特開 2023-91762 バイアス制御と高調波終端を備えた統合パワーアンプ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023091762

(43)【公開日】2023-06-30

(54)【発明の名称】バイアス制御と高調波終端を備えた統合パワーアンプ

(51)【国際特許分類】

   H03F 1/02 20060101AFI20230623BHJP

   H03F 3/24 20060101ALI20230623BHJP

【ＦＩ】

H03F1/02 188

H03F3/24

【審査請求】未請求

【請求項の数】20

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2022200872

(22)【出願日】2022-12-16

(31)【優先権主張番号】17/556,181

(32)【優先日】2021-12-20

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(71)【出願人】

【識別番号】518364964

【氏名又は名称】ルネサス エレクトロニクス アメリカ インコーポレイテッド

【氏名又は名称原語表記】ＲＥＮＥＳＡＳ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ ＡＭＥＲＩＣＡ ＩＮＣ．

【住所又は居所原語表記】１００１ Ｍｕｒｐｈｙ Ｒａｎｃｈ Ｒｏａｄ， Ｍｉｌｐｉｔａｓ， Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ ９５０３５， Ｕ．Ｓ．Ａ．

(74)【代理人】

【識別番号】110002066

【氏名又は名称】弁理士法人筒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】フセイン・ハサナリ・ラダニ

(72)【発明者】

【氏名】ラマヌジャム・スリニディ・エンバー

【テーマコード（参考）】

5J500

【Ｆターム（参考）】

5J500AA01

5J500AA21

5J500AA41

5J500AC33

5J500AC36

5J500AC62

5J500AC75

5J500AC81

5J500AC86

5J500AC92

5J500AF10

5J500AF15

5J500AH10

5J500AH11

5J500AH12

5J500AH17

5J500AH25

5J500AH29

5J500AH33

5J500AH43

5J500AK12

5J500AK29

5J500AK65

5J500AK68

5J500AM08

5J500AQ04

5J500AS14

5J500AT01

5J500AT05

5J500LV08

5J500WU08

(57)【要約】      （修正有）

【課題】より高い電力とより高い効率をもたらすことができるアンプモジュールを実装する装置及びシステムを提供する。
【解決手段】装置１００は、入力無線周波数（ＲＦ）信号ＲＦ＿ｉｎを受信するドライバアンプダイと、ドライバアンプ段１１０から出力された中間ＲＦ信号ＲＦ＿ｉｎｔを第１のＲＦ信号ＲＦ＿１及び第２のＲＦ信号ＲＦ＿２に分割するスプリッタネットワーク１０４と、第１のＲＦ信号及び第２のＲＦ信号を受信する出力アンプ段１２０と、ドライバアンプ段と出力アンプ段にバイアスをかけるバイアスコントローラ１０２と、出力アンプ段の第１の出力及び第２の出力を結合して出力ＲＦ信号ＲＦ＿ｏｕｔを生成するとともに出力アンプ段の出力インピーダンスの少なくとも１つの高調波を終端するコンバイナネットワーク１３０とで構成される。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

装置であって、
入力無線周波数（ＲＦ）信号を受信するように構成されたドライバアンプ段と、
前記ドライバアンプ段から出力された中間ＲＦ信号を第１のＲＦ信号と第２のＲＦ信号に分割するように構成されたスプリッタネットワークと、
前記スプリッタネットワークから前記第１のＲＦ信号および前記第２のＲＦ信号を受信するように構成された出力アンプ段と、
前記ドライバアンプ段および前記出力アンプ段にバイアス電圧を供給するように構成されたバイアスコントローラと、
コンバイナネットワークと、
を備え、
前記コンバイナネットワークは、
前記出力アンプ段の第１の出力と第２の出力とを組み合わせて、出力ＲＦ信号を生成し、
前記出力アンプ段の出力インピーダンスの少なくとも１つの高調波を終端する、
ように構成された、
装置。

【請求項2】

請求項１記載の装置において、
前記ドライバアンプ段は、同じサイズを有する一対のトランジスタを含み、
前記出力アンプ段は、異なるサイズを有する一対のトランジスタを含む、
装置。

【請求項3】

請求項１記載の装置において、
前記ドライバアンプ段および前記出力アンプ段は、窒化ガリウム（ＧａＮ）トランジスタを含む、
装置。

【請求項4】

請求項１記載の装置において、
前記出力アンプ段は、キャリアアンプおよびピーキングアンプを含み、
前記コンバイナネットワークは、前記キャリアアンプの出力と前記出力アンプ段の出力との間に接続されたインピーダンスインバータを備え、前記インピーダンスインバータは、インピーダンス反転を実行して前記出力アンプ段の出力インピーダンスの少なくとも１つの高調波を終端するように構成された、
装置。

【請求項5】

請求項１記載の装置において、
前記少なくとも１つの高調波は、第２高調波および第３高調波を含む、
装置。

【請求項6】

請求項１記載の装置において、
前記ドライバアンプ段は、キャリアアンプ、ピーキングアンプ、および、前記キャリアアンプの出力と前記ドライバ段の出力との間に接続されたインピーダンスインバータを含み、前記インピーダンスインバータは、インピーダンス反転を実行して前記ドライバアンプ段の出力インピーダンスを前記出力アンプ段の入力インピーダンスに整合させるように構成された、
装置。

【請求項7】

請求項１記載の装置において、
前記ドライバアンプ段および前記出力アンプ段はドハティアンプである、
装置。

【請求項8】

アンプモジュールであって、
搭載面を備える基板と、
前記基板に結合され、入力無線周波数（ＲＦ）信号を受信するように構成されたドライバアンプダイと、
前記基板に結合され、前記ドライバアンプダイから出力された中間ＲＦ信号を第１のＲＦ信号と第２のＲＦ信号とに分割するように構成されたスプリッタネットワークと、
前記基板に結合され、前記スプリッタネットワークから前記第１のＲＦ信号および前記第２のＲＦ信号を受信するように構成された出力アンプダイと、
前記基板に結合され、前記ドライバアンプダイおよび前記出力アンプダイにバイアス電圧を供給するように構成されたバイアスコントローラと、
前記基板に結合されたコンバイナネットワークと、
を備え、
前記コンバイナネットワークは、
前記出力アンプダイの第１の出力と第２の出力とを組み合わせて、出力ＲＦ信号を生成し、
前記出力アンプダイの出力インピーダンスの少なくとも１つの高調波を終端する、
ように構成した、
アンプモジュール。

