CN104969465B - 多级差动放大器 - Google Patents

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Abstract

提供能够兼顾宽带化和抑制增益下降的多级差动放大器。具有串联连接的多个差动放大器和阻断所输入的信号的直流分量的直流分量阻断单元，直流分量阻断单元配置在多个差动放大器之间，配置在紧接直流分量阻断单元之后的第一差动放大器的晶体管尺寸，大于配置在直流分量阻断单元的前二级的第二差动放大器的晶体管尺寸。

Description

多级差动放大器
技术领域
本发明涉及多级差动放大器。例如，涉及在无线通信中放大信号的多级差动放大器。
背景技术
相比其他放大器，差动放大器具有能够消除同相的噪声的优点，被广泛用于放大通信设备(例如手机、或对应于无线LAN(Local Area Network；局域网)的通信终端)的基带信号。
作为以往的差动放大器，已知差动放大器被多级地连接，适用了逆缩放(InverseScaling)的多级差动放大器(例如参照非专利文献1)。在非专利文献1的逆缩放中，以使各级的差动放大器中的晶体管尺寸向后级顺序地为一半进行电路设计。
此外，已知差动放大器被多级地连接，通过校准来校正各级的差动放大器的DC偏移的多级差动放大器(例如参照专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本国特开2011-055055号公报
非专利文献
非专利文献1：Eduard Sackinger and Wilhelm C.Fischer，“A 3-GHz 32-dBCMOS Limiting Amplifier for SONET OC-48 Receivers”，IEEEJOURNAL OF SOLID-STATECIRCUITS，DECEMBER 2000，vol.35，NO.12，P1884-P1888
发明内容
发明要解决的问题
在非专利文献1及专利文献1中，若将多级差动放大器宽带化，则多级差动放大器的增益就下降。
本发明鉴于上述情况而完成，提供能够兼顾宽带化和抑制增益下降的多级差动放大器。
解决问题的方案
本发明的多级差动放大器包括：串联连接的多个差动放大器；以及阻断所输入的信号的直流分量的直流分量阻断单元，所述直流分量阻断单元配置在所述多个差动放大器之间，配置在紧接所述直流分量阻断单元之后的第一差动放大器的晶体管尺寸，大于配置在所述直流分量阻断单元的前二级的第二差动放大器的晶体管尺寸。
发明的效果
根据本发明，能够兼顾宽带化和抑制增益下降。
附图说明
图1是表示第一实施方式中的多级差动放大器的电路结构例子的电路图。
图2是表示第一实施方式中的多级差动放大器具有的HPF(High Pass Filter；高通滤波器)的结构例子的电路图。
图3是表示第一实施方式中的多级差动放大器的晶体管尺寸、DC(DirectCurrent；直流)偏移(offset)的波动的一例子的示意图。
图4是表示表示与第一实施方式中的多级差动放大器同样地构成电路的情况下的以往的多级差动放大器的晶体管尺寸、DC偏移的波动的一例子的示意图。
图5是表示第一实施方式中的多级差动放大器的电路结构的变形例子1的电路图。
图6是表示第一实施方式中的多级差动放大器的电路结构的变形例子2的电路图。
图7是表示第二实施方式中的多级差动放大器的电路结构例子的电路图。
图8是表示第三实施方式中的多级差动放大器的电路结构例子的电路图。
图9是表示第四实施方式中的多级差动放大器的电路结构例子的电路图。
图10是表示第五实施方式中的多级差动放大器的电路结构例子的电路图。
图11是表示第五实施方式中的Cherry-Hooper型的可变增益放大器的晶体管级别(level)的电路结构例子的电路图。
图12是表示第六实施方式中的多级差动放大器的电路结构例子的电路图。
图13是表示第六实施方式中的多级差动放大器中的晶体管尺寸、DC偏移的波动、以及IQ(In-phase Quadrature-Phase；同相和正交相)振幅误差最差值的一例子的示意图。
图14是表示与第六实施方式中的多级差动放大器同样地构成电路的情况下的以往的多级差动放大器的晶体管尺寸、DC偏移的波动、以及IQ振幅误差最差值的一例子的示意图。
图15是表示IQ信号的位置错位的一例子的示意图。
图16是表示差动放大器中的带宽和寄生电容之间关系的一例子的示意图。
图17是表示差动放大器的晶体管级别的电路结构例子的电路图。
图18是表示DC偏移和各DC偏移的发生几率之间关系的一例子的示意图。
图19是表示相对晶体管尺寸的DC偏移的波动的一例子的示意图。
图20是表示相对输入到差动放大器的DC偏移的差动放大器的增益特性的一例子的示意图。
图21是表示适用了逆缩放的非专利文献1的多级差动放大器的结构的电路图。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的实施方式。
(获得本发明的一方式的经过)
