JP2022002360A - 差動増幅回路 - Google Patents

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Abstract

【課題】差動信号の基本波信号に影響を与えずに２次高調波を出力させないようにする。【解決手段】差動増幅回路は、高周波帯域の差動信号を出力する増幅器２２２、２２４と、増幅器２２２の出力端に一端が接続されたインダクタＬＣ１と、増幅器２２４の出力端に一端が接続されたインダクタＬＣ２と、インダクタＬＣ１、ＬＣ２の他端に接続されたチョークインダクタ２４５と、キャパシタ２５４、２５０と、キャパシタ２５４に対してキャパシタ２５０を並列接続にするか、並列接続を解除するスイッチ２５２とを備え、インダクタＬＣ１またはＬＣ２とキャパシタ２５４との直列接続による共振回路の共振周波数と、インダクタＬＣ１またはＬＣ２と並列接続されるキャパシタ２５４、２５０との直列接続による共振回路の共振周波数とは互いに異なり、これらの共振周波数は差動信号の２次高調波の周波数に相当する。【選択図】図２

Description

本発明は、差動増幅回路に関する。
差動信号を出力する一対の差動増幅器を備えた差動増幅回路が特許文献１に開示されている。特許文献１に開示されている差動増幅回路は、一対の差動増幅器の入力側に不平衡−平衡変換を行うトランスを備えている。また、一対の差動増幅器の出力側には、平衡−不平衡変換を行うトランスを備えている。
米国特許第１０４１１６６０号明細書
ところで、消費電力を抑えるためには、差動増幅器をＦ級動作させることが好ましい。理想的なＦ級動作を実現するには、差動増幅器の出力電圧の波形を矩形に近づければよい。そのためには、基本波の信号に影響を与えずに２次高調波を出力させない必要がある。例えば、２次高調波を含む偶数高調波についてショートとなり、３次高調波を含む奇数高調波についてオープンとなる負荷インピーダンスを設けることにより、理想的なＦ級動作を実現できる。特許文献１に開示されている差動増幅回路は、差動信号の基本波信号に影響を与えずに２次高調波を出力させない点について、改善の余地がある。
本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的は差動信号の基本波信号に影響を与えずに２次高調波を出力させない差動増幅回路を提供することである。
本開示による差動増幅回路は、高周波帯域の差動信号を出力する第１および第２の増幅器と、前記第１の増幅器の出力端に一端が接続された第１のインダクタと、前記第２の増幅器の出力端に一端が接続された第２のインダクタと、前記第１のインダクタの他端と前記第２のインダクタの他端とが接続され、前記第１のインダクタおよび前記第２のインダクタの他端と接続されたチョークインダクタと、前記第１および第２のインダクタの他端に一端が接続され、他端が基準電位に接続された第１のキャパシタと、第２のキャパシタと、前記第１のキャパシタに対して前記第２のキャパシタを並列接続にするかまたは並列接続を解除するスイッチと、を備え、前記第１のインダクタまたは前記第２のインダクタと前記第１のキャパシタとの直列接続による共振回路の第１の共振周波数と、前記第１のインダクタまたは前記第２のインダクタと並列接続される前記第１のキャパシタおよび前記第２のキャパシタとの直列接続による共振回路の第２の共振周波数とが互いに異なり、前記第１および第２の共振周波数は、前記差動信号の２次高調波の周波数に相当する。
本開示による他の差動増幅回路は、高周波帯域の差動信号を出力する第１および第２の増幅器と、前記第１の増幅器の出力端に一端が接続された第１のインダクタと、前記第２の増幅器の出力端に一端が接続された第２のインダクタと、前記第１のインダクタの他端と前記第２のインダクタの他端とが接続され、前記第１のインダクタおよび前記第２のインダクタの他端に接続されたチョークインダクタと、前記第１および第２のインダクタの他端に一端が接続され、他端が基準電位に接続された第１のキャパシタと、前記第１の増幅器の出力端に一端が接続され、他端は基準電位に接続された第１の直列共振回路と、前記第２の増幅器の出力端に一端が接続され、他端は基準電位に接続された第２の直列共振回路と、を備え、前記第１および第２の直列共振回路は、直列接続されたインダクタとキャパシタとをそれぞれ備え、前記第１のインダクタまたは前記第２のインダクタと前記第１のキャパシタとの直列接続による共振回路の第１の共振周波数と、前記第１および第２の直列共振回路の第２の共振周波数とは互いに異なり、前記第１および第２の共振周波数は、前記差動信号の２次高調波の周波数に相当する。