【請求項9】

請求項８記載のアンプモジュールにおいて、
前記ドライバアンプダイは、同じサイズを有する一対のトランジスタを含み、
前記出力アンプダイは、異なるサイズを有する一対のトランジスタを含む、
アンプモジュール。

【請求項10】

請求項８記載のアンプモジュールにおいて、
前記ドライバアンプダイおよび前記出力アンプダイは、窒化ガリウム（ＧａＮ）トランジスタを含む、
アンプモジュール。

【請求項11】

請求項８記載のアンプモジュールにおいて、
前記出力アンプダイは、キャリアアンプおよびピーキングアンプを含み。
前記コンバイナネットワークは、前記キャリアアンプの出力と前記出力アンプダイの出力との間に接続されたインピーダンスインバータを備え、前記インピーダンスインバータは、インピーダンス反転を実行して、前記出力アンプダイの出力インピーダンスの少なくとも１つの高調波を終端するように構成された、
アンプモジュール。

【請求項12】

請求項８記載のアンプモジュールにおいて、
前記少なくとも１つの高調波は、第２高調波および第３高調波を含む、
アンプモジュール。

【請求項13】

請求項８記載のアンプモジュールにおいて、
前記ドライバアンプダイは、キャリアアンプ、ピーキングアンプ、および、前記キャリアアンプの出力と前記ドライバアンプダイの出力との間に接続されたインピーダンスインバータを含み、前記インピーダンスインバータは、インピーダンス反転を実行して、前記ドライバアンプダイの出力インピーダンスを前記出力アンプダイの入力インピーダンスに整合させるように構成された、
アンプモジュール。

【請求項14】

請求項８記載のアンプモジュールにおいて、
前記ドライバアンプダイと前記出力アンプダイはドハティアンプである、
アンプモジュール。

【請求項15】

システムであって、
アンテナと、
前記アンテナに結合され、アンプモジュールを含む送信機と、
を備え、
前記アンプモジュールは、
入力無線周波数（ＲＦ）信号を受信するように構成されたドライバアンプ段と、
前記ドライバアンプ段から出力された中間ＲＦ信号を第１のＲＦ信号と第２のＲＦ信号に分割するように構成されたスプリッタネットワークと、
前記スプリッタネットワークから前記第１のＲＦ信号および前記第２のＲＦ信号を受信するように構成された出力アンプ段と、
前記ドライバアンプ段および前記出力アンプ段にバイアス電圧を供給するように構成されたバイアスコントローラと、
コンバイナネットワークと、
を備え、
前記コンバイナネットワークは、
前記出力アンプ段の第１の出力と第２の出力とを組み合わせて、出力ＲＦ信号を生成し、
前記出力アンプ段の出力インピーダンスの少なくとも１つの高調波を終端する、
ように構成された、
システム。

【請求項16】

請求項１５に記載のシステムにおいて、
前記ドライバアンプ段および前記出力アンプ段は窒化ガリウム（ＧａＮ）トランジスタを含む、
システム。

【請求項17】

請求項１５に記載のシステムにおいて、
前記出力アンプ段は、キャリアアンプおよびピーキングアンプを含み、
前記コンバイナネットワークは、前記キャリアアンプの出力と前記出力アンプ段の出力との間に接続されたインピーダンスインバータを備え、前記インピーダンスインバータは、インピーダンス反転を実行して、前記出力アンプ段の出力インピーダンスの少なくとも１つの高調波を終端するように構成された、
システム。

【請求項18】

請求項１５に記載のシステムにおいて、
前記少なくとも１つの高調波は、前記出力ＲＦ信号の第２高調波および第３高調波を含む、
システム。

【請求項19】

請求項１５に記載のシステムにおいて、
前記ドライバ段は、キャリアアンプ、ピーキングアンプ、および、前記キャリアアンプの出力と前記ドライバ段の出力との間に接続されたインピーダンスインバータを含み、前記インピーダンスインバータは、インピーダンス反転を実行して、前記ドライバアンプ段の出力インピーダンスを前記出力アンプ段の入力インピーダンスに整合させるように構成された、
システム。

【請求項20】

請求項１５に記載のシステムにおいて、
前記ドライバアンプ段および前記出力アンプ段はドハティアンプである、
システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、一般に、無線電力増幅のための装置およびシステムに関する。特に、本開示は、バイアス制御および高調波終端と一体化されたマルチチップ無線周波数（ＲＦ）ぽわーアンプモジュールに関する。

【背景技術】

【0002】

無線通信システムは、無線周波数（ＲＦ）信号の電力を増加させるためにパワーアンプ（電力増幅器）を使用することがある。無線通信システムでは、伝送チャネルの最終増幅段にあるパワーアンプは、空中放射用のアンテナへの信号の増幅を容易にすることができる。高利得、高線形性、安定性、および高レベルの電力付加効率は、このような無線通信システムにおける望ましいアンプの特性である。一般に、パワーアンプが飽和電力に近い電力を送信する場合、パワーアンプは最大の電力効率で動作するかもしれない。ただし、出力電力が低下するにつれ、電力効率が低下してもよい。したがって、現在および次世代の無線システムには、高効率のパワーアンプのアーキテクチャが望まれるかもしれない。

