移動体通信用GaAs広帯域アンプの開発 甲斐 靖二 伊藤 正紀 亀卦川 伸孝 山本 寿浩 移動体通信のシステムは，PHSや携帯電話を中心に急 ③ 基本素子であるFETには，高周波特性，量産性に優れ 速に普及しており，これ以外にも無線LAN， たゲート長0.5μmのダブルリセス構造のGaAs BluetoothTM＊1），ITS（高度道路交通システム）などで近 HEMT（Pseudomorphic High Electron Mobility い将来，需要の急増が見込まれる。 Transistor）を用いた。 これに伴い，キャリア周波数も800MHzから2.5GHz， P- ④ 大面積を要するキャパシタにはMIM（Metal Insulator 5GHz帯へと帯域が広げられており，これらの帯域をカ Metal）キャパシタを縦積みにすることで，チップサ バーできる広帯域アンプが望まれている。 イズが小さくなるよう図った。 このようなニーズに応えるため，共通設計で複数のシ VGG ステムに適用できるGaAs を用いた広帯域アンプMMIC （Monolithic Microwave Integrated Circuit）を開発 した。本稿では主に，開発した広帯域アンプのシミュレー ションと評価結果について述べる。 OUT IN 回 路 設 計 （1）目標仕様 広帯域アンプを設計するにあたっての指針は，広帯域 化を図ると同時に，基地局用途にも対応できるよう，リ VDD1 ニアリティの高い出力特性，低歪み化に重点を置いた。ま 図1 たローコスト化を実現するためにプラスチックパッケージ VDD2 広帯域アンプの回路図 を用いた。具体的な目標仕様，指針を以下示す。 ① 周波数帯域：100MHz∼6GHz（利得：10dB以上） ② 出力電力（1dB圧縮点出力）：23dBm以上 （3）FETモデルの抽出（単位モデル） MMICの設計においては，アクティブ素子であるFETの ③ 3次変調歪インターセプトポイント：33dBm以上 DC，RF（Radio frequency）特性を精度良く合うよう ④ パッケージ：HSON-6P＊2） にモデル抽出することが重要である。今回はGaAs P- ⑤ 使いやすさの観点から，入出力整合されており，外付け HEMTのモデル抽出で実績があるEEHEMT1＊3）モデルを 部品を極力減らすよう設計を進めた。 採用し 3），IC-CAP ＊4） を使って抽出を行った。図2に EEHEMT1の等価回路を示す。 （2）基本回路とデバイス／プロセスの特徴 基本回路は図1に示す通り，周波数帯域と高出力特性が 図3∼5に単位FETの静特性，Sパラメータ，FETの入出 力特性について測定値（MEAS）と，モデル抽出した等 両立しやすい並列負帰還型の2段アンプとした1）。さらに 価回路から得られた計算値（MODEL）の比較結果を示す。 以下の点を工夫した。 図より測定値と計算値が良く合っていることが分かる。 ① 低周波帯での入力整合を容易にするため，入力部と GND間にキャパシタと抵抗の直並列回路を入れた。 ② 帯域をのばすため，抵抗とキャパシタからなる帰還回路 シミュレータにはSパラメータなどの線形解析の他， を用い，かつ高周波帯での利得特性向上を狙って，出 1dB圧縮点出力（ PO1），3次相互変調歪みインターセプ 力部に直列インダクタを挿入した2）。 トポイント（IP3）などの非線形解析が可能なADS ＊1）BluetoothはBluetooth SIG,Inc. USAの商標です。 ＊4）IC-CAPはAgilent Technologies 社の商標です。 88 （4）回路シミュレーション 沖テクニカルレビュー 2003年10月／第196号Vol.70 No.4 ＊2）HSON-6Pはアオイ電子株式会社の商標です。 ＊3）EEHEMT1はAgilent Technologies 社の商標です。 