JP2011066599A - 電力増幅装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電力増幅装置110は、基板上に全体で環状に設けられた複数の一次インダクタ7,8と、複数の増幅器対3〜6と、二次インダクタ9と、接続配線10とを備える。各増幅器対は、対応の一次インダクタの両端に接続され、差動入力信号として与えられた一対の第1および第2の信号IN(+),IN(−)をそれぞれ増幅して対応の一次インダクタに出力する。二次インダクタ9は、複数の一次インダクタ7,8に隣接して環状に設けられ、各一次インダクタで合成された第1および第2の信号の合成信号をさらに合成して出力する。接続配線10は、基板上で複数の一次インダクタ7,8の内側に設けられ、各一次インダクタの中点MP1,MP2を互いに電気的に接続する。
【選択図】図5
Description
[トランスアンプの原理]
まず、この発明の基礎となるトランスアンプ(Transformer-based Power Amplifier)の原理について説明する。
図1の回路構成と図2の回路構成は異なるメカニズムでドレイン電圧を抑制しているため、両者を併用することが可能である。図4の回路構成は、図2の回路構成で各トランスXF1〜XFnの巻数比を1:mとしたものである。このように、巻数比1:mのトランスをn段接続すると、各トランジスタのドレイン電圧は1/(2mn)になる。
図2または図4のように複数のトランスを用いる場合、単純にトランスを並べたレイアウトではトランスの占有面積がn倍に増加するため、電力増幅装置全体のチップ面積も増加してしまう。これは、CMOSによる小占有面積化、さらには低コスト化と相反している。
次に、この発明の特徴である接続配線10の効果について説明する。
トランジスタ3:V・cos(ωt +θ3) …(1)
トランジスタ4:V・cos(ωt+π+θ4) …(2)
トランジスタ5:V・cos(ωt +θ5) …(3)
トランジスタ6:V・cos(ωt+π+θ6) …(4)
としたとき、各トランジスタの出力信号の位相θ3〜θ6は、
θ3=0,θ4=−10π/180,θ5=−5π/180,θ6=+5π/180
のように与えた。ただし、上式(1)〜(4)において、角周波数をωで表わし、時間をtで表わし、円周率をπで表わしている。シミュレーションでは、電圧振幅Vを101/2=3.16[V]と設定している。
図9のシミュレーション結果に見られた差動信号の位相ずれの抑制効果は、次の(i)または(ii)の条件が成立する場合に顕著になる。
(ii)トランジスタ3,4間の差動信号の位相ずれ(前述の式(1),(2)でθ3−θ4)と、トランジスタ6,5間の差動信号の位相ずれ(前述の式(3),(4)でθ6−θ5)とが近い値の場合
上式(i)または(ii)が成立するとき、一次インダクタ7の中点MP1と一次インダクタ8の中点MP2とを接続する接続配線10の中心点CPで、仮想AC接地に近い状態となっている。具体的に式を用いて説明すると、トランジスタ3〜6の出力信号を前述の式(1)〜(4)で表わしたとき、全てのトランジスタ3〜6から等距離xにある中心点CPにおける電圧振幅は、波数ベクトルをkとして、
V・{cos(kx+ωt+θ3)+cos(kx+ωt+π+θ4)+cos(kx+ωt+θ5)+cos(kx+ωt+π+θ6)} …(5)
とあらわされる。上式(5)の振幅成分は、上記の条件(i)または(ii)が満たされるとき極小になる。
(iii)トランジスタ3,6間の電圧振幅の差V3−V6とトランジスタ4,5間の電圧振幅の差V4−V5とが近い値の場合、または
(iv)トランジスタ3,4間の電圧振幅の差V3−V4とトランジスタ6,5間の電圧振幅の差V6−V5が近い値の場合に、振幅ずれの影響の緩和効果が顕著に現われる。
上記のとおり、一次インダクタ7,8の中点を接続する接続配線10を設けることによって、トランジスタ3〜6から出力される差動信号に位相ずれまたは振幅ずれがあったとしても、電力増幅装置110全体の差動動作のずれを抑制することができる。この結果、電力増幅装置110の出力低下を抑制することができる。
図13は、実施の形態1の変形例1による電力増幅装置110Aの構成を示す図である。図13の電力増幅装置110Aは、一次インダクタ7,8の中点MP1,MP2と接地ノードGNDとの間に接続されたバイパスコンデンサ72,73をさらに含む点で、図5、図12の電力増幅装置110と異なる。具体的に、バイパスコンデンサ72はボンディングワイヤ70を介して中点MP1側のVd端子11に接続され、バイパスコンデンサ73はボンディングワイヤ71を介して中点MP2側のVd端子18に接続される。その他の点については、図13の電力増幅装置110Aは、図5、図12の電力増幅装置110と同じであるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰返さない。なお、図13では、トランジスタ3〜6の図示を省略している。
図14は、実施の形態1の変形例2による電力増幅装置110Bの構成を示す図である。図14の電力増幅装置110Bは、トランジスタ3〜6の配置が図5の電力増幅装置110と異なる。
実施の形態2では、図4に示した巻数比1:m(mは2以上の整数)のトランスアンプに相当する電力増幅装置の構成について説明する。