【0003】

しかしながら、半導体パッケージ設計に関して、様々なアーキテクチャが課題に直面している。たとえば、一部のアンプの半導体パッケージ設計では、各増幅パスを実装するために、デバイス、導体、集積回路などの別個の構成要素の異なるセットが必要になるかもしれない。これらの別個の構成要素の異なるセットは、異なる増幅パス間の信号結合により発生する可能性のある潜在的な性能低下を制限するために、お互いから離れて特定の距離で維持されてもよい。したがって、異なる増幅パス間の距離を維持しながら、比較的小さなサイズのパワーアンプを設計することは課題であるかもしれない。

【発明の概要】

【0004】

一実施形態では、アンプモジュールを実装する装置が一般的に説明される。この装置は、入力無線周波数（ＲＦ）信号を受信するように構成されたドライバアンプ段を含むことができる。装置は、ドライバアンプ段から出力された中間ＲＦ信号を第１のＲＦ信号と第２のＲＦ信号に分割するように構成されたスプリッタネットワークをさらに含むことができる。この装置は、スプリッタネットワークから第１のＲＦ信号および第２のＲＦ信号を受信するように構成された出力アンプ段をさらに含むことができる。この装置は、ドライバアンプ段および出力アンプ段にバイアス電圧を供給するように構成された電力管理集積回路（ＰＭＩＣ）をさらに含むことができる。装置は、アンプ段の第１の出力と第２の出力とを結合して出力ＲＦ信号を生成するように構成されたコンバイナネットワークをさらに含むことができる。コンバイナネットワークは、出力アンプ段の出力インピーダンスの少なくとも１つの高調波を終端するようにさらに構成することができる。

【0005】

別の実施形態では、アンプモジュールが一般的に説明される。アンプモジュールは、搭載面を有する基板を含むことができる。アンプモジュールは、基板に結合されたドライバアンプダイをさらに含むことができ、ドライバアンプダイは、入力無線周波数（ＲＦ）信号を受信するように構成されている。アンプモジュールは、基板に結合されたスプリッタネットワークをさらに含むことができ、スプリッタネットワークは、ドライバアンプ段から出力された中間ＲＦ信号を、第１のＲＦ信号と第２のＲＦ信号に分割するように構成されている。アンプモジュールは、基板に結合された出力アンプダイをさらに含むことができ、出力アンプダイは、スプリッタネットワークから第１のＲＦ信号および第２のＲＦ信号を受信するように構成されている。アンプモジュールは、基板に結合された電力管理集積回路（ＰＭＩＣ）をさらに含むことができ、ＰＭＩＣは、ドライバアンプ段および出力アンプ段にバイアス電圧を供給するように構成されている。アンプモジュールは、基板に結合されたコンバイナネットワークをさらに含むことができ、コンバイナネットワークは、アンプ段の第１の出力と第２の出力を結合して出力ＲＦ信号を生成するように構成されている。コンバイナネットワークは、出力アンプ段の出力インピーダンスの少なくとも１つの高調波を終端するようにさらに構成することができる。

【0006】

別の実施形態では、アンプモジュールを実装するシステムが一般的に説明される。システムは、アンテナとアンテナに結合された送信機とを含むことができる。送信機にはアンプモジュールを含めることができる。アンプモジュールは、入力無線周波数（ＲＦ）信号を受信するように構成されたドライバアンプ段を含むことができる。アンプモジュールは、ドライバアンプ段から出力された中間ＲＦ信号を、第１のＲＦ信号と第２のＲＦ信号に分割するように構成されたスプリッタネットワークをさらに含むことができる。アンプモジュールは、スプリッタネットワークから第１のＲＦ信号および第２のＲＦ信号を受信するように構成された出力アンプ段をさらに含むことができる。アンプモジュールは、ドライバアンプ段および出力アンプ段にバイアス電圧を供給するように構成された、電力管理集積回路（ＰＭＩＣ）とすることができるバイアスコントローラをさらに含むことができる。アンプモジュールは、アンプ段の第１の出力と第２の出力とを結合して出力ＲＦ信号を生成するように構成されたコンバイナネットワークをさらに含むことができる。コンバイナネットワークは、出力アンプ段の出力インピーダンスの少なくとも１つの高調波を終端するようにさらに構成することができる。

【0007】

前述の概要は、例示のみを目的としており、決して限定を意図するものではない。上述の例示的な態様、実施形態、および特徴に加えて、さらなる態様、実施形態、および特徴は、図面および以下の詳細な説明を参照することによって明らかになるであろう。図面において、同様の参照番号は、同一または機能的に同様の要素を示す。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】一実施形態において、バイアス制御および高調波終端を備えた統合パワーアンプを実装することができる例示的な装置を示す図である。

【図2】一実施形態において、図１に示す例示的な装置のさらなる詳細を示す図である。

【図3】一実施形態において、図１に示す例示的な装置のさらなる詳細を示す図である。

【図4】一実施形態におけて、図１に示す例示的な装置の実装の例示的な結果を示す図である。

【図5】一実施形態において、図１に示す例示的な装置を実装することができるパッケージ化されたデバイスのレイアウトを示す図である。

【図6】一実施形態において、バイアス制御および高調波終端を備えた統合パワーアンプを実装することができる例示的な通信システムを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下の説明では、本出願の様々な実施形態の理解を提供するために、特定の構造、構成要素、材料、寸法、処理ステップ、および技術などの多数の具体的な詳細が記載される。しかしながら、本出願の様々な実施形態がこれらの具体的な詳細なしで実施され得ることは、当業者によって理解されるであろう。他の例では、本出願を曖昧にすることを避けるために、周知の構造または処理ステップは詳細には説明されていない。