例如，符合IEEE802.11的毫米波段的近程无线系统要处理宽带(例如带宽880MHz)的基带信号(以下，仅称为“宽带信号”)。因此，在处理宽带信号的系统中，例如与以往的通信设备的处理基带信号的差动放大器比较，需要宽带的差动放大器。
图16是表示由差动放大器可处理的信号的带宽和差动放大器具有的晶体管的寄生电容之间关系的示意图。一般地，晶体管的寄生电容越大，该带宽越小。因此，在将差动放大器宽带化的情况下，需要削减晶体管的寄生电容。由于晶体管的寄生电容与晶体管尺寸成正比，所以为了削减寄生电容而需要减小晶体管尺寸。
另一方面，若减小晶体管尺寸，则被输入差动放大器的信号的晶体管对(例如图17的输入端子M1a，M1b)的特性(例如阈值电压)的失配大。这种情况下，被输入差动放大器的差动信号的正侧和负侧的DC电压之差(以下，也称为DC偏移)的波动大。图17是表示差动放大器的电路结构例子的电路图。
在要制造多个具有同一特性的晶体管的情况下，例如根据正态分布，在晶体管的特性(例如DC偏移)上产生波动。图18是表示DC偏移和各DC偏移的发生几率之间关系的示意图。
晶体管的阈值电压的波动，一般与晶体管尺寸S的平方根成反比。差动放大器的DC偏移的波动，一般与晶体管的阈值电压的波动量成正比。因此，如图19所示，差动放大器的DC偏移的波动与晶体管尺寸S的平方根成反比。
此外，如图20所示，差动放大器的DC偏移的绝对值越大，差动放大器的增益(gain)越减少，DC偏移的绝对值越小，差动放大器的增益越增大。因此，若差动放大器的DC偏移的波动大，则差动放大器的增益波动，有时增益降低。
于是，差动放大器的带宽扩展和DC偏移的波动降低及增益降低为折衷的关系。
接下来，考察非专利文献1及基于专利文献1的技术。
图21是表示适用了逆缩放的非专利文献1的多级差动放大器的结构的电路图。
在图21中，第1级的差动放大器的晶体管尺寸为“8x”、第2级的差动放大器的晶体管尺寸为“4x”、第3级的差动放大器的晶体管尺寸为“2x”、第4级的差动放大器的晶体管尺寸为“1x”。“x”表示规定值。
在多级差动放大器中，相比前级的差动放大器的晶体管的寄生电容，后级的差动放大器的晶体管的寄生电容对多级差动放大器的输出的贡献度较大。在适用了逆缩放的情况下，由于晶体管尺寸向后级变小，所以与相同地构成所有级的差动放大器的晶体管尺寸的情况比较，能够扩大带宽。
此外，由差动放大器产生的DC偏移与交流分量一起被各级的差动放大器放大。因此，在距多级差动放大器的输入端近的差动放大器中产生的DC偏移的影响，比在距多级差动放大器的输出端近的差动放大器中产生的DC偏移的影响大。
在逆缩放中，距多级差动放大器的输入端越近，差动放大器具有的晶体管的晶体管尺寸越大。因此，距输入端越近，越减小差动放大器产生的DC偏移的波动，越降低被输入到多级差动放大器的最后级的差动放大器的DC偏移的波动。
但是，在将非专利文献1的逆缩放适用于在包含毫米波段(例如符合IEEE802.11ad的频带)的高频频带中进行通信的近程无线系统的情况下，需要考虑以下的情况。
在近年来的通信系统中，处理更宽的宽带信号的系统在增加。例如，与处理20MHz左右的基带带宽的以往的通信设备比较，在进行毫米波通信的通信设备中处理880MHz的基带带宽，所以基带带宽为40倍以上。因此，为了满足带宽而需要进一步削减寄生电容，由于需要使各级的差动放大器的晶体管尺寸更小，所以难以降低DC偏移的波动。因此，难以兼顾宽带宽和增益降低。
此外，在放大宽带信号的情况下，由于每一级的差动放大器的增益较低，所以作为接收机，为了实现由标准确定的接收灵敏度，比以往更多级地连接差动放大器。这种情况下，若实现宽带宽而实施逆缩放，则距多级差动放大器的输出端近的差动放大器的晶体管尺寸较小。因此，在距多级差动放大器的输出端近的差动放大器中，产生较大的DC偏移的波动，并被输入到最后级的差动放大器。因此，有可能在多级差动放大器的增益上产生波动，增益下降。
在专利文献1中，不能跟踪校准后的DC偏移的变动(例如温度变化等造成的变动)，同样地有可能增益下降。
以下，说明能够兼顾宽带化和抑制增益下降的多级差动放大器。
以下的实施方式中的多级差动放大器，例如装载在符合WiFi(WirelessFidelity；无线保真)、WIGIG(Wireless Gigabit；无线千兆)的规定的无线设备上。此外，多级差动放大器处理宽频宽频信号(例如带宽100MHz以上)。
(第一实施方式)
图1是表示第一实施方式中的多级差动放大器1000的电路结构例子的电路图。多级差动放大器1000包括输入端子510及输出端子520。此外，多级差动放大器1000包括第1-1级的差动放大器110、第1-2级的差动放大器120、以及第1-3级的差动放大器130。此外，多级差动放大器1000包括第2-1级的差动放大器210、第2-2级的差动放大器220、以及第2-3级的差动放大器230。此外，多级差动放大器1000包括HPF(High Pass Filter)410。图1是六级的多级差动放大器的例子。
在不特别区分各差动放大器(例如差动放大器110，120，130，210，220，230)的情况下，仅称为“差动放大器100”。
