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JP4255703B2 - Cascode power amplifier - Google Patents
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JP4255703B2 - Cascode power amplifier - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、2つのトランジスタの一方のドレインを他方のソースに接続するカスコード電力増幅器に関し、特にマイクロ波帯の信号を増幅するカスコード電力増幅器に関する。
【0002】
【従来の技術】
CMOS技術を適用した高周波電力増幅器は、高周波信号を入力されるソース接地の第1のトランジスタのドレインと、ベース接地の第2のトランジスタのソースとをカスコード接続し、第2のトランジスタのドレインから増幅された高周波信号を出力する構成になっている。エンハンスメント型のトランジスタを使用したカスコード電力増幅器は、第2のトランジスタのゲート端子は電源端子からインダクタと抵抗を介して接続されて電源電圧と同じくなっている(例えば、非特許文献1参照。)。
【0003】
【非特許文献1】
2002 アイトリイー インターナショナル ソリッドステート カンファレンス 技術論文ダイジェスト (2002 IEEE International Solid−State Circuits Conference Digest of Technical Paper)、2002年2月6日、セッション17(進歩したRF技術)、17.5
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来のエンハンスメント型のカスコード電力増幅器を出力電力が飽和出力電力に近い条件で使用したとき、第2のトランジスタのゲート印加電圧は電源電圧と等しいので、第2のトランジスタのドレインーソース間電圧が第1のトランジスタのドレインーソース間電圧より小さく、第2のトランジスタのドレイン電流が先に飽和するために、電力増幅器は出力電力を効率よく取り出せないという問題があった。
【0005】
また、高電力利得、高出力を両立するために、高電力利得なトランジスタを第1のトランジスタとして用いた場合、高利得トランジスタにおいては、ドレインーソース間に印加できる最大印加電圧が低いため、カスコード接続すると、第1のトランジスタのドレインーソース間電圧が最大印加電圧を超えるため、最大出力電力が第1のトランジスタのドレインーソース間の最大印加電圧で制限されてしまうという問題があった。
【0006】
この発明の目的は、マイクロ波帯域の高電力出力を効率よく得られるカスコード電力増幅器を提供することである。
【0007】
また、高利得、高出力を両立し、かつ、ドレインーソース間耐圧を満足するカスコード電力増幅器を提供することである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
この発明に係わるカスコード電力増幅器は、エンハンスメント型の第1のトランジスタのドレインとエンハンスメント型の第2のトランジスタのソースとがカスコード接続され、第2のトランジスタのドレインに電源電圧が印加され、第1のトランジスタのゲートに入力を加え、第2のトランジスタのドレインから出力を得るカスコード電力増幅器において、上記第2のトランジスタの最大印加電圧は、上記第1のトランジスタの最大印加電圧より大きく、第2のトランジスタのゲートへの印加電圧をカスコード電力増幅器の外部から設定でき、第2のトランジスタのゲート印加電圧が電源電圧より低く設定される。
【0009】
【発明の実施の形態】
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1によるカスコード電力増幅器の構成を示す回路図である。図2は図1のカスコード電力増幅器の第2のトランジスタのゲート印加電圧(VGS2)に対する1dBコンプレッション出力電力(P1dB)と、第1のトランジスタのドレインーソース間電圧(Vds1)と、第2のトランジスタのドレインーソース間電圧(Vds2)を示す。
【0010】
カスコード電力増幅器は、第1のトランジスタ1と第2のトランジスタ2を、第1のトランジスタ1のドレイン1Dと第2のトランジスタ2のソース2Sがカスコード接続されている。第1のトランジスタ1でソース接地増幅回路を構成し、第2のトランジスタ2でベース接地増幅回路を構成して、それらを縦列接続した回路である。第1のトランジスタ1と第2のトランジスタ2とはエンハンスメント型であり、ドレインーソース間の最大印加電圧は等しく3.3Vである。最大印加電圧は常時印加しても経時変化の少ない最大の印加電圧を意味し、最大印加電圧は半導体の製造プロセルの精細度に関係している。例えば、0.35μmツールであれば、3.3V位、0.18μmツールであれば1.8V位である。しかし、この値は固定されたものではなく、改良されていく特性である。