【0010】

より小さいサイズのパワーアンプを設計するために、窒化ガリウム（ＧａＮ）デバイスが検討される。ＧａＮデバイスは、コンパクトなサイズ、より高い電力密度、より高い効率、より低いスイッチング損失、より優れた熱管理の提供など、他の材料のデバイスよりも様々な利点を提供する可能性がある。ＧａＮデバイスは、ワイドバンドギャップ半導体として知られる半導体ファミリーに属している。ワイドバンドギャップ半導体は、例えばシリコン（Ｓｉ）またはガリウム砒素（ＧａＡｓ）などの一般的に使用される材料のバンドギャップよりも大幅に大きいバンドギャップを有する材料と呼ぶことができる。ワイドバンドギャップは典型的には、例えば１または２電子ボルト(ｅＶ)より大きいバンドギャップを持つ材料を指し、ＧaＮは３．２電子ボルト(ｅＶ)(シリコンのほぼ３倍高い)のバンドギャップを有する。より広いバンドギャップにより、ＧａＮデバイスは価電子を半導体の伝導帯に励起するためにより多くのエネルギーを要求させられ、より高い絶縁破壊電圧とより高い温度でのより大きな熱安定性とを可能にするという利点を提供する。さらに、ＧａＮのより高い絶縁崩壊電圧により、ＧａＮデバイスは損傷を受けることなく高電圧および高電力アプリケーションをサポートすることが可能になり、比較的小さない実装面積を維持しながらＧａＮデバイスを電力アプリケーションで使用可能にする。したがって、ＧａＮデバイスに基づくパワーアンプは、すぐ近くに増幅パスを有し、その結果、より小さなパワーアンプをもたらすかもしれない。高周波アプリケーションの場合、ＧａＮは、例えばシリコンよりも大幅に高い電子移動度を有している。その結果、ＧａＮ結晶内の電子は、シリコン内よりも３０％以上速く移動できる。したがって、ＧａＮの電子移動度により、ＧａＮはＲＦアプリケーションなどの特定のアプリケーションでより高いスイッチング周波数を扱うことが可能になる。

【0011】

図１は、一実施形態において、バイアス制御および高調波終端を備えた統合パワーアンプを実装することができる例示的な装置１００を示す図である。装置１００は、１つの半導体パッケージに統合された複数の構成要素（例えば、チップ、ダイ、回路要素など）を有するパワーアンプモジュールであり得る。装置１００は、バイアスコントローラ１０２、ドライバアンプ段１１０、スプリッタネットワーク１０４、出力アンプ段１２０、およびコンバイナネットワーク１３０を含み得る。バイアスコントローラ１０２は、電力管理集積回路（ＰＭＩＣ）であり得る。一実施形態では、ドライバアンプ段１１０および出力アンプ段１２０は、ツーウェイドハティアンプであり得る。 １つまたは複数の実施形態では、出力アンプ段１２０は、Ｎウェイドハティアンプであり得る。装置１００は、入力ＲＦ信号ＲＦ＿ｉｎを受信し、ＲＦ＿ｉｎを増幅して出力ＲＦ信号ＲＦ＿ｏｕｔを生成するように構成することができる。一実施形態では、ドライバアンプ段１１０および出力アンプ段１２０は、窒化ガリウム金属半導体電界効果トランジスタ（ＧａＮ ＭＥＳＦＥＴ）、ＧａＮ高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）、ＧａＮヘテロ構造電界効果トランジスタ（ＨＦＥＴ）、シリコン横方向拡散金属酸化膜半導体(ＬＤＭＯＳ)、シリコン相補型金属酸化膜半導体 (ＣＭＯＳ)、ガリウムヒ素 (ＧａＡｓ) デバイス、シリコンゲルマニウム(ＳｉＧｅ)などの窒化ガリウム（ＧａＮ）トランジスタを含むことができる。

【0012】

ドライバアンプ段１１０は、アンプ１１２およびアンプ１１４を含むことができる。アンプ１１２は、ドライバアンプ段１１０のピーキングアンプまたは補助アンプとすることができ、アンプ１１４は、ドライバアンプ段１１０のキャリアアンプまたは主アンプとすることができる。一実施形態では、アンプ１１２、１１４は、対称（例えば、同一の、同じサイズを有する、および／または同じ電力能力を有する）無線周波数（ＲＦ）アンプとすることができる。入力無線周波数（ＲＦ）信号ＲＦ＿ｉｎは、装置１００によって受信され、ドライバアンプ段１１０内のアンプ１１２、１１４に分配され得る。ドライバアンプ段１１０のアンプ１１２、１１４は、ＲＦ＿ｉｎを受信し、ＲＦ＿ｉｎにゲインを適用してＲＦ＿ｉｎを中間ＲＦ信号ＲＦ＿ｉｎｔに増幅することができる。インピーダンスインバータ１１６を含む整合ネットワークは、アンプ１１２、１１４の出力端子間に接続することができる。インピーダンスインバータ１１６は、インピーダンス反転を実行して、ドライバアンプ段１１０の出力インピーダンスをスプリッタネットワーク１０４のインピーダンスに整合させるように構成することができる。インピーダンスインバータ１１６によって実行されるインピーダンス整合は、ドライバアンプ段１１０から出力アンプ段１２０に伝達される電力を最大化することができ、および／またはドライバアンプ段１１０と出力アンプ段１２０との間の定常波の生成を防止することができる。

【0013】

スプリッタネットワーク１０４は、中間ＲＦ信号ＲＦ＿ｉｎｔを第１のＲＦ信号ＲＦ＿１と第２のＲＦ信号ＲＦ＿２に分割するように構成することができる。スプリッタネットワーク１０４は、ＲＦ信号の分割を容易にすることができる様々な表面実装受動部品（例えば、抵抗器、インダクタ、コンデンサ）を含むことができる。１つまたは複数の実施形態では、スプリッタネットワーク１０４は、９０度の位相シフトを提供する１／４波長伝送ラインなど、特定の遅延を中間ＲＦ信号ＲＦ＿ｉｎｔに適用できる伝送ラインを含むことができる。一実施形態では、スプリッタネットワーク１０４は、ストリップラインベースの４ポート表面実装の９０度ハイブリッドカプラを使用して実装することができる。一実施形態では、スプリッタネットワーク１０４は、第１のＲＦ信号ＲＦ＿１と第２のＲＦ信号ＲＦ＿２との比の電圧レベルが１：Ｘとなるように、１：Ｘの電力分割比を有することができ、Ｘは１から２の間で変化することができる。