本開示による他の差動増幅回路は、高周波帯域の差動信号を出力する第１および第２の増幅器と、前記第１の増幅器の出力端に一端が接続された第１のインダクタと、前記第２の増幅器の出力端に一端が接続された第２のインダクタと、前記第１のインダクタの他端と前記第２のインダクタの他端とが接続され、前記第１のインダクタおよび前記第２のインダクタの他端に接続されたチョークインダクタと、前記第１のインダクタおよび前記第２のインダクタに対して並列に設けられ、前記第１の増幅器の出力端に一端が接続されかつ前記第２の増幅器の出力端に他端が接続された第３のインダクタと、前記第３のインダクタの中点に一端が接続され、他端が基準電位に接続された第１のキャパシタと、を備え、電磁結合している１次巻線および２次巻線を有し、平衡−不平衡変換を行うトランスの１次巻線を用いて前記第１のインダクタおよび前記第２のインダクタが実現され、前記第３のインダクタの半分と前記第１のキャパシタとによる直列共振回路を備えている。
本開示にかかる差動増幅回路は、差動信号の基本波信号に影響を与えずに２次高調波を出力させないことができる。
図１は、比較例にかかる電力増幅回路の例を示す図である。 図２は、本開示による差動増幅回路の第１実施形態を示す図である。 図３は、本開示による差動増幅回路の第２実施形態を示す図である。 図４は、本開示による差動増幅回路の第３実施形態を示す図である。 図５は、本開示による差動増幅回路の第４実施形態を示す図である。 図６は、本開示による差動増幅回路の第５実施形態を示す図である。 図７は、２次高調波での負荷インピーダンスの例を示す図である。 図８は、２次高調波での負荷インピーダンスの例を示す図である。 図９は、２次高調波での負荷インピーダンスの例を示す図である。 図１０は、図６に示す差動増幅回路の一部分を基板に配置した場合のレイアウトの例を示す図である。 図１１は、図６の差動増幅回路における各共振回路の共振周波数の例を示す図である。 図１２は、本開示による差動増幅回路の第６実施形態を示す図である。 図１３は、図１２の差動増幅回路における各共振回路の共振周波数の例を示す図である。 図１４は、本開示による差動増幅回路の第７実施形態を示す図である。 図１５は、図１４の差動増幅回路における各共振回路の共振周波数の例を示す図である。
以下に、本開示の差動増幅回路の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、各実施形態の構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。各実施形態は例示であり、異なる実施の形態で示した構成の部分的な置換又は組み合わせが可能である。第２実施形態以降では第１実施形態と共通の事柄についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については実施形態毎には逐次言及しない。
各実施形態の理解を容易にするため、２次高調波を出力させないための共振回路を備えていない電力増幅回路を比較例として先に説明する。
（比較例）
［構成］
図１は、比較例にかかる電力増幅回路の例を示す図である。図１に示す電力増幅回路は、入力増幅器２１４と、差動増幅回路を構成する増幅器２２２および２２４と、を含む。
入力信号ＲＦＩＮは、入力端子２０２に入力され、入力増幅器２１４に入力される。入力増幅器２１４の出力はインダクタ２１８の一端に接続されている。インダクタ２１８の他端は、電源電圧（ＶＣＣ１）２０６に接続される。入力増幅器２１４の出力と基準電位との間にはキャパシタ２１６が接続されている。電源電圧（ＶＣＣ１）２０６と基準電位との間にはキャパシタ２５６が接続されている。基準電位は、接地電位が例示されるが、本開示はこれに限定されない。
インダクタ２１８はインダクタ２２０と電磁界結合し、トランスＴＲ１を構成する。トランスＴＲ１は、一次巻線であるインダクタ２１８の信号について、不平衡−平衡変換を行う。トランスＴＲ１によって変換された信号は、２次巻線であるインダクタ２２０に入力される。電磁界結合とは、磁界結合、電界結合のいずれか、もしくは両方の結合しているものと定義する。
インダクタ２２０の一端は増幅器２２２の入力に接続され、インダクタ２２０の他端は増幅器２２４の入力に接続される。増幅器２２２と増幅器２２４とは、差動増幅器を構成する。増幅器２２２および増幅器２２４の出力は、差動信号として後段の回路（図示しない）に入力される。
増幅器２２２の出力端にはインダクタ２４４の一端が接続されている。増幅器２２４の出力端にはインダクタ２４４の他端が接続されている。インダクタ２４４はインダクタ２４６と電磁界結合し、トランスＴＲ２を構成する。トランスＴＲ２は、一次巻線であるインダクタ２４４の信号について、平衡−不平衡変換を行う。インダクタ２４６の一端は、出力端子２０４に接続され、他端は基準電位に接続されている。インダクタ２４６の一端は、キャパシタ２４８を介して基準電位に接続されている。出力端子２０４からは出力信号ＲＦＯＵＴが出力される。
本比較例では、差動増幅回路を構成する増幅器２２２および２２４の入力側にトランスＴＲ１を設け、増幅器２２２および２２４の出力側にトランスＴＲ２を設けている。トランスＴＲ１は、不平衡−平衡変換を行うバランとして動作する。トランスＴＲ２は、平衡−不平衡変換を行うバランとして動作する。
［動作］
入力端子２０２に入力される信号、例えばＲＦ（Radio Frequency）信号は、入力増幅器２１４によって増幅され、トランスＴＲ１に入力される。トランスＴＲ１によって差動信号が得られ、この差動信号は増幅器２２２および２２４によって増幅される。増幅器２２２および２２４の出力は、トランスＴＲ２を介して差動信号が不平衡信号に変換されて出力端子２０４に出力される。