多级差动放大器1000串联地连接多个差动放大器100。多级差动放大器1000中所包含的差动放大器100的配置位置，通过多级差动放大器1000的输入端、输出端、或HPF而被区分为区段(segment)。此外，从多级差动放大器1000的输入端向输出端，以第一区段Seg1、第二区段Seg2、...的顺序排列。在图1中，从多级差动放大器1000的输入端子510至HPF410的范围为第一区段，从HPF410至多级差动放大器1000的输出端子520的范围为第二区段。
在各区段中，包含一个以上的差动放大器。在区段中包含多个差动放大器的情况下，从多级差动放大器1000的输入端向输出端，以第1级的差动放大器、第2级的差动放大器、...的顺序排列。
“第X-Y级”的差动放大器表示是“第X区段中的第Y级”的差动放大器。
从输入端子510输入的差动基带信号通过第1-1级的差动放大器110、第1-2级的差动放大器120、以及第1-3级的差动放大器130，输出到HPF410。此外，从HPF410输出的差动基带信号通过第2-1级的差动放大器210、第2-2级的差动放大器220、以及第2-3级的差动放大器230，从输出端子520输出。
各差动放大器100，例如同样地构成，构成例如图17那样的电路。差动放大器100所输入的输入信号Vin+是差动基带信号的正相侧，输入信号Vin-是差动基带信号的反相侧。
HPF410阻断HPF410中输入的信号中包含的直流分量。例如，HPF410阻断(消除)由前级的区段中的各差动放大器产生的、HPF410中输入的DC偏移。HPF410是直流分量阻断单元的一例子。
HPF410也可以具有提供第2-1级的差动放大器210的DC偏置电压(VDD)的功能。
图2是表示HPF410的电路结构例子的电路图。HPF410例如包括电容器411、412以及线圈413、414。因具备HPF410，通过简单的结构，能够暂时消除在位于前级的第一区段Seg1中的各差动放大器100中产生的DC偏移。因此，能够减轻对距多级差动放大器1000的输出端最近的、第二区段Seg2的最后级的差动放大器即第2-3级的差动放大器230的DC偏移的影响。
因此，在多级差动放大器1000中对每个区段实行了逆缩放的情况下，能够抑制被输入到各区段中的最后级的差动放大器的DC偏移。因此，能够避免各区段中的最后级的差动放大器具有的晶体管在期望的工作区域中不动作的状况，能够确保期望的增益。
接下来，说明差动放大器100具有的晶体管的晶体管尺寸S的设定例子。
在本实施方式中，至少基于晶体管的栅极宽度，例如由以下的式子表示晶体管尺寸S。
S＝L×W、或S＝W
其中，L：晶体管的栅极长度，W：晶体管的栅极宽度。
在多级差动放大器1000中，在将第X-Y级的差动放大器100的晶体管尺寸S设为SX-Y的情况下，设计满足下述(式1)的晶体管尺寸。
S1-1≥S1-2
S2-1≥S2-2 ···(式1)
S2-1≥S1-2
即，在各区段中，通过逆缩放来设计差动放大器100的晶体管尺寸(参照图3)。例如，将第1-1级的差动放大器110的晶体管尺寸设为“16x”。“x”表示规定值。同样地，例如，将第1-2级的差动放大器120的晶体管尺寸设为“8x”，将第1-3级的差动放大器130的晶体管尺寸设为“4x”。此外，例如，将第2-1级的差动放大器210的晶体管尺寸设为“16x”，将第2-2级的差动放大器220的晶体管尺寸设为“8x”，将第2-3级的差动放大器230的晶体管尺寸设为“4x”。
通过S1-1≥S1-2，在第1-1级的差动放大器110中产生的DC偏移的波动比影响度比较小的第1-2级的差动放大器120的DC偏移的波动降低。第1-1级的差动放大器110的DC偏移在信号被中继的差动放大器120中也被放大，所以相比第1-2级的差动放大器120，对被输入到第1-3级的差动放大器130的DC偏移的波动的影响度较大。
因此，各级的差动放大器100的晶体管尺寸在第一区段Seg1中逐渐减小，所以能够抑制晶体管尺寸的增加，能够抑制寄生电容的增加。此外，能够高效率地降低被输入到第1-3级的差动放大器130的DC偏移。
同样地，通过S2-1≥S2-2，各级的差动放大器100的晶体管尺寸在第二区段Seg2中逐渐地小，所以能够抑制晶体管尺寸的增加，能够抑制寄生电容的增加。此外，能够高效率地降低输入到第2-3级的差动放大器230的DC偏移。
而且，通过S2-1≥S1-2，能够将适用了以往的逆缩放情况下设计得过于小的、比HPF410后级的差动放大器210、220的晶体管尺寸设计得大。由此，能够降低输入到第2-3级的差动放大器230的DC偏移的波动。
再有，满足或不满足S1-2≥S1-3的条件都可以。即，从区段内的第1级至最后级的前二级为止的任意一个的差动放大器(这里为差动放大器110)的晶体管尺寸，可以大于紧接该差动放大器之后配置的差动放大器(这里为差动放大器120)的晶体管尺寸。此外，区段内最后级的前一级的差动放大器(这里为差动放大器120)的晶体管尺寸也可以不大于紧接该差动放大器之后配置的差动放大器(这里为差动放大器130)的晶体管尺寸。即使是该情况，也能够通过紧接其后的HPF410来阻断从最后级的差动放大器130输出的DC，能够抑制DC偏移对后续区段的影响。
