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KR102128404B1 - Bias circuit for tuneable impedance matching of MMIC amplifiers - Google Patents

Bias circuit for tuneable impedance matching of MMIC amplifiers Download PDF

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KR102128404B1
KR102128404B1 KR1020180094172A KR20180094172A KR102128404B1 KR 102128404 B1 KR102128404 B1 KR 102128404B1 KR 1020180094172 A KR1020180094172 A KR 1020180094172A KR 20180094172 A KR20180094172 A KR 20180094172A KR 102128404 B1 KR102128404 B1 KR 102128404B1
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KR
South Korea
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bias circuit
impedance
amplifier
circuit
lpf
Prior art date
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KR1020180094172A
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Inventor
이성대
유병석
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베렉스주식회사
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Abstract

본 발명은 증폭기의 회로 설계시에 사용되는 바이어스 회로에 관한 것으로서, 일반적인 바이어스 회로에 저주파 대역 통과 여파기를 혼용하는 것을 특징으로 한다.
저주파 대역 통과 여파기는 병렬 커패시터와 직렬 인덕터로 구성되며, 병렬 커패시터를 커패시턴스에 따라 그 수를 분리하여 사용하고, 병렬 커패시터에 사용되는 접지와의 연결에 본딩 와이어를 사용함으로써, 바이어스 회로의 임피던스를 임의로 조절하여 증폭기의 입출력 임피던스를 조절하는 것을 특징으로 하고 있으며, 이러한 방법을 이용하여 증폭기의 성능 및 선형성을 향상시킬 수 있다.
이에 따라, MMIC 증폭기의 제품 개발의 횟수를 감소시킬 수 있으며, 제품 개발에 필요한 연구비 및 개발 기간을 절감할 수 있는 장점이 있다.
The present invention relates to a bias circuit used in circuit design of an amplifier, and is characterized by mixing a low frequency band pass filter with a general bias circuit.
The low-frequency bandpass filter consists of a parallel capacitor and a series inductor, and uses the parallel capacitor by separating the number according to the capacitance, and by using a bonding wire for connection to the ground used for the parallel capacitor, the impedance of the bias circuit is arbitrarily adjusted. It is characterized by adjusting the input/output impedance of the amplifier by adjusting, and it is possible to improve the performance and linearity of the amplifier using this method.
Accordingly, the number of product developments of the MMIC amplifier can be reduced, and there is an advantage that the research cost and the development period required for product development can be reduced.

Description

임피던스 조절이 가능한 MMIC 증폭기의 바이어스 회로{Bias circuit for tuneable impedance matching of MMIC amplifiers}Bias circuit for tuneable impedance matching of MMIC amplifiers

본 발명은 이동 통신용 시스템의 부품으로 사용되는 증폭기의 직류전원 인가를 위한 바이어스(Bias) 회로에 관한 것으로서, 증폭기의 바이어스 회로의 임피던스를 조절하여 증폭기의 성능을 향상시킬 수 있는, 임피던스 조절이 가능한 MMIC 증폭기의 바이어스 회로에 관한 것이다.The present invention relates to a bias circuit for applying DC power to an amplifier used as a component of a mobile communication system, and it is possible to adjust the impedance of the bias circuit of the amplifier to improve the performance of the amplifier. It relates to the bias circuit of the amplifier.

증폭기의 바이어스 회로는 증폭기가 구동될 수 있도록, 주 트랜지스터(Main Transistor)에 직류(DC) 전원이 공급되도록 하는 회로이다.The bias circuit of the amplifier is a circuit that allows direct current (DC) power to be supplied to the main transistor so that the amplifier can be driven.

트랜지스터는 이동통신 또는 각종 응용을 위한 증폭기 및 기타 회로의 동작을 위한 반도체 능동소자로 많이 이용되고 있으며, 트랜지스터의 제작에 사용되는 물질 및 구조 등의 특징에 따라 구분된다.Transistors are widely used as semiconductor active elements for the operation of amplifiers and other circuits for mobile communication or various applications, and are classified according to characteristics of materials and structures used in the manufacture of transistors.

우선, 사용되는 물질에 따라, 실리콘(Si) 및 게르마늄(Ge) 등의 4족 원소만의 공유결합으로 이루어진 단일결정 반도체와, GaAs 및 InP 등의 3족과 5족 원소의 공유결합으로 이루어진 화합물 반도체 등으로 구분된다. 이 중, 라디오 주파수 (radio frequency, RF) 및 초고주파(Microwave) 대역을 이용하는 이동통신에는, GaAs 등의 화합물 반도체를 이용하여 제작된 트랜지스터가 사용된다.First, depending on the material used, a single crystal semiconductor composed of only a covalent bond of a group 4 element such as silicon (Si) and germanium (Ge), and a compound consisting of a covalent bond of a group 3 and 5 element such as GaAs and InP It is divided into semiconductors, etc. Among them, a transistor manufactured using a compound semiconductor such as GaAs is used in mobile communication using a radio frequency (RF) and an ultra-high frequency (Microwave) band.

또한, 제작 구조의 특징에 따라, 양극성 접합 트랜지스터(bipolar junction transistor)와 전계효과 트랜지스터(field effect transistor) 등으로 구분된다. 도 1은 각각의 구조적 특징에 따른 트랜지스터의 회로 기호를 나타낸 것으로서, 도 1(a)는 양극성 접합 트랜지스터를, 도 1(b)는 전계 효과 트랜지스터를 나타낸다.In addition, according to the characteristics of the fabrication structure, bipolar junction transistors (bipolar junction transistors) and field effect transistors (field effect transistors) are classified. FIG. 1 shows the circuit symbols of transistors according to each structural feature. FIG. 1(a) shows a bipolar junction transistor, and FIG. 1(b) shows a field effect transistor.

각각의 트랜지스터는 3개의 단자로 구성된다. 우선, 도 1(a)의 양극성 접합 트랜지스터는 에미터(emitter, E, 11), 베이스(base, B, 12) 및 컬렉터 (collector, C, 13) 등으로 구성되고, 도 1(b)의 전계효과 트랜지스터는 소스 (source, S, 14), 게이트(gate, G, 15), 및 드레인(drain, D, 16) 등의 단자로 구성된다.Each transistor consists of three terminals. First, the bipolar junction transistor of FIG. 1(a) is composed of an emitter (E, 11), a base (base, B, 12) and a collector (collector, C, 13), and the like. The field effect transistor is composed of terminals such as a source (source, S, 14), a gate (gate, G, 15), and a drain (drain, D, 16).

이들 트랜지스터가 증폭기로 사용되기 위해서는, 각각의 트랜지스터의 입력에 해당하는 B와 G에, 그리고 출력에 해당하는 C와 D에 DC 전원이 인가되어야 한다. 일반적으로는, 입력보다 출력에 더 높은 전압 또는 전류가 인가되도록 구성된다. 예를 들면, DC 전압이 5V이고, 동작전류가 50mA인 경우, 출력에 5V를 인가한 상태에서, 입력에 전류가 50mA가 되도록 낮은 전압 또는 전류를 인가하여 트랜지스터를 동작시킨다. 도 2는 각각의 트랜지스터의 구조에 따라 인가한 DC 전압의 일례를 나타낸 것이다.In order for these transistors to be used as amplifiers, DC power must be applied to B and G corresponding to the input of each transistor and C and D corresponding to the output. Generally, it is configured to apply a higher voltage or current to the output than the input. For example, when the DC voltage is 5V and the operating current is 50mA, while applying 5V to the output, the transistor is operated by applying a low voltage or current so that the current becomes 50mA to the input. 2 shows an example of a DC voltage applied according to the structure of each transistor.

이동통신용 증폭기는 인쇄회로기판(printed circuit board, PCB) 위에 능동소자와 수동소자를 단독 부품으로 사용하는 HIC(hybrid integrated circuit) 또는 반도체 기반의 단일 기판 위에 일괄 공정을 이용하여 같이 구현하는 MMIC(monolithic microwave integrated circuit) 형태로 구현된다. HIC 및 MMIC 형태의 증폭기는 출력의 DC 전원은 주어진 전압을 그대로 사용하고, 입력은 위에서 표현한 바와 같이 출력보다는 낮은 전압 또는 전류를 사용하도록 되어 있다. 따라서 출력에 인가되는 전압을 강하시키기 위한 특정 회로를 필요로 하는데, 이를 바이어스 회로라 한다. HIC 형태의 증폭기의 바이어스 회로는 수동소자와 능동소자를 단독 부품으로 사용하고 있어서 원하는 값으로 수정이 용이한 반면, MMIC 형태의 증폭기는 하나의 반도체 기판에 설계값으로 구현된 바이어스 회로를 수정하지 못한다. 따라서, HIC 형태의 증폭기는 회로값 수정이 용이한 장점이 있으나, 크기가 커서 이를 부품으로 사용할 경우, 시스템의 부피가 증가하는 단점이 있다. MMIC 형태의 증폭기는 회로값을 수정하지 못하는 단점이 있지만, 작은 크기로 구현 가능하여 이동통신 시스템의 부피를 줄일 수 있기 때문에, MMIC 형태의 증폭기가 일반적으로 사용되고 있다.The mobile communication amplifier is a hybrid integrated circuit (HIC) that uses active and passive components as separate components on a printed circuit board (PCB) or a monolithic MMIC (monolithic) that is implemented by using a batch process on a single semiconductor-based substrate. microwave integrated circuit). In the HIC and MMIC type amplifiers, the DC power source of the output uses the given voltage as it is, and the input uses a lower voltage or current than the output as shown above. Therefore, a specific circuit is required to drop the voltage applied to the output, which is called a bias circuit. The bias circuit of the HIC type amplifier uses passive and active elements as independent components, so it is easy to modify the desired value, whereas the MMIC type amplifier cannot modify the bias circuit implemented as a design value on one semiconductor substrate. . Therefore, the HIC type amplifier has an advantage of easy to modify the circuit value, but when it is used as a component due to its large size, there is a disadvantage that the volume of the system increases. The MMIC type amplifier has a disadvantage of not being able to modify the circuit value, but since it can be implemented in a small size to reduce the volume of the mobile communication system, the MMIC type amplifier is generally used.