【0011】
さらに、カスコード電力増幅器は、外部から高周波信号が入力され、第1のトランジスタ1のゲート1Gに接続された入力端子3と、第2のトランジスタ2のゲート2Gに外部からバイアス電圧を印加する電圧印加端子4と、外部からカスコード増幅器の電力を供給する電源端子5と、第2のトランジスタ2のドレイン2Dに接続され、外部に高周波信号を出力する出力端子6と、電源端子5と第2のトランジスタ2のドレイン2D間に挿入されたインダクタ7と、カスコード電力増幅器の基準電圧として外部とはグランド8に接続され、第1のトランジスタ1のソース1Sに接続されるグランド端子9とを備えている。
入力端子3から入力された高周波信号は、第1のトランジスタ1のゲート1Gに入力され、第1のトランジスタ1と第2のトランジスタ2で増幅され、第2のトランジスタ2のドレイン2Dから出力端子6へと出力される。
【0012】
電源端子5には電源電圧(Vcc)として、直流3.3Vが印加されている。第2のトランジスタ2のゲート2Gに印加するゲート印加電圧VG2を第1のトランジスタのゲート印加電圧VG1から電源電圧Vccの間変化させた時の、第1のトランジスタ1と第2のトランジスタ2のそれぞれのドレインーソース電圧Vds1とVds2の変化をそれぞれ折れ線10、11で図2に示す。バイアス条件は、第2のトランジスタ2のゲート2Gに印加するゲート印加電圧VG2において、ドレインーソース電流の電流値(Ids)が60mAとなるように、第1のトランジスタ1のゲート1Gのゲート印加電圧Vg1を調整している。第2のトランジスタ2のVds2はVg2が大きくなると小さくなり、Vg2が2.6V以上で最大印加電圧より小さくなる。一方、第1のトランジスタ1のVds1はVg2が大きくなるに従って大きくなるが、Vg2が2.2Vから3.3Vの範囲では最大印加電圧よりは小さい。
【0013】
図2の折れ線12は、図1の第2のトランジスタ2のゲート2Gへのゲート印加電圧Vg2に対する出力端子6から出力される5.6GHzでの1dBコンプレッション出力電力P1dBの特性を示す。第2のトランジスタ2のゲート印加電圧Vg2が2.8Vの時に、1dBコンプレッション出力電力P1dBが16.9dBmとして最大値を示す。
【0014】
このようなカスコード電力増幅器は、第2のトランジスタのゲート印加電圧を外部から電源電圧Vccと第1のトランジスタのゲート印加電圧との間に合わせることにより、1dBコンプレッション出力電力の最大値を示し、出力電力を最大限取り出すことが出来る。
【0015】
実施の形態2.
図3は、本発明の実施の形態2によるカスコード電力増幅器の第2のトランジスタのゲート印加電圧(Vg2)に対する1dBコンプレッション出力電力(P1dB)と、第1のトランジスタのドレインーソース間電圧(Vds1)と、第2のトランジスタのドレインーソース間電圧(Vds2)を示す。
【0016】
実施の形態2のカスコード電力増幅器は、図1と第2のトランジスタ2の最大印加電圧より低い最大印加電圧の第1のトランジスタを用いていることが異なっている。第1のトランジスタ1の最大印加電圧は2.6Vであり、第2のトランジスタ2の最大印加電圧は3.3Vである。
電源端子5には電源電圧(Vcc)として直流3.3Vが印加されている。 第2のトランジスタ2のゲート2Gに印加するゲート印加電圧Vg2を第1のトランジスタ1のゲート印加電圧Vg1から電源電圧Vccの間変化させた時の、第1のトランジスタ1と第2のトランジスタ2のそれぞれのドレインーソース電圧Vds1とVds2の変化をそれぞれ折れ線13、14で図3に示す。バイアス条件は、第2のトランジスタのゲート2Gに印加するゲート印加電圧Vg2において、ドレインーソース電流の電流値(Ids)が60mAとなるように、第1のトランジスタ1のゲート1Gの電圧Vg1を調整している。第2のトランジスタのVds2はVg2が大きくなると小さくなり、Vg2が2.4V以上であれば最大印加電圧より小さくなる。一方、第1のトランジスタのVds1はVg2が大きくなるに従って大きくなるが、Vg2が3.1Vを越えると最大印加電圧を越える。
【0017】
図3の折れ線15は、実施の形態2の第2のトランジスタ2のゲート2Gのゲート印加電圧Vg2に対する出力端子6から出力される1dBコンプレッション出力電力P1dBの特性を示す。第2のトランジスタ2のゲート印加電圧Vg2が2.8Vの時に、1dBコンプレッション出力電力P1dBが16.8dBmを示す。
【0018】
このようなカスコード電力増幅器は、第1のトランジスタの最大印加電圧を第2のトランジスタの最大印加電圧よりちいさなトランジスタを用いることで高利得を得ることができ、第2のトランジスタのゲート印加電圧を外部から電源電圧Vccと第1のトランジスタのゲート印加電圧との間に合わせることにより、1dBコンプレッション出力電力時の第1のトランジスタの最大印加電圧を満足することができる。
【0019】
実施の形態3.
