JP2013168914A - 電源供給回路及び電源供給方法 - Google Patents

Abstract

【課題】差動信号を出力するコイルに接続されたデバイスへの電圧供給が可能であり、かつ差動信号の位相特性が広帯域にわたって良好な電源供給回路を実現するための技術を提供する。
【解決手段】電源供給回路は、差動信号が入力又は出力される第１のコイルと、第１のコイルの中点と電源との間に接続された伝送線路と、伝送線路と接地電位との間に接続された容量性素子と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電源供給回路に関し、特に、差動信号が入出力されるコイルを介して他のデバイスへの電源を供給するための電源供給回路に関する。

高い出力を備える増幅器において、サイズの大きなトランジスタが最終段に用いられる場合がある。しかしながら、トランジスタのサイズを大きくすると、特に高周波帯において、寄生容量や発熱の問題により増幅器が期待通りに動作しないことがある。このため、高い出力を備える高周波増幅器ではサイズの小さなトランジスタで増幅器を構成し、それを並列に接続する方法が採られることがある。

図５は、本発明に関連するトランス型のシングル・差動変換信号分配器を利用した高周波増幅器２００の回路を示す図である。高周波増幅器２００は入力信号分配器２３とシングルエンド増幅器２４、２５と出力信号合成器２６とから構成される。入力信号分配器２３と出力信号合成器２６との構成は同一であり、信号が２つのコイルを通過する順序が異なっている。

入力信号分配器２３はコイル２７と２８とで構成され、出力信号合成器２６はコイル２９と３０とで構成される。入力側信号分配器２３のコイル２７の一端は信号の入力端子であり、他端は接地される。コイル２８の中点は接地されている。コイル２７とコイル２８とは磁気的に結合され、コイル２７へ入力された信号はコイル２８へ伝達される。

コイル２８の中点が接地されているため、コイル２８から出力される信号は差動信号となる。このようにして、入力信号分配器２３は、入力されたシングルエンド信号を差動信号に変換する。

出力信号合成器２６は入力信号分配器２３と逆の動作を行う。すなわち、出力信号合成器２６は、コイル２９の両端から入力された差動信号をシングルエンド信号に変換する。このような構成を備える高周波増幅器２００は、並列に接続された２個の増幅器を備えることで所望周波数の出力を高めることができる他、２次高調波を抑圧できる。

このようなトランス型のシングル・差動分配器において、コイルに接続されたデバイスに電圧を供給するために、差動信号側のコイルの中点に電源回路が接続されることがある。例えば、特許文献１は、差動信号を増幅する４個のＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）トランジスタに合成器が備えるコイルから電圧が供給される構成を備えた電力増幅回路を記載している。特許文献１に記載された電力増幅回路は、コイルから４個のＭＯＳトランジスタへ１つの回路で電源を供給できるため、回路の小型化が可能になる。

特開２０１０−１４１６７３

しかしながら、マイクロ波やミリ波のような高周波帯では、差動信号が入出力されるコイルの中点に電源回路を接続した場合に、コイルの中点から見た電源回路の高周波インピーダンスが無視できなくなる。その結果、差動信号が入出力されるコイルにおいて差動信号の位相特性が悪化し、広帯域で良好な差動信号の特性が得られないという課題があった。

図６は、差動信号側の電源回路のインピーダンスが差動信号の位相差に与える影響を調べるための計算に用いた、シングル・差動変換分配器３００のモデルを示す図である。シングル・差動変換分配器３００は１次側コイル３１と２次側コイル３２とからなり、２次側コイルの中点に電源回路が接続されている。電源回路は伝送線路３３と電源３４とからなる。計算においては、電源回路のインピーダンスは伝送線路の長さを調整して変化させた。図７は、２次側コイル３２の出力端子Ｏｕｔ１とＯｕｔ２とから出力される差動信号の位相差の周波数特性を、伝送線路の長さを変化させて計算した結果を示す図である。図７においては、伝送線路の長さを０、λ／２０、λ／１０、λ／５、λ／４（λは信号の波長）とした。