한편, 현재 사용되고 있는 바이어스 회로에는 여러 가지 종류가 있다.Meanwhile, there are various types of bias circuits currently used.

도 3은 저항성 바이어스 회로(resistive bias circuit)로서, 가장 간단한 구조로 구현할 수 있다는 장점이 있으나, 동작 온도에 대한 성능의 변화가 크고, 입력되는 RF 입력 레벨에 따라 전류의 변화와 이득의 변화가 크다는 단점이 있기 때문에, 현재는 거의 사용되지 않는다.3 is a resistive bias circuit, which has the advantage of being able to be implemented in the simplest structure, but has a large change in performance with respect to operating temperature and a large change in current and gain depending on the input RF input level. Because of its drawbacks, it is rarely used today.

도 4는 저항(41) 및 에미터 폴로우어(emitter follower)를 사용한 능동 바이어스 회로(active bias circuit)로서, 저항성 바이어스 회로에 비해 온도 변화에 따른 성능의 변화가 조금 둔감하고, RF 입력 레벨에 따른 변화가 적다는 장점이 있으나, 다음에 열거될 다른 바이어스 회로에 비해서는 성능의 변화가 커, 저항성 바이어스 회로와 마찬가지로, 현재는 거의 사용되지 않는다.4 is an active bias circuit using a resistor 41 and an emitter follower, and the performance change according to the temperature change is slightly insensitive compared to the resistive bias circuit, depending on the RF input level. It has the advantage of little change, but the performance change is large compared to other bias circuits to be listed below, and like resistive bias circuits, it is rarely used at present.

도 5는 전류 거울 바이어스 회로(current mirror bias circuit)이다. 앞에서 언급한 바이어스 회로들에 비해, 넓은 온도범위에서 전류 변화 및 성능 변화가 적은 장점이 있다. 그러나 바이어스 회로의 임피던스가 너무 낮기 때문에, 증폭기의 주 회로(main circuit)의 출력 임피던스에 많은 영향을 주어, 증폭기 회로의 선형성(linearity)을 감소시킬 수 있는 위험을 가지고 있다.5 is a current mirror bias circuit. Compared to the bias circuits mentioned above, there is an advantage in that the current change and the performance change are small in a wide temperature range. However, since the impedance of the bias circuit is too low, it greatly affects the output impedance of the main circuit of the amplifier, and there is a risk of reducing the linearity of the amplifier circuit.

증폭기의 선형성은 신호의 품질을 결정짓는 중요한 성능 중 하나이다. 증폭기의 선형성은 3차 혼변조 왜곡(3rd intermodulation Distortion, IMD3) 및 3차 교차점(3rd intercept point, IP3) 등으로 나타내어진다. 이러한 증폭기의 선형성은 주 회로의 성능 및 입출력의 임피던스 정합(impedance matching)에 따라 결정된다. 특히, 입출력의 임피던스 정합은 바이어스 회로 자체의 임피던스에 영향을 받기 때문에, 회로 설계시, 반드시 바이어스 회로를 함께 고려해서 설계해야 한다. 상술한 도 3∼도 5의 바이어스 회로들은 자체 임피던스가 낮아, 입출력 임피던스 정합을 어렵게 만드는 하나의 요소가 될 수 있다.The linearity of the amplifier is one of the important performances that determine the quality of the signal. The linearity of the amplifier is represented by 3rd intermodulation distortion (IMD3) and 3rd intercept point (IP3). The linearity of these amplifiers depends on the performance of the main circuit and the impedance matching of the input and output. In particular, since the impedance matching of the input and output is affected by the impedance of the bias circuit itself, the circuit must be designed in consideration of the bias circuit. The above-described bias circuits of FIGS. 3 to 5 have low self-impedance, and may be one element that makes it difficult to match input/output impedance.

그래서 바이어스 회로의 단점을 보완하고 임피던스를 증가시켜 증폭기의 선형성을 증가시키기 위한 바이어스 회로가 개발되었다. 도 6은 개선된 능동 바이어스 회로(modified active bias circuit)로서, 도 4에 도시된 종래의 능동 바이어스 회로에 저항(R2)을 추가하여, 능동 바이어스 회로의 낮은 임피던스를 저항으로 조절함으로써, 바이어스 회로의 임피던스를 증가시켜 증폭기 전체의 입출력 임피던스 정합을 용이하도록 한 것이다. 다만, 바이어스 회로의 출력이 온도 변화에 민감하게 반응하여, 증폭기 전체의 온도에 따른 성능 변화를 민감하게 하는 단점이 있다.Therefore, a bias circuit has been developed to compensate for the shortcomings of the bias circuit and increase the linearity of the amplifier by increasing the impedance. FIG. 6 is a modified active bias circuit, by adding a resistor R2 to the conventional active bias circuit shown in FIG. 4 to adjust the low impedance of the active bias circuit to a resistance, thereby showing The impedance is increased to facilitate matching the input/output impedance of the entire amplifier. However, there is a disadvantage in that the output of the bias circuit is sensitive to temperature changes, thereby making the performance change depending on the temperature of the entire amplifier sensitive.

도 7은 전류 거울 바이어스 회로의 첫 번째 개선된 형태(modified current mirror 1)로서, 회로에 추가된 세 개의 저항 R1(71), R2(72), R3(73)으로 바이어스 임피던스 및 온도보상 기능 조절이 가능하다. 종래의 전류 거울 회로(도 5)의 온도보상 장점을 그대로 가지며, 회로의 임피던스 조절이 가능하도록 하는 구조이다. 저항 R2(72)를 고정한 상태에서, 저항 R1(71)과 저항 R3(73)을 조절함으로써, 전류의 변화 없이, 증폭기의 선형성의 극대화가 가능하다.7 is the first modified form of the current mirror bias circuit (modified current mirror 1), and the three resistors R1 (71), R2 (72), and R3 (73) added to the circuit adjust the bias impedance and temperature compensation function. This is possible. It has the advantage of temperature compensation of the conventional current mirror circuit (FIG. 5), and is a structure that allows the impedance control of the circuit to be controlled. With the resistor R2 (72) fixed, by adjusting the resistors R1 (71) and R3 (73), it is possible to maximize the linearity of the amplifier without changing the current.

도 8은 전류 거울 바이어스 회로의 두 번째 개선된 형태(modified current mirror 2)로서, 종래의 전류 거울 회로(도 5)에 인덕터(81)를 추가함으로써, 임피던스의 조절을 용이하게 하는 구조이다. 그러나 인덕터(81)는 MMIC 내에서 칩 크기(chip size)의 많은 부분을 차지하기 때문에, MMIC 설계에서는 잘 사용되지 않는 기법이다.8 is a second modified form of the current mirror bias circuit (modified current mirror 2), which is a structure that facilitates adjustment of the impedance by adding the inductor 81 to the conventional current mirror circuit (FIG. 5). However, since the inductor 81 occupies a large portion of the chip size in the MMIC, it is a technique that is rarely used in the MMIC design.

도 9는 개선된 수동 회로(modified passive circuit)와 개선된 전류 거울 회로(modified current mirror circuit)를 혼용한 회로이다([특허문헌 1] Bias network for high efficiency RF linear power amplifier, US 6,313,705 B1, 2001.11.06. 참조). 이 회로는 종래의 회로에 비해, 우수한 온도보상 성능 및 높은 가변성을 갖고 있어 회로의 우수한 선형성을 갖도록 하는 장점이 있다. 그러나 종래의 회로보다 복잡하고, 바이어스 회로에 많은 영역의 칩 크기를 할당해야 하기 때문에, 칩 크기가 종래의 회로에 비해 더 큰 크기를 필요로 하는 단점이 있다.9 is a circuit using a modified passive circuit (modified passive circuit) and an improved current mirror circuit (modified current mirror circuit) ([Patent Document 1] Bias network for high efficiency RF linear power amplifier, US 6,313,705 B1, 2001.11 .06.). This circuit has an advantage of having excellent temperature compensation performance and high variability, and excellent linearity of the circuit, compared to a conventional circuit. However, since it is more complicated than the conventional circuit and the chip size of a large area needs to be allocated to the bias circuit, there is a disadvantage in that the chip size requires a larger size than the conventional circuit.