図4は、本発明の実施の形態3によるカスコード電力増幅器の第2のトランジスタのゲート印加電圧(Vg2)に対する1dBコンプレッション出力電力(P1dB)と、第1のトランジスタのドレインーソース間電圧(Vds1)と、第2のトランジスタのドレインーソース間電圧(Vds2)を示す。
【0020】
実施の形態3のカスコード電力増幅器は、図1と第1のトランジスタ1の最大印加電圧が実施の形態2よりさらに低いトランジスタを用いていることが異なっている。第1のトランジスタ1の最大印加電圧は1.8Vであり、第2のトランジスタ2の最大印加電圧は3.3Vである。
電源端子5には電源電圧(Vcc)として直流3.3Vが印加されている。 第2のトランジスタ2のゲート2Gに印加するゲート印加電圧Vg2を第1のトランジスタ1のゲート印加電圧Vg1から電源電圧Vccの間変化させた時の、第1のトランジスタ1と第2のトランジスタ2のそれぞれのドレインーソース電圧Vds1とVds2の変化をそれぞれ折れ線16、17で図4に示す。バイアス条件は、第2のトランジスタのゲート2Gに印加するゲート印加電圧Vg2において、ドレインーソース電流の電流値(Ids)が60mAとなるように、第1のトランジスタ1のゲート1Gの電圧Vg1を調整している。第2のトランジスタのVds2はVg2が大きくなると小さくなり、Vg2が2.2V以上であれば最大印加電圧より小さくなる。一方、第1のトランジスタのVds1はVg2が大きくなるに従って大きくなるが、Vg2が2.2Vだけで最大印加電圧よりは小さい。従って、第2のトランジスタ2のゲート印加電圧Vg2が2.2Vのとき第1のトランジスタの最大印加電圧を満足する。
【0021】
図4の折れ線18は、実施の形態3の第2のトランジスタ2のゲート2Gのゲート印加電圧Vg2に対する出力端子6から出力される1dBコンプレッション出力電力P1dBの特性を示す。第2のトランジスタ2のゲート印加電圧Vg2が2.2Vの時に、1dBコンプレッション出力電力P1dBが15.1dBmとなる。
【0022】
このようなカスコード電力増幅器は、第1のトランジスタの最大印加電圧を第2のトランジスタの最大印加電圧よりちいさなトランジスタを用いることで高利得を得ることができ、第2のトランジスタのゲート印加電圧を外部から電源電圧Vccと第1のトランジスタのゲート印加電圧との間に合わせることにより、1dBコンプレッション出力電力時の第1のトランジスタの最大印加電圧を満足することができる。
【0023】
さらに第1のトランジスタの最大印加電圧(Vds max)と線形電力利得(Linear Gain)との関係を図5に示す。最大印加電圧の小さなトランジスタを第1のトランジスタとして用いたカスコード電力増幅器は大きな線形電力利得を得ることができる。
【0024】
このようなカスコード電力増幅器は第1のトランジスタに第2のトランジスタより高精細なツール、例えば第2のトランジスタが0.35μmツールに対して、第1のトランジスタを0.18μmツールを採用して適切な電力増幅器を得ることができる。最大印加電圧の高いトランジスタを用いて出力に近い増幅器を、最大印加電圧の低いトランジスタを用いて、入力に近い増幅器をそれぞれ構成することができる。
【0025】
実施の形態4.
図6は、この発明の実施の形態4のカスコード電力増幅器の構成を示す回路図である。図6は図1と第2のトランジスタのゲートとグランド端子の間にコンデンサが挿入されていることが異なっていて、同様なことは説明を省略する。
【0026】
図6において、第2のトランジスタ2のゲート2Gと、グランド8に接続されたグランド端子9との間にコンデンサ20が挿入され、交流的にグランドに接地されている。
【0027】
このようなカスコード電力増幅器は、グランドに接地されることで、第2のトランジスタのゲート電位が交流的に固定され、出力電力を効率よく取り出すことが出来る。
【0028】
実施の形態5.
図7は、この発明の実施の形態5によるカスコード電力増幅器の構成を示す回路図である。図7は図6の回路を電源端子5とグランド端子9に対して対称的に2つ備えている。
カスコード電力増幅器は、一対の第1のトランジスタ1a、1bが互いにソース1aS、1bSが接続され、グランド端子9からグランド8へ接続されている。一対の第2のトランジスタ2a、2bのソース2aS、2bSはそれぞれ第1のトランジスタ1a、1bのドレイン1aD、1bDにカスコード接続されている。第2のトランジスタ2a、2bのドレイン2aD、2bDはそれぞれインダクタ7a、7bを介して電源端子5に接続されている。第1のトランジスタ1a、1bのゲート1aG、1bGは入力端子3a、3bに接続されている。第2のトランジスタ2a、2bのゲート2aG、2bGはゲート電圧印加端子4a、4bにそれぞれ接続され、個別にゲート印加電圧を印加できる。第2のトランジスタ2a、2bのゲート2aG、2bGとグランド端子9との間にコンデンサ20a、20bが挿入されている。第2のトランジスタ2a、2bのドレイン2aD、2bDから出力端子6a、6bにそれぞれ接続されている。
【0029】
図7の直流的条件は図1の回路と同じくなっている。入力端子3a、3bに、位相の異なる高周波信号を入力し、第1および第2のトランジスタで増幅され、出力端子6a、6bから位相の異なった高周波信号が出力される。一方、同相な雑音成分は同相な信号として増幅されるが、異相利得が同相利得より大きいので、高周波信号をより増幅される。
【0030】
このようなカスコード電力増幅器は、差動構成にすることにより信号成分の高出力化を図ることが出来る。
【0031】
実施の形態6.
図8は、この発明の実施の形態6によるカスコード電力増幅器の構成を示す回路図である。図8は図7の第2のトランジスタ2a、2bのゲート2aG、2bGを仮想グランド点21で接続し、仮想グランド点21とゲート電圧印加端子22とを接続されていることと、仮想グランド点21とグランド端子9との間にコンデンサ20を挿入していることとである。
【0032】
このようなカスコード電力増幅器は、2つの第2のトランジスタのゲートを1つのゲート電圧印加端子に接続することにより、チップに設けるパッド数を削減でき、小型化を図ることができる。
【0033】
また、仮想グランド点とグランド端子との間にコンデンサを1つ設けることで、コンデンサの数を削減でき、小型化を図ることができ来る。
【0034】
実施の形態7.