差動信号の出力における位相差は、本来１８０度であることが好ましい。そして、位相差が１８０度から離れると信号のひずみが大きくなったり、信号の振幅が低下したりする。しかし、図７からも明らかな通り、シングル・差動変換分配器３００から出力される差動信号の位相差の周波数特性は、伝送線路の長さ、すなわち電源回路のインピーダンスに依存して大きく変化している。このように、一般的なシングル・差動変換分配器には、差動信号を入出力するコイルの中点に電源回路を接続すると電源回路のインピーダンスの影響により差動信号の位相特性が悪化する場合があるという課題があった。また、位相特性の悪化を防ぐために差動信号を入出力するコイルの中点に直接キャパシタを形成しようとすると、コイルのレイアウトとキャパシタのレイアウトとの競合により所望の寸法のキャパシタの配置が困難となる場合がある。その結果、一般的なシングル・差動変換分配器では、必要な容量及び特性のキャパシタをコイルの中点に接続できないため、キャパシタによる中点の高周波インピーダンス低減の効果が充分に得られない場合があるという課題もあった。そして、特許文献１は差動信号を出力するコイルの中点から電源を供給する際に生じる、上述のような課題を解決する手段を開示していない。

本発明の目的は、差動信号を出力するコイルに接続されたデバイスへの電圧供給が可能であり、かつ差動信号の位相特性が広帯域にわたって良好となる電源供給回路を実現するための技術を提供することにある。

本発明の電源供給回路は、差動信号が入力又は出力される第１のコイルと、第１のコイルの中点と電源との間に接続された伝送線路と、伝送線路と接地電位との間に接続された容量性素子と、を備える。

また、本発明の電源供給方法は、差動信号が入力または出力される第１のコイルの中点と電源との間に伝送線路を接続し、伝送線路と接地電位との間に容量性素子を接続する。

本発明の電源供給回路は、接続されたデバイスへの電圧供給が可能であり、かつ差動信号の位相特性が広帯域にわたって良好な電源供給回路を実現できるという効果がある。

本発明の第１の実施形態に係る信号分配器の構成を示す図である。 第１のコイルの出力端子に現れる信号の位相差を示す図である。 伝送線路と接地電位との間にキャパシタを接続した場合と接続しない場合とについて計算した位相差の周波数特性を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る信号分配器の構成を示す図である。 本発明に関連するシングル・差動変換信号分配器を利用した高周波増幅器の回路を示す図である。 本発明に関連するシングル・差動変換分配器のモデルを示す図である。 差動信号の位相差の周波数特性を、伝送線路の長さを変化させて計算した結果を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る信号分配器の構成を示す図である。 バラクタ電圧に対する、出力端子Ｏｕｔ１とＯｕｔ２との間の位相差の計算結果を示す図である。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
＜第１の実施形態＞
図１は本発明の第１の実施形態に係る信号分配器１００の構成を示す図である。第１の実施形態は、本発明の電源供給回路をシングル・差動変換を行う信号分配器に適用したものである。信号分配器１００は、第１のコイル１、第２のコイル２、伝送線路３、電源４及びキャパシタ５を備える。第１のコイル１と第２のコイル２とは電磁気的に結合するように配置されている。第２のコイル２の一端（ｉｎ）から信号が入力され、第２のコイル２の他端は接地される。本実施形態においては、第２のコイル２には、シングルエンド信号が入力される。

伝送線路３の一端は第１のコイル１の中点に接続され、伝送線路３の他端は電源４に接続される。キャパシタ５の一端は伝送線路３の始点と終点との間に接続され、キャパシタ５の他端は接地される。キャパシタ５の容量は、信号分配器を通過する高周波信号の周波数におけるインピーダンスが充分小さくなるような容量であればよい。

第２のコイル２に入力されたシングルエンド信号は電磁気的な結合により第１のコイル１へ伝達され、第１のコイル１の両端の出力端子（Ｏｕｔ１、Ｏｕｔ２）から差動信号として出力される。電源４は、伝送線路３を介して、第１のコイル１の２つの出力端子へ電圧を供給する。その結果、信号分配器１００は、第１のコイルの出力端子に接続された増幅器等の外部のデバイスに電源４から電圧を供給することができる。