또한, MMIC 증폭기는 제작 과정에서 설계에 사용된 능동소자 및 수동소자 값을 그대로 사용하고, 제작 후에는 그 값을 변경 또는 조절할 수 있는 방법이 없다. 따라서, 설계시, 바이어스 회로에 적용된 소자 값들에 의해 결정된 임피던스가 하나로 고정된 후에는, 수정 혹은 조절이 불가능한 문제점이 있었다. 도 10에 도시된 바와 같이, MMIC 증폭기 개발과정에서는, MMIC 증폭기 설계 후 웨이퍼 공정(wafer process) 및 패키지(package) 단계를 거쳐 개발되는데, 웨이퍼 공정과 패키지 사이에, 웨이퍼 상태에서 사전 측정(pre-test)을 거치게 된다. 사전 측정은 설계된 MMIC 증폭기가 웨이퍼 제작 후 패키지 과정으로 진행되기 전에 성능을 검증하는 과정으로, 프로브 스테이션(probe station)을 이용하여 측정하는 방법과, 패키지의 리드프레임(lead frame)만으로 구성된 개방형 패키지(open package)를 이용하는 측정방법 등이 있다. MMIC 증폭기 개발 시 기존의 개발순서에 따라, 웨이퍼 공정 후 사전측정 단계에서 원하는 성능이 나오지 않거나 설계결과와 측정결과가 많은 차이를 보이는 경우에는, 재설계와 웨이퍼 재제작이 다시 이루어져야하기 때문에, MMIC 증폭기의 재설계 및 웨이퍼 재제작에 필요한 비용과 시간이 소요되는 문제가 있었다.In addition, the MMIC amplifier uses the values of the active and passive elements used in the design during the manufacturing process, and there is no way to change or adjust the values after manufacturing. Therefore, in design, after the impedance determined by the device values applied to the bias circuit was fixed to one, there was a problem that correction or adjustment was impossible. As shown in FIG. 10, in the MMIC amplifier development process, after the MMIC amplifier design, it is developed through a wafer process and a package step. Between the wafer process and the package, pre-measurement in the wafer state (pre- test). Pre-measurement is the process of verifying the performance of the designed MMIC amplifier after wafer fabrication and before proceeding to the package process.How to measure using a probe station and an open package consisting only of the lead frame of the package ( open package). When developing the MMIC amplifier, if the desired performance does not come out during the pre-measurement stage after wafer processing, or if the design result and the measurement result show a lot of difference after the wafer process, the redesign and wafer re-manufacturing must be performed again. There was a problem that cost and time are required for redesign and wafer remanufacturing.

[특허문헌 1] 미국특허공보 US 6,313,705 B1( 2001.11.06.)[Patent Document 1] US Patent Publication US 6,313,705 B1 (2001.11.06.)

따라서 본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, MMIC 증폭기 회로의 설계시, 종래 구성의 바이어스 회로에 바이어스 회로의 임피던스 조절을 위해 저주파 대역 통과 여파기(low pass filter, LPF)를 삽입하고, 반도체 MMIC 증폭기의 제작 과정에서 와이어 본딩(wire bonding) 기술을 사용하여, 바이어스 회로의 임피던스를 임의로 수정 및 조절할 수 있게 함으로써, 증폭기의 선형성의 개선과 제품 개발시에 여러 번 반복될 수 있는 MMIC 증폭기 제작 과정을 감소시켜 개발비를 절감하고 시간을 단축할 수 있는, 임피던스 조절이 가능한 MMIC 증폭기의 바이어스 회로를 제공하는 데 목적이 있다.Therefore, the present invention is to solve the above problems, in the design of the MMIC amplifier circuit, a low pass band filter (LPF) is inserted into the bias circuit of the conventional configuration to adjust the impedance of the bias circuit, and the semiconductor MMIC By using wire bonding technology in the manufacturing process of the amplifier, it is possible to arbitrarily modify and adjust the impedance of the bias circuit, thereby improving the linearity of the amplifier and reducing the manufacturing process of the MMIC amplifier that can be repeated many times during product development. The objective is to provide a bias circuit of an MMIC amplifier with adjustable impedance, which can reduce development cost and reduce time.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일실시예에 따른 임피던스 조절이 가능한 MMIC 증폭기의 바이어스 회로는, 임피던스 조절을 위해 직렬 인덕터와 복수의 병렬 커패시터를 포함하고, 직렬 인덕터의 일단은 바이어스 트랜지스터의 컬렉터에 연결되고, 직렬 인덕터의 다른 일단은 복수의 병렬 커패시터의 일단 및 전원 단자에 연결되고, 복수의 병렬 커패시터의 다른 일단은 본딩 와이어를 통해 접지 단자에 연결되고, 복수의 병렬 커패시터와 접지 단자 사이의 각각의 본딩 와이어 연결 라인은 선택적으로 연결 또는 단선될 수 있다.In order to achieve the above object, the bias circuit of the MMIC amplifier capable of adjusting impedance according to an embodiment of the present invention includes a series inductor and a plurality of parallel capacitors for impedance adjustment, and one end of the series inductor is connected to a collector of the bias transistor. Connected, the other end of the series inductor is connected to one end of the plurality of parallel capacitors and the power supply terminal, the other end of the plurality of parallel capacitors is connected to the ground terminal through a bonding wire, each between the plurality of parallel capacitors and the ground terminal The bonding wire connection line of can be selectively connected or disconnected.

본 발명의 다른 실시예에 따른 임피던스 조절이 가능한 MMIC 증폭기의 바이어스 회로에서는, 바이어스 회로의 임피던스는 본딩 와이어에 의해 접지 단자와 연결된 병렬 커패시터의 총 커패시턴스 값에 의해 결정될 수 있다. In the bias circuit of the MMIC amplifier capable of adjusting impedance according to another embodiment of the present invention, the impedance of the bias circuit may be determined by the total capacitance value of the parallel capacitor connected to the ground terminal by a bonding wire.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 임피던스 조절이 가능한 MMIC 증폭기의 바이어스 회로에서는, 본딩 와이어의 길이는 조절 가능한 것일 수 있다.In the bias circuit of the MMIC amplifier capable of adjusting impedance according to another embodiment of the present invention, the length of the bonding wire may be adjustable.

복수의 커패시터는 각각 선택적으로 와이어 본딩되며, 와이어 본딩의 연결 여부에 따라 LPF에 사용된 병렬 커패시터의 사용 개수를 조절하여 병렬 커패시턴스를 조절함으로써 바이어스 회로 전체의 임피던스를 조절할 수 있다.Each of the plurality of capacitors is selectively wire-bonded, and the impedance of the entire bias circuit can be controlled by adjusting the parallel capacitance by controlling the number of parallel capacitors used in the LPF according to whether the wire bonding is connected.

LPF의 임피던스를 조정하여 바이어스 회로 전체의 임피던스를 조절할 수 있도록 함으로써, 증폭기의 선형성을 증가시킬 수 있다.By adjusting the impedance of the LPF so that the impedance of the entire bias circuit can be adjusted, the linearity of the amplifier can be increased.

본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면에 포함되어 있다.Other specific matters of the present invention are included in the detailed description and drawings.

본 발명에 따른 임피던스 조절이 가능한 MMIC 증폭기의 바이어스 회로에 의하면, LPF를 바이어스 회로에 사용하고 LPF에 사용된 병렬 커패시터(capacitor)의 접지(ground) 연결을 후면 비아 홀(backside via hole)이 아닌 와이어 본딩(wire bonding)을 사용하여 LPF의 임피던스를 조정하여 바이어스 회로 전체의 임피던스를 조절할 수 있도록 함으로써, 증폭기의 선형성을 증가시키고, 개발 횟수를 감소시킬 수 있다. 그리고 0.5W 이상의 출력이 요구되는 증폭기에 LPF를 적용하면 높은 선형성을 기대할 수 있다.According to the bias circuit of the MMIC amplifier capable of adjusting the impedance according to the present invention, LPF is used in the bias circuit, and the ground connection of the parallel capacitor used in the LPF is not a backside via hole. By adjusting the impedance of the LPF using wire bonding, the impedance of the entire bias circuit can be adjusted, thereby increasing the linearity of the amplifier and reducing the number of developments. Also, if LPF is applied to an amplifier that requires an output of 0.5W or more, high linearity can be expected.