（第１実施形態）
差動増幅回路について、理想的なＦ級動作を実現するには、基本波信号に対して同相となる偶数次高調波を出力させないことが重要である。特に、２次高調波を出力させないことにより、差動増幅回路の動作を理想的なＦ級動作に近づけることができる。所望の共振周波数を有する共振回路を設け、２次高調波を終端することにより、２次高調波を出力させないことができる。
［構成］
図２は、本開示による差動増幅回路の第１実施形態を示す図である。差動増幅回路の動作する周波数帯域を広げるためには、パワー段である増幅器２２２および２２４の出力負荷インピーダンスを所望のインピーダンスにする必要がある。例えば、Ｆ級動作とするためには、２次高調波の周波数において、負荷インピーダンスをショートにする必要がある。そこで、本開示では、増幅器２２２および２２４の出力端に２次高調波を出力させないようにするための共振回路を設けている。図２は、差動信号を出力する一対の増幅器２２２および２２４に設けられた共振回路の例を示す。
図２において、増幅器２２２の出力端にはインダクタＬＣ１の一端が接続されている。増幅器２２４の出力端にはインダクタＬＣ２の一端が接続されている。インダクタＬＣ１の他端とインダクタＬＣ２の他端とが接続され、さらにキャパシタ２５０の一端およびキャパシタ２５４の一端に接続されている。キャパシタ２５４の他端は、基準電圧に接続されている。理想的にはインダクタＬＣ１とインダクタＬＣ２とは、同じインダクタンス値を有する。したがって、同じインダクタンス値を有するインダクタＬＣ１とインダクタＬＣ２との接続点すなわち中点に、キャパシタ２５０およびキャパシタ２５４が接続されている。このため、キャパシタ２５０およびキャパシタ２５４は基本波信号に影響を与えない。なお、インダクタＬＣ１とインダクタＬＣ２の値が製造誤差の範囲での差異は、等しいと定義する。
キャパシタ２５０の他端は、スイッチ２５２を介して基準電圧に接続されている。スイッチ２５２がオンの状態になっていればキャパシタ２５０の他端は基準電圧に接続される。スイッチ２５２がオフの状態になっていればキャパシタ２５０の他端は基準電圧に接続されない。すなわち、スイッチ２５２がオフの状態のとき、キャパシタ２５４、２５０の並列接続が解除された状態になる。例えば、増幅器２２２および２２４の動作周波数が低い場合にスイッチ２５２をオンの状態とし、キャパシタ２５４、２５０の並列接続による大きなキャパシタンス値を用いる。一方、増幅器２２２および２２４の動作周波数が高い場合にスイッチ２５２をオフの状態とし、キャパシタ２５０を用いない、キャパシタ２５４のみによる小さなキャパシタンス値を用いる。スイッチ２５２は、例えば、トランジスタによって実現できる。スイッチ２５２は、増幅器２２２および２２４の動作周波数に基づいて、オンまたはオフの状態に制御される。
インダクタＬＣ１の他端は、チョークインダクタ２４５を介して電源電圧（ＶＣＣ２）２０８に接続されている。インダクタＬＣ２の他端は、チョークインダクタ２４５を介して電源電圧（ＶＣＣ２）２０８に接続されている。これにより、増幅器２２２、２２４の出力段のトランジスタ（図示せず）は、インダクタＬＣ１、ＬＣ２を介して給電される。なお、チョークインダクタ２４５は共振動作に寄与しない。
［動作］
インダクタＬＣ１のインダクタンス値、および、キャパシタ２５４のキャパシタンス値によって決まる共振周波数を、増幅器２２２の出力の２次高調波の周波数に一致させておくことにより、増幅器２２２の出力の２次高調波を出力させないようにすることができる。つまり、インダクタＬＣ１とキャパシタ２５４とからなる直列共振回路により、増幅器２２２の出力端から見た負荷インピーダンスは共振周波数においてショートされる。ショートとは、理想的には０Ωである。本開示におけるショートとは基本波でのインピーダンス値をＺ０［Ω］とした場合に、インピーダンス値がＺ０／５［Ω］以下である状態と定義する。このため、増幅器２２２の出力の２次高調波については、インダクタＬＣ１とキャパシタ２５４とからなる共振回路によって出力させないようにすることができる。
また、インダクタＬＣ２のインダクタンス値、および、キャパシタ２５４のキャパシタンス値によって決まる共振周波数を、増幅器２２４の出力の２次高調波の周波数に一致させておくことにより、増幅器２２４の出力の２次高調波を出力させないようにすることができる。つまり、インダクタＬＣ２とキャパシタ２５４とからなる直列共振回路により、増幅器２２４の出力端から見た負荷インピーダンスは共振周波数においてショートされる。このため、増幅器２２４の出力の２次高調波については、インダクタＬＣ２とキャパシタ２５４とからなる直列共振回路によって出力させないようにすることができる。