図9は、この発明の実施の形態7によるカスコード電力増幅器の構成を示す回路図である。図10は、図9の差動構成の第2のトランジスタのゲート部分のチップレイアウトのイメージ図である。
図9は図8の第2のトランジシタ2a、2bのそれぞれのゲート2aG、2bGと仮想グランド点21との間からグランド端子9との間にコンデンサ20a、20bが挿入されていることが異なっており、その他は同様であるので説明は省略する。
【0035】
図10において、第2のトランジスタ2a、2bのゲート2aG、2bGの近くにコンデンサ20a、20bが設けられている。またゲート2aG、2bGから配線23が引き出され、ゲート電圧印加端子22へ接続されている。
【0036】
図10に示すように、差動構成の第2のトランジスタのゲート端子に接続するコンデンサを個別に配置することで、グランドに接地されるポイントがゲート端子に近くなり、ゲート端子と交流的に接地されるグランドの間に、配線レイアウトによるインダクタンス成分を減らすことができ、ゲートの電位をグランド電位に近い状態とすることが出来る。
【0037】
その結果、インダクタンス成分による、電力ロスを削減することができ、電力増幅器の高出力化を図ることが出来る。
【0038】
なお、トランジスタとして、MOSFETなどのエンハンスメント型の電界効果型トランジスタについて説明を行ったが、SiBJT、SiGe BJT、InGaPを含む化合物HBTなどのエンハンスメント型のバイポーラトランジスタであっても同様の効果を奏する。
【0039】
【発明の効果】
この発明に係わるカスコード電力増幅器のよる効果は、エンハンスメント型の第1のトランジスタのドレインとエンハンスメント型の第2のトランジスタのソースとがカスコード接続され、第2のトランジスタのドレインに電源電圧が印加され、第1のトランジスタのゲートに入力を加え、第2のトランジスタのドレインから出力を得るカスコード電力増幅器において、上記第2のトランジスタの最大印加電圧は、上記第1のトランジスタの最大印加電圧より大きく、第2のトランジスタのゲートへの印加電圧をカスコード電力増幅器の外部から設定でき、第2のトランジスタのゲート印加電圧が電源電圧より低く設定されるので、第2のトランジスタのゲート印加電圧を外部から電源電圧Vccと第1のトランジスタのゲート印加電圧との間に合わせることにより、1dBコンプレッション出力電力の最大値を示し、出力電力を最大限取り出すことが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の実施の形態1によるカスコード電力増幅器の構成を示す回路図である。
【図2】 図1のカスコード電力増幅器の第2のトランジスタのゲート印加電圧(Vg2)に対する1dBコンプレッション出力電力(P1dB)と、第1のトランジスタのドレインーソース間電圧(Vds1)と、第2のトランジスタのドレインーソース間電圧(Vds2)を示す。
【図3】 この発明の実施の形態2によるカスコード電力増幅器の第2のトランジスタのゲート印加電圧(Vg2)に対する1dBコンプレッション出力電力(P1dB)と、第1のトランジスタのドレインーソース間電圧(Vds1)と、第2のトランジスタのドレインーソース間電圧(Vds2)を示す。
【図4】 この発明の実施の形態3によるカスコード電力増幅器の第2のトランジスタのゲート印加電圧(Vg2)に対する1dBコンプレッション出力電力(P1dB)と、第1のトランジスタのドレインーソース間電圧(Vds1)と、第2のトランジスタのドレインーソース間電圧(Vds2)を示す。
【図5】 この発明の第2のトランジスタの最大印加電圧と線形電力利得の関係図である。
【図6】 この発明の実施の形態4のカスコード電力増幅器の構成を示す回路図である。
【図7】 この発明の実施の形態5によるカスコード電力増幅器の構成を示す回路図である。
【図8】 この発明の実施の形態6によるカスコード電力増幅器の構成を示す回路図である。
【図9】 この発明の実施の形態7によるカスコード電力増幅器の構成を示す回路図である。
【図10】 図9の差動構成の第2のトランジスタのゲート部分のチップレイアウトのイメージ図である。
【符号の説明】
1、2 トランジスタ、3、4 入力端子、5 電源端子、6 出力端子、7インダクタ、8 グランド、9 グランド端子、10、13、16 第2のトランジスタのドレインーソース電圧、11、14、17 第1のトランジスタのドレインーソース電圧、12、15、18 1dBコンプレッション出力、19線形電力利得、20 コンデンサ、21 仮想グランド点、22 ゲート電圧印加端子、23 配線。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a cascode power amplifier that connects one drain of two transistors to the other source, and more particularly to a cascode power amplifier that amplifies a signal in a microwave band.
[0002]
[Prior art]
A high-frequency power amplifier using CMOS technology has a cascode connection between the drain of a grounded first transistor to which a high-frequency signal is input and the source of a second grounded transistor, and amplifies it from the drain of the second transistor. The high-frequency signal thus output is output. In a cascode power amplifier using an enhancement type transistor, the gate terminal of the second transistor is connected from the power supply terminal via an inductor and a resistor, and is the same as the power supply voltage (see, for example, Non-Patent Document 1).