デバイス特集 ● 20 Drain lgd R Rid D ＋− Y Ogy Rg G Gate Rdb lds B ldb Cdso Cbs Qgc C ＋− Ris S 出力電力(dBm) 10 0 ○：MEAS ー：MODEL f=1.8GHz VDS =3.5V IDS =3mA -10 -20 -30 Igs Rs -40 -40 Source 図2 -30 -20 EEFHEMT1等価回路図 -10 0 10 20 入力電力(dBm) 図5 50 測定値およびFETモデルの入出力特性 VGS=0.2V step ○：MEAS ー：MODEL （Advanced Design System）＊5）を用いることにした。 VGS=0.8V 40 シミュレーションでは図1に示す回路に，FET，インダ IDS（mA) クタ，キャパシタ等の各素子を組み込むだけでは不正確 であり，寄生的なエレメントである， 30 ① ボンディングワイヤのインダクタ ② パッケージのリードのインダクタ 20 ③ 配線の線路長および配線交差容量 ④ パターン間のフリンジング容量 10 ⑤ 評価基板や外部部品の特性 についても考慮する必要がある1）。 0 0 2 4 6 図3 また，チップサイズを小さくするために，インダクタ やキャパシタの値が大きくならないように注意し，回路 VDS（V） 測定値およびFETモデルの静特性 定数の最適化を行った。 上記のことを考慮して設計した広帯域アンプの周波数 f=50MHZ∼10.5GHz VDS =3.5V F E TモデルのSパラメータ IDS =3mA 5 0.2 S21 S12 特性，入出力特性，IP3のシミュレーション結果を， ○：MEAS ー：MODEL 図6∼9に示す。これらの特性の詳細は評価結果と比較し て後述するが，50MHzから6GHzまでの利得が10dB以 上，PO1が23dBm以上，IP3で38dBm以上と，目標の仕 様を満足するシミュレーション結果が得られた。 試作，特性 試作した広帯域アンプのチップ外形およびパッケージ 外形を写真1，2に示す。パッケージには6本のリードの S22 S11 他，裏面に放熱用ヒートシンクがついている。入出力端 子はそれぞれ対称になるよう配置した。 （1）周波数特性（Sパラメータ） 図6，7にSパラメータの評価結果を示す。 図4 測定値およびFETモデルのSパラメータ ① S21（小信号利得，順方向透過特性）はシミュレー ＊5）ADSはAgilent Technology 社の商標です。 沖テクニカルレビュー 2003年10月／第196号Vol.70 No.4 89 20 S21 S21,S12（dB） 0 写真1 広帯域アンプのチップ写真 -20 S12 -40 VDD=8V IDD=150mA -60 ○：MEAS −：MODEL -80 0.1 1 10 frequency（GHz） 図6 S21，S12のシミュレーションおよび評価結果 0 S11 -10 パッケージ外形 ション結果に対し，実測値の方が高周波で伸びている 以外，ほぼシミュレーション通りで，100MHz∼6GHz まで10dB以上の利得がある。 ② S12（アイソレーション，逆方向透過特性）を比較す ると，絶対値，傾向とも200MHz以下で違いがあるが， S11,S22（dB） -20 写真2 -30 -40 S22 -50 ○：MEAS −：MODEL -60 VDD=8V IDD=150mA それ以外はほぼ同じ特性であり，シミュレーション結 果と一致した結果が得られた。 ③ S11（入力リターンロス）のシミュレーション結果の 600MHzに見られる谷が1GHzにシフトしていること， 3GHzの山が約5dB小さくなっていること以外，ほぼ -70 0.1 1 10 frequency（GHz） 図7 S11，S22のシミュレーションおよび評価結果 一致した結果が得られた。S11は，100MHz∼6GHz を示す。飽和時の出力電力は25dBm以上の結果が得られ， まで，−8dB以下が確保できた。 ほぼシミュレーション通りであった。 ④ S22（出力リターンロス）の絶対値は，2.5∼6GHzで また動作電流については，出力電力が飽和し始める辺 実測値の方が小さく，10dB以上ずれているが，山，谷 りまでは一定で変化しないが，それ以降，シミュレー の傾向は2GHz付近を除けばほぼ一致している。 