイアス回路の第1抵抗の値R1と第2抵抗の値R2 を、主トランジスタのゲート幅をWg1、モニタ用トランジスタのゲート幅をWg2とすると、R1/R2 = (Wg2/Wg1)/(x/100)を満たすように選定し、上記フィードバックバイアス回路は、上記主トランジスタとモニタ用トランジスタのドレイン電圧が等しくなるように、上記主トランジスタのゲート電圧を制御することを特徴とする。なお、上記第1抵抗はドレイン電流を検知する役目、第2抵抗は飽和電流を検知する役目もすることになる。
In order to achieve the above object, an invention according to claim 1 is formed to monitor a drain current of a main transistor formed with a main transistor for inputting a high-frequency signal and a state separated from the main transistor at a high frequency. A monitor transistor having a gate width smaller than the gate width; a power supply for supplying a drain current to the main transistor; and a first operating current setting first inserted between the power supply and the drain of the main transistor. A feedback bias circuit provided with a resistor, a power source for supplying current to the monitoring transistor, and a second resistor for operating current setting inserted in series between the power source and the drain of the monitoring transistor; If provided, to set the operating point of the main transistor to x% of the saturation current value, the feedback bias The first value R 1 of the resistor value R 2 of the second resistor of the road, Wg 1 the gate width of the main transistor, the gate width of the monitor transistor and Wg 2, R 1 / R 2 = (
上記の構成によれば、ゲート幅Wg1の主トランジスタ(FET)と、RF信号から分離した状態でゲート幅Wg2のモニタ用トランジスタが同一の半導体チップ上に形成される。このとき、主トランジスタの飽和電流IDSS1は、モニタ用トランジスタの飽和電流をIDSS2とすると、IDSS1=IDSS2×(Wg1/Wg2)で得られ、主トランジスタの動作点(ドレイン電流)は例えばこのIDSS1の1/2(50%の場合)に設定される。上記フィードバックバイアス回路では、モニタ用トランジスタの飽和電流を検出し、この飽和電流が変化したとしても、主トランジスタのドレイン電流が常に動作点である(1/2)IDSS1となるように、主トランジスタのゲート電圧を調整・制御することになり、これによって最適な動作点に設定される。 According to the above configuration, the main transistor of the Gate width Wg 1 (FET), a monitor transistor having a gate width Wg 2 is formed on the same semiconductor chip in a state of being separated from the RF signal. In this case, the saturation current I DSS 1 of the main transistor, when the saturation current of the monitor transistor and I DSS2, obtained in I DSS1 = I DSS2 × (Wg 1 / Wg 2), the operating point of the main transistor (drain current) Is set to 1/2 of this I DSS1 (in the case of 50%), for example. In the feedback bias circuit, the saturation current of the monitoring transistor is detected, and even if this saturation current changes, the drain current of the main transistor is always at the operating point (1/2) I DSS1. The gate voltage is adjusted and controlled so that the optimum operating point is set.
即ち、第1抵抗及び第2抵抗の値がゲート幅及び動作点(電流値)の飽和電流値に対する割合(%)によって選定され、主トランジスタとモニタ用トランジスタのドレイン電圧が等しくなるように主トランジスタのゲート電圧を制御することにより、常に最適な動作点が得られる。 That is , the values of the first resistor and the second resistor are selected according to the gate width and the ratio (%) of the operating point (current value) to the saturation current value, so that the drain voltages of the main transistor and the monitoring transistor are equal. By controlling the gate voltage, the optimum operating point can always be obtained.
本発明によれば、主トランジスタの飽和電流をモニタ用トランジスタにてモニタし、この飽和電流を基準として設定した動作点となるように、ゲート電圧を制御するので、プロセスロット、ウェハで個体差が生じた場合でも、個々のデバイスの最適な動作点に設定することができ、デバイス本来の能力を最大限に引き出すことが可能となる。特に、P1dB出力電力特性・歪み特性の安定した回路が実現でき、歩留まりの改善も見込むことができる。 According to the present invention, the saturation current of the main transistor is monitored by the monitoring transistor, and the gate voltage is controlled so that the operating point is set based on this saturation current. Even if it occurs, the optimum operating point of each device can be set, and the original capability of the device can be maximized. In particular, a circuit having stable P1 dB output power characteristics and distortion characteristics can be realized, and an improvement in yield can be expected.