본 발명에 따른 임피던스 조절이 가능한 MMIC 증폭기의 바이어스 회로에서는, 패키지 전 단계의 사전 측정 과정에서, 증폭기의 선형성 개선을 이끌어내기 위해, 바이어스 회로 내 LPF의 병렬 커패시터의 접지 연결을 와이어 본딩 방법을 사용함으로써, 바이어스 회로의 임피던스를 조절할 수 있으며, 이러한 방법으로 증폭기의 선형성을 최선으로 개선한 후, 동일한 조건으로 패키지를 진행하면 우수한 성능의 MMIC 증폭기의 개발 횟수를 감소시킬 수 있고, 중복 지출되는 연구 개발비 및 소요시간을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.In the bias circuit of the impedance-adjustable MMIC amplifier according to the present invention, in order to induce the linearity improvement of the amplifier in the pre-measurement process before the package, by using a wire bonding method, the ground connection of the parallel capacitor of the LPF in the bias circuit , It is possible to adjust the impedance of the bias circuit, improve the linearity of the amplifier in this way, and then proceed with the package under the same conditions to reduce the number of developments of high-performance MMIC amplifiers. It has the effect of reducing the time required.

또한, 본 발명에 따른 기술은 종래의 모든 바이어스 회로에 적용할 수 있으며, 설계시, 마스크 레이아웃(mask layout) 기술에 따라, MMIC의 칩 크기를 많이 증가시키지 않고 작은 사이즈로 구현 가능한 효과도 있다.In addition, the technology according to the present invention can be applied to all conventional bias circuits, and in design, according to a mask layout technology, there is an effect that can be implemented in a small size without increasing the chip size of the MMIC much.

본 발명의 효과는 이상에서 언급된 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The effects of the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

도 1은 종래 구조에 따른 트랜지스터의 회로 기호를 나타낸 것으로서, 도 1(a)는 양극성 접합 트랜지스터(bipolar junction transistor, BJT)의 기호이고, 도 1(b)는 전계 효과 트랜지스터(field effect transistor, FET)의 기호이다.
도 2는 트랜지스터의 직류전원을 인가한 일례의 회로도로서, 도 2(a)는 BJT의 직류전원 인가의 일례이고, 도 2(b)는 FET의 직류전원 인가의 일례이다.
도 3은 종래의 일례에 따른 저항성 바이어스 회로(resistive bias circuit)이다.
도 4는 종래의 다른 예에 따른 능동 바이어스 회로(active bias circuit)이다.
도 5는 종래의 또 다른 예에 따른 전류 거울 바이어스 회로(current mirror bias circuit)이다.
도 6은 종래의 또 다른 예에 따른 개선된 능동 바이어스 회로(modified active bias circuit)이다.
도 7은 전류 거울 바이어스 회로의 첫 번째 개선된 형태(modified current mirror 1)이다.
도 8은 전류 거울 바이어스 회로의 두 번째 개선된 형태(modified current mirror 2)이다.
도 9는 개선된 수동 회로(modified passive circuit)와 개선된 전류 거울 회로(modified current mirror circuit)를 혼용한 회로이다.
도 10은 본 발명의 MMIC 증폭기 개발 순서도이다.
도 11은 바이어스 회로에 삽입되는 저주파 대역 통과 여파기(low pass filter, LPF)의 회로도이다.
도 12는 병렬 커패시터의 접지 연결 방법을 나타낸 것으로서, 도 12(a)는 후면 비아 홀 접지 방식이고, 도 12(b)는 와이어 본딩 접지 방식이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 조절이 가능한 MMIC 증폭기의 바이어스 회로를 나타낸 것으로서, 도 6의 개선된 능동 바이어스 회로에 온도보상 회로 및 LPF를 적용한 일례를 나타낸 회로도이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이어스 회로에 LPF의 유무에 따른 바이어스 회로의 임피던스 변화를 도시한 예로서, 도 14(a)는 LPF가 없을 경우의 바이어스 회로의 입출력 반사계수 및 임피던스를 나타낸 것이고, 도 14(b)는 LPF가 있는 경우의 바이어스 회로의 입출력 반사계수 및 임피던스를 나타낸 것이다.
도 15는 도 13의 바이어스 회로가 적용된 증폭기에서 LPF의 유무에 따른 증폭기의 S 파라미터의 변화를 나타낸 것으로서, 도 15(a)는 LPF가 없는 경우의 S 파라미터(parameter)를 나타낸 것이고, 도 15(b)는 LPF가 있는 경우의 S 파라미터를 나타낸 것이다.
도 16은 도 13의 바이어스 회로가 적용된 증폭기에서 LPF의 유무에 따른 증폭기의 반사계수 및 임피던스 변화를 나타낸 것으로서, 도 16(a)는 LPF가 없는 경우이고, 도 16(b)는 LPF가 있는 경우이다.
도 17은 도 13의 LPF의 병렬 커패시터를 3개로 나누고 와이어 본딩으로 접지와 연결을 이룬 바이어스 회로를 나타낸 것이다.
도 18은 도 17의 LPF의 병렬 커패시터를 나누어 사용한 일례에 따른 입출력 반사계수 및 임피던스 변화를 나타낸 것으로, 도 18(a)는 0개의 병렬 커패시터가 접지에 연결된 경우이고, 도 18(b)는 1개의 병렬 커패시터가 접지에 연결된 경우이고, 도 18(c)는 2개의 병렬 커패시터가 접지에 연결된 경우이고, 도 18(d)는 3개의 병렬 커패시터가 접지에 연결된 경우이다.
도 19는 도 17의 병렬 커패시터를 분리한 LPF가 사용된 바이어스 회로를 적용한 증폭기에 있어서, 접지 연결 개수에 따른 증폭기의 S 파라미터 변화를 나타낸 것으로서, 도 19(a)는 0개의 병렬 커패시터가 접지에 연결된 경우이고, 도 19(b)는 1개의 병렬 커패시터가 접지에 연결된 경우이고, 도 19(c)는 2개의 병렬 커패시터가 접지에 연결된 경우이고, 도 19(d)는 3개의 병렬 커패시터가 접지에 연결된 경우이다.
도 20은 도 17에서 접지와 연결되는 와이어를 인덕터로 표현한 회로도를 나타낸 것이다.
도 21은 도 17에서 3개의 병렬 커패시터를 모두 사용하고 와이어의 길이에 따른 인덕턴스의 영향에 의한 S 파라미터 변화를 나타낸 것으로서, 도 21(a)는 와이어의 인덕턴스가 0.5nH인 경우이고, 도 21(b)는 와이어의 인덕턴스가 1nH인 경우이고, 도 21(c)는 와이어의 인덕턴스가 2nH인 경우이다.
1 shows a circuit symbol of a transistor according to a conventional structure, FIG. 1(a) is a symbol of a bipolar junction transistor (BJT), and FIG. 1(b) is a field effect transistor (FET) ).
2 is a circuit diagram of an example in which the DC power of the transistor is applied, FIG. 2(a) is an example of applying the DC power of the BJT, and FIG. 2(b) is an example of applying the DC power of the FET.
3 is a resistive bias circuit according to a conventional example.
4 is an active bias circuit according to another conventional example.
5 is a current mirror bias circuit according to another example of the related art.
6 is a modified active bias circuit according to another example of the related art.
7 is the first modified form of the current mirror bias circuit (modified current mirror 1).
8 is a second modified form of the current mirror bias circuit (modified current mirror 2).
9 is a circuit using a mixture of an improved passive circuit (modified passive circuit) and an improved current mirror circuit (modified current mirror circuit).
10 is a flowchart of the development of the MMIC amplifier of the present invention.
11 is a circuit diagram of a low pass filter (LPF) inserted in a bias circuit.
FIG. 12 illustrates a method of grounding a parallel capacitor, and FIG. 12(a) is a rear via hole grounding method, and FIG. 12(b) is a wire bonding grounding method.
13 is a circuit diagram showing an example of applying a temperature compensation circuit and an LPF to the improved active bias circuit of FIG. 6 as a bias circuit of an MMIC amplifier capable of adjusting impedance according to an embodiment of the present invention.
14 is an example showing the impedance change of the bias circuit according to the presence or absence of LPF in the bias circuit according to an embodiment of the present invention, and FIG. 14(a) shows the input/output reflection coefficient and impedance of the bias circuit in the absence of LPF. 14(b) shows the input/output reflection coefficient and impedance of the bias circuit in the case of LPF.
FIG. 15 shows the change of the S parameter of the amplifier according to the presence or absence of LPF in the amplifier to which the bias circuit of FIG. 13 is applied, and FIG. 15(a) shows the S parameter in the absence of LPF, and FIG. 15( b) shows the S parameter in the presence of LPF.
FIG. 16 shows a change in the reflection coefficient and impedance of the amplifier according to the presence or absence of LPF in the amplifier to which the bias circuit of FIG. 13 is applied, and FIG. 16(a) is a case where there is no LPF, and FIG. to be.
FIG. 17 shows a bias circuit in which the parallel capacitor of the LPF of FIG. 13 is divided into three and connected to ground by wire bonding.
FIG. 18 shows input/output reflection coefficient and impedance change according to an example in which the parallel capacitor of LPF of FIG. 17 is divided, and FIG. 18(a) is a case where 0 parallel capacitors are connected to ground, and FIG. 18(b) is 1 18 parallel capacitors are connected to ground, FIG. 18(c) is a case where two parallel capacitors are connected to ground, and FIG. 18(d) is a case where three parallel capacitors are connected to ground.
FIG. 19 shows a change in the S parameter of an amplifier according to the number of ground connections in an amplifier to which a bias circuit using LPF with the parallel capacitor separated in FIG. 17 is applied, and FIG. 19(a) shows that 0 parallel capacitors are connected to ground. When connected, FIG. 19(b) is when one parallel capacitor is connected to ground, FIG. 19(c) is when two parallel capacitors are connected to ground, and FIG. 19(d) is when three parallel capacitors are connected to ground. Is connected to.
20 is a circuit diagram showing a wire connected to the ground in FIG. 17 with an inductor.
FIG. 21 shows the change of the S parameter due to the effect of inductance along the length of the wire using all three parallel capacitors in FIG. 17, and FIG. 21(a) is a case where the inductance of the wire is 0.5 nH, and FIG. b) is when the inductance of the wire is 1nH, and FIG. 21(c) is when the inductance of the wire is 2nH.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 후술되는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에 개시되는 실시예들로 제한되는 것이 아니라, 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구범위에 의해 정의될 뿐이다.Advantages and features of the present invention, and a method of achieving them will be clarified with reference to embodiments described below along with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, and may be implemented in various different forms, and only the present embodiments allow the disclosure of the present invention to be complete, and are common in the art to which the present invention pertains. It is provided to fully inform the skilled person of the scope of the present invention, and the present invention is only defined by the claims.