再有，第2-1级的差动放大器210是紧接直流分量阻断单元之后配置的第一差动放大器的一例子。第1-2级的差动放大器120是在直流分量阻断单元的前二级配置的第二差动放大器的一例子。
这样，由于能够降低输入到各区段的最后级的差动放大器130、230的DC偏移的波动，所以能够抑制多级差动放大器1000的增益的下降。
接下来，说明本实施方式和以往的多级差动放大器的晶体管尺寸、DC偏移的波动。
图3是表示本实施方式的多级差动放大器1000中的晶体管尺寸S、DC偏移的波动的一例子的示意图。图4是表示在以往的多级差动放大器中，与多级差动放大器1000同样地插入了HPF的多级差动放大器中的晶体管尺寸S、DC偏移的波动的一例子的示意图。图3、图4是表示模拟结果的一例子的图。
这里，考虑了各差动放大器中的晶体管的寄生电容的带宽以在本实施方式和以往中相同来设定了晶体管尺寸。此外，假定各差动放大器中的每一个晶体管的晶体管的漏极端子的寄生电容为0.7fF，栅极端子的寄生电容为1.4fF。
在图3的多级差动放大器1000中，在各区段中，通过逆缩放来设计差动放大器100的晶体管尺寸。在图4的多级差动放大器中，从多级差动放大器的输入端向输出端，通过逆缩放来设计差动放大器的晶体管尺寸。
例如，在图4中，第1-1级的差动放大器的晶体管尺寸设为“32x”，第1-2级的差动放大器的晶体管尺寸设为“16x”，第1-3级的差动放大器的晶体管尺寸设为“8x”。此外，第2-1级的差动放大器的晶体管尺寸设为“4x”，第2-2级的差动放大器的晶体管尺寸设为“2x”，第2-3级的差动放大器的晶体管尺寸设为“1x”。
在上述模拟中，使用未图示的检查装置实施了各区段的最后级的差动放大器(例如第1-3级的差动放大器、第2-3级的差动放大器)的输入。检查装置例如计测多个样本(多个多级差动放大器100的IC(Integrated Circuit；集成电路))的DC偏移特性。并且，检查装置将各计测结果的DC偏移的最大值(例如+3σ值)和最小值(例如-3σ值)之差作为DC偏移的波动导出。
比较有关的DC偏移的波动。输入到第1-3级的差动放大器的DC偏移的波动，根据本实施方式为98mV，根据以往方法为70mV。因此，能够理解本实施方式的DC偏移的波动比以往稍大。
输入到第2-3级的差动放大器的DC偏移的波动，根据本实施方式为98mV，根据以往方法为196mV。因此，能够理解本实施方式的DC偏移的波动比以往大幅度地减小，抑制到大约一半。
根据多级差动放大器1000，能够抑制各差动放大器100的DC偏移的波动造成的增益变动。因此，例如，能够削减各差动放大器100设计时的余量，能够削减功耗。
此外，例如在利用包含毫米波段的高频带的近程无线系统中，预计差动放大器100的级数增加，但根据多级差动放大器1000，能够对每个区段重置DC偏移的波动。因此，即使差动放大器100的级数增加，DC偏移的波动也不增加，能够兼顾宽带化和抑制增益下降。上述近程无线系统，例如是利用IEEE802.11ad的系统。
此外，为了抑制DC偏移，能够假定对每个差动放大器100通过HPF来阻断直流分量，但该情况下，电路元件数增加，难以将多级差动放大器小型化。根据多级差动放大器1000，还能够实现电路规模的小型化。
此外，通过在多级差动放大器4000中适当插入HPF，能够及时阻断DC偏移，能够防止DC偏移过大。因此，能够防止对最后级的差动放大器的输入进行总和。
(变形例子1)
如图5所示，作为多级差动放大器1000A，多级差动放大器1000也可以在输入端子510和第1-1级的差动放大器110之间插入HPF420。由此，能够抑制来自多级差动放大器1000的前级的DC偏移。例如在多级差动放大器1000被装载在接收机中的情况下，多级差动放大器1000的前级例如是LNA(LowNoise Amplifier；低噪声放大器)或混频器。
(变形例子2)
如图6所示，作为多级差动放大器1000B，多级差动放大器1000也可以在第2-3级的差动放大器230和输出端子520之间插入HPF430。由此，能够抑制对多级差动放大器1000的后级输出的DC偏移。例如在多级差动放大器1000被装载在接收机中的情况下，多级差动放大器1000的后级例如是ADC(Analog to Digital Converter；模数转换器)、或数字电路。
(变形例子3)
此外，例示了通过HPF410抑制DC偏移，但也可以通过其他方法抑制DC偏移。例如，使任意一个的差动放大器100的差动输出分支用于DC偏移检测，通过LPF(Low PassFilter；低通滤波器)仅抽取DC分量。此外，也可以调整上述差动放大器100或比上述差动放大器100前级的差动放大器100的参数(例如电阻值)，消除DC偏移。
再有，也可以将变形例子1～3适当组合。
(第二实施方式)