さらに、スイッチ２５２をオンの状態にすることによって、さらにキャパシタ２５０のキャパシタンス値も加えて、別の共振周波数を設定できる。すなわち、スイッチ２５２がオンの状態になっている場合、インダクタＬＣ１のインダクタンス値と、並列接続されたキャパシタ２５４、２５０による合成キャパシタンス値とによって設定される共振周波数において、増幅器２２２の出力端から見た負荷インピーダンスはショートされる。これにより、増幅器２２２の出力の２次高調波を出力させないようにすることができる。
また、スイッチ２５２がオンの状態になっている場合、インダクタＬＣ２のインダクタンス値と、並列接続されたキャパシタ２５４、２５０による合成キャパシタンス値とによって設定される共振周波数において、増幅器２２４の出力端から見た負荷インピーダンスはショートされる。これにより、増幅器２２４の出力の２次高調波を出力させないようにすることができる。
つまり、スイッチ２５２のオンまたはオフの状態によって、増幅器２２２、増幅器２２４の出力端から見た負荷インピーダンスは２つの異なる共振周波数でショートされる。このため、２種類の周波数の２次高調波を出力させないようにすることができる。
（第２実施形態）
図３は、本開示による差動増幅回路の第２実施形態を示す図である。図３は、図２の回路に、後段の回路を追加した例を示す。図３は、差動増幅器を構成する増幅器２２２および増幅器２２４の出力側に、インダクタ２４４および２４６、キャパシタ２４８を設けた例を示す。インダクタ２４４とインダクタ２４６とは電磁界結合し、トランスＴＲ２を構成する。トランスＴＲ２は、一次巻線であるインダクタ２４４の信号について、平衡−不平衡変換を行う。トランスＴＲ２によって変換された信号は、２次巻線であるインダクタ２４６に入力される。インダクタ２４６には出力端子２０４が接続されており、出力端子２０４から出力信号ＲＦＯＵＴが出力される。
図３において、増幅器２２２の出力端に接続されているインダクタＬＣ１、増幅器２２４の出力端に接続されているインダクタＬＣ２、チョークインダクタ２４５、キャパシタ２５４および２５０、スイッチ２５２については、図２の場合と同様である。したがって、同じインダクタンス値を有するインダクタＬＣ１とインダクタＬＣ２との接続点すなわち中点に、キャパシタ２５０およびキャパシタ２５４が接続されている。このため、キャパシタ２５０およびキャパシタ２５４は基本波信号に影響を与えない。
第２実施形態においては、トランスＴＲ１およびトランスＴＲ２を有する差動増幅回路に、インダクタＬＣ１、インダクタＬＣ２、キャパシタ２５４および２５０、スイッチ２５２による共振回路を設けている。これにより、第１実施形態と同様に、増幅器２２２、増幅器２２４の出力の２次高調波を出力させないようにすることができる。
（第３実施形態）
図４は、本開示による差動増幅回路の第３実施形態を示す図である。図４は、図２中のインダクタＬＣ１およびインダクタＬＣ２をトランスの１次巻線とする場合を示す図である。図４に示すように、インダクタＬＣ１およびインダクタＬＣ２はトランスＴＲ２の１次巻線としている。インダクタ２４６はトランスＴＲの２次巻線である。すなわち、インダクタＬＣ１およびインダクタＬＣ２とインダクタ２４６とは電磁界結合し、トランスＴＲを構成する。
トランスＴＲの１次巻線に相当するインダクタＬＣ１とインダクタＬＣ２との中点Ｐには、図２および図３の場合と同様に、チョークインダクタ２４５、キャパシタ２５４が接続され、さらに、キャパシタ２５０およびスイッチ２５２が接続されている。インダクタＬＣ１とキャパシタ２５４、または、インダクタＬＣ１、並列接続されたキャパシタ２５４および２５０は、共振回路を形成する。同様に、インダクタＬＣ２とキャパシタ２５４、または、インダクタＬＣ２、並列接続されたキャパシタ２５４および２５０は、共振回路を形成する。つまり、スイッチ２５２のオンまたはオフの状態によって２種類の周波数の２次高調波を出力させないようにすることができる。
トランスＴＲ２の１次巻線の中点Ｐは、差動信号の基本波信号に対してイマジナリーショートになる。したがって、中点Ｐに何を接続しても基本波信号に影響を与えない。このため、中点Ｐに接続されているキャパシタ２５４、キャパシタ２５０およびスイッチ２５２は、増幅器２２２、２２４の出力に影響を与えない。
このように、トランスＴＲ２の中点Ｐに共振回路を接続しているため、差動信号の基本波信号には影響を与えずに、基本波信号と同相の高調波成分である２次高調波を出力させないようにすることができる。差動信号の基本波信号には影響を与えないため、共振回路を設計する際に設計の自由度が高い。例えば、基本波信号の周波数に近い２次高調波を出力させないようにする場合であっても、中点Ｐに共振回路を接続することによって、差動信号の基本波信号に影響を与えずに２次高調波を出力させないようにすることができる。
また、図４に示す第３実施形態による差動増幅回路は、図３に示すインダクタ２４４を省くことができる。このため、第３実施形態による差動増幅回路は、第２実施形態による差動増幅回路に比べて部品数を少なくすることができ、差動増幅回路の面積を小さくすることができる。
（第４実施形態）