図２は、キャパシタ５の伝送線路３への接続位置を変化させて計算した、第１のコイル１の出力端子に現れる差動信号の位相差を示す図である。図２の横軸は、伝送線路３上のキャパシタ５の接続点と第１のコイル１の中点との距離を表す。λは第１のコイル１の出力端子に現れる差動信号の波長である。計算では、差動信号の周波数を６０ＧＨｚに設定し、伝送線路３の特性インピーダンスを１００Ωから３５Ωまで変化させた。図２からも明らかな通り、伝送線路３上のキャパシタ５の接続点が第１のコイル１の中点から離れるのに従い、位相差が１８０度よりも小さくなっていく。第１のコイル１の両端における差動信号の位相差は１８０度に近いことが好ましいため、キャパシタ５を第１のコイル１の中点に近い場所に接続する必要がある。計算の結果によると、１８０°からの位相誤差を５°以内に抑えるには、伝送線路の特性インピーダンスをＺ_０（Ω）、信号波長をλとすると、伝送線路３上のキャパシタ５の接続点と第１のコイル１の中点との距離Ｌは以下の式（１）の範囲にある必要がある。ただし、伝送線路の特性インピーダンスＺ_０は１５０Ωより小さいものとする。

Ｌ＜（３／Ｚ_０−１／５０）×λ ・・・（１）
図３は、伝送線路３と接地電位との間にキャパシタ５を接続した場合と接続しない場合とについて計算した、差動信号の位相差の周波数特性を示す図である。図３では、伝送線路３の全体の長さはλ／５とした。また、キャパシタ５を接続した場合の計算は、第１のコイル１からの距離がλ／５０である位置にキャパシタ５を接続したものとして行った。図３に示すように、キャパシタ５を伝送線路３上で第１のコイル１の近傍に接続することで高周波信号に対するインピーダンスを０Ωに近づけることができる。その結果、位相差の周波数特性が改善され、位相差は広帯域で比較的平坦な特性となっている。

なお、本実施形態の説明では、第１のコイル１と第２のコイル２とはそれぞれ１巻であったが、それぞれの巻き数は１巻より多くてもよい。

このように、第１の実施形態の信号分配器は、キャパシタ５を伝送線路３上で第１のコイル１の近傍に接続することで、第１のコイル１の中点から見た電源回路のインピーダンスが差動信号に与える影響を小さくすることが可能となる。その結果、第１の実施形態の信号分配器１００は、広い帯域にわたって良好な差動信号の位相差の特性が得られる。さらに、第１の実施形態の信号分配器では、キャパシタ５の一端が第１のコイルの中点から離れた伝送線路３上に接続されているため、キャパシタ５の設計及び配置の自由度が高まる。

なお、第１の実施形態では、シングルエンド信号を差動信号に変換する信号分配器１００において、差動信号を出力する第１のコイル１に電源が接続される構成について説明した。すなわち、第１のコイル１は、図５で説明した入力信号分配器２３が備えるコイル２８に相当する。しかしながら、第１のコイル１の中点に伝送線路３が接続される構成は、図５に示した出力信号合成器２６が備えるコイル２９にも適用可能である。すなわち、第１の実施形態の第１の変形例として、差動信号が入力されるコイルと、そのコイルと電磁的に結合してシングルエンド信号を出力するコイルとで構成される信号合成器において、差動信号が入力される側のコイルに第１の実施形態の構成を適用してもよい。

さらに、第１の実施形態の第２の変形例として、電磁気的に結合した２個のコイルを備え、２個のコイルで入出力される信号がいずれも差動信号である回路の少なくとも一方のコイルの構成に図１に示した第１のコイル１の構成を適用してもよい。

このような第１の実施形態の第１及び第２の変形例においても、信号分配器１００と同様にコイルの中点に電源回路を接続することで、接続されたデバイスに電源を供給することが可能である。そして、これらの変形例においても広い帯域にわたって良好な差動信号の位相差の特性が得られるとともに、伝送線路に接続されるキャパシタの設計及び配置の自由度が高まるという効果を奏する。

なお、接続されたデバイスへの電圧供給が可能であり、かつ差動信号の位相特性が広帯域にわたって良好な電源供給回路を実現できるという第１の実施形態の効果は、以下のような電源供給回路の最小構成によっても実現できる。