また、FET等のデバイスでは、Vg−Id特性や飽和電流が温度で変化することから、室温で最適動作点に設定した場合でも、低温又は高温では最適点から外れ、線形性が劣化するが、本発明では、このような温度変動がある場合でも最適な動作点に設定されるので、温度による特性の劣化を抑制し、広い温度範囲で線形性の優れた増幅回路等を得ることが可能となる。 In addition, in devices such as FETs, the Vg-Id characteristics and saturation current change with temperature, so even when set to the optimum operating point at room temperature, the linearity deteriorates because it deviates from the optimum point at low or high temperatures. In the present invention, the optimum operating point is set even when there is such a temperature fluctuation, so that it is possible to suppress degradation of characteristics due to temperature and obtain an amplifier circuit having excellent linearity in a wide temperature range. Become.
図1には、本発明の第1実施例に係る高周波半導体回路の構成が示されており、この回路はデプレッションモード型FETを用いたものである。図1において、RF信号の入力端子RFinと出力端子RFoutの間に、増幅用の主FET1、DCカット用コンデンサ3,4、マッチング回路5,6が接続され、この主FET1と同一チップ(CHIP)上にモニタ用FET2が形成される。このモニタ用FET2は、主FET1とは高周波的に分離されており、ベースとソースを接地してDC的に飽和電流が検知できる構成とされる。
FIG. 1 shows the configuration of a high-frequency semiconductor circuit according to a first embodiment of the present invention, which uses a depletion mode type FET. In FIG. 1, an amplification main FET 1,
また、フィードバックバイアス回路として、主FET1のドレイン電流及びモニタ用FET2の飽和電流を検知するための電源8(+V)が設けられ、上記主FET1のドレインには、この電源8との間に、高周波をカットするインダクタ10、動作点(動作電流)を設定するための(ドレイン電流を検知する役目もする)第1抵抗11が設けられており、この第1抵抗11の電圧の降下量によってドレイン電流及びその変化が検知される。上記インダクタ10の電源側と接地との間には、コンデンサ12が配置される。更に、上記モニタ用FET2と上記電源8との間に、動作点を設定するための(飽和電流を検知する役目もする)第2抵抗14が設けられており、この第2抵抗14の電圧の降下量によって飽和電流及びその変化が検知される。
Further, a power supply 8 (+ V) for detecting the drain current of the main FET 1 and the saturation current of the
また、上記モニタ用FET2のドレインと第2抵抗14の接続点の電圧と、上記インダクタ10と第1抵抗11の接続点の電圧を比較し、制御電圧を主FET1のゲートへ出力するコンパレータ15が設けられており、このコンパレータ15と主FET1のゲートの間に高周波カット用のインダクタ16が設けられ、このインダクタ16のコンパレータ側と接地との間には、コンデンサ17が配置される。
A
そして、上記第1抵抗11の値R1及び第2抵抗14の値R2は、主FET1のゲート幅をWg1、モニタ用FET2のゲート幅をWg2、飽和電流に対する動作点設定の割合をx%とすると、R1/R2
= (Wg2/Wg1)/(x/100)の比となるように選定する。例えば、電源8の電圧が6V、モニタ用FET2におけるゲート幅Wg2が50μm、飽和電流が50mA、主FET1のゲート幅Wg1が600μmの場合、主FET1の飽和電流は、ゲート幅に比例するので、50mA×(600μm/50μm)=600mAとなる。動作点を50%に設定する場合、R1/R2
= (50/600)/(50/100)=1/6となる。ここで、主FET1の動作点電流値は、600mAの50%であるから、300mAであり、主FET1のドレイン電圧の降下量を例えば0.1V以下とすると、第1抵抗11の値R1は、0.1V/300mA≒333mΩとなり、また第2抵抗14の値R2は、R1×6=2Ωに設定される。なお、上記第1抵抗11の値R1及び第2抵抗14の値R2は、ドレイン電圧が低下しないような小さな抵抗値とすることが望ましい。
Then, the value R 2 of the values R 1 and the