본 명세서에서 사용되는 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다." 및/또는 "포함하는"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 명세서 전체에 걸쳐, 동일한 도면부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, "및/또는"은 언급된 구성요소들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.The terminology used herein is for describing the embodiments, and is not intended to limit the present invention. In the present specification, the singular form also includes the plural form unless otherwise specified. As used herein, "includes." And/or “comprising” does not exclude the presence or addition of one or more other components other than the components mentioned. Throughout the specification, the same reference numerals refer to the same components, and “and/or” includes each and every combination of one or more of the components mentioned.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자에게 공통으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms (including technical and scientific terms) used in this specification may be used in a sense that can be commonly understood by those skilled in the art to which the present invention pertains. In addition, terms that are defined in a commonly used dictionary are not ideally or excessively interpreted unless explicitly defined.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 11은 바이어스 회로에 삽입되는 LPF의 회로를 나타낸 것으로서, 직렬 인덕터(101)와 병렬 커패시터(102)로 구성된다. 직렬 인덕터(101)는 LPF의 입출력에 직렬로 연결되고 병렬 커패시터(102)는 LPF의입출력 사이에 병렬로, 접지 사이에 연결된다. 일반적으로, LPF에서의 병렬 커패시터의 접지 연결은 웨이퍼를 관통하여 연결된 후면 비아 홀을 이용하지만, 본 발명의 경우에는 와이어 본딩을 이용하여 접지에 연결된다.11 shows a circuit of LPF inserted into a bias circuit, and is composed of a series inductor 101 and a parallel capacitor 102. The series inductor 101 is connected in series to the input and output of the LPF, and the parallel capacitor 102 is connected in parallel between the input and output of the LPF and between ground. In general, the ground connection of the parallel capacitor in the LPF uses a back via hole connected through the wafer, but in the case of the present invention it is connected to ground using wire bonding.

도 12는 병렬 커패시터(111)와 접지로 사용되는 리드프레임(112)의 연결 방식을 나타낸 도면이다.12 is a view showing a connection method of the parallel capacitor 111 and the lead frame 112 used as ground.

도 12(a)는 후면 비아 홀을 통한 연결 방법으로서, 금속-유전체-금속(metal- insulator-metal, MIM) 구조의 반도체에 사용되는 커패시터는 상부 금속 전극(113)과 하부 금속 전극(114) 사이에 유전체(115)가 삽입된 샌드위치 구조로 이루어져 있으며, 점선으로 표시된 병렬 커패시터(111) 영역 바깥의 하부 금속 전극(114) 밑의 기판(116)에 비아 홀(117)을 형성함과 아울러 접지 전극(118)을 형성해서, 전도성 솔더(solder, 119)를 사용하여 리드프레임(112)에 직접 연결하는 방식이다.12(a) is a connection method through a rear via hole, and a capacitor used in a semiconductor having a metal-insulator-metal (MIM) structure includes an upper metal electrode 113 and a lower metal electrode 114. It consists of a sandwich structure in which a dielectric 115 is interposed, and forms a via hole 117 on the substrate 116 under the lower metal electrode 114 outside the region of the parallel capacitor 111 indicated by a dotted line, and also grounds. It is a method of forming the electrode 118 and directly connecting it to the lead frame 112 using a conductive solder (119).

도 12(b)는 와이어 본딩에 의한 연결 방법으로서 상기와 같이 확장된 하부 금속 전극(114) 밑의 기판에 비아 홀을 형성하지 않고, 본딩 와이어(120)를 이용하여 리드프레임(112)에 연결하는 방법이다.12(b) is a connection method by wire bonding, without forming via holes in the substrate under the extended lower metal electrode 114 as described above, and connecting to the lead frame 112 using the bonding wire 120. Is how to do it.

본 발명은 후면 비아 홀을 이용하지 않고 와이어 본딩을 이용한 접지 연결 방식을 사용함으로써, LPF의 임피던스를 조절할 수 있게 하여, 바이어스 회로의 임피던스를 조절해서 증폭기의 선형성을 증가시킬 수 있다.In the present invention, by using a ground connection method using wire bonding without using a rear via hole, the impedance of the LPF can be adjusted, and the impedance of the bias circuit can be adjusted to increase the linearity of the amplifier.

도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 증폭기의 임피던스 정합 조절가능 직류전원 인가회로를 나타낸 것으로서, 도 6의 개선된 능동 바이어스 회로에 온도보상 회로 및 LPF를 적용한 일례를 나타낸 것이다. 도 6의 개선된 능동 바이어스 회로가 MMIC 증폭기의 바이어스 회로에 적용되기 위해서는, 바이어스 회로에 인가되는 모든 직류전원이 주 트랜지스터의 출력 전압과 연결되어 패키지의 바이어스 단자를 감소시켜야 한다. 그리고 온도보상을 위해, 바이어스 트랜지스터(121)의 입력 전압이 인가되는 부분에 온도보상 다이오드(122)와 바이어스 저항을 도면에 도시된 것처럼 사용할 수 있다. 바이어스 저항은 상부 바이어스 저항(123)과 하부 바이어스 저항(124)의 전압 분배 형태로 사용하며, 이에 의해, 바이어스 트랜지스터(121)의 입력 전압 또는 전류를 제어하게 한다.13 shows an impedance matching adjustable DC power supply circuit of an amplifier according to an embodiment of the present invention, and shows an example of applying a temperature compensation circuit and LPF to the improved active bias circuit of FIG. 6. In order for the improved active bias circuit of FIG. 6 to be applied to the bias circuit of the MMIC amplifier, all DC power applied to the bias circuit must be connected to the output voltage of the main transistor to reduce the bias terminal of the package. In addition, for temperature compensation, a temperature compensation diode 122 and a bias resistor may be used as shown in the drawing in a portion where the input voltage of the bias transistor 121 is applied. The bias resistor is used as a voltage distribution form of the upper bias resistor 123 and the lower bias resistor 124, thereby controlling the input voltage or current of the bias transistor 121.

바이어스 회로의 임피던스 조절용 LPF는 도 11에 적용된 기본 LPF로, 직렬 인덕터(125)와 병렬 커패시터(126)로 구성되며, 직렬 인덕터의 일단은 바이어스 트랜지스터(121)의 컬렉터에 연결되고, 다른 일단은 병렬 커패시터의 일단 및 전원 단자(In)에 연결되고, 병렬 커패시터의 다른 일단은 본딩 와이어를 통해 접지에 연결된다. 직렬 인덕터의 일단과 연결된 전원 단자(In)는 증폭부의 주 트랜지스터의 출력과도 연결된다. MMIC에서, 접지 연결에 사용되는 방법은, 도 11(a)의 후면 비아 홀을 사용하여 연결되도록 하는 방법이 일반적이며, 비아 홀에서 발생되는 인덕턴스는 매우 낮은 값으로 무시된다.The LPF for impedance adjustment of the bias circuit is a basic LPF applied to FIG. 11, consisting of a series inductor 125 and a parallel capacitor 126, one end of the series inductor connected to the collector of the bias transistor 121, and the other end in parallel One end of the capacitor is connected to the power supply terminal In, and the other end of the parallel capacitor is connected to ground through a bonding wire. The power supply terminal In connected to one end of the series inductor is also connected to the output of the main transistor of the amplifier. In the MMIC, the method used for ground connection is generally such that it is connected using the rear via hole of FIG. 11(a), and the inductance generated in the via hole is neglected to a very low value.