すなわち、電源供給回路の最小構成は、差動信号が入力又は出力される第１のコイル１と、第１のコイルの中点と電源４との間に接続された伝送線路３と、伝送線路３と接地電位との間に接続されたキャパシタ（容量性素子）５と、を備える。このような電源供給回路は、第１のコイルの中点と電源との間に伝送線路が接続され、さらに伝送線路と接地電位との間に容量性素子が接続されている。このため、電源供給回路の最小構成は、第１のコイルから見た電源回路のインピーダンスが差動信号に与える影響を小さくすることができる。そして、電源供給回路の最小構成は、キャパシタを第１のコイルの中点から離れたところに配置できるため、キャパシタの設計及び配置の自由度が高まる。その結果、上記の電源供給回路は、接続されたデバイスへの電圧供給が可能であり、かつ差動信号の位相特性が広帯域にわたって良好な電源供給回路を実現できる。
＜第２の実施形態＞
図４は本発明の第２の実施形態に係る信号分配器４００の構成を示す図である。第２の実施形態は、第１の実施形態と同様に、本発明の電源供給回路をシングル・差動変換を行う信号分配器に適用したものである。従って、図４において第１の実施形態と同様の要素には同一の符号を付した。信号分配器４００は、第１のコイル１、第２のコイル２、伝送線路３、電源４、６及びキャパシタ５、７を備える。第１のコイル１と第２のコイル２とは電磁気的に結合するように配置され、第２のコイル２の一端（Ｉｎ）には信号が入力される。第２のコイル２の他端は、キャパシタ７を介して高周波信号に対して接地される。すなわち、本実施形態においては、第２のコイル２に入力される信号はシングルエンド信号である。また、第２のコイル２の他端には、さらに、電源６が接続される。

第１のコイル１の中点には伝送線路３の一端が接続され、伝送線路３の他端には電源４が接続される。キャパシタ５の一端は伝送線路３に接続され、他端は接地される。第２のコイル２に入力されたシングルエンド信号は電磁気的に第１のコイル１へ伝達され、第１のコイル１の両端の出力端子（Ｏｕｔ１、Ｏｕｔ２）から差動信号として出力される。電源４からは伝送線路３を介して、第１のコイル１の２つの出力端子へ電圧が供給される。伝送線路３の特性インピーダンスとキャパシタ５の接続位置としては、第１の実施形態で説明した式（１）に基づいて決定してもよい。

信号分配器４００は、第１の実施形態で説明した信号分配器の構成に加えて、第２のコイル２に電源回路６が接続されている。このため、第２の実施形態の信号分配器４００は、第１の実施形態で説明した信号分配器と同様の効果に加えて、第２のコイル２に接続されたデバイスへも電圧の供給が可能となるという効果も奏する。

なお、第２の実施形態の変形例として、図４における第２のコイル２に代えて第１のコイル１と同様の構成を適用し、中点に接続した伝送線路から電源を供給してもよい。この構成では入出力とも信号は差動信号であり、それぞれのコイルの中点からそれぞれのコイルの両端に接続されたデバイスに電源を供給することが可能となる。
＜第３の実施形態＞
図８は本発明の第３の実施形態に係る信号分配器５００の構成を示す図である。第３の実施形態は、第１の実施形態と同様に、本発明の電源供給回路をシングル・差動変換を行う信号分配器に適用したものである。したがって、図８において第１の実施形態と同様の要素には同一の符号を付した。信号分配器５００は、第１のコイル１、第２のコイル２、伝送線路３、電源４及び８、キャパシタ５、バラクタダイオード９並びにインダクタ１０を備える。バラクタダイオード９は、印加される電圧により容量が変化する、可変容量素子である。第１のコイル１と第２のコイル２とは電磁気的に結合するように配置される。第２のコイル２の一端には信号が入力され、第２のコイル２の他端は接地される。本実施形態においては、第２のコイル２には、シングルエンド信号が入力される。