【0014】

出力アンプ段１２０は、アンプ１２２およびアンプ１２４を含むことができる。アンプ１２２は、出力アンプ段１２０のピーキングまたは補助アンプとすることができ、アンプ１２４は、出力アンプ段１２０のキャリアまたは主アンプとすることができる。一実施形態では、アンプ１２２、１２４は、互いに異なる電力能力を有する異なるＲＦアンプであるなど、非対称とすることができる。例えば、アンプ１２２は、アンプ１２２がより高い電圧レベルで信号を処理でき、アンプ１２４がより低い電圧信号で信号を処理できるように、アンプ１２４と比較してより高い電力能力を有することができる。第１のＲＦ信号ＲＦ＿１および第２のＲＦ信号ＲＦ＿２は、出力アンプ段１２０のアンプ１２２、１２４によってそれぞれ受信され得る。アンプ１２２は、ＲＦ＿１にゲインを適用してＲＦ＿１を増幅し、ＲＦ信号ＲＦ＿１Ａを生成することができる。ここで、ＲＦ＿１ＡはＲＦ＿１の増幅バージョンであり得る。アンプ１２４は、ＲＦ＿２にゲインを適用してＲＦ＿２を増幅し、ＲＦ信号ＲＦ＿２Ａを生成することができる。ここで、ＲＦ＿２ＡはＲＦ＿２の増幅バージョンであり得る。

【0015】

バイアスコントローラ１０２は、ゲートバイアス電圧１１７、１１８を提供してアンプ１１２、１１４をそれぞれオンにするように構成することができる。アンプ１１２、１１４は、入力ＲＦ信号ＲＦ＿ｉｎの電圧レベルに応じて、同時にまたは異なる時間にオンに切り替えることができる。バイアスコントローラ１０２はまた、ゲートバイアス電圧１２６をアンプ１２２に提供し、ゲートバイアス電圧１２８をアンプ１２４に提供するように構成することもできる。アンプ１２２、１２４は、中間ＲＦ信号ＲＦ－ｉｎｔの電圧レベルに応じて、同時にまたは異なる時間にオンに切り替えることができる。バイアスコントローラ１０２はさらに、装置１００の様々なパラメータをモニタし、モニタしたパラメータに基づいて装置１００に対して内部のバイアス電圧または他のパラメータまたは制御信号を調整するように構成することができる。例えば、バイアスコントローラ１０２は、装置１００の動作温度を感知するように構成された温度センサ１０８を含むことができる。バイアスコントローラ１０２のコントローラ１０６（例えば、マイクロコントローラ）は、温度センサ１０８によって感知された動作温度に基づいてゲートバイアス電圧１１７、１１８、１２６、１２８を調整するように構成することができる。

【0016】

一実施形態では、装置１００は、無線送信機、無線送受信機、ビームフォーマ回路、および／または、ＲＦ信号増幅を必要とする他のタイプのＲＦ通信デバイスなどのＲＦ通信デバイスに統合されたパワーアンプモジュールであり得る。装置１００の出力端子は、フェーズドアレイのうち１つのアンテナまたは１つもしくは複数のアンテナなど、出力ＲＦ信号ＲＦ＿ｏｕｔを表す電波を放射できる負荷またはデバイスに接続することができる。コンバイナネットワーク１３０は、アンプ１２２、１２４の出力端子間に接続されたインピーダンスインバータ１３２を含むことができる。インピーダンスインバータ１３２は、インピーダンス反転を実行して、出力アンプ段１２０の出力インピーダンスを、装置１００から電力を引き出す負荷または負荷の入力インピーダンスに整合させるように構成することができる。具体的には、インピーダンスインバータ１３２は、アンプ１２４の動作を最適化するために第２高調波終端を提供することができる。インピーダンスインバータ１３２によって実行されるインピーダンス整合は、出力アンプ段１２０から負荷に搬送される電力を最大化することができ、および／または、出力アンプ段１２０と負荷との間の定常波の生成を防止することができる。

【0017】

コンバイナネットワーク１３０は、帯域幅、効率、負荷変調に関する基準を満たし、第２および第３高調波終端を実行するように設計することができる。バイアスコントローラ１０２、ドライバアンプ段１１０、スプリッタネットワーク１０４、出力アンプ段１２０、およびコンバイナネットワーク１３０は、比較的コンパクトなサイズを有する単一のマルチチップモジュール内に統合することができる。例えば、装置１００は、約１２ミリメートル（ｍｍ）×８ｍｍの寸法を有する基板またはウェハに取り付けることができる。出力アンプ段１２０に集積ドハティアンプを実装することにより、他のタイプのアンプと比較されると、比較的広いＲＦ帯域幅に適応させながら、占有基板スペースの量を減らすことができる。例えば、ドハティアンプの実装により、コンバイナネットワーク１３０は、アンプ１２２、１２４の出力間に接続された９０度インピーダンスインバータ（例えば、インピーダンスインバータ１３２）を使用するのが可能になり、ピーキングアンプ（例えば、アンプ１２２）の出力上のオフ状態遅延線は必要ないかもしれない。さらに、インピーダンスインバータ１３２は、基板スペースを節約するために、マイクロストリップラインの代わりに集中等価素子回路（例えば、抵抗、インダクタ、コンデンサを使用）によって実現または実装することができる。