図18は、実施の形態2の変形例1によるトランス200Aの構成を示す平面図である。図18の二次インダクタ53は、3つの交差部54,55,56を有する点で、図15に示す単一の交差部52を有する二次インダクタ51と異なる。その他の点については、図18のトランス200Aは図15のトランス200と同じであるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰返さない。なお、図18では図解を容易にするために二次インダクタ53にハッチングを付している。
図19は、実施の形態2の変形例2による電力増幅装置210Bの構成を示す図である。図19の電力増幅装置210Bは、図4のトランスアンプで段数n=3、巻数比1:2の場合に相当する。電力増幅装置210Bは、基板SUB上に形成された増幅器81〜86とトランス200Bとを含む。
実施の形態3では、差動信号を増幅するトランジスタのドレイン電圧をトランスの一次側の1箇所から給電する場合について説明する。
図23は、この発明の実施の形態3の変形例によるトランス300Aの構成を示す平面図である。図23のトランス300Aは、Vd印加用の配線部30に代えて中心点CPに設けられたVd印加用のパッド41を含む点で図21のトランス300と異なる。図23のその他の点については図21のトランス300と同じであるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。
Claims (9)
- 基板上に全体で環状に設けられた複数の一次インダクタと、
前記複数の一次インダクタにそれぞれ対応して設けられた複数の増幅器対とを備え、
前記複数の増幅器対の各々を構成する第1および第2の増幅器は、対応の一次インダクタの両端にそれぞれ接続され、差動入力信号として与えられた一対の第1および第2の信号をそれぞれ増幅して対応の一次インダクタに出力し、
さらに、前記複数の一次インダクタに隣接して1または複数巻で環状に設けられ、前記複数の一次インダクタと磁気的に結合することによって、前記複数の一次インダクタの各々で合成された前記第1および第2の信号の合成信号をさらに合成して出力する二次インダクタと、
前記基板上で前記複数の一次インダクタの内側に設けられ、前記複数の一次インダクタの各々の中点を互いに電気的に接続する接続配線とを備え、
前記中点は、一次インダクタ上の点で一次インダクタの両端から等しい距離にある点である、電力増幅装置。 - 前記複数の一次インダクタの全体の形状は、前記基板に垂直な特定の中心軸に対して回転対称であるとともに、前記中心軸を含む特定の複数の対称面の各々に対して鏡映対称になるように形成され、
前記複数の一次インダクタの各々の中点は、前記複数の対称面のいずれか1つに含まれ、
前記接続配線は、前記複数の一次インダクタにそれぞれ対応する複数の配線部を含み、
前記複数の配線部の各々は、前記中心軸と基板面との交点である中心点と、対応の一次インダクタの中点とを接続し、対応の一次インダクタの中点を通る対称面に沿って設けられる、請求項1に記載の電力増幅装置。 - 前記二次インダクタは、1または複数の交差部を含んで複数巻で形成され、
前記1または複数の交差部の各々は、前記複数の対称面のいずれか1つに近接して設けられる、請求項2に記載の電力増幅装置。 - 前記第1および第2の増幅器の各々は、駆動電圧によって動作するトランジスタを有し、
前記駆動電圧は、外部から前記複数の一次インダクタのうちのいずれか1つである第1の一次インダクタの中点に供給され、
前記第1の一次インダクタの両端に接続された前記トランジスタに対しては、前記第1の一次インダクタを通って前記駆動電圧が供給され、
前記複数の一次インダクタのうち前記第1の一次インダクタと異なる第2の一次インダクタの両端に接続された前記トランジスタに対しては、前記接続配線および前記第2の一次インダクタを通って前記駆動電圧が供給される、請求項2に記載の電力増幅装置。 - 前記第1および第2の増幅器の各々は、駆動電圧によって動作するトランジスタを有し、
前記駆動電圧は、外部から前記接続配線上の前記中心点に供給され、
前記複数の一次インダクタのうちの第1の一次インダクタの両端に接続された前記トランジスタに対しては、前記接続配線および前記第1の一次インダクタを通って前記駆動電圧が供給される、請求項2に記載の電力増幅装置。 - 前記第1および第2の増幅器の各々は、駆動電圧によって動作するトランジスタを有し、
前記駆動電圧は、外部から前記複数の一次インダクタの各々の中点に供給され、
前記複数の一次インダクタのうちの第1の一次インダクタの両端に接続された前記トランジスタに対しては、前記第1の一次インダクタを通って前記駆動電圧が供給される、請求項2に記載の電力増幅装置。 - 前記複数の一次インダクタの各々の中点と接地ノードとの間に個別に接続された複数のバイパスコンデンサをさらに備える、請求項6に記載の電力増幅装置。
- 前記複数の一次インダクタの各々に接続された前記第1および第2の増幅器は、全体として、前記複数の対称面の各々に関して鏡映対称となるように配置される、請求項2または3に記載の電力増幅装置。
- 前記電力増幅装置は、前記複数の一次インダクタの各々について、前記第1および第2の増幅器に前記第1および第2の信号をそれぞれ供給するための第1および第2の信号線をさらに備え、
前記第1および第2の信号線は、対応の一次インダクタの中点を通る対称面に関して鏡映対称な位置に配置される、請求項8に記載の電力増幅装置。
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