伝送線路３の一端は第１のコイル１の中点に接続され、伝送線路３の他端は電源４に接続される。キャパシタ５の一端は伝送線路３の始点と終点との間に接続され、キャパシタ５の他端はバラクタダイオード９のカソードとインダクタ１０に接続される。バラクタダイオード９のアノードは接地され、インダクタ１０の他端は電源８に接続される。キャパシタ５の容量は、信号分配器を通過する高周波信号の周波数におけるインピーダンスが十分小さくなるような容量であれば良い。

第２のコイル２に入力されたシングルエンド信号は電磁気的に第１のコイル１へ伝達され、第１のコイル１の両端の端子（Ｏｕｔ１、Ｏｕｔ２）から差動信号として出力される。電源４からは伝送線路３を介して、第１のコイル１の２つの出力端子へ電源が供給される。伝送線路３の特性インピーダンスとキャパシタ５の接続位置の関係として、第１の実施形態で説明した式（１）を用いてもよい。

バラクタダイオード９には、インダクタ１０に接続された電源８から電圧が印加される。キャパシタ５から見たバラクタダイオード９のインピーダンスは、電源８によって制御される。バラクタダイオード９のインピーダンスが変化することによって、第１のコイル１の中点のインピーダンスも変化し、その結果、出力端子Ｏｕｔ１とＯｕｔ２の位相差が調整される。

図９は、電源８からバラクタダイオード９へ印加される電圧（バラクタ電圧）に対する、出力端子Ｏｕｔ１とＯｕｔ２との間の位相差の計算結果を示す図である。図９からも明らかな通り、バラクタ電圧によって出力端子Ｏｕｔ１とＯｕｔ２間の信号の位相差が制御されている。

このような構成を備える第３の実施形態の信号分配器は、容量が可変である可変容量素子（バラクタダイオード）を備えることにより、第１の実施形態の信号分配器の効果に加えて、出力される差動信号の位相差の制御も可能であるという効果を奏する。

なお、第３の実施形態における、第１のコイル１の中点に伝送線路３が接続される構成は、図５に示した出力信号合成器２６が備えるコイル２９にも適用可能である。すなわち、第３の実施形態の第１の変形例として、差動信号が入力されるコイルと、そのコイルと電磁的に結合してシングルエンド信号を出力するコイルとで構成される信号合成器において、差動信号が入力される側のコイルに第３の実施形態の構成を適用してもよい。

さらに、第３の実施形態の第２の変形例として、電磁気的に結合した２個のコイルを備え、２個のコイルで入出力される信号がいずれも差動信号である回路の少なくとも一方のコイルの構成に、図８に示した第１のコイル１の構成を適用してもよい。

なお、本願発明の実施形態は以下の付記のようにも記載されうるが、これらには限定されない。
（付記１）
第１のコイルの中点と第１の電源との間に接続された第１の伝送線路と、
前記第１の伝送線路と接地電位との間に接続された第１の容量性素子と、
を備える電源供給回路。
（付記２）
前記第１の容量性素子は、容量が可変である可変容量性素子を含んで構成される、付記１に記載された電源供給回路。
（付記３）
差動信号が入力又は出力される第１のコイルと、
前記第１のコイルと電磁気的に結合され、前記第１のコイルにおける前記差動信号の入力及び出力に対応した信号がそれぞれ出力又は入力される第２のコイルと、
前記第１のコイルの中点と第１の電源との間に接続された第１の伝送線路と、
前記第１の伝送線路と接地電位との間に接続された第１の容量性素子と、
を備える電源供給回路。
（付記４）
前記第１の容量性素子は、容量が可変である可変容量性素子を含んで構成される、付記３に記載された電源供給回路。
（付記５）
さらに、前記可変容量素子の容量を制御するための電源を備える、付記４に記載された電源供給回路。
（付記６）
さらに、前記第２のコイルの一端に接続された、第２の容量性素子及び第２の電源を備える付記３乃至５のいずれかに記載された電源供給回路。
（付記７）
前記第２のコイルに入出力される信号はシングルエンド信号である、付記３乃至６のいずれかに記載された電源供給回路。
（付記８）
さらに、
前記第２のコイルの中点と第２の電源との間に接続された第２の伝送線路と、
前記第２の伝送線路と接地電位との間に接続された第２の容量性素子と、
を備える付記３乃至５のいずれかに記載された電源供給回路。
（付記９）
前記第２のコイルに入出力される信号は差動信号である、付記３乃至５、又は付記８のいずれかに記載された電源供給回路。
（付記１０）
前記第１のコイルの中点と前記第１の容量性素子が前記第１の伝送線路に接続された位置との間の距離をＬ、前記第１の伝送線路の特性インピーダンスをＺ_０、前記差動信号の中心周波数の波長をλとした時、Ｌは
Ｌ＜（３／Ｚ_０−１／５０）×λ
を満たすことを特徴とする付記１乃至９のいずれかに記載された電源供給回路。
（付記１１）
差動信号が入力または出力される第１のコイルの中点と電源との間に伝送線路を接続し、
前記伝送線路と接地電位との間に容量性素子を接続する、
電源供給方法。
（付記１２）
差動信号が入力又は出力される第１のコイルと前記第１のコイルにおける前記差動信号の入力及び出力に対応した信号がそれぞれ出力又は入力される第２のコイルとを電磁気的に結合し、
前記第１のコイルの中点と電源との間に伝送線路を接続し、
前記伝送線路と接地電位との間に容量性素子を接続する、
電源供給方法。