【0018】

ドライバアンプ段１１０に集積ドハティアンプを実装することにより、クラスＡＢアンプなどの他のタイプのアンプと比較した場合に、占有基板スペースの量を削減することもできる。さらに、ドライバアンプ段１１０における対称ドハティアンプ（例えば、アンプ１１２、１１４が同一である）の実装は、ドライバアンプ段が約１０から１２デシベル（ｄＢ）のバックオフ電力で動作してもよいので、より広い帯域信号にわたって最適な線形性を提供することができる。一実施形態では、ドライバアンプ段１１０のインピーダンスインバータ１１６は、基板スペースを節約するために、マイクロストリップラインの代わりに、集中等価回路要素（例えば、抵抗器、インダクタ、コンデンサ）によって実現または実装することもできる。さらに、インピーダンスインバータ１１６は、ドライバアンプ段１１０における対称ドハティアンプの実装とともに、出力伝送がドライバアンプ段１１０の出力前に必要とされないようにアンプ１１２、１１４によって出力されるＲＦ信号の５０オームの直接結合を提供することができる。

【0019】

ドライバアンプ段１１０および出力アンプ段１２０におけるＧａＮトランジスタの利用により、インピーダンスインバータ１３２に対する集中等価物の実施とともに、ドライバアンプ段１１０および出力アンプ段１２０が、比較的小さい可能性のある基板の領域に取り付けられることを可能にする。ドライバアンプ段１１０および出力アンプ段１２０によって占有される回路基板スペースの減少により、バイアスコントローラ１０２が、同じモジュール（例えば、装置１００）に統合されることを可能にする。バイアスコントローラ１０２をドライバアンプ段１１０および出力アンプ段１２０と同じモジュールに統合することにより、ドライバアンプ段１１０および出力アンプ段１２０の比較的効率的かつ高速なバイアス制御が可能になり、したがって、パワーアンプチップまたはモジュール（例えば、装置１００）の全体的な性能が向上される。

【0020】

図２は、一実施形態における図１に示される例示的な装置のさらなる詳細を示す図である。図２に示す例では、ドライバアンプ段１１０は、トランジスタ２０２およびトランジスタ２０４を含むことができる。トランジスタ２０２、２０４は、ＧａＮトランジスタとすることができる。トランジスタ２０２はアンプ１１２の一部とすることができ、トランジスタ２０４はアンプ１１４の一部とすることができる（図１参照）。トランジスタ２０２、２０４は、互いに同一であり得る（例えば、同じサイズを有する）。バイアスコントローラ１０２（図１参照）によって提供されるゲートバイアス電圧１１７、１１８は、トランジスタ２０２およびトランジスタ２０４をそれぞれオンに切り替えることができる。インピーダンスインバータ１１６は、トランジスタ２０２、２０４の間またはアンプ１１２、１１４の出力端子間に接続することができる。インピーダンスインバータ１１６は、チップコンデンサおよびチップインダクタなどの集中構成要素として、または、マイクロストリップラインなどの分散伝送線の形式で、または、集中ラインとマイクロストリップラインの両方を使ったハイブリッド形式で実装することができる。図２に示される例では、インピーダンスインバータ１１６は、伝送線の集中等価物（図２に示されるように、コンデンサＣ１およびインダクタＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４を含む回路要素の配列）として実装され得る。インピーダンスインバータ１１６内の構成要素のサイズは、インピーダンスインバータ１１６内の回路要素によって発揮される電圧および電流レベルと、利用可能な回路基板スペースとに基づくことができる。一実施形態では、Ｌ１およびＬ２のサンプル値は、ドライバアンプ段が約３．５ギガヘルツ（ＧＨｚ）で動作する場合、約１．９ナノヘンリー（ｎＨ）とすることができる。供給電圧ＶＤＤをインピーダンスインバータ１１６に印加して、インピーダンスインバータ１１６を駆動してインピーダンス反転を実行することができる。 １つまたは複数の実施形態では、供給電圧ＶＤＤは、２０Ｖから５５Ｖの範囲内であり得る。インピーダンスインバータ１１６によって実行されるインピーダンス反転は、ドライバアンプ段１１０の出力インピーダンスを出力アンプ段１２０の入力インピーダンスに整合させることができる。インピーダンスインバータ１１６によって実行されるインピーダンス整合は、ドライバアンプ段１１０から出力アンプ段に伝達される電力を最大化することができる。ドライバアンプ段１１０がドハティアンプであることに応答して、ドライバアンプ段１１０は、バックオフ電力レベルで比較的高い効率を供給することができる。さらに、インピーダンスインバータ１１６は、トランジスタ２０２および２０４にＶＤＤを供給するためのドレインバイアス供給を提供するなどの追加機能も提供することができる。さらに加えて、インピーダンスインバータ１３２は、高効率および高電力密度を可能にするために、トランジスタ３０２、３０４の電流発生器での第２および第３高調波で最適な高調波終端を提示することができる。