= Select so that the ratio is (Wg 2 / Wg 1 ) / (x / 100). For example, when the voltage of the
= (50/600) / (50/100) = 1/6. Here, since the operating point current value of the main FET 1 is 50% of 600 mA, it is 300 mA. When the amount of drop in the drain voltage of the main FET 1 is, for example, 0.1 V or less, the value R 1 of the
このようにして、第1抵抗11及び第2抵抗14の値R1,R2を設定することで、モニタ用FET2のドレイン電圧は、6V−(2Ω×50mA)=5.9Vとなり、一方主FET1のドレイン電流(動作点)が300mA(≒0.1V/333mΩ)であるから、主FET1のドレイン電圧は5.9Vとなる。第1実施例では、モニタ用FET2と主FET1のドレイン電圧が等しくなるようにゲート電圧を制御することにより、常に飽和電流の50%(この値は任意)の動作点を実現することができる。
Thus, by setting the values R 1 and R 2 of the
即ち、モニタ用FET2で検知している飽和電流が例えば温度変動により55mAに変化したと仮定すると、主FET1の飽和電流は55mA×(600μm/50μm)=660mAとなる。そして、モニタ用FET2のドレイン電圧は、6V−(2Ω×55mA)=5.89Vとなるが、コンパレータ15によって主FET1のドレイン電圧が5.89Vとなるように、ゲート電圧が制御されることになり、動作点電流は、(6V−5.89V)÷333mΩ≒330mAとなる。この動作点電流は、温度変動時の主FET1の飽和電流660mAの50%に当たり、温度変動が生じた場合でも常に飽和電流の50%の動作点電流が維持されることになる。このことは、個々のデバイスで主FET1の特性にバラツキが生じる場合でも同様であり、常に個々のデバイスの最適動作点に設定することが可能となる。
That is, assuming that the saturation current detected by the
以上のように、上記第1実施例では、第1抵抗11及び第2抵抗14の値R1,R2をゲート幅及び動作点の割合(%)によって選定し、モニタ用FET2と主FET1のドレイン電圧が等しくなるように、主FET1のゲート電圧を制御するようにしたが、他の構成の電流調整・設定手段により、モニタ用FET2の飽和電流(及びその変化)を検知し、これに基づいて主FET1のドレイン電流が変化するようにゲート電圧を調整し、常に主FET1で設定された最適な動作点を維持することも可能である。
As described above, in the first embodiment, the values R 1 and R 2 of the
図4には、X軸の正方向にドレイン電圧、負の方向にゲート電圧、Y軸にドレイン電流を表したFETの一般的な特性が示されており、右半分のグラフは、ゲート電圧を一定にしてドレイン電圧を上げた時のドレイン電流の変化を何点かのゲート電圧で測定したグラフに、高周波信号が印加された場合の電圧電流の軌跡(AC負荷線)を、入力電圧を変えて重ねて表示したものである。また、左半分のグラフには、ゲート電圧に対するドレイン電流の変化が示されており、この左半分に示された入力電圧波形は、右半分に示される出力波形となる。 FIG. 4 shows the general characteristics of an FET with the drain voltage in the positive direction of the X axis, the gate voltage in the negative direction, and the drain current in the Y axis. The graph on the right half shows the gate voltage. The graph shows a change in drain current when the drain voltage is raised at a certain point, measured at several gate voltages. The locus of the voltage current (AC load line) when a high-frequency signal is applied is changed for the input voltage. Are displayed in layers. Further, the graph of the left half shows the change of the drain current with respect to the gate voltage, and the input voltage waveform shown in the left half is the output waveform shown in the right half.