[0003]
[Non-Patent Document 1]
2002 IT International International Solid State Conference Technical Paper Digest (2002 IEEE International Solid-State Circuits Digest of Technical Paper), February 6, 2002, Session 17 (Advanced RF Technology), 17.5
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
When such a conventional enhancement-type cascode power amplifier is used under the condition that the output power is close to the saturation output power, the voltage applied to the gate of the second transistor is equal to the power supply voltage. Since the voltage is smaller than the drain-source voltage of the first transistor and the drain current of the second transistor is saturated first, there is a problem that the power amplifier cannot extract output power efficiently.
[0005]
Further, in order to achieve both high power gain and high output, when a high power gain transistor is used as the first transistor, the maximum applied voltage that can be applied between the drain and source is low in the high gain transistor. When connected, since the drain-source voltage of the first transistor exceeds the maximum applied voltage, the maximum output power is limited by the maximum applied voltage between the drain and source of the first transistor.
[0006]
An object of the present invention is to provide a cascode power amplifier capable of efficiently obtaining a high power output in a microwave band.
[0007]
Another object of the present invention is to provide a cascode power amplifier that achieves both high gain and high output and satisfies the drain-source breakdown voltage.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In the cascode power amplifier according to the present invention, the drain of the enhancement-type first transistor and the source of the enhancement-type second transistor are cascode-connected, a power supply voltage is applied to the drain of the second transistor, In a cascode power amplifier that applies an input to the gate of a transistor and obtains an output from the drain of the second transistor, the maximum applied voltage of the second transistor is greater than the maximum applied voltage of the first transistor, and the second transistor The voltage applied to the gate of the second transistor can be set from the outside of the cascode power amplifier, and the gate applied voltage of the second transistor is set lower than the power supply voltage.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiment 1 FIG.
1 is a circuit diagram showing a configuration of a cascode power amplifier according to a first embodiment of the present invention. 2 shows a 1 dB compression output power (P1 dB) with respect to a gate applied voltage (VGS2) of the second transistor of the cascode power amplifier of FIG. 1, a drain-source voltage (Vds1) of the first transistor, and a second transistor. The drain-source voltage (Vds2) is shown.
[0010]
In the cascode power amplifier, the first transistor 1 and the second transistor 2 are cascode-connected to the drain 1D of the first transistor 1 and the source 2S of the second transistor 2. The first transistor 1 constitutes a common-source amplifier circuit, the second transistor 2 constitutes a common-base amplifier circuit, and these are connected in cascade. The first transistor 1 and the second transistor 2 are enhancement type, and the maximum applied voltage between the drain and the source is equal to 3.3V. The maximum applied voltage means the maximum applied voltage with little change over time even when always applied, and the maximum applied voltage is related to the definition of the semiconductor manufacturing process. For example, if it is a 0.35 μm tool, it is about 3.3 V, and if it is a 0.18 μm tool, it is about 1.8 V. However, this value is not a fixed value but an improved characteristic.
[0011]
Further, the cascode power amplifier receives a high frequency signal from the outside, and applies a voltage to apply a bias voltage from the outside to the input terminal 3 connected to the gate 1G of the first transistor 1 and the gate 2G of the second transistor 2. A terminal 4, a power supply terminal 5 for supplying the power of the cascode amplifier from the outside, an output terminal 6 connected to the drain 2D of the second transistor 2 and outputting a high-frequency signal to the outside, a power supply terminal 5 and a second transistor The inductor 7 inserted between the two drains 2D, and a ground terminal 9 connected to the ground 8 as a reference voltage of the cascode power amplifier and connected to the source 1S of the first transistor 1 are provided.
The high-frequency signal input from the input terminal 3 is input to the gate 1G of the first transistor 1, amplified by the first transistor 1 and the second transistor 2, and from the drain 2D of the second transistor 2 to the output terminal 6 Is output.
[0012]
A direct current of 3.3 V is applied to the power supply terminal 5 as a power supply voltage (Vcc). Each of the first transistor 1 and the second transistor 2 when the gate applied voltage VG2 applied to the gate 2G of the second transistor 2 is changed between the gate applied voltage VG1 of the first transistor and the power supply voltage Vcc. The changes in the drain-source voltages Vds1 and Vds2 are shown by broken lines 10 and 11 in FIG. The bias condition is that the gate applied voltage of the gate 1G of the first transistor 1 is such that the current value (Ids) of the drain-source current is 60 mA in the gate applied voltage VG2 applied to the gate 2G of the second transistor 2. Vg1 is adjusted. Vds2 of the second transistor 2 decreases as Vg2 increases, and becomes lower than the maximum applied voltage when Vg2 is 2.6 V or higher. On the other hand, Vds1 of the first transistor 1 increases as Vg2 increases, but is lower than the maximum applied voltage when Vg2 is in the range of 2.2V to 3.3V.
[0013]
2 shows the characteristic of 1 dB compression output power P1 dB at 5.6 GHz output from the output terminal 6 with respect to the gate applied voltage Vg2 to the gate 2G of the second transistor 2 in FIG. When the gate application voltage Vg2 of the second transistor 2 is 2.8 V, the 1 dB compression output power P1 dB is 16.9 dBm, which is the maximum value.