도 14는 바이어스 회로에 LPF의 유무에 따른 바이어스 회로의 임피던스 변화를 도시한 예이다. LPF의 20nH의 직렬 인덕턴스와 6pF의 병렬 커패시턴스를 갖고 있는 회로를 적용하였다. 도 14(a)는 LPF가 없을 경우의 바이어스 회로의 입출력 반사계수 및 임피던스를 나타낸 것이다. 도 14(b)는 LPF가 있는 경우의 바이어스 회로의 입출력 반사계수 및 임피던스를 나타낸 것이다. 그리고 표 1은 LPF 유무에 따른 2.14GHz에서 바이어스 회로의 반사계수 및 임피던스의 변화를 복소 평면상의 수치로 표현한 것이다.14 is an example showing an impedance change of the bias circuit according to the presence or absence of LPF in the bias circuit. A circuit with 20 nH of series inductance of LPF and 6 pF of parallel capacitance was applied. 14(a) shows the input/output reflection coefficient and impedance of the bias circuit in the absence of LPF. 14(b) shows the input/output reflection coefficient and impedance of the bias circuit in the case of LPF. And Table 1 shows the change in the reflection coefficient and impedance of the bias circuit at 2.14 GHz with and without LPF as a numerical value on the complex plane.

구분division 특성characteristic LPF 유무 구분LPF presence classification 무(無)Nothing 유(有)Existence 입력 input 반사계수 (S11)Reflection coefficient (S11) 0.36-j0.800.36-j0.80 0.39 - j0.720.39-j0.72 임피던스 (Zin)Impedance (Zin) Z0*(0.22-j1.53)Z0* (0.22-j1.53) Z0*(0.38 - j1.62)Z0* (0.38-j1.62) 출력Print 반사계수 (S22)Reflection coefficient (S22) 0.86-j0.380.86-j0.38 0.76 - j0.480.76-j0.48 임피던스 (Zout)Impedance (Zout) Z0*(0.69-j4.66)Z0* (0.69-j4.66) Z0*(0.061 - j0.29)Z0* (0.061-j0.29)

도 14와 표 1은 LPF의 유무에 따라 바이어스 회로의 임피던스가 변화되는 것의 일례를 나타낸 것이다.14 and Table 1 show an example in which the impedance of the bias circuit changes depending on the presence or absence of LPF.

상기와 같은 LPF의 유무에 따른 바이어스 회로의 임피던스 변화는 증폭기의 임피던스에도 상당한 영향을 미친다.The impedance change of the bias circuit according to the presence or absence of the LPF has a significant influence on the impedance of the amplifier.

도 15와 도 16는 도 13의 바이어스 회로가 적용된 증폭기에서 LPF의 유무에 따른 증폭기의 S 파라미터(parameter)의 변화를 나타낸다. 도 15(a)는 LPF가 없는 경우의 S 파라미터를, 도 15(b)는 LPF가 있는 경우의 S 파라미터를 dB 값으로 나타낸 것이며, 도 16(a)와 도 16(b)는 LPF의 유무에 따른 반사계수 및 임피던스 변화를 나타낸 것이다. 그리고 표 2는 LPF 유무에 따른 2.14GHz에서 상기 바이어스 회로가 적용된 증폭기의 S 파라미터 값을 표현한 것이다.15 and 16 show the change of the S parameter (parameter) of the amplifier with or without LPF in the amplifier to which the bias circuit of FIG. 13 is applied. 15(a) shows the S parameter in the absence of LPF, and FIG. 15(b) shows the S parameter in the presence of LPF in dB values, and FIGS. 16(a) and 16(b) show the presence or absence of LPF. It shows the change of the reflection coefficient and impedance according to. And Table 2 represents the S parameter value of the amplifier to which the bias circuit is applied at 2.14 GHz with or without LPF.

항목 Item S 파라미터 값 (LPF 유무 구분, @ 2.14GHz) [dB]S parameter value (LPF presence/absence, @ 2.14GHz) [dB] 무(無)Nothing 유(有)Existence S11S11 -8.9 -8.9 -21.0 -21.0 S21S21 15.315.3 18.6 18.6 S22S22 -2.3 -2.3 -24.1 -24.1

도 15와 도 16 및 표 2는 도 13의 LPF만의 영향을 확인하기 위해, 바이어스 회로의 LPF의 적용 유무만을 비교하였고, 증폭기의 입출력 임피던스 정합은 동일하게 적용한 것이다.15 and 16 and Table 2, in order to confirm the effect of only the LPF of FIG. 13, only the presence or absence of applying the LPF of the bias circuit was compared, and the matching of the input and output impedances of the amplifier is the same.

LPF의 적용 여부에 따라 증폭기의 입출력 임피던스 정합을 수정하면 반대의 결과 또는 동일한 결과를 도출할 수 있으나, 출력 전력 및 선형성 등에 대한 성능은 임피던스 정합의 결과에 따라 상기 표 2의 S 파라미터 값이 비슷하더라도 다른 결과를 나타낼 수 있다. 따라서 증폭기의 성능을 향상시킬 수 있는 증폭기의 입출력 임피던스 정합을 가능하게 하기 위해서는, 바이어스 회로의 임피던스를 미세하게 조절할 수 있는 방법이 필요하다.By modifying the input/output impedance matching of the amplifier depending on whether LPF is applied, the opposite result or the same result can be obtained, but the performance of output power and linearity is similar even if the S parameter values in Table 2 are similar depending on the result of impedance matching. It may have different results. Therefore, in order to enable matching of the input/output impedance of the amplifier capable of improving the performance of the amplifier, a method of finely adjusting the impedance of the bias circuit is needed.

도 13의 실시예는 증폭기의 입출력 임피던스가 LPF의 유무에 따른 바이어스 회로의 임피던스에 의한 영향만을 확인하기 위한 것으로서, 바이어스 회로에 LPF의 적용 여부는 바이어스 회로의 임피던스의 변화를 줄 수 있고, 이는 증폭기 전체의 임피던스에 영향을 줄 수 있는 것으로 확인되었다. 그러나 도 13의 경우에는 LPF의 병렬 커패시터의 접지를 후면 비아 홀 방법을 사용한 경우로 가정하였기 때문에, 바이어스 회로의 임피던스에 변화를 줄 수 있는 방법은 LPF의 사용 여부만으로 한정된다. 따라서 출력 전력 및 선형성의 최적화를 위해서는, 증폭기의 입출력 임피던스의 조절 또는 바이어스 회로 임피던스의 최적 설계가 필요하다.The embodiment of FIG. 13 is for confirming only the influence of the input/output impedance of the amplifier by the impedance of the bias circuit according to the presence or absence of LPF, and whether LPF is applied to the bias circuit can change the impedance of the bias circuit, which is an amplifier. It was confirmed that it could affect the overall impedance. However, in the case of FIG. 13, since it is assumed that the ground of the parallel capacitor of the LPF is a case using the rear via hole method, the method capable of changing the impedance of the bias circuit is limited to the use of LPF only. Therefore, in order to optimize output power and linearity, it is necessary to adjust the input/output impedance of the amplifier or to optimize the bias circuit impedance.

그러나 도 13은 LPF의 병렬 커패시터의 접지 연결에 후면 비아 홀 방법을 사용하였기 때문에, 설계시, 바이어스 회로의 구성소자 값으로 바이어스 회로의 임피던스가 고정된다. MMIC 증폭기의 최적성능 추출을 위하여 입출력 임피던스 정합 방법만으로는 정합에 사용되는 소자 값 및 PCB 상의 입출력 전송선로 길이 등의 한계로 인하여, 증폭기의 입출력 임피던스의 조절만으로는 한계가 있다. 그러나 바이어스 회로의 임피던스의 조절이 가능하여, 이를 증폭기의 입출력 임피던스 정합과 같이 사용한다면, 최적화의 한계는 더 증가하여, 이를 제품 개발에 사용한다면, 개발 시도 횟수가 감소될 수 있다.However, since the rear via hole method is used for the ground connection of the parallel capacitor of the LPF in FIG. 13, the impedance of the bias circuit is fixed by the value of the component of the bias circuit during design. In order to extract the optimum performance of the MMIC amplifier, the input/output impedance matching method alone has limitations only by adjusting the input/output impedance of the amplifier due to limitations such as device values used for matching and length of input/output transmission lines on the PCB. However, it is possible to adjust the impedance of the bias circuit, and if it is used together with matching the input/output impedance of the amplifier, the limit of optimization is further increased, and if it is used for product development, the number of development attempts may be reduced.