图7是表示第二实施方式的多级差动放大器2000的电路结构例子电路图。多级差动放大器2000的结构及动作，与第一实施方式中说明的多级差动放大器1000的结构及动作是同样的。在图7中，对与图1的多级差动放大器1000同样的结构，附加相同的标号，省略或简化说明。再有，多级差动放大器2000也可以与多级差动放大器1000A、1000B或第一实施方式中说明的组合的结构是同样的。
例如除了多级差动放大器1000的结构以外，多级差动放大器2000还包括HPF440以及第三区段Seg3。第三区段Seg3包括第3-1级的差动放大器310、第3-2级的差动放大器320、以及第3-3级的差动放大器330。
从输入端子510输入的差动基带信号通过第一区段Seg1中的各差动放大器100、HPF410、第二区段Seg2中的各差动放大器100，输出到HPF440。此外，从HPF440输出的差动基带信号通过第三区段Seg3中的各差动放大器100，从输出端子520输出。在第三区段Seg3中，以第3-1级的差动放大器310、第3-2级的差动放大器320、以及第3-3级的差动放大器330的顺序来传送信号。
接下来，说明差动放大器100具有的晶体管的晶体管尺寸S的设定例子。
在多级差动放大器5000中，在将第X-Y级的差动放大器100的晶体管尺寸S设为SX-Y的情况下，设计满足下述(式2)的晶体管尺寸。
S1-1≥S1-2
S2-1≥S2-2
S3-1≥S3-2 ···(式2)
S2-1≥S1-2
S3-1≥S2-2
即，在各区段中，通过逆缩放来设计差动放大器100的晶体管尺寸。在(式2)中，相对(式1)，追加了S3-1≥S3-2、及S3-1≥S2-2。
通过S3-1≥S3-2，与S1-1≥S1-2同样地，相比影响度比较小的第3-2级的差动放大器320的DC偏移的波动，第3-1级的差动放大器310中产生的DC偏移的波动降低。第3-1级的差动放大器310的DC偏移在信号被中继的差动放大器320中也被放大，所以相比第3-2级的差动放大器320，对输入到第3-3级的差动放大器330的DC偏移的波动的影响度较大。
因此，各级的差动放大器100的晶体管尺寸在第三区段Seg3中逐渐地减小，所以能够抑制晶体管尺寸的增加，能够抑制寄生电容的增加。此外，能够高效率地降低输入到第3-3级的差动放大器330的DC偏移。
此外，通过S3-1≥S2-2，能够将适用了以往的逆缩放情况下设计地过于小的、比HPF440后级的差动放大器310、320的晶体管尺寸设计得大。由此，能够降低输入到第3-3级的差动放大器330的DC偏移的波动。
这样，能够降低输入到各区段的最后级的差动放大器130、230、330的DC偏移的波动，所以能够抑制多级差动放大器2000的增益的下降。
再有，在本实施方式中，表示了各区段间的HPF为两个的例子，但不限于此。例如，可以追加HPF和第四区段的差动放大器，也可以追加更多的HPF及差动放大器。
(第三实施方式)
图8是表示第三实施方式的多级差动放大器3000的电路结构例子的电路图。多级差动放大器3000的结构及动作，与第一实施方式中说明的多级差动放大器1000的结构及动作是同样的。在图8中，对与图1的多级差动放大器1000同样的结构，附加相同的标号，省略或简化说明。再有，多级差动放大器3000也可以与多级差动放大器1000A、1000B或第一实施方式中说明的组合的结构是同样的。
与多级差动放大器1000比较，多级差动放大器3000在各区段中配置的差动放大器100的个数不同。除了多级差动放大器1000的结构以外，多级差动放大器3000还包括第1-4级的差动放大器140以及第2-4级的差动放大器240。
从输入端子510输入的差动基带信号，通过第1-1级的差动放大器110、第1-2级的差动放大器120、第1-3级的差动放大器130、以及第1-4级的差动放大器140，输入到HPF410。此外，从HPF410输出的差动基带信号，通过第2-1级的差动放大器210、第2-2级的差动放大器220、第2-3级的差动放大器230、以及第2-4级的差动放大器240，从输出端子520输出。
接下来，说明差动放大器100具有的晶体管的晶体管尺寸S的设定例子。
在多级差动放大器3000中，在将第X-Y级的差动放大器100的晶体管尺寸S设为SX-Y的情况下，设计满足下述(式3)的晶体管尺寸。
S1-1≥S1-2≥S1-3
S2-1≥S2-2≥S2-3 ···(式3)
S2-1≥S1-3
即，在各区段中，通过逆缩放来设计差动放大器100的晶体管尺寸。
通过S1-1≥S1-2≥S1-3，相比影响度比差动放大器110小的第1-2级的差动放大器120的DC偏移的波动，第1-1级的差动放大器110中产生的DC偏移的波动降低。此外，相比影响度比差动放大器120小的第1-3级的差动放大器130的DC偏移的波动，第1-2级的差动放大器120中产生的DC偏移的波动降低。
第1-1级的差动放大器110的DC偏移，在信号被中继的差动放大器120中也被放大，所以与第1-2级的差动放大器120相比，对输入到第1-4级的差动放大器140的DC偏移的波动的影响度较大。此外，第1-2级的差动放大器120的DC偏移，在信号被中继的差动放大器130中也被放大，所以与第1-3级的差动放大器130相比，对输入到第1-4级的差动放大器140的DC偏移的波动的影响度较大。