１００、４００、５００ 信号分配器
１ 第１のコイル
２ 第２のコイル
３ 伝送線路
４、６ 電源
５、７ キャパシタ
８ 電源
９ バラクタダイオード
１０ インダクタ
２００ 高周波増幅器
２３ 入力信号分配器
２４、２５ シングルエンド増幅器
２６ 出力信号合成器
２７、２８ コイル
３００ シングル・差動変換分配器
３１ １次側コイル
３２ ２次側コイル

Claims (10)

1. 第１のコイルの中点と第１の電源との間に接続された第１の伝送線路と、
   前記第１の伝送線路と接地電位との間に接続された第１の容量性素子と、
   を備える電源供給回路。
2. 差動信号が入力又は出力される第１のコイルと、
   前記第１のコイルと電磁気的に結合され、前記第１のコイルにおける前記差動信号の入力及び出力に対応した信号がそれぞれ出力又は入力される第２のコイルと、
   前記第１のコイルの中点と第１の電源との間に接続された第１の伝送線路と、
   前記第１の伝送線路と接地電位との間に接続された第１の容量性素子と、
   を備える電源供給回路。
3. 前記第１の容量性素子は、容量が可変である可変容量性素子を含んで構成される、請求項２に記載された電源供給回路。
4. さらに、
   前記第２のコイルの一端に接続された、第２の容量性素子及び第２の電源を備える、請求項２又は３に記載された電源供給回路。
5. 前記第２のコイルに入出力される信号はシングルエンド信号である、請求項２乃至４のいずれかに記載された電源供給回路。
6. さらに、
   前記第２のコイルの中点と第２の電源との間に接続された第２の伝送線路と、
   前記第２の伝送線路と接地電位との間に接続された第２の容量性素子と、
   を備える請求項２又は３に記載された電源供給回路。
7. 前記第２のコイルに入出力される信号は差動信号である、請求項２、３及び６のいずれかに記載された電源供給回路。
8. 前記第１のコイルの中点と前記第１の容量性素子が前記第１の伝送線路に接続された位置との間の距離をＬ、前記第１の伝送線路の特性インピーダンスをＺ_０、前記差動信号の中心周波数の波長をλとした時、Ｌは
   Ｌ＜（３／Ｚ_０−１／５０）×λ
   を満たすことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載された電源供給回路。
9. 差動信号が入力または出力される第１のコイルの中点と電源との間に伝送線路を接続し、
   前記伝送線路と接地電位との間に容量性素子を接続する、
   電源供給方法。
10. 差動信号が入力又は出力される第１のコイルと前記第１のコイルにおける前記差動信号の入力及び出力に対応した信号がそれぞれ出力又は入力される第２のコイルとを電磁気的に結合し、
    前記第１のコイルの中点と電源との間に伝送線路を接続し、
    前記伝送線路と接地電位との間に容量性素子を接続する、
    電源供給方法。

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