図５は、本開示による差動増幅回路の第４実施形態を示す図である。図５に示すように、第４実施形態では、トランスＴＲ２の一次巻線であるインダクタ２４４の中点にチョークインダクタ２４５が接続されている。また、第４実施形態では、トランスＴＲ２とは別に、増幅器２２２の出力と増幅器２２４の出力との間に第３のインダクタ２５１を設けている。インダクタ２５１は、トランスＴＲ２の１次巻線に対して並列に設けられている。そして、インダクタ２５１の中点Ｐにキャパシタ２５３の一端を接続し、キャパシタ２５３の他端を基準電位に接続している。
上述したように、インダクタ２５１の中点Ｐは、基本波信号に対してイマジナリーショートになる。したがって、中点Ｐに接続されたキャパシタ２５３は、差動信号の基本波信号に影響を与えない。インダクタ２５１の半分とキャパシタ２５３との直列共振回路によって、基本波信号と同相の高調波成分である２次高調波を出力させないようにすることができる。
（第５実施形態）
［構成］
図６は、本開示による差動増幅回路の第５実施形態を示す図である。図６は、差動増幅回路の構成要素の一部を半導体チップとして実現した場合の例を示す図である。本実施形態では、半導体チップ２６０に、入力増幅器２１４と、トランスＴＲ１と、キャパシタ２１６と、増幅器２２２および２２４とが内蔵されている。なお、入力端子２０２と入力増幅器２１４との間に入力整合回路２１２が挿入されている。
また、本実施形態においては、増幅器２２２および２２４と同じ半導体チップ２６０内に、直列共振回路が設けられている。すなわち、増幅器２２２の出力端に接続された、インダクタ２２６およびキャパシタ２２８による直列共振回路が設けられている。また、増幅器２２４の出力端に接続された、インダクタ２３２およびキャパシタ２３０による直列共振回路が設けられている。本実施形態においては、その他の構成要素については、半導体チップ２６０の外に設けられている。以降の説明では、キャパシタ２５４と、キャパシタ２５０およびスイッチ２５２とを含む部分を並列回路２５８と呼ぶ。
本実施形態による差動増幅回路において、並列回路２５８のスイッチ２５２がオフの状態のとき、キャパシタ２５０はキャパシタ２５４と並列接続にならない。すなわち、スイッチ２５２がオフの状態のとき、キャパシタ２５４、２５０の並列接続が解除された状態になる。したがって、インダクタ２４４の半分、および、キャパシタ２５４による直列共振回路によって設定される共振周波数において、増幅器２２２、２２４の出力端から見た負荷インピーダンスはショートされる。これにより、増幅器２２２、２２４の出力の２次高調波が出力されない。
また、並列回路２５８のスイッチ２５２がオンの状態のとき、キャパシタ２５０とキャパシタ２５４とが並列接続になる。これにより、並列回路２５８のキャパシタンス値は、スイッチ２５２がオフの状態のときよりも大きくなる。このとき、インダクタ２４４の半分、および、並列接続されたキャパシタ２５４、２５０による直列共振回路によって設定される共振周波数において、増幅器２２２、２２４の出力端から見た負荷インピーダンスはショートされる。これにより、増幅器２２２、２２４の出力の２次高調波が出力されない。したがって、並列回路２５８のスイッチ２５２のオンまたはオフの状態によって２種類の周波数の２次高調波を出力させないようにすることができる。
さらに、本実施形態では、インダクタ２２６およびキャパシタ２２８による直列共振回路、インダクタ２３２およびキャパシタ２３０による直列共振回路を備える。これらの直列共振回路の共振周波数を、インダクタ２４４と並列回路２５８とからなる上記の共振回路とは異なる周波数に設定しておく。これにより、互いに異なる３つの共振周波数において共振状態となり、周波数が異なる２種類の基本波信号についての２次高調波を出力させないことができる。
また、インダクタ２２６とキャパシタ２２８とからなる直列共振回路の共振周波数、インダクタ２３２とキャパシタ２３０とからなる直列回路の共振周波数とは、インダクタ２４４の半分と並列回路２５８からなる直列回路の共振周波数よりも高い。
図７から図９は、２次高調波での負荷インピーダンスの例を示す図である。インダクタ２２６とキャパシタ２２８とからなる直列共振回路、インダクタ２３２とキャパシタ２３０とからなる直列共振回路によって２次高調波を終端する際、インダクタ２２６、インダクタ２３２のインダクタンス値を小さくすることで、キャパシタ２２８、および、キャパシタ２３０のキャパシタンス値を大きくすることができる。キャパシタ２２８、キャパシタ２３０の値が大きい場合、図７中の線５１０で示すように２次高調波での負荷インピーダンスの周波数に対する動きを小さくすることができる。図７中の線５１２は、キャパシタンス値が小さい場合での負荷インピーダンスの周波数に対する動きを示す。図７中の線５１２は、参考のために記載されている。
また、インダクタ２２６とキャパシタ２２８からなる直列共振回路、および、インダクタ２３２とキャパシタ２３０からなる直列共振回路と、インダクタ２４４の半分と並列回路２５８からなる直列共振回路とによる２重トラップ（ｄｏｕｂｌｅ ｔｒａｐ）回路を実現している。この回路構成にすることで、図８中の線６１０で示すように、２次高調波での負荷インピーダンスの周波数に対する動きをさらに小さくすることができる。例えば、ミッドバンド（例えば、１７１０ＭＨｚから２０２５ＭＨｚ）での動作と、ハイバンド（例えば、２３００ＭＨｚから２７００ＭＨｚ）での動作とを実現する場合、スイッチ２５２をオフの状態にすれば、ハイバンドにおいて、２次高調波での負荷インピーダンスを線６１０に示すようにショート付近に配置させることができる。また、スイッチ２５２をオンの状態にすれば、ミッドバンドにおいて、２次高調波での負荷インピーダンスを図９中の線７１０で示すようにショート付近に配置させることができる。