因此，各级的差动放大器100的晶体管尺寸在第一区段Seg1中逐渐地减小，所以能够抑制晶体管尺寸的增加，能够抑制寄生电容的增加。此外，能够高效率地降低输入到第1-4级的差动放大器140的DC偏移。
同样地，通过S2-1≥S2-2≥S2-3，各级的差动放大器100的晶体管尺寸在第二区段Seg2中逐渐地减小，所以能够抑制晶体管尺寸的增加，能够抑制寄生电容的增加。此外，能够高效率地降低输入到第2-4级的差动放大器240的DC偏移。
此外，通过S2-1≥S1-3，能够将适用了以往的逆缩放的情况下设计得过于小的、比HPF410后级的差动放大器210、220、230的晶体管尺寸设计得大。由此，能够降低输入到第2-4级的差动放大器240的DC偏移的波动。
再有，在本实施方式中，例示了HPF为一个，差动放大器的级数为合计8级的情况。除此以外，例如，也可以存在至少一个级间HPF，输入端子510及HPF间、多个HPF间、HPF及输出端子520间之中的至少两个位置(两个区段)中，存在三级以上的差动放大器。即使在该情况下，也可获得本实施方式的效果，能够兼顾宽多级差动放大器4000的带化和抑制增益下降。
(第四实施方式)
图9是表示第四实施方式的多级差动放大器4000的电路结构例子的电路图。多级差动放大器4000的结构及动作，与第一实施方式中说明的多级差动放大器1000的结构及动作是同样的。在图9中，对与图1的多级差动放大器1000同样的结构，附加相同的标号，省略或简化说明。再有，多级差动放大器4000也可以与多级差动放大器1000A、1000B或第一实施方式中说明的组合的结构是同样的。
与图1所示的多级差动放大器1000相比，多级差动放大器4000的不同点是，各级的差动放大器100为可变增益放大器(VGA：Variable Gain Amplifier)150。
通过使各差动放大器100为可变增益放大器150，能够变动多级差动放大器4000的增益。由此，能够调整期望的增益，能够兼顾宽带化和抑制增益下降。
多级差动放大器4000中的DC偏移的波动造成的增益降低，在可变增益放大器150的增益被设定为最大值的情况下为最大。在多级差动放大器4000的增益的设定被固定在例如最大值的情况下，与第一实施方式中的多级差动放大器1000同样地动作。例如，多级差动放大器4000的增益被固定为最大值，通过多级差动放大器4000具有的差动放大器100设定到基于(式1)的晶体管尺寸，可获得与在第一实施方式中说明的图3同样的效果。
再有，在图9中，表示了多级差动放大器4000中的所有的级的差动放大器100是可变增益放大器150的例子，但不限于此。例如，即使一部分的差动放大器100为可变增益放大器150，剩余的差动放大器100为增益固定的差动放大器100，也可获得同样的效果。
(第五实施方式)
图10是表示第五实施方式中的多级差动放大器5000的电路结构例子电路图。与第四实施方式中的多级差动放大器4000比较，多级差动放大器5000的不同点是，差动放大器100的一部分的级为Cherry-Hooper型的可变增益放大器150A。
图11是表示Cherry-Hooper型的可变增益放大器150A的晶体管级别的电路结构例子的电路图。Cherry-Hooper型的可变增益放大器150A包括：包含输入端子M1a、M1b的第一级的差动放大器151；包含输入端子M2a，M2b的第二级的差动放大器152；以及反馈电阻Rf。即，Cherry-Hooper型的可变增益放大器150A包括二级的差动放大器151、152，反馈电阻Rf中控制增益。
有关多级差动放大器5000的动作和效果，与多级差动放大器4000是同样的，所以省略说明。
(第六实施方式)
图12是表示第六实施方式中的多级差动放大器6000的电路结构例子的电路图。多级差动放大器6000包括处理IQ信号之中的I信号的I侧多级差动放大器6000A、处理Q信号的Q侧多级差动放大器6000B。
I侧多级差动放大器6000A及Q侧多级差动放大器6000B的结构及动作，与第1～5实施方式的任意一个中说明的任意一个多级差动放大器的结构及动作是同样的，所以省略或简化有关细节。在本实施方式中，例示与第一实施方式的多级差动放大器1000的结构及动作是同样的情况。
在图12的I侧多级差动放大器6000A及Q侧多级差动放大器6000B中，与图1的多级差动放大器1000比较，一部分标号被变更。例如对I侧附加“a”，对Q侧附加“b”。
I侧多级差动放大器6000A包括输入端子510a及输出端子520a。此外，I侧多级差动放大器6000A包括第1-1级的差动放大器110a、第1-2级的差动放大器120a、以及第1-3级的差动放大器130a。此外，I侧多级差动放大器6000A包括第2-1级的差动放大器210a、第2-2级的差动放大器220a、以及第2-3级的差动放大器230a。此外，I侧多级差动放大器6000A包括HPF410a。I侧多级差动放大器6000A放大差动基带信号的I侧的信号(I信号)。
