JP2003046350A - 差動増幅器 - Google Patents

差動増幅器

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JP2003046350A JP2001231331A JP2001231331A JP2003046350A JP 2003046350 A JP2003046350 A JP 2003046350A JP 2001231331 A JP2001231331 A JP 2001231331A JP 2001231331 A JP2001231331 A JP 2001231331A JP 2003046350 A JP2003046350 A JP 2003046350A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 相対位相差を正確に180度にした一対の信
号を出力しながらも、従来型に比して回路規模がより小
さい差動増幅器を提供する。 【解決手段】 本差動増幅器50Aは、一対のバイポー
ラトランジスタ55、56を含んで構成される差動増幅
段54を有し、バイポーラトランジスタ55のベースに
不平衡入力信号が印加され、一対の出力ノード63、6
6から差動信号を出力する。この差動増幅器では、不平
衡入力信号が印加されるバイポーラトランジスタ55側
の出力ノード63と出力端子65との間に、出力信号を
遅延させる遅延素子68が接続されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、差動増幅器に関
し、特に、正確な180度位相差特性を有しながらも低
消費電力が実現できる差動増幅器に関する。
【0002】
【従来の技術】差動増幅器は一般に、一対の差動入力信
号から一対の差動出力信号を出力するために使用され
る。しかし、一方の入力端子に入力信号を与え、他方の
入力端子をグランドに維持し、いわゆる不平衡入力信号
を与える場合もある。図7は、単一の不平衡入力信号を
一対の平衡信号に変換して出力する従来の差動増幅器
(第1従来例)の改良例を示す回路図である。
【0003】上記改良型の差動増幅器10は、第1差動
増幅段11、レベルシフト段12及び第2差動増幅段1
3を備え、第1差動増幅段11で、入力端子22から入
力された不平衡の高周波信号(不平衡入力信号)がバイ
ポーラトランジスタ15のベースに印加されると、抵抗
器19を流れる電流と抵抗器20を流れる電流とが夫々
変化する。これにより、トランジスタ15、16の双方
のコレクタ電位が変化し、位相差を持った一対の信号が
得られる。上記コレクタ電位の変化は、レベルシフト段
12のトランジスタ30、29を介して第2差動増幅段
13に伝達される。
【0004】第2差動増幅段13では、上記コレクタ電
位の変化がトランジスタ33、34の各ベースに与えら
れると、トランジスタ33、34の各エミッタ電位が変
化し、抵抗器36から定電流源35に流れ込む電流と、
抵抗器37から定電流源35に流れ込む電流とが夫々変
化する。これにより、出力端子41、43間の相対位相
差が正確に180度とされた一対の出力信号が得られ
る。
【0005】近年の移動体通信市場では、500MHz
以上の高い周波数で動作するような回路が求められ、出
力信号の位相差が正確に180度あること、及び低消費
電力特性が良好であること等への要請がある。上記差動
増幅器10では、信号の電気長や寄生容量の影響等に起
因して、不平衡な増幅段である第1差動増幅段11だけ
では正確に180度にならない出力端子25、27間の
位相差を、差動入力/差動出力動作をする第2差動増幅
段13で正確に180度とすることにより、上記要請に
応えている。
【0006】ところで、第1及び第2差動増幅段11、
13の双方を直結するには、電源電圧を高くしなければ
差動増幅における線形性の確保が困難になるので、双方
の差動増幅段11、13をレベルシフト段12を介して
接続している。このため、差動増幅器10の回路規模が
大きくなって消費電流が増大し、低消費電力の実現が困
難になっている。
【0007】第1従来例の差動増幅器よりも回路規模が
小さい平衡変換回路(第2従来例)が、特開平6-350358
号公報に記載されている。図8にこの平衡変換回路を示
す。平衡変換回路72は、入力端子73から入力された
不平衡の高周波信号を一対の差動信号として出力する差
動増幅段74と、この差動増幅段74からの差動信号の
相対位相差を正確に180度にした信号(平衡出力信
号)として出力する信号遅延段75とを備える。
【0008】平衡変換回路72では、一対のトランジス
タ76、77を有する、図7の第1差動増幅段11と同
様の構成の差動増幅段74を初段に備え、差動増幅段7
4の後段に、図7のレベルシフト段12及び第2差動増
幅段13に代わる信号遅延段75を備えることにより、
相対位相差を正確に180度にした一対の出力信号を得
る。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】上記第2従来例では、
差動増幅段74の後段に、一対のトランジスタ78、7
9及び抵抗器80〜82から成る信号遅延段75を備え
なければ、位相差を正確に180度にした一対の出力信
号が得られない。このため、第1従来例に比して回路規
模が小さくなるものの、回路規模を充分に小さくするこ
とはできず、低消費電力の実現には限界があった。
【0010】本発明は、上記に鑑み、相対位相差を正確