［レイアウト例］
ここで、図６に示す差動増幅回路を基板に配置した場合のレイアウトの例について説明する。図１０は、図６に示す差動増幅回路の一部分を基板に配置した場合のレイアウトの例を示す図である。図１０は、図６に示す差動増幅回路のインダクタ２４４およびその周辺のレイアウト例を示す。本例は、多層基板を用いて差動増幅回路を実現する場合を示す。図１０中の実線で示すパターンと破線で示すパターンとは、設けられている層が異なる。
図１０において、端子Ｔ２２２は図６中の増幅器２２２の出力側に接続される。端子Ｔ２２４は図６中の増幅器２２４に接続される。端子Ｔ２２２と端子Ｔ２２４との間には、キャパシタ２４２が設けられており、図６と同じ電気的接続関係になっている。
また、端子Ｔ２２２と端子Ｔ２２４との間には、インダクタ２４４が設けられている。本例のインダクタ２４４のパターンは、円弧形状部分Ａを有する。インダクタ２４４の円弧形状部分Ａの中点Ｐは、図６中の中点Ｐに相当する。トランスの一次巻線に相当するインダクタ２４４の中点Ｐに、キャパシタ２５４および２５０が接続されており、図１０に示すインダクタ２４４は、図６と同じ電気的接続関係になっている。
キャパシタ２５４の一端は、中点Ｐに接続されている。キャパシタ２５４の他端は、端子Ｔ１に接続されている。端子Ｔ１は、異なる層に設けられている、基準電位のパターンＧに接続されている。キャパシタ２５０の一端は、スイッチ２５２を介して、端子Ｔ２に接続されている。端子Ｔ２は、異なる層に設けられている、基準電位のパターンＧに接続されている。このように、キャパシタ２５４、キャパシタ２５０、スイッチ２５２は、図６と同じ電気的接続関係になっている。なお、キャパシタ２５４の一端およびキャパシタ２５０の一端は、インダクタなどを介せず、中点Ｐに直接接続されている。
インダクタ２４４の中点Ｐは、端子Ｔ３に電気的に接続されている。端子Ｔ３は、円弧形状部分Ａの内側に設けられている。端子Ｔ３は、異なる層に設けられている、パターンＢの一端に接続されている。パターンＢの他端は、端子Ｔ４に接続されている。端子Ｔ４は円弧形状部分Ａの外側に設けられている。
インダクタ２４４と同じ層には、チョークインダクタ２４５が設けられている。チョークインダクタ２４５の一端は端子Ｔ４に接続されている。チョークインダクタ２４５の他端は、電源電圧ＶＣＣ１の端子Ｔ５に接続されている。電源電圧ＶＣＣ１の端子Ｔ５は、キャパシタ２４９を介して基準電位の端子Ｔ６に接続されている。
上述したように、キャパシタ２５４の一端およびキャパシタ２５０の一端は、インダクタなどを介せず、中点Ｐに直接接続されている。このため、配線に起因する浮遊インダクタンスの影響を受けることはなく、共振周波数を所望の値に設定することができる。
なお、図１０においては、インダクタ２４４と電磁界結合するインダクタ２４６の記載が省略されている。インダクタ２４６は、例えば、インダクタ２４４と別の層に設けられる。
［共振周波数の例］
図１１は、図６の差動増幅回路における各共振回路の共振周波数の例を示す図である。図１１においては、説明の便宜上、共振周波数ＲＰ１、ＲＰ２およびＲＰ３の中心値を示す。共振回路によって実現される実際のフィルタ特性は、周波数の幅を有する。特に、キャパシタンス値を比較的大きな値に設定しておくことにより、緩やかに変化するフィルタ特性が得られる。
図１１において、共振周波数ＲＰ１は、インダクタ２４４の半分、キャパシタ２５４および２５０からなる共振回路による共振周波数である。例えば、共振周波数ＲＰ１が３７００ＭＨｚとなるように、インダクタ２４４のインダクタンス値の半分、キャパシタ２５４および２５０のキャパシタンス値を決定することにより、ミッドバンドの周波数帯域である１７１０ＭＨｚから２０２５ＭＨｚの中間値の１８５０ＭＨｚの２次高調波（すなわち、３７００ＭＨｚ）を出力させないようにすることができる。なお、各共振回路の共振周波数は、２次高調波の周波数から少しずれた周波数としてもよい。
共振周波数ＲＰ２は、インダクタ２４４の半分、および、キャパシタ２５４からなる共振回路による共振周波数である。例えば、共振周波数ＲＰ２が４６００ＭＨｚとなるように、インダクタ２４４のインダクタンス値の半分およびキャパシタ２５４のキャパシタンス値を決定することにより、ハイバンドの周波数である２３００ＭＨｚの２次高調波（すなわち、４６００ＭＨｚ）を出力させないようにすることができる。