Q侧多级差动放大器6000B包括输入端子510b及输出端子520b。此外，Q侧多级差动放大器6000B包括第1-1级的差动放大器110b、第1-2级的差动放大器120b、以及第1-3级的差动放大器130b。此外，Q侧多级差动放大器6000B包括第2-1级的差动放大器210b、第2-2级的差动放大器220b、以及第2-3级的差动放大器230b。此外，Q侧多级差动放大器6000B包括HPF410b。Q侧多级差动放大器6000B放大差动基带信号的Q侧的信号(Q信号)。
接下来，说明本实施方式和以往的多级差动放大器6000的晶体管尺寸S、DC偏移的波动、以及IQ振幅误差最差值。
图13是表示本实施方式的多级差动放大器6000中的晶体管尺寸S、DC偏移的波动、以及IQ振幅误差最差值的一例子的示意图。图14是表示以往的多级差动放大器中的晶体管尺寸S、DC偏移的波动、以及IQ振幅误差最差值的一例子的示意图。图13、图14是表示模拟结果的一例子的图。
这里，设定了晶体管尺寸，以使考虑了各差动放大器100中的晶体管的寄生电容的带宽在本实施方式和以往中相同。此外，将各差动放大器100中的每一个晶体管的晶体管的漏极端子的寄生电容假定为0.7fF，栅极端子的寄生电容假定为1.4fF。
在图13的多级差动放大器6000中，在I侧多级差动放大器6000A及Q侧多级差动放大器6000B的任意的各区段中，差动放大器100的晶体管尺寸都通过逆缩放来设计。
在图14的多级差动放大器6000中，在I侧多级差动放大器6000A及Q侧多级差动放大器6000B的任意一个中，从多级差动放大器的输入端向输出端的差动放大器100的晶体管尺寸都通过逆缩放来设计。
上述模拟中，使用未图示的检查装置实施了各区段的最后级的差动放大器(例如第1-3级的差动放大器130a、130b，第2-3级的差动放大器230a、230b)的输入。
例如，检查装置计测多个样本(多个I侧多级差动放大器6000A的IC及多个Q侧多级差动放大器6000B的IC)的DC偏移特性。然后，检查装置将各计测结果的DC偏移的最大值(例如+3σ值)和最小值(例如-3σ值)之差作为DC偏移的波动导出。
此外，I侧多级差动放大器6000A中输入多个样本信号，对各样本信号的I信号被依次计测。计测的I信号输入到各区段中的最后级的差动放大器，或是从该差动放大器输出的信号。
同样地，Q侧多级差动放大器6000B中输入多个样本信号，对各样本信号的Q信号被依次计测。计测的Q信号输入到各区段中的最后级的差动放大器，或是从该差动放大器输出的信号。
计测的I信号及Q信号的振幅的差异作为IQ振幅误差(IQ不平衡)被导出。进而，作为模拟结果的多个IQ振幅误差之中的、IQ振幅误差的最大值作为IQ振幅误差最差值被导出。再有，IQ振幅误差例如是I信号和Q信号的dbm造成的差。
对于晶体管尺寸及DC偏移的波动，与第一实施方式是同样的。
对IQ振幅误差最差值进行比较。第1-3级的差动放大器的IQ振幅误差最差值，在本实施方式中为0.8dB，在以往方法中为0.6dB。第2-3级的差动放大器的IQ振幅误差最差值，在本实施方式中为0.8dB，在以往方法中为3.0dB。
多级差动放大器总体的IQ振幅误差最差值是各区段中的最后级的差动放大器的IQ振幅误差最差值的合计值，所以在本实施方式中为1.6dB，在以往方法中为3.6dB。即，本实施方式与以往相比，IQ振幅误差最差值小2dB。
如此，根据多级差动放大器6000，除了第1实施方式～第5实施方式中说明的效果，还能够降低IQ振幅误差。此外，由于能够降低IQ振幅误差，所以如图15所示，能够避免信号点起因于误差分量而偏离期望的位置，能够抑制比特差错率的劣化。因此，能够兼顾多级差动放大器6000的宽带化和IQ振幅误差降低。
再有，在差动放大器100是可变增益放大器150的情况下，DC偏移的波动造成的IQ振幅误差的劣化，在可变增益放大器150的增益被设定至最大值的情况下为最大。在多级差动放大器6000的增益的设定被固定到例如最大值的情况下，成为与图13同样的DC偏移的波动、IQ振幅误差最差值。
(本发明的一方式的概要)
本发明的第一多级差动放大器具有：
串联连接的多个差动放大器；以及
直流分量阻断单元，其阻断所输入的信号的直流分量，
所述直流分量阻断单元配置在所述多个差动放大器之间，
配置在紧接所述直流分量阻断单元之后的第一差动放大器的晶体管尺寸，大于配置在所述直流分量阻断单元的前二级的第二差动放大器的晶体管尺寸。
此外，本发明的第二多级差动放大器是第一多级差动放大器，
在表示所述直流分量阻断单元、和该多级差动放大器的输入端、其他直流分量阻断单元、或该多级差动放大器的输出端之间的范围的区段内，规定的差动放大器的晶体管尺寸大于配置在紧接所述规定的差动放大器之后的差动放大器的晶体管尺寸。
此外，本发明的第三多级差动放大器是第二多级差动放大器，
所述规定的差动放大器配置在所述区段中的从第一级至最后级的前二级的任意一级中。
此外，本发明的第4多级差动放大器是第1多级差动放大器至第3多级差动放大器中的任意一个多级差动放大器，
在将所述直流分量阻断单元、和该多级差动放大器的输入端、其他直流分量阻断单元、或该多级差动放大器的输出端之间的范围设为区段的情况下，在至少两个区段中配置至少三个差动放大器。