図2には、複数のFETを設けたMMICに適用した第2実施例の構成が示されている。この第2実施例では、RF信号の入力端子RFinと出力端子RFoutの間に、2つの増幅用の主FET1A,1Bが配置されおり、この主FET1A,1Bと高周波的に分離する形でモニタ用FET2Aが同一のMMICチップ(CHIP)上に形成される。また、DCカット用コンデンサ19a〜19c、マッチング回路20a〜20dが接続される。
FIG. 2 shows the configuration of a second embodiment applied to an MMIC provided with a plurality of FETs. In the second embodiment, two amplification
そして、第1実施例と同様に、モニタ用FET2Aの飽和電流を電圧として検知するために、電源26及び第1抵抗27が設けられ、主FET1A,1Bの両方のドレイン電流を電圧として検知するために、上記電源26に接続した第2抵抗28が設けられ、また上記の両方の検知電圧を比較して主FET1A,1Bのゲート電圧を制御するコンパレータ29が配置される。更に、MMICチップ内にインダクタ22a〜22d、コンデンサ23a〜23dが設けられると共に、コンデンサ24a,24b、インダクタ25a,25bが配置される。
Similarly to the first embodiment, in order to detect the saturation current of the
このような第2実施例の場合は、動作電流設定用としての第1抵抗27と第2抵抗28の値を、主FET1A,1Bの合計のゲート幅とモニタ用FET2Aのゲート幅の比及び動作点の飽和電流値に対する割合によって選定することにより、第1実施例と同様に、モニタ用FET2Aと主FET1A,1Bのドレイン電圧が等しくなるように、主FET1A,1Bのゲート電圧が制御される。
In the case of the second embodiment, the values of the
図3には、エンハンスメント型FETに適用した第3実施例の構成が示されており、この第3実施例は、主FET1C及びモニタ用FET2Cをエンハンスメント型としている。そして、上記モニタ用FET2Cのゲートに、電源8の電圧を分圧して正の一定電圧を供給するための抵抗31,32を設けており、この抵抗31,32は、電源8の電圧を抵抗分配することにより、モニタ用FET2Cに飽和電流値を流すためのゲート電圧が設定される。なお、その他の構成は第1実施例の構成と同様となる。
FIG. 3 shows the configuration of a third embodiment applied to an enhancement type FET. In the third embodiment, the
このような第3実施例においても、モニタ用FET2Cの飽和電流を検知して主FET1Cの飽和電流を間接的にモニタすることにより、温度変動や個体差がある場合でも、主FET1Cにおいて飽和電流に対して所定割合となる最適な動作点を常に得ることができる。
In the third embodiment as well, by detecting the saturation current of the monitoring
高出力のFET、HEMT、MMICデバイスとして、マイクロ波無線送信機、衛星通信用送信機、地上通信用送信機等に適用することができる。 As a high output FET, HEMT, MMIC device, it can be applied to a microwave radio transmitter, a satellite communication transmitter, a ground communication transmitter, and the like.
1,1A,1B,1C…主FET、
2,2A,2C…モニタ用FET、
8,26…電源、
11,27…第1抵抗、 14,28…第2抵抗、
15,29,57…コンパレータ
41…FET。
1, 1A, 1B, 1C ... main FET,
2, 2A, 2C ... FET for monitoring,
8, 26 ... power supply,
11, 27 ... 1st resistance, 14, 28 ... 2nd resistance,
15, 29, 57 ...
Claims (1)
この主トランジスタと高周波的に分離された状態で形成され、主トランジスタのドレイン電流をモニタするためにそのゲート幅よりも小さいゲート幅を有するモニタ用トランジスタと、
上記主トランジスタにドレイン電流を供給するための電源、この電源と主トランジスタのドレインとの間に直列に挿入された動作電流設定用第1抵抗、上記モニタ用トランジスタに電流を供給するための電源、及びこの電源とモニタ用トランジスタのドレインとの間に直列に挿入された動作電流設定用第2抵抗が設けられたフィードバックバイアス回路と、を備え、
上記主トランジスタの動作点を飽和電流値のx%に設定する場合、上記フィードバックバイアス回路の第1抵抗の値R 1 と第2抵抗の値R 2 を、主トランジスタのゲート幅をWg 1 、モニタ用トランジスタのゲート幅をWg 2 とすると、
R 1 /R 2 = (Wg 2 /Wg 1 )/(x/100)
を満たすように選定し、
上記フィードバックバイアス回路は、上記主トランジスタとモニタ用トランジスタのドレイン電圧が等しくなるように、上記主トランジスタのゲート電圧を制御する高周波半導体回路。 A main transistor for inputting a high-frequency signal;
A monitoring transistor formed in a state separated from the main transistor at a high frequency and having a gate width smaller than the gate width for monitoring the drain current of the main transistor;
A power source for supplying a drain current to the main transistor, a first resistor for operating current setting inserted in series between the power source and the drain of the main transistor, a power source for supplying a current to the monitoring transistor, And a feedback bias circuit provided with a second resistor for setting an operating current inserted in series between the power supply and the drain of the monitor transistor,
When the operating point of the main transistor is set to x% of the saturation current value, the first resistance value R 1 and the second resistance value R 2 of the feedback bias circuit, the gate width of the main transistor Wg 1 , and the monitor If the gate width of the transistor is Wg 2 ,
R 1 / R 2 = (Wg 2 / Wg 1 ) / (x / 100)
Selected to satisfy
The feedback bias circuit is a high-frequency semiconductor circuit that controls the gate voltage of the main transistor so that the drain voltages of the main transistor and the monitoring transistor are equal .
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