ション結果と実測値で異なっている。この原因は，出力 100MHz∼6GHzまで，−15dB以下のS22が確保で 電力の飽和領域におけるモデルの合わせ込みが不十分で きた。 あったためと思われ，今後の課題と考えている。 シミュレーション結果と実測値の比較をまとめると， S21とS12は絶対値，傾向ともほぼ一致し，S11とS22は 絶対値にずれがみられたものの傾向はほぼ一致した結果 が得られた。 （3）1dB圧縮点出力（PO1） 図9にPO1の評価結果を示す。0.5GHzから6GHzまで 24dBm以上が得られており，良好な結果が得られた。シ ミュレーション結果との比較でも4.5GHzで2.1dB， （2）入出力特性 図8に周波数3.5GHzとした時の入出力特性の評価結果 90 沖テクニカルレビュー 2003年10月／第196号Vol.70 No.4 5.5GHzで1.6dBと差が見られるが，それ以外はシミュ レーションとほぼ一致した。 デバイス特集 ● 表1 30 出力電力（dBm） 20 項目 f=3.5GHz VDD=8V IDD=150mA 線形利得 220 ○：MEAS −：MODEL 15 200 10 180 5 160 0 140 -5 120 -10 -20 条件 特性値 240 動作電流（mA） 25 広帯域アンプの主要特性 260 100 -10 0 10 （*1）,（*2） 10dB（min） （*1）,（*2） −8dB（typ） 1dB圧縮点出力 （*1） （*2） , 24dBm（typ） 3次相互変調 インターセプトポイント （*1）,（*2） 37dBm（typ） S11 S22 （*1） ：VDD（VDD1, VDD2）=8V, Iidle=150mA 20 （*2） ：f=0.1GHz∼6GHz 入力電力（dBm） 図8 広帯域アンプの出力電力および動作電流 ような汎用性を目指し，より広帯域を重視したアンプの 開発と考えている。 ◆◆ 1dB圧縮点出力(dBm) 3次相互変調歪みインターセプトポイント(dBm) 50 VDD=8V IDD=150mA ○：MEAS −：MODEL 45 ■参考文献 IP3 1）山本寿浩，中村浩:“準マイクロ波帯GaAs広帯域アンプ” ，沖 電気研究開発161号，Vol.61 No.1，1994年1月 2）I.D.Robertson:“MMIC DESIGN”,Short Run Press Ltd,IEE CIRCUITS AND SYSTEMS SERIES 7,pp.163-177 3）EEHEMT1, Agilent Technologies社,ICCAP ver.2002のマ ニュアル http://eesof.tm.agilent.com/docs/iccap2002/ic_ref/icird7. html 40 35 30 PO1 25 20 0 1 2 3 4 5 6 7 周波数（GHz） 図9 広帯域アンプのPO1およびIP3 （4）3次相互変調歪みインターセプトポイント（IP3） 図9にIP3評価結果を示す。この特性はアンプの歪みの ●筆者紹介 甲斐靖二：Seiji Kai.オプティカルコンポーネントカンパニーⅢ-Ⅴ デバイス部 伊藤正紀：Masanori Itoh.研究開発本部先端デバイスラボラトリ 亀卦川伸孝：Nobutaka Kikegawa. オプティカルコンポーネント カンパニーⅢ-Ⅴデバイス部 山本寿浩：Yoshihiro Yamamoto. オプティカルコンポーネント カンパニーⅢ-Ⅴデバイス部チームリーダ 度合いを示すもので，大きいほど歪みにくいことを意味 する。0.5GHzから6GHzまで，37dBm以上の結果が得ら れた。最大1.7dBmのずれがあるものの，傾向としてはシ ミュレーションとほぼ同じ傾向が得られた。 ま と め 移動体通信システムに使われるGaAs広帯域アンプを設 計，開発した。得られた結果を表1にまとめた。各特性と もシミュレーションと大きな乖離がなく，目標仕様を満 足した結果が得られた。 今後は，更に高い周波数帯域の無線システムに使える 沖テクニカルレビュー 2003年10月／第196号Vol.70 No.4 91