【0021】

図３は、一実施形態における図１に示される例示的な装置のさらなる詳細を示す図である。図３に示される例では、出力アンプ段１２０はトランジスタ３０２およびトランジスタ３０４を含むことができる。トランジスタ３０２、３０４はＧａＮトランジスタとすることができる。トランジスタ３０２はアンプ１２２の一部とすることができ、トランジスタ３０４はアンプ１２４の一部とすることができる（図１参照）。１つまたは複数の実施形態では、トランジスタ３０２は、トランジスタ３０４のサイズ以上のサイズを有する。バイアスコントローラ１０２（図１参照）によって提供されるゲートバイアス電圧１２８は、トランジスタ３０２をオンに切り替えることができ、バイアスコントローラ１０２（図１参照）によって提供されるゲートバイアス電圧１２８は、トランジスタ３０４をオンに切り替えることができる。インピーダンスインバータ１３２は、トランジスタ３０２、３０４の間、または、アンプ１２２、１２４の出力端子の間に接続することができる。インピーダンスインバータ１３２は、チップコンデンサやチップインダクタなどの集中構成要素として、または、マイクロストリップラインなどの分散伝送線の形式で、または、集中ラインおよびマイクロストリップラインの両方を使用するハイブリッド形式で実装することができる。図２に示される例では、インピーダンスインバータ１３２は、伝送線の集中等価物（図３に示されるように、コンデンサＣ２およびインダクタＬ５、Ｌ６、Ｌ７、Ｌ８を含む回路要素の配列）として実装することができる。インピーダンスインバータ１３２内の構成要素のサイズは、インピーダンスインバータ１３２内の回路要素によって発揮される電圧および電流レベルと、利用可能な回路基板スペースとに基づくことができる。一実施形態では、最終段が約３．５ギガヘルツ（ＧＨｚ）で動作する場合、Ｌ６およびＬ７は０．３５ｎＨ、Ｃ２は０．３ピコファラッド（ｐＦ）、Ｌ５は０．８５ｎＨ、Ｌ８は０．５ｎＨとすることができる。一実施形態では、インダクタＬ５およびＬ８が比較的高いインダクタンスを有する場合、インダクタＬ５およびＬ８はチョークとして機能することができる。インダクタＬ５およびＬ８が比較的小さいのインダクタンスを有する場合、ＲＦ信号 (例えば、ＲＦ＿１、ＲＦ＿２) はコンデンサＣ３、Ｃ４に向けられ、ＶＤＤはＲＦ信号を確認しないかもしれない。インピーダンスインバータ１３２によって実行されるインピーダンス反転は、出力アンプ段１２０の出力インピーダンスを、装置１００から電力を引き出す負荷または負荷の入力インピーダンスに整合させることができる。具体的には、インピーダンスインバータ１３２は、出力アンプ段１２０と装置１００に接続された負荷との間で第２高調波および第３高調波のインピーダンスを整合させることができる。インピーダンスインバータ１３２によって実行されるインピーダンス整合は、出力アンプ段１２０から負荷に伝達される電力を最大化することができる。さらに、インピーダンスインバータ１３２は、トランジスタ３０２および３０４にＶＤＤを提供するためのドレインバイアス供給を提供するなどの追加機能を提供することができる。さらに加えて、インピーダンスインバータ１３２は、高効率および高電力密度を可能にするために、トランジスタ３０２、３０４の電流発生器での第２および第３高調波で最適な高調波終端を提示することができる。

【0022】

図４は、一実施形態における図１に示される例示的な装置１００の実装の例示的な結果を示す図である。装置１００の最適な基本インピーダンスに対してスケーリングされたスミスチャート４００が図４に示されている。スミスチャート４００では、入力ＲＦ信号ＲＦ＿ｉｎの基本周波数のインピーダンスがスミスチャート４００上の点４０４に示されている。ある態様では、能動トランジスタ（例えば、トランジスタ３０２、３０４）の非線形性は、高次周波数で高調波を生成することができる。生成した高調波は、装置１００の性能を向上させることができるように、生成した高調波に合わせてインピーダンスインバータ１３２を設計することによって制御することができる。例えば、スミスチャート４００の点４０６および４０８は、電流発生器基準面でトランジスタ３０４（例えば、キャリアトランジスタ）に提示される第２高調波および第３高調波インピーダンスを示す。点４０４、４０６、４０８は、それぞれ基本周波数、第２高調波、および第３高調波に対する目標整合インピーダンスを表すことができる。点４０４、４０６、４０８は、インピーダンスインバータ１１６および／またはインピーダンスインバータ１３２を設計するために使用されて、供給電圧ＶＤＤの約３倍（例えば、ＶＤＤが５０Ｖの場合、１５０Ｖ）に到達するトランジスタ３０４の電圧スイングを達成することができ、方形波への出力の近似を許容する。例えば、インピーダンスインバータ１３２は、容量性領域内の固定点４０６、４０８によって設計することができる。乗算した電圧スイング (例えば、３倍)と方形波近似との組み合わせは、基本周波数の整合インピーダンスのみに基づいて設計されたアンプモジュール(例えば、出力が正弦波電圧波および／または半正弦波電流波を持つモジュール) と比較して、より高い電力とより高い効率をもたらすことができる。

【0023】

インピーダンスインバータ１３２によって実行されるインピーダンス整合は、出力アンプ段１２０の出力インピーダンスを調整して、特定の高調波を終了させることができる。例えば、第２高調波を終了させるために、出力アンプ段１２０の出力インピーダンスをインピーダンスインバータ１３２によって調整して、スミスチャート４００上の点４０６によって表されるインピーダンスを達成することができる。第３高調波を終了させるために、出力アンプ段の出力インピーダンス１２０をインピーダンスインバータ１３２によって調整して、スミスチャート４００上の点４０８によって表されるインピーダンスを達成することができる。一態様では、装置１００は、第２高調波および第３高調波を終端して、比較的大きな電圧スイング（例えば、３倍のドレイン電圧より大きい）をＧａＮトランジスタの利用に基づいて達成することができる。

【0024】

図５は、一実施形態において図１に示される例示的な装置１００を実装することができるパッケージ化されたデバイスのレイアウトを示す図である。装置１００（図１参照）のレイアウト５００を図５に示す。図１を参照すると、ドライバアンプ段１１０、スプリッタネットワーク１０４、出力アンプ段１２０、コンバイナネットワーク１３０、およびバイアスコントローラ１０２を、基板５０２に結合または基板５０２の上面に搭載することができる。基板５０２は、例えば、様々な回路部品、デバイス、チップ、および／またはダイを搭載するための搭載面を含む多層積層部品であり得る。一実施形態では、ドライバアンプ段１１０および出力アンプ段は、動作中に熱を発生する可能性があるモノリシック集積回路（ＩＣ）であってもよい。基板５０２は、ヒートシンクおよび接地基準アクセスを提供するために、ドライバアンプ段１１０および出力アンプ段１２０に接続された電気的および熱伝導性のトレンチまたはスラグをさらに含んでもよい。１つまたは複数の実施形態では、１つまたは複数の導電性ランディングパッドを基板５０２上に搭載することができる。１つまたは複数の導電性ランディングパッドは、装置１００がＲＦ＿ｉｎを受け取り、ＲＦ＿ｏｕｔを出力するための入力ノードおよび出力ノードとして機能することができる。導電性パッドの一部は、電源から電力を受け取るための入力ノードとして機能できる。