に180度にした一対の信号を出力しながらも、従来型
に比して回路規模がより小さい差動増幅器を提供するこ
とを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る差動増幅器は、一対のバイポーラトラ
ンジスタを含んで構成される差動増幅段を有し、一方の
バイポーラトランジスタのベースに不平衡入力信号が印
加され、一対の出力ノードから差動信号を出力する差動
増幅器において、前記不平衡入力信号が印加されるバイ
ポーラトランジスタ側の出力ノードと出力端子との間
に、出力信号を遅延させる遅延素子が接続されることを
特徴とする。
【0012】本発明に係る差動増幅器では、差動増幅段
を一段のみ有し、差動増幅段の信号経路が短い出力側に
遅延素子を接続しただけの簡素な構成を有しながらも、
一方の差動信号に比して進む他方の差動信号の位相を抑
え、第1及び第2出力端子間の相対位相差を正確に18
0度にすることができる。従って、第1及び第2従来例
に比して回路規模が更に小さくなり、これに伴い消費電
力が低減する。
【0013】ここで、前記遅延素子がスパイラルインダ
クタから成ることが好ましい。或いは、これに代えて、
前記遅延素子が冗長電線路から成ることも好ましい態様
である。これらの場合、第1出力端子からの出力信号を
遅延させる遅延素子を容易に得ることができる。
【0014】また、前記遅延素子が複数のタップを備
え、該タップの夫々に前記出力端子が接続されることも
好ましい態様である。一般に差動増幅器では、高周波信
号ほど位相遅れが大きくなるが、複数のタップを、遅延
時間が長い高周波用の端子、或いは遅延時間が短い低周
波用の端子として選択的に使用することにより、所要の
周波数に応じて必要な遅延時間を得て、対応周波数範囲
を拡大することができる。
【0015】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照し、本発明に係
る実施形態例に基づいて本発明を更に詳細に説明する。
図1は、本発明に係る第1実施形態例の、モノリシック
ICで構成された差動増幅器を示す回路図である。この
差動増幅器50Aは、差動増幅段54及び遅延素子68
を有している。
【0016】差動増幅段54は、対となるバイポーラト
ランジスタ(以下、単にトランジスタと呼ぶ)55、5
6を有しており、トランジスタ55、56の各エミッタ
が共通の定電流源57を介して接地され、トランジスタ
55、56の各コレクタが抵抗器59、60を介して電
源端子61に接続されている。トランジスタ55のベー
スは入力端子62に接続され、トランジスタ56のベー
スはキャパシタ58を介して接地されている。
【0017】トランジスタ55のコレクタと抵抗器59
の一端とを接続する出力ノード63には、遅延素子68
を介して第1出力端子65が接続されている。トランジ
スタ56のコレクタと抵抗器60の一端とを接続する出
力ノード66には、第2出力端子67が接続される。
【0018】図2及び図3に夫々、遅延素子68の具体
的な構成例を示す。図2では、遅延素子68に、受動素
子であるスパイラルインダクタ69を使用している。ス
パイラルインダクタ69は、差動増幅器50Aが形成さ
れる半導体基板上に成膜した導電層を所定の幅及び厚み
を有するスパイラル状の巻き配線に形成したもので、巻
き配線における内周端の端子64aが第1出力端子65
に接続され、外周端の端子64dが出力ノード63に接
続される。
【0019】一方、図3では、遅延素子68に冗長電線
路71を使用している。冗長電線路71は、出力ノード
63と第1出力端子65との間で配線をジグザグに迂回
させて信号の伝達距離を延ばした受動素子であり、配線
の一端に設けられた端子70aが第1出力端子65に接
続され、他端に設けられた端子70dが出力ノード63
に接続される。
【0020】本差動増幅器50Aでは、図1に示すよう
に、入力端子62から入力された不平衡の高周波信号
(不平衡入力信号)がトランジスタ55のベースに印加
されると、トランジスタ55のエミッタ電位が変化し、
これにより、抵抗器59及び60を流れる各電流が夫々
変化する。このため、トランジスタ55、56の双方の
コレクタ電位が変化することで、位相差を持った一対の
差動信号が一対の出力ノード63、66から出力され
る。
【0021】ここで、トランジスタ55側の出力ノード
63から第1出力端子65に向けて送られる差動信号
は、遅延素子68のスパイラルインダクタ69又は冗長
電線路71により、予め定められた遅延を付与されて、
進み過ぎる位相が抑制される。これにより、第1及び第
2出力端子65、67から、正確に180度の位相差を
持つ一対の信号(平衡出力信号)が出力される。
【0022】つまり、本差動増幅器50Aでは、トラン
ジスタ55のベースに印加される不平衡入力信号が、ト
ランジスタ55から出力ノード63を経由して第1出力
端子65に出力される第1の信号と、トランジスタ55
からトランジスタ56及び出力ノード66を経由して第
2出力端子67に出力される第2の信号として得られ
る。第2の信号の経路では、第1の信号の経路に比して
出力端子67までの電気長が長く、トランジスタ56の
寄生容量の影響等も加わって、第1の信号に対する位相
遅れを生じる。しかし、第1の信号の経路、つまり差動
増幅段の信号経路が短い出力側に遅延素子68が接続さ
れるので、進み過ぎる第1の信号の位相を抑え、出力端
子65、67間の相対位相差を正確に180度にするこ
とができる。