共振周波数ＲＰ３は、インダクタ２２６およびキャパシタ２２８からなる共振回路による共振周波数、並びに、インダクタ２３２およびキャパシタ２３０からなる共振回路による共振周波数である。例えば、共振周波数ＲＰ３が５４００ＭＨｚとなるように、インダクタ２２６のインダクタンス値およびキャパシタ２２８のキャパシタンス値、インダクタ２３２のインダクタンス値およびキャパシタ２３０のキャパシタンス値を決定することにより、ハイバンドの周波数である２７００ＭＨｚの２次高調波（すなわち、５４００ＭＨｚ）を出力させないようにすることができる。
以上説明した第５実施形態によれば、動作周波数範囲の広い差動増幅回路を実現することができる。
（第６実施形態）
図１２は、本開示による差動増幅回路の第６実施形態を示す図である。図１２において、第６実施形態による差動増幅回路は、第１実施形態におけるキャパシタ２５０およびスイッチ２５２を備えていない。このため、インダクタ２４４の半分によるインダクタンス値およびキャパシタ２５４による直列共振回路の共振周波数は、固定値である。
図１３は、図１２の差動増幅回路における各共振回路の共振周波数の例を示す図である。図１３においては、説明の便宜上、共振周波数ＲＰ２およびＲＰ４の中心値を示す。共振回路によって実現される実際のフィルタ特性は、周波数の幅を有する。特に、インダクタンス値を比較的大きな値に設定しておくことにより、緩やかに変化するフィルタ特性が得られる。
図１３において、共振周波数ＲＰ２については、上述したとおりである。共振周波数ＲＰ４は、インダクタ２４４の半分およびキャパシタ２５４からなる共振回路による共振周波数である。例えば、共振周波数ＲＰ４が３７００ＭＨｚとなるように、インダクタ２４４のインダクタンス値の半分、キャパシタ２５４のキャパシタンス値を決定することにより、ミッドバンドの周波数帯域である１７１０ＭＨｚから２０２５ＭＨｚの中間値の１８５０ＭＨｚの２次高調波（すなわち、３７００ＭＨｚ）を出力させないようにすることができる。
（第７実施形態）
図１４は、本開示による差動増幅回路の第７実施形態を示す図である。図１４において、第７実施形態による差動増幅回路は、第５実施形態におけるキャパシタ２５０およびスイッチ２５２を複数備えている。すなわち、Ｎ個（Ｎは２以上の整数、以下同じ）のキャパシタ２５０１…２５０ＮおよびＮ個（Ｎは２以上の整数、以下同じ）のスイッチ２５２１…２５２Ｎを複数備えている。そして、キャパシタ２５０ｉ（ｉ＝１からＮまでの整数、以下同じ）の一端とスイッチ２５２ｉの一端とが接続されている。キャパシタ２５０ｉの他端は、キャパシタ２５４の一端に接続されている。スイッチ２５２ｉの他端は、キャパシタ２５４の他端に接続されている。
このため、スイッチ２５２ｉをオンまたはオフの状態にすることにより、キャパシタ２５０１…２５０Ｎをキャパシタ２５４と並列に接続することができる。したがって、並列に接続されるキャパシタ２５０１…２５０Ｎおよびキャパシタ２５４によるスイッチ２５２ｉをオンまたはオフの状態にすることにより、並列接続されるキャパシタの個数を変えることができ、合成キャパシタンス値を決定することができる。スイッチ２５２１…２５２Ｎは、例えば、トランジスタによって実現できる。スイッチ２５２１…２５２Ｎは、は、増幅器２２２および２２４の動作周波数に基づいて、オンまたはオフの状態に制御される。
図１５は、図１４の差動増幅回路における各共振回路の共振周波数の例を示す図である。図１５においては、説明の便宜上、共振周波数ＲＰ１、ＲＰ２、ＲＰ３およびＲＰ５の中心値を示す。共振回路によって実現される実際のフィルタ特性は、周波数の幅を有する。特に、キャパシタンス値を比較的大きな値に設定しておくことにより、緩やかに変化するフィルタ特性が得られる。
図１５において、共振周波数ＲＰ１からＲＰ３については、上述したとおりである。共振周波数ＲＰ５は、インダクタ２４４の半分、および、キャパシタ２５４および並列に接続されるキャパシタ２５０１…２５０Ｎからなる共振回路による共振周波数である。インダクタ２４４のインダクタンス値の半分、キャパシタ２５４およびキャパシタ２５０１…２５０Ｎによるキャパシタンス値を決定することにより、ローバンドの６００ＭＨｚから９１５ＭＨｚの２次高調波（すなわち、１２００ＭＨｚから１８３０ＭＨｚ）を出力させないようにすることができる。
（第５実施形態から第７実施形態のまとめ）
上記の第５実施形態から第７実施形態では、インダクタ２２６およびキャパシタ２２８による直列共振回路を増幅器２２２の出力端に設けている。また、インダクタ２３２およびキャパシタ２３０による直列共振回路を増幅器２２４の出力端に設けている。これらの直列共振回路によって、所望の共振周波数を実現することができる。
２０２ 入力端子
２０４ 出力端子
２１２ 入力整合回路
２１４ 入力増幅器
２１６、２２８、２３０、２４８、
２５０、２５０１…２５０Ｎ、２５３、２５４、２５６ キャパシタ
２１８、２２０、２２６、２３２、２４４、２４６、
２５１、ＬＣ１、ＬＣ２ インダクタ
２２２、２２４ 増幅器
２４５ チョークインダクタ
２５２、２５２１…２５２Ｎ スイッチ
２５８ 並列回路
２６０ 半導体チップ
Ｐ 中点
ＴＲ、ＴＲ１、ＴＲ２ トランス

Claims (8)

  1. 高周波帯域の差動信号を出力する第１および第２の増幅器と、
    前記第１の増幅器の出力端に一端が接続された第１のインダクタと、