【0025】

一実施形態では、ドライバアンプ段１１０および出力アンプ段１２０は、基板５０２上の個別のダイとして実施することができる。インピーダンスインバータ１１６は、ドライバアンプ段１１０内の集中素子回路として実施することができる。インピーダンスインバータ１３２は、出力アンプ段１２０内の集中素子回路として実施することができる。図５で示す例では、トランジスタ２０２、２０４（図２参照）は互いに同一であり、トランジスタ３０２はトランジスタ３０４よりもサイズを大きくてもよい。バイアスコントローラ１０２は、ドライバアンプ段１１０および出力アンプ段１２０に近接して配置することができる。ドライバアンプ段１１０、出力アンプ段１２０、およびバイアスコントローラ１０２は、絶縁を改善するためまたはノイズ漏れを抑制するために、別個の電気接地に結合されてもよい。

【0026】

一態様では、シリコントランジスタは、ＧａＮトランジスタと比較すると、より多くの寄生効果を有しているかもしれない。したがって、シリコントランジスタを使用する高周波ＲＦアプリケーション用の整合ネットワークとインピーダンスコンバータは、より多くの構成要素を必要とし、これらの整合ネットワークのサイズは、構成要素の追加に伴って大きくなってもよい。一方、ＧａＮトランジスタは、シリコントランジスタに比べて寄生が少なく、電力密度が高い。これらの違いにより、ＧａＮトランジスタをＲＦアプリケーションに実装することができ、シリコントランジスタを実装するアプリケーションと比較すると、対応する整合ネットワークとインピーダンスインバータは、比較的少ない構成要素で実装することができる。

【0027】

図６は、一実施形態において、バイアス制御および高調波終端を備えた統合パワーアンプを実装できる例示的なシステム６００を示す図である。システム６００は、無線送信機または送受信機に実装された通信システムであってもよい。システム６００は、装置１００を含む送信機または伝送チャネル６１０、受信機または受信機チャネル６２０、および１つまたは複数のアンテナ６０８を含んでもよい。送信機６１０は、入力ＲＦ信号ＲＦ＿ｉｎを装置１００に提供するように構成してもよい。一実施形態では、送信機６０１は、装置１００によって増幅される前に入力ＲＦ信号ＲＦ＿ｉｎの利得および位相を調整することができる利得制御回路および位相制御回路などの制御構成要素を含むフロントエンド回路をさらに含むことができる。装置１００は出力ＲＦ信号ＲＦ＿ｏｕｔをアンテナ６０８に送信することができる。一実施形態では、ＲＦ＿ｏｕｔは、フィードバック信号６０４として、例えば送信機６１０または他のコントローラにフィードバックすることができる。一実施形態では、システム６００は、フィードバック信号６０４を使用してＲＦ＿ｏｕｔをモニタしアンテナ６０８の性能を維持および安定化できるデジタル予歪システムを備えたループ内に接続することできる。一実施形態では、サーキュレータ６０６を、装置１００の出力とアンテナ６０８との間に接続することができる。サーキュレータ６０６は、システム６００に対して起動されている送信または受信モードに応答して、アンテナ６０８に流れる電流をリダイレクトすることによって、アンテナ６０８への損傷を防ぐことができる。一例では、サーキュレータ６０６は、システム６００が送信モードで動作している場合、装置１００の出力をアンテナ６０８に接続するように切り替えてもよい。システム６００が受信モードで動作している場合、サーキュレータ６０６はアンテナ６０８を受信機６２０に接続するために切り替えてもよい。受信モードでは、アンテナ６０８は、ＲＸ＿ｉｎとラベル付けされたＲＦ信号を受信してもよく、受信機６２０は、ＲＸ＿ｉｎを処理して、ＲＸ＿оｕｔとしてラベル付けされた受信ＲＦ信号を生成するためのＲＸ＿ｉｎの位相、受信角度、振幅などを決定するように構成されてもよい。システム６００は、ＲＦ信号ＲＸ＿ｏｕｔによって運ばれ得るメッセージの復号化を容易にすることができるデコーダおよびコンバイナをさらに含むことができる。

【0028】

本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を説明することだけを目的としており、本発明を限定することを意図していない。本明細書で使用されるとき、単数形「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、文脈が明確に別段の指示をしない限り、複数形も含むことを意図している。本明細書で使用される場合、「ｃоｍｐｒｉｓｅｓ（含む）」および／または「ｃоｍｐｒｉｓｉｎｇ（含む）」という用語は、記載された特徴、整数、ステップ、操作、要素、および／または構成要素の存在を特定するが、１つまたは複数の他の機能、整数、ステップ、操作、要素、構成要素、および／またはそれらのグループの存在または追加を排除しないことがさらに理解されるであろう。

【0029】

もしあれば、以下の特許請求の範囲における対応する構造、材料、作用、および、すべての手段またはステッププラス機能要素の均等物は、具体的に請求されているように、他の特許請求された要素と組み合わせて機能を実行するための任意の構造、材料、または作用を含むことを意図している。本発明の説明は、例示および説明を目的として提示されたものであり、網羅的であること、または、開示された形態の本発明に限定されることを意図していない。当業者にとって、本発明の範囲および精神から逸脱することなく、多くの修正および変形が明らかであろう。実施形態は、本発明の原理および実際の適用を最もよく説明し、他の当業者が考えられる特定の使用に適した様々な変更を伴う様々な実施形態について本発明を理解できるようにするために選択され、説明された。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【外国語明細書】