[0014]
Such a cascode power amplifier exhibits the maximum value of 1 dB compression output power by adjusting the gate application voltage of the second transistor between the power supply voltage Vcc and the gate application voltage of the first transistor from the outside, Can be taken out to the maximum.
[0015]
Embodiment 2. FIG.
FIG. 3 shows the 1 dB compression output power (P1 dB) with respect to the gate applied voltage (Vg2) of the second transistor of the cascode power amplifier according to the second embodiment of the present invention, and the drain-source voltage (Vds1) of the first transistor. And the drain-source voltage (Vds2) of the second transistor.
[0016]
The cascode power amplifier according to the second embodiment is different from FIG. 1 in that the first transistor having the maximum applied voltage lower than the maximum applied voltage of the second transistor 2 is used. The maximum applied voltage of the first transistor 1 is 2.6V, and the maximum applied voltage of the second transistor 2 is 3.3V.
A direct current of 3.3 V is applied to the power supply terminal 5 as a power supply voltage (Vcc). When the gate applied voltage Vg2 applied to the gate 2G of the second transistor 2 is changed between the gate applied voltage Vg1 of the first transistor 1 and the power supply voltage Vcc, the first transistor 1 and the second transistor 2 Changes in the respective drain-source voltages Vds1 and Vds2 are shown in FIG. 3 by broken lines 13 and 14, respectively. The bias condition is that the voltage Vg1 of the gate 1G of the first transistor 1 is adjusted such that the current value (Ids) of the drain-source current is 60 mA at the gate applied voltage Vg2 applied to the gate 2G of the second transistor. is doing. Vds2 of the second transistor decreases as Vg2 increases, and becomes lower than the maximum applied voltage when Vg2 is 2.4 V or higher. On the other hand, Vds1 of the first transistor increases as Vg2 increases. However, when Vg2 exceeds 3.1 V, the maximum applied voltage is exceeded.
[0017]
A broken line 15 in FIG. 3 shows the characteristic of 1 dB compression output power P1 dB output from the output terminal 6 with respect to the gate applied voltage Vg2 of the gate 2G of the second transistor 2 of the second embodiment. When the gate application voltage Vg2 of the second transistor 2 is 2.8 V, the 1 dB compression output power P1 dB is 16.8 dBm.
[0018]
Such a cascode power amplifier can obtain a high gain by using a transistor in which the maximum applied voltage of the first transistor is smaller than the maximum applied voltage of the second transistor, and the gate applied voltage of the second transistor is externally applied. To the power supply voltage Vcc and the gate application voltage of the first transistor, the maximum application voltage of the first transistor at 1 dB compression output power can be satisfied.
[0019]
Embodiment 3 FIG.
FIG. 4 shows the 1 dB compression output power (P1 dB) with respect to the gate applied voltage (Vg2) of the second transistor of the cascode power amplifier according to the third embodiment of the present invention, and the drain-source voltage (Vds1) of the first transistor. And the drain-source voltage (Vds2) of the second transistor.
[0020]
The cascode power amplifier according to the third embodiment is different from that shown in FIG. 1 in that the maximum applied voltage of the first transistor 1 is lower than that of the second embodiment. The maximum applied voltage of the first transistor 1 is 1.8V, and the maximum applied voltage of the second transistor 2 is 3.3V.
A direct current of 3.3 V is applied to the power supply terminal 5 as a power supply voltage (Vcc). When the gate applied voltage Vg2 applied to the gate 2G of the second transistor 2 is changed between the gate applied voltage Vg1 of the first transistor 1 and the power supply voltage Vcc, the first transistor 1 and the second transistor 2 Changes in the respective drain-source voltages Vds1 and Vds2 are shown in FIG. 4 by broken lines 16 and 17, respectively. The bias condition is that the voltage Vg1 of the gate 1G of the first transistor 1 is adjusted such that the current value (Ids) of the drain-source current is 60 mA at the gate applied voltage Vg2 applied to the gate 2G of the second transistor. is doing. Vds2 of the second transistor decreases as Vg2 increases, and becomes lower than the maximum applied voltage when Vg2 is 2.2 V or higher. On the other hand, Vds1 of the first transistor increases as Vg2 increases, but Vg2 is only 2.2 V and is lower than the maximum applied voltage. Therefore, the maximum applied voltage of the first transistor is satisfied when the gate applied voltage Vg2 of the second transistor 2 is 2.2V.
[0021]
4 shows the characteristic of 1 dB compression output power P1 dB output from the output terminal 6 with respect to the gate applied voltage Vg2 of the gate 2G of the second transistor 2 of the third embodiment. When the gate application voltage Vg2 of the second transistor 2 is 2.2 V, the 1 dB compression output power P1 dB is 15.1 dBm.
[0022]
Such a cascode power amplifier can obtain a high gain by using a transistor in which the maximum applied voltage of the first transistor is smaller than the maximum applied voltage of the second transistor, and the gate applied voltage of the second transistor is externally applied. To the power supply voltage Vcc and the gate application voltage of the first transistor, the maximum application voltage of the first transistor at 1 dB compression output power can be satisfied.