도 17은 본 발명에 따른 바이어스 회로의 임피던스를 조절하기 위하여, 도 13에 사용된 LPF의 병렬 커패시터를 복수로 분리하여 사용한 경우이다. 복수의 병렬 커패시터로 분리하여 사용하는 것은 작은 값의 병렬 커패시터를 본딩 와이어로 접지와 연결된 개수에 따라 MMIC 증폭기 바이어스 회로의 임피던스 정합을 더욱 미세하게 조절할 수 있도록 하기 위함이다. 이를 위해서, 분리된 복수의 병렬 커패시터의 접지 연결 방법은 도 12(b)의 와이어 본딩 방법을 사용하여야 한다. 왜냐하면, 본 발명은 병렬 커패시터를 복수로 분리해서 각 커패시터에서 접지 연결을 위한 본딩 와이어의 유무 및 개수에 따라 LPF의 커패시턴스를 조절하여 바이어스 회로의 임피던스를 조절하는 형태이기 때문에, 후면 비아 홀 방법을 사용할 경우에 모든 커패시터가 접지와 연결되어, 도 13에 도시된 것처럼 하나의 커패시터를 사용한 경우와 동일하게 되어 버려, 커패시턴스의 조절이 불가능하기 때문이다. 또한, MMIC의 제품은 제작된 이후에 개별 소자의 값을 변화시킬 수 없기 때문에, 설계 단계에서, 커패시터를 분리해서 사용할 수 있도록 하여, 웨이퍼 제작 후 사전측정 과정 및 패키지 과정에서 증폭기의 성능 최적화를 하기 위함이다.17 is a case in which a plurality of parallel capacitors of the LPF used in FIG. 13 are used to adjust the impedance of the bias circuit according to the present invention. The separation and use of multiple parallel capacitors is to enable finer adjustment of the impedance matching of the MMIC amplifier bias circuit according to the number of small-value parallel capacitors connected to the ground with a bonding wire. To this end, the ground connection method of the separated plurality of parallel capacitors should use the wire bonding method of FIG. 12(b). Because, the present invention is a form of controlling the impedance of the bias circuit by adjusting the capacitance of the LPF according to the presence and number of bonding wires for ground connection in each capacitor by separating a plurality of parallel capacitors. In this case, all the capacitors are connected to the ground, and as shown in FIG. 13, it becomes the same as the case where one capacitor is used, so it is impossible to adjust the capacitance. In addition, since MMIC's products cannot change the value of individual devices after they are manufactured, the capacitors can be used separately at the design stage, optimizing the performance of the amplifier during pre-measurement and packaging after wafer fabrication. It is for sake.

일례를 들어, 도 13의 LPF에 6pF의 병렬 커패시터(126)를 사용하고, 도 17은 병렬 커패시터를 2pF씩 3개(161, 162, 163)로 나누어 사용한 경우이다. 와이어 본딩의 연결 여부에 따라, LPF에 사용된 병렬 커패시터의 사용 개수를 조절하여 병렬 커패시턴스를 조절함으로써, 바이어스 회로의 임피던스를 조절하는 방식이다. 이에 의해, 증폭기 회로 전체의 입출력 임피던스를 조정할 수 있다. 도 18은 도 17의 병렬 커패시터와 접지의 연결 개수에 따른 바이어스 회로의 임피던스 변화를 나타낸 것이다. 도 18(a) 내지 (d)는 각각 커패시터의 연결이 0개부터 3개까지의 경우를 나타낸 것이다. 0개는 직렬 인덕터만 있는 경우이다.For example, the 6FF parallel capacitor 126 is used for the LPF of FIG. 13, and FIG. 17 is a case where the parallel capacitor is divided into three (161, 162, 163) of 2pF. This is a method of adjusting the impedance of the bias circuit by adjusting the number of parallel capacitors used in the LPF and adjusting the parallel capacitance depending on whether wire bonding is connected. Thereby, the input/output impedance of the whole amplifier circuit can be adjusted. FIG. 18 shows a change in impedance of the bias circuit according to the number of connections of the parallel capacitor and ground in FIG. 17. 18(a) to (d) show the case where 0 to 3 capacitors are connected. 0 is for a series inductor only.

LPF의 병렬 커패시터의 커패시턴스를 더욱 작은 값으로 하면, 분리할 수 있는 수는 증가하여 더욱 미세한 임피던스 조절이 가능하지만, 그에 따른 칩 크기가 증가하는 단점이 있다.If the capacitance of the parallel capacitor of the LPF is set to a smaller value, the number of separations can be increased and finer impedance adjustment is possible, but there is a disadvantage in that the chip size increases.

도 17의 바이어스 회로를 적용한 증폭기는 병렬 커패시터의 연결 개수에 따라 바이어스 회로의 임피던스를 조절함으로써, 증폭기의 전체 회로에 대한 임피던스 조절이 가능해진다. 도 19은 병렬 커패시터의 연결 개수에 따른 증폭기의 S 파라미터 변화를 나타낸 것이고, 표 3은 각 경우에 대한 2.14GHz에서의 S 파라미터 값을 나타낸 것이다. 병렬 커패시터의 연결 개수가 0인 경우는 LPF에 직렬 인덕터만 존재하는 경우이다. 도 19 및 표 3의 결과는 병렬 커패시터의 연결에 따른 증폭기 전체의 임피던스 변화를 확인하기 위한 것으로서, 증폭기의 입출력 임피던스는 모두 동일한 값을 사용한 결과이다. 각각의 경우에 대해, 증폭기의 임피던스 정합을 변경하면 다른 결과를 나타낼 수 있다.The amplifier to which the bias circuit of FIG. 17 is applied adjusts the impedance of the bias circuit according to the number of parallel capacitor connections, thereby making it possible to adjust the impedance of the entire circuit of the amplifier. 19 shows the change of the S parameter of the amplifier according to the number of connections of the parallel capacitor, and Table 3 shows the S parameter value at 2.14 GHz for each case. When the number of parallel capacitors is 0, only the series inductor is present in the LPF. The results in FIG. 19 and Table 3 are for confirming the change in impedance of the entire amplifier according to the connection of the parallel capacitors, and the input and output impedances of the amplifier are all the same values. For each case, changing the impedance matching of the amplifier can produce different results.

항목Item 병렬 커패시터 연결 개수에 따른 S 파라미터 값 (@ 2.14 GHz) [dB]S parameter value according to the number of parallel capacitor connections (@ 2.14 GHz) [dB] 0개0 1개One 2개2 3개Three S11S11 -9.8-9.8 -12.2-12.2 -18.3-18.3 -21.0-21.0 S21S21 15.015.0 16.716.7 18.118.1 18.618.6 S22S22 -2.5-2.5 -4.4-4.4 -9.3-9.3 -24.1-24.1

또한, 접지와의 연결에 사용된 본딩 와이어는 금속 내부 저항 및 인덕턴스를 갖는 인덕터로 표현할 수 있다. 금속의 내부 저항은 너무도 작은 값을 가지므로 이는 무시할 수 있으나, 인덕턴스는 와이어의 길이에 따라 변하게 되어 주파수가 증가할 경우에는 그 리액턴스는 무시할 수 없는 값이 된다. 도 20은 도 17의 병렬 커패시터와 접지의 연결에 이용된 와이어를 인덕터로 표현한 회로도를 나타낸 것으로서 길이가 1mm일 경우에 약 1nH의 인덕턴스를 가지며, 길이가 증가하면 인덕턴스는 선형적으로 증가하게 된다. 병렬 커패시터와 접지의 연결에 사용된 길이를 조절함으로써 바이어스 회로의 임피던스 조절이 가능해지고, 나아가, 증폭기의 임피던스 또한 조절이 가능해진다.In addition, the bonding wire used for connection to ground can be represented by an inductor having a metal internal resistance and inductance. Since the internal resistance of the metal has a value that is too small, it can be ignored, but when the frequency increases because the inductance changes with the length of the wire, the reactance becomes a value that cannot be ignored. FIG. 20 is a circuit diagram showing the wire used for the connection of the parallel capacitor and ground of FIG. 17 as an inductor, having an inductance of about 1 nH when the length is 1 mm, and the inductance increases linearly as the length increases. By adjusting the length used for the connection of the parallel capacitor and ground, the impedance of the bias circuit can be adjusted, and the impedance of the amplifier can also be adjusted.

도 21은 도 19에서 3개의 병렬 커패시터 모두(전체 커패시턴스 : 6pF)를 사용하고 와이어의 길이에 따른 인덕턴스의 영향을 나타낸 것으로서, 와이어의 길이에 따른 인덕턴스가 0.5, 1 및 2 nH일 경우의 증폭기의 S 파라미터 변화를 나타낸 것이다. 이 경우도 마찬가지로, 와이어의 길이에 따른 인덕턴스가 증폭기의 임피던스의 영향을 확인하기 위한 것으로서, 증폭기의 입출력 임피던스 정합은 동일하고, 각각의 경우에 따라, 임피던스 정합을 변경하면 다른 결과를 도출할 수 있다.FIG. 21 shows the effect of inductance according to the length of the wire using all three parallel capacitors (total capacitance: 6 pF) in FIG. 19, and of the amplifier when the inductance according to the length of the wire is 0.5, 1 and 2 nH It shows the change of S parameter. Also in this case, the inductance according to the length of the wire is for confirming the influence of the impedance of the amplifier, and the input and output impedance matching of the amplifier is the same, and in each case, changing the impedance matching can lead to different results. .

상기와 같이 병렬 커패시터의 수량과 본딩 와이어의 길이의 조합을 이용하여 LPF를 사용하는 바이어스의 회로의 임피던스를 조절함으로써 증폭기 회로의 입출력 임피던스의 미세한 조정이 가능하여 증폭기의 성능 및 선형성을 증가시킬 수 있다.As described above, by adjusting the impedance of the circuit of the bias using LPF using a combination of the number of parallel capacitors and the length of the bonding wire, fine adjustment of the input/output impedance of the amplifier circuit is possible, thereby increasing the performance and linearity of the amplifier. .