    前記第２の増幅器の出力端に一端が接続された第２のインダクタと、
    前記第１のインダクタの他端と前記第２のインダクタの他端とが接続され、前記第１のインダクタおよび前記第２のインダクタの他端と接続されたチョークインダクタと、
    前記第１および第２のインダクタの他端に一端が接続され、他端が基準電位に接続された第１のキャパシタと、
    第２のキャパシタと、
    前記第１のキャパシタに対して前記第２のキャパシタを並列接続にするかまたは並列接続を解除するスイッチと、
    を備え、
    前記第１のインダクタまたは前記第２のインダクタと前記第１のキャパシタとの直列接続による共振回路の第１の共振周波数と、前記第１のインダクタまたは前記第２のインダクタと並列接続される前記第１のキャパシタおよび前記第２のキャパシタとの直列接続による共振回路の第２の共振周波数とが互いに異なり、
    前記第１および第２の共振周波数は、前記差動信号の２次高調波の周波数に相当する
    差動増幅回路。
  2. 電磁結合している１次巻線および２次巻線を有し、平衡−不平衡変換を行うトランスをさらに含み、前記トランスの１次巻線を用いて前記第１のインダクタおよび前記第２のインダクタが実現され、前記第１および第２のインダクタの他端は、前記１次巻線の中点に相当する請求項１に記載の差動増幅回路。
  3. 電磁結合している１次巻線および２次巻線を有し、平衡−不平衡変換を行うトランスをさらに含み、前記第１のインダクタおよび前記第２のインダクタは、前記トランスの１次巻線と並列に接続される請求項１に記載の差動増幅回路。
  4. 前記第１の増幅器の出力端に一端が接続され、他端は基準電位に接続された第１の直列共振回路と、
    前記第２の増幅器の出力端に一端が接続され、他端は基準電位に接続された第２の直列共振回路と、
    を備え、
    前記第１および第２の直列共振回路は、直列接続されたインダクタとキャパシタとをそれぞれ備え、前記第１の直列共振回路および前記第２の直列共振回路の共振周波数は、前記第１および第２の共振周波数と異なる請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の差動増幅回路。
  5. 高周波帯域の差動信号を出力する第１および第２の増幅器と、
    前記第１の増幅器の出力端に一端が接続された第１のインダクタと、
    前記第２の増幅器の出力端に一端が接続された第２のインダクタと、
    前記第１のインダクタの他端と前記第２のインダクタの他端とが接続され、前記第１のインダクタおよび前記第２のインダクタの他端に接続されたチョークインダクタと、
    前記第１および第２のインダクタの他端に一端が接続され、他端が基準電位に接続された第１のキャパシタと、
    前記第１の増幅器の出力端に一端が接続され、他端は基準電位に接続された第１の直列共振回路と、
    前記第２の増幅器の出力端に一端が接続され、他端は基準電位に接続された第２の直列共振回路と、
    を備え、
    前記第１および第２の直列共振回路は、直列接続されたインダクタとキャパシタとをそれぞれ備え、
    前記第１のインダクタまたは前記第２のインダクタと前記第１のキャパシタとの直列接続による共振回路の第１の共振周波数と、前記第１および第２の直列共振回路の第２の共振周波数とは互いに異なり、前記第１および第２の共振周波数は、前記差動信号の２次高調波の周波数に相当する
    差動増幅回路。
  6. 前記第１の増幅器と、前記第２の増幅器と、前記第１および第２の直列共振回路とは、同じ半導体チップに設けられている
    請求項４または請求項５に記載の差動増幅回路。
  7. 第２のキャパシタと、
    前記第１のキャパシタに対して前記第２のキャパシタを並列接続にするかまたは並列接続を解除するスイッチと、
    をさらに備える請求項５に記載の差動増幅回路。
  8. 高周波帯域の差動信号を出力する第１および第２の増幅器と、
    前記第１の増幅器の出力端に一端が接続された第１のインダクタと、
    前記第２の増幅器の出力端に一端が接続された第２のインダクタと、
    前記第１のインダクタの他端と前記第２のインダクタの他端とが接続され、前記第１のインダクタおよび前記第２のインダクタの他端に接続されたチョークインダクタと、
    前記第１のインダクタおよび前記第２のインダクタに対して並列に設けられ、前記第１の増幅器の出力端に一端が接続されかつ前記第２の増幅器の出力端に他端が接続された第３のインダクタと、
    前記第３のインダクタの中点に一端が接続され、他端が基準電位に接続された第１のキャパシタと、
    を備え、
    電磁結合している１次巻線および２次巻線を有し、平衡−不平衡変換を行うトランスの１次巻線を用いて前記第１のインダクタおよび前記第２のインダクタが実現され、
    前記第３のインダクタの半分と前記第１のキャパシタとによる直列共振回路を備えた
    差動増幅回路。
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