[0023]
Further, FIG. 5 shows the relationship between the maximum applied voltage (Vds max) of the first transistor and the linear power gain (Linear Gain). A cascode power amplifier using a transistor having a small maximum applied voltage as the first transistor can obtain a large linear power gain.
[0024]
Such a cascode power amplifier is suitable for the first transistor by adopting a higher definition tool than the second transistor, for example, the second transistor is a 0.35 μm tool and the first transistor is a 0.18 μm tool. A simple power amplifier can be obtained. An amplifier close to the output can be configured using a transistor with a high maximum applied voltage, and an amplifier close to an input can be configured using a transistor with a low maximum applied voltage.
[0025]
Embodiment 4 FIG.
6 is a circuit diagram showing a configuration of a cascode power amplifier according to a fourth embodiment of the present invention. FIG. 6 differs from FIG. 1 in that a capacitor is inserted between the gate and the ground terminal of the second transistor, and the description of the same is omitted.
[0026]
In FIG. 6, a capacitor 20 is inserted between the gate 2G of the second transistor 2 and the ground terminal 9 connected to the ground 8, and is connected to the ground in an alternating manner.
[0027]
Such a cascode power amplifier is grounded to ground, whereby the gate potential of the second transistor is fixed in an alternating manner, and the output power can be taken out efficiently.
[0028]
Embodiment 5 FIG.
FIG. 7 is a circuit diagram showing a configuration of a cascode power amplifier according to Embodiment 5 of the present invention. FIG. 7 includes two circuits of FIG. 6 symmetrically with respect to the power supply terminal 5 and the ground terminal 9.
In the cascode power amplifier, a pair of first transistors 1 a and 1 b are connected to a source 1 aS and 1 bS, and are connected from a ground terminal 9 to a ground 8. The sources 2aS and 2bS of the pair of second transistors 2a and 2b are cascode-connected to the drains 1aD and 1bD of the first transistors 1a and 1b, respectively. The drains 2aD and 2bD of the second transistors 2a and 2b are connected to the power supply terminal 5 via inductors 7a and 7b, respectively. The gates 1aG and 1bG of the first transistors 1a and 1b are connected to the input terminals 3a and 3b. The gates 2aG and 2bG of the second transistors 2a and 2b are connected to the gate voltage application terminals 4a and 4b, respectively, and a gate application voltage can be applied individually. Capacitors 20a and 20b are inserted between the gates 2aG and 2bG of the second transistors 2a and 2b and the ground terminal 9. The drains 2aD and 2bD of the second transistors 2a and 2b are connected to the output terminals 6a and 6b, respectively.
[0029]
The direct current condition of FIG. 7 is the same as that of the circuit of FIG. High-frequency signals having different phases are input to the input terminals 3a and 3b, amplified by the first and second transistors, and high-frequency signals having different phases are output from the output terminals 6a and 6b. On the other hand, in-phase noise components are amplified as in-phase signals, but the high-frequency signal is further amplified because the out-of-phase gain is larger than the in-phase gain.
[0030]
Such a cascode power amplifier can achieve high output of signal components by adopting a differential configuration.
[0031]
Embodiment 6 FIG.
FIG. 8 is a circuit diagram showing a configuration of a cascode power amplifier according to Embodiment 6 of the present invention. 8 shows that the gates 2aG and 2bG of the second transistors 2a and 2b of FIG. 7 are connected by a virtual ground point 21, the virtual ground point 21 and the gate voltage application terminal 22 are connected, and the virtual ground point 21. And a capacitor 20 is inserted between the ground terminal 9 and the ground terminal 9.
[0032]
In such a cascode power amplifier, the number of pads provided on a chip can be reduced and the size can be reduced by connecting the gates of two second transistors to one gate voltage application terminal.
[0033]
Further, by providing one capacitor between the virtual ground point and the ground terminal, the number of capacitors can be reduced, and the size can be reduced.
[0034]
Embodiment 7 FIG.
FIG. 9 is a circuit diagram showing a configuration of a cascode power amplifier according to Embodiment 7 of the present invention. FIG. 10 is an image diagram of the chip layout of the gate portion of the second transistor having the differential configuration shown in FIG.
FIG. 9 is different from FIG. 8 in that capacitors 20a and 20b are inserted between the gates 2aG and 2bG of the second transistors 2a and 2b of FIG. Since the others are the same, the description is omitted.
[0035]
In FIG. 10, capacitors 20a and 20b are provided near the gates 2aG and 2bG of the second transistors 2a and 2b. A wiring 23 is drawn out from the gates 2aG and 2bG and connected to the gate voltage application terminal 22.
[0036]
As shown in FIG. 10, by individually disposing a capacitor connected to the gate terminal of the second transistor having a differential configuration, the point grounded to the ground is close to the gate terminal, and the gate terminal is grounded in an AC manner. Inductance components due to the wiring layout can be reduced between the grounds, and the gate potential can be close to the ground potential.
[0037]
As a result, power loss due to the inductance component can be reduced, and the output of the power amplifier can be increased.
[0038]
Although an enhancement type field effect transistor such as a MOSFET has been described as a transistor, an enhancement type bipolar transistor such as a compound HBT containing SiBJT, SiGe BJT, or InGaP has the same effect.