此外，本发明的第5多级差动放大器是第1多级差动放大器至第4多级差动放大器中的任意一个多级差动放大器，
具有多个所述直流分量阻断单元，
第一直流分量阻断单元配置在紧接该多级差动放大器的输入端之后。
此外，本发明的第6多级差动放大器是第1多级差动放大器至第5多级差动放大器中的任意一个多级差动放大器，
具有多个所述直流分量阻断单元，
第二直流分量阻断单元配置在紧接该多级差动放大器的输出端之前。
此外，本发明的第7多级差动放大器是第1多级差动放大器至第6多级差动放大器中的任意一个多级差动放大器，
所述直流分量阻断单元包括高通滤波器(HPF(High Pass Filter))。
此外，本发明的第8多级差动放大器是第1多级差动放大器至第7多级差动放大器中的任意一个多级差动放大器，
所述差动放大器包括可变增益放大器。
此外，本发明的第9多级差动放大器是第8多级差动放大器，
所述差动放大器包括Cherry-Hooper型的可变增益放大器，
所述Cherry-Hooper型的可变增益放大器包括两级的差动放大器。
此外，本发明的第10多级差动放大器是第1多级差动放大器至第9多级差动放大器中的任意一个多级差动放大器，
具有多个所述多级差动放大器，
第一多级差动放大器放大I信号，
第二多级差动放大器放大Q信号。
以上，参照附图说明了各种实施方式，但不言而喻，本发明不限定于这样的例子。只要是本领域技术人员，在权利要求的范围所记载的范畴内，显然可设想各种变更例或修正例，并认可它们当然也属于本发明的技术范围。
本发明基于2013年2月7日申请的日本专利申请No.2013-022562，其内容在此作为参照而引入。
工业实用性
本发明在能够兼顾宽带化和抑制增益下降的多级差动放大器等中是有用的。例如，作为无线通信设备中的基带信号用差动放大器是有用的。
标号说明
100，110a，110b，120，120a，120b，130，130a，130b，140，210，210a，210b，220，220a，220b，230，230a，230b，240，310，320，330 差动放大器
150 可变增益放大器
150A Cherry-Hooper型的可变增益放大器
410，410a，410b，420，430，440 HPF
510，510a，510b 输入端子
520，520a，520b 输出端子
1000，1000A，1000B，2000，3000，4000，5000，6000 多级差动放大器
6000A I侧多级差动放大器
6000B Q侧多级差动放大器
Seg1 第一区段
Seg2 第二区段
Seg3 第三区段

Claims (10)

1.多级差动放大器，具有：
串联连接的多个差动放大器；以及
直流分量阻断单元，其阻断所输入的信号的直流分量，
所述直流分量阻断单元配置在所述多个差动放大器之间，
配置在紧接所述直流分量阻断单元之后的第一差动放大器的晶体管尺寸，比配置在所述直流分量阻断单元的前二级的第二差动放大器的晶体管尺寸大，
在所述第二差动放大器和紧接所述直流分量阻断单元之前配置的第三差动放大器之间，不配置直流分量阻断单元。
2.如权利要求1所述的多级差动放大器，
在表示所述直流分量阻断单元、和该多级差动放大器的输入端、其他直流分量阻断单元、或该多级差动放大器的输出端之间的范围的区段内，规定的差动放大器的晶体管尺寸大于配置在紧接所述规定的差动放大器之后的差动放大器的晶体管尺寸，
在所述区段内包含的多个差动放大器之间，不配置直流分量阻断单元。
3.如权利要求2所述的多级差动放大器，
所述规定的差动放大器是配置在所述区段中的从第一级至最后级的前二级的任意一级上的差动放大器。
4.如权利要求1至权利要求3中任意一项所述的多级差动放大器，
在将所述直流分量阻断单元、和该多级差动放大器的输入端、其他直流分量阻断单元、或该多级差动放大器的输出端之间的范围设为区段的情况下，在至少两个区段中配置了至少三个差动放大器。
5.如权利要求1至权利要求3中任意一项所述的多级差动放大器，
具有多个所述直流分量阻断单元，
第一直流分量阻断单元配置在紧接该多级差动放大器的输入端之后。
6.如权利要求1至权利要求3中任意一项所述的多级差动放大器，
具有多个所述直流分量阻断单元，
第二直流分量阻断单元配置在紧接该多级差动放大器的输出端之前。
7.如权利要求1至权利要求3中任意一项所述的多级差动放大器，
所述直流分量阻断单元包括高通滤波器。
8.如权利要求1至权利要求3中任意一项所述的多级差动放大器，
所述差动放大器包括可变增益放大器。
9.如权利要求1至权利要求3的任意一项所述的多级差动放大器，
具有多个所述多级差动放大器，
第一多级差动放大器放大I信号，
第二多级差动放大器放大Q信号。
10.如权利要求8所述的多级差动放大器，
所述差动放大器包括Cherry-Hooper型的可变增益放大器，
所述Cherry-Hooper型的可变增益放大器包括两级的差动放大器。
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