【0023】このように、本差動増幅器50Aによる
と、差動増幅段54を1段のみ備え、且つ一方の出力信
号を遅延させる遅延素子68を接続しただけの簡素な構
成の回路から、高周波領域においても正確な180度位
相差を持つ一対の信号を出力する動作が実現できる。従
って、例えば周波数500MHz以上の不平衡入力−平
衡出力が得られ、正確な180度位相差特性を有する差
動増幅器を、複数の差動増幅段を備えた従来の差動増幅
器に比して小さい回路規模で構成できる。
【0024】図4は、本発明に係る第2実施形態例の差
動増幅器50Bを示す回路図である。本実施形態例で
は、第1実施形態例と共通の要素に同じ符号を付しその
説明を省略する。
【0025】本差動増幅器50Bでは、遅延素子68が
複数のタップを備え、タップの夫々に第1出力端子65
a、65b、65cが接続されている。本実施形態例の
遅延素子68の具体的構成例として、図5に、スパイラ
ルインダクタ69を用いる例を、図6に、冗長電線路7
1を用いる例を夫々示した。
【0026】図5に示すスパイラルインダクタ69で
は、図2に示した巻き配線の内周端の端子(タップ)6
4aと外周端の端子64dとの間に、予め定めた遅延が
段階的に得られるように巻き配線での位置を異ならせた
端子(タップ)64b及び64cが設けられている。一
方、図6に示す冗長電線路71では、図3に示した端子
(タップ)70aと端子70dとの間に、予め定めた遅
延が段階的に得られるように配線上で位置を異ならせた
端子(タップ)70b及び70が設けられている。これ
により、接続位置に応じて遅延時間の長さが段階的に異
なる出力端子65a〜65cが、簡素な構成によって得
られる。
【0027】通常、差動増幅器では、入力信号が高周波
になる程その位相遅れが大きくなる。本実施形態例で
は、遅延時間が長い高周波用に出力端子65aを、遅延
時間が短い低周波用に出力端子65cを、これらの中間
の遅延時間用に出力端子65bを夫々用いることができ
る。従って、第1実施形態例と同様の効果に加え、所要
の周波数に応じて必要な遅延時間が得られる出力端子を
適宜選択することで対応周波数範囲が拡大できるという
効果も得ることができる。
【0028】第1及び第2実施形態例では、例えば、2
GHzの高周波数で、トランジスタ55からトランジス
タ56を経由して第2出力端子67に至る経路を送られ
る第2の信号と、トランジスタ55から第1出力端子6
5(65a〜65c)に至る経路を送られる第1の信号
との位相差が170度ある場合に、10度分の位相遅れ
となるように遅延素子68を構成すれば、正確に180
度とした位相差を持つ一対の出力信号が得られる。
【0029】以上、本発明をその好適な実施形態例に基
づいて説明したが、本発明に係る差動増幅器は、上記実
施形態例の構成にのみ限定されるものではなく、上記実
施形態例の構成から種々の修正及び変更を施した差動増
幅器も、本発明に係る範囲に含まれる。
【0030】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によると、
相対位相差を正確に180度にした一対の信号を出力し
ながらも、従来型に比して回路規模がより小さい差動増
幅器を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る第1実施形態例に係る差動増幅器
の構成を示す回路図である。
【図2】第1実施形態例の遅延素子の構成例を示す概念
図である。
【図3】第1実施形態例の遅延素子の別の構成例を示す
概念図である。
【図4】本発明に係る第2実施形態例に係る差動増幅器
の構成を示す回路図である。
【図5】第2実施形態例の遅延素子の構成例を示す概念
図である。
【図6】第2実施形態例の遅延素子の別の構成別を示す
概念図である。
【図7】従来の差動増幅器の改良例を示す回路図であ
る。
【図8】従来の差動増幅器の別の改良例である平衡変換
回路を示す回路図である。
【符号の説明】
50A、50B:差動増幅器 55、56:バイポーラトランジスタ 57:定電流源 58:キャパシタ 59、60:抵抗器 61:電源端子 62:入力端子 63、66:出力ノード 65、65a〜65c:第1出力端子 67:第2出力端子 68:遅延素子 69:スパイラルインダクタ 64a〜64c、70a〜70c:端子(タップ) 71:冗長電線路

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 一対のバイポーラトランジスタを含んで
    構成される差動増幅段を有し、一方のバイポーラトラン
    ジスタのベースに不平衡入力信号が印加され、一対の出
    力ノードから差動信号を出力する差動増幅器において、 前記不平衡入力信号が印加されるバイポーラトランジス
    タ側の出力ノードと出力端子との間に、出力信号を遅延
    させる遅延素子が接続されることを特徴とする差動増幅
    器。
  2. 【請求項2】 前記遅延素子がスパイラルインダクタか
    ら成る、請求項1に記載の差動増幅器。
  3. 【請求項3】 前記遅延素子が冗長電線路から成る、請
    求項1に記載の差動増幅器。
  4. 【請求項4】 前記遅延素子が複数のタップを備え、該
    タップの夫々に前記出力端子が接続される、請求項1〜
    3の内の何れか1項に記載の差動増幅器。
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