[0039]
【The invention's effect】
The effect of the cascode power amplifier according to the present invention is that the drain of the enhancement type first transistor and the source of the enhancement type second transistor are cascode-connected, and a power supply voltage is applied to the drain of the second transistor, In a cascode power amplifier that applies an input to the gate of the first transistor and obtains an output from the drain of the second transistor, the maximum applied voltage of the second transistor is greater than the maximum applied voltage of the first transistor, The voltage applied to the gate of the second transistor can be set from the outside of the cascode power amplifier, and the gate applied voltage of the second transistor is set lower than the power supply voltage. Vcc and the gate applied voltage of the first transistor By matching the, the maximum value of 1dB compression output power can be taken out maximum output power.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a cascode power amplifier according to a first embodiment of the present invention.
2 shows a 1 dB compression output power (P1 dB) with respect to a gate applied voltage (Vg2) of a second transistor of the cascode power amplifier of FIG. 1; a drain-source voltage (Vds1) of the first transistor; The drain-source voltage (Vds2) of the transistor is shown.
FIG. 3 shows a 1 dB compression output power (P1 dB) with respect to a gate applied voltage (Vg2) of a second transistor of a cascode power amplifier according to a second embodiment of the present invention, and a drain-source voltage (Vds1) of the first transistor. And the drain-source voltage (Vds2) of the second transistor.
FIG. 4 shows a 1 dB compression output power (P1 dB) with respect to a gate applied voltage (Vg2) of a second transistor of a cascode power amplifier according to a third embodiment of the present invention, and a drain-source voltage (Vds1) of the first transistor. And the drain-source voltage (Vds2) of the second transistor.
FIG. 5 is a relationship diagram between a maximum applied voltage and a linear power gain of the second transistor of the present invention.
FIG. 6 is a circuit diagram showing a configuration of a cascode power amplifier according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a circuit diagram showing a configuration of a cascode power amplifier according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a circuit diagram showing a configuration of a cascode power amplifier according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a circuit diagram showing a configuration of a cascode power amplifier according to a seventh embodiment of the present invention.
10 is an image view of the chip layout of the gate portion of the second transistor having the differential configuration of FIG. 9;
[Explanation of symbols]
1, 2 transistors, 3, 4 input terminals, 5 power supply terminals, 6 output terminals, 7 inductors, 8 grounds, 9 ground terminals, 10, 13, 16 second transistor drain-source voltages, 11, 14, 17 1 transistor drain-source voltage, 12, 15, 18 1 dB compression output, 19 linear power gain, 20 capacitor, 21 virtual ground point, 22 gate voltage application terminal, 23 wiring.

Claims (3)

エンハンスメント型の第1のトランジスタのドレインとエンハンスメント型の第2のトランジスタのソースとがカスコード接続され、上記第2のトランジスタのドレインに電源電圧が印加され、上記第1のトランジスタのゲートに入力を加え、上記第2のトランジスタのドレインから出力を得るカスコード電力増幅器において、上記第2のトランジスタの最大印加電圧は、上記第1のトランジスタの最大印加電圧より大きく、上記第2のトランジスタのゲートへの印加電圧をカスコード電力増幅器の外部から設定でき、上記第2のトランジスタのゲート印加電圧が上記電源電圧より低く設定されたことを特徴とするカスコード電力増幅器。The drain of the enhancement type first transistor and the source of the enhancement type second transistor are cascode-connected, a power supply voltage is applied to the drain of the second transistor, and an input is applied to the gate of the first transistor. In the cascode power amplifier that obtains output from the drain of the second transistor, the maximum applied voltage of the second transistor is larger than the maximum applied voltage of the first transistor, and is applied to the gate of the second transistor. A cascode power amplifier characterized in that the voltage can be set from the outside of the cascode power amplifier, and the gate application voltage of the second transistor is set lower than the power supply voltage. ソースで互いに接続された2個の第1のトランジスタと、これら2個の上記第1のトランジスタにそれぞれカスコード接続され、ドレインが互いに接続された2個の第2のトランジスタとを備え、上記第1のトランジスタのゲートに信号を入力し、上記第2のトランジスタのドレインから出力する差動構成のカスコード電力増幅器において、上記第2のトランジスタのゲートに接続するコンデンサが接地されるグランド端子は、上記第1のトランジスタの共通化されたソース端子が接地されるグランド端子と異なることを特徴とするカスコード電力増幅器。 Two first transistors connected to each other at a source, and two second transistors connected to each of the two first transistors and having a drain connected to each other. In the differential cascode power amplifier that inputs a signal to the gate of the second transistor and outputs the signal from the drain of the second transistor, a ground terminal to which a capacitor connected to the gate of the second transistor is grounded is A cascode power amplifier characterized in that a common source terminal of one transistor is different from a ground terminal to be grounded . 上記差動構成の第2のトランジスタのゲートに接続するコンデンサとグランド端子を別々に設けたことを特徴とする請求項2に記載のカスコード電力増幅器。3. The cascode power amplifier according to claim 2, wherein a capacitor connected to the gate of the second transistor having the differential configuration and a ground terminal are separately provided .
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