표 4는 0.5W급의 증폭기에 본 발명에 따른 LPF 및 임피던스 조절용 회로를 적용한 바이어스 회로를 사용하는 증폭기의 설계 결과를 나타낸 것으로서, 도 17과 도 19의 병렬 커패시터를 분리하여 사용하고 와이어 본딩 방법으로 접지 연결된 바이어스 회로를 적용한 증폭기의 성능의 최적화 결과를 나타낸 것이며, 각각의 조건에 대하여 거의 동일한 회로 이득 및 반사계수를 가지는 조건으로 증폭기의 입출력 임피던스를 조절한 상태에서의 출력 전력(P1dB) 및 선형성(OIP3) 성능을 나타낸 것이다.Table 4 shows the design results of an amplifier using a bias circuit to which an LPF and an impedance control circuit according to the present invention are applied to an amplifier of 0.5 W class, using the parallel capacitors of FIGS. 17 and 19 separately and using a wire bonding method It shows the optimization result of the amplifier with the ground connected bias circuit, and the output power (P1dB) and linearity (with the input and output impedance of the amplifier adjusted under conditions that have almost the same circuit gain and reflection coefficient for each condition) OIP3).

회로 조건Circuit conditions 증폭기 성능Amplifier performance 접지 연결
개수
Ground connection
Count
와이어
인덕턴스(nH)
wire
Inductance (nH)
S21 [dB]S21 [dB] S11 [dB]S11 [dB] S22 [dB]S22 [dB] P1dB [dBm]P1dB [dBm] OIP3 [dBm]OIP3 [dBm]
1One 0.50.5 18.618.6 -20-20 -18-18 26.826.8 32.532.5 1One 18.518.5 -19-19 -21-21 26.926.9 31.031.0 22 18.618.6 -18-18 -23-23 26.726.7 30.730.7 22 0.50.5 18.718.7 -21-21 -20-20 26.926.9 39.339.3 1One 18.518.5 -22-22 -19-19 27.027.0 38.838.8 22 18.618.6 -20-20 -22-22 26.826.8 38.338.3 33 0.50.5 18.618.6 -20-20 -22-22 27.127.1 42.342.3 1One 18.718.7 -21-21 -24-24 27.327.3 4141 22 18.518.5 -18-18 -20-20 27.427.4 39.539.5

이러한 방법을 이용하여 패키지 전에, 사전 측정을 진행한 후, 최종적으로 패키지를 진행하면, 제품 개발 횟수를 감소시켜 개발에 필요한 연구비 투자를 감소시켜 비용절감 및 개발기간 단축 등의 장점이 있다.Using this method, before performing the pre-measurement before the package, and finally proceeding with the package, there is an advantage of reducing the number of product developments, reducing research investment required for development, and reducing costs and shortening the development period.

본 명세서에 기재된 본 발명의 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 관한 것으로서, 발명의 기술적 사상을 모두 포괄하는 것은 아니므로, 출원 시점에서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 따라서, 본 발명은 상기 실시예로 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 본 발명의 청구범위 기재의 권리범위 내에 있게 된다.The embodiments illustrated in the present specification and the configuration illustrated in the drawings are related to preferred embodiments of the present invention, and do not cover all technical spirits of the invention, and thus various equivalents that can replace them at the time of filing It should be understood that there may be variations. Therefore, the present invention is not limited to the above embodiments, and without departing from the gist of the present invention as claimed in the claims, various modifications can be made to any person skilled in the art to which the present invention pertains. And such changes are within the scope of the claims of the present invention.

11 : 에미터 (emitter, E) 12 : 베이스 (base, B)
13 : 컬렉터 (collector, C) 14 : 소스 (source, S)
15 : 게이트 (gate, G) 16 : 드레인 (drain, D)
41 : 저항 71 : 저항 1(R 1)
72 : 저항 2(R 2) 73 : 저항 3(R 3)
81 : 인덕터 101 : 직렬 인덕터
102 : 병렬 커패시터 111 : 병렬 커패시터
112 : 리드프레임 113 : 상부 금속 전극
114 : 하부 금속 전극 115 : 유전체
116 : 기판 117 : 비아 홀
118 : 접지 전극 119 : 전도성 솔더
120 : 본딩 와이어 121 : 바이어스 트랜지스터
122 : 온도보상 다이오드 123 : 상부 바이어스 저항
124 : 하부 바이어스 저항 125 : 직렬 인덕터
126 : 병렬 커패시터 161 : 병렬 커패시터 1
162 : 병렬 커패시터 2 163 : 병렬 커패시터 3
164 : 접지 165 : 본딩 와이어 1
166 : 본딩 와이어 2 167 : 본딩 와이어 3
191 : 와이어 인덕턴스 1 192 : 와이어 인덕턴스 2
193 : 와이어 인덕턴스 3
11: emitter (E) 12: base (B)
13: collector (C) 14: source (S)
15: gate (G) 16: drain (D)
41: resistance 71: resistance 1 (R 1)
72: resistance 2 (R 2) 73: resistance 3 (R 3)
81: inductor 101: series inductor
102: parallel capacitor 111: parallel capacitor
112: lead frame 113: upper metal electrode
114: lower metal electrode 115: dielectric
116: substrate 117: via hole
118: ground electrode 119: conductive solder
120: bonding wire 121: bias transistor
122: temperature compensation diode 123: upper bias resistor
124: lower bias resistance 125: series inductor
126: parallel capacitor 161: parallel capacitor 1
162: parallel capacitor 2 163: parallel capacitor 3
164: ground 165: bonding wire 1
166: bonding wire 2 167: bonding wire 3
191: Wire inductance 1 192: Wire inductance 2
193: wire inductance 3

Claims (5)

임피던스 조절이 가능한 MMIC 증폭기의 바이어스 회로(bias circuit)에 있어서,
임피던스 조절을 위해 직렬 인덕터(inductor)와 복수의 병렬 커패시터(capacitor)를 포함하고,
상기 직렬 인덕터의 일단은 바이어스 트랜지스터의 컬렉터에 연결되고,
상기 직렬 인덕터의 다른 일단은 복수의 병렬 커패시터의 일단 및 전원 단자에 연결되고,
상기 복수의 병렬 커패시터의 다른 일단은 본딩 와이어(bonding wire)를 통해 접지(ground) 단자에 연결되고,
상기 복수의 병렬 커패시터와 상기 접지 단자 사이의 각각의 본딩 와이어 연결 라인은 선택적으로 연결 또는 단선되는, 임피던스 조절이 가능한 MMIC 증폭기의 바이어스 회로.
In the bias circuit of the MMIC amplifier with adjustable impedance,
Includes a series inductor and a plurality of parallel capacitors for impedance adjustment,
One end of the series inductor is connected to the collector of the bias transistor,
The other end of the series inductor is connected to one end and a power terminal of a plurality of parallel capacitors,
The other end of the plurality of parallel capacitors is connected to a ground terminal through a bonding wire,
Each of the bonding wire connection line between the plurality of parallel capacitors and the ground terminal is selectively connected or disconnected, the bias circuit of the adjustable impedance MMIC amplifier.
청구항 1에 있어서,
상기 MMIC 증폭기의 바이어스 회로의 임피던스는 상기 본딩 와이어에 의해 선택적으로 상기 접지 단자와 선택적으로 연결된 병렬 커패시터의 총 커패시턴스 값에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는, 임피던스 조절이 가능한 MMIC 증폭기의 바이어스 회로.
The method according to claim 1,
The impedance of the bias circuit of the MMIC amplifier is determined by the total capacitance value of a parallel capacitor selectively connected to the ground terminal by the bonding wire, the bias circuit of the impedance adjustable MMIC amplifier.
청구항 1에 있어서,
상기 본딩 와이어의 길이는 조절 가능한 것을 특징으로 하는, 임피던스 조절이 가능한 MMIC 증폭기의 바이어스 회로.
The method according to claim 1,
The length of the bonding wire is characterized in that the adjustable, bias circuit of the MMIC amplifier is adjustable impedance.
청구항 1의 임피던스 조절이 가능한 MMIC 증폭기의 바이어스 회로가 내장된 MMIC 증폭기 제조방법에 있어서,
상기 복수의 병렬 커패시터와 상기 접지 단자 사이의 각각의 연결 라인을 선택적으로 연결 또는 단선하여, 상기 복수의 병렬 커패시터의 총 커패시턴스 값을 조절하는 단계를 포함하는, MMIC 증폭기 제조방법.
In the manufacturing method of the MMIC amplifier built-in bias circuit of the MMIC amplifier capable of adjusting the impedance of claim 1,
And selectively connecting or disconnecting each connection line between the plurality of parallel capacitors and the ground terminal to adjust a total capacitance value of the plurality of parallel capacitors.
청구항 4에 있어서,
상기 본딩 와이어의 길이를 조절하여 바이어스 회로의 임피던스를 조절하는 단계를 더 포함하는, MMIC 증폭기 제조방법.
The method according to claim 4,
And adjusting the impedance of the bias circuit by adjusting the length of the bonding wire.
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